任意信号発生装置
【課題】比較的低い周波数のサンプリング周波数を用いつつ、生成する信号の周波数帯域を拡張し、より高周波域までの任意波形の信号を生成可能とする。
【解決手段】目的信号を離散フーリエ変換した周波数領域の複素スペクトルをＰ組の信号成分に分割し、低サンプリングクロックで動作するＰ個の信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPに分配して分割処理し、それぞれの出力を合成することにより、任意信号を生成する。各信号モジュールは、分配された信号成分を逆離散フーリエ変換器１０で逆離散変換し、デジタル信号処理の困難な高周波成分は、逆離散フーリエ変換出力を直交変調器１７でアップコンバートする。これにより、並列数Ｐに反比例した低速のクロックで各信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPを動作させることができる。
【解決手段】目的信号を離散フーリエ変換した周波数領域の複素スペクトルをＰ組の信号成分に分割し、低サンプリングクロックで動作するＰ個の信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPに分配して分割処理し、それぞれの出力を合成することにより、任意信号を生成する。各信号モジュールは、分配された信号成分を逆離散フーリエ変換器１０で逆離散変換し、デジタル信号処理の困難な高周波成分は、逆離散フーリエ変換出力を直交変調器１７でアップコンバートする。これにより、並列数Ｐに反比例した低速のクロックで各信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPを動作させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広帯域の任意波形の目的信号を生成する任意信号発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パルスレーダ等に用いられるパルス幅の小さい信号を生成する技術として、ステップリカバリダイオード、アバランシェダイオード、高速論理ゲート等を用いて任意波形の目的信号を生成する技術が知られている。これらの技術は、アナログ信号処理によりパルス幅の小さい信号を生成する技術であり、温度や湿度等の環境変化による回路特性の変化、素子や材料の特性の経年変化等により、性能が変化する虞がある。
【０００３】
また、アナログ信号処理用の回路は、一度作成されると、その後の変更が困難であり、仕様や目的の変更に対して必ずしも自由度が高いとは言えない。例えば、レーダ用の信号発生装置としての用途の場合、レーダの割り当て周波数が変更されても、アナログ回路では対応困難である。さらに、送信波のスペクトルを変更する場合、外付けのフィルタを変更する等の対策が必要であるが、アナログ回路では、送信スペクトルの形状やレベルを適応的に変更することは困難である。
【０００４】
このため、近年では、デジタル信号処理によって目的信号を生成する技術が採用されることが多い。このデジタル信号処理による信号発生装置としては、例えば特許文献１に開示されているようなダイレクトデジタルシンセサイザ（Direct Digital Synthesizer;DDS）が知られている。ＤＤＳは、波形データの入ったメモリの指定アドレスを更新して行き、その指定アドレスのデータをＤ／Ａ変換によりアナログ波形に変換することで、任意の波形を発生させる技術である。
【特許文献１】特開平１１−２２５０２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されているようなＤＤＳによる信号発生装置は、基準クロック周波数に同期してその基準クロックの有理数倍の周期を有する信号波形をデジタル的に合成した後、Ａ／Ｄ変換を行っている。よって、サンプリング定理により、目的信号に含まれる最高周波数の２倍以上のサンプリング周波数でＤ／Ａ変換器を動作させなければならない。このため、目的信号のパルス幅を小さくすると、必要とされるサンプリング周波数がパルス幅に反比例して高くなる。よって、生成可能な信号の周波数には限界がある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、比較的低い周波数のサンプリング周波数を用いつつ、生成する信号の周波数帯域を拡張することができ、より高周波域までの任意波形の信号を生成可能な任意信号発生装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明による任意信号発生装置は、時間領域の信号から算出した周波数領域のスペクトルを、複数の信号成分に分割して分配する信号分配部と、前記信号分配部から分配された複数の信号成分のそれぞれを時間領域の信号に変換する信号変換部と、前記信号変換部で変換された複数の信号のうち、少なくとも一つ以上の信号の周波数をアップコンバートする周波数変換部と、前記周波数変換部によりアップコンバートされた信号を含む複数の信号を合成して目的信号を出力する信号合成部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、比較的低い周波数のサンプリング周波数で動作しながら、発生信号の周波数帯域を拡張することができ、より高周波域までの任意波形の信号を生成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図１２は本発明の実施の第１形態に係り、図１は任意信号発生装置の構成図、図２は分割処理による任意信号発生の基本アルゴリズムを示す説明図、図３は低周波用信号モジュールでの信号スペクトラムを示す説明図、図４は低周波用信号モジュールでの逆離散フーリエ変換後のスペクトラムを示す説明図、図５は低周波用信号モジュールでのインターポレーション後のスペクトラムを示す説明図、図６は低周波用信号モジュールでの複素バンドパスフィルタによるフィルタリング後のスペクトラムを示す説明図、図７は低周波用信号モジュールで抽出された信号を示す説明図、図８は高周波用信号モジュールでの逆離散フーリエ変換後のスペクトラムを示す説明図、図９は高周波用信号モジュールでのインターポレーション後のスペクトラムを示す説明図、図１０は高周波用信号モジュールでの複素バンドパスフィルタによるフィルタリング後のスペクトラムを示す説明図、図１１は直交変調器の出力スペクトラムを示す説明図、図１２は混合器の出力スペクトラムを示す説明図である。
【００１０】
図１に示す任意信号発生装置１には、生成したい任意の周波数帯域の目的信号を時間領域で離散化したデータが入力信号ｘinとして与えられる。この入力信号ｘinをデジタル信号処理して実際の目的信号ｘoutを生成する。従来のデジタル信号処理では、精度は高いが扱える周波数は比較的低いため、任意の広帯域の信号を処理することは難しい。本発明では、任意の目的信号をデジタル信号処理が可能なＰ組の信号に分割して並列処理を行う。信号処理の都合上、分割数は２のべき乗が好ましい。すなわちＮ／Ｐ＝２a（ａは任意の自然数）が好ましい。ただし、２のべき乗に限ることなく、任意の数で分割して処理することが可能である。
【００１１】
この任意信号発生装置１は、入力信号ｘinをＮ個の並列データに変換する直並列変換器２、Ｎ個の並列データを離散フーリエ変換して周波数領域でＰ組の信号成分に分割し、各周波数領域毎のデータ（複素スペクトル）をＰ個の信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPに分配する離散フーリエ変換器３、離散フーリエ変換器３から分配された複素スペクトルを並列で処理し、互いに異なる周波数の信号を発生するＰ個の信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧP、信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPの各出力を合成し、任意の周波数帯域の目的信号ｘoutを出力する混合器４を備えて構成されている。
【００１２】
尚、本実施の形態ではＰ個の信号モジュールはそれぞれ互いに異なる周波数の信号を発生する、換言すればそれぞれ重なる周波数領域の信号を扱わないこととしているが、これに限られない。複数の信号モジュールで重複して扱う周波数領域が存在していても、それを考慮して目的信号を設定することで、本発明の信号処理に関しては問題は生じない。
【００１３】
また、目的信号の周波数帯域内に、出力を希望しない特定の周波数領域が存在している場合には、その特定の周波数領域をいずれの信号モジュールでも扱わないことで、特定の周波数領域の信号を含まない目的信号を得ることができる。例えば法規制等により出力を制限されている周波数領域が存在している場合に、その周波数領域を扱わないことで、法規制に対応した目的信号を得ることができる。
【００１４】
