JP2017040646A - 試験測定装置及びｓパラメータを求める方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サンプリング・モジュールによる時間領域測定を改善する。
【解決手段】試験測定装置が、ＤＵＴ１１４から反射されるか又は伝達されたパルス信号を受ける入力部と、反射されたパルス信号とは非同期の基準クロック１２４を受ける基準クロック入力部と、基準クロックのサンプルを取り込む位相基準モジュール１２２と、反射されたパルス信号のサンプルを取り込むサンプリング・モジュール１１０と、基準クロック１２４の取り込まれたサンプル及び反射されたパルス信号の取り込まれたサンプルに基いて、ＤＵＴ１１４のＳパラメータを求めるコントローラ１１８とを含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、非同期位相基準、高速インパルス及び電気サンプリング・オシロスコープを用いて、未知の被測定デバイスの反射係数、伝達係数及びＳパラメータ（scattering parameter）を求めることに関する。

電気サンプリング・オシロスコープは、等価時間サンプリングを採用し、時間領域の信号を測定するのに利用でき、その波形は、周期的に繰り返す。サンプリング・オシロスコープの中には、ソケットを有するものがあり、これは、電気的又は光学的なサンプリング・モジュールを受けることができる。サンプリング・オシロスコープは、サンプリング・モジュールを用いて、被測定デバイス（ＤＵＴ）のＴＤＲ（Time Domain Reflectometry）分析やＳパラメータを測定するのに利用できる。

特開２０１４−１４５７５７号公報 米国特許第７７４６０５８号明細書

「Sパラメータ」の記事、Wikipedia、［online］、［２０１６年７月２０日検索］、インターネット<URL: https://ja.wikipedia.org/wiki/Sパラメータ> 「DSA8300型サンプリング・オシロスコープ」の製品紹介サイト、テクトロニクス、［online］、［２０１６年７月２０日検索］、インターネット<URL: http://jp.tek.com/oscilloscope/dsa8300-サンプリング-oscilloscope>

時間領域の解決手法による試験測定システムには、限界がある。現在、タイム・ドメイン・リフレクトメータと透過率計（transmitometer）だけが、約５０ＧＨｚまで利用可能である。ベクトル・ネットワーク・アナライザは、もっと高い帯域幅を有しているが、非常に高価である。

本発明の実施形態は、従来技術におけるこれら及び他の制約を解決しようとするものである。

本発明のいくつかの実施形態は、被試験デバイスから反射されるか又は伝達されたパルス信号を受けるよう構成される入力部と、反射されたパルス信号とは非同期の基準信号を受けるよう構成される基準クロック入力部と、基準信号のサンプルを取り込むよう構成される位相基準モジュールと、反射されるか又は伝達されたパルス信号のサンプルを取り込むよう構成されるサンプリング・モジュールと、基準信号の取り込まれたサンプル及び反射されるか又は伝達されたパルス信号の取り込まれたサンプルに基いて、被試験デバイスの反射及び伝達係数を求めるよう構成されるコントローラとを含む試験測定装置に関する。

本発明のいくつかの実施形態は、被試験デバイスから反射されたパルス信号を受ける処理と、被試験デバイスから伝達されたパルス信号を受ける処理と、反射されたパルス信号とは非同期の基準信号を受ける処理と、基準信号のサンプルを取り込む処理と、伝達されるか又は反射されたパルス信号のサンプルを取り込む処理と、基準信号の取り込まれたサンプル及び反射されたパルス信号の取り込まれたサンプルに基いて、被試験デバイスのＳパラメータを求める処理とを含む被試験デバイスのＳパラメータ（scattering parameter）を求める方法に関する。

図１は、本発明によるアクイジション方法を実現するのに適した試験測定装置の構成を示す。 図２は、本発明を用いて、被試験デバイスのＳパラメータを求める方法を描いている。 図３は、図２の方法を用いて計算されたインパルス及びサンプル・データのフル・スケールを示す。 図４は、図２の方法を用いて計算されたインパルス及びサンプル・データ中のリップルが依然として見られる領域を拡大したものを示す。 図５は、図２の方法を用いて計算されたインパルス及びサンプル・データのメイン・パルスの領域を拡大したものを示す。 図６は、被試験デバイスが複数の入出力ポートを有する場合において、本発明の取込み方法を実現するのに適した試験測定装置の構成を示す。

