JP4711935B2 - 等化フィルタ設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、１つの周波数帯域に渡る複数の信号を同時に測定する装置に関連し、特に、振幅測定データを用いて周波数領域及び時間領域の測定精度を改善する測定装置のための等化フィルタ設定方法に関する。

近年の電気通信では情報が種々の変調技術を用いてデジタルで伝送される。これら技術では、周波数、位相又は振幅が変調される。変調手法が複雑になってきたので、電気通信分野では、より精度の高い機器の要求が高まっている。一般的な通信規格は、ビットエラーレートのような目標を満たす振幅の平坦さ、位相の線形性を求めている。電気通信機器の精度を測定するためには、測定装置は更に高い精度が要求される。しかし、そうした装置にはフィルタがあり、これは異なる周波数では振幅及び位相に対する影響も異なっている。つまり、通過周波数帯域内のある周波数では、他の周波数における場合と比較して信号がより多く減衰すると同時に、フィルタ通過時の信号の位相又は遅延も周波数毎で異なる。理想的には、通過帯域内の全ての周波数を無減衰又は均一の減衰で通過させ、フィルタ通過による遅延は全て周波数で同じで、よってフィルタ通過帯域内では周波数による相対的な位相変化が生じないのが望ましい。

現在、低周波数帯域用には校正信号源が知られており、これは、複数の周波数を合成した信号、つまり、くし型の周波数特性を持つ信号を出力する。この信号を複数段のフィルタを通過させた後にデジタル化し、振幅及び位相が測定され、既知の理想的な結果と比較される。逆特性のフィルタを用意して、これがデジタル化した出力を測定結果に基づいて処理し、得られる出力を既知の理想的な結果と一致するようにする。

無線周波数（ＲＦ）／マイクロ波機器の中間周波数（ＩＦ）チャンネルを等化するには、校正信号源（刺激信号源）の設計が重要である。低周波数帯域については、疑似ランダムノイズ（ＰＲＮ）のような広帯域信号の繰り返しを刺激信号源として使用しても良く、高速応答のフリップフロップが後に続く線形フィードバック・レジスタと一緒に用いて実現しても良い。この繰り返し信号は、くし形スペクトラムを示す。これら複数のスペクトラム線の振幅及び位相関係は既知である。この刺激信号に対するチャンネルの周波数応答を最初に測定することで、複数のスペクトラム線夫々でのＩＦチャンネル全体の周波数応答を評価できる。ＩＦチャンネル周波数応答は、刺激信号の周波数応答を最後に除去すれば得られる。複数のスペクトラム線について良いＳＮ（信号対ノイズ）比を維持するため、機器の周波数帯域と同じ程度の振幅となるようにＰＲＮ信号の有用な部分が選択されて使用される。

オッペンハイマーとシャファー（A. V. Oppenheim and R. W. Schafer）、「デジタル・シグナル・プロセッシング（Digital Signal Processing）」、プレンティス・ホール社（Prentice-Hall）１９８９年出版 テシュー（F. M. Tesche）「測定ＣＭデータ処理のためのヒルベルト変換の使用について（On the Use of the Hilbert Transform for Processing Measured CW data）」IEEE Transactions On Electromagnetic Compatibility, Vol. 34, No.3, August 1992

しかし、高周波帯域については、ＰＲＮ信号は、周波数帯域の注目する部分において、所望のパフォーマンスを得るための十分な電力が一般に得られない。これは、そのスペクトラムの振幅がｓｉｎ（ｘ）／ｘの包絡線に従うからである。そこで、これに代わって、他の等化信号源、例えば、ＯＦＤＭ（直交波周波数分割多重）変調信号を使用しても良い。ＰＲＮ信号を用いた手法と比較すると、この第２の手法では、アナログ・デジタル変換回路（ＤＡＣ）、ミキサ、局部発振器（ＬＯ）など、多くのハードウェア資源を必要とする。製造過程や校正サービス中では、周波数応答を刺激信号の振幅及び位相の両方の点で測定する必要がある。アップコンバートしたＯＦＤＭ信号に関する信号源の校正は、複数の高周波数で優れた特性を持つ信号発生器がないため、非常に困難である。言い換えると、測定装置の高周波数帯域を等化（equalize）しようとしても、直ちに利用可能な位相校正された信号源がないのである。結果として、高周波数帯域における測定誤差は３０％以上にも達し、これは、電気通信機器が正常に動作し、明瞭な通信信号の供給を保障するのに必要な測定精度から大きく外れている。

