JP2004112508A - Receiver - Google Patents

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JP2004112508A
JP2004112508A JP2002273885A JP2002273885A JP2004112508A JP 2004112508 A JP2004112508 A JP 2004112508A JP 2002273885 A JP2002273885 A JP 2002273885A JP 2002273885 A JP2002273885 A JP 2002273885A JP 2004112508 A JP2004112508 A JP 2004112508A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a receiver which can perform predetermined signal processing only based on an effective observation signal to improve processing speed and accuracy of the processing results. <P>SOLUTION: A number-of-signal estimating and processing part 20 generates a first covariance matrix from time series data of the observation signal and the number of data by a first eigen value analyzing part 22. The first covariance matrix is analyzed with the eigen value to obtain a first eigen value. A second eigen value analyzing part 23 generates a second covariance matrix from time series data and the number of data of a noise jamming signal without the observation signal. The second covariance matrix is analyzed with the eigen value to obtain a second eigen value. The difference between the first and the second eigen values is obtained by a subtractor 24. A number-of-signal determination part 25 outputs selection permit signals by the number of the difference larger than the reference value. A target signal selection part 26 selects the observation signals by the number of the signals according to the selection permit signals. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のセンサを配置することにより信号の到来方向を測定するとともに、同時に存在する複数の信号を分離受信する受信装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、スーパーレゾリューション(超分解能)による方向探知や、独立成分分析による信号分離においては、観測信号の時系列データに基づいて、先ず共分散行列を生成し固有値解析を行っている。
【0003】
その固有値の分布から信号数を推定する必要があり、一般に、信号数推定においては統計的手法としてのAIC(Akaike Information Criteria)やMDL(Minimum Description Length)といった手法が採用される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、センサ数と等しい固有値のうち、どれが信号成分でどれが雑音成分かの区分けが不明確となりやすい。
【0005】
ここで、上述したAICやMDLといった手法を採用しても、信号数を推定したときに誤りがあった場合、その後の方向探知処理や信号分離処理においてその性能が劣化する原因となっている。
【0006】
そこで、複数のセンサからの観測信号中に同時に含まれる信号数を固有値分布から推定する場合において、信号と雑音の境界を明確化したいといった要望があった。
【0007】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、有効な観測信号のみに基づいて所定の信号処理を行うことができ、処理速度と処理結果の精度を向上することができる受信装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、上記課題を解決するため、受信した観測信号に基づいて所定の信号処理を行う受信装置において、複数の入射信号が同時に入射される複数のセンサと、前記複数のセンサからの観測信号に基づいて、入射信号の信号数を推定して複数の観測信号の中から当該信号数分の観測信号を選択する信号数推定処理部とを備えたことを要旨とする。
【0009】
請求項2記載の発明は、上記課題を解決するため、前記号数推定処理部は、前記観測信号の時系列データとデータ数から第1の共分散行列を生成し、この第1の共分散行列を固有値解析して第1の固有値を求める第1固有値解析部と、前記観測信号がない状態での雑音妨害信号の時系列データとデータ数から第2の共分散行列を生成し、この第2の共分散行列を固有値解析して第2の固有値を求める第2固有値解析部と、前記第1固有値解析部と第2固有値解析部とから求まった第1および第2の固有値からその差を求める減算器と、前記減算器により求められた差が基準値よりも大きくなる信号数分の選択許可信号を出力する信号数決定部と、前記信号数決定部から出力された選択許可信号に応じて前記複数の観測信号の中から信号数分の観測信号を選択して出力する対象信号選択部とを備えたことを要旨とする。
【0010】
請求項3記載の発明は、上記課題を解決するため、前記信号数推定処理部により選択された前記信号数分の観測信号に基づいて、前記複数の入射信号をブラインド処理により分離する分離部と、前記複数の入射信号の各々について、前記複数のセンサにおける振幅及び位相分布の相対関係を示す複素ベクトル量を求めるベクトル演算部と、前記複数のセンサの物理的位置と前記ベクトル演算部で求められた複素ベクトル量とに基づいて、前記複数の入射信号の到来方位を求める到来方位演算部と、前記分離部で分離された信号と前記到来方位演算部で求められた到来方位を表す信号とを関連付けて出力する出力部とを備えたことを要旨とする。
【0011】
請求項4記載の発明は、上記課題を解決するため、前記信号数推定処理部により選択された前記信号数分の観測信号に基づいて固有値解析を行った際に、同時に求まる固有ベクトルを信号固有ベクトルと雑音固有ベクトルに分離し、この信号固有ベクトルにより捕捉信号の信号成分のみを写像し、写像したデータの独立成分分析により同時に存在する複数の信号を分離する信号分離部を備えたことを要旨とする。
【0012】
請求項5記載の発明は、上記課題を解決するため、前記信号数推定処理部により選択された前記信号数分の観測信号に基づいて固有値解析を行った際に、同時に求まる固有ベクトルから信号固有ベクトルと雑音固有ベクトルに分離し、この固有ベクトルと前記センサの応答データとの演算により信号の到来方位を探知する到来方位探知部を備えたことを要旨とする。
【0013】
請求項6記載の発明は、上記課題を解決するため、前記信号分離部は、確率分布の独立性に基づく分離法、勾配法、不動点法、FastICA法、相関関数行列の同時対角化法、JADE法、因子分析法、情報量を最大化する手法のいずれか1つを処理アルゴリズムとして採用することを要旨とする。
【0014】
請求項7記載の発明は、上記課題を解決するため、前記到来方位探知部は、MUSIC法、cumulant−MUSIC法、WSF法、USF法、ML 法、最小分散法、BF法、DOSE法、Blind−MAXCOR法、Blind−MUSIC法、ESPRIT法、VESPA法のいずれか1つを処理アルゴリズムとして採用することを要旨とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【0016】
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係る受信装置では、センサとしてアンテナが使用される。なお、以下では、アンテナの数nを「7」とし、入射信号の数mを「4」として説明するが、アンテナの数及び入射信号の数はこれらに限定されず任意である。
【0017】
この第1の実施の形態に係る受信装置は、複数のアンテナに入射された複数の入射信号の混合信号から原信号を分離して出力するとともに、各入射信号の到来方位を2次元的に測定して出力する。
【0018】
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る受信装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【0019】
この受信装置は、第1〜第7アンテナ1〜7、サンプリング部10、信号数推定処理部20、ブラインド処理部30、分離信号出力処理部40、到来方位演算部50及び到来方位出力処理部60から構成されている。
【0020】
第1〜第7アンテナ1〜7は、本発明の複数のセンサに対応する。これら第1〜第7アンテナ1〜7としては、パラボラアンテナ、八木アンテナといった指向性を有するアンテナが用いられる。第1〜第7アンテナ1〜7を設置する間隔や高さは任意である。
【0021】
第1アンテナ1は、空中からの複数の入射信号(電波)S〜Sを受信し、これらが混合された混合信号をサンプリング部10に送る。同様に、第2〜第7アンテナ2〜7は、空中からの複数の入射信号S〜Sを受信し、これらが混合された混合信号をサンプリング部10にそれぞれ送る。
【0022】
サンプリング部10は、何れも図示を省略するが、局部発振器、中間周波数変換器、発振器及びA/D変換器から構成されている。
【0023】
局部発振器は、受信した高周波を中間周波数に変換するために必要な発振周波数の信号を生成する。中間周波数変換器は、第1〜第7アンテナ1〜7からの受信周波数帯の高周波を増幅し、上記局部発振器からの信号と混合し、それらの和又は差の周波数を作ることにより中間周波数の信号に変換して更に増幅する。この増幅された中間周波数の信号はA/D変換器に供給される。
【0024】
発振器は、アナログ信号をサンプリングするためのサンプリングクロックを生成する。A/D変換器は、発振器からのサンプリングクロックを用いて、中間周波数変換器からのアナログ信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する。このA/D変換器で変換されたデジタル信号は、信号数推定処理部20に供給される。
【0025】
信号数推定処理部20は、図2に示すように、入力バッファ部21、第1固有値解析部22、第2固有値解析部23、減算器24−1〜24−7、信号数決定部25、対象信号選択部26から構成されている。
【0026】
信号数推定処理部20は、第1〜第7のアンテナ1〜7からの観測信号に基づいて、入射信号の信号数を推定して複数の観測信号の中からこの信号数分の観測信号を選択し、ブラインド処理部30に供給する。
【0027】
ここで、入力バッファ部21は、サンプリング部10から入力された観測信号の時系列データを第1固有値解析部22、第2固有値解析部23および対象信号選択部26に出力する。
【0028】
第1固有値解析部22は、入力バッファ部21を介してサンプリング部10から入力された観測信号の時系列データとデータ数から共分散行列Rxxを生成し、この共分散行列Rxxを固有値解析して固有値Ex1、Ex2、…、Exnを求める。
【0029】
第2固有値解析部23は、入力バッファ部21を介してサンプリング部10から入力された観測信号がない状態での観測信号Y(雑音妨害信号)の時系列データとデータ数から共分散行列Ryyを生成し、この共分散行列Ryyを固有値解析して固有値Ey1、Ey2、…、Eynを求める。
【0030】
減算器24−1〜24−7は、第1固有値解析部22と第2固有値解析部23とから求まった2つの固有値群Rxx,Ryyから差ΔRを求める。
【0031】
信号数決定部25は、差ΔRを示す各固有値、すなわち、固有値Ex1−Ey1、Ex2−Ey2、…、Exn−Eynの値が、基準値ΔRrefよりも大きい場合に+1と計数し、小さい場合に0とすることで、1〜nまでのそれぞれのΔRから信号数kを決定するとともに、選択許可信号EN1〜EN7を対象信号選択部26に出力する。
【0032】
対象信号選択部26は、信号数決定部25から出力された選択許可信号EN1〜EN7を用いて、n個の観測信号x(t)〜x(t)の中から選択許可されたk個の観測信号を観測信号X1,・・・,k(t)としてブラインド処理部30に送る。
【0033】
ブラインド処理部30は、本発明の分離部及びベクトル演算部に対応する。このブラインド処理部30は、ブラインド信号分離の手法により原信号(入射信号S〜Sの内の何れか4つ)が混合されてなる観測信号から原信号を分離して抽出する。このブラインド処理部30で分離して抽出された信号は、分離信号出力処理部40に送られる。また、ブラインド処理部30は、上述した行列A(後述する式(6)参照)を算出し、到来方位演算部50に送る。
【0034】
分離信号出力処理部40は、本発明の出力部の一部に対応する。この分離信号出力処理部40は、D/A変換器から構成されている。D/A変換器は、ブラインド処理部30からのデジタル信号をアナログ信号に変換し、分離信号O〜Oとして出力する。
【0035】
到来方位演算部50は、本発明の到来方位演算部に対応する。この到来方位演算部50は、ブラインド処理部30からの行列Aに基づいてセンサ間位相差演算及びインタフェロメータ方式による方位演算を行う。これらの演算の詳細は後述する。この到来方位演算部50で演算された到来方位を表す信号は、到来方位出力処理部60に送られる。
【0036】
到来方位出力処理部60は、D/A変換器から構成されている。D/A変換器は、到来方位演算部50からのデジタル信号をアナログ信号に変換し、方位信号D〜Dとして外部に出力する。
【0037】
次に、上記のように構成される本発明の第1の実施の形態に係る受信装置の動作を説明する。
【0038】
各アンテナ1〜7で観測された入射信号S1,・・・,7の混合信号は、サンプリング部10に送られる。
【0039】
サンプリング部10の中間周波数変換器は、入射信号S1,・・・,7の混合信号を入力して中間周波数の信号に変換し、A/D変換器41に送る。A/D変換器は、受け取ったアナログ信号を、発振器からのサンプリングクロックを用いてサンプリングすることによりデジタル信号に変換する。この変換されたデジタル信号は、観測信号x1,・・・,7(t)として、信号数推定処理部20に送られる。
【0040】
信号数推定処理部20は、サンプリング部10からの観測信号x1,・・・,7(t)に基づいて、入射信号の信号数kを推定して複数の観測信号の中から当該信号数k分の観測信号を選択してブラインド処理部30に出力する。
【0041】
まず、信号数推定処理部20による第一段階の処理として、共分散行列の生成方法について説明する。
【0042】
いま、n個(nは2以上の整数)のセンサのアレイに同時にm個(mは2以上の整数)の信号が入射する場合を仮定する。この状態は、下記式(1)で表すことができる。
【0043】
【数1】
(t)=A・S (t)+N (t)  …(1)
ここで、X (t)は各センサで観測される複素数からなる時系列データ、Aはセンサの配置と特性できまるn行×m列の信号混合行列、S (t)は外来雑音も含むm個の入射信号、N (t)は各センサにおける内部雑音である。
【0044】
上記式(1)を行列形式で表現すると、下記式(2)のように、
【数2】
X=A・S+N          …(2)
となる。ここで、Xはn行×時系列データ数列、Aはn行×m列、Sはm行×時系列データ数列、Nはn行×時系列データ数列となる。
【0045】
共分散行列Rxxはn行n列であり、下記式(3)のように、
【数3】
Rxx=X・XT ÷時系列データ数  …(3)
と表わされる。ここで、XT はXの復素共役転置である。
【0046】
第1固有値解析部22は、上記式(3)に従って、入力バッファ部21を介してサンプリング部10から入力された観測信号の時系列データとデータ数から共分散行列Rxxを生成し、この共分散行列Rxxを固有値解析して求まった固有値を、それぞれEx1、Ex2、…、Exnとする。
【0047】
図3(a)は、固有値Ex1、Ex2、…、Exnの大きさを棒グラフにより表した図であり、レベルP1において、対象信号成分と雑音妨害成分の境界が不明確な状態を示している。
【0048】
一方、信号成分が含まれない観測信号をYで表わすと、
【数4】
Y=A・Snosig+N        …(4)
であり、Snosigは入射信号Sの状態から興味のある対象信号成分を除いたものであり、外来の雑音成分や妨害成分からなる雑音妨害成分のみが存在している。
【0049】
第2固有値解析部23は、上記式(3)と同様にして、入力バッファ部21を介してサンプリング部10から入力された観測信号Y(雑音妨害信号)の時系列データとデータ数から共分散行列Ryyを生成し、この共分散行列Ryyを固有値解析して求まった固有値を、それぞれEy1、Ey2、…、Eynとする。
【0050】
図3(b)は、固有値Ey1、Ey2、…、Eynの大きさを棒グラフにより表した図である。
【0051】
次いで、信号数推定処理部20による第2段階の処理として、雑音妨害成分の除去方法について説明する。
【0052】
ここで、2つの固有値群Rxx,Ryyの差ΔRを求めると、
【数5】
ΔR=Rxxの固有値−Ryyの固有値=
Ex1−Ey1、Ex2−Ey2、…、Exn−Eyn …(5)
となる。
【0053】
減算器24−1〜24−7は、上記式(5)に従って、2つの固有値群Rxx,Ryyの差ΔRを算出する。
【0054】
図3(c)は、2つの固有値群Rxx,Ryyの差ΔR、すなわち、固有値Ex1−Ey1、Ex2−Ey2、…、Exn−Eynの大きさを棒グラフにより表した図であり、レベルP2において、対象信号成分と雑音妨害成分の境界が明確な状態を示している。図3(c)に示すように、この分布では対象信号成分が際立って現れている。
