JP2009276268A

JP2009276268A - 信号処理方法および信号処理装置

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Publication number: JP2009276268A
Application number: JP2008129214A
Authority: JP
Inventors: Sunao Ronte; 素直論手
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2028-05-16
Also published as: JP5155733B2

Abstract

【課題】信号に含まれる低周波雑音成分を、周波数変動があっても速やかに且つ精度よく除去し、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信号に対して高域雑音除去処理を行い、得られた処理信号Ｙのスペクトラムを解析し（Ｓ２、Ｓ３）、低域雑音成分がある場合、処理信号Ｙに対する移相処理によって生じる振幅誤差を補償するために固定ゲインによるゲイン補償を行い、その補償した信号から互いに直交する移相信号を生成し、低域雑音成分の瞬時振幅、瞬時位相、瞬時周波数を求め、さらに周波数変動に伴う振幅誤差を検出し、それらの情報に基づいて除去対象の雑音成分と同振幅で逆位相の雑音信号を生成し、元の入力処理信号と加算し雑音成分を除去する（Ｓ５〜Ｓ１０）。さらに除去すべき雑音成分がある場合には上記処理Ｓ５〜Ｓ１０を繰り返す。
【選択図】図１

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。

この問題を解決する方法として、低域の雑音成分な対しては、その利得低下分を見込んでデジタルフィルタによる利得補償を行う方法も採用できるが、その場合においても、処理遅延を短くするためには狭帯域なフィルタ処理をせざるを得ず、低域雑音成分の周波数が変動してしまうと、雑音の除去効果が著しく低下してしまう。

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の周波数変動があった場合でも、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（Ｆａ）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第１処理信号（Ｙ（ｋ））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、
移相処理により生じると予測される除去対象の低域雑音成分の利得低下を補償するために予め設定された固定ゲインで前記第１処理信号を増幅する段階（Ｓ５）と、
前記増幅された信号に対して、ヒルベルト変換処理を２段行い、前記増幅された信号に対して１８０度の位相差を有する第１移相信号（Ｎｉ）と、該第１移相信号に対して９０度の位相差を有する第２移相信号（Ｎｑ）とを生成する段階（Ｓ６）と、
前記第１移相信号と第２移相信号とに基づいて、前記増幅された信号に含まれる前記除去対象の低域雑音成分の瞬時振幅、瞬時位相および瞬時周波数を算出する段階（Ｓ７）と、
前記算出された瞬時振幅と、前記第１処理信号に含まれる前記除去対象の低域雑音成分の瞬時振幅との誤差を検出する段階（Ｓ８）と、
前記算出した瞬時振幅、瞬時位相、瞬時周波数および前記瞬時振幅の誤差に基づいて前記第１処理信号に含まれる前記除去対象の低域雑音成分と同振幅、同周波数で且つ位相が反転した第１雑音信号を生成する段階（Ｓ９）と、
前記第１処理信号と前記第１雑音信号とを加算して、前記第１処理信号から前記除去対象の低域雑音成分を除去した第２処理信号（Ｚ（ｋ））を求める段階（Ｓ１０）とを含むことを特徴とする。

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、
前記低域雑音成分を除去する処理は、
前記固定ゲインで処理信号を増幅する処理から、処理信号と生成した雑音信号とを加算して低域雑音成分を除去するまでの一連の処理（Ｓ５〜Ｓ１０）を、前記第２処理信号に含まれる各雑音成分に対して繰り返し行う（Ｓ１１、１２）ことを特徴とする。