オッペンハイマーとシャファー（A. V. Oppenheim and R. W. Schafer）、「デジタル・シグナル・プロセッシング（Digital Signal Processing）」、プレンティス・ホール社（Prentice-Hall）１９８９年出版 テシュー（F. M. Tesche）「測定ＣＷデータ処理のためのヒルベルト変換の使用について（On the Use of the Hilbert Transform for Processing Measured CW data）」IEEE Transactions On Electromagnetic Compatibility, Vol. 34, No.3, August 1992

本発明は、現在の複雑な電気通信機器を試験するのに充分な精度を得るために、振幅の測定データを用いて、測定装置の高周波数帯域を等化する技術に関する。この等化技術は、アナログ信号パス用であって、高周波数帯域用の振幅測定データを使用する。アナログ信号パスは、例えば、１つの帯域内の複数周波数の複数の信号を一度に測定する測定装置に含まれる。このとき、位相校正された信号源を、高周波数帯域に直接には加えない。正弦波信号源を校正されたパワーメータと共に用いて、所望の周波数帯域に渡って周波数がステップ状に飛び飛びに変化するステップ周波数入力信号を、飛び飛びの各周波数（ステップ周波数）において振幅を正確に測定しながら、アナログ信号パスに供給する。アナログ信号パスの出力信号をデジタル化し、得られる周波数の振幅を算出する。アナログ信号パスの振幅応答を求める度に、対応するパワーメータの結果を測定装置で測定した周波数の振幅から差し引く。所望の周波数帯域に渡って最小位相と仮定して、ヒルベルト変換を用いて対応する位相応答を求める。振幅応答及び位相応答から、アナログ信号パスを等化にする逆特性のデジタル等化フィルタを構築（design）できる。このデジタル等化フィルタは、デジタル演算によって実現される。

本発明の目的、効果、新規性は、特許請求の範囲の記載及び図面と併せて以下の詳細な記載を読むことで明らかとなろう。

図１は、本発明による振幅測定データを用いた等化処理を適用するのに適した測定装置の一例のブロック図である。ベクトル・シグナル・アナライザのような測定装置のフロントエンド部１０は、低周波数帯域パス２０と高周波数帯域パス３０を有し、これらの１つが、スイッチＳＷを介して、共通中間周波数（ＩＦ）パス４０に選択的に接続される。共通ＩＦパス４０の出力信号は、アナログ・デジタル変換回路（ＡＤＣ）５０でデジタル化され、デジタイザ化された結果は、続いて適切なデジタル処理回路（ＤＰ）５２で処理される。なお、デジタル処理回路（ＤＰ）５２は、これ以外にも、後述のデジタル等化フィルタを含め、デジタル演算によって種々の機能を実現する。低周波数帯域パス２０は、直列に接続された広帯域低域通過フィルタ２２、第１低帯域ミキサ２４、低帯域ＩＦフィルタ２６及び第２低帯域ミキサ２８を有する。第２低帯域ミキサ２８の出力信号は、スイッチＳＷの第１極に入力される。高周波数帯域パス３０は、直列に接続された広帯域通過フィルタ３２、第１高帯域ミキサ３４、高帯域ＩＦフィルタ３６及び第２高帯域ミキサ３８を有する。第２広帯域ミキサ３８の出力信号は、スイッチＳＷの第２極に入力される。スイッチＳＷの出力信号は、共通ＩＦパス４０に入力される。共通ＩＦパス４０は、直列に接続された第１ＩＦフィルタ４２、ＩＦミキサ４４及び第２ＩＦフィルタ４６を有する。第２ＩＦフィルタ４６の出力信号は、ＡＤＣ５０に入力される。

