JPH06188683A - 適応型ディジタルフィルタ - Google Patents

適応型ディジタルフィルタ

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JPH06188683A
JPH06188683A JP14981392A JP14981392A JPH06188683A JP H06188683 A JPH06188683 A JP H06188683A JP 14981392 A JP14981392 A JP 14981392A JP 14981392 A JP14981392 A JP 14981392A JP H06188683 A JPH06188683 A JP H06188683A
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JP
Japan
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signal
filter
narrow band
digital filter
band signal
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JP14981392A
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English (en)
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Masatada Hata
雅恭 畑
Itsu Takumi
逸 内匠
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 広帯域信号中に単一または複数の狭帯域信号
が混入した対象信号に対して、該狭帯域信号の除去また
は強調を該狭帯域信号の周波数の変動に追従して適応的
に行う。 【構成】 広帯域信号中に単一または複数の狭帯域信号
が混入した対象信号Sから対象信号中の狭帯域信号を個
別に推定する複数個の2次IIR形フィルタAを並列
に接続する。2次IIR形フィルタの零点を決定する乗
算器係数c、dは学習同定法を用いて逐次修正す
る。2次IIR形フィルタの中心周波数すなわち狭帯域
信号の周波数の推定値を決定する乗算器係数aは、加
算1回、除算1回からなる極めて演算量の少ない修正式
にしたがって逐次修正する。 【効果】 従来方式に較べて、少ない演算量かつ小規模
の回路で実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野)本発明は、適応型ラインエンハン
サや適応型ノッチフィルタなどのためのIIR形適応デ
ィジタフイルタの構成ならびに制御に関する。 (従来の技術)第2図は、従来技術の適応ディジタルフ
ィルタの構成図である。図中のFIRフィルタの一般的
な構成図は第3図に示す。広帯域信号中に単一または複
数の狭帯域信号が混入した対象信号sに対して、 遅延
回z−nによってnサンプル周期の遅延を与え、FIR
フィルタの入力とする。FIRフィルタの入力は、FI
Rフィルタの係数k〜kと畳み込まれて、FIRフ
ィルタの出力yとなる。対象信号sからFIRフィルタ
の出力yが減算されて誤差eが得られる。係数制御回路
Cntlは、誤差eの電力が最小となるように、FIR
フィルタの係数を逐次制御する。したがって、 FIR
フィルタ出力yは対象信号sを予測する信号になる。F
IRフィルタは、遅延を伴った対象信号sを基に出力y
を生成するため、FIRフィルタ出力yは、対象信号s
に含まれる強相関成分すなわち狭帯域信号成分のみを予
測可能であり、それゆえ誤差eは対象信号sから狭帯域
信号成分が除去された信号となる。第2図の適応ディジ
タルフィルタは、誤差eを出力信号として使用すれば、
適応ノッチフィルタとして機能し、FIRフィルタ出力
yを出力信号として使用すれば、適応ラインエンハンサ
として機能する。なお、係数制御回路の制御アルゴリズ
ムとしてLMS法や学習同定法が用いられる。上記の技
術に関してはB.Widraw、S.D.Stearn
s著の“Adaptive Signal Proce
ssing ”(Prentice−Hall,In
c.1985年)やB.Friendlanderによ
る“ARecursive Maximun Like
lihood Algorithm For ARMA
Line Enhancanement”(IEEE
Transactions on Acoustic,
