JP2006258664A - 位相雑音測定方法、位相雑音測定装置、および、位相雑音測定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】高レベルの位相雑音を有する信号の位相雑音を正しく測定する
【解決手段】位相検出器を具備する位相雑音測定器を用いて、被測定信号の位相雑音を測定する方法において、位相検出器へ入力する前に被測定信号を分周する。また、分周の比をＮとし、位相検出器の出力のレベルをＮ倍するか、位相検出器の出力をスペクトラム解析した結果のレベルを全体的にＮ倍する。
【選択図】図１

Description

本発明は、位相雑音を測定する技術に関し、特に、高レベルの位相雑音を測定する技術に関する。なお、高レベルの位相雑音とは、位相雑音測定のための位相検出器が飽和するような位相雑音をいう。

位相雑音測定は、一般に、入力信号の位相を位相検波器で検出し、さらに位相検波器の出力信号をスペクトラム解析することにより実施される（例えば、特許文献１を参照。）。位相検出器に入力される信号の位相雑音が極めて高い場合、位相検波器が飽和し、位相雑音の測定値が不正確となる。このような飽和を抑制するために、位相検波器と基準信号源とを含むＰＬＬ回路により入力信号の位相を検出する技術がある（例えば、特許文献２を参照。）。この技術によれば、位相検波器に入る雑音（入力信号間の位相差）が等価的に抑制されるので位相検波器の飽和が抑制される。

特開平４−３５０５７６号公報（第２頁、図４） 特開２００３−２８７５５５号公報（第２頁、図４）

しかし、このＰＬＬ回路を用いた位相検出技術は、ＰＬＬ回路のループ帯域外の位相雑音に起因する位相検出器の飽和を抑制することができない。さらに、ＰＬＬ回路のループ帯域外の位相雑音が所定のレベルを超えると、位相検波器の出力が極性反転するためにＰＬＬが成り立たなくなり、測定不能に陥る場合がある。準ミリ波帯またはミリ波帯の発振器には、上記の飽和や測定不能を生じさせるような高レベルの位相雑音を有する発振器が少なからずある。これらの発振器が出力する信号の位相雑音は、当然の事ながら、従来の位相雑音測定器で測定することができなかった。一方で、準ミリ波帯またはミリ波帯を使う通信が増加する傾向にあり、準ミリ波帯またはミリ波帯の信号の位相雑音を測定する技術が望まれている。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明のそれぞれは以下に示すとおりである。すなわち、本第一の発明は、位相検出器を用いて被測定信号の位相雑音を測定する方法であって、前記位相雑音測定器へ入力する前に前記被測定信号を分周するステップを含むことにより、前記位相雑音測定器内の位相検出器の飽和を抑制し、前記位相雑音測定器が従来に比べて高いレベルの位相雑音を測定できるようにしたことを特徴とするものである。

本第二の発明は、本第一の発明において、前記分周の比をＮとし、前記位相雑音測定器が測定した前記被測定信号の位相雑音レベルをＮ倍するステップを含むことを特徴とするものである。

本第三の発明は、本第一の発明または本第二の発明において、前記位相検出器を具備する位相雑音測定器が前記分周比を制御するステップを含むことを特徴とするものである。

本第四の発明は、被測定信号の位相雑音を測定する測定器であって、前記被測定信号を分周する分周器を備えることにより、前記位相雑音測定器内の位相検出器の飽和を抑制し、前記位相雑音測定器が従来に比べて高いレベルの位相雑音を測定できるようにしたことを特徴とする測定器。

本第五の発明は、本第四の発明において、前記分周器の分周比をＮとし、測定された前記被測定信号の位相雑音レベルをＮ倍する演算装置または増幅装置を備えることを特徴とするものである。

本第六の発明は、本第四の発明または本第五の発明において、前記分周器の分周比を制御するための制御装置を備えることを特徴とするものである。

本第七の発明は、位相雑音測定器または前記位相雑音測定器を制御する装置に実行させるためのプログラムであって、前記位相雑音測定器により測定された、Ｎ分周された被測定信号の位相雑音レベルをＮ倍するステップ、を実行させることを特徴とするプログラム。

本第八の発明は、本第七の発明において、前記位相雑音測定器または前記制御装置に、前記分周器の前記分周比を制御するステップを、さらに実行させることを特徴とするものである。

本発明によれば、従来に比べて高いレベルの位相雑音を有する信号を測定することができる。また、位相検波器の動作可能周波数範囲内に収まるように被測定信号を周波数変換するための周波数ダウンコンバータが不要になる。これにより、測定系全体のコストも低減される。

