JP2013162255A

JP2013162255A - 逆フィルタ回路

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Publication number: JP2013162255A
Application number: JP2012021497A
Authority: JP
Inventors: Kenji Takato; 健司高遠
Original assignee: Fujitsu Telecom Networks Ltd
Current assignee: Fujitsu Telecom Networks Ltd
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-08-19
Anticipated expiration: 2032-02-03
Also published as: JP5686752B2

Abstract

【課題】伝搬特性による影響を受けた信号を補償処理する逆フィルタ回路に関し、リアルタイム的に補償処理を可能とする。
【解決手段】伝搬特性を補償処理する逆フィルタ回路であって、伝搬特性による影響を受けた信号をデジタル信号に変換して入力し、単位時間の遅延手段と乗算手段と加算手段とを含むＦＩＲフィルタ１０と、このＦＩＲフィルタ１０の出力信号を基に係数演算を順次行う係数演算回路１１と、この係数演算回路１１により順次求めた係数対応の期待値を予め格納した期待値テーブル１４と、係数演算回路１１により順次求めた係数が期待値テーブル１４に格納した期待値の範囲内の係数について保持する係数メモリ１２と、この係数メモリ１２に保持した係数をＦＩＲフィルタ１０の乗算手段に乗算係数として順次設定する逐次係数設定回路１３とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種伝搬経路の伝搬特性により影響を受けた信号を処理して、原信号を再生する為の逆フィルタ回路に関する。

各種の信号を有線、無線等の各種の伝搬経路により送信側から受信側へ伝送し、受信側に於いて受信処理する場合、受信信号は、伝搬経路の特性による影響を受けて、原信号とは異なる波形の信号となる。その為に、伝搬経路の特性に対して逆特性のフィルタによって、原信号を復元する為の逆フィルタを適用することが知られている。その逆フィルタは、既に各種の手段が提案されており、空間やケーブル等の信号伝搬経路の特性の逆特性を実現する例えばＦＩＲ（ＦｉｎｉｔｅＩｍｐｕｌｓｅＲｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタを適用することが一般的である。このＦＩＲフィルタは、例えば、図１１（Ａ）に示すように、加算回路（＋）と複数の単位時間の遅延回路Ｚ^−１と複数の乗算器（ａ_０〜ａ_Ｎは乗算係数）とを含み、入力端子Ｘ（ｚ）から入力された信号Ｘ_ｋは乗算器により係数ａ_０が乗算され、遅延回路Ｚ^−１により遅延された信号Ｘ_ｋ−１は乗算器により係数ａ_１が乗算され、以下同様にして、遅延された信号Ｘ_ｋ−Ｎは係数ａ_Ｎが乗算され、各乗算器による乗算出力信号は、加算回路（＋）によって加算されて出力端子Ｙ（ｚ）から出力される信号処理構成が一般的である。この処理は、畳込み演算と称されるもので、入力と出力との比である伝達関数は、図１１の（Ｂ）にも示しているように、次の（１）式で表される。
Ｈ（ｚ）＝Ｙ（ｚ）／Ｘ（ｚ）＝ａ_０＋ａ_１Ｚ^−１＋ａ_２Ｚ^−２＋・・＋ａ_ＮＺ^−Ｎ
・・・・（１）

又図１２は、代表的なＩＩＲフィルタの構成を（Ａ）に、伝達関数を（Ｂ）にそれぞれ示すもので、このＩＩＲ（ＩｎｆｉｎｉｔｅＩｍｐｕｌｓｅＲｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタも前述のＦＩＲフィルタと同様に、複数の遅延回路Ｚ^−１と複数の乗算器ｂ_０〜ｂ_Ｍと加算回路（＋）とによる処理構成を有するものであるが、ＦＩＲフィルタとの相違点は、ＮＦＢとして示すフィードバック構成を適用している点にある。このＩＩＲフィルタの入力と出力の比である伝達関数Ｈ（ｚ）は、次の（２）式で表される。
Ｈ（ｚ）＝Ｙ（ｚ）／Ｘ（ｚ）
＝１／（１／ｂ_０＋ｂ_１Ｚ^−１＋ｂ_２Ｚ^−２＋・・＋ｂ_ＭＺ^−Ｍ）・・・・（２）

又図１３の（Ａ），（Ｂ）は、伝搬路Ｈ(ｚ)による特性変化の説明図であり、同図の上側の（Ａ）の“（ａ）伝搬路Ｈ（ｚ）による特性変化”として示すように、伝搬路の周波数特性が左側に示すフラット特性で、伝搬路の特性が中程に示すようなＧａｉｎ・周波数特性の場合、右側に示す伝搬路の特性により影響を受けたものとなる。そこで、同図の下側の（Ｂ）の“（ｂ）逆フィルタＧ（ｚ）による伝搬路Ｈ（ｚ）特性補償”として示すように、伝搬路を介した信号の受信側に逆フィルタＧ（ｚ）を接続する。それによって、伝搬路の周波数特性が逆フィルタＧ（ｚ）によって補償され、下部に示すように、伝達関数Ｈ（ｚ）Ｇ（ｚ）＝１となり、周波数特性がフラットな受信信号として処理することが可能となる。しかし、逆フィルタは、伝搬路の周波数特性と逆の周波数特性を有する構成とするものであるから、例えば、伝搬路ゲインとして非常に低い部分に対しては、逆フィルタのゲインを非常に大きくしなければならないことになり、それによって、処理動作が不安定な構成となるか、或いは、実現困難な構成となる。

又図１４の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、インパルス応答による伝搬路の伝達関数の推定イメージと、ＦＩＲフィルタと、応答出力波形との説明図であり、同図の（Ａ）の左端側に示すインパルスを伝搬路Ｈ（ｚ）により伝送すると、伝搬された信号は、伝搬路の特性により、大きな歪を受けた波形となり、ＡＤ変換出力信号は、例えば、同図の（Ｃ）に示す離散出力ａ_０，ａ_１，ａ_２，・・・となる。なお、離散出力は、アナログ波形的に図示している。この場合、例えば、同図の（Ｂ）に示すＦＩＲフィルタにより、（Ａ）の伝搬路Ｈ（ｚ）の特性を擬似する為には、インパルス応答の離散出力と同じ値を、乗算器の係数ａ_０，ａ_１，ａ_２，・・・ａ_Ｎに設定することで実現できる。

