JP6839226B2 - 位相特性校正装置および位相特性校正方法 - Google Patents

位相特性校正装置および位相特性校正方法 Download PDF

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本発明は、位相特性校正装置および位相特性校正方法に関するものであり、特に、ミリ波帯やテラヘルツ波帯で使用される広帯域信号測定回路や広帯域信号発生回路などの位相特性の校正を行うための技術に関する。
無線通信の伝送速度を向上させるために、従来よりもキャリア周波数が高いミリ波帯やサブミリ波帯やテラヘルツ波帯において広帯域の変調信号を使用する通信方式が検討されている。以下、ミリ波帯やサブミリ波帯やテラヘルツ波帯を総称してミリ波帯と記す。
一般に、周波数が高く広帯域になると、ミリ波帯信号発生部やミリ波帯信号測定部の周波数変換部（アップコンバータまたはダウンコンバータ）の位相の周波数特性が無視できなくなるため、周波数変換部の位相特性を校正することが重要となる。また、周波数利用効率の高い多値直交振幅変調方式では、小さな位相誤差が伝送特性の劣化をもたらすため、正確に位相特性を校正することが求められている。
通常、ミリ波帯受信器の性能を試験する試験装置は測定用信号を生成するためのミリ波帯信号発生部を備えており、ミリ波帯送信器の性能を試験する試験装置は被測定信号を測定するためのミリ波帯信号測定部を備えている。これらミリ波帯信号発生部とミリ波帯信号測定部とを接続して両者の周波数特性を一括して校正することは容易である。しかし、試験対象であるミリ波帯受信器を正確に評価するためには、ミリ波帯信号発生部のみの位相の周波数特性を校正し、位相誤差の少ない正確なミリ波帯変調信号（測定用信号）を発生してミリ波帯受信器に入力することが必要である。また、試験対象であるミリ波帯送信器を正確に評価するためには、ミリ波帯信号測定部のみの位相の周波数特性を校正し、ミリ波帯送信器から出力されるミリ波帯変調信号（被測定信号）を正確に測定することが必要である。
図１は、関連技術として、特許文献１および非特許文献１に記載のミリ波帯信号測定部の位相特性校正システムの基本構成を示す。以下、図１に示す各構成要素について説明する。
短パルス光源１０２は、所定の繰返し周波数で短パルス光Ｐ１を出力する。短パルス光源１０２から出力された短パルス光Ｐ１は、光分岐器１０３で２つの短パルス光Ｐ２、Ｐ３に分岐され、それぞれ光可変遅延器１０４と同期処理部１０５とに入力される。
光可変遅延器１０４は、ミラー１０４ａの位置を機械的に移動させることにより光の遅延時間を連続的に変えるものである。
３トーン中間周波信号発生部１１０の中間周波信号発生器１１１ａ〜１１１ｃは、互いに異なる周波数の正弦波を所定の位相差で発生し、加算器１１２で３つの正弦波を加算して３トーン中間周波信号Ｓ１１０として出力する。
校正用信号生成部１２０は、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）の局発信号Ｓ１２２を発生する局発信号発生部１２２とミキサなどの周波数変換部１２１とを用いて、３トーン中間周波信号Ｓ１１０をミリ波帯の周波数に周波数変換（アップコンバート）して校正用信号Ｓ１２０として出力する。
同期処理部１０５は、３トーン中間周波信号Ｓ１１０と局発信号Ｓ１２２とを短パルス光源１０２の繰返し周波数に同期させることにより、短パルス光源１０２の繰返し周波数に同期したミリ波帯の校正用信号Ｓ１２０が得られるようにする。具体的には、同期処理部１０５は、位相同期ループ（ＰＬＬ）回路を用いて、局発信号発生部１２２から出力される局発信号Ｓ１２２の周波数および中間周波信号発生器１１１ａ〜１１１ｃから出力される正弦波の各周波数が短パルス光源１０２の繰返し周波数の整数倍になるように、局発信号発生部１２２および中間周波信号発生器１１１ａ〜１１１ｃを制御する。これにより、校正用信号Ｓ１２０の繰返し周波数が、短パルス光源１０２の繰返し周波数の整数倍となる。
スイッチＳＷ１０１およびＳＷ１０２を同図上側に設定すると、電気光学サンプリング部１３０を用いて校正用信号Ｓ１２０の位相差が測定される。
電気光学サンプリング部１３０は、校正用信号Ｓ１２０の電界が電気光学結晶１３１に印加されると共に、光可変遅延器１０４からの短パルス光Ｐ４が偏波分離部１３２を介して電気光学結晶１３１に入力され、電気光学結晶１３１の先端で反射した短パルス光が偏波分離部１３２を介して受光器１３３に入力される構成となっている。電気光学結晶１３１に電界が印加されると電気光学効果によって電気光学結晶１３１からの反射光の偏波が変化し、偏波分離部１３２と受光器１３３によって反射光の偏波変化を検出するようになっている。受光器１３３から出力される電気信号Ｓ１３０は、電気光学結晶１３１に印加される電界に比例すると共に、短パルス光Ｐ４の光パワーにも比例する。
短パルス光Ｐ１のパルス幅を校正用信号Ｓ１２０の最大周波数の逆数の１／２よりも十分短くすると、電気光学サンプリング部１３０からの電気信号Ｓ１３０は、校正用信号Ｓ１２０を短パルス光Ｐ１の繰返し周期でサンプリングしたものになる。短パルス光源１０２の繰返し周期は校正用信号Ｓ１２０の繰返し周期の整数倍であるため、校正用信号Ｓ１２０の繰返し波形の特定の点を繰返しサンプリングすることになる。光可変遅延器１０４の遅延時間を変えることにより、校正用信号Ｓ１２０を短パルス光Ｐ４でサンプリングする時刻が変わるので、光可変遅延器１０４の遅延時間を掃引しながら電気光学サンプリング部１３０からの電気信号Ｓ１３０を記録すると低速の受光器１３３でミリ波帯の校正用信号Ｓ１２０の時間波形が測定できる。
３トーン位相差測定部１５０の位相検出部１５１ａは、電気光学サンプリング部１３０からの電気信号Ｓ１３０における３トーンのうちの第１トーンの位相を検出する。同様に、位相検出部１５１ｂおよび位相検出部１５１ｃは、それぞれ第２トーンおよび第３トーンの位相を検出する。ここで、中間周波信号発生器１１１ａ〜１１１ｃで発生する各正弦波の位相差を補正するようにしてもよい。また、電気光学サンプリング部１３０からの電気信号Ｓ１３０を図示しないＡ／Ｄ変換器でディジタル信号に変換し、ディジタル信号処理にて各トーンの位相検出を行なうようにしてもよい。
一般に、高周波信号の位相測定では絶対位相および位相の周波数傾斜が不定となるため、位相差算出部１５２は、３トーンの各位相の２階微分を算出し、電気光学サンプリング部１３０を用いた位相差測定結果として出力する。２階微分を算出するためには、少なくとも３トーンの位相が必要となる。以上の処理を校正用信号Ｓ１２０の３トーンの周波数を変えて繰返し、所定の周波数範囲にわたって位相の２階微分値を測定する。位相の２階微分を２階積分することにより、位相の周波数特性を得ることができる。電気光学サンプリング部１３０による位相差測定結果Ｓ１５０が位相差算出部１５２から出力される。
スイッチＳＷ１０１およびＳＷ１０２を同図下側に、スイッチＳＷ１０３およびＳＷ１０４を同図上側に設定すると、ミリ波帯信号測定部１７０を用いて校正用信号Ｓ１２０の位相差が測定される。
ミリ波帯信号測定部１７０では、ＣＷの局発信号Ｓ１７１を発生する局発信号発生部１７１とミキサなどの周波数変換部１７２とを用いて、ミリ波帯の校正用信号Ｓ１２０を中間周波信号に周波数変換（ダウンコンバート）する。局発信号Ｓ１７１は必ずしも短パルス光Ｐ１に同期させる必要は無いが、局発信号Ｓ１７１の周波数が短パルス光源１０２の繰返し周波数の整数倍になるように、同期処理部１０５から局発信号発生部１７１を制御するようにしてもよい。中間周波信号変換部１７３には、第２中間周波信号に変換する周波数変換器やＩ／Ｑ信号に変換する直交周波数変換器やディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器等が含まれていてもよい。
ミリ波帯信号測定部１７０の中間周波信号変換部１７３からの出力信号Ｓ１７０は、スイッチＳＷ１０４およびスイッチＳＷ１０２を介して３トーン位相差測定部１５０に入力され、電気光学サンプリング部１３０からの電気信号Ｓ１３０の位相差測定と同様に、位相検出部１５１ａ〜１５１ｃにおいて３トーンの各位相が検出され、位相差算出部１５２において３トーンの各位相の２階微分が算出され、校正用信号Ｓ１２０の３トーンの周波数を変えて繰返し、位相の２階微分を２階積分することにより位相の周波数特性を得ることができ、ミリ波帯信号測定部１７０による位相差測定結果Ｓ１５０'が出力される。
３トーン位相差測定部１５０において、中間周波信号発生器１１１ａ〜１１１ｃで発生する各正弦波の位相差を補正してもよい。また、ミリ波帯信号測定部１７０からのＩＦ信号またはＩ／Ｑ信号を図示しないＡ／Ｄ変換器でディジタル信号に変換し、ディジタル信号処理にて各トーンの位相検出を行なうようにしてもよい。
次に、ミリ波帯信号測定部１７０の周波数変換部（ダウンコンバータ）１７２、１７３の周波数特性を校正する方法を示す。
ここでは、周波数特性を振幅Ａと位相θを含む複素数Ａ・ｅｊθで表し、位相の周波数特性の校正および振幅・位相両方の周波数特性の校正のいずれにも適用できる。校正用信号Ｓ１２０の周波数特性（複素数）をＸｃ（ｆ），ミリ波帯信号測定部１７０の周波数変換部１７２、１７３の周波数特性（複素数）をＧ（ｆ），校正用信号Ｓ１２０をミリ波帯信号測定部１７０に入力した時の中間周波信号変換部１７３からの出力信号Ｓ１７０の周波数特性（複素数）をＹｃ（ｆ）とする。前述のように、校正用信号Ｓ１２０を電気光学サンプリング部１３０に入力して測定された校正用信号Ｓ１２０の位相特性Ｓ１５０からＸｃ（ｆ）が求まり、校正用信号Ｓ１２０をミリ波帯信号測定部１７０に入力して周波数変換された出力信号Ｓ１７０の位相特性Ｓ１５０'からＹｃ（ｆ）が求まり、次式よりＧ（ｆ）を求めることができる。
Figure 0006839226
 ここで、ｆＬＯはミリ波帯信号測定部１７０の局発周波数である。
位相補正値算出部１５５は、所定の周波数範囲にわたってＧ（ｆ）を算出し、ミリ波帯信号測定部１７０の位相補正部１７４に出力する。
被測定信号Ｓ１６０の周波数特性（複素数）をＸ（ｆ），被測定信号Ｓ１６０をミリ波帯信号測定部１７０に入力した時の中間周波信号変換部１７３からの出力信号Ｓ１７０'の周波数特性（複素数）をＹ（ｆ）とすると、次式よりミリ波帯信号測定部１７０の周波数変換部１７２、１７３の周波数特性が補正されたＸ（ｆ）を測定結果として求めることができる。
Figure 0006839226
スイッチＳＷ１０３とＳＷ１０４を同図下側に設定してミリ波帯信号送信部１６０からの被測定信号Ｓ１６０をミリ波帯信号測定部１７０に入力し、中間周波信号変換部１７３からの出力信号Ｓ１７０'を位相補正部１７４に入力する。位相補正部１７４では、ミリ波帯信号測定部１７０の周波数変換部１７２、１７３の周波数特性Ｇ（ｆ）で除算する（位相のみを補正する場合はミリ波帯信号測定部１７０の周波数変換部１７２、１７３の位相特性を減算する）ことにより、ミリ波帯信号測定部１７０の周波数変換部１７２、１７３の周波数特性が補正された測定結果を得ることができる。
図２は、関連技術として、別の位相特性校正システム１００Ａの構成を示す。
一般に、電気光学サンプリング部１３０からの電気信号Ｓ１３０は微小なので、ロックイン検出を行なうことが有効である。図２に示す位相特性校正システム１００Ａでは、校正用信号生成部１２０に基準信号変調部１１５を追加して基準信号Ｓ１１６による振幅変調を行なうと共に、３トーン位相差測定部１５０の前にロックイン検出部１４０を追加して基準信号Ｓ１４１によるロックイン検出を行なうようになっている。
基準信号変調部１１５の基準信号発生器１１６は、基準同期信号発生器１１８からの基準同期信号Ｓ１１８に従って、３トーンの各正弦波のいずれよりも周波数の低い基準信号Ｓ１１６を発生する。変調器１１７は、３トーン中間周波信号Ｓ１１０を基準信号Ｓ１１６で変調し、変調された３トーン中間周波信号Ｓ１１５を周波数変換部１２１へ出力する。基準同期信号Ｓ１１８は、短パルス光源１０２の繰返し周波数に同期してもよく、同期していなくてもよい。