本発明の実施の形態を、添付の図面を参照しながら、以下に説明する。ここで、図１を参照する。図１は、本発明の第一の実施形態である位相雑音測定システム１０のブロック図を示す。図１において、位相雑音測定システム１０は、分周器１００と、位相雑音測定器２００とを備える。分周器１００は、入力信号を所定の比率Ｎで分周する装置である。分周比Ｎは、外部制御が可能である。分周器１００の入力は、被測定信号Ｍを発生する装置２０の出力に接続されている。従って、分周器１００は、被測定信号Ｍの周波数を１／Ｎにして出力する。位相雑音測定器２００は、入力信号の位相雑音を測定する装置である。位相雑音測定器２００は、位相検出部２１０と、スペクトラム解析部２２０と、演算部２３０と、制御部２４０と、インタフェース部２５０とを備える。位相雑音測定器２００は、分周器１００の出力に接続されており、分周器１００の出力信号の位相雑音を測定する。なお、図１中において、インタフェース部はＩ／Ｆ部と略称されている。

位相検出部２１０は、入力信号の位相を検出し、検出した位相信号を出力する装置である。位相検出部２１０の入力は、分周器１００の出力に接続されている。スペクトラム解析部２２０は、入力信号のスペクトラムを解析する装置である。スペクトラム解析部２２０の入力は、位相検出部２１０の出力に接続されている。演算部２３０は、スペクトラム解析部２２０の解析結果を演算処理する装置である。制御部２４０は、プログラムを実行することにより、位相雑音測定器２００内の各構成要素を制御する装置である。スペクトラム解析部２２０および演算部２３０および制御部２４０は、例えば、ＣＰＵもしくはＤＳＰなどのプロセッサ、または、コンピュータなどである。インタフェース部２５０は、位相雑音測定器２００の外部と通信するための入出力装置である。インタフェース部２５０は、分周器１００に接続されている。インタフェース部２５０は、例えば、オペレータに測定結果を表示するための液晶ディスプレイ、オペレータの指示を受信するボタン、または、外部装置と通信するためのＬＡＮインタフェースなどを含む。スペクトラム解析部２２０、演算部２３０、制御部２４０およびインタフェース部２５０は、バス２６０を介して互いに接続される。バス２６０は、制御やデータ転送のために使用される。

位相検出部２１０は、位相検出器を用いたＰＬＬを備える。念のため、位相検出部２１０の内部構成についても触れておく。ここで、図２を参照する。図２は、位相検出部２１０のブロック部である。図２において、位相検出部２１０は、位相検出器２１１と、可変利得増幅器２１２と、ループフィルタ２１３と、外部制御発振器２１４を備える。位相検出器２１１は、入力される２信号の位相差を検出し、位相信号として出力する。位相検出器２１１は、一般的には、リング変調器形が用いられる。しかし、これに制限されるわけではない。位相検出器２１１は、他の位相検出器、例えば、ベクトル合成形やスイッチ形を含むアナログ位相検出器、または、ディジタル位相検出器のいずれのものも使用可能である。また、外部制御発振器２１４は、ループフィルタの出力に応答して、出力信号の周波数または位相を変化する発振器である。なお、位相検出部２１０の動作原理については、周知であるので、詳細な説明を省略する。

次に、上記のように構成される位相雑音測定システム１０の動作について説明する。位相雑音測定システム１０の動作は、制御部２４０によって制御される。制御部２４０には、必要なプログラムが予めロードされている。制御部２４０は、そのプログラムを実行することにより、位相雑音測定システム１０の動作を制御する。ここで、図１と図３を参照する。図３は、位相雑音測定システム１０の一連の動作を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１０において、分周器１００の分周比を設定する。具体的には、制御部２４０がインタフェース部２５０を介して分周器１００を制御し、分周器１００の分周比を設定する。なお、設定される分周比Ｎは、整数または小数のいずれでも良い。また、分周比Ｎは、インタフェース部２５０を介して位相雑音測定器２００へ事前に入力される。さらに、分周器１００の分周比が固定であるか、手動で変更しなければならない場合には、本ステップの処理は不要である。

次に、ステップＳ２０において、分周器１００が被測定信号Ｍを分周する。これにより、被測定信号Ｍは、Ｎ分周されて、位相雑音測定器２００に印加される。ここで、分周された被測定信号Ｍを、被測定信号Ｍｄとする。

