CN101542901A - 噪声除去装置、重量测定装置、噪声除去方法、和数字滤波器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供噪声除去装置、重量测定装置、噪声除去方法、和数字滤波器的设计方法,目的为提供能够容易地变更数字滤波器的滤波器特性的技术。为了达到该目的,在本发明的重量测定装置中,滤波器系数运算部(6)利用规定的运算式求取滤波器系数,并输出至信号处理部(5)。信号处理部(5)利用滤波器系数,对作为数字信号的计量信号(DS)进行滤波。上述运算式包含在滤波的振幅特性的阻止区域中指定应该部分地增大衰减量的至少一个衰减频带的衰减量的第一参数、指定该至少一个衰减频带的频带位置的第二参数、和指定阻止区域的开始频率的第三参数。
Description
技术领域
本发明涉及数字滤波器的滤波技术。
背景技术
在测定物品重量的重量测定装置中,使用应变仪式的测力传感器、力平衡等的重量传感器。该重量传感器具有受到物品的重量和皮重的和的重量的影响的固有频率。当包含该固有频率的频带的外部振动作用在计量***中时,该外部振动在固有频率附近被放大,成为振动噪声,并包含在由重量传感器输出的计量信号中。以下,将这种振动噪声称为“固有振动噪声”。
另外,在进行搬送***的负载测定的情况下,例如,由驱动传送带的电机或搬送辊等旋转***振动引起的噪声、以及由商用电源等引起的电气噪声等,作为振动噪声与计量信号重叠。
在专利文献1中记载有与重量测定装置相关的技术,在专利文献2中记载有与数字滤波器相关的技术。另外,在非专利文献1中记载有最优化问题的解决方法。
专利文献1:日本特开2004-150883号公报
专利文献2:日本特开2007-129408号公报
非专利文献1:J.F.Sturm,“using sedumi 1.02,A MATLAB toolboxfor optimization over Symmetric cones(Updated for Version 1.05)”,Optimiz.Methods and Syst.II,1999,Vol.11-12,PP.625-653
如上所述,由于重量传感器的固有频率受物品重量和皮重的影响,因此,在物品重量或皮重变化的情况下,固有振动噪声的频率、大小发生变化。以前,由于传送带等的皮重处于支配的地位,所以能够忽视物品重量的变化所引起的固有振动噪声的频率变化、强度变化,但是近年来,因为要求高精度地测定较轻的物品的重量,所以皮重变轻,变得逐渐不能忽视这种频率变化、强度变化。
另外,由电机和搬送辊等引起的振动噪声的频率、大小因搬送***的规格(例如搬送速度等)而变化。因此,需要即使在因被计量物的种类和大小等或搬送***的规格变更而使振动噪声的频率和大小变化的情况下,也能够简单地除去这种振动噪声的滤波器。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的,其目的是提供能够容易地变更数字滤波器的滤波器特性的技术。
为了解决上述问题,本发明的噪声除去装置的第一方式为一种噪声除去装置,其包括:使用可变的滤波器系数,进行数字信号的滤波的信号处理部;和使用规定的运算式求取上述滤波器系数,并输出至上述信号处理部的滤波器系数运算部,其中,上述运算式包含第一参数,该第一参数指定在上述滤波的振幅特性的阻止区域(inhibit region)中,应该部分地增大衰减量的至少一个衰减频带的衰减量,上述滤波器系数运算部将输入的上述第一参数的值代入上述运算式中,变更上述滤波器系数,由此,能够将上述至少一个衰减频带的衰减量变更为由上述第一参数指定的期望的衰减量。
此外,本发明的噪声除去装置的第二方式为,在第一方式中,上述运算式还包含指定上述至少一个衰减频带的频带位置的第二参数,上述滤波器系数运算部将输入的上述第二参数的值代入上述运算式,变更上述滤波器系数,由此,能够将上述至少一个衰减频带的频带位置变更为由上述第二参数指定的期望的频带位置。
此外,本发明的噪声除去装置的第三方式为,在第二方式中,上述第一参数为指定在上述阻止区域中应该部分地增大衰减量的多个衰减频带的各自的衰减量的参数,上述第二参数为指定上述多个衰减频带的各自的频带位置的参数,上述滤波器系数运算部将输入的上述第一参数的值代入上述运算式,变更上述滤波器系数,由此,能够独立地将上述多个衰减频带的各自的衰减量变更为由上述第一参数指定的期望的衰减量,上述滤波器系数运算部将输入的上述第二参数的值代入上述运算式,变更上述滤波器系数,由此,能够独立地将上述多个衰减频带的各自的频带位置变更为由上述第二参数指定的期望的频带位置。
此外,本发明的噪声除去装置的第四方式为,在第一和第二方式的任一个中,上述运算式还包含指定上述阻止区域的开始频率的第三参数,上述滤波器系数运算部将输入的上述第三参数的值代入上述运算式,变更上述滤波器系数,由此,能够将上述阻止区域的开始频率变更为由上述第三参数指定的期望的频率。
此外,本发明的噪声除去装置的第五方式为,在第三方式中,上述运算式还包含指定上述阻止区域的开始频率的第三参数,上述滤波器系数运算部将输入的上述第三参数的值代入上述运算式,变更上述滤波器系数,由此,能够将上述阻止区域的开始频率变更为由上述第三参数指定的期望的频率。
此外,本发明的噪声除去装置的第六方式为,在第三方式中,上述第二参数作为从各个上述衰减频带的频带位置的应该变化的范围的中心频率偏移的位移量而被给出。
