JP2008020297A

JP2008020297A - サンプリング装置および波形観測装置

Info

Publication number: JP2008020297A
Application number: JP2006191788A
Authority: JP
Inventors: Takahito Igawa; 考人井川; Akihito Otani; 昭仁大谷; Yukio Tsuda; 幸夫津田
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2008-01-31

Abstract

【課題】ＮＲＺ方式の入力信号に対するサンプリングで得られた包絡線信号に同期したクロック成分信号を確実に生成することができるようにする。
【解決手段】入力信号ｘ（ｔ）をその波形の繰り返し周期の複数倍に対して差のある周期でサンプリングし、サンプリングで得られた振幅値を順次結んだ波形の包絡線信号ｈ（ｔ）を出力するサンプリング部２１と、包絡線信号ｈ（ｔ）のビットレートと同一周波数の正弦波の信号をクロック成分信号として生成出力するクロック成分信号生成部２２とを有するサンプリング装置において、クロック成分信号生成部２２は、包絡線信号ｈ（ｔ）の波形を歪ませ、包絡線信号ｈ（ｔ）の基本波成分の２倍の周波数成分を生じさせる非線形回路２３と、非線形回路２３の出力信号ｇ（ｔ）から包絡線信号ｈ（ｔ）の基本波成分の２倍の周波数成分を抽出するフィルタ２６とを含み、ＮＲＺ方式の入力信号ｘ（ｔ）に対して得られた包絡線信号ｈ（ｔ）からクロック成分信号ｑ（ｔ）を生成出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、信号、特に周波数が非常に高い信号の波形を安定に観測できるようにするための技術に関する。

例えば、光信号伝送システムでは、送信側で強度一定の光を２値データ「０」、「１」で強度変調し、その変調された光信号を光ファイバ等からなる伝送路を介して受信側に伝送している。

このような光信号伝送システムを伝送する光信号の品質を調べるために、その光信号を受光素子に入射し、受光素子の出力信号をオシロスコープに入力して波形を観測することがよく行われている。

ここで、光信号を変調しているデータ信号の周波数（ビットレート）が、オシロスコープで表示可能な信号の上限周波数より十分低ければ、その受光信号を安定に観測することができるが、光信号を変調している信号の周波数が、オシロスコープで表示可能な信号の上限周波数を超える場合には、受光信号の波形を安定に観測することはできない。

このように周波数が高い信号の波形を観測するための方法として、等価時間サンプリング方式がある。

この等価時間サンプリング方式は、観測対象の入力信号の波形の繰り返し周期Ｔｘ（＝１／ｆｘ）の複数Ｍ倍より僅かに長い周期Ｔｓ、即ち、
Ｔｓ＝Ｍ・Ｔｘ＋ΔＴ
を満たす周期Ｔｓで入力信号をサンプリングして、その波形データをΔＴの分解能で得る方式である。

具体的に言えば、サンプリング周波数ｆｓが１０ＭＨｚ（周期Ｔｓ＝１００ｎｓ）の近傍に制限されているものとして、入力信号の波形の繰り返し周期Ｔｘが１００ｐｓ（ｆｘ＝１０ＧＨｚ）、ΔＴ＝１ｐｓとすると、Ｔｓ／Ｔｘ＝１０００となり、これをＭの値とすると、
Ｔｓ＝１０００・１００＋１（ｐｓ）
＝１００．００１（ｎｓ）
でサンプリングすることで、繰り返し周波数１０ＧＨｚの信号の波形データを１ｐｓの分解能で得ることができる。

また、上記のような等価時間サンプリング方式で得られた信号の繰り返し周波数ｆｈは、
ｆｈ＝Ｍ・Ｔｘ／ΔＴ＝１０００・１００／１＝１００（ｋＨｚ）
となり、低速な処理装置で対応することができる。

なお、このような等価時間サンプリング方式で信号をサンプリングしてその波形を表示する技術は、例えば次の特許文献１に開示されている。

特開２００２−０７１７２４号公報

ところで、上記のような等価時間サンプリング方式で得られた信号を例えばオシロスコープに入力してその波形を観測する場合、観測対象の信号に同期した信号をトリガ端子に入力して、波形表示開始位置を特定しないと、表示波形を静止させることができない。

