JP5218783B2

JP5218783B2 - 実時間スペクトラム・トリガ発生器

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Publication number: JP5218783B2
Application number: JP2009530497A
Authority: JP
Inventors: タン・カン; ピッカード・ジョン・ジェイ
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2027-08-10
Also published as: WO2008042506A2; KR101348970B1; EP2067046A2; US8233569B2; CN101523224B; WO2008042506A3; CN101523224A; US20080082278A1; JP2010505124A; KR20090057047A; TWI434047B; TW200831915A

Description

発明の背景

本発明は、オシロスコープ・トリガ・システムに関し、特に、実時間オシロスコープにおける実時間スペクトラム・トリガ発生器に関する。

実時間オシロスコープは、表示用の安定した波形、異常現象の迅速な取込みなどでユーザを援助する広範囲なトリガ・システムを有する。しかし、これらトリガ・システムは、図１に示すように、ノイズに埋もれた周期信号では、信号の連続した取込みで時間的な整合をとれるように、トリガすることができない。実時間オシロスコープには、スペクトラム・トリガが存在しない。オレゴン州ビーバートンのテクトロニクス社が製造している如き新たな実時間スペクトラム・アナライザは、周波数事象を捕捉すると共に時間領域で信号を表示するのを援助するスペクトラム・トリガを有する。しかし、マグニチュード（magnitude）スペクトラムのみを考慮するが、位相スペクトラムを考慮しない。周波数領域における位相は、時間領域における時間表示に対応する。波形データベースにおける信号の多数の取込みには、時間整合、即ち、位相整合が実時間オシロスコープに必要である。

連続した取込みの間の時間整合を達成するために、マグニチュード及び位相の両方を考慮した実時間オシロスコープ用のスペクトラム・トリガ・システムが望まれている。

発明の簡単な概要

そこで、本発明は、ノイズの存在下で周期的成分を有する入力信号の連続した取込みの間の時間的整合を行うために、マグニチュード及び位相の両方を考慮した実時間オシロスコープの実時間スペクトラム・トリガ・システムを提供するものである。周期的成分でトリガをかけるために、ユーザが所望周波数を入力するか、又は、入力信号、マグニチュードしきい値及び所望位相から所望周波数を自動的に選択することもできる。周波数、マグニチュード及び位相から、１組のフィルタ係数を計算し、二乗しきい値マグニチュード値を計算し、周期的成分を表す信号成分の比率及び入力成分の１つの符号を計算する。これらの値をハードウェア・システムに入力する。ここでは、入力信号をデジタル化して、信号サンプルを発生すると共に、計算したフィルタ係数に応じて、これらサンプルを直交（quadrature）ＦＩＲフィルタでろ波して、信号成分を発生する。周期的成分の周波数のマグニチュードの二乗を、成分比率及び符号と共に計算する。マグニチュードの二乗を、計算済みの入力しきい値の二乗と比較して、位相交差決定器用の付勢信号を発生する。位相交差決定器が付勢されたときに、信号成分サンプルの比率及び符号を算定して、計算済みの比率及び符号と比較して、位相交差を求める。補間も含めて、サンプル間のより正確な位相交差時点を提供する。信号位相が所望位相に等しいとき、トリガを発生して入力信号を取り込む。この結果、入力信号の連続的な取込みが時間的に整合する。

