混合信号分離・抽出装置
【課題】原信号を連続的かつ忠実に再生することの可能な混合信号分離・抽出装置を提供すること。
【解決手段】連続する２つのサンプリング期間Δｔ１、Δｔ２ごとに独立成分分析による分離・抽出処理を実施し、信号分離出力ＸＡ（ＸＡ１，…，ＸＡｉ），ＸＢ（ＸＢ１，…，ＸＢｉ）を得る。さらにΔｔ１＋Δｔ２における信号分離出力ＸＣ（ＸＣ１，…，ＸＣｉ）を生成し、ＸＣを期間△ｔ１に相当する成分（ＸＡ’）と、△ｔ２に相当する成分（ＸＢ’）とに分割する。そして（ＸＡ１，…，ＸＡｉ）の各成分と、（ＸＢ１，…，ＸＢｉ）の各成分との連結すべき組み合わせを、ＸＡとＸＡ’との相関値、およびＸＢとＸＢ’との相関値に基づいて算出する。
【解決手段】連続する２つのサンプリング期間Δｔ１、Δｔ２ごとに独立成分分析による分離・抽出処理を実施し、信号分離出力ＸＡ（ＸＡ１，…，ＸＡｉ），ＸＢ（ＸＢ１，…，ＸＢｉ）を得る。さらにΔｔ１＋Δｔ２における信号分離出力ＸＣ（ＸＣ１，…，ＸＣｉ）を生成し、ＸＣを期間△ｔ１に相当する成分（ＸＡ’）と、△ｔ２に相当する成分（ＸＢ’）とに分割する。そして（ＸＡ１，…，ＸＡｉ）の各成分と、（ＸＢ１，…，ＸＢｉ）の各成分との連結すべき組み合わせを、ＸＡとＸＡ’との相関値、およびＸＢとＸＢ’との相関値に基づいて算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合信号分離・抽出装置に関する。特に本発明は、複数のセンサにおいて個別に観測される混合信号から原信号を分離・抽出する技術の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の原信号を含む混合信号からそれぞれの原信号を分離・抽出するために、ブラインド信号分離法（ＢＢＳ：Blind Source Separation）が用いられる（例えば、特許文献１を参照）。ブラインド信号分離法に独立成分分析を組み合わせることにより、到来信号に対する予備知識が無くとも複数の信号を分離できる。混合信号を受信するセンサをＮ個用いれば、最大でＮ個の信号成分を分離することができる。ブラインド信号分離法では、各センサに到達する混合信号を所定の時間間隔でサンプリングすることにより得られるデジタルデータが使用される。
【０００３】
ところで、独立成分分析により原信号を分離・抽出するには、受信した混合信号の独立性のみに頼らざるを得ない。このことから、分離・抽出された信号にはサンプリング周期ごとの順番の入れ違いと、大きさの任意性とが残ることになる。分離・抽出する期間が決まっている場合には、このような現象は波形自体に影響を与えるものではないために、信号の分離・抽出という側面では深刻な問題を生じることはない。
【０００４】
しかしながら分離・抽出処理を連続的に実施する場合や、原信号の数や状態が時々刻々と変化する場合には、受信信号の分離・抽出結果を一定の時間間隔ごとに出力する必要がある。このような処理において分離・抽出された信号の入れ違いの任意性が生じると、信号の連続性が損なわれることになる。
【特許文献１】特開２００３−９２５５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上述べたように、ブラインド信号分離法により分離・抽出された原信号には、サンプリング周期ごとの順番の入れ違いと、大きさの任意性とが残る。よって分離・抽出処理を連続的に（すなわち一定の時間間隔で）実施する場合には本来の順序が失われ、原信号を連続信号として出力することができない場合がある。
本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、原信号を連続的かつ忠実に再生することの可能な混合信号分離・抽出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明の一態様によれば、複数の原信号を含む混合信号をそれぞれ受信する複数のセンサと、この複数のセンサごとの受信信号から独立成分分析により前記原信号を分離・抽出する独立成分分析部とを具備する混合信号分離・抽出装置において、前記独立成分分析部は、連続するサンプリング期間ごとに前記複数のセンサごとの受信信号をサンプリングしてサンプルデータを取得するサンプリング手段と、前記サンプルデータを用いた独立成分分析により前記サンプリング期間ごとに複数の原信号データを生成する分離手段と、連続する２つのサンプリング期間のうち先行する第１サンプリング期間において生成された複数の第１原信号データと、前記第１サンプリング期間に続く第２サンプリング期間において生成された複数の第２原信号データとの、相互に連結すべき組み合わせを算出する算出手段と、この算出手段により算出された組み合わせで前記複数の第１原信号データの各々を前記複数の第２原信号データのいずれかに連結して、連続する原信号を再生する連結手段とを備えることを特徴とする混合信号分離・抽出装置が提供される。
【０００７】
このような手段を講じることにより、時間的に連続するサンプリング期間においてそれぞれ分離・抽出された原信号は、例えばその相関性の強さの度合いに基づいて組み合わされ、連結される。すなわちサンプリング周期ごとの順番の入れ違いと、大きさの任意性とを、各原信号の特徴に基づいて排除することができ、連続する原信号同士を的確に連結することが可能になる。従って、原信号を連続的かつ忠実に再生することの可能な混合信号分離・抽出装置を提供することができるようになる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、原信号を連続的かつ忠実に再生することの可能な混合信号分離・抽出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態に係る混合信号分離・抽出装置は、アレイ状に配列される複数のセンサ（ｎ個とする）に同時に到来する複数の原信号（ｍ個とする）を、ブラインド信号分離の手法により分離・抽出する。ブラインド信号分離とは、センサの応答性や信号の性質、入射信号の予備知識なしでセンサ数と同数までの入射信号を分離するアルゴリズムである。このアルゴリズムは、ブラインド信号分離や独立成分分析（ＩＣＡ：Independent Component Analysis）と呼ばれ、多くの公知文献が発表されている。
