JP2014224694A

JP2014224694A - 無線周波信号の同定装置および無線周波信号の同定方法

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Publication number: JP2014224694A
Application number: JP2013102868A
Authority: JP
Inventors: 貴司岩本; Takashi Iwamoto; 隆文永野; Takafumi Nagano
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2014-12-04
Anticipated expiration: 2033-05-15
Also published as: JP6143545B2

Abstract

【課題】信号振幅がほぼ一定の領域であっても、無線周波信号の同定を実行可能であり、かつ雑音の重畳による同定精度の劣化を抑制可能な無線周波信号の同定装置を得る。
【解決手段】無線周波信号に基づき、その無線周波信号特徴パターンを抽出する信号特徴出力部、照合信号特徴パターンを記録する記録保存部、および無線周波信号特徴パターンと照合信号特徴パターンとを照合し、無線周波信号を同定する照合部を備えた無線周波信号の同定装置であって、信号特徴出力部は、無線周波信号の変調が繰り返される周期解部分の特徴量を抽出する周期差分特徴抽出部を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、無線周波信号を同定する無線周波信号の同定装置および無線周波信号の同定方法に関する。

多数の無線機器が無線周波信号を放射する環境に設置され、受信した無線周波信号を同定し、多数の無線機器の中で、その無線周波信号を放射した無線機器を特定するための技術が開発されている。

従来の無線周波信号の同定装置では、その振幅がほぼ零からピーク値まで上昇する立ち上がり部分と、その振幅がピーク値からほぼ零まで減少する立ち下がり部分とを含む無線周波信号を対象とし、その振幅対位相特性に基づいて無線周波信号を同定している（例えば、特許文献１参照）。

具体的には、まず、無線周波信号の立ち上がり部分または立ち下がり部分で振幅が変化する振幅変化部分と、この振幅変化部分に連続してピーク値に対応した振幅を有する振幅飽和部分とを含む信号部分が抽出される。

続いて、この信号部分における振幅変化および位相変化に基づいて、振幅変化に対する位相変化を表す振幅対位相特性が出力され、この振幅対位相特性が無線周波信号の特徴量として、あらかじめ記録された無線機器の特徴量と照合されることにより、無線周波信号が同定される。

特許第４６７５２１６号明細書

麻生英樹、津田宏治、村田昇、「パターン認識と学習の統計学」、岩波書店、２００３年、ｐ．１２−３１、１０７−１１５

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１に記載された無線周波信号の同定装置では、信号振幅がほぼ一定の領域のみからは、無線周波信号の同定を行うことができず、同定の機会が少ないという問題がある。また、無線周波信号に雑音が重畳すると、特に振幅の小さな領域で振幅対位相特性が変化して観測され、無線周波信号の同定精度の劣化を招くという問題もある。

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あり、信号振幅がほぼ一定の領域であっても、無線周波信号の同定を実行することができるとともに、雑音の重畳による同定精度の劣化を抑制することができる無線周波信号の同定装置および無線周波信号の同定方法を得ることを目的とする。

この発明に係る無線周波信号の同定装置は、無線周波信号に基づき、その無線周波信号特徴パターンを抽出する信号特徴出力部、照合信号特徴パターンを記録する記録保存部、および無線周波信号特徴パターンと照合信号特徴パターンとを照合し、無線周波信号を同定する照合部を備えた無線周波信号の同定装置であって、信号特徴出力部は、無線周波信号の変調が繰り返される周期解部分の特徴量を抽出する周期差分特徴抽出部を有するものである。

また、この発明に係る無線周波信号の同定方法は、無線周波信号に基づき、その無線周波信号特徴パターンを抽出する信号特徴出力部、照合信号特徴パターンを記録する記録保存部、および無線周波信号特徴パターンと照合信号特徴パターンとを照合し、無線周波信号を同定する照合部を備えた無線周波信号の同定装置によって実行される無線周波信号の同定方法であって、信号特徴出力部において実行される、無線周波信号の変調が繰り返される周期解部分の特徴量を抽出する周期差分特徴抽出ステップを有するものである。

