JP2012132885A

JP2012132885A - 周波数測定装置

Info

Publication number: JP2012132885A
Application number: JP2010287608A
Authority: JP
Inventors: Haruo Kojima; 治夫小島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2012-07-12

Abstract

【課題】熱雑音を低減して周波数の測定精度を向上することが可能な周波数測定装置を提供すること。
【解決手段】一例の周波数測定装置は、周波数を測定するための高周波信号を並列に入力され、異なる周波数の帯域で増幅する複数の低雑音増幅器と、これら複数の低雑音増幅器の入出力を切り替え制御される高周波スイッチと、所定の局部発振信号を発生する局部発振器と、この局部発振器が発生する局部発振信号及び前記高周波スイッチを介して出力された前記低雑音増幅器の出力信号を入力とする周波数混合器と、この周波数混合器の出力を入力とする帯域通過フィルタと、この帯域通過フィルタの出力を入力とし入力される信号の周波数を電圧に変換するＩＦＭ受信機と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、入力信号の周波数を測定する周波数測定装置に関する。

レーダ信号等の周波数を分析するための、ＩＦＭ受信機を用いる周波数測定装置においては、広い帯域で周波数を測定する必要がある。このような周波数測定装置は、通常、受信信号として受信される周波数を帯域フィルタにより複数の帯域に分けて、その後各帯域の信号を高周波の切替スイッチにより切り替えて１つの低雑音増幅器により増幅する構成が一般的である（例えば特許文献１参照）。

しかし、帯域フィルタや高周波切替スイッチには挿入損失があり、この挿入損失分は機器の雑音に加算され、総合的な雑音特性を悪化させてしまうという問題点があった。

また、このような周波数測定装置の周波数測定精度を向上させるために、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）積分を行って、熱雑音成分を低減する装置もある。しかし、このような装置では、積分の数が増加すると、測定時間が長くなってしまい、短いパルスによる周波数測定には不利になってしまう。

特開２００９−１９８３８３号公報

本発明は、熱雑音を低減して周波数の測定精度を向上することが可能な周波数測定装置を提供する。

本発明の一実施形態によれば、周波数を測定するための高周波信号を並列に入力され、異なる周波数の帯域で増幅する複数の低雑音増幅器と、これら複数の低雑音増幅器の入出力を切り替え制御される高周波スイッチと、所定の局部発振信号を発生する局部発振器と、この局部発振器が発生する局部発振信号及び前記高周波スイッチを介して出力された前記低雑音増幅器の出力信号を入力とする周波数混合器と、この周波数混合器の出力を入力とする帯域通過フィルタと、この帯域通過フィルタの出力を入力とし入力される信号の周波数を電圧に変換するＩＦＭ受信機と、を有することを特徴とする周波数測定装置を提供する。

第１の実施形態に係る周波数測定装置の構成を示す図である。第２の実施形態に係る周波数測定装置の構成を示す図である。

以下、実施の形態について、図面を用いて説明する。

＜第１の実施形態＞
第１の実施形態の周波数測定装置を図１に示す。この周波数測定装置は、高周波信号が入力される入力端子ＩＮに並列接続された高周波入力スイッチ１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、これらのスイッチに各々入力端子を接続された低雑音増幅器１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、これらの低雑音増幅器の出力端子に接続された高周波出力スイッチ１３ａ，１３ｂ，１３ｃと、高周波入力スイッチ及び高周波出力スイッチを同期して切り替えるスイッチ切替制御部１４と、局部発振器１５と、この局部発振器１５の出力を、上記高周波出力スイッチを介して出力された低雑音増幅器の高周波出力信号と混合し乗算する周波数混合器１６と、この周波数混合器１６の出力信号を入力とする帯域通過フィルタ１７と、この帯域通過フィルタ１７を通過した信号を入力としてＩＦＭ受信処理を行うＩＦＭ受信機１８と、このＩＦＭ受信機１８の出力をＦＦＴ積分処理などで積分し出力端子ＯＵＴに出力する積分器１９とを有する。