各信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPは、１つのモジュールＳＧ1が最も低い周波数の信号を生成する低周波用のモジュールであり、他のモジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPは、モジュールＳＧ1よりも高い周波数の信号を、それぞれ異なる帯域で発生する高周波用のモジュールである。これらの信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPは、それぞれが生成する信号の周波数帯域の相違から、以下に示す共通の構成要素と個別に異なる構成要素とを有している。
【００１５】
すなわち、各信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPの共通の構成として、離散フーリエ変換器３から分配された複素スペクトルを逆離散フーリエ変換する逆離散フーリエ変換器１０、逆離散フーリエ変換された並列データを直列データ（シリアルデータ）に変換する並直列変換器１１、並直列変換器１１の出力データを逓倍するインターポレータ１２、逓倍された信号から希望周波数帯域のスペクトルを取り出す複素バンドパスフィルタ（複素ＢＰＦ）１３、複素ＢＰＦ１３からの出力をＩ（In-Phase；同相成分）信号とＱ（Quadrature；直交成分）信号とに分離するＩＱ分離器１４、ＩＱ分離されたデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器１５、Ｄ／Ａ変換されたアナログ信号をフィルタリングしてスプリアス（不必要な成分）を除去するローパスフィルタ（ＬＰＦ）１６が備えられている。
【００１６】
また、各信号モジュールで異なる構成としては、以下のものがある。低周波用の信号モジュールＳＧ1は、複素ＢＰＦ１３で帯域制限された信号からＩＱ分離器１４でＩ信号（実数成分）のみを取り出すため、Ｉ信号に対応して１組のＤ／Ａ変換器１５及びＬＰＦ１６を備えている。このＬＰＦ１６からのアナログ信号が混合器４に出力される。一方、高周波用の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPは、動作周波数帯域が異なるのみで同一の構成であり、ＩＱ分離器１４からのＩ信号（実数成分）とＱ信号（複素数成分）とに対応して、Ｄ／Ａ変換器１５としての２つのＤ／Ａ変換器１５ａ，１５ｂ、及びＬＰＦ１６としての２つのＬＰＦ１６ａ，１６ｂを備える。更に、ＬＰＦ１６ａからのＩ信号とＬＰＦ１６ｂからのＱ信号とを直交変調する直交変調器１７を備えている。
【００１７】
低周波用の信号モジュールＳＧ1のＬＰＦ１６から出力される信号と、高周波用の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPの各直交変調器１７から出力される信号は、混合器４に入力されて合成され、最終的に目的信号ｘoutが出力される。尚、高周波用の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPからの出力中にＤＣ成分の存在が懸念される場合には、高周波用の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPの各直交変調器１７と混合器４との間に、必要に応じてＢＰＦ或いはＬＰＦを追加するようにしても良い。
【００１８】
次に、任意信号発生装置１の動作について説明する。概略的に、任意信号発生装置１は、周波数領域の複素スペクトルを、低サンプリングクロックで動作するＰ個の信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPで分割処理し、それぞれの出力を合成することにより、任意信号を生成する。従来のデジタル信号処理では扱うことが困難な高周波成分は、各モジュールにおける逆離散フーリエ変換出力をアナログ信号処理で直交変調することにより、並列に処理する数である分割Ｐに反比例した低速のクロックで各信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPを動作させることで処理することができる。
【００１９】
ここで、分割処理による任意信号発生の基本アルゴリズムについて説明する。図２に模式的に示すように、目的信号として時間的に連続したアナログ信号を想定し、このアナログ信号を離散フーリエ変換により周波数領域のスペクトルに変換し、その出力スペクトルを複数の成分に分割する。図２において、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４つの成分に分割した例を示す。この４つの成分のうち、最も周波数の低いＡの成分がデジタル信号処理の可能な周波数帯域である。
【００２０】
成分Ａの信号は、逆離散フーリエ変換し、Ｄ／Ａ変換する。成分Ｂの信号は、成分Ａの周波数帯域にシフトさせ、逆離散フーリエ変換し、Ｄ／Ａ変換によりアナログ信号に変換し、更に、直交変調して周波数帯域を成分Ａに隣接する高周波側にシフトする。同様に、成分Ｃの信号も、成分Ａの周波数帯域にシフトさせ、逆離散フーリエ変換し、Ｄ／Ａ変換によりアナログ信号に変換し、直交変調により周波数帯域を成分Ｂに隣接する高周波側にシフトする。同様に、成分Ｄの信号も、成分Ａの周波数帯域にシフトさせ、逆離散フーリエ変換し、Ｄ／Ａ変換によりアナログ信号に変換し、直交変調により周波数帯域を成分Ｃに続く高周波側にシフトする。最後に、アナログ信号に変換した成分Ａの信号と、アナログ信号に変換して高周波側にシフトした成分Ｂ，Ｃ，Ｄの信号を合成することにより、目的信号と同様の信号を得ることができる。
【００２１】
このことは、各信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPに、目的信号の周波数領域の複素スペクトルを分割して与え、各信号モジュールでデジタル信号処理可能な成分を処理すると共に、デジタル信号処理の困難な高周波成分をアナログ信号処理で直交変調することにより、並列数Ｐに比例した広帯域の任意信号を生成（合成）できることを意味する。１つのモジュールで処理し得る周波数帯域幅をＢｗとするとき、生成可能な信号の周波数帯域は、Ｂｗ・Ｐとなる。つまり、処理し得る周波数帯域がＢｗである信号モジュールさえあれば、これを複数用意することで周波数帯域Ｂｗ・Ｐの目的信号を得ることができる。これにより、本形態の任意信号発生装置１では、各モジュールのサンプリング周波数を比較的低い周波数に抑えつつ高い周波数の任意信号を生成することができる。
【００２２】
また、ある所定の周波数帯域Ｂｗに対して、分割数Ｐを増減することにより生成可能な信号の周波数帯域を増減することができ、拡張性の高い信号発生装置を実現することができる。すなわち、目的信号の周波数帯域の状況に応じて動的にＰの数を変えることで、不要な信号モジュールの動作を抑制し、消費電力を低減することができる。
【００２３】
例えば、目的信号の周波数帯域幅が１ＧＨｚ、分割数が４である場合、各信号モジュールで２５０ＭＨｚの周波数帯域を扱うことで、目的信号を得ることができる。また等分にせずとも、４つの信号モジュールで全体として１ＧＨｚの周波数帯域を扱うことができれば、各信号モジュールで扱うのは不等分の周波数帯域であっても良い。例えば１００ＭＨｚ、２００ＭＨｚ、３００ＭＨｚ、４００ＭＨｚとすることも可能である。ただし、信号処理の都合上、等分に扱うことが好ましい。以下では、各信号モジュールに等分に分配する例を示す。
【００２４】
詳細には、実数の連続信号をｘ(t)とし、この信号ｘ(t)を離散化した信号をｘ(n)とする。この信号ｘ(n)を総ポイント数Ｎで離散フーリエ変換した結果をＸ(m)とすると、ｘ(n)とＸ(m)との関係は、以下の（１）式で表される。
但し、ｎ，ｍ＝０，１，２，・・・，Ｎ−１
【００２５】
次に、（１）式を、以下の（２）式のように変形する。
【００２６】
ここで、信号Ｘ(m)は、実数信号ｘ(n)の離散フーリエ変換であるから、Ｘ(1)＝Ｘ*(N−k)が成り立ち、（２）式は、以下の（３）式で表現することができる。但し、＊は共役複素数を示し、ｋ＝１，２，…，ｍである。
【００２７】
（３）式において、ｘ(n)が実数信号のとき、Ｘ(0)，Ｘ(N/2)は実数となるから、以下の（４）式で示すことができ、更に、（５）式のように展開することができる。但し、Ｐは分割数、すなわち並列数を表し、自然数を取るものとする。
【００２８】
ここで、（５）式を使って信号Ｘ(n)を生成する条件について考える。この条件は、処理の簡素化のため、信号ｘ(n)に含まれる周波数成分のうち、Ｘ(N/2)はゼロであるとし、信号ｘ(n)に適当な低域通過フィルタ処理を行えば達成し得る。すなわち、(５)式で表される信号を、サンプリング周波数ｆsで処理したときに目的信号ｘ(n)が得られるものとし、目的信号ｘ(n)のスペクトラムは、図３に示すようなスペクトラムであるとして、直並列変換器２からの総ポイント数Ｎのデータを、離散フーリエ変換器３でポイント数Ｎ／（２Ｐ）の離散フーリエ変換のＰ組に分割してＰ個の信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPに分配して並列処理することにより、目的信号ｘ(n)を得ることができる。
