JPH02228569A - デジタル化した波形のトップライン及びベースラインを求める方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、自動信号測定及び解析方法、特に、デジタル
化した波形のトップライン及びベースラインを微分によ
り求める方法に関する。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］オシロ
スコープ・ユーザは、取込んだ波形の立ち上がり時間な
どの測定をしばしば望む。典型的には、立ち上がり時間
は、関心のある波形の１０％点と９０％点との間を測定
する。しかし、この測定を行うには、何らかの方法で、
波形の１０％レベル及び９０％レベル、即ち、その波形
のトップライン及びベースラインを確定しなければなら
ない。この経験的な方法では、測定している波形のトッ
プ（頂部）及びボトム（底部）の位置を、直感的な目視
で合理的に判断している。しかし、この判断を自動的に
行うには、予期せぬ波形が現れると、判断がうまくいか
ないという問題がある。

デジタル化した波形のトップライン及びベースラインを
見つける最も一般的な自動化方法は、それらの位置を表
すヒストグラムを用いる。最もよく知られた形の波形に
対しては、波形の総ての点の異なる垂直値（電圧）を単
に計数して、トップライン及びベースラインの２つの最
大値を有するヒストグラムを作成する。第５Ａ図は、矩
形波の垂直値のヒストグラムを示し、第５Ｂ図は、正弦
波に適用した同様な方法を示す。

しかし、第５図から判る如く、−船釣でない波形では、
ヒストグラムの結果に、任意のジッタが現れる傾向があ
る。第５Ｃ図では、基本的な矩形波に高周波正弦成分が
含まれており、これによりヒストグラムには、波形の頂
部及び底部の両方に２重のピークが発生する。これら２
重ピークは、第５Ｂ図のように、正弦波の頂部及び底部
で長時間がかかることから生じる。そして、これら２重
ピークの各々は、ノイズの影響による任意の特定の瞬間
のピークよりも大きくなるので、計算したトップライン
及びベースラインの結果の各々は、２つの値の間でラン
ダムにジッタを生じる。これにより、これら値での計算
が乱れて、繰り返し可能ではない。

デジタル化した波形のトップライン及びベースラインを
決めるヒストグラム方法に代わる別の方法は、微分方法
である。一般に、この方法は、波形を微分し、この微分
した波形内の情報から元のくオリジナル）波形の頂部及
び底部の代表的領域を探す判断を行う。

本発明に最も近い特定の従来技術方法では、関心のある
領域にわたって元の波形の離散的導関数を計算し、総て
の点とその点を中心とする周りの小さな領域内の１組の
点と共に平均化して、この波形を平滑し、この平滑した
導関数波形内の最大及び最小を元の波形の立ち上がり又
は立ち下がりの生じる場所として識別し、立ち上がり及
び立ち下がりの外部の元の波形内の値の平均値をトップ
ライン値及びベースライン値として用いる。

この方法は、繰り返し信号の完全な１サイクル以上を含
む波形に対して、適切に動作するが、２つのレベル及び
１つの遷移のみを含んだ波形の如き他の形状の波形を扱
えない。この種の非繰り返し信号にとって、より汎用性
があり一般的な自動波形解析方法が必要である。

したがって、本発明の目的は、２つのレベル間に１つの
遷移のみを有する非繰り返し波形であっても、デジタル
化した波形の第１導関数内の情報を用いて、種々の波形
のトップライン及びベースラインを求める改良された方
法の提供にある。

［課題を解決するための手段及び作用］本発明の改良さ
れた方法では、その完全な形式において、元の波形を平
滑し、この平滑した元の波形の導関数を求めて、この導
関数の波形を発生し、この導関数波形を平滑し、この平
滑した波形内の最も顕著なピークを識別し、これら顕著
なピークがしきい値と交差する点を探す。なお、各交差
点に関しては、それが正のしきい値又は負のしきい値の
いずれと交差するか、正方向又は負方向のいずれでしき
い値と交差するかをテブール（表）に記録する。さらに
、本発明では、テブール内の情報を用いて、元の波形の
総ての点を以下の７つのグループの１つに分類する。す
なわち、これら７つのグループは、無視する点、トップ
ライン点、トップライン終了点、トップライン開始点、
ベースライン点、ベースライン終了点、及びベースライ
ン開始点である。

次に、トップライン・グループの点がなくなるまで、こ
れらの点を平均化して、トップライン値を計算する。こ
の場合、トップライン・グループ及び／又はトップライ
ン開始グループのいずれかの点がなくなるまで、これら
グループの点を平均化する。また、この場合、元の波形
の総ての点の最大値をトップライン値として用いる。同
様に、ベースライン・グループの点がなくなるまで、こ
れらの点を平均化して、ベースライン値を計算する。こ
の場合、ベースライン終了グループ及び／又はベースラ
イン開始グループのいずれかの点がなくなるまで、これ
らの点を平均化する。また、元の波形の総ての点の最小
値をベースライン値として用いる。