【0055】
信号数決定部25は、固有値Ex1−Ey1、Ex2−Ey2、…、Exn−Eynの値が、図3(c)に示す基準値ΔRrefよりも大きい場合に+1と計数し、小さい場合に0とすることで、1〜nまでのそれぞれのΔRから信号数kを決定するとともに、固有値が基準値ΔRrefよりも大きい場合にハイレベルとなる選択許可信号EN1〜EN7を対象信号選択部26に出力する。なお、基準値ΔRrefは、例えば固有値Ex1−Ey1、Ex2−Ey2、…、Exn−Eynの値からその合計値を求め、合計値を個数nで割った平均値とすればよい。
【0056】
対象信号選択部26は、信号数決定部25から出力されたハイレベルの選択許可信号EN1〜EN7を用いて、n個の観測信号x(t)〜x(t)の中からハイレベルの選択許可信号EN1〜EN7により選択許可されたk個の観測信号を観測信号X1,・・・,k(t)としてブラインド処理部30に送る。
【0057】
この結果、ブラインド処理部30ではk個の観測信号により演算を行うので、従来のようにn個で演算するよりも演算量を低減でき、演算時間の短縮に寄与することができる。かつ、信号成分の方がノイズ成分よりも大きい観測信号のみを用いることができるので、明確なブラインド処理を行うことができる。
【0058】
一般に、スーパーレゾリューションによる方位測定やヌルステアリングにおいては、上記式(1)における「A」に相当する情報が直接的又は間接的に推定される。
【0059】
例えば、MUSIC法においては、「A」に相当する行列と直交関係にある雑音固有ベクトルからなる行列を求め、その行列とステアリングベクトルの相関量から方位が求められる。
【0060】
これに対し、本実施の形態においては、この「A」が所謂ブラインド処理により求められる。ここで、ブラインド処理とは、センサの応答性や信号の性質、到来方位等の予備知識なしでセンサ数と同数までの入射信号S1,・・・,nを分離するアルゴリズムであり、その結果として行列Aが求められる。このアルゴリズムは、独立成分分析(ICA:Independent Component Analysis)やブラインド信号分離(BSS:Blind Source Separation)と呼ばれ、多くの公知文献が発表されている。
【0061】
行列Aは、各センサにおける振幅及び位相の分布に対応した量を示すものであり、信号の到来方位に関連した量である。この行列Aから信号の到来方位を直接求めるためには、一般に、ステアリングベクトルを必要とするが、本発明においては、ステアリングベクトルを用いないで信号の到来方位を求める。
【0062】
ブラインド処理部30は、観測信号X1,・・・,4(t)として送られてくる4個のサンプリング時系列データを用いて、ブラインド信号分離のアルゴリズムにより、信号Y1,・・・,4(t)を分離して抽出するとともに、行列Aを求める。
【0063】
すなわち、ブラインド処理部30は、観測信号X1,・・・,n(t)として送られてくるn個のサンプリング時系列を用いて、ブラインド信号分離のアルゴリズムにより、選択された帯域内の信号y(t)を分離・抽出する。
【0064】
以下、ブラインド処理部30における分離・抽出の手順を詳細に説明する。
【0065】
先ず、その基本となるブラインド信号分離の問題についてここで定義する。信号源が下記式(6)のベクトルで与えられることとする。
【0066】
【数6】
s(t)=(s(t),…,s(t))  t=0,1,2,…  …式(6)
但し、s(t)は、n個の入射信号であり、平均「0」であって、互いに独立であるとする。また、Tは転置を表す。
【0067】
観測は、各アンテナ1〜7で観測され帯域制限された時系列データを意味しており、
【数7】
x(t)=(x(t),…,x(t))  t=0,1,2,…  …式(7)
で表すものとする。これは、1,・・・,nの各アンテナ1〜7で観測された信号であると考えることができる。一般には、アンテナの数と信号源の数とは必ずしも一致しないが、ここでは一致しているものとする。
【0068】
単純なICAの問題では、s(t)とx(t)との間に、
【数8】
x(t)=As(t)  …式(8)
なる単純な線形関係を仮定する。Aは、各アンテナ1〜7の配置と特性で決まる信号混合行列(n行×n列)の実数行列である。s(t)やAに関する知識を持たずx(t)を独立な信号成分に分離する。
【0069】
すなわち、あるn×nの実数行列を求めることにより、
【数9】
y(t)=Bx(t)  …式(9)
で求まる互いに独立なy(t)を再構成することがICAの目的である。
【0070】
この問題の解法の1つとして、確率分布の独立性に基づく分離法がある。各s(t)が(強)定常でガウシアン(Gaussian)でないという仮定のもとで、y(t)が互いに独立になるようにBを求める手法がさまざまに提案されているが、それらの多くは次のようにまとめることができる。y(t)を強定常過程として、その同時分布の密度関数を、
【数10】
p(y)=p(y,…,y)  …式(10)
とすると、独立性の定義はp(y)をp(y)のyについての周辺分布として、
【数11】

Figure 2004112508
とかける。
【0071】
結合分布と周辺分布の距離Kullback−Leibler Divergence(Kullback−Leibler情報量)は、
【数12】
Figure 2004112508
となる。但し、H(Y;B)は同時分布p(y)のエントロピー、H(Y;B)は周辺分布p(y)のエントロピーである。
【0072】
これは{Y}(i=1,・・・,n)の相互情報量である。信号源が正規分布でないという仮定からKL(B)はp(y)が互いに独立な場合に限り「0」となる。これらはp(x)とBによって定まるものである。
【0073】
ここで、p(y)dy=p(x)dx、p(y)=p(x)/|B|(|B|はBの行列式)であることに注意すると、
【数13】
Figure 2004112508
となる。
【0074】
一方、周辺分布のエントロピーは、
【数14】
Figure 2004112508
である。よって、
【数15】
Figure 2004112508
となり、
【数16】
Figure 2004112508
のようにすれば最急降下法として正しいBを求めることができる。上記式(16)の中で問題となるのは逆行列(B−1を計算している点である。
【0075】
収束性に関しては、これにいかなる正定値行列を掛けても構わないことから、BBを掛ければ(これは正則な行列の多様体上でのリーマン(Rieman)計量に対応している)、
【数17】
ΔB∝(I−E[ψ(y)y]B  …式(17)
が新たな学習則となる。定常性の仮定よりp(s)、p(x)とp(y)は時間的に独立である。この仮定のもと、アンサンブル平均を時間平均に置き換えることができる。
【0076】
【数18】
Figure 2004112508
したがって、ηを正の定数とし、データが観測される毎に下記式(19)に従ってパラメータを更新すればBが得られる。
【0077】
【数19】
t+1=B+η(I−ψ(y)y)B  …式(19)
ここで、当然問題になるのは、上記式(15)のp(y)或いはψ(y)をいかに定義するかである。通常、これはパラメトリックな非線形関数や統計的な展開法が用いられる。
【0078】
大雑把な考え方を示すと、もしp(y)が正規分布ならはψ(y)は線形関数となる。一方、正規分布より裾が”重い”場合(sub−Gaussian)多項式などで近似するのがよく、正規分布より裾が”軽い”場合(super−Gaussian)シグモイド(Sigmoid)関数などで近似するのがよいとされている。音声信号などは裾が”軽い”ので、シグモイド関数などがうまく働く。
【0079】
ブラインド処理部30で分離・抽出された信号Y1,・・・,4(t)は分離信号出力処理部40に送られる。分離信号出力処理部40では、ブラインド処理部30からのデジタル信号として送られてくる信号Y1,・・・,4(t)をアナログ信号に変換し、分離信号O〜Oとして外部にそれぞれ送出する。
【0080】
なお、上記のICAの解法は、一例を示すものであり、これに限るものではない。
【0081】
一方、ブラインド処理部30で求められた行列Aは、到来方位演算部50に送られる。到来方位演算部50は、受け取った行列Aに基づいて、以下に示すセンサ間位相差演算を行う。
【0082】
すなわち、先ず、行列Aから対応する信号に対するベクトルを抽出する。ここで、ベクトルを下記式(20)のように表す。
【0083】
【数20】
sig1=[a11+jb11,a12+jb12,a13+jb13,a14+jb14]…式(20)
sig2=[a21+jb21,a22+jb22,a23+jb23,a24+jb24]
sig3=[a31+jb31,a32+jb32,a33+jb33,a34+jb34]
sig4=[a41+jb41,a42+jb42,a43+jb43,a44+jb44]
上記式(20)において、Sig1は、入射信号Sのみが存在する時の状態を表しており、複素ベクトル「a11+jb11」は第1アンテナ11で観測された信号の振幅と位相を、「a12+jb12」は第2アンテナ12で観測された信号の振幅と位相を、「a13+jb13」は第3アンテナ13で観測された信号の振幅と位相を、「a14+jb14」は第4アンテナ14で観測された信号の振幅と位相をそれぞれ表す。Sig2、Sig3及びSig4についても同様である。
【0084】
この式(20)から、行列Aは、各アンテナ1〜7で観測された信号の位相を反映しており、この位相の分布から入射信号S〜Sの到来方位を推定できることが理解できる。後述するインタフェロメータ方式は、この位相の分布から信号の到来方位を求めるものである。
【0085】
このベクトルからセンサ間(ビーム間)の位相差を求める。上記式(20)からは、例えば「位相角(a11+jb11)−位相角(a12+jb12)」から第1アンテナ1と第2アンテナ2の位相差を求めることができ、「位相角(a13+jb13)−位相角(a14+jb14)」から第3アンテナ3と第4アンテナ4の位相差を求めることができる。
【0086】
次に、到来方位演算部50は、方位演算を行う。すなわち、上記で求められた位相差の何れかとアンテナの物理的位置関係から通常のインタフェロメータ方式の手法により入射信号Sの到来方位を求める。
【0087】
以下、入射信号Sの到来方位の求め方を詳細に説明する。今、図4に示すように、第1アンテナ1と第2アンテナ2との距離をdとし、第1アンテナ1と第2アンテナ2とを結ぶ線に直交する線に角度θで入射信号Sが入射するものとする。この場合、入射信号Sが第1アンテナ1に到着してから第2アンテナ2に至るまでの距離yは「dsinθ」である。これを位相に直すと、第1アンテナ1と第2アンテナ2の位相差φは、
【数21】
φ=(2π/λ)・dsinθ・・・式(21)
で表される。ここで、λは波長である。この位相差φが観測されるデータである。
【0088】
従って、上記式(21)からθを求めることにより、入射信号Sの到来方位を求めることができる。すなわち、
【数22】
φ=(2π/λ)・dsinθ・・・式(22)
よって、θは、下記式(23)から求めることができる。
【0089】
【数23】
θ=sin−1(φ・1/((2π/λ)・d))・・・式(23)
以下、順次、入射信号S、入射信号S及び入射信号Sに対応する到来方位を求める。このようにして求められた到来方位を示す信号Z1,・・・,4(t)は、到来方位出力処理部60に送られる。
【0090】
到来方位出力処理部60では、到来方位演算部50からデジタル信号として送られてくる信号Z1,・・・,4(t)をアナログ信号に変換し、方位信号D〜Oとして外部にそれぞれ送出する。
【0091】
これにより、分離された4つの信号が、到来方位を表す信号とともに、時間軸波形として出力される。このようにして、観測信号X1,・・・,4(t)の所定の区間のサンプリングデータに対する処理が終了すると、次の区間のサンプリングデータに処理が実行され、以下同様の処理が繰り返される。
【0092】
なお、第1の実施の形態では、センサとして、アンテナを用いた例を説明したが本発明はこれに限定されるものではない。例えば、センサとして、音声を検知するマイクロフォン、生体の種々の状態を検知するセンサ等を用いることができる。
【0093】
以上詳述したように、この発明の第1の実施の形態に係る受信装置によれば、複数の入射信号が同時に入射される複数のセンサからの観測信号に基づいて、信号数推定処理部20により入射信号の信号数を推定して複数の観測信号の中から当該信号数分の観測信号を選択して出力するので、有効な観測信号のみに基づいて所定の信号処理を行うことができ、受信装置の処理速度と処理結果の精度を向上することができる。
【0094】
また、信号数推定処理部20では、第1固有値解析部22により観測信号の時系列データとデータ数から第1の共分散行列を生成し、この第1の共分散行列を固有値解析して第1の固有値を求め、第2固有値解析部23により観測信号がない状態での雑音妨害信号の時系列データとデータ数から第2の共分散行列を生成し、この第2の共分散行列を固有値解析して第2の固有値を求め、減算器24−1〜24−7では求まった第1および第2の固有値からその差を求め、信号数決定部25では求められた差が基準値よりも大きくなる信号数分の選択許可信号を出力し、対象信号選択部26によりこの選択許可信号に応じて複数の観測信号の中から信号数分の観測信号を選択して出力するので、観測信号と雑音との境界を明確に区別して有効な観測信号のみに基づいて所定の信号処理を行うことができ、受信装置の処理速度と処理結果の精度を向上することができる。
【0095】
さらに、ブラインド処理部30(ベクトル演算部)では、選択された信号数分の観測信号に基づいて、複数の入射信号をブラインド処理により分離し、複数の入射信号の各々について、複数のセンサにおける振幅及び位相分布の相対関係を示す複素ベクトル量を求め、到来方位演算部50により複数のセンサの物理的位置と複素ベクトル量とに基づいて、前記複数の入射信号の到来方位を求め、分離された信号と到来方位を表す信号とを関連付けて出力することで、入射信号の到来方位を正確に求めることができる。
【0096】
また、信号分離部70では、信号数推定処理部20により選択された信号数分の観測信号に基づいて固有値解析を行った際に、同時に求まる固有ベクトルを信号固有ベクトルと雑音固有ベクトルに分離し、この信号固有ベクトルにより捕捉信号の信号成分のみを写像し、写像したデータの独立成分分析により同時に存在する複数の信号を分離することで、入射信号を正確に分離することができる。
【0097】
また、到来方位演算部80では、信号数推定処理部20により選択された信号数分の観測信号に基づいて固有値解析を行った際に、同時に求まる固有ベクトルから信号固有ベクトルと雑音固有ベクトルに分離し、この固有ベクトルと前記センサの応答データとの演算により信号の到来方位を探知することで、入射信号の到来方位を正確に求めることができる。
【0098】
(第2の実施の形態)
図5は、本発明の第2の実施の形態に係る受信装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【0099】
本実施の形態における特徴は、信号分離部70のアルゴリズムとして、確率分布の独立性に基づく分離法を採用している。
【0100】
この分離手法では、観測信号の各成分s(t)が正規分布ではない確率分布に従っていると仮定する。ただし、その確率分布は未知である。
【0101】
今、y(t)の同時確率密度変数を、
【数24】
y=(y,…,y   …式(24)
と置く、行列Wによって観測信号x(t)が正しく分離できたならば、yの各成分yは独立になる。yの各成分yが独立と言うことは、yの値がわかってもy以外のy,…,yの値が何かわからないことであり、数式で表すと、
【数25】
Figure 2004112508
同時密度関数 = 周辺密度関数の積
となる。
【0102】
ここで、基準の1つとして復元信号から推定される結合分布と周辺分布の距離が考えられる。分布間の統計的距離には様々なものが考えられるが、独立成分分析においては、Kullback−Leibler divergenceが良く用いられる。
【0103】
Kullback−Leibler divergenceの定義は、次のとおりである。
【0104】
【数26】
Figure 2004112508
ここで、zの分布をxの分布で置き換えたときの増加情報量を表しており、値が大きい場合は、分布が似ていないことを表し、値が小さい場合は、分布が似ていることを表す。
【0105】
そこで、  (12)式   より、
【数27】
Figure 2004112508
として、  (13)式   に代入すると、
【数28】
Figure 2004112508
となり、yが独立であれば(9)式はゼロとなり、すなわちy(t)が独立の場合に限り最小となる。行列Wを求めるには、I(y|W)のWに関する勾配を求め、最急降下法により求まる。
【0106】
【数29】
Figure 2004112508
ただし、
【数30】
Figure 2004112508
と更新していくことでWを求められる。計算上(11)式中の逆行列(W−1が問題となる。収束性に関しては正定値行列を掛けてもかまわないことから(Wを掛けて、
【数31】
Figure 2004112508
とした方が、計算量も少なく収束性が速い。
【0107】
この更新則はψ(y)を含んでおり、密度関数の形がわからなければ計算できないが、適当なパラメトリックな非線形関数や統計的な展開法によって近似しても解は正しく求まる。
【0108】
(変形例1)
変形例1では、図5に示す信号分離部70のアルゴリズムとして、勾配法を採用している。
【0109】
勾配法は、(9)式に示した相互情報量を最小とするWを最急降下法で求める手法であり、更新則(17)式により求める手法である。
【0110】
具体的には、不動点法がある。
【0111】
不動点法では、ベクトルwを引数とする関数ψ(w)をノルムが‖w‖という条件下の基で最大あるいは最小化する条件付最適化問題を考える。
【0112】
この問題は、Lagrangeの未定係数法を用いて、
【数32】
ψ(w)+λ(‖w‖−1)→min  …式(32)
と書き換えられる。最小ではこの微分が0となることから、
【数33】
Figure 2004112508
これを第2項について解くと、
【数34】
Figure 2004112508
となる。wは、‖w‖=1で正規化されているので、λを求めるのには正規化によればよい。実際の計算は、
【数35】
Figure 2004112508
という計算を収束するまで繰り返すこととなる。
【0113】
(変形例2)
変形例2では、図5に示す信号分離部70のアルゴリズムとして、FastICA法を採用している。
【0114】
Hyvarinenらは、不動点法の収束速度の条件に関して論議しており、特に尖度(kurtosis)を用いた彼らの方法(FastICA)は、3次収束するとしている。
