JP5103710B2

JP5103710B2 - 高周波信号測定器

Info

Publication number: JP5103710B2
Application number: JP2005124676A
Authority: JP
Inventors: 満岩岡
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2025-04-22
Also published as: JP2006300804A

Description

本発明は、高周波信号を測定する測定器に関し、特にＭＩＭＯ(Multi In Multi Out)やスマートアンテナ等の複数の高周波信号の間の位相差を測定する測定器に関するものである。なお、ＭＩＭＯは複数のアンテナから同時に同じ周波数で異なった信号を送信し、受信側でそれらが混信した信号を分離するものである。

図５に、例として２つの高周波信号の位相差と振幅差を測定する測定器の構成を示す。図５において、入力信号Ｉｎ１はチャンネル入力部１０Ａに、入力信号Ｉｎ２はチャンネル入力部１０Ｂに、以下同様にチャンネル入力部が任意に接続され、入力信号ＩｎＮはチャンネル入力部１０Ｎに入力される。

チャンネル入力部１０Ａは、中間周波数処理部１１およびＡＤ変換器１７で構成される。中間周波数処理部１１は、ミキサー１２、１５、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１３、１６、アンプ１４で構成される。また、チャンネル入力部は中間処理回路２１およびＡＤ変換部（ＡＤ）２７で構成され、中間周波数処理部２１はミキサー２２、２５、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）２３、２６およびアンプ２４で構成される。

ミキサー１２と２２には局部発振器１８から局部発信信号が入力され、ミキサー１５と２５には局部発振器１９から局部発信信号が入力される。また、ＡＤ変換器１７と２７にはクロック発振器２８からサンプリングクロックが入力される。

入力信号Ｉｎ１はミキサー１２で第１中間周波数に変換され、ＢＰＦ１３で帯域外の周波数成分が除去された後、アンプ１４で増幅される。そして、ミキサー１５で第２中間周波数に変換され、ＢＰＦ１６で帯域外周波数成分が除去された後、ＡＤ変換器１７でデジタル信号に変換される。

入力信号Ｉｎ２〜ＩｎＮも同様の処理が行われる。すなわち、ミキサー２２で第１中間周波数に変換され、ＢＰＦ２３で帯域外の周波数成分が除去された後、アンプ２４で増幅される。そして、ミキサー２５で第２中間周波数に変換され、ＢＰＦ２６で帯域外周波数成分が除去された後、ＡＤ変換器２７でデジタル信号に変換される。

チャンネル入力部１０とチャンネル入力部２０の出力は信号処理回路２９に入力される。信号処理回路２９は入力された２つの信号の振幅および位相差を測定する。この構成では局部発振器１８、１９およびクロック発振器２８を各入力チャンネルで共用しているので、入力信号Ｉｎ１〜ＩｎＮの位相差がデジタル信号に変換された後も保存されるという特徴がある。

図６に他の測定器の構成を示す。なお、図５と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。また、位相差を測定する原理は図５と同じなので、説明を省略する。図６の構成では、チャンネル入力部２０Ａには局部発振器３１、３２およびクロック発振器３３が、チャンネル入力部２０Ｂには局部発振器４１、４２およびクロック発振器４３が、以下同様に、局部発振器とクロック発振器がチャンネル入力部２０Ｎ迄の接続される各チャンネル入力部に内蔵される。

ミキサー１２には局部発振器３１が、ミキサー１５には局部発振器３２が、ＡＤ変換器１７にはクロック発振器３３が接続される。同様に、ミキサー２２には局部発振器４１が、ミキサー２５には局部発振器４２が、ＡＤ変換器２７にはクロック発振器４３が接続され、以下同様に、局部発振器とクロック発振器がミキサー及びＡＤ変換器に接続される。これらの局部発振器およびクロック発振器には基準クロック発振器３４から基準クロックが与えられる。これらの局部発振器およびクロック発振器はこの基準クロック３４に位相同期した信号を出力する。

