JP4927054B2 - Ｆｍ信号のノイズキャンセラ回路 - Google Patents

Description

本発明は、ＦＭ変調された信号に含まれる過変調によるノイズを低減するノイズキャンセラ回路に関する。

ＦＭ変調回路において生成されたＦＭ信号にはノイズが重畳される場合がある。例えば、ＦＭ変調回路における変調度を上げると一般的に信号のＳ／Ｎ比が良くなるので変調度を高く設定することがある。しかし、限度を超えて変調させた場合には高周波成分が大きくなり過ぎ、ＦＭ変調回路を含む送信機器が高周波信号の生成に対応できず、変調信号が減衰してしまう。それによって、本来は図５の破線で示される信号の一部が欠落し、図５の実線で示される信号として変調される場合がある。

このような信号の欠落が生じた場合、そのＦＭ信号を復調しても本来の信号に復元することができなくなる問題が生ずる。

そこで、本発明は、上記問題を鑑み、ＦＭ信号に含まれる過変調によるノイズを低減することを可能とするノイズキャンセラ回路を提供することを目的とする。

本発明の１つの態様は、処理対象となるＦＭ信号の復調前の信号の振幅と閾値とを比較して前記ＦＭ信号の欠落を検出し、検出信号を前記欠落が発生している期間出力する検出回路と、前記検出信号を受けた時点における前記ＦＭ信号の復調後の信号を保持するホールド回路と、前記検出信号が出力されていない間は前記ＦＭ信号の復調後の信号を選択して出力し、前記検出信号が出力されている間は前記ホールド回路の出力を選択して出力するセレクタ回路と、を備えることを特徴とするＦＭ信号のノイズキャンセラ回路である。

ここで、前記検出回路は、前記ＦＭ信号の復調前の信号の振幅が前記閾値の一つである第１の閾値より低くなった場合に前記検出信号の出力を開始し、前記ＦＭ信号の復調前の信号の振幅が前記第１の閾値よりも大きい前記閾値の一つである第２の閾値以上となった場合に前記検出信号の出力を停止させることが好適である。

また、前記ＦＭ信号の復調後の信号における所定の周波数帯域以下の信号のみを出力するローパスフィルタと、前記ローパスフィルタにおける遅延時間だけ前記ＦＭ信号の復調後の信号を遅延させる遅延回路と、をさらに備え、前記ホールド回路は、前記検出信号を受けた時点における前記ローパスフィルタの出力信号をホールドし、前記セレクタ回路は、前記検出信号が出力されていない間は前記遅延回路の出力信号を選択して出力し、前記検出信号が出力されている間は前記ホールド回路の出力を選択して出力することが好適である。

また、前記セレクタ回路から出力される信号は、前記セレクタ回路で処理される前記ＦＭ信号の復調後の信号のサンプリング周波数よりも低い処理周波数で動作する後段回路へ入力されることが好適である。

本発明によれば、ＦＭ信号に含まれるノイズを適切に低減することができる。

本発明の実施の形態におけるノイズキャンセラ回路１００は、図１の構成図に示すように、振幅低下検出部１０２、閾値設定部１０４、ノイズキャンセラ部１０６を含んで構成される。ノイズキャンセラ回路１００は、ＦＭ変調された入力信号の過変調によるノイズを低減する機能を有する。

振幅低下検出部１０２は、ローパスフィルタ１０、コンパレータ１２、第１出力調整部１４，第２出力調整部１６、位相調整部１８及びセレクタ２０を含んで構成される。振幅低下検出部１０２は、復調前のＦＭ信号の振幅値の信号Ｓ１を受けて、その信号Ｓ１からＦＭ信号が信号の欠落を含むか否かを判定し、欠落を含めば振幅低下検出信号を出力する。復調前のＦＭ信号の振幅値の信号Ｓ１は、例えば、振幅値をデジタル化した１６ビットの信号とすることができる。

