JP2007225476A

JP2007225476A - 波形分析装置

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Publication number: JP2007225476A
Application number: JP2006048099A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Urakawa; 智弘浦川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2026-02-24
Also published as: JP5550203B2

Abstract

【課題】従来のディジタル波形データの諸元測定では，ディジタル記録された波形データをその帯域幅の広いまま諸元計測していたので、処理に時間がかかり、処理速度が向上しないという課題があった。
【解決手段】ディジタルレコーダの波形時間軸データを，一旦、周波数スペクトラムに変換する周波数変換手段３Ａ、周波数スペクトラムから不要な帯域のデータを削除する帯域制限手段３Ｂ、帯域制限された前記信号を時間軸データにもどす時間変換手段３Ｃ、このデータをサンプリングして整調ディジタル波形時間軸データを得るサンプリング手段３Ｄを設け、諸元計測処理６の実施前に、波形データを事前整理しておくリサンプリング手段３を設けたので、全体としての処理速度が向上する。
【選択図】図１

Description

この発明は、記録媒体（磁気ディスク、光ディスク、テープなど）にディジタル記録された波形データから，波形諸元を計測、分析する波形分析装置に関するものである。

従来のディジタル記録された波形データの諸元測定方法の一例として特許文献１に開示されたものがある。特許文献１の発明は無線受信機に関する発明であるが、その開示技術には、アンテナから受信した電波の諸元が未知の場合に、その諸元を知るために波形分析を行うことが開示されている。特許文献１の実施の形態３（特許文献１の明細書の段落００５０）には広周波数帯域の信号を受信する手法と、受信信号より目的の信号を検出する手法と、検出した信号を分析する手法と、分析結果を通信波復調のために制御処理器にフィードバックすることで、未知諸元の通信波を受信して、自動的に適切な復調を行うことを可能としていると説明されている。その動作の概要は特許文献１の図８の流れ図に説明されている。

特許文献１の図８において、波形分析はブロック５．７の部分に開示されている。広帯域の信号は可変信号発生器により発振周波数制御された掃引信号により周波数変換される。変換された信号はＡ／Ｄ変換器にて量子化された後、信号処理素子によりＦＦＴ解析される。ＦＦＴ処理された信号は信号検出処理が行われる。信号検出手法としては信号の強度、信号帯域幅、位相変化による分離がある。信号検出された信号は、ＦＦＴによるスペクトラム分析より周波数が検出され、復調対象の通信波の周波数諸元が記憶されている記憶回路のデータベースと照合される。記憶されたデータベースに対応して受信、復調処理のためのプログラムも別途記憶されている。照合の結果、合致するものが存在したときには、対応する受信、復調処理のためのプログラムがダウンロードされ、復調処理が実施される。一方、記憶しているデータベースに合致するものがなかった場合、検出された信号の復調に必要なデータを得るため、通信波の信号情報分析が実施される。分析項目としては、信号の搬送周波数、電波形式、帯域幅、変調度、シンボルレート、信号波形及びこれらの時間変化などがある。
信号情報分析を行う場合、広帯域信号を直接分析しているため、複数の信号が混在したまま波形分析することなり、結果として分析に多大の時間を必要とする、即ち、処理速度が遅いという課題があった。
特願平１０-２５９７１０号（特開２０００−９１９３６）公報

従来のディジタル波形データの諸元測定方法では，ディジタル波形データをＦＦＴ分析し、結果を過去の分析結果を蓄積したデータベースと比較している。データベースにデータが存在する波形の場合は特に困ることはないが、データベースにデータがない場合には改めて信号情報分析を行わなければならない。信号情報分析を行う場合、広帯域信号を直接分析しているため、複数の信号が混在したまま波形分析することなり、結果として分析に多大の時間を必要とする、即ち、処理速度が遅いという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解消し、過去にデータのない新規な波形の分析でも、分析の処理速度が早い波形分析装置を得ることを目的とする。

この発明の波形分析装置は、ディジタル波形データから、波形スペクトラムデータを得る周波数変換手段、
前記波形スペクトラムデータのうち、所定の帯域幅の周波数成分を除去する帯域制限手段、
前記帯域制限された前記波形スペクトラムデータから前記振幅、周波数及び位相のいずれか１つの時間変化を示す整調ディジタル波形データを得る時間変換手段、
前記整調ディジタル波形データをサンプリングして量子化データを得るサンプリング手段、
前記量子化データを前記振幅又は周波数又は位相のデータ別に記憶する記憶手段、
前記記憶手段から前記量子化データを読み出して波形解析を行う諸元計測処理手段を備えたものである。