広帯域低域通過フィルタ２２及び３２には、無線周波数（ＲＦ）信号として、高周波数正弦波信号源５４から単一周波数の正弦波信号が加えられる。パワーメータ（ＰＭ）５６が、単一周波数の正弦波信号の振幅を測定するために接続される。パワーメータ５６には、高周波数が校正されたパワーメータが用いられ、これは、米国標準技術局（National Institute of Standards and Technology：NIST）規格に従って高精度で校正されたパワーメータである。フィルタの等化を実行するため、後述のように、高周波数正弦波信号源５４は、１つの周波数から他の周波数へとステップ状に飛び飛びに増加し、各周波数での振幅は高精度のパワーメータ５６で測定され、デジタル処理回路５２に蓄積される。

パワーメータ５６及びＡＤＣ５０の出力信号からの振幅測定処理は、測定装置で使用されているアナログ・フィルタが、最小位相特性においては、理想アナログ・フィルタに非常に近いという事実を基礎にしている。線形一定係数微分方程式で記述されるシステムでは、もし周波数応答の振幅並びに極及び零点の数が既知であれば、関係する位相について有限個の選択肢しかない。最小位相の場合では、オッペンハイマーとシャファー（A. V. Oppenheim and R. W. Schafer）がプレンティス・ホール社（Prentice-Hall）１９８９年出版の「デジタル・シグナル・プロセッシング（Digital Signal Processing）」で述べているように、周波数応答の振幅で位相を一意に特定できる。一例として、この技術は、テシュー（F. M. Tesche）が「測定ＣＷデータ処理のためのヒルベルト変換の使用について（On the Use of the Hilbert Transform for Processing Measured CW data）」IEEE Transactions On Electromagnetic Compatibility, Vol. 34, No. 3, August 1992で述べているように、過渡応答をスペクトラム応答の振幅だけで構築するために応用されている。最小位相系では、全ての極と零点が単位円内にある。もしＨ１及びＨ２が２つの最小位相系であれば、結果として得られるシステムもまた全ての極と零点が単位円内にあるので、Ｈ１＊Ｈ２及びＨ１／Ｈ２もまた最小位相系である。この特性（Property）は、振幅測定に基づいて、低帯域パス２０及び高帯域パス３０間の周波数応答の差を推定するのに応用される。

一般に、ＲＦ／マイクロ波フィルタは、物理的に単純に実現できるため、全極（all-pole）フィルタであり、こうしたフィルタの通過帯域は、チェビシェフ・フィルタ（Chebyshev filter）のような全極フィルタと非常に良い近似を示す。零点がないので、通過帯域の一部の振幅を使用するだけで、対応する周波数の位相を充分合理的に推定できる。この点は、これらフィルタを含む測定装置の信号帯域が、信号パス２０及び３０中の第１ミキサ２４、３４の直ぐ後に続くＩＦフィルタ２６、３６の帯域幅よりも実際上は狭いだけに、重要である。

