JPWO2008041612A1 - 波形等化装置 - Google Patents

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Abstract

ゴースト信号を除去するためのフィルタのタップ係数を最適な値に短時間で収束させる。波形等化装置は、複数の相関値に基づいて、FIRフィルタ及びIIRフィルタのタップ係数の初期値を求めて出力する初期タップ係数生成部と、FIRフィルタ及びIIRフィルタのタップ係数の初期値をこれらのフィルタに出力し、これらのフィルタのタップ係数を誤差情報に基づいて更新するタップ係数更新部とを有する。初期タップ係数生成部は、複数の相関値のうち、所定の範囲の遅延に対応する値の順序を反転し、その結果を、この範囲の遅延に対応する、FIRフィルタのタップ係数の初期値として求め、かつ、複数の相関値のうち、この範囲より大きい遅延に対応する値の符号を反転し、IIRフィルタのタップ係数の初期値として求める。

Description

本発明は、放送や無線通信におけるマルチパス妨害を除去する波形等化装置に関する。
放送や無線通信の受信機には、マルチパス妨害を除去するため波形等化装置を搭載しているものがある。マルチパス妨害とは、放送波が主たる経路とその他の経路とを別々に経由して受信機に到達し、主たる経路を経由した主波とその他の経路を経由した反射波等(ゴースト信号)との間の干渉波が受信機において観測される現象である。波形等化装置は、マルチパス妨害を受けた干渉波から、受信したい主波を復元する。
FIR(finite impulse response)フィルタとIIR(infinite impulse response)フィルタとを有する波形等化装置において、等化を行って前ゴースト信号及び後ゴースト信号を除去する際のフィルタのタップ係数に関して説明する。
FIRフィルタの特性をGFIR(z)、IIRフィルタの特性をGIIR(z)、波形等化装置の入力信号及び出力信号をそれぞれX,Yとすると、
X・GFIR(z)+Y・GIIR(z) = Y
という関係が成り立つ。波形等化装置の特性をGとすると、この式は、
Y = GX = {GFIR(z)/(1−GIIR(z))}X
のように変形することができる。
主波Eに対して5シンボル遅延した信号強度A(A<1)の後ゴースト信号が存在する場合には、入力信号Xは、
X = (1+AZ−5)E
で表される。この時、GFIR(z)=1,GIIR(z)=−AZ−5とすると、
Y = {1/(1+AZ−5)}(1+AZ−5)E = E …(1)
となる。すなわち、IIRフィルタの5番目のタップのタップ係数に−Aを与えることにより、入力信号Xの等化が可能となる。
次に、主波に対して5シンボル前に信号強度Aの前ゴースト信号が存在する場合には、入力信号Xは、
X = (A+Z−5)E
で表される。この時、FIRフィルタが20タップを有するフィルタであるとし、GIIR(z)=0,GFIR(z)=A−A−5+A−10−AZ−15+Z−20とすると、
Y = {A−A−5+A−10−AZ−15+Z−20}(A+Z−5)E …(2)
= (A+Z−25)E
となる。すなわち、FIRフィルタに、0番目、5番目、10番目、15番目、及び20番目のタップのタップ係数として、A,−A,A,−A,及び1をそれぞれ与え、かつ、Aが十分に小さいと考えることにより、入力信号Xの等化が可能となる。
このように、前ゴースト信号を除去する際には、後ゴースト信号を除去する場合よりも多くの適切なタップ係数をフィルタに与える必要があり、後ゴースト信号に比べ前ゴースト信号が存在する場合の等化は一般的に難しいとされている。また、信号強度Aの値が大きい場合、又はFIRフィルタのタップ数が十分ではない場合には、前ゴースト信号を含んでいる信号の等化は非常に困難である。
タップ係数の最適値は、適応アルゴリズム(例えば、LMS(Least Mean Square)アルゴリズム)により探し出される。LMSアルゴリズムは、前回のタップ係数からその次の回のタップ係数を生成するアルゴリズムであり、タップ係数は更新を重ねるにつれて徐々に最適値に近づいていく。したがって、タップ係数の初期値が最適値に近いほど、LMSアルゴリズムの収束時間が短縮される。
例えばVSB(Vestigial Side Band)変調された信号を復調する場合、FIRフィルタとIIRフィルタとで構成される波形等化装置は、タップ係数が最適値に収束するまでに時間がかかる。そこで、FIRフィルタとIIRフィルタとに、主波以外の波を打ち消すようにタップ係数の初期値を与えるようにした波形等化装置が知られている(特許文献1参照)。また、伝送路特性の推定結果に応じてタップ係数を求めるフィルタを設け、求められたタップ係数を用いて波形等化を行うようにした装置が知られている(非特許文献1参照)。
特開2000−244777号公報 Yiyan Wu 他著「マルチパス及び分散伝送環境に対するロバスト性を向上させたATSC DTV受信機(An ATSC DTV Receiver With Improved Robustness to Multipath and Distributed Transmission Environments)」,(米国),IEEE TRANSACTIONS ON BROADCASTING,IEEE,2004年3月,第50巻,第1号,pp.32−41
しかし、大きな前ゴースト信号、又は複数の前ゴースト信号を含んでいる信号を受信する場合には、最適なタップ係数の初期値を求めることが難しいので、タップ係数の収束に要する時間が増大したり、タップ係数が誤った値に収束し、波形等化性能が劣化する。また、タップ係数の初期値を求める際には受信信号と所定の信号との間で相関を求めるが、その結果にノイズが多数発生する場合には、タップ係数の収束に要する時間の増大や誤った値への収束を引き起こす。
