JP2005300539A - 周期的な信号又は周期的定常信号を処理するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】周期的な信号や周期的定常信号を高精度で分析する。
【解決手段】１つの代表的な実施形態では、周期的な信号または周期的定常信号のサンプルの複数の集合が、時間整列方式で処理される。処理システムのサンプリングレートは、整数個のサンプリング間隔が信号の周期に等しくなるように調整される(302)。循環カウンタ(103)は、この整数の値にしたがってリセットするようプログラムされる。動作中、循環カウンタは、各サンプルが受信されるときにインクリメントされる。サンプルの捕捉とともに循環カウンタが連続的に動作することにより、サンプルの集合を互いに正確に時間整列させることができる。具体的には、それぞれの集合の始まりが循環カウンタのリセットによって特定される。各集合が時間整列しているので、さらなる処理（例えば、コヒーレントな平均化）を、各サンプルを時間シフトして時間整列を実現するための後処理を行うことなく、実施することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、周期的な信号又は周期的定常信号の分析又は同様の処理に関する。

オシロスコープや、スペクトル分析器や変調分析器やベクトル信号分析器などの機器には、通常、視認の開始時及び分析の時間間隔を時間軸上の特定の瞬間に整列させる（すなわち、合わせる）トリガ機構が実装してある。この所望のトリガ時間は、個別の「トリガ入力」信号により識別することができる。それは、特定の電圧や電力レベルの交叉等の入力信号の属性に基づくものとすることもできる。これらの機器のほぼ全てにおいて、トリガ信号の種類またトリガ信号の信号源と、閾値や極性等の関連する信号属性の選択が可能である。

トリガタイミングの精度は、大半の機器が入力信号を一様な時間間隔でサンプリングすることによってディジタル形式へ変換するという事実によって複雑化している。所望のトリガ時間がこれらのサンプルのうちの一つに正確に整列していない場合、トリガタイミングに誤差が存在する。追加的な測定を採用しない限り、固有のトリガ不確定性は計測器の１サンプルクロック周期となる。場合によっては、これだけの不確定性は許容することができる。しかしながら、より高い精度を必要とする用途が存在する。

例えば、周期的信号や周期的定常信号（統計的周期を有する信号）の分析には通常、精密な時間整列に従う多数の信号周期の集合の表示や処理が伴なう。集合は、本明細書では、単一周期の信号のサンプルを指す。信号データの複数の集合の分析の１例は、根底にある信号を保持しつつ計測ノイズを低減する幾つかの信号周期のコヒーレントな平均化処理である。周期的信号又は周期的定常信号処理に対するトリガ精度要件は、しばしば機器のサンプリングレートによって課される固有の限界を越える。

一部の機器には、外部供給トリガと次に利用可能な信号サンプルとの間の時間期間を計測するトリガ補間器が備わっている。この場合、捕捉データを後処理して時間整列を効果的にシフトさせて所望のトリガ時間に一致させるために時間オフセットが用いられる。この技術は、実効トリガ精度を１０〜１００倍改善する。しかしながら、この技術にはトリガ補間機能に対する追加の複雑さが伴う。加えて、後処理時間が長くなることもある。さらにまた、時間整列にある程度の不正確さが残る。

外部信号が供給されないときでも、データを後処理することによって高分解能のトリガタイミングを抽出する技術が開発されてきた。サンプリングタイミングとトリガタイミングの間のオフセット値は信号自体から決定されるため、これらの技術は限られた数の特別な場合に適用できるに過ぎない。オフセットが決定された後、時間のかかる後処理技術を用いてタイミングオフセットを補償する。しかしながら、トリガオフセットの抽出は人工的にタイミングを歪め、信号中に存在するジッタ効果を不明瞭にする場合がある。また、信号対ノイズ比が低い条件下ではこの技術を適用することはできない。

代表的な実施形態は、信号分析を容易にするためのシステム及び方法に関する。いくつかの代表的な実施形態では、信号の周期を決定する。この周期は、決定論的（確定的）信号の反復するそれぞれの位相間の時間間隔により規定することができる。代替的には、この周期は周期的定常信号についての繰り返される信号統計間の時間間隔により規定することができる。

この場合、信号サンプルの捕捉に用いる機器のサンプリングレートを調整して、整数個のサンプルを決定された周期に合致させる。サンプリングレートは、幾つかの機構を用いて調整することができる。例えば、アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器の制御に用いるディジタルクロック信号をプログラム可能な周波数合成器を用いて変更することができる。代替的には、Ａ／Ｄ変換器をその最適レートで動作させ、Ａ／Ｄ変換器からのサンプルを任意レートのディジタルリサンプラによって処理することができる。

