JP2015126360A - Signal processor, and signal processing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、周波数特性において周期性を有する雑音の含まれる信号から、その雑音を除去する信号処理装置及び信号処理方法に関する。 The present invention relates to a signal processing device and a signal processing method for removing noise from a signal including noise having periodicity in frequency characteristics.
雑音が重畳された所望の放送波から雑音を除去して所望の放送波を復調する方法として、下記特許文献に記載の技術が知られている。下記特許文献1は、他方のアンテナに比べて放送波を強く受信して第1信号を得る第1アンテナと、他方のアンテナに比べて雑音を強く受信して第2信号を得る第2アンテナとを用いて、合成後の信号レベルが小さくなるように、第2信号の振幅と位相とを調整して、第1信号に合成する技術である。この技術では、第2信号の振幅と位相の調整は、所望の放送波の受信レベルがある閾値より小さい場合に行っている。すなわち、雑音電力が放送波の電力よりも大きい場合に、合成信号のレベルが小さくなるように、第2信号の振幅と位相とを調整するものである。両アンテナが同一の雑音源から雑音を受信しているので、両アンテナで受信される雑音の振幅と位相は、雑音源との各アンテナとの距離の差に応じて異なる。これを補償するために、第2信号の振幅を第1信号の振幅と一致させ、第2信号の位相を第1信号の位相に対してπだけ位相を変化させて、第1信号に対して逆相で第2信号を合成している。このように第2信号の増幅率と位相とを調整すれば、所望の放送波を受信できる状態になった場合にも、受信された放送波から雑音がキャンセルされた信号を得ることができる。
As a method for demodulating a desired broadcast wave by removing the noise from the desired broadcast wave on which the noise is superimposed, techniques described in the following patent documents are known. The following
また、下記特許文献2の技術は、車両に搭載されたラジオ受信機によるAMラジオ放送波の受信において、AMラジオ放送波に車両の電子機器から発せられるパルス性の雑音が混入するが、このパルス性の雑音を除去する技術である。この技術では、まず、AMラジオ放送波帯域以外の帯域におけるパルス雑音を検出して、そのパルス雑音の周期の大きさやレベルの変動幅を求めることで、雑音源を特定している。そして、その雑音源に応じて、パルス雑音が重畳された放送波において、放送波周波数付近のパルス雑音の高調波の帯域、雑音周期の帯域を、パルス雑音の時間幅に対応した時間だけ、減衰させることで、AMラジオ放送を聞く人に、パルス性雑音による不快感を与えないようにしている。
Further, in the technique of
特許文献1の技術は、2本のアンテナを用いて、雑音のみが受信できるようにして、2つのアンテナの受信信号の合成信号のレベルが小さくなるように、予め調整ておくという技術である。このため、特許文献1の技術は、雑音をキャンセルするために2本のアンテナを必要とし、雑音を除去するための設定は、所望の放送波の受信レベルが雑音除去の調整に影響を与えないように、受信レベルが小さい環境で行う必要がある。また、雑音の周波数特性に関係なく、一律に、第2信号の振幅と位相とを調整しているので、雑音は完全には除去されない。また、PWM方式によるDC−DCコンバータの場合には、基本周期は変わらなくとも、パルス幅の変化により雑音の周波数特性は変化する。このため、特許文献1の方法では、雑音を完全には除去できない。
The technique of
また、特許文献2の技術は、放送波帯域以外の帯域でパルス雑音を検出して、その検出タイミングで、パルス幅に応じた時間だけ、雑音の種類に応じた適性な周波数帯域を減衰させるという技術である。したがって、本質的には、放送波もパルス雑音の期間だけ減衰されることになる。これが、AMラジオ放送を聞く人に違和感を与える原因となる。
The technique of
そこで、本発明の目的は、所望信号に影響を与えることなく、周波数空間において周期性を有する雑音を精度良く除去することである。 Accordingly, an object of the present invention is to accurately remove noise having periodicity in a frequency space without affecting a desired signal.
上記課題を解決するための本第1の発明は、検出すべき所望信号に雑音が重畳された入力信号から雑音を除去する信号処理装置において、雑音は、自己相関が周波数に対して周期的に変動する周波数特性を有し、入力信号を、自己相関が極大となる周波数のうち、零でない任意の周波数だけ、周波数推移させた信号を生成する周波数推移手段と、周波数推移手段の出力する周波数推移信号の周波数特性を修正する等化手段と、等化手段の出力する信号と、入力信号とを合成する合成手段と、少なくとも所望信号が含まれる帯域において、合成手段の出力する合成信号における雑音を抑制するように等化手段の伝達関数を制御する制御手段とを有することを特徴とする信号処理装置である。 According to a first aspect of the present invention for solving the above-described problems, in the signal processing apparatus for removing noise from an input signal in which noise is superimposed on a desired signal to be detected, the noise has an autocorrelation periodically with respect to the frequency. A frequency transition means for generating a signal whose frequency is shifted by an arbitrary non-zero frequency among the frequencies where the autocorrelation has a maximum frequency characteristic, and a frequency transition output from the frequency transition means. Equalizing means for correcting the frequency characteristics of the signal, synthesizing means for synthesizing the signal output from the equalizing means, and the input signal, and noise in the synthesized signal output by the synthesizing means at least in a band including the desired signal And a control means for controlling a transfer function of the equalization means so as to suppress the signal processing apparatus.
