JP4277205B2 - ジッタ発生装置 - Google Patents

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Description

本発明は、直交変調回路を用いてPLL方式でジッタを発生(位相変調)させるジッタ発生装置に関する。
(従来技術の構成・動作)
従来では、アナログ方式でジッタを発生(位相変調)させる場合には、PLL(Phase Lock Loop)を用いるのが普通であった。
図15に従来のジッタ発生装置の構成を示す。
図15において、1の位相検波器、2のループフィルタ、3の電圧制御発振器及び4の分周器2でPLL回路が構成されている。
該PLL回路の位相検波器1の後段に加算器5を追加して、該加算器5で位相信号発生器6で発生された信号を加算することによって、電圧制御発振器出力に位相変調がかかり、入力である基準信号にジッタの付加(位相変調)した出力信号が得られる。
なお、位相検波器の前段に配置された7の分周器1は、オプションであって、必要に応じて挿入される。
特開2000−323982号公報
特許文献1には、アナログ信号によるPLL回路を用いた位相変調装置として、1組のPLL回路に高速追従回路を付加することにより、十分低いカットオフ周波数を持つと同時に、リファレンス信号の周波数の実質的な変化に対して高速に追従するとともに、PLL回路のカットオフ周波数と、高速追従回路の動作条件をそれぞれ別個に任意に設定して、ジッタ・ワンダ抑制特性を犠牲にすることなく高速追従を行うPLL回路が記載されている。
しかし、特許文献1には、本発明のように、直交変調回路を用いてPLL方式でジッタを発生させることは記載されていない。
従来のPLL回路を用いたジッタ発生(位相変調)装置では、ITU−T O.172「Jitter and Wander measurement equipment for digital system which are based on the synchronous digital hierarchy(SDH)」に規定されるような、3200UI(Unit Interval)のジッタやそれ以上のUIのワンダ発生させるには、位相検波器の正常検波範囲に限度があるため、分周器2の値が大きくならざるを得ない。(例えば±2πの検波範囲の場合、3200UIの時、分周器2は最低でも1600分周必要となる。)
即ち、分周値が大きくなるとPLLによるループ帯域が狭くなり、基準信号に対する、電圧制御発振器の位相雑音抑圧範囲が狭くなり、結果として、位相雑音の大きい変調信号出力しか取り出せなくなってしまう。
位相雑音が大きければ、その雑音自体によるジッタが発生し、本来の位相変調が不安定になり、確度の悪化につながる。
通常、電圧制御発振器は任意に周波数範囲を設定できるものであるため、その性質上、基準信号に比べ、位相雑音特性は悪い。
また、位相検波器の検波感度が変化すると位相変調指数が変化し、位相変調確度が悪くなる。
また、位相検波器の検波特性が、比較すべき2信号位相差に対し非直線的であると、変調入力信号振幅に対する位相変調指数も非直線的になってしまうため、位相変調確度が悪くなる。
本発明の課題(目的)は、ジッタ発生(位相変調)装置において、位相雑音悪化を改善し、位相変調確度を上げることにある。
また、位相検波器の検波感度が変化しても位相変調指数の変化に影響しない様にして、位相変調確度を上げることにある。
また、位相検波器の検波特性が、比較すべき2信号位相差に対し非直線的であっても、変調入力信号振幅に対する位相変調指数を直線的にして位相変調確度を上げることにある。
さらに、入力される位相信号が大きくなった場合でも、位相変調確度を下げることなく位相変調を可能とすることにある。
前記課題を解決するために、
請求項1の発明は、
一方の入力端子に基準信号が入力される位相検波器の出力信号がループフィルタを介して電圧制御発振器に入力され、この電圧制御発振器の出力信号が分周器を介して前記位相検波器の他方の入力端子に入力されるように構成されたPLL回路を用いたジッタ発生装置において、
