(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
広帯域幅の電気入力信号スペクトルをサンプリングする方法であって、
上記広帯域幅内の周波数成分のベースバンドを有する入力信号を受け、
上記ベースバンドの周波数成分を、該ベースバンドの周波数成分よりも高い中間レンジの周波数成分に変換し、
上記中間レンジの周波数成分をバンドパスろ波して、中心周波数が上記中間レンジの周波数成分の中心周波数からオフセットされた比較的狭いバンドパス・レンジの周波数成分を発生し、
上記バンドパス・レンジの周波数の少なくとも２倍の周波数のクロックにより上記比較的狭いバンドパス・レンジの周波数成分をサンプリングし、デジタル化する
ことを特徴とするデジタル化方法。
【請求項２】
広帯域幅の電気入力信号スペクトルをサンプリングする装置であって、
上記広帯域幅内の周波数成分のベースバンドを有する入力信号を受け、上記ベースバンドの周波数成分を、該ベースバンドの周波数成分よりも高い中間レンジの周波数成分に変換するミキサと、
上記中間レンジの周波数成分をろ波して、中心周波数が上記中間レンジの周波数成分の中心周波数からオフセットされた比較的狭いバンドパス・レンジの周波数成分を発生するバンドパス・フィルタと、
上記バンドパス・レンジの周波数の少なくとも２倍の周波数のクロックにより上記比較的狭いバンドパス・レンジの周波数成分に対してサンプル・ホールド動作及びトラック・ホールド動作のいずれかを実行して信号サンプルを発生するサンプリング回路と、
該サンプリング回路用の上記クロックを用いて、上記サンプリング回路からの上記信号サンプルをデジタル化するアナログ・デジタル変換器と
を具えたデジタル化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、電気的試験及び測定に関し、特に、ワイドバンド（広帯域）の電気信号スペクトルを分析するためのバンドパス（帯域通過）サンプリング技術であるデジタル方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スペクトラム・アナライザの如き従来の信号処理及び分析システムは、典型的には、多数の周波数変換段を用いて、関心のある信号バンドをベースバンド信号に変換している。このベースバンド信号は、更なる処理及び表示のためにアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）でデジタル化する前に、ロウパス（低域通過）フィルタによりろ波される。このアーキテクチャによるアプローチは、被測定信号周波数をＡＤＣの１次ナイキスト・バンド内にして、信号が分析用周波数バンドの外になるエリアシングを防止している。
【０００３】
例えば、アメリカ合衆国特許第４２５７１０４号「電気信号のスペクトル分析用装置」は、ＡＤＣの前に、多数のダウン・コンバータと、中間周波数（ＩＦ）増幅器と、検波器と、ビデオ・プロセッサとを具えたスペクトラム・アナライザ・システムの詳細を記載している。同様なアーキテクチャは、アメリカ合衆国特許第４６０７２１５号「スペクトラム・アナライザ」、アメリカ合衆国特許第４８９００９９号「表示スクリーンの部分的スクロール機能を有する信号アナライザ」、アメリカ合衆国特許第４８３９５８２号「自動周波数測定機能を有する信号分析装置」、アメリカ合衆国特許第５０３８０９６号「パルス化された入力信号用スペクトラム・アナライザ回路」にも記載されている。これらアーキテクチャの総ても、後で行う信号処理及び分析のために入力信号をデジタル化する前に、この入力信号のダウン変換（周波数を下げる変換）、ＩＦ増幅、フィルタリング（ろ波）、ベースバンド周波数の検出を行うことを記載している。
【０００４】
