JP4527939B2 - 信号の測定 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の技術分野）
本発明は、無線信号のパラメータを測定するための装置およびその方法に関する。
【０００２】
（発明の背景技術）
無線通信システムにおいて、送信機の測定は重要であり、送信機を設計および製造する段階で送信機のパラメータを検査する必要がある。一般的に、製造者は、０．１ｄＢのオーダーの精度で送信機の性能を測定し、測定した性能と保証された性能との隔たりを最小化しなければならない。
【０００３】
また、送信機の出力に欠陥があるかどうか測定する必要がある。この欠陥には、変調精度（深度、偏差、またはエラーベクトル振幅（ＥＶＭ））、およびスプリアス放射（隣接チャネル電力、スプリアス信号、および広帯域ノイズ）が含まれる。
【０００４】
一般的に、電力測定は、ＩＦＲ６９６０等の専用のパワーメータ類を使用して行われる。図２に示すように、これらの装置はパワーヘッド１０を用いるが、パワーヘッド１０はその電力（二乗）検波領域で動作するダイオード検出器１２を含む。テスト入力１４を介してパワーヘッドに加えられた電力は、ダイオード検出器の出力で低周波数（すなわちＤＣ）信号として検出されるが、ＤＣ電圧計機構１６がこの信号を測定する。検出された信号レベルは一般的に非常に低いので、低い信号電力を測定するには、ＤＣ電圧計は非常に高感度でなければならない。信号調節回路１８は、信号のリカバリを補助するために使用される。
【０００５】
高データ転送速度を有し、時間の関数として急速に変化する出力を伴う変調方法を用いる無線システム向けに設計されたパワーメータは、検出器ダイオード配列の出力の測定にサンプリングシステムを用いてもよい。
【０００６】
このように装備されたパワーメータは、基本的に非常にシンプルな装置である。しかし、実際には、ダイオード検出器の特性を補正することが複雑になり得る。ダイオードは、理想とする線形入力電力からの、温度、時間および周波数に依存するという線形出力電圧の特性への偏差を呈する。これらの誤差を補正する際は、誤差を正確にモデル化する必要がある。
【０００７】
この種のパワーメータは、コードドメインパワーのような現代のＣＤＭＡシステム等に関連する測定の一部を行うことができない。これらのシステムにおいて、電力測定を行う信号は、検出器が必要な信号と区別することのできない別の信号を伴っている。
【０００８】
これらの種のパワーメータはどれも、直線性およびゼロ入力電力基準の問題を来たしている。
【０００９】
また、ＩＦＲ２３９０等のスペクトラムアナライザ類は、送信機特性の測定に使用することが可能である。これらの装置には、図３に示すように、最初のアップコンバートステージ２２を含む、交換入力減衰２０、周波数変換（２２、２４）、および信号を測定する際の周波数である最終の中間周波数（ＩＦ）に到達するまでの増幅という多数のステージがある。ロングＲＦやマイクロ波チェインは、当該装置の電力精度が多数の要因によって制限および影響されることを意味する。
【００１０】
最終のＩＦにおける検出器をデジタル変換器の類似物と取り替えることによってある程度の改善はなされる。また、それによって、スペクトル測定のほかに多少の変調測定を行うことも可能になる。
【００１１】
ＩＦＲ２３１０等の変調アナライザ類は電力測定も可能である。これらの装置でもまた交換減衰を利用するが、信号を測定する前には（スペクトラムアナライザに比べて）よりシンプルな周波数変換フロントエンドを用いる。この電力測定は、スペクトラムアナライザより高精度だが、パワーメータほどではない。
【００１２】
（発明の概要）
本発明の目的は、改良型の信号測定装置を提供することにある。
【００１３】
本発明の一つの特徴として、測定するテスト信号を受信する入力と、テスト信号の周波数をダウンコンバートするためのミキシング手段とを含む検出器ヘッドを備える信号電力測定システムを提供し、この信号電力測定システムは、さらに、デジタルドメインにおけるダウンコンバートした信号に動作する信号処理装置と、検出器ヘッドを信号処理装置に接続し、ダウンコンバートした信号を信号処理装置へ伝達するためのケーブルとを備える。
