(57)【要約】  本発明にかかる位相推定装置（３１）は、受信信号に含まれる位相の誤差を推定し、誤差の推定値と、推定値を用いて受信信号の位相を補正した信号とを用いて推定値と信号との間の２乗誤差の総和を計算する第１の計算部（３１０）と、総和と外部装置が出力する係数とを用いて閾値を計算する第２の計算部（３７０）と、総和と閾値との大小関係を判定し判定結果を出力する比較器（１９０）と、判定結果を用いて推定値から外れ値を除去する外れ値除去部（２１０）と、を備えることを特徴とする。
2020039505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信信号に含まれる位相の誤差を推定し、前記誤差の推定値と、前記推定値を用いて前記受信信号の位相を補正した信号とを用いて前記推定値と前記信号との間の２乗誤差の総和を計算する計算部と、
前記総和と外部装置が出力する係数とを用いて閾値を計算する閾値計算部と、
前記総和と前記閾値との大小関係を判定し判定結果を出力する比較器と、
前記判定結果を用いて前記推定値から外れ値を除去する外れ値除去部と、
を備えることを特徴とする位相推定装置。
【請求項２】
前記外れ値除去部は、
前記比較器が前記閾値より前記総和が大きいと判定した場合、１サンプル前の前記推定値を出力して前記外れ値を除去することを特徴とする請求項１に記載の位相推定装置。
【請求項３】
前記閾値計算部は、
前記総和と前記係数と前記推定に用いる前記受信信号に含まれるシンボル数の半値とを用いて前記閾値を計算することを特徴とする請求項１または２に記載の位相推定装置。
【請求項４】
前記閾値計算部は、
変更前の前記受信信号の数と、変更後の前記受信信号の数と、変更前の前記総和の平均値とを用いて、変更後の前記総和の平均値を計算することを特徴とする請求項３に記載の位相推定装置。
【請求項５】
前記推定の方法は、前記位相の推定の対象の受信信号と、前記受信信号を基準に前後複数の受信信号に対して複数の異なる位相回転を施して硬判定を行った結果と、前記位相回転を施した複数の受信信号と、のそれぞれの前記総和を求め、結果が最小となる前記位相回転量を前記位相推定値とみなす方法であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の位相推定装置。
【請求項６】
前記推定の方法において、前記総和を求める時に用いる受信信号数を、前記総和の平均値の値に応じて変更することを特徴とする請求項５に記載の位相推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号の位相を推定する位相推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ミリ波帯の通信および光通信に用いられる局部発振器は、マイクロ波帯の通信に用いられる局部発振器と比較して周波数偏差および位相雑音レベルが高い。このため、ミリ波帯の通信および光通信に用いられる通信装置には、受信信号を用いて位相雑音を推定し補償を行う位相推定装置が復調器に組み込まれる。位相雑音とは位相の誤差である。位相推定装置は、さまざまな変調信号に対応可能で、かつフレームフォーマットに依存しない汎用性を有することが望ましい。このような汎用性を有するためには既知信号を用いずに位相補償を行える必要がある。既知信号を用いずに位相補償を行う方法としては、ビダビ・ビダビアルゴリズム、または受信シンボル列と仮判定結果との誤差を最小化する位相探索アルゴリズムが一般的に用いられる。これらのアルゴリズムは、プリアンブル、パイロットなどの既知信号を用いることなく動作するが、変調信号の回転対称性によって位相推定結果に不確定性が含まれるため、サイクルスリップと呼ばれる位相飛びが発生する。不確定性とは、例えば、ＱＰＳＫ（Quadrature  Phase  Shift  Keying）またはＱＡＭ（Quadrature  Amplitude  Modulation）を用いて変調する場合、９０度の整数倍の位相を区別できないことを示す。【０００３】
特許文献１は、位相推定装置の出力する位相信号と、位相信号にＬＰＦ（Low  Pass  Filter）をかけた出力との差を用いて閾値判定によりサイクルスリップの発生を検出して補正を行う方法を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１４／１１５８４０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の方法によれば閾値判定を用いる手法において、信号を受信する環境に応じて判定閾値を変更する必要がある。このため、判定閾値を調整する方法が必要であるという問題があった。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、信号を受信する環境によらずサイクルスリップを抑制することができる位相推定装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる位相推定装置は、受信信号に含まれる位相の誤差を推定し、誤差の推定値と、推定値を用いて受信信号の位相を補正した信号とを用いて推定値と信号との間の２乗誤差の総和を計算する計算部と、総和と外部装置が出力する係数とを用いて閾値を計算する閾値計算部と、総和と閾値との大小関係を判定し判定結果を出力する比較器と、判定結果を用いて推定値から外れ値を除去する外れ値除去部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明にかかる位相推定装置は、サイクルスリップを抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１にかかる位相推定装置の構成例を示す図