［実施例］ 第２図は、本発明を用いたデジタル・オシロスコープの
ブロック図である。デジタル・オシロスコープは、タイ
ム・ベース／制御器（１６）が制御するストローブ分配
器（１４）からのストローブ信号に応じて、サンプリン
グ・ヘッド（１０）及び取り込みシステム（１２）を用
いて、被試験システムの内の関心のある繰り返し波形又
は他の信号の動きを表すデジタル・データをサンプルし
、取り込む。モニタすべき波形の動きを表す取り込みデ
ータを、メモリ管理ユニッ）　（１８）により波形メモ
！Ｊ　（２０）に転送する。実行プロセッサ（２２）は
、ユーザ・インタフェース（２６）からの操作者人力に
応じて、種々の波形パラメータを計算する。処理した波
形及び計算した結果は、ユーザ・インタフェース（２６
）で表示するために、波形プロセッサ及び表示制御回路
（２４）に転送する。

実行プロセッサ（２２）は、本発明の方法を用い、波形
メモリ（２０）内に蓄積された波形のトップライン値及
びベースライン値を自動的に計算する。

第１図は、本発明の方法の流れ図である。本発明のこの
方法は、８ステツプから成るが、その内の２ステツプは
オプションである。これら８ステツプは、デジタル化し
た波形を平滑するステップ（５０）　（オプション）　
　（平滑し）デジタル化した波形を微分するステップ（
５２）、この微分した波形を平滑するステップ（５４）
　（オプション）、（平滑し）微分した波形の顕著なピ
ークを識別するステップ（５６）、正及び負の交差しき
い値との交差を見つけるステップ（５８）、交差データ
を求めるステップ（６０）　、この交差点データとの関
係を基にして元のデジタル化した波形内の総ての点を分
類するステップ（６２）、これら点の分類を元にしてト
ップライン値及びベースライン値を計算するステップ（
６４）である。

複数の対応時点における複数の振幅値から成るデジタル
化した波形から処理が始まるが、高周波ノイズ成分を除
去するために、平滑処理ステップ（５０）を適用しても
よい。この平滑をデジタル的に行う簡単な方法は、各点
の移動平均値を計算し、各点の生のデータをその移動平
均値で置換する。

これは、存在する任意の信号を低域通過ろ波（ロウバス
・フィルタ処理）する効果がある。デジタル化した波形
に１サイクル当たり少なくとも１００サンプルがあれば
、全体の波形の点の数の２％、即ち、関心のある点の各
側の１％は、この移動平均の計算に含まれる点として適
切な数である。この移動平均に含まれる点の数は、予想
する典型的なアプリケーションに応じて任意である。ア
ンダサンプル波形（即ち、１サイクル当たり１００サン
プル未満の波形）では、平滑処理により、平滑した波形
の振幅が減少し、細部が失われる。平滑を行う別の方法
は、存在する任意のノイズをキャンセルするように、多
くのデジタル化した波形を平均化することである。

第３図は、デジタル化した波形（ａ）及び対応する導関
数波形（ｂ）を示す（なお、理解し易くするため、第３
図はアナログ波形として示しているが、これはデジタル
値を対応するアナログに変換して示したものである）。

平滑且つデジタル化した波形（ａ）を微分して、導関数
波形（ｂ）を得る。この波形を得るには、次の形式の３
点導関数を用いる。

Ｐｄ＝　（Ｐ　（ｎ＋１）−Ｐ　（ｎ−１））／２なお
、Ｐｄは求める点の導関数値であり、Ｐ　（ｎ＋１）は
求める点の次の点の値であり、Ｐ（ｎ−１）は求める点
の前の点の値である。

点の間の時間差は一定であり、この導関数の絶対尺度は
この後の処理に影響しないので、導関数の結果をこの差
で割る必要がない。デジタル化した波形の終点において
、２点導関数を用いるが、これは終点及び隣接点間の単
なる差である。

この結果の導関数波形は、移動平均方法を用いるか、又
は多くの導関数波形を平均化して、平滑してもよい。移
動平均叱方、法を用いた場合、波形全体の点の数の１％
が、この移動平均の計算に含む点の数としては、最も適
切である。元の波形内の高速変化の領域を示す導関数波
形で、真のピークに悪影響を与えることなく、この導関
数波形内の短期間のノイズの影響を減らすには、移動平
均内の１％の点を含むだけで充分である。

次に、平滑した導関数波形から、最大の正ピーク及び最
大の負ピークを探し、最大ピーク・ピーク値をこれらの
差として計算する。この最大ピーク・ピーク値を用いて
、導関数波形内の顕著なピークを見つける助けにする。

