JP2006329839A - 雑音特性表示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】位相雑音特性の時間による変化を測定できるようにする。
【解決手段】被測定スペクトラムのピークを検出して、その周波数を基準周波数と定める。基準周波数からのオフセット周波数を順次変更し、その毎に雑音電力を所定周波数幅について積分して積分値を算出して、更にそれを所定周波数幅で除算した除算値を算出する。除算値をピーク電力で除算し、ピーク電力に対する雑音電力の比を表す雑音特性値を求める。そして、オフセット周波数、雑音特性値及び時間の関係をグラフ表示する。これによって、位相雑音特性の時間による変化がグラフ化される。
【選択図】図６

Description

本発明は、雑音特性表示方法に関し、特に所望の基準周波数の近傍に現れる位相雑音特性を時間に関しても表示可能な雑音特性表示方法に関する。

ＰＬＬシンセサイザに代表される信号発生器の特性評価において、出力周波数の設定変更後にどのように出力信号が安定化していくかの定量化は、重要な要素である。この過渡的な特性を現すため、従来から、ＰＬＬのロックアップ時間、周波数対時間のセトリング特性、位相対時間のセトリング特性が測定されている。

信号発生器は、設定した所望の周波数のみを有する信号を出力するのが理想であるが、現実には所望の周波数近傍に雑音（ノイズ）が発生する。これは、位相雑音と呼ばれる。携帯電話等のデジタル通信システムでは、位相雑音はシステム・エラーの原因ともなる。この位相雑音の特性も、周波数のホッピング等により出力周波数の変更が行われた際には過渡的に変化する。そこで、この特性の安定にどのくらいの時間を要するかの測定も、信号発生器の特性評価の重要な要素の一つである。

従来、位相雑音自身を測定する発明は、例えば、米国特許第５４１２３２５号（対応日本特許第２８６９０１２号）に開示されている。これは、独立した３つの信号源を用いて、位相雑音のパワー・スペクトル密度を測定するものである。しかし、これは、所望の周波数が変更された際の位相雑音の遷移状態を表示、測定するのに適したものではない。

被測定信号の周波数特性を表示、測定する代表的な装置としては、スペクトラム・アナライザがある。図３は、スペクトラム・アナライザの一例の機能ブロック図である。非測定信号は、アナログのダウンコンバータ２２で低い周波数に変換された後、アナログ・デジタル変換回路２４において、時間領域のデジタル・データに変換される。この時間領域データは、デジタル・ダウンコンバータ２６で更にデジタル的に周波数変換された後、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）演算ブロック２８で周波数領域データに変換される。周波数領域データは、メモリ３０に記憶された後、表示装置３２でグラフ、文字データなどの形で表示される。図しないが、この回路には、周知のマイクロプロセッサ、ハードディスク、キーボード等から構成される制御手段が接続されている。また、制御のためのプログラムは、例えば、ハードディスクなどの大容量記憶手段に記憶されている。

図３に示すような現在のスペクトラム・アナライザでは、被測定信号の時間領域データを取得し、所定時間毎の所定数の時間領域データをＦＦＴ演算等によって周波数領域データに変換することによってスペクトラムを得るのが一般的であり、１つのスペクトラムを生成するデータの単位をフレームと呼んでいる。また、１つのフレームからＦＦＴ演算で生成する周波数領域データの周波数の範囲を周波数スパンと呼んでいる。

図１は、スペクトラム・アナライザによって、被測定信号の周波数に対する電力（パワー：power）の関係を表示したスペクトラム・グラフの一例である。ピーク６は、例えば、被測定信号がデジタル無線通信信号であれば、キャリア周波数に対応し、小ピーク８はスプリアスによるものである。また、図２は、スペクトログラムで、被測定信号のスペクトラム特性の時間変化を３次元で表現する。Ｘ軸が周波数、Ｙ軸が時間であり、色の変化又は濃淡で電力を表現する。なお、図２では、色の代りに白黒のパターンで示している。このとき、図１のスペクトラム波形は、図２中の破線に示すマーカが示す特定の時間（フレーム）に対応している。

図２を参照すると、スペクトラム波形１２は中心に示す実線部分（図１のピーク６に対応）がもっとも電力が高く、中心実線から離れるにしたがって電力が低くなっている。また、波形１２は、図面の上半分と下半分では、周波数が異なっているが、これは周波数ホッピングによって周波数が変更された例を示している。斑点パターン１４は、スプリアスによるものの例を示し、図１に示す小ピーク８に対応している。

