JP2008170412A

JP2008170412A - 信号処理方法および信号処理装置

Info

Publication number: JP2008170412A
Application number: JP2007115553A
Authority: JP
Inventors: Sunao Ronte; 素直論手
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2027-04-25
Also published as: JP4819742B2

Abstract

【課題】センサの出力信号に含まれる低周波雑音成分を速やかに且つ精度よく除去して、センサに負荷された物理量に対応する直流成分を得ることができるようにする。
【解決手段】センサの出力信号に対するＡ／Ｄ変換処理で得られた時系列の信号に対して高域雑音除去処理を行い（Ｓ１２）、得られた信号Ｙに対する１８０度の移相処理を行う（Ｓ１３）。そして移相処理された信号に対して、その移相処理によって生じる所定周波数以下の低域振幅誤差を補正し（Ｓ１６）、入力信号に含まれていた低域雑音成分を１８０度移相した雑音信号を生成し、入力信号と生成された雑音信号とを加算して、低域雑音成分を除去し、入力信号の直流成分を求める（Ｓ１７）。
【選択図】図７

Description

本発明は、センサの出力信号からそのセンサに負荷された物理量に対応した直流成分を速やかに且つ精度よく得るための技術に関する。

各種の物理量を検出するためのセンサには、その物理量の変化に対して過渡的な応答を示すものが多い。

例えば、ロードセル等のように物品の質量を検出するためのセンサは、物品の荷重を受けて変形し、その変形量に応じた電圧の信号を出力するが、センサに対する物品の荷重が急激に行なわれた場合、このセンサの系の固有振動モードが励起されてセンサに伝達されるため、その出力信号は非線形振動をする。

この出力信号の非線形振動は時間が経過するにしたがって減衰して、最終的には物品の質量Ｍに対応した一定の値（直流値）に収束するが、ライン等で物品の質量検査を連続的に行なう場合、この振動が完全に収束するまで待っていたのでは効率的な検査がおこなえない。

そこで、一般的には低域通過フィルタにより雑音成分を除去することが行われているが、数１０Ｈｚ以下の雑音成分を除去するためのフィルタの時定数はかなり大きく、収束予想値を高速に得ることは困難であった。

この問題を解決するための一つの技術として、本願出願人は、センサの出力信号に含まれる交流信号成分を抽出してその位相を反転させて原信号と加算することにより、センサの出力信号の雑音成分を除去する技術を開示している（特許文献１）。

特開２００５−２７４３２０号公報

しかし、上記特許文献１の技術を用いても、床振動等で生じる数１０Ｈｚ以下の雑音成分を精度よく且つ速やかに除去することが困難であった。

特に、位相反転用として一般的に用いられるヒルベルト変換器の周波数特性は基本的にハイパス型であり、極低域までその周波数特性を延ばそうとすれば、そのタップ数が非常に大きくなり、その処理による大きな遅延が生じてしまう。

本発明は、この点を改善し、センサの出力信号に含まれる低周波雑音成分を速やかに且つ精度よく除去して、センサに負荷された物理量に対応する直流成分を得ることができる信号処理方法および装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１の信号処理方法は、
センサの出力信号に対するＡ／Ｄ変換処理で得られた時系列の信号を入力信号として受け、該入力信号に含まれる所定周波数より高い高域雑音成分を除去し、該高域雑音成分が除去された信号から前記所定周波数以下の低域雑音成分を除去して、前記入力信号の直流成分を求める信号処理方法であって、
前記低域雑音成分を除去する処理は、
前記所定周波数以下の低域雑音成分に対する１８０度の移相処理を行う段階（Ｓ１３）と、
前記移相処理された信号に対して、該移相処理によって生じる所定周波数以下の低域振幅誤差を補正して、前記高域雑音成分が除去された信号に含まれていた前記低域雑音成分を１８０度移相した雑音信号を生成する段階（Ｓ１６）と、
前記高域雑音成分が除去された信号と前記生成された雑音信号とを加算して、前記入力信号の直流成分を求める段階（Ｓ１７）とを含んでいることを特徴としている。

また、本発明の請求項２の信号処理方法は、請求項１記載の信号処理方法において、
前記入力信号または前記高域雑音成分が除去された信号に対するスペクトラム解析により前記所定周波数以下の雑音成分を求める段階（Ｓ１４）と、
該雑音成分に対して前記低域振幅誤差を補正するために必要な係数を求める段階（Ｓ１５）とを含み、
前記求めた係数による補正演算処理を前記移相処理された信号に対して行うことにより、前記低域振幅誤差を補正することを特徴としている。

また、本発明の請求項３の信号処理方法は、
センサの出力信号に対するＡ／Ｄ変換処理で得られた時系列の信号を入力信号として受け、該入力信号に含まれる所定周波数より高い高域雑音成分を除去し、該高域雑音成分が除去された信号から前記所定周波数以下の低域雑音成分を除去して、前記入力信号の直流成分を求める信号処理方法であって、
前記低域雑音を除去する処理は、
前記高域雑音成分が除去された信号について、その連続する信号間の差分値を求める段階（Ｓ３）と、
前記差分値の信号の前記所定周波数以下の低域雑音成分に対する１８０度の移相処理を行う段階（Ｓ４）と、
前記移相処理された信号に対して、該移相処理によって生じる所定周波数以下の低域振幅誤差を補正する段階（Ｓ７）、
前記補正処理された信号を積分して、前記高域雑音成分が除去された信号に含まれていた低域の雑音成分を１８０度移相した雑音信号を生成する段階（Ｓ８）と、
前記高域雑音成分が除去された信号または前記差分値の信号に対する積分処理で得られる信号のいずれかと、前記生成された雑音信号とを加算して、前記入力信号の直流成分を求める段階（Ｓ９）とを含んでいることを特徴としている。

