JP3893197B2 - デジタル変調回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタル携帯電話などで使用されるデジタル変調回路に関するもので、特に、ベースバンドフィルタと直交変調器をＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等のデジタル信号処理装置により、実現する場合において、性能劣化なく信号処理規模を削減する変調回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、デジタル信号処理技術の発達により、アナログ回路で実現していた機能をデジタル信号処理で実現する例が増えている。デジタル信号処理で機能を実現した場合、特性のバラツキがない、経年劣化がない、調整が不要というメリットが得られる。さらに、ＤＳＰ等のプログラムにより書き換え可能なデジタル信号処理装置を用いた場合、ソフトウェアによって機能が記述されるので、修正、変更が容易であるというメリットも得られる。
デジタル携帯電話等通信機の分野においてもアナログ回路からデジタル信号処理への移行は進んでおり、究極の例として変復調、チャンネル分離等の無線通信機能のほとんどをソフトウェアで実現するソフトウェア無線機（Joe Mitola,"The Software Radio Architecture",IEEE Communication Magazine Vol.33 No.5 May 1995 p26-38）が提案されている。
図５は、デジタル携帯電話等で使用されるデジタル変調処理装置を、例えばＤＳＰを用いてデジタル信号処理装置で実現した例である。
図５において、このデジタル変調回路は、送信データが入力されるベースバンド変調器１と、上記ベースバンド変調器１に接続された第１および第２のベースバンドフィルタ２、３と、上記第１および第２のベースバンドフィルタ２、３に接続された第１および第２の乗算器４、５と、上記第２の乗算器５に接続された９０°位相器６と、上記第１の乗算器４および９０°位相器６に接続されたローカル発振器７と、上記第１および第２の乗算器４、５に接続された加算器８と、上記加算器８に接続されたＤ／Ａ変換器１０と、上記Ｄ／Ａ変換器１０に接続されたローパスフィルタ１１とを有している。
そして、上記第１および第２の乗算器４、５および９０°位相器６およびローカル発振器７および加算器８によって直交変調器９が構成され、上記ベースバンド変調器１および第１および第２のベースバンドフィルタ２、３および直交変調器１２の点線で囲んだ部分はＤＳＰのソフトウェアで機能を実現している部分である。
【０００３】
次に、動作について説明すると、まず、送信データはベースバンド変調器１に入力される。ベースバンド変調器１は変調方式に応じて、送信データをベースバンドＩ、Ｑ信号に変換する。Ｉ信号とは、変調波出力（ベースバンドフィルタ２の出力信号）の同相成分となる信号であり、Ｑ信号とは、変調波出力（ベースバンドフィルタ３の出力信号）の直交成分となる信号である。例えば、デジタル携帯電話で採用されているπ／４ＱＰＳＫ変調方式では、図６のような規則に従ってＩ、Ｑ信号が生成される。
ここで、変調のシンボル周波数すなわちＩ、Ｑ信号が変化する周波数をｆｂとおく。このＩ、Ｑ信号を、同じ特性を持つ第１および第２のベースバンドフィルタ２、３にそれぞれ入力し、帯域制限を行う。上記第１および第２のベースバンドフィルタ２、３はデジタルフィルタであるから、定められたサンプリング周波数ｆｓで動作し、帯域制限された出力を、第１および第２の乗算器４、５、ローカル発振器７、９０°位相器６および加算器８からなる直交変調器９に入力する。この直交変調器９もサンプリング周波数ｆｓで動作する。
