JP3839705B2 - 標本化方法および装置、ならびに、推測方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、アナログ信号を標本化してディジタル化し出力する標本化装置に係り、特に、複数の入力レンジを有する標本化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子測定器では、信号の受信部において、アナログディジタル変換器（以降、ＡＤＣとも称する）が多用されている。ＡＤＣに入力される信号の全幅が、ＡＤＣのフルスケールに近いほど、高いダイナミックレンジで信号を標本化する事ができるので、電子測定器では、ＡＤＣの前に増幅器を設けて標本化装置を構成し、ＡＤＣに入力される信号の全幅がＡＤＣのフルスケールに近くなるように増幅している。
ここで、従来からある、増幅器を備えて複数の入力レンジを有した標本化装置を、図１に例示する。以降、入力レンジは入力範囲とも称する。図１において、標本化装置１００は、入力端子１１０と、スイッチ１２０と、増幅器１３０と、ＡＤＣ１４０と、出力端子１５０とを備えている。
増幅器は、入力端子１１０とスイッチ１２０との間に設けられ、入力端子１１０から入力された信号振幅を増幅して、スイッチ１２０に出力する。
スイッチ１２０は、入力端子１１０と増幅器１３０とＡＤＣ１４０とに接続され、入力端子１１０または増幅器１３０のいずれかを選択的に、ＡＤＣ１４０へ接続する。
ＡＤＣ１４０は、入力された信号を標本化し、その標本値をディジタルデータに変換して出力端子１５０に出力する。
標本化装置１００は、上記のように構成され、２つの入力レンジを有する。すなわち、入力端子１１０に入力された信号を、直接もしくは増幅して標本化する。ここで、入力端子１１０に入力された信号を直接標本化する設定を、ローゲインレンジと称する。また、同じく入力された信号を増幅して標本化する設定を、ハイゲインレンジと称する。
【０００３】
このように、２つの入力レンジを有する標本化装置１００において、大振幅信号をハイゲインレンジで標本化しようとした場合、信号の瞬時値がＡＤＣ１４０の入力範囲を超過してしまい、有効な値を標本化できない事がある。そこで、複数の入力レンジを有する標本化装置１００では、標本化に適したレンジに切り替える作業が必要となる。この作業は、一般的に、レンジングと称される。
例えば、図１に示す標本化装置１００でレンジングを行う場合の一般的な手順は、次の通りである。まず、レンジをローゲインレンジに切り替える。そして、ＡＤＣ１４０で標本化を行う。標本化は、標本化装置１００に入力される信号の１周期間行う。入力される信号が正弦波信号など対称的な波形であれば、半周期間でも良い。次に、ハイゲインレンジで標本化した時にＡＤＣ１４０の入力範囲を超過する値を閾値とし、全ての標本値を当該閾値と比較して、全ての標本値が当該閾値未満であれば、スイッチを切り替えてハイゲインレンジに変更し正規の標本化を行う。もし、少なくとも１つの標本値が当該閾値以上であれば、ローゲインレンジのまま正規の標本化を行う。
【０００４】
このように従来のレンジング手順では、レンジングの為の標本化に、標本化装置に入力される信号の少なくとも半周期間を要する。この時間は、入力される信号の周期が長いほど顕著である。また、場合によっては、スイッチの切替も発生するので、スイッチ切替による信号の過渡応答が収束するまでの時間も要する。これらの時間は、電子測定器においては測定時間の一部となり、測定の高速化を阻害する一因となっている。
昨今、測定時間は製造コストなどに反映する事から、測定時間の短縮が切望されており、標本化装置において、レンジングおよび標本化の時間を短縮する事が切望されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の問題点を解消することを課題とするものであって、その目的とするところは、標本化手段を２以上備える標本化装置において、各標本化手段で同時に信号を標本化し、その後に、いずれかの標本化手段が標本化した値を用いる事により、レンジングの為の標本化作業を排除し、レンジングに要する時間を短縮する事である。
