JP2019117999A - ノイズ除去フィルタ装置及びノイズ除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直流成分に対してノイズ成分が重なる信号からノイズを効率的に除去できるノイズ除去フィルタ装置を提供する。【解決手段】信号のサンプリングデータが入力するＩＩＲ型ノッチフィルタ６２６と、サンプリングデータの後進差分を算出し、差分データを出力する差分算出部６２１と、この差分データからノイズ成分を除去するようにフィルタ係数の更新を繰り返すＩＩＲ型適応ノッチフィルタ６２２と、適応ノッチフィルタ６２２のフィルタ係数の収束状態を監視するフィルタ係数監視部６２３とを備え、適応ノッチフィルタ６２２のフィルタ係数が収束状態にあるとき、そのフィルタ係数がノッチフィルタ６２６のフィルタ係数としてコピーされる。効率的なノイズ除去が可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、信号に重畳するノイズを除去するノイズ除去フィルタ装置とノイズ除去方法に関し、高精度のノイズ除去を短時間で実施できるようにしたものである。

ＩＩＲ（Infinite Impurse Response）型のノッチフィルタは、音声・音響信号や生体信号等からノイズを除去するために、様々な信号処理分野で使われている。
例えば下記特許文献１には、受信波中の妨害波を除去するために無線受信機で利用されるノッチフィルタが記載されている。

特開２００２−２４６９２６号公報

薬液などの液体を容器に入れて計量装置で計量する場合、液体が揺れていると、揺れの周波数に対応するノイズが重量値に加算されるため、揺れが収まるまで待たなければ高精度の計量ができないという問題がある。
本発明は、このように、大きな直流成分（即ち、被計量物の重量値）に対してノイズ成分が重なる信号からノイズ成分を効率的、且つ、高精度に除去できるノイズ除去フィルタ装置とノイズ除去方法とを提供することを目的としている。

本発明は、直流成分にノイズが重畳した信号からノイズを除去するノイズ除去フィルタ装置であって、信号のサンプリングデータが入力するＩＩＲ型ノッチフィルタと、信号のサンプリングデータが順次入力し、前後するサンプリングデータの差分を算出してサンプリング差分データを生成する差分算出部と、このサンプリング差分データからノイズ成分を除去するようにフィルタ係数の更新を繰り返すＩＩＲ型適応ノッチフィルタと、適応ノッチフィルタのフィルタ係数の収束状態を監視するフィルタ係数監視部と、を備え、適応ノッチフィルタのフィルタ係数が収束状態にあるとき、そのフィルタ係数がノッチフィルタのフィルタ係数としてコピーされ、信号のサンプリングデータが入力したノッチフィルタから、ノイズが除去されたサンプリングデータが出力されることを特徴とする。
このノイズ除去フィルタ装置では、信号のノイズ除去が可能なフィルタ係数をＩＩＲ型適応ノッチフィルタからＩＩＲ型ノッチフィルタにコピーしているため、効率的なノイズ除去が可能である。

また、本発明のノイズ除去フィルタ装置では、ノッチフィルタの出力に対してノッチフィルタのステップ応答を補正するステップ応答補正部を更に設けることが望ましい。
ノッチフィルタのステップ応答を補正することで、高精度のノイズ除去が可能になる。

また、本発明のノイズ除去フィルタ装置では、適応ノッチフィルタのフィルタ係数が収束状態に無いとき、信号のサンプリングデータがノッチフィルタを経ずに出力される。
これは、ノッチフィルタのフィルタ係数の更新が完了しなければ、信号に対するノイズ除去効果が得られないためである。

また、本発明は、直流成分にノイズが重畳した信号からノイズを除去するノイズ除去方法であって、信号の時間的に前後するサンプリングデータの差分を算出してサンプリング差分データを生成する差分算出ステップと、このサンプリング差分データをＩＩＲ型適応ノッチフィルタに供給し、適応ノッチフィルタにサンプリング差分データからノイズ成分を除去するようにフィルタ係数の更新を行わせるフィルタ係数算出ステップと、適応ノッチフィルタのフィルタ係数が収束状態にあるとき、信号のサンプリングデータを供給するＩＩＲ型ノッチフィルタのフィルタ係数として、適応ノッチフィルタのフィルタ係数をコピーするフィルタ係数設定ステップと、を備える。
この方法により、直流成分にノイズが重畳した信号から効率的にノイズを除去することができる。

