JP2017527786A - 受信機のための干渉軽減 - Google Patents

Abstract

受信機内の干渉を軽減するための方法が開示され、少なくとも２つの別個の帯域（３０、３１）に等価な情報内容を有する態様で受信信号が送信される。この方法は、適切に正規化された側波帯における単位帯域幅当たりの平均パワーを比較し、測定されたレベルに基づいて除外閾値（３２、３３、３４）を設定し、閾値を上回る帯域は、さらなる処理から除外されてよい。帯域は、本質的に同じ情報内容を有する側波帯を生成する変調プロセスによって生成される側波帯を含むことができる。閾値は、単位帯域幅当たりの平均パワーが最も低い帯域に対して相対的に設定されても、または帯域との他の関係に従って設定されてもよい。本発明は、受信機における信号プロセッサおよび受信機自体に及ぶ。この用途の主な焦点は、Ｇａｌｉｌｅｏ政府規制サービス（ＰＲＳ）衛星ナビゲーション信号を対象としている。これは、その送信エネルギーの大部分を中心周波数に対して対称的に２つの側波帯に入れるように設計されたバイナリオフセットキャリア（ＢＯＣ）信号である。各側波帯は、送信の位置において、同じ情報内容を含む。

Description

本発明は、無線受信機などの受信機に関し、特に、発生し得る干渉を軽減するために受信機によって受信された信号を処理する方法、およびそのような処理を実行するように構成または適合されたシステムに関する。

特定の無線信号は、信号の情報内容が２つ以上の異なるスペクトル領域に存在することを意味する形で送信される。例えば、信号は、情報内容を中央キャリア周波数の前後の２つ以上の側波帯に入れる変調方式を使用して同報通信されることがある。このような例の１つは、Ｇａｌｉｌｅｏ政府規制サービス（ＰＲＳ）衛星ナビゲーション信号に使用される信号である。これは、その送信エネルギーの大部分を、中心周波数に対して対称的に２つの側波帯に入れるように設計された、バイナリオフセットキャリア（ＢＯＣ）信号である。各側波帯は、送信の位置において、同じ情報内容を含む。

多くの用途で、送信される信号は非常に低いレベルで受信機において受信される。特に衛星ナビゲーション信号は、この極端な例であり、受信機のフロントエンドで受信される信号は、同様の帯域幅にわたって見た場合、熱雑音よりもパワーが数桁低いものであり得る。これにより、正確な信号の受信が、故意に引き起こされたものと偶発的なものの両方の干渉の影響を、非常に受けやすくなる。

干渉問題を克服するための従来技術が存在する。例えば、受信機のアンテナシステムにおいてヌルを使用し、到来する干渉信号の予想される方向にヌルを配置し、それにより不要な信号の受信パワーを低減する技術がある。このような複数のチャネル技術は、干渉源の位置を追跡し、次に必要な方向にアンテナのヌルを向けるかまたは配置するための何らかの手段を必要とするので、実施するのが高価で複雑であることが多い。

受信機はまた、単一のチャネル信号に作用する干渉除外技術を実施してもよい。これらには、狭帯域トーン干渉を除去するためのノッチフィルタなどのフィルタの使用が含まれる。この技術が拡張されて、より複雑またはより広い帯域幅の干渉信号を除去することができる、ＦＦＴベースの除去器（ｅｘｃｉｓｅｒ）を実現することができる。

本発明の目的は、特定のタイプの信号に対して干渉軽減のための代替技術を提供することである。

本発明の第１の態様により、受信機内で信号を処理する方法が提供され、信号は、少なくとも２つの別個のスペクトル帯域に存在する等価な情報内容を有して送信されており、この方法は以下のステップを含む：
ａ）スペクトル帯域のうち少なくとも２つのそれぞれにおけるパワーを測定するステップ。
ｂ）少なくとも２つのスペクトル帯域のそれぞれのパワー測定値を正規化するステップであって、正規化が、ｉ）受信機信号チェーンにおける利得差、ｉｉ）少なくとも２つのスペクトル帯域への周波数伝搬効果によって生じる差異、の少なくとも１つを考慮するが、干渉信号によって生じる差異は考慮しない、正規化するステップ。
ｃ）各スペクトル帯域内の単位帯域幅当たりの平均パワーとの関係に基づいて閾値を生成するステップ。
ｄ）単位帯域幅当たりの平均パワーが閾値を下回るスペクトル帯域の少なくとも１つを選択するステップ。
ｅ）選択されたスペクトル帯域を処理してそのスペクトル帯域中の情報内容を回復するステップ。

