JP2013038592A - Signal separation device and signal separation method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、アンテナの受信信号に混信している複数の信号(信号源が異なる複数の入射信号)を信号分離する信号分離装置及び信号分離方法に関するものである。 The present invention relates to a signal separation device and a signal separation method for separating a plurality of signals (a plurality of incident signals having different signal sources) interfering with a reception signal of an antenna.
アンテナの受信信号に混信している複数の信号(信号源が異なる複数の入射信号)を信号分離する信号分離装置では、例えば、独立成分分析(ICA:Independent Component Analysis)と呼ばれる信号分離アルゴリズムを用いることがある。
このICAは、異なる信号源から発信される信号は互いに独立であるという前提の下で、複数の信号が混信している受信信号から、複数の信号をブラインド分離抽出するものであり、音波や電波センサをはじめとする様々な分野への応用が可能である(非特許文献1を参照)。
In a signal separation device that separates a plurality of signals (a plurality of incident signals having different signal sources) interfering with a reception signal of an antenna, for example, a signal separation algorithm called independent component analysis (ICA) is used. Sometimes.
This ICA performs blind separation and extraction of a plurality of signals from a reception signal in which a plurality of signals interfere with each other on the assumption that signals transmitted from different signal sources are independent from each other. Application to various fields including sensors is possible (see Non-Patent Document 1).
図12はICAによる信号分離を示す説明図である。
以下、ICAの概要を説明する。
ICAは、下記の式(1)に示す混信受信モデルにおいて、互いに独立な入射信号が混信している受信信号から、各入射信号を信号分離するアルゴリズムである。
ただし、s(k)は入射信号、x(k)は受信信号、Aは入射信号の混信を表す混合行列であり、混合行列Aの各要素は混信を意味する係数である。
また、k=1,2,・・・,Kはサンプル時間のインデックス、Kは総サンプル数である。
FIG. 12 is an explanatory diagram showing signal separation by ICA.
The outline of ICA will be described below.
ICA is an algorithm that separates each incident signal from a reception signal in which incident signals that are independent from each other interfere in the interference reception model shown in the following equation (1).
Here, s (k) is an incident signal, x (k) is a received signal, A is a mixing matrix representing interference of the incident signal, and each element of the mixing matrix A is a coefficient meaning interference.
In addition, k = 1, 2,..., K is an index of sample time, and K is the total number of samples.
sj(k)(j=1,2,・・・,J)は第j番目の入射信号であり、s(k)は第j番目の入射信号sj(k)をベクトル状に格納している入射信号ベクトルである。Jは入射信号数である。 s j (k) (j = 1, 2,..., J) is the jth incident signal, and s (k) stores the jth incident signal s j (k) in a vector form. Incident signal vector. J is the number of incident signals.
xi(k)(i=1,2,・・・,I)は第i番目のアンテナの受信信号であり、x(k)は第i番目のアンテナの受信信号xi(k)をベクトル状に格納している受信信号ベクトル)である。Iは受信信号数である。 x i (k) (i = 1, 2,..., I) is a received signal of the i-th antenna, and x (k) is a vector of the received signal x i (k) of the i-th antenna. Received signal vector). I is the number of received signals.
以下、表記を簡単にするため、明らかな場合にはサンプル時間のインデックスkを省略する。
ICAは、概して言えば、分離処理後の信号である複数の分離信号が互いに独立になるように混合行列Aを推定し、下記の式(4)に示すように、その推定混合行列Aハット(明細書の文章中では、電子出願の関係上、文字の上に「^」の記号を付記することができないため、Aハットのように表記している)の(擬似)逆行列に受信信号xを乗算することで、互いに独立な分離信号ベクトルyを得るものである。
Hereinafter, in order to simplify the notation, the index k of the sample time is omitted when it is clear.
Generally speaking, the ICA estimates the mixing matrix A so that a plurality of separated signals that are signals after separation processing are independent of each other, and the estimated mixing matrix A hat ( In the text of the specification, the symbol “^” cannot be added on the character because of the electronic application, so the received signal x is represented in the (pseudo) inverse matrix of “A”. To obtain separated signal vectors y independent of each other.
ただし、ここでは、互いに独立な分離信号ベクトルyを得るに際して、受信信号xに対する前処理として、受信信号xを白色化し、白色化後の受信信号である白色化受信信号z(下記の式(5)を参照)が、互いに独立になるように分離行列Wを推定し、下記の式(4)によって信号分離を行うようにしている。
ただし、Aハットの右上の「+」の記号はAハットの擬似逆行列を意味し、Mは白色化用の行列である。
However, here, when obtaining the separated signal vectors y independent from each other, as a preprocessing for the received signal x, the received signal x is whitened, and the whitened received signal z (the following equation (5) However, the separation matrix W is estimated so as to be independent from each other, and signal separation is performed by the following equation (4).
However, the symbol “+” in the upper right of the A hat means a pseudo inverse matrix of the A hat, and M is a matrix for whitening.
以下、分離行列Wの推定方法を説明する。
ICAでは、何らかの独立指標が最適(最大)となるように分離行列Wを推定する。
ICAでは、様々な独立指標が知られているが、例えば、独立指標として時間差相互相関値を用いるものがある。このようなICAは、TDSEP(Temporal Decorrelation Source SEParation)と称される(非特許文献2を参照)。
Hereinafter, a method for estimating the separation matrix W will be described.
In ICA, the separation matrix W is estimated so that some independent index is optimum (maximum).
In ICA, various independent indices are known. For example, there are those using time difference cross-correlation values as independent indices. Such an ICA is called TDSEP (Temporal Decoration Source Separation) (see Non-Patent Document 2).
