JP2010127645A - Arbitrary signal generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、広帯域の任意波形の目的信号を生成する任意信号発生装置に関する。 The present invention relates to an arbitrary signal generator that generates a target signal having a wideband arbitrary waveform.
従来、パルスレーダ等に用いられるパルス幅の小さい信号を生成する技術として、ステップリカバリダイオード、アバランシェダイオード、高速論理ゲート等を用いて任意波形の目的信号を生成する技術が知られている。これらの技術は、アナログ信号処理によりパルス幅の小さい信号を生成する技術であり、温度や湿度等の環境変化による回路特性の変化、素子や材料の特性の経年変化等により、性能が変化する虞がある。 Conventionally, as a technique for generating a signal having a small pulse width used in a pulse radar or the like, a technique for generating a target signal having an arbitrary waveform using a step recovery diode, an avalanche diode, a high-speed logic gate, or the like is known. These technologies generate a signal with a small pulse width by analog signal processing, and the performance may change due to changes in circuit characteristics due to environmental changes such as temperature and humidity, and changes in the characteristics of elements and materials over time. There is.
また、アナログ信号処理用の回路は、一度作成されると、その後の変更が困難であり、仕様や目的の変更に対して必ずしも自由度が高いとは言えない。例えば、レーダ用の信号発生装置としての用途の場合、レーダの割り当て周波数が変更されても、アナログ回路では対応困難である。さらに、送信波のスペクトルを変更する場合、外付けのフィルタを変更する等の対策が必要であるが、アナログ回路では、送信スペクトルの形状やレベルを適応的に変更することは困難である。 Further, once an analog signal processing circuit is created, subsequent changes are difficult, and it cannot be said that the degree of freedom is necessarily high with respect to changes in specifications and purposes. For example, in the case of an application as a signal generator for radar, even if the assigned frequency of the radar is changed, it is difficult to cope with an analog circuit. Further, when changing the spectrum of the transmission wave, it is necessary to take measures such as changing an external filter. However, it is difficult for the analog circuit to adaptively change the shape and level of the transmission spectrum.
このため、近年では、デジタル信号処理によって目的信号を生成する技術が採用されることが多い。このデジタル信号処理による信号発生装置としては、例えば特許文献1に開示されているようなダイレクトデジタルシンセサイザ(Direct Digital Synthesizer;DDS)が知られている。DDSは、波形データの入ったメモリの指定アドレスを更新して行き、その指定アドレスのデータをD/A変換によりアナログ波形に変換することで、任意の波形を発生させる技術である。
しかしながら、特許文献1に開示されているようなDDSによる信号発生装置は、基準クロック周波数に同期してその基準クロックの有理数倍の周期を有する信号波形をデジタル的に合成した後、A/D変換を行っている。よって、サンプリング定理により、目的信号に含まれる最高周波数の2倍以上のサンプリング周波数でD/A変換器を動作させなければならない。このため、目的信号のパルス幅を小さくすると、必要とされるサンプリング周波数がパルス幅に反比例して高くなる。よって、生成可能な信号の周波数には限界がある。
However, the signal generator using DDS as disclosed in
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、比較的低い周波数のサンプリング周波数を用いつつ、生成する信号の周波数帯域を拡張することができ、より高周波域までの任意波形の信号を生成可能な任意信号発生装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and can expand the frequency band of a signal to be generated while using a relatively low sampling frequency, and can generate a signal having an arbitrary waveform up to a higher frequency range. An object is to provide an arbitrary signal generator.
上記目的を達成するため、本発明による任意信号発生装置は、時間領域の信号から算出した周波数領域のスペクトルを、複数の信号成分に分割して分配する信号分配部と、前記信号分配部から分配された複数の信号成分のそれぞれを時間領域の信号に変換する信号変換部と、前記信号変換部で変換された複数の信号のうち、少なくとも一つ以上の信号の周波数をアップコンバートする周波数変換部と、前記周波数変換部によりアップコンバートされた信号を含む複数の信号を合成して目的信号を出力する信号合成部とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an arbitrary signal generator according to the present invention divides a frequency domain spectrum calculated from a time domain signal into a plurality of signal components and distributes the spectrum from the signal distributor. A signal converter that converts each of the plurality of signal components into a signal in a time domain, and a frequency converter that upconverts the frequency of at least one of the plurality of signals converted by the signal converter And a signal synthesizer that synthesizes a plurality of signals including the signal up-converted by the frequency converter and outputs a target signal.
