JP4479460B2

JP4479460B2 - 復調装置及び復調方法

Info

Publication number: JP4479460B2
Application number: JP2004305049A
Authority: JP
Inventors: 雄三鈴木
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2024-10-20
Also published as: JP2006121245A

Description

本発明は復調装置及び復調方法に関し、特にデジタル無線通信システムにおける多値直交変調信号を復調する復調方式に関するものである。

従来のこの種の復調装置の例として、図１０に示すものがある。図１０を参照すると、直交検波器１と、ローカル発振器２と、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器３と、位相回転器４と、信号判定器５と、位相検出器（ＰＤ）６と、ＬＰＦ１０と、数値制御発振器１１とからなっている。

図１０において、直交変調された中間周波数帯の入力信号であるＩＦＩＮは、直交検波器１に入力されて、搬送波とほぼ同一周波数を有するローカル発振器２の出力を用いて、直交成分であるＩｃｈ１０３，Ｑｃｈ１０４に変換される。そして、Ａ／Ｄ変換器３により、以降のデジタル処理のために、アナログ信号Ｉｃｈ１０３，Ｑｃｈ１０４は、デジタル信号Ｉｃｈ１０５，Ｑｃｈ１０６に変換される。このとき、Ｉｃｈ１０５，Ｑｃｈ１０６には、ローカル発振器２から出力されるローカル周波数とＩＦ周波数（ＩＦＩＮの周波数）との周波数差に起因する位相回転が残っている。

位相回転器４において、Ｉｃｈ１０５，Ｑｃｈ１０６に対して、数値制御発振器１１によって出力される位相制御信号（位相回転情報）ｃｏｓ１１９，ｓｉｎ１２０を複素乗算することにより、位相補正を行って当該位相回転を収束させるようになっている。

信号判定器５は、位相回転器４の出力であるＩｃｈ１０７，Ｑｃｈ１０８のシンボル判定を行って、信号判定値Ｉｃｈ１０９，Ｑｃｈ１１０を出力すると共に、Ｉｃｈ１０７，Ｑｃｈ１０８の正負で定義される極性信号と、Ｉｃｈ１０７，Ｑｃｈ１０８から信号判定値Ｉｃｈ１０９，Ｑｃｈ１１０を減算した値で定義される誤差信号１１２とを算出して、位相検出器（ＰＤ）６へ送出する。

この位相検出器６は極性信号１１１と誤差信号１１２とから位相差信号１１３を算出し、ＬＰＦ１０はこの位相差信号１１３を平滑化してＡＰＣ（自動位相制御）信号１１８として数値制御発振器１１へ出力する。数値制御発振器１１では、ＡＰＣ信号１１８を積分することにより、先述した位相制御信号（位相回転情報）ｃｏｓ１１９，ｓｉｎ１２０が生成されるのである。

この様な復調装置については、準同期検波回路として、例えば、特許文献１や２などに開示されており、周知技術である。
特開２０００−２１６８３９号公報特開２０００−２４４５９２号公報

多値ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation ）変調信号を想定した場合、ＩｃｈおよびＱｃｈの位相平面上において、原点から遠い位置にある信号は、わずかなずれに対しても大きく揺らいでしまうために、誤って信号判定される可能性が高くなる。その結果、位相平面上において、原点から遠い位置にある信号点から得られる位相差信号１１３は信頼性が低いにもかかわらず、原点からの距離によらずに一様に使用されるようになっている。また、いわゆる位相とびのような瞬間的な位相変化にも追従してしまうために、途中で位相回転の向きが逆になるような不規則な位相変化が生じたときに、搬送波の同期を外す方向へ制御がかかってしまうことになり、同期外れの発生要因となる。

本発明の目的は、位相差信号の信頼度を向上させ、かついわゆる位相とびのような不規則な位相変化に影響を受けることなく、適切な位相制御が可能な復調装置及びその方法を提供することである。

本発明による復調装置は、直交変調信号を受信して直交成分を検波する手段と、この検波出力の位相補正を行う位相補正手段と、この位相補正後の各成分の信号判定を行って直交成分の復調をなす信号判定手段と、前記信号判定手段の出力の位相ずれを検出して前記位相補正手段のための位相差信号を生成する手段とを含む復調装置であって、前記信号判定手段の出力の大きさに応じて前記位相差信号の重み付けをなす重み付け手段とを含むことを特徴とする。

