(57)【要約】【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。【解決手段】本発明は、時間軸上で互いに重複領域を有して隣接しつつつらなり形成されたブロックごとに区分して抽出する抽出部９を備え、算出部１１は、その重複領域における信号差（Δφ）を検出し、その信号差（Δφ）データとともに、連続すべき組み合わせの算出データを連結部１２に供給するので、連結部１２は、信号差（Δφ）がゼロとなるように補正した連結が可能であり、入射信号に忠実な信号波形（周波数スペクトル）からなる原信号を再生出力できる。【選択図】図１
2008072212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入射信号が混合された信号をそれぞれ受信する複数のセンサと、
これら複数のセンサで受信された前記信号をそれぞれＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、
このＡ／Ｄ変換部でデジタル信号に変換された前記信号を、時間軸上で重複領域を有しつつ順次つらなるブロックに区分して抽出する抽出部と、
この抽出部で抽出された各ブロックの前記信号を順次導入し、ブラインド信号分離により原信号を分離して出力する分離部と、
この分離部で分離出力された各ブロックの原信号を導入し、前記重複領域を有して隣接する二つのブロックで連結すべき原信号の組み合わせを算出するとともに、前記重複領域において先行する第１ブロックで分離された第１原信号と、前記第１ブロックに続く第２ブロックで分離され前記第１原信号と連結すべき第２原信号との間の前記重複領域における信号差とを算出する算出部と、
この算出部により算出された連結すべき原信号の組み合わせと、前記重複領域における前記信号差とに基づき、前記分離部から出力された前記第１原信号と前記第２原信号とを連結して連続した原信号を再生する連結部と
を具備することを特徴する混合信号分離・抽出装置。
【請求項２】
前記分離部は、
前記抽出部において抽出されたブロックの前記信号を導入してブラインド分離行列を生成するブラインド分離行列生成回路と、
このブラインド分離行列生成回路において生成された分離行列から混合行列を生成する混合行列生成回路と、
この混合行列生成回路で生成された混合行列と前記抽出部で抽出された信号とによる信号分離処理により、前記ブロックにおける原信号を分離して出力する信号分離処理回路と
から構成された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】
前記算出部は、前記組み合わされるべき前記第１原信号と前記第２原信号の前記重複領域における振幅特性の差、または電力特性の差を前記信号差として出力し、
前記連結部は、前記算出部から出力された前記信号差に基づき、前記振幅特性の差または電力特性の差を補正して前記第１原信号と前記第２原信号とを連結する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の混合信号分離・抽出装置。
【請求項４】
前記算出部は、前記組み合わされるべき前記第１原信号と前記第２原信号の前記重複領域における位相差を前記信号差として出力し、
前記連結部は、前記算出部から供給された前記位相差に基づき、前記位相差を補正して前記第１原信号と前記第２原信号とを連結する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の混合信号分離・抽出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同時に到来する複数の入射信号（原信号）を含む混合信号を受信し、受信した混合信号を時間軸上で連なるブロック単位で原信号を分離し、その分離したブロック単位の原信号を時間軸上で連結して到来した原信号を再生抽出する混合信号分離・抽出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
