JP3971193B2

JP3971193B2 - 雑音発生装置、雑音発生方法およびプログラム

Info

Publication number: JP3971193B2
Application number: JP2002009254A
Authority: JP
Inventors: 隆介今井; 健吾村澤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2002-01-17
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2022-01-17
Also published as: JP2003218639A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信装置をはじめとする電子機器の特性試験に用いる雑音発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、通信装置をはじめとする電子機器の特性を確認するためには、予め設定する帯域内にのみスペクトルを有する雑音の生成が必要とされている。特性確認事項として、電子機器の入出力周波数特性、耐雑音特性等があげられる。
【０００３】
上記目的を達成するため、例えば、特開平４−２４７７０４号公報に示される雑音発生装置が用いられている。図１４に、従来の雑音発生装置の構成を示す。
【０００４】
従来の雑音発生装置１４０は、乱数を発生させる乱数発生器１４１と、あらかじめ設定された周波数帯域を通過させるアナログフィルタ１４２とを備える。
【０００５】
雑音発生装置１４０は、乱数発生器１４１で疑似雑音を生成し、アナログフィルタ１４２を通して、予め設定する帯域内にのみスペクトルを有する雑音を出力する構成となっている。また、帯域制限のフィルタをアナログ回路で実現する場合の周波数特性を図３に示す。従来の雑音発生装置１４０において、生成する雑音の周波数特性はアナログフィルタ１４２の特性に依存している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成によれば、発生雑音の帯域を変更するためには、アナログフィルタ１４２の特性（通過周波数、遮断周波数等）の変更が必要となる。このためには、フィルタそのもの、すなわちハードウェアの変更が必要となる。従って、従来の雑音発生装置１４０においては、ユーザの希望に応じて雑音帯域を適宜変化させることは困難である。また、図３に示すように、通過周波数帯域と遮断周波数帯域の間には一定の過渡区間が存在し、ユーザが希望するであろう理想的な周波数特性の実現は困難となる。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するために、雑音帯域の設定が容易な雑音発生装置、雑音発生方法およびプログラムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、ディジタル信号処理により雑音を発生する雑音発生装置において、前記雑音についての帯域情報を受付ける受付手段と、前記受付手段で受付けた帯域情報の帯域内に含まれる周波数成分を有し、周波数の異なる複数の信号を生成する生成手段と、前記生成手段により生成した複数の信号を加算する加算手段とを有する。本発明によれば、ユーザの希望する帯域を設定させて雑音を発生させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本実施の形態における雑音発生装置および雑音発生方法を説明する。
【００１０】
本発明の実施の形態における雑音発生装置の構成を図１に示す。図１において、雑音発生器１０は、周波数特性や振幅特性の設定を受付ける受付け手段の特性設定器１１と、乱数を発生させる乱数発生器１２と、周波数の異なる正弦波信号を複数生成する生成手段の信号生成器１３と、乱数発生器１２で発生される乱数に従って変調信号を発生させる変調信号生成器１４と、信号生成器１３で発生された複数の信号について振幅変調をかける振幅変調器１５と、複数の信号を加算する加算手段の信号加算器１６とを備える。信号加算器１６からはディジタル雑音１７が出力される。
【００１１】
本実施の形態では、帯域内に含まれる周波数成分を有する信号を複数生成し、それらの複数の信号を加算することで目的の雑音を生成する。ユーザは、特性設定器１１に希望の雑音周波数帯域及び振幅特性を設定する。
【００１２】
このとき、複数の信号ｘ_m（ｎ）(但し、ｍ、ｎは自然数)と雑音信号ｙ（ｎ）とを数式で示すと数１のようになる。
【００１３】
【数１】