大きな前ゴースト信号を含んでいる信号を等化する際には、必要となるFIRフィルタの遅延量も大きくなるので、回路面積が増大する。また、非特許文献1のように、波形等化装置の前段に、前ゴースト信号を小さくするようなフィルタを備えるようにした場合には、このフィルタへのタップ係数の与え方によっては波形等化性能の劣化を招き、更に回路面積も増大してしまう。
本発明は、大きな前ゴースト信号を含んでいる信号を受信する場合においても、ゴースト信号を除去するためのフィルタのタップ係数が誤った値へ収束することによる波形等化性能の劣化を防止し、タップ係数を最適な値に短時間で収束させることを目的とする。
本発明に係る波形等化装置は、入力信号に波形等化を行い、その結果を出力信号として出力する波形等化装置であって、前記入力信号と複数のタップ係数との間で畳み込み演算を行い、その結果を出力するFIR(finite impulse response)フィルタと、前記出力信号と複数のタップ係数との間で畳み込み演算を行い、その結果を出力するIIR(infinite impulse response)フィルタと、前記FIRフィルタの出力と前記IIRフィルタの出力とを加算し、その結果を前記出力信号として出力する加算部と、前記出力信号の誤差を検出して誤差情報として出力する誤差検出部と、所定のパターン信号を生成するパターン信号生成部と、前記入力信号と前記パターン信号との間で畳み込み演算を行い、互いに異なる遅延にそれぞれ対応する複数の相関値を求めて出力する相関演算部と、前記複数の相関値に基づいて、前記FIRフィルタ及び前記IIRフィルタのタップ係数の初期値を求めて出力する初期タップ係数生成部と、前記FIRフィルタ及び前記IIRフィルタのタップ係数の初期値を前記FIRフィルタ及び前記IIRフィルタに出力し、前記FIRフィルタ及び前記IIRフィルタのタップ係数を前記誤差情報に基づいて更新するタップ係数更新部とを有する。前記初期タップ係数生成部は、前記複数の相関値のうち、所定の範囲の遅延に対応する値の順序を反転し、その結果を、前記所定の範囲の遅延に対応する、前記FIRフィルタのタップ係数の初期値として求め、かつ、前記複数の相関値のうち、前記所定の範囲より大きい遅延に対応する値の符号を反転し、前記IIRフィルタのタップ係数の初期値として求める。
これによると、複数の相関値のうち、所定の範囲の遅延に対応する値の順序を反転し、FIRフィルタのタップ係数の初期値とするので、前ゴースト信号を後ゴースト信号に変換することができる。このため、大きな前ゴースト信号を含む信号を受信する場合においても、フィルタのタップ係数が誤った値へ収束することによる波形等化性能の劣化を防止することができ、かつ、タップ係数の収束に要する時間を短縮することができる。
本発明によれば、大きな前ゴースト信号を含んだ信号やノイズが混入した信号を受信する場合においても、フィルタのタップ係数が誤った値へ収束することによる波形等化性能の劣化を防止し、タップ係数を最適な値に短時間で収束させることが可能となる。また、フィルタのタップ数を削減できるので、回路面積を小さくすることができる。
図1は、本発明の実施形態に係る波形等化装置の構成を示すブロック図である。 図2は、図1のFIRフィルタの構成を示すブロック図である。 図3(a),図3(b),図3(c)は、図1の波形等化装置について、入力信号X、FIRフィルタのタップ係数の初期値、及び出力信号Yの例をそれぞれ示すグラフである。 図4(a)は、実際に受信されたVSB信号から求められた正規化後の相関値の例を示すグラフである。図4(b)は、図4(a)の正規化後の相関値のそれぞれを2乗した結果を示すグラフである。 図5(a)は、正規化後の相関値を示すグラフである。図5(b)は、図5(a)の場合にFIRフィルタ及びIIRフィルタに与えられるタップ係数の初期値を示すグラフである。
符号の説明
10 FIRフィルタ
20 IIRフィルタ
32 パターン信号生成部
34 相関演算部
36 初期タップ係数生成部
38 誤差検出部
42 タップ係数更新部
44 加算部
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る波形等化装置の構成を示すブロック図である。図1の波形等化装置は、FIRフィルタ10と、IIRフィルタ20と、パターン信号生成部32と、相関演算部34と、初期タップ係数生成部36と、誤差検出部38と、タップ係数更新部42と、加算部44とを有している。この波形等化装置は、例えば、ATSC(Advanced Television Systems Committee) VSB(vestigial-sideband)受信機において用いられる。
FIRフィルタ10は、入力信号ISを遅延させて、互いに所定の時間ずつ異なる遅延を受けた複数のタップ値を求める。FIRフィルタ10は、得られた複数のタップ値を用いて、入力信号ISとこれらのタップ値にそれぞれ対応する複数のタップ係数との間で畳み込み演算を行い、その結果を加算部44に出力する。IIRフィルタ20は、出力信号ESを遅延させて、互いに所定の時間ずつ異なる遅延を受けた複数のタップ値を求める。IIRフィルタ20は、得られた複数のタップ値を用いて、出力信号ESとこれらのタップ値にそれぞれ対応する複数のタップ係数との間で畳み込み演算を行い、その結果を加算部44に出力する。
加算部44は、FIRフィルタ10の出力とIIRフィルタ20の出力とを加算して、その結果を出力信号ESとして出力する。誤差検出部38は、出力信号ESの誤差を検出し、得られた誤差を誤差情報としてタップ係数更新部42に出力する。
パターン信号生成部32は、所定のパターンを有するパターン信号を生成し、相関演算部34に出力する。相関演算部34は、パターン信号生成部32で生成されたパターン信号と入力信号IS中のパターン信号との間で畳み込み演算を行って、相関値の列を求め、初期タップ係数生成部36に出力する。これらの相関値は伝送路特性を表しており、各相関値R(iは整数)は、主波に対する互いに異なる遅延iT(Tはシンボル間隔)に対応する。
初期タップ係数生成部36は、相関演算部34で求められた複数の相関値Rを、これらの相関値のうちの最大値で正規化し、得られた複数の正規化後の相関値Sに基づいてFIRフィルタ10及びIIRフィルタ20のタップ係数の初期値を求め、タップ係数更新部42に出力する。
