JPH0247561A

JPH0247561A - 周波数スペクトラムの分析方法

Info

Publication number: JPH0247561A
Application number: JP1168294A
Authority: JP
Inventors: Steven R Morton; スティーブン・アール・モートン; John C Domogalla; ジョン・シー・ドモガラ
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1988-07-05
Filing date: 1989-06-29
Publication date: 1990-02-16
Anticipated expiration: 2011-07-24
Also published as: US5103402A; JP2517398B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】し産業上の利用分野コ本発明はデジタル・スペクトラム・アナライザの周波数
スペクトラムの分析方法、特に連続的に生成される周波
数ドメイン情報を認識し、記憶し、分析する方法に関す
る。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］デジタ
ル・スペクトラム・アナライザは、そのデータ処理速度
よりも速くデータを取り込むことができる。また、スペ
クトラム・アナライザのデータ処理機能が改善されるに
つれて、処理速度が速くなり、表示速度が処理速度に追
従できなくなった。この表示速度の問題により、データ
表示は不連続になる。即ち、１組のデータが表示されて
いる間に、次の組のデータが取り込まれ、処理されても
、表示機構が次の組のデータを表示する準備が整わない
で、このデータは表示できずに失われてしまう。したが
って、隣接して即ち連続的に表示されるデータは、実際
には、時間的に間隙のある散在したデータである。

通常、スペクトラム・アナライザでは、データ取り込み
を開始、又は停止するために、トリガを使用している。

しかし、これらのトリガは、分析対象の人力信号に関す
るタイム・ドメイン情報に基づ＜トリガ、又は外部ソー
スから得たトリガであり、周波数ドメイン情報から得た
トリガではない。あるスペクトラム・アナライザは、良
否判定の目的でスペクトラム・イベントを認識する手段
を有しているが、データ取り込み即ちデータ記憶をトリ
ガするためにスペクトラム・イベントを認識するスペク
トラム・アナライザは以前にはなかった。

したがって、周波数ドメインで定義されるイベント、即
ちスペクトラム・イベントを認識する方法が望まれてい
る。即ち、この方法では、スペクトラム・イベントの認
識又は操作者からの命令に応答して、分析のために、目
的の特定期間の全てのデータを累積し、表示できること
が望ましい。

これにより、スペクトラム・アナライザの操作者は、目
的の期間の時間ドメインの信号変化の連続した履歴を示
す複数の周波数スペクトラムを観察及び分析できる。

したがって、本発明の目的は、実時間表示ができない程
高速で連続的に生成される周波数スペクトラムを分析す
る方法を提供することである。

本発明の他の目的は、予め定義したスペクトラム・イベ
ントを発生の検出することにより、時間的に連続した周
波数スペクトラムを分析する方法を提供することである
。

［課題を解決するだめの手段及び作用］被分析信号の時
間的に連続した記録を表す周波数スペクトラムは、目的
の特定期間にメモリに累積され、この累積は所定量の周
波数スペクトラムを累積するまで続けられる。次に、記
憶された周波数スペクトラムはメモリから読み出され、
時間軸に沿って複数の周波数スペクトラムを表示できる
装置に表示される。画面上の異なるスペクトラム間でデ
ルタ時間測定を行うためにマーカが設けられている。環
状メモリへの連続的記憶は、予め定めたスペクトラム・
イベントの検出により、停止することができる。したが
って、目的の特定期間中、時間変化する電気信号の周波
数ドメイン変化を１つのグループとして連続的に表すス
ペクトラムの全てを分析することができる。

したがって、第１の発明は、時間変化する時間ドメイン
信号を取り込み、この信号を周波数ドメイン情報に変換
して周波数スペクトラムを分析する周波数スペクトラム
分析方法であり、周波数スペクトラムを連続して生成し
、この周波数スペクトラムを所定期間、メモリに累積し
、所定期間の終了後に、メモリに累積された周波数スペ
クトラムを読み出すことを特徴とする。