なお、図５及び図６のチャンネル入力部１０Ａ、２０Ａ、チャンネル入力部１０Ｂ、２０Ｂ、・・・・は別々の筐体に納められて通常は単一入力の入力部として用いられ、位相差測定のような複数チャンネルを要する測定の場合のみ共通の局部発信信号やサンプリングクロックを与えて測定する場合もある。

特開平３−９４１７８号公報

特許文献１には、ケーブルに接続された信号検出器側入力信号レベル上昇に伴って増幅率が低下する可変利得前置増幅器が用いられ、説続ケーブル伝送時に雑音が混入してＳＮ比が低下するのを防止するために寄与する許容レベルを引き下げることにより、測定装置全体としての被測定信号における許容測定範囲を大幅に広げることができ、測定ダイナミックレンジの拡大および測定精度および感度を向上する高周波信号測定装置が記載されている。

しかし、このような測定器には、次のような課題があった。図５の測定器は、入力信号の位相差が信号処理回路２９の入口まで保存されるという長所はあるが、チャンネル間で局部発信信号とサンプリングクロックを共通にする必要がある。そのため、（ミキサーの数＋ＡＤ変換器の数）×チャンネル数の共通配線が必要になり、配線が困難になるという課題があった。

特に、チャンネル入力部毎に筐体を別する構成の場合は、各入力部の間に多くの配線が必要になり、実現が難しいという課題があった。

図６の構成は、各チャンネル入力部間で共有される信号は基準クロックのみであるので接続が容易になるという特徴があるが、各チャンネル入力部毎に発振器を内蔵しているので、これらの発振器の位相ノイズがチャンネル間の位相測定誤差になって表れ、測定精度が低下してしまうという課題があった。

従って本発明の目的は、接続が容易で、かつ発振器の位相ノイズが位相測定誤差になることがない高周波信号測定器を提供することにある。

このような課題を達成するために、請求項１記載の発明は、局部発振器が出力する局部発振信号により入力信号を周波数変換するチャンネル入力部を複数備え、各チャンネル入力部に異なる入力信号を入力し、各チャンネル入力部の出力をそれぞれ信号処理部に入力して測定を行う高周波信号測定器において、チャンネル入力部は入力信号を第１の入力とし、参照信号を第２の入力として入力信号と参照信号を加算して出力する方向性結合器と、前記方向性結合器の出力を入力とし、基準信号に同期した少なくとも一つの局部発振信号を第２の入力とする中間周波数処理部と、前記中間周波数処理部の出力を入力とし、基準信号に同期したクロック発振器によりＡＤ変換するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器の出力のそれぞれから前記参照信号を分離して、これら分離された参照信号の位相差及び時間差を求め、この位相差及び時間差を用いて前記複数のチャンネル入力部に入力される入力信号の位相差を測定する、信号処理部とを備える。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記信号処理部は、前記チャンネル入力部の出力をそれぞれ入力し、各前記入力信号と前記参照信号を分離する複数の帯域分離フィルタと、前記帯域分離フィルタが分離した参照信号がそれぞれ入力され、前記参照信号の位相差および時間差を測定する位相／時間差測定回路と、前記帯域分離フィルタが分離した少なくとも一つの入力信号と前記位相／時間差測定回路の出力を入力とし、この信号を位相変調および時間軸補正する補正回路と、前記補正回路の出力または、前記帯域分離フィルタが分離した入力信号と前記補正回路の出力を入力とし、これらの信号の位相差を測定する信号処理回路とを備える。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記信号処理部は、前記チャンネル入力部の出力をそれぞれ入力し、各前記入力信号と前記参照信号を分離する複数の帯域分離フィルタと、前記帯域分離フィルタが分離した参照信号がそれぞれ入力され、前記参照信号の位相差および時間差を測定するとともに、この測定結果を前記局部発振器または前記クロック発振器の少なくとも１つを位相変調する位相／時間差測定回路と、前記帯域分離フィルタが分離した少なくとも一つの入力信号と前記位相／時間差測定回路の出力を入力とし、この信号を位相変調および時間軸補正する補正回路と、前記補正回路の出力または、前記帯域分離フィルタが分離した入力信号と前記補正回路の出力を入力とし、これらの信号の位相差を測定する信号処理回路とを備える。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３記載の発明において、前記参照信号の周波数帯域を、前記第１および第２の入力信号の帯域外に設定したことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４記載の発明において、前記参照信号として、周波数の異なる少なくとも２つの正弦波を用いることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４記載の発明において、前記参照信号として、ＡＭ変調信号を用いることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記参照信号としてスペクトラム拡散された信号を用い、前記信号処理部は、前記チャンネル入力部の出力をそれぞれ入力し、各前記入力信号を逆拡散して前記参照信号を分離する複数の逆拡散器と、前記逆拡散器が分離した参照信号がそれぞれ入力され、前記参照信号の位相差および時間差を測定する位相／時間差測定回路と、前記逆拡散器が分離した少なくとも一つの入力信号と前記位相／時間差測定回路の出力を入力とし、この信号を位相変調および時間軸補正する補正回路と、前記補正回路の出力または、前記逆拡散器が分離した入力信号と前記補正回路の出力を入力とし、これらの信号の位相差を測定する信号処理回路とを備える