次に、ステップＳ３０において、被測定信号Ｍｄの位相雑音を測定する。被測定信号Ｍｄは、位相検出部２１０で位相情報が検出される。検出された位相情報は、位相信号として、スペクトラム解析部２２０に印加される。スペクトラム解析部では、入力された位相信号のスペクトラムを解析する。得られたスペクトラムが、被測定信号Ｍｄの位相雑音である。ここで、被測定信号Ｍｄの位相雑音をＰｄとする。なお、スペクトラム解析は、ＦＦＴ処理により行われる。また、スペクトラム解析手法に制限はなく、掃引信号源（sweeper）を用いたスペクトラムアナライザなどであっても良い。

最後に、ステップＳ４０において、測定された位相雑音Ｐｄを補正する。位相雑音Ｐｄは、被測定信号Ｍの位相雑音Ｐのレベルが１／Ｎになったものである。そこで、本ステップでは、位相雑音Ｐを得るために、位相雑音ＰｄのレベルをＮ倍にするような補正を行う。位相雑音ＰｄのレベルをＮ倍する方法は、幾つかある。例えば、演算部２３０が位相雑音Ｐｄの測定結果をスペクトラム解析部２２０から取得し、測定された位相雑音Ｐｄのレベルを全体的にＮ倍する。位相雑音Ｐｄの測定結果は、一般に、対数グラフ上にｄＢ／Ｈｚの単位でプロットされるので、グラフ上で表示される位相雑音Ｐｄの測定結果のレベルに２０ｌｏｇ_１０（Ｎ）を加えるか、位相雑音Ｐｄのレベルを表す目盛りの指示値を変更するようにしても良い。さらに、位相雑音Ｐｄのレベルを実質的にＮ倍する他の方法を採用しても良い。なお、位相雑音Ｐｄの波形形状だけを観測する時などのようにレベル補正が不要な場合には、本ステップの処理は不要である。

ここで、図４と図５を参照しながら、本発明の効果について簡単に説明する。図４は、被測定信号Ｍを分周せずに位相雑音測定器２００に印加して被測定信号Ｍの位相雑音Ｐを測定した結果Ａと、図１に示す位相雑音測定システムにより位相雑音Ｐｄを測定した結果Ｂが表示されている。なお、この場合の被測定信号Ｍは、位相検出器２１１が飽和するような高い位相雑音を有する。図４を見て明らかなように、結果Ａは全体的に大きく波打ち、正しく測定されなかった結果である事が分かる。一方、同図において、結果Ｂは、全体的には右下がりのなだらかな直線であり、正しく測定された結果であることが分かる。次に、図５を参照する。図５は、図４に示す結果Ａと結果Ｂに加えて、結果Ｂを補正した結果Ｃが示されている。図５の結果Ｃは、被測定信号Ｍが５分周された信号の位相雑音の測定結果を補正したものである。結果Ｃは、結果Ｂと比べると、２０ｌｏｇ_１０（５）≒１４ （ｄＢ）のレベル補正が全体的に施されている。

なお、分周器１００によって付加される測定不確実性は、分周器１００が持つ白色雑音によるもののみと考えられ、これは予測可能である。例えば、その予測値は、位相雑音測定システム１０全体の雑音レベル、すなわち、測定下限の推定に使われる。分周器１００の白色雑音の影響が及ばない範囲では、位相雑音測定システム１０の雑音レベルは位相雑音測定器２００に準じると考えられる。

ところで、第一の実施形態における位相雑音測定システム１０は、分周器１００の分周比の設定と位相雑音レベルの補正を位相雑音測定器２００が行っている。しかし、それら分周比の設定とレベル補正は、少なくとも一方を外部処理装置に実施させるようにしても良い。その場合の一例として、図６に示す位相雑音測定システム４０がある。位相雑音測定システム４０は、位相雑音測定システム１０にコンピュータ３０を付加したものである。コンピュータ１０は、インタフェース部２５０を介して、位相雑音測定器２００の各構成要素と通信する。そして、コンピュータ１０は、位相雑音測定器２００の代わりに分周器１００の分周比を設定する。また、コンピュータ１０は、演算部２３０の代わりに位相雑音Ｐｄの測定結果にレベル補正を施す。

また、第一の実施形態において、位相雑音ＰｄのレベルをＮ倍するために、位相検出部２１０の出力をＮ倍しても良い。位相検出部２１０の出力をＮ倍することは、位相雑音Ｐｄのレベルを全体的にＮ倍することと等価だからである。この場合、位相雑音測定とレベル補正の順序が逆になる。例えば、位相検出部２１０の出力を演算部２３０でＮ倍した後、スペクトラム解析部２２０で処理して、位相雑音Ｐを得る。あるいは、位相検出部２１０の出力とスペクトラム解析部２２０の入力との間に、固定利得増幅装置または可変利得増幅装置を備えるようにしても良い。その場合の可変利得増幅装置の利得は、制御部２４０により調整可能であることが望ましい。