【0115】
φ(w)として、
【数36】
φ(w)=E((w・x))−3E((w・x)   …式(36)
と言う評価関数を使い、これの最大値や最小値を不動点法で求めて、
によって独立な成分を抽出するアルゴリズムである。
【0116】
今、原信号の平均は0、分散は1、混合行列Aは直交行列にして、
【数37】
v(t)T=w(t)TA  ‖v‖=1  …式(37)
というものの振る舞いを考える。
【0117】
(Aを直交行列に限るのは、whiteningを行い、一旦信号を無相関にする。)
この書き換えにより、wが1つの成分を捉えているのならば、vはどれかひとつの成分が1で、あとは0のベクトルに近づいていく。
【0118】
評価関数を原信号sとvを使って書くと、
【数38】
E((v・s))−3E((v・s) =E((v・s))−3‖v‖  式(38)
となる。
【0119】
sの成分は平均0、分散1であること、および互いに独立であることを用い第i成分を考えると、
【数39】
Figure 2004112508
となる。E(s )=1であるから最後の括弧の中は4次のキュムラントになっている。これを正規化したものが新しいベクトルになるが、比を考えると、
【数40】
Figure 2004112508
と評価され、vが1近くてvが0に近いと仮定すれば、上式はvへの0への近づく速さがだいたい3乗のオーダーであることを意味している。
【0120】
(変形例3)
変形例3では、図5に示す信号分離部70のアルゴリズムとして、相関関数行列の同時対角化法を採用する。
【0121】
Jacobi法は、実対称行列を対角化する。すなわち、固有値を求める古典的な方法である。その基本方針は、Givens変換による相似変換を繰り返すことにより直交変換を求める方法である。
【0122】
提案されている方法としては、相関関数行列と縮約された尖度(kurtosis)の同時対角化算法がこれにあたる。
【0123】
ここで、相関関数行列の同時対角化法として、時間構造に基づく分離法について説明する。
【0124】
相関関数行列による算法は、時間差のある相関信号を考える。観測信号が、x(t)=As(t)と書けるとき、原信号の独立性を仮定すればその相関関数行列は、
【数41】
Figure 2004112508
となる。ただし、ここでは複素数値時系列を考え*は複素共役転置を、<・>は平均操作を、またRsi(τ)は原信号s(t)の自己相関関数を表すものとする。
【0125】
これも対角行列を同じ行列で相似変換した対称行列だから、いろいろな時間差における行列を同時に対角化してやるWを探せばよい。
【0126】
具体的には、観測信号x(t)をτ=0における相関行列を使って無相関化しておき、τ≠0における相関行列の非対角化成分を小さくするように、Jacobi法により算出する。
【0127】
(変形例4)
変形例4は、図5に示す信号分離部70のアルゴリズムとして、Kurtosisの同時対角化による算法であるJADE(Joint Approximate Diagonalization of Eigen−matrices)法を採用する。
【0128】
縮約された尖度(kurtosis)の同時対角化算法は、4次のcross−kurtosisとして、
【数42】
Figure 2004112508
の縮約を考える。
【0129】
観測信号が平均0でwhiteningにより無相関化されているとすると、原信号と観測信号はある直交変換U=(u1, ,n)により、X=USという関係で結ばれている。独立性の仮定から、
【数43】
Figure 2004112508
として、行列M=(mij)により縮約されたkurtosisの行列として、
【数44】
Figure 2004112508
を考えると、
【数45】
Figure 2004112508
さらに、
【数46】
Figure 2004112508
として、
【数47】
Figure 2004112508
となる。従って、適当な組の{N}を取って{C(N)}を計算し、これを同時対角化する直交行列を求めればよいことがわかる。この事情は
行列でも同様である。
【0130】
ここで、Cardoso and A. Souloumiacは{N}として、
【数48】
Figure 2004112508
ただし、eはk成分だけが1の単位ベクトル、あるいは尖度(kurtosis)そのものを固有値行列展開しておき、固有値の大きいものから適当な数だけ固有行列を使う方法を提案している。
【0131】
(変形例5)
変形例5は、図5に示す信号分離部70のアルゴリズムとして、ノイズを含むモデルを採用する。
【0132】
ICAのモデルとして(3)式を示したが、実際の測定において外来雑音が無視できない場合がある。外来雑音が大きい場合、信号の分離・復元に影響を及ぼす。ここで、観測雑音を、
【数49】
ε(t)=[E(t),…,E(t)]   …式(49)
とすると、センサの観測信号は、
【数50】
x(t)=As(t)+ε(t)   …式(50)
となる。計算をする場合、アルゴリズムは信号とノイズを区別しないため、
【数51】
Figure 2004112508
のように書き直せば、信号の次元をmとするとA’は、n×(m+n)の行列となり、信号源の数が観測信号の次元より多くなり線形な行列の解は存在しなくなる。また、whiteningによる無相関化もノイズを含めた信号を無相関とするため意味がなくなってしまう。
【0133】
変形例5は、図5に示す信号分離部70のアルゴリズムとして、ノイズを低減する手法としてICAの前処理として因子分析法を採用する。
【0134】
この因子分析法では、因子分析混合・復元モデルを採用する。
【0135】
因子分析法は、観測ベクトルを要素間にまたがって存在する共通因子と要素間に独立因子の2つの部分に分けて考えるものである。
【0136】
すなわち、観測値x∈Rを、
【数52】
x=a+a+…a+ξ=As+ξ  …式(52)
のように共通因子s∈Rと独立因子ξ∈Rを用いて分解できるとする。ここで、Aは因子負荷量と呼ばれ、s,ξは互いに独立で、ξは各成分が独立とする。
【0137】
ここで、原信号sの共分散行列がm次元の単位行列I、ξが正規分布に従うとして、共分散がn次元の対角行列Ψと仮定し、
【数53】
Σ=E(xx)=AA+Ψ   …式(53)
とし、観測値から求められる共分散は、
【数54】
Figure 2004112508
に基づいて推定を行う。もっとも単純な方法が最小二乗推定であり、Σとrとの誤差を最小化するものである。
【0138】
すなわち、損失関数L(A,Ψ)をr=AA+Ψにより、
【数55】
L(A,Ψ)=tr(r−AA−Ψ)(r−AA−Ψ)  …式(55)
として最小化する。(42)式をA,Ψにより偏微分することで最小二乗法によるA,Ψは、AとΨに関する次の解が得られる。
【0139】
【数56】
(r−Ψ)A=A(AA)   …式(56)
【数57】
Ψ=diag(r−AA)    …式(57)
次に、自由度を考えると、Σの自由度はn(n+1)/2である。一方、AとΣのパラメータの数は(m+1)n。ただし、直交行列分の任意性を差し引かないといけないのでm(m−1)/2を引くと、この自由パラメータがΣの自由度より少ないということから、
【数58】
Figure 2004112508
ここで、m<nと言う条件を加えてこれを解くと、
【数59】
Figure 2004112508
となる。これが解が存在するための必要十分条件である。
【0140】
以上よりノイズを含むモデルについてセンサによる観測信号xと因子分析後のセンサによる信号χ^との関係は、一般化逆行列として、
【数60】
Q=[AΨ−1Ψ−1−1   …式(60)
を用いて
【数61】
Figure 2004112508
より得られる。
【0141】
(変形例6)
変形例6は、図5に示す信号分離部70のアルゴリズムとして、情報量最大化(Infomax)する手法を採用する。
【0142】
今、観測信号の確率変数をXとすると通信路Gに通して確率変数Yを得たとする。この間の関係を、
【数62】
Y=G(X)+N   …式(62)
N:雑音
とし、このとき出力Yが持っている入力Xに関する情報量ができる限り大きくなるように通信路を設計するというのが情報化最大量(Infomax)の考えかたの基本となる。
【0143】
具体的には、XとYとの間の相互情報量をある制約のもとで最大化する問題ということになる。
【0144】
独立成分分析の場合は線形演算と非線形変換の組み合わせで、
【数63】
Figure 2004112508
と考え、その相互情報量は、
【数64】
Figure 2004112508
となる。
【0145】
この場合XとYの間には雑音成分の曖昧さしかないから、条件つきエントロピーは雑音のエントロピーに等しくなる。情報化最大量(Infomax)の考え方では、この部分が大切な役割を果たし、結局ここから先は雑音を考えないで討議することになる。
【0146】
最急降下法によって相互情報量の微分はYのエントロピーの微分は、
【数65】
Figure 2004112508
となる。この場合非線形変換の取り扱いに注意して、XとYの分布の関係はy=G(Wx)の対応関係が一対一だとすれば、
【数66】
Figure 2004112508
と書ける。ただし、Jはこの対応関係のJacobianで、
【数67】
Figure 2004112508
で定義され、具体的に計算するとGの微分をG’として、
【数68】
Figure 2004112508
【数69】
Figure 2004112508
となる。YのエントロピーをXの分布で表すと、
【数70】
Figure 2004112508
となる。これは、
【数71】
Figure 2004112508
となることを使って、
【数72】
Figure 2004112508
と書けば、[1]で示したようにψ(y)を更新していくことで、Wを求めることができる。
【0147】
(変形例7)
変形例7は、図5に示す到来方位演算部80のアルゴリズムとして、MUSIC (MUltiple SIgnal Classification)法を採用する。
【0148】
MUSIC法は、Super Resolutionアルゴリズムの中でも、最も代表的なものである。共分散行列を固有値分解して信号と雑音の部分空間に分け、信号が雑音の部分空間に直交する性質を用いて到来方向を求める方法で、Noise Subspace Fitting (NSF)の一種である。空間の直交性を利用しているため、1回の方向サーチで複数の到来方向を求めることができる。しかしながら、相関性のある入射信号は分離できない。
【0149】
以下、MUSIC法に関するアルゴリズムについて説明する。
【0150】
(1) Rを固有値解析し、観測信号と雑音の部分空間に分解する。なお、上述した到来波数推定が必要になる。
【0151】
(2) サーチする方向θのMUSICスペクトラムは、
【数73】
Figure 2004112508
となる。観測信号と雑音の部分空間は互いに直交する補空間であることから、PMUは入射信号の到来方向に鋭いピークを持つ。方向サーチして、大きい順にL個のピークを抽出する。
【0152】
(変形例8)
変形例8は、図5に示す到来方位演算部80のアルゴリズムとして、cumulant−MUSIC法を採用する。
【0153】
その特徴は、アルゴリズムはMUSIC法と同じであるが、共分散行列の計算に4次のcumulantを導入している。4次のcumulantはガウス雑音を抑圧すると言われているため、MUSIC法よりも雑音に強いことが期待される。
【0154】
アルゴリズムは、基本的にMUSIC法と同じであり、2次の共分散行列Rの代わりに4次のcumulantによる行列Cを計算する。ここで、行列Cは、
【数74】
C = {cij} (i,j=1..K)      …式(74)
ij = Σ cum(X , X, X , X
となる。
【0155】
(変形例9)
変形例9は、図5に示す到来方位演算部80のアルゴリズムとして、WSF (Weighted Subspace Fitting)法を採用する。
【0156】
その特徴は、MUSIC法が雑音の部分空間を用いて到来方向を求めるのに対して、WSF法では信号の部分空間を用いて到来方向を求めており、Signal Subspace Fitting (SSF) の一種である。
【0157】
相関性のある観測信号も分離可能である。L波の到来方向を多次元サーチしなければならず、計算量が多くなるため、予めMUSIC等で初期値を決めておき、サーチする範囲を限定するのが良い。
【0158】
アルゴリズムは、(1) Rを固有値解析し、観測信号と雑音の部分空間に分解する。なお、前もって到来波数の推定を行う必要がある。(2) 以下のVWSFを最小にするθ= [θ,…, θ ]をサーチして求める。
【0159】
【数75】
WSF (θ) = Tr ( P  W E  )   …式(75)
 = (Λ − σ2 I ) 2Λ −1
(変形例10)
変形例10は、図5に示す到来方位演算部80のアルゴリズムとして、USF (Unweighted Subspace Fitting) 法を採用する。
【0160】
USF法の特徴は、WSF法と同じくSSF法の一種であり、WSF法のウエイトWを単位行列Iに置き換えたものであり、(unweighted) MD−MUSIC (Multidimentional MUSIC)法も呼ばれる。
【0161】
L波の到来方向の多次元サーチが必要で、予めMUSIC法で初期値を決めておき、サーチする範囲を限定するのが良く、繰り返し計算により収束させるアルゴリズムもよい。
【0162】
アルゴリズムは、(1) Rを固有値解析し、観測信号と雑音の部分空間に分解する。この時、到来波数を推定しておく必要がある。(2) 以下のVUSFを最小にするθ= [θ,…, θ ]をサーチ、または収束アルゴリズムにより求める。
【0163】
【数76】
USF (θ) = Tr ( P  E  )    …式(76)
(変形例11)
変形例11は、図5に示す到来方位演算部80のアルゴリズムとして、ML (Maximum Likelihood) 法を採用する。
【0164】
ML法の特徴は、観測量から隠れた未知のパラメータを推定する一般的な方法である。観測された量の確立密度関数(PDF)の積で表されるlikelihood functionが最大になるようにパラメータを決定する。
【0165】
ML法には unconditional ML (UML)(またはstochastic ML)と conditional ML (CML) (またはdeterministic ML)の2つがあるが、いずれもL波の到来方向の多次元サーチが必要である。予めMUSIC法等で初期値を決めておき、サーチする範囲を限定するのが良く、相関性のある観測信号にも有効である。
【0166】
アルゴリズムは、(1) 到来波数推定アルゴリズムにより到来波数を推定する。
(2) 以下のVUML 又はVCMLを最小にするθ= [θ,…, θ ]をサーチ、または収束アルゴリズムにより求める。
【0167】
【数77】
UML (θ) = log ( det [P RP − Tr(P ) P  / (K−L)] )  …式(77)
CML (θ) = Tr(P R)
(変形例12)
変形例12は、図5に示す到来方位演算部80のアルゴリズムとして、最小分散法を採用する。
【0168】
その特徴は、Capon法とも呼ばれ、メインローブをある到来波方向に向け、他の到来波方向にヌルを向けており、MUSIC法に比べて分解能は悪く、相関性のある観測信号は分離できない。
【0169】
アルゴリズムは、(1) サーチする方向θのスペクトラムPCPを計算する。
【0170】
【数78】
Figure 2004112508
方向サーチして、大きい順にL個のピークを抽出する。なお、アルゴリズムとして直接的には到来波数の推定を行う必要はないが、L個のピークをサーチするために必要となる。
【0171】
(変形例13)
変形例13は、図5に示す到来方位演算部80のアルゴリズムとして、BF法 (beamformer)を採用する。
【0172】
その特徴は、メインローブを走査してアレイの出力電力が大きくなる方向をサーチする方法である。但し、角度分解能が悪く、複数の到来波がある場合分離が困難で方向も不正確になる。
【0173】
アルゴリズムは、(1) サーチする方向θのスペクトラムPBFを計算する。
【0174】
【数79】
Figure 2004112508
方向サーチして、大きい順にピークを抽出する。
【0175】
(変形例14)
変形例14は、図5に示す到来方位演算部80のアルゴリズムとして、DOSE (Direction of Source Elimination)法 を採用する。
【0176】
その特徴は、到来方向にヌルを作ってスペクトラムをサーチし、別な到来波のピークがあればその方向にもヌルを作り、残余電力が十分小さくなるまで段階的にヌルを作って到来波を一つ一つ特定していく方法である。
【0177】
他の到来波数推定アルゴリズムとは、独立に到来波数を推定できる。比較的スナップショット数が小さい範囲でMUSIC法と同等以上の精度が出る。また、固有値解析を行わないため、到来波数が小さい場合はMUSIC法よりも演算時間が短いこともある。また、固有値解析をしないため、相関性のある信号でも分離できると考えられるが、スペクトラムは分解能が悪く(ヌルを作らない場合BF法と同じ)、近接した到来波の分離は難しいと考えられ、到来方向推定の初段のサーチに向いている可能性がある。
【0178】
アルゴリズムは、(1) 最初はヌルを指定せずに、サーチする方向θについてスペクトラムPを計算し、最大になる方向θを求める。
【0179】
【数80】
Figure 2004112508
(2) θ方向にヌルをつくってスペクトラムPを計算する。
【0180】
【数81】
Figure 2004112508
但し、
【数82】
Q = I − A(AA) −1
A : ヌルを作る方向のステアリング行列   …式(82)
Y = QX  R = YY / N
(3) サーチしてPの最大値を求める。最大値がスレッショルド値より大きければ、その方向θを求め、θ, θの方向にヌルをつくるようにして(2)の手順に戻る。
【0181】
(4) (2),(3)の手順を、Pの最大値がスレッショルド値を下回るまで繰り返す。L回繰り返したとすると、θ= [θ,…, θ ]が到来方向である。
【0182】
(変形例15)
変形例15は、図5に示す到来方位演算部80のアルゴリズムとして、Blind−MAXCOR (MAXimum spatial CORrelation method after Blind identification ofthe sources steering vector) 法 を採用する。
【0183】
Blind−MAXCOR法の特徴は、ブラインド分離アルゴリズムにより計算で求められた信号のステアリングベクトルと、サーチする方向θのステアリングベクトルの相関をとり、相関係数が最大になる方向をサーチすることにより到来方向を求める方法である。
