JP2885269B2 - 適応制御ろ波器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は適応制御ろ波器に関し、
特にデータ伝送や音響システムに用いられるエコーキャ
ンセラ、ディジタルデータ伝送用等化器、更には未知シ
ステムの同定等に用いられ、既知信号系列を入力として
未知信号系列の推定信号系列を出力する適応制御ろ波器
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】先ず最初に、この種の適応制御ろ波器の
原理について、図８を参照しつつ説明する。図８におい
て、既知の信号系列ａn から未知信号系列ｙn の推定値
系列ｙn ’をろ波器１にて生成し、未知信号系列ｙn と
この推定値系列ｙn'との誤差の信号系列ｅn を減算器２
で作成する。この誤差信号系列ｅn を基に、ろ波器１の
有するパラメータを更新し未知信号系列ｙn を正しく同
定するものである。

【０００３】このとき、未知信号系列には通常観測時の
雑音νn が相加されるので、加算器３にてこの雑音系列
νn を未知信号系列ｙn に加えた信号系列を、誤差信号
系列を生成する減算器２の一入力としている。

【０００４】この適応制御ろ波器は未学習の初期状態か
ら最終状態に収束するものであり、また未知信号系列は
未知システムの前述した入力信号系列ａn に対応する応
答として与えられる場合が多く、エコーキャンセラや等
化器がこの場合に相当するものである。

【０００５】適応制御ろ波器は非巡回型（ＦＩＲ）とし
て実現されることが多く、図９に示す構造とされる。入
力信号系列の各タップにおける値ａn ，……，ａn-k ，
……，ａn-N+1 に対してタップ係数Ｃ0 ，……，Ｃk ，
……，ＣN-1 が夫々乗算されて、これ等乗算結果が加算
器１２にて全て加算されることにより推定値系列ｙn'が
生成される。

【０００６】このとき、誤差信号系列ｅn と雑音系列ν
n との和を用いてタップの各重み（タップ係数）Ｃ0 ，
Ｃ1 ，……，ＣN-1 が制御されるものであり、そのため
にタップ係数生成器１１が設けられている。尚、Ｎはタ
ップ数である。

【０００７】ここで、 ｅn ＝ｙn −ｙn ’ ｙn ’＝Σａn-i ・Ｃi が成り立つ。Σはｉ＝０〜Ｎ−１の総和を示す。

【０００８】適応制御ろ波器の収束のためのタップ重み
の制御アルゴリズムとして、工業上良く用いられるもの
は次の２つである。

【０００９】すなわち、ｋ＝０，１，………，Ｎ−１に
対して確率勾配ＬＭＳ（最小二乗）アルゴリズム（以
下、ＬＡと略記する）と、確率勾配サインアルゴリズム
（以下、ＳＡと略記する）とがあり、前者のＬＡは、 Ｃk ⁽ⁿ⁺¹⁾ ＝Ｃk ⁽ⁿ⁾ ＋αc （ｅn ＋νn ）ａn-k と表され、後者のＳＡは、 Ｃk ⁽ⁿ⁺¹⁾ ＝Ｃk ⁽ⁿ⁾ ＋αc sgn （ｅn ＋νn ）ａn-k と表される。

【００１０】ここで、Ｃk ⁽ⁿ⁾ は時刻ｎにおけるタップ
重みの値、αc はステップサイズ（タップの重みの修正
係数）、sgn （・）は極性を与える関数であり、 sgn （ｘ）＝−１（ｘ＜０） sgn （ｘ）＝１ （ｘ＞０） で定義される。

【００１１】これ等２つのアルゴリズムを実現する回路
構成を図１０（ａ），（ｂ）に夫々示しており、既知信
号系列の第ｋのタップにおけるタップ重みの値Ｃk ⁽ⁿ⁾
についてのみ夫々示している。

【００１２】図１０（ａ）はＬＡ方式のアルゴリズムに
よるものであり、誤差信号系列と雑音信号との和ｅn ＋
νn と既知信号系列ａn-k との積を積算器１１０で求
め、この積算出力に予め与えられた修正係数αｃ（ステ
ップサイズ）を乗算器１１１にて乗算する。この乗算出
力を加算器１１２にて一タイムスロット前のタップ重み
に加算して新たなタップ重みＣk ⁽ⁿ⁺¹⁾ とする。尚、１
１３は１タイムスロット分の遅延器である。

【００１３】図１０（ｂ）はＳＡ方式のアルゴリズムに
よるものであり、ｅn ＋νn のサイン（符号）を符号生
成器１１４にて求め、その後は先の図１０（ａ）のＬＡ
方式のアルゴリズムのブロックと同一である。