また、本発明の請求項３の信号処理装置は、
センサ（１１）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（Ｆａ）より高い高域雑音成分を除去し、該高域雑音成分を除去して得られた第１処理信号（Ｙ（ｋ））を出力する高域雑音除去部（２２）と、
前記第１処理信号を受け、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、
移相処理により生じると予測される除去対象の低域雑音成分の利得低下を補償するために予め設定された固定ゲインで前記第１処理信号を増幅するゲイン補償手段（３１）と、
前記ゲイン補償手段によって増幅された信号に対して、ヒルベルト変換処理を２段行い、前記増幅された信号に対して１８０度の位相差を有する第１移相信号（Ｎｉ）と、該第１移相信号に対して９０度の位相差を有する第２移相信号（Ｎｑ）とを生成する移相手段（３２）と、
前記移相手段によって得られた第１移相信号と第２移相信号とに基づいて、前記ゲイン補償手段によって増幅された信号に含まれる前記除去対象の低域雑音成分の瞬時振幅、瞬時位相および瞬時周波数を算出する雑音信号情報算出手段（３３）と、
前記雑音信号情報算出手段によって算出された瞬時振幅と、前記第１処理信号に含まれる前記除去対象の低域雑音成分の瞬時振幅との誤差を検出する振幅誤差検出手段（３４）と、
前記雑音信号情報算出手段によって算出された瞬時振幅、瞬時位相、瞬時周波数および振幅誤差検出手段によって検出された前記瞬時振幅の誤差に基づいて、前記第１処理信号に含まれる前記除去対象の低域雑音成分と同振幅、同周波数で且つ位相が反転した第１雑音信号を生成する雑音信号生成手段（３５）と、
前記第１処理信号と前記第１雑音信号とを加算して、前記第１処理信号から前記除去対象の低域雑音成分を除去した第２処理信号（Ｚ（ｋ））を求める加算手段（３６）とを備えていることを特徴とする。

また、本発明の請求項４の信号処理装置は、請求項３記載の信号処理装置において、
前記低域雑音除去部は、
前記ゲイン補償手段、前記移相手段、前記雑音信号情報算出手段、前記振幅誤差検出手段、前記雑音信号生成手段および前記加算手段を一組の雑音除去ブロックとし、該雑音除去ブロックを除去対象の低域雑音成分の数分直列接続して構成され、各雑音除去ブロックでそれぞれ除去対象の低域雑音成分を除去することを特徴とする。

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第１処理信号に対し、移相処理により生じると予測される除去対象の低域雑音成分の利得低下を補償するために予め設定された固定ゲインで増幅し、ヒルベルト変換処理を２段行い、増幅された信号に対して１８０度の位相差を有する第１移相信号と、その第１移相信号に対して９０度の位相差を有する第２移相信号とを生成し、それらの信号に基づいて、前記増幅された信号に含まれる前記除去対象の低域雑音成分の瞬時振幅、瞬時位相および瞬時周波数を算出し、その算出された瞬時振幅と、前記第１処理信号に含まれる前記除去対象の低域雑音成分の瞬時振幅との誤差を検出し、算出した瞬時振幅、瞬時位相、瞬時周波数および前記瞬時振幅の誤差に基づいて前記第１処理信号に含まれる前記除去対象の低域雑音成分と同振幅、同周波数で且つ位相が反転した第１雑音信号を生成して、第１雑音信号とを加算することにより、第１処理信号から除去対象の低域雑音成分を除去している。

このため、除去対象の低域雑音成分の周波数変動による振幅誤差が無くなり、低域雑音成分を速やかに且つ精度よく除去でき、直流成分を検出することができる。

また、上記処理を繰り返し行うことで、複数の低域雑音成分の除去が可能となる。

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）に含まれる所定周波数Ｆａ（例えば数１０Ｈｚ）以上の高域雑音成分を除去する（Ｓ２）。この所定周波数Ｆａは、後述する各移相手段の周波数振幅特性の平坦部と低域側の傾斜部の境界近傍に設定されているものとする（図３参照）。

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。

高域雑音除去処理で所定周波数Ｆａ以上の雑音成分が短時間に除去された第１処理信号Ｙ（ｋ）は、低域雑音除去処理を受けるが、その低域雑音成分の存在を先に調べておくことで、以後の処理に無駄がなくなる。

