JP2005221375A - 移相器を用いた直接校正によるコリレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 従来型のコリレータでは、２つの波（電磁波）の複素振幅比を高精度に求めることができるが、予め移相器を任意の位置から１周期分動かし、システムパラメータを導出する校正手順と、複素振幅比を求めるために、測定した電力値（または、そこから得られる電圧値）から、これらのシステムパラメータを含む連立方程式を解く手順が必要である。しかしながら、ＢＰＳＫやＱＰＳＫ復調器に要求される位相差が分かれば十分な場合、従来のコリレータのままの構成では複雑になり、復調器として必要な変換速度を満足することは困難であった。
【解決手段】 本発明は、これらのコリレータを用いたシステムに要求される位相差の測定を、簡単な構成かつ安価に実現する手段を提案する。従来必要であったシステムパラメータを求めるための複雑な校正手順や、複素振幅比導出のための連立方程式を解くことなく、簡単な校正と電力値（電圧値）の比較から、直接位相差を測定する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、高周波領域（マイクロ波帯、ミリ波帯、サブミリ波帯、テラヘルツ帯）、光領域（赤外線、可視光線、紫外線）などにおける、位相測定技術や、位相変復調技術に関する。

従来、高周波領域において困難だった複素振幅比（振幅比と位相差）を容易に測定する手段として、電磁波計測において基本測定量であり、計測精度が周波数にほとんど依存しない電力値（または、そこから得られる電圧値）のみから求めることができる、６ポート型コリレータ（Six-Port Wave-Correlator）や７ポート型コリレータ（Seven-Port Wave-Correlator）を、本願出願人が考案した。
６ポート型コリレータの例を図１に示す。
なお、コリレータ（Wave-Correlator）とは２つの波を比較する装置を意味し、本願出願人が考案した技術用語である。
特開２００３−２１５１８３号公報

これらのコリレータは複素振幅比を高精度に求めることができるが、予め移相器を任意の位置から１周期分動かし、コリレータのハードウェアに依存するパラメータ（システムパラメータ）を導出する校正手順と、複素振幅比を求めるために、測定した電力値（電圧値）から、これらのシステムパラメータを含む連立方程式を解く手順が必要である。
１°程度の単位の高精度測定が要求されるＶＮＡ（Vector Network Analyzer）のような用途に用いる場合、上記校正手順や、連立方程式を解くための手段として、現状ではＰＣ、マイコン、もしくはＤＳＰ（Digital Signal Processor）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを用いる必要があるが、例え用いたとしても従来型のＶＮＡよりも遥かに安価に実現でき、実用上十分な測定速度が得られるため、問題にはならなかった。

しかしながら、ＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）、ＱＰＳＫ（Quadrature ＰＳＫ）復調器に要求される位相差が分かれば十分な場合、従来のコリレータのままの構成では複雑かつ高速化が難しかった。
従来のＱＰＳＫ復調器で、同期検波の例として、コスタス形（Costas）復調回路を図２（ａ）、非同期検波の例として遅延検波形を図２（ｂ）に示す。いずれもＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator ，電圧制御発振器）、乗算器すなわちミクサや、移相器など、周波数が高くなればなるほど高精度な部品が要求されて高価になり、設計が困難となる。

これに対しコリレータは、このような高精度なハードウェアの要求から開放され、ハードウェアの不完全さを校正によって補正できるのが特長であるが、コリレータの後の処理に、従来の構成ではＡ／ＤコンバータやＰＣなどを用いる分だけ構成が複雑になり、復調器として必要な変換速度（ＭｂｐｓやＧｂｐｓ）を満足することが困難であった。

本発明は、これらコリレータを用いた位相差の測定を、簡単な構成かつ安価に実現する手段を提供する。
従来必要であったシステムパラメータを求めるための複雑な校正手順や、複素振幅比導出のための連立方程式を解くことなく、簡単な校正と電力値（電圧値）の比較から、直接位相差を測定するものである。

以上説明したように、本発明による手段により、従来必要だった複雑な校正手順、校正時のシステムパラメータの導出や複素振幅比を求める連立方程式を解く必要がなく、受信機の復調器に要求される位相差のみが分かれば十分なコリレータを、簡単な構成、かつ安価に実現することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照しながら説明する。
図３は、受信機のＱＰＳＫ復調器としての実施例を示す。
図３に示すように、電力分配器１、６ポート型コリレータ２、検波器（ディテクタ）３、変換器４、搬送波再生器５で構成される。移相器６は校正時のみ使用する。

図３に示す変換器４は、図４に示すように、基準電圧源Ｖ_ＴＨ３Ａ〜Ｖ_ＴＨ６Ａ、比較器（コンパレータ）７、変換テーブル（真理値表）８で構成される。
ポート(3) からポート(6) の出力は、検波器３のＰ_３〜Ｐ_６で電力から電圧Ｖ_３Ａ〜Ｖ_６Ａに変換して出力される。
搬送波再生には、遅延検波方式を用いる。１つ前のデータによって移相量を変化させることにより、搬送波を再生する。
位相差を測定する前に、予め校正が必要である。
始めに、位相差が既知である標準器を図３の移相器６部分に接続し、ポート(3) からポート(6) の出力を測定する。次に、図３に示すように移相器６を接続し、１周期分の出力特性をとる。標準器を接続したときの出力と、出力特性が一致するように位相差を決定する。
周波数が高くなると、高精度、高確度なハードウェアの実現は困難となるが、本校正手順により、高精度、高確度に補正できる。

