JP6099735B2 - 標本化プロセスの妨害除去方法、および、当該妨害除去方法を実施するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、標本化およびアナログデジタル変換された信号のベースバンド中の特定の特性の妨害の有無に依存して標本化周波数を連続変化させる、標本化プロセスの妨害除去方法に関する。

従来技術
センサの測定結果をデジタル評価するためには、アナログセンサ信号を、ないしは、センサによりサンプリングされた信号をデジタル信号に変換しなければならない。こうするためにはしばしば、オーバーサンプリングの利点を利用するアナログデジタルコンバータを用いることが多い。その際には、狭帯域の入力信号を高周波のクロックにより標本化し、その後にアナログデジタルコンバータによってデジタル変換する。有効信号の帯域幅（有効帯域またはベースバンドとも称する）は、標本化周波数の半分よりも格段に小さい。入力信号が高周波の妨害信号を含む場合、この妨害信号はエイリアス効果に起因して、場合によっては有効帯域に畳み込まれて無くなってしまうこともある。このことを防止するためには、通常、標本化前に高周波妨害信号をフィルタリング除去するアンチエイリアシングフィルタを用いる。

図１に、このような状況の周波数グラフを概略的に示す。アナログの有効信号１６は標本化周波数ｆで標本化される。理想的な回路ないしは理想的な方法の場合、この標本化はたとえば、周期Ｔ＝１／ｆを有する周期的なクロック信号を用いて行われる。その際には、この周期内の所定の時点においてそれぞれ、たとえば、周期的な前記クロック信号が所定の電圧を上回るかまたは下回るたびに、標本化値を取得することにより、２つの連続する標本化時点間の時間間隔が常に周期Ｔに相当するようにする。次に、入力信号と標本化関数との積として、標本化された有効信号を時間表現で求める。この標本化関数は、時間間隔Ｔの等間隔の標本化パルス列により与えられるものである。周波数表現ではこの積は、間隔ｆの等間隔のスペクトル線のシーケンスにより与えられる標本化関数の周波数スペクトルにより入力信号の周波数スペクトルを畳み込みしたものに相当する。標本化関数の周波数スペクトル１０を図１に示す。

この入力信号は、重畳された高周波の妨害信号を含むことがあり、この妨害信号はたとえば、電磁波の入力結合時等に生じるものである。従来技術では、標本化前にアンチエイリアシングフィルタを用いて、たとえば伝達関数１４を有するローパスフィルタを用いて、この妨害信号をフィルタリング除去していた。このようにしてフィルタリングされる高周波妨害信号１２の一例を図１に示す。同図中、高周波妨害１２の周波数は標本化周波数ｆの２倍を僅かに上回る。アンチエイリアシングフィルタの伝達関数１４と周波数軸との交点が、０＊ｆからｆ／２の周波数までに及ぶ領域にベースバンド１を制限している。上述のローパスフィルタは、ベースバンド１中に含まれる典型的な有効周波数のアナログ有効信号１６を、可能な限りフィルタリング除去せずに通過させるように構成されている。この手段の欠点は、アンチエイリアシングフィルタを実装しなければならないことである。特に、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）上にアンチエイリアシングフィルタを実現する場合、開発コストおよび面積の消費に繋がる。

図２に、アンチエイリアシングフィルタを用いないアナログ有効信号１６の標本化による周波数スペクトルを示す。このベースバンド１は、アンチエイリアシングフィルタを用いる場合と同様、０＊ｆからｆ／２までの周波数領域全体に及ぶ。しかし、アンチエイリアシングフィルタを用いずに標本化を行う場合フィルタリングされない高周波の妨害源１８を畳み込んだものを表す妨害振幅２０が、たいていはそのまま直接、ベースバンド１に畳み込まれるので、図２中でも図１と同様になっている周波数スペクトル１０の標本化周波数ｆを用いて標本化を行うと、この妨害振幅２０は誤って有効信号１６であると解釈されてしまう。

