JPWO2013125174A1 - 受信信号処理装置及び受信信号処理方法 - Google Patents

Abstract

圧縮センシング技術を利用したレーダ装置等の受信信号復調装置において、復調信号の信号対雑音電力比（ＳＮＲ）が低い場合でも信頼性の高い信号復元が行え、かつ、その際の信号復元処理における負荷が軽減できる受信信号処理方法を提供することを目的とし、受信した信号を復調する復調器４と、復調器４からの信号の信号対雑音電力比を改善するマッチドフィルタ５と、マッチドフィルタ５からの信号に基づき圧縮率を決定する閾値判定器６と、マッチドフィルタ５からの信号を圧縮してディジタル信号に変換し、圧縮率に基づきディジタル信号に変換された信号を復元する復元回路１０Ａと、を備える。

Description

本発明は、受信信号処理装置及び受信信号処理方法に関する。

受信した信号を復元する際に必要となる帯域幅は、標本化定理によれば信号帯域幅の２倍以上が必要となる。しかし、圧縮センシング技術を用いると、必ずしも標本化定理を満たす必要性はないので、信号の復元は可能である。

例えば、非特許文献１には、レーダ装置において、アンダーサンプリング下で複数目標からの反射信号を復元する技術が開示されている。図５は、圧縮センシング技術によりアンダーサンプリング下で信号復元するレーダ装置のブロック図である。

図５に示すレーダ装置は、受信空中線１０１、復調器１０２、積分器１０３、Ａ／Ｄ変換器１０４、信号復元部１０５を備える。そして、受信空中線１０１により空間から変調信号が受信されて、復調器１０２に出力される。復調器１０２は、受信信号を復調して、これを復調信号として積分器１０３に出力する。積分器１０３は、復調信号を本来復元に必要なサンプリング間隔の時間で積算することにより圧縮する。なお、圧縮される信号には、ＲＩＰ特性がよくなるチャープ信号又はＰＮ信号であることが要求される。以下、復調信号を積算して圧縮する際の積算度合を圧縮率と定義する。従って、積分器１０３は、予め設定された圧縮率で圧縮処理を行うことになる。また、圧縮された信号を圧縮信号と記載する。

ここで、ＲＩＰ特性とは、非特許文献１に記載されている信号復元が可能か否かを示す指標で、信号を圧縮する構成（ここでは積分器１０３）と圧縮される信号（ここでは復調信号）によって決まる。

積分器１０３からの圧縮信号は、Ａ／Ｄ変換器１０４に入力する。積分器１０３が、例えば４サンプリング間隔で積算された圧縮信号をＡ／Ｄ変換器１０４に出力した場合、Ａ／Ｄ変換器１０４におけるサンプリングレートは本来必要なサンプリングレートの１／４となる。そこで、Ａ／Ｄ変換器１０４は、このサンプリングレートで圧縮信号をディジタル信号に変換し、信号復元部１０５に出力する。

信号復元部１０５では、非特許文献１における「Ｌ１ノルム最小化問題」を解くことによって、Ａ／Ｄ変換器１０４の出力値から復元したい信号を復元する。このとき、復元したい信号の情報量が信号帯域幅に比べて十分小さく、かつ、信号圧縮時に情報損失がないことを条件に正しい復元結果が得られる。このような条件は、例えばレーダ装置において、観測範囲内に目標数が十分少ない場合に満たされる。

Ｒ．Ｂａｒａｎｉｕｋ，「Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ Ｒａｄａｒ Ｉｍａｇｉｎｇ」，ＩＥＥＥ Ｒａｄａｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００７

しかしながら、図５に示す圧縮センシング技術を利用したレーダ装置においては、後述するように復調器１０２での信号対雑音電力比（ＳＮＲ）が低い場合、正しく信号復元できない場合があると共に、信号復元部１０５における処理が冗長になる問題がある。

即ち、復調信号のＳＮＲが０ｄＢ以下と低い状況では、雑音成分が目標とみなされる場合がある。この場合は、目標数が観測範囲内に比べ十分小さいという条件が成立しなくなるので、正しく信号復元を行うことができない。

また、圧縮率は、目標数が少ないほど高い値に設定可能である。圧縮率が、高いほど信号復元部１０５の信号処理負荷を軽減できるが、逆に高すぎると信号復元が適切に行えない場合もある。

