JP6437848B2 - 受信解析装置 - Google Patents
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Description
特許文献1には、既知の変調方式によるデジタル変調信号の理想的な信号波形を元にして、該信号波形に歪を付加して識別パラメータを測定する理想波形系と、実際のデジタル変調信号を収集して該デジタル変調信号の変調方式を分析し、分析された信号の識別パラメータを測定する実信号系と、識別対象となるデジタル信号を受信して該デジタル信号の識別パラメータを測定・比較して変調方式を識別する被識別信号系と、理想波形系および実信号系のそれぞれの計測した識別パラメータを記憶し、かつ、被識別信号系へ識別パラメータを供給するデータベースとを有することを特徴とする信号変調方式識別システムが記載されている。
図1は、本発明の一実施形態に係る無線通信システムの構成の一例を示すブロック図である。
図1において、210、220、230、240および250は各々送信装置を示し、100は受信解析装置を示す。
送信装置210、220、230、240および250は、基本的に、それぞれ周波数と送信時間が異なり(周波数が異なれば、送信時間は同じも可)、電波を送信するが、送信された電波を受信解析装置100で解析し、送信装置の個別識別、分類および特定を行う。
次に、本発明の一実施形態に係る無線通信システムの受信解析装置の構成について、図2を参照して説明する。図2は、本発明の一実施形態に係る無線通信システムの受信解析装置の構成の一例を示すブロック図である。
本発明の受信解析装置は、送信装置から送信された高周波信号を広帯域と狭帯域に分割して受信し、時間領域での高周波信号の状態を、立ち上がり状態、定常状態(送信状態)、無音状態(音声通信の場合)、立ち下り状態および異常状態の5つの状態に分割し、変調された高周波信号は搬送波と変調波に分離し、それぞれ必要に応じて、時間軸、周波数軸(位相変化も含む)に変換し、その結果をパラメータ化し、その組み合わせを入力として機械学習の手法を組み合わせ、受信信号の中から前述のパラメータの特性、その変動幅、変動速度を含め自動的に送信装置の個別識別、分類、並びに特定を行う。
本発明の受信解析装置100は、図2に示すように、受信アンテナ1と、アンテナ共用器2と、広帯域受信部3,時間波形/高帯域電力波形分析部4から成る広帯域受信解析部20と、狭帯域受信部5,変調波分離部6,アナログ変調/ディジタル変調判定・切替部7,変調波電力スペクトラム分析部8,音声出力部9,周波数補正部11から成る狭広帯域受信解析部30と、機械学習処理部10とから構成される。
アンテナ共用器2は、受信アンテナ1から入力された送信装置210、220、230、240および250からの電波から高周波信号502を取り出し、広帯域受信部3と狭帯域受信部5に出力する。
広帯域受信部3は、中心周波数サーチ機能、分析に必要な受信帯域幅をもち、アンテナ共用器2から入力された高周波信号を歪なく、所要のレベルまで増幅する。特に、受信周波数を中心(搬送波)として広範囲の周波数スプリアス(例えば、整数倍のスプリアス)及び時間的に急激な変化を忠実に増幅し、その出力をA/D変換し、次段以下のディジタル処理に必要な信号形態に変換し、出力信号503を出力する。
本来、変調波信号508の電力スペクトラムは、送信の帯域制限、フィルタ特性、回線の特性、受信系での帯域制限等で劣化した状態であり、特に電力スペクトラムの包絡線でヌル点が不明確になっている。したがって、変調波信号508にシンボルレート509の電力スペクトラムを重ねることにより、変調波の直流成分を中心に正の電力スペクトラムと負の電力スペクトラムは対象で、そのヌル点から、その周波数偏差との絶対値と偏差の±方向を正確に得ることが可能である。
変調波電力スペクトラム分析部8は、周波数の偏差と±の方向を符号付で信号514として周波数補正部11に出力する。
この一連の帰還制御の結果、この出力が適当な“0”と判断したら、その時の変調波電力スペクトラムを周波数補正部11に出力する。
機械学習処理部10は、時間波形/高帯域電力波形分析部4、狭帯域受信部5、変調波電力スペクトラム分析部8および音声出力部9からの出力信号を入力として、機械学習を行い、送信装置210,220,230,240,250の個別識別、分類、並びに特定を行う。
周波数補正部11では、狭帯域受信部5から出力された受信信号が受信帯域の中心近傍に来るように調整された信号を、変調波分離部6に必要な搬送周波数の位相変化分Δθとし、変調波信号508から求めた周波数偏差の位相変化分δθを加減算した位相Δθ±δθを変調波分離部6に出力し、変調波分離部6に使用の直交復調用搬送波として使用する。
この周波数補正部11での周波数補正は、変調波分離部6、アナログ変調/ディジタル変調判定・切替部7、変調波電力スペクトラム分析部8および周波数補正部11でループを構成し、周波数補正部11の周波数が適当な“0”とみなされるまでループ制御をおこなう。
