JPH0888515A - Fm偏移量測定器 - Google Patents

Fm偏移量測定器

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JPH0888515A
JPH0888515A JP6223069A JP22306994A JPH0888515A JP H0888515 A JPH0888515 A JP H0888515A JP 6223069 A JP6223069 A JP 6223069A JP 22306994 A JP22306994 A JP 22306994A JP H0888515 A JPH0888515 A JP H0888515A
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calculating
modulation frequency
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JP6223069A
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Masao Nagano
昌生 長野
Hitoshi Takahashi
仁志 高橋
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Advantest Corp
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    • G01R23/00Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
    • G01R23/02Arrangements for measuring frequency, e.g. pulse repetition rate; Arrangements for measuring period of current or voltage
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B17/00Monitoring; Testing
    • H04B17/10Monitoring; Testing of transmitters
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    • HELECTRICITY
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    • H04B17/10Monitoring; Testing of transmitters
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  • Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定値の温度変動、経時変動を小さくする。 【構成】 FM入力信号V(t)をA/D変換した後、
その同相成分Iと直交成分Q(ヒルベルト変換対)を求
め、これよりV(t)の瞬時位相θ=tan-1(Q/
I)を求め、更に変調周波数fa(t)=dθ/2πdtを
求める。或いはI,Qより直接fa(t)=(IdQ/dt
−QdI/dt)/2π(I2 +Q2 )を求めてもよ
い。変調周波数fa を積分してV(t)の搬送周波数誤
差Δfを検出し、fa よりΔfを引算して補正する。補
正したfa をディエンファシスする。BPF4でハム及
び高周波雑音を抑圧した後、周波数偏移の正側のピーク
値P- 、負側のピーク値P- 、これらの平均値(P+
- )/2、自乗平均値Pa を求める。真のピークはサ
ンプルデータの間に存在する場合が多いので、fa
(t)よりヒルベルト変換対If ,Qf を求め、fa
(t)のエンベロープEnv(t)=√(If2+Qf2)を
求め、その時系列データ間を補間して、より精度のよい
ピーク値P+ ′を求めることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】FM偏移量測定器に関し、特にデ
ィジタル信号処理技術を用いて、温度特性と経時変化特
性を向上させたFM偏移量測定器に係わる。
【0002】
