JP5268964B2 - 信号分離装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数の入射信号が混信して受信された受信信号群から、各入射信号を分離して出力する信号分離装置に関する。

複数の入射信号が混信して受信された受信信号群から、各入射信号を分離する方式として、独立成分分析（ＩＣＡ：Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ）が知られている。ＩＣＡとは、各入射信号が互いに統計的に独立であるという性質のみを用いて、受信信号群から各入射信号を分離する方式であり、複数話者の音声の信号分離、通信等での混信電波の分離等、種々の分野に適用されている。また、ＩＣＡでは、信号の統計的独立性のみを用いて信号が分離されるので、各入射信号に関する事前情報は不要（ブラインド）である（例えば、非特許文献１参照）。

以下、図面を参照しながら、ＩＣＡの概要について説明する。
図１０は、ＩＣＡ処理を実行する従来の信号分離装置を示すブロック構成図である。ＩＣＡは、互いに独立な複数の入射信号が混信して受信された受信信号群から、各入射信号を信号分離するアルゴリズムである。ここで、受信信号群の信号モデルは、次式（１）で表される。

式（１）において、ｋ（＝１，・・・，Ｋ）は、サンプル時間インデックスを示し、Ｋは総サンプル数を示している。また、式（１）において、ｓ（ｋ）は、第ｊ入射信号ｓ_ｊ（ｋ）（ｊ＝１，・・・，Ｊ）をベクトル状に格納した入射信号ベクトルを示しており、次式（２）で表される。なお、Ｊは入射信号数を示している。

また、式（１）において、ｘ（ｋ）は、第ｉ受信素子（受信アンテナ）で受信された各受信信号ｘ_ｉ（ｋ）（ｉ＝１，・・・，Ｉ）をベクトル状に格納した受信信号ベクトルを示しており、次式（３）で表される。なお、Ｉは受信素子数を示している。

また、式（１）において、Ａは、混信を意味する係数を各要素とする混合行列を示している。以下、表記を簡単にするために、明らかな場合には、サンプル時間インデックスｋを省略する。

ＩＣＡ処理部では、まず、各分離信号が互いに独立になるように、混合行列Ａの推定値である推定混合行列Ａ（ハット）が推定される。ここで、（ハット）と記載したものは、その前の文字の上部に∧が付されたものを意味し、推定値を表すものとする。なお、推定混合行列Ａ（ハット）は、実際には、主成分分析で得られる白色化行列Ｍと分離行列Ｗとの積となるが、ここでは、概念のみを説明している。

続いて、推定混合行列Ａ（ハット）の擬似逆行列が受信信号ベクトルｘに乗算されることにより、式（４）、（５）で表される分離信号ベクトルｓ（ハット）が、互いに独立な信号として得られる。

式（４）において、†は擬似逆行列を意味している。
ここで、ＩＣＡにおける重要なポイントは、各入射信号を信号分離するための条件として、受信素子数Ｉが、入射信号数Ｊ以上であること（Ｉ≧Ｊ）が必要とされることである。そのため、Ｉ＜Ｊの場合には、各入射信号を信号分離することができないという問題があった。

これに対して、受信素子数Ｉが入射信号数Ｊよりも小さい場合（Ｉ＜Ｊの場合）であっても、各入射信号を信号分離可能な方式として、ＴＤＬ−ＩＣＡ（Ｔａｐｐｅｄ Ｄｅｌａｙ Ｌｉｎｅ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ）が知られている。ＴＤＬ−ＩＣＡとは、タップ遅延処理を用いて受信される信号数を増加させることにより、擬似的に受信素子数Ｉを増加させる方式である（例えば、非特許文献２参照）。

以下、図面を参照しながら、ＴＤＬ−ＩＣＡの概要について説明する。
図１１は、ＴＤＬ−ＩＣＡ処理を実行する従来の信号分離装置を示すブロック構成図である。まず、タップ遅延処理部でのタップ遅延処理に用いられるタップ遅延数をｎ（＝０，・・・，Ｎ−１）とする。なお、Ｎは最大タップ遅延数を示している。

続いて、全ての受信素子で受信された各受信信号に対して、タップ遅延数ｎを０からＮ−１まで１タップずつ増加させたときの受信信号を用いて、拡張された受信信号ベクトルｘ（チルダ）の信号モデルを、次式（６）のように定義する。ここで、（チルダ）と記載したものは、その前の文字の上部に〜が付されたものを意味する。

式（６）において、受信信号ベクトルｘ（チルダ）の次元は、Ｉ×Ｎであることから、次式（７）の不等式を満たすように最大タップ遅延数Ｎを設定することで、ＩＣＡにより、受信信号群から各入射信号を信号分離することができる。

次に、上述した非特許文献１のものと同様に、ＩＣＡ処理部において、推定混合行列Ａ（ハット）の擬似逆行列が、受信信号ベクトルｘ（チルダ）に乗算されることにより、上記式（４）、（５）で表される分離信号ベクトルｓ（ハット）が、互いに独立な信号として得られる。

Ｅ．Ｂｉｎｇｈａｍ，Ａ．Ｈｙｖａｒｉｎｅｎ，"Ａ ｆａｓｔ ｆｉｘｅｄ−ｐｏｉｎｔ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｖａｌｕｅｄ ｓｉｇｎａｌｓ"，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｅｕｒａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．１，ｐｐ．１−８，Ｆｅｂ ２０００ Ａａｐｏ Ｈｙｖａｒｉｎｅｎ，Ｊｕｈａ Ｋａｒｈｕｎｅｎ，Ｅｒｋｋｉ Ｏｊａ著，根本 幾，川勝 真喜訳，"詳解 独立成分分析−信号解析の新しい世界"，東京電機大学出版局，ｐｐ．３９４−３９５，２００５年２月