図3に示すように、アナログ変調/ディジタル変調判定・切替部7は、不連続点検出及び周期検出部71と、ピッチ抽出及び有声音/無声音判定部72と、組み合せ判定・切替部73とから構成される。
不連続点検出及び周期検出部71は、不連続点検出及び周期を求めることにより、シンボルレートの検出を行う。
ピッチ抽出及び有声音/無声音判定部72は、ピッチ抽出、有声音/無声音判定を行う機能を有している。
組み合せ判定・切替部73は、不連続点検出及び周期検出部71およびピッチ抽出及び有声音/無声音判定部72からの情報の組み合わせをもとにアナログ変調かディジタル変調かの判定を行い、変調信号508、シンボルレート509、音声信号510および音声ピッチ周期511をそれぞれ出力する。
アナログ変調/ディジタル変調判定・切替部7に入力された入力信号507は、変調された高周波信号から変調波分離部6で搬送波と変調波に分離され、その変調波(信号成分)が不連続点検出及び周期検出部71およびピッチ抽出及び有声音/無声音判定部72に同時に入力される。
不連続点検出及び周期検出部71では、信号の不連続点の検出をおこない、その不連続点の基本的な周期(最も短い周期)を求める。その結果として、711としてディジタル通信の可能性の有/無、712としてその周期パルスを組み合せ判定・切替部73に出力する。一方、ピッチ抽出及び有声音/無声音判定部72では、ピッチ周期(時間間隔)と有声音/無声音を検出するため、音声の周波数軸での電力密度の違いで判定する。例えば1200Hz程度を境にどちらに分布密度が大きいかで判定する。
そこで、組み合せ判定・切替部73における判定の例を次に示す。
不連続点の有/無、周期性有/無、ピッチ周期有/無、および有声音/無声音の判定を行うと、
(1)不連続点有り、かつ周期性有り・・・この時はディジタル通信とする。
(2)ピッチ周期有/無、かつ有声音/無声音・・・合致の場合はアナログ音声通信とする。
(3)不連続点有、かつ周期性無・・・電信通信とする。
(4)その他は組み合わせ禁止とする。
[1]は変調波分離部6の直交復調器で分離された変調信号であって、ステップS101において、不連続点検出及び周期検出部71では、入力された変調信号の変調入力波形に不連続点があるかどうかを検出し、不連続点がある場合(有)は、[2]のようにステップS102に処理を進め、周期性の有無を検出する。その結果、ステップS102において、不連続点検出及び周期検出部71では、周期性がある場合(有)は、[3]のようにディジタル通信であると判定する。
次に、ステップS103において、ピッチ抽出及び有声音/無声音判定部72では、入力された変調信号を時間的な処理によってピッチ周期を抽出し、ピッチ周期を求める。ピッチ周期がある場合(有)は、[7]のようにステップS105に処理を進める。
ステップS105において、組み合せ判定・切替部73では、ピッチ周期と有声音とのAND処理がおこなわれ、ANDがとれた場合、すなわちピッチ周期があり、電力密度全体でも有声音の電力分布であると判断した場合、一次判定は[9]として音声と判断する。
また、ステップS104の判定において[10]のように無声音も音声の候補であるので、さらに[9]と[4]でステップS106のAND処理を行い、[11]では音声であると判定するが、時間領域で音声は無音になる状態があり、再度、ステップS107で判定(ピッチ周期の範囲、スペクトラムの平坦性等を使用)し、[12]と[5]の入力でステップS108のAND処理を行い、[14]では電信通信と判定する。
最後に、[3]、[13]および[14]において、優先順位は[3]のディジタル通信方式、[13]はアナログ(音声)通信、[14]では電信通信方式と判定する。
(1)時間領域で変化速度の速いもの、または周波数軸上で広い範囲にまたがる信号は広帯域受信で分析を行い、信号の変化速度が遅いか、または周波数軸で精度を要する性質の信号は狭帯域受信で分析を行い、二つの特性の異なる受信分析方法で、正確な特性の解析が可能となる。
(2)通信状態を5区分に分けることで、それぞれの特徴を正確に解析可能である。
(互いの区分が交錯し、平均化によって特徴が不正確になることを防止する。)
(3)また、上記解析結果をもとに、機械学習の手法で識別、分類をする場合に、入力空間の変化をすべての領域に及ぼさないように入力空間を分割することにより、より効率的で正確な識別・分類が可能となる。(例えば基底関数としてスプライン関数を使用する)
(4)実際の変調された高周波変調信号はそれぞれ高周波信号(キャリヤー成分)と変調信号(ベースバンド成分)が畳み込まれた状態にあり、その複合された信号をベースバンド成分とキャリヤー成分に分離することにより、ベースバンド信号(変調信号)の正確な解析が可能となる。
(音声信号/ディジタル変調信号の識別、音声の場合はその特徴、ディジタル変調の場合はその方式、通信速度の識別等)
(5)解析結果を蓄積することにより更なる、分類、識別が可能(学習効果)となる。
Claims (3)
