JP2001228187A - 位相ノイズ・スペクトル密度見積り方法及び周期信号のジッタ見積り方法 - Google Patents

位相ノイズ・スペクトル密度見積り方法及び周期信号のジッタ見積り方法

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JP2001228187A
JP2001228187A JP2001006480A JP2001006480A JP2001228187A JP 2001228187 A JP2001228187 A JP 2001228187A JP 2001006480 A JP2001006480 A JP 2001006480A JP 2001006480 A JP2001006480 A JP 2001006480A JP 2001228187 A JP2001228187 A JP 2001228187A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 再サンプリングを必要とせずに、時間領域で
取り込んだデジタル・サンプル波形記録における位相ノ
イズ・スペクトル密度及びジッタを測定する。 【解決手段】 周期信号の平均周波数の見積りを用い
て、ジッタ対時間のベクトル配列を位相エラー対時間の
ベクトル配列に変換し(98);時間・周波数変換を位相エ
ラー対時間のベクトル配列に適用して、位相エラーの大
きさ対周波数のベクトル配列を発生し(100);位相エラ
ーの大きさ対周波数のベクトル配列のランダム位相エラ
ーの大きさ成分を1ヘルツの帯域幅に正規化して、位相
ノイズ・スペクトル密度ベクトル配列を得る(102)。

Description

【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、周期信号
内の位相ノイズ・スペクトル密度及びジッタを測定する
方法に関し、特に、時間領域で取り込んだデジタル・サ
ンプルの波形記録における位相ノイズ・スペクトル密度
及びジッタを測定する方法に関する。なお、本明細書で
は、「見積り」とは、「データ処理により求めること」
を意味する。
【0002】
【従来の技術】ジッタとは、ジッタのない理想的な周期
信号に対して、周期信号の「意味のある瞬時」の時間的
な偏差である。周期信号は、電気的又は光学的に変調さ
れた又は変調されていない搬送信号のような繰り返し信
号である。位相ノイズ・スペクトル密度とは、周期信号
の基本周波での望ましくない位相変調、即ち、ジッタの
スペクトル密度である。周期信号におけるジッタ及び位
相ノイズの量は、回路及びシステム設計者にとって重要
な測定パラメータである。ジッタ及び位相ノイズを測定
する多くの測定機器及び方法が提案されている。スペク
トラム・アナライザは、周波数領域において、被試験信
号の大きさを測定する。位相ノイズの測定にスペクトラ
ム・アナライザを用いる欠点は、測定機器(スペクトラ
ム・アナライザ)が振幅変調ノイズと位相変調ノイズと
を区別できないことである。さらに、従来のスペクトラ
ム・アナライザは、電圧又はパワーに対する位相に関連
した独自の校正手順が必要であった。また、スペクトラ
ム・アナライザは、搬送信号近傍で小さな分析周波数ス
パンを有すると共に、スペクトルがdB/搬送波(dB
c/Hz)に正規化されなかった。
【0003】位相エラーを測定する他のシステムは、ハ
ードウェアで実現したアナログ・システムであり、正確
な基準発振器を具えている。この基準発振器は、被測定
周期信号と同じ周波数の出力信号を発生する。この発振
器の出力信号を乗算回路に供給する。この乗算回路は、
位相ノイズを含んだ被試験信号も受ける。乗算回路の出
力信号は、2つの成分、即ち、基準発振器の出力信号と
被試験信号との和及び差を有する信号である。乗算回路
の出力信号は、ロウパス・フィルタを通過して、高周波
成分を除去して、被試験信号の位相ノイズを残す。この
形式のシステムの欠点は、安定且つ正確な出力信号を発
生する基準発振器が必要なことである。これは、非常に
正確な位相拘束ループ(PLL)を必要とする。このた
めには、拘束する帯域幅未満のオフセット周波数に対し
て、PLL応答用の測定データを補正する必要がある。
【0004】別のシステムでは、ヘテロダイン/カウン
タ方法を用いている。カウンタは、しきい値と交差する
被試験周期信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッ
ジにてトリガされ、内部クロックにより増分される(計
数値が増える)。しきい値と交差する次の立ち上がりエ
ッジ又は立ち下がりエッジにて、カウンタが停止し、内
部クロックの周期をカウンタの計数値と乗算する。続く
立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジにて、カウンタ
が再び動作を開始し、次の立ち上がりエッジ又は立ち下
がりエッジで計数する。この形式のシステムの欠点は、
その結果に周期妨害が現れることである。さらに、この
システムは、基準クロックが被試験周期信号の平均周波
数に等しくないことである。また、このシステムは、測
定期間中に、均一に離間した時間間隔を生じないので、