本発明の実施形態は、単位帯域幅当たりの正規化平均パワーが最も低いスペクトル帯域を選択し、そこで測定されたパワーを使用して閾値を設定する関数を部分（ｃ）での関係として使用するように適合されてよい。単位帯域幅当たりの正規化平均パワーが最も低いスペクトル帯域に基づいて閾値を設定することにより、この方法は、閾値を上回る任意のスペクトル帯域を除外することができる。したがって、重大な干渉源が存在する任意の帯域が、さらなる処理から差し引かれることができる。

いくつかの実施形態は、限定はしないが、２つ以上のスペクトル帯域の平均またはその他の平均化関数などの他の関数を使用することができる。

この方法は、受信機での信号レベルが非常に低いため、ＧＮＳＳ信号に特に適用可能である。

この方法のステップの少なくともいくつかは、信号プロセッサにおいて実行できるという利点がある。信号プロセッサは、デジタル信号プロセッサであってもよく、任意の好都合な方法で実装されてもよい。信号プロセッサは、１つまたは複数の、専用信号プロセッサチップ、汎用プロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、特定用途向け集積回路、または任意の他の適切なデバイスを含むことができる。あるいは、ステップの１つまたはいくつかが、別々のデバイスで実行されてもよい。

この方法は、正規化ステップの前に知られている干渉信号を除去するために使用され得るノッチフィルタなどの１つまたは複数のフィルタを組み込むステップを含むことができる、という利点がある。

閾値レベルは、単位帯域幅当たりの平均パワーが最も低いスペクトル帯域の単位帯域幅当たりの正規化平均パワーを、例えば、３ｄＢ、４ｄＢ、６ｄＢ、１０ｄＢまたは１３ｄＢ上回るように設定されてよい。レベルは固定されたレベルであっても、または可変であってもよい。例えば、レベルは、時間間隔にわたって受信された単位帯域幅値当たりの正規化平均パワーの平均に基づいてもよい。これは、測定された時間間隔に比べて短い経過時間の間に存在する干渉源を克服する上で利点がある。

いくつかの実施形態は、スペクトル帯域にわたって測定された単位帯域幅当たりの正規化パワーの平均値よりも大きい（上記段落で述べた量などの）固定量などの閾値を、違った形で設定することができる。

閾値は、干渉信号が存在しないことが知られている条件下で設定されてもよい。閾値はまた、例えば、良好な（すなわち、妨害機器の無い）環境内で対象の周波数帯域において検出されることが予想される雑音のモデルを使用して予想される条件、または理論的に予測される条件に基づいて設定されてもよい。

各スペクトル帯域に存在する「等価な情報」という用語は、各帯域が、異なる方法で、または異なるパラメータなどで変調されても実質的に同じまたは非常に類似したメッセージを含むことを意味することに留意すべきである。いくつかの実施形態は、スペクトル帯域の少なくとも２つが特定の変調プロセスによって生成される信号を必要とするか、または受信するように適合されてもよい。例えば、特定の変調プロセスは、情報ストリームを取得し、その情報ストリームを、それぞれが同一の情報を含む複数の帯域を生成するように変調する場合がある。したがって、これらの実施形態では、この方法で生成されたスペクトル帯域は、生成時に、周波数で分離された同一の情報内容を含む。そのような変調プロセスは、振幅変調、ＢＯＣ変調、または中心周波数の前後で同一の側波帯を生成する任意の他の変調を含むが、これに限定されない。方法が実施される受信機は、特定の知られている方法で変調された信号を受信するように設計可能であり、したがって、そのような信号を復調するための復調器をさらに含んでもよいことが理解されるであろう。