タップ係数更新部42は、初期タップ係数生成部36から受け取った初期値を、FIRフィルタ10及びIIRフィルタ20にタップ係数として出力する。タップ係数更新部42は、例えばLMSアルゴリズムを用いて、誤差検出部38で求められた誤差に従ってタップ係数を更新し、得られた新たなタップ係数をFIRフィルタ10及びIIRフィルタ20に出力する。
図2は、図1のFIRフィルタ10の構成を示すブロック図である。FIRフィルタ10は、遅延器11A,11B,…,11C,11D,11E,…,11Fと、乗算器12A,12B,…,12C,12D,12E,…,12Fと、加算部14とを有している。
遅延器11A〜11Fは、例えばレジスタであって、各レジスタの出力が、次段のレジスタの入力に接続されている。遅延器11A〜11Fは、それぞれに入力された信号を遅延Tだけ遅延させて出力する。遅延器11Aの入力をタップTPとし、遅延器11A〜11Fの出力をタップTP,TP,…,TP(nは自然数)とする。タップTP〜TPには、タップ係数C,C,…,Cがそれぞれ対応している。IIRフィルタ20も、タップ数やタップ係数が異なる他は、図2のFIRフィルタ10とほぼ同様に構成されている。
乗算器12A〜12Fは、タップTP〜TPの値のそれぞれと、タップ係数C〜Cの対応するものとの間で乗算を行い、乗算結果を加算部14に出力する。加算部14は、乗算器12A〜12Fで求められた乗算結果を全て加算して、得られた結果を出力FSとして加算部44に出力する。
初期タップ係数生成部36におけるタップ係数の初期値の生成について説明する。主波に対応する正規化後の相関値をSとし、主波よりもkT前の信号(kは整数)に対応する正規化後の相関値をSn−kとする。また、FIRフィルタ10のタップ係数Cには主波を、タップ係数Cn−kには主波よりもkT前の信号を対応させる。
初期タップ係数生成部36は、主波に対する所定の範囲の遅延に対応する、FIRフィルタ10のタップ係数、例えば、タップTP(mは、0≦m<nを満たす整数)からタップTPまでのタップ係数C,Cm+1,…,Cの初期値として、C=S/2,Cm+1=Sn−1,Cm+2=Sn−2,…,C=Sを求め、タップ係数更新部42に与える。すなわち、初期タップ係数生成部36は、主波に対する遅延−(n−m)T,−(n−m−1)T,…,T,0に対応する正規化後の相関値S,Sm+1,…,Sの順序を反転させ、タップ係数C,Cm+1,…,Cのそれぞれの初期値として求める。このとき、相関値のうち、主波に対応する相関値Sが最大値であるとし、この相関値Sには0.5を乗じる。初期タップ係数生成部36は、タップ係数C,C,…,Cm−1の初期値としては、0を与える。
また、初期タップ係数生成部36は、正規化後の相関値Sn+1,Sn+2,…,Sn+p(pはIIRフィルタ20のタップ数)の符号を反転させて、IIRフィルタ20のタップ係数のそれぞれの初期値として求め、得られた値をタップ係数更新部42に与える。このように、0以下の遅延に対応する相関値はFIRフィルタ10のタップ係数に対応し、T以上の遅延に対応する相関値はIIRフィルタ20のタップ係数に対応する。
図1の波形等化装置の動作の例について説明する。主波Eに対してTシンボル前に信号強度A(A<1)のゴースト信号が存在する場合には、伝送路特性GをG=A+Z−Tと表すことができ、入力信号Xは、
X = GE = (A+Z−T)E
で表される。
この場合、相関演算部34で求められた相関値に基づいて、正規化後の相関値Sn−T,SとしてSn−T=A,S=1が求められるので、初期タップ係数生成部36は、相関値Sn−T,Sの順序を反転し、主波に対応する相関値Sを2で割り、相関値S/2,Sn−Tをタップ係数Cn−T,Cのそれぞれの初期値とする。このとき、図1の波形等化装置の伝達関数の初期値Iは、
I = (0.5+AZ−T
となる。出力信号Yは、
Y = XI = (A+Z−T)E×(0.5+AZ−T
= {0.5A+(A+0.5)Z−T+AZ−2T}E
となる。
例として、A=0.7,T=20とすると、
入力信号:X = (0.7+Z−20)E
初期値 :I = (0.5+0.7Z−20
出力信号:Y = 0.35+0.99Z−20+0.7Z−40
となる。
図3(a),(b),(c)は、図1の波形等化装置について、入力信号X、FIRフィルタ10のタップ係数の初期値、及び出力信号Yの例をそれぞれ示すグラフである。FIRフィルタ10の所定の範囲のタップのタップ係数の初期値として図3(b)のような値を与えると、図3(a)のような入力信号Xから図3(c)のような出力信号Yが得られる。すなわち、図3(a)のように前ゴースト信号を含んでいる信号を、図3(c)のように等化し易い後ゴースト信号を含んでいる信号へ変換することができる。
以上のように、本実施形態によれば、大きな前ゴースト信号を含んでいる信号を受信した場合においても、後ゴースト信号を含んでいる信号へ変換するようなタップ係数を初期値として与えるので、タップ係数の最適な値への収束が可能となる。このため、タップ係数の誤った値への収束を防止し、収束時間の短縮を行うことが可能となる。また、FIRフィルタが与える遅延が小さくて済むので、回路面積を小さくすることができる。
なお、初期タップ係数生成部36は、IIRフィルタ20のタップ係数の初期値の大きさが所定の閾値未満である場合には、そのタップ係数の初期値として0を出力してもよい。
また、初期タップ係数生成部36は、IIRフィルタ20の全てのタップ係数の初期値として0を出力してもよい。
また、初期タップ係数生成部36は、所定の範囲の遅延に対応する、FIRフィルタ10のタップ係数のうち、相関値のうちの最大値に対応するタップ係数以外のタップ係数の初期値として0を出力してもよい。
また、初期タップ係数生成部36は、所定の範囲の遅延に対応する、FIRフィルタ10のタップ係数の初期値が所定の閾値未満である場合には、そのタップ係数の初期値として0を出力してもよい。