所定の間隔で配置された複数のセンサで、複数の入射信号（原信号）が混合された信号（混合信号）を受信したとき、その受信信号に対するブラインド信号分離（ＢＢＳ：Blind Source Separation）により、混合信号から原信号を抽出する手法が知られている。
【０００３】
ブラインド信号分離では、各センサで受信された原信号の混合信号をアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換し、Ａ／Ｄ変換後の信号をサンプリング期間（周期）毎に原信号を分離抽出するものであり、その分離抽出された各原信号の前後のサンプリング期間との間の相関に基づいた連結により、センサで受信された混合信号に含む原信号を再生出力できる。
【０００４】
なお、ブラインド信号分離では、混合信号の各センサでの受信時刻が同一であるとみなせることが条件とされ、センサ間の間隔が広い場合には各センサ間には無視できない受信時刻差が生じてしまうので、その場合は、一般的なブラインド信号分離の手法は採用できなくなる。
【０００５】
そこで、センサ間の間隔が広く、センサ間に受信時刻差が生じても、原信号を分離抽出する手法として、独立成分分析（ＩＣＡ：Independent Component Analysis）法が知られている。（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
独立成分分析による原信号の分離抽出は、センサにおける受信信号を周波数成分に分解した後、全ての周波数成分を集めて並べ直し、時系列データに戻す操作を行うので、受信された混合信号の独立性のみに依存した原信号の分離抽出となる。
【０００７】
また、独立成分分析では、後述するように正規化処理により分離抽出を行うので、分離抽出された入射信号（原信号）の信号レベルや周波数スペクトルの任意性、すなわち振幅や電力の大きさの任意性が保持されなくなる。また、前後のサンプリング期間間の順序も保持されなくなるので、上記のように全ての周波数成分を集めて並べ直し、連結して時系列データに戻したとしても、入射信号（原信号）を忠実に再生したものが得られないという性質を有する。
【０００８】
図５は、従来の一般的なブラインド信号分離による原信号を分離抽出する混合信号分離・抽出装置の構成図である。なお、ブラインド信号分離では、センサ数(例えば、ｎ＝４)に対し、そのセンサ数と同数までの入射信号（原信号）数（すなわち、ｍ＝４）まで分離抽出できる。
【０００９】
そこで、以下の説明では受信混合信号からは、センサ数(ｎ＝４)と同数（ｍ＝４）の原信号を分離抽出するものとして説明する。また、本明細書では、上記サンプリング期間をブロックと置き換え称するものとし、従ってサンプリング期間の区分けをブロック化と置き換え称して説明する。
【００１０】
図５に示したように、従来の混合信号分離・抽出装置は、複数の入射信号（原信号）Ｓ（Ｓ１〜Ｓ４）の混合信号Ｘをそれぞれ受信する複数（４個）のセンサ１（１１〜１４）と、これら複数のセンサ１（１１〜１４）で受信された混合信号の受信帯域をそれぞれ制限する帯域制限濾波器２（２１〜２４）と、帯域制限濾波器２（２１〜２４）で帯域制限された混合信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部３（３１〜３４）と、このＡ／Ｄ変換部３（３１〜３４）で変換された混合信号Ｘ（Ｘ１〜Ｘ４）のデータを、図６に示したように、所定の時間長からなるブロックｂ（サンプリング期間ｔ）単位で切り出し抽出する抽出部４（４１〜４４）と、この抽出部４（４１〜４４）でブロック化された混合信号Ｘ（Ｘ１〜Ｘ４）のデータを順次導入し、ブロック毎に複数（４個）の原信号Ｙ２（Ｙ２１〜Ｙ２４）を分離して出力するブラインド分離部５と、分離された複数の原信号Ｙ２（Ｙ２１〜Ｙ２４）を順次導入し、第１ブロックｂ１（第１サンプリング期間ｔ１）で信号分離された複数の第１原信号Ｙ２と、（第１ブロックに続く）第２ブロックｂ２（第２サンプリング期間ｔ２）で信号分離された複数の第２原信号Ｙ２との間の相関性（例えば、周波数の相関）を検出し、その検出された相関結果に基づいて相互に連続すべき組み合わせを算出する算出部６と、この算出部６により算出された組み合わせに基づいた選択スイッチングにより、複数の第１原信号Ｙ２の各々を複数の第２原信号Ｙ２のいずれかと連結して連続する原信号Ｑ（Ｑ１〜Ｑ４）を抽出生成する連結部７と、この連結部７で連結抽出された原信号Ｑ（Ｑ１〜Ｑ４）をＤ／Ａ変換して出力するＤ／Ａ変換部８とから構成されている。
