(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環境内に空間分散された複数の非同期センサからの信号を同期させる方法であって、
各センサによって前記環境から非同期信号を取得すること、
各センサにおいて、前記非同期信号の周波数とは実質的に互いに素な周波数の、同一のタイミング信号を受信すること、
各センサにおいて、前記同一のタイミング信号を前記非同期信号と結合すること、
各センサから前記結合された信号を受信すること、
各結合された信号を分離することによって、前記非同期信号および前記タイミング信号を再生すること、
再生されたタイミング信号に従って前記複数の非同期信号をそろえることによって、時間合わせされた信号を生成すること
を含む方法。
【請求項２】
前記非同期信号は音響であり、前記タイミング信号は電磁気である
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記非同期信号は、約２０Ｈｚ〜２０ＫＨｚの範囲の音響であり、前記タイミング信号は、高い側の端部の範囲の周波数を有する
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記複数のセンサからなる群が独立して同期され、
該群の１つのセンサで前記同一のタイミング信号を受信すること
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
低エネルギーの周波数において重なりが最小であり、高エネルギーの周波数において重なりが存在しない
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記互いに素な周波数は、周波数スペクトル上の複数の範囲に分散される
請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記非同期信号をフィルタリングすることによって、前記互いに素な周波数を得ること
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記フィルタリングは、時間領域のフィルタリングである
請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記フィルタリングは、周波数領域のフィルタリングである
請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記同一のタイミング信号は、フィルタリングされた白色雑音信号である
請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記同一のタイミング信号は、フィルタリングされた最大長系列である
請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
同期されたマルチチャネルオペレーションを前記時間合わせされた信号に適用すること
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記時間合わせされた信号を使用して、前記非同期信号の信号源の場所を特定すること
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
信号を同期させるシステムであって、
各センサが、
前記環境から非同期信号を取得する手段と、
前記非同期信号の周波数とは実質的に互いに素な周波数の、同一のタイミング信号を受信する手段と、
前記同一のタイミング信号を前記非同期信号と結合する手段と
をさらに備える、環境内に空間分散された複数の非同期センサと、
各センサから前記結合された信号を受信する手段と、
各結合された信号を分離して、前記非同期信号および前記タイミング信号を再生する手段と、
前記再生されたタイミング信号に従って前記複数の非同期信号をそろえて、時間合わせされた信号を生成する手段と
を備える信号プロセッサと
を備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、非同期センサから取得された信号を同期させることに関し、詳細には、信号処理を適用してセンサ間の同期誤差を求め、その誤差を補正することに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境モニタリングおよび環境調査の現在の傾向は、環境内のさまざまな場所に配置された複数のセンサを使用することである。センサの空間的な相違は、環境内の対象となるイベントの検出、イベントの場所の特定、およびイベントの抽出を行うのに使用することができる。
【０００３】
これらのタスクを正確に行うには、信号のサンプリングを同期させる必要がある。その際、信号のあらゆるタイミング差を使用して、信号源の場所を正確に特定することができ、また、信号を分離してさらに処理することができる。ソース信号が同期してサンプリングされない場合、時間差を確実に見積もることができず、イベントの検出、その位置の特定、およびイベントの抽出は、ひどく不正確になるか、または、不可能になる。
【０００４】
信号の同期を保証する１つの方法は、すべてのセンサのサンプリングプロセスを単一のマルチチャネルサンプリングコンポーネントによって制御することである。しかしながら、特に、センサが環境内に広く分散されて、容易にアクセスできない場合に、この方法は、センサの任意の配置を妨げる。センサの制御を集中化することは、センサが多数の場合に、非常に多くの費用を要する。
【０００５】
非同期センサから受信した信号を同期させる１つの方法は、あらゆるセンサに対して入力チャネルを追加し、取得した信号用に１つのチャネルを使用し、タイミング信号用に１つのチャネルを使用するものである。これは、システムのコストを増加させる。これについては、Lienhart等の「On The Importance of Exact Synchronization For Distributed Audio Signal Processing」, ICASSP, April 2003を参照されたい。
【０００６】
他の方法は、さまざまなセンサに同期クロックを必要とするものである。これについては、Pervasive Computing, 2004に掲載されるBletsas等の「Natural Spontaneous Order in Wireless Sensor Networks: Time Synchronization Based On Entrainment」を参照されたい。多数のセンサで高度に同期したクロックを維持することは困難であり、多くの費用を要する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、集中化制御も、追加チャネルも、同期クロックも必要とすることなく、センサ信号からタイミング情報を再生するコスト効率の良い効率的な方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によるシステムは、環境内に空間分散された複数の非同期センサを含む。
【０００９】
