JP2015087233A - 信号解析装置および信号解析方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ローカル信号発生部21は、異波長の第1の連続光P1と第2の連続光P2を合波して受光器25に入射し、その周波数差に等しい周波数のローカル信号SLOを生成する。周波数変換部30は、ローカル信号SLOを用いてミリ波帯以上の被測定信号Sxを中間周波数帯の信号SIFに変換し、これをA/D変換器35でデジタル信号DIFに変換して解析部40解析処理を行なう。誤差要因検出部50は、第1の連続光P1と第2の連続光P2の位相変動または周波数誤差に起因してローカル信号SLOに含まれる位相雑音Δφまたは周波数誤差Δfの少なくとも一方を、解析結果に誤差を与える誤差要因として検出し、その検出結果を受けた補正手段70は、ローカル信号SLOに含まれる位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方が解析結果に現れないように補正処理を行なう。
【選択図】図1
Description
第1の光源(22)から出射された第1の連続光と、第2の光源(23)から前記第1の連続光と異なる波長で出射された第2の連続光とを合波して受光器(25、93、54A)に入射し、該受光器から前記第1の連続光と第2の連続光の周波数差に等しい周波数のローカル信号を出力するローカル信号発生部(21)と、
解析対象の被測定信号を、前記ローカル信号を用いて中間周波数帯の信号に変換するヘテロダイン方式の周波数変換部(30)と、
前記中間周波数帯の信号をデジタル信号に変換するA/D変換器(35)と、
前記A/D変換器から出力されるデジタル信号に基づいて前記被測定信号の解析を行なう解析部(40)とを有する信号解析装置において、
前記第1の連続光と第2の連続光の位相変動または設定値に対する周波数誤差に起因して前記ローカル信号に含まれる位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方を、前記解析部の解析結果に誤差を与える誤差要因として検出する誤差要因検出部(50)と、
前記誤差要因検出部によって検出された誤差要因に基づいて前記周波数変換部から前記解析部までの信号処理経路内で補正処理を行い、前記誤差要因による誤差が前記解析部の解析結果に現れないようにする補正手段(70)とを設けたことを特徴とする。
前記誤差要因検出部は、
前記第1の連続光と所定周波数の高周波信号とを受け、前記第1の連続光を中心として前記所定周波数間隔の複数の側帯波を発生させる光側帯波発生器(52)を有し、
前記光側帯波発生器の出力光のうち前記第1の連続光の周波数よりも前記第2の連続光に周波数が近い側帯波と前記第2の連続光とのビート成分に基づいて、前記ローカル信号の位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方を検出することを特徴とする。
前記誤差要因検出部は、
前記光側帯波発生器の出力光と前記第2の連続光とを受けて合分波する光合分波手段(53、53′、61、92)と、
前記合分波手段の出力光を受光し、前記光側帯波発生器の出力光のうち前記第1の連続光の周波数よりも前記第2の連続光に周波数が近い側帯波と前記第2の連続光とのビート成分を出力する受光器(54、54A、54B、54A〜54D、93)とを有することを特徴とする。
前記誤差要因検出部の前記光側帯波発生器と前記光合分波手段との間に、前記光側帯波発生器の出力光から前記第2の連続光の周波数を含む所定の帯域内の前記側帯波を抽出する光バンドパスフィルタ(60)が設けられていることを特徴とする。
前記誤差要因検出部の前記光合分波手段に入射される一方の光に前記第1の連続光が含まれるようにし、該光合分波手段の出力光を受ける前記受光器に、前記側帯波と前記第2の連続光とのビート成分を出力させる機能と、前記ローカル信号発生部の前記受光器の機能を持たせたことを特徴とする。
前記誤差要因検出部の前記光合分波手段が、単一偏波型の90度光ハイブリッド(53)または両偏波型の90度光ハイブリッド(53′)であることを特徴する。
前記誤差要因検出部は、
所定周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生器(102)と、
