JP2008508535A - 高周波信号の位相ジッターを測定する方法、及び該方法を実行する測定装置 - Google Patents

Abstract

高周波信号の位相ジッターを測定するためにスペクトラムアナライザが用いられる。測定対象の高周波信号（HF）がM倍され（38）、且つ／或いはスペクトラムアナライザに具備される可変周波数発振器（12-15）の出力周波数がNで割られ（33）、双方の信号が同一周波数に設定されて混合器（30）で混合される。そして、混合器の出力信号は、スペクトラムアナライザに具備された好適なデジタル評価装置（10）にて高速フーリエ変換法に従って評価される。この目的のため、スペクトラムアナライザは追加の混合器、分周器及び／又は周波数逓倍器のみを必要とする。

Description

本発明は、スペクトル分析を用いて高周波信号の位相ジッターを測定する方法と、この方法を実行する測定装置とに関する。

これまで、例えば発振器の出力信号などの、高周波信号の位相ジッターを測定することは、幾つかの比較的高価で操作が困難な個別装置から成る測定ステーションを必要とするのが一般的であった。これら個別の装置は、一般に、信号発生器、低周波数の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）用のスペクトラムアナライザ、制御コンピュータ及び追加の混合器である。位相ジッターを測定するため、測定対象の高周波信号は、信号発生器で発生された同一周波数の比較信号と混合される。そして、混合器は測定対象の高周波信号と比較信号との差分周波数である出力信号を供給する。これは故に位相ジッターの指標を与える。この差分周波数信号は低雑音増幅器での増幅後、ＦＦＴスペクトラムアナライザを用いて評価される。双方の信号を0Hzに混合することによって、位相が揃った２つの側波帯が互いに相殺するため、存在する信号の如何なるＡＭ変調も抑圧される。測定対象の高周波信号の周波数変調（ＦＭ）の場合には、側波帯は位相が揃っておらず、故にそれらの寄与は混合器で加算される。

位相ジッターの測定のためのこの種の既知の測定ステーションは、故に、ＡＭ及びＦＭのジッターを区別し、優れた発振器の測定を可能にする。しかしながら、これは対応する周波数帯域での非常に優れた低雑音信号発生器を必要とする。また、ＨＦスペクトラムアナライザはしばしば、同期を調べるオシロスコープとともに、測定された信号の周波数を決定するよう要求される。この種の既知の測定ステーションは、故に、比較的複雑、高価で操作しにくいものとなっている。

原理的に、位相ジッターはスペクトラムアナライザを用いて測定されることも可能である。しかしながら、一般にＦＭ成分のみが測定される必要があるが、古典的なスペクトラムアナライザはＡＭ変調とＦＭ変調とを区別することができない。最終中間周波数のデジタル評価を用いる最新のスペクトラムアナライザでは、ＡＭ変調とＦＭ変調とは実際に別々に測定されることが可能であるが、使用されるアナログ／デジタル変換器のダイナミックレンジは、優れた低雑音発振器の測定には十分ではない。

本発明は、従来からのスペクトラムアナライザを用いて、これまでは高価な測定ステーションを用いる場合にのみ可能であった品質で位相ジッター測定を実施することが可能な簡易な方法を提供することを目的とする。本発明は更に、この種の方法を実施するための単純でコスト的に好ましい測定装置を提供することを目的とする。

本発明に従って、単純な追加部品群（混合器、周波数逓倍器及び／又は分周器、並びに切替ユニット）によって、現行の従来式のデジタル評価を用いながら、従来のスペクトラムアナライザが高品質の位相ジッター分析を提供するように拡張され得る。これは、位相ジッター測定ステーション及びスペクトラムアナライザの全ての機能を、追加の信号発生器のない単一の装置内に結合させるものであり、優れた低雑音発振器に対しても位相ジッター測定を可能にするとともに操作が極めて簡単である。本発明に従った測定方法は、基本的なジッターに関する高い測定ダイナミックレンジをもたらし、また搬送波に近接する位相ジッターに対して十分な値を達成するものである。

本発明に従った方法により、例えば、スペクトラムアナライザに具備された可変の第１発振器の出力周波数は、スペクトラムアナライザモードにおいて入力周波数帯域より上に置かれるが、“位相ジッター測定”動作モードにおいて、位相ジッターを20・logN（Nは分周器の分周係数（division factor））だけ改善し、それによって必要な品質を達成するように、この出力周波数が分周器によって分周される。