TDSEPは、入射信号に周期性を仮定し、白色化受信信号zの時間差相互相関値を最小化することで信号分離を行う(分離行列Wを推定する)ものである。
例えば、入射信号数が2である場合、時間差τにおける白色化受信信号zの時間差相互相関行列Rz(τ)は、下記の式(7)のように表される。
式(7)の(1,2)要素と(2,1)要素に時間差相互相関が現れているため、これらを最小化するような分離行列Wを計算する。これは式(7)の対角化を意味している。
なお、Eは期待値(または平均値)を意味する数学記号であり、Hは行列の転置を意味し、*は共役複素数を意味する。
TDSEP performs signal separation (estimates the separation matrix W) by assuming periodicity in the incident signal and minimizing the time difference cross-correlation value of the whitened reception signal z.
For example, when the number of incident signals is 2, the time difference cross-correlation matrix Rz (τ) of the whitened reception signal z at the time difference τ is expressed as the following equation (7).
Since the time difference cross-correlation appears in the (1,2) element and the (2,1) element of the equation (7), a separation matrix W that minimizes these is calculated. This means diagonalization of equation (7).
Note that E is a mathematical symbol that means an expected value (or an average value), H means transposition of a matrix, and * means a conjugate complex number.
一般に所定の範囲内にある各々の時間差τについて、時間差相互相関行列Rz(τ)を計算し、それらを同時に対角化するため、例えば、拡張ヤコビ法等による同時対角化手法によって分離行列Wの最小化を行う。
実際には、時間差相互相関行列Rz(τ)は対称行列ではないので、下記の式(8)に示すように、時間差相互相関行列Rz(τ)を対称行列に変換し、変換後の行列Rz(τ)チルダ(明細書の文章中では、電子出願の関係上、文字の上に「〜」の記号を付記することができないため、Rz(τ)チルダのように表記している)を対角化する。
In general, for each time difference τ within a predetermined range, a time difference cross-correlation matrix Rz (τ) is calculated and diagonalized at the same time. For example, a separation matrix W is obtained by a simultaneous diagonalization method such as an extended Jacobian method. Minimize.
Actually, since the time difference cross-correlation matrix Rz (τ) is not a symmetric matrix, as shown in the following equation (8), the time difference cross-correlation matrix Rz (τ) is converted to a symmetric matrix, and the converted matrix Rz (Τ) tilde (in the text of the description, the symbol “˜” cannot be added on the letter because of electronic application, so it is expressed as Rz (τ) tilde). Keratinize.
TDSEPでは、上述したように、白色化受信信号zの時間差相互相関値を最小化することで信号分離を行うが、その際、所定の範囲内にある多くの時間差τの中から、適正な時間差τを選択する必要がある。
一般的に、適正な時間差τの選び方は、大きく分けて以下の2種類である。
(1)ランダムに複数の時間差τを選択する方法
この方法では、最適な時間差τが選択される訳ではないが、複数の時間差τを用い
るので、安定的な分離性能が得られる。
(2)入射信号の時間差自己相関値が最大となる0以外の時間差τを選択する方法
この方法では、入射信号の周期を事前に知る必要があるため、ブラインドではない
が、時間的相関を捉える意味で最適である。
In TDSEP, as described above, signal separation is performed by minimizing the time difference cross-correlation value of the whitened reception signal z. At this time, an appropriate time difference is selected from many time differences τ within a predetermined range. It is necessary to select τ.
Generally, how to select an appropriate time difference τ is roughly divided into the following two types.
(1) Method of selecting a plurality of time differences τ at random Although this method does not select the optimal time difference τ, a plurality of time differences τ are used, so that stable separation performance can be obtained.
(2) Method of selecting a time difference τ other than 0 that maximizes the time difference autocorrelation value of the incident signal This method needs to know the period of the incident signal in advance, so it is not blind but captures the temporal correlation Best in meaning.
従来の信号分離装置では、図13に示すように、上記の2種類の方法で選択した時間差τを手動でTDSEPに設定することで、受信信号に混信している複数の入射信号(分離信号)の信号分離を行うようにしている。 In the conventional signal separating apparatus, as shown in FIG. 13, a plurality of incident signals (separated signals) that interfere with the received signal are set by manually setting the time difference τ selected by the above two methods to TDSEP. Signal separation is performed.
従来の信号分離装置は以上のように構成されているので、ランダムに複数の時間差τを選択する方法では、最適な時間差τが必ずしも選択されない。入射信号の時間差自己相関値が最大となる0以外の時間差τを選択する方法では、入射信号の周期を事前に知っている必要があり、事前に入射信号の周期を知らなければ、時間差τを選択することができないなどの課題があった。 Since the conventional signal separation device is configured as described above, the optimal time difference τ is not necessarily selected in the method of selecting a plurality of time differences τ at random. In the method of selecting a time difference τ other than 0 that maximizes the time difference autocorrelation value of the incident signal, it is necessary to know the period of the incident signal in advance, and if the period of the incident signal is not known in advance, the time difference τ is calculated. There were issues such as being unable to select.
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、事前に入射信号の周期を知っていなくても、適正な時間差τを自動的に選択して、受信信号に混信している複数の信号(信号源が異なる複数の入射信号)を信号分離することができる信号分離装置及び信号分離方法を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. Even if the period of the incident signal is not known in advance, an appropriate time difference τ is automatically selected to interfere with the received signal. It is an object of the present invention to provide a signal separation device and a signal separation method capable of separating a plurality of signals (a plurality of incident signals having different signal sources).
