JP3963747B2 - 信号処理装置、信号受信装置、および信号処理方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、信号処理技術に関し、特にノイズを検出して低減する信号処理装置、信号受信装置、および信号処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
自動車などの移動体に搭載されるFM受信機では、オーディオ信号受信の際に、周囲にある山や高層建築物などの障害物からの電磁波の反射に起因してマルチパスノイズが発生する。このマルチパスノイズは、反射体によって反射された間接波が受信アンテナから直接受信される直接波と合波し、直接波と間接波との位相関係に依存して直接波の一部が反射波によって打ち消されることによって生じる。マルチパスノイズが発生すると、FM受信機から出力される音声信号の品質が著しく低下する。
【0003】
FM検波後の復調信号のマルチパスノイズを除去する方法として、マルチパスノイズの発生区間を検出して、マルチパスノイズの発生前の信号強度を保持することにより、マルチパス区間を補間する前置補間方法が特開2001−36422号公報に開示されている。また電界強度の落ち込みが激しいときに、FM検波後のFM復調信号をミュートする方法がある。
【0004】
また、ステレオ音声における左右チャンネルの分離度を調整するステレオノイズコントロール(SNC)や、高周波成分を除去するハイカットコントロール(HCC)により弱電界時におけるFM復調信号のS/N比を改善する方法も従来からよく知られている。マルチパスノイズの場合、直接波と間接波の干渉によって検波出力にマルチパス歪み、すなわちノイズが現れるが、このノイズは高域成分であるL−Rサブ信号帯域、L+Rメイン信号帯域に著しく現れるため、SNCやHCCによる処理にはマルチパスノイズの低減効果がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マルチパスノイズの程度によっては、SNCやHCCを十分に利かせても耳障りなノイズが残留する場合がある。一方、マルチパス区間に対してFM復調信号を前置補間する方法やミュートする方法では、マルチパスによって生じたパルス状波形に対して効果が得られるが、PLL検波を用いた時に生じるある一定区間位相がずれた波形に対してもフィルタリング処理が作用してしまい、原信号そのものを誤って除去するという問題がある。さらには、マルチパス区間を検出するためのパラメータの設定が不適切な場合、マルチパスの検出区間がずれることにより、ノイズが残留する場合がある。
【0006】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたもので、その目的は、ノイズを検出して低減することのできる信号処理技術の提供にある。また別の目的は、FM受信におけるマルチパスノイズを低減する信号受信技術の提供にある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明のある態様は信号処理装置に関する。この装置は、入力信号を減衰処理して出力信号を生成するノイズ低減処理部を含む。前記ノイズ低減処理部は、現サンプリング時の前記入力信号の強度と過去のサンプリング時における前記出力信号の強度の差が所定の閾値を超えるか否かを判定してノイズを検出する差分判定部と、前記ノイズが検出された場合に、現サンプリング時の前記入力信号を減衰させて現サンプリング時における前記出力信号を生成する減衰処理部とを含む。
【0008】
出力信号は、入力信号に対してノイズを低減するための減衰処理が施された後の信号である。もっともノイズが検出されなかった場合は、入力信号に減衰処理が施されないので出力信号は入力信号と同じである。入力信号および出力信号の強度は、それらの信号の振幅の測定値であってもよく、あるいは振幅の絶対値または自乗であってもよい。現在の入力信号の強度と過去の出力信号の強度の差の大きさを評価する際に用いられる閾値は、たとえば通常の有意な信号の強度の範囲を十分に超える大きさをもつ値に設定されてもよい。
【0009】
