(57)【要約】【課題】アナログ領域で信号を圧縮し、圧縮した信号をＡＤ変換し、デジタル信号処理で元の信号を復元するアナログ圧縮センシングにおいて、ランダム符号のパターンの長さの短縮による復元性能の劣化を避けながらも、回路の規模を小さくすることができる信号処理システムを提供する。【解決手段】アナログ圧縮センシングにおいて復元性能を劣化させないで分岐の数を減らすため、ＡＤ変換速度を上げるとともに変調部の変調速度を入力信号のナイキストより定数倍（例えば、２倍、３倍など）速い速度で変調をすることで、分岐の数を減らして回路の規模を小さくした場合でも正負パターンの周期内の正負符号の数が短縮せず、復元性能を劣化させない効果が得られる。【選択図】図１
2015162684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数領域に、もしくは時間領域に疎である性質を持つ信号の圧縮と復元を行う信号処理システムであって、
入力信号を複数の同一信号に分波する分波部と、
ランダムな正負変換パターンを生成する正負パターン生成部と、分波された信号を前記正負変換パターンで変調する変調部と、前記変調部の出力の低い周波数成分を通過させる低域通過フィルタ部と、前記低域通過フィルタ部の出力をＡＤ変換するＡＤ変換部とからなる分波された信号と同数の分岐部と、
前記ＡＤ変換部それぞれの出力を結合する結合部と、
前記正負変換パターンと前記低域通過フィルタ部の応答特性からなるランダム測定行列とＩＦＦＴ行列からランダム復元行列を生成するランダム復元行列生成部と、
前記結合部の出力信号と前記ランダム復元行列を用いて信号の復元を行う信号復元部と、
前記信号復元部から出力された復元信号の全帯域内に含まれる信号成分を検出し、全帯域幅と信号帯域幅との割合を計算する信号検出部と、
前記全帯域幅と信号帯域幅との割合に基づいて、前記正負パターン生成部と、前記正負変換パターンの周期と、前記変調部の変調速度と、前記ＡＤ変換部のＡＤ変換速度を制御する制御部と
を備えることを特徴とする信号処理システム。
【請求項２】
周波数領域に、もしくは時間領域に疎である性質を持つ信号の圧縮と復元を行う中央局とリモート局で構成される信号処理システムであって、
前記リモート局は、
入力信号を複数の同一信号に分波する分波部と、
ランダムな正負変換パターンを生成する正負パターン生成部と、分波された信号を前記正負変換パターンで変調する変調部と、前記変調部の出力の低い周波数成分を通過させる低域通過フィルタ部と、前記低域通過フィルタの出力をＡＤ変換するＡＤ変換部とからなる分波された信号と同数の分岐部と、
前記ＡＤ変換部それぞれの出力を結合し、前記中央局に送信する結合部とを備え、
前記中央局は、
前記正負変換パターンと前記低域通過フィルタ部の応答特性からなるランダム測定行列とＩＦＦＴ行列からランダム復元行列を生成するランダム復元行列生成部と、
前記リモート局から受信した信号と前記ランダム復元行列を用いて信号の復元を行う信号復元部と、
前記信号復元部から出力された復元信号の全帯域内に含まれる信号成分を検出し、全帯域幅と信号帯域幅との割合を計算する信号検出部と、
前記全帯域幅と信号帯域幅との割合に基づいて、前記正負パターン生成部と、前記正負変換パターンの周期と、前記変調部の変調速度と、前記ＡＤ変換部のＡＤ変換速度を制御する制御部とを備える
ことを特徴とする信号処理システム。
【請求項３】
前記正負パターン生成部は、前記正負変換パターンの周期と一周期内に含まれている正負変換パターンの数を変更でき、
前記変調部は、前記変調速度を前記入力信号のナイキストレートの定数倍の速度に変更でき、
前記低域通過フィルタ部は、通過帯域を変更でき、
前記ＡＤ変換部は、前記ＡＤ変換速度を変更でき、
前記制御部は、前記正負変換パターンの周期と一周期内に含まれている正負のパターンの数と、前記変調速度と、前記通過帯域と、前記ＡＤ変換速度を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の信号処理システム。
【請求項４】
前記制御部は、前記正負変換パターンの周期（Ｔｐｅｒｉｏｄ）と一周期内に含まれている正負のパターンの数（Ｔｐｅｒｉｏｄ/Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、前記変調速度（１/Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）と、前記通過帯域（ｆＬＰＦ）と、前記ＡＤ変換速度（ｆＡＤＣ）とを決定する際に、分波の数をＮ（Ｎは自然数）とし、前記変調速度が前記入力信号のナイキストレートのＫ（Ｋは自然数）倍に設定し、検出された信号帯域幅（ｆｏｃｃｕｐｉｅｄ）より復元性能の要求条件を満たす情報量を決定する係数をλとし、ランダム性が維持できるランダム符号長Ｌとする場合、
（Ｎ／Ｌ）×（ｆＮｙｑｕｉｓｔ／ｆｏｃｃｕｐｉｅｄ）＝Ｎ×（ｆＡＤＣ／ｆｏｃｃｕｐｉｅｄ）≧λと、１/Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ＝ Ｋ×ｆＮｙｑｕｉｓｔ と、ｆＡＤＣ=ｆＬＰＦ＝１/Ｔｐｅｒｉｏｄと、Ｔｐｅｒｉｏｄ/Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ≧Ｌとが、それぞれ成り立つようにすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の信号処理システム。
【請求項５】
周波数領域に、もしくは時間領域に疎である性質を持つ信号の圧縮と復元を行う信号処理システムが行う信号処理方法であって、
入力信号を複数の同一信号に分波する分波ステップと、
ランダムな正負変換パターンを生成する正負パターン生成ステップと、分波された信号を前記正負変換パターンで変調する変調ステップと、前記変調ステップの出力の低い周波数成分を通過させる低域通過フィルタリングステップと、前記低域通過フィルタリングステップの出力をＡＤ変換するＡＤ変換ステップとからなる分岐処理ステップを前記分波の数だけ並行して行うステップと、
前記ＡＤ変換ステップそれぞれの出力を結合する結合ステップと、
前記正負変換パターンと前記低域通過フィルタリングステップの応答特性からなるランダム測定行列とＩＦＦＴ行列からランダム復元行列を生成するランダム復元行列生成ステップと、
前記結合ステップの出力信号と前記ランダム復元行列を用いて信号の復元を行う信号復元ステップと、
前記信号復元ステップにより出力された復元信号の全帯域内に含まれる信号成分を検出し、全帯域幅と信号帯域幅との割合を計算する信号検出ステップと、
前記全帯域幅と信号帯域幅との割合に基づいて、前記正負パターン生成ステップと、前記正負変換パターンの周期と、前記変調ステップの変調速度と、前記ＡＤ変換ステップのＡＤ変換速度を制御する制御ステップと
を有することを特徴とする信号処理方法。
【請求項６】
周波数領域に、もしくは時間領域に疎である性質を持つ信号の圧縮と復元を行う中央局とリモート局で構成される信号処理システムが行う信号処理方法であって、
前記リモート局が、入力信号を複数の同一信号に分波する分波ステップと、