請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項６記載の発明において、前記中間周波数処理部は、入力された信号を中間周波数に変換し、この中間周波数信号から帯域外の周波数成分を除去する操作を少なくとも２回行うようにしたことを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８記載の発明において、前記入力信号と前記参照信号を信号合成器で加算することを特徴とする。

本発明によれば、複数の入力信号に同じ参照信号を加算し、中間周波数に変換して帯域外の周波数成分を除去した後参照信号を分離して、この参照信号を用いて測定回路で発生する位相差及び時間差を測定して、これをキャンセルするようにした。

中間周波数に変換するミキサーに局部発信信号を供給する局部発振器やＡＤ変換器にサンプリングクロックを供給するクロック発振器の位相ノイズをキャンセルすることができる。このため、チャンネルの入力部毎にこれらの発振器を搭載しても、測定精度が低下しないという効果がある。

また、各チャンネルの入力部で共通な信号は参照信号と基準クロックのみなので、チャンネル間の接続が容易になるという効果もある。さらに、各発振器の位相ノイズだけでなく、信号を増幅するアンプやＢＰＦによって発生する位相差をもキャンセルできるという効果もある。

図１は本発明に係る高周波測定器の一実施例を示す構成図である。なお、図５又は図６と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図１において、５０はチャンネル入力部であり、方向性結合器５１，中間周波数処理部１１、ＡＤ変換器１７、局部発振器３１、３２およびクロック発振器３３で構成されている。３４は基準クロック発振器であり、局部発振器３１、３２およびクロック発振器３３に基準クロックを供給する。７１は参照信号発生器であり、参照信号を方向性結合器５１に供給する。

入力信号Ｉｎ１は方向性結合器５１に入力される。入力信号Ｉｎ１と参照信号発生器７１から供給された参照信号は方向性結合器５１で加算され、中間周波数処理部１１に出力される。中間周波数処理部１１の出力はＡＤ変換器１７でデジタル信号に変換される。

６０はチャンネル入力部であり、方向性結合器６１，中間周波数処理部２１、ＡＤ変換器２７、局部発振器４１、４２およびクロック発振器４３で構成されている。局部発振器４１、４２およびクロック発振器４３には基準クロック発振器３４から基準クロックが供給され、方向性結合器６１には参照信号発生器７１から参照信号が供給される。以下、同様の構成によるチャンネル入力部が、入力信号ＩｎＮを入力するチャンネル入力部７０まで任意に複数接続される。

８０は信号処理部であり、帯域分離フィルタ８１〜８２Ｎ、位相／時間差測定回路８３、補正回路８４および信号処理回路８５で構成される。

帯域分離フィルタ８１には、ＡＤ変換器１７の出力が入力され、方向性結合器５１で加算された入力信号Ｉｎ１と参照信号を分離して出力する。帯域分離フィルタ８２Ａには、ＡＤ変換器２７の出力が入力され、方向性結合器６１で加算された入力信号Ｉｎ２と参照信号を分離して出力する。以下同様に、チャンネル入力部７０までの各チャンネル入力部において、それぞれ図示を省略した帯域分離フィルタに各ＡＤ変換器の出力が入力され、方向性結合器で加算された入力信号と参照信号を分離して出力する。

