JP2009270896A - 信号分析装置及び周波数領域データ表示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数領域データを異なる周波数分解能及び時間分解能で、多面的に表示できるようにする。
【解決手段】被測定信号の時間領域データから第１種フレーム単位で生成した第１種周波数領域データをスペクトログラムとして表示する。このスペクトログラム上には、複数の第１種フレームを選択するための選択枠が表示される。信号分析装置は、選択された複数の第１種フレーム分の時間領域データを新たな１つのフレームとして、第２種周波数領域データを生成し、これをスペクトラムとして表示する。結果として、スペクトラムとスペクトログラムは、異なる周波数分解能及び時間分解能となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、周波数領域データを異なる周波数分解能及び時間分解能で同時に表示できる信号分析装置及び周波数領域データの表示方法に関する。

携帯電話などの無線通信システムを始めとして、使用信号に異常がないかの試験を行う必要性は種々のシステムで必要とされる。こうした被測定信号の測定には、例えば、信号分析装置が利用される。信号分析装置は、被測定信号を時間領域のデジタル・データに変換し、これからＦＦＴ演算によって周波数領域のデジタル・データを生成する。得られたデータは、信号分析装置の表示画面上で波形や数値として表示される。信号分析装置では、被測定信号の周波数領域データだけでなく、対応する時間領域データも参照できるため、周波数領域及び時間領域の２つの観点から、デジタル演算を用いて多様な信号分析が行える。なお、周波数領域データ及び時間領域データを対応させながら生成する技術については、例えば、米国特許第６３７７６１７号明細書（日本特許第３３５９２５１号に対応）に開示されている。

図１は、信号分析装置１０の機能ブロック図である。信号分析装置１０は、図１に示す機能ブロックに加えて、図示せずも、パソコンと同等の機能及びハードウェアを有しており、パソコンで汎用のＣＰＵ及びＯＳ（基本ソフト）を採用し、マウスや操作パネル上のキーボード等を用いたグラフィカル・ユーザ・インターフェースによる各種設定、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）を用いた大量のデータやプログラムの記憶などが可能である。

被測定信号は、入力減衰回路１２で適切なレベルに調整され、アナログ・ダウン・コンバータ２０に供給される。ダウン・コンバータ２０は、ミキサ１４、局部発振器１６及びバンドパス・フィルタ１８から構成され、入力信号の周波数をアナログ的に周波数変換（ダウン・コンバート）し、中間周波数（ＩＦ）信号に変換する。アナログ・デジタル変換回路（ＡＤＣ）２２は、アナログのＩＦ信号をデジタル・データ（時間領域データ）に変換する。ＩＦ信号のデジタル・データは、メモリ２４に記憶される。デジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）２６は、メモリ２４からＩＦ信号データを読み出して、デジタル的にダウン・コンバートを行い、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）演算を行って周波数領域データを生成する。周波数領域データは、メモリ２４に記憶され、表示装置３０で波形や数値として表示される。ＤＳＰ２６は、この他にもＨＤＤに記憶されたプログラムに従って種々の演算に利用される。

トリガ検出回路２８は、ＡＤＣ２２からの時間領域データ及びＤＳＰ２６からの周波数領域データを受けて、ユーザが設定したトリガ条件を満たすデータを特定し、ユーザ所望の時間領域データ又は周波数領域データをメモリ２４に保持させる制御を行う。ただし、トリガ条件を設定せず、時間領域データ又は周波数領域データを一時的にメモリ２４に記憶させた後にＨＤＤに転送し、ＨＤＤの容量が許す限りデータを保存するようにも設定できる。

ユーザは、被測定信号中の観測したい所望の周波数帯域に応じて、信号分析装置に、例えば、中心周波数及び周波数スパンを設定する。設定できる周波数スパンの広さは、一般的には、ナイキスト条件により、アナログ・デジタル変換回路のサンプリング周波数の２分の１以下となる。

ＦＦＴ演算では、所定のデータ数の時間領域データを１つの組（フレーム）とし、フレーム毎に周波数領域データが生成される。図２は、時間領域データとフレームの関係を示す図である。Ｔ_IQWは、Ｉ及びＱデータから構成され、取得した被測定信号全体の時間領域データを示す。また、フレームの長さ（時間長）をＴ_FM、フレームの更新時間をＴ_UDで示す。各フレームが有する時間領域データのデータ数は、例えば、１０２４ポイントである。設定された周波数スパンによっては、必要なフレームの時間長分だけＴ_IQWからデータを取ってくると、データ数が１０２４ポイントより多くなることもある。この場合には、間引き処理によって１０２４ポイントにすれば良い。そして、１フレームの時間領域データ毎に、１フレームの周波数領域データが生成される。

