(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数は同じであるが位相が直角の２つの搬送波上で搬送される２つの２値信号（Ｉ、Ｑ）を復元する復調器の周波数誤差を推定する方法であって、
２つの２値信号の値（Ｉ、Ｑ）の連続した対を成分として有するベクトルを形成するステップと、
少なくともそれがπ／４の倍数に等しいときにはその角度に４をかけ、かつそのモジュールをほぼ保存する変換を各ベクトルに適用するステップと、
変換したベクトルの平均（ｘ１、ｙ１）を計算するステップとを含み、
その変換が、ベクトル角度に４をかけることによって得られた像ベクトルと実質上同じ像平面象限に位置する像ベクトルを各ベクトルに対応させる、区分一次変換である方法。
【請求項２】
周波数誤差が、平均ベクトルの角度（ψ）の導関数を計算することによって与えられる、請求項１に記載の周波数誤差を推定する方法。
【請求項３】
導関数が、π／２を法として、２つの連続した角度の値の差の形で与えられる、請求項２に記載の周波数誤差を推定する方法。
【請求項４】
位相０が、像平面の第２象限および第３象限に位置する像ベクトルに割り当てられ、位相＋１が、第１象限に位置する像ベクトルに割り当てられ、位相−１が、第４象限に位置する像ベクトルに割り当てられ、周波数誤差情報が、現在の像ベクトルに割り当てられる位相値とその前の像ベクトルに割り当てられた位相値の差によって与えられ、この差が、それが正である場合には２を法として与えられ、負である場合には−２を法として与えられる、請求項１に記載の周波数誤差を推定する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周波数は同じであるが位相が直角の２つの搬送波によって搬送される２つの２値信号を復元する、いわゆるＱＰＳＫ復調器に関する。さらに詳細には、本発明は、復調器のフェイズ・ロックド・ループがセットされる周波数の誤差の推定器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、復調器によって復元される２つの２値信号の連続した値に対応する値またはシンボルの対を配置図（ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ）の形で示している。この配置図は、所与の時間における２つの２値信号の値ＩおよびＱを座標としてそれぞれ有する点を示している。理論的には、これらの点は、それぞれ座標（１、１）、（−１、１）、（−１、−１）、および（１、−１）となる点Ｐ１からＰ４と一致する。
【０００３】
ただし、この配置図の第１象限に示すように、点Ｐ１と一致するはずの点は、様々な誤差および伝送中の雑音によって点Ｐ１の周りに点の雲を形成する。
【０００４】
ＱＰＳＫ復調器は一般に、配置図の点を分析することによって局所発振器の周波数を搬送周波数にセットするフェイズ・ロックド・ループ（ＰＬＬ）から形成される。雑音をフィルタリングするために、ＰＬＬは、２値信号の伝送周波数またはシンボル周波数の数千分の１程度の非常に小さな帯域幅を有する。これにより、ＰＬＬは狭い捕捉範囲も有し、これは雑音が増加するとさらに縮小される。この範囲は、３ｄＢの信号対雑音比でシンボル周波数の０．５％程度である。搬送周波数は一般にあまりよく知られておらず、そのずれはシンボル周波数の数倍になる可能性がある。したがって、特定の措置を講じなければ、ＰＬＬはうまく搬送周波数にセットしない。
【０００５】
ＰＬＬの周波数の調節が不十分であるときには、図１に矢印で示すように、受信された点の配置図は周波数誤差に等しい速度で回転する。
【０００６】
ＰＬＬの捕捉範囲内の周波数である周波数を発見するための従来の第１の解決策は、ＰＬＬのロッキングが検出されるまで、連続した選択値についてＰＬＬ周波数を調節することからなる。ＰＬＬロッキングの検出は、検査する各周波数ごとに多数のシンボルを分析することを必要とする、比較的速度の遅い動作である。分析すべきシンボルの数は、雑音とともに増加する。衛星伝送では、一般に、３ｄＢ程度の小さな信号対雑音比が許容される。この場合には、ロッキングを検出するために数万というシンボルを分析しなければならず、これにより連続した周波数検査の速度と、したがって復調器が搬送周波数にセットされる速度とが大幅に低下する。
【０００７】
その他の解決策では、周波数誤差推定器を使用して、１回の試みで復調器の周波数をその捕捉範囲内にする。周波数推定器の一例は、Ｄａｖｉｄ  Ｇ．  Ｍｅｓｓｅｒｓｃｈｍｉｔｔによる論文、「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ  ｆｏｒ  ＰＬＬ  Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｔｉｍｉｎｇ  ａｎｄ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ」、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、ｖｏｌ．２７、Ｎ゜９、１９７９年９月、に記載されている。