前記高周波信号の周波数を逓倍する周波数逓倍器(103)と、
前記周波数逓倍器の出力信号と前記ローカル信号発生部から出力されたローカル信号とを受けてそのビート成分を出力するミキサ(101)とを有し、該ミキサが出力するビート成分に基づいて、前記ローカル信号の位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方を検出することを特徴とする。
前記誤差要因検出部は、
所定周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生器(102)と、
前記ローカル信号発生部から出力されたローカル信号と前記高周波信号発生器から出力された高周波信号とを受け該高周波信号の高調波と前記ローカル信号とのビート成分を出力する高調波ミキサ(104)とを有し、該高調波ミキサが出力するビート成分に基づいて、前記ローカル信号の位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方を検出することを特徴とする。
前記補正手段は、前記A/D変換器の出力信号に対し、前記誤差要因検出部で検出された位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方の情報を含む補正用の信号を複素乗算することで、前記解析部に入力される信号に、前記ローカル信号発生部が出力する前記ローカル信号の位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方が現れないように補正することを特徴とする。
前記A/D変換器と前記解析部との間に、前記中間周波数帯に変換された信号をベースバンド信号に変換するためのベースバンド変換部(80)が設けられ、
前記補正手段は、前記ベースバンド変換部がベースバンド変換に用いるローカル信号に前記誤差要因検出部で検出された位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方の情報を与えることで、該ベースバンド変換部の出力信号に、前記ローカル信号発生部が出力するローカル信号の位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方が現れないように補正することを特徴とする。
前記周波数変換部は、前記ローカル信号発生部が発生したローカル信号を初段用ローカル信号として受ける初段のミキサ(30a)と、該初段のミキサに続く少なくとも1段の後段のミキサ(30c)と、該後段のミキサに後段用ローカル信号を与える後段用ローカル信号発生器(30d)とを有しており、
前記補正手段は、前記誤差要因検出部で検出された周波数誤差の情報を、前記周波数変換部の前記後段用ローカル信号発生器が出力する後段用ローカル信号に与えることで、前記周波数変換部の出力信号に、前記ローカル信号発生部が出力する前記ローカル信号の周波数誤差が現れないように補正することを特徴とする。
前記解析部には、前記被測定信号の周波数を求めてこれを解析結果の一部として出力する周波数出力手段(40a)が設けられており、
前記補正手段は、前記誤差要因検出部で検出された周波数誤差の情報で、前記解析部の前記周波数出力手段が出力する周波数を補正することを特徴とする。
波長が異なる第1の連続光と第2の連続光とを合波して受光器に入射し、前記第1の連続光と第2の連続光の周波数差に等しいローカル信号を前記受光器から出力させるローカル信号発生段階と、
解析対象の被測定信号を、前記ローカル信号を用いて中間周波数帯の信号に変換するヘテロダイン方式の周波数変換段階と、
前記中間周波数帯の信号をデジタル信号に変換するA/D変換段階と、
前記デジタル信号に基づいて前記被測定信号の解析を行なう解析段階を含む信号解析方法において、
前記第1の連続光と第2の連続光の位相変動または設定値に対する周波数誤差に起因して前記ローカル信号に含まれる位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方を、解析段階の解析結果に誤差を与える誤差要因として検出する誤差要因検出段階と、
前記検出された誤差要因に基づいて前記周波数変換段階から前記解析段階までの信号処理段階内で補正処理を行い、前記誤差要因による誤差が前記解析段階の解析結果に現れないようにする補正段階とを設けたことを特徴とする。