先ず始めに、スペクトラム解析処理（Ｓ３）を行い、周波数Ｆａ以下の所定レベル以上の雑音成分の有無を調べる（Ｓ４）。

ここで、図３に示しているように、周波数Ｆａ以下の帯域に測定誤差上、無視できないレベルの雑音成分Ｎ１、Ｎ２があり、Ｎ１のレベルが大きい場合を仮定する。この場合、第１処理信号Ｙ（ｋ）に対するレベルの大きいＮ１に対する雑音除去処理が優先的に行われる（レベルが同等の場合には周波数が高い方を優先する）。

この低域雑音除去処理は、基本的に元の信号に含まれる交流の雑音成分をヒルベルト変換処理により１８０゜移相して加算することで雑音成分を相殺するものである。

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、図３で示したように周波数Ｆａより下の傾斜部で周波数とともに利得が低下し、図２の（ｃ）のように、１８０°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、ヒルベルト変換処理の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、この発明では、移相処理により生じると予測される除去対象の低域雑音成分（この場合Ｎ１）の利得低下を補償するために予め設定された固定ゲインＧａで第１処理信号Ｙ（ｋ）を増幅する（Ｓ５）。なお、このゲインＧａは雑音Ｎ１に対する周波数解析結果とヒルベルト変換処理の周波数特性により既知となる。

そして、この増幅した処理信号Ｇａ・Ｙ（ｋ）に対してヒルベルト変換処理を２段行い、信号Ｇａ・Ｙ（ｋ）に対して１８０°移相した第１移相信号Ｎｉとそれに対して９０度移相した第２移相信号Ｎｑを生成する（Ｓ６）。

次に、第１移相信号Ｎｉ、第２移相信号Ｎｑから雑音信号の瞬時振幅、瞬時位相、瞬時周波数を算出する（Ｓ７）。

即ち、ある時刻ｍＴ（ｍ＝ｋ）における移相信号Ｎｉ（ｍＴ）、第２の移相信号Ｎｑ（ｍＴ）に対して、瞬時位相φ（ｍＴ）、瞬時振幅α（ｍＴ）、瞬時周波数ｆ（ｍＴ）は、以下のように求められる。

φ（ｍＴ）＝ｔａｎ^−１［Ｎｑ（ｍＴ）／Ｎｉ（ｍＴ）］ ……（１）
α（ｍＴ）＝｛［Ｎｑ（ｍＴ）］^２＋［Ｎｉ（ｍＴ）］^２｝^１／２ ……（２）
ｆ（ｍＴ）＝１／｛２π［φ（ｍＴ）−φ（ｍＴ−Ｔ）］｝／Ｔ ……（３）

一方、前記した除去対象の雑音成分の周波数は、環境の変化などにより変動する可能性があり、前記した低域特性から僅かな周波数変動により瞬時振幅が大きく変動してしまう。

そこで、算出された瞬時振幅α（ｍＴ）と、第１処理信号Ｙ（ｋ）に含まれる除去対象の低域雑音成分の瞬時振幅との誤差ｅ（比あるいは差のいずれでもよい）を検出する（Ｓ８）。

この誤差ｅは、例えば第１処理信号Ｙ（ｋ）の微分処理成分（交流成分）と、第１移相信号Ｎｉの差分成分と微分処理成分との比（あるいは差）を求める。

そして、前記算出した瞬時振幅α（ｍＴ）、瞬時位相φ（ｍＴ）、瞬時周波数ｆ（ｍＴ）および前記瞬時振幅の誤差ｅに基づいて、瞬時振幅ｅ・α（ｍＴ）、瞬時周波数ｆ（ｍＴ）で、瞬時位相φ（ｍＴ）に処理の遅延などを考慮した初期位相を含めた雑音成分信号、即ち、第１処理信号Ｙ（ｋ）に含まれる除去対象の低域雑音成分と同振幅、同周波数で且つ位相が反転した第１雑音信号Ｎ_Ｌ１（ｋ）を生成する（Ｓ９）。

このようにして得られた第１雑音信号Ｎ_Ｌ１（ｋ）と第１処理信号Ｙ（ｋ）とを加算して、第１処理信号Ｙ（ｋ）から除去対象の低域雑音成分Ｎ１を除去した第２処理信号（Ｚ（ｋ））を求める（Ｓ１０）。

