JPH0619395B2 - スペクトラムアナライザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はハーモニックミキシングを利用したスーパー
ヘテロダイン方式の無線周波数（ＲＦ）の受信機に係
り，とくに，ＲＦの受信機，たとえばスペクトラムアナ
ライザにおいて，捕捉し，測定しようとする真の信号
と，ハーモニックミキシングを利用したスーパーヘテロ
ダイン方式に起因して発生するスプリアス信号（以下，
スプリアス信号とは，ハーモニックミキシングを利用し
たスーパーヘテロダイン方式に起因して発生するスプリ
アスを示す）とを容易に識別可能とする信号識別装置に
関する。

この発明の装置は高周波のスペクトラムアナライザに応
用するととくに有用で，表示画面上に出現したスペクト
ラム波形が目的としたスペクトラムか否かを判別し易い
態様でスプリアス波形から識別することが可能となる。

〔従来の技術〕

スーパーヘテロダイン方式のスペクトラムアナライザに
よって、数10GHz 以上の無線周波数帯（ミリメートル波
帯）の信号のスペクトラム分析を行う場合は，ローカル
信号の高調波成分と，入力ＲＦ信号とを混合して比較的
低い周波数の中間周波数（ＩＦ）信号に変換した後，こ
の変換されたＩＦ信号を分析するハーモニックミキシン
グの方法が使用されるのが一般的である。この場合，測
定しようとする入力信号周波数ｆ_RF，ローカル信号周波
数ｆ_LO1およびＩＦ信号周波数ｆ_IFの間には次の関係が
ある。

ｆ_RF＝Ｎｆ_LO1±ｆ_IF (1) もしくは、 ｆ_IF＝｜ｆ_RF−Ｎｆ_LO1｜ (1)' ここでＮは使用するローカル信号の高調波の次数を示
す。一例として，ｆ_IF＝0.5GHzのときＮ＝10（10次の高
調波）で使用するとすれば，45GHz ないし55GHz の範囲
を受真（測定）するためのローカル信号としては，(1)
式の正符号をとるとして4.45（45＝10×4.45＋０．５）
なしい5.45（55＝10×5.45＋０．５）GHz の範囲信号
を，あるいは(1)式の負符号をとるとして4.55（45＝10
×4.55−０．５）なしい5.55（55＝10×5.55−０．５）
GHz の範囲の信号を用いればよいことになる。

この範囲は比較的狭い範囲であることあ特長ではある
が，ハーモニックミキシングの方法を用いた場合，捕捉
したい目的の入力信号ｆ_RFが出現する表示画面上の位置
の外に，偽のスペクトラム（スプリアス信号）が多数出
現してしまうことは避けられない。

この様子を第２図によって説明する。第２図は、横軸を
周波数目盛，縦軸を信号の振幅（任意目盛）としたスペ
クトラム表示画面の模式図である。表示周波数は45ない
し55GHz である。前記の例示で同じく正符号で(1)式が
満足する場合とする。

ｆ_RF＝52GHz の信号が捕捉（測定）すべき信号として入
力されると，第２図に示すように，適正なスペクトラム
表示Ｓ１が（52＝10×5.15＋０．５）GHz （対応する第
一ローカル信号周波数ｆLOI＝5.15GHz ）に現れるが、
その外いも多数の偽のスペクトラムが表示画面上に現れ
る。

第２図にはＮ＝10で(1)式の−符号の対応するＳ２（52
＝10×5.25−０．５従ってＳ２＝10×5.25＋０．５＝5
3）GHz ，異なるＮの値に対するＳ３（52＝11×4.6818
＋０．５従ってＳ３＝10×4.6818＋０．５＝47.318）GH
z ，Ｓ４（52＝11×4.7727−０．５従ってＳ４＝10×4.
7727＋０．５＝48.227）GHz などを表示しており，簡単
のためにこの三つのみを図示して，他を省略した。

