JP6201667B2

JP6201667B2 - マルチパス評価装置

Info

Publication number: JP6201667B2
Application number: JP2013236702A
Authority: JP
Inventors: 滋樹青島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2033-11-15
Also published as: JP2015097315A

Description

本発明は、マルチパスを評価するためのマルチパス評価装置に関する。

従来から、受信した電波（例えばラジオの電波）を検波することにより得られた入力信号などを用いて、電波の伝播時に発生するマルチパスを検出する技術が知られている。例えば特許文献１には、車載用ラジオ受信機などに用いられる受信機が記載されている。この受信機では、音声信号または受信信号レベルの少なくともいずれか一方に基づいてマルチパスの発生を検知している。また、特許文献２には、マルチパス雑音の検出を確実化するために、所定パルス幅の制御信号を積分することによりマルチパスを検出する積分回路を具備する受信機が記載されている。

特開平８−７９１０９号公報特開昭６３−１６４６３２号公報

ところで、ラジオの受信性能を評価する際に、マルチパスなどのノイズの発生程度を判断できる指標が必要である。このような指標として、例えばマルチパス率（電波が受信された評価対象期間の長さに対するマルチパス継続期間の長さの割合）を用いることが考えられる。しかし、従来の技術を用いてマルチパスを検出し、マルチパスが継続したマルチパス継続期間の長さに基づいて取得したマルチパス率を用いてマルチパスを評価する場合、その評価結果は、マルチパスの発生時の雑音を人間が官能的に評価した結果（以下、「官能的評価結果」という場合がある。）とは相違する場合がある。つまり、マルチパス率が高い場合は官能的評価結果の点数は悪くなるはずであるのに官能的評価結果の点数が良くなる場合や、マルチパス率が低い場合は官能的評価結果の点数は良くなるはずであるのに官能的評価結果の点数が悪くなる場合がある。

本発明は、マルチパス評価装置によるマルチパスの評価結果と官能的評価結果とが相違することを抑制することを目的とする。

本発明に係る第１の局面は、マルチパスを評価するためのマルチパス評価装置であって、電波が受信された評価対象期間から、マルチパスが継続したマルチパス継続期間を抽出するマルチパス期間抽出部と、電波を検波することにより得られた入力信号からマルチパス継続期間における入力信号の強度情報を取得し、評価対象期間の長さに対するマルチパス継続期間の長さの割合を示すマルチパス率に強度情報を反映した評価値を算出する評価値算出部とを備えているマルチパス評価装置である。

本発明では、マルチパス発生時の雑音の強弱を反映した値として、マルチパス継続期間における入力信号の強度情報をマルチパス率に反映させて、評価値を算出している。従って、マルチパス継続期間の長さに加えて、雑音の強弱が考慮されるため、マルチパス評価装置によるマルチパスの評価結果と官能的評価結果とが相違することを抑制することができる。

実施の形態に係るマルチパス評価装置を用いたラジオ評価系の概略構成図重み付けマルチパス率の算出方法を示すフローチャート所定期間の各フレームのパワースペクトルとマルチパスフレームの小集団を示す図表

以下、図１−図３を参照しながら、実施の形態について詳細に説明する。

［１．ラジオ評価系について］
まず、本実施の形態に係るマルチパス評価装置２０を用いたラジオ評価系１０について説明する。ラジオ評価系１０は、図１に示すように、音声信号によって変調された高周波信号（例えば車載ラジオがフィールドで予め受信した信号（復調する元のデータ））を出力する高周波信号発生器１１と、高周波信号発生器１１からの高周波信号を受信して音声信号を検波するラジオ１２と、ラジオ１２によって検波された音声信号に対してマルチパスの評価を行うマルチパス評価装置２０とを備えている。ラジオ１２は、例えば、車両に搭載される車載ラジオである。なお、ラジオ評価系１０では、高周波信号発生器１１の出力端子に接続されたケーブルが、疑似空中線（図示省略）を介して、ラジオ１２のアンテナ端子に接続されている。

［２．マルチパス評価装置について］
続いて、マルチパス評価装置２０について説明する。

マルチパス評価装置２０は、ラジオ１２によって検波された音声信号（入力信号）を用いて、電波が受信された評価対象期間から、電波の伝播時においてマルチパスが継続したマルチパス継続期間を抽出する。そして、マルチパス評価装置２０は、音声信号のパワースペクトルからマルチパス継続期間における音声信号の強度情報を取得し、評価対象期間の長さに対するマルチパス継続期間の長さの割合を示すマルチパス率に音声信号の強度情報を反映した評価値として、重み付けマルチパス率Ｘを算出する。複数のマルチパス継続期間が抽出された場合は、マルチパス率は、評価対象期間の長さに対する、全てのマルチパス継続期間の合計長さの割合となる。マルチパス評価装置２０は、図１に示すように、収音部２１、周波数解析部２２、マルチパス期間抽出部２３、及び評価値算出部２４を備えている。

