(57)【要約】【課題】マルチパスの評価処理を短時間で終えることのできるマルチパス評価装置を提供する。【解決手段】音声信号に含まれるマルチパスノイズを評価するためのマルチパス評価装置であって、音声信号の評価対象期間において、マルチパスの発生を示す信号強度を有する区間であるマルチパス区間と、バックグラウンドレベルとみなせる信号強度を有する区間であるバックグラウンドレベル区間とを、各区間の信号強度から特定する区間特定部と、マルチパス区間の信号強度について、直前のバックグラウンドレベル区間の信号強度を用いて信号対騒音比を算出してマルチパス評価値を取得する算出部とを備えている。【選択図】図１
2015122567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音声信号に含まれるマルチパスノイズを評価するためのマルチパス評価装置であって、
前記音声信号の評価対象期間において、マルチパスの発生を示す信号強度を有する区間であるマルチパス区間と、バックグラウンドレベルとみなせる信号強度を有する区間であるバックグラウンドレベル区間とを、各区間の信号強度から特定する区間特定部と、
前記マルチパス区間の信号強度について、直前の前記バックグラウンドレベル区間の信号強度を用いて信号対騒音比を算出してマルチパス評価値を取得する算出部とを備えていることを特徴とするマルチパス評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチパスノイズを評価するためのマルチパス評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、空間を伝播したラジオの電波などの信号（Ｒ／Ｆ信号）を検波することにより得られた音声信号（オーディオ信号）を用いて、Ｒ／Ｆ信号の伝播時に発生するマルチパスを検出する技術が知られている。例えば特許文献１には、車載用ラジオ受信機などに用いられる受信機が記載されている。この受信機では、音声信号または受信信号レベルの少なくともいずれか一方に基づいてマルチパスの発生を検知している。また、特許文献２には、マルチパスノイズの検出を確実化するために、所定パルス幅の制御信号を積分することによりマルチパスを検出する積分回路を具備する受信機が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−７９１０９号公報
【特許文献２】特開昭６３−１６４６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ラジオ受信機のマルチパス発生時の受信性能を評価する方法として、評価対象の音声信号の全期間に亘る信号強度情報を用いて、音声信号中にマルチパス発生時の信号強度が含まれているか否かを調べることなどが行われる。マルチパス評価処理を短時間で終了させることが望まれる。
【０００５】
本発明は、マルチパスの評価処理を短時間で終えることのできるマルチパス評価装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、音声信号に含まれるマルチパスノイズを評価するためのマルチパス評価装置であって、前記音声信号の評価対象期間において、マルチパスの発生を示す信号強度を有する区間であるマルチパス区間と、バックグラウンドレベルとみなせる信号強度を有する区間であるバックグラウンドレベル区間とを、各区間の信号強度から特定する区間特定部と、前記マルチパス区間の信号強度について、直前の前記バックグラウンドレベル区間の信号強度を用いて信号対騒音比を算出してマルチパス評価値を取得する算出部とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、マルチパスの評価処理を短時間で終えることのできるマルチパス評価装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係るマルチパス評価装置を含むラジオ評価系の構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施形態に係るマルチパス評価処理における信号強度を説明する図であり、（ａ）はマルチパス評価対象の原信号波形を示す図、（ｂ）はマルチパス評価処理により置き換えられた信号波形を示す図
