JP4762127B2

JP4762127B2 - 不要信号除去装置及び不要信号除去方法

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Publication number: JP4762127B2
Application number: JP2006349534A
Authority: JP
Inventors: 鎮男秋山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2026-12-26
Also published as: JP2008160683A

Description

本発明は、アナログ回路等の非線形性に起因して発生するスプリアス成分等を含む不要信号を除去する不要信号除去装置及び不要信号除去方法に関する。

アナログ信号の増幅回路や周波数変換回路等、入出力特性に非線形性を有する回路においては、回路に入力される信号の条件によって、高調波成分や相互変調歪み成分といったスプリアス成分が出力側に現れる。特に、回路の入力周波数帯域内に高レベルの信号が複数存在する場合には、これらスプリアス成分等の発生を避けることは難しく、出力側で所望の信号処理を行なう際に影響を与える。

このような事象に対処するために、例えば、非線形性を有する回路の入力側に、不要な高レベルの信号のみを減衰させるようにノッチフィルタを挿入し、回路への過大な入力を抑える手法がある（例えば、非特許文献１参照。）。また、例えば周波数変換手段を対象とした場合には、周波数変換回路の出力インピーダンスを可変制御することによって、回路の出力側における希望信号と妨害信号とのレベル比を改善する手法も開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−９６５２号公報（第５ページ、図１）堀敏夫著、「アナログフィルタの回路設計法」、総合電子出版社、１９９８年１月１０日、ｐ．１２４−１２９

しかしながら、これら非線形性を有する回路の入力側にノッチフィルタを挿入する場合には、所望する信号の周波数が不要な高レベルの信号の周波数に接近していると、ノッチフィルタの周波数特性によっては、この処理対象である信号までも減衰させてしまう。また、不要な高レベルの信号が接近して複数存在する場合には、ノッチポイントが連続することにより特定の周波数帯域の信号をすべて減衰させてしまう。このため、特に所望する信号の入力側におけるレベルが低い場合には、入力側での減衰量が大きくなって十分な回路出力を得ることができず、後段での信号処理を困難なものにしていた。

また、上述のように非線形性を有する回路の出力側のインピーダンスを可変制御した場合にも、回路出力側に現れた所望する信号に対する減衰は否めない。さらに、低い入力レベルの信号を処理の対象として所望する場合においては、後段における信号処理をより高品質かつ円滑に行えるように、回路出力側の信号から上述したスプリアス成分に加え、不要な高レベルの信号成分をも含めて除去しつつ、微弱な処理対象の信号成分を確保しておくことが望まれていた。

本発明は、上述の事情を考慮してなされたものであり、所望する信号の減衰を抑えつつ、回路の非線形性に起因するスプリアス成分等を含む不要信号を除去することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の不要信号除去装置は、非線形性に起因する信号成分を含むアナログ回路からの信号出力をサンプリングするサンプリング手段と、このサンプリング手段の出力を高速フーリエ変換する高速フーリエ変換手段と、この高速フーリエ変換手段の出力中から所定のレベルを超える信号成分を抽出する抽出手段と、前記アナログ回路の入出力特性を示す関数を、その出力信号が入力信号の線形成分と一項以上からなる複数次の非線形成分との和からなる多項式とした所定の関数とし、この所定の関数に前記抽出手段で抽出した信号成分を入力信号として代入した場合の複数次の項に対応した成分を前記アナログ回路の非線形性に起因する信号成分として予測する予測手段と、前記サンプリング手段の出力から、前記抽出手段で抽出した信号成分及び前記予測手段で予測した信号成分を減じて出力する演算手段と、この演算手段の出力の電力を算出する電力算出手段と、この電力算出手段で算出した電力が最小となるように前記予測手段のアナログ回路の入出力特性を示す所定の関数における各成分毎の利得を制御する予測制御手段とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の不要信号除去方法は、非線形性に起因する信号成分を含むアナログ回路からの信号出力をサンプリングし、このサンプリング出力を高速フーリエ変換し、この高速フーリエ変換後の出力中から所定のレベルを超える信号成分を抽出し、前記アナログ回路の入出力特性を示す関数を、その出力信号が入力信号の線形成分と一項以上からなる複数次の非線形成分との和からなる多項式とした所定の関数とし、この所定の関数に前記抽出した信号成分を入力信号として代入した場合の複数次の項に対応した成分を前記アナログ回路の非線形性に起因する信号成分として予測し、前記サンプリング出力から、前記高速フーリエ変換後の出力中から抽出した所定のレベルを超える信号成分及び前記予測したアナログ回路の非線形性に起因する信号成分を減じて出力するとともに、この出力の電力を算出してその結果が最小となるように前記アナログ回路の入出力特性を示す所定の関数における各成分毎の利得を制御することを特徴とする。