プログラム可能な係数付きの巡回カウンタ（またはサイクリックカウンタ。また、巡回計数式カウンタともいう））は、決定された周期に合致する整数個のサンプルに従ってリセットするよう構成される。具体的には、巡回カウンタは整数個のサンプルが得られた後、零に復帰する。Ａ／Ｄ変換とカウンタ機構の動作は、信号のデータサンプルが信号分析用に捕捉されていないときでも持続する。

最初のトリガイベントを、一連の測定の開始点として特定のディジタルサンプルを特定するために用いることができる。巡回カウンタは、この時点で零に初期化される。さらなる動作期間中、巡回カウンタのそれぞれのリセットの間にサンプルを捕捉する。巡回カウンタの構成のために、各集合内の捕捉サンプルは時間に関して精密に整列される。この場合、さらなる処理を、後処理での時間整列を必要とすることなく効率的に行うことができる。例えば、それぞれの集合データサンプルと適切なスケーリングを加えるだけでコヒーレントな（たとえば、一貫性のある）平均化処理を行うことができる。

図１は、代表的な実施形態に従う、時間整列した仕方で複数のデータの集合を捕捉するシステム１００を表わす。システム１００に示す如く、信号１１０は、アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器１０１によって受信される。Ａ／Ｄ変換器１０１のサンプリング間隔は、プログラム可能な周波数合成器１０２によって供給されるタイミング信号によって規定される。また、プログラム可能な周波数合成器１０２によって生成されるタイミング信号が巡回カウンタ１０３へ供給され、その計数値をインクリメントさせる。巡回カウンタ１０３は、プログラム可能な係数またはモジュラス（巡回カウンタ１０３が零にリセットする値）を有する。巡回カウンタ１０３は、任意数のディジタル論理設計を用いて実施することができる。

コントローラ１０９は、システム１００の各種構成要素の動作を調整する。コントローラ１０９は、プロセッサと適切に実行可能な命令とを用いて実施することができる。代替的には、コントローラ１０９は必要に応じて特定用途向け集積回路を用いて実施することができる。信号１１０のサンプルの捕捉時に、信号１１０の周期が、分析により、又は先験的知識を使用することによりコントローラ１０９に対して特定される。コントローラ１０９は、Ａ／Ｄ変換器１０１が信号１１０の各周期ごとに整数個のサンプルをサンプリングするようプログラム可能な周波数合成器１０２の周波数を設定する。また、コントローラ１０９は、整数個のサンプルを捕捉した後で巡回カウンタ１０３がリセットされるように当該カウンタ１０３のプログラム可能な係数を設定する。

例えば、システム１００が１０ＭＨｚの公称サンプリングレートを有するものと仮定する。また、信号１１０が１／６０秒の周期の周期的定常信号であると仮定する。これにより、各周期ごとにほぼ１６６６６６．６６個のサンプルが得られるであろう。従って、厳密に毎秒１６６６６６７個のサンプルを得るべくサンプリングレートに対して少しの調整を施すことができる。コントローラ１０９は適切な周波数調整値を決定し、この調整値をプログラム可能な周波数合成器１０２へ供給する。また、コントローラ１０９は信号１１０の期間中に得られた整数個のサンプルを計算し、その数を巡回カウンタ１０３にロードして係数を設定する。巡回カウンタ１０３は、プログラム可能な周波数合成器１０２から受信したタイミング信号に応答してそのカウンタを更新し、１６６６６６７サンプル毎に循環的に零リセットする。

集合を開始するためのサンプルとして特定のサンプルを特定するために、初期化機能１０５を用いることができる。初期化機能１０５は、一般の初期化機構を用いて実施することができる。これに加えて、または、代替的に、初期化機能１０５はユーザ入力を受信し、それに応答してトリガポイント（すなわち、集合の始まりを特定するサンプル）を進ませたり遅らせたりすることができる。ユーザは、次に、所望の整列が得られるまで周期的信号サンプルを「循環」（または回転）させることができる。

動作中、信号１１０はＡ／Ｄ変換器１０１によってサンプリングされる。巡回カウンタ１０３はサンプル数を計数するが、これは、それがプログラム可能な周波数合成器１０２に結合されているからである。巡回カウンタ１０３がそれ自体をリセットすると、それは捕捉回路１０４に対する通信用のトリガメッセージを生成する。捕捉回路１０４は、Ａ／Ｄ変換器１０１からサンプルの個別の集合を読み出す。その後、データサンプルの集合にさらなる処理を施すことができる。例えば、データサンプルの集合をコヒーレント平均化処理回路１０６に供給することができる。様々な集合のサンプルが精密に時間的に整列されるため、コヒーレントな平均化処理を、各サンプルのそれぞれの後処理を必要とすることなく効率的に行うことができる。