つまり、図２の（ｂ）の第１処理信号Ｙ（ｋ）に対して、それに含まれる除去対象のレベル最大の雑音成分の瞬時振幅、瞬時位相および瞬時周波数を算出し、瞬時振幅については周波数変動による誤差補正を行うことで、図２の（ｃ）のように第１処理信号Ｙ（ｋ）に含まれる除去対象の雑音成分を１８０゜移相した第１雑音信号Ｎ_Ｌ１（ｋ）を生成し、第１処理信号Ｙ（ｋ）と加算することで、図２の（ｄ）のように除去対象のレベル最大の雑音成分Ｎ１が除去された第２処理信号Ｚ（ｋ）を得ている。

この第２処理信号Ｚ（ｋ）に無視できないレベルの雑音がなければ（Ｓ１１）、第２処理信号Ｚ（ｋ）が最終の処理結果として出力されることになるが、図３に示したように数Ｈｚの低い周波数の床振動等によりさらに低域の雑音成分Ｎ２が存在している場合、図２の（ｄ）のように第２処理信号Ｚ（ｋ）にその雑音成分が重畳している。

その場合、第２の処理信号Ｚ（ｋ）に対して前記処理Ｓ５〜Ｓ１０と同様の雑音除去処理がなされる（Ｓ１２）。

即ち、第２処理信号Ｚ（ｋ）に対して、移相処理により生じると予測される除去対象の低域雑音成分Ｎ２の利得低下を補償するために予め設定された固定ゲインＧｂで増幅し、ヒルベルト変換処理を２段行い、増幅された信号Ｇｂ・Ｚ（ｋ）に対して１８０度の位相差を有する第１移相信号Ｎｉと、その第１移相信号に対して９０度の位相差を有する第２移相信号Ｎｑを生成し、それらの信号に基づいて、信号信号Ｇｂ・Ｚ（ｋ）に含まれる除去対象の低域雑音成分の瞬時振幅、瞬時位相および瞬時周波数を算出し、その算出された瞬時振幅と、第２処理信号Ｚ（ｋ）に含まれる除去対象の低域雑音成分Ｎ２の瞬時振幅との誤差ｅを検出し、算出した瞬時振幅、瞬時位相、瞬時周波数および瞬時振幅の誤差に基づいて、第２処理信号Ｚ（ｋ）に含まれる除去対象の低域雑音成分と同振幅、同周波数で且つ位相が反転した第２雑音信号Ｎ_Ｌ２（ｋ）を図２の（ｅ）のように生成して、第２処理信号Ｚ（ｋ）と加算することにより、第２処理信号Ｚ（ｋ）から低域雑音成分Ｎ２を除去し、図２の（ｆ）のように、低域雑音が除去された信号Ｗ（ｋ）を求め、これを最終の処理結果として出力する。

この最終の処理結果として出力された第３処理信号Ｗ（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正確に予測できる。

上記例では、無視できないレベルの２つの低域雑音成分を除去するために、２段の低域雑音除去処理を行っていたが、さらに多くの無視できないレベルの低域雑音がある場合には処理Ｓ１１に戻り、再び同様の処理が繰り返される。

このような一連の処理で低域の雑音成分は除去されるが、前記したように、低域の雑音成分に周波数の変動があると、生成した雑音信号の振幅誤差が大きく変動することになるが、この低域雑音の除去処理は、各低域雑音成分について連続的に行われ、雑音成分の各瞬時値と振幅誤差の検出およびそれによる雑音信号の振幅補正を行うので、低域の雑音成分に周波数の変動があっても、それによる誤差の増加が抑制され、常に精度の高い直流値の検出を高速に行うことができる。

