JP2008224306A - スペクトラム解析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波信号を安定して測定するスペクトラム解析装置を提供する。
【解決手段】受信した高周波のアナログ信号ａ０（ｔ）をサンプリング周期Ｔ１でディジタル信号ｄ０（ｔ）に変換し、記憶部１０４に信号データとして記憶させるとともに、周期Ｔ１よりも長い周期Ｔ２で記憶部１０４から信号データを順次読み出す。これにより、低周波・狭帯域のディジタル信号ｄ１（ｔ）を得ることができる。また、このディジタル信号ｄ１（ｔ）を周波数領域の信号Ａ１（ｆ）に変換し、周波数領域の信号Ａ１（ｆ）の周波数をＴ２／Ｔ１倍する。これにより、受信したアナログ信号ａ０（ｔ）のスペクトラムと等価な周波数領域の信号Ａ２（ｆ）を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気信号のスペクトラムを解析する技術に関する。

従来の周波数分析装置として、掃引式スペクトラムアナライザが知られている（非特許文献１参照）。これは、測定したい周波数と同じ周波数の信号を測定装置内部で発生させ、測定信号と乗算器で掛け合わせることにより、所望周波数の電圧値として測定するものである。
長野昌生、「掃引式スペクトラム・アナライザの信号処理」、高速信号処理応用技術学会誌、２０００年１２月、Vol.3、No.4

しかしながら、測定したい周波数と同じ周波数の信号を発生する必要があることから、複雑な高周波アナログ回路が必要となり、広帯域で安定した周波数特性を実現することが難しいという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、高周波・広帯域の電気信号を測定するスペクトラム解析装置を従来よりも単純な構成で提供することにある。

本発明に係るスペクトラム解析装置は、高周波信号を受信する信号受信手段と、周期Ｔ１を持つ第１のタイミング信号を発生する第１のクロック発生手段と、受信した高周波信号を第１のタイミング信号の周期Ｔ１で第１のディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、第１のディジタル信号を信号データとして記憶手段に記憶させる書込手段と、第１のタイミング信号の周期Ｔ１よりも長い周期Ｔ２を持つ第２のタイミング信号を発生する第２のクロック発生手段と、第２のタイミング信号に基づいて記憶手段から信号データを読み出し、サンプリング周期が第２のタイミング信号の周期Ｔ２となる第２のディジタル信号を生成する読出手段と、第２のディジタル信号を周波数領域信号に変換する変換手段と、周波数領域信号の周波数をＴ２／Ｔ１倍に変換して出力する出力手段と、を有することを特徴とする。

本発明にあっては、受信した高周波信号をサンプリング周期Ｔ１で第１のディジタル信号に変換して信号データとして記憶手段に記憶させるとともに、サンプリング周期Ｔ１よりも長い周期Ｔ２で記憶手段から信号データを読み出して、サンプリング周期Ｔ２の第２のディジタル信号を生成し、第２のディジタル信号を周波数領域信号に変換して、その周波数領域信号の周波数をＴ２／Ｔ１倍に変換して出力することにより、受信した高周波信号のスペクトラムと等価なスペクトラムを得ることができるので、複雑な高周波回路が必要な箇所を第１のディジタル信号に変換するところまでに限定することができ、安価で安定したスペクトラム解析装置を提供することが可能となる。

上記スペクトラム解析装置において、第２のディジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段を有し、変換手段はＤ／Ａ変換手段が変換したアナログ信号を周波数領域信号に変換することを特徴とする。

本発明にあっては、第２のディジタル信号をアナログ信号に変換することにより、安価な低周波用のスペクトラムアナライザを利用することが可能となる。

上記スペクトラム解析装置において、アナログ信号を音として出力する再生手段を有することを特徴とする。

本発明にあっては、得られたアナログ信号を人間が聞こえる音として出力することにより、受信した高周波信号の特性を聞くことができ、高周波信号の特性の微妙な変化を人間が耳で聞くことにより検出することが可能となる。

本発明によれば、高周波・広帯域の電気信号を測定するスペクトラム解析装置を従来よりも単純な構成で提供することにある。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態におけるスペクトラム解析装置の構成を示すブロック図である。同図に示すスペクトラム解析装置は、信号受信部１０１、Ａ／Ｄ変換部１０２、書込部１０３、記憶部１０４、読出部１０５、書込クロック発生部１０６、読出クロック発生部１０７、Ｄ／Ａ変換部１０８、スペクトラム変換部１０９及び表示部１１０を備えている。

信号受信部１０１は、有限の周波数帯域幅を持つアナログ信号ａ０（ｔ）を受信し、Ａ／Ｄ変換部１０２に出力する。

Ａ／Ｄ変換部１０２は、入力されたアナログ信号ａ０（ｔ）を、書込クロック発生部１０６の発生するタイミング信号の周期Ｔ１をサンプリング周期としてディジタル信号ｄ０（ｔ）に変換する。

