JP4330152B2 - 無線信号用立ち上がり検出方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、主として無線機で受信される無線信号の立ち上がり検出を行う技術に係り、詳しくはＦＭ（周波数変調）検波出力における低周波数領域と高周波数領域とのエネルギー比が無信号時と信号到来時とで異なることを利用してプレストーク型等の断続した送信を行う無線機からの無線信号の立ち上がり検出を精度良く行う無線信号用立ち上がり検出方法及び装置に関する。

従来、一般に無線機で受信される無線信号の有無を検出する無線信号用検出装置としては、例えば誤判断確率を最小にする最適閾値レベルを設定して他の無線局から到来する信号波（干渉波）の有無を判断できる信号検出装置（特許文献１参照）が挙げられる。

この信号検出装置では、最適な閾値レベルを自動的に設定する手段（閾値レベルを逐次適応的に変化させることができる）を備え、各チャネル毎の信号波を包絡線検波して信号検出の誤りを最小化できるようにしている。

特開平０５−１４５４６０号公報（要約）

上述した特許文献１に係る信号検出装置の場合、基本機能として閾値レベルを適切なレベルに設定するためには、信号の立ち上がりの瞬間という非常に短い時間スケールと比べて長時間の測定を必要とするものであるため、信号の立ち上がりの瞬間においては閾値レベルが必ずしも適切なレベルでないことが多く、これにより実際の無線通信環境下では信号の立ち上がりの瞬間を正確に検出することが困難になっているという問題がある。

即ち、包絡線検波を活用して無線信号の有無を検出（包絡線検波出力が所定の閾値レベル以上か否かにより無線信号の有無を検出）する場合、フェージングや外来雑音等の使用環境における依存性が強く、包絡線検波の性質からしばしば使用環境の変化に追従できないことがあり、こうした場合に実際の空間で無線信号の立ち上がりの瞬間を正確に安定して検出することが困難になっている。

具体的に言えば、無線信号の送信信号に相加性白色ガウス雑音が加わった場合の受信機で受信処理して得られる受信信号（中間周波数信号）を仮定すると、無信号時の包絡線における確率密度関数はレイリー分布を示し、信号到来時の包絡線における確率密度関数は仲上・ライス分布を示す。この２つの分布特性を正確に測定することにより最も誤りが少ない最適な閾値レベルを設定することができる。但し、ここでの無信号時の包絡線における確率密度関数（レイリー分布）は、相加性白色ガウス雑音信号の平均電力に依存し、信号到来時の包絡線における確率密度関数（仲上・ライス分布）は、受信信号の振幅と相加性白色ガウス雑音信号の平均電力とに依存する。

そこで、実際の使用環境を想定すると、フェージングによる包絡線の変動，外来雑音の変化等により正確にこれらの２つの分布特性を得るためには非常に長時間に及ぶデータの観測（測定）を行う必要があって、使用環境の変化（フェージングの変化，外来雑音の変化，捕捉しようと思っている無線機の変化等）に追従できないことにより、現実的には使用環境に拘らず無線信号の立ち上がりの瞬間を安定して正確に検出することが困難になっている。

本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、使用環境に拘らず無線信号の立ち上がりの瞬間を安定して正確に検出し得る無線信号用立ち上がり検出方法及び装置を提供することにある。

本発明によれば、受信される無線信号の立ち上がり検出を行う無線信号用立ち上がり検出方法において、無線信号の複素包絡信号をＦＭ検波処理によりＦＭ検波信号に変換するＦＭ検波処理段階と、ＦＭ検波信号の低域周波数成分を濾波して低域周波数信号を取得する低域濾波段階と、ＦＭ検波信号の高域周波数成分を濾波して高域周波数信号を取得する高域濾波段階と、低域濾波段階で得られた低域周波数信号と高域濾波段階で得られた高域周波数信号とを比較して比較信号を取得する比較段階と、比較信号の出力結果を所定の閾値と比較した結果に基づいて立ち上がり検出処理を行う立ち上がり検出処理段階とを有する無線信号用立ち上がり検出方法が得られる。