本発明において、除去する対象の雑音は、周波数空間において、周期性がある雑音である。ここで、周期性とは、雑音の周波数特性が周期関数である場合の他、各周期の特性に相関性があるような場合も含む概念である。すなわち、雑音の周波数特性は、その周波数特性の自己相関が周波数に対して周期的に変動するような特性であれば良い。周期的に変動するとは、自己相関の極大値が複数の周波数で存在すれば良い。例えば、雑音が時間軸上で周期Tのパルスである場合には、周波数軸上では周波数間隔1/Tの線スペクトルとなり、この周波数特性の自己相関は1/T間隔で極大値をとるので、この場合の雑音の周波数特性は周期性のあるものとなる。雑音が、周期Tの幅τの方形波である場合も、その雑音の周波数特性は完全な周期関数ではないが、周波数間隔1/Tで、自己相関は極大値をとるので、その雑音の周波数特性は周期性を有する。また、雑音は時間軸上で周期関数である必要はなく、周波数特性が連続であっても良い。 In the present invention, the noise to be removed is noise having periodicity in the frequency space. Here, the term “periodicity” is a concept that includes the case where the frequency characteristic of noise is a periodic function and the case where the characteristic of each period is correlated. In other words, the frequency characteristic of noise may be a characteristic such that the autocorrelation of the frequency characteristic varies periodically with respect to the frequency. It is sufficient that the maximum value of autocorrelation exists at a plurality of frequencies. For example, when the noise is a pulse having a period T on the time axis, a line spectrum with a frequency interval of 1 / T is obtained on the frequency axis, and the autocorrelation of this frequency characteristic takes a maximum value at an interval of 1 / T. In this case, the frequency characteristic of noise has periodicity. Even when the noise is a square wave having a width τ of the period T, the frequency characteristic of the noise is not a complete periodic function, but the autocorrelation takes a maximum value at a frequency interval of 1 / T. The characteristic has periodicity. Further, the noise does not have to be a periodic function on the time axis, and the frequency characteristics may be continuous.
本発明は、アナログ回路で構成できるが、入力信号をサンプリングして、ディジタル値としてコンピュータにより信号処理するものであっても良い。周波数推移手段は、推移させる周波数の正弦波と入力信号との積、その積の下帯域を除去する処理を行う手段である。周波数推移手段は、ミキサーとバンドパスフィルタ、または、それらと同一処理を行うコンピュータプログラムにより実現できる。 Although the present invention can be constituted by an analog circuit, the input signal may be sampled and processed by a computer as a digital value. The frequency transition means is a means for performing processing for removing a product of a sine wave having a frequency to be shifted and an input signal and a lower band of the product. The frequency transition means can be realized by a mixer and a band-pass filter, or a computer program that performs the same processing.
本発明において、雑音源の時間軸上での基本周期が既知な場合には、周波数推移手段により推移される周波数は、その既知の周波数としても良い。例えば、雑音が車両におけるDC−DCコンバータのキャリア周波数が100kHzとすると、雑音の周波数特性は100kHz間隔の線スペクトルとなり、その自己相関は、100kHz間隔で極大値をとる。したがって、DC−DCコンバータから発生される雑音の周波数特性は周期性を有するといえる。この場合に、入力信号の周波数の推移量は、100kHzの整数倍である。 In the present invention, when the fundamental period of the noise source on the time axis is known, the frequency shifted by the frequency shifting means may be the known frequency. For example, if the carrier frequency of a DC-DC converter in a vehicle is 100 kHz, the frequency characteristic of the noise becomes a line spectrum at 100 kHz intervals, and the autocorrelation takes a maximum value at 100 kHz intervals. Therefore, it can be said that the frequency characteristic of the noise generated from the DC-DC converter has periodicity. In this case, the frequency transition amount of the input signal is an integral multiple of 100 kHz.