したがって、上記のようなサンプリング装置では、サンプリングで得られた信号のクロック成分に等しい周波数のクロック成分信号を生成する必要がある。

ここで、入力信号が例えば図８の（ａ）のようなＲＺ（return to zero）方式であれば、サンプリングで得られた信号もＲＺ信号であり、その信号にはクロック成分が大きなレベルで含まれているので、その信号から狭帯域なフィルタを用いてクロック成分を抽出することができる。

ところが、入力信号が図８の（ｂ）のようなＮＲＺ方式（non return to zero）の場合、その信号およびサンプリングで得られた信号には理論上クロック成分は含まれていないため、上記のようなフィルタのみでクロック成分信号を生成することはできない。

これを解決する方法として、サンプリングで得られた信号と、その信号を遅延した信号とのＥＸＯＲをとり、クロック成分を抽出する方法も考えられるが、この方法は、再生対象の信号の周波数範囲が限定されている場合には有効であるが、広い周波数範囲の信号波形に対応することは極めて困難である。

本発明は、上記問題を解決して、ＮＲＺ方式の入力信号に対するサンプリングで得られた包絡線信号に同期したクロック成分信号を確実に生成することができ、その包絡線信号の波形を安定に表示させることができるサンプリング装置および波形観測装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１のサンプリング装置は、
２値データで振幅変調された入力信号を、該入力信号の波形の繰り返し周期の複数倍に対して差のある周期でサンプリングし、該サンプリングで得られた振幅値を順次結んだ波形の包絡線信号を出力するサンプリング部（２１）と、
前記包絡線信号のビットレートと同一周波数の正弦波の信号をクロック成分信号として生成出力するクロック成分信号生成部（２２）とを有するサンプリング装置において、
前記クロック成分信号生成部は、
前記包絡線信号の波形を歪ませ、該包絡線信号の基本波成分の２倍の周波数成分を生じさせる非線形回路（２３）と、
前記非線形回路の出力信号から前記包絡線信号の基本波成分の２倍の周波数成分を抽出するフィルタ（２６）とを含んでおり、
ＮＲＺ方式の入力信号に対して前記サンプリング部で得られた前記包絡線信号から前記クロック成分信号を生成出力することを特徴としている。

また、本発明の請求項２のサンプリング装置は、請求項１記載のサンプリング装置において、
前記クロック成分信号生成部は、
前記フィルタの出力信号のレベルを検出するレベル検出回路（２７）と、
前記レベル検出回路で検出されるレベルに基づいて前記非線形回路を制御し、前記フィルタの出力信号のレベルを所定値以上に保持する制御回路（２８）とを有していることを特徴としている。

本発明の請求項３のサンプリング装置は、請求項１または請求項２記載のサンプリング装置において、
前記非線形回路は、
前記包絡線信号の直流平均レベルがほぼ０ボルトとなるように調整するレベル調整回路（２４）と、
前記レベル調整回路の出力信号に対して、偶数乗演算、絶対値演算、絶対値のべき乗演算のいずれかを行う演算回路（２５）とにより構成されていることを特徴としている。

また、本発明の請求項４の波形観測装置は、
前記請求項１〜３のいずれかに記載のサンプリング装置と、
表示器（３５）と、
前記サンプリング装置から出力されるクロック成分信号のレベルがトリガレベルを越えたタイミングから、前記サンプリング装置のサンプリング部から出力された包絡線信号の波形データの取得を開始し、取得した包絡線信号の波形を前記表示器に表示する表示制御部（３４）とを有している。

このように、本発明のサンプリング装置は、入力信号に対する等価時間サンプリング方式によるサンプリングで得られた包絡線信号の波形を歪ませて、その包絡線信号の基本波成分の２倍の周波数成分を生じさせてこれをフィルタにより抽出するので、ＮＲＺ方式の入力信号に対してクロック成分信号を確実に生成出力できる。

また、本発明の波形観測装置は、前記サンプリング装置から出力されるクロック成分信号のレベルがトリガレベルを越えたタイミングから、前記サンプリング装置のサンプリング部から出力された包絡線信号の波形データの取得を開始し、取得した包絡線信号の波形を表示器に表示するので、ＮＲＺ信号の波形観測を容易に行える。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態のサンプリング装置２０の構成を示している。