前記PLL回路を構成する分周器と位相検波器の間または前記位相検波器の基準信号の入力側には位相信号発生回路からの変調信号が与えられる直交変調器が接続され、
前記位相信号発生回路は、
変調信号発生手段と、
この変調信号発生手段から出力される変調信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換回路と、
このアナログ−デジタル変換回路の出力をアドレスとして前記変調信号の直交成分I(t)及びQ(t)を出力するルックアップテーブルと、
前記アナログ−デジタル変換回路にあらかじめ設定された上限値及び下限値と前記アナログ−デジタル変換回路の出力を比較し、上限側または下限側のオーバーフローを検出するオーバーフロー検出器と、
前記アナログ−デジタル変換回路の出力がオーバーフローしたときは、オーバーフローした変調信号をアナログ−デジタル変換回路の有効領域にシフトさせるためにこのオーバーフロー検出器の出力に基づき有効領域分に相当する信号を発生する制御手段と、
この制御手段の出力信号をアナログ信号に変換するデジタル−アナログ変換回路と、
このデジタル−アナログ変換回路の出力を前記変調信号に加算する加算器、
とで構成されたことを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1に記載のジッタ発生装置において、
前記制御手段は、
前記アナログ−デジタル変換回路の出力の上限側のオーバーフローと下限側のオーバーフローに応じてアップカウントまたはダウンカウントするアップダウンカウンタを備え、 このアップダウンカウンタのカウント方向と異なる極性の信号を出力して前記変調信号をカウント方向と異なる方向にシフトさせる
ことを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1または2に記載のジッタ発生装置において、
前記ルックアップテーブルには、変調信号V(t)のsin(V(t))及びcos(V(t))に相当する値が書き込まれていることを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項1または2に記載のジッタ発生装置において、
前記ルックアップテーブルには、前記変調信号I(t)、Q(t)信号を演算生成するためのDSPが設けられていることを特徴とする。
上記本発明の構成では、直交変調出力Aと第1の分周器の出力Bとが、同位相になる様にPLLが動作するため、位相変調が例えば、3200UIとしても、第2の分周器はその値には無関係に設定できる。
即ち、第2の分周器の分周値を小さくすることができるため、PLLのループ帯域を広く設定することができるので、基準信号に対する、電圧制御発振器の位相雑音抑圧範囲が広くなり、結果として、位相雑音の小さい信号出力が取り出せる。
その結果、位相変調が安定にかかり、設定確度も良くなる。
また、位相検波器に入力される比較すべき2信号の位相差は変調の有無にかかわらず常に同じとなるため、位相検波器の検波感度が変化しても位相変調指数は影響を受けることがない。
同様に、位相検波器の検波特性が、比較すべき2信号位相差に対し非直線的であっても、変調入力信号振幅に対する位相変調指数が直線的になる。さらに、入力される変調信号を加工してアナログ−デジタル変換回路にてアナログ−デジタル変換することにより、見かけ上1UIを超える値を扱うことができ、位相変調範囲を拡大することができる。
図1は、本発明のジッタ発生(位相変調)装置の基本的な構成を示す図である。
図1において、1の位相検波器、2のループフィルタ、3の電圧制御発振器及び第2の分周器4でPLL回路が構成されている。
本発明では、PLLの帰還回路部(即ち、第2の分周器4の出力側)に直交変調器8を挿入して、位相変調された信号が位相検波器に与えられて、入力である基準信号にジッタの付加(位相変調)された出力信号が得られる。
なお、位相検波器の前段に配置された7の分周器1はオプションであって、必要に応じて挿入される。
この場合、直交変調出力Aと第1の分周器7出力Bとが、同位相になる様にPLLが動作するため、例えば、位相変調が3200UIとしても、第2の分周器4はその値には無関係に設定できる。(第2の分周器4は1分周でも構わない。)