一方、本発明によれば、受信される無線信号の立ち上がり検出を行う無線信号用立ち上がり検出装置において、無線信号の複素包絡信号をＦＭ検波処理によりＦＭ検波信号に変換して出力するＦＭ検波回路と、ＦＭ検波信号の低域周波数成分を濾波して低域周波数信号を出力するＬＰＦと、ＦＭ検波信号の高域周波数成分を濾波して高域周波数信号を出力するＨＰＦと、低域周波数信号と高域周波数信号とを比較して比較信号を出力する比較器と、比較信号の出力結果を所定の閾値と比較した結果に基づいて立ち上がり検出処理を行う立ち上がり検出処理回路とを備えた無線信号用立ち上がり検出装置が得られる。

又、本発明によれば、上記無線信号用立ち上がり検出装置において、低域周波数信号を所定の割合で増幅して波形整形する第１の信号増幅整形回路と、高域周波数信号を所定の割合で増幅して波形整形する第２の信号増幅整形回路とを備え、比較器は、第１の信号増幅整形回路で低域周波数信号を波形整形した信号と第２の信号増幅整形回路で高域周波数信号を波形整形した信号とを比較することにより比較信号を出力する無線信号用立ち上がり検出装置が得られる。

更に、本発明によれば、上記無線信号用立ち上がり検出装置において、第１の信号増幅整形回路は、低域周波数信号を２乗する第１の乗算器と、低域周波数信号を第１の乗算器で２乗した信号を波形整形としてスムージング処理により平滑化する第１のスムージング処理回路とを備えて成り、第２の信号増幅整形回路は、高域周波数信号を２乗する第２の乗算器と、高域周波数信号を第２の乗算器で２乗した信号を波形整形としてスムージング処理により平滑化する第２のスムージング処理回路とを備えて成る無線信号用立ち上がり検出装置が得られる。

加えて、本発明によれば、上記無線信号用立ち上がり検出装置において、無線信号は、断続した送信信号を受信したものであり、ＦＭ検波回路は、無線信号を受信機により受信処理して出力される中間周波数信号をＡ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換することにより複素包絡信号として出力されるデジタル複素包絡信号を入力してＦＭ検波処理を行うことによりＦＭ検波信号へと変換出力する無線信号用立ち上がり検出装置が得られる。

又、本発明によれば、上記無線信号用立ち上がり検出装置において、ＦＭ検波回路は、ＦＭ検波処理を行うための回路構成として、差動型のもの，ＦＩＲフィルタ型のもの，双線形変換型のものの何れか一つを持つ無線信号用立ち上がり検出装置が得られる。

更に、本発明によれば、上記無線信号用立ち上がり検出装置において、ＦＭ検波回路は、ＦＭ検波処理を行うための差動型の回路構成として、デジタル複素包絡信号から検波処理により瞬時位相を算出した瞬時位相信号を出力する瞬時位相検波処理部と、瞬時位相信号を所定の時間だけ遅延した遅延瞬時位相信号を出力する遅延器と、瞬時位相信号と遅延瞬時位相信号とを減算したものを瞬時位相の時間微分を示すＦＭ検波信号として出力する減算器とを備えた無線信号用立ち上がり検出装置が得られる。

本発明の無線信号用立ち上がり検出方法の場合、低周波数領域と高周波数領域とのエネルギー比が無信号時と信号到来時とで異なるＦＭ検波出力を利用して無線信号の立ち上がりを検出するために、無線信号の複素包絡信号をＦＭ検波処理段階でＦＭ検波処理によりＦＭ検波信号に変換し、低域濾波段階でＦＭ検波信号の低域周波数成分を濾波して低域周波数信号を取得すると共に、高域濾波段階でＦＭ検波信号の高域周波数成分を濾波して高域周波数信号を取得するようにした上、比較段階で低域周波数信号と高域周波数信号とを比較して得られる比較信号の出力結果を立ち上がり検出処理段階で所定の閾値と比較した結果に基づいて立ち上がり検出処理するようにしているため、フェージングや外来雑音等の使用環境の変化に依存せずに無線信号の立ち上がりの瞬間を安定して正確に検出することができるようになる。特に、本発明の無線信号用立ち上がり検出方法によれば、ＦＭ検波出力であるＦＭ検波信号が無線信号の包絡線に依存しないためにフェージングによる包絡線の変化を無視でき、しかもＦＭ検波信号には受信波のＳＮ比が一定以上のときにはＳＮを改善できる効果があるために外来雑音に強いという特徴を持つ他、ＦＭ検波処理により周波数情報を求めているために既知の高速フーリエ変換によって周波数スペクトラムを求める方法よりも演算処理の負荷が軽減化され、ＦＭ検波処理段階において容易な回路構成で瞬時位相を算出してその時間微分を示すＦＭ検波信号が得られるようになり、結果として係る検出方法を適用した検出装置においても、プレストーク型等の断続した送信を行う無線機からの無線信号の立ち上がり検出を精度良く安定して行うことができる機能が簡易にして安価なハードウェア構成で構築されるようになる。

