(57)【要約】【課題】  ２つの対応するノイズ状信号の間の遅延を求める方法を提供する。【解決手段】  本方法は、信号のうちの第１信号のレベルが所定しきい値と交差する事象を判定し、各事象を使用することによって第２信号をサンプリングし、サンプルを結合することによって出力値を生成し、出力値から遅延を求めることを含む。好ましくは、各サンプルは、サンプルを画定するために使用される事象の１つまたは複数の特性に従って重み付けされる。出力値の大きさは遅延の指標であってもよく、あるいは、複数の出力値があり、それぞれが第２信号のそれぞれの異なる遅延バージョンに対するものであってもよい。その場合、これらを評価して、いずれが実際の遅延に対応するかを選択することができる。【選択図】  図１０
2005031083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの対応する信号間の遅延を求める方法であって、
前記信号のうちの第１信号のレベルが所定しきい値と交差する事象を判定することと、
各事象を使用することであって、それによって、第２信号をサンプリングする、各事象を使用することと、
各事象に関連する重み係数を求めることと、
各サンプルに対して、前記サンプルを画定する事象に関連する重み係数に従って重み付けすることと、
前記重み付けされたサンプルを結合することであって、それによって、出力値を生成する、重み付けされたサンプルを結合することと、
を含む、信号間の遅延を求める方法。
【請求項２】
事象間の平均間隔より小さい遅延を求める方法であって、前記遅延は前記出力値の大きさから求められる、請求項１に記載の信号間の遅延を求める方法。
【請求項３】
前記第２信号の相互に遅延したそれぞれのバージョンをサンプリングすることによって複数の出力値を導出するステップと、
どの出力値が最大個数の結合された事象を表現するかを判定することによって前記遅延を求めるステップと、
を含む請求項１に記載の信号間の遅延を求める方法。
【請求項４】
各重み係数は、前記事象の時刻における前記第１信号の勾配に依存する請求項１〜３のいずれか一項に記載の信号間の遅延を求める方法。
【請求項５】
前記重み係数は、前記事象の近くにおける前記第１信号の平均レベルに依存する請求項１〜４のいずれか一項に記載の信号間の遅延を求める方法。
【請求項６】
前記重み係数は、前記事象の時刻における前記第１信号の勾配と、前記事象の近くにおける前記第１信号の平均レベルとの積に依存する請求項５に記載の信号間の遅延を求める方法。
【請求項７】
前記重み係数は、前記事象の少なくとも１つの特性を表す少なくとも１つの値に非線形に関係する請求項１〜６のいずれか一項に記載の信号間の遅延を求める方法。
【請求項８】
２つの対応するノイズ状の信号間の遅延を求める方法であって、
前記信号のうちの第１信号のレベルが所定しきい値と交差する事象を求めることと、
各事象を使用することであって、それによって、第２信号をサンプリングする、各事象を使用することと、
前記サンプルを結合することであって、それによって、出力値を生成する、前記サンプルを結合することと、
前記出力値の大きさから前記遅延を求めることと、
を含む、信号間の遅延を求める方法。
【請求項９】
前記事象は、前記信号の極値とは実質的に異なる１つまたは複数の所定しきい値との交差によって画定され、それにより、前記出力値は、前記遅延が関心範囲にわたって変化する場合に単調に変化する請求項１〜８のいずれか一項に記載の信号間の遅延を求める方法。
【請求項１０】
前記信号は双極性である請求項１〜９のいずれか一項に記載の信号間の遅延を求める方法。
【請求項１１】
前記事象は少なくとも実質的に非周期的である請求項１〜１０のいずれか一項に記載の信号間の遅延を求める方法。
【請求項１２】
前記信号の一方は遅延路を通じて送受信され、他方の信号は基準信号を含み、前記方法が使用されることにより前記遅延路に関連する遅延が求められる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の信号間の遅延を求める方法。
【請求項１３】
前記基準信号は前記第１信号である請求項１２に記載の信号間の遅延を求める方法。
【請求項１４】
２つの対応する信号間の遅延を求める装置であって、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法に従って動作するように構成される、信号間の遅延を求める装置。
【請求項１５】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法を用いて遅延オフセットを求めることにより誤差信号を生成するデバイスと、
前記誤差信号に応答して、前記オフセットを調整するための動作を実行するアクチュエータと、
を有する閉ループフィードバックシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも２つの信号、例えば広帯域不規則ノイズ状信号の間の時間遅延を求める方法および装置に関し、特に、ただし限定はしないが、フィードバック制御システムであって、それぞれのアクチュエータの動作に影響を及ぼすために当該システムによって使用される補正信号を供給する時間遅延弁別器を使用するフィードバック制御システムに適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
