JP7004618B2 - 周波数推定装置および追尾受信機 - Google Patents
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Description
実施の形態1.
図1は、実施の形態1による追尾受信機1の構成を示すブロック図である。追尾受信機1は、たとえば、航空機などの移動体などに搭載されて、例えば通信衛星などの通信相手と通信するために、移動体に搭載されたアンテナの指向方向誤差を求める。アンテナで生成された和信号(通常の信号)と差信号(指向方向誤差に相当する信号)とが、追尾受信機1に入力されて、追尾受信機1は、指向方向誤差を算出して出力する。指向方向誤差は、アンテナの指向方向を変更する駆動装置に入力されて、アンテナが通信相手の方向を向くように制御される。
位相補正値算出部231Sは、数値制御発振器(NCO)111Sを備える。位相回転部232Sは、cos/sin発生部112Sと、複素乗算器350Sと、低域通過フィルタ(LPF)115AS,115BSとを有する。複素乗算器350Sは、乗算器113AS,113BS,113CS,113DSと、加算器114AS,114BSとを含む。
位相補正値算出部231Eは、数値制御発振器(NCO)111Eを備える。位相回転部232Eは、cos/sin発生部112Eと、複素乗算器350Eと、低域通過フィルタ(LPF)115AE,115BEとを有する。複素乗算器350Eは、乗算器113AE,113BE,113CE,113DEと、加算器114AE,114BEとを含む。
ΔF=X*(2.19/4096) (0≦X≦2047)…(1)
ΔF=(X-4096)*{2.19/4096} (2048≦X≦4096) …(2)
ここで、Xと周波数の関係は、以下となる。
X=0は、周波数軸上の真ん中にある周波数ポイント
X=2047は周波数軸上の最も右にある周波数ポイント
X=2048は周波数軸上の最も左にある周波数ポイント、
X=4095は、周波数軸上の真ん中より1ポイント左にある周波数ポイント
以上のようにして、残留搬送波の周波数推定値ΔFは、離散フーリエ変換で算出する周波数スペクトルの周波数ポイントごと、すなわち、複素和信号(SUM4I+jSUM4Q)の4096サンプルごとに求めることができる。
図8は、PCM/PM信号のパワースペクトルの模式図である。図8には、バイフェーズのPCMコードを用いたPCM信号のパワースペクトルが示されている。PCM/PM信号のパワースペクトルは、中心部にある残留搬送波成分とそれ以外のデータ信号成分を含む。実際の運用で受信される受信信号には、ノイズ成分として示す白色ガウスノイズ成分などのノイズ成分も含まれる。
Pr=Pc+10*log10(cos2(m)) …(3)
Ps=Pc+10*log10(sin2(m)) …(4)
例えばm=1.5radなら、Pr=Pc-23dB、Ps=Pc-0.02dBとなり、残留搬送波の成分がデータ成分と比較して大幅に小さくなることが分かる。
信号レベル算出部73は、LPF部72を通過した周波数スペクトルのパワー値または振幅値を信号レベルPSとし、周辺信号レベル算出部74は、各々の周波数ポイントについて、その周波数ポイントの近傍の決められた範囲の複数の周波数ポイントの信号レベルから、その周波数ポイントの周辺信号レベルPNを算出したが、これに限定するものではない。
上記の実施形態では、周辺信号レベル算出部74は、周波数ポイントから2ポイント離れた片側8ポイントずつの点の信号レベルPSの平均値を、その周波数ポイントの周辺信号レベルPNとしたが、これに限定されるものではない。周辺信号レベル算出部74は、上記平均値をさらに離散フーリエ変換の隣接する2つの周波数ポイント間の周波数間隔で除算することによって得られる値を、周辺信号レベルPNとしてもよい。残留搬送波成分は、CW(Continuous Wave)に相当し、レベルは帯域幅に無関係であるため、PS/PN0で考えた方が受信状況を把握しやすいためである。