【００２９】
具体的には、離散フーリエ変換器３における離散フーリエ変換は、離散フーリエ変換の対称性を利用して演算量を減らし、高速に変換を行う高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform;FFT）である。離散フーリエ変換器３は、離散フーリエ変換した信号｛Ｘ(0)，Ｘ(1)，Ｘ(2)，Ｘ(3)，…，Ｘ(N-1)｝のうち、後半のＮ／２項をフーリエ変換の対称性を利用して除去し、前半の信号成分｛Ｘ(0)／２，Ｘ(1)，Ｘ(2)，Ｘ(3)，…，Ｘ(N/2-1)｝をＮ／（２Ｐ）個ずつＰ組に分割する。
【００３０】
分割したＰ組の最初の信号成分｛Ｘ(0)／２，Ｘ(1)，…，Ｘ(N/(2P)-１)｝は、低周波用の信号モジュールＳＧ1に分配される。次の信号成分｛Ｘ(N/(2P))，Ｘ(N/(2P)+1)，…，Ｘ(2N/(2P)-1)｝が高周波用の信号モジュールＳＧ2に分配される。更に、信号成分｛Ｘ(2N/(2P))，Ｘ(2N/(2P)+1)，…，Ｘ(3N/(2P)-1)｝が信号モジュールＳＧ3に分配される。以下、信号成分｛Ｘ((i-1)N/(2P))，Ｘ((i-1)N/(2P)+1)，…，Ｘ(iN/(2P)-1)｝が高周波用の信号モジュールＳＧiに分配される。以下、同様に分配されてゆき、最後の信号成分｛Ｘ((P-1)N/(2P))，Ｘ((P−１)N/(2P)+1)，…，Ｘ(PN/(2P）-1)｝が信号モジュールＳＧPに分配される。
【００３１】
すなわち、各信号モジュールにＮ／２Ｐ項の成分が以下の通り分配される。
【００３２】
この場合、予め複数の目的信号を離散フーリエ変換して、それらの値をメモリに保存しておき、目的信号の種類に応じて複素スペクトルをメモリから各信号モジュールの逆離散フーリエ変換器１０に読み出し、目的信号を生成するようにしても良い。これにより、離散フーリエ変換器３を常に動作させて目的信号の複素スペクトルをその都度求める必要がなくなり、回路規模を小さくできると共に消費電力の低減を図ることができる。
【００３３】
低周波用の信号モジュールＳＧ1の処理が(５)式の第１項に対応する。高周波用の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPでの各処理が(５)式の第２項以下に対応している。以下、各信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPにおける信号処理について説明する。
【００３４】
［低周波用の信号モジュールＳＧ1における信号処理］
信号モジュールＳＧ1のサンプリング周波数をｆs／(２Ｐ)として、モジュールへの入力成分｛Ｘ(0)／２，Ｘ(1)，…，Ｘ(N/(2P)-1)｝を逆離散フーリエ変換器１０で逆離散フーリエ変換する。この逆離散フーリエ変換により以下の（６）式に示す出力が得られる。
【００３５】
サンプリング周波数をｆs／(２Ｐ)としたときの（６）式のスペクトルは、０〜ｆs／(２Ｐ)−ｆs／Ｎの周波数範囲において（５）式のスペクトルと等価である。図４に示すように、（６）式のスペクトルは、周波数がｆs／(２Ｐ)の繰返し信号である。
【００３６】
逆離散フーリエ変換１０の出力は、並直列変換器１１に入力され、Ｎ／(２Ｐ)項づつシリアルデータに変換され、インターポレータ１２で２倍以上のインターポレーションが施されてアップサンプリングされる。本実施の形態においては、２倍のインターポレーションを施す。すなわち、図５に示すように、インターポレータ１２出力でのサンプリング周波数が、元の周波数の２倍のｆs／Ｐとなる。ここで、インターポレーションは２倍に限られることはなく、状況に応じて適宜、２倍以上でインターポレーションを行うことが可能である。
【００３７】
次に、インターポレータ１２の出力は複素ＢＰＦ１３に入力される。これにより、図６に示すように、信号のスペクトルから周波数０〜ｆs／(２Ｐ)−ｆs／Ｎの成分のみが取り出される。このとき、逆離散フーリエ変換の（６）式に必要とされるサンプリング周波数は、（５）式で必要とされるサンプリング周波数の１／(２Ｐ）倍であるため、信号処理に要求されるサンプリング周波数は並列数Ｐに反比例することとなり、その結果、大幅にサンプリング周波数を低減することができる。
【００３８】
その後、複素ＢＰＦ１３で帯域制限された信号から、ＩＱ分離器１４にて実数成分（Ｉ成分）のみを取り出し、Ｄ／Ａ変換器１５にてアナログ信号に変換する。更に、Ｄ／Ａ変換器１５の出力をＬＰＦ１６に通し、図７に示すように、スプリアスを除去した周波数０〜ｆs／(２Ｐ)−ｆs／Ｎのスペクトルを抽出する。
【００３９】
以上が、（５）式の第１項に対応する低周波用の信号モジュールＳＧ1における信号処理であり、（５）式の第２項以下に対応する高周波用の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPにおける信号処理と並列的に実行される。
【００４０】
［高周波用の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPにおける信号処理］
前述したように、高周波用の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPにおける信号処理は、（５）式の第２項以下に対応するものである。各モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPは、動作周波数帯域が異なるのみで基本的な動作は同様であるため、以下では、主として、信号成分｛Ｘ(N/(2P))，Ｘ(N/(2P)+1)，…，Ｘ(2N/(2P)-1)｝に対する処理を行う信号モジュールＳＧ2で代表して説明する。
【００４１】
信号モジュールＳＧ2への入力信号成分｛Ｘ(N/(2P))，Ｘ(N/(2P)+1)，…，Ｘ(2N/(2P)-1)｝は、先ず、逆離散フーリエ変換器１０へ入力されて逆離散フーリエ変換される。逆離散フーリエ変換器１０は、サンプリング周波数ｆs／(２Ｐ)で信号成分｛Ｘ(N/(2P))，Ｘ(N/(2P)+1)，…，Ｘ(2N/(2P)-1)｝を逆離散フーリエ変換し、以下の（７）式に示す変換結果が得られる。
【００４２】
（７）式の信号処理をサンプリング周波数ｆs／(２Ｐ)で行ったとき、そのスペクトルは、周波数０〜ｆs／(２Ｐ)−ｆs／Ｎの範囲において、（５）式の第２項の中括弧内｛｝の複素スペクトルと等価である。図８に示すように、その他の周波数領域では、周波数０〜ｆs／(２Ｐ)−ｆs／Ｎのスペクトルの繰り返しとなる。
【００４３】
逆離散フーリエ変換１０の出力は、並直列変換器１１を介してインターポレータ１２に入力され、図９に示すように、２倍以上のインターポレーションが施される。更に、インターポレータ１２の出力からスプリアスを除去し、周波数成分０〜ｆs／(２Ｐ)−ｆs／Ｎの複素スペクトルを抽出するため、インターポレータ１２からの出力信号は、複素ＢＰＳ１３に入力される。これにより、図１０に示すように、周波数０〜ｆs／(２Ｐ)−ｆs／Ｎの成分のみが取り出される。ここで、インターポレーションは２倍に限られることはなく、状況に応じて適宜、２倍以上でインターポレーションを行うことが可能である。また、信号モジュールＳＧ1で行った処理と同じ倍数にする必要性は特にない。異なった倍数で行っても構わない。
【００４４】
次に、複素ＢＰＳ１３の出力に、複素正弦波ＥＸＰ(ｊ・π・ｆs・ｔ／Ｐ)を乗算し、その出力信号の実数部を取り出すことにより、（５）式の第２項が得られる。但し、ｔは連続の時間変数である。実際には、（５）式の第２項の大括弧[ ]内の成分を得るために、複素ＢＰＳ１３の出力を、ＩＱ分離器１４で実数部（Ｉ成分）と虚数部（Ｑ成分）に分離する。その上で、それぞれをＤ／Ａ変換器１５ａ，１５ｂにてアナログ信号に変換する。
【００４５】
そして、アナログ信号からスプリアスを除去するため、Ｄ／Ａ変換器１５ａ，１５ｂの出力信号を、それぞれ、ＬＰＦ１６ａ，１６ｂに入力して周波数０〜ｆs／(２Ｐ)−ｆs／Ｎの周波数成分のみに帯域制限する。一方のＬＰＦ１６ａによって帯域制限されたＩ成分信号は、直交変調器１７の同相側に入力され、他方のＬＰＦ１６ｂによって帯域制限されたＱ成分信号は、直交変調器１７の直交入力側に入力される。
【００４６】
直交変調器１７は、ｆs／(２Ｐ)の局部発振周波数でＬＰＦ１６ａ，１６ｂからのＩ，Ｑ信号を直交変調してアップコンバートし、混合器４に出力する。直交変調器１７の出力スペクトルは図１１に示すようなスペクトルとなり、（５）式の第２項と等価である。
【００４７】
