JP6151895B2 - 試験測定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、試験測定装置に関し、特に、周波数領域でデジタル化波形を観測するのに適した試験測定装置及び方法に関する。

本願は、２０１１年８月１９日に出願された米国仮特許出願第６１／５２５６２０号に基づく優先権を主張する。また、本願は、２０１２年２月２３日に出願された米国特許出願番号第１３／４０３３１９号、発明の名称「時間相関信号取込み及び観測のための装置及び方法」とも関連がある。

近年のデジタル・オシロスコープには、一般に、所与の入力信号の時間領域波形を生成する能力がある。装置によっては、その入力信号のスペクトラム又は周波数領域表示を生成する能力を有するものもある。そうしたオシロスコープ内のデジタル・プロセッサは、周波数領域波形を生成するために、一般に入力信号に対して周波数領域変換を実行する。周波数領域波形を生成するために、種々の変換パラメータを用いることができる。これら変換パラメータを調整すると、対応する周波数領域波形も変わってくる。

特表２００９−５１５１９９号

既存の装置では、周波数領域波形を生成するのに使用した変換パラメータを効果的に示す方法がない。そのため、こうした能力を有する試験測定装置に対するニーズがある。

本願は、試験測定装置及び方法を開示する。試験測定装置には表示装置があり、これには、時間領域表示エリアと、周波数領域表示エリアとがある。プロセッサは、第１入力信号を処理して時間領域波形を生成し、時間領域表示エリア中に表示すると共に、第１入力信号を時間基準（タイム・ベース）と相関させるように構成される。プロセッサは、また、第２入力信号を処理して周波数領域波形を生成し、周波数領域表示エリア中に表示すると共に、第２入力信号を上述の同じ時間基準と相関させるように構成される。周波数領域波形は、時間基準の選択された期間と相関させられる。プロセッサは、スペクトラム時間インジケータを生成するように構成され、このスペクトラム時間インジケータは、時間領域表示エリア中に、周波数領域波形に関する変換パラメータ、位置及び選択された時間的期間を、グラフィカルに示す。

第１入力信号及び第２入力信号は、同じ信号でも良い。変換パラメータは、関連する形状を有する変換ウィンドウの形式としても良い。試験測定装置は、複数のウィンドウ形式からウィンドウ形式を選択するように構成された入力コントロール部を有していても良い。スペクトラム時間インジケータの幅で、周波数領域波形に関して、時間領域表示エリアの選択された時間的期間を示すようにしても良い。試験測定装置は、入力信号及び複数のユーザ・コントロールを受けるように構成された入力部を有していても良い。

本発明の概念１は、試験測定装置であって、
時間領域表示エリア及び周波数領域表示エリアを有する表示装置と、
第１入力信号を処理して時間基準と相関を取ると共に上記時間領域表示エリアに表示する時間領域波形を生成し、第２入力信号を処理して上記時間基準と相関を取ると共に上記周波数領域表示エリアに表示する周波数領域波形を生成し、該周波数領域波形と上記時間基準の選択された時間的期間との相関を取るように構成されるプロセッサとを具え、
該プロセッサが、上記時間領域表示エリア中に、上記周波数領域波形に関する変換パラメータ、位置及び選択された上記時間的期間をグラフィカルに示すよう構成されたスペクトラム時間インジケータを生成するように構成されることを特徴としている。

本発明の概念２は、概念１の試験測定装置であって、上記第１入力信号及び上記第２入力信号が同じ信号であることを特徴としている。

本発明の概念３は、概念１の試験測定装置であって、上記変換パラメータは、関連する形状を有する変換ウィンドウ形式であることを特徴としている。

本発明の概念４は、概念１の試験測定装置であって、複数のウィンドウ形式から上記ウィンドウ形式を選択するよう構成された入力コントロール部を更に具えている。

本発明の概念５は、概念１の試験測定装置であって、上記スペクトラム時間インジケータが幅が、上記周波数領域波形に関する上記時間領域表示エリアの選択された上記時間的期間を示すことを特徴としている。

