JP2007184990A - 信号受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＦＭ受信において残留するマルチパスノイズの除去は困難であった。
【解決手段】 マルチパスノイズ低減処理部１４は、ＦＭ検波部１２からのコンポジット信号１３に対してマルチパスノイズを低減する処理を施し、出力信号２１を生成する。この処理は、現在のコンポジット信号１３と過去の出力信号２１の振幅の差分にもとづいてマルチパスノイズを検出し、コンポジット信号１３を減衰させる。マルチパス検出部１８は、Ｓメーター１７にもとづいてマルチパス区間を検出し、その区間においてマルチパスノイズ低減処理部１４の作動を許可する切替信号１９を切替部２０に供給する。切替部２０は、マルチパス区間ではマルチパスノイズ低減処理部１４からの出力信号２１を、それ以外の区間ではＦＭ検波部１２から出力されるコンポジット信号１３をステレオ復調部２２に入力するように切替制御する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ＦＭ受信におけるマルチパスノイズを低減する信号受信技術に関する。

自動車などの移動体に搭載されるＦＭ受信機では、オーディオ信号受信の際に、周囲にある山や高層建築物などの障害物からの電磁波の反射に起因してマルチパスノイズが発生する。このマルチパスノイズは、反射体によって反射された間接波が受信アンテナから直接受信される直接波と合波し、直接波と間接波との位相関係に依存して直接波の一部が反射波によって打ち消されることによって生じる。マルチパスノイズが発生すると、ＦＭ受信機から出力される音声信号の品質が著しく低下する。

ＦＭ検波後の復調信号のマルチパスノイズを除去する方法として、マルチパスノイズの発生区間を検出して、マルチパスノイズの発生前の信号強度を保持することにより、マルチパス区間を補間する前置補間方法が特許文献１に開示されている。また電界強度の落ち込みが激しいときに、ＦＭ検波後のＦＭ復調信号をミュートする方法がある。

また、ステレオ音声における左右チャンネルの分離度を調整するステレオノイズコントロール（ＳＮＣ）や、高周波成分を除去するハイカットコントロール（ＨＣＣ）により弱電界時におけるＦＭ復調信号のＳ／Ｎ比を改善する方法も従来からよく知られている。マルチパスノイズの場合、直接波と間接波の干渉によって検波出力にマルチパス歪み、すなわちノイズが現れるが、このノイズは高域成分であるＬ−Ｒサブ信号帯域、Ｌ＋Ｒメイン信号帯域に著しく現れるため、ＳＮＣやＨＣＣによる処理にはマルチパスノイズの低減効果がある。
特開２００１−３６４２２号公報

しかしながら、マルチパスノイズの程度によっては、ＳＮＣやＨＣＣを十分に利かせても耳障りなノイズが残留する場合がある。一方、マルチパス区間に対してＦＭ復調信号を前置補間する方法やミュートする方法では、マルチパスによって生じたパルス状波形に対して効果が得られるが、ＰＬＬ検波を用いた時に生じるある一定区間位相がずれた波形に対してもフィルタリング処理が作用してしまい、原信号そのものを誤って除去するという問題がある。さらには、マルチパス区間を検出するためのパラメータの設定が不適切な場合、マルチパスの検出区間がずれることにより、ノイズが残留する場合がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたもので、その目的は、ＦＭ受信におけるマルチパスノイズを低減する信号受信技術の提供にある。

本発明のある態様は信号受信装置に関する。この装置は、受信されたＦＭ送信電波をもとにＦＭ復調信号を出力するＦＭ検波部と、前記ＦＭ復調信号のノイズを低減して出力する信号処理部と、受信された前記ＦＭ送信電波においてマルチパスノイズの発生しうる期間を検出し、その期間において前記信号処理部を作動させるマルチパス検出部と、前記信号処理部が作動している間はその出力を、前記信号処理部が作動していない間は前記ＦＭ復調信号をステレオ復調して出力するステレオ復調部を含む。前記信号処理部は、現サンプリング時の前記入力信号の強度と過去のサンプリング時における前記出力信号の強度の差が所定の閾値を超えるか否かを判定してノイズを検出する差分判定部と、前記ノイズが検出された場合に、現サンプリング時の前記入力信号を減衰させて現サンプリング時における前記出力信号を生成する減衰処理部を含む。差分判定に用いられる閾値は、いわゆるマルチパスノイズとして認識される、非常に大きく、かつ耳障りなノイズの強度に相当する値に設定されてもよい。

