WO2022244125A1 - 受信機及び受信方法 - Google Patents

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WO2022244125A1
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arrival
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wave
wave receivers
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浩之 福本
洋輔 藤野
俊光 椿
美春 大岩
勇弥 伊藤
真理菜 中野
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04B13/00—Transmission systems characterised by the medium used for transmission, not provided for in groups H04B3/00 - H04B11/00
    • H04B13/02—Transmission systems in which the medium consists of the earth or a large mass of water thereon, e.g. earth telegraphy
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B11/00—Transmission systems employing sonic, ultrasonic or infrasonic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
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    • H04L25/00—Baseband systems
    • H04L25/02—Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/0202—Channel estimation
    • H04L25/0212—Channel estimation of impulse response

Definitions

  • the present invention relates to a receiver and a receiving method.
  • FIG. 10 is a diagram showing the configuration of a conventional receiver 100.
  • receiver 100 includes a plurality of wave receivers 110-1 to 110-n, a plurality of FIR filters 120-1 to 120-n, and combining section .
  • n is an integer of 2 or more.
  • Wave receivers 110-1 to 110-n receive sound waves coming from the outside.
  • Wave receivers 110-1 to 110-n convert the received sound waves into electric signals and output them to FIR filters 120-1 to 120-n.
  • the FIR filters 120-1 to 120-n perform FIR filtering on electrical signals of sound waves received by the wave receivers 110-1 to 110-n.
  • Synthesizing section 130 synthesizes the electrical signals after FIR filtering. This makes it possible to improve SNR and remove unwanted waves.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between sound waves arriving from one direction of arrival and impulse responses observed by the wave receivers 110-1 to 110-n. As shown in FIG. 11, path differences occur between the wave receivers 110-1 to 110-n as long as the sound waves do not arrive from the front.
  • Fs be the symbol rate of the signal
  • ⁇ x be the path difference between the wave receiver 110-1 and the wave receiver 110-2
  • c be the propagation speed. It is delayed by Fs ⁇ x/c symbols with respect to the received signal of 110-1.
  • the delay of the radio wave is 3.3 ⁇ 10 ⁇ 5 symbols (that is, less than 1 symbol)
  • the underwater sound delays 6.7 symbols.
  • the symbol rate of radio waves is on the order of GHz or less
  • the delay between receivers (antennas) is less than one symbol. Therefore, signal processing such as directional separation can be realized only with a phase shifter.
  • a delay of one symbol or more occurs when the symbol rate is on the order of several tens of kHz. Therefore, when applying signal processing at the symbol rate, it is necessary to consider the delay time difference.
  • the total number of taps of the filter determines the convergence speed. It slows down and causes poor compensation performance.
  • the length of the FIR filter is made shorter than the arrival time difference between the receivers for the purpose of improving the convergence speed and reducing the amount of calculation, some arrival directions cannot be synthesized.
  • the BER Bit Error Rate
  • an object of the present invention is to provide a technology capable of synthesizing signals received by a wave receiver while suppressing the number of FIR filter taps.
  • a plurality of wave receivers for receiving signals arriving from a predetermined direction, a plurality of wave receivers connected to at least part of the plurality of wave receivers, and signals received by the connected wave receivers a plurality of detection units for detecting arrival times; and a plurality of adjustment units for adjusting arrival time differences among the plurality of wave receivers based on the detected arrival times or directions of arrival of the plurality of signals. receiver.
  • a signal arriving from a predetermined direction is received, arrival times of at least some of the received signals are detected, and based on the detected arrival times or directions of arrival of a plurality of signals, 2.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of a receiver in the first embodiment
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing an example of a data frame received by the wave receiver in the first embodiment
  • FIG. 4 is a flow chart showing the flow of processing of the receiver in the first embodiment
  • FIG. 4 is a diagram showing the placement of a wave transmitter and a wave receiver during simulation; It is a figure which shows the simulation result in 1st Embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing the configuration of a receiver in a modified example of the first embodiment;
  • FIG. 11 is a diagram for explaining an overview of a method of calculating a deviation from a reference time in the second embodiment
  • FIG. FIG. 10 is a diagram showing the configuration of a receiver in the second embodiment
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a conventional receiver
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between sound waves arriving from one direction of arrival and impulse responses observed by wave receivers 110-1 to 110-n.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the outline of the present invention.
  • the difference in arrival time between the wave receivers 11-1 to 11-n is estimated in advance, and based on the estimation result, the difference in the received signal is estimated. to adjust.
  • the difference in the arrival time caused by the path difference immediately before the FIR filter is compensated.
  • the arrival time difference between the wave receivers 11-1 to 11-n can be apparently eliminated.
  • it is possible to synthesize sound waves from all directions of arrival. A configuration for obtaining the above effects will be described below.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the receiver 10 in the first embodiment.
  • the receiver 10 is a receiver used for underwater acoustic communication.
  • the receiver 10 includes a plurality of wave receivers 11-1 to 11-n, a plurality of detectors 12-1 to 12-n, an offset value calculator 13, and a plurality of timing adjusters 14-1 to 14- n, a plurality of FIR filters 15-1 to 15-n, and a synthesizing unit 16.
  • the wave receivers 11-1 to 11-n receive sound waves arriving from the outside.
  • the wave receivers 11-1 to 11-n receive sound waves arriving from directions with path differences.
  • the direction in which the path difference occurs is, for example, a direction other than the front direction of the wave receivers 11-1 to 11-n.
  • the wave receivers 11-1 to 11-n convert the received sound waves into electrical signals and output them as received signals to the detectors 12-1 to 12-n.
  • the detectors 12-1 to 12-n detect received signals output from the wave receivers 11-1 to 11-n.
  • a device on the transmitting side adds a known signal to a data frame as shown in FIG.
  • the received signal may be detected by peak detection from .
  • a device on the transmitting side may include a repetitive known signal in a data frame and transmit it, and detect a received signal by performing peak detection from the autocorrelation of the received signal in the detectors 12-1 to 12-n.
