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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Spektralanalyse und insbesondere
einen digitalen Leuchtstoff-Spektralanalysator (DPSA), der eine
schnelle Rasterisierungs- und Abklingverarbeitung verwendet, um
das Aussehen und Gefühl
einer analogen Leuchtstoffanzeige zu emulieren.
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In
einem typischen digitalen Spektralanalysator wird ein überwachtes
Signal tatsächlich
während
eines sehr kleinen Prozentsatzes an Zeit abgetastet, wenn Daten
einem Benutzer präsentiert
werden. Ein digitaler Wobbelfrequenz-Spektralanalysator beobachtet beispielsweise
nur einen Signalgehalt innerhalb eines Frequenzbereichs eines Auflösungsbandbreiten-
(RBW) Filters in irgendeinem gegebenen Moment. Für einen digitalen Spektralanalysator mit
einer Wobbelrate von 15 ms, die eine Frequenz von 5 MHz überspannt,
mit einer RBW von 30 kHz und einer Wellenformaktualisierungsrate
von 30 Wellenformen pro Sekunde, kann eine spezielle Frequenz für weniger
als 90 μs
[(0,015 × 3 × 104)/5 × 106] pro Durchlauf oder etwa 2,7 ms (9 × 10-5 × 30)
in einem Zeitraum von einer Sekunde beobachtet werden, wobei jede
Wellenform einen vollständigen
Frequenzbereich darstellt. Einem digitalen Spektralanalysator, der
eine digitale Zwischenfrequenz- (IF) Abwärtsmischung verwendet, fehlt
auch das "Aussehen und
Gefühl" eines Wobbelfrequenz-Spektralanalysators
vom analogen Typ, der eine Kathodenstrahlröhren- (CRT) Leuchtstoffanzeige
verwendet, was die Fähigkeit
eines Benutzers, Signaldetails zu sehen, die ansonsten beobachtbar
sein könnten,
begrenzt. Siehe 1, die
eine herkömmliche
Anzeige mit einzelnem Durchlauf für einen digitalen Spektralanalysator
gemäß dem Stand
der Technik ist.
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Ein
Echtzeit-Spektralanalysator oder einer mit kontinuierlicher Erfassung
bietet eine Lösung
für das
erste Problem – die
diskontinuierliche Überwachung
des Signals bei einer gegebenen Frequenz – geht jedoch nicht das analoge "Aussehen und Gefühl" an, das von einem
signifikanten Prozentsatz an Benutzern gewünscht wird. Die Benutzer können immer
noch nicht in der Lage sein, Signale mit niedrigem Pegel zu beobachten,
die nahe dem Störpegel verborgen
sind, Modulationsdetails, die nicht offensichtlich sind, zu sehen,
oder Impulsspektren, die durch ein Breitbandsignal mit höherer Amplitude maskiert
sein könnten,
zu sehen. Eine Spektrogrammanzeige – Amplitude als Funktion der
Frequenz als Funktion der Zeit – wendet
sich auch dem Problem der Beobachtung von schwachen Signalen zu,
die in einer typischen Spektralanzeige vom Störpegel nicht unterscheidbar
sein können.
Die Spektrogrammanzeige weist jedoch die Begrenzung der Zuweisung
einer relativ endlichen Anzahl von Amplitudenpegeln in einem Farbabstufungs-Anzeigeschema auf
und eine übliche
Implementierung ist wieder durch den Prozentsatz an Zeit begrenzt,
die der digitale Spektralanalysator tatsächlich das Signal abtastet,
da nur eine einzige Erfassungswellenform pro Wellenformaktualisierung
angezeigt wird.
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Eine
kumulative Rasterisierung und Abklingung von digitalisierten Daten
wurde auf Digitalisierungsoszilloskope angewendet, um den Effekt
von analogen Oszilloskopanzeigen nachzuahmen – insbesondere um Elektronenstrahl/Leuchtstoff-Effekte von
einer CRT nachzuahmen. Diese sind Anwendungen, die in Vorrichtungen
zum Messen der Amplitude als Funktion der Zeit verwendet werden.
Die Herausforderung für
einen digitalen Spektralanalysator besteht darin, eine Frequenztransformationsverarbeitung
mit einer Rate bereitzustellen, die schnell genug ist, um das Aussehen
und Gefühl
einer analogen Wobbelspektrum-CRT-Basis-Anzeige nachzuahmen.