此外,本发明的噪声除去装置的第七方式为,在第五方式中,上述第二参数作为从各个上述衰减频带的频带位置的应该变化的范围的中心频率偏移的位移量而被给出,上述第三参数作为从上述阻止区域的开始频率的应该变化的范围的中心频率偏移的位移量而被给出。
此外,本发明的噪声除去装置的第八方式为,其具有:使用可变的滤波器系数,进行数字信号的滤波的信号处理部;和使用规定的运算式,求取上述滤波器系数,并输出至上述信号处理部的滤波器系数运算部,其中,上述运算式包含指定上述滤波的振幅特性的阻止区域的开始频率的第一参数,上述滤波器系数运算部将输入的上述第一参数的值代入上述运算式,变更上述滤波器系数,由此,能够将上述阻止区域的开始频率变更为由上述第一参数指定的期望的频率。
此外,本发明的噪声除去装置的第九方式为,在第八方式中,上述运算式还包含第二参数,该第二参数指定在上述阻止区域应该部分地增大衰减量的至少一个衰减频带的频带位置,上述滤波器系数运算部将输入的上述第二参数的值代入上述运算式,变更上述滤波器系数,由此,能够将上述至少一个衰减频带的频带位置变更为由上述第二参数指定的期望的频带位置。
此外,本发明的噪声除去装置的第十方式为,在第九方式中,上述第二参数为指定在上述阻止区域中,应该部分地增大衰减量的多个衰减频带的各自的频带位置的参数,上述滤波器系数运算部将输入的上述第二参数的值代入上述运算式,变更上述滤波器系数,由此,能够独立地将上述多个衰减频带的各自的频带位置变更为由上述第二参数指定的期望的频带位置。
此外,本发明的噪声除去装置的第十一方式为,在第十方式中,上述第二参数作为从各个上述衰减频带的频带位置的应该变化的范围的中心频率偏移的位移量而被给出。
此外,本发明的噪声除去装置的第十二方式为,在第十一方式中,上述第一参数作为从上述阻止区域的开始频率的应该变化的范围的中心频率偏移的位移量而被给出。
此外,本发明的一种重量测定装置具备:第一~第十二方式中的任一方式的噪声除去装置;和检测被计量物的重量的计量部,其中,上述噪声除去装置以作为上述计量部的计量结果而得到的数字信号为对象,进行上述滤波。
此外,本发明的噪声除去方法的第一方式包括:(a)使用规定的运算式求取滤波器系数的工序;和(b)使用在上述工序(a)中求得的上述滤波器系数进行数字信号的滤波的工序,其中,上述运算式包含参数,该参数指定在上述滤波的振幅特性的阻止区域中应该部分地增大衰减量的至少一个衰减频带的衰减量,上述工序(a)包括:(a-1)将上述参数的值代入上述运算式,变更上述滤波器系数的工序,通过执行上述工序(a-1),将上述至少一个衰减频带的衰减量变更为由上述参数指定的期望的衰减量。
此外,本发明的噪声除去方法的第二方式包括:(a)使用规定的运算式求取滤波器系数的工序;和(b)使用在上述工序(a)中求得的上述滤波器系数,进行数字信号的滤波的工序,其中,上述运算式包含指定上述滤波的振幅特性的阻止区域的开始频率的参数,上述工序(a)包括:(a-1)将上述参数的值代入上述运算式,变更上述滤波器系数的工序,通过进行上述工序(a-1),将上述阻止区域的开始频率变更为由上述参数指定的期望的频率。
此外,本发明的数字滤波器的设计方法的第一方式为一种数字滤波器的设计方法,其为衰减量可变的数字滤波器的设计方法,该衰减量为在振幅特性的阻止区域中应该部分地增大衰减量的至少一个衰减频带的衰减量,该数字滤波器的设计方法包括:(a)根据上述数字滤波器的基准振幅特性,通过包含指定上述至少一个衰减频带的衰减量的参数的规定的运算式,对上述数字滤波器的滤波器系数进行近似的工序;和(b)使用上述运算式求取上述滤波器系数的工序,其中,上述工序(b)包括:(b-1)将上述参数的值代入上述运算式,变更上述滤波器系数的工序,通过进行上述工序(b-1),将上述至少一个衰减频带的衰减量变更为由上述参数指定的期望的衰减量。
此外,本发明的数字滤波器的设计方法的第二方式为振幅特性的阻止区域的开始频率可变的数字滤波器的设计方法,其包括:(a)根据上述数字滤波器的基准振幅特性,通过包含指定上述阻止区域的开始频率的参数的规定的运算式,对上述数字滤波器的滤波器系数进行近似的工序;和(b)使用上述运算式求取上述滤波器系数的工序,其中,上述工序(b)包括:(b-1)将上述参数的值代入上述运算式,变更上述滤波器系数的工序,通过进行上述工序(b-1),将上述阻止区域的开始频率变更为由上述参数指定的期望的频率。
根据本发明的噪声除去装置的第一方式、噪声除去方法的第一方式和数字滤波器的设计方法的第一方式,由于能够使用指定在阻止区域中应该部分地增大衰减量的衰减频带的衰减量的参数,变更滤波器系数,所以能够容易地变更该衰减频带的衰减量。因此,能够可靠地除去噪声。
此外,根据本发明的噪声除去装置的第二和第九方式,由于能够使用指定在阻止区域中应该部分地增大衰减量的衰减频带的频带位置的参数,变更滤波器系数,因此也能够容易地变更该衰减频带的频带位置。
此外,根据本发明的噪声除去装置的第三方式,因为能够指定多个衰减频带的衰减量和频带位置,所以即使在有多个产生噪声的原因,且该原因变化的情况下,也能够可靠地除去噪声。
此外,根据本发明的噪声除去装置第四和第五方式,因为能够使用指定阻止区域的开始频率的参数,变更滤波器系数,所以能够容易地变更该阻止区域的开始频率。
