JP4408967B2 - スペクトル分析器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子信号のスペクトル分析に関し、より詳しくは、変調波および非変調波の両無線周波数のスペクトル分析に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これらの信号は、一般に無線通信に使用される。スペクトル分析は、無線通信リンクの設計、設置および作動の多くの段階における重要なツールである。無線システムの幾つかの地点で調べたスペクトルを比較すると、無線システムのコンポーネンツにより導入される減損を測定することができる。スペクトル分析器は高出力信号の存在時に非常に低い出力信号を測定できるため、スペクトル分析器の非常に重要な測定が行なえる。これは、例えば、合成器または発振器を設計するときに必要である。主出力信号に加え、多くの信号源は別の「スプリアス（spurious) 」信号を有し、該スプリアス信号は非常に小さな出力ではあるが、信号源が使用されるシステムの作動を損なわせるのに充分な大きさを有する。もちろん、スペクトル分析器は受信システムであり、このためスプリアス信号を生じるコンポーネンツが組み込まれている。有効であるためには、使用者は、分析器に表示される小さな信号が測定される信号によるものであって、分析器自体によるスプリアス信号によるものではないことを確信しなければならない。スペクトル分析器の品質の１つの基準は、「スプリアスフリーダイナミックレンジ」を有することである。これは、特定設定時に測定される最大信号と、スペクトル分析器自体のスプリアス信号ではないことが保証される最小信号との間の出力の差である。
【０００３】
スペクトル分析器は、一般に、最終の中間周波数（ＩＦ）中に存在する出力を検出する同調形検出器を備えたスーパーヘテロダイン受信機として実施される。これは、受信機の同調周波数で、単一の出力測定値を与える。分析器が広帯域の出力の絵を出せるためには、受信機は、測定された出力を同調周波数に対応するディスプレイ上の位置に表示して、或る周波数から他の周波数に掃引される。分析器は発振器、ミキサおよびフィルタから構成されているので、フロントエンドにはスプリアス信号が発生する多くの機会がある。入念な設計によりこれらのスプリアス信号を制御し易いレベルに低減できる。
この形式のスペクトル分析器は、導入以来唯一の実用的に設計された装置であり、そして現在も依然として主要な装置である。この形式の分析器の１つの欠点は、ＩＦフィルタが正確な読取りを整定するのに時間を要することである。広い帯域幅の場合には、この整定時間は使用者の問題ではなく、完全な追跡は、一般に１秒間当たり数回行なわれる。しかしながら、狭い帯域幅では、掃引に要する時間は、掃引を完了するのに使用者が１０秒でも１００秒でも待たなくてはならない。これは明らかに好ましくないことである。
【０００４】
分析器の新しい技術が今やより普遍的になりつつある。これは受信機のＲＦフロントエンドを保持し、狭帯域の濾過ＩＦを検出する代わりに広帯域ＩＦがデジタル化されかつ次にフーリエ変換される。このフーリエ変換の効果は、並列の多くの（一般に、５００〜1,000 個) のフィルタに匹敵することである。これは、慣用的に実施されているものに比べ、５００〜1,000 倍の速度的長所を分析器に与える。
新しいスペクトル分析器技術の最弱点は、最終ＩＦをデジタル化するＡ／Ｄ変換器である。デジタル変換器は、同程度の精度および広帯域のノイズフロアで検出器システムを容易に凌駕するが、比較的高レベルのスプリアス信号を発生するという重大な欠点を有し、このためスプリアスフリーダイナミックレンジが支配され、従ってスペクトル分析器全体の仕様が制限される。
【０００５】