【0184】
アルゴリズムは、(1) ブラインド分離アルゴリズムにより信号分離を行い、信号のステアリングベクトルを求める。得られたi番目の信号のステアリングベクトルをa’i (i=1..L)とする。(2) 1〜Lの到来波について、サーチする方向θの範囲で相関係数α(i=1..L)を計算し、最大になる方位を求める。
【0185】
【数83】
Figure 2004112508
(変形例16)
変形例16は、図5に示す到来方位演算部80のアルゴリズムとして、Blind−MUSIC法を採用する。
【0186】
Blind−MUSIC法の特徴は、ブラインド分離アルゴリズムにより計算で求められた信号のステアリングベクトルと、サーチする方向θのステアリングベクトルでスペクトラムを計算し、最大になる方向をサーチすることにより到来方向を求める方法である。
【0187】
アルゴリズムは、(1) ブラインド分離アルゴリズムにより信号分離を行い、信号のステアリングベクトルを求める。得られたi番目の信号のステアリングベクトルをa’i (i=1..L)とし、ステアリング行列をA’=[a’,…, a’]とする。
【0188】
(2) サーチする方向θの範囲でBlind−MUSICスペクトラムPBMUを計算し、大きい順にL個のピークとその方位を求める。
【0189】
【数84】
Figure 2004112508
(変形例17)
変形例17は、図5に示す到来方位演算部80のアルゴリズムとして、 ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)法を採用する。
【0190】
ESPRITの特徴は、干渉計の原理と同じく、2つの同一のサブアレイを含むアレイに適用される。2つのサブアレイは既知のベクトルΔだけ平行移動した関係にあるため、それぞれの到来波についてサブアレイ間で受信する信号は位相が異なっているだけである。到来方向θは、サブアレイ間の位相差から求まる。
【0191】
他のアルゴリズムと異なり、スペクトラムサーチをしない。また、2つの同一パターンをもったサブアレイという制約はあるが、ステアリングベクトルは未知でも良いという特徴がある。但し、円形アレイには適さないため、直接ESPRITの適用はしない。
【0192】
アルゴリズムは、(1) Rを固有値解析し、信号部分空間Eを求める。なお、到来波数を推定しておく必要がある。
【0193】
(2) Eから2つのサブアレイの部分EとEを取り出す。(全体のアレイから2つのサブアレイを取り出す行列をJ,Jで表すと、E = J, E = J
(3) E = EΨをΨについて解く。
【0194】
▲1▼ LS−ESPRIT (Least Squares ESPRIT)
【数85】
Ψ = (E H −1  H       …式(85)
▲2▼ TLS−ESPRIT (Total Least Squares ESPRIT)
を計算する。
【0195】
【数86】
XY = [E E]    …式(86)
 = EXY  EXY  
を固有値分解し、固有値の大きい順に固有ベクトルを並べる。V = [v,…, v2L]       : v,…, v2L : Rの固有ベクトル(固有値の大きい順)
【数87】
 =    = [vL+1,…, v2L]:GX : Vの上半分、GY : Vの下半分
Ψ = −G   −1     …式(87)
(4) Ψを固有値解析し、固有値φ ( l = 1,..,L )からθ( l = 1,..,L )を求める。
【0196】
【数88】
θl = sin−1     arg(φl )    …式(88)
(変形例18)
変形例18は、図5に示す到来方位演算部80のアルゴリズムとして、 VESPA (Virtual ESPrit Algorithm) 法を採用する。
【0197】
ESPRIT法には、2つの同一パターンを持つサブアレイを含むアレイという制約があったが、仮想素子を作ることによって、2つの同一パターンを持つアンテナを含むアレイにESPRITを適用できるように拡張したアルゴリズムがVESPAである。仮想素子はcumulantを用いて作る。
【0198】
ESPRITと同様、スペクトラムサーチ不要で、同一パターンのアンテナ2本があればステアリングベクトルは未知でも良いという特徴がある。
【0199】
アルゴリズムは、(1) 4次のcumulantにより共分散行列Cの各要素を計算する。(1番目とK番目のアンテナパターンが等しいとする。)
【数89】
Figure 2004112508
(2) 共分散行列Rの代わりにCについてESPRITアルゴリズムを適用する。2つのサブアレイはアンテナ1〜KとアンテナK〜2K−1(K+1〜2K−1は仮想アンテナ)である。
【0200】
以上詳述したように、信号分離部70は、確率分布の独立性に基づく分離法、勾配法、不動点法、FastICA法、相関関数行列の同時対角化法、JADE法、因子分析法、情報量を最大化する手法のいずれか1つを処理アルゴリズムとして採用することで、信号数推定処理部20から出力された観測信号から同時に存在する入射信号をそれぞれ分離することができる。
【0201】
また、到来方位探知部80は、MUSIC法、cumulant−MUSIC法、WSF法、USF法、ML 法、最小分散法、BF法、DOSE法、Blind−MAXCOR法、Blind−MUSIC法、ESPRIT法、VESPA法のいずれか1つを処理アルゴリズムとして採用することで、信号数推定処理部20から出力された観測信号から同時に存在する入射信号の到来方位を分離することができる。
【0202】
【発明の効果】
請求項1記載の本発明によれば、複数の入射信号が同時に入射される複数のセンサからの観測信号に基づいて、入射信号の信号数を推定して複数の観測信号の中から当該信号数分の観測信号を選択して出力するので、有効な観測信号のみに基づいて所定の信号処理を行うことができ、受信装置の処理速度と処理結果の精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る受信装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図2】信号数推定処理部20の内部構成を示す図である。
【図3】観測信号の固有値を示すグラフ(a)、観測信号がないときの固有値を示すグラフ(b)、グラフ(a),(b)間の差を示す図である。
【図4】入射信号の到来方位に関する測定方法を説明するための図である。
【図5】本発明の第2の実施の形態に係る受信装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【符号の説明】
1〜7 第1〜第7アンテナ
10 サンプリング部
20 信号数推定処理部
21 入力バッファ部
22 第1固有値解析部
23 第2固有値解析部
24−1〜24−7 減算器
25 信号数決定部
26 対象信号選択部
30 ブラインド処理部
40 分離信号出力処理部
50 到来方位演算部
60 到来方位出力処理部
70 信号分離部
80 到来方位探知部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a receiving device that measures a direction of arrival of a signal by arranging a plurality of sensors, and separates and receives a plurality of simultaneously existing signals.
[0002]
[Prior art]
Generally, in direction detection by super-resolution (super-resolution) and signal separation by independent component analysis, first, a covariance matrix is generated based on time-series data of an observed signal, and eigenvalue analysis is performed.
[0003]
It is necessary to estimate the number of signals from the distribution of the eigenvalues. Generally, in estimating the number of signals, a technique such as AIC (Akaike Information Criteria) or MDL (Minimum Description Length) is adopted.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In general, among eigenvalues equal to the number of sensors, it is easy to make it difficult to distinguish which is a signal component and which is a noise component.
[0005]
Here, even if the method such as AIC or MDL described above is adopted, if an error occurs when estimating the number of signals, the performance is degraded in subsequent direction detection processing and signal separation processing.
[0006]
Therefore, when estimating the number of signals simultaneously included in observation signals from a plurality of sensors from the eigenvalue distribution, there has been a demand to clarify a boundary between a signal and noise.
[0007]
The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to perform predetermined signal processing based on only valid observation signals, and to improve processing speed and accuracy of processing results. It is to provide a device.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to an embodiment of the present invention, there is provided a receiving apparatus for performing predetermined signal processing based on a received observation signal, wherein a plurality of sensors to which a plurality of incident signals are simultaneously incident, and the plurality of sensors are provided. And a signal number estimation processing section for estimating the number of incident signals based on the observation signals from the plurality of observation signals and selecting observation signals corresponding to the number of observation signals from a plurality of observation signals.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in order to solve the above-mentioned problem, the number estimation processing unit generates a first covariance matrix from time-series data and the number of data of the observation signal, and generates the first covariance matrix. A first eigenvalue analyzing unit for eigenvalue analyzing the matrix to obtain a first eigenvalue, and a second covariance matrix generated from time-series data and the number of data of the noise interference signal in the absence of the observation signal. A second eigenvalue analysis unit for eigenvalue analysis of the covariance matrix of Eq. 2 to obtain a second eigenvalue, and a difference between the first and second eigenvalues obtained from the first eigenvalue analysis unit and the second eigenvalue analysis unit. A subtractor to be obtained, a signal number determining unit that outputs a selection permission signal for the number of signals whose difference obtained by the subtractor is larger than a reference value, and a selection permission signal output from the signal number determination unit. Out of the plurality of observation signals And gist that a target signal selecting section for selecting and outputting measurement signals.
[0010]
According to a third aspect of the present invention, in order to solve the above-described problem, a separation unit that separates the plurality of incident signals by blind processing based on observation signals corresponding to the number of signals selected by the signal number estimation processing unit. For each of the plurality of incident signals, a vector operation unit that obtains a complex vector amount indicating a relative relationship between amplitude and phase distribution in the plurality of sensors, and a physical position of the plurality of sensors and the vector operation unit. Based on the complex vector amount, an arrival direction calculation unit that determines the arrival directions of the plurality of incident signals, and a signal that is separated by the separation unit and a signal that indicates the arrival direction obtained by the arrival direction calculation unit. The gist of the present invention is to provide an output unit for outputting in association with the output.
[0011]
In order to solve the above problem, the invention according to claim 4 performs eigenvalue analysis based on the number of observation signals corresponding to the number of signals selected by the signal number estimation processing unit, and sets eigenvectors obtained simultaneously as signal eigenvectors. A gist of the present invention is to provide a signal separation unit that separates a signal component of a captured signal into noise eigenvectors by using the signal eigenvector, and separates a plurality of simultaneously existing signals by independent component analysis of the mapped data.