なお、上記のように複数段の雑音除去処理を行う場合には、処理の前段にデシメーション処理を行い、それに続くヒルベルト変換器の特性を共通化することもできる。

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、その結果得られた第１処理信号に対して、移相処理により生じると予測される除去対象の低域雑音成分の利得低下を補償するために予め設定された固定ゲインで増幅し、ヒルベルト変換処理を２段行い、増幅された信号に対して１８０度の位相差を有する第１移相信号と、その第１移相信号に対して９０度の位相差を有する第２移相信号とを生成し、それらの信号に基づいて、前記増幅された信号に含まれる前記除去対象の低域雑音成分の瞬時振幅、瞬時位相および瞬時周波数を算出し、その算出された瞬時振幅と、前記第１処理信号に含まれる前記除去対象の低域雑音成分の瞬時振幅との誤差を検出し、算出した瞬時振幅、瞬時位相、瞬時周波数および前記瞬時振幅の誤差に基づいて前記第１処理信号に含まれる前記除去対象の低域雑音成分と同振幅、同周波数で且つ位相が反転した雑音信号を生成して、第１処理信号と加算することにより、第１処理信号に含まれる低域雑音成分を除去している。

なお、高域雑音除去の処理は任意であり、簡単にはロー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。

図４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ｋＨｚ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、移相手段２３、遅延手段２４および加算手段２５により構成されている。

原信号Ｘ（ｋ）を受ける移相手段２３は、９０度の移相を行う２つのヒルベルト変換器２３ａ、２３ｂ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。

なお、上記のようにヒルベルト変換器を用いた移相手段２３の場合、原理的に直流分は除去されているので、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２４は、信号Ｘ（ｋ）に対し、移相手段２３の移相処理に必要な処理時間分の遅延を与え、加算器２５に出力する。

加算手段２５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第１処理信号Ｙ（ｋ）が前記図２の（ｂ）のように出力されることになる。

このようにして得られた第１処理信号Ｙ（ｋ）は、スペクトラム解析手段２６、低域雑音除去部３０に入力される。

スペクトラム解析手段２６は、第１処理信号Ｙ（ｋ）に対するスペクトラム解析を行い、周波数Ｆａ以下の雑音成分を求める。

雑音分布判定手段２７は、スペクトラム解析手段２６で無視できないレベルの雑音成分があるか否かを判定する。この判定結果によって後述する信号切換用のスイッチ２８が切り替わる。

第１処理信号Ｙ（ｋ）は、低域雑音除去部３０のゲイン補償手段３１および遅延手段３８に入力される。

ゲイン補償手段３１は、後述の移相処理により生じると予測される除去対象の低域雑音成分の利得低下を補償するために予め設定された固定ゲインＧａで第１処理信号Ｙ（ｋ）を増幅して、移相手段３２に入力する。

移相手段３２は、例えば図５のように、９０度の移相処理を行う直列接続された２つのヒルベルト変換器３２ａ、３２ｂとヒルベルト変換処理の遅延時間と等しい遅延を与える遅延手段３２ｃとにより構成されている。なお、ヒルベルト変換器３２ａ、３２ｂのタップ数は、周波数Ｆａ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する特性となり、その帯域の信号の振幅を下げてしまうが、その振幅低下は前記したようにその雑音成分の周波数解析で得られた周波数に対応する固定のゲインを用いたゲイン補償手段３１によって補償されている。

移相手段３２は、増幅された信号Ｙ（ｋ）′＝Ｇａ・Ｙ（ｋ）に対して１８０度の位相差を有する第１移相信号Ｎｉと、その第１移相信号に対して９０度の位相差を有する第２移相信号Ｎｑとを生成して、雑音信号情報算出手段３３へ出力する。

雑音信号情報算出手段３３は、第１移相信号Ｎｉと第２移相信号Ｎｑとに基づいて、信号Ｙ（ｋ）′に含まれる除去対象の低域雑音成分Ｎ１の瞬時振幅α、瞬時位相φおよび瞬時周波数ｆを、前記した式（１）〜（３）にしたがって算出し、その結果を雑音信号生成手段３５に出力する。

一方、振幅誤差検出手段３４は、雑音信号情報算出手段３３によって算出された瞬時振幅と、第１処理信号に含まれる除去対象の低域雑音成分の瞬時振幅との誤差ｅを検出するし、その結果を雑音信号生成手段３５に出力する。

