JPH0430550B2

JPH0430550B2 -

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Publication number: JPH0430550B2
Application number: JP58181642A
Authority: JP
Priority date: 1983-09-28
Filing date: 1983-09-28
Publication date: 1992-05-22
Also published as: JPS6071967A

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の伝達関数を求める。

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を通じて低域波器１７に供
給され、低域波器１７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ツフアメ
モリ１９内に記憶される。バツフアメモリ１９に
一定サンプル数、例えば1024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ビツトのデジタル信号に変換する
場合、その10ビ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。即ちバツフアメモリ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１８での変換を最適化する。

FFT解析器２１においては第３図のステツプ
S₁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ツフア
メモリ１９に取込まれた、例えば1024個のサンプ
ル値についてステツプS₂で高速フーリエ変換を行
い、ステツプ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Gaa，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Gaa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求め、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ツプ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＞を求め
る。これら平均値からステツプS₅で伝達関数が求
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。

ところで従来の試験信号発生器１１では例えば
単一正弦波を発生して一つの正弦波ごとに高速フ
ーリエ変換を行い、次にその周波数を変化させて
高速フーリエ変換を行うことを順次繰り返し行う
場合と、ランダム雑音の発生して試験信号として
測定対象に与える場合とがある、前者の単一正弦
波による場合は測定精度が高いが測定時間が長く
なる。一方ランダム雑音を発生する場合は一度で
測定できるが測定精度が悪い。しかし、例えば伝
達関数の測定において周波数軸に対するレベルの
変化が比較的ゆつくりしているような場合におい
てはランダム雑音による測定でも測定精度がそれ
程悪くなく、比較的高い精度の測定が得られる。
測定対象によつては共振点や反共振点が生じる部
分であり、このように周波数軸に対する変化が急
激な部分ではランダム雑音による測定は精度が劣
下する。即ち第４図に示すような伝達関数におい
ては周波数軸上の中間部において共振点２３ａや
反共振点２３ｂがあり、特性曲線が急激に変化し
ている。このようなところにおいてランダム雑音
による測定は特に精度が悪く、この共振点の尖つ
た部分がなまつてしまう欠点がある。しかしこの
ように急激に変化しない比較的ゆつくり変化する
領域２３ｃの部分ではランダム雑音による測定で
も比較的高い精度で測定できることが判つた。

＜発明の概要＞このような点よりこの発明の目的は特性の変化
が周波数軸に対して急激な部分と、余り変化しな
い部分とを含むような場合において全体として高
い精度でしかも比較的短時間で測定を行うことが
できるデジタルスペクトルアナライザを提供する
ものである。

この発明によれば試験信号発生器として複数種
類の試験信号を発生するように構成しておき、ま
た測定周波数範囲を複数の領域に分割し、その各
分割した領域ごとに発生すべき試験信号を設定で
きるように構成し、その設定した各周波数領域ご
とにその領域に適する設定した試験信号によつて
試験を行い、その場合少なくとも各領域ごとに
AD変換器における変換特性が最適になるように
AD変換器の入力レベルを調整する。

このため試験信号発生器１１は例えば第５図に
示すように構成される。即ちバス２５にはCPU
２６、その動作プログラムを記憶したROM２
７、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FFT解析装置
１４より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、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
Δ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
プリングクロツクと同期するための一般にこれよ
りも高い周波数のクロツクが入力される。このク
ロツクは入出力回路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F₀乃至F₁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り、どの波形の信号を
読出すかはバス２５を通じてCPU２６により、
つまり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３
１の出力、一般にAD変換器１８と同期した同一
周波数のクロツクで読み出される。このため分周
器３１の出力がスイツチ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。スイツチ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より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
ツチ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２
５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
レベルを持つた試験信号が端子３７より出力さ
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の出力クロツクで読み出
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ツ
チ３９を通じ更にスイツチ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AD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
ようになれる。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４
１，４２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り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、レジタル４９内のしき
い値と比較され、AD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４
８より高レベルが生じる。

AD変換器１８の変換出力は例えば12ビツトで
あり、並列ビツト出力線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４
４，４６，４８の各出力はオア回路５１を通じて
AD変換器の出力線５２の最下位ビツトに入力さ
れている。従つて入力信号レベルや雑音が大き過
ぎるとバツフアメモリ１９に入力されたデータ中
の最下位ビツトが論理１となつており、FFT解
析器２１でバツフアメモリ１９を読み出してその
最下位ビツトが１の場合は入力信号が大き過ぎた
と判定して可変利得増幅器１６の利得を一定値、
例えば10db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。バツフアメモリ１９内に所定のデ
ータ数例えば1024個が取込まれると、このFFT
解析器２１はバツフアメモリ１９をステツプS₁で
所定数、例えば1024個を取出し、ステツプ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つたか否かチエツ
クされ、そのような動作を行なつてない場合はス
テツプS₃においてその読み出したデータの各最下
位ビツトが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エツクされ、オーバ
ーフローしているものがある場合はステツプ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。一方ステツプS₃において読
み出したデータよりその入力が小さ過ぎるか否か
がチエツクされ、これはそのデータの絶対値の上
位何ビツトかが常に０の場合は入力レベルのデー
タが小さ過ぎると判定され、この場合はステツプ
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
1024個とつてそのデータについてオーバーフロー
があるか、小さ過ぎるかをチエツクし何べんか繰
り返した後、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ない
場合はステツプ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
うになり、ステツプ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ツプ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、つまりステツプ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ツプS₈で設
定される。