ここで、信号処理部から出力される出力信号は、入力信号であるＦＭ復調信号に対してノイズを低減するための減衰処理が施された後の信号である。もっともノイズが検出されなかった場合は、入力信号に減衰処理が施されないので出力信号は入力信号と同じである。入力信号および出力信号の強度は、それらの信号の振幅の測定値であってもよく、あるいは振幅の絶対値または自乗であってもよい。現在の入力信号の強度と過去の出力信号の強度の差の大きさを評価する際に用いられる閾値は、たとえば通常の有意な信号の強度の範囲を十分に超える大きさをもつ値に設定されてもよい。

前記差分判定部は、現サンプリング時の前記入力信号の強度と過去の複数のサンプリング時における前記出力信号の強度のそれぞれとの差分を算出し、それぞれの差分が所定の閾値を超えるか否かを判定してノイズを検出してもよい。たとえば、現サンプリング時ｎの入力信号の強度ｘ（ｎ）と１サンプリング前の出力信号の強度ｙ（ｎ−１）との差分が第１の閾値Ａを超えるか否かの判定と、現サンプリング時ｎの入力信号の強度ｘ（ｎ）と２サンプリング前の出力信号の強度ｙ（ｎ−２）との差分が第２の閾値Ｂを超えるか否かの判定と、現サンプリング時ｎの入力信号の強度ｘ（ｎ）と３サンプリング前の出力信号の強度ｙ（ｎ−３）との差分が第３の閾値Ｃを超えるか否かの判定とを組み合わせて評価し、ノイズの発生の有無を検出してもよい。第１の閾値Ａ、第２の閾値Ｂ、および第３の閾値Ｃはこの順に大きくなる値に設定されてもよい。

前記信号処理部は、入力信号を所定のサンプリング期間について平滑化する平滑化処理部をさらに含み、差分判定部と前記減衰処理部は平滑化後の前記入力信号に対して処理を行ってもよい。平滑化処理部は、ある一定の期間について前記入力信号の移動平均を計算することにより、前記入力信号を平滑化してもよい。前記平滑化処理部は、ローパスフィルタ等を用いて前記入力信号の高周波成分を除去することにより、前記入力信号を平滑化してもよい。

前記信号処理部は、入力信号の強度の減衰率を入力信号の強度をもとに適応的に設定する減衰率設定部をさらに含んでもよい。現サンプリング時の入力信号の強度の減衰率を過去のサンプリング時の入力信号の強度をもとに設定してもよい。

本発明の信号受信装置によれば、ＦＭ受信における残留するマルチパスノイズを低減することができる。特に、マルチパス区間が検出された場合に、その区間においてさらにマルチパスノイズの有無を判定し、マルチパスノイズを低減するための減衰処理を行うので、マルチパスノイズを適切に除去することができる。

図１は、実施の形態に係るＦＭ受信装置の構成を示す。受信されたＦＭ送信電波は図示しないフロントエンド部において中間周波数（ＩＦ）信号１０に変換される。ＦＭ検波部１２はこのＩＦ信号１０をＦＭ復調してステレオコンポジット信号１３（以下、単にコンポジット信号という）を出力する。

信号処理部２４は、ＦＭ検波部１２から受け取ったコンポジット信号１３に対して必要に応じてマルチパスノイズを除去する処理を施し、ステレオ復調部２２に与える。信号処理部２４は、マルチパスノイズ低減処理部１４と、減衰率設定部１６と、切替部２０とを含む。

マルチパスノイズ低減処理部１４は、コンポジット信号１３に対してマルチパスノイズを低減するための後述の減衰処理を適宜施して、出力信号２１を生成する。減衰率設定部１６は、コンポジット信号１３の振幅にもとづいて、マルチパスノイズ低減処理部１４における減衰処理で用いられる減衰率１５を求め、マルチパスノイズ低減処理部１４にその減衰率１５を設定する。

マルチパス検出部１８は、シグナルメーター１７（以下、Ｓメーターという）のＡＣ成分にもとづいてマルチパスノイズの発生しうる区間（以下、マルチパス区間という）を検出し、その区間においてマルチパスノイズ低減処理部１４の作動を許可するための切替信号１９を切替部２０に供給する。マルチパス検出に用いられる信号は、Ｓメーター１７に限られず、マルチパスが検出できれば他の信号でもよい。

