JPS5818821B2 - Ｐｓｋ信号の搬送波同期方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 １ 本発明の技術分野 本発明はＰＳＫ（フェーズシフトキーイング）信号の受
信機側の復調回路に於ける搬送波の同期方式に関するも
のである。

２ 本発明の技術分野の背景 無線方式によって、例えば計測データ等を伝送するため
の無線テレメータ等に於ては、従来から信号の変調形式
としてＦＭ変調、ＦＭ−ＦＭ多重変調及びＳ Ｓ −Ｐ
Ｍ変調等が使用されている。

ところが近年、テレメータの観測精度の向上の要求から
計測データのデジタル化が促進され、これに伴い伝送さ
れる信号もＰＣＭ化され、その信号の変調形式もＰＣＭ
−ＰＳＫ変調方式が実施されるに至っている。

一方、電波需要が急速に増大しつつある現在、電波の周
波数帯域の有効利用が緊急の課題となっており、デジタ
ル信号を無線で伝送する技術に於てはこの課題からも周
波数の占有帯域幅の狭いＰＣＭ−ＰＳ−に変調方式が有
力視されてきている。

３ ＰＣＭ−ＰＳＫ変調方式の一般的事項搬送波を直
接ＰＣＭ信号でＰＳＫ変調すると、側帯波が生ずると同
時に搬送波はなくなる。

比較的少容量のＰ −ＣＭ信号、例えば１０キロピント
／秒（Ｋ Ｂ Ｉ Ｔ ／５ｅｃ）のＰ’ＣＭ信号で５
００ＭＨｚの搬送波を例えば４相ＰＳＫ変調した場合、
側帯波は搬送波を中心としてその両側１．２５ＫＨｚあ
たりから上記ＰＣＭ信号に応じて発生している。

一方、送信周波数（搬送波の周波数）の周波数安定度は
、一般的には１×１０−５〜ｌＸｌ０−６程度であり、
上記したように搬送波の周波数が５００ＭＨｚの場合、
送信階梯における周波数のドリフトは５Ｋ）（Ｚ〜０．
５ＫＨｚとなる。

又、受信側において、スーパーヘテロダイン方式）無線
受信機を使用した場合、そのローカル発振部の周波数安
定度も同様、ｌＸｌ０ ’〜ｌＸｌ０−６程度であり
、受信階梯における周波数のドリフトは５ＫＨｚ〜０．
５ＫＨｚとなり、送信、受信を総合した周波数のドリフ
トはｌ０ＫＨｚ〜ＩＫＨｚとなる。

４ 従来技術の説明 第１図Ａ、Ｂは、従来のＰＣＭ−ＰＳＫ信号の送信機及
び受信機の一般的な構成を１１７７図で示したものであ
る。

送信機の構成を示した第１図Ａに於て、１は第１の送信
ローカル発振部、２はＰＳＫ変調部、３は第２の送信ロ
ーカル発振部、４は周波数混合部（アップコンバータ）
、５は送信空中線である。

受信機の構成を示した第１図Ｂに於て、６は受信空中線
、７は第１のローカル発振部、８は第１の周波数混合部
、９は第２のローカル発振部、１０は第２の周波数混合
部、１１はＰＳＫ信号復調部である。

ＰＣＭ符号化された計測データはＮＲＺ信号形式で送信
機のＰＳＫ変調部２に入力される。

このＰＳＫ変調部２には第１の送信ローカル発振部１か
ら計測データによってＰＳＫ変調を受ける信号が入力さ
れており、当該ＰＳＫ変調部２からは上記計測データに
よってＰＳＫ変調された信号、すなわち上記計測データ
を含有するＰＳＫ信号が周波数混合部４に送出される。

周波数混合部４には第２のローカル発振部から上記ＰＳ
Ｋ信号を無線伝送するために必要な周波数までに上げる
ための信号が入力されており、上記ＰＳＫ信号は当該周
波数混合部４で高い周波数の信号に変換されたのち、送
信空中線５から送信される。

受信機側では送信機から送信された無線周波数のＰＳＫ
信号を受信空中線６で受信し、このＰＳＫ信号は、第１
の周波数混合部８で第１のローカル発振部７から送出さ
れる信号に基いて第１の中間周波信号ＩＩＦに変換され
、更に第２の周波数混合部１０で第２のローカル発振部
９から送出される信号に基いて第２の中間周波信号２Ｉ
Ｆに変換されたのち、Ｐ’Ｓ Ｋ信号復調部１１に入力
され復調される。