【００１４】ＬＡ方式において、（ｅn ＋νn ）ａn-k
の演算はアナログ量同士の演算であり、ディジタル信号
処理技術では多ビット演算を要するのに対して、ＳＡ方
式においては、sgn （ｅn ＋νn ）が１ビットで表され
るので、演算は極めて簡単になる。しかし、雑音νn の
存在下においては、収束後の残留誤差（電力）が同一と
なる様にステップサイズαc を選ぶと、ＬＡ方式による
方が早い収束が得られることは良く知られている。

【００１５】一方、ＳＡ方式では、ｅn ＋νn の極性を
とるので、大振幅のバースト雑音等観測系に何らかの擾
乱が混入したとしても、その振幅が制限されてＬＡ方式
よりも安定であることが知られている。

【００１６】この様なＬＡ及びＳＡ方式を用いる例とし
て、特開平２−６５３１０号公報に開示の技術がある。
この技術においては、ＬＡアルゴリズムとＳＡアルゴリ
ズムとを予め定められた固定の基準値にて切替えること
により、適応フィルタの収束性を高めるようにしたもの
である。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】従来の特開平２−６５
３１０号公報においては、適応フィルタの収束性を保証
すべくＳＡアルゴリズムを用いるが、予め設定された固
定の基準値になるとアルゴリズムの切替えを行うもので
あるから、収束性の保証は可能であるが、擾乱に対する
耐力である例えば、システムに混入するバースト雑音等
に対して強く安定した適応フィルタを得ることはできな
い。

【００１８】本発明の目的は、充分小さい残留誤差及び
速い収束速度、更に擾乱に対する強さを全て合せ持つ適
応制御ろ波器を提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、既知信
号系列を入力とし未知信号系列の推定値信号系列を出力
する適応制御ろ波器であって、前記未知信号系列と前記
推定値信号系列との誤差信号系列を生成する誤差信号生
成手段と、この誤差信号系列と雑音系列とを加算した和
信号系列を生成する和信号生成手段と、この和信号系列
に応じて前記既知信号系列の各タップにおける値に対す
る乗算すべきタップ係数を生成するタップ係数生成手段
とを含み、このタップ係数生成手段は、前記和信号系列
の平均電力を算出してこの平均電力に応じたレベルの閾
値信号を生成する閾値信号生成手段と、前記和信号系列
の振幅の絶対値が前記閾値信号のレベルよりも小なると
きは前記和信号系列を出力し、大なるときは前記和信号
系列の極性に閾値を乗じた積信号を出力する振幅制御手
段と、前記振幅制御手段の出力と前記既知信号系列の各
タップにおける値との積に予め与えられた修正係数を乗
じる乗算手段と、この乗算出力を前記タップ係数に加算
してこの加算結果を新たなタップ係数とする加算手段と
を有することを特徴とする適応制御ろ波器が得られる。

【００２０】

【００２１】

【作用】誤差信号系列と雑音系列との和信号系列の振幅
の絶対値が当該和信号系列の平均電力に応じた値に対し
て小さいときは、当該和信号系列をそのまま用いてタッ
プ重みの更新を行い、大きいときにはその極性に比例し
た値、若しくは“０”を用いてタップ重みの更新を行う
ものである。

【００２２】和信号系列の平均電力に応じた値（具体的
には、この平均電力のｒｍｓ値に比例した値）を閾値と
して、ＬＡとＳＡとを切替えるものであるから、ＬＡと
ＳＡとの切替わりが円滑に連続的に行われるので、両ア
ルゴリズムの特長が共に生かされるのである。

【００２３】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例について
説明する。

【００２４】本発明の実施例においては、システム構成
は図８，９のそれと同一であるが、タップ係数生成器１
１の具体例が異なり、図１にその例が示されている。
尚、図１において図１０と同等部分は同一符号により示
されている。

【００２５】誤差信号系列ｅn と雑音系列νn との和信
号系列ｅn ＋νn （図８，９参照）はｒｍｓ算出器１１
６へ入力されてその平均電力のｒｍｓ値（ｒｏｏｔ ｍ
ｅａｎ ｓｑｕａｒｅ ｖａｌｕｅ）が算出される。

【００２６】一方、和信号系列はまた振幅制御器１１５
へ入力され、そのときのｒｍｓ値との比較がなされ、そ
の大小に応じた振幅を有する出力信号ｆ（ｅn ＋νn ）
が生成される。

【００２７】この出力信号が乗算器１１０へ入力されて
既知信号系列の各タップ値ａn-k と乗算され、この乗算
出力が乗算器111 により修正係数αc を乗じて修正さ
れ、更に加算器１１２にて１タイムスロット前のタップ
重みＣk ⁽ⁿ⁾ に加算され、新たなタップ重みＣk ⁽ⁿ⁺¹⁾
となる。

