JP2013246107A - Signal processing device and signal processing method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a signal processing device which outputs an estimated value of a level of a desired signal from a noise signal component and an input signal which is a desired signal.SOLUTION: A signal processing device includes an A/D conversion part 10 for subjecting an input signal to A/D conversion to generate an A/D converted input signal A, a first PDF processing part 12 for subjecting the A/D converted input signal A to PDF processing indicating an amplitude distribution to generate a first PDF signal C, a filter 13 for extracting, from the A/D converted input signal, a predetermined band signal B which is a predetermined frequency including a noise signal component and higher than a desired signal, a second PDF processing part 14 for subjecting the predetermined band signal to PDF processing indicating an amplitude distribution to generate a second PDF signal D, a correlation value calculation part 15 for subjecting the first PDF signal and the second PDF signal to obtain a correlation value, and an estimated value calculation part 16 for estimating the level of the desired signal on the basis of the maximum correlation value to output is as an estimated value.

Description

本発明は、クラウドコンピュータ網やM2M通信に関連した各種センサとネットワーク間で利用されるセンサ信号の信号処理装置および信号処理方法に関するものである。   The present invention relates to a signal processing apparatus and a signal processing method for sensor signals used between various sensors related to cloud computer networks and M2M communication and the network.

センサは通常、測定対象に反応する物理量をセンシングして、処理しやすい電圧や電流などの電気信号として変換する。この電気信号は所定の物理量を定量的に測定する際の信号処理の手段となる。電気信号に変換されたセンサ信号は、測定対象に応じて時間周波数特性を有している。   A sensor usually senses a physical quantity that reacts to a measurement target and converts it into an electrical signal such as a voltage or current that can be easily processed. This electric signal becomes a means for signal processing when quantitatively measuring a predetermined physical quantity. The sensor signal converted into the electric signal has time frequency characteristics according to the measurement object.

センシングした物理量を電気信号に変換する過程で、信号に物理現象以外の不要な雑音が重畳された電気信号として出力される。たとえば、温度計や秤などの物理量は直流付近の低い周波数域に変換されるが、周囲温度や風などの周囲環境の雑音や、電気信号に変換するための供給電圧や電流の雑音は、それ以上の比較的高い周波数の変動を有するのが通常である。このような温度計や秤などの物理量といった直流付近の低い周波数域の信号を抽出する処理は時間周波数の不確定性の関係により、長い処理時間を必要とすることが知られている。   In the process of converting the sensed physical quantity into an electrical signal, the signal is output as an electrical signal in which unnecessary noise other than a physical phenomenon is superimposed on the signal. For example, physical quantities such as thermometers and scales are converted to a low frequency range near DC, but ambient noise such as ambient temperature and wind, and supply voltage and current noise for conversion to electrical signals are It is normal to have the above relatively high frequency fluctuations. It is known that processing for extracting a signal in a low frequency region near DC such as a physical quantity such as a thermometer and a scale requires a long processing time due to the uncertainty of time frequency.

特開2008−268068号公報JP 2008-268068 A

処理時間を減少させるために雑音発生の学習情報を用いた研究例として、センサ信号をA/D変換し、ディジタル信号処理を用いたローパスフィルタを雑音除去に適用した報告もある(たとえば、特許文献1参照)。ローパスフィルタは、遮断周波数幅を低く設定することで低い周波数の雑音成分まで除去することが可能になる。   As a research example using noise generation learning information in order to reduce the processing time, there is also a report in which a sensor signal is A / D converted and a low-pass filter using digital signal processing is applied to noise removal (for example, patent document) 1). The low-pass filter can remove even low-frequency noise components by setting the cutoff frequency width low.

たとえば、図11に示す特許文献1の従来の計量装置においては、搬送手段が持つ定常的な低周期振動の周期を算出し、その周期に対応したトリガを発生する振動周期算出部81と、搬送手段に測定対象物が無い状態で計量手段が出力する無負荷の計量信号の波形と近似する振動補正波形を振動周期算出部で算出された周期でなる基本の波形関数から生成するため位相及び振幅を含む波形生成条件を算出して記憶する波形条件記憶部82と、振動周期算出部から発生されたトリガを基準として波形条件記憶部に記憶された振動波形を生成すための条件から計量信号を補正するための補正信号を生成する補正波形生成部83と、不図示の計量部から出力される計量信号(入力信号X)と補正波形生成部から出力される補正信号との差分により測定対象物の計量値を算出する補正部84とを備えている。そして、特許文献1では計量信号から高周波成分を除去するために不図示のローパスフィルタを用い、またローパスフィルタによってフィルタ処理された計量信号の交流成分のピーク値を検出して振動周期を算出している。   For example, in the conventional weighing device of Patent Document 1 shown in FIG. 11, a vibration period calculation unit 81 that calculates a period of steady low-period vibration possessed by the conveyance unit and generates a trigger corresponding to the period, Phase and amplitude to generate a vibration correction waveform that approximates the waveform of an unloaded weighing signal output by the weighing means when there is no measurement object in the means from the basic waveform function having the period calculated by the vibration period calculation unit A waveform condition storage unit 82 that calculates and stores a waveform generation condition including the waveform signal, and a measurement signal from a condition for generating a vibration waveform stored in the waveform condition storage unit with reference to a trigger generated from the vibration period calculation unit A correction waveform generator 83 that generates a correction signal for correction, and a difference between a measurement signal (input signal X) output from a measurement unit (not shown) and a correction signal output from the correction waveform generation unit. And a correction unit 84 for calculating a weight value of the object. In Patent Document 1, a low-pass filter (not shown) is used to remove a high-frequency component from the measurement signal, and the peak value of the AC component of the measurement signal filtered by the low-pass filter is detected to calculate the vibration period. Yes.

このように、ローパスフィルタによりセンサ信号から雑音成分を除去して、信号成分を高速高精度に抽出する研究が従来から行われてきたが、その計算手法は線形演算によるものであった。   As described above, research has been conducted to remove a noise component from a sensor signal by a low-pass filter and extract the signal component with high speed and high accuracy. However, the calculation method is based on a linear operation.

しかしながら、線形演算を用いた信号処理では、解析や評価の手順が一意的に決まる半面、処理遅延時間や時間周波数の不確定性に基づくフィルタの応答時間等には原理的な制約が伴う。具体的には、ローパスフィルタの遮断周波数を低く設定した場合、センシング期間を長くする必要があり、その分だけ応答速度が遅くなるという問題があった。   However, in signal processing using linear calculation, the analysis and evaluation procedures are uniquely determined, but the filter response time based on the processing delay time and the uncertainty of the time frequency is accompanied by fundamental restrictions. Specifically, when the cut-off frequency of the low-pass filter is set low, there is a problem that it is necessary to lengthen the sensing period, and the response speed is slowed accordingly.

また、ローパスフィルタだけではなく、バンドパスフィルタ、ヒルベルト変換手法などが使用されている。バンドパスフィルタでは、たとえば5Hzから40Hzを通過帯域とする低域のバンドパスフィルタを設計したとき、直流信号を減衰させることが極めて困難である。ヒルベルト変換手法では、直流は減衰できるが低域の信号が減衰する。また、直流成分を抑圧する場合は、ディジタルフィルタのタップ数が著しく増加して処理遅延が著しく増加する。   In addition to the low-pass filter, a band-pass filter, a Hilbert transform method, and the like are used. With a bandpass filter, for example, when a low-pass bandpass filter having a passband of 5 Hz to 40 Hz is designed, it is extremely difficult to attenuate a DC signal. In the Hilbert transform method, the direct current can be attenuated, but the low-frequency signal is attenuated. Further, when the DC component is suppressed, the number of taps of the digital filter is remarkably increased and the processing delay is remarkably increased.