本発明による復調方法は、直交変調信号を受信して直交成分を検波するステップと、この検波出力の位相補正を行う位相補正ステップと、この位相補正後の各成分の信号判定を行って直交成分の復調をなす信号判定ステップと、前記信号判定ステップによる出力の位相ずれを検出して前記位相補正ステップのための位相差信号を生成するステップとを含む復調方法であって、前記信号判定ステップによる出力の大きさに応じて前記位相差信号の重み付けをなす重み付けステップとを含むことを特徴とする。

本発明によれば、アナログ系におけるローカル発振器の性能が悪いために復調装置において観測される位相雑音特性が劣化している環境においても、受信信号の信号判定値の絶対値に応じて重み付けされた位相差信号を用いることにより、位相差信号の信頼性を高めることができ、よって位相差の検出特性を改善し、かつ追従する必要のない瞬間的な位相変動を無視することにより、不用意なキャリアの同期外れを抑圧できるという効果がある。また、アナログ系の特性劣化をデジタル処理で補うことができるので、ＬＳＩに機能を集積化させることにより、トータルコストの低減が可能となるという効果もある。

以下に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明の第一の実施の形態のブロック図であり、図１０と同等部分は同一符号により示している。本例では、図１０の従来例に対して、重み付け選択回路７、平均化回路８、ＰＤ（位相検出器）出力制御回路９及び乗算器１８を付加したものである。

重み付け選択回路７は、信号判定値Ｉｃｈ１０９，Ｑｃｈ１１０の絶対値に応じて重み付け係数１１５を決定（選択）して出力する。この重み付け係数１１５は信号判定値の大きさ（絶対値）に反比例するように設定されているものとし、予めこの重み付け選択回路７内に設けられているＲＯＭテーブル（図示せず）に記憶しておき、信号判定値の大きさに対応した重み付け係数１１５をＲＯＭテーブルから読出して出力するようになっている。

平均化回路８は、ＰＤ（位相検出器）６から現在までに入力された位相差信号１１３の総数と累計値を基にして平均位相差信号１１４を算出してＰＤ出力制御回路９へ出力する。なお、位相差信号１１３は、その極性が位相の進み遅れを表わし、またその絶対値が位相の進み遅れの度合い（大きさ）を表わす信号である。

ＰＤ出力制御回路９は、位相差信号１１３を出力するか否かを平均位相差信号１１４に応じて制御する機能を有しており、位相差信号１１３と平均位相差信号１１４との差分を計算して、この差分値が予め設定された閾値より大きい場合には、位相とびが生じたと判断して、位相差信号１１３の出力を停止し、それ以外の場合には、位相差信号１１３をそのまま出力するものである。

このＰＤ出力制御回路９により出力制御された位相差信号１１４は重み付けのための乗算器１８へ入力されて、重み付け係数１１５が乗算されることにより重み付けされる。重み付け後の位相差信号１１７がＬＰＦ１０へ入力される。他の構成は、図１０のそれと同じとなっているので、説明は省略する。

以下、本実施の形態の動作を説明する。ここで、本発明の特徴となる位相差信号１１３について説明すると、先ず、信号判定器５において、極性信号（Ｄ）１１１と誤差信号（Ｅ）１１２とが、図２に示す如く算出されて得られる。そして、ＰＤ６において、これら極性信号（Ｄ）と誤差信号（Ｅ）とから、位相差信号１１３が生成される。この位相差信号１１３の極性は位相の進み遅れを表わしており、その絶対値は位相の進みや遅れの度合いを表わす。

ここで、図３を参照すると、変調方式が３２ＱＡＭの場合における受信信号の位相ずれに対する位相差信号の制御の方向を示したものであり、図３（Ａ）は、受信信号の位相が信号判定値に対して反時計回りにずれているとき、時計回りに位相回転を与える制御を行うことを示している。しかしながら、図３（Ｂ）に示す如く、受信信号の位相ずれが更に大きくなったとき、ＩＱ位相平面上において、原点から離れている信号ほど、適切な位相差信号が得られていないことが判る。

そこで、本発明においては、位相差信号を求める元となる受信信号の信号判定値の絶対値が大きいほど、位相差信号を減少させるように、また逆に、信号判定値の絶対値が小さいほど、位相差信号を増大させるように、重み付けを行うことにより、位相差信号の信頼性を高めるようにしている。３２ＱＡＭの場合には、信号判定値の絶対値は５とおり存在するために、これらの信号判定値の絶対値に応じて、重み付け選択回路７にて５とおりの重み付け係数１１５を生成するのである。