図１において、サンプリング部２１は、入力端子２０ａを介して入力される入力信号ｘ（ｔ）を前記した等価時間サンプリング方式でサンプリングし、そのサンプリングで得られた振幅値を順次結んだ波形の包絡線信号ｈ（ｔ）を出力する。なお、ここでは、入力信号ｘ（ｔ）が２値データで強度変調された光信号とするが電気信号であってもよい。

サンプリング部２１は、サンプリング信号ｓ（ｔ）を出力するサンプリング信号発生器２１ａと、サンプリング信号ｓ（ｔ）を受けて光信号に対するサンプリングを行う電界吸収型変調器２１ｂと、電界吸収型変調器２１ｂから出力されるパルス光を受光する受光器２１ｃによって構成されている。

サンプリング信号発生器２１ａが出力するサンプリング信号ｓ（ｔ）の周波数ｆｓ（周期Ｔｓ）は、サンプリング条件設定手段２９により設定される。

サンプリング条件設定手段２９は、図示しない操作部等により、入力信号ｘ（ｔ）の波形の繰り返し周期Ｔｘ（周波数ｆｘ）および分解能ΔＴが指定されると、サンプリング信号発生器２１ａが出力できるサンプリング信号ｓ（ｔ）の周波数範囲（例えば１０ＭＨｚ±ａ）からＭの値を決定し、
Ｔｓ＝Ｍ・Ｔｘ＋ΔＴ
で決まる周期Ｔｓの情報をサンプリング信号発生器２１ａに与え、その周期Ｔｓのサンプリング信号ｓ（ｔ）を発生させる。

したがって、例えば図２の（ａ）のように波形の繰り返し周期Ｔｘで入力される信号ｘ（ｔ）に対して、図２の（ｂ）のように周期Ｔｓのサンプリング信号ｓ（ｔ）がサンプリング部２１に入力されると、そのサンプリング部２１からは、入力信号ｘ（ｔ）の時間軸を拡大した包絡線信号ｈ（ｔ）が図２の（ｃ）のように出力される。この包絡線信号ｈ（ｔ）は、出力端子２０ｂを介して外部に出力できるようになっており、また，クロック成分信号発生部２２に出力される。

クロック成分信号発生部２２は、ＮＲＺ形式の入力信号に対して得られた包絡線信号ｈ（ｔ）のビットレートと同一周波数の正弦波の信号をクロック成分信号ｑ（ｔ）として生成出力できるように構成されている。

このクロック成分信号生成部２２は、ＮＲＺ方式の信号には原理的に含まれていないクロック成分を生成できるように、非線形回路２３とフィルタ２６とを有している。

非線形回路２３は、包絡線信号ｈ（ｔ）の波形を歪ませ、その包絡線信号ｈ（ｔ）の基本波成分の２倍の周波数成分を生じさせるためのものであり、例えば図３に示すように、レベル調整回路２４と演算回路２５とにより構成されている。

レベル調整回路２４は、包絡線信号ｈ（ｔ）の直流平均レベルがほぼ０ボルトとなるように調整するものであり、例えば図４に示すように、コンデンサＣと抵抗Ｒによる直流阻止回路２４ａで、包絡線信号ｈ（ｔ）の直流平均レベルをほぼゼロボルト近傍にし、さらに、その出力信号ｈ（ｔ）−Ｄ′と、手動調整可能な直流電圧発生器２４ｂの出力電圧Ｖｄとを加算器２４ｃで加算（減算でもよい）して、包絡線信号ｈ（ｔ）の直流平均レベルをよりゼロボルトに近付けている。

なお、図４に示したレベル調整回路２４は直流阻止回路２４ａを有しているがこの直流阻止回路２４ａは必須でなく省略することもできる。

そして、このレベル調整回路２４の出力信号ｈ（ｔ）′に対して演算回路２５により、例えば偶数乗演算｛ｈ（ｔ）′｝^２Ｎ、絶対値演算｜ｈ（ｔ）′｜あるいは絶対値のべき乗演算｜ｈ（ｔ）′｜^Ｍを行う（Ｎは１以上の整数、Ｍは２つの整数ｍ、ｎでｎ／ｍと表される有理数）。