切替部２０は、マルチパス検出部１８から与えられる切替信号１９にもとづいて、マルチパス区間では、マルチパスノイズ低減処理部１４から減衰処理後の信号として出力される出力信号２１を、それ以外の区間では、ＦＭ検波部１２から出力されるコンポジット信号１３をステレオ復調部２２に入力するように、ステレオ復調部２２の入力信号２３の切替制御を行う。ステレオ復調部２２は、入力信号２３をステレオ復調してオーディオ信号を出力する。

図２は、マルチパスノイズ低減処理部１４の機能構成図である。平滑化処理部３０は、コンポジット信号１３をサンプリングし、ある一定のサンプリング期間についてコンポジット信号１３の振幅の移動平均を計算することにより、コンポジット信号１３を平滑化して出力する。平滑化処理として移動平均以外の方法を用いてもよい。

差分計算部３１は、現サンプリング時における平滑化されたコンポジット信号１３の振幅と過去のサンプリング時における出力信号２１の振幅の差分をサンプリングごとに算出する。差分判定部３２は、差分計算部３１が算出した差分と所定の閾値を比較することにより、マルチパスノイズの発生の有無を検出し、マルチパスノイズが発生している場合に、減衰処理部３４の作動を許可するための切替信号３７を切替部３６に供給する。減衰処理部３４は、減衰率設定部１６から設定される減衰率１５にもとづいて現サンプリング時における平滑化されたコンポジット信号１３を減衰させて出力する。

切替部３６は、差分判定部３２から与えられる切替信号３７にもとづいて、マルチパスノイズが発生していない場合には、コンポジット信号１３を、マルチパスノイズが発生している場合には、減衰処理部３４により減衰処理された信号３５を出力するように、出力信号２１の切替制御を行う。このようにマルチパスノイズの検出結果に応じて適宜減衰処理がなされた結果が切替部３６を介して切替部２０へ出力される。この出力信号２１は、さらに切替部２０を介してステレオ復調部２２に供給される。またこの出力信号２１の振幅の値は、図示しないメモリに一時的に記憶され、差分計算部３１において差分を求める際に、過去のサンプリング時における出力信号２１の振幅の値として利用される。

図３（ａ）、（ｂ）は、減衰率設定部１６の機能構成図である。図３（ａ）の機能構成では、入力されたコンポジット信号１３は絶対値算出部４０にて絶対値化され、ループフィルタ４２により低域成分が通過し、大まかな振幅が推定される。さらに正規化部４４において一定の値の範囲内に収まるように正規化された後に、加算部４６により定数との差分が計算されて、最後にリミッタ４８にて定められた上限にもとづいて減衰率１５が出力される。

図３（ｂ）に減衰率設定部１６の別の機能構成を示す。入力されたコンポジット信号１３に対する絶対値算出部４０およびループフィルタ４２の処理は図３（ａ）と同様であり、その出力値はリミッタ４８により値の範囲制限を受けた後、テーブル参照部５０に入力される。テーブル参照部５０は振幅値と減衰率を対応づけたテーブルを参照することにより、振幅から減衰率１５を直接決定して出力する。この構成において、ループフィルタ４２は、他のローパスフィルタであってもよい。

以上の構成によるＦＭ受信装置によるマルチパスノイズ低減手順を図４および図５のフローチャートと図６から図９のグラフを参照しながら説明する。

図４は、マルチパス検出とマルチパスノイズ低減処理の全体の流れを説明するフローチャートである。マルチパス検出部１８は、Ｓメーター１７をもとにマルチパスノイズの発生区間を検出する（Ｓ１００）。図６は、マルチパスノイズの発生区間の説明図である。グラフは、コンポジット信号１３の振幅の時間経過を表している。区間６０、６１、６２においてマルチパスノイズが発生している。マルチパスノイズは、巨視的に見た場合このようなエンベロープにより表される比較的長い時間幅を有しており、この時間幅をもった区間がマルチパス区間として検出される。

図４に戻り、マルチパス区間が検出された場合（Ｓ１００のＹ）、マルチパス検出部１８は切替信号１９を切替部２０に与えることにより、マルチパスノイズ低減処理部１４の作動を許可する。マルチパスノイズ低減処理部１４は、マルチパス区間において、コンポジット信号１３に対してマルチパスノイズを低減する処理を施す（Ｓ１１０）。マルチパス区間が終了すれば、再びステップＳ１００に戻り、マルチパス検出部１８により次のマルチパス区間が検出されるまで、ステップＳ１１０のマルチパスノイズ低減処理は中断される。このようにマルチパス検出とマルチパスノイズ低減処理を繰り返すことにより、コンポジット信号１３に対して、マルチパス区間においてのみマルチパスノイズの低減処理が施される。