閾値設定部１０４は、スイッチ２２、ハイパスフィルタ２４、絶対値出力部２６、ローパスフィルタ２８、第１閾値制御部３０及び第２閾値制御部３２を含んで構成される。閾値設定部１０４は、ＦＭ信号の復調後の信号Ｓ２を受けて、信号Ｓ２の高周波成分に基づいて振幅低下検出部１０２で変調信号の振幅低下の判定に用いられる閾値を設定して出力する。復調後の信号Ｓ２は、例えば、復調後の信号をデジタル化した１６ビットの信号とすることができる。

ノイズキャンセラ部１０６は、第１位相調整部３４、ローパスフィルタ３６、第２位相調整部３８、ホールド部４０及びセレクタ４２を含んで構成される。ノイズキャンセラ部１０６は、ＦＭ信号の復調後の信号Ｓ２を受けて、振幅低下検出部１０２からの振幅低下検出信号が入力されていない場合には信号Ｓ２をホールドすることなく出力する。一方、振幅低下検出部１０２からの振幅低下検出信号が入力されている間は信号Ｓ２をホールドして出力することによって、ＦＭ信号のノイズをホールド信号に置き換える。

振幅低下検出部１０２、閾値設定部１０４、ノイズキャンセラ部１０６は、それぞれ所定のサンプリング周波数でサンプリングされた復調前のＦＭ信号の振幅値の信号Ｓ１及びＦＭ信号の復調後の信号Ｓ２を受けて、信号Ｓ１及びＳ２が入力される度に下記の処理を繰り返し行う。信号Ｓ１及びＳ２のサンプリング周波数は、ＦＭ復調信号に要求されるサンプリング周波数よりも高く設定することが好適である。

まず、閾値設定部１０４について説明する。閾値設定部１０４のスイッチ２２には、ＦＭ信号を復調した信号Ｓ２が入力される。スイッチ２２は、振幅低下検出部１０２から振幅低下検出信号が出力されていない間は接続状態となって信号Ｓ２をハイパスフィルタ２４へ入力させ、振幅低下検出信号が出力されている間は遮断状態となって信号Ｓ２をハイパスフィルタ２４へ入力させないように機能する。スイッチ２２が遮断状態となっている間、閾値設定部１０４は処理動作を一時的に停止する。

ハイパスフィルタ２４は、入力された信号Ｓ２について所定の遮断周波数以上の信号成分を抽出して出力する。ハイパスフィルタ２４は、例えば、タップフィルタ等のデジタルフィルタで構成することができる。ＦＭ信号には、弱電界等の理由で変調信号にノイズが重畳されると、復調後のＦＭ信号にもノイズが重畳する。その際、復調後のＦＭ信号の高周波領域に三角雑音と呼ばれるノイズが重畳される。そこで、ノイズ成分が重畳する復調後の信号Ｓ２の高周波成分をハイパスフィルタ２４で抽出する。

絶対値出力部２６は、ハイパスフィルタ２４を透過した信号Ｓ２の高周波成分の絶対値を出力する。絶対値出力部２６の出力信号はローパスフィルタ２８に入力される。ローパスフィルタ２８は、信号Ｓ２の高周波成分の時間平均値を出力する。ローパスフィルタ２８の出力信号は第１閾値制御部３０及び第２閾値制御部３２へ入力される。

第１閾値制御部３０及び第２閾値制御部３２の基本構成は等しく、図２の回路構成図に示すように、アンプ４８、加算器５０、比較器４４、セレクタ４６を含んで構成される。第１閾値制御部３０及び第２閾値制御部３２は、復調されたＦＭ信号Ｓ２の高周波成分から求められたＦＭ信号のノイズの大きさに応じた第１閾値及び第２閾値を生成して出力する。