【従来の技術】従来のFM偏移量測定器は図8に示すよ
うにアナログ方式で構成されている。FM送信機より入
力端子INに入力されたRF信号SRFはミキサ1で局部
発振器2のローカル信号と周波数混合されて、両者の差
の周波数成分、つまり中間周波信号SIFのみが選択的に
出力され、IFアンプ・フィルタ部13で増幅されて、
FM復調器4に入力され、F/V変換されてその復調信
号e(t)がディジタルボルトメータ5に供給され、周
波数偏移の正側のピーク値P+ 、負側のピーク値P-
びそれらの平均値(P+ +P- )/2が測定される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来のアナログ方式の
FM偏移量測定器では、そのFM復調器5は、CR微分
回路(HPF)やホスターシーリー回路のように、L,
C,R、ダイオード等より成る回路で構成されているの
で、部品の周囲温度変化や経時変化によって、そのF/
V変換特性が変化し、周波数偏移量の測定値が変動する
欠点があった。この発明の目的は、温度特性及び経時変
化特性の良好なFM偏移量測定器を提供しようとするも
のである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
(1)請求項1のFM偏移量測定器は、FM入力信号V
をディジタル信号に変換するA/D変換手段と、前記デ
ィジタル信号からFM入力信号Vの同相成分Iと直交成
分Qを演算するIQ演算手段と、前記同相成分Iと直交
成分QとからFM入力信号Vの瞬時位相θを演算する位
相演算手段と、前記瞬時位相θの時系列データを微分し
て、FM入力信号Vの変調周波数fa を演算する微分演
算手段と、前記変調周波数fa から周波数偏移の正側の
ピーク値P+ と負側のピーク値P - を演算する偏移量演
算手段とで構成される。
【0005】(2)請求項2のFM偏移量測定器は、
(1)において、前記位相演算手段と微分演算手段を設
ける代りに、前記同相成分I及び直交成分Qと、それら
の変化率(dI/dt,dQ/dt)よりFM入力信号
Vの変調周波数fa を演算する手段を設けたものであ
る。 (3)請求項3の発明では、前記(1)または(2)に
おいて、前記変調周波数fa を積分して、FM入力信号
Vの搬送波の周波数誤差分Δfを検出し、前記変調周波
数fa から前記誤差分Δfを除去する手段が、前記微分
演算手段または変調周波数演算手段と前記偏移量演算手
段との間に設けられている。
【0006】(4)請求項4の発明では、前記(1)乃
至(3)のいずれかにおいて、前記FM入力信号Vの変
調周波数fa の同相成分If 及び直交成分Qf を演算す
る第2のIQ演算手段と、前記変調周波数fa の同相成
分If 及び直交成分Qf から前記変調周波数faのエン
ベロープEnvを演算するエンベロープ演算手段と、前記
変調周波数fa のエンベロープEnvの時系列データ間を
補間して、エンベロープのピーク値P+ ′を演算する第
2の偏移量演算手段とを具備したものである。
【0007】(5)請求項5の発明では、前記(1)ま
たは(2)において、前記偏移量演算手段が前記FM入
力信号Vの変調周波数fa の自乗平均値Pa を演算する
手段を含むようにしてしている。 (6)請求項6の発明では、前記(1)または(2)に
おいて、前記FM入力信号Vの変調周波数fa をディエ
ンファシスする手段を前記微分演算部または変調周波数
演算部と前記偏移量演算手段との間に設けている。
【0008】(7)請求項7の発明では、前記(1)ま
たは(2)において、前記FM入力信号Vの変調周波数
fa に含まれる低周波数及び高周波雑音を抑圧するフィ
ルタ手段を前記微分演算手段または変調周波数演算手段
と前記偏移量演算手段との間に設けている。 (8)請求項8の発明では、前記(1)または(2)に
おいて、前記FM入力信号Vの中心周波数をfmとする
とき、前記A/D変換手段のサンプリング周波数fspを
4×fmに選定している。
【0009】
【実施例】この発明の実施例を図1を参照して説明す
る。図1には図8と対応する部分に同じ符号を付してあ
る。ミキサ1より出力されるFM中間周波信号SIFはア
ンチ・エリアシング用のLPF(低域フィルタ)6で帯
域制限されてFM入力信号V(t)とされ、A/D変換
器7に入力され、発振器8出力のサンプリング周波数f