デジタル変換器が発生するスプリアス信号のレベルを低減させる最も基本的な技術は、ディザを使用することである。これは、変換器の入力に加えられる特別な信号である。この信号を付加することの全体的効果は、使用者の入力信号と変換器により検出されるレベルとの間のやりとり（correspondence) を除去することである。一見したところでは、これは好ましいことではない。しかしながら、ディザは、周波数帯域の異なる部分を占めることにより、または正確に知られる従って減じられることにより、得られるデジタル化信号から減じることができるように入念に設計されている。ディザを付加および除去する多くの計画がある。これらは事態を改善させるけれども、理想的作動をもたらすものではない。
スプリアス信号は、入力周波数が或る増分で移動するとき、スプリアス信号が非常に大きな増分で移動する点で、スプリアス信号が非常に高い次数（０次の高調波、従って全く移動しないＤＣでのスプリアス信号を除く）の高調波としてモデル化できることは知られている。
【０００６】
欧州特許EP-A-0681371に開示されている１つの既知の受信機設計では、ミキサのスプリアス信号が、主信号とは異なる移動速度を有するという事実を使用している。この特許では、局部発振器が掃引され、デジタル化の後にデジタル処理を行なって、この周波数掃引の効果を主信号から除去する。これは、信号の複素増倍（complex multiplication）および受信機のフロントエンドの同調掃引と同期化すべき局部的に発生された掃引周波数基準により行なわれる。掃引の同期化は取るに足りないことではなく、デジタル変換器の後の複素増倍は、多量の処理電力を必要とする。この周波数シフト／周波数デシフト法（frequency shift/frequency deshift process)では、スプリアスミキサ信号が、デジタル変換器からのスプリアス信号と一緒に、広範囲の周波数に亘って掃引され、これらの平均化されたピーク出力が低下される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、デジタル処理バックエンド(back end)を用いて実施されるスペクトル分析器上で使用者に表示されるスプリアス信号のレベルを低下させることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、受信した無線周波数信号を、スペクトル分析器の第１同調設定時および少なくとも１つの他の同調設定時の各々に、それぞれの第１中間周波数および少なくとも１つの他の中間周波数に変換する手段と、各中間周波数信号をデジタル化する手段と、それぞれの出力スペクトルを得るため、デジタル化された各中間周波数信号の周波数分析を行なう手段と、前記他の中間周波数に対応するスペクトルラインが第１中間周波数にシフトされるように、前記他の中間周波数信号の各々の出力スペクトルをシフトさせる手段と、前記スペクトル分析器の作動による、出力スペクトル中に存在するあらゆる偽信号（spurii) が、前記受信した無線周波数信号の周波数成分による出力スペクトル中に存在するスペクトルラインに比べて減衰されるように、第１中間周波数信号の出力スペクトルと前記他の中間周波数信号（単一または複数）のシフトされた出力スペクトル（単一または複数）とを組み合わせる手段とを有するスペクトル分析器が提供される。
【０００９】
前記周波数分析を行なう手段は、信号をフーリエ変換することにより、デジタル化された各中間周波数信号の出力スペクトルを与えることが好ましい。
前記変換手段の前記各同調設定は、前記変換手段の局部発振器の周波数を同調させることにより達成され、前記局部発振器の互いに隣接する周波数設定間の周波数差は、前記周波数分析を行なう手段により与えられる出力スペクトルの周波数間隔の整数倍に等しいことが好ましい。
前記組合せ手段は、第１中間周波数信号の出力スペクトルと、他の中間周波数信号（単一または複数）の前記シフトされた出力スペクトル（単一または複数）との対応する周波数間隔内に存在する平均出力を決定することが好ましい。
上記段落とは別の態様として、前記組合せ手段は、第１中間周波数信号の出力スペクトルと他の中間周波数信号（単一または複数）のシフトされたスペクトル（単一または複数）との対応する周波数間隔内に存在する出力の対数の平均を決定することが好ましい。
【００１０】