【００１４】
本発明は、このようにして、信号処理装置から離れた位置で使用する、同じキャリア周波数を有する複数のＣＤＭＡ信号に個別に電力測定を施すことを禁じられていない、検出器ヘッドを備えた電力測定システムを提供する。
【００１５】
好ましい実施例として、ケーブルは多重信号を伝達する。例えば、ケーブルによって信号処理装置からミキサへダウンコンバート信号を導くことができる。代わりにもしくは補足的には、ケーブルによって検出器ヘッド（例えば、内蔵されたヒータ）へ電源を引き入れることが可能である。
【００１６】
検出器ヘッドは、ミキシングする前にテスト信号のレベルを低減するためのアッテネータを含んでもよい。これにより、ダウンコンバートした信号は信号処理装置に適したレベルになる。
【００１７】
検出器ヘッドは、ダウンコンバートした信号が信号処理装置に適したレベルになるようにダウンコンバートした信号を増幅する手段を含んでもよい。
【００１８】
検出器ヘッドは、ミキシング手段周辺の環境条件の制御手段を備えていてもよい。このことは、装置の安定および信号測定装置による正確な測定に役立つ。増幅器をダウンコンバートした信号に使用する場合は、その増幅器を同一もしくは別個の制御環境に置いてもよい。
【００１９】
前述の増幅器は信号処理装置に収容されていてもよい。
【００２０】
信号処理装置はデジタルドメインにおけるダウンコンバートした信号に動作する。この信号処理装置は、電力、スペクトル、またはダウンコンバートした信号の変調の何れの測定が可能であってもよく、これらをテスト信号の対応するパラメータに戻って関連付けることができる。
【００２１】
図１に示す信号測定装置１００は、ケーブル１１４でメータ１１２に接続された検出器ヘッド１１０を使用する。ケーブル１１４によって、メータは電力およびＲＦローカル発振器（ＬＯ）信号を検出器ヘッド１１０に供給し、検出器ヘッド１１０は中間周波数（ＩＦ）をメータ１１２に送ることができる。
【００２２】
検出器ヘッド１１０は、一般的にはＮ型同軸コネクタ１１６に、測定信号を受ける。そして、固定アッテネータパッド１１８を使用してコネクタの信号を減衰し、測定される最大の信号レベルから後段の回路によって処理可能な振幅へスケールダウンする。
【００２３】
アッテネータの（周波数ＦＩＮの）出力はＲＦミキサ１２０に取り込まれる。メータのローカル発振器入力（周波数ＦＬＯ）はミキサに供給される。ミキサは周波数ＦＬＯ±ＦＩＮの出力信号を生成する。
【００２４】
ローパスフィルタ１２２で高周波数ＦＬＯ＋ＦＩＮの信号を取り除くと、ＦＬＯ−ＦＩＮ（ＦＩＮ）コンポーネントがＩＦ信号として残る。例えば、入力周波数（ＦＩＮ）が１８００ＭＨｚの場合は、ＬＯ周波数が１７７０ＭＨｚであれば、ミキサは３０ＭＨｚの出力を生成する。ローパスフィルタ１２２の出力は、ケーブル１１４を通ってメータ１１２に送られる。メータに送られたら、信号はデジタル変換器１２４の類似物によってデジタル形式に変換される。
【００２５】
ミキサ１１２は、検出器ヘッドにＬＯ信号を供給するＬＯ１２６、ＡＤ変換器１２４、およびＩＦ信号を解析するためのデジタル信号処理手段１２８を含む。
【００２６】
フィルタ１２２で出力されたＩＦ信号は、フィルタ１２２の通過帯域に収まるようミックスダウンした入力信号の周波数範囲に相当する。メータはフィルタ１２２の出力に相当する入力信号の周波数範囲でのみ測定を行う。この意味において、メータが行うのは周波数限定の測定である。ＬＯ周波数を調整して、フィルタの出力が表す周波数範囲を制御することが可能である。それによって、メータは測定を行う入力信号の周波数範囲を選択できる。
【００２７】
本装置で測定可能な最もシンプルなパラメータはＲＦ電力である。ＩＦ信号のレベルは、１１６のポートに加わるＲＦ信号の電力に正比例する。アッテネータ１１８の損失および検出器ヘッド１１０のミキサの構成を考慮に入れて、電力測定を補正しなければならない。この補正係数は、装置の製造工程で直接測定することによって得られる。要求される補正は周波数に依存するので、装置の周波数範囲全体に渡って測定を行わなくてはならない。
