JP4405434B2 - 信号検出装置、信号検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力密度の弱いノイズレベル以下の信号を検出可能な信号検出装置を提供するものである。

従来、電力密度の弱い電波信号は、ノイズにより検出することが難しい状況にあった。無変調波であれば、自己相関を計算することにより、ある程度ノイズを除去してキャリア成分を検出することができるが、スペクトラム拡散信号のような変調波では、ノイズレベル以下になった信号を検出することは難しかった。

スペクトラム拡散信号は、デジタル信号を搬送波を用いて変調する際、独自の拡散符号を用いて二次的に変調し、広帯域に拡散して送信するもので、復元する際には同じ拡散符号を用いるものであるが、拡散される程、出力される電波のエネルギー密度が弱くなるため、信号の検出が難しくなっていた。

特許文献１には、入力信号を中間周波数に変換し、帯域フィルタを介して出力し、この中間周波数信号に対して高速フーリエ変換処理を行い、高速フーリエ変換出力における中間周波数帯域内のスペクトラムデータの値に基いて入力された信号の出現又は消滅を判定する手段を備えた信号検出装置が示されている。しかしながら、特許文献１は、ノイズレベル以上の信号検出には適しているが、電力密度の弱いノイズレベル以下の信号を検出するための手法については、開示されていない。
特開２００１−２５７６１１号公報

従来の信号検出装置では、スペクトラム拡散信号のような変調波を検出する場合、ノイズレベル以下になった信号を検出することは難しかった。

本発明は、電力密度の弱い、ノイズレベル以下の信号を検出することが可能な信号検出装置及び信号検出方法を提供することを目的とする。

本願発明の信号検出装置は、アンテナで受信した電波を中間周波数へ変換する周波数変換部と；前記中間周波数へ変換された信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換部と；前記Ａ／Ｄ変換部によって変換されたデジタルデータから平均ノイズレベルを算出する平均ノイズレベル算出部と；前記デジタルデータを高速フーリエ変換してスペクトラムを求め、このスペクトラムから前記平均ノイズレベルを引き去ってスペクトラムを平均化するスペクトラム平均化処理部と；を備え、前記平均化されたスペクトラムを表示部に表示することを特徴とする。

また、本願発明の信号検出方法は、アンテナで受信した電波を中間周波数へ変換する周波数変換ステップと；前記中間周波数へ変換された信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換ステップと；前記デジタルデータから平均ノイズレベルを算出する平均ノイズレベル算出ステップと；前記デジタルデータを高速フーリエ変換してスペクトラムを求め、このスペクトラムから前記算出した平均ノイズレベルを引き去ってスペクトラムを平均化するスペクトラム平均化処理ステップと；を備え、前記平均化されたスペクトラムを表示部に表示するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、電力密度の弱い、ノイズレベル以下の信号を検出することが可能な信号検出装置及び信号検出方法を提供することができる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の信号検出装置の全体構成を示すブロック図である。信号検出装置は、アンテナ１、受信部２、周波数変換部３、Ａ／Ｄ変換部４、信号検出部５、及び表示部６から構成されている。

アンテナ１は、所望の信号が受信可能であれば、形状、種類、周波数範囲、ゲインなどは任意である。アンテナ１で受信した電波は受信部２で受信される。受信部２は、ＡＧＣ回路を含み、到来した電波をその強度に応じて増幅し、レベル調整して一定のレベルで出力する。受信部２で受信した電波は、周波数変換部３で増幅するとともに、中間周波数（ＩＦ周波数）に変換し、周波数変換後の信号をＡ／Ｄ変換部４でデジタル信号に変換する。

Ａ／Ｄ変換部４においては、アンテナ１からの受信信号を同時サンプリングによりＡ／Ｄ変換し、デジタル化されたデータは、信号検出部５に供給される。

信号検出部５は、平均ノイズレベル算出部５１とスペクトラム平均化処理部５２を有し、平均ノイズレベル算出部５１は、Ａ／Ｄ変換された信号から平均ノイズレベルを算出するもので、スペクトラム平均化処理部５２は、スペクトラムから平均ノイズレベルを引き去ってスペクトラムを平均化し、平均化されたスペクトラムを表示部６に表示する。

信号検出部５の処理フローを図２に示す。図２において、ステップＳ１１では、デジタルデータの取得を行い、ステップＳ１２で平均ノイズレベルの算出処理を行う。さらに、ステップＳ１３ではスペクトラム平均化処理を行い、ステップＳ１４で平均化されたスペクトラムを表示部６で表示する。