アンプ４８は、ローパスフィルタ２８から出力されたノイズ成分を所定のゲインで増幅して出力する。加算器５０は、アンプ４８で増幅された信号に予め設定された最小値を加算する。最小値は、第１閾値制御部３０及び第２閾値制御部３２においてそれぞれ生成される第１閾値及び第２閾値の最小値に設定する。比較器４４は、加算器５０からの出力信号を予め設定された最大値と比較し、加算器５０からの出力が最大値より大きければ出力を“１”とし、最大値以下であれば出力を“０”とする。最大値は、第１閾値制御部３０及び第２閾値制御部３２においてそれぞれ生成される第１閾値及び第２閾値の最大値に設定する。セレクタ４６は、比較器４４の出力信号を受けて、その出力信号の値に応じて加算器５０からの出力と最大値とのいずれか一方を排他的に選択して出力する。すなわち、比較器４４の出力値が“０”であれば加算器５０からの出力を選択し、出力値が“１”であれば最大値を選択して出力する。

以上の処理によって、第１閾値制御部３０では、ＦＭ信号のノイズ成分に所定のゲインを掛けて増幅し、その値を所定の最小値と最大値との間に収まるように調整して第１閾値として出力する。同様に、第２閾値制御部３２では、ＦＭ信号のノイズ成分に所定のゲインを掛けて増幅し、その値を所定の最小値と最大値との間に収まるように調整して第２閾値として出力する。

ここで、第１閾値制御部３０におけるアンプ４８のゲインを第２閾値制御部３２においてアンプ４８のゲインよりも大きい値とすることによって、図３に示すように、第１閾値が第２閾値よりも大きくなるように設定することができる。また、ＦＭ信号の高周波ノイズが小さいとき（図３（ａ））より、大きいとき（図３（ｂ））の方が第１閾値と第２閾値の差が大きくなるようにすることができる。また、総ての範囲において第１閾値が第２閾値よりも大きい値となるように設定するには、加算器５０で加算される最小値、比較器４４で比較対象とされる最大値も第１閾値制御部３０における値を第２閾値制御部３２のおける値よりも大きく設定することが好適である。

このように、本実施の形態におけるノイズキャンセラ回路１００は、復調されたＦＭ信号Ｓ２の高周波成分に含まれるノイズの大きさに基づいて第１閾値及び第２閾値を設定する。

振幅低下検出部１０２は、閾値設定部１０４から第１閾値及び第２閾値を受けて、復調前のＦＭ信号の振幅値の信号Ｓ１の振幅と第１閾値及び第２閾値とを比較してＦＭ信号Ｓ１の減衰部分を検出する処理を行う。

ローパスフィルタ１０は、復調前のＦＭ信号の振幅値の信号Ｓ１を受けて、所定の周波数以下の成分のみを透過させて出力する。ローパスフィルタ１０を用いることによって、振幅低下検出部１０２において高い周波数成分の信号を取り除き、信号Ｓ１の低周波成分の振幅を抽出して出力する。

コンパレータ１２は、ローパスフィルタ１０からの出力信号Ｓ１とセレクタ２０で選択された閾値とを比較し、信号Ｓ１がセレクタ２０から出力される閾値より低くなった場合に“１”を出力し、信号Ｓ１がセレクタ２０から出力される閾値以上となった場合に“０”を出力する。

コンパレータ１２の出力信号は第１出力調整部１４へ入力される。第１出力調整部１４は、ローパスフィルタとしての機能を有する。例えば、第１出力調整部１４は、コンパレータ１２の出力を複数のサンプリング数に亘って蓄積し、コンパレータ１２の出力が所定数以上連続して一定であった場合にコンパレータ１２の出力値を出力する。

