JP3845573B2

JP3845573B2 - 位相検波器およびそれを用いた周波数安定度測定装置

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Publication number: JP3845573B2
Application number: JP2001362504A
Authority: JP
Inventors: 政治内野
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2001-11-28
Filing date: 2001-11-28
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2021-11-28
Also published as: EP1450170A1; EP1450170B1; DE60231233D1; JP2003163708A; EP1450170A4; WO2003046585A1; US6909270B2; EP1450170B9; US20040096024A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２信号の同相信号と直交信号によって決まる位相の変位の累積値を、簡単な構成で高速に検出するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電波天文学の分野で天体観測等に用いる信号には、その周波数の僅かな変動が観測結果に大きな悪影響を与える。
【０００３】
このため、このような分野では、１日当たり１０^−１３以上（例えば、１ＧＨｚの信号で１日当たり１０^−４Ｈｚ以下）の極めて高い周波数安定度をもつ原子発振器が信号源として使われており、このような信号源を設計、製造するためには、その信号源の周波数安定度を測定する必要がある。
【０００４】
信号の周波数の安定度を測定する方法として、周波数カウンタによって周波数変動を直接測定する方法の他に、基準信号に対する位相の変位の累積値を測定する方法がある。詳しくは、「わかりやすいディジタルクロック技術」木原雅也、小野定康著、オーム社発行２００１（ＩＳＢＮ４２７４０３５５４９）を参照のこと。
【０００５】
この位相の変位を検出する場合、高い周波数の信号の位相の変位量を直接検出することは困難なので、一般的には、図１０に示すように、測定の基準となり測定対象信号Ｓｘと公称周波数ｆが等しく、周波数安定度が同等かそれ以上の基準信号Ｓｒを用意し、この基準信号Ｓｒと測定対象信号Ｓｘとを周波数変換部１で低い周波数帯に変換し、その変換された基準信号Ｓｒ′と測定対象信号Ｓｘ′とを直交検波部２に入力して、両信号Ｓｒ′、Ｓｘ′の同相成分を表す同相信号Ｉと直交成分を表す直交信号Ｑとを求めて位相検波器３に入力する。
【０００６】
位相検波器３は、入力される同相信号Ｉと直交信号Ｑとで決まる位相の変位量Δφを検出して、その変位量を累積する。この位相の変位の累積値Φは、基準信号Ｓｒに対する測定対象信号Ｓｘの周波数変動を表しているので、この累積値Φから周波数安定度を評価することができる。
【０００７】
このような測定システムで使用される従来の位相検波器３は、図１１に示すように構成されている。
【０００８】
即ち、先に入力された同相信号Ｉ′と直交信号Ｑ′とからなる複素数（Ｉ′＋ｊＱ′）を、遅延器４で１クロック時間遅延してから共役変換部５で共役な複素数（Ｉ′−ｊＱ′）を求め、この共役な複素数（Ｉ′−ｊＱ′）と次に入力された同相信号Ｉと直交信号Ｑとからなる複素数（Ｉ＋ｊＱ）とを乗算処理部６によって乗算して、
ＩＩ′＋ＱＱ′−ｊ（ＩＱ′−Ｉ′Ｑ）
を求める。
【０００９】
なお、この乗算処理は、実際には、（ＩＩ′）、（ＱＱ′）、（ＩＱ′）、（Ｉ′Ｑ）を求めるための４つの乗算器と、それらの加算（減算）を行なうための２つの加算器とによって行なっている。
【００１０】
上記乗算処理の結果は、自然対数の底ｅ、位相変位量Δφおよび正数Ａを用いて、
Ａｅ^ｊΔφ
と表されるので、次の対数変換部７の対数変換処理によって、
log Ａ＋ｊΔφ
に変換され、この演算結果から虚数部抽出手段８によって虚数部の位相変位量Δφが抽出される。
【００１１】