基準信号変調部１１５からの出力信号Ｓ１１５は、図１と同様に、局発信号発生部１２２と周波数変換部１２１とを用いてミリ波帯の周波数にアップコンバートされ校正用信号Ｓ１２０として出力される。スイッチＳＷ１０１およびＳＷ１０２を図２上側に設定すると、図１と同様に電気光学サンプリング部１３０を用いて校正用信号Ｓ１２０の位相差が測定される。
電気光学サンプリング部１３０からの電気信号Ｓ１３０は、ロックイン検出部１４０に入力される。ロックイン検出部１４０の基準信号発生器１４１は、基準同期信号発生器１１８からの基準同期信号Ｓ１１９に従って、基準信号Ｓ１１６と同じ周波数の正弦波である基準信号Ｓ１４１を発生する。移相器１４２は、変調器１４４において電気光学サンプリング部１３０でサンプリングされた校正用信号中の基準信号Ｓ１１６の位相と基準信号Ｓ１４１の位相とが一致するように、基準信号Ｓ１４１の位相を調整し、基準信号Ｓ１４２として出力する。変調器１４４は、電気光学サンプリング部１３０からの電気信号Ｓ１３０を基準信号Ｓ１４２で変調し、低域通過フィルタ１４５で低周波成分を抽出する。
一般に、低域通過フィルタ１４５の遮断周波数は、基準信号Ｓ１４１の周波数よりも低く、かつ光可変遅延器１０４の掃引速度によって決まる電気光学サンプリング部１３０からの電気信号Ｓ１３０における３トーン信号のいずれの周波数よりも高く設定する。低域通過フィルタ１４５の遮断周波数を低くすると、光可変遅延器１０４の掃引速度を遅くする必要があり測定に時間を要するが、周波数帯域が狭くなりＳ／Ｎ比が改善される。
なお、通常は、後段の３トーン位相差測定部１５０の位相検出部１５１ａ〜１５１ｃが３トーンの各周波数を検出する周波数選択性を有し、ロックイン検出部１４０の低域通過フィルタ１４５の帯域よりも位相検出部１５１ａ〜１５１ｃの測定帯域の方が狭いため、後者によって位相測定のＳ／Ｎ比が決まる。
従って、ロックイン検出部１４０の低域通過フィルタ１４５は、３トーン位相差測定部１５０にてＡ／Ｄ変換を行なう場合や位相検出部１５１ａ〜１５１ｃにおける演算量を低減するためにサンプリングレートを下げる場合におけるアンチエイリアスフィルタとして適切な遮断周波数に設定すればよい。
ロックイン検出の利点は、基準信号で変調された信号を検出するため、例えば、基準信号Ｓ１１６の周波数を数ＭＨｚに設定することにより電気光学サンプリング部１３０の受光器１３３の直流ドリフトや１／ｆ雑音の影響を避けることができ、位相検出部１５１ａ〜１５１ｃの測定帯域が同一の場合でも測定感度を改善できることである。
電気光学サンプリング部１３０からの電気信号Ｓ１３０を図示しないＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換し、基準信号Ｓ１４１の発生／移相、電気光学サンプリング部１３０からの電気信号Ｓ１３０と基準信号Ｓ１４２の乗算、ディジタルフィルタによる低域通過のフィルタ処理を全てディジタル演算で実現してもよい。
ロックイン検出部１４０からの出力信号は、３トーン位相差測定部１５０に入力され、図１の場合と同様に、３トーンの各位相が検出されて２階微分が算出される。校正用信号Ｓ１２０の３トーンの周波数を変えて位相の２階微分値の測定を繰返し、位相の２階微分を２階積分することにより位相の周波数特性を得ることができる。以上のようにして、電気光学サンプリング部１３０による位相差測定結果Ｓ１５０が位相差算出部１５２から出力される。
スイッチＳＷ１０１およびＳＷ１０２を図２中下側に、スイッチＳＷ１０３およびＳＷ１０４を図２中上側に設定し、ミリ波帯信号測定部１７０を用いて校正用信号Ｓ１２０の位相差を測定する際は、必ずしもロックイン検出を行なう必要は無いが、図２では、電気光学サンプリング部１３０による測定と同様に基準信号Ｓ１１６で変調された校正用信号Ｓ１２０を使用してロックイン検出を行なうよう構成されている。ミリ波帯信号測定部１７０の中間周波信号変換部１７３からの出力信号Ｓ１７０は、スイッチＳＷ１０４およびスイッチＳＷ１０２を介してロックイン検出部１４０に入力されてロックイン検出が行われる。ロックイン検出部１４０からの出力信号が３トーン位相差測定部１５０に入力され、位相検出部１５１ａ〜１５１ｃにおいて３トーンの各位相が検出され、位相差算出部１５２において３トーンの各位相の２階微分が算出され、校正用信号Ｓ１２０の３トーンの周波数を変えて繰返し、位相の２階微分を２階積分することにより位相の周波数特性を得ることができ、ミリ波帯信号測定部１７０による位相差測定結果Ｓ１５０'が出力される。
ミリ波帯信号測定部１７０の周波数変換部（ダウンコンバータ）１７２、１７３の周波数特性を校正する方法は、図１の場合と同様である。スイッチＳＷ１０３およびＳＷ１０４を図２中下側に設定してミリ波帯信号送信部１６０からの被測定信号Ｓ１６０をミリ波帯信号測定部１７０に入力し、中間周波信号変換部１７３からの出力信号Ｓ１７０'を位相補正部１７４に入力することにより、ミリ波帯信号測定部１７０の周波数特性が補正された測定結果を得ることができる。
特許第６３６０５８２号公報
木村幸泰，布施匡章，待鳥誠範，森隆，"電気光学サンプリング法によるテラヘルツ波ダウンコンバータの位相校正法の検討"，２０１８年電子情報通信学会総合大会論文集，ＢＣＩ−１−７，２０１８ A. Sasaki and T. Nagatsuma,"Millimeter-Wave Imaging Using an Electrooptic Detector as a Harmonic Mixer", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 6, no. 5, pp. 735-740, 2000
しかしながら、図２に示す関連技術では、３トーン位相差測定部１５０において、３トーン信号の各正弦波を周波数領域で分離して各正弦波の位相を検出する必要がある。周波数間隔Δｆの正弦波を分離するためには、少なくともＴ＝１／Δｆの時間スパンが必要であり、３トーンの周波数間隔を狭くすると長い時間スパンの信号が必要となる。電気光学サンプリング部１３０による測定では、光可変遅延器１０４の掃引幅が測定信号の時間スパンとなるため、光可変遅延器１０４の掃引幅を長くする必要がある。光可変遅延器１０４は、ミラー１０４ａを機械的に掃引することにより光の遅延時間を変える構造であり、掃引幅を長くすると大型で高価になるという問題があった。
また、Ｔ＝１／Δｆの時間スパンで周波数間隔Δｆのトーン信号を完全に分離できるのは、各トーン信号が理想的な正弦波の場合のみである。実際のトーン信号には位相の揺らぎが存在し、位相の揺らぎがあると各トーン信号を完全に分離できず、隣接するトーン信号の洩れが発生し、位相測定における誤差となる。特に、ミリ波帯のような周波数が高い信号では、局発信号の発振器等に無視できない位相揺らぎが存在するため、位相測定の誤差が大きくなるという問題があった。
また、一般に、高周波のミキサやアンプ等の電気部品には非線形歪みが存在し、周波数の異なる２つの正弦波を入力すると３次相互変調歪みによって２つの入力正弦波のスペクトルの両側に新たにスペクトルが発生する。校正用信号の第１，第２，第３トーンの各周波数をｆＲＦ１，ｆＲＦ２，ｆＲＦ３，基準信号を周波数ｆｒの正弦波とすると、基準信号による各トーンの変調によって上側帯波と下側帯波が発生し、図２の構成における校正用信号のスペクトルは図３（ａ）のようになる。この校正用信号を３次の非線形素子に入力すると、第１トーンの下側帯波と第１トーンの上側帯波の３次相互変調によってｆＲＦ１から３ｆｒ離れた周波数にスペクトルが発生し、第１トーンの下側帯波と第２トーンの上側帯波の３次相互変調によってｆＲＦ３から３ｆｒ離れた周波数にスペクトルが発生し、第１トーンの上側帯波と第２トーンの上側帯波の３次相互変調によってｆＲＦ３からｆｒ離れた周波数にスペクトルが発生する。同様にして、校正用信号の各トーンの周辺には、図３（ｂ）に示す周波数関係で３次相互変調歪みのスペクトルが発生し、結果として図３（ｃ）に示すスペクトルのようになる。
図３（ｃ）に示すように、第１トーンの上側帯波と第２トーンの上側帯波の３次相互変調歪みによって発生するスペクトルは、第３トーンの上側帯波と周波数が一致する。同様に第３トーンの下側帯波、第１トーンの下側帯波および上側帯波にも、３次相互変調歪みによるスペクトルが重なる。一般に、この３次相互変調歪みによるスペクトルは、第１，第３トーンの上下側帯波と同位相とは限らないため、第１，第３トーンの上下側帯波の位相が変化することになる。ロックイン検出では各トーンの下側帯波と上側帯波を検出するため、非線形の影響によって３トーン信号の位相測定結果が変わり、位相測定の誤差が大きくなるという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、隣接するトーン信号の変動および非線形の影響を排除して高精度な位相測定を実現すると共に、可変遅延器の掃引幅によらず高い周波数分解能での位相測定が可能な位相校正装置および位相測定方法を提供することを目的とする。
本発明の請求項１に係る位相特性校正装置は、上記目的達成のため、被測定信号をダウンコンバートして測定する信号測定部（７０）のダウンコンバータ（７２，７３）の位相の周波数特性を校正する位相特性校正装置（１）であって、所定の繰返し周波数のパルス光を発生するパルス光源（２）と、前記パルス光を分岐する光分岐器（３）と、周波数の異なる３波以上の中間周波信号を、前記中間周波信号と同一個数の互いに直交した基準信号でそれぞれ変調し合波したマルチトーン中間周波信号を出力するマルチトーン中間周波信号発生部（１０）を備え、所定の周波数の局発信号と周波数変換部（２１）とにより前記マルチトーン中間周波信号をアップコンバートして校正用信号を生成する校正用信号生成部（２０）と、前記光分岐器から出力される前記パルス光の一方が入力され、前記校正用信号に含まれるアップコンバートされた前記各中間周波信号の周波数が前記パルス光の繰返し周波数の整数倍になるように、前記３波以上の中間周波信号および前記局発信号の周波数を制御する同期処理部（５）と、前記光分岐器から出力される前記パルス光の他方が入力され、該パルス光に従って前記校正用信号をサンプリングして電気信号として出力する電気光学サンプリング部（３０）と、前記電気光学サンプリング部に入力される前記パルス光と前記校正用信号との相対的時間差を変える可変遅延器（４）と、前記相対的時間差を変えながら前記電気信号を取得し、前記各基準信号と同一周波数の互いに直交した正弦波でそれぞれ前記電気信号を変調することにより、前記電気信号に含まれる前記３波以上の中間周波信号に対応するトーン信号を分離するマルチトーン信号分離部（４０）と、前記マルチトーン信号分離部で分離された前記トーン信号間の位相差を検出するマルチトーン位相差測定部（５０）と、前記トーン信号間の位相差から前記信号測定部の前記ダウンコンバータの位相の周波数特性を補正する位相補正値を算出する位相補正値算出部（５５）と、を具備することを特徴とする。
この構成により、本発明の請求項１に係る位相特性校正装置は、マルチトーン位相差測定部の前に配置されたマルチトーン信号分離部において各トーン信号が分離されるため、可変遅延器の掃引幅Ｔから決まる周波数分解能Δｆ＝１／Ｔよりも狭い周波数間隔で各トーン信号を配置することも可能となり、可変遅延器を大型化することなく周波数間隔を狭くすることができる。すなわち、可変遅延器の掃引幅によらず高い周波数分解能で位相測定が可能となる。
また、マルチトーン位相差測定部の前に配置されたマルチトーン信号分離部において各トーン信号が分離されるため、校正用信号に位相揺らぎが存在する場合においても、隣接するトーン信号の漏洩を未然に防止し、精度よく位相測定を行なうことが可能となる。
