【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は多層パーセプトロンを使用した信号波形等化器の調整方法および信号波形等化器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、多層パーセプトロンを使用した等化器として、以下に述べるような方法が知られている。 多層パーセプトロンでは、ユニット間のリンクのウェイトを調整することにより、任意の入出力関数を近似することができる。 このことを応用して、例えば通信回線上で波形が変形した信号、あるいは記録装置での記録再生の際に波形が変形した信号を多層パーセプトロンの入力とし、多層パーセプトロンの出力が変形前の信号（通信回線に送出される前の信号、または記録装置に書き込まれた信号）と一致するようにウェイトを調整することにより信号波形等化器を構成することができる。

【０００３】多層パーセプトロンを信号波形等化器に使用する場合、多層パーセプトロンのウェイト調整の手法には大きく分けて次の２つがある。 （１）事前学習型ウェイト調整：多層パーセプトロンのウェイトの調整をあらかじめ行っておき、この多層パーセプトロンを使用した信号波形等化器が通信機器や記録装置に組み込まれ、実際に使用される時には、ウェイトの調整を行わない方法である。

【０００４】（２）実時間学習型ウェイト調整：等化器と共に多層パーセプトロンのウェイト調整回路を機器に組み込み、伝送される信号、または記録される信号の中に較正用信号を適宜挿入し、この構成用信号に基づいてウェイトの調整をおこなう方法である。 この方法をとることにより、多層パーセプトロンを信号波形等化器として使用しつつウェイト調整を行うことができる。

【０００５】これらの方法を用いて多層パーセプトロンのウェイトを調整することにより、多層パーセプトロンを用いた信号波形等化器を構成することができる。

【０００６】以下、実時間学習型ウェイト調整方法について説明する。 図６は、従来の多層パーセプトロン２の構成を示す図である。 図６において、従来の多層パーセプトロン２は、入力層１０、中間層１２、および出力層１４と、各層間のリンク１１、１３と、ウェイト調整回路１５から構成され、実時間学習型ウェイト調整を行う３層の多層パーセプトロンである。 入力層１０は、単位ユニット１００ａ、１００ｂから構成される多層パーセプトロン２の入力層である。 入力層と中間層のリンク１
１は、入力層１０と中間層１２に含まれる単位ユニット１００ａ、１００ｂ、１２０ａ、１２０ｂのそれぞれを結合するリンクである。

【０００７】中間層１２は、単位ユニット１２０ａ、１
２０ｂから構成される、多層パーセプトロン２の中間層である。 中間層と出力層のリンク１３は、中間層１２と出力層１４に含まれる単位ユニット１２０ａ、１２０
ｂ、１４０ａ、１４０ｂのそれぞれを結合するリンクである。 出力層１４は、単位ユニット１４０ａ、１４０ｂ
から構成される多層パーセプトロン２の出力層である。

【０００８】ウェイト調整回路１５は、比較回路１６
ａ、１６ｂから出力される多層パーセプトロン２の出力と教師信号の誤差情報に基づいて入力層と中間層のリンク１１および中間層と出力層のリンク１３のウェイト１
１０ａ〜１１０ｄ、１３０ａ〜１３０ｄの調整を行う回路である。 比較回路１６ａ、１６ｂは多層パーセプトロン２の出力と教師信号の誤差を検出し、ウェイト調整回路１５に出力する比較回路である。

【０００９】以下、多層パーセプトロン２を使用した信号波形等化器の動作を説明する。 適応型等化器では実時間学習が必要なので、ウェイト調整回路１５が信号波形等化器とともに通信機器（図示せず）に組み込まれる。
通信回線を通ることによって変形した信号が入力層１０
に入力され、出力層１４から整形された信号となって出力される。

【００１０】通信回線を通る信号の中には、伝送したい信号に混じって信号波形等化器較正用の信号が適宜挿入され、また、較正用信号に対する望ましい出力値（教師信号）が用意されている。 較正用信号が信号波形等化器に入力された場合、信号波形等化器の出力と教師信号とが比較回路１６で比較され、その結果情報がウェイト調整回路１５に入力される。

