(57)【要約】      （修正有）【課題】搬送波位相捕捉制御の処理をすべて位相領域で行い、非線形処理にみられるような処理によって付加される位相雑音を低減させる。【解決手段】受信されたＮ相ＰＳＫディジタル信号を、直交振幅・位相変換して得られた位相値から、後述する「キャリア位相予測フィルタの出力であるキャリア位相予測値を引き算した差の位相値をＮ倍し、２π（ラジアン）で割り算した剰余を、Ｎで割り算し、その位相値からπ／Ｎを差し引くことにより、伝送せんとする情報を表すシンボル位相が除去されたキャリア位相とキャリア位相予測値の差、即ち、キャリア位相予測誤差（キャリア位相捕捉誤差）が得られる。【選択図】図３
2005136930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信され準同期検波されて、直交する二つの振幅信号として得られたＮ相ＰＳＫディジタル信号をアナログ／ディジタル変換し、更に、直交振幅／位相角変換して得られる受信信号位相角データから、後述する機能６の機能グループによって生成される受信信号搬送波位相角データに関する予測値である第６ａ−４の位相値を減算して、受信信号搬送波位相捕捉誤差角データと、そのＮ相ＰＳＫディジタル信号によって伝送しようとする情報符号を表すシンボル位相との和として表される第１の位相値を生成する機能１と、  上記機能１により得られる第１の位相値を分岐して、その一方の位相値に、Ｎ倍の掛け算を行って、第１の位相値のＮ倍の値である第２の位相値を生成する機能２と、第２の位相値に関するＭＯＤ（２π）の演算によって、２πによる除算の剰余である値を持つように正規化された第３の位相値を生成する機能３と、第３の位相値をＮで除算することによりＮ分の２π以下の値になる第４の位相値を生成する機能４と、第４の位相値からπ／Ｎを減算することにより、そのＮ相ＰＳＫディジタル信号によって伝送しようとする情報符号を表すシンボル位相を除去された受信信号搬送波位相捕捉誤差値である第５の位相捕捉誤差値を生成する機能５と、第５の位相捕捉誤差値を２つに分岐して、その一方の位相捕捉誤差値と、予め定められている係数ａ（ｔ）との積算を行って、第６ａ−１の位相補正値を生成する機能６ａ−１と、後述する機能６ａ−４によって生成される受信信号搬送波位相角データに関する予測値である第６ａ−４の位相値とを加算して得られる第６ａ−２の位相推定値を生成する機能６ａ−２と、第６ａ−２の位相推定値と、後述する機能６ｂ−２により生成される第６ｂ−２の位相微分推定値とを加算して得られる第６ａ−３の位相予測値を生成する機能６ａ−３と、第６ａ−３の位相予測値を１サンプル期間保持して、次のサンプル時に、そのサンプル時の受信信号搬送波位相角データに関する予測値である第６ａ−４の位相予測値として、機能１および機能６ａ−２に帰還する機能６ａ−４と、前述の２つに分岐された第５の位相捕捉誤差値の内、機能６ａ−１に入力されない方の第５の位相捕捉誤差値に対して、予め定められている係数ｂ（ｔ）との積算を行って第６ｂ−１の位相微分補正値を生成する機能６ｂ−１と、第６ｂ−１の位相微分補正値と、後述する機能６ｂ−３により生成される第６ｂ−３の位相微分予測値とを加算して得られる第６ｂ−２の位相微分推定値を生成し、それを２分岐して、その一つを前述の機能６ａ−３に入力し、また、他の一つを後述の機能６ｂ−３への入力として出力する機能６ｂ−２と、第６ｂ−２の位相微分推定値を１サンプル期間保持して、次のサンプル時に、そのサンプル時の受信信号搬送波位相微分値の予測値として前述の機能６ｂ−２に帰還する機能６ｂ−３で構成され、前述の機能１で生成され分岐された他の一方の位相値を搬送波位相が捕捉同期され、符号判定が可能となったＮ相位相信号として、Ｎ相符号判定機能に出力する方式。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は多相ＰＳＫディジタル信号の復調に必要な基準信号を生成するために、受信した多相ＰＳＫディジタル信号から、その搬送波位相情報を抽出する方式に関する。
