JPH01274518A - 直接変換受信機 - Google Patents

直接変換受信機

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JPH01274518A
JPH01274518A JP1060573A JP6057389A JPH01274518A JP H01274518 A JPH01274518 A JP H01274518A JP 1060573 A JP1060573 A JP 1060573A JP 6057389 A JP6057389 A JP 6057389A JP H01274518 A JPH01274518 A JP H01274518A
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03DDEMODULATION OR TRANSFERENCE OF MODULATION FROM ONE CARRIER TO ANOTHER
    • H03D3/00Demodulation of angle-, frequency- or phase- modulated oscillations
    • H03D3/007Demodulation of angle-, frequency- or phase- modulated oscillations by converting the oscillations into two quadrature related signals
    • H03D3/008Compensating DC offsets
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03DDEMODULATION OR TRANSFERENCE OF MODULATION FROM ONE CARRIER TO ANOTHER
    • H03D7/00Transference of modulation from one carrier to another, e.g. frequency-changing
    • H03D7/16Multiple-frequency-changing
    • H03D7/165Multiple-frequency-changing at least two frequency changers being located in different paths, e.g. in two paths with carriers in quadrature

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)
  • Circuits Of Receivers In General (AREA)
  • Superheterodyne Receivers (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、FM信号が混合器にてベースバンド周波数の
直交する■信号とQ信号とに周波数下方変換され、前記
I信号とQ信号とは復調手段に供給されて、萌記(信号
とQ信号とのアークタンジェントの時間微分を得ること
でFM信号中の変調が再生される直接変換受信機に関す
る。
入来RF倍信号直接ベースバンドにミックスダウンされ
る直接変換受信機(又はゼロIF受(n器)構成のスー
パーヘテロダイン受信機構成に対する利点は、直接変換
受信機が積分に対し適切となるベースバンドにおいて全
てのチャンネル増幅及びP波が行なえるということであ
る。しかし直接変換受信機の問題の1つは、混合器出力
に所要のベースバンド信号のほかに直流オフゼット電圧
が現われることである。この直流オフセットの振幅は所
要の信号よりはるかに大きくなりつるので除去する必要
がある。直流オフセットは混合器出力を交流結合するこ
とで除去しつるが、そうすると下方変換された搬送波に
より発生される所要の直流成分が除去されるだけでなく
、ベースバンドの直交信号に位相歪みが生じる。交流結
合に起因するこられの2つの効果のため入来信号をFM
復調するのは困難である。FM復調は、■チャンネル信
号とQチャンネル信号のアークタンジェントを計算する
ことで行なわれる。この不要な直流成分は、混合器内で