ＩＦＭ受信機１８は、遅延線２０と周波数混合器２１から構成され同期検波を行い、周波数を電圧に変換する機能を有する。遅延線２０で遅延された信号を周波数混合器２１に入力し、その差の信号成分を電圧として得る。したがって入力信号の各周波数の強さを電圧に変換することになる。この出力を積分器１９において積分して、雑音成分を減らし、入力信号の周波数成分を電圧として出力端子ＯＵＴに出力する。

低雑音増幅器１２ａ，１２ｂ，１２ｃは各々高域用、中域用、低域の高周波信号を増幅する帯域増幅器であり、例えば、低雑音増幅器１２ａは高域（１２〜１８ＧＨｚ）、低雑音増幅器１２ｂは中域（８〜１２ＧＨｚ）、低雑音増幅器１２ｃは低域（２〜８ＧＨｚ）の各帯域の高周波信号を増幅するように構成される。

局部発振器１５は、低雑音増幅器１２ａ，１２ｂ，１２ｃのうちのどの増幅器の信号が周波数混合器１６に入力されるかにより切り替えられ、その範囲で階段的に変化させられる。したがって、帯域通過フィルタ１７には、比較的狭帯域、例えば６ＧＨｚ程度の帯域フィルタを用いることができる。

低雑音増幅器１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、使用周波数帯域で最適にインピーダンス整合されており、所望の帯域外では、利得が低下して帯域通過フィルタの性質を有している。

また、この実施形態では、周波数混合器１６で中間周波に変換され帯域通過フィルタを通って帯域制限されＩＦＭ受信機に入力される。

入力端子ＩＮから入力された高周波信号は、スイッチ切替制御部１４により高周波入力スイッチ１１ａ〜１１ｃ，高周波出力スイッチ１３ａ〜１３ｃが切り替えられ対応する低雑音増幅器１２ａ，１２ｂ，１２ｃによって、高周波信号が増幅される。例えば、まず、高周波入力スイッチ１１ａ，高周波出力スイッチ１３ａがオンとなり、高域用の低雑音増幅器１２ａによって増幅された高周波信号が周波数混合器１６に導かれる。ここで周波数変換されて帯域通過フィルタ１７を通った信号は、ＩＦＭ受信機において検知された周波数成分が電圧値とされる。その後、積分器１９で積分され、入力された高周波信号の周波数が測定される。

同様にして、スイッチ切替制御部１４により制御されて高周波入力スイッチ１１ｂ，高周波出力スイッチ１３ｂがオンとなり、中域用の低雑音増幅器１２ｂによって増幅された高周波信号が周波数混合器１６に導かれる。この場合も周波数混合器１６、帯域通過フィルタ１７を通り、ＩＦＭ受信機で中域における周波数が電圧として測定される。

同様にして、スイッチ切替制御部１４により制御されて高周波入力スイッチ１１ｃ，高周波出力スイッチ１３ｃがオンとなり、低域用の低雑音増幅器１２ｃによって増幅された高周波信号が周波数混合器１６に導かれる。この場合も周波数混合器１６、帯域通過フィルタ１７を通り、ＩＦＭ受信機で低域における周波数が電圧として測定される。

ここで、周波数測定装置において発生する熱雑音について述べる。全体の熱雑音電力Ｐｈｎは一般に次式で表わされる。

Ｎｈ＝Ｋ×Ｔ×Ｂ×Ｇａ×ＮＦ
ここで、Ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｂは帯域幅、Ｇａは全体の利得、ＮＦは全体の雑音指数を表す。

上記帯域通過フィルタ１７の帯域は上記Ｂに影響を与えるので、熱雑音を抑える観点からいえば、狭帯域であることが望ましいが、過度に帯域が狭いと、検知する周波数の測定が難しくなる。その両者を考慮して帯域通過フィルタ１７の帯域幅を決定する。