そして、この抽出された位相変位量Δφが累積手段９によって累積処理されて、基準信号Ｓｒに対する測定対象信Ｓｘの周波数変動に対応する累積値Φが求められる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した従来の位相検波器３では、前記したように、（Ｉ＋ｊＱ）と（Ｉ′−ｊＱ′）の複素数乗算処理のために、４つの乗算器と２つの加算器が必要となり、構成が複雑化し、演算処理に時間がかかり高速動作ができないという問題がある。
【００１３】
本発明は、この問題を解決し、簡単な構成で高速に位相変位を検出することができる位相検波器およびそれを用いた周波数安定度測定装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の位相検波器は、
２信号の同相成分を表す同相信号と直交成分を表す直交信号とを受けて、該同相信号と直交信号とで決まる位相の変位量を求める位相検波器において、
予め２πの角度範囲を等分して得られる３以上の複数Ｍの角度領域に対して領域番号を順番に割り当て、前記同相信号と直交信号とが入力される毎に、その入力された同相信号と直交信号とで決まる位相が含まれる角度領域を検出し、該検出した角度領域の領域番号を出力する位相領域検出手段（２１）と、
前記位相領域検出手段から出力された領域番号とその前に出力された領域番号との差を、位相の変位量と変位方向を表す情報として順次求める位相変位検出手段（２２）と、
前記位相変位検出手段から出力される領域番号差が、前記角度領域数Ｍについて予め設定された範囲のいずれにあるかを調べて、前記複数の角度領域に割り当てられた領域番号の初期値に対応する角度領域と最終値に対応する角度領域の境界を越えるように位相が変位したか否かを示すデータを出力する境界越え検出手段（２５）と、
前記境界越え検出手段から出力されるデータを累積して、位相の回転数を求める回転数検出手段（２６）と、
前記位相領域検出手段が出力する領域番号、前記角度領域数Ｍおよび前記回転数検出手段が出力する回転数とに基づいて、前記同相信号と直交信号とで決まる位相の変位の累積値を求める変位累積手段（２７）とを備えている。
【００１５】
また、本発明の周波数安定度測定装置は、
公称周波数が等しい基準信号と測定対象信号とを所定周波数以下の帯域に周波数変換する周波数変換部（４１）と、
前記周波数変換部によって周波数変換された基準信号と測定対象信号とを共通のサンプリング信号によってサンプリングしてデジタル値に変換する第１、第２のＡ／Ｄ変換器（６０、６１）と、
前記第１、第２のＡ／Ｄ変換器の出力信号の直流成分をそれぞれ除去する第１、第２の高域通過フィルタ（６２、６３）と、
前記第１、第２の高域通過フィルタの出力信号に対する直交検波を行い、その同相成分を表す同相信号と直交成分を表す直交信号を検出する直交検波部（６５）と、
前記直交検波部から出力される同相信号と直交信号とで決まる位相の変位量を求める位相検波器（２０′）と、
位相検波器によって検出された位相変位量を用いて、前記基準信号に対する測定対象信号の相対的な周波数安定度を評価するための演算を行う評価演算部８０とを備えた周波数安定度測定装置であって、
前記位相検波器は、
予め２πの角度範囲を等分して得られる３以上の複数Ｍの角度領域に対して領域番号を順番に割り当て、前記同相信号と直交信号とが入力される毎に、その入力された同相信号と直交信号とで決まる位相が含まれる角度領域を検出し、該検出した角度領域の領域番号を出力する位相領域検出手段（２１）と、
前記位相領域検出手段から出力された領域番号とその前に出力された領域番号との差を、位相の変位量と変位方向を表す情報として順次求める位相変位検出手段（２２）と、
前記位相変位検出手段から出力される領域番号差が、前記角度領域数Ｍについて予め設定された範囲のいずれにあるかを調べて、前記複数の角度領域に割り当てられた領域番号の初期値に対応する角度領域と最終値に対応する角度領域の境界を越えるように位相が変位したか否かを示すデータを出力する境界越え検出手段（２５）と、
前記境界越え検出手段から出力されるデータを累積して、位相の回転数を求める回転数検出手段（２６）と、
前記位相領域検出手段が出力する領域番号、前記角度領域数Ｍおよび前記回転数検出手段が出力する回転数とに基づいて、前記同相信号と直交信号とで決まる位相の変位の累積値を求める変位累積手段（２７′）とを備えていることを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