前記差分判定部は、現サンプリング時の前記入力信号の強度と過去の複数のサンプリング時における前記出力信号の強度のそれぞれとの差分を算出し、それぞれの差分が所定の閾値を超えるか否かを判定してノイズを検出してもよい。たとえば、現サンプリング時nの入力信号の強度x(n)と1サンプリング前の出力信号の強度y(n−1)との差分が第1の閾値Aを超えるか否かの判定と、現サンプリング時nの入力信号の強度x(n)と2サンプリング前の出力信号の強度y(n−2)との差分が第2の閾値Bを超えるか否かの判定と、現サンプリング時nの入力信号の強度x(n)と3サンプリング前の出力信号の強度y(n−3)との差分が第3の閾値Cを超えるか否かの判定とを組み合わせて評価し、ノイズの発生の有無を検出してもよい。第1の閾値A、第2の閾値B、および第3の閾値Cはこの順に大きくなる値に設定されてもよい。
【0010】
前記ノイズ低減処理部は、前記入力信号を所定のサンプリング期間について平滑化する平滑化処理部をさらに含み、前記差分判定部と前記減衰処理部は平滑化後の前記入力信号に対して処理を行ってもよい。前記平滑化処理部は、ある一定の期間について前記入力信号の移動平均を計算することにより、前記入力信号を平滑化してもよい。前記平滑化処理部は、ローパスフィルタ等を用いて前記入力信号の高周波成分を除去することにより、前記入力信号を平滑化してもよい。
【0011】
前記信号処理部は、前記ノイズ低減処理部における前記入力信号の強度の減衰率を前記入力信号の強度をもとに適応的に設定する減衰率設定部をさらに含んでもよい。現サンプリング時の入力信号の強度の減衰率を過去のサンプリング時の入力信号の強度をもとに設定してもよい。
【0012】
本発明の別の態様は信号受信装置に関する。この装置は、受信されたFM送信電波をもとにFM復調信号を出力するFM検波部と、前記FM復調信号のノイズを低減して出力する信号処理部と、受信された前記FM送信電波においてマルチパスノイズの発生しうる期間を検出し、その期間において前記信号処理部を作動させるマルチパス検出部と、前記信号処理部が作動している間はその出力を、前記信号処理部が作動していない間は前記FM復調信号をステレオ復調して出力するステレオ復調部とを含む。前記信号処理部は、前記FM復調信号を入力信号として減衰処理して出力信号を生成するノイズ低減処理部を含み、前記ノイズ低減処理部は、現サンプリング時の前記入力信号の強度と過去のサンプリング時における前記出力信号の強度の差が所定の閾値を超えるか否かを判定してノイズを検出する差分判定部と、前記ノイズが検出された場合に、現サンプリング時の前記入力信号を減衰させて現サンプリング時における前記出力信号を生成する減衰処理部とを含む。差分判定に用いられる閾値は、いわゆるマルチパスノイズとして認識される、非常に大きく、かつ耳障りなノイズの強度に相当する値に設定されてもよい。
【0013】
本発明のさらに別の態様は信号処理方法に関する。この方法は、入力信号の強度が大きく変化する期間を検出し、その期間に限り、前記入力信号に対してノイズを低減するためのフィルタリング処理を施して出力信号を生成する。前記フィルタリング処理は、現サンプリング時の前記入力信号の強度と過去のサンプリング時における前記出力信号の強度の差分をサンプリングごとに逐次算出して、前記差分が所定の閾値を超えた場合に、現サンプリング時の前記入力信号を減衰させて現サンプリング時における前記出力信号を生成する工程を含んでもよい。
【0014】
前記ノイズの発生しうる期間を検出する前処理工程をさらに含み、前記前処理工程において検出された前記期間において前記入力信号に前記フィルタリング処理が施されてもよい。これにより、前処理工程で検出されるノイズの発生期間に多少のずれが生じていたとしても、その後の前記フィルタリング処理において閾値判定にもとづく減衰処理がなされるので、原信号を誤って除去することなくノイズの低減が可能である。
【0015】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1は、実施の形態に係るFM受信装置の構成を示す。受信されたFM送信電波は図示しないフロントエンド部において中間周波数(IF)信号10に変換される。FM検波部12はこのIF信号10をFM復調してステレオコンポジット信号13(以下、単にコンポジット信号という)を出力する。
