JP7115355B2 - 信号検出装置、受信装置、プログラム - Google Patents

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Description

本発明は、信号検出技術に関し、特に信号を検出する信号検出装置、受信装置、プログラムに関する。
無線装置は、信号検出処理を実行し、信号を検出した場合に信号の受信動作を実行する。これまで、信号検出は、RSSI(Received Signal Strength Indication)とスケルチの2段階でなされている(例えば、特許文献1参照)。
特開2011-135208号公報
アンテナを装着すると周囲の雑音の影響により、RSSI検出では高確率で信号ありと判定されるので、スケルチ検出処理が頻繁に実行される。また、スケルチ判定には復調処理やノイズ信号の積分処理等のため約60ms要するので、信号検出の速度が低下する。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、信号検出を高速化する技術を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の信号検出装置は、直交検波された信号を複数の象限に分割した直交平面上に割り当て、割り当てた信号の象限間の移動量を導出する移動量導出部と、移動量導出部において導出した移動量の平均値と、移動量導出部において導出した移動量との差分を導出する高域通過フィルタ部と、高域通過フィルタ部において導出した差分の絶対値を所定期間にわたって積算する積算部と、積算部において積算した積算値としきい値とを比較することによって、直交検波された信号が受信信号であるか否かを判定する判定部と、を備える。判定部は、積算値がしきい値未満である場合に、信号が受信信号であると判定し、積算値がしきい値以上である場合に、信号が受信信号でないと判定する
本発明の別の態様は、受信装置である。この装置は、直交検波部と、直交検波部において直交検波された信号を複数の象限に分割した直交平面上に割り当て、割り当てた信号の象限間の移動量を導出する移動量導出部と、移動量導出部において導出した移動量の平均値と、移動量導出部において導出した移動量との差分を導出する高域通過フィルタ部と、高域通過フィルタ部において導出した差分の絶対値を所定期間にわたって積算する積算部と、積算部において積算した積算値としきい値とを比較することによって、直交検波された信号が受信信号であるか否かを判定する判定部と、を備える。判定部は、積算値がしきい値未満である場合に、信号が受信信号であると判定し、積算値がしきい値以上である場合に、信号が受信信号でないと判定する
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、信号検出を高速化できる。
実施例に係る受信装置の構成を示す図である。 図1の第1信号検出部の構成を示す図である。 図2の割当部において規定される複数の象限を示す図である。 図4(a)-(b)は、図2の判定部における処理の概要を示す図である。 図2の第1信号検出部による検出手順を示すフローチャートである。
本発明を具体的に説明する前に、まず概要を述べる。本発明の実施例は、無線の信号を受信する受信装置に関する。受信装置は、例えば、ダイレクト・コンバージョン型の直交検波を実行する。前述のごとく、信号検出のためにスケルチ判定を実行すると、信号検出の速度が低下してしまう。また、近年の無線装置は、小型化に伴ってワンチップマイコン内のDSP(Digital Signal Processor)においてスケルチ検出を実行するので、スケルチ検出時の消費電流が増大してしまう。そのため、信号検出の高速化と、待ち受け電流の増加の抑制とが求められる。これに対応するために、本実施例に係る受信装置は、コンスタレーション上の象限移動回数を取得することによって、信号と雑音とを高速に判別する。
図1は、受信装置100の構成を示す。受信装置100は、アンテナ10、第1フィルタ12、低雑音増幅器14、第2フィルタ16、局部発振器18、第1ミキサ20、第2ミキサ22、第1増幅器24、第2増幅器26、第3フィルタ28、第4フィルタ30、第1ADC(Analog to Digital Converter)32、第2ADC34、信号検出部36、復調部38を含む。信号検出部36は、第1信号検出部50、第2信号検出部52を含む。
アンテナ10は、図示しない送信装置からのRF(Radio Frequency)信号を受信する。RF信号には、例えば、FM変調がなされているが、これに限定されない。アンテナ10は、受信したRF信号を第1フィルタ12へ出力する。第1フィルタ12は、RF信号に含まれる雑音成分を低減する。第1フィルタ12は、雑音成分を低減させたRF信号(以下、これもまた「RF信号」という)を低雑音増幅器14へ出力する。
