JP5761812B2 - Signal processing system and signal processing method - Google Patents
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Description
本発明は、信号を圧縮及び復元する信号処理システム及び信号処理方法に関する。 The present invention relates to a signal processing system and a signal processing method for compressing and decompressing a signal.
入力データ信号の圧縮を行い、その結果から復元する枠組みを圧縮センシングと称する。ここで、圧縮とは信号とランダム圧縮行列の掛け算のことである。ランダム圧縮行列とは、行数が列数より少ない行列であり、行列の要素はランダム変数で構成される。行数が列数より少ないことで、入力データ信号とランダム圧縮行列の掛け算の結果で出力する信号が、入力信号より少なくなることで圧縮が可能である。 A framework for compressing an input data signal and restoring the result is called compressed sensing. Here, compression is multiplication of a signal and a random compression matrix. A random compression matrix is a matrix having fewer rows than columns, and the elements of the matrix are composed of random variables. When the number of rows is less than the number of columns, compression is possible because the signal output as a result of multiplication of the input data signal and the random compression matrix is less than the input signal.
この圧縮センシング技術では、圧縮したデータをランダム圧縮行列を参照し、L1―MINIMIZATION(L1最小化)等の方法を用いて元の信号に復元する(例えば、非特許文献1参照)。 In this compression sensing technique, the compressed data is restored to the original signal by using a method such as L1-MINIMATION (L1 minimization) with reference to a random compression matrix (see, for example, Non-Patent Document 1).
しかしながら、上記ランダム圧縮行列による圧縮処理には、行列演算処理の負荷が重いため、圧縮及び復元処理時間が長くなってしまうという問題がある。 However, the compression processing using the random compression matrix has a problem that the processing time for compression and decompression becomes long because the load of the matrix operation processing is heavy.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、圧縮センシングにおける圧縮及び復元処理の負荷を軽減する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。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a signal processing system and a signal processing method that can reduce the load of compression and decompression processing in compressed sensing.
本発明は、リモート局と中央局とを備え、前記リモート局が伝送路を介して前記中央局と通信可能に接続された信号処理システムであって、前記リモート局は、入力アナログ信号をデジタル信号に変換し、前記中央局から受信したコントロール情報に含まれる圧縮センシングフレームのサイズの情報に従って該サイズによる圧縮センシングフレーム単位により変換後のデジタル信号を出力するAD変換部と、前記AD変換部が出力した前記デジタル信号を前記圧縮センシングフレーム毎に分けて高速フーリエ変換処理を実行して周波数領域の信号を出力する高速フーリエ変換部と、前記中央局から受信した前記コントロール情報に含まれる圧縮センシングフレームのサイズとランダム圧縮行列の行数および列数の情報に従って、各行が列数より少ない所定数の非ゼロのランダム値の成分を有し、各列が行数より少ない所定数の非ゼロのランダム値の成分を有し、各非ゼロの成分の位置がランダムに決定されたランダム圧縮行列を生成するランダム圧縮行列生成部と、前記高速フーリエ変換部が出力した信号と前記ランダム圧縮行列の行列掛け算を行うことにより前記信号を圧縮する圧縮部と、前記圧縮部が出力した圧縮信号を前記伝送路を介して前記中央局へ送信するとともに、前記中央局が送信した前記圧縮センシングフレームのサイズと前記ランダム圧縮行列の行数および列数の情報を含む前記コントロール情報を前記伝送路を介して受信する第1の通信部とを備え、前記中央局は、前記リモート局が送信した前記圧縮信号を前記伝送路を介して受信するとともに、前記コントロール情報を前記伝送路を介して前記リモート局へ送信する第2の通信部と、前記圧縮センシングフレームのサイズと前記ランダム圧縮行列の行数および列数とランダム復元行列の行数および列数の情報を生成し、該情報に基づき前記ランダム圧縮行列の生成のために前記リモート局に送信する前記コントロール情報を生成する制御部と、前記制御部が生成した前記圧縮センシングフレームのサイズとランダム復元行列の行数および列数の情報に従って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、前記ランダム復元行列を用いて前記リモート局から受信した前記圧縮信号を復元処理することにより元のデジタル信号を復元する復元部とを備え、前記復元処理は、グラフ表現を用いたL1最適化問題を解く際の近似値を求めることにより前記信号の復元を行うことを特徴とする信号処理システムである。 The present invention is a signal processing system comprising a remote station and a central station , wherein the remote station is communicably connected to the central station via a transmission path, and the remote station converts an input analog signal into a digital signal And an AD converter that outputs a converted digital signal in units of compressed sensing frames according to the size according to information on the size of the compressed sensing frame included in the control information received from the central station, and the AD converter outputs a fast Fourier transform unit for the digital signal and outputs the signal in the frequency domain by performing a fast Fourier transform process separately for each of the compressed sensing frame, a compressed sensing frames included in the control information received from the central office Each row is the number of columns according to the size and the number of rows and columns information of the random compression matrix. Have fewer predetermined number of components of the random non-zero value, randomly each column has a component of the random non-zero value of a predetermined number smaller than the number of lines, the position of the components of each non-zero is determined randomly A random compression matrix generation unit that generates a compression matrix; a compression unit that compresses the signal by performing matrix multiplication of the signal output from the fast Fourier transform unit and the random compression matrix ; and a compressed signal output from the compression unit and transmits to the central station via the transmission path, the transmission path of the control information the central station that contains the size and number of rows and columns of information of the random compression matrix of the compressed sensing frame transmitted and a first communication unit received through said central station, the compressed signal the remote station transmits as well as receives via the transmission path, the controlling The second communication unit, number of rows and the number of columns size and the number of rows of random compression matrix and columns and random recovery matrix of the compressed sensing frame for transmitting Lumpur information to the remote station via the transmission path And generating the control information to be transmitted to the remote station for generating the random compression matrix based on the information, the size of the compressed sensing frame generated by the control unit, and random restoration random recovery matrix generator for generating a random recovery matrix according to a row number and information number of columns of the matrix, the original digital signal by restoring processing the compressed signals received from the remote station using the random recovery matrix A restoration unit for restoration, wherein the restoration process is to obtain an approximate value when solving the L1 optimization problem using a graph expression. The signal processing system further performs the restoration of the signal .
本発明は、リモート局と中央局とを備え、前記リモート局が伝送路を介して前記中央局と通信可能に接続された信号処理システムであって、前記リモート局は、入力アナログ信号をデジタル信号に変換し、前記中央局から受信したコントロール情報に含まれる圧縮センシングフレームのサイズの情報に従って該サイズによる圧縮センシングフレーム単位により変換後のデジタル信号を出力するAD変換部と、前記AD変換部が出力した前記デジタル信号を前記圧縮センシングフレーム毎に分けて高速フーリエ変換処理を実行して周波数領域の信号を出力する高速フーリエ変換部と、前記中央局から受信した前記コントロール情報に含まれる圧縮センシングフレームのサイズとランダム圧縮行列の行数および列数の情報に従って、各行が列数より少ない所定数の非ゼロの値として1の成分を有し、各列が行数より少ない所定数の非ゼロの値として1の成分を有し、各非ゼロの成分の位置がランダムに決定されたランダム圧縮行列を生成するランダム圧縮行列生成部と、前記高速フーリエ変換部が出力した信号と前記ランダム圧縮行列の行列掛け算を行うことにより前記信号を圧縮する圧縮部と、前記圧縮部が出力した圧縮信号を前記伝送路を介して前記中央局へ送信するとともに、前記中央局が送信した前記圧縮センシングフレームのサイズと前記ランダム圧縮行列の行数および列数の情報を含む前記コントロール情報を前記伝送路を介して受信する第1の通信部とを備え、前記中央局は、前記リモート局が送信した前記圧縮信号を前記伝送路を介して受信するとともに、前記コントロール情報を前記伝送路を介して前記リモート局へ送信する第2の通信部と、前記圧縮センシングフレームのサイズと前記ランダム圧縮行列の行数および列数とランダム復元行列の行数および列数の情報を生成し、該情報に基づき前記ランダム圧縮行列の生成のために前記リモート局に送信する前記コントロール情報を生成する制御部と、前記制御部が生成した前記圧縮センシングフレームのサイズとランダム復元行列の行数および列数の情報に従って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、前記ランダム復元行列を用いて前記リモート局から受信した前記圧縮信号を復元処理することにより元のデジタル信号を復元する復元部とを備え、前記復元処理は、グラフ表現を用いたL1最適化問題を解く際の近似値を求めることにより前記信号の復元を行うことを特徴とする信号処理システムである。 The present invention is a signal processing system comprising a remote station and a central station , wherein the remote station is communicably connected to the central station via a transmission path, and the remote station converts an input analog signal into a digital signal And an AD converter that outputs a converted digital signal in units of compressed sensing frames according to the size according to information on the size of the compressed sensing frame included in the control information received from the central station, and the AD converter outputs a fast Fourier transform unit for the digital signal and outputs the signal in the frequency domain by performing a fast Fourier transform process separately for each of the compressed sensing frame, a compressed sensing frames included in the control information received from the central office Each row is the number of columns according to the size and the number of rows and columns information of the random compression matrix. A small predetermined number of non-zero values has one component, each column has a predetermined number of non-zero values less than the number of rows, one component, and the position of each non-zero component is randomly determined random compressing matrix generating unit that generates a random compressed matrix has a compression unit for compressing the signal by performing matrix multiplication of the signal the fast Fourier transform unit has output said random compression matrix, said compression unit has output the compressed signal and transmits to the central station via the transmission path, the said control information including the size and number of rows and number of columns information of the random compression matrix of the compressed sensing frame the central station transmits transmission and a first communication unit that receives via the road, the central station, the compressed signal the remote station transmits as well as receives via the transmission path, the controlling The second communication unit, number of rows and the number of columns size and the number of rows of random compression matrix and columns and random recovery matrix of the compressed sensing frame for transmitting Lumpur information to the remote station via the transmission path And generating the control information to be transmitted to the remote station for generating the random compression matrix based on the information, the size of the compressed sensing frame generated by the control unit, and random restoration random recovery matrix generator for generating a random recovery matrix according to a row number and information number of columns of the matrix, the original digital signal by restoring processing the compressed signals received from the remote station using the random recovery matrix A restoration unit for restoration, wherein the restoration process is to obtain an approximate value when solving the L1 optimization problem using a graph expression. The signal processing system further performs the restoration of the signal .