本発明の最良の形態に係る無線信号用立ち上がり検出方法は、技術概要として、受信される無線信号の立ち上がり検出を行う際、無線信号の複素包絡信号をＦＭ検波処理によりＦＭ検波信号に変換するＦＭ検波処理段階と、ＦＭ検波信号の低域周波数成分を濾波して低域周波数信号を取得する低域濾波段階と、ＦＭ検波信号の高域周波数成分を濾波して高域周波数信号を取得する高域濾波段階と、低域濾波段階で得られた低域周波数信号と高域濾波段階で得られた高域周波数信号とを比較して比較信号を取得する比較段階と、比較信号の出力結果を所定の閾値と比較した結果に基づいて立ち上がり検出処理を行う立ち上がり検出処理段階とを有するものである。

又、この検出方法を適用した無線信号用立ち上がり検出装置は、受信される無線信号の立ち上がり検出を行う機能を持つもので、無線信号の複素包絡信号をＦＭ検波処理によりＦＭ検波信号に変換して出力するＦＭ検波回路と、ＦＭ検波信号の低域周波数成分を濾波して低域周波数信号を出力するＬＰＦと、ＦＭ検波信号の高域周波数成分を濾波して高域周波数信号を出力するＨＰＦと、低域周波数信号と高域周波数信号とを比較して比較信号を出力する比較器と、比較信号の出力結果を所定の閾値と比較した結果に基づいて立ち上がり検出処理を行う立ち上がり検出処理回路とを備えるものである。

更に、この無線信号用立ち上がり検出装置において、低域周波数信号を所定の割合で増幅して波形整形する第１の信号増幅整形回路と、高域周波数信号を所定の割合で増幅して波形整形する第２の信号増幅整形回路とを備え、比較器により第１の信号増幅整形回路で低域周波数信号を波形整形した信号と第２の信号増幅整形回路で高域周波数信号を波形整形した信号とを比較することにより比較信号を出力するようにすることが好ましい。比較器としては、第１の信号増幅整形回路で低域周波数信号を波形整形した信号から第２の信号増幅整形回路で高域周波数信号を波形整形した信号を減算することにより減算信号を出力する減算器を用いるのが好適である。

図１は、本発明の無線信号用立ち上がり検出装置に備えられるＦＭ検波回路でＦＭ検波処理されるＦＭ検波信号（ＦＭ検波出力）における無信号時及び信号到来時についての周波数［Ｈｚ］に対する信号レベル［ｄＢ］の特性図を示したものである。又、図２は、図１に示す特性図における低周波数領域を拡大して示した低周波数側特性図である。

これらの各図では、ＦＭ検波回路において、無信号時には周波数特性が平坦で比較的高信号レベルの白色雑音がＦＭ検波信号として出力され、信号到来時には立ち上がり波形や比較的低い信号レベルの音声波形がＦＭ検波信号として出力され、特に信号到来時における立ち上がりの波形については低域周波数側寄りにエネルギーが集中することを示している。従って、ＦＭ検波信号の低域周波数側通過エネルギーと高域周波数側通過エネルギーとの違い（即ち、ＦＭ検波出力の低周波数領域と高周波数領域とのエネルギー比が無信号時と信号到来時とで異なること）を利用すれば、無線信号の立ち上がりの瞬間を安定して正確に検出することが可能となる。