の直流オフセットと、局部発振器から混合器のRFボー
トへの局部発振器漏洩の直流への混合とに由来する。良
質の二重平衡ダイオードリング混合器は、典型的には4
0dBのL 0−RF分離及び約1mVの直流オフセッ
トを有する。
この直流項は、振幅が所要の信号よりはるかに大きくな
りえ、混合器後段の増幅器及びフィルタが飽和する原因
となるから除去する必要がある。
不要な直流成分は一定ではなく、局部発振器の周波数及
びパワーレベルで変動しているため、消去するのは容易
ではない。不要な直流成分は、混合器出力を交流結合す
ることで除去しつるが、そうすると下方変換された搬送
波が発生する所要の直流成分も除去されてしまう。この
所要の直流成分は、局部発振器の位相に対する入来搬送
波の位相に依存する。所望の直流成分が除去されるため
、RF倍信号位相を表わす■チャンネル信号とQチャン
ネル信号の値は交流結合後には不正確になる。
従って微分に後続される位相検出に基く周波数検出方法
は、不正確な位相が検出されることにより正しく働かな
い。
また、A/D変換器のダイナミックレンジは制限されて
いるから交流結合はアナログディジタル変換双性の回路
のアナログ部分で行なわれなければならないことにより
別の問題が生じる。従って交流結合を行なうフィルタは
、アナログ高域フィルタとなる。かかる種類のフィルタ
は、■チャンネル信号とQチャンネル信号とに周波数に
依存する位相偏移を引き起こすが、これは微分に後続さ
れる位相検出に基く周波数検出が用いられる場合には出
力信号を大きく歪ませる。
本発明の目的は、直接変換受信機の混合器出力を交流結
合することの前記の欠点を克服することにある。
本発明によれば、FM信号用の入力と、入力に結合され
、第1の出力と第2の出力とにそれぞれ周波数下方変換
されたベースバンド周波数の直交する■信号とQ信号と
を発生する手段と、■信号とQ信号を供給される第1の
入力と第2の入力とを有し、■信号と01号とのアーク
タンジェントの時間微分を得ることでFM信号内の情報
を復調する復調手段と、第1の微分手段と第2の微分手
段とからなり、前記第1と第2の出力はそれぞれ第1と
第2の微分手段に結合され、前記第1と第2の微分手段
の出力はそれぞれ復調手段の前記第1と第2の入力に結
合されてなる直接変換受信機が提供される。
本発明は、直流結合の場合の■信号とQ信号中の直流成
分は、局部発振器の位相に対する入来搬送波の位相に依
存し、またFMでは変調を搬送するのは絶対的な位相で
はなく位相の変化速度であるということに基く。従って
IチャンネルとQチャンネルは、信号処理の初期段階で
第1と第2の微分器で微分される。微分器の作用により
!信号及びQ信号から直流成分が全て除去され、また復
調器が変調情報を正しく再生しうるように周波数整形が
なされる。従って如何なる所要の情報も除去されること
はなく直流阻止が行なえる。
第1と第2の微分手段は、アナログ微分器でもディジタ
ル微分器でもよい。アナログ微分器はそれ自体が直流阻
止を行なう。しかし第1及び第2の微分手段が飽和する
危険性があるなら、第1及び第2の微分手段の入力への
結合に別体のキャパシタを設けるのが好ましい。
ディジタル微分器を用いる場合は、直流結合アナロクデ
ィジタル変換器を先行せしめる必要がある。ディジタル
微分器は有限長パルス応答(FIR)フィルタからなる
ようにすることができる。
第1と第2の微分手段を設けると2つの望ましくない効
果がある。第1に7エーザーの回転が逆転すると、18
0”の位相ジャンプが生じる。本発明による受信機では
フエーザーが常に領域(−90°、90” )内にある
ようにすることでこの位相ジャンプがなくされる。これ
は、位相が一180°と一90°の間又は90°と18
0°の間にある場合には 7 F及びQ′で表わされる
I信号とQ信号の微分の符号を反転することで、フエー
ザーが180′″にわたり回転して所要の領域内にある
ようにすることで行なわれる。
第2に、■信号及びQ信号を微分するとI′倍信号びQ
′倍信号周波数に依存するスケーリングが起こる。周波
数が低い場合信号の振幅は小さく位相の計算に誤まりが
起こる。この効果は、閾値を設定して■′倍信号Q′信
号双方の振幅が閾値より小さくなる時を判定することで
制限される。
その場合には2つの依頼しうる値の間を直線で補間する
か及び/又は復調手段の出力をゼロに設定する。