広範囲の産業用制御システムにおいては、まず、ある現象またはプロセスが所定距離だけ移動するのに要する経過時間を求めることによって、関心のパラメータの値が、指定された間隔内に維持される。
【０００３】
一例を図１に示す。図１は、粉炭や冷却流体のような物質または媒質の流量を制御するために使用されるフィードバックシステムのブロック図を示している。システムは、フローパイプＦＰの外部に設置された２つの適当な非侵襲センサＳＸおよびＳＹ、時間遅延弁別器ＴＤＤ、制御ユニットＣＯＮ、ならびに信号制御による弁またはポンプのような適当なアクチュエータＡＣＴを備える。
【０００４】
粉炭の場合、センサは、例えば、移動する炭粒子によって運ばれる電荷の時間変化を検出してもよい。例えば加圧水型原子炉における冷却材の流量を求める場合、センサは通常、流体によって運ばれるγ線放射元素を検出する。いずれの場合でも、センサは、ノイズ状に時間変化する観測される物理現象に応答し、センサによって生成される信号はその現象の表現である。
【０００５】
時間遅延弁別器ＴＤＤは、センサによって供給される２つの信号ｘ（ｔ）およびｙ（ｔ）を処理して、それらの信号間の時間遅延（経過時間）Δを求める。センサＳＸとＳＹの間の距離Ｄが既知であるので、所要の流量ＦＲは、経過時間の公称値Δ０に対応し、ここでΔ０＝Ｄ／ＦＲである。時間遅延弁別器ＴＤＤは、観測流量と所要流量の間の差を示す時間遅延誤差ε＝（Δ−Δ０）の値を出力として提供する。
【０００６】
次に、時間遅延弁別器ＴＤＤによって供給される誤差εの値が、制御ユニットＣＯＮによって、アクチュエータＡＣＴに加えられる適切な補正信号に変換される。アクチュエータＡＣＴの主な機能は、時間遅延誤差εをなくす（または少なくとも大幅に減少させる）ように実際の流量を調整することにより、所要の流量ＦＲを達成することである。
【０００７】
図２は、産業ロボットＲＯＢによって使用されるもう１つのフィードバック制御システムの一例を示している。産業ロボットＲＯＢの主な機能は、指定された「安全」距離Ｄを維持しながら、移動車両ＭＯＶを追尾（「尾行」）することである。同様の制御システムが、自動車用途、例えば、衝突回避、クルーズコントロールあるいは衝突前車両調整に使用可能である。
【０００８】
システムは、送信要素ＴＥを駆動する送信機ＴＸ、信号受信機ＲＸに結合した受信要素ＲＥ、送信センサＳＸ、受信センサＳＹ、時間遅延弁別器ＴＤＤ、制御ユニットＣＯＮ、および駆動制御ブロックＡＣＴを備える。
【０００９】
送信機ＴＸによって生成される広帯域ノイズあるいはカオス信号が、送信要素ＴＥを通じて、先行する車両へ送られる。時間遅延弁別器ＴＤＤが、次の２つの信号を同時に処理する。すなわちそれらの信号は、送信センサＳＸによって捕捉される、送信信号ｘ（ｔ）のコピーと、車両により反射されて戻り、受信センサＳＹに加えられる信号ｙ（ｔ）である。時間遅延弁別器ＴＤＤは、信号ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）の間の時間遅延Δを求める。送信信号および受信信号の伝搬速度ｖは既知であると仮定されるので、観測される遅延時間Δがその公称値Δ０＝２Ｄ／ｖに等しければ、指定された距離Ｄが維持されることになる。
【００１０】
したがって、時間遅延弁別器ＴＤＤが時間遅延誤差ε＝（Δ−Δ０）の値を出力として供給し、これが制御ユニットＣＯＮによって補正信号に変換される。次に、この信号が駆動制御ブロックＡＣＴによって使用され、時間遅延誤差εをなくす（または少なくとも大幅に減少させる）ようにロボットの速度を調整することにより、所要の距離Ｄを維持する。
【００１１】
時間遅延弁別器に関連する上記の２つの応用例は、従来技術に広範に記載されている遅延ロックループを組み込んだ２種類のシステムを代表する。このようなシステムでは、速度または距離の一方が調整され、その間、他方の相補的パラメータ（距離または速度）が一定とされ、これは、そのパラメータの性質による場合も、設計による場合もある。
【００１２】
また、従来技術では、時間遅延弁別器を使用するシステムは、センサにより検出可能な物理現象が、観測されるプロセスに固有であるか、それとも何らかの補助手段の使用によって与えられた（または少なくとも強調された）ものであるかによって、パッシブまたはアクティブのいずれかに分類される。そのような補助手段としては、プロセスに影響を及ぼす（あるいはプロセスを「変調する」）適当なマーカー、超音波または無線周波放射器、可視光または赤外線照射器等がある。
【００１３】
ｘ（ｔ）で、時間遅延弁別器ＴＤＤに加えられる２つの信号のうちの一方を表すと、他方の信号ｙ（ｔ）は次式のように表すことができる。
ｙ（ｔ）＝Ａｘ（ｔ−Δ）＋ｎ（ｔ）
ここで、Ａはスケールファクタであり、Δは未知の時間遅延を表し、ｎ（ｔ）はバックグラウンドノイズまたは他の干渉を表す。
【００１４】
一部の実際のアプリケーションでは、たとえノイズがない場合であっても、乱流、ドップラー効果および／または非線形のセンサ特性に起因して、信号ｙ（ｔ）はもはや信号ｘ（ｔ）をスケーリングし時間シフトしたレプリカではなくなる。このような場合、加法的ノイズ波形ｎ（ｔ）は、信号形状のそれぞれの歪みを表す成分も含むと仮定される。
【００１５】
未知の時間遅延Δの値を求めるために使用される従来の技法は、２つの広帯域信号ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）の相互相関をとること、すなわち、次式の演算を実行することによる。