本発明によれば、比較的低い周波数のサンプリング周波数で動作しながら、発生信号の周波数帯域を拡張することができ、より高周波域までの任意波形の信号を生成することが可能となる。 According to the present invention, the frequency band of a generated signal can be expanded while operating at a sampling frequency of a relatively low frequency, and a signal having an arbitrary waveform up to a higher frequency can be generated.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1〜図12は本発明の実施の第1形態に係り、図1は任意信号発生装置の構成図、図2は分割処理による任意信号発生の基本アルゴリズムを示す説明図、図3は低周波用信号モジュールでの信号スペクトラムを示す説明図、図4は低周波用信号モジュールでの逆離散フーリエ変換後のスペクトラムを示す説明図、図5は低周波用信号モジュールでのインターポレーション後のスペクトラムを示す説明図、図6は低周波用信号モジュールでの複素バンドパスフィルタによるフィルタリング後のスペクトラムを示す説明図、図7は低周波用信号モジュールで抽出された信号を示す説明図、図8は高周波用信号モジュールでの逆離散フーリエ変換後のスペクトラムを示す説明図、図9は高周波用信号モジュールでのインターポレーション後のスペクトラムを示す説明図、図10は高周波用信号モジュールでの複素バンドパスフィルタによるフィルタリング後のスペクトラムを示す説明図、図11は直交変調器の出力スペクトラムを示す説明図、図12は混合器の出力スペクトラムを示す説明図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 12 relate to a first embodiment of the present invention, FIG. 1 is a configuration diagram of an arbitrary signal generator, FIG. 2 is an explanatory diagram showing a basic algorithm for generating an arbitrary signal by division processing, and FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram showing the spectrum after inverse discrete Fourier transform in the low-frequency signal module, and FIG. 5 is the spectrum after interpolation in the low-frequency signal module. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a spectrum after filtering by a complex bandpass filter in the low frequency signal module, FIG. 7 is an explanatory diagram showing a signal extracted by the low frequency signal module, and FIG. FIG. 9 is an explanatory diagram showing the spectrum after inverse discrete Fourier transform in the high-frequency signal module, and FIG. 9 shows the spectrum after interpolation in the high-frequency signal module. FIG. 10 is an explanatory diagram showing a spectrum after filtering by a complex bandpass filter in a high-frequency signal module, FIG. 11 is an explanatory diagram showing an output spectrum of the quadrature modulator, and FIG. 12 is an output of the mixer It is explanatory drawing which shows a spectrum.
図1に示す任意信号発生装置1には、生成したい任意の周波数帯域の目的信号を時間領域で離散化したデータが入力信号xinとして与えられる。この入力信号xinをデジタル信号処理して実際の目的信号xoutを生成する。従来のデジタル信号処理では、精度は高いが扱える周波数は比較的低いため、任意の広帯域の信号を処理することは難しい。本発明では、任意の目的信号をデジタル信号処理が可能なP組の信号に分割して並列処理を行う。信号処理の都合上、分割数は2のべき乗が好ましい。すなわちN/P=2a(aは任意の自然数)が好ましい。ただし、2のべき乗に限ることなく、任意の数で分割して処理することが可能である。
The
この任意信号発生装置1は、入力信号xinをN個の並列データに変換する直並列変換器2、N個の並列データを離散フーリエ変換して周波数領域でP組の信号成分に分割し、各周波数領域毎のデータ(複素スペクトル)をP個の信号モジュールSG1,SG2,SG3,…,SGPに分配する離散フーリエ変換器3、離散フーリエ変換器3から分配された複素スペクトルを並列で処理し、互いに異なる周波数の信号を発生するP個の信号モジュールSG1,SG2,SG3,…,SGP、信号モジュールSG1,SG2,SG3,…,SGPの各出力を合成し、任意の周波数帯域の目的信号xoutを出力する混合器4を備えて構成されている。
The
尚、本実施の形態ではP個の信号モジュールはそれぞれ互いに異なる周波数の信号を発生する、換言すればそれぞれ重なる周波数領域の信号を扱わないこととしているが、これに限られない。複数の信号モジュールで重複して扱う周波数領域が存在していても、それを考慮して目的信号を設定することで、本発明の信号処理に関しては問題は生じない。 In the present embodiment, the P signal modules generate signals having different frequencies from each other, in other words, do not handle signals in the overlapping frequency domain, but the present invention is not limited to this. Even if there are frequency regions that are handled in duplicate by a plurality of signal modules, there is no problem with the signal processing of the present invention by setting the target signal in consideration thereof.
また、目的信号の周波数帯域内に、出力を希望しない特定の周波数領域が存在している場合には、その特定の周波数領域をいずれの信号モジュールでも扱わないことで、特定の周波数領域の信号を含まない目的信号を得ることができる。例えば法規制等により出力を制限されている周波数領域が存在している場合に、その周波数領域を扱わないことで、法規制に対応した目的信号を得ることができる。 In addition, if there is a specific frequency region that you do not want to output in the frequency band of the target signal, do not handle that specific frequency region in any of the signal modules. A target signal not included can be obtained. For example, when there is a frequency region whose output is restricted due to laws and regulations, a target signal corresponding to the laws and regulations can be obtained by not handling the frequency region.
各信号モジュールSG1,SG2,SG3,…,SGPは、1つのモジュールSG1が最も低い周波数の信号を生成する低周波用のモジュールであり、他のモジュールSG2,SG3,…,SGPは、モジュールSG1よりも高い周波数の信号を、それぞれ異なる帯域で発生する高周波用のモジュールである。これらの信号モジュールSG1,SG2,SG3,…,SGPは、それぞれが生成する信号の周波数帯域の相違から、以下に示す共通の構成要素と個別に異なる構成要素とを有している。 Each signal module SG 1, SG 2, SG 3 , ..., SG P is a module for a low frequency one module SG 1 generates the lowest frequency of the signal, the other modules SG 2, SG 3, ... , SG P is a high frequency signals than module SG 1, a module for high frequency generated in the different bands respectively. These signal module SG 1, SG 2, SG 3 , ..., SG P is the difference in the frequency band of the signal generated by each, and a different components in separate and common components shown below .
