JP2013186103A

JP2013186103A - ノイズ振幅算出装置および方法

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Publication number: JP2013186103A
Application number: JP2012054135A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Ueno; 達也上野
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-12
Also published as: JP5851892B2

Abstract

【課題】ノイズの振幅を簡単に低コストで求める。
【解決手段】ノイズ振幅算出装置は、無信号時に入力されるノイズを２値化する２値化部１と、２値化部１から出力される２値化信号のランレングスを、２値化信号の符合が変化する度に測定するランレングス測定部２と、ノイズ振幅を求める測定期間中のランレングス測定部２の測定結果からランレングス度数分析を幾何分布で近似する際の幾何分布パラメータｐを算出するパラメータ算出部４と、幾何分布パラメータｐからノイズの振幅を算出する振幅算出部５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ノイズ振幅を算出するノイズ振幅算出装置および方法に関するものである。

信号を２値化する際、ヒステリシスコンパレータやシュミットトリガなどが広く使われるが、適切なヒステリシス幅を設定するためには、信号に重畳したノイズの強度を正しく見積もる必要があった。従来、ノイズ強度を見積もるには、オシロスコープを用いてノイズの振幅を測定したり、スペクトラム・アナライザを用いて信号とノイズをスペクトル分解してノイズの強度を算出したりする必要があった（非特許文献１参照）。

デジタル・コミュニケーションアナライザ（ＤＣＡ）による相対強度雑音（ＲＩＮ）の測定，アジレント・テクノロジー株式会社，技術資料ライブラリ，２００７年

以上のように従来の方法では、ノイズの強度を求めるためにオシロスコープやスペクトラム・アナライザが必要であり、コストがかかるという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ノイズの振幅を簡単に低コストで求めることができるノイズ振幅算出装置および方法を提供することを目的とする。

本発明のノイズ振幅算出装置は、無信号時に入力されるノイズを２値化する２値化手段と、この２値化手段から出力される２値化信号のランレングスを、２値化信号の符合が変化する度に測定するランレングス測定手段と、ノイズ振幅を求める測定期間中の前記ランレングス測定手段の測定結果からランレングス度数分析を幾何分布で近似する際の幾何分布パラメータｐを算出するパラメータ算出手段と、前記幾何分布パラメータｐからノイズの振幅を算出する振幅算出手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明のノイズ振幅算出装置の１構成例において、前記パラメータ算出手段は、前記ランレングスを測定するサンプリングクロックの前記測定期間中の総数をＮ_sampとしたとき、階級値ｉ＝１のランレングスの度数ｆ（１）を、幾何分布を表す式ｆ（ｉ）＝Ｎ_samp・ｐ²・（１−ｐ）^i-1（ｉ＝１，２，３，・・・）に代入して、前記幾何分布パラメータｐを算出することを特徴とするものである。
また、本発明のノイズ振幅算出装置の１構成例において、前記パラメータ算出手段は、前記ランレングスを測定するサンプリングクロックの前記測定期間中の総数をＮ_sampとしたとき、前記測定期間中の各階級値ｉのランレングスの度数ｆ（ｉ）を、幾何分布を表す式ｆ（ｉ）＝Ｎ_samp・ｐ²・（１−ｐ）^i-1（ｉ＝１，２，３，・・・）に代入して、前記幾何分布パラメータｐを算出することを特徴とするものである。
また、本発明のノイズ振幅算出装置の１構成例において、前記パラメータ算出手段は、前記測定期間中のランレングス測定手段の測定結果から得られるランレングス度数分布の指数関数近似式を最小二乗法により求め、前記幾何分布パラメータｐを算出することを特徴とするものである。
また、本発明のノイズ振幅算出装置の１構成例において、前記振幅算出手段は、前記幾何分布パラメータｐとノイズの標準偏差σとの既知の関係を用いて、前記幾何分布パラメータｐからノイズの標準偏差σを算出し、この標準偏差σからノイズの振幅を算出することを特徴とするものである。