上記の実施形態では、周波数算出部182は、突出度PRが最大となる周波数ポイントの値に対応する周波数を残留搬送波の周波数推定値ΔFとしたが、これに限定されるものではない。周波数算出部182は、突出度PRが最大となる周波数ポイントに対応する周波数と、突出度が最大となる周波数ポイントの前後の周波数ポイントに対応する周波数とを用いて、例えば1次または2次の補間処理により、離散フーリエ変換の隣接する2つの周波数ポイント間の周波数間隔よりも高い解像度で残留搬送波の周波数推定値ΔFを算出することとしてもよい。
上記実施形態では、複素和信号生成部25Sは、アンテナで生成された中間周波数帯の和信号SUM-IFをデジタル信号に変換してから直交検波したが、これに限定されるものではない。すなわち、複素和信号生成部25Sは、アンテナで生成された中間周波数帯の和信号SUM-IFを直交検波してからをデジタル信号に変換してもよい。複素差信号生成部25Eも同様である。つまり、複素和信号生成部25Sは、アンテナで生成された中間周波数帯の和信号SUM-IFを直交検波した後にデジタル信号に変換して、または、デジタル信号に変換した後に直交検波して、複素和信号を生成する。複素差信号生成部25Eは、アンテナで生成された中間周波数帯の差信号ERR-IFを、直交検波した後にデジタル信号に変換して、または、デジタル信号に変換した後に直交検波して、複素差信号を生成する。
図14は、実施の形態2による追尾受信機101の構成を示すブロック図である。実施の形態2の追尾受信機101は、実施の形態1の追尾受信機1の構成要素に加えて、周波数追従部9を備える。
周波数追従部9は、周波数推定装置10によって推定された残留搬送波周波数(ΔFinit)と、複素位相回転部11Sが出力する複素和信号(SUM6I+jSUM6Q)の位相とに基づいて、残留搬送波周波数をゼロに近づけるように積分することによって、周波数補正値(-ΔFadj)を出力する。これによって、複素位相回転部11Sおよび11Sにおいて位相補正値(-Δθ)が生成される。
θa=arctan(SUM6Q/SUM6I)…(4)
図16は、実施の形態2の変形例1による追尾受信機201の構成を示すブロック図である。実施の形態2の追尾受信機201は、実施の形態1の追尾受信機1の構成要素に加えて、位相追従部209を備える。実施の形態2の追尾受信機201は、実施の形態1の複素位相回転部11S,11Eと異なる複素位相回転部211S,211Eを備える。
位相追従部209は、周波数推定装置10によって推定された残留搬送波周波数(ΔFinit)と、複素位相回転部11Sが出力する複素和信号(SUM6I+jSUM6Q)の位相とに基づいて、残留搬送波周波数をゼロに近づけるように位相補正値(-Δθadj)を出力する。
上記の実施形態では、加算器85の出力を受ける乗算器94の出力が複素位相回転部11S,11Eに周波数補正値(-ΔFadj)として送られるものとしたが、これに限定されるものではない。ループフィルタ93を乗算器83および加算器85を有しない構成として、積分器95の出力が乗算器94で符号を反転されて、複素位相回転部11S,11Eに周波数補正値(-ΔFadj)として送られるものとしてもよい。
図19は、実施の形態3による追尾受信機301の構成を示すブロック図である。実施の形態3の追尾受信機301の周波数推定装置310は、実施の形態1の追尾受信機1の周波数推定装置10の構成要素に加えて、N乗検波部13および周波数1/N倍部14を備える。
複素信号(I+jQ)をN乗した信号(I+jQ)Nは以下のように変形できる。ここで、複素信号(I+jQ)が極座標表示でR×exp(jθ)と表されるとする。
(I+jQ)N=(R×exp(jθ))N=(RN×exp(jN×θ))