低雑音増幅器14は、第1フィルタ12からのRF信号を増幅する。低雑音増幅器14は、増幅したRF信号を第2フィルタ16へ出力する。第2フィルタ16は、増幅したRF信号に含まれる雑音成分を低減する。第2フィルタ16は、雑音成分を低減させ、かつ増幅したRF信号(以下、これもまた「RF信号」という)を第1ミキサ20と第2ミキサ22へ出力する。
局部発振器18は、ローカル発振信号を第1ミキサ20、第2ミキサ22へ出力する。ここで、第2ミキサ22へ出力されるローカル発振信号の位相は、第1ミキサ20へ出力されるローカル発振信号の位相から90度位相シフトされている。第1ミキサ20は、第2フィルタ16からのRF信号と局部発振器18からのローカル発振信号とを乗算することによって、I相のベースバンド信号(以下、「I信号」という)を生成する。第1ミキサ20は、I信号を第1増幅器24へ出力する。第2ミキサ22は、第2フィルタ16からのRF信号と局部発振器18からのローカル発振信号とを乗算することによって、I相ベースバンド信号とは直交したQ相のベースバンド信号(以下、「Q信号」という)を生成する。第2ミキサ22は、Q信号を第2増幅器26へ出力する。
第1増幅器24は、可変増幅器であり、I信号のレベルを調節する。第1増幅器24は、レベルを調節したI信号(以下、これもまた「I信号」という)を第3フィルタ28へ出力する。第2増幅器26は、可変増幅器であり、Q信号のレベルを調節する。第2増幅器26は、レベルを調節したQ信号(以下、これもまた「Q信号」という)を第4フィルタ30へ出力する。
第3フィルタ28は、第1増幅器24からのI信号のうち遮断周波数以上の周波数の信号を除去することによって帯域制限を実行する帯域制限フィルタである。第3フィルタ28は、低域成分のI信号(以下、これもまた「I信号」という)を第1ADC32へ出力する。第4フィルタ30は、第2増幅器26からのQ信号のうち遮断周波数以上の周波数の信号を除去することによって帯域制限を実行する帯域制限フィルタである。第4フィルタ30は、低域成分のQ信号(以下、これもまた「Q信号」という)を第2ADC34へ出力する。これまで説明した構成は、RF信号を直交検波している。これらの構成は、アナログのデバイスで構成され、例えば1チップで構成される。直交検波がデジタル信号処理によりなされてもよい。
第1ADC32は、第3フィルタ28からのI信号に対してアナログ/デジタル変換を実行する。第1ADC32は、デジタル信号に変換したI信号(以下、これもまた「I信号」という)を信号検出部36、復調部38へ出力する。第2ADC34は、第4フィルタ30からのQ信号に対してアナログ/デジタル変換を実行する。第2ADC34は、デジタル信号に変換したQ信号(以下、これもまた「Q信号」という)を信号検出部36、復調部38へ出力する。第1ADC32、第2ADC34は、直交検波した信号を所定のタイミングでサンプリングするサンプリング部であるといえる。第3フィルタ28および第4フィルタ30は、サンプリング周波数に基づいた帯域のアンチエリアシングフィルタであってもよく、その場合、第1ADC32および第2ADC34の後段にそれぞれ図示しないデジタルフィルタを備え、そのデジタルフィルタを帯域制限フィルタとしてもよい。
信号検出部36は、I信号とQ信号とをもとに信号検出を実行する。ここで、第1信号検出部50の構成を説明するために、図2を使用する。図2は、第1信号検出部50の構成を示す。第1信号検出部50は、入力部110、移動量導出部120、高域通過フィルタ部130、積算部140、判定部150を含む。移動量導出部120は、割当部122、カウンタ部124を含み、カウンタ部124は、遅延部126、加算部128を含む。高域通過フィルタ部130は、複数の遅延部132、加算部134、除算部136、加算部138を含む。積算部140は、絶対値化部142、加算部144を含み、加算部144は、複数の遅延部146、加算部148を含む。
入力部110は、直交検波され、かつ所定のタイミングでサンプリングされたI信号とQ信号を受けつける。なお、I信号およびQ信号は、帯域制限フィルタにより帯域制限されている。割当部122は、直交するI軸とQ軸とによって構成される直交平面を規定し、直交平面は、複数の象限に分割されている。図3は、割当部122において規定される複数の象限を示す。図示のごとく、直交平面が8等分されており、複数の象限は、象限1から象限8と示される。ここで、入力したI信号の値を「I」と示し、入力したQ信号の値を「Q」と示す場合、割当部122は、以下の判定条件をもとに、象限1から象限8のいずれかに、入力したI信号とQ信号(以下、「信号」と総称される)とを割り当てる。