また、本発明の請求項４の信号処理方法は、請求項３記載の信号処理方法において、
前記差分値の信号に対するスペクトラム解析により前記所定周波数以下の雑音成分を求める段階（Ｓ５）と、
該雑音成分に対して前記低域振幅誤差を補正するために必要な係数を求める段階（Ｓ６）とを含み、
前記求めた係数による補正演算処理を前記移相処理された信号に対して行うことにより、前記低域振幅誤差を補正することを特徴としている。

また、本発明の請求項５の信号処理装置は、
センサ（１）の出力信号に対するＡ／Ｄ変換処理を行うＡ／Ｄ変換器（２１）と、
前記Ａ／Ｄ変換器の出力信号を受け、所定周波数より高い高域雑音成分を除去する高域雑音除去部（２２）と、
前記高域雑音除去部の出力信号を受け、前記所定周波数以下の低域雑音成分を除去する低域雑音除去部（３０）とを有する信号処理装置であって、
前記低域雑音除去部が、
前記高域雑音除去部から出力される信号に対して１８０度の移相処理を行う移相手段（３２）と、
前記移相手段の出力信号に対して、前記移相処理によって生じる前記所定周波数以下の低域振幅誤差を補正して、前記入力信号に含まれていた交流の雑音成分を１８０度移相した雑音信号を生成する補正手段（３３）と、
前記高域雑音除去部から出力される信号と前記生成された雑音信号とを加算し、前記入力信号の直流成分を求める加算手段（３９）とを有していることを特徴としている。

また、本発明の請求項６の信号処理装置は、請求項５記載の信号処理装置において、
前記入力信号または前記高域雑音除去部から出力される信号に対するスペクトラム解析を行うスペクトラム解析手段（３４）と、
前記スペクトラム解析手段により得られた前記所定周波数以下の雑音成分に対して前記低域振幅誤差を補正するために必要な係数を求める係数算出手段（３５）とを有し、
前記補正手段は、前記移相処理された信号に対して前記係数算出手段によって得られた係数による補正演算処理を行うことを特徴としている。

また、本発明の請求項７の信号処理装置は、
センサ（１）の出力信号に対するＡ／Ｄ変換処理を行うＡ／Ｄ変換器（２１）と、
前記Ａ／Ｄ変換器の出力信号を受け、所定周波数より高い高域雑音成分を除去する高域雑音除去部（２２）と、
前記高域雑音除去部の出力信号を受け、前記所定周波数以下の低域雑音成分を除去する低域雑音除去部（３０）とを有する信号処理装置であって、
前記低域雑音除去部が、
前記高域雑音除去部から連続して出力される信号間の差分値を求める差分演算手段（３１）と、
前記差分値の信号に対して１８０度の移相処理を行う移相手段（３２）と、
前記移相手段の出力信号に対して、前記移相処理によって生じる前記所定周波数以下の低域振幅誤差を補正する補正手段（３３）と、
前記補正手段によって低域振幅誤差が補正された信号を積分して、前記入力信号に含まれていた交流の雑音成分を１８０度移相した雑音信号を生成する積分手段（３６）と、
前記高域雑音除去部から出力される信号と前記生成された雑音信号とを加算し、前記入力信号の直流成分を求める加算手段（３９）とを有していることを特徴としている。

また、本発明の請求項８の信号処理装置は、請求項７記載の信号処理装置において、
前記加算手段で加算される信号のうち、前記高域雑音除去部から出力される信号は、前記差分値の信号に対する積分処理で復元された信号であることを特徴としている。

また、本発明の請求項９の信号処理装置は、請求項７または請求項８記載の信号処理装置において、
前記差分値の信号に対するスペクトラム解析を行うスペクトラム解析手段（３４）と、
前記スペクトラム解析手段により得られた前記所定周波数以下の雑音成分に対して前記低域振幅誤差を補正するために必要な係数を求める係数算出手段（３５）とを有し、
前記補正手段は、前記移相処理された信号に対して前記係数算出手段によって得られた係数による補正演算処理を行うことを特徴としている。

このように本発明では、センサの出力信号に対するＡ／Ｄ変換処理で得られた時系列の信号に対して高域雑音除去処理を行い、その高域雑音除去処理後の信号に対する１８０度の移相処理と、その移相処理によって生じる低域振幅誤差を補正して、入力信号に含まれていた交流の雑音成分を１８０度移相した雑音信号を生成してから入力信号と加算して、入力信号の直流成分を求めているので、移相処理帯域を極端に低域まで下げることなく、低域雑音成分を除去することができ、速やかに且つ精度よく直流成分を検出することができる。