図３は、信号分析装置１０の表示画面における周波数領域データの従来の表示例を示す。グラフ領域４０は、横軸を周波数、縦軸を電力（単位：ｄＢｍ）とするグラフ上に、周波数領域データをスペクトラムとして表示する。また、グラフ領域４２は、周波数領域データを、横軸を周波数、縦軸を時間、電力の違いを色の違いで示すスペクトログラムとして表示する。これらの色は、虹の七色の順番に従い、赤に近いほど電力が高く、紫に近いほど電力が低いことを示す。

グラフ４２上に設けられた四角いマーカ４６は、ユーザがマウス・カーソル４４でドラックすることにより、任意の位置を指定するために使用される。マーカ４６の中心点で指定されたフレームの周波数領域データが、グラフ領域４０において、スペクトラムとして表示される。
米国特許第６３７７６１７号明細書

生成される周波数領域データの周波数分解能を高めるためは、１フレームの時間長を長くすれば良い。周波数スパンが同じままで、１フレームの時間長を長くすると、１フレームに含まれる時間領域データのデータ数が増加する。しかし、１フレームの時間長を長くすると、時間分解能は低下する。

例えば、図３のグラフ領域４０のスペクトラム及びグラフ領域４２のスペクトログラムのグラフでは、同じ時間長のフレームを使用しているので、１フレームの時間長を長くすれば、どちらのグラフも同じように周波数分解能が高くなる一方、時間分解能は低下する。よって、被測定信号の状態を、異なる周波数分解能及び時間分解能で、多面的に観測したいというユーザの要望から言えば、好ましいものではない。

こうしたことから、周波数領域データを異なる周波数分解能及び時間分解能で、多面的に表示できることが望まれている。

本発明は、異なる周波数分解能及び時間分解能の周波数領域データを容易に作成するための装置に関する。第１表示手段は、被測定信号の時間領域データから第１種フレーム単位で生成した第１種周波数領域データをスペクトログラムとして表示する。選択手段は、スペクトログラム中の複数の第１種フレームを選択するためのものである。これは、例えば、スペクトログラム中に選択枠として表示されたり、操作パネル上で選択する時間範囲を指定する指定手段として実現される。第２種周波数領域データを生成する生成手段は、選択された複数の第１種フレーム分の時間領域データを新たな１つのフレームとして、第２種周波数領域データを生成する。

生成された第２種周波数領域データは、第１種周波数領域データのスペクトログラムとは別に、第２表示手段で表示される。なお、第２表示手段は、第１表示手段と同じ画面上の別の表示領域としても良い。

第２種周波数領域データの１フレームとして使用する時間領域データのデータ数を入力する入力手段を更に具えて、データ数に応じて、選択手段で選択可能な第１種フレームの数を変更するようにしても良い。また、分解能帯域幅を指定するための指定手段と、指定された分解能帯域幅に応じて第２種周波数領域データの１フレームとして使用する時間領域データのデータ数を算出する算出手段とを更に具え、データ数に応じて、選択手段で選択可能な第１種フレームの数を変更しても良い。

本発明の別の見方によれば、周波数領域データ表示方法であって、被測定信号の時間領域データから第１種フレーム単位で生成した第１種周波数領域データをスペクトログラムとして表示するステップと、スペクトログラム中の複数の第１種フレームを選択するための選択手段を表示するステップと、選択された複数の第１種フレーム分の時間領域データを１つのフレームとする第２種周波数領域データを生成するステップと、第２種周波数領域データを表示するステップとを具えている。

本発明の目的、効果及び新規な点は、以下の詳細な説明を特許請求の範囲及び図面と合わせて読むことによって明らかとなろう。

以下では、本発明の実施形態に言及し、実施形態の例を図面に記載する。これら図面は説明上記載したもので、本発明を限定するものではない。本発明は、おおよそこれら実施形態に沿って記述されるが、本発明の本質はこれら実施形態に限定されるものではない。

本発明は、例えば、図１に示したハードウェアに、本発明を実現するためのソフトウェア又はファームウェアをインストールすることで実現できる。そこで、以下では、図１に示したハードウェアでの実施を前提に説明する。

