JP5085105B2

JP5085105B2 - シグナル・アナライザ

Info

Publication number: JP5085105B2
Application number: JP2006317398A
Authority: JP
Inventors: 明奈良
Original assignee: テクトロニクス・インターナショナル・セールス・ゲーエムベーハー
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2026-11-24
Also published as: JP2008128967A; EP2096451A1; US8374812B2; EP2096451A4; CN101583881B; EP2096451B8; US20100153044A1; CN101583881A; WO2008062875A1; EP2096451B1

Description

本発明は、シグナル・アナライザに関し、被測定信号の周波数領域又は時間領域に関する第１解析範囲に対して、その所望部分を拡大した第２解析範囲を表示するためのデータを別途並行して取得し、第１及び第２解析範囲の同時に更新しながら表示するためのデータ生成を行うシグナル・アナライザに関する。

携帯電話などによる無線通信信号などの信号（被測定信号）を周波数領域及び時間領域の観点から解析できる装置として、シグナル・アナライザが知られている。例えば、米国テクトロニクス社製ＲＳＡ３４０８Ａ型リアルタイム・スペクトラム・アナライザでは、被測定信号の時間領域データ及び周波数領域データをリアルタイムに生成し、解析できる。

図１は、現在知られているシグナル・アナライザのハードウェア主要部のブロック図である。これは、信号解析ブロック１０とパソコン・ブロック３０から構成される。パソコン・ブロック３０は、汎用のパソコンと同等であり、マルチ・ウィンドウによるマルチ・タスクを実現するＯＳが採用されている。

入力信号（被測定信号）は、入力減衰回路１２で適切なレベルに調整され、アナログ・ダウン・コンバータ１４に供給されて、アナログ的に周波数変換（ダウン・コンバート）され、中間周波数（ＩＦ）信号に変換される。アナログ・デジタル変換回路（ＡＤＣ）１６は、アナログのＩＦ信号を時間領域のデジタル・データに変換する。デジタル・ダウン・コンバータ１８は、例えば、ＦＰＧＡで実現され、ユーザが設定する中心周波数に応じた局部発振（ＬＯ）周波数の正弦波及び余弦波データと時間領域データをデジタル演算で乗算し、ＩＱ分離を行うと共に周波数をダウン・コンバートする。間引きフィルタ２０は、デジタル・ダウン・コンバートされたＩＦデータを、ユーザが設定する周波数スパンに応じて適当なデータ数に間引きし、データをデータ・メモリ２２に供給する。トリガ検出回路２４は、ＡＤＣ１６からの時間領域データから、時間領域に関して設定されたトリガ条件を満たすトリガ点を検出する。メモリ制御回路２６は、検出されたトリガ点を基準にして、データ・メモリ２２に残すデータを制御する。なお、後述する周波数領域データに関してトリガ条件が設定され、これに応じてデータ・メモリ２２に残すデータを制御することもある。ローカル制御回路２９は、ローカル・バス２８、バス・ブリッジ３８及びバス４０を介してＣＰＵ３２からの制御を受けて、信号解析ブロック１０の各ブロックの動作を制御する。データ・メモリ２２が保持するデータは、ローカル・バス２８を介してパソコン・ブロック３０に供給される。

パソコン・ブロック３０では、データ・メモリ２２からの時間領域データをメモリ（ＲＡＭ）４２で一時的に保持し、ＣＰＵ３２が高速フーリエ変換（ＦＦＴ）演算を行って、周波数領域データを生成する。時間領域データや周波数領域データは、ユーザの設定に応じて、表示装置３６において、波形や数値などで表示される。ユーザは、操作パネル３４を介してシグナル・アナライザに、中心周波数、周波数スパン等の所望の設定を行う。このとき、入出力ポート４６を介して接続されたマウス４８やキーボード４９を使用しても良い。生成されたデータは、ハード・ディスク・ドライブ（ＨＤＤ）４４に記録され、過去のデータを読み出して表示できる。ＨＤＤ４４は、パソコンで一般的なマルチ・ウィンドウ型の基本ソフト（ＯＳ）のほか、信号解析に必要なアプリケーション・ソフトウェアも記憶する。これらブロックは、バス４０を介して互いに接続される。

