JP6732685B2 - 試験装置、および信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、試験装置、および信号処理装置に関する。

アレイアンテナ装置の複数のアンテナ素子により出力されたそれぞれの受信信号に基づいて受信ビームを形成する信号処理装置が知られている。このような信号処理装置の動作試験を行う場合には、例えば、試験信号を分配器で分配し、分配された信号をそれぞれの信号処理装置に供給し、それぞれの信号処理装置から出力される信号が一致している場合に、それぞれの信号処理装置が正常に動作していると判定することが行われる。しかしながら、アレイアンテナ装置のアンテナ素子数が増えるほど、分配器による分配数が多くなるため、試験信号間にずれが生じたり、そのずれを監視することが困難な場合があった。

特開２０１３−２４２１５１号公報

本発明が解決しようとする課題は、信号処理装置の動作試験をより正確に行うことができる試験装置、および信号処理装置を提供することである。

実施形態の試験装置は、分配器と、複数の混合部と、複数の位相算出部と、動作判定部とを持つ。分配器は、アナログ信号を処理する複数のチャネルが動作する基準となるクロック信号と、前記複数のチャネルから信号を出力する基準となる基準タイミング信号と、前記クロック信号を分周した分周信号とを前記複数のチャネルに分配して出力する。複数の混合部は、前記分配器と前記複数のチャネルとの間にそれぞれ介在し、前記分配器から出力された分周信号と前記アナログ信号とを混合して前記複数のチャネルに出力する。複数の位相角算出部は、前記基準タイミング信号に基づくタイミングで前記複数のチャネルによりそれぞれ出力される出力信号の位相角を算出する。動作判定部は、前記複数の位相角算出部により算出された位相角に基づいて、前記複数のチャネルのそれぞれの動作判定を行う。また、前記複数のチャネルのそれぞれは、前記分周信号に基づき生成したアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号に対する直交復調後のＩ信号およびＱ信号を前記出力信号として出力する。前記複数の位相角算出部のそれぞれは、前記出力信号に含まれる前記Ｉ信号および前記Ｑ信号の位相角を算出する。前記動作判定部は、前記複数の位相角算出部により算出された前記位相角と所定角とのずれ量に基づいて前記複数のチャネルのそれぞれの動作判定を行う。

試験装置が外付けされる前の信号処理装置の構成について説明するための図。 信号処理装置１００に試験装置２００が外付けされた構成を説明するための図。 第１の実施形態における各信号の関係について説明するための図。 第２の実施形態の信号処理装置１００Ａの構成について説明するための図。

以下、実施形態の試験装置、および信号処理装置を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の構成は、試験装置を信号処理装置に外付けする構成である。図１は、試験装置が外付けされる前の信号処理装置の構成について説明するための図である。

信号処理装置１００は、アンテナ素子１０の数に応じて複数のチャネル１１０−１〜１１０−ｎ（ｎ＞１の整数）を備える。以下の説明では、複数のチャネル１１０−１〜１１０−ｎは、それぞれ同様の構成とし、何れのチャネルであるか区別しないときは、何れのチャネルであるかを示すハイフン以降の符号を省略し、「チャネル１１０」と称して説明する。また、ハイフンを用いて説明する他の構成についても同様とする。

図１の例において、アンテナ素子１０は、空間から到来する電波を受信して受信信号を生成する。また、アンテナ素子１０は、生成した受信信号を前段信号処理部２０に供給する。受信信号は、例えば、アナログ信号である。前段信号処理部２０は、例えば、リミッタ、帯域通過フィルタ、増幅器、移相器等の信号処理回路を備える。

前段信号処理部２０は、リミッタにより受信信号の信号レベルを制限する。帯域通過フィルタは、受信信号に含まれる不要な信号成分を抑圧する。増幅器は、受信用帯域通過フィルタを通過した受信信号の振幅を増幅する。移相器は、受信信号の位相を所望の位相に変化させる。移相器の移相は、アンテナ素子１０ごとに設定されている。

