JP7757582B2 - 信号レベル検出器 - Google Patents

Description

本開示は、デジタル信号に対する信号レベル検出器に関する。

入力信号の信号レベルをアナログ的に検出する信号レベル検出器が知られている（例えば特許文献１又は特許文献２を参照。）。

関連技術に係る装置は、アナログ回路で実現されており、具体的な構成としては、ダイオード及びキャパシタを用いた平滑回路等が例示できる。関連技術に係る装置では、入力信号の包絡線を検出することで、ノイズ等の高周波数成分を除去して信号レベルを検出することができる。

特開平１１－２９８２５２ 特開２０００－８１４８１

関連技術に係る装置では、アナログ回路で構成されているため、入力信号に応じて柔軟にカットオフ周波数を切り替えることは難しいという課題があった。

前記課題を解決するために、本開示は、入力信号に応じて柔軟にカットオフ周波数を切り替えることができる信号レベル検出器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示の信号レベル検出器は、複数のカットオフ周波数を有するデジタル回路を用いてデジタル的に平滑化処理を行う。

具体的には、本開示に係る信号レベル検出器は、
デジタルの入力信号を受け、前記入力信号に対してデジタル的に絶対値処理を行い、絶対値信号として出力する信号入力部と、
前記信号入力部からの前記絶対値信号に対してデジタル的に平滑化を行い、平滑化信号として出力する平滑化処理部と、
前記信号入力部からの前記絶対値信号の値と、前記平滑化処理部からの前記平滑化信号の値との大小関係に応じて、前記平滑化処理部の前記平滑化に用いるカットオフ周波数を切り替えるカットオフ周波数切替部と、
を備える。

本開示に係る信号レベル検出器は、
前記平滑化処理部は、第１のカットオフ周波数と、前記第１のカットオフ周波数よりも低い第２のカットオフ周波数とを有し、
前記カットオフ周波数切替部は、前記信号入力部からの前記絶対値信号の値が、前記平滑化処理部からの前記平滑化信号の値よりも大きい場合は、前記第１のカットオフ周波数を指定する制御信号を前記平滑化処理部に出力し、前記信号入力部からの前記絶対値信号の値が、前記平滑化処理部からの前記平滑化信号の値以下の場合は、前記第２のカットオフ周波数を指定する制御信号を前記平滑化処理部に出力し、
前記平滑化処理部は、前記信号入力部からの前記絶対値信号に対して、前記カットオフ周波数切替部からの制御信号で指定されたカットオフ周波数を用いてデジタル的に平滑化を行ってもよい。

本開示に係る信号レベル検出器は、
前記カットオフ周波数切替部は、前記信号入力部からの前記絶対値信号の値が、前記平滑化処理部からの前記平滑化信号の値以下である状態が規定時間以上継続した場合に、前記第１のカットオフ周波数を指定する制御信号を前記平滑化処理部に出力してもよい。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本開示によれば、信号レベルに応じて柔軟にカットオフ周波数を切り替えることができる信号レベル検出器を提供することができる。

実施形態に係る信号レベル検出器の概略構成の一例を示す。 実施形態に係る信号レベル検出器の具体的構成の一例を示す。 実施形態に係る応答性を説明する図である。 実施形態に係るカットオフ周波数切替の動作を説明する図である。 実施形態に係るカットオフ周波数切替の効果を説明する図である。 実施形態に係るカットオフ周波数切替の効果を説明する図である。 実施形態に係るカットオフ周波数切替の効果を説明する図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態）
本実施形態に係る信号レベル検出器の概略構成と使用形態の一例を図１に示す。本実施形態に係る信号レベル検出器１０は、デジタルの入力信号を受け、入力信号に対してデジタル的に絶対値処理を行い、絶対値信号として出力する信号入力部１１と、信号入力部１１からの絶対値信号に対してデジタル的に平滑化を行い、平滑化信号として出力する平滑化処理部１２と、信号入力部１１からの絶対値信号の値と、平滑化処理部１２からの平滑化信号の値との大小関係に応じて、平滑化処理部１２の平滑化に用いるカットオフ周波数を切り替えるカットオフ周波数切替部１３と、を備える。

絶対値信号とは、入力信号に対して絶対値処理を行った後の信号をいう。また、平滑化信号は、絶対値信号に対して平滑化処理を行った後の信号をいう。本開示に係る信号レベル検出器は、デジタル回路であり、信号入力部１１、平滑化処理部１２及びカットオフ周波数切替部１３は、一定のサンプリングレートで処理を行う。