本発明のノイズ除去フィルタ装置及びノイズ除去方法により、直流成分にノイズが重畳した信号から、効率的、且つ、高精度にノイズを除去することができる。

本発明の実施形態に係るノイズ除去フィルタ装置を示す図 ＩＩＲ適応ノッチフィルタのブロック図 ＩＩＲノッチフィルタのブロック図 ステップ応答補正を説明する数式 （ａ）図１の装置不使用、（ｂ）図１のノッチフィルタ処理、（ｃ）図１のノッチフィルタ処理及びステップ応答補正処理、を受けた信号の特性を示す図 本発明のノイズ除去方法を示すフロー図

（第1の実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係るノイズ除去フィルタ装置の構成をブロック図で示している。
この装置は、直流成分にノイズが重畳した入力信号のサンプリングデータが入力し、このサンプリングデータの後退差分を算出して差分信号を出力する差分算出部６２１と、差分信号からノイズを除去するようにフィルタ係数の更新を繰り返すＩＩＲ型適応ノッチフィルタ６２２と、適応ノッチフィルタ６２２のフィルタ係数の収束状態を監視するフィルタ係数監視部６２３と、入力信号のサンプリングデータのノイズを除去するＩＩＲ型ノッチフィルタ６２６と、適応ノッチフィルタ６２２のフィルタ係数が収束状態にあるとき、適応ノッチフィルタ６２２のフィルタ係数をノッチフィルタ６２６のフィルタ係数としてコピーする係数更新部６２４と、ノッチフィルタ６２６の出力のステップ応答を補正するステップ応答補正部６２７と、適応ノッチフィルタ６２２のフィルタ係数が収束状態に無いとき、入力のサンプリングデータをノッチフィルタ６２６を通さずに出力する選択部６２５と、を備えている。

なお、差分算出部６２１、適応ノッチフィルタ６２２、フィルタ係数監視部６２３、ノッチフィルタ６２６、係数更新部６２４、ステップ応答補正部６２７及び選択部６２５は、マイクロコンピュータやＤＳＰ（Digital Signal Processer）等の演算処理装置がプログラムで指定された処理を実行することにより実現される。

この装置において、差分算出部６２１は、入力するサンプリングデータの時間的に前後するデータｘ（ｎ）、ｘ（ｎ−１）を用いて次式（数２）により差分信号ｙ（ｎ）を算出し、出力する。
ｙ（ｎ）＝ｘ（ｎ）−ｘ（ｎ−１） （数２）
ｙ（ｎ）は、入力信号から直流成分を除いたノイズ成分の信号に相当する。

適応ノッチフィルタ６２２は、図２に示す構成を有している。この適応ノッチフィルタ６２２は、差分信号ｙ（ｎ）からノイズ成分を除去するため、次式（数３）によりノッチ係数ａ（ｎ）の更新を繰り返す。
ａ（ｎ＋１）＝ａ（ｎ）−μ（ｎ）ｕ（ｎ−１）ｅ（ｎ） （数３）
μ（ｎ）＝μ₀Σλ^kｅ²（ｎ−ｋ）
（Σは、ｋ＝０からｎまで加算）
（数３）において、λは忘却係数、μ₀はステップサイズ、μ（ｎ）は可変ステップサイズである。

係数監視部６２３は、適応ノッチフィルタ６２２のフィルタ係数ａ（ｎ）を監視し、
ａ（ｎ）−ａ（ｎ−１）≦０．０２ （数４）
のとき、フィルタ係数が収束状態にあると判定し、（数４）の収束条件を満たさないとき、フィルタ係数が収束状態にないと判定する。係数監視部６２３は、その判定結果を選択部６２５及び係数更新部６２４に伝える。
ノッチフィルタ６２６は、図３に示す構成を有している。この構成は、適応ノッチフィルタ６２２（図２）と同様である。
適応ノッチフィルタ６２２のフィルタ係数が収束状態にあるとき、選択部６２５は、入力するサンプリングデータｘ（ｎ）をノッチフィルタ６２６に供給し、係数更新部６２４は、ノッチフィルタ６２６のフィルタ係数として適応ノッチフィルタ６２２のフィルタ係数をコピーする。
この処理を受けたノッチフィルタ６２６は、入力信号からノイズ成分を除いた信号を出力する。

