JPH07110693A - 格子型フィルタを用いた能動制御方法および装置 - Google Patents
格子型フィルタを用いた能動制御方法および装置Info
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- G10K2210/503—Diagnostics; Stability; Alarms; Failsafe
Abstract
(57)【要約】
【目的】適応型ＩＩＲディジタルフィルタを信号処理に
用いた能動制御装置において、フィルタ係数更新時のフ
ィルタの安定性を保証するため、全極フィルタ部を格子
型フィルタにして、各フィルタ係数の値の範囲を制限し
て更新処理を行う。 【構成】検出信号ｘ（ｎ）を入力とするＦＩＲディジタ
ルフィルタで構成された全零フィルタ１８の後段に格子
型全極ディジタルフィルタ２５が接続され、制御信号ｙ
（ｎ）が出力される。また、誤差信号ｅ（ｎ）が最小に
なるように、各フィルタ係数を調整するための適応手段
が、検出信号ｘ（ｎ）を所定の特性のフィルタリングす
るフィルタ部と、制御信号作成用のディジタルフィルタ
と等価なフィルタ部と、係数更新演算部から構成され
る。
用いた能動制御装置において、フィルタ係数更新時のフ
ィルタの安定性を保証するため、全極フィルタ部を格子
型フィルタにして、各フィルタ係数の値の範囲を制限し
て更新処理を行う。 【構成】検出信号ｘ（ｎ）を入力とするＦＩＲディジタ
ルフィルタで構成された全零フィルタ１８の後段に格子
型全極ディジタルフィルタ２５が接続され、制御信号ｙ
（ｎ）が出力される。また、誤差信号ｅ（ｎ）が最小に
なるように、各フィルタ係数を調整するための適応手段
が、検出信号ｘ（ｎ）を所定の特性のフィルタリングす
るフィルタ部と、制御信号作成用のディジタルフィルタ
と等価なフィルタ部と、係数更新演算部から構成され
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、能動騒音制御装置，能
動振動制御装置，エコーキャンセラ，適応等化器等にお
ける信号制御回路、その他、能動制御一般における信号
処理回路に関する。
動振動制御装置，エコーキャンセラ，適応等化器等にお
ける信号制御回路、その他、能動制御一般における信号
処理回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】能動騒音制御装置の基本構成を図４に示
す。図４において信号処理手段２は騒音検出手段１の出
力信号ｘ（ｎ）を入力し、制御信号ｙ（ｎ）を音波発生
手段３に出力する。さらに、適応手段５は誤差検出手段
４から出力される誤差信号ｅ（ｎ）のレベルが最小にな
るように、信号処理手段２を逐次調整する。
す。図４において信号処理手段２は騒音検出手段１の出
力信号ｘ（ｎ）を入力し、制御信号ｙ（ｎ）を音波発生
手段３に出力する。さらに、適応手段５は誤差検出手段
４から出力される誤差信号ｅ（ｎ）のレベルが最小にな
るように、信号処理手段２を逐次調整する。
【０００３】騒音検出手段１はマイクロホン６，アンプ
７，ローパスフィルタ８，およびＡ／Ｄコンバータ９で
構成され、誤差検出手段４はマイクロホン１４，アンプ
１５，ローパスフィルタ１６，およびＡ／Ｄコンバータ
１７で構成されている。また、音波発生手段３はＤ／Ａ
コンバータ１０，ローパスフィルタ１１，アンプ１２，
およびスピーカ１３で構成されている。
７，ローパスフィルタ８，およびＡ／Ｄコンバータ９で
構成され、誤差検出手段４はマイクロホン１４，アンプ
１５，ローパスフィルタ１６，およびＡ／Ｄコンバータ
１７で構成されている。また、音波発生手段３はＤ／Ａ
コンバータ１０，ローパスフィルタ１１，アンプ１２，
およびスピーカ１３で構成されている。
【０００４】また、図中のＨ（ｚ）は信号処理手段の出
力ｙ（ｎ）が音波発生手段３および誤差検出手段４を経
由して検出される過程の伝達関数を表している。図５
は、図４の信号処理手段２と適応手段５の従来技術にお
ける構成を示すものである。信号処理手段は全零フィル
タ１８と全極フィルタ１９が縦続された直接型構成のＩ
ＩＲ（Infinite Inpulse Response）ディジタルフィル
タのが用いられる。時間ｎにおけるＩＩＲディジタルフ
ィルタの入力ｘ（ｎ），全零フィルタのフィルタ係数ａ
0（ｎ）〜ａN（ｎ），全極フィルタのフィルタ係数ｂ1
（ｎ）〜ｂM（ｎ）とすると、その出力ｙ（ｎ）は次式
で表される。
力ｙ（ｎ）が音波発生手段３および誤差検出手段４を経
由して検出される過程の伝達関数を表している。図５
は、図４の信号処理手段２と適応手段５の従来技術にお
ける構成を示すものである。信号処理手段は全零フィル
タ１８と全極フィルタ１９が縦続された直接型構成のＩ
ＩＲ（Infinite Inpulse Response）ディジタルフィル
タのが用いられる。時間ｎにおけるＩＩＲディジタルフ
ィルタの入力ｘ（ｎ），全零フィルタのフィルタ係数ａ
0（ｎ）〜ａN（ｎ），全極フィルタのフィルタ係数ｂ1
（ｎ）〜ｂM（ｎ）とすると、その出力ｙ（ｎ）は次式
で表される。
【０００５】
【数１】
【０００６】適応手段は、自乗誤差ｅ（ｎ）2を評価関
数Ｊとし、Ｊを勾配法を用いて最小化する。ここで誤差
信号ｅ（ｎ）は次式、
数Ｊとし、Ｊを勾配法を用いて最小化する。ここで誤差
信号ｅ（ｎ）は次式、
【数２】 で表すことができる。ただし、式（２）においてフィル
タ係数ａi（ｎ），ｂj（ｎ）の時間Ｌの間の変化は十分