象限1 : I≧0、Q≧0、|I|≧|Q|
象限2 : I≧0、Q≧0、|I|<|Q|
象限3 : I<0、Q≧0、|I|<|Q|
象限4 : I<0、Q≧0、|I|≧|Q|
象限5 : I<0、Q<0、|I|≧|Q|
象限6 : I<0、Q<0、|I|<|Q|
象限7 : I≧0、Q<0、|I|<|Q|
象限8 : I≧0、Q<0、|I|≧|Q|
割当部122は、象限1に信号を割り当てた場合に「1」を取得し、象限8に信号を割り当てた場合に「8」を取得する。他の象限についても同様である。図2に戻る。割当部122は、象限の値をカウンタ部124へ出力する。
カウンタ部124における遅延部126は、割当部122から受けつけた象限の値を1サンプリングの期間だけ遅延させる。また、加算部128は、割当部122から受けつけた象限の値から、遅延部126において遅延させた象限の値を減算する。これは、割り当てた信号の象限間の移動量を導出することに相当する。例えば、隣接した象限への移動がなされた場合に、移動量が「1」あるいは「-1」とされる。加算部128は、移動量を高域通過フィルタ部130へ出力する。
高域通過フィルタ部130における複数の遅延部132は、カウンタ部124からの移動量を順次遅延させる。ここで、遅延部132の数は「M」であるとする。加算部134は、複数の遅延部132のそれぞれから出力される移動量を加算する。除算部136は、加算部134において加算された移動量をMで除算する。これらの処理は、移動量導出部120において導出した移動量の平均値を計算することに相当する。加算部138は、カウンタ部124からの移動量から、除算部136において導出した平均値を減算することによって、移動量と平均値の差分を導出する。このような高域通過フィルタ部130の処理は、高域通過フィルタの処理に相当する。高域通過フィルタの処理によって、定常的に一定方向に生じている移動量がオフセットとしてキャンセルされるので、移動量の変化分が明確にされる。例えば、移動量が、3、2、1、3、2、1であれば、平均値の2を減算し、1、0、-1、1、0、-1となる。加算部138は、差分を積算部140へ出力する。
積算部140における絶対値化部142は、高域通過フィルタ部130からの差分を受けつけ、差分の絶対値を導出する。絶対値化部142は、差分の絶対値を加算部144へ出力する。加算部144における複数の遅延部146は、絶対値化部142からの差分を順次遅延させる。加算部148は、複数の遅延部146のそれぞれから出力される差分と、絶対値化部142からの差分とを加算する。これは、高域通過フィルタ部130において導出した差分の絶対値を所定期間にわたって積算することに相当する。加算部148は、加算の結果である絶対値の積算値を判定部150に出力する。
判定部150は、積算部140において積算した積算値としきい値とを比較することによって、入力部110において受けつけた信号が受信信号であるか否かを判定する。受信信号とは、後述の復調部38において復調すべき信号であり、受信装置100に対して復調可能な電波形式で変調され送信された信号である。図4(a)-(b)は、判定部150における処理の概要を示す。図4(a)に示されるように、積算値に対するしきい値が規定される。しきい値は、例えば、シミュレーション計算等により決定されればよい。判定部150は、積算値がしきい値未満である場合に、入力部110において受けつけた信号が受信信号であると判定し、積算値がしきい値以上である場合に、入力部110において受けつけた信号が受信信号でないと判定する。受信信号でないとは、雑音であることに相当する。雑音であれば、信号は直交平面上をランダムに動くので、直交平面上の角速度は大きくなり、積算値も大きくなる。一方、受信信号であれば、直交平面上の角速度は変調指数(シンボルレート)により上限が定まるので、雑音の場合と比較して積算値が小さくなる。
図4(b)に示すように、積算値に対するしきい値が規定されてもよい。ここでは、第1しきい値と第2しきい値とが規定される。第1しきい値は図4(a)のしきい値に相当し、第1しきい値>第2しきい値の関係がある。判定部150は、積算値が第1しきい値以上である場合に、入力部110において受けつけた信号が雑音であると判定し、積算値が第1しきい値未満かつ第2しきい値以上である場合に、入力部110において受けつけた信号が受信信号であると判定する。また、積算値が第2しきい値未満である場合は、復調部38が復調すべき信号を受信した場合と比較して、象限間の移動量が少ないことを意味する。そのため判定部150は、入力部110において受けつけた信号は復調部38が復調すべき信号ではないため受信信号ではないと判定する。図2に戻る。判定部150は、受信信号であると判定した場合に、図1の第2信号検出部52にRSSI判定の処理を指示する。図1に戻る。