しかも、マルチトーン中間周波信号は、前記中間周波信号と同一個数の互いに直交した基準信号でそれぞれ変調し合波したものである。このため、３次相互変調歪みにより発生するスペクトルが、各トーン信号の上側帯波および下側帯波のいずれにも重ならない。これにより、３次相互変調歪みの影響を受けずに、正確な位相測定が可能となる。
したがって、本発明の請求項１に係る位相校正装置は、隣接するトーン信号の変動および非線形の影響を排除して高精度な位相測定を実現すると共に、可変遅延器の掃引幅によらず高い周波数分解能での位相測定が可能となる。
本発明の請求項２に係る位相特性校正装置は、前記校正用信号生成部は、周波数の異なる３波以上の信号測定部用中間周波信号を合波した信号測定部用マルチトーン中間周波信号を出力する信号測定部用マルチトーン中間周波信号発生部（２５）をさらに有し、前記局発信号と前記周波数変換部とにより前記信号測定部用マルチトーン中間周波信号をアップコンバートして信号測定部用校正用信号を生成し、前記マルチトーン位相差測定部は、前記信号測定部用校正用信号を前記信号測定部に入力してダウンコンバートされた信号に含まれる前記３波以上の信号測定部用中間周波信号に対応する信号測定部用トーン信号間の位相差を検出し、前記位相補正値算出部は、前記トーン信号間の位相差と前記信号測定部用トーン信号間の位相差とから前記信号測定部の前記ダウンコンバータ（７２，７３）の位相の周波数特性を補正する位相補正値を算出することを特徴とする。
この構成により、本発明の請求項２に係る位相特性校正装置は、信号測定部を用いた位相差測定においてマルチトーン中間周波信号発生部を用いる代わりに、変調部のない簡単な構成の信号測定部用マルチトーン中間周波信号発生部を使用することができる。
本発明の請求項３に係る位相特性校正装置は、測定用中間周波信号をアップコンバートして測定用信号として出力する信号発生部（８０）のアップコンバータ（８４）の位相の周波数特性を校正する位相特性校正装置（１Ｂ）であって、所定の繰返し周波数のパルス光を発生するパルス光源（２）と、前記パルス光を分岐する光分岐器（３）と、周波数の異なる３波以上の中間周波信号を、前記中間周波信号と同一個数の互いに直交した基準信号でそれぞれ変調し合波したマルチトーン中間周波信号を出力するマルチトーン中間周波信号発生部（１０）と、を備え、前記信号発生部は、所定の周波数の局発信号を用い前記マルチトーン中間周波信号を前記信号発生部の前記アップコンバータでアップコンバートして校正用信号を生成し、前記光分岐器から出力される前記パルス光の一方が入力され、前記校正用信号に含まれるアップコンバートされた前記各中間周波信号の周波数が前記パルス光の繰返し周波数の整数倍になるように、前記３波以上の中間周波信号および前記局発信号の周波数を制御する同期処理部（５）と、前記光分岐器から出力される前記パルス光の他方が入力され、該パルス光に従って前記校正用信号をサンプリングして電気信号として出力する電気光学サンプリング部（３０）と、前記電気光学サンプリング部に入力される前記パルス光と前記校正用信号との相対的時間差を変える可変遅延器（４）と、前記相対的時間差を変えながら前記電気信号を取得し、前記各基準信号と同一周波数の互いに直交した正弦波でそれぞれ前記電気信号を変調することにより、前記電気信号に含まれる前記３波以上の中間周波信号に対応するトーン信号を分離するマルチトーン信号分離部（４０）と、前記マルチトーン信号分離部で分離された前記トーン信号間の位相差を検出するマルチトーン位相差測定部（５０）と、前記トーン信号間の位相差から前記信号発生部の前記アップコンバータの位相の周波数特性を補正する位相補正値を算出する位相補正値算出部（５５）と、を具備することを特徴とする。
この構成により、本発明の請求項３に係る位相特性校正装置は、測定用中間周波信号をアップコンバートして測定用信号として出力する信号発生部のアップコンバータの位相の周波数特性を補正することができる。
本発明の請求項４に係る位相特性校正装置では、前記互いに直交した基準信号は、互いに周波数の異なる同相基準信号、または前記同相基準信号と同一周波数で位相が９０度異なる直交基準信号であり、前記互いに直交した正弦波は、前記各同相基準信号と同一周波数で所定の位相差を持つ同相正弦波、または前記同相正弦波と位相が９０度異なる直交正弦波であることを特徴とする。
この構成により、本発明の請求項４に係る位相特性校正装置は、３次相互変調歪みにより発生するスペクトルが、各トーン信号の上側帯波および下側帯波のいずれにも重ならないので、３次相互変調歪みの影響を受けずに、正確な位相測定が可能となる。
本発明の請求項５に係る位相特性校正装置では、前記互いに直交した基準信号は、互いに周波数の異なる基準信号であり、前記互いに直交した正弦波は、前記各基準信号と同一周波数で所定の位相差を持つ正弦波であることを特徴とする。
この構成により、本発明の請求項５に係る位相特性校正装置は、基準信号と同一周波数で位相が９０度異なる直交基準信号を使用しておらず、互いに周波数の異なる基準信号によって基準信号間の直交性が保たれる。よって、マルチトーン信号分離部は、変調器において、電気光学サンプリング部でサンプリングされた校正用信号中の基準信号の位相と、マルチトーン信号分離で用いられる正弦波の位相とが正確に一致するように、マルチトーン信号分離側の正弦波の位相を厳密に調整する必要は必ずしも無い。マルチトーン信号分離部からのトーン信号出力が小さくならないように、例えば±１５度程度以内に位相を合わせればよく、移相器の調整が容易である。
本発明の請求項６に係る位相特性校正装置は、前記マルチトーン中間周波信号発生部は、互いに周波数の異なる第１の中間周波信号と第２の中間周波信号と第３の中間周波信号と第４の中間周波信号とを発生し、互いに周波数の異なる第１の基準信号と第２の基準信号とを発生し、前記第１の中間周波信号を前記第１の基準信号で変調し、前記第２の中間周波信号を前記第２の基準信号で変調し、前記第３の中間周波信号を前記第１の基準信号と９０度位相が異なる第１の直交基準信号で変調し、前記第４の中間周波信号を前記第２の基準信号と９０度位相が異なる第２の直交基準信号で変調し、変調された前記第１の中間周波信号と変調された前記第２の中間周波信号と変調された前記第３の中間周波信号と変調された前記第４の中間周波信号とを合波してマルチトーン中間周波信号として出力し、前記マルチトーン信号分離部は、前記第１の基準信号と同一周波数で所定の位相差を持つ第１の正弦波で前記電気信号を変調し、前記第２の基準信号と同一周波数で所定の位相差を持つ第２の正弦波で前記電気信号を変調し、前記第１の正弦波と９０度位相が異なる第３の正弦波で前記電気信号を変調し、前記第２の正弦波と９０度位相が異なる第４の正弦波で前記電気信号を変調することにより前記電気信号に含まれる前記第１の中間周波信号と前記第２の中間周波信号と前記第３の中間周波信号と前記第４の中間周波信号とに対応する４つのトーン信号を分離することを特徴とする。
この構成により、本発明の請求項６に係る位相特性校正装置は、３次相互変調歪みによる発生するスペクトルが、各トーン信号の上側帯波および下側帯波のいずれにも重ならない。これにより、３次相互変調歪みの影響を受けずに正確な位相測定が可能となる。
本発明の請求項７に係る位相特性校正装置は、前記マルチトーン中間周波信号発生部は、互いに周波数の異なる第１の中間周波信号と第２の中間周波信号と第３の中間周波信号とを発生し、互いに周波数の異なる第１の基準信号と第２の基準信号とを発生し、前記第１の中間周波信号を前記第１の基準信号で変調し、前記第２の中間周波信号を前記第２の基準信号で変調し、前記第３の中間周波信号を前記第１の基準信号と９０度位相が異なる直交基準信号で変調し、変調された前記第１の中間周波信号と変調された前記第２の中間周波信号と変調された前記第３の中間周波信号とを合波してマルチトーン中間周波信号として出力し、前記マルチトーン信号分離部は、前記第１の基準信号と同一周波数で所定の位相差を持つ第１の正弦波で前記電気信号を変調し、前記第２の基準信号と同一周波数で所定の位相差を持つ第２の正弦波で前記電気信号を変調し、前記第１の正弦波と９０度位相が異なる第３の正弦波で前記電気信号を変調することにより前記電気信号に含まれる前記第１の中間周波信号と前記第２の中間周波信号と前記第３の中間周波信号とに対応する３つのトーン信号を分離することを特徴とする。
この構成により、本発明の請求項７に係る位相特性校正装置は、３次相互変調歪みにより発生するスペクトルが、各トーン信号の上側帯波および下側帯波のいずれにも重ならない。これにより、３次相互変調歪みの影響を受けずに正確な位相測定が可能となる。
本発明の請求項８に係る位相特性校正装置は、前記マルチトーン中間周波信号発生部は、互いに周波数の異なる第１の中間周波信号と第２の中間周波信号と第３の中間周波信号とを発生し、互いに周波数の異なる第１の基準信号と第２の基準信号と第３の基準信号とを発生し、前記第１の中間周波信号を前記第１の基準信号で変調し、前記第２の中間周波信号を前記第２の基準信号で変調し、前記第３の中間周波信号を前記第３の基準信号で変調し、変調された前記第１の中間周波信号と変調された前記第２の中間周波信号と変調された前記第３の中間周波信号とを合波してマルチトーン中間周波信号として出力し、前記マルチトーン信号分離部は、前記第１の基準信号と同一周波数で所定の位相差を持つ第１の正弦波で前記電気信号を変調し、前記第２の基準信号と同一周波数で所定の位相差を持つ第２の正弦波で前記電気信号を変調し、前記第３の基準信号と同一周波数で所定の位相差を持つ第３の正弦波で前記電気信号を変調することにより前記電気信号に含まれる前記第１の中間周波信号と前記第２の中間周波信号と前記第３の中間周波信号とに対応する３つのトーン信号を分離することを特徴とする。
この構成により、本発明の請求項８に係る位相特性校正装置は、３次相互変調歪みによる発生するスペクトルが、各トーン信号の上側帯波および下側帯波のいずれにも重ならない。これにより、３次相互変調歪みの影響を受けずに正確な位相測定が可能となる。
本発明の請求項９に係る位相特性校正方法は、被測定信号をダウンコンバートして測定する信号測定部（７０）のダウンコンバータ（７２，７３）の位相の周波数特性を校正する位相特性校正方法であって、所定の繰返し周波数のパルス光を光分岐器（３）で分岐し、周波数の異なる３波以上の中間周波信号を、前記中間周波信号と同一個数の互いに直交した基準信号でそれぞれ変調し合波したマルチトーン中間周波信号を生成し、所定の周波数の局発信号と周波数変換部（２１）とを用い前記マルチトーン中間周波信号をアップコンバートして校正用信号を生成し、前記光分岐器から出力される前記パルス光の一方を用いて前記校正用信号に含まれるアップコンバートされた前記各中間周波信号の周波数が、前記パルス光の繰返し周波数の整数倍になるように、前記３波以上の中間周波信号および前記局発信号の周波数を制御し、前記光分岐器から出力される前記パルス光の他方を用いて電気光学効果により前記校正用信号をサンプリングして電気信号として出力し、前記サンプリングに用いられる該パルス光と前記校正用信号との相対的時間差を変えながら前記電気信号を取得し、前記各基準信号と同一周波数の互いに直交した正弦波でそれぞれ前記電気信号を変調することにより前記電気信号に含まれる前記３波以上の中間周波信号に対応するトーン信号を分離し、分離された前記トーン信号間の位相差を検出し、前記トーン信号間の位相差から前記信号測定部の前記ダウンコンバータの位相の周波数特性を補正する位相補正値を算出する、ことを含むことを特徴とする。
この構成により、本発明の請求項９に係る位相特性校正方法は、請求項１と同様に、隣接するトーン信号の変動および非線形の影響を排除して高精度な位相測定を実現すると共に、可変遅延器の掃引幅によらず高い周波数分解能での位相測定が可能となる。