そして上記第２の中間周波信号２ＩＦは例えば搬送波の
周波数を５００ＭＨｚとすると前記３，３項で述べた１
０ＫＨｚ〜ＩＫＨｚの周波数のドリフトを受けている。

また、前記したようにＰＳＫ変調の階梯に於いては搬送
波がなくなっているため受信機側に於いてはＰＳＫ信号
の復調にあたって搬送波を再生する必要が生ずる。

そしてこの搬送波の再生はＰＳＫ信号信号部調部１１な
われる。

次に上記ＰＳＫ信号復調部１１について説明する。

送信機側から送られてくるＰＳＫ信号は送信機に入力さ
れるデータによって位相変化を受けており、ＰＳＫ信号
信号部調部１１相検波回路を有していて、この位相検波
回路によって上記ＰＳＫ信号の位相変化を検波し、ＰＳ
Ｋ信号の位相に応じて＋、−に変化する出力を送出する
。

この位相変化を検波する位相検波作用には位相変化の基
準とする基準位相信号を必要とするが、この基準位相信
号は送信機側でＰＳＫ変調を受けた信号、すなわち搬送
波と一致していなければならず、当該基準位相信号とし
て使用するために前記したように受信機側に於て搬送波
の再生を必要とする。

この基準位相信号としての搬送波の再生は送信機側から
送られた搬送波のないＰＳＫ信号の側帯波に基いて行な
われる。

この搬送波の再生回路を以下、搬送波再生回路という。

搬送波再生回路は通常ＰＬＬ（フェーズロックループ）
回路を使用して構成される。

ＰＬＬ回路は一般にＶＣＯ（電圧制御発振器）、位相検
波回路及びループフィルター回路等から成っており、Ｖ
ＣＯの出力信号の位相と受信信号すなわちＰＳＫ信号の
位相差を位相検波回路で検出し、その検出出力をループ
フィルター回路を通してｖＣＯに帰還することによりＶ
ＣＯの出力信号の位相を受信信号の位相に同期させるよ
う制御する回路である。

従ってこのＰＬＬ回路では受信信号周波数の変化にＶＣ
Ｏの発振周波数が追従する。

すなわちＶＣＯの周波数変化の範囲は、送信機側から送
られ、受信機で受信される受信信号の周波数の変化の範
囲内となる。

先に掲げた例では受信信号すなわち搬送波再生回路に入
力される信号の周波数の変化分（ドリフト）はｌ０ＫＨ
ｚ〜ＩＫＨｚであり、又、ＰＳＫ信号の側帯波はＩＫＨ
ｚ〜数ＫＨｚの周波数成分を含んでおり、上記受信信号
の周波数の変化範囲とＰＳＫ信号の側帯波の周波数範囲
が重なって存在する。

今、受信機が動作していて入力信号、すなわち送信機側
からの送信信号がないと、ＶＣＯの発振周波数は入力信
号の周波数変化範囲内のどの周波数であるかは定まって
いない。

したがって上記したように受信信号の周波数の変化範囲
とＰＳＫ信号の側帯波の周波数範囲とが重なって存在す
ることにより、ＰＬＬ回路に入力信号が入力されると、
その時点で当該ＰＬＬ回路は受信した入力信号の側帯波
の１つに同期してしまう事態が生ずる。

このことは受信側に於て搬送波再生回路により再生され
る信号の周波数は入力信号の側帯波の１つの周波数とな
り（いわゆるフォースロック）、再生されるべき正しい
周波数の搬送波は再生されず、一度この誤った同期が行
なわれると、ＰＳＫ信号の検波及びこの検波による受信
側での入力データの再生は不正確なものとなる。

５ 従来技術の問題点 以上に述べたように送信機あるいは受信機に使用されて
いるローカル発振回路の周波数安定度による周波数の変
化範囲とＰＳＫ変調によって生ずる側帯波の周波数範囲
とが重なっている場合、ＰＳＫ信号の検波再生に於て、
その基準信号である搬送波の再生が行なわれない危険が
あり、この危険を避けるためには送信機の搬送波周波数
の安定度及び受信機のローカル周波数の安定度を良くし
、受信信号の周波数ドリフトがＰＳＫ信号の側帯波の周
波数範囲内に入らな。