【００１６】
【数１】
2005031083.tif 000003
【００１７】
ここで、積分は、持続時間Ｔの観測区間にわたって、遅延値の関心範囲Δｍｉｎ＜τ＜Δｍａｘに対して評価される。相互相関関数Ｒｘｙ（τ）を最大化する引数τの値が、未知遅延Δの推定値を提供する。
【００１８】
実際には、相互相関をとる前に、信号ｘ（ｔ）およびｙ（ｔ）を適当にプレフィルタリングすることにより、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）が最高となる周波数を強調するとともにバックグラウンドノイズを減衰させて、結果として得られる全体のＳＮＲを増大させてもよい。信号プレフィルタリングを利用する相互相関器は、従来技術において一般化相互相関器として既知である。
【００１９】
信号の十分なサンプリングおよび量子化が使用される場合には、相互相関プロセスは、プレフィルタリングを含めて、デジタル的に実施することも可能である。
【００２０】
図３は、基準信号ｘ（ｔ）と受信信号ｙ（ｔ）との相互相関をとることにより未知遅延の値を求める従来のシステムのブロック図であり、図４は、信号ｘ（ｔ）と、Δだけ遅延したそのレプリカｙ（ｔ）との間の相互相関関数Ｒｘｙ（τ）の一例を示している。この場合、結果として得られる相互相関関数Ｒｘｙ（τ）は、信号ｘ（ｔ）の自己相関関数Ｒｘｘ（τ）を時間シフトしたものと同一である。Ｒｘｙ（τ）は、τ＝Δにおけるその最大に関して対称であるので、相互相関関数の単一の値は、時間遅延誤差の絶対値｜Δ−Δ０｜に関する情報しか提供することができない。したがって、相関器が時間遅延弁別器において使用される場合、時間遅延誤差（Δ−Δ０）に関する双極出力を得るためには、何らかの追加的演算を実行しなければならない。
【００２１】
有限の時間間隔Ｔに対して、実験的に求められる相互相関曲線は通常、信号自体のランダムなゆらぎに関連する誤差と、ノイズおよび干渉に起因する誤差とを含む。このため、相互相関ピークを位置を特定する作業は、実際のシステムにおいて実行するのはかなり困難である。たとえピークが明瞭な場合であっても、その位置は通常、いくつかの点で相互相関関数を評価し、対応する差を計算して、相互相関関数の微分を近似することにより求められる。それらの追加的演算は、特にピーク探索手続きがリアルタイムで広帯域信号に対して実施される場合には、計算量が多く不便である。
【００２２】
相互相関関数Ｒｘｙ（τ）の微分Ｒ’ｘｙ（τ）＝ｄＲｘｙ（τ）／ｄτは、第１信号と、第２信号の微分との相互相関をとることによって得られることが知られている。相互相関関数の微分は奇関数である、すなわちＲ’ｘｙ（−τ）＝−Ｒ’ｘｙ（τ）であるので、これは時間遅延誤差に関する情報を提供することができる。いくつかの相互相関器システムでは、同様の結果が、信号微分をヒルベルト変換で置き換えることによって達成されている。
【００２３】
手法とは無関係に、ノイズがなく観測時間が十分に長い場合には、結果として得られる双極曲線は、処理される２つの信号間の時間遅延Δに等しい時刻τちょうどにゼロレベルと交差する。図５は、信号ｘ（ｔ）と、Δだけ遅延したそのレプリカｙ（ｔ）とを同時に処理する適当に修正された相互相関器システムの出力において観測される曲線の一例を示している。曲線の特徴的な双極Ｓ字形状のため、このようなシステムは、関心時変遅延を追跡するための遅延ロックループにおいて必要な時間遅延弁別器の作用を実行することができる。
【００２４】
一般的に、実際のアプリケーションに現れる広帯域信号は非定常的であり、明らかに非ガウス的な統計特性を有する。したがって、明示的か暗黙的かを問わず、信号の定常性およびガウス性の仮定に基づく多くの既知の相互相関技法は、実用上は限られた効果しかない。また、ほとんどの実際の実施態様は、離散時間サンプルを扱わなければならないため、連続時間フレームワークで実施される最適化手続きおよび性能分析が十分に適用可能とはなり得ない。
【００２５】
国際公開ＷＯ−Ａ−００／３９６４３は、本明細書で「クロスレーション(crosslation)」と呼ぶ技法を用いて信号間の時間遅延の推定を行う改善された方法を開示している。国際公開ＷＯ−Ａ−００／３９６４３の内容は参照により本明細書に援用される。
【００２６】
「クロスレーション」という用語は、本明細書で用いられる場合、第１信号において発生する所定の（好ましくは少なくとも実質的に非周期的な）事象が第２信号の時差(staggered)セグメントを画定するために使用された後、時差セグメントの表現が結合されるという技法を指す。第１および第２信号は実際には同一の信号であってもよく、その場合、結果として得られる結合表現は、その信号の統計的性質に関する情報、特に、当該所定事象の前および後における信号の平均的挙動に関する情報を提供する。あるいは、第１および第２信号は異なる信号でもよく（「相互クロスレーション」）、または、一方の信号が他方の遅延バージョンであってもよい。その場合、結合表現は、それらの信号の間の関係に関する情報を提供する。例えば、結合表現が、複数の所定事象に関連する結合セグメントから期待される特徴を含む場合、これは、一方の信号が、その特徴の表現内の位置に対応する量だけ他方に対して遅延していることを示している場合がある。
【００２７】