図1は、本発明を適用した信号解析装置20の基本構成図である。
f2=c/λ2 ……(2)
fLO=f1−f2 ……(3)
ここでcは光速、f1>f2である。例えばλ1=1550nm、λ2=1555nmの場合、fLO≒622GHzとなる。
e1(t)=E1・exp[j{2π(f1+Δf1)t+φ1(t)}] ……(4)
e2(t)=E2・exp[j{2π(f2+Δf2)t+φ2(t)}] ……(5)
で表される。ここで、E1、E2は、それぞれ第1および第2の連続光の電界振幅(定数)である。
eLO(t)=ELO・exp[j{2π(f1−f2+Δf1−Δf2)t
+φ1(t)−φ2(t)}] ……(6)
=ELO・exp[j{2π(fLO+Δf1−Δf2)t
+φ1(t)−φ2(t)}] ……(7)
となり、ローカル信号にはΔf1−Δf2の周波数誤差とφ1(t)−φ2(t)の位相雑音が発生する。ここで、ELOは、ローカル信号の電圧振幅(定数)である。
eIF(t)=ηERF exp[j{2π(fRF−fLO−Δf1+Δf2)t
+φRF(t)−φ1(t)+φ2(t)}] ……(9)
=ηERF exp[j{2π(fIF−Δf1+Δf2)t
+φRF(t)−φ1(t)+φ2(t)}] ……(10)
ここで、中間周波数はfIF=fRF−fLO、ηはミキサの変換効率、ERFは被測定信号の電圧振幅である。
em(t)
=i=−nΣnEmi exp[j{2π(f1+Δf1+ifm)t+φ1(t)+φmi}]
……(11)
eb(t)
=ebi(t) +jebq(t) ……(12)
=i=−nΣnηbEmiE2 exp[j{2π(f1+Δf1+ifm−f2−Δf2)t
+φ1(t)+φmi−φ2(t)}] ……(13)
ここで、記号i=−nΣnは、i=−n〜nまでの総和、iは側帯波の次数(整数)、nは側帯波の最大次数(自然数)、Emiは各側帯波の電界振幅、φmiは各側帯波の位相(固定値)、ηbは変換効率である。また、光側帯波発生器52の変調周波数fmは基準周波数に同期し、その周波数誤差と位相雑音は光源の周波数誤差と位相雑音よりも十分小さいため無視している。
eb1(t)
=ηbEmi1E2 exp[j{2π(f1+Δf1+i1fm−f2−Δf2)t
+φ1(t)+φmi1−φ2(t)}] ……(14)
となる。ここで、i1は選択した側帯波の次数(整数) である。fmは基準周波数に同期した変調周波数のため正確に既知である。したがって、例えば光源の光周波数をf1≒f2の付近から掃引しながらバランス受光器54A、54Bの出力に現れるビート成分の数をカウントすることにより、側帯波の次数i1を知ることが出来る。または、基準信号発生器51から光側帯波発生器52に与えられる基準信号に周波数変調または位相変調をかけ、ビート成分eb1(t)の周波数変調または位相変調の変調度を測定することによって、側帯波の次数i1を知ることができる。f1とf2は誤差を含まない光周波数、すなわち光周波数の設定値なので当然既知である。
fb1=f1+Δf1+i1fm−f2−Δf2 ……(15)
となり、周波数誤差Δf1−Δf2は、
Δf1−Δf2=fb1−f1+f2−i1fm ……(16)
で求めることができる。
eb1(t) exp[−j{2πfb1t}]
=ηbEmi1E2 exp[j{φ1(t) +φmi1 −φ2(t)}] ……(17)
となり、この出力を位相検波することで、位相の情報としてφ1(t) +φmi1 −φ2(t)を得ることが出来る。
H=exp[j{2π(Δf1−Δf2)t+φ1(t)+φmi1−φ2(t)}]……(18)
を乗算する。
eIF(t)′
=eIF(t) exp[j{2π(Δf1−Δf2)t+φ1(t)+φmi1−φ2(t)}
……(19)
=ηERF exp[j{2πfIFt+φRF(t)+φmi1} ……(20)
となり、二つの光源の周波数誤差と位相雑音がキャンセルされる。なお、実際の補正は、デジタル信号列DIFに対する複素乗算で行なう。
図5の(a)、(b)に、光側帯波発生器52の構成例を示す。
ebx(t)=ebxi(t)+jebxq(t) ……(21)
eby(t)=ebyi(t)+jebyq(t) ……(22)
r=(1/T)∫{ebx(t)/eby(t)}dt ……(23)
eb(t)=r*ebx(t)+eby(t) ……(24)