いようにする必要があり、前記の例では上記周波数の安
定度を２桁以上改善する必要がある。

このように周波数の安定度を改善することは送信機及び
受信機自体を非常に高価にするばかりでなく、周波数の
高安定化のために送信機及び。

受信機で消費される電力は極めて多くなる。

６ 本発明の目的 本発明は以上に述べた従来技術の問題点に鑑みなされた
もので、その目的とするところは、受信機及び送信機に
特別に安定度のよい発振間。

路を必要とせず、通常の安定度の発振回路を用いても受
信機に於て送信波すなわちデータによってＰＳＫ変調を
受けた信号を受信した時、いつでも正規な搬送波の再生
を可能とし、もってデータの復調を正しく行なうことが
できるＰＳＫ信号の搬送波同期方式を得ることを目的と
する。

７ 本発明の詳細な説明 第２図は本発明の実施例に係るＰＳＫ信号受信機の要部
（搬送波の再生回路）を示すブロック図であり、２１は
第１の周波数混合部、２２はローカル発振部、２３は第
２の周波数混合部、２４は中間周波増幅部、２５は周波
数逓倍部、２６は周波数弁別部、２７は第１のフィルタ
ー２８は第１の位相検波部、２９はループフィルター、
３０はオア回路部、３１は電圧制御発振部ＶＣ０，３２
は基準信号発振部、３３は移相回路部、３４は第２の位
相検波部、３５は第２のフィルター、３６はロック信号
発生部、３７はゲート回路部、３８はＰＳＫ信号復調部
である。

送信機から無線により送信され、搬送波の消失したＰＳ
Ｋ信号が受信機側に送られると受信機側では上記ＰＳＫ
信号がまず第１の周波数混合部２１に入力され、ローカ
ル発振部２２からの信号に基いて上記ＰＳＫ信号は第１
中間周波信号１■Ｆに変換され、更に第２の周波数混合
部２３により第２中間周波信号２ＩＦに変換される。

第２中間周波信号２ＩＦに変換されたＰＳＫ信号は中間
周波増幅部２４で増幅された後、周波数逓倍部２５に入
力される。

周波数逓倍部２５は２相ＰＳＫ信号に対しては２逓倍、
４相ＰＳＫ信号に対しては４逓倍又は８逓倍、８相ＰＳ
Ｋ信号に対して８逓倍が選ばれる等、その逓梧数がＰＳ
Ｋ変調の相数によって決定される。

周波数逓倍部２５にＰＳＫ信号が入力されると、その側
帯波は周波数逓倍部２５の上記ＰＳＫ信号の相数に対応
した逓倍作用によってＰＳＫ信号の消失した搬送波の周
波数附近の周波数に変換され、エネルギーが上記搬送波
の近辺に集中される。

周波数逓倍部２５から上記作用によって出力された信号
は周波数弁別部２６に入力されこの周波数弁別部２６は
上記信号の中心周波数（再生されるべき搬送波の周波数
）からのずれに応じた直流信号を出力し、この直流信号
は第１のフィルター２７及びオア回路部３０を経て電圧
制御発振部３１に入力される。

電圧制御発振部３１は、その発振周波数が上記動作によ
って入力される直流信号によって制御され、その出力信
号を第２の周波数混合部２３に供給する。

この結果、第２の周波数混合部２３から出力される前記
ＰＳＫ信号の第２中間周波信号２ＩＦの周波数は周波数
弁別部２６の中心周波数によって規定され、その中心周
波数の近傍の周波数に制御される。

この動作で理解されるように当該電圧制御発振部３１は
第２中間周波信号２ＩＦのローカル発振部として機能し
ている。

上記第２の周波数混合部２３から出て中間周波増幅部２
４、周波数逓倍部２５、周波数弁別部２６、第１のフィ
ルター２７、オア回路部３０及び電圧制御発振部３１を
経て上記第２の周波数混合部２３に帰るループは一種の
ＡＦＣ回路（周波数自動制御回路）を構成している。