【図３】本発明の実施形態に係るラジオ評価系によるマルチパス評価処理の手順を説明するフローチャート
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施形態について図面を用いて説明すれば以下の通りである。
【００１０】
［１．ラジオ評価系について］
まず、本実施の形態に係るマルチパス評価装置２０を用いたラジオ評価系１０について説明する。ラジオ評価系１０は、図１に示すように、音声信号によって変調された高周波信号を出力する高周波信号発生器１１と、高周波信号発生器１１からの高周波信号を受信して音声信号を検波するラジオ１２と、ラジオ１２によって検波された音声信号に対してマルチパスの評価を行うマルチパス評価装置２０とを備えている。ラジオ１２は、例えば、車両に搭載される車載ラジオである。
【００１１】
［２．マルチパス評価装置について］
続いて、マルチパス評価装置２０について説明する。
【００１２】
マルチパス評価装置２０は、ラジオ１２によって検波された音声信号（入力信号）を用いて、受信された電波の評価対象期間において、電波の伝播時においてマルチパスが継続したマルチパス区間を特定する。ラジオ１２による電波の受信にあたって、例えばまずフィールドでＲ／Ｆ信号記録装置により電波をＲ／Ｆ信号のまま捕捉および記録しておく。次いで、任意の場所でＲ／Ｆ信号記録装置を高周波信号発生器１１として、記録されたＲ／Ｆ信号を再生してラジオ１２に入力することによりラジオ１２による当該電波の受信を模擬する。そして、ラジオ１２を含む車載オーディオシステムで再生出力された音声信号に対し、マルチパス評価装置２０によって評価処理を行う。
【００１３】
また例えば、ラジオ局を高周波信号発生器１１としてラジオ１２により受信および検波された音声信号を車載オーディオシステムにより再生してマルチパス評価装置２０に供給するようにすることもできる。この場合に、マルチパス評価装置２０をラジオ１２とともに車両に搭載し、フィールドでリアルタイムにマルチパス評価処理を行ってもよい。
【００１４】
そして、マルチパス評価装置２０は、音声信号のパワースペクトルからマルチパス区間における音声信号の強度情報を取得し、評価対象期間の長さに対するマルチパス区間の長さの割合を示すマルチパス率に音声信号の強度情報を反映した評価値として、重み付けマルチパス率Ｘを算出する。複数のマルチパス区間が抽出された場合は、マルチパス率は、評価対象期間の長さに対する、全てのマルチパス区間の合計長さの割合となる。本実施形態では、後に詳述するように、重み付けマルチパス率Ｘを算出するためのマルチパス区間ごとのパラメータである重み係数を、各マルチパス区間について音声信号の強度情報を取得する処理と併せた処理にて求めるようにしている。マルチパス評価装置２０は、図１に示すように、収音部２１、周波数解析部２２、区間特定部２３、および、評価値算出部（算出部）２４を備えている。さらに、区間特定部２３は、マルチパス区間特定部２３ａ、および、暗騒音区間特定部２３ｂを備えている。
【００１５】
収音部２１は、ラジオ１２から出力された音声信号（時系列のデジタル信号）を記録する。周波数解析部２２は、収音部２１に記録された音声信号に対して、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）などを用いて周波数解析を行う。図２（ａ）に、各周波数成分の信号強度について得られる時間変化の一例を示す。周波数解析部２２は、収音部２１に記録された音声信号を複数のフレームに区分して、各フレームの音声信号に対して周波数解析を行い、各フレームについて、音声信号の強さの周波数特性を表すパワースペクトルを出力する。フレームを、図２（ｂ）の例ｐに示すように、前後のフレームどうしが例えば半サイクル期間といった重なり期間を有するように区切ることができる。また、フレームを、例ｑに示すように、前後のフレームどうしがあるタイミングを境に分かれるように区切ることができる。ここではフレームの長さを均等に長さ１Ｆとしている。