  • the received signals detected by the detectors 12-1 to 12-n are signals from desired arrival directions.
  • the detection units 12-1 to 12-n detect the time when the sound waves reach the wave receivers 11-1 to 11-n by detecting known signals included in the received signals.
  • the detection units 12-1 to 12-n output the detected time information to the offset value calculation unit 13. FIG.
  • the offset value calculation unit 13 calculates the deviation from the reference time based on the difference between the reference time and the arrival time of the received signal detected by each of the detection units 12-1 to 12-n. It is calculated for each received signal detected in n.
  • the reference time may be, for example, the time when a sound wave reaches any one of the wave receivers 11-1 to 11-n, or may be a time set in advance by the user of the receiver 10. Any one of the average time, the median value, the latest time, and the earliest time of arrival of sound waves at -1 to 11-n may be used.
  • the timing adjustment units 14-1 to 14-n adjust the deviation (for example, advance or delay) of the received signal from the reference time based on the deviation from the reference time for each received signal calculated by the offset value calculation unit 13. adjust.
  • adjusting the deviation (advance or delay, for example) of the received signal from the reference time means adjusting so as to reduce the deviation.
  • adjusting the deviation (advance or delay, for example) of the received signal from the reference time means adjusting the deviation to be zero.
  • the timing adjustment section 14 is one aspect of an adjustment section.
  • the FIR filters 15-1 to 15-n receive the received signals adjusted by the timing adjusters 14-1 to 14-n and perform FIR filter processing.
  • the FIR filters 15-1 to 15-n may have a configuration in which the filter coefficients are adaptively controlled by an adaptive algorithm such as the RLS method or the LMS method, or the filter coefficients are adjusted based on channel estimation results using pilot signals. may be set.
  • the FIR filters 15-1 to 15-n constitute a decision-feedback type feedback filter that receives as input a sequence obtained by symbol-determining the addition result of the outputs of the FIR filters 15-1 to 15-n, and the output result of the feedback filter. may be added or subtracted from the sum of the outputs of the FIR filters 15-1 to 15-n.
  • the adaptive algorithm may simultaneously control the filter coefficients of the FIR filters 15-1 to 15-n and the filter coefficients of the feedback filters.
  • the synthesizing unit 16 adds the outputs of the FIR filters 15-1 to 15-n. Demodulation processing including symbol determination is performed based on the result of addition by the combining unit 16 .
  • FIG. 4 is a flowchart showing the processing flow of the receiver 10 in the first embodiment. In FIG. 4, it is assumed that the data frame shown in FIG. A method for correcting the timing of the received signals received by 11-1 to 11-n will be described.
  • the wave receivers 11-1 to 11-n receive data frames (sound waves) arriving from outside (step S101).
  • the wave receivers 11-1 to 11-n convert the received data frames (sound waves) into electrical signals and output them as received signals to the detectors 12-1 to 12-n.
  • the detectors 12-1 to 12-n detect the known signal added to the head of the received signal output from the wave receivers 11-1 to 11-n, thereby generating a data frame from the wave receiver 11-1.
  • 11-n is detected (step S102).
  • the detection units 12-1 to 12-n output the detected time information to the offset value calculation unit 13.
  • the offset value calculator 13 compares the arrival times of the data frames among the wave receivers 11-1 to 11-n using the time information output from the detectors 12-1 to 12-n.
  • the offset value calculator 13 sets the latest arrival time as the reference time (step S103).
  • the offset value calculator 13 calculates the wave receiver 11-i (where i is 1, , n), the deviation from the reference time in the received signal is calculated (step S104).
  • the offset value calculation unit 13 outputs information on the calculated deviation from the reference time to the timing adjustment unit 14-i corresponding to the wave receiver 11-i. For example, the offset value calculator 13 outputs information on the difference between the arrival time of the data frame to the wave receiver 11-1 and the reference time to the timing adjuster 14-1. For example, the offset value calculator 13 outputs information on the difference between the arrival time of the data frame to the wave receiver 11-n and the reference time to the timing adjuster 14-n.
  • the timing adjustment unit 14-i pads the beginning of the data frame with zeros based on the shift information output from the offset value calculation unit 13 (step S105). Specifically, the timing adjuster 14-i pads the beginning of the data frame with zeros so that the shift indicated by the shift information output from the offset value calculator 13 is zero. As a result, the head positions of the data frames received by all wave receivers 11-i are aligned at the reference time. The timing adjuster 14-i outputs the adjusted data frame to the FIR filter 15-i.
  • the FIR filter 15-i performs filter processing using the output from the timing adjustment unit 14-i as an input signal (step S106).
  • the signal filtered by the FIR filter 15-i is synthesized by the synthesizing unit 16 (step S107).
  • FIG. 5 is a diagram showing the arrangement of the wave transmitters 21-1 to 21-2 and the wave receivers 11-1 to 11-2 during simulation. As shown in FIG. 5, this simulation assumes 2 ⁇ 2 MIMO (Multiple Input Multiple Output) and compares the BER characteristics of the transmitter 21-1.
  • the FIR filter 15 is learned by the RLS method using the error between the known signal and the filter output as a cost.
  • FIG. 6 is a diagram showing simulation results in the first embodiment.
  • the horizontal axis represents the number of taps of the FIR filter
  • the vertical axis represents BER.
  • the BER is constant regardless of the number of taps of the FIR filter.
  • the BER characteristic deteriorates when the number of taps of the FIR filter is less than 85.
  • the plurality of wave receivers 11-1 to 11-n for receiving data frames arriving from a predetermined direction and the plurality of wave receivers 11-1 to 11- n and a plurality of detectors 12-1 to 12-n for detecting arrival times of data frames received by the connected wave receivers 11-1 to 11-n, and a plurality of detected data frames.
