特開 2023-167964 信号処理装置及び信号処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023167964

(43)【公開日】2023-11-24

(54)【発明の名称】信号処理装置及び信号処理方法

(51)【国際特許分類】

   G01M 3/24 20060101AFI20231116BHJP

【ＦＩ】

G01M3/24 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022079534

(22)【出願日】2022-05-13

(71)【出願人】

【識別番号】000207551

【氏名又は名称】株式会社ＳＣＲＥＥＮホールディングス

(74)【代理人】

【識別番号】100168583

【弁理士】

【氏名又は名称】前井 宏之

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼木 義徳

(72)【発明者】

【氏名】中島 駿

【テーマコード（参考）】

2G067

【Ｆターム（参考）】

2G067AA13

2G067CC02

2G067DD13

2G067EE02

(57)【要約】

【課題】微小信号を精度良く検出することができる信号処理装置を提供する。
【解決手段】信号処理装置１００は、信号増幅部１と複数の閾値応答部Ｈｍと信号生成部５１と閾値算出部５２と閾値設定部７とを備える。信号増幅部１は、ノイズ成分ｎ（ｔ）及び信号成分ｓ（ｔ）を含む入力信号ＳＧ１を増幅し、増幅信号ＳＧＡを出力する。閾値応答部Ｈｍの各々は、増幅信号ＳＧＡと閾値信号Ｖｔ［ｍ］との比較結果を示す応答信号Ｂ［ｍ］を出力する。信号生成部５１は、複数の閾値Ｖｔ［ｍ］及び複数の応答信号Ｂ［ｍ］に基づいて信号成分ｓ（ｔ）に対応する信号値ｓｇａを生成する。閾値算出部５２は、新たな複数の閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］を閾値関数Ｆ（ｍ＃）に基づいて算出する。閾値設定部７は複数の閾値Ｖｔ［ｍ］を新たな複数の閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］に更新する。閾値関数Ｆ（ｍ＃）は、信号成分ｓ（ｔ）に対応する信号値ｓｇａに基づいて定められる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ノイズ成分及び信号成分を含む入力信号を増幅し、増幅信号を出力する信号増幅部と、
前記増幅信号が入力されるとともに、複数の異なる閾値信号がそれぞれ入力され、各々が前記増幅信号と前記閾値信号との比較結果を示す応答信号を出力する複数の閾値応答部と、
前記複数の閾値信号にそれぞれ設定されている複数の閾値、及び、複数の前記応答信号に基づいて、前記信号成分に対応する信号値を生成する信号生成部と、
前記複数の閾値信号に対してそれぞれ設定する新たな複数の閾値を、閾値関数に基づいて算出する閾値算出部と、
前記信号成分に対応する前記信号値を生成する際に利用した前記複数の閾値を、前記新たな複数の閾値に更新する閾値設定部と
を備え、
前記閾値関数は、前記信号成分に対応する前記信号値に基づいて定められ、前記閾値信号に対して設定することの可能な閾値と、前記閾値信号を識別するための識別値との関係を示す、信号処理装置。

【請求項2】

前記ノイズ成分の出現が正規分布で示され、
前記閾値関数は、前記正規分布の特性に対応する関数である、請求項１に記載の信号処理装置。

【請求項3】

前記閾値関数は、第１関数と、第２関数とを含み、
前記第１関数は、前記閾値信号に設定することの可能な最小閾値と、前記信号成分に対応する前記信号値に基づいて定められ、
前記第２関数は、前記閾値信号に設定することの可能な最大閾値と、前記信号成分に対応する前記信号値とに基づいて定められる、請求項１又は請求項２に記載の信号処理装置。

【請求項4】

前記第１関数は、前記信号成分に対応する前記信号値を最大値とする二次関数であり、前記最小閾値から前記最大値までの単調増加区間によって示され、
前記第２関数は、前記信号成分に対応する前記信号値を最小値とする二次関数であり、前記最小値から前記最大閾値までの単調増加区間によって示される、請求項３に記載の信号処理装置。

【請求項5】

前記複数の応答信号の各々は、前記比較結果を、第１レベル及び第２レベルのいずれかのレベルで示し、
前記信号生成部は、時間軸上に並ぶ所定期間ごとに、前記複数の応答信号の各々において、前記所定期間における前記第１レベルの割合を算出し、前記複数の応答信号の各々における前記第１レベルの割合と前記複数の閾値信号との関係を近似する近似関数に基づいて、前記所定期間ごとに前記信号成分に対応する前記信号値を生成し、
前記閾値算出部は、前記所定期間ごとに、前記閾値関数を更新して、更新後の前記閾値関数に基づいて前記新たな複数の閾値を算出し、
前記閾値設定部は、前記信号成分に対応する前記信号値を生成する際に利用した前記複数の閾値を、前記所定期間ごとに、前記新たな複数の閾値に更新する、請求項１又は請求項２に記載の信号処理装置。

【請求項6】

ノイズ成分及び信号成分を含む入力信号を増幅し、増幅信号を出力するステップと、
複数の異なる閾値信号の各々と前記増幅信号とを比較し、複数の比較結果をそれぞれ示す複数の応答信号を出力するステップと、
前記複数の閾値信号に対してそれぞれ設定されている複数の閾値、及び、前記複数の応答信号に基づいて、前記信号成分に対応する信号値を生成するステップと、
前記複数の閾値信号に対してそれぞれ設定する新たな複数の閾値を、閾値関数に基づいて算出するステップと、
前記信号成分に対応する前記信号値を生成する際に利用した前記複数の閾値を、前記新たな複数の閾値に更新するステップと
を含み、
前記閾値関数は、前記信号成分に対応する前記信号値に基づいて定められ、前記閾値信号に対して設定することの可能な閾値と、前記閾値信号を識別するための識別値との関係を示す、信号処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、信号処理装置及び信号処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に記載された微小信号検出装置（漏水検出装置）は、漏水音集音板と、第１ピックアップセンサと、第２ピックアップセンサと、差動増幅アンプと、フィルタ回路と、プリメインアンプとを備える。第１ピックアップセンサは、漏水音を検出して微小音検出信号を出力する。第２ピックアップセンサは、第１ピックアップセンサの近傍に配置される。第２ピックアップセンサは、第１ピックアップセンサと異なる感度で漏水音を検出して微小音検出信号を出力する。差動増幅アンプは、第１ピックアップセンサが出力した微小音検出信号と、第２ピックアップセンサが出力した微小音検出信号とを差動増幅する。その結果、ノイズを大幅に低減することができる。フィルタ回路は、差動増幅アンプからの微小音検出信号について、特定周波数成分（ノイズ成分）をカットする。そして、フィルタ回路は、特定周波数成分をカットした微小音検出信号をプリメインアンプに出力する。フィルタ回路は、バンドパスフィルタである。プリメインアンプは、フィルタ回路からの微小音検出信号を、所定レベルまで増幅する。そして、プリメインアンプは、増幅した微小音検出信号を出力する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１－９９７４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載された微小信号検出装置では、例えば、フィルタ回路として用いられるバンドパスフィルタの周波数選択性に幅があること、及び、差動増幅アンプとフィルタ回路との双方がランダムノイズ発生源となることの理由により、ノイズを十分低減することが困難である。従って、微小信号を精度良く検出することが困難である。

【0005】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、微小信号を精度良く検出することができる信号処理装置及び信号処理方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一局面によれば、信号処理装置は、信号増幅部と、複数の閾値応答部と、信号生成部と、閾値算出部と、閾値設定部とを備える。信号増幅部は、ノイズ成分及び信号成分を含む入力信号を増幅し、増幅信号を出力する。複数の閾値応答部には、前記増幅信号が入力されるとともに、複数の異なる閾値信号がそれぞれ入力される。閾値応答部の各々は、前記増幅信号と前記閾値信号との比較結果を示す応答信号を出力する。信号生成部は、前記複数の閾値信号にそれぞれ設定されている複数の閾値、及び、複数の前記応答信号に基づいて、前記信号成分に対応する信号値を生成する。閾値算出部は、前記複数の閾値信号に対してそれぞれ設定する新たな複数の閾値を、閾値関数に基づいて算出する。閾値設定部は、前記信号成分に対応する前記信号値を生成する際に利用した前記複数の閾値を、前記新たな複数の閾値に更新する。前記閾値関数は、前記信号成分に対応する前記信号値に基づいて定められ、前記閾値信号に対して設定することの可能な閾値と、前記閾値信号を識別するための識別値との関係を示す。