【００１４】
数１において、雑音信号ｙ（ｎ）は、生成信号ｘ_m（ｎ）について、ｍ＝１〜Ｌまで加算した信号となる。生成信号ｘ_m（ｎ）は、それぞれ信号生成器１３で生成され、信号加算器１６にて加算され雑音信号ｙ（ｎ）となる。生成信号ｘ_m（ｎ）の周波数ｆ_mは、ユーザにより指定された雑音周波数帯域内で特性設定器１１により設定される。ｆ_sは、サンプリング周波数であり、特性設定器１１に予め規定しておく。例えば、雑音周波数の最大値の２倍にするように規定しておく。生成信号の振幅Ａ_mは、ユーザの指定する振幅特性に従って設定される。生成信号の位相φ_mは、乱数発生器１２で発生された乱数に従って、０〜２πの範囲でランダムに設定される。
【００１５】
つぎに、図１に示す雑音発生器１０を構成する各機器の機能を説明する。
【００１６】
図１において、特性設定器１１は、ユーザの設定する雑音帯域及び振幅特性を装置内に取り込む機能を有し、取り込んだ雑音帯域及び振幅特性の各設定値を信号生成器１３へ出力する。雑音周波数帯域の設定方法としては、雑音周波数帯域の最大周波数と最小周波数とを設定する方法、周波数帯域を示す関数を設定する方法、あらかじめ定めた複数の雑音周波数特性パターンの選択肢から選択する方法などがある。本実施の形態においては、雑音周波数帯域の最大周波数と最小周波数とを設定する方法を例にする。また、振幅特性についても、雑音振幅の最大値と最小値とを設定する方法、振幅特性を示す関数を設定する方法、あらかじめ定めた複数の振幅特性パターンの選択肢から選択する方法などがある。本実施の形態においては、振幅特性として帯域内にわたって平坦な特性とし、設定された一定の振幅値をとる方法を例にする。
【００１７】
乱数発生器１２は、一様乱数を生成し、信号生成器１３及び変調信号生成器１４へ出力する。
【００１８】
信号生成器１３は、特性設定器１１から入力される雑音帯域及び振幅特性に基づき、信号ｘ_m（ｎ）をＬ個生成する。生成信号総数Ｌの設定方法としては、ユーザが指定する方法、信号生成器１３で予め設定する方法等、複数の方法が考えられる。本実施の形態においては、信号生成器１３で予め設定する方法を例にとり説明する。生成信号の周波数ｆ_mの設定は、例えば、帯域内で等間隔に設定する方法がある。雑音周波数帯域の最小、最大周波数をそれぞれ１０ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、生成信号の周波数を１０Ｈｚ間隔とするとき、生成信号総数Ｌは１，００１となる。このとき、周波数ｆ_mは、［１０ｋ＋１０×（ｍ−１）］Ｈｚであらわされ、それぞれのｍに従って１０Ｈｚ間隔で特性設定器１１により指示される。また、生成信号の周波数f_mについての他の設定方法としては、ランダムに設定する方法や、予め設定しておく方法などが考えられる。本実施の形態では、等間隔に設定する方法を例にとり説明する。この例では、特性設定器１１で雑音帯域が設定された時点で、信号生成器１３で生成するＬ個の信号周波数f_mは全て決定される。また、振幅Ａ_mは特性設定器１１から入力される振幅特性に従い設定する。位相φ_mは、乱数発生器１２から入力される乱数に基づき、０〜２πの範囲内でランダムに設定される。
【００１９】
信号生成器１３は、数１に示すように、ｍ＝１から順次ｘ_m（ｎ）を生成し、振幅変調器１５へ出力する。
【００２０】
変調信号生成器１４は、信号ｘ_m（ｎ）の変調信号ｗ_m（ｎ）を生成する。変調信号ｗ_m（ｎ）については後述する。変調信号生成器１４は、ｍ＝１から順次ｗ_m（ｎ）を生成し、振幅変調器１５へ出力する。
【００２１】
振幅変調器１５は、信号生成器１３から入力するｘ_m（ｎ）と変調信号生成器１４から入力するｗ_m（ｎ）との乗算を行う。乗算はｍ＝１から順次実行し、結果を信号加算器１６へ出力する。
【００２２】
振幅加算器１６は、信号を記憶するメモリを備え、振幅変調器１５から入力する乗算信号（ｘ_m（ｎ）・ｗ_m（ｎ））をメモリに記憶し、Ｌ番目の信号が入力した時点で記憶している全信号を加算し、ディジタル雑音１７として出力する。
【００２３】
ここで、数１に基づく雑音生成の一例を、図を参照して説明する。
【００２４】
前提条件として、
・雑音帯域：１０〜２０ｋＨｚ
・生成信号総数Ｌ：１，００１（発生間隔１０Ｈｚ）
・振幅特性：雑音帯域内で平坦：１
・サンプリング周波数：４０ｋＨｚ
を設定する。
【００２５】
図４（ａ）・（ｂ）・（ｃ）は、信号生成器１３から出力されるｘ_m（ｎ）の時間波形をそれぞれ示している。図４において、横軸は時間、縦軸は振幅値を表す。図４（ａ）はｍ＝１（ｆ₁＝１０ｋＨｚ）、図４（ｂ）はｍ＝５０１（ｆ₅₀₁＝１５ｋＨｚ）、図４（ｃ）はｍ＝１００１（ｆ₁₀₀₁＝２０ｋＨｚ）のときのｘ_m(ｎ)をそれぞれ示している。
【００２６】
図５（ａ）は、信号加算器１６から出力される出力雑音ｙ（ｎ）の時間特性を示し、図５（ｂ）はその周波数特性を示している。図５（ａ）の横軸は時間、縦軸は振幅値を表す。また、図５（ｂ）の横軸は周波数、縦軸はスペクトルを表す。図５（ｂ）に示すように、設定した雑音周波数帯域（１０〜２０ｋＨｚ）にのみスペクトルを有する雑音が生成できることが分かる。
【００２７】
さらに、図５（ａ）に示す時間波形には長い時間でみた場合に周期性があるため、本実施の形態においては、時間波形のランダム性を実現する手段として、数１における生成信号の位相φ_mを一定時間毎にランダム変化にさせる。一定時間Ｎ₁毎に変化させるとき、位相φ_mは数２で示すことができる。
【００２８】
【数２】