よって、本発明の概念は次のようになる。
（１）入力信号を、所定周波数に応じて直交する成分を有する周波数領域信号に変換する手段と；所定しきい値及び所定位相に応じて上記直交する成分からトリガを発生する手段とを具えた実時間スペクトラム・トリガ発生器。
（２）上記変換手段は、上記所定周波数から決まる係数を有するフィルタを具え、上記入力信号から上記直交する成分を発生する概念１の実時間スペクトラム・トリガ発生器。
（３）上記変換手段は、上記入力信号のサンプルを第１レートにて再循環法で蓄積する手段を更に具え、上記メモリからの上記サンプルを第２の低速で上記フィルタにより処理して、上記直交する成分を発生する概念２の実時間スペクトラム・トリガ発生器。
（４）上記変換手段は；上記入力信号から周波数スペクトラムを発生する手段と；上記所定周波数として最大値を有する上記周波数スペクトラム内の周波数を決定する手段とを更に具える概念２の実時間スペクトラム・トリガ発生器。
（５）上記発生手段は；上記周波数領域信号のマグニチュードとして上記直交する成分のマグニチュードの二乗の和を求める手段と；上記二乗の和を上記所定しきい値の二乗と比較して、上記所定周波数が上記周波数成分信号内に存在するときに付勢信号を発生する手段と；上記直交する成分の上記マグニチュードの比率を決定する手段と；上記付勢信号に応答して、上記比率及び上記所定位相に応じた上記トリガを生成する手段とを具える概念２、３又は４の実時間スペクトラム・トリガ発生器。
（６）上記変換手段は、上記所定周波数により決まる周波数を有する基準信号に応じて、上記入力信号から上記直交する成分を生成する手段を備える概念１の実時間スペクトラム・トリガ発生器。
（７）上記生成手段は；上記所定周波数を入力とし、上記基準信号の直交する成分を出力とする発振器と；上記入力信号を上記基準信号の直交する成分と混合して直交信号を発生する手段と；上記直交信号の各々をロウパスろ波して、上記周波数領域信号の上記直交する成分を発生する手段とを具えた概念６の実時間スペクトラム・トリガ発生器。
（８）上記発生手段は；上記周波数領域信号の直交する成分のマグニチュードの二乗の和を求めて、マグニチュード値を発生する手段と；上記マグニチュード値を上記所定しきい値と比較して、周波数検出信号を発生する手段と；上記基準信号の所定位相にて上記トリガを発生する手段とを具えた概念７の実時間スペクトラム・トリガ発生器。
（９）上記生成手段は；上記基準信号の直交する成分の１つを矩形波に変換する手段と；上記周波数検出信号が存在するときに上記矩形波のエッジにて上記トリガを発生する手段とを具えた概念８の実時間スペクトラム・トリガ発生器。
（１０）上記生成手段は、上記発生手段の前に上記所定位相に応じて上記矩形波を遅延させる手段を更に具えた概念９の実時間スペクトラム・トリガ発生器。
（１１）上記生成手段は；上記直交する成分のマグニチュードの比率を得る手段と；上記比率、上記所定位相、上記周波数検出信号に応じて上記トリガ信号を発生する手段とを具えた概念８の実時間スペクトラム・トリガ発生器。
（１２）所定周波数に応じて、入力の入力信号を出力の周波数領域信号の直交する成分に変換するフィルタと；所定しきい値及び所定位相に応じて、上記直交する成分からトリガを発生するトリガ発生器とを具えた実時間スペクトラム・トリガ発生器。
（１３）上記フィルタは、上記所定周波数で決まるフィルタ係数を有する１対のフィルタを具え、共通入力としての上記入力信号を各出力としての直交する成分に変換する概念１２の実時間スペクトラム・トリガ発生器。
（１４）上記入力信号を入力とし、周波数スペクトラムを出力とする時間周波数領域変換器と；周波数スペクトルを入力とし、最大値を有する周波数を出力とし、この周波数が上記所定周波数である周波数検出器とを更に具える概念１３の実時間スペクトラム・トリガ発生器。
（１５）第１レートで上記入力信号のサンプルを入力とし、出力が上記フィルタの入力に結合され、第２の低速レートで上記フィルタへの入力信号としてのサンプルを生成する再循環目を更に具える概念１３又は１４の実時間スペクトル・トリガ発生器。
（１６）上記トリガ発生器は；上記１対のフィルタの出力からの上記直交する成分を受けるように入力が結合され、二乗されたマグニチュード値を出力とするマグニチュード回路と；上記１対のフィルタの出力からの上記直交する成分を受けるように入力が結合され、マグニチュー比率及び符号を出力とする比率回路と；上記二乗されたマグニチュード値を第１入力とし、第２入力としての上記所定しきい値から導出された値と比較して、付勢信号を出力として生成する比較器と；上記マグニチュード比率及び符号を第１入力とし、上記所定位相から計算されたマグニチュード比率及び符号を第２入力とし、上記トリガを出力として生成する交差時点回路とを具える概念１３の実時間スペクトル・トリガ発生器。
（１７）上記フィルタは；上記所定周波数を入力とし、上記所定周波数の直交する成分を出力に供給する基準発振器と；上記入力信号を第１共通入力とし、上記所定周波数の上記直交する成分の夫々を第２入力として、上記入力信号用の直交する信号を生成する１対のミキサと；各々が上記ミキサの出力の各一方に結合された入力と、上記周波数領域信号の各直交する成分を提供する出力とを有する１対のロウパス・フィルタとを具えた概念１２の実時間スペクトル・トリガ発生器。
（１８）上記トリガ発生器は；上記基準発生器からの上記直交する成分の一方を受ける入力と、矩形波を提供する出力とを有するクリッパと；上記周波数領域信号の上記直交する成分を入力とし、二乗されたマグニチュード値を出力として提供する二乗回路と；上記二乗されたマグニチュード値を第１入力とし、上記所定周波数から導出した二乗されたしきい値を第２入力として、周波数検出信号を出力として提供する比較器と；上記周波数検出信号を入力とし、上記矩形波をクロック入力として、上記トリガを出力として供給するゲートとを具えた概念１７の実時間スペクトル・トリガ発生器。
（１９）上記トリガ発生器は；上記入力信号のサンプルを第１入力とする再循環メモリと；上記トリガを入力とし、トリガ位置を第１出力として提供し、停止コマンドを上記再循環メモリの第２入力に結合して、上記サンプルの受信を停止させるトリガ回路と；上記再循環メモリからの上記サンプルを第１入力として受け、上記トリガ位置を第２入力として受け、上記所定位相を第３入力として受け、上記所定位相に応じた時間整合用に調整された出力として取込みメモリに上記サンプルを供給するプロセッサとを更に具えた概念１８の実時間スペクトル・トリガ発生器。
（２０）上記トリガ発生器は；上記周波数領域信号の上記直交する成分及び上記所定しきい値を入力とし、周波数決定信号を提供する周波数決定回路と；上記周波数領域信号の上記直交する成分及び上記所定位相を入力とし、位相検出信号を出力として提供する位相検出器と；上記周波数検出信号及び上記位相検出信号を入力とし、上記トリガを出力とする組合せ器とを具えた概念１７の実時間スペクトル・トリガ発生器。
（２１）所定周波数に応じて、入力信号を、直交する成分を有する周波数領域信号に変換し；所定しきい値及び所定位相に応じて、上記直交する成分から実時間スペクトル・トリガを発生する実時間スペクトル・トリガを発生する方法。