また、他の目的は、標本化手段の標本値に適切な閾値を設ける事により、標本化手段に入力された信号の瞬時値が、標本化手段の入力範囲を超える可能性を推定できるようにする事である。
【０００６】
【課題を解決しようとする手段】
要するに、本第一発明は、少なくとも２つの標本化手段と、前記標本化手段を選択する選択手段とを備え、前記選択手段によって選択された標本化手段による標本値を、その出力と為す標本化装置であって、
前記標本化手段は、その周波数が既知の同一正弦波信号を、１周期あたり３以上のＮ点で標本化する手段であり、
前記選択手段は、前記正弦波信号の標本値の絶対値が全て閾値未満である前記標本化手段のうち、最も入力範囲が狭い標本化手段を選択する手段であり、
前記閾値は、前記Ｎが偶数である時、前記標本化手段の入力範囲の半幅をｓｉｎ（π／２―π／Ｎ）倍した値であり、また、前記Ｎが奇数である時、前記標本化手段の入力範囲の半幅をｓｉｎ（π／２―π／（２Ｎ））倍した値である事を特徴とするものである。
また、本第二発明は、標本化手段と比較手段とを備え、標本化手段によって正弦波信号を標本化し、その標本値を比較手段によって比較して、前記正弦波信号の瞬時値が前記標本化手段の入力範囲を超える可能性について推測する装置であって、
前記標本化手段は、その周波数が既知の正弦波信号を、１周期あたり３以上のＮ点で標本化する手段であって、
前記比較手段は、前記Ｎが偶数である時、前記標本化手段の入力範囲の半幅をｓｉｎ（π／２―π／Ｎ）倍した値を閾値とし、また、前記Ｎが奇数である時、前記標本化手段の入力範囲の半幅をｓｉｎ（π／２―π／（２Ｎ））倍した値を閾値として、前記標本値の絶対値を当該閾値と比較する手段であって、
少なくとも１つの標本において、その標本値の絶対値が当該閾値以上であれば、前記正弦波信号の瞬時値が、前記標本化手段の入力範囲を超える可能性があると推測する事を特徴とするものである。
【０００７】
【実施例】
以下、本発明を添付の図面に示す実施例に基づいて説明する。本発明の実施例は、本発明装置を用いたネットワークアナライザの受信装置であって、そのブロック図を図２に示す。なお、ネットワークアナライザの受信装置は、以降、単に受信装置と称する。図２において、標本化装置の一例である受信装置２００は、入力端子２１０と、標本化手段の一例である標本化器２２０および２３０と、選択手段の一例である選択装置２４０と、出力端子２５０とを備え、入力端子２１０に入力された信号を標本化し、その標本値をディジタルデータに変換して出力端子２５０に出力する。
入力端子は、標本化器２２０と２３０の入力に接続されている。なお、入力端子には、その周波数が既知の正弦波信号が入力される。
標本化器２２０は、ＡＤＣ２６０を備え、入力された正弦波信号を１周期あたり４点で標本化して、その標本値をディジタルデータに変換し、選択装置２４０へ出力する。なお、ＡＤＣ２６０の入力範囲は、−１から＋１であるので、標本化器２２０の入力範囲も、−１から＋１である。
標本化器２３０は、１０倍の増幅率を有する増幅器２７０とＡＤＣ２８０とを備え、入力された正弦波信号を増幅器２７０によって増幅した後に、１周期あたり４点で標本化して、その標本値をディジタルデータに変換し、選択装置２４０へ出力する。なお、ＡＤＣ２８０の入力範囲は、−１から＋１であるので、標本化器２３０の入力範囲は、−０．１から＋０．１である。
選択装置２４０は、標本化器２２０および２３０が生成するディジタルデータを記憶するためのメモリ２９０と、ＣＰＵ３００とを備え、標本化器２２０または２３０の何れか一方が生成するディジタルデータを出力端子２５０へ出力する。