時間領域から周波数領域への正確な変換が必要になる。
よって、このシステムは、2つ目のエッジ毎にカウンタ
をディスエーブル(動作不能)するので、各立ち上がり
エッジ間の時間を測定しない。
【0005】時間領域で被試験信号のジッタを測定する
のに、デジタル・オシロスコープも利用されている。取
込みシステムが、被試験信号を取込み、波形記録を行
う。被試験信号の平均周期は、波形記録から求まり、理
想的なクロックを発生する。被試験信号及び理想的なク
ロックと基準レベルとが夫々交差する基準交差(点)を
定める。被試験信号の基準交差と、理想的なクロックの
基準交差との間の大きさ(振幅)の差を計算して、被試
験信号に関連した大きさの位相エラー値を求める。この
位相エラー値を、補間したサンプル・レートで再度サン
プリングして、等しく離間したサンプル間隔を発生する
必要がある。このサンプル間隔を時間・周波数(時間か
ら周波数への)変換器に供給して、位相エラー値の大き
さ対周波数を表す出力信号を発生する。上述の方法の欠
点は、補間したサンプル・レートで、エラー・データを
再サンプリングして、均一に離間した位相エラー値を発
生する必要があることである。さらに、被試験信号は、
位相ノイズの他に、振幅ノイズや測定機器からの付加的
なノイズを含んでいるかもしれない。かかる測定機器が
発生したノイズは、位相ノイズから分離することができ
ず、位相ノイズ・スペクトル密度の一部として変換され
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】均一に離間したエラー
値を発生するために、これらエラー値を補間により再サ
ンプリングすることを必要とせずに、周期信号の位相ノ
イズ・スペクトル密度を測定できる改良された方法が求
められている。また、この改良された方法は、測定する
周期信号の大きさ値(振幅)に依存しなで、この周期信
号のジッタが求められる新たな方法を提供するものでな
ければならない。
【0007】したがって、本発明の目的は、再サンプリ
ングを必要とせずに、時間領域で取り込んだデジタル・
サンプルの波形記録における位相ノイズ・スペクトル密
度及びジッタを見積る、即ち、測定することができる方
法の提供にある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明による方法では、
時間領域内で周期信号をデジタル的にサンプリングして
得た波形記録にて、取り込んだ周期信号内の位相ノイズ
・スペクトル密度及びジッタを見積る。本発明は、デジ
タル的にサンプリングした波形記録内の事象(イベン
ト)のタイミング情報に頼って、位相ノイズ・スペクト
ル密度及びジッタを見積っている。本発明の概念の1つ
では、周期信号内のジッタを見積る。位相ノイズ・スペ
クトル密度を見積る方法は、補間を用いて、波形記録内
の周期信号の見積もった基準交差時間のベクトル配列を
求めるステップを有する。なお、基準交差とは、周期信
号と基準レベルとの交差であり、基準交差時間とは、基
準交差の時点である。見積った基準交差時間のベクトル
配列内の選択した数の基準交差と、波形記録内で最初に
選択した基準交差から最後に選択した基準交差までの波
形サンプルの関連した時間位置とに基づいて、周期信号
周波数の見積りを計算する。見積もった周期信号周波数
に基づいて、均一に離間した理想的な基準交差時間のベ
クトル配列を求めると共に、理想的な基準交差時間と、
周期信号の対応する見積った基準交差時間との差を求め
て、均一に離間したジッタ対時間のベクトル配列を求め
る。
【0009】本発明の別の概念では、ジッタ対時間のベ
クトル配列から位相ノイズ・スペクトル密度を見積る
が、1秒当たりのラジアンで示す周期信号の平均周波数
の見積りを用いて、ジッタ対時間のベクトル配列を位相
エラー対時間のベクトル配列に変換するステップを含ん
でいる。時間・周波数変換を位相エラー対時間のベクト
ル配列に適用して、周波数エラー大きさ対周波数のベク
トル配列を求めると共に、位相エラー大きさ対時間のベ
クトル配列を1Hz(ヘルツ)帯域幅に正規化して、位
相ノイズ・スペクトル密度のベクトル配列を求める。位
相ノイズ・スペクトル密度のベクトル配列にて周波数帯
域を定めて、この定めた周波数帯域内の位相ノイズ・ス
ペクトル密度のベクトル配列内の位相ノイズ値を積分し
て、定めた周波数帯域内のジッタ実効値(RMS)を得
る。
【0010】見積もった基準交差時間のベクトル配列を
求めるステップは、波形記録内の周期信号の立ち上がり
エッジの基準交差時間、又は、波形記録内の周期信号の
立ち下がりエッジの基準交差時間のいずれかを見積るス
テップを含んでいる。別なステップは、補間を用いて波
形記録内の周期信号の見積もった立ち上がり基準交差時
間のベクトル配列を発生すると同時に、補間を用いて波
形記録内の周期信号の見積もった立ち下がり基準交差時
間のベクトル配列を発生するステップを含んでいる。立
ち上がり及び立ち下がりの基準交差時間のベクトル配列
から、見積もった立ち上がり基準交差時間のベクトル配
列を見積もった立ち下がり基準交差時間のベクトル配列
と比較して、見積もったパルス幅偏差時間のベクトル配
列を求める。
【0011】基準交差の上の最初のデータ・サンプル
と、基準交差の下の最初のデータ・サンプルとの間で線