【0007】

本発明の一態様においては、前記ノイズ成分の出現が正規分布で示されることが好ましい。前記閾値関数は、前記正規分布の特性に対応する関数であることが好ましい。

【0008】

本発明の一態様においては、前記閾値関数は、第１関数と、第２関数とを含むことが好ましい。前記第１関数は、前記閾値信号に設定することの可能な最小閾値と、前記信号成分に対応する前記信号値に基づいて定められることが好ましい。前記第２関数は、前記閾値信号に設定することの可能な最大閾値と、前記信号成分に対応する前記信号値とに基づいて定められることが好ましい。

【0009】

本発明の一態様においては、前記第１関数は、前記信号成分に対応する前記信号値を最大値とする二次関数であり、前記最小閾値から前記最大値までの単調増加区間によって示されることが好ましい。前記第２関数は、前記信号成分に対応する前記信号値を最小値とする二次関数であり、前記最小値から前記最大閾値までの単調増加区間によって示されることが好ましい。

【0010】

本発明の一態様においては、前記複数の応答信号の各々は、前記比較結果を、第１レベル及び第２レベルのいずれかのレベルで示すことが好ましい。前記信号生成部は、時間軸上に並ぶ所定期間ごとに、前記複数の応答信号の各々において、前記所定期間における前記第１レベルの割合を算出し、前記複数の応答信号の各々における前記第１レベルの割合と前記複数の閾値信号との関係を近似する近似関数に基づいて、前記所定期間ごとに前記信号成分に対応する前記信号値を生成することが好ましい。前記閾値算出部は、前記所定期間ごとに、前記閾値関数を更新して、更新後の前記閾値関数に基づいて前記新たな複数の閾値を算出することが好ましい。前記閾値設定部は、前記信号成分に対応する前記信号値を生成する際に利用した前記複数の閾値を、前記所定期間ごとに、前記新たな複数の閾値に更新することが好ましい。

【0011】

本発明の他の局面によれば、信号処理方法は、ノイズ成分及び信号成分を含む入力信号を増幅し、増幅信号を出力するステップと、複数の異なる閾値信号の各々と前記増幅信号とを比較し、複数の比較結果をそれぞれ示す複数の応答信号を出力するステップと、前記複数の閾値信号に対してそれぞれ設定されている複数の閾値、及び、前記複数の応答信号に基づいて、前記信号成分に対応する信号値を生成するステップと、前記複数の閾値信号に対してそれぞれ設定する新たな複数の閾値を、閾値関数に基づいて算出するステップと、前記信号成分に対応する前記信号値を生成する際に利用した前記複数の閾値を、前記新たな複数の閾値に更新するステップとを含む。前記閾値関数は、前記信号成分に対応する前記信号値に基づいて定められ、前記閾値信号に対して設定することの可能な閾値と、前記閾値信号を識別するための識別値との関係を示す。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、微小信号を精度良く検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態に係る信号処理装置を示すブロック図である。

【図2】本実施形態に係る増幅信号、閾値、及び、応答信号を示す図である。

【図3】本実施形態に係るＯＮ信号の割合と閾値信号の識別値との関係の概形を示す図である。

【図4】本実施形態に係る近似関数を示すグラフである。

【図5】本実施形態に係る閾値関数を示すグラフである。

【図6】本実施形態に係る別の閾値関数を示すグラフである。

【図7】本実施形態に係る信号処理方法を示すフローチャートである。

【図8】本実施形態に係る「出力信号を生成する処理」を示すフローチャートである。

【図9】本実施形態に係る「新たな複数の閾値を算出する処理」を示すフローチャートである。

【図10】本実施形態の信号処理装置の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図中、同一または相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

【0015】

図１～図６を参照して、本発明の実施形態に係る信号処理装置１００を説明する。図１は、本実施形態に係る信号処理装置１００を示すブロック図である。図１に示すように、信号処理装置１００は、入力信号ＳＧ１（ｔ）を処理し、出力信号ＳＧ２（ｔ）を出力する。以下、記載を簡略にするために、入力信号ＳＧ１（ｔ）及び出力信号ＳＧ２（ｔ）を、それぞれ、入力信号ＳＧ１及び出力信号ＳＧ２と記載する。「ｔ」は時間を示す。入力信号ＳＧ１は、信号成分ｓ（ｔ）及びノイズ成分ｎ（ｔ）を含む。ノイズ成分ｎ（ｔ）は、白色正規雑音（Ｇａｕｓｓｉａｎ ｗｈｉｔｅ ｎｏｉｓｅ）である。つまり、ノイズ成分ｎ（ｔ）の出現が正規分布で示される。

【0016】

具体的には、信号処理装置１００は、信号増幅部１と、閾値処理部３と、デジタル処理部５と、閾値設定部７とを備える。

【0017】

信号増幅部１は、入力信号ＳＧ１を増幅して、増幅信号ＳＧＡを閾値処理部３に出力する。具体的には、信号増幅部１は、増幅率Ａを有し、入力信号ＳＧ１をＡ倍に増幅する。従って、増幅信号ＳＧＡは、信号成分Ａ・ｓ（ｔ）及びノイズ成分Ａ・ｓ（ｔ）を含む。信号増幅部１は、例えば、オペアンプ等を含む増幅回路である。

【0018】

閾値設定部７は、複数の異なる閾値信号Ｖｔ［０］～Ｖｔ［Ｍ］を閾値処理部３に出力する。本実施形態において、「Ｍ」は１以上の整数を示す。以下、閾値信号Ｖｔ［０］～Ｖｔ［Ｍ］を区別して説明する必要がない場合には、閾値信号Ｖｔ［０］～Ｖｔ［Ｍ］を総称して「閾値信号Ｖｔ［ｍ］」と記載する。「ｍ」は、閾値信号Ｖｔ［ｍ］を識別するための識別値である。本実施形態において、「ｍ」は、０以上Ｍ以下の整数である。なお、閾値信号Ｖｔ［ｍ］を閾値信号Ｖｔと記載する場合がある。閾値設定部７は、例えば、Ｄ／Ａコンバータ（デジタル－アナログ変換回路）、又は、電源及び抵抗分圧回路を含む。

【0019】

閾値処理部３には、増幅信号ＳＧＡと閾値信号Ｖｔ［ｍ］とが入力される。閾値信号Ｖｔ［ｍ］には、閾値Ｖｔ［ｍ］が設定される。本実施形態では、理解を容易にするために、閾値信号と、閾値信号に設定された閾値とに対して、同じ参照符号「Ｖｔ［ｍ］」を付する。「ｍ」は、閾値Ｖｔ［ｍ］を識別するための識別値でもある。閾値Ｖｔ［ｍ］は電圧値である。具体的には、閾値処理部３には、複数の異なる閾値信号Ｖｔ［０］～Ｖｔ［Ｍ］が入力される。複数の異なる閾値信号Ｖｔ［０］～Ｖｔ［Ｍ］には、それぞれ、複数の閾値Ｖｔ［０］～Ｖｔ［Ｍ］が設定されている。識別値ｍは、閾値Ｖｔ［０］～Ｖｔ［Ｍ］の大小関係を示している。本実施形態では、閾値Ｖｔ［ｍ］は、識別値ｍが大きいほど大きい（Ｖｔ［０］＜Ｖｔ［１］＜…＜Ｖｔ［Ｍ］）。なお、閾値Ｖｔ［ｍ］を閾値Ｖｔと記載する場合がある。

【0020】

閾値処理部３は、増幅信号ＳＧＡと、複数の閾値信号Ｖｔ［０］～Ｖｔ［Ｍ］とを比較することにより、複数の応答信号Ｂ［０］～Ｂ［Ｍ］を生成する。そして、閾値処理部３は、複数の応答信号Ｂ［０］～Ｂ［Ｍ］をデジタル処理部５に出力する。以下、応答信号Ｂ［０］～Ｂ［Ｍ］を区別して説明する必要がない場合には、応答信号Ｂ［０］～Ｂ［Ｍ］を総称して「応答信号Ｂ［ｍ］」と記載する。