重み付け選択回路７は、予め設定されている５とおりの重み付け係数を、信号判定値Ｉｃｈ１０９，Ｑｃｈ１１０に応じてＲＯＭテーブルから読み出して出力する。この出力された重み付け係数１１５は、ＰＤ出力制御回路１０からの位相差信号１１６に対して、乗算器１８により乗算され、重み付けされる。

図４はこの重み付けを行ったとき（本提案方式）と、行わないとき（従来方式）との位相ずれ（度）に対する位相差信号の変化を示している。本発明による重み付けにより、従来よりも大きな入力位相差に対して、適切な位相差信号が得られている。

また、ＰＤ出力制御回路９は位相とびを検出して位相差信号１１３の出力制限をなすものであり、位相とびに対する追従防止をなす機能を有している。この位相とびの検出方法は次のとおりである。先ず、図１における平均化回路８において、過去に入力された位相差信号１１３の平均値の絶対値が出力される。よって、ＰＤ出力制御回路９では、平均化回路８からの平均値である平均位相差信号１１４と現時点における位相差信号１１３の絶対値との差分が算出され、この差分値が予め定められている閾値を上回ると、位相とびが発生したと判断され、その時点の位相差信号１１３の出力が停止されるのである。

図５は、周波数同期がとれている状態から、急に位相とびが発生したときの位相変化を示したものであり、（Ａ）は従来方式であり、（Ｂ）は本提案（本発明）方式のものである。（Ａ）に示す従来方式では、数値制御発振器１１からの位相情報１１９，１２０は、発振器２のローカル周波数と搬送波の周波数との差により生じる位相の変化量に対して、逆方向に同じ割合で増加している。そして、図中に示すような形で位相とびが発生すると、最初はそれに追従しているが、途中で位相制御の向きが逆になったときに追従することができず、搬送波の同期を外す方向へ制御がかかってしまい、同期外れが生ずることになる。

一方、（Ｂ）に示す本発明の方式では、位相とびが発生したとき、位相の変化には追従しない制御がかかることになる。よって、位相差は拡大するものの、前述した重み付けにより、ある程度の大きな位相差に対しても、適切な位相差信号を出力することができる。その結果、搬送波の同期を外す方向への制御がかかりにくくなり、搬送波の同期外れが制御できるのである。

図６は本発明の第二の実施の形態のブロック図であり、図１と同等部分は同一符号により示している。本例では、図１のブロックに対して、フレーム同期回路１２を追加し、その出力であるフレーム同期信号１２１によりＰＤ出力制御回路９の出力制御をなすようになっている。より詳述すると、本例では、ＰＤ出力制御回路９において、フレーム同期回路１２から出力されるフレーム同期信号１２１をもとに周波数同期がとれているか否かが判断され、同期がとれていない場合には、位相差信号１１３の出力を制限することなくそのまま出力する。これにより、キャリア引き込み時には、位相差信号１１３のゲインを落とさずにすむので、より良好な引き込み特性を得ることができる。これに対して、同期がとれているときは、位相差信号１１３に対して、図１におけるＰＤ出力制御回路９と同じ制御を実行するものである。

図７は本発明の第三の実施の形態を示したものである。本例においては図１のブロックにおける重み付け選択回路７及び重み付けのための乗算器１８をなくして、位相検出器（ＰＤ）６の位相差信号１１３を直接ＬＰＦ１０へ入力し、また、図１のＰＤ出力制御回路９に代えて、位相とび検出回路１３を設けている。そして、位相とび検出回路１３からの位相とび検出結果１２２により、ＬＰＦ１０の特性を制御するようになっている。その他の構成は図１のそれと同じである。

本例では、位相とび検出回路１３にて検出された位相とび検出結果１２２を基にＬＰＦ１０を制御している。すなわち、位相とび発生時には、ＬＰＦ１０のループ帯域幅を拡大させて引き込み易くし、逆に、位相とびが発生しないときには、ループ帯域幅を縮小させることにより、位相とび発生時の追従性と、定常時のＰＬＬループ内雑音の抑圧を両立することが可能となる。