単純に考えるためコリレータは、図５に示すように、基準電圧Ｖ_ＴＨ３Ａ〜Ｖ_ＴＨ６ＡをＶ_ＴＨと等しいものとして９０°ごとに単一のポートだけが基準電圧Ｖ_ＴＨ３Ａ〜Ｖ_ＴＨ６Ａを超えるように構成されているものとし、図５のように校正したものとする。
基準電圧との比較により、位相差を容易に判別することができる。この場合、変換テーブルは図６のように、各出力と１対１に対応することになる。
Ａ／Ｄコンバータを使用せず、比較器と変換テーブルを使用しているため、復調器として十分な変換速度（ＭｂｐｓやＧｂｐｓオーダ）を得ることができる。

ここでは、単一の基準電圧で、ある位相差のときに単一のポートのみが１を出力する場合について示したが、コリレータのハードウェア構成を変更し、基準電圧との比較数を増やし、変換テーブルを変更することにより、８ＰＳＫ、１６ＰＳＫなどのような複雑な変調信号の復調も行うことができる。
また、コリレータの出力の複雑さに応じて、６ポート型のみならず、３ポート型、４ポート型、５ポート型、７ポート型なども使用することができる。

別の実施例として、コリレータへの２つの入力レベルが等しいことを前提とする、３ポート型コリレータを用いたＢＰＳＫ復調器の実施例を図７に、その検波出力を図８に示す。
図７中の３ポート型コリレータは電力分配器２１で構成される。
基準電圧Ｖ_ＴＨ３Ｂを、位相差が９０°〜２７０°でＶ_３Ｂより上回るように設定することにより、復調することができる。
また、４ポート型コリレータを用いた８ＰＳＫ復調器の実施例を図９に、その変換器１４を図１０に、検波出力を図１１に、変換テーブルを図１２に示す。
図９中の４ポート型コリレータは、９０°ハイブリッドで構成される。基準電圧は、図１１に示すように位相差が４５°〜１３５°の間で、Ｖ_３Ｃが上回るようにＶ_ＴＨＭを、位相差０°〜１８０°の間でＶ_３Ｃが上回るようにＶ_ＴＨＬを、位相差が２２５°〜３１５°の間でＶ_３Ｃが上回るようにＶ_ＴＨＫを設定すると、比較器の出力Ｖ_０３Ｋ〜Ｖ_０３Ｍ、Ｖ_０４Ｋ〜Ｖ_０４Ｍの組み合わせにより、復調器出力Ｏ_３Ｃ〜Ｏ_１Ｃを得ることができる。

上述した２つの実施例では、コリレータへの２つの入力レベルが等しいことを前提とするとしてあるが、２つの入力レベルを等しくする、言い換えると入力レベルを一定にすることはＡＧＣ（Automatic Gain Control）に代表されるように、一般の受信機でごく普通に行われていることであり、容易に実現できる。
また、上記すべての実施例では、受信機の復調器に使用する場合として示したが、このままの状態でも、局部発振器を必要としない非常に簡単な受信機として使用できることは明らかである。

６ポート型コリレータの例（校正時の構成）。 ＱＰＳＫ復調器の例。 ６ポート型コリレータによるＱＰＳＫ復調器の実施例。 図３に示す変換器の構成図。 図３に示す検波器の出力特性。 図４に示す変換テーブルの真理値表。 ３ポート型コリレータによるＢＰＳＫ復調器の実施例。 図７に示す検波器の出力特性。 ４ポート型コリレータによる８ＰＳＫ復調器の実施例。 図９に示す変換器の構成図。 図９に示す検波器の出力特性。 図10に示す変換テーブルの真理値表。

符号の説明

１，１１，２１，３２ 電力分配器
２，３４ ６ポート型コリレータ
３，１３，３５ 検波器（ディテクタ）
４，１４ 変換器
５，１５ 搬送波再生器
６，３３ 移相器
７，１７，１９ 比較器（コンパレータ）
８，１８ 変換テーブル（真理値表）
１２ ４ポート型接合コリレータ
２０ 基準電圧
３１ 発振源
３６ 電圧変換用Ａ／Ｄ
３７ 複素振幅比計算用ＰＣなど

Claims (3)

1. ポート(1) とポート(2) より成る２つの入力ポートと、残りのｎポート（ｎは自然数）を電力測定ポートとして構成し、前記入力ポート(1) と入力ポート(2) に入力した２つの波（電磁波）ａ_１とａ_２の複素振幅比を求めるようにした（２＋ｎ）ポート型コリレータであって、
   前記コリレータに移相器を接続して１周期分の各電力測定ポートの出力電力、または、そこから得られる電圧を測定し、比較するための基準電力または基準電圧を決定する校正と、校正後、その出力電力と基準電力、またはその出力電圧と基準電圧との比較によって位相差を求めるようにしたことを特徴とする移相器を用いた直接校正によるコリレータ。
2. 前記コリレータを用いて復調器を構成したことを特徴とする請求項１に記載の移相器を用いた直接校正によるコリレータ。
3. 前記コリレータを用いて受信機を構成したことを特徴とする請求項１に記載の移相器を用いた直接校正によるコリレータ。

Images