この発明に係る信号分離装置は、信号源が異なる複数の入射信号が混信している受信信号を白色化する白色化手段と、白色化手段により白色化された受信信号におけるピーク間の時間差を変数とする上記受信信号の時間差相互相関行列を生成し、所定の範囲内の任意の時間差を上記時間差相互相関行列に順次代入して、各時間差の相互相関値を算出する相互相関値算出手段と、相互相関値算出手段により算出された各時間差の相互相関値の中で、隣接している時間差の相互相関値より大きく、かつ、所定の閾値より大きい相互相関値を検出して、その検出した相互相関値に対応する時間差を特定するピーク相関値検出手段と、ピーク相関値検出手段により特定された複数の時間差の中で、同じ周期で現れる時間差を同一のグループに分類し、各グループに属している時間差の周期を推定する周期推定手段とを設け、信号分離手段が、入射信号の周期が周期推定手段により推定された周期と一致すると仮定して、白色化手段により白色化された受信信号に混信している複数の入射信号の信号分離を行うようにしたものである。 The signal separation device according to the present invention provides a whitening means for whitening a reception signal in which a plurality of incident signals from different signal sources interferes, and a time difference between peaks in the reception signal whitened by the whitening means is a variable. Generating a time difference cross-correlation matrix of the received signal, and sequentially substituting an arbitrary time difference within a predetermined range into the time difference cross-correlation matrix to calculate a cross-correlation value of each time difference; and Among the cross-correlation values of each time difference calculated by the cross-correlation value calculating means, a cross-correlation value that is larger than a cross-correlation value of adjacent time differences and larger than a predetermined threshold is detected, and the detected cross-correlation value is detected. Classify the time difference that appears in the same period among the plurality of time differences identified by the peak correlation value detection means and the peak correlation value detection means that identify the time difference corresponding to the correlation value, Period estimation means for estimating the period of the time difference belonging to the group, and the signal separation means is whitened by the whitening means on the assumption that the period of the incident signal coincides with the period estimated by the period estimation means. Signal separation of a plurality of incident signals interfering with the received signal.
この発明によれば、信号源が異なる複数の入射信号が混信している受信信号を白色化する白色化手段と、白色化手段により白色化された受信信号におけるピーク間の時間差を変数とする上記受信信号の時間差相互相関行列を生成し、所定の範囲内の任意の時間差を上記時間差相互相関行列に順次代入して、各時間差の相互相関値を算出する相互相関値算出手段と、相互相関値算出手段により算出された各時間差の相互相関値の中で、隣接している時間差の相互相関値より大きく、かつ、所定の閾値より大きい相互相関値を検出して、その検出した相互相関値に対応する時間差を特定するピーク相関値検出手段と、ピーク相関値検出手段により特定された複数の時間差の中で、同じ周期で現れる時間差を同一のグループに分類し、各グループに属している時間差の周期を推定する周期推定手段とを設け、信号分離手段が、入射信号の周期が周期推定手段により推定された周期と一致すると仮定して、白色化手段により白色化された受信信号に混信している複数の入射信号の信号分離を行うように構成したので、事前に入射信号の周期を知っていなくても、適正な時間差を自動的に選択して、受信信号に混信している複数の入射信号を信号分離することができる効果がある。 According to the present invention, the whitening means for whitening a reception signal in which a plurality of incident signals with different signal sources interferes, and the time difference between peaks in the reception signal whitened by the whitening means is a variable. A cross-correlation value calculating means for generating a time-difference cross-correlation matrix of a received signal, sequentially substituting an arbitrary time difference within a predetermined range into the time-difference cross-correlation matrix, and calculating a cross-correlation value of each time difference; and a cross-correlation value Among the cross-correlation values of each time difference calculated by the calculation means, a cross-correlation value that is larger than a cross-correlation value of adjacent time differences and larger than a predetermined threshold is detected, and the detected cross-correlation value Among the plurality of time differences identified by the peak correlation value detection means for identifying the corresponding time difference and the peak correlation value detection means, classify the time differences that appear in the same period into the same group, A period estimating means for estimating the period of the time difference being received, and the signal separating means assumes that the period of the incident signal coincides with the period estimated by the period estimating means. Since it is configured to separate multiple incident signals interfering with the signal, even if the period of the incident signal is not known in advance, an appropriate time difference is automatically selected to interfere with the received signal. There is an effect that a plurality of incident signals can be separated.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による信号分離装置を示す構成図である。