これらのフィルタリング手法は、センサ信号としての電気信号が有する振幅周波数特性や位相周波数特性の雑音の持つ局所性や偏りを利用して、目的となる信号成分である低域成分を抽出している。これらの処理を系(システム)としてとらえると、センサ信号(が有する周波数位相成分)に、処理システムの有するインパルス応答を時間領域で畳み込み演算して、信号の周波数位相成分を加工処理する演算モデルで定式化できる。この畳み込み演算は抽出する低周波成分の周波数が低ければ低いほど、インパルス応答の応答点数を大きくしなければ所望の低域周波数を抽出できない性質を有する。すなわち、処理時間が長くかかり、処理時間は(インパルス応答の応答点数)*(サンプリング時間T)/2で示される。この処理遅延はアナログ的手法をもちいても、アナログ処理の主モードである処理系の時定数τという尺度でみると、exp(−t/τ)に比例して、τ時間がその遅延処理時間を意味するため、低域処理はτが大きくなり、正常な信号を伝達するまでの遅延時間を増大させることになる。   These filtering methods extract a low-frequency component, which is a target signal component, using locality and bias of noise of amplitude frequency characteristics and phase frequency characteristics of an electrical signal as a sensor signal. When these processes are considered as a system, the calculation model is a process that processes the frequency phase component of the signal by convolving the sensor signal (frequency phase component) with the impulse response of the processing system in the time domain. It can be formulated. This convolution operation has the property that the lower the frequency of the low frequency component to be extracted, the more the desired low frequency can not be extracted unless the number of response points of the impulse response is increased. That is, the processing time is long, and the processing time is represented by (number of response points of impulse response) * (sampling time T) / 2. Although this processing delay uses an analog method, τ time is proportional to exp (−t / τ) in terms of the time constant τ of the processing system which is the main mode of analog processing. Therefore, in the low-frequency processing, τ increases, and the delay time until a normal signal is transmitted is increased.

このようなセンサ信号に対する処理遅延を許せば、時々刻々と変化する信号の性質を取り逃がすとともに、時間変動していく信号の取得機会損失を引き起こす可能性も生じるため、この処理遅延の解決が望まれていた。   If such a processing delay is allowed for the sensor signal, the nature of the signal that changes from time to time is overlooked, and there is a possibility that the acquisition opportunity of the signal that fluctuates with time may be lost, so it is desirable to solve this processing delay. It was.

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、雑音信号成分およびアナログの所望信号で成る入力信号から所望信号のレベルの推定値を出力するための信号処理装置を提供する技術に関し、高精度かつ短時間に処理する技術を提供することを目的とするものである。   Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and relates to a technique for providing a signal processing apparatus for outputting an estimated value of a desired signal level from an input signal composed of a noise signal component and an analog desired signal. An object of the present invention is to provide a technique for processing in high accuracy and in a short time.

上記した目的を達成するために、請求項1記載の信号処理装置(100)は、
雑音信号成分およびアナログの所望信号(Y)で成る入力信号(X)から前記所望信号のレベルの推定値を出力するための信号処理装置であって、
前記入力信号をA/D変換してA/D変換された入力信号(A)を生成するA/D変換部(10)と、
前記A/D変換された入力信号(A)に振幅の分布を示すPDF(Probability Density Function)処理を行って、第1のPDF信号(C)を生成する第1のPDF処理部(12)と、
前記A/D変換された入力信号から、前記雑音信号成分を含み、前記所望信号よりは高い所定の周波数帯域である所定帯域信号(B)を抽出するフィルタ(13)と、
前記所定帯域信号に振幅の分布を示すPDF処理を行って、第2のPDF信号(D)を生成する第2のPDF処理部(14)と、
前記第1のPDF信号と前記第2のPDF信号との相互相関演算を行って相関値を求める相関値算出部(15)と、
前記相関値の最大値に基づいて、前記所望信号のレベルを推定して推定値として出力する推定値算出部(16)とを備えたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the signal processing device (100) according to claim 1 comprises:
A signal processing apparatus for outputting an estimated value of a level of a desired signal from an input signal (X) composed of a noise signal component and an analog desired signal (Y),
An A / D converter (10) for A / D converting the input signal to generate an A / D converted input signal (A);
A first PDF processing unit (12) for generating a first PDF signal (C) by performing PDF (Probability Density Function) processing indicating amplitude distribution on the A / D converted input signal (A); ,
A filter (13) for extracting a predetermined band signal (B) that includes the noise signal component and is a predetermined frequency band higher than the desired signal from the A / D converted input signal;
A second PDF processing unit (14) for performing a PDF process indicating an amplitude distribution on the predetermined band signal to generate a second PDF signal (D);
A correlation value calculation unit (15) for calculating a correlation value by performing a cross-correlation operation between the first PDF signal and the second PDF signal;
An estimated value calculation unit (16) that estimates the level of the desired signal based on the maximum correlation value and outputs the estimated value as an estimated value.

請求項2記載の信号処理装置は、請求項1の信号処理装置(100)において、
前記推定値算出部は、前記第1のPDF信号に存在する振幅値の下限値(PL_1)と上限値(PM_1)と、前記第2のPDF信号に存在する振幅値の下限値(PL_2)と上限値(PM_2)とを求め、
前記第1のPDF信号に存在する振幅値の前記下限値または前記第2のPDF信号に存在する振幅値の前記下限値のうち最下限である最下限値(PL_12)と、
前記第1のPDF信号に存在する振幅値の前記上限値または前記第2のPDF信号に存在する振幅値の前記上限値のうち最上限である最上限値(PM_12)と、
求めたい推定値の候補を含む平均値パラメータ(β)と、
振幅成分をあらわす確率変数(k)と、
第1のPDF信号Cの関数(f1)と、
第2のPDF信号Dの関数(f2)とするときに、下記式

Figure 2013246107
に基づいて前記相関値であるv(β)を最大とする前記平均値パラメータβを求め、当該βを推定値とすることを特徴とする。 The signal processing device according to claim 2 is the signal processing device (100) according to claim 1,
The estimated value calculation unit includes a lower limit value (PL_1) and an upper limit value (PM_1) of an amplitude value present in the first PDF signal, and a lower limit value (PL_2) of an amplitude value present in the second PDF signal. The upper limit value (PM_2) is obtained,
A lower limit value (PL_12) which is a lower limit among the lower limit value of the amplitude value present in the first PDF signal or the lower limit value of the amplitude value present in the second PDF signal;
A maximum upper limit value (PM_12) which is a maximum upper limit value among the upper limit value of the amplitude value present in the first PDF signal or the upper limit value of the amplitude value present in the second PDF signal;
An average value parameter (β) including candidates of estimated values to be obtained;
A random variable (k) representing the amplitude component;
A function (f1) of the first PDF signal C;
When the function (f2) of the second PDF signal D is used,
Figure 2013246107
The average value parameter β that maximizes the correlation value v (β) is obtained based on the above and β is used as an estimated value.

上記した目的を達成するために、請求項3記載の信号処理方法は、
雑音信号成分およびアナログの所望信号(Y)で成る入力信号(X)から前記所望信号のレベルの推定値を出力するための信号処理方法であって、
前記入力信号をA/D変換してA/D変換された入力信号(A)を生成するA/D変換ステップ(S101)と、
前記A/D変換された入力信号に振幅の分布を示すPDF(Probability Density Function)処理を行って、第1のPDF信号(C)を生成する第1のPDF処理ステップ(S102)と、
前記A/D変換された入力信号から、前記雑音信号成分を含み、前記所望信号よりは高い所定の周波数帯域である所定帯域信号(B)を抽出する帯域抽出ステップ(S103)と、
前記所定帯域信号に振幅の分布を示すPDF処理を行って、第2のPDF信号(D)を生成する第2のPDF処理ステップ(S104)と、
前記第1のPDF信号と前記第2のPDF信号との相互相関演算を行って相関値を求める相関値算出ステップ(S105)と、
前記相関値の最大値に基づいて、前記所望信号のレベルを推定して推定値として出力する推定値算出ステップ(S107)とを含むことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the signal processing method according to claim 3 comprises:
A signal processing method for outputting an estimated value of a level of a desired signal from an input signal (X) comprising a noise signal component and an analog desired signal (Y),
A / D conversion step (S101) for A / D converting the input signal to generate an A / D converted input signal (A);
A first PDF processing step (S102) for generating a first PDF signal (C) by performing PDF (Probability Density Function) processing indicating amplitude distribution on the A / D converted input signal;
A band extraction step (S103) for extracting a predetermined band signal (B) that includes the noise signal component and is a predetermined frequency band higher than the desired signal from the A / D converted input signal;
A second PDF processing step (S104) for generating a second PDF signal (D) by performing a PDF process indicating an amplitude distribution on the predetermined band signal;
A correlation value calculating step (S105) for calculating a correlation value by performing a cross-correlation operation between the first PDF signal and the second PDF signal;
And an estimated value calculating step (S107) for estimating the level of the desired signal based on the maximum correlation value and outputting the estimated value as an estimated value.