本発明の請求項１０に係る位相特性校正方法は、測定用中間周波信号をアップコンバートして測定用信号として出力する信号発生部（８０）のアップコンバータ（８４）の位相の周波数特性を校正する位相特性校正方法であって、所定の繰返し周波数のパルス光を光分岐器（３）で分岐し、周波数の異なる３波以上の中間周波信号を、前記中間周波信号と同一個数の互いに直交した基準信号でそれぞれ変調し合波したマルチトーン中間周波信号を生成し、所定の周波数の局発信号を用い前記マルチトーン中間周波信号を前記信号発生部の前記アップコンバータでアップコンバートして校正用信号を生成し、前記光分岐器から出力される前記パルス光の一方を用いて前記校正用信号に含まれるアップコンバートされた前記各中間周波信号の周波数が前記パルス光の繰返し周波数の整数倍になるように、前記３波以上の中間周波信号および前記局発信号の周波数を制御し、前記光分岐器から出力される前記パルス光の他方を用いて電気光学効果により前記校正用信号をサンプリングして電気信号として出力し、前記サンプリングに用いられる該パルス光と前記校正用信号との相対的時間差を変えながら前記電気信号を取得し、前記各基準信号と同一周波数の互いに直交した正弦波でそれぞれ前記電気信号を変調することにより、前記電気信号に含まれる前記３波以上の中間周波信号に対応するトーン信号を分離し、分離された前記トーン信号間の位相差を検出し、前記トーン信号間の位相差から前記信号発生部の前記アップコンバータの位相の周波数特性を補正する位相補正値を算出する、ことを含むことを特徴とする。
この構成により、本発明の請求項１０に係る位相特性校正方法は、測定用中間周波信号をアップコンバートして測定用信号として出力する信号発生部のアップコンバータの位相の周波数特性を補正することができる。
本発明によれば、隣接するトーン信号の変動および非線形の影響を排除して高精度な位相測定を実現すると共に、可変遅延器の掃引幅によらず高い周波数分解能での位相測定が可能な位相特性校正装置および位相特性校正方法を提供することができる。
関連技術に係る位相特性校正システムの基本構成の構成図である。 関連技術に係る別の位相特性校正システムの構成図である。 図２の位相特性校正システムの校正用信号のスペクトルを示す説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る位相特性校正装置の構成図である。 図４の位相検出部の構成図である。 図４の電気光学サンプリング部の構成図である。 図４の電気光学サンプリング部の別の構成図である。 図４の位相特性校正装置の校正用信号のスペクトルを示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る位相特性校正装置の構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る位相特性校正装置の構成図である。 本発明の第４の実施形態に係る位相特性校正装置の構成図である。 マルチトーンのトーン数を減らす場合の構成例を示す。 マルチトーンのトーン数を増やす場合の構成例を示す。 マルチトーンのトーン数を増やす場合の別の構成例を示す。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図４は、本発明の第１の実施形態に係る位相特性校正装置１の構成図である。
位相特性校正装置１は、被測定信号を周波数変換（ダウンコンバート）して測定するミリ波帯信号測定部７０のダウンコンバータ７２、７３の位相の周波数特性を補正するものである。このために、位相特性校正装置１は、短パルス光源２と、光分岐器３と、光可変遅延器４と、マルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０を有する校正用信号生成部２０と、同期処理部５と、電気光学サンプリング部３０と、マルチトーン信号分離部４０と、マルチトーン位相差測定部５０と、位相補正値算出部５５と、を備えている。
なお、本実施形態のミリ波帯信号測定部、短パルス光源、光可変遅延器、およびマルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部は、本発明の信号測定部、パルス光源、可変遅延器、およびマルチトーン中間周波信号発生部にそれぞれ対応する。
短パルス光源２は、所定の繰返し周波数で短パルス光Ｐ１を出力するようになっている。具体的には、例えば、モード同期ファイバレーザにより、例えば繰返し周波数１００ＭＨｚでパルス幅１００ｆｓ程度の短パルス光Ｐ１を生成する。短パルス光源２から出力される短パルス光Ｐ１は光分岐器３で２つの短パルス光Ｐ２、Ｐ３に分岐され、それぞれ光可変遅延器４と同期処理部５とに入力される。
光可変遅延器４は、ミラー４ａの位置を機械的に移動させることにより光の遅延時間を連続的に変えるものである。光可変遅延器４から出力された短パルス光Ｐ４は、電気光学サンプリング部３０に入力される。
本実施形態では、光可変遅延器４は、光分岐器３と電気光学サンプリング部３０の間に配置されているが、この配置に限定されない。光可変遅延器４は、電気光学サンプリング部３０に入力される短パルス光Ｐ４と、校正用信号生成部２０から出力され電気光学サンプリング部３０に入力される校正用信号Ｓ２０との相対的な時間差を変えることができればよい。よって、光可変遅延器４は、光分岐器３と同期処理部５の間に入れてもよく、短パルス光Ｐ３を電気信号に変換して電気可変遅延器を経て同期処理部５に入力するようにしてもよく、これらを組み合わせた構成でもよい。
校正用信号生成部２０は、所定の周波数の局発信号Ｓ２２を用い、後で説明するマルチトーン中間周波信号Ｓ１０をアップコンバートして校正用信号Ｓ２０を生成するようになっている。このために、校正用信号生成部２０は、マルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０と、局発信号発生部２２と、周波数変換部２１と、を備えている。
マルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０は、３トーン以上のマルチトーン信号（中間周波信号）Ｓ１〜Ｓ４を発生し、互いに周波数が異なるかまたは互いに位相が９０度異なる、中間周波信号と同一個数の基準信号（すなわち、互いに直交した基準信号）Ｓ５〜Ｓ８による変調を行ない、変調信号を合波してマルチトーン中間周波信号Ｓ１０を発生する。具体的には、マルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０は、周波数の異なる中間周波信号Ｓ１〜Ｓ４を発生し、該中間周波信号を互いに周波数の異なる基準信号Ｓ５，Ｓ７または該基準信号と周波数が等しく位相が９０度異なる直交基準信号Ｓ６，Ｓ８でそれぞれ変調し合波したマルチトーン中間周波信号Ｓ１０を出力するようになっている。本実施形態では、４トーン信号を発生する例を示している。基準信号Ｓ５と基準信号Ｓ７、基準信号Ｓ５と直交基準信号Ｓ８、基準信号Ｓ７と直交基準信号Ｓ６、直交基準信号Ｓ６と直交基準信号Ｓ８は周波数が異なるため直交しており、基準信号Ｓ５と直交基準信号Ｓ６、基準信号Ｓ７と直交基準信号Ｓ８は周波数が等しいが位相が９０度異なるため直交しており、従って基準信号Ｓ５，Ｓ７および直交基準信号Ｓ６，Ｓ８は全ての組み合わせにおいて互いに直交している。
より具体的には、マルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０は、中間周波信号発生器１１ａ〜１１ｄと、基準信号発生器１２ａ、１２ｂと、９０度移相器１４ａ、１４ｂと、変調器１３ａ〜１３ｄと、加算器１５と、基準同期信号発生器１６と、を備えている。
中間周波信号発生器１１ａ〜１１ｄは、それぞれ中間周波信号Ｓ１〜Ｓ４を発生する。中間周波信号Ｓ１〜Ｓ４は、互いに周波数が異なり所定の位相差をもった繰返し信号である。通常は正弦波が用いられるが、所望の周波数成分を持つ繰返し信号でもよい。後述するように、位相測定データ処理の簡単化のため、中間周波信号Ｓ１〜Ｓ４の周波数は位相測定の周波数分解能に応じた一定の周波数間隔に設定するのが望ましい。
基準信号発生器１２ａは、基準同期信号発生器１６からの基準同期信号Ｓ１６に同期した周波数の繰返し信号を基準信号Ｓ５として出力する。基準信号発生器１２ａは、例えば基準同期信号Ｓ１６の３倍の周波数の正弦波や矩形波を出力する。基準信号Ｓ５は変調器１３ａに入力され、中間周波信号Ｓ１を基準信号Ｓ５で変調する。また、基準信号Ｓ５は９０度移相器１４ａを介して変調器１３ｂに入力され、中間周波信号Ｓ２を基準信号Ｓ５と９０度位相が異なる直交基準信号Ｓ６で変調する。
基準信号発生器１２ｂは、基準信号Ｓ５と周波数が異なり、かつ基準同期信号発生器１６からの基準同期信号Ｓ１６に同期した周波数の繰返し信号を基準信号Ｓ７として出力する。基準信号発生器１２ｂは、例えば、基準同期信号Ｓ１６の４倍の周波数の正弦波や矩形波を出力する。基準信号Ｓ７は変調器１３ｃに入力され、中間周波信号Ｓ３を基準信号Ｓ７で変調する。また、基準信号Ｓ７は９０度移相器１４ｂを介して変調器１３ｄに入力され、中間周波信号Ｓ４を基準信号Ｓ７と９０度位相が異なる直交基準信号Ｓ８で変調する。
基準信号Ｓ５，Ｓ７および直交基準信号Ｓ６，Ｓ８は、電圧がゼロ以上の単極性信号でも正負両方の両極性信号でもよいが、直流成分を持たない両極性信号の方が変調度を大きくできるので望ましい。基準信号Ｓ５，Ｓ７および直交基準信号Ｓ６，Ｓ８を矩形波等の正弦波以外の繰返し信号にする場合は、基本周波数の整数倍の高調波成分が存在するため、例えば、基準信号Ｓ５の周波数の整数倍が基準信号Ｓ７の周波数と一致しないように両者の周波数を設定するとよい。
マルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０は、変調器１３ａ〜１３ｄで変調された中間周波信号を加算器１５で加算（合波）し、マルチトーン中間周波信号Ｓ１０として出力する。
マルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０で発生する信号を予めディジタル演算にて生成して波形メモリに格納し、波形メモリのデータをＤ／Ａ変換器に入力してアナログ信号に変換しマルチトーン中間周波信号Ｓ１０として出力するようにしてもよい。
ここでは、１つの基準同期信号Ｓ１６に同期して基準信号Ｓ５と基準信号Ｓ７を発生する構成としているが、周波数の異なる基準同期信号Ｓ１６Ａと基準同期信号Ｓ１６Ｂを用意して、基準信号Ｓ５は基準同期信号Ｓ１６Ａに同期し、基準信号Ｓ７は基準同期信号Ｓ１６Ｂに同期する構成としてもよい。
校正用信号生成部２０は、所定の周波数のＣＷの局発信号Ｓ２２を発生する局発信号発生部２２とミキサなどの周波数変換部２１とを用いて、マルチトーン中間周波信号Ｓ１０をミリ波帯にアップコンバートして校正用信号Ｓ２０として出力する。周波数変換部２１には、ミキサの後に周波数変換における上側帯波または下側帯波のいずれか一方のみを抽出し局発信号Ｓ２２の洩れを除去するフィルタが含まれていてもよい。以下の例では、周波数変換における上側帯波を使用する場合を示す。下側帯波を使用する場合は周波数関係が異なるが、同様に本手法を適用することができる。
また、局発信号発生部２２または周波数変換部２１には、局発信号Ｓ２２の周波数を逓倍する逓倍器が含まれていてもよく、その場合逓倍された周波数を局発信号Ｓ２２の周波数と解釈する。
同期処理部５は、中間周波信号Ｓ１〜Ｓ４と局発信号Ｓ２２とを短パルス光源２の繰返し周波数に同期させることにより、短パルス光源２の繰返し周波数に同期したミリ波帯の校正用信号Ｓ２０が得られるようにする。具体的には、同期処理部５は、光分岐器３から出力される短パルス光Ｐ３が入力され、校正用信号Ｓ２０に含まれるアップコンバートされた中間周波信号の各周波数が短パルス光Ｐ３の繰返し周波数の整数倍になるように、中間周波信号Ｓ１〜Ｓ４および局発信号Ｓ２２の周波数を制御するようになっている。