また、１８０度の移相処理の前に差分演算を行うものでは、直流分による振幅の大きな変動で移相処理結果に過渡応答が生じることを未然に防ぐことができ、より高精度な信号処理を行うことができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
先ず始めに、本発明の信号処理方法の一実施形態を図１のフローチャートに基づいて説明する。

図１に示しているように、この実施形態の信号処理方法は、質量、圧力等の物理量Ｍを受けたセンサの出力信号ｘ（ｔ）を、その周波数成分の上限の２倍より十分高い周波数でオーバサンプリングして、量子化雑音が極めて少ないデジタルの原信号Ｘ（ｋ）に変換する（Ｓ１）。

そして、この原信号Ｘ（ｋ）に含まれる高域雑音成分を除去する（Ｓ２）。
この高域雑音成分の除去処理については後述するが、例えば前記した特許文献１の処理が使用可能であり、この処理により、例えば、図２の（ａ）のような信号ｘ（ｔ）に対して、図２の（ｂ）のように低域の雑音成分のみが重畳した信号Ｙ（ｋ）を出力する。

この高域雑音除去処理で所定周波数Ｆａ（例えば数１０Ｈｚ）以上の雑音成分が短時間に除去された信号Ｙ（ｋ）は、Ｓ３以降の低域雑音除去処理を受ける。

即ち、高域雑音成分が除去された時系列に連続する信号同士の差分値ΔＹ（ｋ）が、次の演算により順次求められる（Ｓ３）。

ΔＹ（ｋ）＝Ｙ（ｋ）−Ｙ（ｋ−１）

この差分値の信号ΔＹ（ｋ）は、図２の（ｃ）のように、信号Ｙ（ｋ）に重畳されている交流成分を抽出したもの（ただし位相は異なる）であり、前段の高域雑音除去処理によりその周波数帯域の上限はＦａに制限されている。

次に、この差分値の信号ΔＹ（ｋ）に対して１８０度の移相処理を行う（Ｓ４）。
この１８０度の移相処理は、例えば広帯域にわたり９０度の移相処理が可能なヒルベルト変換回路を２段接続して実現できる。

ただし、前記したようにヒルベルト変換器はハイパス型であるため、図３のように周波数が低い程利得が低下し、図２の（ｄ）のように、移相処理した後の信号ΔＹ′の低域成分の振幅が大きく減衰してしまう。この利得が低下する周波数は、タップ数を多くすることでより低い方へずらすことができるが、そのために大きな遅延時間が生じてしまう。

また、差分値の信号ΔＹは入力信号の微分波形であり、元の信号に含まれていた雑音信号の波形と異なっているので、このまま元の信号に加算してもその雑音成分を相殺除去することはできない。

そこで、この実施形態では、次の処理Ｓ５〜Ｓ８おいて、移相処理によって生じる低域振幅誤差を補正し、その補正された信号を積分して、高域雑音成分が除去された信号に含まれていた低域の雑音成分を１８０度移相した雑音信号を生成している。

この低域振幅誤差の補正処理としては、移相処理部の周波数特性が既知で固定であることから、その周波数特性を補償する固定周波数特性（ＬＰＦ）のフィルタ処理（畳み込み演算処理）を行うことで実現できる。

ただし、センサ１１の出力に含まれる低域雑音成分は、床振動などのようにセンサ１１に定常的に加わっている振動成分が主体である場合が多いので、その信号成分についてだけ低域振幅誤差を補正することで補正処理が容易となり、補正に必要な処理時間がより短くて済む。

このため、この実施形態では、差分値の信号ΔＹ（ｋ）に対するスペクトラム解析を行い、周波数Ｆａ以下に存在する雑音成分を求め（Ｓ５）、その雑音成分に対して前記移相処理で生じる低域振幅誤差を補正するために必要な係数（この場合ＦＩＲ型フィルタの係数）を求め（Ｓ６）、そのフィルタ係数による補正演算処理（畳み込み演算処理）を移相処理された信号ΔＹ（ｋ）′に対して行い（Ｓ７）、その補正処理された信号ΔＹ（ｋ）″に対して積分処理を行う（Ｓ８）ことで、図２の（ｅ）のように、振幅誤差が補正され、且つ元の信号の低域雑音成分に対して１８０度移相した雑音信号Ｎ_Ｌ（ｋ）を生成している。

なお、ここでは、精度に影響を与える低域雑音成分が複数ある場合を想定して、その複数の低域振幅誤差を補正するために必要なフィルタ係数を求めていたが、スペクトラム解析で得られた低域雑音成分のうちのレベルが最大の雑音成分だけに対して補正処理を行うことも可能であり、その場合には、対象となる雑音成分の振幅の減衰割合を係数として求め、その係数の逆数を移相処理後の信号に乗じる演算のみで補正処理が行え、最短の処理時間で済む。

そして、最後に信号Ｙ（ｋ）とこの雑音信号Ｎ_Ｌ（ｋ）とを加算して、図２の（ｆ）のように低域雑音成分が除去された信号Ｚ（ｋ）を得ている（Ｓ９）。この信号Ｚ（ｋ）からセンサの出力信号ｘ（ｔ）の直流成分Ｖｍ、即ち、センサに負荷された物理量を予測できる。

