JPH0769361B2 - 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］ 本発明は、数ヘルツからメガヘルツ或はギガヘルツに及
ぶ低周波域から高周波域の信号のスペクトラムを高速、
かつ、高分解能で測定できるスペクトラムアナライザに
関する。

［従来の技術］ スペクトラムアナライザは方式上で大別すると次の２種
類がある。

（イ） 高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform、
以下「FFT」と呼ぶ）方式によるリアルタイム形のスペ
クトラムアナライザ（以下「FFTスペクトラムアナライ
ザ」と呼ぶ） FFTスペクトラムアナライザの基本的な構成例を第６図
に示す。第６図において、入力信号は低域フィルタ61を
通りA/D変換器62においてデジタル信号に変換される。A
/D変換器は通常その前段にサンプルホールド回路を有し
ている。サンプルホールド回路に与えられるサンプリン
グクロックの周波数より高い周波数の信号の処理はでき
ない。A/D変換器62の出力信号は、フーリエ変換器（FF
T）63において離散的フーリエ変換によりスペクトラム
に分解され、表示器64に導かれる。表示器64は、横軸を
周波数、縦軸を振幅として入力信号のスペクトラムを表
示する。

FFTスペクトラムアナライザでは、音声のような低周波
信号であっても高速でフーリエ変換し、そのスペクトラ
ムを表示できる特徴を有する。しかし、入力信号を直接
A/D変換するため、A/D変換器の変換速度がアナライザの
上限周波数を決定してしまい、高周波信号の解析ができ
ない。また、振幅軸のダイナミックレンジを拡大しよう
とすると、A/D変換器のビット数が大きくなり、変換速
度が遅くなるので、アナライザの上限周波数がさらに低
下してしまうことになる。

（ロ） ヘテロダイン方式による掃引形のスペクトラム
アナライザ（以下「アナログスペクトラムアナライザ」
と呼ぶ） アナログスペクトラムアナライザの基本的な構成例を第
７図（ａ）及び第７図（ｂ）に示す。第７図（ａ）にお
いて、入力信号はミキサ71において局部発振器75の出力
信号と混合され中間周波信号に変換される。中間周波信
号は分析フィルタ72を通り、検波器35において検波され
る。検波器35の出力信号は縦軸信号として表示器74に導
かれる。掃引制御器76は局部発振器75の掃引を制御する
とともに表示器74へ横軸信号を与える。表示器74は、横
軸を周波数、縦軸を振幅として入力信号のスペクトラム
を表示する。

第７図（ｂ）に示す例は、第７図（ａ）に示した例にA/
D変換器77及びメモリ78を追加したものである。検波器3
5のアナログ出力信号はA/D変換器77においてデジタル信
号に変換されメモリ78に記憶される。表示器79は第７図
（ａ）に示した例と同様に、横軸を周波数、縦軸を振幅
として入力信号のスペクトラムを表示する。第７図
（ｂ）に示したものを特にデジタルストレージ形スペク
トラムアナライザと呼ぶことがある。

アナログスペクトラムアナライザはギガヘルツ帯に及ぶ
高周波信号のスペクトラム解析を可能にする特徴を持っ
ている。しかし、音声のような低周波信号のスペクトラ
ム解析では、表示器に一つのスペクトラム画像を得るの
に数10秒〜数100秒もの時間を要するという欠点があ
る。

そこで、低周波から高周波まで幅広いスペクトラムを含
む信号を解析する場合、従来は（イ）のFFTスペクトラ
ムアナライザと（ロ）のアナログスペクトラムアナライ
ザとを併用しなければならなかった。

しかしながら、アナログスペクトラムアナライザを用い
て、音声のような低周波信号のスペクトラムを高分解能
かつ高確度で解析しようとすると、上記の如く処理時間
が非常に長くなる欠点があり、また、FFTスペクトラム
アナライザでは、ギガヘルツ帯に及ぶような高周波信号
のスペクトラム解析が不可能であった。

［発明が解決しようとする課題］ 従来技術において、アナログスペクトラムアナライザの
低周波域における高分解能／高速処理を実現させれば課
題は解決するであろうが、それは理論的に不可能であ
る。なぜなら、高分解能でスペクトラム解析するには分
析フィルタの帯域を狭くしなければならず、その結果と
して、掃引時間が分析フィルタ帯域幅の２乗に反比例し
て長くなるからである。また、FFTスペクトラムアナラ
イザの上限周波数をギガヘルツ帯まで引き上げれば課題
は解決するであろうが、ギガヘルツ帯の信号を直接A/D
変換することは現在の技術では不可能であるからであ
る。