【００１１】ウェイト調整回路１５は前記誤差情報に基づいて誤差逆伝播法によりウェイト調整量を決定し、信号波形等化器（多層パーセプトロン２）の出力と教師信号の誤差が小さくなるように入力層と中間層のリンク１
１および中間層と出力層のリンク１３ウェイト１１０ａ
〜１１０ｄ、１３０ａ〜１３０ｄが調整される。

【００１２】図６の多層パーセプトロン２では、調整されるウェイトは８個あり、ウェイト調整回路１５も８通りの異なる調整信号を発生しなければならない。 なお、
ここでは２種類の信号（例えば、ステレオ音声信号の左チャネルと右チャネル）が一組となっており、これらが相互に干渉して変形する場合を想定している。 従って、
入力層１０、出力層１４とも２個ずつの単位ユニットで構成されている。 しかし、例えば、信号の種類が１種類個のみの場合、あるいは信号の種類が３種類、あるいは４種類個で１組になる場合は、それに応じた個数の入力層１０および出力層１４それぞれの単位ユニットが必要となる。

【００１３】ここでは、通信回線を通ることによって変形した信号を整形する信号波形等化器を例として示したが、記録装置への記録再生によって変形した信号を整形する信号波形等化器も、全く同様にして構成することができる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】以上述べた、事前学習型のウェイト調整方法によれば、多層パーセプトロンを信号波形等化器に使用した場合、経時的な回線状態の変化に適応的に信号波形等化器の特性を対応させることが難しく、また、事前に学習したウェイトの値が実情に合わない、また、事前にウェイトを調整するための時間的負担および労力が大きいという問題点があった。

【００１５】また、実時間学習型ウェイト調整方法によれば、入力信号の変形の度合に応じて、あるいは、回線状態の経時的変化に応じて特性を変える適応型信号波形等化器を構成することが可能である。 しかし、一般に多層パーセプトロンのリンクの数は多く、それらのウェイトのすべてを実時間に調整するためには、大規模な回路が必要、あるいは多層パーセプトロンの回路に高速な素子を用いなければならない等の問題があった。

【００１６】この問題の一つの対策としては、一部のリンクのウェイトのみを可変とし、他を固定して、変更を要するウェイトの数を少なくする方法がある。 しかしこの場合、固定ウェイトの値の設定をいかに行うかが問題となる。

【００１７】本発明は、以上に述べたような問題点に鑑みてなされたものであり、経時的な回線状態の変化に適応的に信号波形等化器の特性を対応させることでき、また、固定ウェイトを調整するための時間的負担および労力を減らすことができ、また、回路規模が小さく、しかも特殊な素子を使用しない信号波形等化器の調整方法および信号波形等化器を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明の信号波形等化器の調整方法および波形等化器は、独立した１つの信号入力に対して第一の演算を行い、複数の演算処理結果を出力し、これらの演算結果に対して第二の演算を行い、複数の演算処理結果を出力し、前記第二の演算結果に対して第三の演算を行い、複数の演算処理結果を出力する多層パーセプトロンを使用て信号波形の整形を行い、この多層パーセプトロンの単位ユニット間のリンクの全てのウェイトの値は事前に学習することにより規定し、これらの単位ユニット間の少なくとも一つのリンクのウェイトの値を実時間的に変更する。

【００１９】また、前記多層パーセプトロンの単位ユニット間の少なくとも一つのリンク上に複数のウェイトを設け、前記ウェイトの値の変更は、前記同一リンク上の複数のウェイトを切り換えることにより行われることを特徴とする。

【００２０】また、前記同一リンク上の複数のウェイトの切替えは、前記多層パーセプトロンに入力される入力信号に関するパラメータに基づいて行われることを特徴とする。

【００２１】また、前記多層パーセプトロンには適宜較正信号が入力され、前記ウェイトの値の変更手段が、前記較正信号入力に対応する前記多層パーセプトロンの出力値および教師信号に基づいて、前記少なくとも一つのウェイトの値を変更することを特徴とする。