[0012]
In order to solve the above problem, the invention according to claim 5 performs eigenvalue analysis based on the number of observation signals corresponding to the number of signals selected by the number-of-signals estimation processing unit, and calculates a signal eigenvector from an eigenvector obtained simultaneously. The gist of the invention is to provide a direction-of-arrival detecting unit that separates the eigenvector into noise eigenvectors and detects the direction of arrival of a signal by calculating the eigenvectors and the response data of the sensor.
[0013]
According to a sixth aspect of the present invention, in order to solve the above-mentioned problem, the signal separation unit includes a separation method based on independence of a probability distribution, a gradient method, a fixed point method, a FastICA method, and a simultaneous diagonalization method of a correlation function matrix. , The JADE method, the factor analysis method, or the method for maximizing the amount of information is adopted as the processing algorithm.
[0014]
According to a seventh aspect of the present invention, in order to solve the above-mentioned problem, the direction-of-arrival detecting unit includes a MUSIC method, a cumulant-MUSIC method, a WSF method, a USF method, a ML method, a minimum dispersion method, a BF method, a DOSE method, and a Blind method. -The gist is to adopt any one of the MAXCOR method, the Blind-MUSIC method, the ESPRIT method, and the VESPA method as the processing algorithm.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0016]
(First Embodiment)
In the receiving device according to the first embodiment of the present invention, an antenna is used as a sensor. In the following description, the number n of antennas is set to “7” and the number m of incident signals is set to “4”. However, the number of antennas and the number of incident signals are not limited to these and are arbitrary.
[0017]
The receiving apparatus according to the first embodiment separates and outputs an original signal from a mixed signal of a plurality of incident signals incident on a plurality of antennas, and two-dimensionally measures an arrival direction of each incident signal. And output.
[0018]
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of a receiving apparatus according to the first embodiment of the present invention.
[0019]
The receiving apparatus includes first to seventh antennas 1 to 7, a sampling unit 10, a signal number estimation processing unit 20, a blind processing unit 30, a separated signal output processing unit 40, an arrival direction calculation unit 50, and an arrival direction output processing unit 60. It is composed of
[0020]
The first to seventh antennas 1 to 7 correspond to a plurality of sensors of the present invention. As these first to seventh antennas 1 to 7, antennas having directivity such as a parabolic antenna and a Yagi antenna are used. The intervals and heights at which the first to seventh antennas 1 to 7 are installed are arbitrary.
[0021]
The first antenna 1 has a plurality of incident signals (radio waves) S from the air.1~ S7Are sent to the sampling unit 10. Similarly, the second to seventh antennas 2 to 7 output a plurality of incident signals S from the air.1~ S7Are sent to the sampling unit 10.
[0022]
Although not shown, the sampling unit 10 includes a local oscillator, an intermediate frequency converter, an oscillator, and an A / D converter.
[0023]
The local oscillator generates a signal having an oscillation frequency necessary for converting the received high frequency to an intermediate frequency. The intermediate frequency converter amplifies the high frequency in the reception frequency band from the first to seventh antennas 1 to 7 and mixes the signal with the signal from the local oscillator to generate a sum or difference frequency between the signals. The signal is converted to a signal and further amplified. The amplified intermediate frequency signal is supplied to the A / D converter.
[0024]
The oscillator generates a sampling clock for sampling an analog signal. The A / D converter uses the sampling clock from the oscillator to sample the analog signal from the intermediate frequency converter and converts it into a digital signal. The digital signal converted by the A / D converter is supplied to the signal number estimation processing unit 20.
[0025]
As shown in FIG. 2, the signal number estimation processing unit 20 includes an input buffer unit 21, a first eigenvalue analysis unit 22, a second eigenvalue analysis unit 23, subtracters 24-1 to 24-7, a signal number determination unit 25, The target signal selector 26 is provided.
[0026]
The signal number estimation processing unit 20 estimates the number of incident signals based on the observation signals from the first to seventh antennas 1 to 7 and divides the number of observation signals from the plurality of observation signals into observation signals. Select and supply to the blind processing unit 30.
[0027]
Here, the input buffer unit 21 outputs the time-series data of the observation signal input from the sampling unit 10 to the first eigenvalue analysis unit 22, the second eigenvalue analysis unit 23, and the target signal selection unit 26.
[0028]
The first eigenvalue analysis unit 22 generates a covariance matrix Rxx from the time series data and the number of data of the observation signal input from the sampling unit 10 via the input buffer unit 21, and performs eigenvalue analysis on the covariance matrix Rxx. The eigenvalues Ex1, Ex2,..., Exn are obtained.
[0029]
The second eigenvalue analysis unit 23 calculates a covariance matrix Ryy from time-series data and the number of data of the observation signal Y (noise interfering signal) without the observation signal input from the sampling unit 10 via the input buffer unit 21. , And the eigenvalues Ey1, Ey2,..., Eyn are obtained by eigenvalue analysis of the covariance matrix Ryy.
[0030]
The subtracters 24-1 to 24-7 determine the difference ΔR from the two eigenvalue groups Rxx and Ryy obtained from the first eigenvalue analysis unit 22 and the second eigenvalue analysis unit 23.
[0031]
The signal number determination unit 25 counts +1 when each eigenvalue indicating the difference ΔR, that is, the value of the eigenvalue Ex1-Ey1, Ex2-Ey2,..., Exn-Eyn is larger than the reference value ΔRref. By setting it to 0, the number of signals k is determined from each of ΔR from 1 to n, and the selection permission signals EN1 to EN7 are output to the target signal selection unit 26.
[0032]
The target signal selection unit 26 uses the selection permission signals EN1 to EN7 output from the signal number determination unit 25 to generate n observation signals x1(T)-xnK observation signals selected and permitted from (t) are represented by observation signals X1, ..., kIt is sent to the blind processing unit 30 as (t).
[0033]
The blind processing unit 30 corresponds to the separation unit and the vector operation unit according to the present invention. The blind processing unit 30 uses an original signal (incident signal S1~ S7Are separated and extracted from the observation signal obtained by mixing any one of the two. The signals separated and extracted by the blind processing unit 30 are sent to the separated signal output processing unit 40. Further, the blind processing unit 30 calculates the above-described matrix A (see Expression (6) described below) and sends the matrix A to the arrival direction calculation unit 50.
[0034]
The separation signal output processing unit 40 corresponds to a part of the output unit of the present invention. The separation signal output processing unit 40 is configured by a D / A converter. The D / A converter converts the digital signal from the blind processing unit 30 into an analog signal and outputs the separated signal O1~ O4Is output as
[0035]
The arrival direction calculation unit 50 corresponds to the arrival direction calculation unit of the present invention. The arrival direction calculation unit 50 performs a phase difference calculation between sensors and a direction calculation by an interferometer method based on the matrix A from the blind processing unit 30. Details of these calculations will be described later. The signal indicating the direction of arrival calculated by the direction of arrival calculation unit 50 is sent to the direction of arrival output processing unit 60.
[0036]
The arrival direction output processing unit 60 is configured by a D / A converter. The D / A converter converts the digital signal from the arrival direction calculation unit 50 into an analog signal, and1~ D4And output to the outside.
[0037]
Next, the operation of the receiving apparatus according to the first embodiment of the present invention configured as described above will be described.
[0038]
Incident signal S observed at each antenna 1-71, ..., 7Is sent to the sampling unit 10.
[0039]
The intermediate frequency converter of the sampling unit 10 outputs the incident signal S1, ..., 7, And converts the mixed signal into an intermediate frequency signal, and sends it to the A / D converter 41. The A / D converter converts the received analog signal into a digital signal by sampling using a sampling clock from an oscillator. The converted digital signal is the observation signal x1, ..., 7As (t), it is sent to the signal number estimation processing unit 20.
[0040]
The number-of-signals estimation processing unit 20 calculates the observation signal x from the sampling unit 10.1, ..., 7Based on (t), the number k of incident signals is estimated, and observation signals corresponding to the number k of signals are selected from a plurality of observation signals and output to the blind processing unit 30.
[0041]
First, a method of generating a covariance matrix will be described as a first-stage process by the signal number estimation processing unit 20.
[0042]
Now, it is assumed that m (m is an integer of 2 or more) signals are simultaneously incident on an array of n (n is an integer of 2 or more) sensors. This state can be represented by the following equation (1).
[0043]
(Equation 1)
X1 ~ n(T) = AS1 ~ n(T) + N1 ~ n(T) ... (1)
Where X1 ~ n(T) is time-series data composed of complex numbers observed by each sensor, A is an n-row × m-column signal mixing matrix that can be determined by the arrangement and characteristics of the sensors, S1 ~ m(T) is m incident signals including external noise, N1 ~ n(T) is the internal noise in each sensor.
[0044]
When the above equation (1) is expressed in a matrix format, as shown in the following equation (2),
(Equation 2)
X = A · S + N (2)
Becomes Here, X is n rows × time series data sequence, A is n rows × m column, S is m rows × time sequence data sequence, and N is n rows × time sequence data sequence.
[0045]
The covariance matrix Rxx has n rows and n columns, and as shown in the following equation (3),
(Equation 3)
Rxx = XXTNumber of time series data… (3)
Is represented by Where XTIs the reverse conjugate transpose of X.
[0046]
The first eigenvalue analysis unit 22 generates a covariance matrix Rxx from the time series data and the number of data of the observation signal input from the sampling unit 10 via the input buffer unit 21 according to the above equation (3). The eigenvalues obtained by eigenvalue analysis of the matrix Rxx are referred to as Ex1, Ex2,..., Exn.
[0047]
FIG. 3A is a diagram showing the magnitudes of the eigenvalues Ex1, Ex2,..., Exn in a bar graph, and shows a state where the boundary between the target signal component and the noise interference component is unclear at the level P1.
[0048]
On the other hand, when an observation signal containing no signal component is represented by Y,
(Equation 4)
Y = A · Snosig + N (4)
Snosig is obtained by removing the target signal component of interest from the state of the incident signal S, and has only a noise interference component including an external noise component and an interference component.
[0049]
The second eigenvalue analysis unit 23 performs the covariance based on the time series data and the number of data of the observation signal Y (noise interference signal) input from the sampling unit 10 via the input buffer unit 21 in the same manner as in the equation (3). A matrix Ryy is generated, and eigenvalues obtained by eigenvalue analysis of the covariance matrix Ryy are referred to as Ey1, Ey2,..., Eyn.
[0050]
FIG. 3B is a diagram showing the magnitudes of the eigenvalues Ey1, Ey2,..., Eyn in a bar graph.
[0051]
Next, a method of removing noise interference components will be described as a second stage process by the signal number estimation processing unit 20.
[0052]
Here, when the difference ΔR between the two eigenvalue groups Rxx and Ryy is obtained,
(Equation 5)
ΔR = eigenvalue of Rxx−eigenvalue of Ryy =
Ex1-Ey1, Ex2-Ey2,..., Exn-Eyn (5)
Becomes
[0053]
The subtracters 24-1 to 24-7 calculate the difference ΔR between the two eigenvalue groups Rxx and Ryy according to the above equation (5).
[0054]
FIG. 3C is a diagram showing a difference ΔR between the two eigenvalue groups Rxx and Ryy, that is, the magnitudes of the eigenvalues Ex1-Ey1, Ex2-Ey2,..., Exn-Eyn in a bar graph. This shows a state in which the boundary between the target signal component and the noise interference component is clear. As shown in FIG. 3C, the target signal component stands out in this distribution.
[0055]
The number-of-signals determination unit 25 counts +1 when the values of the eigenvalues Ex1-Ey1, Ex2-Ey2,..., Exn-Eyn are larger than the reference value ΔRref shown in FIG. By doing so, the number of signals k is determined from each of ΔR from 1 to n, and the selection permission signals EN1 to EN7 that become high level when the eigenvalue is larger than the reference value ΔRref are output to the target signal selection unit 26. . It should be noted that the reference value ΔRref may be, for example, an average value obtained by calculating the sum of the eigenvalues Ex1-Ey1, Ex2-Ey2,..., Exn-Eyn, and dividing the sum by the number n.
[0056]
The target signal selection unit 26 uses the high-level selection permission signals EN1 to EN7 output from the signal number determination unit 25 to generate n observation signals x1(T)-xnThe k observation signals selected and permitted by the high-level selection permission signals EN1 to EN7 from (t) are represented by observation signals X1, ..., kIt is sent to the blind processing unit 30 as (t).
[0057]
As a result, since the blind processing unit 30 performs the calculation using the k observation signals, the amount of calculation can be reduced as compared with the conventional case where the calculation is performed with n observation signals, and the calculation time can be reduced. Moreover, since only the observation signal whose signal component is larger than the noise component can be used, clear blind processing can be performed.
[0058]
Generally, in azimuth measurement or null steering by super resolution, information corresponding to “A” in the above equation (1) is directly or indirectly estimated.
[0059]
For example, in the MUSIC method, a matrix composed of noise eigenvectors orthogonal to the matrix corresponding to “A” is obtained, and the azimuth is obtained from the correlation between the matrix and the steering vector.
[0060]
On the other hand, in the present embodiment, this “A” is obtained by so-called blind processing. Here, blind processing refers to incident signals S up to the same number as the number of sensors without prior knowledge of the responsiveness of the sensors, the properties of the signals, the direction of arrival, and the like.1, ..., nIs separated, and as a result, a matrix A is obtained. This algorithm is called independent component analysis (ICA: Independent Component Analysis) or blind signal separation (BSS: Blind Source Separation), and many known documents have been published.
[0061]
The matrix A indicates an amount corresponding to the amplitude and phase distribution in each sensor, and is an amount related to the arrival direction of the signal. In order to directly determine the direction of arrival of a signal from the matrix A, a steering vector is generally required. In the present invention, the direction of arrival of a signal is determined without using a steering vector.
[0062]
The blind processing unit 30 calculates the observation signal X1, ..., 4Using the four sampling time series data sent as (t), the signal Y1, ..., 4(T) is separated and extracted, and a matrix A is obtained.
[0063]
That is, the blind processing unit 30 outputs the observation signal X1, ..., nThe signal y (t) in the selected band is separated and extracted by the blind signal separation algorithm using the n sampling time series transmitted as (t).
[0064]
Hereinafter, a procedure of separation and extraction in the blind processing unit 30 will be described in detail.
[0065]
First, the fundamental problem of blind signal separation is defined here. It is assumed that the signal source is given by the vector of the following equation (6).
[0066]
(Equation 6)
s (t) = (s1(T), ..., sn(T))T{T = 0, 1, 2,...} Equation (6)
Here, it is assumed that s (t) is n incident signals, has an average of “0”, and is independent of each other. T represents transposition.
[0067]
Observation means time-series data observed and band-limited by each antenna 1 to 7,
(Equation 7)
x (t) = (x1(T), ..., xn(T))T{T = 0, 1, 2, ...} Equation (7)
It shall be represented by This can be considered as a signal observed by each of the antennas 1 to 7 of 1,..., N. Generally, the number of antennas does not always match the number of signal sources, but it is assumed here that they match.