本発明は、リモート局と中央局とを備え、前記リモート局が伝送路を介して前記中央局と通信可能に接続された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、入力アナログ信号をデジタル信号に変換し、前記中央局から受信したコントロール情報に含まれる圧縮センシングフレームのサイズの情報に従って該サイズによる圧縮センシングフレーム単位により変換後のデジタル信号を出力するAD変換ステップと、前記AD変換ステップにより出力した前記デジタル信号を前記圧縮センシングフレーム毎に分けて高速フーリエ変換処理を実行して周波数領域の信号を出力する高速フーリエ変換ステップと、前記中央局から受信した前記コントロール情報に含まれる圧縮センシングフレームのサイズとランダム圧縮行列の行数および列数の情報に従って、各行が列数より少ない所定数の非ゼロのランダム値の成分を有し、各列が行数より少ない所定数の非ゼロのランダム値の成分を有し、各非ゼロの成分の位置がランダムに決定されたランダム圧縮行列を生成するランダム圧縮行列生成ステップと、前記高速フーリエ変換ステップにより出力した信号と前記ランダム圧縮行列の行列掛け算を行うことにより前記信号を圧縮する圧縮ステップと、前記圧縮ステップにより出力した圧縮信号を前記伝送路を介して前記中央局へ送信するとともに、前記中央局が送信した前記圧縮センシングフレームのサイズと前記ランダム圧縮行列の行数および列数の情報を含む前記コントロール情報を前記伝送路を介して受信する第1の通信ステップとを実行し、前記中央局が、前記リモート局が送信した前記圧縮信号を前記伝送路を介して受信するとともに、前記コントロール情報を前記伝送路を介して前記リモート局へ送信する第2の通信ステップと、前記圧縮センシングフレームのサイズと前記ランダム圧縮行列の行数および列数とランダム復元行列の行数および列数の情報を生成し、該情報に基づき前記ランダム圧縮行列の生成のために前記リモート局に送信する前記コントロール情報を生成する制御ステップと、前記制御ステップにより生成した前記圧縮センシングフレームのサイズとランダム復元行列の行数および列数の情報に従って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、前記ランダム復元行列を用いて前記リモート局から受信した前記圧縮信号を復元処理することにより元のデジタル信号を復元する復元ステップとを実行し、前記復元処理は、グラフ表現を用いたL1最適化問題を解く際の近似値を求めることにより前記信号の復元を行うことを特徴とする信号処理方法である。 The present invention is a signal processing method performed by a signal processing system including a remote station and a central station , the remote station being communicably connected to the central station via a transmission path , wherein the remote station has an input AD conversion step of converting an analog signal into a digital signal and outputting a digital signal after conversion in units of compressed sensing frames according to the size according to information on the size of the compressed sensing frame included in the control information received from the central station ; and fast Fourier transform step of outputting a signal in the frequency domain the digital signal output by the AD conversion step to perform a fast Fourier transform process separately for each of the compressed sensing frame, included in the control information received from the central office Compressed sensing frame size and random compression matrix rows And each column has a predetermined number of non-zero random value components less than the number of columns, and each column has a predetermined number of non-zero random value components less than the number of columns, random compressed matrix generating step of the zero position of the component to generate a random compressed matrix determined at random, to compress the signal by performing matrix multiplication of the output signal and the random compression matrix by the fast Fourier transform step a compression step, the compressed signal output by the compression step and transmits to the central station via the transmission path, number of rows and the number of columns size as the random compression matrix of the compressed sensing frame the central station transmits said control information including the information to perform a first communication step of receiving through the transmission path, said central station, said Said compressed signal moat station transmits as well as received through the transmission path, a second communication step of transmitting the control information to the remote station via the transmission path, the size of the compressed sensing frame the Information on the number of rows and columns of the random compression matrix and the number of rows and columns of the random decompression matrix is generated, and the control information to be transmitted to the remote station for generating the random compression matrix is generated based on the information A random restoration matrix generating step for generating a random restoration matrix according to the information of the size of the compressed sensing frame generated by the control step and the number of rows and the number of columns of the random restoration matrix, and the random restoration matrix original digital by restoring processing the compressed signal received from the remote station Perform a restoration step for restoring the signal, the restoration processing is a signal processing method and performing restoration of the signal by obtaining an approximate value in solving the L1 optimization problem using graph representation There is .
本発明は、リモート局と中央局とを備え、前記リモート局が伝送路を介して前記中央局と通信可能に接続された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、入力アナログ信号をデジタル信号に変換し、前記中央局から受信したコントロール情報に含まれる圧縮センシングフレームのサイズの情報に従って該サイズによる圧縮センシングフレーム単位により変換後のデジタル信号を出力するAD変換ステップと、前記AD変換ステップにより出力した前記デジタル信号を前記圧縮センシングフレーム毎に分けて高速フーリエ変換処理を実行して周波数領域の信号を出力する高速フーリエ変換ステップと、前記中央局から受信した前記コントロール情報に含まれる圧縮センシングフレームのサイズとランダム圧縮行列の行数および列数の情報に従って、各行が列数より少ない所定数の非ゼロの値として1の成分を有し、各列が行数より少ない所定数の非ゼロの値として1の成分を有し、各非ゼロの成分の位置がランダムに決定されたランダム圧縮行列を生成するランダム圧縮行列生成ステップと、前記高速フーリエ変換ステップにより出力した信号と前記ランダム圧縮行列の行列掛け算を行うことにより前記信号を圧縮する圧縮ステップと、前記圧縮ステップにより出力した圧縮信号を前記伝送路を介して前記中央局へ送信するとともに、前記中央局が送信した前記圧縮センシングフレームのサイズと前記ランダム圧縮行列の行数および列数の情報を含む前記コントロール情報を前記伝送路を介して受信する第1の通信ステップとを実行し、前記中央局が、前記リモート局が送信した前記圧縮信号を前記伝送路を介して受信するとともに、前記コントロール情報を前記伝送路を介して前記リモート局へ送信する第2の通信ステップと、前記圧縮センシングフレームのサイズと前記ランダム圧縮行列の行数および列数とランダム復元行列の行数および列数の情報を生成し、該情報に基づき前記ランダム圧縮行列の生成のために前記リモート局に送信する前記コントロール情報を生成する制御ステップと、前記制御ステップにより生成した前記圧縮センシングフレームのサイズとランダム復元行列の行数および列数の情報に従って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、前記ランダム復元行列を用いて前記リモート局から受信した前記圧縮信号を復元処理することにより元のデジタル信号を復元する復元ステップとを実行し、前記復元処理は、グラフ表現を用いたL1最適化問題を解く際の近似値を求めることにより前記信号の復元を行うことを特徴とする信号処理方法である。 The present invention is a signal processing method performed by a signal processing system including a remote station and a central station , the remote station being communicably connected to the central station via a transmission path , wherein the remote station has an input AD conversion step of converting an analog signal into a digital signal and outputting a digital signal after conversion in units of compressed sensing frames according to the size according to information on the size of the compressed sensing frame included in the control information received from the central station ; and fast Fourier transform step of outputting a signal in the frequency domain the digital signal output by the AD conversion step to perform a fast Fourier transform process separately for each of the compressed sensing frame, included in the control information received from the central office Compressed sensing frame size and random compression matrix rows And according to the number of columns information, each row has one component as a predetermined number of non-zero values less than the number of columns, and each column has one component as a predetermined number of non-zero values less than the number of rows, random compressed matrix generating step the position of components of each non-zero for generating a random compressed matrix determined randomly, the signal by performing matrix multiplication of the output signal and the random compression matrix by the fast Fourier transform step a compression step of compressing, the compressed signal output by said compression step and transmits to the central station via the transmission path, the number of row size and said random compression matrix of the compressed sensing frame the central station transmits and said control information including information on the number of columns running a first communication step of receiving through the transmission path, said central station, said Said compressed signal moat station transmits as well as received through the transmission path, a second communication step of transmitting the control information to the remote station via the transmission path, the size of the compressed sensing frame the Information on the number of rows and columns of the random compression matrix and the number of rows and columns of the random decompression matrix is generated, and the control information to be transmitted to the remote station for generating the random compression matrix is generated based on the information A random restoration matrix generating step for generating a random restoration matrix according to the information of the size of the compressed sensing frame generated by the control step and the number of rows and the number of columns of the random restoration matrix, and the random restoration matrix original digital by restoring processing the compressed signal received from the remote station Perform a restoration step for restoring the signal, the restoration processing is a signal processing method and performing restoration of the signal by obtaining an approximate value in solving the L1 optimization problem using graph representation There is .