前記リモート局が、ランダムな正負変換パターンを生成する正負パターン生成ステップと、分波された信号を前記正負変換パターンで変調する変調ステップと、前記変調ステップの出力の低い周波数成分を通過させる低域通過フィルタリングステップと、前記低域通過フィルタリングステップの出力をＡＤ変換するＡＤ変換ステップとからなる分岐処理ステップを前記分波の数だけ並行して行うステップと、
前記リモート局が、前記ＡＤ変換ステップそれぞれの出力を結合し、前記中央局に送信する結合ステップと、
前記中央局が、前記正負変換パターンと前記低域通過フィルタリングステップの応答特性からなるランダム測定行列とＩＦＦＴ行列からランダム復元行列を生成するランダム復元行列生成ステップと、
前記中央局が、前記リモート局から受信した信号と前記ランダム復元行列を用いて信号の復元を行う信号復元ステップと、
前記中央局が、前記信号復元ステップにより出力された復元信号の全帯域内に含まれる信号成分を検出し、全帯域幅と信号帯域幅との割合を計算する信号検出ステップと、
前記全帯域幅と信号帯域幅との割合に基づいて、前記正負パターン生成ステップと、前記正負変換パターンの周期と、前記変調ステップの変調速度と、前記ＡＤ変換ステップのＡＤ変換速度を制御する制御ステップと
を有することを特徴とする信号処理方法。
【請求項７】
前記正負パターン生成ステップは、前記正負変換パターンの周期と一周期内に含まれている正負変換パターンの数を変更でき、
前記変調ステップは、前記変調速度を前記入力信号のナイキストレートの定数倍の速度に変更でき、
前記低域通過フィルタリングステップは、通過帯域を変更でき、
前記ＡＤ変換ステップは、前記ＡＤ変換速度を変更でき、
前記制御ステップは、前記正負変換パターンの周期と一周期内に含まれている正負のパターンの数と、前記変調速度と、前記通過帯域と、前記ＡＤ変換速度を決定することを特徴とする請求項５または６に記載の信号処理方法。
【請求項８】
前記制御ステップは、前記正負変換パターンの周期（Ｔｐｅｒｉｏｄ）と一周期内に含まれている正負のパターンの数（Ｔｐｅｒｉｏｄ/Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、前記変調速度（１/Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）と、前記通過帯域（ｆＬＰＦ）と、前記ＡＤ変換速度（ｆＡＤＣ）とを決定する際に、分波の数をＮ（Ｎは自然数）とし、前記変調速度が前記入力信号のナイキストレートのＫ（Ｋは自然数）倍に設定し、検出された信号帯域幅（ｆｏｃｃｕｐｉｅｄ）より復元性能の要求条件を満たす情報量を決定する係数をλとし、ランダム性が維持できるランダム符号長Ｌとする場合、
（Ｎ／Ｌ）×（ｆＮｙｑｕｉｓｔ／ｆｏｃｃｕｐｉｅｄ）＝Ｎ×（ｆＡＤＣ／ｆｏｃｃｕｐｉｅｄ）≧λと、１/Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ＝ Ｋ×ｆＮｙｑｕｉｓｔ と、ｆＡＤＣ=ｆＬＰＦ＝１/Ｔｐｅｒｉｏｄと、Ｔｐｅｒｉｏｄ/Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ≧Ｌとが、それぞれ成り立つようにすることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号をＡＤ（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ）変換する前に、アナログ領域で信号を圧縮し、圧縮した信号をＡＤ変換し、デジタル信号処理で元の信号を復元する信号処理システム及び信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から信号（データ系列）をＡＤ変換し、圧縮し、伝送することにより、ネットワークの帯域を有効活用することができることが知られている。この明細書においては、信号をＡＤ変換し、圧縮し、復元する技術を、従来のデジタル圧縮センシング技術と称する。なお、信号をＡＤ変換する前に、アナログ領域で信号を圧縮し、圧縮した信号をＡＤ変換し、復元する技術を、従来のアナログ圧縮センシング技術と称する。従来のデジタル圧縮センシング技術では、信号をＡＤ変換してから処理を行うため、高速ＡＤ変換器が必要であったが、従来のアナログ圧縮センシングは、アナログ領域で信号の圧縮を行うため、高速ＡＤ変換器が不要となる。
【０００３】
従来のデジタル圧縮センシングの概念（例えば、非特許文献１、２参照）を図８に示す。図８は周波数領域、もしくは時間領域で疎な信号を想定している。まず、入力信号を入力信号のナイキストレート（入力信号の帯域の２倍）の速度を持つＡＤ変換器でサンプリングする。次に、サンプリングした信号を、ランダム測定行列の列数毎に分けて、ランダム測定行列との掛け算を行う。例えば、図８では、４０×１００で構成されるランダム測定行列を用いるため、サンプリングした信号を１００個毎に分けて、ランダム測定行列とのかけ算を行う。この結果、１００個の入力信号から４０個の圧縮データを得る。次に、圧縮データをランダム復元行列とＬ１−ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ復元アルゴリズム等の復元アルゴリズムを用いて信号の復元を行う。
【０００４】
従来のデジタル圧縮センシングを行うシステム構成を図９に示す。図９において、入力信号はＡＤ変換部１００２でアナログ信号からデジタル信号に変換され、変換結果を圧縮センシング部１００４に出力する。ランダム測定行列生成部１００８は、ランダム変数からなるランダム測定行列を生成する。ランダム復元行列生成部１０１０は、ランダム測定行列にＩＦＦＴ行列を掛け算してランダム復元行列を生成する。圧縮センシング部１００４は入力されたデジタル信号を、ランダム測定行列生成部１００８で生成されたランダム測定行列を用いデータの圧縮を行う。圧縮結果は、信号復元部１００６に出力される。信号復元部１００６は、入力された圧縮データをランダム復元行列とＬ１−ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ復元アルゴリズム等の復元アルゴリズムを用いて信号の復元を行ない、復元した信号を出力する。
【０００５】
従来のアナログ圧縮センシングの概念（例えば、非特許文献３参照）を図１０に示す。図１０は周波数領域、もしくは時間領域で疎な信号を想定している。まず、入力信号を複数の同一信号に分波し、各分波した信号を、入力信号のナイキストレート（入力信号の帯域の２倍）の速度を持つ変調器を用いて変調を行う。この変調器は、ナイキストレートの速度で符号の正負がランダムに変わる特徴を持つ。また、各変調器において、正負の符号の変換パターンは、分岐毎に異なるが、各パターンの周期は分岐毎に同一である。例えば、図１０に示す例では、分岐の数が４個、分岐毎に正負の符号変換の周期が１００である例を示す。
【０００６】
