(57)【要約】【課題】フィルタ係数を自動に算出し、フィルタとして機能するデジタル帯域通過フィルタを提供する。【解決手段】対象信号周波数上限の２倍以上の周波数に相当する標本化周期Ｔｓで標本化され標本番号ｎについて表された時系列データの入力Ｘ（ｎ）に対してフィルタ計算を行い出力Ｙ（ｎ）を得るフィルタ計算器１０と、標本化周期Ｔｓ，フィルタの中心周波数仕様値Ｆｋ及び帯域幅仕様値Ｎｋに対してフィルタの係数を算出する係数算出器２０とからなるデジタル帯域通過フィルタユニット１００〜１０２、利得を設定する利得設定器４０、標本化周期Ｔｓ，フィルタの中心周波数要求値Ｆ，帯域幅要求値Ｎに対して各デジタル帯域通過フィルタユニット仕様値Ｔｓ、Ｆｋ及びＮｋを算出し、並びに利得設定器用仕様値Ｇを算出するユニット仕様値算出器３０よりなるものである。【選択図】　　　　　　図１
2004023710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象信号周波数上限の２倍以上の周波数に相当する標本化周期Ｔｓで標本化され標本番号ｎについて表された時系列データの入力Ｘ（ｎ）に対してフィルタ計算を行い出力Ｙ（ｎ）を得るフィルタ計算器（１０）と、
標本化周期Ｔｓ，フィルタの中心周波数仕様値Ｆｋ及び帯域幅仕様値Ｎｋに対してフィルタ計算機（１０）の計算式の係数を算出する係数算出器（２０）と
からなるデジタル帯域通過フィルタユニット（１００）、
デジタル帯域通過フィルタユニットの出力Ｙ（ｎ）側に介在させた利得設定器（４０）と，
標本化周期Ｔｓ，フィルタの中心周波数要求値Ｆ，帯域幅要求値Ｎの信号を受取り，デジタル帯域通過フィルタユニット（１００）への中心周波数仕様値Ｆｋ，帯域幅仕様値Ｎｋを算出して出力すると共に利得設定器用仕様値Ｇを算出して出力するユニット仕様値算出器（３０）よりなるデジタル帯域通過フィルタ装置。
【請求項２】
標本化周期Ｔｓ，フィルタの中心周波数要求値Ｆ，帯域幅要求値Ｎの信号を受取ったユニット仕様値算出器（３０）によって中心周波数仕様値Ｆｋ，帯域幅仕様値Ｎｋを算出してデジタル帯域通過フィルタユニット（１００）へ出力し、計数算出器（２０）とフィルタ計算器（１０）を含むフィルタユニット（１００）の係数算出器（２０）がユニット仕様算出器（３０）から受取った前記仕様値によりフィルタ係数を算出してフィルタ計算器（１０）に入力し、
フィルタ計算器（１０）が対象信号周波数上限の２倍以上の周波数に相当する標本化周期Ｔｓで標本化され標本番号ｎについて表された時系列データの入力Ｘ（ｎ）に対してフィルタ計算を行い出力Ｙ（ｎ）を出力し、デジタル帯域通過フィルタユニットの出力Ｙ（ｎ）側に介在させた利得設定器（４０）へ前記ユニット仕様値算出器（３０）の利得設定器用仕様値Ｇを入力することを特徴とするデジタル帯域通過フィルタ方法。
【請求項３】
対象信号周波数上限の２倍以上の周波数に相当する標本化周期Ｔｓで標本化され標本番号ｎについて表された時系列データの入力Ｘ（ｎ）に対してフィルタ計算を行い出力Ｙ（ｎ）を得るフィルタ計算器（１０）と、
標本化周期Ｔｓ，フィルタの中心周波数仕様値Ｆｋ及び帯域幅仕様値Ｎｋに対してフィルタ計算器（１０）の計算式の係数を算出する係数算出器（２０）と
からなるデジタル帯域通過フィルタユニット（１００）、
及び周波数伝達特性調整のために所要の個数だけ追加して直列に接続した複数個のデジタル帯域通過フィルタユニット（１０１，１０２）、