他の例としては、本願出願人に譲渡されたアメリカ合衆国特許第５６２９７０３号「アナログ・デジタル変換器システムにおける高調波歪を低減する方法」がある。この特許は、ベースバンド周波数へのダウン変換及びロウパスろ波を用いたスペクトル分析アーキテクチャを記載しているが、デジタル化の前に検出を行っていない。ここでのロウパスろ波は、信号分析の帯域幅を比較的狭い９ＭＨｚに制限する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の信号測定システムでは、構成が複雑で高価であるばかりでなく、局部発振器（ＬＯ）の同調範囲、即ち、掃引範囲を広くして、信号分析帯域幅を実際に広くすることが必要とされた。かかる信号測定システムは、更に、１次ナイキスト帯域内でエリアシングのない信号デジタル化を行うために、サンプリング・レートが比較的高いＡＤＣを必要とした。
【０００６】
よって、構成が複雑且つ高価でなく、信号分析帯域幅が広く、局部発振器の同調範囲が比較的狭く、ＡＤＣのサンプリング・レートが低くてよい電気信号分析のためのデジタル化のアーキテクチャが望まれている。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、電気信号を分析するためのデジタル化方法及び装置の提供にある。
本発明の他の目的は、上述の従来技術よりも簡単であって高価でないスペクトラム・アナライザに適用できるアーキテクチャの提供にある。
本発明の更に他の目的は、信号分析帯域幅が広く、局部発振器の同調範囲が比較的狭く、ＡＤＣのサンプリング・レートが比較的低くてよく、スペクトラム・アナライザに適用できるデジタル化方法及び装置の提供にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のデジタル化方法は、広帯域幅の電気入力信号スペクトルをサンプリングする方法であって；広帯域幅内の周波数成分のベースバンドの周波数成分を有する入力信号を受け；このベースバンドの周波数成分を、このベースバンドの周波数成分よりも高い中間レンジの周波数成分に変換し（１４）；中間レンジの周波数成分を比較的狭いバンドパスろ波して、中心周波数がこの中間レンジの周波数成分の中心周波数からオフセットされた比較的狭いバンドパス・レンジの周波数成分を発生し（１８）；バンドパス・レンジの周波数の少なくとも２倍の周波数のクロックによりこのバンドパス・レンジの周波数成分をサンプリングし（２０）、デジタル化する（２４）ことを特徴としている。
また、本発明のデジタル化装置は、広帯域幅の電気入力信号スペクトルをサンプリングする装置であって；広帯域幅内の周波数成分のベースバンドの周波数成分を有する入力信号を受け、ベースバンドの周波数成分を、このベースバンドの周波数成分よりも高い中間レンジの周波数成分に変換するミキサ（１４）と；中間レンジの周波数成分をろ波して、中心周波数がこの中間レンジの周波数成分の中心周波数からオフセットされた比較的狭いバンドパス・レンジの周波数成分を発生するバンドパス・フィルタ（１８）と；バンドパス・レンジの周波数の少なくとも２倍の周波数のクロックにより比較的狭いバンドパス・レンジの周波数成分に対してサンプル・ホールド（保持）動作及びトラック・ホールド動作のいずれかを実行して信号サンプルを発生するサンプリング回路（２０）と；このサンプリング回路用のクロックを用いて、このサンプリング回路からの信号サンプルをデジタル化するアナログ・デジタル変換器（２４）とを具えている。
【０００９】
本発明によるバンドパス・サンプリング信号処理及び分析用のデジタル化方法及び装置は、周波数が同調可能な局部発振器により駆動される従来のミキサ（混合器）を用いて、信号周波数帯域を、従来技術と異なり、この信号周波数帯域よりも上のＩＦ周波数帯域にアップ変換（周波数を上げる変換）をしている。ＩＦ周波数帯域がＩＦバンドパス・フィルタを通過して、その後デジタル化段に、ＩＦバンドパス・レンジの信号周波数成分を供給する。このアーキテクチャにおいて、ＩＦバンドパス・フィルタは、デジタル化段用のアンチ・エリアシング・フィルタとして作用する。アップ変換した信号周波数帯域をＩＦバンドパス・フィルタの通過帯域内になるように、局部発振器周波数を選択する。その結果のＩＦバンドパス信号をサンプリングし、デジタル化するが、そのサイクルのレートは、ＩＦ帯域幅と釣り合っているが、典型的には、ＩＦ帯域の中心周波数よりも非常に低い。サンプリング回路は、信号のサンプリングをサンプル・ホールド（サンプリング時点で入力信号を抜き取り、その信号を保持すること）又はトラック・ホールド（入力信号に追跡し続け、サンプリング時点でその追跡を止めて保持すること）にて実行し、その出力をＡＤＣに供給する。このＡＤＣは、サンプリング回路と同じレートでクロックされる。