国際公開ＷＯ−Ａ−００／３９６４３によれば、双極信号が未知の遅延を受け、その信号の基準（非遅延）バージョンを検査して、そのレベルが正の勾配でゼロ交差する（上向き交差(upcrossing)）時刻を求める。これらの交差事象のタイミングを用いて遅延信号のそれぞれのセグメントを取得する。ここでセグメントは所定の持続時間を有する。セグメントを総和した後、総和されたセグメントの表現を検査して、Ｓ字形奇関数の形の特徴の位置を特定する。奇関数の中心におけるゼロ交差の表現内の位置は、信号が遅延した量を表す。上向き交差を使用する代わりに、信号の基準（非遅延）バージョンを検査して、そのレベルが負の勾配でゼロ交差する（下向き交差(downcrossing)）時を判定してもよい。
【００２８】
また、国際公開ＷＯ−Ａ−００／３９６４３には、上向き交差および下向き交差の両方を使用することにより精度を改善することも提案されている。この場合、検査されるＳ字形奇関数は、上向き交差によって画定されるセグメントを加算し、下向き交差によって画定されるセグメントを減算することによって得られる。
【００２９】
国際公開ＷＯ−Ａ−００／３９６４３のクロスレーション技法はロバストであり、特に、非ガウシアンノイズによって破損した非ガウシアン信号を処理するのに適している。信号のうちの１つからタイミング時刻のみが抽出されるので、クロスレーションに基づく時間遅延評価器は、多くの従来の評価器よりも非線形信号歪みによる影響をはるかに受けにくい。しかし、その開示された形態におけるクロスレーション技法の性能は、顕著なバーストの後に信号フェーディングがあるような強く非定常的な間欠的信号を伴うアプリケーションでは、劣化する可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
したがって、時間遅延測定のために、例えば時間遅延弁別器を組み込んだフィードバック制御システムで使用するための、改善された技法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明の諸態様は添付の特許請求項に記載される。
【００３２】
本発明のさらなる一態様では、２つの対応する信号の間の遅延が推定される。各信号は事象のストリームを含み、それらの事象は、信号が所定しきい値と交差する時刻によって画定されることができる。信号のうちの第１信号の事象は、第２信号をサンプリングするために使用される。サンプルを、例えば加算または平均（本明細書では、加算（和をとること）への言及は平均も含むものとする）することによって結合する。結果として得られる値は、サンプルが、一般的に、第２信号における事象に近いかどうかに左右される。サンプルがそれらの事象と実質的に同時に発生する傾向がある場合、値は所定値（例えばゼロ）に対応する。
【００３３】
本発明の１つの特定の特徴によれば、事象間の平均間隔に比べて相対的に短い遅延は、個々のサンプルを結合することによって得られる値から求めることができる。事象の適切な定義により、サンプルがそれらの事象に近いが同時刻ではない傾向がある場合、値は、それらの事象への平均の近さと、サンプルがそれらの事象の前または後のいずれにあるかによって決まる。この態様は、小さいタイミング誤差を測定するためのフィードバック制御システムにおいて特に価値がある。
【００３４】
一方、事象間の平均間隔に比べて相対的に長い遅延は、国際公開ＷＯ−Ａ−００／３９６４３の技法を用いて測定することができる。この技法では、前に示したように、第１信号における各事象を用いて、第２信号の一連のサンプル（すなわちセグメント）を取り出す。セグメントを結合すると、合成された波形は、遅延に対応する位置を有する特徴を含む。
【００３５】
本発明のさらなる独立した一態様によれば、第２信号のサンプルが、結合される前に、それらを画定する（第１信号における）事象の１つまたは複数の特性に従って重み付けされる。この態様は、上記の２つの技法のいずれにおいても、すなわち、相対的に短い遅延または相対的に長い遅延のいずれを測定する場合にも使用可能である。これは、間欠的な信号および／または幅広く変動する振幅を有する信号を伴う状況において特に有利である。というのは、信号の強い部分に関連する事象によって画定されるサンプルが、他のサンプルよりも結果の出力に大きい影響を及ぼすことにより、性能を改善することができるからである。
【００３６】
事象に関連する代表的な特性として、事象が発生する時の第１信号の勾配、および、事象の近くにおける（例えば、事象の直前および直後の期間における、または当該事象と次の事象の間の期間における）第１信号の平均振幅がある。これらの特性の一方または両方を用いて、サンプルに適用する重みを計算することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明を実施する構成を、添付図面を参照して、例として説明する。
【００３８】
以下で説明する好ましい実施形態では、処理のために２つの信号が利用可能であると仮定する。それらの２つの信号は、広帯域ノイズ状基準信号ｘ（ｔ）と、ｘ（ｔ）の時間遅延したレプリカである受信信号ｙ（ｔ）である。さらに、受信信号ｙ（ｔ）は、ノイズおよび他の干渉によって破損していてもよい。
【００３９】
基準信号ｘ（ｔ）を検査して、次の２つの事象のストリームを構築する。
１．第１ストリーム。これは、信号が正の勾配（上向き勾配）でゼロ交差する時刻
｛ｔｋ；ｋ＝１，２，...，Ｋ｝
を含むゼロ上向き交差から得られる。
２．第２ストリーム。これは、信号が負の勾配（下向き勾配）でゼロ交差する時刻