形補間を行って、見積もった基準交差時間を求める補間
を実施してもよい。代わりに、この補間ステップは、基
準交差の上及び下の多数のデジタル・データ・サンプル
を用いて、高次の補間(補間器動作)を行うことにより
実施してもよい。なお、この高次の補間ステップは、s
in(x)/x関数の如きウィンドウ(窓)を発生する
ステップを含んでいる。
【0012】見積もった周期信号周波数の計算には、基
準交差時間の数と、基準交差時間の和とから平均傾斜を
補間するステップを含んでいる。なお、この補間ステッ
プは、対応する数の基準交差時間及び対応する基準交差
時間に最適に適合する線形曲線を計算し、この適合した
線の傾斜から周期信号の周波数を見積る。
【0013】本発明の目的、利点及び新規な特徴は、添
付図を参照した以下の詳細説明からも理解できよう。
【0014】
【発明の実施の形態】以下の詳細説明において、多くの
特定の細部は、本発明を理解するためのものである。し
かし、本発明は、これら特定の細部によらなくても実施
できることが当業者には理解できよう。また、周知の方
法、手順、部品及び回路については詳細に説明しない
が、本発明を曖昧にするものではない。
【0015】以下の説明の一部は、データ、値、信号サ
ンプル、数などの用語を用いて測定機器が実行する動作
によって本発明を説明する。なお、これら用語は、当業
者が一般的に用いるものと同じであるが、他の分野にお
いても同様に適用できる。当業者に理解できる如く、こ
れらの量は、電気信号、磁気信号又は光学信号の形式を
とり、測定機器の機械的及び電気的要素により、蓄積、
変換、組み合わせ、及び他の処理をすることができる。
また、用語「測定機器」は、汎用及び特定用途向けデー
タ処理装置、システムなどで、スタンド・アロン型、縦
続型、又は、埋め込み型も含む。
【0016】本発明の理解を助けるために、種々の動作
を多数の個別のステップとして説明するが、説明の順序
はこの説明に限定されるものではなく、これら動作が必
要な順序になればよい。
【0017】図1は、測定システム10の代表的なブロ
ック図であり、被試験入力周期信号12を取り込んで波
形記録を行う。この測定システム(測定機器)10は、
デジタル・サンプリング・システムであるデジタル・オ
シロスコープでもよく、取込みサブシステム14と、測
定機器制御サブシステム16とを含んでいる。代わり
に、取込みサブシステム14は、個別のデジタル化ユニ
ット(デジタイザ)でもよく、測定機器制御サブシステ
ム16は、デジタイザからの取込み波形データを受ける
ホスト・コンピュータを有する。入力周期信号12は、
可変減衰器18を介して前置増幅器20に供給される。
本願出願人のテクトロニクス・インクが製造販売してい
るTDS7104型デジタル・オシロスコープのように
デジタル化レートの高いサンプリング・オシロスコープ
では、各入力チャネルは、パイプ22及び24で示す如
きデジタル化パイプを具えている。オシロスコープの各
入力チャネルに任意の数のパイプを設けてもよい。各パ
イプは、トラック・アンド・ホールド(T/H)回路2
6と、アナログ・デジタル(A/D)変換器28と、メ
モリ30とを具えている。タイムベース回路32は、タ
イミング信号を取込み、サブシステム14内のパイプ2
2及び24に供給して、入力信号のアナログ値をT/H
回路26にラッチし、A/D変換器28をクロックして
T/H回路26のアナログ値をデジタル化し、デジタル
化した値をメモリ30に蓄積する。パイプ22、24
は、これらパイプ22、24の各々に対してタイムベー
ス信号をオフセット又は遅延させる付加的な回路(図示
せず)を具えており、インタリーブ作用により、取込み
レートをX倍したタイミング信号レートを発生する。な
お、Xは、取込みサブシステム14内のパイプの数であ
る。
【0018】タイムベース回路32は、制御及びアドレ
ス・バス34に結合され、DSP(デジタル信号プロセ
ッサ)制御器36からのコマンドを受ける。DSP制御
器36は、用途特定集積回路(ASIC)、又はアメリ
カ合衆国カリフォルニア州サンタ・クララのインテル・
コーポレーションが製造販売しているインテルCELE
RON(商標)型マイクロプロセッサの如きマイクロプ
ロセッサでもよい。制御及びアドレス・バス34は、可
変減衰器18と、デジタル化パイプ22、24内の回路
にも結合している。取込みサブシステム14が独立した
デジタル化ユニットの場合、この取込みサブシステム1
4は、取込み制御器38及びメモリ40を含んでもよ
い。取込み制御器38は、デジタル化ユニットのタイム
ベース及び取込みパラメータを設定するために、キーボ
ード及び/又はマウスの如き制御入力装置、及び/又は
ボタン、回転摘み等を含んでもよい。メモリ40は、蓄
積プログラム・インストラクションを記憶しており、D
SP制御器36がこれらインストラクションにアクセス
して、取込みサブシステム14の動作を制御する。取込
みサブシステム14がデジタル・オシロスコープの一部
の場合、取込み制御器38及びメモリ40は、オシロス
コープのフロント・パネル及びシステム・メモリに組み
込まれる。外部基準信号線42をタイムベース回路32
に結合して、このタイムベース回路を外部基準信号源に
ロック(拘束)させることができる。