【背景技術】
【０００２】多相ＰＳＫディジタル信号の復調に必要な基準信号を生成するために、受信した多相ＰＳＫディジタル信号から、その搬送波位相情報を抽出する方式としては、特許文献１に見られるような、まず、受信信号を直交振幅・位相変換して得られる位相角から、伝送された情報符号に対応する位相角（例えば、ＱＰＳＫディジタル信号「１，１」に対応するベースバンド信号の位相：π／４など）を差し引くことにより、伝送せんとする情報符号による変調の影響を除去した搬送波の位相情報を抽出する方法がある。【特許文献１】特願平６−３１３８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】従来、多相ＰＳＫディジタル信号の復調に必要なキャリア位相の再生法としては、周波数逓倍方式や、コスタスループ方式が多く用いられているが、これらは、何れも、位相に関する操作のために、振幅信号同士を乗算すると云う方法を用いている。そのために、キャリア信号と雑音の間の混変調による雑音が付加されることを免れない。この問題を解決するために、初めに、直交振幅・位相変換を施して位相領域で定数の乗算あるいは加減算のみの線形処理を施すことにより、処理によって付加的雑音を生成しない方法がある。しかし、この方法によって、付加雑音の問題を解決した、例えば、前項
【背景技術】において参照した特許文献１に述べられた多相ＰＳＫディジタル信号復調技術では、伝送しようとする情報符号に対応して、搬送波位相が、時間の変化とともに、様々な位相値をとり始める前に、搬送波の位相基準と位相捕捉状態を確立する必要があるために、バーストの最初の部分に、一定期間中、伝送する符号を既知の位相値に固定したプリアンブル部を設ける必要がある。  そのために、バースト・モード以外の多相ＰＳＫディジタル信号に対応することが出来ないことと、システム構成上の制約になる。また、情報伝送に寄与しないプリアンブルを設けることによる情報伝送効率を下げる結果となる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  受信され準同期検波されて、直交する二つの振幅信号として得られたＮ相ＰＳＫディジタル信号をアナログ／ディジタル変換し、更に、直交振幅／位相角変換して得られる受信信号位相角データから、後述する機能６の機能グループによって生成される受信信号搬送波位相角データに関する予測値である第６ａ−４の位相値を減算して、受信信号搬送波位相捕捉誤差角データと、そのＮ相ＰＳＫディジタル信号によって伝送しようとする情報符号を表すシンボル位相との和として表される第１の位相値を生成する機能１と、  上記機能１により得られる第１の位相値を分岐して、その一方の位相値に、Ｎ倍の掛け算を行って、第１の位相値のＮ倍の値である第２の位相値を生成する機能２と、  第２の位相値に関するＭＯＤ（２π）の演算によって、２πによる除算の剰余である値を持つように正規化された第３の位相値を生成する機能３と、  第３の位相値をＮで除算することによりＮ分の２π以下の値になる第４の位相値を生成する機能４と、  第４の位相値からπ／Ｎを減算することにより、そのＮ相ＰＳＫディジタル信号によって伝送しようとする情報符号を表すシンボル位相を除去された受信信号搬送波位相捕捉誤差値である第５の位相捕捉誤差値を生成する機能５と、  第５の位相捕捉誤差値を２つに分岐して、その一方の位相捕捉誤差値と、予め定められている係数ａ（ｔ）との積算を行って、第６ａ−１の位相補正値を生成する機能６ａ−１と、  後述する機能６ａ−４によって生成される受信信号搬送波位相角データに関する予測値である第６ａ−４の位相値とを加算して得られる第６ａ−２の位相推定値を生成する機能６ａ−２と、  第６ａ−２の位相推定値と、後述する機能６ｂ−２により生成される第６ｂ−２の位相微分推定値とを加算して得られる第６ａ−３の位相予測値を生成する機能６ａ−３と、  