また、本発明のノイズ振幅算出方法は、無信号時に入力されるノイズを２値化する２値化ステップと、この２値化ステップで得られた２値化信号のランレングスを、２値化信号の符合が変化する度に測定するランレングス測定ステップと、ノイズ振幅を求める測定期間中の前記ランレングス測定ステップの測定結果からランレングス度数分析を幾何分布で近似する際の幾何分布パラメータｐを算出するパラメータ算出ステップと、前記幾何分布パラメータｐからノイズの振幅を算出する振幅算出ステップとを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、無信号時に入力されるノイズを２値化し、２値化信号のランレングスを測定し、ノイズ振幅を求める測定期間中のランレングス測定手段の測定結果からランレングス度数分析を幾何分布で近似する際の幾何分布パラメータｐを算出し、幾何分布パラメータｐからノイズの振幅を算出することにより、ノイズの振幅を簡単に低コストで求めることができる。

本発明の実施の形態に係るノイズ振幅算出装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態に係るノイズ振幅算出装置の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態に係るノイズ振幅算出装置の２値化部とランレングス測定部の動作を説明する図である。無信号時のランレングス度数分布の例を示す図である。幾何分布のパラメータとノイズの標準偏差との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係るノイズ振幅算出装置の構成を示すブロック図である。ノイズ振幅算出装置は、２値化部１と、ランレングス（Run Length）測定部２と、記憶部３と、パラメータ算出部４と、振幅算出部５とから構成される。

図２は本実施の形態のノイズ振幅算出装置の動作を示すフローチャートである。図３（Ａ）、図３（Ｂ）は２値化部１とランレングス測定部２の動作を説明する図であり、図３（Ａ）は無信号時に発生するノイズの波形を模式的に示す図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）に対応する２値化部１の出力を示す図である。

ヒステリシスコンパレータからなる２値化部１は、無信号時に入力されるノイズを２値化する（図２ステップＳ１００）。具体的には、２値化部１は、ノイズの電圧が上昇してしきい値ＴＨ１以上になったときにハイレベル（Ｈ）と判定し、ノイズの電圧が下降してしきい値ＴＨ２（ＴＨ２＜ＴＨ１）以下になったときにローレベル（Ｌ）と判定することにより、図３（Ｂ）のような２値化結果を出力する。

続いて、ランレングス測定部２は、２値化部１から出力される２値化信号のランレングスを測定する（図２ステップＳ１０１）。ランレングス測定部２は、図３（Ｂ）に示すように２値化信号の立ち上がりから次の立ち下がりまでの時間ｔｕｄを測定し、また２値化信号の立ち下がりから次の立ち上がりまでの時間ｔｄｕを測定することにより、２値化信号のランレングスを測定する。このように、２値化信号のランレングスとは、時間ｔｕｄまたはｔｄｕのことである。ランレングス測定部２は、以上のような測定を２値化信号の立ち上がりまたは立ち下がりのどちらかが検出される度、すなわち２値化信号の符号がローレベルからハイレベルまたはハイレベルからローレベルに変化する度に行う。

なお、ランレングス測定部２は、サンプリングクロックの周期を１単位として２値化信号のランレングスを測定する。例えば２値化信号のランレングスがサンプリングクロック４個分であれば、このランレングスの大きさは４［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］である。サンプリングクロックの周波数は、測定対象のノイズの取り得る最高周波数に対して十分に高いものとする。記憶部３は、ランレングス測定部２の測定結果を記憶する。