そこで、低周波から高周波まで幅広いスペクトラムを含
む信号を解析する場合、低周波信号の解析用にFFTスペ
クトラムアナライザを、また高周波信号の解析用にアナ
ログスペクトラムアナライザを用意し、それぞれのアナ
ライザの特徴を生かしながら低周波信号と高周波信号を
別個に測定することが考えられた。しかし、これにも次
のような解決すべき課題がある。

（ａ） 各々方式の異なるスペクトラムアナライザを用
意しなければならず、装置の価格が非常に高価になる。

（ｂ） 各々のアナライザによって得られたスペクトラ
ムは、別々の画面上に表示されるため、一連のスペクト
ラムデータとして観測することができない。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記の課題を解決するために、一方では離散的
フーリエ変換により低周波信号のスペクトラムを得、他
方ではアナログスペクトラム解析により高周波信号のス
ペクトラムを得て、それぞれのスペクトラムをスペクト
ラム合成器によって合成して一連のスペクトラムとし、
低周波から高周波に至る信号のスペクトラムを得るよう
にしている。さらにはそのスペクトラムを必要に応じ
て、一つの画面上に表示できるようにし、或は別な用途
に使用できるようにした。このスペクトラム合成器の動
作の態様によっていくつかの発明が生まれている。すな
わち、上記発明において、入力信号を中間周波数に変換
する周波数変換器と、検波器の出力をデジタル値に変換
する第２のA/D変換器と、フーリエ変換器の前記低周波
信号のスペクトラムと前記第２のA/D変換器の高周波信
号のスペクトラムとをそれぞれ記憶してその記憶値を入
力信号周波数に対応づけて読出し、一連のスペクトラム
データとして出力するスペクトラム合成器とを備えたこ
とを特徴とした。

さらには、低域フィルタの出力と前記検波器の出力とを
切替える切替スイッチ及びこの切替スイッチにより選択
された前記出力を受領し、デジタル値に変換するA/D変
換器と、前記切替スイッチが前記低域フィルタ側に切り
替えられているとき、前記A/D変換器のデジタル出力を
離散的フーリエ変換により前記低周波信号のスペクトラ
ムを出力し、前記離散的フーリエ変換された低周波信号
のスペクトラム値を記憶し、前記切替スイッチが前記検
波器側に切り替えられているとき前記A/D変換器の出力
を前記高周波信号のスペクトラム値として記憶し、前記
各々の記憶値を入力信号周波数に対応づけて読出し、一
連のスペクトラムデータとして出力するデータ処理回路
とを備えたことを特徴としている。

［実施例］ 第１の実施例 第１図に本発明の第１の実施例のブロック図を示す。第
１図を用いて本発明の第１の実施例を説明する。

入力信号は信号分配器（11）に導かれる。信号分配器
（11）は、所定の周波数（f_L）以下の低周波信号成分を
フーリエ変換器（12）へ送出し、所望の周波数（f_H）以
上の高周波信号成分を高周波スペクトラム解析器（13）
へ送出する。ここで、所定の周波数（f_L）と所望の周波
数（f_H）との関係について説明する。

（ｉ） f_L＞f_Hの場合（第８図（ａ）参照） 周波数f_Lとf_Hがオーバーラップしているもので、入力信
号中のf_Lからf_Hまでの信号成分はフーリエ変換器12及び
高周波スペクトラム解析器13の双方に供給され、処理さ
れる。

（ii） f_L＜f_Hの場合（第８図（ｂ）参照） 周波数f_Lとf_Hとの間が抜けているもので、入力信号中の
f_Lからf_Hまでの信号成分はフーリエ変換器12及び高周波
スペクトラム解析器13の何れにも供給されない。f_Lとf_H
との間に極端に大きい信号成分が存在し、その信号成分
が後続の回路を飽和させ、f_L及びf_H以上のスペクトラム
解析に支障を与えるような場合、この周波数設定が有効
である。