の演算処理により、偏波に依存しないeb(t)を求めることが出来る。ここで、式(23)の記号∫は所定の時間Tの定積分を表し、式(24)のr*は、rの複素共役を表す。
em(t)=i=1ΣnEmi exp[j{2πifmt+φmi}] ……(25)
となる。ここで、記号i=1Σnはi=1〜nまでの総和、iは高調波の次数、nは高調波の最大次数、Emiは各高調波の振幅、φmiは、各高調波の位相である。
eIF(t)′
=η′Emi1exp[j{2π(i1fm−fLO−Δf1+Δf2)t
+φmi1−φ1(t)+φ2(t)}] ……(26)
となる。ここで、η′は、ミキサ101の変換効率である。
Claims (13)
- 第1の光源(22)から出射された第1の連続光と、第2の光源(23)から前記第1の連続光と異なる波長で出射された第2の連続光とを合波して受光器(25、93、54A)に入射し、該受光器から前記第1の連続光と第2の連続光の周波数差に等しい周波数のローカル信号を出力するローカル信号発生部(21)と、
解析対象の被測定信号を、前記ローカル信号を用いて中間周波数帯の信号に変換するヘテロダイン方式の周波数変換部(30)と、
前記中間周波数帯の信号をデジタル信号に変換するA/D変換器(35)と、
前記A/D変換器から出力されるデジタル信号に基づいて前記被測定信号の解析を行なう解析部(40)とを有する信号解析装置において、
前記第1の連続光と第2の連続光の位相変動または設定値に対する周波数誤差に起因して前記ローカル信号に含まれる位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方を、前記解析部の解析結果に誤差を与える誤差要因として検出する誤差要因検出部(50)と、
前記誤差要因検出部によって検出された誤差要因に基づいて前記周波数変換部から前記解析部までの信号処理経路内で補正処理を行い、前記誤差要因による誤差が前記解析部の解析結果に現れないようにする補正手段(70)とを設けたことを特徴とする信号解析装置。 - 前記誤差要因検出部は、
前記第1の連続光と所定周波数の高周波信号とを受け、前記第1の連続光を中心として前記所定周波数間隔の複数の側帯波を発生させる光側帯波発生器(52)を有し、
前記光側帯波発生器の出力光のうち前記第1の連続光の周波数よりも前記第2の連続光に周波数が近い側帯波と前記第2の連続光とのビート成分に基づいて、前記ローカル信号の位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方を検出することを特徴とする請求項1記載の信号解析装置。 - 前記誤差要因検出部は、
前記光側帯波発生器の出力光と前記第2の連続光とを受けて合分波する光合分波手段(53、53′、61、92)と、
前記合分波手段の出力光を受光し、前記光側帯波発生器の出力光のうち前記第1の連続光の周波数よりも前記第2の連続光に周波数が近い側帯波と前記第2の連続光とのビート成分を出力する受光器(54、54A、54B、54A〜54D、93)とを有することを特徴とする請求項2記載の信号解析装置。 - 前記誤差要因検出部の前記光側帯波発生器と前記光合分波手段との間に、前記光側帯波発生器の出力光から前記第2の連続光の周波数を含む所定の帯域内の前記側帯波を抽出する光バンドパスフィルタ(60)が設けられていることを特徴とする請求項3記載の信号解析装置。
- 前記誤差要因検出部の前記光合分波手段に入射される一方の光に前記第1の連続光が含まれるようにし、該光合分波手段の出力光を受ける前記受光器に、前記側帯波と前記第2の連続光とのビート成分を出力させる機能と、前記ローカル信号発生部の前記受光器の機能を持たせたことを特徴とする請求項2〜4記載の信号解析装置。
- 前記誤差要因検出部の前記光合分波手段が、単一偏波型の90度光ハイブリッド(53)または両偏波型の90度光ハイブリッド(53′)であることを特徴する請求項2〜5記載の信号解析装置。
- 前記誤差要因検出部は、
所定周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生器(102)と、
前記高周波信号の周波数を逓倍する周波数逓倍器(103)と、