次に、各分岐の変調器により変換された信号は、それぞれ低域通過フィルタ部（ｌｏｗ  ｐａｓｓ  ｆｉｌｔｅｒ）に入力される。分岐毎の低域通過フィルタ部の出力信号は、それぞれ、入力信号のナイキストレートより低い速度を持つＡＤ変換器を用いてサンプリングされる。図１０に示す例では、従来のデジタル圧縮センシングにおける１００個のデジタル信号に相当するアナログ信号が入力され、４個の分岐が、それぞれ１０個の圧縮データを出力するので、１００個の信号から４０個の圧縮データを得ることになる。ここで、１００個の入力信号に相当するアナログ信号とは、ナイキストレートの速度を持つＡＤ変換器でＡＤ変換を行うと、１００個のデジタルサンプルになるアナログ信号を意味する。次に、圧縮データを分岐毎の正負変換パターンと低域通過フィルタ部の応答特性から計算したランダム復元行列とＬ１−ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ復元アルゴリズム等の復元アルゴリズムを用いて信号の復元を行う。
【０００７】
従来のアナログ圧縮センシングを行うシステム構成を図１１に示す。図１１において、入力信号は分波部２００１でＮ（Ｎは自然数）個の信号に分波される。各分波された信号は、第１分岐部２０１、第２分岐部２０２、第Ｎ分岐部２０３それぞれの変調部２００２に入力される。正負パターン生成部２００８は、ランダム変数からなる正負のパターンを生成する。変調部２００２は、正負パターン生成部２００８が生成した正負変換パターンを用いて、分波部２００１から入力した信号の変調を行う。各分岐において、変調部２００２の出力信号は、低域通過フィルタ部２００３に入力される。
【０００８】
次に、第１〜第Ｎ各分岐部２０１〜２０３のＡＤ変換部２００４において、分岐毎の低域通過フィルタ部２００３の出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、変換結果を結合部２００５に出力する。結合部２００５は、第１〜第Ｎ各分岐部２０１〜２０３毎のＡＤ変換部２００４の出力信号を結合し、信号復元部２００６に出力する。ランダム復元行列生成部２０１０は、分岐毎に正負パターン生成部２００８が生成した正負変換パターンと低域通過フィルタ部の応答特性からなるランダム測定行列にＩＦＦＴ行列を掛け算してランダム復元行列を生成する。信号復元部２００６は、結合部２００５から入力された圧縮データをランダム復元行列とＬ１−ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ復元アルゴリズム等の復元アルゴリズムを用いて信号の復元を行ない、復元した信号を出力する。
【０００９】
図８と図１０と比較すると、図８の従来のデジタル圧縮センシングでは、入力信号をＡＤ変換してから１００個の信号を４０個のデータに圧縮をしている反面、図１０の従来のアナログ圧縮センシングでは、入力信号をアナログ領域で、圧縮してからＡＤ変換を行うが、結果的に、１００個に相当する信号を４０個の圧縮データに圧縮することは、従来のデジタル圧縮センシングと同様である。
【００１０】
図１２と図１３に、図１１に示した従来のアナログ圧縮センシングの例の測定行列のデジタル表現を表す。まず、図１２に分岐ｉ（ｉは自然数）における測定行列のデジタル表現を表す。ここで、分岐ｉの正負の符号のパターンを、それぞれ、ｂｉ，０，ｂｉ，１，…，ｂｉ，９９と表す。各ｂｉ，ｊは、正負パターン生成部が生成したパターンが正であれば、＋１であり、正負パターン生成部が生成したパターンが負であれば−１である。各分岐において、入力する信号をアナログ領域で、変調部により正負変換パターンを用いて、正と負にアナログ的に変換するが、これをデジタル的に表現すると、ｂｉ，０，ｂｉ，１，…，ｂｉ，９９を対角成分とする１００×１００の行列に表すことができる。
【００１１】
次に、各分岐における低域通過フィルタ部２００３とＡＤ変換部２００４の応答特性を図１２のように１０×１００の行列として表すことができる。この行列と前述の１００×１００の正負パターンの行列と掛け算をすることで、分岐ｉの入力信号と出力信号の関係を表す分岐ｉの測定行列のデジタル表現が得られる。各分岐の出力信号は、結合部２００５で結合されることを考慮し、図１３のように各分岐の測定行列を合わせて行列表現をすると、最終的な測定行列のデジタル表現が得られる。図１３では、各分岐の測定行列のサイズが１０×１００であり、４個分岐の出力を結合するため、最終的な測定行列のサイズは、４０×１００となる。
【００１２】
図１４は、従来のアナログ圧縮センシングの変調器の速度と正負パターンの周期と、入力信号のナイキストレートと、低域通過フィルタ部の通過帯域と、ＡＤ変換器の速度の関係を示す図である。図１４において、入力信号のナイキストレートと変調部の正負符号変換速度は、それぞれ、ｆＮｙｑｕｉｓｔとＴｍｏｄｕｌａｔｉｏｎと表され、ｆＮｙｑｕｉｓｔ＝１／Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎの関係を持つ。なお、低域通過フィルタ部の通過帯域と、ＡＤ変換器の速度と、変調部の正負符号パターンの周期は、それぞれ、ｆＬＰＦと、ｆＡＤＣと、Ｔｐｅｒｉｏｄと表され、ｆＬＰＦ＝ｆＡＤＣ＝１／Ｔｐｅｒｉｏｄの関係を持つ。
【００１３】
各分岐のＡＤ変換器の速度（ｆＡＤＣ）と分岐の数（ここで、分岐の数はｎ（ｎは自然数）とする）と、全帯域の中で実際信号のある領域（ｆｏｃｃｕｐｉｅｄ）の関係は、ｆＡＤＣ×ｎ≧λ×ｆｏｃｃｕｐｉｅｄを満足する必要がある。ここで、λは約３から４までの値である事が知られている（例えば、非特許文献１、２）。ここでは、簡単のためλを４とする。例えば、１００ＭＨｚの全体帯域の中で、１０ＭＨｚのみ信号がある場合、各分岐のＡＤ変換器の速度（ｆＡＤＣ）と分岐の数（ｎ）の掛け算（ｆＡＤＣ×ｎ）は、４０Ｍｓｐｓである必要がある。
【００１４】
次に、各分岐のＡＤ変換器の速度（ｆＡＤＣ）と分岐の数（ｎ）の関係を説明する。ｆＡＤＣとｎの掛け算は、ｆｏｃｃｕｐｉｅｄの４倍であるため、ｆｏｃｃｕｐｉｅｄとｆＡＤＣが与えられた場合、分岐の数（ｎ）は、（４×ｆｏｃｃｕｐｉｅｄ／ｆＡＤＣ）となる。例えば、上記の例の場合、１００ＭＨｚの全体帯域の中で、１０ＭＨｚのみ信号があるので、圧縮後のデータレートは、４０Ｍｓｐｓが必要である。ここで、例えば、各分岐のＡＤ変換器の速度が５Ｍｓｐｓであれば、８個の分岐が必要とある（８×５Ｍｓｐｓ＝４０Ｍｓｐｓ）。もしくは、各分岐のＡＤ変換器の速度が１０Ｍｓｐｓであれば、４個の分岐が必要となる（４×１０Ｍｓｐｓ＝４０Ｍｓｐｓ）。つまり、分岐毎のＡＤ変換器のサンプリング速度を上げることで、分岐の数を減らすことができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】E. Candes et al., “An Introduction to Compressive Sampling," IEEE Signal Processing Magazine, pp. 21-30, March, 2008.
【非特許文献２】E. Candes et al., “Near-Optimal Signal Recovery from Random Projections: Universal Encoding Strategies?" IEEE Transaction on Information Theory, pp. 5406-5425, December, 2006.