小さいと仮定している。また、式（２）においてｒ
a（ｎ），ｒb（ｎ）は各々次式で表される。
タ係数ａi（ｎ），ｂj（ｎ）の時間Ｌの間の変化は十分
小さいと仮定している。また、式（２）においてｒ
a（ｎ），ｒb（ｎ）は各々次式で表される。
【０００７】
【数３】 従って、フィルタ係数ａi（ｎ），ｂj（ｎ）の勾配法を
用いた更新は次式となる。
用いた更新は次式となる。
【０００８】
【数４】
【０００９】ここで、μ，νはステップサイズパラメー
タである。さらに、
タである。さらに、
【数５】 と置けば、
【数６】 となる。ただし、式（９），（１０）においては次式の
近似を用いている。
近似を用いている。
【００１０】
【数７】
【００１１】従って、フィルタ係数ａi（ｎ），ｂ
j（ｎ）の更新式は次式となる。
j（ｎ）の更新式は次式となる。
【数８】
【００１２】さらに、式（１３），（１４）の更新演算
を簡単にするため、次式の近似が用いられる。
を簡単にするため、次式の近似が用いられる。
【００１３】
【数９】
【００１４】図５において適応手段は、全零フィルタ１
８の適応部と全極フィルタ１９の適応部の２組の適応部
に分けられる。全零フィルタの適応部はフィルタ入力ｘ
（ｎ）を入力して、式（３）によってリファレンス信号
ｒa（ｎ）を出力するフィルタ部２０と、リファレンス
信号ｒa（ｎ）と誤差信号ｅ（ｎ）を、用いて式（１
３）によってフィルタ係数ａi（ｎ）を更新する係数更
新演算部Ａ２１から構成される。
８の適応部と全極フィルタ１９の適応部の２組の適応部
に分けられる。全零フィルタの適応部はフィルタ入力ｘ
（ｎ）を入力して、式（３）によってリファレンス信号
ｒa（ｎ）を出力するフィルタ部２０と、リファレンス
信号ｒa（ｎ）と誤差信号ｅ（ｎ）を、用いて式（１
３）によってフィルタ係数ａi（ｎ）を更新する係数更
新演算部Ａ２１から構成される。
【００１５】また、全極フィルタの適応部はフィルタ出
力ｙ（ｎ）を入力して、式（４）によってリファレンス
信号ｒb（ｎ）を出力するフィルタ部２２と、リファレ
ンス信号ｒb（ｎ）と誤差信号ｅ（ｎ）を用いて式（１
４）によってフィルタ係数ｂj（ｎ）を更新する係数更
新演算部Ｂ２３から構成される。フィルタ部２０，およ
びフィルタ部２２は図４における伝達関数Ｈ（ｚ）の推
定伝達関数Ｈ’（ｚ）を有している。この伝達関数Ｈ
（ｚ）はＭＡモデルで推定される場合が多いが、モデル
の次数を小さくするためにＡＲＭＡモデルで推定される
場合もある。
力ｙ（ｎ）を入力して、式（４）によってリファレンス
信号ｒb（ｎ）を出力するフィルタ部２２と、リファレ
ンス信号ｒb（ｎ）と誤差信号ｅ（ｎ）を用いて式（１
４）によってフィルタ係数ｂj（ｎ）を更新する係数更
新演算部Ｂ２３から構成される。フィルタ部２０，およ
びフィルタ部２２は図４における伝達関数Ｈ（ｚ）の推
定伝達関数Ｈ’（ｚ）を有している。この伝達関数Ｈ
（ｚ）はＭＡモデルで推定される場合が多いが、モデル
の次数を小さくするためにＡＲＭＡモデルで推定される
場合もある。
【００１６】従来の能動騒音制御装置において、この伝
達関数Ｈ（ｚ）をＡＲＭＡモデルで推定する場合、図６
の構成が用いられている。図６は全零フィルタ１８と全
極フィルタ１９が縦続された直接型構成のＩＩＲディジ
タルフィルタを、出力誤差ｅ（ｎ）を用いて適応動作さ
せて伝達関数Ｈ（ｚ）を推定する構成である。フィルタ
係数ａi（ｎ），ｂj（ｎ）の更新方法は基本的には上述
の能動騒音制御時の場合と同じであり、図６の構成に従
って記述すれば次式になる。
達関数Ｈ（ｚ）をＡＲＭＡモデルで推定する場合、図６
の構成が用いられている。図６は全零フィルタ１８と全
極フィルタ１９が縦続された直接型構成のＩＩＲディジ
タルフィルタを、出力誤差ｅ（ｎ）を用いて適応動作さ
せて伝達関数Ｈ（ｚ）を推定する構成である。フィルタ
係数ａi（ｎ），ｂj（ｎ）の更新方法は基本的には上述
の能動騒音制御時の場合と同じであり、図６の構成に従
って記述すれば次式になる。
【００１７】
【数１０】
【００１８】ここで、αi（ｎ），βj（ｎ）は、式（１
５），（１６）と同等の近似を行えば次式となる。
５），（１６）と同等の近似を行えば次式となる。
【数１１】
【００１９】適応動作後のフィルタ係数ａi，ｂjを用い
れば伝達関数Ｈ（ｚ）の推定値Ｈ’（ｚ）は次式で示さ
れる。
れば伝達関数Ｈ（ｚ）の推定値Ｈ’（ｚ）は次式で示さ
れる。
【数１２】
【００２０】式（１３），（１４），および式（１
７），（１８）によるフィルタ係数更新アルゴリズムは
フィルタの安定性が保証されていない。そこで、超安定
性の概念に基づいたＳＨＡＲＦアルゴリズムが提案され
ている。ＳＨＡＲＦアルゴリズムでは式（１３），（１
４），および式（１７），（１８）における誤差信号ｅ
（ｎ）の代わりに次式で定義されるｖ（ｎ）が用いられ
る。
７），（１８）によるフィルタ係数更新アルゴリズムは
フィルタの安定性が保証されていない。そこで、超安定
性の概念に基づいたＳＨＡＲＦアルゴリズムが提案され
ている。ＳＨＡＲＦアルゴリズムでは式（１３），（１
４），および式（１７），（１８）における誤差信号ｅ
（ｎ）の代わりに次式で定義されるｖ（ｎ）が用いられ
る。
【００２１】
【数１３】 ただし、式（２２）におけるｗi，およびＰは所定の条
件を満たすように決定する必要がある。
件を満たすように決定する必要がある。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】図５に示すように直接