本発明の概念６は、概念１の試験測定装置であって、上記入力信号を受けるように構成された入力部を更に具えている。

本発明の概念７は、概念１の試験測定装置であって、複数のユーザ・コントロール部を更に具えている。

本発明の概念８は、試験測定方法であって、
時間領域表示エリア及び周波数領域表示エリアを表示するステップと、
第１入力信号を処理して時間基準と相関を取ると共に上記時間領域表示エリアに表示する時間領域波形を生成し、第２入力信号を処理して上記時間基準と相関を取ると共に上記周波数領域表示エリアに表示する周波数領域波形を生成し、該周波数領域波形と上記時間基準の選択された時間的期間との相関を取るステップと、
上記時間領域表示エリア中に、上記周波数領域波形に関する変換パラメータ、位置及び選択された上記時間的期間をグラフィカルに示すよう構成されたスペクトラム時間インジケータを生成するステップと、
を具えている。

本発明の概念９は、概念８の方法であって、上記第１入力信号及び上記第２入力信号が同じ信号であることを特徴としている。

本発明の概念１０は、概念８の方法であって、上記変換パラメータは、関連する形状を有する変換ウィンドウ形式であることを特徴としている。

本発明の概念１１は、概念８の方法であって、複数のウィンドウ形式から上記ウィンドウ形式を選択するための制御入力を受けるステップを更に具えている。

本発明の概念１２は、概念８の方法であって、上記スペクトラム時間インジケータが幅が、上記周波数領域波形に関する上記時間領域表示エリアの選択された上記時間的期間を示すことを特徴としている。

本発明の概念１３は、コンピュータ読み出し可能な媒体であって、試験及び測定を実行するよう構成されたプロセッサで実行したときに、
第１入力信号を処理して時間基準と相関を取ると共に上記時間領域表示エリアに表示する時間領域波形を生成し、第２入力信号を処理して上記時間基準と相関を取ると共に上記周波数領域表示エリアに表示する周波数領域波形を生成し、該周波数領域波形と上記時間基準の選択された時間的期間との相関を取る処理と、
上記時間領域表示エリア中に、上記周波数領域波形に関する変換パラメータ、位置及び選択された上記時間的期間をグラフィカルに示すよう構成されたスペクトラム時間インジケータを生成する処理と
が実行されるコンピュータ・プログラムを記録している。

本発明の概念１４は、概念１３のコンピュータ読み出し可能な媒体であって、上記第１入力信号及び上記第２入力信号が同じ信号であることを特徴としている。

本発明の概念１５は、概念１３のコンピュータ読み出し可能な媒体であって、上記変換パラメータは、関連する形状を有する変換ウィンドウ形式であることを特徴としている。

本発明の概念１６は、概念１３のコンピュータ読み出し可能な媒体であって、上記コンピュータ・プログラムを上記プロセッサで実行したときに、複数のウィンドウ形式から上記ウィンドウ形式を選択するための制御入力を受ける処理が更に実行されることを特徴としている。

本発明の概念１７は、概念１３のコンピュータ読み出し可能な媒体であって、上記スペクトラム時間インジケータが幅が、上記周波数領域波形に関する上記時間領域表示エリアの選択された上記時間的期間を示すことを特徴としている。

本発明の目的、効果及び他の新規な点は、以下の詳細な説明を添付の特許請求の範囲及び図面とともに読むことによって明らかとなろう。

図１は、複数の表示エリアに分割された表示装置を有するオシロスコープの各要素の関係を示す図である。 図２は、時間領域波形、周波数領域波形及びスペクトラム時間インジケータを表示するよう構成された表示画面上の表示要素の関係を示す図である。 図３は、時間領域波形、周波数領域波形及びスペクトラム時間インジケータを表示するよう構成された表示画面上の表示要素の関係を示す図である。 図４は、時間領域波形及び周波数領域波形と、ＦＦＴウィンドウ形状を示すスペクトラム時間インジケータとを表示するよう構成された表示画面上の表示要素の関係を示す図である。 図５は、周波数領域波形及びスペクトラム時間インジケータを生成する汎用名処理ステップを示すフローチャートである。

