JPH0430551B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は試験信号を測定対象へ供給し、その
測定対象の入力試験信号と出力試験信号とを高速
フーリエ変換し、その変換出力から測定対象の伝
達関係を測定するデジタルスペクトルアナライザ
に関する。

＜発明の背景＞ デジタルスペクトルアナライザは第１図に示す
ように試験信号発生器１１から試験信号を発生し
て測定対象１２へ与え、測定対象１２からの出力
試験信号を端子１３より高速フーリエ変換解析装
置（以下FFT解析装置と記す）１４へ入力し、
また測定対象１２の入力側の試験信号を端子１５
よりFFT解析装置１４に入力し、解析装置１４
においてそれぞれ入力された試験信号をデジタル
信号に変換した後、高速フーリエ変換して測定対
象１２の伝達関数を求める。

FFT解析装置１４においては第２図に示すよ
うに入力端子１３（又は１５）よりの試験信号は
可変利得増幅器１６を通じて低域波器１７に供
給され、低域波器１７の出力はAD変換器１８
において一定周期でサンプリングされてデジタル
信号に変換され、そのデジタル信号はバツフアメ
モリ１９内に記憶される。バツフアメモリ１９に
一定サンプル数、例えば1024個のサンプル数が記
憶されるとFFT変換器２１において高速フーリ
エ変換が行われる。

その際にAD変換器１８における変換を有効に
行うため、つまりサンプルしたデータを例えば
AD変換器の10ビツトのデジタル信号に変換する
場合、その10ビツトの全域をなるべく使うように
して解析感度を上げるように入力のレンジ設定が
行われる。即ちバツフメモリ１９よりサンプル値
を読み出し、そのサンプル値が小さ過ぎる場合は
増幅器１６の利得を上げ、逆にサンプル値が大き
過ぎる場合は増幅器１６の利得を下げてAD変換
器１８での変換を最適化する。

FFT解析器２１においては第３図のステツプ
S₁に示すように入力信号の感度を設定する。即ち
先に述べたようにAD変換器１８の変換が最適に
行われるようにその入力レベルを設定する操作が
行われる。その後その設定状態においてバツフア
メモリ１９に取込まれた、例えば1024個のサンプ
ル値についてステツプS₂で高速フーリエ変換を行
い、ステツプS₃で端子１５からの入力試験信号及
び端子１３からの出力試験信号に対するパワース
ペクトラムGaa，Gbb、更に相互スペクトラム
Gabを演算する。即ち端子１５より入力された試
験信号についてFFT解析した各周波数成分につ
いてその実部の自乗と虚部の自乗との和Gaaを演
算し、また端子１３より入力された出力試験信号
についても同様にそのFFT解析した各周波数成
分の実部の自乗と虚部の自乗との和Gbbを演算し
て各パワースペクトラムを求め、更に入力試験信
号の高速フーリエ変換の共役と対応する周波数成
分の出力試験信号の高速フーリエ変換との積を演
算して相互スペクトラムGabを演算する。

各試験信号を同様に繰り返して取込み、同様の
ことをしてパワースペクトラム及び相互スペクト
ラムを必要数求め、これらの平均をステツプS₄で
行い、平均パワースペクトラム＜Gaa＞及び＜
Gbb＞、平均相互スペクトラム＜Gab＞を求め
る。これら平均値からステツプS₅で伝達関数が求
められる。即ち平均相互スペクトラム＜Gab＞を
平均パワースペクトラム＜Gaa＞で割算する。各
周波数ごとにこのことが行われる。FFT解析器
２１で解析された結果は表示器２２に表示され
る。

このようにして測定された測定対象の伝達関数
は、例えば第４図に示すような曲線２３となる
が、この高速フーリエ変換によつて各周波数は一
定間隔で発生するため高い周波数に対する部分、
つまり第４図において測定周波数範囲がF₀乃至
F_oとするとき、F_o側に対する測定スペクトラム
の間隔は比率的に密になり、一方低い周波数F₀
附近におけるスペクトル密度はその周波数に対し
ては密度が粗くなつている。このため低い周波数
領域にピーク２３ａが存在するとピーク部分の分
解能が低下することになる。

＜発明の概要＞ この発明の目的は周波数に対する密度がほぼ一
様な測定をすることができ、つまり対数目盛でほ
ぼ等間隔の分解能が得られるデジタルスペクトル
アナライザを提供することにある。

この発明によれば解析すべき入力信号の周波数
範囲を複数の領域に分け、低い周波数領域程AD
変換器のサンプリング周波数を低く設定し、低い
周波数領域でも高い周波数領域でもその周波数に
対して得られるスペクトラムの間隔の比がほぼ一
定になり、一様な分解能の解析結果が得られる。
このように周波数領域を分割して測定する場合に
はその各領域に応じてAD変換器が最適の変換動
作をするようにその入力レベルを制御することが
好ましい。