【００２８】これを数式で示せば、 Ｃk ⁽ⁿ⁺¹⁾ ＝Ｃk ⁽ⁿ⁾ ＋αc ｆ（ｅn ＋νn ）ａn-k となる。この非線形関数ｆ（ｘ）は一般に図２に示す如
き形をとるものであり、ｘの絶対値がｒｍｓ値よりも小
さくなるときは、ｘの値がそのまま用いられ、大きいと
きにはこの極性に比例した値が用いられる。

【００２９】この非線形関数ｆ（ｘ）のグラフにおい
て、図２の実線や一点領線で示す如く、関数値の上下限
値は固有のパラメータにより任意に変化させることがで
きる。

【００３０】このｆ（ｘ）を実現する最も簡単な方法
は、ｘの絶対値が閾値Ａよりも小さいときはｘを出力
し、大きいときはＡsgn （ｘ）を出力する様な振幅制御
器１１５を用いることにより可能である。

【００３１】すなわち、 ｆ（ｘ）＝ｘ ｜ｘ｜＜Ａ ｆ（ｘ）＝Ａsgn （ｘ） ｜ｘ｜＞Ａ と表すことができ、図３（ｂ）にその形を示し、図３
（ａ）にその実現回路例を示す。

【００３２】図３（ａ）において、入力ｘは２つの比較
回路２００，２０２へ供給され、閾値±Ａと夫々比較さ
れる。選択回路２０１は比較回路２００の比較結果に応
じてＡまたはｘを出力する。すなわち、ｘ＞ＡならばＡ
を、ｘ≦Ａならばｘを夫々選択して出力する。

【００３３】選択回路２０３は比較回路２０２の比較結
果に応じて−Ａまたは選択回路２０１の出力を出力す
る。すなわち、ｘ＜−Ａならば−Ａを、ｘ≧−Ａならば
選択回路２０１の出力を導出する。

【００３４】次に、図１のｒｍｓ算出器１１６について
述べる。一般に適応制御ろ波器の収束の初期には、残留
誤差の平均電力＜ｅn ² ＞は大きい値となるが、収束が
進むと小さくなり最小値になる。そこで、各時刻におい
てｅn ＋νn の平均電力＜（ｅn ＋νn ）² ＞を求め、
その時刻における閾値Ａを、 Ａ＝Ｍ√＜（ｅn ＋νn ）² ＞ として求める。ここに、係数Ｍは（ｅn ＋νn ）の振幅
分布を考えて２前後の値が適切となる。これは、ガウス
分布で近似して標準偏差の２倍程度に閾値Ａを選定する
ことを意味している。

【００３５】尚、＜（ｅn ＋νn ）² ＞の求め方は、例
えば過去のＬ個のｅn ＋νn のデータから平均値、 （１／Ｌ）Σ（ｅn-i ＋νn-i ）² を生成することにより求められる。尚、Σはｉ＝０〜Ｌ
−１の総和である。

【００３６】図１の振幅制御器１１５の他の例として、
図４（ａ）に示す如く、ＤＳＰ（ディジタル信号処理用
プロセッサ）１１７を用いて、図４（ｂ）に示すフロー
チャートにより実現される。

【００３７】非線形関数ｆ（ｘ）の他の例として、図５
（ｂ）に示す如きものを用いることもでき、その数式
は、 ｆ（ｘ）＝ｘ ｜ｘ｜＜Ａ ｆ（ｘ）＝０ ｜ｘ｜＞Ａ となる。その実現例が図５（ａ）に示されている。

【００３８】図５（ａ）においては図３（ａ）の各選択
回路２０１，２０３の入力を“Ａ”の代わりに“０”を
用いることで実現している。尚、図４（ａ）に示したＤ
ＳＰを用いることができることも明白である。

【００３９】振幅制御器１１５の他の例として、図６
（ａ）に示す様な非線形関数ｆ（ｘ）を出力することが
考えられる。図３（ｂ）のｆ（ｘ）では、ｘの絶対値が
Ａを越えると、傾きをα＝１からα＝０に制御すること
で出力振幅を一定値Ａに抑えるものであり、図５（ｂ）
のｆ（ｘ）では、ｘの絶対値がＡを越えると、α＝１か
らα＝−∞に制御することで、出力振幅を一定値０に抑
えるものである。

【００４０】一方、図６（ａ）では、ｘの絶対値がＡを
越えると、傾きαを０〜−∞の任意の値α１やα２に制
御して、出力振幅をＡ〜０の値に抑えるものである。そ
のためには、図４（ａ）のＤＳＰ１１７の動作フローチ
ャートを図６（ｂ）に如く定めることで可能である。
尚、図６（ｂ）においては、ａは正の数であるものとす
る。