より具体的には、同期処理部５は、位相同期ループ（ＰＬＬ）回路を用いて、局発信号Ｓ２２および中間周波信号Ｓ１〜Ｓ４の各周波数が短パルス光源２の繰返し周波数の整数倍になるように局発信号発生部２２および中間周波信号発生器１１ａ〜１１ｄ内の電圧制御発振器（ＶＣＯ）を制御するようになっている。
なお、基準同期信号Ｓ１６は、短パルス光源２の繰返し周波数に同期させても、させなくてもよい。前述のように、マルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０を波形メモリとＤ／Ａ変換器で構成する場合は、Ｄ／Ａ変換クロックを短パルス光源２の繰返し周波数に同期させ、マルチトーン中間周波信号中の中間周波信号の各周波数が短パルス光源２の繰返し周波数の整数倍になるように波形メモリのデータを作成すればよい。これにより、（基準信号Ｓ５，Ｓ７と直交基準信号Ｓ６，Ｓ８による変調を除いた）校正用信号Ｓ２０の繰返し周波数が短パルス光源２の繰返し周波数の整数倍となる。
電気光学サンプリング部３０を用いて校正用信号Ｓ２０の位相差を測定する場合には、スイッチＳＷ１およびＳＷ２が図４中上側に設定される。電気光学サンプリング部３０は、校正用信号Ｓ２０の電界が電気光学結晶３１に印加されると共に、光可変遅延器４からの短パルス光Ｐ４が偏波分離部３２を介して電気光学結晶３１に入力され、電気光学結晶３１の先端で反射した短パルス光が偏波分離部３２を介して受光器３３に入力される構成となっている。電気光学結晶３１に電界が印加されると電気光学効果によって電気光学結晶３１からの反射光の偏波が変化し、偏波分離部３２と受光器３３によって反射光の偏波変化を検出して電気信号Ｓ３０として出力する。
電気光学サンプリング部３０の具体的な構成は、例えば、非特許文献２に記載の図６または図７の構成で実現することができる。
図６は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３２と１／２波長板（ＨＷＰ）３５と１／４波長板（ＱＷＰ）３６と電気光学結晶３１と受光器３３とからなる構成を示す。短パルス光Ｐ４は、直線偏波で電気光学サンプリング部３０に入力される。ＰＢＳは、入力された直線偏波の短パルス光Ｐ４が透過するように、その方向が合わせられるとよい。ＨＷＰとＱＷＰは、電気光学結晶３１に電界を印加しない場合に電気光学結晶３１からの反射光の光パワーの１／２がＰＢＳで反射して受光器３３に入力され、かつ電気光学結晶３１に電界を印加した場合に受光器３３に入力される光パワーの変化が最大となるように、それらの方向が調整されるとよい。また、短パルス光の反射率を高くするために、電気光学結晶３１の先端に短パルス光の波長に応じた誘電体反射膜３４を付けることが望ましい。このような構成により、電気光学結晶３１からの反射光の光パワーの１／２に相当するオフセットに電気光学結晶３１に印加された電界に比例する振幅成分が重畳した電気信号Ｓ３０が出力される。
図７は、図６と同様の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３２ａと１／２波長板（ＨＷＰ）３６と１／４波長板（ＱＷＰ）３５ａと電気光学結晶３１と受光器３３ａとに加えて、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ'）３２ｂと１／２波長板（ＨＷＰ'）３４ｂとファラデーローテータ（ＦＲ）３７と受光器３３ｂと差動増幅器３８とからなる構成を示す。
入力された直線偏波の短パルス光Ｐ４が透過するようにＰＢＳ'の方向を合わせ、入射光のＦＲによる４５度の偏波回転を戻すようにＨＷＰ'の方向を合わせ、図６と同様にＰＢＳとＨＷＰとＱＷＰの方向を合わせるとよい。このようにすると、短パルス光Ｐ４がＰＢＳ'およびＰＢＳを透過して電気光学結晶３１に入力され、受光器３３ａでは図６と同様の電気光学結晶３１からの反射光が検出されると共に、電気光学結晶３１からの反射光のうちＰＢＳを透過した光は９０度偏波が回転しＰＢＳ'で反射して全て受光器３３ｂに入力されるようになる。
この構成により、受光器３３ａおよび受光器３３ｂの出力は電気光学結晶３１からの反射光の光パワーの１／２に相当するオフセットに電気光学結晶３１に印加された電界に比例する振幅成分が互いに逆方向に重畳するため、差動増幅器３８からの出力はオフセットが相殺してゼロとなり、電界に比例する振幅成分が２倍となる。差動構成によって信号の振幅が２倍になるのに対して、雑音は２倍にならないので、信号対雑音比が改善される。
短パルス光Ｐ４のパルス幅を校正用信号Ｓ２０の最大周波数の逆数の１／２よりも十分短くすると、電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０は、校正用信号Ｓ２０を短パルス光Ｐ４の繰返し周期でサンプリングしたものになる。短パルス光源２の繰返し周期が（基準信号Ｓ５，Ｓ７と直交基準信号Ｓ６，Ｓ８による変調を除いた）校正用信号Ｓ２０の繰返し周期の整数倍であるため、（基準信号Ｓ５，Ｓ７と直交基準信号Ｓ６，Ｓ８による変調を除いた）校正用信号Ｓ２０の繰返し波形の特定の点を繰返しサンプリングすることになる。光可変遅延器４の遅延時間を変えることにより、校正用信号Ｓ２０を短パルス光Ｐ４でサンプリングする時刻が変わるので、光可変遅延器４の遅延時間を掃引しながら電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０を記録すると、低速の受光器３３でミリ波帯の校正用信号Ｓ２０の時間波形が測定できる。
具体的には、電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０は、校正用信号Ｓ２０の時間波形の時間軸に光可変遅延器４の掃引レートを掛けたものとなるため、例えば、光可変遅延器４の掃引レートを１ｓ当たり１ｐｓにすると、校正用信号Ｓ２０の時間軸の１ｐｓを１ｓに拡大して時間波形を測定することができる。周波数で表すと、３００ＧＨｚのミリ波帯の校正用信号Ｓ２０を０．３Ｈｚの低周波信号に変換して測定することができる。光可変遅延器４を所定の速度で連続的に掃引させて連続的に時間波形を測定してもよく、光可変遅延器４の遅延時間を所定の時間間隔で階段状に変化させて離散的に時間波形を測定するようにしてもよい。
電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０は、マルチトーン信号分離部４０に入力される。
マルチトーン信号分離部４０は、校正用信号Ｓ２０と短パルス光Ｐ４との相対的時間差を変えながら電気信号Ｓ３０を取得し、基準信号Ｓ５，Ｓ７と同一周波数で所定の位相差を持つ正弦波Ｓ４２，Ｓ４４または該正弦波と９０度位相が異なる正弦波Ｓ４３，Ｓ４５でそれぞれ電気信号Ｓ３０を変調することにより、電気信号Ｓ３０に含まれる３波以上（図４の実施形態では４波）の中間周波信号Ｓ１〜Ｓ４に対応するトーン信号を分離するよう構成されている。このために、マルチトーン信号分離部４０は、基準信号発生器４１ａ〜４１ｂと、移相器４２ａ〜４２ｂと、９０度移相器４３ａ〜４３ｂと、変調器４４ａ〜４４ｄと、低域通過フィルタ４５ａ〜４５ｄと、を備えている。正弦波Ｓ４２と正弦波Ｓ４４、正弦波Ｓ４２と正弦波Ｓ４５、正弦波Ｓ４４と正弦波Ｓ４３、正弦波Ｓ４３と正弦波Ｓ４５は周波数が異なるため直交しており、正弦波Ｓ４２と正弦波Ｓ４３、正弦波Ｓ４４と正弦波Ｓ４５は周波数は等しいが９０度位相が異なるため直交しており、従って正弦波Ｓ４２〜Ｓ４５は全ての組み合わせにおいて互いに直交している。
基準信号発生器４１ａは、基準同期信号発生器１６からの基準同期信号Ｓ１７に従って、基準信号Ｓ５と同じ周波数の正弦波である基準信号Ｓ４０を発生する。ここで、基準同期信号Ｓ１７は、通常は基準同期信号Ｓ１６と同じ周波数の信号であるが、それに限られるものではなく、例えば基準同期信号Ｓ１７が基準同期信号Ｓ１６の１／２の周波数の場合でも結果的に基準信号Ｓ５と基準信号Ｓ４０の周波数が等しくなるように基準信号発生器４１ａを適宜設定すればよい。
移相器４２ａは、変調器４４ａにおいて電気光学サンプリング部３０でサンプリングされた校正用信号Ｓ２０中の基準信号Ｓ５の位相と基準信号Ｓ４０の位相とが一致するように、基準信号Ｓ４０の位相を調整し、基準信号Ｓ４２として出力する。ここでは、移相器４２ａで基準信号Ｓ４０の位相を調整する構成としているが、基準信号発生器４１ａと移相器４２ａの順序を入れ替えて基準同期信号Ｓ１７の位相を調整し、基準信号発生器４１ａで位相の調整された基準信号Ｓ４２を直接生成して変調器４４ａに入力するようにしてもよい。また、基準信号Ｓ５の周波数が低く、校正用信号Ｓ２０と基準同期信号Ｓ１７の伝搬遅延時間差による位相差が無視できる場合は、移相器４２ａは無くてもよい。
変調器４４ａは、電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０を基準信号Ｓ４２で変調し、低域通過フィルタ４５ａで低周波成分を抽出する。また、移相器４２ａの出力は９０度移相器４３ａを介して変調器４４ｂに入力され、変調器４４ｂは、電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０を基準信号Ｓ４２と９０度位相の異なる基準信号Ｓ４３で変調し、低域通過フィルタ４５ｂで低周波成分を抽出する。
基準信号発生器４１ｂは、基準同期信号発生器１６からの基準同期信号Ｓ１７に従って、基準信号Ｓ７と同じ周波数の正弦波である基準信号Ｓ４１を発生する。
移相器４２ｂは、変調器４４ｃにおいて電気光学サンプリング部３０でサンプリングされた校正用信号Ｓ２０中の基準信号Ｓ７の位相と基準信号Ｓ４１の位相とが一致するように、基準信号Ｓ４１の位相を調整し、基準信号Ｓ４４として出力する。ここでは、移相器４２ｂで基準信号Ｓ４１の位相を調整する構成としているが、基準信号発生器４１ｂと移相器４２ｂの順序を入れ替えて基準同期信号Ｓ１７の位相を調整し、基準信号発生器４１ｂで位相の調整された基準信号Ｓ４４を直接生成して変調器４４ｃに入力するようにしてもよい。また、基準信号Ｓ７の周波数が低く、校正用信号Ｓ２０と基準同期信号Ｓ１７の伝搬遅延時間差による位相差が無視できる場合は、移相器４２ｂは無くてもよい。
変調器４４ｃは、電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０を基準信号Ｓ４４で変調し、低域通過フィルタ４５ｃで低周波成分を抽出する。また、移相器４２ｂの出力は、９０度移相器４３ｂを介して変調器４４ｄに入力され、変調器４４ｄは、電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０を基準信号Ｓ４４と９０度位相の異なる基準信号Ｓ４５で変調し、低域通過フィルタ４５ｄで低周波成分を抽出する。
ここでは、基準同期信号Ｓ１６，Ｓ１７に従って基準信号Ｓ５と基準信号Ｓ７と基準信号Ｓ４０と基準信号Ｓ４１とを個別に発生する構成としたが、互いに周波数の異なる正弦波を発生する基準信号発生器Ａと基準信号発生器Ｂとを用意し、基準信号発生器Ａの出力信号を基準信号Ｓ５および基準信号Ｓ４０として使用し、基準信号発生器Ｂの出力信号を基準信号Ｓ７および基準信号Ｓ４１として使用する構成としてもよい。
なお、電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０をＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換し、移相された基準信号Ｓ４２〜Ｓ４５を三角関数や三角関数テーブルによりディジタル信号で生成し、乗算により電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０を基準信号Ｓ４２〜Ｓ４５で変調し、ディジタルフィルタにより低域通過のフィルタ処理を行なうことにより、全てディジタル演算で実現してもよい。