【非特許文献３】M. Mishali et al., “From Theory to Practice: Sub-Nyquist Sampling of Sparse Wideband Analog Signals," IEEE Journal of Selected Topics on Signal Processing, pp. 375-391, April 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
従来のアナログ圧縮センシング技術では、分岐毎のＡＤ変換器の速度を上げることで、分岐の数を減らすことができる。ところで、図１４の例に示すように、分岐毎のＡＤ変換の速度（ｆＡＤＣ）は、変調部の正負符号パターンの周期（Ｔｐｅｒｉｏｄ）と逆数の関係（ｆＡＤＣ＝１/Ｔｐｅｒｉｏｄ）があるため、分岐毎のＡＤ変換部の速度を上げると、変調部の正負符号パターンの周期が短くなるという問題がある。例えば、図１５にｆＡＤＣを２倍にした例を示す。分岐毎のＡＤ変換の速度（ｆ’ＡＤＣ=２×ｆＡＤＣ)を２倍にすることで、分岐の数は半分にすることができるが、変調部の正負符号パターンの周期が半分になってしまう。正負符号パターンの周期が短くなると、ランダム測定行列のランダム性が失われるので、復元性能が劣化するという問題が生じる。
【００１７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、アナログ圧縮センシングにおいて復元性能を劣化させないで分岐の数を減らすことができる信号処理システム及び信号処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、周波数領域に、もしくは時間領域に疎である性質を持つ信号の圧縮と復元を行う信号処理システムであって、入力信号を複数の同一信号に分波する分波部と、ランダムな正負変換パターンを生成する正負パターン生成部と、分波された信号を前記正負変換パターンで変調する変調部と、前記変調部の出力の低い周波数成分を通過させる低域通過フィルタ部と、前記低域通過フィルタ部の出力をＡＤ変換するＡＤ変換部とからなる分波された信号と同数の分岐部と、前記ＡＤ変換部それぞれの出力を結合する結合部と、前記正負変換パターンと前記低域通過フィルタ部の応答特性からなるランダム測定行列とＩＦＦＴ行列からランダム復元行列を生成するランダム復元行列生成部と、前記結合部の出力信号と前記ランダム復元行列を用いて信号の復元を行う信号復元部と、前記信号復元部から出力された復元信号の全帯域内に含まれる信号成分を検出し、全帯域幅と信号帯域幅との割合を計算する信号検出部と、前記全帯域幅と信号帯域幅との割合に基づいて、前記正負パターン生成部と、前記正負変換パターンの周期と、前記変調部の変調速度と、前記ＡＤ変換部のＡＤ変換速度を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明は、周波数領域に、もしくは時間領域に疎である性質を持つ信号の圧縮と復元を行う中央局とリモート局で構成される信号処理システムであって、前記リモート局は、入力信号を複数の同一信号に分波する分波部と、ランダムな正負変換パターンを生成する正負パターン生成部と、分波された信号を前記正負変換パターンで変調する変調部と、前記変調部の出力の低い周波数成分を通過させる低域通過フィルタ部と、前記低域通過フィルタの出力をＡＤ変換するＡＤ変換部とからなる分波された信号と同数の分岐部と、前記ＡＤ変換部それぞれの出力を結合し、前記中央局に送信する結合部とを備え、前記中央局は、前記正負変換パターンと前記低域通過フィルタ部の応答特性からなるランダム測定行列とＩＦＦＴ行列からランダム復元行列を生成するランダム復元行列生成部と、前記リモート局から受信した信号と前記ランダム復元行列を用いて信号の復元を行う信号復元部と、前記信号復元部から出力された復元信号の全帯域内に含まれる信号成分を検出し、全帯域幅と信号帯域幅との割合を計算する信号検出部と、前記全帯域幅と信号帯域幅との割合に基づいて、前記正負パターン生成部と、前記正負変換パターンの周期と、前記変調部の変調速度と、前記ＡＤ変換部のＡＤ変換速度を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【００２０】
本発明は、前記正負パターン生成部は、前記正負変換パターンの周期と一周期内に含まれている正負変換パターンの数を変更でき、前記変調部は、前記変調速度を前記入力信号のナイキストレートの定数倍の速度に変更でき、前記低域通過フィルタ部は、通過帯域を変更でき、前記ＡＤ変換部は、前記ＡＤ変換速度を変更でき、前記制御部は、前記正負変換パターンの周期と一周期内に含まれている正負のパターンの数と、前記変調速度と、前記通過帯域と、前記ＡＤ変換速度を決定することを特徴とする。
【００２１】
本発明は、前記制御部は、前記正負変換パターンの周期（Ｔｐｅｒｉｏｄ）と一周期内に含まれている正負のパターンの数（Ｔｐｅｒｉｏｄ/Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、前記変調速度（１/Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）と、前記通過帯域（ｆＬＰＦ）と、前記ＡＤ変換速度（ｆＡＤＣ）とを決定する際に、分波の数をＮ（Ｎは自然数）とし、前記変調速度が前記入力信号のナイキストレートのＫ（Ｋは自然数）倍に設定し、検出された信号帯域幅（ｆｏｃｃｕｐｉｅｄ）より復元性能の要求条件を満たす情報量を決定する係数をλとし、ランダム性が維持できるランダム符号長Ｌとする場合、（Ｎ／Ｌ）×（ｆＮｙｑｕｉｓｔ／ｆｏｃｃｕｐｉｅｄ）＝Ｎ×（ｆＡＤＣ／ｆｏｃｃｕｐｉｅｄ）≧λと、１/Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ＝ Ｋ×ｆＮｙｑｕｉｓｔ と、ｆＡＤＣ=ｆＬＰＦ＝１/Ｔｐｅｒｉｏｄと、Ｔｐｅｒｉｏｄ/Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ≧Ｌとが、それぞれ成り立つようにすることを特徴とする。
【００２２】
本発明は、周波数領域に、もしくは時間領域に疎である性質を持つ信号の圧縮と復元を行う信号処理システムが行う信号処理方法であって、入力信号を複数の同一信号に分波する分波ステップと、ランダムな正負変換パターンを生成する正負パターン生成ステップと、分波された信号を前記正負変換パターンで変調する変調ステップと、前記変調ステップの出力の低い周波数成分を通過させる低域通過フィルタリングステップと、前記低域通過フィルタリングステップの出力をＡＤ変換するＡＤ変換ステップとからなる分岐処理ステップを前記分波の数だけ並行して行うステップと、前記ＡＤ変換ステップそれぞれの出力を結合する結合ステップと、前記正負変換パターンと前記低域通過フィルタリングステップの応答特性からなるランダム測定行列とＩＦＦＴ行列からランダム復元行列を生成するランダム復元行列生成ステップと、前記結合ステップの出力信号と前記ランダム復元行列を用いて信号の復元を行う信号復元ステップと、前記信号復元ステップにより出力された復元信号の全帯域内に含まれる信号成分を検出し、全帯域幅と信号帯域幅との割合を計算する信号検出ステップと、前記全帯域幅と信号帯域幅との割合に基づいて、前記正負パターン生成ステップと、前記正負変換パターンの周期と、前記変調ステップの変調速度と、前記ＡＤ変換ステップのＡＤ変換速度を制御する制御ステップとを有することを特徴とする。
【００２３】