１つまたは複数のスペクトル帯域のいずれかがスペクトル帯域の他のどの帯域とも帯域幅が異なる場合、パワー測定値が直接比較され得るように帯域幅正規化を行うことは利点がある。このような状況では、単位帯域幅数量（平均パワースペクトル密度（ＰＳＤ）測定値と等価）当たりのパワーを生成するように、各帯域にわたるパワー測定値がそれぞれの帯域幅で除算されてもよい。

本発明のいくつかの実施形態は、（ソースで）同一の情報内容を有し、それぞれが同じ帯域幅である複数のスペクトル帯域を生成する単一の変調プロセスから排他的に導き出される信号を処理するために使用され得る。このような状況下では、各帯域にわたって取得されたパワー測定値は、上記段落で説明した帯域幅の正規化を必要としない。

閾値レベルは、受信機が使用されている特定の用途に従って設定されてよい。非常に低い閾値が設定された場合、単位帯域幅当たりの正規化平均パワーの非常にわずかな（正の）差を有するスペクトル帯域が後続の復調プロセスから差し引かれることになることが分かるであろう。これは、除外されたスペクトル帯域における情報内容の損失が、わずかに雑音の多い帯域を処理しないことから得られる利得よりも深刻であり得るので、受信機の性能に実際的な悪影響を及ぼし得る。

同様に、閾値の設定が高すぎると、その後潜在的に非常に雑音の多いスペクトル帯域が処理され、受信機の性能に悪影響を与えることになる。

したがって、閾値を選択する際にトレードオフがあり、それは用途によって異なる場合がある。所与の用途に対する閾値レベルは、例えば、試行錯誤、コンピュータモデリング技法、または任意の選択に基づいて選ばれてもよい。また、閾値は、例えば、異なる時に検出される干渉レベルなどに従って時間と共に変化するように、適応的であってもよい。

スペクトル帯域は、実質的に隣接しているか、またはほぼ隣接していてもよい。例えば、多くの送信変調方式（例えば、ＢＯＣ）は、中心周波数の前後に一対のスペクトル帯域を生成する。したがって、スペクトル帯域は、これらの対を構成することができる。スペクトル帯域はまた、同じ情報内容の他の同時送信を含んでもよい。例えば、信号は、いくつかのＧＮＳＳ信号で行われるように、２つ以上の異なる周波数で同時に同報通信されてもよい。これらの状況では、スペクトル帯域の少なくともいくつかは、より広く互いに分離されていてもよい。

この実例はＧａｌｉｌｅｏ ＰＲＳコードである。これは、２００ＭＨｚを超える周波数で分離された、Ｅ１帯域とＥ６帯域で送信される。使用される特定のＢＯＣ変調は、これらの帯域のそれぞれが２つの主な側波帯を有し、よって（Ｅ１とＥ６の帯域の間で異なる拡散符号で変調されていても）同じナビゲーション情報内容を含む４つの主スペクトル帯域を生じさせることを意味する。所与のＥ１またはＥ６帯域からの各側波帯は、本質的に、変調信号の生成時に同じ情報内容を含むことが理解されるであろう。したがって、本発明の実施形態は、帯域内の信号の単位帯域幅レベル当たりの相対正規化平均パワーに応じて、さらなる処理のためにこれらのスペクトル帯域のいずれか１つから４つを選択することができる。

本発明の第２の態様により、少なくとも２つの別個のスペクトル帯域に存在する等価な情報内容を有して送信された信号を受信する際に使用するための、受信機で使用される信号プロセッサが提供され、この信号プロセッサは以下を含む：
ａ）少なくとも２つのスペクトル帯域のそれぞれにおけるパワーを測定する手段。
ｂ）スペクトル帯域の少なくとも２つにおいてパワーを正規化するための正規化器であって、正規化が、ｉ）受信機信号チェーンにおける利得差、およびｉｉ）少なくとも２つのスペクトル帯域への周波数伝搬効果によって生じる差異、の少なくとも１つを考慮するが、干渉信号によって生じる差異は考慮しない、正規化器。
ｃ）各スペクトル帯域における単位帯域幅当たりの正規化平均パワーとの関係に基づいて閾値を生成するための処理手段。
ｄ）単位帯域幅値当たりの正規化平均パワーが閾値を下回る他のスペクトル帯域を選択する手段。
ｅ）選択されたスペクトル帯域を後続の処理手段に提供する手段。