スペクトルの３次元表示には、スペクトログラムの他にも、ＸＹＺ軸を用いて、周波数、時間及び電力の３次元表示を行うウォーターフォール表示も知られている（図示せず）。
米国特許第５４１２３２５号

従来、位相雑音特性の測定には掃引を要するため、時間の関数として表されるようなことはなかった。従って、位相雑音特性の安定時間は、ＰＬＬのロックアップ時間や周波数対時間のセトリング特性から推定するしか方法が無かった。

しかし、現在では、無線通信などにおいて周波数ホッピングが頻繁に利用されており、位相雑音の測定に時間の特定が必要な場合がある。このように、位相雑音特性が周波数設定変更によってどのように過渡的に変化するかを、容易に把握できるように表現し、かつ定量的な測定が望まれている。また、時間枠を特定して、その時間内における位相雑音電力の平均値等の測定を行えれば、更に望ましい。

本発明は、位相雑音特性の表示、測定に適した雑音特性表示方法を提供する。このとき、被測定スペクトラムについて基準周波数を定め、基準周波数からのオフセット周波数を順次変更する毎に雑音電力の所定周波数幅に関する積分値を算出し、オフセット周波数と積分値を用いて雑音特性を表示する。更には、雑音特性の時間変化を表示するようにしても良い。雑音特性の表示には、積分値を所定周波数幅で除算した除算値を用いると、電力と次元が同じになるので良い。更に、基準周波数における被測定スペクトラムの電力を１とする除算値の比を算出し、これを雑音特性値として雑音特性を表示すれば、基準周波数における被測定スペクトラムの電力に対する位相雑音特性が表示できる。なお、基準周波数を定めるのには、被測定スペクトラムのピークを検出することによって行うと良い。

図４は、本発明による位相雑音表示方法の処理手順を示すフローチャートである。本発明は、ハードウェア的には、図３に示す従来のスペクトラム・アナライザでも可能ではあるが、位相雑音特性算出には新規なプログラムを用いる。ここでは、デジタル無線通信で受信した信号（被測定信号）の位相雑音特性を表示することを前提にした例で説明していく。このスペクトラムは、周知の如く、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）演算により被測定信号の時間領域データから予め生成されているものとし、ユーザが設定する周波数スパン内にＮ個のビン（周波数の最小単位）を持つものとする。被測定信号のスペクトラム（以下、被測定スペクトラムともいう）は、ここではキャリア周波数においてピークを有し、そのピーク近傍に位相雑音が存在する例とする。

ステップ４２では、被測定スペクトラムについて、測定の基準とする基準周波数ｆｐを設定する。その具体的な方法としては、スペクトラム・アナライザが周知のピーク検出処理によって、周波数スパン内にあるピークを検出し、これを基準周波数ｆｐとしても良い。また、ユーザがスペクトラム波形を見ながら、手動で基準周波数ｆｐを設定しても良い。ピークが存在する周波数は、例えば、キャリア周波数である。ピーク電力は、位相雑音特性との比を求めるため、測定しておく（ステップ４４）。

次に位相雑音特性を測定するための周波数分解能Ｆｒを、周波数スパンの１／Ｎｒと設定する（ステップ４６）。Ｎｒは周波数スパン内のビン数Ｎ個以内で、ユーザが設定できる。Ｋを整数としてＫ＝１と置き（ステップ４８）、基準周波数ｆｐからのオフセット周波数Ｆｏ＝ＫＦｒとする（ステップ５０）。そして、このオフセット周波数Ｆｏに関し、所定周波数幅、例えば、Ｆｏ−Ｆｒ／２からＦｏ＋Ｆｒ／２の範囲（所定周波数幅はＦｒ）で雑音電力を積分する（ステップ５２）。積分を行うのは、微少な特性変動の影響を平準化するためである。ピーク電力と次元を揃えるため、得られた積分値を所定周波数幅であるＦｒで除算する（ステップ５４）。なお、所定周波数幅は、Ｆｒに限らず、計算量を減らすため、例えば、２／３Ｆｒとし、積分範囲をＦｏ−Ｆｒ／３からＦｏ＋Ｆｒ／３などとしても良い。