各フィルタを完全に測定するには、図１の信号パス２０及び３０夫々について、実際に使用する多様なＩＦ及びＲＦ周波数を具体的に説明する。フィルタ測定及び補正の統合（synthesis）のため、全体（total）の通過帯域応答は、独立のフィルタを単純に従属接続して、単一の周波数付近に集中したと数学的に仮定される。従って、もし個々のＩＦ又はＲＦ周波数が異なる分析設定で変更されると、個々のフィルタの異なる部分を実際に使用して、新しい測定及び補正がその新しい設定で実施される。周波数応答には、各パス中の全ての周波数関係デバイスが寄与しているが、アナログ・フィルタがその主要な要因である。共通ＩＦミキサ４４は、共通ＩＦパス４０中にあるデバイスの全ての周波数応答を合成する。Ｒを校正中の位相及び振幅を含む複素ベクトルとする。ここでＲは、低帯域及び高帯域ＩＦフィルタ２６及び３６間の周波数応答差Ｈ１／Ｈ２である。Ｈ１は、低帯域ＩＦフィルタ２６の周波数応答であり、Ｈ２は、高帯域ＩＦフィルタ３６の周波数応答である。ＲＦフィルタ２２、３２夫々について、Ｌの値が２つのフィルタＨ０１／Ｈ０２間の複素ベクトルとして測定される。ここでＨ０１は低帯域ＲＦフィルタ２２の周波数応答、Ｈ０２は高帯域ＲＦフィルタ３２の周波数応答である。動作中の低帯域周波数応答Ｐ１＝Ｈ０１＊Ｈ１＊Ｈ３を測定するには、従来技術で説明したようなＰＲＮ校正信号源（図示せず）を使用しても良い。ここでＨ３は、共通ＩＦパス４０の周波数応答である。そして、高帯域パス３０の周波数応答は、Ｐ２＝Ｈ０２＊Ｈ２＊Ｈ３＝Ｐ１／Ｌ／Ｒである。ここでＬ及びＲは、校正中に測定される。一般にＨ３は、相対的に帯域幅が狭く、複数の利得段を有する高利得で長い信号パスのために、Ｈ１及びＨ２よりも温度変動の影響を受けやすい。

ヒルベルト変換の技術は、最小位相系において、周波数の位相にその関係する振幅部分の対数を関連づけるために利用しても良く、これは次のように行えば良い。

第１ステップ：信号源５４からの入力ＣＷ（連続波）の周波数と、（低帯域ミキサ２４に入力される局部（ＬＯ）周波数を対応してステップ状に変化させることによって）低帯域パス２０の中心周波数の両方をステップ状に変化させ、注目する帯域幅に関する振幅応答Ａ１を測定する。被測定帯域幅は、設計に必要とされる信号帯域幅よりも若干広くする。Ａ１は、ＲＦフィルタ２２だけの振幅応答である。

第２ステップ：入力ＣＷ周波数及び高帯域パス３０の中心周波数の両方をステップ状に変化させて、ＲＦフィルタ３２の注目する帯域幅に関して振幅応答Ａ２を測定する。そして、｜Ｌ｜＝Ａ１／Ａ２を求める。

第３ステップ：低帯域パス２０について（局部周波数を変化させずに）入力ＣＷ周波数をステップ状に変化させて、振幅応答Ｂ１を測定する。Ｂ１は、ＲＦ及びＩＦフィルタ２２及び２６の両方の振幅応答を合成（combine）したものである。

第４ステップ：高帯域パス３０について入力ＣＷ周波数をステップ状に変化させ、ＲＦ及びＩＦフィルタ３２及び３６の両方の振幅応答Ｂ２を測定する。そして、｜Ｒ｜をＢ１／Ｂ２／｜Ｌ｜として算出する。

第５ステップ：ヒルベルト変換を用いて、｜Ｒ｜から位相を算出し、位相応答及び振幅応答と一緒にＲを得る。同様に、｜Ｌ｜からＬを算出する。

第６ステップ：後で使用するため、ＲとＬを校正データとして測定装置に蓄積する。

第７ステップ：ＰＲＮのような内部信号源（図示せず）を用いて動作中に低帯域パス周波数応答Ｐ１を測定する。高帯域パス周波数応答は、Ｐ２＝Ｐ１／Ｌ／Ｒとして求まる。

第８ステップ：計算したＰ２を用いて、高帯域パス３０のフィルタ等化を行う。

上述の周波数領域における記号”／”は、各周波数スペクトルを引き算することに等しい。また、各振幅応答を得るため、周波数をステップ状に変化させてパワーメータ５６で測定された対応する振幅が、ＡＤＣ５０の出力信号から算出された振幅から差し引かれる（deduct）。

