JP5262820B2

JP5262820B2 - 信号検出装置及び信号検出方法

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Publication number: JP5262820B2
Application number: JP2009038021A
Authority: JP
Inventors: 善郎本田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2029-02-20
Also published as: JP2010193371A

Description

本発明は、電波受信信号と受信機雑音が混在する受信信号から発射電波の信号成分を検出する信号検出装置及び信号検出方法に関する。

従来、プレストーク通信などの断続的な発射電波を受信して、この受信信号を所定の信号検出しきい値と比較することにより電波の発射期間に相当する信号だけを取り出す信号検出装置がある。この従来の信号検出装置では、所望の誤警報確率を確保するよう信号検出しきい値を適切に設定するために、まず受信機を無入力状態とし、この無入力状態における雑音電力を測定しておき、この測定された雑音電力の値に基づいて所要のＳＮ比が得られる信号レベルにしきい値を設定している。

特開平６−１４８３１２号公報特開平５−０２６９９９号公報特開２００５−３１８１１１号公報

しかしながら、上述の従来技術によれば、受信機を一旦無入力状態にする必要があることから、入力状態を切り替えるための回路を余分に必要とするという問題がある。
また、雑音電力は受信周波数や受信帯域幅などによって変化するため、これらの受信条件を変更する都度、雑音電力を測定する必要が生じ、この切り替えの期間では電波の受信が行えなくなるという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、受信機を無入力状態とすることなく、受信機雑音を含むベースバンド信号から受信信号成分を安定的に検出することを可能とする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。

上記課題を解決するため、本発明に係る信号検出装置は、電波を受信してベースバンド信号を出力する受信手段と、前記ベースバンド信号の振幅包絡値の度数分布特性であって仲上−ライス分布に従う度数分布特性を求め、該度数分布特性の複数のピークを与える振幅包絡値の内、最も小さい振幅包絡値から前記ベースバンド信号に含まれる雑音電力を算出する雑音電力算出手段と、前記雑音電力を用いて、前記ベースバンド信号に含まれる受信信号成分と雑音信号成分とを判別するためのしきい値を、所定の誤警報確率を得るために必要なＳＮ比の雑音の確率密度関数を用いて計算された係数を雑音電力の平方根に乗じることにより算出するしきい値算出手段と、前記しきい値と前記ベースバンド信号の振幅包絡値との大小関係に基づいて前記ベースバンド信号から前記受信信号成分を抽出する信号抽出手段とを備えた信号検出装置の構成を有する。

本発明に係る信号検出方法は、電波を受信してベースバンド信号を出力する受信段階と、前記ベースバンド信号の振幅包絡値の度数分布特性であって仲上−ライス分布に従う度数分布特性を求め、該度数分布特性の複数のピークを与える振幅包絡値の内、最も小さい振幅包絡値から前記ベースバンド信号に含まれる雑音電力を算出する雑音電力算出段階と、前記雑音電力を用いて、前記ベースバンド信号に含まれる受信信号成分と雑音信号成分とを判別するためのしきい値を、所定の誤警報確率を得るために必要なＳＮ比の雑音の確率密度関数を用いて計算された係数を雑音電力の平方根に乗じることにより算出するしきい値算出段階と、前記しきい値と前記ベースバンド信号の振幅包絡値との大小関係に基づいて前記ベースバンド信号から前記受信信号成分を抽出する信号抽出段階とを含む信号検出方法の構成を有する。

本発明は、電波受信信号と受信機雑音とが混在する受信信号を入力として、受信信号の振幅包絡値の度数分布特性から雑音電力を求めることで受信信号のしきい値を算出し、所定の誤警報確率で受信信号を取り出す。

