JP6590882B2

JP6590882B2 - 信号解析装置及び信号解析装置のダイナミックレンジ最適化方法

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Publication number: JP6590882B2
Application number: JP2017176569A
Authority: JP
Inventors: 暢大谷; 木村　淳一; 淳一木村; 貴斗徳山
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2017-09-14
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2037-09-14
Also published as: JP2019052906A

Description

本発明は、信号解析装置及び信号解析装置のダイナミックレンジ最適化方法に関し、特に、入力ダイナミックレンジを向上させる信号解析装置及び信号解析装置のダイナミックレンジ最適化方法に関する。

被試験対象（Device Under Test：ＤＵＴ）から出力される無線信号を被測定信号として受信し、当該被測定信号に対して解析処理を行うシグナルアナライザやスペクトラムアナライザなどの信号解析装置が従来から知られている。

信号解析装置は、入力された被測定信号の搬送波周波数を中間周波数に変換する周波数変換部と、中間周波数信号の中間周波数を含む所定の通過帯域の信号成分のみを通過させる中間周波（ＩＦ）フィルタと、周波数変換部により周波数変換された被測定信号を所定のサンプリングレートでサンプリングしてディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）と、を備えている。

近年、無線通信は高周波数化・広帯域化する傾向にあり、中心周波数が数ＧＨｚ以上かつ帯域幅が数ＧＨｚ以上の広帯域な変調信号を測定できる信号解析装置が求められている。

信号解析装置に入力された変調信号の品質は、信号解析装置のダイナミックレンジの影響を受ける。図３に示すように、変調信号は、無変調の搬送波の電力が広い帯域幅に拡散されたものであるため、元の無変調信号に比べてＳ／Ｎ比が悪い。よって、変調信号の広帯域化に伴い、測定される信号レベルＳと信号解析装置のノイズレベルＮのＳ／Ｎ比はより確保しづらい状況になっている。

さらに、広帯域信号解析に使われる広帯域ＡＤＣは、現状ではビット数が小さいため元々Ｓ／Ｎ比が悪く、ＡＤＣのノイズフロアが信号解析装置のノイズフロアへ与える影響も大きい。

また一方で、変調信号はピーク対平均電力比（Peak to Average Power Ratio：ＰＡＰＲ）を持っている。このため、変調信号の信号入力レベルとしては、変調信号の平均電力に加えてＰＡＰＲ分まで考慮しないとＡＤＣがオーバーフローしてしまい、精度の良い解析を行うことが不可能になる。

最適なダイナミックレンジを得るためには、信号解析装置内での被測定信号の信号レベルＳをＡＤＣがオーバーフローしない範囲でなるべく高く、かつノイズレベルＮも低くなる設定を探す必要がある。信号レベルＳが高過ぎるとオーバーフローが発生し、逆に信号レベルＳが低過ぎるとＳ／Ｎ比が劣化し、いずれの場合も測定結果へ悪影響を与える。

そこで、入力ダイナミックレンジを向上させたスペクトラムアナライザが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されたスペクトラムアナライザには複数の分割帯域ごとのオーバーフローレベルを管理するための内部レベル可変機構としての可変減衰器が備わっている。