すなわち、各信号モジュールSG1,SG2,SG3,…,SGPの共通の構成として、離散フーリエ変換器3から分配された複素スペクトルを逆離散フーリエ変換する逆離散フーリエ変換器10、逆離散フーリエ変換された並列データを直列データ(シリアルデータ)に変換する並直列変換器11、並直列変換器11の出力データを逓倍するインターポレータ12、逓倍された信号から希望周波数帯域のスペクトルを取り出す複素バンドパスフィルタ(複素BPF)13、複素BPF13からの出力をI(In-Phase;同相成分)信号とQ(Quadrature;直交成分)信号とに分離するIQ分離器14、IQ分離されたデジタル信号をアナログ信号に変換するD/A変換器15、D/A変換されたアナログ信号をフィルタリングしてスプリアス(不必要な成分)を除去するローパスフィルタ(LPF)16が備えられている。
That is, each signal module SG 1, SG 2, SG 3 , ..., a common structure of the SG P, inverse discrete Fourier
また、各信号モジュールで異なる構成としては、以下のものがある。低周波用の信号モジュールSG1は、複素BPF13で帯域制限された信号からIQ分離器14でI信号(実数成分)のみを取り出すため、I信号に対応して1組のD/A変換器15及びLPF16を備えている。このLPF16からのアナログ信号が混合器4に出力される。一方、高周波用の信号モジュールSG2,SG3,…,SGPは、動作周波数帯域が異なるのみで同一の構成であり、IQ分離器14からのI信号(実数成分)とQ信号(複素数成分)とに対応して、D/A変換器15としての2つのD/A変換器15a,15b、及びLPF16としての2つのLPF16a,16bを備える。更に、LPF16aからのI信号とLPF16bからのQ信号とを直交変調する直交変調器17を備えている。
In addition, the following configurations are different for each signal module. Since the low frequency signal module SG 1 takes out only the I signal (real number component) by the
低周波用の信号モジュールSG1のLPF16から出力される信号と、高周波用の信号モジュールSG2,SG3,…,SGPの各直交変調器17から出力される信号は、混合器4に入力されて合成され、最終的に目的信号xoutが出力される。尚、高周波用の信号モジュールSG2,SG3,…,SGPからの出力中にDC成分の存在が懸念される場合には、高周波用の信号モジュールSG2,SG3,…,SGPの各直交変調器17と混合器4との間に、必要に応じてBPF或いはLPFを追加するようにしても良い。 A signal output from the LPF16 signal module SG 1 for low-frequency, signal module SG 2 for high-frequency, SG 3, ..., the signal output from the quadrature modulator 17 of the SG P is input to a mixer 4 Are combined and finally the target signal xout is output. The signal module SG 2 for high-frequency, SG 3, ..., when the presence of a DC component in the output from the SG P is concerned, signal module for high frequency SG 2, SG 3, ..., the SG P A BPF or LPF may be added between each quadrature modulator 17 and the mixer 4 as necessary.
次に、任意信号発生装置1の動作について説明する。概略的に、任意信号発生装置1は、周波数領域の複素スペクトルを、低サンプリングクロックで動作するP個の信号モジュールSG1,SG2,SG3,…,SGPで分割処理し、それぞれの出力を合成することにより、任意信号を生成する。従来のデジタル信号処理では扱うことが困難な高周波成分は、各モジュールにおける逆離散フーリエ変換出力をアナログ信号処理で直交変調することにより、並列に処理する数である分割Pに反比例した低速のクロックで各信号モジュールSG2,SG3,…,SGPを動作させることで処理することができる。
Next, the operation of the
ここで、分割処理による任意信号発生の基本アルゴリズムについて説明する。図2に模式的に示すように、目的信号として時間的に連続したアナログ信号を想定し、このアナログ信号を離散フーリエ変換により周波数領域のスペクトルに変換し、その出力スペクトルを複数の成分に分割する。図2において、A,B,C,Dの4つの成分に分割した例を示す。この4つの成分のうち、最も周波数の低いAの成分がデジタル信号処理の可能な周波数帯域である。 Here, a basic algorithm for generating an arbitrary signal by division processing will be described. As schematically shown in FIG. 2, an analog signal that is temporally continuous is assumed as a target signal, the analog signal is converted into a spectrum in the frequency domain by a discrete Fourier transform, and the output spectrum is divided into a plurality of components. . In FIG. 2, the example divided into four components A, B, C, and D is shown. Of these four components, the A component having the lowest frequency is a frequency band in which digital signal processing is possible.
成分Aの信号は、逆離散フーリエ変換し、D/A変換する。成分Bの信号は、成分Aの周波数帯域にシフトさせ、逆離散フーリエ変換し、D/A変換によりアナログ信号に変換し、更に、直交変調して周波数帯域を成分Aに隣接する高周波側にシフトする。同様に、成分Cの信号も、成分Aの周波数帯域にシフトさせ、逆離散フーリエ変換し、D/A変換によりアナログ信号に変換し、直交変調により周波数帯域を成分Bに隣接する高周波側にシフトする。同様に、成分Dの信号も、成分Aの周波数帯域にシフトさせ、逆離散フーリエ変換し、D/A変換によりアナログ信号に変換し、直交変調により周波数帯域を成分Cに続く高周波側にシフトする。最後に、アナログ信号に変換した成分Aの信号と、アナログ信号に変換して高周波側にシフトした成分B,C,Dの信号を合成することにより、目的信号と同様の信号を得ることができる。 The component A signal is subjected to inverse discrete Fourier transform and D / A conversion. The signal of component B is shifted to the frequency band of component A, subjected to inverse discrete Fourier transform, converted to an analog signal by D / A conversion, and further orthogonally modulated to shift the frequency band to the high frequency side adjacent to component A To do. Similarly, the component C signal is also shifted to the frequency band of component A, subjected to inverse discrete Fourier transform, converted to an analog signal by D / A conversion, and shifted to the high frequency side adjacent to component B by orthogonal modulation. To do. Similarly, the signal of component D is also shifted to the frequency band of component A, subjected to inverse discrete Fourier transform, converted to an analog signal by D / A conversion, and the frequency band is shifted to the high frequency side following component C by orthogonal modulation. . Finally, a signal similar to the target signal can be obtained by synthesizing the component A signal converted into an analog signal and the components B, C, and D converted into analog signals and shifted to the high frequency side. .