他の可能性は、位相ジッターに関する測定対象である高周波信号の周波数を周波数逓倍器（逓倍係数M）によって逓倍し、これを、可変第１発振器の分周されていない出力周波数、又は可変第１発振器の分周された出力周波数の何れかと混合することであり、これもまた測定に必要な品質を達成するものである。周波数逓倍M及び分周（frequency division）Nは好ましくは、回路技術において可能な限り簡単に実現されながらも依然として測定に必要な品質を達成するように、選択され且つ互いに整合される。周波数逓倍器及び分周器は、それぞれ特に係数M及びNに関し、最も好ましくは整数の倍数に、調整可能である。

高品質の位相ジッター測定への切替えというこの選択肢を有するにも拘わらず、この目的のために拡張されたスペクトラムアナライザの機能は完全に保持され、例えば、未知の入力信号の周波数と大きさを分析するために、従来のように使用されることも可能である。

後続の位相ジッター測定のためには、先述の古典的な位相ジッター測定ステーションにおいて標準的な手法と同様な手法で、スペクトラムアナライザに存在する部品群を一緒に接続するだけでよい。原理的に、アナログのＦＦＴ評価を行うものも含め、如何なるスペクトラムアナライザも、本発明に従って位相ジッター分析器に拡張可能である。しかしながら、最終中間周波数においてデジタル評価を行う最新のスペクトラムアナライザが、この目的のために特に適している。

以下、典型的な一実施形態に基づき、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１には、スペクトラムアナライザの個々の部品群が参照符号1乃至19を用いて示されている。また、このスペクトラムアナライザを拡張して位相ジッターを測定する測定装置を提供するのに用いられる追加の部品群が、30より大きい参照符号で示されている。

この測定装置をスペクトラムアナライザとして動作させるとき、高周波入力信号HFが可変減衰器1及び入力切替ユニット34を介して供給される。入力切替手段34は、入力低域通過フィルタ2、更にそこから入力混合器3へとつながる切替位置Iを占めている。第１の中間周波数ZF1は入力周波数帯域より上に配置されるので、入力低域通過フィルタ2は入力信号の一義的なイメージングを保証する。入力混合器3での第１の周波数変換は位相制御された発振器12の出力周波数を用いて行われる。制御された分周器13にて分周された発振器12の出力周波数は、位相比較器14にて周波数合成器15の出力周波数と同期される。合成器15は、連続的に変化する出力周波数を該合成器15が発生するように制御ユニット19によって制御される。

第１の中間周波数ZF1は帯域通過フィルタ4にてフィルタリングされ、それにより、第２の混合器5で発振器16の固定の重畳周波数を用いて第２の中間周波数ZF2へ周波数変換される場合にも、イメージが受信されないようにされる。同じことが、後続の混合器17と結合された帯域通過フィルタ6と、固定発振器17を用いた周波数変換とについても当てはまる。この種の三度の周波数変換は、第１の中間周波数への帯域通過フィルタの実現を単純化するため、従来から選択されているものである。

得られた中間周波数ZF3はアナログのZFフィルタ部品群8にて更に処理される。この信号は、一方で、後続のアナログ／デジタル変換器9に好ましいレベル範囲まで増幅され、他方で、アナログ／デジタル変換器9のオーバードライブを避けるために、これに続くデジタル信号処理でデジタル的に実現される分解能帯域幅より幾分大きい帯域幅で前置フィルタリングされる。部品群8からアナログ／デジタル変換器9への出力信号の供給は、出力端の切替ユニット35が切替位置Iにあるときに行われる。一方で、アナログ／デジタル変換器9はクロックパルス発生器18によって制御される。

最終中間周波数は例えば20MHzに置かれ、この周波数でのデジタル信号処理は、品質と共振回路の最大数との制限の結果としてアナログ技術では不可能なフィルタを含めて、必要な如何なるフィルタの実現をも可能にする。特に、この種のデジタルZF処理はまた、0Hzからアナログ／デジタル変換器のクロックパルスの半分までの周波数帯域に置かれるベースバンド信号の高速フーリエ変換を用いた分析を可能にするものである。スペクトラムアナライザとしての動作中、関連する入力周波数帯域全体を自動的に調べることにより、信号振幅がスクリーン11に周波数によって然るべく表示される。

第１の周波数変換のために可変周波数発振器の周波数を発生するための、及びデジタル信号処理のための個々の部品群は中央制御ユニット19によって既知の手法で制御され、また２つの切替ユニット34及び35も中央制御ユニット19によって制御される。

