JPH1062461A

JPH1062461A - 信号スペクトラム計測装置

Info

Publication number: JPH1062461A
Application number: JP8233668A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Akita; 晋一秋田; Toshiya Takeuchi; 俊也竹内
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1996-08-16
Filing date: 1996-08-16
Publication date: 1998-03-06
Anticipated expiration: 2016-08-16
Also published as: JP2974129B2

Abstract

(57)【要約】【目的】測定精度を低下させることなく全通過帯域の
測定に要する時間を短縮する。【構成】バンドパスフィルタ回路の少なくもと１つの
通過周波数について、該通過周波数を選択する計測時間
を当該通過周波数に要求される必要最小時間よりも短い
時間に設定すると共に、ピークホールド回路で得られる
ピーク信号レベルに対して前記短縮した計測時間に対応
してそのレベルを大きくする補正を加える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の通過帯域の周波
数スペクトル成分を時分割的に得ることができるように
したバンドパスフィルタ回路とそのバンドパスフィルタ
回路の出力信号の各通過帯域のピーク値を検出して保持
するピークホールド回路を有する信号スペクトラム計測
装置に係り、特にその計測時間の短縮化と高精度化の両
方を追及した技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、音声信号の複数の離散的な周波
数の個々の信号レベルを検出し表示する装置としてスペ
クトラム計測表示装置がある。これは、図１０に示すよ
うに、入力音声信号を通過周波数が巡回的に逐次高速で
切り替わるバンドパスフィルタ回路１に取り込み、ピー
クホールド回路２でその通過周波数信号のピーク値を検
出して保持し、これを制御／ドライブ部３によりデジタ
ル信号に変換し液晶表示装置４を駆動して音声信号の周
波数スペクトルを表示するものである。

【０００３】バンドパスフィルタ回路１の出力信号は、
ある通過帯域の中心周波数ｆｏをｆｏ＝ｆ１としたと
き、そのｆ１の周波数の出力信号（実線で示した。）
は、図９の（ａ）に示すように、入力時点から時間ｔｄ
１だけ経過したとき始めて入力信号（破線で示した。）
と同じレベルの信号となり、ピークホールド回路２はこ
の信号のピークレベル（一点鎖線で示した。）をホール
ドする。一方、通過帯域の中心周波数ｆｏをｆｏ＝ｆ１
／２と半分にしたとき、その周波数での出力信号は、図
９の（ｂ）に示すように、入力時点から時間ｔｄ２（＝
ｔｄ１×２）だけ経過したときに始めて入力信号と同じ
レベルの信号となり、ピークホールド回路２はこの信号
のピークレベルをホールドする。

【０００４】このように、バンドパスフィルタ回路１の
出力信号は、所定の時間が経過すれば入力信号と同じレ
ベルになり、入力信号に対応したピークレベル信号をピ
ークホールド回路２で得ることができるが、通過帯域の
中心周波数によって経過時間が異なり、その経過時間は
中心周波数が低いほど大きくなる。この経過時間は所定
の計測精度を得るために最低必要な計測時間であり、バ
ンドパスフィルタ回路１内の素子（コンデンサや等価抵
抗等）や内部能動素子の駆動能力によって決まり、ほぼ
周波数の逆数に比例した時間となる。この計測時間は、
前記のように、通過帯域の中心周波数が半分になれば、
約２倍になる。つまり、中心周波数の最も低い通過帯域
の当該周波数ｆｎが、ｆｎ＝ｆ１／２^n- ¹ とすると、こ
の計測時間は最高の中心周波数ｆ１の通過帯域の場合の
計測時間に対して、約ｎ−１倍に達する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、特定の通
過帯域の信号の正確なピークレベルを計測するために最
低必要な計測時間は、その周波数が低くなるほど長くな
るため、各通過帯域の中心周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、・
・・、ｆｎをｆ１＞ｆ２＞ｆ３＞・・・＞ｆｎとする
と、それに対応する最低必要な計測時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ
３、・・・、ＴｎはＴ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜・・・・＜Ｔｎ
にする必要がある。このとき、中心周波数と計測時間の
関係は、次の式（１）に示すようになる。ｆ１・Ｔ１≒ｆ２・Ｔ２≒ｆ３・Ｔ３≒・・・・・・≒ｆｎ・Ｔｎ・・・・（１）

