JP2005516438A - 実時間ウェーブレット減雑音アプリケーションのための適応閾値アルゴリズム - Google Patents
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Abstract
本発明は、受信信号から雑音による損失が最小の状態で情報を抽出するための方法およびシステムである。このシステムは、受信信号とウェーブレット関数を相関させ、かつ、ウェーブレット分解係数を生成する変換器と、受信信号に応答して、信号のタイプに基づいて所定の閾値を適用する閾値回路とを備えている。また、このシステムは、受信信号を雑音を減らして復元する変更ウェーブレット係数を生成するための、変換器および閾値回路に結合された、閾値回路によって適用される閾値を使用して変換器によって生成されるウェーブレット分解係数を変更するフィルタも備えている。
Description
本発明は一般に受信システムに関し、より詳細には実時間ウェーブレット減雑音アプリケーションのための受信機システムにおける信号プロセッサに関する。
通信システム、レーダ・システム、ソナー・システム等は、特定の信号の存在を検出するために使用される受信機と、信号に含まれている送信情報を抽出するための信号プロセッサとを有している。この種の多くのシステムが抱えている問題は、雑音およびクラッタが存在する中で受信信号を検出し、検出した受信信号から、雑音およびクラッタによる損失が最小の状態で情報を抽出することである。
現在のシステムでは、受信機の信号プロセッサに、減雑音方式が使用されている。詳細には、現在のシステムには、受信信号を減雑音するためにウェーブレット技法が使用されている。減雑音には、多重分解能および完全な復元を始めとするウェーブレットの重要な特性が利用されている。ウェーブレット理論では、時間が経つと変化するスケールおよび位置における、より単純な一定のビルディング・ブロックによって一般関数を表現する必要がある。
ウェーブレット変換の主な目的は、信号に含まれている情報を、異なるスケールの特性に分解することである。これは、入力波形を単位時間に渡って、時間が経つと変化する分解能、周波数あるいはスケールで記述する手段と見なすことが可能である。この信号分解技法は、離散ウェーブレット変換を使用して実行される。多重スケール・ウェーブレット表現より勝る入力信号分解の本質的な利点は、変換ウェーブレット関数に相関させるべく設計する自由度を所望の信号が有しており、したがって非信号様フィーチャのプロパティについては変換関数に相関させる必要がないことである。したがって、ウェーブレット領域に信号が存在している場合、その信号は、大きな係数によって明確に表現され、一方、望ましくない信号は、はるかに小さい係数で表現され、かつ、一般的にはすべてのウェーブレット分解スケールに渡って一様に分散される。したがって、ソフト・ルール、ハード・ルールあるいは勾配閾値ルールなどの何らかのルールによってウェーブレット変換出力が閾値関数を通過すると、ウェーブレット係数セットから雑音様係数をすべてのスケールに渡って除去することが可能である。変更ウェーブレット係数が逆ウェーブレット変換を介して時間領域に再変換されると、所望の信号に対応する係数は、雑音係数が除去された状態を維持するか、あるいは雑音係数があまり強調されない状態を維持する。復元された波形は、減雑音波形と見なすことが可能であり、したがってより品質の高い波形と見なすことが可能である。
現行のウェーブレット減雑音アルゴリズムは、受信信号の統計に基づいてウェーブレット分解スケールに特有の減雑音閾値を選択している。tを計算するために使用される統計量には、次の式1および2に示すように、入力サンプルの数[N]、雑音標準偏差[σ]および相関係数[σj、δL、Φ、KN]がある。
統計量に偏りがないほど、より最適で、かつ、より信頼性の高い減雑音性能の閾値化解決法が提供される。したがって統計量の信頼性は、その統計量が由来するデータ・セットの品質およびサイズによって制限されている。信頼性が高く、かつ、偏りのない統計要求には、当然のことながらより大量のデータ・セットが必要であり、したがってより大量のメモリが必要である。したがって前記データ・セットを記憶し、管理するためには、高度に複雑なデータ処理の問題を解決しなければならない。