更に、第２の発明は、時間変化する時間ドメイン信号を
取り込み、この信号を周波数ドメイン情報に変換して周
波数スペクトラムを分析する周波数スペクトラム分析方
法であり、スペクトラム・イベントを定義し、周波数ス
ペクトラムを連続して生成し、この周波数スペクトラム
をメモリに連続的に累積し、周波数スペクトラム中のス
ペクトラム・イベントの発生を検出し、スペクトラム・
イベントの検出に応答してメモリへの累積の停止を制御
することを特徴とする。

［実施例］スペクトラム・アナライザは、電気信号を周波数ドメイ
ンで表示する電子機器である。デジタル・スペクトラム
・アナライザでは、被分析信号の一連の振幅測定値は時
間に関して得られ、測定値はデジタル・ワードに変換さ
れる。デジタル・ワード列は、信号振幅の変化を時間ド
メインで表現する。この時間ドメイン情報をフーリエ変
換すると、同じ情報から周波数ドメイン表現が得られる
。

被分析電気信号の周波数ドメイン表現は、４Ｍ　号笛力
対周波数のグラフとして表示される。この表示を使用し
て、信号のスペクトラムの内容を分析テきる。

第１図は本発明を実施するデジタル・スペクトラム・ア
ナライザを示す。分析対象の時間変化する電子信号は、
スペクトラム分析装置のアナログ人力部（１０）に入力
される。アナログ人力部（１０）は入力信号のレベルに
応じて減衰及び増幅を行い、更に人力信号をゲートし、
または外部（時間ドメイン）トリガに応答する機能を持
つ。

また、アナログ人力部（１０）は、サンプリング機能に
必要とする。エイリアシング防止用の低域通過フィルタ
を含んでいる。アナログ・デジタル変換器（以下ＡＤＣ
という）（２０＞は、良好な状態になった人力信号を一
連のデジタル・ワードに変換する。この入力信号は、ｌ
ＯＭＨｚの有効な人力信号帯域を得るために２５．６メ
ガ・サンプル７秒の速度でサンプルされる。

デジタル・ダウン・コンバータ　（３０）、は、５００
Ｈｚ及び９．９９９５ＭＨｚ間の選択可能な周波数だけ
ｌＯＭＨｚの人力帯域を下げ、その結果得た合成信号に
対して低域通過フィルタ処理を行い、適当に間引かれた
フィルタ出力を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）プロセッサ
を含む均一フィルタ・バンク　（４０）に供給する。

時間ドメインの情報を周波数ドメインの表現に変換する
には、デジタル・スペクトラム・アナライザは１ｔＩｌ
ａ的フーリエ変換（ＤＦＴ）として知られる方法に幾分
の変形を加えてフーリエ変換を行なう。通常、このＤＦ
Ｔは、ＦＦＴとして知られるアルゴリズムの一つを使用
して行われる。ＦＦＴ及びその変形については、多数の
特許明細書、教科書及び文献内の論文に記述されている
。しかし、ＦＦＴを行なう全ての方法には、特定の最小
量の時間及びある程度の量の計算用情報が必要である。

ここで、説明する装置では、均一フィルタ・バンク（４
０）がこの処理機能を持っている。

均一フィルタ・バンク　（４０）の出力は、■スペクト
ラム・フレームの１０２４個の周波数ビンにわたり、人
力信号の周波数分布を複素数で表わす１０２４対のデジ
タル・ワードの集まりである〇（ここで、“ビン″とは
、各周波数に対する振幅値が記憶されるメモリの場所を
いう。）このフォーマットのスペクトラム・データは、
次に、電力及び位相計算回路（５０）に入力される。こ
の回路は電力及び位相角に関して、スペクトラム・フレ
ーム内の１０２４個のビンの各々を表わす１０２４個の
電力レベル及び１０２４個の位相角を生成する。

実時間インタフェース（６０）は、上述した複素信号対
と電力及び位相フォーマットと両方の形式のスペクトラ
ム情報を受は取り、種々の形式の他の装置への出力を可
能にする。本発明に関し重要なことは、この実時間イン
タフェース（６０）が、電力情報を２つの比較マスクと
比較することにより、イベント検出を行うことである。