また、本発明は、入力信号の周波数特性の自己相関を求めて、その自己相関の極大値を求め、極大値をとる零でない周波数を決定する推移周波数決定手段を有し、周波数推移手段は、推移周波数決定手段により決定された周波数だけ、入力信号を周波数推移させる手段としても良い。すなわち、入力信号から、雑音の周波数特性における周期性を測定するようにしても良い。例えば、上記の100kHzで動作させるDC−DCコンバータの場合には、入力信号の周波数特性の自己相関は、100kHz間隔で極大値をとる。動作周波数が変動したり、パルス幅が変化したりすると、入力信号の周波数特性は変化するが、その自己相関の極大値を、周波数の推移量とすることで、後述するように、雑音を抑制できる。 Further, the present invention has transition frequency determining means for determining the autocorrelation of the frequency characteristic of the input signal, determining the maximum value of the autocorrelation, and determining a non-zero frequency that takes the maximum value, The input signal may be shifted in frequency by the frequency determined by the transition frequency determining unit. That is, the periodicity in the frequency characteristics of noise may be measured from the input signal. For example, in the case of the above-described DC-DC converter that operates at 100 kHz, the autocorrelation of the frequency characteristic of the input signal takes a maximum value at intervals of 100 kHz. When the operating frequency changes or the pulse width changes, the frequency characteristics of the input signal change. However, by using the maximum value of the autocorrelation as the amount of frequency transition, noise is suppressed as described later. it can.
また、本発明において、推移周波数決定手段は、入力信号の周波数特性を求めるフーリエ変換手段と、フーリエ変換手段により求められた周波数特性の自己相関を求め、その自己相関の極大値をとる零でない周波数を決定する自己相関演算手段とを有する手段としても良い。これは、入力信号の周波数特性の自己相関を具体的に求める構成の一つである。また、推移周波数決定手段は、入力信号の周波数特性の自己相関を、入力信号の2乗の周波数特性により求めるようにしても良い。これは、ある関数の自己相関は、その関数の2乗のフーリエ変換に等しいことを利用するものである。 In the present invention, the transition frequency determining means is a Fourier transform means for obtaining the frequency characteristic of the input signal, a non-zero frequency that obtains the autocorrelation of the frequency characteristic obtained by the Fourier transform means, and takes the maximum value of the autocorrelation. It is good also as a means which has an autocorrelation calculating means to determine. This is one configuration for specifically obtaining the autocorrelation of the frequency characteristic of the input signal. The transition frequency determination means may obtain the autocorrelation of the frequency characteristic of the input signal from the square frequency characteristic of the input signal. This utilizes the fact that the autocorrelation of a function is equal to the square Fourier transform of the function.
本発明において、等化手段は、伝達関数のインパルス応答(伝達関数のフーリエ逆変換)と周波数推移信号との畳み込みを出力する手段としても良い。さらに、等化手段は、伝達関数を、各タップ間の順次遅延と各タップで遅延分岐した信号に乗算する重み係数とで実現したトランスバーサルフィルタの処理を行う手段としても良い。これは、周波数推移信号と伝達関数のインパルス応答との畳み込みを実行する具体的な一例である。トランスバーサルフィルタはアナログ回路であっても、コンピュータによる演算処理で実行されるものでも良い。 In the present invention, the equalizing means may be means for outputting a convolution of the impulse response of the transfer function (inverse Fourier transform of the transfer function) and the frequency transition signal. Further, the equalizing means may be a means for performing a transversal filter process in which a transfer function is realized by a sequential delay between taps and a weighting factor that multiplies a signal delayed and branched by each tap. This is a specific example of performing convolution of the frequency transition signal and the impulse response of the transfer function. The transversal filter may be an analog circuit or may be executed by a calculation process by a computer.
本発明において、等化手段は、周波数推移信号の周波数特性を求め、その周波数特性と伝達関数との積のインパルス応答を出力する手段としても良い。これは、周波数空間で処理するものであり、周波数推移信号のフーリエ変換と伝達関数との積のフーリエ逆変換により、周波数推移信号の周波数特性を修正するものである。 In the present invention, the equalizing means may be means for obtaining a frequency characteristic of the frequency transition signal and outputting an impulse response of a product of the frequency characteristic and the transfer function. This process is performed in the frequency space, and the frequency characteristic of the frequency transition signal is corrected by the inverse Fourier transform of the product of the Fourier transform of the frequency transition signal and the transfer function.