【0017】
信号処理部24は、FM検波部12から受け取ったコンポジット信号13に対して必要に応じてマルチパスノイズを除去する処理を施し、ステレオ復調部22に与える。信号処理部24は、マルチパスノイズ低減処理部14と、減衰率設定部16と、切替部20とを含む。
【0018】
マルチパスノイズ低減処理部14は、コンポジット信号13に対してマルチパスノイズを低減するための後述の減衰処理を適宜施して、出力信号21を生成する。減衰率設定部16は、コンポジット信号13の振幅にもとづいて、マルチパスノイズ低減処理部14における減衰処理で用いられる減衰率15を求め、マルチパスノイズ低減処理部14にその減衰率15を設定する。
【0019】
マルチパス検出部18は、シグナルメーター17(以下、Sメーターという)のAC成分にもとづいてマルチパスノイズの発生しうる区間(以下、マルチパス区間という)を検出し、その区間においてマルチパスノイズ低減処理部14の作動を許可するための切替信号19を切替部20に供給する。マルチパス検出に用いられる信号は、Sメーター17に限られず、マルチパスが検出できれば他の信号でもよい。
【0020】
切替部20は、マルチパス検出部18から与えられる切替信号19にもとづいて、マルチパス区間では、マルチパスノイズ低減処理部14から減衰処理後の信号として出力される出力信号21を、それ以外の区間では、FM検波部12から出力されるコンポジット信号13をステレオ復調部22に入力するように、ステレオ復調部22の入力信号23の切替制御を行う。ステレオ復調部22は、入力信号23をステレオ復調してオーディオ信号を出力する。
【0021】
図2は、マルチパスノイズ低減処理部14の機能構成図である。平滑化処理部30は、コンポジット信号13をサンプリングし、ある一定のサンプリング期間についてコンポジット信号13の振幅の移動平均を計算することにより、コンポジット信号13を平滑化して出力する。平滑化処理として移動平均以外の方法を用いてもよい。
【0022】
差分計算部31は、現サンプリング時における平滑化されたコンポジット信号13の振幅と過去のサンプリング時における出力信号21の振幅の差分をサンプリングごとに算出する。差分判定部32は、差分計算部31が算出した差分と所定の閾値を比較することにより、マルチパスノイズの発生の有無を検出し、マルチパスノイズが発生している場合に、減衰処理部34の作動を許可するための切替信号37を切替部36に供給する。減衰処理部34は、減衰率設定部16から設定される減衰率15にもとづいて現サンプリング時における平滑化されたコンポジット信号13を減衰させて出力する。
【0023】
切替部36は、差分判定部32から与えられる切替信号37にもとづいて、マルチパスノイズが発生していない場合には、コンポジット信号13を、マルチパスノイズが発生している場合には、減衰処理部34により減衰処理された信号35を出力するように、出力信号21の切替制御を行う。このようにマルチパスノイズの検出結果に応じて適宜減衰処理がなされた結果が切替部36を介して切替部20へ出力される。この出力信号21は、さらに切替部20を介してステレオ復調部22に供給される。またこの出力信号21の振幅の値は、図示しないメモリに一時的に記憶され、差分計算部31において差分を求める際に、過去のサンプリング時における出力信号21の振幅の値として利用される。
【0024】
図3(a)、(b)は、減衰率設定部16の機能構成図である。図3(a)の機能構成では、入力されたコンポジット信号13は絶対値算出部40にて絶対値化され、ループフィルタ42により低域成分が通過し、大まかな振幅が推定される。さらに正規化部44において一定の値の範囲内に収まるように正規化された後に、加算部46により定数との差分が計算されて、最後にリミッタ48にて定められた上限にもとづいて減衰率15が出力される。
【0025】
図3(b)に減衰率設定部16の別の機能構成を示す。入力されたコンポジット信号13に対する絶対値算出部40およびループフィルタ42の処理は図3(a)と同様であり、その出力値はリミッタ48により値の範囲制限を受けた後、テーブル参照部50に入力される。テーブル参照部50は振幅値と減衰率を対応づけたテーブルを参照することにより、振幅から減衰率15を直接決定して出力する。この構成において、ループフィルタ42は、他のローパスフィルタであってもよい。