本発明は、周波数領域に、もしくは時間領域に疎である性質を持つ信号の圧縮と復元を行う中央局とリモート局で構成される信号処理システムが行う信号処理方法であって、前記リモート局が、入力信号を複数の同一信号に分波する分波ステップと、前記リモート局が、ランダムな正負変換パターンを生成する正負パターン生成ステップと、分波された信号を前記正負変換パターンで変調する変調ステップと、前記変調ステップの出力の低い周波数成分を通過させる低域通過フィルタリングステップと、前記低域通過フィルタリングステップの出力をＡＤ変換するＡＤ変換ステップとからなる分岐処理ステップを前記分波の数だけ並行して行うステップと、前記リモート局が、前記ＡＤ変換ステップそれぞれの出力を結合し、前記中央局に送信する結合ステップと、前記中央局が、前記正負変換パターンと前記低域通過フィルタリングステップの応答特性からなるランダム測定行列とＩＦＦＴ行列からランダム復元行列を生成するランダム復元行列生成ステップと、前記中央局が、前記リモート局から受信した信号と前記ランダム復元行列を用いて信号の復元を行う信号復元ステップと、前記中央局が、前記信号復元ステップにより出力された復元信号の全帯域内に含まれる信号成分を検出し、全帯域幅と信号帯域幅との割合を計算する信号検出ステップと、前記全帯域幅と信号帯域幅との割合に基づいて、前記正負パターン生成ステップと、前記正負変換パターンの周期と、前記変調ステップの変調速度と、前記ＡＤ変換ステップのＡＤ変換速度を制御する制御ステップとを有することを特徴とする。
【００２４】
本発明は、前記正負パターン生成ステップは、前記正負変換パターンの周期と一周期内に含まれている正負変換パターンの数を変更でき、前記変調ステップは、前記変調速度を前記入力信号のナイキストレートの定数倍の速度に変更でき、前記低域通過フィルタリングステップは、通過帯域を変更でき、前記ＡＤ変換ステップは、前記ＡＤ変換速度を変更でき、前記制御ステップは、前記正負変換パターンの周期と一周期内に含まれている正負のパターンの数と、前記変調速度と、前記通過帯域と、前記ＡＤ変換速度を決定することを特徴とする。
【００２５】
本発明は、前記制御ステップは、前記正負変換パターンの周期（Ｔｐｅｒｉｏｄ）と一周期内に含まれている正負のパターンの数（Ｔｐｅｒｉｏｄ/Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、前記変調速度（１/Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）と、前記通過帯域（ｆＬＰＦ）と、前記ＡＤ変換速度（ｆＡＤＣ）とを決定する際に、分波の数をＮ（Ｎは自然数）とし、前記変調速度が前記入力信号のナイキストレートのＫ（Ｋは自然数）倍に設定し、検出された信号帯域幅（ｆｏｃｃｕｐｉｅｄ）より復元性能の要求条件を満たす情報量を決定する係数をλとし、ランダム性が維持できるランダム符号長Ｌとする場合、（Ｎ／Ｌ）×（ｆＮｙｑｕｉｓｔ／ｆｏｃｃｕｐｉｅｄ）＝Ｎ×（ｆＡＤＣ／ｆｏｃｃｕｐｉｅｄ）≧λと、１/Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ＝ Ｋ×ｆＮｙｑｕｉｓｔ と、ｆＡＤＣ=ｆＬＰＦ＝１/Ｔｐｅｒｉｏｄと、Ｔｐｅｒｉｏｄ/Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ≧Ｌとが、それぞれ成り立つようにすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、ＡＤ変換速度を上げるとともに変調部の変調速度を入力信号のナイキストより定数倍（例えば、２倍、３倍など）速い速度で変調をすることで、アナログ圧縮センシングにおいて復元性能を劣化させないで分岐の数を減らすことができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す信号処理システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図４】図３に示すリモート局１と中央局１０の構成を示すブロック図である。
【図５】図４に示すリモート局の動作を示すフローチャートである。
【図６】図４に示す中央局の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の各パラメータの関係を示す図である。
【図８】従来のデジタル圧縮センシングの概念を示す図である。
【図９】従来のデジタル圧縮センシングを行うシステム構成を示す図である。
【図１０】従来のアナログ圧縮センシングの概念を示す図である。
【図１１】従来のアナログ圧縮センシングを行うシステム構成を示す図である。
【図１２】従来のアナログ圧縮センシングの例の分岐iにおける測定行列のデジタル表現を示す図である。
【図１３】従来のアナログ圧縮センシングの例の全体の測定行列のデジタル表現を示す図である。
【図１４】従来のアナログ圧縮センシングの各パラメータの関係を示す図である。
【図１５】図１４からＡＤ変換速度を2倍にした場合の従来のアナログ圧縮センシングの各パラメータの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態による信号処理システムを説明する。図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、図１１に示す従来の信号処理システムと同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。この図に示す信号処理システムが従来の信号処理システムと異なる点は、信号検出部２０１１及び制御部２０１２が設けられている点である。
【００２９】
図１において、分波部２００１は受信した信号を入力とし、入力信号と同一信号の性質を持つＮ（Ｎは自然数）個の信号に分波し、このＮ個の信号を、それぞれ、第１〜第Ｎ分岐部２０１〜２０３の変調部２００２に出力する。
【００３０】
第１〜第Ｎ分岐部２０１〜２０３の正負パターン生成部２００８は、制御部２０１２から入力する正負パターンの周期と、ランダムナンバー生成シードを用いて、この正負パターンの周期分の数を持つランダム符号を生成する。ここで、ランダム符号は、＋１かまたは−１の値を持つ符号である。生成した正負パターンは、第１〜第Ｎ分岐部２０１〜２０３の変調部２００２に出力する。
【００３１】
変調部２００２は、制御部２０１２から入力される変調速度設定パラメータを用いて、変調器の変調速度を設定する。変調速度は、分波部２００１の入力信号のナイキストレートの定数倍である特徴を持つ（例えば、ナイキストレートの１倍、２倍、３倍等）。変調部２００２は、正負パターン生成部２００８が生成した正負パターンを用いて、分波部２００１が出力した信号を変調し、変調後の信号を第１〜第Ｎ分岐部２０１〜２０３の低域通過フィルタ部２００３に出力する。
【００３２】
第１〜第Ｎ分岐部２０１〜２０３の変調部２００２において、変調とは、各変調部２００２への入力信号を、正負パターンの符号が＋１であれば、そのまま出力し、正負パターンの符号が−１であれば、位相を１８０度変換して出力する動作を示す。
【００３３】
各低域通過フィルタ部２００３は、通過帯域の設定が可変であり、制御部２０１２から入力される通過帯域設定パラメータを用いて、通過帯域を設定する。各低域通過フィルタ部２００３は、各変調部２００２の出力信号を入力とし、低域通過フィルタリングを行い、その出力を各ＡＤ変換部２００４に出力する。
【００３４】
各ＡＤ変換部２００４は、制御部２０１２から入力されるＡＤ変換速度設定パラメータを用いて、ＡＤ変換速度を設定する。ＡＤ変換部２００４は、各低域通過フィルタ部２００３が出力信号を入力とし、この入力信号のアナログデジタル変換を行い、その結果を結合部２００５に出力する。
【００３５】
結合部２００５は、制御部２０１２から入力される分岐毎の圧縮データ数を用いて、各ＡＤ変換部２００４の出力信号を、分岐毎の圧縮データ数毎に結合し、この結合したデータを信号復元部２００６に出力する。例えば、分岐の数が４個（Ｎ＝４）、分岐毎の圧縮データ数が１０個である場合、結合部２００５は、各ＡＤ変換部２００４の出力を１０個ずつに分けて、結合し、１回の結合あたりに、４０個の圧縮データを信号復元部２００６に出力する。