図５に示すレーダ装置においては、信号復元部１０５においては事前に目標数が分からない。このため、想定される全ての目標数で復元が行えるように、常に最大目標数に基づいた圧縮率で復元処理を行っている。しかし、実際は観測毎に目標数は異なるので、目標数が最大目標数に比べて十分小さい場合には圧縮率をより高くして信号処理負荷を減らすことが可能である。このような場合には、図５に示すレーダ装置は、冗長処理を行うことになる。

そこで、本発明の主目的は、復調信号のＳＮＲが低い場合でも信頼性の高い信号復元が行え、かつ、その際の信号復元処理における負荷が軽減できる受信信号処理装置及び受信信号処理方法を提供することである。

上記課題を解決するため、変調された受信信号をディジタル信号に変換して復元する受信信号復調装置は、受信した信号を復調する復調器と、前記復調器からの信号の信号対雑音電力比を改善するマッチドフィルタと、前記マッチドフィルタからの信号に基づき圧縮率を決定する閾値判定器と、前記マッチドフィルタからの信号を圧縮してディジタル信号に変換し、前記圧縮率に基づきディジタル信号に変換された信号を復元する復元回路と、を備えることを特徴とする。

また、変調された受信信号をディジタル信号に変換して復元する受信信号復調方法であって、受信した信号を復調する復調手順と、復調手順からの信号の信号対雑音電力比を改善する雑音抑制手順と、雑音抑制手順からの信号に基づき圧縮率を決定する圧縮率決定手順と、雑音抑制手順からの信号を圧縮してディジタル信号に変換し、圧縮率に基づきディジタル信号に変換された信号を復元する復元手順と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、信号対雑音電力比（ＳＮＲ）を向上させた信号から圧縮率を決定して、この圧縮率に応じた圧縮、Ａ／Ｄ変換及び復元を行うので、復調信号のＳＮＲが低い場合でも信頼性の高い信号復元が行え、かつ、その際の信号復元処理における負荷が軽減できるようになる。

本発明の第１の実施形態にかかる受信信号処理装置のブロック図である。 受信信号処理装置における信号圧縮部のブロック図である。 受信信号処理装置の処理手順を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかる受信信号処理装置のブロック図である。 関連技術の説明に適用されるレーダ装置のブロック図である。

＜第１の実施形態＞
次に、本発明の第１の実施形態を説明する。図１は、本第１の実施形態にかかる受信信号処理装置２Ａのブロック図である。このような受信信号処理装置は、レーダ装置やソーナ装置等における目標探知に利用できると共に、通信システムにおける受信信号の復元に利用することができる。

このような受信信号処理装置２Ａは、受信空中線３、復調器４、マッチドフィルタ５、閾値判定器６、復元回路１０Ａを備える。また、復元回路１０Ａは、信号圧縮部７、Ａ／Ｄ変換器８、信号復元部９を含んでいる。

受信空中線３は、信号を受信するアンテナである。復調器４は、受信信号Ｇ１を復調して復調信号Ｇ２として出力する。マッチドフィルタ５は、復調信号の信号対雑音電力比（ＳＮＲ）を向上させて、低雑音復調信号Ｇ３として出力する。

閾値判定器６は、低雑音復調信号Ｇ３の振幅値が、予め設定された閾値を超えたときの数をカウントして、このカウント値に基づきレーダ装置が検出しようとする目標の数を推定する。以下、推定された目標数を、推定目標数と記載する。そして、推定目標値に基づき圧縮率を算出して、圧縮率信号Ｇ４を出力する。

信号圧縮部７は、マッチドフィルタ５からの低雑音復調信号Ｇ３を、本来復元に必要なサンプリング間隔で重み付けを行い、その累積和を圧縮信号Ｇ５として出力する。Ａ／Ｄ変換器８は、圧縮信号Ｇ５をディジタル信号Ｇ６に変換する。信号復元部９は、ディジタル信号Ｇ６を復元する。

図２は、信号圧縮部７のブロック図である。信号圧縮部７は、移相器７１（７１ａ〜７１ｄ）と積分器７２（７２ａ〜７２ｄ）とを含む重み付けユニット７０（７０Ａ〜７０Ｄ）と、選択器７３とを備える。なお、本実施形態においては、信号圧縮部７は４つの重み付けユニットを備えるが、これは例示であって任意の数に設定することができる。

