JP2015119404A - マルチパス判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】音声信号におけるパワーのダイナミックレンジが大きい場合であっても、マルチパスの発生の有無を適切に判定できるマルチパス判定装置を提供する。【解決手段】受信した電波の伝播時におけるマルチパスの発生の有無を判定するマルチパス判定装置２０は、電波に含まれる音声信号の時系列データにおける判定期間について、判定期間の音声信号のパワーに対して、所定の高周波帯域の方がその高周波帯域に比べて周波数が低い低周波帯域よりも大きな重みで重み付けを行い、その重み付けが施された評価値を出力する評価値出力部２３と、評価値に基づいて、判定期間におけるマルチパスの発生の有無を判定する判定部２４とを備えている。【選択図】図５

Description

本発明は、受信した電波の伝播時におけるマルチパスの発生の有無を判定するマルチパス判定装置に関する。

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、電波の伝播時におけるマルチパスの発生の有無を判定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。

特開平８−７９１０９号公報 特開昭６３−１６４６３２号公報

ところで、電波の伝播時にマルチパスが発生した場合、その電波の検波により得られた音声信号のパワースペクトルには、音声由来のパワーに加えて、マルチパスノイズのパワーが含まれる。このような場合、例えば音声信号のパワースペクトルにおけるパワーの平均値にはマルチパスノイズのパワーが反映されるため、その平均値に基づいてマルチパスの発生の有無を判定できる。しかし、音声由来のパワーのダイナミックレンジ（パワーの最小値から最大値までの範囲）が大きい場合は、マルチパスノイズのパワーが含まれていても、上記平均値にマルチパスノイズのパワーが反映されにくくなり、マルチパスの発生の有無を適切に判定することが困難になる。

本発明は、音声信号におけるパワーのダイナミックレンジが大きい場合であっても、マルチパスの発生の有無を適切に判定できるマルチパス判定装置を提供することを目的とする。

本発明は、受信した電波の伝播時におけるマルチパスの発生の有無を判定するマルチパス判定装置であって、電波に含まれる音声信号の時系列データにおける判定期間について、判定期間の音声信号のパワーに対して、所定の高周波帯域の方がその高周波帯域に比べて周波数が低い低周波帯域よりも大きな重みで重み付けを行い、その重み付けが施された評価値を出力する評価値出力部と、評価値に基づいて、判定期間におけるマルチパスの発生の有無を判定する判定部とを備えている。

本発明では、判定期間におけるマルチパスの発生の有無を判定するために、判定期間の音声信号のパワーに対して、低周波帯域よりも高周波帯域の方が大きな重みで重み付けを行った評価値が用いられる。ここで、本願発明者は、マルチパスが発生した音声信号のパワースペクトルでは、マルチパスノイズのパワーが音声信号の高周波帯域に存在していることを見つけ出した。他方、例えばクラシックのように音声由来のパワーのダイナミックレンジが大きい音声信号のパワースペクトルでは、音声由来のパワーが低周波帯域に集中している。本発明では、音声由来のパワーが集中する低周波帯域よりも、マルチパスノイズのパワーが存在する高周波帯域の方が大きな重みで、判定期間の音声信号のパワーに対して重み付けを行い、マルチパスノイズのパワーの影響を相対的に大きくした評価値となるようにしている。従って、上記ダイナミックレンジが大きい場合であっても、マルチパスノイズのパワーが反映されにくくなることを阻止でき、マルチパスの発生の有無を適切に判定することができる。

実施の形態に係るマルチパス判定装置を用いたラジオ評価系の概略構成図 マルチパス率の算出方法を示すフローチャート 対象期間の各フレームのパワースペクトルを示す図表 重み付け関数を示す図表 重み付けによるパワースペクトルの変化を説明するための図

以下、図１−図５を参照しながら、実施の形態について詳細に説明する。

［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判定装置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、信号出力器１１と、ラジオ１２と、マルチパス判定装置２０とを備えている。信号出力器１１は、音声信号を含む試験信号を出力する。ラジオ１２は、信号出力器１１からの試験信号を受信して音声信号を検波する。ラジオ１２は、例えば、車両に搭載される車載ラジオであり、アンテナとチューナなどを備えている。マルチパス判定装置２０は、ラジオ１２によって検波された音声信号に基づいて後述するマルチパス判定を実行する。なお、ラジオ評価系１０では、信号出力器１１の出力端子に接続されたケーブルが、ラジオ１２のアンテナ端子に接続されている。ラジオ１２では、試験信号がアンテナ端子からチューナへ入力される。

