JP5740218B2

JP5740218B2 - 受信装置及び背景雑音推定方法

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Publication number: JP5740218B2
Application number: JP2011132401A
Authority: JP
Inventors: 誠鶴田; 鶴田　　誠
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2031-06-14
Also published as: JP2013002878A

Description

本発明の実施形態は、受信した所望信号の到来方向を推定する受信装置及びこの受信装置で用いられる背景雑音推定方法に関する。

受信装置は、所望信号に加え、角度的な広がりをもって到来する背景雑音を受信する場合がある。背景雑音には、例えば、雷により発生する空電雑音、及び、都市に存在する電力・交通・空調等により発生する都市雑音等が含まれる。このように、背景雑音を所望信号と共に受信する環境下では、背景雑音に影響され、所望信号の到来方向推定の精度が劣化してしまう。

ところで、背景雑音は、受信装置のアンテナ自由度を超える多数の発信源が想定される。そのため、背景雑音の個々の到来方位を推定することは現実的ではない。そこで、受信した電波の受信処理についての初期の段階で、背景雑音の概略の方向や強度等を推定することが望まれている。

特開平８−８２６６４号公報

以上のように、従来の受信装置では、所望信号と共に背景雑音を受信してしまうと、所望信号の到来方向を推定する精度が劣化するという問題があるが、背景雑音は多数の発信源が想定されるため、背景雑音の個々の到来方位を推定することは現実的でない。

そこで、目的は、背景雑音についての概略情報を、電波の受信処理の初期段階で推定することで、所望信号の到来方向を推定する精度の劣化を抑制することが可能な受信装置及び背景雑音推定方法を提供することにある。

実施形態によれば、受信装置は、アンテナ、ＲＦ変換部、アナログ−デジタル変換部、計算部、第１の固有ベクトル算出部、第２の固有ベクトル算出部及び背景雑音推定部を具備する。アンテナは、所望信号と、統計的にガウシャン性の性質を有する背景雑音とを含む電波を複数受信する。ＲＦ変換部は、前記複数の電波を予め設定された周波数帯へ変換する。アナログ−デジタル変換部は、前記周波数変換された複数の信号を複数のデジタル信号へ変換する。計算部は、前記複数のデジタル信号からデジタル信号を４つずつ順次選択し、前記４つずつ選択したデジタル信号に基づいて４次キュムラント行列を算出することで前記背景雑音を抑圧し、前記４次キュムラント行列に基づいて、前記所望信号の到来方位を示すステアリング行列の推定値を算出する。第１の固有ベクトル算出部は、前記推定値に基づいて第１の固有ベクトルを算出する。第２の固有ベクトル算出部は、前記複数のアナログ−デジタル変換部から出力されるデジタル信号に基づいて第２の固有ベクトルを算出する。背景雑音推定部は、前記第１及び第２の固有ベクトルに基づいて前記背景雑音についての概略情報を推定する。

第１の実施形態に係る受信装置の機能構成を示すブロック図である。図１の受信装置が受信する背景雑音の例を示す図である。図１の背景雑音推定部での処理を示す図である。図１の受信装置が背景雑音の概略情報を推定する際の手順を示すシーケンス図である。第２の実施形態に係る受信装置の機能構成を示すブロック図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る受信装置の機能構成を示すブロック図である。図１に示す受信装置は、アンテナ１０−１〜１０−ｎ、ＲＦ（Radio Frequency）変換部２０−１〜２０−ｎ、アナログ−デジタル変換部３０−１〜３０−ｎ、信号処理部４０を具備する。

アンテナ１０−１〜１０−ｎは、外部から到来する電波を受信する。この電波には、親局（図示せず）から送信される所望信号に加え、空電雑音及び都市雑音等の背景雑音が含まれる。背景雑音は、統計的にガウシャン性の性質を有し、図２に示すように、方位性を有する雑音として扱うことが可能である。

ＲＦ変換部２０−１〜２０−ｎは、アンテナ１０−１〜１０−ｎで受信された電波を所定の周波数のベースバンド信号に変換する。また、ＲＦ変換部２０−１〜２０−ｎは、このベースバンド信号に対して、フィルタ処置等の処理を行う。なお、ＲＦ変換部２０−１〜２０−ｎは、アンテナ素子１０−１〜１０−ｎで受信された電波を、ＩＦ（Intermediate Frequency）帯のＩＦ信号へ変換しても構わない。