請求項4記載の信号処理方法は、請求項3の信号処理方法において、
前記第1のPDF信号に存在する振幅値の下限値(PL_1)と上限値(PM_1)と、前記第2のPDF信号に存在する振幅値の下限値(PL_2)と上限値(PM_2)とを求める上下限値算出ステップ(S106)を更に備え、
前記推定値算出ステップは、前記第1のPDF信号に存在する振幅値の前記下限値(または前記第2のPDF信号に存在する振幅値の前記下限値のうち最下限である最下限値(PL_12)と、
前記第1のPDF信号に存在する振幅値の前記上限値または前記第2のPDF信号に存在する振幅値の前記上限値のうち最上限である最上限値(PM_12)と、
求めたい推定値の候補を含む平均値パラメータ(β)と、
振幅成分をあらわす確率変数(k)と、
第1のPDF信号Cの関数(f1)と、
第2のPDF信号Dの関数(f2)とするときに、下記式

Figure 2013246107
に基づいて前記相関値であるv(β)を最大とする前記平均値パラメータβを求め、当該βを推定値とすることを特徴とする。 The signal processing method according to claim 4 is the signal processing method according to claim 3,
A lower limit value (PL_1) and an upper limit value (PM_1) of an amplitude value present in the first PDF signal, and a lower limit value (PL_2) and an upper limit value (PM_2) of an amplitude value present in the second PDF signal. A further upper and lower limit value calculating step (S106) to be obtained;
In the estimated value calculating step, the lower limit value of the amplitude value existing in the first PDF signal (or the lower limit value (PL — 12) which is the lowest limit among the lower limit values of the amplitude value existing in the second PDF signal). )When,
A maximum upper limit value (PM_12) which is a maximum upper limit value among the upper limit value of the amplitude value present in the first PDF signal or the upper limit value of the amplitude value present in the second PDF signal;
An average value parameter (β) including candidates of estimated values to be obtained;
A random variable (k) representing the amplitude component;
A function (f1) of the first PDF signal C;
When the function (f2) of the second PDF signal D is used,
Figure 2013246107
The average value parameter β that maximizes the correlation value v (β) is obtained based on the above and β is used as an estimated value.

本発明の信号処理装置および信号処理方法によれば、入力信号をA/D変換してA/D変換された入力信号を生成し、A/D変換された入力信号から第1のPDF信号Cを生成する一方、A/D変換された入力信号から雑音信号成分を含み、所望信号よりは高い所定の周波数帯域である所定帯域信号から第2のPDF信号を生成し、それぞれのPDF信号同士の相関処理により相関値を求め、相関値の最大値に基づいて所望信号のレベルを推定して推定値として出力する構成となっており、測定区間のどこから処理を開始してもその区間毎に測定結果を抽出するリアルタイム処理を行っているので、信号の初期過程から逐次的に処理して結果を算出する従来の信号処理装置および信号処理方法では長時間かからなければ得られなかった所望信号のレベルの推定値を、本発明の信号処理装置および信号処理方法では短時間に算出でき、かつ極めて高精度に算出できる。   According to the signal processing apparatus and the signal processing method of the present invention, an input signal is A / D converted to generate an A / D converted input signal, and the first PDF signal C is generated from the A / D converted input signal. On the other hand, a second PDF signal is generated from a predetermined band signal that includes a noise signal component from the A / D converted input signal and is a predetermined frequency band higher than the desired signal. The correlation value is obtained by correlation processing, the level of the desired signal is estimated based on the maximum value of the correlation value, and the result is output as an estimated value. Since real-time processing is performed to extract the results, the desired signal that could not be obtained without taking a long time with the conventional signal processing apparatus and signal processing method that calculates the results by sequentially processing from the initial stage of the signal. Level of the estimated value of, the signal processing device and signal processing method of the present invention can be calculated in a short time, and can be calculated with extremely high accuracy.

また、本発明の信号処理装置および信号処理方法は測定区間毎に処理しているので、測定区間のPDF信号を求めた後の推定値算出処理にかかる時間は、使用するCPU(中央処理装置)の演算速度が上がるほど短時間で処理できるため、従来の信号処理装置および信号処理方法で原理的に生じていた遅延を極めて効果的に解消できる。   In addition, since the signal processing apparatus and the signal processing method of the present invention process each measurement section, the time required for the estimated value calculation process after obtaining the PDF signal of the measurement section is the CPU (central processing unit) to be used. As the calculation speed increases, the processing can be performed in a shorter time. Therefore, the delay that has occurred in principle in the conventional signal processing apparatus and signal processing method can be eliminated extremely effectively.

さらに、本発明の信号処理装置および信号処理方法は第1のPDF信号と、第2のPDF信号とにそれぞれ存在する振幅値の上限値と、下限値とを各々用いて、PDF信号同士の相関値が最大となる推定値を求めているので、所望信号のレベルの推定値を短時間かつ極めて高精度に抽出できる。   Furthermore, the signal processing apparatus and the signal processing method of the present invention use the upper limit value and the lower limit value of the amplitude values respectively present in the first PDF signal and the second PDF signal, and correlate PDF signals. Since the estimated value having the maximum value is obtained, the estimated value of the level of the desired signal can be extracted in a short time and with extremely high accuracy.

本発明に係る信号処理装置100の装置構成を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the apparatus structure of the signal processing apparatus 100 which concerns on this invention. 本発明に係るPDF処理部12、14の概略ブロック図である。2 is a schematic block diagram of PDF processing units 12 and 14 according to the present invention. FIG. 確率密度関数PDFを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the probability density function PDF. 相関値の最大値である推定値を求める処理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the process which calculates | requires the estimated value which is the maximum value of a correlation value. 相関値の最大値である推定値を決定する処理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the process which determines the estimated value which is the maximum value of a correlation value. 本発明に係るソフトウエア処理動作の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the software processing operation | movement which concerns on this invention. 入力信号Xの波形例を示す図である。4 is a diagram illustrating an example of a waveform of an input signal X. FIG. 第1のPDF信号Cの波形例を示す図である。6 is a diagram illustrating an example of a waveform of a first PDF signal C. FIG. 平均値パラメータβを加えた第2のPDF信号Dの波形例を示す図である。It is a figure which shows the example of a waveform of the 2nd PDF signal D which added the average value parameter (beta). 第1のPDF信号Cと、第2のPDF信号Dとの相関結果の波形例を示す図である。It is a figure which shows the example of a waveform of the correlation result of the 1st PDF signal C and the 2nd PDF signal D. 従来の計量装置の装置構成を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the apparatus structure of the conventional weighing | measuring apparatus.

以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、この形態に基づいて当業者等によりなされる実施可能な他の形態、実施例および運用技術等はすべて本発明の範疇に含まれる。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the present invention is not limited by this embodiment, and all other forms, examples, operational techniques, etc. that can be implemented by those skilled in the art based on this form are included in the scope of the present invention. .

本発明は、センシングした物理量の一例として、たとえば測定対象物が負荷された力学量センサから出力される入力信号Xの振幅を確率変数とし、その確率密度関数PDF(Probability Density Function)や累積確率分布APD(Amplitude Probability Distribution)を求めて処理を行う信号処理装置であるので、はじめに、確率密度関数PDF、累積確率分布APDについて簡単に説明する。   In the present invention, as an example of a sensed physical quantity, for example, the amplitude of an input signal X output from a mechanical quantity sensor loaded with a measurement object is used as a random variable, and its probability density function PDF (Probability Density Function) or cumulative probability distribution is used. Since it is a signal processing apparatus that performs processing by obtaining APD (Amplitude Probability Distribution), first, a probability density function PDF and a cumulative probability distribution APD will be briefly described.

確率密度関数(確率密度分布ともいう)PDFは、図3のような時間信号を例にとると、測定時間T内において、適切なサンプリング時間で抽出された振幅値の発生頻度を必要測定精度で量子化した振幅レベルごとに計数して求められる。   The probability density function (also referred to as probability density distribution) PDF takes the time signal as shown in FIG. 3 as an example, and the occurrence frequency of the amplitude value extracted at an appropriate sampling time within the measurement time T can be obtained with the required measurement accuracy. It is obtained by counting for each quantized amplitude level.