本発明によれば、圧縮センシングにおける圧縮処理の負荷を軽減することができるという効果が得られる。そのため、圧縮処理に要する時間を短縮することができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the load of compression processing in compression sensing. Therefore, the time required for the compression process can be shortened.
<第1の実施形態>
[信号処理システムの全体構成]
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態による信号処理システムを説明する。図1は、本実施形態における信号処理システム100の構成を示すブロック図である。この図に示す信号処理システム100は、圧縮センシング部101、信号復元部102、ランダム圧縮行列生成部103およびランダム復元行列生成部104を備える。圧縮センシング部101は、ランダム圧縮行列生成部103により生成されたランダム圧縮行列を利用して入力信号を圧縮し、圧縮信号を出力する。信号復元部102は、ランダム復元行列生成部104により生成されたランダム復元行列を利用して圧縮信号を復元し、復元信号を出力する。
<First Embodiment>
[Overall configuration of signal processing system]
Hereinafter, a signal processing system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a
ランダム圧縮行列生成部103は、各行と各列あたりにK個とJ個の非ゼロのランダム値を持つランダム行列を生成する。ここで、KとJはそれぞれランダム圧縮行列の行数と列数より少ない数である。図2に、ランダム圧縮行列の行数と列数が4と10の場合に、KとJが5と2の場合のランダム圧縮行列の例を示す。各行には、5個のみの成分が非ゼロの値を持ち、各列は2個のみ成分が非ゼロの値を持つ。各非ゼロの値と非ゼロの値を持つ成分の位置はランダムに決定される。ランダム復元行列生成部104は、ランダム圧縮行列生成部が生成したランダム圧縮行列と同様な行列を生成し、ランダム復元行列とする。
The random compression
図3は、上記図1に示す信号処理システム100における信号処理を模式的に示す図である。図3(a)は、入力信号を示している。ここでの入力信号としては、時系列における(X0〜X299)の300個のデータを抜き出して示している。圧縮センシング部101は、上記のように時系列で入力される入力信号を所定数のデータごとの圧縮センシングフレームの単位に分割する。図3(a)では、データX0〜X299を、X0〜X99、X100〜X199およびX200〜X299の各100個のデータから成る3つの圧縮センシングフレームに分割した例を示している。
FIG. 3 is a diagram schematically showing signal processing in the
そして、図3(a)から図3(b)への遷移として示すように、圧縮センシング部101は、データX0〜X99から成る圧縮センシングフレームについて圧縮処理を施すことで、40個のデータT0〜T39から成る圧縮フレームを生成する。同様に、圧縮センシング部101は、データX100〜X199から成る圧縮センシングフレームについて圧縮処理を施して40個のデータT40〜T79から成る圧縮フレームを生成する。同様に、圧縮センシング部101は、データX200〜X299から成る圧縮センシングフレームについて圧縮処理を施して40個のデータT80〜T119から成る圧縮フレームを生成する。このように得られた圧縮フレーム(T0〜T39)、(T40〜T79)、(T80〜T119)が圧縮信号として出力される。
Then, as shown as a transition from FIG. 3A to FIG. 3B, the compressed
このように圧縮センシング部101は、N個データから成る圧縮センシングフレームごとに、M(M<N)個のデータとなるように圧縮する。この図4の例では、N=100、M=40とされているので、圧縮率は40%となる。
As described above, the compressed
次に、信号復元部102は、圧縮信号として、圧縮フレーム(T0〜T39)、(T40〜T79)、(T80〜T119)を入力し、この圧縮フレームごとを対象として復元処理を実行する。つまり、信号復元部102は、データT0〜T39から成る圧縮フレームについて復元処理を施して、X0〜X99のデータに復元する。同様に、信号復元部102は、データT40〜T79から成る圧縮フレームについて復元処理を施して、X100〜X199のデータに復元する。同様に、信号復元部102は、データT80〜T119から成る圧縮フレームについて復元処理を施して、X200〜X299のデータに復元する。このように復元されたデータX0〜X299が復元信号となる。なお、この図においては圧縮率が40%の場合を示しているが、圧縮率についてはあくまでも一例であり、他の圧縮率が採用されてかまわない。
Next, the
[信号復元部の構成]
以下、1個の圧縮センシングフレーム(N)分に相当する入力信号と、ランダム圧縮行列と、圧縮後の信号と信号復元後の信号を、それぞれ、X0と、Hと、Yと、Xと称する。第1の実施形態において、ランダム復元行列はランダム圧縮行列と同様であるため、ランダム復元行列もランダム圧縮行列と同様にHと称する。X0と、Hと、Yと、Xの行列のサイズは、それぞれ、N×1、M×N、M×1、N×1である。X0とHとYは、圧縮後の信号Yが、ランダム圧縮行列Hに入力信号X0を掛け算する結果で得られるため、Y=H×X0で表現される。
[Configuration of signal restoration unit]
Hereinafter, an input signal corresponding to one compressed sensing frame (N), a random compression matrix, a signal after compression, and a signal after signal restoration are referred to as X0, H, Y, and X, respectively. . In the first embodiment, since the random decompression matrix is the same as the random compression matrix, the random decompression matrix is also referred to as H, like the random compression matrix. The sizes of the X0, H, Y, and X matrices are N × 1, M × N, M × 1, and N × 1, respectively. X0, H, and Y are expressed as Y = H × X0 because the compressed signal Y is obtained by multiplying the random compression matrix H by the input signal X0.
以下、Hのu行目とi列目の成分をHuiと称する。また、X0のi行目の成分をX0i と称する。また、Yのu行目の成分をYuと称する。X0iとHuiとYuは、
以下、同様に、Hのi列目の非ゼロ成分に対する行添字の集合を∂iと表す。例えば、図2に示すランダム圧縮行列の列において、ランダム圧縮行列の1列目の非ゼロ成分に対する行添字の集合は、{1、3}であるため、∂1は{1、3}である。同様に、∂2は、{2、3}である。 Hereinafter, similarly, a set of row subscripts for the non-zero component of the i-th column of H is denoted as ∂i. For example, in the column of the random compression matrix shown in FIG. 2, since the set of row subscripts for the non-zero component in the first column of the random compression matrix is {1, 3}, ∂1 is {1, 3} . Similarly, ∂2 is {2, 3}.
HとYを与えられた際の信号復元の方策としてL1―MINIMIZATION(L1最小化)は、H×X=Yの拘束条件を満たしながら、XのL1ノルムを最小化するXを探す過程であり(式1)のように表される。
(式1)は、拘束条件のない下記の(式2)で表すXの最適化問題と同様であることが知られている。
さらに、(式2)は、λが+0に近づくことを解くことで、(式3)のZとXの最適化問題と同様になる。
信号復元部102の復元処理は、(式3)で表される最適化問題の解として求められたXを、入力信号X0の近似値と見なし、入力信号X0の復元処理を行う。
In the restoration process of the
(式3)の最適化問題の解を求める準備として、(式3)の最適化問題の目的関数を、Ω(X,Z)と称し、(式4)のように表わす。
(式4)が表す目的関数Ω(X,Z)のグラフ表現を導入する。図5は、目的関数Ω(X,Z)のグラフ表現の例を示す。図5において、「○」の表示は、信号の各成分Xiおよび目的関数(式4)の中でXiに関して単独に依存する項λ|Xi|を表す。また、「□」の表示は、変数Zuおよび目的関数(式4)の中でZuに関して単独に依存する項−(1/2)Zu 2+ZuYuを表現する。「○」の表示と「□」の表示を結ぶ結線は相互作用項HuiZuXiを意味する。 A graph representation of the objective function Ω (X, Z) represented by (Expression 4) is introduced. FIG. 5 shows an example of a graphical representation of the objective function Ω (X, Z). In FIG. 5, the display of “◯” represents a term λ | X i | that is independently dependent on X i in each component X i and the objective function (Equation 4) of the signal. The display of "□", Section depends solely with respect to Z u in the variables Z u and objective function (Equation 4) - (1/2) representing a Z u 2 + Z u Y u . The connection between the display of “◯” and the display of “□” means the interaction term H ui Z u X i .