本発明によれば、受信機を無入力状態とすることなく、受信機雑音を含むベースバンド信号から電波の受信信号成分を安定的に検出することが可能になる。

本発明の第１実施形態による信号検出装置の構成を示すブロック図である。本発明の第１実施形態による信号検出装置の動作の流れを説明するためのフローチャートである。本発明の第１実施形態による信号検出装置が備える雑音電力算出回路の動作を説明するための波形図（度数分布特性）である。本発明の第１実施形態による信号検出装置が備える雑音電力算出回路の動作を説明するための波形図（度数分布特性のシミュレーション結果）である。本発明の第１実施形態による信号検出装置が備える雑音電力算出回路の動作（ピーク検出）を説明するための波形図である。本発明の第２実施形態による信号検出装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
[第１の実施形態]
＜構成の説明＞
図１に、本発明の第１の実施形態による信号検出装置１００の全体構成を示す。
図１を参照すると、信号検出装置１００は、アンテナ１、受信機２、ＡＤ変換器３、比較判定回路４、乗算器４Ａ、誤警報確率算出回路５、雑音電力算出回路６、制御回路７、しきい値算出回路１０を含んで構成される。また、上記の雑音電力算出回路６は、包絡線検波回路６１と、度数分布生成回路６２と、ピーク検出回路６３と、演算回路６４を含んで構成される。

ここで、アンテナ１は電波を受信するためのものであり、受信機２は、アンテナ１で受信された電波に含まれるＲＦ信号を帯域制限されたベースバンド信号に変換するものである。ＡＤ変換器３は、受信機２によって変換されたベースバンド信号をディジタルベースバンド信号に変換するものである。これらアンテナ１、受信機２、ＡＤ変換器３は、電波を受信してベースバンド信号を出力する受信手段を構成する。

雑音電力算出回路６は、ＡＤ変換器３によって変換されたディジタルベースバンド信号に含まれる雑音電力（σ²）を算出するものである（雑音電力算出手段）。
雑音電力算出回路６の構成を更に詳細に説明すると、雑音電力算出回路６を構成する包絡線検波回路６１は、ＡＤ変換器３から入力されたディジタルベースバンド信号の包絡線検波を行って振幅包絡値を生成するものであり、この振幅包絡値を比較判定回路４と度数分布生成回路６２に出力するように構成される。

度数分布生成回路６２は、上記振幅包絡値の度数分布特性を生成するものである。即ち、度数分布生成回路６２は、制御回路７からスタート信号を受け取ると、包絡線検波回路６１から振幅包絡値の取り込みを開始し、横軸を振幅包絡値とし縦軸を度数とする度数分布特性の生成を行う。そして、制御回路７からストップ信号を受け取ると度数分布特性の生成を停止し、生成した度数分布特性データについて前後３階級の移動平均を計算し、平滑化を行った度数分布の数値データをピーク検出回路６３に出力するように構成される。

ピーク検出回路６３は、度数分布生成回路６２から入力された度数分布特性の数値データから振幅包絡値の最小値を検出するものである。即ち、ピーク検出回路６３は、各階級における微分係数を算出し、横軸を振幅包絡値とし縦軸を微分係数とする微分係数曲線を生成する。そして、この微分係数曲線から、微分係数が0となる振幅包絡値のうち最小の振幅包絡値σ（>0）を判定し、この最小の振幅包絡値σを演算回路６４と誤警報確率算出回路５に出力するように構成される。

演算回路６４は、ピーク検出回路６３から入力された振幅包絡値（σ）の２乗を計算し、これを雑音電力（σ²）として出力するものである。
上述の包絡線検波回路６１、度数分布生成回路６２、ピーク検出回路６３、演算回路６４により、ベースバンド信号の振幅包絡値の度数分布特性から雑音電力を算出する雑音電力算出手段としての雑音電力算出回路６が構成される。

制御回路７は、上述の度数分布生成回路６２における度数分布特性の生成動作を制御するものである。制御回路７は、ユーザー入力による開始信号Ｓを受け取ると、度数分布特性の生成のスタートとストップを命令する制御信号を、予め設定された時間間隔で繰り返し度数分布生成回路６２に出力するように構成される。