本発明の目的、利点及び他の新規な特徴は、添付の特許請求の範囲及び添付図と一緒に参照することにより以下の詳細説明から明らかになろう。

時間領域トリガを用いて、ノイズが存在する周期的信号の連続的な取込み（ａ）及び（ｂ）を示す図である。本発明による実時間オシロスコープにおける実時間スペクトラム・トリガ・システムのブロック図である。本発明による実時間スペクトラム・トリガ・システム用のユーザ・インターレースの平面図である。複素信号をベクトルとして表す図である。本発明により正確なトリガ時点を得るための位相サンプルの補間を示す図である。ノイズのある信号に対する時間領域の表示の図である。ノイズのある信号に対する周波数領域の表示の図である。ノイズに埋もれた信号に対する時間領域の表示の図である。ノイズに埋もれた信号に対する周波数領域の表示の図である。本発明による実時間スペクトラム・トリガ・システムの別の実施例のブロック図である。

本発明の詳細な説明

図２を参照する。実時間オシロスコープにおける実時間スペクトラム・トリガ・システムは、図３に示すユーザ・インタフェースの如きユーザ入力部分１０を有する。ここでは、ユーザは、所望のトリガ周波数１２、トリガ周波数におけるマグニチュードしきい値１４、トリガ周波数における位相交差１６を入力できる。ユーザ入力に基づき、セットアップ部分２０は、ユーザ選択の周波数からパラメータ２２を計算し、ユーザのマグニチュードしきい値から二乗しきい値２４を計算し、ユーザ選択の位相交差から直交Ｉ／Ｑ比率及びＩ成分の符号を計算する。セットアップ部分２０において、実時間オシロスコープは、１組の計算を行い、その計算結果をオシロスコープ・ハードウェアにて用いる。離散型フーリエ変換（ＤＦＴ）を実施して、所望トリガ周波数でのスペクトラムを得る。