図２は、既存のシグナル・アナライザによる表示例である。第１表示領域５０は時間対電力の概観波形図、第２表示領域５２は時間対電圧の波形図、第３表示領域５４はスペクトラム波形図である。第１表示領域５０の第１範囲バー５８は、第２表示領域５２に表示される波形に対応する解析範囲を示し、第２範囲バー６０は、第３表示領域５４に表示される周波数領域データと対応する範囲を示す。また、「Ｔ」の文字６２は、トリガ点を示す。第２表示領域５２の下部にある「スタート：−３２．３ｍｓ」の表示は、トリガ点から−３２．３ｍ秒の位置から波形が表示されていることを示す。第３表示領域５４には、中心周波数８００ＭＨｚ及び周波数スパン１００ｋＨｚの周波数解析範囲が数値と共に表示されている。周波数解析範囲の設定は、中心周波数及び周波数スパンを指定する他に、解析範囲の最初と最後の周波数（スタート周波数及びストップ周波数）を指定しても良く、これら４項目の内の２つを指定すれば、他が連動して設定される。

なお、表示領域の位置、大きさ、表示内容は、種々の変更が可能である。表示内容には、図２に示す他に、時間対Ｉ／Ｑ電圧、スペクトログラム、コンスタレーション、各種数値の表などがある。

ところで、ユーザは、最初に設定した解析範囲（以下、第１解析範囲という）で表示された周波数領域データを観測し、着目する部分を発見すると、その部分（以下、第２解析範囲という）を拡大し、より詳細に観測したい場合も多い。そこで、既存のシグナル・アナライザは、ズーム機能を用意している。例えば、米国特許公開第２００５／０２６１８４７号明細書（特開２００５−３３１３００号に対応）は、周波数領域及び時間領域の双方の次元に渡るズーム機能を実現する発明を開示している。これは、周波数ホッピングの解析に効果的である。また、特許第３３７７３９１号明細書は、メモリ内に蓄積した時間領域データをフィードバックして間引きフィルタに供給し、異なる間引き率で間引きした後、ＦＦＴ演算を行うことで、異なる周波数分解能のスペクトラム表示をハードウェア演算により再描画する発明を開示している。
米国特許公開第２００５／０２６１８４７号明細書特許第３３７７３９１号明細書

特許文献１及び２に記載の発明では、拡大表示する第２周波数解析範囲のデータはいずれも一旦記憶されたデータから後処理で生成したものである。よって、入力される被測定信号が時々刻々と変化した場合に、第１及び第２解析範囲のデータを並行して更新しながら観測することはできない。また、第２解析範囲のデータは、一旦記憶されたデータであるから、データ取得時におけるデータ取得時間の長さに応じた分解能までしか周波数分解能を高めることはできない。

こうしたことから、当初の設定による第１解析範囲と、その一部分を拡大したズーム範囲（第２解析範囲）を設定し、被測定信号の入力に応じて、これらに関するデータを並行して更新しながら、データを観測等できるシグナル・アナライザが望まれている。

本発明によるシグナル・アナライザは、異なる解析範囲に関するデータを２つの信号パスで並行して生成する。ユーザは、解析範囲設定手段の操作により、第１周波数解析範囲及び第１周波数解析範囲より狭い第２周波数解析範囲をシグナル・アナライザに設定する。第１信号パスは、第１周波数解析範囲に応じて設定される第１データ生成レート及び第１データ取得時間に従って、周波数変換された被測定信号の第１時間領域データを生成する。第２信号パスは、第２周波数解析範囲に応じて設定される第１データ生成レートよりも低速な第２データ生成レートに従って、周波数変換された被測定信号の第２時間領域データを生成する。演算手段は、第１及び第２時間領域データを並行して受けて、高速フーリエ変換の如き演算により第１及び第２周波数領域データを生成する。このとき、第１及び第２周波数解析範囲の中心周波数が異なっている場合には、その差に応じて、第１及び第２信号パスでの周波数変換における周波数シフト量に差を設定する。第２信号パスには、低速な第２データ生成レートが設定されるので、第１データ取得時間よりも長い第２データ取得時間が設定でき、これによって、第２周波数解析範囲の周波数分解能を第１周波数解析範囲のものよりも高くできる。第１信号パスには、第１及び第２データ生成レートの差に応じて生じる第１及び第２時間領域データのデータ生成速度の差を補う遅延手段を設けると良い。各パスのデータ生成レートの変更には、例えば、間引きフィルタが使用される。