上記２つの段落とは別の態様として、前記組合せ手段は、出力スペクトルの対応するどの周波数間隔がＮ個の最大出力を保有するかを決定し、Ｎ個の出力を処分し、処分されたＮ個の最大出力をもつ対応周波数間隔内に存在する平均出力を決定することが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の例示を更に詳細に説明する。
図１に示すように、入力信号１は周波数ミキサ２により周波数変換される。周波数ミキサ２はまた、局部発振器３からの既知の制御可能な周波数の局部発振器信号を受ける。制御プロセッサ４は、局部発振器３を作動させる周波数を選択する。ミキサ２からの出力信号５（該出力信号は、主として、入力信号と局部発振器信号との合計周波数および差周波数からなる）は、ＩＦシステム６に導かれる。ＩＦシステム６の目的は、適当な１つの混合周波数（通常は、差周波数）を選択し、これを濾過し、更にこの周波数を、出力７でのより低い固定周波数に変換することにある。この出力周波数は、一般に、１〜３０ＭＨｚの範囲内にある。Ａ／Ｄ変換器８はこの信号を一連の数値に変換し、該数値は、周波数分析プロセッサ９により出力スペクトルに変換される。
【００１２】
本願明細書の説明において、信号は、多数のスペクトル「ビン（bins) 」すなわちスペクトル周波数の各々に存在する出力により表される。図２の（２ａ）に示すように、入力信号には存在しない主信号ピーク２０、ノイズフロア２１および幾つかのスプリアス信号２２がある。これらの信号は、入力ミキサ、ＩＦシステムおよびデジタイザ内での歪み処理により発生される。
スペクトルについて幾つかの測定を行なうことが必要である。各測定の間で、局部発振器３は、僅かに異なる新しい周波数にステップされる。受信機のフロントエンドが種々に同調されると、入力信号が、ＩＦ出力に異なる周波数で現れ、従って、フーリエ変換の異なる周波数解ビン（frequency resolution bin) で現れる。一定時間における周波数分析プロセッサ９の出力が、図２に示されている（初期出力が図２の（２ａ）に、次に（２ｂ）に、最後に（２ｃ）に示されている）。局部発振器が再同調されると、主入力信号が、異なるビンに連続的にシフトされる。しかしながら、重要なことは、スプリアス信号が入力信号と共に移動しないけれども、入力信号とは異なるオフセットでビンに現れることである。受信機の同調周波数が知られているときには、個々のビン測定値を種々の周波数に割り当てることにより、信号の見掛け周波数が補正される。受信機の周波数シフトがフーリエ変換の解の整数倍である場合には、いかなる補間も要することなく、ビンを再インデキシングすることにより、周波数の再割当てを簡単に行なうことができる。この割当ては、周波数シフタ１０により行なわれる。この再割当て後の出力が図３に示されている。スペクトルは横方向にシフトされており、同調周波数が同一ビン上に整合されている。スプリアス信号もシフトされている。
【００１３】
単一の出力スペクトル測定値の分散（variance) は非常に高い。従って、実際のスペクトル分析は、常に、使用者がディスプレイで確信できる前に、幾つかの測定値の平均をとることを必要とする。従って、従来のスペクトル分析器とは異なり、幾つかの読取り値を組み合わせる必要性のために、異常な時間的不利益が生じることはない。一回の複合測定（composite measurement)中に局部発振器を数回再同調する必要性は、高速同調合成器を必要とすることを意味する。平均器１３の多数の読取り値を用いるには幾つかの方法がある。平均器１３は多くの独立チャンネル（計算されかつ表示される各解の周波数について１つのチャンネル）を有する。表示される１つのビンの処理は、計算されかつ当該ビンに再割当てされた全ての連続読取り値を使用する。この処理は、表示される全てのビンに並行して行なわれる。
【００１４】