つまり、PLLのループ帯域を広く設定することができ、基準信号に対する、電圧制御発振器の位相雑音抑圧範囲が広くなり、結果として、位相雑音の小さい信号出力が取り出せる。
図1における直交変調器8としては、図2に示すような直交変調器が用いられる。図2において、直交変調器8には、被変調信号cos{ωt}に位相変調信号V(t)を用いて、位相変調波出力cos{ωt+V(t)}を生成する。
直交変調とは、図5に示すように、ローカル(被変調)信号を直交成分に分離し、それぞれに変調信号であるI(t)及びQ(t)で変調をかけ合成する変調方法であり、直交変調自体は従来技術であり、直交変調ICも市販されている。
図3は直交変調により、V(t)の位相変調を示すベクトル図である。この様に直交変調を用いるとキャリア(搬送波)信号に直接位相変調をかけることができる。
図4は図1における位相信号発生回路内にあって、I(t)信号、Q(t)信号を得るためのルックアップテーブルの1構成例を示す図である。アナログ信号である変調信号V(t)をアナログ−デジタル変換回路9-1でデジタル信号に変換し、サインルックアップテーブル(メモリ)9-2およびコサインルックアップテーブル(メモリ)9-3でsin(V(t))、cos(V(t))値に変換した後、デジタル−アナログ変換回路9-4a,9-4bでアナログ信号に変換し、サンプリングクロック周波数除去用LPF(Low Pass Filter)9-5a,9-5bを通して、I(t)信号およびQ(t)信号を得る。アナログ−デジタル変換回路9-1は、例えば9ビットからなり、2^個で1周期分のサインおよびコサイン波形をデータとして保存されたメモリから、データを出力する。
図6は、変調信号V(t)の位相変調が1UI(位相変調指数=π)以下の例において、図4のサインルックアップテーブル(メモリ)9-2およびコサインルックアップテーブル(メモリ)9-3によりsin(V(t))及びcos(V(t))を求める原理を図式化したものである。
図4で、ルックアップテーブルは、入力された変調信号V(t)をアナログ−デジタル変換し、アナログ−デジタル変換されたデータは、そのままサインルックアップテーブル及びコサインルックアップテーブルのアドレスとし、データを読み出している。したがって、変調信号V(t)がアナログ−デジタル変換回路のダイナミックレンジを超えた場合には、ルックアップテーブルが使えなくなってしまう。すなわち、ルックアップテーブルにはそれぞれ1周期分のデータしかなく、1UIの位相変調しかかけることができない。
仮にアナログ−デジタル変換回路を10ビットのものにして、ROMデータを2^個の波形データを2組分繰り返したデータとした場合、2UIまでは拡張することができるが、更に拡張しようとするとROMのデータ量が増えてしまうとともに、小さいUIの変調をかけようとした場合に信号レベルが小さくなり、アナログ−デジタル変換時の誤差が増え、位相変調の精度が悪化してしまう。
更に、分周器1および分周器2の分周数を大きくすれば大きなUIの変調も可能であるが、前述のように位相雑音の悪化につながる。
このような状態に対応可能とするため、変調信号が大きくなった場合(UI値が増えた場合)は、サインおよびコサインルックアップテーブルデータ値をそのUI数分だけ繰り返したデータを用いて、同様の処理を行う。
以下、変調信号が大きくなった場合にサインおよびコサインルックアップテーブルデータ値をそのUI数分だけ繰り返して動作する構成例を説明する。図7は図1の位相信号発生回路9の構成を具体的に説明したものである。図7で、位相信号発生回路9は図示を省略した位相信号発生部からの位相信号をアナログ−デジタル変換回路9Bでアナログ−デジタル変換し、ルックアップテーブル9AによりI(t)、Q(t)信号を生成する。
図8は本発明の他の実施例を示した構成図である。図9は図8の実施例の動作説明図である。以下、図8及び図9を用いて説明する。