  • a plurality of timing adjustment units 14-1 to 14-n for adjusting the arrival time shifts among the plurality of wave receivers 11-1 to 11-n based on the arrival time of the receivers 11-1 to 11-n; a plurality of FIR filters 15-1 to 15-n that perform filter processing as a filter, and a synthesizing unit 16 that synthesizes the output results of the plurality of FIR filters 15-1 to 15-n.
  • the tap length of the FIR filter is shorter than the arrival time difference between the wave receivers 11-1 to 11-n, it is possible to synthesize sound waves from all directions of arrival.
  • the tap length of the FIR filter is set short, the BER characteristic at the receiver end does not deteriorate.
  • the required tap length of the FIR filter is shortened, and the amount of calculation can be reduced. If the adaptive algorithm controls the FIR filter, the convergence speed of the adaptive algorithm is improved.
  • the receiver 10 further includes an offset value calculator 13 that calculates the difference between the arrival time of the data frame received by each wave receiver 11-i and the reference time.
  • a plurality of timing adjustment units 14-i adjust each data frame received by each wave receiver 11-i so as to reduce the deviation calculated by the offset value calculation unit 13.
  • FIG. 1 it is possible to reduce the arrival time deviation (for example, delay) caused by the path difference. Therefore, even if the tap length of the FIR filter is shorter than the arrival time difference between the wave receivers 11-1 to 11-n, it is possible to synthesize sound waves from all directions of arrival.
  • the receiver 10 sets the time obtained based on the arrival times detected by the plurality of detection units 12-i as the reference time.
  • the time obtained based on the arrival time is the time when the sound wave arrived, the time preset by the user of the receiver 10, and the average of the time when the sound wave arrived at the wave receivers 11-1 to 11-n. Time, median, latest time, or earliest time.
  • the receiver 10 shown in FIG. 2 is configured to include leading counter value setting units 17-1 to 17-n shown in FIG. 7 instead of the offset value calculation unit 13 and the timing adjustment units 14-1 to 14-n.
  • leading counter value setting units 17-1 to 17-n shown in FIG. 7 instead of the offset value calculation unit 13 and the timing adjustment units 14-1 to 14-n.
  • FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the receiver 10a in the modified example of the first embodiment.
  • the receiver 10a includes a plurality of wave receivers 11-1 to 11-n, a plurality of detectors 12-1 to 12-n, a plurality of top counter value setting units 17-1 to 17-n, a plurality of It has FIR filters 15-1 to 15-n and a synthesizing section 16.
  • FIG. The receiver 10a differs in configuration from the receiver 10 in that it includes leading counter value setting sections 17-1 to 17-n instead of the offset value calculating section 13 and the timing adjusting sections 14-1 to 14-n.
  • Other configurations of the receiver 10 a are the same as those of the receiver 10 . Therefore, only the points of difference will be described.
  • the leading counter value setting unit 17-i holds M i .
  • the leading counter value setting unit 17-i uses the held parameter M i to set the input signal to the FIR filter 15-i based on the following equation (2).
  • the leading counter value setting unit 17-i is one aspect of the adjustment unit.
  • Nt represents the number of taps of the FIR filter 15-i.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining an overview of a method of calculating the deviation from the reference time in the second embodiment.
  • FIG. 8 shows a linear array in which wave receivers 11-1 to 11-4 are arranged in a line at regular intervals. Suppose a sound wave arrives from a direction of arrival in a four-element linear array, as shown in FIG. In this case, the arrival time difference of the wave receivers 11-2 to 11-4 with respect to the wave receiver 11-1 changes linearly.
  • T in FIG. 8 the slope of the arrival timing
  • FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the receiver 10b in the second embodiment.
  • the receiver 10b is a receiver used for underwater acoustic communication.
  • the receiver 10b includes a plurality of wave receivers 11-1 to 11-4, a plurality of detectors 12-1 to 12-2, an offset value calculator 13, and a plurality of timing adjusters 14-1 to 14- 4, a plurality of FIR filters 15-1 to 15-4, a synthesizing unit 16, and an arrival time estimating unit 18.
  • FIG. 9 shows, as an example, a configuration in which four units of the wave receiver 11, the timing adjustment unit 14 and the FIR filter 15, and two units of the detection unit 12 are provided.
  • the number of detectors 12 may be at least two (n ⁇ 1) and the number may be smaller than the number of wave receivers 11, timing adjusters 14 and FIR filters 15.
  • the detector 12-1 is connected to the wave receiver 11-3, and the detector 12-2 is connected to the wave receiver 11-4.
  • the detector 12 is provided in some of the N (four in FIG. 9) wave receivers 11 .
  • the detectors 12-1 and 12-2 detect received signals output from the connected wave receivers 11 (eg, wave receivers 11-3 and 11-4). Further, the detectors 12-1 and 12-2 detect arrival times of data frames.
  • the arrival time estimation unit 18 estimates the arrival times of all the wave receivers 11-i based on the arrival times obtained by the detection units 12-1 and 12-2. Any algorithm may be used to estimate the arrival time. For example, due to linear independence, if the array is arranged linearly, theoretically all the receivers 11-i arrive based on the information of the arrival time difference of the data frames between two or more receivers 11-i. Time can be estimated. Alternatively, in the case of an array arranged in a plane, information on the arrival time difference of data frames among three or more receivers 11-i (for example, 2 and the arrival time difference of the wave receiver 11-3), the arrival times of all the wave receivers 11-i can be theoretically estimated.
  • the offset value calculator 13 calculates the deviation from the reference time for each wave receiver 11-i. Calculated for each
  • the receiver 10b configured as described above, there is no need to detect the data frames received by all the wave receivers 11-i. It is possible to significantly reduce the amount of calculation required for detection.
  • the timing adjustment unit 14 may adjust the difference in arrival times between the plurality of wave receivers 11 based on the detected arrival directions of the plurality of signals.
  • Some functional units of the receivers 10, 10a, and 10b in the above-described embodiments may be realized by computers.