【００２８】
まず、装置に測定信号を取得させる必要がある。これは、ＬＯ信号を掃引して、検出器ヘッド１１０のＩＦ信号レベルにおける全ての変動を観測して行う。信号が検出されると、デジタル信号処理手段１２８でそれらの信号の周波数を測定する。応答の生成に使用されるＬＯ信号の周波数を知っていると、入力信号周波数ＦＩＮを導き出すことが可能である。差分信号と高調波サンプリング信号の和は多重応答を引き起こすが、最強の応答に注目することで周波数ＦＩＮは得られる。あるいは、周波数ＦＩＮは装置に手入力することが可能なので、所望の必要ＩＦ周波数の情報から、要求されるＬＯ周波数を設定できる。
【００２９】
信号レベルを測定する際は、ＡＤ変換器からデジタルデータを得て、その二乗平均平方根（ＲＭＳ）、ピーク値または平均値（ユーザーが測定を望む方）を計算し、そこで、検出器ヘッドの挿入損失（すなわち減衰）に相当する要求される補正値を当てはめる。
【００３０】
パワーメータ機能は、従来のパワーメータに期待されるものとほぼ同様の精度にすることができ、スペクトラムアナライザまたは（変調）送信機アナライザに期待されるものよりはるかに精度良くすることが可能である。
【００３１】
固定アッテネータ１１８があるので、検出器ヘッド１１０への入力インピーダンスは、典型的なＲＦシステムのインピーダンス５０Ωに近くなくてはならない。この点で、従来のパワーメータヘッドに類似している。スペクトラムアナライザもしくは送信機アナライザに対応するスイッチおよびその他の複合システムは全くないが、それによりインピーダンスは確実に常に同じとなる。
【００３２】
アッテネータ１１８の後方にはＲＦミキサ１２０があり、ＲＦミキサ１２０の挿入損失は、ＬＯ信号のレベルおよびミキサダイオードの特性に依存する。ＬＯ信号のレベルを慎重に管理して経時変化しないようにする必要があるが、そのためにはケーブル１１４が質の良いものでなくてはならない。
【００３３】
ミキサ１２０を温度管理された環境１３０に入れることで、ミキサの変動性を緩和できる。メータ１１２からの電力は、ミキサ回路を特定温度に加熱するために使用される。制御システムは、温度を測定して、周辺温度にばらつきがあるにせよ、加熱システムが一定レベルで温度を保つように調整する。このように、周辺温度による挿入損失のばらつきは最小化される。ミキサ回路の容量は一般的に非常に小さいため、ミキサ回路を一定の温度に保つことが大量の電力を消費することにはならない。温度制御回路によりミキサ１２０の温度を安定させる一方で、メータ１１２を使って、検出器ヘッド１１０がまだ安定していないので最適な精度には達していないことをユーザに警告するようにできる。検出器１１０のウォームアップが完了したら、精度の高い電力測定が開始できる。
【００３４】
一般的な実施の際は、それぞれに異なった電力もしくは周波数に最適化されている様々な検出器ヘッドをメータ１１２が受け入れられるような形で、検出器ヘッド１１０からメータ１１２に至るケーブル１１４を設置することが望ましい。最も重要な技術的必要条件は、ＬＯ信号を同軸導線を介して検出器ヘッドに供給して漏洩を防ぎ、良好なＲＦ耐性および一定のＬＯ振幅の維持を確実に行うことである。
【００３５】
ミキサ１２０からのＩＦ信号レベルが低すぎて、ＡＤ変換器１２４の全スケールを占められない可能性があるが、ＩＦ増幅器を用いて信号を増幅できる。増幅器利得因子は、ＩＦ周波数依存でもよいが、校正過程で考慮される。しかしながら、この利得は環境に依存してもよい。場合によっては、検出器ヘッド１１０にＩＦ増幅器を含み、ミキサ１２０と同じ環境１３０でその温度を制御するか、あるいは、メータ１１２内に温度制御された環境を作ることが望ましい。
【００３６】
従来のパワーメータに比べて、本システムは多くの特長を持っている。
【００３７】
