JP5448452B2 - スペクトル・トレースを発生するデータ圧縮 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、総ての目的において全体の内容がここに組み込まれた２００５年１１月４日出願の米国仮出願番号第６０／７３３８４４号の利益を主張する。

背景

デジタル通信技術及び他の高性能システムの発展により、電気、音波又は光の波形の時間、周波数及び変調の領域を相関分析及び表示することは、試験及び測定ソフトウェア及び機器にとって重要になってきている。例えば、最新の通信システムは、時間バースト、周波数ホッピング、複素デジタル変調技術により特徴付けられる。

対象波形又は信号のスペクトル組成を試験するために、スペクトラム・アナライザがしばしば用いられる。従来の掃引型スペクトラム・アナライザは、スーパーヘテロダイン受信器を用い、周波数範囲にわたり局部発振器が掃引された。最新のスペクトラム・アナライザは、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）又は同様な数学処理により、サンプリングされた信号データ記録をスペクトル波形に変換できる。ベクトル信号分析器は、分析する信号の大きさ及び位相の両方の情報を提供することによりデジタル変調分析を行うように特別に設計されたツールである。

図１を参照する。スペクトラム・アナライザは、データ・サンプルのブロックから成る取込み記録１１０を収集し、ユーザは、集合的に時間、周波数及び変調領域にわたる記録の全体又は部分のいずれかを分析できる。取込み記録１１０の分析部分は、分析ウィンドウ１２０であり、分析ウィンドウ期間は、しばしば分析長と呼ばれる。分析長は、典型的には、所望測定に応じて設定される。

スペクトラム・アナライザの中間周波数（ＩＦ）段内の最狭フィルタの幅は、しばしば分解能帯域幅（ＲＢＷ）と呼ばれる。ＲＢＷは、接近した間隔の信号成分を分解する分析能力を決定する。ベクトル信号分析では、スペクトルのＲＢＷは、変換フレームの時間に逆比例する。

所望の分析ウィンドウは、しばしば複数の変換フレームを含んでもよい。例えば、ユーザは、短い分析時間のみを必要とするＲＢＷを選択できるが、ＲＢＷが必要とするよりも数倍長い時間の分析長を選択したいかもしれない。部分的なデータを用いて、要求されたＲＢＷを発生できる。代わりに、要求されたのと異なるＲＢＷの結果、全体のデータ・セットを用いることもできる。よって、従来のアプローチにおいて、ユーザが特定の分析時間を望むと、ＲＢＷも決まるか、又はＲＢＷの調整が可能とならないかもしれない。

