JP7089183B2 - 信号処理装置および無線機 - Google Patents

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Description

本発明は、信号処理装置および無線機に関する。
無線機のＡ－Ｄコンバータに目的波と目的波より強い妨害波が同時に入力され、目的波と妨害波との合成波の振幅がＡ－Ｄコンバータで決められた範囲を超える場合、振幅が決められた範囲を超える信号はクリップされる。入力信号がクリップされると、目的波のレベルが低下する。ＡＭ（amplitude modulation）やＳＳＢ（single sideband）などの振幅変調方式の通信では、電波の振幅を変化させることで情報を伝達するので、目的波のレベルが低下することにより通信に影響が出る。このような理由から、クリップされた後の信号の目的波のレベル低下の補償が求められている。
特許文献１には、Ａ－Ｄコンバータに入力される波形の決められた範囲を超える部分に対して負のオフセット電圧を加算することでクリップされることを抑制するデジタルオーディオ録音再生装置が開示されている。特許文献２には、入力された一連の音声信号のクリップされた部分を抽出して平滑化し、生成した平滑化信号の逆位相を音声信号に加算することでクリップされることを抑制するクリップ抑制装置が開示されている。特許文献３には、録音された波形のクリップされた部分を補間して修復する波形修正方法が開示されている。
特開平７－４５０００号公報 特開２００８－２３６２６８号公報 特開２００３－０９９０６４号公報
しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の技術は、クリップされる前の信号を処理することでクリップされることを抑制するものであり、クリップされた後の信号を補償するものではない。特許文献３の技術は、クリップされた後の信号を補償するものであるが、クリップされなかった部分からクリップされた部分を予測して復元するので、強い妨害波と合成された目的波のような弱いレベルの周波数成分の信号はほぼ復元されない。したがって、特許文献３の技術を無線機に適用したとしても、クリップされた後の信号の目的波のレベル低下は補償されない。
本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、Ａ－Ｄコンバータによってクリップされた後の信号に含まれる目的波のレベル低下を補償することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る信号処理装置は、
入力されるアナログ信号を、振幅が決められた範囲を超える部分がクリップされたデジタル信号に変換して出力するＡ－Ｄコンバータと、
前記Ａ－Ｄコンバータが出力したデジタル信号に対し、定められた期間サンプル数ごとにクリップされた切取サンプル数を算出するカウント部、
前記Ａ－Ｄコンバータが出力したデジタル信号の周波数変換を行う周波数変換部、
前記周波数変換部が周波数変換したデジタル信号の不要な信号成分を除去するフィルタ部、
前記Ａ－Ｄコンバータのサンプリングレートを前記期間サンプル数で除算した値の整数倍のサンプリングレートに変換するレート変換部、
前記レート変換部がサンプリングレートを変換したデジタル信号を増幅して出力する増幅部、
および、
前記期間サンプル数に対する前記切取サンプル数の割合に基づく増幅率調整係数をあらかじめ設定された前記増幅部の増幅率に乗算して、前記増幅部の増幅率を調整する増幅率調整部、
を有するコントローラと、
を備える。
好ましくは、前記増幅率調整部は、
前記期間サンプル数をクリップされなかった正規サンプル数で除算した値を、前記増幅率調整係数とする。
好ましくは、前記増幅率調整部は、
前記期間サンプル数をクリップされなかった正規サンプル数で除算した値が閾値よりも小さい場合には、前記期間サンプル数を前記正規サンプル数で除算した値を前記増幅率調整係数とし、
前記期間サンプル数を前記正規サンプル数で除算した値が前記閾値以上である場合には、前記閾値を前記増幅率調整係数とする。