【００１０】
本発明のバンドパス・サンプリングのアーキテクチャは、従来のダウン変換及びベースバンド・サンプリングのアーキテクチャよりも複雑でなく、高価でないという利点がある。
【００１１】
本発明のバンドパス・サンプリングのアーキテクチャでは、信号周波数帯域のアップ変換により、信号分析帯域幅を広くすると共に、局部発振器同調レンジが（相対的には）比較的狭くてよい（典型的には、１オクターブ未満）という利点もある。
【００１２】
本発明のバンドパス・サンプリングのアーキテクチャには、デジタル化の前にＩＦバンドパス信号をサンプリングすることにより、１次ナイキスト帯域内でエリアシングのないサンプリングにとって通常必要なサンプリング・レートよりも非常に遅いサンプリング・レートでＡＤＣを使用できるという利点もある。
【００１３】
本発明のその他の目的及び利点は、添付図を参照した好適実施例に関する以下の詳細説明から明らかになろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を用いたバンドパス・サンプリング・システム１０を示す。３．５ＧＨｚのロウパス・フィルタ１２は、約０Ｈｚから約３ＧＨｚの範囲の周波数成分を有する入力信号を受け、ろ波した入力信号をミキサ（混合器）１４に供給する。局部発振器１６は、約３．５ＧＨｚから約６．５ＧＨｚのまでの間で同調可能であるか、又は、周波数掃引可能である局部発振器信号をミキサ１４に供給して、入力信号周波数成分を、約３．５２５ＧＨｚを中心とする中間周波数（ＩＦ）帯域にアップ変換する。３．５２５ＧＨｚのＩＦバンドパス・フィルタ１８は、その帯域幅が５０ＭＨｚであり、入力信号周波数成分から５０ＭＨｚのＩＦバンドパス・レンジの成分を高速サンプリング回路２０に供給する。クロック発振器２２は、約１００ＭＨｚで発振し、サンプリング・パルスを高速サンプリング回路２０に供給する。この高速サンプリング回路２０は、１秒当たり１００メガ・サンプルのレート（１００Ｍｓｐｓ）で、５０ＭＨｚＩＦバンドパス・レンジの入力信号周波数成分をトラック・ホールドによりサンプリングする。アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）２４は、クロック発振器２２からの１００ＭＨｚサンプリング・パルスを受けて、高速サンプリング回路２０が発生した各信号サンプルをデジタル化する。ＡＤＣ２４からのデジタル出力は、従来技術と同様に、種々のアプリケーションに適するように処理し、分析し、表示する。
【００１５】
ＩＦバンドパス・フィルタ１８の中心周波数が適切に選択されていないと、サンプリング周波数の任意の高調波がＩＦバンドパス・フィルタ１８の通過帯域内になった場合、入力信号周波数成分の負及び正の周波数成分のエリアシングが重なってしまう。これは、例えば、通過帯域の中心が３．５０ＧＨｚのときに生じる。１つの解決方法は、サンプリング周波数の４分の１だけＩＦ通過帯域の中心をオフセットすることである。なお、ＩＦ通過帯域は、上述の好適実施例においては、３．５２５ＧＨｚである。他の解決方法は、ミキサ１４か、ＩＦバンドパス・フィルタ１８の後に、直交チャネル（quadrature channel）を設けることである。
【００１６】
バンドパス・サンプリング・システム１０において、ＩＦバンドパス・フィルタ１８の５０ＭＨｚ帯域幅が、１００Ｍｓｐｓの高速サンプリング回路２０及びＡＤＣ２４に対するアンチ・エリアシング・フィルタとして作用する。５０ＭＨｚＩＦ帯域幅の少なくとも２倍のレートであるが、３．５２５ＧＨｚのＩＦバンドパス中心周波数よりも非常に低いレートで、ＩＦバンドパス・レンジの入力信号周波数成分をサンプリングし、デジタル化する。このアプローチにより、関心のある信号がＡＤＣ２４の１次ナイキスト帯域内となり、帯域外の信号が分析帯域に入るエリアシングを防止する。