観察しているスペクトラムのうちの１つの振幅が、操作
者により設定された最大限界値より大きくなるか、最小
限界値より小さくなるときに、このイベント検出が行わ
れる。

操作者は、適当な通信ポートによりＣＰＵ（１００）に
接続された前面パネルのキーボード（１１０）又は他の
端末装置を使用した種々の手段により、イベントを定義
する。第２図に、画面に表示されたイベント定義マスク
の例を示す。この特定のイベント定義マスクは、表示フ
ォーマツタ（７０）のマックス・ホールド機能を使用し
て生成され、特定周波数スパン内の全ての周波数におけ
る最大振幅変化の履歴を累積する。イベント定義マスク
を定義する他の方法には、１つのカーソルを移動させて
マスクを描く方法、キーボードで定義をタイプ人力する
方法、及び記憶されたスペクトラム波形に一定のオフセ
ットを追加する方法がある。

ＣＰＵ（１００）は、操作者のイベント定義に応答して
、最小値及び最大値用の２つのイベント定４！７スクを
実時間インタフェース（６０）に送る。スペクトラム情
報、特に電力情報が電力及び位相計算回路（５０）から
出力されと、実時間インタフェース（６０）は、この電
力情報をイベント定義マスクと比較して、いずれのビン
内の振幅が、最大値より大きいか、又は最小値よりも小
さいかを判断し、最大及び最小の範囲を超えた場合はイ
ベント検出出力が発生する。このイベント検出出力は、
外部的に使用可能であるが、内部的にもスペクトラム情
報の記憶の停止及び開始にも使用できる。

表示フォーマツタ（７０）は、電力及び位相計算回路（
５０）からの電力及び位相情報量に関して様々なデータ
削減演算を行なう。表示機構、更には人間の目や知覚は
、２００μ秒（均一フィルタ・バンク（４０）で発生可
能な最高速度）毎の新しい表示に応答することは不可能
であるので、操作者が実時間でデータを認識するために
は、ある種のデータ削減を行なうことが必要である。し
たがって、表示フォーマツタ（７０）は、操作者が選択
できる数種の方法のうちの１つで、データ削減を行なう
。フレームは、ある間引き係数Ｒに従って廃棄してもよ
い。あるいは、数個のフレーム毎に平均化され、平均値
毎に要約したフレームを生成できる。更に、ピーク又は
最小値も選択される。

上述の全ての技法では、均一フィルタ・バンク（４０）
で行う実時間スペクトラム計算に表示装置及び操作者が
付いていけるように、ある種のデータ圧縮技法を使用し
ている。したがって、これらの方法は、操作者がフレー
ム毎にスペクトラムの変化の全てを細かく調べることは
できない。

本発明によれば、目的の特定期間に発生する全てのスペ
クトラムの変化を調べることができる。

周波数ドメイン・データを圧縮したり、あるいは間引い
たり、更には時間間隔をあけて表示するのではなく、後
でゆっくりと表示するために完全な形で周波数ドメイン
・データは累積される。更に、スペクトラム・イベント
定義を行い、操作者は周波数ドメインのどのデータを測
定するかを定義できる。また、この周波数ドメイン・デ
ータは、時間ドメインで発生する変化を時間的間隙がな
く表ｔｔＰ４ができるので（デルタ時間測定及び操作者
による詳細な分析を、目的の期間のスペクトラム変化の
完全な履歴に対して行うことができる。

操作者が、代表的なサンプル又は圧縮されたデータでは
なく、１まとめのスペクトラム・フレームの全てを見る
ことができる“ブロック・モード″を選択すると、電力
及び位相計算回路（５０）からのスペクトラム情報の全
ては、表示フォーマツタ（７０）を介してＶ　Ｍ　Ｅリ
ンク（８０）に送られる。１０２４ビンを含むｌスペク
トラム・フレームのデータは、各ビンに対して２つの１
６ビツト値を有している。２つの１６ビツト値の一方は
電力情報であり、他方は位相情報である。