本発明によれば、所望する信号の減衰を抑えつつ、回路の非線形性に起因するスプリアス成分等の不要信号を効果的に除去することができる。

以下に、本発明に係る不要信号除去装置及び不要信号除去方法を実施するための最良の形態について、図１乃至図５を参照して説明する。

図１は、本発明に係る不要信号除去装置の第１の実施例の構成を示すブロック図である。本実施例においては、前段のアナログ回路の時間領域における入出力特性に基づき信号中の非線形性に起因する成分を予測する場合を例示している。

図１に示したように、この不要信号除去装置１は、サンプリング部１１、ＦＦＴ部１２、高レベル信号抽出部１３、スプリアス成分予測部１４、減算部１５、電力算出部１６、及び予測制御部１７から構成されている。

サンプリング部１１は、例えばＡＤ（ＡｎａｌｏｇｔｏＤｉｇｉｔａｌ）変換器等で構成され、前段のアナログ回路等からの信号を所定の周期でサンプリングし、デジタルデータに変換する。この前段のアナログ回路等からの信号には、その入出力特性の非線形性に起因する高調波成分や相互変調歪み成分といったスプリアス成分が含まれている。ＦＦＴ部１２は、サンプリング部１１からのデジタル信号を一定区間長毎に高速フーリエ変換する。

高レベル信号抽出部１３は、ＦＦＴ後の結果に対して、あらかじめ設定した所定のレベルを超える信号成分を抽出し、そのレベル値及び周波数を取得する。スプリアス成分予測部１４は、この高レベル信号抽出部１３で抽出・取得した信号成分を用いて、前段のアナログ回路等の入出力特性に基づき、このアナログ回路等の出力側に現れるスプリアス成分を予測する。そして、この予測したスプリアス成分と高レベル信号抽出部１３で抽出した信号成分とを加算し時間領域のデジタルデータとして出力する。

ここに、本実施例においては、このスプリアス成分予測部１４は、逆ＦＦＴ部１４１、及び予測演算部１４２を備えている。逆ＦＦＴ部１４１は、高レベル信号抽出部１３で抽出した信号成分を高速フーリエ逆変換する。予測演算部１４２は、前段のアナログ回路等の時間領域における入出力特性を表す関数に基づいて、前段のアナログ回路等に逆ＦＦＴ部１４１での変換結果の信号成分が入力されたときにその出力側に現れるスプリアス成分を予測するとともに、この予測結果とＦＦＴ部１４１での変換結果とを合成して出力する。

この予測演算部１４２で予測に用いる関数については、例えば、下記の式（１）のように表される。

Ｙ（ｘ）＝Ａ・ｘ＋Ｂ・ｘ^２＋Ｃ・ｘ^３・・・（１）
ここに、ｘは、複数の信号が混在するアナログ信号をサンプリングした各サンプルデータ、Ａは１次成分（線形成分）に対する利得係数、Ｂは２次成分に対する利得係数、Ｃは３次成分に対する利得係数である。なお、一般には、式（１）のように３次成分までを扱えば十分な場合が多いが、より高次の項まで含めた関数とすることもできる。

減算部１５は、サンプリング部１１の出力からスプリアス成分予測部１４の出力を減算し、その結果を出力する。電力算出部１６は、減算部１５からの出力の電力を算出する。電力算出にあたっては、例えば、個々のサンプルデータの振幅の２乗和をサンプルデータ数で除算する手法を適用する。

予測制御部１７は、減算部１５からの出力の電力、すなわち、電力算出部１６での算出結果が最小となるように、スプリアス成分予測部１４を制御する。本実施例においては、予測演算部１５１内でスプリアスの予測に用いる式（１）の各次数の利得係数を制御することによって、減算部１５からの出力の電力を最小にしている。