このことは、各信号モジュールSG1,SG2,SG3,…,SGPに、目的信号の周波数領域の複素スペクトルを分割して与え、各信号モジュールでデジタル信号処理可能な成分を処理すると共に、デジタル信号処理の困難な高周波成分をアナログ信号処理で直交変調することにより、並列数Pに比例した広帯域の任意信号を生成(合成)できることを意味する。1つのモジュールで処理し得る周波数帯域幅をBwとするとき、生成可能な信号の周波数帯域は、Bw・Pとなる。つまり、処理し得る周波数帯域がBwである信号モジュールさえあれば、これを複数用意することで周波数帯域Bw・Pの目的信号を得ることができる。これにより、本形態の任意信号発生装置1では、各モジュールのサンプリング周波数を比較的低い周波数に抑えつつ高い周波数の任意信号を生成することができる。
This is the signal module SG 1, SG 2, SG 3 , ..., the SG P, with given by dividing the complex spectrum of the frequency domain of the target signal, processes the digital signal can be processed component in the signal module This means that a wideband arbitrary signal proportional to the parallel number P can be generated (synthesized) by orthogonally modulating high-frequency components that are difficult to process digitally by analog signal processing. When the frequency bandwidth that can be processed by one module is Bw, the frequency band of a signal that can be generated is Bw · P. That is, as long as there is a signal module whose frequency band that can be processed is Bw, a target signal of the frequency band Bw · P can be obtained by preparing a plurality of signal modules. Thereby, in the
また、ある所定の周波数帯域Bwに対して、分割数Pを増減することにより生成可能な信号の周波数帯域を増減することができ、拡張性の高い信号発生装置を実現することができる。すなわち、目的信号の周波数帯域の状況に応じて動的にPの数を変えることで、不要な信号モジュールの動作を抑制し、消費電力を低減することができる。 In addition, the frequency band of a signal that can be generated can be increased or decreased by increasing or decreasing the division number P with respect to a predetermined frequency band Bw, and a highly scalable signal generator can be realized. That is, by dynamically changing the number of Ps according to the frequency band of the target signal, unnecessary signal module operations can be suppressed and power consumption can be reduced.
例えば、目的信号の周波数帯域幅が1GHz、分割数が4である場合、各信号モジュールで250MHzの周波数帯域を扱うことで、目的信号を得ることができる。また等分にせずとも、4つの信号モジュールで全体として1GHzの周波数帯域を扱うことができれば、各信号モジュールで扱うのは不等分の周波数帯域であっても良い。例えば100MHz、200MHz、300MHz、400MHzとすることも可能である。ただし、信号処理の都合上、等分に扱うことが好ましい。以下では、各信号モジュールに等分に分配する例を示す。 For example, when the frequency bandwidth of the target signal is 1 GHz and the number of divisions is 4, the target signal can be obtained by handling the frequency band of 250 MHz in each signal module. In addition, even if the frequency bands of 1 GHz can be handled as a whole by the four signal modules without being divided equally, the signal modules may handle the unequal frequency bands. For example, it can be set to 100 MHz, 200 MHz, 300 MHz, or 400 MHz. However, for the convenience of signal processing, it is preferable to treat it equally. In the following, an example of equally distributing to each signal module is shown.
詳細には、実数の連続信号をx(t)とし、この信号x(t)を離散化した信号をx(n)とする。この信号x(n)を総ポイント数Nで離散フーリエ変換した結果をX(m)とすると、x(n)とX(m)との関係は、以下の(1)式で表される。
但し、n,m=0,1,2,・・・,N−1
Specifically, a real continuous signal is x (t), and a signal obtained by discretizing the signal x (t) is x (n). If the result of discrete Fourier transform of this signal x (n) with the total number of points N is X (m), the relationship between x (n) and X (m) is expressed by the following equation (1).
However, n, m = 0, 1, 2,..., N−1
次に、(1)式を、以下の(2)式のように変形する。
Next, the equation (1) is transformed into the following equation (2).
ここで、信号X(m)は、実数信号x(n)の離散フーリエ変換であるから、X(1)=X*(N−k)が成り立ち、(2)式は、以下の(3)式で表現することができる。但し、*は共役複素数を示し、k=1,2,…,mである。
Here, since the signal X (m) is a discrete Fourier transform of the real signal x (n), X (1) = X * (N−k) holds, and the expression (2) is expressed by the following (3) It can be expressed by an expression. However, * shows a conjugate complex number and is k = 1, 2, ..., m.
(3)式において、x(n)が実数信号のとき、X(0),X(N/2)は実数となるから、以下の(4)式で示すことができ、更に、(5)式のように展開することができる。但し、Pは分割数、すなわち並列数を表し、自然数を取るものとする。
In equation (3), when x (n) is a real number signal, X (0) and X (N / 2) are real numbers, and can be represented by the following equation (4). Furthermore, (5) It can be expanded like an expression. However, P represents the number of divisions, that is, the number of parallels, and takes a natural number.