【0019】取込みサブシステム14は、インタフェー
ス・バス44を介して測定機器制御サブシステム16に
結合される。インタフェース・バス44は、双方向性通
信を提供し、これらサブシステム間でデータ及び制御信
号を伝送する。インタフェース・バス44に、2つのバ
ス・システム間でのデータ伝送を制御する市販のバス・
アダプタ集積回路を適用してもよい。このインタフェー
ス・バス44は、オシロスコープ用の内部I2Cバスの
如き双方向性シリアル・バス、又はデジタル化ユニット
及びコンピュータ用の外部GPIBバスでもよい。測定
機器制御サブシステム16は、システム又はホスト・コ
ンピュータ46を含んでおり、このコンピュータ46
は、システム・バス48を介して、システム・メモリ5
0、表示装置52、フロント・パネル制御器54、及び
マス・ストレージ・ユニット(大容量蓄積装置)56に
結合されている。システム・メモリ50は、RAM及び
ROMと、キャッシュ・メモリとを含んでいる。なお、
RAMは、取込みサブシステム14から受けた入力信号
を表すデータ値の如き揮発性データを蓄積する。制御器
46は、好ましくは、アメリカ合衆国カリフォルニア州
サンタ・クララのインテル・コーポレーションが製造販
売しているPENTIUM(商標)マイクロプロセッサ
の如きマイクロプロセッサである。表示器52は、液晶
表示器、陰極線管などである。また、フロント・パネル
制御器54は、ボタン、回転摘み等でもよいし、キーボ
ード及び/又はマウスなどの制御入力装置でもよい。単
一又は複数のマス・ストレージ・ユニット56は、ハー
ドディスク・ドライブ、CD−ROMドライブ、テープ
・ドライブ、フロッピ・ドライブ等でもよく、適切なマ
ス・ストレージ媒体との間で読み取りや書込みを行う。
本発明の好適実施例で用いるデジタル・サンプリング位
相エラー測定システム10は、アメリカ合衆国ワシント
ン州レッドモンドのマイクロソフト・コーポレーション
が製造販売しているWINDOWS(商標)98オペレ
ーティング・システムで制御されるPC(パソコン)ベ
ースのシステムである。
【0020】本発明には、デジタル的に周期信号をサン
プリングして得た波形記録における事象のタイミング情
報を基にすることにより、位相ノイズ・スペクトル密度
及びジッタを見積るという独特な特徴がある。さらに、
本発明は、デジタル的に取り込んだ波形記録の時間デー
タを用いて、均一に離間したジッタ及び位相ノイズ・ス
ペクトル密度データを発生するというコンピュータ的な
効率性がある。
【0021】次に、図2〜図7を参照して、周期信号を
デジタル的に取り込んだ波形記録における位相ノイズ・
スペクトル密度及びジッタを見積る本発明の方法を説明
する。図2は、代表的な周期信号70の波形を示す。な
お、この周期信号70にはジッタがある点に留意された
い。周期信号70は、クリッピングした正弦波であり、
立ち上がりエッジ72及び立ち下がりエッジ74を有す
る。このクリッピングした正弦波は、単に説明のために
用いているものであり、以下の説明において任意の形式
の周期信号を適用できる。また、この周期信号の直流レ
ベルも単に説明のためである。周期信号70は、基準レ
ベル76を基準としている。この基準レベル76は、任
意でもよいが、出力信号が直流レベルに乗っていないよ
うにするためにゼロ・ボルトに設定してもよい。波形軌
跡に「x」で示すように、取込みサブシステム14は、
均一なサンプリング・レートで周期信号70をサンプリ
ングする。複数の垂直線77は、ジッタのない場合の周
期信号70の基準交差(ジッタのない周期信号70と基
準レベル76との交差点)を示す。好適実施例におい
て、取込みサブシステム14は、20ギガサンプル/秒
レート以上で、周期信号70をサンプリングできる。こ
れにより、100MHzの周期信号は、1周期当たり2
00回サンプリングできる。通常、基準レベル76は、
周期信号70の立ち上がりエッジ72又は立ち下がりエ
ッジ74にて、2つの連続した波形サンプルの間に入る
ので、基準レベル76に対するエッジの交差点を見積る
には、補間が必要である。
【0022】図3は、基準レベル76と交差する周期信
号のエッジ78の拡大図である(基準レベル76との交
差付近は、説明を明瞭にするためにサンプル点の間隔を
他よりも長くしてある)。この図3から判る如く、基準
レベル76のレベルではサンプリングが行われず、波形
サンプルがない。補間の最も単純な形式は、基準交差点
(周期信号70と基準レベル76との交差点)上の少な
くとも最初のデータ・サンプル80と、基準交差(点)
の下の少なくとも最初のデータ・サンプル82との線形
補間である。基準レベルの上のデータ・サンプルの時間
tbと基準レベルの下のデータ・サンプルの時間taと
の時間差(tb−ta)を計算する。基準レベルの上及
び下のデータ・サンプルの間の線の傾斜から求めた重み
係数「A」を計算した時間差に適用すると、この結果の
時間値tcが周期信号エッジの基準レベル交差の見積っ
た時間である。基準交差点の上下の多数のサンプルを用
いると共に、窓sin(x)/x関数の如き高次の補間
を用いて、基準交差点の時間(基準交差時間)を求めて
もよい。
【0023】図7は、本発明の方法の好適実施例を説明