書込部１０３は、周期Ｔ１のタイミング信号に基づいて、ディジタル信号ｄ０（ｔ）のサンプリング値（信号の強さ）を信号データとして時系列順に記憶部１０４に記憶させる。

読出部１０５は、読出クロック発生部１０７の発生する周期Ｔ２のタイミング信号に基づいて記憶部１０４から信号データを時系列順に読み出し、サンプリング周期Ｔ２のディジタル信号ｄ１（ｔ）としてＤ／Ａ変換部１０８に出力する。読出クロック発生部１０７の発生するタイミング信号の周期Ｔ２は、書込クロック発生部１０６の発生するタイミング信号の周期Ｔ１よりも長くなっている。これにより、ディジタル信号ｄ０（ｔ）をより周波数の低いディジタル信号ｄ１（ｔ）に変換することができる。

Ｄ／Ａ変換部１０８は、入力されたディジタル信号ｄ１（ｔ）をアナログ信号ａ１（ｔ）に変換する。

スペクトラム変換部１０９は、アナログ信号ａ１（ｔ）を入力し、周波数領域の信号Ａ１（ｆ）に変換する。

表示部１１０は、周波数領域の信号Ａ１（ｆ）を入力し、周波数をＴ２／Ｔ１倍に変換して表示する。

図２は、Ａ／Ｄ変換部１０２に入力されるアナログ信号ａ０（ｔ）と、Ｄ／Ａ変換部１０８が出力するアナログ信号ａ１（ｔ）とを示した図である。横軸は時間、縦軸は信号の強さを表している。アナログ信号ａ０（ｔ）は、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間において、サンプリング周期Ｔ１でサンプリングされてディジタル信号ｄ０（ｔ）に変換され、信号データとして記憶部１０４に記憶される。これに対し、読出部１０５は、時刻ｔ０から周期Ｔ１よりも長い周期Ｔ２の間隔で記憶部１０４から信号データを読み出して、ディジタル信号ｄ１（ｔ）を生成するので、ディジタル信号ｄ１（ｔ）は、ディジタル信号ｄ０（ｔ）を時間軸方向にＴ２／Ｔ１倍に引き延ばしたものとなり、より低周波・狭帯域のディジタル信号を得ることになる。これにより、ディジタル信号ｄ１（ｔ）をアナログ信号ａ１（ｔ）に変換するＤ／Ａ変換部１０８及び時系列領域の信号を周波数領域の信号へ変換するスペクトラム変換部１０９には、複雑な高周波回路を使用する必要がなくなる。

なお、書込部１０３は、図２に示す時刻ｔ１から、読出部１０５が信号データの読み出しを完了する時刻ｔ２までの間は、記憶部１０４に信号データの書き込みを行わず、時刻ｔ２を過ぎた後から再び信号データの書き込みを再開する。信号データの読み出しは時刻ｔ２まで行われるので、表示部１１０においては、ｔ２−ｔ０の間隔でスペクトラムの表示が更新されることとなる。

図３は、アナログ信号ａ１（ｔ）のスペクトラムを示す図である。アナログ信号ａ１（ｔ）を周波数領域の信号Ａ１（ｆ）に変換したものは、同図に示すように、低周波・狭帯域となっている。この周波数領域の信号Ａ１（ｆ）を表示部１１０に入力し、表示部１１０により、周波数をＴ２／Ｔ１倍に変換したものを周波数領域の信号Ａ２（ｆ）として表示することにより、図４に示すように、信号受信部１０１において受信した高周波・広帯域のアナログ信号ａ０（ｔ）のスペクトラムと等価なスペクトラム表示を得ることができる。

ディジタル信号ｄ１（ｔ）は、ディジタル信号ｄ０（ｔ）を時間軸方向にＴ２／Ｔ１倍に引き延ばしたものであるので、受信したアナログ信号ａ０（ｔ）をディジタル信号ｄ０（ｔ）に変換するときにサンプリングしたサンプリング値（信号の強さ）の全てを含んでいることから、周波数領域の信号Ａ１（ｆ）の周波数をＴ２／Ｔ１倍に変換することで、高周波・広帯域のアナログ信号ａ０（ｔ）のスペクトラムと等価なスペクトラムを得ることができる。

したがって、本実施の形態によれば、受信した高周波のアナログ信号ａ０（ｔ）をサンプリング周期Ｔ１でディジタル信号ｄ０（ｔ）に変換し、記憶部１０４に信号データとして記憶させるとともに、周期Ｔ１よりも長い周期Ｔ２で記憶部１０４から信号データを順次読み出すことにより、より低周波・狭帯域のディジタル信号ｄ１（ｔ）を得ることができる。また、このディジタル信号ｄ１（ｔ）を周波数領域の信号Ａ１（ｆ）に変換し、周波数領域の信号Ａ１（ｆ）の周波数をＴ２／Ｔ１倍することで、受信したアナログ信号ａ０（ｔ）のスペクトラムと等価な周波数領域の信号Ａ２（ｆ）を得ることができるので、複雑な高周波回路を減らしたスペクトラム解析装置を提供することが可能となる。