- 受信アンテナと、アンテナ共用器と、広帯域受信部と、時間波形/高帯域電力波形分析部から成る広帯域受信解析部と、狭帯域受信部と、変調波分離部と、アナログ変調/ディジタル変調判定・切替部と、変調波電力スペクトラム分析部と、音声出力部と、周波数補正部と、機械学習処理部とから構成された受信解析装置において、
送信装置から送信された高周波信号を前記受信アンテナを介して前記アンテナ共用器に出力し、該アンテナ共用器は、前記高周波信号を広帯域と狭帯域に分割して前記広帯域受信部と狭帯域受信部に出力し、
前記広帯域受信部は、中心周波数をサーチする機能を有し、入力された高周波信号を所要のレベルに増幅し、前記時間波形/高帯域電力波形分析部に出力し、
前記狭帯域受信部は、前記サーチした結果の周波数情報をもとに、受信した前記高周波信号を受信帯域内の中心近傍となる周波数に設定し、前記変調波分離部及び前記機械学習処理部に出力し、且つ、入力された高周波信号が受信帯域の中心近傍に来るように調整された信号を前記変調波分離部に必要な搬送周波数として前記周波数補正部に出力し、
前記周波数補正部は、前記変調波電力スペクトラム分析部および前記狭帯域受信部からの信号をもとに、前記変調波分離部での変調波信号分離に必要な搬送波信号の周波数ずれを補正し、
前記アナログ変調/ディジタル変調判定・切替部は、前記変調波分離部より入力された信号より時間領域での位相不連続点を検出し、その周期からシンボルレートを求めるシンボルレート算出し、且つ、時間領域、周波数領域、周波数領域での比較等で音声を想定した、ピッチ抽出および有声音/無声音の判別を行う判別し、
前記変調波電力スペクトラム分析部および音声出力部により、前記算出したシンボルレートおよび前記判別した有声音/無声音の結果を基にアナログ通信かディジタル通信かを識別することで、前記設定した周波数、前記周波数ずれを補正した搬送周波数、前記算出したシンボルレートおよび前記判別した有声音/無声音の結果をパラメータ化したデータとし、
前記機械学習処理部は、前記パラメータ化したデータの組合せにより前記送信装置を個別識別することを特徴とする受信解析装置。 - 請求項1記載の受信解析装置において、
前記広帯域受信部、前記狭帯域受信部、前記変調分離部の出力は、それぞれ時間領域、周波数領域および位相領域に変換し、
時間領域では、高周波信号の立ち上がり、立ち下り、オーバーシュート、リンギング、
周波数領域では、近接領域でのキャリヤー周辺の位相雑音、近接の電力分布、送信雑音、
狭帯域ではキャリヤリーク、帯域内スプリアス、帯域外の減衰特性、各種変調方式の信号スペクトラム包絡波形、
ディジタル通信では、通信速度、変調方式、または、時間領域および周波数領域、必要に応じて位相領域も含み、それらの特性として少なくとも変動幅、変動速度、変動のパターンでパラメータ化することを特徴とする受信解析装置。 - 受信アンテナと、アンテナ共用器と、広帯域受信部と、時間波形/高帯域電力波形分析部から成る広帯域受信解析部と、狭帯域受信部と、変調波分離部と、アナログ変調/ディジタル変調判定・切替部と、変調波電力スペクトラム分析部と、音声出力部と、周波数補正部と、機械学習処理部とから構成された受信解析装置における受信解析方法おいて、
送信装置から送信された高周波信号を前記受信アンテナを介して前記アンテナ共用器に出力し、該アンテナ共用器は、前記高周波信号を広帯域と狭帯域に分割して前記広帯域受信部と狭帯域受信部に出力し、
前記広帯域受信部は、中心周波数をサーチする機能を有し、入力された高周波信号を所要のレベルに増幅し、前記時間波形/高帯域電力波形分析部に出力し、
前記狭帯域受信部は、前記サーチした結果の周波数情報をもとに、受信した前記高周波信号を受信帯域内の中心近傍となる周波数に設定し、前記変調波分離部及び前記機械学習処理部に出力し、且つ、入力された高周波信号が受信帯域の中心近傍に来るように調整された信号を前記変調波分離部に必要な搬送周波数として前記周波数補正部に出力し、
前記周波数補正部は、前記変調波電力スペクトラム分析部および前記狭帯域受信部からの信号をもとに、前記変調波分離部での変調波信号分離に必要な搬送波信号の周波数ずれを補正し、
前記アナログ変調/ディジタル変調判定・切替部は、前記変調波分離部より入力された信号より時間領域での位相不連続点を検出し、その周期からシンボルレートを求めるシンボルレート算出し、且つ、時間領域、周波数領域、周波数領域での比較等で音声を想定した、ピッチ抽出および有声音/無声音の判別を行う判別し、
前記変調波電力スペクトラム分析部および音声出力部により、前記算出したシンボルレートおよび前記判別した有声音/無声音の結果を基にアナログ通信かディジタル通信かを識別することで、前記設定した周波数、前記周波数ずれを補正した搬送周波数、前記算出したシンボルレートおよび前記判別した有声音/無声音の結果をパラメータ化したデータとし、
前記機械学習処理部は、前記パラメータ化したデータの組合せにより前記送信装置を個別識別することを特徴とする受信解析方法。
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