信号復元部102の復元処理は、(式3)で表される最適化問題の解を求めることであるが、(式3)の最適化問題は、多変数を同時に最適化する必要があり、信号処理が複雑であり、また、信号処理における負荷が大きい。以下、(式3)の最適化問題の処理負荷を低減するため、(式4)で表現される目的関数を変数毎に独立な1変数の目的関数の束に近似し、各1変数毎の最適化問題を単独に求める。
The restoration process of the
(式4)のΩ(X,Z)の中で、Xiのみに依存する目的関数をΩi(Xi)と称し、(式5)に表す。同様に、(式4)のΩ(X,Z)の中で、Zuのみに依存する目的関数をΩu(Zu)と称し、(式6)に表す。
Xiのみに依存するΩi(Xi)と、Zuのみに依存するΩu(Zu)を、それぞれ、Xiのマージナルコスト(MARGINAL COST)とZuのマージナルコストと称する。XiのマージナルコストΩi(Xi)が与えられれば、Xiの復元値は、Ωi(Xi)をXiについて最適化することで求まる。これは多変数の目的関数(式4)のΩ(X,Z)の最適化よりも技術的にも計算量的にも容易である。 And X i only depends Omega i (X i), Z u only Omega dependent u a (Z u), respectively, referred to as marginal cost marginal cost (MARGINAL COST) and Z u of X i. Given X i marginal cost Omega i of (X i) is the restored value of X i is, Omega i a (X i) determined by optimizing the X i. This is technically and computationally easier than optimizing Ω (X, Z) of the multivariable objective function (Equation 4).
ここで、補助的な目的関数をもう1つ導入する。(式4)のΩ(X,Z)において、Xiが関わっている項は、
同様に、(式4)のΩ(X,Z)から、Zuに関する項を取り除いて得られる目的関数をΩ\u(X,Z\Zu)と定義する。Ω\u(X,Z\Zu)は下記の(式8)のように表される。
(式7)及び(式8)に定義した、Ω\i(X\Xi,Z)及びΩ\u(X,Z\Zu)をキャビティコスト(CAVITY COST)と称する。 Referred as defined in (Equation 7) and (Equation 8), Ω \i (X\Xi, Z) and Ω \u (X, Z\Z u) and the cavity cost (CAVITY COST).
(式5)のΩi(Xi)と(式7)のΩ\i(X\Xi,Z)の間では、(式9)の関係が成立する。
同様に、(式6)のΩu(Zu)と(式8)のΩ\u(X,Z\Zu)の間では、(式10)の関係が成立する。
ここで、信号復元部102の復元処理が、(式3)に表す最適化問題の解を求めることにおいて、図5のグラフがループを含まずツリー構造をしている場合には、任意のノードを取り除いて局所的に分離される部分同士は、他の部分で連結している可能性はない。そのため、最適化処理を任意のノードを取り除いて分かれる部分間で独立に行うことができる。図6に、Xiを取り除いて局所的に分離される4部分の独立的な最適化処理の例を示す。図6では、Xiを取り除くことで、図5のグラフが連結しない4部分に分かれる。この4部分の最適化をそれぞれ独立して行ってから得られる4個結果だけを比較して最終的な解を求める。
Here, when the restoration process of the
次に、最適化処理を任意のノードを取り除いて分かれる部分間で独立に行う方法を説明する。まず、Xiに関する項を取り除いて得られるキャビティコストΩ\i(X\Xi,Z)における、ZuのマージナルコストをΩu\i(Zu)と称し、(式11)のように定義する。
同様に、Zuに関する項を取り除いて得られるキャビティコストΩ\u(X,Z\Zu)における、XiのマージナルコストをΩi\u(Xi)と称し、(式12)のように定義する。
そして、Ωu\i(Zu)とΩi\u(Xi)をキャビティマージナル(CAVITY MARGINAL)と称する。 Then, Ω u\i (Z u) and Omega I\u the (X i) is referred to as a cavity marginal (CAVITY MARGINAL).
XiのマージナルコストΩi(Xi)と、XiのキャビティコストΩ\i(X\Xi,Z)と、Ω\i(X\Xi,Z)における、ZuのキャビティマージナルΩu\i(Zu)の関係は、(式13)のようになる。
同様に、ZuのマージナルコストΩu(Zu)と、ZuのキャビティコストΩ\u(X,Z\Zu)と、Ω\u(X,Z\Zu)における、XiのキャビティマージナルΩi\u(Xi)の関係は、(式14)のようになる。
ところで、図5のグラフがループを含まずツリー構造をしている場合には、キャビティマージナルに関して、(式15)の関係式が成立する。
同様に、図5のグラフがループを含まずツリー構造をしている場合には、キャビティマージナルに関して、(式16)の関係式が成立する。
(式16)のキャビティマージナルΩu\i(Zu)が得られれば、(式5)に定義したXiのマージナルコストΩi(Xi)は、(式17)のように求められる。
同様に、Xiの成分毎に(i=1,2,3,...,N)、(式16)のキャビティマージナルΩu\i(Zu)を計算してから(式17)のΩi(Xi)をXiの各成分を求めることができる。 Similarly, after calculating the cavity marginal Ω u \ i (Z u ) of (Equation 16) for each component of X i (i = 1, 2, 3,..., N), (Equation 17) Each component of X i can be obtained from Ω i (X i ).
キャビティマージナル間の関係(式15)及び(式16)を更新する際に必要な計算量は全ノード数Nに比例する程度であるが、関数方程式であるため実装が技術的に難しい。そこで、実装を簡易化するため、(式15)を(式18)の関係式に近似する。
上記キャビティマージナルΩi\u(Xi)とΩu\i(Zu)とFi→uとDi→uが満たすべき関係式は、(式22)から(式24)までである。
以下、:=は、:=の右側の数式の計算結果を、:=の左側の変数に入力する意味である。例えば、有る変数Aの初期値が3の場合、A:=A+1は、右のA+1の値を、左の変数Aに代入する意味である。この場合、Aの初期値が3であったため、A+1の結果4を数式の左の変数Aに代入し、Aは4になる。 Hereinafter,: = means that the calculation result of the formula on the right side of: = is input to the variable on the left side of: =. For example, when the initial value of a certain variable A is 3, A: = A + 1 means that the value of A + 1 on the right is substituted into the variable A on the left. In this case, since the initial value of A is 3, the result 4 of A + 1 is substituted into the variable A on the left side of the equation, and A becomes 4.
復元信号Xiは、(式22)、(式23)、(式24)によって各パラメータが決定された後(式25)と(式26)により得られる。
ここからは、(式3)において、λを+0にするメカニズムを説明する。以下、(式26)の中で、Fiが、λを超える成分、つまりΘ(|Fi|−λ)が+1を出力する成分を生き残り成分と称する。また、λを超える成分の数、
復元が成功するためには、生き残り成分の個数は、圧縮後のデータ数Mを超えてはならない。λが小さすぎると、生き残り成分数は、Mより大きくなり、λが大きすぎると、生き残り成分数は、逆にMより小さくなる。したがって、適切なλの値を設定するためには、生き残り成分の数
(式27)によるλの更新と、(式22)から(式26)までの反復を行うことにより、復元信号が得られる。 A reconstructed signal is obtained by updating λ according to (Expression 27) and repeating (Expression 22) to (Expression 26).
このように圧縮センシングの信号復元処理における、1回の反復毎に必要な計算量が、全ノード数Nに比例する程度で済む復元方法と、この実装を簡易化する方法は、本実施形態においては処理負荷も大幅に軽減される。これにより、圧縮処理時間も有効に短縮される。 As described above, in the present embodiment, a restoration method in which the amount of calculation required for each iteration of the compression sensing signal restoration process only needs to be proportional to the total number N of nodes, and a method for simplifying the implementation are described in this embodiment. Greatly reduces the processing load. Thereby, the compression processing time is also effectively shortened.