型構成のＩＩＲディジタルフィルタのフィルタ係数を、
式（１３），式（１４）を用いて適応的に更新すると
き、全極フィルタ１９の安定性は必ずしも保証されな
い。このため能動制御中に全極フィルタ１９で出力信号
ｙ（ｎ）が発散し制御崩壊に至る場合がある。また、Ｓ
ＨＡＲＦアルゴリズムを用いる場合においても実際には
式（２２）におけるｗi，およびＰの決定が困難であ
る。さらに、図４においてスピーカ１３からマイクロホ
ン６への音響フィードバックが大きい場合、能動騒音制
御におけるフィルタ係数の最適値が、フィルタ自体の不
安定領域に接近するため、外乱等によるフィルタ係数の
誤調整がフィルタの安定性に重大な影響を与える。
型構成のＩＩＲディジタルフィルタのフィルタ係数を、
式（１３），式（１４）を用いて適応的に更新すると
き、全極フィルタ１９の安定性は必ずしも保証されな
い。このため能動制御中に全極フィルタ１９で出力信号
ｙ（ｎ）が発散し制御崩壊に至る場合がある。また、Ｓ
ＨＡＲＦアルゴリズムを用いる場合においても実際には
式（２２）におけるｗi，およびＰの決定が困難であ
る。さらに、図４においてスピーカ１３からマイクロホ
ン６への音響フィードバックが大きい場合、能動騒音制
御におけるフィルタ係数の最適値が、フィルタ自体の不
安定領域に接近するため、外乱等によるフィルタ係数の
誤調整がフィルタの安定性に重大な影響を与える。
【００２３】本発明は上述のような問題点に鑑み、ＩＩ
Ｒディジタルフィルタを用いた能動制御において、フィ
ルタ係数の適応過程におけるフィルタの安定性を保持し
ようとするものである。
Ｒディジタルフィルタを用いた能動制御において、フィ
ルタ係数の適応過程におけるフィルタの安定性を保持し
ようとするものである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するため、物理現象量（例えば音量）を検出して検出信
号を出力する検出手段と，前記検出信号を入力し所定の
信号処理を施して制御信号を出力する信号処理手段と，
前記制御信号を入力して物理現象量に変換する物理現象
出力手段と，希望する物理現象量と実際の物理現象量と
の誤差量を検出して誤差信号を出力する誤差検出手段
と，誤差信号に応じて前記信号処理手段の特性を調整す
る適応手段を有する能動制御装置において、前記信号処
理手段に全零フィルタと格子型多段全極フィルタを縦続
接続した構成のディジタルフィルタを用い、前記適応手
段が前記誤差信号のレベルを最小化するように、前記全
零フィルタおよび全極フィルタの各係数を更新する。さ
らに、格子型全極フィルタの各段の各々のフィルタ係数
を適応手段によって更新するとき、フィルタ係数の上限
値，および下限値を各段の係数に対応して設定し、それ
らの上下限値の絶対値を１以下の値とする。格子型全極
フィルタの係数更新量には、その算出演算量を少なくす
るため、格子型フィルタの各段の後進入力信号と前記誤
差信号の積に比例した値を用いる。
するため、物理現象量（例えば音量）を検出して検出信
号を出力する検出手段と，前記検出信号を入力し所定の
信号処理を施して制御信号を出力する信号処理手段と，
前記制御信号を入力して物理現象量に変換する物理現象
出力手段と，希望する物理現象量と実際の物理現象量と
の誤差量を検出して誤差信号を出力する誤差検出手段
と，誤差信号に応じて前記信号処理手段の特性を調整す
る適応手段を有する能動制御装置において、前記信号処
理手段に全零フィルタと格子型多段全極フィルタを縦続
接続した構成のディジタルフィルタを用い、前記適応手
段が前記誤差信号のレベルを最小化するように、前記全
零フィルタおよび全極フィルタの各係数を更新する。さ
らに、格子型全極フィルタの各段の各々のフィルタ係数
を適応手段によって更新するとき、フィルタ係数の上限
値，および下限値を各段の係数に対応して設定し、それ
らの上下限値の絶対値を１以下の値とする。格子型全極
フィルタの係数更新量には、その算出演算量を少なくす
るため、格子型フィルタの各段の後進入力信号と前記誤
差信号の積に比例した値を用いる。
【００２５】また、能動制御装置において、前記制御信
号が誤差検出手段で検出される過程の伝達関数を同定す
る際、このシステム同定手段はＦＩＲ（Finite Inpulse
Response）ディジタルフィルタと格子型多段全極ディ
ジタルフィルタを縦続接続した主回路を用い、ＡＲＭＡ
モデルでの同定を実施した後、前記主回路の構成を直接
型構成のＩＩＲディジタルフィルタに等価変換するとと
もに、前記適応手段において前記等価変換後の直接型構
成のＩＩＲディジタルフィルタを用いるようにする。
号が誤差検出手段で検出される過程の伝達関数を同定す
る際、このシステム同定手段はＦＩＲ（Finite Inpulse
Response）ディジタルフィルタと格子型多段全極ディ
ジタルフィルタを縦続接続した主回路を用い、ＡＲＭＡ
モデルでの同定を実施した後、前記主回路の構成を直接
型構成のＩＩＲディジタルフィルタに等価変換するとと
もに、前記適応手段において前記等価変換後の直接型構
成のＩＩＲディジタルフィルタを用いるようにする。
【００２６】
【作用】本発明によれば、物理現象量を検出して検出信
号を出力する検出手段と，前記検出信号を入力し所定の
信号処理を施して制御信号を出力する信号処理手段と，
前記制御信号を入力して物理現象量に変換する物理現象
出力手段と，希望する物理現象量と実際の物理現象量と