第２図のようにごく一部に偽のスペクトラム（スプリア
ス）を記載しただけでも，捕捉（測定）すべき信号がど
れであるか，表示画面からだけでは判明しない。このた
めに観測されているスペクトラム表示のうちの何れ捕捉
（測定）すべき信号か，すなわち本来備えている周波数
と一致する真のスペクトラム信号か否かを識別するため
の信号識別装置が必要となる。

このような，スプリアス信号から真の信号を識別する機
能を有するスペクラムアナライザについては，すでに開
示された技術がある。ヒューレットパッカード社（Hewl
ett Packard）のＨＰ８５６９Ａスペクトラムアナライ
ザのオペレーションマニュアルには第３図に示す構成の
信号識別機能のついたハーモニックミキシング方法を使
用したＲＦ帯のスペクトラムアナライザが開示されてい
る。この先行技術によれば，信号識別スイッチをオンに
すると，第一ローカル発振器（掃引信号発生器）の周波
数ｆ_LO1 の掃引１回おきに，ｆ_LO2 を微少な一定周波数
Δｆ_LO2だけシフトし，同時にＩＦ増幅器５の利得も変
化させるように周波数及び利得の切替制御回路が動作す
る（図中破線の系統は後に説明する）。

ＣＲＴに表示される連続した掃引に対するスペクトラム
の表示を模式的に第４図に示した。第４図は第２図のス
ペクトラム中Ｓ１を中心とするその近傍のスペクトラム
を拡大して示したものであり，その拡大の程度は横軸で
２MHz がどの程度の長さに相当するかで示してある。前
記切替制御回路がｆ_LO1 の掃引１回おきにｆ_LO2 の周波
数をΔｆ_LO2 ＝２MHzだけをシフトし，ＩＦ増幅器の利
得も変化させるから，第４図には２本のスペクトラム波
形が表示されている。Ｓ１は捕捉（測定）すべき真のス
ペクトラムであるから，第４図で切替制御回路が動作し
た時の掃引スペクトラムは正しく２MHz だけシフトして
いる。

しかし，第５図に示したように，偽のスペクトラム（第
２図のＳ３に当たる）の近傍のスペクトラムを拡大して
示すと，前記切替制御回路の動作で，シフトする量はΔ
ｆ_LO2 ＝２MHz よりも大きな2.2MHzとなっている。こう
して第３図に示した先行技術では，シフトの量が一定周
波数Δｆ に等しいか否かで，スペクトラムの真の偽
とを判断しているので，目盛がその判断に耐えるように
見易いものでなければならず，当然に，特定とスペクト
ラム（前記例ではS1,S2,S3,S4）について，その近傍を
拡大して，真偽を判定する必要があった。

また，第３図の構成図で，周波数及び利得の切替制御回
路の制御信号を破線で示した制御系統にも接続して，第
一ローカルの掃引周波数を制御する技術についても，先
行技術の開示（テクトロニクス社（Tektronix）ＴＥＫ
スペクトラムアナライザ・アプリケーション・ノート26
Ｗ5390）がある。この開示技術では，第一ローカルの掃
引信号を第二ローカルの周波数シフトΔｆ_LO2 に対応さ
せて−Δｆ_LO2 ／Ｎだけシフトさせることにより，ＣＲ
Ｔ表示上の表示波形を第６図に示すように，真のスペク
トラムが表示画面上に出現する位置と一致させる表示を
し，また，見易くするために，周波数シフト時のＩＦ増
幅器の利得を減じて，表示されるスペクラムの振幅を少
なくして，真偽の判断をさせている。この場合，真の信
号表示は横軸方向に位置に変わらず，上下にずれただけ
となるが，偽の信号表示の場合は横軸方向にもずれてし
まう（場合によっては一方が画面の外へ出てしまう）こ
とから真偽が判定できる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

先行技術の真の信号を識別する機能を有する装置では，
比較的小さい，一定値のΔｆ_LO2 のローカル信号の周波
数シフトに対応した表示画面上の信号の動きを調べる必
要があるため，識別のためには，あらかじめ比較的狭い
一定の掃引値（たえば数MHz 程度）の範囲に，真偽を判
断すべき対象の信号を捕捉しておく必要がある。