アナログ−デジタル変換部３０−１〜３０−ｎは、ＲＦ変換部２０−１〜２０−ｎからのベースバンド信号を、デジタル形式のデジタル信号へ変換する。アナログ−デジタル変換部３０−１〜３０−ｎは、デジタル信号を信号処理部４０へ出力する。

信号処理部４０は、例えばマイクロプロセッサからなるＣＰＵ（Central Processing Unit）を備えたもので、アプリケーション・プログラムを上記ＣＰＵに実行させることにより以下の機能を有する。すなわち、信号処理部４０は、計算部４１、第１の固有ベクトル算出部４２、第２の固有ベクトル算出部４３及び背景雑音推定部４４を備える。

アナログ−デジタル変換部３０−１〜３０−ｎから供給されるデジタル信号は、計算部４１及び第２の固有ベクトル算出部４３で処理される。

計算部４１は、４次キュムラント行列計算部４１１、特異値分解計算部４１２、最小２乗法計算部４１３及びステアリング行列推定部４１４を備える。

４次キュムラント行列計算部４１は、アンテナ１０−１〜１０−ｎからそれぞれ供給されるｎ個のデジタル信号のうち、４個の受信信号（ｒ_１，ｒ_２，ｒ_３，ｒ_４）を任意に選択し、以下の計算を行う。

ここで、Ｅ［・］は、アンサンブル平均を計算する演算子である。４次キュムラント行列計算部４１は、４個の受信信号を選択して行う式（１）の１回の計算で、４次キュムラント行列の１個の要素を算出する。式（１）に示す４次キュムラント行列の計算では、ガウシャン性の性質を有する信号を抑圧する作用がある。このため、選択した４個の受信信号がガウシャン性の性質を有する信号である場合、算出される要素は０となる。

４次キュムラント行列計算部４１は、アンテナ１０−１〜１０−ｎに応じた回数だけ式（１）の計算を行い、４次キュムラント行列Ｃを取得する。４次キュムラント行列計算部４１は、取得した４次キュムラント行列Ｃを特異値分解計算部４１２へ出力する。

特異値分解計算部４１２は、４次キュムラント行列計算部４１からの４次キュムラント行列Ｃに対して式（２）に示す特異値分解（Singular Value Decomposition）を行う。

ここで、Ｅ_ｓは左特異ベクトルを示し、Σは特異値行列を示す。特異値分解計算部４１２は、特異値分解により算出される左特異ベクトルＥ_ｓを最小２乗法計算部４１３へ出力する。このとき、左特異ベクトルＥ_ｓは、以下のように示される。

ここで、Ａはステアリング行列を示し、Ｄは特異値行列を示し、Ψは到来方位についての情報を示す。最小２乗法計算部４１３は、特異値分解計算部４１２からの左特異ベクトルＥ_ｓに対して最小２乗法計算を行い、情報Ψを以下のように算出する。

最小２乗法計算部４１３は、算出した情報Ψをステアリング行列推定部４１４へ出力する。

ステアリング行列推定部４１４は、情報Ψを固有値分解し、情報Ψの固有ベクトルＴを算出する。ステアリング行列推定部４１４は、固有ベクトルＴと左特異ベクトルＥ_ｓとから所望信号のステアリング行列の推定値を以下のように算出する。

ステアリング行列推定部４１４は、取得した推定値を第１の固有ベクトル算出部４２へ出力する。

第１の固有ベクトル算出部４２は、第１の相関行列計算部４２１及び第１の固有値分解計算部４２２を備える。

第１の相関行列計算部４２１は、ステアリング行列推定部４１４で算出される推定値の相関行列を算出する。第１の固有値分解計算部４２２は、算出された相関行列に対して固有値分解を行い、固有ベクトルＮ_１を算出する。第１の固有値分解計算部４２２は、算出した固有ベクトルＮ_１を背景雑音推定部４４へ出力する。

第２の固有ベクトル算出部４３は、第２の相関行列計算部４３１及び第２の固有値分解計算部４３２を備える。

第２の相関行列計算部４３１は、アナログ−デジタル変換部３０−１〜３０−ｎからのデジタル信号の相関行列を算出する。第２の固有値分解計算部４３２は、算出された相関行列に対して固有値分解を行い、固有ベクトルＮ_２を算出する。第２の固有値分解計算部４３２は、算出した固有ベクトルＮ_２を背景雑音推定部４４へ出力する。