次に、コヒーレントに平均化処理されたサンプルを、後で取り出すためにメモリ１０７に格納し、ディスプレイ１０８等に信号特性を表示するのに用いることができる。さらに、サンプル捕捉中に他の動作を遂行するために一時的な中断が発生した場合、巡回カウンタ１０３は信号１１０に対する同期を維持すべくその動作を持続する。従って、サンプル捕捉再開時に、後続の集合は先行する集合に適切に時間整列されることになる。

図２は、別の代表的な実施形態による、時間整列方式でデータの複数の集合を捕捉するシステム２００を表わすものである。システム２００は、システム１００と概ね同じようにして動作する。しかしながら、Ａ／Ｄ変換器１０１のサンプリング間隔の制御にプログラム可能な周波数合成器１０２を用いる代わりに、単一のサンプリング間隔を用いてＡ／Ｄ変換器１０１を動作させる。こうすることにより、Ａ／Ｄ変換器１０１をそれの最適なレートで動作させることができる。この場合、信号１１０の１周期に対する捕捉サンプルの数をディジタルリサンプラ２０１を用いて所望の整数に一致させる。ディジタルリサンプラ２０１により、入力データストリームのサンプリングレートをプログラム可能に低減することが可能となる。コントローラ１０９は、信号周期ごとに整数個のサンプルが得られるようリサンプリングレートを設定する。また、システム２００では、巡回カウンタ１０３をディジタルリサンプラ２０１に結合して、捕捉回路１０４にリサンプリングされた整数個の各サンプルが供給された後に、巡回カウンタ１０３のリセットを可能にする。

システム２００は、比較的短い信号周期を有する信号の処理に適したものとすることができる。具体的には、短い周期がサンプリング間隔のばらつきを引き起こし、Ａ／Ｄ変換器１０１の動作をその最適領域から外れさせることがある。従って、時間整列させるために所望数のサンプルを取得する間、ディジタルリサンプリングの性能がアナログ／ディジタル変換の性能を維持する。加えて、いくつかのディジタルリサンプラにより、プログラムされたサンプリング間隔の何分の一かだけサンプリングタイミングを進ませたり遅らせたりすることができる。巡回カウンタの調整と併せて、代表的な実施形態は、ディジタルサンプラのこの機能を用いて、入力信号に対して巡回カウンタの起動されたトリガを時間整列させた状態で任意の所望の分解能を得ることができる。

図３は、一つの代表的実施形態による、時間整列方式におけるデータの複数の集合を捕捉するためのフローチャートを示す。ステップ３０１において、信号の周期を特定する。この周期は、その信号の反復する位相間の間隔を規定するものとすることができる。代替的には、この周期は信号の確率的特性（または統計的特性）の反復間隔を規定するものとすることができる。ステップ３０２において、処理システムのサンプリングレートを調整して、整数個のサンプリング間隔を信号の周期に一致させる。この調整は、Ａ／Ｄ変換器に供給されるクロック信号を、プログラム可能な周波数合成器を用いて調整することにより達成することができる。代替的には、この調整を、レート（速度）をプログラム可能なディジタルリサンプラを用いて実行することができる。上記サンプリングレートのタイミングを、所望レベルの分解能を得るために、サンプリング間隔の期間の何分の一かだけ調整することもできる。

ステップ３０３において、巡回カウンタは、上記整数値に従って（例えば、上記整数値に一致すると）リセットするよう構成される。また、巡回カウンタを従来のトリガ機構を用いて初期化することができる。代替的には、この巡回カウンタのリセットポイントを、手動か、または別の方法で、周期的信号に対して上記トリガ信号を進ませたり遅らせたりするように調整することができる。巡回カウンタの各リセットを、それぞれの集合の捕捉を開始させるためのトリガ信号の生成に用いることができる。ステップ３０４において、信号のデータサンプルの集合を捕捉する。具体的には、各集合は巡回カウンタの連続するリセットにより画定される。ステップ３０５において、コヒーレント平均化処理等の、集合の追加の処理を行なうことができる。