収音部２１は、ラジオ１２から出力された音声信号（時系列のデジタル信号）を記録する。周波数解析部２２は、収音部２１に記録された音声信号に対して、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）などを用いて周波数解析を行う。周波数解析部２２は、収音部２１に記録された音声信号を複数のフレーム（時間区間）に分割して、各フレームの音声信号に対して周波数解析を行い、各フレームについて、音声信号の強さの周波数特性を表すパワースペクトルを出力する。

マルチパス期間抽出部２３は、周波数解析部２２で分割された各フレームについて、周波数解析部２２で得られた各フレームのパワースペクトルを用いて、電波の伝播時においてマルチパスが発生したマルチパスフレームであるか否かを判定するマルチパス判定を行う。さらに、マルチパス期間抽出部２３は、マルチパス判定においてマルチパスフレームであると判定したフレームが連続する期間（マルチパスフレームの小集団）を、マルチパス継続期間として抽出する。また、マルチパス期間抽出部２３は、マルチパス判定に用いる判定用閾値として、第１の閾値及び第２の閾値を算出する。なお、第１の閾値及び第２の閾値は、予め定めた値であってもよい。

評価値算出部２４は、マルチパス期間抽出部２３により抽出されたマルチパス継続期間について、各フレームｉのパワースペクトルの高周波帯域（例えば、１０ｋＨｚ以上１４ｋＨｚ以下の帯域）におけるパワーの平均値Ｂａｎｄ＿ＰＷＲｉを、音声信号の強度情報として算出する。さらに、評価値算出部２４は、この音声信号の強度情報などを用いて、マルチパス継続期間の各フレームｉの重み係数Ａｉを算出する。そして、評価値算出部２４は、マルチパス率に対して各フレームｉの重み係数Ａｉを反映させた評価値として、重み付けマルチパス率Ｘを算出する。

［３．重み付けマルチパス率Ｘの算出方法について］
続いて、図２のフローチャートを参照して、ラジオ評価系１０を用いた重み付けマルチパス率Ｘの算出方法について説明する。

まず、ステップＳ２０１で、高周波信号発生器１１が、高周波信号（音声信号によって変調された高周波信号）の出力を開始する。次に、ステップＳ２０２で、ラジオ１２が、高周波信号発生器１１から出力された高周波信号を受信して、音声信号を検波する。ラジオ１２により、高周波信号から音声信号が取り出される。次に、ステップＳ２０３で、マルチパス評価装置２０の収音部２１が、ラジオ１２から出力された音声信号を記録する。高周波信号発生器１１は、電界が変動する受信環境を模擬できるように出力を変動させながら、所定の期間に亘って高周波信号を出力し続ける。ラジオ１２は、上記所定の期間に亘って音声信号を検波する。収音部２１は、上記所定の期間に亘って検波された音声信号を記録する。ステップＳ２０４は、上記所定の期間の終了後に行われる。

ステップＳ２０４では、マルチパス評価装置２０の周波数解析部２２が、収音部２１に記録された音声信号に対して、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）などを用いて周波数解析を行う。周波数解析部２２は、収音部２１に記録された音声信号の全期間を評価対象期間として、評価対象期間を複数のフレームに分割して、各フレームの音声信号に対して周波数解析を行う。周波数解析により、各フレームについて、音声信号の強さの周波数特性を表すパワースペクトルが得られる。

ステップＳ２０５では、全フレームの各々を判定区間として、全フレームの中から１次候補フレームの抽出が行われる。１次候補フレームの抽出では、まずマルチパス期間抽出部２３が、周波数解析部２２による周波数解析結果から、数式１の右辺に入力するパワーの値（Ａｖｅ＿Ｏｖｅｒａｌｌ、ＭＡＸ＿Ｏｖｅｒａｌｌ）を取得し、取得した値を数式１に代入して第１の閾値Ｔ１を算出する。

数式１において、ＭＡＸ＿Ｏｖｅｒａｌｌは、全フレーム（全評価対象期間）のパワースペクトルの全周波数帯域（パワースペクトルを算出した全周波数帯域）におけるパワーの最大値を表し、Ａｖｅ＿Ｏｖｅｒａｌｌは、全フレームのパワースペクトルの全周波数帯域におけるパワーの平均値を表す。Ａは、第１の設定値（例えば７０％）であり、例えばマルチパス評価装置２０に予め設定されている。第１の閾値Ｔ１は、全フレームのパワースペクトルの全周波数帯域におけるパワーの最大値とパワーの平均値の間を所定の割合で按分した値に設定される。