次に、前出の図１及び図２乃至図４の説明図を参照して、上述のように構成された本実施例の不要信号除去装置１の動作について説明する。

前段のアナログ回路等から送出されたスプリアス成分を含む信号は、サンプリング部１１に入力され、所定の周期でサンプリングされてデジタルデータに変換された後、さらにＦＦＴ部１２において高速フーリエ変換される。高速フーリエ変換後の出力の一例をモデル化して図２に示す。この図２に例示したように、ＦＦＴ部１２における高速フーリエ変換によって、サンプリング部１１に入力されたスプリアス成分を含む信号の有する周波数成分及びそのレベルを得ており、この変換結果は高レベル信号抽出部１３に送出される。

高レベル信号抽出部１３は、このＦＦＴ部１２からの変換結果に対して、あらかじめ設定したしきい値を超えるレベルを有する信号成分を抽出する。例えば、上記した図２中に記したしきい値により抽出した場合には、図３に示したような信号成分が抽出される。そして、これらの抽出結果は、スプリアス成分予測部１４に送出される。

スプリアス成分予測部１４では、高レベル信号抽出部１３での抽出結果から、前段のアナログ回路等から送出された信号中のスプリアス成分を予測する。高レベル信号抽出部１３で抽出された信号成分は、前段のアナログ回路等におけるスプリアス成分の発生要因に関連づけることができる。すなわち、ここで抽出された周波数成分を有する実信号が、非線形性を持った前段のアナログ回路等の入力側に高レベルで印加されたことによって、その出力側に実信号に加えスプリアス成分が発生したものとして関連づけされる。従って、前段のアナログ回路等の入出力特性に基づいてスプリアス成分の発生を予測する。

本実施例においては、前段のアナログ回路等の時間領域における入出力特性に基づき予測を行なうので、高レベル信号抽出部１３からの抽出結果を逆ＦＦＴ部１４１で時間領域のデジタル量に変換した後、予測演算部１４２において上述した式（１）に基づき演算を行ない、スプリアス成分を予測する。さらに、この予測結果に、高レベル信号抽出部１３で抽出した信号成分を加える。そして、予測したスプリアス成分と高レベルの信号成分とが加算された時間領域のデジタルデータが減算部１５に送出される。

減算部１５は、サンプリング部１１の出力から、スプリアス成分予測部１４の出力を減算する。サンプリング部１１からの出力は、異なるレベルを持った実信号に加え、スプリアス成分が含まれたデジタルデータである。一方、スプリアス成分予測部１４からの出力には、サンプリング部１１からの出力中に含まれるスプリアス成分の予測結果、及び高レベルの信号成分のデジタルデータである。従って、この減算部１５においてこれらデジタルデータ間の減算を行なうことによって、スプリアス成分、及び高レベルの信号成分を除去したデジタルデータ出力を得ている。

減算部１５の出力の一例を、図４に示す。この図４は、減算部１５の出力を、前出の図２及び図３と関連づけて、周波数領域で例示したものである。すなわち、図２がサンプリング部１１からの出力に相当し、これら信号成分から図３に例示した高レベルの信号成分、及びスプリアス成分予測部１４で予測したスプリアス成分をともに減じることによって、図４に例示したような信号成分を得ている。そして、この結果は、不要な信号成分が除去されたデジタルデータとして、減算部１５から後段の機器等に送出される。

さらに、この減算部１５からの出力に含まれる不要な信号成分をより少なくするように、この減算部１５からの出力に基づきスプリアス成分予測部１４に対する制御が行なわれる。すなわち、スプリアス成分は前出の式（１）に基づき予測されるが、この式（１）の各次数の利得係数を減算部１５からの出力の電力が最小になるように制御することによって、スプリアス成分をより確実に予測し、減算部１５からの出力に含まれる不要な信号成分の残留分を減らす。

このため、減算部１５からの出力は、電力算出部１６にも送出され、その電力が算出される。ここでは、例えば、サンプルデータの振幅の２乗平均に基づきその電力を算出する。予測制御部１７は、電力算出部１６からの算出結果に基づいて、この算出した値が最小となるように、スプリアス成分の予測に用いる式（１）における各係数Ａ、Ｂ、及びＣを求め、その結果をスプリアス成分予測部１４内の予測演算部１４２に送出する。予測演算部１４２は、各係数に対する制御を受けながら、スプリアス成分の予測を継続する。