導関数波形内の各ピークをゼロに対して測定し、このピ
ーク値を最大ピーク・ピーク値の所定割合の値と比較す
る。この所定割合の値であるしきい値は任意であるが、
適切な割合は３０％である。よって、導関数波形の特定
点のピーク値は、導関数波形全体の最大ピーク・ピーク
値の所定割合の値（しきい値）以上ならば、それは「顕
著である」と見なせる。すなわち、これは、元のデジタ
ル化した波形内のレベル間の実際の遷移を表すであろう
。顕著であると見なせない総てのピークは、後のステッ
プで無視する。

この顕著で正の最大ピーク値を他の固定係数と乗算する
。この係数は、好適な実施例では３０％であり、この乗
算により第３図の点線ｒ＋ｃＴＪで示す「正交差しきい
値」を発生する。同様に、顕著で負の最大ピーク値を同
じ固定係数と乗算して、第３図の点線ｒ−ＣＴＪで示す
「負交差しきい値」を発生する。

次に、これら「交差しきい値」により、導関数波形から
これらしきい値との交差を探し、その結果をテブールに
記録する。このテブールへの各人力には、点の水平位置
及び次の２つを指示する人力がある。すなわち、２つの
指示とは、その点でどの交差しきい値が交差するかの指
示と、その交差は正方向か負方向かの指示とである。

第３図に示す導関数波形では、この例での水平位置とし
て底部と交差する任意の数１〜８を用いて、これら入力
を次のように行う。

位置　　しきい値　　方向 １　　　＋　　　　　＋ ２　　　＋ ４　　−　　　　　＋ ５　　　＋　　　　　＋ ６　　　＋ ８　　−　　　　　＋ そして、このテプールへの入力を用いて、元のデジタル
化した波形内の総ての点を次の７つのグループの１つに
分類する。

無視する点：共に正交差しきい値上である２つの隣接交
差点間の点と、共に負交差しきい上である２つの隣接交
差点間の点。

トップライン点：次の交差点が負交差しきい値と負方向
交差する場合、正交差しきい値と負方向交差した後の点
。

トップライン終点：正交差しきい値と負方向交差した最
終交差点の後の点。

トップライン開始点：負交差しきい値と負方向交差する
第１交差点前の点。

ベースライン点：次の交差点が正交差点と正方向交差す
る場合、負交差しきい値と正方向交差する後の点。

ベースライン終点：負交差しきい値と正方向交差する最
終交差点後の点。

ベースライン開始点：正交差しきい値と正方向交差する
第１交差点より前、の点。

例えば、水平位置１での垂直実線の左側の元のデジタル
化した波形（ａ）の点は、「ベースライン開始点」の定
義に適合するので、これら値をそのグループにする。垂
直線ｌ及び２で識別される水平位置での交差点間の元の
デジタル化した波形（ａ）上の点は、「無視すべき点」
であるので、これらの値を揄てる。同様に、３及び４０
間、５及び６の間、７及び８の間の点は、総て「無視す
べき点」である。

この分類処理を継続して、２及び３間の点は、６及び７
間の点のように、「トップライン点」の定義に一致する
。４及び５の間の点は「ベースライン」点であるが、負
交差しきい値と正交差する最終交差点である８の後の点
では、「ベースライン終了点」として適当に分類する。

次に、トップライン値を計算する手順は、トップライン
点グループ内に点のなくなるまで、このトップライン・
グループ内の点を平均化する。この場合、トップライン
終了点グループ内の点がなくなるまで、トップライン終
了点グループ内の点を平均化する。また、トップライン
開始点グループ内の点がなくなるまで、このトップライ
ン開始点グループ内の点を平均化する。さらに、総ての
点の最大値をトップラインとして用いる。

また、同様に、ベースライン値を計算する手順は、ベー
スライン点グループ内に点がなくなるまで、このベース
ライン点グループ内の点を平均化する。この場合、ベー
スライン終了点グループ内の点がなくなるまで、このベ
ースライン終了点グループ内の点を平均する。また、ベ
ースライン開始点グループ内の点がなくなるまで、この
ベースライン開始点内の点を平均化する。そして、総て
の点の最小値をベースラインとして用いる。

開始点よりも終了点を選ぶことは任意であり、予想する
データの特性により変化できる。まず、開始点を用いる
ことができ、開始点のないときのみ、終了点を用いる。

代わりに、終了点及び開始点の両方を用いることもでき
、その場合、これら点を別にすることにより２つの間を
区別しないように、元の分類法を簡単にできる。また、
中間を採るような他の動作も、単純平均の代わりに用い
ることができる。中心的な考えは同じであり、どのよう
な手段によっても、上述の方法で点をソートし、これら
点を用いて計算を行う。そして、所望のトップライン及
びベースライン基準から、更に測定を行い、波形の残り
の付加的な計算を行う。