この発明に係る無線周波信号の同定装置および無線周波信号の同定方法によれば、信号特徴出力部（ステップ）は、無線周波信号の変調が繰り返される周期解部分の特徴量を抽出する周期差分特徴抽出部（ステップ）を有している。
これにより、振幅がほぼ一定の領域の信号から個体差を抽出して無線周波信号を同定することができる。また、電力が大きく雑音耐性の高い領域で同定を実行することができる。
すなわち、信号振幅がほぼ一定の領域であっても、無線周波信号の同定を実行することができるとともに、雑音の重畳による同定精度の劣化を抑制することができる。

この発明の実施の形態１に係る無線周波信号の同定装置を示すブロック構成図である。この発明の実施の形態１に係る無線周波信号の同定装置において、振幅対位相特性抽出部が抽出した信号における周期解部分（周期領域）を例示する説明図である。図２に示した周期解部分における周期２〜６の波形と、周期１〜５の波形との差分の同相成分および直角位相成分（複素数成分）を示すグラフである。

以下、この発明に係る無線周波信号の同定装置および無線周波信号の同定方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る無線周波信号の同定装置を示すブロック構成図である。図１において、この無線周波信号の同定装置は、Ａ／Ｄ変換器１０、信号特徴出力部２０、記録保存部３０および照合部４０を備えている。

なお、信号特徴出力部２０、記録保存部３０および照合部４０は、例えばコンピュータによって構成されている。また、信号特徴出力部２０および照合部４０は、コンピュータのＣＰＵによって実行される機能ブロックである。また、記録保存部３０は、例えばコンピュータに内蔵または付属するメモリ、ハードディスク等によって構成されている。

Ａ／Ｄ変換器１０は、受信した未知の無線周波信号ＳＲの同相成分および直角位相成分の両方をデジタル化して、無線周波信号Ｐを出力する。

信号特徴出力部２０は、デジタル化された無線周波信号Ｐを受けて、無線周波信号特徴パターンＣＰ１を出力する。デジタル化された無線周波信号Ｐの無線周波信号特徴パターンＣＰ１を出力する信号特徴出力部２０は、振幅対位相特性抽出部２１を有し、振幅対位相特性抽出部２１は、周期差分特徴抽出部２２を含んでいる。

振幅対位相特性抽出部２１は、後述する周期差分特徴抽出部２２により抽出される振幅対位相特性、および上述した特許文献１に記載された振幅対位相特性の１個以上の組み合わせを出力する。

周期差分特徴抽出部２２は、振幅対位相特性抽出部２１が抽出した信号のうち、変調が繰り返される周期解部分（周期領域）を同定して、周期差分特徴（特徴量）を抽出する。ここで、振幅対位相特性抽出部２１が抽出した信号における周期解部分（周期領域）を図２に例示する。図２では、受信した信号の変調周波数を、時間に対してプロットしている。

周期差分特徴抽出部２２は、あらかじめ定めた周期ｍと周期ｎと（ｍとｎとは、互いに異なる周期番号）における対応複素標本の差分ｚ（ｋ＋（ｍ−１）Ｔ）−ｚ（ｋ＋（ｎ−１）Ｔ）（ｋ＝１，２，．．．，Ｔは、標本の添字を示し、Ｔは、１周期に含まれる標本数を示す）を算出して出力する。

また、周期差分特徴抽出部２２は、あらかじめ定めた周期の和Ｍと周期の和Ｎと（周期の和Ｍは、１個以上の周期を含み、周期の和Ｎは、０以外の整数ｈに対して、周期の和Ｍに含まれる各々の周期ｍに対し、ｍ＋ｈ番目の周期を含む）における各複素波形間の差分を求めて、波形の特徴とする。

ここで、一例として、図２に示した周期解部分における周期２〜６の波形と、周期１〜５の波形との差分の同相成分および直角位相成分（複素数成分）のグラフを図３に示す。

図３において、もし振幅対位相特性抽出部２１が抽出した信号における周期解部分が厳密に周期解である場合には、上述した周期差分は、すべての添字に対して０となり、図３の原点の点となる。この場合は、明らかに個体差の識別には適さないが、図３には、理想的な周期解からの特徴的な乖離が示されている。

このような特徴的な乖離は、各送信機を構成する個別の部品を、完全に同一に製造することが不可能であるが故に生じる個体ばらつきに起因している。すなわち、本来は、正確に再現されるべき周期解が、個々の部品の個性として発現しているものと考えられる。これらの個体差は、主周期成分に比べて小さなエネルギーしか有さない場合が多いが、周期差分を取ることにより、主周期成分が打ち消された結果、観測可能になる。