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
従来のＴＤＬ−ＩＣＡでは、上記式（６）や図１１に示したように、全ての受信素子で受信された各受信信号に対して、一様に同数で、かつ０から１タップずつ増加されるタップ遅延数により、タップ遅延処理が実行される。
ここで、このような処理は、ＩＣＡの分離性能の観点からすれば、最適な処理とは言えない。例えば、受信素子毎に異なるタップ遅延数を適切に選択すれば、従来のＴＤＬ−ＩＣＡと比較して、タップ遅延処理後の受信信号の総数が同じ場合であっても、ＩＣＡの分離性能を向上させることができる。
すなわち、従来のＴＤＬ−ＩＣＡでは、各受信信号に対して、一様に同数のタップ遅延数によりタップ遅延処理が実行されるので、ＩＣＡの分離性能を向上させることができないという問題がある。

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、受信素子毎に異なるタップ遅延数を適切に選択して、ＩＣＡの分離性能を向上させることができる信号分離装置を得ることを目的とする。

この発明に係る信号分離装置は、複数の入射信号が混信した信号を、複数の受信素子を介して受信信号群として受信し、受信信号群から各入射信号を分離して出力する信号分離装置であって、受信信号群の各受信信号について、受信素子およびタップ遅延数を選択する選択手段と、選択された受信素子およびタップ遅延数に応じてタップ遅延処理を実行し、受信信号ベクトルを生成するタップ遅延処理手段と、受信信号ベクトルに独立成分分析を適用して混合行列を推定し、この混合行列の逆行列を受信信号ベクトルに乗算することにより、各入射信号を分離する独立成分分析処理手段と、を備え、選択手段は、混合行列から算出される信号数分の固有値について、全ての固有値が零とならない条件１、固有値間の差異が所定の値以下となる条件２および固有値の和が所定の値以上となる条件３のうち、条件１を満たしながら、条件２および条件３の少なくとも一方を満たすように、受信素子およびタップ遅延数を選択するものである。

この発明に係る信号分離装置によれば、受信信号群の各受信信号について、受信素子およびタップ遅延数を選択する選択手段は、混合行列から算出される信号数分の固有値について、全ての固有値が零とならない条件１、固有値間の差異が所定の値以下となる条件２および固有値の和が所定の値以上となる条件３のうち、条件１を満たしながら、条件２および条件３の少なくとも一方を満たすように、受信素子およびタップ遅延数を選択する。ここで、固有値間の差異が小さくなるほど、または固有値の和が大きくなるほど、ＩＣＡの分離性能が高くなるという関係がある。そのため、受信素子毎に異なるタップ遅延数を適切に選択して、ＩＣＡの分離性能を向上させることができる信号分離装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る信号分離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に係る信号分離装置の受信素子・タップ遅延数選択部を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態１に係る信号分離装置の受信素子・タップ遅延数選択部の動作を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る信号分離装置によるシミュレーションの結果を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る信号分離装置によるシミュレーションの結果を示す別の説明図である。 この発明の実施の形態２に係る信号分離装置によるシミュレーションの結果を示す説明図である。 この発明の実施の形態２に係る信号分離装置によるシミュレーションの結果を示す別の説明図である。 この発明の実施の形態３に係る信号分離装置の受信素子・タップ遅延数選択部を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態４に係る信号分離装置を示すブロック構成図である。 ＩＣＡ処理を実行する従来の信号分離装置を示すブロック構成図である。 ＴＤＬ−ＩＣＡ処理を実行する従来の信号分離装置を示すブロック構成図である。

以下、この発明の信号分離装置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。
なお、ＩＣＡの分離性能は、上述した混合行列Ａから算出される固有値と関連している。混合行列Ａの固有値は、次式（８）で表される。

式（８）において、ξ_ｊは、全ての固有値を降順に並べたときの第ｊ番目の固有値を示し、上記のようにＪ個の固有値が算出される。これは、信号空間の固有値であり、入射信号数Ｊと同数求められる。
なお、混合行列ＡをＩ×Ｊ（Ｊ≦Ｉ）行列と仮定すると、上記の固有値は、次式（９）で表される固有値を降順に並べたときの最初のＪ個の固有値と同じである。

また、実際には、混合行列Ａは未知なので、受信された受信信号群からこれらの固有値が推定される。

ここで、まず、受信信号群から各入射信号を分離するための条件として、固有値が零とならないことが必要とされる。すなわち、次式（１０）が成立する必要がある。

なお、固有値は負の値をとらないので、式（１０）を次式（１１）のように書き替えてもよい。

次に、固有値間の差異が小さくなるほど、または固有値の和が大きくなるほど、ＩＣＡの分離性能は高くなる。そこで、これらの条件をまとめると、高い分離性能を得るように受信素子およびタップ遅延数を選択するためには、タップ遅延処理後の混合行列Ａから算出される信号空間のＪ個の固有値（実際には、受信信号群から推定される固有値）が、以下の条件１〜３を満たせばよい。

条件１：全ての固有値が零とならない（または、全ての固有値が零よりも大きい）。
条件２：固有値間の差異が所定の値以下となる。
条件３：固有値の和が所定の値以上となる。
なお、ここでは、条件１を満たしながら、条件２および条件３の少なくとも一方を満たすように、受信素子およびタップ遅延数を選択するのが適切である。

したがって、この発明の信号分離装置では、タップ遅延処理後の混合行列から算出される固有値（受信信号群から推定される固有値）が、条件１を満たしながら、条件２および条件３の少なくとも一方を満たすように、受信素子およびタップ遅延数を選択してタップ遅延処理を実行する。

ここで、上記条件１〜３を達成するための指標値として、例えば条件数や精度低下率（Ｄｉｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ、以下「ＤＯＰ」と称する）を用いることができる。
条件数を固有値で表記すると、次式（１２）で表される。