図４は、信号分析装置１０において本発明を適用して得られる表示画面の表示例を示す。以下、図３と対応する部分には、同じ符号を付して説明する。図３と比較すると、第１に異なる点は、グラフ領域４２に表示されたスペクトログラム上に、選択枠５０が表示されることである。

信号分析装置１０のＣＰＵ（図示せず）は、選択枠５０で選択された複数のフレーム（以下、第１種フレームと呼ぶ）に含まれる周波数領域データ（以下、第１種周波数領域データと呼ぶ）を生成するために使用された時間領域データを特定し、これを新たな１つのフレーム（以下、第２種フレームと呼ぶ）として、必要に応じてＤＳＰ２６を利用し、新たな周波数領域データ（以下、第２種周波数領域データと呼ぶ）をＦＦＴ演算で生成する。この新たな周波数領域データは、グラフ領域４０にスペクトラムとして表示される。

こうして図４のグラフ領域４０に表示されたスペクトラムは、図３のものと比較し、周波数分解能が高くなる一方、時間分解能は低下する。一方、図４のグラフ領域４２に表示されるスペクトログラムの周波数分解能及び時間分解能は、図３のものと同じである。よって、図４のグラフ領域４０及び４２には、周波数分解能及び時間分解能が異なる周波数領域データが表示される。この点が、図３の場合とは大きく異なる。

また、選択枠５０によって、スペクトログラム上の時間的にどの第１種フレームが選択されたかが明示されるので、グラフ領域４０及び４２に表示されたスペクトラムとスペクトログラムの時間的関係も明示される。

更に、ユーザは、選択枠５０の時間軸方向の幅を、マウス・カーソルを用いてグラフィカルな操作で変更できる。この操作によって、グラフ領域４０に表示されるスペクトラムの周波数分解能は変化する。よって、ユーザは、表示されたスペクトラムを観測しながら、ユーザのニーズに最も適した周波数分解能へ容易に変更できる。

選択枠５０で選択された複数の第１種フレームに含まれる第２種周波数領域データを生成するために使用された時間領域データのデータ数（＝ＦＦＴポイント数）は、フィールド５２内に表示される。なお、図２に示すように、時間的に近い第１種フレーム間では、時間領域データが重複して含まれる。フィールド５２に示されるＦＦＴポイント数は、こうした重複を含まない時間領域データのデータ数である。

逆に、フィールド５２内のＦＦＴポイント数を、マウス・カーソル４４で矢印ボタン５４及び５６をクリックすることで変更すれば、それに連動して選択枠５０の時間軸方向の幅が自動的に変更される。ここで、１つの第１種フレームの時間領域データのデータ数が、例えば、１０２４ポイントの場合、第２種フレームの時間領域データのデータ数は、ＦＦＴ演算の都合上、１０２４の２のＫ（Ｋは整数）乗倍とするのが良い。このため、矢印ボタン５４及び５６をクリックした場合、フィールド５２の数値は、１０２４の２倍、４倍、８倍・・・というように変化する。

図４では、フィールド５２の数値として、３２７６８（＝１０２４×２の４乗）ポイントの例を示す。即ち、３２７６８ポイントの時間領域データを１つのフレーム（＝第２種フレーム）として、ＦＦＴ演算を行うことを示す。

グラフ領域４０に表示されるスペクトラムの周波数分解能を変更する別の方法としては、例えば、ノイズ帯域幅（ＮＢＷ：Noise Bandwidth）や分解能帯域幅（ＲＢＷ：Resolution Bandwidth）を指定しても良い。これらが指定されると、信号分析装置１０のＣＰＵは、その値を実現するのに必要な時間領域データのデータ数を算出し、このデータ数を１つのフレーム（第２種フレーム）として、ＦＦＴ演算により、第２種周波数領域データを生成させる。

図５は、本発明による周波数領域データ表示方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。信号分析装置１０は、周知の方法で被測定信号の時間領域データを取得し（ステップ７２）、１つのフレーム（第１種フレーム）のＦＦＴポイント数をＮ１としてＦＦＴ演算を行って得られる第１種周波数領域データを、グラフ領域４０にスペクトラムとして、グラフ領域４２にスペクトログラムとして表示する（ステップ７４）。