このように、実施形態の信号処理方法では、センサ１の出力信号に対するＡ／Ｄ変換処理で得られた時系列の信号に対して高域雑音除去処理を行い、その結果に得られる信号に対して差分演算処理を行い、その得られた差分値の信号に対して１８０度の移相処理を行い、その移相処理により生じる低域振幅誤差を補正して、積分処理することで元の雑音成分に対して１８０度移相した雑音信号を生成し、これを入力信号と加算して低域雑音成分を相殺させ、センサの出力信号の直流成分を得ている。

したがって、低域成分に対する移相処理のために大きな遅延時間を発生させることなく、極めて低い周波数の雑音成分の除去を速やか行うことができ、センサに負荷された物理量を高速且つ高精度に検出できる。

また、１８０度の移相処理の前に差分演算処理を行っているので、直流分による振幅の大きな変動で移相処理結果に過渡応答が生じることを未然に防ぐことができ、より高精度な信号処理を行うことができる。

なお、高域雑音除去の処理は任意であり、簡単にはハイパスフィルタのみで高域雑音成分を除去してもよく、また、前記した特許文献１の処理で極めて高速な雑音除去処理を行うこともできる。

また、図４に示すように、原信号Ｘ（ｋ）の差分演算処理で差分値ΔＸ（ｋ）を求め（Ｓ２１）、その差分値の信号ΔＸ（ｋ）に対して前記同様に１８０度の移相処理を行い（Ｓ２２）、その移相処理された信号ΔＸ（ｋ）′の積分処理により１８０度移相した高域の雑音信号Ｎ_Ｈ（ｋ）を生成して（Ｓ２３）、原信号Ｘ′と加算する（Ｓ２４）ことで、高域雑音成分を相殺除去することができる。

この処理で、移相処理に用いるヒルベルト変換のタップ数は、周波数Ｆａ以上の周波数成分に対して平坦な周波数特性が得られる最小数に設定すればよく、短い遅延時間で少なくとも周波数Ｆａ以上の高域雑音成分が除去された信号Ｙ（ｋ）を得ることができる。

図５は、上記実施形態の信号処理方法を用いた実施形態の信号処理装置２０の構成を示している。

この信号処理装置２０は、ロードセル等のセンサ１１の出力信号ｘ（ｔ）を、Ａ／Ｄ変換器２１により例えば数１０ｋＨｚでオーバサンプリングして、量子化雑音が少ないデジタルの原信号Ｘ（ｋ）を得て、高域雑音除去部２２に入力している。

高域雑音除去部２２は、差分演算手段２３、移相手段２４、第１の積分手段２５、遅延手段２６、第２の積分手段２７および加算手段２８により構成されている。

差分演算手段２３は、連続して入力される原信号Ｘ（ｔ）同士の差分値ΔＸ（ｋ）を、
ΔＸ（ｋ）＝Ｘ（ｋ）−Ｘ（ｋ−１）
の演算により順次求めて移相手段２４および遅延手段２６に出力する。

移相手段２４は、９０度の移相を行う２つのヒルベルト変換器２４ａ、２４ｂを直列に接続したものであり、そのタップ数は、周波数Ｆａ以上の周波数成分に対して平坦な周波数特性が得られる最小数に設定されている。

第１の積分手段２５は、移相手段２４の出力信号ΔＸ（ｋ）′に対する積分処理を行い、加算手段２８に出力する。なお、上記のようにヒルベルト変換器を用いた移相手段２４の場合、原理的に直流分は除去されているので、第１の積分手段２５では交流成分についてのみ積分処理され、原信号に重畳している交流成分に対して１８０度移相した雑音信号Ｎ_Ｈ（ｋ）を生成できる。ただし、低域の雑音成分については元の成分に対して振幅が低下している。

また、遅延手段２６は、差分値の信号ΔＸ（ｋ）に対し、移相手段２４の移相処理に必要な処理時間分の遅延を与え、第２の積分手段２７に出力する。

第２の積分手段２７は、この遅延された差分値の信号ΔＸの積分処理を行い、直流分と交流分とを含む原信号Ｘを復元して、加算手段２８に出力する。

よって、加算手段２８には、原信号Ｘ（ｋ）と、その原信号に含まれていた周波数Ｆａ以上の高域雑音成分を１８０度移相した雑音信号Ｎ_Ｈ（ｋ）とが入力されることになり、その加算処理により高域雑音成分が相殺除去された信号Ｙ（ｋ）が前記図２の（ｂ）のように出力されることになる。

なお、加算手段２８に入力される原信号Ｘは、図５において点線で示しているように、Ａ／Ｄ変換器２１から出力される原信号Ｘに対して、差分演算手段２３、移相手段２４および第１の積分手段２５の各処理に必要な時間分だけ遅延手段２６で遅延して得ることもでき、その場合には第２の積分手段２７を省略することができる。

このようにして得られた信号Ｙ（ｋ）は、低域雑音除去部３０の差分演算手段３１に入力され、前記同様に、その入力信号同士の差分値ΔＹ（ｋ）が、
ΔＹ（ｋ）＝Ｙ（ｋ）−Ｙ（ｋ−１）
の演算により順次求められる（図２の（ｃ））。