しかしながら，数十GHz 以上の高周波信号を，このよう
な狭帯域内に捕える作業は，熟練を必要とし，わずらわ
しい作業である。しかも表示画面全体の周波数範囲では
真偽の判断はできかねるので，どうしても狭帯域内に捕
える作業を必要とする。

また，多数の信号表示がある場合，識別動作中の周波数
掃引幅が小さいため，一度の操作で真偽を判断できる信
号の数が少なく，何度も繰り返して識別を行わなければ
ならず，これも先行技術の欠点である。

さらに，識別操作の間に，表示画面上には２本のスペク
トラムが表示されることになるので，測定のためには不
要な一方のスペクトラムを消去する必要があり，そのた
めには，必ず識別の操作を解除しなければならないとい
う余分な操作がつきまとい，これも欠点である。

識別する機能を有する装置の構成自体もローカル周波数
とＩＦ増幅器の利得とを，掃引の度毎に一定量ずつ正確
に変更する機能を備えなければならない。すなわち，装
置の構成を複雑にするという欠点がある。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明においては，ハーモニックミキシングにおける
周波数の基本関係式(1)式に基礎をおき， 正符号モードにおける表示画面上のスペクトラム表示
と，負符号モードにおける表示画面上のスペクトラム表
示とが，ローカル信号発生器（以下，ローカル発振器と
いう）の周波数を２ｆ_IF／Ｎだけシフトすると，ｆ_RFは
不変に保たれることを利用する。

ここで，上記のそれぞれのモードとローカル信号発生器
の周波数（ローカル周波数）との関係について述べる。
すなわち，基本関係式(1)式をローカル周波数に着目し
て書き換えると次のようになる。なお，正符号モードの
ローカル周波数をｆ_LO1 ，負符号モードのローカル周波
数をｆ′_LO1 とする。

正符号モード（第１のモード）； ｆ_RF ＝Ｎｆ_LO1 ＋ｆ_IF すなわち，ｆ_LO1 ＝１／Ｎ（ｆ_RF−ｆ_IF） 負符号モード（第２のモード）； ｆ_RF ＝Ｎｆ′_LO1 −ｆ_IF すなわち，ｆ′_LO1 ＝１／Ｎ（ｆ_RF−ｆ_IF） この二つの式から，正符号モードと負符号モードのロー
カル周波数の相違は｜ｆ_LO1 −ｆ′_LO1 ｜＝ｆ′_LO1 −
ｆ_LO1 ＝２ｆ_IF／Ｎとなり，モードを切替える場合には
ローカル周波数を２ｆ_IF／Ｎだけシフトさせればよいこ
とになる。

したがって、以上の内容に基づくと，受信するＲＦ信号
の周波数の不変であるから，(1)式で正符号をとるモー
ドと，負符号をとるモードとでは，２ｆ_IF／Ｎだけシフ
トしたローカルに対しては，ｆ_RFは同じ周波数となって
現れ，表示画面上に出現するスペクトラムの位置は不変
に保たれる。

〔実施例〕

本発明の実施例を第１図によって説明する。入力信号
（その周波数をｆ_RFとする）は第１ローカル発振器１の
出力信号（その周波数をｆ_LO1 とする）のＮ次の高調波
とハーモニックミキサ３で混合される。ハーモニックミ
キサ３の出力のうちＩＦ周波数ｆ_IFの成分（すなわち中
間周波信号）のみが帯域通過フィルタ４によって選択さ
れる。

この中間周波信号（ＩＦ信号）は，ＩＦ増幅器５，検波
器６および検波信号増幅器７を経てCRT8に縦軸方向の偏
向信号として加えられる。CRT8の横軸方向の偏向信号と
しては，掃引指令信号発生器９（以下，掃引信号発生器
という）の出力が加えられる。掃引信号発生器９の出力
は同時に，掃引周波数制御回路11を通じて，第１ローカ
ル発振器１に伝えられ，その周波数を掃引する。

