JP6038562B2 - 受信装置、雑音抑圧方法及び雑音抑圧プログラム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、複数のアンテナにより電波を受信する受信装置と、この受信装置で用いられる雑音抑圧方法及び雑音抑圧プログラムとに関する。

従来の受信装置は、複数のアンテナ素子により受信された受信信号から相関行列を算出し、算出した相関行列を固有値分解して、その相関行列の固有値と固有ベクトルとを算出する。受信装置は、このように算出した固有値及び固有ベクトルを用いて波数推定等の処理を行う。

ただし、従来の受信装置は、受信信号に含まれる雑音が複数のアンテナ素子間で均一である場合を想定している。しかしながら、受信信号に含まれる雑音が複数のアンテナ素子間で不均一となる場合もあり得る。このような場合、上述の波数推定等の処理では正確な結果が得られない。

特開２００７−３０９８４７号公報

以上のように、従来の受信装置では、受信信号に含まれる雑音が複数のアンテナ素子間で不均一である場合には、算出した固有値及び固有ベクトルを用いて得られる結果には誤差が含まれているため、正確な結果が得られないという問題があった。

そこで、目的は、受信信号に含まれる雑音が複数のアンテナ間で不均一であっても、正確な結果を取得可能な受信装置と、この受信装置で用いられる雑音抑圧方法及び雑音抑圧プログラムと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、第１及び第２の演算部、雑音抑圧部及び固有値分解部を具備する。アンテナは、雑音成分を含む電波を受信する。ＲＦ変換部は、前記複数のアンテナで受信された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デジタル信号へ変換する。第１の演算部は、前記複数のデジタル信号についての第１の相関行列を算出する。第２の演算部は、前記複数のデジタル信号についての前記第１の相関行列を算出し、前記算出した第１の相関行列を、変換行列を用いて第２の相関行列に相似変換する。雑音抑圧部は、前記第１の相関行列と前記第２の相関行列との差を取ることで、前記雑音成分を抑圧した第３の相関行列を作成する。固有値分解部は、前記第３の相関行列に対して固有値分解を施し、固有値と固有ベクトルとを算出する。

本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に示す信号処理部が固有値及び固有ベクトルを算出する際のフローチャートを示す図である。 図１に示す受信装置へ与えられる信号の受信スペクトログラムを示す図である。 図１に示す固有値分解部により算出される固有値のシミュレーション結果を示す図である。 図１に示す方位算出部により算出される方位スペクトルのシミュレーション結果を示す図である。 第１の相関行列に基づいて算出する固有値のシミュレーション結果を示す図である。 第１の相関行列に基づいて算出する固有ベクトルから算出する方位スペクトルのシミュレーション結果を示す図である。 本実施形態に係る受信装置の機能構成のその他の例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。

図１は、本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における受信装置は、アンテナ１０−１〜１０−ｎ（ｎは１以上の自然数）、周波数変換部２０、アナログ−デジタル変換部３０及び信号処理部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。電波には雑音が含まれる。本実施形態では、電波に含まれる雑音のレベルは、アンテナ１０−１〜１０−ｎ間において不均一であるとする。

周波数変換部２０は、アンテナ１０−１〜１０−ｎで受信された受信信号を中間周波数帯のＩＦ（Intermediate Frequency）信号に変換する。なお、周波数変換部２０は、アンテナ１０−１〜１０−ｎで受信された電波を、ベースバンド帯のＢＢ信号へ変換しても構わない。

アナログ−デジタル変換部３０は、周波数変換部２０から供給されるＩＦ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、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵが処理を実行するためのアプリケーション・プログラムやデータを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等とを備える。信号処理部４０は、ＣＰＵにアプリケーション・プログラムを実行させることで、以下の機能を有する。すなわち、信号処理部４０は、第１の相関行列演算部４１、第２の相関行列演算部４２、雑音抑圧部４３、固有値分解部４４、波数推定部４５、方位算出部４６及び測定部４７を備える。