なお、位相とび検出回路１３における位相とびの検出方法は、前述した如く、平均化回路８からの平均位相差信号１１４と現在の位相差信号１１３の絶対値との差分を算出し、この差分値が所定閾値を上回ったときに位相とびが発生したものと判断し、それ以外は、位相とびが発生しないものとする方法による。

図８は本発明の第四の実施の形態を示す図であり、図１と同等部分は同一符号により示している。本例は、第一〜第三の実施の形態における位相検出器（ＰＤ）６の他の例として、受信信号の信号判定値の絶対値の大きさに応じて、位相差信号１１３を出力するか否かを選択する機能を有する例を示したものである。

図８において、図１の重み付け選択回路７及び乗算器１８をなくし、信号判定器５の出力であるＩｃｈ１０９，Ｑｃｈ１１０を入力とするＰＤ出力選択回路１４を設け、この信号１０９，１１０から位相差信号１１３の出力の可否を選択するＰＤ出力選択信号１２３を得て、位相検出器（ＰＤ）６と平均化回路８へ送るようになっている。

ＰＤ出力選択回路１４においては、受信信号の信号判定値の絶対値の大きさに応じて、ＰＤ出力選択信号１２３を生成するものであり、例えば、Ｉ−Ｑ位相平面上の最外郭の信号点においてのみ位相差信号１１３の出力を止めるようにすることにより、位相平面上の原点から遠い信号点から得られるより信頼度の低い位相情報による制御を行わないようにしているのである。

よって、ＰＤ出力選択回路１４では、受信信号Ｉｃｈ１０９，Ｑｃｈ１１０から位相差信号の出力の可否を選択するＰＤ出力選択信号１２３を生成し、位相検出器（ＰＤ）６及び平均化回路８へ送る。位相検出器（ＰＤ）６はこのＰＤ出力選択信号１２３に応じて位相差信号１１３を出力するか否かの制御をなす。また、平均化回路８は、ＰＤ出力選択信号１２３が位相差信号の出力を止める信号であれば、平均化処理は行わないようになっている。他の構成は図１のそれと同じであり、よって説明は省略する。

図９は本発明の第五の実施の形態を示す図であり、図１と同等部分は同一符号により示している。本例では、図１の構成に対して、遅延素子であるフリップフロップ（Ｄ）１５とセレクタ２０とを追加したものである。本例においては、第一、第二及び第四の実施の形態とは異なるアプローチにより位相とびへの追従をなくしている。

すなわち、ＰＤ出力制御回路９は位相検出器（ＰＤ）６からの一つ前の位相差信号１１３を常に記憶するようになっており、位相とびが検出されないときには、現時点の位相差信号１１３をそのまま（１１７）出力し、位相とびが検出されると、一つ前の位相差信号を１１７として出力することにより、位相とびの追従を防いでいる。また、重み付け係数１１５についても同様に制御している。すなわち、位相とび検出時には、セレクタ２０により、フリップフロップ１５の出力である一つ前の位相差信号に対する重み係数を選択するようになっている。位相とびの検出方法は先の例と同じである。

上記の各実施の形態においては、復調装置の検波方式として準同期検波方式であり、入力される変調信号はＱＰＳＫ，ＱＡＭなどの直交変調信号としているが、周波数及び位相オフセット補正後の誤差信号及び周波数、位相オフセット補正時の位相回転信号が得られる構成であれば、必ずしも準同期検波である必要もなく、また変調方式として、ＱＰＳＫ，ＱＡＭ以外、例えばＱＰＳＫ以外のＰＳＫやＡＰＳＫでも良いことは勿論である。また、上記各実施の形態を適宜組合わせて実現できるものである。

上記の各実施の形態においては、これらを適宜組み合わせることができることは勿論である。

本発明の第一の実施の形態のブロック図である。図１における信号判定器５の出力である誤差信号Ｅと極性信号Ｄとを説明する図である。３２ＱＡＭの場合の位相差信号の制御例を示す図であり、（Ａ）は従来方式、（Ｂ）は本発明による方式の場合のものである。位相ずれ（度）対位相差信号の特性例を、従来方式との比較において示す図である。時間変化に伴う位相の変化量の例を示す図であり、（Ａ）は従来方式、（Ｂ）は本発明による方式の場合のものである。本発明の第二の実施の形態のブロック図である。本発明の第三の実施の形態のブロック図である。本発明の第四の実施の形態のブロック図である。本発明の第五の実施の形態のブロック図である。従来技術を示す復調装置のブロック図である。