するための流れ図である。この図7のステップ90に示
すように、周期信号エッジの補間した複数の基準交差時
間の配列{t 1 real、・・・tn real}を見積もった基準
交差時間のベクトル配列t_ref_realに蓄積す
る。よって、 t_ref_real = {t1 real, t2 real, t3 real, ..... tn real} (1) となる。t_ref_realベクトル配列は、周期信
号の立ち上がりエッジの基準交差時間で構成してもよい
し、周期信号の立ち下がりエッジの基準交差時間で構成
してもよい。周期信号の立ち上がりエッジ及び立ち下が
りエッジの両方に対する基準交差レートを見積ると同時
に、立ち上がりエッジ用の見積もった基準交差時間のベ
クトル配列(立ち上がりエッジ基準交差時間のベクトル
配列)t_rise_ref_real及び立ち下がり
エッジ用の見積もった基準交差時間ベのクトル配列(立
ち下がりエッジ基準交差時間のベクトル配列)t_fa
ll_ref_realを求めることことができる。よ
って、 t_rise_ref_real = {trise1 real, trise2 real, trise3 real, ..... trisen real} (2) t_fall_ref_real = {tfall1 real, tfall2 real, tfall3 real, ..... tfalln real} (3) となる。立ち下がりエッジ基準交差時間のベクトル配列
t_fall_ref_realに対して立ち上がりエ
ッジ基準交差時間のベクトル配列t_rise_ref
_realを比較することにより、パルス幅偏差のベク
トル配列t_pw_devを次のように求めることがで
きる。 t_pw_dev = {t1 pw_dev, t2 pw_dev, t3 pw_dev, ..... tn pw_dev} (4)
【0024】基準交差時間のベクトル配列t_ref_
realから周期信号周波数を見積る方法は、図4を参
照して容易に理解できよう。基準交差時間のベクトル配
列t_ref_real内の基準交差を用いて、周期信
号の周波数を見積る。基準交差時間のベクトル配列t_
ref_realが大きな波形記録を示すならば、周期
信号の周期の統計的に重要な表示を行うために充分な数
の基準交差が選択されているならば、少ない数の基準交
差を用いてもよい。水平軸を基準交差の番号(基準交差
が生じた順番を表す番号)とし、垂直軸を基準交差の時
間とする。両方の軸の線形目盛りを用いて、基準レベル
交差時間を各交差点にプロットする。図示の如く、基準
レベルとの交差時間(基準交差時間)のプロットは、周
期信号の周波数を表す近似線形曲線(直線)を明らかに
する。基準交差時間のベクトル配列t_ref_rea
lに対して最良に適合する線形曲線を求めると、この適
合曲線の傾斜が周期信号の周波数fcの見積りになる。
図7のステップ92に示すように、選択した時間間隔内
の多くの周期をとり、tn及びt1における基準レベル
交差の間の時間差で除算して、線形曲線の傾き、即ち、
見積った周期信号の周波数(見積り周期信号周波数)f
cを求めてもよい。これは、次の式になる。 fc = 1/Tc = (n - 1) / (tn real - t1 real) (5)
【0025】周期信号の計算した周波数fcを用いて、
この周期信号の均一に離間した理想的な基準交差時間の
ベクトル配列t_ref_idealを求める。周期信
号の最初の基準交差点t1 realを初期理想交差点として
用いる。このベクトル配列t_ref_idealは、
理想的な一連の時間を含んでおり、これが位相エラーの
ない均一に離間した基準交差に対応する(図7のステッ
プ94)。このベクトル配列(シーケンス)は、次のよ
うになる。 t_ref_ideal = {t1 ideal, t1 ideal + 1/fc, t1 ideal + 2/fc, t1 ideal + 3/fc, ... t1 ideal + (n-1)/fc} (6)
【0026】図5及び図6は、均一に離間したジッタ対
時間のベクトル配列jitter_timeを求める際
の図を示す。水平軸及び垂直軸の両方を時間軸とし、理
想的な基準交差時間のベクトル配列t_ref_ide
alにより、水平軸を均一に離間した理想的な基準交差
点として分割する。また、基準交差時間のベクトル配列
t_ref_realによる基準交差時間を垂直軸にプ
ロットする。斜線は、周期信号の周波数を表す基準周波
数線である。t1 idealは、図5の水平軸によって見積も
った理想的な周波数による交差の時間位置、即ち、座標
として求められる。tideal時間及び基準周波数線の交
差と、対応するtreal時間及び基準周波数線の交差との
差がジッタである。ジッタ対時間のベクトル配列jit
ter_timeは、tideal時間上で均一に離間して
いる。要素毎に周期信号の実際の(見積った)基準交差
時間trealを、対応する理想的な基準交差時間tideal
から減算することにより求めたジッタ対時間のベクトル
配列jitter_timeは、図7のステップ96で
求められる。このベクトル配列は、次のようになる。 jitter_time = {t1 ideal - t1 real, t2 ideal - t3 real, t2 ideal - t3 real, ... .. tn ideal - tn real} (7)