他の高周波用の信号モジュールＳＧ3,…,ＳＧPにおいても、同様の信号処理が行われる。すなわち、信号モジュールＳＧ3で、信号成分｛Ｘ(2N/(2P))，Ｘ(2N/(2P)+1)，…，Ｘ(3N/(2P)-1)｝が処理される。以下、同様にして、最後の信号成分｛Ｘ((P-1)N/(2P))，Ｘ((P−１)N/(2P)+1)，…，Ｘ(PN/(2P）-1)｝が信号モジュールＳＧPで処理される。但し、信号モジュールＳＧ3における直交変調器１７の局部発振器周波数は(２ｆs)／(２Ｐ)であり、最後の信号モジュールＳＧPにおける直交変調器１７の局部発振器周波数は、(Ｐ−１)・ｆs／(２Ｐ)である。
【００４８】
以上の信号処理を行った低周波用の信号モジュールＳＧ1及び高周波用の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPの各出力は、混合器４にて合成される。これにより、図１２に示す出力スペクトルを有する目的信号ｘoutが得られる。この目的信号ｘoutは、（５）式を連続化した信号と等価であるとみなせる。
【００４９】
以上のように本実施の形態においては、逆離散フーリエ変換を実現可能な程度の低サンプリング周波数で動作する複数の信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPで分割処理する。続いて、実現可能な程度の低サンプリング周波数で動作する逆離散フーリエ変換器１０の出力を、直交変調器１７でアップコンバートする。最終的に、各信号モジュール出力を混合器４にて合成する。これにより、任意の信号を生成することができる。
【００５０】
しかも、精度の高いデジタル信号処理と高速のアナログ信号処理とを組み合わせて信号モジュールを構成し、複数の信号モジュールを並列動作させる。これにより、温度や湿度等の環境変化による性能変化、素子や材料の特性の経年変化による性能変化を低減することができる。さらに、目的信号の帯域幅を増加することができる。
【００５１】
また、逆離散フーリエ変換を用いて変調を行っているので、各信号モジュールのスペクトルの振幅と位相とを直接的に制御することができる。さらに、目的信号の周波数とスペクトルを自由に設定することが可能となる。
【００５２】
本実施の形態では、目的信号の複素スペクトルを離散フーリエ変換器３で計算し、逆離散フーリエ変換器１０，１０，…を介して目的信号を生成する例について説明した。ここで、離散フーリエ変換と逆離散フーリエ変換とは変換対であるから、逆離散フーリエ変換を利用して複素スペクトルを求め、離散フーリエ変換を利用して目的信号を生成することも可能である。
【００５３】
次に、本発明の実施の第２形態について説明する。図１３は本発明の実施の第２形態に係り、任意信号発生装置の構成図である。
【００５４】
第２形態は、１つの信号発生装置で目的信号の生成とデータ伝送とを可能とするものであり、第１形態に対して、複数の信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPのうち、１つの信号モジュールを、直交周波数多重分割方式（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）によるデータ伝送用の信号モジュールとして構成する。以下、第１形態と相違する部分を中心に説明する。
【００５５】
図１３は、データ伝送用の信号モジュールＳＧｄとして、第１形態における信号モジュールＳＧ1を割り当てる例を示す。そして、逆離散フーリエ変換器１０を、離散フーリエ変換器１０Ａに変更する。この信号モジュールＳＧｄには、複素数若しくは実数のデータ信号ｘｄが直並列変換器２０を介して入力される。入力された信号ｘｄは、離散フーリエ変換器１０Ａを介してＯＦＤＭ変調され、混合器４に出力される。
【００５６】
他の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPは、第１形態と同様である。時間領域の信号ｘinが直並列変換器２を介して離散フーリエ変換器３に入力される。入力された信号ｘｉｎに基づいて、離散フーリエ変換器３で複素スペクトルが計算される。得られた複素スペクトルは、各モジュールの逆離散フーリエ変換器１０，１０，…で分散処理され、第１形態で説明したように、所定周波数の信号が生成されて混合器４に出力される。
【００５７】
これにより、混合器４から目的信号の出力とデータ伝送とを行うことができる。例えば、パルスレーダ用として用いる場合に、レーダパルスの生成とデータの伝送とを１つの信号発生装置で行うことができる。尚、データ伝送と目的信号の生成は、同時に行っても良い。また、サブキャリアの一部若しくは全部を使って時分割で交互に行うようにしても良い。
【００５８】
また、目的信号を生成する場合、前述したように、時間領域の目的信号を予め離散フーリエ変換した複素スペクトルをメモリに保存しておき、必要なときにメモリから逆離散フーリエ変換器に読み出し、目的信号を生成するようにしても良い。
【００５９】
また、データ伝送用の信号モジュールＳＧｄとして、信号モジュールＳＧ1ではなく、他の信号モジュール、例えばＳＧ2を割り当てることも可能である。これにより、データ伝送を行う周波数を変えることができる。
【００６０】
第２形態においては、第１形態と同様、目的信号の周波数とスペクトルを自由に設定することができるばかりでなく、パルスレーダ等に用いる信号の生成とデータ伝送とを１つの装置で実現することができ、コスト増加を抑えつつより適用範囲の広い装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施の第１形態に係り、任意信号発生装置の構成図
【図２】同上、分割処理による任意信号発生の基本アルゴリズムを示す説明図
【図３】同上、低周波用信号モジュールでの信号スペクトラムを示す説明図
【図４】同上、低周波用信号モジュールでの逆離散フーリエ変換後のスペクトラムを示す説明図
【図５】同上、低周波用信号モジュールでのインターポレーション後のスペクトラムを示す説明図
【図６】同上、低周波用信号モジュールでの複素バンドパスフィルタによるフィルタリング後のスペクトラムを示す説明図
【図７】同上、低周波用信号モジュールで抽出された信号を示す説明図
【図８】同上、高周波用信号モジュールでの逆離散フーリエ変換後のスペクトラムを示す説明図
【図９】同上、高周波用信号モジュールでのインターポレーション後のスペクトラムを示す説明図
【図１０】同上、高周波用信号モジュールでの複素バンドパスフィルタによるフィルタリング後のスペクトラムを示す説明図
【図１１】同上、直交変調器の出力スペクトラムを示す説明図
【図１２】同上、混合器の出力スペクトラムを示す説明図
【図１３】本発明の実施の第２形態に係り、任意信号発生装置の構成図
【符号の説明】
【００６２】
１ 任意信号発生装置
３ 離散フーリエ変換器
４ 混合器
１０ 逆離散フーリエ変換器
１２ インターポレータ
１７ 直交変調器
ＳＧ1,…,ＳＧP 信号モジュール
ｘin 入力信号
ｘout 目的信号
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広帯域の任意波形の目的信号を生成する任意信号発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パルスレーダ等に用いられるパルス幅の小さい信号を生成する技術として、ステップリカバリダイオード、アバランシェダイオード、高速論理ゲート等を用いて任意波形の目的信号を生成する技術が知られている。これらの技術は、アナログ信号処理によりパルス幅の小さい信号を生成する技術であり、温度や湿度等の環境変化による回路特性の変化、素子や材料の特性の経年変化等により、性能が変化する虞がある。
【０００３】
また、アナログ信号処理用の回路は、一度作成されると、その後の変更が困難であり、仕様や目的の変更に対して必ずしも自由度が高いとは言えない。例えば、レーダ用の信号発生装置としての用途の場合、レーダの割り当て周波数が変更されても、アナログ回路では対応困難である。さらに、送信波のスペクトルを変更する場合、外付けのフィルタを変更する等の対策が必要であるが、アナログ回路では、送信スペクトルの形状やレベルを適応的に変更することは困難である。
【０００４】
このため、近年では、デジタル信号処理によって目的信号を生成する技術が採用されることが多い。このデジタル信号処理による信号発生装置としては、例えば特許文献１に開示されているようなダイレクトデジタルシンセサイザ（Direct Digital Synthesizer;DDS）が知られている。ＤＤＳは、波形データの入ったメモリの指定アドレスを更新して行き、その指定アドレスのデータをＤ／Ａ変換によりアナログ波形に変換することで、任意の波形を発生させる技術である。