更に、本発明によるシグナル・アナライザは、時間領域の解析においても異なる解析範囲に関して、並行して更新しながらデータを生成する機能を提供できる。この場合、解析範囲指定手段で、第１時間解析範囲及び第１時間解析範囲より狭い第２時間解析範囲を設定する。第１信号パスは、設定された第１時間解析範囲に応じて設定される第１データ生成レートに従って被測定信号の第１時間領域データを生成する。第２信号パスは、第２時間解析範囲に応じて設定される第１データ生成レートよりも高速な第２データ生成レートに従って被測定信号の第２時間領域データを生成する。このとき、第２信号パスには、第１及び第２データ生成レートの差に応じて生じる第１及び第２時間領域データのデータ生成速度の差を補う遅延手段が設けられる。

本発明を別の観点から見れば、シグナル・アナライザのデータ生成方法であって、設定された第１周波数解析範囲に応じて、第１データ生成レート及び第１データ取得時間を設定し、周波数変換された被測定信号の第１時間領域データを生成し、第１時間領域データから第１周波数領域データを生成するステップと、第１周波数解析範囲より狭い第２周波数解析範囲が設定されると、第１データ生成レートよりも低速な第２データ生成レートを設定し、周波数変換された被測定信号の第２時間領域データを生成し、第２時間領域データから第２周波数領域データを生成するステップとを具え、被測定信号の入力に応じて、第１及び第２周波数領域データを並行して更新すること特徴としている。なお、第１周波数解析範囲より狭い第２周波数解析範囲が設定されたときに、第１データ取得時間よりも長い第２データ取得時間を設定し、第２周波数領域データの周波数分解能を第１周波数領域データの周波数分解能よりも高くすると良い。

また、本発明によるシグナル・アナライザのデータ生成方法は、設定された第１時間解析範囲に応じて、第１データ生成レートを設定し、被測定信号から第１時間領域データを生成するステップと、第１時間解析範囲より狭い第２時間解析範囲が設定されると、第１データ生成レートよりも高速な第２データ生成レートを設定し、被測定信号から第２時間領域データを生成するステップとを具え、被測定信号の入力に応じて、第１及び第２時間領域データを並行して更新すること特徴とする。

図３は、本発明によるシグナル・アナライザの機能ブロック図である。図１と機能的に対応するブロックには、同じ符号を付して説明する。ただし、機能ブロック図なので、ハードウェアの構成要素とは、必ずしも一致しない。例えば、ＣＰＵ３２が提供する演算機能は、演算ブロック３３として描かれている。以下では、入力減衰回路１２、アナログ・ダウン・コンバータ１４、ＡＤＣ１６及びパソコン・ブロック３０は、図１で説明したものと同様であるため、説明は省略する。また、トリガ検出に関する機能も従来と同様に用意されている。

図４は、周波数領域データをスペクトラム波形として表示装置３６の画面上に表示した例である。第１スタート周波数及び第１ストップ周波数で定まる第１周波数解析範囲の第１スペクトラム波形に対し、ユーザは、例えば、操作パネル３４やマウス４８を使用してカーソル７０及び７２を動かし、第２スタート周波数及び第２ストップ周波数を指定することで、拡大（ズーム）表示したい部分（第２周波数解析範囲）を設定できる。設定方法はこれに限らず、スタート周波数、ストップ周波数、中心周波数及び周波数スパンは連動するので、これらの内の２つを指定すれば、他の２つは自動的に設定される。後述の如く生成される第２周波数解析範囲の第２スペクトラム波形（図示せず）は、第１スペクトラム波形とは別の表示領域に、より高い周波数分解能で表示される。被測定信号の入力に応じて、第１及び第２スペクトラム波形は並行して更新される。