好ましくは、前記増幅率調整部は、
前記期間サンプル数をクリップされなかった正規サンプル数で除算した値が閾値よりも小さい場合には、前記期間サンプル数を前記正規サンプル数で除算した値を前記増幅率調整係数とし、
前記期間サンプル数を前記正規サンプル数で除算した値が前記閾値以上である場合には、前記期間サンプル数を前記正規サンプル数で除算した値の増加に伴って前記閾値から緩やかに増加する値を前記増幅率調整係数とする。
本発明の第２の観点に係る無線機は、
いずれかの前記信号処理装置と、
アナログ信号を受信し、前記信号処理装置に入力するアンテナと、
前記信号処理装置が出力したデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ－Ａコンバータと、
前記Ｄ－Ａコンバータが変換したアナログ信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器が増幅したアナログ信号を出力する出力装置と、
を備える。
本発明によれば、Ａ－Ｄコンバータによって変換されたデジタル信号のクリップされた切取サンプル数の割合に基づいて、デジタル信号の増幅率を調整することで、クリップされた後の信号に含まれる目的波のレベル低下を補償することができる。
本発明の実施の形態に係る無線機の構成例を示すブロック図 実施の形態に係る信号処理装置の機能構成例を示すブロック図 目的波の例を示す図 妨害波の例を示す図 クリップされる前の目的波と妨害波との合成波の例を示す図 クリップされた後の目的波と妨害波との合成波の例を示す図 図５に示すクリップされる前の目的波と妨害波との合成波の周波数スペクトルの例を示す図 図６に示すクリップされた後の目的波と妨害波との合成波の周波数スペクトルの例を示す図 増幅率調整係数テーブルの例を示す図 図５および図６に示すクリップされる前後の目的波と妨害波との合成波の期間サンプル数のデジタル信号を示す図 増幅率調整係数と、切取サンプル数との関係を示すグラフ
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。
図１は、本発明の実施の形態に係る無線機の構成例を示すブロック図である。無線機１００は、アンテナ２、アンテナ２が受信した信号を処理する信号処理装置１、信号処理装置１が処理した信号をＤ－Ａ（Digital-to-Analog）変換するＤ－Ａコンバータ３、Ｄ－Ａコンバータ３がＤ－Ａ変換した信号を増幅する増幅器４、増幅器４が増幅した信号を出力するスピーカ５を備える。スピーカ５は、出力装置の一例である。信号処理装置１は、アンテナ２が受信したアナログ信号をＡ－Ｄ（Analog-to-Digital）変換するＡ－Ｄコンバータ１０と、Ａ－Ｄコンバータ１０がＡ－Ｄ変換したデジタル信号を処理するコントローラ２０を備える。
Ａ－Ｄコンバータ１０は、アンテナ２が受信したアナログ信号をＡ－Ｄ変換する。このとき、アナログ信号の振幅が決められた範囲を超えていると、振幅が決められた範囲を超える部分がクリップされたデジタル信号がＡ－Ｄコンバータ１０から出力される。Ａ－Ｄコンバータ１０は、変換したデジタル信号をコントローラ２０に出力する。コントローラ２０は、入力されるデジタル信号に対し、クリップされたことによる目的波のレベル低下を補償する処理を行う。コントローラ２０は、処理したデジタル信号をＤ－Ａコンバータ３に出力する。コントローラ２０は、一部又は全てをＤＳＰ（Digital Signal Processor）、一部又は全てをＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)で構成することが可能である。または、コントローラ２０は、ＣＰＵを含むＳｏＣ(System on Chip)で構成してもよい。図１の例では、無線機１００の受信機能についてのみ示しているが、無線機１００は送信機能を有してもよい。信号処理装置１が行う処理について図２を用いて詳しく説明する。