ここで、(5)式を使って信号X(n)を生成する条件について考える。この条件は、処理の簡素化のため、信号x(n)に含まれる周波数成分のうち、X(N/2)はゼロであるとし、信号x(n)に適当な低域通過フィルタ処理を行えば達成し得る。すなわち、(5)式で表される信号を、サンプリング周波数fsで処理したときに目的信号x(n)が得られるものとし、目的信号x(n)のスペクトラムは、図3に示すようなスペクトラムであるとして、直並列変換器2からの総ポイント数Nのデータを、離散フーリエ変換器3でポイント数N/(2P)の離散フーリエ変換のP組に分割してP個の信号モジュールSG1,SG2,SG3,…,SGPに分配して並列処理することにより、目的信号x(n)を得ることができる。
Here, a condition for generating the signal X (n) using the equation (5) is considered. In order to simplify processing, this condition is that X (N / 2) is zero among the frequency components included in the signal x (n), and appropriate low-pass filter processing is performed on the signal x (n). It can be achieved if done. That is, the target signal x (n) is obtained when the signal represented by the equation (5) is processed at the sampling frequency fs, and the spectrum of the target signal x (n) is a spectrum as shown in FIG. , The data of the total number of points N from the series-
具体的には、離散フーリエ変換器3における離散フーリエ変換は、離散フーリエ変換の対称性を利用して演算量を減らし、高速に変換を行う高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform;FFT)である。離散フーリエ変換器3は、離散フーリエ変換した信号{X(0),X(1),X(2),X(3),…,X(N-1)}のうち、後半のN/2項をフーリエ変換の対称性を利用して除去し、前半の信号成分{X(0)/2,X(1),X(2),X(3),…,X(N/2-1)}をN/(2P)個ずつP組に分割する。 Specifically, the discrete Fourier transform in the discrete Fourier transformer 3 is a fast Fourier transform (FFT) that uses the symmetry of the discrete Fourier transform to reduce the amount of computation and perform transformation at high speed. The discrete Fourier transformer 3 is the second half of N / 2 of the signals {X (0), X (1), X (2), X (3),. The term is removed using the symmetry of Fourier transform, and the first half of the signal components {X (0) / 2, X (1), X (2), X (3),..., X (N / 2-1 )} Is divided into N sets of N / (2P) pieces.
分割したP組の最初の信号成分{X(0)/2,X(1),…,X(N/(2P)-1)}は、低周波用の信号モジュールSG1に分配される。次の信号成分{X(N/(2P)),X(N/(2P)+1),…,X(2N/(2P)-1)}が高周波用の信号モジュールSG2に分配される。更に、信号成分{X(2N/(2P)),X(2N/(2P)+1),…,X(3N/(2P)-1)}が信号モジュールSG3に分配される。以下、信号成分{X((i-1)N/(2P)),X((i-1)N/(2P)+1),…,X(iN/(2P)-1)}が高周波用の信号モジュールSGiに分配される。以下、同様に分配されてゆき、最後の信号成分{X((P-1)N/(2P)),X((P−1)N/(2P)+1),…,X(PN/(2P)-1)}が信号モジュールSGPに分配される。 Divided P sets of first signal component {X (0) / 2, X (1), ..., X (N / (2P) -1)} is distributed to the signal module SG 1 for low frequencies. Next signal component {X (N / (2P) ), X (N / (2P) +1), ..., X (2N / (2P) -1)} is distributed to the signal module SG 2 for high-frequency . Furthermore, the signal component {X (2N / (2P) ), X (2N / (2P) +1), ..., X (3N / (2P) -1)} is distributed to the signal module SG 3. Hereinafter, the signal components {X ((i-1) N / (2P)), X ((i-1) N / (2P) +1),..., X (iN / (2P) -1)} are high frequencies. It is distributed to the signal module SG i of use. Thereafter, the signals are distributed in the same manner, and the last signal component {X ((P-1) N / (2P)), X ((P-1) N / (2P) +1), ..., X (PN / (2P) -1)} is distributed to the signal module SG P.
すなわち、各信号モジュールにN/2P項の成分が以下の通り分配される。
That is, the N / 2P term component is distributed to each signal module as follows.
この場合、予め複数の目的信号を離散フーリエ変換して、それらの値をメモリに保存しておき、目的信号の種類に応じて複素スペクトルをメモリから各信号モジュールの逆離散フーリエ変換器10に読み出し、目的信号を生成するようにしても良い。これにより、離散フーリエ変換器3を常に動作させて目的信号の複素スペクトルをその都度求める必要がなくなり、回路規模を小さくできると共に消費電力の低減を図ることができる。
In this case, a plurality of target signals are subjected to discrete Fourier transform in advance, their values are stored in a memory, and a complex spectrum is read from the memory to the inverse
低周波用の信号モジュールSG1の処理が(5)式の第1項に対応する。高周波用の信号モジュールSG2,SG3,…,SGPでの各処理が(5)式の第2項以下に対応している。以下、各信号モジュールSG1,SG2,SG3,…,SGPにおける信号処理について説明する。 Processing of the signal module SG 1 for low frequency (5) corresponding to the first term of expression. Signal module SG 2 for high-frequency, SG 3, ..., each process in the SG P corresponds to (5) below the second term of the equation. Hereinafter, the signal module SG 1, SG 2, SG 3 , ..., is described signal processing in SG P.