の誤差量を検出して誤差信号を出力する誤差検出手段
と，誤差信号に応じて前記信号処理手段の特性を調整す
る適応手段を有する能動制御装置において、前記信号処
理手段に全零フィルタと格子型多段全極フィルタを縦続
接続した構成のディジタルフィルタを用い、前記適応手
段が前記誤差信号のレベルを最小化するように、前記全
零フィルタおよび全極フィルタの各係数を更新する。
号を出力する検出手段と，前記検出信号を入力し所定の
信号処理を施して制御信号を出力する信号処理手段と，
前記制御信号を入力して物理現象量に変換する物理現象
出力手段と，希望する物理現象量と実際の物理現象量と
の誤差量を検出して誤差信号を出力する誤差検出手段
と，誤差信号に応じて前記信号処理手段の特性を調整す
る適応手段を有する能動制御装置において、前記信号処
理手段に全零フィルタと格子型多段全極フィルタを縦続
接続した構成のディジタルフィルタを用い、前記適応手
段が前記誤差信号のレベルを最小化するように、前記全
零フィルタおよび全極フィルタの各係数を更新する。
【００２７】さらに、格子型全極フィルタの各段の各々
のフィルタ係数を適応手段によって更新するとき、フィ
ルタ係数の上限値，および下限値を各段の係数に対応し
て設定し、それらの上下限値の絶対値を１以下の値とす
る。一方、格子型全極フィルタの安定条件は格子型全極
フィルタの全段の係数の絶対値が１より小さいことであ
るので、本発明によれば全極フィルタ部の安定性を適応
過程で常に保持することが可能になる。さらに本発明に
よれば、格子型全極フィルタのフィルタ係数更新の際、
評価関数曲面のフィルタ係数に対する勾配方向を、格子
型全極フィルタの各段の後進入力と誤差信号の積で近似
するため、格子型全極フィルタの段数のオーダの演算量
でフィルタ係数の更新ができ、格子型フィルタを用いた
ことによる演算量の増加を最少にとどめることができ
る。
のフィルタ係数を適応手段によって更新するとき、フィ
ルタ係数の上限値，および下限値を各段の係数に対応し
て設定し、それらの上下限値の絶対値を１以下の値とす
る。一方、格子型全極フィルタの安定条件は格子型全極
フィルタの全段の係数の絶対値が１より小さいことであ
るので、本発明によれば全極フィルタ部の安定性を適応
過程で常に保持することが可能になる。さらに本発明に
よれば、格子型全極フィルタのフィルタ係数更新の際、
評価関数曲面のフィルタ係数に対する勾配方向を、格子
型全極フィルタの各段の後進入力と誤差信号の積で近似
するため、格子型全極フィルタの段数のオーダの演算量
でフィルタ係数の更新ができ、格子型フィルタを用いた
ことによる演算量の増加を最少にとどめることができ
る。
【００２８】また、本発明における能動制御装置におい
て、前記制御信号が誤差検出手段で検出される過程の伝
達関数を同定する際、このシステム同定手段はＦＩＲ
（Finite Inpulse Response）ディジタルフィルタと格
子型多段全極ディジタルフィルタを縦続接続した主回路
を用い、ＡＲＭＡモデルでの同定を実施した後、前記主
回路の構成を直接型構成のＩＩＲディジタルフィルタに
等価変換するとともに、前記適応手段において前記等価
変換後の直接型構成のＩＩＲディジタルフィルタを用い
るようにすれば、上述のように容易に適応過程における
フィルタの安定性を維持することが可能になるととも
に、能動制御時の適応手段におけるフィルタ部の演算量
を最小にすることができる。
て、前記制御信号が誤差検出手段で検出される過程の伝
達関数を同定する際、このシステム同定手段はＦＩＲ
（Finite Inpulse Response）ディジタルフィルタと格
子型多段全極ディジタルフィルタを縦続接続した主回路
を用い、ＡＲＭＡモデルでの同定を実施した後、前記主
回路の構成を直接型構成のＩＩＲディジタルフィルタに
等価変換するとともに、前記適応手段において前記等価
変換後の直接型構成のＩＩＲディジタルフィルタを用い
るようにすれば、上述のように容易に適応過程における
フィルタの安定性を維持することが可能になるととも
に、能動制御時の適応手段におけるフィルタ部の演算量
を最小にすることができる。
【００２９】
【実施例】図１は本発明の第１の実施例に係わる格子型
ディジタルフィルタを用いた能動騒音制御装置の信号処
理手段，および適応手段の構成図である。全体の構成は
図４に示した基本構成と同じであるので本実施例の説明
は図１の部分について行う。図１において信号処理手段
は、騒音検出手段１から出力された騒音信号ｘ（ｎ）を
入力して、信号ｕ（ｎ）を出力する全零ディジタルフィ
ルタ１８と，信号ｕ（ｎ）を入力して制御信号ｙ（ｎ）
を出力する格子型全極ディジタルフィルタ２５から構成
されている。全零ディジタルフィルタ１８の入出力はフ
ィルタ係数ａi（０）〜ａi（Ｎ）を用いて次式で表され
る。
ディジタルフィルタを用いた能動騒音制御装置の信号処
理手段，および適応手段の構成図である。全体の構成は
図４に示した基本構成と同じであるので本実施例の説明
は図１の部分について行う。図１において信号処理手段
は、騒音検出手段１から出力された騒音信号ｘ（ｎ）を
入力して、信号ｕ（ｎ）を出力する全零ディジタルフィ
ルタ１８と，信号ｕ（ｎ）を入力して制御信号ｙ（ｎ）
を出力する格子型全極ディジタルフィルタ２５から構成
されている。全零ディジタルフィルタ１８の入出力はフ
ィルタ係数ａi（０）〜ａi（Ｎ）を用いて次式で表され
る。
【００３０】
【数１４】 また、格子型ディジタルフィルタ２５の入出力は、時間