試験信号は、例えば、データ取得用のラジオ（ラジオ１２と同じであっても異なってもよい）がフィールドで受信したＲ／Ｆ信号である。つまり、試験信号は、データ取得用のラジオを搭載した車両の走行中に、そのラジオが実地で受信したＲ／Ｆ信号である。この試験信号は、検波をされてない状態の信号、つまりチューナに入力される前の信号である。典型的には、試験信号は、フィールドで例えば所定の期間に亘って取得され、メモリに保存される。このメモリは、信号出力器１１に取り付けられ、信号出力器１１は、メモリに保存された試験信号を出力する。試験信号は、データ取得用のラジオがフィールドで受信したＲ／Ｆ信号（電波）の伝播時に発生したマルチパスの影響を受けている。マルチパスが発生した場合、試験信号の検波により得られた音声信号には、マルチパスノイズが含まれる。

［２．マルチパス判定装置について］
続いて、本実施の形態に係るマルチパス判定装置２０について説明する。
マルチパス判定装置２０は、ラジオ１２から入力された音声信号の時系列データの全期間を対象期間として、その対象期間の中から、フィールドにおけるＲ／Ｆ信号の伝播時にマルチパスが発生したマルチパス発生期間を特定する。マルチパス発生期間の特定は、音声信号を複数のフレーム（時間区間）に分割して、複数のフレームの各々に対して、Ｒ／Ｆ信号の伝播時にマルチパスが発生したマルチパスフレームであるか否かを判定することによって行われる。そして、マルチパス判定装置２０は、対象期間におけるマルチパス発生期間の割合をマルチパス率として定量化する。マルチパス発生期間の総時間が長いほど、マルチパス率が大きくなる。マルチパス判定装置２０は、図１に示すように、収音部２１、周波数解析部２２、評価値出力部２３、および判定部２４を備えている。

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。周波数解析部２２は、収音部２１に記録された音声信号の時系列データを複数のフレームに分割して、フレームの単位で音声信号に対して周波数解析を行う。この周波数解析により、各フレームについて、音声信号のパワーの周波数特性を表すパワースペクトルが作成される。各フレームのパワースペクトルは、例えば人間の可聴域（例えば２０Ｈｚ以上１４ｋＨｚ以下の帯域）を対象範囲として作成される。

以下では、パワースペクトルの全対象範囲（人間の可聴域）を「全周波数帯域（Ｏｖｅｒａｌｌ）」という。また、パワースペクトルの全対象範囲（人間の可聴域）の高周波側の帯域（例えば、１０ｋＨｚ以上１４ｋＨｚ以下の帯域）を「高周波帯域（Ｂａｎｄ）」という。また、対象期間の全フレームは、時間が先のフレームから順番に、１からｎまでの番号ｊ（１≦ｊ≦ｎ）が割り振られる。

評価値出力部２３は、フレーム単位で音声信号の全周波数帯域のパワーレベルを評価するための第１評価値を出力すると共に、フレーム単位で音声信号の高周波帯域のパワーレベルを評価するための第２評価値を出力する。

ここで、本願発明者は、上述したように、マルチパスが発生した音声信号のパワースペクトルでは、マルチパスノイズのパワーが高周波帯域に存在していることを見つけ出した。マルチパスノイズのパワーは、高周波帯域において一定的に推移する。この点に着目して、高周波帯域のパワーレベルだけを評価して、つまり第２評価値だけを用いて、各フレームがマルチパスフレームであるか否かを判定することが考えられる。ところが、音声由来のパワーは、パワースペクトルの全周波数帯域に存在している。そのため、高周波帯域のパワーレベルの変動が、マルチパスノイズのパワーではなく、音声由来のパワーに起因している場合がある。このような場合、第２評価値だけを用いると、実際はマルチパスが発生していないにも拘わらず、マルチパスフレームであると誤判定される虞がある。このような理由により、第１評価値を用いる。

また、例えばクラシックのように音声由来のパワーのダイナミックレンジが大きい場合は、音声信号のパワースペクトルの全周波数帯域におけるパワーの平均値をそのまま第１評価値として用いると、パワースペクトルにマルチパスノイズのパワーが含まれていても、上記平均値にマルチパスノイズのパワーが反映されにくい。そのため、マルチパスの発生の有無を適切に判定することが困難になる。他方、上記ダイナミックレンジが大きい音声信号のパワースペクトルでは、音声由来のパワーが低周波側の帯域（例えば５００Ｈｚ以下の帯域）に集中している。そこで、評価値出力部２３は、各フレームについて、当該フレームの音声信号のパワーに対して、低周波帯域よりも高周波帯域の方が大きな重みで重み付けを行うことにより、第１評価値を取得している。重み付けについての詳細は後述する。