また、初期タップ係数生成部36が、相関値のうちの最大値に0.5を乗じる場合について説明したが、0.5を乗じずに、最大値をそのまま用いるようにしてもよい。
また、相関値のうちの最大値に1未満の所定の係数を乗じるようにしてもよい。すると、大きな前ゴースト信号を含んだ信号を受信した場合にも、タップ係数の誤った値への収束を防止し、タップ係数の収束に要する時間の短縮を行うことが可能となる。
また、FIRフィルタ10は、少なくとも、所定の範囲の遅延に対応する、FIRフィルタ10のタップ係数に関しては、畳み込み演算を複素演算で行うようにしてもよい。すると、タップ係数の収束に要する時間を短縮し、波形等化の精度を高くすることができる。
(第1の変形例)
本実施形態の第1の変形例について説明する。この変形例では、初期タップ係数生成部は、相関演算部34で求められた相関値のそれぞれを、相関値の最大値で正規化した後、正規化後の相関値のそれぞれを2乗する。初期タップ係数生成部は、その後は、正規化後の相関値に代えて、2乗された正規化後の相関値を用いて、図1の場合と同様の処理を行う。
図4(a)は、実際に受信されたVSB信号から求められた正規化後の相関値の例を示すグラフである。図4(b)は、図4(a)の正規化後の相関値のそれぞれを2乗した結果を示すグラフである。横軸は主波からの遅延をシンボル間隔Tを単位として表している。
多数のゴースト信号及びノイズを含む信号を受信した場合には、求められる相関値は図4(a)のように多数のノイズを含むので、これをそのままタップ係数の初期値として用いると、タップ係数の収束が妨害され、収束に要する時間の増大に繋がる。そこで、正規化後の相関値のそれぞれを2乗すると、図4(b)のように、大きなゴースト信号以外の相関値をほぼ0にすることができる。
このように、本変形例によれば、相関値に多数のノイズが混入した信号を受信した場合にも、タップ係数の誤った値への収束を防止し、タップ係数の収束に要する時間の短縮を行うことが可能となる。
(第2の変形例)
本実施形態の第2の変形例について説明する。この変形例では、初期タップ係数生成部は、相関値のうち所定の閾値以上の相関値を含むように、順序が反転させられる相関値S,Sm+1,…,Sに対応する遅延の範囲を決定する。すなわち、初期タップ係数生成部は、主波よりDT前(Dは自然数)に閾値Th以上の正規化後の相関値がある場合には、その相関値を含むように、このような遅延の範囲を0から(D+S)T前(Sは自然数の定数)までにする。主波より前に閾値Thより大きい正規化後の相関値がない場合には、D=0とする。その他の点は、既に説明した実施形態と同様である。
図5(a)は、正規化後の相関値を示すグラフである。図5(b)は、図5(a)の場合にFIRフィルタ10及びIIRフィルタ20に与えられるタップ係数の初期値を示すグラフである。横軸は主波に対する遅延を示している。
例として、閾値Th=0.5とし、定数S=4とする。図5(a)では、主波に対して15T(15タップ)前に0.5以上の正規化後の相関値があるので、D=15とする。順序が反転させられる相関値S,Sm+1,…,Sに対応する遅延の範囲は、0から(D+S)T=(15+4)T=19Tまでとなる。
そこで、初期タップ係数生成部は、この範囲にある正規化後の相関値、すなわち、遅延が0から−19Tまでの正規化後の相関値の順序を反転し、符号は変更せず、FIRフィルタ10の対応するタップ係数の初期値とする。また、初期タップ係数生成部は、遅延がT以上の正規化後の相関値の符号を反転し、IIRフィルタ20の対応するタップ係数の初期値とする。以上のようにして算出した初期値は、図5(b)のようになる。
以上のように、本変形例によると、受信信号に含まれる前ゴースト信号の大きさや、主波に対する時間差に応じて、タップ係数の最適な初期値を求めることができるので、主波から大きく離れた前ゴースト信号を含んだ信号を等化することができる。大きな前ゴースト信号がない時には、順序が反転させられる相関値に対応する遅延の範囲が小さくなる。このため、主波に対応する相関値(図5(a)における最大の係数)を0に近い遅延に対応するタップ係数にすることができ、主波からより離れた前ゴースト信号を除去することも可能になる。
以上説明したように、本発明は、大きな前ゴースト信号を含んでいる信号を受信する場合においても、波形等化のためのフィルタのタップ係数を最適な値に速く収束させることができるので、波形等化装置等について有用である。
本発明は、放送や無線通信におけるマルチパス妨害を除去する波形等化装置に関する。
放送や無線通信の受信機には、マルチパス妨害を除去するため波形等化装置を搭載しているものがある。マルチパス妨害とは、放送波が主たる経路とその他の経路とを別々に経由して受信機に到達し、主たる経路を経由した主波とその他の経路を経由した反射波等(ゴースト信号)との間の干渉波が受信機において観測される現象である。波形等化装置は、マルチパス妨害を受けた干渉波から、受信したい主波を復元する。
FIR(finite impulse response)フィルタとIIR(infinite impulse response)フィルタとを有する波形等化装置において、等化を行って前ゴースト信号及び後ゴースト信号を除去する際のフィルタのタップ係数に関して説明する。
FIRフィルタの特性をGFIR(z)、IIRフィルタの特性をGIIR(z)、波形等化装置の入力信号及び出力信号をそれぞれX,Yとすると、
X・GFIR(z)+Y・GIIR(z) = Y
という関係が成り立つ。波形等化装置の特性をGとすると、この式は、
Y = GX = {GFIR(z)/(1−GIIR(z))}X
のように変形することができる。
主波Eに対して5シンボル遅延した信号強度A(A<1)の後ゴースト信号が存在する場合には、入力信号Xは、
X = (1+AZ−5)E
で表される。この時、GFIR(z)=1,GIIR(z)=−AZ−5とすると、
Y = {1/(1+AZ−5)}(1+AZ−5)E = E …(1)
となる。すなわち、IIRフィルタの5番目のタップのタップ係数に−Aを与えることにより、入力信号Xの等化が可能となる。