【０００６】したがって、例えば、各通過帯域の中心周
波数を、ｆ２＝ｆ１／２、ｆ３＝ｆ１／４、ｆ４＝ｆ１
／８、・・・・・・、ｆｎ＝ｆ１／２^n- ¹ のように、逐
次半分になるように設定すると、各通過帯域で最低必要
な計測時間は、Ｔ２＝２Ｔ１、Ｔ３＝４Ｔ１、・・・・
・、Ｔｎ＝２^n- ¹ Ｔ１のように、逐次倍々の関係で長く
なる。よって、全帯域を計測するための１サイクルの合
計時間Ｔｔは、次の式（２）で示す通りとなり、非常に
長くなる。Ｔｔ≒Ｔ１＋２Ｔ１＋４Ｔ１＋・・・・＋２^n- ¹ ・Ｔ１＝Σ２^n- ¹ ・Ｔ１・・・・（２）

【０００７】以上のように、従来の信号スペクトラム計
測装置では、特に低域での計測時間が長くなるので、リ
アルタイムでスペクトラムを表示するとその内容が不自
然なものとなる問題があり、これを解消しようとして計
測時間を短くすると低域の信号を正確に計測できないと
いう別の問題が発生する。

【０００８】本発明は上記した点に鑑みてなされたもの
で、その目的は、全帯域の計測に要する時間を短くし、
且つ低域でも正確な計測ができるようにした信号スペク
トラム計測装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、複数の通
過帯域を切り替えて該各通過帯域の周波数スペクトル信
号を時分割的に出力するバンドパスフィルタ回路と、該
バンドパスフィルタ回路の各通過帯域の出力信号のピー
ク値を検出して保持するピークホールド回路とを有する
信号スペクトラム計測装置において、前記バンドパスフ
ィルタ回路の少なくもと１つの通過周波数について、該
通過周波数を選択する計測時間を当該通過周波数に要求
される必要最小時間よりも短い時間に設定すると共に、
前記ピークホールド回路で得られるピーク信号レベルに
対してそのレベルを大きくする補正を加えることを特徴
とする信号スペクトラム計測装置として構成した。

【００１０】第２の発明は、第１の発明において、前記
補正が、前記必要最小時間と前記計測時間との時間差に
対応した補正であることを特徴とする信号スペトクラム
計測装置として構成した。

【００１１】第３の発明は、第１又は第２の発明におい
て、各通過帯域の計測時間をほぼ同一に設定すると共
に、該各計測時間に応じて各通過帯域のピーク信号レベ
ルに前記補正を加えることを特徴とする信号スペクトラ
ム計測装置として構成した。

【００１２】

【発明の実施の形態】まず、同一の信号について、パン
ドパスフィルタ回路１に信号が入力した時点からピーク
ホールド回路２のピークホールド信号が変化する状態を
検討してみると、図３に示すように、ピークホールド信
号が入力信号と同じ電圧レベルＶｉｎになった時点まで
の時間Ｔａと、その電圧レベルＶｉｎの１／２のレベル
Ｖｉｎ／２の時間Ｔｂとは、Ｔｂ＝Ｔａ／２の関係があ
る。すなわち、必要最小の計測時間（ほぼＴａ）に対し
て、それよりも短い計測時間を設定したときは、両時間
の差や比率に対応する分だけピークホールド回路２の出
力信号のレベルが小さいことが分かる。

【００１３】そこで、本発明では、このバンドパスフィ
ルタ回路１のすくなくとも低域側の１又は２以上の通過
帯域の計測時間を必要最小時間よりも短い時間に設定し
て、周波数一巡計測のための時間を短くすると共に、ピ
ークホールド回路２から出力るすピークホールド信号の
レベルについて、該設定した計測時間と必要最小時間と
の差分あるいは比率に対応して、その後段の回路部分に
おいて補正（レベル変換）を加えて正確な信号レベルが
得られるようにしている。

【００１４】例えば、逐次半分の関係で周波数が低くな
る関係にある中心周波数ｆ１〜ｆｎのピークホールド信
号レベルの補正のためのレベル変換比をＡ１〜Ａｎと
し、その値をＡ１＝１、Ａ２＝２、Ａ３＝４、・・・・
・・、Ａｎ＝２^n- ¹ のように逐次倍々の関係で大きくす
るように設定すると、計測時間は各通過帯域ともにＴ１
に設定することができ、周波数一巡の計測時間Ｔｔは、Ｔｔ＝ｎＴ１・・・（３）となる。この式（３）を前記した式（２）と比較する
と、ｎＴ１＜Σ２^n- ¹ ・Ｔ１（ｎ＞１）・・・・（４）であるので、全通過帯域の信号計測時間を計測帯域数が
多くなるほど大幅に時間短縮でき、低域において計測時
間を短縮しても、表示レベルの補正により測定精度の低
下を解消することができる。

