JPS6071968A - デジタルスペクトルアナライザ - Google Patents

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】 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数を測定するデジ
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ｆ波器１７に供給され、低域Ｐ波器１
７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
はバックアメモリ１９内に記憶される。バッファメモリ
１９に一定サンプル数、例えば１，０２４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
ビツトのテジタル信号に変換する場合、その１０ピツト
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。即ちバッフメモリ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１
８での変換・を最適化する。

ＦＦＴ解析器２１においては第３図のステップＳｌ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
状態においてバッファメモリ１９に取込まれた、例えば
１，０２４個のサンプル値についてステップＳ２で高速
フーリエ変換を行い、ステップ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Ｑａａ　、　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Ｑａａ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
をめ、更にこれらの入力試験信号の高速フーリエ変換と
出力試験信号の高速フーリエ変換の対応する周波数成分
について一方の共範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ップ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　）をめる。これら平均値からステップ
Ｓ５で伝達関数がめられる。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図に示すよう々曲線２３となるが、この高速フー
リエ変換によっ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Ｆｏ乃至Ｆｎとするとき、Ｆｎ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Ｆｏ附近におけるスペクトル密度はその周波数に対し
ては密度が粗くなっている。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シ、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Ｆｎ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Ｆｎの１００分の１の周波数ＦｌとＦ２との間を第２
領域とし、このＦｌ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ＦＦ’Ｔ解析装置１４よシ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１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Δｆ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ックと同
期した一般にこれよりも高い周波数のクロックが入力さ
れる。このクロックは入出力回路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Ｆｏ乃至Ｆ＋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
シ、どの波形の信号を読出すかはバス２５を通じてＣＰ
Ｕ２６によシ、つまｐ　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３１
の出力、一般にＡＤ変換器１８と同期した同一周波数の
クロックで読み出される。このため分周器３１の出力が
スイッチ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。

スイッチ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よシ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、更にスイッチ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２５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った試験信号が端子３７よ多出力
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の出力クロックで読み出される。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
弦波信号はスイッチ３９を通じ更にスイッチ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Ａ
Ｄ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４１　、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シ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よシ高レベルが生じる。

ＡＤ変換器１８の変換出力は例えば１２ビツトであり、
並列ビット出力線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４４　、４６４８の
各出力はオア回路５１を通じてＡＤ変換器の出力線５２
の最下位ビットに入力されている。従って入力信号レベ
ルや雑音が大き過ぎるとバッファメモリ１９に入力され
たデータ中の最下位ビットが論理１となっており、Ｆｌ
；”Ｔ解析器２１でバッファメモリ１９を読み出してそ
の最下位ビットが１の場合は入力信号が太き過ぎたと判
定して可変利得増幅器１６の利得を一定値、例えば１０
ｄｂ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。バッファメモリ１９内に所定のデータ数例えば１
，０２４個が取込まれると、と０ＦＦＴ解析器２１はバ
ッファメモリ１９をステップＳ＋で所定数、例えば１，
０２４個を取出し、ステップ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の両動
作をやったか否かチェックされ、そのような動作を行な
って々い場合はステップＳ３においてその読み出したデ
ータの各最下位ビットが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ェックされ、オーバ
ーフローしているものがある場合はステップ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。一方ステップＳ３において読み出したデータよ
シその入力が小さ過ぎるか否かがチェックされ、これは
そのデータの上位側ビットかが常にＯの場合は入力レベ
ルのデータが小さ過ぎると判定され、この場合はステッ
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１，０２４個と
ってそのデータについてオーバーフローがあるか小さ過
ぎるかをチェックし、何べんか繰シ返した後、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
く過少入力でも々い場合はステップ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シ、
ステップ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ップ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、つまりステップ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
ップ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、ステップＳｌ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、ステップＳｌにおいては
ｋで平均回数を割った値ｍとし、ｋは例えば１６が設定
され、平均回数が６４の場合はｍ　＝餅＝　４となる。

ステップＳ２においてそ６ の測定最高周波数ＦｎをＦとおく。ステップ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、
これによシ試験信号発生器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ッチ３３が
雑音源４ｏ側に切換えられてスイッチ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■に設定されて出力される。

一方ステップＳ３においてＡＤ変換器１８のサンプリン
グ周波数ｆ８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Ｐ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。次にステップ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
にして油変換器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。ステップＳｓ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Ｆｌ乃至Ｆｎの信号を発生し、これに
ついてＦＦＴ変換を行い、その各サンプルをに回とって
そのに回の変換された各周波数成分についての平均をと
る。

ステップＳ６においてＦが１／１０とされ、ステップＳ
７ではＦが最低周波数領域における最も高い周波数、つ
まシＦｏ乃至Ｆｌ内の高い周波数Ｆ！よりも小さいかど
うかチェックされ、これより小さくない場合はステップ
Ｓ２に戻シ、従ってこの場合においては第４図において
周波数Ｆｌ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、更にステップ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Ｐ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い試験信号に対す
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ＦＯ乃至Ｆｔに対する解析が終る
とステップＳ７においてＦがＦｌよりも低い周波数にな
ってステップＳ８においてＦが測定範囲の最高周波数Ｆ
ｎＫ設定され、ステップＳ、でｍが−１されてステップ
Ｓｈｏでｍが０かチェックされ、０でない場合はステッ
プＳ２に戻り、前記三つの領域についてそれぞれに組の
サンプルをとってそれらについて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に組のサンプ
ルをとってフーリエ変換を行い、ｍが０に彦っだ場合は
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Ｆｏ〜Ｆｎ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
まシ第８図のステップＳ５におけるＦＦＴ解析処理は第
９図に示すように行われる。

即チＦＦＴ変換をステップＳｌで行い、その解析結果に
対してステップ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Ｆｏ乃至Ｆｌ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１０ｄ
ｂ大きくした場合はその各測定周波数成分の大きさを１
０ｄｂ下げ、逆に利得を１０ｄｂ下げだ場合は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。その後ステップ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
相互相互スペクトラムＧａ波算が行われる。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
成分ごとにステップＳ４で平均をめ、つまシ平均パワー
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
クトラムよりステップＳ５で伝達関数を演算する。

く効　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
と狭くなっ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シの出力
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
の系統を示すブロック図、第２図はＦＦＴ解析装置１４
の一部詳細を示すブロック図、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の一例を示すブロック
図、第６図は振幅のオーバーフローを検出する例を示す
ブロック図、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ｈ　図、鞘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Ｆ’ＦＴ解析器の動作を示す流れ図である
０ 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：バッファメモリ、２１　：　ＦＦＴ解析器、２２
：表示器。 特許出願人　タケダ理研工業株式会社 代理人草野　卓 手続補正書（自発） 昭和５９年１０月１７日 ２発明の名称　デジタルスペクトルアナライザ３、補正
をする者 事件との関係　特許出願人 タケダ理研工業株式会社 ４、代　理　人　東京都新宿区新宿４−２−２１　相撲
ビル５、拒絶理由通知の日付　自　発 を「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」と訂正する。 （２）　同書第７頁６行目「同期した」を「同期するだ
めの」と訂正する。 （３）同省第１１頁１３行目［そのデータの上位側ビッ
トか」を「そのデータの絶対値の上位側ビットか」と訂
正する。 （４）添附コピー図に朱書で示すように第５図中に符号
「２５」を加入する。 以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （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し、その各
   周波数を領域ごとに高速フーリエ変換を行い、その周波
   数設定領域が低い程上記ＡＤ変換器のサンプリング周波
   数を低く設定するようにサンプリング周波数設定手段が
   設けられているデジタルスペクトルアナライザ。