図において、開示されるシステム及び方法の類似又は対応する要素は、同じ参照番号で示される。これら図は、必ずしも同一縮尺ではない。

図１は、本発明による電気サンプリング・モジュールを有する試験測定装置の構成を示す。パルス信号源１００は、高速フォト・ダイオード１０２に接続される。パルス信号源１００は、好ましくは、例えば、カルマー（Calmar）社製モード同期レーザのような光パルス信号源である。別の形式のパルス信号源を用いて、パルスを供給しても良い。しかし、パルス信号源は、極めて安定している必要がある。フォト・ダイオード１０２は、抵抗分割回路１０６の１つのポート１０４に接続される。抵抗分割回路１０６の第２ポート１０８は、電気サンプリング・モジュール１１０に接続される。抵抗分割回路１０６の第３ポート１１２は、被試験デバイス（ＤＵＴ）１１４又は校正標準器（校正を実施する場合）のいずれかに接続される。

サンプリング・モジュール１１０からの出力信号は、サンプリング・モジュール１１０からのサンプルされた出力信号をデジタル化するためにアナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ）１１６に送られ、後述のように、更なる処理のために、コントローラ１１８へ渡され、メモリ１２０に蓄積される。コントローラ１１８は、ソフトウェアを用いた汎用プロセッサ、マイクロコントローラ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどであっても良い。

位相基準モジュール１２２も設けられ、これは、基準クロック発生回路からの基準クロック１２４を受ける。基準クロック１２４は、好ましくは、極めて安定した基準周波数である。基準クロック１２４は、好ましくは、サイン波（正弦波）である。サイン波は、位相ノイズが低い、つまり、等価的にジッタが低いという意味で、スペクトラム的に純粋である。基準クロック１２４の周波数は、後述の理由から重要ではない。基準クロック１２４は、試験測定装置の内部でも外部でも良い。

位相基準モジュール１２２は、内部的に基準クロックを２つの複製にスプリットし、そして、それらを直交で（つまり、９０度ずらして）サンプルし、１度のサンプルにつき１対のサンプル・アナログ値を生成する。アナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ）１２６及び１２８は、位相基準モジュール１２２からのサンプル・アナログ値をデジタル化する。これらデジタル化サンプル値は、処理及び蓄積のために、コントローラ１１８及びメモリ１２０にそれぞれ送られる。パルス信号源１００及び基準クロック１２４は、極めて安定しているので、これら２つのデバイス間の位相は、互いに対して線形にドリフトするであろう。そのため、これら２つの間で測定された線形ドリフトから外れたどのような位相差も、測定システムのタイム・ベース（Time base：時間基準）が原因であり、後ほど詳述するように、補正できる。

ＤＵＴ１１４からの信号を処理するため、校正係数が求められて、メモリ１２０に記憶される。校正係数を求めるため、分割回路１０６の第３ポート１１２が３つの既知の終端（通常、オープン、ショート及び５００オーム負荷）を用いて終端されたときに、測定値が求められる。校正基準値を求めるため、ＤＵＴ１１４に関する後述の同じ工程が、抵抗分割回路１０６第の３ポート１１２がオープン、ショート又は既知の負荷に接続されたときに行われる。これは、例えば、一定の時間間隔で行われ、メモリ１２０に記憶されるようにしても良い。

動作中、パルス信号源１００は、ダイオード１０２を介してパルス信号を抵抗分割回路１０６へ送る。次に、抵抗分割回路１０６は、ＤＵＴ１１４（又は、校正中は、校正標準器）及びサンプリング・モジュール１１０へ送られる信号を分割する。サンプリング・モジュール１１０は、抵抗分割回路からのインパルス信号を受けると共に、ＤＵＴ１１４で受けられて抵抗分割回路１０６を通して戻ってきたインパルス信号の反射信号も受ける。即ち、インパルス信号は、ＤＵＴ１１４から反射され、サンプリング・モジュール１１０でも受けられる。この測定された信号は、ベクトル・ネットワーク・アナライザを使うことなく、ＤＵＴ１１４の反射係数Ｓ１１を計算するのに利用される。次に、この反射係数は、試験測定装置による他の計算のために、ＤＵＴから受ける信号からディエンベッドされても良い。