【００１０】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施の形態に係る混合信号分離・抽出装置は、センサとしてアンテナを使用し、複数のアンテナに入射された複数の入射信号の混合信号から原信号を分離して出力する。なお、以下では、説明を簡単にするために、アンテナの数および入射信号の数をいずれも４として説明するが、アンテナの数及び入射信号の数はこれらに限定されず任意である。
【００１１】
図１は、本発明に係わる混合信号分離・抽出装置の実施の形態を示す機能ブロック図である。この混合信号分離・抽出装置は、第１アンテナ１１、第２アンテナ１２、第３アンテナ１３、第４アンテナ１４、第１帯域制限ろ波装置Ｆ１、第２帯域制限ろ波装置Ｆ２、第３帯域制限ろ波装置Ｆ３、第４帯域制限ろ波装置Ｆ４、サンプリング処理部１００、独立成分分析部２００、および、出力処理部４００を備える。
【００１２】
第１〜第４アンテナ１１〜１４としては、バーチカルアンテナ、ダイポールアンテナといった無指向性のアンテナ、及び任意の指向性を持ったアンテナ等が用いられ、種々の方位からの電波を受信する。これら第１〜第４アンテナ１１〜１４を設置する間隔や高さは任意である。
【００１３】
第１アンテナ１１は、空中からの複数の入射信号（電波）Ｘ１〜Ｘ４を受信し、これらが混合された混合信号を第１帯域制限ろ波装置Ｆ１に送る。同様に、第２〜第４アンテナ１２〜１４は、空中からの複数の入射信号Ｘ１〜Ｘ４を受信し、これらが混合された混合信号を第２〜第４帯域制限ろ波装置Ｆ２〜Ｆ４にそれぞれ送る。
【００１４】
第１帯域制限ろ波装置Ｆ１は、第１アンテナ１１からの混合信号に含まれる所定帯域の周波数成分のみを通過させてサンプリング処理部１００に送る。同様に、第２〜第４帯域制限ろ波装置Ｆ２〜Ｆ４は、第２〜第４アンテナ１２〜１４からの混合信号に含まれる所定帯域の周波数成分のみをそれぞれ通過させてサンプリング処理部１００に送る。なお、各第１〜第４帯域制限ろ波装置Ｆ１〜Ｆ４が通過させる周波数帯域は同じである。
【００１５】
図２は、図１の独立成分分析部２００を概略的に示す模式図である。図２においてサンプリング処理部１００は、連続するサンプリング期間ごとに第１〜第４帯域制限ろ波装置Ｆ１〜Ｆ４の出力をサンプリングし、入力信号Ｘａ，…，Ｘｊを得る。各入力信号Ｘａ，…，Ｘｊは、それぞれサンプリング期間Δｔ１，Δｔ２，…，Δｔｉにおいて取得される。これらの入力信号Ｘａ，…，Ｘｊは混合信号連結処理部３００に入力され、連結されて連続信号が出力される。
【００１６】
次式（１）は、独立成分分析手法をモデル化して表現する式である。本実施形態では、ブラインド信号分離の手法により式（１）のＳ１，…，ｍ（ｔ）を算出する。
【００１７】
【数１】
【００１８】
ところで、ブラインド信号分離で分離された信号Ｘ１，…，ｎ（ｔ）と原信号Ｓ１，…，ｍ（ｔ）との間には、一般に順序の入れ違いの任意性が生じる。以下ではこの任意性に対処し、分離された信号を適切な順序で連結するための手法につき説明する。なおサンプリング処理部１００のサンプリング間隔は、各センサに到達する混合信号の到達の時間差の影響の無い値とする。
【００１９】
図３は、図１の独立成分分析部２００の第１の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図３において、時間的に連続する２つのサンプリング期間Δｔ１、Δｔ２ごとに入力信号がサンプリングされ、それぞれ入力信号Ｘａ（Ｘａ１，…，Ｘａｉ），Ｘｂ（Ｘｂ１，…，Ｘｂｉ）が得られる。各入力信号ごとにそれぞれ分離・抽出処理が実施され、信号分離出力ＸＡ（ＸＡ１，…，ＸＡｉ），ＸＢ（ＸＢ１，…，ＸＢｉ）が得られる。
【００２０】
本実施形態では、さらにΔｔ１＋Δｔ２に相当する期間、すなわち２つのサンプリング期間を連結した期間における信号分離出力ＸＣ（ＸＣ１，…，ＸＣｉ）を生成する。そしてＸＣを、期間△ｔ１に相当する成分（ＸＡ’）と、△ｔ２に相当する成分（ＸＢ’）とに分割する。そして（ＸＡ１，…，ＸＡｉ）の各成分と、（ＸＢ１，…，ＸＢｉ）の各成分との連結すべき組み合わせを、ＸＡとＸＡ’との相関値、およびＸＢとＸＢ’との相関値に基づいて算出する。
【００２１】
組み合わせが算出されると、その結果に基づいて端子選択スイッチ５００が制御され、相互相関値の大きい信号が入力される端子が相互に接続される。これによりＸＡとＸＢとが適切な組み合わせで連結され、従って△ｔ１、△ｔ２の時間で分離・抽出され互いに独立する連続信号を出力することが可能となる。
【００２２】
サンプリング期間が長くなると、入射信号間に若干の相関性が生じる場合がある。この状態でブラインド信号分離で分離・抽出した場合、信号間の分離が充分でなく他の入射信号の成分が分離されず混合された状態となる場合がある。これは、長時間の信号や連続信号を分離抽出する場合に問題となる。一般にサンプリング期間が短くなるほど相関性が小さくなるため、互いに独立した信号を分離・抽出しやすい。
【００２３】
そこで本実施形態では、図２に示すように一定間隔の信号を短い任意の時間間隔信号Δｔ１，Δｔ２，…，Δｔｉに分割し、一定間隔の信号との周波数分析の結果、相関値あるいは、高次統計量を使用して算出する混合信号連結手段により信号の順序の入れ違いを無くし、連続信号を分離抽出することが可能となる。
【００２４】
つまり本実施形態では、連続する２つのサンプリング期間においてそれぞれ分離・抽出された信号を連結するために、各サンプリング期間を合わせた期間における分離・抽出の結果を用いるようにしている。サンプリング期間ごとに分離・抽出された信号の分離度は高いが、順序の任意性が残る。逆に、各サンプリング期間を合わせた期間において分離・抽出された信号は、分離度は緩いが順序の任意性を考慮する必要が無い。そこで、両者の相関性を算出して相関値の高い組み合わせで連結することにより、原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００２５】
［第２の実施形態］
図４は、図１の独立成分分析部２００の第２の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図４においては、サンプリング期間Δｔ１、Δｔ２ごとに分離・抽出した信号分離出力ＸＡ（ＸＡ１，…，ＸＡｉ），ＸＢ（ＸＢ１，…，ＸＢｉ）の周波数を相互に比較し、端子選択スイッチ５００において周波数が同一となる端子を選択することにより、連結すべきＸＡとＸＢとの組合わせを求める。このようにしても原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００２６】