図1において、白色化部1は複数のアンテナにより受信された受信信号x(信号源が異なる複数の入射信号sが混信している受信信号x)を白色化し、白色化後の受信信号である白色化受信信号zを時間差相互相関計算部2及び信号分離部5に出力する処理を実施する。なお、白色化部1は白色化手段を構成している。
FIG. 1 is a block diagram showing a signal separation device according to
In FIG. 1, a
時間差相互相関計算部2は白色化部1から出力された白色化受信信号zにおけるピーク間の時間差τを変数とする白色化受信信号zの時間差相互相関行列Rz(τ)を生成し、所定の範囲内の任意の時間差τを時間差相互相関行列Rz(τ)に順次代入して、各時間差τの相互相関値(時間差相互相関の二乗和評価関数値J(τ))を算出する処理を実施する。なお、時間差相互相関計算部2は相互相関値算出手段を構成している。
ピーク列抽出部3は時間差相互相関計算部2により算出された各時間差τの二乗和評価関数値J(τ)の中で、隣接している時間差τ−1,τ+1の二乗和評価関数値J(τ−1),J(τ+1)より大きく、かつ、所定の閾値thresholdより大きい二乗和評価関数値J(τ)を検出して、その二乗和評価関数値J(τ)に対応する時間差τを特定する処理を実施する。なお、ピーク列抽出部3はピーク相関値検出手段を構成している。
The time difference
The peak
周期推定部4はピーク列抽出部3により特定された複数の時間差τの中で、同じ周期で現れる時間差τを同一のグループに分類し、各グループに属している時間差τの周期τ(p)を推定する処理を実施する。p=1,2,・・・,Pであり、Pは分類されたグループ数である。なお、周期推定部4は周期推定手段を構成している。
信号分離部5は受信信号xに混信している複数の入射信号sの周期が周期推定部4により推定された周期τ(p)と一致すると仮定して、白色化部1から出力された白色化受信信号zに混信している複数の入射信号sの信号分離を行う。
即ち、信号分離部5は独立指標として時間差相互相関値を用いる独立成分分析であるTDSEPを実施するものであり、周期推定部4により推定された周期τ(p)における白色化受信信号zの時間差相互相関値を最小化することで、その白色化受信信号zに混信している複数の入射信号sの信号分離を行う。
なお、信号分離部5は信号分離手段を構成している。
The
The
That is, the
The
図1の例では、信号分離装置の構成要素である白色化部1、時間差相互相関計算部2、ピーク列抽出部3、周期推定部4及び信号分離部5のそれぞれが専用のハードウェア(例えば、CPUを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなど)で構成されているものを想定しているが、信号分離装置がコンピュータで構成されていてもよい。
信号分離装置がコンピュータで構成される場合、白色化部1、時間差相互相関計算部2、ピーク列抽出部3、周期推定部4及び信号分離部5の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのCPUが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図2はこの発明の実施の形態1による信号分離装置の処理内容を示すフローチャートである。
In the example of FIG. 1, each of the
When the signal separation device is configured by a computer, a program describing the processing contents of the
FIG. 2 is a flowchart showing the processing contents of the signal separation apparatus according to
図3はこの発明の実施の形態1による信号分離装置の周波数推定部4を示す構成図である。
図3において、第1周期設定部11はピーク列抽出部3により特定された複数の時間差τのうち、第1番目の時間差τを第1番目の周期τ(1)に設定する処理を実施する。
周期格納部12は設定済みの周期τ(p)(p=1,2,・・・,P)を格納する記録媒体である。
FIG. 3 is a block diagram showing the
In FIG. 3, the first period setting unit 11 performs a process of setting the first time difference τ among the plurality of time differences τ specified by the peak
The
次ピーク時間差選択部13はピーク列抽出部3により特定された複数の時間差τのうち、第n番目の時間差τを選択する処理を実施する。
ピーク時間差/周期除算部14は次ピーク時間差選択部13により選択された第n番目の時間差τを周期格納部12により格納されている設定済みの周期τ(p)でそれぞれ除算し(第n番目の時間差τ/τ(1),第n番目の時間差τ/τ(2),・・・,第n番目の時間差τ/τ(P))、その除算したときの余りr(p)(p=1,2,・・・,P)を同一列判定部15に出力する処理を実施する。
The next peak time
The peak time difference /
同一列判定部15はピーク時間差/周期除算部14から出力された余りr(p)が零、あるいは、余りr(p)が十分に小さい(余りが所定値εより小さい)場合、第n番目の時間差τが設定済みの周期τ(p)の列に属していると判定して、第n番目の時間差τを設定済みの周期τ(p)で現れる時間差のグループに分類する。一方、ピーク時間差/周期除算部14から出力された全ての余りr(p)が十分に大きい(余りが所定値εより大きい)場合、第n番目の時間差τが何れの周期τ(p)の列にも属していないと判定して、第n番目の時間差τを第P+1番目の周期τ(p+1)に設定する処理を実施する。
処理終了判定部16はピーク列抽出部3により特定された全ての時間差τについて、同一列判定部15の判定処理が終了しているか否かを判定し、判定処理が終了していなければ、現時点で未だ選択していない時間差τの選択を次ピーク時間差選択部13に指示する処理を実施する。
If the remainder r (p) output from the peak time difference /
The process
次に動作について説明する。
図1の信号分離装置は、概略的には、時間差τの時間差相互相関行列Rz(τ)の非対角項である白色化受信信号zの時間差相互相関値が大きい時間差τを選択し、その時間差τをTDSEPに設定するものである。
ただし、理想的な周期信号の場合、時間差相互相関行列Rz(τ)には、各入射信号sの周期でピークが立つため、それぞれのピーク列から1つずつ時間差τを選択するようにする。
即ち、所定の範囲内にある各々の時間差τ毎に、白色化受信信号zの時間差相互相関値を計算し、その計算結果の中で、ピークを有する時間差相互相関値に対応する時間差τを選択する。
複数の時間差τを選択すると、それらの時間差τの列から各ピーク列に対応する周期τ(p)を推定する。
Next, the operation will be described.
1 schematically selects a time difference τ having a large time difference cross-correlation value of the whitened reception signal z that is a non-diagonal term of the time difference cross-correlation matrix Rz (τ) of the time difference τ, The time difference τ is set to TDSEP.
However, in the case of an ideal periodic signal, the time difference cross-correlation matrix Rz (τ) has a peak at the period of each incident signal s, so that the time difference τ is selected one by one from each peak row.
That is, for each time difference τ within the predetermined range, the time difference cross-correlation value of the whitened reception signal z is calculated, and the time difference τ corresponding to the time difference cross-correlation value having a peak is selected from the calculation results. To do.
When a plurality of time differences τ are selected, the period τ (p) corresponding to each peak sequence is estimated from the sequence of these time differences τ.