【００１５】以下、本発明の実施の形態について詳しく
説明する。図４はバンドパスフィルタ回路１の回路構成
を示す図である。このバンドパスフィルタ回路１はスイ
ッチドキャパシタ型のものである。ＯＰ１は積分器とし
て機能する演算増幅器であって、その出力端子と反転入
力端子との間に、コンデンサＣ１１〜Ｃ１ｎのいずれか
１つが選択的に接続される。このコンデンサの選択は、
複数対のアナログスイッチＸ１１、Ｘ１２、・・・・、
Ｘ１ｎのうちのいずれかの一対スイッチがスイッチ信号
Ｍ１〜Ｍｎに制御されてオンすることにより行われる。
このコンデンサＣ１１〜Ｃ１ｎにより積分定数が決定さ
れる。

【００１６】ＯＰ２も同様の演算増幅器であって、その
出力端子と反転入力端子との間に、コンデンサＣ２１〜
Ｃ２ｎのいずれか１つが選択的に接続される。このコン
デンサの選択は、複数対のアナログスイッチＸ２１、Ｘ
２２、・・・・・、Ｘ２ｎのうちのいずれかの一対スイ
ッチがスイッチ信号Ｍ１〜Ｍｎに制御されてオンするこ
とにより行われる。ここでも、コンデンサＣ２１〜Ｃ２
ｎにより積分定数が決定される。

【００１７】アナログスイッチＳ１〜Ｓ４とコンデンサ
Ｃｂからなる回路、アナログスイッチＳ５〜Ｓ８とコン
デンサＣ３からなる回路、アナログスイッチＸＳ９〜Ｓ
１４とコンデンサＣａ、Ｃｉからなる回路は、各々スイ
ッチドキャパシタ回路であり、クロックφ１、φ２で駆
動されることにより等価抵抗として機能する。クロック
φ１は、それらスイッチＳ１〜Ｓ１４の奇数番目のスイ
ッチ（Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１１、Ｓ１
３）を駆動し、クロックφ２は偶数番目のスイッチ（Ｓ
２、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ８、Ｓ１０、Ｓ１２、Ｓ１４）を駆
動する。

【００１８】これらクロックφ１、φ２は、相互に位相
が反転した同一周波数の２相クロックであり、入力音声
信号の２倍以上の例えば、５０ＫＨｚ〜１００ＫＨｚの
周波数に設定され、図５に示すように、一方がアクティ
ブ（「Ｈ」でスイッチをオンさせる）のとき他方が完全
に非アクティブ（「Ｌ」でスイッチをオフさせる）とな
るようにデューティが設定されている。つまりクロック
φ１、φ２は同時にはアクティブとはならない。

【００１９】このバンドパスフィルタ回路１では、図６
に示すようにスイッチ信号Ｍ１〜Ｍｎのタイミングを設
定する。これにより、スイッチ信号Ｍ１がアクティブに
なることによりコンデンサＣ１１とＣ２１が選択的に同
時に接続され、次にスイッチ信号Ｍ２がアクティブにな
ることによりコンデンサＣ１２とＣ２２が選択的に同時
に接続され、・・・・・、次にスイッチ信号Ｍｎがアク
ティブになることによりコンデンサＣ１ｎとＣ２ｎが選
択的に同時に接続され、次にスイッチ信号Ｍ１がアクテ
ィブになることによりコンデンサＣ１１とＣ２１が選択
的に同時に接続されるというように、逐次巡回的に積分
用のコンデンサが切り替えられて、演算増幅器ＯＰ１、
ＯＰ２の積分定数の切り替えが行われ、通過周波数が切
り替えられる。すなわち、単位時間内に複数の通過帯域
が時分割的に設定されるバンドパスフィルタ回路が実現
される。このバンドパスフィルタ回路１の通過帯域の中
心周波数ｆｏは、次の式（５）により決定される。ｆck
はクロックφ１、φ２の周波数である。ｆｏ＝（ｆck／２π）・｛（Ｃａ・Ｃｂ）／（Ｃ１ｎ・Ｃ２ｎ）｝^1/ ² ・・・・（５）