また、ローカル発振器７は、デジタル変調回路の所望の出力周波数ｆｃの余弦波を発振する。上記直交変調器１２において、帯域制限されたＩ信号に周波数ｆｃの余弦波を乗算し、一方帯域制限されたＱ信号に周波数ｆｃの正弦波を乗算し、両者の出力を加算することによりデジタル変調波出力信号が得られる。
ここで、直交変調器９のデジタル変調波出力信号のスペクトルを図７に示す。デジタル変調波出力信号はサンプリング周波数ｆｓの離散信号であるため、中心周波数ｆｃの元信号の他にイメージ信号のスペクトルが中心周波数（ｆｓ−ｆｃ）に現れる。
このデジタル出力信号をＤ／Ａ変換器１０でアナログ信号に変換し、アナログのローパスフィルタ１１でイメージ信号を除去することにより所望の変調波出力を得る。通常、Ｄ／Ａ変換器１０のサンプリング周波数ｆｓとＤＳＰのサンプリング周波数ｆｓは一致させる必要がある。ただし、イメージ信号がローパスフィルタで除去できるためには、図７から容易に分かるように
ｆｓ＞２ｆｃ＋Ｗｄ （１）
なる条件が必要である。ここで、Ｗｄは変調波帯域幅である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記デジタル変調手段での処理において、上記ベースバンドフィルタ２、３は、その他変調等の処理手段に比べ、以下に示す計算でもわかるとおり処理量が圧倒的に多い。よって上記ベースバンドフィルタ２、３の処理量が多いことに起因して、デジタル変調手段全体の処理量が大きくなるという問題があった。
すなわち、上記ベースバンドフィルタ２、３はデジタルフィルタによる畳み込み演算であるので、その処理量はサンプリング周波数ｆｓとデジタルフィルタのタップ数で決まる。アナログフィルタで実現した時に比べて性能劣化のない特性を得るためには、フィルタのタップ長を送信デジタルデータのシンボル周期の８倍分の時間応答に相当するだけ用意する必要がある。従って、必要なタップ数は
（ｆｓ／ｆｂ）×８
となる。通常デジタルフィルタでは、タップ数に相当する数の和演算と積演算が各々必要であるが、例えばＤＳＰによるデジタル信号処理では、和演算と積演算を通常１クロックサイクル処理できる場合が多い。このとき、２つのベースバンドフィルタ２、３の処理量は次式で表せる。
ｆｓ×（ｆｓ／ｆｂ）×８×２ （２）
例として、シンボル周波数ｆｂ＝２１ｋＨｚ、変調波出力周波数ｆｃ＝４５５ｋＨｚ、変調波帯域幅Ｗｄ＝３２ｋＨｚの場合を考える。
まず、式（１）から、サンプリング周波数の条件は、
ｆｓ≧９４２ｋＨｚ
となり、ｆｓを最小の９４２ｋＨｚとした場合の２つのベースバンドフィルタ２、３の処理量は式（２）から、
６７６ＭＩＰＳ（Million Instructions per Second ）
となる。現在の汎用ＤＳＰの処理能力は、一般に高速なものでも４０〜５０ＭＩＰＳであり、実現するための処理規模は非常に大きくなる。
本発明は以上説明したような従来のデジタル変調処理手段の問題点を解決するためになされたものであって、性能劣化を起こすことなく処理量を削減して処理規模を小さくできるデジタル変調回路を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、送信データを変調して出力する機能をデジタル回路で実現したデジタル変調回路であって、送信デジタルデータをベースバンドＩ、Ｑ信号に変換するベースバンド変調手段と、上記ベースバンド変調手段の出力のベースバンドＩ、Ｑ信号を帯域制限するベースバンドフィルタ手段と、上記ベースバンドフィルタ手段の出力をアップサンプリングするアップサンプリング手段と、上記アップサンプリング手段の出力信号をローパスフィルタリングするローパスフィルタ手段と、上記ローパスフィルタ手段の出力を所望の周波数に周波数変換する直交変調手段と、を具備するデジタル信号処理装置と、上記直交変調手段のデジタル出力信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、所望の周波数の変調波出力を得るために上記Ｄ／Ａ変換器の出力信号の帯域制限を行なうフィルタと、を具備し、上記アップサンプリング手段が上記ベースバンドフィルタ手段の出力信号の周波数をｎ倍の周波数にアップサンプリングすることにより、上記アップサンプリング手段の前段において帯域制限するベースバンドフィルタ手段のサンプリング周波数を、上記アップサンプリング手段の出力信号の周波数の１／ｎの周波数に抑えたことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示した実施形態に基づいて説明する。図１は、本発明によるデジタル変調回路の一実施形態を示すブロック図である。