ｎにおける第ｍ段の前進入力をｆm（ｎ），後進入力を
ｇm-1（ｎ），フィルタ係数をｃm（ｎ）とすると第ｍ段
の前進出力ｆm-1（ｎ），後進出力ｇm（ｎ）は次式で表
される。
ｎにおける第ｍ段の前進入力をｆm（ｎ），後進入力を
ｇm-1（ｎ），フィルタ係数をｃm（ｎ）とすると第ｍ段
の前進出力ｆm-1（ｎ），後進出力ｇm（ｎ）は次式で表
される。
【００３１】
【数１５】
【００３２】さらに式（２３）〜式（２７）はまとめ
て、
て、
【数１６】 と記述することができる。
【００３３】ここでリファレンス信号ｘ*（ｎ）を、
【数１７】 と定義し、ｘ*（ｎ）を入力信号として全零フィルタ１
８と同じ構成のフィルタを動作したときの出力信号をｕ
*（ｎ），またｕ*（ｎ）を入力として格子型全極フィル
タ２５と同じ構成のフィルタを動作したときの、第ｍ段
の前進入力をｆ* m（ｎ），後進入力をｇ* m-1（ｎ），最
終段の前進出力をｆ* 0（ｎ）＝ｙ*（ｎ）と表し、式
（２８）を考慮すれば誤差信号ｅ（ｎ）は次式で表され
る。
８と同じ構成のフィルタを動作したときの出力信号をｕ
*（ｎ），またｕ*（ｎ）を入力として格子型全極フィル
タ２５と同じ構成のフィルタを動作したときの、第ｍ段
の前進入力をｆ* m（ｎ），後進入力をｇ* m-1（ｎ），最
終段の前進出力をｆ* 0（ｎ）＝ｙ*（ｎ）と表し、式
（２８）を考慮すれば誤差信号ｅ（ｎ）は次式で表され
る。
【００３４】
【数１８】 ただし、式（３０）においてフィルタ係数ａi（ｎ），
ｃm（ｎ）の時間Ｌの間の変化は十分小さいと仮定して
いる。
ｃm（ｎ）の時間Ｌの間の変化は十分小さいと仮定して
いる。
【００３５】次に、適応手段は自乗誤差ｅ（ｎ）2を評
価関数Ｊとし、Ｊを勾配法を用いて最小化する。従って
フィルタ係数ａi（ｎ），ｃm（ｎ）の更新式は次式で表
される。
価関数Ｊとし、Ｊを勾配法を用いて最小化する。従って
フィルタ係数ａi（ｎ），ｃm（ｎ）の更新式は次式で表
される。
【数１９】
【００３６】ここで、μ，νはステップサイズパラメー
タである。また、
タである。また、
【数２０】 である。
【００３７】ただし、式（３３），（３４）においては
次式の近似を用いている。
次式の近似を用いている。
【数２１】
【００３８】さらに、本実施例では式（３３），（３
４）の演算を簡単にするため、次式の近似アルゴリズム
を用いる。
４）の演算を簡単にするため、次式の近似アルゴリズム
を用いる。
【数２２】
【００３９】従って、フィルタ係数ａi（ｎ），ｃ
m（ｎ）の更新式は次式となる。
m（ｎ）の更新式は次式となる。
【数２３】
【００４０】図１において、全零ディジタルフィルタ１
８の適応部はフィルタ入力ｘ（ｎ）を入力して、式（２
９）によってリファレンス信号ｘ*（ｎ）を出力するフ
ィルタ部２０と、リファレンス信号ｘ*（ｎ）と誤差信
号ｅ（ｎ）を用いて式（３９）によってフィルタ係数ａ
i（ｎ）を更新する係数更新演算部Ａ２１から構成され
る。格子型全極ディジタルフィルタ２５の適応部は、リ
ファレンス信号ｘ*（ｎ）を入力とする、全零ディジタ
ルフィルタ１８と同じ構成のフィルタ部２６と、その出
力信号ｕ*（ｎ）を入力とする格子型全極ディジタルフ
ィルタ２５と同じ構成のフィルタ部２７と、フィルタ部
２７で得られた後進信号ｇ* m（ｎ）と誤差信号ｅ（ｎ）
を用いて式（４０）でフィルタ係数ｃm（ｎ）を更新す
る係数更新演算部Ｃ２８から構成される。これら２つの
係数更新演算部によりフィルタ係数ａi，ｃmは最適値に
近づいていくことになる。
８の適応部はフィルタ入力ｘ（ｎ）を入力して、式（２
９）によってリファレンス信号ｘ*（ｎ）を出力するフ
ィルタ部２０と、リファレンス信号ｘ*（ｎ）と誤差信
号ｅ（ｎ）を用いて式（３９）によってフィルタ係数ａ
i（ｎ）を更新する係数更新演算部Ａ２１から構成され
る。格子型全極ディジタルフィルタ２５の適応部は、リ
ファレンス信号ｘ*（ｎ）を入力とする、全零ディジタ
ルフィルタ１８と同じ構成のフィルタ部２６と、その出
力信号ｕ*（ｎ）を入力とする格子型全極ディジタルフ
ィルタ２５と同じ構成のフィルタ部２７と、フィルタ部
２７で得られた後進信号ｇ* m（ｎ）と誤差信号ｅ（ｎ）
を用いて式（４０）でフィルタ係数ｃm（ｎ）を更新す
る係数更新演算部Ｃ２８から構成される。これら２つの
係数更新演算部によりフィルタ係数ａi，ｃmは最適値に
近づいていくことになる。
【００４１】図２は本発明の第２の実施例に係わる格子
型ディジタルフィルタを用いた能動騒音制御装置の信号
処理手段、および適応手段の構成図である。第１の実施
例と異なるのは、格子型全極ディジタルフィルタ２５の
適応部において、信号ｕ*（ｎ）を作成する際、全零デ
ィジタルフィルタ１８の出力ｕ（ｎ）を用いて、次式
型ディジタルフィルタを用いた能動騒音制御装置の信号
処理手段、および適応手段の構成図である。第１の実施
例と異なるのは、格子型全極ディジタルフィルタ２５の
適応部において、信号ｕ*（ｎ）を作成する際、全零デ
ィジタルフィルタ１８の出力ｕ（ｎ）を用いて、次式
【００４２】
【数２４】 で計算している点である。式（４１）で計算されるｕ*
（ｎ）と実施例１で説明したｕ*（ｎ）がほぼ等価であ
ることは、ａi（ｎ）の時間Ｌの間の変化が十分小さい
という仮定の基で明かである。図２では式（４１）の演
算がフィルタ部２９で実行される。その他の構成は第１
実施例と同じである。
（ｎ）と実施例１で説明したｕ*（ｎ）がほぼ等価であ
ることは、ａi（ｎ）の時間Ｌの間の変化が十分小さい