本発明の波形分析装置は，波形分析を行う前に、所定の帯域の周波数成分を除去してデータ量を減少させ、更に、振幅又は周波数又は位相のいずれか一つの時間変化を示す波形データを得、これを得た後に波形分析を行っているので、波形分析処理速度が向上するという効果を有する。また，計算機上で動作するソフトウェアで各処理を実現するため，装置規模が小さくなるという効果を有する。
又、異なるサンプリング周波数で記録された複数のディジタル波形データを，同一のサンプリング周波数に変換して蓄積することにより，サンプリング周波数の異なるディジタル波形データの波形諸元を，同一の装置で測定できるという効果を有する。
また、広帯域のディジタル波形データを処理する場合に，波形分析の前にディジタル波形データを伸張し，波形分析の後，計測結果を圧縮することにより，装置の処理能力を拡大できるという効果を有する。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１の波形分析装置のブロック図である。図１の各ブロックとは必ずしもハードウェアとしてまとまった個々の装置に限定されるものではなく、計算機能を有するインテリジェントな装置の中でソフトウェアにより構成され動作する機能であってもよい。以下の説明では計算機１の中にディジタルレコーダ２（ディジタルデータレコーダとも言う）を除く他のブロックは全て含まれているとして説明する。まず磁気、光ディスクまたは磁気テープ、フラッシュメモリなどを媒体とし波形データをディジタル記録するディジタルレコーダ２がある。計算機１はディジタルレコーダ２の記録／再生（入出力）制御を行って、記録された波形データを読み出し、リサンプリング処理３，大容量記憶装置４への記憶、諸元計測処理６の実行制御を行う。大容量記憶装置４はハードディスク、フラッシュメモリその他の比較的動作速度の高速な記憶媒体であり、リサンプリング処理３を行ったディジタル波形データを蓄積する。諸元計測処理６は検波処理５を行って検出された波形データ信号の諸元を計測する。

次に動作について説明する。
図１において，ディジタルレコーダ２には分析したい波形がデイジタル波形時間軸データとして、すでに記録されているものとする。ディジタルレコーダ２への波形の記録は特別高度な技術ではないので説明を省略する。記録されたディジタル波形時間軸データ（デイジタル波形データとも言う）を計算機１からの指令により計算機１の図示しない記憶装置（メモリ）へ読み出して以下に説明する処理を進める。
計算機１へと読み出されたディジタル波形データは，計算機１上で動作するソフトウェアにより実現するリサンプリング処理３により，周波数変換，帯域制限，時間変換を行った後（場合によっては、信号の種別ごとにこれらを繰り返した後），大容量記憶装置４（記憶装置とも言う）に信号の種類別に蓄積する。リサンプリング処理３の構成と動作の詳細は図２を用いて後述するが、実施前に振幅値や周波数等のパラメータの設定（計算機１から送信される信号種別の指定３ｘ、）を行い，リサンプリング処理３によりノイズ成分を除いたディジタル波形時間軸データから、分析したい対象として設定された振幅幅に合致したディジタル波形時間軸データや、分析したい対象として設定された周波数幅あるいは位相範囲などに合致したディジタル波形時間軸データを抽出し、分類して大容量記憶装置４に送る。
計算機１上で動作するソフトウェアにより実現する諸元計測処理６（諸元計測処理手段）では，リサンプリング処理３で処理し、分類して記憶されている波形データを分類別にパルス繰り返し時間やパルス幅等の計測諸元を，スレッショルド値を指定し計算することによって数値化し，計算機１の図示しないモニター上に数値化された諸元測定結果を表示する。