第１の相関行列演算部４１は、アナログ−デジタル変換部３０から供給されるｎ本のデジタル信号に基づき、全てのデジタル信号間の相関関係を表す第１の相関行列を算出する。

以下に、第１の相関行列演算部４１による第１の相関行列の算出処理を詳細に説明する。

まず、アナログ−デジタル変換部３０から供給されるデジタル信号Ｘを
Ｘ＝［ｘ_１（ｍＴ） ｘ_２（ｍＴ）…ｘ_Ｎ（ｍＴ）］^Ｔ （１）
と定義する。ここで、ｍはサンプル番号を示し、Ｔはサンプルの時間間隔を示し、［・］^Ｔは転置の操作を示す。そうすると、第１の相関行列Ｒ_ｘｘ ^Ａは、
Ｒ_ｘｘ ^Ａ＝〈Ｘ・Ｘ^Ｈ〉 （２）
と表せる。ここで、〈・〉はアンサンブル平均を示し、［・］^Ｈは共役複素転置を示す。なお、第１の相関行列Ｒ_ｘｘ ^Ａは、
Ｒ_ｘｘ ^Ａ＝ＡＳＳ^ＨＡ^Ｈ＋ＮＮ^Ｈ （３）
と分解される。ここで、Ａは信号の方向の情報を含むステアリング行列を示し、Ｓは信号成分を含む行列を示し、Ｎは雑音成分の平均電力を含む行列を示す。

第２の相関行列演算部４２は、アナログ−デジタル変換部３０から供給されるｎ本のデジタル信号に基づき、全てのデジタル信号間の相関関係を表す第２の相関行列を算出する。なお、第２の相関行列演算部４２は、第２の相関行列を、第１の相関行列演算部４１とは異なる手法により算出する。

以下に、第２の相関行列演算部４２による第２の相関行列の算出処理を詳細に説明する。

一般に、アンテナ１０−１〜１０−ｎ間で受信される電波に含まれる雑音が均一である場合、雑音を表す行列は、
〈ＮＮ^Ｈ〉＝σ^２Ｉ （４）
と表される。ここで、σ^２は単一のアンテナで受信された場合の平均雑音電力を示し、Ｉは単位行列を示す。この場合、相関行列を固有値分解すると、取得される固有値は、信号成分についての固有値に一定の雑音成分が付加されたものとなる。つまり、本質的には、雑音成分は、固有値分解の結果に影響を与えないこととなる。

一方、アンテナ１０−１〜１０−ｎ間で受信される電波に含まれる雑音が不均一である場合、雑音を表す行列は、
〈ＮＮ^Ｈ〉＝ｄｉａｇ[σ_１ ^２ σ_２ ^２…σ_Ｎ ^２] （５）
と表される。この場合、相関行列を固有値分解すると、固有値毎に付加される雑音成分の大きさが異なることになる。

第２の相関行列を算出する際、まず、第２の相関行列演算部４２は、変換行列を設定する。変換行列としては多様な構造が考えられるが、本実施形態においては、第２の相関行列演算部４２では変換行列Ｚを一例として、
Ｚ＝［１ ｋ ｋ^２…ｋ^Ｎ−１］ （６）
と設定する。ｋは実数であり、０＜ｋ＜１である。第２の相関行列演算部４２は、変換行列Ｚにおけるｋの値を、測定部４７により測定されるＣ／Ｎ（Carrier-Noise Ratio）に応じて変化させる。すなわち、第２の相関行列演算部４２は、Ｃ／Ｎが所定の値よりも高い場合にはｋを１又は１に近い値に設定し、低い場合にはｋを０又は０に近い値に設定する。なお、ｋの値は、受信装置の操作者がＣ／Ｎに応じて手動で変更するようにしてもかまわない。

第２の相関行列演算部４２は、アナログ−デジタル変換部３０から供給されるデジタル信号Ｘに基づいて第１の相関行列Ｒ_ｘｘ ^Ａを算出する。第２の相関行列演算部４２は、算出した第１の相関行列Ｒ_ｘｘ ^Ａを、変換行列を用いて第２の相関行列Ｒ_ｘｘ ^Ｂへ相似変換する。すなわち、第２の相関行列演算部４２は、第１の相関行列Ｒ_ｘｘ ^Ａに対して、
Ｒ_ｘｘ ^Ｂ＝ＺＲ_ｘｘ ^ＡＺ^−１ （７）
の計算を行い、第２の相関行列Ｒ_ｘｘ ^Ｂを算出する。このとき、〈Ｎ・Ｎ^Ｈ〉の相似変換は、
Ｚ〈Ｎ・Ｎ^Ｈ〉Ｚ^−１＝〈Ｎ・Ｎ^Ｈ〉 （８）
となる。