判定部２４は、第１評価値及び第２評価値に基づいてマルチパス判定を行う。なお、判定部２４は、周波数解析部２２が行った周波数解析の結果に基づいて、マルチパス判定に用いる判定用閾値を設定する。なお、第１評価値及び第２評価値は、予め定めた値であってもよい。

［３．マルチパス率の算出方法について］
続いて、図２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率の算出方法について説明する。マルチパス率は、マルチパスノイズの評価指標の１つである。

まず、ステップＳ２０１で、信号出力器１１が、試験信号の出力を開始する。次に、ステップＳ２０２で、ラジオ１２が、信号出力器１１から出力された試験信号を受信して、チューナによって音声信号を検波する。ラジオ１２により、試験信号から音声信号が取り出される。次に、ステップＳ２０３で、マルチパス評価装置２０の収音部２１が、ラジオ１２から出力された音声信号を記録する。なお、信号出力器１１は、試験信号の全期間に亘って試験信号を出力する。ラジオ１２は、試験信号の全期間に亘って音声信号を検波する。収音部２１は、試験信号の全期間に亘って検波された音声信号を記録する。例えば、ステップＳ２０４は、音声信号の記録終了後に行われる。

ステップＳ２０４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時系列データの全期間を対象期間に設定して、対象期間を複数のフレーム（ｎ個のフレーム）に分割して、各フレームｊ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ｊについて、図３に示すように、音声信号のパワーの周波数特性を表すパワースペクトルが得られる。

ステップＳ２０５では、マルチパス評価装置２０の評価値出力部２３が、各フレームｊの音声信号の全周波数帯域のパワーレベルを評価するための第１評価値を出力する。なお、評価値出力部２３には、図４に示す重み付け関数Ｆｕｎｃｔｉｏｎ（ｉ）が予め設定されている。図４からは、周波数の値（横軸の値）に対応して、重み係数（縦軸の値）が得られる。

評価値出力部２３は、まず、周波数解析部２２の周波数解析結果から、各フレームｊのパワースペクトルの全周波数帯域における複数の周波数成分（ｂ個の周波数成分）について、パワーＰＷＲｉｊを取得する。例えば、上記複数の周波数成分の周波数間隔は、一定である。パワーＰＷＲｉｊは、図３に記載のパワースペクトルの縦軸の値であり、単位（ｄＢＶ）で表される。なお、図３に示すように、全周波数帯域において上記複数の周波数成分には、周波数が低い方から順番に、１からｂまでの番号ｉ（１≦ｉ≦ｂ）が割り振られる。全周波数帯域において周波数が最低の周波数成分（例えば２０Ｈｚ）の番号ｉは１である。また、高周波帯域において、周波数が最低の高周波成分（例えば１０ｋＨｚ）の番号ｉはａ（ａ≦ｂ）であり、周波数が最高の高周波成分（例えば１４ｋＨｚ）の番号ｉはｂである。

次に、評価値出力部２３は、次の数式１を用いて、各フレームｊの第１評価値Ｏｖｅｒａｌｌ＿ＰＷＲｊを算出する。数式１では、重み関数Ｆｕｎｃｔｉｏｎ（ｉ）から取得された各周波数成分ｉの重み係数が、それぞれ対応する周波数成分ｉのＰＷＲｉｊに乗じられることで、全ての周波数成分のパワーに対して、周波数方向に重み付けが行われる。そして、周波数方向に重み付けが施された値が、周波数成分の個数ｂにより割られている。第１評価値Ｏｖｅｒａｌｌ＿ＰＷＲｊは、個数ｂにより平均化された値である。第１評価値Ｏｖｅｒａｌｌ＿ＰＷＲｊは、全周波数帯域におけるパワーの平均値が重み付けにより調整されたパワーレベルを表す。なお、重み付けは、数式１を用いた演算処理以外に、例えばバンドパスフィルタにより実現することもできる。

図４に示すように、各周波数成分ｉに対して乗じられる重み係数は、周波数が大きくなるほど大きな値になる。第１評価値Ｏｖｅｒａｌｌ＿ＰＷＲｊは、フレームの音声信号のパワーに対して、高周波帯域の方がその高周波帯域に比べて周波数が低い低周波帯域よりも大きな重みで、重み付けを行った値である。例えば、高周波帯域の各重み係数を１以上とし、高周波帯域よりも低い帯域の各重み係数を１未満とすることで、図５に示すように、高周波帯域のパワーを相対的に大きくすることができる。
なお、数式１では、全ての周波数成分ｉのパワーＰＷＲｉｊに重み係数を乗じているが、高周波成分以外のパワーの重み係数を１と考えて演算を省略し、高周波成分のパワーだけに、１よりも大きい重み係数を乗じてもよい。