本実施形態に係る信号レベル検出器の具体的構成の一例を図２に示す。図２は、信号入力部１１、平滑化処理部１２及びカットオフ周波数切替部１３をそれぞれ機能ブロックで表した図である。

信号入力部１１は、入力信号を受け、入力信号に対して絶対値処理を行う。例えば、図２に示すように、機能ブロック１１－１は絶対値処理を行うものである。機能ブロック１１－１から出力された信号が絶対値信号である。

平滑化処理部１２は、信号入力部１１からの絶対値信号に対して平滑化処理を行う。例えば、平滑化処理部１２は、図２に示すような機能ブロック１２－１から１２－９で構成されてもよい。

機能ブロック１２－３及び１２－９は、２つの信号及び後述する制御信号ｓ＿ｏｕｔが入力される。機能ブロック１２－３及び１２－９は、後述するように、制御信号ｓ＿ｏｕｔの値に従って、制御信号ｓ＿ｏｕｔ以外に入力された２つの信号のうちから１つの信号を出力する。

機能ブロック１２－４は、機能ブロック１２－３から入力された信号と、機能ブロック１２－９から入力された信号と、を加算したものを出力する。機能ブロック１２－４から出力された信号が平滑化信号である。

機能ブロック１２－６は、機能ブロック１２－４から入力された平滑化信号を保持し、サンプリングレートでの処理における次回の処理時に前回値として保持した値を出力する。

機能ブロック１２－１、１２－２、１２－５、１２－７及び１２－８は、入力された信号の値に機能ブロック内に表示されている定数を積算して出力する。具体的には、機能ブロック１２－１は、αを第１のカットオフ周波数ｆｃ１を決定する係数として、機能ブロック１１－１から入力された絶対値信号の値に（１－α）を積算して出力する。機能ブロック１２－２は、βを第２のカットオフ周波数ｆｃ２を決定する係数として、機能ブロック１１－１から入力された絶対値信号の値に（１－β）を積算して出力する。機能ブロック１２－５は、機能ブロック１２－４から入力された平滑化信号の値に対して、例えば、ＲＭＳ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）値に調整するための定数「ＡＤＪ」を積算して出力する。なお、機能ブロック１２－５は、定数「ＡＤＪ」を変更することにより、機能ブロック１２－４から入力された平滑化信号の値をＲＭＳ値以外の他の値に合わせるように調整することも可能である。機能ブロック１２－７は、機能ブロック１２－６から入力された平滑化信号の前回値に第１のカットオフ周波数ｆｃ１を決定する係数α（以下「第１のカットオフ周波数ｆｃ１を決定する係数α」を「係数α」と略記する。）を積算して出力する。機能ブロック１２－８は、機能ブロック１２－６から入力された平滑化信号の前回値に第２のカットオフ周波数ｆｃ２を決定する係数β（以下「第２のカットオフ周波数ｆｃ２を決定する係数β」を「係数β」と略記する。）を積算して出力する。

アナログ回路であるＲＣフィルタの場合、カットオフ周波数は１／（２πＲＣ）で表される。このＲＣフィルタに対応するデジタル回路であって、カットオフ周波数を２つ有するものが図２に示す信号レベル検出器１０である。図２に示す信号レベル検出器１０では、係数αをＲＣ／（ＲＣ＋Ｔｓ）とすると、第１のカットオフ周波数ｆｃ１を式（３）で表せる。
なお、Ｔｓは、サンプリング周期を表す。式（３）に示すように、第１のカットオフ周波数ｆｃ１は係数αで決定される。また、第２のカットオフ周波数ｆｃ２も同様に係数βで決定される。そして、係数α又はβで決定されるカットオフ周波数は、入力信号に対する平滑化信号の応答性（以下、「入力信号に対する平滑化信号の応答性」を「応答性」と略記する。）を決定する要因であり、カットオフ周波数が高いと応答性が速くなり、カットオフ周波数が低いと応答性が遅くなる。そのため、本実施形態では、係数α及び係数βは、応答性を決めるパラメータであるといえる。本実施形態では、第２のカットオフ周波数ｆｃ２が第１のカットオフ周波数ｆｃ１よりも低いものとするために、係数βは、係数αよりも大きいものとする。

ここで、応答性について図３を用いて説明する。図３では、「検出時間」、「ハンチング」、「ノイズ耐性」及び「入力信号の変動に対する追従性」の４つの観点について、応答性が速い場合と遅い場合とでどちらが有利かを示す。図３では、〇が有利を表し、×が不利を表す。また、本実施形態におけるハンチングとは、平滑化信号が激しく変動することをいう。