[処理手順例]
図10のフローチャートは、図1に示す信号処理システム100が実行する処理手順を示すフローチャートである。この図に示す各処理は、図1に示した部位の何れかが適宜実行する。まず、ランダム圧縮行列生成部103は、図1にて説明したようにランダム圧縮行列を生成し、圧縮センシング部101は、このランダム圧縮行列を用いて入力信号の圧縮を実行し、その結果を信号復元部102に出力する(ステップS11)。そして、信号復元部102は、ランダム復元行列生成部104により生成されたランダム復元行列を用いて、信号復元処理を行い(ステップS12)、復元した信号を出力する(ステップS13)。
[Example of processing procedure]
The flowchart of FIG. 10 is a flowchart showing a processing procedure executed by the
<第2の実施形態>
[信号処理システムの全体構成]
第2の実施形態における信号処理システム100の全体構成は、第1の実施形態と同様である。ただし、ランダム圧縮行列生成部103が生成するランダム圧縮行列は、非ゼロの値が全て1である。図8は、図2の例において、非ゼロの値が全て1である場合の例をしめす。以下、図8のような行列をバイナリランダム圧縮行列と称する。
<Second Embodiment>
[Overall configuration of signal processing system]
The overall configuration of the
第2の実施形態における圧縮処理は、第1の実施形態と同様である。ただし、信号の復元処理は、ランダム圧縮行列が、バイナリランダム圧縮行列であることを利用し、下記のように効率性を高めることができる。 The compression process in the second embodiment is the same as that in the first embodiment. However, the signal restoration processing can improve the efficiency as described below by utilizing the fact that the random compression matrix is a binary random compression matrix.
[バイナリランダム圧縮行列の場合の信号復元処理]
ランダム圧縮行列がバイナリランダム圧縮行列の場合、復元処理における効率性を向上させるため、任意の定数Δを用いて、(式24)を(式28)のように変更させてから、Δを最適化することで復元処理の性能を向上させる。
When the random compression matrix is a binary random compression matrix, in order to improve the efficiency in the decompression process, (Expression 24) is changed to (Expression 28) using an arbitrary constant Δ, and then Δ is optimized. To improve the performance of the restoration process.
最適なΔは、ランダム圧縮行列Hの性質による。以下では、ランダム圧縮行列がバイナリランダム圧縮行列である場合の最適なΔを求める方法を記述する。この場合、上記の(式22)から(式26)は、Hの非ゼロ要素がすべて1となることを利用して簡単化し、それぞれ(式29)から(式33)までに表すことができる。
[非ゼロ要素の値が1の場合の収束の加速]
変数Xi→uの収束性を高めて、復元処理の性能を向上させるため、変数Xi→uを線形化してその変差を最小化する方法を考える。その準備として、Xi→u=X0i+δXi→uとして、変数Xi→uを固定点X0iの周りのδXi→uに関して線形化する。ここで、X0iは、圧縮前の元信号X0のi番目の行の成分である。つまり、復元処理が完璧であれば、復元処理後の結果、XiはX0iと同様であるべきであるが、復元処理のずれを、δXi→uと表記し、XiをX0i周辺の確率変数δXi→uによる確率分布として考えてその変差を最小化することで、復元処理の性能を向上する。したがって、δXi→uを独立確率分布の確率変数とみなし、その平均と分散をそれぞれM1とM2と表記すると、M1とM2は、(式26)から、それぞれ(式34)と(式35)になる。
In order to improve the convergence of the variable X i → u and improve the performance of the restoration process, a method of linearizing the variable X i → u and minimizing the difference is considered. In preparation, the variable X i → u is linearized with respect to δX i → u around the fixed point X0 i as X i → u = X0 i + δX i → u . Here, X0 i is a component of the i-th row of the original signal X0 before compression. In other words, if the restoration process is perfect, X i should be the same as X0 i as a result after the restoration process, but the deviation of the restoration process is expressed as δX i → u, and X i is around X0 i By considering the probability distribution by the random variable δX i → u and minimizing the variation, the performance of the restoration process is improved. Therefore, it is regarded as a random variable independent probability distribution of [delta] X i → u, when denoted the mean and variance of the M 1 and M 2, respectively, M 1 and M 2 are from (Equation 26), respectively (equation 34) (Expression 35).
(式34)と(式35)のM1とM2を、速くゼロに収束するように、上記の任意の定数Δを設定することにより、変数Xi→uの収束性を高まり、復元処理の性能の向上ができる。 By setting the above-mentioned arbitrary constant Δ so that M 1 and M 2 in (Expression 34) and (Expression 35) converge to zero quickly, the convergence of the variable X i → u is improved, and the restoration process is performed. Performance can be improved.
変数δXi→uの平均値Mlは、Δの設定ではなく、各更新時に消去することができる。
つまり、圧縮結果の拘束条件
(式37)δXi→u=0
ここで、(式36)を各更新時に成立させるため、(式37)が各更新時に要請される。
In other words, the compression result constraint
(Expression 37) δX i → u = 0
Here, in order to establish (Equation 36) at each update, (Equation 37) is requested at each update.
変数δXi→uの分散値M2の収束を加速させるため、変化率
(式40)Δ*=α(K−1)
In order to accelerate the convergence of the variance value M 2 of the variable δX i → u , the rate of change
(Formula 40) Δ * = α (K−1)
Xi→uの初期値を0に設定したうえで、下記の動作の反復を行うことで、信号の復元処理をすることが可能になる。まず、パラメータの更新は、(式41)から(式43)の計算で行う。
(式41)から(式44)の動作を反復を行うことにより、復元信号が得られる。 A reconstructed signal is obtained by repeating the operations of (Equation 41) to (Equation 44).
[処理手順例]
第2実施形態の処置手順例は、第1実施形態の例と同様である。
[Example of processing procedure]
The procedure example of the second embodiment is the same as the example of the first embodiment.
このように圧縮センシングの信号復元処理における、ランダム圧縮行列がバイナリランダム圧縮行列であるである場合、1回の反復毎に必要な計算量が、全ノード数Nに比例する程度で済む復元方法と、この実装を簡易化する方法は、本実施形態においては処理負荷も大幅に軽減される。これにより、圧縮処理時間も有効に短縮される。 Thus, in the compression sensing signal restoration processing, when the random compression matrix is a binary random compression matrix, a restoration method in which the amount of calculation required for each iteration is only proportional to the total number N of nodes, and In this embodiment, the processing load of the method for simplifying the mounting is greatly reduced. Thereby, the compression processing time is also effectively shortened.
<第3の実施形態>
[信号処理システムの全体構成]
第3の実施形態における信号処理システム100の全体構成は、第1の実施形態と第2の実施形態と同様である。ただし、ランダム圧縮行列のランダムな成分の結合は、信号成分をランダムに並べ替えるインターリーバを用いて生成することで、計算機能の高くないデバイスでの実装が簡易になる。
<Third Embodiment>
[Overall configuration of signal processing system]
The overall configuration of the
また、圧縮センシング部101は、複数のインターリーバと加算器により構成される。図9に、複数のインターリーバと加算器により構成される圧縮センシング部の例を示す。N次元の圧縮前の元信号X0は、J個のインターリーバ(X0の成分の位置をランダムに並べ替える装置)に入力される。各インターリーバは、独立なJ個のモジュールの一部を構成する。ここで、X0のi番目の成分のn番目のインターリーバによる出力結果をπn(i)と表記する。また、πn(i)の逆関数を(πn)−1(i)と表記する。例えば、入力信号{1,2,3,4,5}が3番目のインターリーバに入力され、{5,1,2,3,4}の信号が出力される場合、3番目のインターリーバにとり、元信号の1番目の成分であった1が5に変わったため、π3(1)=5になる。同様に、π3(2)=1、π3(3)=2、π3(4)=3、π3(5)=4になる。また、(πn)−1(i)はπn(i)の逆関数であるため、π3(1)=5から(π3)−1(5)=4が成り立つ。同様に、(π3)−1(1)=2、(π3)−1(2)=3、(π3)−1(3)=4、(π3)−1(4)=5になる。なお、n番目のインターリーバによる出力のなかで、i番目の成分をX0i nと表記する。例えば、上記の例では、X01 3=5、X02 3=1、X03 3=2、X04 3=3、X05 3=4になる。
The
また、各加算器は、インターリーバを介して入力された元信号に対して前からK個ずつの和を出力する。n番目のインターリーバを作用させた元信号のi番目の成分であるX0i nは、(式47)のように表される。
したがって、n番目の加算器のt番目の出力データは(式48)のようになる。
圧縮センシング部101が複数のインターリーバと加算器により構成される場合、信号復元部102におけるパラメータ更新及び信号復元方法を図10に示す。この場合、各信号成分は各加算器における計測値のうち1つのデータにしか含まれないため、グラフで表現した場合、各加算器は信号の各成分に対して並列して、一つの「□」の表示のノードの役割を果たす。また、各加算器には、同一の信号ベクトル(圧縮前の元信号)が入力されるため、信号ベクトル全体がまとまって「○」の表示のノードとして表現される。
When the
図10において、n番目の各加算器の信号推定値を、Xi→nと表記し、n番目の各加算器からの影響をDn→iと表記すると、下記の(式49)から(式51)までのパラメータの更新式が得られる。また、下記の(式52)と(式52)の信号の復元が行われる。
また、∂tは、各加算器のt個目の圧縮データを構成する信号添字の集合であり∂t={K(t−1),K(t−1)+1,...,Kt}のように表現される。
[処理手順例]
第3実施形態の処置手順例は、第1実施形態の例と同様である。
[Example of processing procedure]
The treatment procedure example of the third embodiment is the same as the example of the first embodiment.