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、本発明を適用した位相検波器２０の構成を示している。
【００１７】
この位相検波器２０は、２信号の同相成分を表す同相信号Ｉと直交成分を表す直交信号Ｑとを順次受けて、その同相信号Ｉと直交信号Ｑとで決まる位相の変位量を求めるためのものである。
【００１８】
位相検波器２０の位相領域検出手段２１は、図２に示すように、予め２π(±πでもよい)の角度範囲を等分して得られるＭ個（図２ではＭが偶数の場合を示している）の角度領域Ｅ（０）〜Ｅ（Ｍ−１）に対して領域番号０〜Ｍ−１を順番に割り当て、同相信号Ｉと直交信号Ｑとが入力される毎に、その入力された同相信号Ｉと直交信号Ｑとで決まる位相φが含まれる角度領域を検出し、その検出した角度領域の領域番号ｐを出力する。
【００１９】
なお、同相信号Ｉと直交信号Ｑとで決まる位相角φは、
φ＝ａｒｇ（Ｉ＋ｊＱ）
の演算によって求められる。ここで、ａｒｇ（ｚ）は、複素数ｚの偏角を表す函数である。
【００２０】
また、この角度領域数Ｍは位相変動の精度を決める３以上の値で、領域数Ｍが大きい程高精度となり、実際には８ビット程度から数１０ビットで表される数値である。
【００２１】
このようにして求められた領域番号ｐは、位相変位検出手段２２に入力される。位相変位検出手段２２は、位相領域検出手段２１から出力された領域番号ｐ_ｋを１サンプルずつ遅延する遅延器２３と、位相領域検出手段２１から出力された領域番号ｐ_ｋから、その前に出力されて遅延器２３から出力された領域番号ｐ_ｋ−１を減じて領域番号差Δｐ_ｋを求める減算器２４とからなり、この領域番号差Δｐ_ｋを位相の変位量と変位方向を表す情報として順次求め、境界越え検出手段２５に出力する。
【００２２】
境界越え検出手段２５は、位相変位検出手段２２から出力される領域番号差Δｐ_ｋが、前記した角度領域数Ｍについて次の表１のように予め設定された３つのの範囲のいずれにあるかを調べ、Ｍ個の角度領域Ｅ（０）〜Ｅ（Ｍ−１）に割り当てられた領域番号の初期値０に対応する角度領域Ｅ（０）と最終値Ｍ−１に対応する角度領域Ｅ（Ｍ−１）の境界を越えるように位相が変化したか否かを示すデータｓ_ｋを出力する。
【００２３】
【表１】

【００２４】
なお、上記表１に示しているように、角度領域数Ｍが偶数の場合の範囲の設定方法は２通りあり、そのうちの第１の範囲設定例（上段側）では、［Ｍ／２］をＭ／２を越えない最大の整数として、領域番号差Δｐ_ｋが−（Ｍ−１）から−（［Ｍ／２］＋１）までの範囲に含まれるときには、前記境界を左回りに越えるように位相が変化したことを示すデータｓ_ｋ＝１を出力し、領域番号差Δｐ_ｋが−［Ｍ／２］から［Ｍ／２］−１までの範囲に含まれるときには前記境界を越えない範囲で位相が変化したことを示すデータｓ_ｋ＝０を出力し、領域番号差Δｐ_ｋが［Ｍ／２］からＭ−１までの範囲に含まれるときには前記境界を右回りに越えるように位相が変位したことを示すデータｓ_ｋ＝−１を出力する。
【００２５】
また、角度領域数Ｍが偶数の場合の第２の範囲設定列（下段側）では、領域番号差Δｐ_ｋが−（Ｍ−１）から−［Ｍ／２］までの範囲に含まれるときには、前記境界を左回りに越えるように位相が変化したことを示すデータｓ_ｋ＝１を出力し、領域番号差Δｐ_ｋが−（［Ｍ／２］−１）から［Ｍ／２］までの範囲に含まれるときには、前記境界を越えない範囲で位相が変化したことを示すデータｓ_ｋ＝０を出力し、領域番号差Δｐ_ｋが［Ｍ／２］＋１からＭ−１までの範囲に含まれるときには、前記境界を右回りに越えるように位相が変化したことを示すデータｓ_ｋ＝−１を出力する。
【００２６】
また、角度領域数Ｍが奇数の場合では、領域番号差Δｐ_ｋが−（Ｍ−１）から−（［Ｍ／２］＋１）までの範囲に含まれるときには、前記境界を左回りに越えるように位相が変化したことを示すデータｓ_ｋ＝１を出力し、領域番号差Δｐ_ｋが−［Ｍ／２］から［Ｍ／２］までの範囲に含まれるときには、前記境界を越えない範囲で位相が変化したことを示すデータｓ_ｋ＝０を出力し、領域番号差Δｐ_ｋが［Ｍ／２］＋１からＭ−１までの範囲に含まれるときには、前記境界を右回りに越えるように位相が変化したことを示すデータｓ_ｋ＝−１を出力する。
【００２７】
回転数検出手段２６は、境界越え検出手段２５から出力されるデータｓ_ｋを累積して、位相が２π分回転した回数（回転数）ｃ_ｋを求める。