なお、ディジタル信号ｄ１（ｔ）をアナログ信号ａ１（ｔ）に変換せずに、ディジタル信号ｄ１（ｔ）に、例えば、高速フーリエ変換（FFT:Fast Fourier Transform）や離散コサイン変換（DCT:Discrete Cosine Transform）などの信号処理を施して周波数領域の信号Ａ１（ｆ）を取得しても良い。

［第２の実施の形態］
図５は、第２の実施の形態におけるスペクトラム解析装置の構成を示すブロック図である。同図に示すスペクトラム解析装置は、図１に示したものに対して、複数の記憶部５０４ａ，５０４ｂ，…，５０４ｎを備えた点、及び、音響再生部５１１を備えた点で異なっている。音響再生部５１１は、入力されたアナログ信号を音として出力するものである。

図６に示すように、書込部５０３は、記憶部５０４ａ，５０４ｂ，…，５０４ｎを順次選択して、入力されたディジタル信号ｄ０（ｔ）が途切れないように記憶させる。同様に、読出部５０５は、記憶部５０４ａから順番に信号データを読み出す。このように、複数の記憶部５０４ａ，５０４ｂ，…，５０４ｎを備えて、入力されたディジタル信号ｄ０（ｔ）が途切れないように記憶させるとともに、各記憶部５０４ａ，５０４ｂ，…，５０４ｎから順番にデータを読み出すことにより、ディジタル信号ｄ１（ｔ）を連続した波形として取得することができる。

また、アナログ信号ａ１（ｔ）の周波数領域の信号Ａ１（ｆ）の帯域幅Ｆ１が人間の可聴範囲である２０ｋＨｚ程度となるように読出クロック発生部１０７を制御して周期Ｔ２を調節し、Ｄ／Ａ変換部１０８から出力されるアナログ信号ａ１（ｔ）を音響再生部５１１に入力する。これにより、受信したアナログ信号ａ０（ｔ）の特性を可聴信号として人間が聴くことができる。

したがって、本実施の形態によれば、複数の記憶部５０４ａ，５０４ｂ，…，５０４ｎを備え、サンプリングしたディジタル信号ｄ０（ｔ）を各記憶部に順次記憶させるとともに、各記憶部から順次データを読み出してディジタル信号ｄ１（ｔ）を生成し、アナログ信号ａ１（ｔ）に変換することで、連続した波形としてアナログ信号ａ１（ｔ）を取得することができる。

本実施の形態によれば、生成されるアナログ信号ａ１（ｔ）の周波数領域の信号Ａ１（ｆ）の帯域幅が２０ｋＨｚ程度となるように読出クロック発生部１０７を制御し、アナログ信号ａ１（ｔ）を音響再生部５１１に入力することにより、受信したアナログ信号ａ０（ｔ）の特性を可聴信号として人間が聴くことができる。

第１の実施の形態におけるスペクトラム解析装置の構成を示すブロック図である。 図１に示したスペクトラム解析装置に入力されるアナログ信号ａ０（ｔ）と生成されるアナログ信号ａ１（ｔ）とを示すグラフである。 図１に示したスペクトラム解析装置で生成されたアナログ信号ａ１（ｔ）のスペクトラムを示す図である。 図１に示したスペクトラム解析装置の表示部において表示されるスペクトラムを示す図である。 第２の実施の形態におけるスペクトラム解析装置の構成を示すブロック図である。 図５に示したスペクトラム解析装置が記憶部に信号データを読み書きする様子を示す説明図である。

符号の説明

１０１…信号受信部
１０２…変換部
１０３…書込部
１０４…記憶部
１０５…読出部
１０６…書込クロック発生部
１０７…読出クロック発生部
１０８…変換部
１０９…スペクトラム変換部
１１０…表示部
５０３…書込部
５０４ａ，５０４ｂ，５０４ｎ…記憶部
５０５…読出部
５１１…音響再生部

Claims (3)

1. 高周波信号を受信する信号受信手段と、
   周期Ｔ１を持つ第１のタイミング信号を発生する第１のクロック発生手段と、
   受信した前記高周波信号を前記第１のタイミング信号の周期Ｔ１で第１のディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
   前記第１のディジタル信号を信号データとして記憶手段に記憶させる書込手段と、
   前記第１のタイミング信号の周期Ｔ１よりも長い周期Ｔ２を持つ第２のタイミング信号を発生する第２のクロック発生手段と、
   前記第２のタイミング信号に基づいて前記記憶手段から前記信号データを読み出し、サンプリング周期が前記第２のタイミング信号の周期Ｔ２となる第２のディジタル信号を生成する読出手段と、
   前記第２のディジタル信号を周波数領域信号に変換する変換手段と、
   前記周波数領域信号の周波数をＴ２／Ｔ１倍に変換して出力する出力手段と、
   を有することを特徴とするスペクトラム解析装置。
2. 前記第２のディジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換手段を有し、
   前記変換手段は前記Ｄ／Ａ変換手段が変換した前記アナログ信号を周波数領域信号に変換することを特徴とする請求項１記載のスペクトラム解析装置。
3. 前記アナログ信号を音として出力する再生手段を有することを特徴とする請求項２記載のスペクトラム解析装置。

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