移相器７１は、入力した復調信号を、本来復元に必要なサンプリング間隔で、位相を「０」か「π」だけランダムに移相させて重み付けを行う。積分器７２は、移相器７１で重み付けされた信号の累積和を出力する。なお、この積分器７２は、選択器７３から読出しが行われるまで、値をストアーするバッファ機能を備える。選択器７３は、Ａ／Ｄ変換器８のサンプリングタイミングに同期して重み付けユニット７０からの出力を選択する。

次に、このような構成の受信信号処理装置の動作を説明する。図３は受信信号処理方法を示すフローチャートである。

ステップＳ１、Ｓ２： 受信空中線３は、信号を受信して受信信号Ｇ１を出力する。この受信信号Ｇ１には、目標物からの反射信号ばかりでなく、周辺に存在する物体等で反射された信号が雑音として含まれている。このように雑音が混在した受信信号Ｇ１は、復調器４に入力されて復調される。

ステップＳ３： 復調器４からの復調信号Ｇ２は、マッチドフィルタ５に入力して、復調信号と送信波形との自己相関が求められることにより、復調信号のＳＮＲが向上する。ＳＮＲが向上した復調信号は、低雑音復調信号Ｇ３として、閾値判定器６と信号圧縮部７とに出力される。

ステップＳ３： 閾値判定器６は、低雑音復調信号Ｇ３の振幅値が、予め設定された閾値より高くなる個数をカウントする。低雑音復調信号Ｇ３は、復調信号Ｇ２のＳＮＲを向上させた信号である。このため、低雑音復調信号Ｇ３に含まれる雑音は小さいので、目標で反射された信号成分が主となっている。そして、目標で反射された信号成分は、大きな振幅を持つことが期待されるので、閾値を設定し、この閾値を超える振幅の数をカウントすることにより目標数を推定することが可能になる。無論、完全に雑音を除去することができないため、カウント数は目標数に厳密に対応しない。推定目標数は、例えば、閾値判定器６がカウントしたカウント数とすることができる。

ステップＳ４、Ｓ５： そして、閾値判定器６は、推定目標数を圧縮率に変換して、信号圧縮部７、Ａ／Ｄ変換器８及び、信号復元部９に圧縮率信号Ｇ４として出力する。なお、推定目標数を圧縮率に変換する際には、関数変換を行ってもよいが、例えば推定目標数と圧縮率との変換テーブル等を予め用意して、当該変換テーブルに基づき圧縮率を求めても良い。

ステップＳ６、Ｓ７： 信号圧縮部７においては、移相器７１でマッチドフィルタ５からの低雑音復調信号Ｇ３に対して、ランダムに「１」、「−１」の重み付けを行う重み付け処理が行われ、積分器７２で重み付された信号を積算して圧縮信号Ｇ５を生成する積算処理が行われる。そして、信号圧縮部７は、圧縮率信号Ｇ４に従い積算して、圧縮信号Ｇ５としてＡ／Ｄ変換器８に出力する。

重み付け処理においては、位相を移相量が本来必要なサンプリング間隔で、ランダムに「０」か「π」に移相させることで、重み付けを行う。このとき位相を「０」に移相させることは「１」の重み付けを行うことに対応し、位相を「π」に移相させることは「−１」の重み付けを行うことに対応する。

積算処理は、重み付き信号Ｇ７を本来必要なサンプリング間隔で積算する。各重み付けユニット７０における移相器７１は、それぞれ重み付け処理を行う。

例えば、信号圧縮されていない信号を正しく復元するために本来必要なサンプリング間隔を「Ｔ」とし、低雑音復調信号Ｇ３の時間幅を「８Ｔ」とする。また、閾値判定器６からの圧縮率信号Ｇ４が「２」であったとする。このとき、Ａ／Ｄ変換器８のサンプリング間隔は、圧縮率が「２」なので「２Ｔ」となり、サンプリングレートは「１／２Ｔ」で、本来必要なサンプリングレートの１／２となる。そして、４つの第１〜第４サンプリング値に対応した信号が、積分器７２から出力されることになる。