以下図面を参照して説明を行なうが、図面中対応する特
徴は同一の参照番号で示されている。
第1図に示される直接変換受信機は、第1及び第2の混
合器12及び14に接続されるアンテナ10からなり、
第1及び第2の混合器12及び14にはそれぞれ局部発
振器信号s i、nωct及びCOSω。tが印加され
る。局部発振器48月は、アンテナ10で受信されるF
M(N号の搬送波周波数に対応するか僅かにずれた周波
数を有する。混合及びその後の低域P波の結果ベースバ
ンド周波数あるいはゼロIF周波数に直交する信号!及
びQが得られる。
受信機の、それ自体は公知であるRF前置部分の別の配
置では、混合器14に供給されるRF倍信号位相は、混
合器12に供給されるRF倍信号位相に比べて相対的に
90°偏移しており、局部発振器信号は同一位相である
キャパシタ16及び18は、混合器12及び14から出
る信号路に接続される。キャパシタ16及び18は、混
合器12及び14と受信機回路の残りとの交流結合を行
ない、!信号及びQ信号における不要な直流オフセット
を除去する。しかしキャパシタ16及び18は、受信F
M信号の周波数下方変換により発生する所要の直流成分
をも除去してしまい、復調器2oの良好な動作を阻害す
る。またキャパシタ16及び18は、■信号及びQ信号
に位相歪を引き起こし、これにより復調信号が歪む。
復調器201よ、その入ノコに供給される信号のアーク
タンジェント(tan’)の時間微分を得る働きをなす
。図示の復調器20は、略アークタンジェントを得る装
置22と、装置22から供給を受ける微分器 24とからなる。装置22は、CORDICアルゴリズ
ムを実行するプロセッサからなるものでよい。このアル
ゴリズムは、ジャック E、ボルダ−、rRE  トラ
ンザクション オン エレクトロニック コンピュータ
ーズ、第EC−8巻3号(1959年)330頁乃至3
34頁「ザ C0RDIGトリゴノメトリツク コンピ
ユーテイング テクニック」に開示されている。あるい
は、復調器は微分アークタンジェント関数を直接近似す
るよう構成されてもよい。■信号及びQ信号がI調器2
0に単に交流結合される場合は、アークタンジェントを
実行するアルゴリズムは正しく動作しない。
この問題は、本発明による直接変換受信機では、キャパ
シタ16及び18から復調器20のそれぞれの入力への
信号路に微分回路26及び28を設けることで軽減され
ている。微分回路26及び28の作用は、■信号及びQ
信号から直流成分を全て除去することと、復調器が変調
情報を正しく再生するよう周波数整形を行なうことであ
る。必要ならば、利得段30及び32を、微分回路26
及び28の信号出力に接続してもよい。
本発明の理解を容易にするため第2図、第3a図及び第
3b図を参照して説明を行なう。第2図は直流阻止が用
いられない場合を示す。
狭帯域FMの場合、FM入力信号の位相スイング2βは
小さく(〈2π)、そのため混合器からの出力電圧では
、大きい直流成分に比較的小さい交流成分が重畳されて
いる(第2図)。この人きい直流成分は、RF信号の位
相角φ(1)を確定するのに重要である。アークタンジ
ェントアルゴリズムで位相を検出するには、FM入力信
号のX軸への射影(1(t))とy軸への射影(Q (
t))を知る必要がある。しかしIチャンネル信号及び
Qチャンネル信号が交流結合される場合は、FM入力信
号のX軸及びy軸への射影は直流結合の場合と異なる(
第3a図及び第3b図)。その誤まった射影によると、
計算されている位相の値は正しくなくなり、従って正し
くない値の周波数が検出される。
第1図に示される受信機において微分回路26及び28
が設けられたのは、第2図中の直流成分は局部発振器の
位相に対する入来搬送波の位相に依存し、FMでは変調
を搬送するのは位相の変化速度であって絶対的な位相で
はないということに拭く。従ってIチャンネル信号とQ
チャンネル信号は、処理の初期段階で微分することがで
きる。
第1図の受信機回路を分析すると次の通りである。
被変調信号は、A (t)を振幅、φ(1)を位相、及
びω。を搬送角周波数として、 S (t) −A (t)cos [ω。t+φ(t)
]で表わされる。
これはI (t) =A (t)cosφ(1)及びQ
 (t) −A (t)sinφ(1)として同相成分
及び直角成分について S (t ) −1(t ) cos (t) c t