Speech,andSignal Pro−cess
ing,vol.ASSP−30,No.4,pp.6
51−657,August 1982)に記載されて
いる。 (発明が解決しようとする問題点)第2図に示される適
応ディジタルフィルタの場合、必要な乗算器の数が数十
から数百と多くなるため回路規模が大きくなるという問
題点がある。第2図に示されるFIR形フィルタの代わ
りにIIR形フィルタを使用する試みがあるが、IIR
形フィルタの場合には、乗算器の係数制御アルゴリズム
が複雑である。また、発振を起こさないためには、II
Rフィルタの極位置がz平面上の単位円外へ出ないよう
に監視する必要があり、次数の2乗に比例した計算時間
を要する多項式因数分解を行なって極の位置を計算しな
くてはならないので、巡回部の次数が高い場合には計算
時間が長くなり過ぎて実現不可能となる。 (問題点を解決するための手段)1個の狭帯域信号を除
去または強調する手段として、1個のIIR形フィルタ
を巡回部を用いるものとする。複数個の狭帯域信号に対
しては、その個数に応じたIIR形フィルタを並列に接
続し、除去または強調を行なうものとする。IIR形フ
ィルタの安定性の確保を容易に行なうために、各IIR
形フィルタの巡回部は2次とする。IIR形フィルタの
極制御すなわち巡回部の乗算器の係数制御においては、
制御アルゴリズムを簡易にし制御回路を小型化するため
に、極のz平面上における原点からの距離はあらかじめ
決定された値に固定し、偏角のみを制御するものとす
る。また、偏角を制御する際に、零点を決定する乗算器
係数の収束値を用いて修正する。 (実施例)第1図に本発明のディジタルフィルタを示
す。広帯域信号中に単一または複数の狭帯域信号が混入
した対象信号sから対象信号s中の狭帯域信号を推定す
るために、AからAまでのi個の2次IIR形フィ
ルタを並列に接続されている。各2次IIR形フィルタ
は1個の狭帯域信号を推定する。 2次IIR形フィルタの零点を決定する乗算器 係数c、dは学習同定法を用いて次式にしたがって
逐次修正される。ここで、nは時刻を示し、c(n)、d(n)はそ
れぞれ時刻nにおける乗算器c、d乗算器係数を示
す。また、x(n)は乗算器cへの入力信号、x
(n−1)は乗算器dへの入力信号をあらわす。乗算
器係数c、dは学習同定法以外に、LMS法などの
各種適応アルゴリズムによって制御することが可能であ
る。一方、2次IIR形フィルタの極を決定する乗算器
係数a、bは、乗算器係数c、dの収束値を用
いて修正を行なう。対象信号sとして、広帯域信号中に
sin(nθ)なる狭帯域の正弦波が混入した場合の
2次IIR形フィルタの係数制御アルゴリズムを以下に
説明する。i番目の2次IIR形フィルタAの極偏角
がθに、極半径はrに設定されているとする。すな
わち、乗算器係数a、bは、 に設定されているものとする。θとθが比較的近い
場合には、2次巡回部の出力であるx(n)は広帯域
信号のほとんどを除去した信号すなわちsin(n
θ)の成分を多く含んだ信号となっているので、si
n(nθ)についてのみ考察する。i番目の2次II
R形フィルタAに入力された信号sin(nθ)は
巡回部を経て次式で示される信号x(n)となる。 このx(n)と1サンプル周期の遅延を与えられた信
号x(n−1)にそれぞれc、dが乗算され、そ
の結果が加算されて2次IIRフィルタの出力yが得
られる。yは次式で与えられる。 ただし、 零点の制御アルゴリズムを用いて乗算器係数c
(n)、d(n)を制御すると、2次IIRフィル
タの出力yと狭帯域信号sin(nθ)とが等しく
なるように乗算器係数c(n)、d(n)が収束す
る。したがって、c(n)、d(n)の収束値は次
の連立方程式の解として与えられる。 以上の式より、乗算器係数d(n)の収束値を計算す
ると、 d=−a−2bcosθ (15) となる。したがって、狭帯域信号の周波数θから、知ることが可能となる。2次IIRフィルタの共
振周波数θと狭帯域信号の周波数θが一致した場合
に最も信号雑音比が高くなるため、狭帯域信号の推定誤
差が最小となる。すなわち、 θ=θ (17) となるように、2次IIRフィルタの共振周波数(極の
偏角)θを修正すれば良い。一方、2次IIRフィル
タの帯域は、狭いことが望ましいので、極の半径r
1に近い値で固定しておいて良い。2次IIRフィルタ
の極の位置を与える乗算器係数a、bと、極の位置
の関係は式4、式5で与えられるため、bは−1に近
い一定値に固定され、aは、 にしたがって修正することで、2次IIRフィルタの共
振周波数θと狭帯域信号の周波数θとを一致させる