１つの方法は、全ての読取り値の出力平均を求める方法である。これは、デジタル処理に基づく殆どのスペクトル分析において既に行なわれていることである。出力平均は、ノイズが白色なものである限り、ノイズの存在下で信号を検出する最適方法であることが知られている。平均化することの効果は、スプリアス信号の出力を拡げること、従って局部的ノイズフロアについてのその過大出力を低下させることである。これは、異なる読取り値を得るため局部発振器を再同調するとき、スペクトル分析器の作動による偽信号が入力信号と一緒に移動しないため起きることに留意することが重要である。局部的ノイズフロアより１０ｄＢ高いスプリアス信号の場合には、１０個の読取り値の平均により、スプリアス信号を局部的ノイズフロアより３ｄＢ高い信号に低下させ１０個の異なる周波数に拡がる。
【００１５】
上記平均化を達成する最も簡単な方法では、各周波数座標を１つの列としかつ局部発振器３の異なる周波数で得られる各処理（acquisition)を１つの行として、出力測定値が最初にメモリマトリックスにローディングされる。これは、各周波数での全ての出力測定値の算術平均が行なわれる。これは、マトリックスの全ての行および列を一度に合計しかつ行の数で割ることにより行なわれる。しかしながら、上記方法はメモリの効率的使用方法ではない。なぜならば、測定が行なわれるときに、測定値の現在の合計（running total)を保持することにより同じ解が得られるからである。従って、より良い解法は、１行のみのメモリマトリックスを使用して、現在まで行なわれた全ての測定の現在の合計を保持する方法である。
【００１６】
読取り値を使用する第２の方法は、読取り値の対数の平均を形成することである。これは、ビデオフィルタが対数増幅器の検出出力に作用する旧式のスペクトル分析器の有効な演算である。ノイズフロアの正確な測定のためには、この技術は最初の技術より劣っていることが知られている。大きな信号（すなわち、ノイズにより汚染されておらず、従って一定の振幅をもつ信号）が平均化されるとき、平均化がｄＢへの変換以前または変換後のいずれに行なわれていても、差異は生じない。ノイジーな信号を平均化するとき、対数演算は、小さな信号により大きなウェイトを与える傾向を有する。慣用的なスペクトル分析器は、ノイズ信号を、真の出力平均値に対して約2.5 ｄＢ低く読み取ることが良く知られている。スプリアスリダクションの場合には、これは利益となる。対数演算の効果は、大きな出力のスプリアス信号を犠牲にして、小さな出力のノイズフロアにウエイトを置くことである。１０個の平均値についての同じ１０ｄＢのスプリアス信号に対しては、対数の平均値を使用することにより、ノイズフロアより1.3 ｄＢ高い値まで低減され、これは真の出力平均より非常に優れている。
【００１７】
大きな信号の効果を減じる平均化の前に演算を行なうことが好ましい。このような１つの方法は、出力スペクトルの対応するどの周波数間隔が最大出力を保有しているかを決定すること、この最大出力を捨てること、およびこの最大出力が捨てられた対応周波数間隔に存在する平均周波数間隔を決定することである。換言すれば、スプリアス信号の見掛け周波数が変化するとき、スプリアス信号が各ビンに１つの体裁を作るならば、その効果は、出現する各平均に１つの高い読取り値を入れることである。これはまた、平均出力読取り値を小さくする傾向がある。この減少は統計学的に決定され、対数平均後には2.5 ｄＢの減少が決定されている。この減少は平均回数の関数であり、無限回の平均の場合にはゼロとなる。
【００１８】
もちろん、前の段落に記載の方法は、Ｍ−Ｎ最小出力測定値（ここで、Ｍは全処理個数、Ｎは平均化されるＭ−Ｎから排除される大きな読取り値の個数を表す小さな整数である）の算術平均である。これは、（Ｎ＋１）番目の行のメモリマトリックスを必要とする。前述のように、１つの行は、現在までの全ての読取り値の移動合計を保持している。他のＮ番目の行は、Ｎ個の最大測定値を保持している。新しい処理がなされる度毎に、値が移動合計の行に合計されかつ現在までのＮ個の最大値と比較される。現在の値が、現在までのいずれの最大値よりも大きい場合には、現在の値がこれらの値のうちの最小値と置換される。全ての処理が完了すると、Ｎ個の最大値が全合計から減じられ、Ｍ−Ｎ最小値の合計を表す値を有効に残す。
【００１９】