【0021】

具体的には、閾値処理部３は、複数の閾値応答部Ｈ０～ＨＭを備える。複数の閾値応答部Ｈ０～ＨＭには、それぞれ、閾値設定部７から複数の異なる閾値信号Ｖｔ［０］～Ｖｔ［Ｍ］が入力される。また、複数の閾値応答部Ｈ０～ＨＭの各々には、信号増幅部１から増幅信号ＳＧＡが入力される。以下、閾値応答部Ｈ０～ＨＭを区別して説明する必要がない場合には、閾値応答部Ｈ０～ＨＭを総称して「閾値応答部Ｈｍ」と記載する。

【0022】

閾値応答部Ｈｍは、増幅信号ＳＧＡと閾値信号Ｖｔ［ｍ］とを比較して、増幅信号ＳＧＡと閾値信号Ｖｔ［ｍ］との比較結果を示す応答信号Ｂ［ｍ］をデジタル処理部５に出力する。閾値応答部Ｈｍは、例えば、コンパレータ等の閾値応答素子である。具体的には、応答信号Ｂ［ｍ］は、増幅信号ＳＧＡと閾値信号Ｖｔ［ｍ］との比較結果を、第１レベルＬＨ及び第２レベルＬＬのいずれかのレベルで示す。第１レベルＬＨと第２レベルＬＬとは異なる。従って、応答信号Ｂ［ｍ］は２値信号である。

【0023】

本実施形態では、応答信号Ｂ［ｍ］は、第１レベルＬＨのＯＮ信号及び第２レベルＬＬのＯＦＦ信号を含む。この場合、第１レベルＬＨは「ハイレベル」であり、第２レベルＬＬは「ローレベル」である。

【0024】

具体的には、閾値応答部Ｈｍは、増幅信号ＳＧＡの電圧値が（レベル）閾値信号Ｖｔ［ｍ］に設定された閾値Ｖｔ［ｍ］よりも大きい場合に、応答信号Ｂ［ｍ］としてＯＮ信号を出力する。一方、閾値応答部Ｈｍは、増幅信号ＳＧＡの電圧値（レベル）が閾値Ｖｔ［ｍ］以下の場合に、応答信号Ｂ［ｍ］としてＯＦＦ信号を出力する。このように、閾値応答部Ｈｍの応答信号Ｂ［ｍ］は閾値Ｖｔ［ｍ］に依存する。また、ノイズ成分ｎ（ｔ）が信号成分ｓ（ｔ）に重畳することで、閾値応答部Ｈｍに入力される増幅信号ＳＧＡが閾値Ｖｔ［ｍ］よりも大きくなる確率が高くなる。つまり、閾値応答部Ｈｍは、確率共鳴を利用して応答信号Ｂ［ｍ］を生成する。確率共鳴とは、微小信号に対する非線形系の応答がノイズ成分ｎ（ｔ）によって増強される現象のことである。ここで、ノイズ成分ｎ（ｔ）は所定期間Ｔにおいてランダムに変化するため、ノイズ成分ｎ（ｔ）の変化に応じて、応答信号Ｂ［ｍ］がＯＮ信号又はＯＦＦ信号に変化する。所定期間Ｔは、信号成分ｓ（ｔ）が略一定であるとみなせる微小な期間（例えば、ミリ秒オーダーの期間）である。

【0025】

デジタル処理部５は、応答信号Ｂ［０］～Ｂ［Ｍ］及び閾値Ｖｔ［１］～Ｖｔ［Ｍ］に基づいて出力信号ＳＧ２を生成するとともに、後述する閾値関数Ｆ（ｍ＃）に基づいて新たな閾値Ｖｔ［１］～Ｖｔ［Ｍ］を算出する。デジタル処理部５は、例えば、マイクロコンピュータ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を含む。

【0026】

具体的には、デジタル処理部５は、信号生成部５１と、閾値算出部５２と、記憶部５３とを備える。記憶部５３は、デジタル処理部５による信号処理の対象情報及び結果情報を記憶する。記憶部５３は、例えば、半導体メモリである。

【0027】

信号生成部５１は、複数の閾値信号Ｖｔ［１］～Ｖｔ［Ｍ］にそれぞれ設定されている複数の閾値Ｖｔ［１］～Ｖｔ［Ｍ］、及び、複数の応答信号Ｂ［０］～Ｂ［Ｍ］に基づいて、入力信号ＳＧ１の信号成分ｓ（ｔ）に対応する信号値ｓｇａを生成する。本実施形態では、信号値ｓｇａは、増幅信号ＳＧＡに含まれる信号成分Ａ・ｓ（ｔ）を示す値である。そして、信号生成部５１は、信号値ｓｇａを増幅率Ａで除算することで、除算結果である信号値ｓｇｂを取得する。信号値ｓｇｂは、入力信号ＳＧ１に含まれる信号成分ｓ（ｔ）を示す値である。そして、信号生成部５１は、信号値ｓｇｂを示す出力信号ＳＧ２を出力する。出力信号ＳＧ２は、好ましくは、デジタル信号である。なお、信号値ｓｇａ、ｓｇｂは電圧値である。

【0028】

詳細には、まず、信号生成部５１は、複数の応答信号Ｂ［０］～Ｂ［Ｍ］の各々において、所定期間ＴにおけるＯＮ信号の割合ｒ［０］～ｒ［Ｍ］を算出する。ＯＮ信号の割合ｒ［０］～ｒ［Ｍ］は、「第１レベルＬＨの割合ｒ［０］～ｒ［Ｍ］」と読み替えることもできる。以下、割合ｒ［０］～ｒ［Ｍ］を区別して説明する必要がない場合には、割合ｒ［０］～ｒ［Ｍ］を総称して割合ｒ［ｍ］と記載する。なお、割合ｒ［ｍ］を割合ｒと記載する場合がある。割合ｒ［ｍ］について、Ｍ＝９の場合を例に挙げて図２を参照して説明する。

【0029】

図２は、所定期間Ｔよりも更に微小な期間Δｔ（＜＜Ｔ）における増幅信号ＳＧＡの経時変化と、増幅信号ＳＧＡに対する応答信号Ｂ［０］～Ｂ［９］の一例とを示す図である。図２における各グラフの横軸は、時間ｔであり、共通である。一方、図２における各グラフの縦軸は、各信号の電圧値である。具体的には、図２の１段目（最上段）には、増幅信号ＳＧＡの一例と、１０個の閾値Ｖｔ［０］～Ｖｔ［９］とが示されている。また、図２の２段目～１１段目には、それぞれ、図２の１段目の増幅信号ＳＧＡと、各閾値Ｖｔ［０］～Ｖｔ［９］とを比較して出力された１０個の応答信号Ｂ［０］～Ｂ［９］が示されている。

【0030】

図２に示すように、応答信号Ｂ［ｍ］は、増幅信号ＳＧＡが閾値Ｖｔ［ｍ］よりも大きい時間ｔにおいてＯＮ信号となり、増幅信号ＳＧＡが閾値Ｖｔ［ｍ］以下となる時間ｔにおいてＯＦＦ信号となる。従って、閾値Ｖｔ［ｍ］が小さいほど、ＯＮ信号の割合ｒ［ｍ］が大きくなる。図２の例では、最も小さな閾値Ｖｔ［０］と比較した応答信号Ｂ［０］におけるＯＮ信号の割合ｒ［０］は、他の閾値Ｖｔ［１］～Ｖｔ［９］と比較した応答信号Ｂ［１］～Ｂ［９］におけるＯＮ信号の割合ｒ［１］～ｒ［９］よりも大きい。そして、応答信号Ｂ［１］から順に、応答信号Ｂ［２］、応答信号Ｂ［３］、応答信号Ｂ［４］、応答信号Ｂ［５］、応答信号Ｂ［６］、応答信号Ｂ［７］、応答信号Ｂ［８］、及び、応答信号Ｂ［９］の順にＯＮ信号の割合ｒ［ｍ］が小さくなる。

【0031】

図１に戻って、次に、信号生成部５１は、所定期間Ｔにおいて複数の応答信号Ｂ［ｍ］の各々におけるＯＮ信号の割合ｒ［ｍ］と、複数の閾値信号Ｖｔ［ｍ］との関係を近似する近似関数に基づいて、入力信号ＳＧ１の信号成分ｓ（ｔ）に対応する信号値ｓｇａを生成する。本実施形態では、信号生成部５１は、複数のＯＮ信号の割合ｒ［ｍ］と、複数の閾値信号Ｖｔ［ｍ］の識別値ｍとの関係を近似する近似関数に基づいて、信号成分ｓ（ｔ）に対応する信号値ｓｇａを生成する。近似関数を、図３及び図４を参照して説明する。なお、近似関数をフィッティング関数と記載することもできる。