より具体的な例としては、第１出力調整部１４は、コンパレータ１２の出力値を８サンプル蓄積し、コンパレータ１２の出力値が８サンプル連続して“１”となった場合に出力を“１”とし、コンパレータ１２の出力値が８サンプル連続して“０”となった場合に出力を“０”とする。すなわち、第１出力調整部１４の出力が一旦“１”となると、コンパレータ１２の出力値が８回連続して“０”となる状態となるまで第１出力調整部１４の出力は“１”を維持する。同様に、第１出力調整部１４の出力が一旦“０”となると、コンパレータ１２の出力値が８回連続して“１”となる状態となるまで第１出力調整部１４の出力は“０”を維持する。

セレクタ２０は、第１出力調整部１４の出力値が“１”であれば閾値設定部１０４の第１閾値制御部３０からの第１閾値を選択して出力し、第１出力調整部１４の出力値が“０”であれば閾値設定部１０４の第２閾値制御部３２からの第２閾値を選択して出力する。

初期状態では第１出力調整部１４の出力は“０”であるので、セレクタ２０では第２閾値が選択されて閾値として出力される。このとき、コンパレータ１２において信号Ｓ１の振幅が第２閾値よりも小さくなった場合にコンパレータ１２の出力は“０”から“１”に変更される。この状態が連続して続くと第１出力調整部１４の出力も“１”となり、これに伴って、セレクタ２０では第１閾値が選択されて閾値として出力される。第１閾値は第２閾値よりも大きくなるように設定されているので、次に信号Ｓ１が第１閾値以上となるまでコンパレータ１２の出力は“１”のままに維持される。信号Ｓ１が第１閾値以上となるとコンパレータ１２の出力は“１”から“０”に変更される。この状態が連続して続くと第１出力調整部１４の出力も“０”となり、これに伴って、セレクタ２０では再び第２閾値が選択されて閾値として出力される。

すなわち、信号Ｓ１がセレクタ２０からの第２閾値より小さくなった状態が続いた場合には、第１出力調整部１４の出力が“１”となって過変調によって信号Ｓ１が低下したことが示され、信号Ｓ１がセレクタ２０からの第１閾値以上となった状態が続いた場合には、第１出力調整部１４の出力が“０”となって過変調による信号Ｓ１の振幅の低下が解消されたことが示される。

このとき、比較のための閾値を過変調による信号Ｓ１の低下が無い状態から信号Ｓ１の低下が有る状態への遷移を判断するときには第２閾値とし、信号Ｓ１の低下が有る状態から信号Ｓ１の低下が無い状態への遷移を判断するときには第１閾値とすることによって、振幅低下の検出にヒステリシス特性を持たせることができ、ノイズの影響等によって信号Ｓ１が閾値付近で細かく振動している状態であってもコンパレータ１２からの出力が“０”と“１”との間で細かく振動することを防ぐことができる。これにより、過変調による信号Ｓ１の低下の検出を安定に行うことができる。

また、上記のように、第１閾値及び第２閾値は、ＦＭ信号を復調した後の信号Ｓ２のノイズの大きさに基づいて変更される。信号Ｓ２のノイズの値が大きい場合には第１閾値及び第２閾値も共に大きくなり、ノイズによる信号Ｓ１の低下の誤検出を回避できる。信号Ｓ２のノイズの値が小さい場合には第１閾値及び第２閾値も共に小さくなり、高い精度で信号Ｓ１の低下を検出できる。

第２出力調整部１６は、フィルタとしての機能を有する。第２出力調整部１６は、第１出力調整部１４からの出力信号を受けて、第１出力調整部１４の出力を複数のサンプリング数に亘って蓄積し、そのサンプリング数分の値の論理和を出力する。すなわち、そのサンプリング数に亘って、第１出力調整部１４の出力が少なくとも１回は“１”である場合に第２出力調整部１６は“１”を出力し、第１出力調整部１４の出力が総て“０”である場合に第２出力調整部１６は“０”を出力する。第２出力調整部１６の出力信号は振幅低下検出信号として、位相調整部１８及び閾値設定部１０４のスイッチ２２へ入力される。

