JP5509481B2 - Blind signal separation method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、未知の畳み込み混合系により混在した互いに統計的に独立な未知信号源信号を、観測信号のみから推定するブラインド信号分離方法に係わり、特に、最小2乗型同時対角化問題の解法を用いて高い精度で信号を分離することができるバックワードモデル型ブラインド信号分離方法及びバックワードモデル型ブラインド信号分離装置に関する。 The present invention relates to a blind signal separation method for estimating unknown signal source signals that are statistically independent from each other mixed by an unknown convolutional mixing system from only observed signals, and in particular, a method for solving a least-squares simultaneous diagonalization problem. The present invention relates to a backward model type blind signal separation method and a backward model type blind signal separation device that can separate signals with high accuracy using.
複数の未知信号源信号が未知の畳み込み混合系により混在されて観測されるとき、観測信号を分離して混在前の未知信号源信号を推定する処理をブラインド信号分離という。ブラインド信号分離では、未知信号源信号間の統計的独立性のみを条件として、観測信号から未知信号源信号を推定する方法であり、信号源の位置或いは観測信号の到来方向の推定を必ずしも必要としない方法である。 When a plurality of unknown signal source signals are mixed and observed by an unknown convolutional mixing system, the process of separating the observation signals and estimating the unknown signal source signals before mixing is called blind signal separation. Blind signal separation is a method of estimating an unknown signal source signal from an observation signal only on the condition of statistical independence between unknown signal source signals, and it is not always necessary to estimate the position of the signal source or the arrival direction of the observation signal. It is a way not to.
勾配法に基づく周波数領域の信号分離方法が非特許文献1で提案されている。勾配法に基づき周波数ビン毎に観測信号を分離した後、パーミュテーション問題を解くことによって信号源を割り付ける。 Non-Patent
非特許文献2により観測信号の相関行列の特異値分解に基づく信号分離と線形予測分析を組み合わせた方法も提案されている。この方法は線形予測フィルタによって信号分離精度の向上を目的としている。 Non-Patent
最小2乗型同時対角化問題の解法を用いたフォワードモデル型ブラインド信号分離方法が非特許文献3で提案されている。この方法は、最小2乗型同時対角化問題の解法による混合行列の推定、最小2乗型一般化逆行列を用いた混合行列からの分離行列の推定、スケーリング問題の解法、パーミュテーション問題の解法の4つの手順から成る。 Non-Patent Document 3 proposes a forward model type blind signal separation method using a method of solving the least square simultaneous diagonalization problem. This method consists of estimation of the mixing matrix by solving the least square simultaneous diagonalization problem, estimation of the separation matrix from the mixing matrix using the least square generalized inverse matrix, solving the scaling problem, permutation problem It consists of four procedures.
従来のブラインド信号分離方法で使用されている勾配法は演算量が少ないが、収束が遅く、実環境下で十分な信号分離性能を得ることができない。 Although the gradient method used in the conventional blind signal separation method has a small amount of calculation, convergence is slow and sufficient signal separation performance cannot be obtained in an actual environment.
また、特異値分解による信号分離と線形予測分析を組み合わせた方法では、未知信号源信号の品質と信号分離性能にトレードオフの関係が存在するので、両立は難しい。 Also, in the method combining signal separation by singular value decomposition and linear prediction analysis, there is a trade-off relationship between the quality of the unknown signal source signal and the signal separation performance, so that it is difficult to achieve both.
更に、最小2乗型同時対角化問題の解法を用いたフォワードモデル型ブラインド信号分離方法では、混合行列の最小2乗型一般化逆行列を用いた分離行列の推定に加法性雑音が考慮されていないため、雑音の影響を無視できない。 Furthermore, in the forward model type blind signal separation method using the solution of the least squares type simultaneous diagonalization problem, additive noise is considered in estimating the separation matrix using the least squares type generalized inverse matrix of the mixing matrix. The effect of noise cannot be ignored.
同一信号源から発生した信号の隣接周波数ビンに相関があることを利用した従来のパーミュテーション問題の解法では、1度誤りが生じると、これ以降の解法が誤り続ける確率が非常に高くなる。 In the conventional solution of the permutation problem using the fact that there is a correlation between adjacent frequency bins of signals generated from the same signal source, once an error occurs, the probability that the subsequent solution will continue to be very high becomes very high.
本発明はこのような事情を鑑みてなされたものであり、観測信号の空間相関行列の逆行列を最小2乗型同時対角化問題の対象にすることによって信号分離性能の向上と手順の半減の両立、更に、信号分離精度が低い周波数ビンを除き、隣接周波数ビンの相関を利用してパーミュテーション問題を適応的に解法することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and improves the signal separation performance and halves the procedure by making the inverse matrix of the spatial correlation matrix of the observed signal the subject of the least-squares simultaneous diagonalization problem. In addition, the object is to adaptively solve the permutation problem using the correlation of adjacent frequency bins, except for frequency bins with low signal separation accuracy.
このような目的に応えるために本発明(請求項1記載の発明)に係るブラインド信号分離方法は、未知の畳み込み混合系により混在した互いに統計的に独立な未知信号源信号を、観測信号のみからブラインドで推定する方法であって、観測信号に窓関数を乗算した後、これに点数Kの短時間離散フーリエ変換を適用して得られる観測信号ベクトルに周波数ビン毎に忘却係数によって指数関数 的に重みを付け、重み付けされたベクトルからブロック処理に基づき観測信号の空間相関行列の逆行列をブロック毎に求め、これを正規化した後、1つのブロック又は複数のブロックを当該周波数ビンの最小2乗型同時対角化問題の対象として、最小2乗法、累乗法、反復法の組み合わせによる解法を用いて最小2乗型同時対角化問題の解を求め、同一信号源から発生した信号の隣接周波数ビンに相関があることを利用してパーミュテーション問題を信号分離精度に基づき適応的に解法することによって信号分離精度の高い分離行列を求めることを特徴とするブラインド信号分離方法。In order to meet such an object, the blind signal separation method according to the present invention (the invention according to claim 1) is configured to extract unknown signal source signals that are statistically independent from each other mixed only by an unknown convolutional mixture system from only observation signals. a method of estimating a blind observed signal after it has been multiplied by a window function, this number K of short discrete Fourier transform exponentially for each frequency bin by forgetting factor applied observation signal vector obtained by the After weighting, the inverse matrix of the spatial correlation matrix of the observation signal is obtained for each block based on the block processing from the weighted vector, normalized, and then one block or a plurality of blocks are least squared of the frequency bin. As a target of the type simultaneous diagonalization problem, the solution of the least square type simultaneous diagonalization problem is obtained by using a solution by a combination of the least square method, the power method, and the iterative method. And obtaining a high separation matrix of the signal separation accuracy by solving adaptively based permutation problem signal separation accuracy by utilizing a correlation in adjacent frequency bins of the signal generated from the issue source Blind signal separation method.