なお、選択部６２５は、適応ノッチフィルタ６２２のフィルタ係数が収束状態にないときには、入力信号を、ノッチフィルタ６２６を通さずに出力する。これは、ノッチフィルタ６２６のフィルタ係数の更新が完了しなければ、入力信号に対するノイズ除去効果が得られないためである。

ステップ応答補正部６２７は、ノッチフィルタ６２６のステップ応答による出力信号の乱れを補正する。
ステップ信号が入力するノッチフィルタ６２６では、帯域幅決定パラメータｒの値に応じて、リンギングや立ち上がりの遅れなどのステップ応答が発生する。ステップ応答補正部６２７は、ノッチフィルタ６２６の出力信号に含まれる「ステップ応答を悪化させる成分」を打ち消す信号を発生して、出力信号の乱れを補正する。

具体的には、次のとおりである。
図４に示すように、ノッチフィルタの伝達関数は（数５）で表せる。ここで、Ｘ（ｚ）は入力、Ｙ（ｚ）は出力である。
（数６）に示す振幅Ａのステップ信号がノッチフィルタに入力すると、ノッチフィルタの出力は（数７）のようになる。
（数７）を逆Ｚ変換すると、ノッチフィルタの出力ｙ（ｎ）は（数８）のようになる。
（数８）において第２項がステップ応答を悪化させる項である。
ステップ応答補正部６２７は、ノッチフィルタ入力の瞬時値ｘ（ｎ）を用いて、ノッチフィルタの出力ｙ（ｎ）から（数８）の第２項をキャンセルさせる項（（数９）の第２項）を作成し、「ステップ応答を悪化させる成分」を打ち消した（数９）のｗ（ｎ）をステップ応答補正部６２７から出力する。

図５は、容器に液体を入れたものを被計量物として計量装置で計量したときの計量信号の時間変動を示している。図５（ａ）は、ノイズ除去フィルタ装置６０を使用しないときの計量信号の特性を示し、図５（ｂ）は、ノイズ除去フィルタ装置６０のノッチフィルタ６２６で処理された段階の計量信号の特性を示し、図５（ｃ）は、ノイズ除去フィルタ装置６０のノッチフィルタ６２６及びステップ応答補正部６２７での処理を受けた計量信号の特性を示している。
図５から、ノッチフィルタ６２６のノイズ除去により、液揺れの影響が短時間で除去できることが分かり、ノッチフィルタ６２６のノイズ除去とステップ応答補正部６２７のステップ応答補正とを併せて行うことにより、液揺れの影響がさらに短時間で収束することが分かる。

図６は、このノイズ除去フィルタ装置６０によるノイズ除去手順をフロー図で示している。
入力信号の時間的に前後するサンプリングデータの差分を算出し（ステップ１）、得られたサンプリング差分データを適応ノッチフィルタ（ＡＮＦ）に与えて、ノイズ除去が可能なフィルタ係数を求める（ステップ２）。

適応ノッチフィルタのフィルタ係数が収束条件を満たす場合は（ステップ３でＹｅｓ）、そのフィルタ係数を、入力信号のサンプリングデータが入力するノッチフィルタ（ＮＦ）のフィルタ係数として設定し、そのノッチフィルタで入力信号のサンプリングデータのノイズを除去する（ステップ４）。
また、ステップ３において、適応ノッチフィルタのフィルタ係数が収束条件を満たさない場合は（ステップ３でＮｏ）、入力信号のサンプリングデータをノッチフィルタを通さずに出力する。
入力信号のサンプリングデータのノイズをノッチフィルタで除去したときは、ノッチフィルタの出力に対してノッチフィルタのステップ応答を補正する処理を行った後、出力する（ステップ５）。
こうした処理により、直流成分にノイズが重畳した入力信号のノイズを効率的、且つ、高精度に除去することができる。