末尾のデジタル帯域通過フィルタユニットの出力Ｙ（ｎ）側に介在させた利得設定器（４０）と、
標本化周期Ｔｓ，フィルタの中心周波数要求値Ｆ，帯域幅要求値Ｎの信号を受取り、各デジタル帯域通過フィルタユニット（１００，１０１，１０２）への中心周波数仕様値Ｆｋ，帯域幅仕様値Ｎｋを算出して出力すると共に利得設定器用仕様値Ｇを算出するユニット仕様値算出器（３０）よりなるデジタル帯域通過フィルタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、通信、音響及び計測信号のデジタル信号処理において、任意の標本化周期で標本化された時系列データに対して、要求される中心周波数及び帯域幅の値に追随して、周波数成分を通過させるデジタル帯域通過フィルタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、ある値の標本化周期で標本化された時系列データに対して、特開平１０−３１５４４号公報に記載しているようなデジタル帯域通過フィルタを構成するには、通過帯域や遮断周波数帯域とそれらにおける伝達率を指定して汎用のデジタルフィルタ係数算出アルゴリズムにより係数を算出し、それら係数によるデジタルフィルタの周波数特性および時間応答特性等が要求仕様を満足していることを確認の後に、使用に供していた。
【０００３】
しかしながら、入力される時系列データの標本化周期が異なるとか、通過帯域の中心周波数あるいは通過帯域幅を変更したいとかの場合には、その都度にデジタルフィルタ係数を算出する必要があり、上記従来の方法は、デジタルフィルタ係数を算出する際に、一般には人の作業と判断が必要であり、自動化するには特開平０５−１６５９０９号公報に記載しているような最適な係数に近づく繰り返しと判断とを行うような特別な方式を必要とするため、デジタルフィルタ係数の算出に相当の時間と手間を要し、また、周波数特性がどこまで要求値に一致するかを前もって把握できないという問題点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】発明が解決しようとする課題は、上記の従来のデジタルフィルタ係数算出方法では、時系列データの標本化周期，通過帯域の中心周波数および帯域幅の要求値に対して、周波数特性が明らかなデジタルフィルタの係数を短時間に、且つ、自動的には算出し難いことである。本発明は、入力される時系列データの標本化周期、要求される通過帯域の中心周波数および帯域幅等の任意な値に対してフィルタ係数を要求値の陽な関数として自動的に算出し、フィルタとして機能するデジタル帯域通過フィルタを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】図面を参考にして説明する。請求項１の発明に係るデジタル帯域通過フィルタ装置は、対象信号周波数上限の２倍以上の周波数に相当する標本化周期Ｔｓで標本化され標本番号ｎについて表された時系列データの入力Ｘ（ｎ）に対してフィルタ計算を行い出力Ｙ（ｎ）を得るフィルタ計算器１０と、
標本化周期Ｔｓ，フィルタの中心周波数仕様値Ｆｋ及び帯域幅仕様値Ｎｋに対してフィルタ計算器１０の計算式の係数を算出する係数算出器２０と
からなるデジタル帯域通過フィルタユニット１００、
