JP6198630B2

JP6198630B2 - 受信装置及び復調方法

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Publication number: JP6198630B2
Application number: JP2014033938A
Authority: JP
Inventors: 雅彦匂坂
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2034-02-25
Also published as: JP2015159466A; US9225567B2; US20150244552A1

Description

本発明は、周波数シフトキーイング（ＦＳＫ）変調された信号を受信して復調する受信装置及び復調方法に関する。

デジタル通信の変調方式の一つとして、デジタル信号の値（「０」、「１」）を互いに異なる周波数に割り当てることにより、デジタル信号を変調する周波数シフトキーイング（ＦＳＫ）変調方式が知られている。また、ＦＳＫ変調方式で変調された信号の復調方法の一例が特許文献１に記載されている。

図７は、特許文献１に記載された受信装置（多値周波数シフトキーイング復調器）を示すブロック図である。図７に示す受信装置は、アンテナ１，周波数ホッピング方式に従う１次復調器２、及び、ＭＦＳＫ方式に従う２次復調器（ＭＦＳＫ復調器）３を備えている。１次復調器２は、混合器５，周波数シンセサイザ６及びホッピングパターン発生器７を備えている。２次復調器３は、ＢＰＦ（帯域通過フィルタ）８，ＡＤ（アナログ−デジタル）変換器９，ＦＦＴ（高速フーリエ変換器）１０，最大値選択器１１及び復号回路１２を備えている。

混合器５は、アンテナ１により受信され、かつ、図示しない増幅器によって増幅されたスペクトル拡散信号と周波数シンセサイザ６からのホッピングローカル信号とを同期をとりつつ混合して、スペクトル拡散信号の逆拡散を行い、１次復調信号を生成する。ＢＰＦ８は、混合器５から出力された１次復調信号から不要な信号を除去する。ＡＤ変換器９は、ＢＰＦ８から出力されたアナログの１次復調信号をデジタル信号に変換する。

ＦＦＴ１０は、ＡＤ変換器９から出力されたデジタル信号を予め設定された時間窓毎に切り出して高速フーリエ変換を行い、当該デジタル信号の複数の周波数成分（ＦＦＴ信号）を同時に検出する。

最大値選択器１１は、ＦＦＴ１０から出力されたＦＦＴ信号から複数の最大振幅値を示す周波数成分の変化を検出し、周波数成分の変化に応じて、複数個の符号語チップをもつ符号語データ信号Ｓ１を受信信号として生成する。更に、最大値選択器１１は、符号語データ信号Ｓ１と２次復調データのビットパターンの種類に応じて予め設定された複数の種類の符号語パターンデータ信号Ｓ２との間で最尤判定を行い、符号語データとの一致の度合いが最大の符号語パターンデータ信号Ｓ２を選択する。

復号回路１２は、最大値選択器１１により選択された符号語パターンデータ信号を所定のビット数からなるデジタル信号に復号し、２次復調データ信号（復調データ）として出力する。

このように、特許文献１の多値周波数シフトキーイング復調器は、ＦＳＫ変調信号に対して高速フーリエ変換を行うことによって該変調信号に含まれる複数の周波数成分を検出し、複数の周波数成分に基づいてデータ信号を得ている。特許文献１の技術は、包絡線検波器を用いることがなく、複数の帯域通過フィルタを用いる必要がないことから、特性にばらつきがなく、復調を高速かつ正確に行うことができる。

特開平９‐１３０３００号公報

しかしながら、上記従来技術では、すべての周波数成分に対してフーリエ変換演算を実行しているため、演算量が多くなり、特に、複数チャネルの信号を同時に受信する際にチャネル数分の復調処理ブロックが必要となるため、回路規模や消費電力の大幅な増大を招いてしまう。

本発明の目的は、受信装置において、複数チャネルの信号を同時に受信する際の回路規模の低減及び消費電力の低減を図ることである。

本発明の受信装置は、周波数シフトキーイング（ＦＳＫ）変調された複数チャネルの信号を同時に受信してそれぞれの信号を復調する受信装置であって、Mark周波数及びSpace周波数に基づいて、チャネル毎に、周波数成分を検出するための演算に用いる周波数の範囲を制御する演算範囲制御部と、前記演算範囲制御部の制御に基づいて、ＦＳＫ変調されたデジタル信号の各チャネルの周波数成分を検出する周波数成分検出器と、前記周波数成分検出器にて検出された各チャネルの周波数成分を、中心周波数が所定の基準周波数になるようにシフトさせるチャネルシフト部と、前記チャネルシフト部から出力された各チャネルの周波数成分を復調し、復調データを取り出す復調部と、を具備し、前記演算範囲制御部は、前記周波数成分検出器の出力信号の一部に基づいて前記Mark周波数及びSpace周波数を検出する構成を採る。