此外,根据本发明的噪声除去装置的第六、第七、第十一和第十二方式,在运算滤波器系数时,能够对多个参数相同地进行近似处理,结果,能够实现期望的滤波器设计。
此外,根据本发明的噪声除去装置的第八方式、噪声除去方法的第二方式和数字滤波器设计方法的第二方式,因为能够使用指定阻止区域的开始频率的参数变更滤波器系数,所以能够容易地变更该阻止区域的开始频率。因此,能够可靠地除去噪声。
此外,根据本发明的噪声除去装置的第十方式,因为能够指定多个衰减频带的频带位置,所以即使在存在多个产生噪声的原因,且该原因变化的情况下,也能够可靠地除去噪声。
此外,根据本发明的重量测定装置,能够高精度地进行重量测定。
本发明的目的、特征、方式和优点通过以下的详细说明和附图,变得更明显。
附图说明
图1为表示本发明的实施方式的重量测定装置的结构的框图。
图2为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图3为表示本发明的实施方式的重量测定装置中的重量测定动作的流程图。
图4为表示理想的滤波器特性的图。
图5为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图6为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图7为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图8为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图9为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图10为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图11为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图12为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图13为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图14为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图15为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图16为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图17为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图18为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图19为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图20为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图21为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图22为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图23为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图24为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图25为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图26为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图27为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图28为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图29为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图30为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图31为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图32为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图33为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图34为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图35为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图36为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图