本発明では上記（ｉ）又は（ii）の周波数関係を任意に
選んでよい。

なお、信号分配器（11）は種々の組合せが可能である
が、代表的なものを次に示す。

（Ａ） 所定の周波数以下の低周波信号成分を分離する
ための低域フィルタと所望の周波数以上の高周波信号成
分を分離するための高域フィルタとの組合せによるも
の。

（Ｂ） アナライザの入力端子とフーリエ変換器（12）
及び高周波スペクトラム分析器（13）間のインピーダン
ス整合をとりながら入力信号を分割するもの。なお、信
号分割器の代表的なものに抵抗器をＴ形に接続したもの
がある。

フーリエ変換器12は、信号分配器11から受領した信号を
離散的フーリエ変換により低周波スペクトラム信号を生
成し、そのスペクトラム信号をスペクトラム合成器14へ
送出する。なお、離散的フーリエ変換によりアナログ信
号をスペクトラム信号に変換する技術の詳細は、特開昭
53−132958及び特開昭56−108164に開示されている。

高周波スペクトラム解析器13は、信号分配器11から受領
した信号を中間周信号に変換し、その信号を検波した後
A/D変換することによって高周波スペクトラム信号を生
成し、そのスペクトラム信号をスペクトラム合成器14へ
送出する。高周波スペクトラム解析器13の代表的なもの
に、第７図（ａ）に示される構成から表示器74を除いた
ものがある。

スペクトラム合成器14は任意に設定される境界周波数に
関連した境界値に基づいて、低域境界値（A_L）以下の低
周波スペクトラム信号と高域境界値（A_H）以上の高周波
スペクトラム信号とを抽出し、それらを一連のスペクト
ラム信号として合成する。

この結果、離散的フーリエ変換によって得られた低周波
スペクトラム信号とアナログスペクトラム解析によって
得られた高周波スペクトラム信号は、境界周波数を境に
低周波から高周波まで連続したスペクトラム信号にな
る。この連続したスペクトラム信号を表示器に表示させ
る等利用できる。

第９図を用いてスペクトラム合成の一例を説明する。境
界値に基づいてメモリのアドレスを区切り、下位のアド
レスに低周波信号のスペクトラムデータ、また上位のア
ドレスに高周波信号のスペクトラム・データを記憶させ
るものである。

（ｉ） 第８図（ａ）に示した例（f_L＞f_H）では、信号
分配器11の各周波数とスペクトラム合成器14に与えられ
る境界値との関係を（f_H＜A_L＝A_H＜f_L）となるように設
定する。第９図（ａ）に示される如く、低周波スペクト
ラムの振幅データはメモリのアドレス「０」からアドレ
ス「ｎ−１」に、また高周波スペクトラムの振幅データ
はアドレス「ｎ」からアドレス「Ｎ−１」に記憶され
る。

（ii） 第８図（ｂ）に示した例（f_L＜f_H）では、信号
分配器11の各周波数とペクトラム合成器14に与えられる
境界値との関係を（f_L≧A_L，f_H≦A_H）となるように設定
する。第９図（ｂ）に示される如く、低周波スペクトラ
ムの振幅データはメモリのアドレス「０」からアドレス
「ｎに、また高周波スペクトラムの振幅データはアドレ
ス「ｍ」からアドレス「Ｎ−１」に記憶される。アドレ
ス「ｎ＋１」からアドレス「ｍ−１」までは空領域とし
ているが、第９図（ａ）に示すように空領域を設けずに
記憶させ、例えば表示器に表示させる等メモリに記憶さ
れたデータを利用するときに空白部を与えてもよい。

第２の実施例 第２図に本発明の第２の実施例のブロック図を示す。第
２図を用いて本発明の第２の実施例を説明する。第２の
実施例と第１の実施例との違いは、第１図に示した構成
に表示器15を追加し、低周波から高周波まで連続したス
ペクトラムを表示器15に表示させる点である。作用は第
１の実施例と同じである。

表示例を第５図に示す。この例は横軸（周波数軸）を対
数スケールで目盛り、数10ヘルツからギガヘルツ帯にお
よぶスペクトラムを一つの画面上に表示させたものであ
る。