【００１７】
バンドパス・サンプリング・システム１０の適切な動作は、高速サンプリング回路２０に応じて決まり、この高速サンプリング回路２０は、適切な帯域幅で、対応する狭いサンプル取り込み時間のトラック・ホールド回路又はサンプル・ホールド回路である。適切なサンプリング回路は、本願出願人に譲渡されたアメリカ合衆国特許第５２２５７７６号「電気信号を探索しサンプリングする方法及び装置」に記載された回路を基にしている。勿論、多くの他のサンプリング回路も、特定のアプローチに応じて適切に実施できる。
【００１８】
図２は、トラック・ホールド回路による高速サンプリング回路２０の好適な実施例を示す。エミッタ・フォロワ型バッファ・トランジスタ３０は、５０オームの終端抵抗器３２の両端に生じる５０ＭＨｚＩＦバンドパス・レンジの入力信号周波数成分を受ける。バッファされたＩＦバンドパス信号は、バッファ・トランジスタ３０のエミッタに現れる。このエミッタは、電流源３４によりプルダウンされており（電流が引き込まれており）、ダイオード接続のトランジスタ３６に結合されている。このトランジスタ３６は、電圧源Ｖccに接続された抵抗器３８からバイアス電流を受ける。抵抗器３８と、トランジスタ３６のベース及びコレクタの共通接続点は、トランジスタ４０のエミッタに接続されている。このトランジスタ４０のコレクタは、Ｖccの如きバイアス電圧源に接続されており、そのベースは、サンプリング回路２０のサンプリング信号出力（サンプリングされた信号出力）を受ける。トラック・モードにおいて、トランジスタ４０は、抵抗器３８及びダイオード接続トランジスタ３６の共通接続点に生じる電圧により遮断（カットオフ）されている。バッファされたＩＦバンドパス信号は、ダイオード接続トランジスタ３６を介して、エミッタ・フォロワ・トランジスタ４２のベースに供給される。このエミッタ・フォロワ・トランジスタ４２からのＩＦバンドパス信号は、抵抗器４４を介してコンデンサ４６に供給され、このコンデンサ４６に蓄積される。抵抗器４４及びコンデンサ４６は、ロウパス・フィルタを構成し、サンプリング回路２０のノイズ帯域幅を減らし、その直線性を改善する。
【００１９】
トラック（追跡）モードからホールド（保持）モードに切り替えるために、高速サンプリング回路２０は、差動対トランジスタ４８及び５０を具えており、これらトランジスタのエミッタは、電気的に共通接続され、電流源５２に接続されている。トランジスタ４８のコレクタは、トランジスタ３６、４０、抵抗器３８及びエミッタ・フォロワ・トランジスタ４２のベースの共通接続点に電気的に接続される。トランジスタ５０のコレクタは、抵抗器４４及びエミッタ・フォロワ・トランジスタ４２のエミッタの共通接続点に電気的に接続される。
【００２０】
トラック・モードにおいて、トランジスタ５０のベースの供給されるトラック信号Ｖ＿ＴＲＡＣＫが、トランジスタ４８のベースに供給されるホールド信号Ｖ＿ＨＯＬＤよりも高い電位にあり、トランジスタ５０をオンにすると共に、トランジスタ４８をオフにする。よって、電流が、接地からトランジスタ４２及び５０を介して電流源５２に流れる。ＩＦバンドパス信号は、エミッタ・フォロワ・バッファ・トランジスタ３０、ダイオード接続トランジスタ３６、エミッタ・フォロワ・トランジスタ４２及び抵抗器４４を介して流れる。この信号は、入力信号を追跡し、コンデンサ４６に蓄積される。エミッタ・フォロワ・トランジスタ５４及び５６と、差動接続トランジスタ５８及び６０とで構成される非反転バッファ増幅器は、コンデンサ４６に保持されたサンプリング信号電圧（サンプリングされた信号電圧）を受け、トランジスタ５６のエミッタにバッファされたサンプリング信号電圧を発生する。トランジスタ５４、５６、５８及び６０は、関連した電流源６２、６４及び６６によりバイアスされる。
【００２１】
トランジスタ５６及び４０のベースの電圧は、コンデンサ４６に保持されたサンプリング信号電圧と同じ電位である。したがって、トランジスタ４０のエミッタに生じたクランプ電圧は、入力信号電圧を追跡する。これは、サンプリング回路２０の利得に依存する直線性と、ダイナミック・レンジにとって重要である。
【００２２】