このとき、上述した周期差分から、以下で定義されるキュムラント成分を算出することができる。まず、確率変数ｘ_１，ｘ_２，．．．，ｘ_Ｍのモーメント母関数を、次式（１）で定義する。

式（１）において、ξ_１、ξ_２、ξ_Ｍは実数を示し、ｍ_１，ｍ_２，．．．，ｍ_Ｍは非負整数を示し、記号＜Ａ＞は確率変数Ａの標本平均を示し、記号！は階乗演算を示し、Σは可能な項に関する和を示している。

ここで、次式（２）で表されるモーメント母関数の対数から、任意の非負整数の組（ｍ_１，ｍ_２，．．．，ｍ_Ｍ）に対して、次式（３）の冪係数でキュムラントを定義する。

式（３）で表されるキュムラントは、条件Σ_ｋｍ_ｋ≧３を満足する非負整数の組（ｍ_１，ｍ_２，．．．，ｍ_Ｍ）に対して、熱雑音が重畳しても原理的に値が変わらないという性質を持つので、雑音に強い同定を可能にする。

なお、振幅対位相特性抽出部２１は、特許文献１に記載された技術に加えて、周期差分特徴抽出部２２から出力される、あらかじめ定めた周期差分波形、キュムラントの０個以上の組み合わせを出力してもよい。また、信号特徴出力部２０は、これらを、特許文献１に記載された技術に加えて出力してもよい。

図１に戻って、記録保存部３０は、信号特徴出力部２０から出力される未知の無線周波信号特徴パターンＣＰ１と照合される、多数の照合信号特徴パターンＣＰ１ｒｅｆを記録する。この照合信号特徴パターンＣＰ１ｒｅｆは、既知の多数の無線機器、例えばパルスレーダ機器や、無線通信機器等について、それぞれの無線周波信号特徴パターンＣＰ１をあらかじめ抽出したものである。

具体的には、記録保存部３０は、既知の各無線機器からの無線周波信号ＳＲを実際に受信し、それぞれの無線周波信号特徴パターンＣＰ１を信号特徴出力部２０により抽出し、これらの既知の無線周波信号特徴パターンＣＰ１を、照合信号特徴パターンＣＰ１ｒｅｆとしてあらかじめ記録する。

なお、照合信号特徴パターンＣＰ１ｒｅｆは、信号特徴出力部２０によらず、信号特徴出力部２０と同様の手段により、既知の各無線機器について、それぞれの無線周波信号特徴パターンＣＰ１をあらかじめ入手し、これを照合信号特徴パターンＣＰ１ｒｅｆとして記録保存部３０に記録してもよい。

このとき、各照合信号特徴パターンＣＰ１ｒｅｆには、対応する無線機器名、またはその無線機器名を表すユニークな識別番号が併せて記録される。また、記録保存部３０は、周期差分特徴抽出部２２から出力される、あらかじめ定めた周期差分波形、キュムラントの０個以上の組み合わせを記録してもよい。

照合部４０は、信号特徴出力部２０から出力される未知の無線周波信号特徴パターンＣＰ１と、記録保存部３０に記録された既知の照合信号特徴パターンＣＰ１ｒｅｆとを照合する。この照合は、一般的な手法、すなわち、閾値を基準とする無線周波信号特徴パターンＣＰ１と照合信号特徴パターンＣＰ１ｒｅｆとの数値比較によって実行される。

例えば、無線周波信号特徴パターンＣＰ１と照合信号特徴パターンＣＰ１ｒｅｆとの相関係数が閾値を越えた場合に、これらの信号特徴パターンが互いに一致すると判定される。または、無線周波信号特徴パターンＣＰ１と照合信号特徴パターンＣＰ１ｒｅｆとの差の二乗和が閾値以下である場合に、これらの信号特徴パターンが互いに一致すると判定される。

また、照合部４０は、未知の無線周波信号特徴パターンＣＰ１が信号特徴出力部２０から入力された際に、記録保存部３０に記録された既知の多数の照合信号特徴パターンＣＰ１ｒｅｆを読み出し、無線周波信号特徴パターンＣＰ１と照合信号特徴パターンＣＰ１ｒｅｆとが互いに一致するか否かを順次判定する。