本装置では、ダイオードベースの検出器が必要とする標準的な検出器ゼロ設定機能をもはや必要としない。従来のパワーメータでは、信号が加わらない際の出力を規則的に監視して、ＤＣ検出器のエラーを除去する必要がある。装置１００では、信号が加わらない際にはＩＦ信号が発生しないため、このような欠陥が存在しない。実際のところ、ＤＳＰシステムはＤＣ信号ではなくＡＣ信号を測定するので、この種のＤＣエラーには影響されない。
【００３８】
さらに、装置１００はダイオード検出器に付随する非直線性を呈さない。直線性の欠陥は、メータのＡＤ変換器１２４およびミキサ内の圧縮作用によるものだけに限られる。
【００３９】
また、装置１００は、はるかに高いダイナミックレンジの測定を行うことも可能である。＋７ｄＢｍのローカル発振器で動作するよう設計されたミキサを使用する場合を一例として挙げる。そのようなミキサは、出力直線性の欠陥を小さく抑えながら、−１０ｄＢｍまでの送出が可能である。ミキサの出力のサーマルノイズは、−１７４ｄＢｍ／Ｈｚとなる。デジタル信号処理システムが１ＭＨｚの残余帯域幅（従来のパワーメータに比べて広範である）で作動し、後段の回路の雑音指数が６ｄＢであり、かつ３ｄＢの許容量がミキサ画像応答に対して与えられた場合には、本装置では、従来のパワーメータが可能とする代表値７０ｄＢよりはるかに高い９５ｄＢのダイナミックレンジで、−１０５ｄＢｍのオーダーの信号レベルの分解が可能である。
【００４０】
このようなダイナミックレンジにわたって測定を行うためには、ＡＤ変換器１２４は非常に精密な分解を可能とする必要がある。しかしながら、ＩＦ信号レベルが非常に低い場合には、変換器１２４ではＩＦ信号を適正に分解できない。交換利得ＩＦ増幅器で信号を増幅できるかもしれないが、精度における妥協につながる恐れがある。本装置は、動作対象の各ＩＦ利得に合わせて補正する必要がある。分解能の問題は他の技術を使用して克服が可能である。
【００４１】
変換器１２４へ伝わる信号レベルが低いと、変換器における量子化の影響により、デジタル信号処理手段１２８は正確な電力測定を行えなくなる。しかしながら、スペクトル的に測定信号とは異なる信号を変換器の入力に加えることが可能である。一例として、３０ＭＨｚのＩＦの信号を測定する場合は、変換器の全スケールの半分を占める４０ＭＨｚの信号を加えることが可能である。ＡＤ変換器１２４は、その出力コードのかなりの領域にわたって実行され、また、デジタル信号処理手段１２８は、測定される周波数コンポーネント（３０ＭＨｚ）を単に選択する計算ルーチンを適用できる。加えられた信号は正弦波または変調信号（帯域限定ノイズや変調キャリアを含む）になる。
【００４２】
電力測定は周波数選択的なので、高調波信号の存在が引き起こすエラーは測定する電力に含まれない。ダイオード検出器パワーメータは、高調波電力を測定に含むため、高調波の存在に影響される。通信システムの送信機には、必要とするキャリアの電力のみが有用であるので、測定時に高調波電力はエラーとなる。
【００４３】
検出器ヘッド１１０とメータ１１２との間のケーブル１１４の設計には注意が必要である。ケーブル１１４は、検出器ヘッド１１０のミキサの駆動に適したレベルのＲＦ信号を伝えなければならない。ＲＦ信号が他のシステムを妨害しないようにスクリーンリードを用いることが可能である。受信機周波数（二重動作、二重オフセットである周波数差）とは異なる送信周波数を使用する無線システムを検査する場合には、二重オフセットと同じＩＦ周波数を避けるのが賢明である。これにより、受信機との干渉を防ぐ。こういった理由で、本装置は様々なＩＦ周波数で動作が可能であれば都合がよい。
【００４４】
検出器ヘッド１１２がメータから離れていることにより、テストシステム内の所望の位置で難なく電力測定を行うことができるという点で、スペクトラムアナライザおよび変調アナライザよりも優位に立つ。このことは、コネクタおよびケーブルインタフェースにおけるケーブル損失および反射により生じる校正エラーを避けるので、有用である。また、多種多様に設計された検出器の使用により、様々な電力レベルおよび周波数の扱いが可能になる。
【００４５】
