JP5009641B2 - 信号発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、所望の位相雑音が付加された信号を簡易な構成で生成出力するための技術に関する。

一般的にアナログ信号に対する信号処理を行う各種装置の特性を評価する試験の一つとして、入力信号に含まれる雑音の影響をどの程度受けるかという試験がある。

その一つであるＳＮ比の試験では、例えば、振幅雑音成分が極めて小さいキャリア信号に雑音信号を加算して得られる信号を試験信号として対象装置に与え、キャリア信号に対する雑音信号の振幅を可変して試験信号のＳＮ比を変化させ、対象装置の動作を調べる。

また、対象装置が入力信号の位相の影響を大きく受けるような場合には、上記のような振幅性雑音ではなく、位相雑音が定量的に付加された試験用の信号を生成する必要がある。

この位相雑音が付加された信号は、直交変調技術を用いて生成することができる。
即ち、図４に示すように、雑音信号の直交するベースバンド成分Ｉｎ、Ｑｎを乗算器１１、１２にそれぞれ与えるとともに、所定周波数のキャリア信号Ｓｃをその一方の乗算器１１に与え、他方の乗算器１２には、キャリア信号Ｓｃを移相器１３で９０°移相した信号Ｓｃ′を与え、両乗算器１１、１２の出力を合成器１４によって合成する。

この合成器１４の出力信号Ｓｎは、キャリア信号Ｓｃのキャリア周波数をｆ、２πｆ＝ωとすると、次のように表される。

Ｓｎ＝Ｉｎ・ｃｏｓ（ωｔ）＋Ｑｎ・ｓｉｎ（ωｔ）

ここで雑音信号を周波数ｆ_ｎの単信号とし、そのベースバンド成分をＩｎ＝ｓｉｎ（ω_ｎｔ）、Ｑｎ＝ｃｏｓ（ω_ｎｔ）とすると、
Ｓｎ＝ｓｉｎ（ω_ｎｔ）・ｃｏｓ（ωｔ）＋ｃｏｓ（ω_ｎｔ）・ｓｉｎ（ωｔ）
＝ｓｉｎ（ωｔ＋ω_ｎｔ）
が得られる。

上記式の最終形ｓｉｎ（ωｔ＋ω_ｎｔ）は、周波数ｆの正弦波の位相がω_ｎｔの信号で変調されたものを表している。

なお、上記のように直交変調技術により、位相変調できることは、例えば特許文献１に記載されている。

特開平６−１５２６７５号公報

しかしながら、実際の信号に含まれる位相雑音成分は単信号でなく、キャリア周波数の近傍で帯域を持っており、これを実現するためには、その帯域を持った雑音信号について、位相が互いに直交するベースバンド成分Ｉ、Ｑを生成する必要があり、例えば、数ＧＨｚ以上のキャリア周波数の雑音信号を生成するためには、構成が複雑化してしまう。

本発明は、この問題を解決して、簡易な構成で位相雑音成分を含む信号を生成することができ、また、その位相雑音成分が任意のレベルで含まれる信号を生成することができる信号発生装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１の信号発生装置は、
キャリア信号（Ｓｃ）に所定の雑音信号（θｎ）が重畳された信号を発生する信号発生装置であって、
キャリア信号（Ｓｃ）に所定の雑音信号（θｎ）が重畳された信号を発生する信号発生装置であって、
所定周波数で互いに位相が９０°異なる２相のキャリア信号（Ｓｃ、Ｓｃ′）を生成する２相キャリア信号生成手段（２１）と、
フィルタ処理で帯域制限された所定幅のスペクトラム特性をもち、且つ前記２相のキャリア信号の振幅を１としたときに、その振幅に対して、
ｃｏｓθｎ＝１、ｓｉｎθｎ＝θｎ
と近似できる程度に小さい振幅の雑音信号（θｎ）を発生する雑音信号発生手段（２３）と、
前記２相のキャリア信号の一方（Ｓｃ）と前記雑音信号とを乗算する乗算器（２４）と、
前記乗算器の出力信号（Ａ）と前記２相のキャリア信号の他方（Ｓｃ′）とを加算合成または減算合成して、前記所定周波数で前記雑音信号に対応した位相雑音成分を含む信号（Ｓｎ）を生成する合成器（２７）と、
前記合成器に入力される２信号の少なくとも一方の信号のレベルを可変して、前記合成器から出力される信号（Ｓｎ）のＣＮ比を可変させるレベル可変手段（２５）とを備えている。