本発明の方法を第３図に示す例に適用する場合、「トッ
プライン点」グループ及び「ベースライン点」グループ
の両方に点があり、この計算は簡単である。

第４図は、３レベルのデジタル化された波形（ａ）と、
これに対応する導関数波形（ｂ）を示す（なお、第４図
は、理解し易くするため、デジタル値を対応するアナロ
グ値に変換して、アナログ波形として示す）。取り込ん
だデータ内で、繰り返し波形でなかったり、完全な１サ
イクルでない波形では、本発明の方法独自の利点がより
一層明瞭になる。よって、この波形は、従来の微分法に
よるトップライン／ベースライン分析になじまない。こ
れは、また、ヒストグラム法による分析にもなじまない
。その理由は、波形の中央の広い平坦部分が、このヒス
トグラムにピークを発生するからであり、これは、トッ
プライン・ピーク又はベースライン・ピークと判断され
る。この領域に関連したヒストグラム内のピークの大き
さが、この波形の真の頂部及び底部の平坦領域に関連し
たヒストグラム内のピークと同じ大きさならば、ヒスト
グラム・アルゴリズムによる解決法は、この平坦領域と
、実際の頂部又は底部との間でジャンプ又は振動をする
。

本発明の方法は、この場合をうまく処理する。

まず、導関数波形（ｂ）上に「顕著」な負方向ピークが
ない点、即ち、ゼロから負方向への変化は、導関数波形
の最大ピーク・ピーク値の３０％でない点に留意された
い。よって、この計算には顕著な負ピークの最大を基に
するので、「負しきい値」がない。よって、交差データ
のテブールは、４点を有するのみであり、総て正しきい
値と交差する。

位置　　しきい値　　方向 １　　　＋　　　　　＋ ２　　　＋ ３　　　＋　　　　　＋ ４　　　＋ 第１交差点１の左側の元の波形の点は、「ベースライン
開始点」の定義に一致する。最終交差点４の右の点は、
「トップライン終了点」の定義に一致する。残りの総て
の点、即ち、２及び４の間の点は、１及び２０間の点と
３及び４の間の点と同様に、総て「共に正交差しきい値
である２つの隣接した交差点の間」である。また、これ
ら点は、上述の定義の如く、「無視すべき点」である。

さて、「ベースライン点」又は「ベースライン終了点」
がないので、「ベースライン開始点」のみを用いてベー
スラインを計算する。そして、「トップライン点」がな
いので、「トップライン終了点」のみを用いてトップラ
インを計算する。

よって、本発明のアルゴリズムは、連続的に動作して、
この非繰り返しでやっかいな波形の正確なトップライン
及びベースラインを見つける。

［発明の効果］ 上述の如く、本発明によれば、２つのレベル間に１つの
遷移のみを有する非繰り返し波形であっても、デジタル
化した波形の第１導関数内の情報を用いて、種々の波形
のトップライン及びベースラインを求めることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を説明する流れ図、第２図は本発明を用
いるデジタル・オシロスコープのブロック図、第３図は
デジタル化した波形に対応するアナログ波形（ａ）及び
対応する導関数波形（ｂ）を示す図、第４図は３レベル
を有するデジタル化した波形に対応するアナログ波形（
ａ）及び対応する導関数波形を示す図、第５Ａ図は矩形
波のトップライン及びベースラインを見つけるヒストグ
ラム法を説明する図、第５Ｂ図は正弦波のトップライン
及びベースラインを見つけるヒストグラム法を説明する
図、第５Ｃ図は高周波正弦波成分により歪んだ矩形波の
トップライン及びベースラインを見つけるヒストグラム
法を説明する図である。 （１０）はサンプリング・ヘッド、（１２）は取り込み
システム、（１４）はストローブ分配器、（１６）はタ
イム・ベース／制御器、（１８）はメモリ管理ユニット
、（２０）は波形メモリ、（２２）は実行プロセッサ、
（２４）は波形圧縮及び表示制御回路である。 代　　理　　人 松　　隈　　秀　　盛

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 デジタル化した波形を微分し、このデジタル化した波形
   の複数の点に対応する複数の点を有する導関数波形を発
   生し、 この導関数波形内の顕著な正ピーク及び負ピークを識別
   し、 上記顕著な正ピークが正交差しきい値と交差し、上記顕
   著な負ピークが負交差しきい値と交差する交差点を探し
   、 上記交差点の各々に対して、上記交差点が上記正交差し
   きい値及び上記負交差しきい値のいずれと交差するかを
   判断すると共に、上記交差点での上記導関数波形が正方
   向か又は負方向であるかを判断し、 上記交差点の各々に対して判断した情報を用いて、上記
   デジタル化した波形の各点を上記正交差しきい値、上記
   負交差しきい値、上記正方向及び上記負方向に応じて分
   類して、 デジタル化した波形のトップライン及びベースラインを
   求める方法。