JP5168111B2 - 位相不確定性除去機能を有する復調器およびそのキャリアスリップ補償方法 - Google Patents

Description

本発明は、復調器およびそのキャリアスリップ補償方法に関わり、特に位相不確定性除去機能を有する復調器およびそのキャリアスリップ補償方法に関する。

ディジタル無線通信システムでは、周波数利用効率の向上を目的として、１６ＱＡＭや６４QAM等の直交振幅変調を用いることが一般的である。直交振幅変調では、復調方式として同期検波を用いることが多いが、再生搬送波に４通りの位相不確定性が生じるため、正しい位相以外では送信符号系列が正しく再生されないという問題がある。

この問題を解決するため、差動変換または差動符号化と呼ばれる技術が知られている。これは、符号をシンボルの絶対位相に対応させるのではなく、１シンボル前との位相差に対応させるため、再生搬送波に位相不確定性があっても、正しい復調結果を得ることが出来る。しかしながら、１個前のシンボルとの位相差に符号を対応させるため、シンボル誤りが発生した場合に、次のシンボルにも誤りが伝播し、ＢＥＲ（ビット誤り率）特性が劣化することになる。

また、差動変換とは別のシンボルへの符号割り当て方法として、グレイ配置と呼ばれる方法が知られている。これは、上下左右に隣り合うシンボル同士に割り当てられた符号が互いに１ビットのみ異なる配置の仕方であり、それゆえＢＥＲ特性が最良となる。しかしながら、シンボルの絶対位置に符号を割り当てているため、再生搬送波の位相を送信側と一致させる必要がある。

以上の問題に対し、特許文献１のような方法が考案されている。この方法は、図７に示すように、４ＰＳＫ復調回路２０により復調された復調信号Ｐ１，Ｐ２をフレーム同期回路２１に出力する。フレーム同期回路２１では、復調信号Ｐ１，Ｐ２とそれらの反転信号を組み合わせて、４通りの位相を生成し、それぞれの位相に対して無線フレーム中の特定位置に挿入されたユニークワードを検出することで、正しい位相を選択し、位相不確定性を除去した出力データＰｒ１、Ｐｒ２を出力する。この方法によれば、位相不確定性の除去と良好なＢＥＲ特性を両立させることができる。

しかしながら、同期検波方式においては、局部発振器の位相雑音等の影響により、キャリアスリップ（再生搬送波の位相が瞬間的に異なる位相に遷移する現象）が発生する場合がある。

特許文献１の方法においては、一旦位相を選択してフレーム同期が確立した後にキャリアスリップが発生した場合、フレーム同期回路の前方保護時間が経過した後、フレーム非同期状態となる。その後、改めてユニークワードの検出を行い、後方保護時間経過した後に、再度フレーム同期が確立する。

また、本発明に関連する技術として、特許文献２には、チャネル切換時のＤＣオフセット値を検出を高速に行い、高速な引き込みを行うために、直交復調出力信号をＤＣオフセット用とエリア判定用に分岐し、ＤＣオフセット補正用直交復調出力信号からＤＣオフセット値を求め、エリア判定用直交復調出力信号のＤＣオフセットを補正することの記載がある。

また、特許文献３には、位相曖昧度除去回路において、同期後に同期語（ユニークワード）を検出しそこなった場合も位相を判定する回路を付加することにより、より正確に位相曖昧度を除去することの記載がある。
特開２０００−１３４５９号公報 特開２００２−２９０４８７号公報 特開平０６−２７６２３９号公報

一般的に、フレーム同期の前方保護では、ＢＥＲ特性が悪い状態においても簡単に非同期状態にならないように、複数回のユニークワード比較を行う。従って、前方保護時間は無線フレーム周期の数倍〜数１０倍程度の時間となる。また、後方保護においても、偶然ユニークワードと同一のパタンがデータ中に含まれていた場合でも誤同期しないように、複数回の比較を行う。

従って、特許文献１の方法においては、位相選択をユニークワードの検出のみに頼っているため、一旦正しい位相を選択してフレーム同期が確立した後にキャリアスリップが発生した場合、無線フレーム周期の数１０倍程度の間、回線断が継続してしまうという問題があった。