本発明において、制御手段は、合成信号の電力を最小とするパワーインバージョンアルゴリズムにより、伝達関数を決定する手段としても良い。すなわち、合成信号には所望信号が含まれいるが、雑音の電力が大きい場合には、合成信号の電力を最小とすることは、雑音を最大限除去することと等価である。また、制御手段は、合成信号と既知の参照信号との誤差を最小とするように伝達関数を決定する手段としても良い。すなわち、合成信号が既知の参照信号となるように伝達関数が決定されることは、所望信号だけの増幅率を大きくしたことと等価であり、参照信号と相関のない雑音は、合成信号から抑制される。雑音の周波数特性において自己相関が極大値をとる周波数だけ周波数を推移させると、特性の類似性により自己相関の大きさに応じて重なる。この結果、合成信号の電力が最小となるように、又は、参照信号が大きくなるように、周波数推移信号の周波数特性を修正して、入力信号の周波数特性と合成すれば、自己相関のある雑音成分だけ除去できる。換言すれば、入力信号と周波数推移信号とを、周波数特性において周期性のある雑音を除去できるように、合成することができる。 In the present invention, the control means may be means for determining a transfer function by a power inversion algorithm that minimizes the power of the combined signal. That is, the desired signal is included in the synthesized signal, but when the power of noise is large, minimizing the power of the synthesized signal is equivalent to removing the noise to the maximum. Further, the control means may be means for determining a transfer function so as to minimize an error between the synthesized signal and the known reference signal. That is, determining the transfer function so that the synthesized signal becomes a known reference signal is equivalent to increasing the amplification factor of only the desired signal, and noise that has no correlation with the reference signal is suppressed from the synthesized signal. Is done. If the frequency is shifted by the frequency at which the autocorrelation takes a maximum value in the frequency characteristics of noise, the noise is overlapped according to the magnitude of the autocorrelation due to the similarity of characteristics. As a result, if the frequency characteristics of the frequency transition signal are modified so that the power of the combined signal is minimized or the reference signal is increased and synthesized with the frequency characteristics of the input signal, noise with autocorrelation is obtained. Only components can be removed. In other words, the input signal and the frequency transition signal can be synthesized so as to remove noise having periodicity in frequency characteristics.
また、本発明は、所望信号や雑音源を限定するものではないが、所望信号はAMラジオ放送波であり、雑音は、例えば、ハイブリッド車におけるDC−DCコンバータやインバータから発生する雑音とすることで、車両においてAMラジオ放送を高品質で聴覚することができる。 Although the present invention does not limit the desired signal or noise source, the desired signal is an AM radio broadcast wave, and the noise is, for example, noise generated from a DC-DC converter or an inverter in a hybrid vehicle. Therefore, the AM radio broadcast can be heard with high quality in the vehicle.
また、本発明の原理は、下記の方法発明としても把握することができる。
方法発明は、雑音は、自己相関が周波数に対して周期的に変動する周波数特性を有し、入力信号を、自己相関が極大となる周波数のうち、零でない任意の周波数だけ、周波数推移させた周波数推移信号を生成し、周波数推移信号の周波数特性を修正し、修正された周波数推移信号と入力信号とを合成し、少なくとも所望信号が含まれる帯域において、合成された信号における雑音を抑制するように周波数推移信号の周波数特性を修正することを特徴とする信号処理方法である。
本方法発明においても、上記した説明は、そのまま成立する。
The principle of the present invention can also be understood as the following method invention.
In the method invention, the noise has a frequency characteristic in which the autocorrelation periodically varies with respect to the frequency, and the input signal is shifted in frequency by an arbitrary non-zero frequency among the frequencies at which the autocorrelation is maximized. Generate a frequency transition signal, modify the frequency characteristics of the frequency transition signal, synthesize the modified frequency transition signal and the input signal, and suppress noise in the synthesized signal at least in a band including the desired signal A signal processing method characterized by correcting the frequency characteristics of the frequency transition signal.
Also in the present invention, the above explanation is valid as it is.
本発明によると、周波数特性が周期性を有する雑音を入力信号から精度良く除去できるので、所望信号の検出精度、復調精度を向上させることができる。 According to the present invention, noise having frequency characteristics with periodicity can be accurately removed from an input signal, so that detection accuracy and demodulation accuracy of a desired signal can be improved.
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples. The present invention is not limited to the following examples.