  • a program for realizing this function may be recorded in a computer-readable recording medium, and the program recorded in this recording medium may be read into a computer system and executed.
  • the "computer system” referred to here includes hardware such as an OS and peripheral devices.
  • “computer-readable recording medium” refers to portable media such as flexible disks, magneto-optical disks, ROMs and CD-ROMs, and storage devices such as hard disks built into computer systems.
  • “computer-readable recording medium” means a medium that dynamically retains a program for a short period of time, like a communication line when transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. It may also include something that holds the program for a certain period of time, such as a volatile memory inside a computer system that serves as a server or client in that case.
  • the program may be for realizing a part of the functions described above, or may be capable of realizing the functions described above in combination with a program already recorded in the computer system. It may be implemented using a programmable logic device such as FPGA.
  • the present invention can be applied to underwater acoustic communication technology.

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Abstract

所定の方向から到来した信号を受信する複数の受波器と、複数の受波器の少なくとも一部に接続され、接続された受波器で受信された信号の到達時刻を検出する複数の検出部と、検出された複数の信号の到達時刻、または、到来方向に基づいて、複数の受波器間の到達時刻のずれを調整する複数の調整部とを備える受信機。　

Description

受信機及び受信方法
　本発明は、受信機及び受信方法に関する。
　従来から知られている通り、水中は電波の吸収減衰が極めて大きい。そのため、陸上と同じように電波を使った無線通信は困難である。そこで、水中における無線通信には、吸収減衰の比較的小さい１ＭＨｚ以下の音波が利用される。水中通信の受信機の形態として、複数の受波器をアレー状に配置し、各受波器で受信した受信信号にＦＩＲ(Finite Impulse Response)フィルタ処理を行い、各受波器で受信した信号を合成することで受信ＳＮＲ（Signal-to-Noise Ratio）を改善する方法（例えば、非特許文献１参照）や、長い遅延波を抑圧したりする方法（例えば、非特許文献２参照）がある。
　図１０は、従来の受信機１００の構成を示す図である。図１０に示すように、受信機１００は、複数の受波器１１０－１～１１０－ｎと、複数のＦＩＲフィルタ１２０－１～１２０－ｎと、合成部１３０とを備える。なお、ｎは２以上の整数である。受波器１１０－１～１１０－ｎは、外部から到来した音波を受信する。受波器１１０－１～１１０－ｎは、受信した音波を電気信号に変換してＦＩＲフィルタ１２０－１～１２０－ｎに出力する。ＦＩＲフィルタ１２０－１～１２０－ｎは、受波器１１０－１～１１０－ｎによって受信された音波の電気信号に対してＦＩＲフィルタ処理を行う。合成部１３０は、ＦＩＲフィルタ処理後の電気信号を合成する。これにより、ＳＮＲの改善や不要波を除去することができる。
　水中における音の伝搬速度は約１，５００ｍ／ｓであり、電波の伝搬速度に比べて約２０万倍遅い。したがって、図１０に示す構成において受波器１１０－１～１１０－ｎ間の経路差によって生じる到達時刻差は、電波で生じる到達時刻差に比べて２０万倍大きい。図１１は、一つの到来方向から到達する音波と各受波器１１０－１～１１０－ｎで観測されるインパルス応答の関係を示す図である。図１１に示す通り、正面から音波が到来しない限り、受波器１１０－１～１１０－ｎ間で経路差が生じる。
　信号のシンボルレートをＦｓとし、受波器１１０－１と受波器１１０－２との間の経路差をΔｘ、伝搬速度をｃとすると、受波器１１０－２の受信信号は受波器１１０－１の受信信号に対して、ＦｓΔｘ／ｃシンボル遅れる。例えば、シンボルレートＦｓを１００ｋＨｚとして経路差Δｘを０．１ｍとした場合、電波では３．３×１０－５シンボル（すなわち１シンボル未満）の遅れに対して、水中音響では６．７シンボル遅れる。このように、電波ではシンボルレートがＧＨｚオーダー以下の場合、受波器（アンテナ）間の遅延は１シンボル未満に収まる。従って、方向分離などの信号処理は移相器のみで実現できる。それに対して、水中音響通信では、シンボルレートが数１０ｋＨｚのオーダーで１シンボル以上の遅れが生じる。従って、シンボルレートで信号処理を適用する際は、遅延時間差の考慮が必要である。
Robert S. H. Istepanian and Milica Stojanovic, "Underwater Acoustic Digital Signal Processing and Communication Systems," Springer Science + Business Media, LLC. 福本　浩之、藤野　洋輔、中野　真理菜、椿　俊光、坂元　一光、"海中音響通信高速化のための時空間等化に関する検討"、信学技報、vol. 119, no. 296, RCS2019-233, pp. 169-174, 2019年11月.