次に、上記構成により電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０の４トーンが分離される原理を説明する。
校正用信号Ｓ２０の４トーンの各振幅をＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，各角周波数をωＲＦ１，ωＲＦ２，ωＲＦ３，ωＲＦ４，各位相をφ１，φ２，φ３，φ４，基準信号Ｓ４０の角周波数をωｒ１，基準信号Ｓ４１の角周波数をωｒ２，光可変遅延器４の掃引レートをＲとすると、校正用信号ｘＲＦ（ｔ）および電気光学サンプリング部３０からの電気信号ｘＥＯ（ｔ）は次式で表される。
Figure 0006839226
変調器４４ａ，変調器４４ｂ，変調器４４ｃ，変調器４４ｄの出力信号ｙ１（ｔ），ｙ３（ｔ），ｙ２（ｔ），ｙ４（ｔ）は次式のようになる。
Figure 0006839226
Figure 0006839226
Figure 0006839226
Figure 0006839226
低域通過フィルタ４５ａ〜４５ｄで｜ωｒ１−ωｒ２｜以上の角周波数を遮断すると
Figure 0006839226
 となり、各トーンを分離することができる。
一般に、低域通過フィルタ４５ａ〜４５ｄは、｜ωｒ１−ωｒ２｜以上の角周波数を遮断し、電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０における４トーン信号の角周波数ＲωＲＦ１，ＲωＲＦ３，ＲωＲＦ２，ＲωＲＦ４を通過するように遮断周波数を設定するとよい。低域通過フィルタ４５ａ〜４５ｄの遮断周波数を低くすると、光可変遅延器４の掃引速度を遅くする必要があり、測定に時間を要するが、測定の周波数帯域が狭くなりＳ／Ｎ比が改善される。
なお、後段のマルチトーン位相差測定部５０の位相検出部５１ａ〜５１ｄは、一般に４トーンの各周波数を検出する周波数選択性を有し、マルチトーン信号分離部４０の低域通過フィルタ４５ａ〜４５ｄの帯域よりも位相検出部５１ａ〜５１ｄの測定帯域を狭く設定することが容易である。この場合、後者によって位相測定のＳ／Ｎ比が決まるため、マルチトーン信号分離部４０の低域通過フィルタ４５ａ〜４５ｄは、マルチトーン位相差測定部５０にてＡ／Ｄ変換を行なう場合や位相検出部５１ａ〜５１ｄにおける演算量を削減するためにサンプリングレートを下げる場合におけるアンチエイリアスフィルタとして適切な遮断周波数に設定すればよい。Ａ／Ｄ変換やサンプリングレート変換を行なわない場合は、マルチトーン信号分離部４０の低域通過フィルタ４５ａ〜４５ｄは無くてもよい。
また、電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０において、サンプリングされた４トーン信号の角周波数ＲωＲＦ１，ＲωＲＦ３，ＲωＲＦ２，ＲωＲＦ４ではなく、基準信号Ｓ５，基準信号Ｓ７で変調された角周波数ωｒ１±ＲωＲＦ１，ωｒ１±ＲωＲＦ３，ωｒ２±ＲωＲＦ２，ωｒ２±ＲωＲＦ４の成分を検出するため、例えば、ωｒ１とωｒ２を数ＭＨｚに設定することにより数ＭＨｚの周波数の信号を測定することになり、電気光学サンプリング部３０の受光器３３等の直流ドリフトや１／ｆ雑音を避けて高いＳ／Ｎ比で測定することが可能となる。このように、本実施形態のマルチトーン信号分離部４０は、関連技術のロックイン検出の機能とマルチトーン信号を分離する機能を併せ持ち、感度のよい測定が可能となる。
そして、マルチトーン信号分離部４０において各トーン信号が分離されるため、光可変遅延器４の掃引幅Ｔから決まる周波数分解能Δｆ＝１／Ｔよりも狭い周波数間隔で各トーン信号を配置することも可能となり、光可変遅延器４を大型化することなく周波数間隔を狭くして位相特性を測定することができる。
更に、校正用信号Ｓ２０に位相揺らぎが存在する場合においても、隣接するトーン信号の漏洩を未然に防止し、精度よく位相測定を行なうことが可能となる。特に、ミリ波帯のような周波数が高い校正用信号Ｓ２０を生成する場合は、局発信号Ｓ２２の位相揺らぎが大きくなるため有用である。
また、一般に高周波のミキサやアンプ等の電気部品には非線形歪みが存在し、周波数の異なる２つの正弦波を入力すると、３次相互変調歪みによって２つの入力正弦波のスペクトルの両側に新たにスペクトルが発生する。校正用信号Ｓ２０の第１，第２，第３，第４トーンの各周波数をｆＲＦ１，ｆＲＦ２，ｆＲＦ３，ｆＲＦ４，基準信号Ｓ５を周波数ｆｒ１の正弦波、基準信号Ｓ７を周波数ｆｒ２の正弦波とすると、基準信号Ｓ５または基準信号Ｓ７による各トーンの変調によって上側帯波と下側帯波が発生し、校正用信号Ｓ２０の理想的なスペクトルは図８（ａ）のようになる。ここでは、ｆｒ１＜ｆｒ２の場合を図示している。
この校正用信号Ｓ２０を３次の非線形素子に入力すると、第１トーンの下側帯波と第１トーンの上側帯波の３次相互変調によってｆＲＦ１から３ｆｒ１離れた周波数にスペクトルが発生し、第１トーンの下側帯波と第２トーンの上側帯波の３次相互変調によってｆＲＦ３から２ｆｒ２＋ｆｒ１離れた周波数にスペクトルが発生し、第１トーンの上側帯波と第２トーンの上側帯波の３次相互変調によってｆＲＦ３から２ｆｒ２−ｆｒ１離れた周波数にスペクトルが発生する。同様にして、校正用信号Ｓ２０の第１〜第４トーンの周辺には図８（ｂ）に示す周波数関係で３次相互変調歪みのスペクトルが発生し、結果として図８（ｃ）に示すスペクトルのようになる。
このように、第１〜第４トーンの付近に合計２４個の３次相互変調歪みによるスペクトルが発生するが、第１〜第４トーンの上側帯波および下側帯波のいずれにも重ならない。マルチトーン信号分離部４０の低域通過フィルタ４５ａ〜４５ｄの帯域または周波数選択性を持つ位相検出部５１ａ〜５１ｄの片側周波数帯域を｜２ｆｒ２―２ｆｒ１｜よりも狭く設定すると、３次相互変調歪みによるスペクトルはマルチトーン信号分離部４０の低域通過フィルタ４５ａ〜４５ｄの帯域外または位相検出部５１ａ〜５１ｄの測定帯域外となる。従って、３次相互変調歪みの影響を受けずに正確な位相測定が可能となる。
マルチトーン位相差測定部５０の位相検出部５１ａは、電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０における４トーンのうちの第１トーン（周波数：ＲｆＲＦ１）の位相を検出する。例えば、図５に示すように、位相検出部５１ａは、電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０における第１トーンの周波数ＲｆＲＦ１の正弦波を発生する正弦波発生器５３ａと、マルチトーン信号分離部４０からの信号を同正弦波および９０度移相された正弦波で変調する２つの変調器５３ｄ、５３ｅと、変調器５３ｄ、５３ｅからの信号を所定の時間だけ積分する２つの積分器５３ｆ、５３ｇと、２つの積分器５３ｆ、５３ｇからの出力から位相を算出する逆正接関数５３ｈと、を備えることで実現できる。
積分器５３ｆ、５３ｇの積分時間の逆数が位相測定の測定帯域に相当するため、積分時間を長くすると測定帯域が狭くなりＳ／Ｎ比が改善される。位相検出部５１ａは、マルチトーン信号分離部４０からの信号をディジタル信号に変換し、正弦関数および余弦関数を乗算し、２つの乗算結果をそれぞれ所定のサンプル数だけ積算し、逆正接関数により位相を算出するディジタル演算で実現してもよい。また、マルチトーン信号分離部４０からの信号をディジタル信号に変換してメモリに格納し、ＣＰＵによりオフラインで正弦関数および余弦関数を乗算し、所定のサンプル数だけ積算し、逆正接関数により位相を算出するようにしてもよい。
同様に、位相検出部５１ｃ，５１ｂ，５１ｄは、電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０における第２，第３，第４トーン（周波数：ＲｆＲＦ２，ＲｆＲＦ３，ＲｆＲＦ４）の位相を検出するようになっている。中間周波信号発生器１１ａ〜１１ｄで発生する中間周波信号Ｓ１〜Ｓ４の位相差を補正するように、位相検出部５１ａ〜５１ｄ内の移相器５３ｂを設定してもよく、中間周波信号発生器１１ａ〜１１ｄで発生する中間周波信号Ｓ１〜Ｓ４の位相差を補正するように逆正接関数による位相算出結果を補正してもよい。
一般に、高周波信号の位相測定では絶対位相および位相の周波数傾斜が不定となるため、位相差算出部５２では、４トーンの各位相の２階微分を算出し、電気光学サンプリング部３０による位相差測定結果として出力する。２階微分を算出するために３トーンの位相が必要となり、４トーンの位相から２つの周波数における位相の２階微分が求まる。同様にして、Ｎトーンの位相からＮ−２点の周波数における位相の２階微分が求まるので、本手法は３トーン以上の任意のトーン数に拡張することができる。
具体的には、第１，第２，第３トーンの各周波数をｆ１，ｆ２，ｆ３、第１，第２，第３トーンの各位相をθ１，θ２，θ３とすると、周波数ｆにおける位相の微分θ′（ｆ）および２階微分θ′′（ｆ）は次式で表される。
Figure 0006839226
簡単化のため、ｆ２−ｆ１＝ｆ３―ｆ２＝Δｆとすると、
Figure 0006839226
 となり、周波数ｆ２における位相の２階微分値が得られる。同様にして、第２，第３，第４トーンの各位相から周波数ｆ３における位相の２階微分値が得られる。
以上の処理を校正用信号Ｓ２０の４トーンの周波数を変えて繰返し、所定の周波数範囲にわたって位相の２階微分値を測定する。位相の２階微分を２階積分することにより位相の周波数特性を得ることができる。簡単化のため、校正用信号Ｓ２０の４トーンの周波数を２Δｆステップで変えてΔｆステップの２階微分値θ′′（ｆｉ）を測定すると、位相φ（ｆｋ）は
Figure 0006839226
 となる。ｉ，ｊ，ｋは整数、φ（ｆ０），φ′（（ｆ０＋ｆ１）／２）は絶対位相と位相傾斜に相当する任意の積分定数である。以上のようにして、電気光学サンプリング部３０による位相差測定結果Ｓ５０が位相差算出部５２から出力される。
ミリ波帯信号測定部７０を用いて校正用信号Ｓ２０の位相差を測定する場合には、スイッチＳＷ１およびＳＷ２を図４下側に、スイッチＳＷ３およびＳＷ４を図４上側に設定する。ミリ波帯信号測定部７０では、所定の周波数のＣＷの局発信号Ｓ７１を発生する局発信号発生部７１とミキサなどの周波数変換部７２とを用いてミリ波帯の校正用信号Ｓ２０を中間周波信号にダウンコンバートする。周波数変換部７２には、ミキサの前にイメージレスポンスを除去するフィルタが含まれていてもよい。局発信号Ｓ７１は必ずしも短パルス光Ｐ１に同期させる必要は無いが、局発信号Ｓ７１の周波数が短パルス光源２の繰返し周波数の整数倍になるように、同期処理部５から局発信号発生部７１を制御するようにしてもよい。
中間周波信号変換部７３には、周波数変換部７２から出力された中間周波信号を再度周波数変換する第２の周波数変換器や、中間周波（ＩＦ）信号を同相（Ｉ）信号と直交（Ｑ）信号に変換する直交周波数変換器や、ディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器等が含まれていてもよい。中間周波信号変換部７３に周波数変換が含まれる場合は、局発信号Ｓ７１の周波数に加えて中間周波信号変換部７３の局発周波数も含めてミリ波帯信号測定部７０の局発周波数と解釈する。なお、本実施形態の周波数変換部７２と周波数変換を含む場合の中間周波信号変換部７３とが、本発明のダウンコンバータに対応する。