本発明(請求項2記載の発明)に係るブラインド信号分離方法は、累乗法に含まれる正規化によって分離行列の各列ベクトルを正規化するスケーリング問題を代用することができることを特徴とする。The blind signal separation method according to the present invention (the invention according to claim 2 ) is characterized in that the scaling problem of normalizing each column vector of the separation matrix can be substituted by normalization included in the power method.
本発明(請求項3記載の発明)に係るブラインド信号分離方法は、短いブロック長でセンサの個数が多い応用においてブロック毎の逆行列の演算量が多い場合には、周波数ビン毎に指数関数的に重み付けられた観測信号の空間相関行列の算出とブロック毎の逆行列の演算の代わりに逆行列の補題を用いることを特徴とする。The blind signal separation method according to the present invention (the invention described in claim 3 ) is an exponential function for each frequency bin when the calculation amount of the inverse matrix for each block is large in an application with a short block length and a large number of sensors. The inverse matrix lemma is used instead of the calculation of the spatial correlation matrix of the observation signal weighted to and the inverse matrix calculation for each block.
本発明(請求項4記載の発明)に係るブラインド信号分離方法離は、ブロック長がLでM個のブロックを対象区間とした最小2乗型同時対角化問題の解法をn回適用して分離行列を推定した後、同一周波数ビンにおける各分離信号の相関に基づき、周波数ビンωk(k=0、1、…、K−1)におけるN個の分離信号のペリオドグラムの逆数の2乗和の平方根による正規化を用いて当該周波数ビンにおける信号分離精度μ(ωk)(n)を式(4)で求めることを特徴とする。Tr(・)は行列のトレースを表す。また、Qは行列の各行に1となる要素が1箇所、その他の要素は0で、1となる要素の位置が他の行と重複しない行列の集合である。行列E(ωk)(n)と行列Γ−1(ωk,nΨL+τL)はそれぞれ式(5)、(6)で与えられ、τ=1、2、…、MにおいてΓ−1(ωk,nΨL+τL)は、分離信号のペリオドグラムλj(ωk,nΨL+τL)の逆数を対角要素とする対角行列Λ−1(ωk,nΨL+τL)を正規化した行列で、対角要素γj −1(ωk,nΨL+τL)を有する。尚、M個のブロックが最小2乗型同時対角化問題の対象区間であるので、Ψは連続する2組の対象区間の重複シフトサイズとなる。
本発明(請求項5記載の発明)に係るブラインド信号分離方法は、信号分離精度が著しく低い周波数ビンを検出して、該当周波数ビンを間引いた後、これらの周波数ビンを詰めてパーミュテーション問題を適応的に解法することを特徴とする。The blind signal separation method according to the present invention (invention 5 ) detects frequency bins with extremely low signal separation accuracy, thins out the corresponding frequency bins, and then packs these frequency bins to cause a permutation problem. Is adaptively solved.
本発明(請求項6記載の発明)に係るブラインド信号分離方法は、信号分離精度が著しく低い周波数ビンを詰めた状態で同一信号源から発生した信号の隣接または近接周波数ビンに相関があることを利用してパーミュテーション問題を適応的に解法することを特徴とする。In the blind signal separation method according to the present invention (invention of claim 6 ), there is a correlation between adjacent frequency bins or adjacent frequency bins of signals generated from the same signal source in a state where frequency bins with extremely low signal separation accuracy are packed. It is characterized by adaptively solving the permutation problem.
本発明(請求項7記載の発明)に係るブラインド信号分離方法は、信号分離精度が著しく低い周波数ビンに該当するパーミュテーションに、近接周波数ビンのパーミュテーションをコピーすることを特徴とする。The blind signal separation method according to the present invention (invention according to claim 7 ) is characterized in that the permutation of the adjacent frequency bin is copied to the permutation corresponding to the frequency bin with extremely low signal separation accuracy.
すなわち、本発明によれば観測信号の空間相関行列の逆行列を最小2乗型同時対角化問題の対象にすることにより、最小2乗法、累乗法、反復法を組み合わせることによって最小2乗型同時対角化問題の近似解、即ち、分離行列を適応的に求めることができ、スケーリング問題を解法することなく信号分離性能の向上と演算量の削減を両立させる。 That is, according to the present invention, the least square method is obtained by combining the least square method, the power method, and the iterative method by making the inverse matrix of the spatial correlation matrix of the observation signal the object of the least square type simultaneous diagonalization problem. An approximate solution of the simultaneous diagonalization problem, that is, a separation matrix can be obtained adaptively, and both improvement in signal separation performance and reduction in the amount of computation are achieved without solving the scaling problem.
また、本発明によれば、低い信号分離精度の周波数ビンを除き、近接周波数ビンの相関を利用してパーミュテーション問題を解法し、信号分離性能を向上させる。 In addition, according to the present invention, the permutation problem is solved by using the correlation of adjacent frequency bins except for frequency bins with low signal separation accuracy, and the signal separation performance is improved.
