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Gebiet der
Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Signalanalysator, der ein Signal
in Echtzeit analysieren kann. Im Besonderen betrifft die vorliegende
Erfindung einen Echtzeit-Signalanalysator,
der Zeitbereichsdaten und Frequenzbereichsdaten im Wesentlichen
gleichzeitig und in Echtzeit erzeugen und die Gleichzeitigkeit zwischen
diesen sichern sowie die Daten durch willkürliches Zurücksetzen der Mittenfrequenz
und der Signalanalysespanne in einer kostengünstigen Konfiguration analysieren
kann.
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Stand der
Technik
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Ein
Echtzeit-FFT-Analysator ist eine Messvorrichtung, die kontinuierlich
ein getestetes Signal durch einen FFT-Prozess in Echtzeit ohne Totzeit überwacht,
um da Spektrumbereichskomponente aus dem Signal zur Analyse zu extrahieren.
Die Abbildung aus 2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm
eines herkömmlichen
FFT-Analysators, der einen derartigen FFT-Prozess vorsieht. Ein
ADU (Analog-Digital-Umsetzer) 10 wandelt
ein getestetes Signal in ein digitales Signal um, und ein IQ-Separator 12 trennt
dieses dann in eine I-Komponente (Phasengleich) und in eine Q-Komponte
(Quadraturphase). Ein digitaler Mischer 14 sieht einen
Frequenzverschiebungsprozess zu den I-Komponentendaten und den Q-Komponentendaten
gemäß Mittenfrequenzdaten
vor, und ein Dezimationsfilter 16 sieht einen Dezimationsprozess
für diese
Daten gemäß einem auswählbaren
Dezimationskoeffizienten vor. Der Dezimationskoeffizient ist als
ein Verhältnis
der Elementzahl der Eingabedaten zu den Ausgabedaten des Dezimationsfilters 16 definiert.
Die Entscheidung über
den Wert der Dezimationskoeffizientendaten fällt abhängig von einer Einstellung
der Datenanalysespanne des Analysators. Ein FFT-Prozessor 18 transformiert
dezimierte Zeitbereichsdaten, wie zum Beispiel 1024 Zeitbereichsdatenpunkte
als ein Frame, in Frequenzbereichsdaten durch den FFT-Prozess (Fast-Fourier-Transformation).
Der Dezimationsfilter 16 weist einen Datenpuffer (nicht
abgebildet) in dem Ausgangsabschnitt auf, mit einer sequentiellen
Speicherung der Daten eines Frames, und wobei die Daten sequentiell
und kontinuierlich in diesen Datenpuffer geschrieben werden. Der
FFT-Prozessor 18 kann den FFT-Prozess des vorherigen Frames
während
dem Speichernder neuen Daten in dem Datenpuffer abschließen, was
eine Echtzeit-FFT-Analyse der
Daten ermöglicht.
Ein Speicher 20 speichert die Ausgabedaten des FFT-Prozessors 18 sequentiell. Eine
Kippschaltung 22 kann eine Auslösebedingung für die Daten
in dem Speicher 20 festlegen bzw. einstellen. Wenn die
Auslösebedingung
erfüllt
ist, gibt die Kippschaltung 22 ein Auslösesignal zum Auslesen der Daten
aus, welche die Auslösebedingung aus
dem Speicher 20. qualifizieren. Eine CPU 24 steuert
den gesamten Echtzeitanalysator. Die aus dem Speicher 20 ausgelesenen
Daten werden zu einer Anzeigeschaltung (nicht abgebildet) gesendet, um
sie auf einem Bildschirm (nicht abgebildet) anzuzeigen. Dieser Echtzeit-FFT-Analysator kann das Spektrum
(oder die Frequenzkomponente) in Echtzeit ohne Totzeit extrahieren,
und er kann das Eintreten eines Ereignisses erfassen, das eine willkürliche Auslösebedingung
zur Aufzeichnung und zum Anzeigen erfüllt.