本願では、デジタル化波形を周波数領域で観測するように構成された試験測定装置を説明する。時間相関された信号取込み並びにアナログ、デジタル及びＲＦ信号の観測が、１つの装置で実現できる。これは、表示装置の表示画面を２つの領域に分け、１つを時間領域波形用とし、もう１つを周波数領域波形用とすることで行われる。ユーザには、スペクトラム（周波数領域）波形が計算された時間領域中の時間的期間を示す指標が提示される。また、周波数領域波形がどのように生成されたかをグラフィカルに示す指標もユーザに提示される。

図１は、表示装置の画面１２を有するオシロスコープ１０のブロック図であり、表示画面１２は表示エリア１４及び１６に分割される。表示エリア１４及び１６は、それぞれ少なくとも１つの波形２４及び２６がグラフィカルに表示され、その他に、例えば、軸、グラフ情報、文字等のグラフィカルな指標３４及び３６が表示されるように構成される。また、オシロスコープ１０には、ユーザの入力をうけるよう構成されたユーザ・コントール部１８と、試験信号などを受けるよう構成された複数の電気入力端子２０とがある。ユーザ・コントール部１８は、詳しくは後述するように、スペクトラムの位置、スペクトラム時間、ＦＦＴウィンドウ形状を選択するよう構成される１つ以上のユーザ入力部を有しても良い。

この例では、オシロスコープ１０は、単独のユニットとして実現され、プログラム情報及びデータを蓄積するよう構成された関連するメモリ２３を有するプロセッサ２２を含む信号取込みシステム２１を有している。プロセッサ２２が、入出力ポート、アナログ・デジタル変換回路、表示生成回路など、その他の回路に結合されていても良い。プロセッサ２２は、ユーザ・コントロール部１８を介して、ユーザ入力の少なくとも一部を受けるよう構成される。また、プロセッサは、表示エリア１４及び１６で表示される情報の少なくとも一部を生成するよう構成される。オシロスコープは、デスクトップ、ラップトップ、タブレット、スマートフォンなどのコンピュータ・デバイスを含む演算デバイスを用いて実現される実施形態を含む多様なハードウェア及びソフトウェアで実現しても良いと理解すべきである。

本願の理解を容易にするのため、以下に定義を示す。

スペクトラム時間：周波数領域表示エリアに表示される周波数領域波形の形成に必要となる時間の量。

スペクトラム位置：時間領域表示エリアにおける時間領域波形に対するスペクトラム時間の開始位置。

ＦＦＴウィンドウ：時間領域取込みデータの両端における不連続性を解消するために時間領域データに適用される数学的な関数（窓関数）。多くの種類のＦＦＴウィンドウがあり、ある種類のＲＦ測定に適したものも、他の種類のＲＦ測定では、別の種類のものの方が適切であったりするが、得られる周波数領域波形の外見には、それぞれ異なる影響を与える。

図２〜図４は、時間領域波形及び周波数領域波形の両方を表示するように構成された表示画面の例を示す。簡単のため、入力信号は、電力が一定で、３つの異なる周波数間を連続して遷移する周波数ホッピンング信号であるとする。この信号は、図１に示すような、同じ信号を時間領域及び周波数領域の両方の領域（Domain：ドメイン）で時間相関を取って同時に表示可能な米国テクトロニクス社製ＭＤＯ４１０４−６型ミックスド・ドメイン（Mixed Domain：領域混在型）オシロスコープなどで、取り込まれるものとする。なお、当然ながら、異なる複数の入力信号を用いて時間領域波形及び周波数領域波形を生成しても良い。