本発明によれば、忘却係数を用いて指数関数的に重み付けられた観測信号の空間相関行列の逆行列を求め、これを最小2乗型同時対角化問題に適用する。最小2乗型同時対角化問題の解法では、スケーリング問題を解法することなく最小2乗法、累乗法、反復法を組み合わせることによって最小2乗型同時対角化問題の近似解、即ち、分離行列を適応的に求める。最小2乗型同時対角化問題を適用した従来のフォワードモデル型ブラインド信号分離が混合行列の推定、混合行列の最小2乗型一般化逆行列を用いた分離行列の推定、スケーリング問題の解法、パーミュテーション問題の解法の4つの手順から成っていたものを、本発明に係るブラインド信号分離方法及びブラインド信号分離装置では、バックワードモデル型を用いて分離行列の各列ベクトルを正規化するスケーリング問題の解法を累乗法に含まれる正規化で代用することによって分離行列の推定とパーミュテーション問題の解法の2つの手順に半減できるという効果がある。 According to the present invention, the inverse matrix of the spatial correlation matrix of the observation signal weighted exponentially using the forgetting factor is obtained, and this is applied to the least square simultaneous diagonalization problem. In the solution of the least square simultaneous diagonalization problem, an approximate solution of the least square simultaneous diagonalization problem by combining the least square method, the power method, and the iterative method without solving the scaling problem, that is, a separation matrix Is determined adaptively. Conventional forward model blind signal separation using least squares simultaneous diagonalization problem is estimation of mixing matrix, estimation of separation matrix using least square generalized inverse matrix of mixing matrix, solution of scaling problem, The blind signal separation method and blind signal separation apparatus according to the present invention, which consists of four procedures for solving the permutation problem, is a scaling that normalizes each column vector of the separation matrix using a backward model type. By substituting the solution of the problem with the normalization included in the power method, there is an effect that the number of steps can be halved to two steps of estimating the separation matrix and solving the permutation problem.
また、同一信号源から発生した信号の隣接周波数ビンに相関があることを利用してパーミュテーション問題を解法する前に、信号分離精度が著しく低い周波数ビンを検出して当該周波数ビンを間引いた後、これらの周波数ビンを詰めてパーミュテーション問題を適応的に解法する。信号分離精度が著しく低い周波数ビンに該当するパーミュテーションに、近接周波数ビンのパーミュテーションをコピーすることによって、本発明に係るブラインド信号分離方法及びブラインド信号分離装置には、未知信号源信号の品質に影響を与えることなく信号分離性能を高めるという効果がある。 In addition, before solving the permutation problem by utilizing the fact that there is a correlation between adjacent frequency bins of signals generated from the same signal source, frequency bins with extremely low signal separation accuracy are detected and the frequency bins are thinned out. After that, these frequency bins are packed to solve the permutation problem adaptively. By copying the permutation of the adjacent frequency bin to the permutation corresponding to the frequency bin with a very low signal separation accuracy, the blind signal separation method and the blind signal separation device according to the present invention can be used for the unknown signal source signal. There is an effect of improving the signal separation performance without affecting the quality.
更に、本発明に係るブラインド信号分離方法及びブラインド信号分離装置では観測信号の空間相関行列の逆行列を最小2乗型同時対角化問題の対象にすることによって雑音の影響を最小にする分離行列を推定できるという効果がある。 Furthermore, in the blind signal separation method and the blind signal separation apparatus according to the present invention, the separation matrix that minimizes the influence of noise by making the inverse matrix of the spatial correlation matrix of the observation signal the subject of the least squares type simultaneous diagonalization problem. There is an effect that can be estimated.
本発明に係るブラインド信号分離方法の実施の形態について図面を参照して説明する。 An embodiment of a blind signal separation method according to the present invention will be described with reference to the drawings.
1.畳み込み混合モデル
図1に示すように、時刻tにおいてN個の信号源11、12、…、1Nから発せられた信号源信号sj(t)が畳み込み混合されてxi(t)として観測される。sj(t)は平均0で互いに統計的独立な非定常信号である。また、ni(t)はセンサ2iに加わる平均0、分散σ2のガウス性白色雑音で、sj(t)と統計的独立である。時刻tにおいてJ個のセンサ21、22、…、2Jで観測される観測信号xi(t)は式(7)で表される。ここで、J≧N≧2とする。1. As shown in FIG. 1, the signal source signals s j (t) emitted from
観測信号ベクトルX(ωk,m)、混合行列H(ωk)、雑音ベクトルN(ωk,m)をそれぞれ式(12)、(13)、(14)により定義すると、X(ωk,m)は式(15)によって表される。If the observed signal vector X (ω k , m), the mixing matrix H (ω k ), and the noise vector N (ω k , m) are defined by equations (12), (13), and (14), respectively, X (ω k , M) is represented by equation (15).
信号を分離するには51、52、…、5Kで周波数ビン毎に式(16)を満足する分離行列W(ωk)を推定し、60で信号源の割り当てを定めるパーミュテーション行列Π(ωk)を決定する。周波数ビン毎に独立にパーミュテーション行列Π(ωk)を決定しても信号が完全に分離する保証はなく、同一信号源から発生した信号の隣接または近接周波数ビンに相関があることを利用してパーミュテーション行列Π(ωk)を決定する。In order to separate the signals, a separation matrix W (ω k ) satisfying Equation (16) is estimated for each frequency bin at 51, 52,..., 5K, and a permutation matrix 定 め る (60) that determines the signal source assignment at 60 ω k ) is determined. Even if the permutation matrix Π (ω k ) is determined independently for each frequency bin, there is no guarantee that the signal will be completely separated, and the fact that there is a correlation between adjacent or adjacent frequency bins of signals generated from the same signal source is used. Then, the permutation matrix ω (ω k ) is determined.
スケーリング問題とパーミュテーション問題を順に解法した後、71、72、…、7KでX(ωk,m)に左から分離行列W(ωk)を乗算すると、周波数ビンωkにおける分離信号Y(ωk,m)は式(17)で表される。尚、スケーリング問題の解法については後述する。After solving the scaling problem and the permutation problem in order, the separation signal Y in the frequency bin ω k is obtained by multiplying X (ω k , m) by 71, 72,..., 7K from the left with the separation matrix W (ω k ). (Ω k , m) is expressed by equation (17). A method for solving the scaling problem will be described later.