第2信号検出部52は、第1信号検出部50からRSSI判定の処理を指示された場合に、I信号とQ信号とをもとにRSSIを導出する。詳細には、第2信号検出部52は、RSSI検出部であり、I信号とQ信号との二乗和平方根、もしくは二乗和を算出して、直交検波器の出力の絶対値を求める。この絶対値は、RF信号のレベルと相対的な関係であるため、RSSIと等価である。第2信号検出部52は、RSSIがRSSI判定用しきい値以上である場合に、信号が受信信号であると判定し、RSSIがRSSI判定用しきい値未満である場合に、信号が雑音であると判定する。信号が受信信号であると判定することは、信号を検出することに相当する。信号を検出した場合、第2信号検出部52は、信号検出を復調部38に通知する。復調部38は、信号検出部36から信号検出を通知された場合、I信号とQ信号に対して復調を実行し、復調した音声信号やデータを出力する。復調処理には公知の技術が使用されればよいので、ここでは説明を省略する。
この構成は、ハードウエア的には、任意のコンピュータのCPU、メモリ、その他のLSIで実現でき、ソフトウエア的にはメモリにロードされたプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。
以上の構成による受信装置100の動作を説明する。図5は、第1信号検出部50による検出手順を示すフローチャートである。割当部122は象限を特定する(S10)。カウンタ部124は移動量を導出する(S12)。高域通過フィルタ部130は、移動量と平均値の差分を導出する(S14)。絶対値化部142は差分の絶対値を導出する(S16)。加算部144は積算値を導出する(S18)。積算値がしきい値よりも小さい場合(S20のY)、判定部150は、信号を受信信号と判定する(S22)。一方、積算値がしきい値よりも小さくない場合(S20のN)、判定部150は、信号を雑音と判定する(S24)。
本実施例によれば、象限間の移動量の絶対値としきい値とを比較することによって、受けつけた信号が受信信号であるか否かを判定するので、短い期間で判定できる。また、短い期間で判定がなされるので、信号検出を高速化できる。また、スケルチのような復調が不要であるので、DSPの処理負荷を軽減できる。また、受信信号と雑音との区別に必要なサンプル数がスケルチ判定の場合のサンプル数と比較して少なくなるので、高速に判別できる。また、短い期間で判定がなされるので、消費電流を小さくできる。また、短期間で受信信号と雑音とを区別できるので、大入力の雑音を受信している場合も低消費電力モードで動作できる。また、低消費電力モードで動作されるので、待受け状態の電流を低減できる。また、移動量の平均値と、移動量との差分を導出し、差分の絶対値を所定期間にわたって積算するので、低周波数成分を低減できる。また、低周波数成分が低減されるので、判定精度を向上できる。また、積算値がしきい値未満である場合に、受けつけた信号が受信信号であると判定し、積算値がしきい値以上である場合に、受けつけた信号が受信信号でないと判定するので、受信信号と雑音とを区別できる。
以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
本実施例において、移動量導出部120と積算部140との間に高域通過フィルタ部130が配置される。しかしながらこれに限らず例えば、高域通過フィルタ部130が省略されてもよく、移動量導出部120と積算部140が接続されてもよい。本変形例によれば、処理量を低減できる。
本実施例において、しきい値はシミュレーション計算等により決定されている。判定部150におけるしきい値は、入力部110において受けつけるべき受信信号の帯域幅に応じて予め設定されてもよい。第3フィルタ28、第4フィルタ30の帯域幅は、受けつけるべき受信信号の占有周波数帯域幅に対応して設定される。そのため、占有周波数帯域幅が広いほど、第3フィルタ28、第4フィルタ30の帯域幅を広くする必要がある。その結果、雑音の周波数が高くなるので、移動量が増加する。これにより、第3フィルタ28、第4フィルタ30の帯域幅に応じて雑音を検出するためのしきい値は変えられるべきである。つまり、判定部150は、帯域制限フィルタの帯域幅に応じて閾値を設定する。例えば、占有周波数帯域幅を±4.5kHz、サンプリング周波数を37.5kHz、サンプル数Nを75とした場合にしきい値は「29」とされる。また、占有周波数帯域幅を±9kHzにした場合には、帯域制限フィルタの帯域幅は2倍となり移動量の絶対値が大きくなるので、しきい値は、「29」の2倍の58とされる。本変形例によれば、検出の精度を向上できる。