しきい値算出回路１０は、演算回路６４で算出された雑音電力（σ²）と、ユーザーが設定した所定の係数ｋとから、ベースバンド信号に含まれる受信信号成分と雑音信号成分とを判別するためのしきい値を算出するものである（しきい値算出手段）。このしきい値は、比較判定回路４と誤警報確率算出回路５に与えられる。なお、しきい値算出回路１０が算出したしきい値に代えて、ユーザーが算出したしきい値を採用するように構成することも可能である。

比較判定回路４は、ベースバンド信号の振幅包絡値と上記しきい値とを比較するものである。即ち、比較判定回路４は、上記しきい値が入力されると、包絡線検波回路６１から入力された振幅包絡値と上記しきい値の大きさとを比較し、振幅包絡値がしきい値を超えた時のみ論理１を出力し、それ以外は論理０を出力するように構成される。

乗算器４Ａは、ＡＤ変換器３から出力されたディジタルベースバンド信号の振幅包絡値と比較判定回路４からの出力値との乗算（ＡＮＤ計算）を行うものである。即ち、乗算器４Ａは、ディジタルベースバンド信号の振幅包絡値がしきい値を超えたときのみ、ＡＤ変換器３によって変換されたディジタルベースバンド信号を出力するものである。これにより、ディジタルベースバンド信号から電波の受信信号成分のみが抽出されることとなる。
上述の比較判定回路４と乗算器４Ａにより、しきい値とベースバンド信号の振幅包絡値との大小関係に基づきベースバンド信号から受信信号成分を抽出する信号抽出手段が構成される。

誤警報確率算出回路５は、レイリー分布に基づいて誤警報確率を算出するものである（誤警報確率算出手段）。即ち、誤警報確率算出回路５は、ピーク検出回路６３から入力された振幅包絡値で最大値をとるレイリー分布（横軸を振幅包絡値とし縦軸を確率密度とする）を生成する。そして、この確率密度分布についてしきい値以上の振幅包絡値をとる確率を計算して出力するように構成される。

＜動作の説明＞
次に、図２のフローチャートを参照して、本発明の第１の実施形態による信号検出装置の動作、即ち、信号検出方法について詳細に説明する。
まず、受信機２は、アンテナ１からのＲＦ信号をベースバンド信号に変換してＡＤ変換器３に供給する（ステップＳ１）。ＡＤ変換器３は、ベースバンド信号をディジタルベースバンド信号に変換し、このディジタルベースバンド信号を包絡線検波回路６１と乗算器４Ａに供給する（ステップＳ２）。

包絡線検波回路６１は、ディジタルベースバンド信号の包絡線検波を行い、振幅包絡値を生成して出力する（ステップS３）。度数分布生成回路６２は、制御回路７から制御信号の入力があるかどうかを判断する（ステップＳ４）。制御回路７からスタート信号を受け取ると（ステップＳ４；ＹＥＳ）、包絡線検波回路６１から振幅包絡値を取り込こんで度数分布特性（ヒストグラム）の生成を開始する。そして、ストップ信号を受け取ると度数分布特性の生成を停止して度数分布特性の数値データをピーク検出回路６３に出力する（ステップＳ５）。

ピーク検出回路６３は、度数分布生成回路６２から度数分布特性のデータを受け取ると、微分係数曲線を生成して度数分布特性におけるピークを判定する。そして、この度数分布特性のピークを与える振幅包絡値のうち、最小の振幅包絡値σを演算回路６４に出力する（ステップＳ６）。演算回路６４は、入力された振幅包絡値σの２乗を算出し、これを雑音電力σ²として出力する（ステップＳ７）。しきい値算出回路１０は、雑音電力σ²と、ユーザーが設定した係数ｋから、受信信号成分と雑音成分とを判別するためのしきい値を算出し、比較判定回路４と誤警報確率算出回路５に設定する（ステップＳ７Ａ）。

ここで演算回路６４からの出力値である雑音電力σ²と係数ｋについて、式１〜４及び図３〜５を用いて詳細に説明する。
一般に、標準偏差σであるガウス雑音の、複素振幅包絡値ρに対する確率密度関数q₀(ρ)はレイリー分布に従い、下記の式１で表される。また、このとき、雑音電力はσ²で表される。