位相／時間差測定回路８３には、帯域分離フィルタ８１〜８２Ｎで分離された参照信号が入力され、これらの参照信号の位相差及び時間差を測定して出力する。この位相差及び時間差は、チャンネル入力部５０〜７０で発生した位相の差及び各チャンネル間の伝搬時間の差を表している。この位相差は、各チャンネル入力部に設けられている局部発振器３１、３２、４１、４２・・・・およびクロック発振器３３、４３・・・・の位相ノイズによって発生する。

補正回路８４Ａ〜８４Ｎには位相／時間差測定回路８３の出力および帯域分離フィルタ８２Ａ〜８２Ｎで分離された入力信号Ｉｎ２〜ＩｎＮが入力される。補正回路８４Ａ〜８４Ｎは、位相／時間差測定回路８３の位相差測定出力によって、帯域分離フィルタ８２Ａ〜８２Ｎで分離された入力信号Ｉｎ２〜ＩｎＮに位相変調をかけ、各チャンネル入力部で発生する位相差をキャンセルする。同時に、位相／時間差測定回路８３の時間差測定出力により、帯域分離フィルタ８２Ａ〜８２Ｎで分離された入力信号Ｉｎ２〜ＩｎＮに時間進みまたは遅れを付加し、入力部で発生する時間差をキャンセルする。

信号処理回路８５は帯域分離フィルタ８１で分離された補正回路８４の出力および他のチャンネル入力部からの入力信号Ｉｎ２を除いた入力信号が入力される。信号処理回路８５は、入力された信号の位相差を演算して出力する。

すなわち、位相差を求める入力信号に同じ参照信号を加算し、これらの加算信号をそれぞれ中間周波数に落として処理した後、デジタル信号に変換する。このデジタル信号から参照信号を分離してその位相差及び時間差を求め、分離した入力信号の一方をこの位相差信号で逆位相変調して位相差をキャンセルし、さらに時間差信号で逆の時間進み、遅れを付加して時間差をキャンセルした後、この補正した信号と分離した他方の入力信号の位相差を求める。

各チャンネル入力部で発生する位相差を参照信号で測定し、この位相差をキャンセルするようにしたので、各チャンネル入力部に異なった発振器を用いても、これらの発振器出力の位相ノイズが測定誤差に表れることがなくなる。

なお、この実施例では、中間周波数処理部１１、２１はミキサーとＢＰＦの組を２組有した２段構成になっているが、１段のみあるいは３段以上の構成とすることもできる。３段以上にする場合、各々のミキサーには局部発振器が接続され、これらの局部発振器には基準クロック発生器３４から基準クロックが供給される。

また、図１の実施例では帯域分離フィルタ８２Ａで分離した入力信号Ｉｎ２を補正回路８４に入力するようにしたが、他の帯域分離フィルタが分離した入力信号を入力するようにしても良い。例えば、帯域分離フィルタ８１が分離した入力信号Ｉｎ１を入力するようにした場合、信号処理回路８５には補正回路８４の出力と分離された入力信号Ｉｎ１を除いた他の入力信号とが入力される。また、ＢＰＦ８１で分離した入力信号Ｉｎ１とＢＰＦ８２Ａで分離した入力信号Ｉｎ２の両方で補正回路８４に入力するようにしても良い。この場合、信号処理回路８５には補正回路８４の出力が入力される。

図２に、参照信号として周波数の異なる２つの正弦波を用いた場合の、方向性結合器５１、６１の出力スペクトルを示す。図２において、Ａは入力信号のスペクトル、Ｂは参照信号のスペクトルである。このように、参照信号の帯域を入力信号の帯域の帯域外とすることにより、容易に帯域分離フィルタ８１〜８２Ｎで参照信号を分離することができる。なお、図２では参照信号の帯域Ｂを入力信号の帯域Ａより高く設定したが、低く設定してもよい。要は、入力信号と参照信号の帯域が重ならないようにすればよい。また、参照信号は必ずしも正弦波でなくてもよい。