＜実施例＞ 例えば第４図においてその周波数領域を三つに
分け、最高周波数F_oからその１／10の周波数F₂
の間を第１領域とし、更に周波数F₂の１／10、
つまり最高周波数F_oの100分の１の周波数F₁とF₂
との間を第２領域とし、このF₁以下の周波数を
第３領域として周波数解析を行う。この各設定し
た周波数領域に対する試験信号を発生するため試
験信号発生器１１は例えば第５図のように構成さ
れる。即ちバス２５にはCPU２６、その動作プ
ログラムを記憶したROM２７、読み書き可能な
RAM２８、更に第１図のFFT解析装置１４と接
続された入出力部２９が接続されている。入出力
部２９を通してFFT解析装置１４より試験信号
の発生に必要なデータ、即ち例えば雑音信号、多
重正弦波信号、単一正弦波信号、周波数掃引正弦
波信号などの信号モードを示すデータと、発生す
る周波数範囲の最大値と最小値、更に振幅レベ
ル、必要に応じて周波数変化幅Δを示すデータ
などが送られ、これらデータと共にFFT解析装
置１４内のAD変換器１８のサンプリングクロツ
クと同期するための一般にこれよりも高い周波数
のクロツクが入力される。このクロツクは入出力
回路２９より分周器３１に入力され、分周器３１
はバス２５に接続されてその入力データに応じて
CPU２６から必要な分周比が設定される。

一方波形メモリ３２には多重正弦波の波形の各
点をサンプルしたデジタル値を記憶したものや、
周波数掃引信号例えばF₀乃至F₁の周波数が変化
する掃引正弦波信号の波形が記憶されるなど各種
の信号波形が記憶されており、どの波形の信号を
読出すかはバス２５を通じてCPU２６により、
つまりFFT解析装置１４から与えられた信号モ
ードに応じて波形メモリ３２の読み出し領域が選
定されて決定される。波形メモリ３２は分周器３
１の出力、一般にAD変換器１８と同期した同一
周波数のクロツクで読み出される。このため分周
器３１の出力がスイツチ３３を通じて波形メモリ
３２内のアドレスカウンタへ供給され、このアド
レスカウンタが歩進される。スイツチ３３を切換
えて雑音発生器４０からランダムパルスを波形メ
モリ３２へ供給して雑音信号を読み出すこともで
きる。

波形メモリ３２より読み出された信号はアナロ
グ信号に変換され、乗算器３４を通じ、更にスイ
ツチ３５を通じてレベル調整器３６へ供給され
る。レベル調整器３６はCPU２６によりバス２
５を通じて、レベルがFFT解析装置１４より与
えた大きさに応じて設定される。その設定された
レベルを持つた試験信号が端子３７より出力さ
れ、これが第１図の測定対象１２に与えられる。
単一正弦波信号を発生する場合においては正弦波
メモリ３８が分周器３１の出力クロツクで読み出
される。正弦波メモリ３８から発生する正弦波信
号の周波数はバス２５を通じてCPU２６より設
定される。この読み出された正弦波信号はスイツ
チ３９を通じ更にスイツチ３５を通じてレベル設
定器３６に供給される。またこの正弦波信号は乗
算器３４で波形メモリ３２から読み出された信号
と乗算することができる。この試験信号発生器
は、FFT解析装置１４から与えられたデータに
応じてその指定されたモードの試験信号を指定さ
れた周波数範囲内において発生することができ
る。

先に述べたようにAD変換器１８の入力レベル
をそのAD変換器の変換動作が最適となるよう
に、つまり最も有効な変換データが得られるよう
に制御する。そのためにFFT解析装置１４に入
力された信号レベルが大き過ぎた場合を検出する
ようにされる。例えば第６図に示すように可変利
得増幅器１６内において差動入力信号は抵抗器４
１，４２を通じて増幅器４３の共通の入力端子に
与えられ、増幅器４３の出力が比較器４４におい
て基準電源４５の基準電圧と比較され、この同相
雑音成分がある程度以上大きい場合は比較器４４
の出力が高レベルとなるように構成されている。
更に可変利得増幅器１６の出力が比較器４６に分
岐供給され、この増幅出力と基準電源４７の基準
電圧とが比較され、増幅出力がAD変換器１８に
おける最大変換レベルよりも大きいレベルの場合
は比較器４６の出力が高レベルとなるようにされ
ている。AD変換器１８の変換出力はデジタル比
較器４８に分岐供給され、レジスタ４９内のしき
い値と比較され、Ａ／Ｄ変換器１８の出力がオー
バーフローしているようなデータの場合は比較器
４８より高レベルが生じる。