第３の実施例 第３図に本発明の第３の実施例のブロック図を示す。第
３図を用いて本発明の第３図の実施例を説明する。

入力信号は低域フィルタ31と周波数変換器34に導かれ
る。低域フィルタ31は所定の周波数（f_L）以下の低周波
信号を通過させる。第１のA/D変換器32は、低域フィル
タ31を通過したアナログ信号をデジタル信号に変換す
る。フーリエ変換器33は、第１のA/D変換器32のデジタ
ル出力信号を離散的フーリエ変換により低周波信号のス
ペクトラムに変換、そのデータをスペクトラム合成器37
へ送出する。周波数変換器34は、ミキサ34a、分析フィ
ルタ34b、局部発振器34c及び掃引制御器34dから構成さ
れており、入力信号を所定の中間周波信号に変換する。
検波器35は、周波数変換器34の中間周波出力信号を検波
する。第２のA/D変換器36は、検波器35のアナログ出力
信号をデジタル信号に変換し、その信号を高周波信号の
スペクトラムデータとしてスペクトラム合成器37へ出力
する。一般に、周波数変換器34は、入力回路或は局部発
振周波数等により解析可能な下限の周波数（f_H）が制限
される場合が多い。スペクトラム合成器37は、フーリエ
変換器33から送られる低周波信号のスペクトラムデータ
の中から予め設定されている低域境界値（A_L）以下のス
ペクトラムデータを抽出し、更に第２のA/D変換器36か
ら送られる高周波信号のスペクトラムデータの中から高
域境界値（A_H）以上のスペクトラムデータを抽出し、抽
出されたそれぞれのデータを合成し、低周波から高周波
までの一連のスペクトラムデータを生成し、そのデータ
を表示器15に出力する。表示器15は、低周波から高周波
までの一連のスペクトラムを一つの画面上に表示する。
その表示例を第５図に示す。

低周波信号（f_L以下）と高周波信号（f_H以上）との境界
及びスペクトラム合成は、第１の実施例で説明したもの
を適用してよい（第８図及び第９図参照）。

第４図の実施例 第４図に本発明の第４の実施例のブロック図を示す。第
４図を用いて本発明の第４の実施例を説明する。第４の
実施例は、A/D変換器を共用した点において第３の実施
例と異なる。

入力信号は低域フィルタ31と周波数変換器34に導かれ
る。低域フィルタ31は所定の周波数（f_L）以下の低周波
信号を通過させる。周波数変換器34は、入力信号を所定
の中間周波信号に変換する。検波器35は周波数変換器34
の中間周波信号を検波する。

低周波信号を処理するときは切替スイッチ40、43及び44
をａ側に倒しておく。A/D変換器41は、低域フィルタ31
を通過したアナログ信号をデジタル信号に変換し、その
信号をデータ処理回路42へ送出する。データ処理回路42
は、切替スイッチ43及び44、フーリエ変換器46、スペク
トラム合成器45とから構成されている。フーリエ変換器
46は、A/D変換器41のデジタル出力信号を離散的フーリ
エ変換により低周波信号のスペクトラムに変換し、その
データをスペクトラム合成器45へ送出する。

高周波信号を処理するときは切替スイッチ40、43及び44
をｂ側に倒しておく。A/D変換器41は、周波数変換器34
において周波数変換されたアナログの中間周波信号をデ
ジタル信号に変換し、その信号を高周波信号のスペクト
ラムデータとしてデータ処理回路42へ送出する。

スペクトラム合成器45は、低周波信号のスペクトラムデ
ータの中から予め設定されている低域境界値（A_L）以下
のスペクトラムデータを抽出し、高周波信号のスペクト
ラムデータの中から予め設定されている高域境界値
（A_H）以上のスペクトラムデータを抽出し、抽出された
それぞれのデータを合成し、低周波から高周波までの一
連のスペクトラムデータを生成する。スペクトラム合成
器45は、合成されたスペクトラムデータを表示器15に送
出する。表示器15は、低周波から高周波までの一連のス
ペクトラムを一つの画面上に表示する。その表示例を第
５図に示す。なお、必ずしも、上記一連のスペクトラム
を表示器に表示する必要はない。データを収録しておき
必要なときに取り出すことも可能である。

［発明の効果］ 本発明によるスペクトラムアナライザは、低周波信号の
スペクトラムを離散的フーリエ変換によって得るように
し、また高周波信号のスペクトラムをアナログスペクト
ラム解析によって得るようにしたので次のような効果が
得られる。