図１において、デジタル変調回路は、送信データが入力されるベースバンド変調器１と、上記ベースバンド変調器１に接続された第１および第２のベースバンドフィルタ２、３と、上記第１および第２のベースバンドフィルタ２、３にそれぞれ接続された第１および第２のアップサンプラ１２、１３と、上記第１および第２のアップサンプラ１２、１３にそれぞれ接続された第１および第２のローパスフィルタ１４、１５と、上記第１および第２のローパスフィルタ１４、１５にそれぞれ接続された第１および第２の乗算器４、５と、上記第２の乗算器５に接続された９０°位相器６と、上記第１の乗算器４および９０°位相器６に接続されたローカル発振器７と、上記第１および第２の乗算器４、５に接続された加算器８と、上記加算器８に接続されたＤ／Ａ変換器１０と、上記Ｄ／Ａ変換器１０に接続された第３のローパスフィルタ１１とを有している。
そして、上記第１および第２の乗算器４、５および９０°位相器６およびローカル発振器７および加算器８によって直交変調器９が構成され、上記ベースバンド変調器１および第１および第２のベースバンドフィルタ２、３および第１および第２のアップサンプラ１２、１３および第１および第２のローパスフィルタ１４、１５および直交変調器９の点線で囲んだ部分は、ＤＳＰのソフトウェアで機能を実現している部分である。
【０００７】
次に、上記デジタル変調回路の動作について説明する。
まず、送信データはベースバンド変調器１に入力され、ベースバンド変調器１は変調方式に応じて、送信データをベースバンドＩ、Ｑ信号に変換する。
ここで、変調のシンボル周波数すなわちＩ、Ｑ信号が変化する周波数をｆｂとおく。このＩ、Ｑ信号を、同じ特性を持つ第１および第２のベースバンドフィルタ２、３にそれぞれ入力し、帯域制限を行う。上記ベースバンドフィルタ２、３はデジタルフィルタであり、定められた第１サンプリング周波数ｆｓ１で動作する。
次に、帯域制限されたＩ、Ｑ信号出力を第１および第２のアップサンプラ１２、１３でｆｓ１のｎ倍の第２サンプル周波数ｆｓ２にアップサンプルする。すなわち、上記ベースバンドフィルタ２、３における第１サンプリング周波数ｆｓ１は後で具体例で説明する様に上記第２のサンプリング周波数ｆｓ２の１／ｎに小さくできる。従って、上記ベースバンドフィルタ２、３における処理量を減少できる。
上記アップサンプルする場合の補間法は様々な方法があるが、ここでは増加したサンプル点の値を全て０とするゼロ補間を行う。例として、ｎ＝８の場合のアップサンプラの出力信号のスペクトルを図３に示す。図３から分かるように図２のスペクトルのイメージがｆｓ１毎に現れる様になる。
【０００８】
これを第１および第２のローパスフィルタ１４、１５により、図３に示した一点鎖線内部のイメージを減衰させる。上記ローパスフィルタ１４、１５の出力後、上記直交変調器９により、ｆｓ１からｆｓ２にアップサンプルされたベースバンドＩ、Ｑ信号出力を、所望の周波数まで周波数変換する（図４参照）。
そして、周波数変換後に、Ｄ／Ａ変換器１０で、アナログ信号に変換し、Ｄ／Ａ変換器１０のサンプリング周波数に比例した間隔で生じるイメージ信号をローパスフィルタ１１にて減衰させる。
以上の様に、上記実施形態によれば、帯域制限のためのベースバンドフィルタ２、３におけるサンプリング周波数ｆｓ１を大幅に減少することにより、ベースバンドフィルタ２、３の処理量が以下に示した式の結果のように大幅に減少する。