以上、例示として説明した分析器は、局部発振器３により発生される周波数を変えることにより、その同調設定（tuned setting)を変えることができるけれども、ＩＦシステム６の周波数シフトを局部発振器３により発生される周波数と一緒に変えることにより、または局部発振器３およびミキサ２の省略するか、ＩＦシステム６のみの周波数シフトを変えることによっても同じ効果を得ることができる。この場合、ＩＦシステム６がその出力７での固定周波数に変換されず、かつＩＦシステム６の周波数シフトが制御プロセッサ４により制御されるように構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるスペクトル分析器を示すブロック図である。
【図２】図１のスペクトル分析器の使用により得られる３つの出力スペクトルを示すグラフである。
【図３】図２の出力スペクトルの周波数シフト後の出力スペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
１ 入力信号
２ 周波数ミキサ
３ 局部発振器
４ 制御プロセッサ
５ 出力信号
６ ＩＦシステム
８ デジタル変換器
９ 周波数分析プロセッサ
１０ 周波数シフタ
１３ 平均器

Claims (6)

1. 受信した無線周波数信号を、スペクトル分析器の第１同調設定時および少なくとも１つの他の同調設定時の各々に、それぞれの第１中間周波数および少なくとも１つの他の中間周波数に変換する手段と、
   各中間周波数信号をデジタル化する手段と、
   それぞれの出力スペクトルを得るため、デジタル化された各中間周波数信号の周波数分析を行なう手段と、
   前記他の中間周波数に対応するスペクトルラインが第１中間周波数にシフトされるように、前記他の中間周波数信号の各々の出力スペクトルをシフトさせる手段と、
   前記スペクトル分析器の作動による、出力スペクトル中に存在するあらゆる偽信号が、前記受信した無線周波数信号の周波数成分による出力スペクトル中に存在するスペクトルラインに比べて減衰されるように、第１中間周波数信号の出力スペクトルと前記他の中間周波数信号のシフトされた出力スペクトルとを組み合わせる組合せ手段と
   を有し、前記組合せ手段が、第１中間周波数信号の出力スペクトルと、他の中間周波数信号の前記シフトされた出力スペクトルとの対応する周波数間隔内に存在する平均出力に関係する測定値を決定することを特徴とするスペクトル分析器。
2. 前記周波数分析を行なう手段が、信号をフーリエ変換することにより、デジタル化された各中間周波数信号の出力スペクトルを与えることを特徴とする請求項１に記載のスペクトル分析器。
3. 前記変換手段の前記各同調設定が、前記変換手段の局部発振器の周波数を同調させることにより達成され、前記局部発振器の互いに隣接する周波数設定間の周波数差は、前記周波数分析を行なう手段により与えられる出力スペクトルの周波数間隔の整数倍に等しいことを特徴とする請求項１または２に記載のスペクトル分析器。
4. 前記組合せ手段が、第１中間周波数信号の出力スペクトルと、他の中間周波数信号の前記シフトされた出力スペクトルとの対応する周波数間隔内に存在する平均出力を決定することにより前記測定値を決定することを特徴とする請求項１、２または３のいずれか１項に記載のスペクトル分析器。
5. 前記組合せ手段が、第１中間周波数信号の出力スペクトルと他の中間周波数信号のシフトされたスペクトルとの対応する周波数間隔内に存在する出力の対数の平均を決定することにより前記測定値を決定することを特徴とする請求項１、２または３のいずれか１項に記載のスペクトル分析器。
6. 前記組合せ手段が、出力スペクトルの対応するどの周波数間隔がＮ個の最大出力を保有するかを決定し、Ｎ個の出力を処分し、処分されたＮ個の最大出力をもつ対応周波数間隔内に存在する平均出力を決定することにより前記測定値を決定することを特徴とする請求項１、２または３のいずれか１項に記載のスペクトル分析器。

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