基準タイミング信号生成部３０は、クロック信号ＣＬＫおよび基準タイミング信号ＳＹＳＲＥＦを生成する。クロック信号ＣＬＫは、信号処理装置１００の複数のチャネル１１０のそれぞれが動作する基準となるタイミング信号である。基準タイミング信号ＳＹＳＲＥＦは、例えば、複数のチャネル１１０が同期した信号を出力するための基準となる情報である。基準タイミング信号生成部３０は、生成したクロック信号ＣＬＫおよび基準タイミング信号ＳＹＳＲＥＦを分配器４０に出力する。

分配器４０は、アンテナ素子１０の数に応じて基準タイミング信号生成部３０から入力されるクロック信号ＣＬＫおよび基準タイミング信号を、分配器４０に接続される信号処理装置１００が備える複数のチャネル１１０−１〜１１０−ｎに分配する。ここで、分配器４０は、ビーム合成部５０によりビームを合成する元となる信号を受信するアンテナ素子１０の数に応じて多段に接続することができる。これにより、分配器４０の分配数や信号処理装置１００のチャネル数に制限がある場合であっても、アンテナ素子１０の数に応じて信号を分配することができる。

信号処理装置１００は、例えば、複数のＡＤ変換部１１２−１〜１１２−ｎと、複数の直交復調部１１４−１〜１１４−ｎとを備える。一つのＡＤ変換部１１２と、一つの直交復調部１１４とを組み合わせたものが、一つのチャネル１１０を構成する。

ＡＤ変換部１１２は、前段信号処理部２０から供給されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換されたデジタル信号Ｘ（ｎ）を直交復調部１１４に出力する。

直交復調部１１４は、ＡＤ変換部１１２によりＡＤ変換されたデジタル信号Ｘ（ｎ）からＩ（In-phase）信号、およびＩ信号に対して９０度位相をシフトしたＱ（Quadrature-phase）信号を生成する。直交復調部１１４は、例えば、ＮＣＯ（Numerical Controlled Oscillator）、乗算器（Mixer）、およびＬＰＦ（Low Pass Filter）を含むＤＤＣ（Digital Down Converter）である。

ここで、直交復調部１１４の具体的な処理について説明する。例えば、デジタル信号Ｘ（ｎ）は、９０度位相をシフトした直交成分の和として、「Ｘ（ｎ）＝ＸＩ（ｎ）ｃｏｓωｎ＋ｊＸＱ（ｎ）ｓｉｎωｎ」で表すことができる。ＸＩ（ｎ）、ＸＱ（ｎ）は、それぞれ入力信号のＩ成分、Ｑ成分を表し、ωｎは、信号の搬送波角周波数を表す。この場合、直交復調部１１４は、乗算部によりデジタル信号Ｘ（ｎ）に複素位相（ｃｏｓωｎ−ｊｓｉｎωｎ）を乗算して、Ｘ（ｎ）を所望の周波数帯に変換する。このとき、直交復調部１１４は、ＮＣＯによりｃｏｓωｎ＝｛１，０，−１，０｝、ｓｉｎωｎ＝｛０，１，０，−１｝とする数値制御信号を、例えばサンプリング周波数を１／４倍した周期（ｆｓ／４）で発振する。この周期（ＮＣＯの周波数）は、例えば、クロック信号ＣＬＫの１／４倍に相当する（ＣＬＫ／４）。また、ＮＣＯの周波数は、ＣＬＫ／８でもよく、ＣＬＫ／１６でもよい。

これにより、デジタル信号Ｘ（ｎ）を直交位相で表現することができ、Ｉ成分およびＱ成分の信号を生成することができる。また、直交復調部１１４は、Ｉ信号およびＱ信号に対して、ＬＰＦによる帯域制限により倍周波成分を取り除く。直交復調部１１４は、生成したＩ信号およびＱ信号をビーム合成部５０に出力する。