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Der
beschriebene Echtzeit-FFT-Analysator muss zwar eine Mittenfrequenz
und eine Signalanalysespanne festlegen, wobei es jedoch ausreichend ist,
diese Bedingung ordnungsgemäß zu Beginn
festzulegen, speziell dann, wen ein Signal eine Übergangsschwankung oder eine
sonstige Schwankung aufweist. In einem solchen Fall ist es wünschenswert, zuerst
eine breitere Analysespanne festzulegen und das Signal zu analysieren
und anzuzeigen, und danach die Mittenfrequenz und die Analysespanne
best möglich
zurückzusetzen,
um das Signal erneut zu analysieren, um eine vergrößerte Anzeige
eines bemerkenswerten Punkts der Signalkomponente zu erhalten. Ein
derartiger Prozess wurde bislang jedoch in einer CPU durch Software
realisiert, so dass viel Zeit für
die zweite Datenanalyse und den Anzeigeprozess erforderlich ist.
Somit wurde ein Versuch zum weiteren Vorsehen eines Zoom-Prozessors 26 speziell
zur Zoom-Verarbeitung unternommen, um den Signalprozess schnell
zu gestalten, wobei dies jedoch zu einem komplizierten System und
höheren Kosten
führt.
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Wenn
die Signalanalyse und die Signalanzeige zudem nach der Änderung
der Mittenfrequenz und der Analysespanne vorgenommen werden, und wenn
das Signal vorübergehend
oder anderweitig auftritt, so kann eine herkömmliche Vorrichtung gemäß den Abbildungen
der 2 und 3 das ursprüngliche Ereignis präzise verfolgen,
selbst denn das Signal erneut erfasst und analysiert wird.
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Erforderlich
ist es somit, einen Echtzeit-Signalanalysator vorzusehen, der eine
kostengünstige Signalanalyse
unter Zurücksetzung
der Mittenfrequenz und der Analysespanne vorsehen kann.
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Ferner
ist es erforderlich, einen Echtzeit-Signalanalysator vorzusehen,
der jederzeit ein Zurücksetzen
der Mittenfrequenz und der Analysespanne ermöglicht, selbst wenn das Signal
eine vorübergehende
oder eine sonstige Schwankung aufweist.
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Darüber hinaus
ist es erforderlich, einen Echtzeit-Signalanalysator vorzusehen, der im
Wesentlichen gleichzeitig Zeit- und Frequenzbereichsdaten erzeugt,
die zeitlich korrespondieren, und wobei die Gleichzeitigkeit zwischen
den Daten gesichert wird, und wobei der Analysator die Daten unter
Zurücksetzen
der Mittenfrequenz und der Analysespanne analysieren kann.
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Das
U.S. Patent US-A-5.576.978 (Kitayoshi) und
EP477379 (Anritsu Corp.) offenbaren
Frequenzanalysatoren.
EP0285238 (Tektronix)
offenbart ein digitales Oszilloskop mit Frequenzbereichsfähigkeiten.
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Offenbarung
der Erfindung
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Ein
Echtzeit-Signalanalysator gemäß der vorliegenden
Erfindung weist eine Frequenzumsetzungseinrichtung zum Dezimieren
von Zeitbereichs-Eingabedaten gemäß einem auswählbaren Dezimationskoeffizienten
auf, einen FFT-Prozessor zum Transformieren der Ausgabedaten der
Frequenzumsetzungseinrichtung durch den FFT-Prozess in Echtzeit,
eine Verzögerungseinrichtung
zum Verzögern
der Ausgabedaten der Frequenzumsetzungseinrichtung über einen
vorbestimmten Zeitraum, eine Frequenzbereichsdaten-Speichereinrichtung
zum Speichern der FFT-verarbeiteten Frequenzbereichsdaten von dem
FFT-Prozessor, eine Zeitbereichsdaten-Speichereinrichtung zum Speichern
der aus der Verzögerungseinrichtung
ausgelesenen verzögerten Zeitbereichsdaten,
und eine Rückführungseinrichtung
für die
Rückführung der
aus der Zeitbereichsdaten-Speichereinrichtung ausgelesenen Daten
in die Frequenzumsetzungseinrichtung an Stelle der genannten Zeitbereichs-Eingabedaten.