図３を参照すると、本発明によるシグナル・アナライザの好適な実施例では、第１及び第２信号パス１７１及び１７２が設けられ、夫々が第１及び第２周波数解析範囲のための第１及び第２時間領域データを生成する。第１信号パス１７１の第１デジタル・ダウン・コンバータ（ＤＤＣ）１８１は、ＡＤＣ１６からの時間領域データに対して、デジタル演算によってＩＱ分離及びダウン・コンバートを行う。このデジタル演算では、ユーザが設定する第１周波数解析範囲の第１中心周波数ｆ_Ｃ１に応じて定まる第１局部発振（ＬＯ）周波数ｆ_ＬＯ１の正弦波及び余弦波データと時間領域データ乗算し、必要な周波数成分を抽出する。同様に、第２信号パス１７２の第２ＤＤＣ１８２も、第２周波数解析範囲の第２中心周波数ｆ_Ｃ２に応じて定まる第２局部発振（ＬＯ）周波数ｆ_ＬＯ２の正弦波及び余弦波データを用いて、ＡＤＣ１６からの時間領域データをＩＱ分離及びダウン・コンバートを行う。このとき、第１及び第２ＬＯ周波数ｆ_ＬＯ１及びｆ_ＬＯ２の周波数差は、第１中心周波数ｆ_Ｃ１及び第２中心周波数ｆ_Ｃ２の周波数差である。即ち、第１及び第２信号パス間で、周波数変換における周波数シフト量に差が設けられる。

第１及び第２間引きフィルタ２０１及び２０２は、夫々間引き率Ｋ_ＤＦ１及びＫ_ＤＦ２に従って、第１及び第２ＤＤＣ１８１及び１８２からの周波数変換された時間領域データを間引き処理する。これら間引き率の間には、次の関係がある。
Ｋ_ＤＦ２＝Ｋ_ＤＦ１＊Ｆ_Ｓ１／Ｆ_Ｓ２
第２周波数スパンＦ_Ｓ２は、第１周波数スパンＦ_Ｓ１に比べて狭いため、第２信号パスのデータ生成レートは第１信号パスと比較して低くなる。即ち、第２信号パスの間引き率Ｋ_ＤＦ２は、第１信号パスのＫ_ＤＦ１より高くなる。このとき、一般に間引き率が高いほど、間引きフィルタでの間引き処理に時間がかかるので、第２間引きフィルタ２０２が出力するデータは、時間的に対応する第１間引きフィルタ２０１の出力データに対して遅延する。そこで、第１信号パスに第１ＦＩＦＯ２１１が設けられ、これが第１及び第２間引きフィルタ間での間引き処理時間の差を補い、第１及び第２信号パス間の時間的に対応するデータが並行して夫々第１及び第２データ・メモリ２２１及び２２２に送られる。また、第２信号パスは、データ生成レートが低くなる分だけ長時間のデータを取得でき、結果として、周波数分解能を高くできる。なお、好適な実施例では、後述の如く、第２信号パスにも第２ＦＩＦＯ２１２が設けられる。

第１及び第２データ・メモリ２２１及び２２２で一旦保持されたデータは、パソコン・ブロック３０へ送られ、従来と同様にＣＰＵ３２によって、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）演算され、第１及び第２周波数解析範囲に関する第１及び第２周波数領域データが夫々生成される。第１及び第２周波数領域データを用いて、第１及び第２周波数解析範囲夫々に関するスペクトラム波形が表示装置３６に表示される。第１及び第２周波数領域データは、被測定信号の入力に応じて並行してデータが生成され更新される。よって、ユーザは、時々刻々変化する被測定信号を、異なる周波数スパン及び異なる周波数分解能で同時に観測できる。