【0032】

図３は、ＯＮ信号の割合ｒ［ｍ］と閾値信号Ｖｔ［ｍ］の識別値ｍとの関係を示す図である。横軸は識別値ｍを示す。図３の例では、識別値ｍは、等間隔（線形）の離散値である。縦軸は、ＯＮ信号の割合ｒ［ｍ］を示す。ＯＮ信号の割合ｒ［ｍ］は、「Ｒｍ／Ｔ」によって表される。「Ｒｍ」は、所定期間Ｔにおいて、閾値信号Ｖｔ［ｍ］に基づく応答信号Ｂ［ｍ］におけるＯＮ期間の累計時間である。ＯＮ期間は、所定期間Ｔにおいて、応答信号Ｂ［ｍ］がＯＮ信号を示している期間（第１レベルＬＨを示している期間）である。

【0033】

図３に示すように、ＯＮ信号の割合ｒ［ｍ］と閾値信号Ｖｔ［ｍ］の識別値ｍとの関係は、概形として曲線Ｃによって表される。具体的には、入力信号ＳＧ１のノイズ成分ｎ（ｔ）は正規分布で現れる。従って、増幅信号ＳＧＡのノイズ成分Ａ・ｎ（ｔ）もまた、正規分布で現れる。その結果、曲線Ｃは、正規分布を示す確率密度関数に対する累積分布関数を１から減算した関数（以下、「反転累積分布関数」と記載）によって示される。つまり、ＯＮ信号の割合ｒ［ｍ］は、反転累積分布関数に沿って現れる。よって、識別値ｍを連続値と仮定した場合に、曲線Ｃによって示される反転累積分布関数において、ＯＮ信号の割合ｒ［ｍ］（確率）が０．５であるときの識別値Ｋ（確率変数）によって示される閾値Ｖｔ［Ｋ］が、増幅信号ＳＧＡに含まれる信号成分Ａ・ｓ（ｔ）の信号値ｓｇａに相当する。

【0034】

そこで、反転累積分布関数を、応答信号Ｂ［ｍ］におけるＯＮ信号の割合ｒ［ｍ］と、閾値信号Ｖｔ［ｍ］の識別値ｍとの関係を近似する近似関数として利用する。具体的には、次の通りである。

【0035】

まず、閾値信号Ｖｔ＃［ｍ＃］の識別値ｍ＃及び近似関数Ｄ（ｍ＃）を説明する。識別値ｍ＃は、識別値ｍを連続値として扱ったときの変数である。従って、識別値ｍ＃は識別値ｍを含む。閾値信号Ｖｔ＃［ｍ＃］は、識別値ｍ＃によって示される閾値信号Ｖｔ［ｍ］である。

【0036】

図４は、近似関数Ｄ（ｍ＃）を示すグラフである。図４に示すように、近似関数Ｄ（ｍ＃）は、所定期間ＴにおけるＯＮ信号の割合ｒ＃［ｍ＃］を示し、識別値ｍ＃を変数とする関数である。具体的には、近似関数Ｄ（ｍ＃）は、反転累積分布関数である。割合ｒ＃［ｍ＃］は、識別値ｍ＃によって示される割合ｒ［ｍ］である。なお、割合ｒ＃［ｍ＃］を割合ｒ＃と記載し、閾値信号Ｖｔ＃［ｍ＃］を閾値信号Ｖｔ＃と記載する場合がある。

【0037】

次に、図１、図４及び図５を参照して、信号生成部５１による出力信号ＳＧ２の信号値ｓｇｂの算出方法を説明する。図１に示す信号生成部５１は、所定期間Ｔにおいて各応答信号Ｂ［ｍ］におけるＯＮ信号の割合ｒ［ｍ］を算出する。そして、信号生成部５１は、複数の割合ｒ［ｍ］と複数の識別値ｍとの関係に対してフィッティングを実行し、近似関数Ｄ（ｍ＃）を導出する。具体的には、図４に示すように、割合ｒ［ｍ］を「ｍ＃－ｒ＃」平面に配置して、フィッティングを実行することで、近似関数Ｄ（ｍ＃）を導出する。そして、信号生成部５１は、近似関数Ｄ（ｍ＃）から、ＯＮ信号の割合ｒ＃が０．５であるときの識別値Ｋ＃を算出する。

【0038】

次に、信号生成部５１は、識別値Ｋ＃及び閾値関数Ｅ（ｍ＃）に基づいて出力信号ＳＧ２の信号値ｓｇｂを算出する。図５は、本実施形態に係る閾値関数Ｅ（ｍ＃）を示すグラフである。横軸は閾値信号Ｖｔ＃［ｍ＃］の識別値ｍ＃（連続値）を示す。縦軸は、閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］を示す。

【0039】

図５に示すように、閾値関数Ｅ（ｍ＃）は、閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］を示し、識別値ｍ＃を変数とする関数である。具体的には、閾値関数Ｅ（ｍ＃）は、閾値信号Ｖｔ（ｍ）（図１）に対して設定することの可能な閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］と、連続値である識別値ｍ＃との関係を示す。図５の例では、閾値関数Ｅ（ｍ＃）は、一次関数である。

【0040】

信号生成部５１は、閾値関数Ｅ（ｍ＃）から、識別値ｍ＃が「Ｋ＃」であるときの閾値Ｖｔ＃［Ｋ＃］を算出する。この場合、閾値Ｖｔ＃［Ｋ＃］は、増幅信号ＳＧＡに含まれる信号成分Ａ・ｓ（ｔ）を示す。つまり、ＯＮ信号の割合ｒ＃が０．５であるときの識別値Ｋ＃（図４）によって示される閾値Ｖｔ＃［Ｋ＃］が、増幅信号ＳＧＡに含まれる信号成分Ａ・ｓ（ｔ）を示す。なぜなら、ノイズ成分ｎ（ｔ）が正規分布で出現するため、図４の近似関数Ｄ（ｍ＃）が反転累積分布関数になるからである。

【0041】

そして、信号生成部５１は、閾値Ｖｔ＃［Ｋ＃］を増幅率Ａで除算し、入力信号ＳＧ１に含まれる信号成分ｓ（ｔ）を示す信号値ｓｇｂを取得する。信号生成部５１は、信号値ｓｇｂを示す出力信号ＳＧ２を出力する。

【0042】

以上、図４及び図５を参照して説明したように、信号生成部５１は、近似関数Ｄ（ｍ＃）及び閾値関数Ｅ（ｍ＃）を利用することで、閾値応答部Ｈｍの数を増加させなくても測定の分解能を向上させることができる。ただし、閾値応答部Ｈｍの数が多いほうが、近似関数Ｄ（ｍ＃）及び閾値関数Ｅ（ｍ＃）の精度が向上する。

【0043】

ここで、図４を参照して説明したように、ＯＮ信号の割合ｒ＃が０．５であるときの識別値Ｋ＃を近似関数Ｄ（ｍ＃）から算出する。従って、閾値信号Ｖｔ［ｍ］（図１）に設定する閾値Ｖｔ［ｍ］の選び方が、近似計算が必要な識別値Ｋ＃の算出精度に影響を及ぼす。そこで、識別値ｍの最大値である「Ｍ」を大きくして、多数の閾値Ｖｔ［ｍ］（多数の閾値応答部Ｈｍ）を設けるとともに、閾値Ｖｔ［ｍ］を細かく設定することで、識別値Ｋ＃の算出精度を向上できる。しかしながら、信号処理装置１００の要求仕様によっては、多数の閾値Ｖｔ［ｍ］を設けて閾値Ｖｔ［ｍ］を細かく設定することが、回路実装面積及びコストの観点から好ましくない場合がある。そこで、信号処理装置１００の要求仕様に応じた識別値ｍの数及び範囲で回路を用意し、入力信号ＳＧ１に応じて閾値Ｖｔ［ｍ］の刻み方を適切に設定することで、識別値Ｋ＃を算出する際の高精度化を図ることができる。

【0044】

具体的には、本実施形態のより好ましい例として、図１に示すデジタル処理部５は、閾値関数Ｆ（ｍ＃）に基づいて、閾値信号Ｖｔ［ｍ］に対して設定する閾値Ｖｔ［ｍ］を動的に制御する。