本発明の復調方法は、周波数シフトキーイング（ＦＳＫ）変調された信号の復調方法であって、Mark周波数及びSpace周波数に基づいて、チャネル毎に、周波数成分を検出するための演算に用いる周波数の範囲を設定する演算範囲設定ステップと、前記設定された周波数の範囲で、ＦＳＫ変調されたデジタル信号の各チャネルの周波数成分を検出する周波数成分検出ステップと、前記検出された各チャネルの周波数成分を、中心周波数が所定の基準周波数になるようにシフトさせるチャネルシフトステップと、前記シフトされた各チャネルの周波数成分を復調し、復調データを取り出す復調ステップと、を具備し、前記Mark周波数及びSpace周波数は、前記検出された各チャネルの周波数成分の出力信号の一部に基づいて検出される。

本発明によれば、周波数検出処理を実行する際に、所望の復調精度を得るために必要な一部の周波数成分を用いるように周波数の範囲を制御することができるため、周波数成分検出器及び復調部の演算量を削減することができる。このため、受信装置において、複数チャネルの信号を同時に受信する際の回路規模の低減及び消費電力の低減を図ることができる。

本発明の一実施の形態に係る受信装置の構成を示すブロック図本発明の一実施の形態に係る受信装置の周波数成分検出器の構成を示すブロック図本発明の一実施の形態に係る受信装置の演算範囲制御部の構成を示すブロック図本発明の一実施の形態に係るＦＳＫ変調信号の周波数スペクトルを示す図本発明の一実施の形態に係るチャネルシフト部の一例を示すイメージ図本発明の一実施の形態に係る受信装置の復調部の構成を示すブロック図従来の受信装置を示すブロック図

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、ＦＳＫ変調方式として２値ＦＳＫ変調を用いる。

（実施の形態）
図１は、本発明の一実施の形態に係る受信装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、受信装置１００は、アンテナ１０１と、混合器１０２と、周波数シンセサイザ１０３と、ＡＤＣ（アナログ-デジタル変換器）１０４と、復調処理ブロック２００と、から主に構成されている。復調処理ブロック２００は、周波数成分検出器１０５と、演算範囲制御部１０６と、チャネルシフト部１０７と、Ｎ個（Ｎは複数）の復調部１０８と、を備えている。なお、受信装置１００は、複数チャネルの信号を同時に受信する。

混合器１０２は、アンテナ１０１により受信され、かつ図示しない増幅器によって増幅された高周波受信信号と、周波数シンセサイザ１０３からのローカル信号とを混合して中間周波数のアナログ信号を生成し、ＡＤＣ１０４に出力する。

ＡＤＣ１０４は、混合器１０２から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、周波数成分検出器１０５に出力する。

周波数成分検出器１０５は、内部にフーリエ変換演算器を備え、ＡＤＣ１０４から出力されたデジタル信号に対して、演算範囲制御部１０６から指示された範囲について高速フーリエ変換を行い、当該デジタル信号の各チャネルの周波数成分（ＦＦＴ信号）を検出する。ＦＦＴ信号は、演算範囲制御部１０６およびチャネルシフト部１０７に出力される。なお、周波数成分検出器１０５の詳細については後述する。

演算範囲制御部１０６は、周波数成分検出器１０５から出力されたＦＦＴ信号を用いて、フーリエ変換演算を行う周波数の範囲を設定し、該範囲を周波数成分検出器１０５に指示する。なお、演算範囲制御部１０６の詳細については後述する。

チャネルシフト部１０７は、周波数成分検出器１０５から出力されたＦＦＴ信号をチャネル毎に分割し、中心周波数が所定の基準周波数になるように各チャネルのＦＦＴ信号をシフトさせ、対応する復調部１０８に出力する。なお、チャネルシフト部１０７の詳細については後述する。

各復調部１０８は、チャネルシフト部１０７から出力された、対応するチャネルのＦＦＴ信号を、所定のビット数からなるデジタル信号に復号し、２次復調データ信号（復調データ）として出力する。なお、復調部１０８の詳細については後述する。

次に、周波数成分検出器１０５の内部構成について図２を用いて説明する。周波数成分検出器１０５の内部構成は、図２（ａ）、（ｂ）に示す２通りが考えられる。図２（ａ）は単一の演算器を用いる場合を示し、図２（ｂ）は複数の演算器を用いて並列演算を行う場合を示す。