フレームの信号強度を、そのフレームを代表する信号強度（例えば、フレーム期間（長さ１Ｆ）に亘る信号の積分強度や平均強度、２分の１フレーム期間経過点の信号強度、１フレームの信号強度の中央値、１フレームの信号強度の最大値または最小値など）と定めることができる。長さ１Ｆが、その間の信号強度が一定とみなせる程度に短い期間であれば、当該一定の信号強度がフレームを代表する信号強度である。また、フレームの信号強度の決定にあたって、特定の周波数におけるパワースペクトルのみを用いて上述のフレームを代表する信号強度を算出してもよいし、所定の周波数範囲のパワースペクトルの強度和をとるなどして、各周波数成分の寄与を合わせた信号強度を用いて上述のフレームを代表する信号強度を算出してもよい。
【００１６】
区間特定部２３は、周波数解析部２２により得られた各フレームのパワースペクトルから各フレームの信号強度を算出する。そして区間特定部２３は、周波数解析部２２で区分された各フレームの中で、ラジオ１２による受信時にマルチパスが発生したとみなせると定義した信号強度を有するフレーム（以下、「マルチパスフレーム」と称する）と、ラジオ１２による受信時におけるバックグラウンドレベルであるとみなせると定義した信号強度を有するフレーム（以下、「暗騒音フレーム」と称する）とを特定する。バックグラウンドレベルは、例えばマルチパス発生時の信号レベルに比べて十分に小さいレベルとして定義することができる。
【００１７】
マルチパス区間特定部２３ａは、周波数解析部２２で設定された各フレームについて、周波数解析部２２で得られた各フレームのパワースペクトルを用いて、マルチパスフレームであるか否かを判定するマルチパス判定を行う。マルチパス判定において、マルチパス区間特定部２３ａは、各フレームについて第１の閾値を用いて当該フレームの信号強度のデータのみからマルチパスフレームであるか否かを判定する。フレームの信号強度が第１の閾値を超えていると、当該フレームにおいてマルチパスの発生があったとみなす。第１の閾値は、図２（ａ）にレベルＴ１で示すように各フレームに共通のレベルとして設定されてもよいし、フレーム毎の信号強度に応じてその都度設定されてもよい。さらに、マルチパス区間特定部２３は、マルチパス判定においてマルチパスフレームであると判定したフレームが連続する期間および単独で存在する期間（マルチパスフレームの小集団）を、マルチパス区間として特定する。
【００１８】
暗騒音区間特定部２３ｂは、周波数解析部２２で設定された各フレームについて、周波数解析部２２で得られた各フレームのパワースペクトルを用いて、暗騒音フレームであるか否かを判定する暗騒音レベル判定を行う。暗騒音レベル判定において、暗騒音マルチパス区間特定部２３ｂは、各フレームについて第２の閾値を用いて当該フレームの信号強度のデータのみから暗騒音フレームであるか否かを判定する。フレームの信号強度が第２の閾値以下であると、当該フレームは暗騒音フレームであるとみなす。第２の閾値は、図２（ａ）にレベルＴ２（Ｔ２≦Ｔ１）で示すように各フレームに共通のレベルとして設定されてもよいし、フレーム毎の信号強度に応じてその都度設定されてもよい。Ｔ２＝Ｔ１に設定して、マルチパスフレームでなければ暗騒音フレームであると判定するようにしてもよい。暗騒音区間特定部２３ｂは、暗騒音レベル判定において暗騒音レベルのフレームであると判定したフレームが連続する期間および単独で存在する期間（暗騒音フレームの小集団）を、暗騒音区間（バックグラウンドレベル区間）として特定する。
【００１９】
また、区間特定部２３は、マルチパス区間特定部２３ａと暗騒音区間特定部２３ｂとを有しているが、各フレームに対してマルチパスフレームであるか否かと暗騒音フレームであるか否かとを全て調べる必要はない。例えば、あるフレームについてマルチパスフレームであると特定したならば、そのフレームについて暗騒音フレームであるか否かは調べる必要がなく、また、あるフレームについて暗騒音フレームであると特定したならば、そのフレームについてマルチパスフレームであるか否かは調べる必要はない。
【００２０】
評価値算出部２４は、マルチパス区間特定部２３ａにより特定されたマルチパス区間について、連続する複数のマルチパスフレームからなる場合には当該マルチパスフレーム間で信号強度の平均を算出してマルチパス区間の信号強度とする。マルチパス区間が単独のマルチパスフレームからなる場合には、当該マルチパスフレームの信号強度をマルチパス区間の信号強度とする。