［第３の実施形態］
図５は、図１の独立成分分析部２００の第３の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図５においては、期間（Δｔ１＋Δｔ２）における信号分離出力（ＸＡ＋ＸＢ）と、サンプリング期間Δｔ１、Δｔ２ごとに分離・抽出した信号分離出力ＸＡ，ＸＢとの周波数を相互に比較し、端子選択スイッチ５００において周波数が同一となる端子を選択することにより、連結すべきＸＡとＸＢとの組合わせを求める。このようにしても原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００２７】
［第４の実施形態］
図６は、図１の独立成分分析部２００の第４の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図６においては、期間（Δｔ１＋Δｔ２）における信号分離出力（ＸＡ＋ＸＢ：すなわちＸＣ）と、サンプリング期間Δｔ１、Δｔ２ごとに分離・抽出した信号分離出力ＸＡ，ＸＢとの４次統計量（４次のキュムラントと称する）を算出する。そして、その結果に基づいて端子選択スイッチ５００において独立でない端子を選択することにより、連結すべきＸＡとＸＢとの組合わせを求める。このようにしても原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００２８】
［第５の実施形態］
図７は、図１の独立成分分析部２００の第５の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図７においてはマトリクススイッチ６００により、ＸＡとＸＢとの組合わせを予め全て用意する。そして、これらの組と、ＸＣｉとの相関値を算出し、その値に基づいて端子選択スイッチ５００を制御することにより、連結すべきＸＡとＸＢとの組合わせを選択するようにする。このようにしても原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００２９】
［第６の実施形態］
図８は、図１の独立成分分析部２００の第６の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図８においても、マトリクススイッチ６００によりＸＡとＸＢとの組合わせを予め全て用意する。そして、これらの組のうち周波数が単一になる組み合わせを端子選択スイッチ５００により選択するようにする。このようにしても原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００３０】
［第７の実施形態］
図９は、図１の独立成分分析部２００の第７の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図９においても、期間（Δｔ１＋Δｔ２）における信号分離出力ＸＣを求める。また、マトリクススイッチ６００によりＸＡとＸＢとの組合わせを予め全て用意する。そして、これらの組合わせとＸＣとの４次統計量を算出し、その結果に基づいて端子選択スイッチ５００において独立でない端子を選択するようにする。このようにしてもＸＡとＸＢとの組合わせの最適解を求めることができ、原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００３１】
［第８の実施形態］
図１０は、図１の独立成分分析部２００の第８の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図１０においては、信号分離出力ＸＡｉとＸＢｉとを、全ての組合わせにわたって混合（ミキシングまたは乗算）する。そして、混同した結果をすべてＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理して周波数分析し、そのうちベースバンド成分およびＸＡ（またはＸＢ）の２倍の高調波成分のスペクトラムを検出する。
【００３２】
ＸＡｉとＸＢｉとを混合（ミキシングまたは乗算）した場合、ＸＡｉとＸＢｉの周波数成分が同一の場合は、２倍の高調波成分のスペクトラムが最大となる。成分が異なる場合は、値が小さくなる。このことを利用し、スペクトラムが最大になる組み合わせを端子選択スイッチ５００により選択することで、ＸＡとＸＢとの組合わせの最適解を求めるようにする。このようにしても、原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００３３】
［第９の実施形態］
図１１は、図１の独立成分分析部２００の第９の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図１１においては、マトリクススイッチ６００によりＸＡとＸＢとの組合わせを予め全て用意し、全ての組み合わせの信号成分を連接する。この連接信号とＸＣとを混合（ミキシングまたは乗算）し、ＦＦＴ処理する。そして、第８の実施形態と同様に、スペクトラムが最大になる組み合わせを端子選択スイッチ５００により選択することで、ＸＡとＸＢとの組合わせの最適解を求めるようにする。このようにしても、原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００３４】
［第１０の実施形態］
図１２は、図１の独立成分分析部２００の第１０の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図１２においては、Δｔ１間の入力信号Ｘａ、Δｔ２間の入力信号Ｘｂの信号分離出力ＸＡ，ＸＢと、（Δｔ１＋Δｔ２）における信号分離出力ＸＣの△ｔ１、△ｔ２成分ＸＡ’，ＸＢ’とを、それぞれ混合（ミキシングまたは乗算）する。その混合成分にＦＦＴ（周波数分析）処理を施し、第８および第９実施形態と同様に、スペクトラムが最大になる組み合わせを端子選択スイッチ５００により選択することで、ＸＡとＸＢとの組合わせの最適解を求めるようにする。このようにしても、原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００３５】
なお本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係わる混合信号分離・抽出装置の実施の形態を示す機能ブロック図。