図２は、複数の表示エリアに分割された表示画面１２の各要素の関係を示している。この例では、上部表示エリアが時間領域表示エリア４０であり、これは、複数の電気入力端子２０の１つに供給された時間領域信号を表す時間領域波形４２（時間対周波数）を表示するよう構成される。なお、当然ながら、本発明の原理から離れること無く、時間対振幅など、種々の時間領域波形を生成させるようにしても良い。表示画面１２は、周波数領域表示エリア４４で表示される周波数領域波形の中心周波数の位置を示すよう構成される中心周波数インジケータ４８を、時間領域表示エリア４０に表示される時間対周波数波形４２と共に表示するようにしても良い。この例では、中心周波数インジケータ４８より上の点は、中心周波数より高い周波数であり、中心周波数インジケータ４８より下の点は中心周波数より低い周波数である。また、この例では、中心周波数インジケータ４８は、その三角形の形状の中にｆの文字を表示している。この例では、時間領域波形は、左から右へと動くに従って、中位の周波数で始まって、より高い周波数へと動き、次に低い周波数へと動き、続いて中位の周波数へと戻り、そして、高い周波数へ動き、最後に低い周波数へと戻っている。当然ながら、表示画面１２は、複数の電気入力端子２０に印加された複数別々の信号から生成される複数別々の時間波形を同時に表示するようにもできる。

下部表示エリアは、周波数領域表示エリア４４であり、これは、複数の入力端子２０の１つに印加された信号から生成された周波数領域波形４６を表示するよう構成され、このとき、周波数領域波形４６は、時間領域表示エリア４０に表された時間の少なくとも一部分に対応する。また、表示画面１２は、周波数領域波形４６を生成するのに使われた時間的期間をグラフィカルに示すよう構成されたシンプルなスペクトラム時間インジケータ５０を表示するようにしても良い。時間領域表示エリア４０中に図示したようにスペクトラム時間インジケータ５０を配置することによって、ユーザは、周波数領域波形４６が図示された時間的期間を占めるということを理解できる。ここで、スペクトラム時間で示される期間において、信号が３つの異なる周波数の夫々で同じ期間だけ留まって順次遷移したとする。しかし、ユーザが実際に観測するものは、図３に示すものとなる。

図３は、複数の電気入力端子２０の１つに供給された時間領域信号を表す時間領域波形６２（時間対周波数）を表示するよう構成される時間領域表示エリア６０を有する表示画面１２を示している。また、表示画面１２は、複数の電気入力端子２０の１つに供給された信号から生成された周波数領域波形６６を表示するよう構成される周波数領域表示エリア６４を有する。このとき、周波数領域波形６６は、時間領域表示エリア６０に表された時間の少なくとも一部分に対応する。表示画面１２は、周波数領域表示エリア６４に表示された波形の中心周波数の位置を示すよう構成された中心周波数インジケータ６８を、時間領域表示エリア６０中の時間対周波数波形６２と共に表示するようにしても良い。表示画面１２は、周波数領域波形６６を生成するのに使用した時間的期間をグラフィカルに示すよう構成されるシンプルなスペクトラム時間インジケータ７０を表示する。

時間領域波形６２を見ると、なぜ周波数領域波形６６が図示したように表示されるのか、直ぐにはわからない。このとき、高い周波数ピーク６７だけが、大きな振幅となっている。時間領域表示エリア６０で示されるように、信号は、３つの周波数夫々の全てにおいて、同じ期間だけ留まっているにもかかわらず、低い周波数ピーク６３及び６５では小さい振幅となっている。これは、周波数領域波形６６を生成するのに使われた特定の変換パラメータ、例えば、ＦＦＴウィンドウの形状が原因である。