【００２８】
変位累積手段２７は乗算器２８と加算器２９とを有し、回転数検出手段２６が出力する回転数ｃ_ｋと角度領域数Ｍとを乗算器２８で乗算し、その乗算結果と位相領域検出手段２１が出力する領域番号ｐ_ｋとを加算器２９で加算して、同相信号Ｉと直交信号Ｑとで決まる位相の変位の累積値ｕ_ｋを求める。
【００２９】
次に、上記構成の位相検波器２０の動作を説明する。なお、以下の説明では、動作を理解しやすいように角度領域数Ｍを１６とする。
【００３０】
この位相検波器２０に対して、図３の（ａ）のように、同相信号Ｉと直交信号Ｑの組（Ｉ_０，Ｑ_０）、（Ｉ_１，Ｑ_１）、（Ｉ_２，Ｑ_２）、…が順次入力されると、位相領域検出手段２１は、これらの各組の同相信号Ｉと直交信号Ｑとで決まる位相φ_０、φ_１、φ_２、…を求め、それらの位相φ_０、φ_１、φ_２、…が、図４に示しているように２πを１６等分して得られる１６個の角度領域Ｅ（０）〜Ｅ（１５）のいずれに入るかを検出して、図３の（ｂ）のように、その角度領域に対応する領域番号ｐ_０、ｐ_１、ｐ_２、…を出力する。
【００３１】
ここで、位相φ_０、φ_１、φ_２、…が、図４に示しているように角度領域Ｅ（２）から、左回りに角度領域Ｅ（８）、角度領域（１２）、角度領域Ｅ（１４）、角度領域Ｅ（１）、角度領域Ｅ（６）の順に変位した場合、位相領域検出手段２１から出力される各領域番号は、図３の（ｂ）に示しているように、ｐ_０＝２、ｐ_１＝８、ｐ_２＝１２、ｐ_３＝１４、ｐ_４＝１、ｐ_５＝６、…となり、位相変位検出手段２２は、図３の（ｃ）に示しているように、各領域番号差を、以下のように順次検出して、境界越え検出手段２５に出力する。
【００３２】
Δｐ_０＝ｐ_０−０＝２
Δｐ_１＝ｐ_１−ｐ_０＝６
Δｐ_２＝ｐ_２−ｐ_１＝４
Δｐ_３＝ｐ_３−ｐ_２＝２
Δｐ_４＝ｐ_４−ｐ_３＝−１３
Δｐ_５＝ｐ_５−ｐ_３＝５
……
【００３３】
境界越え検出手段２５は、本実施の形態では、角度領域数Ｍが偶数の場合の上記第１の範囲設定例を用いて位相が境界を越えたか否かを検出する。
【００３４】
この場合、領域番号差Δｐ_０、Δｐ_１、Δｐ_２、Δｐ_３、Δｐ_５のように、位相変位検出手段２２から−８以上７以下の領域番号差Δｐを受けた場合には、図３の（ｄ）のように、０の検出データｓ_０、ｓ_１、ｓ_２、ｓ_３、ｓ_５、…を出力し、領域番号差Δｐ_４のように、位相変位検出手段２２から−９以下の領域番号差Δｐを受けた場合には、最初の領域番号０に対応する角度領域Ｅ（０）と最後の領域番号１５に対応する角度領域Ｅ（１５）の境界を左回りに越えるように位相が変化したことを示す「１」のデータｓ_４を出力する。
【００３５】
また、図示していないが、位相変位検出手段２２から８以上の領域番号差Δｐ_ｋを受けた場合には、角度領域Ｅ（０）、Ｅ（１５）の境界を、右回りに越えるように位相が変化したことを示す「−１」のデータｓ_ｋを出力する。
【００３６】
回転数検出手段２６は、この境界越え検出手段２５から出力されるデータｓ_ｋを累積して、図３の（ｅ）に示しているように、位相の回転数を以下のように順次出力する。
【００３７】
ｃ_０＝０
ｃ_１＝０
ｃ_２＝０
ｃ_３＝０
ｃ_４＝１
ｃ_５＝１
……
【００３８】
この回転数ｃ_ｋは、位相領域検出手段２１から出力される領域番号ｐ_ｋとともに変位累積手段２７に入力され、以下の演算が順次行なわれ、図３の（ｆ）のように、位相変位の累計値ｕ_０、ｕ_１、ｕ_２、…が出力される。
【００３９】
ｕ_０＝ｐ_０＋ｃ_０Ｍ＝ｐ_０＝２
ｕ_１＝ｐ_１＋ｃ_１Ｍ＝ｐ_１＝８
ｕ_２＝ｐ_２＋ｃ_２Ｍ＝ｐ_２＝１２
ｕ_３＝ｐ_３＋ｃ_３Ｍ＝ｐ_３＝１４
ｕ_４＝ｐ_４＋ｃ_４Ｍ＝ｐ_４＋Ｍ＝１＋１６＝１７
ｕ_５＝ｐ_５＋ｃ_５Ｍ＝ｐ_５＋Ｍ＝６＋１６＝２２
……
【００４０】
このように、実施形態の位相検波器２０は、入力される同相信号Ｉと直交信号Ｑとで決まる位相が、２πの角度範囲を等分して得られる３以上の複数Ｍの角度領域Ｅ（０）〜Ｅ（Ｍ−１）のいずれに入るかを求めてその角度領域に割り当てられた領域番号を検出し、その検出された領域番号とその前に検出された領域番号との差を求め、その領域番号差Δｐ_ｋが領域数Ｍについて予め設定された範囲内にあるか否かを調べて、最初の角度領域Ｅ（０）と最終の角度領域Ｅ（Ｍ−１）の境界を越えて位相が変位したか否かを示すデータを出力し、このデータを累積して得られる回転数、領域番号および領域数Ｍから、位相変位の累積値を求めるようにしている。