以下、図1の信号分離装置の処理内容を具体的に説明する。
信号受信部(図示せぬ)は、複数のアンテナが混合信号(信号源が異なる複数の入射信号sが混合している信号)を受信すると(図12を参照)、その混合信号に対するA/D変換処理等の受信処理を実施して、ディジタルの混合信号である受信信号xを白色化部1に出力する。
白色化部1は、ディジタルの受信信号xを受けると、下記の式(11)に示すように、その受信信号xを白色化し、白色化後の受信信号である白色化受信信号zを時間差相互相関計算部2及び信号分離部5に出力する(ステップST1)。受信信号xの白色化の処理自体は公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
ただし、Mは白色化用の行列である。
Hereinafter, the processing content of the signal separation device of FIG. 1 will be described in detail.
When a plurality of antennas receive a mixed signal (a signal in which a plurality of incident signals s of different signal sources are mixed) (see FIG. 12), the signal receiving unit (not shown) receives an A / D for the mixed signal. A reception process such as a conversion process is performed, and a received signal x, which is a digital mixed signal, is output to the
When receiving the digital reception signal x, the
Here, M is a whitening matrix.
なお、白色化部1は、信号分離部5により分離される入射信号sの振幅が不定であるため、受信信号xを事前に白色化しており、白色化後の受信信号である白色化受信信号zに対して、後述する独立成分分析であるTDSEPを実施する場合、白色化していない受信信号xに対してTDSEPを実施する場合よりも、TDSEPにおける学習が高速化されることが期待される。
In addition, since the amplitude of the incident signal s separated by the
時間差相互相関計算部2は、白色化部1から白色化受信信号zを受けると、その白色化受信信号zにおけるピーク間の時間差τを変数とする白色化受信信号zの時間差相互相関行列Rz(τ)を生成する(ステップST2)。
例えば、入射信号数が2である場合、時間差τにおける白色化受信信号zの時間差相互相関行列Rz(τ)は、下記の式(12)のように表される。
式(12)の(1,2)要素と(2,1)要素に時間差相互相関が現れているため、これらを最小化するような分離行列Wを計算する。これは式(12)の対角化を意味している。
なお、Eは期待値(または平均値)を意味する数学記号であり、Hは行列の転置を意味し、*は共役複素数を意味する。
When the time difference
For example, when the number of incident signals is 2, the time difference cross-correlation matrix Rz (τ) of the whitened reception signal z at the time difference τ is expressed as the following Expression (12).
Since a time difference cross-correlation appears in the (1,2) element and the (2,1) element of the equation (12), a separation matrix W that minimizes these is calculated. This means diagonalization of equation (12).
Note that E is a mathematical symbol that means an expected value (or an average value), H means transposition of a matrix, and * means a conjugate complex number.
時間差相互相関計算部2は、白色化受信信号zの時間差相互相関行列Rz(τ)を生成すると、下記の式(13)に示すように、所定の範囲内の任意の時間差τを時間差相互相関行列Rz(τ)に順次代入することで、各時間差τの相互相関値として、時間差相互相関の二乗和評価関数値J(τ)を算出する(ステップST3)。
ただし、off(.)は行列の非対角項を意味する。
また、Rzj1j2チルダは、行列Rzチルダの第(j1,j2)要素であることを意味し、j1≠j2は非対角項を意味している。
When the time difference
However, off (.) Means an off-diagonal term of the matrix.
Rz j1j2 tilde means the (j1, j2) element of the matrix Rz tilde, and j1 ≠ j2 means a non-diagonal term.
ここでは、所定の範囲内の任意の時間差τを時間差相互相関行列Rz(τ)に代入しているが、所定の範囲は、例えば、受信信号xの長さの半分程度が考えられる。
時間差相互相関行列Rz(τ)に代入する時間差τは離散的な値であり、例えば、受信信号xの長さが2000であれば、0〜1000の間の離散的な値である。
図4は時間差相互相関計算部2による二乗和評価関数値J(τ)の算出例を示す説明図であり、各時間差τの二乗和評価関数値J(τ)が算出されている。
入射信号sの周期に対応する時間差τの二乗和評価関数値J(τ)は大きなピークとなるが、入射信号sの周期に対応していない時間差τの二乗和評価関数値J(τ)にも小さなピークが立つことがあり、その小さなピークと本来の大きなピークを区別する必要がある。
Here, an arbitrary time difference τ within a predetermined range is substituted into the time difference cross-correlation matrix Rz (τ). For example, the predetermined range may be about half the length of the received signal x.
The time difference τ to be substituted into the time difference cross-correlation matrix Rz (τ) is a discrete value. For example, if the length of the received signal x is 2000, it is a discrete value between 0 and 1000.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a calculation example of the square sum evaluation function value J (τ) by the time difference
The square sum evaluation function value J (τ) of the time difference τ corresponding to the period of the incident signal s has a large peak, but the square sum evaluation function value J (τ) of the time difference τ that does not correspond to the period of the incident signal s. May have small peaks, and it is necessary to distinguish the small peak from the original large peak.
そこで、ピーク列抽出部3は、時間差相互相関計算部2が各時間差τの二乗和評価関数値J(τ)を算出すると、下記の式(14)に示すように、各時間差τの二乗和評価関数値J(τ)の中で、隣接している時間差τ−1,τ+1の二乗和評価関数値J(τ−1),J(τ+1)より大きく、かつ、所定の閾値thresholdより大きい二乗和評価関数値J(τ)を検出して、その二乗和評価関数値J(τ)に対応する時間差τを特定する(ステップST4)。
Therefore, when the time difference
閾値thresholdの設定方法は様々な方法が考えられるが、ここでは、下記の式(15)に示すように、隣接している時間差τi−1,τi+1の二乗和評価関数値J(τi−1),J(τi+1)より大きい全ての二乗和評価関数値J(τi)の平均値としている。
ただし、mean(.)は平均値の計算を意味している。
Various methods are conceivable for setting the threshold value threshold. Here, as shown in the following equation (15), the square sum evaluation function value J (τ) of the adjacent time differences τ i −1 and τ i +1 is used. i −1) and an average value of all square sum evaluation function values J (τ i ) larger than J (τ i +1).