次にリサンプリング処理３の処理内容の詳細について図２を用いて説明する。
ディジタルデータレコーダ２から読み出され、計算機１の図示しないメモリに記憶された波形データは一般的には時間領域のデータ（時間の流れに対して振幅の変化、または周波数の変化、又は位相の変化など、あるいはそれら全てが同時に記録されたディジタル波形時間軸データ）である。リサンプリング処理３では、まずこの時間領域のデータを周波数領域のデータへ変換するための周波数変換処理３Ａ（周波数変換手段）が行われる。これによって得られたデータは周波数別にデータが示されたいわゆる周波数解析データ（周波数スペクトラム）となる。次に，周波数成分の帯域幅を制限するための帯域制限処理３Ｂ（帯域制限手段）により不要な帯域のデータ（例えば明らかにノイズであると判定し得る高次又は低次の周波数帯域のデータなど、）が切り捨てられる。このとき信号の種別（例えば変調形式、即ち、振幅データ、周波数変化データ、位相変化データなど）を指定（信号種別の指定３ｘ）することにより、特定のデータのみを対象として帯域制限処理３Ｂを実施してもよい。このようにして不要な周波数成分が除去された周波数領域のデータは、再び、もとの時間領域のデータへ変換するための時間変換処理３Ｃ（時間変換手段）が行われる。この不要な成分を除去されたデータに対して量子化処理を行うサンプリング処理３Ｄ（サンプリング手段）が行われてディジタル波形データ（説明の都合上、処理前のディジタル波形データと区別するため整調ディジタル波形データという）が得られる。この一連の処理３Ａ〜３Ｄをリサンプリング処理３という。

図７を用いて更に詳細に説明する。図７は理解を助けるため、リサンプリング処理３の過程におけるディジタル信号波形データの変化の一例を示すものである。ディジタルレコーダ２から読み出したディジタル波形データ３１は，もともと時間単位で振幅の変化、周波数の変化、位相の変化など、あるいはそれらの全てが記録されたディジタル波形データである。無論、それらのうちの一種類のこともあれば複数種類の場合もある。図７の３１はそのいずれか一つを示すものである。この時間単位で記録されたディジタル波形データは周波数変換処理３Ａによって周波数単位で記録されたディジタルデータ、即ち、周波数スペクトラム３２に変換される。この周波数スペクトラムには、このとき行おうとしている波形分析の目的からは無視してもいいような例えば高次の高調波や低調波なども含まれている。そこで周波数単位で記録された周波数スペクトラムに含まれる不要な成分は，帯域制限処理３Ｂにより除去して図７の３３に示すデータ群を得る。これによりデータは有効な成分のみに制限され、データの量が少なくなる。帯域制限処理３Ｂが行われ不要な帯域の信号成分を除去されてデータ量が減少した周波数スペクトラム３３は，時間変換処理３Ｃによって再び時間単位のディジタル波形データに変換する。時間変換処理３Ｃを行ったディジタル波形データを再度サンプリング処理３Ｄにより量子化して図７の信号３４を得る。図２の一連の処理を信号種別（例えば振幅の信号、位相の信号、など）ごとに複数回繰り返して、複数回の出力データとして得てもよいし、帯域制限３Ｂ、時間変換３Ｃ、サンプリング３Ｄの部分を複数回路構成して、同時に異なる信号種別に対して動作させてもよい。ここで行うサンプリング処理のサンプリング周波数はもとのデータ３１と同じ周波数でもよいし、異なっていてもよい。後段の処理に都合のよい周期を選んでもよい。
量子化されたデータは説明の都合上、整調ディジタル波形時間軸データという。この整調ディジタル波形時間軸データを、データの種類別に、大容量記憶装置４（記憶手段）の第１フォルダ４１、第２フォルダ４２、第３フォルダ４３などに蓄積することにより，諸元計測処理６（諸元計測処理手段）に適したディジタル波形データを得る。

諸元計測処理６は、信号がすでに帯域制限処理を受け、データ量が削減されていること、及び、どのフォルダから創出されたデータであるかによって信号の種類が明確になっていること、即ち、諸元計測の実施前にデータの事前処理が行われていることにより、諸元計測（例えば搬送波周波数、変調度、側帯波の幅や大きさ、変調波の波形の分析など）が容易に、即ち高速に行われる。諸元計測６の内部で行われることは特許文献１にも示されているので詳細な説明は省略する。