本発明に関するブラインド信号分離方法について、図1乃至図4を参照して詳細に説明する。図2乃至図4は、図1の31における短時間離散フーリエ変換後、ブラインド信号分離システム40において本発明により周波数ビン毎に推定される分離行列の算出手順を示したものである。図4は、分離行列の算出後、ブラインド信号分離システム40において本発明によりパーミュテーション行列の算出手順を示したものである。 The blind signal separation method according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 4 show the calculation procedure of the separation matrix estimated for each frequency bin by the blind
2.最小2乗型同時対角化問題
ブロック長Lが短く、センサの個数Jが多い場合、逆行列の演算と逆行列の算出頻度が増加してフレーム当たりの演算量は増加する。そこで、ステップS101においてLが短くJが大きい場合、ステップS102で式(19)の逆行列の補題を用いて逆行列P−1(ωk,m)を再帰的に求め、ブロック処理に基づきLフレーム毎に記憶したP−1(ωk,nΨL+τL)をステップS105で式(21)によって正規化する。ただし、Iは単位行列、cは正の定数、P−1(ωk,0)=c−1Iである。忘却係数βの値は0<β≦1から選択される。また、M個のブロックを最小2乗型同時対角化問題の対象区間とすると、Ψは連続する2組の対象区間の重複シフトサイズを表し、[1、M]から選択される。更に、τ=1,2,…,M、nは最小2乗型同時対角化問題の適用回数を表し、n=0,1,2,…とする。2. Least-squares simultaneous diagonalization problem When the block length L is short and the number of sensors J is large, the inverse matrix computation and the inverse matrix computation frequency increase, and the computation amount per frame increases. Therefore, if L is short and J is large in step S101, an inverse matrix P −1 (ω k , m) is recursively obtained using the inverse matrix lemma in equation (19) in step S102, and L is based on block processing. P −1 (ω k , nΨL + τL) stored for each frame is normalized by equation (21) in step S105. Here, I is a unit matrix, c is a positive constant, and P −1 (ω k , 0) = c −1 I. The value of the forgetting factor β is selected from 0 <β ≦ 1. If M blocks are the target sections of the least square simultaneous diagonalization problem, Ψ represents the overlapping shift size of two consecutive sets of target sections, and is selected from [1, M]. Further, τ = 1, 2,..., M, n represents the number of times of application of the least square simultaneous diagonalization problem, and n = 0, 1, 2,.
ステップS101においてLが長い、またはJが少ない場合、忘却係数βを導入してX(ωk,m)XH(ωk,m)を指数関数的に重み付け、行列P(ωk,m)をステップS103において式(20)に基づき求める。If L is long or J is small in step S101, the forgetting factor β is introduced, X (ω k , m) X H (ω k , m) is weighted exponentially, and the matrix P (ω k , m) Is obtained based on the equation (20) in step S103.
2.1 対角化行列の解法
ブロック処理を導入して、ブロック長がL個のフレームで、M個のブロックを最小2乗型同時対角化問題の対象区間にする。2.1 Solving Diagonalization Matrix Block processing is introduced, and the block length is L frames, and M blocks are set as the target section of the least square simultaneous diagonalization problem.
‖Wi(ωk)(n)‖2=1を条件に式(22)の評価関数が最小になるように対角化行列W(ωk)(n)、即ち、分離行列とM個の対角行列Λ−1(ωk,nΨL+τL)を最小2乗法、累乗法、反復法を併用して求める。ただし、Wi(ωk)(n)はWH(ωk)(n)のi番目の列ベクトル、‖・‖2はユークリッドノルムをそれぞれ表す。式(22)は最小2乗型同時対角化問題として知られている。上付き添字(n)は最小2乗型同時対角化問題の解法の適用回数を表す。‖W i (ω k ) (n) Diagonalized matrix W (ω k ) (n) , that is, the separation matrix and M pieces so that the evaluation function of Equation (22) is minimized on the condition of ‖ 2 = 1 The diagonal matrix [Lambda] < -1 > ([omega] k , n [Psi] L + [tau] L) is obtained using a least square method, a power method, and an iterative method. However, W i (ω k ) (n) represents the i-th column vector of W H (ω k ) (n) , and ‖ · ‖ 2 represents the Euclidean norm. Equation (22) is known as a least-squares simultaneous diagonalization problem. The superscript (n) represents the number of times the method of solving the least square simultaneous diagonalization problem is applied.
式(22)のように‖Wi(ωk)(n)‖2=1を条件に最小2乗型同時対角化問題を解法することは分離行列WH(ωk)(n)の各列ベクトルWi(ωk)(n)を正規化するスケーリング問題の解法を同時に実行していることと等価であり、別途、スケーリング問題を解法する必要はない。条件‖Wi(ωk)(n)‖2=1は最小2乗型同時対角化問題の解法で使用する累乗法の正規化によって満たされる。Solving the least squares type simultaneous diagonalization problem on condition that ‖W i (ω k ) (n) ‖ 2 = 1 as in equation (22), the separation matrix W H (ω k ) (n) This is equivalent to simultaneously executing the solution of the scaling problem that normalizes each column vector W i (ω k ) (n) , and there is no need to solve the scaling problem separately. The condition ‖ W i (ω k ) (n) ‖ 2 = 1 is satisfied by the normalization of the power method used in the solution of the least square simultaneous diagonalization problem.
ベクトル表現を用いると、式(22)の評価関数は式(23)のように表現することができる。ここで、r−1(ωk,nΨL+τL)、G(ωk)(n)、d(ωk,nΨL+τL)、G(ωk)(n)d(ωk,nΨL+τL)はそれぞれ式(24)〜(27)により表される。ただし、vec{A}は行列Aの列を積み重ねることによって
When vector expression is used, the evaluation function of Expression (22) can be expressed as Expression (23). Here, r- 1 ([omega] k , n [Psi] L + [tau] L), G ([omega] k ) (n) , d ([omega] k , n [ Psi] L + [tau] L), G ([omega] k ) (n) d ([omega] k , n [Psi] L + [tau] L) are respectively expressed by the formula (24). ) To (27). Where vec {A} is obtained by stacking the columns of matrix A
gi(ωk)(n)∈Ωを条件に式(23)の評価関数を最小にするG(ωk)(n)とd(ωk,nΨL+τL)は、式(22)の評価関数を最小にする分離行列W(ωk)(n)と対角行列Λ−1(ωk,nΨL+τL)に等しい。ここで、gi(ωk)(n)はG(ωk)(n)のi番目の列ベクトルである。また、空間Ωは式(28)により表される。ただし、CJ×1はJ×1の複素空間を表す。g i (omega k) (n) to the evaluation function of equation (23) minimizing the condition ∈Ω G (ω k) (n ) and d (ω k, nΨL + τL ) , the evaluation function of equation (22) Is equal to a separation matrix W (ω k ) (n) and a diagonal matrix Λ −1 (ω k , nΨL + τL). Here, g i (ω k ) (n) is the i-th column vector of G (ω k ) (n) . Further, the space Ω is expressed by the equation (28). Here, C J × 1 represents a J × 1 complex space.