【図２】実施の形態１にかかる２乗誤差の総和の累積確率分布を示す図
【図３】実施の形態１にかかる制御回路を示す図
【図４】実施の形態１にかかる誤差計算部の詳細な構成例を示す図
【図５】実施の形態１にかかる２乗誤差計算部の詳細な構成例を示す図
【図６】実施の形態１にかかる位相推定装置に入力される信号のタイミングの関係を示す図
【図７】実施の形態１にかかる閾値計算部の詳細な構成例を示す図
【図８】実施の形態１にかかる外れ値除去部の詳細な構成例を示す図
【図９】実施の形態１にかかるアンラップ部の詳細な構成例を示す図
【図１０】実施の形態１にかかる位相推定装置に入力される信号のタイミングの関係を示す別の図
【図１１】実施の形態１にかかる位相推定装置の信号処理を示すフローチャート
【図１２】実施の形態２にかかる位相推定装置の詳細な構成例を示す図
【図１３】実施の形態２にかかる第１の計算部の詳細な構成例を示す図
【図１４】実施の形態２にかかる誤差計算部の詳細な構成例を示す図
【図１５】実施の形態２にかかる第２の計算部の詳細な構成例を示す図
【図１６】実施の形態２にかかる第２の計算部に入力される信号のタイミングの関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態にかかる位相推定装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる位相推定装置の構成例を示す図である。位相推定装置１１は、位相推定部１１０と、第１のタイミング調整部１３０と、誤差計算部１５０と、閾値計算部１７０と、比較器１９０と、外れ値除去部２１０と、アンラップ部２３０と、位相変換部２５０と、第２のタイミング調整部２７０と、乗算部２９０とを備える。位相推定部１１０は、受信信号１０１に含まれる位相の誤差を推定し誤差の推定値を出力する。第１のタイミング調整部１３０は、位相推定部１１０の処理の遅延がＬ＋ｍシンボルである場合、受信信号１０１をＬシンボル遅延させ受信信号１３１を出力する。第１のタイミング調整部１３０はタイミング調整部とも呼ばれる。ここで、ｍは、２乗誤差の総和Ｗｋを計算する際に用いるシンボル数の１／２に相当する値を示し、半値シンボル数と呼ばれる。シンボル数が奇数である場合、シンボル数から１を引いて１／２にした値が半値シンボル数ｍとなる。また、Ｌは任意のシンボル数であり、例えば、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable  Gate  Array）などの論理回路で信号処理を実現した際に生じる遅延時間（時間をシンボル数に換算した値）に依存する値である。また、ここで１シンボル時間を時間の１単位とする。誤差計算部１５０は、位相推定部１１０が出力する位相推定値１１１と、第１のタイミング調整部１３０が遅延させて出力する受信信号１３１とを用いて、以下の式によって±ｍシンボルの仮判定結果との２乗誤差の総和Ｗｋを計算する。また、誤差計算部１５０は、位相推定部１１０によって推定された位相を用いて受信信号の位相を補正する。
【００１２】
【数１】
2020039505.tif 000003
【００１３】
式（１）において、Ｓｋはｋ番目の受信シンボルを示す。φｋはｋ番目の受信シンボルの推定位相を示す。Ｓ＾ｋは位相補償後の受信シンボルの仮判定結果を示す。受信シンボルＳｋは、平均振幅が１に正規化されているものとする。また、位相雑音が支配的な受信環境においては、θ（ｒａｄ）≒２ｓｉｎθ／２の近似を用いることで、式（１）を以下の式に置き換えることができる。
【００１４】
【数２】
2020039505.tif 000004
【００１５】
閾値計算部１７０は、誤差計算部１５０が出力する総和１５１と、位相推定装置１１の外部の装置が出力する係数１７１とを用いて判定閾値１７２を計算する。判定閾値１７２は判定閾値ｄｔｈであり、判定閾値１７２の詳細については後述する。比較器１９０は、誤差計算部１５０の総和１５１と判定閾値１７２との大小関係を判定し出力１９１を出力する。外れ値除去部２１０は、比較器１９０の出力１９１を用いて位相推定値１１１から外れ値を除去する。外れ値とは、雑音または干渉の影響を大きく受けたシンボルである。アンラップ部２３０は、外れ値除去部２１０が出力する位相２１１を連続化する。位相変換部２５０は、アンラップ部２３０が出力する連続した位相２３１を複素平面上での位相回転に変換する。第２のタイミング調整部２７０は、受信信号１０１の出力するタイミングを調整した受信信号２７１を出力する。乗算部２９０は、受信信号２７１に、位相変換部２５０が出力する位相の回転を与える。
【００１６】