通常のＡＦＣ回路と比較して本実施例に於けるＡＦＣ回
路はループ内に周波数逓倍部２５が挿入されている点が
異っている。

すなわち、従来のＡＦＣ回路の周波数の制御は周波数の
ずれを中心となる周波数にひき房す動作であるのに対し
て、本実施例におけるＡＦＣ回路の周波数の制御は中心
となる周波数を持つ信号、すなわち搬送波は消失してい
るので、中心となるべき周波数の信号（搬送波）を想定
し、その想定した信号の周波数になるように制御する動
作を行なわせる必要から上記したＡＦＣ回路が用いられ
る。

ＰＳＫ信号は変調するＰＣＭ符号等のコードにより搬送
波の位相が変化するため、瞬時に於けるＰＳＫ信号の側
帯波は中心周波数である搬送波の周波数の両側に於て等
しいエネルギーを有していない。

また、周波数弁別部２６は中心周波数の上下に現われる
側帯波のエネルギーの総和によって決まる電圧を上記中
心周波数からのずれによって生ずる誤差電圧として出力
するので、上記したように搬送波の周波数の両側でエネ
ルギー分布が異なる特性のＰＳＫ信号に対しては前記し
たＡＦＣ動作によって基準となるべき搬送波の再生は周
波数逓倍部２５によってエネルギーが中心周波数の近傍
に集中されてもなお完全には行なわれず、この結果ＰＳ
Ｋ信号復調部３８における復調動作において、当該ＰＳ
Ｋ信号復調部３８の内部のＰＬＬ回路がＰＳＫ信号の側
帯波の周波数に同期し、誤った復調作用を行う可能性が
ある。

この誤った復調作用を防止するため、本発明の実施例で
は上記ＰＳＫ信号復調部３８のＰＬＬ回路とは別個のＰ
ＬＬ回路が構成されている。

すなわち、第２の周波数混合部２３から出て中間周波増
幅部２４、周波数逓倍部２５、第１の位相検波部２８、
ループフィルター２９、オア回路部３０及び電圧制御発
振部３１を経て第２の周波数混合部２３に帰るループが
上言αＳＫ信号復調部３８内に設けられたものとは別個
に構成されたＰＬＬ回路である。

前記ＡＦＣ回路のループによって周波数弁別部２６の中
心周波数の近傍の周波数に制御された第２中間周波信号
２ＩＦは第１の位相検波部２８から上記ＰＬＬ回路のル
ープ内に入力される。

ところでＰＬＬ回路には同期する周波数の引込み範囲（
以下、プルインレンジという。

）があり、上記ＡＦＣ回路のループによる第２中間周波
信号２ＩＦの周波数の制御は当該周波数が上記プルイン
レンジ内にくるように制御される。

したがってＰＬＬ回路のループ内に上記第２中間周波信
号２ＩＦが入力されると、ＰＬＬ回路のループは同期状
態に入り、上記第２中間周波信号２ＩＦの周波数は移相
回路部３３を経て供給される基準信号発振部３２からの
信号の周波数に規制された周波数になる。

すなわち、基準信号発振部３２からの信号と周波数逓倍
部２５からの信号とが第１の位相検波部２８で比較され
、当該第１の位相検波部２８から上記２つの信号の位相
差に応じた電圧がループフィルター２９とオア回路部３
０を経て電圧制御発振部３１に入力され、当該電圧制御
発振部３１は上記第１の位相検波部２８の出力電圧がな
くなる方向にその発振周波数が制御されるので前記ＰＬ
Ｌ回路は第２中間周波信号２ＩＦが正しい中心周波数に
制御された時点でそのループに流れる信号の周波数が固
定される。

このループの位相が固定されることを通常「ロックされ
る」とい・う。

尚、上記基準信号発振部３２は例えば水晶振動子を使用
した発振回路で構成されていて１×１０−５〜１×１０
−６の周波数安定度で良好な発振信号を送出し、その発
振周波数は第２中間周波信号の周波数×周波数逓倍数、
に設定される。

以上のようにして第２中間周波信号２ＩＦは中心周波数
であるべき信号を中心としたＰＳＫ信号となる。

ＰＬＬ回路が上記したように中心周波数にロックされる
と、それを第２の位相検波部３４、第２のフィルター３
５及びロック信号発生部３６を経た回路で検出し、ロッ
ク信号発生部３６から出力される田ンク信号によってゲ
ート回路部３７をオンにし、第２中間周波信号２ＩＦを
ＰＳＫ信号信号部調部３８力する。