図３は、本発明の実施例１に係る無線信号用立ち上がり検出装置１０の基本構成を示した簡易回路ブロック図である。

この無線信号用立ち上がり検出装置１０は、アンテナ１により受信される無線信号を受信機２により受信処理して出力される受信信号（中間周波数信号）をＡ／Ｄ変換器３でＡ／Ｄ変換することにより複素包絡信号としてデジタル複素包絡信号を出力するタイプのプレストーク型等の断続した送信を行う無線機向けのもので、デジタル複素包絡信号をＦＭ検波処理によりＦＭ検波信号に変換して出力するＦＭ検波回路１１と、ＦＭ検波信号の低域周波数成分を濾波して低域周波数信号を出力するＬＰＦ１２と、低域周波数信号を２乗する第１の乗算器１３と、低域周波数信号を第１の乗算器１３で２乗した信号を波形整形としてスムージング処理により平滑化する第１のスムージング処理回路１４と、ＦＭ検波信号の高域周波数成分を濾波して高域周波数信号を出力するＨＰＦ１５と、高域周波数信号を２乗する第２の乗算器１６と、高域周波数信号を第２の乗算器１６で２乗した信号を波形整形としてスムージング処理により平滑化する第２のスムージング処理回路１７と、低域周波数信号を波形整形した信号から高域周波数信号を波形整形した信号を減算することにより減算信号を出力する減算器１８と、減算信号の出力結果を所定の閾値と比較した結果に基づいて立ち上がり検出処理を行う立ち上がり検出処理回路１９とを備えて構成される。

このうち、第１の乗算器１３及び第１のスムージング処理回路１４は、ＬＰＦ１２から出力される低域周波数信号を所定の割合で増幅して波形整形する第１の信号増幅整形回路として働く。同様に、第２の乗算器１６及び第２のスムージング処理回路１７は、ＨＰＦ１５から出力される高域周波数信号を所定の割合で増幅して波形整形する第２の信号増幅整形回路として働く。

この無線信号用立ち上がり検出装置１０の場合、プレストーク型等の断続した送信を行う無線機にあって、アンテナ１で受信された無線信号を受信機２により受信処理して中間周波数信号の受信信号とし、更にＡ／Ｄ変換器３で受信信号をＡ／Ｄ変換して得られるデジタル複素包絡信号を入力するものであるが、先ずＦＭ検波回路１１ではＦＭ検波処理によりＡ／Ｄ変換器３から出力されるデジタル複素包絡信号をＦＭ検波信号に変換して出力する。

このＦＭ検波信号は、分岐されて一方のものがＬＰＦ１２に入力され、他方のものがＨＰＦ１５に入力される。ＬＰＦ１２では、ＦＭ検波信号の低域周波数成分のみを濾波して低域周波数信号を出力する。この低域周波数信号は第１の乗算器１３に入力され、乗算器１３では低域周波数信号を２乗することで低域周波数エネルギー信号に変換して第１のスムージング処理回路１４へ送出し、スムージング処理回路１４では低域周波数エネルギー信号を適切値に平滑化して低域周波数信号の波形整形した信号を出力する。

これに対し、ＨＰＦ１５では、ＦＭ検波信号の高域周波数成分のみを濾波して高域周波数信号を出力する。この高域周波数信号は第２の乗算器１６に入力され、乗算器１６では高域周波数信号を２乗することで高域周波数エネルギー信号に変換して第２のスムージング処理回路１７へ送出し、スムージング処理回路１７では高域周波数エネルギー信号を適切値に平滑化して高域周波数信号の波形整形した信号を出力する。

これらの第１のスムージング処理回路１４で得られる低域周波数信号の波形整形した信号と第２のスムージング処理回路１７で得られる高域周波数信号の波形整形した信号とは何れも減算器１８に入力され、減算器１８では、低域周波数信号の波形整形した信号から高域周波数信号の波形整形した信号を減算することにより差分を求めて減算信号を立ち上がり検出処理回路１９へ送出する。立ち上がり検出処理回路１９では、減算信号の出力結果を適切な所定の閾値と比較した結果に基づいて立ち上がり検出処理を行う。