位相推定部１１０は、ビダビ・ビダビアルゴリズムまたは、受信シンボル列と仮判定結果との誤差を最小化する位相探索アルゴリズムを用いて受信信号１０１の位相雑音を推定する。具体的には、位相探索アルゴリズムは、位相の推定の対象の受信信号と、位相の推定の対象の受信信号を基準に前後複数の受信信号に対して複数の異なる位相回転を施して硬判定を行った結果と、位相回転を施した複数の受信信号と、のそれぞれの総和を求め、結果が最小となる位相回転量を位相推定値とみなす方法である。なお、図１では、位相推定部１１０の処理遅延をＬ、外れ値除去部２１０の処理遅延を１とした場合を示したが、各機能部の処理遅延がこれらと異なる場合は、第２のタイミング調整部２７０が受信信号１０１を遅延させる量は、位相推定部１１０と外れ値除去部２１０とアンラップ部２３０との処理遅延の総和にｍを加えた値とする。
【００１７】
図２は、実施の形態１にかかる２乗誤差の総和Ｗｋの累積確率分布を示す図である。図２において、縦軸は累積分布関数を示す。横軸は２乗誤差の総和Ｗｋを示す。図２ではｍが１，４，８，３２である場合のＷｋのシミュレーション値を示す。ここで、ｍの値が４以上であれば、累積確率分布は、以下の式をパラメータに持つ対数正規分布に漸近する。
【００１８】
【数３】
2020039505.tif 000005
【００１９】
式（３）において、ｌｎは自然対数を示す。μおよびσ０は以下の式、確率密度関数ｆ（ｘ）で表される対数正規分布のパラメータである。
【００２０】
【数４】
2020039505.tif 000006
【００２１】
式（４）において、σ０は一定であることから、Ｗｋの平均値Ｅ［Ｗｋ］に係数ａを乗じた判定閾値ｄｔｈは、ｍの値によらず一定の累積確率を与える。したがって、以下の式で表される判定閾値ｄｔｈを用いることで、半値シンボル数ｍによらず一定の累積確率で外れ値除去を行うことが可能となる。
【００２２】
【数５】
2020039505.tif 000007
【００２３】
式（５）におけるａは係数１７１である。また、ａは以下の式で表される。
【００２４】
【数６】
2020039505.tif 000008
【００２５】
式（６）において、ｐはＷｋの補累積確率である。また、ｐはビット誤り率がなるべく小さくなるような値として１０―３〜１０―５程度の値が用いられる。
【００２６】
位相推定部１１０、第１のタイミング調整部１３０、誤差計算部１５０、閾値計算部１７０、比較器１９０、外れ値除去部２１０、アンラップ部２３０、位相変換部２５０、第２のタイミング調整部２７０、および乗算部２９０は、各処理を行う電子回路である処理回路により実現される。
【００２７】
本処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリ及びメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵを備える制御回路であってもよい。ここでメモリとは、例えば、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、フラッシュメモリなどの、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスクなどが該当する。本処理回路がＣＰＵを備える制御回路である場合、この制御回路は例えば、図３に示す構成の制御回路４００となる。
【００２８】
図３に示すように、制御回路４００は、ＣＰＵであるプロセッサ４００ａと、メモリ４００ｂとを備える。図３に示す制御回路４００により実現される場合、プロセッサ４００ａがメモリ４００ｂに記憶された、各処理に対応するプログラムを読みだして実行することにより実現される。また、メモリ４００ｂは、プロセッサ４００ａが実施する各処理における一時メモリとしても使用される。
【００２９】
図４は、実施の形態１にかかる誤差計算部１５０の詳細な構成例を示す図である。誤差計算部１５０は、シフトレジスタ１５２−１〜シフトレジスタ１５２−Ｚと、位相変換部１５３と、乗算部１５４−１〜乗算部１５４−Ｚと、２乗誤差計算部１５５−１〜２乗誤差計算部１５５−Ｚと、誤差加算部１５６とを備える。シフトレジスタ１５２−１〜シフトレジスタ１５２−Ｚのそれぞれを区別せずに示すときは、シフトレジスタ１５２と称する。乗算部１５４−１〜乗算部１５４−Ｚのそれぞれを区別せずに示すときは、乗算部１５４と称する。２乗誤差計算部１５５−１〜２乗誤差計算部１５５−Ｚのそれぞれを区別せずに示すときは、２乗誤差計算部１５５と称する。シフトレジスタ１５２は、第１のタイミング調整部１３０が遅延して出力する受信信号１３１（Ｓｋ＋ｍ−Ｌ〜Ｓｋ−ｍ−Ｌ）を過去の２ｍ＋１サンプル分保持する。ここで、サンプルはシンボルと同義とする。
【００３０】
位相変換部１５３は、位相推定部１１０が出力する位相推定値１１１（θｋ−Ｌ）を複素平面上での位相回転（ｗｋ−Ｌ）に変換する。乗算部１５４は、シフトレジスタ１５２に保持される各サンプルに対して、位相変換部１５３が出力する位相回転を与えて位相補償を行う。２乗誤差計算部１５５は、位相補償後のシフトレジスタ１５２に保持される各サンプルについて硬判定を行い判定結果との２乗距離を２乗誤差として算出する。硬判定の方法は、受信信号に施された変調方式にしたがって、シンボル単位で、ビット値を判定する方法であれば、どのような方法を用いてもよい。誤差加算部１５６は、２乗誤差計算部１５５が出力する２乗誤差を加算して、総和１５１であるＷｋ−Ｌを出力する。誤差計算部１５０の信号処理は、式（２）示される計算処理である。