spでサンプリングされてディジタル信号に変換される。
【0010】FM中間周波信号SIFの周波数スペクトル
Xa(jω)に図2Aに示すようにナイキスト周波数f
N =fsp/2以上の周波数スペクトルが含まれている
と、A/D変換されたディジタル信号、即ち離散時間信
号V(nT)(Tはサンプリング周期、nは整数)の周
波数スペクトルXd (jω)(Xa (jω)を±fsp,
±2fsp,±3fspごとに繰返した特性)に重なりが生
じ、元のアナログ信号S IFのスペクトルXa(jω)と
異なった特性となり不都合を生ずる。この重なりをエリ
アシング(aliasing)と呼んでおり、このエリ
アシングをなくすためにLPF6で帯域制限を行ってい
る。このような意味でLPF6をアンチエリアシングL
PFと呼ぶことがある。
【0011】A/D変換されたFM入力信号V(t)は
ヒルベルト変換部9に入力されて、その同相成分Iと直
交成分Qとが演算される。これらのI,Qをヒルベルト
変換対と言う。即ち、中心周波数fm をもつ中間周波の
FM入力信号V(t)(図3A)と複素正弦波exp
(j2πfm t ) の変調積〔V(t)・exp(j2π
fmt)〕の実部Ib と虚部Qb 、即ち、 Ib =Re〔V(t) ・exp(j2πfmt)〕 … (1) Qb =Im〔V(t) ・exp(j2πfmt)〕 … (2) を求める。これらのIb ,Qb には図3Bに示すように
V(t)の周波数fIFと、複素正弦波の周波数fm との
差の周波数成分(fIF−fm )()と和の周波数成分
(fm +fIF)()とが含まれている。これらのIb
,Qb をフィルタリング処理して、図3Cに示すよう
に差の周波数成分のみを取り出し、同相成分Iと直交
成分Qを得る。ここで差の周波数成分(fIF−fm)
()の中心周波数は0である。つまり、ヒルベルト変
換対I,Qの中心周波数は0Hzである。なお、図3の
例は、サンプリング周波数fspをfsp=4fm に設定し
た場合である。
【0012】これらのヒルベルト変換対I,Qは位相演
算部10に入力されて、FM入力信号V(t)の瞬時位
相θ(t)が次式より演算される。 θ(t) =tan-1(Q/I) … (3) 瞬時位相θ(t)の時系列データは微分演算部11に入
力されて、FM入力信号V(t)の変調周波数fa
(t)が演算される。
【0013】 fa (t) =dQ(t) /2πdt … (4) 変調周波数fa (t)の時系列データは搬送周波数誤差
除去部12に入力されて、補正される。即ち、変調周波
数fa (t)はサンプリング周期Tより充分大きな時間
Aに亘って積分される、その積分値をΔFとすれば、 ∫fa (t) dt(t=0〜A)=ΔF … (5) この積分値ΔFは、入力IF信号SIFの搬送波の周波数
誤差Δfに起因するものである。一般に局部発振器2の
周波数精度は問題にならないように充分良好にされてい
るので、IF信号SIFの搬送波の周波数誤差Δfはミキ
サ1に入力されるRF信号SRFの搬送波の周波数誤差に
等しい。Δfは Δf=ΔF/A … (6) より求められる。IF信号SIFの搬送波の周波数誤差Δ
fによって、FM入力信号V(t)の変調周波数fa
(t)は周波数誤差Δfだけ偏移されているのでfa
(t)−Δfを演算して補正後の変調周波数fa (t)
とする。即ち、 fa (t) −Δf → fa (t) … (7) 搬送周波数誤差Δfは表示装置16に入力されて、画面
に表示される。
【0014】RF信号SRFやIF信号SIFに変換されて
いる元のベースバンド信号はプリエンファシス(pre
−emphasis;図4)されて、高域側の成分が
強調された信号である。このベースバンド信号がFM変
調され、更にRF信号に変換されて入力端子INに印加
される。従って、微分演算部11で得られた変調周波数
fa (t)はFM受信機のようにf/V変換して元のベ
ースバンド信号に復調し、図4のの利得−周波数特性
をもつディエンファシス(de−emphasis)回
路を通せばベースバンド信号の利得周波数特性を平坦に
戻すことができる。この発明の装置では、変調周波数f
a (t)はディエンファシス部13に入力されて、図4
のディエンファシス特性に対応して重み付けされて、
プリエンファシスの影響を除去している。