ここでは、液体を被計量物とするときの計量信号からノイズ除去を行う場合について説明したが、本発明は、サンプリングデータの差分算出によりノイズ成分が抽出できる信号であれば適用が可能である。

本発明のノイズ除去フィルタ装置には、次のような態様も含まれる。
ノイズ除去フィルタ装置が、適応ノッチフィルタのフィルタ係数の収束状態を監視するフィルタ係数監視部を備え、適応ノッチフィルタのフィルタ係数が収束状態にあるとき、適応ノッチフィルタのフィルタ係数がコピーされたノッチフィルタに入力信号のサンプリングデータが供給され、適応ノッチフィルタのフィルタ係数が収束状態に無いとき、サンプリングデータがノッチフィルタを経ずに出力されること。

本発明のノイズ除去方法には、次のような態様も含まれる。
ノッチフィルタの出力のステップ応答を補正するステップ応答補正ステップを更に備えること。
フィルタ係数算出ステップにおいて、適応ノッチフィルタのフィルタ係数の収束状態を監視し、フィルタ係数が収束状態にあるとき、フィルタ係数設定ステップに進み、適応ノッチフィルタのフィルタ係数が収束状態に無いとき、入力信号のサンプリングデータを、ノッチフィルタを経ずに出力すること。

本発明のノイズ除去フィルタ装置及びノイズ除去方法は、信号のノイズを効率的に除去することが可能であり、音声・音響信号や生体信号、計測信号等の信号処理を扱う広い分野において利用することができる。

６０ ノイズ除去フィルタ装置
６２１ 差分算出部
６２２ 適応ノッチフィルタ
６２３ フィルタ係数監視部
６２４ 係数更新部
６２５ 選択部
６２６ ノッチフィルタ
６２７ ステップ応答補正部

Claims (4)

1. 直流成分にノイズが重畳した信号から前記ノイズを除去するノイズ除去フィルタ装置であって、
   前記信号のサンプリングデータが入力するＩＩＲ型ノッチフィルタと、
   前記信号のサンプリングデータが順次入力し、前後する前記サンプリングデータの差分を算出してサンプリング差分データを生成する差分算出部と、
   前記サンプリング差分データからノイズ成分を除去するようにフィルタ係数の更新を繰り返すＩＩＲ型適応ノッチフィルタと、
   前記適応ノッチフィルタの前記フィルタ係数の収束状態を監視するフィルタ係数監視部と、
   を備え、
   前記適応ノッチフィルタの前記フィルタ係数が収束状態にあるとき、該フィルタ係数が前記ノッチフィルタのフィルタ係数としてコピーされ、
   前記信号のサンプリングデータが入力した前記ノッチフィルタから、前記ノイズが除去されたサンプリングデータが出力されることを特徴とするノイズ除去フィルタ装置。
2. 請求項１に記載のノイズ除去フィルタ装置であって、
   前記ノッチフィルタの出力に対して該ノッチフィルタのステップ応答を補正するステップ応答補正部を更に備えるノイズ除去フィルタ装置。
3. 請求項１または２に記載のノイズ除去フィルタ装置であって、
   前記適応ノッチフィルタの前記フィルタ係数が収束状態に無いとき、前記信号のサンプリングデータが前記ノッチフィルタを経ずに出力されるノイズ除去フィルタ装置。
4. 直流成分にノイズが重畳した信号から前記ノイズを除去するノイズ除去方法であって、
   前記信号の時間的に前後するサンプリングデータの差分を算出してサンプリング差分データを生成する差分算出ステップと、
   前記サンプリング差分データをＩＩＲ型適応ノッチフィルタに供給し、該適応ノッチフィルタに前記サンプリング差分データからノイズ成分を除去するようにフィルタ係数の更新を行わせるフィルタ係数算出ステップと、
   前記適応ノッチフィルタの前記フィルタ係数が収束状態にあるとき、前記信号のサンプリングデータを供給するＩＩＲ型ノッチフィルタのフィルタ係数として、前記適応ノッチフィルタの前記フィルタ係数をコピーするフィルタ係数設定ステップと、
   を備えるノイズ除去方法。