【特許文献１】特開平１１−２２５０２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されているようなＤＤＳによる信号発生装置は、基準クロック周波数に同期してその基準クロックの有理数倍の周期を有する信号波形をデジタル的に合成した後、Ａ／Ｄ変換を行っている。よって、サンプリング定理により、目的信号に含まれる最高周波数の２倍以上のサンプリング周波数でＤ／Ａ変換器を動作させなければならない。このため、目的信号のパルス幅を小さくすると、必要とされるサンプリング周波数がパルス幅に反比例して高くなる。よって、生成可能な信号の周波数には限界がある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、比較的低い周波数のサンプリング周波数を用いつつ、生成する信号の周波数帯域を拡張することができ、より高周波域までの任意波形の信号を生成可能な任意信号発生装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明による任意信号発生装置は、時間領域の信号から算出した周波数領域のスペクトルを、複数の信号成分に分割して分配する信号分配部と、前記信号分配部から分配された複数の信号成分のそれぞれを時間領域の信号に変換する信号変換部と、前記信号変換部で変換された複数の信号のうち、少なくとも一つ以上の信号の周波数をアップコンバートする周波数変換部と、前記周波数変換部によりアップコンバートされた信号を含む複数の信号を合成して目的信号を出力する信号合成部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、比較的低い周波数のサンプリング周波数で動作しながら、発生信号の周波数帯域を拡張することができ、より高周波域までの任意波形の信号を生成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図１２は本発明の実施の第１形態に係り、図１は任意信号発生装置の構成図、図２は分割処理による任意信号発生の基本アルゴリズムを示す説明図、図３は低周波用信号モジュールでの信号スペクトラムを示す説明図、図４は低周波用信号モジュールでの逆離散フーリエ変換後のスペクトラムを示す説明図、図５は低周波用信号モジュールでのインターポレーション後のスペクトラムを示す説明図、図６は低周波用信号モジュールでの複素バンドパスフィルタによるフィルタリング後のスペクトラムを示す説明図、図７は低周波用信号モジュールで抽出された信号を示す説明図、図８は高周波用信号モジュールでの逆離散フーリエ変換後のスペクトラムを示す説明図、図９は高周波用信号モジュールでのインターポレーション後のスペクトラムを示す説明図、図１０は高周波用信号モジュールでの複素バンドパスフィルタによるフィルタリング後のスペクトラムを示す説明図、図１１は直交変調器の出力スペクトラムを示す説明図、図１２は混合器の出力スペクトラムを示す説明図である。
【００１０】
図１に示す任意信号発生装置１には、生成したい任意の周波数帯域の目的信号を時間領域で離散化したデータが入力信号ｘinとして与えられる。この入力信号ｘinをデジタル信号処理して実際の目的信号ｘoutを生成する。従来のデジタル信号処理では、精度は高いが扱える周波数は比較的低いため、任意の広帯域の信号を処理することは難しい。本発明では、任意の目的信号をデジタル信号処理が可能なＰ組の信号に分割して並列処理を行う。信号処理の都合上、分割数は２のべき乗が好ましい。すなわちＮ／Ｐ＝２a（ａは任意の自然数）が好ましい。ただし、２のべき乗に限ることなく、任意の数で分割して処理することが可能である。
【００１１】
この任意信号発生装置１は、入力信号ｘinをＮ個の並列データに変換する直並列変換器２、Ｎ個の並列データを離散フーリエ変換して周波数領域でＰ組の信号成分に分割し、各周波数領域毎のデータ（複素スペクトル）をＰ個の信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPに分配する離散フーリエ変換器３、離散フーリエ変換器３から分配された複素スペクトルを並列で処理し、互いに異なる周波数の信号を発生するＰ個の信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧP、信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPの各出力を合成し、任意の周波数帯域の目的信号ｘoutを出力する混合器４を備えて構成されている。
【００１２】
尚、本実施の形態ではＰ個の信号モジュールはそれぞれ互いに異なる周波数の信号を発生する、換言すればそれぞれ重なる周波数領域の信号を扱わないこととしているが、これに限られない。複数の信号モジュールで重複して扱う周波数領域が存在していても、それを考慮して目的信号を設定することで、本発明の信号処理に関しては問題は生じない。
【００１３】
また、目的信号の周波数帯域内に、出力を希望しない特定の周波数領域が存在している場合には、その特定の周波数領域をいずれの信号モジュールでも扱わないことで、特定の周波数領域の信号を含まない目的信号を得ることができる。例えば法規制等により出力を制限されている周波数領域が存在している場合に、その周波数領域を扱わないことで、法規制に対応した目的信号を得ることができる。
【００１４】
各信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPは、１つのモジュールＳＧ1が最も低い周波数の信号を生成する低周波用のモジュールであり、他のモジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPは、モジュールＳＧ1よりも高い周波数の信号を、それぞれ異なる帯域で発生する高周波用のモジュールである。これらの信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPは、それぞれが生成する信号の周波数帯域の相違から、以下に示す共通の構成要素と個別に異なる構成要素とを有している。
【００１５】
すなわち、各信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPの共通の構成として、離散フーリエ変換器３から分配された複素スペクトルを逆離散フーリエ変換する逆離散フーリエ変換器１０、逆離散フーリエ変換された並列データを直列データ（シリアルデータ）に変換する並直列変換器１１、並直列変換器１１の出力データを逓倍するインターポレータ１２、逓倍された信号から希望周波数帯域のスペクトルを取り出す複素バンドパスフィルタ（複素ＢＰＦ）１３、複素ＢＰＦ１３からの出力をＩ（In-Phase；同相成分）信号とＱ（Quadrature；直交成分）信号とに分離するＩＱ分離器１４、ＩＱ分離されたデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器１５、Ｄ／Ａ変換されたアナログ信号をフィルタリングしてスプリアス（不必要な成分）を除去するローパスフィルタ（ＬＰＦ）１６が備えられている。
【００１６】
また、各信号モジュールで異なる構成としては、以下のものがある。低周波用の信号モジュールＳＧ1は、複素ＢＰＦ１３で帯域制限された信号からＩＱ分離器１４でＩ信号（実数成分）のみを取り出すため、Ｉ信号に対応して１組のＤ／Ａ変換器１５及びＬＰＦ１６を備えている。このＬＰＦ１６からのアナログ信号が混合器４に出力される。一方、高周波用の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPは、動作周波数帯域が異なるのみで同一の構成であり、ＩＱ分離器１４からのＩ信号（実数成分）とＱ信号（複素数成分）とに対応して、Ｄ／Ａ変換器１５としての２つのＤ／Ａ変換器１５ａ，１５ｂ、及びＬＰＦ１６としての２つのＬＰＦ１６ａ，１６ｂを備える。更に、ＬＰＦ１６ａからのＩ信号とＬＰＦ１６ｂからのＱ信号とを直交変調する直交変調器１７を備えている。
【００１７】
低周波用の信号モジュールＳＧ1のＬＰＦ１６から出力される信号と、高周波用の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPの各直交変調器１７から出力される信号は、混合器４に入力されて合成され、最終的に目的信号ｘoutが出力される。尚、高周波用の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPからの出力中にＤＣ成分の存在が懸念される場合には、高周波用の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPの各直交変調器１７と混合器４との間に、必要に応じてＢＰＦ或いはＬＰＦを追加するようにしても良い。
【００１８】
次に、任意信号発生装置１の動作について説明する。概略的に、任意信号発生装置１は、周波数領域の複素スペクトルを、低サンプリングクロックで動作するＰ個の信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPで分割処理し、それぞれの出力を合成することにより、任意信号を生成する。従来のデジタル信号処理では扱うことが困難な高周波成分は、各モジュールにおける逆離散フーリエ変換出力をアナログ信号処理で直交変調することにより、並列に処理する数である分割Ｐに反比例した低速のクロックで各信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPを動作させることで処理することができる。