本実施の形態では、フーリエ変換演算器としてＤＦＴ（離散フーリエ変換）を用いる。ＤＦＴは、デジタル信号を予め設定された時間窓毎に切り出してフーリエ変換を行い、該デジタル信号の複数の周波数成分を抽出する演算である。一般的には、ＤＦＴは、以下に示す式（１）の演算を行う。なお、式（１）において、ｘ_ｑは演算器に入力される信号系列のｑ番目の信号、Ｓ_ｋはフーリエ変換演算によって得られた周波数ｋの周波数成分、ｑ＝０〜Ｎ−１,ｋ＝０〜Ｎ−１である。

この式（１）は、ｘ_０からｘ_Ｎ−１の全てにexp(-j2πqk/N)を乗算し、これらを加算することによりＳ_ｋを算出するという計算を、ｋを変化させながらＮ回繰り返して行う、ことを表している。したがって、フーリエ変換演算は、ｋの数を減らすことができれば、演算量を減らすことができる。

図２（ａ）の場合、単一の演算器が、ｑ＝０〜Ｎ−１及びｋ＝０〜Ｎ−１に対して繰り返し演算を行う。これにより、図２（ｂ）の場合に比べて回路規模を小さくすることができる。さらに、図２（ａ）の場合、演算するｋの数を減らすことができれば、従来技術に比べて演算時間も短縮することができる。

図２（ｂ）の場合、ｋに対応する各演算器が、ｑ＝０〜Ｎ−１に対して繰り返し演算を行う。これにより、図２（ａ）の場合に比べて演算時間を短縮することができる。さらに、図２（ｂ）の場合、演算するｋの数を減らすことができれば、従来技術に比べて回路規模を小さくすることができる。

本実施の形態では、周波数成分検出器１０５は、図２（ａ）あるいは図２（ｂ）いずれの場合であっても、演算範囲制御部１０６から指示されたｋの値についてフーリエ変換演算を行う。なお、すべての周波数成分に対してフーリエ変換の演算を行わず、ｋの値に対応する周波数成分に対してのみフーリエ変換の演算を行えば十分な復調精度を得ることができる。これは、復調にはＦＳＫ変調された各情報信号のみが必要であり、この情報信号はMark周波数およびSpace周波数に載せられており、Mark周波数／Space周波数以外の周波数成分はノイズ成分であって復調には不要なものだからである。
このように、本実施の形態では、Mark周波数及びSpace周波数を含む一部の周波数成分に対してフーリエ変換の演算を行うため、フーリエ変換の演算量を削減することができる。

次に、演算範囲制御部１０６の内部構成について図３を用いて説明する。演算範囲制御部１０６は、Mark/Space周波数検出器１２１と、演算範囲設定部１２２と、を備えている。

ＦＳＫ変調は、各情報信号の状態（デジタル信号では「０」又は「１」）を、互いに異なる周波数に割り当てる。具体的には、搬送波の中心周波数（直流成分）Ｓ_０から、＋ΔＳの周波数にデジタル信号「１」を割り当て、−ΔＳの周波数にデジタル信号「０」を割り当てる。このＳ_０＋ΔＳの周波数をMark周波数といい、Ｓ_０−ΔＳの周波数をSpace周波数という。

図４は、ＦＳＫ変調信号の周波数スペクトルを示す図である。図４の横軸は周波数、縦軸は受信レベルである。なお、図４は、Ｎ＝６４の例を示している。図４に示すように、周波数成分検出器１０５から出力された各周波数成分Ｓ_ｋの周波数スペクトルは、搬送波の中心周波数（直流成分）Ｓ_０を中心として略対象となり、正の周波数成分（Ｓ_１からＳ_３１）の中で、Mark周波数Ｓ_ｍにおいて受信レベルがピークとなり、負の周波数成分（Ｓ_３２からＳ_６３）の中で、Space周波数Ｓ_ｓにおいて受信レベルがピークとなる。

Mark/Space周波数検出器１２１は、正の周波数成分の中で受信レベルのピーク値を検出し、ピーク値に対応する周波数をMark周波数として検出する。同様に、Mark/Space周波数検出器１２１は、負の周波数成分の中で受信レベルのピーク値を検出し、ピーク値に対応する周波数をSpace周波数として検出する。そして、Mark/Space周波数検出器１２１は、検出したMark周波数及びSpace周波数を示す情報を演算範囲設定部１２２に出力する。

演算範囲設定部１２２は、Mark周波数、Space周波数を含む所定の帯域を、フーリエ変換演算を行う周波数の範囲として設定し、設定した範囲に相当するｋを指示する制御信号を周波数成分検出器１０５に出力する。