本発明の概念は、次の通りである。
（１）データ記録を複数の変換フレームに分割し；時間領域から周波数領域への変換を用いて、各変換フレーム用のスペクトルを発生し；各フレームにおける対応ポイントのスペクトルの大きさに基づいて、上記複数のフレームを単一のスペクトル・トレースに組合せることを特徴とする方法。
（２）上記変換フレームは、分解能帯域幅長であることを特徴とする概念１の方法。
（３）上記複数のフレームを単一のスペクトル組合せるステップは、スペクトルの大きさの正ピーク、負ピーク、平均、正／負ピーク、正規、二乗平均平方根及び疑似ピークの少なくとも１つに基づいて上記フレームを組み合わせることを特徴とする概念１の方法。
（４）上記データ記録のソースは、アナログ信号又はデジタル・データ・セットであることを特徴とする概念１の方法。
（５）上記時間領域から周波数領域への変換は、チャープｚ変換であることを特徴とする概念１の方法。
（６）上記時間領域から周波数領域への変換は、高速フーリエ変換であることを特徴とする概念１の方法。
（７）ウィンドウ関数により各変換フレームを乗算するステップを更に具えることを特徴とする概念１の方法。
（８）信号を受けるポートと；該ポートと通信を行う回路とを具え；該回路は、デジタル化信号をフレームにセグメント化し、各フレームを時間領域表現から周波数領域表現に変換し、検出関数を用いて上記フレームを圧縮して単一のスペクトル・トレースを生成することを特徴とする装置。
（９）上記フレームは、分解能帯域幅フレームであることを特徴とする概念８の装置。
（１０）上記検出関数は、各フレームにおけるスペクトルの大きさの正ピーク、負ピーク、平均、正／負ピーク、正規、二乗平均平方根及び疑似ピークの少なくとも１つに基づいていることを特徴とする概念８の装置。
（１１）上記信号は、アナログ信号又はデジタル・データ記録から成ることを特徴とする概念８の装置。
（１２）上記時間領域から周波数領域への変換は、チャープｚ変換であることを特徴とする概念８の装置。
（１３）上記時間領域から周波数領域への変換は、高速フーリエ変換であることを特徴とする概念８の装置。
（１４）上記回路は、ウィンドウ関数により各変換フレームを乗算する構成になっていることを特徴とする概念８の装置。
（１５）信号データを複数の変換フレームに分割する手段と；時間領域から周波数領域への変換を用いて、各変換フレーム用のスペクトルを発生する手段と；各フレームにおける対応ポイントのスペクトルの大きさに応じて、分析ウィンドウから上記複数のフレームを単一のスペクトル・トレースに組合せる手段とを具えた装置。
（１６）上記変換フレームは、分解能帯域幅長であることを特徴とする概念１５の装置。
（１７）分析ウィンドウからの上記複数のフレームを単一のスペクトル組合せる手段は、スペクトルの大きさの正ピーク、負ピーク、平均、正／負ピーク、正規、二乗平均平方根及び疑似ピークの少なくとも１つに基づいて上記フレームを組み合わせる手段を有することを特徴とする概念１５の装置。
（１８）上記信号データは、アナログ信号又はデジタル・データ記録であることを特徴とする概念１５の装置。
（１９）上記時間領域から周波数領域への変換は、チャープｚ変換であることを特徴とする概念１５の装置。
（２０）上記時間領域から周波数領域への変換は、高速フーリエ変換であることを特徴とする概念１５の装置。
（２１）ウィンドウ関数により各変換フレームを乗算する手段を更に具えることを特徴とする概念１５の装置。

詳細な説明

ここでは、データ圧縮を用いてスペクトル・トレースを発生するシステム及び方法を開示する。一実施例において、データ圧縮及び周波数変換技術を用いて、スペクトラム・アナライザ上のデジタル化された大きさ対時間のデータからスペクトル・トレースを発生する。これらの原理は、スペクトラム・アナライザが分析長、分解帯域幅（ＲＢＷ）及び波形トレース・ポイントを切り離すことができることにより、一層柔軟な分析が行える。いくつかの実施例において、トレース圧縮を用いて、複数の周波数変換フレームを所望表示トレース・ポイントの単一のスペクトル・トレースに組合せることができる。この点は、図４及び図５を参照して詳細に後述する。トレース圧縮は、時々、検出（detection）と呼ばれる。

図２は、複数の周波数変換フレームに分割された分析ウィンドウ２１０を示す。連続した信号記録を取込んだ後、この信号記録を複数の周波数変換フレーム２２０に分割できる。いくつかの実施例において、ユーザが定義した分析長に応じて、より大きな分析記録から信号記録を選択してもよい。次に、チャープｚ変換、ＦＦＴ変換、又は他の適切な変換を用いて、各フレーム２２０、２２２を時間領域から周波数領域に変換できる。

いくつかの実施例において、カイザー、フラットトップ、ガウシャン、ハン、ブラックマン・ハリス（いくつかのバージョン）、ハミング、ブランクマン、ユニフォームなどの窓関数を個別の変換フレーム内のデータに適用して、スペクトル漏れを除去してもよい。窓関数を適用した後、変換を用いて、各変換フレームから１つのスペクトルを計算する。

図３は、データ圧縮によりスペクトル・トレースを発生する実施例３００を示す。アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）３１０は、アナログ信号３５０を受け、時間領域のデータ記録をデータ蓄積器３１５に出力する。この実施例では、処理経路のフロント・エンドにＡＤＣ３１０を示すが、他の実施例では、ＡＤＣ３１０を必要とせずにデジタル・データを直接的に受けてもよく、異なるアーキテクチャの任意のスペクトラム・アナライザにも適用できる。

つぎに、データ記録は、ブロック３１８に伝送されて、ＲＢＷブロックのサイズに分解される。ＲＢＷデータ・ブロックは、次に変換ブロック３２０に送られて、時間領域記録３６５から周波数領域記録３７０に変換される。上述の如く、本実施例は、チャープｚ変換を用いるが、他の実施例では、ＦＦＴ又は他の適切な変換を用いてもよい。