次に、振幅Aのキャリア信号にガウス雑音が含まれている場合を考える。この信号の振幅包絡値の確率密度関数q₁(ρ)は仲上−ライス分布に従い、第1種０次変形ベッセル関数I₀(z)を用いて下記の式２で表される。

さらに、雑音に対するキャリア信号のデューティー比がDである信号について考える。この信号の振幅包絡値の確率密度関数qは、式１と式２とを用いて、下記の式３で表される。

式３において、D = 0.5、σ=1.0、A=(2×10)^1/2（SN=10 dB）の時の確率密度分布q(ρ)を図３に示す。図から、２つのピークうち左側（振幅包絡値の小さい方）はρ＝σで最大値を取り、右側（振幅包絡値ρの大きい方）はρ＝Aで最大値を取っている。即ち、左側のピークは式３の第１項、右側のピークは式３の第２項の寄与によるものであると分かる。そして、このピークにおける振幅包絡値の値ρ＝σから雑音電力W＝σ²が算出される。

図４に、度数分布生成回路６２で生成される度数分布のシミュレーション結果を示す。このシミュレーションでは、ガウス雑音に対するキャリア信号のデューティー比が0.5、SN比が10 dBである受信信号を8,000個の離散データとして発生させた後、各データについて振幅包絡値を算出し、これを度数分布生成回路６２への入力データとして用いた。図４に示すシミュレーション結果は、式４から算出された図３の確率密度分布とよく一致していることが分かる。

図５に、度数分布生成回路６２で生成された度数分布のデータを、ピーク検出回路６３に入力した場合に生成される微分係数曲線のシミュレーション結果を示す。図５より、微分係数が0となる振幅包絡値のうち最小の振幅包絡値（>0）はρ≒1.0であり、ピーク検出回路６３の出力結果は、式３から算出される理論値ρ＝σ＝1.0にほぼ一致すると分かる。すなわち、ピーク検出回路６３からσが演算回路６４に入力されるため、演算回路６４からの出力値は雑音電力W＝σ²となる。

受信信号にガウス雑音と変調信号が混在する場合は、度数分布生成回路６２の出力結果について定量的に議論することは困難である。しかしながら、図４から、度数分布の２つのピークのうち、変調の影響はキャリア信号の寄与である右側のピークに主に現れるため、雑音の寄与である左側のピークが受ける影響はほとんど無い。すなわち変調信号（受信信号成分）と雑音が混在していても、キャリア信号と雑音が混在している場合と比べてピーク検出回路６３の出力結果が大きく変化する可能性は小さく、演算回路６４は雑音電力σ²を適格に算出して出力することができる。

この雑音電力の平方根（σ）を基に、振幅包絡値ρ＝kσを信号検出しきい値とし、ユーザーが所望の誤警報確率に応じて係数kの値を決定する。即ち、係数ｋは、所望の誤警報確率を得るために必要なＳＮ比の雑音の確率密度関数を用いて予め計算された値である。

ここで、説明を図２のフローに戻す。
上述のように算出されたしきい値は、比較判定回路４及び誤警報確率算出回路５に入力設定される。しきい値が比較判定回路４に入力されると（ステップＳ８；ＹＥＳ）、包絡線検波回路６１から振幅包絡値を取り込み、設定されたしきい値と比較を行ない、その大小関係を判別する（ステップＳ９）。そして、比較判定回路４は、ディジタルベースバンド信号の振幅包絡値がしきい値を超えたときのみ論理値１を出力し、この論理値１が出力されている期間だけ、乗算器４Ａは、ＡＤ変換器３から入力されるディジタルベースバンド信号を出力する（ステップＳ１０）。