いくつかの実施形態では、信号プロセッサは、同じ情報内容を有する少なくとも２つの帯域を本質的に生成する変調プロセスによって生成された信号から、処理される帯域の少なくとも２つを選択するように適合されてもよい。

いくつかの実施形態では、信号プロセッサは、ステップａ）でパワーが測定される前に、知られている干渉信号をフィルタリングするように構成されたフィルタをさらに含んでもよい。したがって、これは、その後のフィルタリング操作の効力の手助けとなる。

いくつかの実施形態では、閾値を生成するための処理手段は、単位帯域幅当たりの平均パワーが最も低いスペクトル帯域の単位帯域幅当たりの平均パワーより大きなレベルに前記閾値を設定するように適合されてもよい。したがって、単位帯域幅当たり最も低い正規化パワーを有するスペクトル帯域を使用して基準パワーを供給し、次にそれらの測定パワーと基準帯域との間の差に基づいてさらなる帯域を選択してもよい。基準帯域を上回るいくらかのマージンよりも大きい帯域は、後続の処理で除外されてもよい。

本発明の第３の態様によれば、第２の態様の処理システムを組み込んだ無線受信機が提供される。

本発明の１つの態様における任意の特徴は、任意の適切な組み合わせで、本発明の他の態様に適用されてもよい。特に、方法の態様は装置の態様に適用されてもよく、その逆も同様である。

本発明は、以下の図面を参照して、より詳細に例としてのみ説明される。

雑音が存在しない本発明の実施形態に適用可能なタイプの送信信号スペクトルの、簡略化された表示を示すグラフである。 受信機チェーンのアナログおよび初期デジタル要素を通過し、本明細書で説明する側波帯の選択前の、受信機で受信された信号の表示を示すグラフである。 比較的高いレベルの狭帯域雑音も含む受信スペクトルと、正規化された等価物との両方を示すグラフである。

図１は、送信された無線信号の２つの主要なサイドローブのパワースペクトル密度のグラフを示す。より小さいサイドローブは、単純化のために示されていないが、一般に現実の信号には存在する。このスペクトルに干渉信号は存在しない。スペクトルは、ＢＯＣ（５、２．５）信号スペクトルの一部である。２つのサイドローブの間に１６００．９９５の中心周波数があり、中心周波数自体にはほとんどパワーが無い。サイドローブのそれぞれは、送信された情報内容を含むので、十分に強い信号が受信された場合、サイドローブのいずれか１つから内容を回復することができる。

本発明の第１の実施形態は、図１に示すような、送信信号を受信するように構成された無線受信機を含む。受信機は、信号を受信してダウンコンバートし、適切なＧＮＳＳ信号帯域幅にわたるパワーの測定値を提供するように適合される。この帯域幅は受信機に知られており、それは受信機が、処理しようとしている信号の特性の事前知識を有しているからである。ダウンコンバージョンの後、受信機はダウンコンバートされた信号をスペクトル帯域のセットに分割し、それらのスペクトル帯域は、信号に存在すると予想される主要なサイドローブのヌルからヌルまでの帯域幅と概して一致する。

実際のＧＮＳＳ用途では、受信機で受信される所望の信号は、受信される雑音レベルより十分に低い。

図２は、ＧＮＳＳ受信機で受信され、受信機信号チェーンの初期段階を通過した信号のパワー密度スペクトルを示す。下側波帯（２０）および上側波帯（２１）が示され、これらは中心周波数（２２）に対して対称である。下側波帯（２０）のパワー密度スペクトルは、上側波帯のパワー密度スペクトルよりも高いレベルであり、さらに分散が大きいことが分かる。下側波帯（２０）上の信号の分散は、その側波帯に干渉信号が存在することに起因する可能性が高いが、側波帯の全体的に増加したレベルは、干渉、相対的な伝搬効果、または異なる側波帯の間の受信機チェーンの相違に起因する可能性がある。後者の２つの効果は、以下に説明する正規化プロセスによって本発明のいくつかの実施形態において除去される（または少なくとも改善される）。