【００１１】
なお、Ｄ／Ａ変換やＡ／Ｄ変換におけるデジタル化のサンプリング速度ないしは量子化精度ビット数は要求性能に応じて決定される。
【００１２】
ブラインド分離部５の構成は、図７に示したように、抽出部４（４１〜４４）からの各センサ１（１１〜１４）に対応したブロックｂ毎の混合信号のデータ切り出しを受け、共分散行列を生成する共分散行列生成回路５１と、生成された共分散行列の固有ベクトルを算出する固有ベクトル算出回路５２と、抽出部４（４１〜４４）の混合出力と算出された固有ベクトルとから、白色化・無相関化及び電力正規化を図る白色化・無相関化及び電力正規化回路５３と、白色化・無相関化及び電力正規化回路５３の出力信号を導入し、原信号Ｑ（Ｑ１〜Ｑ４）に対応した分離行列Ｗを生成し、分離信号Ｙ１を出力する分離行列生成回路５４と、分離行列生成回路５４からの分離信号Ｙ１と白色化・無相関化及び電力正規化回路５３からの正規化信号とから各ブロックｂ単位でそれぞれ分離した原信号Ｙ２（Ｙ２１〜Ｙ２４）を出力し、図５に示した連結部７及び算出部６にそれぞれ供給する信号分離処理回路５５とから構成されている。
【００１３】
【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】
【００１４】
上記のように、従来の混合信号分離・抽出装置では、各ブロックｂ（すなわち、各サンプリング期間ｔ）における原信号の分離・抽出処理は、ブロックｂ単位で切り出され個々に独立して行われる。従って、ブラインド分離部においては各ブロックｂ単位で信号分離処理が行われ時間差が存在するので、もともと抽出されるべき一の原信号でも、各ブロック単位で信号処理上での周波数スペクトル、すなわち位相特性や振幅ないし電力特性に差異（信号差）が生じるのは避けられない。
【００１５】
すなわち、センサで受信された入射信号（原信号）は、図８（ａ）に示したように、ブロックｂ１，ｂ２間では円滑な連続性を有するものであるが、ブロック単位で分離抽出する上での信号処理特性の違いから、連結しても、図８（ｂ）に示したように、分離抽出後の連結では、連続性が損なわれて出力される。
【００１６】
従って、ブロック単位で切り出されて分離抽出された一の原信号が、元の一の原信号として分離抽出すべく連結したとき、隣接するブロック間で位相や振幅及び電力等にずれ（信号差）を有して連結されてしまい、センサで受信された入射信号（原信号）の信号波形の忠実性が損なわれる。
【００１７】
そこで、本発明は、算出部における前後ブロックｂ１，ｂ２間における分離原信号の組み合わせの算出結果に対する連結において、同一原信号のブロック間に生ずる信号差（ずれ）を補正して、より正確にまた入射信号波形により忠実な連結信号を出力可能な混合信号分離・抽出装置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】
本発明の混合信号分離・抽出装置は、複数の入射信号が混合された信号をそれぞれ受信する複数のセンサと、これら複数のセンサで受信された前記信号をそれぞれＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部と、このＡ／Ｄ変換部でデジタル信号に変換された前記信号を、時間軸上で重複領域を有しつつ順次つらなるブロックに区分して抽出する抽出部と、この抽出部で抽出された各ブロックの前記信号を順次導入し、ブラインド信号分離により原信号を分離して出力する分離部と、この分離部で分離出力された各ブロックの原信号を導入し、前記重複領域を有して隣接する二つのブロックで連結すべき原信号の組み合わせを算出するとともに、前記重複領域において先行する第１ブロックで分離された第１原信号と、前記第１ブロックに続く第２ブロックで分離され前記第１原信号と連結すべき第２原信号との間の前記重複領域における信号差とを算出する算出部と、この算出部により算出された連結すべき原信号の組み合わせと、前記重複領域における前記信号差とに基づき、前記分離部から出力された前記第１原信号と前記第２原信号とを連結して連続した原信号を再生する連結部とを具備することを特徴する。