【図２】図１の独立成分分析部２００を概略的に示す模式図。
【図３】図１の独立成分分析部２００の第１の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【図４】図１の独立成分分析部２００の第２の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【図５】図１の独立成分分析部２００の第３の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【図６】図１の独立成分分析部２００の第４の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【図７】図１の独立成分分析部２００の第５の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【図８】図１の独立成分分析部２００の第６の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【図９】図１の独立成分分析部２００の第７の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【図１０】図１の独立成分分析部２００の第８の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【図１１】図１の独立成分分析部２００の第９の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【図１２】図１の独立成分分析部２００の第１０の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【符号の説明】
【００３７】
Ｆ１〜Ｆ４…帯域制限ろ波装置、１１〜１４…アンテナ、１００…サンプリング処理部、２００…独立成分分析部、３００…混合信号連結処理部、４００…出力処理部、５００…端子選択スイッチ、６００…マトリクススイッチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合信号分離・抽出装置に関する。特に本発明は、複数のセンサにおいて個別に観測される混合信号から原信号を分離・抽出する技術の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の原信号を含む混合信号からそれぞれの原信号を分離・抽出するために、ブラインド信号分離法（ＢＢＳ：Blind Source Separation）が用いられる（例えば、特許文献１を参照）。ブラインド信号分離法に独立成分分析を組み合わせることにより、到来信号に対する予備知識が無くとも複数の信号を分離できる。混合信号を受信するセンサをＮ個用いれば、最大でＮ個の信号成分を分離することができる。ブラインド信号分離法では、各センサに到達する混合信号を所定の時間間隔でサンプリングすることにより得られるデジタルデータが使用される。
【０００３】
ところで、独立成分分析により原信号を分離・抽出するには、受信した混合信号の独立性のみに頼らざるを得ない。このことから、分離・抽出された信号にはサンプリング周期ごとの順番の入れ違いと、大きさの任意性とが残ることになる。分離・抽出する期間が決まっている場合には、このような現象は波形自体に影響を与えるものではないために、信号の分離・抽出という側面では深刻な問題を生じることはない。
【０００４】
しかしながら分離・抽出処理を連続的に実施する場合や、原信号の数や状態が時々刻々と変化する場合には、受信信号の分離・抽出結果を一定の時間間隔ごとに出力する必要がある。このような処理において分離・抽出された信号の入れ違いの任意性が生じると、信号の連続性が損なわれることになる。
【特許文献１】特開２００３−９２５５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上述べたように、ブラインド信号分離法により分離・抽出された原信号には、サンプリング周期ごとの順番の入れ違いと、大きさの任意性とが残る。よって分離・抽出処理を連続的に（すなわち一定の時間間隔で）実施する場合には本来の順序が失われ、原信号を連続信号として出力することができない場合がある。
本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、原信号を連続的かつ忠実に再生することの可能な混合信号分離・抽出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明の一態様によれば、複数の原信号を含む混合信号をそれぞれ受信する複数のセンサと、この複数のセンサごとの受信信号から独立成分分析により前記原信号を分離・抽出する独立成分分析部とを具備する混合信号分離・抽出装置において、前記独立成分分析部は、連続するサンプリング期間ごとに前記複数のセンサごとの受信信号をサンプリングしてサンプルデータを取得するサンプリング手段と、前記サンプルデータを用いた独立成分分析により前記サンプリング期間ごとに複数の原信号データを生成する分離手段と、連続する２つのサンプリング期間のうち先行する第１サンプリング期間において生成された複数の第１原信号データと、前記第１サンプリング期間に続く第２サンプリング期間において生成された複数の第２原信号データとの、相互に連結すべき組み合わせを算出する算出手段と、この算出手段により算出された組み合わせで前記複数の第１原信号データの各々を前記複数の第２原信号データのいずれかに連結して、連続する原信号を再生する連結手段とを備えることを特徴とする混合信号分離・抽出装置が提供される。
【０００７】