−Q (t ) sin ω。t と表わされる。
この信号の位相は φ(t)−tan−’ (−Q (t)/I (t) 
)で与えられる。
微分を行なうと I’ (t)−−A、dφ/dt、5in(φ0+φ(
t))及び Q’  (t)−A、dφ/dt、 C03(φ0+φ
(t))である。
これらの信号をアークタンジェント復調器へ供給すると
、 1’ (t)/Q’  (t)−−tan [φ0+φ
(t)]tan ’ [1’ (t)/Q’ (t)]
 −−[φ0+φ(1)]。
であり、dφ/dtを所望の信号とすると、d/dt 
[tan ’  (I’ (t)/Q’ (t))] 
−−dφ/dtである。
微分回路26及び28を設けることにより2つの望まし
くない効果が生じる。その第1のものを第4図及び第5
図を参照して以下説明する。第4図は、位置1から出発
して順次位置10まで至り、それから位[1に戻るフェ
ーザーの回動を示す。
位置3と4との間及び位M8及び9との間における如く
フェーザーの回動方向が逆転する際180゜の位相ジャ
ンプが発生しく第5図)、このため復調器20の出力に
ピークができる。これは、アークタンジェント動作が一
意的である範囲(−90°、90°)内にフェーザーが
常にあるようにすることで除去される。この問題を解決
するため第1図の回路では微分回路26及び28と復調
°器20との間にピーク検出器34が設けられている。
動作時機分信号の位相が一180°と−906との間又
は906と180°との間にある場合には■′倍信号び
Q′信号の符号は反転されてフエーザーが1800にわ
たって回動し所要の範囲内にあるようにされる。11調
信号に関する限りは、この符号の反転は影響を与えない
微分回路を設けることによる第2の望ましくない効果は
、■′倍信号Q′信号との周波数に依存するスケーリン
グが生じることである。
交流結合されたIチャンネル信号及びQチャンネル信号
を微分すると、 ビーdφ/dt、Q−f、Q Q’−dφ/dt、I−−f、1 となり、微分により■′チャンネル信号及びQ′チャン
ネル信号は、■チャンネル信号及びQチャンネル信号だ
けでなく周波数偏移fに線型に依存する。従って周波数
偏移がゼロに近付けば、1′信号及びQ′信号は両方と
も、そのfへの依存性によりゼロに近付く。また交流結
合により、■信号及びQ信号に影響する位相歪も起こる
。これは、第1図中キャパシタ16及び18で示される
交流結合がアナログ高域フィルタで実現されていると想
定することで説明できる。第6図は、信号を交流結合す
る最も単純なフィルタである単極形RC回路網を示す。
このフィルターの伝達関数は H(jw)−jwCR/ (1+jwCR)で与えられ
、位相特性は arQ H(j W) −7r/2−arCtanRW
Cである。
位相応答は第7図に示されている。第7図は、交流結合
が単極形RC回路網で行なわれるならば、FM波形中の
直流成分が失われるだけでなく、位相偏移も生じること
を示す。位相偏移は、周波数偏移がゼロの時最大となる
から、交流結合された■チャンネル信号及びQチャンネ
ル信号の位相は、偏移がピロに近い時に直流結合された
1チャンネル信号及びQチャンネル信号から偏移する。
これらの2つの効果、つまり周波数に依存する振幅のス
ケーリングと位相歪みは、■′倍信号びQ′信号に依存
する振幅のスケーリングと位相歪は、■′倍信号びQ′
信号が周波数偏移fと■信号及びQ信号との積であるか
ら、組み合わさっている。従って周波数偏移tがゼロに
近い時は、1′信号及び信号は理想的状態から最も離れ
る。
I信号とQ信号は直角関係にあるから、同時にゼロクロ
シングをなすことは決して起こらない。
またI’−−f、QかつQ’−f、Iであるから、■′
倍信号Q′信号とは周波数偏移が非常に小さい時にのみ
小さくなる。従って歪は、ビ信号とQ′信号の両方にお
いて同値をゼロに近く設定することにより低減される1
′信号及びQ′信号がともに閾値以下の場合は、復調器
出力が非常に信頼しつるとはいえないということだけで
なく、出f)4M@が非常に小さいということでもある
。従って歪を低減する第1の方法は、2つの入力信号の
・・一方が再び閾値を越えるまで復調器出力を見積もる
ことである。
周波数偏移が小さくなり1′信号及びQ′信号の両方が
閾値以下となると、周波数偏移の見積もりうる値はゼロ