又図１５の（Ａ）,（Ｂ），（Ｃ）は、伝搬路とその伝搬特性Ｈ（ｚ）を有するＦＩＲフィルタと、逆フィルタとしての特性Ｇ（ｚ）を有するＩＩＲフィルタとを示す。信号レベルがフラットな周波数特性の信号を伝搬路Ｈ（ｚ）により伝送し、伝搬路の周波数特性と逆の周波数特性の逆フィルタＧ（ｚ）を介して出力することにより、フラットな周波数特性の信号を受信出力する理想的な場合を示し、伝搬路と逆フィルタとによる伝達関数Ｈ（ｚ）Ｇ（ｚ）は、同図にも示すように、
Ｈ（ｚ）Ｇ（ｚ）＝
（ａ_０＋ａ₁Ｚ^−１＋ａ_２Ｚ^−２＋・・・＋ａ_ＮＺ^−Ｎ）／（１／ｂ_０＋ｂ_１Ｚ^−１＋ｂ_２Ｚ^−２＋・・・＋ｂ_ＭＺ^−Ｍ）・・・・（３）
と表わすことができる。この場合の伝達関数Ｈ（ｚ）Ｇ（ｚ）＝１とするには、図示のように、Ｎ＝Ｍ、更に、ａ_０＝１／ｂ_０，ａ_１＝ｂ_１，ａ_２＝ｂ_２・・・ａ_Ｎ＝ｂ_Ｍとすることが必要である。このようなＩＩＲフィルタは、フィードバック経路を含むことから、係数によっては不安定となる場合がある。一般的な伝達関数Ｈ（ｚ）として、ローパスフィルタＬＰＦでは、高周波領域のレベルが非常に低くなり、又ハイパスフィルタＨＰＦでは、直流（極低周波）領域のレベルが非常に低くなるから、それぞれのレベルが低くなる周波数領域に対する逆フィルタは、ゲインを非常に大きくすることが必要となり、それら周波数領域に於ける動作が不安定となる。

そこで、逆フィルタをＩＩＲフィルタではなく、ＦＩＲフィルタによって実現することが検討されている。図１６の（Ａ）は、インパルス応答の離散出力をＦＦＴ処理して周波数特性を求め、その周波数特性の逆特性計算処理を行って、その結果をＩＦＦＴ処理することにより、図示した逆インパルス応答の離散出力を得る過程の概要を示し、同図（Ｂ）は、そのＩＦＦＴ処理で得られた逆インパルス応答を係数ａ_０，ａ_１・・・ａ_Ｎとして構成したＦＩＲフィルタを示す。又同図の（Ｃ）に示すＦＩＲフィルタは、単位時間の遅延回路Ｚ^−１と、係数ｇ_０〜ｇ_Ｎを適応的に変化させて、入力された信号及び遅延回路による遅延信号にそれぞれ乗算し、乗算出力信号を加算回路（＋）により加算して、適応的に逆インパルス応答を得るものである。両者共に計算量が多い点と、処理時間が長くなる点とが大きな欠点である。

又音響受聴システムとして、受聴者毎に相違する音響伝達関数の逆フィルタ推定を、適応信号処理技術により実時間処理する場合、収束しないで発散することがあり、その原因を解明した検討内容が“適応逆フィルタ推定と同定問題との関連に関する検討”として発表されており（例えば、非特許文献１参照）、又これに関連して、収束性を改善し、構成を簡素化可能とするように、初期値メモリと前処理フィルタと未知伝達関数と適応型フィルタと帯域フィルタと係数更新演算回路と減算器とを含む適応信号処理システムを構成して、初期値メモリからの初期値を前処理フィルタと適応逆フィルタとの係数として設定し、前処理フィルタの出力を帯域フィルタと未知伝達関数とを適応逆フィルタの係数に設定して、未知の伝達関数の逆特性を求める信号処理システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

又無線通信に於いて、無線信号の伝搬経路の特性を推定することにより、伝送誤り率の改善を図る為に、伝搬路のインパルス応答群を推定し、送受信信号の帯域制限を行うフィルタを介して出力し、出力信号の中の雑音成分に相当するインパルス応答を閾値によって判定して除去することにより、伝搬路推定を行う手段が提案されている（例えば、特許文献２参照）。又撮像した画像情報を処理する場合の手振れ補正処理として、ＦＩＲフィルタの逆フィルタとしてのＩＩＲフィルタを利用することが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００２−９５０９７号公報特開２００６−２６２０３９号公報特開２００８−１６７３２２号公報

筒井令、穂刈治英、島田正治著"適応逆フィルタ推定と同定問題との関連に関する検討"信学技報ＴＥＣＨＮＩＣＡＬＲＥＰＯＲＴＯＦＩＥＩＣＥ．ＥＡ９８−９１（１９９８−１２）ｐｐ．９〜１６

各種の信号処理に於ける逆フィルタを、ＦＩＲフィルタにより実現することは可能であり、例えば、ＦＦＴ構成を利用することや、適応的に係数を設定すること等が前述のように知られている。しかし、計算量が膨大となることと、それに伴ってリアルタイム処理が困難であること等、各種の分野に於いて実際に適用面で多くの課題があった。又ＩＩＲフィルタは、前述のように、リアルタイム処理が可能ではあるが、安定性に問題があり、従って、各種の精度を要求される分野に於いては適用することができなかった。又前述の各種の先行技術文献に於いても、リアルタイム処理と安定性との問題を解決する手段は提示されていない。

本発明は、伝搬特性により波形歪み影響を受けた信号を、ＦＩＲフィルタ構成を適用して、インパルス応答等の応答波形を基に、逐次的に逆フィルタの係数を計算する手段を含み、リアルタイム処理を安定に実行可能とした逆フィルタ回路を提供することを目的とする。