特許第５１４８５８１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたスペクトラムアナライザは、自身の周波数特性を分割帯域ごとに自動的に補正するものであり、各分割帯域において最適なダイナミックレンジを得るための可変減衰器の設定を決めるためには、ユーザ自身がその設定値を試行錯誤的に探さなければならないという問題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、自動でダイナミックレンジを最適化することが可能な信号解析装置及び信号解析装置のダイナミックレンジ最適化方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る信号解析装置は、被試験対象から出力される無線信号を被測定信号として受信し、当該被測定信号に対して解析処理を行う信号解析装置であって、前記被試験対象から出力された変調信号を減衰させる第１の減衰器と、前記第１の減衰器により減衰された前記変調信号を局部発振器の出力と混合して中間周波数信号に変換する周波数変換部と、前記中間周波数信号を減衰させる第２の減衰器と、前記第２の減衰器により減衰された前記中間周波数信号をサンプリングしてディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器から出力された前記ディジタルデータに対して解析処理を行う信号解析部と、前記被試験対象から出力された前記変調信号の信号レベルを測定する、前記信号解析部に含まれる解析処理部を構成する信号レベル測定部と、前記信号レベル測定部により測定された前記信号レベルに応じて、前記第１及び第２の減衰器の減衰量をあらかじめ定められた値に設定して前記信号解析装置のダイナミックレンジを粗設定する減衰量設定部と、前記第１及び第２の減衰器が前記減衰量設定部によってそれらの減衰量が設定された状態で、前記第１の減衰器から前記Ａ／Ｄ変換器までを経由した前記被測定信号が入力されて前記Ａ／Ｄ変換器のオーバーフロー状態を検出する、前記信号レベル測定部と同じく前記解析処理部を構成するオーバーフロー検出部と、前記オーバーフロー検出部によりオーバーフロー状態が検出された場合に、前記第２の減衰器の減衰量を増加させる減衰量調整部と、を備え、前記第２の減衰器の減衰量が自動調整されて前記ダイナミックレンジが最適化される構成である。

この構成により、本発明に係る信号解析装置は、ユーザが手動で第２の減衰器の減衰量を変化させることなく、自動でダイナミックレンジを最適化した状態で変調信号の解析処理を実行することができる。例えば、本発明に係る信号解析装置は、ＯＦＤＭ変調信号のようなＰＡＰＲの大きな変調信号に対しても最適なダイナミックレンジを設定することができる。

また、本発明に係る信号解析装置においては、前記信号レベル測定部は、前記信号解析部内に構成されている構成であってもよい。また、本発明に係る信号解析装置においては、前記被試験対象から出力される前記変調信号がＯＦＤＭ変調信号であってもよい。

また、本発明に係る信号解析装置においては、前記オーバーフロー検出部は、前記Ａ／Ｄ変換器から出力された前記ディジタルデータが前記Ａ／Ｄ変換器の出力の上限値に到達したか否かに基づいて、前記Ａ／Ｄ変換器のオーバーフロー状態を検出する構成であってもよい。なお、Ａ／Ｄ変換器自体がオーバーフローの検出機能を備えている場合には、Ａ／Ｄ変換器がオーバーフロー検出部を構成してもよい。

この構成により、本発明に係る信号解析装置は、Ａ／Ｄ変換器のオーバーフロー状態を検出することができる。

また、本発明に係る信号解析装置のダイナミックレンジ最適化方法は、上記のいずれかの信号解析装置のダイナミックレンジ最適化方法であって、被試験対象から出力された変調信号の信号レベルを測定する信号レベル測定ステップと、前記信号レベル測定ステップで測定された前記信号レベルに応じて、第１及び第２の減衰器の減衰量をあらかじめ定められた値に設定する減衰量設定ステップと、前記被試験対象から出力された前記変調信号を前記第１の減衰器により減衰させる第１の減衰ステップと、前記第１の減衰ステップで減衰された前記変調信号を局部発振器の出力と混合して中間周波数信号に変換する周波数変換ステップと、前記中間周波数信号を前記第２の減衰器により減衰させる第２の減衰ステップと、前記Ａ／Ｄ変換器により、前記第２の減衰ステップで減衰された前記中間周波数信号をサンプリングしてディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換ステップと、前記Ａ／Ｄ変換器のオーバーフロー状態が検出されたか否かを判定するオーバーフロー判定ステップと、前記オーバーフロー判定ステップでオーバーフロー状態が検出されたと判定された場合に、前記第２の減衰器の減衰量を増加させる減衰量調整ステップと、を含む。

本発明は、自動でダイナミックレンジを最適化することが可能な信号解析装置及び信号解析装置のダイナミックレンジ最適化方法を提供するものである。

本発明の実施形態に係る信号解析装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る信号解析装置のダイナミックレンジ最適化方法の処理を説明するためのフローチャートである。信号解析装置のダイナミックレンジを説明するための説明図である。