本装置は、一般的に固定周波数の高精度ＲＦソース（校正ソース）を備えてもよい。例えば、５００ＭＨｚのソースを−１０ｄＢｍの出力レベルでメータに設ける場合、検出器ヘッドをソースに接続して、メータが−１０ｄＢｍを示すかどうか確認できる。該値を示さない場合は、本装置を補正して値を正しく示すようにできる。ＩＦが変化するように、メータのＬＯ信号の周波数を変更することが可能である。ＩＦ応答の補正がそこで確認できる。この工程は自動で行うことが可能である。
【００４６】
本発明は、電力測定に加えて、変調およびスペクトル測定に利用可能である。
【００４７】
次の解析に備えてＩＦ信号の周波数範囲を選択するために、検出器ヘッドのＩＦ信号には（例えば、デジタル信号処理手段１２８によりデジタル方式で）フィルタリングができる。あるいは、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）技術を利用して、スペクトルコンテンツを算出し、ＩＦ信号を解析することが可能である。低レベル信号が測定されるよう故意に生成されたいずれの信号も、ソフトウェア技術によって排除可能である。
【００４８】
このようにスペクトル測定をすると、画像およびスプリアス信号がミキサから生成されるという一つの問題がある。英国特許２３２６７２４号に記載されているような技術を使用して、これらのスプリアス信号等の除去ができる。メータからのＬＯ信号は変更可能であり、入力信号の性質にある曖昧さは除去される。
【００４９】
同様の技術は、同調サンプリングミキサを伴って利用することが可能である。ミキサを同調サンプリングミキサと交換すると、高ＬＯ周波数を必要とせずに、高周波数信号の測定が可能になる。これにより、マイクロ波信号を同軸リードを下って検出器ヘッドに供給する等の問題なしに、周波数帯域をマイクロ波帯域まで拡張することが可能になる。
【００５０】
また、デジタル信号処理手段を使用して変調測定を行い、ＩＦＲ２３１０等の装置類で用いられるものと同様の技術を実行することが可能である。アナログ（ＦＭ、ＡＭ位相変調）やデジタル（ＣＤＭＡ、ＧＳＭ）変調を伝送する信号の特性を解析し、変調におけるエラーの程度を導き出すことが可能である。また、デジタル変調方式の不完全な送信機は、意図した送信機帯域幅のすぐ隣の周波数帯域にまで電力を及ぼす傾向があるが、この電力は隣接チャネル電力（ＡＣＰ）と呼ばれる。デジタル信号処理手段はこの不備の測定に利用できる。
【００５１】
本装置の周波数範囲は多数の要因によって制御される。ミキサ１２０が従来の二重平衡ミキサである場合は、使用されるＬＯ信号およびＩＦ周波数の範囲によって周波数範囲は限定される。要求される測定周波数が低くなるにつれて、重大なスプリアス信号が生成される可能性が出てくる。例えば、３０ＭＨｚのＩＦの場合、使用可能な最低のＲＦ入力周波数は１００ＭＨｚであってもよい。測定される入力周波数が更に低い場合には、ＩＦ周波数を下げることも可能であり、上記の例においては、１０ＭＨｚのＩＦであれば、３３ＭＨｚの信号の測定が可能である。ＤＳＰ手段は、周波数選択的な電力を測定するよう設計されているので、ミキサからの和周波数の存在は、ダイナミックレンジに影響を与えるかもしれないが、測定を限定することにはならない。
【００５２】
低周波数であっても、ＬＯおよびＩＦ信号を交換して、ＤＣ信号をミキサのＩＦポートに加えることが可能である。その際、ミキサはスイッチとして動作し、ＲＦ入力と同じ周波数で、ＲＦ入力信号をミキサのＲＦポートからＡＤ変換器へ直接渡す。このような技術の利用により、電力測定をかなりの低周波数にまで施すことが可能である。ＬＯおよびＩＦ接続の切換は、検出器ヘッド１１０またはメータ１１２で行うことが可能である。
【００５３】
従来の電力およびスペクトルのアナライザに比べて、本装置１００は、振幅ひずみがほとんどない広帯域幅のＲＦパルス特性に対処できる。ＩＦおよびＡＤ変換器レートが高くなるほど、処理できるパルスの上昇／下降時間は早くなる。検出器ヘッドの設計において作動対象とされるＩＦは、高復調帯域幅が必要なアプリケーション向けに高くすることができ、信号を取り込むためにより早い（しかし、恐らく低分解能の）ＡＤ変換器を使用できる。メータの帯域幅は、正確なパルス特性が単安定素子効果で取り込まれることを意味するが、この特性は、ランダムサンプリングに依存する高速、最大パワーメータに一般的には利用できるものではない。