モード切替スイッチ10が一度切替えられると，この変化
情報が掃引周波数制御回路11に伝えられ，第１ローカル
発振器１の周波数が(1)式の±の符号が逆転して成立す
るように２ｆ_IF／Ｎだけずらされる。

言いかえると，ｆ_RF＝Ｎｆ_LO1 ＋ｆ_IFとｆ_RF＝Ｎｆ′
_LO1 −ｆ_IFとが成立するようにｆ_LO1 ＝１／Ｎ（ｆ_RF−
ｆ_IF）をｆ′_LO1 ＝１／Ｎ（ｆ_RF＋ｆ_IF）に，すなわち
ｆ_LO1 に２ｆ_IF／Ｎを加算してｆ′_LO1 （ｆ_LO1 ＋２ｆ
_IF／Ｎ＝ｆ′_LO1 ）とし，あるいは，ｆ′_LO1 ＝１／Ｎ
（ｆ_RF＋ｆ_IF）をｆ_LO1 ＝１／Ｎ（ｆ_RF−ｆ_IF）に，す
なわちｆ′_LO1 から２ｆ_IF／Ｎを減算してｆ_LO1 （ｆ′
_LO1 −２ｆ_IF／Ｎ＝ｆ_LO1 ）とする。

なお，もちろん，表示画面上の周波数表示も，ｆ_LO1 に
基づいたものからｆ′_LO1 に基づいたものに，あるい
は，ｆ′_LO1 に基づいたものからｆ_LO1 基づいたものし
ているため，モードを切替えても表示画面上の周波数表
示は同一である。

第２図の例の設定状態でモード切替スイッチ10が切換え
られた場合の表示画面とｆ_LO1 の関係を示すと第７図の
ようになる。第７図では，第２図からの変化（差異）を
示すために，第２図のスペクトラムを破線で示し，スペ
クトラムの記号を（ ）で示した。S2,S3,S4は，いずれ
もシフトしているが、S1はシフトしないことが明示され
いる。この比較から明らかなように，本発明の装置では
モード切替スイッチ10を動作させた場合，入力信号を示
す真のスペクトラムS1のみは，位置が変化しないが，他
の偽のスペクトラム表示成分S2〜S4はその位置が移動す
る。

すなわち，(1)式の正符号をとるモードと負符号をとる
モードを切替えたときに，表示画面上で移動（シフト）
しない（換言すれば，表示画面上同一の周波数位置に表
示される）スペクトラムが真のスペクトラムであり，移
動（シフト）するスペクトラムが偽のスペクトラム（ス
プリアス）である。

これまで述べてきた事柄を別な形で第９図を用いて説明
する。

図上段は，ｆ_RF＝52GHz がハーモニックミキサ３に入力
されたときに，これをｆ_IF＝０．５GHz に変換するため
のローカル周波数を各モード別に算出した結果を示して
いる。言い換えれば，第１ローカル発振器１が掃引され
てこれらのローカル周波数になったときに，表示画面上
には真偽不明のスペクトラムが表示されうる。具体的に
は，Ｎ＝９〜12を仮定した場合，S1〜S8のスペクトラム
が表示されうる。なお，S1〜S4については，第２図のS1
〜S4にそれぞれに対応している。

図下段は，Ｎ＝10，表示範囲すなわちｆ_RFが45〜55GHz
とした場合の正符号モード（第１のモード）と負符号モ
ード（第２のモード）の表示画面を示し，上記S1〜S8が
表示されている。なお，表示範囲45〜55GHz に対応する
正符号モード及び負符号モードのローカル周波数は，そ
れぞれｆ_LO1 ＝4.45〜5.45GHz ，ｆ′_LO1 ＝4.55〜5.55
GHz となっている。そのために，S5〜S8は上記の
ｆ_LO1 ，ｆ′_LO1 の範囲外となり表示画面から外れてい
る。