【００３６】
ランダム復元行列生成部２０１０は、制御部２０１２から入力される正負パターンの周期と、ランダムナンバー生成シードと、各低域通過フィルタ部２００３の応答特性と、各ＡＤ変換部２００４の応答特性を用いて、図１２と図１３の例に示すように、ランダム測定行列を生成する。ここで、正負パターンの周期とランダムナンバー生成シードは、各正負パターン生成部２００８が用いた値と同じ値を用いる。ランダム復元行列生成部２０１０は、生成したランダム測定行列とＩＦＦＴ行列を掛け算してランダム復元行列を生成する。生成したランダム復元行列とＬ１−ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ復元アルゴリズム等の復元アルゴリズムを用いて、結合部２００５の出力信号の復元を行う。
【００３７】
信号検出部２０１１は、信号復元部２００６から入力される復元波形から信号を検出し、全帯域幅と検出した信号帯域幅の合計の割合を求め、制御部２０１２に出力する。信号の検出方法としては、例えば、復元波形をフーリエ変換し、パワースペクトル密度を求め、各周波数成分を閾値Ｔｈと比較することで、閾値Ｔｈを超える周波数成分から全帯域に含まれる信号の帯域を検出する。また、ある帯域毎に積分してから閾値Ｔｈと比較してもよい。さらには、マッチドフィルタや周期定常性解析などにより信号を検出・識別し、データベースを参照して信号の帯域幅を取得してもよい。
【００３８】
制御部２０１２は、信号検出部２０１１から入力される全帯域幅と検出した信号帯域幅の割合に基づいて各パラメータを決定する。制御部２０１２は、正負パターンの周期と分岐毎のランダムナンバー生成シードを決定し、それを各分岐の正負パターン生成部２００８に出力する。ここで、正負パターンの周期は、分岐毎に同じであるが、ランダムナンバー生成シードは分岐毎に異なるため、各正負パターン生成部２００８は、同じ周期の異なる正負のパターンを生成することになる。また、制御部２０１２は、変調速度設定パラメータを決定し、それを各変調部２００２に出力する。また、制御部２０１２は、通過帯域設定パラメータを決定し、それを各低域通過フィルタ部２００３に出力する。また、制御部２０１２は、ＡＤ変換速度設定パラメータを決定し、それを各ＡＤ変換部２００４に出力する。また、制御部２０１２は、分岐毎の圧縮データ数を決定し、それを結合部２００５に出力する。また、制御部２０１２は、正負パターンの周期と分岐毎のランダムナンバー生成シードをランダム復元行列生成部２０１０に出力する。
【００３９】
ここで、変調速度設定パラメータ（１／Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）と通過帯域設定パラメータ（ｆＬＰＦ）とＡＤ変換速度設定パラメータ（ｆＡＤＣ）と正負パターンの周期（Ｔｐｅｒｉｏｄ）は、前述のように入力信号のナイキストレート（ｆＮｙｑｕｉｓｔ）、入力信号の対象帯域の中で実際信号のある領域の帯域（ｆｏｃｃｕｐｉｅｄ）、分岐の数（Ｎ）を考慮して決める。例えば、変調速度が入力信号のナイキストレートのＫ倍の場合、１／Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ＝Ｋ×ｆＮｙｑｕｉｓｔ  と、Ｎ×ｆＡＤＣ＝λ×ｆｏｃｃｕｐｉｅｄと、ｆＡＤＣ＝ｆＬＰＦ＝１／Ｔｐｅｒｉｏｄが、それぞれ成り立つように、各パラメータを決定する。ここで、正負パターンの周期内の正負符号の数は、Ｔｐｅｒｉｏｄ／Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ個になり、ランダム性を維持できるランダム符号長をＬとすると、Ｔｐｅｒｉｏｄ／Ｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ≧Ｌの関係式を満たす必要がある。λは、入力信号のナイキストレートに対して入力信号の対象帯域の中で実際に信号のある領域の帯域分を復元するために必要な情報量を決める係数である。
【００４０】
次に、図２を参照して、図１に示す信号処理システムの動作を説明する。図２は、図１に示す信号処理システムの動作を示すフローチャートである。まず、分波部２００１は受信した信号を入力し、入力信号と同一信号の性質を持つＮ個の信号に分波し、このＮ個の信号を、それぞれ、第１〜第Ｎ分岐部２０１〜２０３の変調部２００２に出力する（ステップＳ１１）。
【００４１】
次に、制御部２０１２は、正負パターンの周期と分岐毎のランダムナンバー生成シードを決定し、それを各正負パターン生成部２００８に出力する。ここで、正負パターンの周期は、分岐毎に同じであるが、ランダムナンバー生成シードは分岐毎に異なるため、第１〜第Ｎ分岐部２０１〜２０３の正負パターン生成部２００８は、同じ周期の異なる正負のパターンを生成することになる。また、制御部２０１２は、変調速度設定パラメータを決定し、それを各変調部２００２に出力する。また、通過帯域設定パラメータを決定し、それを各分岐の低域通過フィルタ部２００３に出力する。また、ＡＤ変換速度設定パラメータを決定し、それを各分岐のＡＤ変換部２００４に出力する。また、分岐毎の圧縮データ数を決定し、それを結合部２００５に出力する。また、正負パターンの周期と分岐毎のランダムナンバー生成シードをランダム復元行列生成部２０１０に出力する（ステップＳ１２）。
【００４２】
次に、各正負パターン生成部２００８は、制御部２０１２から入力する正負パターンの周期と、ランダムナンバー生成シードを用いて、この正負パターンの周期分の数を持つランダム符号を生成する。ここで、ランダム符号は、＋１かまたは−１の値を持つ符号である。生成した正負パターンは、各変調部２００２に出力する（ステップＳ１３）。
【００４３】
次に、各変調部２００２は、制御部２０１２から入力した変調速度設定パラメータを用いて、変調器の変調速度を設定する。変調速度は、分波部２００１の入力信号のナイキストレートの定数倍である特徴を持つ（例えば、ナイキストレートの１倍、２倍、３倍等）。変調部２００２は、各正負パターン生成部２００８が生成した正負パターンを用いて、分波部２００１が出力した信号を変調し、変調後の信号を各低域通過フィルタ部２００３に出力する（ステップＳ１４）。
【００４４】
次に、各低域通過フィルタ部２００３は、通過帯域の設定が可変であり、制御部２０１２から入力した通過帯域設定パラメータを用いて、通過帯域を設定する。低域通過フィルタ部２００３は、各変調部２００２の出力信号を入力とし、低域フィルタリングを行い、その出力を各ＡＤ変換部２００４に出力する（ステップＳ１５）。
【００４５】
次に、各ＡＤ変換部２００４は、制御部２０１２から入力したＡＤ変換速度設定パラメータを用いて、ＡＤ変換速度を設定する。ＡＤ変換部２００４は、各低域通過フィルタ部２００３の出力信号を入力し、入力信号のアナログデジタル変換を行い、その結果を結合部２００５に出力する（ステップＳ１６）。
【００４６】
次に、結合部２００５は、制御部２０１２から入力した分岐毎の圧縮データ数を用いて、各ＡＤ変換部２００４の出力信号を、分岐毎の圧縮データ数毎に結合し、結合したデータを信号復元部２００６に出力する。例えば、分岐の数が４個、分岐毎の圧縮データ数が１０個である場合、結合部２００５は、各ＡＤ変換部の出力を１０個ずつに分けて、結合を行い、１回の結合あたりに、４０個の圧縮データを信号復元部２００６に出力する（ステップＳ１７）。
【００４７】
次に、ランダム復元行列生成部２０１０は、制御部２０１２から入力した正負パターンの周期と、ランダムナンバー生成シードと、各低域通過フィルタ部２００３の応答特性と、各ＡＤ変換部２００４の応答特性を用いて、図１２と図１３の例に示すように、ランダム測定行列を生成する。ここで、正負パターンの周期とランダムナンバー生成シードは、各正負パターン生成部２００８が用いた値と同じ値を用いる。ランダム復元行列生成部２０１０は、生成したランダム測定行列とＩＦＦＴ行列を掛け算してランダム復元行列を生成する（ステップＳ１８）。