この差分値の信号ΔＹ（ｋ）は、移相手段３２、スペクトラム解析手段３４および遅延手段３６に入力される。

移相手段３２は、前記同様に、９０度の移相を行う２つのヒルベルト変換器３２ａ、３２ｂを直列に接続したものであり、そのタップ数は、周波数Ｆａより低い周波数Ｆｂ（例えば１０Ｈｚ程度）以上について平坦な特性が得られる最小数に設定されており、それより低い周波数成分に対しては、前記図３で示したように周波数が低くなる程振幅が減衰特性となり、図２の（ｄ）で示したように、その帯域の信号の振幅を下げてしまうが、その振幅低下は後続の補正手段３３によって補正される。

この補正には、移相手段３２の低域の周波数特性と逆の周波数特性を持つフィルタによってその低域全体の低域振幅誤差を補償する方法と、実際に存在する低域雑音成分のうち、精度に影響を与える可能性のあるレベルが大きい雑音成分に対してのみ振幅誤差を補償する方法とがあるが、ここでは後者について説明する。

即ち、補正手段３３は、図３の周波数特性と逆の周波数特性をもつＦＩＲ型の低域通過フィルタであり、上記した移相処理によって生じる低域振幅誤差を補正する。

スペクトラム解析手段３４は、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理により差分値の信号ΔＹ（ｋ）についてのスペクトラム解析を行い、精度に影響する可能性のある所定レベル以上の低域雑音成分を求め、そのスペクトラムの情報を、補正係数算出手段３５に出力する。

フィルタ係数算出手段３５は、スペクトラム解析手段３４により得られた低域雑音成分のスペクトラム情報を受け、精度に影響する可能性のある所定レベル以上の低域雑音成分に対して移相手段３２により生じる低域振幅誤差を補正するためのフィルタ係数を求め、これを補正手段３３に設定する。このフィルタ係数は、スペクトラム解析情報から補正に必要な振幅位相特性を求め、その特性に対して逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を行ってインパルス応答を求め、そのインパルス応答を、要求する精度に対応した広さで切り出すことにより得ている。

なお、上記のようにスペクトラム解析を行って実際に存在する低域雑音信号を求め、その低域雑音信号に対して選択的に補正処理を行うようにすれば、補正のためのフィルタ構成が簡単に済み、遅延時間を短くすることができる。

また、最もレベルが高い雑音成分だけに対して補正処理を行う場合には、その成分の周波数に対応する振幅減衰率を求め、その減衰率の逆数に等しい係数を補正係数とし、その補正係数を移相処理された信号に乗算することで補正でき、最短い処理時間で済む。

このようにして低域振幅誤差が補正された信号ΔＹ（ｋ）″は、第３の積分手段３６で積分され、前記図２の（ｅ）に示したように、信号Ｙ（ｋ）の低域雑音成分を１８０度移相した雑音信号Ｎ_Ｌ（ｋ）が得られる。

一方、遅延手段３７は、差分値の信号ΔＹ（ｋ）に、移相手段３２および補正手段３３の処理時間分の遅延を与えて、第４の積分手段３８に出力する。

第４の積分手段３８は、遅延された差分値の信号ΔＹ（ｋ）の積分処理を行い、元の信号Ｙ（ｋ）を復元し、加算手段３９に出力する。

したがって、加算手段３９には、信号Ｙ（ｋ）と、その信号Ｙ（ｋ）に含まれていた低域雑音成分を１８０度移相した雑音信号Ｎ_Ｌ（ｋ）とが入力されることになり、その低域雑音成分が相殺除去された信号Ｚ（ｋ）が前記図２の（ｆ）のように出力されることになる。

なお、加算手段３９に入力する信号Ｙ（ｋ）として、図５において点線で示しているように、高域雑音除去部２２から出力される信号Ｙ（ｋ）に、差分演算手段３１、移相手段３２補正手段３３および第３の積分手段３６の各処理に必要な時間分だけ遅延手段３７で遅延を与えることで得ることもでき、その場合には第４の積分手段３８は省略できる。

次に、上記図５の構成で、Ａ／Ｄ変換器２１のサンプリング周波数を２ｋＨｚとした信号処理装置２０に対して、振幅０．５の直流成分（検出対象）、低域雑音成分として周波数１０Ｈｚ、振幅０．１の正弦波、高域雑音成分として、周波数１００Ｈｚ、振幅０．２の正弦波、周波数６０、６３Ｈｚ、振幅０．２の合成波、周波数４０Ｈｚ、振幅０．５の非線形振動を同時に与えたときのシミュレーション結果を図６に示す。

図６の（ａ）は原信号Ｘ（ｋ）であり、検出対象の直流分に対してかなりの大きな振幅の雑音成分が重畳しているが、高域雑音成分除去部２２において、タップ数２４０のヒルベルト変換による移相処理を用いて高域成分を除去すると、図６の（ｂ）のように、１０Ｈｚの低域雑音成分と直流分のみからなる信号Ｙ（ｋ）が得られる。

そして、低域雑音除去部３０において、タップ数５０のヒルベルト変換による移相処理と補正処理とを用いて低域成分を除去すると、図６の（ｃ）のように、１０Ｈｚの低域雑音成分がほぼ完全に除去された直流分のみの信号Ｚ（ｋ）が得られている。また、この信号Ｚ（ｋ）の立ち上がりタイミングは、原信号Ｘ（ｋ）の直流分の立ち上がりタイミングから僅か０．２秒程度の遅れとなっており、１０Ｈｚの雑音成分の除去処理が高速に行えることが判る。