例えば発振器の出力周波数などの、入力信号HFの位相ジッターを測定する測定装置を操作するとき、２つの切替ユニット34及び35は、制御ユニット19の制御の下で切替位置IIに切り替えられる。減衰器1を通過後、入力信号HFは追加の混合器30の入力に然るべく供給される。この追加の混合器30には、第１の周波数可変発振器12の出力周波数が分周器33の分周係数Nによって分周されて重畳周波数L0として供給される。分周器33での分周の結果、第１の重ね合わされた発振器の位相ジッターは改善され、これまで先述の測定ステーションにて使用されてきたような従来の信号発生器と同じだけ優れたものになる。

他の可能性は、入力信号HFを周波数逓倍器38によって係数Mで逓倍し、それを混合器30で、第１の発振器12の分周されていない出力周波数、又は係数Nによって分周された第１の発振器の出力周波数の何れかと混合することである。この種の周波数逓倍器を用いることにより、搬送波間隔が実際に拡げられた（1MHzより大きい）、位相ジッターに関する測定のダイナミックレンジが向上される。なぜなら、分周期と比較して低雑音な、この種の周波数逓倍器が実現され得るからである。制御と評価とにおいて、基底波又は高調波での位相ジッター測定には大きな差はない。プロセッサでの評価中、測定結果は逓倍係数20×logMによって補正されさえすればよい。本発明に従った方法は周波数帯域に応じて、周波数逓倍器のみを用いて、分周期のみを用いて、又は同時に双方を用いる可能性を持って、の何れかで使用される。分周期33及び周波数逓倍器38の双方は、好ましくは、整数の係数に調整可能である。

位相ジッター測定のため、測定対象の高周波信号HFの周波数は知られているか、あるいは、そうでなければ、例えばスペクトラムアナライザモード（切替位置I）で動作する同一の測定装置を用いて測定開始前に、測定可能でなければならない。測定開始時点において、周波数逓倍器38の逓倍係数M及び／又は分周期33の分周係数Nが、測定対象の高周波信号HFの大きさに応じて、第１の発振器での可変の出力周波数を用いて混合器30に供給される２つの重畳周波数が同一周波数となるように調整される。位相ジッター測定の開始時には、これらの周波数はおおまかに一致していれば十分である。例えば、多くの場合は周波数逓倍器又は分周器の一方のみを設ければ全くもって十分であるので必ずしも必要なことではないが、周波数逓倍器38及び分周器33の双方が存在し、且つ、例えば、出力周波数HFが100Hzである発振器の位相ジッターが測定される場合、例えば、周波数逓倍器38は逓倍係数M=8に設定され、分周器33は分周係数N=10に設定される。このとき、第１の発振器12は8GHzに設定されることができ、その結果、混合器30に供給されるRF及びLOの２つの周波数は各々が800Hzになる。

第１の発振器の周波数がおおまかなに調整された後、第１の発振器の出力周波数は混合器30の出力周波数が0Hzになるように制御回路37によって制御される。制御回路37は合成器15をアナログ／デジタル変換器36を介して、混合器30の出力電圧が0Vの出力レベルに保たれるように制御する。混合して0Hzに下げられた混合器30の出力信号は、低域通過フィルタ31を通過し、極めて低雑音の増幅器32で増幅される。

制御帯域幅はアナログ／デジタル変換器36の制御可能な影響を介して合成器周波数に調整され得る。この制御回路37は、増幅器32による十分な増幅を用いて混合器30の出力における大電圧を回避するものであるので、アナログ／デジタル変換器9に内在するジッターは、続くＦＦＴ評価で達成され得る測定のダイナミックレンジにおいて何ら役割を果たさないものとなる。

増幅器32の出力信号は、出力切替ユニット35の切替位置IIを介してアナログ／デジタル変換器9に供給され、信号プロセッサ10にて高速フーリエ変換法に従い、位相ジッターに関して評価される。その結果は画面11に表示される。この位相ジッター測定においては入力信号は混合されて0Hzに下げられているので、起こり得る如何なる振幅変調も抑圧されており、その結果、従来の測定ステーションを用いたときのように、例えば、発振器のＦＭジッターのみを測定することができる。ＦＦＴ評価は従来の測定ステーションで知られているように実行される。

本発明は提示された例示的な実施形態に限定されるものではない。上述の全ての特徴は必要に応じて互いに組み合わせられ得るものである。

本発明に従って使用され得るスペクトラムアナライザを示すブロック回路図である。

Claims (8)

