JPH10145185A

JPH10145185A - ディジタルフィルタ装置

Info

Publication number: JPH10145185A
Application number: JP30006896A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Okano; 芳洋岡野
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1996-11-12
Filing date: 1996-11-12
Publication date: 1998-05-29

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】一連のデータに対して重み付けを行う窓関数
を、ゲートアレイを用いて生成して、ノイズ低減を行う
ディジタルフィルタ装置を提供すること。【解決手段】所定数ｎの入力データｘ₁,・・・,ｘ_nに対
して、逐次対応する重み付け係数ｈ₁,・・・,ｈ_nを発生す
る窓関数発生部１０と、逐次乗算する乗算器２０と、こ
の出力値ｙ₁,・・・,ｙ_nを逐次加算する加算器３０とを有
するディジタルフィルタ装置であって、前記窓関数発生
部は、初期値のセットされる第１のシフトレジスタｙ
_n-2 と、所定の余弦関数値Ａが当初セットされる第２の
シフトレジスタｙ_n-1と、当該余弦関数値の２倍を定数
としてこの記憶された値に乗ずる定数乗算器１４と、こ
の出力値と当該第１のシフトレジスタの差をとる第１の
減算器１６とを有する余弦関数生成部１２と、所定の定
数からセットされていた値ａを減算する第２の減算器１
８とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、入力されたデータ
からノイズを除去する用途等に用いて好適なディジタル
フィルタ装置に掛り、特に時間窓関数フィルタをゲート
アレイのようなハードウェアで構成する場合の改良に関
する。

【０００２】

【従来の技術】本出願人は、例えば特開平４−２０７５
１７号公報等で、データ処理に用いて好適なディジタル
フィルタ装置を提案している。他方、測定器においては
一定の時間窓内に存在する一連のデータからノイズを除
去するために、平均化処理が行われている。図４は、方
形波窓の動作をするディジタルフィルタ装置の構成ブロ
ック図である。図において、アナログ・ディジタル変換
器Ａ／Ｄにはクロック信号ＣＬＫに従って、ｎ個のデー
タｘi:(i＝1,2,・・・,n)が読み込まれる。そして、加算器
により平均化処理が次の演算により行われる。ｙj＝{^n+j-1 _i=jΣｘi}／ｎ (1) ｊ＝１の場合、ｘi:(i＝1,2,・・・,n)を単純に加算して、
ｎで割る。方形波窓の時間幅Ｔは、５０Ｈｚの商用電源
を用いている場合の商用周波数ノイズの１周期分を除去
するのを考慮して、例えば２０ｍｓｅｃの区間とする。

【０００３】図５は、方形波窓の特性を説明する図で、
（Ａ）は重み付け、（Ｂ）はノイズ低減の周波数特性を
表している。方形波窓の重み付けは、最初の−Ｔ／２か
ら最後のＴ／２まで”１”である。ノイズ低減の周波数
特性は、所謂ｓｉｎｃフィルタと呼ばれるもので、次式
で表される。Ｈ(f)＝{sin(Ｎπxf／fs)}／{π(f／fs)} (2) ここで、fsはサンプリング周波数である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の時間窓
フィルタによれば、時間窓の時間幅Ｔに相当する周期の
ノイズに対してノイズ低減効果があるものの、それ以外
の周期のノイズに対してはノイズ低減効果が不充分にな
るという課題があった。そこで、商用電源が５０Ｈｚの
場合には時間窓を２０ｍｓｅｃとし、６０Ｈｚの場合に
は時間窓を16.7ｍｓｅｃと切り換える必要があった。

【０００５】他方、一連のデータｘi:(i＝1,2,・・・,n)に
対して重み付けを行う窓関数も、ハミングやハニング等
数種存在しているが、窓関数の演算が煩雑であるためＣ
ＰＵとメモリを用いて逐次計算している。しかし、測定
器のような専用器にあっては、ゲートアレイを用いて窓
関数を生成することが望まれていた。本発明は上述の課
題を解決したもので、一連のデータに対して重み付けを
行う窓関数を、ＣＰＵのような高度の演算機能を有しな
いゲートアレイを用いて生成して、ノイズ低減を行うデ
ィジタルフィルタ装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する本
発明は、所定数ｎの入力データｘ₁,・・・,ｘ_nに対して、
逐次対応する重み付け係数ｈ₁,・・・,ｈ_nを発生する窓関
数発生部１０と、これら入力データと重み付け係数とを
逐次乗算する乗算器２０と、この乗算器の出力する出力
値ｙ₁,・・・,ｙ_nを逐次加算する加算器３０とを有するデ
ィジタルフィルタ装置であって、次の構成としたもので
ある。

