Development of Digital Filter Design Method for Improving Designer's Efficiency
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22K04110
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21020:Communication and network engineering-related
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| Research Institution | Tokyo Denki University |
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Principal Investigator |
陶山 健仁 東京電機大学, 工学部, 教授 (50303011)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2023: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | ディジタルフィルタ / メタヒューリスティックス / 最適化 / 信号処理 / 離散時間信号 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，ディジタルフィルタ設計者にとって作業効率の低下の要因となる設計アルゴリズムに含まれるパラメータ調整不要でかつ高速な設計法を開発する。対象となるディジタルフィルタはCSD係数をもつFIRフィルタである。この設計問題はNP困難な問題であるが，メタヒューリスティックスであるGAのパラメータ調整を不要にしたパラメータフリーGAによる設計法について検討する。これまでの検討によりパラメータ設定の不要性と通常のGAと比べて1000倍以上の高速性を確認済であるが，設計精度が若干劣化した。本研究課題では，設計精度も通常のGAを上回る手法を示し，フィルタ設計者の作業効率を向上する設計法を与える。
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| Outline of Annual Research Achievements |
2023年度はディジタルフィルタの回路規模削減のためのCSD(Canonic Signed Digit)係数FIR(Finite Impulse)フィルタ設計法に関する検討について2件，連続係数を有する一方で低次数で低回路規模で実現可能なIIR(Infinite Impulse Response)フィルタ設計法に関する検討について1件進めた。
CSD係数FIRフィルタ設計法の1つであるACO（Ant Colony Optimization）による設計法では，ACOが高い集中化能力を有する反面，ACOの探索後半における多様性低下による設計性能低下問題をグループ化ACOで改善できることを設計例を用いて明らかにした。一方，多様度に基づいて個体グループ化の方針も明らかにした。
PfGA(Parameter-free-GA)を用いたCSD係数FIRフィルタ設計では，ペナルティ個体の再利用により，GAと同等の設計性能を得ることに成功した。CSD表現では，CSDの条件を担保するために目的関数にペナルティ関数を付加しているが，CSD条件から外れた個体には過剰なペナルティが付加され，以降の探索には貢献できなくなり，ただ淘汰されるだけの個体となる。これは探索の効率を下げるだけでなく，良解探索の機会も奪うことにつながる。そこで，非零桁数隣接制約が修正可能であることに注目し，ペナルティ個体が生じた際にはペナルティ個体を排除し，探索の継続を試みた。その結果，設計性能がGA単独で設計した際と同等の精度に近づくことを確認した。
PSS-PSOによるIIRフィルタ設計では，探索メカニズムの検証を通じてこれまで不明とされたIIRフィルタ設計問題の解空間構造を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初はCSD係数FIRフィルタ設計にターゲットをあて，なかでもPfGAを中心に考えていたが，ACOを用いた場合の欠点も明らかにするとともに，その改良案を提案することに成功した。
また，IIRフィルタ設計において独自の手法であるPSS-PSOの適用により，不明であったIIRフィルタ設計問題の解空間構造を明らかにできた。
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| Strategy for Future Research Activity |
PfGAを用いたCSD係数FIRフィルタ設計手法では，探索後半の局所解停留が確認されている。これは，少ない個体数での遺伝操作，特に交叉による改善が滞るためであると考えられる。そこで，多様性を与えた交叉のメカニズムを適用し，局所解停留の回避を狙う。
ACOを用いたCSD係数FIRフィルタ設計手法では，FIRフィルタ係数分布のスパース性を利用して，CSD表現の際に割り当てる非零桁を係数値によりコントロールし，全体的に回路規模削減を狙う。
PSS-PSOによるIIRフィルタ設計では，アルゴリズムパラメータの検証を進めると同時に極・零点に複素共役制約を与えない場合の手法について検討を進める。
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Report
(2 results)
Research Products
(12 results)