式（１２）において、最小固有値ξ_Ｊが零の場合には、条件数ｃｏｎｄが無限大になってしまうことから分かるように、式（１２）を小さくすれば、上記条件１が成立する。また、条件数ｃｏｎｄを小さくするとは、最大固有値ξ_１と最小固有値ξ_Ｊとの差が小さくなることを意味し、さらに、残りの固有値が最大固有値ξ_１と最小固有値ξ_Ｊとの間の値をとるので、固有値間の差異を小さくすることにつながり、上記条件２が成立する。したがって、条件数ｃｏｎｄを小さくすることにより、上記条件１および条件２を満たすことができる。

また、ＤＯＰを固有値で表記すると、次式（１３）で表される。

式（１３）において、固有値が零の場合には、ＤＯＰが無限大になってしまうことから分かるように、式（１３）を小さくすれば、上記条件１が成立する。また、一般的に、任意の実数ａ_１〜ａ_Ｊに対して、逆数の平均は、平均の逆数に最小上界を与えることから、次式（１４）で表される不等式が成立する。

式（１４）において、左辺は、ＤＯＰの形を有する次式（１５）で表される項を含み、右辺は、固有値の和の形を有する次式（１６）で表される項を含んでいる。

ここで、ＤＯＰを小さくすることは、式（１４）の左辺を小さくすることになり、右辺はそれよりも小さくなる。式（１４）の右辺が小さくなることは、その分母にある固有値の和が大きくなることなので、上記条件３が成立する。さらに、最小解が得られた場合には、固有値が互いに等しいので、固有値間の差異を小さくすることにつながり、上記条件２が成立する。したがって、ＤＯＰを小さくすることにより、上記条件１〜３を満たすことができる。
以下の実施の形態では、条件数やＤＯＰの他にも様々な指標値を挙げながら説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る信号分離装置を示すブロック構成図である。
図１において、この信号分離装置は、複数の入射信号が混信した信号を、複数の受信素子を介して受信信号群として受信し、受信信号群から各入射信号を分離して出力する。また、この信号分離装置は、受信素子・タップ遅延数選択部（選択手段）１と、タップ遅延処理部（タップ遅延処理手段）２と、ＩＣＡ処理部（独立成分分析処理手段）３とを備えている。すなわち、この信号分離装置は、図１１に示した信号分離装置に加えて、受信素子・タップ遅延数選択部１を備えた構成となっている。

以下、この発明の実施の形態１に係る信号分離装置の動作について説明する。
受信素子・タップ遅延数選択部１は、受信信号群ｘの各受信信号について、受信素子およびタップ遅延数を選択する。このとき、受信素子・タップ遅延数選択部１は、タップ遅延処理後の混合行列の条件数が最小値となるように、受信素子およびタップ遅延数を選択する。

タップ遅延処理部２は、受信素子・タップ遅延数選択部１で選択された受信素子およびタップ遅延数に応じてタップ遅延処理を実行し、受信信号ベクトルｘ（チルダ）を生成する。
ＩＣＡ処理部３は、受信信号ベクトルｘ（チルダ）に独立成分分析を適用して推定混合行列Ａ（ハット）を推定し、この推定混合行列Ａ（ハット）の擬似逆行列を受信信号ベクトルｘ（チルダ）に乗算することにより、各入射信号が分離され、分離信号ベクトルｓ（ハット）が、互いに独立な信号として得られる。

図２は、この発明の実施の形態１に係る信号分離装置の受信素子・タップ遅延数選択部１を示すブロック構成図である。
図２において、受信素子・タップ遅延数選択部１は、最大タップ遅延数設定部（Ｎ_ｍａｘ設定部）１１と、初期値設定部１２と、候補選択部１３と、タップ遅延処理演算部１４と、条件数演算部１５と、最小判定部１６と、第１選択終了判定部１７と、最適値付加部１８と、第２選択終了判定部１９とを有している。

以下、図３を参照しながら、この発明の実施の形態１に係る受信素子・タップ遅延数選択部１の動作について説明する。図３は、この発明の実施の形態１に係る信号分離装置の受信素子・タップ遅延数選択部１の動作を示す説明図である。

まず、第ｉ受信素子で受信された受信信号を、タップ遅延数ｎだけタップ遅延処理して得られる受信信号をｘ_ｉ（ｋ−ｎ）とする。また、タップ遅延処理後に得られた受信信号数の合計をＬ個とする。
ここで、受信信号ベクトルｘ（チルダ）に、Ｌ個のタップ遅延処理後の受信信号が含まれているとすると、タップ遅延処理後の混合行列の条件数ｃｏｎｄは、受信信号ベクトルｘ（チルダ）に基づいて、次式（１７）、（１８）のように推定される。

式（１７）、（１８）において、λ_ｌ（ｌ＝１，・・・，Ｌ）は、受信信号ベクトルｘ（チルダ）の共分散行列の固有値を降順に並べたときの、第ｌ番目の固有値を示している。
受信素子・タップ遅延数選択部１は、式（１７）の値が最小値となるような受信素子番号ｉおよびタップ遅延数ｎを選択する。すなわち、受信素子・タップ遅延数選択部１は、タップ遅延処理後の混合行列の条件数が最小値となるようなＬ個の受信信号ｘ_ｉ（ｋ−ｎ）を選択する。

最大タップ遅延数設定部１１は、選択可能なタップ遅延数の上限値Ｎ_ｍａｘを設定する。なお、タップ遅延数の上限値Ｎ_ｍａｘは、信号処理の性能に応じてあらかじめ設定される値であってもよい。
初期値設定部１２は、最適解の初期値として、受信信号ｘ（ｋ）を割り当てる。このとき、上述したｌは受信素子数Ｉと等しい値となる。