37为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图38为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图39为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图40为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图41为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图42为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图43为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图44为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图45为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图46为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图47为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图48为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
图49为表示本发明的实施方式的信号处理部中的滤波的振幅特性的一个例子的图。
具体实施方式
图1为表示本发明的实施方式的重量测定装置的结构的框图。如图1所示,本实施方式的重量测定装置设置有应变仪式的测力传感器或力平衡等的重量传感器1、放大器2、模拟滤波器3、A/D变换器(以后称为“ADC”)4、信号处理部5、滤波器系数运算部6、数据输入部7和系数存储部8。
重量传感器1对从计量***接受到的被计量物的重量进行检测,将其结果作为测定信号ms输出至放大器2。放大器2将输入的测定信号ms放大,并作为放大信号MS输出至模拟滤波器3。模拟滤波器3从该放大信号MS中除去不要的高频成分,作为模拟信号As输出。ADC4以规定的采样周期对从模拟滤波器3输出的模拟信号As进行采样,将以规定的量化位速率(quantization bit rate)进行量化后的数字信号作为计量信号Ds,输出至信号处理部5。
信号处理部5使用有限冲激响应(FIR:finite impulse response)型滤波器(以下称为“FIR滤波器“),对输入的计量信号Ds进行滤波,将其结果作为信号Xs输出至未图示的微型计算机。然后,微型计算机根据信号Xs,计算被计量物的重量,并显示于未图示的显示部上。
此处,一般,2N次的FIR滤波器的频率响应H(ejω)由以下的数学式(1)表示。
(数1)
式中,hi(i=0、1、2、……、N)为滤波器系数。ω为标准化角频率,为以滤波时的数据的采样频率进行标准化后的角频率。在本实施方式中,为以在信号处理部5中进行滤波时的数据的采样频率进行标准化后的角频率。以下,如上所述,“标准化角频率”是指以采样频率标准化后的角频率。
滤波器系数运算部6使用后述的规定的运算式求取上述式(1)中的滤波器系数hi的系列{hi},并输出至信号处理部5。
图2为表示信号处理部5中的滤波的振幅特性的一个例子的图。如图2所示,在信号处理部5中使用的FIR滤波器为低通滤波器。本实施方式的重量没定装置在信号处理部5中使用的FIR滤波器的振幅特性的阻止区域10中,能够设置k(≥1)个部分的衰减量较大的衰减频带9,并具有能够变更该衰减频带9的频带位置的功能。即,具有使衰减频带9的位置向频率高的方向移动,或向低的方向移动的功能。并且,本实施方式的重量测定装置还具有能够改变衰减频带9的衰减量的功能。而且,在k为k≥2的情况下,本实施方式的重量测定装置还具有能够独立地改变多个衰减频带9的各自的频带位置的功能,和能够独立地改变多个衰减带量9的各自的衰减量的功能。进一步,本实施方式的重量测定装置具有能够改变阻止区域10的开始频率的功能。以下,如果简单地表示为“衰减频带”,则其是指,如图2所示的衰减频带9那样,在阻止区域中应该部分地增大衰减量的衰减频带。
滤波器系数运算部6使用以下的运算式(2)求取上述式(1)中的滤波器系数hi的系列{hi},并输出至信号处理部5。
(数2)
式中,g(i、lS、lC1、lC2、……、lCk、lW1、lW2、……、lWk)为系数。ν为指定阻止区域的开始频率的参数。δ1~δk为分别指定k个衰减频带的位置的参数,ψ1~ψk为分别指定k个衰减频带的衰减量的参数。如式(2)所示,滤波器系数hi由使用参数ν、δ1~δk、ψ1~ψk、的多项式表示。而且,LS表示参数ν的次数,LC1~LCk分别表示参数δ1~δk的次数,LW1~LWk分别表示参数ψ1~ψk的次数。以下,将系数g(i、lS、lC1、lC2、……、lCk、lW1、lW2、……、lWk)简称为“系数g”。
系数存储部8例如为ROM(Read-Only Memory:只读存储器),预先存储有系数g的值。而且,系数g的值由滤波器系数运算部6从系数存储部8读出。