本発明の逆フィルタ回路は、伝搬特性を補償処理する逆フィルタ回路であって、伝搬特性による影響を受けた信号をデジタル信号に変換して入力する手段と、前記伝搬特性の逆フィルタ特性に近似した特性に制御する為の単位時間の遅延手段と乗算手段と加算手段とを含むＦＩＲフィルタと、前記伝搬特性による影響を受ける以前の信号を疑似したデジタル信号データを持つ期待値テーブルと、該ＦＩＲフィルタの出力信号と期待値テーブルの値を基に係数演算を順次行う係数演算回路と、前記係数演算回路により順次求めた係数を保持する係数メモリと、該係数メモリに保持した係数を前記ＦＩＲフィルタの前記乗算手段に乗算係数として順次設定する逐次係数設定回路とを備えている。

又前記伝搬特性による影響を受けた信号をデジタル信号に変換して繰り返し入力する手段と、前記伝搬路の逆フィルタ特性に近似した特性に制御する為の単位時間の遅延手段と乗算手段と加算手段とを含む前記ＦＩＲフィルタと、前記係数演算回路と、前記期待値テーブルと、前記係数メモリと、前記逐次係数設定回路とを含み、且つ前記係数メモリに保持した前記ＦＩＲフィルタの乗算手段対応の係数について平均化処理を基に有効か否かを判定する平均化有効判定処理手段と、該平均化有効判定処理手段による最終有効判定の係数を前記逐次係数設定回路に設定する構成を備えている。

前記期待値テーブルを、限定された周波数範囲を有する複数種類のインパルス等の応答特性対応に設けて選択可能とした構成を備えている。

前記ＦＩＲフィルタを、検出用ＦＩＲフィルタと運用ＦＩＲフィルタとし、前記検出用ＦＩＲフィルタによる前記逐次係数設定回路に設定した最終係数を設定する最終係数設定回路と、該最終係数設定回路に設定した係数を前記運用ＦＩＲフィルタの乗算係数として設定する構成を備えている。

前記係数演算回路により求めた係数と閾値とを比較する比較手段と、該比較手段により該係数が閾値を超えた時に該係数に減衰係数を乗算する手段とを含む構成を備えている。

本発明の逆フィルタ生成回路は、リアルタイムに、伝搬特性による影響を受けた信号に対する逆フィルタ特性を生成して補償することが可能となり、各種の伝搬経路を介した信号を受信処理する手段に適用できる利点がある。

本発明の原理を説明すると共に、実施例1としてのインパルス応答から逆フィルタの係数を逐次作成する過程の説明図である。本発明の実施例１の説明図である。本発明の実施例２として、インパルス以外の応答から逆フィルタの係数を逐次作成する過程の説明図である。本発明の実施例２の説明図である。本発明の実施例３として、逆フィルタの係数の平均化と有効処理を行う回路構成の説明図である。本発明の実施例３の動作のフローチャートの要部（Ａ）、正常な場合の逆インパルス応答波形（Ｂ）及び異常な場合の逆インパルス応答波形（Ｃ）の説明図である。本発明のフィルタ特性について、逆フィルタによる処理を必要とする周波数範囲ｆ_１〜ｆ_２の信号の周波数特性（ａ）と、その周波数範囲ｆ_１〜ｆ_２の信号を処理する為の限定逆フィルタの周波数特性（ｂ）と、限定逆フィルタ実現特性（ｃ）と、逆フィルタ係数を求めるためのインパルス及びそれ以外の各種信号波形の例（ｄ）〜（ｇ）を示す。本発明の実施例４の説明図で、図５の実施例３に対して、インパルス及びそれ以外の各種信号波形に対応した期待値テーブルを持つ回路構成例を示す。本発明の実施例５の説明図で、実施例４に対して、運用用と検出用の二つのＦＩＲフィルタを持つ回路構成を示す。本発明の実施例６の動作のフローチャートの要部（Ａ）、通常の逆インパスル応答波形（Ｂ）及び係数Ｇ_Ｎの値を制限（重み付け）した応答波形（Ｃ）の説明図である。従来の一般的なＦＩＲフィルタ（Ａ）と伝達関数（Ｂ）との説明図である。従来の一般的なＩＩＲフィルタ（Ａ）と伝達関数（Ｂ）との説明図である。伝搬路による特性変化（Ａ）と特性補償（Ｂ）との説明図である。従来の伝搬路によるインパルス応答（Ａ）とＦＩＲフィルタ（Ｂ）とＡＤ変換出力信号（Ｃ）との説明図である。従来の伝搬路によるインパルス応答（Ａ）とＦＩＲフィルタ（Ｂ）とＩＩＲフィルタ（Ａ）との説明図である。従来のインパルス応答をＦＦＴ処理して周波数特性を求め、その逆周波数特性を計算し、逆周波数特性を逆ＦＦＴすることで逆インパスル応答を求める手段（Ａ）と、その逆インパルス応答を係数としたＦＩＲフィルタ（Ｂ）と、適応的に係数を求めたＦＩＲフィルタ（Ｃ）との説明図である。

本発明の逆フィルタ生成回路は、図２を参照すると、伝搬特性を補償処理する逆フィルタ回路であって、伝搬特性による影響を受けた信号をデジタル信号に変換して入力する手段と、前記伝搬特性の逆フィルタ特性に近似した特性に制御する為の単位時間の遅延手段と乗算手段と加算手段とを含むＦＩＲフィルタ１０と、このＦＩＲフィルタ１０の出力信号を基に係数演算を順次行う係数演算回路１１と、この係数演算回路１１により順次求めた係数対応の期待値を格納した期待値テーブル１４と、前記係数演算回路１１により順次求めた係数が前記期待値テーブル１４に格納した期待値の範囲内の係数について保持する係数メモリ１２と、この係数メモリ１２に保持した係数を前記ＦＩＲフィルタ１０の前記乗算手段に乗算係数として順次設定する逐次係数設定回路１３とを備えている。

図１は、本発明の原理説明図であり、インパルス応答から逆フィルタの係数を逐次作成する手段を示し、同図の（Ａ）は、信号源から伝搬路Ｈ（ｚ）を介した信号を、ＡＤ変換し、逆フィルタＧ（ｚ）により処理する概要を示し、同図の（Ｂ）は、ＦＩＲフィルタ構成による逆フィルタ、同図の（Ｃ）は、ＡＤ変換出力波形の一例と逆フィルタの係数算出の概要を示す。信号源からのインパルスＸ_０＝１、Ｘ_１＝０，Ｘ_２＝０，・・・を、伝搬路Ｈ（ｚ）を介して伝送し、この伝搬路Ｈ（ｚ）による影響を受けた受信信号をＡＤ変換した信号Ｘ_０，Ｘ_１，Ｘ_２，・・・は、アナログ波形として示すと、例えば、同図の（Ｃ）に示すものとなる。この信号を逆フィルタＧ（ｚ）によって、Ｙ_０＝１，Ｙ_１＝０，Ｙ_２＝０，・・・となるように処理する。即ち、ＦＩＲフィルタの係数ｇ_０，ｇ_１，ｇ_２，ｇ_３，ｇ_４，・・・を、次式（４）により求めて設定する。このＦＩＲフィルタ係数は、同図の（Ｃ）の下方に示すようにして求めて設定する。