候補選択部１３、タップ遅延処理演算部１４、条件数演算部１５、最小判定部１６、第１選択終了判定部１７および最適値付加部１８は、タップ遅延数の上限値Ｎ_ｍａｘの範囲内において、任意の受信素子番号ｉおよび任意のタップ遅延数ｎを１つ選択し、得られた受信信号ｘ_ｉ（ｋ−ｎ）を最適解に加えて混合行列の条件数を評価する。また、候補選択部１３、タップ遅延処理演算部１４、条件数演算部１５、最小判定部１６、第１選択終了判定部１７および最適値付加部１８は、この処理を最適解に含まれない全ての候補に対して実行し、混合行列の条件数が最小になるものを選択して最適解に加える。

以下、各部の動作について説明する。
候補選択部１３は、未だ選択されていない任意の受信素子番号ｉおよび任意のタップ遅延数ｎを１つ選択する。
タップ遅延処理演算部１４は、候補選択部１３で選択された受信素子番号ｉおよびタップ遅延数ｎに応じてタップ遅延処理を実行する。

条件数演算部１５は、候補選択部１３で選択された受信信号ｘ_ｉ（ｋ−ｎ）を含めた受信信号について、上記式（１７）、（１８）により、混合行列の条件数ｃｏｎｄを演算する。なお、条件数演算部１５は、混合行列から算出される各種指標値を用いてもよい。ここでは、一例として、条件数を用いる場合について説明する。

最小判定部１６は、候補選択部１３でこれまでに選択された受信信号ｘ_ｉ（ｋ−ｎ）を含めた受信信号について演算された条件数の最小値と、今回選択された受信信号ｘ_ｉ（ｋ−ｎ）を含めた受信信号について演算された条件数とを比較する。また、最小判定部１６は、比較の結果、今回の条件数の方が小さい場合には、これまでの条件数の最小値を破棄して今回の条件数を新たな最小値として保存し、そうでない場合には、これまでの条件数の最小値を維持する。

第１選択終了判定部１７は、未だ選択されていない全ての候補について、最小判定部１６による比較処理が終了したか否かを判定する。このとき、第１選択終了判定部１７は、比較処理が終了していない場合には、再度候補選択部１３に処理を戻し、終了している場合には、混合行列の条件数が最小値となる受信素子番号ｉおよびタップ遅延数ｎとともに、保存されている条件数の最小値ｓｅｌを出力する。これにより、１個の受信素子番号ｉおよびタップ遅延数ｎが選択される。
最適値付加部１８は、これまでの最適解に、第１選択終了判定部１７から出力された最小値ｓｅｌを加える。

第２選択終了判定部１９は、候補選択部１３、タップ遅延処理演算部１４、条件数演算部１５、最小判定部１６、第１選択終了判定部１７および最適値付加部１８による処理が、Ｌ個の受信素子番号ｉおよびタップ遅延数ｎが選択されるまで繰り返されたか否かを判定する。このとき、第２選択終了判定部１９は、Ｌ個選択されていない場合には、再度候補選択部１３に処理を戻し、Ｌ個選択されている場合には、受信素子・タップ遅延数選択部１の処理を終了し、選択されたＬ個の受信素子番号ｉおよびタップ遅延数ｎを出力する。なお、受信素子・タップ遅延数選択部１の処理は、最小化処理であるが、最小化処理はこの方法に限定されず、別の方法であってもよい。

次に、この発明の実施の形態１に係る信号分離装置によるシミュレーション結果を示す。ここでは、例として、３個の受信素子で４波の入射信号を信号分離処理した場合の結果を示す。このとき、タップ遅延処理後に得られる受信信号数の合計Ｌは１２となる。また、選択可能なタップ遅延数の上限値Ｎ_ｍａｘを１０（０〜９まで選択可能）とした。

図４は、この発明の実施の形態１に係る信号分離装置によるシミュレーションの結果、選択されたＬ個の受信素子番号およびタップ遅延数を、従来の信号分離装置と比較して示す説明図である。また、図５は、この発明の実施の形態１に係る信号分離装置によるシミュレーションの結果得られるＩＣＡの分離性能および混合行列の条件数を、従来の信号分離装置と比較して示す説明図である。

図４より、この発明の実施の形態１に係る信号分離装置では、全受信素子に対して一様ではなく、受信素子毎に異なるタップ遅延数が選択されていることが分かる。また、図５より、この発明の実施の形態１に係る信号分離装置では、混合行列の条件数が従来の信号分離装置よりも小さくなった結果、ＩＣＡの分離性能が従来の信号分離装置よりも向上していることが分かる。

以上のように、実施の形態１によれば、受信信号群の各受信信号について受信素子およびタップ遅延数を選択する選択手段は、タップ遅延数の上限値の範囲内において、タップ遅延処理後の混合行列の条件数が最小値となるように、受信素子およびタップ遅延数を選択する。ここで、混合行列の条件数が小さくなるほど、ＩＣＡの分離性能が高くなるという関係がある。そのため、ＩＣＡの分離性能を向上させることができる信号分離装置を得ることができる。

なお、上記実施の形態１では、受信素子・タップ遅延数選択部１が、受信信号群ｘの各受信信号について、受信素子およびタップ遅延数を選択すると説明した。しかしながら、これに限定されず、受信素子・タップ遅延数選択部１は、受信素子数Ｉが入射信号数Ｊよりも多い場合に、タップ遅延数として０を選択し、混合行列の条件数が最小値となるように、受信素子のみを選択してもよい。

このとき、図２に示した最大タップ遅延数設定部１１およびタップ遅延処理演算部１４は、タップ遅延数として０が選択されるので、機能しない。また、初期値設定部１２は、最適解の初期値として、ある受信素子について、受信信号ｘ_ｉ（ｋ）を割り当てる。ここで、上述したｌは１となる。また、候補選択部１３は、未だ選択されていない任意の受信素子番号ｉを１つ選択する。