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Die
Verzögerungseinrichtung
sieht eine vorbestimmte Verzögerungszeit
für die
Zeitbereichsdaten vor, welche dafür sorgt, dass die Frequenzbereichsdaten
in der Frequenzbereichsdaten-Speichereinrichtung sowie die Zeitbereichsdaten
in der Zeitbereichsdaten-Speichereinrichtung eine zeitliche Korrespondenz
aufweisen. Vorgesehen ist eine entsprechende FFT-Analyse gemäß der am
besten geeigneten Mittenfrequenz oder dem Dezimationskoeffizienten
durch eine Zufuhr der Zeitbereichsdaten aus der Zeitbereichsdaten-Speichereinrichtung
zurück
in die Frequenzumsetzungseinrichtung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm eines bevorzugten Beispiels, das die
vorliegende Erfindung verkörpert;
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2 ein
schematisches Blockdiagramm eines Beispiels eines herkömmlichen
Echtzeit-FFT-Analysators; und
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3 ein
schematisches Blockdiagramm eines Beispiels eines weiteren herkömmlichen
Echtzeit-FFT-Analysators.
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Bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
der Erfindung
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Die
Abbildung aus 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels,
das die vorliegende Erfindung verkörpert. Elemente, die denen
aus den Abbildungen der 2 und 3 entsprechen,
sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Ein IQ-Separator 12 trennt Eingabedaten
des Zeitbereichs in I- und Q-Komponenten. Ein Busschalter 38 sieht
selektiv Ausgabedaten des IQ-Separators 12 an einen digitalen
Mischer 14 vor. Der digitale Mischer 14 verschiebt
die Frequenz der Zeitbereichsdaten gemäß Mittenfrequenzdaten. Ein
Dezimationsfilter 16 dezimiert die Zeitbereichsdaten mit
verschobener Frequenz gemäß einem
auswählbaren
Dezimationskoeffizienten. Der Dezimationskoeffizient ist gemäß der vorstehenden Beschreibung
als ein Verhältnis
der Elementzahl der Eingabedaten zu der Elementzahl der Ausgabedaten des
Dezimationsfilters 16 für
einen vorbestimmten Zeitraum definiert. Wenn die Zahl der Eingabedaten zum
Beispiel 1.000 entspricht und die Zahl der Ausgabedaten gleich 500
ist, so entspricht der Dezimationskoeffizient 2. Der Dezimationskoeffizient
wird durch Dezimationskoeffizientendaten gemäß der Einstellung der Signalanalysespanne
bestimmt und kann ohne Dezimation 1 entsprechen. Die Taktfrequenz
der Ausgabedaten des Dezimationsfilters ändert sich in einer breiten
Spanne, wie zum Beispiel von 12,8 MHz bis 128 MHz, gemäß der Änderung des
Dezimationskoeffizienten. Wie dies bereits vorstehend im Text beschrieben
worden ist, sehen die Frequenzverschiebung des digitalen Mischers 14 und
der Dezimationsprozess des Dezimationsfilters 16 eine Frequenzumsetzung
der Zeitbereichsdaten vor und erzeugen zum Beispiel 1024 Punkt der
Zeitbereichsdaten als ein Frame in Echtzeit. Diese Anzahl der Datenpunkte
des einen Frame ist nur ein Beispiel und ein willkürlicher
Wert gemäß der Spezifikation
der Datenanalyse oder der Analysefunktion. Ein FFT-Prozessor 18 transformiert
die Zeitbereichsdaten durch den FFT-Prozess und multipliziert diese bei
Bedarf durch die Fensterfunktion. Die Zeitbereichsdaten der Ausgabedaten
des Dezimationsfilters 16 werden auch an einen FIFO-Speicher 28 (First-in-First-out)
vorgesehen. Der FIFO-Speicher 28 ist eine Einrichtung zum
Verzögern
der Zeitbereichsdaten über
den Zeitraum, der dem Zeitraum entspricht, der für den FFT-Prozess erforderlich
ist.
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Die
Ausgabedaten des FFT-Prozessors 18 sind die Frequenzbereichsdaten,
welche die Spektrumkomponente des getesteten Signals anzeigen. Andererseits
werden die aus dem FIFO 28 ausgegebenen verzögerten Zeitbereichsdaten über den FFT-Verarbeitungszeitraum
des FFT-Prozessors 18 verzögert. Somit entsprechen sich
die Zeitbereichsdaten und die Frequenzbereichsdaten zeitlich und synchronisieren
sich gegenseitig sicher. Danach können sie leicht miteinander
verglichen werden, um zum Beispiel zu vergleichen und zu sehen,
wie sich die Zeitbereichsdaten und die Frequenzdaten gemäß der vorübergehenden
Schwankung oder der sonstigen Schwankung des getesteten Signals ändern, und
zwar durch gleichzeitiges Anzeigen ihrer Kurvenformen auf einem
Bildschirm.