このPDF値を、確率変数で積分(累積)すればAPD値になるが、APD値の定義「信号振幅の包絡線信号がある閾値レベルを超える時間確率」を採用すると、信号振幅r(t)に対して信号振幅の離散値xiを確率変数とし、測定時間Tでは、信号振幅閾値Rでの占有時間Wi(xk)を累積加算し、Tで割るとxiにおけるAPD値が次式(1)のように求められる。   When this PDF value is integrated (accumulated) with a random variable, it becomes an APD value. However, when the definition of APD value “time probability that the envelope signal of signal amplitude exceeds a certain threshold level” is adopted, signal amplitude r (t) For the measurement time T, the occupation time Wi (xk) at the signal amplitude threshold R is cumulatively added, and when divided by T, the APD value at xi is expressed by the following equation (1). It is required as follows.

APD(xi)=ΣWi(xk)/T ……(1)
ただし、記号Σは、i=1〜N(xk)までの総和を表す
APD (xi) = ΣWi (xk) / T (1)
Here, the symbol Σ represents the total sum from i = 1 to N (xk).

逆に、このAPD値を確率変数について差分演算を行えば、PDF値を求めることができる。   Conversely, if this APD value is subjected to a difference calculation with respect to a random variable, the PDF value can be obtained.

[信号処理装置の構成例および動作例]
以上の準備のもとに、本発明の信号処理装置100の動作例を説明する。本例の信号処理装置100は、センシングした物理量の一例として、たとえば測定対象物が負荷された力学量センサから出力されるアナログの略直流成分である所望信号Yと、この所望信号Yに重畳する有害な雑音成分とを含む入力信号Xについて、所望信号Yのレベルの推定値を出力するための装置である。本発明の信号処理装置100により抽出された所望信号Yのレベルの推定値は、たとえば測定対象物の重量を測定する装置に適用可能である。
[Configuration example and operation example of signal processing apparatus]
Based on the above preparation, an operation example of the signal processing apparatus 100 of the present invention will be described. As an example of the sensed physical quantity, the signal processing apparatus 100 of this example superimposes the desired signal Y, which is an analog substantially DC component output from a mechanical quantity sensor loaded with a measurement object, on the desired signal Y, for example. It is an apparatus for outputting an estimated value of the level of a desired signal Y for an input signal X including a harmful noise component. The estimated value of the level of the desired signal Y extracted by the signal processing apparatus 100 of the present invention can be applied to an apparatus for measuring the weight of a measurement object, for example.

まず、本発明に係る信号処理装置100の装置構成について、図1を参照しながら説明する。 本例の信号処理装置100は、A/D変換部10、遅延器11、第1のPDF処理部12、フィルタ13、第2のPDF処理部14、相関値算出部15、推定値算出部16を備えている。   First, the apparatus configuration of the signal processing apparatus 100 according to the present invention will be described with reference to FIG. The signal processing apparatus 100 of this example includes an A / D conversion unit 10, a delay unit 11, a first PDF processing unit 12, a filter 13, a second PDF processing unit 14, a correlation value calculation unit 15, and an estimated value calculation unit 16. It has.

本発明に係る信号処理装置100は、たとえばDSP(Digital Signal Processor)や、FPGA(Field Programmable Gate Array)といったハードウエアや、その周辺装置にて実現されている。   The signal processing apparatus 100 according to the present invention is realized by hardware such as a DSP (Digital Signal Processor) or FPGA (Field Programmable Gate Array) and its peripheral devices.

A/D変換部10は、アナログの入力信号Xを所定のサンプリング周期でサンプリングし、アナログ信号からディジタル信号に変換して、入力信号Xの略全ての信号帯域を含んだA/D変換された入力信号Aを生成する。   The A / D converter 10 samples the analog input signal X at a predetermined sampling period, converts the analog signal to a digital signal, and performs A / D conversion including almost all signal bands of the input signal X. An input signal A is generated.

遅延器11は、フィルタ13のフィルタリング処理にかかる時間と同等の時間、A/D変換された入力信号Aをその位相特性を保持したまま遅延させる遅延器である。遅延器11の出力信号は、雑音信号成分および所望信号Yから成る入力信号Xの略直流成分を含んだ信号がA/D変換された信号である。なお、本発明において、略直流とは、直流から20Hz程度の低い周波数の交流を指す。   The delay device 11 is a delay device that delays the A / D converted input signal A while maintaining its phase characteristics for a time equivalent to the time required for the filtering process of the filter 13. The output signal of the delay device 11 is a signal obtained by A / D converting a signal including a noise signal component and a substantially DC component of the input signal X composed of the desired signal Y. In the present invention, substantially direct current refers to alternating current with a frequency as low as about 20 Hz from direct current.

遅延器11で遅延されたA/D変換された入力信号Aは、第1のPDF処理部12に入力される。第1のPDF処理部12は、PDF(Probability Density Function)処理を行って、A/D変換された入力信号Aの確率密度関数である第1のPDF信号Cを算出する。   The A / D converted input signal A delayed by the delay unit 11 is input to the first PDF processing unit 12. The first PDF processing unit 12 performs a PDF (Probability Density Function) process, and calculates a first PDF signal C that is a probability density function of the input signal A subjected to A / D conversion.

一方、フィルタ13は、A/D変換された入力信号Aのうち所定の帯域である所定帯域信号Bを抽出するフィルタであり、ディジタル処理にてフィルタリング処理を行っている。ここでいう所定帯域は、入力信号Xに含まれている雑音信号成分を含むようにし、かつ略直流成分を含まない帯域、すなわち所望信号Yを含まない帯域である。フィルタ13の周波数特性は、ハイパスフィルタまたはバンドパスフィルタとなるように構成されている。このフィルタ13の通過帯域は、ハイパスフィルタの場合は、たとえば20Hz以上の周波数を通過帯域とし、バンドパスフィルタの場合は、たとえば20Hzから400Hzの周波数を通過帯域とする。ハイパスフィルタを採用した場合、バンドパスフィルタを採用した場合よりも処理対象の帯域が広帯域になり演算量が増すため、バンドパスフィルタを採用するほうが演算量が少なくて済む。なお、フィルタ13は直線位相のフィルタとなるように構成されている。   On the other hand, the filter 13 is a filter that extracts a predetermined band signal B that is a predetermined band from the A / D converted input signal A, and performs a filtering process by digital processing. The predetermined band here is a band that includes a noise signal component included in the input signal X and does not include a substantially DC component, that is, a band that does not include the desired signal Y. The frequency characteristic of the filter 13 is configured to be a high-pass filter or a band-pass filter. In the case of a high-pass filter, the pass band of the filter 13 is, for example, a frequency of 20 Hz or more, and in the case of a band-pass filter, the pass band is, for example, a frequency of 20 Hz to 400 Hz. When the high-pass filter is adopted, the band to be processed becomes wider and the amount of computation increases than when the band-pass filter is adopted. Therefore, the amount of computation is smaller when the band-pass filter is adopted. The filter 13 is configured to be a linear phase filter.

フィルタ13でされたフィルタリング処理された所定帯域信号Bは、第2のPDF処理部14に入力される。第2のPDF処理部14は、PDF処理を行って、所定帯域信号Bの確率密度関数である第2のPDF信号Dを算出する。   The predetermined band signal B subjected to the filtering process performed by the filter 13 is input to the second PDF processing unit 14. The second PDF processing unit 14 performs a PDF process to calculate a second PDF signal D that is a probability density function of the predetermined band signal B.

第1のPDF処理部12、第2のPDF処理部14の内部構成例を図2に示す。図2を用いてより具体的に説明すると、遅延器11で遅延されたA/D変換された入力信号Aを第1のPDF処理部12の正規化処理部30に入力し、負のデータなどが生じた時は全体として正のデータにするシフト処理などを行い、その正規化した値を対数変換部31によって対数変換し、その対数値を計測目標とする精度の単位で量子化する。なお、対数変換部31は、多数のデータの処理を円滑にするためであり、この構成を省くこともできる。第2のPDF処理部14についても同様の動作である。   An example of the internal configuration of the first PDF processing unit 12 and the second PDF processing unit 14 is shown in FIG. More specifically, referring to FIG. 2, the A / D converted input signal A delayed by the delay unit 11 is input to the normalization processing unit 30 of the first PDF processing unit 12, and negative data or the like is input. When the error occurs, a shift process to convert the data into positive data as a whole is performed, the normalized value is logarithmically converted by the logarithmic conversion unit 31, and the logarithmic value is quantized in units of accuracy to be measured. The logarithmic conversion unit 31 is for facilitating the processing of a large number of data, and this configuration can be omitted. The same operation is performed for the second PDF processing unit 14.