【発明の効果】
【００１９】
上記のように、本発明の信号分離・抽出装置は、Ａ／Ｄ変換部からの混合信号を時間軸上で重複領域を有しつつ順次つらなるブロックに区分して抽出する抽出部を備え、算出部は、重複領域を有して隣接する二つのブロックのうち、先行する第１ブロックで分離された第１原信号と、前記第１ブロックに続く第２ブロックで分離された第２原信号との間で相互に連続すべき組み合わせと、前記重複領域における連結すべき原信号間の差（信号差）とを算出して出力するので、連結部は、隣接するブロック間の信号間の差を補正して、入射信号（原信号）を忠実に分離抽出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明による混合信号分離・抽出装置の一実施例を図１ないし図４を参照して詳細説明する。なお、図５ないし図８に示した従来の混合信号分離・抽出装置と同一構成には同一符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００２１】
図１は、本発明による混合信号分離・抽出装置の一実施例を示した構成図である。
【００２２】
すなわち、図１において、アンテナやマイクロホン等からなる分離すべき信号の捕捉手段であるｎ個のセンサ１（１１〜１４）の受信アナログ信号は、帯域濾波器２（２１〜２４）を介して、Ａ／Ｄ変換器３（３１〜３４）に供給されてデジタル化（数値化）され、ブロック化を図る抽出部９（９１〜９４）に供給される。
【００２３】
この抽出部９（９１〜９４）は、図２に示したように、時間軸上で隣接するブロックとの間で互いに重複領域（Δｔ）を有したブロックの切り出しにより混合信号を抽出し、ブラインド信号分離を行う分離部１０に供給される。
【００２４】
分離部１０は、図３に示したように、従来の（図７に示した）共分散行列生成回路５１に対応した共分散行列生成回路１０１と、同じく従来の固有ベクトル算出回路５２に対応した固有ベクトル算出回路１０２と、白色化・無相関化及び電力正規化回路１０３と、従来の分離行列生成回路５４に対応した分離行列生成回路１０４と、混合行列生成回路１０５と、信号分離処理回路１０６とから構成されている。
【００２５】
すなわち、抽出部４（４１〜４４）からの各センサ１（１１〜１４）に対応しつつ隣接するブロック間で互いに重複領域を有する各ブロックの混合信号は共分散行列生成回路１０１（１０１１〜１０１４）に供給され共分散行列が生成される。
【００２６】
生成された共分散行列は、固有ベクトル算出回路１０２（１０２１〜１０２４）に供給されて固有ベクトルが算出され、算出された固有ベクトルは白色化・無相関化及び電力正規化回路１０３（１０３１〜１０３４）に供給され、その供給された固有ベクトルと抽出部４（４１〜４４）の出力（混合信号）Ｘとにより、白色化・無相関化及び電力正規化が図られ、分離行列生成回路１０４に供給される。
【００２７】
分離行列生成回路１０４は、正規化された白色化・無相関化及び電力正規化回路１０３（１０３１〜１０３４）の各出力データを導入し、原信号Ｑ（Ｑ１〜Ｑ４）に対応した分離行列Ｗ１を生成し、生成された分離行列Ｗ１による分離出力Ｙ１（Ｙ１１〜Ｙ１４）は混合行列（Ａ）生成回路１０５に供給される。
【００２８】
混合行列生成回路１０５は、分離行列生成回路１０４からの分離行列Ｗ１による分離出力Ｙ１（Ｙ１１〜Ｙ１４）に対し、分離行列Ｗ１の逆行列演算により混合行列Ａ（Ａ１〜Ａ４）を推定し、信号分離処理回路１０６に供給する。なお、推定された混合行列Ａ（Ａ１〜Ａ４）は、センサ１（１１〜１４）の配置と特性によって決まるものである。