【０００７】前記窓関数発生部は、初期値のセットされ
る第１のシフトレジスタｙ_n-2 と、前記入力データの時
間窓の幅Ｔに対するサンプリング周期ｔsに相当する位
相角２πｔs／Ｔの余弦関数値Ａが当初セットされる第
２のシフトレジスタｙ_n-1と、当該余弦関数値の２倍を
定数としてこの第２のシフトレジスタに記憶された値に
乗ずる定数乗算器１４と、この定数乗算器の出力値と当
該第１のシフトレジスタの差をとる第１の減算器１６と
を有し、この第１の減算器の出力値ｙ_nをこの第２のシ
フトレジスタにセットすると共に、この第２のシフトレ
ジスタにセットされていた値を当該第１のシフトレジス
タにセットする余弦関数生成部１２と、所定の定数か
ら、この余弦関数生成部の第１のシフトレジスタにセッ
トされていた値ａを減算する第２の減算器１８とを有す
ることを特徴としている。

【０００８】本発明の構成によれば、窓関数発生部は余
弦関数生成部を備えているので、従来メモリ等に記憶さ
れていた余弦関数テーブル等が存在せず、シフトレジス
タ、乗算器、減算器、加算器等のゲートアレイ化の容易
な論理素子でディジタルフィルタ装置が構成できる。そ
して、第２の減算器の所定の定数を適宜に設定すること
で、ハニング窓やハミング窓等の各種の窓関数が発生で
きる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下図面を用いて、本発明を説明
する。図１は本発明の適用されるディジタルフィルタ装
置の構成ブロック図である。図において、窓関数発生部
１０は、所定数ｎの入力データｘ₁,・・・,ｘ_nに対して、
逐次対応する重み付け係数ｈ₁,・・・,ｈ_nを発生する。窓
関数発生部１０の重み付け係数ｈ_iは、例えばハニング
窓であれば、次式で表される。ｈ_i＝{１−cos(2π・i・ｔs／Ｔ)}／２ (3) ここで、ｔsはサンプリング周期、Ｔは時間窓の幅であ
る。

【００１０】アナログ・ディジタル変換器Ａ／Ｄは、入
力データが抵抗値や電圧信号のようなアナログ信号であ
るとき、所定精度のディジタル値に変換する。乗算器２
０は、これら入力データと重み付け係数とを逐次乗算す
る。加算器３０は、乗算器２０の出力する出力値ｙ₁,・・
・,ｙ_nを逐次加算する。加算器３０の演算結果Ｚは、例
えば次式で表される。Ｚ＝ⁿ _i=1Σｘ_i・ｈ_i (4)

【００１１】図２は窓関数発生部１０の詳細を説明する
構成ブロック図である。余弦関数生成部１２は、初期値
のセットされる第１のシフトレジスタｙ_n-2と、入力デ
ータの時間窓の幅Ｔに対するサンプリング周期ｔsに相
当する位相角２πｔs／Ｔの余弦関数値Ａが当初セット
される第２のシフトレジスタｙ_n-1を有している。即
ち、余弦関数値Ａは次の関係を充足している。Ａ＝cos(２πｔs／Ｔ) (5)

【００１２】定数乗算器１４は、余弦関数値Ａの２倍を
定数として、この第２のシフトレジスタに記憶された値
ｙ_n-1に乗ずる。第１の減算器１６は、定数乗算器１４
の出力値と第１のシフトレジスタｙ_n-2の差をとる。ｙ_n＝２Ａｙ_n-1−ｙ_n-2 (6) 尚、(6)式は、余弦関数の差分式である。但し、ｎ≧
２、ｙ₀＝１、ｙ₁＝Ａとする。第２の減算器１８は、ハ
ニング窓の定数”１”から第１のシフトレジスタｙ _n-2
にセットされていた値ａを減算する。そして、係数1/2
を乗じてハニング窓の重み付け係数ｈ_iを生成してい
る。