ユーザは、フィールド５２を用いて、Ｎ１の２Ｋ倍のＦＦＴポイント数Ｎ２を設定する（ステップ７６）。このＦＦＴポイント数Ｎ２は、新たな第２種周波数領域データの１つのフレーム（第２種フレーム）に含まれる時間領域データのデータ数となる。信号分析装置１０は、ＦＦＴポイント数Ｎ２に応じて、グラフ領域４２のスペクトログラム上に表示される選択枠５０の時間軸方向の幅を算出した上で、選択枠５０を表示する（ステップ７８）。このとき、上述のように、所定の初期設定に応じて選択枠５０を先に表示し、その時間軸方向の幅をマウス・カーソル４４で変更し、これに連動させてＦＦＴポイント数Ｎ２を変更するようにしても良い。

ユーザは、必要に応じて、マウス・カーソル４４を用いて、選択枠を所望の時間位置に移動させる（ステップ８０）。初期設定では、例えば、図３の表示画面において、マーカ４６で選択されていた時間位置が、選択枠５０の時間軸方向の幅の中央となるよう設定しておいても良い。

ユーザが、信号分析装置１０の操作パネル上のEnterキーなどを押すことで、選択枠による複数の第１種フレームの選択を確定させる（ステップ８２）と、信号分析装置１０は選択された複数の第１種フレーム分の時間領域データを１つのフレーム（第２種フレーム）としてＦＦＴ演算を行う（ステップ８４）。こうしてＦＦＴポイント数Ｎ２の時間領域データから生成した周波数領域データは、グラフ領域４０にスペクトラムとして表示される。

以上、本発明について明確に理解できるよう詳細に記述してきた。しかし、これらは開示したそのままの通りに本発明を限定するものではなく、当業者であれば、本発明の要旨に基づき種々の変更が可能であろう。例えば、上述の選択枠の代わりに、選択する第１種フレームが存在する時間範囲を数値で指定できるユーザ・インターフェースを設けても良い。

信号分析装置のブロック図である。 時間領域データとフレームの関係を示す図である。 信号分析装置の表示画面における周波数領域データの表示例を示す。 信号分析装置において本発明を適用して得られる表示画面の表示例を示す。 本発明による周波数領域データ表示方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 信号分析装置
１２ 入力減衰回路
１４ ミキサ
１６ 局部発振回路
１８ 帯域通過フィルタ
２０ ダウン・コンバータ
２２ アナログ・デジタル変換回路
２４ メモリ
２６ デジタル・シグナル・プロセッサ
２８ トリガ検出回路
３０ 表示装置
４０ スペクトラムのグラフ表示領域
４２ スペクトログラムのグラフ表示領域
４４ マウス・カーソル
４６ マーカ
４８ 選択されたフレーム
５０ 選択枠
５２ ＦＦＴポイント数設定フィールド
５４ ＦＦＴポイント数変更矢印ボタン
５６ ＦＦＴポイント数変更矢印ボタン
Ｔ_FM フレーム時間長
Ｔ_UD フレーム更新時間
Ｔ_IQW 被測定信号全体の時間領域データ

Claims (5)

1. 被測定信号の時間領域データから第１種フレーム単位で生成した第１種周波数領域データをスペクトログラムとして表示する第１表示手段と、
   上記スペクトログラム中の複数の上記第１種フレームを選択するための選択手段と、
   選択された複数の上記第１種フレーム分の上記時間領域データを１つのフレームとする第２種周波数領域データを生成する生成手段と
   を具える信号分析装置。
2. 上記第２種周波数領域データを表示する第２表示手段を更に具えることを特徴とする請求項１記載の信号分析装置。
3. 上記第２種周波数領域データの１フレームとして使用する上記時間領域データのデータ数を入力する入力手段を更に具え、
   上記データ数に応じて、上記選択手段で選択可能な上記第１種フレームの数を変更することを特徴とする請求項１記載の信号分析装置。
4. 分解能帯域幅を指定するための指定手段と、
   指定された分解能帯域幅に応じて上記第２種周波数領域データの１フレームとして使用する上記時間領域データのデータ数を算出する算出手段とを更に具え、
   上記データ数に応じて、上記選択手段で選択可能な上記第１種フレームの数を変更することを特徴とする請求項１記載の信号分析装置。
5. 被測定信号の時間領域データから第１種フレーム単位で生成した第１種周波数領域データをスペクトログラムとして表示するステップと、
   上記スペクトログラム中の複数の上記第１種フレームを選択するための選択手段を表示するステップと、
   選択された複数の上記第１種フレーム分の上記時間領域データを１つのフレームとする第２種周波数領域データを生成するステップと、
   上記第２種周波数領域データを表示するステップと、
   を具える周波数領域データ表示方法。