スペクトル帯域パワー測定、その後の正規化、およびスペクトル帯域の帯域幅の任意の差異に対する補正は、バンドパスフィルタを使用して選択されたスペクトル帯域をまず選択することによって実行される。次に、以下のステップが実行される：
ａ）バンドパスフィルタの出力におけるパワーを測定するステップ。
ｂ）測定されたパワーに１つまたは複数のスカラー補正係数を乗算して、受信機における知られている利得変動および／または伝搬媒体の知られている変動に対して正規化するステップ。
ｃ）ｂ）で得られた結果を、選択されたスペクトル帯域の帯域幅で除算して、スペクトル帯域にわたる単位帯域幅当たりの平均パワーを生成するステップ。（このステップｃ）は、処理される全ての帯域が同じ帯域幅である場合には、測定されたパワーが既に帯域幅に関して効果的に正規化されているため、必要ないことが理解されるであろう。）

補正係数は、様々な方法によって導き出されることが可能である。利得の変動は、例えば使用前または工場における設定時（またはその両方）に、較正手順から導き出すことができ、不均一な増幅器またはアンテナ利得プロファイルなどの事項をスペクトル帯域にわたって考慮することができる。伝搬媒体の変動は、例えば、理論的伝搬特性、または基準受信機で得られた、知られている信号の測定から知られる可能性があり、その後、本発明の実施形態を実施する受信機に提供される。

正規化プロセスの結果は、各スペクトル帯域の単位帯域幅当たりの正規化平均パワーを表す値となる。これらの値は、受信利得の変動および伝搬効果による差異を大幅に取り除き、干渉信号によって生じる差異だけを残す。

図３は、正規化プロセスを通過した後の図２のスペクトルを示し、これらはそれぞれ下側波帯（３０）および上側波帯（３１）である。細部をより明確に示すために、垂直方向の目盛も増加されている。本発明の一実施形態では、単位帯域幅当たりの正規化平均パワーが最も低いスペクトル帯域が選択され、これはこの場合には上スペクトル帯域（３１）である。

次に、選択されたスペクトル帯域に基づいて、およびそれとの関係で、閾値パワー値が適用される。説明のために、様々な閾値が図３に示される。第１の閾値（３２）は、単位帯域幅当たりの正規化平均パワーより３ｄＢ高く、一方で第２の閾値（３３）および第３の閾値（３４）は、単位帯域幅当たりの正規化平均パワー（３５）よりも６ｄＢおよび１０ｄＢ高い。

左側の正規化されたスペクトルでは、下側の２つの閾値（３２、３３）は超過されているが、最も高い閾値は、スペクトルのすべてのピークの上にあることが分かる。したがって、３ｄＢまたは６ｄＢの閾値が設定される場合には、さらなる処理のために右側スペクトルのみが選択される。しかし、１０ｄＢの閾値が設定されていれば、両方のスペクトルが使用される。

上記の例では、２つのスペクトル帯域しか示されていないが、もちろん、異なるシステムは３つ以上の関連するスペクトル帯域を有することができる。

選択されたスペクトル帯域のその後の処理は、受信される信号のタイプに適した通常の方法で行われる。例えば、ＧＮＳＳ用途では、帯域を処理して、必要に応じてタイミング情報またはナビゲーション情報を取り出すことができる。

上記の例は、無線システム、特にナビゲーション受信機に関する。しかし、本発明は、同一または等価の情報が異なるスペクトル帯域内に符号化される他の分野にも適用可能であり、したがって、本発明は、無線システムにおける用途に限定されるべきではない。当業者は、例えば、ソナー通信システムや光通信システムにおいても用途を見つけることができる。

Claims (16)