即ち、積分器７２ａからは全体で８Ｔの低雑音復調信号Ｇ３のうちの「０〜２Ｔ」までの信号を間隔Ｔで重み付けした信号が、第１サンプリング値として出力される。積分器７２ｂからは「０〜４Ｔ」までの信号を間隔Ｔで重み付けした信号が、第２サンプリング値として出力される。積分器７２ｃからは「０〜６Ｔ」までの信号を間隔Ｔで重み付けした信号が、第３サンプリング値として出力される。さらに、積分器７２ｄからは「０〜８Ｔ」までの信号を間隔Ｔで重み付けした信号が、第４サンプリング値として出力される。

そして、選択器７３は、Ａ／Ｄ変換器８のサンプリングのタイミング毎に接続先を切替えて、各重み付けユニット７０からの信号を圧縮信号Ｇ５としてＡ／Ｄ変換器８に入力させる。このサンプリングのタイミングは圧縮率信号に基づき設定される。

ステップＳ８： Ａ／Ｄ変換器８では、閾値判定器６からの圧縮率信号Ｇ４に応じたサンプリングレートで圧縮信号Ｇ５をディジタル信号に変換し、信号復元部９に出力する。

ステップＳ９： 信号復元部９では、「Ｌ１ノルム最小化問題」を解くことによってＡ／Ｄ変換器８の出力値からディジタル変換されたマッチドフィルタ５からの出力信号を算出する。

以上説明したように、受信した信号のＳＮＲが低い場合でも、マッチドフィルタによりＳＮＲを向上させるので、精度の高い信号復調が行える。また、ＳＮＲを向上した低雑音復調信号から目標数を推定し、この推定目標数に基づき圧縮率を決定するので、信号復元処理における負荷が軽減できるようになる。
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態と同一構成に関しては、同一符号を用いて説明を適宜省略する。

第１の実施形態においては、閾値判定器６で決定された圧縮率は、信号圧縮部７、Ａ／Ｄ変換器８、信号復元部９に入力して、圧縮率に従いそれぞれが動作した。この圧縮率は、目標数に基づき変化する値である。従って、信号圧縮部７、Ａ／Ｄ変換器８、信号復元部９の処理は、目標数に基づき変化する。このとき、信号圧縮部７やＡ／Ｄ変換器８は、目標数に基づき処理を変化させる構成とすると、アダプティブな処理となるため構成が複雑になる可能性がある。

そこで、本実施形態においては、信号圧縮部７、Ａ／Ｄ変換器８に関しては予め設定した最大目標数に対応する圧縮率で固定して処理を行い、信号復元部９に関しては閾値判定器９で決定した圧縮率で復元処理を行うようにした。

図４は、このような受信信号処理装置２Ｂのブロック図である。受信信号処理装置２Ｂは、図１に示す受信信号処理装置２Ａと同様に、受信空中線３、復調器４、マッチドフィルタ５、閾値判定器６、復元回路１０Ｂを備える。また、復元回路１０Ｂは、信号圧縮部７、Ａ／Ｄ変換器８、信号復元部９を含んでいる。

但し、閾値判定器６からの圧縮率信号Ｇ４は、信号復元部９にのみ入力している。そして、信号圧縮部７、Ａ／Ｄ変換器８には、予め設定した最大目標数に対応する圧縮率が固定値（固定圧縮率）として設定されている。このような設定では、信号圧縮部７及びＡ／Ｄ変換器８と、信号復元部９とにおける処理タイミングが異なる。この結果、信号復元部９では、サンプリングされたディジタル信号の間引きが起きて、信号復元部９における処理負荷が軽減される。

従って、受信した信号のＳＮＲが低い場合でも、マッチドフィルタによりＳＮＲを向上させるので、精度の高い信号復調が行えると共に、ＳＮＲを向上した低雑音復調信号から目標数を推定し、この推定目標数に基づき圧縮率を決定して、サンプリングされたディジタル信号の間引きにより信号復元処理における負荷が軽減できるようになる。

この出願は、２０１２年２月２０日に出願された日本出願特願２０１２−０３３９９９を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

２ 受信信号処理装置
３ 受信空中線
４ 復調器
５ マッチドフィルタ
６ 閾値判定器
７ 信号圧縮部
９ 信号復元部
７０（７０Ａ〜７０Ｄ） ユニット
７１（７１ａ〜７１ｄ） 移相器
７２（７２ａ〜７２ｄ） 積分器
７３ 選択器

Claims (10)