両モードの画面を用いて真偽のスペクトラムの識別につ
いて説明する。

正符号モードの表示画面におけるS1とS2は，共にＮ＝10
でｆ_IF＝０．５GHz に変換されて表示されたものである
が，S1が正符号モードのｆ_LO1 ＝１／Ｎ（ｆ_RF−ｆ_IF）
によって算出されるローカル周波数に基づいて表示され
たスペクトラムであるために，表示周波数が52GHz とな
って真のスペクトラムとなり，S2が偽のスペクトラムと
なる。しかし，モードを切替えて負符号モードの表示画
面にした場合には，逆にS2が負符号モードのｆ′_LO1 ＝
１／Ｎ（ｆ_RF＋ｆ_IF）によって算出させるローカル周波
数に基づいて表示されたスペクトラムウムであるため
に，表示周波数が52GHz となって真のスペクトラムとな
り，S1が偽のスペクトラムとなる。すなわち，それぞれ
のモードにおいては，S1，S2のどちらが真のスペクトラ
ムであるか識別できないが，モードを切替えた場合に，
両方のモードで動じ周波数位置（ｆ_RF＝52GHz ）に表れ
るスペクトラムが真であるといえる。この場合には，両
モードにおいて，共通の52GHzの表れるスペクトラム，
すなわち，正符号モードの表示画面のS1，負符号モード
の表示画面のS2が真のスペクトラムとなる。なお，負符
号モードの表示画面のS1，S2については，前述の第７図
では，第２図と対応をとって真のスペクトラムをS1とし
たために，第９図の負符号モードの表示画面のS1をS2と
し，S2をS1としている。

真偽のスペクトラムの識別方法についてさらに詳述す
る。

いずれのモードの表示画面においても，スペクトラムの
位置する表示周波数に着目して，モード切替スイッチ10
を切替えたときに，その周波数位置に止まっているもの
が真のスペクトラムであり，消える（又は移動する）も
のが偽のスペクトラムである。

例えば，正符号モードの表示画面において，モードを切
替えると，S3及びS4はそれぞれの表示位置から移動する
（負符号モードの表示画面から分かるように）ので偽の
スペクトラムである。また，S2も負符号モードの表示画
面のS1の移動したように見えるので偽のスペクトラムで
ある。S1のみが，モードを切替えてもその位置に止まっ
ているように見えるので真のスペクトラムとなる。ま
た，負符号モードの表示画面において，モードの切替え
を行うと，S2（S1）のみがその位置に止まっているよう
に見えうので真のスペクトラムとなる。すなわち，どち
らのモードにおいても，52GHz のところにあるスペクト
ラムが，モードを切替えてもその位置が変化しないので
真である。

モード切替スイッチ10は本質的には切替えの情報を伝え
るワンショット形式あるいは自己復帰の押ボタンスイッ
チでよい。また，交互にモードを自動的に切替えるスイ
ッチ手段を用いると，表示画面に移動を生じたときに偽
スペクトラムを観測していることが一見して判断できる
のでよい。

〔他の実施例〕

検波後の波形データ信号を直接，CRT の縦軸方向の偏向
信号として加えるのではなく，これをA/D 変換器13によ
りディジタル化して一旦波形メモリ14にたくわえた後に
表示するような場合，ローカル信号の掃引信号とCRT 横
軸方向の偏向信号とは全く同一である必要はなく，波形
メモリ14内のデータ番地が横軸と同期するなど対応づけ
がされていればよい。

このような場合は，第１図の掃引信号発生器は第８図に
ように構成，すなわち，同期信号発生回路9aとD/A 変換
器15とに置き替えらえる。

このような構成と第４図の掃引信号発生器との上位概念
として掃引指令信号発生器と呼ぶことにする。

〔発明の効果〕

前述のようにこの発明ではハーモニックミキシングにお
ける周波数の基本式〔(1)式〕に立ちもどり，正符号と
負符号のモード切替に合わせて，ローカル発振器の周波
数を２ｆ_IF／Ｎだえシフトするようにしたから， 1)表示画面上で真のスペクトラム表示のみはモード切替
操作によって変化しないが，偽のスペクトラム表示はそ
の操作により位置が移動するため，信号識別が一見し明
確にしかも容易に行える。