【００２９】
混合行列生成回路１０５は、分離行列生成回路１０４において生成された分離行列Ｗ１から混合行列Ａの推定を行い、また分離抽出すべき原信号に対する雑音Ｎの影響が小さいものとすることができるので、抽出部９の出力Ｘ（Ｘ１〜Ｘ４）は、入射信号である混合信号Ｓ（Ｓ１〜Ｓ４）と混合行列Ａの積（Ｘ＝Ｓ・Ａ）で表わされる。
【００３０】
一方、分離行列生成回路１０４におけるブラインド分離処理の出力をＹ１（Ｙ１１〜Ｙ１４）としたとき、ブラインド分離処理出力の波形データＹ１は、Ｙ１＝Ｗ１・Ｘと表される。
【００３１】
そこで、分離行列生成回路１０４におけるブラインド分離処理の波形データＹ１は、理想的には、原信号Ｓ（＝Ｙ１）であるから、Ｓ＝Ｗ１・Ｘ＝Ｗ１・Ａ・Ｓとなる。
【００３２】
ここで、混合行列Ａ＝Ｗ１-1とすれば、混合行列Ａ＝Ｗ１・Ｗ１-1・Ｓ＝Ｉ・Ｓ＝Ｓとなる。但し、Ｉは単位行列を表す。
【００３３】
よって、混合行列生成回路１０５において、分離行列Ｗ１の逆行列演算により、ｎ×ｍ行列の混合行列Ａ(Ａ１〜Ａ４)が生成される。
【００３４】
次の信号分離処理回路１０６は、混合行列生成回路１０５におけるｎ×ｍ行列の混合行列Ａを用いた信号分離処理により、分離係数Ｗ２を複数のアダプティブ・ヌル形成の手法（例えば、非特許文献１．菊間信良著「アレーアンテナにおける適応処理」科学技術出版  １９９８  参照。）により求め、元の信号である抽出部９出力の混合信号Ｘと乗算して出力する。
【００３５】
すなわち、混合行列Ａ（Ａ１〜Ａ４）が混合行列生成回路１０５において推定された後、信号分離処理回路１０６は、その混合行列Ａ（Ａ１〜Ａ４）から、下記（１）により分離行列Ｗ２を生成する。また分離出力Ｙ２＝Ｗ２・Ｘであることから、生成した分離行列Ｗ２と混合信号Ｘとにより、所定の分離出力Ｙ２（Ｙ２１〜Ｙ２４）を得ることができる。
【００３６】
Ｗ２＝（ＡH ・Ａ）-1・ＡH              （１）
但し、Ｈは複素共役転置を示す。
【００３７】
このように、分離部１０の信号分離処理回路１０６は、混合行列生成回路１０５で生成された混合行列Ａ（Ａ１〜Ａ４）と抽出部９（９１〜９４）からの混合信号Ｘとから原信号Ｙ２（Ｙ２１〜Ｙ２４）を分離抽出し、図１に示した連結部７及び算出部１１にそれぞれ供給する。
【００３８】
信号分離処理回路１０６は、従来（図７）とは相違して、正規化されない混合信号Ｘと混合行列Ａにより分離行列（Ｗ２）による原信号の信号分離処理が行われるので、分離された原信号Ｙ２は、入射信号の波形レベル（すなわち、振幅レベルないしは電力レベル）をそのまま維持保存したものとなる。従って、分離部１０の構成によれば、原信号が音声信号等で変調されたＡＭ信号やＳＳＢ信号のようなアナログ変調波の場合に、自然な復調出力音声を分離出力できる。
【００３９】
また、算出部１１は、分離部１０（信号分離処理回路１０６）において分離された各ブロックにおける原信号Ｙ２（Ｙ２１〜Ｙ２４）を導入するが、導入した原信号Ｙ２（Ｙ２１〜Ｙ２４）には隣接するブロック間で互いに重複する領域（重複領域）を含む。
【００４０】
その重複領域では、周波数スペクトラム等の特徴はブロック間では共通したものであるから、ブロック化を経た後の分離抽出の信号処理で生じるブロック間の差（信号差）は、その重複領域における差（信号差）に他ならないから、算出部１１は、重複領域における差（信号差）を検出し、対応するブロックのデータとともに連結部１２に供給することができる。
【００４１】
算出部１１から、重複領域における差（信号差）とともに、対応するブロックのデータの供給を受けた連結部１２は、その差（信号差）がゼロとなるように、隣接するブロックにおいて分離抽出された原信号を補正しつつ、選択スイッチングにより連結するので、連結部１２は、センサ１（１１〜１４）で受信された入射信号（原信号）波形に忠実な連結原信号を出力できる。  