図２は、実施の形態に係る信号処理装置の機能構成例を示すブロック図である。信号処理装置１のＡ－Ｄコンバータ１０は、入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換してコントローラ２０に出力する。Ａ－Ｄコンバータ１０の取り扱うことができる信号の振幅の範囲は決められている。しかし、アンテナ２が目的波と共に妨害波を受信することにより、アンテナ２が受信したアナログ信号の振幅が決められた範囲を超えることがある。このため、アンテナ２からＡ－Ｄコンバータ１０に入力されるアナログ信号の振幅が決められた範囲を超えていると、信号はクリップされる。アナログ信号のクリップについて図３～図８を用いて説明する。
図３は、目的波の例を示す図である。図４は、妨害波の例を示す図である。図３および図４の例では、Ａ－Ｄコンバータ１０が取り扱うことができる信号の振幅の範囲が、－１から１までの範囲であるとする。図３に示す目的波の振幅は、－１から１までの範囲内であるが、図４に示す妨害波の振幅は、－１から１までの範囲外である。
図５は、クリップされる前の目的波と妨害波との合成波の例を示す図である。アンテナ２が図３に示す目的波と共に図４に示す妨害波を受信した場合、Ａ－Ｄコンバータ１０に入力されるアナログ信号は図５に示すような合成波になる。Ａ－Ｄコンバータ１０が取り扱うことができる信号の振幅の範囲が－１から１までの範囲であるので、Ａ－Ｄコンバータ１０は、このような合成波のアナログ信号が入力されると、振幅が－１から１までの範囲を超える部分がクリップされた波形がデジタル信号として出力される。
図６は、クリップされた後の目的波と妨害波との合成波の例を示す図である。図６に示すように、Ａ－Ｄコンバータ１０は、図５に示す目的波と妨害波との合成波のアナログ信号の振幅の－１以下の部分及び１以上の部分がクリップされている信号を出力する。クリップされることで、目的波と妨害波との合成波の周波数スペクトルがどのように変化するかについて図７および図８を用いて説明する。
図７は、図５に示すクリップされる前の目的波と妨害波との合成波の周波数スペクトルの例を示す図である。図７の右図は、左図の一点鎖線の範囲を拡大した図である。図８は、図６に示すクリップされた後の目的波と妨害波との合成波の周波数スペクトルの例を示す図である。図８の右図は、左図の一点鎖線の範囲を拡大した図である。図７に示すように、クリップされる前の目的波と妨害波との合成波を周波数スペクトルに変換すると、目的波のピークと、妨害波のピークとが存在する。図８に示すように、クリップされた後の目的波と妨害波との合成波を周波数スペクトルに変換すると、多数のスペクトルが発生し、かつ、目的波のレベルが低下しているのが分かる。コントローラ２０は、Ａ－Ｄコンバータ１０から入力されるデジタル信号に対し、目的波のレベル低下を補償するための処理を行う。
図２に戻り、信号処理装置１のコントローラ２０は、機能構成として、周波数変換部２１、ＬＰＦ部２２、レート変換部２３、増幅部２４、カウント部２５、および、増幅率調整部２６を備える。周波数変換部２１は、Ａ－Ｄコンバータ１０から入力されるデジタル信号に対し、目的波が０Ｈｚ付近になるように周波数変換する。例えば、目的波が１０ｋＨｚであるならば、周波数変換部２１は、Ａ－Ｄコンバータ１０から入力されるデジタル信号に１０ｋＨｚの正弦波信号を乗算する。これにより、目的波の周波数は０Ｈｚ付近になり、０Ｈｚ付近の不要な信号の周波数は１０ｋＨｚ付近に上がる。ＬＰＦ部２２は、周波数変換部２１が周波数変換したデジタル信号の不要な高周波成分を除去する。これにより、周波数変換された不要な成分と共にクリップによって発生した周波数成分が除去される。ＬＰＦ部２２は、フィルタ部の一例である。フィルタ部は、ローパスフィルタに限らず、不要な信号成分を除去できるフィルタであればよい。レート変換部２３は、ＬＰＦ部２２で不要な高周波成分を除去したデジタル信号のＮ個のサンプルごとに値を出力し、Ａ－Ｄコンバータ１０のサンプリングレートを１／Ｎ倍に変換する。増幅部２４は、レート変換部２３がサンプリングレートを１／Ｎ倍に変換したデジタル信号を増幅して、Ｄ－Ａコンバータ３に出力する。