という仮定の基で明かである。図２では式（４１）の演
算がフィルタ部２９で実行される。その他の構成は第１
実施例と同じである。
【００４３】さらに、第１実施例、および第２実施例に
おいて、格子型全極ディジタルフィルタ２５のフィルタ
係数の絶対値が１以上にならないように係数更新演算部
Ｃ２８で常時監視される。すなわち、係数更新式（４
０）において、ｃm（ｎ＋１）の値が、予め設定したフ
ィルタ係数ｃmの下限値ｃmin,mと上限値ｃmax,mを越え
た場合、フィルタ係数ｃm（ｎ＋１）は越えた境界値の
値でクリップされる。このとき下限値ｃmin,m，上限値
ｃmax,mの絶対値は１より小さい適切な値に設定され
る。以上の実施例ではフィルタ係数ｃm（ｎ）の更新の
際、式（３４）の第２項を省略した近似アルゴリズムを
用いたが、式（３４）の第２項を次式で近似して用いる
こともできる。
おいて、格子型全極ディジタルフィルタ２５のフィルタ
係数の絶対値が１以上にならないように係数更新演算部
Ｃ２８で常時監視される。すなわち、係数更新式（４
０）において、ｃm（ｎ＋１）の値が、予め設定したフ
ィルタ係数ｃmの下限値ｃmin,mと上限値ｃmax,mを越え
た場合、フィルタ係数ｃm（ｎ＋１）は越えた境界値の
値でクリップされる。このとき下限値ｃmin,m，上限値
ｃmax,mの絶対値は１より小さい適切な値に設定され
る。以上の実施例ではフィルタ係数ｃm（ｎ）の更新の
際、式（３４）の第２項を省略した近似アルゴリズムを
用いたが、式（３４）の第２項を次式で近似して用いる
こともできる。
【００４４】
【数２５】 ここで、ψm（ｎ），φm（ｎ）は次式で定義される。
【００４５】
【数２６】
【００４６】ただし、ｍ＝０のときφm-1（ｎ）＝０で
ある。また式（４２）の導出過程では、
ある。また式（４２）の導出過程では、
【数２７】 の項を省略している。式（４２）を用いた場合、計算量
は増加するがその計算量は格子型フィルタ２５の次数Ｍ
のオーダでありリアルタイム処理も可能である。
は増加するがその計算量は格子型フィルタ２５の次数Ｍ
のオーダでありリアルタイム処理も可能である。
【００４７】図３は本発明の第３の実施例における格子
型ディジタルフィルタを用いた能動騒音制御装置のシス
テム同定手段の構成を示す。図４に示したような構成の
能動騒音制御を行う場合、信号処理手段２の出力ｙ
（ｎ）が音波発生手段３および誤差検出手段４を経由し
て検出される過程の伝達関数Ｈ（ｚ）を、図１や図２の
フィルタ部２０、およびフィルタ部２９に与える必要が
ある。
型ディジタルフィルタを用いた能動騒音制御装置のシス
テム同定手段の構成を示す。図４に示したような構成の
能動騒音制御を行う場合、信号処理手段２の出力ｙ
（ｎ）が音波発生手段３および誤差検出手段４を経由し
て検出される過程の伝達関数Ｈ（ｚ）を、図１や図２の
フィルタ部２０、およびフィルタ部２９に与える必要が
ある。
【００４８】第１実施例の式（２９）ではこの伝達関数
Ｈ（ｚ）はＭＡモデルで表されているが、図３ではＡＲ
ＭＡモデルで推定するものである。図３では、ホワイト
ノイズを全零フィルタ１８と格子型全極フィルタ２５を
縦続接続したＩＩＲディジタルフィルタと音波発生手段
３に入力したときの、誤差検出手段の出力ｄ（ｎ）と格
子型全極フィルタの出力ｙ（ｎ）との差ｅ（ｎ）＝ｄ
（ｎ）−ｙ（ｎ）を誤差信号とする。そして適応手段は
自乗誤差ｅ（ｎ）2を評価関数Ｊとし、Ｊを勾配法を用
いて各フィルタ係数ａi，ｃmを推定する。フィルタ係数
の更新方法の基本的な部分は第１実施例のときと同じで
あり、次式で表される。
Ｈ（ｚ）はＭＡモデルで表されているが、図３ではＡＲ
ＭＡモデルで推定するものである。図３では、ホワイト
ノイズを全零フィルタ１８と格子型全極フィルタ２５を
縦続接続したＩＩＲディジタルフィルタと音波発生手段
３に入力したときの、誤差検出手段の出力ｄ（ｎ）と格
子型全極フィルタの出力ｙ（ｎ）との差ｅ（ｎ）＝ｄ
（ｎ）−ｙ（ｎ）を誤差信号とする。そして適応手段は
自乗誤差ｅ（ｎ）2を評価関数Ｊとし、Ｊを勾配法を用
いて各フィルタ係数ａi，ｃmを推定する。フィルタ係数
の更新方法の基本的な部分は第１実施例のときと同じで
あり、次式で表される。
【００４９】
【数２８】
【００５０】係数更新演算部Ａ２１では誤差信号ｅ
（ｎ）と全零フィルタ１８の入力信号ｘを用い式（４
５）によってフィルタ係数ａが更新される。係数更新演
算部Ｃ３０では誤差信号ｅ（ｎ）と格子型フィルタ２５
の後進信号ｇmを用い式（４６）によってフィルタ係数
ｃが更新される。このようにして求められたフィルタを
図１や図２のフィルタ部２０、およびフィルタ部２９に
与えるのであるが、格子型フィルタ部の係数ｃmは、直
接型構成時の係数ｂjに変換され図５の全極フィルタ１
９の構成にして、フィルタ部２０やフィルタ部２９で用
いて能動制御が行われる。
（ｎ）と全零フィルタ１８の入力信号ｘを用い式（４
５）によってフィルタ係数ａが更新される。係数更新演
算部Ｃ３０では誤差信号ｅ（ｎ）と格子型フィルタ２５
の後進信号ｇmを用い式（４６）によってフィルタ係数
ｃが更新される。このようにして求められたフィルタを
図１や図２のフィルタ部２０、およびフィルタ部２９に
与えるのであるが、格子型フィルタ部の係数ｃmは、直
接型構成時の係数ｂjに変換され図５の全極フィルタ１
９の構成にして、フィルタ部２０やフィルタ部２９で用
いて能動制御が行われる。
【００５１】格子型フィルタの係数ｃmから直接型構成