NPSK信号のマッピング点は2π/N(rad)間隔で配置される。たとえば、QPSK信号の場合には、N=4となる。BPSK信号の場合には、N=2となる。
mod(4×θ1, 2π)=π、
mod(4×θ2, 2π)=mod(3π, 2π)=π、
mod(4×θ3, 2π)=mod(-3π, 2π)=π、
mod(4×θ4, 2π)=mod(-π, 2π)=π
残留搬送波による位相差Δθが存在する場合ときには、各マッピング点は、4×Δθだけずれる。上に示したように、QPSK信号を4乗すると、マッピング点は、πの1点に集まることが分かる。つまり、ナイキスト点付近のデータは1点で示すことができる。その成分が周波数軸上では、線スペクトル成分として表れる。残留搬送波の周波数がΔFのときには、この1箇所に集まった点が、1サンプル当りについて、4×ΔF/Fsの速度で回転することになる。Fsは、N乗検波部13に入力される複素和信号(SUM3I+jSUM3Q)のサンプリング周波数である。
複素平面上に配置されたシンボル点が2以上の自然数NについてN回の回転対称を有するデジタル変調方式であれば、N乗検波部13および周波数1/N倍部14を適用することができる。よって、N-PSK(N-Phase Shift Keying)信号だけでなく、QAM(Quadrature Amplitude Modulation)信号またはN-APSK(N-Amplitude Phase Shift Keying)信号などにも、N乗検波部13および周波数1/N倍部14を適用することができる。
上記の実施形態では、周波数1/N倍部14は、周波数ポイント判定部181で判定された突出度PRが最大となる周波数ポイントを1/N倍して、その結果を周波数算出部182へ送るものとしたが、これに限定されるものではない。周波数1/N倍部14は、周波数算出部182で算出された残留搬送波の周波数推定値ΔFを受けて、その周波数推定値ΔFを1/N倍するものとしてもよい。
図25は、実施の形態1~3に係る周波数推定装置10,310のハードウエア構成の例を表わす図である。図25に示すように、周波数推定装置10,310のハードウエアは、プロセッサ1100と、プロセッサ1100とバス1300で接続されたメモリ1200とを備える。
Claims (13)
- 直交検波およびデジタル化された受信信号を離散フーリエ変換して周波数ポイントごとの複素数である周波数スペクトルを生成する離散フーリエ変換部と、
前記周波数スペクトルの振幅値に基づく周波数ポイントごとの信号レベルを算出する信号レベル算出部と、
各々の前記周波数ポイントについて、その前記周波数ポイントの近傍の決められた範囲にある複数個の周波数ポイントである周辺周波数ポイント集合の前記信号レベルから、その前記周波数ポイントの周辺信号レベルを算出する周辺信号レベル算出部と、
各々の前記周波数ポイントにおいて、前記信号レベルの前記周辺信号レベルに対する大きさの程度を表す突出度を算出する突出度算出部と、
前記突出度に基づき前記受信信号に残留する搬送波の周波数を推定する残留搬送波周波数推定部とを備えた、周波数推定装置。 - 前記周辺周波数ポイント集合は、前記周辺信号レベルを算出する対象の前記周波数ポイントを少なくとも含む周波数軸上に連続して並ぶ決められた個数の前記周波数ポイントを含まないように決められている、請求項1に記載の周波数推定装置。
- 前記周辺信号レベル算出部は、前記周辺周波数ポイント集合に含まれる前記周波数ポイントの前記信号レベルの平均値を算出して、前記平均値を前記周辺信号レベルとする、請求項1または2に記載の周波数推定装置。
- 前記信号レベル算出部は、前記周波数スペクトルの振幅値、または前記振幅値を二乗した電力値を前記周波数ポイントごとの前記信号レベルとする、請求項1~3のいずれか1項に記載の周波数推定装置。