と設定される。従ってアークタンジェント変1iWiは
、信頼しえない出力を行ないやすい時には使用されない
i′チャンネルとQ′チャンネルの両方が閾値以下の場
合に周波数偏移を見積もる第2の方法は、出力をピロに
設定することと周波数偏移のより信頼しうる2つの値の
間を補間することの組み合わせである。この見積もりで
は2つの場合を区別する必要がある。ビ信号及びQ′信
号の両方が閾値以下となる直前の!′信号及びQ′信号
の値からの周波数偏移をflとし、どちらか又は両方の
大きさが再び同値以上となった直後のI′倍信号びQ′
信号からの周波数偏移をflとして、flの符号がfl
の符号に等しい場合は中間の周波数偏移はfl[1に設
定され、flの符号がflの符号と逆であるならば中間
の周波数偏移の値はflとで2の間を直線補間して得ら
れる。
このようにして中間の周波数偏移はf、及びflから直
接導かれ、アークタンジェント変換器20は用いられな
い。
補間法における制限要因は、閾値以下にあってI′倍信
号びQ′信号の少なくとも一方が再び閾値以上になるま
でメモリに記憶されねばならないサンプルの数である。
これは、特に復調器入力において信号がない場合にはリ
アルタイムの実行に問題を引き起こす。しかしこの問題
は第1と第2の方法の組み合わせで解決される。これは
次のようにして実行される。
カウンタは、閾値以下のサンプルの数を数える。
サンプルの数が一定値より多い場合は、■′倍信号びQ
′信号の少なくとも一方が再び閾値以上になるまで出力
がゼロに設定される。foがゼロに設定される最初の周
波数偏移であり、I′チャンネル信号及びQ′チヤンネ
ル信号の両方が閾値以下であり続けるものとすると、f
l とf、との間の中間的周波数偏移はflとf、との
間で直線補間され、それ以上のサンプルはビ信号及びQ
′信号の一方又は両方が閾値を越えるまでゼ[1に設定
される。
これらの見積もりは、入力信号が同値以下の場合出力信
号に一定程度の歪を引き起こす。しかし閾値が充分低い
レベルに設定されるならば、この歪は閾値が用いられな
い場合よりも相当に小さくなる。同値を設定することで
得られる別な利点は、アルゴリズムが雑音に対しより強
くなることである・閾値が設定されない回路は、arc
tan (1’ /Q’)がビチャンネル信号及びQ′
チャンネル信号の大きさが非常に小さい時に最も敏感と
なるから雑音に対し非常に敏感である。同値が導入され
ると、ビチャンネル信号及びQ′チャンネル信号の両方
の大きさが非常に小さい時にはアークタンジェント関数
は用いられないからこれは防止される。
第8図は、■′倍信号びQ′信号が同値検出器36に供
給される本発明の実施例を示す。検出器36はスイッチ
38を、I′倍信号びQ′信号の大きさが検出器36に
おいて設定された閾値より大きい場合スイッチ38は復
調器20の出力を通すよう接続され、これらの信号の両
方が閾値以下の場合はスイッチは、前記の基準に照らし
て直線補間器/ゼロ設定素子から出力される補間出力及
び/又はげ口出力を提供するように切換えられる。
第1図と第8図においてピーク検出器34は、微分回路
26及び28から復調器20までの信号路の任意の適宜
の点に設けられる。第8図においてIJ値検出器36へ
の出力は、微分回路26及び28の出力に接続されるよ
うにしてもよい。
図示の受信器は、FM信号のディジタル復調を行なえる
。完全を期すためこれについて簡単に説明する。I信号
とQ信号とは第1図を参照して説明したようにして得ら
れるが、直流阻止キャパシタ16及び18の侵にアナロ
グ信号はアナログディジタル変換器42及び44へ供給
される。そこからのディジタル出力は、それぞれが例え
ば4区画からなりまた例えばプログラマブルディジタル
信号ブロセッリから形成される有限長インパルス応答フ
ィルタからなる第1及び第2の微分回路26及び28に
供給される。ディジタルアナログ変換器(図示せず)が
受信器の出力46に接続される。
アナログ微分回路は直流阻止作用を有するので直流阻止
キャパシタは省略してもよい。しかし、第1及び第2の
微分回路26及び28が飽和する危険性がある場合は別
体のキャパシタを設ける方が好ましい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のある実施例の概略ブロック図、第2図