図３に本発明の他の実施例を示す。なお、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図３において、チャンネル入力部５０の５３はクロック発振器であり、基準クロック発生器３４の出力である基準クロックが入力され、この基準クロックに位相同期したサンプリングクロックをＡＤ変換器１７に出力する。また、このクロック発振器５３は、外部から位相変調をかけることができるようになっている。

この実施例では、位相／時間差測定回路８３の位相差測定出力でクロック発振器５３Ａ〜５３Ｎの出力に逆の位相変調をかけ、チャンネル入力部６０とその他のチャンネル入力部で発生する位相差をキャンセルする。また、帯域分離フィルタ８２Ａ〜８２Ｎで分離した入力信号Ｉｎ２〜ＩｎＮを補正回路８４Ａ〜８４Ｎに入力する。このようにすると、補正回路８４Ａ〜８４Ｎの中に位相変調器が不要になる。

なお、この実施例ではクロック発振器５３の出力クロックを位相変調するようにしたが、クロック発振器４３あるいは局部発振器３１、３２、４１、４２出力に位相変調をかけるようにしてもよい。

図４に更に他の実施例を示す。なお、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図４において、７２はスペクトラム拡散された参照信号を出力する参照信号発生器であり、その出力は方向性結合器５１、６１・・・・に入力される。方向性結合器５１は入力信号Ｉｎ１と参照信号発生器７２の出力を加算して、中間周波数処理部１１に出力する。また、方向性結合器６１は入力信号Ｉｎ２と参照信号発生器７２の出力を加算して、中間周波数処理部２１に出力する。同様に、チャンネル入力部７０までの任意に接続されたチャンネル入力部に備えられている図示を省略した方向性結合器は入力信号と参照信号発生器７２の出力を加算して、中間周波数処理部に出力する。

８６〜８７Ｎは逆拡散器であり、それぞれＡＤ変換器１７、２７・・・・の出力が入力される。逆拡散器８６〜８７Ｎは入力された信号を逆拡散し、参照信号と入力信号を分離する。このようにすると、入力信号と参照信号として、同じ周波数帯域の信号を用いることができる。

なお、図４実施例では位相／時間差測定回路８３の出力を補正回路８４に入力し、分離した入力信号を位相変調するようにしたが、図３の実施例のように、ミキサーに局部発振信号を供給する局部発振器、あるいはＡＤ変換器にサンプリングクロックを供給するクロック発振器の出力を位相変調するようにしてもよい。

また、これらの実施例では２つの入力信号の位相差を求めるようにしたが、入力信号の数を３以上とし、これらの信号相互間の位相差を求めるようにしてもよい。この場合、全ての入力信号に同じ参照信号を加算し、帯域分離フィルタ／逆拡散器で参照信号を分離し、この参照信号から各チャンネル入力部で発生する位相差及び時間差を求め、入力信号の位相差及び時間差を補正すればよい。

本発明の一実施例を示す構成図である。入力信号と参照信号のスペクトルを表す特性図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。従来の高周波信号測定器の構成図である。従来の高周波信号測定器の構成図である。

符号の説明

１０Ａ〜１０Ｎチャンネル入力部
２０Ａ〜２０Ｎチャンネル入力部
５０、６０、７０チャンネル入力部
５１、６１方向性結合器
１１、２１中間周波数処理部
１７、２７ＡＤ変換器
３１、３２、４１、４２局部発振器
３３、４３、５３Ａ〜５３Ｎクロック発振器
３４基準クロック発振器
７１、７２参照信号発生器
８０信号処理部
８１、８２Ａ〜８２Ｎ帯域分離フィルタ
８３位相／時間差測定回路
８４Ａ〜８４Ｎ補正回路
８５信号処理回路
８６、８７Ａ、８７Ｎ逆拡散器
Ｉｎ１〜ＩｎＮ入力信号