本発明のシグナル・アナライザの応用として、ハードウェアの構成はそのままに、周波数領域だけでなく、時間領域データの表示についても、所望部分を拡大表示できる。図５は、ユーザが設定した第１時間解析範囲に関して時間領域データを波形（以下、時間波形と呼ぶ）として表示し、ここから拡大（ズーム）範囲（第２時間解析範囲）を設定する方法を説明する図である。第１及び第２時間解析範囲は、夫々のスタート時点及びストップ時点で定められる。これら時点は、トリガ点を０として、トリガ点からの時間差（オフセット）で指定される。ユーザは、操作パネル３４やカーソル７４及び７６をマウスを操作して、これら時間解析範囲を設定する。時間波形には、時間領域データから生成される時間対電力波形、時間対Ｉ／Ｑ電圧波形などが含まれる。第１及び第２ＤＤＣ１８１及び１８２に設定される第１及び第２ＬＯ周波数ｆ_ＬＯ１及びｆ_ＬＯ２は、同一に設定される。第２間引きフィルタ２０２に設定される間引き率Ｋ_ＤＦ２は、上述の周波数解析とは逆に、Ｋ_ＤＦ１よりも低く設定され、よって第２信号パスのデータ生成レートは第１信号パスよりも高くなる。これは、次の関係で示される。
Ｋ_ＤＦ２＝Ｋ_ＤＦ１＊Ｔ_Ｓ２／Ｔ_Ｓ１
ここで、Ｔ_Ｓ１及びＴ_Ｓ２は、夫々第１及び第２時間解析範囲の第１及び第２時間スパンである。

また、結果として、第２間引きフィルタ２０２での間引き処理に必要な時間が、第１間引きフィルタ２０１でよりも早くなるため、第２ＦＩＦＯ２１２を設けてデータを必要に応じて遅延させ、第１及び第２信号パス間で時間的に対応するデータが並行して生成されるようにする。ただし、第１及び第２スタート時点間の時間オフセットＴ_Ｄがある分、第１信号パスのデータを遅延させる必要があるので、この点も考慮して、第１及び第２ＦＩＦＯ２１１及び２１２での遅延時間が調整される。

図６は、本発明によるデータ生成方法によって、スペクトラム波形を表示する処理の流れを示すフローチャートである。ユーザが設定する第１周波数解析範囲について、上述の如く、第１信号パス１７１からの周波数変換された時間領域データを用いて、パソコン・ブロック３０が周波数領域データを生成し、第１スペクトラム波形を表示する（ステップ８２）。ユーザは、操作パネル３４や表示画面上のカーソル７０及び７２をマウス４８で操作するなどして、ズーム範囲（第２周波数解析範囲）を設定する（ステップ８４）。第１及び第２中心周波数ｆ_Ｃ１及びｆ_Ｃ２の差分だけ、第１ＤＤＣ１８１に設定されている第１ＬＯ周波数ｆ_ＬＯ１と異なる周波数の第２ＬＯ周波数ｆ_ＬＯ２が第２ＤＤＣ１８２に設定される（ステップ８６）。第１及び第２周波数スパンの比に応じて間引き率が設定され（ステップ８８）、間引き処理に伴う第１及び第２信号パス間の遅延差に応じて第１ＦＩＦＯ２１１の遅延量を設定する（ステップ９０）。各信号パスで生成された周波数変換された時間領域データは、データ・メモリに一時的に保持された後、パソコン・ブロック３０がＦＦＴ演算し（ステップ９２）、表示装置３６で第１及び第２スペクトラム波形を夫々異なる表示領域に表示する（ステップ９４）。

図７は、本発明によるデータ生成方法によって、時間波形を表示する処理の流れを示すフローチャートである。ユーザが設定する第１時間解析範囲について、上述の如く、第１信号パス１７１からの周波数変換された時間領域データを用いて、パソコン・ブロック３０が必要な処理を行って、時間対電力波形、時間対Ｉ／Ｑ電圧波形などの第１時間波形を表示する（ステップ１０２）。ユーザは、操作パネル３４や表示画面上のカーソル７４及び７６をマウス４８で操作するなどして、ズーム範囲（第２時間解析範囲）を設定する（ステップ１０４）。第１及び第２ＤＤＣ１８１及び１８２に設定される第１及び第２ＬＯ周波数ｆ_ＬＯ１及び第２ＬＯ周波数ｆ_ＬＯ２は、同一に設定される（ステップ１０６）。第１及び第２時間スパンＴ_Ｓ１及びＴ_Ｓ２の比に応じて間引き率が設定され（ステップ１０８）、間引き処理に伴う第１及び第２信号パス間の遅延差及び時間オフセットＴ_Ｄに応じて第１及び第２ＦＩＦＯ２１１及び２１２の遅延量を設定する（ステップ１１０）。各信号パスで生成された周波数変換された時間領域データは、データ・メモリに一時的に保持された後、パソコン・ブロック３０が必要な処理を行って、時間対電力波形などの第１及び第２時間波形を夫々異なる表示領域に表示する（ステップ１１４）。