雑音信号生成手段３５は、雑音信号情報算出手段３３によって算出された瞬時振幅、瞬時位相、瞬時周波数および振幅誤差検出手段３４によって検出された瞬時振幅の誤差ｅに基づいて、第１処理信号に含まれる除去対象の低域雑音成分Ｎ１と同振幅、同周波数で且つ位相が反転した第１雑音信号Ｎ_Ｌ１（ｋ）を生成する。

加算手段３６は、第１処理信号Ｙ（ｋ）と第１雑音信号Ｎ_Ｌ１（ｋ）を加算して、第１処理信号Ｙ（ｋ）からレベル最大の低域雑音成分Ｎ１を除去した第２処理信号（Ｚ（ｋ））を求める。なお、実際には第１雑音信号Ｎ_Ｌ１（ｋ）を生成するために必要な処理遅延分を遅延手段３８によって第１処理信号Ｙ（ｋ）に与えてから加算手段３６へ入力する。

このようにして得られた第２処理信号Ｚ（ｋ）に前記したようにさらに雑音Ｎ２が含まれて場合、第２処理信号Ｚ（ｋ）は、２段目目の低域雑音処理を行うためのゲイン補償手段４１に入力され、前記同様の低域雑音除去処理を受ける。

即ち、ゲイン補償手段４１は、移相処理により生じると予測される除去対象の低域雑音成分の利得低下を補償するために予め設定された固定ゲインＧｂで第２処理信号Ｚ（ｋ）を増幅して、移相手段４２に入力する。

移相手段４２は、前記した移相手段３２と同様に構成され、増幅された信号Ｚ（ｋ）′＝Ｇｂ・Ｚ（ｋ）に対して１８０度の位相差を有する第１移相信号Ｎｉと、その第１移相信号に対して９０度の位相差を有する第２移相信号Ｎｑとを生成して、雑音信号情報算出手段４３へ出力する。

雑音信号情報算出手段４３は、第１移相信号Ｎｉと第２移相信号Ｎｑとに基づいて、信号Ｚ（ｋ）′に含まれる除去対象の低域雑音成分Ｎ２の瞬時振幅α、瞬時位相φおよび瞬時周波数ｆを、前記した式（１）〜（３）にしたがって算出し、その結果を雑音信号生成手段４５に出力する。

一方、振幅誤差検出手段４４は、雑音信号情報算出手段４３によって算出された瞬時振幅と、第２処理信号Ｚ（ｋ）に含まれる除去対象の低域雑音成分の瞬時振幅との誤差ｅを検出するし、その結果を、雑音信号生成手段４５に出力する。

雑音信号生成手段４５は、雑音信号情報算出手段４３によって算出された瞬時振幅、瞬時位相、瞬時周波数および振幅誤差検出手段４４によって検出された瞬時振幅の誤差ｅに基づいて、第２処理信号に含まれる除去対象の低域雑音成分Ｎ２と同振幅、同周波数で且つ位相が反転した第２雑音信号Ｎ_Ｌ２（ｋ）を生成する。

加算手段４６は、第２処理信号Ｚ（ｋ）と第２雑音信号Ｎ_Ｌ２（ｋ）を加算して、第２処理信号Ｚ（ｋ）からレベル最大の低域雑音成分Ｎ２を除去した第３処理信号（Ｗ（ｋ））を求める。なお、実際には第２雑音信号Ｎ_Ｌ２（ｋ）を生成するために必要な処理遅延分を遅延器４８によって第２処理信号Ｚ（ｋ）に与えてから加算手段４６へ入力する。

この第３処理信号Ｗ（ｋ）は、スイッチ２８を介して最終の処理結果として出力されることになる。

以上、レベルの大きい２つの雑音が存在する場合について説明したが、雑音分布判定手段２７によって一つの雑音信号が存在すると判定された場合には、第２処理信号Ｚ（ｋ）をスイッチ２８で最終の処理結果として選択出力すればよい。