｛ｔｍ；ｍ＝１，２，...，Ｍ｝
を含むゼロ下向き交差から得られる。
【００４０】
任意のゼロ交差から開始し次のゼロ交差で終了する信号のフラグメントをパルスレットと呼ぶことにする。したがって、連続信号のセグメントは、図６に示すように、それぞれのゼロ交差によって区切られた、隣接する交互の正および負のパルスレットからなるとみなすことができる。
【００４１】
各ゼロ上向き交差時刻ｔｋにおいて、それぞれの正パルスレットｐ＋ｋ（ｔ）の２つのパラメータの値を求める。それらの２つのパラメータは、次式で定義される上向き勾配Ｓ＋ｋ
【００４２】
【数２】
2005031083.tif 000004
【００４３】
および次式から求められる平均レベルＶ＋ｋ
【００４４】
【数３】
2005031083.tif 000005
【００４５】
である。ここで、ｔｊは、ｔｋにおけるゼロ上向き交差後のゼロ下向き交差時刻である。この場合、平均レベルは、正パルスレットの二乗平均平方根（ＲＭＳ）値として定義される。
【００４６】
あるいは、平均レベルＶ＋ｋを次式から求めることもできる。
【００４７】
【数４】
2005031083.tif 000006
【００４８】
この場合、平均レベルは、正パルスレットの平均値に等しい。
【００４９】
図７は、正パルスレットｐ＋ｋ（ｔ）、その上向き勾配Ｓ＋ｋ、およびパルスレットの平均値として定義されるその平均レベルＶ＋ｋを図式的に示している。
【００５０】
同様にして、下向き勾配Ｓ−ｍおよびその平均レベルＶ−ｍが、ｔｍにおけるゼロ下向き交差後の各負パルスレットｐ−ｋ（ｔ）に対して求められる。それらのパラメータの値は
【００５１】
【数５】
2005031083.tif 000007
【００５２】
（したがって、定義により、下向き勾配は正の値のみをとり得る）、および
【００５３】
【数６】
2005031083.tif 000008
【００５４】
から計算される。ここで、ｔｉは、ｔｍにおけるゼロ下向き交差後のゼロ上向き交差時刻である。この場合、平均レベルは、負パルスレットの二乗平均平方根（ＲＭＳ）値として定義される。あるいは、
【００５５】
【数７】
2005031083.tif 000009
【００５６】
である。この場合、平均レベルは、負パルスレットの平均絶対値に等しい。
【００５７】
各ゼロ上向き交差ｔｋに対して、それぞれの正パルスレットの上向き勾配Ｓ＋ｋおよび平均レベルＶ＋ｋを適切に結合して、その上向き交差事象に関連する重み（すなわちマーク）Ｗ＋ｋを生成する。したがって、結果として得られる事象のストリームにおいて発生する個々の事象は、それらに割り当てられた異なる重みを有することになる。
【００５８】
同様にして、各ゼロ下向き交差ｔｍに対して、それぞれの負パルスレットの下向き勾配Ｓ−ｍおよび平均レベルＶ−ｍを用いて、その下向き交差事象に関連する重み（すなわちマーク）Ｗ−ｍを生成する。この場合も、ストリーム内の事象は、各事象に割り当てられた異なる重みを有する。
【００５９】
信号のレベルが高いほど、ノイズおよび他の干渉効果によってひどく破損する可能性が低いと仮定するのが妥当である。また、ゼロ交差位置は、より大きい信号極値につながる急峻な勾配に関連している場合ほど、大きく乱される可能性が小さい。したがって、ゼロ交差事象に割り当てられる重みは、対応するパルスレットの勾配が急峻であり平均レベルが大きいほど、増大させるべきである。例えば、重みは、それらの２つのパラメータの積に比例させてもよく、または、その積の適当な非線形関数の表現であってもよい。図８は、ゼロ交差事象に割り当てられる重みを取得するために使用される積の非線形変換の一例を示している。
【００６０】
異なる重みをゼロ交差事象に割り当てる操作は、顕著なバーストの後に信号フェーディングがあるような強く非定常的なノイズ状信号を伴うアプリケーションにおいて特に有利である。例のために、図９は、交互のバースト−フェーディング間隔を含む非定常不規則信号のフラグメントを示している。明らかに、勾配がより急峻であるとともに平均信号レベルがより高いほうが、ノイズおよび他の干渉に対する耐性が高くなり得る。
【００６１】
基準信号ｘ（ｔ）から求められる「マークされた」ゼロ交差事象と同時刻に、受信信号ｙ（ｔ）のサンプルが取られる。好ましくは、両方の事象のストリーム（上向き交差および下向き交差）が利用されるが、別法として、２つのストリームのうちの一方のみを使用してもよい。次に、受信信号ｙ（ｔ）から導出されたこれらのサンプルに、サンプリング時刻を画定するゼロ交差事象に割り当てられたそれぞれの重みを乗算する。
【００６２】
上向き交差時刻｛ｔｋ；ｋ＝１，２，...，Ｋ｝に取られたｙ（ｔ）のサンプルと、関連する重みＷ＋ｋを用いて、次の形のＫ個の積を求める。
｛［Ｗ＋ｋｙ（ｔｋ）］；ｋ＝１，２，...，Ｋ｝
同様に、下向き交差時刻｛ｔｍ；ｍ＝１，２，...，Ｍ｝に取られたｙ（ｔ）のサンプルと、関連する重みＷ−ｋを用いて、次の形のＭ個の積に負号を付けたものを求める。
｛［−Ｗ−ｋｙ（ｔｍ）］；ｍ＝１，２，...，Ｍ｝
次に、積の２つのセットを足し合わせて、受信信号ｙ（ｔ）から導出されたサンプルの重み付き和ＷＳを次のように作る。
【００６３】
【数８】
2005031083.tif 000010
【００６４】