【００２１】
また、評価値算出部２４は、マルチパス区間特定部２３ａによりマルチパス区間が特定される度に、マルチパス区間の信号強度と、当該マルチパス区間の直前の暗騒音区間の信号強度とから、信号対騒音比（ＳＮＲ：Sound to Noise Ratio）を算出する（後述の数式３を参照）。この信号対騒音比は各マルチパス区間におけるマルチパスの発生度合いを評価する上での１フレーム当たりの重み係数に相当する。そして、評価値算出部２４は、マルチパス区間特定部２３ａにより特定されたマルチパス区間について、算出した信号対騒音比を用いて表現したマルチパス区間についての全フレームについての重み係数の和（後述の数式４を参照）を、マルチパス区間が特定される度に算出する。このように、本実施形態のマルチパス評価装置２０によれば、重み係数が当該マルチパス区間の信号強度を調べていく過程においてリアルタイムに求められる。また、評価値算出部２４は、全てのマルチパス区間の特定が終了すると、求めた重み係数の和を全てのマルチパス区間分だけ加算し、これを後述するように受信音声信号の評価対象期間に含まれるフレームの数で除して重み付けマルチパス率Ｘ（マルチパス評価値）を算出する。重み付けマルチパス率Ｘはマルチパスの評価パラメータとして利用される。例えば、図２（ａ）のように第１の閾値としてレベルＴ１、第２の閾値としてレベルＴ２をそれぞれ用いた場合に、図２（ｂ）のように、マルチパス区間Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３および暗騒音区間Ｂ１、Ｂ２が特定されたとする。マルチパス区間Ｍ１、Ｍ２の直前の暗騒音区間は暗騒音区間Ｂ１であり、マルチパス区間Ｍ３の直前の暗騒音区間は暗騒音区間Ｂ２である。前記バックグラウンドレベルは通常の受信環境では評価対象期間中にある程度一様に存在することが期待できるので、またそのように第２の閾値を設定可能であることから、各マルチパス区間に対して信号対騒音比の算出に用いるバックグラウンドレベルを当該マルチパス区間から比較的近い期間内から取得することが可能である。
【００２２】
［３．マルチパス評価方法について］
続いて、図３のフローチャートを参照して、ラジオ評価系１０を用いたマルチパス評価方法について説明する。以下のフローにおいて、ステップＳ３０２〜Ｓ３０９がマルチパス評価装置２０の行う処理である。当該処理は、マルチパス評価装置２０が備えるプロセッサがメモリに記憶したプログラムを読み出して実行することにより行われる。この他に、専用ＬＳＩなどによるハードウェア動作によっても当該処理を実現することが可能である。
【００２３】
まず、ステップＳ３０１で、高周波信号発生器１１が発生した高周波信号（音声信号によって変調された高周波信号）を、ラジオ１２が受信して音声信号を検波する。次に、ステップＳ３０２で、マルチパス評価装置２０の収音部２１が、ラジオ１２を含む車載オーディオシステムにより再生出力された音声信号を所定の期間に亘って収音し記録する。
【００２４】
ステップＳ３０３では、マルチパス評価装置２０の周波数解析部２２が、収音部２１に記録された音声信号に対して、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）などを用いて周波数解析を行う。周波数解析部２２は、収音部２１に記録された音声信号の評価対象期間を複数のフレームに区分して、各フレームの音声信号に対して周波数解析を行う。周波数解析により、各フレームについて、音声信号の強さの周波数特性を表すパワースペクトルが得られる。
【００２５】
続くステップＳ３０４〜Ｓ３１１は、フレーム順に各フレームがマルチパス区間あるいは暗騒音区間に特定できるかどうかを判定して、特定したマルチパス区間についての評価パラメータを算出する処理である。まず、ステップＳ３０４でフレーム番号ｉを１に設定する。続くステップＳ３０５でフレーム番号ｉが最大（ＭＡＸ）であるか否かを判定し、最大とならない限りはステップＳ３０６へ進む。ステップＳ３０５でフレーム番号ｉが最大であれば、ステップＳ３１２へ進んで後述の処理を行う。
【００２６】