【００１９】
ここで、分割処理による任意信号発生の基本アルゴリズムについて説明する。図２に模式的に示すように、目的信号として時間的に連続したアナログ信号を想定し、このアナログ信号を離散フーリエ変換により周波数領域のスペクトルに変換し、その出力スペクトルを複数の成分に分割する。図２において、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４つの成分に分割した例を示す。この４つの成分のうち、最も周波数の低いＡの成分がデジタル信号処理の可能な周波数帯域である。
【００２０】
成分Ａの信号は、逆離散フーリエ変換し、Ｄ／Ａ変換する。成分Ｂの信号は、成分Ａの周波数帯域にシフトさせ、逆離散フーリエ変換し、Ｄ／Ａ変換によりアナログ信号に変換し、更に、直交変調して周波数帯域を成分Ａに隣接する高周波側にシフトする。同様に、成分Ｃの信号も、成分Ａの周波数帯域にシフトさせ、逆離散フーリエ変換し、Ｄ／Ａ変換によりアナログ信号に変換し、直交変調により周波数帯域を成分Ｂに隣接する高周波側にシフトする。同様に、成分Ｄの信号も、成分Ａの周波数帯域にシフトさせ、逆離散フーリエ変換し、Ｄ／Ａ変換によりアナログ信号に変換し、直交変調により周波数帯域を成分Ｃに続く高周波側にシフトする。最後に、アナログ信号に変換した成分Ａの信号と、アナログ信号に変換して高周波側にシフトした成分Ｂ，Ｃ，Ｄの信号を合成することにより、目的信号と同様の信号を得ることができる。
【００２１】
このことは、各信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPに、目的信号の周波数領域の複素スペクトルを分割して与え、各信号モジュールでデジタル信号処理可能な成分を処理すると共に、デジタル信号処理の困難な高周波成分をアナログ信号処理で直交変調することにより、並列数Ｐに比例した広帯域の任意信号を生成（合成）できることを意味する。１つのモジュールで処理し得る周波数帯域幅をＢｗとするとき、生成可能な信号の周波数帯域は、Ｂｗ・Ｐとなる。つまり、処理し得る周波数帯域がＢｗである信号モジュールさえあれば、これを複数用意することで周波数帯域Ｂｗ・Ｐの目的信号を得ることができる。これにより、本形態の任意信号発生装置１では、各モジュールのサンプリング周波数を比較的低い周波数に抑えつつ高い周波数の任意信号を生成することができる。
【００２２】
また、ある所定の周波数帯域Ｂｗに対して、分割数Ｐを増減することにより生成可能な信号の周波数帯域を増減することができ、拡張性の高い信号発生装置を実現することができる。すなわち、目的信号の周波数帯域の状況に応じて動的にＰの数を変えることで、不要な信号モジュールの動作を抑制し、消費電力を低減することができる。
【００２３】
例えば、目的信号の周波数帯域幅が１ＧＨｚ、分割数が４である場合、各信号モジュールで２５０ＭＨｚの周波数帯域を扱うことで、目的信号を得ることができる。また等分にせずとも、４つの信号モジュールで全体として１ＧＨｚの周波数帯域を扱うことができれば、各信号モジュールで扱うのは不等分の周波数帯域であっても良い。例えば１００ＭＨｚ、２００ＭＨｚ、３００ＭＨｚ、４００ＭＨｚとすることも可能である。ただし、信号処理の都合上、等分に扱うことが好ましい。以下では、各信号モジュールに等分に分配する例を示す。
【００２４】
詳細には、実数の連続信号をｘ(t)とし、この信号ｘ(t)を離散化した信号をｘ(n)とする。この信号ｘ(n)を総ポイント数Ｎで離散フーリエ変換した結果をＸ(m)とすると、ｘ(n)とＸ(m)との関係は、以下の（１）式で表される。
但し、ｎ，ｍ＝０，１，２，・・・，Ｎ−１
【００２５】
次に、（１）式を、以下の（２）式のように変形する。
【００２６】
ここで、信号Ｘ(m)は、実数信号ｘ(n)の離散フーリエ変換であるから、Ｘ(1)＝Ｘ*(N−k)が成り立ち、（２）式は、以下の（３）式で表現することができる。但し、＊は共役複素数を示し、ｋ＝１，２，…，ｍである。
【００２７】
（３）式において、ｘ(n)が実数信号のとき、Ｘ(0)，Ｘ(N/2)は実数となるから、以下の（４）式で示すことができ、更に、（５）式のように展開することができる。但し、Ｐは分割数、すなわち並列数を表し、自然数を取るものとする。
【００２８】
ここで、（５）式を使って信号Ｘ(n)を生成する条件について考える。この条件は、処理の簡素化のため、信号ｘ(n)に含まれる周波数成分のうち、Ｘ(N/2)はゼロであるとし、信号ｘ(n)に適当な低域通過フィルタ処理を行えば達成し得る。すなわち、(５)式で表される信号を、サンプリング周波数ｆsで処理したときに目的信号ｘ(n)が得られるものとし、目的信号ｘ(n)のスペクトラムは、図３に示すようなスペクトラムであるとして、直並列変換器２からの総ポイント数Ｎのデータを、離散フーリエ変換器３でポイント数Ｎ／（２Ｐ）の離散フーリエ変換のＰ組に分割してＰ個の信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPに分配して並列処理することにより、目的信号ｘ(n)を得ることができる。
【００２９】
具体的には、離散フーリエ変換器３における離散フーリエ変換は、離散フーリエ変換の対称性を利用して演算量を減らし、高速に変換を行う高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform;FFT）である。離散フーリエ変換器３は、離散フーリエ変換した信号｛Ｘ(0)，Ｘ(1)，Ｘ(2)，Ｘ(3)，…，Ｘ(N-1)｝のうち、後半のＮ／２項をフーリエ変換の対称性を利用して除去し、前半の信号成分｛Ｘ(0)／２，Ｘ(1)，Ｘ(2)，Ｘ(3)，…，Ｘ(N/2-1)｝をＮ／（２Ｐ）個ずつＰ組に分割する。
【００３０】
分割したＰ組の最初の信号成分｛Ｘ(0)／２，Ｘ(1)，…，Ｘ(N/(2P)-１)｝は、低周波用の信号モジュールＳＧ1に分配される。次の信号成分｛Ｘ(N/(2P))，Ｘ(N/(2P)+1)，…，Ｘ(2N/(2P)-1)｝が高周波用の信号モジュールＳＧ2に分配される。更に、信号成分｛Ｘ(2N/(2P))，Ｘ(2N/(2P)+1)，…，Ｘ(3N/(2P)-1)｝が信号モジュールＳＧ3に分配される。以下、信号成分｛Ｘ((i-1)N/(2P))，Ｘ((i-1)N/(2P)+1)，…，Ｘ(iN/(2P)-1)｝が高周波用の信号モジュールＳＧiに分配される。以下、同様に分配されてゆき、最後の信号成分｛Ｘ((P-1)N/(2P))，Ｘ((P−１)N/(2P)+1)，…，Ｘ(PN/(2P）-1)｝が信号モジュールＳＧPに分配される。
【００３１】
すなわち、各信号モジュールにＮ／２Ｐ項の成分が以下の通り分配される。
【００３２】
この場合、予め複数の目的信号を離散フーリエ変換して、それらの値をメモリに保存しておき、目的信号の種類に応じて複素スペクトルをメモリから各信号モジュールの逆離散フーリエ変換器１０に読み出し、目的信号を生成するようにしても良い。これにより、離散フーリエ変換器３を常に動作させて目的信号の複素スペクトルをその都度求める必要がなくなり、回路規模を小さくできると共に消費電力の低減を図ることができる。
【００３３】
低周波用の信号モジュールＳＧ1の処理が(５)式の第１項に対応する。高周波用の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPでの各処理が(５)式の第２項以下に対応している。以下、各信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPにおける信号処理について説明する。
【００３４】
［低周波用の信号モジュールＳＧ1における信号処理］
信号モジュールＳＧ1のサンプリング周波数をｆs／(２Ｐ)として、モジュールへの入力成分｛Ｘ(0)／２，Ｘ(1)，…，Ｘ(N/(2P)-1)｝を逆離散フーリエ変換器１０で逆離散フーリエ変換する。この逆離散フーリエ変換により以下の（６）式に示す出力が得られる。
【００３５】
サンプリング周波数をｆs／(２Ｐ)としたときの（６）式のスペクトルは、０〜ｆs／(２Ｐ)−ｆs／Ｎの周波数範囲において（５）式のスペクトルと等価である。図４に示すように、（６）式のスペクトルは、周波数がｆs／(２Ｐ)の繰返し信号である。
【００３６】
逆離散フーリエ変換１０の出力は、並直列変換器１１に入力され、Ｎ／(２Ｐ)項づつシリアルデータに変換され、インターポレータ１２で２倍以上のインターポレーションが施されてアップサンプリングされる。本実施の形態においては、２倍のインターポレーションを施す。すなわち、図５に示すように、インターポレータ１２出力でのサンプリング周波数が、元の周波数の２倍のｆs／Ｐとなる。ここで、インターポレーションは２倍に限られることはなく、状況に応じて適宜、２倍以上でインターポレーションを行うことが可能である。
【００３７】