以上の説明において、最初のディジタル波形はディジタルデータレコーダ２に記録されているものが用いられるとして説明したが、これは例えば図示しないアンテナからの受信信号を直接Ａ／Ｄ変換して出力された信号であってもよい。即ち、リサンプリング処理３に入力される信号がディジタル信号であることを明確に示すためにディジタルデータレコーダ２を示しただけであり、ディジタルデータレコーダ２は実施の形態１の必須要素ではない。大容量記憶装置４に設けられたフォルダ４１〜４３は図では３つ示すのみであるが、もっと多くてもよい。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２の波形分析装置について説明する。
図３は本発明の実施の形態２の波形分析装置を示す構成図である。ｎ台（複数）のディジタルレコーダ２−１〜２−ｎを備えている。各ディジタルレコーダのうち、一部のものはサンプリング周波数が互いに異なっているものとする。
次に動作について説明する。図３では，分析対象となる１つの波形データが、データサンプリング周波数の異なる複数のディジタルレコーダ２−１〜２−ｎに同時に、あるいは分けて記憶されているものとする。これらの複数の個別の性能の異なるデータレコーダから出力されるサンプリング周波数の異なるディジタル波形データを同時に取り扱う必要がある。サンプリング周波数の異なるディジタル波形データを取り扱うために，リサンプリング処理３は図４のように構成する。

実施の形態２で使用するリサンプリング処理３の処理内容について，図４を用いて説明する。図４に示すリサンプリング処理構成は，実施の形態１の図２のリサンプリング処理３の各処理段３Ａ〜３Ｄの前段にデータ補間処理３Ｅを配置した処理構成となっている。
データ補間処理３Ｅはディジタル波形データの標本化された１つのデータと次のデータとの時間的間の値を，時間的前後のデータ変化量やデータ変化速度を用いて補間計算し、新たなデータとして追加する動作を行うものである。補間は中間に１つと限るものではなく２つのデータの間に複数のデータを挿入することもできる。また、所定の周期ごとにデータを間引くこともできるものとする。

次に動作について説明する。計算機１上で動作するソフトウェアにより実現するデータ補間処理３Ｅでは，複数のディジタルレコーダ２のサンプリング周波数の違いを吸収するために，ディジタル波形データの標本化された１つのデータと次のデータとの間の値を，その時間的に前後のデータ変化量とデータ変化速度とを用いて補間計算し，全てのディジタル波形データのサンプリング周波数を合わせる。例えば最もサンプリング周期の短いデータにあわせて、サンプリング周期の長いデータの補間を行うか、最もサンプリング周期の長いデータにあわせて、サンプリング周期の短いデータの間引き行うかすればよい（ここでは間引きも補間の一種として説明している）。補間計算を行って見かけのサンプリング周波数を合わせた複数のディジタル波形データに対し，後段の周波数変換処理３Ａ，帯域制限処理３Ｂ，時間変換処理３Ｃ，サンプリング処理３Ｄを行う。

帯域制限処理３Ｂにおいて，データ補間処理３Ｅで付与された補間処理特性に応じた周波数成分を取り除くことにより，諸元計測処理６に適した複数のディジタル波形データを同一の形式のデータとして大容量記憶装置４に蓄積する。
大容量記憶装置４に蓄積したディジタル波形データは，実施の形態１と同一の諸元計測処理６を行う。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３の波形分析装置について説明する。
図５は実施の形態３の波形分析装置を示す構成図である。実施の形態１の図１の大容量記憶装置４の後に，ディジタル波形データの入力を制御する検波制御処理７を配置したものである。
次に動作について説明する。実施の形態１と実施の形態２で説明したようにリサンプリング処理３では帯域制限処理３Ｂを実施したので、周波数成分が極端に広い部分のデータ（例えばノイズなどの成分）は除去されている。しかしながら、ノイズには周波数成分が所定の範囲内にあるにもかかわらず、振幅や、位相などが所定の範囲を超えるものが存在する。そこで大容量記憶装置４の各フォルダー４１〜４３から出力された各ディジタル波形信号を信号制御処理７（信号制御処理手段）によりそのデータ値を監視し、所定のレベルを超えるものを除去する。これにより例えば雷電により混入した一時的な振幅過大ノイズなどが除去される。信号制御処理７では，リサンプリング処理３の後、大容量記憶装置４に蓄積されたディジタル波形データを諸元係争処理６に入力する前に，ディジタル波形データの各信号の変化幅を計算し、所定のレベルを超えるものを除去する。ここでいう所定のレベルはあらかじめ定めておいてもよいし、信号の平均値を基準としてその所定倍率を所定のレベルとしてもよい。