【００３１】
図５は、実施の形態１にかかる２乗誤差計算部１５５の詳細な構成例を示す図である。２乗誤差計算部１５５は、硬判定部１５７と、距離計算部１５８と、２乗計算部１５９とを備える。硬判定部１５７は、位相補償後の受信信号（ｗｋ−Ｌ  Ｓｋ＋ｍ−Ｌ〜ｗｋ−Ｌ  Ｓｋ−ｍ−Ｌ）に対して硬判定を行い、判定結果に基づき再度シンボルマッピングを行った結果を出力する。距離計算部１５８は、硬判定部１５７が出力する仮判定後のシンボルと判定前のシンボルとの距離ベクトルを計算する。２乗計算部１５９は、距離計算部１５８が出力する距離ベクトルの２乗距離を計算する。２乗誤差計算部１５５が行う信号処理は、式（２）の総和計算の内部の個々の２乗項の計算処理である。
【００３２】
図６は、実施の形態１にかかる位相推定装置１１に入力される信号のタイミングの関係を示す図である。図６において列は信号の識別番号を示し、行はタイミング、つまり時間を示す。位相推定部１１０の処理遅延がＬ＋ｍシンボルであるとき、位相推定部１１０にｋ−Ｌ番目に入力された受信信号１０１は、Ｌ＋ｍサンプル後のｋ＋ｍ番目のタイミングで位相推定値１１１として出力される。また、このとき誤差計算部１５０の処理遅延がｍシンボルならば、ｋ番目に誤差計算部１５０に入力された受信信号１３１は、ｋ＋ｍ番目に２乗誤差の総和Ｗｋ−Ｌとして出力される。したがって、第１のタイミング調整部１３０に設定すべき遅延はＬ（＝Ｌ＋ｍ−ｍ）となる。
【００３３】
図７は、実施の形態１にかかる閾値計算部１７０の詳細な構成例を示す図である。閾値計算部１７０は、平均処理部１７３と、乗算部１７４とを備える。平均処理部１７３は、誤差計算部１５０の総和１５１である２乗誤差の総和Ｗｋ−Ｌの平均値Ｅ［Ｗｋ−Ｌ］を計算する。乗算部１７４は、平均処理部１７３が計算した平均値Ｅ［Ｗｋ−Ｌ］に、位相推定装置１１の外部から設定された係数１７１であるａを乗じた値である判定閾値１７２を計算する。平均処理部１７３の具体的な処理としては、以下の式で表される。
【００３４】
【数７】
2020039505.tif 000009
【００３５】
平均処理部１７３の具体的な処理は、式（７）で表される固定長Ｔの移動平均処理、式（８）で表されるような受信開始からのすべての入力データの平均処理、または式（９）で表されるＩＩＲ（Infinite  Impulse  Response）フィルタによる平均処理などが考えられる。式（９）において、ｃは０〜１までの任意の実数値を示す。Ｅ［Ｗｋ］はｋ番目における平均処理部１７３の出力する平均値を示す。
【００３６】
図８は、実施の形態１にかかる外れ値除去部２１０の詳細な構成例を示す図である。外れ値除去部２１０は、セレクタ２１２と、遅延器２１３とを備える。セレクタ２１２は、比較器１９０の出力１９１に基づいて出力結果を切り替える。遅延器２１３は、セレクタ２１２の出力１９１を保持すると共に、出力１９１を１シンボル遅延させる。セレクタ２１２は、比較器１９０から１を入力した場合は、遅延器２１３の出力を位相２１１とし、比較器１９０から０を入力した場合は位相推定部１１０の出力を位相２１１として出力する。
【００３７】
図９は、実施の形態１にかかるアンラップ部２３０の詳細な構成例を示す図である。アンラップ部２３０は、減算部２３２と、減算部２３３と、加算部２３４と、加算部２３７と、比較器２３５と、比較器２３８と、セレクタ２３６と、セレクタ２３９と、比較器２４０と、セレクタ２４１と、加算部２４２と、遅延器２４３と、加算部２４４と、遅延器２４５とを備える。減算部２３２は、１サンプル前の入力位相２４７から現在の位相２１１を減算する。減算部２３３は、現在の位相２１１から１サンプル前の入力位相２４７を減算する。加算部２３４は、減算部２３３の値２４８にπ／２ラジアンを加算する。加算部２３７は、減算部２３２の出力２４６にπ／２ラジアンを加算する。比較器２３５は、減算部２３２の出力と加算部２３４の出力との大小関係を判定する。
【００３８】
比較器２３８は、減算部２３３の出力と加算部２３７の出力との大小関係を判定する。セレクタ２３６は、比較器２３５の出力結果に応じて、０ラジアンまたはπ／２ラジアンに出力を切り替える。セレクタ２３９は、比較器２３８の出力結果に応じて０ラジアンまたは−π／２ラジアンに出力を切り替える。比較器２４０は、１サンプル前の入力位相２４７と現在の位相２１１との大小関係を判定する。セレクタ２４１は、比較器２４０の出力に応じてセレクタ２３６とセレクタ２３９との値を切り替える。加算部２４２は、セレクタ２４１の出力と遅延器２４３の出力２４６とを加算する。遅延器２４３は、現在の加算部２４２の出力を保持すると共に１サンプル時間遅延させる。加算部２４４は、加算部２４２の出力と現在の位相２１１とを加算する。遅延器２４５は、現在の位相２１１の出力を保持すると共に１サンプル時間遅延させる。以下の式は、アンラップ部２３０の処理を数式で記述したものである。
【００３９】
【数８】
2020039505.tif 000010
【００４０】
式（１０）において、ψｋは、遅延器２４３の出力２４６を示す。θ’ｋは、アンラップ部２３０への位相２１１を示す。φｋは、アンラップ部２３０の位相２３１を示す。