【００４８】
次に、信号復元部２００６は、生成したランダム復元行列とＬ１−ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ復元アルゴリズム等の復元アルゴリズムを用いて、結合部２００５の出力信号の復元を行う（ステップＳ１９）。
【００４９】
次に、信号検出部２０１１は、信号復元部２００６から入力した復元波形から信号を検出し、全帯域幅と検出した信号帯域幅の合計の割合を求め、制御部２０１２に出力する（ステップＳ２０）。信号の検出方法としては、例えば、復元波形をフーリエ変換し、パワースペクトル密度を求め、各周波数成分を閾値Ｔｈと比較することで、閾値Ｔｈを超える周波数成分から全帯域に含まれる信号の帯域を検出する。また、ある帯域毎に積分してから閾値Ｔｈと比較してもよい。さらには、マッチドフィルタや周期定常性解析などにより信号を検出・識別し、データベースを参照して信号の帯域幅を取得してもよい。
【００５０】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態による信号処理システムを説明する。図３は同実施形態の構成を示すブロック図である。図３に示す通信システムは、１つ以上のリモート局１〜３と中央局１０から構成され、リモート局１〜３と中央局１０は伝送路で接続されている。第２の実施形態による信号処理システムは、図３に示す通信システムに本発明の信号処理システムを適用したものである。
【００５１】
図４は、図３に示すリモート局１と中央局１０の構成を示すブロック図である。制御部３０１２は、正負パターンの周期と分岐毎のランダムナンバー生成シードを決定し、それを伝送路を介して各分岐の正負パターン生成部３００８に送る。ここで、正負パターンの周期は、分岐毎に同じであるが、ランダムナンバー生成シードは分岐毎に異なるため、各正負パターン生成部３００８は、同じ周期の異なる正負のパターンを生成することになる。
【００５２】
また、制御部３０１２は、変調速度設定パラメータを決定し、それを各変調部３００２に出力する。また、制御部３０１２は、通過帯域設定パラメータを決定し、それを各低域通過フィルタ部３００３に出力する。また、制御部３０１２は、ＡＤ変換速度設定パラメータを決定し、それを各ＡＤ変換部３００４に出力する。また、制御部３０１２は、分岐毎の圧縮データ数を決定し、それを結合部３００５に出力する。また、制御部３０１２は、正負パターンの周期と分岐毎のランダムナンバー生成シードをランダム復元行列生成部３０１０に出力する。
【００５３】
分波部３００１は受信した信号を入力し、この入力信号と同一信号の性質を持つＮ個の信号に分波し、このＮ個の信号を、それぞれ、第１〜第Ｎ分岐部３０１〜３０３の変調部３００２に出力する。
【００５４】
各正負パターン生成部３００８は、制御部３０１２から伝送路を介して入力する正負パターンの周期と、ランダムナンバー生成シードを用いて、正負パターンの周期分の数を持つランダム符号を生成する。ここで、ランダム符号は、＋１かまたは−１の値を持つ符号である。正負パターン生成部３００８は、生成した正負パターンを各変調部３００２に出力する。
【００５５】
各変調部３００２は、制御部３０１２から伝送路を介して入力される変調速度設定パラメータを用いて、変調器の変調速度を設定する。変調速度は、分波部３００１の入力信号のナイキストレートの定数倍である特徴を持つ（例えば、ナイキストレートの１倍、２倍、３倍等）。変調部３００２は、各正負パターン生成部３００８が生成した正負パターンを用いて、分波部３００１が出力した信号を変調し、変調後の信号を各低域通過フィルタ部３００３に出力する。
【００５６】
各変調部３００２において、変調とは、各変調部３００２への入力信号を、正負パターンの符号が＋１であれば、そのまま出力し、正負パターンの符号が−１であれば、位相を１８０度変換して出力する動作である。
【００５７】
各低域通過フィルタ部３００３は、通過帯域の設定が可変であり、帯域制御部３０１２から伝送路を介して入力される通過帯域設定パラメータを用いて、通過帯域を設定する。低域通過フィルタ部３００３は、各変調部３００２の出力信号を入力とし、低域通過フィルタリングを行い、その出力を各ＡＤ変換部３００４に出力する。
【００５８】
各ＡＤ変換部３００４は、制御部３０１２から伝送路を介して入力されるＡＤ変換速度設定パラメータを用いて、ＡＤ変換速度を設定する。ＡＤ変換部３００４は、各低域通過フィルタ部３００３の出力信号を入力とし、入力信号のアナログデジタル変換を行い、その結果を結合部３００５に出力する。
【００５９】
結合部３００５は、制御部３０１２から伝送路を介して入力される分岐毎の圧縮データ数を用いて、各ＡＤ変換部３００４の出力信号を、分岐毎の圧縮データ数毎に結合し、結合したデータを伝送路を介して信号復元部３００６に出力する。
【００６０】
ランダム復元行列生成部３０１０は、制御部３０１２から入力した正負パターンの周期と、ランダムナンバー生成シードと、各低域通過フィルタ部３００３の応答特性と、各ＡＤ変換部３００４の応答特性を用いて、図１２と図１３の例にように、ランダム測定行列を生成する。ここで、正負パターンの周期とランダムナンバー生成シードは、各正負パターン生成部３００８が用いた値と同じ値を用いる。ランダム復元行列生成部３０１０は、生成したランダム測定行列とＩＦＦＴ行列を掛け算してランダム復元行列を生成する。生成したランダム復元行列とＬ１−ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ復元アルゴリズム等の復元アルゴリズムを用いて、結合部３００５から伝送路を介して入力される信号の復元を行う。
【００６１】
信号検出部３０１１は、信号復元部３００６から入力した復元波形から信号を検出し、全帯域幅と検出した信号帯域幅の合計の割合を求め、制御部３０１２に出力する。信号の検出方法としては、例えば、復元波形をフーリエ変換し、パワースペクトル密度を求め、各周波数成分を閾値Ｔｈと比較することで、閾値Ｔｈを超える周波数成分から全帯域に含まれる信号の帯域を検出する。また、ある帯域毎に積分してから閾値Ｔｈと比較してもよい。さらには、マッチドフィルタや周期定常性解析などにより信号を検出・識別し、データベースを参照して信号の帯域幅を取得してもよい。
【００６２】
次に、図５、図６を参照して、図４に示す信号処理システムの動作を説明する。図５、図６は、図４に示す信号処理システムの動作を示すフローチャートであり、図５は、リモート局１の動作を、図６は、中央局１０の動作を示す。始めに、図５を参照して、リモート局１の動作を説明する。
【００６３】
まず、変調部３００２は、変調速度設定パラメータを、正負パターン生成部３００８は、正負パターンの周期と分岐毎のランダムナンバー生成シードを、低域通過フィルタ部３００３は、通過帯域設定パラメータを、ＡＤ変換部３００４は、ＡＤ変換速度設定パラメータを、結合部３００５は、分岐毎の圧縮データ数を、それぞれ伝送路を介して中央局の制御部３０１２から受信する（ステップＳ２１１）。
【００６４】
次に、分波部３００１は受信した信号を入力し、入力信号と同一信号の性質を持つＮ個の信号に分波し、このＮ個の信号を、それぞれ、第１〜第Ｎ分岐部３０１〜３０３変調部３００２に出力する（ステップＳ２１２）。
【００６５】
次に、各正負パターン生成部３００８は、制御部３０１２から伝送路を介して入力する正負パターンの周期と、ランダムナンバー生成シードを用いて、正負パターンの周期分の数を持つランダム符号を生成する。ここで、ランダム符号は、＋１かまたは−１の値を持つ符号である。各正負パターン生成部３００８は、生成した正負パターンを、各変調部３００２に出力する（ステップＳ２１３）。
【００６６】