ミリ波帯信号測定部７０の中間周波信号変換部７３からの出力信号Ｓ７０は、スイッチＳＷ４およびスイッチＳＷ２を介してマルチトーン信号分離部４０に入力され、電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０の位相差測定と同様に、マルチトーン信号分離部４０により４つのトーンが分離され、マルチトーン位相差測定部５０の位相検出部５１ａ〜５１ｄにおいて４トーンの各位相が検出され、位相差算出部５２において４トーンの各位相の２階微分が算出され、校正用信号Ｓ２０の４トーンの周波数を変えて位相の２階微分値の測定を繰返し、位相の２階微分を２階積分することにより位相の周波数特性を得ることができ、ミリ波帯信号測定部７０による位相差測定結果Ｓ５０'として出力される。
位相検出部５１ａ〜５１ｄにおいて、中間周波信号発生器１１ａ〜１１ｄで発生する中間周波信号Ｓ１〜Ｓ４の位相差を補正するようにしてもよい。また、ミリ波帯信号測定部７０のＩＦ信号またはＩ／Ｑ信号を図示しないＡ／Ｄ変換器でディジタル信号に変換し、ディジタル信号処理にて各トーンの位相検出を行なうようにしてもよく、ミリ波帯信号測定部７０のＩＦ信号またはＩ／Ｑ信号をディジタル信号に変換してメモリに格納し、ＣＰＵによりオフラインで各トーンの位相検出を行なうようにしてもよい。
（第２の実施形態）
次に、図９を参照して、本発明の第２の実施形態に係る位相特性校正装置１Ａを説明する。
ミリ波帯信号測定部７０による位相差測定では、電気光学サンプリング部３０による位相差測定のような光可変遅延器４の掃引時間幅による周波数分解能の制限が無いため、必ずしもマルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０における基準信号の変調とマルチトーン信号分離部４０による４トーン分離とを行なう必要が無い。
そのため、本実施形態に係る位相特性校正装置１Ａは、マルチトーン中間周波信号発生部２５を備えており、この点で第１の実施形態と異なっている。その他の構成は第１の実施形態と同一であり、同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は適宜省略する。なお、本実施形態のマルチトーン中間周波信号発生部２５は、本発明の信号測定部用マルチトーン中間周波信号発生部に対応する。
図９に示すように、マルチトーン中間周波信号発生部２５は、中間周波信号発生器２６ａ〜２６ｄと、加算器２７と、を備えている。マルチトーン中間周波信号発生部２５は、周波数の異なる４波のミリ波帯信号測定部用中間周波信号Ｓ１１〜Ｓ１４を合波したミリ波帯信号測定部用マルチトーン中間周波信号Ｓ１５を出力するようになっている。
例えば、ミリ波帯信号測定部７０による位相差測定時は、スイッチＳＷ１０，ＳＷ１，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ２３，ＳＷ２４を同図下側に、スイッチＳＷ３，ＳＷ４を同図上側に設定する。マルチトーン中間周波信号発生部２５は、中間周波信号Ｓ１１〜Ｓ１４を加算器２７で合波した第２のマルチトーン中間周波信号Ｓ１５を発生する。第２のマルチトーン中間周波信号Ｓ１５は、校正用信号生成部２０の局発信号発生部２２と周波数変換部２１により、ミリ波帯の第２の校正用信号Ｓ２１にアップコンバートされる。第２の校正用信号Ｓ２１は、ミリ波帯信号測定部７０に入力され、ミリ波帯信号測定部７０の中間周波信号変換部７３からの出力信号Ｓ７０が、マルチトーン位相差測定部５０の位相検出部５１ａ〜５１ｄに入力され、４トーンの各位相が検出される。そして、位相差算出部５２が、４トーンの各位相の２階微分を算出し、第２の校正用信号Ｓ２１の４トーンの周波数を変えて位相の２階微分値の測定を繰返し、位相の２階微分を２階積分することにより位相の周波数特性が得られ、ミリ波帯信号測定部７０による位相差測定結果Ｓ５０'として出力する。
マルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０を波形メモリとＤ／Ａ変換器で構成する場合は、波形メモリの内容を中間周波信号Ｓ１１〜Ｓ１４の和に変更すればよい。
［周波数特性の校正方法］
次に、ミリ波帯信号測定部７０の周波数変換部（ダウンコンバータ）７２、７３の周波数特性を校正する方法を示す。この周波数特性の校正方法は、第１の実施形態と第２の実施形態とで同一であり、ここでは図４を用いて説明する。
ここでは、周波数特性を振幅Ａと位相θを含む複素数Ａ・ｅｊθで表し、位相の周波数特性の校正および振幅・位相両方の周波数特性の校正のいずれにも適用できる。
振幅の周波数特性は、位相検出部５１の逆正接関数ｔａｎ―１（ｙ／ｘ）の代わりに絶対値（ｘ２＋ｙ２）１／２を算出して求めてもよく、位相特性校正装置１とは別のスペクトラムアナライザで測定してもよく、ＣＷ信号を用いて位相特性校正装置１とは別のパワーメータで測定してもよい。
校正用信号Ｓ２０を電気光学サンプリング部３０に入力した時の受光器３３からの電気信号Ｓ３０の周波数特性（複素数）をＸｃ（ｆＥＯ）、校正用信号Ｓ２０をミリ波帯信号測定部７０に入力した時の中間周波信号変換部７３からの出力信号Ｓ７０の周波数特性（複素数）をＹｃ（ｆＩＦ）、ミリ波帯信号測定部７０の周波数変換部７２、７３の周波数特性（複素数）をＧ（ｆＲＦ）とする。ここで、ｆＥＯは電気光学サンプリング部３０でサンプリングされた電気信号Ｓ３０の周波数、ｆＩＦはミリ波帯信号測定部７０で周波数変換された信号Ｓ７０の周波数、ｆＲＦは校正用信号Ｓ２０およびミリ波帯信号Ｓ６０の周波数である。
前述のように、図４のスイッチＳＷ１とＳＷ２を同図上側に設定して校正用信号Ｓ２０を電気光学サンプリング部３０に入力し、マルチトーン位相差測定部５０にて測定された位相からＸｃ（ｆＥＯ）が求まる。また、スイッチＳＷ１とＳＷ２を同図下側に設定し、スイッチＳＷ３とＳＷ４を同図上側に設定し、校正用信号Ｓ２０をミリ波帯信号測定部７０に入力し、マルチトーン位相差測定部５０にて測定された位相からＹｃ（ｆＩＦ）が求まる。そして、次式より、Ｇ（ｆＲＦ）を求めることができる。
Figure 0006839226
ここで、ｆＬＯはミリ波帯信号測定部７０の局発周波数、Ｒは光可変遅延器４の掃引レート（単位時間当たりの遅延時間変化量）である。位相補正値算出部５５は、所望の周波数範囲にわたってＧ（ｆＲＦ）を算出し、ミリ波帯信号測定部７０の位相補正部７４に出力する。
被測定信号Ｓ６０の周波数特性（複素数）をＸ（ｆＲＦ），被測定信号Ｓ６０をミリ波帯信号測定部７０に入力した時の中間周波信号変換部７３からの出力信号Ｓ７０'の周波数特性（複素数）をＹ（ｆＩＦ）とすると、次式よりミリ波帯信号測定部７０の周波数変換部７２、７３の位相特性が補正されたＸ（ｆＲＦ）を求めることができる。
Figure 0006839226
従って、ミリ波帯信号測定部７０の中間周波信号変換部７３からの出力信号Ｓ７０'に対して、ミリ波帯信号測定部７０の局発周波数ｆＬＯだけ周波数をシフトし、ミリ波帯信号測定部７０の周波数変換部７２、７３の周波数特性Ｇ（ｆＲＦ）で除算する処理を位相補正部７４に設定することにより、ミリ波帯信号測定部７０の周波数変換部７２、７３の周波数特性の補正が可能となる。
例えば、中間周波数に変換されたミリ波帯信号測定部７０の周波数変換部７２、７３の周波数特性（複素数）の逆数Ｈ（ｆＩＦ）＝１／Ｇ（ｆＩＦ＋ｆＬＯ）をフーリエ逆変換してミリ波帯信号測定部７０の中間周波数における時間領域のインパルス応答を算出し、そのインパルス応答を係数とするＦＩＲディジタルフィルタを位相補正部７４に構成することにより、ミリ波帯信号測定部７０の中間周波信号を時間領域で補正することが可能である。ミリ波帯信号測定部７０の中間周波信号変換部７３において中間周波（ＩＦ）信号を同相（Ｉ）信号と直交（Ｑ）信号に直交周波数変換する場合は、複素数のインパルス応答を算出し、複素ＦＩＲディジタルフィルタを使用すればよい。
ミリ波帯信号送信部６０は、例えば、中間周波信号発生部６１と局発信号発生部６２と周波数変換部６３とからなる。図４のスイッチＳＷ３とＳＷ４を下側に設定してミリ波帯信号送信部６０からの被測定信号Ｓ６０をミリ波帯信号測定部７０に入力し、中間周波信号変換部７３からの出力信号Ｓ７０'を位相補正部７４に入力することにより、ミリ波帯信号測定部７０の周波数変換部７２、７３の周波数特性が補正された測定結果を得ることができる。ミリ波帯信号測定部７０の位相補正部７４の後に、変調信号を解析してエラーベクトル振幅（Ｅｒｒｏｒ Ｖｅｃｔｏｒ Ｍａｇｎｉｔｕｄｅ；ＥＶＭ）などを表示するシグナルアナライザの機能を含んでいてもよい。
（第３の実施形態）
次に、図１０を参照して、本発明の第３の実施形態に係る位相特性校正装置１Ｂを説明する。
本実施形態に係る位相特性校正装置１Ｂは、測定用中間周波信号Ｓ８１を周波数変換（アップコンバート）して測定用信号Ｓ８０'として出力するミリ波帯信号発生部８０の周波数変換部８４の位相の周波数特性を補正する点、マルチトーン中間周波信号Ｓ１０をミリ波帯信号発生部８０の局発信号発生部８３と周波数変換部８４とでアップコンバートしてミリ波帯信号Ｓ８０を生成している点で、第１の実施形態と異なっている。その他の構成は第１の実施形態と同一であり、同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は適宜省略する。なお、本実施形態のミリ波帯信号Ｓ８０、ミリ波帯信号発生部８０および周波数変換部８４が、本発明の校正用信号、信号発生部およびアップコンバータにそれぞれ対応する。
本願の周波数特性の校正方法は、ミリ波帯信号発生部８０の周波数変換部８４の周波数特性を補正する用途に使用することも可能である。図１０に示す構成において、マルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０から出力されるマルチトーン中間周波信号Ｓ１０の周波数特性（複素数）をＸｃ１（ｆＩＦ１）、ミリ波帯信号発生部８０の周波数変換部８４の周波数特性（複素数）をＧ１（ｆＲＦ）、ミリ波帯信号発生部８０の周波数変換部８４から出力されるミリ波帯信号Ｓ８０を電気光学サンプリング部３０に入力した時の受光器３３からの電気信号Ｓ３０の周波数特性（複素数）をＹｃ１（ｆＥＯ）とする。ここで、ｆＩＦ１はマルチトーン中間周波信号Ｓ１０の周波数（中間周波数）、ｆＲＦはミリ波帯信号Ｓ８０および測定用信号Ｓ８０'の周波数、ｆＥＯは電気光学サンプリング部３０でサンプリングされた電気信号Ｓ３０の周波数である。
Ｘｃ１（ｆＩＦ１）は、マルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０で生成するマルチトーン中間周波信号Ｓ１０の周波数特性なので既知であり、スイッチＳＷ６およびＳＷ７を図１０上側に設定してミリ波帯信号発生部８０の周波数変換部８４から出力されるミリ波帯信号Ｓ８０を電気光学サンプリング部３０に入力し、マルチトーン位相差測定部５０にて測定された位相からＹｃ１（ｆＥＯ）が求まり、次式よりＧ１（ｆＲＦ）を求めることができる。
Figure 0006839226
 ここで、ｆＬＯ１はミリ波帯信号発生部８０の局発信号Ｓ８３の周波数、Ｒは光可変遅延器４の掃引レート（単位時間当たりの遅延時間変化量）である。
位相補正値算出部５５は、所望の周波数範囲にわたってＧ１（ｆＲＦ）を算出する。周波数変換部８４の周波数特性の補正は、ミリ波帯信号発生部８０の位相補正部８２において補正する方法と、ミリ波帯信号受信部９０の中間周波信号変換部９３の後に位相補正部を配置して周波数特性を補正する方法がある。図１０は前者の場合を示している。
前者の場合は、ミリ波帯信号発生部８０の中間周波数に変換された周波数変換部８４の周波数特性（複素数）の逆数Ｈ１（ｆＩＦ１）＝１／Ｇ１（ｆＩＦ１＋ｆＬＯ１）をフーリエ逆変換してミリ波帯信号発生部８０の中間周波数における時間領域のインパルス応答を算出し、そのインパルス応答を係数とするＦＩＲディジタルフィルタをミリ波帯信号発生部８０の中間周波信号発生部８１からの信号にかければよい。