【００２０】図７はピークホールド回路２の回路構成を
を示す図であり、演算増幅器ＯＰ３とその出力側に接続
されたｐＭＯＳトランジスタＭＰ１、抵抗Ｒ１、Ｒ２、
ホールド用コンデンサＣｐ、リセット用のｎＭＯＳトラ
ンジスタＭＮ１、ボルテージホロワとして機能する演算
増幅器ＯＰ４から構成されている。演算増幅器ＯＰ３と
トランジスタＭＰ１の組み合せもボルテージホロワを構
成する。

【００２１】このピークホールド回路２では、図４に示
したバンドパスフィルタ回路１の通過帯域切り替えのタ
イミング（スイッチ信号Ｍ１〜Ｍｎの切り替えタイミン
グ）に発生するリセット信号（ＲＳＴ）によりトランジ
スタＭＮ１を一時的に導通させると、それまでに蓄積さ
れたコンデンサＣｐの電荷が放電される。この後、バン
ドパスフィルタ回路１の出力信号が入力して演算増幅器
ＰＯ３の反転入力端子（ＩＮ）の電圧が上昇すると、そ
の電圧に対応して出力電圧が低下し、トランジスタＭＰ
１の導通度が高くなり、コンデンサＣｐへの電荷充電が
加速度的に行われることにより、そのコンデンサＣｐに
前記反転入力端子に印加する電圧に対応した電圧が発生
する。この後、コンデンサＣｐの電圧レベルがその反転
入力端子に印加する電圧のレベルよりも高くなると、演
算増幅器ＯＰ３の出力電圧が高くなる方向に変化するの
で、トランジスタＭＰ１の導通度が低下してコンデンサ
Ｃｐへの充電電流が少なくなる。かくして、コンデンサ
Ｃｐには、反転入力端子に入力する電圧のピーク値に相
当する電圧が充電され、リセットされるまでホールドさ
れることになる。抵抗Ｒ１、Ｒ２はコンデンサＣｐへの
充電電流のオーバーシュート防止用である。

【００２２】図８は制御／ドライブ部３の内部構成を示
すブロック図である。３１はＡ／Ｄ変換器で、ピークホ
ールド回路２から出力するピークホールド信号をデジタ
ル信号に変換する。３２はマイクロコンピュータからな
る制御部であって、Ａ／Ｄ変換器３１で得られたデジタ
ル信号を取り込んで表示のためのデータに変換する処理
や、前記したバンドパスフィルタ回路１の制御信号Ｍ１
〜Ｍｎ、クロックφ１、φ２、ピークホールド回路２の
リセット信号ＲＳＴ等を発生する。３３は液晶表示装置
４を駆動させるための表示ドライバである。

【００２３】次に動作を説明する。ここでは簡単のた
め、通過帯域の数が５の場合、すなわち、中心周波数が
ｆ１〜ｆ５であって、ｆ２＝ｆ１／２、ｆ３＝ｆ１／
４、ｆ４＝ｆ１／８、ｆ５＝ｆ１／１６の場合について
説明する。また、バンドパスフィルタ回路１において、
中心周波数ｆ１を計測するに必要な最低計測時間をＴ
１、中心周波数ｆ２を計測するに必要な最低計測時間を
Ｔ２（＝２Ｔ１）、中心周波数ｆ３を計測するに必要な
最低計測時間をＴ３（＝４Ｔ１）、中心周波数ｆ４を計
測するに必要な最低計測時間をＴ４（＝８Ｔ１）、中心
周波数ｆ５を計測するに必要な最低計測時間をＴ５（＝
１６Ｔ１）とする。

【００２４】なお、これらの計測時間は、中心周波数ｆ
１はスイッチ信号Ｍ１のオン継続時間で、中心周波数ｆ
２はスイッチ信号Ｍ２のオン継続時間で、中心周波数ｆ
３はスイッチ信号Ｍ３のオン継続時間で、中心周波数ｆ
４はスイッチ信号Ｍ４のオン継続時間で、中心周波数ｆ
５はスイッチ信号Ｍ５のオン継続時間で、各々設定す
る。

【００２５】このような条件下において、従来方法で
は、図２の（ａ）に示すように、各中心周波数ｆ１〜ｆ
５の通過帯域に対して、計測時間Ｔ１〜Ｔ５を割り当て
ていたのでバンドパスフィルタ回路１の周波数スキャン
が一巡する合計の計測時間Ｔｔは、Ｔｔ＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４＋Ｔ５＝３１Ｔ１・・・（６）となっていた。