2)この識別装置の利点は，真の信号表示については，識
別装置により変化しなので，元にもどす操作が不要なこ
とである。

3)従来例のように，特定の掃引幅に設定しなくても常い
使用でき、上記例のような広帯域の掃引に対しても適用
可能である。加えて，表示画面上で観測するスペクトラ
ム波形の振幅も，モード切替操作により影響を受けるこ
とがなく実質的に不変に保たれる。

4)また，装置としては，第１ローカル発振器の周波数を
変化させるだけで良く，ハードウェアもしくはソフトウ
ェアで容易に実現できる。

このように本発明によれば，簡単な構成で，効率が良
く，使いやすい，スプリアス信号から真の信号を識別す
る装置を実現することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の電気的構成図，第２図はハ
ーモニックミキシングを用いたスペクトラムアナライザ
の表示画面上のスペクトラムを模式図，第３図は従来例
の電気的構成図，第４図，第５図及び第６図は従来技術
のハーモニックミキシングを用いたスペクトラムアナラ
イザで，真のスペクトラムを識別する機能を有する装置
の動作を説明するための図（表示画面上のスペクトラム
の模式図），第７図は，本発明の真のスペクトラムを識
別する機能をもつスペクトラムアナライザの動作を説明
するための図（表示画面上のスペクトラムの模式図），
第８図は本発明の他の実施例の電気的構成図、第９図は
本発明のモードを切替えた場合のローカル周波数と表示
画面の関係を示す図である。 図中の１は第１のローカル発振器，1aは第２のローカル
発振器，３はハーモニックミキサ，3aはミキサ，４は帯
域通過フィルタ，５はＩＦ増幅器，６は検波器，７は検
波信号増幅器，８は表示装置(CRT)，９は掃引指令信号
発生器，10はモード切替スイッチ，10a は信号識別スイ
ッチ，11は掃引周波数制御回路，12は周波数・利得切換
制御回路，13はA/D 変換器，14は波形メモリ，15はD/A
変換器，ｆ_IFは中間周波数信号を示す，ｆ_LO1 は第１の
ローカル発振器，ｆ_LO2 は第２のローカル発振器，ｆ_RF
は入力信号を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定帯域幅の掃引された周波数で発振する
   ローカル信号発生器(1) と， 該ローカル信号発生器のＮ次高調波出力と，入力信号
   （ｆ_RF）とをハーモニックミキシングするミキサ(3)
   と， 該ミキサの中間周波信号（ｆ_IF）を出力するための帯域
   通過フィルタ(4) と， 掃引指令信号発生器(9) と， 該掃引指令信号発生器の出力信号を横軸入力とし，該帯
   域通過フィルタから出力された該ミキサの中間周波信号
   を検波した信号を縦軸入力として表示する表示装置(8)
   と， 該掃引指令信号発生器の出力信号に同期して前記ローカ
   ル信号発生器の発振周波数を掃引する掃引周波数制御回
   路(11)とを備えたハーモニックミキシングを利用するス
   ーパーヘテロダイン方式のスペクトラムアナライザにお
   いて， 前記ローカル信号発生器は，それぞれ所定幅掃引された
   第１のローカル周波数(f _LO1)と第２のローカル周波数
   (f _LO1)とで切替え可能に発振するローカル信号発生器
   (1) であり， 前記掃引周波数制御回路は，前記掃引指令信号発生器の
   出力信号に同期して、ローカル周波数が ｆ_LO1＝１／Ｎ（ｆ_RF−ｆ_IF）の第１モード又は， ｆ_LO1＝１／Ｎ（ｆ_RF−ｆ_IF）の第２モードのいずれか
   のモードで前記ローカル信号発生器の発振周波数を制御
   する掃引周波数制御回路(11)であり，かつ， 前記表示装置上でスプリアス信号を移動させて，その信
   号を識別するために，該掃引周波数制御回路をして前記
   第１のモードから第２のモードに，又は第２のモードか
   ら第１のモードに切替えるような指令を発するモード切
   替スイッチ(10)を備えたことを特徴とするスペクトラム
   アナライザ。