ビーム合成部５０は、信号処理装置１００の複数のチャネル１１０や、他の信号処理装置からの複数のチャネルから出力されるＩ信号およびＱ信号に基づいてビームを形成し、形成したビームを合成する。また、ビーム合成部５０は、合成したビームをアンテナ素子１０から得られる受信ビームとして出力する。

次に、信号処理装置１００に試験装置が外付けされた例について図を用いて説明する。図２は、信号処理装置１００に試験装置２００が外付けされた構成を説明するための図である。なお、図２の例では、アンテナ素子１０および前段信号処理部２０から得られるアナログ信号の代わりに、信号発生部６０から出力されるアナログ信号１〜ｎが試験装置２００を介して信号処理装置１００に入力される。これにより、動作試験の作業員等は、信号処理装置１００を前段信号処理部２０に接続する前（例えば、製品出荷前）、或いは、アンテナ素子１０および前段信号処理部２０を動作させずに、信号処理装置１００の動作試験を行うことができる。また、アンテナ素子１０および前段信号処理部２０に起因するアナログ信号のずれや異常等の影響を受けずに信号処理装置１００の動作試験を行うことができる。

試験装置２００は、例えば、分配器２１０と、複数の混合部２２０−１〜２２０−ｎと、複数の位相角算出部２３０−１〜２３０−ｎと、動作判定部２４０−１〜２４０−ｎとを備える。これらの機構は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することにより機能するソフトウェア機能部である。これらの各機能部のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアにより実現されてもよい。

分配器２１０は、基準タイミング信号生成部３０から分配器４０を介して入力されるクロック信号ＣＬＫおよび基準タイミング信号ＳＹＳＲＥＦを、分配器２１０に接続される信号処理装置１００が備える複数のチャネル１１０−１〜１１０−ｎに分配する。

また、分配器２１０は、入力されたクロック信号ＣＬＫを分周した分周信号を生成し、生成した分周信号を混合部２２０に出力する。この場合、分配器２１０は、例えば、クロック信号ＣＬＫの周波数を１／４倍に分周して分周信号（ＣＬＫ／４）にする。つまり、分配器２１０は、混合部２２０に出力される周波数を、直交復調部１１４におけるＮＣＯの周波数に合わせた分周信号を生成する。したがって、例えば、ＮＣＯの周波数がＣＬＫ／８やＣＬＫ／１６であった場合、分配器２１０は、ＣＬＫ／８やＣＬＫ／１６の分周信号を生成する。このように、クロック信号ＣＬＫの周波数を１／４倍に分周することで、ノイズ除去等のフィルタリング処理が容易となり、直交復調の特性に適した信号処理を行うことができる。

混合部２２０は、分配器２１０と、信号処理装置１００の複数のチャネル１１０−１〜１１０−ｎとの間に介在する。混合部２２０は、分配器２１０から出力された分周信号と、信号発生部６０により発生されたアナログ信号とを混合して信号処理装置１００の複数のチャネルに出力する。混合部２２０は、例えば、フィルタ部２２２と、信号混合部２２４とを備える。フィルタ部２２２は、分配器２１０から出力される分周信号の高調波成分を抑制するために所定の周波数帯域を通過させる。フィルタ部２２２は、例えば、ＢＰＦ（Band Pass Filter）またはＬＰＦ（Low Pass Filter）である。これにより、フィルタ部２２２に入力される分周信号の方形波は、正弦波としてフィルタ部２２２から出力される。

信号混合部２２４は、フィルタ部２２２から出力された信号と、信号発生部６０から出力されたアナログ信号とを混合し、混合された信号を出力する。

位相角算出部２３０−１は、直交復調部１１４により出力されたＩ信号およびＱ信号の位相角を算出する。動作判定部２４０は、位相角算出部２３０により算出された位相角に基づいて出力信号を出力したチャネル１１０のそれぞれの動作を判定する。

