(57)【要約】【課題】到来信号の信号数を精密に測定できる信号数推定装置を提供する。【解決手段】複数のアンテナ１１１〜１１ｐと、複数のアンテナ１１１〜１１ｐからの複数のアンテナ受信信号から求められる固有ベクトル方向の信号成分のスペクトル又は複数のアンテナ受信信号から独立成分分析により求められる分離信号成分のスペクトルを複数に分割し、分割された複数のスペクトルに基づき固有ベクトル方向の信号成分又は分離信号成分に信号が存在するか否かを判断する信号処理装置１５とを備える。【選択図】図１
2013074385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナと、
前記複数のアンテナからの複数のアンテナ受信信号から求められる固有ベクトル方向の信号成分のスペクトル又は前記複数のアンテナ受信信号から独立成分分析により求められる分離信号成分のスペクトルを複数に分割し、分割された複数のスペクトルに基づき前記固有ベクトル方向の信号成分又は前記分離信号成分に信号が存在するか否かを判断する信号処理装置と、
を備えることを特徴とする信号数推定装置。
【請求項２】
前記信号処理装置は、前記分割された複数のスペクトルの各周波数帯域成分を最小二乗法で直線近似して直線の傾きを求め、直線近似からの偏差の標準偏差を求め、分割した区間の前記直線の傾きが第１閾値以上で且つ前記標準偏差が第２閾値以上である場合に前記固有ベクトル方向の信号成分又は前記分離信号成分に信号が存在すると判断することを特徴とする請求項１記載の信号数推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、到来信号の信号数を推定する信号数推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信では、混信・干渉が存在し、その影響により信号処理性能が劣化する。混信・干渉の影響を抑圧する方法の前処理として、アレイアンテナの場合に到来方向を推定し、その推定方向の信号を抽出し、混信・干渉信号を抑圧する方法がとられている。その際、到来信号の信号数により、到来方向の推定値が変化してしまい、その結果として混信・干渉信号の抑圧性能が劣化する。
【０００３】
なお、非特許文献１乃至４には、情報理論の立場から固有値などを用いて到来信号数を求める方法が記載されている。非特許文献５には、ＭＵＳＩＣ法により到来方向を推定し、推定された到来方向に基づいた混信・干渉信号をＤＣＭＰなどの方法により抑圧する方法が記載されている。
【０００４】
さらに、非特許文献６には、混信・干渉信号を抑圧する方法として、信号の独立性を用いた独立成分分析法が記載されている。  
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】M.Wax and T.Kailath,”Detection of signals by information theoreteic criteria”,IEEE Trans.Acoust.,Speech,Signal Processing,Vol.ASSP-33,Apr.1985.
【非特許文献２】H.Akaike:”Information theory and an extension of the maximum likelihood proinciple,” in Proc.2ndInt.Symp.Inform.Theory,suppl.Problems of Control and Inform.Theory,1973,pp.267-281.
【非特許文献３】J.Rissanen:”Modeling by shortest data description,”Automatica,vol.14,pp.465-471,1978.
【非特許文献４】G.Schwartz:”Estimating the dimension of a model,”Ann.Stat.,vo.6,pp.461-464,1978.
【非特許文献５】菊間信良：”アレーアンテナによる適用信号処理”,科学技術出版,1999.