【0026】
以上の構成によるFM受信装置によるマルチパスノイズ低減手順を図4および図5のフローチャートと図6から図9のグラフを参照しながら説明する。
【0027】
図4は、マルチパス検出とマルチパスノイズ低減処理の全体の流れを説明するフローチャートである。マルチパス検出部18は、Sメーター17をもとにマルチパスノイズの発生区間を検出する(S100)。図6は、マルチパスノイズの発生区間の説明図である。グラフは、コンポジット信号13の振幅の時間経過を表している。区間60、61、62においてマルチパスノイズが発生している。マルチパスノイズは、巨視的に見た場合このようなエンベロープにより表される比較的長い時間幅を有しており、この時間幅をもった区間がマルチパス区間として検出される。
【0028】
図4に戻り、マルチパス区間が検出された場合(S100のY)、マルチパス検出部18は切替信号19を切替部20に与えることにより、マルチパスノイズ低減処理部14の作動を許可する。マルチパスノイズ低減処理部14は、マルチパス区間において、コンポジット信号13に対してマルチパスノイズを低減する処理を施す(S110)。マルチパス区間が終了すれば、再びステップS100に戻り、マルチパス検出部18により次のマルチパス区間が検出されるまで、ステップS110のマルチパスノイズ低減処理は中断される。このようにマルチパス検出とマルチパスノイズ低減処理を繰り返すことにより、コンポジット信号13に対して、マルチパス区間においてのみマルチパスノイズの低減処理が施される。
【0029】
図5は、図4のステップS110のマルチパスノイズ低減処理の詳細な手順を説明するフローチャートである。マルチパスノイズ低減処理部14の差分判定部32は、コンポジット信号13をサンプリングして、サンプリング時刻nにおける入力信号X(n)を得る(S10)。サンプリング時刻nの入力信号X(n)に対して必要に応じて減衰処理が施された後の信号を出力信号Y(n)とすると、差分判定部32は、入力信号X(n)と、1サンプリング前、2サンプリング前、3サンプリング前の出力信号Y(n−1)、Y(n−2)、Y(n−3)との差分をそれぞれ計算する(S12)。さらに差分判定部32は、これらの差分の絶対値が所定の閾値より大きいかどうかを判定することによりマルチパスノイズを検出する(S14)。
【0030】
この判定は、次の不等式が成り立つかどうかを評価することで行われる。
|X(n)−Y(n−1)|>閾値A ・・・(1)
|X(n)−Y(n−2)|>閾値B ・・・(2)
|X(n)−Y(n−3)|>閾値C ・・・(3)
【0031】
この判定によりマルチパスノイズが検出される仕組みを図7と図8を参照して説明する。図7は、図6のマルチパス区間の一部を拡大した図である。マルチパス区間は、微視的に見た場合、位相ずれがある一定区間生じたことによるノイズが発生している区間80、81、82と、ノイズが発生していない有意な信号の区間70、71、72、73とを有する。マルチパスノイズを除去するためには、マルチパス区間における信号波形の急峻なピークを検出する必要がある。
【0032】
図8は、急峻なピークを検出するための差分判定を説明する図である。差分判定部32は、サンプリング時刻nにおける入力信号X(n)の振幅が有意の信号の振幅と比べて、異常に大きい値に変化しているかどうかを、過去のサンプリング時の出力信号との差を評価することにより判定する。過去のサンプリング時の出力信号は、すでに必要に応じて減衰処理がなされた後の信号であるから、それと比較して、有意な信号の振幅の範囲を十分に超えていれば、現サンプリング時nの入力信号X(n)は急峻なピークにあると判断できる。
【0033】
過去のサンプリング時として、上記の不等式(1)〜(3)では、3サンプリング前までの出力信号Y(n−1)、Y(n−2)、Y(n−3)を用いたが、さらに前のサンプリング時刻の出力信号を用いて、同様の差分判定を行ってもよく、逆に1サンプリング前の出力信号Y(n−1)のみを用いて差分判定を行ってもよい。
【0034】