ここで、図３は、第１の実施形態における各信号の関係について説明するための図である。図３の例では、分配器２１０により出力される複数のチャネル１１０−１〜１１０−ｎごとのクロック信号ＣＬＫ、基準タイミング信号ＳＹＳＲＥＦ、および分周信号（ＣＬＫ／４）と、各チャネル１１０内の直交復調部１１４におけるＮＣＯの数値制御信号の発振タイミングを示している。分配器２１０は、複数のクロック信号ＣＬＫおよび基準タイミング信号ＳＹＳＲＥＦを同期させながら複数のチャネルに分配する。全ての出力は、図３のタイミングのように全て同期した形式で出力される。更に、分配器２１０は、このタイミングに同期したアナログ信号を作成するために、クロック信号ＣＬＫを基準とした分周信号（ＣＬＫ／４）を生成する。このアナログ信号を生成することで、例えば、信号処理装置１００の電源をオン／オフした場合にも、クロック信号ＣＬＫ、基準タイミング信号ＳＹＳＲＥＦ、および分周信号、更には、ＮＣＯの数値制御の発振タイミングを全て同じタイミングで動作させることができる。言い換えると、信号処理装置１００が正常であれば、複数のチャネル１１０−１〜１１０−ｎから出力されるＩＱ結果は、それぞれ一定の値となる。

また、アナログ信号をＣＬＫ／４［Ｈｚ］の分周信号で生成し、ＮＣＯの数値制御のタイミングをＣＬＫ／４［Ｈｚ］としているため、直交復調部１１４により直交復調後のＩＱ信号は、ＮＣＯ（原点０度）に対するずれの角度（いわゆる位相角）を表すことになる。したがって、直交復調部１１４は、位相角算出部２３０により算出された位相角に対して所定角との減算処理を行い、減算した結果（位相差）が予め設定された角度付近であれば、そのチャネルが正常な動作をしていると判定する。予め設定された角度付近とは、例えば、予め設定された角度を基準にして±１０度程度の閾値以内の範囲である。また、動作判定部２４０は、減算した結果が予め設定された角度が閾値の範囲を超える場合には、そのチャネルの動作は異常であると判定する。

なお、動作判定部２４０は、例えば、試験装置２００に設けられた図示しない記憶部に判定結果を記憶する。また、動作判定部２４０は、例えば、試験装置２００に設けられた図示しない通信部により判定結果を外部装置に送信してもよい。また、試験装置２００は、動作判定部２４０の数に応じたＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の発光素子を備えてもよい。この場合、動作判定部２４０は、動作が異常であると判定したチャネルに対応する発光素子を発光させる。これにより、試験装置２００を用いて動作試験を実行している作業員に、チャネルの異常と、異常と判定された箇所を容易に伝えることができる。

以上説明したように、第１の実施形態の信号処理装置１００Ａによれば、信号処理装置の動作試験をより正確に行うことができる。具体的には、第１の実施形態の信号処理装置１００Ａによれば、信号処理装置１００における複数のチャネルの同期確認を効率的に判定することができる。また、第１の実施形態の信号処理装置１００Ａによれば、各チャネルから出力されたＩ信号およびＱ信号を収集しなくてもチャネル１１０ごとに正常または異常を判定することができる。また、第１の実施形態の信号処理装置１００によれば、チャネル１１０に異常があった場合に、その場所を迅速に特定することができる。

（第２の実施形態）
次に、信号処理装置の第２の実施形態について説明する。以下において、第１の実施形態の信号処理装置１００および試験装置２００と同様の機能を備える構成については、同一の名称および符号を用いることとし、具体的な説明は省略する。第２の実施形態の構成は、試験装置２００が信号処理装置１００Ａに組み込まれた構成である。