次に、各変調部３００２は、制御部３０１２から伝送路を介して入力される変調速度設定パラメータを用いて、変調器の変調速度を設定する。変調速度は、分波部３００１の入力信号のナイキストレートの定数倍である特徴を持つ（例えば、ナイキストレートの１倍、２倍、３倍等）。変調部３００２は、各正負パターン生成部３００８が生成した正負パターンを用いて、分波部３００１が出力した信号を変調し、変調後の信号を各低域通過フィルタ部３００３に出力する（ステップＳ２１４）。
【００６７】
次に、各低域通過フィルタ部３００３は、通過帯域の設定が可変であり、帯域制御部３０１２から伝送路を介して入力される通過帯域設定パラメータを用いて、通過帯域を設定する。低域通過フィルタ部３００３は、各変調部３００２の出力信号を入力し、低域通過フィルタリングを行い、その出力を各ＡＤ変換部３００４に出力する（ステップＳ２１５）。
【００６８】
次に、各ＡＤ変換部３００４は、制御部３０１２から伝送路を介して入力されるＡＤ変換速度設定パラメータを用いて、ＡＤ変換速度を設定する。ＡＤ変換部３００４は、各低域通過フィルタ部３００３が出力信号を入力し、入力信号のアナログデジタル変換を行い、その結果を結合部３００５に出力する（ステップＳ２１６）。
【００６９】
次に、結合部３００５は、制御部３０１２から伝送路を介して入力される分岐毎の圧縮データ数を用いて、各ＡＤ変換部３００４の出力信号を、分岐毎の圧縮データ数毎に結合し（ステップＳ２１７）、伝送路を介して、結合したデータを復元部３００６に送信する（ステップＳ２１８）。
【００７０】
次に、図６を参照し、中央局１０の動作を説明する。まず、制御部３０１２は、正負パターンの周期と分岐毎のランダムナンバー生成シードを決定し、それを伝送路を介して、正負パターン生成部３００８に送る。また、制御部３０１２は、変調速度設定パラメータを決定し、それを伝送路を介して、各変調部３００２に、通過帯域設定パラメータを決定し、それを伝送路を介して、各低域通過フィルタ部３００３に、ＡＤ変換速度設定パラメータを決定し、それを伝送路を介して、各ＡＤ変換部３００４に、分岐毎の圧縮データ数を決定し、それを伝送路を介して、結合部３００５に、正負パターンの周期と分岐毎のランダムナンバー生成シードをランダム復元行列生成部３０１０に、それぞれ送る（ステップＳ２２１、ステップＳ２２２）。
【００７１】
次に、信号復元部３００６は、リモート局１の結合部３００５が伝送路を介して送信するデータを受信する（ステップ２２３）。
【００７２】
次に、ランダム復元行列生成部３０１０は、制御部３０１２から入力した正負パターンの周期と、ランダムナンバー生成シードと、各低域通過フィルタ部３００３の応答特性と、各ＡＤ変換部３００４の応答特性を用いて、図１２と図１３の例にように、ランダム測定行列を生成する。ここで、正負パターンの周期とランダムナンバー生成シードは、各正負パターン生成部３００８が用いた値と同じ値を用いる。ランダム復元行列生成部３０１０は、生成したランダム測定行列とＩＦＦＴ行列を掛け算してランダム復元行列を生成する（ステップＳ２２４）。
【００７３】
次に、信号復元部３００６は、生成したランダム復元行列とＬ１−ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ復元アルゴリズム等の復元アルゴリズムを用いて、結合部３００５の出力信号の復元を行う（ステップＳ２２５）。
【００７４】
次に、信号検出部３０１１は、信号復元部３００６から入力した復元波形から信号を検出し、全帯域幅と検出した信号帯域幅の合計の割合を求め、制御部３０１２に出力する（ステップＳ２２６）。信号の検出方法としては、例えば、復元波形をフーリエ変換し、パワースペクトル密度を求め、各周波数成分を閾値Ｔｈと比較することで、閾値Ｔｈを超える周波数成分から全帯域に含まれる信号の帯域を検出する。また、ある帯域毎に積分してから閾値Ｔｈと比較してもよい。さらには、マッチドフィルタや周期定常性解析などにより信号を検出・識別し、データベースを参照して信号の帯域幅を取得してもよい。
【００７５】
このように、アナログ圧縮センシングにおいて、変調部の変調速度を入力のナイキストレートの定数倍に設定することで、復元性能の劣化を避けながらも、回路の規模を小さくすることができる。
【００７６】
以上説明したように、アナログ圧縮センシング技術において、復元性能を劣化させずに分岐の数を減らすため、ＡＤ変換速度を上げるとともに変調部の変調速度を入力信号のナイキストレートの定数倍速くすることで、変調部の一正負符号パターンの周期毎の、正負の符号の数を短縮しない信号処理システムを提供することができる。図７は、図１４と図１５より変調部の変調速度を２倍にした場合の例を示す図である。変調部の変調速度とともに、正負パターン生成部における正負パターン生成の速度も２倍になる。この例では、図１４に比べてＡＤ変換器の速度を２倍にして分岐の数を減らすことで、正負パターンの周期が半分になるが、正負パターン生成部における正負パターン生成の速度が２倍であるため、一周期内の正負符号の数は、図１４の例と同一になる。すなわち、ランダム測定行列のランダム性が失われないため、復元性能の劣化は生じなくなる。このように、分岐の数を減らし回路の規模を小さくした場合でも正負パターンの周期内の正負符号の数が短縮せず、復元性能を劣化させずに信号処理を行うことが可能となる。
【００７７】
前述した図１、図４に示す各処理部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されるものであってもよい。
【００７８】
以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明してきたが、上記実施の形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記実施の形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で構成要素の追加、省略、置換、その他の変更を行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
信号をアナログ領域で圧縮してからＡＤ変換を行うアナログ圧縮センシングにおいて、ランダムパターンの長さを短縮せずに、回路規模を削減することができるので、復元性能の劣化問題を解決するとともに、回路規模を小さくすることが不可欠な信号処理の用途に適用できる。
【符号の説明】
【００８０】
２００１、３００１・・・分波部、２００２、３００２・・・変調部、２００３、３００３・・・低域通過フィルタ部、２００４、３００４・・・ＡＤ変換部、２００５、３００５・・・結合部、２００６、３００６・・・信号復元部、２００８、３００８・・・正負パターン生成部、２０１０、３０１０・・・ランダム復元行列生成部、２０１１、３０１１・・・信号検出部、２０１２、３０１２・・・制御部、２０１、３０１・・・第１分岐部、２０２、３０２・・・第２分岐部、２０３、３０３・・・第Ｎ分岐部、１、２、３・・・リモート局、１０・・・中央局
【図１】
2015162684.tif 000003
【図２】
2015162684.tif 000004
【図３】
2015162684.tif 000005
【図４】
2015162684.tif 000006
【図５】
2015162684.tif 000007
【図６】
2015162684.tif 000008
【図７】
2015162684.tif 000009
【図８】
2015162684.tif 000010
【図９】
2015162684.tif 000011
【図１０】
2015162684.tif 000012
【図１１】
2015162684.tif 000013
【図１２】
2015162684.tif 000014
【図１３】
2015162684.tif 000015
【図１４】
2015162684.tif 000016
【図１５】
2015162684.tif 000017