実施の形態４
実施の形態１と実施の形態２で説明したようにリサンプリング処理３では帯域制限処理３Ｂを実施したので、周波数成分が極端に高い部分のデータ（例えばノイズなどの成分）は除去されている。しかしながら、極端に高い周波数成分の信号を分析したい場合も当然ありえる。たとえばノイズ成分そのものを分析したい場合などである。このような場合には、リサンプリング処理３や諸元計測処理６における処理可能な周波数範囲を超える信号を取り扱わなければならないことになり、当然、実施の形態１の図１のシステムそのままでは諸元計測を行うことができない。そこで図６に示すようにリサンプリング処理３の周波数変換３Ａの前に、ディジタル波形データを時間軸方向に一定割合で伸張する処理を行うことのできる時間伸張処理３Ｚ（時間伸張処理手段）を用いる。この処理により見かけ上、データは周波数の低いほうにシフトし結果として帯域幅は狭くなる。帯域幅が狭くなった状態でリサンプリング処理検波処理５を実行した後，諸元計測処理６では時間軸方向に前記の一定割合で圧縮した計測結果を計算機１に出力する。時間伸張処理７で伸張し，諸元計測処理６で圧縮することにより，通常は取り扱うことのできない高い周波数帯域の処理を行うことができる。

この発明の波形分析装置は、波形計測装置としての使用にとどまらず、諸元が不明な信号の受信装置や、レーダ装置、電波防衛装置に利用することができる。

本発明の実施の形態１の波形分析装置の構成を示す図である。図１の波形分析装置のリサンプリング処理の構成の詳細を示す図である。本発明の実施の形態２の波形分析装置の構成を示す図である。図３の波形分析装置のリサンプリング処理の構成の詳細を示す図である。本発明の実施の形態３の波形分析装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態４の波形分析装置に用いられるリサンプリング処理の構成を示す図である。図２の動作を説明する波形説明図である。

符号の説明

１計算機、２ディジタルレコーダ、３リサンプリング処理、
３Ａ周波数変換処理、３Ｂ帯域制限処理、３Ｃ時間変換処理、
３Ｄサンプリング処理、３Ｅデータ補間処理、３ｘ信号種別の指定、
３Ｚ時間伸張処理、３１ディジタル波形時間軸データ、
３２周波数スペクトラム、３３帯域制限された周波数スペクトラム、
３４整調ディジタル波形時間軸データ、４大容量記憶装置、
４１〜４３フォルダ、６諸元計測処理、７信号制御処理。

Claims

信号波形を示すディジタル波形時間軸データから、周波数スペクトラムデータを得る周波数変換手段、
前記周波数スペクトラムデータのうち、所定の帯域幅の周波数成分を除去する帯域制限手段、
前記帯域制限された前記周波数スペクトラムデータから振幅、周波数及び位相の少なくとも１つの時間変化を示す要素別ディジタル波形時間軸データを得る時間変換手段、
前記要素別ディジタル波形時間軸データをサンプリングして整調ディジタル波形時間軸データを得るサンプリング手段、
前記整調ディジタル波形時間軸データを前記振幅又は周波数又は位相のデータ別に記憶する記憶手段と、
前記記憶手段から前記整調ディジタル波形時間軸データを読み出して波形解析を行う諸元計測処理手段を備えたことを特徴とする波形分析装置。
前記ディジタル波形時間軸データはディジタルデータレコーダから読み出されたものであることを特徴とする請求項１に記載の波形分析装置。
前記ディジタル波形時間軸データは、振幅、周波数及び位相のいずれか１つ以上の時間変化を示すものであることを特徴とする請求項２に記載の波形分析装置。
前記ディジタル波形時間軸データはサンプリング周波数が互いに異なる複数のディジタルデータレコーダのそれぞれから読み出された、サンプリング周波数が互いに異なる複数の波形データであり、
前記帯域制限手段の前に、前記ディジタル波形時間軸データに補間データを加えて前記複数の全てのディジタル波形時間軸データの見かけのサンプリング周波数を統一するデータ補間手段を備えたことを特徴とする請求項２に示す波形分析装置。
前記記憶手段から読み出されたディジタル波形時間軸データの値を監視し、所定の範囲を超えるデータを削除する信号制御処理手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の波形分析装置。
前記周波数変換手段の前に、前記ディジタル波形時間軸データの時間軸を所定の割合で伸張する時間伸張手段を備えるとともに、前記諸元計測手段は得られた諸元の時間軸を前記所定の割合で圧縮した諸元データを出力するものであることを特徴とする請求項１に記載の波形分析装置。