JPH0247563A - スペクトラムアナライザ - 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】 ［産業上の利用分野コ 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（１，１ｓｊ　Ｆ□ｕｒｉｅ
ｒ　Ｔｒａｎｓ−ｆｏｒｍ、以下ｒＦＦＴ」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ｒＦＦＴ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６
１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（ＦＦＴ）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３５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ξこ、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ｌＯ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
。

（１））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ろよう
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／ｌ）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
（８号のスペクトラム値を記憶し、前記切替スイッチか
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］ １上Ω１上ｌ 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、）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（
ｆｎ）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（ｆＬ）
と所望の周波数（ｆｎ）との関係について説明する。

（ｉ）　　ｆｌ＞ｆＨの場合（第８図（ａ）参照）周波
数ｆＬとｆＨがオーバーラツプしているもので、入力信
号中のｆしからｆＨまでの信号成分はフーリエ変換器１
２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）　　ｆｉｅｆＨの場合（第８図（ｂ）参照）周
波数ｆＬとｆｎとの間が抜けているもので、入力信号中
のｆＬからｆｎ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しとｆＨ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、［Ｌ以下及び
１１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（１
２）及び高周波スペクトラム分析器（１３）閏のインピ
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５６−１０８１６
４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局信号に変換し、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（へし）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、Ｆ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（ｆＬ＞ｆｎ）では
、信号分配器ＩＩ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　ｔ　＝
　Ａ　Ｈ＜ｆｃ）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ｒｎ−ＩＪに、また
高周波スペクトラムの振幅データはアドレスｒｎＪから
アドレスｒＮ−ＩＪに記憶される。

（ｉｉ）　　第８図（ｂ）に示シタ例（ｆしくｒＨ）で
は、信号分配器１１の各周波数とスペクトラム合成器１
４に与えられる境界値との関係を（ｆＬ≧Ａｃ、ｆ＋≦
ＡＨ）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ｒｎＪに、また高周波スペクト
ラムの振幅データはアドレスｒｍＪからアドレスｒＮ−
ＩＪに記憶される。アドレスｒｎ＋　ＩＪからアドレス
ｒｍ−ＩＪ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、例えは表示器に
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。

１２立１上ｌ 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！５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。

１１立１上ヨ 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の実施例を説明する。

入力信号は低域フィルタ３Ｉ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（ｆＬ）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２０）　
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（ｆＨ）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し
）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（ＡＨ）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［以下）と高周波信号（ｆｎ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）。

且」１とＬ敷■ 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（［Ｌ）以下の
低周波信号を通過させる。周波数変１ｇ！Ｉ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（１α（ＡＨ）以り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３８に送出する。表示器３８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」二で観測できる。

（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ζ
よ本発明の第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
ム合成のメモリマツプである。 図中の、１１は信号分配器、１２はフーリエ変換器、１
３は高周波スペクトラム解析器、１４はスペクトラム合
成器、Ｉ５は表示器、３１は低域フィルタ、３２は第１
のＡ／Ｄ変換器、３３はフーリエ変換器、３４は周波数
変換器、３５は検波器、３６は第２のＡ／Ｄ変換器、３
７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 (1)

1. 【特許請求の範囲】 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）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）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）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（４
   ２）とを備えたことを特徴とするスペクトラムアナライ
   ザ。