（１） 低周波から高周波にわたる信号のスペクトラム
を一つの画面上で観測できる。

（２） 低周波信号成分と高周波信号成分は、それぞれ
同時に処理されるため全体の処理速度が速くなる。

（３） 各々方式の異なるスペクトラムアナライザを用
意する必要がないため、装置の価格が非常に安価にな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示すブロック図、第２
図は本発明の第２の実施例を示すブロック図、第３図は
本発明の第３の実施例を示すブロック図、第４図は本発
明の第４の実施例を示すブロック図、第５図は本発明の
スペクトラムアナライザによる表示例、第６図は従来の
FFTスペクトラムアナライザのブロック図、第７図は従
来のアナログスペクトラムアナライザのブロック図、第
８図は周波数の境界を示す図、第９図はスペクトラム合
成のメモリマップである。 図中の、11は信号分配器、12はフーリエ変換器、13は高
周波スペクトラム解析器、14はスペクトラム合成器、15
は表示器、31は低域フィルタ、32は第１のA/D変換器、3
3はフーリエ変換器、34は周波数変換器、35は検波器、3
6は第２のA/D変換器、37はスペクトラム合成器、40は切
替スイッチ、42はデータ処理回路をそれぞれ示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力信号を受領し、所定の周波数以下の低
   周波信号成分と所望の周波数以上の高周波信号成分を出
   力する信号分配器（11）と、 前記低周波信号成分を受領し、離散的フーリエ変換して
   低周波スペクトラム信号を出力するフーリエ変換器（1
   2）と、 前記高周波信号成分を受領し、周波数スペクトラムに変
   換し、高周波スペクトラム信号を出力する高周波スペク
   トラム解析器（13）と、 前記低周波スペクトラム信号と前記高周波スペクトラム
   信号を受領し、任意の周波数帯域においてスペクトラム
   合成するスペクトラム合成器（14）とから成るスペクト
   ラムアナライザ。
2. 【請求項２】スペクトラム合成器（14）の出力信号を受
   けて、低周波スペクトラムと高周波スペクトラムを一つ
   の画面上に表示する表示器（15）を備えた請求項１記載
   のスペクトラムアナライザ。
3. 【請求項３】入力信号のうち所定の周波数以下の低周波
   信号を通過させる低域フィルタ（31）と、 該低域フィルタを通過した信号をA/D変換する第１のA/D
   変換器（32）と、 該第１のA/D変換器のデジタル出力を離散的フーリエ変
   換により前記低周波信号のスペクトラムを出力するフー
   リエ変換器（33）と、 前記入力信号の所望の周波数以上の高周波信号を設定さ
   れた掃引時間で周波数掃引しながら中間周波数に変換す
   る周波数変換器（34）と、 該周波数変換器の出力を検波する検波器（35）と、 該検波器の出力をデジタル値に変換し、前記高周波信号
   のスペクトラムを出力する第２のA/D変換器（36）と、 前記フーリエ変換器の低周波信号のスペクトラムと前記
   第２のA/D変換器の高周波信号のスペクトラムとをそれ
   ぞれ記憶してその記憶値を入力信号周波数に対応づけて
   読出し、一連のスペクトラムデータとして出力するスペ
   クトラム合成器（37）とを備えたことを特徴とするスペ
   クトラムアナライザ。
4. 【請求項４】入力信号のうち所定の周波数以下の低周波
   信号を通過させる低域フィルタ（31）と、 前記入力信号の所望の周波数以上の高周波信号を設定さ
   れた掃引時間で周波数掃引しながら中間周波数に変換す
   る周波数変換器（34）と、 該周波数変換器の出力を検波する検波器（35）と、 前記低域フィルタの出力と前記検波器の出力とを切替え
   る切替スイッチ（40）と、 前記切替スイッチにより選択された前記出力を受領し、
   デジタル値に変換するA/D変換器（41）と、 前記切替スイッチが前記低域フィルタ側に切り替えられ
   ているとき、前記A/D変換器のデジタル出力を離散的フ
   ーリエ変換により前記低周波信号のスペクトラムを出力
   し、前記離散的フーリエ変換された低周波信号のスペク
   トラム値を記憶し、前記切替スイッチが前記検波器側に
   切り替えられているとき前記A/D変換器の出力を前記高
   周波信号のスペクトラム値として記憶し、前記各々の記
   憶値を入力信号周波数に対応づけて読出し、一連のスペ
   クトラムデータとして出力するデータ処理回路（42）と
   を備えたことを特徴とするスペクトラムアナライザ。