ここで、アンテナ１０−１〜１０−ｎで受信される受信信号Ｙが式（６）のように示されるとする。

Ａは所望信号のステアリング行列を示し、Ｓは所望信号の信号行列を示し、Ａ_ｉはｉ番目の背景雑音のステアリング行列を示し、ｎ_ｉはｉ番目の背景雑音の信号行列を示す。上述した通り、４次キュムラント行列の計算では、ガウシャン性の性質を有する信号を抑圧する作用があるため、４次キュムラント行列の算出により、ガウシャン性を有する背景雑音、つまり、式（６）の第２項は無視可能な程度に小さくなる。すなわち、式（６）に示す受信信号は、４次キュムラント行列の計算を経ることにより、式（７）のように近似することが可能となる。

つまり、ステアリング行列推定部４１４により式（５）で算出される推定値は、背景雑音の影響が軽減されたものとなる。このため、第１の固有ベクトル算出部４２でこの推定値から算出される固有ベクトルＮ_１は、背景雑音を含まないものとなる。

一方、第２の固有ベクトル算出部４３は、背景雑音が含まれる信号に基づいて固有ベクトルＮ_２を算出している。このため、固有ベクトルＮ_２には、背景雑音の影響が残っていることとなる。

背景雑音推定部４４は、第１の固有ベクトル算出部４２からの固有ベクトルＮ_１と、第２の固有ベクトル算出部４３からの固有ベクトルＮ_２とに基づいて背景雑音を推定する。背景雑音推定部４４は、式（８）を用いて、背景雑音の概略情報を推定する。

ただし、ｆ（・）は、背景雑音の概略情報を抽出する任意の関数である。なお、背景雑音の概略情報を抽出する方法は、如何様にも構成可能である。

例えば、背景雑音推定部４４は、固有ベクトルＮ_１と固有ベクトルＮ_２との差を取ることで、背景雑音の概略情報を抽出するようにしてもよい。図３は、固有ベクトルＮ_１，Ｎ_２それぞれに属する固有値Λ_１，Λ_２の差を示す図である。

ここで、アンテナ１０−１〜１０−ｎで受信される受信信号には、所望信号及び背景雑音の他、熱雑音も含まれる場合がある。熱雑音は、方位性を有さず、全方位に一様に分布する雑音である。そこで、背景雑音推定部４４は、図３に示すように算出した固有値のうち、最小の値の固有値が熱雑音によるものであるとして、その固有値の値を閾値として設定する。背景雑音推定部４４は、この閾値を超える固有値を優位な固有値として扱い、この優位な固有値に属する固有ベクトルを背景雑音の固有ベクトルＥＶｂｇとする。

次に背景雑音推定部４４は、式（９）に示すように、ステアリング行列ａ（θ，φ）と、固有ベクトルＥＶｂｇとの内積の強度ＤＦ（θ，φ）を求める。

背景雑音推定部４４は、Ａｚｉｍｕｔｈ方向の角度θ及びＥｌｅｖａｔｉｏｎ方向の角度φをそれぞれ順次変更しながら、強度ＤＦ（θ，φ）のピークサーチを行う。背景雑音推定部４４は、ピークサーチの結果、予め設定した閾値を超える強度を検出した場合、その強度を背景雑音の強度とし、その強度を検出した方位を背景雑音の到来方位とする。これにより、背景雑音推定部４４は、背景雑音の強度と到来方位とを概略情報として推定する。

次に、以上のように構成された受信装置が、背景雑音の概略情報を推定する際の処理手順を説明する。図４は、第１の実施形態に係る受信装置が背景雑音の概略情報を推定する際の手順を示すシーケンス図である。

まず、計算部４１及び第２の固有ベクトル算出部４３は、アナログ−デジタル変換部３０−１〜３０−ｎからデジタル信号を受け取る。

計算部４１は、受け取ったデジタル信号に基づいて４次キュムラント行列を取得する。計算部４１は、取得した４次キュムラント行列に基づいて所望信号のステアリング行列の推定値を算出する（シーケンスＳ４１）。計算部４１は、算出した推定値を第１の固有ベクトル算出部４２へ出力する。

第２の固有ベクトル算出部４３は、受け取ったデジタル信号の相関行列を算出し、算出した相関行列に対して固有値分解を行う（シーケンスＳ４２）。第２の固有ベクトル算出部４３は、固有値分解により取得した固有ベクトルＮ_２を背景雑音推定部４４へ出力する。

第１の固有ベクトル算出部４２は、計算部４１からの推定値の相関行列を算出し、算出した相関行列に対して固有値分解を行う（シーケンスＳ４３）。第１の固有ベクトル算出部４２は、固有値分解により取得した固有ベクトルＮ_１を背景雑音推定部４４へ出力する。