【非特許文献６】村田昇：”入門  独立成分分析”東京電機大学出版局
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した情報理論の立場から固有値などを用いて到来信号数を求める方法の前提条件は、信号が独立性を有し、ノイズが正規分布していることであるが、実際には、独立性がないコヒーレントマルチパス信号が存在しているため、コヒーレントマルチパス信号を含む受信信号の信号数は不明確である。さらに、特定方向から到来する広帯域雑音成分などがあり、アレイアンテナ素子数を超える信号（雑音も含む）が存在しているため、信号数推定が不明確になる。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、到来信号の信号数を精密に測定できる信号数推定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態に係る信号数推定装置によれば、複数のアンテナと、前記複数のアンテナからの複数のアンテナ受信信号から求められる固有ベクトル方向の信号成分のスペクトル又は前記複数のアンテナ受信信号から独立成分分析により求められる分離信号成分のスペクトルを複数に分割し、分割された複数のスペクトルに基づき前記固有ベクトル方向の信号成分又は前記分離信号成分に信号が存在するか否かを判断する信号処理装置とを備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る信号数推定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係る信号数推定装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施形態に係る信号数推定装置のスペクトル分割方法の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、アレイアンテナで受信した信号による相関行列から求められる固有ベクトル方向の信号成分又は独立成分分析分離信号成分のスペクトル成分及びこの射影成分信号のスペクトルを複数（３以上）に分割し、各周波数帯域成分を最小二乗法で直線近似して直線の傾きを求め、直線近似からの偏差の標準偏差を求め、分割した区間の傾きと標準偏差を比較し、指定した閾値以上の違いがあった場合には、何らかの信号が存在すると判断する。即ち、本発明は、固有ベクトル方向信号成分又は独立成分分析分離信号成分と複数分割比較方式を組み合わせていることを特徴とする。
【００１１】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【第１の実施形態】
【００１２】
図１は、第１の実施形態に係る信号数推定装置の構成を示すブロック図である。信号数推定装置は、信号処理系から構成されており、ｐ個（ｐは２以上の整数）の通信電波受信用のアンテナ１１１〜１１ｐ、ｐ個のアンプ１２１〜１２ｐ、ｐ個の周波数変換部１３１〜１３ｐ、ｐ個のデジタイザ１４１〜１４ｐ、信号処理装置１５および表示部１６を備えている。
【００１３】
ｐ個のアンテナ１１１〜１１ｐは、外部から到来する電波を受信してアナログの電気信号に変換し、ｐ個のアンプ１２１〜１２ｐにそれぞれ送る。
【００１４】
ｐ個のアンプ１２１〜１２ｐは、ｐ個のアンテナ１１１〜１１ｐからそれぞれ送られてくる電気信号を増幅し、ｐ個の周波数変換部１３１〜１３ｐにそれぞれ送る。
【００１５】
ｐ個の周波数変換部１３１〜１３ｐは、ｐ個のアンプ１２１〜１２ｐからそれぞれ送られてくる増幅された電気信号の周波数を変換し、ｐ個のデジタイザ１４１〜１４ｐにそれぞれ送る。
【００１６】
ｐ個のデジタイザ１４１〜１４ｐは、ｐ個の周波数変換部１３１〜１３ｐからそれぞれ送られてくる周波数変換されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、アンテナ受信信号として信号処理装置１５に送る。
【００１７】
信号処理装置１５は、この信号数推定装置の主要部であり、到来信号の信号数を推定する。この信号処理装置１５は、到来信号の信号数推定のために、ｐ個のデジタイザ１４１〜１４ｐからそれぞれ送られてくるｐ個のアンテナ受信信号に基づき、固有ベクトルを用いて到来信号の信号数を推定する。なお、この信号処理装置１５の詳細な処理については、後述する。