ｇ_０Ｘ_０＝１
ｇ_０Ｘ_１＋ｇ_１Ｘ_０＝０
ｇ_０Ｘ_２＋ｇ_１Ｘ_１＋ｇ_２Ｘ_０＝０
ｇ_０Ｘ_３＋ｇ_１Ｘ_２＋ｇ_２Ｘ_１＋ｇ_３Ｘ_０＝０
ｇ_０Ｘ_４＋ｇ_１Ｘ_３＋ｇ_２Ｘ_２＋ｇ_３Ｘ_１＋ｇ_４Ｘ_０＝０
・・・・・・・
ｇ_０Ｘ_Ｎ＋ｇ_１Ｘ_Ｎ−1＋ｇ_２Ｘ_Ｎ−２＋ｇ_３Ｘ_Ｎ−３＋ｇ_４Ｘ_Ｎ−４・・・
＋ｇ_ＮＸ_０＝０
・・・・（４)
この（４）式については、図１の（Ｃ）に、係数ｇ_０，ｇ_１，ｇ_２，ｇ_３，ｇ_４，・・・の導出経路の要点も示している。

この（４）式に於ける係数は、図１の（Ｂ）に示す遅延手段としての遅延回路Ｚ^−１と乗算手段としての乗算器と加算手段としての加算回路とを含むＦＩＲフィルタ構成による逆フィルタの各乗算器の乗算係数とするものであり、それによって、ＦＩＲフィルタ構成ではあるが、逆フィルタ特性を実現するものである。即ち、図１の（Ａ）に示す伝搬路Ｈ（ｚ）とＡＤ変換と逆フィルタＧ（ｚ）の構成に於いて、伝搬路Ｈ（ｚ）を介して受信されたインパルス応答を、ＡＤ変換処理によって、Ｘ_０，Ｘ_１，Ｘ_２、・・・の離散信号とし、ＦＩＲフィルタ構成による逆フィルタＧ（ｚ）の係数をｇ_０，ｇ_１，ｇ_２，ｇ_３・・・とすると、出力は、ｇ_０Ｘ_０,＋ｇ_０Ｘ_１＋ｇ_１Ｘ_０, ｇ_０Ｘ_２＋ｇ_１Ｘ_１＋ｇ_２Ｘ_０,・・・として、それぞれ計算される。図１の（Ｂ）に於いては、インパルス応答Ｘ_０，Ｘ_１，Ｘ_２迄が入力された状態を示す。このような処理を行う場合、次第に演算量が多くなる。そこで、逆フィルタでインパルス応答のデータを基にした場合、例えば、入力＝１で、他の出力は全て０のインパルス出力を実現する為には、前述の（４）式の内容を満たすことが必要になる。この（４）式については、図１の（Ｃ）にも示している。これはＮ次の連立方程式であるから、計算により求めることができるが、ＦＩＲフィルタ構成の係数Ｎが大きくなるに従って計算量が増加する。実際のところ、逆フィルタを完全に再現できるのはＩＩＲフィルタであり、ＩＩＲフィルタとは無限インパルス応答を表すので、理論的にＮは無限個必要になる。即ち、逆フィルタを有限なＮによってＦＩＲフィルタ構成で実現するということは理論的には無理であり、実用的に利用できる近似的なＦＩＲ逆フィルタを作ることが実際には要求される。

そこで、本発明は、前記の式（４）を、次式（５）のように変形して利用する。
ｇ_０Ｘ_０＝Ｙ_０＝１ ∴ｇ_０＝１／Ｘ_０
Ｗ_１＋ｇ_１Ｘ_０＝Ｙ_１＝０ ∴ｇ_１＝−Ｗ_１／Ｘ_０
Ｗ_２＋ｇ_２Ｘ_０＝Ｙ_２＝０ ∴ｇ_２＝−Ｗ_２／Ｘ_０
Ｗ_３＋ｇ_３Ｘ_０＝Ｙ_３＝０ ∴ｇ_３＝−Ｗ_３／Ｘ_０
Ｗ_４＋ｇ_４Ｘ_０＝Ｙ_４＝０ ∴ｇ_４＝−Ｗ_４／Ｘ_０
・・・
Ｗ_Ｎ＋ｇ_ＮＸ_０＝Ｙ_５＝０ ∴ｇ_Ｎ＝−Ｗ_Ｎ／Ｘ_０
・・・・・(５)
この（５）式のＷ_１，Ｗ_２，Ｗ_３，Ｗ_４・・・は、それぞれ（４）式の一部を置き換えたものであり、この（４）式と（５）式との一部について、図１の（Ｃ）にも示している。時系列的に見ると、Ｘ_０によりｇ_０が計算でき、次のＸ_１により既に計算されたｇ_０があるので、Ｗ_１が計算でき、その結果と、先のＸ_０入力値から、ｇ_１が計算できる。従って、以下同様にして、順次Ｘ_０，Ｘ_１，Ｘ_２，Ｘ_３・・・Ｘ_ｋを入力することによって、Ｗ_１，Ｗ_２，Ｗ_３，Ｗ_４・・・を計算で求めることができ、逆関数の期待値である１，０，０，・・と比較して、次々に、ｇ_０，ｇ_１，ｇ_２，ｇ_３・・・を逐次的に決定することができる。即ち、インパルス応答のデータ入力に対して、リアルタイム的に逆フィルタの係数を決定できるものとなる。