図５は、図４のステップＳ１１０のマルチパスノイズ低減処理の詳細な手順を説明するフローチャートである。マルチパスノイズ低減処理部１４の差分判定部３２は、コンポジット信号１３をサンプリングして、サンプリング時刻ｎにおける入力信号Ｘ（ｎ）を得る（Ｓ１０）。サンプリング時刻ｎの入力信号Ｘ（ｎ）に対して必要に応じて減衰処理が施された後の信号を出力信号Ｙ（ｎ）とすると、差分判定部３２は、入力信号Ｘ（ｎ）と、１サンプリング前、２サンプリング前、３サンプリング前の出力信号Ｙ（ｎ−１）、Ｙ（ｎ−２）、Ｙ（ｎ−３）との差分をそれぞれ計算する（Ｓ１２）。さらに差分判定部３２は、これらの差分の絶対値が所定の閾値より大きいかどうかを判定することによりマルチパスノイズを検出する（Ｓ１４）。

この判定は、次の不等式が成り立つかどうかを評価することで行われる。

｜Ｘ（ｎ）−Ｙ（ｎ−１）｜＞閾値Ａ ・・・（１）
｜Ｘ（ｎ）−Ｙ（ｎ−２）｜＞閾値Ｂ ・・・（２）
｜Ｘ（ｎ）−Ｙ（ｎ−３）｜＞閾値Ｃ ・・・（３）
この判定によりマルチパスノイズが検出される仕組みを図７と図８を参照して説明する。図７は、図６のマルチパス区間の一部を拡大した図である。マルチパス区間は、微視的に見た場合、位相ずれがある一定区間生じたことによるノイズが発生している区間８０、８１、８２と、ノイズが発生していない有意な信号の区間７０、７１、７２、７３とを有する。マルチパスノイズを除去するためには、マルチパス区間における信号波形の急峻なピークを検出する必要がある。

図８は、急峻なピークを検出するための差分判定を説明する図である。差分判定部３２は、サンプリング時刻ｎにおける入力信号Ｘ（ｎ）の振幅が有意の信号の振幅と比べて、異常に大きい値に変化しているかどうかを、過去のサンプリング時の出力信号との差を評価することにより判定する。過去のサンプリング時の出力信号は、すでに必要に応じて減衰処理がなされた後の信号であるから、それと比較して、有意な信号の振幅の範囲を十分に超えていれば、現サンプリング時ｎの入力信号Ｘ（ｎ）は急峻なピークにあると判断できる。

過去のサンプリング時として、上記の不等式（１）〜（３）では、３サンプリング前までの出力信号Ｙ（ｎ−１）、Ｙ（ｎ−２）、Ｙ（ｎ−３）を用いたが、さらに前のサンプリング時刻の出力信号を用いて、同様の差分判定を行ってもよく、逆に１サンプリング前の出力信号Ｙ（ｎ−１）のみを用いて差分判定を行ってもよい。

図５に戻り、差分判定部３２は、上記の３つの不等式（１）〜（３）のうち、いずれかひとつでも満足する場合、マルチパスノイズであると判断し（Ｓ１４のＹ）、減衰処理部３４は、サンプリング時刻ｎの入力信号Ｘ（ｎ）に対して次の式で表される減衰処理を行い、出力信号Ｙ（ｎ）を出力する（Ｓ１６）。

Ｙ（ｎ）＝α×Ｘ（ｎ）
ただし、αは減衰率設定部１６により設定される減衰率１５であり、０以上１未満の値をとる。

差分判定部３２は、３つの不等式（１）〜（３）のいずれも満足しない場合、マルチパスノイズではないと判断し（Ｓ１４のＮ）、減衰処理部３４は、次の式のように、入力信号Ｘ（ｎ）に減衰処理を施さないでそのまま出力信号Ｙ（ｎ）として出力する（Ｓ１８）。すなわちこの場合、Ｙ（ｎ）＝Ｘ（ｎ）である。

マルチパスノイズかどうかの判定にあたって、３つの不等式（１）〜（３）における第１、第２、第３の閾値Ａ、Ｂ、Ｃは経験的に最適な値に設定される。上記では３つの不等式（１）〜（３）のいずれかひとつでも満足すれば減衰処理を行ったが、３つの不等式（１）〜（３）の成立状態の任意の組み合わせにより減衰処理をするかどうかを決めてもよい。なお、実験では３つの不等式（１）〜（３）の第１、第２、第３の閾値Ａ、Ｂ、ＣについてＡ≦Ｂ≦Ｃを満たす値に設定し、不等式（１）〜（３）のいずれかひとつを満たす時に減衰処理を行った場合に好ましい結果が得られた。