数据输入部7例如为键盘,独立地接收使用者从重量测定装置的外部输入的参数ν、δ1~δk、ψ1~ψk的各自的值。并且,将接收的参数ν、δ1~δk、ψ1~ψk的值输出至滤波器参数运算部6。
如上所述,在本实施方式中,信号处理部5、滤波器系数运算部6、数据输入部7和系数存储部8作为除去计量信号DS中包含的噪声的噪声除去装置而发挥作用。
接着,参照图3,对本实施方式的重量测定装置的被计量物的重量测定动作进行说明。因为在进行重量测定时,对计量信号Ds进行滤波,所以图3表示对计量信号Ds进行的噪声除去方法。
如图3所示,当在步骤s1中,将重量测定装置的电源打开时,在步骤s2中,滤波器系数运算部6从系数存储部8读出系数g的值。并且,滤波器系数运算部6读出预先存储在内部的参数ν、δ1~δk、ψ1~ψk的初始值。
接着,在步骤s3中,滤波器系数运算部6将系数g和参数ν、δ1~δk、ψ1~ψk的值代入式(2),求取滤波器系数hi的1个系列{hi},并输出至信号处理部5。由此,信号处理部5中的滤波器特性的k个衰减频带的频带位置分别被设定为由参数δ1~δk指定的初始值,这些衰减量分别被设定为由参数ψ1~ψk指定的初始值。另外,信号处理部5中的滤波器特性的阻止区域的开始频率被设定为由参数ν指定的初始值。而且,这时,由于滤波器系数hi的运算式(2)由多项式表示,所以能够迅速地求得滤波器系数hi。
接着,在步骤s4中,信号处理部5使用在步骤s3中求得的滤波器系数hi的系列{hi},对计量信号Ds进行滤波。然后,将结果作为信号Xs输出至微型计算机,该微型计算机在CRT等显示部上显示被计量物的重量。
接着,在步骤s5中,当重量测定装置的使用者向数据输入部7输入参数ν、δ1~δk、ψ1~ψk的中至少一个参数的值时,数据输入部7将该值输出至滤波器系数运算部6。如上所述,当被计量物的种类或大小等发生改变,或搬送***的规格发生改变时,计量信号Ds中包含的噪声的频率、大小也发生变化,因此,为了可靠地除去该噪声,使用者输入参数ν、δ1~δk、ψ1~ψk中的至少一个参数的值。例如,因为当被计量物的种类改变时,重量传感器1的固有频率发生变化,所以按照每种被计量物的种类,预先准备重量传感器1的固有频率的信息,当改变被计量物的种类时,使用者能够参照该信息,将参数δ1~δk的值输入数据输入部7。
而且,本实施方式的重量测定装置虽然构成为输入参数ν、δ1~δk、ψ1~ψk的值的数据,但也可以构成为重量测定装置自动地决定这些值。例如,在重量检测器这样的计量装置中,因为如果传送带速度决定则希望衰减的频率决定,所以能够自动地设定参数δ1~δk的值。此外,也可以构成为,通过FFT等进行测定信号的振动波形的频率分析,检测出振幅最大的位置并自动地设定参数ν、δ1~δk、ψ1~ψk的值。
接着,在步骤s6中,滤波器系数运算部6将取得的参数值代入式(2),变更滤波器系数hi的系列{hi},并输出至信号处理部5。由此,信号处理部5中的滤波器特性的衰减频带的频带位置和衰减量,或阻止区域的开始频率被变更为由对应的参数指定的值。然后,在步骤s7中,信号处理部5使用在步骤s6中被变更后的滤波器系数hi的系列{hi}进行滤波,并将其结果作为信号Xs输出。
在需要再次变更信号处理部5中的滤波器特性的情况下,使用者将参数ν、δ1~δk、ψ1~ψk中的至少一个的值输入数据输入部7。然后,执行步骤s6、s7,按照输入的参数值变更滤波器特性。
接着,对系数g的值的决定方法进行说明。首先,针对衰减频带的衰减量、其频带位置、和阻止区域的开始频率等可变的FIR滤波器,考虑图4所示那样的理想的滤波器特性。图中的横轴表示标准化角频率,纵轴表示振幅。图中的ωP表示通过区域端标准化角频率,即通过区域的结束点的标准化角频率。ωS表示阻止区域的开始点应该变化的范围的中心标准化角频率。τ1~τk分别表示k个衰减频带的频带宽度。φ1~φk分别表示k个衰减频带的频带位置应该变化的范围的中心标准化角频率。
在本实施方式中,将从ωS偏移的位移量(偏移量)输入指定阻止区域的开始频率的参数ν。另外,分别将从φ1~φk偏移的位移量输入指定衰减频带的频带位置的参数δ1~δk。并且,分别将阻止区域的衰减频带的衰减量与阻止区域的衰减频带以外的频带的衰减量的比例分别输入指定衰减频带的衰减量的参数ψ1~ψk。
这样,在本实施方式中,参数ν作为从阻止区域的开始频率的应该变化的范围的中心频率偏移的位移量而被给出,各个参数δ1~δk作为从对应的衰减频带的频带位置的应该变化的范围的中心频率偏移的位移量而被给出。
接着,关于图4所示的理想的滤波器特性,考虑作为理想的振幅特性(理想振幅特性)的以下的基准振幅特性D(ω、ν、δ1、δ2、……δk)和加权函数W(ω、ν、δ1、δ2、……δk、ψ1、ψ2、……ψk)。
(数3)
式中,参数ν、δ1~δk、ψ1~ψk满足以下的式。
ν∈[νmin,νmax] …(5)
δ1∈[δ1min,δ1max]
δ2∈[δ2min,δ2max]
.
.
.…(6)
δk∈[δkmin,δkmax]
ψ1∈[ψ1min,ψ1max]
ψ2∈[ψ2min,ψ2max]
.
.
.…(7)
ψk∈[ψkmin,ψkmax]
此处,能够使用上述的式(2),以下述方式表示频率响应H(ejω)。
(数5)
为了在式(3)的基准振幅特性和式(4)的加权函数之间对振幅特性|H(ω、ν、δ1、δ2、……δk、ψ1、ψ2、……ψk)|进行加权最优设计(极小极大近似),考虑以下的加权误差。