出力端子２５０は、選択装置２４０に接続されて、選択装置２４０が出力するディジタルデータを出力する。
【０００８】
選択装置２４０において、ＣＰＵ３００は、標本化器２２０および２３０と、メモリ２９０と、出力端子２５０とに接続され、各標本化器からディジタルデータ列を受信しメモリ２９０に順次書き込む。また、メモリ２９０に書き込んだディジタルデータ列を参照して比較演算により何れかの標本化器を選択し、当該標本化器が生成したディジタルデータ列を出力端子２５０へ出力する。
ＣＰＵ３００が標本化器を選択する基準は、正弦波信号を歪み無く標本化できる事と、ダイナミックレンジができるだけ大きい事である。すなわち、入力端子２１０から入力された正弦波信号の瞬時値が、その入力範囲を超えない標本化器のうち、最も入力範囲が狭い標本化器を選択する。上述の通り、ＣＰＵ３００は各標本化器が生成したディジタルデータ列のみを参照して標本化器の選択を行う。標本化器は、所定の周期に従って正弦波信号を標本化するので、標本化する時に、正弦波信号の瞬時値が標本化器の入力範囲を超えているとは限らない。その例として、正弦波信号とその標本を示した図を図３に示す。図３において、Ｖは標本化器の入力範囲の最大値であり、−Ｖは同入力範囲の最小値である。図？を見て明かなように、標本Ｓ１およびＳ２は、正弦波信号のピーク値から僅かにずれた位置にあり、その値も標本化器の入力範囲を超えていない。しかしながら、それらの前後の標本との間で、正弦波信号の瞬時値が標本化器の入力範囲を超えている。このように、単に標本値、すなわち、各標本化器が生成したディジタルデータ列から、適切な標本化器を選択する事ができないので、各標本化器に入力される正弦波信号の瞬時値が、各標本化器の入力範囲を超えるかどうか推測して、標本化器を選択する必要がある。
【０００９】
その推測は次の通りに行う。標本化器の入力範囲の全幅と等しい全幅を有する正弦波信号を標本化器に入力した時、正弦波信号の標本値の絶対値が正弦波信号の振幅に最も近い標本において、その標本値が最も小さくなるように標本化した場合の当該標本値の絶対値を閾値とする。そして、少なくとも１つの標本値の絶対値が、当該閾値以上であれば、正弦波信号の瞬時値が標本化器の入力範囲を超える可能性があると推測する。逆に、当該閾値未満であれば、正弦波信号の瞬時値が標本化器の入力範囲を超える事はないと推測する。
本実施例の受信装置２００においては、次の通りに閾値が決定される。正弦波信号と、それを１周期あたり４点で標本化した時の標本Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓａ３およびＳａ４とを示した例を、図４に示す。図４において、正弦波信号は、振幅がＡであって、標本化器の入力範囲の半幅に等しいものとする。標本は、正弦波信号の１周期をＴとした時、Ｔ／８，３Ｔ／８，５Ｔ／８，７Ｔ／８で標本化される。このように標本化すれば、他のタイミングで標本化した時に比べて、標本値の絶対値が正弦波信号の振幅に最も近い標本において、その標本値の絶対値が最も小さくなる。そして、その標本値の絶対値は、Ａ・ｓｉｎ（π／４）である。この値を、標本化器を選択する為の閾値とする。
【００１０】
上記のように構成された受信装置２００は、以下の手順に従って、標本化を行う。
ステップＳ５１では、各標本化器において、それぞれに入力される正弦波信号を同時に標本化する。
ステップＳ５２において、ＣＰＵ３００は、各標本化器が標本化した値をメモリに書き込む。
ステップＳ５３において、測定に必要な標本数が得られるまで、ステップＳ５１に戻り、標本化を繰り返す。また、測定に必要な標本数が得られれば、ステップＳ５４へ処理を進める。
ステップＳ５４において、各標本化器毎に閾値を決定する。
ステップＳ５５において、ＣＰＵ３００は、メモリに書き込んだディジタルデータ列を参照し、それぞれのディジタルデータ列について、標本値の絶対値と上記閾値とを比較し、標本値の絶対値が上記の閾値未満であるディジタルデータ列を抽出する。そして、抽出したディジタルデータ列に対応する標本化器のうち、最も入力範囲が狭い標本化器を選択する。