【０００８】
この推定器は、信号の所与の特性を活用し、原理的には周波数誤差に比例している値を提供する。しかし、このタイプの推定器は、信号スペクトルの重心の位置を与え、したがってこのスペクトルが対称となる場合にしか動作することができない。実際のほとんどの状況では、信号の伝送の特徴が望ましい理論上の特徴に対して変動することにより、スペクトルは常に対称になるわけではない。したがって、この推定器によって与えられる周波数の値は、実際にはシンボル周波数の数パーセント（ａ  ｆｅｗ  ｈｕｎｄｒｅｄｔｈｓ）だけ変動し、しばしばＰＬＬの捕捉範囲から外れる。
【０００９】
周波数誤差検出器は、Ｈｉｋｍｅｔ  ＳａｒｉおよびＳａｉｄ  Ｍｏｒｉｄｉによる論文、「Ｎｅｗ  Ｐｈａｓｅ  ａｎｄ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ  ｆｏｒ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｉｎ  ＰＳＫ  ａｎｄＱＡＭ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、ｖｏｌ．３６、Ｎ゜９、１９８８年９月、に記載されている。
【００１０】
この検出器は、ＰＬＬの位相誤差の変動を分析する。実際に、周波数誤差がある場合には、位相は、ＱＰＳＫ復調器でπ／２を法として、時間について線形に変化する。雑音がない場合には、位相は−π／４からπ／４の間でのこぎり歯形に変動し、周波数はのこぎり歯の各ランプの傾きに対応する。このシステムは、測定された位相誤差が正と負のしきい値の間に含まれるときにはこれを提供し、そうでない場合にはこれらのしきい値の間で測定された最後の値を提供する。
【００１１】
ただし、強い雑音がある場合には、各ランプの頂点は、しばしば絶対値がπ／４を超える可能性があるランダム誤りに重ねられる。この場合には、信頼できる結果を得ることは実質上不可能となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、強い雑音がある場合でも特に信頼できる、ＱＰＳＫ復調器の周波数誤差の推定器を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この目的は、周波数は同じであるが位相が直角の２つの搬送波上で搬送される２つの２値信号を復元する復調器の周波数誤差を推定する方法であって、２つの２値信号の値の連続した対を成分として有するベクトルを形成するステップと、少なくともそれがπ／４の倍数に等しいときにはその角度に４をかけ、かつそのモジュールをほぼ保存する変換を各ベクトルに適用するステップと、変換したベクトルの平均を計算するステップとを含む方法によって達成される。
【００１４】
本発明の実施形態によれば、変換は、ベクトル角度の４倍の回転である。
【００１５】
本発明の実施形態によれば、周波数誤差は、平均ベクトルの角度の導関数を計算することによって与えられる。
【００１６】
本発明の実施形態によれば、導関数は、π／２を法として、２つの連続した角度の値の差の形で与えられる。
【００１７】
本発明の実施形態によれば、その変換は、ベクトル角度に４をかけることによって得られた像ベクトルと実質上同じ像平面象限に位置する像ベクトルを各ベクトルに対応させる、区分一次変換である。
【００１８】
本発明の実施形態によれば、位相０は、像平面の第２象限および第３象限に位置する像ベクトルに割り当てられ、位相＋１は第１象限に位置する像ベクトルに割り当てられ、位相−１は第４象限に位置する像ベクトルに割り当てられ、周波数誤差情報は、現在の像ベクトルに割り当てられる位相値とその前の像ベクトルに割り当てられた位相値の差によって与えられ、この差は、それが正である場合には２を法として与えられ、負である場合には−２を法として与えられる。
【００１９】
前述した本発明の目的、特徴、および利点について、添付の図面に関連して、以下の非限定的な特定の実施形態の説明において詳細に考察する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
ＱＰＳＫ復調器の周波数誤差を推定するために、本発明では、シンボルの平均位相を計算し、この平均位相を微分して周波数誤差を求める。
【００２１】
位相値をさらに低域フィルタリングすることにより、従来の位相検出器をこの目的に使用することもできる。これにより雑音が平滑化され、振幅π／２ののこぎり歯に近い変動を得ることができることになる。