そして、この対数値をPDF演算部32に入力する。PDF演算部32は、入力される対数値の各出現頻度(ヒストグラム)を求め、これを一定時間Tpに入力されたデータ総数で割ることで、正規化された確率密度関数である第1のPDF信号Cを算出する。第2のPDF処理部14についても同様の動作である。   The logarithmic value is input to the PDF calculation unit 32. The PDF calculation unit 32 obtains each appearance frequency (histogram) of the input logarithmic value, and divides this by the total number of data input at a certain time Tp, thereby obtaining a first PDF that is a normalized probability density function. The signal C is calculated. The same operation is performed for the second PDF processing unit 14.

ところで、所望信号Yは雑音信号成分を含まない統計平均値と等価である。A/D変換された入力信号Aの信号のPDF波形形状(ここでは第1のPDF信号C)のプロフィールと、A/D変換された入力信号Aから所定帯域を抽出し、統計平均値を除外した雑音信号成分からなる所定帯域信号BのPDF波形形状(ここでは第2のPDF信号D)のプロフィールは同一であると考えられる。   By the way, the desired signal Y is equivalent to a statistical average value not including a noise signal component. The profile of the PDF waveform of the signal of the A / D converted input signal A (here, the first PDF signal C) and a predetermined band are extracted from the A / D converted input signal A, and the statistical average value is excluded. It is considered that the profile of the PDF waveform shape (here, the second PDF signal D) of the predetermined band signal B composed of the noise signal component is the same.

このことから、第1のPDF信号Cのプロフィールと、第2のPDF信号DのプロフィールとのPDF波形形状比較を行ったときに形状の同一性の尺度を定義し、その値が最大となる、すなわちPDFカーブの形状の同一性の尺度値が最大になる推定値を求めることにより、所望信号Yの振幅のレベルを推定することができる。PDF波形形状比較を行ったときの形状の同一性は、相互相関演算を行って相関値を算出することで判断できる。   From this, when the PDF waveform shape comparison between the profile of the first PDF signal C and the profile of the second PDF signal D is performed, a measure of the identity of the shape is defined, and the value is maximized. That is, the level of the amplitude of the desired signal Y can be estimated by obtaining an estimated value that maximizes the scale value of the identity of the PDF curve. The identity of the shapes when the PDF waveform shapes are compared can be determined by calculating a correlation value by performing a cross-correlation operation.

得られた第1のPDF信号Cおよび第2のPDF信号Dは、PDF波形形状比較を行うために相関値算出部15に入力される。相関値算出部15は、第1のPDF処理部12で得られた確率密度関数である第1のPDF信号Cと、第2のPDF処理部14で得られた確率密度関数である第2のPDF信号Dとに基づいて、相互相関演算を行って相関値を算出する。   The obtained first PDF signal C and second PDF signal D are input to the correlation value calculation unit 15 in order to perform PDF waveform shape comparison. The correlation value calculation unit 15 includes a first PDF signal C that is a probability density function obtained by the first PDF processing unit 12 and a second PDF that is a probability density function obtained by the second PDF processing unit 14. Based on the PDF signal D, a cross-correlation operation is performed to calculate a correlation value.

推定値算出部16の動作について説明する。求めたい推定値は第1のPDF信号Cの略直流成分を含む所望信号Yに比例した振幅のレベルであるので、第2のPDF信号Dについて求めたい平均値パラメータをβとすると、相互相関演算に用いる信号は平均値パラメータβ+第2のPDF信号Dとなる。このことから、PDF波形形状比較を行ったときの形状の同一性を示している求めたい推定値は、第1のPDF信号Cと、第2のPDF信号Dとの相関値の最大値となる。   The operation of the estimated value calculation unit 16 will be described. Since the estimated value to be obtained is a level of amplitude proportional to the desired signal Y including the substantially DC component of the first PDF signal C, if the average value parameter to be obtained for the second PDF signal D is β, the cross-correlation calculation is performed. The signal used for is the average value parameter β + second PDF signal D. From this, the estimated value to be obtained indicating the identity of the shape when the PDF waveform shape comparison is performed is the maximum value of the correlation value between the first PDF signal C and the second PDF signal D. .

相関値の最大値である推定値を求める処理について図4を用いて説明する。PDF信号の存在するレベルの下限値と上限値とを利用する。第1のPDF信号Cの場合は、図4(A)に示すようにPDF信号の存在するレベルの下限値をPL_1とし、上限値をPM_1とする。第2のPDF信号Dの場合、図4(B)に示すようにPDF信号の存在するレベルの下限値をPL_2とし、上限値をPM_2とする。   A process for obtaining an estimated value that is the maximum correlation value will be described with reference to FIG. The lower limit value and the upper limit value of the level where the PDF signal exists are used. In the case of the first PDF signal C, as shown in FIG. 4A, the lower limit value of the level where the PDF signal exists is PL_1, and the upper limit value is PM_1. In the case of the second PDF signal D, as shown in FIG. 4B, the lower limit value of the level where the PDF signal exists is PL_2, and the upper limit value is PM_2.

次に、第1のPDF信号に存在する振幅値の下限値PL_1または第2のPDF信号に存在する振幅値の下限値PL_2のうち最下限である最下限値PL_12と、第1のPDF信号に存在する振幅値の上限値PM_1または第2のPDF信号に存在する振幅値の上限値PM_2のうち最上限である最上限値PM_12との区間の中で、平均値パラメータβをnΔステップ(nは整数)で変更し、変更する毎に第1のPDF信号Cの関数f1と、第2のPDF信号Dの関数f2とを乗算して相関値を求め、その相関値が最大となる平均値パラメータβを求めたい推定値とする。   Next, the lowest lower limit PL_12 which is the lowest of the lower limit PL_1 of the amplitude value present in the first PDF signal or the lower limit PL_2 of the amplitude value present in the second PDF signal, and the first PDF signal Within an interval between the upper limit value PM_1 of the amplitude value existing and the upper limit value PM_2 of the upper limit value PM_2 of the amplitude value existing in the second PDF signal, the average value parameter β is set to nΔ steps (n is Each time, the function f1 of the first PDF signal C and the function f2 of the second PDF signal D are multiplied to obtain a correlation value, and an average value parameter that maximizes the correlation value Let β be the estimated value to be obtained.

次に、相関値の最大値である推定値を決定する処理について、さらに図5を用いて説明する。式(2)において、平均値パラメータβのいずれかが求めたい推定値の候補値であり、ν(β)を最大にする平均値パラメータβが求めたい推定値である。平均値パラメータβを求める精度をΔとし、初期値はβ0とする。初期値β0は、たとえば第1のPDF信号Cまたは第2のPDF信号Dの中間値としてもよい。β0+−nΔの探索を行い、その相関値が最大になるように、+−Δの範囲に追い込む処理を行う。この時のβ0+−nΔが最も確からしい値として推定値を決定する方法である。   Next, the process of determining the estimated value that is the maximum correlation value will be further described with reference to FIG. In equation (2), one of the average value parameters β is a candidate value of the estimated value to be obtained, and the average value parameter β that maximizes ν (β) is the estimated value to be obtained. The accuracy for obtaining the average value parameter β is Δ, and the initial value is β0. The initial value β0 may be an intermediate value of the first PDF signal C or the second PDF signal D, for example. A search for β0 + −nΔ is performed, and processing for driving into the range of + −Δ is performed so that the correlation value becomes maximum. In this method, the estimated value is determined with β0 + −nΔ as the most probable value.

相互相関演算νは次式(2)を用いる。なお、第1のPDF信号Cを関数f1、第2のPDF信号Dを関数f2とする。なお、kは確率変数であり、振幅成分をあらわしている。

Figure 2013246107
……(2) The cross-correlation operation ν uses the following equation (2). It is assumed that the first PDF signal C is a function f1, and the second PDF signal D is a function f2. Here, k is a random variable and represents an amplitude component.
Figure 2013246107
(2)

推定値算出部16で推定した推定値は所望信号Yの振幅のレベルを示す略直流成分を有している。上述の処理により推定値算出部16は、相関値の最大値に基づいて、所望信号Yのレベルを推定して推定値として出力する。これにより、信号処理装置100が構成される。   The estimated value estimated by the estimated value calculation unit 16 has a substantially DC component indicating the level of the amplitude of the desired signal Y. Based on the above processing, the estimated value calculation unit 16 estimates the level of the desired signal Y based on the maximum value of the correlation value and outputs it as an estimated value. Thereby, the signal processing device 100 is configured.