このような手段を講じることにより、時間的に連続するサンプリング期間においてそれぞれ分離・抽出された原信号は、例えばその相関性の強さの度合いに基づいて組み合わされ、連結される。すなわちサンプリング周期ごとの順番の入れ違いと、大きさの任意性とを、各原信号の特徴に基づいて排除することができ、連続する原信号同士を的確に連結することが可能になる。従って、原信号を連続的かつ忠実に再生することの可能な混合信号分離・抽出装置を提供することができるようになる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、原信号を連続的かつ忠実に再生することの可能な混合信号分離・抽出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態に係る混合信号分離・抽出装置は、アレイ状に配列される複数のセンサ（ｎ個とする）に同時に到来する複数の原信号（ｍ個とする）を、ブラインド信号分離の手法により分離・抽出する。ブラインド信号分離とは、センサの応答性や信号の性質、入射信号の予備知識なしでセンサ数と同数までの入射信号を分離するアルゴリズムである。このアルゴリズムは、ブラインド信号分離や独立成分分析（ＩＣＡ：Independent Component Analysis）と呼ばれ、多くの公知文献が発表されている。
【００１０】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施の形態に係る混合信号分離・抽出装置は、センサとしてアンテナを使用し、複数のアンテナに入射された複数の入射信号の混合信号から原信号を分離して出力する。なお、以下では、説明を簡単にするために、アンテナの数および入射信号の数をいずれも４として説明するが、アンテナの数及び入射信号の数はこれらに限定されず任意である。
【００１１】
図１は、本発明に係わる混合信号分離・抽出装置の実施の形態を示す機能ブロック図である。この混合信号分離・抽出装置は、第１アンテナ１１、第２アンテナ１２、第３アンテナ１３、第４アンテナ１４、第１帯域制限ろ波装置Ｆ１、第２帯域制限ろ波装置Ｆ２、第３帯域制限ろ波装置Ｆ３、第４帯域制限ろ波装置Ｆ４、サンプリング処理部１００、独立成分分析部２００、および、出力処理部４００を備える。
【００１２】
第１〜第４アンテナ１１〜１４としては、バーチカルアンテナ、ダイポールアンテナといった無指向性のアンテナ、及び任意の指向性を持ったアンテナ等が用いられ、種々の方位からの電波を受信する。これら第１〜第４アンテナ１１〜１４を設置する間隔や高さは任意である。
【００１３】
第１アンテナ１１は、空中からの複数の入射信号（電波）Ｘ１〜Ｘ４を受信し、これらが混合された混合信号を第１帯域制限ろ波装置Ｆ１に送る。同様に、第２〜第４アンテナ１２〜１４は、空中からの複数の入射信号Ｘ１〜Ｘ４を受信し、これらが混合された混合信号を第２〜第４帯域制限ろ波装置Ｆ２〜Ｆ４にそれぞれ送る。
【００１４】
第１帯域制限ろ波装置Ｆ１は、第１アンテナ１１からの混合信号に含まれる所定帯域の周波数成分のみを通過させてサンプリング処理部１００に送る。同様に、第２〜第４帯域制限ろ波装置Ｆ２〜Ｆ４は、第２〜第４アンテナ１２〜１４からの混合信号に含まれる所定帯域の周波数成分のみをそれぞれ通過させてサンプリング処理部１００に送る。なお、各第１〜第４帯域制限ろ波装置Ｆ１〜Ｆ４が通過させる周波数帯域は同じである。
【００１５】
図２は、図１の独立成分分析部２００を概略的に示す模式図である。図２においてサンプリング処理部１００は、連続するサンプリング期間ごとに第１〜第４帯域制限ろ波装置Ｆ１〜Ｆ４の出力をサンプリングし、入力信号Ｘａ，…，Ｘｊを得る。各入力信号Ｘａ，…，Ｘｊは、それぞれサンプリング期間Δｔ１，Δｔ２，…，Δｔｉにおいて取得される。これらの入力信号Ｘａ，…，Ｘｊは混合信号連結処理部３００に入力され、連結されて連続信号が出力される。
【００１６】
次式（１）は、独立成分分析手法をモデル化して表現する式である。本実施形態では、ブラインド信号分離の手法により式（１）のＳ１，…，ｍ（ｔ）を算出する。
【００１７】
【数１】
【００１８】
ところで、ブラインド信号分離で分離された信号Ｘ１，…，ｎ（ｔ）と原信号Ｓ１，…，ｍ（ｔ）との間には、一般に順序の入れ違いの任意性が生じる。以下ではこの任意性に対処し、分離された信号を適切な順序で連結するための手法につき説明する。なおサンプリング処理部１００のサンプリング間隔は、各センサに到達する混合信号の到達の時間差の影響の無い値とする。
【００１９】
図３は、図１の独立成分分析部２００の第１の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図３において、時間的に連続する２つのサンプリング期間Δｔ１、Δｔ２ごとに入力信号がサンプリングされ、それぞれ入力信号Ｘａ（Ｘａ１，…，Ｘａｉ），Ｘｂ（Ｘｂ１，…，Ｘｂｉ）が得られる。各入力信号ごとにそれぞれ分離・抽出処理が実施され、信号分離出力ＸＡ（ＸＡ１，…，ＸＡｉ），ＸＢ（ＸＢ１，…，ＸＢｉ）が得られる。
【００２０】
本実施形態では、さらにΔｔ１＋Δｔ２に相当する期間、すなわち２つのサンプリング期間を連結した期間における信号分離出力ＸＣ（ＸＣ１，…，ＸＣｉ）を生成する。そしてＸＣを、期間△ｔ１に相当する成分（ＸＡ’）と、△ｔ２に相当する成分（ＸＢ’）とに分割する。そして（ＸＡ１，…，ＸＡｉ）の各成分と、（ＸＢ１，…，ＸＢｉ）の各成分との連結すべき組み合わせを、ＸＡとＸＡ’との相関値、およびＸＢとＸＢ’との相関値に基づいて算出する。
【００２１】
組み合わせが算出されると、その結果に基づいて端子選択スイッチ５００が制御され、相互相関値の大きい信号が入力される端子が相互に接続される。これによりＸＡとＸＢとが適切な組み合わせで連結され、従って△ｔ１、△ｔ２の時間で分離・抽出され互いに独立する連続信号を出力することが可能となる。
【００２２】
サンプリング期間が長くなると、入射信号間に若干の相関性が生じる場合がある。この状態でブラインド信号分離で分離・抽出した場合、信号間の分離が充分でなく他の入射信号の成分が分離されず混合された状態となる場合がある。これは、長時間の信号や連続信号を分離抽出する場合に問題となる。一般にサンプリング期間が短くなるほど相関性が小さくなるため、互いに独立した信号を分離・抽出しやすい。
【００２３】
そこで本実施形態では、図２に示すように一定間隔の信号を短い任意の時間間隔信号Δｔ１，Δｔ２，…，Δｔｉに分割し、一定間隔の信号との周波数分析の結果、相関値あるいは、高次統計量を使用して算出する混合信号連結手段により信号の順序の入れ違いを無くし、連続信号を分離抽出することが可能となる。
【００２４】
つまり本実施形態では、連続する２つのサンプリング期間においてそれぞれ分離・抽出された信号を連結するために、各サンプリング期間を合わせた期間における分離・抽出の結果を用いるようにしている。サンプリング期間ごとに分離・抽出された信号の分離度は高いが、順序の任意性が残る。逆に、各サンプリング期間を合わせた期間において分離・抽出された信号は、分離度は緩いが順序の任意性を考慮する必要が無い。そこで、両者の相関性を算出して相関値の高い組み合わせで連結することにより、原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００２５】
