JP5895210B2 - アレーアンテナ装置およびその放送受信制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のアンテナを用いるアレーアンテナ装置、およびその放送受信制御方法に関するもので、例えば、車両などの移動体に搭載されたＦＭラジオ受信機に関するものである。

従来より、車両などの移動体に搭載されるＦＭラジオ受信機では、時々刻々と変化する受信電波状況に対応するため、またマルチパス妨害に対処するために、所定の距離を離した場所に複数のアンテナを設置し、受信状態のよいアンテナを選択するダイバーシティ方式が多く採用されている。

また、近年の受信回路のデジタル化に伴い、ＣＭＡ（ＣＯＮＳＴＡＮＴ ＭＯＤＵＬＵＳ ＡＬＧＯＲＩＴＨＭ）を用いる適応制御処理によって、複数のアンテナ入力を合成して、より良い受信電波を生成し、様々な受信電波環境でも良好に受信できる方式が提案されている（非特許文献１）。
さらに、受信電波状況によって隣接チャンネル電波の方が強い場合、合成する際に、希望局からの電波を抑圧し、隣接局からの電波を受信してしまうことを防止するため、受信信号に含まれる妨害信号に対してその妨害信号が振幅一定でなくなるように変形する変形処理を行う信号変形部を備えた、アレーアンテナ装置が知られている（特許文献１）。

特開２００８−３０１３０１号公報

菊間 信良著「アレーアンテナによる適応信号処理」、科学技術出版、１９９８年１１月２５日発行、ｐ．１２５〜１５６

しかしながら、特許文献１に記載のアレーアンテナ装置は、希望するＦＭ放送局に対して隣接する周波数で送信される隣接チャンネル電波（隣接局）が引き起こすＣＭＡ処理の誤動作を防止するため、隣接チャンネル電波に対してＣＭＡ処理の特徴である振幅一定規範に反する変形処理を行うことで、希望する放送局を安定して受信し続けるものである。このように、同文献に記載のアレーアンテナ装置は、隣接局に対して振幅一定規範に反する変形処理を実行するため、ＣＭＡ処理以外にフィルタ演算が必要となり、演算量が大幅に増加してしまう。

本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、より演算量が少ない方法で、隣接局による妨害発生環境下においても安定して希望局を受信し続けることが可能となるアレーアンテナ装置およびその放送受信制御方法を提供することを目的とする。

本発明のアレーアンテナ装置は、放送局からの電波を受信する複数のアンテナを有し、前記アンテナが受信した各受信信号をＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍに基づく適応信号処理によって合成出力する適応信号処理部と、前記適応信号処理部におけるＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍによるウェイトベクトル演算において、妨害信号による折り返しノイズを増幅させるよう制御するノイズ増幅制御部と、隣接妨害の有無を検知し、その結果を出力する隣接妨害検知部とを備え、前記ノイズ増幅制御部は、前記適応信号処理部におけるＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍによる前記ウェイトベクトル演算において、前記隣接妨害検知部により前記隣接妨害が検知された場合、前記隣接妨害が検知されていない場合よりも、演算サンプル数を多くするよう前記適応信号処理部を制御することを特徴とするを備える。

本発明によれば、希望波より妨害波の電界強度が強い妨害環境下においても、演算量を増加させることなく、希望波を受信し続けることができる。

本発明の実施の形態１におけるアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１における適応信号処理部の動作の一例を説明する模式図 隣接妨害の電波環境の一例を説明する模式図 変調波が正弦波であるときのＦＭ放送波のスペクトルを示すグラフ 隣接妨害のスペクトルを示すグラフ 本発明の実施の形態１におけるアレーアンテナ装置全体の動作を説明するためのフローチャート

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。アレーアンテナ装置１０は、アンテナ１、フロントエンド部（以下では、適宜ＦＥという。）２、ＡＤ変換部（以下では、適宜ＡＤＣという。）３、適応信号処理部４、隣接妨害検知部５、ノイズ増幅制御部６、ＦＭ復調部７、ＤＡ変換部（以下では、適宜ＤＡＣという）８、スピーカ９から構成される。