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Was
erwünscht
ist, ist die Anwendung der Technologie der kumulativen Rasterisierung
und Abklingung auf einen digitalen Spektralanalysator, der eine
sehr hohe Wellenformaktualisierungsrate aufweist, um das Aussehen
und Gefühl
einer analogen Leuchtstoffanzeige zu emulieren, während das
Verhältnis
der Wellenformerfassungs- zur Nicht-Erfassungs-Zeit verbessert wird.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Folglich
stellt die vorliegende Erfindung einen digitalen Leuchtstoff-Spektralanalysator
bereit, der eine schnelle Rasterisierungs- und Abklingverarbeitung
verwendet, um das Aussehen und Gefühl einer analogen Leuchtstoffanzeige
zu emulieren, während
das Verhältnis
der Wellenformerfassungs- zur Nicht-Erfassungs-Zeit verbessert wird.
Mehrere Erfassungen von komplexen digitalen Daten für ein über einen
Frequenzbereich analysiertes Eingangssignal werden in einem Rasterspeicher
mit einer Wellenformaktualisierungsrate angesammelt, um eine zusammengesetzte
Wellenform oder einen "Datenblock" zu erzeugen. Eine
Abklingfunktion wird auf die zusammengesetzte Wellenform angewendet,
um eine Anzeigewellenform zu erzeugen. Die Anzeigewellenform wird
auf einer Anzeigevorrichtung mit einer Datenblock- oder Anzeigeaktualisierungsrate
betrachtet, was zur Fähigkeit,
ansonsten unbeobachtbare Frequenzeigenschaften des Eingangssignals
zu sehen, führt.
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Die
Aufgaben, Vorteile und andere neue Merkmale der vorliegenden Erfindung
sind aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Ansprüchen und
der beigefügten
Zeichnung gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine graphische Ansicht einer Anzeige eines herkömmlichen digitalen Spektralanalysators.
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2 ist
eine Blockdiagrammansicht eines typischen digitalen Abwärtsmischers.
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3 ist
eine Blockdiagrammansicht eines digitalen Leuchtstoff-Spektralanalysators
mit einem Spektralverarbeitungsprozessor gemäß der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
eine graphische Ansicht, die die Beziehung zwischen einer Spektralwellenform
und ihrer rasterisierten Punktmodus-Darstellung zeigt.
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5 ist
eine graphische Ansicht, die die Beziehung zwischen einer Spektralwellenform
und ihrer rasterisierten Vektormodus-Darstellung zeigt.
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6 ist
eine graphische Ansicht, die die Beziehung zwischen der Leistung
und der Frequenz, vergleichbar zu 1, für den digitalen
Leuchtstoff-Spektralanalysator
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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7 ist
eine graphische Ansicht, die eine Konstellationsdiagrammanzeige
für den
erfindungsgemäßen digitalen
Leuchtstoff-Spektralanalysator zeigt.
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8 ist
eine graphische Ansicht, die ein Beispiel einer abgestuften Frequenzrasterisierung
einer Wellenform zeigt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein
digitaler Leuchtstoff-Spektralanalysator (DPSA) kann in einer von
zwei Formen implementiert werden – einer parallelen Konfiguration
unter Verwendung einer "Filtergruppe" in Form einer schnellen diskreten
Fouriertransformation (DFT) oder einer Wobbelkonfiguration, die
zu einem herkömmlichen Wobbelspektralanalysator
funktional ähnlich
ist. In der parallelen Konfiguration werden die Kanaleigenschaften
durch ein "Fenster" bestimmt, das vor
der DFT auf die digitalisierten Daten angewendet wird, wobei das
Fenster zu einem Auflösungsbandbreiten- (RBW)
Filter äquivalent
ist. Die Erfassungszeit wird durch die Fensterlänge und Abtastrate festgelegt.
In der Wobbelkonfiguration kann das RBW-Filter als Paar von Filtern
ohne Signalrückführung (FIR)
nach einem numerisch gesteuerten Oszillator (NCO) in einem digitalen
Abwärtsmischer
(DDC) implementiert werden, wie in 2 gezeigt.