本発明の具体的な一実施例に係る信号処理装置1の構成を図1に示す。本実施例は、HV(ハイブリッド車)におけるAMラジオ受信機に混入する雑音を抑制する信号処理装置である。HVには、100kHzのキャリア周波数で制御されるDC−DCコンバータが搭載されていると仮定する。AMラジオ放送波は、531kHzから1602kHzの周波数帯域が割り当てられている。DC−DCコンバータから発生するスイッチング雑音は、基本的には、周波数空間では、基本周波数100kHzの整数倍の線スペクトル列となる。この雑音が、AMラジオ放送帯域に入り込み、AMラジオ放送波に雑音を与える。本実施例は、AMラジオ放送帯域に入り込むこの雑音をキャンセルする信号処理装置である。
A configuration of a
本実施例の信号処理装置1は、アンテナ11により受信されたAMラジオ放送信号がA/Dコンバータ13により、一定の周期Δtでサンプリングされて、ディジタル値に変換された後、CPUにより処理される装置である。図1の構成は、ディジタル処理の各機能部毎にブロックで表現されている。AMラジオ放送信号である入力信号S1 は、合成装置12に入力される。入力信号S1 から分岐された入力信号S2 、S3 は、それぞれ、周波数推移装置20、推移周波数決定装置30に入力している。
In the
周波数推移装置20は、ミキサー21と可変周波数発振装置22とで構成されている。可変周波数発振装置22は、推移周波数決定装置30により決定された推移周波数Δfd の余弦波と位相がπ/2だけ遅れた正弦波とを生成している。余弦波と正弦波とを生成するのは、余弦波を実部、正弦波を虚部として、周波数推移信号S4 を複素数として扱うためである。推移周波数決定装置30は、AMラジオ放送信号である入力信号S3 を高速フーリエ変換するFFT装置31、FFT装置31の出力するAMラジオ放送波信号(入力信号)の周波数特性の自己相関を求める自己相関演算装置32、自己相関演算装置32により求められた自己相関の極大値から推移周波数Δfd を決定するΔfd 推定装置33を有している。
The
可変周波数発振装置22は、推移周波数決定装置30により決定された推移周波数Δfd を入力して、Acos(2πΔfd t)と、Asin(2πΔfd t)を、実部ミキサーと虚部ミキサー( 図面上は、ミキサー21として表示) に出力している。また、入力信号S2 は、ミキサー21に入力し、可変周波数発振装置22の出力するAcos(2πΔfd t)、Asin(2πΔfd t)、とそれぞれ乗算されて、入力信号S2 は、その周波数がΔfd だけ、高い方に推移した実部と虚部とを有する周波数推移信号S4 として出力される。
The variable frequency oscillating device 22 receives the transition frequency Δf d determined by the transition
周波数推移信号S4 は、トランスバーサルフィルタで構成された等化装置40に入力する。等化装置40は、入力信号を単位遅延時間τだけ順次遅延させ、各タップからは、周波数推移信号S4 がkτ遅延時間(k=0〜Q−1)だけ遅延された信号が出力される。単位遅延時間τは、サンプリング周期Δtに等しくしている。そして、各kτ遅延時間だけ遅延されたそれぞれの信号に、重み係数w0 * 〜wQ-1 * が乗算されて、それぞれの乗算された結果が加算される。等化装置40は、周波数推移信号S4 の周波数特性を、重み係数w0 * 〜wQ-1 * とexp(j ωΔt)〜exp(j ω(Q-1) Δt)により修正する装置である。
The frequency transition signal S 4 is input to the
等化装置40の伝達関数Z(ω)は、次式で表される。
また、入力信号S1 と周波数推移信号S4 は、PI(パワーインバージョン)アルゴリズムにより重み係数w0 * 〜wQ-1 * を決定する制御装置50に入力している。制御装置50では、合成装置12の出力する合成信号S6 の電力が最小となるように、等化装置40の重み係数w0 * 〜wQ-1 * が決定される。
Further, the input signal S 1 and the frequency transition signal S 4 are input to the
次に、本信号処理装置1の作用について説明する。
1.推移周波数決定装置30の作用
基本周波数100kHzのDC−DCコンバータの発生する雑音の周波数特性は、基本的には、図2に示すように、Δfの周波数間隔の多数の線スペクトルとなる。Δfは100kHzである。FFT装置31の出力は、入力信号S3 (t)のフーリエ変換である周波数特性D(ω)を与える。次に、自己相関演算装置32では、周波数特性D(ω)の自己相関A(ω)が(2)次式で演算される。
Next, the operation of the
1. Operation of Transition
図2のスペクトルから明らかなように、自己相関A(pΔω)は、DC−DCインバータのスイッチング雑音の強いスペクトルの周波数の位置で、大きくなる。すなわち、自己相関A(pΔω)は、基本的には、角周波数間隔2πΔf毎に極大値をとる。整数変数pでいえば、pが2πΔf/Δωの整数倍をとる角周波数で、自己相関(pΔω)は極大値をとる。したがって、自己相関の極大値から雑音の周波数特性におけるの周期性(厳密な周期性は要求されない)の各間隔を決定することができる。自己相関A(pΔω)が極大値をとる周波数のうち0でない周波数の任意の一つを推移周波数Δfd として選択する。周波数推移がない場合が自己相関は最大となるので、その場合は除外する。本実施例では、Δfd は、自己相関A(pΔω)の極大値が最大となる周波数を選択している。基本的には、極大値が最大となる周波数は、最も小さい周波数Δfである。したがって、Δfd =Δfに設定している。
なお、自己相関A(pΔω)は、時間軸上の入力信号S1 の2乗の周波数特性に等しい。したがって、この2乗の周波数特性の極大値からΔfd を求めても良い。
As is clear from the spectrum of FIG. 2, the autocorrelation A (pΔω) increases at the frequency position of the spectrum where the switching noise of the DC-DC inverter is strong. That is, the autocorrelation A (pΔω) basically takes a local maximum value every angular frequency interval 2πΔf. Speaking of the integer variable p, the autocorrelation (pΔω) has a maximum value at an angular frequency where p is an integral multiple of 2πΔf / Δω. Therefore, each interval of periodicity (strict periodicity is not required) in the frequency characteristic of noise can be determined from the maximum value of autocorrelation. Of the frequencies at which autocorrelation A (pΔω) has a maximum value, any one of non-zero frequencies is selected as transition frequency Δf d . The autocorrelation is maximized when there is no frequency transition, and is excluded in that case. In the present embodiment, as Δf d , the frequency at which the maximum value of the autocorrelation A (pΔω) is maximized is selected. Basically, the frequency at which the maximum value is maximum is the smallest frequency Δf. Therefore, Δf d = Δf is set.