反復法によって分離行列W(ωk)(n)と対角行列Λ−1(ωk,nΨL+τL)を求めるためにzi(ωk)(n)とT(ωk)(n)を式(29)、(30)によって定義する。In order to obtain the separation matrix W (ω k ) (n) and the diagonal matrix Λ −1 (ω k , nΨL + τL) by an iterative method, z i (ω k ) (n) and T (ω k ) (n) are It is defined by (29) and (30).
zi(ωk)(n)とT(ωk)(n)を用いると、式(23)は式(31)のように表現できる。When z i (ω k ) (n) and T (ω k ) (n) are used, Expression (23) can be expressed as Expression (31).
gi(ωk)(n)とzi(ωk)(n)をステップS106において式(32)、(34)により初期化する。In step S106, g i (ω k ) (n) and z i (ω k ) (n) are initialized by equations (32) and (34).
gj(ωk)(n)を求める際、gj(ωk)(n)(j≠i)を式(32)のように、zj(ωk)(n)を式(34)のようにそれぞれ定数として設定して、Fj(ωk)(n)を計算する。When determining g j (ω k ) (n) , g j (ω k ) (n) (j ≠ i) is expressed by equation (32), and z j (ω k ) (n) is expressed by equation (34). As shown below, F j (ω k ) (n) is calculated as a constant.
式(37)の評価関数を最小にする近似解gj(ωk)(n,φ)の算出時には、ステップS107において対象外のgj(ωk)(n)とzi(ωk)(n)(i≠j)を定数として固定する。近似解gj(ωk)(n,φ)は反復によって求めるため、反復対象gj(ωk)(n)に反復回数φを上付き添字で示している。When calculating the approximate solution g j (ω k ) (n, φ) that minimizes the evaluation function of Expression (37), g j (ω k ) (n) and z i (ω k ) that are not the target in step S107. (N) (i ≠ j) is fixed as a constant. Since the approximate solution g j (ω k ) (n, φ) is obtained by iteration, the number of iterations φ is indicated by a superscript in the iteration target g j (ω k ) (n) .
はステップS108において式(38)により求められる。
Is obtained by equation (38) in step S108.
累乗法の初期値をu(0)と表記すると、誤差の限界εPが式(44)を満足するまで、l=1から式(42)〜(44)の累乗法を繰り返し、近似解Wj(ωk)(n,φ)=u(1)を得る。If the initial value of the power method is expressed as u (0) , the power of the equations (42) to (44) is repeated from l = 1 until the error limit ε P satisfies the equation (44), and the approximate solution W j (ω k ) (n, φ) = u (1) is obtained.
まれる正規化によって分離行列の各列ベクトルを正規化するスケーリング問題を解いていることになる。 This means that the scaling problem that normalizes each column vector of the separation matrix is solved.
ステップS110においてj=1,2,…,Nの順にjを変えて式(36)、(38)、累乗法によるVj(ωk)(n,φ)の第1固有ベクトルの計算を繰り返す。In step S110, j is changed in the order of j = 1, 2,..., N, and the calculation of the first eigenvector of V j (ω k ) (n, φ) by the formulas (36) and (38) and the power method is repeated.
ステップS111において誤差の限界がεGの近似解を求めるために、式(45)を満足するまでj=1,2,・・・,Nの順にjを変えて式(36)、(38)、累乗法によるVj(ωk)(n)の第1固有ベクトルの計算を繰り返す。In order to obtain an approximate solution with an error limit ε G in step S111, j is changed in the order of j = 1, 2,..., N until Expression (45) is satisfied, and Expressions (36) and (38) are satisfied. The calculation of the first eigenvector of V j (ω k ) (n) by the power method is repeated.
2.2 対角行列の解法
式(46)を最小にすることによって対角行列は求められる。2.2 Diagonal matrix solution The diagonal matrix is obtained by minimizing the equation (46).
式(24)、(26)、(27)を用いると、式(46)はベクトル表現によって式(47)のように表される。 When Expressions (24), (26), and (27) are used, Expression (46) is expressed as Expression (47) by vector expression.
式(47)の評価関数に最小2乗法を適用して、ステップS112において式(48)で解を求める。 The least square method is applied to the evaluation function of equation (47), and a solution is obtained by equation (48) in step S112.
ステップS113において誤差の限界がεJの近似解を求めるために、式(49)を満足するまで式(36)、(38)、Vj(ωk)(n)の第1固有ベクトルによるgj(ωk)(n)の計算、式(48)によるd(ωk,nΨL+τL)の計算を繰り返す。ただし、|・|は絶対値を表す。In step S113, in order to obtain an approximate solution in which the error limit is ε J , g j by the first eigenvector of equations (36), (38), V j (ω k ) (n) until equation (49) is satisfied. The calculation of (ω k ) (n) and the calculation of d (ω k , nΨL + τL) according to the equation (48) are repeated. However, | · | represents an absolute value.
3.パーミュテーション問題の解法
周波数ビンωkにおける信号分離精度を評価するために、分離信号のペリオドグラムλj(ωk,nΨL+τL)の逆数λj −1(ωk,nΨL+τL)を用いてΛ−1(ωk,nΨL+τL)を式(50)によってステップS114で構成する。ただし、diag(・)は対角行列を表す。3. Solution of Permutation Problem In order to evaluate the signal separation accuracy in the frequency bin ω k , Λ − using the inverse λ j −1 (ω k , nΨL + τL) of the periodogram λ j (ω k , nΨL + τL) of the separated signal 1 (ω k , nΨL + τL) is constructed in step S114 according to equation (50). However, diag (•) represents a diagonal matrix.