デジタル帯域通過フィルタユニットの出力Ｙ（ｎ）側に介在させた利得設定器４０と、
標本化周期Ｔｓ，フィルタの中心周波数要求値Ｆ，帯域幅要求値Ｎの信号を受取り、デジタル帯域通過フィルタユニット１００への中心周波数仕様値Ｆｋ，帯域幅仕様値Ｎｋを算出して出力すると共に利得設定器用仕様値Ｇを算出して出力するユニット仕様値算出器３０よりなるものである。
【０００６】
請求項２の発明に係るデジタル帯域通過フィルタ方法は、標本化周期Ｔｓ，フィルタの中心周波数要求値Ｆ，帯域幅要求値Ｎの信号を受取ったユニット仕様算出器３０によって中心周波数仕様値Ｆｋ，帯域幅仕様値Ｎｋを算出してデジタル帯域通過フィルタユニット１００へ出力し、係数算出器２０とフィルタ計算器１０を含むフィルタユニット１００の係数算出器２０がユニット仕様算出器３０から受取った前記信号値によりフィルタ係数を算出してフィルタ計算器１０に入力し、
フィルタ計算器１０が対象信号周波数上限の２倍以上の周波数に相当する標本化周期Ｔｓで標本化され標本番号ｎについて表された時系列データの入力Ｘ（ｎ）に対してフィルタ計算を行い出力Ｙ（ｎ）を出力し、デジタル帯域通過フィルタユニットの出力Ｙ（ｎ）側に介在させた利得設定器４０へ前記ユニット仕様算出器３０の利得設定器用仕様値を入力することを特徴とするものである。
【０００７】
請求項３の発明に係るデジタル帯域通過フィルタ装置は、対象信号周波数上限の２倍以上の周波数に相当する標本化周期Ｔｓで標本化され標本番号ｎについて表された時系列データの入力Ｘ（ｎ）に対してフィルタ計算を行い出力Ｙ（ｎ）を得るフィルタ計算器１０と、
標本化周期Ｔｓ，フィルタの中心周波数仕様値Ｆｋ及び帯域幅仕様値Ｎｋに対してフィルタ計算器１０の計算式の係数を算出する係数算出器２０と
からなるデジタル帯域通過フィルタユニット１００、
及び周波数伝達特性調整のために所要の個数だけ追加して直列に接続した複数個のデジタル帯域通過フィルタユニット１０１と１０２、
末尾のデジタル帯域通過フィルタユニットの出力Ｙ（ｎ）側に介在させた利得設定器４０と、
標本化周期Ｔｓ，フィルタの中心周波数要求値Ｆ，帯域幅要求値Ｎの信号を受取り、各デジタル帯域通過フィルタユニット１００，１０１，１０２への中心周波数仕様値Ｆｋ，帯域幅仕様値Ｎｋを算出して出力すると共に利得設定器用仕様値を算出するユニット仕様値算出器３０よりなるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１を参考にして説明する。本発明に係るデジタル帯域通過フィルタ２００は、対象信号周波数上限の２倍以上の周波数に相当する標本化周期Ｔｓで標本化され標本番号ｎについて表された時系列データの入力Ｘ（ｎ）に対してフィルタ計算を行い出力Ｙ（ｎ）を得るフィルタ計算器１０と、
標本化周期Ｔｓ，フィルタの中心周波数仕様値Ｆｋ及び帯域幅仕様値Ｎｋに対してフィルタの係数を算出する係数算出器２０とからなるデジタル帯域通過フィルタユニット１００、
周波数伝達特性調整のために必要ならば所要の個数だけ追加して直列に接続する同様のデジタル帯域通過フィルタユニット１０１，１０２、
利得を設定する利得設定器４０、
及び、標本化周期Ｔｓ，フィルタの中心周波数要求値Ｆ，帯域幅要求値Ｎに対して各デジタル帯域通過フィルタユニット並びに利得設定器用仕様値を算出するユニット仕様値算出器３０
よりなるものである。
【０００９】