図４は、改良した表示画面１２を示し、これには、複数の電気入力端子２０の１つに供給された時間領域信号を表す時間領域波形８２（時間対周波数）を表示するよう構成された時間領域表示エリア８０がある。表示画面１２には、また、周波数領域表示エリア８４があり、これは、複数の電気入力端子２０の１つに印加された信号から生成された周波数領域波形８６が表示されるよう構成され、周波数領域波形８６は、時間領域表示エリア８０に表される時間の少なくとも一部に対応している。表示画面１２は、時間領域表示エリア８０に表示される時間対周波数波形８２内に、周波数領域表示エリア８４における中心周波数の位置を示すよう構成される中心周波数インジケータ８８を表示しても良い。表示画面１２は、周波数領域波形８６を生成するのに使用された時間的期間及びＦＦＴウィンドウ形状をグラフィカルに示すよう構成されるスペクトラム時間インジケータ９０を表示する。

時間領域波形８２とスペクトラム時間インジケータ９０の形状との関係を見れば、なぜ周波数領域波形８６が図示したように表示されるのかが、今度は容易に理解できる。高い周波数ピーク８７が大きな振幅なのは、信号が高周波数となっている期間が、ＦＦＴウィンドウの中央部分に来ており、その両端に近い部分ほどには減衰されていないからである。中周波数８３及び低周波数８５となっている期間では、それぞれの期間に対応する時間領域データの振幅値が、スペクトラムを生成するのに使用されるＦＦＴウィンドウ関数の形状によって減少される。スペクトラム時間インジケータ９０は、その時間的な位置に加えて、ＦＦＴウィンドウの形状をグラフィカルに示すことによって、ユーザが対応するスペクトラム表示を理解しやすくしている。

当然ながら、本願の原理を離れることなく、多様なＦＦＴウィンドウの形状を利用できる。例えば、ＦＦＴウィンドウ（窓関数）は、図４に示すような一般的なガウスでも良いし、矩形、三角形、ハニング（Hanning）、ハミング（Hamming）、ポイゾン（Poisson）、コーシー（Cauchy）、カイザーベッセル（Kaiser-Bessel）などの他のものでも良い。

図５は、本願で開示した機能を実行する汎用な処理ステップを示すフローチャートである。本願で示すフローチャートは、説明上有用な部分だけであり、典型的なシステム・ソフトウェアでは、当然ながら、図示しないその他のプログラムの開始及び終了点、タイム・アウト機能、エラー・チェック・ルーチンなどが通常実装される。また、システム・ソフトウェアは、起動後は、連続して動作していると理解されたい。従って、コードの一部である論理的開始及び終了点を示す開始及び終了点は、メイン・プログラムに統合されており、必要に応じて実行される。各ステップの実行の順番は、本発明の原理から離れることなく、変更しても良い。当業者であれば、こうした点は容易に実現可能であろう。

ステップ１０２に示すように、１つ以上の入力信号が取り込まれて、例えば、デジタル化されて、メモリに蓄積される。デジタル化入力信号は、一般に、既知の時間基準（タイム・ベース）に従ったサンプルのシリーズ（サンプルのデータ列）を含んでいる。ステップ１０４では、スペクトラム時間及びスペクトラム位置を受ける。ステップ１０６では、ＦＦＴウィンドウ形状が決定される。スペクトラム時間及びスペクトラム位置並びにＦＦＴウィンドウ形状については、図１に示す前面パネル・コントロール部３８を介してユーザの指示を受けるようにしても良い。もしユーザが何も入力しなければ、スペクトラム時間及びスペクトラム位置並びにＦＦＴウィンドウ形状を初期設定値に設定するようにしても良い。

ステップ１０８を参照すると、プロセッサは、入力信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）のような周波数領域変換を行う。このとき、スペクトラム時間及びスペクトラム位置の入力を利用して、この時間的期間に対応する入力信号サンプルが特定される。ステップ１１０に示すように、周波数領域波形が生成される。そして、選択されたＦＦＴウィンドウの形式に対応する形状を用いて、スペクトラム時間インジケータが生成される。続いて、ステップ１１２に示すように、スペクトラム時間及びスペクトラム位置並びにＦＦＴウィンドウ形式をグラフィカルに表現するように、表示画面上にスペクトラム時間インジケータが重ねて表示される。