また、本発明の請求項２の信号発生装置は、請求項１記載の信号発生器において、
前記２相キャリア信号生成手段は、
キャリア信号を生成するキャリア信号発生器（２１ａ）と、
前記キャリア信号発生器が生成したキャリア信号を９０°移相する移相器（２１ｂ）とから構成されていることを特徴としている。

上記のように本発明の信号発生装置は、９０゜位相が異なる２相のキャリア信号を生成し、その一方と、フィルタ処理で帯域制限された所定幅のスペクトラム特性をもち、且つ前記２相のキャリア信号の振幅を１としたときに、その振幅に対して、
ｃｏｓθｎ＝１、ｓｉｎθｎ＝θｎ
と近似できる程度に小さい振幅の雑音信号とを乗算し、その乗算出力と他方のキャリア信号とを加算合成または減算合成するという簡単な構成で、雑音信号に対応した位相雑音成分を含む信号を生成できる。

なお、上記構成で任意の雑音信号に対応した位相雑音成分を含む信号を生成できるためには、上記のように雑音信号の振幅がキャリア信号の振幅に対して十分小さいという条件が必須となる。

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、本発明を適用した信号発生装置２０の構成を示す図である。

この信号発生装置２０は、位相差９０゜の２相のキャリア信号Ｓｃ、Ｓｃ′を発生する２相キャリア信号生成手段２１と、任意の雑音信号θｎを発生する雑音信号発生器２３と、一方のキャリア信号Ｓｃと雑音信号θｎとを乗算する乗算器２４と、乗算器２４の出力信号Ａに任意の減衰を与える可変減衰器２５と、可変減衰器２５の出力信号Ａ′から中心周波数ｆで雑音信号θｎと等しい帯域幅の信号成分を抽出するＢＰＦ（バンドパスフィルタ）２６と、ＢＰＦ２６の出力信号Ａ″と、他方のキャリア信号Ｓｃ′とを加算合成または減算合成して信号Ｓｎを出力する合成器２７とを備えている。

（第１の実施形態）
２相キャリア信号生成手段２１の構成は任意であるが、この実施形態では、キャリア信号発生器２１ａと移相器２１ｂとにより構成されている。

キャリア信号発生器２１ａは水晶発振器またはメーザ発振器等からなり、図２の（ａ）のように、ＣＮ比が極めて大きい（即ち、信号純度が極めて高い）、所定周波数ｆ、一定振幅の正弦波のキャリア信号Ｓｃを出力する。

移相器２１ｂは、キャリア信号発生器２１ａから出力されたキャリア信号Ｓｃを受け、キャリア信号Ｓｃに対して位相が９０゜異なるキャリア信号Ｓｃ′を出力する。

なお、ここでは、２相キャリア信号生成部２１を、キャリア信号発生器２１ａと、移相量９０゜の移相器２１ｂとで構成した例を示しているが、入力信号に対して±４５゜移相して出力する２相型の移相器を用いてもよく、また、入力信号を分周器で例えば４分周して９０゜の位相差をもつキャリア信号Ｓｃ、Ｓｃ′を出力する構成であってもよい。

また、雑音信号発生器２３は、例えば図２の（ｂ）のように高域程減衰するスペクトラム特性を持つ低周波の雑音信号θｎを出力する。この雑音信号θｎは、例えばスペクトラム特性が平坦な白色雑音信号をＬＰＦ（ローパスフィルタ）に入力することで容易に得ることができる。