【００４１】
このため、連続的に入力された２組の同相信号Ｉと直交信号Ｑの複素数乗算処理を行なって位相変位を求めていく従来の方法に比べて、演算処理が少なくて済み、高速動作が可能となる。
【００４２】
次に、上記構成の位相検波器を用いて、基準信号に対する測定対象信号の周波数安定度を測定する周波数安定度測定装置について説明する。
【００４３】
図５は、本発明を適用した周波数安定度測定装置４０の構成を示している。
図５において、周波数変換部４１は、公称周波数ｆａが等しい基準信号Ｓｒと測定対象信号Ｓｘとを所定周波数以下の帯域に周波数変換する。
【００４４】
この周波数変換部４１としては、図６に示すようにミキサを用いたもの、図７、図８に示すように分周回路を用いたもの、あるいはそれらを併用したもの等を用いることができる。
【００４５】
図６は２ミキサ方式の周波数変換部４１の構成例であり、基準信号Ｓｒおよび測定対象信号Ｓｘの公称周波数ｆａに対して、数１０Ｈｚ〜数１００ｋＨｚ程度異なる周波数ｆｃの局発信号Ｓｃを局発回路４２からミキサ４３、４４に出力し、この局発信号Ｓｃと基準信号Ｓｒを受けたミキサ４３の出力成分から差の周波数成分Ｓｒ′をＬＰＦ（低域通過フィルタ）４５によって抽出する。また、局発信号Ｓｃと測定対象信号Ｓｘを受けたミキサ４４の出力成分から差の周波数成分Ｓｘ′をＬＰＦ４６によって抽出する。
【００４６】
なお、ミキサを用いた周波数変換部４１として、上記の２ミキサ方式の他に、構成がやや複雑であるが、イメージによるＳ／Ｎの低下が少ないイメージリジェクション型のものを用いることもできる。
【００４７】
一方、図７は分周器４７、４８を用いて、基準信号Ｓｒと測定対象信号ＳｘをそれぞれＮ分周し、その分周信号Ｓｒ′、Ｓｘ′を出力するものである。
【００４８】
また、図８は、フェーズロックループ（ＰＬＬ）によって分周するものであり、ＶＣＯ４９から出力される信号を逓倍器５０によってＰ逓倍し、この逓倍信号と基準信号Ｓｒとの位相差を位相比較器５１で検出し、その誤差信号からＬＰＦ５２によって抽出した制御信号をＶＣＯ４９に与えて、ＶＣＯ４９から基準信号Ｓｒの１／Ｐの周波数にロックされた信号Ｓｒ′を出力させる。また、ＶＣＯ５３から出力される信号を逓倍器５４によってＰ逓倍し、この逓倍信号と測定対象信号Ｓｘとの位相差を位相比較器５５で検出し、その誤差信号からＬＰＦ５６によって抽出した制御信号をＶＣＯ５３に与えて、ＶＣＯ５３から測定対象信号Ｓｘの１／Ｐの周波数にロックされた信号Ｓｘ′を出力させる。
【００４９】
なお、図８のＰＬＬ構成の分周回路の前段または後段に、図７の分周器４７、４８を用いて、全体の分周比をＮ×Ｐに拡大することもできる。
【００５０】
また、図６のようなミキサ型の前段に、図７や図８あるいはそれを組合せた分周方式のものを設けてもよい。
【００５１】
ただし、図７や図８のように信号を分周する方式は、位相の絶対変位量も分周比分だけ圧縮されるのに対し、図６に示した２ミキサ方式のものは、位相の絶対変位量は変化しないので精密な測定が必要な場合には、この図６に用いた２ミキサ式のものを用いるのが有利である。
【００５２】
また、この２ミキサ方式の周波数変換部４１の出力には局発信号Ｓｃの位相変動成分が含まれるが、この位相変動成分は、後述の直交検波部６５の演算で相殺されるので、測定への悪影響は無い。
【００５３】
周波数変換部４１で低周波数帯に変換された信号Ｓｒ′、Ｓｘ′は、それぞれ第１のＡ／Ｄ変換器６０、第２のＡ／Ｄ変換器６１に入力される。
【００５４】
第１のＡ／Ｄ変換器６０および第２のＡ／Ｄ変換器６１は、低い周波数帯に変換された基準信号Ｓｒ′と測定対象信号Ｓｘ′を周波数ｆｓの共通のサンプリング信号Ｓｓでサンプリングしてデジタルの信号Ｄｒ、Ｄｘにそれぞれ変換して、第１のＨＰＦ（高域通過フィルタ）６２および第２のＨＰＦ６３に出力する。
【００５５】
第１のＨＰＦ６２は、第１のＡ／Ｄ変換器６０の出力信号Ｄｒの直流成分を除去し、第２のＨＰＦ６３は第２のＡ／Ｄ変換器６１の出力信号Ｄｘの直流成分を除去して、周波数変換部４１および第１、第２のＡ／Ｄ変換器６０、６１の直流オフセットおよびその変動によって生じる測定誤差の発生を防止する。
【００５６】
なお、第１のＨＰＦ６２および第２のＨＰＦ６３は、１次ＣＲ型のものであり、入力される信号の平均値を順次求め、求めた平均値を入力信号から減じるという処理を行なう。