図２は、本発明による等化処理に関する波形図である。図２では、上述の第１及び第２ステップの結果として、ＲＦフィルタ２２及び３２について測定された周波数スペクトラム（ａ）が示されている。続いて、第３及び第４ステップから、ＲＦフィルタ２２及び３２並びにＩＦフィルタ２６及び３６の両方の全体（Total）の周波数応答（ｃ）が示されている。ＲＦフィルタ２２及び３２の周波数応答と全体周波数応答の差が、ＩＦフィルタ２６及び３６の周波数応答（ｂ）である。

このように本発明は、振幅測定データを用いてアナログ信号パスの高帯域パスの等化を行うもので、特定の周波数帯域に関するアナログ信号パスの振幅応答を得て、次に最小位相と仮定して振幅応答からアナログ信号パスの位相応答を導き、そして、振幅及び位相応答からアナログ信号パスの等化を行うデジタル等化フィルタを構築（design）する。

本発明による振幅測定データを用いた等化処理を適用するのに適した測定装置の一例のブロック図である。 本発明による等化処理に関する波形図である。

符号の説明

１０ フロントエンド部
２０ 低周波数帯域パス
２２ 広帯域低域通過フィルタ
２４ 第１低帯域ミキサ
２６ 低帯域ＩＦフィルタ
２８ 第２低帯域ミキサ
３０ 高周波数帯域パス
３２ 広帯域通過フィルタ
３４ 第１高帯域ミキサ
３６ 高帯域ＩＦフィルタ
３８ 第２高帯域ミキサ
４０ 共通ＩＦパス
４２ 第１ＩＦフィルタ
４４ ＩＦミキサ
４６ 第２ＩＦフィルタ
５０ アナログ・デジタル変換回路
５２ デジタル処理回路
５４ 高周波数正弦波信号源
５６ パワーメータ
ＳＷ スイッチ

Claims (2)

1. 低帯域パス及び高帯域パスを有するアナログ信号パスの等化フィルタ設定方法であって、
   上記アナログ信号パスの特定周波数帯域の振幅応答を求めるステップと、
   上記特定周波数帯域を最小位相と仮定して上記振幅応答からヒルベルト変換を用いて上記アナログ信号パスの位相応答を導くステップと、
   上記振幅及び位相応答を、上記アナログ信号パスを有する測定装置に校正データとして蓄積するステップと、
   上記測定装置の上記低帯域パスの周波数応答を上記測定装置の動作中に内部信号源を用いて測定するステップと、
   上記低帯域パスの周波数応答と上記校正データを用いて上記高帯域パスの周波数応答を計算するステップと、
   上記高帯域周波数応答を用いて上記高帯域パスを等化にするフィルタを設定するステップと
   を具える等化フィルタ設定方法。
2. ＲＦフィルタ及びＩＦフィルタを夫々有する低帯域パス及び高帯域パスを有するアナログ信号パスの等化フィルタ設定方法であって、
   特定周波数帯域について上記ＲＦフィルタのＲＦ振幅応答を求めるステップと、
   上記特定周波数帯域について上記ＲＦ及びＩＦフィルタを合成した合成振幅応答を求めるステップと、
   上記ＩＦフィルタのＩＦ振幅応答を上記ＲＦ振幅応答及び上記合成振幅応答から導くステップと、
   上記特定周波数帯域について最小位相と仮定し、ヒルベルト変換を用いて、上記ＲＦ振幅応答からＲＦ位相応答を計算し、上記ＩＦ振幅応答からＩＦ位相応答を計算して、夫々ＲＦ及びＩＦ周波数応答ベクトルを生成するステップと、
   上記ＲＦ及びＩＦ周波数応答ベクトルを、上記アナログ信号パスを含む測定装置に校正データとして蓄積するステップと、
   上記測定装置の低帯域周波数応答を上記測定装置の動作中に内部信号源を用いて測定するステップと、
   上記低帯域周波数応答と上記校正データを用いて上記測定装置の高帯域周波数応答を計算するステップと、
   上記高帯域周波数応答を用いて上記高帯域パスを等化にするフィルタを設定するステップと
   を具える等化フィルタ設定方法。

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