【００１８】
この信号処理装置１５で行う信号数推定は、１つのＣＰＵ（Central Processing Unit）で行うこともできるし、複数のＣＰＵで並行して行うこともできる。
【００１９】
表示部１６は、ディスプレイを含むパーソナルコンピュータから構成されており、信号処理装置１５における処理結果を表示する。この表示部１６は、パーソナルコンピュータを複数用意して並行に処理を行うように構成することができる。
【００２０】
次に、上記のように構成される第１の実施形態に係る信号数推定装置の動作を説明する。図２は、第１の実施形態に係る信号数推定装置において実行される信号数推定処理を示すフローチャートである。信号数推定処理は、信号処理装置１５おいて実行される。
【００２１】
まず、受信信号相関行列作成・固有値・固有ベクトル計算が実行される（ステップＳ１１）。信号処理系１のアンテナ１１１〜１１ｐで受信された信号ｓは、下記式により表される。アンテナ受信信号Ｘから相関行列Ｒを求め、求められた相関行列Ｒから固有ベクトル（E1~Ep）と固有値ｍ１〜mｐを求める。
【数１】
2013074385.tif 000003
【００２２】
R:  観測された信号の相関行列
p:  アンテナ素子数
X:  アンテナ受信信号（１〜ｐ）
Es:  固有ベクトル（E1~Ep）を列成分としてもつ行列
Λ: 固有値を対角要素に持つ正方行列
ｍ１〜mｐ: 固有ベクトルに対応した固有値
ここで、Ｈは共役転置を示す。
【００２３】
次に、固有ベクトル方向信号成分計算が実施される（ステップＳ１２）。固有ベクトルｋ（１≦ｋ≦ｐ）方向信号成分は、次のように求められる。
【数２】
2013074385.tif 000004
【００２４】
なお、ここで求めた固有ベクトル方向信号成分について、ステップＳ１５（固有ベクトル方向信号成分のＦＦＴ計算）以降による信号数推定を実施しても良い。
【００２５】
次に、非特許文献６に記載された独立成分分析手法により、固有ベクトルを使用し、複数の推定到来信号成分を分離する分離行列Ｗを求める。
【数３】
2013074385.tif 000005
【００２６】
Ｗ: 信号分離行列
A: モードベクトル成分（U１〜Un）を列成分として持つ行列（アレイマニフォールド）
s1~sn: ｎ個の信号データ（独立成分）
Σ: 各アンテナの受信ノイズ成分(ζ1~ζp)
ここで、Ｔは転置を示す。
【００２７】
次に、分離信号成分計算が実施される（ステップＳ１４）。分離行列Ｗを用いて、分離信号は、次のように求められる。
【数４】
2013074385.tif 000006
【００２８】
分離行列の添え字のｋは、Ｗ行列のｋ行成分を示す。
【００２９】
（７）式により求められた分離信号成分のスペクトルの状態を判断し、信号数推定を実施する。
【００３０】
次に、分離信号成分のＦＦＴ計算が実施される（ステップＳ１５）。即ち、k番目の分離信号成分をＦＦＴ処理し、複素周波数成分が計算される。
【数５】
2013074385.tif 000007
【００３１】
このとき、skは、Ｎデータ数分の分離信号成分を示す。周波数・スペクトルデータ（ログ表現）は、次のように計算される。
【数６】
2013074385.tif 000008
【００３２】
ここで、Ｓの添え字の＊は、複素共役を表している。Ｎは、Ｓkのデータ数を示している。
【００３３】
次に、（９）式で求められた、ｋ（１≦ｋ≦ｐ）番目のスペクトルデータから信号の有無を判定する。スペクトルデータＰｋ（ｆ）は、Ｎ個の成分から構成されている。このスペクトルデータＰｋ（ｆ）を、ｍ（３≦ｍ）分割する（ステップＳ１６）。
【００３４】
図３にスペクトルデータＰｋ（ｆ）を３分割する例を示す。図３に示すように、スペクトルデータＰｋ（ｆ）をグループＧＰ１、ＧＰ２、ＧＰ３に等分割する方法、グループＧＰ１とグループＧＰ２とが重なり且つグループＧＰ２とグループＧＰ３とが重なる共通データを持つ分割の方法、グループＧＰ１、ＧＰ２、ＧＰ３に不均一に分割する方法などがある。いずれの分割方法でも１区間のデータの数が１００程度以上になるようにする。
【００３５】