【００２２】また、前記多層パーセプトロンの単位ユニット間のリンクの全てのウェイトの値の規定は誤差逆伝播法により行われることを特徴とする。

【００２３】また、前記多層パーセプトロンを構成する第一の層の単位ユニットの入力は出力の値が常に１である第二の層の単位ユニットの出力であり、前記第一の層の単位ユニットと前記第二の層の単位ユニット間のリンクのウェイトの値を可変とすることにより前記第一の層の単位ユニットのバイアスの値の調整を行うことを特徴とする。

【００２４】また、独立した１つの信号入力に対して第一の演算を行い、複数の演算処理結果を出力する入力ノードを複数個有する入力処理手段と、該入力処理手段内の複数の入力ノードから複数の演算結果を入力して第二の演算を行い、複数の演算処理結果を出力する少なくとも１段の中間ノードを複数個有する中間処理手段と、該中間処理手段内の複数の中間ノードから複数の演算処理結果を入力して第三の演算を行い、１つの出力信号を出力する複数の出力ノードを有する出力処理手段とを有する多層パーセプトロンを有し、この多層パーセプトロンの単位ユニット間の少なくとも一つのリンクのウェイトの値を実時間的に変更する手段を有する。

【００２５】また、独立した１つの信号入力に対して第一の演算を行い、複数の演算処理結果を出力する入力ノードを複数個有する入力処理手段と、該入力処理手段内の複数の入力ノードから複数の演算結果を入力して第二の演算を行い、複数の演算処理結果を出力する少なくとも１段の中間ノードを複数個有する中間処理手段と、該中間処理手段内の複数の中間ノードから複数の演算処理結果を入力して第三の演算を行い、１つの出力信号を出力する複数の出力ノードを有する出力処理手段とを有する多層パーセプトロンを有し、この多層パーセプトロンの単位ユニット間のリンクの全てのウェイトの値を事前に学習することにより規定する手段と、これらの単位ユニット間の少なくとも一つのリンクのウェイトの値を実時間的に変更する手段を有する。

【００２６】また、この多層パーセプトロンの単位ユニット間の少なくとも一つのリンクに複数ののウェイトの設定手段を設け、前記ウェイトの値の変更は、前記複数のウェイトを切り換えることにより行われることを特徴とする。

【００２７】また、前記同一リンク上の複数のウェイトの切替えは、前記多層パーセプトロンに入力される入力信号のパラメータに基づいて行われることを特徴とする。

【００２８】また、前記多層パーセプトロンには適宜較正信号が入力され、前記ウェイトの値の変更手段が、前記較正信号入力に対応する前記多層パーセプトロンの出力値および教師信号に基づいて、前記少なくとも一つのウェイトの値を実時間的に変更することを特徴とする。

【００２９】また、前記多層パーセプトロンの単位ユニット間のリンクの全てのウェイトの値の規定は誤差逆伝播法により行われることを特徴とする。

【００３０】また、前記多層パーセプトロンを構成する第一の層の単位ユニットの入力は出力の値が常に１である第二の層の単位ユニットの出力であり、前記第一の層の単位ユニットと前記第二の層の単位ユニット間のリンクのウェイトの値を可変とすることにより前記第一の層の単位ユニットのバイアスの値の調整を行うことを特徴とする。

【００３１】

【作用】多層パーセプトロンのリンクを可変リンクと固定リンクに分け、可変リンクのウェイト調整のみを実時間で行うことにより、ウェイト調整回路を単純小型なもとし、また、比較的低速な素子で構成可能としている。
また、多層パーセプトロンの固定リンクのウェイトを事前学習によって調整することにより、固定リンクの値の設定を経験則やトライアルアンドエラーによる設定の場合と比較して、より適切な値に調整している。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の第一の実施例について説明する。 はじめに、多層パーセプトロンの原理および誤差逆伝搬法の原理を説明する。 まず、多層パーセプトロンの原理について説明する。 多層パーセプトロンは、多入力１出力の単位ユニット（ニューロン）が、信号を伝達するリンクによって層状に多数結合されたネットワークである。 各々のリンクには結合の強さを表すウェイト（重み）と呼ばれる係数が定義されている。