また、複数の所望信号Yのレベルの推定値を連続して出力し、各推定値をその前後の推定値と結ぶことにより入力信号Xから減衰のない所望信号Yを抽出していることになり、所望信号Yを抽出する信号処理装置100を構成することができる。   Moreover, the estimated value of the level of the several desired signal Y is output continuously, The desired signal Y without attenuation is extracted from the input signal X by connecting each estimated value with the estimated value before and behind that estimated value. The signal processing apparatus 100 that extracts the desired signal Y can be configured.

このように、本発明の信号処理装置100によれば、測定区間のどこから処理を開始してもその区間毎に測定結果を抽出するリアルタイム処理を行っているので、所望信号Yのレベルの推定値を短時間に算出できる。   As described above, according to the signal processing device 100 of the present invention, since the measurement result is extracted for each section regardless of where the process is started, the estimated value of the level of the desired signal Y is obtained. Can be calculated in a short time.

さらに、本発明の信号処理装置100によれば、第1のPDF信号Cと、第2のPDF信号Dとにそれぞれ存在する振幅値の上限値と、下限値とを各々用いて、PDF信号同士の相関値が最大となる推定値を求めているので、所望信号Yのレベルの推定値を短時間かつ極めて高精度に抽出できる。   Furthermore, according to the signal processing apparatus 100 of the present invention, the PDF signals can be obtained by using the upper limit value and the lower limit value of the amplitude values respectively present in the first PDF signal C and the second PDF signal D. Therefore, the estimated value of the level of the desired signal Y can be extracted in a short time and with extremely high accuracy.

[信号処理装置における処理動作例]
次に、本発明の信号処理装置に関する処理動作の一例について、図6を参照しながら説明する。
[Example of processing operation in signal processing apparatus]
Next, an example of the processing operation relating to the signal processing apparatus of the present invention will be described with reference to FIG.

まず、アナログの入力信号Xを所定のサンプリング周期でサンプリングし、アナログ信号からディジタル信号に変換して、入力信号Xの略全ての信号帯域を含んだA/D変換された入力信号Aを生成する(S101)。   First, an analog input signal X is sampled at a predetermined sampling period and converted from an analog signal to a digital signal, and an A / D converted input signal A including almost all signal bands of the input signal X is generated. (S101).

次に、A/D変換された入力信号Aに対し、第1のPDF処理によってPDF(Probability Density Function)処理を行い、A/D変換された入力信号Aの確率密度関数である第1のPDF信号Cを生成する(S102)。   Next, the input signal A subjected to A / D conversion is subjected to PDF (Probability Density Function) processing by the first PDF processing, and the first PDF which is a probability density function of the input signal A subjected to A / D conversion. A signal C is generated (S102).

第1のPDF信号Cを生成する一方、入力信号Xの略全ての信号帯域を含んだA/D変換された入力信号Aから、雑音信号成分を含み、所望信号よりは高い所定の周波数帯域である所定帯域信号Bを抽出する(S103)。具体的には、ディジタル処理にてフィルタリング処理を行って、ハイパスフィルタ動作またはバンドパスフィルタ動作をさせる。   While generating the first PDF signal C, the A / D converted input signal A including substantially the entire signal band of the input signal X includes a noise signal component and has a predetermined frequency band higher than the desired signal. A predetermined band signal B is extracted (S103). Specifically, a filtering process is performed by digital processing to perform a high-pass filter operation or a band-pass filter operation.

次に、所定帯域信号Bに対し、第2のPDF処理によってPDF処理を行い、所定帯域信号Bの確率密度関数である第2のPDF信号Dを生成する(S104)。   Next, PDF processing is performed on the predetermined band signal B by the second PDF processing to generate a second PDF signal D that is a probability density function of the predetermined band signal B (S104).

第1のPDF信号Cと、第2のPDF信号Dとに基づいて、相互相関演算を行って相関値を算出する(S105)。   Based on the first PDF signal C and the second PDF signal D, a cross-correlation operation is performed to calculate a correlation value (S105).

次に、第1のPDF信号に存在する振幅値の下限値PL_1と上限値PM_1と、第2のPDF信号に存在する振幅値の下限値PL_2と上限値PM_2とを求める(S106)。   Next, the lower limit PL_1 and the upper limit PM_1 of the amplitude value existing in the first PDF signal, and the lower limit PL_2 and the upper limit PM_2 of the amplitude value existing in the second PDF signal are obtained (S106).

推定値算出ステップでは、第1のPDF信号に存在する振幅値の下限値PL_1または第2のPDF信号に存在する振幅値の下限値PL_2のうち最下限である最下限値PL_12と、第1のPDF信号に存在する振幅値の上限値PM_1または第2のPDF信号に存在する振幅値の上限値PM_2のうち最上限である最上限値PM_12と、求めたい推定値の候補を含む平均値パラメータβと、振幅成分をあらわす確率変数kと、第1のPDF信号Cの関数f1と、第2のPDF信号Dの関数f2とを用いて、次式(2)を用いて相互相関演算νを行う。

Figure 2013246107
……(2) In the estimated value calculation step, the lowest lower limit PL_12 that is the lowest of the lower limit PL_1 of the amplitude value present in the first PDF signal or the lower limit PL_2 of the amplitude value present in the second PDF signal, and the first An upper limit value PM_1 of the amplitude value existing in the PDF signal or an upper limit value PM_2 of the upper limit value PM_2 of the amplitude value existing in the second PDF signal, and an average value parameter β including the candidates of estimated values to be obtained And a random variable k representing the amplitude component, a function f1 of the first PDF signal C, and a function f2 of the second PDF signal D, and performing a cross-correlation operation ν using the following equation (2): .
Figure 2013246107
(2)

相関値の最大値に基づいて、所望信号Yのレベルの推定値を算出する(S107)。   Based on the maximum correlation value, an estimated value of the level of the desired signal Y is calculated (S107).

上述のとおり、入力信号Xから減衰のない所望信号Yのレベルの推定値が算出され、信号処理が完了する。なお、本発明の信号処理では遅延器11に相当する遅延処理を適宜用いてもよい。   As described above, an estimated value of the level of the desired signal Y without attenuation is calculated from the input signal X, and the signal processing is completed. In the signal processing of the present invention, a delay process corresponding to the delay unit 11 may be used as appropriate.

[信号処理装置による処理結果例]
次に、実際の信号処理装置の処理結果例を示す。実際に本発明を適用した雑音信号成分およびアナログの所望信号で成る入力信号Xは、センサ信号、たとえば力学量センサから出力される電気信号である。具体的には、力学量センサの一種である歪センサを片持ち梁構造の台の裏に貼り付けた、たとえばロードセルなどの歪センサである。歪センサは、測定対象物の重量により生じる荷重による力学的なたわみである力学量を、たとえば圧電現象により電気信号に変換する。
[Example of processing result by signal processor]
Next, an example of processing results of an actual signal processing device will be shown. The input signal X composed of a noise signal component and an analog desired signal to which the present invention is actually applied is a sensor signal, for example, an electric signal output from a mechanical quantity sensor. Specifically, for example, a strain sensor such as a load cell, in which a strain sensor, which is a kind of mechanical quantity sensor, is attached to the back of a cantilever structure base. The strain sensor converts a mechanical quantity, which is a mechanical deflection due to a load caused by the weight of an object to be measured, into an electrical signal by, for example, a piezoelectric phenomenon.

上述のように、歪センサからは測定対象物の重量により生じる荷重による電気信号が出力され、求めたい所望信号Yはこの測定対象物の重量により生じる荷重による略直流の成分である。   As described above, the strain sensor outputs an electrical signal due to the load caused by the weight of the measurement object, and the desired signal Y to be obtained is a substantially direct current component due to the load caused by the weight of the measurement object.

しかしながら、求めたい所望信号Yに加え、歪センサを取り付けた機構系の固有振動雑音や歪センサの土台に生じる振動系雑音が歪センサに感知され、さらに電源などの電気雑音が混入した結果、入力信号Xが生成される。   However, in addition to the desired signal Y to be obtained, the natural vibration noise of the mechanical system to which the strain sensor is attached and the vibration system noise generated at the base of the strain sensor are detected by the strain sensor, and the electrical noise from the power source is mixed in as a result. A signal X is generated.