図２は本発明の実施例１の説明図であり、（Ａ）に示す伝搬路Ｈ（ｚ）と、ＡＤ変換と、逆フィルタＧ（ｚ）については図１の（Ａ）に示す構成と同様であり、図２の（Ｂ）に示す逆フィルタを実現するＦＩＲフィルタ１０は、図１の（Ｂ）に示す構成及び処理機能と同様のものであり、入力した信号を順次単位時間遅延させる遅延手段（Ｚ^−１）と、乗算器等の乗算手段と、加算器等の加算手段とを含むもので、構成や演算手段等は既に知られている構成や演算手段等と類似したものであり、係数ｇ_０，ｇ_１，ｇ_２，ｇ_３・・・をそれぞれ乗算すると乗算手段の出力は、係数演算回路１１に入力される構成とし、係数演算回路１１は期待値テーブル１４のデータと比較して、所定範囲内の係数ｇ_０，ｇ_１，ｇ_２，ｇ_３・・・ｇ_Ｎを係数メモリ１２に記憶する。この係数メモリ１２のデータを逐次係数設定回路１３により読出し、ＦＩＲフィルタ１０の係数ｇ_０，ｇ_１，ｇ_２，ｇ_３・・・ｇ_Ｎとして逐次セットする。この構成の動作は、始めに、ＦＩＲフィルタＧ（ｚ）の全ての係数ｇ_０，ｇ_１，ｇ_２，ｇ_３・・・をゼロに設定し、第１の係数ｇ_０に初期値（例えば１）を設定する。このインパルス応答等のデータの先頭データＸ_０をＦＩＲフィルタ１０に入力し、その出力Ｙ_０を得て、インパルス応答の期待値１（期待値テーブル１４のＹ_０＝１）から逆フィルタとしての条件を満足する係数ｇ_０の値を、係数演算回路１１によって、１／Ｘ_０として計算する。そして、ＦＩＲフィルタに前記計算による係数ｇ_０を設定する。次のデータＸ_１を入力すると、ｇ_０とＸ_１の積であるＷ_１が計算され、これにより係数ｇ_１は、−Ｗ_１／Ｘ_０となる。以下順次同様にして、一つ前の係数ｇ_Ｎの初期値の設定、入力Ｘ_ＮによるＦＩＲフィルタ出力Ｗ_Ｎ、期待値０よりＧ（ｚ）の係数ｇ_Ｎを逐次的に計算する。

この図２の（Ｂ）に示す構成に於いては、ＦＩＲフィルタ１０の係数ｇ_０，ｇ_１が既に設定され、データＸ_２の入力により係数演算回路１１により係数ｇ_２がｇ_２＝−Ｗ_２／Ｘ_０として計算され、その係数ｇ_２が係数メモリ１２にセットされる状況を示しており、以下同様にして、データＸ_０，Ｘ_１，Ｘ_２，Ｘ_３，・・・の入力に従って、順次係数ｇ_０，ｇ_１，ｇ_２，ｇ_３，・・・が決められ、逐次係数設定回路１３により、ＦＩＲフィルタ１０に逐次係数が設定されるもので、最初のＸｏの値が正確にインパルス波形の初めの値（Ｘ_０）である場合には、１００％正しいものとなる。
但し、現実には幾つかの課題がある。即ち、
課題１：インパルス波形が完全なインパルスを実現できるかという課題。
課題２：ＡＤコンバータのサンプリングのタイミングで正確にインパルスの時間に対応するかどうかの課題。又（５）式で明らかなように、計算は全てＸ_０で除算を行っているから、このＸ_０の値が小さ過ぎると、演算結果は非常に大きな値となる課題。
課題３：ノイズによる課題。インパルス応答の波形にノイズが含まれている場合は、それが演算に影響することがある。
課題４：逆フィルタの応答が何時までも振動して収束しない場合に対する課題。

図３は、本発明の実施例１のインパルス以外の応答から逆フィルタの係数を逐次作成する過程に於ける前述の課題１及び課題２への対応策を示す。なお、図２に於ける係数演算回路１１、係数メモリ１２、逐次係数設定回路１３及び期待値テーブル１４は、図示を省略し、逆フィルタを実現するＦＩＲフィルタ１０のみを図示している。前述の（４）式の右辺について、インパルスの１，０，０，０，・・・以外のＥ_０，Ｅ_１，Ｅ_２，Ｅ_３・・・に変更すると、
ｇ_０Ｘ_０＝Ｅ_０
ｇ_０Ｘ_１＋ｇ_１Ｘ_０＝Ｅ_１
ｇ_０Ｘ_２＋ｇ_１Ｘ_１＋ｇ_２Ｘ_０＝Ｅ_２
ｇ_０Ｘ_３＋ｇ_１Ｘ_２＋ｇ_２Ｘ_１＋ｇ_３Ｘ_０＝Ｅ_３
ｇ_０Ｘ_４＋ｇ_１Ｘ_３＋ｇ_２Ｘ_２＋ｇ_３Ｘ_１＋ｇ_４Ｘ_０＝Ｅ_４
・・・・・・・
ｇ_０Ｘ_Ｎ＋ｇ_１Ｘ_Ｎ−１＋ｇ_２Ｘ_Ｎ−２＋ｇ_３Ｘ_Ｎ−３＋ｇ_４Ｘ_Ｎ−４・・・＋
ｇ_ＮＸ_０＝Ｅ_Ｎ
・・・・（６）
となる。次式（７）は、式（５）と同様に、Ｗ_１，Ｗ_２，Ｗ_３，Ｗ_４，・・・を用いて、式(６)を変形したものである。
ｇ_０Ｘ_０＝Ｙ_０＝Ｅ_０ ∴ｇ_０＝Ｅ_０／Ｘ_０
Ｗ_１＋ｇ_１Ｘ_０＝Ｙ_１＝Ｅ_１ ∴ｇ_１＝（Ｅ_１−Ｗ_１）／Ｘ_０
Ｗ_２＋ｇ_２Ｘ_０＝Ｙ_２＝Ｅ_２ ∴ｇ_２＝（Ｅ_２−Ｗ_２）／Ｘ_０
Ｗ_３＋ｇ_３Ｘ_０＝Ｙ_３＝Ｅ_３ ∴ｇ_３＝（Ｅ_３−Ｗ_３）／Ｘ_０
Ｗ_４＋ｇ_４Ｘ_０＝Ｙ_４＝Ｅ_４ ∴ｇ_４＝（Ｅ_４−Ｗ_４）／Ｘ_０
・・・・・・
Ｗ_Ｎ＋ｇ_ＮＸ_０＝Ｙ_５＝Ｅ_Ｎ ∴ｇ_Ｎ＝（Ｅ_Ｎ−Ｗ_Ｎ）／Ｘ_０
・・・・（７）
この（７）式についても、図３の（Ｃ）の下方の右側に示している。