雑音抑圧部４３は、第１の相関行列演算部４１で算出された第１の相関行列Ｒ_ｘｘ ^Ａから、第２の相関行列演算部４２で算出された第２の相関行列Ｒ_ｘｘ ^Ｂを減算することで、第３の相関行列Ｒ_ｘｘを算出する。すなわち、雑音抑圧部４３は、
Ｒ_ｘｘ＝〈Ｒ_ｘｘ ^Ａ〉−〈Ｒ_ｘｘ ^Ｂ〉 （９）
を計算することにより、第３の相関行列Ｒ_ｘｘを算出する。これにより、第１の相関行列Ｒ_ｘｘ ^Ａに含まれる雑音成分が抑圧される。第３の相関行列Ｒ_ｘｘは、雑音成分が解消されているため、

と表される。

固有値分解部４４は、式（１０）で表される第３の相関行列Ｒ_ｘｘを固有値分解する。式（１０）で表される第３の相関行列Ｒ_ｘｘは固有値分解されると、
Ｒ_ｘｘ＝ＥΛＥ^Ｈ （１１）
と表される。ここで、Λは固有値を示し、Ｅは固有ベクトルを示す。

波数推定部４５は、固有値分解部４４で算出された固有値を用いて、信号数を推定する。式（１０）で示す第３の相関行列は、Vandermonde行列であるため、信号数がｒ個であるならば、式（１１）で表される固有値の信号部分空間の数は２ｒ個となる。波数推定部４５は、この法則に配慮しつつ、固有値を用いて、例えば、公知のＡＩＣ等のアルゴリズムを実行することで、信号数を推定する。波数推定部４５は、推定した信号数についての情報を後段及び方位算出部４６へ出力する。

方位算出部４６は、固有値分解部４４で算出された固有ベクトルと、波数推定部４５で推定された信号数とを用いて、電波の到来方位に関する情報を作成する。方位算出部４６は、算出した情報を後段へ出力する。例えば、方位算出部４６は、算出された固有ベクトルに基づき、式（１２）に示すＭＵＳＩＣスペクトラムを算出する。

ここで、ａはステアリングベクトルを示す。方位算出部４６は、式（１２）に示すＭＵＳＩＣスペクトラムに基づいて到来方位に関する情報を作成する。

測定部４７は、アナログ−デジタル変換部３０から供給されるデジタル信号に基づいてＣ／Ｎを測定する。

次に、以上のように構成された受信装置による雑音抑圧動作を、信号処理部４０の処理手順に従って説明する。図２は、信号処理部４０が固有値及び固有ベクトルを算出する際のフローチャートを示す図である。

アナログ−デジタル変換部３０から、ｎ本のデジタル信号を受信すると、信号処理部４０は、第１及び第２の相関行列演算部４１，４２により、第１及び第２の相関行列をそれぞれ算出する（ステップＳ２１）。

信号処理部４０は、雑音抑圧部４３により、第１の相関行列から第２の相関行列を減じることで、雑音成分が抑圧された第３の相関行列を算出する（ステップＳ２２）。

信号処理部４０は、固有値分解部４４により、第３の相関行列に対して固有値分解を施し、固有値及び固有ベクトルを算出し（ステップＳ２３）、処理を終了させる。

次に、本実施形態に係る受信装置による処理結果を説明する。図３は、受信装置へ与える信号の受信スペクトログラムを示す図である。

図３に示す信号が受信装置へ与えられると、受信装置は、雑音抑圧部４３で第３の相関行列を算出し、固有値分解部４４で第３の相関行列に基づいて固有値を算出する。図４は、固有値分解部４４により算出される固有値のシミュレーション結果を示す図である。図４によれば、固有値番号が増加するに従い、固有値の相対レベルが減少する。

また、図３に示す信号が受信装置へ与えられると、受信装置は、雑音抑圧部４３で第３の相関行列を算出し、固有値分解部４４で第３の相関行列に基づいて固有ベクトルを算出し、方位算出部１０９で方位スペクトルを算出する。図５は、方位算出部１０９により算出される方位スペクトルのシミュレーション結果を示す図である。図５によれば、３００度近傍にレベルが明らかに高いピークが現れる。