Autocorrelation A (pΔω) is equal to the square frequency characteristic of input signal S 1 on the time axis. Therefore, Δf d may be obtained from the maximum value of the square frequency characteristic.
2.等化装置40及び制御装置50の作用
制御装置50は、等化装置40における重み係数を決定する装置である。制御装置50は、入力信号S1 と、周波数推移信号S4 とから、(4)式により受信ベクトルx(pΔT)を生成する。Δtは、サンプリング周期であり、等化装置40における単位遅延時間αに等しくしている。ただし、Δtとα(>Δt)とを必ずしも等しくする必要はない。Qは、Δtづつ遅延させた信号の数であり、等化装置40の重み係数の数−1に等しい。本実施例では、QΔt=ΔT間隔で、重み係数が演算される。入力信号S1 (pΔT)は、ΔT周期毎のp番目の信号を意味する。周波数推移信号入力信号S4 (kΔt+pΔT)は、pΔT期間におけるΔt周期毎のk番目の信号を意味する。ただし、k=0,1,…,Q−1である。受信信号ベクトルx(pΔT)は、Q+1次元の列ベクトルであり、ΔT毎に生成される。また、ΔTは、周波数推移信号入力信号S4 が重み係数の積和演算を行う時間間隔でもある。
次に、受信信号ベクトルの相関行列の時間平均R(以下、「平均相関行列」という)が、(5)式、(6)で演算される。
図5に示すように、平均相関行列Rを演算する時刻を現在時刻とすると、過去PΔTの期間において、ΔT期間毎に生成された受信ベクトルx(pΔT)を用いて、平均相関行列Rが演算される。すなわち、平均相関行列Rは、合成信号S6 を求めるΔT期間毎に更新される。
Next, the time average R (hereinafter referred to as “average correlation matrix”) of the correlation matrix of the received signal vector is calculated by Equations (5) and (6).
As shown in FIG. 5, when the time when the average correlation matrix R is calculated is the current time, the average correlation matrix R is calculated using the reception vector x (pΔT) generated every ΔT period in the past PΔT period. Is done. That is, the average correlation matrix R is updated every ΔT period for obtaining the combined signal S 6 .
パワーインバージョンアルゴリズムでは、重みベクトルW(Q+1次元の列ベクトル)を、相関行列Rの逆行列と拘束ベクトルcとから(7)式により求めることができる。
拘束ベクトルcは、(8)式で定義されるQ+1次元の列ベクトルである。これは、入力信号S1 の重み係数を固定したことに等しい。入力信号S1 は、そのまま合成装置12に入力しているので、入力信号S1 に対する重み係数は1である。
The constraint vector c is a Q + 1-dimensional column vector defined by equation (8). This is equivalent to fixing the weighting coefficients of the input signal S 1. Since the input signal S 1 is input to the
このようにして、重み係数を決定して、入力信号S1 と、周波数推移信号S4 の遅延合成信号S5 とを合成すると、合成信号S6 の電力を最小とすることができる。すなわち、雑音電力が所望信号の電力よりも大きい場合に、雑音をキャンセルして、所望信号を抽出することができる。 In this way, by determining the weighting factor and synthesizing the input signal S 1 and the delayed synthesized signal S 5 of the frequency transition signal S 4 , the power of the synthesized signal S 6 can be minimized. That is, when the noise power is larger than the power of the desired signal, the desired signal can be extracted by canceling the noise.