次に、インターポレータ１２の出力は複素ＢＰＦ１３に入力される。これにより、図６に示すように、信号のスペクトルから周波数０〜ｆs／(２Ｐ)−ｆs／Ｎの成分のみが取り出される。このとき、逆離散フーリエ変換の（６）式に必要とされるサンプリング周波数は、（５）式で必要とされるサンプリング周波数の１／(２Ｐ）倍であるため、信号処理に要求されるサンプリング周波数は並列数Ｐに反比例することとなり、その結果、大幅にサンプリング周波数を低減することができる。
【００３８】
その後、複素ＢＰＦ１３で帯域制限された信号から、ＩＱ分離器１４にて実数成分（Ｉ成分）のみを取り出し、Ｄ／Ａ変換器１５にてアナログ信号に変換する。更に、Ｄ／Ａ変換器１５の出力をＬＰＦ１６に通し、図７に示すように、スプリアスを除去した周波数０〜ｆs／(２Ｐ)−ｆs／Ｎのスペクトルを抽出する。
【００３９】
以上が、（５）式の第１項に対応する低周波用の信号モジュールＳＧ1における信号処理であり、（５）式の第２項以下に対応する高周波用の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPにおける信号処理と並列的に実行される。
【００４０】
［高周波用の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPにおける信号処理］
前述したように、高周波用の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPにおける信号処理は、（５）式の第２項以下に対応するものである。各モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPは、動作周波数帯域が異なるのみで基本的な動作は同様であるため、以下では、主として、信号成分｛Ｘ(N/(2P))，Ｘ(N/(2P)+1)，…，Ｘ(2N/(2P)-1)｝に対する処理を行う信号モジュールＳＧ2で代表して説明する。
【００４１】
信号モジュールＳＧ2への入力信号成分｛Ｘ(N/(2P))，Ｘ(N/(2P)+1)，…，Ｘ(2N/(2P)-1)｝は、先ず、逆離散フーリエ変換器１０へ入力されて逆離散フーリエ変換される。逆離散フーリエ変換器１０は、サンプリング周波数ｆs／(２Ｐ)で信号成分｛Ｘ(N/(2P))，Ｘ(N/(2P)+1)，…，Ｘ(2N/(2P)-1)｝を逆離散フーリエ変換し、以下の（７）式に示す変換結果が得られる。
【００４２】
（７）式の信号処理をサンプリング周波数ｆs／(２Ｐ)で行ったとき、そのスペクトルは、周波数０〜ｆs／(２Ｐ)−ｆs／Ｎの範囲において、（５）式の第２項の中括弧内｛｝の複素スペクトルと等価である。図８に示すように、その他の周波数領域では、周波数０〜ｆs／(２Ｐ)−ｆs／Ｎのスペクトルの繰り返しとなる。
【００４３】
逆離散フーリエ変換１０の出力は、並直列変換器１１を介してインターポレータ１２に入力され、図９に示すように、２倍以上のインターポレーションが施される。更に、インターポレータ１２の出力からスプリアスを除去し、周波数成分０〜ｆs／(２Ｐ)−ｆs／Ｎの複素スペクトルを抽出するため、インターポレータ１２からの出力信号は、複素ＢＰＳ１３に入力される。これにより、図１０に示すように、周波数０〜ｆs／(２Ｐ)−ｆs／Ｎの成分のみが取り出される。ここで、インターポレーションは２倍に限られることはなく、状況に応じて適宜、２倍以上でインターポレーションを行うことが可能である。また、信号モジュールＳＧ1で行った処理と同じ倍数にする必要性は特にない。異なった倍数で行っても構わない。
【００４４】
次に、複素ＢＰＳ１３の出力に、複素正弦波ＥＸＰ(ｊ・π・ｆs・ｔ／Ｐ)を乗算し、その出力信号の実数部を取り出すことにより、（５）式の第２項が得られる。但し、ｔは連続の時間変数である。実際には、（５）式の第２項の大括弧[ ]内の成分を得るために、複素ＢＰＳ１３の出力を、ＩＱ分離器１４で実数部（Ｉ成分）と虚数部（Ｑ成分）に分離する。その上で、それぞれをＤ／Ａ変換器１５ａ，１５ｂにてアナログ信号に変換する。
【００４５】
そして、アナログ信号からスプリアスを除去するため、Ｄ／Ａ変換器１５ａ，１５ｂの出力信号を、それぞれ、ＬＰＦ１６ａ，１６ｂに入力して周波数０〜ｆs／(２Ｐ)−ｆs／Ｎの周波数成分のみに帯域制限する。一方のＬＰＦ１６ａによって帯域制限されたＩ成分信号は、直交変調器１７の同相側に入力され、他方のＬＰＦ１６ｂによって帯域制限されたＱ成分信号は、直交変調器１７の直交入力側に入力される。
【００４６】
直交変調器１７は、ｆs／(２Ｐ)の局部発振周波数でＬＰＦ１６ａ，１６ｂからのＩ，Ｑ信号を直交変調してアップコンバートし、混合器４に出力する。直交変調器１７の出力スペクトルは図１１に示すようなスペクトルとなり、（５）式の第２項と等価である。
【００４７】
他の高周波用の信号モジュールＳＧ3,…,ＳＧPにおいても、同様の信号処理が行われる。すなわち、信号モジュールＳＧ3で、信号成分｛Ｘ(2N/(2P))，Ｘ(2N/(2P)+1)，…，Ｘ(3N/(2P)-1)｝が処理される。以下、同様にして、最後の信号成分｛Ｘ((P-1)N/(2P))，Ｘ((P−１)N/(2P)+1)，…，Ｘ(PN/(2P）-1)｝が信号モジュールＳＧPで処理される。但し、信号モジュールＳＧ3における直交変調器１７の局部発振器周波数は(２ｆs)／(２Ｐ)であり、最後の信号モジュールＳＧPにおける直交変調器１７の局部発振器周波数は、(Ｐ−１)・ｆs／(２Ｐ)である。
【００４８】
以上の信号処理を行った低周波用の信号モジュールＳＧ1及び高周波用の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPの各出力は、混合器４にて合成される。これにより、図１２に示す出力スペクトルを有する目的信号ｘoutが得られる。この目的信号ｘoutは、（５）式を連続化した信号と等価であるとみなせる。
【００４９】
以上のように本実施の形態においては、逆離散フーリエ変換を実現可能な程度の低サンプリング周波数で動作する複数の信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPで分割処理する。続いて、実現可能な程度の低サンプリング周波数で動作する逆離散フーリエ変換器１０の出力を、直交変調器１７でアップコンバートする。最終的に、各信号モジュール出力を混合器４にて合成する。これにより、任意の信号を生成することができる。
【００５０】
しかも、精度の高いデジタル信号処理と高速のアナログ信号処理とを組み合わせて信号モジュールを構成し、複数の信号モジュールを並列動作させる。これにより、温度や湿度等の環境変化による性能変化、素子や材料の特性の経年変化による性能変化を低減することができる。さらに、目的信号の帯域幅を増加することができる。
【００５１】
また、逆離散フーリエ変換を用いて変調を行っているので、各信号モジュールのスペクトルの振幅と位相とを直接的に制御することができる。さらに、目的信号の周波数とスペクトルを自由に設定することが可能となる。
【００５２】
本実施の形態では、目的信号の複素スペクトルを離散フーリエ変換器３で計算し、逆離散フーリエ変換器１０，１０，…を介して目的信号を生成する例について説明した。ここで、離散フーリエ変換と逆離散フーリエ変換とは変換対であるから、逆離散フーリエ変換を利用して複素スペクトルを求め、離散フーリエ変換を利用して目的信号を生成することも可能である。
【００５３】
次に、本発明の実施の第２形態について説明する。図１３は本発明の実施の第２形態に係り、任意信号発生装置の構成図である。
【００５４】
第２形態は、１つの信号発生装置で目的信号の生成とデータ伝送とを可能とするものであり、第１形態に対して、複数の信号モジュールＳＧ1,ＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPのうち、１つの信号モジュールを、直交周波数多重分割方式（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）によるデータ伝送用の信号モジュールとして構成する。以下、第１形態と相違する部分を中心に説明する。
【００５５】
図１３は、データ伝送用の信号モジュールＳＧｄとして、第１形態における信号モジュールＳＧ1を割り当てる例を示す。そして、逆離散フーリエ変換器１０を、離散フーリエ変換器１０Ａに変更する。この信号モジュールＳＧｄには、複素数若しくは実数のデータ信号ｘｄが直並列変換器２０を介して入力される。入力された信号ｘｄは、離散フーリエ変換器１０Ａを介してＯＦＤＭ変調され、混合器４に出力される。
【００５６】
他の信号モジュールＳＧ2,ＳＧ3,…,ＳＧPは、第１形態と同様である。時間領域の信号ｘinが直並列変換器２を介して離散フーリエ変換器３に入力される。入力された信号ｘｉｎに基づいて、離散フーリエ変換器３で複素スペクトルが計算される。得られた複素スペクトルは、各モジュールの逆離散フーリエ変換器１０，１０，…で分散処理され、第１形態で説明したように、所定周波数の信号が生成されて混合器４に出力される。