図5に戻り、差分判定部32は、上記の3つの不等式(1)〜(3)のうち、いずれかひとつでも満足する場合、マルチパスノイズであると判断し(S14のY)、減衰処理部34は、サンプリング時刻nの入力信号X(n)に対して次の式で表される減衰処理を行い、出力信号Y(n)を出力する(S16)。
【0035】
Y(n)=α×X(n)
ただし、αは減衰率設定部16により設定される減衰率15であり、0以上1未満の値をとる。
【0036】
差分判定部32は、3つの不等式(1)〜(3)のいずれも満足しない場合、マルチパスノイズではないと判断し(S14のN)、減衰処理部34は、次の式のように、入力信号X(n)に減衰処理を施さないでそのまま出力信号Y(n)として出力する(S18)。すなわちこの場合、Y(n)=X(n)である。
【0037】
マルチパスノイズかどうかの判定にあたって、3つの不等式(1)〜(3)における第1、第2、第3の閾値A、B、Cは経験的に最適な値に設定される。上記では3つの不等式(1)〜(3)のいずれかひとつでも満足すれば減衰処理を行ったが、3つの不等式(1)〜(3)の成立状態の任意の組み合わせにより減衰処理をするかどうかを決めてもよい。なお、実験では3つの不等式(1)〜(3)の第1、第2、第3の閾値A、B、CについてA≦B≦Cを満たす値に設定し、不等式(1)〜(3)のいずれかひとつを満たす時に減衰処理を行った場合に好ましい結果が得られた。
【0038】
図5に戻って、必要に応じてサンプリング時刻nの入力信号X(n)の減衰処理がなされた後、サンプリング時刻nが1だけインクリメントされ(S20)、マルチパスノイズ低減処理の停止条件が確認される(S22)。停止条件の確認は、マルチパス検出部18からの切替信号19にもとづいてまだマルチパス区間内であるかどうかを判断することで行われる。停止する場合(S22のY)、マルチパスノイズ低減処理を終了し、停止しない場合(S22のN)、ステップS10にもどり、一連のマルチパスノイズ低減処理を繰り返す。
【0039】
図9は、図7のコンポジット信号に対してマルチパス低減処理が施された後の出力信号の波形である。図7の急峻なピークが除去されていることがわかる。
【0040】
以上述べたように、実施の形態によれば、モノラル化や高周波成分除去などのノイズ対策ではなお残留するマルチパスノイズを低減することが可能である。とくにマルチパス区間が検出された場合に、その区間においてさらにマルチパスノイズの有無を判定し、マルチパスノイズを低減するための減衰処理を行うので、マルチパスの検出感度を上げすぎた場合でも、その影響を受けずにマルチパスノイズを適切に除去することができ、ノイズの残留を防ぐとともに、原信号を誤って除去することを防ぐことができる。
【0041】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。また各構成要素は機能ブロックとして図示されており、これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組み合わせによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。
【0042】
そのような変形例として、実施の形態では、図2のように平滑化処理部30がマルチパスノイズ低減処理部14に設けられたが、平滑化処理部30をFM検波部12の直後に設けて、FM検波部12の出力するコンポジット信号13をまず平滑化する構成にして、マルチパス区間以外でもコンポジット信号13の平滑化を行い、切替部20を介してステレオ復調部22に入力するようにしてもよい。
【0043】
また実施の形態では、受信信号がステレオ信号の場合を説明したが、モノラル信号に対しても本発明のマルチパスノイズ低減処理を適用することができる。
【発明の効果】
本発明によれば、ノイズを検出して適切に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施の形態に係るFM受信装置の構成図である。
【図2】 図1のマルチパスノイズ低減処理部の機能構成図である。
【図3】 図3(a)、(b)は、図1の減衰率設定部の機能構成図である。
【図4】 マルチパス検出とマルチパスノイズ低減処理の全体の流れを説明するフローチャートである。