ところで、ＦＭ検波回路１１におけるＦＭ検波処理は、無線信号の複素包絡信号にあっての瞬時位相の時間微分を求めることにより行われるが、離散的なデジタル信号を扱う場合にも適用可能である。

図４は、上述した無線信号用立ち上がり検出装置１０に備えられるＦＭ検波回路１１の細部構成を例示した簡易回路ブロック図である。このＦＭ検波回路１１は、ＦＭ検波処理を行うための差動型の回路構成として、プレストーク型等の断続した送信を行う無線機の無線信号により得られるデジタル複素包絡信号Ｉ（ｎ），Ｑ（ｎ）から検波処理により瞬時位相を算出した瞬時位相信号を出力する瞬時位相検波処理回路２０と、瞬時位相信号を所定の時間だけ遅延した遅延瞬時位相信号を出力する遅延器２１と、瞬時位相信号から遅延瞬時位相信号を減算したものを瞬時位相の時間微分を示すＦＭ検波信号として出力する減算器２２とを備えて構成される。

図４を参照して具体的に説明すれば、このＦＭ検波回路１１では、先ず前段のＡ／Ｄ変換器４で生成出力されたデジタル複素包絡信号Ｉ（ｎ），Ｑ（ｎ）を入力した瞬時位相検波処理回路２０が瞬時位相φ（ｎ）をφ（ｎ）＝ｔａｎ^−１｛Ｑ（ｎ）／Ｉ（ｎ）｝なる関係式に基づいて求め、その結果を示す瞬時位相信号を出力する。

この現在の瞬時位相φ（ｎ）を示す瞬時位相信号は、遅延器２１にも分配されており、遅延器２１では瞬時位相信号を所定の時間だけ遅延した直前の瞬時位相φ（ｎ−１）を示す遅延瞬時位相信号を出力する。そこで、減算器２２では、現在の瞬時位相φ（ｎ）を示す瞬時位相信号からその直前の瞬時位相φ（ｎ−１）を示す遅延瞬時位相信号を減算することにより瞬時位相の変化、即ち、離散信号における瞬時位相の時間微分を求めてＦＭ検波信号として出力する。

尚、図４に示すＦＭ検波回路１１は、ＦＭ検波処理を差動型のタイプで行う場合を例示しているが、これに代えてＦＩＲフィルタ型や双線形変換型のものを採用しても良い。因みに、ＦＭ検波回路１１やそのＦＭ検波処理自体は一般的に周知なもので、それに関連する公知文献としては、例えば特開昭６１−１３４１１５号公報の「ＦＭ受信機の受信局検出装置」，特開昭６１−２４０７２７号公報の「受信機」，特開昭６３−１９０４３２号公報の「ＦＭ受信機のミュート回路」，特開平５−１５３５２２号公報の「音声多重放送受信装置」，特開平１１−１６３７６４号公報の「通信機」等が挙げられる。又、上述した無線信号用立ち上がり検出装置１０に備えられる減算器１８は、基本的に比較機能を持つ比較器であれば良いものであり、減算器１８に代えて除算器を用いることも可能である。

本発明の無線信号用立ち上がり検出装置に備えられるＦＭ検波回路でＦＭ検波処理されるＦＭ検波信号（ＦＭ検波出力）における無信号時及び信号到来時についての周波数に対する信号レベルの特性図を示したものである。 図１に示す特性図における低周波数領域を拡大して示した低周波数側特性図である。 本発明の実施例１に係る無線信号用立ち上がり検出装置の基本構成を示した簡易回路ブロック図である。 図３に示す無線信号用立ち上がり検出装置に備えられるＦＭ検波回路の細部構成を例示した簡易回路ブロック図である。

符号の説明

１ アンテナ
２ 受信機
３ Ａ／Ｄ変換器
１０ 無線信号用立ち上がり検出装置
１１ ＦＭ検波回路
１２ ＬＰＦ（低周波数濾波器）
１３，１６ 乗算器
１４，１７ スムージング処理回路
１５ ＨＰＦ（高周波数濾波器）
１８，２２ 減算器
１９ 立ち上がり検出処理回路
２０ 瞬時位相検波処理回路
２１ 遅延器

Claims (7)