【００２９】
数２に示すように、予め定めた時間Ｎ₁ごとに乱数発生器１２で発生される乱数に従って信号生成器１３において、位相値を変えていくようにできる。
【００３０】
図６（ａ）および（ｂ）は、位相φ_mを一定間隔毎に変化させたときのｘ_m（ｎ）の時間波形を示している。図６において、横軸は時間、縦軸は振幅値を表す。図６（ａ）はｍ＝１、（ｂ）はｍ＝５０１のときのｘ_m（ｎ）を示している。図６において、位相の周期Ｎ₁は１００サンプルとしている。
【００３１】
図７は、図６に示したような生成信号ｘ_m（ｎ）の加算により得られる出力雑音ｙ（ｎ）の時間特性を示している。図７において、横軸は時間、縦軸は振幅値を表す。図５（ａ）と図７との比較より、数２に示すように位相を一定区間毎に変化させることにより、時間波形のランダム性が実現できる。
【００３２】
次に、図５（ｂ）に示す周波数特性をさらに優れたものとするために、本実施の形態においては、振幅変調器１５で生成信号に振幅変調をかける。これにより、帯域外の周波数成分をさらにおとすことができる。希望する周波数特性を実現するため、変調信号生成器１４で生成された変調信号ｗ（ｎ）を生成信号に乗ずる窓関数法を用いる。このときの変調信号ｗ（ｎ）としては、ハニング窓、ハミング窓等が存在するが、以下、ハニング窓を例にとり説明する。
【００３３】
生成信号に振幅変調をかけるとき、式は数３で表される。
【００３４】
【数３】