一方、図６は、雑音抑圧部４３で第３の相関行列を算出しない場合、つまり、第１の相関行列に基づいて算出する固有値のシミュレーション結果を示す図である。図６によれば、固有値の相対レベルは、固有値番号が３以上ではほぼ変化しない。また、受信系統によっては、固有値番号１からほとんど固有値の相対レベルが変動しない。

また、図７は、雑音抑圧部４３で第３の相関行列を算出しない場合、つまり、第１の相関行列に基づいて算出する固有ベクトルから算出する方位スペクトルのシミュレーション結果を示す図である。図７によれば、複数方向に高レベルのピークが存在する。

図３を参照すると、受信装置に与えられる強度の高い信号は１波であることがわかる。そのため、固有値の信号部分空間の数は２個である。これにより、図４及び図６によれば、固有値番号３以上の固有値番号は雑音に相当することがわかる。図４では、閾値を相対レベルにおける−３５ｄＢ程度に設定すれば、固有値番号３以上を雑音と扱うことが可能である。一方、図６では、閾値をいずれの値としても、固有値番号３以上を雑音と扱うことはできない。このことから、図４に示す固有値番号３の固有値は図６の固有値に比べて１０ｄＢ程度改善され、図４に示す固有値番号４の固有値は図６の固有値に比べて２０ｄＢ程度改善され、図４に示す固有値番号５の固有値は図６の固有値に比べて３０ｄＢ程度改善され、図４に示す固有値番号６の固有値は図６の固有値に比べて４０ｄＢ程度改善されていることがわかる。

また、図３で示すように、受信装置に与えられる信号は１波であるにも拘らず、図７に示す方位スペクトルでは、到来方位が複数存在するように見える。これに対し、図５では１つの到来方位を特定することが可能である。

以上のように、上記実施形態では、第１及び第２の相関行列演算部４１，４２は、第１及び第２の相関行列を算出する。雑音抑圧部４３は、第１の相関行列に含まれる雑音成分を第２の相関行列により抑圧する。そして、固有値分解部４４は、雑音成分が抑圧された第３の相関行列に対して固有値分解を施し、固有値及び固有ベクトルを算出するようにしている。これにより、アンテナ間で不均一な雑音成分の影響を抑圧しつつ、固有値及び固有ベクトルを算出することが可能となる。

なお、特許文献１では、受信信号に対してサイクリックシフト処理を施すことで雑音成分の相関を抑圧し、受信信号に含まれる不均一な雑音に対応する技術が提案されている。サイクリック相関行列のサイクリック演算のシフト幅は、アンテナ本数と信号の性質とに応じて適切な値が存在する。そのため、デジタル通信であれば通信速度の異なる信号の信号数の推定に対しての大きな制限がある。また、アナログ信号の自己相関の関係によるシフト幅の制限を大きく受ける。本実施形態に係る受信装置では、２種類の相関行列を用いて雑音成分を抑圧するようにしているため、特許文献１に記載されるシフト幅のような制限はない。

また、上記実施形態では、第２の相関行列演算部４２は、測定部４７で測定されるＣ／Ｎに応じて、変換行列の値を変化させるようにしている。変換行列の値は、図４に示す固有値の相対レベルが固有値番号に応じて減少する度合いに影響を与える。これにより、Ｃ／Ｎを考慮しつつ、固有値及び固有ベクトルを正確に算出することが可能となる
したがって、本実施形態に係る受信装置によれば、受信信号に含まれる雑音が複数のアンテナ間で不均一であっても、正確な結果を取得できる。

また、上記実施形態では、波数推定部４５は、固有値分解部４４で第３の相関行列を用いて算出された固有値を利用して、受信信号の信号数を推定するようにしている。これにより、本実施形態に係る受信装置によれば、より正確に信号数を推定することが可能となる。

また、上記実施形態では、方位算出部４６は、固有値分解部４４で第３の相関行列を用いて算出された固有ベクトルを利用して、受信信号の到来方位に関する情報を算出するようにしている。これにより、本実施形態に係る受信装置によれば、到来方位に関する情報をより正確に算出することが可能となる。

