JP2007198764A - 周波数差測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】s-r変換器や高価なTICを用いることなく、規格化周波数偏差が0.1Hz以下の発振器間の周波数差Δуを簡単な構成で従来のDMTD法と同程度の精度で測定すること。
【解決手段】入力部に入力した信号に位相同期している置換発振器と、信号と置換発振器からの信号との位相差信号を出力する第1のダブルバランスミキサーと、入力部に入力した信号と置換発振器からの信号との位相差信号を出力する第2のダブルバランスミキサーと、信号それぞれAD変換するADコンバータと、ADコンバータから出力されるデータを解析し、離散的フーリエ変換を施して、信号と信号の周波数差Δуを出力する演算部とからなることを特徴とする周波数差測定装置である。
【選択図】なし

Description

本発明は、周波数差が0.1Hz以下の発振器間の周波数差を測定する周波数差測定装置に関する。
現在、国家的な時間・周波数標準は高い周波数安定度(例えば、1秒間で10-12から10-13、1日で10-15)を示す発振器を用いて実現されている。これを実現するために、例えば、１台の発振器に依存する代表時計方式が考えられる。しかし、この方式は発振器の性能の劣化や故障時の対応の難しさから採用されることは少ない。一般的には各国の標準研究所に高安定な発振器が複数台(通常は3台以上)管理され、常時、発振器間の位相差（時間変位差）の計測が行われ、その周波数差が監視されるという群管理方式がとられる。それにより時間・周波数標準の信頼性や安定性の向上が図られている。さらに、群管理方式で得られた時間変位差のデータは国際度量衡局(BIPM)に送られ、国際的な時系である国際原子時(TAI)の運用に貢献している。そのため、高い周波数安定度を示す発振器間の周波数差を高精度に算出することが非常に重要となっている。
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る方法としてDual Mixer Time Difference (DMTD)法（非特許文献１）が広く普及している。このDMTD法は、時間・周波数標準によく利用される10MHz信号間の周波数差の測定に関しては最高精度を示し、その性能は１秒当たりで10-14秒台の分解能を有する。
図7は、DMTD法による周波数差測定装置の一例を示す図である。
同図に示すように、この周波数差測定装置は、まず入力部3に入力した正弦波信号6に位相同期している置換発振器、正弦波信号6と置換発振器から出力されている正弦波信号7の位相差信号(周波数差は1Hｚから100Hzの間をとることが多い。)となる正弦波信号9を出力するダブルバランスミキサー3(以下、DBM3という)、入力部4に入力した正弦波信号8と置換発振器からの正弦波信号7の位相差信号となる正弦波信号10を出力するダブルバランスミキサー4（以下、DBM4という）、正弦波信号9を矩形波信号11に変換する正弦波−矩形波変換器1(以下、s-r変換器1という)、正弦波信号10を矩形波信号12に変換する正弦波−矩形波変換器2(以下、s-r変換器2という)、矩形波信号11をスタートトリガ、矩形波信号12をストップトリガとして時間間隔を測定するタイムインターバルカウンタ(以下、TICという)から構成される。
以下に、この周波数差測定装置において、入力部3、4から正弦波信号6、8が入力され、
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正弦波信号6、正弦波信号7、正弦波信号8の位相変化量はそれぞれ
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となる。
次に上記(7)、(8)式で示される位相を持つ正弦波信号9,10がs-r変換器1,2で矩形波信号11、12に変換される。なお、正弦波信号を矩形波信号に変換するのは、TCIに入力する信号が0電圧レベルを横切る時のスリューレートを大きくしてトリガが正確にかかるようにし、時間差計測をより正確に行うためである(例えば、正弦波信号を矩形波信号に変換する理由はTIMING SOLUTIONS社製TSC5110A の取扱説明書Section Vのpage2-3に説明されている)。
図8はTICにおける周波数差測定を説明するための図である。
同図において、矩形波信号11をスタートトリガ、矩形波信号12をストップトリガとし
Figure 2007198764
Figure 2007198764
Figure 2007198764
のように求めることができる。
D.W. Allan, Picosecond Timedifference Measurement System, Proc. 29th Annu. Symp. On Freq.Contrl., pp. 404-411, May 1975 "周波数と時間−原子時計の基礎/原子時の仕組み−",電気情報通信学会(平成元年10月1日初版発行:ISBN4-88552-085-1)、p14-15
Figure 2007198764
Figure 2007198764
って、スリューレートが大きい矩形波信号11,12に変換する必要があった。さらに、それらの時間差を測定するために高価なTICを必要とする欠点があった。
本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、s-r変換器や高価なTICを用いることなく、規
Figure 2007198764
程度の精度で測定することのできる周波数差測定装置を提供することにある。
本発明は、上記の課題を解決するために、下記の手段を採用した。
第１の手段は、第1の入力部に入力した第1の信号に位相同期している置換発振器と、
前記第1の信号と前記置換発振器から出力されている第2の信号との位相差信号となる第4の信号を出力する第1のダブルバランスミキサーと、第2の入力部に入力した第3の信号と前記置換発振器から出力されている第2の信号との位相差信号となる第5の信号を出力する第2のダブルバランスミキサーと、前記第4の信号をAD変換する第1のADコンバータと、前記第5の信号をAD変換する第2のADコンバータと、前記第1のコンバータと前記第2のコンバータでAD変換されたデータを解析し、離散的フーリエ変換を施して、第1の信号と第3の信号の周波数差を出力する演算部とからなることを特徴とする周波数差測定装置である。