ここで、ｋは、特定の周波数ｆと、サンプリング・レートｆ_sのオシロスコープ水平セットアップにより決まる。式（１）は、有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタにより実施できるたたみ込み形式の離散型フーリエ変換（ＤＦＴ）を表す。オイラー（Euler）関数である式（２）を式（１）に代入して、係数がcos(2πnkm/N)に設定された（なお、m=0,1,....,N-1）第１ＦＩＲフィルタ（Ｉ）により実現できるスペクトラムの実部を発生する。係数がsin(2πnkm/N)に設定された（なお、m=0,1,....,N-1）直交ＦＩＲフィルタ（Ｑ）により、式（１）のスペクトラムの虚部を実現できる。複素スペクトラムが利用可能なとき、平方根及びアークタンジェントの複素関数を用いて、マグニチュード及び位相を計算できる。マグニチュード及び位相の均等は、しきい値の観点ではマグニチュードの二乗であり、位相交差の観点ではＩ／Ｑの比率とＩの符号である。これら値は、セットアップ計算２４、２６にて計算され、実時間トリガ・ハードウェア３０に送られる。図４は、マグニチュード及び位相の観点で表したＩ成分及びＱ成分を有する複素信号を示す。正弦周期信号は、Ｉ／Ｑ軸のゼロ点の周りで回転するベクトルと考えることができる。マグニチュードの二乗（Ｍ²）は、Ｉ及びＱ成分の二乗の和（Ｉ²＋Ｑ²）に等しく、位相は、Ｉ／Ｑの比率及びＩの符号の関数である。すなわち、第１象限において、比率は、Ｉの符号のままで正である。第２象限において、比率は、Ｉの符号のままで負である。第３象限において、比率は正であるが、Ｉの符号は負である。第４象限において、比率は負であるが、Ｉの符号は正である。

アナログ信号は、アナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ）３２によりサンプリングされ、次に、その結果のデジタル信号が各直交ＦＩＲフィルタ３４、３６によりろ波されて、特定周波数における複素スペクトラムを得る。ＦＩＲフィルタ３４、３６の出力は、二乗のマグニチュード決定器３８及び位相決定器４０に入力する。なお、位相は、Ｉ／ＱとＩの符号との組合せである。マグニチュード決定器３８からの出力は、計算された二乗されたしきい値２４との比較のために比較器４２に入力され、二乗されたマグニチュードが二乗されたしきい値を超えたときに付勢信号を発生して、所望周期信号が存在することを示す。位相決定器４０からの位相は、交差時点決定器４４に入力する。交差時点決定器４４は、また、計算された位相情報２６を入力とし、図５に示す如き補間を実行して、信号の位相が計算された位相に対応する時を正確に定めて、トリガ信号を発生する。交差時点決定器４４は、エッジ交差ハードウェアを用いても実現できる。トリガ信号を用いて、データ取込みをトリガし、交差時点決定器内の時間補間ハードウェアがサンプリング時点の分数を補償して、連続取り込みで正確に整合された波形を提供する。

オプションとしての設定は、ＤＦＴＦＩＲフィルタ３４、３６の前に窓関数を適用して、スペクトラムの漏れを低減することである。ハン窓関数、ハミング窓関数又はガウシャン窓関数の如き種々の窓関数を構成できる。窓関数をＤＦＴ関数と組合せて、ＦＩＲフィルタ３４、３６の一部として実施してもよい。

周波数ホッピング・システムをモニタするときのように、多数の周波数で入力信号をトリガする際、ＤＦＴの代わりに高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実施してもよい。位相情報を考慮して、連続した取り込みの間の整合を維持する。この整合は、平均化、等化時間取り込みなどの多くの取り込み動作にとって重要である。