AD変換器１８の変換出力は例えば12ビツトで
あり、並列ビツト出力線５２中の最上位より12ビ
ツトがAD変換出力に用いられる。一方比較器４
４，４６，４８の各出力はオア回路５１を通じて
AD変換器の出力線５２の最下位ビツトに入力さ
れている。従つて入力信号レベルや雑音が大き過
ぎるとバツフアメモリ１９に入力されたデータ中
の最下位ビツトが論理１となつており、FFT解
析器２１でバツフアメモリ１９を読み出してその
最下位ビツトが１の場合は入力信号が大き過ぎた
と判定して可変利得増幅器１６の利得を一定値、
例えば10db低下させる。

このレンジ設定操作は例えば第７図に示したよ
うに行われる。バツフアメモリ１９内に所定のデ
ータ数例えば1024個が取込まれると、このFFT
解析器２１はバツフアメモリ１９をステツプS₁で
所定数、例えば1024個を取出し、ステツプS₂にお
いてそれ迄に可変利得増幅器１６の利得を上げる
ことと下げることとの両動作をやつたか否かチエ
ツクされ、そのような動作を行なつてない場合は
ステツプS₃においてその読み出したデータの各最
下位ビツトが１かどうか、つまりオーバーフロー
しているものがあるかどうかチエツクされ、オー
バーフローしているものがある場合はステツプS₄
で可変利得増幅器１６の利得を一定量、例えば
10dbだけ低下する。一方ステツプS₃において読
み出したデータよりその入力が小さ過ぎるか否か
がチエツクされ、これにそのデータの絶対値の上
位何ビツトかが常に０の場合は入力レベルのデー
タが小さ過ぎると判定され、この場合はステツプ
S₆において可変利得増幅器１６の利得を一定量、
例えば10dbだけ上昇する。このようなことを繰
り返し、、つまり１回行うごとに新たにデータを
1024個とつてそのデータについてオーバーフロー
があるか小さ過ぎるかをチエツクし、何べんか繰
り返した後、、或は１回の操作でその入力データ
のすべてがオーバーフローもなく過少入力でもな
い場合はステツプS₇において適切レンジであると
判定し、このレンジに可変利得増幅器１６の利得
が設定保持される。尚場合によるとある入力範囲
においては利得が大き過ぎたため利得を下げると
次に取込んだデータに対しては利得が小さ過ぎる
ようになり、ステツプS₇に移ることができないよ
うな場合がある。即ち利得を上げることと下げる
ことが共に行われる状態になるとこれがステツプ
S₂で検出され、その時の過少入力レンジと判定さ
れた側の利得、つまりステツプS₆で過少入力と判
定されて利得を上げた状態の利得にステツプS₈で
設定される。

第８図はこのデジタルスペクトルアナライザの全
体の動作を示し、ステツプS₁において各測定解析
周波数についてのスペクトラムごとの平均回数を
複数回ごとに分けて測定するようにした場合で、
ステツプS₁においてはｋで平均回数を割つた値ｍ
とし、ｋは例えば１６が設定され、平均回数が６
４の場合はｍ＝64／16＝４となる。ステツプS₂にお いてその測定最高周波数F_oをＦとおく。ステツ
プS₂において試験データ即ちＦや発生する試験信
号を示すモード、更に試験信号の振幅Ｖを試験信
号発生器１１へ伝送し、これにより試験信号発生
器１１から設定されたモード、例えば雑音信号と
して設定された場合はスイツチ３３が雑音源４０
側に切換えられてスイツチ３５は乗算器３４側に
切替えて発生した波形メモリ３２より発生した雑
音が振幅Ｖに設定されて出力される。

一方ステツプS₃においてAD変換器１８のサン
プリング周波数_Sを設定するが、周波数Ｆの少く
とも２倍、例えば2.56倍にサンプリング周波数を
設定し、更にこの例においては低域波器１７の
遮断周波数も解析しようとする周波数Ｆの信号は
充分通過するが、これより高い周波数はなるべく
近い高い周波数まで充分遮断するような遮断特性
に設定する。次にステツプS₄で感度設定が行わ
れ、即ち第６図及び第７図について示したように
してAD変換器１８の変換動作が最良となるよう
に可変利得増幅器１６の利得が設定される。ステ
ツプS₅においてこのようにして設定された状態
で、試験信号発生器１１からは周波数F₁乃至F_o
の信号を発生し、これについてFFT変換を行い、
その各サンプルをｋ回とつてそのｋ回の変換され
た各周波数成分についての平均をとる。