以下、本発明に係る信号解析装置及び信号解析装置のダイナミックレンジ最適化方法の実施形態について、図面を用いて説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る信号解析装置１００は、第１の減衰器としてのＡＴＴ１０と、周波数変換部１１と、第２の減衰器としてのＡＴＴ２０と、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）２１と、信号解析部２２と、操作部２５と、表示部２６と、制御部２７と、を備え、ＤＵＴ１から出力された変調信号Ｓｍの解析処理を行うものである。さらに、制御部２７は、減衰量設定部２８と、減衰量調整部２９と、を含む。

ＤＵＴ１と信号解析装置１００とは同軸ケーブルで接続されていてもよく、あるいは、無線通信で接続されていてもよい。

ＤＵＴ１は、例えば無線通信アンテナとＲＦ回路を有する無線端末機器や基地局などである。ＤＵＴ１の通信規格としては、セルラ（ＬＴＥ、ＬＴＥ−Ａ、Ｗ−ＣＤＭＡ（登録商標）、ＧＳＭ（登録商標）、ＣＤＭＡ２０００、１ｘＥＶ−ＤＯ、ＴＤ−ＳＣＤＭＡ等）、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ｇ／ａ／ｎ／ａｃ／ａｄ等）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＧＮＳＳ（ＧＰＳ、Ｇａｌｉｌｅｏ、ＧＬＯＮＡＳＳ、ＢｅｉＤｏｕ等）、ＦＭ、及びディジタル放送（ＤＶＢ−Ｈ、ＩＳＤＢ−Ｔ等）が挙げられる。また、ＤＵＴ１から出力される変調信号Ｓｍの変調方式としては、例えばＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、ＱＡＭ、ＯＦＤＭ等が挙げられる。

ＡＴＴ１０，２０は、内部に抵抗を有し、ＤＵＴ１から出力された高周波の変調信号Ｓｍを後段の信号解析部２２において処理可能な信号レベルに減衰させるためのもので、インピーダンスを変化させない電子部品である。

周波数変換部１１は、ＡＴＴ１０により減衰された変調信号Ｓｍを中間周波数信号に変換するものであり、局部発振器１２と、周波数混合器１３と、ＩＦフィルタ１４と、ＩＦ増幅器１５と、を有する。

局部発振器１２は、ローカル信号として、元の変調信号Ｓｍの周波数の値よりも変換先の周波数の値の分だけ高い周波数あるいは低い周波数の正弦波を発生させるものである。局部発振器１２から発振されるローカル信号の周波数は、所望の解析帯域に応じて制御部２７により設定される。

周波数混合器１３は、ＡＴＴ１０で減衰された周波数ｆ_Ｓの変調信号Ｓｍと、局部発振器１２から出力された周波数ｆ_Ｌのローカル信号とを混合し、２つの信号の和及び差の周波数成分を含む出力信号を生成するものである。

ＩＦフィルタ１４は、アナログのバンドパス・フィルタなどで構成され、周波数混合器１３からの出力信号をフィルタリングするようになっている。ＩＦフィルタ１４は、周波数混合器１３によって変調信号Ｓｍとローカル信号とを混合させた中間周波数｜ｆ_Ｌ−ｆ_Ｓ｜又はｆ_Ｌ＋ｆ_Ｓが所定の周波数範囲内にあるときに、当該中間周波数の中間周波数信号を出力する。

ＩＦ増幅器１５は、ＩＦフィルタ１４から出力される中間周波数信号を増幅する固定利得の増幅器である。

ＡＴＴ２０は、ＩＦ増幅器１５により増幅された中間周波数信号を減衰させる可変減衰器である。

ＡＤＣ２１は、ＡＴＴ２０により減衰された中間周波数信号を所定のサンプリングレートでサンプリングして、ディジタルデータに変換する。ＡＤＣ２１は、このディジタルデータを信号解析部２２に出力するようになっている。