は直流結合の場合の入力信号の7工−ザー表示及び1チ
ヤンネル及びQチャンネル信号の時間波形を示す図、第
3a図及び第3b図はそれぞれ交流結合の場合の!チャ
ンネル信号及びQチャンネル信号の時間波形を示す図、
第4因は微分前の!チャンネル信号とQチャンネル信号
の7工−ザー表丞を示す因、第5図はビ信号とQ′信号
のフエーザー表示を示す図、第6図は単極形RC回路網
を示す因、第7図は単極形RC回路網の位相応答を示す
グラフ、第8図は本発明の別の実施例の概略ブロック図
である。 10・・・アンテナ、12.14・・・混合器、16゜
18・・・キャパシタ、20・・・復調器、24・・・
微分器、26.28−・・微分回路、30.32・・・
利得段、34・・・ピーク検出器、36・・・閾値検出
器、38・・・スイッチ、42.44・・・アナログデ
ィジタル変換器。 Ft’g、6゜ Fig、7゜ Fig、8゜ 0cm′

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)FM信号用の入力と、入力に結合され第1の出力
    と第2の出力とにそれぞれ周波数下方変換されたベース
    バンド周波数の直交するI信号とQ信号とを発生する手
    段と、I信号とQ信号を供給される第1の入力と第2の
    入力とを有し、I信号とQ信号とのアークタンジェント
    の時間微分を得ることでFM信号内の情報を復調する復
    調手段と、第1の微分手段と第2の微分手段とからなり
    、該第1と第2の出力はそれぞれ第1と第2の微分手段
    に結合され、該第1と第2の微分手段の出力はそれぞれ
    復調手段の該第1と第2の入力に結合されてなる直接変
    換受信機。
  2. (2)第1の微分手段及び第2の微分手段は、アナログ
    微分器からなることを特徴とする請求項1記載の直接変
    換受信機。
  3. (3)該第1の出力及び第2の出力はそれぞれ第1の微
    分手段及び第2の微分手段に交流結合されることを特徴
    とする請求項2記載の直接変換受信機。
  4. (4)第1の微分手段及び第2の微分手段はディジタル
    微分器からなり、第1のアナログディジタル変換器及び
    第2のディジタルアナログ変換器が設けられて、それぞ
    れ該第1の出力及び第2の出力に交流結合され、第1の
    ディジタルアナログ変換器及び第2のディジタルアナロ
    グ変換器の出力はそれぞれ該第1の微分手段及び第2の
    微分手段に接続されることを特徴とする請求項1記載の
    直接変換受信機。
  5. (5)微分されたI信号及びQ信号の位相が−180°
    と−90°との間及び90°と180°との間にある場
    合は必ず微分されたI信号及びQ信号の符号を反転する
    手段からなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれ
    か一項記載の直接変換受信機。
  6. (6)閾値設定手段と、微分されたI信号及びQ信号の
    大きさが設定された閾値より小さいかどうかを判定する
    手段とからなるクレーム1乃至5のいずれか一項記載の
    直接変換受信機。
  7. (7)微分されたI信号及びQ信号の大きさが閾値より
    小さいことに応じて復調手段の出力をゼロに設定する手
    段からなることを特徴とする請求項6記載の直接変換受
    信機。
  8. (8)微分された1信号及びQ信号の大きさが閾値より
    小さいことに応じて微分された信号の2つの信頼しうる
    値を直線的に補間する手段からなることを特徴とする請
    求項6又は7に記載の直接変換受信機。
  9. (9)復調手段は、CORDICアルゴリズムを用いて
    アークタンジェントをシミュレートする手段からなるこ
    とを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項記載の直
    接変換受信機。
  10. (10)実質的に添付の図面を参照して本明細書におい
    て説明され添付の図面に示される如く動作するよう構成
    配置された直接変換受信機。
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