ことができる。この極制御方式は上式で示される通り、
極めて計算量が少なく、従来の方式に比較して少ない回
路や、計算性能が低いディジタルシグナルプロセッサで
実現可能となる。以上では、非巡回部の次数が1次の2
次IIRフィルタにおいて、零点を与える乗算器係数の
収束値を用いて極の制御を行なう方式を示したが、非巡
回部の次数が2次以上のIIRフィルタの場合において
も同様な手法によって極の修正アルゴリズムを導くこと
が可能である。 (発明の効果)前述の(実施例に述べた構成と制御方式
を用いた適応ノッチフィルタのシミュレーション結果に
より、本発明の効果を示す。まず、適応ノッチフィルタ
の構成は第1図の通りとし、2次IIRフィルタの個数
は1個で1個の狭帯域信号を除去することを目的とした
シミュレーション結果を示す。対象信号は狭帯域信号s
in(π/8 n)(θ=45゜)と白色ガウス信号
を電力比1対1で混合した信号を使用し、2次IIRフ
ィルタの極半径は0.96に固定、極偏角の初期値はそ
れぞれ39゜、60゜および120゜とした場合につい
て、極偏角の収束過程を第4図に示す。第4図の横軸
は、時間の経過をあらわし、入力信号2000サンプル
を1stepとしている。また、縦軸は、2次IIRフ
ィルタの極偏角θを示す。第4図から知見できる様
に、2次IIRフィルタの極偏角が素早く45゜に収束
しており、零点用乗算器係数の収束値から極偏角の値を
修正する極制御方式の有効性を示している。また、この
シミュレーションでは、除去しきれず誤差として残った
狭帯域信号成分と除去前の狭帯域信号成分との電力比は
−13.5dBとなり、極めて良好な除去能力を示し
た。さらに2次IIRフイルタの極半径を0.99に固
定した場合では、除去しきれず誤差として残った狭帯域
信号成分と除去前の狭帯域信号成分との電力比は−1
9.2dBと、さらに向上することを確認した。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の適応ディジタルフィルタの構成図であ
る。第2図は従来技術のラインエンハンサの構成図であ
る。第3図は従来技術のラインエンハンサに使用される
FIRフィルタの構成図である。第4図は、本発明の適
応ディジタルフィルタを狭帯域信号除去に適用するシミ
ユレーションにける、IIRフィルタの極偏角の収束の
過程を示している。 s……対象信号 e……狭帯域信号除去後の信号 y……狭帯域信号の予測信号 A〜A……2次の巡回部を有するIIRフィルタ z−1……1サンプルの遅延素子(1段シフトレジス
タ) a〜a,b〜b……係数制御回路で制御され、
〜Aの極を決定する乗算器 c〜c,d〜d……係数制御回路で制御され、
〜Aの零点を決定する乗算器 x(n)〜x(n)……乗算器c〜cへの入力
信号 x(n−1)〜x(n−1)……乗算器d〜d
への入力信号 z−1……nサンプルの遅延素子(n段シフトレジス
タ) Fir−Fil……FIRフィルタ CntlSig……乗算器係数制御信号 Cntl……乗算器係数制御回路 k〜k……乗算器係数制御回路で制御される乗算器

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 広帯域信号中に単一または複数の狭帯域信号が混入
    した対象信号に対して、該狭帯域信号の除去または強調
    を行なう手段として、該対象信号を入力とし、該狭帯域
    信号と同等の信号を出力することを目的とした、単一ま
    たは複数並列に接続された2次巡回部を有するIIR形
    ディジタルフィルタと、該対象信号から該2次IIR形
    ディジタルフィルタ出力を減算することによって得られ
    る誤差信号を入力とし、該2次IIR形ディジタルフィ
    ルタ出力が該狭帯域信号と同等になるように該2次II
    R形ディジタルフィルタのフィルタ係数を制御するため
    の係数制御回路を備えることにより、該狭帯域信号の周
    波数変動に追従して除去あるいは強調することを特徴と
    する適応型ディジタルフィルタ。 2 前記第1項において、IIR形ディジタルフィルタ
    の零点を与えるフィルタ係数は誤差信号を小さくするよ
    うに逐次制御し、さらに、 該IIR形ディジタルフィ
    ルタの極を与えるフィルタ係数は該IIR形ディジタル
    フィルタの零点を与えるフィルタ係数の値を用いて制御
    することを特徴とする係数制御回路。
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