このように、複数のインターリーバと加算器で構成される圧縮センシング部101と、上記の復元処理の方法にとり、計算機能の高くないデバイスでの実装が簡易になる。
As described above, the
<第4の実施形態>
[信号処理システムの全体構成]
図11は、本実施形態における信号処理システム200の全体構成を示すブロック図である。この図に示す信号処理システム200は、AD変換部201、FFT処理部202、圧縮センシング部101、信号復元部102、ランダム圧縮行列生成部103およびランダム復元行列生成部104を備える。
<Fourth Embodiment>
[Overall configuration of signal processing system]
FIG. 11 is a block diagram showing the overall configuration of the
AD変換部201は入力されるアナログ信号を入力してAD変換を行い、デジタル信号を出力する。FFT処理部202は、AD変換部201が出力する信号を圧縮センシングのフレーム毎に分けてFFT処理を行いその結果を出力する。圧縮センシング部101、信号復元部102、ランダム圧縮行列生成部103およびランダム復元行列生成部104は第1の実施形態から第3の実施形態と同様である。
The
[処理手順例]
図12は、図11に示す信号処理システム200が実行する処理手順を示すフローチャートである。この図に示す各処理は、図11に示した部位の何れかが適宜実行する。まず、AD変換部201は、入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する(ステップS21)。そして、FFT処理部202はAD変換部201が出力する信号を圧縮センシングフレーム毎にFFT処理を行いその結果を圧縮センシング部101に出力する(ステップS22)。ランダム圧縮行列生成部103は、図1にて説明したようにランダム圧縮行列を生成し、圧縮センシング部101は、このランダム圧縮行列を用いて入力信号の圧縮を実行し、その結果を信号復元部102に出力する(ステップS23)。そして、信号復元部102は、ランダム復元行列生成部104により生成されたランダム復元行列を用いて、信号復元処理を行い(ステップS24)、復元した信号を出力する(ステップS25)。
[Example of processing procedure]
FIG. 12 is a flowchart showing a processing procedure executed by the
<第5の実施形態>
[通信システムの全体構成]
図13は、信号処理システム構成が適用される通信処理システム600の全体構成例を示すブロック図である。この図に示す通信処理システム600は、リモート局300と中央局400を備える。リモート局300は、中央局400に対して複数存在し、各リモート局300は、伝送路500を介して中央局400と通信可能に接続される。なお、伝送路500については特に限定されるものではない。また、伝送路500は有線であっても無線であってもよい。
<Fifth Embodiment>
[Overall configuration of communication system]
FIG. 13 is a block diagram illustrating an example of the overall configuration of a communication processing system 600 to which the signal processing system configuration is applied. A communication processing system 600 shown in this figure includes a
リモート局300は、例えば音声信号などのアナログ信号を中央局400に伝送する。この際、リモート局300は、アナログ信号をデジタル信号に変換したうえで圧縮する。そして、リモート局300は、伝送路500を経由して圧縮信号を中央局400に伝送する。このように伝送すべき信号を圧縮することにより、伝送路500の有限な帯域を有効に利用することができる。中央局400は、伝送された圧縮信号を復元して所定の目的に利用する。
The
[第5の実施形態のリモート局および中央局の構成]
図14は、図11に示す信号処理システム200を、上記リモート局300と中央局400に適用した場合の構成例を示している。なお、この図において、図1と同一部分には同一符号を付している。
[Configuration of Remote Station and Central Station of Fifth Embodiment]
FIG. 14 shows a configuration example when the
リモート局300は、AD変換部301、FFT処理部302、圧縮センシング部101、ランダム圧縮行列生成部103および通信部303を備える。AD変換部301は、リモート局300の外部から入力されるアナログ信号を入力してAD変換を行い、デジタル信号を出力する。FFT処理部302はAD変換部301が出力する信号を圧縮センシングのフレーム毎に分けてFFT処理を行いその結果を出力する。
The
通信部303は、圧縮センシング部101が出力する圧縮信号を伝送路500経由で中央局400に送信する。また、通信部303は、中央局400の制御部402から出力される各種制御信号を伝送路500経由で受信する。
The
中央局400は、信号復元部102、ランダム復元行列生成部104、制御部402および通信部401を備える。信号復元部102は、伝送路500を経由して送信された圧縮信号を入力する。そして、この圧縮信号とランダム復元行列生成部104が生成したランダム復元行列を利用して復元を行い、復元信号を出力する。
The
制御部402は、リモート局300のAD変換部301に対して圧縮センシングフレームのサイズを通知する。AD変換部301は、通知されたサイズによる圧縮センシングフレーム単位によりAD変換後のデジタル信号を出力する。また、制御部402は、リモート局300のランダム圧縮行列生成部103に対して、伝送路500経由で、圧縮センシングフレームのサイズと、ランダム圧縮行列の行数および列数を通知する。ランダム圧縮行列生成部103は、通知された情報にしたがってランダム圧縮行列を生成する。
The
また、制御部402は、同じ中央局400内のランダム復元行列生成部104に対して、圧縮センシングフレームのサイズとランダム復元行列の行数および列数を通知する。ランダム復元行列生成部104は通知された情報にしたがってランダム復元行列を生成する。通信部401は、リモート局300から送信された圧縮信号を受信する。また、通信部401は、上記各通知のために制御部402が出力する制御信号をリモート局300に伝送路500経由で送信する。
In addition, the
[処理手順例]
図15は、通信処理システム600が実行する処理手順を示すフローチャートである。この図に示す各処理は、図14に示した部位の何れかが適宜実行する。まず、リモート局300は、中央局400の制御部402から伝送路500を介して受信した、圧縮のフレームのサイズ等のコントロール情報に基づきパラメータの設定を行う(ステップS31)。そして、AD変換部301は、入力されるアナログをデジタル信号に変換する(ステップS32)。そして、FFT処理部302はAD変換部301が出力する信号を圧縮センシングフレーム毎にFFT処理を行いその結果を圧縮センシング部101に出力する(ステップS33)。ランダム圧縮行列生成部103は、図1にて説明したようにランダム圧縮行列を生成し、圧縮センシング部101は、該ランダム圧縮行列を用いて入力信号の圧縮を実行し、その結果を通信部303に出力する(ステップS34)。
[Example of processing procedure]
FIG. 15 is a flowchart illustrating a processing procedure executed by the communication processing system 600. Each process shown in this figure is executed appropriately by any of the parts shown in FIG. First, the
そして、通信部303は、圧縮後のデータを伝送路500を介して中央局400に送信し(ステップS35)、中央局400の通信部401はこのデータを受信する(ステップS36)。続いて、信号復元部102は、ランダム復元行列生成部104により生成されたランダム復元行列を用いて、信号復元処理を行う(ステップS37)。制御部402は、復元された信号に基づきパラメータの更新を判定し、更新する場合はリモート局300に更新後のパラメータを伝送路500を介して送信する(ステップS38)。また、信号復元部102は、復元した信号を出力する(ステップS39)。
Then, the
なお、各図に示した部位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、実行することにより圧縮および復元処理を行ってもよい。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、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)を備えたWWWシステムも含むものとする。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が送信された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(RAM)のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。 It should be noted that a program for realizing the functions of the parts shown in each figure is recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium is read into a computer system and executed for compression and decompression. Processing may be performed. Here, the “computer system” includes an OS and hardware such as peripheral devices. The “computer system” includes a WWW system having a homepage providing environment (or display environment). The “computer-readable recording medium” refers to a storage device such as a flexible medium, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM and a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. Further, the “computer-readable recording medium” refers to a volatile memory (RAM) in a computer system that becomes a server or a client when a program is transmitted via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. In addition, those holding programs for a certain period of time are also included.
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。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い。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、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。 The program may be transmitted from a computer system storing the program in a storage device or the like to another computer system via a transmission medium or by a transmission wave in the transmission medium. Here, the “transmission medium” for transmitting the program refers to a medium having a function of transmitting information, such as a network (communication network) such as the Internet or a communication line (communication line) such as a telephone line. The program may be for realizing a part of the functions described above. Furthermore, what can implement | achieve the function mentioned above in combination with the program already recorded on the computer system, and what is called a difference file (difference program) may be sufficient.