図４は、本発明の実施例２の説明図であり、同図の（Ａ）は、前述の各図の（Ａ）と同様に、信号源から伝搬路Ｈ（ｚ）を介した信号を、ＡＤ変換し、逆フィルタＧ（ｚ）により処理する概要を示し、同図の（Ｂ）は、ＦＩＲフィルタ構成による逆フィルタ、同図の（Ｃ）は、ＡＤ変換出力波形の一例と逆フィルタの係数算出の概要を示す。伝搬路Ｈ（ｚ）と、ＡＤ変換と、逆フィルタＧ（ｚ）とについては、前述の図１〜図３に示す構成と同様であり、同図の（Ｂ）の逆フィルタを実現するＦＩＲフィルタ２０の出力は、係数演算回路２１に入力される構成とし、係数演算回路２１は期待値テーブル２４のデータと比較してｇ_Ｎの係数を計算し、係数メモリ２２に記憶する。この係数メモリ２２のデータを逐次係数設定回路２３により読出し、ＦＩＲフィルタの係数ｇ_Ｎとして逐次セットする。

基本構成については、図２に示す構成と同様であるが、期待値テーブル２４のデータを、Ｙ_０＝Ｅ_０，Ｙ_１＝Ｅ_１，Ｙ_２＝Ｅ_２，・・・とした場合を示す。ＦＩＲフィルタ２０の総ての係数ｇ_０〜ｇ_Ｎを、初期リセットにより総て０に設定し、次に、第１の係数ｇ_０に初期値（例えば、１）を設定し、入力されたインパルス応答等のデータの先頭データＸ_０をＦＩＲフィルタ２０に入力し、その出力Ｙ_０を得て、インパルス応答等の期待値Ｅ_０とＹ_０とが等しいとして、ＦＩＲフィルタ２０としての条件を満足する係数ｇ_０の値を、ｇ_０＝Ｅ_０／Ｘ_０として計算する。次に、ＦＩＲフィルタ２０に、計算結果の係数のｇ_０を第一の係数として設定し、次のデータＸ_１を入力すると、ｇ_０とＸ_１の積Ｗ_１が算出される。これにより第二の係数ｇ_１は(Ｅ_１−Ｗ_１）／Ｘ_０として求めることができる。計算後の係数ｇ_１を第二の係数として設定し、次のデータＸ_２を入力すると、ＦＩＲフィルタ２０の係数として、ｇ_０Ｘ_２＋ｇ_１Ｘ_１の積和、つまりＷ_２を求める。これにより、第三の係数ｇ_２は（Ｅ_２−Ｗ_２)／Ｘ_０として求めることができる。以下同様に計算された係数ｇ_Ｎ−１を設定の後、入力Ｘ_ＮによるＦＩＲフィルタ出力Ｗ_ＮＹ_Ｎ、期待値Ｅ_Ｎによって、Ｇ（ｚ）の係数ｇ_Ｎを逐次的に求めることができる。この実施例２の構成は、図２に示す構成に比較して一般的である。なお、図２に示す構成は、図４に示す本実施例２に於ける期待値として、Ｅ_０＝１，Ｅ_１＝Ｅ_２＝Ｅ_３・・・Ｅ_Ｎ＝０とした場合に相当する。又インパルス応答波形は、厳密なインパルスである必要はなく、疑似的なインパルス或いはＳｉｎｃ関数(一部)、減衰スイープサイン波のような限定した周波数成分を含む波形の信号に対しても適用可能である。

図５は、本発明の実施例３の説明図であり、伝搬路Ｈ（ｚ），ＡＤ変換，逆フィルタＧ（ｚ）の構成（Ａ）については、図１〜図４と同様であり、又逆フィルタとして機能させるＦＩＲフィルタ３０及び係数演算回路３１、係数メモリ３２、逐次係数設定回路３３、期待値テーブル３４を含む構成（Ｂ）は、図３と同様であるが、この実施例３は、平均化有効判定処理部３５を追加した構成を有するものである。又図５の（Ｃ）はＡＤ変換出力信号をアナログ波形として示す波形例を示す。この実施例３に於いて、インパルス応答等の入力は、複数回入力することを前提とし、初期状態として、ＦＩＲフィルタ３０の係数ｇ_０〜ｇ_Ｎは、全てリセットし、ｇ_０〜ｇ_Ｎ＝０とする点は、前述の各実施例と同様であり、先ず、Ｘ_０を入力してＦＩＲフィルタ３０の出力を求め、係数演算回路３１は、期待値テーブル３４の期待値Ｙ_０＝Ｅ_０，Ｙ_１＝Ｅ_１，・・・Ｙ_Ｎ＝Ｅ_Ｎを参照し、期待値に相当する場合の係数を係数メモリ３２に格納する。

図５の（Ｂ）に示す各部の状態は、ｇ_２＝（Ｅ_２−Ｗ_２）／Ｘ_０の演算結果を係数メモリ３２に格納する状態を示し、逐次係数設定回路３３により係数メモリ３２から順次係数を読出して、ＦＩＲフィルタ３０の係数として設定する。そして、逐次係数設定回路３３による係数ｇ_０，ｇ_１は点線矢印で示すように設定済みで、次の係数ｇ_２の設定の状態を実線矢印で示している。又ＡＤ変換時のサンプリングタイミングによっては、サンプリング値Ｘ_０が小さ過ぎると、係数が極端に大きくなる。その場合は、次のデータをＸ_０とすることにより、この問題（前述の課題２）を回避することができる。又演算中に、係数ｇ_Ｎの値が大き過ぎる場合は、オーバフローするから、この場合も次の入力波形のデータを待つ。又インパルス性のノイズが重畳した場合、オーバフローすることがあり、このような状態となる場合も次の入力波形のデータを待つ。このようにして、逆フィルタの係数として安定な入力波形のデータについて処理し、平均化有効判定処理部３５により、最終の有効な係数ｇ_０〜ｇ_Ｎを逐次係数設定回路３３に通知する。又ＦＩＲフィルタ構成による逆フィルタは、近似フィルタを構成できるに過ぎないもので、完全な逆特性を有するものでなくても、例えば、エコーキャンセラの場合、完全にエコー成分を０にしなくても、例えば、１／１０（２０ｄＢ）程度のキャンセルができれば、実用可能となる場合が多い。従って、ＡＤ変換処理を含むデジタルシステムの場合、ナイキスト周波数以下に限定される場合が一般的であるから、直流に近い周波数成分や高域成分等を除いた周波数領域に於ける逆フィルタを実現した構成は、実用的な構成を提供可能となる。