現行システムにおけるもう1つの複雑な問題は、広域統計量対局所統計量の使用の決定である。したがって統計量が由来するデータ・セットの境界は、単一加入者からの単一通信バーストなどの微小パケット・スケールか、あるいは加入者サービング・グループ若しくは多重搬送ケーブル通信システムまたは無線通信システムに見られるような時間可変単一加入者通信のコングロマリット統計量などのシステム・レベルの多重パケット・スケールのいずれかを意味している。これらの統計要求は、待ち時間が本質的に無視されるため、待ち時間に敏感なアプリケーションに対しては、高い信頼性あるいは品位で適用することはできない。待ち時間が無視される理由の1つは、減雑音閾値の設定に先立って、完全なデータ・セットの統計量に関する事前知識がアルゴリズムに必要であり、したがってウェーブレット閾値化段階に先立ってデータを解析し、かつ、バッファリングするための余計なステップを実行しなければならないことによるものである。これは、減雑音閾値を最適化する要求によるものである。この場合も、局所統計量対広域統計量を選択する困難性が減雑音性能の信頼性を不安定にしている。また、この困難性は、メモリ、データ処理問題および実時間要求の問題をさらに悪化させている。したがって、偏りのない統計量を導き出すための十分な信号データの必要性が、待ち時間対性能の問題を一層悪化させ、また、実時間通信においては、ひどく長時間に及ぶ処理時間が必要となる。
また、局所統計量と広域統計量の解釈も、誤った結果をもたらす可能性がある。加入者とそのインフラストラクチャの間のバースト通信などの局所統計量の場合、データ・サイズが不十分であるため、その統計的プロパティの信頼性には、その真の特性から逸脱している可能性が大いにあり得る。そのためにウェーブレット減雑音閾値の選択性が乏しく、したがって計算労力のための性能改善には役に立たず、あるいは閾値の過剰予測により、信号が誤って著しくひずむ原因になる。また、許容可能/限界性能が劣化/破壊される。
一方、単一加入者または複数の加入者とそのインフラストラクチャの間の多くのバースト通信のコングロマリットなどの広域統計量も、誤った結果をもたらす可能性がある。通信媒体は、多くの場合、サービング・グループ内における個々の加入者に対して同じ物理経路特性を有し、かつ/または単一加入者/複数の加入者のための時間不変信号方式性能を示すことが可能であると仮定することは不可能である。これらの観点から、局所および広域統計量は、最適統計量には及ばず、また、実時間信号処理アプリケーションには潜在的に極めて信頼性に劣る統計量と見なされている。
したがって、現行の信号処理手法/技法/アルゴリズムの統計的勾配探索あるいはメモリおよびデータ処理問題の制限なしで、ウェーブレット減雑音技法を利用するための信号処理手法/技法/アルゴリズムが必要である。
本発明は、受信信号から雑音による損失が最小の状態で情報を抽出するための方法およびシステムである。このシステムは、受信信号とウェーブレット関数を相関させ、かつ、ウェーブレット分解係数を生成する変換器と、受信信号に応答して、信号のタイプに基づいて所定の閾値を適用する閾値回路とを備えている。また、このシステムは、受信信号を雑音を減らして復元する変更ウェーブレット係数を生成するための、変換器および閾値回路に結合された、閾値回路によって適用される閾値を使用して変換器によって生成されるウェーブレット分解係数を変更するフィルタを備えている。
以下、本発明について、添付の図面に照らして説明する。図の同一の表示は同一の要素を表している。
以下の詳細な説明は、単に好ましい例示的実施形態を提供したものに過ぎず、本発明の範囲、適用の可能性あるいは構成の制限を意図したものではない。そうではなく、好ましい例示的実施形態についての以下の詳細な説明は、本発明の好ましい例示的実施形態を実施するための使用可能な説明を当業者に提供したものである。特許請求の範囲に示す本発明の精神および範囲を逸脱することなく、エレメントの機能および配列に様々な変更を加えることが可能であることを理解されたい。