４つの異なる試験信号のインパルスは、期間Ｔの間に渡って測定される。この期間には、ＤＵＴ１１４又は校正標準器から来る反射信号に加えて、オリジナルのインパルスがある。オリジナルのインパルスは、厳密には測定する必要はないが、こうした測定によって、反射信号を揃える（aligning）のが、より簡単になる。各インパルス測定では、基準クロック１２４からの基準信号を捕捉するのに、位相基準モジュール１２２も使用しなければならない。即ち、期間Ｔの間、基準クロック１２４からの基準信号に加えて、反射試験信号も測定される。

好ましくは、４つの測定のそれぞれの間に複数のアクイジション（データ取込み）を行うと良い。受けたデータが多いほど、後処理された波形中におけるノイズ・レベルの存在が低くなる。

図２は、ＤＵＴ１１４の反射係数を求める方法を記述している。

工程２００では、２００８年３月２１日出願の米国特許第７,７４６,０５８号「非同期基準クロックを用いたシーケンシャル等価時間サンプリング」で説明されているような非同期補正アルゴリズムを用いて、タイム・ベースのエラーについて、測定されたインパルスの全てが補正される。

即ち、インパルス及び基準クロック信号の位相が、期間Ｔの間に測定される。基準クロック信号の同相及び直交成分がプロットされる。その得られるリサージュは、位相を計算するための楕円と合致する。位相は線形に進むので、位相接続（unwrap：アンラップ）して、位相データを１つのラインに適合させる。そのラインからのずれは、システムにおけるジッタの存在である。ラジアンを秒に変換することによって、サンプリング・モジュール１１０が受けた信号を、ラインからのずれに基いて、時間補正できる。

時間補正されたデータは、もはや、一定間隔ではない。各ポイントは、それ自身の独自のタイムスタンプを有する。時間補正されたパルスは、続いて、一定間隔となるようにリサンプル（再サンプル）される。これを行うため、サンプリング・モジュール１１０が受けた信号の時間補正された複数のパルスは、最初のパルスをガウス関数に合わせることによって、位置が調整される（align）。ガウス関数の中央の位置は、データの位置を再調整するための基準ポイントとして利用される。上述のように、タイム・ベースの補正は、サンプルの時間的位置をシフトするので、インパルス・データは、もはや一定間隔でサンプルされたポイントを持たない。これは、次のステップでフーリエ変換を行えるように、補正される必要がある。そこで、複数のアクイジションを合わせて平均化し、ノイズを低減する。タイム・ベースの平均化及びリサンプリングは、更に詳しくは後述のように、データのガウス・インパルスとの数値的コンボリューションを取ることによって実行しても良い。

工程２０２では、全測定波形の全部の対（ｔ，ｙ）を１つのデータ・レコード［Ｔ，Ｙ］に入れる。ベクトルＴは、非一定間隔の時間ポイントから構成され、ベクトルＹは、振幅データから構成される。一定間隔のサンプリング・グリッド（grid：格子）ｔ＝｛ｔ０，ｔ１，ｔ２，…，ｔｉ｝が選択される（ここで、ｔｉ＝ｉ＊Δｔ）。

各時間間隔ｔｉについて、データをリサンプルして、各時間間隔ｔｉでのパルスの振幅を求めるのに、次のようにｙ（ｔｉ）の積分を工程２０４において計算する。

これは、関数（Ｙ）のガウス・インパルスとのコンボリューションである。値σは、インパルスの立ち上がり時間を定める。この積分は、データに対する平均化処理として機能する。ガウス関数を用いることは、帯域幅計算をより簡単なものにもする。関数Ｙは、サンプルされたＹｉであるので、この積分は、数値的に算出される必要がある。小さな立ち上がり時間に関しては、このガウス分布のすそ（tails）は、急速に減衰し、小さい領域の積分を使用する必要があるのみで、これは、演算速度が増加するという結果をもたらす。