分離信号の周波数成分は周波数ビン毎に異なるので、この影響を低減するために、ステップS115でΛ−1(ωk,nΨL+τL)を式(51)によって正規化する。γj −1(ωk,nΨL+τL)はΓ−1(ωk,nΨL+τL)のj行j列の対角要素とする。Since the frequency component of the separated signal is different for each frequency bin, in order to reduce this influence, Λ −1 (ω k , nΨL + τL) is normalized by Equation (51) in step S115. γ j −1 (ω k , nΨL + τL) is a diagonal element of j rows and j columns of Γ −1 (ω k , nΨL + τL).
周波数ビン間の相関に基づき信号分離精度を評価するためにE(ωk)(n)を式(52)によりステップS116で算出する。In order to evaluate the signal separation accuracy based on the correlation between the frequency bins, E (ω k ) (n) is calculated in step S116 according to the equation (52).
周波数ビンωkにおける信号分離精度μ(ωk)(n)を式(53)によりステップS117で計算する。In step S117, the signal separation accuracy μ (ω k ) (n) in the frequency bin ω k is calculated by the equation (53).
ステップS118において全周波数ビンを対象に式(53)を用いて信号分離精度μ(ωk)(n)を求め、信号分離精度の下位x%を検出する。In step S118, the signal separation accuracy μ (ω k ) (n) is obtained for all frequency bins using the equation (53), and the lower x% of the signal separation accuracy is detected.
ステップS119において下位x%に該当した周波数ビンを間引き、該当周波数ビンは間を詰める。 In step S119, the frequency bin corresponding to the lower x% is thinned out, and the corresponding frequency bin is shortened.
間引いた状態で、隣接周波数ビンにおいて既に定められた信号源の割り当て結果Eη(ωη±|φ|)(n)をステップS120で式(54)により求める。尚、基準周波数ビンωηにおけるパーミュテーション行列はΠ(ωη)(n)=Iに設定する。In the thinned-out state, the signal source allocation result E η (ω η ± | φ | ) (n) already determined in the adjacent frequency bin is obtained by the equation (54) in step S120. Note that the permutation matrix in the reference frequency bin ω η is set to Π (ω η ) (n) = I.
隣接する周波数ビンωη±|φ+1|におけるパーミュテーション行列Π(ωη±|φ+1|)(n)を式(55)によりステップS121で決定する。The permutation matrix に お ける (ω η ± | φ + 1 | ) (n) in the adjacent frequency bin ω η ± | φ + 1 | is determined in step S121 by equation (55).
ステップS122において下位x%の周波数ビンを除く、他の全ての周波数ビンを対象に式(54)、(55)を繰り返し、Π(ωη±|φ+1|)(n)を求める。In step S122, Expressions (54) and (55) are repeated for all other frequency bins except for the lower x% frequency bins to obtain Π ( ωη ± | φ + 1 | ) (n) .
信号分離精度の下位x%に該当する周波数ビンのパーミュテーション行列は、ステップS123において最も近い周波数ビンのパーミュテーション行列をコピーする。 The permutation matrix of the frequency bin corresponding to the lower x% of the signal separation accuracy is copied in step S123.
ステップS124において式(56)のように観測信号X(ωk,m)に分離行列W(ωk)(n)を左から乗算した後、更にパーミュテーション行列Π(ωk)(n)を左から乗算して分離信号Y(ωk,m)を得る。In step S124, the observation signal X (ω k , m) is multiplied from the left by the separation matrix W (ω k ) (n) as shown in the equation (56), and then the permutation matrix Π (ω k ) (n) Is obtained from the left to obtain a separated signal Y (ω k , m).
4.1 評価データ
図5のように、3個のセンサ(マイクロホン)21、22、23と半径1.5mの円の円周上に3個の信号源(スピーカ)11、12、13を残響時間のある会議室に配置した。尚、図5は3個の信号源(スピーカ)11、12、13と3個のセンサ(マイクロホン)21、22、23の位置関係を示す平面図である。信号源1jとセンサ2iの間の伝達関数hij(t)は、残響時間を100msに設定し、信号源(スピーカ)から発したTSP信号をセンサ(マイクロホン)で受音することによって測定した。音声データは男性3名と女性2名から異なる3名を選択して、3分間の混合データを2組作成した。実験条件は、信号源(スピーカ)とセンサ(マイクロホン)の個数はJ=N=3、標本化周波数8kHz、量子化ビット数16ビット、短時間離散フーリエ変換の点数K=2048、シフトサイズTb=30、窓関数はハニング窓である。忘却係数β=0.99、ブロック長L=32フレーム、Ψ=1ブロックでM=1500ブロックを最小2乗型同時対角化問題の対象にした。本発明に係るブラインド信号分離方法では、初期値a=b=1、εG=10−5、εJ=10−5、εP=10−15を用いている。パーミュテーション問題の解法において基準周波数ビンはfη=1.5kHzに設定している。また、信号分離精度の下位20%または下位50%に該当する周波数ビンは間引いている。SNRは10dB間隔で10〜30dBの範囲で変化させた。ここで、センサ21、22、23のSNRは式(57)によってそれぞれ算出した。ここで、E[・]は期待値を表す。4.1 Evaluation Data As shown in FIG. 5, three signal sources (speakers) 11, 12, 13 are reverberated on the circumference of three sensors (microphones) 21, 22, 23 and a circle having a radius of 1.5 m. Placed in a meeting room with time. 5 is a plan view showing the positional relationship between the three signal sources (speakers) 11, 12, and 13 and the three sensors (microphones) 21, 22, and 23. FIG. The transfer function h ij (t) between the signal source 1j and the sensor 2i was measured by setting the reverberation time to 100 ms and receiving the TSP signal emitted from the signal source (speaker) with the sensor (microphone). As voice data, three different men were selected from three men and two women, and two sets of mixed data for 3 minutes were created. The experimental conditions are that the number of signal sources (speakers) and sensors (microphones) is J = N = 3,
4.2 評価指標
ブラインド信号分離方法の信号分離性能を次の方法で評価した.式(58)によって観測信号における所望信号源信号と干渉信号の電力の比、式(59)によって出力信号における所望信号源信号と干渉信号の電力の比をそれぞれ計算した後、式(60)のようにSIRyiとSIRxiの差によってブラインド信号分離装置の各出力の信号分離性能を求める。式(61)による各出力の平均を信号分離性能とした。cij(t)(n)は式(62)のC(ωk)(n)の要素を、wij(t)(n)はW(ωk)(n)の要素をそれぞれ逆離散フーリエ変換したものである。4.2 Evaluation index The signal separation performance of the blind signal separation method was evaluated by the following method. After calculating the ratio of the power of the desired signal source signal and the interference signal in the observation signal by Expression (58) and the ratio of the power of the desired signal source signal and the interference signal in the output signal by Expression (59), respectively, Thus, the signal separation performance of each output of the blind signal separation device is obtained by the difference between SIR yi and SIR xi . The average of each output according to Equation (61) was defined as the signal separation performance. C of c ij (t) (n) is the formula (62) (ω k) the elements of the (n), w ij (t ) (n) is W (ω k) (n) elements inverse discrete Fourier each It is converted.