【0015】ディエンファシス部の出力はディジタルフ
ィルターとして構成されるBPF14に入力され、ハム
雑散成分が除去されると共に高域側の周波数が、例えば
3KHz,15KHzのように制限されて、高周波雑音
が抑圧される。BPF14の出力fa (t)は偏移量演
算部15に入力されて、周波数偏移の正側のピーク値P
+ 、負側のピーク値P- が演算される。また必要に応じ
正、負のピーク値の平均(P+ +P- )/2や周波数偏
移の自乗平均値Pa が演算される。これらの偏移量に関
するデータは表示装置16に入力されて画面に表示され
る。
【0016】なお、搬送周波数誤差除去部12、ディエ
ンファシス部13及びBPF14は場合によっては省略
することもある。偏移量演算部15で求めたピーク値P
+ ,P- ,(P+ +P- )/2は、変調周波数fa
(t)の時間間隔T=1/fspの離散データ(サンプル
データ)fa(nT)より求めたものであるので、多少
の誤差を伴う。即ち、眞のピークはサンプルデータの間
に存在することも起り得る。そこでこの発明ではピーク
値の精度を高めるために以下のような信号処理を行う。
【0017】BPF14より出力される変調周波数fa
(t)は第2のヒルベルト変換部17に入力されて、次
に述べるようにして同相成分If と直交成分Qf とが演
算される。先ず変調周波数fa (t)と複素正弦波ex
p(j2πfot)との変調積の実部及び虚部I0 ,Q
0 を求める。 I0 =Re〔fa (t) ・exp(j2πfot)〕 … (8) Q0 =Im〔fa (t) exp(j2πfot)〕 … (9) ここで、 fa (t) =cos a … (10) 2πfot=b … (11) と置けば、(8),(9)式の〔 〕内は 〔 〕=cos a(cos b+j sin b) =cos a cos b+j cos a sin b =(1/2)〔cos(a+b)+cos(a−b) +j{sin(a+b)−sin(a−b)}〕 =(1/2)〔{cos(a+b)+j sin(a+b)} +{cos(a−b)−j sin(a−b)}〕 ∴I0 =(1/2){cos(a+b)+cos(a−b)} … (12) Q0 =(1/2){sin(a+b)−sin(a−b)} … (13) a=0 … (14) 図5に示すようにfa (t)はベースバンド信号の変調
周波数であり、その中心周波数を0Hzと考えることが
できるので、a=0とすると、 I0 =(1/2){cos(2πfot)+cos(−2πfot)}…(15 ) Q0 =(1/2){sin(2πfot)−sin(−2πfot)}…(16 ) I0 ,Q0 のスペクトラム成分には図5Cに示すように
fo を中心とする成分と−fo を中心とする成分とが存
在する。なお、図5Cでは fo =fs /4 … (17) サンプリング周波数 fs =252KHz … (18) としている。
【0018】I0 ,Q0 のスペクトラム成分のうち、ど
ちらか一方を残すようにフィルタリング処理すると、ヒ
ルベルト変換対If ,Qf が求められる。If ,Qf は
エンベロープ演算部18に入力されて、次式より変調周
波数fa(t)のエンベロープEnv(t)(図6)が演
算される。 Env(t) =√(If2+Qf2) … (19) このエンベロープEnv(t)は第2の偏移量演算部19
に入力され、時間間隔TのサンプルデータEnv(nT)
の間の特性が、内挿法によるか、または函数近似法
によって補間され、その補間データを用いて周波数偏倚
のピーク値P+′が正確に演算され、表示装置16に与
えられる。
【0019】なお、簡易な装置では第2のヒルベルト変
換部17、エンベロープ演算部18及び第2のピーク偏
移量演算部19は省略される。 〔変形例〕図1に点線で示すように、位相演算部10及
び微分演算部11を設ける代りに、変調周波数演算部2
0を設けて、ヒルベルト変換対I,Qから次式により変
調周波数fa (t)を直接演算することができる。