【図5】 図4のマルチパスノイズ低減処理の詳細な手順を説明するフローチャートである。
【図6】 マルチパスノイズの発生区間の説明図である。
【図7】 図6のマルチパス区間の一部を拡大した図である。
【図8】 急峻なピークを検出するための差分判定を説明する図である。
【図9】 マルチパス低減処理が施された後の出力信号の波形を説明する図である。
【符号の説明】
10 IF信号、 12 FM検波部、 13 コンポジット信号、 14 マルチパスノイズ低減処理部、 15 減衰率、 16 減衰率設定部、 17Sメーター、 18 マルチパス検出部、 19 切替信号、 20 切替部、 21 出力信号、 22 ステレオ復調部、 24 信号処理部、 30 平滑化処理部、 32 差分判定部、 34 減衰処理部、 40 絶対値算出部、 42 ループフィルタ、 44 正規化部、 46 加算部、 48 リミッタ、 50 テーブル参照部。
Claims (4)
- 入力信号を減衰処理して出力信号を生成するノイズ低減処理部を含む信号処理装置であって、
前記ノイズ低減処理部は、
現サンプリング時の前記入力信号の強度と過去のサンプリング時における前記出力信号の強度の差が所定の閾値を超えるか否かを判定してノイズを検出する差分判定部と、
前記ノイズが検出された場合に、現サンプリング時の前記入力信号を減衰させて現サンプリング時における前記出力信号を生成する減衰処理部とを含み、
前記差分判定部は、現サンプリング時nの入力信号の強度x(n)と1サンプリング前の出力信号の強度y(n−1)との差分が第1の閾値Aを超えるか否かの判定と、現サンプリング時nの入力信号の強度x(n)と2サンプリング前の出力信号の強度y(n−2)との差分が第2の閾値Bを超えるか否かの判定と、現サンプリング時nの入力信号の強度x(n)と3サンプリング前の出力信号の強度y(n−3)との差分が第3の閾値Cを超えるか否かの判定を行い、前記第1の閾値A、第2の閾値B、および第3の閾値Cはこの順に大きくなる値に設定されることを特徴とする信号処理装置。 - 前記ノイズ低減処理部は、前記入力信号を所定のサンプリング期間について平滑化する平滑化処理部をさらに含み、前記差分判定部と前記減衰処理部は平滑化後の前記入力信号に対して処理を行うことを特徴とする請求項1に記載の信号処理装置。
- 前記ノイズ低減処理部における前記入力信号の強度の減衰率を前記入力信号の強度をもとに適応的に設定する減衰率設定部をさらに含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の信号処理装置。
- 受信されたFM送信電波をもとにFM復調信号を出力するFM検波部と、
前記FM復調信号のノイズを低減して出力する信号処理部と、
受信された前記FM送信電波においてマルチパスノイズの発生しうる期間を検出し、その期間において前記信号処理部を作動させるマルチパス検出部と、
前記信号処理部が作動している間はその出力を、前記信号処理部が作動していない間は前記FM復調信号をステレオ復調して出力するステレオ復調部を含み、
前記信号処理部は、前記FM復調信号を入力信号として減衰処理して出力信号を生成するノイズ低減処理部を含み、
前記ノイズ低減処理部は、
現サンプリング時の前記入力信号の強度と過去のサンプリング時における前記出力信号の強度の差が所定の閾値を超えるか否かを判定してノイズを検出する差分判定部と、前記ノイズが検出された場合に、現サンプリング時の前記入力信号を減衰させて現サンプリング時における前記出力信号を生成する減衰処理部を含み、
前記差分判定部は、現サンプリング時nの入力信号の強度x(n)と1サンプリング前の出力信号の強度y(n−1)との差分が第1の閾値Aを超えるか否かの判定と、現サンプリング時nの入力信号の強度x(n)と2サンプリング前の出力信号の強度y(n−2)との差分が第2の閾値Bを超えるか否かの判定と、現サンプリング時nの入力信号の強度x(n)と3サンプリング前の出力信号の強度y(n−3)との差分が第3の閾値Cを超えるか否かの判定を行い、前記第1の閾値A、第2の閾値B、および第3の閾値Cはこの順に大きくなる値に設定されることを特徴とする信号受信装置。
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