ｋがウィンドウ関連係数で、ブラックマン・ハリス４Ｂウィンドウにおいて約２であり、Ｆｓが要求されるスパン（Ｓｐａｎ）に対応するサンプル周波数として、トレース・ポイントがｋ＊Ｆｓ／ＲＢＷ未満ならば、トレース・ポイントは、ｋ＊Ｓｐａｎ／ＲＢＷよりも大きく増加できる。１つの方法は、現在のトレース・ポイントを整数倍して、図４における中間トレース・ポイント４１０を生成することである。中間トレース・ポイント４１０の数を選択して、それをｋ＊Ｓｐａｎ／ＲＢＷよりも大きくしてもよい。このステップは、任意のトレース・ポイント入力に対するスペクトル表示における信号ピークを見落とすことを減らすか又はなくす。

変換ブロック３２０内のチャープｚ変換に続いて、トレース圧縮を用いて、各スペクトル・フレームのポイント４１０の数を各周波数変換フレームに必要なトレース・ポイント数に減らしてもよい。

図４は、トレース圧縮を示し、各スペクトル・トレース内のポイント４１０の数を、各周波数変換フレーム４２０、４４０及び４５０用の所望数に減らす。このステップは、トレース・ポイント４１２の数がＲＢＷフレーム内のサンプル数よりも小さな値に設定されたときに、信号ピークを見落とすことを減らすか又はなくす。

図３を参照する。変換ブロック３２０の後、トレース圧縮ブロック３２５にて、周波数領域記録３７０を圧縮して、各スペクトル・フレームを所望数のトレース・ポイントに圧縮する。ブロック３２５におけるトレース圧縮の後に、フレーム圧縮ブロック３２８にて複数フレームを単一のスペクトル・トレースに圧縮し、表示圧縮ブロック３３０に入力して、表示器３３５又はいくつかの別の蓄積装置又は処理装置に送る。いくつかの実施例では、データ圧縮を用いて、他のハードウェア、ソフトウェア、又はハードウェア及びソフトウェアの種々の組合せによりスペクトル・トレースを発生してもよいが、図３に示すハードウェアに制限されるものではない。

いくつかの実施例において、分析長が変換フレーム４２０、４４０及び４５０の長さの正確な整数倍でないならば、残りの部分が無視できるか、又は、最終変換フレームが、最後から２番目のフレーム４４０又は他のフレームと重なることができる。また、過渡信号検出能力を改善するために、変換フレーム４２０、４４０及び４５０を総て重ねて、窓関数に起因する変換フレーム・エッジでのディエンファシス効果を低減できる。

図５は、検出器の実施例５００を示し、周波数フレームＡ、Ｂ、Ｃ及びＤを単一のスペクトル・トレース５１４に組合せる。周波数フレームの特徴を検出し、フレーム特徴に応じて複数のフレームの組合せ合わせを可能とする最大（正ピーク）、最小（負ピーク）、平均（中間）、最大／最小（正／負ピーク）、正規、二乗平均平方根、疑似ピーク又は他の検出器モードの如く使用するアプリケーションに基づいて異なる検出器モードを使用できる。

図３と共に図５を参照する。周波数フレームＡ、Ｂ、Ｃ及び任意周波数フレームｎまでが、ＲＢＷ３１８からのＲＢＷサイズ・ブロックから成る信号に応答できる。変換ブロック３２０内の時間対周波数変換を行った後に、５１２に示すように、対応するスペクトル成分５２０、５２５及び５３０に応じて、検出機能を用いて、周波数フレームＡ〜Ｃを組合せしてもよい。図５に示す例は、正ピーク検出機能であり、例えば、スペクトル成分５４２は、周波数フレームＡ、Ｂ及びＣからの１組の対応スペクトル成分の正ピークである。

図６は、複数の周波数フレームを単一のスペクトル・トレースに組合せる実施例の方法６００を示す。ステップ６１０にて、方法６００は、図２に示すように、分析データを複数の変換フレームに分割する。いくつかの実施例において、変換フレーム長は、ｋ＊Ｆｓ／ＲＢＷにより決まる。なお、ｋは、窓関係係数である。Ｆｓは、要求されたスパンに対応するサンプル周波数であり、中間トレース・ポイントを決めるのに用いるのと同じである。代わりに、いくつかの実施例では、ここで説明した如く、各変換フレームを窓関数と乗算してもよい。