【0027】図7のステップ98に示すように、ジッタ
対時間のベクトル配列jitter_timeの要素
を、1秒当たりのラジアンで示す周期信号周波数と乗算
して、ジッタ対時間のベクトル配列jitter_ti
meを位相エラー対時間のベクトル配列phase_e
rror_timeに変換する。このベクトル配列は、
次のようになる。 phase_error_time = {φ1(t1 ideal), ....φn(tn ideal)} (8) なお、φi=φ(ti ideal)、i、/nである。位相エ
ラー対時間のベクトル配列phase_error_t
imeの重要性は、それが時間的に均一に離間してお
り、また、時間及び電圧の大きさではない尺度のジッタ
対時間のベクトル配列jitter_timeから求ま
ることである。均一に離間された位相エラー対時間のベ
クトル配列phase_error_timeを用いる
ことにより、このベクトル配列phase_error
_timeから正確な周波数領域スペクトル密度の配列
spectral_phase_noiseが得られ
る。図7のステップ100に示すように、高速フーリエ
変換機能の如き時間・周波数変換機能を位相エラー対時
間のベクトル配列phase_error_timeに
適用して、位相エラー大きさ対周波数のベクトル配列p
hase_error_freqを求める。このベクト
ル配列は、次のようになる。 phase_error_freq = {φ(Fi), .... φ(Fn/2)} (9) なお、Fi=(i−1)×Fc/2である。時間領域シー
ケンスを周波数領域シーケンスに変換できる多くの時間
・周波数変換器が存在するが、本発明の方法は、任意の
1つの変換器に限定されるものではない。
【0028】図7のステップ102に示すように、位相
エラー対周波数のベクトル配列phase_error
_freqにおけるランダムな位相エラー大きさ成分を
1Hz帯域幅に正規化して、位相ノイズ・スペクトル密
度のベクトル配列spectral_phase_no
iseを求める。このベクトル配列は、次のようにな
る。 spectral_phase_noisei = {φFi × (n-1)/2Tc} (10) なお、iは、ベクトル配列(9)における周波数成分を
表す。これら周波数成分は決定的なもの(即ち、純粋な
トーン)ではない。また、 spectral_phase_noisei = {φFi}i (11) ともなる。この場合、iは、ベクトル配列(9)におけ
る決定的な周波数成分(即ち、独立した周波数成分)を
表す。当業者には、ベクトル配列(9)における独立し
た周波数成分を識別するために、異なる方法も利用でき
よう。かかる方法の1つは、位相エラー対時間のベクト
ル配列phase_error_timeをサブ・サン
プリングし(更に細かくサンプリングし)、ベクトル配
列(10)内の式のみを用いて位相ノイズ・スペクトル
密度のベクトル配列spectral_phase_n
oiseを再計算し、独立した成分として一定になった
このベクトル配列spectral_phase_no
ise内の周波数成分を識別する。
【0029】図7のステップ104に示すように、位相
ノイズ・スペクトル密度のベクトル配列spectra
l_phase_noise内の周波数帯域を定めるた
めにフィルタ関数を用い、図7のステップ106に示す
ように、定めた周波数帯域にわたってフィルタ処理した
位相ノイズ値に対して数値積分を実行して、位相ノイズ
・スペクトル密度のベクトル配列の周波数帯域内で、ジ
ッタ実効値(RMS)を得ることができる。数値積分
は、位相ノイズ・スペクトル密度のベクトル配列spe
ctral_phase_noiseにおける総ての要
素においてxも実行でき、周期信号の総合的なジッタ実
効値が得られる。
【0030】デジタル的にサンプリングした周期信号内
のジッタ及び位相ノイズ・スペクトル密度を見積る本発
明の方法を上述した。この方法は、波形記録内の周期信
号の見積もった基準交差時間のベクトル配列を求めるス
テップと、周期信号の見積った基準交差時間に基づいて
見積った周期信号周波数を計算するステップを含んでい
る。この見積った周期信号周波数を用いて、均一に離間
した理想的な交差時間のベクトル配列を求める。周期信
号の理想的な交差時間と、対応した見積り基準交差時間
との差を求めて、ジッタ対時間の均一に離間したベクト
ル配列を求める。ベクトル配列の要素を、1秒当たりの
ラジアンで示す周期信号周波数と乗算して、ジッタ対時
間のベクトル配列を位相エラー対時間のベクトル配列に
変換する。時間・周波数変換機能を位相エラー対時間の
ベクトル配列に適用して、位相エラー大きさ対周波数の
ベクトル配列を求める。位相エラー大きさ対周波数のベ
クトル配列を1Hz(ヘルツ)帯域幅に正規化して、位
相ノイズ・スペクトル密度のベクトル配列を求める。位
相ノイズ・スペクトル密度のベクトル配列の総て又は一
部に対して数値積分を実施して、位相ノイズ・スペクト
ル密度のベクトル配列内の周波数帯域又は周期信号に対
するジッタ値の実効値を求める。
【0031】本発明の要旨から逸脱することなく、本発