発明の開示
本発明では、標本化周波数ｆでアナログ信号を標本化するステップと、妨害振幅が存在するか否かを判定するステップとを有する、標本化プロセスの妨害除去方法を提供する。この妨害除去方法はさらに、標本化された信号をアナログデジタル変換するステップを有し、前記妨害振幅が存在するか否かを判定するステップでは、本発明の方法において行った前記アナログデジタル変換のノイズよりも当該妨害振幅の方が大きい場合にのみ、当該妨害振幅が存在するとする。その際には、標本化された有効信号の周波数スペクトルのベースバンド内に妨害振幅が含まれる場合に、妨害振幅が存在するとする。ただし前記ベースバンドは、０ｆからｆ／２までの周波数領域に及ぶものである。妨害振幅が存在する場合、前記標本化周波数ｆを増大または減少させ、この増大または減少した標本化周波数で、アナログ信号を標本化するステップから前記方法を開始する。本発明では、前記標本化周波数ｆを増大または低減させるステップは、閾値ｆ _ｇ に達するまで常に同じ符号の方向に、予め定められた一定の絶対値Δｆだけ漸次的に行う。換言すると、妨害源が存在する場合、増大または減少した新たな標本化周波数で標本化を行う、ということである。そうでない場合には、元の標本化周波数ｆで標本化を継続して行う。

上述の妨害除去方法の利点は、アンチエイリアシングフィルタを用いずにアナログデジタル変換を行った場合、高周波妨害源がベースバンドに畳み込まれることがなくなり、ベースバンド外の周波数領域に畳み込まれるようになることである。このことにより、標本化周波数を変化させるだけで、アナログデジタル変換された有効信号を正確に解釈できるようになり、これにより、アンチエイリアシングフィルタを使用する必要がなくなる。このようにアンチエイリアシングフィルタが不要となることにより、アナログデジタルコンバータを実装するコストおよびスペースを削減することができる。また、アンチエイリアシングフィルタを用いると、有効信号の不所望の減衰も生じてしまうにもかかわらず、依然としてエイリアス効果を引き起こす周波数成分全てを、アンチエイリアシングフィルタによって抑圧できるわけではない。これらの欠点についても、本発明の方法を用いることにより対応することができる。

このようにして、本発明の方法において使用したアナログデジタル変換の、有効信号の解釈に重要でないノイズが、標本化周波数の変化のトリガとなるのを防止することができる。このようにして、有効信号の解釈が高周波の妨害源ないしは妨害振幅により阻害されるときにのみ標本化周波数の変化を行うので、本発明の方法は高効率になる。

このような実施態様により、前記方法を開始するのはもっぱら、妨害源が前記周波数領域の有効帯域において影響を及ぼす場合のみとなり、このことにより本方法は高効率になる。

このように標本化周波数を決定論的に変化させることにより、本方法が高周波の妨害源に及ぼす影響をより良好に特定すること、ないしは、より高精度で制御することができる。というのも、標本化周波数の変化は線形に、すなわち等間隔の幅で行われるからである。標本化周波数が閾値ｆ_ｇよりも上回って変化することがないように制限することにより、重要な領域をはみ出さないように本方法が実施されることを保証することができ、このことにより、ベースバンドにおける有効信号のノイズ重畳が防止される。

上述の実施形態をさらに発展させた有利な実施態様では、閾値ｆ_Ｇを含む以下の規則に従ってΔｆを形成する：
ｆ_{vergroessert/verkleinert}＝ｆ＋Δｆ
ここで、
Δｆ＝（ｆ_ｇ−ｆ_１，０）／ｎ、

であり、
ｆ_１，０は、初期の標本化周波数である。

前記実施形態をさらに発展させた有利な実施態様では、前記閾値ｆ_Ｇは、標本化プロセスにおいて使用されるサンプルアンドホールド回路のアパーチャジッタの値によって規定される。このように規定することにより、標本化周波数を変化させる余地を最大限にすることができる、本方法の最大可能閾値ｆ_ｇを選択することができる。