[0068]
In a simple ICA problem, between s (t) and x (t),
(Equation 8)
x (t) = As (t) Equation (8)
Assume a simple linear relationship A is a real matrix of a signal mixing matrix (n rows × n columns) determined by the arrangement and characteristics of the antennas 1 to 7. x (t) is separated into independent signal components without knowledge of s (t) or A.
[0069]
That is, by obtaining a certain n × n real matrix,
(Equation 9)
y (t) = Bx (t) Equation (9)
The purpose of ICA is to reconstruct mutually independent y (t) determined by
[0070]
One of the solutions to this problem is a separation method based on the independence of probability distributions. Each siUnder the assumption that (t) is (strong) stationary and not Gaussian, yiVarious methods have been proposed for obtaining B so that (t) is independent of each other, and many of them can be summarized as follows. Assuming that y (t) is a strongly stationary process, the density function of the simultaneous distribution is
(Equation 10)
p (y) = p (y1, ..., yn) ... Equation (10)
Then the definition of independence is p (yi) To p (y) yiAs a marginal distribution on,
[Equation 11]
Figure 2004112508
And multiply.
[0071]
The distance between the joint distribution and the marginal distribution Kullback-LeiblerlDivergence (Kullback-Leibler information amount) is:
(Equation 12)
Figure 2004112508
Becomes Here, H (Y; B) is the entropy of the joint distribution p (y), and H (YiB) is a marginal distribution p (yi) Entropy.
[0072]
This is {Yi相互 (i = 1,..., N). Based on the assumption that the signal source is not normally distributed, KL (B) becomes p (yi) Is “0” only when they are independent of each other. These are determined by p (x) and B.
[0073]
Note that p (y) dy = p (x) dx and p (y) = p (x) / | B | (| B | is the determinant of B).
(Equation 13)
Figure 2004112508
Becomes
[0074]
On the other hand, the entropy of the marginal distribution is
[Equation 14]
Figure 2004112508
It is. Therefore,
[Equation 15]
Figure 2004112508
Becomes
(Equation 16)
Figure 2004112508
Then, the correct B can be obtained as the steepest descent method. The problem in equation (16) is that the inverse matrix (BT)-1Is calculated.
[0075]
Regarding the convergence, since this may be multiplied by any positive definite matrix, BTMultiplying by B (which corresponds to a Rieman metric on a manifold of a regular matrix)
[Equation 17]
ΔB∝ (IEx[Ψ (y) yT] B Equation (17)
Becomes a new learning rule. By the assumption of stationarity, p (s), p (x) and p (y) are temporally independent. Under this assumption, the ensemble average can be replaced by a time average.
[0076]
(Equation 18)
Figure 2004112508
Therefore, if η is a positive constant and the parameters are updated according to the following equation (19) every time data is observed, BtIs obtained.
[0077]
[Equation 19]
Bt + 1= Bt+ Η (I-ψ (y) yT) Bt… Equation (19)
Here, naturally, the problem is that p (yi) Or ψ (y). Usually, this uses a parametric nonlinear function or a statistical expansion method.
[0078]
A rough idea is that if p (yi) Is a normal distribution, then ψ (y) is a linear function. On the other hand, when the tail is "heavier" than the normal distribution (sub-Gaussian), it is better to approximate with a polynomial, and when the tail is "lighter" than the normal distribution (super-Gaussian), it is better to approximate with a sigmoid function. It is good. The sigmoid function works well because the tail of the audio signal is "light".
[0079]
The signal Y separated and extracted by the blind processing unit 301, ..., 4(T) is sent to the separation signal output processing unit 40. In the separation signal output processing unit 40, the signal Y transmitted as a digital signal from the blind processing unit 301, ..., 4(T) is converted to an analog signal, and the separated signal O1~ O4To the outside.
[0080]
Note that the above ICA solution is an example, and the present invention is not limited to this.
[0081]
On the other hand, the matrix A obtained by the blind processing unit 30 is sent to the arrival direction calculation unit 50. The arrival direction calculation unit 50 performs the following inter-sensor phase difference calculation based on the received matrix A.
[0082]
That is, first, a vector for a corresponding signal is extracted from the matrix A. Here, the vector is represented as the following equation (20).
[0083]
(Equation 20)
sig1 = [a11 + jb11, a12 + jb12, a13 + jb13, a14 + jb14] Expression (20)
sig2 = [a21 + jb21, a22 + jb22, a23 + jb23, a24 + jb24]
sig3 = [a31 + jb31, a32 + jb32, a33 + jb33, a34 + jb34]
sig4 = [a41 + jb41, a42 + jb42, a43 + jb43, a44 + jb44]
In the above equation (20), Sig1 is the incident signal S1Represents the state when only one exists, the complex vector “a11 + jb11” represents the amplitude and phase of the signal observed by the first antenna 11, and “a12 + jb12” represents the amplitude and phase of the signal observed by the second antenna 12. "A13 + jb13" represents the amplitude and phase of the signal observed by the third antenna 13, and "a14 + jb14" represents the amplitude and phase of the signal observed by the fourth antenna 14. The same applies to Sig2, Sig3 and Sig4.
[0084]
From this equation (20), the matrix A reflects the phase of the signal observed by each of the antennas 1 to 7, and from the distribution of this phase, the incident signal S1~ S7It can be understood that the arrival direction can be estimated. The interferometer method described later obtains the arrival direction of the signal from the distribution of the phase.
[0085]
From this vector, the phase difference between the sensors (beams) is determined. From the above equation (20), for example, the phase difference between the first antenna 1 and the second antenna 2 can be obtained from “phase angle (a11 + jb11) −phase angle (a12 + jb12)”, and “phase angle (a13 + jb13) −phase angle” (A14 + jb14) ", the phase difference between the third antenna 4 and the fourth antenna 4 can be obtained.
[0086]
Next, the arrival direction calculation unit 50 performs a direction calculation. That is, from any of the phase differences determined above and the physical positional relationship of the antenna, the incident signal S is determined by a normal interferometer method.1Find the direction of arrival.
[0087]
Hereinafter, the incident signal S1The method of obtaining the arrival direction of is described in detail. Now, as shown in FIG. 4, the distance between the first antenna 1 and the second antenna 2 is d, and the incident signal S at an angle θ is perpendicular to the line connecting the first antenna 1 and the second antenna 2.1Shall be incident. In this case, the incident signal S1Is the distance y from the arrival at the first antenna 1 to the second antenna 2 is “dsin θ”. When this is converted into a phase, the phase difference φ between the first antenna 1 and the second antenna 2 becomes
(Equation 21)
φ = (2π / λ) · dsin θ Expression (21)
Is represented by Here, λ is a wavelength. This phase difference φ is the observed data.
[0088]
Therefore, by calculating θ from the above equation (21), the incident signal S1Can be obtained. That is,
(Equation 22)
φ = (2π / λ) · dsin θ Expression (22)
Therefore, θ can be obtained from the following equation (23).
[0089]
[Equation 23]
θ = sin-1(Φ · 1 / ((2π / λ) · d)) Equation (23)
Hereinafter, the incident signal S2, Incident signal S3And the incident signal S4The direction of arrival corresponding to is obtained. The signal Z indicating the direction of arrival determined in this way1, ..., 4(T) is sent to the arrival direction output processing unit 60.
[0090]
In the arrival direction output processing unit 60, the signal Z transmitted from the arrival direction calculation unit 50 as a digital signal is output.1, ..., 4(T) is converted to an analog signal, and the azimuth signal D2~ O4To the outside.
[0091]
As a result, the four separated signals are output as a time axis waveform together with the signal indicating the direction of arrival. Thus, the observation signal X1, ..., 4When the processing on the sampling data in the predetermined section in (t) is completed, the processing is performed on the sampling data in the next section, and the same processing is repeated thereafter.
[0092]
In the first embodiment, an example in which an antenna is used as a sensor has been described, but the present invention is not limited to this. For example, a microphone that detects voice, a sensor that detects various states of a living body, or the like can be used as the sensor.
[0093]
As described in detail above, according to the receiving apparatus according to the first embodiment of the present invention, the signal number estimation processing unit 20 based on observation signals from a plurality of sensors to which a plurality of incident signals are simultaneously incident. Since the number of observation signals is estimated and the number of observation signals corresponding to the number of observation signals are selected and output from a plurality of observation signals, predetermined signal processing can be performed based on only valid observation signals. The processing speed of the receiving device and the accuracy of the processing result can be improved.
[0094]
Further, in the signal number estimation processing unit 20, the first eigenvalue analysis unit 22 generates a first covariance matrix from the time series data of the observation signal and the number of data, and analyzes the first covariance matrix by eigenvalue analysis. 1 is obtained, a second covariance matrix is generated by the second eigenvalue analysis unit 23 from the time-series data and the number of data of the noise interference signal in the absence of the observation signal, and the second covariance matrix is used as the eigenvalue. The second eigenvalue is obtained by analysis, the difference is obtained from the first and second eigenvalues obtained by the subtracters 24-1 to 24-7, and the difference obtained by the signal number determination unit 25 is smaller than the reference value. A selection permission signal corresponding to the number of signals to be increased is output, and the target signal selection unit 26 selects and outputs the observation signals corresponding to the number of signals from a plurality of observation signals in accordance with the selection permission signal. It is effective to clearly distinguish the boundary from noise Measuring signal can only perform predetermined signal processing based on, it is possible to improve the accuracy of the processing speed and the processing result of the reception apparatus.
[0095]
Further, the blind processing unit 30 (vector calculation unit) separates a plurality of incident signals by blind processing based on the observation signals for the selected number of signals, and obtains the amplitude of each of the plurality of incident signals at the plurality of sensors. And the complex vector amount indicating the relative relationship between the phase distributions, and the arrival direction calculation unit 50 determines the arrival directions of the plurality of incident signals based on the physical positions and the complex vector amounts of the plurality of sensors, and is separated. By outputting the signal and the signal indicating the direction of arrival in association with each other, the direction of arrival of the incident signal can be accurately obtained.
[0096]
Further, the signal separation unit 70 separates eigenvectors obtained simultaneously when the eigenvalue analysis is performed based on the observed signals of the number of signals selected by the signal number estimation processing unit 20 into a signal eigenvector and a noise eigenvector. By mapping only the signal component of the captured signal using the eigenvector and separating a plurality of signals that exist simultaneously by independent component analysis of the mapped data, the incident signal can be accurately separated.
[0097]
Further, in the arrival direction calculation unit 80, when eigenvalue analysis is performed based on the number of observation signals for the number of signals selected by the number-of-signals estimation processing unit 20, the eigenvectors are simultaneously separated into eigenvectors and noise eigenvectors. By detecting the arrival direction of the signal by calculating the eigenvector and the response data of the sensor, the arrival direction of the incident signal can be accurately obtained.
[0098]
(Second embodiment)
FIG. 5 is a block diagram schematically showing a configuration of a receiving apparatus according to the second embodiment of the present invention.
[0099]
The feature of the present embodiment is that a separation method based on independence of probability distribution is adopted as an algorithm of the signal separation unit 70.
[0100]
In this separation method, each component s of the observation signal isiAssume that (t) follows a probability distribution that is not normal. However, the probability distribution is unknown.
[0101]
Now, let the joint probability density variable of y (t) be
(Equation 24)
y = (y1, ..., yn)T… Equation (24)
If the observation signal x (t) can be correctly separated by the matrix W, each component y of yiBecomes independent. each component y of yiSay that independence means yiEven if you know the value of yiOther than yi, ..., ynThe value of is unknown.
(Equation 25)
Figure 2004112508
Product of simultaneous density function = marginal density function
Becomes
[0102]
Here, as one of the references, the distance between the joint distribution and the peripheral distribution estimated from the restored signal can be considered. There can be various statistical distances between distributions, but in independent component analysis, Kullback-Leibler divergence is often used.
[0103]
The definition of Kullback-Leibler @ divergence is as follows.
[0104]
(Equation 26)
Figure 2004112508
Here, the increased information amount when the distribution of z is replaced by the distribution of x is shown. When the value is large, the distribution is not similar, and when the value is small, the distribution is similar. Represents
[0105]
Therefore, from equation (12),
[Equation 27]
Figure 2004112508
Substituting into {(13) Equation},
[Equation 28]
Figure 2004112508
And yiAre independent, then equation (9) is zero, that is, it is minimal only when y (t) is independent. To find the matrix W, the gradient of I (y | W) with respect to W is found, and is found by the steepest descent method.
[0106]
(Equation 29)
Figure 2004112508
However,
[Equation 30]
Figure 2004112508
W can be obtained by updating as follows. In calculation, the inverse matrix (WT)-1Is a problem. Convergence can be multiplied by a positive definite matrix (WT)WMultiply by
(Equation 31)
Figure 2004112508
The calculation amount is smaller and the convergence is faster.
[0107]
This updating rule includes ψ (y) and cannot be calculated unless the form of the density function is known. However, a solution can be correctly obtained even if approximated by an appropriate parametric nonlinear function or statistical expansion method.
[0108]
(Modification 1)
In the first modification, a gradient method is employed as an algorithm of the signal separation unit 70 shown in FIG.
[0109]
The gradient method is a method of obtaining the W that minimizes the mutual information shown in Expression (9) by the steepest descent method, and is a method of obtaining W by Expression (17).
[0110]
Specifically, there is a fixed point method.
[0111]
In the fixed point method, a conditional optimization problem in which a function と す る (w) having a vector w as an argument is maximized or minimized under a condition that a norm is {w} is considered.
[0112]
The problem is solved using Lagrange's undetermined coefficient method,
(Equation 32)
{(w) + λ ({w} −1) → min} Equation (32)
Is rewritten as At the minimum, this derivative is 0, so
[Equation 33]
Figure 2004112508
Solving this for the second term gives
(Equation 34)
Figure 2004112508
Becomes Since w is normalized by {w} = 1, it is sufficient to obtain λ by normalization. The actual calculation is
(Equation 35)
Figure 2004112508
Is repeated until convergence.
[0113]
(Modification 2)
In the second modification, the FastICA method is employed as the algorithm of the signal separation unit 70 shown in FIG.
[0114]
Hyvarinen et al. Discuss the conditions for the convergence speed of the fixed-point method, and in particular, state that their method using kurtosis (FastICA) converges to third order.
[0115]
As φ (w),
[Equation 36]
φ (w) = E ((w · x)4) -3E ((wx)2)2… Equation (36)
Using an evaluation function called, find the maximum and minimum values of this using the fixed point method,
This is an algorithm for extracting independent components.
[0116]
Now, the average of the original signal is 0, the variance is 1, and the mixing matrix A is an orthogonal matrix.
(37)
v (t) T = w (t) TA {v} = 1} Equation (37)
Consider the behavior of
[0117]
(The reason why A is limited to an orthogonal matrix is that whitening is performed and the signal is once decorrelated.)
As a result of this rewriting, if w captures one component, v approaches one of the components, and the vector approaches 0.