また、第２選択終了判定部１９は、候補選択部１３、条件数演算部１５、最小判定部１６、第１選択終了判定部１７および最適値付加部１８による処理が、Ｌ個の受信素子番号ｉが選択されるまで繰り返されたか否かを判定する。このとき、第２選択終了判定部１９は、Ｌ個選択されていない場合には、再度候補選択部１３に処理を戻し、Ｌ個選択されている場合には、受信素子・タップ遅延数選択部１の処理を終了し、選択されたＬ個の受信素子番号ｉを出力する。その他の動作は、上記実施の形態１と同様であるが、受信信号ｘ_ｉ（ｋ−ｎ）は、全て受信信号ｘ_ｉ（ｋ）となる。
この場合には、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができるとともに、選択手段における演算量を低減して演算負荷を軽減し、演算時間を短縮することができる。

また、上記実施の形態１において、受信素子・タップ遅延数選択部１は、Ｉ個の受信素子からいくつかの受信素子を選択し、選択された受信素子およびタップ遅延数の上限値Ｎ_ｍａｘの範囲内において、タップ遅延処理後の混合行列の条件数が最小値となるように、受信素子およびタップ遅延数を選択してもよい。

このとき、図２に示した初期値設定部１２は、最適解の初期値として、選択された受信素子について、受信信号ｘ_ｉ（ｋ）を割り当てる。また、候補選択部１３は、選択されなかった受信素子を除外した上で、未だ選択されていない任意の受信素子番号ｉおよび任意のタップ遅延数ｎを１つ選択する。その他の動作は、上記実施の形態１と同様である。
この場合には、受信素子を選択した状態で、ＩＣＡの分離性能を向上させることができる信号分離装置を得ることができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、受信素子・タップ遅延数選択部１が、タップ遅延処理後の混合行列の条件数が最小値となるように、受信素子およびタップ遅延数を選択すると説明した。しかしながら、これに限定されず、受信素子・タップ遅延数選択部１は、タップ遅延処理後の混合行列から算出されるＤＯＰが最小値となるように、受信素子およびタップ遅延数を選択してもよい。

以下、受信素子・タップ遅延数選択部１が、タップ遅延処理後の混合行列から算出されるＤＯＰを最小値とするように、受信素子およびタップ遅延数を選択する処理について説明する。
なお、この発明の実施の形態２に係る信号分離装置の受信素子・タップ遅延数選択部１は、図２に示した条件数演算部１５に代えて、ＤＯＰ演算部（図示せず）を有している。信号分離装置のその他の構成および機能は、上述した実施の形態１と同様である。

まず、受信信号ベクトルｘ（チルダ）に、Ｌ個のタップ遅延処理後の受信信号が含まれているとすると、タップ遅延処理後の混合行列から算出されるＤＯＰは、受信信号ベクトルｘ（チルダ）に基づいて、次式（１９）のように推定される。

式（１９）において、σ^２は、上記式（１８）に示したσ^２と同一のものである。
ＤＯＰ演算部は、候補選択部１３で選択された受信信号ｘ_ｉ（ｋ−ｎ）を含めた受信信号について、上記式（１９）、（１８）により、ＤＯＰを算出する。
すなわち、受信素子・タップ遅延数選択部１は、式（１９）の値が最小値となるような受信素子番号ｉおよびタップ遅延数ｎを選択する。言い換えると、受信素子・タップ遅延数選択部１は、タップ遅延処理後の混合行列から算出されるＤＯＰが最小値となるようなＬ個の受信信号ｘ_ｉ（ｋ−ｎ）を選択する。

次に、この発明の実施の形態２に係る信号分離装置によるシミュレーション結果を示す。シミュレーションの条件は、上記実施の形態１と同様である。
図６は、この発明の実施の形態２に係る信号分離装置によるシミュレーションの結果、選択されたＬ個の受信素子番号およびタップ遅延数を、従来の信号分離装置と比較して示す説明図である。また、図７は、この発明の実施の形態２に係る信号分離装置によるシミュレーションの結果得られるＩＣＡの分離性能を、上記実施の形態１および従来の信号分離装置と比較して示す説明図である。

図６、７より、この発明の実施の形態２に係る信号分離装置では、全受信素子に対して一様ではなく、受信素子毎に異なるタップ遅延数が選択されることにより、ＩＣＡの分離性能が従来の信号分離装置よりも向上していることが分かる。

以上のように、実施の形態２によれば、受信信号群の各受信信号について受信素子およびタップ遅延数を選択する選択手段は、タップ遅延数の上限値の範囲内において、タップ遅延処理後の混合行列から算出されるＤＯＰが最小値となるように、受信素子およびタップ遅延数を選択する。ここで、ＤＯＰが小さくなるほど、ＩＣＡの分離性能が高くなるという関係がある。そのため、ＩＣＡの分離性能を向上させることができる信号分離装置を得ることができる。

なお、上記実施の形態１、２では、ＩＣＡの分離性能の指標値として条件数やＤＯＰを用いることにより、タップ遅延処理後の受信信号の総数を変えることなく、ＩＣＡの分離性能を向上させている。しかしながら、指標値は、条件数やＤＯＰに限定されるものではなく、これらの指標値を若干変更した指標値や、これらの指標値をある定数値で加減乗除した関数や、その拡張形であっても、同様にＩＣＡの分離性能を向上させることができる。

例えば、このような指標値として、以下に示す関数を挙げることができる。
まず、次式（２０）で表される条件数の拡張が考えられる。

式（２０）は、ｅ＝１／２、ｊ_１＝１、ｊ_２＝Ｊの場合に、条件数に帰着する。
また、次式（２１）で表されるＤＯＰの拡張が考えられる。

式（２１）は、α_ｊ＝１、β_ｊ＝１の場合に、ＤＯＰに帰着する。
また、次式（２２）で表されるｇ（拡張された条件数）およびｈ（拡張されたＤＯＰ）の重み付け和が考えられる。