第２の手段は、第1の入力部に入力した第1の信号に位相同期している置換発振器と、
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置である。
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いるので、離散的フーリエ変換の打切り誤差が無視できるようになり、従来のDMTD法においで必要であったs-r変換器やTICが必要でなくなり、簡便な方法でDMTD法と同程度の測定分解能を有する周波数差測定装置を得ることができる。
本発明の一実施形態を図1ないし図6を用いて説明する。
図1は、本実施形態の発明に係る周波数差測定装置の構成の概略を示す図である。
同図に示すように、この周波数差測定装置は、入力部1に入力した信号1に位相同期している置換発振器と、信号1と置換発振器から出力されている信号2の位相差信号となる信号4を出力するダブルバランスミキサー1（以下、DBM1という）と、入力部2に入力した信号3と置換発振器から出力されている信号2の位相差信号となる信号5を出力するダブルバランスミキサー2（以下、DBM2という）と、信号4をAD変換するADコンバータ1(以下、ADC1という)と、信号5をAD変換するADコンバータ2(以下、ADC2という)と、
Figure 2007198764
される。
以下に、この周波数差測定装置において、入力部1、2に入力される信号1、3の時間変位
Figure 2007198764
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となる。ここまではDMTD法の構成と同じである。
図2は、ADC1、2におけるAD変換と演算部における離散的フーリエ変換による周波数差測定を説明するための図である。
同図に示すように、(22)式で示される位相を持つ信号4と(23)式で示される信号5がサ
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として演算部で計算することにより得ることが出来る。
図1に示した周波数差測定装置は最良の構成を示すものであるが、測定分解能が従来技術と同程度であるかを確かめるための実験装置を図3に示す。
同図において、2つの入力部1、2に同一の発振器から作り出される同一の信号1、3が入力される。それらの信号1、3が上記の周波数差測定装置において記述した同様の方法で低周波信号にビートダウンされ、2つの信号を同時にAD変換する2チャンネルADコンバー
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上記において、2つの入力部1、2に同一の信号を入力するのは、信号間の時間変位差が0の一定値にならなければいけないことを利用できるためである。実際には、ケーブル長の差や、信号を分割する装置の特性により、一定の時間変位差のオフセットが発生するが、その値がどの程度一定かで分解能が評価される。時間周波数分野ではこのような目的にお
Figure 2007198764
図4は上記の実験装置と従来技術の装置の実験結果を示す図である。同図において、横
Figure 2007198764
ており、実用的には問題ない。このような差は1つの信号を2つに分割する装置や、信号を送信するケーブルの特性の時間的な変動に起因するものと考えられる。よって、図4の結果から、本発明に係る実験装置と従来技術に係るDMTD法によるものと同程度の分解能で時間変位差を測定し、それに基づいて周波数値を算出することが可能であると結論付けることが出来る。
実際に2つの入力部に周波数の異なる信号を入力して、時間変位差を測定して正しい周波数差が算出されるかどうかの実験を行った。図5はその実験装置を示す図であり、入力
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本発明の周波数差測定装置で提案した手法によるものと、DMTD法を用いたTSC5110Aによる結果を図６の表に示す。
Figure 2007198764
能な範囲まで、拡張することができる。
本発明に係る周波数差測定装置の構成を示す図である。 ＡＤ変換と離散的フーリエ変換による周波数差測定を説明するための図である。 分解能を評価するための本発明に係る周波数差測定装置の実験装置の構成を示す図である。 本発明に係る周波数差測定装置と従来技術に係るDMTD法による周波数差測定装置の分解能を評価したグラフを示す図である。 時間変位差計測を用いた本発明に係る周波数差測定装置の実験装置の構成を示す図である。 本発明に係る周波数差測定装置と従来技術に係る周波数差測定装置において異なる周波数を入力したときの実験結果を示す表である。 従来技術に係るDMTD法を用いた周波数差測定装置の構成を示す図である。 来技術に係るDMTD法を用いた周波数差測定装置のTICによる周波数測定を説明するための図である。

Claims (2)

  1. 第1の入力部に入力した第1の信号に位相同期している置換発振器と、
    前記第1の信号と前記置換発振器から出力されている第2の信号との位相差信号となる第4の信号を出力する第1のダブルバランスミキサーと、
    第2の入力部に入力した第3の信号と前記置換発振器から出力されている第2の信号との位相差信号となる第5の信号を出力する第2のダブルバランスミキサーと、
    前記第4の信号をAD変換する第1のADコンバータと、
    前記第5の信号をAD変換する第2のADコンバータと、
    前記第1のコンバータと前記第2のコンバータでAD変換されたデータを解析し、離散的フーリエ変換を施して、第1の信号と第3の信号の周波数差を出力する演算部と
    からなることを特徴とする周波数差測定装置。
  2. 第1の入力部に入力した第1の信号に位相同期している置換発振器と、
    Figure 2007198764
    Figure 2007198764
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