演算範囲設定部１２２における範囲の設定方法として、（１）Mark周波数あるいはSpace周波数を中心として±αの周波数の範囲（αは予め設定された固定値）とする方法、（２）Mark周波数あるいはSpace周波数の受信レベルに対して一定の割合を有する周波数の範囲とする方法、（３）Mark周波数とSpace周波数との間隔に応じて周波数の範囲の幅を設定する方法等が挙げられる。（３）の例として、Mark周波数とSpace周波数の間隔が100kHzならMark周波数及びSpace周波数を中心に±10%の範囲とし、Mark周波数とSpace周波数の間隔が200kHzならMark周波数及びSpace周波数を中心に±15%にする等が考えられる。

なお、Mark周波数及びSpace周波数が検出されれば、以下に示す式（２）により伝送レートを算出し、変調モードを推定することができる。なお、式（２）において、「Rate」は伝送レート、「Mark」はMark周波数、「Space」はSpace周波数である。

例えば、システムとして、変調モードＡ、Ｂ、Ｃの３種類を設定することが可能であり、変調モードＡの伝送レートが20kbps、変調モードＢの伝送レートが50kbps、変調モードＣの伝送レートが100kbpsであるとする。

この場合、Mark-Space=40kHzであれば、伝送レートが20kbpsとなるので、受信装置は、変調モードＡであると推定することができる。同様に、Mark-Space=100kHzであれば、伝送レートが50kbpsとなるので、受信装置は、変調モードＢであると推定することができる。また、Mark-Space=200kHzであれば、伝送レートが100kbpsとなるので、受信装置は、変調モードＣであると推定することができる。

これにより、受信装置１００は、通信相手の送信装置から変調モードを示す情報を予め受信する必要がなくなるので、伝送効率の向上を図ることができる。

次に、チャネルシフト部１０７の動作について図５を用いて説明する。図５の横軸は周波数、縦軸は受信レベルである。図５（ａ）は、周波数成分検出器１０５から出力されたＦＦＴ信号の周波数スペクトルを示す図である。図５（ａ）に示すように、周波数成分検出器１０５から出力されたＦＦＴ信号は、チャネル１からチャネルＮまでの各チャネルのＦＦＴ信号が周波数方向に連続して並べられた信号である。各チャネルのＦＦＴ信号には、それぞれ、Mark周波数（図５（ａ）のＭ）およびSpace周波数（図５（ａ）のＳ）が存在する。

チャネルシフト部１０７は、まず、周波数成分検出器１０５から出力された全チャネルのＦＦＴ信号を、予め決められたチャネル幅毎に分割し、チャネル１からチャネルＮまでの各チャネルのＦＦＴ信号に分割して取り出す。

そして、図５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、チャネルシフト部１０７は、各チャネルのＦＦＴ信号を、中心周波数Ｓ_０が所定の基準周波数Ｓ_ｒになるようにシフトさせ、シフト後の各チャネルのＦＦＴ信号を、各チャネルに対応する復調部１０８に出力する。

次に、各復調部１０８の内部構成について図６を用いて説明する。各復調部１０８は、それぞれ、ピーク検出器１３１と、ビット判定器１３２と、を備えている。

ピーク検出器１３１は、チャネルシフト部１０７から出力された、対応するチャネルのＦＦＴ信号の受信レベルのピーク値を検出し、ピーク値に対応する周波数（以下、「ピーク周波数」という）を示す情報をビット判定器１３２に出力する。

ビット判定器１３２は、ピーク検出器１３１から出力された周波数データに基づいてシンボル毎のビットを判定し、所定のビット数からなるデジタル信号に復号し、各チャネルの２次復調データ信号（復調データ）として出力する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ＦＦＴ信号からMark周波数及びSpace周波数を検出し、Mark周波数及びSpace周波数を含む一部の周波数成分に対してフーリエ変換の演算を行うため、フーリエ変換の演算量を削減することができる。

従って、本発明によれば、周波数成分検出器及び復調部の演算量を削減し、受信装置において、回路規模の低減及び消費電力の低減を図ることができる。特に、複数チャネルの信号を同時に受信する処理の場合、複数の復調部が演算を行うので、回路規模の低減及び消費電力の低減の効果が大きくなる。

なお、上記実施の形態では、周波数成分を抽出する演算器として最も簡単なＤＦＴを用いたが、本発明はこれに限られず、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）、ＳＴ−ＤＦＴ(瞬時ＤＦＴ)等、他の演算器を用いてもよい。