基準信号ｘ（ｔ）と受信信号ｙ（ｔ）の間の遅延がない場合、重み付き和ＷＳはゼロに等しくなる。しかし、遅延偏差（すなわちオフセット）が図５に示したのと同様の遅延弁別器特性の中央線形領域の範囲内にある限り、相対遅延がわずかに増減すると、重み付き和の値はその変化に追従する。このような場合、重み付き和ＷＳの絶対値は遅延偏差の大きさに比例する一方、重み付き和ＷＳの符号は遅延偏差の向き（極性）を示す。
【００６５】
図１０は、本発明に従って動作するように構成された時間遅延弁別器のブロック図である。弁別器ＴＤＤは、次の５個の遅延回路を含む基準信号プロセッサＲＦＳＰを備える。５個の遅延回路は、遅延λの定遅延線ＣＤＬ、それぞれ遅延αを有する２個の遅延回路Ａ１およびＡ２、ならびにそれぞれ遅延δを有する別の２個の遅延回路Ｄ１およびＤ２である。また、基準信号プロセッサＲＦＳＰは、ゼロ交差検出器ＺＣＤ、２個のレベル検出器ＬＤ１およびＬＤ２、ならびに重み決定回路ＷＤＣも備える。弁別器ＴＤＤは、信号調整ユニットＳＣＵおよび受信信号プロセッサＲＣＳＰをさらに備える。受信信号プロセッサＲＣＳＰは、利得制御増幅器ＧＣＡ、バッファＢおよびインバータＩ、スイッチＳＷ、ならびに積分器ＩＮＴを備える。
【００６６】
基準信号プロセッサＲＦＳＰにおいて、基準信号ｘ（ｔ）が、縦続接続された遅延回路ＣＤＬ、Ａ１、Ｄ１、Ｄ２およびＡ２に異なる遅延で加えられる。機能的には、この構成は、ＶＡ、Ｖ１、ＣＴ、Ｖ２およびＶＢという５個のタップを有する単一の遅延線と等価である。遅延線入力と中央タップＣＴの間の（λ＋α＋δ）に等しい全遅延は、信号ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）の間の公称遅延にほぼ等しい。ゼロ交差検出器ＺＣＤは、タップＣＴにおいてゼロ交差時刻を検出するように動作可能である。以下で説明するように、ゼロ交差が検出されるごとに、基準信号プロセッサＲＦＳＰは、ゼロ交差の時刻およびそのタイプ（上向きまたは下向き）を表す信号を受信信号プロセッサＲＣＳＰの入力ＺＣに提供するとともに、重み信号を受信信号プロセッサＲＣＳＰの入力ＷＥに提供する。
【００６７】
受信信号ｙ（ｔ）は、まず、信号調整ユニットＳＣＵで前処理される。信号調整ユニットＳＣＵは、ガウシアンフィルタやベッセルフィルタのような適当なローパスフィルタを備える。ローパスフィルタリングの前に、ハードリミッタやソフトリミッタで信号のダイナミックレンジを縮小してもよい。
【００６８】
次に、信号調整ユニットＳＣＵの出力信号が受信信号プロセッサＲＣＳＰに加えられ、そこでその信号は、基準信号プロセッサＲＦＳＰにより入力ＷＥに供給されるそれぞれの重みに比例する係数倍に、利得制御増幅器ＧＣＡによって増幅される。次に、このように修正された信号が、バッファＢおよびインバータＩに同時に加えられ、インバータＩは信号極性を反転する。
【００６９】
入力ＺＣで受信される信号によって、ゼロ上向き交差事象が基準信号ｘ（ｔ）に検出されると、スイッチＳＷはバッファＢの出力をサンプリングする。一方、ゼロ下向き交差事象が基準信号ｘ（ｔ）に検出されると、スイッチＳＷはインバータＩの出力をサンプリングする。ゼロ交差事象とゼロ交差事象との間は、スイッチＳＷは「ニュートラル」の位置にとどまる。スイッチＳＷによって抽出されたサンプルは積分器ＩＮＴに送られる。積分器ＩＮＴは、「移動平均」型でも、「積分・ダンプ」型でもよい。タップＣＴで観測される、受信信号ｙ（ｔ）と遅延信号ｘ（ｔ）の間の相対遅延に比例する信号εが、積分器の出力において利用可能である。
【００７０】
ゼロ交差時刻がゼロ交差検出器ＺＣＤによりタップＣＴで検出されると、交差のタイプおよびその勾配が、それぞれ遅延回路Ａ１およびＤ２の出力Ｖ１およびＶ２で観測される信号から求められる。タップＶ１における信号は中央タップＣＴで観測される信号に対して小さい量δだけ進んでいる一方、タップＶ２における信号は中央タップ信号に対して同じ量δだけ遅れている。したがって、タップＶ１およびＶ２で観測される信号間の差が、タップＣＴで検出されるゼロ交差の近くでの信号の微分を近似する。
【００７１】
時刻ｔｋに発生するゼロ上向き交差の場合、タップＶ１およびＶ２における信号間の差は次のように表すことができる。
【００７２】
【数９】
2005031083.tif 000011
【００７３】
同様に、時刻ｔｍに発生するゼロ下向き交差の場合、この差は次のようになる。
【００７４】
【数１０】
2005031083.tif 000012
【００７５】
差の絶対値は、パルスレット勾配の実際的尺度であり、重み決定回路ＷＤＣの入力ＳＬに加えられる。
【００７６】
ＣＴ＝０かつＶ１>Ｖ２の場合、ゼロ上向き交差事象がＣＴで検出される。一方、ＣＴ＝０かつＶ２>Ｖ１の場合、検出された事象はゼロ下向き交差である。ゼロ交差検出器ＺＣＤは、ゼロ交差時刻と同時刻のパルスを生成し、そのパルス極性はそのゼロ交差のタイプ（すなわち、上向き交差または下向き交差）を示す。検出器ＺＣＤによって結果として得られる双極パルス列が、受信信号プロセッサＲＣＳＰのスイッチＳＷの入力ＺＣに加えられる。
【００７７】
検出されたゼロ交差に対応する平均レベルが、重み決定回路ＷＤＣによって、レベル検出器ＬＤ１およびＬＤ２によりそれぞれ提供される２つの値Ｌ１およびＬ２から推定される。検出器は、タップＶＡおよびＶＢでそれぞれ観測される信号の移動平均絶対値（または平均二乗値）Ｌ１およびＬ２を求める。タップＶＡにおける信号は中央タップＣＴで観測される信号に対して量（α＋δ）だけ時間的に進んでいる一方、タップＶＢにおける信号はＣＴにおける信号に対して同じ量（α＋δ）だけ遅れている。タップＶＡとＶＢの間の全遅延の値２（α＋δ）は、連続するゼロ交差の間の予測される平均間隔に関係する。好ましくは、この遅延は、その時間間隔にほぼ等しくなるはずである。好ましくは、タップＣＴで観測されているパルスレットの平均レベルの尺度として、現在の値Ｌ１およびＬ２の算術（または幾何）平均が使用される。