なお、周波数が大きくなるほど重み係数が大きくなるのであれば、図４に示す重み付け関数以外を用いてもよい。例えば、パワースペクトル（スペクトル関数）から重み付け関数を作成してもよく、パワースペクトルの逆数から重み付け関数を作成してもよい。その場合に、パワースペクトルの逆数に対して、予め決めた倍率Ａ（例えばＡの絶対値は１よりも大きい）を乗じることで、重み係数の大きさを調整することができる。

ステップＳ２０６では、評価値出力部２３が、各フレームｊの音声信号の高周波帯域のパワーレベルを評価するための第２評価値を出力する。評価値出力部２３は、次の数式２を用いて、第２評価値Ｂａｎｄ＿ＰＷＲｊを算出する。第２評価値Ｂａｎｄ＿ＰＷＲｊは、高周波帯域におけるパワーの平均値である。

ステップＳ２０７では、マルチパス評価装置２０の判定部２４が、マルチパス判定を行う。マルチパス判定では、対象期間の全フレームの各々を判定期間として、全フレームの中からマルチパス候補フレームを特定する第１特定動作が行われ、次に、第１特定動作によって特定された全てのマルチパス候補フレームの各々を判定期間として、全てのマルチパス候補フレームの中から、マルチパスフレームを特定する第２特定動作が行われる。

第１特定動作では、まず判定部２４が、評価値出力部２３により取得された各フレームｊの各周波数成分ｉのパワーＰＷＲｉｊから、数式３の右辺に入力するパワーの値（Ａｖｅ＿Ｏｖｅｒａｌｌ、ＭＡＸ＿Ｏｖｅｒａｌｌ）を取得し、取得した値を数式３に代入して第１の閾値Ｔ１を判定用閾値として算出する。なお、数式３は、第１の閾値Ｔ１の算出方法の一例である。

数式３において、ＭＡＸ＿Ｏｖｅｒａｌｌは、対象期間の全フレームのパワースペクトルの全周波数帯域におけるパワーの最大値を表し、Ａｖｅ＿Ｏｖｅｒａｌｌは、対象期間の全フレームのパワースペクトルの全周波数帯域におけるパワーの平均値を表す。Ａは、第１の設定値（例えば７０％）であり、例えばマルチパス判定装置２０に予め設定されている。係数ｗは、例えば、数式１で用いられた全ての重み係数の平均値である。第１の閾値Ｔ１は、全フレームのパワースペクトルの全周波数帯域におけるパワーの最大値とパワーの平均値の間を所定の割合で按分した値を、係数ｗで調整した値である。

第１特定動作では、第１の閾値Ｔ１の算出後に、判定部２４が、各フレームｊについて、第１評価値Ｏｖｅｒａｌｌ＿ＰＷＲｊが第１の閾値Ｔ１を超えるという第１条件が成立するか否かを判定し、第１条件が成立するフレームを、マルチパス候補フレームとして特定する。第１特定動作では、全てのフレームの中で、第１評価値Ｏｖｅｒａｌｌ＿ＰＷＲｊが相対的に大きいフレームが、マルチパス候補フレームとして特定される。

第２特定動作では、まず判定部２４が、評価値出力部２３により取得された各フレームｊの各周波数成分ｉのパワーＰＷＲｉｊから、数式４の右辺に入力するパワーの値（Ａｖｅ＿Ｂａｎｄ＿ＰＷＲ、ＭＡＸ＿Ｂａｎｄ＿ＰＷＲ）を取得し、取得した値を数式４に代入して第２の閾値Ｔ２を判定用閾値として算出する。なお、数式４は、第２の閾値Ｔ２の算出方法の一例である。

数式４において、ＭＡＸ＿Ｂａｎｄ＿ＰＷＲは、全てのマルチパス候補フレームのパワースペクトルの高周波帯域におけるパワーの最大値を表し、Ａｖｅ＿Ｂａｎｄ＿ＰＷＲは、全てのマルチパス候補フレームのパワースペクトルの高周波帯域におけるパワーの平均値を表す。Ｂは、第２の設定値（例えば９０％）であり、例えばマルチパス判定装置２０に予め設定されている。第２の閾値Ｔ２は、全てのマルチパス候補フレームのパワースペクトルの高周波帯域におけるパワーの最大値とパワーの平均値の間を所定の割合で按分した値に設定される。