【0020】 fa (t) =(IdQ/dt−QdI/dt)/2π(I2 +Q2 )…(20) (20)式が成立することを次に説明しよう。 fa (t) =dθ/2πdt … (4) θ(t) =tan-1(Q/I) … (3) ここで、 x=Q/I … (21) と置けば、 θ(t) =tan-1x … (3′) fa(t)=dθ/2πdt =(dθ/dx)(dx/2πdt) … (22) ここで、 dθ/dx=d(tan-1x)/dx =1/(1+x2 )=I2 /(I2 +Q2 ) … (23) dx/2πdt=d(Q/I)/2πdt =(IdQ/dt−QdI/dt)/2πI2 … (24) (23)、(24)式を(22)式に代入すれば、 fa(t)={I2 /(I2 +Q2 )}(IdQ/dt−QdI/dt)/2πI2 =(IdQ/dt−QdI/dt)/2π(I2 +Q2 ) となり、(20)式が得られる。
【0021】サンプリング周波数fspは図3の例のよう
にFM入力信号V(t)の中心周波数fm の4倍に設定
するのが望ましい。その理由につき説明する。 (A)fsp=2fm の場合 サンプリング周波数fspはサンプリング定理より入力信
号V(t)の最高周波数の2倍以上に設定する必要があ
る。fsp=2fm の場合には、入力信号V(t)の周波
数fIFには図7Aに示すようにナイキスト周波数fN
fsp/2を越える成分が含まれるので、fsp>2fm に
しなければならない。 (B)fsp=3fm の場合 図7Bのようにヒルベルト変換部9で信号処理して求め
る(1),(2)式のIb ,Qb には、差の周波数(f
IF−fm )の帯域及び和の周波数(fIF+fm )の帯
域及び−(fIF+fm )の帯域が含まれる(図7B
−2)。及びは正又は負のナイキスト周波数fN
−fN を越えているので、Ib ,Qb の離散データはf
N ,−fN で折り返されて、エリアシング成分′又は
′が生じている。エリアシング成分′,′の中心
周波数は±fsp/3となる。fsp=4fm に設定した図
3の場合には±(fIF+fm )の帯域,の中心周波
数は±fsp/2であり、と又はの周波数分離間隔
が(B)の場合より大きい。従って、(B)の場合の
と′及び′を分離するフィルタリング処理は、分離
間隔が小さくなった分だけfsp=4fm に設定した図3
の場合のフィルタリング処理より高次の処理、つまり複
雑な処理を必要とする。 (C)fsp=5fm の場合 図7Cに示すように、和の周波数の帯域の中心周波数
は(2/5)fspとなり、fsp=4fm の図3の場合よ
り、差の周波数帯域との分離間隔が小さくなり、分離
のためのフィルタリングが複雑となる。 (D)fsp=6fm の場合 図7Dに示すように和の周波数帯域の中心周波数はf
sp/3となり、(B)のエリアシング成分′の中心周
波数と一致する。従って、差の周波数帯域と和の周波
数帯域とを分離するフィルタリングが複雑となる。
【0022】以上述べたように、fsp=4fm に設定し
た図3の場合が、差の周波数帯域と和の周波数帯域
の分離間隔が他の場合より大きくなるので、両者を分離
するフィルタリング処理が容易となる。なお、以上述べ
たA/D変換器7以降のディジタル信号処理はDSP
(ディジタル・シグナル・プロセッサ)を応用して実現
することができる。
【0023】
【発明の効果】従来のアナログ方式のFM偏移量測定器
は、L,C,R及び半導体部品を用いたアナログ回路に
よってFM復調を行っているので、これら部品の温度変
化や経時変化によって周波数偏移の測定値の変動する欠
点があったが、この発明のFM偏移量測定器は、FM入
力信号をA/D変換して、ディジタル信号処理、つまり
演算処理によって周波数偏移を求める方式であるので、
従来技術のようにアナログ部品の特性変化の影響を受け
ず、温度特性及び経時変化特性を大幅に改善できる。
【0024】この発明のFM偏移量測定器はディジタル
方式であるので、LSI化が可能であり、装置を小型、
軽量化できるメリットもある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例を示すブロック図。
【図2】図1において、LPF6を除いた場合のA/D
変換器7の入力及び出力の周波数スペクトルの一例を示
す図。
【図3】図1のヒルベルト変換部9の入、出力及び内部
のスペクトル分布の一例を示す図。
【図4】FM送受信機におけるプリエンファシス及びデ
ィエンファシス特性を示す図。
【図5】Aは変調周波数fa(t) の波形図、Bはfa
(t) のスペクトラム分布の一例を示す図、Cは図1の
ヒルベルト変換部17の内部のスペクトル分布の一例を