ここで、フロントエンド２、ＡＤ変換部３、適応信号処理部４、隣接妨害検知部５、ノイズ増幅制御部６、ＦＭ復調部７、ＤＡ変換部７は、ワンチップ化されており、１つの集積回路を構成する。これにより、アレーアンテナ装置１０の小型化・軽量化を図ることができる。

アンテナ１は、ＦＭ放送局（図示せず）から送信されるＦＭ電波を受信する空中線であり、例えば、ポールアンテナや、窓等のガラスに組み込まれたガラスアンテナが用いられる。ガラスアンテナは、例えば、導電性ペーストをガラスに印刷することで形成することができる。このアンテナ１は、受信したＦＭ電波を高周波電流（高周波信号）に変換して、ＦＥ２に出力する。

ＦＥ２は、アンテナ１からの高周波信号から所望の周波数を選択するとともに、より周波数の低い中間周波数帯のアナログ信号に変換し、ＡＤＣ３に出力する。
ＡＤＣ３は、ＦＥ２から入力されるアナログ信号をディジタル信号に変換し、適応信号処理部４及び隣接妨害検知部５に出力する。

適応信号処理部４は、ＡＤＣ３から入力される複数のディジタル信号に対して、Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍを適用した信号処理を、ノイズ増幅制御部６が指定する演算サンプル数で行い、合成した結果をＦＭ復調部７に出力する。演算サンプル数を変化させることによる効果については後述する。

Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍとは、振幅一定規範に基づき、各入力の振幅と位相を独立制御し合成することで、指向性制御を実現している。この振幅一定という条件は、まさにＦＭ放送波の特徴そのものであるため、ＦＭ放送波の妨害除去手法として適している。

図２に、マルチパス妨害発生時のＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍによる指向性制御の結果を示す。マルチパス妨害とは、放送局の電波が山やビルなどの障害物で反射することで、直接波（希望波）と時間的に遅れて入射する反射波（妨害波）とが干渉することで発生する妨害を指す。

妨害波よりも希望波の電界強度が強いときは、妨害波にヌル（指向性パターンのゼロ点を向けるよう指向性制御することで、希望波を受信する（図２（ａ））。
また、希望波よりも妨害波の電界強度が強いときは、希望波にヌルを向けるよう指向性制御することで、妨害波を受信する（図２（ｂ））。
マルチパス妨害においては、希望波も妨害波も元は同じ信号であるため、より電界強度が高く受信状況の良い信号を受信できれば良い。このため、振幅一定の２波信号を受信したときは電界強度の低い信号を抑圧し高い信号を受信しようとする指向性を実現する性質をもつＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍは、マルチパス妨害による影響を改善することができる。

しかし、図３に示すように、希望局の搬送周波数に隣接した放送局（隣接局）が存在することがある。このような状況下（以降、隣接妨害と呼称）において、希望波よりも妨害波（隣接波）の電界強度が強いとき（図３における放送局１が希望波で放送局２が妨害波であるとき）、アレーアンテナ装置１０は、希望局の放送内容を受信し続けることができない。なぜなら、妨害波もまたＦＭ信号つまりは振幅一定信号であるため、上述した指向性を実現する性質をもつＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍは、より電界強度が高い妨害波を受信してしまうからである（図２（ｂ）参照）。

さらに、隣接妨害環境下でのＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍの詳細な動作について説明する。
変調波を正弦波としたときのＦＭ信号のスペクトルは次の数式（１）となる。

図４は、変調波が正弦波であるときのＦＭ放送波のスペクトルを示すグラフである。同図に示すように、ＦＭ信号は理論的には無限の帯域幅を持つ。しかし、中心周波数から離れるにつれて電界強度が弱くなることから、実質的に無視できる周波数帯域が存在する。このため、ＦＭ放送波は有限の帯域幅として扱うことができる。

図５は、隣接妨害のスペクトルを示すグラフである。同図に示すように、隣接妨害環境下においては、希望局に対して隣接局の中心周波数がずれている。すなわち、中心周波数が同じ直接波（希望波）と反射波（妨害波）とが時間的にずれて入射するマルチパス妨害とは異なり、隣接妨害が生じている場合、希望局（希望波）と隣接局（妨害波）とは中心周波数が異なっている。このため、隣接局の一部のスペクトル成分が、帯域内に折り返されて、折り返しノイズとなる。すなわち、隣接局（妨害波）のスペクトルの一部が、標本化によって区別できない折り返しノイズとなる。図５では、相対的に細い線で示した隣接局のスペクトル成分の一部が、帯域内に折り返した、折り返しノイズを相対的に太い線で示している。