　上述の通り、複数の受波器を持つ構成で、ある方向から到来した音波を合成しようとすると、受波器間の遅延時間を考慮する必要があるため、図１１のようにＦＩＲフィルタのタップ長を受波器間の到達時刻差より大きく設定し、ＦＩＲフィルタの演算処理で遅延差を吸収する必要がある。受波器間の遅延時間の差を考慮に入れると、ＦＩＲフィルタのタップ数が大規模になり、演算量が大きくなってしまうという問題があった。
　さらに、ＦＩＲフィルタをＲＬＳ(Recursive Least Square)法やＬＭＳ（Least mean square）法などの適応アルゴリズムで制御しようとする場合、フィルタの総タップ数が収束速度を決めるために、タップ数が増えるほど収束速度が低下し、補償性能の低下を引き起こす。しかしながら、収束速度の改善、演算量の削減を目的として、ＦＩＲフィルタの長さを受波器間の到達時刻差より短くすると、合成できない到来方向が生じてしまうため、合成できない到来方向からの音波のＢＥＲ(Bit Error Rate)特性が悪くなってしまうという問題もあった。
　上記事情に鑑み、本発明は、ＦＩＲフィルタのタップ数を抑制しつつ、受波器で受信された信号を合成することができる技術の提供を目的としている。
　本発明の一態様は、所定の方向から到来した信号を受信する複数の受波器と、前記複数の受波器の少なくとも一部に接続され、接続された受波器で受信された信号の到達時刻を検出する複数の検出部と、検出された複数の信号の到達時刻、または、到来方向に基づいて、前記複数の受波器間の到達時刻のずれを調整する複数の調整部とを備える受信機である。
　本発明の一態様は、所定の方向から到来した信号を受信し、受信された少なくとも一部の信号の到達時刻を検出し、検出された複数の信号の到達時刻、または、到来方向に基づいて、前記複数の受波器間の到達時刻のずれを調整する、受信方法である。
　本発明により、ＦＩＲフィルタのタップ数を抑制しつつ、受波器で受信された信号を合成することが可能となる。
本発明の概要を説明するための図である。 第１の実施形態における受信機の構成を示す図である。 第１の実施形態における受波器で受信されるデータフレームの一例を示す図である。 第１の実施形態における受信機の処理の流れを示すフローチャートである。 シミュレーション時の送波器と、受波器の配置を示す図である。 第１の実施形態におけるシミュレーション結果を示す図である。 第１の実施形態の変形例における受信機の構成を示す図である。 第２の実施形態における基準時刻とのずれの算出方法の概要を説明するための図である。 第２の実施形態における受信機の構成を示す図である。 従来の受信機の構成を示す図である。 一つの到来方向から到達する音波と各受波器１１０－１～１１０－ｎで観測されるインパルス応答の関係を示す図である。
　以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
（概要）
　図１は、本発明の概要を説明するための図である。本発明では、ＦＩＲフィルタの前段で、所定の方向から到来する信号に基づいて受波器１１－１～１１－ｎ間の到達時刻のずれを事前に推定し、推定結果に基づき受信信号のずれを調整する。このようなタイミング調整を行うことにより、ＦＩＲフィルタの直前で経路差によって生じた到達時刻のずれを補償する。これによって、受波器１１－１～１１－ｎ間の到達時刻差を見かけ上無くすことができ、ＦＩＲフィルタのタップ長が受波器１１－１～１１－ｎ間の到達時刻差より短い場合であっても、あらゆる到来方向の音波を合成することが可能になる。
　以下、上記の効果を得るための構成について説明する。
（第１の実施形態）
　図２は、第１の実施形態における受信機１０の構成を示す図である。受信機１０は、水中音響通信に利用される受信機である。受信機１０は、複数の受波器１１－１～１１－ｎと、複数の検出部１２－１～１２－ｎと、オフセット値算出部１３と、複数のタイミング調整部１４－１～１４－ｎと、複数のＦＩＲフィルタ１５－１～１５－ｎと、合成部１６とを備える。
　受波器１１－１～１１－ｎは、外部から到来した音波を受信する。例えば、受波器１１－１～１１－ｎは、経路差が生じる方向から到来した音波を受信する。経路差が生じる方向とは、例えば受波器１１－１～１１－ｎの正面方向以外の方向である。受波器１１－１～１１－ｎは、受信した音波を電気信号に変換して受信信号として検出部１２－１～１２－ｎに出力する。
　検出部１２－１～１２－ｎは、受波器１１－１～１１－ｎから出力された受信信号を検出する。
　受信信号の検出方法は、例えば送信側の装置が、図３に示すようにデータフレームに既知信号を付加して伝送し、検出部１２－１～１２－ｎにおいて既知信号と受信信号の相互相関からピーク検出することで受信信号を検出してもよい。送信側の装置が、繰り返しの既知信号をデータフレームに含ませて送信し、検出部１２－１～１２－ｎにおいて受信信号の自己相関からピーク検出することで受信信号を検出してもよい。検出部１２－１～１２－ｎで検出した受信信号が所望の到来方向からの信号である。
　検出部１２－１～１２－ｎは、受信信号に含まれる既知信号を検出することで音波が受波器１１－１～１１－ｎに到達した時刻を検出する。検出部１２－１～１２－ｎは、検出した時刻情報を、オフセット値算出部１３に出力する。
　オフセット値算出部１３は、基準時刻と、検出部１２－１～１２－ｎそれぞれで検出した受信信号の到達時刻との差に基づいて基準時刻からのずれを、検出部１２－１～１２－ｎで検出された受信信号毎に算出する。
　基準時刻は、例えば、受波器１１－１～１１－ｎのいずれかに音波が到達した時刻であってもよく、受信機１０の使用者が事前に設定した時刻でもよく、受波器１１－１～１１－ｎに音波が到達した時刻の平均時刻、中央値、最も遅い時刻、最も早い時刻のいずれかであってもよい。