【００３３】各単位ユニットは、リンクによって入力側に結合されている他のいくつかの単位ユニットの出力（アクティビティー）にリンクのウェイトを乗じたものを入力として受け取る。 受け取られた入力は加算され、
さらに各単位ユニットごとに定義されたバイアス値が加えられて、入力の総和（ｔｏｔａｌ _j ）が計算される（式１）。

【数１】

_j ）が決まる（式２）。

【数２】

【００３４】このアクティビティーは出力側リンクを通じて、つぎのユニットに伝えられる様子を図１に示す。
多層パーセプトロンでは、同じ層内にある単位ユニット間のリンクやフィードバックリンクはなく、信号の流れは、入力層→中間層→・・・→出力層と、一方向である。 入力層の単位ユニットについては、そこに信号を送る他の単位ユニットはなく、パーセプトロンに対する入力をそのまま、単位ユニットのアクティビティーとする。 また、出力層の単位ユニットのアクティビティーをパーセプトロンの出力と見なす。 図２は４入力４出力で４層からなる多層パーセプトロンの例を示す図である。
単位ユニットの入出力関数としては、ｓｉｇｍｏｉｄ関数（式３）がよく用いられる。

【数３】

任意の入出力関数を任意の精度で近似できることが知られている。

【００３５】以下、誤差逆伝搬法の原理を説明する。 誤差逆伝搬法（エラーバックプロパゲーション）とは、多層パーセプトロンのウェイトを調整して、その出力を望ましい値（教師信号）に近付けるための一つの手法である。

【００３６】以下、順を追って説明する。 （１）各リンクのウェイトに適当な値を初期値として割り当てる。 （２）入力信号ｐを入力し、信号を層から層へと伝播させ、各単位ユニットのアクティビティーを求める。 （３）出力層の単位ユニットについては、次式で定義されるδを求める。

【数４】

【数５】

【００３７】（４）各単位ユニットでδが求まったら、
次式にしたがってリンクのウェイトを変更する。

【数６】

【００３８】ここで、（式４）のδは出力層の単位ユニットについて出力と教師信号の差（つまり誤差）から求められる量であり、（式５）のδは出力層で計算された誤差を信号の伝播方向とは逆に入力層側へと次々に送って計算された量である。 このように誤差を逆方向に伝播させてウェイト調整量を求めるので、この手法は誤差逆伝播法と呼ばれる。 なお、パーセプトロンではウェイトの調整と言わずに、学習と呼ぶことが多い。

【００３９】図３は、本発明の第一の多層パーセプトロン１の構成を示す図である。 第一の多層パーセプトロン１は従来の多層パーセプトロン２のウェイト１３０ｄを可変ウェイト２０ａ、２０ｂ、２０ｃで置換した構成となっている。 図３において、固定ウェイト１１０ａ〜１
１０ｄ、１３０ａ〜１３０ｃは、事前学習によってウェイトの値が設定され、信号波形等化器の動作中にはウェイトの値が固定となる固定ウェイトである。

【００４０】可変ウェイト２０ａ〜２０ｃは、事前学習の際および信号波形等化器の動作中に実時間的にウェイトの値が調整される可変ウェイトである。 スイッチ２１
ａ、２１ｂは、ウェイト２０ａ〜２０ｂと単位ユニット１２０ｂ間、およびウェイト調整回路１５の出力の接続をそれぞれ選択するスイッチである。

【００４１】ここで述べない第一の多層パーセプトロン１の各部分は従来の多層パーセプトロン２の各部分について同一符号を付した各部分に同じである。 また、第一の多層パーセプトロン１の各部分の接続は図３に示す通りである。 ただし、第一の多層パーセプトロン１を構成する各部分は、アナログ回路、ディジタル回路、あるいは計算機上でソフトウェア的に実現されるかを問わない。

【００４２】以下、第一の多層パーセプトロン１を信号波形等化器に使用した場合の動作について説明する。 リンク２０ａ〜２０ｃ、１１０ａ〜１１０ｄ、１３０ａ〜
１３０ｃを固定リンク１１０ａ〜１１０ｄ、１３０ａ〜
１３０ｃと可変リンク２０ａ、２０ｂに分けたことにより、ウェイト調整も事前学習フェイズと実時間学習フェイズに分けられる。