【００７８】
（なお、図１０の構成は、図６および図７に関連して説明した平均レベル測定とはわずかに異なる動作をすることに留意されたい。後者の場合、測定は現在の事象と次の事象の間のエリアにおける波形に基づく一方、図１０の構成では、測定は現在の事象の前後のレベルに基づく。いずれの技法を使用してもよく、実際には他の技法を使用してもよい。）
【００７９】
図１１は、タップＣＴに現れる信号の移動平均Ｌ、および、進んでいる移動平均Ｌ１と、Ｌ１に対して時間２（α＋δ）だけ遅れている移動平均Ｌ２との間の関係を図式的に示している。
【００８０】
重み決定回路ＷＤＣは、勾配ＳＬの値とともに値Ｌ１およびＬ２を用いて、タップＣＴで検出されるゼロ交差事象に割り当てられるべき重み係数を求める。好ましくは、重み係数は、勾配ＳＬと、値Ｌ１およびＬ２の平均との積と非線形関係にある。その後、計算された重みは、受信信号プロセッサＲＣＳＰの利得制御増幅器ＧＣＡの入力ＷＥに加えられる。
【００８１】
図１２は、本発明に従って構成された時間遅延弁別器の実験的特性を示している。基準信号およびその遅延レプリカ（すなわち受信信号）は、２００ＭＨｚを超える帯域幅の広帯域ノイズ源から導出された。この実験では、２０４８個のゼロ上向き交差事象を含むストリームを用いて受信信号をサンプリングした。
【００８２】
図１２の横軸は、検出されたゼロ交差に関する時間を表す。縦軸は、受信信号の重み付きサンプルを積分することによって得られる電圧を表す。受信信号と基準信号の間の遅延が異なることにより、図１２の波形は異なる水平位置をとる。遅延がゼロである場合、波形は中心に位置してグラフの原点と交わる。図１２に示す例では、出力値ε（すなわち、ゼロ交差の時刻に行われるサンプリングの時に得られる電圧）は１００ｍＶに等しく、これは０．４ｎｓに等しい時間オフセットに対応する。図１２では、特性である中央の準線形領域の勾配は２４０ｍＶ／ｎｓに等しい。システムに期待される最大遅延は短く、ゼロ交差間の平均間隔より小さい。したがって、システムはこの準線形領域内で動作する。
【００８３】
図１３は、本発明による時間測定装置ＴＭＡを示している。図１０の実施形態と同様のコンポーネントには同一の参照符号が割り当てられている。
【００８４】
これらの実施形態の間の主要な相違点は、図１３には複数の受信信号プロセッサＲＣＳＰからなるバンク（bank）があることであり、それぞれの受信信号プロセッサＲＣＳＰは受信信号ｙ（ｔ）の異なる遅延バージョンを処理する。
【００８５】
したがって、受信信号ｙ（ｔ）は、信号調整ユニットＳＣＵによって処理された後、一連の縦続接続された遅延ユニットＤＵに送られる。各遅延ユニットＤＵの出力は、次の遅延ユニットと、それぞれの受信信号プロセッサＲＣＳＰに送られる。
【００８６】
受信信号プロセッサＲＣＳＰの出力Ｏ１，Ｏ２，...，Ｏｎのそれぞれは、それぞれの受信信号プロセッサＲＣＳＰの入力で受信される信号ｙ（ｔ）のバージョンに付与された遅延によって決まる電圧をとる。全体として、出力は、通常は図１４に示す形状を有し得る波形となる。
【００８７】
信号ｙ（ｔ）に付与される特定の遅延が、基準信号プロセッサＲＦＳＰで検出されるゼロ交差が遅延信号ｙ（ｔ）のゼロ交差と相関していないような遅延である場合、それぞれの受信信号プロセッサＲＣＳＰの出力電圧は、信号ｙ（ｔ）の平均値に等しくなる傾向がある。この例が図１４のＯ１、Ｏ２およびＯｎに示されている。
【００８８】
他方、信号ｙ（ｔ）の遅延バージョンが、一般的に遅延信号のゼロ交差の近くの時刻にサンプリングされている場合、出力値は、例Ｏｊ〜Ｏｊ＋５のように、図１４に示される奇関数Ｆ上にある。
【００８９】
信号間の遅延は、標準的な信号処理技法を用いて、奇関数の中心の最も近くにある出力値（例えばＯｊ＋２）を求めることによって計算することができる。こうして、図１４に示される遅延ＴＤは、波形上の奇関数の位置に対応する。
【００９０】
この構成は、遅延がゼロ交差間の平均間隔より長いアプリケーションの場合に有益である。遅延線ＣＤＬが相対的に長い初期遅延Λを信号ｘ（ｔ）に付与するように構成することができ、それにより、装置が関心時間ウィンドウ内で動作する。信号ｙ（ｔ）を遅延させる代わりに、基準信号プロセッサＲＦＳＰによって入力ＷＥおよびＺＣに加えられる信号を、それぞれの受信信号プロセッサＲＣＳＰごとに異なる値だけ遅延させてもよい。
【００９１】
上記の実施形態では、信号ｘ（ｔ）およびｙ（ｔ）はゼロ平均の双極信号であり、ゼロ交差事象がサンプリングの目的で使用されている。しかし、種々の変形が可能である。信号は双極性である必要はない。交差事象を画定するしきい値レベルは信号の平均値であることが好ましいが、これも必須ではない。上向き交差のために使用されるしきい値が下向き交差のために使用されるものと異なっていてもよい。実際、上向き交差および下向き交差の両方を使用することは必須ではない。上記の構成において、バッファＢおよびインバータＩの使用は、実質的に、下向き交差によってトリガされたサンプルが上向き交差によってトリガされたサンプルから減算されることを意味する。別の構成も可能である。例えば上向き交差および下向き交差に対するしきい値レベルが信号の平均値の上下に適当に（例えば均一に）分布していれば、場合によっては、例えばサンプルの和をとることが妥当であろう。