【００５７】
直交検波部６５は、第１のＨＰＦ６２および第２のＨＰＦ６３から出力される信号Ｄｒ′、Ｄｘ′の同相成分を表す同相信号Ｉと直交成分を表す直交信号Ｑを求める。
【００５８】
この直交検波部６５は、第１のＨＰＦ６２の出力信号Ｄｒ′を第１の９０度移相器６６によって直交する２つの信号成分Ｖｒ、Ｕｒに分け、第２のＨＰＦ６３の出力信号Ｄｘを第２の９０度移相器６７によって直交する２つの信号成分Ｖｘ、Ｕｘに分けて演算回路６８に出力する。演算回路６８は、これらの信号成分に対して次の演算を行って、同相信号Ｉ_ｋと直交信号Ｑ_ｋとを求める。
【００５９】
Ｉ_ｋ＝Ｖｒ・Ｕｒ＋Ｖｘ・Ｕｘ
Ｑ_ｋ＝Ｕｒ・Ｖｘ−Ｖｒ・Ｕｘ
【００６０】
なお、第１の９０度移相器６６および第２の９０度移相器６７は、ハーフバントフィルタあるいはヒルベルト変換器によって構成されている。
【００６１】
このようにして得られた同相信号Ｉ_ｋと直交信号Ｑ_ｋは、前記した位相検波器２０とほぼ同様に構成された位相検波器２０′に入力される。
【００６２】
この位相検波器２０′は、図９に示しているように、前記した位相検波器２０に対して変位累積手段２７′の構成のみが異なっている。
【００６３】
この変位累積手段２７′では、領域番号ｐ_ｋ、回転数ｃ_ｋおよび角度領域数Ｍから得られる位相変位の累積値ｕ_ｋに対する間引き処理を行なって、後述する評価演算部８０へ出力している。
【００６４】
即ち、後述するように評価演算部８０では、周波数安定度の計算を行うので、位相変位の累積値ｕ_ｋの低域成分のみを抽出するための間引き処理が必要となる。
【００６５】
この間引き処理では、その前処理としてＬＰＦによる高域遮断処理を行なうが、前記した位相検波器２０の変位累積手段２７が出力する位相変位の累積値ｕ_ｋに対してＬＰＦによる高域遮断処理を行ってから間引き処理を行なう方法では、高域遮断処理のための演算処理を、領域番号ｐ_ｋのビット長と回転数ｃ_ｋのビット長とを合計したビット長のデータに対して行なわなければならず、ＬＰＦの構成が複雑化するという問題が生じる。
【００６６】
そこで、この位相検波器２０′の変位累積手段２７′では、図９に示しているように、領域番号ｐ_ｋに対する高域遮断処理をＬＰＦ７１で行い、その出力に対して間引き手段７２でＬ対１の間引き処理を行い、回転数ｃ_ｋに対する高域遮断処理をＬＰＦ７３で行い、その出力に対して間引き手段７４でＬ対１の間引き処理を行い、この処理結果ｃ_ｋ′と領域数Ｍとを乗算器２８で乗算し、乗算器２８の出力と間引き手段７２の処理結果ｐ_ｋ′とを加算器２９で加算し、この加算器２９から間引き処理された位相変位量ｕ_ｋ′を評価演算部８０に出力する。
【００６７】
このように、領域番号ｐ_ｋと回転数ｃ_ｋに対する間引き処理をそれぞれ行なってから位相変位の累積値ｕ_ｋ′を算出する方法では、ＬＰＦの入力ビット数を少なくできるので、ＬＰＦ個々の演算処理を高速化することができる。
【００６８】
位相検波器２０′で検出された位相変位の累積値ｕ_ｋ′は、評価演算部８０に入力され、基準信号Ｓｒに対する測定対象信号Ｓｘの周波数安定度を評価するための評価演算に用いられる。
【００６９】
この評価演算に用いる函数としては、ワンダの評価に用いるＡＤＥＶ（アランデビエーション）、ＭＡＤＥＶ（修正アランデビエーション）、ＴＤＥＶ（タイムデビエーション）、ＴＩＥ（タイムインターバルエラー）、ＭＴＩＥ（マキシマムタイムインターバルエラー）等があり、これらの函数のいずれかを、位相検波器２０′によって検出された累積値ｕ_ｋ′を変数として用いて演算することで、基準信号Ｓｒに対する測定対象信号Ｓｘの周波数安定度の評価が行える。
【００７０】
例えば、ＡＤＥＶで評価を行なう場合には、位相変位の累積値ｕ_ｋ′＝ｘ_ｋに対して次の演算を行なう。
【００７１】

【００７２】
ここで、記号Σは、ｉ＝１からＮ−２ｎまでの総和を表し、記号Ｎは総サンプル数、記号ｆは変数ｘ_ｋに対するサンプリング周波数、記号ｔ_０は時刻初期値である。
【００７３】
また、ＭＡＤＥＶで評価を行なう場合には次の演算を行なう。
【００７４】

【００７５】
ただし、記号_ｉΣはｉ＝ｊからｎ＋ｊ−１までの総和、記号_ｊΣはｊ＝１からＮ−３ｎ＋１までの総和を表す。
【００７６】
また、ＴＤＥＶで評価を行なう場合には次の演算を行なう。
【００７７】

【００７８】