アナログ−デジタル変換回路9Bでアナログ−デジタル変換したデータが、アナログ−デジタル変換回路9Bのダイナミックレンジを超えた場合に対応するため、位相信号発生回路の構成を図8に示すような構成とする。図8で、位相信号発生回路10は、入力された変調信号がアナログ−デジタル変換回路9Bのダイナミックレンジを超えたことを検出するオーバーフロー検出器10Aで検出し、ダイナミックレンジを超えた場合にフィードバックをかけて変調信号がアナログ−デジタル変換回路9Bのダイナミックレンジを超えない範囲になった時点でルックアップテーブル9Aを参照する構成としている。
図8で、アナログ−デジタル変換回路9Bは、例としてROMアドレスビット数(この例では9ビット)より1ビット多いビット数(この例では10ビット)で、最上位ビットを除いた9ビットをROMのアドレスとし、上位2ビットをオーバーフローの検出に用いている。図9は、このアナログ−デジタル変換回路9Bが10ビットの構成で、2^個で1周期分のサインおよびコサイン波形データとした場合の波形を示している。
ここで、アナログ−デジタル変換回路9Bの上下各4分の1の範囲をオーバーフロー領域とし、残りの中央2分の1の範囲を有効領域としてROMアドレスに置き換える。したがって、ROMのアドレス空間とアナログ−デジタル変換回路9Bの有効領域は同じビット数に相当する。
図9で、入力された変調信号V(t)がオーバーフロー検出器10Aでオーバーフロー領域に入ったと検出された場合、オーバーした部分は図9の点線の信号となるようにレンジ変更され、アナログ−デジタル変換回路9Bの有効領域内に入るように加工する。
具体的には、オーバーフローした変調信号をアナログ−デジタル変換回路9Bの有効領域にシフトさせるために、オーバーフロー検出器10Aが+側あるいは−側のオーバーフローを検出したとき、制御手段10Bで有効領域分に相当する電圧を発生させてデジタル−アナログ変換回路10Cでデジタル−アナログ変換し、加算器10Dで入力信号と減算あるいは加算して再びアナログ−デジタル変換回路9Bに入力する。
さらにオーバーフロー検出器10Aでオーバーフローを検出した場合、同様に新たな有効領域分に相当する電圧を与えることにより、計算上は無限の振幅を扱うことができる。
図8では、制御手段10B内にUP/DOWNカウンタを備え、上側と下側のオーバーフロー回数を記憶させる構成として、上側と下側のオーバーフロー回数を管理している。
以上の動作により、1周期分のROMデータのみで擬似的にROMデータを繰り返し、大きなUI値への対応を実現させる。
図10は、変調信号V(t)の電圧とROMアドレスの関係の一例を示した図である。図10で、アナログ−デジタル変換回路9Bはフルスケールが+10Vから−10Vであり、有効領域を+5Vから−5Vとした場合の例であり、+5Vから−5Vの範囲がROMのアドレスに割り当てられ、1UIに相当するROMデータが使用される。
図10では、アナログ−デジタル変換回路9Bの出力データが10ビットであり、+5Vから−5Vの範囲を有効領域(A領域とB領域)とするため、10ビットのうち上位2ビットをオーバーフロー判定用のビットとし、同一符号の時、オーバーフローと判定する。C領域は下側のオーバーフロー領域、D領域は上側のオーバーフロー領域である。
図10で、変調信号が+5Vを超えてオーバーフローした場合(D領域)、制御手段10Bでは、アップダウンカウンタ10B−1はカウント値をカウントアップし、この値がデジタル−アナログ変換回路10Cに出力される。デジタル−アナログ変換回路10Cは、カウンタ値に応じた電圧を出力する。この場合では−10Vを発生する。
変調信号V(t)は加算器10Dにより−10Vが加えられ、D領域からA領域にシフトする。マイナス側にオーバーフローした場合は、アップダウンカウンタ10B−1はカウント値をカウントダウンし、この値がデジタル−アナログ変換回路10Cに出力される。デジタル−アナログ変換回路10Cは、カウンタ値に応じた電圧を出力する。この場合では+10Vを発生して、C領域からB領域へシフトする。
次に、本発明の応用例を図11を用いて説明する。
図11は、本発明のジッタ発生(位相変調)装置の応用例の構成を示す図である。図11において、1の位相検波器、2のループフィルタ、3の電圧制御発振器及び4の分周器2でPLL回路が構成されている。