［第２の実施形態］
図４は、図１の独立成分分析部２００の第２の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図４においては、サンプリング期間Δｔ１、Δｔ２ごとに分離・抽出した信号分離出力ＸＡ（ＸＡ１，…，ＸＡｉ），ＸＢ（ＸＢ１，…，ＸＢｉ）の周波数を相互に比較し、端子選択スイッチ５００において周波数が同一となる端子を選択することにより、連結すべきＸＡとＸＢとの組合わせを求める。このようにしても原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００２６】
［第３の実施形態］
図５は、図１の独立成分分析部２００の第３の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図５においては、期間（Δｔ１＋Δｔ２）における信号分離出力（ＸＡ＋ＸＢ）と、サンプリング期間Δｔ１、Δｔ２ごとに分離・抽出した信号分離出力ＸＡ，ＸＢとの周波数を相互に比較し、端子選択スイッチ５００において周波数が同一となる端子を選択することにより、連結すべきＸＡとＸＢとの組合わせを求める。このようにしても原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００２７】
［第４の実施形態］
図６は、図１の独立成分分析部２００の第４の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図６においては、期間（Δｔ１＋Δｔ２）における信号分離出力（ＸＡ＋ＸＢ：すなわちＸＣ）と、サンプリング期間Δｔ１、Δｔ２ごとに分離・抽出した信号分離出力ＸＡ，ＸＢとの４次統計量（４次のキュムラントと称する）を算出する。そして、その結果に基づいて端子選択スイッチ５００において独立でない端子を選択することにより、連結すべきＸＡとＸＢとの組合わせを求める。このようにしても原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００２８】
［第５の実施形態］
図７は、図１の独立成分分析部２００の第５の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図７においてはマトリクススイッチ６００により、ＸＡとＸＢとの組合わせを予め全て用意する。そして、これらの組と、ＸＣｉとの相関値を算出し、その値に基づいて端子選択スイッチ５００を制御することにより、連結すべきＸＡとＸＢとの組合わせを選択するようにする。このようにしても原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００２９】
［第６の実施形態］
図８は、図１の独立成分分析部２００の第６の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図８においても、マトリクススイッチ６００によりＸＡとＸＢとの組合わせを予め全て用意する。そして、これらの組のうち周波数が単一になる組み合わせを端子選択スイッチ５００により選択するようにする。このようにしても原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００３０】
［第７の実施形態］
図９は、図１の独立成分分析部２００の第７の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図９においても、期間（Δｔ１＋Δｔ２）における信号分離出力ＸＣを求める。また、マトリクススイッチ６００によりＸＡとＸＢとの組合わせを予め全て用意する。そして、これらの組合わせとＸＣとの４次統計量を算出し、その結果に基づいて端子選択スイッチ５００において独立でない端子を選択するようにする。このようにしてもＸＡとＸＢとの組合わせの最適解を求めることができ、原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００３１】
［第８の実施形態］
図１０は、図１の独立成分分析部２００の第８の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図１０においては、信号分離出力ＸＡｉとＸＢｉとを、全ての組合わせにわたって混合（ミキシングまたは乗算）する。そして、混同した結果をすべてＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理して周波数分析し、そのうちベースバンド成分およびＸＡ（またはＸＢ）の２倍の高調波成分のスペクトラムを検出する。
【００３２】
ＸＡｉとＸＢｉとを混合（ミキシングまたは乗算）した場合、ＸＡｉとＸＢｉの周波数成分が同一の場合は、２倍の高調波成分のスペクトラムが最大となる。成分が異なる場合は、値が小さくなる。このことを利用し、スペクトラムが最大になる組み合わせを端子選択スイッチ５００により選択することで、ＸＡとＸＢとの組合わせの最適解を求めるようにする。このようにしても、原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００３３】
［第９の実施形態］
図１１は、図１の独立成分分析部２００の第９の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図１１においては、マトリクススイッチ６００によりＸＡとＸＢとの組合わせを予め全て用意し、全ての組み合わせの信号成分を連接する。この連接信号とＸＣとを混合（ミキシングまたは乗算）し、ＦＦＴ処理する。そして、第８の実施形態と同様に、スペクトラムが最大になる組み合わせを端子選択スイッチ５００により選択することで、ＸＡとＸＢとの組合わせの最適解を求めるようにする。このようにしても、原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００３４】
［第１０の実施形態］
