(57)【要約】【課題】混信波や外来雑音に埋もれた微弱な信号を検出する。【解決手段】信号サンプリング部２１は、複数のセンサ１１−１〜１１−ｎの観測信号をそれぞれサンプリングして到来波抑圧部３１に供給する。到来波抑圧部３１は、信号サンプリング部２１で得られる上記複数のセンサ１１−１〜１１−ｎのサンプリングデータから外来雑音成分を抽出してそのレベルを判別し、この判別レベルより大きい全ての到来波成分を抑圧する。高分解能ＦＦＴ部４１は、到来波抑圧部３１により到来波成分が抑圧されたサンプリングデータを周波数スペクトラムのデータに変換する。この変換された周波数スペクトラムのデータをもとに、信号検出部５１は上記外来雑音成分に埋もれる信号成分を検出し、復調部６１は信号検出部５１により検出された信号成分を復調する。【選択図】図１
2008182355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
到来する信号を互いに独立して観測する複数のセンサと、
前記複数のセンサの観測信号をそれぞれサンプリングするサンプリング手段と、
前記サンプリング手段で得られる前記複数のセンサのサンプリングデータから外来雑音成分を抽出してそのレベルを判別し、この判別レベルより大きい全ての到来波成分を抑圧する抑圧手段と、
前記抑圧手段により到来波成分が抑圧されたサンプリングデータを周波数スペクトラムのデータに変換する変換手段と、
前記変換された周波数スペクトラムのデータをもとに前記外来雑音成分に埋もれる信号成分を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された信号成分を復調する復調手段と
を具備することを特徴とする受信装置。
【請求項２】
前記変換手段は、前記サンプリングデータに対して時間スライディングによる高速フーリエ変換処理を行うことで前記周波数スペクトラムへの変換処理を行うことを特徴とする請求項１記載の受信装置。
【請求項３】
前記抑圧手段は、前記サンプリング手段で得られたサンプリングデータに対しパワーインバージョン方式を用いて信号に相当する全ての到来波を抑圧することを特徴とする請求項１記載の受信装置。
【請求項４】
前記抑圧手段は、前記サンプリング手段で得られたサンプリングデータをもとに固有値ベクトルを演算し、信号に相当する固有値以外の固有ベクトルを用いて固有ベクトルビームを形成することで全ての到来波を抑圧することを特徴とする請求項１記載の受信装置。
【請求項５】
前記抑圧手段は、前記サンプリング手段で得られたサンプリングデータに対しブラインド分離を行い、求められた分離ウェイトのうち信号に相当する分離ウェイト以外の分離ウェイトを用いてビームを形成することで全ての到来波を抑圧することを特徴とする請求項１記載の受信装置。
【請求項６】
複数のセンサにより互いに独立して観測された信号から外来雑音成分に埋もれる信号を受信する受信装置に用いられる信号受信方法であって、
前記複数のセンサの観測信号をそれぞれサンプリングするサンプリングし、
前記サンプリングにより得られる前記複数のセンサのサンプリングデータから前記外来雑音成分を抽出してそのレベルを判別し、この判別レベルより大きい全ての到来波成分を抑圧し、
前記到来波成分が抑圧されたサンプリングデータを周波数スペクトラムのデータに変換し、
前記変換された周波数スペクトラムのデータをもとに前記外来雑音成分に埋もれる信号成分を検出し、
前記検出された信号成分を復調することを特徴とする信号受信方法。
【請求項７】
前記サンプリングデータに対して時間スライディングによる高速フーリエ変換処理を行うことで前記周波数スペクトラムへの変換処理を行うことを特徴とする請求項６記載の信号受信方法。
【請求項８】
前記サンプリングにより得られたサンプリングデータに対しパワーインバージョン方式を用いて信号に相当する全ての到来波を抑圧することを特徴とする請求項６記載の信号受信方法。
【請求項９】
前記サンプリングにより得られたサンプリングデータをもとに固有値ベクトルを演算し、信号に相当する固有値以外の固有ベクトルを用いて固有ベクトルビームを形成することで全ての到来波を抑圧することを特徴とする請求項６記載の信号受信方法。
【請求項１０】