「応答性が速い」とは、平滑化信号が入力信号に素早く追従することをいう。そのため、応答性が速い場合は、入力信号の変動に対する追従性も良くなる。また、平滑化信号を用いて入力信号の検出を行う場合、応答性が速いと、平滑化信号の立ち上がりが早くなるため、検出時間も短くなる。

ただし、応答性が速い場合、平滑化信号は入力信号の変動に対して追従性が良いので、高周波数の入力信号に対しては平滑化信号も高周波数となりハンチングが起きてしまう。また、応答性が速い場合は、平滑化処理をしてもノイズを除去しきれなくなる。

一方で、応答性が遅い場合では、入力信号の変動に対して追従性が悪くなり、検出時間は長くなるが、ハンチングが起きにくく、ノイズの影響を受けにくくなる。

そこで、こうした応答性の違いによる有利不利を適切に活用するため、カットオフ周波数切替部１３は、条件に応じてカットオフ周波数を切り替える。例えば、カットオフ周波数切替部１３には、ｓｔａｔｅ ｍａｃｈｉｎｅ１３－１を用いてもよい。ｓｔａｔｅ ｍａｃｈｉｎｅ１３－１は、機能ブロック１１－１から絶対値信号ｓ＿ｉｎ１が入力され、機能ブロック１２－６から平滑化信号ｓ＿ｉｎ２が入力される。また、ｓｔａｔｅ ｍａｃｈｉｎｅ１３－１は、制御信号ｓ＿ｏｕｔを機能ブロック１２－３及び１２－９に出力する。図２に示すｓｔａｔｅ ｍａｃｈｉｎｅ１３－１の内容の一例を図３に示す。

カットオフ周波数切替部１３は、図３に示すように、信号入力部１１からの絶対値信号ｓ＿ｉｎ１の値が、平滑化処理部１２からの平滑化信号ｓ＿ｉｎ２の値よりも大きい場合は、状態ＳＴ１に遷移し、応答性が速い第１のカットオフ周波数ｆｃ１を指定するために、制御信号ｓ＿ｏｕｔを１として平滑化処理部１２に出力してもよい。また、カットオフ周波数切替部１３は、信号入力部１１からの絶対値信号ｓ＿ｉｎ１の値が平滑化処理部１２からの平滑化信号ｓ＿ｉｎ２の値以下の場合は、状態ＳＴ２に遷移し、応答性が遅い第２のカットオフ周波数ｆｃ２を指定するために、制御信号ｓ＿ｏｕｔを０として平滑化処理部１２に出力する。

平滑化処理部１２は、信号入力部１１からの絶対値信号に対して、カットオフ周波数切替部１３からの制御信号ｓ＿ｏｕｔで指定されたカットオフ周波数を用いてデジタル的に平滑化を行う。具体的には、図２に示すように、機能ブロック１２－３は、制御信号ｓ＿ｏｕｔが１として入力されたときは、機能ブロック１２－１からの入力を機能ブロック１２－４に出力し、制御信号ｓ＿ｏｕｔが０として入力されたときは、機能ブロック１２－２からの入力を機能ブロック１２－４に出力する。機能ブロック１２－９は、制御信号ｓ＿ｏｕｔが１として入力されたときは、機能ブロック１２－７からの入力を機能ブロック１２－４に出力し、制御信号ｓ＿ｏｕｔが０として入力されたときは、機能ブロック１２－８からの入力を機能ブロック１２－４に出力する。

平滑化処理部１２は、上記構成により、カットオフ周波数切替部１３からの制御信号ｓ＿ｏｕｔが１のときは、平滑化信号を式（１）で算出し、カットオフ周波数切替部１３からの制御信号ｓ＿ｏｕｔが０のときは、平滑化信号を式（２）で算出する。
平滑化信号の値＝絶対値信号の値×（１－α）＋平滑化信号の前回値×α （１）
平滑化信号の値＝絶対値信号の値×（１－β）＋平滑化信号の前回値×β （２）

したがって、本実施形態に係る信号レベル検出器１０は、カットオフ周波数可変のＩＩＲ（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタとして機能する。また、本実施形態に係る信号レベル検出器１０は、平滑化処理部１２が平滑化信号の値に前述の「ＡＤＪ」を積算することにより、入力信号のＲＭＳ値を算出することができる。