明の上述の実施例の細部に対して種々の変更をできるこ
とが当業者には理解できよう。例えば、被試験周期信号
に周波数が等しい外部基準信号源にタイムベース回路を
拘束して、デジタル・サンプリング・システムが同期的
に周期信号をサンプリングしてもよい。波形記録から電
圧対見積り基準交差時間のベクトル配列を求めてもよ
く、また、電圧対時間のベクトル配列を交差付近での周
期信号の傾斜で除算することにより、ジッタ対時間のベ
クトル配列を求めてもよい。
【0032】
【発明の効果】上述の如く本発明によれば、再サンプリ
ングを必要とせずに、時間領域で取り込んだデジタル・
サンプル波形記録における位相ノイズ・スペクトル密度
及びジッタを測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明により、周期信号の位相ノイズ・スペク
トル密度及びジッタを見積る方法を実施する時間領域測
定システムの代表的なブロック図である。
【図2】位相エラーを有する周期信号の代表的な波形を
示す図である。
【図3】立ち上がりエッジの交差点時間の補間を示すた
めに、基準レベルに交差する周期信号の立ち上がりエッ
ジの拡大図である。
【図4】周期信号の出力を見積りを説明するための図で
ある。
【図5】見積もった周期信号周波数から求めた均一に離
間した理想基準交差と、理想基準交差及び周期信号の見
積もった基準交差の間のジッタとを示す図である。
【図6】均一に離間した理想基準交差のジッタ対時間を
示す図である。
【図7】本発明により、周期信号内の位相ノイズ・スペ
クトル密度及びジッタを見積るステップの流れ図であ
る。
【符号の説明】
10 測定システム 14 取込みサブシステム 16 測定機器制御サブシステム 18 可変減衰器 20 前置増幅器 22、24 デジタル化パイプ 26 トラック・アンド・ホールド回路 28 A/D変換器 30 メモリ 32 タイムベース回路 36 DSP制御器 38 取込み制御器 40 メモリ 46 システム又はホスト・コンピュータ 50 メモリ 52 表示器 54 コントロール・パネル 56 マス・ストレージ・ユニット
フロントページの続き (72)発明者 スティーブン・エイチ・ペッパー アメリカ合衆国 オレゴン州 97229 ポ ートランド ノース・ウエスト ワンハン ドレッド・フォーティーンス・アベニュー 710

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平均周波数を有する周期信号から得たジ
    ッタ対時間のベクトル配列から位相ノイズ・スペクトル
    密度を見積る方法であって、 (a)上記周期信号の平均周波数の見積りを用いて、上
    記ジッタ対時間のベクトル配列を位相エラー対時間のベ
    クトル配列に変換するステップと、 (b)時間・周波数変換を上記位相エラー対時間のベク
    トル配列に適用して、位相エラーの大きさ対周波数のベ
    クトル配列を発生するステップと、 (c)上記位相エラーの大きさ対周波数のベクトル配列
    におけるランダム位相エラーの大きさ成分を1ヘルツの
    帯域幅に正規化して、位相ノイズ・スペクトル密度のベ
    クトル配列を得るステップと具えた位相ノイズ・スペク
    トル密度見積り方法。
  2. 【請求項2】 フィルタ関数を用いて、上記位相ノイズ
    ・スペクトル密度のベクトル配列内の周波数帯域幅を限
    定するステップと、 上記限定された周波数帯域幅にわたって上記位相ノイズ
    ・スペクトル密度のベクトル配列における上記フィルタ
    処理された位相ノイズの値を積分して、上記限定された
    周波数帯域幅内のジッタの実効値を求めるステップとを
    更に具えたことを特徴とする請求項1の位相ノイズ・ス
    ペクトル密度見積り方法。
  3. 【請求項3】 上記ステップ(a)は、上記ジッタ対時
    間のベクトル配列を、1秒当たりのラジアンで示す上記
    周期信号の平均周波数と乗算するステップを有すること
    を特徴とする請求項1の位相ノイズ・スペクトル密度見
    積り方法。
  4. 【請求項4】 周期信号をデジタル的にサンプリングし
    て取り込んだ波形記録における上記周期信号の位相ノイ
    ズ・スペクトル密度を見積りする方法であって、 (a)補間を用いて、上記波形記録における上記周期信
    号の見積った基準交差時間のベクトル配列を求めるステ
    ップと、(b)上記見積った基準交差時間のベクトル配
    列における選択された数の基準交差と、上記波形記録に
    て最初に選択した基準交差から最後に選択した基準交差
    までの波形サンプルに関連した時間位置とに基づいて、
    見積った周期信号の周波数を計算するステップと、 (c)上記見積った周期信号の周波数に基づいて、均一
    に離間した理想的な基準交差時間のベクトル配列を求め
    るステップと、 (d)上記理想的な基準交差時間と上記周期信号の対応
    して見積った基準交差時間との間の差を求めて、均一に
    離間したジッタ対時間のベクトル配列を求め、 (e)上記周期信号の平均周波数の見積りを用いて、上
    記ジッタ対時間のベクトル配列を位相エラー対時間のベ