例えば、入力端子に振幅０．３の正弦波信号が入力された場合、標本化器２３０の標本値は閾値を超えてしまう場合がある。一方、標本化器２２０の標本値は全て閾値未満であるので、標本化器２２０が選択される。また、入力端子に振幅０．０７の正弦波信号が入力された場合、標本化器２２０および２３０の標本値は全て閾値未満であるので、標本化器２２０に比べて入力範囲の狭い標本化器２３０が選択される。
最後に、ステップ５６において、選択された標本化器が生成したディジタルデータを出力端子へ出力する。
【００１１】
以上説明したように、受信装置２００は、入力される正弦波信号を、各標本化器において同時に標本化し、その後に、当該正弦波信号を歪み無く、かつ、できるだけダイナミックレンジ高く標本化した標本器を選択する。この選択作業は、従来のレンジングに相当する。そして、選択した標本化器が生成したディジタルデータ列を出力端子２５０へ出力する。この事により、従来必要であったレンジングのための標本化作業が排除されるので、レンジングのために要する時間が短縮される。もちろん、標本化器を選択するための比較演算作業が新たに生じるが、主流のＣＰＵは極めて優れた演算性能を有しているので、その演算時間は、標本化の為の時間に比べて、極めて短い。
【００１２】
なお、標本化器を選択するためには、入力される信号の１周期分の標本があれば良い。また、標本化器の入力範囲の中心から対称的に振動する正弦波信号であれば、当該信号の半周期分の標本があれば良い。
また、本実施例では、標本化周波数が、ナイキスト周波数を超えるよう標本化している例を図示し説明しているが、アンダーサンプリングするような場合であっても、本発明の効果は、同様に発揮される。
【００１３】
さて、本実施例では、閾値がＡ・ｓｉｎ（π／４）であるので、信号振幅の半値に対して、約３０％ものマージンを設けている事となる。このマージンを小さくするためには、１周期あたりの標本点数を増加させれば良い。
例えば、標本化器２２０と２３０が正弦波信号を１周期あたり５点で標本化する場合、標本化器を選択する為の閾値は次の通りに決定される。正弦波信号と、それを１周期あたり５点で標本化した時の標本Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓａ３，Ｓａ４およびＳａ５とを示した図を、図６に示す。図６において、正弦波信号は、振幅がＡであって、標本化器の入力範囲の半幅に等しいものとする。標本は、正弦波信号の１周期をＴとした時、０，Ｔ／５，２Ｔ／５，３Ｔ／５，４Ｔ／５で標本化される。このように標本化すれば、他のタイミングで標本化した時に比べて、標本値の絶対値が正弦波信号の振幅に最も近い標本において、その標本値の絶対値が最も小さくなる。そして、その標本値の絶対値は、Ａ・ｓｉｎ（２π／５）である。この値を、標本化器を選択する為の閾値とする。従って、マージンは５％程度にまで低減される。
【００１４】
さらに、標本化器が正弦波信号を１周期あたりＮ点で標本化する時、閾値は、前記Ｎが偶数であれば、
【数１】

また、前記Ｎが奇数であれば、
【数２】

となる。ここで、Ａは、前記標本化器の入力範囲の半幅である。
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明は上記のように構成され、作用するものであるから、標本化手段を２以上備える標本化装置において、各標本化手段で同時に信号を標本化し、その後に、いずれかの標本化手段が標本化した値を用いる事により、レンジングの為の標本化作業を排除し、レンジングに要する時間を短縮する事ができる。