除算値データは、基準周波数電力（ピーク電力）で除算することで正規化される（ステップ５５）。この処理により、基準周波数電力を１としたときの各オフセット周波数における雑音電力の比のデータが生成されるので、以下ではこれらを雑音特性値データと呼ぶことにする。雑音特性値データは、メモリに蓄積され（ステップ５６）、これが図５又は図６に示すようにオフセット周波数、雑音特性値及び時間の関係を表示するデータとして使用される（ステップ５８）。この処理は、オフセット周波数が周波数スパンの端に達するまでＫを１づつ増加させて続けられる（ステップ６０及び６２）。ここでは、基準周波数ｆｐより、上側のスペクトラムについて雑音特性を算出する例を示したが、下側のスペクトラムについても同様に雑音特性を算出できる。１つの周波数スパンについて処理を終了すると、次のフレームに移り、同様の処理を繰り返す。

図１及び２に示した周波数ホッピングを含む被測定スペクトラム・データに対して本発明による処理を適用した結果の表示例を図５及び６に示す。図５は、位相雑音特性を１つのフレームについて示したもので、基準周波数の電力を１としたときの、基準周波数からのオフセット周波数Ｆｏに対する位相雑音特性を示す。位相雑音特性波形７０には、スプリアスに対応してピーク７２が現れている。図５では、基準周波数がキャリア周波数との前提なので、Ｙ軸をｄＢｃ（ｄＢはデシベル、ｃはキャリア周波数の略）としている。図６は、更に各フレームに対する位相雑音特性をスペクトログラムと同様の手法で３次元表示し、オフセット周波数Ｆｏ、雑音電力及び時間の関係を示す。図５に示す位相雑音特性波形７０は、図６のマーカ７４で示すフレームにおけるものである。雑音特性パターン７６は、雑音特性の時間に対する変化を示す。また、斑点パターン７８は、スプリアスの雑音特性の時間に対する変化を示す。

図６を用いれば、位相雑音の時間変化を容易に観測でき、さらに過渡的なスプリアスが発生しているような場合も、斑点パターン７８に示されるように、明確に示すことができる。なお、周波数分解能を上げるには、上述のＮｒを増やせばよい。Ｎｒはスペクトラム抽出時のＦＦＴポイント数を増加させることにより大きくできる。

また、本発明の応用の一つとして、図２のマーカ１８及び２０で示す時間枠を設定し、その範囲内で平均化した位相雑音特性を測定し、図５と同様の形式で別途表示しても良い（図示せず）。これによって、特定時間内における平均的な位相雑音特性を明らかにできる。また、表示方法の応用としては、ＸＹＺ軸による３次元表示を用いても良い。

以上のように、本発明によれば、位相雑音特性及びスプリアスの時間変化が表示、測定可能になる。よって、位相雑音の整定特性から見た被測定信号の各種特性などの測定に適している。

スペクトラム表示の一例のグラフである。 スペクトログラム表示の一例のグラフである。 スペクトラム・アナライザの主要機能のブロック図である。 本発明によるデータ処理の一例を示すフローチャートである。 本発明を用いてオフセット周波数と雑音電力の関係を示したグラフである。 本発明を用いてオフセット周波数、雑音電力及び時間の関係を示したグラフである。

符号の説明

６ ピーク
８ 小ピーク（スプリアス）
１０ スペクトラム波形
１２ スペクトログラム波形
１４ 斑点パターン（スプリアス）
１６ マーカ
１８ 第１時間マーカ
２０ 第２時間マーカ
２２ アナログ・ダウン・コンバータ
２４ アナログ・デジタル変換回路
２６ デジタル・ダウン・コンバータ
２８ 高速フーリエ変換演算ブロック
３０ メモリ
７０ 雑音特性波形
７２ 雑音特性波形のピーク
７４ マーカ
７６ 雑音特性パターン
７８ 斑点パターン
ｆｐ 基準周波数
Ｆｏ オフセット周波数
Ｆｒ 雑音特性の周波数分解能

Claims (4)

1. 被測定スペクトラムについて基準周波数を定め、
   上記基準周波数からのオフセット周波数を順次変更する毎に雑音電力の所定周波数幅に関する積分値を算出し、
   上記オフセット周波数と上記積分値を用いて雑音特性を表示する雑音特性表示方法。
2. 上記オフセット周波数と上記積分値を用いて雑音特性の時間変化を表示する請求項１記載の雑音特性表示方法。
3. 上記積分値を上記所定周波数幅で除算した除算値を算出し、
   上記基準周波数における上記被測定スペクトラムの電力に対する上記除算値の比を雑音特性値として算出し、
   上記雑音特性値を用いて上記雑音特性を表示することを特徴とする請求項１又は２記載の雑音特性表示方法。
4. 上記被測定スペクトラムのピークを検出することによって、上記基準周波数を定めることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の雑音特性表示方法。

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