ステツプS₆においてＦが１／10とされ、ステツ
プS₇ではＦが最低周波数領域における最も高い周
波数、つまりF₀乃至F₁内の高い周波数F₁よりも
小さいかどうかチエツクされ、これより小さくな
い場合はステツプS₂に戻り、従つてこの場合にお
いては第４図において周波数F₁乃至F₂の領域に
対する解析が行われることになり、これに対応し
た試験信号が試験信号発生器１１から発生され、
更にステツプS₃では周波数F₂の2.56倍のサンプリ
ング周波数がAD変換器１８に対して設定され、
かつ波器１７の遮断周波数もこれに応じて設定
される。また同様にしてこの新し試験信号に対す
る最高感度の設定も行われ、更にFFT変換され
て平均がとられる。

このようにして測定領域が高い周波数から１／
10更に１／100というような領域ごとに測定が行
われ、最後に最も低い周波数領域F₀乃至F₁に対
する解析が終るとステツプS₇においてＦがF₁よ
りも低い周波数になつてステツプS₈においてＦが
測定範囲の最高周波数F_oに設定され、、ステツプ
S₉でｍが−１されてステツプS₁₀でｍが０がチエ
ツクされ、０でない場合はステツプS₂に戻り、前
記三つの領域についてそれぞれｋ組のサンプルを
とつてそれらについてFFT解析してそれらを平
均し終ると再び各周波数領域についてｋ組のサン
プルをとつてフーリエ変換を行い、ｍが０になつ
た場合は終了とする。

このように各試験信号を発生するごとに最適感
度の設定を行うため、解析結果をその周波数範囲
F₀〜F_oの全体として見るためにはレベル補正を
行う必要がある。つまり第８図のステツプS₅にお
けるFFT解析処理は第９図に示すように行われ
る。即ちFFT変換をステツプS₁で行い、その解
析結果に対してステツプS₂で大きさ補正を行う。
この補正は例えば最初に取込んだ周波数領域F₀
乃至F₁に対して行われたレベルレンジ設定を基
準とし、その時の可変利得増幅器１６の利得より
も利得を大きくした場合の周波数領域のFFT変
換出力については、例えば利得を10db大きくし
た場合はその各測定周波数成分の大きさを10db
下げ、逆に利得を10db下げた場合はFFT変換の
各周波数成分の大きさを10dbだけ上げる補正を
行う。その後ステツプS₃でその補正された各周波
数成分についてそれぞれパワースペクトラムGaa
Gbb相互スペクトラムGabの演算が行われる。更
に新たなデータを同様にして取込み、即ち第８図
の処理を行い、このようにして取込んだ複数のデ
ータについて各周波数成分ごとにステツプS₄で平
均を求め、つまり平均パワースペクトラム＜Gaa
＞＜Gbb＞、平均相互スペクトラム＜Gab＞を演
算する。更にこの平均スペクトラムよりステツプ
S₅で伝達関数を演算する。

＜効果＞ 以上述べたようにこの発明によれば測定周波数
範囲を複数の領域に分割して、その低い領域であ
る程、AD変換器のサンプル速度を遅くするた
め、これに対するFFT変換したラインスペクト
ラムの各部は周波数が低くなると狭くなつて全体
として周波数に対する分解能がほぼ均一なものと
なり、特に低い周波数領域に変化の激しい部分が
ある場合にその変化を精度よく測定することがで
き、正しくそれを解析することができる。尚上述
においては測定対象に試験信号を与えてその測定
対象よりの出力信号と入力信号とを解析したが測
定対象からそのような試験信号を与えることな
く、発生している信号をFFT解析する場合にも
この発明は適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はデジタルスペクトルアナライザによる
解析測定の系統を示すブロツク図、第２図は
FFT解析装置１４の一部詳細を示すブロツク図、
第３図はFFT解析装置１４の動作を示す流れ図、
第４図は伝達関数の例を示す図、第５図は試験信
号発生器１１の一例を示すブロツク図、第６図は
振幅のオーバーフローを検出する例を示すブロツ
ク図、第７図はレベルレンジを最適化する処理動
作例を示す流れ図、第８図はこの発明によるデジ
タルスペクトルアナライザの全体の動作の例を示
す流れ図、第９図はそのFFT解析器の動作を示
す流れ図である。 １１…試験信号発生器、１２…測定対象、１４
…FFT解析装置、１６…可変利得増幅器、１８
…AD変換器、、１９…バツフアメモリ、２１…
FFT解析器、２２…表示器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入力信号をAD変換器でデジタル信号に変換
   し、そのデジタル信号を高速フーリエ変換して入
   力信号を解析するデジタルスペクトルアナライザ
   において、 上記入力信号の解析周波数範囲を複数の領域に
   設定する手段と、 その低い設定周波数領域程上記AD変換器のサ
   ンプリング周波数を低く設定するサンプリング周
   波数設定手段と、 各設定周波数領域ごとに同一サンプル数で高速
   フーリエ変換を行う手段と、 が設けられているデジタルスペクトルアナライ
   ザ。