ステップＳ３０６では、区間特定部２３が、周波数解析により得たパワースペクトルからフレームの信号強度を算出する。信号強度の算出においては、特定の周波数におけるパワースペクトルのみを用いてもよいし、所定の周波数範囲のパワースペクトルの強度和をとるなど、各周波数成分の寄与を合わせた信号強度を算出してもよい。
【００２７】
次のステップＳ３０７では、区間特定部２３のマルチパス区間特定部２３ａおよび暗騒音区間特定部２３ｂによって、当該フレームがマルチパスフレームと暗騒音フレームとのいずれかに相当するか否かを判定する。マルチパスフレームか暗騒音フレームかが特定されれば、前フレームまででマルチパス区間あるいは暗騒音区間が形成されているか否かを続いて判定する。ステップＳ３０７では、現フレームがこのような区間を形成する最終フレームの次フレームであることが判定されることで、当該区間が前フレームで終了したことを知る。マルチパス区間か暗騒音区間かが特定されれば、ステップＳ３０８へ進み、マルチパス区間と暗騒音区間とのいずれにも特定されなければステップＳ３１１へ進んでフレーム番号ｉを１つ増加させ、さらにステップＳ３０５へ進む。
【００２８】
例えば、評価対象期間の最初のフレーム（ｉ＝１）についてステップＳ３０６で信号強度を算出した後は、ステップＳ３０７でまだ区間は特定されないので、ステップＳ３１１へ進んでフレーム番号ｉを２に増加させ、さらにステップＳ３０５へ進む。通常の受信環境ではバックグラウンドレベルは頻繁に現れ、マルチパスの発生頻度はずっと少ないことから、ステップＳ３０７で最初に特定される区間は、通常、暗騒音区間である。ステップＳ３０７で暗騒音区間と特定されるときには、前フレームまで暗騒音フレームが複数連続したか、前フレームが単独で暗騒音フレームであるかのいずれかであって、かつ、現フレームの信号強度がバックグラウンドレベルにない場合（第２の閾値を超えている場合）である。ステップＳ３０７でマルチパス区間と特定されるときには、前フレームまでマルチパスフレームが複数連続したか、前フレームが単独でマルチパスフレームであるかのいずれかであって、かつ、現フレームの信号強度がマルチパス発生時のレベルにない場合（第１の閾値以下である場合）である。
【００２９】
ステップＳ３０８では、ステップＳ３０７で特定した区間がマルチパス区間であるか否かを判定する。特定した区間がマルチパス区間であればステップＳ３０９へ進み、特定した区間がマルチパス区間でない、すなわち暗騒音区間であればステップＳ３１１へ進んでフレーム番号ｉを１つ増加させ、さらにステップＳ３０５へ進む。
【００３０】
ステップＳ３０９では、評価値算出部２４が、特定されたマルチパス区間の直前の暗騒音区間について、数式１により信号強度Ｎ（Ｉ）を算出する。
【数１】
2015122567.tif 000003
【００３１】
数式１において、Ｎ（ｉ）は直前の暗騒音区間に含まれる暗騒音フレームの信号強度を表し、ｍは直前の暗騒音区間に含まれる暗騒音フレームの数を表す。また、評価値算出部２４は、当該特定されたマルチパス区間について、数式２により信号強度Ｓ（Ｉ）を算出する。
【数２】
2015122567.tif 000004
【００３２】
数式２において、Ｓ（ｉ）は当該特定されたマルチパス区間に含まれるマルチパスフレームの信号強度を表し、ｎは当該特定されたマルチパス区間に含まれるマルチパスフレームの数を表す。数式１は暗騒音区間に含まれる暗騒音フレームの信号強度の平均を求めることを意味しており、数式２はマルチパス区間に含まれるマルチパスフレームの信号強度の平均を求めることを意味している。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す評価対象の原信号波形をこのような平均化強度に置き換えてできる信号波形を示している。図２（ｂ）は、図示の便宜上、各フレームおよび各区間を実際よりも非常に大きい期間で図示するとともに暗騒音区間およびマルチパス区間以外の区間についての処理を省略した概略波形を示しているが、こうして平均化処理を行うことにより評価対象の原信号波形が鈍った波形に変化する。波形が鈍ることで、評価対象期間の信号波形の局所的変化が均されて以下で求める信号対騒音比をそれだけ適切に算出できることが分かる。そして、評価値算出部２４は、数式１と数式２の結果を用いて、数式３によりマルチパス区間における１フレーム当たりの重み係数としての信号対騒音比ＳＮＲ（Ｉ）を算出する。