図５に戻って、必要に応じてサンプリング時刻ｎの入力信号Ｘ（ｎ）の減衰処理がなされた後、サンプリング時刻ｎが１だけインクリメントされ（Ｓ２０）、マルチパスノイズ低減処理の停止条件が確認される（Ｓ２２）。停止条件の確認は、マルチパス検出部１８からの切替信号１９にもとづいてまだマルチパス区間内であるかどうかを判断することで行われる。停止する場合（Ｓ２２のＹ）、マルチパスノイズ低減処理を終了し、停止しない場合（Ｓ２２のＮ）、ステップＳ１０にもどり、一連のマルチパスノイズ低減処理を繰り返す。

図９は、図７のコンポジット信号に対してマルチパス低減処理が施された後の出力信号の波形である。図７の急峻なピークが除去されていることがわかる。

以上述べたように、実施の形態によれば、モノラル化や高周波成分除去などのノイズ対策ではなお残留するマルチパスノイズを低減することが可能である。とくにマルチパス区間が検出された場合に、その区間においてさらにマルチパスノイズの有無を判定し、マルチパスノイズを低減するための減衰処理を行うので、マルチパスの検出感度を上げすぎた場合でも、その影響を受けずにマルチパスノイズを適切に除去することができ、ノイズの残留を防ぐとともに、原信号を誤って除去することを防ぐことができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。また各構成要素は機能ブロックとして図示されており、これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組み合わせによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。

そのような変形例として、実施の形態では、図２のように平滑化処理部３０がマルチパスノイズ低減処理部１４に設けられたが、平滑化処理部３０をＦＭ検波部１２の直後に設けて、ＦＭ検波部１２の出力するコンポジット信号１３をまず平滑化する構成にして、マルチパス区間以外でもコンポジット信号１３の平滑化を行い、切替部２０を介してステレオ復調部２２に入力するようにしてもよい。

また実施の形態では、受信信号がステレオ信号の場合を説明したが、モノラル信号に対しても本発明のマルチパスノイズ低減処理を適用することができる。

実施の形態に係るＦＭ受信装置の構成図である。 図１のマルチパスノイズ低減処理部の機能構成図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、図１の減衰率設定部の機能構成図である。 マルチパス検出とマルチパスノイズ低減処理の全体の流れを説明するフローチャートである。 図４のマルチパスノイズ低減処理の詳細な手順を説明するフローチャートである。 マルチパスノイズの発生区間の説明図である。 図６のマルチパス区間の一部を拡大した図である。 急峻なピークを検出するための差分判定を説明する図である。 マルチパス低減処理が施された後の出力信号の波形を説明する図である。

符号の説明

１０ ＩＦ信号、 １２ ＦＭ検波部、 １３ コンポジット信号、 １４
マルチパスノイズ低減処理部、 １５ 減衰率、 １６ 減衰率設定部、 １７
Ｓメーター、 １８ マルチパス検出部、 １９ 切替信号、 ２０ 切替部
、 ２１ 出力信号、 ２２ ステレオ復調部、 ２４ 信号処理部、 ３０
平滑化処理部、 ３２ 差分判定部、 ３４ 減衰処理部、 ４０ 絶対値算出
部、 ４２ ループフィルタ、 ４４ 正規化部、 ４６ 加算部、 ４８ リ
ミッタ、 ５０ テーブル参照部。

Claims (1)

1. 受信されたＦＭ送信電波をもとにＦＭ復調信号を出力するＦＭ検波部と、
   前記ＦＭ復調信号のノイズを低減して出力する信号処理部と、
   受信された前記ＦＭ送信電波においてマルチパスノイズの発生しうる期間を検出し、その期間において前記信号処理部を作動させるマルチパス検出部と、
   前記信号処理部が作動している間はその出力を、前記信号処理部が作動していない間は前記ＦＭ復調信号をステレオ復調して出力するステレオ復調部を含み、
   前記信号処理部は、
   現サンプリング時の前記入力信号の強度と過去のサンプリング時における前記出力信号の強度の差が所定の閾値を超えるか否かを判定してノイズを検出する差分判定部と、
   前記ノイズが検出された場合に、現サンプリング時の前記入力信号を減衰させて現サンプリング時における前記出力信号を生成する減衰処理部を含むことを特徴とする信号受信装置。