However, mean (.) Means calculation of the average value.
図5はピーク列抽出部3により検出された二乗和評価関数値J(τ)に対応する時間差τを示す説明図である。
図5の例では、14個の二乗和評価関数値J(τ)が検出されて、14個の時間差τが特定されている。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the time difference τ corresponding to the square sum evaluation function value J (τ) detected by the peak
In the example of FIG. 5, 14 square sum evaluation function values J (τ) are detected, and 14 time differences τ are specified.
周期推定部4は、ピーク列抽出部3が複数の二乗和評価関数値J(τ)を検出して、複数の二乗和評価関数値J(τ)に対応する時間差τを特定すると、複数の時間差τの中で、同じ周期で現れる時間差τを同一のグループに分類し、各グループに属している時間差τの周期τ(p)を推定する(ステップST5)。p=1,2,・・・,Pであり、Pは分類されたグループ数である。
When the peak
以下、周期推定部4の処理内容を具体的に説明する。
図6は周期推定部4による周期推定方法の概要を示す説明図である。
周期推定部4では、周期的なピークの時間差は、周期の整数倍の時間差に存在する性質を利用し、最初のピークの時間差から順番に時間差の割り算を行い、余りが小さければ、同一周期のピーク列に存在し、余りが大きければ、異なる周期のピーク列に属するとみなすことで、それぞれの周期を検出する方法を採用している。
Hereinafter, the processing content of the
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an outline of the period estimation method by the
In the
周期推定部4の第1周期設定部11は、ピーク列抽出部3が複数の二乗和評価関数値J(τ)を検出して、複数の二乗和評価関数値J(τ)に対応する時間差τを特定すると、複数の時間差τの中で、第1番目の時間差τを第1番目の周期τ(1)に設定する。
なお、第1周期設定部11により設定された第1番目の周期τ(1)は周期格納部12により格納される。
The first cycle setting unit 11 of the
The first cycle τ (1) set by the first cycle setting unit 11 is stored by the
次ピーク時間差選択部13は、ピーク列抽出部3により特定された複数の時間差τのうち、第n番目の時間差τを選択して、その時間差τをピーク時間差/周期除算部14に出力する。n=1,2,・・・,Nであり、Nはピーク列抽出部3により特定された時間差τの個数である。
ピーク時間差/周期除算部14は、次ピーク時間差選択部13から第n番目の時間差τを受けると、第n番目の時間差τを周期の候補τcとして、その周期の候補τcを周期格納部12により格納されている設定済みの周期τ(p)で除算し、その除算したときの余りr(p)を同一列判定部15に出力する。
即ち、ピーク時間差/周期除算部14は、mod(τc,τ(p))を演算することにより、除算時の余りr(p)を同一列判定部15に出力する。なお、mod(a,b)はaをbで割った余りを返す関数である。
The next peak time
When the peak time difference /
That is, the peak time difference /
初期の段階では、第1番目の周期τ(1)だけが周期格納部12に格納されているため、mod(τc,τ(1))だけを演算して余りr(1)を出力するが、その後、P−1個の周期τ(2),τ(3),・・・,τ(P)が設定されて、P個の周期τ(1),τ(2),・・・,τ(P)が周期格納部12に格納されていれば、P個のmod(τc,τ(1)),mod(τc,τ(2)),・・・,mod(τc,τ(P))を演算して、P個の余りr(1),r(2),・・・,r(P)を出力する。
At the initial stage, only the first period τ (1) is stored in the
同一列判定部15は、ピーク時間差/周期除算部14から余りr(p)を受けると、その余りr(p)と所定値εを比較する。所定値εは周期τ(p)より小さい零に近い値であり、例えば、2や3などの値が設定される。
なお、ピーク時間差/周期除算部14からP個の余りr(1),r(2),・・・,r(P)を受けていれば、P個の余りr(1),r(2),・・・,r(P)と所定値εをそれぞれ比較する。
When the same
If P remainders r (1), r (2),..., R (P) are received from the peak time difference /
同一列判定部15は、余りr(p)が零である場合、あるいは、余りr(p)が所定値εより小さい場合(0<r(p)<ε)、第n番目の時間差τが設定済みの周期τ(p)の列に属していると判定して、第n番目の時間差τを設定済みの周期τ(p)で現れる時間差のグループに分類する。
例えば、ピーク時間差/周期除算部14からP個の余りr(1),r(2),・・・,r(P)を受けているとき、余りr(2)だけが所定値εより小さければ、第n番目の時間差τを設定済みの周期τ(2)で現れる時間差のグループに分類する。
When the remainder r (p) is zero or when the remainder r (p) is smaller than the predetermined value ε (0 <r (p) <ε), the same
For example, when P remainders r (1), r (2),..., R (P) are received from the peak time difference /
同一列判定部15は、ピーク時間差/周期除算部14から出力された全ての余りr(p)が所定値εより大きい場合(P個の余りr(1),r(2),・・・,r(P)を受けていれば、余りr(1),r(2),・・・,r(P)の全てが所定値εより大きい場合)、第n番目の時間差τが何れの周期τ(p)の列にも属していないと判定して、新たに第n番目の時間差τを第P+1番目の周期τ(P+1)に設定する。
なお、同一列判定部15により設定された第P+1番目の周期τ(P+1)は周期格納部12により格納される。
The same
Note that the P + 1-th cycle τ (P + 1) set by the same
処理終了判定部16は、ピーク列抽出部3により特定された全ての時間差τについて、同一列判定部15の判定処理が終了しているか否かを判定し、判定処理が終了していなければ、現時点で未だ選択していない時間差τの選択を次ピーク時間差選択部13に指示する。
一方、判定処理が終了していれば、設定済みの周期τ(p)の出力を周期格納部12に指示する。
なお、M個の周期τ(p)が設定されていれば、周期格納部12からM個の周期τ(1),τ(2),・・・,τ(M)が信号分離部5に出力される。
The process
On the other hand, if the determination process is completed, the
If M periods τ (p) are set, M periods τ (1), τ (2),..., Τ (M) are transmitted from the
ここでは、ピーク時間差/周期除算部14が、mod(τc,τ(p))を演算するものを示したが、mod(τc,τ(p))の関数から返される余りr(p)は正の値だけである。
しかし、ピーク出現誤差は正負両方に出るため、mod(τc,τ(p))を演算する他に、τ(p)−mod(τc,τ(p))も演算して、双方の演算から得られる余りr(p)を所定値εと比較する検定を行うようにしてもよい。
なお、検定式は、下記の式(16)の通りである。
Here, the peak time difference /
However, since the peak appearance error appears in both positive and negative directions, in addition to calculating mod (τc, τ (p)), τ (p) −mod (τc, τ (p)) is also calculated. You may make it perform the test | inspection which compares the remainder r (p) obtained with predetermined value (epsilon).