信号解析部２２は、例えば、直交復調部２２ａと、解析処理部２２ｂと、を有し、ＡＤＣ２１から出力されたディジタルデータに対して解析処理を実行するようになっている。

直交復調部２２ａは、ＡＤＣ２１から出力されたディジタルデータを直交復調して、互いに直交する直交信号Ｉ（ｔ）及びＱ（ｔ）を生成するようになっている。直交復調部２２ａとしては、例えばヒルベルト変換を利用した直交分配器を用いることができる。

解析処理部２２ｂは、直交復調部２２ａから出力された直交信号Ｉ（ｔ）及びＱ（ｔ）に対して、ディジタルフィルタ処理等のディジタル信号処理を施すようになっている。さらに、解析処理部２２ｂは、上記のディジタル信号処理が施された直交信号Ｉ（ｔ）及びＱ（ｔ）を用いて、変調信号Ｓｍのスペクトラムや、振幅、位相、周波数などの時間変化を求める解析処理を行うようになっている。

さらに、解析処理部２２ｂは、信号レベル測定部２３と、オーバーフロー検出部２４と、を含む。

信号レベル測定部２３は、ディジタル信号処理が施された直交信号Ｉ（ｔ）及びＱ（ｔ）を用いて、ＤＵＴ１から出力された変調信号Ｓｍの信号レベルを測定するようになっている。ここで、信号レベル測定部２３が測定する信号レベルは、例えば、変調信号Ｓｍの電圧の実効値（ＲＭＳ）や変調信号Ｓｍの電力の平均値である。

あるいは図１に破線で示すように、信号レベル測定部２３は、パワーメータやパワーセンサ等によって構成され、ＤＵＴ１から出力されてＡＴＴ１０に入力される前の変調信号Ｓｍの信号レベルを測定するものであってもよい。ただし、コストの観点からは、信号レベル測定部２３を信号解析部２２内に構成した方が、パワーメータやパワーセンサ等の構成を削減することができるため好ましい。

オーバーフロー検出部２４は、ディジタル信号処理が施された直交信号Ｉ（ｔ）及びＱ（ｔ）を用いて、ＡＤＣ２１のオーバーフロー状態を検出するとともに、オーバーフロー状態を検出したことを示す検出信号を制御部２７に出力するようになっている。例えば、オーバーフロー検出部２４は、ＡＤＣ２１から出力されたディジタルデータがＡＤＣ２１の出力の上限値に到達したか否かに基づいて、ＡＤＣ２１のオーバーフロー状態を検出する。

なお、ＡＤＣ２１自体がオーバーフローの検出機能を備えている場合には、ＡＤＣ２１がオーバーフロー検出部２４を構成してもよい。この場合には、図１に破線の矢印で示すように、オーバーフロー状態を検出したことを示す検出信号をＡＤＣ２１が制御部２７に直接出力することになる。

オーバーフロー検出部２４は、ＡＤＣ２１の出力が１回でも上限値に到達した場合に検出信号を制御部２７に出力するものであってもよく、あるいは、ＡＤＣ２１の出力があらかじめ定められた回数連続して上限値に到達した場合に検出信号を制御部２７に出力するものであってもよい。

減衰量設定部２８は、信号レベル測定部２３により測定された信号レベルに応じて、ＡＴＴ１０，２０の減衰量をあらかじめ定められた値に設定するようになっている。

減衰量調整部２９は、オーバーフロー検出部２４によりオーバーフロー状態が検出された場合に、減衰量設定部２８により設定されたＡＴＴ２０の減衰量を所定量増加させるようになっている。

制御部２７は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤなどを含むマイクロコンピュータ又はパーソナルコンピュータ等で構成され、信号解析装置１００を構成する上記各部の動作を制御する。

なお、信号解析部２２、減衰量設定部２８、及び減衰量調整部２９は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのディジタル回路で構成することや、制御部２７による所定のプログラムの実行によりソフトウェア的に構成することが可能である。あるいは、信号解析部２２、減衰量設定部２８、及び減衰量調整部２９は、ディジタル回路によるハードウェア処理と所定のプログラムによるソフトウェア処理とを適宜組み合わせて構成することも可能である。