式（２２）は、ａ＝１、ｂ＝０、ｃ＝１、ｄ＝１の場合に上記式（２０）に帰着し、ａ＝０、ｂ＝１、ｃ＝１、ｄ＝１の場合に上記式（２１）に帰着する。
また、次式（２３）で表されるｇ（拡張された条件数）およびｈ（拡張されたＤＯＰ）の積が考えられる。

さらに、例えば以下に示した指標値を用いた最適化問題を解いてもよい。
まず、次式（２４）で表されるように、固有値が零でないという条件下（上記条件１）での固有値の和の最大化（上記条件３）が考えられる。

また、次式（２５）で表されるように、固有値が零でないという条件下（上記条件１）での固有値間の差異の最小化（上記条件２）が考えられる。

実際にこれらの指標値を最小化する場合には、上記式（１７）や式（１９）のときと同様に、ξ_ｊ＝λ_ｊ−σ^２の関係を用いて各指標値を最小化し、同様の最小化手法で最小化すればよい。具体的には、図２に示した条件数演算部１５を、上記何れかの指標値演算部に置き換えればよい。また、指標値を最大化する場合には、図２に示した最小判定部１６を最大判定部に置き換えればよい。

実施の形態３．
上記実施の形態１、２では、受信素子・タップ遅延数選択部が、最小化処理により、タップ遅延処理後の混合行列から算出される各種指標値が最小値となるように、受信素子およびタップ遅延数を選択すると説明した。しかしながら、これに限定されず、受信素子・タップ遅延数選択部は、混合行列から算出される各種指標値が所定値よりも小さくなるように、受信素子およびタップ遅延数を選択すればよい。
以下、条件数を例にとって、受信素子・タップ遅延数選択部が、混合行列の条件数が所定値よりも小さくなるように、受信素子およびタップ遅延数を選択する処理について説明する。なお、混合行列から算出される各種指標値を用いても原理は同じである。

図８は、この発明の実施の形態３に係る信号分離装置の受信素子・タップ遅延数選択部１Ａを示すブロック構成図である。
図８において、受信素子・タップ遅延数選択部１Ａは、組み合わせ候補選択部２１と、タップ遅延処理演算部２２と、条件数演算部２３と、条件数判定部２４とを有している。

以下、この発明の実施の形態３に係る受信素子・タップ遅延数選択部１Ａの動作について説明する。
組み合わせ候補選択部２１は、Ｌ個の受信信号ｘ_ｉ（ｋ−ｎ）からなる組み合わせの候補を選択する。
タップ遅延処理演算部２２は、組み合わせ候補選択部２１で選択された組み合わせに含まれる各受信信号ｘ_ｉ（ｋ−ｎ）の受信素子番号ｉおよびタップ遅延数ｎに応じて、タップ遅延処理を実行する。

条件数演算部２３は、組み合わせ候補選択部２１で選択されたＬ個の受信信号ｘ_ｉ（ｋ−ｎ）について、上記式（１７）、（１８）により、混合行列の条件数ｃｏｎｄを演算する。
条件数判定部２４は、条件数演算部２３で演算された条件数が、あらかじめ設定された所定値よりも小さいか否かを判定する。このとき、条件数判定部２４は、条件数演算部２３で演算された条件数が所定値以上の場合には、再度組み合わせ候補選択部２１に処理を戻し、条件数が所定値よりも小さい場合には、受信素子・タップ遅延数選択部１Ａの処理を終了し、選択されたＬ個の受信素子番号ｉおよびタップ遅延数ｎを出力する。

以上のように、実施の形態３によれば、受信信号群の各受信信号について、受信素子およびタップ遅延数を選択する選択手段は、タップ遅延処理後の混合行列の条件数が所定値よりも小さくなるように、受信素子およびタップ遅延数を選択する。そのため、実施の形態１、２と同様に、ＩＣＡの分離性能を向上させることができる信号分離装置を得ることができる。
また、実施の形態１、２と比較して、選択手段における演算量を低減することができるので、選択手段にかかる演算負荷を軽減するとともに、演算時間を短縮することができる。

なお、上記実施の形態３では、受信素子・タップ遅延数選択部１Ａが、混合行列の条件数が所定値よりも小さくなるように、受信素子およびタップ遅延数を選択すると説明した。しかしながら、これに限定されず、受信素子・タップ遅延数選択部１Ａは、受信素子数Ｉが入射信号数Ｊよりも多い場合に、タップ遅延数として０を選択し、混合行列の条件数が所定値よりも小さくなるように、受信素子のみを選択してもよい。

このとき、図８に示した組み合わせ候補選択部２１は、Ｌ個の受信信号ｘ_ｉ（ｋ）からなる組み合わせの候補を選択する。また、タップ遅延処理演算部２２は、タップ遅延数として０が選択されるので、機能しない。その他の動作は、上記実施の形態３と同様であるが、受信信号ｘ_ｉ（ｋ−ｎ）は、全て受信信号ｘ_ｉ（ｋ）となる。
この場合には、上記実施の形態３と同様の効果を得ることができるとともに、さらに選択手段における演算量を低減して演算負荷を軽減し、演算時間を短縮することができる。

また、上記実施の形態３において、受信素子・タップ遅延数選択部１Ａは、Ｉ個の受信素子からいくつかの受信素子を選択し、選択された受信素子の範囲内において、タップ遅延処理後の混合行列の条件数が所定値よりも小さくなるように、受信素子およびタップ遅延数を選択してもよい。

このとき、図８に示した組み合わせ候補選択部２１は、選択されなかった受信素子を除外した上で、Ｌ個の受信信号ｘ_ｉ（ｋ−ｎ）からなる組み合わせの候補を選択する。その他の動作は、上記実施の形態３と同様である。
この場合には、受信素子を選択した状態で、ＩＣＡの分離性能を向上させることができる信号分離装置を得ることができる。