【００３５】
数３おいて、位相φ_mは数２に示すように設定される。また、ハニング窓は数４で与えられる。
【００３６】
【数４】

【００３７】
図８は、数４で求まるハニング窓の時間特性を示している。図８において、横軸は時間、縦軸は振幅値を表す。図８において、窓関数の周期Ｎ₂は、Ｎ₂ ＝１００サンプルを設定している。
【００３８】
図９（ａ）・（ｂ）・（ｃ）は、生成信号ｘ_m（ｎ）とｗ（ｎ）の乗算結果を示している。図９に示す横軸は時間、縦軸は振幅値を表す。図９（ａ）はｍ＝１、（ｂ）はｍ＝５０１、（ｃ）はｍ＝１００１のときのｘ_m（ｎ）にｗ（ｎ）を乗じた結果を示している。
【００３９】
図１０（ａ）は、数３及び数４により生成した出力雑音ｙ（ｎ）の時間特性（を示し、図１０（ｂ）はその周波数特性を示している。図１０（ａ）において、横軸は時間、縦軸は振幅値を表す。また、図１０（ｂ）において、横軸は周波数、縦軸はスペクトルを表す。図１０（ｂ）と図５（ｂ）との比較より、変調信号ｗ（ｎ）を用いて、帯域以外の周波数成分をさらにおとす、より優れた周波数特性が実現できることが分かる。
【００４０】
さらに、図１０（ａ）に示す出力雑音ｙ（ｎ）の包絡線は、長い時間でみた場合に変調関数ｗ（ｎ）の周期性があるため、本実施の形態においては、ｘ_m（ｎ）に乗算する窓ｗ_m（ｎ）毎にランダムな時間遅延を与えるようにしている。これにより、ｘ_m（ｎ）の加算出力ｙ（ｎ）から窓関数の影響が小さくすることができる。このとき、雑音生成式は数５に示すようになり、その中で与えられる変調関数ｗ_m（ｎ）は数６となる。
【００４１】
【数５】