【0045】

具体的には、閾値算出部５２は、複数の閾値信号Ｖｔ［ｍ］に対してそれぞれ設定する新たな複数の閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］を、閾値関数Ｆ（ｍ＃）に基づいて算出する。そして、閾値設定部７は、入力信号ＳＧ１に含まれる信号成分ｓ（ｔ）に対応する信号値ｓｇａを生成する際に利用した複数の閾値Ｖｔ［ｍ］を、新たな複数の閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］に更新する。つまり、閾値設定部７は、前回利用した複数の閾値Ｖｔ［ｍ］を、新たな複数の閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］に更新する。

【0046】

特に、新たな閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］を算出する際に使用する閾値関数Ｆ（ｍ＃）は、入力信号ＳＧ１の信号成分ｓ（ｔ）に対応する信号値ｓｇａに基づいて定められている。従って、本実施形態によれば、前回検出した入力信号ＳＧ１の信号成分ｓ（ｔ）の近傍に位置する新たな複数の閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］を、複数の閾値信号Ｖｔ［ｍ］に設定できる。つまり、複数の閾値Ｖｔ［ｍ］を、前回検出した入力信号ＳＧ１の信号成分ｓ（ｔ）の近傍に配置できる。その結果、閾値応答部Ｈｍの個数の増加を抑制しつつも、微小信号である信号成分ｓ（ｔ）を精度良く検出することができる。「前回検出した入力信号ＳＧ１の信号成分ｓ（ｔ）の近傍」は、具体的には、「前回検出した増幅信号ＳＧＡの信号成分Ａ・ｓ（ｔ）の近傍」のことである。なぜなら、信号値ｓｇａは増幅信号ＳＧＡの信号成分Ａ・ｓ（ｔ）を示すからである。また、本実施形態では、フィルタ回路を使用せずに、確率共鳴現象を利用して入力信号ＳＧ１の信号成分ｓ（ｔ）を検出する。従って、フィルタ回路を起因とするノイズの影響を回避できる。その結果、微小信号である信号成分ｓ（ｔ）を更に精度良く検出することができる。

【0047】

以下、閾値関数Ｆ（ｍ＃）、閾値算出部５２、及び、閾値設定部７の詳細を説明する。

【0048】

まず、閾値関数Ｆ（ｍ＃）の詳細を説明する。閾値関数Ｆ（ｍ＃）は、閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］と、識別値ｍ＃との関係を示す。具体的には、閾値関数Ｆ（ｍ＃）は、閾値信号Ｖｔ［ｍ］（図１）に対して設定することの可能な閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］と、閾値信号Ｖｔ［ｍ］を識別するための識別値ｍを連続値として扱ったときの識別値ｍ＃との関係を示す。識別値ｍ（離散値）は識別値ｍ＃（連続値）に含まれるため、閾値関数Ｆ（ｍ＃）は、閾値信号Ｖｔ［ｍ］に対して設定することの可能な閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］と、閾値信号Ｖｔ［ｍ］を識別するための識別値ｍとの関係を示す関数であると捉えることもできる。

【0049】

なお、閾値Ｖｔ［ｍ］及び閾値信号Ｖｔ［ｍ］の参照符号「Ｖｔ［ｍ］」の末尾、及び、閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］及び閾値信号Ｖｔ＃［ｍ＃］の参照符号「Ｖｔ＃［ｍ＃］」の末尾に対して、時間ｔを示すためのブラケット［ ］を付する場合がある。

【0050】

また、閾値関数Ｆ（ｍ＃）は、入力信号ＳＧ１に含まれる信号成分ｓ（ｔ）に対応する信号値ｓｇａに基づいて定められる。従って、閾値関数Ｆ（ｍ＃）の導出前に、信号値ｓｇａを取得する必要がある。そこで、閾値設定部７は、閾値信号Ｖｔ［ｍ］（図１）に対して初期値Ｖｔ［ｍ］［０］を設定する。例えば、初期値Ｖｔ［１］［０］～Ｖｔ［Ｍ］［０］は、等間隔の値（線形の値）である。そして、図４及び図５を参照して説明した手法と同様に、信号生成部５１は、初期値である閾値Ｖｔ［０］［０］～Ｖｔ［Ｍ］［０］及び応答信号Ｂ［０］～Ｂ［Ｍ］に基づいて、ＯＮ信号の割合ｒ［０］～ｒ［Ｍ］を算出し、近似関数Ｄ（ｍ＃）を導出する。そして、信号生成部５１は、近似関数Ｄ（ｍ＃）によって識別値Ｋ＃を算出する。更に、信号生成部５１は、初期値である閾値Ｖｔ［０］［０］～Ｖｔ［Ｍ］［０］に基づいて閾値関数Ｅ（ｍ＃）を導出する。更に、信号生成部５１は、識別値Ｋ＃を引数として、閾値関数Ｅ（ｍ＃）から、信号値ｓｇａを示す閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］を取得する。信号値ｓｇａは、増幅信号ＳＧＡに含まれる信号成分Ａ・ｓ（ｔ）を示している。

【0051】

更に、閾値関数Ｆ（ｍ＃）を導出するために、記憶部５３は、閾値Ｖｔ［ｍ］［ｔ］がとり得る最小の値Ｖｔ＿ｍｎ及び最大の値Ｖｔ＿ｍｘを記憶する。以下、最小の値Ｖｔ＿ｍｎを最小閾値Ｖｔ＿ｍｎと記載し、最大の値Ｖｔ＿ｍｘを最大閾値Ｖｔ＿ｍｘと記載する。最小閾値Ｖｔ＿ｍｎは例えば０Ｖであり、最大閾値Ｖｔ＿ｍｘは例えば５Ｖである。

【0052】

図６は、閾値関数Ｆ（ｍ＃）を示すグラフである。図６において、左側の縦軸は時間ｔにおける閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］［ｔ］を示し、右側の縦軸は時間ｔ＋Ｔにおける閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］［ｔ＋Ｔ］を示す。横軸は識別値ｍ＃を示す。以下、例えば、ｔ＝０である。

【0053】

図６に示すように、閾値関数Ｆ（ｍ＃）は、第１関数Ｆ１（ｍ＃）と、第２関数Ｆ２（ｍ＃）を含む。

【0054】

閾値関数Ｆ（ｍ＃）を導出するために、まず、閾値算出部５２は、「ｍ＃－Ｖｔ＃」平面において、第１関数Ｆ１（ｍ＃）及び第２関数Ｆ２（ｍ＃）を導出する。

【0055】

第１関数Ｆ１（ｍ＃）は、「ｍ＃－Ｖｔ＃」平面において、（ｍ＃、Ｖｔ＃）＝（Ｋ＃、Ａ・ｓ（ｔ））を頂点とし、（ｍ＃、Ｖｔ＃）＝（０、Ｖｔ＿ｍｎ）を通る上に凸の二次関数である。第１関数Ｆ１（ｍ＃）は、式（１）によって表される。

【数1】

【0056】

第２関数Ｆ２（ｍ＃）は、「ｍ＃－Ｖｔ＃」平面において、（ｍ＃、Ｖｔ＃）＝（Ｋ＃、Ａ・ｓ（ｔ））を頂点とし、（ｍ＃、Ｖｔ＃）＝（Ｍ、Ｖｔ＿ｍｘ）を通る下に凸の二次関数である。第２関数Ｆ２（ｍ＃）は、式（２）によって表される。

【数2】

【0057】

そして、閾値算出部５２は、式（３）に示すように、第１関数Ｆ１（ｍ＃）及び第２関数Ｆ２（ｍ＃）によって、閾値関数Ｆ（ｍ＃）を定義する。

【数3】

【0058】

閾値関数Ｆ（ｍ＃）において、第１関数Ｆ１（ｍ＃）は、閾値信号Ｖｔ［ｍ］に設定することの可能な最小閾値Ｖｔ＿ｍｎと、入力信号ＳＧ１に含まれる信号成分ｓ（ｔ）に対応する信号値ｓｇａ（信号成分Ａ・ｓ（ｔ））に基づいて定められる。なお、図６の例では、閾値Ｖｔ＃［０］［ｔ］が最小閾値Ｖｔ＿ｍｎに設定されている。