Ｖ　Ｍ　Ｅ　ＩＪシンク８０）は、この電力及び位相か
ら成る情報の一部を放棄し、その残りを再４！戊してＶ
ＭＥバス（９０）に送る。１０２４ビンのフレームの最
初及び最後の付近のビンは、アナログ入力部（１０）内
のエイリアシング防止用フィルタの漏洩及び特性により
部分的に破壊されたデータを含んでいるので、各スペク
トラム・フレームの中央の８００ビンのみを表示するこ
とが望ましい。したがって、データが最終的表示のため
にＣＰＵ（及び高速メモ！Ｊ）（１００）に送られる前
に、２２４ビンの情報、即ち各フレームの両端部の１１
２ビンが放棄される。

このフレームの残りの８００ビンのデータは、転送され
る前に、ＶＭＥＩＪンク　（８０）により再編成される
。このデータは、電力及び位相計・算回路（５０）から
出力されるので、特定のビンの電力値及び位相角値は、
データ列内で互いに隣接して現れる。電力値及び位相角
値はＶ　Ｍ　Ｅ　ＩＪシンク８０）から転送されるとき
、８００個の電力値全てが順番に転送され、続いて８０
０個の位相角値全てが転送されるように再編成される。

データの再編成及び選択の他に、ＶＭＥバス（８０）は
スペクトラム・データの各フレームに３２ビツトのタイ
ムスタンプ情報を与える。タイムスタンプ情報は、シス
テムの正確に制御された基準発振器から生成される。個
々のスペクトラム及びその発生時間の関係から、後でデ
ルタ時間を測定するための計算ができる。これらの時間
は、画面の時間軸を表記するための相対時間を生成する
ためにも使用される。

スペクトラムを処理するブロック・モードでは、ＶＭＥ
リンク（８０）によりフォーマットされ、タイムスタン
プが押されると、連続的に発生されたスペクトラム・デ
ータ列は、ダイレクト・メモリ・アクセス（ＤＭＡ）に
よりＶＭＥバスを介してＣＰＵ　（及び高速メモ！Ｊ）
（１００）内の高速スタティック・メモリに送られる。

十分な数のフレームが高速メモリに記憶された後、ＣＰ
Ｕ（１００）は表示制御器（１２０）に送るための表示
画像を生成する。第３図に示す様に、ＣＰＵ（ｌ　ＯＯ
）で生成された表示画像は、１個又は２個の別個の表示
ウィンドウ、ラベル、読取り部、カラー・スケール、及
び種々のその他の情報で構成されている。表示制御器（
１２０）は、ＣＰＵ（ｌ　ＯＯ）からの指示に従って画
像をスクロールするようにカラー表示器（１３０）を制
御し、画像の内容を変更するためのＣＰＵ　（１００）
からの更新情報を受は取る。

スペクトラムのＦＦＴ計算が、カラー・スペクトログラ
ム表示が付けていけない程の速度で行われたとしても、
連続的スペクトラム情報は、ＣＰＵ（１００）に付属し
た高速メモリに送られ、このメモリは全ての情報を保存
するのに十分な速度で動作する。更に、計算結果の出力
がメモリのアドレス空間の環状部分に送られる間に、時
間ドメイン・データの取り込み及びＦＦＴ計算を進める
ことができる。次に、操作者からの命令の発生、又は定
義されたスペクトラム・イベントの検出により、メモリ
の環状部分の重ね書きは、所望の遅延時間及び１まとめ
に表示されるメモリの環状部分の内容分だけ経過後に停
止できる。

イベントが検出された後、環状メモリに記憶されるスペ
クトラム・フレームの番号を変えることにより、連続し
た１まとめのスペクトラム・データの表示領域内で、ス
ペクトラム・イベントの位置を制御できる。これにより
、スペクトラム・アナライザの操作者は、定義したイベ
ント以前のスペクトラムの変化、又は定義したイベント
以後のスペクトラムの変化、あるいは両者の比較を観察
できる。

予めデータが満たされた環状データ取り込みメモリ内で
トリガ位置を決める技法は、例えば、ロジック・アナラ
イザの時間ドメインで周知であるが、トリガ機構として
累積データを周波数ドメインで定義した類似する技法を
使用することは新規である。