1. 受信機内で信号を処理する方法であって、信号は、少なくとも２つの別個のスペクトル帯域に存在する等価な情報内容を有して送信されており、方法は、
   ａ）スペクトル帯域のうち少なくとも２つのそれぞれにおけるパワーを測定するステップと、
   ｂ）少なくとも２つのスペクトル帯域それぞれのパワー測定値を正規化するステップであって、正規化が、ｉ）受信機信号チェーンにおける利得差、ｉｉ）少なくとも２つのスペクトル帯域への周波数伝搬効果によって生じる差異、の少なくとも１つを考慮するが、干渉信号によって生じる差異は考慮しない、正規化するステップと、
   ｃ）各スペクトル帯域内の単位帯域幅当たりの平均パワーとの関係に基づいて閾値を生成するステップと、
   ｄ）単位帯域幅当たりの平均パワーが閾値を下回るスペクトル帯域の少なくとも１つを選択するステップと、
   ｅ）選択されたスペクトル帯域を処理してそのスペクトル帯域中の情報内容を回復するステップと
   を含む、方法。
2. ステップａ）において、測定される帯域の少なくとも２つが、同じ情報内容を有する少なくとも２つの帯域を本質的に生成する変調プロセスから導き出された帯域から選択される、請求項１に記載の方法。
3. 閾値が、知られている休止状態におけるスペクトル帯域の振幅を測定することによって決定される、請求項１または２に記載の方法。
4. 閾値が、以前のパワー測定値の時間系列に基づいて調整される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 閾値が、予想される条件に従って設定される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. ステップｃ）における閾値の生成が、単位帯域当たりの平均パワーが最も低いスペクトル帯域の単位帯域幅当たりの平均パワーよりも大きいレベルに前記閾値を設定することによって達成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 閾値が、単位帯域幅当たりの平均パワーが最も低いスペクトル帯域を約３ｄＢ、４ｄＢ、６ｄＢ、１０ｄＢ、または１３ｄＢ上回るレベルに設定される、請求項６に記載の方法。
8. 方法が、ステップａ）の前に実行され、知られている干渉信号を除去するために受信機内で信号をフィルタリングする追加のステップを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. フィルタリングが、１つまたは複数のノッチフィルタを含む、請求項８に記載の方法。
10. ２つのスペクトル帯域があり、それぞれが中心周波数の前後に側波帯を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 信号が、全地球ナビゲーション衛星システム信号である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 少なくとも２つの別個のスペクトル帯域に存在する等価な情報内容を有して送信された信号を受信する際に使用するための、受信機で使用される信号プロセッサであって、
    ａ）少なくとも２つのスペクトル帯域のそれぞれにおけるパワーを測定する手段と、
    ｂ）スペクトル帯域の少なくとも２つにおいてパワーを正規化するための正規化器であって、正規化が、ｉ）受信機信号チェーンにおける利得差、およびｉｉ）少なくとも２つのスペクトル帯域への周波数伝搬効果によって生じる差異、の少なくとも１つを考慮するが、干渉信号によって生じる差異は考慮しない、正規化器と、
    ｃ）各スペクトル帯域における単位帯域幅当たりの正規化平均パワーとの関係に基づいて閾値を生成するための処理手段と、
    ｄ）単位帯域幅値当たりの正規化平均パワーが閾値を下回る他のスペクトル帯域を選択する手段と、
    ｅ）選択されたスペクトル帯域を後続の処理手段に提供する手段と
    を含む、信号プロセッサ。
13. 同じ情報内容を有する少なくとも２つの帯域を本質的に生成する変調プロセスによって生成された信号から、処理されるべき帯域の少なくとも２つを選択するように適合される、請求項１２に記載の信号プロセッサ。
14. ステップａ）でパワーが測定される前に、知られている干渉信号をフィルタリングするように構成されたフィルタをさらに含む、請求項１２または１３に記載の信号プロセッサ。
15. 閾値を生成するための処理手段が、単位帯域幅当たりの平均パワーが最も低いスペクトル帯域の単位帯域幅当たりの平均パワーよりも大きなレベルに前記閾値を設定するように適合される、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の信号プロセッサ。
16. 請求項１２から１５のいずれか一項に記載の処理システムを組み込んだ無線受信機。

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