トリガ機能に対してどの周波数に特定するかがユーザにとって確かでないとき、測定機器内のスペクトラム分析機能を用いて、パワー密度の高い入力信号の適切な周波数を見つけて、トリガ機能の周波数選択を自動化する。Ａ／Ｄ変換器３２からのデジタル化サンプルを高速フーリエ変換４４に入力して、入力信号用の周波数スペクトラムを発生する。最大スペクトラム・パワーの周波数スペクトラムからの周波数を最大（ｆ）機能４６で選択する。選択された周波数をフィルタ係数計算機能２２に自動的に入力する。

スペクトラム・トリガを実施する能力は、周波数領域内で生じたある事象を実時間オシロスコープが取り込めるようにする。例えば、オシロスコープは、信号歪を表す特定の調波のバーストでトリガを行える。周波数ホッピング・システムにとっては、スペクトラム・トリガが一度に各調波を捕捉できる。

スペクトラム・トリガは、図６ａ及び図６ｂに示すように、ノイズのある周期信号でのトリガの精度を改善する。ノイズのあるエッジはエッジ検出が信頼できなくなるので、時間領域のエッジ・トリガの精度が非常に悪くなる。波形エッジのノイズがひどいと、実時間オシロスコープの内のクロック回復システムでさえ適切に動作しないかもしれない。

スペクトラム・トリガにより、オシロスコープは、図７ａ及び図７ｂに示すようにノイズに埋もれた周期信号でトリガをかけることができる。この信号はノイズに埋もれているので、時間領域でエッジを見ることができない。しかし、この信号は、周波数領域では、ノイズ・フロアの外にある。ノイズが高周波数内に集中し、ロウパス・フィルタによりろ波できれば、時間領域トリガが動作するかもしれない。しかし、スペクトラム・トリガは、正確な信号取り込みを確実なものにし、関心のない周波数での総てのスペクトラムを無視する。正確な時間整合も確実になるので、平均化モードを用いて、時間領域内の信号の鮮明な表示が得られる。ノイズを平均化でなくし、時間領域表示に関心のある信号を残す。

図２を参照して上述した実施は、ハードウェアよって又はソフトウェアによって実行できる。ＦＩＲフィルタ３４、３６がＡＤＣ３２よりも低速で動作していれば、ＡＤＣからの出力は、バッファ・メモリ４８に入力でき、後で複数の取り込みの間にその内容を処理する。すなわち、ＡＤＣ３２は、入力信号をデジタル化し、データ・サンプルをバッファ・メモリ４８内に蓄積する。そして、一杯になったとき、バッファ・メモリの内容を上述のように処理する。バッファ・メモリ４８の内容を処理している期間中、ＡＤＣ３２からのサンプル・データが蓄積されない、即ち、失われる。

アナログでの実施を図８に示す。ここでは、入力信号がスプリッタ５０に入力して、２つの信号ストリームを形成する。これら信号ストリームの一方をＡＤＣ３２に入力してデジタル化して、再循環メモリ５２に蓄積する。信号ストリームの他方は、発振器５８からの基準信号の直交する成分の夫々と共に１対の直交ミキサ５４、５６に入力される。ミキサ５４、５６からの出力を各ロウパス・フィルタ６０、６２に入力し、その後に二乗回路６４、６６が続く。ミキサ５４、５６は、ロウパス・フィルタ６０、６２と共に、図２のＦＩＲフィルタ３４、３６に類似するＤＦＴ機能を果たす。二乗回路６４、６６の出力は、加算器６８に入力して、Ｍ²＝Ｉ²＋Ｑ²、即ち、入力信号のマグニチュードの二乗を発生する。前と同様に、二乗されたマグニチュードを比較器４２に入力して、特定のマグニチュードしきい値と比較する。比較器４２からの出力をゲート７０に入力する。このゲートは、発振器５８からの成分の１つにより制御される。この信号は、クリッパ７２により矩形波に変換されて、基準信号のゼロ交差にて制御信号が発生する。比較器４２から所望周波数が検出されると、ゲート７０がトリガ事象をトリガ回路７４に提供する。このトリガ回路は、再循環メモリ５４の蓄積を停止するために、基準信号と同相でトリガ信号を発生する。代わりに、遅延回路７１をクリッパ７２及びゲート７０の間に挿入して、その遅延量を所望位相により決めることにより、基準信号の所望位相にてトリガ回路７４がトリガ信号を発生してもよい。トリガ回路７４は、トリガ位置信号をデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）７６に提供してもよい。サンプル・データを各取り込みに対して所望位相になるように調整できるＤＦＴ機能を用いて、ＤＳＰ７６は、再循環メモリ５２からのサンプル・データを処理する。ＤＳＰ７６は、調整済みサンプル・データを更なる処理のために取り込みメモリに提供する。