第６ａ−３の位相予測値を１サンプル期間保持して、次のサンプル時に、そのサンプル時の受信信号搬送波位相角データに関する予測値である第６ａ−４の位相予測値として、機能１および機能６ａ−２に帰還する機能６ａ−４と、  前述の２つに分岐された第５の位相捕捉誤差値の内、機能６ａ−１に入力されない方の第５の位相捕捉誤差値に対して、予め定められている係数ｂ（ｔ）との積算を行って第６ｂ−１の位相微分補正値を生成する機能６ｂ−１と、  第６ｂ−１の位相微分補正値と、後述する機能６ｂ−３により生成される第６ｂ−３の位相微分予測値とを加算して得られる第６ｂ−２の位相微分推定値を生成し、それを２分岐して、その一つを前述の機能６ａ−３に入力し、また、他の一つを後述の機能６ｂ−３への入力として出力する機能６ｂ−２と、  第６ｂ−２の位相微分推定値を１サンプル期間保持して、次のサンプル時に、そのサンプル時の受信信号搬送波位相微分値の予測値として前述の機能６ｂ−２に帰還する機能６ｂ−３で構成され、前述の機能１で生成され分岐された他の一方の位相値を搬送波位相が捕捉同期され、符号判定が可能となったＮ相位相信号として、Ｎ相符号判定機能に出力する方式による。
【発明の効果】
【０００５】  本発明は、搬送波位相捕捉制御の処理を全て位相領域で行っているために、従来のアナログ技術に基づく非線形処理によるような、処理によって付加される位相雑音がない。また、線形のままカルマンフィルタ理論の適用が可能であるため、極めて簡単な構成で精度の高い位相予測が可能である。  更に、多相ＰＳＫディジタル信号を復調するための搬送波位相情報抽出機能として、従来技術では必要とされる多相ＰＳＫディジタル信号のプリアンブルを必要としない。従って、より少ないステップ数の処理構成で、敏速な初期捕捉性能と、理論上の限度に近い低い誤差確率で再生する搬送波位相情報復号性能を維持して、あらゆるフレーム構成の多相ＰＳＫディジタル信号に柔軟に対応できる効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】
【０００６】  本発明の方式を、４相ＰＳＫディジタル信号を復調するための搬送波位相情報抽出機能として適用する場合の実施例を、図１、図２、図３および表１を伴って説明する。【０００７】  図１において、機能１に入力される信号Ｐ０は、受信された４相ＰＳＫディジタル信号が中間周波増幅器をを経て、局部発振器によって生成される基準信号を用いて準同期検波され、アナログ／ディジタル変換され、通常、ナイキスト・フィルタなどの低域フィルタを経由した後、更に、直交振幅／位相角変換して得られる入力信号位相角2005136930.tif 000003
において、一般に、次式、2005136930.tif 000004
ただし、ｋｔ＝０，１，２，３である。受信周波数および受信機の局部発振周波数が安定であるとするとθ０およびθ０は受信開始時点に受信された４相ＰＳＫディジタル信号の搬送波に関する受信機局部発振器との間の周波数に関する差、および、位相に関する差、また、ｎｔは入力における信号電力対雑音電力比Ｃ／Ｎに対応する位相雑音である。  （１）式右辺第２項の（ｋｔπ／２＋π／４）は、情報伝送のための符号に対応するシンボル位相Ｃｏｄｅであり、この右辺第２項を除去することにより、位相雑音を含む４相2005136930.tif 000005
【０００８】  図１の機能１において、後述する機能６によって生成される受信信号搬送波位相真2005136930.tif 000006
送波位相の予測値θｔ｜ｔ−１の差として表される位相誤差値Ｐ１＝Ｐ０−θｔ｜ｔ−１・・・（２）を生成する。【０００９】  機能１により生成される位相値Ｐ１は、機能２において定数４との積算を行うと、４2005136930.tif 000007
【００１０】  機能２によって生成される４倍位相値Ｐ２を機能３で２πを法として剰余を求める2005136930.tif 000008
が得られる。  この場合、（４）式右辺第１項はその絶対値がπより小でなければならない。2005136930.tif 000009