ブロック６２０において、スペクトルが各変換フレーム用に生成される。いくつかの実施例においては、チャープｚ関数、ＦＦＴ関数、又は他の適切な変換を用いて、スペクトルを発生する。一実施例において、図４と関連して上述したように、１組の中間トレース・ポイントを発生する。別の実施例においては、中間トレース・ポイントを発生しない。中間ポイントが使用されると、定義済み検出器を用いて、所望トレース・ポイント４３０への各出力スペクトル・トレースを減少できる。

方法６００は、図５にて上述したように、各フレームにおける対応ポイントのスペクトルの大きさに基づいて、分析ウィンドウからのスペクトル・データの複数のフレームを単一のスペクトル・トレースに組合せてもよい。方法６００は、要求されたＲＢＷ及び所望トレース・ポイントの両方を満足させるスペクトル・トレースを発生できる。さらに、分析ウィンドウ内の全データを用いてスペクトルを発生でき、よりコーヒレントの比較を他の領域分析と行える。また、データ圧縮技術として検出器を用いて、任意の異常なスペクトルの動きを容易に識別できる。

上述の開示は、独立のユーティリティを伴う複数の独自の発明を包含すると信じられる。これら発明の各々を好ましい形式として開示したが、ここで説明し図示した特定の実施例は、限定するものとはみなされず、種々の変形が可能である。本発明の要旨は、総ての新規で明らかでない組合せや、上述の種々の要素、特徴、機能及び／又は特性の副次的組合せを含む。

特徴、機能、要素及び／又は特性の種々の組合せ及び副次的組合せにて実現した発明は、本願にて請求されている。かかる請求項は、それらが異なる発明を目指すものであっても、同じ発明を目指すものであるかに関わらず、任意の独自の請求項と異なるか、広いか、狭いか、同じであるに関わらず、ここで開示の発明の要旨の範囲内に含まれるものとしてみなせる。

図１は、分析ウィンドウを含むサンプル・データの取込み記録を示す。 図２は、複数の周波数変換フレームに分割される信号記録を示す。 図３は、スペクトル・トレースを発生するためのデータ圧縮を行う実施例を示す。 図４は、複数の周波数変換フレーム用の必要なトレース・ポイントに多くの中間トレースを減らすのに用いるトレース圧縮を示す。 図５は、複数の周波数フレームを単一のスペクトル・トレースに組合せる実施例の検出器モードを示す。 図６は、複数の周波数フレームを単一のスペクトル・トレースに組合せる実施例の方法を示す。

Claims (2)

1. スペクトラム・アナライザ用のスペクトル・トレースを発生する方法であって、
   アナログ信号をデジタル化し、ユーザが選択した分析長のデジタル・データ記録を発生するステップと、
   上記デジタル・データ記録を複数の変換フレームに分割するステップと、
   時間領域から周波数領域への変換を用いて、上記変換フレームの各々をスペクトル・フレームに変換するステップと、
   ユーザが選択した数のトレース・ポイントに上記スペクトル・フレームの各々を圧縮するステップと、
   上記スペクトル・フレーム各々の対応するポイントのスペクトルの大きさに基づいて、上記複数のスペクトル・フレームを上記スペクトル・アナライザ用の上記スペクトル・トレースに組合せるステップとを具え、
   上記変換フレームの各々の長さを、ユーザが選択した分解能帯域幅で決めることを特徴とする方法。
2. アナログ信号をデジタル化し、ユーザが選択した分析長のデジタル・データ記録を発生するアナログ・デジタル変換器と、
   上記デジタル・データ記録を複数の変換フレームに分割する手段と、
   時間領域から周波数領域への変換を用いて、上記変換フレームの各々をスペクトル・フレームに変換する変換ブロックと、
   ユーザが選択した数のトレース・ポイントに上記スペクトル・フレームの各々を圧縮するトレース圧縮ブロックと、
   検出機能を用いて、上記複数のスペクトル・フレームを単一のスペクトル・トレースに組合せるフレーム圧縮ブロックとを具え、
   上記変換フレームの各々の長さを、ユーザが選択した分解能帯域幅で決めることを特徴とする装置。

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