従来の周波数測定装置では、相当広い帯域通過フィルタを用いざるを得なかったので、この熱雑音電力が大きかった。それに比べて本発明の上記実施形態では熱雑音電力を小さくできる。熱雑音電力を小さくでき、ひいては周波数の検知能力を向上させることができる。

＜第２の実施形態＞
上記実施形態では、高域、中域、低域の高周波信号を直接、周波数変換して、受信信号の周波数を測定していた。しかし、一旦更に高い周波数に変換して、その後低い周波数に変換して受信信号の周波数を測定することも可能である。

このような実施形態の周波数測定装置の構成例を図２に示す。この周波数測定装置では、アップコンバータとダウンコンバータを用いる点が図１に示した第１の実施形態と異なる。

この周波数測定装置は、高周波信号が入力される入力端子ＩＮに並列接続された高周波入力スイッチ２１ａ，２１ｂ，２１ｃと、これらのスイッチに各々入力端子を接続された低雑音増幅器２２ａ，２２ｂ，２２ｃと、これらの低雑音増幅器の出力端子に接続された高周波出力スイッチ２３ａ，２３ｂ，２３ｃと、高周波入力スイッチ及び高周波出力スイッチを同期して切り替えるスイッチ切替制御部２４と、上記高周波出力スイッチを介して出力された低雑音増幅器の高周波出力信号を更に高い周波数に変換するアップコンバータ２５と、この周波数変換された信号を入力とする帯域通過フィルタ２６と、この帯域通過フィルタ２６を通過した信号を、低い周波数に変換するダウンコンバータ２７と、ダウンコンバータ２７により変換された信号を入力としてＩＦＭ受信処理を行うＩＦＭ受信機２８と、このＩＦＭ受信機２８の出力信号をＦＦＴ積分処理などで積分し出力端子ＯＵＴに出力する積分器２９とを有する。周波数混合器２５ｂは低雑音増幅器２２ａの最も高い帯域よりも更に高い周波数に入力信号を変換する。

ＩＦＭ受信機２８は、遅延線３０と周波数混合器３１から構成され同期検波を行い、周波数を電圧に変換する機能を有する。遅延線３０で遅延された信号を周波数混合器３１に入力し、その差の信号成分を電圧として得る。この出力を積分器２９において積分して、周波数の成分を電圧として出力端子ＯＵＴに出力する。

この実施形態における低雑音増幅器２２ａ，２２ｂ，２２ｃも例えば、上記第１の実施形態と同じように、例えば高域、中域、低域の低雑音増幅器により構成する。アップコンバータ２５は、局部発振器２５ａとこの局部発振信号２５ａを入力とし、低雑音増幅器で増幅された信号を混合する周波数混合器２５ｂから成る。ダウンコンバータ２７は、局部発振器２７ａとこの局部発振信号２７ａを入力とし、帯域通過フィルタ２６を通過してきた信号を混合する周波数混合器２７ｂから成る。

例えば、アップコンバータ２５では入力信号を２０〜２８ＧＨｚまでの帯域の信号に変換し、帯域通過フィルタ２６は２〜８ＧＨｚの帯域とすることができ、ダウンコンバータ２７では１〜７ＧＨｚの帯域の信号に変換する。

入力端子ＩＮから入力された高周波信号は、スイッチ切替制御部２４により高周波入力スイッチ２１ａ〜２１ｃ，高周波出力スイッチ２３ａ〜２３ｃが切り替えられ、対応する低雑音増幅器２２ａ，２２ｂ，２２ｃによって、高周波信号が増幅される。例えば、まず、高周波入力スイッチ２１ａ，高周波出力スイッチ２３ａがオンとなり、高域用の低雑音増幅器２２ａによって増幅された高周波信号がアップコンバータ２５に導かれる。ここで高い周波数に周波数変換された信号は、帯域通過フィルタ２６を通った後、ダウンコンバータ２７に入力され低い周波数に周波数変換される。