ここで、上記ベースバンドフィルタ２、３における第１サンプリング周波数ｆｓ１＝１６８ｋＨｚ、上記アップサンプラ１２、１３によりアップサンプルされた第２サンプリング周波数ｆｓ２＝１．３４４ＭＨｚ、シンボル周波数ｆｂ＝２１ｋＨｚの場合、上記式（２）から、
ｆｓ１×（ｆｓ１／ｆｂ）×８×２＝２１．５ＭＩＰＳ
となり、アップサンプラ後におけるローパスフィルタ１４、１５においては、上記第２のサンプリング周波数ｆｓ２で動作するが、減衰に必要なタップ数は、
（ｆｓ２／ｆｂ）／４
必要であり、その処理量は以下に示す式より算出される。
（ｆｓ２×（ｆｓ２／ｆｂ）／４）×２＝４３ＭＩＰＳ （３）
よって、前述した従来方式によるデジタル変調手順では、ベースバンドフィルタ２、３の処理量が６７６ＭＩＰＳであったものが、本実施例ではベースバンドフィルタ２、３およびローパスフィルタ１４、１５の処理量を合わせて６５ＭＩＰＳとなり大幅に処理量が削減されることがわかる。
【０００９】
【発明の効果】
本発明は、以上説明した様に、ＤＳＰ内におけるベースバンドフィルタの直後にアップサンプラを設けてアップサンプルする様にしているため、上記ベースバンドフィルタのサンプリング周波数を低く抑えることができ、処理量を大幅に減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるデジタル変調回路の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１に示した実施形態のベースバンドフィルタの出力信号のスペクトルを示す図である。
【図３】図１に示した実施形態のアップサンプラの出力信号のスペクトルを示す図である。
【図４】図１に示した実施形態の直交変調器の出力信号のスペクトル図である。
【図５】従来のデジタル変調回路を示す図である。
【図６】π／４ＱＰＳＫ変調方式において、Ｉ、Ｑ信号が生成される規則を示す図である。
【図７】図５に示した従来のデジタル変調回路の直交変調器の出力信号のスペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１…ベースバンド変調器、 ２、３…ベースバンドフィルタ、
４、５…乗算器、 ６…９０°位相器、
７…ローカル発振器、 ８…加算器、
９…直交変調器、 １０…Ｄ／Ａ変換器、
１２、１３…アップサンプラ、
１１、１４、１５…ローパスフィルタ、

Claims (1)

1. 送信データを変調して出力する機能をデジタル回路で実現したデジタル変調回路であって、送信デジタルデータをベースバンドＩ、Ｑ信号に変換するベースバンド変調手段と、上記ベースバンド変調手段の出力のベースバンドＩ、Ｑ信号を帯域制限するベースバンドフィルタ手段と、上記ベースバンドフィルタ手段の出力をアップサンプリングするアップサンプリング手段と、上記アップサンプリング手段の出力信号をローパスフィルタリングするローパスフィルタ手段と、上記ローパスフィルタ手段の出力を所望の周波数に周波数変換する直交変調手段と、を具備するデジタル信号処理装置と、
   上記直交変調手段のデジタル出力信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器と、
   所望の周波数の変調波出力を得るために上記Ｄ／Ａ変換器の出力信号の帯域制限を行なうフィルタと、を具備し、
   上記アップサンプリング手段が上記ベースバンドフィルタ手段の出力信号の周波数をｎ倍の周波数にアップサンプリングすることにより、上記アップサンプリング手段の前段において帯域制限するベースバンドフィルタ手段のサンプリング周波数を、上記アップサンプリング手段の出力信号の周波数の１／ｎの周波数に抑えたことを特徴とするデジタル変調回路。

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