【実施例】実施例について図１乃至図３によって説明する。
なお、ｅｘｐはｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ指数で、ｅｘｐ（Ｓ）はｅＳのことである。
【００１０】
１０はフィルタ計算器であって図２に示す処理系統図のとおりに入力時系列データＸ（ｎ）に対して、時系列変数Ｙ（ｎ）及びＱ（ｎ）を、ｊを虚数単位として、デジタルフィルタ係数Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを使用して、
Ｙ（ｎ）＋ｊ・Ｑ（ｎ）＝（Ａ＋ｊ・Ｂ）・Ｘ（ｎ）＋（Ｃ＋ｊ・Ｄ）（Ｙ（ｎ−１）＋ｊ・Ｑ（ｎ−１））
のとおりに計算し、Ｙ（ｎ）をユニットの出力として出力するものである。
【００１１】
２０は係数算出器であって図３に示す処理系統図のとおりに
入力時系列データの標本化周期Ｔｓ，
デジタル帯域通過フィルタの中心周波数仕様値Ｆｋ及び
デジタル帯域通過フィルタの帯域幅仕様値Ｎｋ；１／Ｎｋオクターブの分母Ｎｋ
を与えられて中間変数を順次に
Ｗ＝０．４５８９Ｎｋ、
ｐ＝Ｆｋ／Ｗ、
ｑ＝２π・Ｆｋ、
ｍ＝ｐ／ｑ、
θｏ＝ｔａｎ−１（ｍ）、
Ｌ＝２・ｍ・ｑ／ｃｏｓθｏ、
と計算してデジタルフィルタ係数を
Ａ＝Ｌ・Ｔｓ・ｅｘｐ（−ｐ・Ｔｓ／２）・ｃｏｓ（θｏ＋ｑ・Ｔｓ／２）、
Ｂ＝Ｌ・Ｔｓ・ｅｘｐ（−ｐ・Ｔｓ／２）・ｓｉｎ（θｏ＋ｑ・Ｔｓ／２）、
Ｃ＝　ｅｘｐ（−ｐ・Ｔｓ）・ｃｏｓ（ｑ・Ｔｓ）　及び
Ｄ＝ｅｘｐ（−ｐ・Ｔｓ）・ｓｉｎ（ｑ・Ｔｓ）
と計算してフィルタ計算器１０に与えるものである。１００はフィルタ計算器１０と係数算出器２０の各１個からなるデジタルフィルタ帯域通過フィルタユニットである。
【００１２】
なお、上記構成のデジタルフィルタ帯域通過フィルタユニット１００のインパルス応答関数は図２に示す処理系統が再帰型であることと、フィルタ係数の算出式から導くことができ、時間ｔ；＝ｎ・Ｔｓについてのアナログ関数で表すと
ｈ（ｔ）＝Ｌ・　ｅｘｐ（−（Ｆｋ／Ｗ）・ｔ＋ｊ・（２π・Ｆｋ・ｔ＋θｏ））
である。すなわち、フィルタ計算器１０は、標本化周期Ｔｓ　の間隔毎にその標本化間隔中央値のインパルス応答関数の値ｈ（Ｔｓ／２）、ｈ（１・Ｔｓ＋Ｔｓ／２）、ｈ（２・Ｔｓ＋Ｔｓ／２）、…を重み関数として、入力に畳み込み演算を実行するものである。ここでθｏは、周波数が零すなわち一定値であるような入力に対して畳み込み演算結果の実部Ｙ（ｎ）を零とするため、インパルス応答関数の実部
Ｌ・ｅｘｐ（（−Ｆｋ／Ｗｋ）・ｔ）・ｃｏｓ（２π・Ｆｋ・ｔ＋θｏ）
の平均値が、ｔの零から無限大までの区間において、零となるように、θｏ＝ｔａｎ−１（ｍ）と決定するインパルス応答関数周期項の初期位相を表す中間変数である。
【００１３】
このインパルス応答関数に対する周波数伝達関数の絶対値は
｜Ｈ（Ω）｜＝　２ｍΩ／｛（２ｍΩ）２＋（Ω２−（ｍ２＋１））２｝１／２
である。ここで、Ωは入力信号周波数とデジタル帯域通過フィルタユニットの中心周波数仕様値Ｆｋとの比の値である。
【００１４】
この周波数伝達関数を利用することにより、デジタルフィルタ帯域通過フィルタユニットを単一個あるいは複数個を直列に接続し、さらに利得設定器を通して得られる総合の周波数伝達特性を要求されるフィルタの周波数伝達特性に適合するようにユニットの個数と各ユニットに与える仕様値及び利得設定器の利得仕様値Ｇとを設計することができる。