キャリア信号Ｓｃと雑音信号θｎは乗算器２４で乗算されるが、乗算器２４が理想状態であれば、その乗算結果Ａは、乗算される２信号の和の周波数成分と差の周波数成分となり、それらの成分が図２の（ｃ）のように、キャリア周波数ｆの両側に対称に現れる。

そして、乗算器２４の出力信号Ａが可変減衰器２５に入力され、可変減衰器２５で所望の減衰を受けた信号Ａ′がＢＰＦ２６に入力される。

ここで、ＢＰＦ２６は、例えば図２の（ｃ）に示しているように、キャリア周波数ｆを中心として雑音信号θｎの帯域幅とほぼ等しい通過帯域特性を有しており、乗算器２４が理想的でないことによって生じるスプリアス成分を除去する。

ＢＰＦ２６の出力信号Ａ″は合成器２７に入力され、図２の（ｄ）のようにキャリア信号Ｓｃ′と加算合成され、その合成結果が任意のレベルの位相雑音成分を含む信号Ｓｎとして出力される。

なお、ＢＰＦ２６は、乗算器２４と可変減衰器２５の間に挿入してもよく、またスプリアスが問題にならない場合には省略することができる。

また、上記構成では、可変減衰器２５を乗算器２４とＢＰＦ２６の間に設けていたが、可変減衰器２５を移相器２２と合成器２７の間に設けることで、乗算器２４の出力信号Ａを減衰する代わりに、移相器２２から出力されるキャリア信号Ｓｃ′を減衰して、ＣＮ比を設定する構成であってもよい。

上記構成で、任意のレベルの位相雑音成分を含む信号Ｓｎが得られる原理は、以下の数式に基づくものである。

キャリア周波数ｆ、２πｆ＝ωで、位相雑音成分θｎを含む正弦波の信号Ｓｎは、次式（１）で表すことができる。

Ｓｎ＝ｓｉｎ（ωｔ＋θｎ）……（１）

上記式（１）を展開すると、
Ｓｎ＝ｓｉｎ（ωｔ）・ｃｏｓθｎ＋ｃｏｓ（ωｔ）・ｓｉｎθｎ
となる。

ここで、位相雑音θｎの振幅が１に対して十分小さいと仮定すれば、
ｃｏｓθｎ＝１，ｓｉｎθｎ＝θｎ
と近似できる。

よって、
Ｓｎ＝ｓｉｎ（ωｔ）＋θｎ・ｃｏｓ（ωｔ）……（２）
の近似式が成立する。

上記信号発生装置２０の構成は、上記式（２）にしたがって、２相のキャリア信号Ｓｃ＝ｃｏｓ（ωｔ）、Ｓｃ′＝ｓｉｎ（ωｔ）の一方（この例ではＳｃ）に雑音信号θｎを乗算し、その乗算結果と、他方のキャリア信号Ｓｃ′とを加算合成したものである。

よって、この加算合成で得られる信号Ｓｎは、前記した近似条件の基で、所定周波数ｆのキャリア成分に雑音信号θｎに対応した位相雑音が含まれた信号となる。

別の見方をすれば、図３に示すように、Ｏを中心として角速度ω＝２πｆで一定方向（反時計回り）に回転するキャリア信号Ｓｃ′＝ｓｉｎ（ωｔ）のベクトルと、それと直交する方向の微小なベクトルθｎ・ｃｏｓ（ωｔ）とを合成して、振幅をほとんど変えることなく位相雑音が含まれる信号Ｓｎを生成していることになる。

なお、信号Ｓｎに含まれる位相雑音θｎの大きさは、可変減衰器２５の減衰量によって例えば図２の（ｄ）の状態から（ｅ）の状態等に任意に設定することができ、これにより、出力信号ＳｎのＣＮ比を任意に設定することができる。

また、信号Ｓｎに含まれる位相雑音θｎの周波数特性は、雑音信号発生器２３側で任意に設定することができる。

（第２の実施形態）
上記例では、合成器２７で２信号を加算合成する場合について説明したが、減算合成した場合、出力信号Ｓｎは、次式、
Ｓｎ＝ｓｉｎ（ωｔ）−θｎ・ｃｏｓ（ωｔ）……（３）
となる。