また、誤警報確率算出回路５は、ピーク検出回路６３から振幅包絡値σを入力すると（ステップＳ１１；ＹＥＳ）、この値σを用いて、式１で表される確率密度関数q₀(ρ)を算出する。そして、しきい値（kσ）が入力されると、式４を用いてρ＝kσ〜∞での確率密度関数q₀(ρ)の積分を実行し、結果を誤警報確率Eとして出力する（ステップＳ１２）。

ユーザーは、指定した係数ｋに対して誤警報確率算出回路５が出力した誤警報確率Ｅをモニタし、前述のように、所望の誤警報確率Ｅが得られるように係数ｋを調整する。これにより、所望の誤警報確率Ｅで受信信号成分が検出されるようになる。

本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
本実施形態によれば、プレストーク通信などの断続的な発射電波を受信し、しきい値振幅との比較により電波の発射期間だけを取り出す信号検出装置において、受信機雑音信号とともに電波受信信号とが入力する条件で、この中の雑音信号の電力だけを測定することが可能になる。また、測定した雑音電力から電波の受信信号を取り出すためのしきい値を算出し、所定の誤警報確率で発射電波の受信信号を検出することが可能になる。

[第２の実施形態]
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。
ここでは、上述の雑音電力算出回路６の機能を利用した例として、ＳＮ比算出機能を備えた信号検出装置を説明する。
なお、上述の第１の実施形態の構成要素と同一の要素については同一の符号を付す。

図６に、第２の実施形態による信号検出装置２００の全体構成を示す。
図６を参照すると、信号検出装置２００は、アンテナ１、受信機２、ＡＤ変換器３、比較判定回路４、乗算器４Ａ、雑音電力算出回路６、制御回路７、平均電力算出回路８、ＳＮ比算出回路９、しきい値算出回路１０を含んで構成される。

前述の第１の実施形態と比較すれば、第２の実施形態による信号検出装置２００は、図１の構成において、誤警報確率算出回路５に代えて、新たに平均電力算出回路８とＳＮ比算出回路９を備えている。ただし、誤警報確率算出回路５と併せて平均電力算出回路８及びＳＮ比算出回路９を備えるものとしてもよい。平均電力算出回路８には、乗算器４Ａの出力信号と、制御回路７からの制御信号が入力され、この平均電力算出回路８の出力信号はＳＮ比算出回路９に与えられる。その他の構成は図１と同一である。

続いて、本実施形態による信号検出装置２００の動作を説明する。
平均電力算出回路８とＳＮ比算出回路９以外の回路については、図１に示す上述の第１の実施形態と同様である。すなわち、ＡＤ変換器３から入力されたディジタルベースバンド信号から雑音電力算出回路６が雑音電力（σ²）を算出し、この雑音電力の平方根（σ）を基に、しきい値算出回路１０が受信信号成分と雑音成分とを判別するためのしきい値（ｋσ）を算出して比較判定回路４に設定する。

本実施形態では、上述のようにしきい値が設定された状態において、平均電力算出回路８が制御回路７からスタート信号を入力すると、この平均電力算出回路８は、乗算器４Ａからディジタルベースバンド信号（受信信号成分）の取り込みを開始する。そして、制御回路７からストップ信号が入力されるとディジタルベースバンド信号の取り込みを止め、この取り込み期間におけるディジタルベースバンド信号の平均電力を算出してＳＮ比算出回路９に出力する。

ＳＮ比算出回路９は、平均電力算出回路８から入力された平均電力と、雑音電力算出回路６の演算回路６４から入力された雑音電力との除算を行い、その結果をＳＮ比として出力する。これにより、適切なＳＮ比を算出することが可能になる。

上述の平均電力算出回路８とＳＮ比算出回路９によって実現されるＳＮ比算出機能の応用例として、電波の自動受信システムを挙げることができる。このシステムは、受信信号のＳＮ比の測定を常時行い、ＳＮ比がある値以上になると探査を行う装置であり、上述のＳＮ比算出機能は、例えば違法無線局の探査を行う電波監視システム等への応用が可能である。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形が可能である。例えば、上述の第１の実施形態では、ユーザーが所望の誤警報確率Ｅが得られるように係数ｋを調整するものとしたが、これに限定されることなく、ユーザーによって指定された誤警報確率Ｅが得られるように係数ｋを自動設定する手段を備えてもよい。