次に、主波に対して5シンボル前に信号強度Aの前ゴースト信号が存在する場合には、入力信号Xは、
X = (A+Z−5)E
で表される。この時、FIRフィルタが20タップを有するフィルタであるとし、GIIR(z)=0,GFIR(z)=A−A−5+A−10−AZ−15+Z−20とすると、
Y = {A−A−5+A−10−AZ−15+Z−20}(A+Z−5)E …(2)
= (A+Z−25)E
となる。すなわち、FIRフィルタに、0番目、5番目、10番目、15番目、及び20番目のタップのタップ係数として、A,−A,A,−A,及び1をそれぞれ与え、かつ、Aが十分に小さいと考えることにより、入力信号Xの等化が可能となる。
このように、前ゴースト信号を除去する際には、後ゴースト信号を除去する場合よりも多くの適切なタップ係数をフィルタに与える必要があり、後ゴースト信号に比べ前ゴースト信号が存在する場合の等化は一般的に難しいとされている。また、信号強度Aの値が大きい場合、又はFIRフィルタのタップ数が十分ではない場合には、前ゴースト信号を含んでいる信号の等化は非常に困難である。
タップ係数の最適値は、適応アルゴリズム(例えば、LMS(Least Mean Square)アルゴリズム)により探し出される。LMSアルゴリズムは、前回のタップ係数からその次の回のタップ係数を生成するアルゴリズムであり、タップ係数は更新を重ねるにつれて徐々に最適値に近づいていく。したがって、タップ係数の初期値が最適値に近いほど、LMSアルゴリズムの収束時間が短縮される。
例えばVSB(Vestigial Side Band)変調された信号を復調する場合、FIRフィルタとIIRフィルタとで構成される波形等化装置は、タップ係数が最適値に収束するまでに時間がかかる。そこで、FIRフィルタとIIRフィルタとに、主波以外の波を打ち消すようにタップ係数の初期値を与えるようにした波形等化装置が知られている(特許文献1参照)。また、伝送路特性の推定結果に応じてタップ係数を求めるフィルタを設け、求められたタップ係数を用いて波形等化を行うようにした装置が知られている(非特許文献1参照)。
特開2000−244777号公報 Yiyan Wu 他著「マルチパス及び分散伝送環境に対するロバスト性を向上させたATSC DTV受信機(An ATSC DTV Receiver With Improved Robustness to Multipath and Distributed Transmission Environments)」,(米国),IEEE TRANSACTIONS ON BROADCASTING,IEEE,2004年3月,第50巻,第1号,pp.32−41
しかし、大きな前ゴースト信号、又は複数の前ゴースト信号を含んでいる信号を受信する場合には、最適なタップ係数の初期値を求めることが難しいので、タップ係数の収束に要する時間が増大したり、タップ係数が誤った値に収束し、波形等化性能が劣化する。また、タップ係数の初期値を求める際には受信信号と所定の信号との間で相関を求めるが、その結果にノイズが多数発生する場合には、タップ係数の収束に要する時間の増大や誤った値への収束を引き起こす。
大きな前ゴースト信号を含んでいる信号を等化する際には、必要となるFIRフィルタの遅延量も大きくなるので、回路面積が増大する。また、非特許文献1のように、波形等化装置の前段に、前ゴースト信号を小さくするようなフィルタを備えるようにした場合には、このフィルタへのタップ係数の与え方によっては波形等化性能の劣化を招き、更に回路面積も増大してしまう。
本発明は、大きな前ゴースト信号を含んでいる信号を受信する場合においても、ゴースト信号を除去するためのフィルタのタップ係数が誤った値へ収束することによる波形等化性能の劣化を防止し、タップ係数を最適な値に短時間で収束させることを目的とする。
本発明に係る波形等化装置は、入力信号に波形等化を行い、その結果を出力信号として出力する波形等化装置であって、前記入力信号と複数のタップ係数との間で畳み込み演算を行い、その結果を出力するFIR(finite impulse response)フィルタと、前記出力信号と複数のタップ係数との間で畳み込み演算を行い、その結果を出力するIIR(infinite impulse response)フィルタと、前記FIRフィルタの出力と前記IIRフィルタの出力とを加算し、その結果を前記出力信号として出力する加算部と、前記出力信号の誤差を検出して誤差情報として出力する誤差検出部と、所定のパターン信号を生成するパターン信号生成部と、前記入力信号と前記パターン信号との間で畳み込み演算を行い、互いに異なる遅延にそれぞれ対応する複数の相関値を求めて出力する相関演算部と、前記複数の相関値に基づいて、前記FIRフィルタ及び前記IIRフィルタのタップ係数の初期値を求めて出力する初期タップ係数生成部と、前記FIRフィルタ及び前記IIRフィルタのタップ係数の初期値を前記FIRフィルタ及び前記IIRフィルタに出力し、前記FIRフィルタ及び前記IIRフィルタのタップ係数を前記誤差情報に基づいて更新するタップ係数更新部とを有する。前記初期タップ係数生成部は、前記複数の相関値のうち、所定の範囲の遅延に対応する値の順序を反転し、その結果を、前記所定の範囲の遅延に対応する、前記FIRフィルタのタップ係数の初期値として求め、かつ、前記複数の相関値のうち、前記所定の範囲より大きい遅延に対応する値の符号を反転し、前記IIRフィルタのタップ係数の初期値として求める。
これによると、複数の相関値のうち、所定の範囲の遅延に対応する値の順序を反転し、FIRフィルタのタップ係数の初期値とするので、前ゴースト信号を後ゴースト信号に変換することができる。このため、大きな前ゴースト信号を含む信号を受信する場合においても、フィルタのタップ係数が誤った値へ収束することによる波形等化性能の劣化を防止することができ、かつ、タップ係数の収束に要する時間を短縮することができる。