図1は、本発明の好ましい実施形態による受信機の信号プロセッサに使用するための減雑音回路10をブロック図で示したものである。減雑音回路10は、復調器15、離散ウェーブレット変換(DWT)12、フィルタ13、逆離散ウェーブレット変換(IDWT)14および閾値回路20を備えている。この減雑音回路10は、任意のタイプのシステム(すなわち通信、衛星、レーダ等)に使用することが可能である。本発明の例示的実施形態について、CATV通信システムにおける受信機の信号プロセッサを使用して説明する。図2は、CATVシステムを示したもので、減雑音回路10を備えた信号プロセッサは、加入者ステーション210あるいはヘッドエンド205に設置することが可能である。
もう1度図1を参照すると、DWT12は入力信号Yiを受信する。当業者には周知であるように、DWTは、入力信号YiとDaubechies 2−20などのウェーブレット関数を相関させ、入力データのDWT領域データを生成している。変換の性質のため、汚染入力信号のウェーブレット表現により、大きな係数を生成する雑音中に埋もれている非汚染信号との独自の相関が生成され、一方、その非相関プロパティのため、雑音により、すべての2進スケールに渡ってはるかに小さい値のウェーブレット・ベースの相関エネルギーが分散される。次に、ウェーブレット分解データS(J−J,O)、U(J−J,O)がフィルタ13に送信される。
フィルタ13は、上で開示したように、雑音によって表された係数を変更あるいは除去する。これは、DWT12から個々の2進スケール出力に閾値を適用することによって達成される。本発明の好ましい実施形態によれば、閾値回路20によって閾値が生成される。
閾値回路20は、フィルタ13が使用するためのアプリケーション特有の減雑音閾値を記憶する。閾値回路20は、特定の信号のアプリケーション特有要求の知識を介してウェーブレット減雑音閾値レベルに適応する。ウェーブレット減雑音閾値に適応するために使用されるプロパティは予め決定されており、アプリケーションおよびインプリメンテーションに特有のものとされる。そのようなプロパティには、その信号の必要ダイナミック・レンジ信号対雑音比(SNR)、最高−平均、FEC性能などの復調プロパティ、時限回復劣化、クロック・ジッタおよび受信中の信号の実時間レベル・オーバ・タイムが含まれる。それらのプロパティは、特定の復調器を実施するべく特有のものとすることが可能であり、また、研究所での測定が可能である。
これらのプロパティを使用してテーブル(図示せず)が生成され、該テーブルはアプリケーション特有信号ニーズを直接ウェーブレット減雑音閾値の境界に相関させる閾値回路20に記憶される。閾値回路20に記憶される閾値境界は、アプリケーション特有信号に要求される性能を劣化させることなく適用し得る最大ウェーブレット減雑音閾値を定義する。
上で言及したように、本発明の例示的実施形態は、DOCSIS CATV通信信号である。当業者には周知のように、DOCSIS CATV信号は、複数のタイプの通信信号(すなわちQPSK、16QAM等)を含むことが可能である。これらの信号の各々は、所与の性能レベルを期待するために実現しなければならない独自のアプリケーション特有要求を有している。これらの要求は、その信号に要求されるSNR、BER等によって表される。図2に示すCATV通信の例示的ブロック図では、ヘッドエンド205に設置されている管理情報基地(MIB)(図示せず)は、個々の信号タイプ毎にプロパティを備えており、受信した通信信号に含まれているこの情報を受信機に送信する。加入者210は、媒体アクセス制御(MAC)チップを使用してこの情報を翻訳する。
MIBによって送信された情報がMACチップによって翻訳されると、MACは、受信機が受信した信号のタイプに関連するプロパティを閾値回路20に送信する。閾値回路20は、MACチップから情報を受け取り、フィルタ13が使用すべき閾値を選択する。この閾値は、雑音を表すウェーブレット分解係数を除去するか、あるいはウェーブレット分解係数があまり強調されないような方法で選択される。したがって、雑音ウェーブレット係数が最小化された非汚染入力信号を汚染の少ない状態で復元することが可能であるため、信号対雑音比が増大する。閾値が得られると、入力信号で処理するべくフィルタ13に送信される。
上で言及したように、フィルタ13は、閾値回路20によって送信された生成閾値を使用してウェーブレット分解係数を変更し、あるいは除去する。変更ウェーブレット係数