【００５４】
新しいＣＤＭＡベースの通信システムでは、コードドメインパワーとして知られるパラメータを測定する必要がある。ＣＤＭＡシステムには、単一ＲＦキャリア上で実行される多種多様の信号があり、これら各信号に対して電力測定が施される。従来のパワーメータは、全信号の和しか分解できないため、このような測定を行うことができない。ここに特徴を述べた本発明によれば、デジタル信号処理システムを利用して、各コードチャネルに連結（「デスプレッド」）して、互いに独立した信号をそれぞれ測定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る、検出器ヘッドおよび信号処理装置を備えるシステムのブロック図である。
【図２】 従来の信号処理システムのブロック図である。
【図３】 従来の信号処理システムのブロック図である。
【符号の説明】
１００ 信号測定装置
１１０ 検出器ヘッド
１１２ メータ
１１４ ケーブル
１１６ Ｎ型同軸コネクタ
１２０ ＲＦミキサ
１２４ ＡＤ変換器

Claims (12)

1. 測定テスト信号を受信する入力と、
   該テスト信号の周波数をダウンコンバートするミキシング手段と、を含む検出器ヘッドを備える信号電力測定システムは、更に、
   デジタルドメインにおけるダウンコンバートした信号に動作して、該テスト信号に電力測定を施す信号処理装置と、
   該検出器ヘッドを該信号処理装置に接続し、該ダウンコンバートした信号を該信号処理装置へ伝達するケーブルと、
   を備える。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記ケーブルは多重信号を伝達する構成とする。
3. 請求項１又は２に記載のシステムにおいて、前記ケーブルは、前記テスト信号の周波数をダウンコンバートするために、前記テスト信号とミキシングするためのダウンコンバート信号を前記信号処理装置から前記ミキシング手段へ導く構成とする。
4. 請求項１、２又は３に記載のシステムにおいて、前記ケーブルは前記検出器ヘッドへ電源を導く構成とする。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のシステムにおいて、前記検出器ヘッドは更に、ミキシング前のテスト信号のレベルを低減するためのアッテネータを備える。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のシステムは、更に、前記ダウンコンバートした信号を前記信号処理装置に適したレベルになるよう、前記ダウンコンバートした信号を増幅するための手段を備える。
7. 請求項６に記載のシステムは、更に、前記増幅手段周辺の環境条件を制御するための手段を備える。
8. 請求項１から７のいずれかに記載のシステムにおいて、前記検出器ヘッドは更に前記ミキシング手段周辺の環境条件を制御するための手段を備える。
9. 請求項１から８のいずれかに記載のシステムにおいて、前記信号処理装置は、選択したＣＤＭＡコードに起因するテスト信号の電力測定を行う構成とする。
10. 請求項１から９のいずれかに記載のシステムにおいて、前記信号処理装置は、前記テスト信号から選択された周波数もしくは選択された周波数範囲に測定を施す構成とする。
11. 請求項１０に記載のシステムにおいて、前記信号処理装置は前記ミキシング手段を制御して、少なくとも部分的に、前記テスト信号から前記選択された周波数もしくは前記選択された周波数範囲を決定する構成とする。
12. 請求項１０又は１１に記載のシステムにおいて、前記信号処理装置は前記ダウンコンバートした信号を処理して、少なくとも部分的に、前記テスト信号から前記選択された周波数もしくは前記選択された周波数範囲を決定する構成とする。

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