例えば、２乗演算の場合で、仮に図５の（ａ）に示す包絡線信号ｈ（ｔ）の直流レベルを調整することで、図５の（ｂ）のように、直流平均レベルがゼロボルトの信号ｈ（ｔ）′を得る。

そして、この信号ｈ（ｔ）′を２乗すると、図５の（ｃ）のように、負側の信号が正側に折り返された波形の信号ｇ（ｔ）を得ることができる。

ここで、信号ｈ（ｔ）′に含まれる交流信号の基本波成分をＡ cos ωｔとする（ω＝２πｆｈ）と、これを２乗した信号は、
Ａ^２cos^２
ωｔ＝Ａ^２cos ２ωｔ＋Ａ^２
と表すことができる。

この成分のうち、Ａ^２cos ２ωｔの成分は、元の包絡線信号の基本成分周波数ｆｈの２倍の周波数２ｆｈ、つまりＮＲＺ方式のクロック成分周波数に等しい。

したがって、この信号からフィルタ２６により周波数２ｆｈの成分を抽出することで、図５の（ｄ）のようにクロック成分と等しい正弦波の信号ｑ（ｔ）（クロック成分信号）を得ることができる。このクロック成分信号ｑ（ｔ）は出力端子２０ｃを介して外部へ出力される。

上記説明は、２乗演算の例であったが、４乗、６乗等、より高次の偶数乗演算でも元の包絡線信号の基本成分周波数ｆｈの２倍の周波数２ｆｈ、つまりＮＲＺ方式の信号のクロック周波数の成分が生成される。

また、信号ｈ（ｔ）′の絶対値｜ｈ（ｔ）′｜の波形は、図５の（ｃ）の信号ｇ（ｔ）と同様に、負側の信号が正側に折り返された波形となり、元の包絡線信号の基本成分周波数ｆｈの２倍の周波数２ｆｈ、つまりＮＲＺ方式の信号のクロック周波数の成分が生成される。さらに、この絶対値｜ｈ（ｔ）′｜のべき乗の演算で得られる信号についてもＮＲＺ方式の信号のクロック周波数成分が含まれている。

フィルタ２６は、通過中心周波数（２ｆｈ）が可変できるように形成され、その通過中心周波数２ｆｈは、次式を満たすように、サンプリング条件設定手段２９によって指定される。

ｆｈ＝Ｍ・Ｔｘ／ΔＴ

なお、サンプリング信号ｓ（ｔ）（あるいはこれに同期した信号）は、出力端子２０ｄを介して外部へ出力される。

このサンプリング装置２０を用いて信号ｘ（ｔ）の波形を観測する場合には、図１に示しているように、出力端子２０ｂをオシロスコープ１０の一つのチャンネル入力端子１０ａに接続し、出力端子２０ｃをオシロスコープ１０のトリガ入力端子１０ｂに接続し、さらに、出力端子２０ｄをオシロスコープ１０のクロック入力端子１０ｃに接続する。

オシロスコープ１０は、トリガ入力端子１０ｂに入力される信号ｑ（ｔ）と内部のトリガレベルと比較し、信号ｑ（ｔ）のレベルがトリガレベルを所定方向に超えるタイミングを基準タイミングとし、この基準タイミングからクロック端子１０ｃに入力されるサンプリング信号ｓ（ｔ）を受ける毎に、信号ｈ（ｔ）に対するサンプリングを行い、デジタル値に変換して、内部のメモリに記憶し、これを波形表示する。

ここで、前記したように、サンプリング装置２０から出力されるクロック成分信号ｑ（ｔ）は、包絡線信号ｈ（ｔ）のクロック周波数に完全に一致した周波数の正弦波信号であるので、トリガレベルを任意に可変すると、そのレベルに応じて、波形の表示開始位置が円滑に変化し、波形が流れることがなく安定な静止状態で表示させることができる。

なお、ここでは、非線形回路２３の動作条件（この例では直流調整レベル）を手動で最適な状態に設定する場合について説明したが、図６に示すクロック成分信号生成部２２のように、フィルタ２６の出力信号ｑ（ｔ）のレベルをレベル検出回路２７により検出し、その検出したレベルが所定値以上（あるいは最大）となるように制御回路２８で非線形回路２３の動作条件（例えば直流電圧Ｖｄ）を可変制御する構成にすれば、調整作業が不要となり、さらに便利である。