このため、信号数ｎを最初にゼロにし（ステップＳ１７）、分割データ数が１００以上かどうかが調べられる（ステップＳ１８）。分割データが１００未満である場合には、分割区間が１００以上になるように、スベクトルデータの分割方法を変更し調整される（ステップＳ１９）。
【００３６】
次に、分割された各区間について、最小二乗法による直線近似を計算する（ステップＳ２０）。直線近似式は、式（１０）で与えられ、その係数は（１１）式により求められる。
【数７】
2013074385.tif 000009
【００３７】
ここで、ｉ(（１≦ｉ≦ｍ）は、分割した区間を示す識別子、Ｔは転置を表す。また、Ｕ行列に含まれるｘは、係数Ｃを求めるために使用する変数であり、整数（1,2,3,…,N）や、スペクトルに対応する周波数（f1,f2,….,fN）、相対周波数(0,(f2-f1),(f3-f1),…,(fN-f1))でも良い。
【００３８】
推定した直線近似からの偏差を（１３）式により計算し、標準偏差σを（１５）式により求める（ステップＳ２１）。
【００３９】
求められた係数の中で大きさが最小なものを求める。
【数８】
2013074385.tif 000010
【００４０】
求められた最小値により、全係数の絶対値を割る。
【数９】
2013074385.tif 000011
【００４１】
この要素の中で、予め指定された閾値ε1より大きなものが存在する場合（ステップＳ２２のＹＥＳ）、その区間にスペクトルの変化が見られ、信号が存在すると判断する。
【００４２】
なお、前記要素の中で、予め指定された閾値ε1より大きなものが存在しない場合（ステップＳ２２のＮＯ）、ｊを１だけインクリメントし（ステップＳ２３）、ｊがｍよりも小さい場合には（ステップＳ２４のＮＯ）、ステップＳ２２の処理に戻り、ｊがｍよりも大きい場合には（ステップＳ２４のＹＥＳ）、分離信号成分無しと判定し（ステップＳ２５）、ステップＳ３１の処理に進む。
【００４３】
さらに、求めた標準偏差σで最小のものを求め、同様の処理を実施する。
【数１０】
2013074385.tif 000012
【００４４】
この標準偏差の比の中で、予め指定された閾値ε2より大きなものが存在する場合（ステップＳ２６のＹＥＳ）、その区間にスペクトルの変化が見られ、信号が存在すると判断する。
【００４５】
即ち、係数を用いた判定と標準偏差による判定により、両方とも閾値以上であった場合、ｋ番目のデータ（固有ベクトル方向の信号成分又は分離信号成分）には、信号が存在すると判断する。
【００４６】
全てのデータ（１〜ｐ）について、同様の判定を行い（ステップＳ３０、Ｓ３１）、信号有りと判定された数ｎを、到来信号数とする（ステップＳ３２）。
【００４７】
なお、標準偏差の比の中で、予め指定された閾値ε２より大きなものが存在しない場合（ステップＳ２６のＮＯ）、ｊがｍよりも小さい場合には（ステップＳ２７のＮＯ）、ｊを１だけインクリメントして（ステップＳ２８）、ステップＳ２２の処理に戻り、ｊがｍよりも大きい場合には（ステップＳ２７のＹＥＳ）、分離信号成分無しと判定し（ステップＳ２９）、ステップＳ３１の処理に進む。
【００４８】
このように、第１の実施形態に係る信号数推定装置によれば、受信した信号による相関行列から求められる固有ベクトル方向の信号成分又は独立成分分析分離信号成分のスペクトル成分及びこの射影成分信号のスペクトルを複数（３以上）に分割し、各周波数帯域成分を最小二乗法で直線近似して直線の傾きを求め、直線近似からの偏差の標準偏差を求め、分割した区間の傾きと標準偏差を比較し、指定した閾値以上の違いがあった場合には、何らかの信号が存在すると判断するので、到来信号の信号数を精密に測定できる。
【００４９】
以上のように、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
１１１〜１１ｐ  アンテナ
１２１〜１２ｐ  アンプ
１３１〜１３ｐ  周波数変換部
１４１〜１４ｐ  デジタイザ
１５  信号処理装置
１６  表示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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