１つの有利な実施形態では、前記閾値ｆ_Ｇは最大で、初期の標本化周波数を５％増大または減少させたものである。

１つの有利な実施形態では、前記閾値ｆ_Ｇは最大で、初期の標本化周波数を１％増大または減少させたものである。

有利にはｎは、整数の部分集合Ｍから選択され、ここで、

である。このように選択されるパラメータｎにより、可能な変化幅の個数を、回路技術で実現するのに有利である変化幅数に制限することができる。さらに有利には、

を適用する。

本願ではさらに、周期的なクロック信号を生成し、かつ、制御信号を受信したときに当該周期的なクロック信号の周期を変化させるように構成されたクロックジェネレータを含む装置を開示する。さらに前記装置は、前記周期的なクロック信号をアナログの有効信号の標本化に用いて標本化有効信号を生成するように構成された標本化手段も含む。また、前記標本化有効信号をデジタルの有効信号に変換するように構成されたアナログデジタルコンバータも設けられている。
妨害振幅判定手段は、前記デジタルの有効信号に妨害振幅が重畳されているか否かを判定するように構成されている。その際には、実施されたアナログデジタル変換のノイズよりも妨害振幅の方が大きい場合、および、標本化された有効信号の周波数スペクトルのベースバンド内に当該妨害振幅が包含される場合にのみ、妨害振幅が存在するとする。前記ベースバンドは、０＊ｆからｆ／２までの周波数領域に及ぶ。妨害振幅が存在する場合、前記標本化手段において、閾値ｆ _ｇ に達するまで常に同一の符号の方向に、予め定められた一定の絶対値Δｆだけ前記標本化周波数ｆを変化させるように、妨害振幅判定手段により制御信号が生成されてクロックジェネレータへ供給される。

図面
図面と、下記の記載とに基づいて、本発明の実施例を詳細に説明する。

従来技術のアンチエイリアシングフィルタを用いた有効信号の標本化の周波数スペクトルを示す。 従来技術のアンチエイリアシングフィルタを用いない有効信号の標本化の周波数スペクトルを示す。 本発明の方法を用いて行った、有効信号の特殊な標本化の周波数スペクトルを示す。 本発明の方法を実施するための装置の基本的構成を示す。 本発明の方法を実施するための装置の特別な実施形態の基本的構成を示す。

本発明の実施形態
図３に、本発明の方法を用いて行った、有効信号の特殊な標本化の周波数スペクトルを示す。ベースバンド１は０ｆからｆ／２までの周波数領域に及ぶ。アナログの有効信号１６は、第１の標本化周波数１７で標本化される。フィルタリングされなかった高周波の妨害源１８の妨害振幅２０がある場合、本発明の方法においてこの妨害振幅２０を識別する。その後に本発明の方法では、標本化周波数１７を、増大または減少した標本化周波数２２に変化させ２４、この増大または減少した標本化周波数２２で前記方法を再び、アナログ有効信号１６の標本化ステップから開始する（図示されていない）。妨害振幅２０が、本方法において実施されるアナログデジタル変換のノイズ３より大きい場合、および、当該妨害振幅２０がさらにベースバンド１に存在する場合にのみ、妨害振幅２０があると判定する。この妨害振幅２０を識別すると、本実施例では標本化周波数１７を標本化周波数２２にまで低下させる。これにより、フィルタリングされなかった高周波の妨害源１８の、ベースバンド１に畳み込まれていた妨害振幅２０が、当該ベースバンド１外の周波数領域にシフトする２５。この場合、フィルタリングされなかった高周波の妨害源１８の妨害振幅２０が識別されなくなるまで、つまり、ベースバンド１外の周波数領域に畳み込まれて当該ベースバンド１に畳み込まれなくなるまで、常に同じ符号の方向に、予め定められた一定の絶対値だけ標本化周波数１７から標本化周波数２２へ漸次的に変化させる。この場合には、標本化周波数１７から減少した標本化周波数２２への変化２４は、常に同じ符号の一方向の多数の一定の規定された変化ステップから成り、この変化ステップはたとえばｎ個であり、図３では前記符号は負である。その際には、標本化周波数１７の変化２４の量を、つまり、標本化周波数の増大量、または、本実施例と同様に標本化周波数を減少するときの量を閾値１５により制限することができ、この閾値１５を超えると標本化周波数の変化をもはや行わないようにすることができる。その際には前記閾値１５は、本発明の方法にて使用されるサンプルアンドホールド回路のアパーチャジッタに応じて決定することが可能であるが、当初の標本化周波数１７を最大Ｘ％増大または減少させたものの値、有利には１％または５％増大または減少させたものの値に制限することもできる。標本化周波数１７を標本化周波数２２に向かって漸次的に、常に同一方向に、最大で閾値１５自体まで変化２４させるときの変化量は、たとえば、選択ないしは設定された前記閾値１５を用いて、閾値１５と第１の標本化周波数との差をｎ個の部分ステップに分解する形成規則により決定することも可能である。