前記サンプリングにより得られたサンプリングデータに対しブラインド分離を行い、求められた分離ウェイトのうち信号に相当する分離ウェイト以外の分離ウェイトを用いてビームを形成することで全ての到来波を抑圧することを特徴とする請求項６記載の信号受信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アレイ状に配置されたセンサを用いて混信波等が存在する状態で所望の信号を検出する受信装置及び信号受信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
所望波に対して妨害波、混信波が存在する場合は一般的にアレイ信号処理による干渉波抑圧処理により所望波以外を抑圧する処理が行われる（例えば、非特許文献１を参照。）。しかしながらこの場合の所望波は雑音レベル以上である必要があり、雑音レベル以下の信号を検出して受信することができなかった。特に、短波帯以下の周波数帯においては外来雑音レベルが受信器材の内部雑音よりはるかに高く、受信器材が持つ受信限界以上の信号であっても受信は不可能であった。
【非特許文献１】菊間信良著、「アダプティブアンテナ技術」、オーム社、平成１５年１０月１０日発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述したように、従来の干渉波抑圧処理では所望波の受信レベルが雑音レベルより小さい場合に、雑音に埋もれている所望波を検出することができなかった。
【０００４】
この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、混信波や外来雑音に埋もれた微弱な信号を検出することが可能な受信装置及び信号受信方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するためにこの発明に係る受信装置は、到来する信号を互いに独立して観測する複数のセンサと、前記複数のセンサの観測信号をそれぞれサンプリングするサンプリング手段と、前記サンプリング手段で得られる前記複数のセンサのサンプリングデータから外来雑音成分を抽出してそのレベルを判別し、この判別レベルより大きい全ての到来波成分を抑圧する抑圧手段と、前記抑圧手段により到来波成分が抑圧されたサンプリングデータを周波数スペクトラムのデータに変換する変換手段と、前記変換された周波数スペクトラムのデータをもとに前記外来雑音成分に埋もれる信号成分を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された信号成分を復調する復調手段とを具備することを特徴とする。
【０００６】
またこの発明に係る信号受信方法は、複数のセンサにより互いに独立して観測された信号から外来雑音成分に埋もれる信号を受信する受信装置に用いられる信号受信方法であって、前記複数のセンサの観測信号をそれぞれサンプリングするサンプリングし、前記サンプリングにより得られる前記複数のセンサのサンプリングデータから前記外来雑音成分を抽出してそのレベルを判別し、この判別レベルより大きい全ての到来波成分を抑圧し、前記到来波成分が抑圧されたサンプリングデータを周波数スペクトラムのデータに変換し、前記変換された周波数スペクトラムのデータをもとに前記外来雑音成分に埋もれる信号成分を検出し、前記検出された信号成分を復調することを特徴とする。
【０００７】
上記構成による受信装置及び信号受信方法では、複数のセンサの観測信号から外来雑音成分を抽出してそのレベルを判別し、この判別レベルより大きい全ての到来波成分を混信波として抑圧する。そして、到来波成分が抑圧されたサンプリングデータを周波数スペクトラムのデータに変換して外来雑音成分に埋もれる信号成分を検出する。このようにすることで、所望波の受信レベルが雑音レベルより小さい場合でも、雑音成分に埋もれている所望波を検出することが可能となる。
【発明の効果】
【０００８】
したがってこの発明によれば、混信波や外来雑音に埋もれた微弱な信号を検出することが可能な受信装置及び信号受信方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。  