【００４１】
図１０は、実施の形態１にかかる位相推定装置１１に入力される信号のタイミングの関係を示す別の図である。図１０において縦の列は信号の識別番号を示し、横の行はタイミング、つまり時間を示す。位相推定部１１０の処理遅延がＬ＋ｍシンボルであるとき、位相推定部１１０にｋ−Ｌ番目に入力された受信信号１０１は、Ｌ＋ｍサンプル後のｋ＋ｍ番目のタイミングで位相推定値１１１として出力される。また、このとき外れ値除去部２１０の処理遅延が１サンプルならば、ｋ＋ｍ番目に外れ値除去部２１０に入力された位相推定値１１１は、ｋ＋ｍ＋１番目に外れ値除去部２１０から出力されると同時にアンラップ部２３０で位相を連続化し、位相変換部２５０で複素平面上の位相回転に変換される。したがって、第２のタイミング調整部２７０に設定すべき遅延はＬ＋ｍ＋１となる。
【００４２】
図１１は、実施の形態１にかかる位相推定装置１１の信号処理を示すフローチャートである。位相推定装置１１は、１サンプルの受信信号１０１を入力する（ステップＳ１）。位相推定部１１０は、受信信号１０１に含まれる位相雑音を推定して位相推定値１１１を算出し出力する（ステップＳ２）。また、１サンプルの受信信号１０１は、第１のタイミング調整部１３０を介してシフトレジスタ１５２に格納される（ステップＳ３）。シフトレジスタ１５２に格納された２ｍ＋１サンプルの受信信号１０１は、各々位相推定部１１０によって計算された位相推定値１１１だけ回転された後（ステップＳ４）、硬判定の判定結果との２乗誤差が算出される（ステップＳ５）。計算された２ｍ＋１サンプル分の２乗誤差は、誤差加算部１５６によって加算し、２乗誤差の総和１５１として計算され誤差計算部１５０から出力される（ステップＳ６）。誤差計算部１５０から出力された２乗誤差の総和１５１は、閾値計算部１７０の内部で平均値を計算した後、係数１７１を掛けて判定閾値１７２として出力される（ステップＳ７）。閾値計算部１７０から出力された判定閾値１７２と、誤差計算部１５０から出力された２乗誤差の総和１５１とは、比較器１９０によって大小関係が判定される（ステップＳ８）。ステップＳ８にて２乗誤差の総和１５１が判定閾値１７２よりも大きいと判定された場合（ステップＳ８，Ｙｅｓ）、外れ値除去部２１０は、１サンプル前の位相推定値１１１を出力する（ステップＳ９）。
【００４３】
一方、ステップＳ８にて２乗誤差の総和１５１が判定閾値１７２よりも小さいと判定された場合（ステップＳ８，Ｎｏ）、外れ値除去部２１０は、入力されている位相推定値１１１をこのまま出力する（ステップＳ１０）。アンラップ部２３０は、外れ値除去部２１０が出力する位相２１１と、１サンプル前の入力位相２４７との大小関係を判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１にて、１サンプル前の入力位相２４７が、外れ値除去部２１０が出力する位相２１１よりも大きいと判定された場合（ステップＳ１１，Ｙｅｓ）、１サンプル前の入力位相２４７から外れ値除去部２１０が出力する位相２１１を差し引いた値２４９と、外れ値除去部２１０が出力する位相２１１から１サンプル前の入力位相２４７を差し引いた値２４８にπ／２を加えた値とを比較する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２にて、値２４９のほうが大きいと判断された場合は（ステップＳ１２，Ｙｅｓ）、遅延器２４３の出力にπ／２を加算する（ステップＳ１４）。ステップＳ１２にて、値２４９のほうが小さいと判断された場合は（ステップＳ１２，Ｎｏ）、遅延器２４３の出力に何も加えない（ステップＳ１５）。
【００４４】
ステップＳ１１にて、１サンプル前の入力位相２４７が、外れ値除去部２１０が出力する位相２１１よりも小さいと判定された場合（ステップＳ１１，Ｎｏ）、さらに、外れ値除去部２１０が出力する位相２１１から１サンプル前の入力位相２４７を差し引いた値２４８と、１サンプル前の入力位相２４７から外れ値除去部２１０が出力する位相２１１を差し引いた値２４９にπ／２を加えた値とを比較する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３にて、値２４８のほうが大きいと判断された場合（ステップＳ１３，Ｙｅｓ）は、遅延器２４３の出力からπ／２を減算する（ステップＳ１６）。ステップＳ１３にて、値２４８のほうが小さいと判断された場合は（ステップＳ１３，Ｎｏ）、遅延器２４３の出力に何も加えない（ステップＳ１７）。アンラップ部２３０は、遅延器２４３の出力２４６と、セレクタ２４１の出力と、外れ値除去部２１０が出力する位相２１１を加えた値を連続した位相２３１として出力する（ステップＳ１８）。アンラップ部２３０が出力した連続した位相２３１は、位相変換部２５０で複素平面上の位相回転信号に変換した後、受信信号１０１を遅延させた信号と乗算して出力する（ステップＳ１９）。以降、位相推定装置１１に受信信号が入力されるたびに、ステップＳ１１〜ステップＳ１９を実施する。
【００４５】
以上説明したように、実施の形態１にかかる位相推定装置１１は、サイクルスリップの判定閾値に、判定対象となるシンボルの推定位相を基準とした±ｍシンボルの仮判定結果と、第１のタイミング調整部１３０が遅延させて出力する受信信号１３１との２乗誤差の総和１５１の平均値に係数１７１を乗じた判定閾値１７２を用いることで、半値シンボル数ｍによらず一定の累積確率の外れ値除去を可能とする。つまり、信号を受信する環境によらずサイクルスリップを抑制することができる。