【００４１】更に、ＲＯＭテーブルを用い、このＲＯＭ
テーブル内のｘに対応する各アドレス部のエントリにｆ
（ｘ）＝αｘ±ａの関数値を予め算出しておき格納して
おくことでも実現できる。

【００４２】尚、ｒｍｓ算出器１１６（図１）の平均電
力算出部の他の例としては、一般の積分器を用いる他、
漏洩累和器（ｌｅａｋｙ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ）を
用いることができる。図７はこの漏洩累和器の例を示す
図であり、（ｅn ＋νn ）²と１−β（０＜β＜１）と
を乗算器１１８にて乗算し、この乗算出力を加算器１１
９の一入力とする。

【００４３】この加算器１１９の出力を遅延器１２０へ
入力し、１タイムスロット前の値とし、この遅延出力を
乗算器１２１にてβと乗算し、この乗算出力を加算器１
１９の他入力としている。

【００４４】この構成による加算器１１９の出力である
漸化式Ｐｎは、 Ｐｎ＝（１−β）（ｅn ＋νn ）² ＋βＰn-1 と表され、平均電力が求められる。よって、この平均電
力のｒｍｓ値を算出することで、Ａが求まる。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、誤差信号系列と雑音系
列との和信号系列の各時刻における電力値に応じたｒｍ
ｓ値に比例した値を基準の閾値とし、この閾値と和信号
系列の各瞬時振幅とを比較しこの比較結果に応じてＬＡ
とＳＡとの各アルゴリズムの切替えを行うようにしたの
で、ＬＡの有する小さい残留誤差及び速い収束性と、Ｓ
Ａの有するバースト雑音等の擾乱に対する耐力とを備え
た適応制御ろ波器を得ることができるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のブロック図である。

【図２】図１のブロックの振幅制御器１１５の入出力特
性図である。

【図３】（ａ）は振幅制御器１１５の一例を示すブロッ
ク図、（ｂ）はその入出力特性図である。

【図４】（ａ）は振幅制御器１１５の他の例を示すブロ
ック図、（ｂ）はその動作フローチャートである。

【図５】（ａ）は振幅制御器１１５の別の例を示すブロ
ック図、（ｂ）はその入出力特性図である。

【図６】（ａ）は振幅制御器１１５の入出力特性の更に
他の例を示す図、（ｂ）はその実現例を示すフローチャ
ートである。

【図７】図１のブロックのｒｍｓ算出器１１６における
平均電力算出部の一例を示すブロック図である。

【図８】適応制御ろ波器の原理を示す図である。

【図９】適応制御ろ波器の一例のブロック図である。

【図１０】（ａ），（ｂ）は図９のブロックのタップ係
数生成器１１の各例を示す図である。

【符号の説明】

１ 適応制御ろ波器 ２ 減算器 ３，１２，１１２，１１９ 加算器 １１ タップ係数生成器 １１０，１１１，１１８，１２１ 乗算器 １１３ 遅延器 １１４ 符号生成器 １１５ 振幅制御器 １１６ ｒｍｓ算出器 １１７ ＤＳＰ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 既知信号系列を入力とし未知信号系列の
   推定値信号系列を出力する適応制御ろ波器であって、 前記未知信号系列と前記推定値信号系列との誤差信号系
   列を生成する誤差信号生成手段と、この誤差信号系列と
   雑音系列とを加算した和信号系列を生成する和信号生成
   手段と、この和信号系列に応じて前記既知信号系列の各
   タップにおける値に対する乗算すべきタップ係数を生成
   するタップ係数生成手段とを含み、 このタップ係数生成手段は、 前記和信号系列の平均電力を算出してこの平均電力に応
   じたレベルの閾値信号を生成する閾値信号生成手段と、
   前記和信号系列の振幅の絶対値が前記閾値信号のレベル
   よりも小なるときは前記和信号系列を出力し、大なると
   きは前記和信号系列の極性に閾値を乗じた積信号を出力
   する振幅制御手段と、前記振幅制御手段の出力と前記既
   知信号系列の各タップにおける値との積に予め与えられ
   た修正係数を乗じる乗算手段と、この乗算出力を前記タ
   ップ係数に加算してこの加算結果を新たなタップ係数と
   する加算手段とを有することを特徴とする適応制御ろ波
   器。
2. 【請求項２】 前記閾値信号生成手段は、前記和信号系
   列の振幅の平均電力を算出する平均電力算出手段と、こ
   の平均電力の平方根であるｒｍｓ値を算出するｒｍｓ値
   算出手段とを有することを特徴とする請求項１記載の適
   応制御ろ波器。