本発明に係わる復調器は、位相不確定性を有する同相復調信号と直交復調信号の各ＤＣオフセット量を検出するＤＣオフセット検出手段と、
前記位相不確定性を有する同相復調信号と直交復調信号について所定の位相でフレーム同期が確立したときに、フレーム同期確立時の前記同相復調信号と直交復調信号の各ＤＣオフセット量に基づき、４通りの再生搬送波位相に対する４通りの同相オフセット範囲、直交オフセット範囲をそれぞれ設定し、フレーム同期確立後の同相オフセット量と直交オフセット量の組合せを、前記４通りの同相オフセット範囲、直交オフセット範囲の組合せと照合することによって引き込み位相を判定し、判定した引き込み位相に対応するデータあるいはフレームパルスあるいはフレーム同期情報を選択する機能を有する、位相選択及びフレーム同期手段と、
を有することを特徴とする。

また本発明の復調器のキャリアスリップ補償方法は、位相不確定性を有する同相復調信号と直交復調信号の各ＤＣオフセット量を検出するステップと、
前記位相不確定性を有する同相復調信号と直交復調信号について所定の位相でフレーム同期が確立したときに、フレーム同期確立時の前記同相復調信号と直交復調信号の各ＤＣオフセット量に基づき、４通りの再生搬送波位相に対する４通りの同相オフセット範囲、直交オフセット範囲をそれぞれ設定し、フレーム同期確立後の同相オフセット量と直交オフセット量の組合せを、前記４通りの同相オフセット範囲、直交オフセット範囲の組合と照合することによって引き込み位相を判定し、判定した引き込み位相に対応するデータあるいはフレームパルスあるいはフレーム同期情報を選択するステップと、
を有することを特徴とする。

本発明によれば、復調出力のＤＣオフセット量を用いることにより、キャリアスリップが発生した場合の回線断時間を小さく抑えることが出来る。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

本実施形態は、ディジタル無線通信システムの復調器において、復調出力のＤＣオフセット量を用いてキャリアスリップの発生を検出することにより、キャリアスリップ発生時の回線断時間を抑えるものである。

図１に本発明に係わる一実施形態の復調器を示す。図1はベースバンドサンプリング準同期検波方式の復調器である。

受信信号１は、直交復調器２において局部発振器（ＬＯ）３の出力を用いて直交復調され、Ｉｃｈ／Ｑｃｈベースバンド信号に変換された後、アナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）４および５によりディジタル信号に変換される。キャリア同期回路６は、入力されたＩｃｈ／Ｑｃｈベースバンド信号に残っている位相回転を除去し、Ｉｃｈ復調信号６ａ、Ｑｃｈ復調信号６ｂとしてＤＣオフセット検出回路７に供給する。

ＤＣオフセット検出回路７はキャリア同期回路６から出力されるＩｃｈ復調出力６ａ、Ｑｃｈ復調出力６ｂのＤＣオフセット量を検出し、それぞれＩｃｈオフセット７ｃ、Ｑｃｈオフセット７ｄとして、位相選択／フレーム同期回路８に供給する。位相選択／フレーム同期回路８では、フレーム同期確立時のオフセット量に基づき、４通りの再生搬送波位相に対するＩｃｈオフセット範囲、Ｑｃｈオフセット範囲を設定する。そして、供給されたＩｃｈオフセット量７ｃとＱｃｈオフセット量７ｄの組合せが４通りのＩｃｈオフセット範囲とＱｃｈオフセット範囲の組合せのいずれかを満たす場合、キャリアスリップが発生したものとして、上記オフセット範囲に対応する位相からのデータ、フレームパルス、フレーム同期情報をそれぞれ出力データ８ａ、フレームパルス８ｂ、フレーム同期情報８ｃとして出力する。

図２はＤＣオフセット検出回路７の一構成例を示すブロック図である。Ｉｃｈ復調信号６ａおよびＱｃｈ復調信号６ｂは、シンボル判定回路７０において最も近い信号点に判定され、その信号点の正規の振幅がＩｃｈ出力７ａおよびQch出力７ｂとして、位相選択／フレーム同期回路８に出力される。また、Ｉｃｈ出力７ａ、Ｑｃｈ出力７ｂは、それぞれ減算器７１、７２にも供給され、Ｉｃｈ復調信号６ａおよびＱｃｈ復調信号６ｂとの差分出力７１ａおよび７２ａが出力される。差分出力７１ａおよび７２ａは、平均回路７３および７４において平均化される。

図３は平均回路７３および７４の一構成例を示すブロック図である。平均回路７３および７４の構成は同一であって、図３はその一方の構成を示している。入力信号は、乗算器９０において定数αと乗算され、加算器９１に入力され、乗算器９２の出力と加算される。加算器９１の出力は遅延器９３に入力され、次の値が入力されるまで現在の値を保持する。遅延器９３の出力は、乗算器９２において定数１−αと乗算され、加算器９１に入力される。