カットオフ周波数切替部１３が図４における状態ＳＴ１と状態ＳＴ２との間を相互に状態遷移して平滑化処理部１２のカットオフ周波数を切り替えた場合の効果について図５の（Ａ）、図５の（Ｂ）、図６の（Ａ）、図６の（Ｂ）、図７の（Ａ）及び図７の（Ｂ）を用いて説明する。図５の（Ａ）、図６の（Ａ）及び図７の（Ａ）は、カットオフ周波数の切り替えを行わず、平滑化処理部１２のカットオフ周波数をｆｃ１に固定した場合の入力信号及び平滑化信号の一例を示す。また、図５の（Ｂ）、図６の（Ｂ）及び図７の（Ｂ）は、カットオフ周波数切替部１３が図４における状態ＳＴ１と状態ＳＴ２との間を相互に状態遷移して平滑化処理部１２のカットオフ周波数を切り替えた場合の入力信号及び平滑化信号の一例を示す。

図５の（Ａ）及び図５の（Ｂ）は、信号レベル検出器１０が一定振幅で高周波数の入力信号を時間０ｓｅｃから０．０１ｓｅｃまで連続的に受ける例である。平滑化処理部１２のカットオフ周波数がｆｃ１で一定の信号レベル検出器１０では、図５の（Ａ）に示すように、応答性が速いことにより、平滑化信号が入力信号に追従して激しく変動し、ハンチングが起きる。

一方で、本実施形態に係る信号レベル検出器１０では、図５の（Ｂ）に示すように、図５の（Ａ）と同様の入力信号に対して、絶対値信号の値と平滑化信号の値との大小関係により図４における状態ＳＴ１と状態ＳＴ２との間を相互に状態遷移してカットオフ周波数を切り替えて平滑化処理を行う。これにより、平滑化信号のハンチングを抑えることができる。

図６の（Ａ）及び図６の（Ｂ）は、信号レベル検出器１０が、ノイズを含む高周波数の入力信号を連続的に受ける例である。また、図６の（Ａ）及び図６の（Ｂ）における入力信号は、時刻０．０１ｓｅｃ以降の平均値が、時刻０．０１ｓｅｃ以前の平均値よりも低くなる特徴を有する。平滑化処理部１２のカットオフ周波数がｆｃ１で一定の信号レベル検出器１０では、図６の（Ａ）に示すように、応答性が速いことにより、平滑化信号がノイズを含む入力信号に追従し、平滑化信号にノイズが残存する。

一方で、本実施形態に係る信号レベル検出器１０では、図６の（Ｂ）に示すように、図６の（Ａ）と同様の入力信号に対して、絶対値信号の値と平滑化信号の値との大小関係により図４における状態ＳＴ１と状態ＳＴ２との間を相互に状態遷移してカットオフ周波数を切り替えて平滑化処理を行う。これにより、平滑化信号のノイズを抑えることができる。

図７の（Ａ）は、信号レベル検出器１０が、時間０ｓｅｃから０．０１ｓｅｃまでの間において、入力信号がない休止時間を一定間隔で挟みながら、一定振幅で高周波数の入力信号を受ける例である。ここで、休止時間とは、入力信号は０であるが、休止時間前の入力信号の値を維持すべき時間である。しかし、平滑化処理部１２のカットオフ周波数がｆｃ１で一定の信号レベル検出器１０では、図７の（Ａ）に示すように、応答性が速いことにより、休止時間中の入力信号にも素早く追従してしまうため、平滑化信号の値が０になる。

一方で、本実施形態に係る信号レベル検出器１０では、図７の（Ｂ）に示すように、図７の（Ａ）と同様の入力信号に対して、絶対値信号の値と平滑化信号の値との大小関係により図４における状態ＳＴ１と状態ＳＴ２との間を相互に状態遷移してカットオフ周波数を切り替えて平滑化処理を行う。これにより、休止時間中でも平滑化信号が０とならず維持されている。

また、カットオフ周波数切替部１３は、図４に示すように、信号入力部１１からの絶対値信号ｓ＿ｉｎ１の値が、平滑化処理部１２からの平滑化信号ｓ＿ｉｎ２の値以下である状態が規定時間ｔｓｗ以上継続した場合に、状態ＳＴ３に遷移し、第１のカットオフ周波数ｆｃ１を指定する制御信号ｓ＿ｏｕｔ＝１を平滑化処理部１２に出力してもよい。なお、規定時間ｔｓｗは、休止時間以上となるように設定する。

なお、カットオフ周波数切替部１３は、状態ＳＴ３において、信号入力部１１からの絶対値信号ｓ＿ｉｎ１の値が、平滑化処理部１２からの平滑化信号ｓ＿ｉｎ２の値よりも大きい場合は、状態ＳＴ１に遷移する。