図４に、本発明の方法を実施するための装置の基本的構成を示す。この構成ではクロックジェネレータ６０が設けられており、このクロックジェネレータ６０は、周期的なクロック信号６５を生成し、かつ、制御信号５５を受信したときにはこの周期的なクロック信号６５の周期を変化させるように構成されている。前記周期的なクロック信号６５は標本化手段３０へ供給され、当該標本化手段３０において周期的なクロック信号６５は、アナログ有効信号１６の標本化のために用いられる。標本化手段３０はさらに、標本化有効信号３８を生成してアナログデジタルコンバータ４０へ供給するように構成されている。アナログデジタルコンバータ４０は、標本化有効信号３８をデジタル有効信号４５に変換し、妨害振幅検出手段５０へ供給するように構成されている。この妨害振幅検出手段５０では、デジタル有効信号４５に妨害振幅２０が重畳されているか否か、ないしは、妨害振幅２０が存在するか否かを判定する。妨害振幅２０が存在する場合には、妨害振幅検出手段５０において制御信号５５が生成されてクロックジェネレータ６０へ供給され、当該クロックジェネレータ５０はこれに応じて、周期的なクロック信号６５の周期を変化させる。妨害振幅２０が存在しない場合には、前記制御信号５５は生成されない。したがって、標本化手段３０とアナログデジタルコンバータ４０と妨害振幅検出手段５０とクロックジェネレータ６０とは閉ループ制御回路を構成する。ここで図示した装置では、クロックジェネレータ６０と標本化手段３０とアナログデジタルコンバータ４０と妨害振幅検出手段５０とは、相互に別個のユニットないしは構成部品として示されているが、これらの構成要素を任意に、空間的にも機能的にも相互に組み合わせることも可能である。たとえば単なる一例として、標本化およびアナログデジタル変換の双方を１つの要素で行うことが可能である。

図５は、本発明の方法を実施するための装置の特別な実施形態の基本的構成を示す。同図では、アナログデジタルコンバータ４０と標本化手段３０とを、アナログデジタル変換３０，４０のための１つの機能的ユニットとして示されている。ここでは、標本化手段３０はサンプルアンドホールド回路として構成されており、このサンプルアンドホールド回路のスイッチング手段およびホールドキャパシタは、図５において概略的に示されている。前記アナログデジタル変換のための機能ユニット３０，４０は妨害振幅検出手段５０に接続されており、妨害振幅検出手段５０はこの実施例では、デジタルコンパレータを有するデジタル部として実現されている。このデジタル部は、発振器として構成されたクロックジェネレータ６０に接続されており、かつ、クロックジェネレータ６０は前記アナログデジタル変換のための機能ユニット３０，４０に接続されている。このようにして、アナログデジタル変換のための機能ユニット３０，４０とクロックジェネレータ６０と妨害振幅検出手段５０とを用いて閉ループ制御回路が構成される。前記発振器では、前記周期的なクロック信号６５は周期Ｔと周波数ｆ＝１／Ｔとで生成される。この周期的なクロック信号６５はサンプルアンドホールド回路へ供給され、サンプルアンドホールド回路のスイッチング手段を前記周波数ｆで開閉するために用いられる。サンプルアンドホールド回路へ前記周期的なクロック信号６５の他にさらにアナログ有効信号１６も供給すると、このアナログ有効信号１６は、上述の周波数ｆに相当する最初の第１の標本化周波数１７で標本化され、これも、アナログデジタル変換のための機能ユニット３０，４０においてアナログデジタル変換される。アナログデジタル変換のための機能ユニット３０，４０の出力端ではデジタル有効信号４５が出力され、これは前記デジタル部へ供給される。デジタル部のデジタルコンパレータにおいて、前記デジタル有効信号４５は少なくとも１つの基準値と比較される。この基準値はたとえば、前置のアナログデジタル変換のノイズ３の平均振幅値に相当するものである。デジタル有効信号４５が前記少なくとも１つの基準値より大きい場合、デジタル部において制御信号５５が、有利にはたとえば１０ビットのトリミング信号が生成され、前記発振器へ供給される。この発振器において前記周期的なクロック信号６５の周期が、制御信号５５に応じて増大または減少した標本化周波数２２に変化する。図５において概略的に示した（発振器の機能ブロックにおける）クロック推移を見ると、標本化周波数２２は標本化周波数１７より大きいことが分かる。デジタル有効信号４５がデジタル部５０のデジタルコンパレータの前記少なくとも１つの基準値を下回るまで、または、最大周波数変化が所定の閾値１５に達するまで、標本化周波数を適合させる。

その他の点については、どの実施例においても閾値１５に達すると、たとえば、当初の標本化周波数１７をＸ％増大させたものに達すると、当初の標本化周波数１７をＸ％減少させて前記方法を再び開始することができ、これにより、ベースバンド１中に妨害振幅２０が含まれていても標本化周波数をループで連続変化させることができる。たとえば、当初の標本化周波数１７をＸ％減少させたものである閾値１５に達した場合、当初の標本化周波数１７をＸ％増大させて前記方法を同様に開始させる。