【0059】

具体的には、閾値関数Ｆ（ｍ＃）において、第１関数Ｆ１（ｍ＃）は、信号成分ｓ（ｔ）に対応する信号値ｓｇａ（信号成分Ａ・ｓ（ｔ））を最大値ｍｘとする二次関数である。また、第１関数Ｆ１（ｍ＃）は、式（３）に示すように、最小閾値Ｖｔ＿ｍｎから最大値ｍｘまでの単調増加区間（０≦ｍ＃＜Ｋ＃）によって示される。

【0060】

一方、閾値関数Ｆ（ｍ＃）において、第２関数Ｆ２（ｍ＃）は、閾値信号Ｖｔ［ｍ］に設定することの可能な最大閾値Ｖｔ＿ｍｘと、入力信号ＳＧ１に含まれる信号成分ｓ（ｔ）に対応する信号値ｓｇａ（信号成分Ａ・ｓ（ｔ））に基づいて定められる。なお、図６の例では、閾値Ｖｔ＃［Ｍ］［ｔ］が最大閾値Ｖｔ＿ｍｘに設定されている。

【0061】

具体的には、第２関数Ｆ２（ｍ＃）は、信号成分ｓ（ｔ）に対応する信号値ｓｇａ（信号成分Ａ・ｓ（ｔ））を最小値ｍｎとする二次関数である。また、第２関数Ｆ２（ｍ＃）は、式（３）に示すように、最小値ｍｎから最大閾値Ｖｔ＿ｍｘまでの単調増加区間（Ｋ＃≦ｍ＃≦Ｍ）によって示される。

【0062】

閾値算出部５２は、閾値関数Ｆ（ｍ＃）を導出すると、第１関数Ｆ１（ｍ＃）に、識別値０～Ｍのうち単調増加区間（０≦ｍ＃＜Ｋ＃）内の識別値０～ｐを代入して、新たな閾値Ｖｔ＃［０］［ｔ＋Ｔ］～Ｖｔ＃［ｐ］［ｔ＋Ｔ］を算出する。「ｐ」は、Ｋ＃よりも小さく０よりも大きい整数である。更に、閾値算出部５２は、第２関数Ｆ２（ｍ＃）に、識別値０～Ｍのうち単調増加区間（Ｋ＃≦ｍ＃≦Ｍ）内の識別値Ｋ＃～Ｍを代入して、新たな閾値Ｖｔ＃［Ｋ＃］［ｔ＋Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［ｔ＋Ｔ］を算出する。

【0063】

以上の結果、閾値算出部５２は、新たな複数の閾値Ｖｔ＃［０］［ｔ＋Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［ｔ＋Ｔ］を取得する。この場合、「ｔ＋Ｔ」は、閾値Ｖｔ＃［Ｋ＃］［ｔ］によって示される信号成分Ａ・ｓ（ｔ）に基づく閾値関数Ｆ（ｍ＃）から、新たな閾値Ｖｔ＃［０］［ｔ＋Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［ｔ＋Ｔ］が取得されたことを示す。つまり、「ｔ＋Ｔ」は、時間ｔに続く所定期間ＴにおけるＯＮ信号の割合ｒ［ｍ］に基づいて算出した信号成分Ａ・ｓ（ｔ）に基づく閾値関数Ｆ（ｍ＃）から、新たな閾値Ｖｔ＃［０］［ｔ＋Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［ｔ＋Ｔ］が取得されたことを示す。

【0064】

閾値算出部５２は、閾値設定部７に対して閾値情報ＴＳを出力する。閾値情報ＴＳはデジタル信号である。閾値情報ＴＳは、新たな閾値Ｖｔ＃［０］［ｔ＋Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［ｔ＋Ｔ］を示す情報である。従って、閾値設定部７は、閾値情報ＴＳに基づいて、閾値信号Ｖｔ［０］～Ｖｔ［Ｍ］に対してそれぞれ新たな閾値Ｖｔ＃［０］［ｔ＋Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［ｔ＋Ｔ］を設定する。具体的には、閾値設定部７は、デジタル信号である閾値Ｖｔ＃［０］［ｔ＋Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［ｔ＋Ｔ］をアナログ信号に変換し、閾値Ｖｔ＃［０］［ｔ＋Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［ｔ＋Ｔ］をアナログ信号として閾値応答部Ｈ０～ＨＭに出力する。

【0065】

更に、閾値算出部５２は、ｔ＋２Ｔ、ｔ＋３Ｔ、…、についても同様にして、新たな複数の閾値Ｖｔ＃［０］［ｔ＋２Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［ｔ＋２Ｔ］、新たな複数の閾値Ｖｔ＃［０］［ｔ＋３Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［ｔ＋３Ｔ］、…、を取得する。

【0066】

すなわち、閾値算出部５２は、所定期間Ｔごとに、閾値関数Ｆ（ｍ＃）を更新して、更新後の閾値関数Ｆ（ｍ＃）に基づいて新たな複数の閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］を算出する。このようなアルゴリズムで新たな閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］を算出することで、信号成分Ａ・ｓ（ｔ）の近傍に複数の閾値Ｖｔ［ｍ］を配置でき、分解能を向上させることができる。また、信号成分Ａ・ｓ（ｔ）が変化した場合にも容易に対応することが可能である。

【0067】

そして、閾値設定部７は、入力信号ＳＧ１に含まれる信号成分ｓ（ｔ）に対応する信号値ｓｇａを生成する際に利用した複数の閾値Ｖｔ［ｍ］を、所定期間Ｔごとに、新たな複数の閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］に更新する。従って、本実施形態によれば、ＯＮ信号の割合ｒ［ｍ］を算出するための所定期間Ｔごとに、複数の閾値Ｖｔ［ｍ］が更新される。その結果、微小信号である信号成分ｓ（ｔ）を継続的に精度良く検出することができる。

【0068】

なお、信号生成部５１は、時間軸上に並ぶ所定期間Ｔごとに、複数の応答信号Ｂ［ｍ］の各々において、所定期間ＴにおけるＯＮ信号の割合ｒ［ｍ］を算出する。そして、信号生成部５１は、複数の応答信号Ｂ［ｍ］の各々におけるＯＮ信号の割合ｒ［ｍ］と複数の閾値信号Ｖｔ［ｍ］との関係を近似する近似関数Ｄ（ｍ＃）に基づいて、所定期間Ｔごとに信号成分ｓ（ｔ）に対応する信号値ｓｇａを生成する。そして、信号生成部５１は、所定期間Ｔごとに、信号成分Ａ・ｓ（ｔ）を示す信号値ｓｇａを、増幅率Ａで除算することで、信号成分ｓ（ｔ）を示す信号値ｓｇｂを算出して、出力信号ＳＧ２として出力する。

【0069】

以上、図１を参照して説明したように、入力信号ＳＧ１に含まれるノイズ成分ｎ（ｔ）の出現が正規分布で示される。そして、図６に示すように、閾値関数Ｆ（ｍ＃）は、正規分布の特性に対応する関数である。従って、本実施形態によれば、ノイズ成分ｎ（ｔ）の出現確率に応じて、新たな閾値信号Ｖｔ＃［ｍ＃］を適切に算出できる。

【0070】

具体的には、ＯＮ信号の割合ｒ＃［ｍ＃］が０．５であるときの識別値Ｋ＃によって示される閾値Ｖｔ＃［Ｋ＃］［ｔ］（＝Ａ・ｓ（ｔ））の近傍では、閾値関数Ｆ（ｍ＃）は、略一定に近い状態である。このことは、閾値Ｖｔ＃［Ｋ＃］［ｔ］の近傍では、信号成分Ａ・ｓ（ｔ）（信号成分ｓ（ｔ））の出現確率が最も多いことを示し、閾値関数Ｆ（ｍ＃）は正規分布の特性に対応している。従って、閾値関数Ｆ（ｍ＃）を利用することで、閾値Ｖｔ＃［Ｋ＃］（＝Ａ・ｓ（ｔ））の近傍に多くの新たな閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］［ｔ＋Ｔ］を配置できる。

【0071】

また、識別値ｍ＃が小さくなると、閾値関数Ｆ（ｍ＃）はｍ＃＝０の側に収束するとともに、識別値ｍ＃が大きくなると、閾値関数Ｆ（ｍ＃）はｍ＃＝Ｍの側に収束している。このことは、信号成分Ａ・ｓ（ｔ）（信号成分ｓ（ｔ））の出現確率が、ｍ＃＝０の側、及び、ｍ＃＝Ｍの側で小さいことを示している。よって、閾値関数Ｆ（ｍ＃）が正規分布の特性に対応している。