The test formula is as shown in the following formula (16).
また、ここでは、処理終了判定部16が、ピーク列抽出部3により特定された全ての時間差τについて、同一列判定部15の判定処理が終了しているか否かを判定するものを示したが、所望の数だけ周期τ(p)が設定されたか否かを判定し、所望の数だけ周期τ(p)が設定されていれば、ピーク列抽出部3により特定された全ての時間差τについての判定処理が終了していなくても、設定済みの周期τ(p)の出力を周期格納部12に指示するようにしてもよい。
In addition, here, the processing
信号分離部5は、周期推定部4からM個の周期τ(1),τ(2),・・・,τ(M)を受けると、受信信号xに混信している各入射信号sの周期が、M個の周期τ(1),τ(2),・・・,τ(M)のいずれかと一致すると仮定して、白色化部1から出力された白色化受信信号zに混信している複数の入射信号sの信号分離を行う(ステップST6)。
即ち、信号分離部5は、TDSEPにおける時間差パラメータとして、周期推定部4から出力されたM個の周期τ(1),τ(2),・・・,τ(M)を順番に設定し、その設定した周期τ(p)における白色化受信信号zの時間差相互相関値を最小化することで、その白色化受信信号zから当該周期τ(p)を有する入射信号sを信号分離する。
When the
That is, the
ここでは、周期推定部4がM個の周期τ(1),τ(2),・・・,τ(M)を信号分離部5に出力し、信号分離部5がTDSEPにおける時間差パラメータとして、M個の周期τ(1),τ(2),・・・,τ(M)を順番に設定するものを示したが、TDSEPの処理負荷を軽減するために、M個の周期τ(1),τ(2),・・・,τ(M)の中の或る周期が、他の周期の整数倍である場合、周期推定部4が、どちらか一方の周期だけを信号分離部5に出力して、他方の周期を信号分離部5に出力しないようにしてもよい。
例えば、周期τ(4)が周期τ(1)の整数倍である場合、周期τ(4)又は周期τ(1)の一方だけを信号分離部5に出力して、他方の周期を信号分離部5に出力しないようにする。この場合、TDSEPにおける時間差パラメータとして、周期τ(1)が設定されれば、周期τ(4)は設定されず、周期τ(4)が設定されれば、周期τ(1)は設定されない。
Here, the
For example, when the period τ (4) is an integral multiple of the period τ (1), only one of the period τ (4) or the period τ (1) is output to the
以下、図1の信号分離装置による入射信号の信号分離のシミュレーション結果について説明する。
ここでは、周期が“30”の入射信号と、周期が“74”の入射信号と、周期が“77”の入射信号との3波が混信している受信信号(周期性ガウス信号)が受信される場合のシミュレーション結果について説明する。
図7は3波の入射信号の時間差自己相関を示す説明図である。
図7より明らかなように、各入射信号は周期的にピークを有している。ただし、入射信号の周期は事前に分からないため未知である。
Hereinafter, the simulation result of the signal separation of the incident signal by the signal separation device of FIG. 1 will be described.
Here, a received signal (periodic Gaussian signal) in which three waves of an incident signal with a period of “30”, an incident signal with a period of “74”, and an incident signal with a period of “77” are mixed is received. A simulation result in the case of being performed will be described.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing time difference autocorrelation of incident signals of three waves.
As is apparent from FIG. 7, each incident signal has a peak periodically. However, the period of the incident signal is unknown because it is not known in advance.
図8は白色化受信信号の時間差相互相関を示す説明図であり、図9はTDSEPにおける時間差パラメータとして設定される時間差τ(τ=30,74,77)を示す説明図である。
また、図10は実施の形態1による信号分離装置及び従来の信号分離装置における入射信号の分離性能のシミュレーション結果を示す説明図である。
図8から明らかなように、白色化受信信号zの時間差相互相関には、各入射信号sの周期でピークが現れる。
このシミュレーションでは、図9に示すように、TDSEPにおける時間差パラメータとして、時間差τ(τ=30,74,77)が設定されており、3波の入射信号の周期“30”,“74”,“77”と一致している。
この実施の形態1による信号分離装置によれば、図10に示すように、従来の信号分離装置(時間差τをランダムに選択する方法を用いる信号分離装置)よりも、入射信号の分離性能が約20dB改善している。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a time difference cross-correlation of the whitened reception signal, and FIG. 9 is an explanatory diagram showing a time difference τ (τ = 30, 74, 77) set as a time difference parameter in TDSEP.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing simulation results of incident signal separation performance in the signal separation device according to the first embodiment and the conventional signal separation device.