上記作用について、図４に示した重複領域における分離抽出処理前の原信号（図４（ａ））と、ブロック化を経て、各ブロック単位の分離抽出処理された原信号（図４（ｂ））を更に参照して説明する。
【００４２】
を参照して説明する。
【００４３】
すなわち、上記のように、算出部１１は重複領域において共通した原信号Ｙ２（Ｙ２１〜Ｙ２４）の、各ブロック間の位相差あるいは周波数差、又は振幅レベル差等の信号差（すなわち、例えば、図４（ｂ）に示したような位相差Δφ）を検出し、その差（位相差Δφ）のデータを対応する原信号Ｙとともに連結部１２に供給する。
【００４４】
連結部１２は、算出部１１で算出された組み合わせ連結すべき原信号Ｙ２と、その組み合わされる二つの原信号Ｙ２間の信号差（例えば、位相差Δφ）が供給されるので、連結部１２は、算出部１１から、ブロック間で組み合わせ連結される二つの原信号の組み合わせ信号と、隣接したブロック間の原信号間の信号差（例えば、位相差Δφ）とから、隣接するブロック間で連結される原信号間のずれ（信号差、すなわち位相差Δφ）がゼロとなるように補正して連結する。
【００４５】
このような連結部１２における信号差補正の連結により、ブロック間で連結された原信号Ｑ（Ｑ１〜Ｑ４）は、ブロックの相違に基づく波形の差異を解消して、Ｄ／Ａ変換部８に供給するので、Ｄ／Ａ変換部８は、センサ１（１１〜１４）において受信された信号波形が忠実に再生された連結信号を出力できる。
【００４６】
なお、上記説明において、算出部１１における連結すべき原信号間の位相差検出は、既知の位相弁別器により行うことができ、また振幅レベルの差あるいは電力レベルの差の検出も、同様に既知の振幅比較器あるいは電力比較器を採用することができる。
【００４７】
上記のように、この実施例に係る混合信号分離・抽出装置は、時間軸上で順次つらなり形成されるブロックに関し、抽出部９は、隣接するブロック間において、互いに重複する領域（重複領域）を有するようにブロック化を行い、算出部１１は、その重複領域における連結すべき原信号間の信号差を算出して連結部１２に供給するので、連結部１２は、ブロック単位で分離された連結すべき信号間の信号差を補正した連結を行うことができ、受信信号波形に忠実な連結信号を安定して出力できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明による混合信号分離・抽出装置の一実施例を示した構成図である。
【図２】図１に示した抽出部におけるブロック化の説明図である。
【図３】図１に示した分離部の構成図である。
【図４】図４（ａ）は、抽出部における隣接したブロック間で重複した領域の入射信号を示し、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した重複領域における各ブロックのデータを個々に分離抽出した後の原信号を示した図である。
【図５】従来の混合信号分離・抽出装置を示した構成図である。
【図６】図５に示した抽出部におけるブロック化(サンプリング期間)を示した図である。
【図７】図５に示した分離部の構成図である。
【図８】図８（ａ）は、抽出部における隣接したブロック間の入射信号を示し、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した隣接した各ブロックのデータが個々に分離抽出された後の原信号を示した図である。
【符号の説明】
【００４９】
１（１１〜１４）  センサ
２（２１〜２４）  帯域濾波器
３（３１〜３４）  Ａ／Ｄ変換器
７  連結部
８  Ｄ／Ａ変換部
９（９１〜９４）  抽出部
１０  分離部
１０１  共分散行列生成回路
１０２  固有ベクトル算出回路
１０３  白色化・無相関化及び電力正規化回路
１０４  分離行列生成回路
１０５  混合行列生成回路
１０６  信号分離処理回路
１１  算出部
１２  連結部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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