【0072】

更に、本実施形態では、閾値関数Ｆ（ｍ＃）は、第１関数Ｆ１（ｍ＃）と第２関数Ｆ２（ｍ＃）との組み合わせで構成される。従って、閾値関数Ｆ（ｍ＃）を、正規分布の特性により対応させることができる。その結果、ノイズ成分ｎ（ｔ）の分布をより反映した新たな複数の閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］［ｔ＋Ｔ］を算出できる。

【0073】

更に、本実施形態では、第１関数Ｆ１（ｍ＃）及び第２関数Ｆ２（ｍ＃）は二次関数である。従って、閾値関数Ｆ（ｍ＃）がシンプルになるため、閾値関数Ｆ（ｍ＃）の導出を高速化できる。

【0074】

次に、図１及び図７～図９を参照して、本実施形態に係る信号処理方法を説明する。信号処理方法は信号処理装置１００によって実行される。図７は、本実施形態に係る信号処理方法を示すフローチャートである。図７に示すように、信号処理方法は、ステップＳ１～Ｓ６を含む。

【0075】

まず、図１及び図７に示すように、ステップＳ１において、閾値設定部７は初期設定を実行する。具体的には、閾値設定部７は、閾値信号Ｖｔ［ｍ］に対して初期値Ｖｔ［ｍ］［０］を設定する。初期値Ｖｔ［ｍ］［０］は、Ｖｔ［０］［０］～Ｖｔ［Ｍ］［０］である。また、記憶部５３は、閾値Ｖｔ［ｍ］がとり得る最小閾値Ｖｔ＿ｍｎ及び最大閾値Ｖｔ＿ｍｘを記憶する。

【0076】

次に、ステップＳ２において、信号増幅部１は、増幅率Ａで入力信号ＳＧ１の増幅を開始する。つまり、信号増幅部１は、入力信号ＳＧ１を増幅し、増幅信号ＳＧＡを信号生成部５１に出力する。

【0077】

次に、ステップＳ３において、複数の閾値応答部Ｈ０～ＨＭは、増幅信号ＳＧＡ及び複数の閾値信号Ｖｔ［０］［０］～Ｖｔ［Ｍ］［０］に基づいて、複数の応答信号Ｂ［０］～Ｂ［Ｍ］を出力する。換言すれば、閾値応答部Ｈｍは、増幅信号ＳＧＡの電圧値と閾値Ｖｔ［ｍ］［０］とを比較し、比較結果を示す応答信号Ｂ［ｍ］を出力する。更に換言すると、閾値処理部３は、複数の異なる閾値信号Ｖｔ［０］［０］～Ｖｔ［Ｍ］［０］の各々と増幅信号ＳＧＡとを比較し、複数の比較結果をそれぞれ示す複数の応答信号Ｂ［０］～Ｂ［Ｍ］を出力する。

【0078】

次に、ステップＳ４において、信号生成部５１は、複数の閾値Ｖｔ［０］［０］～Ｖｔ［Ｍ］［０］、及び、複数の応答信号Ｂ［０］～Ｂ［Ｍ］に基づいて、出力信号ＳＧ２を生成する。

【0079】

次に、ステップＳ５において、閾値算出部５２は、閾値関数Ｆ（ｍ＃）に基づいて新たな閾値Ｖｔ＃［０］［Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［Ｔ］を算出する。そして、閾値算出部５２は、閾値信号Ｖｔ［０］［０］～Ｖｔ［Ｍ］［０］に対して、新たな閾値Ｖｔ＃［０］［Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［Ｔ］を設定するように、閾値設定部７を制御する。

【0080】

次に、ステップＳ６において、閾値設定部７は、ステップＳ３、Ｓ４で利用した閾値Ｖｔ［０］［０］～Ｖｔ［Ｍ］［０］を、ステップＳ５で算出した新たな閾値Ｖｔ＃［０］［Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［Ｔ］に更新する。

【0081】

次に、処理はステップＳ６からステップＳ３に進む。そして、ステップＳ３では、閾値応答部Ｈ０～ＨＭは、増幅信号ＳＧＡ及び新たな閾値Ｖｔ＃［０］［Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［Ｔ］に基づいて応答信号Ｂ［０］～Ｂ［Ｍ］を出力する。次に、ステップＳ４では、信号生成部５１は、新たな閾値Ｖｔ＃［０］［Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［Ｔ］、及び、応答信号Ｂ［０］～Ｂ［Ｍ］に基づいて、出力信号ＳＧ２を生成する。次に、ステップＳ５では、閾値算出部５２は、更に新たに閾値Ｖｔ＃［０］［２Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［２Ｔ］を算出する。次に、ステップＳ６では、閾値設定部７は、ステップＳ３、Ｓ４で利用した閾値Ｖｔ＃［０］［Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［Ｔ］を、ステップＳ５で算出した新たな閾値Ｖｔ＃［０］［２Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［２Ｔ］に更新する。

【0082】

次に、処理はステップＳ６からステップＳ３に進む。以上のように、ステップＳ３～Ｓ６が繰り返され、閾値Ｖｔ［ｍ］が所定期間Ｔごとに動的に更新される。

【0083】

次に、図８を参照して、図７のステップＳ４の詳細を説明する。図８は、図７のステップＳ４の「出力信号ＳＧ２を生成する処理」を示すフローチャートである。図８に示すように、「出力信号ＳＧ２を生成する処理」は、ステップＳ４１～Ｓ４７を含む。

【0084】

図１及び図８に示すように、まず、ステップＳ４１において、信号生成部５１は、閾値Ｖｔ［０］～Ｖｔ［Ｍ］及び応答信号Ｂ［０］～［Ｍ］に基づいてＯＮ信号の割合ｒ［０］～ｒ［Ｍ］を算出する。

【0085】

次に、ステップＳ４２において、信号生成部５１は、ＯＮ信号の割合ｒ［０］～ｒ［Ｍ］と、閾値信号Ｖｔ［０］～Ｖｔ［Ｍ］の識別値０～Ｍとの関係を示す近似関数Ｄ［ｍ＃］を導出する。

【0086】

次に、ステップＳ４３において、信号生成部５１は、近似関数Ｄ［ｍ＃］において、ＯＮ信号の割合ｒ＃が０．５になるときの識別値Ｋ＃を算出する。

【0087】

次に、ステップＳ４４において、１回目のルーチンでは、信号生成部５１は、ＯＮ信号の割合ｒ＃が０．５になるときの識別値Ｋ＃に対応する閾値Ｖｔ＃［Ｋ＃］を閾値関数Ｅ［ｍ＃］（図５）に基づいて算出する。また、２回目以降のルーチンでは、信号生成部５１は、ＯＮ信号の割合ｒ＃が０．５になるときの識別値Ｋ＃に対応する閾値Ｖｔ＃［Ｋ＃］を閾値関数Ｆ［ｍ＃］（図６）に基づいて算出する。閾値Ｖｔ＃［Ｋ＃］は、増幅信号ＳＧＡに含まれる信号成分Ａ・ｓ（ｔ）を示す信号値ｓｇａである。

【0088】

次に、ステップＳ４５において、信号生成部５１は、閾値Ｖｔ＃［Ｋ＃］、つまり、信号成分Ａ・ｓ（ｔ）を示す信号値ｓｇａを増幅率Ａで除算する。その結果、入力信号ＳＧ１に含まれる信号成分ｓ（ｔ）を示す信号値ｓｇｂが、除算結果として得られる。

【0089】

次に、ステップＳ４６において、信号生成部５１は、除算結果である信号値ｓｇｂを出力信号ＳＧ２に設定する。

【0090】

次に、ステップＳ４６において、信号生成部５１は、出力信号ＳＧ２を出力する。そして、処理は図７のステップＳ５に進む。

【0091】

次に、図９を参照して、図７のステップＳ５の詳細を説明する。図９は、図７のステップＳ５の「新たな複数の閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］を算出する処理」を示すフローチャートである。図９に示すように、「新たな複数の閾値Ｖｔ＃［ｍ＃］を算出する処理」は、ステップＳ５１～Ｓ５３を含む。