4.3 評価対象
最小2乗型同時対角化問題の解法を用いたフォワードモデル型ブラインド信号分離方法(非特許文献3)を比較対象とする。なお、非特許文献3ではNS=32、M=1500エポックを最小2乗型同時対角化問題の対象とした。4.3 Evaluation object The forward model type blind signal separation method (Non-patent Document 3) using the method of solving the least-squares simultaneous diagonalization problem is a comparison object. Incidentally, the non-Patent Document 3 N S = 32, M = 1500 epoch targeted minimum squares joint diagonalization problem.
4.4 評価結果
図6の信号分離性能から明らかなように、本発明に係るブラインド信号分離方法が従来のフォワードモデル型ブラインド信号分離方法よりも高いSIRを得ることができた。この要因は信号の統計的性質を反映する為に忘却係数βを導入し、空間相関行列の逆行列を最小2乗型同時対角化問題を適用することによって雑音の影響を最小にすると同時に、分離行列が精度良く推定でき、パーミュテーション問題の正答率が高いためと考えられる。4.4 Evaluation Results As is apparent from the signal separation performance of FIG. 6, the blind signal separation method according to the present invention was able to obtain a higher SIR than the conventional forward model type blind signal separation method. This factor introduces a forgetting factor β to reflect the statistical properties of the signal and minimizes the effects of noise by applying a least-squares simultaneous diagonalization problem to the inverse of the spatial correlation matrix, This is because the separation matrix can be estimated with high accuracy and the correct answer rate of the permutation problem is high.
5.1 評価データ
2個の信号源(スピーカ)12、14と2個のセンサ(マイクロホン)21、22を図5のように残響のある会議室に配置した。尚、図5は2個の信号源(スピーカ)12、14と2個のセンサ(マイクロホン)21、22の位置関係を示す平面図である。2個の信号源(スピーカ)12、14は直線上に配置されている。2名の男性による3分間の音声を音声データとして使用した。実験条件は、信号源(スピーカ)とセンサ(マイクロホン)の個数はJ=N=2、標本化周波数8kHz、量子化ビット数16ビット、短時間離散フーリエ変換の点数K=4096、シフトサイズTb=60、窓関数はハニング窓である。忘却係数β=0.99、ブロック長L=40フレーム、Ψ=1ブロックでM=500ブロックを最小2乗型同時対角化問題の対象にした。本発明に係るブラインド信号分離方法では、初期値a=b=1、εG=10−4、εJ=10−4、εP=10−15を用いている。信号源1jとセンサ2iの間の伝達関数hij(t)は、残響時間を300msに設定し、信号源(スピーカ)から発したTSP信号をセンサ(マイクロホン)で受音することによって測定した。パーミュテーション問題の解法において基準周波数ビンはfη=1.5kHzに設定している。また、信号分離精度の下位17.4%に該当する周波数ビンは間引いている。5.1 Evaluation Data Two signal sources (speakers) 12 and 14 and two sensors (microphones) 21 and 22 were arranged in a reverberant conference room as shown in FIG. FIG. 5 is a plan view showing the positional relationship between the two signal sources (speakers) 12 and 14 and the two sensors (microphones) 21 and 22. The two signal sources (speakers) 12 and 14 are arranged on a straight line. Three minutes of speech by two men was used as speech data. The experimental conditions are that the number of signal sources (speakers) and sensors (microphones) is J = N = 2,
5.2 評価指標
式(63)で最適なパーミュテーション行列Πopt(ωk)(n)、本発明に係るブラインド信号分離方法でパーミュテーション行列Π(ωk)(n)をそれぞれ求め、誤差‖Πopt(ωk)(n)−Π(ωk)(n)‖Fを計算する。誤差が零のときは、本発明に係るブラインド信号分離方法で正しくパーミュテーション問題が解法されたことになり、誤差が零でない場合は正しいパーミュテーション行列が求められなかったことになる。5.2 Evaluation Index Optimum permutation matrix Π opt (ω k ) (n) is obtained by Expression (63), and permutation matrix Π (ω k ) (n) is obtained by the blind signal separation method according to the present invention. The error ‖Π opt (ω k ) (n) −Π (ω k ) (n) F F is calculated. When the error is zero, the permutation problem is correctly solved by the blind signal separation method according to the present invention. When the error is not zero, the correct permutation matrix is not obtained.
5.3 評価対象
同一信号源から発生した信号の隣接周波数ビンに相関があることを利用したパーミュテーション問題の解法(非特許文献3)を比較対象とする。5.3 Evaluation Target The solution to the permutation problem (Non-patent Document 3) using the fact that there is a correlation between adjacent frequency bins of signals generated from the same signal source is the comparison target.