ガウス分布の立ち上がり時間を選択することにより、測定されたデータに対する影響を最小にしてｙ（ｔｉ）≒Ｙ（ｔｉ）となるようにフィルタ帯域幅を調整できる、即ち、立ち上がり時間を短くするほど、フィルタの実効帯域幅が広い。しかし、もし立ち上がり時間があまりに短いと、フィルタがあまりに狭くなりすぎ、任意の点で充分なサンプル・データが利用されないという点で、実際的な制約がある。これは、充分なノイズが平均化されないために、見た目にノイズの多いプロットという結果をもたらす。

工程２０６では、Ｙｉの高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が行われる。

タイム・ベースを補正し、リサンプリングし、データを平均化すると、１ユニットの時間ベクトルと４つのインパルス測定振幅ベクトルを生成するが、このとき、３つの校正ベクトルは、先の測定から記憶するようにしても良い。校正の工程のために、データを周波数領域とするように、ＦＦＴが行われる。

校正基準値は、上述のように、メモリ１２０に予め記憶されており、ＤＵＴ１１４の反射係数だけが未知である。周波数領域における標準的な校正の補正アルゴリズムを、ＤＵＴ１１４の測定値を補正するのに利用しても良い。これらアルゴリズムは、予め測定された校正基準値を用いて、測定システム中の未知の歪を補正する。

工程２０８において、非理想的な測定値に基いて実際の反射を計算するため、３つの基準用標準器、通常、ショート、オープン及び負荷が用いられる。これら標準器それぞれの反射係数は既知であり、そのため、これら校正標準器のそれぞれについて、測定された反射が、実際の反射に対して比較できる。１ポートＤＵＴネットワーク解析では、３つのエラー項があり、通常、ソース・マッチ・エラー、指向性エラー及び反射トラッキング・エラーと呼ばれる。３つの等式が設定され、既知の基準値を測定結果に対して比較するが、このとき、これら３つの等式のそれぞれには、３つの未知数（指向性、ソース・マッチ及び反射トラッキング）がある。３つの等式は、３つの未知数に関して解かれ、ＤＵＴのＳパラメータを補正するのに、これらを利用する。

よって、Ｓ１１のＳパラメータ（反射係数）は、ベクトル・ネットワーク・アナライザではなく、電気的なサンプリング・オシロスコープを用いて求められる。上述の方法及びシステムは、反射信号ではなく、ＤＵＴから伝達される信号を測定するのにも利用できる。

図３〜６は、図２の方法を用いて計算されたインパルスを示す。この方法では、０.５ｐｓのコンボリューション立ち上がり時間が選択された。これは、１００ＧＨｚで０.０５ｄＢだけの損失を有するフィルタに対応し、そのため、関心のある帯域幅に対するコンボリューションの影響は、極めて小さい。

上述した開示技術は、単一ポートの測定に限定されない。上記システム及び方法は、マルチポートＤＵＴのＳパラメータを測定するよう拡張できる。上述の方法及びシステムをマルチポートに拡張するためには、上述の方法を各ポートについて実行することとなろう。

マルチポートのＳパラメータに関して、可能な設定の１つは、図６に示すものであろう。ここでは、インパルス・レーザが、光スイッチ６０４を用いて、Ｎ個のフォト・ダイオード１０２、６００、６０２へ送られる。ダイオード１０２、６００、６０２のそれぞれは、１ポートの場合のように、ＤＵＴ１１４、分割回路１０６、６１０及び６１２並びにサンプラ１１０、６０６及び６０８に、それぞれ接続される。反射係数は、先と同様に、第ｎ番光パルスが、第ｎ番ダイオード６０２に入射されるときに、第ｎ番サンプラ６０８でインパルスを測定することによって求められる。ポートｎ−１からポートｎへの伝達関数も、第ｎ番ダイオード６０２に、パルスが入射されるときに、第ｎ−１番サンプラ６０６でのインパルスを測定することによって求められる。各ポートについて、反射校正及びスルー校正を行う必要がある。校正方法は、部分修正する必要があって、先の場合では、３つの既知の反射（ショート、オープン及び負荷）を使ったときに、ここでは、既知のスルーが使用される。スルーは、第ｎ番ポートのそれぞれから別の第ｎ−１番ポートへと測定する必要がある。校正は、先と同様だが、エラーは、システムの等式を解くことによって、解かれる。