また、このように差分演算処理された信号を移相手段２４、３２に入力しているので、センサ１１に対する負荷に対応する直流分による振幅の大きな変動で移相処理結果に過渡応答が生じることを未然に防ぐことができ、より高精度な信号処理を行うことができる。

前記実施形態では、低域雑音除去処理を行う際に、高域雑音が除去された信号に対する差分処理を行うとともに、補正処理後の信号に対する積分処理を行って、入力信号に含まれる低域雑音成分を１８０度移相した雑音信号成分を生成していたが、直流分による振幅の大きな変動で移相処理結果に問題となるような過渡応答が生じない場合には、差分処理および積分処理を省くことも可能である。

図７は、図１の低域雑音除去処理において、差分処理と積分処理を省いた信号処理方法を示すものであり、前記同様に、質量、圧力等の物理量Ｍを受けたセンサの出力信号ｘ（ｔ）を、その周波数成分の上限の２倍より十分高い周波数でオーバサンプリングして、量子化雑音が極めて少ないデジタルの原信号Ｘ（ｋ）に変換する（Ｓ１１）。

そして、この原信号Ｘ（ｋ）に含まれる高域雑音成分を除去する（Ｓ１２）。
この高域雑音成分の除去処理により、前記したように、図２の（ａ）で示した信号ｘ（ｔ）に対して、図２の（ｂ）で示したように低域の雑音成分のみが重畳した信号Ｙ（ｋ）を出力する。

この高域雑音除去処理で所定周波数Ｆａ（例えば数１０Ｈｚ）以上の雑音成分が短時間に除去された信号Ｙ（ｋ）は、Ｓ１３以降の低域雑音除去処理を受ける。

即ち、信号Ｙ（ｋ）に対して１８０度の移相処理を行う（Ｓ１３）。
この１８０度の移相処理は、例えば広帯域にわたり９０度の移相処理が可能なヒルベルト変換回路を２段接続して実現できるが、前記したようにヒルベルト変換器はハイパス型であるため、移相処理した後の信号の低域成分の振幅が大きく減衰してしまう。この利得が低下する周波数は、タップ数を多くすることでより低い方へずらすことができるが、そのために大きな遅延時間が生じてしまう。

そこで、次の処理Ｓ１４〜Ｓ１６おいて、移相処理によって生じる低域振幅誤差を補正して、高域雑音成分が除去された信号に含まれていた低域の雑音成分を１８０度移相した雑音信号を生成している。

このため、ここでは、信号Ｙ（ｋ）（または入力信号Ｘ（ｋ））に対するスペクトラム解析を行い、周波数Ｆａ以下に存在する雑音成分を求め（Ｓ１４）、その雑音成分に対して前記移相処理で生じる低域振幅誤差を補正するために必要な係数（この場合ＦＩＲ型フィルタの係数）を求め（Ｓ１５）、そのフィルタ係数による補正演算処理（畳み込み演算処理）を移相処理された信号Ｙ（ｋ）′に対して行う（Ｓ１６）ことで、図２の（ｅ）で示したように、振幅誤差が補正され、且つ元の信号の低域雑音成分に対して１８０度移相した雑音信号Ｎ_Ｌ（ｋ）を生成している。

そして、最後に信号Ｙ（ｋ）とこの雑音信号Ｎ_Ｌ（ｋ）とを加算して、図２の（ｆ）で示したように低域雑音成分が除去された信号Ｚ（ｋ）を得ている（Ｓ１７）。この信号Ｚ（ｋ）からセンサの出力信号ｘ（ｔ）の直流成分Ｖｍ、即ち、センサに負荷された物理量を予測できる。

このように、上記実施形態の信号処理方法では、高域雑音除去処理で得られた信号に対して１８０度の移相処理を行い、その移相処理により生じる低域振幅誤差を補正することで元の雑音成分に対して１８０度移相した雑音信号を生成し、これを入力信号と加算して低域雑音成分を相殺させ、センサの出力信号の直流成分を得ている。

したがって、前記実施形態の場合よりさらに構成を簡略化することができ、低域成分に対する移相処理のために大きな遅延時間を発生させることなく、極めて低い周波数の雑音成分の除去を速やか行うことができ、センサに負荷された物理量を高速且つ高精度に検出できる。

なお、この実施形態の場合であっても高域雑音除去処理は前記実施形態の場合と同様に任意であり、簡単にはハイパスフィルタのみで高域雑音成分を除去してもよく、また、前記した特許文献１の処理、あるいは図４に示した処理で極めて高速な雑音除去処理を行うこともできる。

また、図８に示すように、原信号Ｘ（ｋ）に対して１８０度の移相処理を行い（Ｓ３１）、所定周波数以上の雑音成分を１８０度移相した高域の雑音信号Ｎ_Ｈ（ｋ）を生成して（Ｓ２２）、原信号Ｘと加算する（Ｓ２３）ことで、高域雑音成分を相殺除去することができる。

図９は、上記図７、図８に示した信号処理方法に対応した信号処理装置２０′の構成を示すものであり、前記図５に示した信号処理装置２０の各差分演算手段２３、３１、各積分手段２５、２７、３６、３８を省略したものであり、他の構成は同等である。