【００１５】
３０はユニット仕様値算出器であって、入力時系列データＸ（ｎ）に対して予めあるいは同時に与えられる入力時系列データの標本化周期Ｔｓ、フィルタ中心周波数の要求値Ｆ及びフィルタ帯域幅の要求値Ｎ；１／Ｎオクターブの分母の値Ｎに対して上記手順の設計により決定される各デジタル帯域通過フィルタユニット１００乃至１０２及び利得設定器４０に対して仕様値を与えるものである。
【００１６】
２００はデジタル帯域通過フィルタであって、以上の単一あるいは複数個のデジタル帯域通過フィルタ１００〜１０２、利得設定器４０及びユニット仕様値算出器３０から構成され、入力時系列データに対して予めあるいは同時に与えられる入力時系列データの標本化周期Ｔｓ、フィルタ中心周波数の要求値Ｆ及びフィルタ帯域幅の要求値Ｎ；１／Ｎオクターブの分母の値Ｎに従い帯域通過フィルタとして機能するものである。
【００１７】
【作用１】作用について、本発明の周波数伝達特性を帯域通過フィルタの一例としてＪＩＳ　Ｃ１５１３　ＩＩＩ型１／３オクターブフィルタの周波数特性に適合させた例により説明する。本発明のデジタル帯域通過フィルタユニットの個数を３個とし、帯域幅の要求値Ｎに対して各ユニットの帯域幅の仕様値をそれぞれ
Ｎ１＝２．２８Ｎ、Ｎ２＝１．１４Ｎ、及び、Ｎ３＝２．２８Ｎ
と設定し、中心周波数の要求値Ｆに対して各ユニットの中心周波数仕様値Ｆｋの（ｍ２＋１）１／２倍の値がそれぞれＦより１／Ｎ１オクターブ低く、Ｆに等しく、及び、Ｆより１／Ｎ３オクターブ高くなるように設定し、
利得設定器に中心周波数における伝達率が１倍となるような利得仕様値Ｇを設定するように、ユニット仕様値算出器３０を設定してＦ＝１及びＮ＝３を与えるときの周波数伝達特性を図４に示す。
【００１８】
本発明の周波数伝達特性は図４に重ねて示したＪＩＳ　Ｃ１５１３　ＩＩＩ型１／３オクターブフィルタの周波数特性基準の上限及び下限の範囲内にあり適合する。
【００１９】
以上のとおりの１／３オクターブフィルタ周波数特性となるように設定した本発明のフィルタにおいて、フィルタの中心周波数を１ｋＨｚとして、入力に周波数が１ｋＨｚの正弦波信号を急に立上るように印加するときのフィルタ出力波形を図５に示す。なお、このとき時系列データ標本化周期Ｔｓの種々の値、例えば、標本化周波数がフィルタ中心周波数の１０倍あるいは１０００倍となるような標本化周期の値の場合にも応答波形は変わらない。
【００２０】
次に、本発明に対して帯域幅の要求値Ｎ＝３は変えずに中心周波数の要求値Ｆを０．２、１、及び、５とするときの周波数伝達特性を図６に示す。各フィルタの中心周波数だけが変わり帯域幅は変わらない。
【００２１】
本発明に対して中心周波数の要求値Ｆ＝１は変えずに帯域幅の要求値Ｎを１、３、及び１２とするときの周波数伝達特性を図７に示す。各フィルタの中心周波数は変わらず帯域幅だけが変わる。
【００２２】
【作用２】作用の別例について、本発明を帯域消去フィルタに応用した例を図８乃至図９により説明する。図８に示すとおりに、本発明の帯域通過フィルタ出力Ｙ（ｎ）と入力時系列データＸ（ｎ）との差を改めて出力とすると帯域消去フィルタが実現される。フィルタユニットを単段とし、中心周波数を一定として、利得仕様値を１倍として、帯域幅Ｎを変化させるときの周波数伝達関数のゲインは図９のとおりとなり、本発明の帯域通過フィルタは中心周波数Ｆにおいて伝達率が正確に１とできるので、帯域消去フィルタの零点において、理論上、伝達率が零倍となる大きい減衰を得ることができる。