- 前記残留搬送波周波数推定部は、前記突出度が最大となる前記周波数ポイントに基づいて、前記受信信号に残留する搬送波の周波数を推定する、請求項1~4のいずれか1項に記載の周波数推定装置。
- 前記受信信号は、複素平面上に配置されたシンボル点がN回(Nは2以上の自然数)の回転対称を有するデジタル変調方式で変調されており、
前記離散フーリエ変換部は、前記受信信号をデジタル化および直交検波して得られる複素デジタル信号の位相をN倍した信号を離散フーリエ変換し、
前記残留搬送波周波数推定部は、前記突出度に基づき推定する周波数の1/N倍の周波数を、前記受信信号に残留する搬送波の周波数として推定する、請求項5記載の周波数推定装置。 - 電波源からの電波を受信するアンテナが出力するアナログ和信号を直交検波およびデジタル化することによって複素和信号を生成する複素和信号生成部と、
前記アンテナが出力するアナログ差信号を直交検波およびデジタル化することによって、複素差信号を生成する複素差信号生成部と、
前記複素和信号に残留する搬送波の周波数である残留搬送波周波数を推定する請求項1~6のいずれか1項に記載の周波数推定装置と、
前記残留搬送波周波数に基づく位相補正値に従って、前記複素和信号の位相を回転させる第1の複素位相回転部と、
前記位相補正値に従って、前記複素差信号の位相を回転させる第2の複素位相回転部と、
前記第2の複素位相回転部が出力する前記複素差信号および前記第1の複素位相回転部が出力する前記複素和信号に基づき、前記電波が到来する方向である到来方向と前記アンテナが向く方向である指向方向との差である指向方向誤差を算出する指向方向誤差算出部とを備えた、追尾受信機。 - 前記周波数推定装置によって推定された前記残留搬送波周波数と、前記第1の複素位相回転部が出力する前記複素和信号の位相とに基づいて、前記残留搬送波周波数をゼロに近づけるように、積分することで前記位相補正値が生成される周波数補正値を出力する周波数追従部をさらに備えた、請求項7記載の追尾受信機。
- 前記第1の複素位相回転部および前記第2の複素位相回転部は、前記残留搬送波周波数の符号を反転させて係数を乗算して求められた周波数補正値が入力され、前記周波数補正値を積分して位相補正値を出力する位相補正値算出部と、前記位相補正値だけ位相を回転させる位相回転部とを有する、請求項8記載の追尾受信機。
- 前記周波数追従部は、前記複素和信号の位相誤差を検出する位相誤差検出器と、前記位相誤差検出器の出力に係数を乗算した値を積分する積分器と、前記積分器の入力として指示された時点の前記残留搬送波周波数を選択して取り込む選択取込部とを有し、
前記周波数追従部は、前記積分器の出力に基づき前記周波数補正値を算出する、請求項8または請求項9記載の追尾受信機。 - 前記周波数推定装置によって推定された前記残留搬送波周波数と、前記第1の複素位相回転部に入力される前記複素和信号の位相とに基づいて、前記残留搬送波周波数をゼロに近づけるように、前記位相補正値を出力する位相追従部をさらに備えた、請求項7記載の追尾受信機。
- 前記第1の複素位相回転部および前記第2の複素位相回転部は、入力される前記位相補正値だけ位相を回転させる位相回転部を有し、前記第1の複素位相回転部は入力される前記複素和信号を遅延させる遅延回路を有し、前記第2の複素位相回転部は入力される前記複素差信号を遅延させる遅延回路を有する、請求項11記載の追尾受信機。
- 前記位相追従部は、前記位相補正値による補正後の前記複素和信号の位相誤差を検出する位相誤差検出器と、前記位相誤差に係数を乗算した値を積分する積分器と、前記積分器の入力として指示された時点の前記残留搬送波周波数を選択して取り込む選択取込部と、前記積分器の出力に基づく値を積分する第2積分器とを有し、前記位相補正値は前記第2積分器の出力に基づき算出される、請求項11または請求項12記載の追尾受信機。
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