    クトル配列に変換するステップと、 (f)時間・周波数変換を上記位相エラー対時間のベク
    トル配列に適用して、位相エラーの大きさ対周波数のベ
    クトル配列を求めるステップと、 (g)上記位相エラーの大きさ対周波数のベクトル配列
    におけるランダム位相エラーの大きさ成分を1ヘルツ帯
    域幅に正規化して、位相ノイズ・スペクトル密度のベク
    トル配列を求めるステップとを具えた位相ノイズ・スペ
    クトル密度見積り方法。
  5. 【請求項5】 上記ステップ(a)は、上記波形記録に
    おける上記周期信号の立ち上がりエッジ基準交差時間を
    見積りるステップを有することを特徴とする請求項4の
    位相ノイズ・スペクトル密度見積り方法。
  6. 【請求項6】 上記ステップ(a)は、上記波形記録に
    おける上記周期信号の立ち下がりエッジ基準交差時間を
    見積りるステップを有することを特徴とする請求項4の
    位相ノイズ・スペクトル密度見積り方法。
  7. 【請求項7】 上記ステップ(a)は、 補間を用いて、上記波形記録における上記周期信号の見
    積った立ち上がり基準交差時間のベクトル配列を求める
    と同時に、補間を用いて、上記波形記録における上記周
    期信号の見積った立ち下がり基準交差の時間ベクトル配
    列を求めるステップと、 上記見積った立ち上がり基準交差時間のベクトル配列を
    上記見積った立ち下がり基準交差時間のベクトル配列と
    比較して、見積ったパルス幅偏差時間のベクトル配列を
    求めるステップとを有することを特徴とする請求項4の
    位相ノイズ・スペクトル密度見積り方法。
  8. 【請求項8】 上記ステップ(a)は、上記基準交差の
    上の少なくとも最初のデータ・サンプルと、上記基準交
    差の下の少なくとも最初のデータ・サンプルとの間を補
    間するステップを有することを特徴とする請求項4の位
    相ノイズ・スペクトル密度見積り方法。
  9. 【請求項9】 上記ステップ(b)は、上記基準交差時
    間の数と上記基準交差時間の和とから、平均傾斜を補間
    することを特徴とする請求項4の位相ノイズ・スペクト
    ル密度見積り方法。
  10. 【請求項10】 上記ステップ(e)は、上記ジッタ対
    時間のベクトル配列と、1秒当たりのラジアンで示す上
    記周期信号の平均周波数とを乗算することを特徴とする
    請求項4の位相ノイズ・スペクトル密度見積り方法。
  11. 【請求項11】 周期信号をデジタル的にサンプリング
    して取り込んだ波形記録における上記周期信号のジッタ
    を見積る方法であって、 (a)補間を用いて、上記波形記録における上記周期信
    号の見積った基準交差時間のベクトル配列を求るステッ
    プと、 (b)上記見積った基準交差時間のベクトル配列におけ
    る選択された数の基準交差と、上記波形記録における最
    初に選択した基準交差から最後に選択した基準交差まで
    の波形サンプルに関連した時間位置とに基づいて、見積
    った周期信号周波数を計算するステップと、 (c)上記見積った周期信号周波数に基づいて、均一に
    離間した理想的な基準交差時間のベクトル配列を求める
    ステップと、 (d)上記周期信号の上記理想的な基準交差時間と、対
    応して見積った基準交差時間との間の差を求めて、均一
    に離間したジッタ対時間のベクトル配列を求めるステッ
    プとを具えた周期信号のジッタ見積り方法。
  12. 【請求項12】 上記ステップ(a)は、上記波形記録
    における上記周期信号の立ち上がりエッジ基準交差時間
    を見積るステップを有することを特徴とする請求項11
    の周期信号のジッタ見積り方法。
  13. 【請求項13】 上記ステップ(a)は、上記波形記録
    における上記周期信号の立ち下がりエッジ基準交差時間
    を見積るステップを有することを特徴とする請求項11
    の周期信号のジッタ見積り方法。
  14. 【請求項14】 上記ステップ(a)は、 補間を用いて、上記波形記録における上記周期信号の見
    積った立ち上がり基準交差時間のベクトル配列を求める
    と同時に、補間を用いて、上記波形記録における上記周
    期信号の見積った立ち下がり基準交差時間のベクトル配
    列を求めるステップと、 上記見積った立ち上がり基準交差時間のベクトル配列を
    上記見積った立ち下がり基準交差時間のベクトル配列と
    比較して、見積ったパルス幅偏差時間のベクトル配列を
    求めるステップとを有することを特徴とする請求項11
    の周期信号のジッタ見積り方法。
  15. 【請求項15】 上記ステップ(a)は、上記基準交差
    の上の少なくとも最初のデータ・サンプルと、上記基準
    交差の下の少なくとも最初のデータ・サンプルとの間を
    補間するステップを有することを特徴とする請求項11
    の周期信号のジッタ見積り方法。
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