測定対象を明確にして評価するために、模擬データを用いてシミュレーションを行った。図7に、入力信号Xの波形例を示す。使用した模擬データは、測定対象物の重量582.84g程度、所望信号Yの直流振幅のレベルの真値は64535/2(常用対数変換すると90.1753dB)を有している例として説明する。この所望信号Yに、雑音信号成分に相当する振動成分として周波数10Hzで、振幅1000の交流信号が重畳されている。すなわち、入力信号Xは所望信号Yと雑音信号成分との合成波形である。   In order to clarify and evaluate the measurement object, simulation was performed using simulated data. FIG. 7 shows a waveform example of the input signal X. The simulation data used will be described as an example in which the weight of the object to be measured is about 582.84 g, and the true value of the DC amplitude level of the desired signal Y is 64535/2 (90.1753 dB in the case of common logarithmic conversion). An AC signal having a frequency of 10 Hz and an amplitude of 1000 is superimposed on the desired signal Y as a vibration component corresponding to the noise signal component. That is, the input signal X is a composite waveform of the desired signal Y and the noise signal component.

図7に示した入力信号Xの700〜750msec の測定区間について、A/D変換された入力信号AをPDF処理した第1のPDF信号Cの波形例を図8に示す。なお、ここでいう測定区間とは、たとえば測定対象物を歪センサへ負荷したときの負荷開始タイミングから700〜750msec経過した区間であり、負荷開始タイミングで生じた秤の固有振動が一定程度収束したとみなせる区間である。   FIG. 8 shows a waveform example of the first PDF signal C obtained by performing PDF processing on the A / D converted input signal A in the 700 to 750 msec measurement section of the input signal X shown in FIG. In addition, the measurement section here is a section in which 700 to 750 msec has elapsed from the load start timing when the measurement object is loaded onto the strain sensor, for example, and the natural vibration of the scale generated at the load start timing has converged to a certain extent. It can be regarded as a section.

ところで、求めたい値は所望信号Yに比例した略直流の振幅のレベルであるが、第2のPDF信号Dには平均値パラメータβに相当する直流成分は存在しない。したがって、第1のPDF信号Cと第2のPDF信号Dとの相互相関を行うときに、相互相関に用いる信号はβ+第2のPDF信号Dとして、平均値パラメータβ分だけ直流シフトする直流シフト補正が必要である。   By the way, the value to be obtained is a level of a substantially direct current amplitude proportional to the desired signal Y, but the direct current component corresponding to the average value parameter β does not exist in the second PDF signal D. Therefore, when performing cross-correlation between the first PDF signal C and the second PDF signal D, the signal used for cross-correlation is β + second PDF signal D, and a DC shift that is DC-shifted by an average value parameter β. Correction is necessary.

上述の直流シフト補正を考慮し、図7に示した入力信号Xの700〜750msecの測定区間に対応する所定帯域信号BをPDF処理した第2のPDF信号Dに、平均値パラメータβとして65535/2(常用対数変換すると90.3088dB)を加えた波形例を図9に示す。   In consideration of the above-described DC shift correction, the second PDF signal D obtained by performing PDF processing on the predetermined band signal B corresponding to the measurement interval of 700 to 750 msec of the input signal X shown in FIG. FIG. 9 shows a waveform example to which 2 (90.3088 dB in the case of common logarithmic conversion) is added.

図10に、第1のPDF信号Cと、第2のPDF信号Dとの相互相関演算の結果の波形例を示す。相関値は、図8に示した第1のPDF信号Cの波形と、図9に示した平均値パラメータβを加えた第2のPDF信号D波形の形状とが一致した時が最大値をとる。この最大値は64866/2(常用対数変換すると90.2197dB)であり、所望信号Yの直流振幅のレベルの真値である64535/2(常用対数変換すると90.1753dB)の値に極めて近く、高精度に推定値を算出していることがわかる。   FIG. 10 shows a waveform example of a result of cross-correlation calculation between the first PDF signal C and the second PDF signal D. The correlation value takes the maximum value when the waveform of the first PDF signal C shown in FIG. 8 matches the shape of the second PDF signal D waveform added with the average value parameter β shown in FIG. . This maximum value is 64866/2 (90.2197 dB when converted to common logarithm), and is very close to the value of 64535/2 (90.1753 dB when converted to common logarithm), which is the true value of the DC amplitude level of the desired signal Y. It can be seen that the estimated value is calculated with high accuracy.

また、本発明の信号処理装置および信号処理方法が所望信号Yの変動に追従できるか否かを試行した。ここで、図7の所望信号Yを含む入力信号Xの波形例は、乗算により直流分を加減することで変動させることができる。乗算する直流分に処理結果が追従すれば、所望信号Yの変動に追従していることが検証できる。この検証の結果、乗算する直流分の値をたとえば64535としたとき、処理結果は64866/2(常用対数変換すると90.2197dB)を示し、乗算する直流分の値をたとえば66535としたとき処理結果は66876/2(常用対数変換すると90.4848dB)を示し、完全に入力信号Xに乗算した直流分の値に追従している。   Moreover, it was tried whether the signal processing apparatus and signal processing method of this invention can track the fluctuation | variation of the desired signal Y. FIG. Here, the waveform example of the input signal X including the desired signal Y in FIG. 7 can be changed by adjusting the DC component by multiplication. If the processing result follows the DC component to be multiplied, it can be verified that the fluctuation of the desired signal Y is followed. As a result of this verification, when the value of the DC component to be multiplied is, for example, 64535, the processing result indicates 64866/2 (90.2197 dB when converted to common logarithm), and the processing result is, for example, 66535 as the value of the DC component to be multiplied. Indicates 66768/2 (90.848 dB in the case of common logarithmic conversion), and completely follows the value of the DC component multiplied by the input signal X.

したがって、本発明の信号処理装置および信号処理方法によれば、所望信号Yのレベルの推定値を極めて高精度に算出できるとともに、所望信号Yを含む入力信号Xを変動させた場合であっても極めて正確に追従できることから、所望信号Yのレベルの大小に関わらず推定値を正確に算出できる。   Therefore, according to the signal processing device and the signal processing method of the present invention, it is possible to calculate the estimated value of the level of the desired signal Y with extremely high accuracy, and even when the input signal X including the desired signal Y is varied. Since the tracking can be performed very accurately, the estimated value can be accurately calculated regardless of the level of the desired signal Y.

以上のように、本発明の信号処理装置および信号処理方法は、センシングした物理量の一例として、たとえば測定対象物が負荷された力学量センサから出力されるアナログの略直流成分である所望信号Yと、この所望信号Yに重畳する有害な雑音成分とを含む入力信号Xから所望信号Yのレベルの推定値を算出するときに、この推定値を短時間かつ極めて高精度に算出できるという効果を有し、本発明の信号処理装置および信号処理方法は、たとえば測定対象物の重量を測定する装置に適用可能である。   As described above, the signal processing apparatus and the signal processing method according to the present invention, as an example of a sensed physical quantity, for example, a desired signal Y that is an analog substantially DC component output from a mechanical quantity sensor loaded with a measurement object. When calculating the estimated value of the level of the desired signal Y from the input signal X including the harmful noise component superimposed on the desired signal Y, there is an effect that the estimated value can be calculated in a short time and with extremely high accuracy. The signal processing apparatus and signal processing method of the present invention can be applied to an apparatus for measuring the weight of a measurement object, for example.