１つの代表的な実施形態では、周期的な信号または周期的定常信号のサンプルの複数の集合が、時間整列方式で処理される。処理システムのサンプリングレートは、整数個のサンプリング間隔が信号の周期に等しくなるように調整される(302)。循環カウンタ(103)は、この整数の値にしたがってリセットするようプログラムされる。また、循環カウンタを外部トリガにしたがって初期化することができる。動作中、循環カウンタは、各サンプルが受信されるときにインクリメントされる。サンプルの捕捉とともに循環カウンタが連続的に動作することにより、サンプルの集合を互いに正確に時間整列させることができる。具体的には、それぞれの集合の始まりが循環カウンタのリセットによって特定される。各集合が時間整列しているので、さらなる処理（例えば、コヒーレントな平均化）を、各サンプルを時間シフトして時間整列を実現するための後処理を行うことなく、実施することができる。

サンプリング間隔を調整し、巡回カウンタを連続的に動作させて捕捉したサンプルを計数することにより、データサンプルの集合を代表的な実施形態に従って時間整列方式でもって維持する。後処理での時間シフト（またはタイミングシフト）は必要でないため、効率的な仕方で集合を処理するのにハードウェアによる平均化処理や他の適切な処理を用いることができる。加えて、代表的な実施形態により達成される整列の精度は、Ａ／Ｄ変換器のサンプリングのジッタ限界によってのみ制限されるが、このジッタ限界は通常１０^−１２秒までの範囲にある。従って、いくつかの代表的な実施形態により、整列を補正するための別の従来のトリガを必要とすることなく整列の正確さを数時間または数日にわたって維持できるようになる。

代表的な１実施形態に従う、時間整列方式おいてデータの複数の集合を捕捉するシステムを示す。 代表的な１実施形態に従う、時間整列方式においてデータの複数の集合を捕捉する別のシステムを示す。 代表的な１実施形態に従う、時間整列方式においてデータの複数の集合を捕捉するためのフローチャートを示す。

符号の説明

１００ システム
１０１ Ａ／Ｄ変換器
１０２ プログラム可能な周波数合成器
１０３ 巡回カウンタ
１０４ 捕捉回路
１０５ 初期化機能
１０６ コヒーレント平均化処理回路
１０７ メモリ
１０８ ディスプレイ
１０９ コントローラ

Claims (10)

1. 信号分析を容易にするための方法であって、
   前記信号の周期を特定するステップ（３０１）と、
   整数個のサンプリング間隔が前記信号の周期と等しくなるようにサンプリングレートを調整するステップ（３０２）と、
   前記整数の値に従ってリセットするように巡回カウンタを構成するステップ（３０３）と、
   前記巡回カウンタの連続するリセットによって個別に画定される前記信号のデータサンプルの集合を捕捉するステップ（３０４）
   を含む、方法。
2. 前記捕捉された集合の各サンプルを時間シフトさせるための後処理を行うことなく、前記捕捉された集合をコヒーレントに平均化するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 前記巡回カウンタのリセットに応答して、前記捕捉のためのトリガ信号を発生するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
4. 前記巡回カウンタのリセットポイントを調整して、前記信号に対して前記トリガ信号を遅らせ、または進ませるステップをさらに含む、請求項３記載の方法。
5. トリガ機構を用いて前記巡回カウンタを初期化するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
6. 前記サンプリング間隔の１期間の何分の一かだけ前記サンプリングレートのタイミングを調整するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
7. ある周期を有する信号を処理するためのシステムであって、
   前記信号をサンプリングするためのアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器（１０１）と、
   整数個のサンプリング間隔が前記周期と等しくなるようにあるサンプリングレートで前記信号のサンプルを取得するためのサンプル捕捉回路（１０４）と、
   捕捉された各サンプルを計数するとともに、前記整数の値に設定されたプログラム可能な係数を有する巡回カウンタロジック（１０３）
   とを備え、
   前記サンプル捕捉回路は、前記巡回カウンタロジックのそれぞれのリセットにより画定される、捕捉されたサンプルの時間整列された集合を出力するよう動作可能であることからなる、システム。
8. 前記Ａ／Ｄ変換器のサンプリングレートを変えるためのプログラム可能な周波数合成器（１０２）をさらに備える、請求項７記載のシステム。
9. 前記Ａ／Ｄ変換器と前記サンプル捕捉回路の間に配置され、前記サンプル捕捉回路へサンプルを供給するレートをプログラム可能に変更するためのディジタルリサンプリング回路（２０１）をさらに備える、請求項７記載のシステム。
10. 前記ディジタルリサンプリング回路は、該ディジタルリサンプリング回路のプログラム可能に変更可能なレートの何分の一かだけ前記Ａ／Ｄ変換器とのサンプルの伝送タイミングを調整する、請求項９記載のシステム。

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