の係数ｂjへの変換は、次のＬｅｖｉｎｓｏｎ―Ｄｕｒ
ｂｉｎの再帰式を用いる。
の係数ｂjへの変換は、次のＬｅｖｉｎｓｏｎ―Ｄｕｒ
ｂｉｎの再帰式を用いる。
【数２９】 ただし、ｂM+1（Ｍ）＝０，ｂ0（ｍ）＝１である。ま
た、本発明は図４のマイクロホン６、およびマイクロホ
ン１４を加速度ピックアップに換え、スピーカ１３を加
振器に換えれば能動振動制御装置への適用例になる。
た、本発明は図４のマイクロホン６、およびマイクロホ
ン１４を加速度ピックアップに換え、スピーカ１３を加
振器に換えれば能動振動制御装置への適用例になる。
【００５２】
【発明の効果】本発明によれば、物理現象量を検出して
検出信号を出力する検出手段と、前記検出信号を入力し
所定の信号処理を施して制御信号を出力する信号処理手
段と，前記制御信号を入力して物理現象量に変換する物
理現象出力手段と，希望する物理現象量と実際の物理現
象量との誤差量を検出して誤差信号を出力する誤差検出
手段と，誤差信号に応じて前記信号処理手段の特性を調
整する適応手段を有する能動制御装置において、前記信
号処理手段に全零フィルタと格子型多段全極フィルタを
縦続接続した構成のディジタルフィルタを用い、前記適
応手段が前記誤差信号のレベルを最小化するように、前
記全零フィルタおよび全極フィルタの各係数を更新す
る。
検出信号を出力する検出手段と、前記検出信号を入力し
所定の信号処理を施して制御信号を出力する信号処理手
段と，前記制御信号を入力して物理現象量に変換する物
理現象出力手段と，希望する物理現象量と実際の物理現
象量との誤差量を検出して誤差信号を出力する誤差検出
手段と，誤差信号に応じて前記信号処理手段の特性を調
整する適応手段を有する能動制御装置において、前記信
号処理手段に全零フィルタと格子型多段全極フィルタを
縦続接続した構成のディジタルフィルタを用い、前記適
応手段が前記誤差信号のレベルを最小化するように、前
記全零フィルタおよび全極フィルタの各係数を更新す
る。
【００５３】さらに、格子型全極フィルタの各段の各々
のフィルタ係数を適応手段によって更新するとき、フィ
ルタ係数の上限値，および下限値を各段の係数に対応し
て設定し、それらの上下限値の絶対値を１以下の値とす
る。一方、格子型全極フィルタの安定条件は格子型全極
フィルタの全段の係数の絶対値が１より小さいことであ
るので、全極フィルタ部の安定性を適応過程で常に保持
することが可能になる。
のフィルタ係数を適応手段によって更新するとき、フィ
ルタ係数の上限値，および下限値を各段の係数に対応し
て設定し、それらの上下限値の絶対値を１以下の値とす
る。一方、格子型全極フィルタの安定条件は格子型全極
フィルタの全段の係数の絶対値が１より小さいことであ
るので、全極フィルタ部の安定性を適応過程で常に保持
することが可能になる。
【００５４】さらに本発明によれば、格子型全極フィル
タのフィルタ係数更新の際、評価関数曲面のフィルタ係
数に対する勾配方向を、格子型全極フィルタの各段の後
進入力と誤差信号の積で近似するため、格子型全極フィ
ルタの段数のオーダの演算量でフィルタ係数の更新がで
き、格子型フィルタを用いたことによる演算量の増加を
最少にとどめることができる。
タのフィルタ係数更新の際、評価関数曲面のフィルタ係
数に対する勾配方向を、格子型全極フィルタの各段の後
進入力と誤差信号の積で近似するため、格子型全極フィ
ルタの段数のオーダの演算量でフィルタ係数の更新がで
き、格子型フィルタを用いたことによる演算量の増加を
最少にとどめることができる。
【００５５】また、本発明における能動制御装置におい
て、前記制御信号が誤差検出手段で検出される過程の伝
達関数を同定する際、このシステム同定手段はＦＩＲ
（Finite Inpulse Response）ディジタルフィルタと格
子型多段全極ディジタルフィルタを縦続接続した主回路
を用い、ＡＲＭＡモデルでの同定を実施した後、前記主
回路の構成を直接型構成のＩＩＲディジタルフィルタに
等価変換するとともに、前記適応手段において前記等価
変換後の直接型構成のＩＩＲディジタルフィルタを用い
るようにすれば、上述のように容易に適応過程における
フィルタの安定性を維持することが可能になるととも
に、能動制御時の適応手段におけるフィルタ部の演算量
を最小にすることができる。
て、前記制御信号が誤差検出手段で検出される過程の伝
達関数を同定する際、このシステム同定手段はＦＩＲ
（Finite Inpulse Response）ディジタルフィルタと格
子型多段全極ディジタルフィルタを縦続接続した主回路
を用い、ＡＲＭＡモデルでの同定を実施した後、前記主
回路の構成を直接型構成のＩＩＲディジタルフィルタに
等価変換するとともに、前記適応手段において前記等価
変換後の直接型構成のＩＩＲディジタルフィルタを用い
るようにすれば、上述のように容易に適応過程における
フィルタの安定性を維持することが可能になるととも
に、能動制御時の適応手段におけるフィルタ部の演算量
を最小にすることができる。
【００５６】以上のように本発明によれば、外乱等によ
ってフィルタ係数の適応過程でフィルタが不安定になっ
てしまうという不具合を好適に解消し、フィルタの安定
性を確実に保持できる。
ってフィルタ係数の適応過程でフィルタが不安定になっ
てしまうという不具合を好適に解消し、フィルタの安定
性を確実に保持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における能動制御装置の格子型