また、上記実施の形態３では、ＩＣＡの分離性能の指標値として条件値を例にとって説明した。しかしながら、これに限定されず、ＩＣＡの分離性能の指標値として、条件数に代えて、実施の形態２で示したＤＯＰを用いてもよい。具体的には、図８に示した条件数演算部２３を、ＤＯＰを算出するＤＯＰ演算部に置き換えればよい。
この場合も、上記実施の形態３と同様の効果を得ることができる。

また、ＩＣＡの分離性能の指標値として、条件数およびＤＯＰに代えて、実施の形態２で示した各種指標値を用いてもよい。具体的には、図８に示した条件数演算部２３を、上記実施の形態２で示した各種指標値のうちの何れかの指標値演算部に置き換えればよい。
この場合も、上記実施の形態３と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
ＩＣＡでは、逐次観測される信号が、時間ブロック毎に次々と処理される。また、電波環境も時々刻々と変化する。上記実施の形態１、２では、時々刻々と変化する電波環境に対応しながら、入力される時間ブロック毎の信号を次々と処理するために、ＩＣＡ処理毎に、すなわち、複数の入射信号が受信信号群として受信される毎に、受信素子・タップ遅延数選択部が、受信素子およびタップ遅延数を選択すると説明した。

しかしながら、ＩＣＡ処理毎に受信素子・タップ遅延数選択部が受信素子およびタップ遅延数を選択すると、処理効率が低下する恐れがある。そのため、混合行列の条件数が大きくなった場合にのみ、受信素子およびタップ遅延数を再度選択して更新することが考えられる。

以下、混合行列の条件数をモニタしておき、条件数が所定のしきい値を超えた場合に、受信素子・タップ遅延数選択部が、受信素子およびタップ遅延数を再度選択する処理について説明する。なお、この処理は、上述した実施の形態３にも適用することができる。また、条件数の代わりに、混合行列から算出される各種指標値を用いてもよいが、ここでは条件数を例にとって説明する。

図９は、この発明の実施の形態４に係る信号分離装置を示すブロック構成図である。
図９において、この信号分離装置は、図１に示した信号分離装置に加えて、スイッチ（スイッチング手段）４と、条件数算出部（条件数算出手段）５と、しきい値判定部（しきい値判定手段）６とを備えている。

以下、この発明の実施の形態４に係る信号分離装置の動作について説明する。なお、実施の形態１と同様の動作については、説明を省略する。
スイッチ４は、信号分離装置が受信した受信信号群を受信素子・タップ遅延数選択部１に入力するか否かを選択する。
条件数算出部５は、ＩＣＡ処理部３でのＩＣＡにおいて実行される主成分分析（ＰＣＡ：Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ）で得られた固有値に基づいて、上記式（１７）、（１８）により、混合行列の条件数ｃｏｎｄを算出する。

しきい値判定部６は、条件数算出部５で算出された条件数が所定のしきい値よりも大きい場合に、スイッチ４をオン状態として受信信号群を受信素子・タップ遅延数選択部１に入力する。また、しきい値判定部６は、条件数算出部５で算出された条件数が所定のしきい値以下の場合に、スイッチ４をオフ状態として受信信号群を受信素子・タップ遅延数選択部１に入力しない。

続いて、この発明の実施の形態４に係る信号分離装置の動作を、時間の経過に沿って説明する。
まず、信号分離装置に最初の受信信号群が受信される。このとき、スイッチ４はオン状態となっており、受信素子・タップ遅延数選択部１では、タップ遅延処理後の混合行列の条件数が最小値となるように、受信素子およびタップ遅延数が選択される。受信素子・タップ遅延数選択部１での選択処理が終了すると、スイッチ４はオフ状態となる。

次に、タップ遅延処理部２では、受信素子・タップ遅延数選択部１で選択された受信素子およびタップ遅延数に応じてタップ遅延処理が実行され、受信信号ｘ（チルダ）（ｋ）が生成される。
続いて、ＩＣＡ処理部３では、受信信号ｘ（チルダ）（ｋ）に対してＩＣＡ処理が実行され、この時間ブロックにおける分離信号が得られる。このとき、ＩＣＡ処理部３は、ＩＣＡ処理において実行されるＰＣＡで得られた固有値を、条件数算出部５に出力する。ＰＣＡでは、固有値分解を行うので、上記式（１７）、（１８）による演算に必要な固有値λ_ｌ（ｌ＝１，・・・，Ｌ）を得ることができる。

次に、条件数算出部５では、ＩＣＡ処理部３からの固有値に基づいて、上記式（１７）、（１８）により、混合行列の条件数ｃｏｎｄが算出される。
続いて、しきい値判定部６では、条件数算出部５で算出された条件数が、あらかじめ設定された所定のしきい値よりも大きいか否かが判定される。

ここで、しきい値判定部６は、条件数算出部５で算出された条件数が所定のしきい値以下の場合には、低い条件数が維持されていると判断し、スイッチ４をオフ状態のままとする。このとき、タップ遅延処理部２では、次の時間ブロックの信号に対して、前回と同じ受信素子およびタップ遅延数に応じてタップ遅延処理が実行され、受信信号ｘ（チルダ）（ｋ）が生成される。

これに対して、しきい値判定部６は、条件数算出部５で算出された条件数が所定のしきい値よりも大きい場合には、条件数が大きくなったと判断し、スイッチ４をオン状態とする。このとき、受信信号群が受信素子・タップ遅延数選択部１に入力され、受信素子・タップ遅延数選択部１では、タップ遅延処理後の混合行列の条件数が最小値となるように、受信素子およびタップ遅延数が再度選択される。受信素子・タップ遅延数選択部１での選択処理が終了すると、スイッチ４は再度オフ状態となる。また、タップ遅延処理部２では、次の時間ブロックの信号に対して、新たに選択された受信素子およびタップ遅延数に応じてタップ遅延処理が実行され、受信信号ｘ（チルダ）（ｋ）が生成される。