図3は、減雑音回路10の流れ図を示したものである。受信機の減雑音回路10がCATV通信信号を受信する(ステップ101)。受信信号をDWT111が処理し(ステッ
プ102)、変換信号をフィルタ回路112に送信する(ステップ103)。受信信号に含まれている信号タイプ情報をMACチップが受け取り(ステップ104)、該情報を閾値回路20に送信する(ステップ105)。閾値回路20は、受け取った情報を使用して、受信信号に関連する所定の閾値を取得し(ステップ106)、取得した閾値をフィルタ回路13に送信する(ステップ107)。フィルタ回路13は、閾値を受け取ると、変換された受信信号から閾値を使用して雑音を除去する(ステップ108)。フィルタされた受信信号をIDWT14に送信する(ステップ109)。次に、IDWT14が受信信号を復元し(ステップ110)、受信信号を介して通信中のデータを抽出するべく(ステップ112)、復元した信号を復調器15に送信する(ステップ111)。
プ102)、変換信号をフィルタ回路112に送信する(ステップ103)。受信信号に含まれている信号タイプ情報をMACチップが受け取り(ステップ104)、該情報を閾値回路20に送信する(ステップ105)。閾値回路20は、受け取った情報を使用して、受信信号に関連する所定の閾値を取得し(ステップ106)、取得した閾値をフィルタ回路13に送信する(ステップ107)。フィルタ回路13は、閾値を受け取ると、変換された受信信号から閾値を使用して雑音を除去する(ステップ108)。フィルタされた受信信号をIDWT14に送信する(ステップ109)。次に、IDWT14が受信信号を復元し(ステップ110)、受信信号を介して通信中のデータを抽出するべく(ステップ112)、復元した信号を復調器15に送信する(ステップ111)。
上で開示した減雑音回路10により、いかなる実時間信号処理システムも、多重レートおよび多重モードの通信システムが存在する通信チャネルにおけるバーストおよび熱雑音劣化に対する頑強性を維持することが可能である。また、本発明により、頑強な信頼性のためには十分な統計量を必要とする信号局所統計量あるいは広域統計量に基づいて閾値を決定する必要がなくなり、実時間アプリケーションの要求が前もって排除される。
図4は、受信機の信号プロセッサに使用するための減雑音回路10の代替実施形態を示したものである。この代替減雑音回路100は、DWT111、フィルタ回路112、IDWT113、復調器114、コレクタ115および閾値回路110を備えている。上で開示した減雑音回路10と同様、受信信号は、DWT111によって変換され、フィルタ回路112に送信される。フィルタ回路112は、閾値回路110によって送信される閾値を利用して、受信信号に存在している雑音を除去する。
この代替実施形態によれば、閾値回路110は、複数のメモリ素子、例えば2個のメモリ素子102、103およびメモリ素子セレクタ104を備えている。図には2個のメモリ素子が示されているが、任意の数のメモリ素子を使用することが可能であることは明らかであろう。好ましい実施形態で開示した閾値回路20と同様、第1のメモリ素子102には、アプリケーション特有信号タイプに関連する所定の閾値が含まれている。第1のメモリ素子102は、通信信号を受信すると、特定のアプリケーションに関連する閾値を取得し、取得した閾値をセレクタ104に送信する。
メモリ・セレクタ104は、最初に、複数のメモリ素子102、103のうちのどのメモリ素子から閾値を取得するかを決定する。セレクタ104は、取得する閾値が受信信号を初期減雑音するためのものであるかどうかを決定する。この決定を成すには多くの方法を使用することが可能である。例示的方法では、MACチップ101によって生成される、受信機が元々その信号を受信しているかどうか、あるいは受信機がその信号を連続的に受信しているかどうかを表す信号が使用する。前者の場合、セレクタ104は、第1のメモリ素子102から閾値を受け取り、後者の場合、セレクタ104は、元々は第1のメモリ素子102と同じである第2のメモリ素子103から閾値を受け取る。
セレクタ104は、フィルタ回路112に閾値を送信している。上で開示したように、フィルタ112は、受信信号に存在している雑音を除去し、フィルタされた出力をIDWT113に送信する。IDWT113は、この場合も、受信信号を雑音の無い状態で復元し、復元した信号を復調器114に送信する。