本発明によれば、大きな前ゴースト信号を含んだ信号やノイズが混入した信号を受信する場合においても、フィルタのタップ係数が誤った値へ収束することによる波形等化性能の劣化を防止し、タップ係数を最適な値に短時間で収束させることが可能となる。また、フィルタのタップ数を削減できるので、回路面積を小さくすることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る波形等化装置の構成を示すブロック図である。図1の波形等化装置は、FIRフィルタ10と、IIRフィルタ20と、パターン信号生成部32と、相関演算部34と、初期タップ係数生成部36と、誤差検出部38と、タップ係数更新部42と、加算部44とを有している。この波形等化装置は、例えば、ATSC(Advanced Television Systems Committee) VSB(vestigial-sideband)受信機において用いられる。
FIRフィルタ10は、入力信号ISを遅延させて、互いに所定の時間ずつ異なる遅延を受けた複数のタップ値を求める。FIRフィルタ10は、得られた複数のタップ値を用いて、入力信号ISとこれらのタップ値にそれぞれ対応する複数のタップ係数との間で畳み込み演算を行い、その結果を加算部44に出力する。IIRフィルタ20は、出力信号ESを遅延させて、互いに所定の時間ずつ異なる遅延を受けた複数のタップ値を求める。IIRフィルタ20は、得られた複数のタップ値を用いて、出力信号ESとこれらのタップ値にそれぞれ対応する複数のタップ係数との間で畳み込み演算を行い、その結果を加算部44に出力する。
加算部44は、FIRフィルタ10の出力とIIRフィルタ20の出力とを加算して、その結果を出力信号ESとして出力する。誤差検出部38は、出力信号ESの誤差を検出し、得られた誤差を誤差情報としてタップ係数更新部42に出力する。
パターン信号生成部32は、所定のパターンを有するパターン信号を生成し、相関演算部34に出力する。相関演算部34は、パターン信号生成部32で生成されたパターン信号と入力信号IS中のパターン信号との間で畳み込み演算を行って、相関値の列を求め、初期タップ係数生成部36に出力する。これらの相関値は伝送路特性を表しており、各相関値R(iは整数)は、主波に対する互いに異なる遅延iT(Tはシンボル間隔)に対応する。
初期タップ係数生成部36は、相関演算部34で求められた複数の相関値Rを、これらの相関値のうちの最大値で正規化し、得られた複数の正規化後の相関値Sに基づいてFIRフィルタ10及びIIRフィルタ20のタップ係数の初期値を求め、タップ係数更新部42に出力する。
タップ係数更新部42は、初期タップ係数生成部36から受け取った初期値を、FIRフィルタ10及びIIRフィルタ20にタップ係数として出力する。タップ係数更新部42は、例えばLMSアルゴリズムを用いて、誤差検出部38で求められた誤差に従ってタップ係数を更新し、得られた新たなタップ係数をFIRフィルタ10及びIIRフィルタ20に出力する。
図2は、図1のFIRフィルタ10の構成を示すブロック図である。FIRフィルタ10は、遅延器11A,11B,…,11C,11D,11E,…,11Fと、乗算器12A,12B,…,12C,12D,12E,…,12Fと、加算部14とを有している。
遅延器11A〜11Fは、例えばレジスタであって、各レジスタの出力が、次段のレジスタの入力に接続されている。遅延器11A〜11Fは、それぞれに入力された信号を遅延Tだけ遅延させて出力する。遅延器11Aの入力をタップTPとし、遅延器11A〜11Fの出力をタップTP,TP,…,TP(nは自然数)とする。タップTP〜TPには、タップ係数C,C,…,Cがそれぞれ対応している。IIRフィルタ20も、タップ数やタップ係数が異なる他は、図2のFIRフィルタ10とほぼ同様に構成されている。
乗算器12A〜12Fは、タップTP〜TPの値のそれぞれと、タップ係数C〜Cの対応するものとの間で乗算を行い、乗算結果を加算部14に出力する。加算部14は、乗算器12A〜12Fで求められた乗算結果を全て加算して、得られた結果を出力FSとして加算部44に出力する。
初期タップ係数生成部36におけるタップ係数の初期値の生成について説明する。主波に対応する正規化後の相関値をSとし、主波よりもkT前の信号(kは整数)に対応する正規化後の相関値をSn−kとする。また、FIRフィルタ10のタップ係数Cには主波を、タップ係数Cn−kには主波よりもkT前の信号を対応させる。
初期タップ係数生成部36は、主波に対する所定の範囲の遅延に対応する、FIRフィルタ10のタップ係数、例えば、タップTP(mは、0≦m<nを満たす整数)からタップTPまでのタップ係数C,Cm+1,…,Cの初期値として、C=S/2,Cm+1=Sn−1,Cm+2=Sn−2,…,C=Sを求め、タップ係数更新部42に与える。すなわち、初期タップ係数生成部36は、主波に対する遅延−(n−m)T,−(n−m−1)T,…,T,0に対応する正規化後の相関値S,Sm+1,…,Sの順序を反転させ、タップ係数C,Cm+1,…,Cのそれぞれの初期値として求める。このとき、相関値のうち、主波に対応する相関値Sが最大値であるとし、この相関値Sには0.5を乗じる。初期タップ係数生成部36は、タップ係数C,C,…,Cm−1の初期値としては、0を与える。
また、初期タップ係数生成部36は、正規化後の相関値Sn+1,Sn+2,…,Sn+p(pはIIRフィルタ20のタップ数)の符号を反転させて、IIRフィルタ20のタップ係数のそれぞれの初期値として求め、得られた値をタップ係数更新部42に与える。このように、0以下の遅延に対応する相関値はFIRフィルタ10のタップ係数に対応し、T以上の遅延に対応する相関値はIIRフィルタ20のタップ係数に対応する。
図1の波形等化装置の動作の例について説明する。主波Eに対してTシンボル前に信号強度A(A<1)のゴースト信号が存在する場合には、伝送路特性GをG=A+Z−Tと表すことができ、入力信号Xは、
X = GE = (A+Z−T)E
で表される。