なお、この評価演算部８０の演算結果は、図示しない表示器やプリンタ等の出力装置に出力され、この出力から基準信号Ｓｒに対する測定対象信号Ｓｘの周波数安定度を評価することができる。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の位相検波器は、入力される同相信号Ｉと直交信号Ｑとで決まる位相が、２πの角度範囲を等分して得られる３以上の複数Ｍの角度領域のいずれに入るかを求めてその角度領域に割り当てられた領域番号を検出し、その検出された領域番号とその前に検出された領域番号との差を求め、その領域番号差が、角度領域数Ｍについて予め設定された範囲のいずれにあるかを調べて、最初の角度領域と最終の角度領域の境界を越えて位相が変位したか否かを示すデータを出力し、このデータを累積して得られる回転数、領域番号および領域数Ｍとから、位相変位の累積値を求めるようにしている。
【００８０】
このため、連続的に入力された２組の同相信号Ｉと直交信号Ｑとからなる複素数乗算処理を行なって位相変位を求めていく従来の方法に比べて、演算処理が少なくて済み、高速動作が可能となる。
【００８１】
また、本発明の周波数安定度測定装置は、基準信号と測定対象信号とを周波数変換部によって低周波帯に変換し、これをＡ／Ｄ変換器によってデジタル値にそれぞれ変換し、このデジタル値に変換された信号の直流成分を第１、第２のＨＰＦによって除去してから直交検波部で直交検波して、基準信号と測定対象信号の同相信号と直交信号を求め、前記した位相検波器によってその位相の変位の累積値を求め、この累積値に対する評価演算を行なうようにしている。
【００８２】
このため、周波数変換部やＡ／Ｄ変換器の直流オフセットおよびその変動による誤差の発生がなく、簡単な構成で精度の高い測定が行なえる。
【００８３】
また、変位累積手段において評価演算のための前処理として間引き処理を行なう際に、位相領域検出手段が出力する領域番号に対する間引き処理と、回転数に対する間引き処理とをそれぞれ独立に行なってから、位相の変位の累積値を求めるようにしているので、間引き処理に用いるＬＰＦの構成を簡易化することができる。
【００８４】
また、周波数変換部として２ミキサ方式のものを用いた場合、周波数変換に伴う位相変動の圧縮がなく、また、局発信号の位相変動が相殺されて測定に悪影響を与えないので、精度の高い測定が行なえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位相検波器の実施形態の構成を示すブロック図
【図２】実施形態の要部の動作を説明するための図
【図３】実施形態の動作説明図
【図４】実施形態の動作説明図
【図５】本発明の周波数安定度測定装置の構成を示すブロック図
【図６】実施形態の要部の構成例を示す図
【図７】実施形態の要部の構成例を示す図
【図８】実施形態の要部の構成例を示す図
【図９】実施形態の位相検波器の構成を示す図
【図１０】従来の周波数安定度測定装置の構成を示す図
【図１１】従来の位相検波器の構成を示す図
【符号の説明】
２０、２０′……位相検波器、２１……位相領域検出手段、２２……位相変位検出手段、２３……遅延器、２４……減算器、２５……境界越え検出手段、２６……回転数検出手段、２７、２７′……変位累積手段、２８…乗算器、２９……加算器、４０……周波数安定度測定装置、４１……周波数変換部、６０……第１のＡ／Ｄ変換器、６１……第２のＡ／Ｄ変換器、６２……第１のＨＰＦ、６３……第２のＨＰＦ、６５……直交検波部、６６……第１の９０度移相器、６７……第２の９０度移相器、６８……演算回路、７１………ＬＰＦ、７２……間引き手段、７３……ＬＰＦ、７４……間引き手段、８０……評価演算部

Claims

２信号の同相成分を表す同相信号と直交成分を表す直交信号とを受けて、該同相信号と直交信号とで決まる位相の変位量を求める位相検波器において、
予め２πの角度範囲を等分して得られる３以上の複数Ｍの角度領域に対して領域番号を順番に割り当て、前記同相信号と直交信号とが入力される毎に、その入力された同相信号と直交信号とで決まる位相が含まれる角度領域を検出し、該検出した角度領域の領域番号を出力する位相領域検出手段（２１）と、
前記位相領域検出手段から出力された領域番号とその前に出力された領域番号との差を、位相の変位量と変位方向を表す情報として順次求める位相変位検出手段（２２）と、