さらに、この折り返しノイズがＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍに与える影響について説明する。
Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍによるウェイトベクトルは次の数式（２）により計算できる。

ここでアンテナ入力が２系統としたとき、相関行列は以下の次の数式（３）となる。

アンテナ入力を、真値とノイズの和として次の数式（４）で再定義する。

数式（４）を用いて相関行列の１×２要素を展開すると数式（５）となる。

数式（５）は、４項の和となっているが、第４項目に着目すると、これはノイズの自己相関を示している。仮にこのノイズが熱雑音のようにランダム信号とみなせれば、演算サンプル数を増やすことでその影響を小さくすることができる。しかし、前述の隣接波による折り返しノイズは、元は放送波の一部であるためランダム信号ではない。そのため、演算サンプル数を増加することにより、隣接妨害による折り返しノイズによる影響を増幅することができる。

つまり、Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍに対する入力信号が、振幅一定である希望波と、増幅された折り返しノイズにより振幅非一定となった隣接波となる。Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍによれば、２波のうち振幅が一定でない方を抑圧しようとする。このため、演算サンプル数を増加した結果、隣接波の電界強度が希望波より大きい受信電波環境下においても、振幅一定規範に基づいてＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍは隣接局（隣接波）を抑圧し、希望局（希望波）を受信することが可能となる。

前述のＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍの演算サンプル数を制御するために、アレーアンテナ装置１０にノイズ増幅制御部６を導入する。
隣接妨害検知部５は、ＡＤＣ３から入力される複数のディジタル信号に対して、フィルタ処理で隣接波中心周波数付近を抽出することで隣接妨害の有無を検知し、その結果をノイズ増幅制御部６に出力する。

ノイズ増幅制御部６は、隣接妨害検知部５から入力される隣接妨害の検知結果に基づき、隣接妨害が発生したときは隣接妨害が発生していないときに比べて、より大きいサンプル数で演算するよう適応信号処理部４に指示する。このとき、隣接妨害が発生していないときよりも演算サンプル数は増加する。しかし、隣接局に対して振幅一定規範に反する変形処理を実行する従来の方法よりも、特別の演算をする頻度は減少するため、全体として演算量を抑制することができる。この構成により、演算量を増加させることなく、希望波より隣接波の電界強度が強い妨害環境下においても、アレーアンテナ装置１０は隣接波を受信することなく、希望波を受信し続けることができる。

ＦＭ復調部７は、適応信号処理部４の出力信号を音声信号に復調し、ＤＡＣ８に出力する。
ＤＡＣ８は、ＦＭ復調部７からのディジタル音声信号をアナログ音声信号に変換し、スピーカ９に出力する。
スピーカ９は、ＤＡＣ８から入力されるアナログ音声を再生する。

以上のように、本実施の形態のアレーアンテナ装置１０のノイズ増幅制御部６は、適応信号処理部４におけるＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍによるウェイトベクトル演算において演算サンプル数を制御する。この構成により、演算量を増加させることなく、希望波より妨害波の電界強度が強い妨害環境下においても、妨害波を受信することなく、希望波を受信し続けることができる。

次に、アレーアンテナ装置１０全体の動作を図６のフローチャートを用いて説明する。
ＦＥ２は、アンテナ１で受信した電波情報を中間周波数帯に変換した後（ステップＳ０１）、ＡＤＣ３でアナログ信号をデジタル信号に変換し（ステップＳ０２）、適応信号処理部４および隣接妨害検知部５へ出力する。隣接妨害検知部５は、フィルタ処理により隣接局を抽出することで、隣接局の有無を検出し（ステップＳ０３）、検出結果をノイズ増幅制御部６に出力する。ノイズ増幅制御部６は、隣接妨害検知部５の検出結果に基づき、隣接局を検出しないときすなわちステップＳ０３においてＮｏと判断されたときは、適応信号処理部４に対して演算サンプル数を小さく設定するよう指示し（ステップＳ０４）、隣接局を検出したときすなわちステップＳ０３においてＹｅｓと判断されたときは、適応信号処理部４に対して演算サンプル数を大きく設定するよう指示する（ステップＳ０５）。適応信号処理部４は、ノイズ増幅制御部６から指定される演算サンプル数でＡＤＣ３から出力される受信信号に対してＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍに基づくウェイトベクトル演算により合成出力を計算し、ＦＭ復調部７に出力する（ステップＳ０６）。ＦＭ復調部７は、入力された合成後の信号を音声信号へ復調し（ステップＳ０７）、ＤＡＣ８へ出力する。ＤＡＣ８は、入力された音声信号をアナログ信号へ変換し（ステップＳ０８）、スピーカ９へ出力する。スピーカ９は、アナログ信号から音声を再生する（ステップＳ０９）。
以上にて全体の処理が一通り終了する。