次に、ＰＬＬ回路が中心周波数にロックされたことを検
出する回路について述べる。

第１の位相検波部２８に入力される２つの信号、すなわ
ち、周波数逓倍部２５からの信号（周波数逓倍された第
２中間周波信号）と基準信号発振部３２からの信号の位
相差はＰＬＬ回路のループが中心周波数にロックされて
いる状態ではπ／２である。

したがって、上記ＰＬＬ回路のループが中心周波数にｒ
ツクされたことを検出するには上記２つの信号の位相差
がπ／２であることを検出すればよい。

この検出動作は以下のようにして行なわれる。

すなわち、基準信号発振部３２の出力信号の位相を移相
回路部３３てπ／２だけ移相させたのち（この移相回路
部３３によって第１の位相検波部２８と第２の位相検波
部３４とに供給される信号は互に位相がπ／２だけ異っ
ている。

）第２の位相検波部３４に供給し、当該第２の位相検波
部３４に入力されるもう一方の信号、すなわち第２中間
周波信号２ＩＦが周波数逓倍部２５で逓倍されて入力さ
れる信号の位相が上記移相回路部３３を経て基準信号発
振部３２から供給された信号の位相に一致したことを当
該第２の位相検波部３４で検出する。

第２の位相検波部３４に入力される上記２つの信号の位
相が異っている間、すなわち前記ＰＬＬ回路が中心周波
数にロックされていない間は当該第２の位相検波部３４
の出力信号は当該２つの信号の各々の周波数の差のビー
ト状態にあり、第２のフィルター３５の出力側には信号
が送出されない。

当該２つの信号の位相が一致したとき、すなわち前記Ｐ
ＬＬ回路が中心周波数にロックされたとき当該第２の位
相検波部３４は、ある値の直流電圧を出力する。

この直流電圧の出力は第２のフィルター３５を通ってロ
ック信号発生部３６に供給され、このロック信号発生部
３６はゲート回路部３７に前記ＰＬＬ回路のループが中
心周波数にｒツクされたことを表わすロック信号を供給
し、これによってゲート回路部３７がオンとなり、第２
中間周波信号２ＩＦはこの時点ではじめてＰＳＫ信号信
号部調部３８力される。

ＰＳＫ信号信号部調部３８内前記したようにＰＬＬ回路
が含まれており、このＰＬＬ回路に含まれるＶＣＯは通
常水晶発振回路が使用されていて当該ＶＣＯの周波数制
御範囲は本発明に係るＰＬＬ回路の基本周波数の発振回
路である基準信号発振部３２の周波数変動範囲と同等程
度に設定してあり、また、このＰＳＫ信号信号部調部３
８内ＬＬ回路のプルインレンジは第２中間周波信号２Ｉ
Ｆの中心周波数近辺の帯域帯に設定されている。

以上の実施例の動作説明に基づき本発明を要約すると、
以下のようになる。

受信機が稼動状態にあり、受信信号の電波が入力される
と、この受信信号の周波数とローカル信号（実施例に照
らして言えば電圧制御発振部３１から出力される信号）
の周波数の差の周波数を持つ中間周波信号が作られるが
、この中間周波信号がＰＳＫ信号復調部に入力される前
に、まずＡＦＣ回路が動作して上記中間周波信号の周波
数がＰＳＫ信号復調部への入力信号の中心周波数近辺に
なるように制御される。

この動作によってＡＦＣ回路の出力誤差電圧は小さくな
る。

上記ＡＦＣ回路による中間周波信号の周波数制御の結果
、当該中間周波信号の周波数力ψＬＬ回路のプルインレ
ンジまで制御されるとＰＬＬ回路は同期状態となり、上
記ＡＦＣ回路の出力誤差電圧は殆んど零となってオア回
路（実施例ではオア回路部３０）により当該ＰＬＬ回路
のみが動作した状態となって中間周波信号はＰＬＬ回路
の基準信号発振部の発振周波数に規制され、当該中間周
波信号はＰＳＫ信号復調部の中心周波数内に制御される
。