　タイミング調整部１４－１～１４－ｎは、オフセット値算出部１３によって算出された受信信号毎の基準時刻からのずれに基づいて、受信信号の基準時刻からのずれ（例えば、進み又は遅れ）を調整する。ここで、受信信号の基準時刻からのずれ（例えば、進み又は遅れ）を調整するとは、ずれが少なくなるように調整することを意味する。例えば、受信信号の基準時刻からのずれ（例えば、進み又は遅れ）を調整するとは、ずれが０となるように調整することである。タイミング調整部１４は、調整部の一態様である。
　ＦＩＲフィルタ１５－１～１５－ｎは、タイミング調整部１４－１～１４－ｎにより調整された受信信号を入力してＦＩＲフィルタ処理を行う。ＦＩＲフィルタ１５－１～１５－ｎは、ＲＬＳ法、ＬＭＳ法などの適応アルゴリズムで該フィルタ係数が適応制御される構成であってもよく、あるいはパイロット信号を用いたチャネル推定結果に基づき該フィルタ係数が設定されるものであってもよい。ＦＩＲフィルタ１５－１～１５－ｎは、ＦＩＲフィルタ１５－１～１５－ｎの出力の加算結果をシンボル判定した系列を入力とする、判定帰還形のフィードバックフィルタを構成し、フィードバックフィルタの出力結果をさらにＦＩＲフィルタ１５－１～１５－ｎの出力の加算結果から加減算してもよい。適応アルゴリズムは、ＦＩＲフィルタ１５－１～１５－ｎのフィルタ係数とフィードバックフィルタのフィルタ係数を同時に制御してもよい。
　合成部１６は、ＦＩＲフィルタ１５－１～１５－ｎの出力を加算する。合成部１６による加算結果に基づいてシンボル判定を含む復調処理が行われる。
　図４は、第１の実施形態における受信機１０の処理の流れを示すフローチャートである。なお、図４では、図３に示すデータフレームが受信機１０で受信されることを前提に、Ｎ個の受波器１１のうち、最も遅いデータフレームの到達時刻を基準時刻として、受波器１１－１～１１－ｎで受信した受信信号のタイミングを補正する方法について説明する。
　受波器１１－１～１１－ｎは、外部から到来したデータフレーム（音波）を受信する（ステップＳ１０１）。受波器１１－１～１１－ｎは、受信したデータフレーム（音波）を電気信号に変換して受信信号として検出部１２－１～１２－ｎに出力する。検出部１２－１～１２－ｎは、受波器１１－１～１１－ｎから出力された受信信号の先頭に付加されている既知信号を検出することでデータフレームが受波器１１－１～１１－ｎに到達した時刻を検出する（ステップＳ１０２）。検出部１２－１～１２－ｎは、検出した時刻情報をオフセット値算出部１３に出力する。
　オフセット値算出部１３は、検出部１２－１～１２－ｎから出力された時刻情報を用いて、データフレームの到達時刻を受波器１１－１～１１－ｎ間で比較する。オフセット値算出部１３は、最も遅い到達時刻を基準時刻に設定する（ステップＳ１０３）。オフセット値算出部１３は、設定した基準時刻と、受波器１１－１～１１－ｎにおける到達時刻とに基づいて、以下の式（１）用いて受波器１１－ｉ（ｉは1,…,ｎ）毎の受信信号における基準時刻からのずれを算出する（ステップＳ１０４）。
基準時刻からのずれ＝（基準時刻）－（受波器１１－ｉの到達時刻）・・・式（１）
　オフセット値算出部１３は、算出した基準時刻からのずれの情報を、受波器１１－ｉに対応するタイミング調整部１４－ｉに出力する。例えば、オフセット値算出部１３は、受波器１１－１へのデータフレームの到達時刻と、基準時刻とのずれの情報をタイミング調整部１４－１に出力する。例えば、オフセット値算出部１３は、受波器１１－ｎへのデータフレームの到達時刻と、基準時刻とのずれの情報をタイミング調整部１４－ｎに出力する。
　タイミング調整部１４－ｉは、オフセット値算出部１３から出力されたずれの情報に基づいて、データフレームの先頭にゼロをパディングする（ステップＳ１０５）。具体的には、タイミング調整部１４－ｉは、オフセット値算出部１３から出力されたずれの情報で示されるずれが０となるようにデータフレームの先頭にゼロをパディングする。これにより、全ての受波器１１－ｉで受信したデータフレームの先頭位置が基準時刻に揃う。タイミング調整部１４－ｉは、調整後のデータフレームを、ＦＩＲフィルタ１５－ｉに出力する。
　ＦＩＲフィルタ１５－ｉは、タイミング調整部１４－ｉからの出力を入力信号としてフィルタ処理を実行する（ステップＳ１０６）。ＦＩＲフィルタ１５－ｉによりフィルタ処理が施された信号は合成部１６により合成される（ステップＳ１０７）。
（シミュレーション評価）
　次に、第１の実施形態のように受波器１１間の到達時刻に基づく補正を行った場合と、行わない場合とのＦＩＲフィルタのタップ数に対するＢＥＲ特性を比較する。シミュレーションは、以下の条件で行った。
・変調方式：ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）
・帯域幅：２００ｋＨｚ
・中心周波数：３００ｋＨｚ
・送信アンテナ：２本
・受信アンテナ：２本
・Ｅｂ／Ｎｏ（Electric Bit to Noise）：１３ｄＢ
・伝送方式：シングルキャリア
　図５は、シミュレーション時の送波器２１－１～２１－２と、受波器１１－１～１１－２の配置を示す図である。図５に示すように、本シミュレーションでは、２ｘ２のＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）を想定したシミュレーションとし、送波器２１－１のＢＥＲ特性を比較した。ＦＩＲフィルタ１５は既知信号とフィルタ出力の誤差をコストとしてＲＬＳ法で学習させる。
　図６は、第１の実施形態におけるシミュレーション結果を示す図である。図６において横軸はＦＩＲフィルタのタップ数を表し、縦軸はＢＥＲを表す。図６に示すように、第１の実施形態のように受波器１１間の到達時刻に基づく補正を行った場合は、ＦＩＲフィルタのタップ数によらずＢＥＲが一定となっている。一方で、従来方法ではＦＩＲフィルタのタップ数が８５未満のときにＢＥＲ特性が劣化している。このように、本発明の適用によってＦＩＲフィルタ１５のタップ長を短く設定しても、受信機端のＢＥＲ特性が低下しないことがわかる。