このようにして、スプリアス成分予測部１４からの予測結果はより確実なものとなって減算部１５からの出力結果にも反映され、不要な信号成分の残留分を減らしている。

以上説明したように、本実施例においては、前段のアナログ回路等の非線形性に起因したスプリアス成分が含まれる信号の中から高レベルの信号成分を抽出し、この高レベルの信号成分が前段のアナログ回路等に入力された際にその出力側に現れるスプリアス成分を、前段のアナログ回路等の時間領域における入出力特性を表す関数に基づき予測している。そして、この予測結果を、抽出した高レベルの信号成分とともにもとの信号から減じることによって、スプリアス成分及び不要な高レベルの信号成分を除去し、後段に出力している。従って、スプリアス成分が発生した後において、所望する他の信号成分への影響を抑えつつ、前段のアナログ回路等の非線形に起因するスプリアス成分等の不要信号を効果的に除去することができる。

また、抽出した高レベルの信号成分もあわせて除去しているので、特に低いレベルの信号を後段での処理の対象として所望する際にも、高レベルの不要な信号成分による影響を受けることなく、良好な品質で信号処理を実行することができる。

さらに、不要信号を除去した後の信号の電力が最小になるように、スプリアス成分を予測する関数を制御している。これにより、出力信号中における不要信号の残留分をより少なくすることができ、不要信号の除去の効果を一層高めることができる。

図５は、本発明の不要信号除去装置の第２の実施例の構成を示すブロック図である。この第２の実施例について、図１に示す第１の実施例の各部と同一の部分は同一の符号で示し、その説明は省略する。この第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、スプリアス成分を予測する際に、第１の実施例では、前段のアナログ回路の時間領域における入出力特性に基づき予測していたのに対し、この第２の実施例では、前段のアナログ回路の周波数領域における入出力特性に基づき予測するようにした点である。以下、図１乃至図５を参照してその相違点のみを説明する。

図５において、この第２の実施例の不要信号除去装置２は、図１に例示した第１の実施例におけるスプリアス成分予測部１４に換えてスプリアス成分予測部２１、及び予測制御部１７に換えて予測制御部２２を有している。

スプリアス成分予測部２１は、高レベル信号抽出部１３で抽出した信号成分を用いて、前段のアナログ回路の出力側に現れるスプリアス成分を、前段のアナログ回路の周波数領域における入出力特性に基づき予測する。そして、この予測したスプリアス成分と高レベル信号抽出部１３で抽出した信号成分とを加算し、時間領域のデジタルデータに変換して出力する。

ここに、本実施例においては、このスプリアス成分予測部２１は、予測演算部２１１、及び逆ＦＦＴ部２１２を備えている。予測演算部２１１は、前段のアナログ回路等の周波数における入出力特性を表す関数に基づいて、前段のアナログ回路等に高レベル信号抽出部１３で抽出した周波数成分が入力されたときにその出力側に現れるスプリアス成分を予測するとともに、この予測結果と高レベル信号抽出部１３からの抽出結果とを加算して出力する。この予測演算部２１１で予測に用いる関数は、例えば、線形の出力成分に加え、高レベル信号抽出部１３で抽出されたそれぞれの信号成分の高調波成分、及びそれぞれの信号成分間の相互変調歪みの周波数成分の和で表される。逆ＦＦＴ部２１２は、予測演算部２１１からの出力を高速フーリエ逆変換し、時間領域のデジタル量に変換して出力する。

また、予測制御部２２は、電力算出部１６で算出した減算部１５の出力の電力が最小となるように、スプリアス成分予測部２１内におけるスプリアス成分の予測演算を制御する。

次に、前出の図２乃至図５を参照して、上述のように構成された本実施例の不要信号除去装置２の動作について説明する。

前段のアナログ回路等から送出されたスプリアス成分を含む信号は、第１の実施例と同様に、サンプリング部１１、ＦＦＴ部１２、及び高レベル信号抽出部１３において信号処理され、スプリアス成分予測部２１に送出される。高レベル信号抽出部１３からの抽出結果は、周波数領域のデジタル量であるので、スプリアス成分予測部２１では、まず予測演算部２１１において、前段のアナログ回路等の時間領域における入出力特性に基づく関数によりスプリアス成分を予測する。次に、高レベル信号抽出部１３からの抽出結果を加えた後、逆ＦＦＴ部２１２において、高速フーリエ逆変換により周波数領域から時間領域のデジタル量に変換する。そして、変換後の時間領域のデジタル量は、減算部１５に送出される。

減算部１５では、サンプリング部１１の出力からスプリアス成分予測部２１の出力を減算することによって、図４に例示したと同様の出力を得ている。さらに、この出力は、後段の機器等に送出されるとともに、電力算出部１６にも送出され、第１の実施例と同様にその電力が算出されて予測制御部２２に送られる。