この場合、相関演算部34で求められた相関値に基づいて、正規化後の相関値Sn−T,SとしてSn−T=A,S=1が求められるので、初期タップ係数生成部36は、相関値Sn−T,Sの順序を反転し、主波に対応する相関値Sを2で割り、相関値S/2,Sn−Tをタップ係数Cn−T,Cのそれぞれの初期値とする。このとき、図1の波形等化装置の伝達関数の初期値Iは、
I = (0.5+AZ−T
となる。出力信号Yは、
Y = XI = (A+Z−T)E×(0.5+AZ−T
= {0.5A+(A+0.5)Z−T+AZ−2T}E
となる。
例として、A=0.7,T=20とすると、
入力信号:X = (0.7+Z−20)E
初期値 :I = (0.5+0.7Z−20
出力信号:Y = 0.35+0.99Z−20+0.7Z−40
となる。
図3(a),(b),(c)は、図1の波形等化装置について、入力信号X、FIRフィルタ10のタップ係数の初期値、及び出力信号Yの例をそれぞれ示すグラフである。FIRフィルタ10の所定の範囲のタップのタップ係数の初期値として図3(b)のような値を与えると、図3(a)のような入力信号Xから図3(c)のような出力信号Yが得られる。すなわち、図3(a)のように前ゴースト信号を含んでいる信号を、図3(c)のように等化し易い後ゴースト信号を含んでいる信号へ変換することができる。
以上のように、本実施形態によれば、大きな前ゴースト信号を含んでいる信号を受信した場合においても、後ゴースト信号を含んでいる信号へ変換するようなタップ係数を初期値として与えるので、タップ係数の最適な値への収束が可能となる。このため、タップ係数の誤った値への収束を防止し、収束時間の短縮を行うことが可能となる。また、FIRフィルタが与える遅延が小さくて済むので、回路面積を小さくすることができる。
なお、初期タップ係数生成部36は、IIRフィルタ20のタップ係数の初期値の大きさが所定の閾値未満である場合には、そのタップ係数の初期値として0を出力してもよい。
また、初期タップ係数生成部36は、IIRフィルタ20の全てのタップ係数の初期値として0を出力してもよい。
また、初期タップ係数生成部36は、所定の範囲の遅延に対応する、FIRフィルタ10のタップ係数のうち、相関値のうちの最大値に対応するタップ係数以外のタップ係数の初期値として0を出力してもよい。
また、初期タップ係数生成部36は、所定の範囲の遅延に対応する、FIRフィルタ10のタップ係数の初期値が所定の閾値未満である場合には、そのタップ係数の初期値として0を出力してもよい。
また、初期タップ係数生成部36が、相関値のうちの最大値に0.5を乗じる場合について説明したが、0.5を乗じずに、最大値をそのまま用いるようにしてもよい。
また、相関値のうちの最大値に1未満の所定の係数を乗じるようにしてもよい。すると、大きな前ゴースト信号を含んだ信号を受信した場合にも、タップ係数の誤った値への収束を防止し、タップ係数の収束に要する時間の短縮を行うことが可能となる。
また、FIRフィルタ10は、少なくとも、所定の範囲の遅延に対応する、FIRフィルタ10のタップ係数に関しては、畳み込み演算を複素演算で行うようにしてもよい。すると、タップ係数の収束に要する時間を短縮し、波形等化の精度を高くすることができる。
(第1の変形例)
本実施形態の第1の変形例について説明する。この変形例では、初期タップ係数生成部は、相関演算部34で求められた相関値のそれぞれを、相関値の最大値で正規化した後、正規化後の相関値のそれぞれを2乗する。初期タップ係数生成部は、その後は、正規化後の相関値に代えて、2乗された正規化後の相関値を用いて、図1の場合と同様の処理を行う。
図4(a)は、実際に受信されたVSB信号から求められた正規化後の相関値の例を示すグラフである。図4(b)は、図4(a)の正規化後の相関値のそれぞれを2乗した結果を示すグラフである。横軸は主波からの遅延をシンボル間隔Tを単位として表している。
多数のゴースト信号及びノイズを含む信号を受信した場合には、求められる相関値は図4(a)のように多数のノイズを含むので、これをそのままタップ係数の初期値として用いると、タップ係数の収束が妨害され、収束に要する時間の増大に繋がる。そこで、正規化後の相関値のそれぞれを2乗すると、図4(b)のように、大きなゴースト信号以外の相関値をほぼ0にすることができる。
このように、本変形例によれば、相関値に多数のノイズが混入した信号を受信した場合にも、タップ係数の誤った値への収束を防止し、タップ係数の収束に要する時間の短縮を行うことが可能となる。
(第2の変形例)
本実施形態の第2の変形例について説明する。この変形例では、初期タップ係数生成部は、相関値のうち所定の閾値以上の相関値を含むように、順序が反転させられる相関値S,Sm+1,…,Sに対応する遅延の範囲を決定する。すなわち、初期タップ係数生成部は、主波よりDT前(Dは自然数)に閾値Th以上の正規化後の相関値がある場合には、その相関値を含むように、このような遅延の範囲を0から(D+S)T前(Sは自然数の定数)までにする。主波より前に閾値Thより大きい正規化後の相関値がない場合には、D=0とする。その他の点は、既に説明した実施形態と同様である。
図5(a)は、正規化後の相関値を示すグラフである。図5(b)は、図5(a)の場合にFIRフィルタ10及びIIRフィルタ20に与えられるタップ係数の初期値を示すグラフである。横軸は主波に対する遅延を示している。
例として、閾値Th=0.5とし、定数S=4とする。図5(a)では、主波に対して15T(15タップ)前に0.5以上の正規化後の相関値があるので、D=15とする。順序が反転させられる相関値S,Sm+1,…,Sに対応する遅延の範囲は、0から(D+S)T=(15+4)T=19Tまでとなる。
そこで、初期タップ係数生成部は、この範囲にある正規化後の相関値、すなわち、遅延が0から−19Tまでの正規化後の相関値の順序を反転し、符号は変更せず、FIRフィルタ10の対応するタップ係数の初期値とする。また、初期タップ係数生成部は、遅延がT以上の正規化後の相関値の符号を反転し、IIRフィルタ20の対応するタップ係数の初期値とする。以上のようにして算出した初期値は、図5(b)のようになる。