【００４６】
実施の形態２．
実施の形態１にかかる位相推定装置１１について、位相推定部１１０を受信シンボル列と仮判定結果との誤差を最小化する位相探索アルゴリズムを用いるとしたうえで、誤差計算部１５０の機能を統合し、さらに位相推定部１１０および誤差計算部１５０が誤差計算に使用するシンボル数Ｊを動作中に逐次更新させる機能を追加した構成例を実施の形態２の位相推定装置として以下に説明する。なお、本実施の形態では、Ｊ＝２ｍ＋１のｍを半値シンボル数と定義する。本実施の形態は実施の形態１を基本構成とし、半値シンボル数ｍを変更可能とした第１の計算部３１０および閾値計算部１７０に受信環境に応じて半値シンボル数ｍを決定する機能を付け加えた第２の計算部３７０が異なる。なお、実施の形態１に示した構成及び手順と重複する項目については、同一符号を付すことで説明については省略する。
【００４７】
図１２は、実施の形態２にかかる位相推定装置の詳細な構成例を示す図である。位相推定装置３１は、第１の計算部３１０と、第２の計算部３７０と、比較器１９０と、外れ値除去部２１０と、アンラップ部２３０と、位相変換部２５０と、第２のタイミング調整部２７０と、乗算部２９０とを備える。第１の計算部３１０は、受信信号１０１を用いて受信シンボル列と仮判定結果との誤差を最小化する位相探索アルゴリズムに基づき位相雑音を推定するとともに、位相推定結果を用いて式（１）または式（２）によって２乗誤差の総和Ｗｋを計算する。また、第１の計算部３１０は計算部とも呼ばれる。計算部は、位相推定部１１０と誤差計算部１５０とをあわせたものである。第２の計算部３７０は、第１の計算部３１０の総和１５１と、係数１７１と、現在の半値シンボル数ｍとを用いて、判定閾値ｄｔｈと、第１の計算部３１０に設定すべき半値シンボル数ｍ（信号３７１）とを計算する。なお、Ｍは設定可能な半値シンボル数ｍの最大値とする。第１の計算部３１０の処理遅延はＬ＋Ｍサンプルとする。
【００４８】
図１３は、実施の形態２にかかる第１の計算部３１０の詳細な構成例を示す図である。第１の計算部３１０は、シフトレジスタ３１１−１〜シフトレジスタ３１１−（２Ｍ＋１）と、加算部３１２−１〜加算部３１２−（２Ｎ＋１）と、誤差計算部３１３−１〜誤差計算部３１３−（２Ｎ＋１）と、選択部３１４とを備える。ここで、Ｎは探索粒度を決定するパラメータである。シフトレジスタ３１１−１〜シフトレジスタ３１１−（２Ｍ＋１）のそれぞれを区別せずに示すときは、シフトレジスタ３１１と称する。加算部３１２−１〜加算部３１２−（２Ｎ＋１）のそれぞれを区別せずに示すときは、加算部３１２と称する。誤差計算部３１３−１〜誤差計算部３１３−（２Ｎ＋１）のそれぞれを区別せずに示すときは、誤差計算部３１３と称する。シフトレジスタ３１１は、２Ｍ＋１サンプル分の受信信号１０１を格納する。加算部３１２は、位相２１１を基準に±π／４ラジアンの探索位相３１６（θｋ＋Ｍ）を算出する。誤差計算部３１３は、シフトレジスタ３１１に格納された２Ｍ＋１サンプル分の受信信号を探索位相θｋ＋Ｍ回転させて硬判定を行った判定結果と、もとの半値シンボル数ｍとの２乗距離を計算して出力する。選択部３１４は、２Ｎ＋１個の誤差計算部３１３が出力する総和Ｗｋ−Ｌの中から２乗距離が最小となるものを検索し、該当する探索位相θｋ−Ｌと総和Ｗｋ−Ｌとを選択し出力する。誤差計算部３１３は位相推定装置３１内に２Ｎ＋１個存在し、２Ｎ＋１個の加算部３１２により、それぞれ独立の探索位相３１６（θｋ＋Ｍ）が与えられる。２Ｎ＋１個の誤差計算部３１３が、それぞれ与えられた探索位相θｋ＋Ｍに対して総和Ｗｋ−Ｌを計算することで分解能π／２Ｎの位相探索がなされる。
【００４９】
図１４は、実施の形態２にかかる誤差計算部３１３の詳細な構成例を示す図である。誤差計算部３１３は、乗算部３３１−１〜乗算部３３１−（２Ｍ＋１）と、位相変換部３３２と、２乗誤差計算部１５５−１〜２乗誤差計算部１５５−（２Ｍ＋１）と、スイッチ３３４−１〜スイッチ３３４−（２Ｍ＋１）と、サンプル数制御部３３５と、加算部３３６と、第３のタイミング調整部３３７とを備える。乗算部３３１−１〜乗算部３３１−（２Ｍ＋１）のそれぞれを区別せずに示すときは、乗算部３３１と称する。２乗誤差計算部１５５−１〜２乗誤差計算部１５５−（２Ｍ＋１）のそれぞれを区別せずに示すときは、２乗誤差計算部１５５と称する。スイッチ３３４−１〜スイッチ３３４−（２Ｍ＋１）のそれぞれを区別せずに示すときは、スイッチ３３４と称する。乗算部３３１は、シフトレジスタ３１１に格納された２Ｍ＋１サンプル分の受信信号３１５に対して位相変換部３３２が出力する位相回転を与える。
【００５０】