5.4 評価結果
誤差‖Πopt(ωk)(n)−Π(ωk)(n)‖Fが零になる周波数ビンを白、零にならない周波数ビンを黒で描くと図7、8の上段のグラフを得る。灰色は白と黒が交互に現れる領域である。図7、8の上段のグラフの縦軸は周波数、横軸は最小2乗型同時対角化問題の解法の適用回数nをそれぞれ表す。図中で白の面積が多くなると、パーミュテーション問題の正答率が高くなる。本発明に係るブラインド信号分離方法で適応的にパーミュテーション問題を解法すると、適用回数の増加に伴い白の面積が増大する。図7の下段のグラフより最小2乗型同時対角化問題の解法の適用回数nの増加とともに誤り率が減少することから、パーミュテーション問題の正答率が高くなることがわかる。一方、従来のパーミュテーション問題の解法では、図8の上段のグラフより適用回数を増しても、白の面積は増加も減少もしないばかりでなく灰色の領域が多く本発明に係るブラインド信号分離方法に比べ不安定である。また、図8の下段のグラフより誤り率は約50%である。これはランダムにパーミュテーション行列を割り当てた結果と変わらないことから、本発明に係るブラインド信号分離方法に比べパーミュテーション問題の正答率は向上しないことがわかる。5.4 Evaluation results error ‖Π opt (ω k) (n ) -Π (ω k) (n) || F white frequency bins becomes zero, and draw a frequency bins that do not become zero in black FIGS. 7 and 8 Get the top graph. Gray is an area where white and black appear alternately. 7 and 8, the vertical axis represents the frequency, and the horizontal axis represents the number of applications n of the method of solving the least square simultaneous diagonalization problem. As the area of white in the figure increases, the percentage of correct answers to permutation questions increases. When the permutation problem is adaptively solved by the blind signal separation method according to the present invention, the white area increases as the number of applications increases. From the lower graph of FIG. 7, it can be seen that the error rate decreases with the increase in the number n of application of the method of solving the least square simultaneous diagonalization problem, and thus the correct answer rate of the permutation problem increases. On the other hand, in the conventional solution of the permutation problem, even if the number of applications is increased from the upper graph in FIG. 8, the white area does not increase or decrease, and there are many gray areas, and the blind signal separation according to the present invention is performed. It is unstable compared to the method. Moreover, the error rate is about 50% from the lower graph of FIG. Since this is not different from the result of randomly assigning a permutation matrix, it can be seen that the correct answer rate of the permutation problem does not improve as compared with the blind signal separation method according to the present invention.
6.1 評価データ
2個の信号源(スピーカ)12、14と2個のセンサ(マイクロホン)21、22を図5のように残響のある会議室に配置した。尚、図5は2個の信号源(スピーカ)12、14と2個のセンサ(マイクロホン)21、22の位置関係を示す平面図である。1名の男性による3分間の音声を音声データ、3分間のクラシック音楽を音楽データとしてそれぞれ使用した。実験条件は、信号源(スピーカ)とセンサ(マイクロホン)の個数はJ=N=2、標本化周波数8kHz、量子化ビット数16ビット、短時間離散フーリエ変換の点数K=4096、シフトサイズTb=40、窓関数はハニング窓である。忘却係数β=0.99、ブロック長L=40フレーム、Ψ=1ブロックでM=900ブロックを最小2乗型同時対角化問題の対象にした。本発明に係るブラインド信号分離方法では、初期値a=b=1、εG=10−4、εJ=10−4、εP=10−15を用いている。信号源1jとセンサ2iの間の伝達関数hij(t)は、残響時間を300msに設定し、信号源(スピーカ)から発したTSP信号をセンサ(マイクロホン)で受音することによって測定した。パーミュテーション問題の解法において基準周波数ビンはfη=1.5kHzに設定している。また、信号分離精度の下位20%に該当する周波数ビンは間引いている。6.1 Evaluation Data Two signal sources (speakers) 12 and 14 and two sensors (microphones) 21 and 22 were arranged in a reverberant conference room as shown in FIG. FIG. 5 is a plan view showing the positional relationship between the two signal sources (speakers) 12 and 14 and the two sensors (microphones) 21 and 22. A 3-minute voice by one man was used as voice data, and a 3-minute classical music was used as music data. The experimental conditions are that the number of signal sources (speakers) and sensors (microphones) is J = N = 2,
6.2 評価指標
5〜9秒の範囲の信号源信号s1(t)、s2(t)、観測信号x1(t)、x2(t)、本発明に係るブラインド信号分離方法で観測信号x1(t)、x2(t)を分離した信号y1(t)、y2(t)をそれぞれスペクトログラムで表示する。信号源信号s1(t)、s2(t)と分離信号y1(t)、y2(t)については、発音内容と信号波形も示す。6.2 Evaluation index Signal source signals s 1 (t) and s 2 (t) in the range of 5 to 9 seconds, observation signals x 1 (t) and x 2 (t), in the blind signal separation method according to the present invention Signals y 1 (t) and y 2 (t) obtained by separating observed signals x 1 (t) and x 2 (t) are displayed as spectrograms, respectively. As for the signal source signals s 1 (t) and s 2 (t) and the separated signals y 1 (t) and y 2 (t), the sound generation contents and signal waveforms are also shown.
6.3 評価結果
図9の上段は信号源信号、中段は観測信号、下段は分離信号のスペクトログラムをそれぞれ示す。本発明に係るブラインド信号分離方法による分離信号のスペクトログラムy1(ωk,m)とy2(ωk,m)はそれぞれ、遅延させた信号源信号のスペクトログラムs1(ωk,m)とs2(ωk,m)に類似しており、信号が分離できていることが確認できる。6.3 Evaluation Results The upper part of FIG. 9 shows the signal source signal, the middle part shows the observed signal, and the lower part shows the spectrogram of the separated signal. The spectrograms y 1 (ω k , m) and y 2 (ω k , m) of the separated signal by the blind signal separation method according to the present invention are respectively the spectrogram s 1 (ω k , m) of the delayed signal source signal and It is similar to s 2 (ω k , m), and it can be confirmed that the signal is separated.
11〜1N…信号源、21〜2J…センサ、31…短時間離散フーリエ変換、40…ブラインド信号分離システム、51、52、…、5K…最小2乗型同時対角化問題の解法、60…パーミュテーション問題の解法、71、72、…、7K…畳み込み演算、80…逆離散フーリエ変換と重複加算11 to 1N ... signal source, 21 to 2J ... sensor, 31 ... short-time discrete Fourier transform, 40 ... blind signal separation system, 51, 52, ..., 5K ... solution of least squares simultaneous diagonalization problem, 60 ... Solution of permutation problem, 71, 72,..., 7K ... convolution operation, 80 ... inverse discrete Fourier transform and overlap addition
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