ステップＳ２０５では、第１の閾値Ｔ１の算出後に、マルチパス期間抽出部２３が、各フレームについて、当該フレームｉのパワースペクトルの全周波数帯域におけるパワーの平均値Ｏｖｅｒａｌｌ＿ＰＷＲｉが第１の閾値Ｔ１を超えるという第１条件が成立するか否かを判定する第１の判定を行い、第１条件が成立するフレームを、マルチパスフレームの１次候補フレームとして抽出する。第１の判定では、全フレームの中で全周波数帯域におけるパワーの平均値が相対的に高いフレームが、１次候補フレームとして抽出される。

ステップＳ２０６では、全ての１次候補フレームの各々を判定区間として、全ての１次候補フレームの中から、２次候補フレームの抽出が行われる。２次候補フレームの抽出では、まずマルチパス期間抽出部２３が、周波数解析部２２による周波数解析結果から、数式２の右辺に入力するパワーの値（Ａｖｅ（１）＿Ｂａｎｄ＿ＰＷＲ、ＭＡＸ（１）＿Ｂａｎｄ＿ＰＷＲ）を取得し、取得した値を数式２に代入して第２の閾値Ｔ２を算出する。

数式２において、ＭＡＸ（１）＿Ｂａｎｄ＿ＰＷＲは、全ての１次候補フレームのパワースペクトルの高周波帯域におけるパワーの最大値を表し、Ａｖｅ（１）＿Ｂａｎｄ＿ＰＷＲは、全ての１次候補フレームのパワースペクトルの高周波帯域におけるパワーの平均値を表す。Ｂは、第２の設定値（例えば９０％）であり、例えばマルチパス評価装置２０に予め設定されている。第２の閾値Ｔ２は、全ての１次候補フレームのパワースペクトルの高周波帯域におけるパワーの最大値とパワーの平均値の間を所定の割合で按分した値に設定される。

ステップＳ２０６では、第２の閾値Ｔ２の算出後に、マルチパス期間抽出部２３が、各１次候補フレームについて、当該１次候補フレームｉのパワースペクトルの高周波帯域におけるパワーの平均値Ｂａｎｄ＿ＰＷＲｉが第２の閾値Ｔ２を超えるという第２条件が成立するか否かを判定する第２の判定を行い、第２条件が成立するフレームを、マルチパスフレームの２次候補フレームとして抽出する。第２の判定では、全ての１次候補フレームの中で高周波帯域におけるパワーの平均値が相対的に高いフレームが、２次候補フレームとして抽出される。

ステップＳ２０７では、第２の判定により抽出された各２次候補フレームに対して、ケプストラム分析が行われ、ケプストラム（人間の声の信号を表す特徴ベクトル）の存在の有無が判定される。ここで、マルチパスの発生と同様に、高周波帯域にまでパワーが存在する音声信号として「人の声」がある。マルチパス期間抽出部２３は、各２次候補フレームについて、「ケプストラム（Ｃｅｐｓｔｒｕｍ）無し」という第３条件が成立するか否かを判定する第３の判定を行い、第３条件が成立する２次候補フレームを、最終的にマルチパスフレーム（マルチパス区間）として抽出する。

ステップＳ２０５からステップＳ２０７を行うことにより、第１条件、第２条件、及び第３条件の全てが成立するフレームが、マルチパスフレームとして抽出される。なお、第３条件を使用せずに、第１条件及び第２条件の両方が成立するフレームを、マルチパスフレームとして抽出してもよい。

ステップＳ２０８では、マルチパスフレームが連続する期間、又は、直前と直後のフレームがマルチパスフレームとして抽出されていない単一のマルチパスフレームの期間が、マルチパス継続期間として抽出される。マルチパス期間抽出部２３は、時間軸に沿って連続するマルチパスフレームの小集団を、マルチパス継続期間として抽出する。マルチパス期間抽出部２３は、マルチパス継続期間を複数検出した場合、複数のマルチパス継続期間を抽出する。マルチパス継続期間は、フレームの小集団において、最初のマルチパスフレームの開始時点から、最後のマルチパスフレームの終了時点までの期間となる。図３では、時間軸に沿って連続するマルチパスフレームの小集団Ｙ_ｊ，Ｙ_ｊ＋１が、それぞれマルチパス継続期間として抽出される。以下では、複数のマルチパス継続期間が抽出された場合について説明する。