【００９２】
所望の目的は、基準信号において検出される事象に対応する受信信号における事象とサンプリングとが同時刻になる傾向がある場合に、サンプルの組合せが相異なる値を生成するようにすることである。好ましくは、この値は、遅延が関心遅延範囲にわたって変化する場合に単調に変化すべきである。これは、事象を画定する１つの（または複数の）しきい値が基準信号の極値とは実質的に異なるようにし、好ましくは信号の平均値に近くすることによって、最も容易に達成することができる。さらに、変動する値が（双極信号を用いることによって）奇関数を表すことにより、計算された遅延が公称値から離れる向きを値の極性が示すようにすることが望ましい。
【００９３】
遅延が信号間で測定され、その信号のうちの１つだけが伝送路において歪みを受けている可能性があるような状況（例えばアクティブシステム）では、重み付けによる不要な歪みを避けるために、重み付けは、伝送されていない基準信号（例えば、送信前のソース信号）における事象の特性に基づくことが好ましい。
【００９４】
本発明は、ノイズ状の性質を有する信号間の遅延を求めるために使用される場合に特に有利である。ここで、事象は実質的に非周期的に発生し、特に振幅が変動し、例えば信号はランダムまたはカオスプロセスによって発生される。しかし、このような特性は必ずしも必要ではない。例えば、図１０の実施形態において、事象が非周期的な間隔であることは（これは、誤ったループロックを避けるために望ましくはあるが）本質的でない。
【００９５】
上記の構成では、重み付け関数は、いくつかの異なる値のうちの任意の１つをとることができる。別法として、関数は、０および単位値(unitary value)のみをとるように構成されてもよい。これは、それぞれの事象を使用するかそれとも捨てるかを判断することと等価である。
【００９６】
提示した好ましい実施形態は、本発明に従って構成された時間遅延弁別器のアナログ実施態様を有するが、必要な機能および動作の全部、または一部は、適切に構成されたデジタル回路によって実行することも可能である。
【００９７】
本発明の好ましい実施形態についての上記の記載は、例示および説明の目的で提示されており、網羅的であることも、本発明を開示された通りの形態に限定することも意図していない。上記の記載を考慮すれば明らかなように、当業者は多くの変更、修正、および変形によって、考えられる特定の用途に適した種々の実施形態において本発明を利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】粉炭や冷却流体のような物質または媒質の流量を制御するために使用されるフィードバックシステムのブロック図である。
【図２】指定された距離を維持しながら移動車両を追尾する機能を有するロボットによって使用される制御システムの一例を示す。
【図３】基準信号ｘ（ｔ）と遅延信号ｙ（ｔ）との相互相関をとることにより未知遅延の値を求める従来のシステムのブロック図である。
【図４】信号ｘ（ｔ）と、Δだけ遅延したそのレプリカｙ（ｔ）との間の相互相関関数Ｒｘｙ（τ）の形状の一例である。
【図５】信号ｘ（ｔ）と、Δだけ遅延したそのレプリカｙ（ｔ）とを同時に処理する改変された相互相関器システムの出力において観測される曲線の一例である。
【図６】それぞれのゼロ交差によって区切られた、隣接する交互の正および負のパルスレットからなる連続不規則信号のセグメントを示す。
【図７】正パルスレット、その上向き勾配、およびパルスレットの平均値として定義されるその平均レベルを図式的に示す。
【図８】ゼロ交差事象に割り当てられる重みを取得するために使用される積の非線形変換の一例を示す。
【図９】交互のバースト−フェーディング間隔を含む非定常不規則信号のフラグメントを示す。
【図１０】本発明に従って動作するように構成された時間遅延弁別器のブロック図である。
【図１１】受信信号の２つの移動平均の間の関係を図式的に示す。
【図１２】本発明に従って構成された時間遅延弁別器の実験的特性を示す。
【図１３】信号プロセッサのバンクを使用する、本発明による時間遅延測定装置のブロック図である。
【図１４】図１３の装置の出力全体によって表される波形である。
【符号の説明】
【００９９】
ＴＤＤ  時間遅延弁別器（信号間の遅延を求める装置）、ｘ（ｔ）  基準信号（第１信号）、ｙ（ｔ）  受信信号（第２信号）。
【図１】
2005031083.tif 000013
【図２】
2005031083.tif 000014
【図３】
2005031083.tif 000015
【図４】
2005031083.tif 000016
【図５】
2005031083.tif 000017
【図６】
2005031083.tif 000018
【図７】
2005031083.tif 000019
【図８】
2005031083.tif 000020
【図９】
2005031083.tif 000021
【図１０】
2005031083.tif 000022
【図１１】
2005031083.tif 000023
【図１２】
2005031083.tif 000024
【図１３】
2005031083.tif 000025
【図１４】
2005031083.tif 000026