1. 変調された受信信号をディジタル信号に変換して復元する受信信号復調装置であって、
   受信した信号を復調する復調器と、
   前記復調器からの信号の信号対雑音電力比を改善するマッチドフィルタと、
   前記マッチドフィルタからの信号に基づき圧縮率を決定する閾値判定器と、
   前記マッチドフィルタからの信号を圧縮してディジタル信号に変換し、前記圧縮率に基づきディジタル信号に変換された信号を復元する復元回路と、を備えることを特徴とする受信信号復調装置。
2. 請求項１に記載の受信信号復調装置であって、
   前記復元回路は、前記圧縮率に基づき前記マッチドフィルタからの信号を圧縮する信号圧縮部と、
   前記信号圧縮部からの信号を前記圧縮率に基づきディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記Ａ／Ｄ変換器からの信号を前記圧縮率に基づき復元する信号復元部と、を備えることを特徴とする受信信号復調装置。
3. 請求項１に記載の受信信号復調装置であって、
   前記復元回路は、予め設定された最大目標数に対応した固定圧縮率に基づき前記マッチドフィルタからの信号を圧縮する信号圧縮部と、
   前記信号圧縮部からの信号を前記固定圧縮率に基づきディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記Ａ／Ｄ変換器からの信号を前記圧縮率に基づき復元する信号復元部と、を備えることを特徴とする受信信号復調装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の受信信号処理装置であって、
   前記閾値判定器は、前記マッチドフィルタからの信号の振幅が予め設定された閾値を超えた数をカウントし、該カウント値に基づき目標数を推定して前記圧縮率を決定することを特徴とする受信信号処理装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の受信信号処理装置であって、
   前記信号圧縮部は、前記圧縮率に基づき前記マッチドフィルタからの出力信号に対して本来必要なサンプリング間隔で位相をランダムに「０」又は「π」に移相させることにより「１」又は「−１」の重み付けを行う移相器と、該移相器からの信号を積算する積分器とを含む重み付けユニットを複数含むと共に、
   それぞれの前記重み付けユニットからの信号を前記圧縮率に基づき順次読出す選択部と、を備えることを特徴とする受信信号処理装置。
6. 変調された受信信号をディジタル信号に変換して復元する受信信号復調方法であって、
   受信した信号を復調する復調手順と、
   前記復調手順からの信号の信号対雑音電力比を改善する雑音抑制手順と、
   前記雑音抑制手順からの信号に基づき圧縮率を決定する圧縮率決定手順と、
   前記雑音抑制手順からの信号を圧縮してディジタル信号に変換し、前記圧縮率に基づきディジタル信号に変換された信号を復元する復元手順と、を備えることを特徴とする受信信号復調方法。
7. 請求項６に記載の受信信号復調方法であって、
   前記復元手順は、前記圧縮率に基づき前記雑音抑制手順からの信号を圧縮する信号圧縮手順と、
   前記信号圧縮手順からの信号を前記圧縮率に基づきディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手順と、
   前記Ａ／Ｄ変換手順からの信号を前記圧縮率に基づき復元する信号復元手順と、を含むことを特徴とする受信信号復調方法。
8. 請求項６に記載の受信信号復調方法であって、
   前記復元手順は、予め設定された最大目標数に対応した固定圧縮率に基づき前記雑音抑制手順からの信号を圧縮する信号圧縮手順と、
   前記信号圧縮手順からの信号を前記固定圧縮率に基づきディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手順と、
   前記Ａ／Ｄ変換手順からの信号を前記圧縮率に基づき復元する信号復元手順と、を備えることを特徴とする受信信号復調方法。
9. 請求項６乃至８のいずれか１項に記載の受信信号処理方法であって、
   前記圧縮率決定手順は、前記雑音抑制手順からの信号の振幅が予め設定された閾値を超えた数をカウントし、該カウント値に基づき目標数を推定して前記圧縮率を決定することを特徴とする受信信号処理方法。
10. 請求項６乃至９のいずれか１項に記載の受信信号処理方法であって、
    前記信号圧縮手順は、前記圧縮率に基づき前記雑音抑制手順からの出力信号に対して本来必要なサンプリング間隔で位相をランダムに「０」又は「π」に移相させることにより「１」又は「−１」の重み付けを行って積算する手順と、
    重み付けされ積算された信号を前記圧縮率に基づき順次読出す手順と、を含むことを特徴とする受信信号処理方法。

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