Claims

局部発振器が出力する局部発振信号により入力信号を周波数変換するチャンネル入力部を複数備え、各チャンネル入力部に異なる入力信号を入力し、各チャンネル入力部の出力をそれぞれ信号処理部に入力して測定を行う高周波信号測定器において、
チャンネル入力部は、
入力信号を第１の入力とし、参照信号を第２の入力として入力信号と参照信号を加算して出力する方向性結合器と、
前記方向性結合器の出力を入力とし、基準信号に同期した少なくとも一つの局部発振信号を第２の入力とする中間周波数処理部と、
前記中間周波数処理部の出力を入力とし、基準信号に同期したクロック発振器によりＡＤ変換するＡＤ変換器と、
を備え、
信号処理部には前記複数のチャンネル入力部内のＡＤ変換器の出力が入力され、
前記ＡＤ変換器の出力のそれぞれから前記参照信号を分離して、これら分離された参照信号の位相差及び時間差を求め、この位相差及び時間差を用いて前記複数のチャンネル入力部に入力される入力信号の位相差を測定する、
ようにしたことを特徴とする高周波信号測定器。
前記信号処理部は、
前記チャンネル入力部の出力をそれぞれ入力し、各前記入力信号と前記参照信号を分離する複数の帯域分離フィルタと、
前記帯域分離フィルタが分離した参照信号がそれぞれ入力され、前記参照信号の位相差および時間差を測定する位相／時間差測定回路と、
前記帯域分離フィルタが分離した少なくとも一つの入力信号と前記位相／時間差測定回路の出力を入力とし、この信号を位相変調および時間軸補正する補正回路と、
前記補正回路の出力または、前記帯域分離フィルタが分離した入力信号と前記補正回路の出力を入力とし、これらの信号の位相差を測定する信号処理回路と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の高周波信号測定器。
前記信号処理部は、
前記チャンネル入力部の出力をそれぞれ入力し、各前記入力信号と前記参照信号を分離する複数の帯域分離フィルタと、
前記帯域分離フィルタが分離した参照信号がそれぞれ入力され、前記参照信号の位相差および時間差を測定するとともに、この測定結果を前記局部発振器または前記クロック発振器の少なくとも１つを位相変調する位相／時間差測定回路と、
前記帯域分離フィルタが分離した少なくとも一つの入力信号と前記位相／時間差測定回路の出力を入力とし、この信号を位相変調および時間軸補正する補正回路と、
前記補正回路の出力または、前記帯域分離フィルタが分離した入力信号と前記補正回路の出力を入力とし、これらの信号の位相差を測定する信号処理回路と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の高周波信号測定器。
前記参照信号の周波数帯域を、前記第１および第２の入力信号の帯域外に設定したことを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の高周波信号測定器。
前記参照信号として、周波数の異なる少なくとも２つの正弦波を用いることを特徴とする請求項１乃至４記載の高周波信号測定器。
前記参照信号として、ＡＭ変調信号を用いることを特徴とする請求項１乃至４記載の高周波信号測定器。
前記参照信号としてスペクトラム拡散された信号を用い、
前記信号処理部は、
前記チャンネル入力部の出力をそれぞれ入力し、各前記入力信号を逆拡散して前記参照信号を分離する複数の逆拡散器と、
前記逆拡散器が分離した参照信号がそれぞれ入力され、前記参照信号の位相差および時間差を測定する位相／時間差測定回路と、
前記逆拡散器が分離した少なくとも一つの入力信号と前記位相／時間差測定回路の出力を入力とし、この信号を位相変調および時間軸補正する補正回路と、
前記補正回路の出力または、前記逆拡散器が分離した入力信号と前記補正回路の出力を入力とし、これらの信号の位相差を測定する信号処理回路と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の高周波信号測定器。
前記中間周波数処理部は、入力された信号を中間周波数に変換し、この中間周波数信号から帯域外の周波数成分を除去する操作を少なくとも２回行うようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項６記載の高周波信号測定器。
前記入力信号と前記参照信号を信号合成器で加算することを特徴とする請求項１乃至請求項８記載の高周波信号測定器。