次にこの発明による装置の動作を説明する。第
８図に示すようにまずステツプS₁で測定全帯域
F₀乃至F_oを、雑音信号或は多重正弦波信号を測
定対象１２に与えて測定する。これにより第４図
に示したような大まかな伝達関数特性を得て周波
数に対するレベル変化が急峻な部分となだらかな
部分とに分け、この図においてはF₀乃至F₁の領
域とF₁乃至F₂の領域とF₂乃至F_oの領域との三つ
に分けてそれぞれの領域に対して発生すべき試験
信号を例えば第９図に示すようにF₀乃至F₁及び
F₂乃至F_oは雑音信号とし、F₁乃至F₂の領域は単
一正弦波信号とし、各発生する信号の振幅をV₁，
V₂，V₃とし、また正弦波信号についてはその正
弦波の周波数の変化幅Δを例えばF_o／400とする。

ここで400はFFT解析器の解析線スペクトラム数
である。このような試験データをFFT解析装置
１４に設定する。またこの時ｒを１に設定し、こ
れよりステツプS₃において指定領域r₁である周波
数F₀乃至F₁の領域についての試験測定を行い、
その測定後ステツプS₄においてｒを＋１し、ステ
ツプS₅においてそのｒが領域数Ｒ、つまりこの例
においては三つの領域に分けたからＲ＝３よりも
大であるか否か判定され、大でない場合はステツ
プS₃に戻つて次の指定領域、即ちこの例では２番
目の指定領域F₁乃至F₂の領域に対する測定を行
う。

指定領域ｒ＝１のように雑音信号を用いて測定
する場合第１０図に示すようにFFT解析装置１
４から必要な試験データ、即ち周波数領域がF₀
乃至F₁であつて、発生する試験信号が雑音信号、
更に振幅がV₁であることを示すデータが試験信
号発生器１１に供給される。これに基づいて試験
信号発生器１１はステツプS₂において第５図にお
いてスイツチ３３を雑音信号源40側に切換えてこ
れにより雑音信号によつて波形メモリ３２を読み
出し、その波形メモリ３２の出力は乗算器３４を
通じ、スイツチ３５を通じてレベル設定器３６に
供給され、レベル設定器３６でV₁のレベルに設
定されて試験信号を出力する。スイツチ３９はオ
フとされる。

この試験信号を受信してFFT解析装置１４に
おいては先に第６図及び第７図について述べたよ
うにAD変換器１８の変換特性が最良となるよう
にその入力側をレベルを設定すべく可変利得増幅
器１６の利得を制御する。その後ステツプS₄にお
いてその設定したレベルにおいてFFT解析を行
う。この測定が例えばｋ回行つてその平均を先に
述べたようにとる。このようにして一つの設定領
域に対する測定が行われると次の指定領域、この
例ではF₁乃至F₂の領域に対する測定となるが、
この場合における測定は例えば第１１図に示すよ
うに行う。

即ちステツプS₁で領域がF₁乃至F₂、試験信号
が単一正弦波、、振幅がV₂、周波数変化がF_o／400であることをそれぞれ示す試験データを試験信号発
生器１１へ転送する。ステツプS₂においてこの指
定領域における最低周波数F₁をF₁に設定し、ス
テツプS₃で試験信号発生器１１より信号を発生す
る。この場合第５図においてスイツチ３９をオン
とし、スイツチ３５をスイツチ３９側に切換え
る。正弦波メモリ３８においてF₁の周波数を発
生するように設定する。従つて最初においては周
波数F₁の正弦波が発生し、これが出力され、こ
の正弦波信号に基づいてステツプS₄において、最
適感度になるようにレベル設定が行われる。その
後周波数F₁の正弦波についてステツプS₅でFFT
解析を行い、ステツプS₆で周波数F_iにΔを加算
してF_iとし、このF_iが指定領域の最高周波数F₂よ
り大きいか否かステツプS₇でチエツクされ、小さ
い場合はステツプS₃に戻り、これよりF₁＋Δの
周波数の正弦波信号を発生する。このようにして
順次Δ高い周波数の正弦波信号を発生すると共
にその都度感度設定が最適になるように設定して
FFT解析を行い、かつその解析の際には最適設
定レベルにおいて複数回データをとつてFFT変
換出力を平均する。発生する単一正弦波の周波数
F_iが指定領域の最高周波数F₂よりも大きくなると
指定領域における単一正弦波による試験を終了す
る。