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良い。 As mentioned above, although embodiment of this invention has been described with reference to drawings, the said embodiment is only the illustration of this invention, and it is clear that this invention is not limited to the said embodiment. is there. Accordingly, additions, omissions, substitutions, and other changes of the components may be made without departing from the technical idea and scope of the present invention.
圧縮センシングにおける圧縮及び復元処理の負荷を軽減することが不可欠な用途に適用できる。 It can be applied to applications where it is essential to reduce the load of compression and decompression processing in compression sensing.
100…信号処理システム、101…圧縮センシング部、102…信号復元部、103…ランダム圧縮行列生成部、104…ランダム復元行列生成部、200…信号処理システム、300…リモート局、301…AD変換部、302…FFT処理部、303…通信部、400…中央局、401…通信部、402…制御部、600…通信処理システム
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記リモート局は、
入力アナログ信号をデジタル信号に変換し、前記中央局から受信したコントロール情報に含まれる圧縮センシングフレームのサイズの情報に従って該サイズによる圧縮センシングフレーム単位により変換後のデジタル信号を出力するAD変換部と、
前記AD変換部が出力した前記デジタル信号を前記圧縮センシングフレーム毎に分けて高速フーリエ変換処理を実行して周波数領域の信号を出力する高速フーリエ変換部と、
前記中央局から受信した前記コントロール情報に含まれる圧縮センシングフレームのサイズとランダム圧縮行列の行数および列数の情報に従って、各行が列数より少ない所定数の非ゼロのランダム値の成分を有し、各列が行数より少ない所定数の非ゼロのランダム値の成分を有し、各非ゼロの成分の位置がランダムに決定されたランダム圧縮行列を生成するランダム圧縮行列生成部と、
前記高速フーリエ変換部が出力した信号と前記ランダム圧縮行列の行列掛け算を行うことにより前記信号を圧縮する圧縮部と、
前記圧縮部が出力した圧縮信号を前記伝送路を介して前記中央局へ送信するとともに、前記中央局が送信した前記圧縮センシングフレームのサイズと前記ランダム圧縮行列の行数および列数の情報を含む前記コントロール情報を前記伝送路を介して受信する第1の通信部とを備え、
前記中央局は、
前記リモート局が送信した前記圧縮信号を前記伝送路を介して受信するとともに、前記コントロール情報を前記伝送路を介して前記リモート局へ送信する第2の通信部と、
前記圧縮センシングフレームのサイズと前記ランダム圧縮行列の行数および列数とランダム復元行列の行数および列数の情報を生成し、該情報に基づき前記ランダム圧縮行列の生成のために前記リモート局に送信する前記コントロール情報を生成する制御部と、
前記制御部が生成した前記圧縮センシングフレームのサイズとランダム復元行列の行数および列数の情報に従って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、
前記ランダム復元行列を用いて前記リモート局から受信した前記圧縮信号を復元処理することにより元のデジタル信号を復元する復元部とを備え、
前記復元処理は、グラフ表現を用いたL1最適化問題を解く際の近似値を求めることにより前記信号の復元を行う
ことを特徴とする信号処理システム。 A signal processing system comprising a remote station and a central station , wherein the remote station is communicably connected to the central station via a transmission line ,
The remote station is
An AD converter that converts an input analog signal into a digital signal, and outputs a digital signal after conversion in units of compressed sensing frames according to the size according to information on the size of the compressed sensing frame included in the control information received from the central station ;
And fast Fourier transform unit to output a signal in the frequency domain by performing a fast Fourier transform process divides the digital signal which the AD conversion unit is output to each of the compressed sensing frame,
According to the size and number of rows and columns of information in the random compression matrix compressed sensing frames included in the control information received from the central office, each row has a component of the random non-zero value of a predetermined smaller than the column number of clicks A random compression matrix generator for generating a random compression matrix in which each column has a predetermined number of non-zero random value components less than the number of rows, and the position of each non-zero component is randomly determined ;
A compression unit for compressing the signal by performing matrix multiplication of the high-speed signal Fourier transform unit has output said random compression matrix,
Transmits the compressed signal the compression unit is output to said central station through said transmission path, including the size and number of rows and the number of information column of the random compression matrix of the compressed sensing frame the central station transmits A first communication unit that receives the control information via the transmission path ,
The central office is
A second communication unit that receives the compressed signal transmitted by the remote station via the transmission path and transmits the control information to the remote station via the transmission path ;
Generate information on the size of the compressed sensing frame, the number of rows and columns of the random compression matrix, and the number of rows and columns of the random decompression matrix, and based on the information, generate information on the random compression matrix to the remote station A control unit for generating the control information to be transmitted;
A random restoration matrix generation unit that generates a random restoration matrix according to information on the size of the compressed sensing frame generated by the control unit and the number of rows and columns of the random restoration matrix;
And a restoring unit for restoring the original digital signal by restoring processing the compressed signals received from the remote station using the random restoration matrix,
The signal restoration system is characterized in that the restoration process restores the signal by obtaining an approximate value when solving an L1 optimization problem using a graph expression.
前記リモート局は、
入力アナログ信号をデジタル信号に変換し、前記中央局から受信したコントロール情報に含まれる圧縮センシングフレームのサイズの情報に従って該サイズによる圧縮センシングフレーム単位により変換後のデジタル信号を出力するAD変換部と、
前記AD変換部が出力した前記デジタル信号を前記圧縮センシングフレーム毎に分けて高速フーリエ変換処理を実行して周波数領域の信号を出力する高速フーリエ変換部と、
前記中央局から受信した前記コントロール情報に含まれる圧縮センシングフレームのサイズとランダム圧縮行列の行数および列数の情報に従って、各行が列数より少ない所定数の非ゼロの値として1の成分を有し、各列が行数より少ない所定数の非ゼロの値として1の成分を有し、各非ゼロの成分の位置がランダムに決定されたランダム圧縮行列を生成するランダム圧縮行列生成部と、
前記高速フーリエ変換部が出力した信号と前記ランダム圧縮行列の行列掛け算を行うことにより前記信号を圧縮する圧縮部と、
前記圧縮部が出力した圧縮信号を前記伝送路を介して前記中央局へ送信するとともに、前記中央局が送信した前記圧縮センシングフレームのサイズと前記ランダム圧縮行列の行数および列数の情報を含む前記コントロール情報を前記伝送路を介して受信する第1の通信部とを備え、
前記中央局は、
前記リモート局が送信した前記圧縮信号を前記伝送路を介して受信するとともに、前記コントロール情報を前記伝送路を介して前記リモート局へ送信する第2の通信部と、
前記圧縮センシングフレームのサイズと前記ランダム圧縮行列の行数および列数とランダム復元行列の行数および列数の情報を生成し、該情報に基づき前記ランダム圧縮行列の生成のために前記リモート局に送信する前記コントロール情報を生成する制御部と、
前記制御部が生成した前記圧縮センシングフレームのサイズとランダム復元行列の行数および列数の情報に従って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、
前記ランダム復元行列を用いて前記リモート局から受信した前記圧縮信号を復元処理することにより元のデジタル信号を復元する復元部とを備え、
前記復元処理は、グラフ表現を用いたL1最適化問題を解く際の近似値を求めることにより前記信号の復元を行う
ことを特徴とする信号処理システム。 A signal processing system comprising a remote station and a central station , wherein the remote station is communicably connected to the central station via a transmission line ,
The remote station is
An AD converter that converts an input analog signal into a digital signal, and outputs a digital signal after conversion in units of compressed sensing frames according to the size according to information on the size of the compressed sensing frame included in the control information received from the central station ;
And fast Fourier transform unit to output a signal in the frequency domain by performing a fast Fourier transform process divides the digital signal which the AD conversion unit is output to each of the compressed sensing frame,
In accordance with the control information number of rows and columns of information of size and random compression matrix of compressed sensing frame included in the received from the central office, each row have a first component as the value of the non-zero smaller predetermined number than the number of columns A random compression matrix generator for generating a random compression matrix in which each column has one component as a predetermined number of non-zero values less than the number of rows, and the position of each non-zero component is randomly determined ;
A compression unit for compressing the signal by performing matrix multiplication of the high-speed signal Fourier transform unit has output said random compression matrix,
Transmits the compressed signal the compression unit is output to said central station through said transmission path, including the size and number of rows and the number of information column of the random compression matrix of the compressed sensing frame the central station transmits A first communication unit that receives the control information via the transmission path ,
The central office is
A second communication unit that receives the compressed signal transmitted by the remote station via the transmission path and transmits the control information to the remote station via the transmission path ;
Generate information on the size of the compressed sensing frame, the number of rows and columns of the random compression matrix, and the number of rows and columns of the random decompression matrix, and based on the information, generate information on the random compression matrix to the remote station A control unit for generating the control information to be transmitted;
A random restoration matrix generation unit that generates a random restoration matrix according to information on the size of the compressed sensing frame generated by the control unit and the number of rows and columns of the random restoration matrix;
And a restoring unit for restoring the original digital signal by restoring processing the compressed signals received from the remote station using the random restoration matrix,
The signal restoration system is characterized in that the restoration process restores the signal by obtaining an approximate value when solving an L1 optimization problem using a graph expression.