位相変換部３３２は、探索位相３１６（θｋ−Ｌ）を複素平面上での位相回転（ｗｋ−Ｌ）に変換する。２乗誤差計算部１５５は、位相回転後の各受信信号３１５について硬判定を行った判定結果との２乗距離を算出する。スイッチ３３４は、サンプル数制御部３３５の指示に応じて２乗誤差計算部１５５の出力を開閉する。サンプル数制御部３３５は、第２の計算部３７０から出力される半値シンボル数３７１（ｍ）に応じて２Ｍ＋１個のスイッチ３３４を制御する。加算部３３６は、スイッチ３３４が閉じている経路についてのみ２乗誤差計算部１５５の出力する２乗距離を加算し総和Ｗｋ−Ｌを計算する。第３のタイミング調整部３３７は、受信信号３１５から計算される２乗距離の総和Ｗｋ−Ｌとのタイミングを一致させる。サンプル数制御部３３５は、与えられた半値シンボル数ｍに対して、スイッチ３３４の開閉の制御を行う。なお、２乗誤差計算部１５５の構成は、実施の形態１における構成と同一である。
【００５１】
図１５は、実施の形態２にかかる第２の計算部３７０の詳細な構成例を示す図である。第２の計算部３７０は、平均値記録部３８１と、乗算部３８４と、加算部３７８と、平均値更新部３７４と、乗算部３８５と、加算部３７６と、スイッチ３７９と、除算部３８３と、乗算部３８０と、選択部３７３とを備える。平均値記録部３８１は、２乗誤差の総和１５１（Ｗｋ−Ｌ）のこれまでの平均値を保持する。乗算部３８４は、平均値記録部３８１が出力する平均値３８２に平均化数ｋ−Ｌ−１を乗じて総和に変換する。加算部３７８は、２乗誤差の総和１５１と乗算部３８４の出力とを加算する。平均値更新部３７４は、半値シンボル数ｍに変更があった際に平均値記録部３８１が出力する平均値３８２と新たに設定される半値シンボル数ｍとを用いて、ｍ変更後の平均値３７５を計算する。乗算部３８５は、平均値更新部３７４の出力である平均値３７５に平均化数ｋ−Ｌ−１を乗じて総和に変換する。加算部３７６は、乗算部３８５の出力と２乗誤差の総和１５１とを加算する。スイッチ３７９は、選択部３７３の指示により加算部３７６の出力３７７と加算部３７８の出力とを切り替える。除算部３８３は、スイッチ３７９の出力を平均化数（ｋ−Ｌ）で割ることで新たな平均値３８６を求める。乗算部３８０は、除算部３８３の出力に係数ａを乗じて判定閾値１７２を算出する。選択部３７３は、平均値３８６を用いて新たな半値シンボル数ｍを選択する。つまり、第２の計算部３７０は、変更前の受信信号の数と、変更後の受信信号の数と、変更前の総和の平均値とを用いて、変更後の総和の平均値を計算する。
【００５２】
図１６は、実施の形態２にかかる第２の計算部３７０に入力される信号のタイミングの関係を示す図である。図１６において列は信号の識別番号を示し、行はタイミング、つまり時間を示す。半値シンボル数ｍの更新がない場合、スイッチ３７９は、加算部３７８側と接続する。また、平均値記録部３８１に記録されている平均値と入力される２乗誤差の総和１５１とを用いて、以下の式で表される計算により新たな平均値３８６が計算され、再び平均値記録部３８１に記録される。
【００５３】
【数９】
2020039505.tif 000011
【００５４】
一方で、半値シンボル数ｍがｍ１からｍ２に更新される場合、スイッチ３７９は加算部３７６側と接続する。また、平均値更新部３７４の出力である平均値３７５に基づき新たな平均値３８６が計算される。受信信号１０１に含まれる位相雑音がＷｉｅｎｅｒ過程に従う場合、式（２）で表される総和Ｗｋを用いて求めた平均値Ｅ［Ｗｋ］は、位相雑音の雑音線幅をσｌｗ（Ｈｚ）として以下の式で表される。
【００５５】
【数１０】
2020039505.tif 000012
【００５６】
平均値更新部３７４は、式（１２）の関係式を用いて半値シンボル数ｍ更新時に、以下の式に基づいて平均値を更新する。
【００５７】
【数１１】
2020039505.tif 000013
【００５８】
半値シンボル数ｍ更新後、スイッチ３７９は再び加算部３７８側と接続し、通常の平均値計算方法に戻される。なお、選択部３７３の実装例としては、例えば、以下の式によりサンプリング周波数ｆｓに対する正規化雑音線幅σ￣２ｌｗの２乗を求め、正規化雑音線幅σ￣２ｌｗからテーブル引きする方法などを用いる。
【００５９】
【数１２】
2020039505.tif 000014
【００６０】
以上説明したように、実施の形態２においては、半値シンボル数ｍ変更時に、第２の計算部３７０が変更前の半値シンボル数ｍと、変更後の半値シンボル数ｍ’と、現在の平均値３８２とを用いて新たな平均値３７５を算出することで、総和１５１の平均値をはじめから取り直すことを不要とすることができる。また、第１の計算部３１０に用いる位相推定アルゴリズムとして、受信シンボル列と仮判定結果との誤差を最小化する位相探索アルゴリズムを用いることで、判定閾値１７２の算出にアルゴリズムで使用する誤差をこのまま用いることができ、実施の形態１の効果に加えて計算量が削減することができる。