[低周波用の信号モジュールSG1における信号処理]
信号モジュールSG1のサンプリング周波数をfs/(2P)として、モジュールへの入力成分{X(0)/2,X(1),…,X(N/(2P)-1)}を逆離散フーリエ変換器10で逆離散フーリエ変換する。この逆離散フーリエ変換により以下の(6)式に示す出力が得られる。
[Signal processing in signal module SG 1 for low frequency]
The sampling frequency of the signal module SG 1 is fs / (2P), and the input components {X (0) / 2, X (1),..., X (N / (2P) -1)} to the module are inverse discrete Fourier transforms. An inverse discrete Fourier transform is performed by the
サンプリング周波数をfs/(2P)としたときの(6)式のスペクトルは、0〜fs/(2P)−fs/Nの周波数範囲において(5)式のスペクトルと等価である。図4に示すように、(6)式のスペクトルは、周波数がfs/(2P)の繰返し信号である。 The spectrum of the equation (6) when the sampling frequency is fs / (2P) is equivalent to the spectrum of the equation (5) in the frequency range of 0 to fs / (2P) −fs / N. As shown in FIG. 4, the spectrum of equation (6) is a repetitive signal having a frequency of fs / (2P).
逆離散フーリエ変換10の出力は、並直列変換器11に入力され、N/(2P)項づつシリアルデータに変換され、インターポレータ12で2倍以上のインターポレーションが施されてアップサンプリングされる。本実施の形態においては、2倍のインターポレーションを施す。すなわち、図5に示すように、インターポレータ12出力でのサンプリング周波数が、元の周波数の2倍のfs/Pとなる。ここで、インターポレーションは2倍に限られることはなく、状況に応じて適宜、2倍以上でインターポレーションを行うことが可能である。
The output of the inverse
次に、インターポレータ12の出力は複素BPF13に入力される。これにより、図6に示すように、信号のスペクトルから周波数0〜fs/(2P)−fs/Nの成分のみが取り出される。このとき、逆離散フーリエ変換の(6)式に必要とされるサンプリング周波数は、(5)式で必要とされるサンプリング周波数の1/(2P)倍であるため、信号処理に要求されるサンプリング周波数は並列数Pに反比例することとなり、その結果、大幅にサンプリング周波数を低減することができる。
Next, the output of the
その後、複素BPF13で帯域制限された信号から、IQ分離器14にて実数成分(I成分)のみを取り出し、D/A変換器15にてアナログ信号に変換する。更に、D/A変換器15の出力をLPF16に通し、図7に示すように、スプリアスを除去した周波数0〜fs/(2P)−fs/Nのスペクトルを抽出する。
Thereafter, only the real component (I component) is extracted from the signal band-limited by the
以上が、(5)式の第1項に対応する低周波用の信号モジュールSG1における信号処理であり、(5)式の第2項以下に対応する高周波用の信号モジュールSG2,SG3,…,SGPにおける信号処理と並列的に実行される。 The above is the signal processing in the low frequency signal module SG 1 corresponding to the first term of the equation (5), and the high frequency signal modules SG 2 and SG 3 corresponding to the second term and the following of the equation (5). , ..., parallel runs and the signal processing in the SG P.
[高周波用の信号モジュールSG2,SG3,…,SGPにおける信号処理]
前述したように、高周波用の信号モジュールSG2,SG3,…,SGPにおける信号処理は、(5)式の第2項以下に対応するものである。各モジュールSG2,SG3,…,SGPは、動作周波数帯域が異なるのみで基本的な動作は同様であるため、以下では、主として、信号成分{X(N/(2P)),X(N/(2P)+1),…,X(2N/(2P)-1)}に対する処理を行う信号モジュールSG2で代表して説明する。
Signal Module SG 2 for high-frequency, SG 3, ..., the signal processing in the SG P]
As described above, the signal module for high frequency SG 2, SG 3, ..., the signal processing in the SG P are those corresponding to the following second term of equation (5). Each module SG 2, SG 3, ..., SG P , because the operating frequency band is the same as the basic operation on different only in the following, primarily the signal components {X (N / (2P) ), X ( N / (2P) +1), ..., will be described as a representative in the signal module SG 2 which performs processing for X (2N / (2P) -1 )}.
信号モジュールSG2への入力信号成分{X(N/(2P)),X(N/(2P)+1),…,X(2N/(2P)-1)}は、先ず、逆離散フーリエ変換器10へ入力されて逆離散フーリエ変換される。逆離散フーリエ変換器10は、サンプリング周波数fs/(2P)で信号成分{X(N/(2P)),X(N/(2P)+1),…,X(2N/(2P)-1)}を逆離散フーリエ変換し、以下の(7)式に示す変換結果が得られる。
Input signal components {X (N / (2P)), X (N / (2P) +1),..., X (2N / (2P) -1)} to the signal module SG 2 The signal is input to the
(7)式の信号処理をサンプリング周波数fs/(2P)で行ったとき、そのスペクトルは、周波数0〜fs/(2P)−fs/Nの範囲において、(5)式の第2項の中括弧内{}の複素スペクトルと等価である。図8に示すように、その他の周波数領域では、周波数0〜fs/(2P)−fs/Nのスペクトルの繰り返しとなる。
When the signal processing of the equation (7) is performed at the sampling frequency fs / (2P), the spectrum is in the range of the
逆離散フーリエ変換10の出力は、並直列変換器11を介してインターポレータ12に入力され、図9に示すように、2倍以上のインターポレーションが施される。更に、インターポレータ12の出力からスプリアスを除去し、周波数成分0〜fs/(2P)−fs/Nの複素スペクトルを抽出するため、インターポレータ12からの出力信号は、複素BPS13に入力される。これにより、図10に示すように、周波数0〜fs/(2P)−fs/Nの成分のみが取り出される。ここで、インターポレーションは2倍に限られることはなく、状況に応じて適宜、2倍以上でインターポレーションを行うことが可能である。また、信号モジュールSG1で行った処理と同じ倍数にする必要性は特にない。異なった倍数で行っても構わない。
The output of the inverse
次に、複素BPS13の出力に、複素正弦波EXP(j・π・fs・t/P)を乗算し、その出力信号の実数部を取り出すことにより、(5)式の第2項が得られる。但し、tは連続の時間変数である。実際には、(5)式の第2項の大括弧[ ]内の成分を得るために、複素BPS13の出力を、IQ分離器14で実数部(I成分)と虚数部(Q成分)に分離する。その上で、それぞれをD/A変換器15a,15bにてアナログ信号に変換する。
Next, the
そして、アナログ信号からスプリアスを除去するため、D/A変換器15a,15bの出力信号を、それぞれ、LPF16a,16bに入力して周波数0〜fs/(2P)−fs/Nの周波数成分のみに帯域制限する。一方のLPF16aによって帯域制限されたI成分信号は、直交変調器17の同相側に入力され、他方のLPF16bによって帯域制限されたQ成分信号は、直交変調器17の直交入力側に入力される。
Then, in order to remove spurious from the analog signal, the output signals of the D /
直交変調器17は、fs/(2P)の局部発振周波数でLPF16a,16bからのI,Q信号を直交変調してアップコンバートし、混合器4に出力する。直交変調器17の出力スペクトルは図11に示すようなスペクトルとなり、(5)式の第2項と等価である。 The quadrature modulator 17 performs quadrature modulation on the I and Q signals from the LPFs 16 a and 16 b with a local oscillation frequency of fs / (2P), up-converts them, and outputs them to the mixer 4. The output spectrum of the quadrature modulator 17 is a spectrum as shown in FIG. 11, which is equivalent to the second term of the equation (5).