背景雑音推定部４４は、第１の固有ベクトル算出部４２からの固有ベクトルＮ_１と、第２の固有ベクトル算出部４３からの固有ベクトルＮ_２とに基づいて、背景雑音の概略情報を推定する（シーケンスＳ４４）。

以上のように、上記第１の実施形態では、受信信号を二つに分け、一方では固有ベクトルＮ_１を算出し、他方では固有ベクトルＮ_２を算出する。このとき、固有ベクトルＮ_１は、受信信号の４次キュムラント行列に基づいて算出されるものであり、背景雑音の影響が抑圧されている。一方、固有ベクトルＮ_２は受信信号に基づいて算出されるものであり、背景雑音の影響が残っている。そして、背景雑音推定部４４は、固有ベクトルＮ_１と固有ベクトルＮ_２とから背景雑音の概略情報を推定するようにしている。これにより、背景雑音について多数の発信源が想定される場合であっても、所望信号の到来方向の推定処理の前、つまり、電波の受信処理の初期段階で、背景雑音の概略情報を推定することが可能となる。

なお、従来の信号到来方位推定装置では、所望信号の到来方向を推定する場合に、背景雑音に起因する到来方位の推定誤差を解消するようにしている。ただし、この機能は、背景雑音の整相器出力が方位に対して一様の期待値を有するという理解の上で成立している。しかし、背景雑音は、空電雑音及び都市雑音を含む場合があり、方位に対して一様に分布するとはいえない場合がある。そのため、この信号到来方位推定部は、空電雑音及び都市雑音が存在する環境下では、有効に動作しないおそれがある。これに対し、本実施形態では、背景雑音の影響を抑圧した固有ベクトルＮ_１と、背景雑音の影響が残る固有ベクトルＮ_２とを比較することで背景雑音の概略情報を推定するため、背景雑音が方位性を有している場合であっても対応することが可能である。

したがって、第１の実施形態に係る受信装置によれば、背景雑音についての概略情報を、電波の受信処理の初期段階で推定することが可能であるため、所望信号の到来方向を推定する精度の劣化を抑制することができる。

なお、以下に取得した背景雑音の到来方位と強度の情報の利用方法についても記載する。

所望信号と背景雑音が異なる方位から到来している場合、取得した背景雑音に関する情報をビームスペース信号処理に利用することで、背景雑音を抑圧することが可能となる。このビームスペース信号処理後の信号は、背景雑音が抑圧されているため、受信性能を改善することができる。

また、取得した背景雑音に関する情報は、ソフトウェアアンテナの電波・伝搬環境をセンシングする際に、固有値による電波・伝搬環境の同定に利用される。固有値のみでは、背景雑音と信号を優位に分離することが難しい場合がある。そこで、ソフトウェアアンテナの電波・伝搬環境の同定に、固有値及び背景雑音に関する情報を用いることにより、電波・伝搬環境の同定の精度がより向上することが期待される。

また、取得した背景雑音に関する情報は、環境に応じて伝送効率を最適化するための適用変調、及び、有限の電波資源を有効活用する視点でのコグニティブ無線の環境認識への情報としても活用できる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る受信装置の機能構成を示すブロック図である。図５において図１と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。なお、第２の実施形態に係る受信装置は、周波数選択フェージングの影響を受け得る環境に設置されるものとする。

図５に示す受信装置は、アンテナ１０−１〜１０−ｎ、ＲＦ変換部２０−１〜２０−ｎ、アナログ−デジタル変換部３０−１〜３０−ｎ、帯域分割部５０−１〜５０−ｎ及び信号処理部４０を具備する。

帯域分割部５０−１〜５０−ｎは、アナログ−デジタル変換部３０−１〜３０−ｎからのデジタル信号を、所定の帯域幅の分割信号に分割する。ここで、所定の帯域幅とは、周波数選択フェージングの影響を受けたデジタル信号を、フラットフェージングの影響を受けたデジタル信号とみなせる程度の幅である。

例えば、遅延スプレッドがＴ_Ｓである場合、周波数選択性フェージングの周期は、概略として、Ｆ_Ｓ＝１／Ｔ_Ｓとなる。ただし、実際の周波数選択性フェージングの周期は、遅延プロファイルに依存することを注意しておく。帯域分割部５０−１〜５０−ｎは、このＦ_Ｓがフラットフェージングとみなせる程度に分割する。