[0118]
When an evaluation function is written using the original signals s and v,
[Equation 38]
E ((vs)4) -3E ((vs)2)2= E ((v · s))4-3 {v}4Formula (38)
Becomes
[0119]
Given that the components of s are mean 0, variance 1, and independent of each other, consider the ith component,
[Equation 39]
Figure 2004112508
Becomes E (si 4) = 1, so the last parenthesis is the fourth order cumulant. The normalized vector is the new vector, but considering the ratio,
(Equation 40)
Figure 2004112508
And viIs close to 1 and vjIs close to 0, the above equation gives vjThis means that the speed of approaching zero to zero is on the order of the third power.
[0120]
(Modification 3)
Modification 3 employs a simultaneous diagonalization method of a correlation function matrix as an algorithm of the signal separation unit 70 shown in FIG.
[0121]
The Jacobi method diagonalizes a real symmetric matrix. That is, it is a classical method for finding an eigenvalue. The basic principle is a method of obtaining orthogonal transform by repeating similarity transform by Givens transform.
[0122]
A proposed method is a simultaneous diagonalization algorithm of a correlation function matrix and a reduced kurtosis.
[0123]
Here, a separation method based on a time structure will be described as a simultaneous diagonalization method of a correlation function matrix.
[0124]
The algorithm using the correlation function matrix considers a correlation signal having a time difference. When the observed signal can be written as x (t) = As (t), assuming the independence of the original signal, its correlation function matrix is
(Equation 41)
Figure 2004112508
Becomes Here, considering a complex-valued time series, * is the complex conjugate transpose, <•> is the averaging operation, and Rsi(Τ) is the original signal siLet (t) denote the autocorrelation function.
[0125]
Since this is also a symmetric matrix in which the diagonal matrix is similarly transformed by the same matrix, it suffices to search for the matrix W at various time differences at the same time.
[0126]
Specifically, the observation signal x (t) is decorrelated using the correlation matrix at τ = 0, and is calculated by the Jacobi method so as to reduce the off-diagonalization component of the correlation matrix at τ ≠ 0. .
[0127]
(Modification 4)
Modification 4 employs a JADE (Joint \ Approximate \ Diagonization \ of \ Eigen-materials) method, which is an algorithm based on the simultaneous diagonalization of Kurtosis, as the algorithm of the signal separation unit 70 shown in FIG.
[0128]
The simultaneous diagonalization algorithm of the reduced kurtosis is represented as a fourth-order cross-curtosis.
(Equation 42)
Figure 2004112508
Consider the contraction of
[0129]
Assuming that the observed signal is uncorrelated by whitening with an average of 0, the original signal and the observed signal have a certain orthogonal transform U = (u1, , N), They are linked in a relationship of X = US. From the independence assumption,
[Equation 43]
Figure 2004112508
And the matrix M = (mij) As a Kurtosis matrix reduced by
[Equation 44]
Figure 2004112508
Given
[Equation 45]
Figure 2004112508
further,
[Equation 46]
Figure 2004112508
As
[Equation 47]
Figure 2004112508
Becomes Therefore, an appropriate set of {NrTake} and {C (Nr) It can be seen that it is sufficient to calculate 直交 and obtain an orthogonal matrix for simultaneous diagonalization of}. This situation
The same applies to matrices.
[0130]
Here, Cardoso {and} A. Souloumic is {Nr
[Equation 48]
Figure 2004112508
Where ekProposes a method in which a unit vector in which only the k component is 1 or a kurtosis itself (kurtosis) itself is expanded into an eigenvalue matrix, and an appropriate number of eigenmatrices are used in descending order of eigenvalues.
[0131]
(Modification 5)
Modification 5 employs a model including noise as the algorithm of the signal separation unit 70 shown in FIG.
[0132]
Equation (3) is shown as an ICA model, but external noise may not be negligible in actual measurement. If the external noise is large, it affects the separation and restoration of the signal. Here, the observation noise is
[Equation 49]
ε (t) = [E1(T), ..., En(T)]T… Equation (49)
Then, the observation signal of the sensor is
[Equation 50]
x (t) = As (t) + ε (t) Equation (50)
Becomes When calculating, the algorithm does not distinguish between signal and noise,
(Equation 51)
Figure 2004112508
If the dimension of the signal is m, A 'is an n × (m + n) matrix, the number of signal sources is larger than the dimension of the observed signal, and there is no linear matrix solution. In addition, decorrelation by whitening becomes meaningless because a signal including noise is decorrelated.
[0133]
Modification 5 employs a factor analysis method as a preprocessing of ICA as a method of reducing noise as an algorithm of the signal separation unit 70 shown in FIG.
[0134]
In this factor analysis method, a factor analysis mixed / restored model is adopted.
[0135]
The factor analysis method divides an observation vector into two parts, a common factor existing between elements and an independent factor between the elements.
[0136]
That is, the observed value x∈RnTo
(Equation 52)
x = a1s1+ A2s2+ ... amsm+ Ξ = As + ξ Equation (52)
The common factor s∈RmAnd the independent factor ξ∈RnIt can be decomposed using. Here, A is called a factor loading, s and ξ are independent of each other, and ξ is that each component is independent.
[0137]
Here, the covariance matrix of the original signal s is an m-dimensional unit matrix Im, Ξ follow a normal distribution, and assume that the covariance is an n-dimensional diagonal matrix 、,
[Equation 53]
Σ = E (xxT) = AAT+ Ψ ... Equation (53)
And the covariance determined from the observations is
(Equation 54)
Figure 2004112508
Is estimated based on The simplest method is least squares estimation, which minimizes the error between Σ and r.
[0138]
That is, the loss function L (A, Ψ) is given by r = AATBy + Ψ
[Equation 55]
L (A, Ψ) = tr (r-AAT−Ψ)T(R-AAT−Ψ) ... Formula (55)
To minimize. By partially differentiating equation (42) with A and Ψ, the following solution for A and Ψ is obtained for A and に よ る by the least squares method.
[0139]
[Equation 56]
(R−Ψ) A = A (ATA) ... Equation (56)
[Equation 57]
Ψ = diag (r-AAT) ... Equation (57)
Next, considering the degrees of freedom, the degree of freedom of Σ is n (n + 1) / 2. On the other hand, the number of parameters of A and Σ is (m + 1) n. However, since the arbitrariness of the orthogonal matrix must be subtracted, subtracting m (m-1) / 2 means that this free parameter is smaller than the degree of freedom of Σ.
[Equation 58]
Figure 2004112508
Here, by adding the condition of m <n and solving this,
[Equation 59]
Figure 2004112508
Becomes This is a necessary and sufficient condition for a solution to exist.
[0140]
From the above, the relation between the observation signal x by the sensor and the signal に よ る by the sensor after the factor analysis for the model including noise is expressed as a generalized inverse matrix,
[Equation 60]
Q = [AΨ-1ATΨ-1]-1… Equation (60)
Using
[Equation 61]
Figure 2004112508
Is obtained.
[0141]
(Modification 6)
Modification 6 employs a method of maximizing the amount of information (Infomax) as the algorithm of the signal separation unit 70 shown in FIG.
[0142]
Now, suppose that a random variable of an observation signal is X, and a random variable Y is obtained through a communication path G. The relationship between this,
(Equation 62)
Y = G (X) + N Equation (62)
N: Noise
At this time, designing the communication path so that the amount of information on the input X that the output Y has is as large as possible is a basic idea of the maximum information amount (Infomax).
[0143]
More specifically, this is a problem of maximizing the mutual information between X and Y under certain restrictions.
[0144]
In the case of independent component analysis, a combination of linear operation and nonlinear transformation is used.
[Equation 63]
Figure 2004112508
And the amount of mutual information is
[Equation 64]
Figure 2004112508
Becomes
[0145]
In this case, since there is only an ambiguity of the noise component between X and Y, the conditional entropy is equal to the noise entropy. In the concept of the maximum amount of information (Infomax), this part plays an important role, and after this, the discussion will be continued without considering noise.
[0146]
According to the steepest descent method, the derivative of the mutual information is the derivative of the entropy of Y,
[Equation 65]
Figure 2004112508
Becomes In this case, paying attention to the handling of the non-linear conversion, if the relationship between the distribution of X and Y is one-to-one corresponding to y = G (Wx),
[Equation 66]
Figure 2004112508
Can be written. However, J is Jacobian of this correspondence,
[Equation 67]
Figure 2004112508
When specifically calculated, the differential of G is G ′,
[Equation 68]
Figure 2004112508
[Equation 69]
Figure 2004112508
Becomes When the entropy of Y is represented by the distribution of X,
[Equation 70]
Figure 2004112508
Becomes this is,
[Equation 71]
Figure 2004112508
By using
[Equation 72]
Figure 2004112508
Then, as shown in [1], ψ (yi) Can be updated to obtain W.
[0147]
(Modification 7)
Modification 7 employs the MUSIC (Multiple Signal) Classification (MUSIC) method as the algorithm of the arrival direction calculator 80 shown in FIG.
[0148]
The MUSIC method is the most representative of the Super @ Resolution algorithms. The covariance matrix is eigenvalue-decomposed and divided into signal and noise subspaces, and the direction of arrival is determined using the property that the signal is orthogonal to the noise subspace. This is a type of Noise Subspace Fitting (NSF). Since the orthogonality of space is used, a plurality of arrival directions can be obtained by one direction search. However, correlated incident signals cannot be separated.
[0149]
Hereinafter, an algorithm related to the MUSIC method will be described.
[0150]
(1) Analyze the eigenvalue of R and decompose it into subspaces of observation signals and noise Note that the above-described estimation of the number of incoming waves is required.
[0151]
(2) The MUSIC spectrum in the search direction θ is
[Equation 73]
Figure 2004112508
Becomes Since the observed signal and the noise subspace are complementary spaces orthogonal to each other, PMUHas a sharp peak in the direction of arrival of the incident signal. A direction search is performed to extract L peaks in descending order.
[0152]
(Modification 8)
Modification 8 employs the cumulant-MUSIC method as the algorithm of the arrival direction calculation unit 80 shown in FIG.
[0153]
The feature is that the algorithm is the same as the MUSIC method, but a fourth-order cumulant is introduced in the calculation of the covariance matrix. The fourth-order cumulant is said to suppress Gaussian noise, and is expected to be more resistant to noise than the MUSIC method.
[0154]
The algorithm is basically the same as that of the MUSIC method. Instead of the second-order covariance matrix R, a fourth-order cumulant matrix C is calculated. Here, the matrix C is
[Equation 74]
C = {cij{(I, j = 1 ... K)} Equation (74)
cij= Σ cum (Xi *, Xj, Xk *, Xk)
Becomes
[0155]
(Modification 9)
Modification 9 employs the WSF (Weighted Subspace Fitting) method as the algorithm of the arrival direction calculation unit 80 shown in FIG.
[0156]
The feature is that the MUSIC method uses the noise subspace to determine the direction of arrival, whereas the WSF method uses the signal subspace to determine the direction of arrival, and is a type of Signal {Subspace Fitting} (SSF). .
[0157]
Correlated observation signals can also be separated. Since the arrival direction of the L-wave must be multidimensionally searched and the amount of calculation increases, it is preferable to determine the initial value in advance by MUSIC or the like and limit the search range.
[0158]
The algorithm (1) performs eigenvalue analysis of R and decomposes it into a subspace of observation signals and noise. It is necessary to estimate the number of incoming waves in advance. (2) V belowWSFΘ = [θ1,…, ΘLSearch for [サ ー チ].
[0159]
[Equation 75]
VWSF(Θ) = Tr (PA EsWsEs H) ... Equation (75)
Ws= (Λs− Σ2I)2Λs -1
(Modification 10)
Modification 10 employs the USF {Unweighted {Subspace} Fitting} method as the algorithm of the arrival direction calculation unit 80 shown in FIG.
[0160]
The feature of the USF method is a kind of the SSF method like the WSF method.sIs replaced by a unit matrix I, and the (unweighted) {MD-MUSIC} (Multidimensional @ MUSIC) method is also called.
[0161]
A multidimensional search of the arrival direction of the L wave is required, and an initial value is preferably determined in advance by the MUSIC method to limit the search range, and an algorithm that converges by iterative calculation may be used.
[0162]
The algorithm (1) performs eigenvalue analysis of R and decomposes it into a subspace of observation signals and noise. At this time, it is necessary to estimate the number of incoming waves. (2) V belowUSFΘ = [θ1,…, ΘL] Is obtained by a search or a convergence algorithm.
[0163]
[Equation 76]
VUSF(Θ) = Tr (PA EsEs H) ... Equation (76)
(Modification 11)
Modification 11 employs the ML {(Maximum Likelihood)} method as the algorithm of the arrival direction calculation unit 80 shown in FIG.
[0164]
The feature of the ML method is a general method for estimating an unknown parameter hidden from an observation amount. The parameters are determined so that the likelihood @ function represented by the product of the observed quantity and the probability density function (PDF) is maximized.
[0165]
The ML method includes two methods, {unconditional ML} (UML) (or stoichiometric ML) and {conditional ML} (CML) (or deterministic ML), each of which requires a multidimensional search of the arrival direction of the L wave. It is preferable that the initial value is determined in advance by the MUSIC method or the like to limit the search range, and this is also effective for correlated observation signals.
[0166]
The algorithm estimates the number of arriving waves by (1) the arriving wave number estimation algorithm.
(2) V belowUMLOr VCMLΘ = [θ1,…, ΘL] Is obtained by a search or a convergence algorithm.
[0167]
[Equation 77]
VUML{(Θ)} = {log} ({det} [PARPA-Tr (PA ) PA / (KL)]) ... Equation (77)
VCML(Θ) = Tr (PA R)
(Modification 12)
Modification 12 employs the minimum variance method as the algorithm of the arrival direction calculation unit 80 shown in FIG.
[0168]
The feature is also called Capon method, in which the main lobe is directed in one incoming wave direction and null is directed in the other incoming wave direction. The resolution is lower than the MUSIC method, and correlated observation signals cannot be separated. .
[0169]
The algorithm is as follows: (1) Spectrum P in search direction θCPIs calculated.
[0170]
[Equation 78]
Figure 2004112508
A direction search is performed to extract L peaks in descending order. Although it is not necessary to directly estimate the number of incoming waves as an algorithm, it is necessary to search for L peaks.
[0171]
(Modification 13)
Modification 13 employs the BF method (beamformer) as the algorithm of the arrival direction calculation unit 80 shown in FIG.
[0172]
The feature is a method of scanning the main lobe to search for a direction in which the output power of the array increases. However, the angular resolution is poor, and when there are a plurality of arriving waves, separation is difficult and the direction becomes inaccurate.
[0173]
The algorithm is as follows: (1) Spectrum P in search direction θBFIs calculated.
[0174]
[Expression 79]
Figure 2004112508
A direction search is performed to extract peaks in descending order.
[0175]
(Modification 14)
Modification 14 employs the DOSE {Direction of Source Elimination} method as the algorithm of the arrival direction calculation unit 80 shown in FIG.
[0176]
The feature is to make a null in the direction of arrival and search the spectrum.If there is another peak of the arriving wave, make a null in that direction as well, and gradually make a null in the direction until the residual power becomes sufficiently small. It is a method of specifying each one.