第２特定動作では、第２の閾値Ｔ２の算出後に、判定部２４が、各マルチパス候補フレームｊについて、第２評価値Ｂａｎｄ＿ＰＷＲｊが第２の閾値Ｔ２を超えるという第２条件が成立するか否かを判定し、第２条件が成立するマルチパス候補フレームを、マルチパスフレームとして特定する。第２特定動作では、全てのマルチパス候補フレームの中で、第２評価値Ｂａｎｄ＿ＰＷＲｊが相対的に大きいフレームが、マルチパスフレームとして特定される。

ステップＳ２０７では、第１条件及び第２条件の両方が成立するフレームが、マルチパスフレームとして特定される。そして、判定部２４は、時間軸に沿って連続する複数のマルチパスフレームの小集団、及び、単一のマルチパスフレーム（直前と直後のフレームがマルチパスフレームと判定されなかったマルチパスフレーム）を、マルチパスの発生期間として特定する。

ステップＳ２０８では、判定部２４が、マルチパスフレームの数を対象期間の全フレーム数ｎで除することにより、マルチパス率を算出する。マルチパス率が算出されると、マルチパス判定装置２０は、マルチパス率を画面に表示することにより、マルチパス率を使用者に提示する。マルチパス判定装置２０は、ラジオ１２とは別のラジオが同じ試験信号を検波した結果得られた音声信号に対しても、マルチパス率を算出して出力する。使用者は、複数のラジオの間で、各ラジオの音声信号（試験信号は同じ）に対するマルチパス率を比較することで、各ラジオにおけるマルチパスノイズを抑制する部分の性能を相対的に評価することができる。

［４．実施の形態の効果］
本実施の形態では、各フレームにおけるマルチパスの発生の有無を判定するために、各フレームの音声信号のパワーに対して、低周波帯域よりも高周波帯域の方が大きな重みで重み付けを行った第１評価値が用いられる。本実施の形態では、音声由来のパワーが集中する低周波帯域よりも、マルチパスノイズのパワーが存在する高周波帯域の方が大きな重みで、各フレームの音声信号のパワーに対して重み付けを行い、マルチパスノイズのパワーの影響を相対的に大きくした第１評価値となるようにしている。従って、上記ダイナミックレンジが大きい場合であっても、マルチパスノイズのパワーが反映されにくくなることを阻止でき、マルチパスの発生の有無を適切に判定することができる。

［５．その他の実施の形態］
上記実施の形態では、マルチパスノイズの評価指標としてマルチパス率を出力したが、対象期間の全フレーム数ｎで除することなく、マルチパスフレームの数（又はマルチパス発生期間の総時間）をマルチパスノイズの評価指標を出力してもよい。

また、上記実施の形態について、マルチパスフレームを特定するために、ケプストラム（Ｃｅｐｓｔｒｕｍ）分析を行ってもよい。ケプストラム分析では、ケプストラム（人間の声の信号を表す特徴ベクトル）の存在の有無が判定される。例えば、「ケプストラム無し」という第３条件が成立するか否かを判定し、第１条件、第２条件、及び第３条件の全てが成立するフレームをマルチパスフレームとして特定してもよい。

上記実施の形態に係るマルチパス判定装置２０の各機能は、上述した処理手順を実行可能な所定のプログラムデータが、ＣＰＵによって解釈実行されることで実現されてもよい。この場合、プログラムデータは、記録媒体を介して記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスクなど）内に格納されてもよいし、記録媒体上から直接実行されてもよい。

本発明は、受信した電波の伝播時におけるマルチパスの発生の有無を判定するマルチパス判定装置等に適用可能である。

１０ ラジオ評価系
１１ 信号出力器
１２ ラジオ
２０ マルチパス判定装置
２３ 評価値出力部
２４ 判定部

Claims (1)

1. 受信した電波の伝播時におけるマルチパスの発生の有無を判定するマルチパス判定装置であって、
   前記電波に含まれる音声信号の時系列データにおける判定期間について、前記判定期間の音声信号のパワーに対して、所定の高周波帯域の方が該高周波帯域に比べて周波数が低い低周波帯域よりも大きな重みで重み付けを行い、該重み付けが施された評価値を出力する評価値出力部と、
   前記評価値に基づいて、前記判定期間におけるマルチパスの発生の有無を判定する判定部とを備えていることを特徴とする、マルチパス判定装置。

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