図６は、本発明の実施例３について、（Ａ）は動作のフローチャートの要部、（Ｂ）は正常な場合の波形、（Ｃ）は異常な場合の波形の例をそれぞれ示し、同図の（Ａ）に於いて、ＦＩＲフィルタの係数ｇ_０〜ｇ_Ｎをリセットし（ａ１）、Ｎ＝０とする（ａ２）。即ち、ＦＩＲフィルタを初期状態にリセットする。次に、応答データＸ_Ｎ読込みを行い（ａ３）。最初のデータＸ_０について、Ｘ_０＞Ｖｔｈか否か、即ち、Ｘ_０が閾値Ｖｔｈ以上の値であるか否かを判定し（ａ４）、Ｘ_０が閾値Ｖｔｈ以上の場合には係数ｇ_Ｎの計算を行い（ａ５）、閾値Ｖｔｈ以上でない場合は、前のステップ（ａ３）に戻る。又ステップ（ａ５）に於ける計算結果が、オーバフローとなるか否かを判定し（ａ６）、オーバフロー有りの判定の場合は、異常有りの判定として、次の入力波形データについての処理に移行する（ａ１０）。即ち、最初のステップ（ａ１）へ戻る。又オーバフロー無しの場合は、Ｎ＋１（ａ７）とし、全係数ｇ_Ｎの計算完了（ａ８）の場合は、次のステップ（ａ１１）へ移行し、計算完了でない場合は、係数ｇ_Ｎの初期値設定のステップ（ａ９）へ移行して、ステップ（ａ３）へ戻る。全係数ｇ_Ｎの計算完了（ａ８）により、複数の応答データの平均化処理を行い（ａ１１）、最終の係数ｇ_０〜ｇ_Ｎを決定する。

図７は、フィルタ特性とパルス波形との各種の例を示し、（ａ）は逆フィルタによる処理を必要とする周波数範囲ｆ_１〜ｆ_２の信号の周波数特性、（ｂ）は、（ａ）に示す周波数範囲の信号を処理する為の限定逆フィルタの周波数特性、（ｃ）は限定逆フィルタ実現特性、（ｄ）〜（ｇ）は各種の信号波形の例を示す。（ａ）に示す周波数特性の信号に対して、（ｂ）に示す周波数ｆ_１〜ｆ_２の範囲についての特性の逆フィルタを適用することによって、（ｃ）に示すように、周波数ｆ_１〜ｆ_２間は平坦特性の信号とすることができることを示す。又入力される信号の種類として、（ｄ）インパルス、（ｅ）擬似インパルス、（ｆ）Ｓｉｎｃ関数（一部）、（g）減衰スイープサイン波等があり、入力される信号種類に対応した特性のフィルタ構成を実現することが可能である。

図８は、本発明の実施例４の説明図であり、同図の（Ａ）は、前述の各図の（Ａ）と同様に、信号源から伝搬路Ｈ（ｚ）を介した信号をＡＤ変換し、逆フィルタＧ（ｚ）により処理する概要を示し、同図の（Ｂ）は、図５に示す実施例の（Ｂ）に示す構成と同様であるが、期待値テーブルについては複数個設けた場合を示し、又図８の（Ｃ）は、図５に於ける（Ｃ）と同様なＡＤ変換出力波形例を示す。この図８の（Ｂ）に於いて、ＦＩＲフィルタ４０、係数演算回路４１、係数メモリ４２、逐次係数設定回路４３、期待値テーブル４４−１，４４−２，４４−３、平均化有効判定処理部４５を含む構成を有し、複数の期待値テーブル４４−１，４４−２，４４−３は、必要に応じて更に多種類設けることも可能であり、運用時の入力信号波形、例えば、前述の図７の（ｄ）〜（ｇ）等の信号波形対応に期待値テーブルを設けることができる。このような構成により、各種の波形の信号に対応した逆フィルタ特性を実現することができる。

図９は、本発明の実施例５の説明図であり、（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、前述の図８の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）と同様であるが、図９の（Ｂ）に示すように、検出用ＦＩＲ５０−１と、運用ＦＩＲ５０−２と、最終係数設定回路５６とを含む構成を有し、係数演算回路５１、係数メモリ５２、逐次計数設定回路５３、期待値テーブル５４−１，５４−２，５４−３、平均化有効判定処理部５５については、図８に示す実施例と同様である。この実施例５に於いて、検出用ＦＩＲ５０−１に対して、逐次係数設定回路５３により、前述の各実施例によって説明したように、乗算器に対する係数ｇ_０、ｇ_１、ｇ_２を設定した状態を示す。逐次係数設定回路５３は、係数メモリ５２からの係数を、検出用ＦＩＲ５０−１の乗算係数として順次設定し、全係数ｇ_０〜ｇ_Ｎの正常設定終了により、その全係数ｇ_０〜ｇ_Ｎを運用ＦＩＲ５０−２の乗算器に対して、最終係数設定回路５６によって設定し、運用状態に移行する。又複数の期待値テーブル５４−１，５４−２，５４−３は、図８に示す実施例と同様に、各種波形の信号に対応した逆フィルタ特性を実現する場合に、選択して適用することができる。従って、各種の伝送経路による各種の信号に対するフィルタ処理を実行することが可能となる。又運用ＦＩＲ５０−２により運用フィルタ処理を行うと共に、検出用ＦＩＲ５０−１により、連続的或は所定期間毎等の随時係数の更新処理を継続し、所定の期間或は対応する乗算器の係数差等を基に、運用ＦＩＲ５０−２の係数更新を行って、信号処理品質の向上を図ることも可能である。