第３図では、カラー・スペクトログラム表示は、垂直時
間軸（３００）に沿って配列された多数のスペクトラム
から成り、これらのスペクトラムの周波数は、水平軸（
３１０）上に示される。各周波数のスペクトラムの振幅
値は、色別けして示される。時間軸（３００）には、ス
ペクトログラム表示の特定点のスペクトラムのタイムス
タンプと、この表示の下端部のスペクトラムのタイムス
タンプとの時間間隔が表記されている。

第１マーカ及び第２マーカ（３３０）の２つのマーカは
、スペクトログラム表示上の特定位置を認識するために
使用する。スペクトログラム表示上でマーカが置かれた
各位置に関して、読取り部（３４０）は、周波数、振幅
及び時間の値を示す。

この読取り部（３４０）でＤＥＬＴＡと表記された領域
には、２つのマーカの位置間の周波数、振幅及び時間の
差が示される。マーカの移動を制御する操作つまみは、
他の場所に設けられている（図示せず）。

第４図は、ここで説明するスペクトラム・アナライザで
使用可能な２重表示機能を示す。この表示機能では、振
幅対周波数表示（４１０）と、これと垂直方向に並んだ
スペクトログラム表示（４００）が示される。したがっ
て、２つの表示は、等しい周波数軸（４２０）及び（４
３０）に沿って配列される。この周波数軸のスケール及
び中心は共通に制御できる。スペクトログラム表示の水
平軸は時間軸（４４０）であり、一方、振幅対周波数表
示の水平軸は、振幅軸（４５０）である。この２重表示
では、振幅及び周波数表示（４１０）は、カラー・スペ
クトログラム表示（４００）の現在の下端部の詳細な表
示となる。

カラー・スペクトログラム表示は、振幅対周波数表示（
４１０）の内容の要約した履歴として示される。

上述したユーザ・インタフェースは、６８０３０プロセ
ツサを使用したＵＮＩＸシステムＶオペレーティング・
システム上で実行されるＣプログラム言語で実現される
。しかし、この実現方法の詳細は本発明に重要ではない
ので、説明を省く。

上述の装置は、連続して生成される周波数ドメイン情報
を認識し、保存し、分析するための改良した機能を提供
する。ただし、本発明は上述の特定の実施例に限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱することなく種々
の変更が可能であることは当業者には明かである。

［発明の効果］本発明によれば、連続して生成された周波数スペクトラ
ムを所定期間メモリに累積し、後でこの周波数スペクト
ラムを読み出すことにより、所定期間の周波数スペクト
ラムの連続変化を分析できる。また、スペクトラム・イ
ベントを定義し、生成された周波数スペクトラム中のス
ペクトラム・イベントを検出して、メモリへの累積の停
止を制御することにより、特定のスペクトラム・イベン
トに関係する所定期間の周波数スペクトラムを分析でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するためのデジタル・スペクトラ
ム・アナライザのブロック図、第２図はスペクトラム・
イベントが定義された振幅対周波数表示を示す図、第３
図は本発明によりデータが表示されたカラー・スペクト
ログラム表示を示す図、第４図はカラー・スペクトログ
ラム表示及び振幅対周波数表示の両方を含む２重表示画
面を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】１、時間変化する時間ドメイン信号を取り込み、該信号
を周波数ドメイン情報に変換して周波数スペクトラムを
分析する周波数スペクトラム分析方法であって、周波数スペクトラムを連続して生成し、上記周波数スペクトラムを所定期間、メモリに累積し、上記所定期間の終了後に、上記メモリに累積された上記
周波数スペクトラムを読み出すことを特徴とする周波数
スペクトラムの分析方法。２、時間変化する時間ドメイン信号を取り込み、該信号
を周波数ドメイン情報に変換して周波数スペクトラムを
分析する周波数スペクトラムの分析方法であって、スペクトラム・イベントを定義し、周波数スペクトラムを連続して生成し、該周波数スペクトラムをメモリに連続的に累積し、上記周波数スペクトラム中の上記スペクトラム・イベン
トの発生を検出し、該スペクトラム・イベントの検出に応答して上記メモリ
への累積の停止を制御することを特徴とする周波数スペ
クトラムの分析方法。