また、３つ以上の低域雑音成分に対応することも可能であり、その場合には、前記したゲイン補償手段、移相手段、雑音信号情報算出手段、振幅誤差検出手段、雑音信号生成手段、および加算手段を一組の雑音除去ブロックとし、その雑音除去ブロックを除去対象の低域雑音成分の数分直列接続して、各雑音除去ブロックでそれぞれの低域雑音成分を除去すればよい。現実的な低域雑音除去部としては、上記雑音除去ブロックを３〜４段構成にしておき、測定に有害な３〜４までの低域雑音成分を除去すればよい。

次に、上記移相処理を用いた場合の実施形態のシミュレーションを図６〜図８に示す。ここで図６〜図８の縦軸の単位はグラム、横軸の単位は秒であり、シミュレーション条件は、以下の通りである。

自由度バネマスダンパ系に０．３秒の台形波（重量２０００グラム）を入力（この振幅を１００パーセントとする）
固有振動数約４５Ｈｚ（振幅２０パーセント）
第２の周波数範囲の低域雑音４．５Ｈｚ（振幅５パーセント）
第１の周波数範囲の低域雑音２２Ｈｚ（ともに振幅１パーセント）
高域雑音５１Ｈｚ、６１Ｈｚ、６３Ｈｚ、７１Ｈｚ（ともに振幅３パーセント）
サンプリングレートＴ＝５ｍｓ

図６は、センサの出力Ｘ（ｋ）とその信号に対して高域雑音除去処理を行った結果Ｙ（ｋ）を示している。

ここで、高域雑音除去処理の下限周波数Ｆａを３０Ｈｚとし、それ以上で周波数平坦なタップ数５０のヒルベルト変換処理を用いている。

この信号Ｙ（ｋ）には、低周波の４．５Ｈｚ、２２Ｈｚの雑音が残っているが、２２Ｈｚの雑音成分に対して、前記した最初の低域雑音除去処理を行って得られたのが図７の第２処理信号Ｚ（ｋ）である。この第２処理信号Ｚ（ｋ）には、第１処理信号Ｙ（ｋ）の２２Ｈｚの雑音成分が除去されているが、４．５Ｈｚの雑音が残留していることが判る。

この信号Ｚ（ｋ）に対して、４．５Ｈｚの雑音成分を除去対象として上記同様の処理を行って得られたのが図８の第３処理信号Ｗ（ｋ）であり、４．５Ｈｚの雑音が抑圧され、２０００グラムで平坦な時間領域が得られており、この時間帯を重量検出タイミングとすることで、高精度な測定が行えることがわかる。

なお、上記の条件で、低域の雑音成分に対して±１０％の周波数変動を与えた場合でも、前記した振幅誤差の補正効果により、１／１０００以内の測定精度を確保できることを確認している。また、上記高域を含めて３段の雑音除去処理に要する時間は、約２７５ｍｓｅｃであり、数Ｈｚの低域雑音成分をきわめて高速に除去できることがわかる。

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本発明の実施形態の信号処理装置の構成図実施形態の要部の構成例を示す図高域雑音を除去した後の信号図低域の一つの雑音成分を除去した後の信号図低域のさらに一つの雑音成分を除去した後の信号図

符号の説明

１１……センサ、２０……信号処理装置、２１……Ａ／Ｄ変換器、２２……高域雑音除去部、２３……移相手段、２４……遅延手段、２５……加算手段、２６……スペクトラム解析手段、２７……雑音分布判定手段、３０……低域雑音除去部、３１、４１……ゲイン補償手段、３２、４２……移相手段、３２ａ、３２ｂ、４２ａ、４２ｂ……ヒルベルト変換器、３３、４２……雑音信号情報算出手段、３４、４４……振幅誤差検出手段、３５、４５……雑音信号生成手段、３６、４６……加算手段、３８、４８……遅延手段