この様子を、図2、3、4に示す。図2は、DC−DCコンバータのスイッチング雑音が重畳されたAMラジオ放送信号、すなわち、入力信号S1 の周波数特性である。この周波数特性は、推移周波数Δfd だけ推移されると、図3に示す周波数特性となる。この周波数特性は、周波数推移信号S4 の周波数特性である。入力信号S1 の周波数特性と周波数推移信号S4 とにおいて、DC−DCコンバータのスイッチング雑音のスペクトルの位置は重なる。この結果、周波数推移信号S4 の周波数特性を重み係数w0 * 〜wQ-1 * で修正して、入力信号S1 の周波数特性に加算すれば、DC−DCコンバータのスイッチング雑音を消去することができる。このときの合成信号S6 の周波数特性は、図4に示すようになる。このとき、AMラジオ放送信号は、本来の信号と、その信号をΔfd だけ推移した信号と2本生成される。しかし、推移周波数Δfd は、1局のAMラジオ放送信号の周波数帯域よりも十分に広いので、本実施例の雑音を低減させる信号処理装置の後段に設けられるAMラジオ受信機における選局時に、Δfd だけ推移したAMラジオ放送信号は除去することができる。 This is shown in FIGS. 2, AM radio broadcast signal DC-DC converter of a switching noise is superimposed, i.e., the frequency characteristic of the input signal S 1. When this frequency characteristic is shifted by the transition frequency Δf d , the frequency characteristic shown in FIG. 3 is obtained. This frequency characteristic is a frequency characteristic of the frequency transition signal S 4. In the frequency characteristics of the input signal S 1 and the frequency transition signal S 4 , the positions of the switching noise spectra of the DC-DC converter overlap. As a result, to modify the frequency characteristics of the frequency transition signal S 4 by the weighting factor w 0 * ~w Q-1 * , when added to the frequency characteristic of the input signal S 1, erasing the switching noise of the DC-DC converter be able to. The frequency characteristic of the combined signal S 6 at this time is as shown in FIG. At this time, two AM radio broadcast signals are generated: an original signal and a signal obtained by shifting the signal by Δf d . However, since the transition frequency Δf d is sufficiently wider than the frequency band of the AM radio broadcast signal of one station, at the time of channel selection in the AM radio receiver provided at the subsequent stage of the signal processing device for reducing noise in this embodiment, AM radio broadcast signals that have shifted by Δf d can be removed.
なお、図2、3、4は、ラジオ電力/DC−DCコンバータ雑音電力=0dB、DC−DCコンバータ雑音電力/受信機雑音=30dBとした時のシミュレーション結果である。 2, 3 and 4 are simulation results when radio power / DC-DC converter noise power = 0 dB and DC-DC converter noise power / receiver noise = 30 dB.
本実施例において、平均相関行列Rは、過去PΔT間の単純平均としたが、次のようにしても良い。過去(P−1)ΔT間の平均の相関行列をRold として、最新のΔTの1期間における相関行列をRnew とする。重みベクトルWを演算する相関行列Rを、(11)式で求めても良い。
実施例1は、重みベクトルWを演算するのに、PIアルゴリズムを用いたが、本実施例2は、最小2乗誤差法を用いた例である。この例は、実施例1の拘束ベクトルcを、(12)式で決定する方法である。
実施例1、2は、等化装置40をトランスバーサルフィルタで構成している。実施例1、2のように重み係数wk * が求まると、(1)により等化装置40の伝達関数Z(ω)が求まる。したがって、周波数推移信号S4 (kΔt)をフーリエ変換してその周波数特性FS4 (ω)に伝達関数Z(ω)を掛け算して、フーリエ逆変換して、遅延合成信号S5 (kΔt)を求めて、その信号を合成装置12に出力するようにしても良い。これにより、入力信号S1 (kΔt)と遅延合成信号S5 (kΔt)とを時間軸上で合成すれば、上記の周期性雑音をキャンセルすることができる。
In the first and second embodiments, the
上記実施例1〜3は、CPUのプログラム処理により実現しているので、周波数推移装置20は、(13)式により信号S2 に角周波数2πΔfd の指数関数を乗算する装置としても良い。入力信号S2 が、周波数fd だけ高い側に推移することは明らかである。
また、上記実施例1〜3は、入力信号S1 の自己相関の極大値から、推移周波数からΔfd を決定しているが、DC−DCコンバータのスイッチング雑音のように基本周期が既知でありその周期が時間的に変動しない場合には、自己相関を求める代わりに、雑音の既知の基本周波数を推移周波数Δfd として、周波数推移を行っても良い。
In the first to third embodiments, Δf d is determined from the transition frequency based on the maximum value of the autocorrelation of the input signal S 1. However, the fundamental period is known as switching noise of the DC-DC converter. If the period does not vary with time, frequency transition may be performed using the known fundamental frequency of noise as transition frequency Δf d instead of obtaining autocorrelation.