【００２３】
【発明の効果】本発明は以上のように構成されるため、入力される時系列データの標本化周期、要求される通過帯域の中心周波数および帯域幅等の任意な値に対してフィルタ係数を自動に算出し、フィルタとして機能するデジタル帯域通過フィルタを与えることが出来、適用範囲が拡がり、極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す機器構成図である。
【図２】本発明のフィルタ計算器における計算を示す処理系統図である。
【図３】本発明の係数算出器における計算を示す処理系統図である。
【図４】本発明の実施例の周波数特性を示す周波数特性図である。
【図５】本発明の実施例の作用を示す時間応答波形図である。
【図６】本発明の実施例の作用を示す、異なる中心周波数要求値に対する周波数特性図である。
【図７】本発明の実施例の作用を示す、異なる帯域幅要求値に対する周波数特性図である。
【図８】本発明を帯域消去フィルタとして使用する応用例である。
【図９】本発明を帯域消去フィルタとして使用する応用例の周波数特性図である。
【符号の説明】
１０　　　　フィルタ計算器
２０　　　　係数算出器
３０　　　　ユニット仕様値算出器
４０　　　　利得設定器
１００　　　デジタル帯域通過フィルタユニット
１０１　　　デジタル帯域通過フィルタユニット
１０２　　　デジタル帯域通過フィルタユニット
２００　　　デジタル帯域通過フィルタ
Ａ　　　　　デジタルフィルタ係数
Ｂ　　　　　デジタルフィルタ係数
Ｃ　　　　　デジタルフィルタ係数
Ｄ　　　　　デジタルフィルタ係数
Ｆ　　　　　フィルタ中心周波数の要求値
Ｎ　　　　　フィルタ帯域幅の要求値。１／Ｎオクターブ。
Ｔｓ　　　　　入力時系列データの標本化周期
Ｆｋ　　　　　デジタル帯域通過フィルタユニットの中心周波数仕様値
Ｎｋ　　　　デジタル帯域通過フィルタユニットの帯域幅仕様値。１／Ｎｋオクターブ。
Ｇ　　　　　利得設定器の利得仕様値
Ｘ（ｎ）　　　　入力時系列データ
Ｙ（ｎ）　　　　ユニットの出力となる内部時系列変数
Ｑ（ｎ）　　　　内部時系列変数
ｎ　　　　　標本番号を表す整数
ｚ−１　　　　　標本化周期の単位遅延　　　
π　　　　　円周率
ｊ　　　　　虚数単位
Ｗ　　　　　　帯域幅を制御する中間変数
ｐ　　　　　インパルス応答関数指数減衰項の指数部係数を表す中間変数
ｑ　　　　　インパルス応答関数周期項の円周波数を表す中間変数
ｍ　　　　　ｐとｑの比の値を表す中間変数
Ｌ　　　　　　インパルス応答関数の係数を表す中間変数
θｏ　　　　インパルス応答関数周期項の初期位相を表す中間変数
Ω　　　　　入力信号周波数とＦｋとの比の値
ｔ　　　　　時間
ｈ（ｔ）　　　　インパルス応答関数
｜Ｈ（Ω）｜　周波数伝達関数の絶対値
【図１】
2004023710.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004023710.tif 000009
【図８】
2004023710.tif 000010
【図９】
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