また、上記実施形態では、方位算出部４６は算出した到来方位に関する情報を後段へ出力する場合を例に説明したが、これに限定される訳ではない。例えば、受信装置は、図８に示すように、累積部４８を方位算出部４６の後段へ備えるようにしても構わない。方位算出部４６で算出される情報は、１スナップショットの計算結果である。累積部４８は、方位算出部４６で算出された１スナップショットの計算結果を累積する。累積部４８は、累積結果を後段へ出力する。これにより、累積部４８は、複数のスナップショットの計算結果を累積することになるため、定常的な雑音及び瞬間的な雑音等を抑圧することが可能となる。このため、累積結果に基づき、方位スペクトラムにおける信号成分を検出しやすくなる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この実施形態は、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。この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、２０…周波数変換部、３０…アナログ−デジタル変換部、４０…信号処理部、４１…第１の相関行列演算部、４２…第２の相関行列演算部、４３…雑音抑圧部、４４…固有値分解部、４５…波数推定部、４６…方位算出部、４７…測定部、４８…累積部

Claims (9)

1. 雑音成分を含む電波を受信する複数のアンテナと、
   前記複数のアンテナで受信された複数の電波を予め設定された周波数帯へ変換するＲＦ変換部と、
   前記周波数変換された複数の信号をデジタル信号へ変換するアナログ−デジタル変換部と、
   前記複数のデジタル信号についての第１の相関行列を算出する第１の演算部と、
   前記複数のデジタル信号についての前記第１の相関行列を算出し、前記算出した第１の相関行列を、変換行列を用いて第２の相関行列に相似変換する第２の演算部と、
   前記第１の相関行列と前記第２の相関行列との差を取ることで、前記雑音成分を抑圧した第３の相関行列を作成する雑音抑圧部と、
   前記第３の相関行列に対して固有値分解を施し、固有値と固有ベクトルとを算出する固有値分解部と
   を具備する受信装置。
2. 前記固有値に基づいて波数を推定する波数推定部をさらに具備する請求項１記載の受信装置。
3. 前記固有ベクトルと前記推定した波数とを参照し、前記電波の到来方位に関する情報を算出する方位算出部をさらに具備する請求項２記載の受信装置。
4. 前記固有ベクトルと前記推定した波数とを用いて、前記電波の到来方位を示す方位スペクトラムを算出する方位算出部と、
   前記方位スペクトラムを累積する累積部と
   をさらに具備する請求項２記載の受信装置。
5. 前記受信した電波のＣ／Ｎ（Carrier-Noise Ratio）を測定する測定部をさらに具備し、
   前記第２の演算部は、前記Ｃ／Ｎの値に応じて前記変換行列の値を変化させる請求項１乃至４のいずれかに記載の受信装置。
6. 雑音成分を含む電波がデジタル形式に変換された複数のデジタル信号を受信し、
   前記複数のデジタル信号についての第１の相関行列を算出し、
   前記複数のデジタル信号についての前記第１の相関行列を算出し、前記算出した第１の相関行列を、変換行列を用いて第２の相関行列に相似変換し、
   前記第１の相関行列と前記第２の相関行列との差を取ることで、前記雑音成分を抑圧した第３の相関行列を作成し、
   前記第３の相関行列に対して固有値分解を施し、固有値と固有ベクトルとを算出する雑音抑圧方法。
7. 前記受信した電波のＣ／Ｎ（Carrier-Noise Ratio）を測定し、
   前記Ｃ／Ｎの値に応じて前記変換行列の値を変化させる請求項６記載の雑音抑圧方法。
8. 雑音成分を含む電波を複数のアンテナにより受信し、前記受信した電波をデジタル形式の複数のデジタル信号へ変換する受信装置で用いられる雑音抑圧プログラムであって、
   前記複数のデジタル信号についての第１の相関行列を算出する処理と、
   前記複数のデジタル信号についての前記第１の相関行列を算出し、前記算出した第１の相関行列を、変換行列を用いて第２の相関行列に相似変換する処理と、
   前記第１の相関行列と前記第２の相関行列との差を取ることで、前記雑音成分を抑圧した第３の相関行列を作成する処理と、
   前記第３の相関行列に対して固有値分解を施し、固有値と固有ベクトルとを算出する処理と
   を前記受信装置のコンピュータに実行させる雑音抑圧プログラム。
9. 前記受信した電波のＣ／Ｎ（Carrier-Noise Ratio）を測定する処理と、
   前記Ｃ／Ｎの値に応じて前記変換行列の値を変化させる処理と
   を前記コンピュータにさらに実行させる請求項８記載の雑音抑圧プログラム。

Images