ホールド・モードにおいて、トランジスタ５０のベースに供給されたトラック信号Ｖ＿ＴＲＡＣＫがトランジスタ４８のベースに供給されたホールド信号Ｖ＿ＨＯＬＤよりも低いので、トランジスタ４８がオンとなり、トランジスタ５０がオフになる。よって、トランジスタ４２及び５０を介してエミッタ・フォロワ・トランジスタ４２に流れる電流が止まる。トランジスタ４８がオンなので、電流は、電圧源Ｖccからトランジスタ４０及び４８を介して電流源５２に流れる。トランジスタ４０のエミッタは、コンデンサ４６に蓄積された電圧よりも低い０．７ボルトにクランプされるので、ダイオード接続トランジスタ３６及びエミッタ・フォロワ・トランジスタ４２が逆バイアスされる。コンデンサ４６に蓄積された瞬間的なＩＦバンドパス信号電圧は、ホールド・モード期間中、トランジスタ５６のエミッタにて、ＡＤＣ２４によるデジタル化に利用できる。
【００２３】
高速サンプリング回路２０は、好ましくは、シリコン／ゲルマニウム処理の如き高周波アナログ集積回路製造プロセスを用いて実現可能である。これらプロセスは、例えば、アメリカ合衆国ヴァーモント州エセックス・ジャンクションのアイビーエム・コーポレーションによって商業的に利用されている。
【００２４】
本発明を用いたバンドパス・サンプリング・アーキテクチャは、以下の理由により、利点を有する。
（１）ベースバンド・サンプルへの従来のダウン変換によるアーキテクチャよりも、本質的に複雑でなく、高価でもない。
（２）信号周波数帯域のアップ変換は、信号分析帯域幅を広くすると共に、局部発振器の同調レンジは（相対的に）比較的狭くてよい。この同調レンジは、典型的には、１オクターブ未満である。
（３）デジタル化の前にＩＦバンドパス信号をサンプリングすることにより、１次ナイキスト帯域内でエリアシングなしにサンプリングを行うのに通常要求されるサンプリング・レートよりも非常に低いＡＤＣを使用することができる。
【００２５】
本発明は、特に、約１ＭＨｚから約２５００ＭＨｚまでの通信信号周波数レンジでの信号処理、分析及び表示にとって有用である。
【００２６】
本発明は、上述の好適実施例とは異なっても実施できることが当業者には理解できよう。例えば、周波数、帯域幅、サンプリング・レートを上述とは異なる種々の値でもよく、また、特定のアプリケーションに適するように種々の増幅器、フィルタ、局部発振器及びミキサをシステム１０に追加してもよい。同様に、ベースバンド・レンジでない周波数へのダウン変換も本発明の要旨の範囲内で可能である。
【００２７】
本発明の要旨を逸脱することなく、本発明の上述の実施例の細部において種々の変更変形を可能なことが当業者には明らかであろう。よって、本発明は、スペクトラム・アナライザにおける利用以外に、信号処理及び分析のアプリケーションにも適用できる。
【００２８】
【発明の効果】
上述の如く本発明によるデジタル化方法及び装置は、電気信号の分析方法及び装置に適用でき、ベースバンド・サンプルへの従来のダウン変換によるアーキテクチャよりも、本質的に複雑ではなく、高価でもない。また、信号周波数帯域のアップ変換は、信号分析帯域幅を広くすると共に、局部発振器の同調レンジは（相対的に）比較的狭くてよい。さらに、デジタル化の前にＩＦバンドパス信号をサンプリングすることにより、１次ナイキスト帯域内でエリアシングなしにサンプリングを行うのに通常要求されるサンプリング・レートよりも非常に低いＡＤＣを使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バンドパス・サンプリング信号処理及び分析システムを実現するのに用いる本発明のアーキテクチャのブロック図である。
【図２】図１に示すブロック図に用いる好適な信号サンプリング回路の回路図である。
【符号の説明】
１０  バンドパス・サンプリング・システム
１２  ロウパス・フィルタ
１４  ミキサ
１６  局部発振器
１８  ＩＦバンドパス・フィルタ
２０  高速サンプリング回路
２２  クロック発振器
２４  アナログ・デジタル変換器
【図１】
0003653445.tif 000002
【図２】
0003653445.tif 000003