図１は、この発明に係る受信装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。  
図１において、センサ１１−１〜１１−ｎは、アンテナやマイクロホン等で構成される。センサ１１−１〜１１−ｎは、アレイ状に配列され、到来する信号を互いに独立して観測するもので、各センサ１１−１〜１１−ｎが同時に到来する複数の信号を受信する。信号サンプリング部２１は、信号周波数帯に応じたＡＤ（Analog to Digital）変換器で構成され、各センサ１１−１〜１１−ｎから入力された観測信号を所定のサンプリング周期でサンプリングしてデジタル化された時系列データを出力する。
【００１０】
到来波抑圧部３１は、信号サンプリング部２１から出力される時系列データのうち一定時間分を用いてアレイ信号処理により外来雑音レベル以上の全ての到来波を抑圧する。高分解能ＦＦＴ部４１は、到来波抑圧部３１において使用するサンプリングデータ長よりも長いデータを用いて時間スライディングによる高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）処理を行う。
【００１１】
信号検出部５１は、高分解能ＦＦＴ部４１により求められた周波数スペクトラムをもとにノイズフロアから突出した信号を検出する。雑音低減部７１は、タップ付遅延線路フィルタ（tapped-delay-line filter）等のアダプティブフィルタで構成され、到来波抑圧部３１から出力される時系列データから雑音成分を低減する。復調部６１は、信号検出部５１により信号が検出された場合に、雑音低減部７１において雑音成分が低減された信号成分を音声等のデータに復調する。
【００１２】
次に、このように構成された受信装置の動作について説明する。
【００１３】
各センサ１１−１〜１１−ｎで受信された観測信号は、それぞれ信号サンプリング部２１に入力される。信号サンプリング部２１は、各センサ１１−１〜１１−ｎから入力された観測信号を所定のサンプリング周期でサンプリングしてデジタル化された時系列データを出力する。デジタル化された各センサ１１−１〜１１−ｎの観測信号は到来波抑圧部３１に供給される。この受信装置では、混信波の影響が大きい状態で雑音に埋もれた所望波を検出して受信するために、到来波抑圧部３１において、はっきりと捉えられた信号はすべて干渉波として抑圧する。具体的には、例えば、次に挙げる３つの手法のいずれかを用いる。
【００１４】
（１）パワーインバージョン（Power Inversion：ＰＩ）による手法  
図２に、到来波抑圧部３１にパワーインバージョンを適用した場合の処理フローを示す。アレイ信号処理アルゴリズムとして知られるパワーインバージョンによる方法は、到来波の数よりセンサの数が多い場合は全ての到来波を抑圧してしまうが、ここでは、この特徴を利用し、外来雑音成分よりレベルの大きい信号を全て抑圧する。
【００１５】
（２）固有ベクトルビームによる手法  
図３に、到来波抑圧部３１に固有ベクトルビームを適用した場合の処理フローを示す。信号サンプリング部２１から出力されたサンプリングデータをもとに共分散行列を生成して固有値解析を行う。このとき出力される固有ベクトルを利用する。通常は、信号数に対応し固有値の大きい方から信号数分の固有ベクトルを用いて固有ベクトルビームを形成して受信を行うが、ここでは信号数以外の残りの固有値に対応する固有ベクトルを利用して固有ベクトルビームを形成することで、外来雑音成分よりレベルの大きい信号を全て抑圧する。
【００１６】
（３）ブラインド分離による手法  
図４に、到来波抑圧部３１にブラインド分離を適用した場合の処理フローを示す。
【００１７】
到来波抑圧部３１は、信号サンプリング部２１から得られたサンプリングデータをもとに共分散行列を生成し、生成された共分散行列について独立成分分析（ＩＣＡ：Independent Component Analysis）等のアルゴリズムを用いてブラインド分離を行う。このブラインド分離により求められた分離ウェイトのうち信号に相当する分離ウェイト以外の分離ウェイトを用いてビームを形成することで外来雑音成分よりレベルの大きい全ての到来波を抑圧する。
【００１８】