帯域分割部５０−１〜５０−ｎは、分割信号を信号処理部４０へ出力する。信号処理部４０は、帯域分割部５０−１〜５０−ｎからの分割信号毎に上記第１の実施形態で説明した処理を実行する。

以上のように、上記第２の実施形態では、アナログ−デジタル変換部３０−１〜３０−ｎからのデジタル信号を、帯域分割部５０−１〜５０−ｎで、周波数選択性フェージングの影響を受けた信号を、フラットフェージングの影響を受けた信号とみなせる程度に帯域分割するようにしている。これにより、周波数選択性フェージングを受けうる環境下においても、第１の実施形態で示す受信装置と同等の推定制度を実現することが可能となる。

ただし、分割数が増加することにより、信号処理部４０での到来方位推定処理が増加することになるために、帯域分割数との間にトレードオフが生じることになる。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０−１〜１０−ｎ…アンテナ素子、２０−１〜２０−ｎ…ＲＦ変換部、３０−１〜３０−ｎ…アナログ−デジタル変換部、４０…信号処理部、４１…計算部、４１１…４次キュムラント行列計算部、４１２…特異値分解計算部、４１３…最小２乗法計算部、４１４…ステアリング行列推定部、４２…第１の固有ベクトル算出部、４２１…第１の相関行列計算部、４２２…第１の固有値分解計算部、４３…第２の固有ベクトル算出部、４３１…第２の相関行列計算部、４３２…第２の固有値分解計算部、４４…背景雑音推定部、５０−１〜５０−ｎ…帯域分割部

Claims

所望信号と、統計的にガウシャン性の性質を有する背景雑音とを含む電波を受信する複数のアンテナと、
前記電波を予め設定された周波数帯へ変換する複数のＲＦ（Radio Frequency）変換部と、
前記周波数変換された信号をデジタル信号へ変換する複数のアナログ−デジタル変換部と、
前記複数のデジタル信号からデジタル信号を４つずつ順次選択し、前記４つずつ選択したデジタル信号に基づいて４次キュムラント行列を算出することで前記背景雑音を抑圧し、前記４次キュムラント行列に基づいて、前記背景雑音を抑圧した状態における前記所望信号の到来方位を示すステアリング行列の推定値を算出する計算部と、
前記推定値に基づいて第１の固有ベクトルを算出する第１の固有ベクトル算出部と、
前記複数のアナログ−デジタル変換部から出力されるデジタル信号に基づいて、前記背景雑音の影響が維持されている第２の固有ベクトルを算出する第２の固有ベクトル算出部と、
前記第１及び第２の固有ベクトルに基づいて前記背景雑音についての概略情報を推定する背景雑音推定部と
を具備することを特徴とする受信装置。
前記複数のデジタル信号に、統計的にガウシャン性の性質を有する熱雑音がさらに含まれる場合、
前記計算部は、前記４次キュムラント行列を算出することで前記熱雑音をさらに抑圧し、前記４次キュムラント行列に基づいて、前記推定値を算出し、
前記背景雑音推定部は、前記第１及び第２の固有ベクトルに基づいて、前記熱雑音による固有値を超える固有値に属する固有ベクトルを前記背景雑音の固有ベクトルとすることで前記熱雑音成分を除去し、前記背景雑音についての概略情報を推定することを特徴とする請求項１記載の受信装置。
周波数選択フェージングの影響を受けたデジタル信号をフラットフェージングの影響を受けたデジタル信号とみなせる幅で、前記複数のアナログ−デジタル変換部からのデジタル信号を帯域分割し、前記帯域分割した信号を前記計算部及び前記第２の固有ベクトル算出部へ出力する複数の帯域分割部をさらに具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の受信装置。
所望信号と、統計的にガウシャン性の性質を有する背景雑音とを含むデジタル信号を複数系統から受信し、
前記複数のデジタル信号からデジタル信号を４つずつ順次選択し、当該４つずつ選択したデジタル信号に基づいて４次キュムラント行列を算出し、
前記４次キュムラント行列に基づいて、前記背景雑音を抑圧した状態における前記所望信号の到来方位を示すステアリング行列の推定値を算出し、
前記推定値に基づいて第１の固有ベクトルを算出し、
前記複数のデジタル信号に基づいて、前記背景雑音の影響が維持されている第２の固有ベクトルを算出し、
前記第１及び第２の固有ベクトルに基づいて前記背景雑音についての概略情報を推定することを特徴とする背景雑音推定方法。