1. 受信される無線信号の立ち上がり検出を行う無線信号用立ち上がり検出方法において、前記無線信号の複素包絡信号をＦＭ検波処理によりＦＭ検波信号に変換するＦＭ検波処理段階と、前記ＦＭ検波信号の低域周波数成分を濾波して低域周波数信号を取得する低域濾波段階と、前記ＦＭ検波信号の高域周波数成分を濾波して高域周波数信号を取得する高域濾波段階と、前記低域濾波段階で得られた前記低域周波数信号と前記高域濾波段階で得られた前記高域周波数信号とを比較して比較信号を取得する比較段階と、前記比較信号の出力結果を所定の閾値と比較した結果に基づいて立ち上がり検出処理を行う立ち上がり検出処理段階とを有することを特徴とする無線信号用立ち上がり検出方法。
2. 受信される無線信号の立ち上がり検出を行う無線信号用立ち上がり検出装置において、前記無線信号の複素包絡信号をＦＭ検波処理によりＦＭ検波信号に変換して出力するＦＭ検波回路と、前記ＦＭ検波信号の低域周波数成分を濾波して低域周波数信号を出力するＬＰＦと、前記ＦＭ検波信号の高域周波数成分を濾波して高域周波数信号を出力するＨＰＦと、前記低域周波数信号と前記高域周波数信号とを比較して比較信号を出力する比較器と、前記比較信号の出力結果を所定の閾値と比較した結果に基づいて立ち上がり検出処理を行う立ち上がり検出処理回路とを備えたことを特徴とする無線信号用立ち上がり検出装置。
3. 請求項２記載の無線信号用立ち上がり検出装置において、前記低域周波数信号を所定の割合で増幅して波形整形する第１の信号増幅整形回路と、前記高域周波数信号を所定の割合で増幅して波形整形する第２の信号増幅整形回路とを備え、前記比較器は、前記第１の信号増幅整形回路で前記低域周波数信号を波形整形した信号と前記第２の信号増幅整形回路で前記高域周波数信号を波形整形した信号とを比較することにより前記比較信号を出力することを特徴とする無線信号用立ち上がり検出装置。
4. 請求項３記載の無線信号用立ち上がり検出装置において、前記第１の信号増幅整形回路は、前記低域周波数信号を２乗する第１の乗算器と、前記低域周波数信号を前記第１の乗算器で２乗した信号を波形整形としてスムージング処理により平滑化する第１のスムージング処理回路とを備えて成り、前記第２の信号増幅整形回路は、前記高域周波数信号を２乗する第２の乗算器と、前記高域周波数信号を前記第２の乗算器で２乗した信号を波形整形としてスムージング処理により平滑化する第２のスムージング処理回路とを備えて成ることを特徴とする無線信号用立ち上がり検出装置。
5. 請求項４記載の無線信号用立ち上がり検出装置において、前記無線信号は、断続した送信信号を受信したものであり、前記ＦＭ検波回路は、前記無線信号を受信機により受信処理して出力される中間周波数信号をＡ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換することにより前記複素包絡信号として出力されるデジタル複素包絡信号を入力して前記ＦＭ検波処理を行うことにより前記ＦＭ検波信号へと変換出力することを特徴とする無線信号用立ち上がり検出装置。
6. 請求項５記載の無線信号用立ち上がり検出装置において、前記ＦＭ検波回路は、前記ＦＭ検波処理を行うための回路構成として、差動型のもの，ＦＩＲフィルタ型のもの，双線形変換型のものの何れか一つを持つことを特徴とする無線信号用立ち上がり検出装置。
7. 請求項６記載の無線信号用立ち上がり検出装置において、前記ＦＭ検波回路は、前記ＦＭ検波処理を行うための前記差動型の回路構成として、前記デジタル複素包絡信号から検波処理により瞬時位相を算出した瞬時位相信号を出力する瞬時位相検波処理部と、前記瞬時位相信号を所定の時間だけ遅延した遅延瞬時位相信号を出力する遅延器と、前記瞬時位相信号と前記遅延瞬時位相信号とを減算したものを前記瞬時位相の時間微分を示す前記ＦＭ検波信号として出力する減算器とを備えたことを特徴とする無線信号用立ち上がり検出装置。

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