ここで、照合部４０において、一致する既知の照合信号特徴パターンＣＰ１ｒｅｆが見出されると、入力された未知の無線周波信号特徴パターンＣＰ１は、これと一致した既知の照合信号特徴パターンＣＰ１ｒｅｆと同じと判定され、この既知の照合信号特徴パターンＣＰ１ｒｅｆに付加された無線機器名、またはその識別番号から、無線周波信号特徴パターンＣＰ１を放射した無線機器が特定される。

一方、照合部４０において、記録保存部３０に記録されたすべての照合信号特徴パターンＣＰ１ｒｅｆが、入力された未知の無線周波信号特徴パターンＣＰ１と一致しない場合には、この未知の無線周波信号特徴パターンＣＰ１は、記録保存部３０に記録されていない新たな無線周波信号ＳＲの無線周波信号特徴パターンであると識別される。このとき、この無線周波信号特徴パターンＣＰ１が、新たな照合信号特徴パターンＣＰ１ｒｅｆとして記録保存部３０に記録される。

なお、照合部４０は、周期差分特徴抽出部２２から出力される、あらかじめ定めた周期差分波形、キュムラントの０個以上の組み合わせを照合してもよい。ここで、あらかじめ定めた周期差分波形、キュムラントの０個以上の組み合わせの照合には、特許文献１に記載された技術に加えて、非特許文献１に記載された、テンプレートマッチング法、ｋ−最近傍識別法、部分空間法、ニューラルネットワーク、サポートベクターマシンの何れかを用いてもよい。

以上のように、実施の形態１によれば、信号特徴出力部は、無線周波信号の変調が繰り返される周期解部分の特徴量を抽出する周期差分特徴抽出部を有している。
これにより、振幅がほぼ一定の領域の信号から個体差を抽出して無線周波信号を同定することができる。
また、電力が大きく雑音耐性の高い領域で同定を実行することができる。
すなわち、信号振幅がほぼ一定の領域であっても、無線周波信号の同定を実行することができるとともに、雑音の重畳による同定精度の劣化を抑制することができる。

また、周期差分特徴抽出部は、無線周波信号の周期領域間の信号の差分を解析する。
これにより、周期間で共通する変調成分が相殺され、変調成分に対して微小であっても、個体差を抽出して同定を実行することができる。

また、周期差分特徴抽出部は、無線周波信号の周期領域間の信号の差分波形のキュムラントを出力する。
これにより、熱雑音が重畳しても、その影響を原理的に排除して、雑音耐性の高い同定を実行することができる。

１０Ａ／Ｄ変換器、２０信号特徴出力部、２１振幅対位相特性抽出部、２２周期差分特徴抽出部、３０記録保存部、４０照合部。

Claims

無線周波信号に基づき、その無線周波信号特徴パターンを抽出する信号特徴出力部、照合信号特徴パターンを記録する記録保存部、および前記無線周波信号特徴パターンと前記照合信号特徴パターンとを照合し、無線周波信号を同定する照合部を備えた無線周波信号の同定装置であって、
前記信号特徴出力部は、前記無線周波信号の変調が繰り返される周期解部分の特徴量を抽出する周期差分特徴抽出部を有する
無線周波信号の同定装置。
前記周期差分特徴抽出部は、前記無線周波信号の周期領域間の信号の差分を解析する
請求項１に記載の無線周波信号の同定装置。
前記周期差分特徴抽出部は、前記無線周波信号の周期領域間の信号の差分波形のキュムラントを出力する
請求項２に記載の無線周波信号の同定装置。
無線周波信号に基づき、その無線周波信号特徴パターンを抽出する信号特徴出力部、照合信号特徴パターンを記録する記録保存部、および前記無線周波信号特徴パターンと前記照合信号特徴パターンとを照合し、無線周波信号を同定する照合部を備えた無線周波信号の同定装置によって実行される無線周波信号の同定方法であって、
前記信号特徴出力部において実行される、前記無線周波信号の変調が繰り返される周期解部分の特徴量を抽出する周期差分特徴抽出ステップを有する
無線周波信号の同定方法。
前記周期差分特徴抽出ステップは、前記無線周波信号の周期領域間の信号の差分を解析する
請求項４に記載の無線周波信号の同定方法。
前記周期差分特徴抽出ステップは、前記無線周波信号の周期領域間の信号の差分波形のキュムラントを出力する
請求項５に記載の無線周波信号の同定方法。