また、それぞれの標本化手段において、その標本値に適切な閾値を設ける事により、標本化手段に入力された信号の瞬時値が、標本化手段の入力範囲を超える可能性について推定する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の標本化装置を示す図である。
【図２】本発明の実施例を示す図である。
【図３】正弦波信号を標本化した例を示す図である。
【図４】正弦波信号を、１周期あたり４点で標本化した例を示す図である。
【図５】本発明の実施例である標本化装置の標本化手順を示した図である。
【図６】正弦波信号を、１周期あたり５点で標本化した例を示す図である。
【符号の説明】
２００ 標本化装置
２１０ 入力端子
２２０，２３０ 標本化器
２４０ 選択装置
２５０ 出力端子
Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓａ３，Ｓａ４ 標本

Claims (6)

1. 入力範囲が異なる少なくとも２つの標本化手段により、周波数が既知の同一正弦波信号を１周期あたりＮ点で標本化するステップと、
   各前記標本化手段において、前記Ｎが偶数である時は各前記標本化手段の入力範囲の半幅をｓｉｎ（π／２―π／Ｎ）倍した値を閾値とし、前記Ｎが奇数である時は各前記標本化手段の入力範囲の半幅をｓｉｎ（π／２―π／（２Ｎ））倍した値を閾値とするステップと、
   前記正弦波信号の標本値の絶対値の全てが前記閾値未満である前記標本化手段のうち最も入力範囲が狭い標本化手段の標本結果を選択するステップと、
   を含むことを特徴とする標本化方法。
2. 正弦波信号の瞬時値が標本化手段の入力範囲を超える可能性について推測する方法であって、
   前記標本化手段により、周波数が既知の前記正弦波信号を１周期あたりＮ点で標本化するステップと、
   前記Ｎが偶数である時に前記標本化手段の入力範囲の半幅をｓｉｎ（π／２―π／Ｎ）倍した値を閾値とし、前記Ｎが奇数である時に前記標本化手段の入力範囲の半幅をｓｉｎ（π／２―π／（２Ｎ））倍した値を閾値とするステップと、
   前記正弦波信号の標本値の少なくとも１つの絶対値が前記閾値以上であれば、前記瞬時値が前記標本化手段の前記入力範囲を超える可能性があると推測するステップと、
   を含むことを特徴とする推測方法。
3. 前記Ｎは、３以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 周波数が既知の同一正弦波信号を１周期あたりＮ点で標本化する、入力範囲が異なる少なくとも２つの標本化手段と、
   各前記標本化手段において、前記Ｎが偶数である時は各前記標本化手段の入力範囲の半幅をｓｉｎ（π／２―π／Ｎ）倍した値を閾値とし、前記Ｎが奇数である時は各前記標本化手段の入力範囲の半幅をｓｉｎ（π／２―π／（２Ｎ））倍した値を閾値とする手段と、
   前記正弦波信号の標本値の絶対値の全てが前記閾値未満である前記標本化手段のうち最も入力範囲が狭い標本化手段の標本結果を選択する手段と、
   を備えることを特徴とする標本化装置。
5. 正弦波信号の瞬時値が標本化手段の入力範囲を超える可能性について推測する装置であって、
   周波数が既知の前記正弦波信号を１周期あたりＮ点で標本化する前記標本化手段と、
   前記Ｎが偶数である時に前記標本化手段の入力範囲の半幅をｓｉｎ（π／２―π／Ｎ）倍した値を閾値とし、前記Ｎが奇数である時に前記標本化手段の入力範囲の半幅をｓｉｎ（π／２―π／（２Ｎ））倍した値を閾値とする手段と、
   前記正弦波信号の標本値の少なくとも１つの絶対値が前記閾値以上であれば、前記瞬時値が前記標本化手段の前記入力範囲を超える可能性があると推測する手段と、
   を備えることを特徴とする推測装置。
6. 前記Ｎは、３以上であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の装置。

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