【００６１】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１１，３１  位相推定装置、１０１，１３１  受信信号、１１０  位相推定部、１１１  位相推定値、１３０  第１のタイミング調整部、１５０，３１３，３１３−１〜３１３−（２Ｎ＋１）  誤差計算部、１５１  総和、１５２，１５２−１〜１５２−Ｚ，３１１，３１１−１〜３１１−（２Ｍ＋１）  シフトレジスタ、１５３，２５０，３３２  位相変換部、１５４，１５４−１〜１５４−Ｚ，１７４，２９０，３３１，３３１−１〜３３１−（２Ｍ＋１），３８０，３８４，３８５  乗算部、１５５，１５５−１〜１５５−Ｚ，１５５−（２Ｍ＋１）  ２乗誤差計算部、１５６  誤差加算部、１５７  硬判定部、１５８  距離計算部、１５９  ２乗計算部、１７０  閾値計算部、１７２  判定閾値、１７３  平均処理部、１９０，２３５，２３８，２４０  比較器、２１０  外れ値除去部、２１１  位相、２１２，２３６，２３９，２４１  セレクタ、２１３，２４３，２４５  遅延器、２３０  アンラップ部、２３２，２３３  減算部、２３４，２３７，２４２，２４４，３１２，３１２−１〜３１２−（２Ｎ＋１），３３６，３７６，３７８  加算部、２７０  第２のタイミング調整部、３１０  第１の計算部、３１４，３７３  選択部、３３４，３３４−１〜３３４−（２Ｍ＋１），３７９  スイッチ、３３５  サンプル数制御部、３３７  第３のタイミング調整部、３７０  第２の計算部、３８１  平均値記録部、３７４  平均値更新部、３８３  除算部、４００  制御回路、４００ａ  プロセッサ、４００ｂ  メモリ。
【図１】
2020039505.tif 000015
【図２】
2020039505.tif 000016
【図３】
2020039505.tif 000017
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020039505.tif 000021
【図８】
2020039505.tif 000022
【図９】
2020039505.tif 000023
【図１０】
2020039505.tif 000024
【図１１】
2020039505.tif 000025
【図１２】
2020039505.tif 000026
【図１３】
2020039505.tif 000027
【図１４】
2020039505.tif 000028
【図１５】
2020039505.tif 000029
【図１６】
2020039505.tif 000030
【手続補正書】
【提出日】令和2年8月18日(2020.8.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信信号に含まれる位相の誤差を推定し、前記誤差の推定値と、前記推定値を用いて前記受信信号の位相を補正した信号とを用いて前記推定値と前記信号との間の２乗誤差の総和を計算する計算部と、
前記総和と外部装置が出力する係数とを用いて閾値を計算する閾値計算部と、
前記総和と前記閾値との大小関係を判定し判定結果を出力する比較器と、
前記判定結果を用いて前記推定値から外れ値を除去する外れ値除去部と、
を備えることを特徴とする位相推定装置。
【請求項２】
前記外れ値除去部は、
前記比較器が前記閾値より前記総和が大きいと判定した場合、１サンプル前の前記推定値を出力して前記外れ値を除去することを特徴とする請求項１に記載の位相推定装置。
【請求項３】
前記閾値計算部は、
前記総和と前記係数と前記推定に用いる前記受信信号に含まれるシンボル数の半値とを用いて前記閾値を計算することを特徴とする請求項１または２に記載の位相推定装置。
【請求項４】
前記閾値計算部は、
変更前の前記受信信号の数と、変更後の前記受信信号の数と、変更前の前記総和の平均値とを用いて、変更後の前記総和の平均値を計算することを特徴とする請求項３に記載の位相推定装置。
【請求項５】
前記推定の方法は、前記位相の推定の対象の受信信号と、前記受信信号を基準に前後複数の受信信号に対して複数の異なる位相回転量の位相回転を施して硬判定を行った結果と、前記位相回転を施した複数の受信信号と、のそれぞれの前記総和を求め、結果が最小となる前記位相回転量を前記推定値とみなす方法であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の位相推定装置。
【請求項６】
前記推定の方法において、前記総和を求める時に用いる受信信号数を、前記総和の平均値の値に応じて変更することを特徴とする請求項５に記載の位相推定装置。
【請求項７】
位相推定装置を制御するための制御回路であって、
受信信号に含まれる位相の誤差を推定し、前記誤差の推定値と、前記推定値を用いて前記受信信号の位相を補正した信号とを用いて前記推定値と前記信号との間の２乗誤差の総和を計算する計算処理と、
前記総和と外部装置が出力する係数とを用いて閾値を計算する閾値計算処理と、
前記総和と前記閾値との大小関係を判定し判定結果を出力する比較処理と、
前記判定結果を用いて前記推定値から外れ値を除去する外れ値除去処理と、
を前記位相推定装置に実行させることを特徴とする制御回路。
【請求項８】
位相推定装置を制御するためのプログラムであって、
受信信号に含まれる位相の誤差を推定し、前記誤差の推定値と、前記推定値を用いて前記受信信号の位相を補正した信号とを用いて前記推定値と前記信号との間の２乗誤差の総和を計算する計算処理と、
前記総和と外部装置が出力する係数とを用いて閾値を計算する閾値計算処理と、
前記総和と前記閾値との大小関係を判定し判定結果を出力する比較処理と、
前記判定結果を用いて前記推定値から外れ値を除去する外れ値除去処理と、
を前記位相推定装置に実行させることを特徴とするプログラム。
【国際調査報告】
2020039505.tif 000031
2020039505.tif 000032
2020039505.tif 000033
2020039505.tif 000034