　以上のように構成された受信機１０によれば、所定の方向から到来したデータフレームを受信する複数の受波器１１－１～１１－ｎと、複数の受波器１１－１～１１－ｎに接続され、接続された受波器１１－１～１１－ｎで受信されたデータフレームの到達時刻を検出する複数の検出部１２－１～１２－ｎと、検出された複数のデータフレームの到達時刻に基づいて、複数の受波器１１－１～１１－ｎ間の到達時刻のずれを調整する複数のタイミング調整部１４－１～１４－ｎと、調整後のデータフレームを入力信号としてフィルタ処理を行う複数のＦＩＲフィルタ１５－１～１５－ｎと、複数のＦＩＲフィルタ１５－１～１５－ｎの出力結果を合成する合成部１６と、を備える。このように到達時刻のずれが調整されることにより、複数の受波器１１－１～１１－ｎそれぞれで受信されたデータフレームの先頭位置が基準時刻に揃う。そのため、ＦＩＲフィルタのタップ長が受波器１１－１～１１－ｎ間の到達時刻差より短い場合であっても、あらゆる到来方向の音波を合成することが可能になる。このような構成により、ＦＩＲフィルタのタップ長を短く設定しても、受信機端のＢＥＲ特性が低下しない。結果的にＦＩＲフィルタの所要タップ長が短くなり、演算量を削減できる。適応アルゴリズムでＦＩＲフィルタを制御する場合は、適応アルゴリズムの収束速度が向上する。
　受信機１０は、各受波器１１－ｉで受信されたデータフレームの到達時刻と、基準時刻とのずれを算出するオフセット値算出部１３をさらに備える。複数のタイミング調整部１４－ｉは、オフセット値算出部１３で算出されたずれを少なくするように、各受波器１１－ｉそれぞれで受信された各データフレームを調整する。これにより、経路差によって生じる到達時刻のずれ（例えば、遅延）を少なくすることができる。そのため、ＦＩＲフィルタのタップ長が受波器１１－１～１１－ｎ間の到達時刻差より短い場合であっても、あらゆる到来方向の音波を合成することが可能になる。
　受信機１０は、複数の検出部１２－ｉで検出された到達時刻に基づいて得られる時刻を基準時刻に設定する。ここで、到達時刻に基づいて得られる時刻は、音波が到達した時刻、受信機１０の使用者が事前に設定した時刻、受波器１１－１～１１－ｎに音波が到達した時刻の平均時刻、中央値、最も遅い時刻、最も早い時刻のいずれかである。これにより、経路差によって生じる到達時刻のずれを調整するための基準時刻を設定することができる。その結果、経路差によって生じる到達時刻のずれを調整することができる。そのため、ＦＩＲフィルタのタップ長が受波器１１－１～１１－ｎ間の到達時刻差より短い場合であっても、あらゆる到来方向の音波を合成することが可能になる。
（第１の実施形態における変形例）
　図２に示す受信機１０において、オフセット値算出部１３及びタイミング調整部１４－１～１４－ｎに代えて、図７に示す先頭カウンタ値設定部１７－１～１７－ｎを備えるように構成されてもよい。このように構成されることで、受信信号を時間軸で補正することなく受波器１１－１～１１－ｎ間の到達時刻の差を補償することが可能になる。
　図７は、第１の実施形態の変形例における受信機１０ａの構成を示す図である。受信機１０ａは、複数の受波器１１－１～１１－ｎと、複数の検出部１２－１～１２－ｎと、複数の先頭カウンタ値設定部１７－１～１７－ｎと、複数のＦＩＲフィルタ１５－１～１５－ｎと、合成部１６とを備える。受信機１０ａは、オフセット値算出部１３及びタイミング調整部１４－１～１４－ｎに代えて先頭カウンタ値設定部１７－１～１７－ｎを備える点で受信機１０と構成が異なる。受信機１０ａのその他の構成については受信機１０と同様である。そのため、相違点についてのみ説明する。
　先頭カウンタ値設定部１７－ｉは、検出部１２－ｉが検出したデータフレームの先頭位置の受信信号のサンプル番号を保持する。例えば、受波器１１－ｉの受信信号系列をｒｉ（ｍ）（ｍは時刻のインデックス）として、ｍ＝Ｍｉがデータフレームの先頭位置とする。先頭カウンタ値設定部１７－ｉはＭｉを保持する。先頭カウンタ値設定部１７－ｉは時刻ｋの出力を計算する場合、保持するパラメータＭｉを用いて、ＦＩＲフィルタ１５－ｉへの入力信号を以下の式（２）に基づいて設定する。先頭カウンタ値設定部１７－ｉは、調整部の一態様である。
Ｒｉ（ｋ）＝（ｒｉ（Ｍｉ＋ｋ）,…,ｒ１（Ｍｉ＋ｋ－Ｎｔ））・・・式（２）
　式（２）において、ＮｔはＦＩＲフィルタ１５－ｉのタップ数を表す。このような構成とすることで、時間軸で受波器１１－ｉ間の補正を行う第１の実施形態と同様の処理を実現することができる。
（第２の実施形態）
　第１の実施形態では、全ての受波器１１－ｉで受信されたデータフレームを検出する構成を示した。第２の実施形態では、受波器１１－ｉの一部のデータフレームを検出し、検出したデータフレームの到達時刻に基づいて全ての受波器１１－ｉの到達時刻を推定する点で第１の実施形態と異なる。
　まず、第２の実施形態における基準時刻とのずれの算出方法について説明する。図８は、第２の実施形態における基準時刻とのずれの算出方法の概要を説明するための図である。図８では、受波器１１－１～１１－４が等間隔に一列に配置された線形アレーを示している。図８に示すように、４素子の線形アレーにある到来方向から音波が到来したとする。この場合、受波器１１－１に対する受波器１１－２から受波器１１－４の到達時刻差は線形に変化する。
　したがって、受波器１１－１で受信したデータフレームの到達時刻を基準とし、受波器１１－２～１１－４の１つ以上のデータフレームの到達時刻と受波器１１－ｉの位置関係がわかれば、到達タイミングの勾配（図８ではＴと定義したパラメータ）を推定することができる。このような構成により、全ての受波器１１－ｉで受信されたデータフレームを検出しなくても全ての受波器１１－ｉにデータフレームが到達する時刻を推定することができる。その結果、基準時刻とのずれを全ての受波器１１－ｉで受信されたデータフレームを検出しなくても算出することができる。