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Die
ersten, zweiten und dritten Speicherbänke 32, 34 und 36 speichern
die Frequenzbereichsdaten und die Zeitbereichsdaten, die entsprechend
von dem FFT-Prozessor 18 und dem FIFO 28 gemäß der Einstellung
eines Busschalters 30 vorgesehen werden. Wenn der Dezimationskoeffizient
gleich 1 ist, werden die aus dem FFT-Prozessor 18 ausgegebenen
Frequenzbereichsdaten zuerst in den ersten und zweiten Speicherbänken 32 und 34 gespeichert. Jede
der ersten und zweiten Speicherbänke 32 und 34 kann
eine Speicherkapazität
von 1.000 Frames aufweisen. Andererseits werden die aus dem FIFO 28 ausgegebenen
Zeitbereichsdaten über
den Busschalter 30 in der dritten Speicherbank 36 gespeichert.
Die dritte Speicherbank 36 kann eine Speicherkapazität von 2.000
Frames aufweisen. Somit können
die in den ersten, zweiten und dritten Speicherbänken gespeicherten Frequenzbereichsdaten
und Zeitbereichsdaten insgesamt einen Wert von 2.000 Frames erreichen.
Diese Daten machen das Anzeigen der Frequenzbereichs-Kurvenform
und der Zeitbereichs-Kurvenform auf einem Bildschirm (nicht abgebildet)
möglich,
so dass diese als eine Anzeige zur ersten Analyse betrachtet werden
können.
Bei dem Bildschirm kann es sich um jede Anzeigeeinrichtung handeln,
wie etwa eine Kathodenstrahlröhre,
eine Flüssigkristallanzeige
und so weiter. Darüber
hinaus kann ein Drucker oder Plotter, etc. angeschlossen werden,
um die analysierten Daten bei Bedarf auf Papier auszugeben.
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Wie
dies bereits vorstehend im Text beschrieben worden ist, korrespondieren
die in den ersten und zweiten Speicherbänken 32 und 34 gespeicherten
Frequenzbereichsdaten und die in der dritten Speicherbank 36 gespeicherten
Zeitbereichsdaten zeitlich oder sind entsprechend gegenseitig synchronisiert.
Danach können
sie leicht verglichen werden, um zum Beispiel zu vergleichen und
zu beobachten, wie sich die Zeitbereichsdaten und die Frequenzbereichsdaten
gemäß einer
vorübergehenden
Schwankung oder einer sonstigen Schwankung des getesteten Signals ändern, und
zwar durch gleichzeitiges Anzeigen beider Kurvenformen auf dem Bildschirm. Die
Werte der Frequenzbereichsdaten und der Zeitbereichsdaten entsprechen
ferner kontinuierlich bzw. ohne "Totzeit" erfassten Daten.
Die Daten reflektieren somit sicher die vorübergehende Schwankung und die
sonstige Schwankung des getesteten Signals.
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Die
vorliegende Erfindung kann eine geeignete vergrößerte Anzeige gemäß einer
willkürlichen Einstellung
der Mittenfrequenz und der Analysespanne in einer kostengünstigen
Konfiguration vorsehen, da sie die in der dritten Speicherbank 36 gespeicherten
Zeitbereichsdaten recycelt. Wenn eine Bedienungsperson die Einstellung
der Mittenfrequenz und der Analysespanne des Frequenzbereichs für eine vergrößerte Anzeige
eines Teilstücks
der ersten Analyseanzeige ändert,
werden die Mittenfrequenzdaten und die Dezimationskoeffizientendaten
gemäß dieser
Einstellung geändert.
Die aus der dritten Speicherbank 36 ausgelesenen Zeitbereichsdaten werden
durch die Busschalter 30 und 38 in den Eingang
des digitalen Mischers 14 zurückgeführt. Zu diesem Zeitpunkt schaltet
der Busschalter 38 die Eingabedaten von dem IQ-Separator 12 aus.