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（Ｆａ）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第１処理信号（Ｙ（ｋ））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、
移相処理により生じると予測される除去対象の低域雑音成分の利得低下を補償するために予め設定された固定ゲインで前記第１処理信号を増幅する段階（Ｓ５）と、
前記増幅された信号に対して、ヒルベルト変換処理を２段行い、前記増幅された信号に対して１８０度の位相差を有する第１移相信号（Ｎｉ）と、該第１移相信号に対して９０度の位相差を有する第２移相信号（Ｎｑ）とを生成する段階（Ｓ６）と、
前記第１移相信号と第２移相信号とに基づいて、前記増幅された信号に含まれる前記除去対象の低域雑音成分の瞬時振幅、瞬時位相および瞬時周波数を算出する段階（Ｓ７）と、
前記算出された瞬時振幅と、前記第１処理信号に含まれる前記除去対象の低域雑音成分の瞬時振幅との誤差を検出する段階（Ｓ８）と、
前記算出した瞬時振幅、瞬時位相、瞬時周波数および前記瞬時振幅の誤差に基づいて前記第１処理信号に含まれる前記除去対象の低域雑音成分と同振幅、同周波数で且つ位相が反転した第１雑音信号を生成する段階（Ｓ９）と、
前記第１処理信号と前記第１雑音信号とを加算して、前記第１処理信号から前記除去対象の低域雑音成分を除去した第２処理信号（Ｚ（ｋ））を求める段階（Ｓ１０）とを含むことを特徴とする信号処理方法。
前記低域雑音成分を除去する処理は、
前記固定ゲインで処理信号を増幅する処理から、処理信号と生成した雑音信号とを加算して低域雑音成分を除去するまでの一連の処理（Ｓ５〜Ｓ１０）を、前記第２処理信号に含まれる各雑音成分に対して繰り返し行う（Ｓ１１、１２）ことを特徴とする請求項１記載の信号処理方法。
センサ（１１）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（Ｆａ）より高い高域雑音成分を除去し、該高域雑音成分を除去して得られた第１処理信号（Ｙ（ｋ））を出力する高域雑音除去部（２２）と、
前記第１処理信号を受け、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、
移相処理により生じると予測される除去対象の低域雑音成分の利得低下を補償するために予め設定された固定ゲインで前記第１処理信号を増幅するゲイン補償手段（３１）と、
前記ゲイン補償手段によって増幅された信号に対して、ヒルベルト変換処理を２段行い、前記増幅された信号に対して１８０度の位相差を有する第１移相信号（Ｎｉ）と、該第１移相信号に対して９０度の位相差を有する第２移相信号（Ｎｑ）とを生成する移相手段（３２）と、
前記移相手段によって得られた第１移相信号と第２移相信号とに基づいて、前記ゲイン補償手段によって増幅された信号に含まれる前記除去対象の低域雑音成分の瞬時振幅、瞬時位相および瞬時周波数を算出する雑音信号情報算出手段（３３）と、
前記雑音信号情報算出手段によって算出された瞬時振幅と、前記第１処理信号に含まれる前記除去対象の低域雑音成分の瞬時振幅との誤差を検出する振幅誤差検出手段（３４）と、
前記雑音信号情報算出手段によって算出された瞬時振幅、瞬時位相、瞬時周波数および振幅誤差検出手段によって検出された前記瞬時振幅の誤差に基づいて、前記第１処理信号に含まれる前記除去対象の低域雑音成分と同振幅、同周波数で且つ位相が反転した第１雑音信号を生成する雑音信号生成手段（３５）と、
前記第１処理信号と前記第１雑音信号とを加算して、前記第１処理信号から前記除去対象の低域雑音成分を除去した第２処理信号（Ｚ（ｋ））を求める加算手段（３６）とを備えていることを特徴とする信号処理装置。
前記低域雑音除去部は、
前記ゲイン補償手段、前記移相手段、前記雑音信号情報算出手段、前記振幅誤差検出手段、前記雑音信号生成手段および前記加算手段を一組の雑音除去ブロックとし、該雑音除去ブロックを除去対象の低域雑音成分の数分直列接続して構成され、各雑音除去ブロックでそれぞれ除去対象の低域雑音成分を除去することを特徴とする請求項３記載の信号処理装置。