【００１１】上記機能３によって正規化された位相値Ｐ３を機能４において定数４で除算するこ2005136930.tif 000010
成する。【００１２】  機能４によって生成された位相値Ｐ４から、機能５においてπ／４を減算することに2005136930.tif 000011
を生成する。【００１３】  図１の機能６＋において、機能５で生成される位相捕捉誤差値Ｐ５に、後述する機能６2005136930.tif 000012
すると、2005136930.tif 000013
の機能６＋は、説明の都合により付加したもので、後で述べるように位相予測フィルタをカルマンフィルタ理論に基づいて構成する場合は不要となる。）【００１４】  この位相値Ｐ６は、機能６である位相予測フィルタに入力され、位相雑音ｎｔの影響を抑えながら、次のシンボル時点における受信信号搬送波位相θｔ＋１に関する予測値θｔ＋１｜ｔを生成し、前述のように、機能１と機能６＋へ帰還する。定常状態において、受信信号搬2005136930.tif 000014
れる位相雑音と略同じであるから、機能１で生成される（２）式の位相誤差値Ｐ１＝Ｐ０−θｔ｜ｔ−１は、情報伝送のための符号に対応するシンボル位相Ｃｏｄｅと位相雑音ｎｔとの和に十分近い。  従って、位相雑音値が｜ｎｔ｜＜π／４であれば、象限判定により情報シンボルを決定でき、伝送された符号が復号可能である。【００１５】ここまでに説明した各機能による処理の流れを具体的な数値の変化として表１に示す。この表では、本システムに入力される位相信号が伝送される情報の符号に対応するシンボル位相と搬送波位相の和であるとし、位相雑音は搬送波位相に含まれていると考える。上の１０行は様々な符号と搬送波位相の組み合わせの信号位相入力に対する処理開始の状態における処理結果であり、下の１０行は同様の入力に対する定常状態における処理結果である。何れの場合も、シンボル位相が消去されて、Ｐ６は搬送波位相2005136930.tif 000015
【表１】
2005136930.tif 000016
【００１６】機能６である位相予測フィルタとして、カルマンフィルタ理論に基づいて構成される２状態位相予測フィルタを用いる場合について、詳細を以下に説明する。本方式では位相推定・予測フィルタリングおよび位相制御機能を、全て位相と、その微係数である周波数の領域で線形システムとして実現できるので、極めて簡単、かつ、高性能のカルマンフィルタを構成することが出来る。【００１７】カルマンフィルタの処理は、通常、次の５つの一般式で表される。（参考資料：片山徹「応用かルマンフィルタ」朝倉書店１９８３．４．２０初版  ５．５節  ５．７７式〜５．８１式参照）ｘｔ｜ｔを状態ベクトルｙｔを観測ベクトル、即ち、フィルタ入力とする。  添字のｔはｔ時点のサンプルに関する値であることを表し、ｔ｜ｔは、ｔ時点までの全サンプルに基づくｔ時点の状態に関する推定であることを示す。  ｔ｜ｔ−１は、ｔ−１時点までの全サンプルに基づくｔ時点の状態に関する推定、即ち、予測であることを示す。Ｆはｔ−１時点から、ｔ時点、或いはｔ時点から、ｔ＋１時点へ、モデルに基づいて状態ベクトルを遷移させるための遷移行列であり、Ｈは状態ベクトルと観測ベクトルの関係を定める観測行列ある。また、Ｋｔは時々刻々の観測ベクトルｙｔから最小分散推定を得るための利得行列である。【数１】
2005136930.tif 000017
【数２】
2005136930.tif 000018
ただし、
【数３】
2005136930.tif 000019
【数４】
2005136930.tif 000020
【数５】
2005136930.tif 000021
Ｉは単位行列を表す。（９）式、（１０）式は状態の予測と推定に関する処理である。（１１）式は、最小分散推定に必要な利得行列を算出するための（１０）式の利得行列Ｋｔをサンプル毎に算出する処理で、また、（１２）式、（１３）式は、（１１）式の処理に必要な誤差共分散行列をサンプル毎に伝播する式である。ＨＴは観測行列Ｈの転置行列である。  この観測行列Ｈは、次式で定義される。