復元信号が復調されると、コレクタ115は、復調器114のプロパティ(すなわちBER、SNR等)を決定する。これらのプロパティは、次に第2のメモリ素子103に送信される。メモリ素子103は、コレクタ115によって送信されるプロパティとフィルタ112が利用する閾値に関連するプロパティとを比較し、比較したプロパティの差が所定の値より大きい場合、第2のメモリ素子103は、その差に基づいて関連する閾値を調
整することが可能である。このプロパティの差に基づく閾値の調整は、多くの方法で達成することが可能である。この調整を決定する方法は、この代替実施形態とは密接な関係はなく、したがって調整を決定する方法についての詳細な説明は、本明細書においては開示しない。
整することが可能である。このプロパティの差に基づく閾値の調整は、多くの方法で達成することが可能である。この調整を決定する方法は、この代替実施形態とは密接な関係はなく、したがって調整を決定する方法についての詳細な説明は、本明細書においては開示しない。
第2のメモリ素子103が閾値を調整すると、その値がセレクタ104に送信され、かつ、処理のためにフィルタ112に出力される。復調器114のプロパティと第2のメモリ素子103に記憶されているプロパティが、復調器114のプロパティが所定の範囲に入るまで、あるいは失敗条件(failed condition)に遭遇するまでコレクタ115によって比較され、失敗条件に遭遇した場合、受信信号を再送信するか、あるいは受信信号に使用されるスペクトルに使用不可のマークを施さなければならない。
図5および6は、この代替実施形態による減雑音回路100の流れ図を示したものである。受信機の減雑音回路100がCATV通信信号を受信する(ステップ501)。受信信号をDWT111が処理し(ステップ502)、変換信号をフィルタ回路112に送信する(ステップ503)。受信信号に含まれている信号タイプ情報をMACチップが受け取り(ステップ504)、該情報を閾値回路110に送信する(ステップ505)。第1のメモリ素子102は、受け取った情報を使用して、受信信号に関連する所定の閾値を取得し(ステップ506)、取得した閾値をフィルタ回路112に送信する(ステップ507)。フィルタ回路112は、閾値を受け取ると、閾値を使用して、変換された受信信号から雑音を除去する(ステップ508)。フィルタされた受信信号をIDWT113に送信する(ステップ509)。次に、IDWT113が受信信号を復元し(ステップ510)、復元した信号を復調器114に送信する(ステップ511)。復元された信号に対する復調器プロパティをコレクタ115が計算し(ステップ512)、計算した復調器プロパティを閾値回路110に送信する(ステップ513)。
第2のメモリ素子103は、計算された復調器114のプロパティを受信すると、計算された復調器プロパティと所定の復調器プロパティを比較する(ステップ514)。これらの値の差が所定の閾値より大きく、かつ、まだ失敗条件に遭遇しない場合、受信信号に関連する閾値を第2のメモリ素子103が調整し(ステップ515)、処理のためにこれらの調整値を104を介してフィルタ112に送信する(ステップ507)。ステップ514で2つのプロパティの差が所定の閾値内であり、かつ、失敗条件に遭遇した場合、受信信号からデータを抽出する(ステップ515)。失敗条件に遭遇した場合、減雑音回路は工程を繰り返す(ステップ501)。
以上、本発明の原理について、特定の装置に関連して説明したが、以上の説明が単なる実施例に過ぎず、本発明の範囲を何ら制限するものではないことは明らかである。
Claims (14)
- 受信信号とウェーブレット関数を相関させ、かつ、ウェーブレット分解係数を生成する変換器と、
該受信信号に応答して、信号のタイプに基づいて所定の閾値を適用する閾値回路と、
該受信信号を雑音を減らして復元する変更ウェーブレット係数を生成するための、該変換器および該閾値回路に結合された、該閾値回路によって適用される閾値を使用して該変換器によって生成される該ウェーブレット分解係数を変更するフィルタと、
を備えた該受信信号から雑音による損失が最小の状態で情報を抽出する減雑音回路、を有する通信システムのための受信機。 - 復調信号を生成するための、前記減雑音回路から出力される復元低雑音信号を復調する復調器と、