【００４３】まず、事前学習フェイズにおける第一の多層パーセプトロン１の動作を説明する。 ここでは、入力信号がその変形の度合に応じて、ａ群、ｂ群、およびｃ
群の３つの群に分けられる場合を想定している。 リンクのうち一本に切替スイッチ２１ａと３通りのウェイト２
０ａ〜２０ｃが設けられ、それに応じてウェイト調整回路１５から可変リンク２０ａ〜２０ｃに入力されるウェイト調整信号Ｓ１５ ₂₀の行き先もスイッチ２１ｂで切替られる。

【００４４】第一の多層パーセプトロン１にａ群の信号を入力した場合は、リンクの切替を行うスイッチ２１
ａ、ウェイト調整信号Ｓ１５ ₂₀の切替を行うスイッチとも可変リンク２０ａに接続して調整を行う。 同様に、第一の多層パーセプトロン１にｂ群の信号を入力した場合は、両方のスイッチを可変リンク２０ｂに接続して調整を行う。 また同様に、第一の多層パーセプトロン１にｃ
群の信号を入力した場合は可変リンク２０ｃを調整する。

【００４５】いずれの場合も、他のウェイトは図３の場合と同様に通常の誤差逆伝播法で調整する。 以後、誤差逆伝搬法の原理で説明したのと同様に、信号を次々に入力してはウェイト調整を繰り返し、教師信号との差がある程度小さくなったところで終了する。

【００４６】なお、第一の多層パーセプトロン１に信号を入力する順序は、ａ群→ｂ群→ｃ群→ａ群→ｂ群→ｃ
群と規則正しく入力しても、ａ群→ｂ群→ｃ群→ｃ群→
ａ群→ｃ群→ｂ群などのようにランダムにしてもよい。

【００４７】このようにして、事前学習フェイズが終了すると，可変リンク２０ａ〜２０ｃについては、ｗａ、
ｗｂ、ｗｃの３通りのウェイトの値が決まり、他のリンクでは各々１つのウェイトが決まる。

【００４８】次に、このようにして事前学習フェイズを終了した第一の多層パーセプトロン１を機器に組み込んで、実際に信号波形等化器として使用する実時間フェイズを示す。

【００４９】実時間フェイズにおいては第一の多層パーセプトロン１の構成は図４に示すような構成と等価になる。 図３に示した第一の多層パーセプトロン１の回路から、ウェイト調整回路１５、比較回路１６、およびスイッチ２１ｂを除いたものをそのまま信号波形等化器として用いる。 すべてのウェイト２０ａ〜２０ｃ、１１０ａ
〜１１０ｄ、１３０ａ〜１３０ｃは事前学習フェイズで調整を終了し、実時間フェイズにおいては変更を行わない。

【００５０】入力信号の変形の度合に応じてスイッチ２
１ａにより、ウェイト２０ａ〜２０ｃのウェイトの値ｗ
ａ，ｗｂ，ｗｃを切替えて使用する。 実時間フェイズにおいては事前学習フェイズで使用した較正用信号および教師信号を必要としない。

【００５１】この手法は、入力信号の変形の度合がなんらかのパラメータから推定できる場合に用いることができる。 パラメータに応じてウェイトの切替を行うスイッチ２０ａ〜２０ｃをを切替れることにより回線状態の経時的変化に応じて適応的に信号波形等化器の特性を変更可能であるためである。

【００５２】ここで述べた実時間フェイズにおける信号波形等化器の特性変更方法が適用できる事例としては、
例えばディスク装置に記録された信号の変形がトラック半径によって決まる場合や、通信回線を通った信号の変形が伝送距離によって決まる１合などである。

【００５３】第一の実施例の第一の多層パーセプトロン１においては、リンクを可変リンクと固定リンクに分け、可変リンク２０ａ〜２０ｃのウェイトの値ｗａ，ｗ
ｂ，ｗｃのみの調整をスイッチによる選択で実時間的に行うので、ウェイト調整回路１５が単純小型なものですみ、また、ウェイト調整回路１５を比較的低速な素子でも構成することができる。