図１２は、図１の独立成分分析部２００の第１０の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図である。図１２においては、Δｔ１間の入力信号Ｘａ、Δｔ２間の入力信号Ｘｂの信号分離出力ＸＡ，ＸＢと、（Δｔ１＋Δｔ２）における信号分離出力ＸＣの△ｔ１、△ｔ２成分ＸＡ’，ＸＢ’とを、それぞれ混合（ミキシングまたは乗算）する。その混合成分にＦＦＴ（周波数分析）処理を施し、第８および第９実施形態と同様に、スペクトラムが最大になる組み合わせを端子選択スイッチ５００により選択することで、ＸＡとＸＢとの組合わせの最適解を求めるようにする。このようにしても、原信号を連続的かつ忠実に再生することが可能となる。
【００３５】
なお本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係わる混合信号分離・抽出装置の実施の形態を示す機能ブロック図。
【図２】図１の独立成分分析部２００を概略的に示す模式図。
【図３】図１の独立成分分析部２００の第１の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【図４】図１の独立成分分析部２００の第２の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【図５】図１の独立成分分析部２００の第３の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【図６】図１の独立成分分析部２００の第４の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【図７】図１の独立成分分析部２００の第５の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【図８】図１の独立成分分析部２００の第６の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【図９】図１の独立成分分析部２００の第７の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【図１０】図１の独立成分分析部２００の第８の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【図１１】図１の独立成分分析部２００の第９の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【図１２】図１の独立成分分析部２００の第１０の実施形態をより詳細に示す機能ブロック図。
【符号の説明】
【００３７】
Ｆ１〜Ｆ４…帯域制限ろ波装置、１１〜１４…アンテナ、１００…サンプリング処理部、２００…独立成分分析部、３００…混合信号連結処理部、４００…出力処理部、５００…端子選択スイッチ、６００…マトリクススイッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の原信号を含む混合信号をそれぞれ受信する複数のセンサと、この複数のセンサごとの受信信号から独立成分分析により前記原信号を分離・抽出する独立成分分析部とを具備する混合信号分離・抽出装置において、
前記独立成分分析部は、
連続するサンプリング期間ごとに前記複数のセンサごとの受信信号をサンプリングしてサンプルデータを取得するサンプリング手段と、
前記サンプルデータを用いた独立成分分析により前記サンプリング期間ごとに複数の原信号データを生成する分離手段と、
連続する２つのサンプリング期間のうち先行する第１サンプリング期間において生成された複数の第１原信号データと、前記第１サンプリング期間に続く第２サンプリング期間において生成された複数の第２原信号データとの、相互に連結すべき組み合わせを算出する算出手段と、
この算出手段により算出された組み合わせで前記複数の第１原信号データの各々を前記複数の第２原信号データのいずれかに連結して、連続する原信号を再生する連結手段とを備えることを特徴とする混合信号分離・抽出装置。
【請求項２】
前記算出手段は、前記複数の第１および第２原信号データの互いの相関性に基づいて前記組み合わせを算出することを特徴とする請求項１に記載の混合信号分離・抽出装置。
【請求項３】
前記算出手段は、前記複数の第１および第２原信号データの互いの周波数に基づいて前記組み合わせを算出することを特徴とする請求項１に記載の混合信号分離・抽出装置。
【請求項４】
前記算出手段は、前記複数の第１および第２原信号データから算出される４次統計量の値に基づいて前記組み合わせを算出することを特徴とする請求項１に記載の混合信号分離・抽出装置。
【請求項５】
前記算出手段は、前記複数の第１および第２原信号データの互いの混合成分における２倍高調波成分のスペクトラムに基づいて前記組み合わせを算出することを特徴とする請求項１に記載の混合信号分離・抽出装置。
【請求項６】
前記サンプリング手段は、前記第１および第２サンプリング期間を連結した連結期間における前記複数のセンサごとの受信信号をサンプリングして長期間サンプルデータを取得し、
前記分離手段は、前記長期間サンプルデータを用いた独立成分分析により前記連結期間における複数の第３原信号データを生成し、
前記算出手段は、前記複数の第１および第２原信号データと前記第３原信号データとの互いの相関値を算出し、その結果に基づいて前記組み合わせを算出することを特徴とする請求項１に記載の混合信号分離・抽出装置。
【請求項７】
前記サンプリング手段は、前記第１および第２サンプリング期間を連結した連結期間における前記複数のセンサごとの受信信号をサンプリングして長期間サンプルデータを取得し、
前記分離手段は、前記長期間サンプルデータを用いた独立成分分析により前記連結期間における複数の第３原信号データを生成し、
前記算出手段は、前記複数の第１および第２原信号データと前記第３原信号データとの互いの周波数を比較し、その結果に基づいて前記組み合わせを算出することを特徴とする請求項１に記載の混合信号分離・抽出装置。
【請求項８】
前記サンプリング手段は、前記第１および第２サンプリング期間を連結した連結期間における前記複数のセンサごとの受信信号をサンプリングして長期間サンプルデータを取得し、
前記分離手段は、前記長期間サンプルデータを用いた独立成分分析により前記連結期間における複数の第３原信号データを生成し、
前記算出手段は、前記複数の第１および第２原信号データと前記第３原信号データとの４次統計量を算出し、その結果に基づいて前記組み合わせを算出することを特徴とする請求項１に記載の混合信号分離・抽出装置。