(数6)
通过求取满足下式的系数g,能够得到最优的系数g。
(数7)
其中,
(数8)
当令基准振幅特性的允许误差为λ(ω、ν、δ1、δ2、……δk、ψ1、ψ2、……ψk)时,由式(10)表示的设计问题与由以下式(13a)、(13b)表示的设计问题实质上相同。
(数9)
该设计问题的制约条件式(13b)能够变形为以下的式(14)。
(数10)
很明显,该式相对于系数g和允许误差λ(ω、ν、δ1、δ2、……δk、ψ1、ψ2、……ψk)为线性。
这里,将ω的数值范围、即从0至π的范围分割为M个,令ω=ωm(m为整数,1≤m≤M)。此外,将参数ν的数值范围分割为Q个,令ν=νq(q为整数,1≤q≤Q)。并且,将参数δ1~δk的数值范围分别分割为T1~Tk个,δ1=δ1’t1(t1为整数,1≤t1≤T1),δ2=δ2’t2(t2为整数,1≤t2≤T2),……,δk=δk’tk(tk为整数,1≤tk≤Tk)。此外,将参数ψ1~ψk的数值范围分别分割为R1~Rk个,ψ1=ψ1’r1(1≤r1≤R1),ψ2=ψ2’r2(1≤r2≤R2),……,ψk=ψk’rk(1≤rk≤Rk)。这样,能够将Γ(ω、ν、δ1、δ2、……δk、ψ1、ψ2、……ψk)变形为下式。
(数11)
其中,diag[·]为以[·]内为要素的对角矩阵。
因此,能够将式(13a)、(13b)分别变形为以下的式(16a)、(16b)。
(数12)
minimize dTx …(16a)
subject to U(x)≥0 …(16b)
式中
(数13)
U(x)相对于x为线性。由式(16a)(16b)表示的设计问题为半正定(positive semidefinite)值问题,通过解决该问题能够求得最优的系数g。而且,半正定值问题能够使用上述非专利文献1所记载的技术求解。本实施方式的系数存储部8预先存储有这样求得的最优的系数g的值。由此,能够由参数ν指定阻止区域的开始频率,由参数δ1~δk指定衰减频带的频带位置,由参数ψ1~ψk指定衰减频带的衰减量。
关于参数ν、δ1~δk、ψ1~ψk,使用者能够通过数据输入部7输入由式(5)~(7)所示的范围的数值。例如,当令νmin=-0.1π、νmax=0.1π时,使用者能够输入-0.1π~0.1π范围的值作为参数ν的值,当设定为ν=-0.05π时,阻止区域的开始频率为(ωS-0.05π)。此外,当令δ1min=-0.1π、δ1max=0.1π时,使用者能够输入-0.1π~0.1π的范围的值作为参数δ1的值,当设定为δ1=-0.05π时,与此对应的衰减频带为从(φ1-0.05π-τ1/2)至(φ1-0.05π+τ1/2)的频率范围。此外,当令ψ1min=1、ψ1max=1000时,使用者能够输入1~1000的范围的值作为参数ψ1的值。当设定为ψ1=100时,与此对应的衰减频带的衰减量为阻止区域中的k个衰减频带以外的频带的衰减量的100倍。
另外,在求取上述滤波器系数hi的运算式(2)中,通过将参数ν置换为常数,能够固定阻止区域的开始频率。另外,通过将各个参数δ1~δk置换为常数,能够固定k个衰减频带的频带位置的各个。通过将各个参数ψ1~ψk置换为常数,能够固定k个衰减频带的衰减量的各个。因此,能够根据需要调整运算式(2)中包含的参数的数目。
接着,对本实施方式的重量测定装置中的数字滤波器的设计例进行说明。图5~13表示按由以下的表所示的规格1进行设计时的振幅特性。图中的横轴表示标准化的角频率,纵轴表示振幅。在以下的规格1中,k=1,参数δ1固定为“0”,阻止区域的开始频率和衰减频带的衰减量可变。
表1
(规格1)
滤波器次数:2N=38
多项式次数:LS=6、LW1=3
通过区域:ωP=0.1π
阻止区域:ωS=0.2π
ν=-0.02π~0.02π
衰减频带:k=1
φ1=0.5π
τ1=0.2π
ψ1=1~100
从图5~13所示的图表能够理解到,由于参数ν的值变化,使得阻止区域的开始频率发生变化。并且,能够理解到,由于参数ψ1的值变化,使得在阻止区域中衰减量局部较大的衰减频带的衰减量发生变化。此外,还能够理解到,在阻止区域的衰减频带以外的频带中,具有接近等波纹(equiripple)特性的特性。
图14~22表示按由以下的表所示的规格2进行设计时的振幅特性。图中的横轴表示标准化角频率,纵轴表示振幅。而且,在以下的规格2中,k=2,参数ν为“0”,参数ψ1、ψ2分别固定为“10”,只有衰减频带的频带位置可变。
表2
(规格2)
滤波器次数:2N=38
多项式次数:LC1=LC2=3
通过区域:ωP=0.1π
阻止区域:ωS=0.2π
衰减频带:k=2
φ1=0.4π、φ2=0.75π
τ1=τ2=0.1π
δ1=-0.03π~0.03π、δ2=-0.06π~0.06π
从图14~22所示的图表能够理解到,由于参数δ1、δ2的值变化,使得与它们对应的衰减频带的频带位置发生变化。
图23~49表示按由以下的表所示的规格3进行设计时的振幅特性。图中的横轴表示标准化角频率,纵轴表示振幅。而且,在以下的规格3中,k=2,参数δ1为“0”,参数ψ2固定为“10”,阻止区域的开始频率和与参数ψ1、δ2对应的衰减频带的衰减量、频带位置可变。
表3
(规格3)
滤波器次数:2N=38
多项式次数:LS=LC1=LC2=LW1=LW2=3
通过区域:ωP=0.1π
阻止区域:ωS=0.2π