前記周波数逓倍器の出力信号と前記ローカル信号発生部から出力されたローカル信号とを受けてそのビート成分を出力するミキサ(101)とを有し、該ミキサが出力するビート成分に基づいて、前記ローカル信号の位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方を検出することを特徴とする請求項1記載の信号解析装置。 - 前記誤差要因検出部は、
所定周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生器(102)と、
前記ローカル信号発生部から出力されたローカル信号と前記高周波信号発生器から出力された高周波信号とを受け該高周波信号の高調波と前記ローカル信号とのビート成分を出力する高調波ミキサ(104)とを有し、該高調波ミキサが出力するビート成分に基づいて、前記ローカル信号の位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方を検出することを特徴とする請求項1記載の信号解析装置。 - 前記補正手段は、前記A/D変換器の出力信号に対し、前記誤差要因検出部で検出された位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方の情報を含む補正用の信号を複素乗算することで、前記解析部に入力される信号に、前記ローカル信号発生部が出力する前記ローカル信号の位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方が現れないように補正することを特徴とする請求項1〜8記載の信号解析装置。
- 前記A/D変換器と前記解析部との間に、前記中間周波数帯に変換された信号をベースバンド信号に変換するためのベースバンド変換部(80)が設けられ、
前記補正手段は、前記ベースバンド変換部がベースバンド変換に用いるローカル信号に前記誤差要因検出部で検出された位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方の情報を与えることで、該ベースバンド変換部の出力信号に、前記ローカル信号発生部が出力するローカル信号の位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方が現れないように補正することを特徴とする請求項1〜8記載の信号解析装置。 - 前記周波数変換部は、前記ローカル信号発生部が発生したローカル信号を初段用ローカル信号として受ける初段のミキサ(30a)と、該初段のミキサに続く少なくとも1段の後段のミキサ(30c)と、該後段のミキサに後段用ローカル信号を与える後段用ローカル信号発生器(30d)とを有しており、
前記補正手段は、前記誤差要因検出部で検出された周波数誤差の情報を、前記周波数変換部の前記後段用ローカル信号発生器が出力する後段用ローカル信号に与えることで、前記周波数変換部の出力信号に、前記ローカル信号発生部が出力する前記ローカル信号の周波数誤差が現れないように補正することを特徴とする請求項1〜8記載の信号解析装置。 - 前記解析部には、前記被測定信号の周波数を求めてこれを解析結果の一部として出力する周波数出力手段(40a)が設けられており、
前記補正手段は、前記誤差要因検出部で検出された周波数誤差の情報で、前記解析部の前記周波数出力手段が出力する周波数を補正することを特徴とする請求項1〜8記載の信号解析装置。 - 波長が異なる第1の連続光と第2の連続光とを合波して受光器に入射し、前記第1の連続光と第2の連続光の周波数差に等しいローカル信号を前記受光器から出力させるローカル信号発生段階と、
解析対象の被測定信号を、前記ローカル信号を用いて中間周波数帯の信号に変換するヘテロダイン方式の周波数変換段階と、
前記中間周波数帯の信号をデジタル信号に変換するA/D変換段階と、
前記デジタル信号に基づいて前記被測定信号の解析を行なう解析段階を含む信号解析方法において、
前記第1の連続光と第2の連続光の位相変動または設定値に対する周波数誤差に起因して前記ローカル信号に含まれる位相雑音または周波数誤差の少なくとも一方を、解析段階の解析結果に誤差を与える誤差要因として検出する誤差要因検出段階と、
前記検出された誤差要因に基づいて前記周波数変換段階から前記解析段階までの信号処理段階内で補正処理を行い、前記誤差要因による誤差が前記解析段階の解析結果に現れないようにする補正段階とを設けたことを特徴とする信号解析方法。
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