前記位相変位検出手段から出力される領域番号差が、前記角度領域数Ｍについて予め設定された範囲のいずれにあるかを調べて、前記複数の角度領域に割り当てられた領域番号の初期値に対応する角度領域と最終値に対応する角度領域の境界を越えるように位相が変位したか否かを表すデータを出力する境界越え検出手段（２５）と、
前記境界越え検出手段から出力されるデータを累積して、位相の回転数を求める回転数検出手段（２６）と、
前記位相領域検出手段が出力する領域番号、前記角度領域数Ｍおよび前記回転数検出手段が出力する回転数とに基づいて、前記同相信号と直交信号とで決まる位相の変位の累積値を求める変位累積手段（２７）とを備えたことを特徴とする位相検波器。
公称周波数が等しい基準信号と測定対象信号とを所定周波数以下の帯域に周波数変換する周波数変換部（４１）と、
前記周波数変換部によって周波数変換された基準信号と測定対象信号とを共通のサンプリング信号によってサンプリングしてデジタル値に変換する第１、第２のＡ／Ｄ変換器（６０、６１）と、
前記第１、第２のＡ／Ｄ変換器の出力信号の直流成分をそれぞれ除去する第１、第２の高域通過フィルタ（６２、６３）と、
前記第１、第２の高域通過フィルタの出力信号に対する直交検波を行い、その同相成分を表す同相信号と直交成分を表す直交信号を検出する直交検波部（６５）と、
前記直交検波部から出力される同相信号と直交信号とで決まる位相の変位の累積値を求める位相検波器（２０′）と、
位相検波器によって検出された位相の変位の累積値を用いて、前記基準信号に対する測定対象信号の相対的な周波数安定度を評価するための演算を行う評価演算部（８０）とを備えた周波数安定度測定装置であって、
前記位相検波器は、
予め２πの角度範囲を等分して得られる３以上の複数Ｍの角度領域に対して領域番号を順番に割り当て、前記同相信号と直交信号とが入力される毎に、その入力された同相信号と直交信号とで決まる位相が含まれる角度領域を検出し、該検出した角度領域の領域番号を出力する位相領域検出手段（２１）と、
前記位相領域検出手段から出力された領域番号とその前に出力された領域番号との差を、位相の変位量と変位方向を表す情報として順次求める位相変位検出手段（２２）と、
前記位相変位検出手段から出力される領域番号差が、前記角度領域数Ｍについて予め設定された範囲のいずれにあるかを調べて、前記複数の角度領域に割り当てられた領域番号の初期値に対応する角度領域と最終値に対応する角度領域の境界を越えるように位相が変位したか否かを示すデータを出力する境界越え検出手段（２５）と、
前記境界越え検出手段から出力されるデータを累積して、位相の回転数を求める回転数検出手段（２６）と、
前記位相領域検出手段が出力する領域番号、前記角度領域数Ｍおよび前記回転数検出手段が出力する回転数とに基づいて、前記同相信号と直交信号とで決まる位相の変位の累積値を求める変位累積手段（２７′）とを備えていることを特徴とする周波数安定度測定装置。
前記変位累積手段は、
前記位相領域検出手段が出力する領域番号に対して高域遮断処理を行なう第１の低域通過フィルタ（７１）と、
前記第１の低域通過フィルタの出力信号に対して間引き処理を行なう第１の間引き手段（７２）と、
前記回転数検出手段が出力する回転数に対して高域遮断処理を行なう第２の低域通過フィルタ（７３）と、
前記第２の低域通過フィルタの出力信号に対して間引き処理を行なう第２の間引き手段（７４）と、
前記第２の間引き手段の出力信号に前記角度領域数Ｍを乗じる乗算手段（２８）と、
前記第１の間引き手段の出力信号と前記乗算手段の乗算結果とを加算し、その加算結果を位相の変位の累積値として出力する加算手段（２９）とによって構成されていることを特徴とする請求項２記載の周波数安定度測定装置。
周波数変換部は、
前記基準信号および測定対象信号の公称周波数と異なる周波数の局発信号を出力する局発回路（４２）と、
前記局発回路が出力する局発信号と前記基準信号とを混合する第１のミキサ（４３）と、
前記第１のミキサの出力から、前記局発信号と前記基準信号の差の周波数に等しい周波数成分を抽出する第１の低域通過フィルタ（４５）と、
前記局発回路が出力する局発信号と前記測定対象信号とを混合する第２のミキサ（４４）と、
前記第２のミキサの出力から、前記局発信号と前記測定対象信号の差の周波数に等しい周波数成分を抽出する第２の低域通過フィルタ（４６）とによって構成されていることを特徴とする請求項２記載の周波数安定度測定装置。