【００２２】
ただし、強い雑音がある場合には、多数の瞬時位相値がのこぎり歯の振幅限度を超え、平均計算に対する誤りのある寄与を発生させる。例えば、のこぎり歯が−π／４からπ／４の間で変動する場合には、瞬時位相値−π／４−εは値π／４−εの位相に変換され、それによりこの瞬時位相は、平均計算でπ／２の誤差で計算される。
【００２３】
非常に雑音の多い環境では、このような限度外の値が生じる可能性は非常に高く、平均値は全く妥当でなく、利用することはできない。
【００２４】
こうした欠点を回避するために、本発明では、そのモジュールをほぼ保ちながらそれらの最初の角度を４倍だけ回転させたシンボルの平均を計算する。
【００２５】
このような変換を用いると、元の配置図においてπ／２を法として同じ位置を占める任意の２つのシンボルは、像配置図において同じ絶対位置を有する。換言すれば、４つのシンボル（Ｉ、Ｑ）のうちどれが伝送されたかが分からないことから元の最初の配置図における位相を考慮することによって生じる可能性があるπ／２の誤差は、この変換によって像配置図では抑制される。実際に、π／２の誤差を有するシンボルは、像配置図では正しいシンボルと混同される。
【００２６】
図２は、上述の方法を実施する回路の一例を示す簡略図である。復調器によって復元される２つの２値信号の値ＩおよびＱの対は、座標（Ｉ、Ｑ）のベクトルのモジュールＲおよびこのベクトルが水平軸（図１のＩ）となす角度θを計算する、デカルト座標／極座標（ｃａｒｔｅｓｉａｎ−ｔｏ−ｐｏｌａｒ）変換器１０に与えられる。角度θは、対応する座標（ｘ、ｙ）の対を計算する極座標／デカルト座標（ｐｏｌａｒ−ｔｏ−ｃａｒｔｅｓｉａｎ）変換器１４にモジュールＲとともに送る前に、１２で４をかける。座標ｘおよびｙの変動の平均ｘ１およびｙ１は、それぞれの低域フィルタ１６および１７から与えられる。回路１９は、フィルタ１６および１７から与えられた成分（ｘ１、ｙ１）の各ベクトルの引数の４分の１を提供する。したがって、回路１９は、−π／４およびπ／４の限度を超える位相誤差を有するシンボルによって引き起こされる可能性があるπ／２の誤差を生じることなく、成分（Ｉ、Ｑ）のベクトルの平均の角度に対応する平均位相ψを提供する。
【００２７】
微分回路２１は、平均位相ψに基づいて求めた周波数誤差Ｆを提供する。この誤差は、π／２を法とする２つの連続する角度ψの間の差ｄに比例する、すなわち、差ｄが例えばπ／４より大きい場合には、−π／４からπ／４の間に含まれる値ｄ−π／２が選択される。周波数誤差Ｆは、フェイズ・ロックド・ループ２３の周波数基準値を補正するためにそのまま使用することができる。
【００２８】
図２の回路は、成分（ｘ、ｙ）を有するベクトルの角度の平均を直接は計算しないが、まず各成分ｘおよびｙの平均、すなわち平均ベクトルを計算し、次いでこの平均ベクトルの角度を計算することに留意されたい。この演算方式は、本発明の重要な一面である。実際に、これにより、図１の配置図の軸ＩおよびＱ付近でシンボルを受信したときのあいまいさを解決することができる。
【００２９】
例えば、受信した配置図が理論上の配置図から−π／４だけシフトしている、すなわち理論上の点Ｐ１からＰ４に対応する点が軸ＩおよびＱ上にあると仮定する。この場合には、配置図の位相はいわゆるヌルとなる。εは雑音による小さな寄生成分であるとして、点Ｐ１に対応する座標（１、ε）のシンボル、および点Ｐ２に対応する座標（ε、１）のシンボルを受信する可能性は非常に高い。これらの点はそれぞれ角度εおよびπ／２−εである。これらの角度にそれぞれ４をかけると、４εおよび２π−４εとなる。これらの角度の平均を４で割ると、位相の推定値として値π／４が与えられるが、この例では位相はヌルであるのでこれは誤りである。ただし、変換後のベクトル成分はそれぞれ（１、４ε）および（１、−４ε）であるので、成分（１、０）となるこれに対応する平均はヌル角度を有し、これは受信した配置図の位相の正確な値である。
【００３０】
本発明による変換を適用しない場合には、平均角度の計算も平均ベクトルの計算も正しい位相（両ケースともにπ／４）を与えないことにさらに留意されたい。
【００３１】
最初に平均ベクトルを計算することには、モジュールの小さなベクトルより正しい角度を有する可能性が高いモジュールの大きなベクトルにより大きな影響を及ぼすという利点もある。実際に、同じ雑音成分が及ぼす影響は、モジュールの小さなベクトルの角度よりモジュールの大きなベクトルの角度の方がはるかに小さい。
【００３２】
図２の回路は、三角関数の計算を行わなければならないデカルト座標／極座標変換器および極座標／デカルト座標変換器により、実際に実施するには非常に複雑である。このことは、成分（ｘ１、ｙ１）のベクトルの角度を与える回路１９についても言える。
【００３３】