本発明の原理を、その好ましい実施形態において説明及び図示してきたが、本発明は、こうした原理から離れることなく、構成や細部を変更可能であることは明らかであろう。例えば、本発明の要旨と範囲に入る変更及び変形としては、次のものとしても良い。

本発明の概念１は、試験測定装置であって、
被試験デバイスから反射されるか又は伝達されたパルス信号を受けるよう構成される入力部と、
反射された上記パルス信号とは非同期の基準信号を受けるよう構成される基準クロック入力部と、
上記基準信号のサンプルを取り込むよう構成される位相基準モジュールと、
反射された上記パルス信号のサンプルを取り込むよう構成されるサンプリング・モジュールと、
上記基準信号の取り込まれた上記サンプル及び反射された上記パルス信号の取り込まれた上記サンプルに基いて、上記被試験デバイスのＳパラメータを求めるよう構成されるコントローラと
を具えている。

本発明の概念２は、上記概念１の試験測定装置であって、上記パルス信号を上記被試験デバイスへ出力するよう構成されるパルス信号源を更に具えている。

本発明の概念３は、上記概念２の試験測定装置であって、上記パルス信号源から上記パルス信号を受けて、上記パルス信号を上記サンプリング・モジュール及び上記被試験デバイスへ出力するよう構成される分割回路を更に具えている。

本発明の概念４は、上記概念２の試験測定装置であって、このとき、上記パルス信号源は、光パルス信号源である。

本発明の概念５は、上記概念１の試験測定装置であって、このとき、上記コントローラが、
上記基準信号の取り込まれた上記サンプルからサンプル位相を計算する処理と、
上記サンプル位相を位相接続（unwrap：アンラップ）してサンプル位相（phase：フェイズ）ランプとする処理と、
該サンプル・フェイス・ランプから理想位相ランプを生成する処理と、
該理想位相ランプから上記サンプル位相ランプを引き算して、上記基準信号の取り込まれた上記サンプルのタイムスタンプを計算する処理と、
計算された上記タイムスタンプに基いて、反射された上記パルス信号の取り込まれた上記サンプルを時間補正する処理と
によって、反射された上記パルス信号の取り込まれた上記サンプルを時間補正することにより、上記被試験デバイスの上記Ｓパラメータを求めるよう構成されている。

本発明の概念６は、上記概念５の試験測定装置であって、このとき、上記コントローラが、以下の等式を用いて、反射された上記パルスの取り込まれて時間補正されたサンプルをリサンプルして一定間隔とすることによって、上記被試験デバイスの上記Ｓパラメータを求めるよう構成されている：

ここで、ｙ（ｔｉ）は、時点ｔｉにおける上記パルスの振幅、
σは、上記パルスの立ち上がり時間、
Δｔは、インターバルｔｉとｔｉ−１間の時間である。

本発明の概念７は、上記概念６の試験測定装置であって、このとき、上記コントローラが、ｙ（ｔｉ）を周波数領域に変換するよう更に構成されている。

本発明の概念８は、上記概念１の試験測定装置であって、校正係数を記憶するよう構成されるメモリを更に具え、このとき、上記コントローラが、上記校正係数に基いて、上記被試験デバイスの上記Ｓパラメータを求めるよう更に構成されている。

本発明の概念９は、被試験デバイスのＳパラメータを求める方法であって、
被試験デバイスから反射されたパルス信号を受ける処理と、
反射された上記パルス信号とは非同期の基準信号を受ける処理と、
上記基準信号のサンプルを取り込む処理と、
反射された上記パルス信号のサンプルを取り込む処理と、
上記基準信号の取り込まれた上記サンプル及び反射された上記パルス信号の取り込まれた上記サンプルに基いて、上記被試験デバイスのＳパラメータを求める処理と
を具えている。

本発明の概念１０は、上記概念９の方法であって、上記パルス信号を上記被試験デバイスへ出力する処理を更に具えている。

本発明の概念１１は、上記概念１０の方法であって、上記パルス信号を分割回路を介して上記サンプリング・モジュール及び上記被試験デバイスへ出力する処理を更に具えている。