表示部２６は、例えばＬＣＤやＣＲＴなどの表示機器で構成され、制御部２７から出力される制御信号に応じて、信号解析部２２による解析結果などを表示するようになっている。

操作部２５は、ユーザによる操作入力を行うためのものであり、例えば表示部２６の表示画面の表面に設けられたタッチパネルで構成される。あるいは、操作部２５は、キーボード又はマウスのような入力デバイスを含んで構成されてもよい。例えば、操作部２５により、減衰量調整部２９によるＡＴＴ２０の減衰量の増加量を設定することが可能である。

以下、本実施形態に係る信号解析装置１００のダイナミックレンジ最適化方法について、図２のフローチャートを参照しながらその処理の一例を説明する。

まず、信号レベル測定部２３は、ＤＵＴ１から出力された変調信号Ｓｍの信号レベルを測定する（信号レベル測定ステップＳ１）。

次に、減衰量設定部２８は、信号レベル測定ステップＳ１で測定された信号レベルに応じて、ＡＴＴ１０，２０の減衰量をあらかじめ定められた値に設定する（減衰量設定ステップＳ２）。この時点でダイナミックレンジがおおよそ最適に設定される。

次に、ＡＴＴ１０は、ＤＵＴ１から出力された変調信号Ｓｍを減衰させる（第１の減衰ステップＳ３）。

次に、周波数変換部１１は、第１の減衰ステップＳ３で減衰された変調信号Ｓｍを中間周波数信号に変換する（周波数変換ステップＳ４）。

次に、ＡＴＴ２０は、中間周波数信号を減衰させる（第２の減衰ステップＳ５）。

次に、ＡＤＣ２１は、第２の減衰ステップＳ５で減衰された中間周波数信号を所定のサンプリングレートでサンプリングして、ディジタルデータに変換する（Ａ／Ｄ変換ステップＳ６）。

次に、制御部２７は、オーバーフロー検出部２４によりＡＤＣ２１のオーバーフロー状態が検出されたか否かを判定する（オーバーフロー判定ステップＳ７）。肯定判定の場合にはステップＳ８に進み、否定判定の場合には処理を終了する。

次に、減衰量調整部２９は、オーバーフロー判定ステップＳ７でオーバーフロー状態が検出されたと判定された場合に、減衰量設定ステップＳ２で設定されたＡＴＴ２０の減衰量を所定量増加させる（減衰量調整ステップＳ８）。減衰量調整ステップＳ８の処理が終了すると、再び第１の減衰ステップＳ３の処理が実行される。

このようにステップＳ３〜Ｓ８の処理が繰り返されることにより、ＡＤＣ２１がオーバーフローしないぎりぎりの減衰量をＡＴＴ２０に設定することができるため、余分なオーバーフローマージンを持たせずに変調信号ＳｍのＰＡＰＲを考慮した最適なダイナミックレンジを得ることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る信号解析装置１００は、オーバーフロー検出部２４の検出結果に応じてＡＴＴ２０の減衰量を段階的に変化させるため、ユーザが手動でＡＴＴ２０の減衰量を変化させることなく、自動でダイナミックレンジを最適化した状態で変調信号Ｓｍの解析処理を実行することができる。例えば、本実施形態に係る信号解析装置１００は、ＯＦＤＭ変調信号のようなＰＡＰＲの大きな変調信号に対しても最適なダイナミックレンジを設定することができる。

また、本実施形態に係る信号解析装置１００は、ＡＤＣ２１から出力されたディジタルデータがＡＤＣ２１の出力の上限値に到達したか否かに基づいて、オーバーフロー検出部２４によりＡＤＣ２１のオーバーフロー状態を検出することができる。