また、上述の実施形態では、しきい値算出回路１０を備えるものとしたが、これに限定されることなく、雑音電力算出回路６により得られた雑音電力から、ユーザーがしきい値を適切に設定するようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、しきい値算出回路１０は、雑音電力算出回路６の演算回路６４から出力される雑音電力を用いてしきい値を算出するものとしたが、これに限定されることなく、ピーク検出回路６３から出力される振幅包絡値（σ）を用いてしきい値を算出するものとしてもよい。

プレストーク通信などの電波を検出する技術に利用することができ、例えば、ＳＮ比がある値以上になると探査を行う装置などに適用可能である。

１；アンテナ、２；受信機、３；ＡＤ変換器、４；比較判定回路、４Ａ；乗算器、５；誤警報確率算出回路、６；雑音電力算出回路、７；制御回路、８；平均電力算出回路、９；ＳＮ比算出回路、１０；しきい値算出回路、１００，２００；信号検出装置。

Claims

電波を受信してベースバンド信号を出力する受信手段と、
前記ベースバンド信号の振幅包絡値の度数分布特性であって仲上−ライス分布に従う度数分布特性を求め、該度数分布特性の複数のピークを与える振幅包絡値の内、最も小さい振幅包絡値から前記ベースバンド信号に含まれる雑音電力を算出する雑音電力算出手段と、
前記雑音電力を用いて、前記ベースバンド信号に含まれる受信信号成分と雑音信号成分とを判別するためのしきい値を、所定の誤警報確率を得るために必要なＳＮ比の雑音の確率密度関数を用いて計算された係数を雑音電力の平方根に乗じることにより算出するしきい値算出手段と、
前記しきい値と前記ベースバンド信号の振幅包絡値との大小関係に基づいて前記ベースバンド信号から前記受信信号成分を抽出する信号抽出手段と
を備えた信号検出装置。
前記最も小さい振幅包絡値で最大値をとるレイリー分布について前記しきい値以上の振幅包絡値をとる確率を算出する誤警報確率算出手段を更に備えた請求項１に記載の信号検出装置。
前記信号抽出手段により抽出された信号の平均電力を算出する平均電力算出手段と、
前記平均電力と前記雑音電力とからＳＮ比を算出するＳＮ比算出手段と
を更に備えたことを特徴とする請求項１または２の何れか１項記載の信号検出装置。
電波を受信してベースバンド信号を出力する受信段階と、
前記ベースバンド信号の振幅包絡値の度数分布特性であって仲上−ライス分布に従う度数分布特性を求め、該度数分布特性の複数のピークを与える振幅包絡値の内、最も小さい振幅包絡値から前記ベースバンド信号に含まれる雑音電力を算出する雑音電力算出段階と、
前記雑音電力を用いて、前記ベースバンド信号に含まれる受信信号成分と雑音信号成分とを判別するためのしきい値を、所定の誤警報確率を得るために必要なＳＮ比の雑音の確率密度関数を用いて計算された係数を雑音電力の平方根に乗じることにより算出するしきい値算出段階と、
前記しきい値と前記ベースバンド信号の振幅包絡値との大小関係に基づいて前記ベースバンド信号から前記受信信号成分を抽出する信号抽出段階と
を含む信号検出方法。
前記最も小さい振幅包絡値で最大値をとるレイリー分布について前記しきい値以上の振幅包絡値をとる確率を算出する誤警報確率算出手段を更に備えた請求項４に記載の信号検出方法。
前記信号抽出段階で抽出された信号の平均電力を算出する平均電力算出段階と、
前記平均電力と前記雑音電力とからＳＮ比を算出するＳＮ比算出段階と
を更に含むことを特徴とする請求項４または５の何れか１項記載の信号検出方法。