以上のように、本変形例によると、受信信号に含まれる前ゴースト信号の大きさや、主波に対する時間差に応じて、タップ係数の最適な初期値を求めることができるので、主波から大きく離れた前ゴースト信号を含んだ信号を等化することができる。大きな前ゴースト信号がない時には、順序が反転させられる相関値に対応する遅延の範囲が小さくなる。このため、主波に対応する相関値(図5(a)における最大の係数)を0に近い遅延に対応するタップ係数にすることができ、主波からより離れた前ゴースト信号を除去することも可能になる。
以上説明したように、本発明は、大きな前ゴースト信号を含んでいる信号を受信する場合においても、波形等化のためのフィルタのタップ係数を最適な値に速く収束させることができるので、波形等化装置等について有用である。
図1は、本発明の実施形態に係る波形等化装置の構成を示すブロック図である。 図2は、図1のFIRフィルタの構成を示すブロック図である。 図3(a),図3(b),図3(c)は、図1の波形等化装置について、入力信号X、FIRフィルタのタップ係数の初期値、及び出力信号Yの例をそれぞれ示すグラフである。 図4(a)は、実際に受信されたVSB信号から求められた正規化後の相関値の例を示すグラフである。図4(b)は、図4(a)の正規化後の相関値のそれぞれを2乗した結果を示すグラフである。 図5(a)は、正規化後の相関値を示すグラフである。図5(b)は、図5(a)の場合にFIRフィルタ及びIIRフィルタに与えられるタップ係数の初期値を示すグラフである。
符号の説明
10 FIRフィルタ
20 IIRフィルタ
32 パターン信号生成部
34 相関演算部
36 初期タップ係数生成部
38 誤差検出部
42 タップ係数更新部
44 加算部

Claims (10)

  1. 入力信号に波形等化を行い、その結果を出力信号として出力する波形等化装置であって、
    前記入力信号と複数のタップ係数との間で畳み込み演算を行い、その結果を出力するFIR(finite impulse response)フィルタと、
    前記出力信号と複数のタップ係数との間で畳み込み演算を行い、その結果を出力するIIR(infinite impulse response)フィルタと、
    前記FIRフィルタの出力と前記IIRフィルタの出力とを加算し、その結果を前記出力信号として出力する加算部と、
    前記出力信号の誤差を検出して誤差情報として出力する誤差検出部と、
    所定のパターン信号を生成するパターン信号生成部と、
    前記入力信号と前記パターン信号との間で畳み込み演算を行い、互いに異なる遅延にそれぞれ対応する複数の相関値を求めて出力する相関演算部と、
    前記複数の相関値に基づいて、前記FIRフィルタ及び前記IIRフィルタのタップ係数の初期値を求めて出力する初期タップ係数生成部と、
    前記FIRフィルタ及び前記IIRフィルタのタップ係数の初期値を前記FIRフィルタ及び前記IIRフィルタに出力し、前記FIRフィルタ及び前記IIRフィルタのタップ係数を前記誤差情報に基づいて更新するタップ係数更新部とを備え、
    前記初期タップ係数生成部は、
    前記複数の相関値のうち、所定の範囲の遅延に対応する値の順序を反転し、その結果を、前記所定の範囲の遅延に対応する、前記FIRフィルタのタップ係数の初期値として求め、かつ、前記複数の相関値のうち、前記所定の範囲より大きい遅延に対応する値の符号を反転し、前記IIRフィルタのタップ係数の初期値として求めるものである
    波形等化装置。
  2. 請求項1に記載の波形等化装置において、
    前記初期タップ係数生成部は、
    前記複数の相関値を、前記複数の相関値のうちの最大値で正規化して用いる
    ことを特徴とする波形等化装置。
  3. 請求項2に記載の波形等化装置において、
    前記初期タップ係数生成部は、
    前記複数の正規化後の相関値のそれぞれを、2乗して用いる
    ことを特徴とする波形等化装置。
  4. 請求項1に記載の波形等化装置において、
    前記初期タップ係数生成部は、
    前記IIRフィルタのタップ係数の初期値の大きさが所定の閾値未満である場合には、そのタップ係数の初期値として0を出力する
    ことを特徴とする波形等化装置。
  5. 請求項1に記載の波形等化装置において、
    前記初期タップ係数生成部は、
    前記IIRフィルタの全てのタップ係数の初期値として0を出力する
    ことを特徴とする波形等化装置。
  6. 請求項1に記載の波形等化装置において、
    前記初期タップ係数生成部は、
    前記所定の範囲の遅延時間に対応する、前記FIRフィルタのタップ係数のうち、前記相関値のうちの最大値に対応するタップ係数以外のタップ係数の初期値として0を出力する
    ことを特徴とする波形等化装置。
  7. 請求項1に記載の波形等化装置において、
    前記初期タップ係数生成部は、
    前記所定の範囲の遅延時間に対応する、前記FIRフィルタのタップ係数の初期値が所定の閾値未満である場合には、そのタップ係数の初期値として0を出力する
    ことを特徴とする波形等化装置。
  8. 請求項1に記載の波形等化装置において、
    前記初期タップ係数生成部は、
    前記相関値のうちの最大値に、1未満の所定の係数を乗じる
    ことを特徴とする波形等化装置。
  9. 請求項1に記載の波形等化装置において、
    前記初期タップ係数生成部は、
    前記相関値のうち所定の閾値以上の相関値を含むように、前記所定の範囲を決定する
    ことを特徴とする波形等化装置。
  10. 請求項1に記載の波形等化装置において、
    前記FIRフィルタは、
    少なくとも、前記所定の範囲の遅延に対応する、前記FIRフィルタのタップ係数に関しては、前記畳み込み演算を複素演算で行う
    ことを特徴とする波形等化装置。
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