図11の応用例では、位相検波器1の直前に直交変調器8を挿入して、位相変調された信号を位相検波器1に与えて、入力である基準信号にジッタの付加(位相変調)された出力信号が図1の場合と同様に得られる。
なお、直交変調器8の前段に配置された第1の分周器7はオプションであって、必要に応じて挿入される。また、直交変調器8と第1の分周器7の配置関係が逆(分周器7の前段に直交変調器8を配置)でも良い。 図11のジッタ発生(位相変調)装置では、位相変調のUI値が大きくなっても、第2の分周器4はその値には無関係に設定できる。
図12は、図1の位相信号発生回路にあって、I(t)信号、Q(t)信号を得るためのルックアップテーブルの別の構成を示す図である。
図12では、変調信号V(t)のsin(V(t))及びcos(V(t))に相当する値を、あらかじめメモリ9-6に書き込んでおき、そのデータを読み出して、デジタル−アナログ(Digital Analog)変換回路9-4a,9-4bでアナログ信号に変換し、サンプリングクロック周波数除去用LPF(Low Pass Filter)9-5a,9-5bを通して、変調信号I(t)、Q(t)を得る。
この場合、メモリ読み出しクロック速度を変えて、I(t)、Q(t)信号速度を得ても良いし、メモリ読み出しクロック速度を一定に保ったまま、書き込みデータ値を変えてI(t)、Q(t)信号速度を得ても良い。
図13は、図1の位相信号発生回路にあって、I(t)信号、Q(t)信号を得るためのルックアップテーブルのさらに別の構成を示す図である。図13では、変調信号I(t)、Q(t)信号を生成するために、高速で演算ができるDSP(Digital Signal Processor)9-7を用いて計算して得て、デジタル−アナログ(Digital Analog)変換回路9-4a,9-4bでアナログ信号に変換し、サンプリングクロック周波数除去用LPF(Low Pass Filter)9-5a,9-5bを通して、変調信号I(t)、Q(t)を得る。
請求項1〜4の構成によって、分周器2の分周値を小さくすることができるため、PLLのループ帯域を広く設定することができるので、基準信号に対する、電圧制御発振器の位相雑音抑圧範囲が広くなり、結果として、位相雑音の小さい信号出力が取り出せ、その結果、位相変調が安定にかかり、設定確度も良くなるジッタ発生(位相変調)装置が実現できるので、産業上における利用可能性は極めて大きい。
図10で、制御手段10Bはオーバーフローするたびに、アナログ−デジタル変換回路の有効領域内に変調信号のレベルが入るようにデータを加算している構成例で説明したが、例えば、有効領域に対して、オーバーフロー領域を有効領域の2倍以上に広げておき、この状態でオーバーフロー値を認識し、オーバーフロー値を有効領域の電圧で除算してカウント値を算出、記憶部10B−2に記憶するとともに、加算器にこのカウント数と有効領域分のレベルを乗じた値を出力して、アナログ−デジタル変換回路の有効領域内に変調信号のレベルが入るようにしてもよい。
図14は、図11のジッタ発生回路に図8の位相信号発生回路を適用したものである。図14の構成で、位相変調された信号を位相検波器に与えて、入力である基準信号にジッタの付加(位相変調)された出力信号が図1の場合と同様に得られる。
本発明のジッタ発生(位相変調)装置の構成を示す図である。 直交変調器の信号関係を示す図である。 直交変調によりV(t)の位相変調を示すベクトル図である。 位相信号発生回路内にあって、I(t)信号、Q(t)信号を得るためのルックアップテーブルの1構成例を示す図である。 直交変調の原理を説明する図である。 図4におけるサインルックアップテーブル(メモリ)およびコサインルックアップテーブル(メモリ)によりsin(V(t))及びcos(V(t))を求める原理を図式化した図である。 本発明のジッタ発生(位相変調)装置の応用例の構成を示す図である。 本発明のジッタ発生(位相変調)装置の応用例の構成を示す図である。 図8の位相信号発生回路におけるサインルックアップテーブル(メモリ)およびコサインルックアップテーブル(メモリ)によりsin(V(t))及びcos(V(t))を求める原理を図式化した図である。 