平均回路７３および７４の出力は、それぞれＩｃｈオフセット７ｃ、Ｑｃｈオフセット７ｄとして位相選択／フレーム同期回路８に供給される。

図４は位相選択／フレーム同期回路８の一構成例を示すブロック図である。ＤＣオフセット検出回路７からのＩｃｈ出力７ａ（図４ではＩｃｈ入力７ａとして示す）は、デマッピング回路８２，８５と反転回路８０に入力され、ＤＣオフセット検出回路７からのＱｃｈ出力７ｂ（図４ではＱｃｈ入力７ｂとして示す）は、デマッピング回路８２，８３と反転回路８１に入力される。反転回路８０の出力８０ａはデマッピング回路８３，８４に入力され、反転回路８１の出力８１ａはデマッピング回路８４，８５に入力される。このように、Ｉｃｈ出力７ａ及びＱｃｈ出力７ｂは、反転回路８０および８１の出力８０ａおよび８１ａとの組合せにより、４通りの搬送波位相における復調出力に変換され、それぞれデマッピング回路８２〜８５に入力される。デマッピング回路８２〜８５は、それぞれ入力されたＩｃｈおよびＱｃｈ振幅が表す信号点に割り当てられたデータ８２ａ〜８５ａをフレーム同期回路８６〜８９に出力する。

フレーム同期回路８６〜８９は、入力されたデータに対してユニークワードの検出を行い、データ、およびフレームの位置を示すフレームパルス、同期状態を表すフレーム同期情報を出力データ／フレームパルス選択回路９０に出力する。

出力データ／フレームパルス選択回路９０は、入力されたデータ、フレームパルス、フレーム同期情報のうち、フレーム同期が確立した位相からの入力を選択して、それぞれ出力データ８ａ、フレームパルス８ｂ、フレーム同期情報８ｃとして出力する。また、フレーム同期確立時のＩｃｈオフセット７ｃおよびＱｃｈオフセット７ｄに基づき、４通りの位相に対するＩｃｈオフセット範囲およびＱｃｈオフセット範囲を設定する。その後、Ｉｃｈオフセット７ｃおよびＱｃｈオフセット７ｄの組合せが４通りのＩｃｈオフセット範囲とＱｃｈオフセット範囲の組合せのうち、いずれかを満たす場合に、対応する位相からの入力データ、フレームパルス、フレーム同期情報を出力として選択する。

なお、直交復調器２、キャリア同期回路６、デマッピング回路８２〜８５、フレーム同期回路８６〜８９は、当業者にとって良く知られているものであり、その詳細な構成については省略する。

（動作の説明）
次に、図１を用いて本実施形態の復調器の動作を説明する。

受信信号１は、直交復調器２において局部発振器（ＬＯ）３の出力を用いて直交復調され、Ｉｃｈ／Ｑｃｈベースバンド信号に変換された後、アナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）４および５により、ディジタル信号に変換される。本実施例では、復調方式として準同期検波方式を想定しているため、Ａ／Ｄ４および５の出力には受信信号１とＬＯ３出力との周波数差による位相回転が含まれている。この位相回転は、キャリア同期回路６によって取り除かれ、Ｉｃｈ復調出力６ａおよびＱｃｈ復調出力６ｂとして、ＤＣオフセット検出回路７に出力される。

復調出力６ａおよび６ｂには、変調回路のアナログ部に起因するＤＣオフセットが重畳されており、正規の信号点位置からのずれとして現れる。図５を用いて、ＤＣオフセット検出回路７においてオフセットを検出する方法を説明する。

図５は変調方式としてＱＰＳＫを用いた場合の信号点配置（コンスタレーション）を表したものである。図５を参照すると、白丸で表された点は正規の信号点、黒丸で表された点はキャリア同期回路６の復調出力を表している。

従って、シンボル判定回路７０において、復調出力６ａおよび６ｂから最も近い信号点を判定してその正規の位置を表す値を求め、加算器７０および７１によって、シンボル判定前の振幅値との差を求めることにより、ＤＣオフセット成分を抽出することができる。但し、この差にはＤＣオフセット成分だけでなく、通信路上で加算される雑音成分も重畳されているため、平均回路７３および７４において、これらの影響を除去することにより、ＤＣオフセット成分のみを位相選択／フレーム同期回路８に出力する。

フレーム同期回路８では、Ｉｃｈ入力７ａおよびＱｃｈ入力７ｂから、４通りの再生搬送波に対応する復調出力を生成する。これは以下の演算により行うことが出来る。引き込み位相が０度の場合の復調出力をそれぞれＩ、Ｑとすると、各引き込み位相における復調出力Ｉ’、Ｑ’はそれぞれ式（１）〜（３）によって求められる。