ここで、−θｎは、雑音信号θｎの符号を反転したもの、即ち、位相の変化方向が逆になるだけで、位相変動の確率分布や周波数特性はθｎの場合と実質的に変わらない。よって、減算合成であっても雑音信号θｎに対応した位相雑音成分を含ませることができる。

また、上記構成では、２相のキャリア信号のうち、位相が９０°進んでいる方、つまりＳｃ＝ｃｏｓ（ωｔ）を乗算器２４に与え、位相が９０°遅れている方、つまりＳｃ′＝ｓｉｎ（ωｔ）を合成器２７に与えていたが、これを逆にしてもよい。

その場合、合成器２７（減算合成とする）から出力される信号Ｓｎは、
Ｓｎ＝ｃｏｓ（ωｔ）−θｎ・ｓｉｎ（ωｔ）……（４）
となる。

ここで、前記近似の関係を用いて、上記式（４）を次式（５）のように変換できる。
Ｓｎ＝ｃｏｓθｎ・ｃｏｓ（ωｔ）−ｓｉｎθｎ・ｓｉｎ（ωｔ）
＝ｃｏｓ（ωｔ＋θｎ） ……（５）

上記式（５）は、式（１）の場合と実質的に同一でキャリア周波数ｆの正弦波を雑音信号θｎで位相変調されたものを表しているから、式（４）で示される構成、即ち、キャリア信号Ｓｃ、Ｓｃ′を入れ替えた構成であっても、前記同様に位相雑音成分を含んだ信号を生成することができる。

このように、実施形態の信号発生装置２０は、９０°位相が異なる２相のキャリア信号Ｓｃ、Ｓｃ′の一方と雑音信号θｎを乗算した結果と、他方のキャリア信号Ｓｃ′とを加算または減算合成するという極めて簡単な構成で、位相雑音成分が付加された信号を生成することができる。

本発明の実施形態の構成図 実施形態の動作説明図 実施形態の動作説明図 直交変調技術により位相雑音を与えるための回路図

符号の説明

２０……信号発生装置、２１……２相キャリア信号生成手段、２１ａ……キャリア信号発生器、２１ｂ……移相器、２３……雑音信号発生器、２４……乗算器、２５……可変減衰器、２６……ＢＰＦ、２７……合成器

Claims (2)

1. キャリア信号（Ｓｃ）に所定の雑音信号（θｎ）が重畳された信号を発生する信号発生装置であって、
   所定周波数で互いに位相が９０°異なる２相のキャリア信号（Ｓｃ、Ｓｃ′）を生成する２相キャリア信号生成手段（２１）と、
   フィルタ処理で帯域制限された所定幅のスペクトラム特性をもち、且つ前記２相のキャリア信号の振幅を１としたときに、その振幅に対して、
   ｃｏｓθｎ＝１、ｓｉｎθｎ＝θｎ
   と近似できる程度に小さい振幅の雑音信号（θｎ）を発生する雑音信号発生手段（２３）と、
   前記２相のキャリア信号の一方（Ｓｃ）と前記雑音信号とを乗算する乗算器（２４）と、
   前記乗算器の出力信号（Ａ）と前記２相のキャリア信号の他方（Ｓｃ′）とを加算合成または減算合成して、前記所定周波数で前記雑音信号に対応した位相雑音成分を含む信号（Ｓｎ）を生成する合成器（２７）と、
   前記合成器に入力される２信号の少なくとも一方の信号のレベルを可変して、前記合成器から出力される信号（Ｓｎ）のＣＮ比を可変させるレベル可変手段（２５）とを備えた信号発生装置。
2. 前記２相キャリア信号生成手段は、
   キャリア信号を生成するキャリア信号発生器（２１ａ）と、
   前記キャリア信号発生器が生成したキャリア信号を９０°移相する移相器（２１ｂ）とから構成されていることを特徴とする請求項１記載の信号発生装置。

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