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Mit
Bezug nun auf 3 ist ein digitaler Leuchtstoff-Spektralanalysator
(DPSA) mit einem herkömmlichen
RF-Abwärtsmischer 12,
gefolgt von einem Analog- Digital-
(A/D) Wandler 14 und einem herkömmlichen digitalen Abwärtsmischer
(DDC) 16, gezeigt. Die resultierenden digitalisierten Daten
werden dann in einen Spektralverarbeitungsprozessor 20 eingegeben,
der die Daten zur Anzeige verarbeitet. Der RF- und der digitale
Abwärtsmischer 12, 16 sind
der Vollständigkeit
halber gezeigt, sind jedoch kein direkter Teil der vorliegenden
Erfindung. Das Abwärtsmischen
und dessen Verfahren vor dem Spektralverarbeitungsprozessor 20 sind
wahlweise. Es hängt
von der verfügbaren
A/D-Technologie und vom gewünschten
Frequenzbereich ab.
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Der
Spektralverarbeitungsprozessor 20 weist mehrere Schlüsselblöcke auf.
Eine Ausschnittsdarstellungsfunktion 22 empfängt die
digitalisierten Zeitdomänendaten,
wie z.B. komplexe I/Q-Daten, vom DDC 16 oder vom A/D-Wandler 14, um
beobachtbare Kanaleigenschaften, die im Wesentlichen als RBW-Filter
für ein
Anzeigefenster dienen, festzulegen. Ein schneller Frequenzumsetzer 23 führt eine
DFT durch, um die ausschnittweise dargestellten Zeitdomänen-Abtastwerte
von der Ausschnittsdarstellungsfunktion 22 in die Frequenzdomäne umzuwandeln.
Ein Hüllkurvendetektor 24 berechnet
eine Amplitude (Leistung) für
jede Frequenzstelle auf der Basis der komplexen Daten. Die resultierenden
Daten werden dann optimal durch einen logarithmischen Rechner 25 geleitet,
um sie in eine Anzeige im logarithmischen Maßstab umzuwandeln, wie es üblicherweise
von einem Spektralanalysator verwendet wird.
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Eine
Rasterzustandsmaschine 26 umfaßt eine wahlweise Vektorverarbeitung,
eine Wellenformpixelabbildung (Rasterisierung) und Abklingfunktionen
für die
Daten der Leistung als Funktion der Frequenz. Der Rasterisierungsprozeß bildet
die komplexen Datenpunkte in einen Pixelspeicherpuffer 27 (Rasterplanabbildung)
ab, welcher ein Wellenformbetrachtungs- oder -anzeigefenster darstellt.
Jede Stelle im Pixelspeicherpuffer 27 weist n Bits an Intensitätsdaten
auf. Der Abbildungsprozeß wird
nachstehend beschrieben.
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Für jeden
Abtastpunkt in der Eingangswellenform wird der Intensitätswert an
der Pixeladresse in der Speicherabbildung entsprechend den komplexen
Daten durch einen vom Benutzer konfigurierbaren Intensitätsangriffswert
erhöht.
Dies wird als punktweise oder Punktmodusverarbeitung bezeichnet.
Ein Beispiel einer Abbildung einer einzelnen Wellenform ist in 4 gezeigt.
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Eine
wahlweise Vektorverarbeitung kann verwendet werden, um die wahrgenommene
Datenrate über
die Punktmodus-Verarbeitung effektiv zu erhöhen, um das "analoge Gefühl" der Wellenformen zu
verbessern, ohne tatsächlich
die Wellenformaktualisierungsrate im Spektralverarbeitungsprozessor 20 zu
erhöhen.
In diesem Modus werden Vektoren oder spärliche Vektoren, wie im US-Patent
Nr. 6 104 374 gelehrt, vor der Rasterisierungsfunktion berechnet.
Anstatt leere Pixel zwischen Wellenformpunkten zu haben, füllen die
berechneten Vektoren pixelweise oder spärliche Pixel zwischen aufeinanderfolgenden Wellenformpunkten.
Der konfigurierbare Intensitätsangriffswert – Intensitätsinkrement – wird zwischen jedem
der berechneten Pixelpunkte gleichmäßig verteilt, d.h. der Intensitätsangriffswert
wird durch den Vektorabstand dividiert. Dies simuliert Anstiegsgeschwindigkeitsschwankungen
in der Intensität,
die auf einer analogen CRT-Leuchtstoffanzeige beobachtbar sind.
Ein Beispiel der Vektormodus-Verarbeitung ist in 5 gezeigt.
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Eine
große
Anzahl von Wellenformen werden im Pixelspeicherpuffer 27 angesammelt,
um einen "Datenblock" von Daten zu erzeugen.