示す図。
【図6】図1のエンベロープ演算部18の出力の波形
図。
【図7】図1において、サンプリング周波数fspとFM
入力信号V(t)の中心周波数fm との間に、fsp=2
fm ,3fm ,4fm ,5fm ,6fm の関係を与えた
ときのヒルベルト変換部9の入力及び内部の周波数スペ
クトル分布の一例を示す図。
【図8】従来のアナログ方式のFM偏移量測定器のブロ
ック図。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 FM入力信号(V)をディジタル信号に
    変換するA/D変換手段と、 前記ディジタル信号からFM入力信号(V)の同相成分
    (I)と直交成分(Q)を演算するIQ演算手段と、 前記同相成分(I)と直交成分(Q)とからFM入力信
    号(V)の瞬時位相(θ)を演算する位相演算手段と、 前記瞬時位相(θ)の時系列データを微分して、FM入
    力信号(V)の変調周波数(fa)を演算する微分演算
    手段と、 前記変調周波数(fa )から周波数偏移の正側のピーク
    値(P+ )と負側のピーク値(P- )を演算する偏移量
    演算手段とを具備する、 FM偏移量測定器。
  2. 【請求項2】 FM入力信号(V)をディジタル信号に
    変換するA/D変換手段と、 前記ディジタル信号からFM入力信号(V)の同相成分
    (I)と直交成分(Q)を演算するIQ演算手段と、 前記同相成分(I)及び直交成分(Q)と、それらの変
    化率(dI/dt,dQ/dt)よりFM入力信号
    (V)の変調周波数(fa)を演算する手段と、 前記変調周波数(fa)から周波数偏移の正側のピーク
    値(P+ )と負側のピーク値(P- )を演算する偏移量
    演算手段とを具備する、 FM偏移量測定器。
  3. 【請求項3】 請求項1または2において、前記変調周
    波数(fa)を積分して、FM入力信号(V)の搬送波
    の周波数誤差分(Δf)を検出し、前記変調周波数(f
    a)から前記誤差分(Δf)を除去する手段が、前記微
    分演算手段または変調周波数演算手段と前記偏移量演算
    手段との間に設けられていることを特徴とするFM偏移
    量測定器。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至3のいずれかにおいて、 前記FM入力信号(V)の変調周波数(fa)の同相成
    分(If)及び直交成分(Qf)を演算する第2のIQ
    演算手段と、 前記変調周波数(fa)の同相成分(If)及び直交成
    分(Qf)から前記変調周波数(fa)のエンベロープ
    (Env)を演算するエンベロープ演算手段と、 前記変調周波数(fa)のエンベロープ(Env)の時系
    列データ間を補間して、エンベロープのピーク値
    (P+ ′)を演算する第2の偏移量演算手段とを具備す
    る、 FM偏移量測定器。
  5. 【請求項5】 請求項1または2において、前記偏移量
    演算手段が前記FM入力信号(V)の変調周波数(f
    a)の自乗平均値(Pa)を演算する手段を含むことを
    特徴とするFM偏移量測定器。
  6. 【請求項6】 請求項1または2において、前記FM入
    力信号(V)の変調周波数(fa)をディエンファシス
    する手段を前記微分演算部または変調周波数演算部と前
    記偏移量演算手段との間に設けられていることを特徴と
    するFM偏移量測定器。
  7. 【請求項7】 請求項1または2において、前記FM入
    力信号(V)の変調周波数(fa)に含まれる低周波及
    び高周波雑音を抑圧するフィルタ手段を前記微分演算手
    段または変調周波数演算手段と前記偏移量演算手段との
    間に設けられていることを特徴とするFM偏移量測定
    器。
  8. 【請求項8】 請求項1または2において、前記FM入
    力信号(V)の中心周波数をfmとするとき、前記A/
    D変換手段のサンプリング周波数fspを4×fmに選定
    することを特徴とするFM偏移量測定器。
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