図４は、第２の実施形態の信号処理装置１００Ａの構成について説明するための図である。信号処理装置１００Ａは、例えば、分配器２１０Ａと、混合部２２０Ａと、ＡＤ変換部１１２と、直交復調部１１４と、位相角算出部２３０Ａと、動作判定部２４０Ａと、切替部２５０とを備える。以下の説明では、主に第１の実施形態との相違点である分配器２１０Ａ、混合部２２０Ａ、位相角算出部２３０Ａ、動作判定部２４０Ａ、および切替部２５０の構成を中心として説明する。

混合部２２０Ａは、例えば、フィルタ部２２２と、信号混合部２２４と、スイッチ２２６とを備える。スイッチ２２６は、切替部２５０からの情報に基づいて、信号混合部２２４を、フィルタ部２２２または終端抵抗の何れかに接続するように信号経路の切り替えを行う。

切替部２５０は、分配器２１０Ａ、混合部２２０Ａ、位相角算出部２３０Ａ、および動作判定部２４０Ａの処理モードを切り替える。切替部２５０は、例えば、信号処理装置１００Ａに設けられた機械的スイッチが操作された場合に、処理モードを切り替える。ここで、処理モードには、例えば、運用モードと試験モードとがある。以下、それぞれのモードについて説明する。

運用モードの場合、信号処理装置１００Ａに入力されるアナログ信号は、例えば、アンテナ素子１０および前段信号処理部２０から得られるアナログ信号である。運用モードの場合、分配器２１０Ａは、ＡＤ変換部１１２および直交復調部１１４に対してクロック信号ＣＬＫおよび基準タイミング信号ＳＹＳＲＥＦを出力するが、クロック信号ＣＬＫの分周信号を生成しない。そのため、分配器２１０Ａは、運用モードにおいて、混合部２２０Ａに何も出力しない。また、スイッチ２２６は、切替部２５０により運用モードである旨の情報を取得した場合に、信号混合部２２４と終端抵抗とを接続させる。これにより、デジタル系の信号のノイズが、信号混合部２２４に供給されるアナログ信号に混入するのを抑制することができる。したがって、混合部２２０Ａは、アンテナ素子１０および前段信号処理部２０によって得られるアナログ信号に対して他の信号を混合せずに、そのままＡＤ変換部１１２に出力する。また、位相角算出部２３０Ａおよび動作判定部２４０Ａは、切替部２５０により運用モードである旨の情報を取得した場合に、位相角の算出は動作判定に関する処理を実行しない。

次に、試験モードの場合について説明する。試験モードの場合、信号処理装置１００Ａに入力されるアナログ信号は、アンテナ素子１０および前段信号処理部２０によって得られるアナログ信号でもよく、信号発生部６０によって発生されたアナログ信号に切り替えてもよい。試験モードの場合、分配器２１０Ａは、ＡＤ変換部１１２および直交復調部１１４に対してクロック信号ＣＬＫおよび基準タイミング信号ＳＹＳＲＥＦを出力するとともに、クロック信号の分周信号を生成し、生成した信号を混合部２２０Ａに出力する。スイッチ２２６は、切替部２５０により試験モードである旨の情報を取得した場合に、信号混合部２２４とフィルタ部２２２とを接続させる。混合部２２０Ａは、アナログ信号とフィルタリングされた分周信号とを混合し、チャネルに出力する。また、位相角算出部２３０Ａ、および動作判定部２４０Ａは、切替部２５０により試験モードである旨の情報を取得した場合に、直交復調部１１４から出力される信号に対して位相角の算出および動作判定を行う。

以上説明したように、第２の実施形態の信号処理装置１００Ａによれば、第１の実施形態と同様の効果を奏する他、実際に現場に設置した信号処理装置において、運用モードと試験モードを切り替えて処理を実行させることができるため、動作試験時に、試験装置を準備したり、取り付けたりする必要がない。そのため、容易に信号処理装置１００Ａの動作試験を行うことができる。