Ｉ’＝−Ｑ、Ｑ’＝Ｉ （９０度の場合） 式（１）
Ｉ’＝−I、Ｑ’＝−Ｑ （１８０度の場合） 式（２）
Ｉ’＝Ｑ、Ｑ’＝−Ｉ （２７０度の場合） 式（３）
デマッピング回路８２〜８５は、それぞれ入力された信号点に対応するデータを出力する。信号点とデータの対応はグレイ配置により決定されており、シンボル誤り率に対するＢＥＲ特性は最良となる。

デマッピング回路８２〜８５によって再生されたデータ系列は、それぞれフレーム同期回路８６〜８９に入力される。このフレーム同期回路は、一般的に用いられるユニークワード検出機能と後方保護機能および前方保護機能を備えており、データおよびフレーム位置を表すフレームパルス、同期状態を表すフレーム同期情報を出力する。

グレイ配置によるマッピングでは、送信データ系列を正しく再生するためには、変調波の搬送波位相と再生搬送波の位相が一致している必要がある。従って、ユニークワードが検出されてフレーム同期が確立するのは、４個のうちの１個のみである。他の３個においては、偶然ユニークワードと同一のパタンを検出することはあっても、後方保護機能によりフレーム同期が確立することはない。

従って、出力データ／フレームパルス選択回路９０では、４通りの入力のうち、フレーム同期が確立したフレーム同期回路からのデータ、フレームパルス、同期情報を選択して、最終的な出力データ８ａ、フレームパルス８ｂ、フレーム同期情報８ｃとして出力する。

次に、キャリアスリップの補償方法について説明する。図５を参照すると、引き込み位相によりＤＣオフセットの値が異なって現れることが分かる。従って、最初にフレーム同期が確立した時点のオフセットの値に基づき、４通りの位相における基準オフセット範囲を設定する。例えば、最初に引き込み位相０度においてフレーム同期が確立し、そのときのＩｃｈオフセットが２．５、Ｑｃｈオフセット値が１．５であったとする。このとき４通りの引き込み位相に対するオフセット範囲を例えば以下のように設定する。

Ｉｃｈオフセット範囲：２．０〜３．０、Ｑｃｈオフセット範囲：１．０〜２．０ （０度）
Ｉｃｈオフセット範囲：−１．０〜−２．０、Ｑｃｈオフセット範囲：２．０〜３．０ （９０度）
Ｉｃｈオフセット範囲：−３．０〜−２．０、Ｑｃｈオフセット範囲：−２．０〜−１．０ （１８０度）
Ｉｃｈオフセット範囲：１．０〜２．０、Ｑｃｈオフセット範囲：−３．０〜−２．０ （２７０度）
キャリアスリップにより、引き込み位相が０度から９０度に遷移したとすると、ＤＣオフセット検出回路７から供給されるオフセットの値は、段々と変化し、９０度の引き込み位相におけるオフセット範囲に収まる。このとき、最終出力データの選択位相として、０度から９０度に変更する。以上の動作を図６に示す。

図６において、ステップＳ１１で、位相選択／フレーム同期回路８で、いずれかの位相でフレーム同期が確立したか否かについて判断する。

同期が確立されている場合に、ステップＳ１２で、フレーム同期の確立時のオフセットと、予め設定された４つのオフセット範囲のいずれかに等しいか（フレーム同期の確立時のオフセットが設定された４つのオフセット範囲のいずれかのオフセット範囲内に収まるか）を判断する。なお、４つのオフセット範囲は後述するステップＳ１５で、前のフレーム同期が確立した時点のオフセットの値に基づき設定されている。

等しいと判断された場合にはキャリアスリップがなく、前のフレーム同期が確立した時点での位相を選択する（ステップＳ１３）。等しくないと判断された場合にはキャリアスリップが発生したと判断し、そのオフセットを含む他のオフセット範囲の位相を選択する（ステップＳ１４）。

その後に、ステップＳ１５において、選択された位相（フレーム同期が確立した位相）に対応するオフセットの値に基づいて４通りの位相における基準オフセット範囲を設定する。ステップＳ１６において、設定されたオフセット範囲が各位相（０度、９０度、１８０度、２７０度）におけるオフセット範囲であれば、ステップＳ１１に戻る。