符号の説明

１直交復調器
２ローカル発振器
３Ａ／Ｄ変換器
４位相回転器
５信号判定器
６位相検出器（ＰＤ）
７重み付け選択回路
８平均化回路
９ＰＤ出力制御回路
１０ＬＰＦ
１１数値制御発振器
１２フレーム同期回路
１３位相とび検出回路
１５フリップフロップ
１８乗算器
２０セレクタ

Claims

直交変調信号を受信して直交成分を検波する手段と、この検波出力の位相補正を行う位相補正手段と、この位相補正後の各成分の信号判定を行って直交成分の復調をなす信号判定手段と、前記信号判定手段の出力の位相ずれを検出して前記位相補正手段のための位相差信号を生成する手段とを含む復調装置であって、
前記信号判定手段の出力の大きさに応じて前記位相差信号の重み付けをなす重み付け手段とを含むことを特徴とする復調装置。
前記重み付け手段は、前記信号判定手段の出力の大きさが大なるほど前記誤差信号を小に設定し、前記信号判定手段の出力の大きさが小なるほど前記誤差信号を大に設定することを特徴とする請求項１記載の復調装置。
瞬時的な位相ずれを検出して前記位相差信号の出力を抑止する位相差信号抑止手段を、更に含むことを特徴とする請求項１または２記載の復調装置。
瞬時的な位相ずれを検出してその直前の位相差信号を出力する手段を、更に含み、前記重み付け手段は、前記直前の位相差信号に対する重み付けをなすことを特徴とする請求項１または２記載の復調装置。
前記位相差信号を入力とするループフィルタと、瞬時的な位相ずれを検出して前記ループフィルタの周波数帯域の拡大制御をなす手段とを、更に含むことを特徴とする請求項１または２記載の復調装置。
前記誤差信号の平均値と現在の誤差信号とを比較してその差が所定閾値を上回る場合に、前記瞬時的な位相ずれを検出するようにしたことを特徴とする請求項３〜５いずれか記載の復調装置。
前記信号判定手段の出力の周波数同期状態を判定して、同期状態の場合に前記位相差信号抑止手段の抑止動作を停止する手段を、更に含むことを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の復調装置。
前記信号判定手段の出力の大きさに応じて前記位相差信号の出力を抑止する手段を、更に含むことを特徴とする請求項１〜７いずれか記載の復調装置。
直交変調信号を受信して直交成分を検波するステップと、この検波出力の位相補正を行う位相補正ステップと、この位相補正後の各成分の信号判定を行って直交成分の復調をなす信号判定ステップと、前記信号判定ステップによる出力の位相ずれを検出して前記位相補正ステップのための位相差信号を生成するステップとを含む復調方法であって、
前記信号判定ステップによる出力の大きさに応じて前記位相差信号の重み付けをなす重み付けステップとを含むことを特徴とする復調方法。
前記重み付けステップは、前記信号判定ステップによる出力の大きさが大なるほど前記誤差信号を小に設定し、前記信号判定ステップによる出力の大きさが小なるほど前記誤差信号を大に設定することを特徴とする請求項９記載の復調方法。
瞬時的な位相ずれを検出して前記位相差信号の出力を抑止する位相差信号抑止ステップを、更に含むことを特徴とする請求項９または１０記載の復調方法。
瞬時的な位相ずれを検出してその直前の位相差信号を出力するステップを、更に含み、前記重み付けステップは、前記直前の位相差信号に対する重み付けをなすことを特徴とする請求項９または１０記載の復調方法。
前記位相差信号を入力とするループフィルタと、瞬時的な位相ずれを検出して前記ループフィルタの周波数帯域の拡大制御をなすステップとを、更に含むことを特徴とする請求項９または１０記載の復調方法。
前記誤差信号の平均値と現在の誤差信号とを比較してその差が所定閾値を上回る場合に、前記瞬時的な位相ずれを検出するようにしたことを特徴とする請求項１１〜１３いずれか記載の復調装置方法。
前記信号判定ステップによる出力の周波数同期状態を判定して、同期状態の場合に前記位相差信号抑止ステップの抑止動作を停止するステップを、更に含むことを特徴とする請求項９〜１４いずれか記載の復調方法。
前記信号判定ステップによる出力の大きさに応じて前記位相差信号の出力を抑止するステップを、更に含むことを特徴とする請求項９〜１５いずれか記載の復調方法。