本願の開示に基づいて、多くの変形が可能なことはいうまでもない。機能及び構成要素を特定の組み合わせで説明してきたが、各機能又は要素を、他の機能及び要素を組み合わせずに単独で用いても良いし、他の機能及び要素を別の形で組み合わせて用いても良い。本願で開示した方法やフローチャートは、汎用コンピュータ又はプロセッサで実行できるように、コンピュータ読み出し可能な（非一時的）記録媒体に組み込んだコンピュータ・プログラム、ソフトウェア又はファームウェアとして実現されても良い。コンピュータ読み出し可能な記録媒体の例には、リード・オンリー・メモリ（ＲＯＭ）、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、レジスタ、キャッシュ・メモリ、半導体メモリ・デバイス、内蔵ハード・ディスクやリムーバブル・ディスクのような磁気媒体、光磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭディスクやＤＶＤのような光学媒体などが含まれる。

適切なプロセッサには、例としては、汎用プロセッサ、専用プロセッサ、従来型プロセッサ、デジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアを伴う１つ以上のマイクロプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）その他の集積回路やステート・マシーンなどが含まれる。

１０ オシロスコープ
１２ 表示画面
１４ 表示エリア
１６ 表示エリア
１８ ユーザ・コントール部
２０ オシロスコープの入力端子
２１ 信号取込みシステム
２２ プロセッサ
２３ メモリ
２４ 表示波形
２６ 表示波形
３４ 表示指標
３６ 表示指標
３８ 前面パネル・コントロール部
４０ 時間領域表示エリア
４２ 時間領域波形（時間対周波数）
４４ 周波数領域表示エリア
４６ 周波数領域波形
４８ 中心周波数インジケータ
５０ スペクトラム時間インジケータ
６０ 時間領域表示エリア
６２ 時間領域波形
６４ 周波数領域表示エリア
６６ 周波数領域波形
６８ 中心周波数インジケータ
７０ スペクトラム時間インジケータ
８０ 時間領域表示エリア
８２ 時間領域波形
８４ 周波数領域表示エリア
８６ 周波数領域波形
８８ 中心周波数インジケータ
９０ スペクトラム時間インジケータ

Claims (2)

1. 時間領域表示エリア及び周波数領域表示エリアを有する表示装置と、
   時間基準に従って入力信号を処理して上記時間領域表示エリアに表示する時間領域波形を生成すると共に、上記時間基準に従って上記入力信号を処理して上記周波数領域表示エリアに表示する周波数領域波形を上記時間基準の選択された時間的期間と対応させて生成するように構成されるプロセッサとを具え、
   該プロセッサが、上記時間領域表示エリア中に、上記周波数領域波形の作成に使用するフーリエ変換でのウィンドウ関数のウィンドウ形状と、上記周波数領域波形に関して選択された上記時間的期間とをグラフィカルに示すよう構成されたスペクトラム時間インジケータを生成すると共に、上記時間領域波形を上記入力信号の時間に対する周波数の変化を示す波形として生成するように構成されることを特徴とすることを特徴とする試験測定装置。
2. 表示装置を有する試験測定装置において実行される試験測定方法であって、
   時間領域表示エリア及び周波数領域表示エリアを上記表示装置上に表示するステップと、
   時間基準に従って入力信号を処理して上記時間領域表示エリアに表示する時間領域波形を生成すると共に、上記時間基準に従って上記入力信号を処理して上記周波数領域表示エリアに表示する周波数領域波形を上記時間基準の選択された時間的期間と対応させて生成するステップと、
   上記時間領域表示エリア中に、上記周波数領域波形の作成に使用するフーリエ変換でのウィンドウ関数のウィンドウ形状と、上記周波数領域波形に関して選択された上記時間的期間とをグラフィカルに示すよう構成されたスペクトラム時間インジケータを生成するステップと、
   を具え、上記時間領域波形を上記入力信号の時間に対する周波数の変化を示す波形として生成することを特徴とする試験測定方法。