図8の位相信号発生回路における位相信号V(t)の電圧とROMアドレスの関係を示した例である。 本発明のジッタ発生(位相変調)装置の応用例の構成を示す図である。 位相信号発生回路内にあって、I(t)信号、Q(t)信号を得るためのルックアップテーブルの他の構成例を示す図である。 位相信号発生回路内にあって、I(t)信号、Q(t)信号を得るためのルックアップテーブルの他の構成例を示す図である。 図11のジッタ発生回路に図8の位相信号発生回路を適用したものである。 従来のジッタ発生(位相変調)装置の構成を示す図である。
符号の説明
1 位相検波器
2 ループフィルタ
3 電圧制御発振器
4 分周器2
5 加算器
6 位相信号発生器
7 分周器1
8 直交変調器
9 位相信号発生回路
9A ルックアップテーブル
9B アナログ−デジタル変換回路
9-1 アナログ−デジタル変換回路
9-2 サインルックアップテーブル(メモリ)
9-3 コサインルックアップテーブル(メモリ)
9-4a,9-4b デジタル−アナログ変換回路
9-5a,9-5b ローパスフィルタ
9-6 メモリ
9-7 DSP
10 位相信号発生回路
10A オーバーフロー検出器
10B 制御手段
10B-1 アップダウンカウンタ
10B-2 記憶手段
10C デジタル−アナログ変換回路
10D 加算器
10E 増幅器

Claims (4)

  1. 一方の入力端子に基準信号が入力される位相検波器の出力信号がループフィルタを介して電圧制御発振器に入力され、この電圧制御発振器の出力信号が分周器を介して前記位相検波器の他方の入力端子に入力されるように構成されたPLL回路を用いたジッタ発生装置において、
    前記PLL回路を構成する分周器と位相検波器の間または前記位相検波器の基準信号の入力側には位相信号発生回路からの変調信号が与えられる直交変調器が接続され、
    前記位相信号発生回路は、
    変調信号発生手段と、
    この変調信号発生手段から出力される変調信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換回路と、
    このアナログ−デジタル変換回路の出力をアドレスとして前記変調信号の直交成分I(t)及びQ(t)を出力するルックアップテーブルと、
    前記アナログ−デジタル変換回路にあらかじめ設定された上限値及び下限値と前記アナログ−デジタル変換回路の出力を比較し、上限側または下限側のオーバーフローを検出するオーバーフロー検出器と、
    前記アナログ−デジタル変換回路の出力がオーバーフローしたときは、オーバーフローした変調信号をアナログ−デジタル変換回路の有効領域にシフトさせるためにこのオーバーフロー検出器の出力に基づき有効領域分に相当する信号を発生する制御手段と、
    この制御手段の出力信号をアナログ信号に変換するデジタル−アナログ変換回路と、
    このデジタル−アナログ変換回路の出力を前記変調信号に加算する加算器、
    とで構成されたことを特徴とするジッタ発生装置。
  2. 前記制御手段は、
    前記アナログ−デジタル変換回路の出力の上限側のオーバーフローと下限側のオーバーフローに応じてアップカウントまたはダウンカウントするアップダウンカウンタを備え、 このアップダウンカウンタのカウント方向と異なる極性の信号を出力して前記変調信号をカウント方向と異なる方向にシフトさせる
    ことを特徴とする請求項1に記載のジッタ発生装置。
  3. 前記ルックアップテーブルには、変調信号V(t)のsin(V(t))及びcos(V(t))に相当する値が書き込まれていることを特徴とする請求項1または2に記載のジッタ発生装置。
  4. 前記ルックアップテーブルには、前記変調信号I(t)、Q(t)信号を演算生成するためのDSPが設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載のジッタ発生装置。
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