即ち、この信号処理装置２０′は、ロードセル等のセンサ１１の出力信号ｘ（ｔ）を、Ａ／Ｄ変換器２１により例えば数１０ｋＨｚでオーバサンプリングして、量子化雑音が少ないデジタルの原信号Ｘ（ｋ）を得て、高域雑音除去部２２の移相手段２４に入力している。

前記したように、移相手段２４は、９０度の移相を行う２つのヒルベルト変換器２４ａ、２４ｂを直列に接続したものであり、そのタップ数は、周波数Ｆａ以上の周波数成分に対して平坦な周波数特性が得られる最小数に設定されている。このヒルベルト変換器を用いた移相手段２４の場合、原理的に直流分は除去されるので、重畳している交流成分の所定周波数以上に対して１８０度移相した雑音信号Ｎ_Ｈ（ｋ）を生成できる。

また、遅延手段２６は、信号Ｘ（ｋ）に対し、移相手段２４の移相処理に必要な処理時間分の遅延を与えて、加算手段２８に出力する。

よって、加算手段２８には、原信号Ｘ（ｋ）と、その原信号に含まれていた周波数Ｆａ以上の高域雑音成分を１８０度移相した雑音信号Ｎ_Ｈ（ｋ）とが入力されることになり、その加算処理により高域雑音成分が相殺除去された信号Ｙ（ｋ）が前記図２の（ｂ）に示したように出力されることになる。

この信号Ｙ（ｋ）は、低域雑音除去部３０の移相手段３２、スペクトラム解析手段３４、および遅延手段３７に入力される。

移相手段３２は、前記同様に、９０度の移相を行う２つのヒルベルト変換器３２ａ、３２ｂを直列に接続したものであり、そのタップ数は、周波数Ｆａより低い周波数Ｆｂ（例えば１０Ｈｚ程度）以上について平坦な特性が得られる最小数に設定されており、それより低い周波数成分に対しては、図３で示したように周波数が低くなる程振幅が低下してしまうが、その振幅低下は前記同様に図３の周波数特性と逆の周波数特性をもつＦＩＲ型の低域通過フィルタからなる補正手段３３によって補正される。

スペクトラム解析手段３４は、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理により信号Ｙ（ｋ）（またはＸ（ｋ）でもよい）についてのスペクトラム解析を行い、精度に影響する可能性のある所定レベル以上の低域雑音成分を求め、そのスペクトラムの情報を、補正係数算出手段３５に出力する。

この補正により、信号Ｙ（ｋ）の低域雑音成分を１８０度移相した雑音信号Ｎ_Ｌ（ｋ）が得られ、遅延手段３７によって移相手段３２および補正手段３３の処理時間分の遅延が与えられた信号Ｙ（ｋ）とともに、加算手段３９に入力される。

したがって、加算手段３９からは、信号Ｙ（ｋ）に含まれていた低域雑音成分が相殺除去された信号Ｚ（ｋ）が前記図２の（ｆ）のように出力されることになる。

この図９に示した信号処理装置２０′は、図５に示した信号処理装置２０で示した効果の他に、各差分演算手段、積分手段を省いている分だけ構成が簡単化され、処理遅延が小さくて済むという利点がある。

本発明の実施形態の信号処理方法の手順を示すフローチャート本発明の実施形態の動作例を示す信号図ヒルベルト変換器の周波数特性図高域雑音除去処理の一例を示す図本発明の実施形態の信号処理装置の構成図雑音信号を付与したときのシミュレーション結果を示す図本発明の他の実施形態の信号処理方法の手順を示すフローチャートを示す図高域雑音除去処理の一例を示す図本発明の他の実施形態の信号処理装置の構成図

符号の説明

１１……センサ、２０、２０′……信号処理装置、２１……Ａ／Ｄ変換器、２２……高域雑音除去部、２３……差分演算手段、２４……移相手段、２５……第１の積分手段、２６……遅延手段、２７……第２の積分手段、２８……加算手段、３０……低域雑音除去部、３１……差分演算手段、３２……移相手段、３３……補正手段、３４……スペクトラム解析手段、３５……フィルタ係数算出手段、３６……第３の積分手段、３７……遅延手段、３８……第４の積分手段、３９……加算手段