カットオフ周波数切替部１３が図４における状態ＳＴ２から状態ＳＴ３へ状態遷移してカットオフ周波数を切り替えた場合の効果について、図５の（Ｃ）、図６の（Ｃ）及び図７の（Ｃ）を用いて説明する。図５の（Ｃ）、図６の（Ｃ）及び図７の（Ｃ）は、図４に示すｓｔａｔｅ ｍａｃｈｉｎｅ１３－１に従って平滑化処理を行った場合の入力信号及び平滑化信号の一例を示す。図５の（Ｃ）の入力信号は図５の（Ｂ）と同様である。図６の（Ｃ）の入力信号は図６の（Ｂ）と同様である。図７の（Ｃ）の入力信号は図７の（Ｂ）と同様である。

本実施形態に係る信号レベル検出器１０では、図５の（Ｃ）に示すように、図５の（Ｂ）と同様の入力信号に対して、絶対値信号の値と平滑化信号の値との大小関係に加えて、絶対値信号の値が平滑化信号の値以下である状態が規定時間以上継続した場合にカットオフ周波数を切り替えて平滑化処理を行う。これにより、平滑化信号のハンチングを抑え、かつ、時間０．０１ｓｅｃ以降の低い値が継続する入力信号に対して図５の（Ｂ）に示す場合よりも追従性が向上している。

本実施形態に係る信号レベル検出器１０では、図６の（Ｃ）に示すように、図６の（Ｂ）と同様の入力信号に対して、絶対値信号の値と平滑化信号の値との大小関係に加えて、絶対値信号の値が平滑化信号の値以下である状態が規定時間以上継続した場合にカットオフ周波数を切り替えて平滑化処理を行う。これにより、平滑化信号のハンチング及びノイズを抑え、かつ、時間０．０１ｓｅｃ以後の低い値が継続する入力信号に対して図６の（Ｂ）に示す場合よりも追従性が向上している。

本実施形態に係る信号レベル検出器１０では、図７の（Ｃ）に示すように、図７の（Ｂ）と同様の入力信号に対して、絶対値信号の値と平滑化信号の値との大小関係に加えて、絶対値信号の値が平滑化信号の値以下である状態が規定時間以上継続した場合にカットオフ周波数を切り替えて平滑化処理を行う。これにより、平滑化信号のハンチングを抑え、休止時間中の平滑化信号を維持し、かつ、時間０．０１ｓｅｃ以後の低い値が継続する入力信号に対して図７の（Ｂ）に示す場合よりも追従性が向上している。

以上説明したように、本開示の信号レベル検出器は、複数のカットオフ周波数を有するデジタル回路を用いてデジタル的に平滑化処理を行うことによって、入力信号に応じて柔軟にカットオフ周波数を切り替えることができる信号レベル検出器を提供することができる。

本開示に係る信号レベル検出器は、通信産業に適用することができる。

１０：信号レベル検出器
１１：信号入力部
１２：平滑化処理部
１３：カットオフ周波数切替部

Claims (3)

1. デジタルの入力信号を受け、前記入力信号に対してデジタル的に絶対値処理を行い、絶対値信号として出力する信号入力部と、
   前記信号入力部からの前記絶対値信号に対してデジタル的に平滑化を行い、平滑化信号として出力する平滑化処理部と、
   前記信号入力部からの前記絶対値信号の値と、前記平滑化処理部からの前記平滑化信号の値との大小関係に応じて、前記平滑化処理部の前記平滑化に用いるカットオフ周波数を切り替えるカットオフ周波数切替部と、
   を備える信号レベル検出器。
2. 前記平滑化処理部は、第１のカットオフ周波数と、前記第１のカットオフ周波数よりも低い第２のカットオフ周波数とを有し、
   前記カットオフ周波数切替部は、前記信号入力部からの前記絶対値信号の値が、前記平滑化処理部からの前記平滑化信号の値よりも大きい場合は、前記第１のカットオフ周波数を指定する制御信号を前記平滑化処理部に出力し、前記信号入力部からの前記絶対値信号の値が、前記平滑化処理部からの前記平滑化信号の値以下の場合は、前記第２のカットオフ周波数を指定する制御信号を前記平滑化処理部に出力し、
   前記平滑化処理部は、前記信号入力部からの前記絶対値信号に対して、前記カットオフ周波数切替部からの制御信号で指定されたカットオフ周波数を用いてデジタル的に平滑化を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の信号レベル検出器。
3. 前記カットオフ周波数切替部は、前記信号入力部からの前記絶対値信号の値が、前記平滑化処理部からの前記平滑化信号の値以下である状態が規定時間以上継続した場合に、前記第１のカットオフ周波数を指定する制御信号を前記平滑化処理部に出力する
   ことを特徴とする請求項２に記載の信号レベル検出器。