他の高周波用の信号モジュールSG3,…,SGPにおいても、同様の信号処理が行われる。すなわち、信号モジュールSG3で、信号成分{X(2N/(2P)),X(2N/(2P)+1),…,X(3N/(2P)-1)}が処理される。以下、同様にして、最後の信号成分{X((P-1)N/(2P)),X((P−1)N/(2P)+1),…,X(PN/(2P)-1)}が信号モジュールSGPで処理される。但し、信号モジュールSG3における直交変調器17の局部発振器周波数は(2fs)/(2P)であり、最後の信号モジュールSGPにおける直交変調器17の局部発振器周波数は、(P−1)・fs/(2P)である。 Signal module SG 3 for other high frequency, ..., even in SG P, similar signal processing is performed. That is, the signal module SG 3, the signal component {X (2N / (2P) ), X (2N / (2P) +1), ..., X (3N / (2P) -1)} are processed. In the same manner, the last signal component {X ((P-1) N / (2P)), X ((P-1) N / (2P) +1), ..., X (PN / (2P)] -1)} it is processed in the signal module SG P. However, the local oscillator frequency of the quadrature modulator 17 in the signal module SG 3 is (2fs) / (2P), and the local oscillator frequency of the quadrature modulator 17 in the last signal module SG P is (P-1) · fs. / (2P).
以上の信号処理を行った低周波用の信号モジュールSG1及び高周波用の信号モジュールSG2,SG3,…,SGPの各出力は、混合器4にて合成される。これにより、図12に示す出力スペクトルを有する目的信号xoutが得られる。この目的信号xoutは、(5)式を連続化した信号と等価であるとみなせる。 More signal module SG 1 for the low-frequency subjected to signal processing and signal module SG 2 for high-frequency, SG 3, ..., the outputs of SG P is synthesized in the mixer 4. Thereby, the target signal xout having the output spectrum shown in FIG. 12 is obtained. This target signal xout can be regarded as equivalent to a signal obtained by continuation of equation (5).
以上のように本実施の形態においては、逆離散フーリエ変換を実現可能な程度の低サンプリング周波数で動作する複数の信号モジュールSG1,SG2,SG3,…,SGPで分割処理する。続いて、実現可能な程度の低サンプリング周波数で動作する逆離散フーリエ変換器10の出力を、直交変調器17でアップコンバートする。最終的に、各信号モジュール出力を混合器4にて合成する。これにより、任意の信号を生成することができる。
Above in the present embodiment as described above, a plurality of signal module SG 1 operating at a low sampling frequency of the extent feasible the inverse discrete Fourier transform, SG 2, SG 3, ..., dividing treated with SG P. Subsequently, the output of the inverse
しかも、精度の高いデジタル信号処理と高速のアナログ信号処理とを組み合わせて信号モジュールを構成し、複数の信号モジュールを並列動作させる。これにより、温度や湿度等の環境変化による性能変化、素子や材料の特性の経年変化による性能変化を低減することができる。さらに、目的信号の帯域幅を増加することができる。 In addition, a signal module is configured by combining high-precision digital signal processing and high-speed analog signal processing, and a plurality of signal modules are operated in parallel. As a result, it is possible to reduce performance changes due to environmental changes such as temperature and humidity, and performance changes due to secular changes in the characteristics of elements and materials. Furthermore, the bandwidth of the target signal can be increased.
また、逆離散フーリエ変換を用いて変調を行っているので、各信号モジュールのスペクトルの振幅と位相とを直接的に制御することができる。さらに、目的信号の周波数とスペクトルを自由に設定することが可能となる。 Moreover, since modulation is performed using inverse discrete Fourier transform, the amplitude and phase of the spectrum of each signal module can be directly controlled. Furthermore, the frequency and spectrum of the target signal can be set freely.