Claims (6)

1. 標本化プロセスの妨害除去方法であって、
   アナログの有効信号（１６）を標本化周波数ｆ（１７）で標本化するステップと、
   妨害振幅（２０）が存在するか否かを判定するステップと
   を有し、
   前記妨害振幅が存在するか否かを判定するステップでは、前記妨害除去方法において実施されるアナログデジタル変換のノイズ（３）よりも妨害振幅（２０）の方が大きい場合、および、標本化された有効信号（３８）の周波数スペクトルのベースバンド（１）内に当該妨害振幅（２０）が包含される場合にのみ、妨害振幅が存在するとし、
   前記ベースバンド（１）は、０＊ｆからｆ／２までの周波数領域に及び、
   妨害振幅（２０）が存在する場合、前記標本化周波数ｆ（１７）を増大または減少させ、増大または減少した前記標本化周波数ｆ（１７）で、前記アナログの有効信号（１６）を標本化するステップから前記妨害除去方法を再開する、
   妨害除去方法において、
   前記標本化周波数ｆ（１７）を増大または減少させるステップは、閾値ｆ_ｇ（１５）に達するまで、常に同じ符号の方向に、予め定められた一定の絶対値Δｆだけ漸次的に行い、
   前記閾値ｆ_Ｇ（１５）は、前記標本化プロセスにおいて使用されるサンプルアンドホールド回路のアパーチャジッタの値により規定されている、
   ことを特徴とする、妨害除去方法。
2. 前記Δｆは、前記閾値ｆ_Ｇ（１５）を含む以下の規則
   ｆ_{vergroessert/verkleinert}＝ｆ＋Δｆ
   に従って形成され、
   ここで、
   ｆ _{vergroessert/verkleinert} は、増大または減少した前記標本化周波数ｆ（１７）であり、
   Δｆ＝（ｆ_ｇ−ｆ_１，０）／ｎ、
   

   

   であり、
   ｆ_１，０は、初期の前記標本化周波数、Ｚは、整数の集合である、
   請求項１記載の妨害除去方法。
3. 前記閾値ｆ_Ｇ（１５）は最大で、初期の前記標本化周波数（１７）を５％増大または減少させたものである、
   請求項１または２記載の妨害除去方法。
4. 前記閾値ｆ_Ｇ（１５）は最大で、初期の前記標本化周波数（１７）を１％増大または減少させたものである、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の妨害除去方法。
5. ｎは、整数の部分集合Ｍから選択され、ただし
   

   

   である、
   請求項２記載の妨害除去方法。
6. 周期的なクロック信号（６５）を生成し、かつ、制御信号（５５）を受信したときには当該周期的なクロック信号（６５）の周期を変化させるように構成されているクロックジェネレータ（６０）と、
   前記周期的なクロック信号（６５）を標本化周波数ｆとして使用してアナログの有効信号（１６）を標本化し、標本化有効信号（３８）を生成するように構成された標本化手段（３０）と、
   前記標本化有効信号（３８）をデジタル有効信号（４５）に変換するように構成されたアナログデジタルコンバータ（４０）と、
   前記デジタル有効信号（４５）に妨害振幅（２０）が重畳されているか否かを判定するように構成された妨害振幅判定手段（５０）と
   を有する装置であって、
   実施されるアナログデジタル変換のノイズ（３）よりも妨害振幅（２０）の方が大きい場合、および、標本化された有効信号の周波数スペクトルのベースバンド内に当該妨害振幅が包含される場合にのみ、妨害振幅（２０）が存在するとされ、
   前記ベースバンド（１）は、０＊ｆからｆ／２までの周波数領域に及び、
   妨害振幅（２０）が存在する場合、閾値ｆ_ｇ（１５）に達するまで、常に同じ符号の方向に、予め定められた一定の絶対値Δｆだけ前記標本化周波数ｆ（１７）を漸次的に変化させるように、前記妨害振幅判定手段によって制御信号（５５）が生成され、前記クロックジェネレータ（６０）へ供給され、
   前記閾値ｆ_Ｇ（１５）は、前記標本化プロセスにおいて使用されるサンプルアンドホールド回路のアパーチャジッタの値により規定されている、
   ことを特徴とする装置。

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