上述の如く、本発明によるシグナル・アナライザでは、当初の設定による第１解析範囲に関するデータと、その一部分を拡大した第２解析範囲に関するデータを被測定信号から同時に生成し、並行して更新できる。よって、時々刻々と変化する被測定信号を、異なる解析範囲に関してリアルタイムに測定や観測することができる。なお、好適な実施例に基づいて本発明を説明してきたが、種々の変更が可能である。例えば、第１信号パス及び第２信号パスの夫々にＡＤＣを設け、一方を低ビット数ながら高速なもの、他方を高ビット数ながら低速なものとしても良い。

従来のシグナル・アナライザのハードウェア・ブロック図である。時間領域データ及び周波数領域データを用いた表示例である。本発明によるシグナル・アナライザの機能ブロック図である。第１及び第２周波数解析範囲の関係を示す波形図である。第１及び第２時間解析範囲の関係を示す波形図である。本発明による周波数解析範囲の拡大表示処理の流れを示すフローチャートである。本発明による時間解析範囲の拡大表示処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１２入力減衰回路
１４アナログ・ダウン・コンバータ
１６アナログ・デジタル変換回路
１８１第１デジタル・ダウン・コンバータ
１８２第２デジタル・ダウン・コンバータ
２０１第１間引きフィルタ
２０２第２間引きフィルタ
２１１第１ＦＩＦＯ
２１２第２ＦＩＦＯ
３０パソコン・ブロック
３２ＣＰＵ
３４操作パネル
３６表示装置
３８バス・ブリッジ
４０バス
４２メモリ（ＲＡＭ）
４４ハード・ディスク・ドライブ
４６Ｉ／Ｏポート
４８マウス
４９外部キーボード
７０第２周波数解析範囲設定用カーソル
７２第２周波数解析範囲設定用カーソル
７４第２時間解析範囲設定用カーソル
７６第２時間解析範囲設定用カーソル

Claims

被測定信号を周波数変換し、中間周波数信号を生成する周波数変換手段と、
上記中間周波数信号のデジタル・データである中間周波数デジタル・データを生成するアナログ・デジタル変換手段と、
第１周波数解析範囲及び該第１周波数解析範囲より狭い任意の範囲に設定可能な第２周波数解析範囲を設定するための解析範囲設定手段と、
上記第１周波数解析範囲に応じて上記中間周波数デジタル・データをデジタル的に周波数変換する第１デジタル周波数変換手段と、上記第１周波数解析範囲に応じた第１間引き率に従って上記第１デジタル周波数変換手段が出力する時間領域データを間引きすることにより第１時間領域データを生成する第１間引き手段とを有する第１信号パスと、
上記第２周波数解析範囲に応じて上記中間周波数デジタル・データをデジタル的に周波数変換する第２デジタル周波数変換手段と、上記第１周波数解析範囲と上記第２周波数解析範囲の比率に応じて上記第１間引き率より高く設定される第２間引き率に従って上記第２デジタル周波数変換手段が出力する時間領域データを間引きすることにより第２時間領域データを生成する第２間引き手段とを有する第２信号パスと、
上記第１時間領域データを遅延することにより、上記第１及び第２信号パス間における処理時間の差を補う遅延手段と、
上記第１及び第２時間領域データを並行して受けて、演算により第１及び第２周波数領域データを生成する演算手段と
を具えるシグナル・アナライザ。
上記解析範囲指定手段が、第１時間解析範囲及び該第１時間解析範囲より狭い任意の範囲を有する第２時間解析範囲を設定し、
上記第１及び第２デジタル周波数変換手段それぞれの第１及び第２局部発信周波数を同一に設定し、
上記第１信号パスが、設定された上記第１時間解析範囲に応じて設定される上記第１間引き率に従って被測定信号の第１時間領域データを生成し、
上記第２信号パスが、上記第２時間解析範囲に応じて設定される上記第１間引き率よりも低い上記第２間引き率に従って上記被測定信号の第２時間領域データを生成し、
上記遅延手段が、上記第２時間領域データを遅延することにより、上記第１及び第２信号パス間における処理時間の差を補うことを特徴とする請求項１記載シグナル・アナライザ。