具体的に説明すると、ステップＳ１１では、アンテナ１で受信された信号は、受信部２、周波数変換部３、Ａ／Ｄ変換部４を経てデジタルデータに変換される。

ステップＳ１２では、ステップＳ１１で得られたデジタルデータをＦＦＴ（高速フーリエ変換）し、スペクトラムを求め、平均ノイズレベルＮ０を算出する。平均ノイズレベルＮ０を算出する方法はいくつかあるが、ここでは、一例を示す。

平均ノイズレベルＮ０を算出するために、スペクトラムのヒストグラムを作成する。ヒストグラムは、スペクトラムの最大値と最小値を何分割かしたときの度数分布とする。度数分布を正規化して累積分布をとったとき、累積分布が予め設定された閾値（例えば０．５）を超えるときのレベルを平均ノイズレベルＮ０とすることができる。閾値は、任意に設定できる。

こうして、平均ノイズレベルが算出された後、次のステップＳ１３では、ステップＳ１２で算出した平均ノイズレベルＮ０をスペクトラムから引き去ってから平均化を行う。平均化の回数は任意に設定できる。

そして、ステップＳ１４として、平均化スペクトラムを表示部５で表示する。受信信号のスペクトラムＳから平均ノイズレベルＮ０を引き去ってから平均化することにより、ノイズに埋もれた信号が検出できるようになる。

単純なスペクトラムの平均の場合は、ノイズレベルと信号レベルの比が保たれるため、いくら平均化しても平滑化されるだけで、平均信号レベルと平均ノイズレベルに差が現れない。本発明では、平均ノイズレベルを引き去ってから平均化することにより、信号レベルに対するノイズレベルの比が小さくなるため、信号レベルが積み重ねされる。これにより、ノイズレベル以下の微小な信号が検出可能となる。

図３は、本発明の信号検出装置の原理の説明を示す説明図である。図３において、信号レベルをＳとし、ノイズレベルをＮ１とすると、観測されるスペクトラムは、信号レベルＳとノイズレベルＮ１の和となる。また、平均ノイズレベルをＮ０とする。

信号レベルＳとノイズレベルＮ１の和（Ｓ＋Ｎ１）と、ノイズレベルＮ１の比を考えると、（Ｓ＋Ｎ１）／Ｎ１と表せる。

観測されるスペクトラムから平均ノイズレベルＮ０を引き去ると、ノイズレベルは（Ｎ１−Ｎ０）となり、スペクトラムは（Ｓ＋Ｎ１−Ｎ０）となる。したがって、スペクトラムとノイズの比は、

となり、以下の不等式が成り立つ。

これから、信号とノイズの比Ｓ／Ｎは、

となり、見かけ上ＳＮ比が向上する。

信号レベルＳ，ノイズレベルＮ１、平均ノイズレベルＮ０とすると、受信信号は信号とノイズの和となる。受信信号から平均ノイズレベルを差し引いて平均を取ると、

と表せる。＜＞はアンサンブル平均を意味する。

ここで、

であるので

となりノイズ成分が減少し、信号を検出できるようになる。

このように、本発明の信号検出装置によれば、電力密度の弱い、ノイズレベル以下の信号を検出することができる。

本発明の信号検出装置の一実施形態を示す全体構成図。 同実施形態における信号検出装置の動作の概略を説明するフローチャート。 同実施形態における動作原理を説明するための説明図。

符号の説明

１…アンテナ
２…受信部
３…周波数変換部
４…Ａ／Ｄ変換部
５…信号検出部
６…表示部

Claims (3)

1. アンテナで受信した電波を中間周波数へ変換する周波数変換部と、
   前記中間周波数へ変換された信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換部と、
   前記Ａ／Ｄ変換部によって変換されたデジタルデータから平均ノイズレベルを算出する平均ノイズレベル算出部と、
   前記デジタルデータを高速フーリエ変換してスペクトラムを求め、このスペクトラムから前記平均ノイズレベルを引き去ってスペクトラムを平均化するスペクトラム平均化処理部と、を備え、
   前記平均化されたスペクトラムを表示部に表示することを特徴とする信号検出装置。
2. 前記平均ノイズレベル算出部は、前記デジタルデータを高速フーリエ変換してスペクトラムを求め、このスペクトラムのヒストグラムを作成する手段を有し、前記ヒストグラムを基に平均ノイズレベルを算出することを特徴とする請求項１記載の信号検出装置。
3. アンテナで受信した電波を中間周波数へ変換する周波数変換ステップと、
   前記中間周波数へ変換された信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換ステップと、
   前記デジタルデータから平均ノイズレベルを算出する平均ノイズレベル算出ステップと、
   前記デジタルデータを高速フーリエ変換してスペクトラムを求め、このスペクトラムから前記算出した平均ノイズレベルを引き去ってスペクトラムを平均化するスペクトラム平均化処理ステップと、を備え、
   前記平均化されたスペクトラムを表示部に表示するようにしたことを特徴とする信号検出方法。

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