1. 第１の周波数変換のための可変周波数発振器と、最終中間周波数の信号を高速フーリエ変換法に従って評価する評価装置とを具備するスペクトラムアナライザを用いて高周波信号の位相ジッターを測定する方法であって、
   測定対象の高周波信号がM倍され、且つ／或いは、Nで割られて同一周波数に制御された前記可変発振器の分周された出力周波数が混合器で混合され、且つこの混合器の出力信号が前記スペクトラムアナライザの前記評価装置にて評価されることを特徴とする方法。
2. スペクトル分析のため、又は高周波信号の位相ジッターを測定するため、選択的に使用可能な、請求項１に記載の方法を実施する測定装置であって、
   少なくとも１つの中間周波数重畳段（3、12-15；5、16；7、17）、
   第１の重畳段用の周波数可変第１発振器（12-15）、
   アナログ／デジタル変換器（9）、
   入力信号をフーリエ変換法に従って評価する信号プロセッサ（10）、
   追加の混合器（30）、並びに
   前記混合器（30）の１つの入力と前記第１可変発振器との間に配置された分周器（33）、及び／又は当該測定装置の入力と前記混合器（30）のもう１つの入力との間に配置された周波数逓倍器（38）、
   を有し、
   スペクトラムアナライザとしての動作モードにおいて、前記入力信号（HF）は、前記第１可変発振器（12-15）とそれに続く前記重畳段とによって中間周波数に変換され、前記アナログ／デジタル変換器（9）にてデジタル化され、且つ前記信号プロセッサ（10）にて高速フーリエ変換法に従って評価され、且つ
   位相ジッターの測定においては、前記入力信号（HF）は、直接的に或いは前記周波数逓倍器（38）にての何れかにより逓倍され、前記追加の混合器（30）にて、分周されていない出力周波数又は前記分周器（33）で分周された出力周波数の何れかを用いて周波数を下げるように混合され、このとき、前記可変発振器（12-15）は、前記追加の混合器（30）に供給される周波数が同一となるように制御回路（37）によって制御され、そして前記追加の混合器（30）の出力が、前記アナログ／デジタル変換器（9）でのデジタル化の後に、前記信号プロセッサ（10）にてフーリエ変換法に従って評価される、
   ことを特徴とする測定装置。
3. 前記分周器（33）の分周係数（N）、及び／又は前記周波数逓倍器（38）の逓倍係数（M）が調整可能であることを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
4. 前記分周器（33）及び／又は前記周波数逓倍器（38）が整数の係数に調整可能であることを特徴とする請求項３に記載の測定装置。
5. 切替ユニット（34、35）が、それぞれ、前記第１の重畳段（3、12-15）の前、及び前記アナログ／デジタル変換器（9）の前に配置され、スペクトラムアナライザとしての動作のため、前記切替ユニット（34、35）の１つの切替位置（I）にて、前記第１の重畳段（3）の入力信号（HF）と前記中間周波数の信号とが前記アナログ／デジタル変換器（9）に供給され；一方、前記切替ユニット（34、35）のもう１つの切替位置（II）においては、該入力信号（HF）は前記追加の混合器（30）に供給され、それの出力信号が前記アナログ／デジタル変換器（9）に供給されることを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載の測定装置。
6. 第１の重畳周波数が位相制御された発振器（12-14）によって生成され、該発振器は可変周波数合成器（15）により同期化されており、位相ジッターの測定のため、他のアナログ／デジタル変換器（36）にてデジタル化された前記追加の混合器（30）の出力信号が、該混合器の出力に0Hzの差分周波数を与える周波数を前記第１の重畳発振器（12）が生成するように、前記合成器を制御することを特徴とする請求項２乃至５の何れか１項に記載の測定装置。
7. 低雑音増幅器（32）によって増幅された前記追加の混合器（30）の出力信号が、スペクトラムアナライザの前記アナログ／デジタル変換器（9）に供給されることを特徴とする請求項２乃至６の何れか１項に記載の測定装置。
8. スペクトラムアナライザとしての動作のため、前記可変発振器によって第１の中間周波数（ZF1）に変換された出力信号が、少なくとも１つの更なる重畳段であって好ましくは２つの更なる重畳段（5、16；7、17）にて、固定重畳周波数を用いて最終中間周波数（ZF3）に変換され、その結果の信号が前記アナログ／デジタル変換器（9）にてデジタル化されることを特徴とする請求項２乃至７の何れか１項に記載の測定装置。

Images