本発明の概念１２は、上記概念１０の方法であって、このとき、上記パルス信号は、光パルス信号である。

本発明の概念１３は、上記概念９の方法であって、反射された上記パルス信号の取り込まれた上記サンプルを時間補正することによって、上記被試験デバイスの上記Ｓパラメータを求める処理が、
上記基準信号の取り込まれた上記サンプルからサンプル位相を計算する処理と、
上記サンプル位相を位相接続（unwrap：アンラップ）してサンプル位相（phase：フェイズ）ランプとする処理と、
該サンプル・フェイス・ランプから理想位相ランプを生成する処理と、
該理想位相ランプから上記サンプル位相ランプを引き算して、上記基準信号の取り込まれた上記サンプルのタイムスタンプを計算する処理と、
計算された上記タイムスタンプに基いて、反射された上記パルス信号の取り込まれた上記サンプルを時間補正する処理と
を有している。

本発明の概念１４は、上記概念１３の方法であって、このとき、上記被試験デバイスの上記Ｓパラメータを求める処理が、以下の等式を用いて、反射された上記パルスの取り込まれて時間補正されたサンプルをリサンプルして一定間隔とする処理を有している：

ここで、ｙ（ｔｉ）は、時点ｔｉにおける上記パルスの振幅、
σは、上記パルスの立ち上がり時間、
Δｔは、インターバルｔｉとｔｉ−１間の時間である。

本発明の概念１５は、上記概念１４の方法であって、ｙ（ｔｉ）を周波数領域に変換する処理を更に具えている。

１００ パルス信号源
１０２ フォト・ダイオード
１０４ 抵抗分割回路の第１ポート
１０６ 抵抗分割回路
１０８ 抵抗分割回路の第２ポート
１１０ 電気サンプリング・モジュール
１１２ 抵抗分割回路の第３ポート
１１４ 被試験デバイス
１１６ ＡＤＣ
１１８ コントローラ
１２０ メモリ
１２２ 位相基準モジュール
１２４ 基準クロック
１２６ ＡＤＣ
１２８ ＡＤＣ
６００ フォト・ダイオード
６０２ フォト・ダイオード
６０４ 光スイッチ
６０６ 電気サンプリング・モジュール
６０８ 電気サンプリング・モジュール

Claims (3)

1. 被試験デバイスから反射されるか又は伝達されたパルス信号を受けるよう構成される入力部と、
   反射された上記パルス信号とは非同期の基準信号を受けるよう構成される基準クロック入力部と、
   上記基準信号のサンプルを取り込むよう構成される位相基準モジュールと、
   反射された上記パルス信号のサンプルを取り込むよう構成されるサンプリング・モジュールと、
   上記基準信号の取り込まれた上記サンプル及び反射された上記パルス信号の取り込まれた上記サンプルに基いて、上記被試験デバイスのＳパラメータを求めるよう構成されるコントローラと
   を具える試験測定装置。
2. 上記コントローラが、
   上記基準信号の取り込まれた上記サンプルからサンプル位相を計算する処理と、
   上記サンプル位相を位相接続してサンプル位相ランプとする処理と、
   該サンプル・フェイス・ランプから理想位相ランプを生成する処理と、
   該理想位相ランプから上記サンプル位相ランプを引き算して、上記基準信号の取り込まれた上記サンプルのタイムスタンプを計算する処理と、
   計算された上記タイムスタンプに基いて、反射された上記パルス信号の取り込まれた上記サンプルを時間補正する処理と
   によって、反射された上記パルス信号の取り込まれた上記サンプルを時間補正することにより、上記被試験デバイスの上記Ｓパラメータを求めるよう構成される請求項１の試験測定装置。
3. 被試験デバイスから反射されたパルス信号を受ける処理と、
   反射された上記パルス信号とは非同期の基準信号を受ける処理と、
   上記基準信号のサンプルを取り込む処理と、
   反射された上記パルス信号のサンプルを取り込む処理と、
   上記基準信号の取り込まれた上記サンプル及び反射された上記パルス信号の取り込まれた上記サンプルに基いて、上記被試験デバイスのＳパラメータを求める処理と
   を具える被試験デバイスのＳパラメータを求める方法。

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