重みベクトルWを求めるアルゴリズムは、上述したPI法、MMSE法の他、拘束ベクトルを、雑音電力が小さくなるように設定する一般化されたCMP法、S/N比を最大化するように重みベクトルWを決定するMSN法を用いることができる。本発明は、入力信号の周波数特性を周期性雑音の基本周期の整数倍だけ推移させた周波数推移信号と入力信号とを、合成信号における雑音電力が小さくなるように、重み係数を決定して合成することが要旨である。したがって、そのように合成できるアルゴリズムであれば、全てのアルゴリズムを用いることができる。また、除去する雑音は、周波数空間において完全な周期性がなくとも良い。すなわち、周波数空間において自己相関が現れる程度に周期性があれば良い。また、雑音の周波数特性は線スペクトルに限らず連続スペクトルでも、本発明は適用可能である。 In addition to the PI method and MMSE method described above, the algorithm for obtaining the weight vector W includes a generalized CMP method in which the constraint vector is set so as to reduce noise power, and a weight vector so as to maximize the S / N ratio. An MSN method for determining W can be used. The present invention combines a frequency transition signal obtained by shifting the frequency characteristics of an input signal by an integral multiple of the basic period of periodic noise and an input signal by determining a weighting factor so that noise power in the combined signal is reduced. It is the gist. Therefore, any algorithm can be used as long as it can be synthesized in such a manner. Further, the noise to be removed may not be completely periodic in the frequency space. That is, it is only necessary to have periodicity to such an extent that autocorrelation appears in the frequency space. Further, the present invention is applicable not only to the line spectrum but also to the continuous spectrum as the frequency characteristic of noise.
本発明は、入力信号から周期性雑音を除去する装置に用いることができる。 The present invention can be used in an apparatus for removing periodic noise from an input signal.
12…合成装置
20…周波数推移装置
30…推移周波数決定装置
40…等化装置
12 ...
Claims (12)
前記雑音は、自己相関が周波数に対して周期的に変動する周波数特性を有し、
前記入力信号を、前記自己相関が極大となる周波数のうち、零でない任意の周波数だけ、周波数推移させた信号を生成する周波数推移手段と、
前記周波数推移手段の出力する周波数推移信号の周波数特性を修正する等化手段と、
前記等化手段の出力する信号と、前記入力信号とを合成する合成手段と、
少なくとも前記所望信号が含まれる帯域において、前記合成手段の出力する合成信号における雑音を抑制するように前記等化手段の伝達関数を制御する制御手段と
を有することを特徴とする信号処理装置。 In a signal processing apparatus for removing noise from an input signal in which noise is superimposed on a desired signal to be detected,
The noise has a frequency characteristic in which autocorrelation periodically varies with frequency,
A frequency transition means for generating a signal in which the input signal is frequency-shifted by an arbitrary frequency that is not zero among the frequencies at which the autocorrelation is maximized;
Equalizing means for correcting the frequency characteristics of the frequency transition signal output by the frequency transition means;
Synthesis means for synthesizing the signal output from the equalization means and the input signal;
And a control means for controlling a transfer function of the equalization means so as to suppress noise in the synthesized signal output from the synthesis means at least in a band including the desired signal.
前記周波数推移手段は、前記推移周波数決定手段により決定された周波数だけ、前記入力信号を周波数推移させる
ことを特徴とする請求項1に記載の信号処理装置。 Obtaining the autocorrelation of the frequency characteristics of the input signal, obtaining a maximum value of the autocorrelation, and having transition frequency determining means for determining a non-zero frequency taking the maximum value,
The signal processing apparatus according to claim 1, wherein the frequency transition unit shifts the frequency of the input signal by a frequency determined by the transition frequency determination unit.
を有することを特徴とする請求項3に記載の信号処理装置。 The transition frequency determining means determines a non-zero frequency at which a maximum value of the autocorrelation is obtained, and a Fourier transform means for obtaining a frequency characteristic of the input signal; an autocorrelation of the frequency characteristic obtained by the Fourier transform means; Autocorrelation means;
The signal processing apparatus according to claim 3, comprising:
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の信号処理装置。 The said equalization means is a means which calculates | requires the frequency characteristic of the said frequency transition signal, and outputs the impulse response of the product of the frequency characteristic and the said transfer function, The said any one of Claim 1 thru | or 5 characterized by the above-mentioned. 2. The signal processing device according to item 1.
前記雑音は、自己相関が周波数に対して周期的に変動する周波数特性を有し、
前記入力信号を、前記自己相関が極大となる周波数のうち、零でない任意の周波数だけ、周波数推移させた周波数推移信号を生成し、
前記周波数推移信号の周波数特性を修正し、
修正された周波数推移信号と前記入力信号とを合成し、
少なくとも前記所望信号が含まれる帯域において、合成された信号における雑音を抑制するように前記周波数推移信号の周波数特性を修正する
ことを特徴とする信号処理方法。 In a signal processing method for removing noise from an input signal in which noise is superimposed on a desired signal to be detected,
The noise has a frequency characteristic in which autocorrelation periodically varies with frequency,
A frequency transition signal in which the input signal is frequency-translated by an arbitrary frequency that is not zero among the frequencies at which the autocorrelation is maximized is generated,
Modify the frequency characteristics of the frequency transition signal,
Combining the modified frequency transition signal and the input signal;
A signal processing method characterized by correcting the frequency characteristics of the frequency transition signal so as to suppress noise in the synthesized signal at least in a band including the desired signal.
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