【００１３】このように構成された装置の動作を次に説
明する。当初、第１のシフトレジスタｙ_n-2には、初期
値ｙ₀＝１をセットする。また、第２のシフトレジスタ
ｙ_n-1にも、初期値ｙ₁＝Ａをセットする。最初の余弦関
数生成部１２の出力値ａは１である。定数乗算器１４で
は、ｙ_n-1ｘ２Ａの演算を行う。次に第１の減算器１６
は、(6)式の演算を行ってｙ_n（最初はｎ＝３）を計算す
る。この後、この第１の減算器１６の出力値ｙ_nを第２
のシフトレジスタｙ_n-1にセットすると共に、第２のシ
フトレジスタｙ_n-1にセットされていた値を第１のシフ
トレジスタｙ_n-2にセットする。そして、第２の減算器
１８を用いてハニング窓の重み付け係数ｈ_iを生成して
いる。

【００１４】図３はハニング窓の特性を説明する図で、
（Ａ）は重み付け、（Ｂ）はノイズ低減の周波数特性を
表している。ハニング窓の重み付けは、最初の−Ｔ／２
から最後のＴ／２までの区間で、(3)式で表される重み
付け係数ｈ_iを有している。ノイズ低減の周波数特性は、
方形波窓の特性に比較して２次以上の高調波成分でのノ
イズ低減効果が良好になっていることが判る。例えば、
２次の高調波についてみると、方形波窓では−１４ｄＢ
程度であるのに対して、ハニング窓では−３０ｄＢ程度
になっている。

【００１５】尚、上記実施例においては、窓関数発生部
１０としてハニング窓の場合を示したが、本発明はこれ
に限定されるものではなく、例えばハミング窓でもよ
い。ハミング窓では、ハミング窓の定数”1.1739”を第
２の減算器１８にセットして、第１のシフトレジスタｙ
_n-2にセットされていた値ａを減算する。また、余弦関
数発生器を複数設けたり、あるいは正弦関数発生器を設
けることで、より複雑な窓関数の生成も可能となる。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、窓
関数発生部は余弦関数生成部を備えているので、従来メ
モリ等に記憶されていた余弦関数テーブル等が存在せ
ず、シフトレジスタ、乗算器、減算器、加算器等のゲー
トアレイ化の容易な論理素子でディジタルフィルタ装置
が構成できるという効果がある。更に、第２の減算器の
所定の定数を適宜に設定することで、ハニング窓やハミ
ング窓等の各種の窓関数が発生できるという効果もあ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の適用されるディジタルフィルタ装置の
構成ブロック図である。

【図２】窓関数発生部の詳細を説明する構成ブロック図
である。

【図３】ハニング窓の特性を説明する図である。

【図４】方形波窓の動作をするディジタルフィルタ装置
の構成ブロック図である。

【図５】方形波窓の特性を説明する図である。

【符号の説明】

１０窓関数発生部２０乗算器３０加算器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定数（ｎ）の入力データ（ｘ₁,・・・,
ｘ_n）に対して、逐次対応する重み付け係数（ｈ₁,・・・,
ｈ_n）を発生する窓関数発生部（１０）と、これら入力データと重み付け係数とを逐次乗算する乗算
器（２０）と、この乗算器の出力する出力値（ｙ₁,・・・,ｙ_n）を逐次加
算する加算器（３０）とを有するディジタルフィルタ装
置であって、前記窓関数発生部は、初期値のセットされる第１のシフ
トレジスタ(ｙ_n-2 ）と、前記入力データの時間窓の幅
（Ｔ）に対するサンプリング周期（ｔs)に相当する位相
角（２πｔs／Ｔ）の余弦関数値（Ａ）が当初セットさ
れる第２のシフトレジスタ(ｙ_n-1)と、当該余弦関数値
の２倍を定数としてこの第２のシフトレジスタに記憶さ
れた値に乗ずる定数乗算器（１４）と、この定数乗算器
の出力値と当該第１のシフトレジスタの差をとる第１の
減算器（１６）とを有し、この第１の減算器の出力値
(ｙ_n)をこの第２のシフトレジスタにセットすると共
に、この第２のシフトレジスタにセットされていた値を
当該第１のシフトレジスタにセットする余弦関数生成部
(１２）と、所定の定数から、この余弦関数生成部の第１のシフトレ
ジスタにセットされていた値（ａ）を減算する第２の減
算器（１８）と、を有することを特徴とするディジタルフィルタ装置。
【請求項２】前記第２の減算器の所定の定数は１である
ことを特徴とする請求項１記載のディジタルフィルタ装
置。
【請求項３】前記第２の減算器の所定の定数は1.1739で
あることを特徴とする請求項１記載のディジタルフィル
タ装置。