【請求項９】
前記サンプリング手段は、前記第１および第２サンプリング期間を連結した連結期間における前記複数のセンサごとの受信信号をサンプリングして長期間サンプルデータを取得し、
前記分離手段は、前記長期間サンプルデータを用いた独立成分分析により前記連結期間における複数の第３原信号データを生成し、
前記算出手段は、前記複数の第１および第２原信号データと前記第３原信号データとの混合成分における２倍高調波成分のスペクトラムに基づいて前記組み合わせを算出することを特徴とする請求項１に記載の混合信号分離・抽出装置。
【請求項１０】
前記算出手段は、前記複数の第１原信号データと前記複数の第２原信号データとの全ての組み合わせを生成し、これらの組み合わせのそれぞれに含まれる第１および第２原信号データの互いの相関性から前記相互に連結すべき組み合わせを抽出することを特徴とする請求項２乃至９のいずれか１に記載の混合信号分離・抽出装置。
【請求項１】
複数の原信号を含む混合信号をそれぞれ受信する複数のセンサと、この複数のセンサごとの受信信号から独立成分分析により前記原信号を分離・抽出する独立成分分析部とを具備する混合信号分離・抽出装置において、
前記独立成分分析部は、
連続するサンプリング期間ごとに前記複数のセンサごとの受信信号をサンプリングしてサンプルデータを取得するサンプリング手段と、
前記サンプルデータを用いた独立成分分析により前記サンプリング期間ごとに複数の原信号データを生成する分離手段と、
連続する２つのサンプリング期間のうち先行する第１サンプリング期間において生成された複数の第１原信号データと、前記第１サンプリング期間に続く第２サンプリング期間において生成された複数の第２原信号データとの、相互に連結すべき組み合わせを算出する算出手段と、
この算出手段により算出された組み合わせで前記複数の第１原信号データの各々を前記複数の第２原信号データのいずれかに連結して、連続する原信号を再生する連結手段とを備えることを特徴とする混合信号分離・抽出装置。
【請求項２】
前記算出手段は、前記複数の第１および第２原信号データの互いの相関性に基づいて前記組み合わせを算出することを特徴とする請求項１に記載の混合信号分離・抽出装置。
【請求項３】
前記算出手段は、前記複数の第１および第２原信号データの互いの周波数に基づいて前記組み合わせを算出することを特徴とする請求項１に記載の混合信号分離・抽出装置。
【請求項４】
前記算出手段は、前記複数の第１および第２原信号データから算出される４次統計量の値に基づいて前記組み合わせを算出することを特徴とする請求項１に記載の混合信号分離・抽出装置。
【請求項５】
前記算出手段は、前記複数の第１および第２原信号データの互いの混合成分における２倍高調波成分のスペクトラムに基づいて前記組み合わせを算出することを特徴とする請求項１に記載の混合信号分離・抽出装置。
【請求項６】
前記サンプリング手段は、前記第１および第２サンプリング期間を連結した連結期間における前記複数のセンサごとの受信信号をサンプリングして長期間サンプルデータを取得し、
前記分離手段は、前記長期間サンプルデータを用いた独立成分分析により前記連結期間における複数の第３原信号データを生成し、
前記算出手段は、前記複数の第１および第２原信号データと前記第３原信号データとの互いの相関値を算出し、その結果に基づいて前記組み合わせを算出することを特徴とする請求項１に記載の混合信号分離・抽出装置。
【請求項７】
前記サンプリング手段は、前記第１および第２サンプリング期間を連結した連結期間における前記複数のセンサごとの受信信号をサンプリングして長期間サンプルデータを取得し、
前記分離手段は、前記長期間サンプルデータを用いた独立成分分析により前記連結期間における複数の第３原信号データを生成し、
前記算出手段は、前記複数の第１および第２原信号データと前記第３原信号データとの互いの周波数を比較し、その結果に基づいて前記組み合わせを算出することを特徴とする請求項１に記載の混合信号分離・抽出装置。
【請求項８】
前記サンプリング手段は、前記第１および第２サンプリング期間を連結した連結期間における前記複数のセンサごとの受信信号をサンプリングして長期間サンプルデータを取得し、
前記分離手段は、前記長期間サンプルデータを用いた独立成分分析により前記連結期間における複数の第３原信号データを生成し、
前記算出手段は、前記複数の第１および第２原信号データと前記第３原信号データとの４次統計量を算出し、その結果に基づいて前記組み合わせを算出することを特徴とする請求項１に記載の混合信号分離・抽出装置。
【請求項９】
前記サンプリング手段は、前記第１および第２サンプリング期間を連結した連結期間における前記複数のセンサごとの受信信号をサンプリングして長期間サンプルデータを取得し、
前記分離手段は、前記長期間サンプルデータを用いた独立成分分析により前記連結期間における複数の第３原信号データを生成し、
前記算出手段は、前記複数の第１および第２原信号データと前記第３原信号データとの混合成分における２倍高調波成分のスペクトラムに基づいて前記組み合わせを算出することを特徴とする請求項１に記載の混合信号分離・抽出装置。
【請求項１０】
前記算出手段は、前記複数の第１原信号データと前記複数の第２原信号データとの全ての組み合わせを生成し、これらの組み合わせのそれぞれに含まれる第１および第２原信号データの互いの相関性から前記相互に連結すべき組み合わせを抽出することを特徴とする請求項２乃至９のいずれか１に記載の混合信号分離・抽出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−１７８３１４（Ｐ２００６−１７８３１４Ａ）
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３７３５８０（Ｐ２００４−３７３５８０）
【出願日】平成１６年１２月２４日（２００４．１２．２４）
【出願人】（３９００１４３０６）防衛庁技術研究本部長 (169)
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２４日（２００４．１２．２４）
【出願人】（３９００１４３０６）防衛庁技術研究本部長 (169)
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]