【００４２】
【数６】

【００４３】
数５において、位相φ_mは数２により設定する。また、変調信号生成器１４において、数６に示すように、乱数発生器１２から入力する乱数に基づき時間遅延量ｎ_mがランダムに設定され、変調信号ｗ_m（ｎ）が生成される。生成された変調信号ｗ_m（ｎ）は、信号生成器１３で生成された信号ｘ_m（ｎ）と振幅変調器１５において乗算され、信号加算器１６において加算される。
【００４４】
図１１（ａ）・（ｂ）・（ｃ）は、変調信号生成器１４で生成された変調信号ｗ_m（ｎ）の時間波形を示している。図１１において、横軸は時間、縦軸は振幅値を表す。図１１（ａ）はｍ＝１、（ｂ）はｍ＝５０１、（ｃ）はｍ＝１００１のときのｗ_m（ｎ）を示している。前述したように、それぞれのｍにおいてランダムな時間遅延がかかっている。
【００４５】
また、図１２（ａ）・（ｂ）・（ｃ）は、ｘ_m（ｎ）とｗ_m（ｎ）との乗算結果であり、振幅変調器１５から出力される信号を示している。図１２において、横軸は時間、縦軸は振幅値を表す。図１２（ａ）はｍ＝１、（ｂ）はｍ＝５０１、（ｃ）はｍ＝１００１に対する乗算結果を示している。
【００４６】
図１３は、信号加算器１６から出力される出力雑音ｙ（ｎ）の時間特性を示している。図１３において、横軸は時間、縦軸は振幅値を表す。変調関数ｗ_m（ｎ）のランダムな時間遅延を与えることにより、時間特性は、図１０（ａ）に示すような特性から図１３に示すような特性に変化し、ランダム性が実現できる。この場合の周波数特性は、図１０（ｂ）に示す周波数特性と同じ周波数特性を示す。これにより、周波数特性を劣化させることなく、時間的にランダム性を十分に有する雑音が生成できる。
【００４７】
次に、本実施形態の雑音発生装置について、図２に示す全体構成図を参照して動作を説明する。
【００４８】
図２において、雑音発生装置２０は、図１に示す雑音発生器１０を構成する各装置の他に、ディジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器２１と、アナログ信号を電波出力するために変換を行う信号変換器２２とを備える。
【００４９】
雑音発生器１０は、上述の通り、ユーザの指定する雑音帯域及び振幅特性に従ってディジタル雑音１７を生成し、Ｄ／Ａ変換器２１へ出力する。
【００５０】
Ｄ／Ａ変換器２１は、入力したディジタル雑音１７をアナログ雑音に変換し、信号変換器２２へ出力する。
【００５１】
信号変換器２２は、入力するアナログ雑音を予め定めた形式に変換して出力する。例えば、雑音発生装置２０を、電波を用いる電子機器の特性試験に用いる場合、信号変換器２２は、入力雑音を電波に変換する機能及び変換後の電波雑音を放射する機能を有する。また、雑音発生装置２０を、音波を用いる電子機器の特性試験に用いる場合、信号変換器２２は、入力雑音を音波に変換する機能及び変換後の音波雑音を放射する機能を有するようにしてもよい。
【００５２】
また、上記実施の形態においては、ハードウェアにおいて信号を生成する構成を示したが、図１５に示すように、上記雑音発生方法を実現するためのプログラムをプロセッサにより実行させるような構成にしても良い。図１５において、雑音発生装置は、雑音周波数帯域及び振幅特性の入力を受付ける入力部４１１と、ディジタル雑音１７を出力する出力部４１２と、処理を実行するディジタルシグナルプロセッサのＤＳＰ４０２と、プログラムや雑音信号を記憶するメモリ４１０とを備える。ＤＳＰ４０２は、メモリ４１０に記憶するソフトウェアプログラムで規定された処理を実行する。プログラムは、前述した数５および数６式に示す信号を生成するように規定されている。また、メモリ４１０は、一時的にデータを蓄積するバッファとして機能しても良い。さらに、メモリ４１０に、すでに生成された雑音信号を記憶しておいても良い。この場合、ＤＳＰ４０２は、雑音発生装置に無くても良い。
【００５３】
このように、本実施の形態によれば、ユーザの希望する帯域に応じて雑音を発生させることができる。従って、ユーザの希望に応じて発生雑音の帯域を任意に設定でき、また、ユーザの設定する帯域内にのみスペクトルを有するように設定できる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、雑音帯域の設定が容易な雑音発生装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における雑音発生装置の構成図
【図２】本発明の実施形態における雑音発生装置の構成図
【図３】アナログフィルタ１４２の周波数特性の一例を示す説明図
【図４】数１による生成信号ｘ_m（ｎ）の時間波形を示す説明図
【図５】数１による出力雑音ｙ（ｎ）の時間波形及び周波数特性を示す説明図
【図６】数２による位相を与えたときの生成信号ｘ_m（ｎ）の時間波形を示す説明図
【図７】数１及び数２による出力雑音ｙ（ｎ）の時間特性を示す説明図
【図８】数４による変調信号の時間波形を示す説明図
【図９】数３による生成信号ｘ_m（ｎ）と変調信号ｗ_m（ｎ）の乗算結果を示す説明図
【図１０】数３及び数４による出力雑音ｙ（ｎ）の時間波形及び周波数特性を示す説明図
【図１１】数６による変調信号の時間波形を示す説明図
【図１２】数５による生成信号ｘ_m（ｎ）と変調信号ｗ_m（ｎ）の乗算結果を示す説明図
【図１３】数５及び数６による出力雑音ｙ（ｎ）の時間波形を示す説明図
【図１４】従来の雑音発生装置の構成図
【図１５】本実施の形態における雑音発生装置の構成図
【符号の説明】
１０…雑音発生器、１１…特性設定器、１３…信号生成器、１５…振幅変調器、１６…信号加算器、１２…乱数発生器、１４…変調信号生成器、１７…ディジタル雑音。

Claims

ディジタル信号処理により雑音を発生する雑音発生装置における雑音発生方法において、
前記雑音発生装置は、
前記雑音についての帯域情報および／または振幅情報の設定を受付ける受付ステップと、
乱数に基づく位相と前記帯域情報および／または振幅情報に従って周波数の異なる複数の信号を生成する信号生成ステップと、
乱数に基づいて時間遅延量がランダムに異なる複数の変調信号を生成し、前記信号生成ステップにおいて生成された複数の信号のそれぞれに対して、生成した複数の変調信号をそれぞれかける変調ステップと、
変調された複数の信号を加算して出力する加算ステップと
を実行することを特徴とする雑音発生方法。
請求項１に記載の雑音発生方法における各ステップをプロセッサにより実行するためのプログラム。