前記リモート局が、
入力アナログ信号をデジタル信号に変換し、前記中央局から受信したコントロール情報に含まれる圧縮センシングフレームのサイズの情報に従って該サイズによる圧縮センシングフレーム単位により変換後のデジタル信号を出力するAD変換ステップと、
前記AD変換ステップにより出力した前記デジタル信号を前記圧縮センシングフレーム毎に分けて高速フーリエ変換処理を実行して周波数領域の信号を出力する高速フーリエ変換ステップと、
前記中央局から受信した前記コントロール情報に含まれる圧縮センシングフレームのサイズとランダム圧縮行列の行数および列数の情報に従って、各行が列数より少ない所定数の非ゼロのランダム値の成分を有し、各列が行数より少ない所定数の非ゼロのランダム値の成分を有し、各非ゼロの成分の位置がランダムに決定されたランダム圧縮行列を生成するランダム圧縮行列生成ステップと、
前記高速フーリエ変換ステップにより出力した信号と前記ランダム圧縮行列の行列掛け算を行うことにより前記信号を圧縮する圧縮ステップと、
前記圧縮ステップにより出力した圧縮信号を前記伝送路を介して前記中央局へ送信するとともに、前記中央局が送信した前記圧縮センシングフレームのサイズと前記ランダム圧縮行列の行数および列数の情報を含む前記コントロール情報を前記伝送路を介して受信する第1の通信ステップと
を実行し、
前記中央局が、
前記リモート局が送信した前記圧縮信号を前記伝送路を介して受信するとともに、前記コントロール情報を前記伝送路を介して前記リモート局へ送信する第2の通信ステップと、
前記圧縮センシングフレームのサイズと前記ランダム圧縮行列の行数および列数とランダム復元行列の行数および列数の情報を生成し、該情報に基づき前記ランダム圧縮行列の生成のために前記リモート局に送信する前記コントロール情報を生成する制御ステップと、
前記制御ステップにより生成した前記圧縮センシングフレームのサイズとランダム復元行列の行数および列数の情報に従って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、
前記ランダム復元行列を用いて前記リモート局から受信した前記圧縮信号を復元処理することにより元のデジタル信号を復元する復元ステップと
を実行し、
前記復元処理は、グラフ表現を用いたL1最適化問題を解く際の近似値を求めることにより前記信号の復元を行う
ことを特徴とする信号処理方法。 A signal processing method performed by a signal processing system comprising a remote station and a central station , wherein the remote station is communicably connected to the central station via a transmission path ,
The remote station is
AD conversion step of converting an input analog signal into a digital signal and outputting a digital signal after conversion in units of compressed sensing frames according to the size according to information on the size of the compressed sensing frame included in the control information received from the central station ;
And fast Fourier transform step of outputting a signal of a frequency domain by performing a fast Fourier transform process divides the digital signal output by the AD conversion step for each of the compressed sensing frame,
According to the size and number of rows and columns of information in the random compression matrix compressed sensing frames included in the control information received from the central office, each row has a component of the random non-zero value of a predetermined smaller than the column number of clicks A random compression matrix generating step for generating a random compression matrix in which each column has a predetermined number of non-zero random value components less than the number of rows, and the position of each non-zero component is randomly determined ;
A compression step of compressing the signal by performing matrix multiplication of the output signal and the random compression matrix by the fast Fourier transform step,
Transmits the compressed signal output by the compression step to said central station through said transmission path, including the size and number of rows and the number of information column of the random compression matrix of the compressed sensing frame the central station transmits A first communication step for receiving the control information via the transmission path ;
Run
The central office is
A second communication step of receiving the compressed signal transmitted by the remote station via the transmission path and transmitting the control information to the remote station via the transmission path ;
Generate information on the size of the compressed sensing frame, the number of rows and columns of the random compression matrix, and the number of rows and columns of the random decompression matrix, and based on the information, generate information on the random compression matrix to the remote station A control step for generating the control information to be transmitted;
A random restoration matrix generating step for generating a random restoration matrix according to the size of the compressed sensing frame generated by the control step and the number of rows and the number of columns of the random restoration matrix;
Perform a restoration step of restoring the original digital signal by restoring processing the compressed signals received from the remote station using the random restoration matrix,
The signal restoration method is characterized in that the restoration processing is to restore the signal by obtaining an approximate value when solving an L1 optimization problem using a graph expression.
前記リモート局が、
入力アナログ信号をデジタル信号に変換し、前記中央局から受信したコントロール情報に含まれる圧縮センシングフレームのサイズの情報に従って該サイズによる圧縮センシングフレーム単位により変換後のデジタル信号を出力するAD変換ステップと、
前記AD変換ステップにより出力した前記デジタル信号を前記圧縮センシングフレーム毎に分けて高速フーリエ変換処理を実行して周波数領域の信号を出力する高速フーリエ変換ステップと、
前記中央局から受信した前記コントロール情報に含まれる圧縮センシングフレームのサイズとランダム圧縮行列の行数および列数の情報に従って、各行が列数より少ない所定数の非ゼロの値として1の成分を有し、各列が行数より少ない所定数の非ゼロの値として1の成分を有し、各非ゼロの成分の位置がランダムに決定されたランダム圧縮行列を生成するランダム圧縮行列生成ステップと、
前記高速フーリエ変換ステップにより出力した信号と前記ランダム圧縮行列の行列掛け算を行うことにより前記信号を圧縮する圧縮ステップと、
前記圧縮ステップにより出力した圧縮信号を前記伝送路を介して前記中央局へ送信するとともに、前記中央局が送信した前記圧縮センシングフレームのサイズと前記ランダム圧縮行列の行数および列数の情報を含む前記コントロール情報を前記伝送路を介して受信する第1の通信ステップと
を実行し、
前記中央局が、
前記リモート局が送信した前記圧縮信号を前記伝送路を介して受信するとともに、前記コントロール情報を前記伝送路を介して前記リモート局へ送信する第2の通信ステップと、
前記圧縮センシングフレームのサイズと前記ランダム圧縮行列の行数および列数とランダム復元行列の行数および列数の情報を生成し、該情報に基づき前記ランダム圧縮行列の生成のために前記リモート局に送信する前記コントロール情報を生成する制御ステップと、
前記制御ステップにより生成した前記圧縮センシングフレームのサイズとランダム復元行列の行数および列数の情報に従って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、
前記ランダム復元行列を用いて前記リモート局から受信した前記圧縮信号を復元処理することにより元のデジタル信号を復元する復元ステップと
を実行し、
前記復元処理は、グラフ表現を用いたL1最適化問題を解く際の近似値を求めることにより前記信号の復元を行う
ことを特徴とする信号処理方法。 A signal processing method performed by a signal processing system comprising a remote station and a central station , wherein the remote station is communicably connected to the central station via a transmission path ,
The remote station is
AD conversion step of converting an input analog signal into a digital signal and outputting a digital signal after conversion in units of compressed sensing frames according to the size according to information on the size of the compressed sensing frame included in the control information received from the central station ;
And fast Fourier transform step of outputting a signal of a frequency domain by performing a fast Fourier transform process divides the digital signal output by the AD conversion step for each of the compressed sensing frame,
In accordance with the control information number of rows and columns of information of size and random compression matrix of compressed sensing frame included in the received from the central office, each row have a first component as the value of the non-zero smaller predetermined number than the number of columns A random compression matrix generation step for generating a random compression matrix in which each column has one component as a predetermined number of non-zero values less than the number of rows, and the position of each non-zero component is randomly determined ;
A compression step of compressing the signal by performing matrix multiplication of the output signal and the random compression matrix by the fast Fourier transform step,
Transmits the compressed signal output by the compression step to said central station through said transmission path, including the size and number of rows and the number of information column of the random compression matrix of the compressed sensing frame the central station transmits A first communication step for receiving the control information via the transmission path ;
Run
The central office is
A second communication step of receiving the compressed signal transmitted by the remote station via the transmission path and transmitting the control information to the remote station via the transmission path ;
Generate information on the size of the compressed sensing frame, the number of rows and columns of the random compression matrix, and the number of rows and columns of the random decompression matrix, and based on the information, generate information on the random compression matrix to the remote station A control step for generating the control information to be transmitted;
A random restoration matrix generating step for generating a random restoration matrix according to the size of the compressed sensing frame generated by the control step and the number of rows and the number of columns of the random restoration matrix;
Perform a restoration step of restoring the original digital signal by restoring processing the compressed signals received from the remote station using the random restoration matrix,
The signal restoration method is characterized in that the restoration processing is to restore the signal by obtaining an approximate value when solving an L1 optimization problem using a graph expression.
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