Der digitale Mischer 14 verschiebt somit die Frequenz gemäß der neuen
Mittenfrequenz, und der Dezimationsfilter 16 führt den
Dezimationsprozess gemäß dem neuen Dezimationskoeffizienten
(2 oder höher)
durch. Danach werden die Ausgabedaten des Dezimationsfilters 16 durch
den FFT-Prozess transformiert, um die Frequenzdaten für die vergrößerte Anzeige
vorzusehen. Zudem gibt der FIFO 28 die Zeitbereichsdaten für die vergrößerte Anzeige
aus, die zeitlich den Frequenzbereichsdaten entsprechen. Zu diesem
Zeitpunkt bewirkt der Busschalter 30, dass die erste Speicherbank 32 die
Frequenzbereichsdatenausgabe des FFT-Prozessors 18 speichert, und
wobei die zweite Speicherbank 34 die Zeitbereichsdatenausgabe
von dem FIFO 28 speichert. Diese Konfiguration überschreibt
und löscht
jedoch die ursprünglichen Daten
bzw. die zuerst gespeicherten Frequenzbereichsdaten in den ersten
und zweiten Speicherbänken 32 und 34,
so dass ein weiterer Speicher vorgesehen werden kann, in welchen
diese Daten übertragen
werden können,
wenn es gewünscht
wird, die ursprünglichen
Frequenzbereichsdaten zu erhalten. Da die dritte Speicherbank 36 die
ursprünglichen
Zeitbereichsdaten jedoch in jedem Fall unverändert speichert, überwacht
die Bedienungsperson die auf dem Anzeigebildschirm (nicht abgebildet)
angezeigte Frequenzbereichskurvenform und wählt eine andere Einstellung
der Mittenfrequenz oder der Analysespanne aus, um erneut eine besser
geeignete vergrößerte Anzeige
zu erzeugen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde vorstehend zwar in Bezug auf ein bevorzugtes
Beispiel beschrieben, wobei für
den Fachmann auf dem Gebiet jedoch verschiedene Möglichkeiten
für Modifikationen
ersichtlich sind. Zum Beispiel wird die zweite Speicherbank 34 in
dem obigen Beispiel zwar als Einrichtung zum selektiven Speichern
der Frequenzbereichsdaten oder der Zeitbereichsdaten verwendet,
wobei jedoch auch andere spezielle Speicher für die entsprechenden Daten
vorgesehen werden können.
Die ersten erfassten Frequenz- und Zeitbereichsdaten können stets
gespeichert bleiben, indem entsprechende andere Speicher vorgesehen
werden, wobei ein Speicher die ersten Frequenz- und Zeitbereichsdaten
speichert, und wobei ein anderer Speicher die neu erfassten Frequenz-
und Zeitbereichsdaten gemäß einer
neuen vergrößerten Einstellung
der Mittenfrequenz und der Signalanalysespanne speichert. Jeder
der Speicher kann unabhängig
sein, wobei aber auch Speicher mit mehreren Anschlüssen bzw. Ports
verwendet werden können.
Gemäß der Beschreibung
kann ein Techniker bzw. Ingenieur jede geeignete physikalische Konfiguration
oder Nutzung des Speichers nach Belieben auswählen.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Ein
Echtzeit-Signalanalysator gemäß der vorliegenden
Erfindung kann im Wesentlichen gleichzeitig und in Echtzeit Zeitbereichsdaten
und Frequenzbereichsdaten erzeugen, wobei die Gleichzeitigkeit zwischen
diesen gesichert wird. Zudem kann er die gespeicherten Zeitbereichsdaten
bei verschiedenen Einstellungen wiederholt analysieren. Somit kann
er die am besten geeigneten Analysedaten durch beliebig häufige Änderung
der Einstellung der Mittenfrequenz und der Signalanalysespanne erzeugen,
selbst wenn das Signal eine vorübergehende Schwankung
oder eine sonstige Schwankung aufweist. Möglich ist eine Realisierung
zu geringen Kosten in einer geringfügig modifizierten Konfiguration ohne
einen besonderen Prozessor. Eine Softwareverarbeitung ist nicht
erforderlich, und vorgesehen wird eine Hochgeschwindigkeits-Hardwareanalyse,
so dass eine hohe Nützlichkeit
sowohl für
die Analyse von Zeitbereichsdaten als auch von Frequenzbereichsdaten
gegeben ist.