ステップＳ２０９では、重み付けマルチパス率Ｘの算出が行われる。重み付けマルチパス率Ｘの算出では、まず、評価値算出部２４が、数式３を用いて、各マルチパス継続期間の各フレームについて、当該フレームｉのパワースペクトルの高周波帯域におけるパワーの平均値Ｂａｎｄ＿ＰＷＲｉと、全フレームのパワースペクトルの高周波帯域におけるパワーの平均値Ａｖｅ＿Ｂａｎｄ＿ＰＷＲとから、各フレームｉの重み係数Ａｉを算出する。各マルチパス継続期間では、各フレームｉについて重み係数Ａｉが算出される。

なお、次の数式４を用いて重み係数Ａｉを算出してもよい。数式４において、Ｐｗｒは、マルチパス継続期間の各フレームのパワースペクトルの高周波帯域（又は全周波数帯域）におけるパワーの平均値を表し、Ｏｖｅｒａｌｌは、全フレームのパワースペクトルの高周波帯域（又は全周波数帯域）におけるパワーの平均値を表す。

続いて、評価値算出部２４は、数式５を用いて、各マルチパス継続期間について、全フレームの重み係数Ａｉの合計値Ｙｊを算出する。なお、数式５では、各マルチパス継続期間においてｍ個のフレームが存在する場合において、最初のフレーム番号を１とし、最後のフレーム番号をｍとしている。

続いて、評価値算出部２４は、数式６を用いて、重み付けマルチパス率Ｘを算出する。なお、数式６では、全評価対象期間においてＪ個のマルチパス継続期間が存在する場合において、最初のマルチパス継続期間の番号を１とし、最後のマルチパス継続期間の番号をＪとしている。また、ｎは全評価対象期間のフレーム数を表している。本実施の形態によれば、数式４から数式６により、マルチパス継続期間の音声信号の平均強度によって、マルチパス率が重み付けられる。

ステップＳ２０９で重み付けマルチパス率Ｘが算出されると、マルチパス評価装置２０は、重み付けマルチパス率Ｘを画面に表示することにより、重み付けマルチパス率Ｘを使用者に提示する。使用者は、重み付けマルチパス率Ｘを見て、ラジオ１２の受信性能を評価することができる。

［４．実施の形態の効果］
本実施の形態では、マルチパス発生時の雑音の強弱を反映した値として、マルチパス継続期間における音声信号の強度情報（高周波帯域の平均強度）をマルチパス率に反映させて、重み付けマルチパス率Ｘを算出している。

ここで、マルチパス発生時の雑音の強弱をマルチパス率に反映しない場合は、弱い雑音と強い雑音を同じように扱われることになる。そのため、マルチパスの評価結果と官能的評価結果との相関関係が弱くなる。例えば、マルチパスの発生により「サー」という雑音が発生した場合、マルチパス発生時の雑音の強弱を反映することなくマルチパス率を用いてマルチパスを評価すると、雑音の継続時間が長いためマルチパス率は高くなるが、人間の感覚では「サー」という音はそれほど気にならないため官能的評価結果の点数は良くなる。また、マルチパスの発生により「ザザ」、「ザ」又は「プチ」という雑音が発生した場合、雑音の継続時間が短いためマルチパス率は低くなるが、このような雑音は人間の感覚では気になるため官能的評価結果の点数は悪くなる。このように、マルチパスが継続した累積時間だけを反映したマルチパス率を用いてマルチパスを評価する場合は、その評価結果と官能的評価結果とに相違が生じる場合がある。

それに対して、本実施の形態では、マルチパス継続期間の長さに加えて、雑音の強弱が考慮される。そのため、マルチパス評価装置２０によるマルチパスの評価結果と官能的評価結果との相関関係が強くなり、マルチパス評価装置２０によるマルチパスの評価結果と官能的評価結果とが相違することを抑制することができる。そして、マルチパス評価及びラジオ評価の人的依存を低減することができる。

本発明は、マルチパスを評価するためのマルチパス評価装置等に適用可能である。

１０ラジオ評価系
１２ラジオ
２０マルチパス評価装置
２３マルチパス期間抽出部
２４評価値算出部

Claims

マルチパスを評価するためのマルチパス評価装置であって、
電波が受信された評価対象期間から、マルチパスが継続したマルチパス継続期間を抽出するマルチパス期間抽出部と、
前記電波を検波することにより得られた入力信号から前記マルチパス継続期間における前記入力信号の強度情報を取得し、前記評価対象期間の長さに対する前記マルチパス継続期間の長さの割合を示すマルチパス率に前記強度情報を反映した評価値を算出する評価値算出部とを備えていることを特徴とするマルチパス評価装置。