カウント部２５は、Ａ－Ｄコンバータ１０から入力されるデジタル信号に対し、定められた期間サンプル数Ｐごとに、クリップされた切取サンプル数Ｃを算出する。具体的には、カウント部２５は、Ａ－Ｄコンバータ１０の上限値および下限値を記憶しており、上限値に達した回数および下限値に達した回数をカウントし、クリップされた切取サンプル数Ｃとして算出する。増幅率調整部２６は、切取サンプル数Ｃに対応する増幅率調整係数を示す、増幅率調整係数テーブルを有している。
図９は、増幅率調整係数テーブルの例を示す図である。図９の例では、期間サンプル数＝５０である。図９に示すように、増幅率調整係数は、期間サンプル数Ｐをクリップされなかった正規サンプル数Ｒで除算した値である。正規サンプル数Ｒは、期間サンプル数Ｐからクリップされた切取サンプル数Ｃを減算した値である。増幅率調整部２６は、カウント部２５が切取サンプル数Ｃを算出する度に、増幅率調整係数テーブルを参照し、あらかじめ設定された増幅部２４の増幅率αに増幅率調整係数を乗算して、増幅部２４の増幅率を調整する。つまり、増幅部２４は、α×増幅率調整係数の増幅率でデジタル信号を増幅する。アナログ信号が全くクリップされなかった場合は増幅率調整係数＝１となるので、増幅部２４は、あらかじめ設定された増幅率αでデジタル信号を増幅する。なお、増幅率調整部２６は、カウント部２５が切取サンプル数Ｃを算出する度に、期間サンプル数Ｐを正規サンプル数Ｒで除算する演算によって増幅率調整係数を算出してもよい。コントローラ２０が行う処理について図１０を用いて詳しく説明する。
図１０は、図５および図６に示すクリップされる前後の目的波と妨害波との合成波の期間サンプル数のデジタル信号を示す図である。図１０では、クリップされる前の目的波と妨害波との合成波のデジタル信号を＋、クリップされた後の目的波と妨害波との合成波のデジタル信号を×で記載している。便宜上、クリップされる前のデジタル信号を併せて記載しているが、実際にカウント部２５に入力されるデジタル信号は、クリップされた後のデジタル信号である。図１０に示すように、期間サンプル数Ｐは５０個、切取サンプル数Ｃは３３個である。この場合、図９の増幅率調整係数テーブルを参照すると、増幅率調整係数は、５０／１７である。増幅率調整部２６は、あらかじめ設定された増幅部２４の増幅率αに５０／１７を乗算して、増幅部２４の増幅率を調整する。×５０／１７をｄＢ（デジベル）に変換すると、２０log10（５０／１７）＝９．７ｄＢとなる。これは、図７および図８で示した目的波のレベル低下分とほぼ同じである。このようにして、コントローラ２０は、目的波のレベル低下を補償する。
増幅部２４は、増幅率調整部２６が調整したα×５０／１７の増幅率でデジタル信号を増幅して、Ｄ－Ａコンバータ３に出力する。期間サンプル数Ｐは、Ｎの整数倍であることとする。例えば、期間サンプル数ＰがＮの２倍であったとすると、レート変換部２３がサンプリングレートを１／Ｎ倍に変換する処理を２回行うごとに、増幅率調整部２６は、増幅部２４の増幅率を調整する。期間サンプル数ＰがＮの１倍、つまり、レート変換部２３がサンプリングレートを１／Ｐ倍に変換すると、処理が簡単になり、かつ、目的波のレベル低下を補償する精度が上がる。
図１１は、期間サンプル数を正規サンプル数で除算した値と、切取サンプル数との関係を示すグラフである。図１１に示すように、切取サンプル数Ｃが多くなると、期間サンプル数Ｐを正規サンプル数Ｒで除算した値ｋは急激に大きくなる。そこで、値ｋが閾値よりも小さい場合には、値ｋを増幅率調整係数とし、値ｋが閾値以上である場合には、閾値を増幅率調整係数としてもよい。この場合、例えば、図９の増幅率調整係数テーブルの、期間サンプル数Ｐを正規サンプル数Ｒで除算した値が閾値以上になる切取サンプル数Ｃに対応する増幅率調整係数には、閾値を記録しておく。あるいは、値ｋが閾値以上である場合には、値ｋの増加に伴って閾値から緩やかに増加する値を、増幅率調整係数としてもよい。この場合、例えば、図９の増幅率調整係数テーブルの、期間サンプル数Ｐを正規サンプル数Ｒで除算した値が閾値以上になる切取サンプル数Ｃに対応する増幅率調整係数には、閾値から緩やかに増加する値を記録しておく。