Der Datenblock stellt die Anzeigeaktualisierungsperiode dar. Die
Rasteransammlung im Datenblock stellt einen auf der Intensität basierenden
Verlauf der über
mehrere Erfassungen erfaßten
komplexen Daten dar, was ein analogartiges Gefühl ergibt. Die Datenblöcke werden
zu einem Meßvorrichtungs-Anzeigesystem 30 mit
einer festgelegten Datenblock- oder Anzeigeaktualisierungsrate übertragen.
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Die
Abklingfunktion in der Rasterzustandsmaschine 26 durchläuft die
gesamte Pixelabbildung einmal pro Datenblock, um den Intensitätswert an
jeder Stelle um einen konfigurierbaren Wert zu dekrementieren – ein minimaler
Intensitätswert
von Null wird erzwungen. Die Abklingfunktion kann eine beliebige
Art Abklingrate verwenden, wie z.B. exponentiell, linear, quadratisch,
S-förmig
oder willkürlich.
Zwei von vielen möglichen
Verfahren zum Implementieren der Abklingung werden nachstehend beschrieben. Das
erste Verfahren verwendet einen Prozeß, der die Speicherstellen
in "Totzeit" zwischen Wellenformaktualisierungen
dekrementiert und stoppt, wenn neue Wellenformen in den Pixelspeicherpuffer 27 rasterisiert
werden. Unter Verwendung dieses Verfahrens werden mehrere "Abschnitte" des Puffers 27 zu
verschiedenen Zeitpunkten dekrementiert, aber die gesamte Pufferabklingung
wird einmal pro Datenblockaktualisierung durchgeführt. Das
zweite Verfahren verwendet einen Prozeß, der die Speicherstellen über den
gesamten Puffer 27 in einem kontinuierlichen Prozeß dekrementiert,
wobei er neue Wellenformaktualisierungen im Puffer sperrt, bis der
Datenblockabklingprozeß beendet
ist. Ein Beispiel einer Anzeige für die Leistung als Funktion
der Frequenz ist in 6 gezeigt, in der ein Störsignal
gezeigt ist, das in der entsprechenden Ansicht von 1 mit
einzigen Durchlauf nicht ersichtlich ist. Ferner zeigt 7 eine
repräsentative
Konstellationsanzeige für ein
Datenübertragungssignal,
wie durch den DPSA erzeugt.
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Für Frequenzbereiche,
die breiter sind als die Bandbreite des Abwärtsmischsystems 12, 16, kann
die Frequenz "abgestuft" werden, um die Daten innerhalb
eines Abschnitts des Pixelabbildungsdatenblocks, der die von dieser
Stufe abgedeckte Frequenz darstellt, zu füllen, wie in 8 gezeigt.
Im Grenzfall einer unendlichen Anzahl von Stufen wird eine lokale
Oszillatorfrequenz im RF-Abwärtsmischer 12 über den
interessierenden Frequenzbereich abgetastet, wie im US-Patent Nr.
4 890 237 beschrieben. Unter Verwendung dieses Modells werden mehrere
Amplituden-"Punkte" – y-Werte – an einer einzelnen Frequenzstelle – x-Werte – in der
Rasterplanabbildung angesammelt. Wenn die Dauer des Frequenzdurchlaufs
länger
ist als die Datenblockperiodenaktualisierung, kann der Abklingzustand
gesperrt werden, bis der Durchlauf des gesamten Frequenzbereichs
beendet ist.
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Somit
stellt die vorliegende Erfindung die Anwendung einer schnellen Rasterisierungs-
und Abklingverarbeitung auf einen digitalen Spektralanalysator bereit,
um das Aussehen und Gefühl
einer analogen Leuchtstoffanzeige zu emulieren, indem eine Anzahl
von erfaßten
Wellenformen über
einen Frequenzbereich in einem einzelnen Rasterbildpuffer mit hohen Geschwindigkeiten
zusammengesetzt werden, eine Abklingfunktion auf die zusammengesetzte Wellenform
angewendet wird und dann die resultierende zusammengesetzte Wellenform
an ein Anzeigesystem mit einer Datenblockaktualisierungsrate gesandt
wird, um eine leuchtstoffartige Anzeige und ein signifikant höheres Verhältnis der
Wellenformerfassungs- zur Nicht-Erfassungs-Zeit
bereitzustellen, das Benutzern ermöglicht, Frequenzereignisse
zu beobachten, die ansonsten unbeobachtbar sein könnten.