以上のとおり、本実施の形態の放送受信方法は、放送局からの電波を受信する複数のアンテナを有し、アンテナが受信した各受信信号をＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍに基づく適応信号処理によって合成出力する適応信号処理ステップ（ステップＳ０６）と、適応信号処理ステップにおけるＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍによるウェイトベクトル演算において、妨害信号による折り返しノイズを増幅させるよう制御するノイズ増幅制御ステップ（ステップＳ０４、ステップＳ０５）とを備える。
ノイズ増幅制御ステップは、適応信号処理ステップ（ステップＳ０６）におけるＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍによるウェイトベクトル演算において演算サンプル数を制御する。
このような処理を行うことによって、希望局よりも隣接局の電界強度が強い環境下においても、演算量を増加させることなく、安定して希望局を受信し続けることができる。

本発明のアレーアンテナ装置およびその放送受信方法は、隣接波による影響が大きい受信電波環境下においても、演算量を増加させること無く、隣接波を抑圧し、希望波を受信し続けることができるため、特に車両などの移動体に搭載されるＦＭラジオ受信機に有用である。

１ アンテナ
２ ＦＥ
３ ＡＤＣ
４ 適応信号処理部
５ 隣接妨害検知部
６ ノイズ増幅制御部
７ ＦＭ復調部
８ ＤＡＣ
９ スピーカ
１０ アレーアンテナ装置

Claims (3)

1. 放送局からの電波を受信する複数のアンテナを有し、前記アンテナが受信した各受信信号をＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍに基づく適応信号処理によって合成出力する適応信号処理部と、
   前記適応信号処理部におけるＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍによるウェイトベクトル演算において、妨害信号による折り返し雑音を増幅させるよう制御するノイズ増幅制御部と、
   隣接妨害の有無を検知し、その結果を出力する隣接妨害検知部とを備え、
   前記ノイズ増幅制御部は、前記適応信号処理部におけるＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍによる前記ウェイトベクトル演算において、前記隣接妨害検知部により前記隣接妨害が検知された場合、前記隣接妨害が検知されていない場合よりも、演算サンプル数を多くするよう前記適応信号処理部を制御することを特徴とするアレーアンテナ装置。
2. 前記受信信号の受信周波数を制御するフロントエンド部と、前記フロントエンド部からの出力をＡＤ変換するＡＤ変換部と、前記ＡＤ変換部からの出力を音声信号に復調する復調部と、前記音声信号をＤＡ変換するＤＡ変換部とを備え、
   請求項１記載の前記適応信号処理部、前記ノイズ増幅制御部とともにワンチップ化された集積回路。
3. 放送局からの電波を受信する複数のアンテナを有し、前記アンテナが受信した各受信信号をＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍに基づく適応信号処理によって合成出力する適応信号処理ステップと、
   前記適応信号処理ステップにおけるＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍによるウェイトベクトル演算において、妨害信号による折り返し雑音を増幅させるよう制御するノイズ増幅制御ステップと、
   隣接妨害の有無を検知し、その結果を出力する隣接妨害検知ステップとを備え、
   前記ノイズ増幅制御ステップでは、前記適応信号処理ステップにおけるＣｏｎｓｔａｎｔ Ｍｏｄｕｌｕｓ Ａｌｇｏ ｒｉｔｈｍによる前記ウェイトベクトル演算において、前記隣接妨害検知ステップにより前記隣接妨害が検知された場合、前記隣接妨害が検知されていない場合よりも、演算サンプル数を多くすることを特徴とする放送受信方法。