従来の方法では、キャリアスリップが発生した直後より、引き込み位相０度のフレーム同期回路においてはユニークワードが検出できなくなる。しかしながら、ＢＥＲ特性の悪い状態においても、簡単にフレーム同期が外れないようにするため、前方保護段数は比較的大きな値とするのが一般的である。従って、すぐにはフレーム非同期状態とはならない。さらに、非同期状態となった後、改めて４個のフレーム同期回路において、ユニークワード検出および後方保護動作を行うため、無線フレームの数倍〜数１０倍程度の時間、回線断が継続してしまう。

一方、本実施形態では、ＤＣオフセット検出によるキャリアスリップの検出は、数１００シンボル程度の時間で収束するため、キャリアスリップ発生時の回線断時間を大幅に短縮することが出来る。

本実施形態においては、以下に記載するような効果を奏する。

第１の効果は、キャリアスリップの検出手段として、ユニークワードの検出だけでなく、復調出力のＤＣオフセット量を用いることにより、キャリアスリップ発生時の回線断時間をより少なく抑えることが出来ることである。

第２の効果は、第１の効果により、位相雑音の大きいシンセサイザ方式のＬＯを採用することができ、コスト低減を実現できることである。

第３の効果は、第１の効果により、シンセサイザ方式のＬＯを採用したシステムにおいても、グレイ配置のマッピングを用いることができ、差動変換を使用する場合と比較して、ＢＥＲ特性を改善できることである。

以上説明した実施形態では、準同期検波ベースバンドサンプリング方式に適用したが、ＩＦサンプリング方式の復調器においても、同様に適用できる。また、実際の復調器構成においては、図１に示す要素以外に帯域制限フィルタや等化器、直交補正やゲイン補正などの各種補正回路が使用されるが、それらを使用するシステムにおいても、適用可能である。

本発明は復調器に用いられ、準同期検波ベースバンドサンプリング方式の復調器やＩＦサンプリング方式の復調器に適用することができる。

本発明に係わる一実施形態の復調器の構成を示すブロック図である。 ＤＣオフセット検出回路７の一構成例を示すブロック図である。 平均回路の一構成例を示すブロック図である。 位相選択／フレーム同期回路８の一構成例を示すブロック図である。 変調方式としてＱＰＳＫを用いた場合の信号点配置（コンスタレーション）を表した図である。 キャリアスリップの補償方法を示すフローチャートである。 従来の位相不確定性除去機能を有する復調器の構成を示すブロック図である。

符号の説明

２ 直交復調器
３ 局部発振器（ＬＯ）
４，５ アナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）
６ キャリア同期回路
７ ＤＣオフセット検出回路
８ 位相選択／フレーム同期回路

Claims (3)

1. 位相不確定性を有する同相復調信号と直交復調信号の各ＤＣオフセット量を検出するＤＣオフセット検出手段と、
   前記位相不確定性を有する同相復調信号と直交復調信号について所定の位相でフレーム同期が確立したときに、フレーム同期確立時の前記同相復調信号と直交復調信号の各ＤＣオフセット量に基づき、４通りの再生搬送波位相に対する４通りの同相オフセット範囲、直交オフセット範囲をそれぞれ設定し、フレーム同期確立後の同相オフセット量と直交オフセット量の組合せを、前記４通りの同相オフセット範囲、直交オフセット範囲の組合せと照合することによって引き込み位相を判定し、判定した引き込み位相に対応するデータあるいはフレームパルスあるいはフレーム同期情報を選択する機能を有する、位相選択及びフレーム同期手段と、
   を有することを特徴とする復調器。
2. 請求項１に記載の復調器において、前記ＤＣオフセット検出手段は、前記位相不確定性を有する同相復調信号及び直交復調信号についてそれぞれシンボル判定を行うシンボル判定回路と、前記同相復調信号及び直交復調信号と、前記同相復調信号及び直交復調信号のシンボル判定結果とを減算処理した各出力が入力される二つの平均回路とを備えることを特徴とする復調器。
3. 位相不確定性を有する同相復調信号と直交復調信号の各ＤＣオフセット量を検出するステップと、
   前記位相不確定性を有する同相復調信号と直交復調信号について所定の位相でフレーム同期が確立したときに、フレーム同期確立時の前記同相復調信号と直交復調信号の各ＤＣオフセット量に基づき、４通りの再生搬送波位相に対する４通りの同相オフセット範囲、直交オフセット範囲をそれぞれ設定し、フレーム同期確立後の同相オフセット量と直交オフセット量の組合せを、前記４通りの同相オフセット範囲、直交オフセット範囲の組合と照合することによって引き込み位相を判定し、判定した引き込み位相に対応するデータあるいはフレームパルスあるいはフレーム同期情報を選択するステップと、
   を有することを特徴とする復調器のキャリアスリップ補償方法。

Images