各センサは、環境をサンプリングして、非同期の入力信号を取得する。帯域制限されたタイミング信号が、非同期センサのタイミングガイドとして、各センサで受信される。タイミング信号と入力信号との間の干渉を最小にするために、タイミング信号の周波数は、入力信号の周波数とは実質的に互いに素になっている。
【００１０】
各センサにおいて、入力信号はタイミング信号と結合される。次いで、この結合された信号は、その後、フィルタを使用して処理され、入力信号およびタイミング信号を再生することができる。タイミング信号は、非同期信号の時間合わせを行うのに使用することができ、時間合わせされた信号は、次に、信号の同期を必要とするあらゆるマルチチャネルプロセスに適用することができる。例えば、プロセスは、信号源の場所を決定することができる。
【発明の効果】
【００１１】
複数の非同期センサから取得された信号を同期させる新たな方法が説明される。この方法は、複雑なハードウェアの変更を必要とすることもなく、変更しない場合に、従来技術におけるような所望の資源を消費することもない。この方法は、ビデオ、オーディオ、無線、または他の任意の時間に依存する信号領域等のさまざまな信号領域に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明によるシステム１００を示している。複数の非同期センサ１０１〜１０２が、環境１０３内に空間分散されている。各センサは、環境をサンプリングして、非同期入力信号１０４および１０５を取得する。
【００１３】
また、各センサは、例えば信号プロセッサ１１０から同一のタイミング信号１０６も受信する。このタイミング信号の周波数は、入力信号の周波数とは実質的に互いに素になっている。好ましい実施の形態では、入力信号は音響であり、タイミング信号は電磁気である。
【００１４】
各センサの非同期信号はタイミング信号と結合される（１２０）。タイミング信号の周波数が、センサが反応する周波数に近い場合、双方の信号に対して同じ回路装置を使用することができる。結合された信号１２１は、単一のチャネルを介して信号プロセッサ１１０によって受信される。複数のセンサからなる群を独立して同期させることができる場合、タイミング信号は、各群からの１つのセンサに供給される。
【００１５】
図２は、入力信号１０４およびタイミング信号１０６のスペクトルを、エネルギー２０１および周波数２０２の関数として示している。タイミング信号１０６は、入力信号がほとんどエネルギーを持たない周波数で生成される。図示するように、２つの信号の周波数は、双方の信号がほとんどエネルギーを有しない周波数帯域２０３においてわずかな重なりのみを有し、かなり異なっている。入力が、例えば約２０Ｈｚ〜２０ＫＨｚの範囲の自然に発生する音響信号である場合、タイミング信号は、音響信号の範囲の高い側の端部にすることができる。この端部では、通例、エネルギーは比較的低い。したがって、タイミング信号は、結合された信号で支配的となる。一般に、タイミング信号の周波数は、サンプリングのナイキスト周波数よりも高い。
【００１６】
あるいは、信号を帯域通過フィルタによってフィルタリングして、所望の周波数分離が行われる。信号の周波数整形は、従来の時間領域のフィルタリングまたは周波数領域のフィルタリングを使用して行うことができる。タイミング信号は、フィルタリングされた白色雑音信号、最大長系列をフィルタリングしたもの、または良好な自己相関特性を有する他の任意の信号とすることができる。
【００１７】
図３は、図１のシステム１００で動作する本発明による同期方法３００を示している。非同期入力信号３０１が各センサで取得される（３１０）。同一のタイミング信号３０２が受信される（３２０）。これらの入力信号およびタイミング信号は結合される（３３０）。結合された信号３３１は、フィルタリングされて（３４０）、結合された信号３３０の既知の周波数分離に基づき、入力信号３０１およびタイミング信号３０２が再生される。これは、その後のステップを円滑にするために、ＦＦＴに基づくフィルタリングで行うことができる。
【００１８】
また、３つのタイミング信号について、図４に示すように、再生されたタイミング信号４０１〜４０３に対して時間遅延４１１を見積もることができる（３５０）。これは、従来の信号相関技法またはピーク検出によって行うことができる。時間遅延の見積もりは成熟した課題である。好ましい実施の形態は、位相変換一般化相互相関（ＰＨＡＴ−ＧＣＣ（phase transform generalized cross-correlation））プロセスを使用する。これについては、Griebel等の「Microphone array source localization using realizable delay vectors」, IEEE Workshop on Appl. Sig. Proc. to Audio and Acoust., pp. 71-74, 2001を参照されたい。このプロセスは、信号分離ステップ３４０に使用されたのと同じＦＦＴオペレーションを利用する。
【００１９】
遅延は、センサによって取得された非同期サンプルの相対タイミングを示している。この相対タイミングは、適切な補正を行うのに使用することができる。例えば、完全に同時である場合には、相対遅延はゼロである。センサのうちの或るもののタイミングが、別のものよりも０．３秒だけ遅れている場合、この遅れを使用して、入力信号の時間を遅れに応じてシフトすることができる。
【００２０】
相対タイミングが判明している場合、再生された入力信号３０２の時間合わせを行うことができる。時間合わせが行われた信号３６１に対して、同期したマルチチャネルオペレーション３７０を行うことができる。
【００２１】
実際の用途では、センサは、時間差に加えてドリフトを受ける。これは、時間差が経時的に変化することを意味する。この場合、動的な再サンプリングを行って、同期した信号を再生できるか、または、オペレーション３７０がサンプルの小さなブロックに対して実行される。サンプルの小さなブロックでは、ブロックの継続時間の間、時間オフセットがほぼ一定に維持される。すなわち、ブロックは、１秒の長さよりも短い。
【００２２】
本発明は、好ましい実施の形態の例によって説明されているが、他のさまざまな適合および変更を本発明の精神および範囲内で行い得ることが理解されるべきである。したがって、本発明の真の精神および範囲内に入るこのようなすべての変形および変更をカバーすることが、添付した特許請求の範囲の目的である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明によるセンサシステムのブロック図である。
【図２】本発明による入力信号およびタイミング信号の周波数スペクトルのグラフである。
【図３】本発明による信号を同期させる方法のフロー図である。
【図４】非同期センサから受信されたタイミング信号の例である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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