また、上記実施の形態では、周波数成分検出器１０５の出力信号に基づいて周波数の範囲を設定する場合について説明したが、本発明はこれに限られず、予め用意されている変調データに基づいて周波数の範囲を設定する等、他の方法を用いてもよい。

本発明は、受信装置において、高速に処理することができるという利点を残したまま、回路規模の低減及び消費電力の低減を実現することができるため、センサ無線ネットワーク等の特定小電力無線分野に用いるに好適である。

１００受信装置
１０１アンテナ
１０２混合器
１０３周波数シンセサイザ
１０４ＡＤＣ
１０５周波数成分検出器
１０６演算範囲制御部
１０７チャネルシフト部
１０８復調部
１２１ Mark/Space周波数検出器
１２２演算範囲設定部
１３１ピーク検出器
１３２ビット判定器
２００復調処理ブロック

Claims

周波数シフトキーイング（ＦＳＫ）変調された複数チャネルの信号を同時に受信してそれぞれの信号を復調する受信装置であって、
Mark周波数及びSpace周波数に基づいて、チャネル毎に、周波数成分を検出するための演算に用いる周波数の範囲を制御する演算範囲制御部と、
前記演算範囲制御部の制御に基づいて、ＦＳＫ変調されたデジタル信号の各チャネルの周波数成分を検出する周波数成分検出器と、
前記周波数成分検出器にて検出された各チャネルの周波数成分を、中心周波数が所定の基準周波数になるようにシフトさせるチャネルシフト部と、
前記チャネルシフト部から出力された各チャネルの周波数成分を復調し、復調データを取り出す復調部と、
を具備し、
前記演算範囲制御部は、
前記周波数成分検出器の出力信号の一部に基づいて前記Mark周波数及びSpace周波数を検出する、
受信装置。
周波数シフトキーイング（ＦＳＫ）変調された複数チャネルの信号を同時に受信してそれぞれの信号を復調する受信装置であって、
Mark周波数及びSpace周波数に基づいて、チャネル毎に、周波数成分を検出するための演算に用いる周波数の範囲を制御する演算範囲制御部と、
前記演算範囲制御部の制御に基づいて、ＦＳＫ変調されたデジタル信号の各チャネルの周波数成分を検出する周波数成分検出器と、
前記周波数成分検出器にて検出された各チャネルの周波数成分を、中心周波数が所定の基準周波数になるようにシフトさせるチャネルシフト部と、
前記チャネルシフト部から出力された各チャネルの周波数成分を復調し、復調データを取り出す復調部と、
を具備し、
前記演算範囲制御部は、
正の周波数成分の中で受信レベルのピーク値に対応する周波数を前記Mark周波数として検出し、負の周波数成分の中で受信レベルのピーク値に対応する周波数を前記Space周波数として検出する、
受信装置。
前記演算範囲制御部は、
前記Mark周波数及びSpace周波数に基づいて変調モードを推定する、
請求項１または２に記載の受信装置。
周波数シフトキーイング（ＦＳＫ）変調された信号の復調方法であって、
Mark周波数及びSpace周波数に基づいて、チャネル毎に、周波数成分を検出するための演算に用いる周波数の範囲を設定する演算範囲設定ステップと、
前記設定された周波数の範囲で、ＦＳＫ変調されたデジタル信号の各チャネルの周波数成分を検出する周波数成分検出ステップと、
前記検出された各チャネルの周波数成分を、中心周波数が所定の基準周波数になるようにシフトさせるチャネルシフトステップと、
前記シフトされた各チャネルの周波数成分を復調し、復調データを取り出す復調ステップと、
を具備し、
前記Mark周波数及びSpace周波数は、前記検出された各チャネルの周波数成分の出力信号の一部に基づいて検出される、
復調方法。
周波数シフトキーイング（ＦＳＫ）変調された信号の復調方法であって、
Mark周波数及びSpace周波数に基づいて、チャネル毎に、周波数成分を検出するための演算に用いる周波数の範囲を設定する演算範囲設定ステップと、
前記設定された周波数の範囲で、ＦＳＫ変調されたデジタル信号の各チャネルの周波数成分を検出する周波数成分検出ステップと、
前記検出された各チャネルの周波数成分を、中心周波数が所定の基準周波数になるようにシフトさせるチャネルシフトステップと、
前記シフトされた各チャネルの周波数成分を復調し、復調データを取り出す復調ステップと、
を具備し、
前記Mark周波数は、正の周波数成分の中で受信レベルのピーク値に対応する周波数として検出され、前記Space周波数は、負の周波数成分の中で受信レベルのピーク値に対応する周波数として検出される、
復調方法。