次に、パラメータ算出部４は、記憶部３に記憶されているランレングス測定部２の測定結果から幾何分布のパラメータｐ（ベルヌーイ試行の成功確率ｐ）を算出する（図２ステップＳ１０２）。
無信号時にランレングス測定部２によって測定されるランレングスの度数分布の例を図４に示す。ノイズ振幅を求める測定期間中のランレングスの度数を正規化し、パラメータｐの幾何分布を示すと、階級値１［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］の度数はｐになる。総度数を規格化したランレングスの度数分布は、確率密度関数と等しい。測定期間中の総サンプリングクロック数Ｎ_sampの度数分布に一般化すると、ランレングスの総度数はＮ_samp・ｐであるため、パラメータｐの幾何分布ｆ（ｉ）（ｉは階級値）は下式で表すことができる。
ｆ（ｉ）＝Ｎ_samp・ｐ²・（１−ｐ）^i-1 （ｉ＝１，２，３，・・・）・・（１）

パラメータ算出部４は、階級値ｉ＝１［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］とし、測定期間中のランレングスの度数のうち階級値ｉ＝１［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］のランレングスの度数ｆ（１）とｉ＝１［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］とを式（１）に代入して、幾何分布のパラメータｐを算出する。パラメータ算出部４が算出したパラメータｐは、記憶部３に格納される。

また、パラメータ算出部４は、測定期間中の各階級値ｉ＝１，２，３，・・・［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］のランレングスの度数ｆ（ｉ）を式（１）に代入して、幾何分布のパラメータｐを算出するようにしてもよい。
また、パラメータ算出部４は、測定期間中のランレングス測定部２の測定結果から得られるランレングス度数分布の指数関数近似式を最小二乗法により求め、幾何分布のパラメータｐを算出するようにしてもよい。

次に、振幅算出部５は、幾何分布のパラメータｐからノイズの振幅を算出する（図２ステップＳ１０３）。しきい値ＴＨ１とＴＨ２との差であるヒステリシス幅（ＴＨ１−ＴＨ２）をＷ_hysとすると、幾何分布のパラメータｐとノイズの標準偏差σとの関係は次式のように表すことができる。

式（２）におけるｅｒｆｃ（）はガウスの相補誤差関数である。式（２）から得られる、幾何分布のパラメータｐとノイズの標準偏差σとの関係を図５に示す。図５の縦軸はパラメータｐを示し、横軸はヒステリシス幅Ｗ_hysがノイズの標準偏差σの何倍であるかを示している。

２値化部１が２値化処理の際に用いるヒステリシス幅Ｗ_hysの値は既知であるので、振幅算出部５は、このヒステリシス幅Ｗ_hysとパラメータ算出部４が算出した幾何分布のパラメータｐとを用いて、式（２）によりノイズの標準偏差σを算出することができる。ノイズの標準偏差σはノイズの振幅の２／√２倍（≒１．４１４）であるから、振幅算出部５は、ノイズの標準偏差σを√２／２倍することにより、ノイズの振幅を算出することができる。以上でノイズ振幅算出装置の動作が終了する。

本実施の形態によれば、従来のようなオシロスコープやスペクトラム・アナライザが不要となるので、ノイズの振幅を簡単に低コストで求めることができる。
本実施の形態のノイズ振幅算出装置は、例えばＣＰＵ、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、ノイズ振幅を算出する技術に適用することができる。