10…A/D変換部
11…遅延器
12…第1のPDF処理部
13…帯域通過フィルタ
14…第2のPDF処理部
15…相関値算出部
16…推定値算出部
30…正規化処理部
31…対数変換部
32…PDF演算部
80…A/D変換部
81…振動周期算出部
82…波形条件記憶部
83…補正波形生成部
84…補正部
85…判定部
86…操作表示部
100…信号処理装置
200…計量装置(従来例)
A…A/D変換された入力信号
B…所定帯域信号
C…第1のPDF信号
D…第2のPDF信号
X…入力信号
Y…所望信号
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... A / D conversion part 11 ... Delay device 12 ... 1st PDF process part 13 ... Band pass filter 14 ... 2nd PDF process part 15 ... Correlation value calculation part 16 ... Estimated value calculation part 30 ... Normalization process part 31 ... Logarithmic conversion unit 32 ... PDF calculation unit 80 ... A / D conversion unit 81 ... Vibration period calculation unit 82 ... Waveform condition storage unit 83 ... Correction waveform generation unit 84 ... Correction unit 85 ... Determination unit 86 ... Operation display unit 100 ... Signal processing device 200 ... weighing device (conventional example)
A ... A / D converted input signal B ... predetermined band signal C ... first PDF signal D ... second PDF signal X ... input signal Y ... desired signal

Claims (4)

雑音信号成分およびアナログの所望信号(Y)で成る入力信号(X)から前記所望信号のレベルの推定値を出力するための信号処理装置であって、
前記入力信号をA/D変換してA/D変換された入力信号(A)を生成するA/D変換部(10)と、
前記A/D変換された入力信号(A)に振幅の分布を示すPDF(Probability Density Function)処理を行って、第1のPDF信号(C)を生成する第1のPDF処理部(12)と、
前記A/D変換された入力信号から、前記雑音信号成分を含み、前記所望信号よりは高い所定の周波数帯域である所定帯域信号(B)を抽出するフィルタ(13)と、
前記所定帯域信号に振幅の分布を示すPDF処理を行って、第2のPDF信号(D)を生成する第2のPDF処理部(14)と、
前記第1のPDF信号と前記第2のPDF信号との相互相関演算を行って相関値を求める相関値算出部(15)と、
前記相関値の最大値に基づいて、前記所望信号のレベルを推定して推定値として出力する推定値算出部(16)とを備えた信号処理装置。
A signal processing apparatus for outputting an estimated value of a level of a desired signal from an input signal (X) composed of a noise signal component and an analog desired signal (Y),
An A / D converter (10) for A / D converting the input signal to generate an A / D converted input signal (A);
A first PDF processing unit (12) for generating a first PDF signal (C) by performing PDF (Probability Density Function) processing indicating amplitude distribution on the A / D converted input signal (A); ,
A filter (13) for extracting a predetermined band signal (B) that includes the noise signal component and is a predetermined frequency band higher than the desired signal from the A / D converted input signal;
A second PDF processing unit (14) for performing a PDF process indicating an amplitude distribution on the predetermined band signal to generate a second PDF signal (D);
A correlation value calculation unit (15) for calculating a correlation value by performing a cross-correlation operation between the first PDF signal and the second PDF signal;
A signal processing apparatus comprising: an estimated value calculation unit (16) that estimates a level of the desired signal based on the maximum value of the correlation value and outputs the estimated value as an estimated value.
前記推定値算出部は、前記第1のPDF信号に存在する振幅値の下限値(PL_1)と上限値(PM_1)と、前記第2のPDF信号に存在する振幅値の下限値(PL_2)と上限値(PM_2)とを求め、
前記第1のPDF信号に存在する振幅値の前記下限値または前記第2のPDF信号に存在する振幅値の前記下限値のうち最下限である最下限値(PL_12)と、
前記第1のPDF信号に存在する振幅値の前記上限値または前記第2のPDF信号に存在する振幅値の前記上限値のうち最上限である最上限値(PM_12)と、
求めたい推定値の候補を含む平均値パラメータ(β)と、
振幅成分をあらわす確率変数(k)と、
第1のPDF信号Cの関数(f1)と、
第2のPDF信号Dの関数(f2)とするときに、下記式
Figure 2013246107
に基づいて前記相関値であるv(β)を最大とする前記平均値パラメータβを求め、当該βを推定値とする請求項1記載の信号処理装置。
The estimated value calculation unit includes a lower limit value (PL_1) and an upper limit value (PM_1) of an amplitude value present in the first PDF signal, and a lower limit value (PL_2) of an amplitude value present in the second PDF signal. The upper limit value (PM_2) is obtained,
A lower limit value (PL_12) which is a lower limit among the lower limit value of the amplitude value present in the first PDF signal or the lower limit value of the amplitude value present in the second PDF signal;
A maximum upper limit value (PM_12) which is a maximum upper limit value among the upper limit value of the amplitude value present in the first PDF signal or the upper limit value of the amplitude value present in the second PDF signal;
An average value parameter (β) including candidates of estimated values to be obtained;
A random variable (k) representing the amplitude component;
A function (f1) of the first PDF signal C;
When the function (f2) of the second PDF signal D is used,
Figure 2013246107
The signal processing apparatus according to claim 1, wherein the average value parameter β that maximizes the correlation value v (β) is obtained based on and the β is an estimated value.
雑音信号成分およびアナログの所望信号(Y)で成る入力信号(X)から前記所望信号のレベルの推定値を出力するための信号処理方法であって、
前記入力信号をA/D変換してA/D変換された入力信号(A)を生成するA/D変換ステップ(S101)と、
前記A/D変換された入力信号に振幅の分布を示すPDF(Probability Density Function)処理を行って、第1のPDF信号(C)を生成する第1のPDF処理ステップ(S102)と、
前記A/D変換された入力信号から、前記雑音信号成分を含み、前記所望信号よりは高い所定の周波数帯域である所定帯域信号(B)を抽出する帯域抽出ステップ(S103)と、
前記所定帯域信号に振幅の分布を示すPDF処理を行って、第2のPDF信号(D)を生成する第2のPDF処理ステップ(S104)と、
前記第1のPDF信号と前記第2のPDF信号との相互相関演算を行って相関値を求める相関値算出ステップ(S105)と、
前記相関値の最大値に基づいて、前記所望信号のレベルを推定して推定値として出力する推定値算出ステップ(S107)とを含む信号処理方法。
A signal processing method for outputting an estimated value of a level of a desired signal from an input signal (X) comprising a noise signal component and an analog desired signal (Y),
A / D conversion step (S101) for A / D converting the input signal to generate an A / D converted input signal (A);
A first PDF processing step (S102) for generating a first PDF signal (C) by performing PDF (Probability Density Function) processing indicating amplitude distribution on the A / D converted input signal;
A band extraction step (S103) for extracting a predetermined band signal (B) that includes the noise signal component and is a predetermined frequency band higher than the desired signal from the A / D converted input signal;
A second PDF processing step (S104) for generating a second PDF signal (D) by performing a PDF process indicating an amplitude distribution on the predetermined band signal;
A correlation value calculating step (S105) for calculating a correlation value by performing a cross-correlation operation between the first PDF signal and the second PDF signal;
A signal processing method comprising: an estimated value calculating step (S107) that estimates a level of the desired signal based on the maximum value of the correlation value and outputs the estimated signal as an estimated value.
前記第1のPDF信号に存在する振幅値の下限値(PL_1)と上限値(PM_1)と、前記第2のPDF信号に存在する振幅値の下限値(PL_2)と上限値(PM_2)とを求める上下限値算出ステップ(S106)を更に備え、
前記推定値算出ステップは、前記第1のPDF信号に存在する振幅値の前記下限値(または前記第2のPDF信号に存在する振幅値の前記下限値のうち最下限である最下限値(PL_12)と、
前記第1のPDF信号に存在する振幅値の前記上限値または前記第2のPDF信号に存在する振幅値の前記上限値のうち最上限である最上限値(PM_12)と、
求めたい推定値の候補を含む平均値パラメータ(β)と、
振幅成分をあらわす確率変数(k)と、
第1のPDF信号Cの関数(f1)と、
第2のPDF信号Dの関数(f2)とするときに、下記式
Figure 2013246107
に基づいて前記相関値であるv(β)を最大とする前記平均値パラメータβを求め、当該βを推定値とする請求項3記載の信号処理方法。
A lower limit value (PL_1) and an upper limit value (PM_1) of an amplitude value present in the first PDF signal, and a lower limit value (PL_2) and an upper limit value (PM_2) of an amplitude value present in the second PDF signal. A further upper and lower limit value calculating step (S106) to be obtained;
In the estimated value calculating step, the lower limit value of the amplitude value existing in the first PDF signal (or the lower limit value (PL — 12) which is the lowest limit among the lower limit values of the amplitude value existing in the second PDF signal). )When,
A maximum upper limit value (PM_12) which is a maximum upper limit value among the upper limit value of the amplitude value present in the first PDF signal or the upper limit value of the amplitude value present in the second PDF signal;
An average value parameter (β) including candidates of estimated values to be obtained;
A random variable (k) representing the amplitude component;
A function (f1) of the first PDF signal C;
When the function (f2) of the second PDF signal D is used,
Figure 2013246107
The signal processing method according to claim 3, wherein the average value parameter β that maximizes the correlation value v (β) is obtained based on and the β is an estimated value.
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