より具体的な例としては、第２出力調整部１６は、第１出力調整部１４の出力値を８サンプル蓄積し、第１出力調整部１４の出力値が８サンプル内で少なくとも１回は“１”となった場合に出力を“１”とし、第１出力調整部１４の出力値が８サンプル連続して“０”となった場合に出力を“０”とする。

位相調整部１８は、第２出力調整部１６からの振幅低下検出信号を遅延させて位相を調整する。位相調整部１８は、第２出力調整部１６からの振幅低下検出信号を所定数だけ蓄積するシフトレジスタを含んで構成することができ、シフトレジスタに蓄積されている信号のいずれかを選択して出力する。蓄積された信号のうちいずれを選択するかによって第２出力調整部１６から出力される振幅低下検出信号の位相を調整することができる。

なお、上記のように、閾値設定部１０４のスイッチ２２を第２出力調整部１６の出力信号によって制御することによって、振幅低下検出部１０２から振幅低下検出信号が出力されていない間は接続状態となってＦＭ信号Ｓ２をハイパスフィルタ２４へ入力させ、振幅低下検出信号が出力されている間は遮断状態となる。これによって、信号Ｓ１の振幅低下が検出されている間は閾値設定部１０４における第１閾値及び第２閾値の更新が中止され、その間は信号Ｓ１の振幅低下検出前の第１閾値及び第２閾値が維持される。すなわち、信号Ｓ１の振幅低下の影響を受けた信号Ｓ２に基づいて第１閾値及び第２閾値が設定されることがなくなり、信号Ｓ１の低下検出への信号Ｓ１低下による信号Ｓ２に重畳したノイズの悪影響を避けることができる。

次にノイズキャンセラ部１０６について説明する。ノイズキャンセラ部１０６は、ＦＭ信号の復調後の信号Ｓ２及び振幅低下検出部１０２からの振幅低下検出信号を受けて、振幅低下検出信号に応じて出力する信号を調整する処理を行う。

第１位相調整部３４は、信号Ｓ２を遅延させて位相を調整する。第１位相調整部３４は、信号Ｓ２を所定のサンプリング数だけ蓄積して、蓄積した順に出力するＦＩＦＯ型のシフトレジスタを含んで構成することができる。第１位相調整部３４により信号Ｓ２の位相が調整される。

ローパスフィルタ３６は、第１位相調整部３４からの出力信号の所定の周波数以下の成分のみを透過させるフィルタである。ローパスフィルタ３６は、例えば、直線位相特性を有するタップフィルタを含んで構成することができる。

第２位相調整部３８は、第１位相調整部３４の出力信号の位相を調整する。第２位相調整部３８は、ローパスフィルタ３６を通過してセレクタ４２に入力される信号と、ローパスフィルタ３６を通過せずセレクタ４２に入力される信号の位相を一致させるために設けられ、ローパスフィルタ３６において発生する遅延時間分だけ入力信号を遅延させる。第２位相調整部３８は、例えば、シフトレジスタを含んで構成することができる。

ホールド部４０は、位相調整部１８から出力される振幅低下検出信号を受けて、振幅低下検出信号が“０”から“１”へと変更されたタイミングでローパスフィルタ３６からの出力信号を保持して出力する。すなわち、ホールド部４０は、振幅低下検出部１０２において信号Ｓ１が低下している期間が開始するタイミングでローパスフィルタ３６を通過した復調後の信号Ｓ２をラッチし、信号Ｓ１の低下が解消されるまでその値をホールドして出力し続ける。ホールド部４０は、例えば、フリップ・フロップ回路を含んで構成することができる。

セレクタ４２は、ホールド部４０からの出力信号及び第２位相調整部３８からの出力信号を受けて、位相調整部１８から出力される振幅低下検出信号が“１”であればホールド部４０からの出力信号を選択して出力し、位相調整部１８から出力される振幅低下検出信号が“０”であれば第２位相調整部３８からの出力信号を選択して出力する。