この周波数変換された信号はＩＦＭ受信機２８に入力され、このＩＦＭ受信機２８において検知された周波数成分が電圧値とされる。その後、積分器２９で積分され、入力された高周波信号の周波数が測定される。高周波入力スイッチ２１ｂ及び高周波出力スイッチ２３ｂがオンとされたとき、高周波入力スイッチ２１ｃ及び高周波出力スイッチ２３ｃがオンとされたときも同様に動作させる。

この第２の実施形態のように、信号を高い周波数に変換してから帯域通過フィルタに通すと、帯域通過フィルタとしては、比較的広い帯域の通過フィルタにすることができ、後段で測定する周波数を容易に検知することができる利点がある。

第１、第２の実施形態によれば、熱雑音を少なく抑えることが容易であり、高精度で周波数を測定することが可能な周波数測定装置が得られる。

上記第１及び第２の実施形態では、帯域の異なる３つの低雑音増幅器を用いて帯域毎に分けて増幅するものについて説明した。しかし、実施形態はこのように帯域を３つに分ける場合に限られず、２又は４以上に分けて即ち、２又は４以上の低雑音増幅器を用いてもよい。

上記第１及び第２の実施形態では、積分器をＩＦＭ受信機の後に接続していた。この積分器によりＦＦＴ積分処理を行えば、周波数成分を大きくし相対的に雑音成分を小さくでき、周波数の測定時間を短縮することができる利点がある。しかし、積分器は必ずしも必要ではない。

いくつかの実施形態を説明したがこれらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ・・・高周波入力スイッチ、
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ・・・低雑音増幅器、
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ・・・高周波出力スイッチ、
１４，２４・・・スイッチ切替制御部、
１５，２５ａ，２７ａ・・・局部発振器、
１６，２１，２５ｂ，２７ｂ，３１・・・周波数混合器、
１７，２６・・・帯域通過フィルタ、
１８，２８・・・ＩＦＭ受信機、
１９，２９・・・積分器、
２０，３０・・・遅延線。

Claims

周波数を測定するための高周波信号を並列に入力され、異なる周波数の帯域で増幅する複数の低雑音増幅器と、
これら複数の低雑音増幅器の入出力を切り替え制御される高周波スイッチと、
所定の局部発振信号を発生する局部発振器と、
この局部発振器が発生する局部発振信号及び前記高周波スイッチを介して出力された前記低雑音増幅器の出力信号を入力とする周波数混合器と、
この周波数混合器の出力を入力とする帯域通過フィルタと、
この帯域通過フィルタの出力を入力とし入力される信号の周波数を電圧に変換するＩＦＭ受信機と、
を有することを特徴とする周波数測定装置。
周波数を測定するための高周波信号を並列に入力され、異なる周波数の帯域で増幅する複数の低雑音増幅器と、
これら複数の低雑音増幅器の入出力を切り替え制御される高周波スイッチと、
第１の局部発振信号を発生する第１の局部発振器と、
この局部発振器が発生する局部発振信号及び前記高周波スイッチを介して出力された前記低雑音増幅器の出力信号を入力とし、前記低雑音増幅器の最も高い帯域よりも高い周波数に入力信号を変換する第１の周波数混合器と、
この第１の周波数混合器の出力を入力とする帯域通過フィルタと、
第２の局部発振信号を発生する第２の局部発振器と、
この第２の局部発振器が発生する前記第２の局部発振信号及び前記帯域通過フィルタの出力を入力とする第２の周波数混合器と、
この第２の周波数混合器の出力を入力とし入力される信号の周波数を電圧に変換するＩＦＭ受信機と、
を有することを特徴とする周波数測定装置。
前記ＩＦＭ受信機の出力を積分する積分器を更に有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の周波数測定装置。
前記複数の低雑音増幅器は、高域、中域及び低域の各々の帯域の信号を増幅する３つの低雑音増幅器から成ることを特徴とする請求項３記載の周波数測定装置。