代わりに、ロウパス・フィルタ６０、６２からの出力を分周器７８に入力してＩ／Ｑを得てもよく、その結果の比率を位相パラメータとの比較用に他の比較器８０に入力する。アンド・ゲート８２などにより、２個の比較器４２、８０からの出力を組合せて、トリガ事象をトリガ・システム７４に基準信号の所望位相と同相で供給できる。すべての場合において、取り込みメモリに渡される各取り込みを基準信号の同じ位相に関連させる、即ち、多数の取り込みを時間的に整合させる。

その結果、スペクトラム・トリガを含む強調トリガ・システムは、バースト波形、ノイズのある波形、周波数ホッピング波形の如き信号で実時間にて正確にトリガを行って、顕著な事象を正確に捕捉できる。正確な位相整合からの正確なトリガは、多数の取り込みアプローチの性能を改善する。マグニチュード及び位相の両方でトリガをかけるスペクトラム・トリガは、実時間オシロスコープの他に、実時間スペクトラム・アナライザの如き他の測定機器にも適用できる。スペクトラム・トリガをポスト取り込みモードにて用いることもできる。

よって、本発明は、基準信号に対する所望のマグニチュード及び位相の両方を有する所望周波数信号でトリガを行う強調トリガ・システム用のスペクトラム・トリガを提供するので、信号の各取り込みが、その信号の他の取り込みの各々と時間整合する。

Claims

時間領域の被試験入力信号を取込む取込みメモリを含む実時間オシロスコープに用いられる実時間スペクトラム・トリガ発生器であって、
上記被試験入力信号を所定周波数に応じて直交する成分を有する周波数領域信号に変換する変換手段と、
所定しきい値及び所定位相に応じて上記直交する成分からトリガを発生する発生手段とを具え、
上記実時間オシロスコープが更に
上記被試験入力信号のサンプルを第１入力で受ける再循環メモリと、
上記トリガを入力として受けて、トリガ位置信号を第１出力とし、上記再循環メモリの第２入力に供給されて上記サンプルの受信を停止させる停止コマンドを第２出力として供給するトリガ回路と、
上記再循環メモリからの上記サンプルを第１入力として受け、上記トリガ位置信号を第２入力として受け、上記所定位相を第３入力として受け、上記所定位相に応じて時間整合するよう調整された上記サンプルを出力として上記取込みメモリに供給するプロセッサと
を具えた実時間スペクトラム・トリガ発生器。
上記発生手段が、
上記周波数領域信号のマグニチュードとして上記直交する成分のマグニチュードの二乗の和を求める手段と、
上記二乗の和を上記所定しきい値の二乗と比較して、上記所定周波数が上記周波数成分信号内に存在するときに付勢信号を発生する手段と、
上記直交する成分の上記マグニチュードの比率を決定する手段と、
上記付勢信号に応答して、上記比率及び上記所定位相に応じた上記トリガを生成する手段と
を有する請求項１記載の実時間スペクトラム・トリガ発生器。
上記変換手段が、上記所定周波数により決まる周波数を有する基準信号に応じて、上記被測定入力信号から上記直交する成分を生成する手段を有し、
上記発生手段が、上記周波数領域信号の上記直交する成分のマグニチュードの二乗の和を求めて、マグニチュード値を発生する手段と、上記マグニチュード値を上記所定しきい値と比較して周波数検出信号を発生する手段と、上記基準信号の所定位相にて上記トリガを発生する手段とを有することを特徴とする請求項１記載の実時間スペクトラム・トリガ発生器。