Claims

センサの出力信号に対するＡ／Ｄ変換処理で得られた時系列の信号を入力信号として受け、該入力信号に含まれる所定周波数より高い高域雑音成分を除去し、該高域雑音成分が除去された信号から前記所定周波数以下の低域雑音成分を除去して、前記入力信号の直流成分を求める信号処理方法であって、
前記低域雑音成分を除去する処理は、
前記所定周波数以下の低域雑音成分に対する１８０度の移相処理を行う段階（Ｓ１３）と、
前記移相処理された信号に対して、該移相処理によって生じる所定周波数以下の低域振幅誤差を補正して、前記高域雑音成分が除去された信号に含まれていた前記低域雑音成分を１８０度移相した雑音信号を生成する段階（Ｓ１６）と、
前記高域雑音成分が除去された信号と前記生成された雑音信号とを加算して、前記入力信号の直流成分を求める段階（Ｓ１７）とを含んでいることを特徴とする信号処理方法。
前記入力信号または前記高域雑音成分が除去された信号に対するスペクトラム解析により前記所定周波数以下の雑音成分を求める段階（Ｓ１４）と、
該雑音成分に対して前記低域振幅誤差を補正するために必要な係数を求める段階（Ｓ１５）とを含み、
前記求めた係数による補正演算処理を前記移相処理された信号に対して行うことにより、前記低域振幅誤差を補正することを特徴とする請求項１記載の信号処理方法。
センサの出力信号に対するＡ／Ｄ変換処理で得られた時系列の信号を入力信号として受け、該入力信号に含まれる所定周波数より高い高域雑音成分を除去し、該高域雑音成分が除去された信号から前記所定周波数以下の低域雑音成分を除去して、前記入力信号の直流成分を求める信号処理方法であって、
前記低域雑音を除去する処理は、
前記高域雑音成分が除去された信号について、その連続する信号間の差分値を求める段階（Ｓ３）と、
前記差分値の信号の前記所定周波数以下の低域雑音成分に対する１８０度の移相処理を行う段階（Ｓ４）と、
前記移相処理された信号に対して、該移相処理によって生じる所定周波数以下の低域振幅誤差を補正する段階（Ｓ７）、
前記補正処理された信号を積分して、前記高域雑音成分が除去された信号に含まれていた低域の雑音成分を１８０度移相した雑音信号を生成する段階（Ｓ８）と、
前記高域雑音成分が除去された信号または前記差分値の信号に対する積分処理で得られる信号のいずれかと、前記生成された雑音信号とを加算して、前記入力信号の直流成分を求める段階（Ｓ９）とを含んでいることを特徴とする信号処理方法。
前記差分値の信号に対するスペクトラム解析により前記所定周波数以下の雑音成分を求める段階（Ｓ５）と、
該雑音成分に対して前記低域振幅誤差を補正するために必要な係数を求める段階（Ｓ６）とを含み、
前記求めた係数による補正演算処理を前記移相処理された信号に対して行うことにより、前記低域振幅誤差を補正することを特徴とする請求項３記載の信号処理方法。
センサ（１）の出力信号に対するＡ／Ｄ変換処理を行うＡ／Ｄ変換器（２１）と、
前記Ａ／Ｄ変換器の出力信号を受け、所定周波数より高い高域雑音成分を除去する高域雑音除去部（２２）と、
前記高域雑音除去部の出力信号を受け、前記所定周波数以下の低域雑音成分を除去する低域雑音除去部（３０）とを有する信号処理装置であって、
前記低域雑音除去部が、
前記高域雑音除去部から出力される信号に対して１８０度の移相処理を行う移相手段（３２）と、
前記移相手段の出力信号に対して、前記移相処理によって生じる前記所定周波数以下の低域振幅誤差を補正して、前記入力信号に含まれていた交流の雑音成分を１８０度移相した雑音信号を生成する補正手段（３３）と、
前記高域雑音除去部から出力される信号と前記生成された雑音信号とを加算し、前記入力信号の直流成分を求める加算手段（３９）とを有していることを特徴とする信号処理装置。
前記入力信号または前記高域雑音除去部から出力される信号に対するスペクトラム解析を行うスペクトラム解析手段（３４）と、
前記スペクトラム解析手段により得られた前記所定周波数以下の雑音成分に対して前記低域振幅誤差を補正するために必要な係数を求める係数算出手段（３５）とを有し、
前記補正手段は、前記移相処理された信号に対して前記係数算出手段によって得られた係数による補正演算処理を行うことを特徴とする請求項５記載の信号処理装置。
センサ（１）の出力信号に対するＡ／Ｄ変換処理を行うＡ／Ｄ変換器（２１）と、
前記Ａ／Ｄ変換器の出力信号を受け、所定周波数より高い高域雑音成分を除去する高域雑音除去部（２２）と、
前記高域雑音除去部の出力信号を受け、前記所定周波数以下の低域雑音成分を除去する低域雑音除去部（３０）とを有する信号処理装置であって、
前記低域雑音除去部が、
前記高域雑音除去部から連続して出力される信号間の差分値を求める差分演算手段（３１）と、
前記差分値の信号に対して１８０度の移相処理を行う移相手段（３２）と、
前記移相手段の出力信号に対して、前記移相処理によって生じる前記所定周波数以下の低域振幅誤差を補正する補正手段（３３）と、
前記補正手段によって低域振幅誤差が補正された信号を積分して、前記入力信号に含まれていた交流の雑音成分を１８０度移相した雑音信号を生成する積分手段（３６）と、
前記高域雑音除去部から出力される信号と前記生成された雑音信号とを加算し、前記入力信号の直流成分を求める加算手段（３９）とを有していることを特徴とする信号処理装置。
前記加算手段で加算される信号のうち、前記高域雑音除去部から出力される信号は、前記差分値の信号に対する積分処理で復元された信号であることを特徴とする請求項７記載の信号処理装置。
前記差分値の信号に対するスペクトラム解析を行うスペクトラム解析手段（３４）と、
前記スペクトラム解析手段により得られた前記所定周波数以下の雑音成分に対して前記低域振幅誤差を補正するために必要な係数を求める係数算出手段（３５）とを有し、
前記補正手段は、前記移相処理された信号に対して前記係数算出手段によって得られた係数による補正演算処理を行うことを特徴とする請求項７または請求項８記載の信号処理装置。