この例においては次には周波数F₂乃至F_oの領
域の測定に移るが、その場合には第１０図と同様
の動作で試験を行う。測定周波数範囲を分けてそ
の各領域に対する試験信号の発生は例えば第４図
の例において周波数F₀乃至F₁の領域及び周波数
F₂乃至F_oの領域に対しては周波数掃引正弦波信
号を発生するようにしてもよい。或はこれらの領
域のすべてを周波数掃引正弦波信号を発生するよ
うにし、例えば第１２図及び第１３図に示すよう
に周波数F₀乃至F₁の領域ではΔ₁＝40Hzの間周波
数を掃引する信号を発生し、次にΔ₁だけ加算し
た周波数F₀＋Δ₁乃至F₀＋2Δ₁の範囲内の周波数
を掃引する正弦波信号を発生し、周波数領域F₁
乃至F₂については掃引信号幅Δ₂を小さく、例え
ば４Hz程度にしてゆつくりした掃引信号で測定
し、更に周波数領域F₂乃至F_oについて掃引幅Δ₃
＝100Hzのように大きな掃引幅で測定するように
してもよい。また測定範囲を雑音信号或は多重正
弦波で測定し、その後周波数領域が変化の激しい
範囲例えば先の例ではF₁乃至F₂の範囲内におい
てのみ単一正弦波や遅い速度の周波数掃引正弦波
で測定し、その部分の測定データを、前の多重正
弦波や雑音信号を用いたデータの替りに使用する
ようにしてもよい。

このように周波数領域を分割して測定し、また
その都度感度の最適化を行つているため、解析結
果をその周波数範囲F₀〜F_o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。つまり第１
０図のステツプS₄及び第１１図のステツプS₅にお
けるFFT解析処理は第１４図に示すように行わ
れる。即ちFFT変換をステツプS₁で行い、その
解析結果に対してステツプ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
F₀乃至F₁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10db大きく
した場合はその各測定周波数成分の大きさを
10db下げ、逆に利得を10db下げた場合は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。その後ステツプ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相互スペクトラムGabの演算が行わ
れる。更に新たなデータを同様にして取込み、即
ち第１０図又は第１１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
分ごとにステツプS₄で平均を求め、つまり平均パ
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ツプS₅で伝達関数を演算す
る。

＜効果＞以上述べたようにこの発明によればまず粗く全
測定周波数帯域に対して測定し、その結果を見て
測定結果が急激に変化している附近においては単
一正弦波信号或はゆつくりした周波数掃引信号に
よつて測定することによつて高精度の測定を行う
ことができ、しかも特性の変化が比較的ゆつくり
のなめらかな部分においては雑音信号や多重正弦
波信号或は高速度の掃引信号を用いることによつ
て短かい時間で高い精度の測定を行うことができ
る。従つて全体としては測定時間が短かく、しか
も高い精度の測定を行うことができる。

【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の測定
系を示すブロツク図、第２図はFFT解析装置の
一部を具体的に示したブロツク図、第３図は
FFT解析の動作例を示す流れ図、第４図は測定
した伝達関数の特性例を示す図、第５図は試験信
号発生器の一例を示すブロツク図、第６図はオー
バーフロー検出の一例を示すブロツク図、第７図
は最適レベルレンジに設定する動作例を示す流れ
図、第８図はこの発明によるスペクトルアナライ
ザの動作例を示す流れ図、第９図はその試験信
号、周波数領域の設定例を示す図、第１０図及び
第１１図はそれぞれ各指定領域に対する動作例を
示す流れ図、第１２図は他の試験信号の割当てデ
ータを示す図、第１３図はその第１２図に対応し
た周波数特性の割当てを示す図、第１４図は第１
０図のステツプS₄、第１１図のステツプS₅の
FFT解析の動作例を示す流れ図である。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、１７
…低域波器、１８…AD変換器、１９…バツフ
アメモリ、２１…FFT解析器、２２…表示器。

Claims

【特許請求の範囲】

１試験信号発生器からの試験信号を測定対象へ
供給し、その測定対象からの信号を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
フーリエ変換して解析を行うデジタルスペクトル
アナライザにおいて、上記試験信号発生器は異な
る周波数間隔の複数周波数成分の同時発生か、順
次発生かにより種別される複数の種類の試験信号
を選択的に発生できるように構成され、測定用周
波数範囲を複数の領域に分割すると共にその各領
域において発生すべき試験信号の種類を設定する
試験信号設定手段と、その設定手段により設定さ
れて各周波数領域に対応した設定試験信号を上記
試験信号発生器から発生させる手段と、その発生
した各試験信号に応じて上記AD変換器で最適変
換が得られるようにAD変換器の入力レベルレン
ジを設定するレベル設定手段とを具備するデジタ
ルスペクトルアナライザ。