なお、本出願人は、上述した第２の実施形態に基づく信号処理装置を実施し、各チャネルにおける動作のずれを効率的に判定することが確認できた。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…アンテナ素子、２０…前段信号処理部、３０…基準タイミング信号生成部、４０、２１０…分配器、５０…ビーム合成部、６０…信号発生部、１００…信号処理装置、１１０…チャネル、１１２…ＡＤ変換部、１１４…直交復調部、２００…試験装置、２２０混合部、２２２…フィルタ部、２２４…信号混合部、２２６…スイッチ、２３０…位相角算出部、２４０…動作判定部

Claims (5)

1. アナログ信号を処理する複数のチャネルが動作する基準となるクロック信号と、前記複数のチャネルから信号を出力する基準となる基準タイミング信号と、前記クロック信号を分周した分周信号とを前記複数のチャネルに分配して出力する分配器と、
   前記分配器と前記複数のチャネルとの間にそれぞれ介在し、前記分配器から出力された分周信号と前記アナログ信号とを混合して前記複数のチャネルに出力する複数の混合部と、
   前記基準タイミング信号に基づくタイミングで前記複数のチャネルによりそれぞれ出力される出力信号の位相角を算出する複数の位相角算出部と、
   前記複数の位相角算出部により算出された位相角に基づいて、前記複数のチャネルのそれぞれの動作判定を行う動作判定部と、を備え、
   前記複数のチャネルのそれぞれは、前記分周信号に基づき生成したアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号に対する直交復調後のＩ信号およびＱ信号を前記出力信号として出力し、
   前記複数の位相角算出部のそれぞれは、前記出力信号に含まれる前記Ｉ信号および前記Ｑ信号の位相角を算出し、
   前記動作判定部は、前記複数の位相角算出部により算出された前記位相角と所定角とのずれ量に基づいて前記複数のチャネルのそれぞれの動作判定を行う、
   試験装置。
2. 前記分配器は、前記クロック信号の周波数を１／４倍に分周して前記分周信号とする、
   請求項１に記載の試験装置。
3. 前記分配器と前記混合部との間にそれぞれ介在し、前記分周信号のうち、所定の周波数帯域の信号を通過させる複数のフィルタ部を更に備える、
   請求項１または２に記載の試験装置。
4. 前記動作判定部は、前記位相角算出部により算出された位相角と、前記所定角との差が閾値以内である場合に、前記出力信号を出力したチャネルが正常に動作していると判定し、前記位相角と前記所定角との差が閾値を超える場合に、前記出力信号を出力したチャネルが異常であると判定する、
   請求項１から３のうち、何れか１項に記載の試験装置。
5. アナログ信号をデジタル信号に変換する複数のチャネルと、
   前記複数のチャネルが動作する基準となるクロック信号と、前記複数のチャネルから信号を出力する基準となる基準タイミング信号と、前記クロック信号を分周した分周信号とを前記複数のチャネルに分配して出力する分配器と、
   前記分配器と前記複数のチャネルとの間にそれぞれ介在し、前記分配器から出力された分周信号と前記アナログ信号とを混合して前記複数のチャネルに出力する複数の混合部と、
   前記基準タイミング信号に基づくタイミングで前記複数のチャネルによりそれぞれ出力される出力信号の位相角を算出する複数の位相角算出部と、
   前記複数の位相角算出部により算出された位相角に基づいて、前記複数のチャネルのそれぞれの動作判定を行う動作判定部と、を備え、
   前記複数のチャネルのそれぞれは、前記分周信号に基づき生成したアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号に対する直交復調後のＩ信号およびＱ信号を前記出力信号として出力し、
   前記複数の位相角算出部のそれぞれは、前記出力信号に含まれる前記Ｉ信号および前記Ｑ信号の位相角を算出し、
   前記動作判定部は、前記複数の位相角算出部により算出された前記位相角と所定角とのずれ量に基づいて前記複数のチャネルのそれぞれの動作判定を行う、
   信号処理装置。

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