ディジタルフィルタ部分の構成図。
ディジタルフィルタ部分の構成図。
【図２】本発明の実施例における能動制御装置の格子型
ディジタルフィルタの構成図。
ディジタルフィルタの構成図。
【図３】本発明の実施例における能動制御装置のシステ
ム同定手段の構成図。
ム同定手段の構成図。
【図４】能動騒音制御装置の基本構成図。
【図５】従来の能動制御装置の信号処理手段および適応
手段の構成図。
手段の構成図。
【図６】従来の能動制御装置におけるシステム同定手段
の構成図。
の構成図。
１ 騒音検出手段 ２ 信号処理手段 ３ 音波発生手段 ４ 誤差検出手段 ５ 適応手段 ６ マイクロホン ７ アンプ ８ ローパスフィルタ ９ ＡＤコンバータ １０ ＤＡコンバータ １１ ローパスフィルタ １２ アンプ １３ スピーカ １４ マイクロホン １５ アンプ １６ ローパスフィルタ １７ ＡＤコンバータ １８ 全零フィルタ １９ 全極フィルタ ２０ フィルタ部 ２１ 係数更新演算部Ａ ２２ フィルタ部 ２３ 係数更新演算部Ｂ ２４ 同定対象システム ２５ 格子型全極フィルタ ２６ フィルタ部 ２７ フィルタ部 ２８ 係数更新演算部Ｃ ２９ フィルタ部 ３０ 係数更新演算部Ｃ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０３Ｈ 21/00 8842−5Ｊ
Claims (7)
- 【請求項１】 物理現象量を検出して検出信号を出力す
る検出手段と，前記検出信号を入力し所定の信号処理を
施して制御信号を出力する信号処理手段と，前記制御信
号を入力して物理現象量に変換する物理現象出力手段
と，希望する物理現象量と実際の物理現象量との誤差量
を検出して誤差信号を出力する誤差検出手段と，誤差信
号に応じて前記信号処理手段の特性を調整する適応手段
を有する能動制御装置において、 前記信号処理手段が全零フィルタと格子型多段全極フィ
ルタを縦続接続した構成のディジタルフィルタを有し、
前記適応手段が前記誤差信号のレベルを最小化するよう
に、前記全零フィルタおよび全極フィルタの各係数を更
新することを特徴とする能動制御装置。 - 【請求項２】 請求項１の能動制御装置において、全零
フィルタの後段に格子型全極フィルタが接続され、格子
型フィルタの各段の係数が、その段の後進入力信号と前
記誤差信号の積を用いて計算される更新量によって前記
適応手段で更新されることを特徴とする能動制御方法。 - 【請求項３】 請求項１の能動制御装置において、全零
フィルタの後段に第１の格子型全極フィルタが接続され
た信号処理手段を有し、前記適応手段における第１の格
子型全極フィルタの係数更新において、第１の格子型全
極フィルタへの入力信号を所定の伝達特性でフィルタリ
ングした信号を第２の格子型全極フィルタに入力し、第
２の格子型全極フィルタの各段の信号と前記誤差信号を
用いて係数更新量を決定し、第２の格子型全極フィルタ
は第１の格子型全極フィルタと同じ構成であることを特
徴とする能動制御装置。 - 【請求項４】 請求項１の能動制御装置において、第１
の全零フィルタの後段に第１の格子型全極フィルタが接
続された信号処理手段を有し、前記適応手段における第
１の格子型全極フィルタの係数更新において、第１の全
零フィルタへの入力信号を所定の伝達特性でフィルタリ
ングした信号を第２の全零フィルタを経由して第２の格
子型全極フィルタに入力し、第２の格子型全極フィルタ
の各段の信号と前記誤差信号を用いて係数更新量が決定
され、第２の全零フィルタと第１の全零フィルタ、およ
び第２の格子型全極フィルタと第１の格子型全極フィル
タとは各々同じ構成であることを特徴とする能動制御装
置。 - 【請求項５】 請求項３又は請求項４の能動制御装置の
第１の格子型フィルタの各段の係数更新において、第２
の格子型フィルタの対応する段の後進入力信号と前記誤
差信号の積を用いて更新量が決定されることを特徴とす
る能動制御方法。 - 【請求項６】 請求項１，３，又は４の能動制御装置又
は請求項２若しくは請求項５の能動制御方法において、
信号処理手段の格子型全極フィルタの各段の各々の係数
が適応手段によって更新される場合の上限値，および下
限値が、各段の係数に対応して絶対値が１以下の所定の
値に設定されることを特徴とする能動制御方法。 - 【請求項７】 物理現象量を検出して検出信号を出力す
る検出手段と，前記検出信号を入力し所定の信号処理を
施して制御信号を出力する信号処理手段と，前記制御信
号を入力して物理現象量に変換する物理現象出力手段
と，希望する物理現象量と実際の物理現象量との誤差量
を検出して誤差信号を出力する誤差検出手段と，誤差信
号に応じて前記信号処理手段の特性を調整する適応手段
を有する能動制御装置において、 前記制御信号が誤差検出手段で検出される過程の伝達関
数を同定するシステム同定手段を有し、システム同定手
段はＦＩＲ（Finite Inpulse Response）ディジタルフ
ィルタと格子型多段全極ディジタルフィルタを縦続接続
した主回路を用い、ＡＲＭＡモデルでの同定を実施した
後、前記主回路の構成を直接型構成のＩＩＲ（Infinite
Inpulse Response）ディジタルフィルタに等価変換す
るとともに、前記適応手段において前記等価変換後の直
接型構成のＩＩＲディジタルフィルタを用いることを特
徴とする能動制御装置。
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