ノイズとフィルタとは｜ローパス・ハイパスとIoT中級

ノイズとは、センサの信号に混じる「測りたいもの以外」の成分で、フィルタとは、その成分を周波数や値の性質の違いを手がかりに減らす回路や計算のことです。

IoTデバイスでよく問題になるノイズには、次のようなものがあります。

• 電源からの雑音（ハム）：商用電源の周波数の成分。日本では静岡県の富士川付近を境に、おおむね東日本が50Hz、西日本が60Hz（北海道電力ネットワーク、2026年9月27日確認）。
• 機器からの電磁的な雑音：モータ、インバータ、無線機などが出す、速く変化する成分。
• 素子の内部の雑音：センサや増幅器そのものが持つ細かな揺らぎ。
• 突発的な外れ値：接触不良や一瞬の電波の干渉などで、1点だけ飛び抜けた値が入る。

ノイズの種類によって効くフィルタが違います。「どの周波数にあるか」「一瞬だけか、ずっと続くか」を見分けることが、フィルタを選ぶ出発点です。

カットオフ周波数は、フィルタが「通す」と「落とす」を分ける目安の周波数です。この周波数で出力の電力は半分（約−3dB、振幅では約0.71倍）になります。抵抗RとコンデンサCで作るいちばん簡単なローパスフィルタでは、fc＝1／(2πRC) で求められ、カットオフより上では周波数が10倍になるごとに約20dBずつ弱くなります。

独自の計算例：R＝10kΩ、C＝0.1μF なら、RC＝10,000×0.0000001＝0.001秒です。fc＝1／(2×3.14×0.001)＝約159Hz になります。

Android の公式ドキュメントでは、加速度センサの値から重力の成分を取り除くために、ハイパスフィルタを使う例が示されています（2026年9月27日確認）。重力のようにゆっくり変わる成分は低い周波数にあたるからです。

A/D変換した後の数値の列には、計算でフィルタをかけられます。代表的な処理を比べます。

独自の数値例：温度の値が 20、21、20、80、21、20 と並び、80 だけが接触不良による外れ値だったとします。80 を中心にした3点の移動平均は (20＋80＋21)÷3＝約40.3 で、外れ値の影響が残ったうえ、隣の点の平均にも80が入って値がゆがみます。同じ3点の中央値は 21 で、外れ値だけがきれいに消えます。

どの処理も、強くかけるほど本当の変化まで消したり遅らせたりします。外れ値や欠けた値の扱いをデータ分析の側から整理した話はデータの前処理とはへ。

IoTシステム技術検定 中級の公式ページに示された出題カテゴリのうち、「センサ／アクチュエータ技術と通信方式（デバイス、ネットワーク、LPWA、プロトコル）」25〜30% に当たります（2026年9月27日確認）。この中でノイズとフィルタが何問出るかは公表されていません。

公式テキスト『IoT技術テキスト 第4版』では、第5章「IoTデバイス」に当たる範囲です。章とカテゴリの対応は当サイトの推定で、使っているのは目次の章名だけです。データを整える話は「IoTデータ活用技術」とも重なります。

4択の形としては、当サイトの作問の観点で次のようなものが考えられます（出題の傾向や頻度を示すものではありません）。

• 目的（重力を除く・電源ハムを落とす・細かな雑音を減らす）に合うフィルタを選ぶ
• カットオフ周波数の意味や計算についての記述を判断する
• 移動平均とメディアンフィルタの違いを選ぶ
• A/D変換の前にかけるべきフィルタを選ぶ

試験の形式はIoTシステム技術検定 中級とはへ。合格基準は公式に非公開です。

設備に付けた加速度センサの信号から、ゆっくり変化する重力の成分を取り除き、速く変化する振動の成分だけを取り出したい。最も適切なフィルタはどれか。

1. 1低い周波数を通し、高い周波数を落とすローパスフィルタ
2. 2特定の帯域だけを落とす、バンドストップフィルタ
3. 3高い周波数を通し、低い周波数を落とすハイパスフィルタ
4. 4直近の値の中央値をとって外れ値を消す、メディアンフィルタ

正解：3。重力はほとんど変化しない低い周波数の成分なので、低い周波数を落とすハイパスフィルタで取り除けます。

1 のローパスフィルタは逆に振動を落とし、重力を残します。2 のバンドストップは特定の帯域だけを落とすもので、重力のような直流に近い成分を取り除く目的には合いません。4 のメディアンフィルタは突発的な外れ値を消す処理で、重力の成分は残ります。

抵抗R＝1kΩ、コンデンサC＝1μFで作ったRCローパスフィルタのカットオフ周波数として、最も近いものはどれか。

1. 1約16Hz
2. 2約159Hz
3. 3約1,000Hz
4. 4約6,283Hz

正解：2。RC＝1,000×0.000001＝0.001秒なので、fc＝1／(2π×0.001)＝約159Hzです。

1 は桁を1つ取り違えた値です。3 は2πで割るのを忘れ、1／RCだけを計算した値です。4 は2πで割らずに掛けてしまった値です。

温度の測定値に、接触不良で1点だけ極端に大きな値が混じることがある。周りの値をなるべくゆがめずに、この外れ値を取り除く方法として最も適切なものはどれか。

1. 1直近3点の中央値をとる、メディアンフィルタをかける
2. 2直近3点の平均をとる、移動平均フィルタをかける
3. 3低い周波数を落とす、ハイパスフィルタをかける
4. 450Hzの成分だけを落とす、ノッチフィルタをかける

正解：1。中央値は1点だけ飛び抜けた値に引っ張られないため、外れ値を消しながら周りの値を保てます。

2 の移動平均は外れ値も平均に入るため、周りの値までゆがみます。3 のハイパスフィルタはゆっくりした変化を落とすもので、温度の本来の値まで消してしまいます。4 のノッチフィルタは電源ハムのような特定の周波数に使うもので、突発的な1点には効きません。

迷った問題は「消したい成分は低いか高いか、ずっと続くか一瞬か」を先に書き出してください。フィルタの名前は、通すもので名付けられていることを思い出すと取り違えが減ります。

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