【0092】

図１及び図９に示すように、まず、ステップＳ５１において、閾値算出部５２は、ステップＳ４４で算出した閾値Ｖｔ＃［Ｋ＃］、つまり、増幅信号ＳＧＡに含まれる信号成分Ａ・ｓ（ｔ）を示す信号値ｓｇａに基づいて閾値関数Ｆ（ｍ＃）を導出する。閾値Ｖｔ＃［Ｋ＃］は、ＯＮ信号の割合ｒ＃が０．５になるときの識別値Ｋ＃に対応する閾値である。

【0093】

次に、ステップＳ５２において、閾値算出部５２は、識別値０～Ｍを引数として、閾値関数Ｆ（ｍ＃）から、新たな閾値Ｖｔ＃［０］～Ｖｔ＃［Ｍ］を取得する。

【0094】

次に、ステップＳ５３において、閾値算出部５２は、閾値信号Ｖｔ［０］～Ｖｔ［Ｍ］に対して新たな閾値Ｖｔ＃［０］～Ｖｔ＃［Ｍ］を設定するように、閾値設定部７を制御する。そして、処理は図７のステップＳ６に進む。

【0095】

次に、図７及び図１０を参照して、信号処理装置１００の一例を説明する。図１０は、信号処理装置１００の一例を示す図である。図１０に示すように、信号処理装置１００において、信号増幅部１は、少なくとも１つの反転増幅回路１１を含む。本実施形態では、信号増幅部１は、複数の反転増幅回路１１を含む。複数の反転増幅回路１１は直列に接続される。反転増幅回路１１は、トランスインピーダンス増幅回路である。複数の反転増幅回路１１は入力信号ＳＧ１を増幅し、最後段の反転増幅回路１１が増幅信号ＳＧＡを出力する。

【0096】

閾値応答部Ｈ０～ＨＭの各々は、ヒステリシスコンパレータＨＣを含む。複数の閾値応答部Ｈ０～ＨＭにおける複数のヒステリシスコンパレータＨＣは、最後段の反転増幅回路１１の出力端子に対して並列に接続される。そして、最後段の反転増幅回路１１は、閾値応答部Ｈ０～ＨＭの各々のヒステリシスコンパレータＨＣの第１入力端子に増幅信号ＳＧＡを出力する。

【0097】

閾値設定部７は、Ｄ／Ａコンバータ７０を含む。Ｄ／Ａコンバータ７０は、閾値算出部５２が出力したデジタルの閾値信号Ｖｔ＃［０］～Ｖｔ＃［Ｍ］を、アナログの閾値信号Ｖｔ＃［０］～Ｖｔ＃［Ｍ］に変換する。

【0098】

信号処理装置１００は、ラインＬ０～ＬＭを備える。以下、ラインＬ０～ＬＭを区別して説明する必要がない場合には、ラインＬ０～ＬＭを総称して「ラインＬｍ」と記載する。ラインＬ０～ＬＭの一端はＤ／Ａコンバータ７０に接続され、ラインＬ０～ＬＭの他端は、それぞれ、閾値応答部Ｈ０～ＨＭのヒステリシスコンパレータＨＣの第２入力端子に接続される。従って、Ｄ／Ａコンバータ７０は、ラインＬ０～ＬＭを通して、閾値応答部Ｈ０～ＨＭのヒステリシスコンパレータＨＣの第２入力端子に対して、アナログの閾値信号Ｖｔ［０］～Ｖｔ［Ｍ］を入力する。

【0099】

ヒステリシスコンパレータＨＣは、増幅信号ＳＧＡと閾値信号Ｖｔ［ｍ］とを比較して、比較結果を示す応答信号Ｂ［ｍ］を出力する。具体的には、ヒステリシスコンパレータＨＣは、図７のステップＳ３の処理を実行する。

【0100】

デジタル処理部５は、ＦＰＧＡ５０を含む。ＦＰＧＡ５０は、信号生成部５１、閾値算出部５２、及び、記憶部５３を含む。信号生成部５１は、複数のシフトレジスタＧ１～ＧＭと、信号処理部５１０とを含む。以下、シフトレジスタＧ１～ＧＭを区別して説明する必要がない場合には、シフトレジスタＧ１～ＧＭを総称して「シフトレジスタＧｍ」と記載する。

【0101】

シフトレジスタＧｍは、ＦＰＧＡ５０の内部クロックに同期して応答信号Ｂ［ｍ］を記憶する。内部クロックの周波数は、例えば、１００ＭＨｚである。シフトレジスタＧｍは、所定期間Ｔに相当する応答信号Ｂ［ｍ］を記憶する。所定期間Ｔは、例えば、ミリ秒オーダーである。シフトレジスタＧｍは、内部クロックに同期して、新たな応答信号Ｂ［ｍ］を記憶するとともに、最も古い応答信号Ｂ［ｍ］を破棄する。

【0102】

信号処理部５１０は、所定期間Ｔにおいて応答信号Ｂ［ｍ］がＯＮ信号を示している回数をカウントすることで、ＯＮ信号の割合ｒ［ｍ］を算出する（図８のステップＳ４１）。そして、信号処理部５１０は、図８のステップＳ４２～Ｓ４７の処理を実行することで、入力信号ＳＧ１の信号成分ｓ（ｔ）を示す信号値ｓｇｂが設定された出力信号ＳＧ２を出力する。

【0103】

以上、図面を参照して本発明の実施形態について説明した。ただし、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施できる。また、上記の実施形態に開示される複数の構成要素は適宜改変可能である。例えば、ある実施形態に示される全構成要素のうちのある構成要素を別の実施形態の構成要素に追加してもよく、または、ある実施形態に示される全構成要素のうちのいくつかの構成要素を実施形態から削除してもよい。

【0104】

また、図面は、発明の理解を容易にするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の厚さ、長さ、個数、間隔等は、図面作成の都合上から実際とは異なる場合もある。また、上記の実施形態で示す各構成要素の構成は一例であって、特に限定されるものではなく、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることは言うまでもない。

【0105】

（１）図１及び図６を参照して説明したように、閾値算出部５２は、閾値設定部７に対して、新たな閾値Ｖｔ＃［０］［ｔ＋Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［ｔ＋Ｔ］を示す情報を閾値情報ＴＳとして出力した。ただし、例えば、閾値設定部７が電源及び抵抗分圧回路によって、閾値信号Ｖｔ［０］～Ｖｔ［Ｍ］を閾値応答部Ｈ０～ＨＭに出力する場合は、次のような変形も可能である。すなわち、この場合、閾値設定部７は、抵抗分圧回路に対して電源から設定電圧を印加する。従って、設定電圧を制御することで、所望の電圧値を示す閾値信号Ｖｔ［０］～Ｖｔ［Ｍ］を、抵抗分圧回路から出力できる。よって、この場合は、閾値算出部５２は、抵抗分圧回路から閾値Ｖｔ＃［０］［ｔ＋Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［ｔ＋Ｔ］がそれぞれ閾値応答部Ｈ０～ＨＭに出力されるように、設定電圧の情報を閾値情報ＴＳとして閾値設定部７に出力する。なお、閾値算出部５２は、閾値Ｖｔ＃［０］［ｔ＋Ｔ］～Ｖｔ＃［Ｍ］［ｔ＋Ｔ］に基づいて、設定電圧を示す閾値情報ＴＳを算出する。

【0106】

（２）図６を参照して説明したように、閾値関数Ｆ（ｍ＃）は、式（３）で示された。ただし、閾値関数Ｆ（ｍ＃）が正規分布の特性に対応している限りにおいて、閾値関数Ｆ（ｍ＃）の次数は特に限定されないし、他の非線形関数であってもよい。

【0107】

（３）信号処理装置１００は、例えば、ＤＮＡシーケンサーの微小電流検出回路として採用できる。また、例えば、信号処理装置１００は、細胞電位の計測回路における微小信号検出回路として採用できる。その他、例えば、信号処理装置１００は、微弱な生体信号の検出回路として採用できる。ただし、信号処理装置１００の用途は、特に限定されず、例えば、微細構造を有する半導体回路等における微小信号検出回路として採用できる。

【産業上の利用可能性】

【0108】

本発明は、信号処理装置及び信号処理方法に好適に用いられる。

【符号の説明】

【0109】

１ 信号増幅部
７ 閾値設定部
５１ 信号生成部
５２ 閾値算出部
１００ 信号処理装置
Ｈｍ、Ｈ０～ＨＭ 閾値応答部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】