１…２値化部、２…ランレングス測定部、３…記憶部、４…パラメータ算出部、５…振幅算出部。

Claims

無信号時に入力されるノイズを２値化する２値化手段と、
この２値化手段から出力される２値化信号のランレングスを、２値化信号の符合が変化する度に測定するランレングス測定手段と、
ノイズ振幅を求める測定期間中の前記ランレングス測定手段の測定結果からランレングス度数分析を幾何分布で近似する際の幾何分布パラメータｐを算出するパラメータ算出手段と、
前記幾何分布パラメータｐからノイズの振幅を算出する振幅算出手段とを備えることを特徴とするノイズ振幅算出装置。
請求項１記載のノイズ振幅算出装置において、
前記パラメータ算出手段は、前記ランレングスを測定するサンプリングクロックの前記測定期間中の総数をＮ_sampとしたとき、階級値ｉ＝１のランレングスの度数ｆ（１）を、幾何分布を表す式ｆ（ｉ）＝Ｎ_samp・ｐ²・（１−ｐ）^i-1（ｉ＝１，２，３，・・・）に代入して、前記幾何分布パラメータｐを算出することを特徴とするノイズ振幅算出装置。
請求項１記載のノイズ振幅算出装置において、
前記パラメータ算出手段は、前記ランレングスを測定するサンプリングクロックの前記測定期間中の総数をＮ_sampとしたとき、前記測定期間中の各階級値ｉのランレングスの度数ｆ（ｉ）を、幾何分布を表す式ｆ（ｉ）＝Ｎ_samp・ｐ²・（１−ｐ）^i-1（ｉ＝１，２，３，・・・）に代入して、前記幾何分布パラメータｐを算出することを特徴とするノイズ振幅算出装置。
請求項１記載のノイズ振幅算出装置において、
前記パラメータ算出手段は、前記測定期間中のランレングス測定手段の測定結果から得られるランレングス度数分布の指数関数近似式を最小二乗法により求め、前記幾何分布パラメータｐを算出することを特徴とするノイズ振幅算出装置。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のノイズ振幅算出装置において、
前記振幅算出手段は、前記幾何分布パラメータｐとノイズの標準偏差σとの既知の関係を用いて、前記幾何分布パラメータｐからノイズの標準偏差σを算出し、この標準偏差σからノイズの振幅を算出することを特徴とするノイズ振幅算出装置。
無信号時に入力されるノイズを２値化する２値化ステップと、
この２値化ステップで得られた２値化信号のランレングスを、２値化信号の符合が変化する度に測定するランレングス測定ステップと、
ノイズ振幅を求める測定期間中の前記ランレングス測定ステップの測定結果からランレングス度数分析を幾何分布で近似する際の幾何分布パラメータｐを算出するパラメータ算出ステップと、
前記幾何分布パラメータｐからノイズの振幅を算出する振幅算出ステップとを備えることを特徴とするノイズ振幅算出方法。
請求項６記載のノイズ振幅算出方法において、
前記パラメータ算出ステップは、前記ランレングスを測定するサンプリングクロックの前記測定期間中の総数をＮ_sampとしたとき、階級値ｉ＝１のランレングスの度数ｆ（１）を、幾何分布を表す式ｆ（ｉ）＝Ｎ_samp・ｐ²・（１−ｐ）^i-1（ｉ＝１，２，３，・・・）に代入して、前記幾何分布パラメータｐを算出することを特徴とするノイズ振幅算出方法。
請求項６記載のノイズ振幅算出方法において、
前記パラメータ算出ステップは、前記ランレングスを測定するサンプリングクロックの前記測定期間中の総数をＮ_sampとしたとき、前記測定期間中の各階級値ｉのランレングスの度数ｆ（ｉ）を、幾何分布を表す式ｆ（ｉ）＝Ｎ_samp・ｐ²・（１−ｐ）^i-1（ｉ＝１，２，３，・・・）に代入して、前記幾何分布パラメータｐを算出することを特徴とするノイズ振幅算出方法。
請求項６記載のノイズ振幅算出方法において、
前記パラメータ算出ステップは、前記測定期間中のランレングス測定ステップの測定結果から得られるランレングス度数分布の指数関数近似式を最小二乗法により求め、前記幾何分布パラメータｐを算出することを特徴とするノイズ振幅算出方法。
請求項６乃至９のいずれか１項に記載のノイズ振幅算出方法において、
前記振幅算出ステップは、前記幾何分布パラメータｐとノイズの標準偏差σとの既知の関係を用いて、前記幾何分布パラメータｐからノイズの標準偏差σを算出し、この標準偏差σからノイズの振幅を算出することを特徴とするノイズ振幅算出方法。