該復調器と結合した、前記閾値回路に信号測定値を出力する復調信号プロパティ・コレクタと、をさらに備え、
前記閾値回路が、所定の範囲外にある前記コレクタから出力される信号測定値に応答して、前記適用閾値を調整する回路を有する、請求項1に記載の受信機。 - 前記閾値回路が、
所定の初期閾値を記憶する第1のメモリ素子と、
信号測定値と前記所定の範囲とを比較し、かつ、適用閾値に対する調整量を決定する第2のメモリ素子とを有し、前記所定の範囲は信号のタイプに基づいて決まるものである、請求項2に記載の受信機。 - 前記減雑音回路が、前記フィルタに結合された、受信信号を前記フィルタからの変更ウェーブレット係数に応答して復元し、かつ、復元した信号を前記復調器に出力する逆変換器、をさらに備える請求項3に記載の受信機。
- 前記受信信号から回復された情報を含んだ復調信号を生成するための、前記減雑音回路から出力される復調低雑音信号を復調する復調器をさらに備える、請求項1に記載の受信機。
- 前記減雑音回路が、前記フィルタに結合された、受信信号を前記フィルタからの変更ウェーブレット係数に応答して復元し、かつ、復元した信号を前記復調器に出力する逆変換器、をさらに備える請求項5に記載の受信機。
- 受信信号とウェーブレット関数を相関させ、かつ、ウェーブレット分解係数を生成する工程と、
該受信信号のタイプを決定する工程と、
受信信号のタイプに基づいて所定の閾値を適用する工程と、
該受信信号を雑音を減らして復元する変更ウェーブレット係数を生成するために、該適用される所定の閾値を使用して該ウェーブレット係数を変更する工程と、
から成る、受信した通信信号を雑音による損失が最小の状態で処理する方法。 - 前記変更ウェーブレット係数に応答して前記受信信号を復元する工程と、
前記受信信号から回復された情報を含んだ復調信号を生成するための、復元された受信信号を復調する工程と、からさらに成る請求項7に記載の方法。 - 復調信号を生成するために復元低雑音信号を復調する工程と、
前記復調信号の信号測定値を収集する工程と、
前記ウェーブレット係数の変更を調整するために、所定の範囲外にある収集した信号測定値に応答して前記適用閾値を調整する工程と、からさらに成る請求項7に記載の方法。 - 前記変更ウェーブレット係数に応答して前記受信信号を復調する工程と、
前記信号測定値と前記所定の範囲とを比較し、かつ、前記適用閾値に対する調整量を決定する工程と、前記所定の範囲は信号のタイプに基づいて決まるものであることと、からさらに成る請求項7に記載の方法。 - 受信信号から雑音による損失が最小の状態で情報を抽出する受信機の減雑音回路であって、
該受信信号とウェーブレット関数を相関させ、かつ、ウェーブレット分解係数を生成する変換器と、
該受信信号に応答して、信号のタイプに基づいて所定の閾値を適用する閾値回路と、
該受信信号を雑音を減らして復元する変更ウェーブレット係数を生成するための、該変換器および該閾値回路に結合された、該閾値回路によって適用される閾値を使用して該変換器によって生成される該ウェーブレット分解係数を変更するフィルタと、を備える減雑音回路。 - 前記減雑音回路が、復調信号を生成するための、前記減雑音回路から出力される復元低雑音信号を復調する復調器、および
該復調器と結合した、前記閾値回路に信号測定値を出力する復調信号プロパティ・コレクタ、のそれぞれと結合し、
前記閾値回路が、所定の範囲外にある前記コレクタから出力される信号測定値に応答して前記適用閾値を調整する回路を有する、請求項11に記載の減雑音回路。 - 前記閾値回路が、
所定の初期閾値を記憶する第1のメモリ素子と、
信号測定値と前記所定の範囲とを比較し、かつ、適用閾値に対する調整量を決定する第2のメモリ素子と、を有し、前記所定の範囲は信号のタイプに基づいて決まるものである、請求項12に記載の減雑音回路。 - 前記フィルタに結合された、受信信号を前記フィルタからの変更ウェーブレット係数に応答して復元し、かつ、復元した信号を前記復調器に出力する逆変換器、をさらに備える請求項14に記載の減雑音回路。
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