以上のように、実施の形態４によれば、しきい値判定手段は、条件数算出手段で算出された条件数が所定のしきい値よりも大きい場合に、スイッチング手段をオン状態として受信信号群を選択手段に入力する。これにより、混合行列の条件数が、常時所定のしきい値以下に維持された状態で、独立成分分析処理手段での処理を実行することができるので、処理効率を低下させることなく、ＩＣＡの分離性能を向上させることができる信号分離装置を得ることができる。

また、上記実施の形態４では、ＩＣＡの分離性能の指標値として条件値を例にとって説明した。しかしながら、これに限定されず、ＩＣＡの分離性能の指標値として、条件数に代えて、実施の形態２で示したＤＯＰを用いてもよい。具体的には、図９に示した受信素子・タップ遅延数選択部１中の条件数演算部１５および条件数算出部５を、ＤＯＰ演算部およびＤＯＰ算出部に置き換えればよい。
この場合も、上記実施の形態４と同様の効果を得ることができる。

また、ＩＣＡの分離性能の指標値として、条件数およびＤＯＰに代えて、実施の形態２で示した各種指標値を用いてもよい。具体的には、図９に示した受信素子・タップ遅延数選択部１中の条件数演算部１５および条件数算出部５を、上記実施の形態２で示した各種指標値のうちの何れかの指標値演算部および指標値算出部に置き換えればよい。
この場合も、上記実施の形態４と同様の効果を得ることができる。

１、１Ａ 受信素子・タップ遅延数選択部（選択手段）、２ タップ遅延処理部（タップ遅延処理手段）、３ ＩＣＡ処理部（独立成分分析処理手段）、４ スイッチ（スイッチング手段）、５ 条件数算出部（条件数算出手段）、６ しきい値判定部（しきい値判定手段）。

Claims (10)

1. 複数の入射信号が混信した信号を、複数の受信素子を介して受信信号群として受信し、前記受信信号群から各入射信号を分離して出力する信号分離装置であって、
   前記受信信号群の各受信信号について、受信素子およびタップ遅延数を選択する選択手段と、
   選択された受信素子およびタップ遅延数に応じてタップ遅延処理を実行し、受信信号ベクトルを生成するタップ遅延処理手段と、
   前記受信信号ベクトルに独立成分分析を適用して混合行列を推定し、この混合行列の逆行列を前記受信信号ベクトルに乗算することにより、前記各入射信号を分離する独立成分分析処理手段と、を備え、
   前記選択手段は、前記混合行列から算出される信号数分の固有値について、全ての固有値が零とならない条件１、固有値間の差異が所定値以下となる条件２および固有値の和が所定値以上となる条件３のうち、前記条件１を満たしながら、前記条件２および前記条件３の少なくとも一方を満たすように、前記受信素子およびタップ遅延数を選択する
   ことを特徴とする信号分離装置。
2. 前記選択手段は、指標値として前記混合行列の条件数を用い、前記条件１および前記条件２を満たすように、前記受信素子およびタップ遅延数を選択することを特徴とする請求項１に記載の信号分離装置。
3. 前記選択手段は、指標値として前記混合行列から算出されるＤＯＰを用い、前記条件１、前記条件２および前記条件３を満たすように、前記受信素子およびタップ遅延数を選択することを特徴とする請求項１に記載の信号分離装置。
4. 前記選択手段は、指標値として、拡張された条件数、拡張されたＤＯＰ、前記拡張された条件数および前記拡張されたＤＯＰの重み付け和、並びに前記拡張された条件数および前記拡張されたＤＯＰの積の何れかを用いることを特徴とする請求項１に記載の信号分離装置。
5. 前記選択手段は、前記タップ遅延数の上限値の範囲内において、前記混合行列から算出される固有値が、前記条件２については最小値となるように、前記条件３については最大値となるように、前記受信素子およびタップ遅延数を選択する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の信号分離装置。
6. 前記選択手段は、前記受信素子の数が前記入射信号の数よりも多い場合に、前記タップ遅延数として０を選択し、前記混合行列から算出される固有値が、前記条件２については所定値よりも小さくなるように、前記条件３については所定値よりも大きくなるように、前記受信素子を選択する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の信号分離装置。
7. 前記選択手段は、前記混合行列から算出される固有値が、前記条件２については最小値となるように、前記条件３については最大値となるように、前記受信素子を選択する
   ことを特徴とする請求項６に記載の信号分離装置。
8. 前記選択手段は、前記複数の受信素子からいくつかの受信素子を選択し、選択された受信素子の範囲内において、前記混合行列から算出される固有値が、前記条件２については所定値よりも小さくなるように、前記条件３については所定値よりも大きくなるように、前記タップ遅延数を選択する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の信号分離装置。
9. 前記選択手段は、前記選択された受信素子および前記タップ遅延数の上限値の範囲内において、前記混合行列から算出される固有値が、前記条件２については最小値となるように、前記条件３については最大値となるように、前記タップ遅延数を選択する
   ことを特徴とする請求項８に記載の信号分離装置。
10. 前記受信信号群を前記選択手段に入力するか否かを選択するスイッチング手段と、
    前記独立成分分析処理手段での独立成分分析において実行される主成分分析で得られた固有値に基づいて、前記混合行列の前記指標値を算出する指標値算出手段と、
    前記指標値算出手段で算出された指標値が、前記条件２については所定のしきい値よりも大きく、前記条件３については所定のしきい値よりも小さい場合に、前記スイッチング手段をオン状態として前記受信信号群を前記選択手段に入力し、前記指標値算出手段で算出された指標値が、前記条件２については所定のしきい値以下で、前記条件３については所定のしきい値以上の場合に、前記スイッチング手段をオフ状態として前記受信信号群を前記選択手段に入力しないしきい値判定手段と、をさらに備えた
    ことを特徴とする請求項２から請求項９までの何れか１項に記載の信号分離装置。

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