本実施の形態では、目的信号の複素スペクトルを離散フーリエ変換器3で計算し、逆離散フーリエ変換器10,10,…を介して目的信号を生成する例について説明した。ここで、離散フーリエ変換と逆離散フーリエ変換とは変換対であるから、逆離散フーリエ変換を利用して複素スペクトルを求め、離散フーリエ変換を利用して目的信号を生成することも可能である。
In the present embodiment, the example in which the complex spectrum of the target signal is calculated by the discrete Fourier transformer 3 and the target signal is generated via the inverse
次に、本発明の実施の第2形態について説明する。図13は本発明の実施の第2形態に係り、任意信号発生装置の構成図である。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 13 is a block diagram of an arbitrary signal generator according to a second embodiment of the present invention.
第2形態は、1つの信号発生装置で目的信号の生成とデータ伝送とを可能とするものであり、第1形態に対して、複数の信号モジュールSG1,SG2,SG3,…,SGPのうち、1つの信号モジュールを、直交周波数多重分割方式(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)によるデータ伝送用の信号モジュールとして構成する。以下、第1形態と相違する部分を中心に説明する。 The second mode enables generation of target signals and data transmission with one signal generator, and a plurality of signal modules SG 1 , SG 2 , SG 3 ,. One signal module of P is configured as a signal module for data transmission by an orthogonal frequency division multiplexing system. Hereinafter, a description will be given centering on portions that are different from the first embodiment.
図13は、データ伝送用の信号モジュールSGdとして、第1形態における信号モジュールSG1を割り当てる例を示す。そして、逆離散フーリエ変換器10を、離散フーリエ変換器10Aに変更する。この信号モジュールSGdには、複素数若しくは実数のデータ信号xdが直並列変換器20を介して入力される。入力された信号xdは、離散フーリエ変換器10Aを介してOFDM変調され、混合器4に出力される。
FIG. 13 shows an example in which the signal module SG 1 in the first mode is assigned as the signal module SGd for data transmission. Then, the inverse
他の信号モジュールSG2,SG3,…,SGPは、第1形態と同様である。時間領域の信号xinが直並列変換器2を介して離散フーリエ変換器3に入力される。入力された信号xinに基づいて、離散フーリエ変換器3で複素スペクトルが計算される。得られた複素スペクトルは、各モジュールの逆離散フーリエ変換器10,10,…で分散処理され、第1形態で説明したように、所定周波数の信号が生成されて混合器4に出力される。
Other signal module SG 2, SG 3, ..., SG P is the same as in the first embodiment. The time domain signal xin is input to the discrete Fourier transformer 3 via the serial-
これにより、混合器4から目的信号の出力とデータ伝送とを行うことができる。例えば、パルスレーダ用として用いる場合に、レーダパルスの生成とデータの伝送とを1つの信号発生装置で行うことができる。尚、データ伝送と目的信号の生成は、同時に行っても良い。また、サブキャリアの一部若しくは全部を使って時分割で交互に行うようにしても良い。 Thereby, the output of a target signal and data transmission can be performed from the mixer 4. For example, when used for pulse radar, radar pulse generation and data transmission can be performed by one signal generator. Note that data transmission and generation of a target signal may be performed simultaneously. Alternatively, some or all of the subcarriers may be used alternately in a time division manner.
また、目的信号を生成する場合、前述したように、時間領域の目的信号を予め離散フーリエ変換した複素スペクトルをメモリに保存しておき、必要なときにメモリから逆離散フーリエ変換器に読み出し、目的信号を生成するようにしても良い。 When generating a target signal, as described above, a complex spectrum obtained by performing discrete Fourier transform on the target signal in the time domain is stored in a memory in advance, and is read out from the memory to the inverse discrete Fourier transformer when necessary. A signal may be generated.
また、データ伝送用の信号モジュールSGdとして、信号モジュールSG1ではなく、他の信号モジュール、例えばSG2を割り当てることも可能である。これにより、データ伝送を行う周波数を変えることができる。 In addition, as the signal module SGd for data transmission, it is possible to assign another signal module such as SG 2 instead of the signal module SG 1 . Thereby, the frequency which performs data transmission can be changed.
第2形態においては、第1形態と同様、目的信号の周波数とスペクトルを自由に設定することができるばかりでなく、パルスレーダ等に用いる信号の生成とデータ伝送とを1つの装置で実現することができ、コスト増加を抑えつつより適用範囲の広い装置とすることができる。 In the second embodiment, as in the first embodiment, not only the frequency and spectrum of the target signal can be set freely, but also the signal generation and data transmission used for pulse radar and the like are realized by one device. Therefore, it is possible to provide a device with a wider application range while suppressing an increase in cost.
1 任意信号発生装置
3 離散フーリエ変換器
4 混合器
10 逆離散フーリエ変換器
12 インターポレータ
17 直交変調器
SG1,…,SGP 信号モジュール
xin 入力信号
xout 目的信号
1 Arbitrary Signal Generator 3 Discrete Fourier Transformer 4
Claims (12)
前記信号分配部から分配された複数の信号成分のそれぞれを時間領域の信号に変換する信号変換部と、
前記信号変換部で変換された複数の信号のうち、少なくとも一つ以上の信号の周波数をアップコンバートする周波数変換部と、
前記周波数変換部によりアップコンバートされた信号を含む複数の信号を合成して目的信号を出力する信号合成部と
を備えることを特徴とする任意信号発生装置。 A signal distributor that divides and distributes a frequency domain spectrum calculated from a time domain signal into a plurality of signal components;
A signal converter that converts each of the plurality of signal components distributed from the signal distributor into a signal in the time domain;
A frequency converter that up-converts the frequency of at least one of the plurality of signals converted by the signal converter;
An arbitrary signal generator comprising: a signal synthesis unit that synthesizes a plurality of signals including the signal up-converted by the frequency conversion unit and outputs a target signal.
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