ν=-0.03π~0.03π
衰减频带:k=2
φ1=0.4π、φ2=0.75π
τ1=τ2=0.1π
δ1=0(固定值)、δ2=-0.05π~0.05π
ψ1=1~100、ψ2=10(固定值)
如上所述,在本实施方式中,因为能够使用指定衰减频带的衰减量的参数ψ1~ψk变更滤波器系数hi,所以能够容易地变更该衰减频带的衰减量。因此,即使在噪声的大小发生变化的情况下也能够可靠地除去该噪声。结果,能够高精度地进行重量测定。
此外,因为能够使用指定衰减频带的频带位置的参数δ1~δk变更滤波器系数hi,所以能够容易地变更该衰减频带的频带位置。因此,即使在噪声的频率发生变化的情况下,也能够可靠地除去该噪声。
此外,因为能够使用指定阻止区域的开始频率的参数ν变更滤波器系数hi,所以能够容易地变更该阻止区域的开始频率。因此,即使在通过区域和阻止区域之间的过渡区域(在图4所示的振幅特性中,ωP和ωS之间的频带)中出现噪声的情况下,也能够可靠地除去该噪声。
此外,因为能够利用参数ψ1~ψk、δ1~δk指定多个衰减频带的衰减量和频带位置,所以即使在存在多个产生噪声的原因,且该原因发生变化的情况下,也能够可靠地除去该噪声。
此外,在本实施方式中,参数ν作为从阻止区域的开始频率的应该变化的范围的中心频率偏移的位移量而被给出,参数δ1~δk分别作为从对应的衰减频带的频带位置的应该变化的范围的中心频率偏移的位移量而被给出,因此,在使用式(2)计算滤波器系数hi时,对于参数ν、δ1~δk能够进行相同的近似处理。例如,当令k=2、ν=0.02π、δ1=0.02π、δ2=0.02π、LS=4、LC1=4、LC2=4时,ν4=δ1 4=δ2 4=0.00000016π4,均为相同的值。因此,在计算滤波器系数hi时,对于参数ν、δ1~δk能够进行相同的近似处理。
与此相对,与本实施方式不同,将阻止区域的开始频率原样地输入参数ν中,对于各个参数δ1~δk分别将与其对应的衰减频带的中心频率输入,在此情况下,在计算滤波器系数hi时,不能对参数ν、δ1~δk进行相同的近似处理。例如,当令k=2、ν=ωS=0.2π、δ1=φ1=0.4π、δ2=φ2=0.75π、LS=4、LC1=4、LC2=4时,ν4=0.0016π4、δ1 4=0.0256π4、δ2 4=0.31640625π4,这些值相差很大。因此,当对参数ν1、δ1~δk进行相同的近似处理时,会在参数ν1、δ1中产生舍入误差等,在代入参数ν1、δ1中的频率附近的频带上得不到期望的特性。
如上所述,在本实施方式中,在计算滤波器系数hi时,因为对于参数ν、δ1~δk能够进行相同的近似处理,所以能够实现期望的滤波器设计。
而且,上述内容还能够作为一般的数字滤波器的设计方法的发明而被对待。即,能够使用以下的方法设计阻止区域的开始频率、以及衰减频带的频带位置和衰减量可变的数字滤波器。
首先,如上所述,根据基准振幅特性决定系数g的值,使用该值,利用上述的式(2)对数字滤波器的滤波器系数hi进行近似。然后,将值代入式(2)的各参数中,求取数字滤波器的滤波器系数hi的系列{hi}。
在变更滤波器特性的情况下,变更参数ν、δ1~δk、ψ1~ψk中的必要的参数值,从而变更滤波器系数hi。由此,能够将滤波器特性变更为期望的特性。
通过采用这种数字滤波器的设计方法,能够简单地变更滤波器特性。因此,能够可靠地除去噪声。
在以上的说明中,对低通滤波器的设计进行了说明,但本申请的发明也能够应用于低通滤波器以外的滤波器(带通滤波器或高通滤波器等)的设计中。而且,虽然对FIR型滤波器的设计进行了说明,但本申请的发明也能够应用于IIR型滤波器的设计中。
以上,对本发明进行了详细的说明,但上述的说明在所有方面均只是例示,本发明不受其限制。在不偏离本发明的范围的条件下,能够设计得到没有被说明的无数的变形例。
Claims (17)
1.一种噪声除去装置,其特征在于,包括:
使用可变的滤波器系数,进行数字信号的滤波的信号处理部;和
使用规定的运算式求取所述滤波器系数,并输出至所述信号处理部的滤波器系数运算部,其中,
所述运算式包含第一参数,该第一参数指定在所述滤波的振幅特性的阻止区域中应该部分地增大衰减量的至少一个衰减频带的衰减量,
所述滤波器系数运算部将输入的所述第一参数的值代入所述运算式中,变更所述滤波器系数,由此,能够将所述至少一个衰减频带的衰减量变更为由所述第一参数指定的期望的衰减量。
2.如权利要求1所述的噪声除去装置,其特征在于:
所述运算式还包含指定所述至少一个衰减频带的频带位置的第二参数,
所述滤波器系数运算部将输入的所述第二参数的值代入所述运算式,变更所述滤波器系数,由此,能够将所述至少一个衰减频带的频带位置变更为由所述第二参数指定的期望的频带位置。
3.如权利要求2所述的噪声除去装置,其特征在于:
所述第一参数为指定在所述阻止区域中应该部分地增大衰减量的多个衰减频带的各自的衰减量的参数,
所述第二参数为指定所述多个衰减频带的各自的频带位置的参数,
所述滤波器系数运算部将输入的所述第一参数的值代入所述运算式,变更所述滤波器系数,由此,能够独立地将所述多个衰减频带的各自的衰减量变更为由所述第一参数指定的期望的衰减量,
所述滤波器系数运算部将输入的所述第二参数的值代入所述运算式,变更所述滤波器系数,由此,能够独立地将所述多个衰减频带的各自的频带位置变更为由所述第二参数指定的期望的频带位置。