【数３】
2015122567.tif 000005
【００３３】
続くステップＳ３１０では、評価値算出部２４は、当該特定されたマルチパス区間について、数式３の値を用いて数式４により、当該マルチパス区間に含まれるフレーム数分の重み係数の和Ｙｋを算出する。重み係数の和Ｙｋは、１つのマルチパス区間について示される、マルチパス評価指標の一部をなす部分パラメータである。
【数４】
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【００３４】
ステップＳ３０５においてフレーム番号ｉが最大（ＭＡＸ）である場合は、評価対象期間に含まれる全フレームについてマルチパス判定および暗騒音レベル判定が終了したこととなる。この場合に進むステップＳ３１２では、評価値算出部２４が、評価対象期間において特定されたマルチパス区間のＹｋを用いて、数式５により重み付けマルチパス率Ｘを算出する。
【数５】
2015122567.tif 000007
【００３５】
数式５において、Ｌは評価対象期間に含まれるマルチパス区間の数を、Ｎｆは評価対象期間に含まれるフレームの数を、それぞれ表す。マルチパス率Ｘは、部分パラメータである重み係数Ｙｋを全てのマルチパス区間について統合した、マルチパス評価指標となる評価パラメータである。
【００３６】
以上のように、本実施形態では、数式（３）で表される信号対騒音比によって、マルチパス発生時点付近で前後するバックグラウンドレベルとマルチパス信号レベルとの相対的パワー密度を表すことができる。従って、各フレームの信号強度を順次に調べていく過程で、重み係数といった部分パラメータを適切に算出することが可能であり、評価対象期間の信号強度を調べ終わると即座に重み付けマルチパス率などの評価パラメータを求めることができる。
【００３７】
全フレームの信号強度を調べてから、各マルチパスフレームの重み係数および重み付けマルチパス率を算出する他の方法が存在する。当該他の方法では、各マルチパスフレームについての高周波帯域（例えば、１０ｋＨｚ以上１４ｋＨｚ以下の帯域）におけるパワー平均値ＰＷＲｉと、全フレームの高周波帯域におけるパワー平均値Ａｖｅ＿ＰＷＲとの比ＰＷＲｉ／Ａｖｅ＿ＰＷＲを用いた重み係数を採用するなどする。当該他の方法では、全てのフレームについての信号強度取得処理を終えてからでないとパワー平均値が得られないことから、処理に非常に時間がかかる。
【００３８】
これに対して、本実施形態では全てのフレームについての信号強度取得処理を待つことなく、フレームについての信号強度取得処理中にほぼリアルタイムで重み係数を含むパラメータ算出が可能になる。従って、処理時間を大きく短縮することができる。以上により、マルチパスの評価処理を短時間で終えることのできるマルチパス評価装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、車載ラジオ受信機を含むラジオ受信機一般を評価する装置などに適用可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１０              ラジオ評価系
１１              高周波信号発生器
１２              ラジオ
２０              マルチパス評価装置
２１              収音部
２２              周波数解析部
２３              区間特定部
２３ａ            マルチパス区間特定部
２３ｂ            暗騒音区間特定部
２４              評価値算出部
Ｂ１、Ｂ２        暗騒音区間
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３  マルチパス区間
ｐ、ｑ            例
Ｔ１、Ｔ２        レベル
【図１】
2015122567.tif 000008
【図２】
2015122567.tif 000009
【図３】
2015122567.tif 000010