【数６】
2005136930.tif 000022
また、Ｒは、観測に含まれる雑音共分散行列で、本発明の場合、観測期間中一定と見なしうる。  Ｐｔ｜ｔ−１はｔ−１時点までの観測に基づく、ｔ時点における状態に関する予測状態ベクトルｘｔ｜ｔ−１の誤差共分散行列で、同様に、Ｐｔ｜ｔはｔ時点までの全ての観測に基づく、ｔ時点における状態に関する推定状態ベクトルｘｔ｜ｔの誤差共分散行列である。Ｑはｔ−１時点からｔ時点への状態ベクトルの遷移の処理によって生じる状態雑音の共分散行列であり、一定であると仮定する。2005136930.tif 000023
に入力される時系列信号としての搬送波位相は次の式で表現できる。
【００１８】
【数７】
2005136930.tif 000024
処理の簡単化にために、位相角２π［ラジアン］を１［サイクル］、時間τの１サンプルリング周期τｔ−τｔ−１［秒］を、１［シンボル］とする単位系を採用する。  即ち、位相および周波数に関する単位は、［サイクル］および［サイクル／シンボル］とする。  フィルタの入力は位相のみであるから、次の通りである。
【数８】
2005136930.tif 000025
また、状態ベクトルｘｔは次式とする。
【数９】
2005136930.tif 000026
微分と呼ぶ。
【数１０】
2005136930.tif 000027
（９）式と（１８）式から、遷移行列Ｆは
【数１１】
2005136930.tif 000028
また、（１４）式と（１６）式から観測行列Ｈは
【数１２】
2005136930.tif 000029
この場合、遷移行列Ｆと観測行列Ｈが定行列であることから、上記の各式の要素と（１１）式、（１２）式、（１３）式から計算される誤差共分散行列Ｐｔ｜ｔ−１と、Ｐｔ｜ｔは、状態ベクトルｘｔ｜ｔ−１やｘｔ｜ｔから独立で、即ち、観測ｙｔの履歴に影響を受けないことが判る。従って、（１１）式で計算される利得行列Ｋｔも観測ｙｔの影響を受けない。  即ち、状態の推定および予測に必要な利得行列Ｋｔは、各サンプルリング毎に入力される観測ｙｔから推定される状態ベクトルｘｔ｜ｔ、あるいは、予測される状態ベクトルｘｔ｜ｔ−１と無関係に計算できる。  従って、予め、計算し保存したものを実時間処理において参照すれば良い。本発明のシステムにおいて、利得行列Ｋｔは、次の通りである。
【数１３】
2005136930.tif 000030
但し、ｔ：０，１，２，・・・・・ｍ  また、ｍは、状態が定常になったと考えてよい時点を表す値であって、ｔ＞ｍの時点の利得係数はＫｍで代用する。この利得係数ａ（ｔ）およびｂ（ｔ）は、必ずしも、カルマンフィルタ理論に基づいて厳密に計算する必要はなく、初期値１．０から指数関数的に減少して、適切に微小な有限の値に漸近するような近似数列を試行錯誤的に定めてもよい。故に、実時間において必要とされるフィルタリング処理は、カルマンフィルタ理論が保証する性能を維持したまま、（９）式と、（１０）式から、次の４式に簡単化できる。
【数１４】
2005136930.tif 000031
【数１５】
2005136930.tif 000032
【数１６】
2005136930.tif 000033
【数１７】
2005136930.tif 000034
（２４）式の３つの式を処理すれば良い。  この３つの式を処理することによって得られる２状態位相予測フィルタが
【００１４】に述べた図１の第６の機能である。  図１の第６の機能のみの処理ブロック図を図２として示す。【００１９】  図１の機能６の位相予測フィルタを単体として説明する都合上、機能ブロック図を2005136930.tif 000035
