オールドスクールボックスカー

ボックスカーアベレージャは良く知られたクラスの機器でノイズに埋もれた信号を修復します。半世紀以上前の文献は簡単に見つかります[1]、[2]。採用された計測技術は特にデューティサイクルの小さい信号に有効で、すなわち信号の重要な部分はタイムドメインでは小さな部分に過ぎないことを意味します。これは例えば時間分解された測定用のパルス源に由来する信号の場合です。イベントの開始がこのような信号をトリガすると、信号が測定される時間ウインドウが正確に決定されて、ウインドウ外の信号は棄却され、よってそこに含まれるノイズも捨てられます。

ボックスカーという言葉の由来は少々曖昧ですが、アメリカのボックスカー列車の外観がオシロスコープ[3]に表示されるパルス列と似ているからだと考えられます。数学的なボックスカー関数とは、定数[4]に等しい単1インターバルを除き、全タイムラインに渡ってゼロである関数です。

ゲート、積分および平均化

ボックスカーアベレージャは2つのコンポーネントより成ります。ゲート積分器と信号アベレージャです。ゲート機能はタイムドメインで作動し、計測用に開始点と終了点の指定が必要です。ゲートが開けば入力信号が積分され、ゲートが閉じれば信号は積分されません。積分結果はパルス底面の領域に相当します。積分はまたスタートイベントに比べて遅れます。入力ユニットをボルトとすると、ボックスカー積分器の出力ユニットはV*です。

ボックスカーアベレージャは2つのコンポーネントより成ります。ゲート積分器と信号アベレージャです。ゲート機能はタイムドメインで作動し、計測用に開始点と終了点の指定が必要です。ゲートが開けば入力信号が積分され、ゲートが閉じれば信号は積分されません。積分結果はパルス底面の領域に相当します。積分はまたスタートイベントに比べて遅れます。入力ユニットをボルトとすると、ボックスカー積分器の出力ユニットはV*です。

従来のボックスカーでは静的計測モードを実装します。計測は物理的な出力コネクタに接続したアベレージャの計測結果に比例した電圧を生成して行います。この方法はボックスカーの制御パラメータ(ゲート時間、ゲート遅延、ゲート長)としては静的で、時間と共に変化はしません。

もう1つのよくある測定方法は動的で、ゲート遅延をスイープして短い積分時間(パルス長よりも短い長さ)と組み合わせて計測し、その代わりにパルスの波形を描写するのに使用します。

アナログボックスカー対デジタルボックスカー

商用のボックスカーアベレージャは長い間市場に出回っていますが多くの商用機器は設計が古いのです。しばしばPCIカードやNIMモジュールで構成され、メインフレームラック内に統合されて1つ以上のチャンネルを装備しています。こういう機器はたいがいアナログ電子部品に頼っていて、それゆえ設定パラメータの設定範囲は限定されています。数十年に渡って多くの科学者に使用された、このようなアナログボックスカーは信号修復機器の確立された保守的な状況の一部です。今日のハイエンドのアプリケーションにとっては、こういうボックスカーの機能はもはや不充分で、新しい範囲のデジタル機器が必要となっています。

デジタルボックスカーアベレージャは違った実装哲学を追求しています。結果として、アナログ機器との比較は簡単ではありません。仮にデジタル機器がアナログ機器と同等の機能を装備しても、幾らかの仕様パラメータは単に比較のために装備されるだけです。

デジタルボックスカーは数多くの利点を備えています。優れた仕様、幅広い設定、アナログ機器では実現できないデジタルならではの特徴等です。デジタルボックスカーは周期信号源の修復に無くてはならない機材です。非同期のパルスイベントに簡単に対処できるアナログ機器と比べると、この点に置いては僅かに能力が低いのです。しかしほとんどのアプリケーションにおいては、この制限が問題とは考えられません。

以下の表はアナログとデジタルのボックスカーの仕様がどう違うかを比較し、デジタルボックスカーがアナログより優れている点を詳細に示しています。

静的ボックスカーモード 信号のゲート、積分、平均化より構成され、デジタルとアナログのボックスカーで等しい動作
動的ボックスカーモード 波形の再構成、もしくはパルスレーザーのコミュニティでのピーク形状アナライザと等価 - アナログ機器では外部の傾斜波発生器が必要ですが、デジタル機器では外部機器の必要はなく、即座に再構成を行うことができます。
入力信号帯域幅 デジタルボックスカーはAD変換機の前にあるアンチエリアシングフィルタによって入力信号帯域幅が決定されます。典型的な仕様ではサンプリング周波数の3分の1です。
反復レート 最小・最大トリガレートを決めるパラメータ - トリガが内部で発生するか外部かで、機器は異なる制限を持つかも知れません。- トリガレートはパルスレーザーを使用する場合にはレーザー反復レートと等価です。
積分器不感時間 アナログ積分器の放電能力の制限による典型的なアナログの仕様 - このパラメータはデジタルボックスカーでは極めて小さく、ずっと高い反復率のサポートを実現します。
ボックスカー感度範囲 積分器の前の信号に適用されるアナログの利得を示す典型的なアナログの仕様 - デジタルの世界でも同様ですがしかし同等の仕様は存在せず、利得はAD変換器の前の入力信号に適用されます。
ボックスカー利得 入力から出力の間にかかるトータルな利得を決定する典型的なアナログの仕様で、利得 = Vout - Vinで表され、この値はデジタルボックスカーでは自由な大きさに設定できます。
積分器ゲートタイム 機器が積分を行う時間ウインドウを決定する仕様 - 適切な内部実装により、デジタルボックスカーがサンプリングレートを超えた分解能を持っていても驚くに値しません。
積分器ゲート遅延 動的ボックスカーモードで使用されるる典型的なアナログの仕様 - デジタル領域ではこのパラメータはレガシーで、360度フル範囲で簡単に与えられ、仕様の制限はありません。
ボックスカーアベレージング長 デジタルでの実装はアナログ機器をはるかに凌ぎます。
ボックスカー出力 ボックスカー出力の更新された周波数

参考

[1] 保持時間の長いボックスカー積分器、R. J. Blume、Rev. Sci.機器32、1016 (1961)、doi:10.1063/1.1717602

[2] 固体中の高速NMR遷移のための安定性の高いボックスカー積分器、D. Ware and P. Mansfield、Rev. Sci.機器37、1167 (1966)、doi:10.1063/1.1720449

[3] ボックスカー検出器、ノイズに埋もれた波形の修復に使用する非同期検出器、J.D.W.アバネシー、無線の世界(1970年12月)

[4] Wikipedia、ボックスカーの機能

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