ところで、第一の実施形態において、被測定信号Ｍは分周されるので、位相雑音測定器２００が入力信号の周波数に応じた機能を有する場合、本来とは異なる動作をする可能性がある。これを防止するために、位相雑音測定器２００は入力信号の周波数を補正すれば良い。例えば、入力信号の周波数を測定して表示する時に、周波数をＮ倍してから表示すれば良い。

なお、本発明は、位相検出器の飽和などを回避する技術として、被測定信号の位相変調波を測定する場合にも有効に適用できることは言うまでもない。つまり、被測定信号の位相変調波を位相検出器で検出する前に、被測定信号をＮ分周すれば良い。また、必要であれば、本来の位相変調波と同等の信号が得られるように、位相検出器の出力レベルをＮ倍すれば良い。なお、レベル補正には、増幅装置や演算装置を用いれば良い。念のため、被測定信号の位相変調波を測定する場合の実施態様を以下に列挙する。位相雑音測定器２００を位相変調波測定器に、スペクトラム解析部２２０を位相変調波測定部に、それぞれ置き換えながら図１を参照することにより、これらの実施態様を一層深く理解できるであろう。

（実施態様Ａ）
位相検出器を用いて、被測定信号の位相変調波を測定する方法であって、
前記位相検出器へ入力する前に前記被測定信号を分周するステップを含むことを特徴とする方法。

（実施態様Ｂ）
前記分周の比をＮとし、前記位相検出器の出力のレベルを実質的にＮ倍するステップを含むことを特徴とする実施態様Ａに記載の方法。

（実施態様Ｃ）
被測定信号の位相変調波を測定する測定器であって、
前記被測定信号を分周する分周器を備えることを特徴とする測定器。

（実施態様Ｄ）
前記分周器の分周比をＮとし、測定される前記位相検出器の出力レベルを実質的にＮ倍する演算装置または増幅装置を備えることを特徴とする実施態様Ｃに記載の測定器。

（実施態様Ｅ）
位相変調波測定器または位相変調波測定器を制御する装置に実行させるためのプログラムであって、
前記位相変調波測定器により測定された、Ｎ分周された被測定信号の位相変調波レベルを実質的にＮ倍するステップ、
を実行させることを特徴とするプログラム。

本発明の第一の実施形態である位相雑音測定システム１０を示すブロック図である。 位相検出部２１０を示すブロック図である。 位相雑音測定システム１０の動作を示すフローチャートである。 位相雑音の測定結果を示す図である。 位相雑音の測定結果を示す図である。 位相雑音測定システム１０の変形例である位相雑音測定システム４０を示すブロック図である。

符号の説明

１０，４０ 位相雑音測定システム
３０ コンピュータ
１００ 分周器
２００ 位相雑音測定器
２１０ 位相検出部
２１１ 位相検出器
２１２ 可変利得増幅器
２１３ ループフィルタ
２１４ 外部制御発振器
２２０ スペクトラム解析部
２３０ 演算部
２４０ 制御部
２５０ インタフェース部
２６０ バス

Claims (7)

1. 位相検出器を用いて、被測定信号の位相雑音を測定する方法であって、
   前記位相検出器へ入力する前に前記被測定信号を分周するステップを含むことを特徴とする位相雑音測定方法。
2. 前記分周の比をＮとし、前記位相検出器の出力のレベル、または、前記出力から得られる前記被測定信号の位相雑音のレベルを実質的にＮ倍するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 被測定信号の位相雑音を測定する測定器であって、
   前記被測定信号を分周する分周器を備えることを特徴とする測定器。
4. 前記分周器の分周比をＮとし、測定された前記被測定信号の位相雑音レベルを実質的にＮ倍する演算装置または増幅装置を備えることを特徴とする請求項３に記載の測定器。
5. 前記分周器の分周比を制御するためのインタフェースを備えることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の測定器。
6. 位相雑音測定器または前記位相雑音測定器を制御する装置に実行させるためのプログラムであって、
   前記位相雑音測定器により測定された、Ｎ分周された被測定信号の位相雑音レベルを実質的にＮ倍するステップ、
   を実行させることを特徴とするプログラム。
7. 前記位相雑音測定器または前記制御装置に、前記分周比を制御するステップを、さらに実行させることを特徴とする請求項６に記載の方法。
   

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