【００２６】そこで、本実施の形態では、中心周波数ｆ
１〜ｆ５の通過帯域に対して、図１に示すように、計測
時間をｆ１→Ｔ１、ｆ２→Ｔ２、ｆ３〜ｆ５→Ｔ３に設
定する。そして、その各々の計測時間で得られたピーク
ホールド回路２のピークホールド信号のレベルを、制御
／ドライ部３の制御部３２においてレベル変換してか
ら、ドライバ３３に表示データとして送るようにした。
この変換比は、ｆ１〜ｆ３→１、ｆ４→２、ｆ５→４で
ある。すなわち、計測時間を短縮した比率に対応して、
表示データのレベルが大きくなるよう変換している。

【００２７】したがって、本実施の形態においてバンド
パスフィルタ回路１の周波数スキャンが一巡する合計の
計測時間Ｔｔは、Ｔｔ＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ３＋Ｔ３＝１５Ｔ１・・・（７）となり、従来の場合の式（６）に比べて約半分に短縮さ
れる。しかも、表示されるデータは、計測時間が短縮さ
れた分に対応して大きな値に補正・変換されているの
で、精度が劣化することもない。図２の（ｂ）はこの場
合を説明するための図である。

【００２８】

【発明の効果】以上から本発明によれば、ピークホール
ド信号のレベルを計測時間の短縮に応じて補正してスペ
クトラム信号としているので、計測時間の短縮化による
全通過帯域の合計計測時間の短縮化を図ることができる
と同時に、得られるスペクトラム信号も正確な信号とな
るという利点がある。よって、低域においても計測精度
を損なうことなく、短時間で信号計測を行うことがで
き、切り替え帯域数が多くなるほどこの効果が顕著に現
われ、多数の帯域の自然なスペクトル表示を実現できる
ようになる。

【００２９】また、各通過帯域での計測時間を共通にす
ることにより、バンドパスフィルタの通過帯域切り替え
が単純化されるので、その切り替えのためのスイッチ信
号の制御が簡素化されるという利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態のスペクトラム計測装置
の制御／ドライブ部によるレベル変換と計測時間短縮の
説明図である。

【図２】同実施の形態のスペクトラム計測装置による
全通過帯域の一巡の合計の計測時間を従来方法による場
合と比較した説明図である。

【図３】バンドパスフィルタ回路の出力信号とピーク
ホールド回路のピークホールド信号の説明図である。

【図４】バンドパフィルタ回路の回路構成を示す回路
図である。

【図５】バンドパスフィルタ回路を制御する２相クロ
ックの波形図である。

【図６】バンドパスフィルタ回路を制御するスイッチ
信号の波形図である。

【図７】ピークホールド回路の回路構成を示す回路図
である。

【図８】制御／ドライ部部の構成を示すブロック図で
ある。

【図９】バンドパスフィルタ回路の出力信号の周波数
による違いを説明するための波形図である。

【図１０】スペクトラム計測装置の構成を示すブロッ
ク図である。

【符号の説明】

１：バンドパスフィルタ回路、２：ピークホールド回
路、３：制御／ドライブ部、３１：Ａ／Ｄ変換器、３
２：制御部、３３：表示ドライバ、４：液晶表示装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の通過帯域を切り替えて該各通過帯域
の周波数スペクトル信号を時分割的に出力するバンドパ
スフィルタ回路と、該バンドパスフィルタ回路の各通過
帯域の出力信号のピーク値を検出して保持するピークホ
ールド回路とを有する信号スペクトラム計測装置におい
て、前記バンドパスフィルタ回路の少なくもと１つの通過周
波数について、該通過周波数を選択する計測時間を当該
通過周波数に要求される必要最小時間よりも短い時間に
設定すると共に、前記ピークホールド回路で得られるピ
ーク信号レベルに対してそのレベルを大きくする補正を
加えることを特徴とする信号スペクトラム計測装置。
【請求項２】前記補正が、前記必要最小時間と前記計測
時間との時間差に対応した補正であることを特徴とする
請求項１に記載の信号スペトクラム計測装置。
【請求項３】各通過帯域の計測時間をほぼ同一に設定す
ると共に、該各計測時間に応じて各通過帯域のピーク信
号レベルに前記補正を加えることを特徴とする請求項１
又は２に記載の信号スペクトラム計測装置。