4.如权利要求1和权力要求2中任一项所述的噪声除去装置,其特征在于:
所述运算式还包含指定所述阻止区域的开始频率的第三参数,
所述滤波器系数运算部将输入的所述第三参数的值代入所述运算式,变更所述滤波器系数,由此,能够将所述阻止区域的开始频率变更为由所述第三参数指定的期望的频率。
5.如权利要求3所述的噪声除去装置,其特征在于:
所述运算式还包含指定所述阻止区域的开始频率的第三参数,
所述滤波器系数运算部将输入的所述第三参数的值代入所述运算式,变更所述滤波器系数,由此,能够将所述阻止区域的开始频率变更为由所述第三参数指定的期望的频率。
6.如权利要求3所述的噪声除去装置,其特征在于:
所述第二参数作为从各个所述衰减频带的频带位置的应该变化的范围的中心频率偏移的位移量而被给出。
7.如权利要求5所述的噪声除去装置,其特征在于:
所述第二参数作为从各个所述衰减频带的频带位置的应该变化的范围的中心频率偏移的位移量而被给出,
所述第三参数作为从所述阻止区域的开始频率的应该变化的范围的中心频率偏移的位移量而被给出。
8.一种噪声除去装置,其特征在于,包括:
使用可变的滤波器系数,进行数字信号的滤波的信号处理部;和
使用规定的运算式求取所述滤波器系数,并输出至所述信号处理部的滤波器系数运算部,其中,
所述运算式包含指定所述滤波的振幅特性的阻止区域的开始频率的第一参数,
所述滤波器系数运算部将输入的所述第一参数的值代入所述运算式,变更所述滤波器系数,由此,能够将所述阻止区域的开始频率变更为由所述第一参数指定的期望的频率。
9.如权利要求8所述的噪声除去装置,其特征在于:
所述运算式还包含第二参数,该第二参数指定在所述阻止区域中应该部分地增大衰减量的至少一个衰减频带的频带位置,
所述滤波器系数运算部将输入的所述第二参数的值代入所述运算式,变更所述滤波器系数,由此,能够将所述至少一个衰减频带的频带位置变更为由所述第二参数指定的期望的频带位置。
10.如权利要求9所述的噪声除去装置,其特征在于:
所述第二参数为指定在所述阻止区域中应该部分地增大衰减量的多个衰减频带的各自的频带位置的参数,
所述滤波器系数运算部将输入的所述第二参数的值代入所述运算式,变更所述滤波器系数,由此,能够独立地将所述多个衰减频带的各自的频带位置变更为由所述第二参数指定的期望的频带位置。
11.如权利要求10所述的噪声除去装置,其特征在于:
所述第二参数作为从各个所述衰减频带的频带位置的应该变化的范围的中心频率偏移的位移量而被给出。
12.如权利要求11所述的噪声除去装置,其特征在于:
所述第一参数作为从所述阻止区域的开始频率的应该变化的范围的中心频率偏移的位移量而被给出。
13.一种重量测定装置,其特征在于,包括:
权利要求1~权力要求12中任一项所述的噪声除去装置;和
检测被计量物的重量的计量部,其中,
所述噪声除去装置以作为所述计量部的计量结果而得到的数字信号为对象进行所述滤波。
14.一种噪声除去方法,其特征在于,包括:
(a)使用规定的运算式求取滤波器系数的工序;和
(b)使用在所述工序(a)中求得的所述滤波器系数进行数字信号的滤波的工序,其中,
所述运算式包含参数,该参数指定在所述滤波的振幅特性的阻止区域中应该部分地增大衰减量的至少一个衰减频带的衰减量,
所述工序(a)包括:
(a-1)将所述参数的值代入所述运算式,变更所述滤波器系数的工序,
通过进行所述工序(a-1),将所述至少一个衰减频带的衰减量变更为由所述参数指定的期望的衰减量。
15.一种噪声除去方法,其特征在于,包括:
(a)使用规定的运算式求取滤波器系数的工序;和
(b)使用在所述工序(a)中求得的所述滤波器系数,进行数字信号的滤波的工序,其中,
所述运算式包含指定所述滤波的振幅特性的阻止区域的开始频率的参数,
所述工序(a)包括:
(a-1)将所述参数的值代入所述运算式,变更所述滤波器系数的工序,
通过进行所述工序(a-1),将所述阻止区域的开始频率变更为由所述参数指定的期望的频率。
16.一种数字滤波器的设计方法,其为衰减量可变的数字滤波器的设计方法,该衰减量为在振幅特性的阻止区域中应该部分地增大衰减量的至少一个衰减频带的衰减量,该数字滤波器的设计方法的特征在于,包括:
(a)根据所述数字滤波器的基准振幅特性,通过包含指定所述至少一个衰减频带的衰减量的参数的规定的运算式,对所述数字滤波器的滤波器系数进行近似的工序;和
(b)使用所述运算式求取所述滤波器系数的工序,其中,
所述工序(b)包括:
(b-1)将所述参数的值代入所述运算式,变更所述滤波器系数的工序,
通过进行所述工序(b-1),将所述至少一个衰减频带的衰减量变更为由所述参数指定的期望的衰减量。
17.一种数字滤波器的设计方法,其为振幅特性的阻止区域的开始频率可变的数字滤波器的设计方法,该数字滤波器的设计方法的特征在于,包括:
(a)根据所述数字滤波器的基准振幅特性,通过包含指定所述阻止区域的开始频率的参数的规定的运算式,对所述数字滤波器的滤波器系数进行近似的工序;和
(b)使用所述运算式求取所述滤波器系数的工序,其中,
所述工序(b)包括:
(b-1)将所述参数的值代入所述运算式,变更所述滤波器系数的工序,
通过进行所述工序(b-1),将所述阻止区域的开始频率变更为由所述参数指定的期望的频率。
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