As is apparent from FIG. 8, a peak appears in the time difference cross-correlation of the whitened reception signal z at the period of each incident signal s.
In this simulation, as shown in FIG. 9, the time difference τ (τ = 30, 74, 77) is set as the time difference parameter in TDSEP, and the periods “30”, “74”, “ 77 ″.
According to the signal separation device according to the first embodiment, as shown in FIG. 10, the separation performance of incident signals is approximately higher than that of a conventional signal separation device (a signal separation device using a method of randomly selecting a time difference τ). 20 dB improvement.
以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、信号源が異なる複数の入射信号sが混信している受信信号xを白色化する白色化部1と、白色化部1により白色化された受信信号である白色化受信信号zにおけるピーク間の時間差τを変数とする白色化受信信号zの時間差相互相関行列Rz(τ)を生成し、所定の範囲内の任意の時間差τを時間差相互相関行列Rz(τ)に順次代入して、各時間差τの相互相関値である二乗和評価関数値J(τ)を算出する時間差相互相関計算部2と、時間差相互相関計算部2により算出された各時間差τの二乗和評価関数値J(τ)の中で、隣接している時間差τ−1,τ+1の二乗和評価関数値J(τ−1),J(τ+1)より大きく、かつ、所定の閾値thresholdより大きい二乗和評価関数値J(τ)を検出して、その二乗和評価関数値J(τ)に対応する時間差τを特定するピーク列抽出部3と、ピーク列抽出部3により特定された複数の時間差τの中で、同じ周期で現れる時間差τを同一のグループに分類し、各グループに属している時間差τの周期τ(p)を推定する周期推定部4とを設け、信号分離部5が、入射信号sの周期が周期推定部4により推定された周期τ(p)と一致すると仮定して、その白色化受信信号zに混信している複数の入射信号sの信号分離を行うように構成したので、事前に入射信号sの周期を知っていなくても、適正な時間差τを自動的に選択して、受信信号xに混信している複数の入射信号sを信号分離することができる効果を奏する。
As is apparent from the above, according to the first embodiment, the
また、この実施の形態1によれば、あるグループに属している時間差τの周期が、他のグループに属している時間差τの周期の整数倍である場合、周期推定部4が、どちらか一方のグループに属している時間差τの周期だけを推定結果として信号分離部5に出力するように構成したので、無駄なTDSEPの実施を省くことができるようになり、その結果、信号分離性能の劣化を招くことなく、信号分離部5におけるTDSEPの処理負荷を軽減することができる効果を奏する。
Further, according to the first embodiment, when the period of the time difference τ belonging to a certain group is an integral multiple of the period of the time difference τ belonging to another group, the
また、この実施の形態1によれば、周期推定部4が、ピーク列抽出部3により特定された複数の時間差τの中から任意の時間差τを選択し、その時間差τを設定済みの周期τ(p)で除算した場合の余りr(p)が所定値εより小さければ、その時間差τを周期τ(p)で現れる時間差τのグループに分類し、その余りr(p)が所定値εより大きければ、その選択した時間差τを周期τ(p)以外の周期で現れる時間差τのグループに分類するように構成したので、同じ周期で現れる時間差τを同一のグループに分類することができる効果を奏する。
Further, according to the first embodiment, the
実施の形態2.
上記実施の形態1では、周期推定部4が、ピーク列抽出部3により特定された複数の時間差τの中から任意の時間差τを選択し、その時間差τを設定済みの周期τ(p)で除算した場合の余りr(p)が所定値εより小さければ、その時間差τを周期τ(p)で現れる時間差τのグループに分類し、その余りr(p)が所定値εより大きければ、その選択した時間差τを周期τ(p)以外の周期で現れる時間差τのグループに分類するものを示したが、図11に示すように、周期推定部4がPRI変換部4aを内蔵し、PRI変換部4aが、ピーク列抽出部3により特定された複数の時間差τをPRI変換することで、複数の時間差τの中で、同じ周期で現れる時間差τを特定して、その時間差τのグループ分け(同じ周期で現れる時間差τは同じグループに分類)を行うようにしてもよく、上記実施の形態1と同様の効果を奏することができる。
なお、PRI変換は、公知の技術であるため詳細な説明は省略するが(例えば、特公昭62−26603号公報を参照)、異なる周期を持つピーク列が混在しているピーク列から、それぞれのピーク列を検出して、それぞれのピーク列の周期を検出するアルゴリズムである。
In the first embodiment, the
Since PRI conversion is a known technique, detailed description thereof is omitted (see, for example, Japanese Examined Patent Publication No. Sho 62-26603), but from peak sequences in which peak sequences having different periods are mixed, This is an algorithm for detecting a peak train and detecting the period of each peak train.
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, any combination of the embodiments, or any modification of any component in each embodiment, or omission of any component in each embodiment is possible. .
1 白色化部(白色化手段)、2 時間差相互相関計算部(相互相関値算出手段)、3 ピーク列抽出部(ピーク相関値検出手段)、4 周期推定部(周期推定手段)、4a PRI変換部、5 信号分離部(信号分離手段)、11 第1周期設定部、12 周期格納部、13 次ピーク時間差選択部、14 ピーク時間差/周期除算部、15 同一列判定部、16 処理終了判定部。
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