[0177]
The number of arriving waves can be estimated independently of other arriving wave number estimation algorithms. The accuracy equal to or higher than that of the MUSIC method is obtained in a range where the number of snapshots is relatively small. In addition, since the eigenvalue analysis is not performed, the calculation time may be shorter than the MUSIC method when the number of incoming waves is small. In addition, it is considered that since there is no eigenvalue analysis, it is possible to separate even correlated signals. However, the spectrum has poor resolution (same as the BF method when no null is created), and it is considered difficult to separate adjacent arriving waves. It may be suitable for the first-stage search of arrival direction estimation.
[0178]
The algorithm is as follows: (1) {Specify the spectrum P in the search direction θ without first specifying null.DIs calculated, and the maximum direction θ1Ask for.
[0179]
[Equation 80]
Figure 2004112508
(2) θ1Create a null in the direction, spectrum PDIs calculated.
[0180]
(Equation 81)
Figure 2004112508
However,
[Expression 82]
Q = I-A (AHA)-1AH
A: {Steering matrix in the direction to create null} formula (82)
Y = QX RC= YYH/ N
(3) Search and PDFind the maximum value of. If the maximum value is larger than the threshold value, the direction θ2And θ1, Θ2The procedure returns to the step (2) by making a null in the direction of (2).
[0181]
(4) The procedure of (2) and (3) isDRepeat until the maximum value of falls below the threshold value. If it is repeated L times, θ = [θ1,…, ΘL] Is the direction of arrival.
[0182]
(Modification 15)
Modification Example 15 employs a Blind-MAXCOR (Maximum spatial, CORrelation, method, after, Blind, identification, of course, sources, steering, vector) algorithm as the algorithm of the arrival direction calculation unit 80 shown in FIG.
[0183]
The feature of the Blind-MAXCOR method is that the steering vector of the signal calculated by the blind separation algorithm is correlated with the steering vector in the search direction θ, and the direction of arrival is searched by searching the direction in which the correlation coefficient becomes maximum. It is a method of seeking.
[0184]
The algorithm is as follows: (1) Signal separation is performed by a 分離 blind separation algorithm, and a steering vector of the signal is obtained. Let the steering vector of the obtained i-th signal be a 'i(I = 1... L). (2) Correlation coefficient α in the range of search direction θ for arriving waves of 範 囲 1 to Li(I = 1... L) is calculated, and the azimuth at which the maximum is obtained.
[0185]
[Equation 83]
Figure 2004112508
(Modification 16)
Modification 16 employs the Blind-MUSIC method as the algorithm of the arrival direction calculation unit 80 shown in FIG.
[0186]
A feature of the Blind-MUSIC method is a method of calculating a spectrum by using a steering vector of a signal calculated by a blind separation algorithm and a steering vector in a search direction θ, and searching for a direction in which the signal reaches a maximum to determine an arrival direction. It is.
[0187]
The algorithm is as follows: (1) Signal separation is performed by a 分離 blind separation algorithm, and a steering vector of the signal is obtained. Let the steering vector of the obtained i-th signal be a 'i(I = 1... L) and the steering matrix is A ′ = [a ′1, ..., 'a'L].
[0188]
(2) Blind-MUSIC spectrum P in the range of search direction θBMUIs calculated, and L peaks and their directions are obtained in descending order.
[0189]
[Equation 84]
Figure 2004112508
(Modification 17)
Modification Example 17 employs the {ESPRIT} (Estimation of Signal Signals via Via Rotational Invariance Technologies) algorithm as the algorithm of the arrival direction calculation unit 80 shown in FIG.
[0190]
The ESPRIT feature applies to arrays containing two identical sub-arrays, similar to the principle of interferometers. Since the two sub-arrays are in a relation of being translated by a known vector Δ, the signals received between the sub-arrays for the respective arriving waves only differ in phase. Arrival direction θlIs obtained from the phase difference between the subarrays.
[0191]
Unlike other algorithms, it does not perform a spectrum search. In addition, although there is a restriction of a subarray having two identical patterns, there is a feature that the steering vector may be unknown. However, since it is not suitable for a circular array, ESPRIT is not directly applied.
[0192]
The algorithm is: (1) Eigenvalue analysis of R and the signal subspace ESAsk for. It is necessary to estimate the number of incoming waves.
[0193]
(2) @ESFrom the two sub-array parts EXAnd EYTake out. (Matrix for extracting two subarrays from the whole array is J1, J2EX= J1ES, EY= J2ES)
(3) EY= EXSolve Ψ for Ψ.
[0194]
(1) LS-ESPRIT (Least Squares ESPRIT)
[Equation 85]
Ψ = (EX HEX)-1EX HEY  … Equation (85)
(2) TLS-ESPRIT (Total Least Squares ESPRIT)
EHIs calculated.
[0195]
[Equation 86]
EXY= [EXEY] ... Equation (86)
EH= EXY HEXY  
EHIs subjected to eigenvalue decomposition, and eigenvectors are arranged in descending order of eigenvalues. V = [v1, ..., v2L]: V1, ..., v2L: Eigenvector of R (in order of eigenvalue)
[Equation 87]
VN= = [VL + 1, ..., v2L]: GX: VNUpper half of GY: VNLower half
Ψ = -GX  GY -1… Equation (87)
(4) Eigenvalue analysis of Ψ and eigenvalue φlFrom ({l} = {1, ..., L}) to θl({L} = {1,..., L}).
[0196]
[Equation 88]
θl= Sin-1Arg (φl) ... Equation (88)
(Modification 18)
Modification 18 employs a {VESPA} (Virtual {ESPrit} Algorithm) method as an algorithm of the arrival direction calculation unit 80 shown in FIG.
[0197]
Although the ESPRIT method had a limitation of an array including two subarrays having the same pattern, an algorithm extended by applying virtual elements to an array including an antenna having two identical patterns so that ESPRIT can be applied to the array is described. VESPA. Virtual elements are created using cumulant.
[0198]
Similar to ESPRIT, there is a feature that a spectrum search is unnecessary and a steering vector may be unknown if there are two antennas having the same pattern.
[0199]
The algorithm calculates (1) each element of the covariance matrix C by a 4th order cumulant. (It is assumed that the first and Kth antenna patterns are equal.)
[Equation 89]
Figure 2004112508
(2) Apply the ESPRIT algorithm for C instead of the covariance matrix R. The two sub-arrays are antennas 1 to K and antennas K to 2K-1 (K + 1 to 2K-1 are virtual antennas).
[0200]
As described in detail above, the signal separation unit 70 includes a separation method based on independence of the probability distribution, a gradient method, a fixed point method, a FastICA method, a simultaneous diagonalization method of a correlation function matrix, a JADE method, a factor analysis method, By employing any one of the methods for maximizing the amount of information as a processing algorithm, it is possible to separate simultaneously existing incident signals from the observation signals output from the signal number estimation processing unit 20.
[0201]
In addition, the direction-of-arrival detecting unit 80 includes the MUSIC method, the cumulant-MUSIC method, the WSF method, the USF method, the ML method, the minimum dispersion method, the BF method, the DOSE method, the Blind-MAXCOR method, the Blind-MUSIC method, the ESPRIT method, and the VESPA. By adopting any one of the methods as the processing algorithm, it is possible to separate the arrival directions of the incident signals present simultaneously from the observation signals output from the signal number estimation processing unit 20.
[0202]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the number of incident signals is estimated based on observation signals from a plurality of sensors to which a plurality of incident signals are simultaneously incident, and the number of signals is determined from the plurality of observation signals. Since the minute observation signal is selected and output, predetermined signal processing can be performed based only on the effective observation signal, and the processing speed of the receiving device and the accuracy of the processing result can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of a receiving device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an internal configuration of a signal number estimation processing unit 20;
FIG. 3 is a graph (a) showing an eigenvalue of an observation signal, a graph (b) showing an eigenvalue when there is no observation signal, and a diagram showing a difference between the graphs (a) and (b).
FIG. 4 is a diagram for explaining a method of measuring the direction of arrival of an incident signal.
FIG. 5 is a block diagram schematically showing a configuration of a receiving apparatus according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1-7 first to seventh antennas
10 Sampling unit
20 signal number estimation processing unit
21 Input buffer
22 1st eigenvalue analysis unit
23 second eigenvalue analyzer
24-12424-7 Subtractor
25 signal number determination unit
26 Target signal selector
30 blind processing unit
40 ° separation signal output processing unit
50 ° arrival direction calculation unit
60 ° arrival direction output processing unit
70 ° signal separation unit
80 ° arrival direction detector

Claims (7)

受信した観測信号に基づいて所定の信号処理を行う受信装置において、
複数の入射信号が同時に入射される複数のセンサと、
前記複数のセンサからの観測信号に基づいて、入射信号の信号数を推定して複数の観測信号の中から当該信号数分の観測信号を選択して出力する信号数推定処理部とを備えたことを特徴とする受信装置。
In a receiving device that performs predetermined signal processing based on the received observation signal,
A plurality of sensors to which a plurality of incident signals are simultaneously incident;
A signal number estimation processing unit for estimating the number of incident signals based on the observation signals from the plurality of sensors and selecting and outputting observation signals corresponding to the number of signals from the plurality of observation signals. A receiving device characterized by the above-mentioned.
前記号数推定処理部は、
前記観測信号の時系列データとデータ数から第1の共分散行列を生成し、この第1の共分散行列を固有値解析して第1の固有値を求める第1固有値解析部と、
前記観測信号がない状態での雑音妨害信号の時系列データとデータ数から第2の共分散行列を生成し、この第2の共分散行列を固有値解析して第2の固有値を求める第2固有値解析部と、
前記第1固有値解析部と第2固有値解析部とから求まった第1および第2の固有値からその差を求める減算器と、
前記減算器により求められた差が基準値よりも大きくなる信号数分の選択許可信号を出力する信号数決定部と、
前記信号数決定部から出力された選択許可信号に応じて前記複数の観測信号の中から信号数分の観測信号を選択して出力する対象信号選択部とを備えたことを特徴とする請求項1記載の受信装置。
The number estimation processing unit,
A first eigenvalue analysis unit that generates a first covariance matrix from the time-series data of the observation signal and the number of data, and performs eigenvalue analysis on the first covariance matrix to obtain a first eigenvalue;
A second eigenvalue for generating a second covariance matrix from the time series data and the number of data of the noise interfering signal in the absence of the observation signal and eigenvalue analyzing the second covariance matrix to obtain a second eigenvalue An analysis unit;
A subtractor for calculating a difference between the first and second eigenvalues obtained from the first eigenvalue analysis unit and the second eigenvalue analysis unit;
A signal number determination unit that outputs a selection permission signal for the number of signals in which the difference obtained by the subtracter is larger than a reference value,
And a target signal selection unit that selects and outputs as many observation signals as the number of signals from the plurality of observation signals in accordance with the selection permission signal output from the signal number determination unit. The receiving device according to 1.
前記信号数推定処理部により選択された前記信号数分の観測信号に基づいて、前記複数の入射信号をブラインド処理により分離する分離部と、
前記複数の入射信号の各々について、前記複数のセンサにおける振幅及び位相分布の相対関係を示す複素ベクトル量を求めるベクトル演算部と、
前記複数のセンサの物理的位置と前記ベクトル演算部で求められた複素ベクトル量とに基づいて、前記複数の入射信号の到来方位を求める到来方位演算部と、
前記分離部で分離された信号と前記到来方位演算部で求められた到来方位を表す信号とを関連付けて出力する出力部とを備えたことを特徴とする請求項1又は2記載の受信装置。
A separation unit that separates the plurality of incident signals by blind processing based on observation signals for the number of signals selected by the signal number estimation processing unit,
For each of the plurality of incident signals, a vector calculation unit that determines a complex vector amount indicating a relative relationship between amplitude and phase distribution in the plurality of sensors,
Based on the physical position of the plurality of sensors and the complex vector amount determined by the vector calculation unit, an arrival direction calculation unit that determines an arrival direction of the plurality of incident signals;
The receiving apparatus according to claim 1, further comprising an output unit configured to output the signal separated by the separation unit in association with a signal indicating the direction of arrival calculated by the direction-of-arrival calculation unit.
前記信号数推定処理部により選択された前記信号数分の観測信号に基づいて固有値解析を行った際に、同時に求まる固有ベクトルを信号固有ベクトルと雑音固有ベクトルに分離し、この信号固有ベクトルにより捕捉信号の信号成分のみを写像し、写像したデータの独立成分分析により同時に存在する複数の信号を分離する信号分離部を備えたことを特徴とする請求項1又は2記載の受信装置。When the eigenvalue analysis is performed based on the observed signals for the number of signals selected by the signal number estimation processing unit, the eigenvectors obtained at the same time are separated into a signal eigenvector and a noise eigenvector, and the signal component of the captured signal is obtained by the signal eigenvector. 3. The receiving apparatus according to claim 1, further comprising: a signal separating unit that maps only one of the plurality of signals and separates a plurality of signals that exist simultaneously by independent component analysis of the mapped data. 前記信号数推定処理部により選択された前記信号数分の観測信号に基づいて固有値解析を行った際に、同時に求まる固有ベクトルから信号固有ベクトルと雑音固有ベクトルに分離し、この固有ベクトルと前記センサの応答データとの演算により信号の到来方位を探知する到来方位探知部を備えたことを特徴とする請求項1又は2記載の受信装置。When the eigenvalue analysis is performed based on the observed signals for the number of signals selected by the signal number estimation processing unit, the eigenvectors obtained at the same time are separated into a signal eigenvector and a noise eigenvector, and the eigenvector and the response data of the sensor are separated. The receiving apparatus according to claim 1, further comprising an arrival direction detection unit that detects an arrival direction of a signal by performing the calculation of (1). 前記信号分離部は、
確率分布の独立性に基づく分離法、勾配法、不動点法、FastICA法、相関関数行列の同時対角化法、JADE法、因子分析法、情報量を最大化する手法のいずれか1つを処理アルゴリズムとして採用することを特徴とする請求項3記載の受信装置。
The signal separation unit,
One of the separation method based on independence of probability distribution, gradient method, fixed point method, FastICA method, simultaneous diagonalization method of correlation function matrix, JADE method, factor analysis method, and method of maximizing information amount 4. The receiving device according to claim 3, wherein the receiving device is adopted as a processing algorithm.
前記到来方位探知部は、
MUSIC法、cumulant−MUSIC法、WSF法、USF法、ML 法、最小分散法、BF法、DOSE法、Blind−MAXCOR法、Blind−MUSIC法、ESPRIT法、VESPA法のいずれか1つを処理アルゴリズムとして採用することを特徴とする請求項3記載の受信装置。
The arrival direction detection unit,
Processing algorithm for any one of the MUSIC method, cumulant-MUSIC method, WSF method, USF method, ML method, minimum dispersion method, BF method, DOSE method, Blind-MAXCOR method, Blind-MUSIC method, ESPRIT method, and VESPA method 4. The receiving device according to claim 3, wherein the receiving device is used as a receiving device.
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