また、前記実施形態では、サンプリング装置２０とオシロスコープ１０とを併用して信号波形を観測しているが、図７に示すように、上記したサンプリング装置２０と同一構成要件と波形表示機能とを一体化した波形観測装置５０を構成することも可能である。

この波形観測装置５０は、包絡線信号ｈ（ｔ）をサンプリング信号ｓ（ｔ）でサンプリングしてデジタルの波形データＨ（ｋ）に変換するＡ／Ｄ変換器３１と、図示しない操作部の操作に応じて変化するトリガ電圧Ｖｔを出力するトリガ設定器３２と、トリガ電圧Ｖｔとクロック成分信号ｑ（ｔ）のレベルを比較するコンパレータ３３と、表示器３４と、コンパレータ３３の出力を受けて、クロック成分信号ｑ（ｔ）がトリガ電圧Ｖｔを所定方向に越えたタイミングを基準タイミングとして検出し、その基準タイミングから波形データＨ（ｋ）を内部メモリ（図示せず）に順次記憶し、その記憶した波形データを読み出して表示器３４に表示する表示制御部３５とにより構成されている。なお、この波形観測装置５０で、図６の構成のクロック成分信号生成部２２を用いてもよい。

本発明のサンプリング装置の構成例を示す図実施形態のサンプリング部の動作説明図実施形態の要部の構成例を示す図実施形態の要部の構成例を示す図実施形態のクロック成分信号生成部の動作説明図非線形回路の動作条件を自動制御する構成例を示す図サンプリング機能と表示機能とを有する波形観測装置の構成図ＲＺ信号とＮＲＺ信号の違いを示す図

符号の説明

１０……オシロスコープ、１０ａ……チャンネル入力端子、１０ｂ……トリガ入力端子、１０ｃ……クロック入力端子、２０……サンプリング装置、２１……サンプリング部、２２……クロック成分信号生成部、２３……非線形回路、２４……レベル調整回路、２５……演算回路、２６……フィルタ、２７……レベル検出回路、２８……制御回路、３１……Ａ／Ｄ変換器、３２……トリガ設定器、３３……コンパレータ、３４……表示器、３５……表示制御部、５０……波形観測装置

Claims

２値データで振幅変調された入力信号を、該入力信号の波形の繰り返し周期の複数倍に対して差のある周期でサンプリングし、該サンプリングで得られた振幅値を順次結んだ波形の包絡線信号を出力するサンプリング部（２１）と、
前記包絡線信号のビットレートと同一周波数の正弦波の信号をクロック成分信号として生成出力するクロック成分信号生成部（２２）とを有するサンプリング装置において、
前記クロック成分信号生成部は、
前記包絡線信号の波形を歪ませ、該包絡線信号の基本波成分の２倍の周波数成分を生じさせる非線形回路（２３）と、
前記非線形回路の出力信号から前記包絡線信号の基本波成分の２倍の周波数成分を抽出するフィルタ（２６）とを含んでおり、
ＮＲＺ方式の入力信号に対して前記サンプリング部で得られた前記包絡線信号から前記クロック成分信号を生成出力することを特徴とするサンプリング装置。
前記クロック成分信号生成部は、
前記フィルタの出力信号のレベルを検出するレベル検出回路（２７）と、
前記レベル検出回路で検出されるレベルに基づいて前記非線形回路を制御し、前記フィルタの出力信号のレベルを所定値以上に保持する制御回路（２８）とを有していることを特徴とする請求項１記載のサンプリング装置。
前記非線形回路は、
前記包絡線信号の直流平均レベルがほぼ０ボルトとなるように調整するレベル調整回路（２４）と、
前記レベル調整回路の出力信号に対して、偶数乗演算、絶対値演算、絶対値のべき乗演算のいずれかを行う演算回路（２５）とにより構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のサンプリング装置。
前記請求項１〜３のいずれかに記載のサンプリング装置と、
表示器（３５）と、
前記サンプリング装置から出力されるクロック成分信号のレベルがトリガレベルを越えたタイミングから、前記サンプリング装置のサンプリング部から出力された包絡線信号の波形データの取得を開始し、取得した包絡線信号の波形を前記表示器に表示する表示制御部（３４）とを有する波形観測装置。