予測制御部２２では、電力算出部１６から電力の算出結果を受けとり、この値が最小となるように、予測演算部２１１内のスプリアス成分の予測に用いる関数の各周波数成分の係数を制御する。そして、予測演算部２１１は、この予測制御部２２からの制御を受けながらスプリアス成分の予測を継続し、その結果が減算部１５からの出力に反映される。

以上説明したように、この第２の実施例においても、前段のアナログ回路等の非線形性に起因したスプリアス成分が含まれる信号の中から高レベルの信号成分を抽出し、この高レベルの信号成分が前段のアナログ回路等に入力された際にその出力側に現れるスプリアス成分を、前段のアナログ回路等の周波数領域における入出力特性を表す関数に基づき予測している。そして、この予測結果を、抽出した高レベルの信号成分とともにもとの信号から減じることによって、スプリアス成分及び不要な高レベルの信号成分を除去している。従って、スプリアス成分が発生した後において、所望する他の信号成分への影響を抑えつつ、前段のアナログ回路等の非線形に起因するスプリアス成分等の不要信号を効果的に除去することができる。

本発明に係る不要信号除去装置の第１の実施例の構成を示すブロック図。ＦＦＴ部１２における高速フーリエ変換後の出力の一例をモデル化して示す図。高レベル信号抽出部１３におけるしきい値を超える高レベルの信号成分の抽出結果をモデル化して示す図。減算部１５からの出力結果をモデル化して示す図。本発明に係る不要信号除去装置の第２の実施例の構成を示すブロック図。

符号の説明

１、２不要信号除去装置
１１サンプリング部
１２ＦＦＴ部
１３高レベル信号抽出部
１４、２１スプリアス成分予測部
１５減算部
１６電力算出部
１７、２２予測制御部
１４１、２１２逆ＦＦＴ部
１４２、２１１予測演算部

Claims

非線形性に起因する信号成分を含むアナログ回路からの信号出力をサンプリングするサンプリング手段と、
このサンプリング手段の出力を高速フーリエ変換する高速フーリエ変換手段と、
この高速フーリエ変換手段の出力中から所定のレベルを超える信号成分を抽出する抽出手段と、
前記アナログ回路の入出力特性を示す関数を、その出力信号が入力信号の線形成分と一項以上からなる複数次の非線形成分との和からなる多項式とした所定の関数とし、この所定の関数に前記抽出手段で抽出した信号成分を入力信号として代入した場合の複数次の項に対応した成分を前記アナログ回路の非線形性に起因する信号成分として予測する予測手段と、
前記サンプリング手段の出力から、前記抽出手段で抽出した信号成分及び前記予測手段で予測した信号成分を減じて出力する演算手段と、
この演算手段の出力の電力を算出する電力算出手段と、
この電力算出手段で算出した電力が最小となるように前記予測手段のアナログ回路の入出力特性を示す所定の関数における各成分毎の利得を制御する予測制御手段と
を備えたことを特徴とする不要信号除去装置。
前記予測手段における前記アナログ回路の入出力特性は、前記アナログ回路の時間領域における入出力特性としたことを特徴とする請求項１に記載の不要信号除去装置。
前記予測手段における前記アナログ回路の入出力特性は、前記アナログ回路の周波数領域における入出力特性としたことを特徴とする請求項１に記載の不要信号除去装置。
非線形性に起因する信号成分を含むアナログ回路からの信号出力をサンプリングし、
このサンプリング出力を高速フーリエ変換し、
この高速フーリエ変換後の出力中から所定のレベルを超える信号成分を抽出し、
前記アナログ回路の入出力特性を示す関数を、その出力信号が入力信号の線形成分と一項以上からなる複数次の非線形成分との和からなる多項式とした所定の関数とし、この所定の関数に前記抽出した信号成分を入力信号として代入した場合の複数次の項に対応した成分を前記アナログ回路の非線形性に起因する信号成分として予測し、
前記サンプリング出力から、前記高速フーリエ変換後の出力中から抽出した所定のレベルを超える信号成分及び前記予測したアナログ回路の非線形性に起因する信号成分を減じて出力するとともに、
この出力の電力を算出してその結果が最小となるように前記アナログ回路の入出力特性を示す所定の関数における各成分毎の利得を制御する
ことを特徴とする不要信号除去方法。