図１０は、本発明の実施例６の処理説明図であり、（Ａ）は要部のみのフローチャート、（Ｂ）は逆フィルタの係数ｇ_Ｎのインパルス応答例、（Ｃ）は係数ｇ_Ｎを制限（重み付け）した処理例を示し、逆フィルタのインパルス応答（係数ｇ_Ｎ）が収束しない場合、ＦＩＲフィルタの係数がオーバする状態となることがあり、それを回避可能とする処理を示し、ｇ_０〜ｇ_Ｎ係数全リセット（ｂ１）して、Ｎ＝０の初期状態としたステップ（ｂ２）後に、応答データＸ_Ｎの最初からの読込みを行う（ｂ３）。そして、Ｘ_０＞Ｖｔｈか否か、即ち、応答データが閾値Ｖｔｈを超えたレベルであるか否かを判定し（ｂ４）、超えている場合は、ステップ（ｂ３）に戻り、又超えていない場合は、係数ｇ_Ｎの計算を行って（ｂ５）、その係数ｇ_Ｎの制限処理としての重み付けを行う（ｂ６）。そして、Ｎ＋１とし（ｂ７）、次の応答データＸ_Ｎの処理を行う為にステップ（ｂ３）に移行し、又全係数ｇ_Ｎ計算完了（ｂ８）により、この場合の制限処理を終了する。このような処理は、前述の図４の平均化有効判定処理部３５、図８の平均化有効判定処理部４５、図９の平均化有効判定処理部５５に於いて実行することができる。

１０，２０，３０，４０，５０−１，５０−２ＦＩＲフィルタ
１１，２１，３１，４１，５１係数演算回路
１２，２２，３２，４２，５２係数メモリ
１３，２３，３３，４３，５３逐次係数設定回路
１４，２４，３４，４４−１，４４−２，４４−３期待値テーブル
３５，４５，５５平均化有効判定処理部
５６最終係数設定回路

Claims

伝搬特性を補償処理する逆フィルタ回路に於いて、
前記伝搬特性による影響を受けた信号をデジタル信号に変換して入力する手段と、前記伝搬特性の逆フィルタ特性に近似した特性に制御する為の単位時間の遅延手段と乗算手段と加算手段とを含むＦＩＲフィルタと、
前記伝搬特性による影響を受ける以前の信号を疑似したデジタル信号データを持つ期待値テーブルと、
該ＦＩＲフィルタの出力信号と前記期待値テーブルの値を基に係数演算を順次行う係数演算回路と、
前記係数演算回路により順次求めた係数を保持する係数メモリと、
該係数メモリに保持した係数を前記ＦＩＲフィルタの前記乗算手段に乗算係数として順次設定する逐次係数設定回路と
を備えたことを特徴とする逆フィルタ回路。
前記ＦＩＲフィルタに於ける第１の係数ｇ_０に初期値を設定し、第２〜第Ｎ＋１の係数ｇ_１〜ｇ_Ｎにゼロを設定し、伝搬特性により影響を受けた信号をデジタル信号化した第１のインパルス応答データの先頭データＸ_０を前記ＦＩＲフィルタに入力した時の出力Ｙ_０を得て、前記期待値テーブルの第一の期待値Ｅ_０から逆フィルタとしての条件を満足する係数ｇ_０の値を係数演算回路で計算し、該計算の結果を前記係数メモリに記憶し、逐次係数設定回路がＦＩＲフィルタの第一の係数ｇ_０に設定し、第二のインパルス応答等のデータＸ₁をＦＩＲフィルタに入力した出力Ｙ₁を、前記期待値テーブルの第ニの期待値Ｅ₁から逆フィルタとしての条件を満足する係数ｇ₁の値を係数演算回路で計算し、該計算の結果を係数メモリに記憶し、逐次係数設定回路がＦＩＲフィルタの第二の係数ｇ₁に設定する処理を順次行って、インパルス応答のデータＸ_ＮをＦＩＲフィルタに入力してその出力Ｙ_Ｎを得、前記期待値テーブルの第Ｎ＋１の期待値Ｅ_Ｎから逆フィルタとしての条件を満足する係数ｇ_Ｎの値を係数演算回路で計算し、計算結果を前記係数メモリに記憶し、前記逐次係数設定回路が前記ＦＩＲフィルタの第Ｎ＋１の係数ｇ_Ｎに設定する構成を有することを特徴とする前記請求項１記載の逆フィルタ回路。
前記伝搬路に入力する波形はインパルスとし、期待値テーブルの値はインパルスに相当するデジタル信号データとすることを特徴とする、請求項１記載の逆フィルタ回路。
前記伝搬特性による影響を受けた信号をデジタル信号に変換して繰り返し入力する手段と、前記伝搬特性の逆フィルタ特性に近似した特性に制御する為の単位時間の遅延手段と乗算手段と加算手段とを含む前記ＦＩＲフィルタと、前記係数演算回路と、前記期待値テーブルと、前記係数メモリと、前記逐次係数設定回路とを含み、且つ前記係数メモリに保持した前記ＦＩＲフィルタの乗算手段対応の係数について平均化処理を基に有効か否かを判定する平均化有効判定処理手段と、該平均化有効判定処理手段による最終有効判定の係数を前記逐次係数設定回路に設定する構成を備えたことを特徴とする前記請求項１乃至３記載の逆フィルタ回路。
前記期待値テーブルを、限定された周波数範囲を有する複数種類の過渡的信号を前記伝搬特性対応に設けて選択可能とした構成を備えたことを特徴とする前記請求項４記載の逆フィルタ回路。
前記ＦＩＲフィルタを、検出用ＦＩＲフィルタと運用ＦＩＲフィルタとし、前記検出用ＦＩＲフィルタによる前記逐次係数設定回路に設定した最終係数を設定する最終係数設定回路と、該最終係数設定回路に設定した係数を前記運用ＦＩＲフィルタの乗算係数として設定する構成を備えたことを特徴とする請求項１乃至５記載の逆フィルタ回路。
前記係数演算回路により求めた係数と閾値とを比較する比較手段と、該比較手段により該係数が閾値を超えた時に該係数に減衰係数を乗算する手段とを含む構成を備えたことを特徴とする請求項１乃至６記載の逆フィルタ回路。