　図９は、第２の実施形態における受信機１０ｂの構成を示す図である。受信機１０ｂは、水中音響通信に利用される受信機である。受信機１０ｂは、複数の受波器１１－１～１１－４と、複数の検出部１２－１～１２－２と、オフセット値算出部１３と、複数のタイミング調整部１４－１～１４－４と、複数のＦＩＲフィルタ１５－１～１５－４と、合成部１６と、到達時刻推定部１８とを備える。
　図９では、一例として、受波器１１、タイミング調整部１４及びＦＩＲフィルタ１５が４台、検出部１２が２台備えられている構成を示しているが、受波器１１、タイミング調整部１４及びＦＩＲフィルタ１５は３台（ｎ＝３台）以上であって、同数備えられれば良い。さらに、検出部１２は、少なくとも２台（ｎ－１台）であって、受波器１１、タイミング調整部１４及びＦＩＲフィルタ１５より少ない台数であればよい。
　図９において、検出部１２－１は受波器１１－３に接続され、検出部１２－２は受波器１１－４に接続されている。このように、検出部１２は、Ｎ（図９では、４）個の受波器１１のうち一部の受波器１１に備えられる。検出部１２－１及び１２－２は、接続されている受波器１１（例えば、受波器１１－３及び１１－４）から出力された受信信号を検出する。さらに検出部１２－１及び１２－２は、データフレームの到達時刻を検出する。
　到達時刻推定部１８は、検出部１２－１及び１２－２で得られた到達時刻に基づいて、全ての受波器１１－ｉの到達時刻を推定する。到達時刻の推定には任意のアルゴリズムが用いられてもよい。例えば、線形独立性より、線形に配置したアレーであれば２つ以上の受波器１１－ｉ間のデータフレームの到達時刻差の情報に基づいて理論上全ての受波器１１－ｉの到達時刻を推定することができる。あるいは、平面的に配置したアレーであれば、３つ以上の受波器１１－ｉ間のデータフレームの到達時刻差の情報（例えば、受波器１１－１を基準とした受波器１１－２の到達時刻差及び受波器１１－３の到達時刻差）に基づいて理論上全ての受波器１１－ｉの到達時刻を推定することができる。
　オフセット値算出部１３は、基準時刻と、到達時刻推定部１８により得られた全ての受波器１１－ｉの到達時刻との差に基づいて基準時刻からのずれを、受波器１１－ｉ毎に算出する。
　以上のように構成された受信機１０ｂによれば、全ての受波器１１－ｉで受信されたデータフレームを検出する必要性がなくなり、膨大な受波器１１－ｉを使用する際にフレーム検出にかかる演算量を大幅に削減することが可能になる。
　タイミング調整部１４は、検出された複数の信号の到来方向に基づいて、前記複数の受波器１１間の到達時刻のずれを調整してもよい。
　上述した実施形態における受信機１０、１０ａ、１０ｂの一部の機能部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
　また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。
　以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
　本発明は、水中音響通信の技術に適用できる。
１０、１０ａ、１０ｂ…受信機，　１１－１～１１－ｎ…受波器，　１２－１～１２－ｎ…検出部，　１３…オフセット値算出部，　１４－１～１４－ｎ…タイミング調整部，　１５－１～１５－ｎ…ＦＩＲフィルタ，　１６…合成部，　１７－１～１７－ｎ…先頭カウンタ値設定部，　１８…到達時刻推定部

Claims (8)

  1. 　所定の方向から到来した信号を受信する複数の受波器と、
    　前記複数の受波器の少なくとも一部に接続され、接続された受波器で受信された信号の到達時刻を検出する複数の検出部と、
    　検出された複数の信号の到達時刻、または、到来方向に基づいて、前記複数の受波器間の到達時刻のずれを調整する複数の調整部と、
    　を備える受信機。
  2. 　調整後の信号を入力信号としてフィルタ処理を行う複数のＦＩＲ(Finite Impulse Response)フィルタと、
    　前記複数のＦＩＲフィルタの出力結果を合成する合成部と、
    　をさらに備える、
    　請求項１に記載の受信機。
  3. 　各受波器で受信された信号の到達時刻と、基準時刻とのずれを算出するオフセット値算出部、
    　をさらに備え、
    　前記複数の調整部は、前記オフセット値算出部で算出されたずれを少なくするように、前記複数の受波器それぞれで受信された各信号を調整する、
    　請求項１又は２に記載の受信機。
  4. 　前記オフセット値算出部は、前記複数の検出部で検出された到達時刻に基づいて得られる時刻、又は、事前に設定された時刻を前記基準時刻に設定する、
    　請求項３に記載の受信機。
  5. 　前記複数の検出部は、前記複数の受波器の一部に接続され、
    　前記複数の検出部が接続された受波器で受信された信号の到達時刻に基づいて、各受波器で受信された信号の到達時刻を推定する到達時刻推定部と、
    　をさらに備え、
    　前記オフセット値算出部は、前記到達時刻推定部で推定された各受波器で受信された信号の到達時刻と、基準時刻とのずれを算出する、
    　請求項３又は４に記載の受信機。
  6. 　前記複数の検出部は、前記信号の先頭位置をさらに検出し、
    　前記複数の検出部それぞれで検出された前記信号の先頭位置を示す値に基づき前記複数のＦＩＲフィルタに入力する信号を制御する先頭カウンタ値設定部、
    　をさらに備える、
    　請求項２に記載の受信機。
  7. 　前記複数の調整部は、前記オフセット値算出部で算出されたずれを元に、前記信号の先頭にゼロをパディングすることで各信号の先頭位置を揃える、
    　請求項３から５のいずれか一項に記載の受信機。
  8. 　所定の方向から到来した信号を受信し、
    　受信された少なくとも一部の信号の到達時刻を検出し、
    　検出された複数の信号の到達時刻、または、到来方向に基づいて、前記複数の受波器間の到達時刻のずれを調整する、
    　受信方法。
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