従って、図１と図２を統合する場合、図１の機能６＋と図２の機能６−は機能が相殺され実際の実施形態の機能ブロックとして図３が得られる。【００２０】  なお、上述においては、本発明による位相捕捉方式を、４相ＰＳＫ信号復調方式に適用した場合の実施例で述べたが、一般に多相ＰＳＫ信号復調方式、あるいは、例えば、１６−ＱＡＭ等と表示される振幅変調を併用する変調方式信号の搬送波再生に適用することも出来ることは明らかであろう。また、上述においては、位相予測データ生成手段の状態推定・予測フィルタを、上述した（２２）〜（２５）式で表されるカルマンフィルタ理論に基づいた状態推定・予測フィルタとした場合で説明したが、要はそれに準じて表される種々のフィルタ理論またはそれに準じた理論に基づいた種々の状態推定・予測フィルタとすることもでき、その他、予測搬送波位相値で、直接、準同期検波用の局部発振器を制御するなど、本発明の精神を脱することなしに、種々の変型変更をなし得るであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】伝送しようとする情報によりＰＳＫ変調を受けた位相信号から、その伝送された情報に対応するシンボル位相をを抽出するために、その入力されたサンプルの搬送波位相に関する精密な予測値を得て、搬送波位相を除去する方式を示す機能ブロック図である。
【図２】図１に示された機能６を実現する予測フィルタを、カルマンフィルタ理論に基づいて、最も簡単に構成した機能ブロック図である。
【図３】図１の機能６の予測フィルタを、図２のカルマンフィルタで、実現したシステム全体を示した機能ブロック図である。図１の機能６＋と図２の機能６−は機能が相殺されている。
【符号の説明】
【００２２】
2005136930.tif 000036
位相雑音を伴う受信信号の搬送波位相、また、Ｃｏｄｅは伝送された情報符号のシンボル位相値である。２：入力される位相値と定数Ｎの積の位相値を出力する機能。実施例１において、Ｎ＝４である。３：入力される位相値を２πで割り、その剰余の位相値を出力する機能。４：入力される位相値を定数Ｎで除した位相値を出力する機能。実施例１において、Ｎ＝４である。５：入力される位相値から定数π／Ｎを減算する機能で、システムへの入力信号位相値からシンボル位相値Ｃｏｄｅが除去され、位相雑音を伴う受信信号の搬送波位相2005136930.tif 000037
る搬送波位相に関する最尤予測値を出力する機能。６−：入力される搬送波位相値と、その位相予測値を減算し、搬送波位相捕捉誤差値を出力する機能。６ａ−１：入力される搬送波位相捕捉誤差値に対して、カルマンフィルタ理論に基づいて、位相推定のために、予め、定められている利得係数ａ（ｔ）との積算を行い位相補正を得る機能。６ａ−２：後述の機能６ａ−４から帰還される搬送波位相予測値に、機能６ａ−１で生成される位相補正値を加える機能で、後述の機能６ａ−４の１サンプル時データ保持機能と組み合わされて、位相補正値を積分する機能を構成し、現サンプル時の搬送波位相θｔに関する最尤推定値θｔ｜ｔを出力する機能。６ａ−３：入力される２つの位相値の和の位相値を出力する機能で、現サンプル時の搬送波位相θｔに関する最尤推定値θｔ｜ｔと機能６ｂ−２の出力である現サンプル時の搬送2005136930.tif 000038
あろう搬送波位相θｔ＋１の予測値θｔ＋１｜ｔを出力する機能。６ａ−４：次サンプル時の搬送波位相予測値を１サンプル時保持する機能で、現サンプル時に入力された搬送波位相の予測値θｔ｜ｔ−１を出力する機能。６ｂ−１：入力される搬送波位相捕捉誤差値に対して、カルマンフィルタ理論に基づいて、位相微分値推定のために、予め、定められている利得係数ｂ（ｔ）との積算を行い位相微分の補正値を得る機能。６ｂ−２：入力される２つの位相微分値の和の位相微分値を出力する機能で、後の機能６ｂ−３の１サンプル時データ保持機能と組み合わされて、入力値を積分する機能を2005136930.tif 000039
６ｂ−３：入力された値を１サンプル時保持する機能で、現サンプル時に入力された搬送2005136930.tif 000040
【図１】
2005136930.tif 000041
【図２】
2005136930.tif 000042
【図３】
2005136930.tif 000043