このように制御したのち、それを検出してゲートをオン
にし、ここで始めてＰＳＫ信号復調部に上記中間周波信
号を入力するようにする。

本発明に於ては、ＰＳＫ信号の中間周波信号はＰＳＫ信
号信号部調部力される前にＡＦＣ回路及びＰＬＬ回路に
入力されてその周波数が制御されるため、受信機内にお
ける周波数のドリフトは専ら上記ＰＬＬ回路の基準信号
発振部の周波数のドリフトによる。

今、受信機内の発振回路の周波数安定度を１ｘｌＯ’
とし、ＰＳＫ信号の搬送波の周波数を５００ＭＨｚ、第
１中間周波信号の周波数を１０ＭＨｚ１第２中間周波信
号の周波数を４５５ＫＨｚ、４相ＰＳＫ信号を扱うもの
とし、周波数逓倍を８逓倍するものとして周波数のドリ
フトについて述べる。

受信機のローカル発振部で一番周波数の高いのは第１段
目のローカル発振部であり、上記具体例ではその周波数
は４９０ＭＨｚである。

従来の装置ではこの第１段目のローカル発振部の発振周
波数のドリフトが装置全体のドリフトとなり、今の場合
、ローカル発振部の周波数安定度はｌＸｌ０−’である
ので周波数のドリフトは５ＫＨｚとなり、とのドリフト
はかなり大きい。

このため従来は′ローカル発振部に通常の水晶発振回路
は使用できず、更に２桁程度周波数安定度を改善した発
振回路を使用する必要がある。

これに対して本発明では前記したように受信機の周波数
のドリフトはＰＬＬ回路に関係する基準信号発振部の周
波数のドリフトに起因する。

上記具体例ではＰＬＬ回路に関係する基準信号発振部（
第２図の構成では基準信号発振部３２）の発振周波数は
、第２中間周波信号の周波数が４５５ＫＨｚ、周波数逓
倍が８逓倍であることにより、３６４０ＫＨ２である。

従って周波数のドリフトは約３６Ｈｚとなり、周波数の
ドリフトが極めて少なく、受信機内の発振回路に於てド
リフトを少なくするための特別の配慮を必要としない。

８ 本発明の効果 以上、詳細に説明した如く本発明では中間周波信号をＰ
ＳＫ復調部に入力する前に周波数逓倍回路を有するＡＦ
Ｃ回路に入力し、このＡＦＣ回路で中心周波数附近の周
波数に制御された中間周波信号を更にＰＬＬ回路に入力
することによって上記中間周波信号の周波数を上記ＰＳ
Ｋ復調部の搬送波同期用ＰＬＬ回路のプルインレンジ内
に容易に制御できるので、ＰＳＫ信号の受信機内の発振
回路を特別に安定度のよいものとする必要はなく通常の
水晶発振回路の周波数安定度（１ｘｌＯ−５〜１ｘｌＯ
−６）で充分満足でき、またそのだめに消費される電力
も少なくなる。

更にＰＳＫ送信機に於ても受信機側における安定したＰ
ＳＫ信号の復調作用により受信機と同様、その内部の発
振回路を特別に安定度のよいものとする必要もない等、
本発明はＰＳＫ変調方式を使用したデータ等の伝送シス
テムの安定した復調作用及び当該システムの安価な構成
並びに運用の面から極めて顕著なる効果を奏するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ、Ｂは従来のＰＳＫ信号の送信機及び受信機の
構成を示すブロック図、第２図は本発明の実施例に係る
ＰＳＫ信号の受信機の要部を示すブロック図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 受信信号の中間周波信号を逓倍して周波数弁別し、
   この周波数弁別した出力によって上記中間周波信号のロ
   ーカル発振部の発振周波数を制御するＡＦＣ回路ループ
   と、上記中間周波信号を逓倍した信号と基準信号とを位
   相比較し、その位相誤差信号によって上記中間周波信号
   のローカル発振部の発振周波数を制御するＰＬＬ回路ル
   ープを中間周波信号の送出段とＰＳＫ信号復調部との間
   に配置し、上記ＰＬＬ回路回路ループカッツク状態った
   時点で上記中間周波信号を上記ＰＳＫ信号復調部に人力
   するようにしたことを特徴とするＰＳＫ信号の搬送波同
   期方式。