上記到来波抑圧部３１において外来雑音成分よりレベルの大きい全ての到来波を抑圧されたサンプリングデータは、高分解ＦＦＴ部４１に入力される。高分解能ＦＦＴ部４１は、到来波抑圧部３１において使用するサンプリングデータ長よりも長いデータを使用した時間スライディングによるＦＦＴ処理を行う。図５に、高分解能ＦＦＴ部４１の時間スライディングによるＦＦＴ処理の手法を示す。また、図６に、高分解能ＦＦＴ部４１から出力される周波数スペクトラムデータの一例を示す。
【００１９】
通常、到来波抑圧部３１において使用されるサンプリングデータ長は、一例として１００〜２０００サンプル程度であるが、高分解能ＦＦＴ部４１においてはその４倍や８倍以上のサンプリング数のデータを用いる。これにより図６に示すようにＦＦＴ処理後のノイズフロアを６ｄＢや９ｄＢ以上低減することができる。具体的には、図５に示すように、少しずつ時間をずらしながらオーバーラップさせて時間軸上の分解能を上げることでノイズフロアが下がり、雑音成分に埋もれた信号を検出することが可能となる。なお、時間スライディングの周期は、復調部６１で要求される時間分解能で決定される。また、高分解能ＦＦＴ部４１においてＦＦＴのポイント数が増えることにより演算時間が増大し、実装上の問題となる場合がある。これについては、公知手段であるＷＯＬＡ（Weighted Overlap Add Algorithm）等を採用する。
【００２０】
信号検出部５１は、高分解能ＦＦＴ部４１から出力される周波数スペクトラムのデータをもとに信号の存在を検出する。ノイズのみの場合のＦＦＴ結果が平坦であるのに対し、信号が存在すると周波数スペクトラムが変調形式特有の形状となることを利用する。例えば、高分解能ＦＦＴ部４１から出力される周波数スペクトラムにおける各ＢＩＮのノイズフロアからの分散を求め、この分散の値が一定値以上になることで信号を簡単に検出することが可能である。
【００２１】
以上述べたように上記実施形態では、到来波抑圧部３１は、複数のセンサ１１−１〜１１−ｎの観測信号から外来雑音成分を抽出してそのレベルを判別し、この判別レベルより大きい全ての到来波成分を混信波として抑圧する。高分解能ＦＦＴ部４１は、到来波成分が抑圧されたサンプリングデータを周波数スペクトラムのデータに変換する。この変換された周波数スペクトラムのデータをもとに、信号検出部５１は外来雑音成分に埋もれる信号成分を検出している。このように構成することで、所望波の受信レベルが雑音レベルより小さい場合でも、雑音成分に埋もれている所望波を受信することができる。
【００２２】
さらに、上記実施形態において、高分解能ＦＦＴ部４１は時間スライディングによる分解能の高いＦＦＴ処理を用いてサンプリングデータを周波数スペクトラムのデータに変換するようにしている。これにより、雑音成分に埋もれる信号成分をさらに確実に検出することが可能となる。
【００２３】
したがって上記実施形態によれば、混信波が存在し、通常の受信時におけるノイズフロアを決定している方向性を持った外来雑音が到来している中で、混信波を排除してノイズフロアよりも微弱な信号を検出して受信することが可能となる。
【００２４】
なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明に係る受信装置の一実施形態を示す機能ブロック図。
【図２】到来波抑圧部にパワーインバージョンを適用した場合の処理フローを示す図。
【図３】到来波抑圧部に固有ベクトルビームを適用した場合の処理フローを示す図。
【図４】到来波抑圧部にブラインド分離を適用した場合の処理フローを示す図。
【図５】高分解能ＦＦＴ部の時間スライディングによるＦＦＴ処理の手法を示す図。
【図６】高分解能ＦＦＴ部から出力される周波数スペクトラムデータの一例を示す図。
【符号の説明】
【００２６】
１１−１〜１１―ｎ…センサ、２１…信号サンプリング部、３１…到来波抑圧部、４１…高分解能ＦＦＴ部、５１…信号検出部、６１…復調部、７１…雑音低減部。
【図１】
2008182355.tif 000003
【図２】
2008182355.tif 000004
【図３】
2008182355.tif 000005
【図４】
2008182355.tif 000006
【図５】
2008182355.tif 000007
【図６】
2008182355.tif 000008