１ＤＵＴ
１０，２０ＡＴＴ
１１周波数変換部
１２局部発振器
１３周波数混合器
１４ＩＦフィルタ
１５ＩＦ増幅器
２１ＡＤＣ
２２信号解析部
２２ａ直交復調部
２２ｂ解析処理部
２３信号レベル測定部
２４オーバーフロー検出部
２８減衰量設定部
２９減衰量調整部
１００信号解析装置

Claims

被試験対象（１）から出力される無線信号を被測定信号として受信し、当該被測定信号に対して解析処理を行う信号解析装置（１００）であって、
前記被試験対象から出力された変調信号を減衰させる第１の減衰器（１０）と、
前記第１の減衰器により減衰された前記変調信号を局部発振器（１２）の出力と混合して中間周波数信号に変換する周波数変換部（１１）と、
前記中間周波数信号を減衰させる第２の減衰器（２０）と、
前記第２の減衰器により減衰された前記中間周波数信号をサンプリングしてディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器（２１）と、
前記Ａ／Ｄ変換器から出力された前記ディジタルデータに対して解析処理を行う信号解析部（２２）と、
前記被試験対象から出力された前記変調信号の信号レベルを測定する、前記信号解析部に含まれる解析処理部（２２ｂ）を構成する信号レベル測定部（２３）と、
前記信号レベル測定部により測定された前記信号レベルに応じて、前記第１及び第２の減衰器の減衰量をあらかじめ定められた値に設定して前記信号解析装置のダイナミックレンジを粗設定する減衰量設定部（２８）と、
前記第１及び第２の減衰器が前記減衰量設定部によってそれらの減衰量が設定された状態で、前記第１の減衰器から前記Ａ／Ｄ変換器までを経由した前記被測定信号が入力されて前記Ａ／Ｄ変換器のオーバーフロー状態を検出する、前記信号レベル測定部と同じく前記解析処理部を構成するオーバーフロー検出部（２４）と、
前記オーバーフロー検出部によりオーバーフロー状態が検出された場合に、前記第２の減衰器の減衰量を増加させる減衰量調整部（２９）と、を備え、
前記第２の減衰器の減衰量が自動調整されて前記ダイナミックレンジが最適化されることを特徴とする信号解析装置。
前記オーバーフロー検出部は、前記Ａ／Ｄ変換器から出力された前記ディジタルデータが前記Ａ／Ｄ変換器の出力の上限値に到達したか否かに基づいて、前記Ａ／Ｄ変換器のオーバーフロー状態を検出することを特徴とする請求項１に記載の信号解析装置。
前記被試験対象から出力される前記変調信号がＯＦＤＭ変調信号であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の信号解析装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の信号解析装置のダイナミックレンジ最適化方法であって、
被試験対象（１）から出力された変調信号の信号レベルを測定する信号レベル測定ステップ（Ｓ１）と、
前記信号レベル測定ステップで測定された前記信号レベルに応じて、第１及び第２の減衰器（１０，２０）の減衰量をあらかじめ定められた値に設定する減衰量設定ステップ（Ｓ２）と、
前記被試験対象から出力された前記変調信号を前記第１の減衰器により減衰させる第１の減衰ステップ（Ｓ３）と、
前記第１の減衰ステップで減衰された前記変調信号を局部発振器（１２）の出力と混合して中間周波数信号に変換する周波数変換ステップ（Ｓ４）と、
前記中間周波数信号を前記第２の減衰器により減衰させる第２の減衰ステップ（Ｓ５）と、
前記Ａ／Ｄ変換器により、前記第２の減衰ステップで減衰された前記中間周波数信号をサンプリングしてディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換ステップ（Ｓ６）と、
前記Ａ／Ｄ変換器のオーバーフロー状態が検出されたか否かを判定するオーバーフロー判定ステップ（Ｓ７）と、
前記オーバーフロー判定ステップでオーバーフロー状態が検出されたと判定された場合に、前記第２の減衰器の減衰量を増加させる減衰量調整ステップ（Ｓ８）と、を含むことを特徴とする信号解析装置のダイナミックレンジ最適化方法。