【００５４】また、可変リンクの数を減らせるので、調整可能なウェイトを実現するために用いられるメモリの量（デジタル回路で構成した場合）や可変レジスタキャパシタ（アナログ回路で構成した場合）の数を減らすことができる。 さらに、固定リンク１１０ａ〜１１０ｄ、
１３０ａ〜１３０ｃのウェイトの値は事前学習によって調整されるので、経験則やトライアルアンドエラーによって設定した場合と比較して、より適切な値に調整することができる。

【００５５】以下、第二の実施例について説明する。 第二の実施例は、実時間フェイズにおける可変リンク２０
ａ〜２０ｃのウェイトの値の設定方法の変形例である。
第二の実施例における実時間フェイズにおいては、第一の多層パーセプトロン１は、図５に示す構成と等価になる。 図５の各部分は、図３において、同一符号を付した第一の多層パーセプトロン１の各部分と同じである。

【００５６】事前学習フェイズでスイッチ２１ａ、２１
ｂが設けられていた可変リンク２０ａのウェイトの値のみを可変とし、それ以外のウェイトは固定として、ウェイト調整回路と共に機器に組み込む。 事前学習フェイズと同様に、入力信号中に挿入された較正信号と、それに対応する教師信号に基づいて可変リンク２０ａのウェイト値ｗａの調節を実時間的に行う。 ここで、ウェイト調整回路１５は、上記の誤差逆伝播法に従って調整信号Ｓ
１５ ₂₀を発生する。 しかし、可変ウェイトはただ一つなので、ただ１通りの調整信号Ｓ１５ ₂₀のみを発生する。

【００５７】第二の実施例に示した実時間フェイズの動作においても、第一の実施例で述べたのと同様の効果を得ることができる。

【００５８】以下、第三に実施例について説明する。 第三の実施例は第一の多層パーセプトロン１の構成の変形例である。 第一、および第二の実施例においては、入力信号出力信号が２個の場合にパーセプトロンを用いて信号波形等化器を構成したが、入出力の数が変わっても、
パーセプトロンで信号波形等化器を構成することができる。 また、パーセプトロンの層の数、中間層の単位ユニットの数は任意であり、中間層では、入出力層の単位ユニットの数と異なる数の単位ユニットが存在してもよい。 いずれの場合でも本発明を応用してウェイトの調整を行うことが可能である。

【００５９】前述の例では、可変リンクは１個のみとしたが、２個以上のリンクを可変としてもよい。 また、どのリンクを可変リンクに選ぶかも任意である。 さらに、
切替えるウェイトの数は、３個でなく、２個や４個以上でもよい。 また、単位ユニットのウェイトを、出力が常に１であるような特別な単位ユニットからの入力として取り扱う場合は、そのリンクを可変リンクとすることにより、単位ユニットのバイアスの値の調整に本発明を用いることもできる。

【００６０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、経時的な回線状態の変化に適応的に信号波形等化器の特性を対応させることでき、また、固定ウェイトを調整するための時間的負担および労力を減らすことができ、また、回路規模が小さく、しかも特殊な素子を使用しない信号波形等化器の調整方法および信号波形等化器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】多層パーセプトロンにおいて、ある単位ユニットのアクティビティーが出力側リンクを通じて、つぎのユニットに伝えられる様子を示す図である。

【図２】４入力４出力で４層からなるパーセプトロンの例を示す図である。

【図３】本発明の第一の多層パーセプトロンの構成を示す図である。

【図４】第一の実施例において、実時間フェイズにおける第一の多層パーセプトロンの構成と等価な多層パーセプトロンの構成を示す図である。

【図５】第二の実施例において、実時間フェイズにおける第一の多層パーセプトロンの構成と等価な多層パーセプトロンの構成を示す図である。

【図６】従来の多層パーセプトロンの構成を示す図である

【符号の説明】

１・・・第一の多層パーセプトロン １０・・・入力層 １１・・・入力層と中間層のリンク １２・・・中間層 １３・・・中間層と出力層のリンク １４・・・出力層 １００、１３０、１４０・・・単位ユニット １２０、１３０・・・リンク １５・・・ウェイト調整回路 １６・・・比較回路 ２０・・・可変リンク ２１・・・スイッチ