【００５７】
これにより、混合器４から目的信号の出力とデータ伝送とを行うことができる。例えば、パルスレーダ用として用いる場合に、レーダパルスの生成とデータの伝送とを１つの信号発生装置で行うことができる。尚、データ伝送と目的信号の生成は、同時に行っても良い。また、サブキャリアの一部若しくは全部を使って時分割で交互に行うようにしても良い。
【００５８】
また、目的信号を生成する場合、前述したように、時間領域の目的信号を予め離散フーリエ変換した複素スペクトルをメモリに保存しておき、必要なときにメモリから逆離散フーリエ変換器に読み出し、目的信号を生成するようにしても良い。
【００５９】
また、データ伝送用の信号モジュールＳＧｄとして、信号モジュールＳＧ1ではなく、他の信号モジュール、例えばＳＧ2を割り当てることも可能である。これにより、データ伝送を行う周波数を変えることができる。
【００６０】
第２形態においては、第１形態と同様、目的信号の周波数とスペクトルを自由に設定することができるばかりでなく、パルスレーダ等に用いる信号の生成とデータ伝送とを１つの装置で実現することができ、コスト増加を抑えつつより適用範囲の広い装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施の第１形態に係り、任意信号発生装置の構成図
【図２】同上、分割処理による任意信号発生の基本アルゴリズムを示す説明図
【図３】同上、低周波用信号モジュールでの信号スペクトラムを示す説明図
【図４】同上、低周波用信号モジュールでの逆離散フーリエ変換後のスペクトラムを示す説明図
【図５】同上、低周波用信号モジュールでのインターポレーション後のスペクトラムを示す説明図
【図６】同上、低周波用信号モジュールでの複素バンドパスフィルタによるフィルタリング後のスペクトラムを示す説明図
【図７】同上、低周波用信号モジュールで抽出された信号を示す説明図
【図８】同上、高周波用信号モジュールでの逆離散フーリエ変換後のスペクトラムを示す説明図
【図９】同上、高周波用信号モジュールでのインターポレーション後のスペクトラムを示す説明図
【図１０】同上、高周波用信号モジュールでの複素バンドパスフィルタによるフィルタリング後のスペクトラムを示す説明図
【図１１】同上、直交変調器の出力スペクトラムを示す説明図
【図１２】同上、混合器の出力スペクトラムを示す説明図
【図１３】本発明の実施の第２形態に係り、任意信号発生装置の構成図
【符号の説明】
【００６２】
１ 任意信号発生装置
３ 離散フーリエ変換器
４ 混合器
１０ 逆離散フーリエ変換器
１２ インターポレータ
１７ 直交変調器
ＳＧ1,…,ＳＧP 信号モジュール
ｘin 入力信号
ｘout 目的信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間領域の信号から算出した周波数領域のスペクトルを、複数の信号成分に分割して分配する信号分配部と、
前記信号分配部から分配された複数の信号成分のそれぞれを時間領域の信号に変換する信号変換部と、
前記信号変換部で変換された複数の信号のうち、少なくとも一つ以上の信号の周波数をアップコンバートする周波数変換部と、
前記周波数変換部によりアップコンバートされた信号を含む複数の信号を合成して目的信号を出力する信号合成部と
を備えることを特徴とする任意信号発生装置。
【請求項２】
前記信号変換部による処理は、前記目的信号の周波数帯域と比較して狭い所定の周波数帯域内で処理されることを特徴とする請求項１記載の任意信号発生装置。
【請求項３】
前記狭い所定の周波数帯域は、前記目的信号の周波数帯域幅を、前記信号分配部による前記信号成分への分割数で割った値であることを特徴とする請求項２記載の任意信号発生装置。
【請求項４】
前記信号変換部による処理はデジタル信号処理であり、前記周波数変換部による処理はアナログ信号処理であることを特徴とする請求項１記載の任意信号発生装置。
【請求項５】
前記信号分配部による処理はデジタル信号処理であることを特徴とする請求項１記載の任意信号発生装置。
【請求項６】
前記信号合成部による処理はアナログ信号処理であることを特徴とする請求項１記載の任意信号発生装置。
【請求項７】
前記信号変換部により変換された複数の信号を、前記周波数変換部によるアップコンバートを介して互いに重なる領域を含む周波数帯域の複数の信号に変換することを特徴とする請求項１記載の任意信号発生装置。
【請求項８】
前記信号変換部により変換された複数の信号を、前記周波数変換部によるアップコンバートを介して互いに重ならない周波数帯域の複数の信号に変換することを特徴とする請求項１記載の任意信号発生装置。
【請求項９】
前記目的信号の出力スペクトルを構成する複数のキャリアのうちの一部をデータ信号で変調してデータ伝送を行うことを特徴とする請求項１〜８の何れか一に記載の任意信号発生装置。
【請求項１０】
前記目的信号の出力スペクトルを構成する複数のキャリアのうちの一部又は全部をデータ信号で変調してデータ伝送を行う処理と、前記複数のキャリアのうちの一部又は全部で前記目的信号を発生させる処理とを時分割で交互に行うことを特徴とする請求項１〜９の何れか一に記載の任意信号発生装置。
【請求項１１】
前記アップコンバートを、直交変調によるパスバンド信号の取得によって行うことを特徴とする請求項１〜１０の何れか一に記載の任意信号発生装置。
【請求項１２】
前記目的信号を、パルスレーダの送信信号とすることを特徴とする請求項１〜１１の何れか一に記載の任意信号発生装置。
【請求項１】
時間領域の信号から算出した周波数領域のスペクトルを、複数の信号成分に分割して分配する信号分配部と、
前記信号分配部から分配された複数の信号成分のそれぞれを時間領域の信号に変換する信号変換部と、
前記信号変換部で変換された複数の信号のうち、少なくとも一つ以上の信号の周波数をアップコンバートする周波数変換部と、
前記周波数変換部によりアップコンバートされた信号を含む複数の信号を合成して目的信号を出力する信号合成部と
を備えることを特徴とする任意信号発生装置。
【請求項２】
前記信号変換部による処理は、前記目的信号の周波数帯域と比較して狭い所定の周波数帯域内で処理されることを特徴とする請求項１記載の任意信号発生装置。
【請求項３】
前記狭い所定の周波数帯域は、前記目的信号の周波数帯域幅を、前記信号分配部による前記信号成分への分割数で割った値であることを特徴とする請求項２記載の任意信号発生装置。
【請求項４】
前記信号変換部による処理はデジタル信号処理であり、前記周波数変換部による処理はアナログ信号処理であることを特徴とする請求項１記載の任意信号発生装置。
【請求項５】
前記信号分配部による処理はデジタル信号処理であることを特徴とする請求項１記載の任意信号発生装置。
【請求項６】
前記信号合成部による処理はアナログ信号処理であることを特徴とする請求項１記載の任意信号発生装置。
【請求項７】
前記信号変換部により変換された複数の信号を、前記周波数変換部によるアップコンバートを介して互いに重なる領域を含む周波数帯域の複数の信号に変換することを特徴とする請求項１記載の任意信号発生装置。
【請求項８】
前記信号変換部により変換された複数の信号を、前記周波数変換部によるアップコンバートを介して互いに重ならない周波数帯域の複数の信号に変換することを特徴とする請求項１記載の任意信号発生装置。
【請求項９】
前記目的信号の出力スペクトルを構成する複数のキャリアのうちの一部をデータ信号で変調してデータ伝送を行うことを特徴とする請求項１〜８の何れか一に記載の任意信号発生装置。
【請求項１０】
前記目的信号の出力スペクトルを構成する複数のキャリアのうちの一部又は全部をデータ信号で変調してデータ伝送を行う処理と、前記複数のキャリアのうちの一部又は全部で前記目的信号を発生させる処理とを時分割で交互に行うことを特徴とする請求項１〜９の何れか一に記載の任意信号発生装置。
【請求項１１】
前記アップコンバートを、直交変調によるパスバンド信号の取得によって行うことを特徴とする請求項１〜１０の何れか一に記載の任意信号発生装置。
【請求項１２】
前記目的信号を、パルスレーダの送信信号とすることを特徴とする請求項１〜１１の何れか一に記載の任意信号発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−１２７６４５（Ｐ２０１０−１２７６４５Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９９９３７（Ｐ２００８−２９９９３７）
【出願日】平成２０年１１月２５日（２００８．１１．２５）
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２５日（２００８．１１．２５）
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【Ｆターム（参考）】
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