以上説明したとおり、本実施の形態に係る信号処理装置１よれば、Ａ－Ｄコンバータ１０によってクリップされた信号の切取サンプル数Ｃの割合に基づいて、増幅部２４の増幅率を調整することで、クリップされた後の信号に含まれる目的波のレベル低下を補償することができる。
本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られない。信号処理装置１は、無線機に限らず、入力されたアナログ信号を、振幅が決められた範囲を超える部分がクリップされたデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号に対して、周波数変換とサンプリングレート変換とを行い、増幅する装置に適用することが可能である。
１ 信号処理装置
２ アンテナ
３ Ｄ－Ａコンバータ
４ 増幅器
５ スピーカ
１０ Ａ－Ｄコンバータ
２０ コントローラ
２１ 周波数変換部
２２ ＬＰＦ部
２３ レート変換部
２４ 増幅部
２５ カウント部
２６ 増幅率調整部
１００ 無線機

Claims (5)

  1. 入力されるアナログ信号を、振幅が決められた範囲を超える部分がクリップされたデジタル信号に変換して出力するＡ－Ｄコンバータと、
    前記Ａ－Ｄコンバータが出力したデジタル信号に対し、定められた期間サンプル数ごとにクリップされた切取サンプル数を算出するカウント部、
    前記Ａ－Ｄコンバータが出力したデジタル信号の周波数変換を行う周波数変換部、
    前記周波数変換部が周波数変換したデジタル信号の不要な信号成分を除去するフィルタ部、
    前記Ａ－Ｄコンバータのサンプリングレートを前記期間サンプル数で除算した値の整数倍のサンプリングレートに変換するレート変換部、
    前記レート変換部がサンプリングレートを変換したデジタル信号を増幅して出力する増幅部、
    および、
    前記期間サンプル数に対する前記切取サンプル数の割合に基づく増幅率調整係数をあらかじめ設定された前記増幅部の増幅率に乗算して、前記増幅部の増幅率を調整する増幅率調整部、
    を有するコントローラと、
    を備える信号処理装置。
  2. 前記増幅率調整部は、
    前記期間サンプル数をクリップされなかった正規サンプル数で除算した値を、前記増幅
    率調整係数とする請求項１に記載の信号処理装置。
  3. 前記増幅率調整部は、
    前記期間サンプル数をクリップされなかった正規サンプル数で除算した値が閾値よりも小さい場合には、前記期間サンプル数を前記正規サンプル数で除算した値を前記増幅率調整係数とし、
    前記期間サンプル数を前記正規サンプル数で除算した値が前記閾値以上である場合には
    、前記閾値を前記増幅率調整係数とする請求項１に記載の信号処理装置。
  4. 前記増幅率調整部は、
    前記期間サンプル数をクリップされなかった正規サンプル数で除算した値が閾値よりも小さい場合には、前記期間サンプル数を前記正規サンプル数で除算した値を前記増幅率調整係数とし、
    前記期間サンプル数を前記正規サンプル数で除算した値が前記閾値以上である場合には、前記期間サンプル数を前記正規サンプル数で除算した値の増加に伴って前記閾値から緩やかに増加する値を前記増幅率調整係数とする請求項１に記載の信号処理装置。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の信号処理装置と、
    アナログ信号を受信し、前記信号処理装置に入力するアンテナと、
    前記信号処理装置が出力したデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ－Ａコンバータと、
    前記Ｄ－Ａコンバータが変換したアナログ信号を増幅する増幅器と、
    前記増幅器が増幅したアナログ信号を出力する出力装置と、
    を備える無線機。
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