スケルチ検出処理に対して、本発明の信号検出装置がいかに高速であるかを示す。パルスノイズ等でスケルチ検出処理が誤判定しないように積分の時定数は設定される。こういったことから、課題に記載したようにスケルチ判定には約60msの時間を要することになる。これに対し、本発明の受信装置の信号検出装置では、サンプリング周波数は37.5kHzとした場合、前述したように75サンプルで検出は可能であることから、2msで信号検出が可能となる。むろん受信信号のシンボルレートや周波数偏移により高速化の程度は変わるが、信号検出に要するシンボル数やしきい値は適時設定すればよい。
10 アンテナ、 12 第1フィルタ、 14 低雑音増幅器、 16 第2フィルタ、 18 局部発振器、 20 第1ミキサ、 22 第2ミキサ、 24 第1増幅器、 26 第2増幅器、 28 第3フィルタ、 30 第4フィルタ、 32 第1ADC、 34 第2ADC、 36 信号検出部、 38 復調部、 50 第1信号検出部、 52 第2信号検出部、 100 受信装置、 110 入力部、 120 移動量導出部、 122 割当部、 124 カウンタ部、 126 遅延部、 128 加算部、 130 高域通過フィルタ部、 132 遅延部、 134 加算部、 136 除算部、 138 加算部、 140 積算部、 142 絶対値化部、 144 加算部、 146 遅延部、 148 加算部、 150 判定部。

Claims (5)

  1. 直交検波された信号を複数の象限に分割した直交平面上に割り当て、割り当てた信号の象限間の移動量を導出する移動量導出部と、
    前記移動量導出部において導出した移動量の平均値と、前記移動量導出部において導出した移動量との差分を導出する高域通過フィルタ部と、
    前記高域通過フィルタ部において導出した差分の絶対値を所定期間にわたって積算する積算部と、
    前記積算部において積算した積算値としきい値とを比較することによって、前記直交検波された信号が受信信号であるか否かを判定する判定部と、
    を備え
    前記判定部は、積算値がしきい値未満である場合に、前記信号が受信信号であると判定し、積算値がしきい値以上である場合に、前記信号が受信信号でないと判定することを特徴とする信号検出装置。
  2. 直交検波部と、
    前記直交検波部において直交検波された信号を複数の象限に分割した直交平面上に割り当て、割り当てた信号の象限間の移動量を導出する移動量導出部と、
    前記移動量導出部において導出した移動量の平均値と、前記移動量導出部において導出した移動量との差分を導出する高域通過フィルタ部と、
    前記高域通過フィルタ部において導出した差分の絶対値を所定期間にわたって積算する積算部と、
    前記積算部において積算した積算値としきい値とを比較することによって、前記直交検波された信号が受信信号であるか否かを判定する判定部と、
    を備え
    前記判定部は、積算値がしきい値未満である場合に、前記信号が受信信号であると判定し、積算値がしきい値以上である場合に、前記信号が受信信号でないと判定することを特徴とする受信装置。
  3. 前記直交検波部において直交検波された信号の帯域制限をする帯域制限フィルタを備え、
    前記判定部は、前記帯域制限フィルタの帯域幅に応じて前記しきい値を設定することを特徴とする請求項2に記載の受信装置。
  4. 前記直交検波部において直交検波された信号からRSSIを検出するRSSI検出部と、
    前記直交検波部において直交検波された信号を復調する復調部と、を備え、
    前記RSSI検出部は、
    前記判定部が受信信号であると判定した場合に、前記RSSIをRSSI判定用しきい値と比較し、前記RSSIがRSSI判定用しきい値以上である場合に、前記復調部に復調を開始する指示を行なうことを特徴とする請求項2または3に記載の受信装置。
  5. 直交検波された信号を複数の象限に分割した直交平面上に割り当て、割り当てた信号の象限間の移動量を導出するステップと、
    導出した移動量の平均値と、導出した移動量との差分を導出するステップと、
    導出した差分の絶対値を所定期間にわたって積算するステップと、
    積算した積算値としきい値とを比較することによって、前記直交検波された信号が受信信号であるか否かを判定するステップとを備え、
    前記判定するステップは、積算値がしきい値未満である場合に、前記信号が受信信号であると判定し、積算値がしきい値以上である場合に、前記信号が受信信号でないと判定することをコンピュータに実行させるためのプログラム。
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