以上のように、ノイズキャンセラ部１０６は、信号Ｓ１が低下が検出されておらず振幅低下検出信号が出力されていないときには復調されたＦＭ信号の位相調整だけを行って出力し、ＦＭ信号の振幅低下が検出されて振幅低下検出信号が出力されているときには、振幅低下期間の開始時の復調されたＦＭ信号をホールドして振幅低下期間はその信号を出力し続ける。これによって、図４に示すように、振幅低下期間中はノイズキャンセラ部１０６からの出力はホールド部４０においてホールドされている値に維持され、信号におけるノイズを補償した出力を得ることができる。

本発明の実施の形態におけるノイズキャンセラ回路の構成を示す図である。 本発明の実施の形態における第１閾値制御部及び第２閾値制御部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態における第１閾値及び第２閾値の設定例を示す図である。 本発明の実施の形態におけるＦＭ信号に対するノイズ補償処理の例を示す図である。 ＦＭ信号に重畳されるノイズの例を示す図である。

符号の説明

１０ ローパスフィルタ、１２ コンパレータ、１４ 第１出力調整部、１６ 第２出力調整部、１８ 位相調整部、２０ セレクタ、２２ スイッチ、２４ ハイパスフィルタ、２６ 絶対値出力部、２８ ローパスフィルタ、３０ 第１閾値制御部、３２ 第２閾値制御部、３４ 第１位相調整部、３６ ローパスフィルタ、３８ 第２位相調整部、４０ ホールド部（ホールド回路）、４２ セレクタ（セレクタ回路）、４４ 比較器、４６ セレクタ、４８ アンプ、５０ 加算器、１００ ノイズキャンセラ回路、１０２ 振幅低下検出部、１０４ 閾値設定部、１０６ ノイズキャンセラ部。

Claims (4)

1. 処理対象となるＦＭ信号の復調前の信号の振幅と閾値とを比較して前記ＦＭ信号の欠落を検出し、検出信号を前記欠落が発生している期間出力する検出回路と、
   前記検出信号を受けた時点における前記ＦＭ信号の復調後の信号を保持するホールド回路と、
   前記検出信号が出力されていない間は前記ＦＭ信号の復調後の信号を選択して出力し、前記検出信号が出力されている間は前記ホールド回路の出力を選択して出力するセレクタ回路と、
   を備えることを特徴とするＦＭ信号のノイズキャンセラ回路。
2. 請求項１に記載のノイズキャンセラ回路であって、
   前記検出回路は、
   前記ＦＭ信号の復調前の信号の振幅が前記閾値の一つである第１の閾値より低くなった場合に前記検出信号の出力を開始し、
   前記ＦＭ信号の復調前の信号の振幅が前記第１の閾値よりも大きい前記閾値の一つである第２の閾値以上となった場合に前記検出信号の出力を停止させることを特徴とするノイズキャンセラ回路。
3. 請求項１又は２に記載のノイズキャンセラ回路であって、
   前記ＦＭ信号の復調後の信号における所定の周波数帯域以下の信号のみを出力するローパスフィルタと、
   前記ローパスフィルタにおける遅延時間だけ前記ＦＭ信号の復調後の信号を遅延させる遅延回路と、
   をさらに備え、
   前記ホールド回路は、前記検出信号を受けた時点における前記ローパスフィルタの出力信号をホールドし、
   前記セレクタ回路は、前記検出信号が出力されていない間は前記遅延回路の出力信号を選択して出力し、前記検出信号が出力されている間は前記ホールド回路の出力を選択して出力することを特徴とするノイズキャンセラ回路。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のノイズキャンセラ回路であって、
   前記セレクタ回路から出力される信号は、前記セレクタ回路で処理される前記ＦＭ信号の復調後の信号のサンプリング周波数よりも低い処理周波数で動作する後段回路へ入力されることを特徴とするノイズキャンセラ回路。

Images