本発明の実施形態によれば、図２の結果と等価な最終的な結果を与える、より簡単に実施できる回路が提供される。この目的のために、図２の回路の場合のように円を円には変換しないが、π／４の倍数の角度に４をかける一次変換を使用する。このような変換の一例は以下の数式１のようになる。ただし、ＩおよびＱは最初のベクトルの成分、ｘおよびｙは像ベクトルの成分とする。
0004200602.tif 000002
【００３４】
図３は、図１の配置図の半径１の円にこの変換を施すことによって得られた像を示す図である。理論上の点Ｐ１からＰ４の像は、ｘ軸上、負の側にある。約３０°から６０°（９０°を法とする）の間に含まれる角度を有するベクトルは、図３の第２象限および第３象限に像を有する。０から約３０°（９０°を法とする）の間に含まれる角度を有するベクトルは第１象限に像を有し、約６０°から９０°（９０°を法とする）の間に含まれる角度を有するベクトルは第４象限に像を有する。
【００３５】
図２の回路の場合と同様に、低域フィルタ１６および１７は、この変換後に得られた成分ｘおよびｙの平均ｘ１およびｙ１を与える。
【００３６】
その他の区分一次変換を考慮することもできる。ただし、それらは、上記変換と同様に、少なくともπ／４の倍数の角度に４をかけるものとする。
【００３７】
図２の角度計算回路１９および微分回路２１を保持することもできる。ただし、角度計算回路１９は、その前の区分一次変換によって得られる計算の簡略化と両立しない、比較的複雑な逆タンジェント計算を実行しなければならない。
【００３８】
１つの実施形態によれば、平均像角度の極性のみを使用して、周波数誤差を示すようになっている。より厳密に言うと、平均像点（ｘ１、ｙ１）が図３の第２象限または第３象限に位置する場合には、値０が位相ψに割り当てられる。平均像点が第１象限に位置する場合には、値１が位相ψに割り当てられる。最後に、平均像点が第４象限に位置する場合には、値−１が位相ψに割り当てられる。回路２１が実行する導出は、位相ψのその前の値を現在の値から引くことからなり、その結果は、この差が正である場合には２を法として与えられ、負である場合には−２を法として与えられる（換言すれば、この差は、２または−２と等しい場合には廃棄（ａｎｎｕｌｌ）される）。
【００３９】
したがって、受信した配置図が一定速度で回転するときに、この導出は、同数のヌル値で分けられた連続した値１または−１（回転方向による）を与え、このヌル値の数は回転速度が低下すると増加する。
【００４０】
このように、この導出は基準としてＰＬＬ２３に適用することができる周波数値は容易には与えないが、この基準に適用される正または負の増分を与え、これらの増分は、受信される配置図の回転速度が大きくなるにつれて、さらに互いに接近する。
【００４１】
上記に記載した操作は、一般に、例えば配線方式でデジタル信号について実行される。最後に記載した実施形態が線形計算しか必要としないことで、三角関数演算を実行する必要のない特に簡単なハードワイヤード回路を使用することが可能となる。
【００４２】
図４は、フィルタ１６および１７のデジタルな（ｄｉｇｉｔａｌ）例を示す図である。成分ｘまたはｙは、サンプル遅延素子３２を介してフィルタの出力ｘ１またはｙ１も受信する加算器３０に与えられる。フィルタの出力ｘ１またはｙ１は、加算器３０の出力と係数ａをかけた遅延素子３２の出力との間の差を計算する減算器３４に与えられる。良い結果はａ＝１／８で得られる。
【００４３】
言うまでもなく、本発明は、当業者なら容易に思いつくであろう様々な代替形態、修正形態、および改良形態を有する可能性が高い。このような代替形態、修正形態、および改良形態は、本開示の一部となり、また本発明の趣旨および範囲の範囲内となるものとする。したがって、前述の説明は例示のみを目的とするものであり、限定するためのものではない。本発明は、頭記の特許請求の範囲およびその均等物に規定するようにのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】前述の通り、ＱＰＳＫ復調器が復元するシンボルに対応する配置図を示す図である。
【図２】本発明による周波数誤差推定器を示す簡略図である。
【図３】図２の回路を使用した場合に得られる結果と同等の結果を得ることができるようにする簡単な変換による、図１の配置図の円の像を示す図である。
【図４】図２の回路で使用する平均フィルタの一例を示す図である。
【符号の説明】
１０  デカルト座標／極座標変換器
１４  極座標／デカルト座標変換器
１６  低域フィルタ
１７  低域フィルタ
１９  角度計算回路
２１  微分回路
２３  フェイズ・ロックド・ループ
【図１】
0004200602.tif 000003
【図２】
0004200602.tif 000004
【図３】
0004200602.tif 000005
【図４】
0004200602.tif 000006