後者の場合は、ミリ波帯信号受信部９０の中間周波数に変換された周波数変換部８４の周波数特性（複素数）の逆数Ｈ２（ｆＩＦ２）＝１／Ｇ１（ｆＩＦ２＋ｆＬＯ２）をフーリエ逆変換してミリ波帯信号受信部９０の中間周波数における時間領域のインパルス応答を算出し、そのインパルス応答を係数とするＦＩＲディジタルフィルタをミリ波帯信号受信部９０の中間周波信号変換部９３からの信号にかければよい。ここで、ｆＩＦ２はミリ波帯信号受信部９０の中間周波信号Ｓ９０の周波数、ｆＬＯ２はミリ波帯信号受信部９０の局発信号Ｓ９１の周波数である。ミリ波帯信号受信部９０は、例えば、局発信号発生部９１と周波数変換部９２と中間周波信号変換部９３とからなる。ミリ波帯信号受信部９０の中間周波信号変換部９３に周波数変換が含まれる場合は、ｆＬＯ２は局発信号Ｓ９１の周波数に加えて中間周波信号変換部９３の局発周波数も含めたものと解釈する。
スイッチＳＷ６とＳＷ７を図１０下側に設定し、ミリ波帯信号発生部８０の中間周波信号発生部８１から出力される任意の中間周波信号Ｓ８１を位相補正部８２に入力して位相補正を行い、局発信号発生部８３と周波数変換部８４とでアップコンバートしてミリ波帯の測定用信号Ｓ８０'を生成し、ミリ波帯信号受信部９０に入力することにより、周波数変換部８４の周波数特性が補正された測定用信号Ｓ８０'を測定対象であるミリ波帯信号受信部９０で受信した結果を得ることができる。もしくは、ミリ波帯信号発生部８０の中間周波信号発生部８１から出力される任意の中間周波信号Ｓ８１を局発信号発生部８３と周波数変換部８４とでアップコンバートして位相未補正の測定用信号を生成し、ミリ波帯信号受信部９０に入力し、中間周波信号変換部９３から出力される信号に対して位相補正を行うことにより、周波数変換部８４の周波数特性が補正された測定用信号Ｓ８０'を測定対象であるミリ波帯信号受信部９０で受信した場合に相当する結果を得ることができる。
ミリ波帯信号発生部８０の中間周波信号発生部８１で発生する中間周波信号Ｓ８１をＱＰＳＫなどの変調信号とし、ミリ波帯信号受信部９０から出力される変調信号を解析してエラーベクトル振幅（ＥＶＭ）などを表示するようにしてもよい。
（第４の実施形態）
次に、図１１を参照して、本発明の第４の実施形態に係る位相特性校正装置１Ｃを説明する。
本実施形態に係る位相特性校正装置１Ｃは、マルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０Ａとマルチトーン信号分離部４０Ａとマルチトーン位相差測定部５０Ａの構成が、図４に示す第１の実施形態と異なっている。その他の構成は第１の実施形態と同一であり、同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は適宜省略する。
マルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０Ａは、中間周波信号発生器１１ａ〜１１ｃと、基準信号発生器１２ａ〜１２ｃと、変調器１３ａ〜１３ｃと、加算器１５と、基準同期信号発生器１６と、を備えている。マルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０Ａは、互いに周波数の異なる３波の中間周波信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を中間周波信号と同一個数かつ互いに周波数の異なる基準信号Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６でそれぞれ変調し合波してマルチトーン中間周波信号Ｓ１０として出力するようになっている。基準信号Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６は互いに周波数が異なるため、互いに直交している。
具体的には、マルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０Ａでは、３トーンのマルチトーン信号Ｓ１〜Ｓ３を発生し、トーン数と同数で周波数の異なる基準信号Ｓ４〜Ｓ６によりそれぞれ変調を行なう。ここでは３トーン信号を発生する例を示す。中間周波信号発生器１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、それぞれ中間周波信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を発生する。中間周波信号Ｓ１〜Ｓ３は、互いに周波数が異なり所定の位相差をもった繰返し信号である。通常は正弦波が用いられるが、所望の周波数成分を持つ繰返し信号でもよい。
基準信号発生器１２ａは、基準同期信号発生器１６からの基準同期信号Ｓ１６に同期した周波数の繰返し信号を基準信号Ｓ４として出力する。基準信号発生器１２ａは、例えば、基準同期信号Ｓ１６の３倍の周波数の正弦波や矩形波を出力する。基準信号Ｓ４は変調器１３ａに入力され、中間周波信号Ｓ１を基準信号Ｓ４で変調する。
基準信号発生器１２ｂは、基準信号Ｓ４と周波数が異なり、かつ基準同期信号発生器１６からの基準同期信号Ｓ１６に同期した周波数の繰返し信号を基準信号Ｓ５として出力する。基準信号発生器１２ｂは、例えば、基準同期信号Ｓ１６の４倍の周波数の正弦波や矩形波を出力する。基準信号Ｓ５は変調器１３ｂに入力され、中間周波信号Ｓ２を基準信号Ｓ５で変調する。
基準信号発生器１２ｃは、基準信号Ｓ４および基準信号Ｓ５と周波数が異なり、かつ基準同期信号発生器１６からの基準同期信号Ｓ１６に同期した周波数の繰返し信号を基準信号Ｓ６として出力する。基準信号発生器１２ｃは、例えば、基準同期信号Ｓ１６の５倍の周波数の正弦波や矩形波を出力する。基準信号Ｓ６は変調器１３ｃに入力され、中間周波信号Ｓ３を基準信号Ｓ６で変調する。
基準信号Ｓ４〜Ｓ６は、電圧がゼロ以上の単極性信号でも正負両方の両極性信号でもよいが、直流成分を持たない両極性信号の方が変調度を大きくできるので望ましい。マルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０Ａは、変調器１３ａ〜１３ｃで変調された中間周波信号を加算器１５で加算（合波）し、マルチトーン中間周波信号Ｓ１０として出力する。
マルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０Ａで発生するマルチトーン中間周波信号Ｓ１０を予めディジタル演算にて生成して波形メモリに格納し、波形メモリのデータをＤ／Ａ変換器に入力してアナログ信号に変換し、マルチトーン中間周波信号Ｓ１０として出力するようにしてもよい。
ここでは、１つの基準同期信号Ｓ１６に同期して基準信号Ｓ４〜Ｓ６を発生する構成としているが、周波数の異なる基準同期信号Ｓ１６Ａと基準同期信号Ｓ１６Ｂと基準同期信号Ｓ１６Ｃとを用意して、基準信号Ｓ４は基準同期信号Ｓ１６Ａに同期し、基準信号Ｓ５は基準同期信号Ｓ１６Ｂに同期し、基準信号Ｓ６は基準同期信号Ｓ１６Ｃに同期する構成としてもよい。
同期処理部５は、中間周波信号Ｓ１〜Ｓ３の各周波数が短パルス光源２の繰返し周波数の整数倍になるように中間周波信号発生器１１ａ〜１１ｃを制御する。
マルチトーン信号分離部４０Ａは、基準信号発生器４１ａ〜４１ｃと、移相器４２ａ〜４２ｃと、変調器４４ａ〜４４ｃと、低域通過フィルタ４５ａ〜４５ｃと、を備えている。マルチトーン信号分離部４０Ａは、基準信号Ｓ４〜Ｓ６と同一周波数で所定の位相差を持つ正弦波Ｓ４３〜Ｓ４５で電気光学サンプリング部３０から出力される電気信号Ｓ３０を変調することにより、該電気信号Ｓ３０に含まれる３波以上の中間周波信号Ｓ１〜Ｓ３に対応するトーン信号を分離するようになっている。正弦波Ｓ４３〜Ｓ４５はそれぞれ基準信号Ｓ４〜Ｓ６と同一周波数であり、互いに周波数が異なるため互いに直交している。
具体的には、基準信号発生器４１ａは、基準同期信号発生器１６からの基準同期信号Ｓ１７に従って、基準信号Ｓ４と同じ周波数の正弦波である基準信号Ｓ４０を発生する。移相器４２ａは、変調器４４ａにおいて電気光学サンプリング部３０でサンプリングされた校正用信号Ｓ２０中の基準信号Ｓ４の位相と基準信号Ｓ４０の位相とがほぼ一致するように、基準信号Ｓ４０の位相を調整し、基準信号Ｓ４３として出力する。変調器４４ａは、電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０を、位相の調整された基準信号Ｓ４３で変調し、低域通過フィルタ４５ａで低周波成分を抽出する。
基準信号発生器４１ｂは、基準同期信号発生器１６からの基準同期信号Ｓ１７に従って、基準信号Ｓ５と同じ周波数の正弦波である基準信号Ｓ４１を発生する。移相器４２ｂは、変調器４４ｂにおいて電気光学サンプリング部３０でサンプリングされた校正用信号Ｓ２０中の基準信号Ｓ５の位相と基準信号Ｓ４１の位相とがほぼ一致するように、基準信号Ｓ４１の位相を調整し、基準信号Ｓ４４として出力する。変調器４４ｂは、電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０を、位相の調整された基準信号Ｓ４４で変調し、低域通過フィルタ４５ｂで低周波成分を抽出する。
基準信号発生器４１ｃは、基準同期信号発生器１６からの基準同期信号Ｓ１７に従って、基準信号Ｓ６と同じ周波数の正弦波である基準信号Ｓ４２を発生する。移相器４２ｃは、変調器４４ｃにおいて電気光学サンプリング部３０でサンプリングされた校正用信号Ｓ２０中の基準信号Ｓ６の位相と基準信号Ｓ４２の位相とがほぼ一致するように、基準信号Ｓ４２の位相を調整し、基準信号Ｓ４５として出力する。変調器４４ｃは、電気光学サンプリング部３０からの電気信号Ｓ３０を、位相の調整された基準信号Ｓ４５で変調し、低域通過フィルタ４５ｃで低周波成分を抽出する。
ここでは、移相器４２ａ〜４２ｃで基準信号Ｓ４０〜Ｓ４２の位相を調整する構成としているが、基準信号発生器４１ａ〜４１ｃと移相器４２ａ〜４２ｃの順序を入れ替えて基準同期信号Ｓ１７の位相を調整し、基準信号発生器４１ａ〜４１ｃで位相の調整された基準信号Ｓ４３〜Ｓ４５を直接生成して変調器４４ａ〜４４ｃに入力するようにしてもよい。また、基準信号Ｓ４〜Ｓ６の周波数が低く、校正用信号Ｓ２０と基準同期信号Ｓ１７の伝搬遅延時間差による位相差が無視できる場合は、移相器４２ａ〜４２ｃは無くてもよい。
図４に示す第１の実施形態の構成では、周波数の異なる基準信号Ｓ４２と基準信号Ｓ４４と、基準信号Ｓ４２と９０度位相の異なる基準信号Ｓ４３と、基準信号Ｓ４４と９０度位相の異なる基準信号Ｓ４５との４つの互いに直交した基準信号を用いて４トーン信号を分離するのに対して、図１１に示す本実施形態の構成では、周波数の異なる３つの基準信号Ｓ４３〜Ｓ４５（互いに直交した基準信号）を用いて３トーン信号を分離する。
図１１の構成では、９０度位相の異なる基準信号を使用しておらず、周波数の異なる基準信号によって基準信号間の直交性が保たれるため、変調器４４ａ〜４４ｃにおいて電気光学サンプリング部３０でサンプリングされた校正用信号Ｓ２０中の基準信号Ｓ４〜Ｓ６の位相と基準信号Ｓ４０〜Ｓ４２の位相とが正確に一致するように、基準信号Ｓ４０〜Ｓ４２の位相を必ずしも厳密に調整する必要はない。マルチトーン信号分離部４０Ａからのトーン信号出力が小さくならないように例えば±１５度程度以内に位相を合わせればよく、移相器４２ａ〜４２ｃの調整が容易であるという特徴を持つ。
マルチトーン位相差測定部５０Ａは、３トーンの各位相を検出する位相検出部５１ａ〜５１ｃと、３トーンの各位相の２階微分を算出する位相差算出部５２とを備える。位相検出部５１ａ〜５１ｃは図４と同様であり、例えば、図５の構成で実現することができる。２階微分を算出するために３トーンの位相が必要となるため、図１１の位相差算出部５２では１回につき１つの周波数における位相の２階微分を求め、３トーンの周波数を変えて繰り返し、位相の２階微分を２階積分することにより所定の周波数範囲における校正用信号Ｓ２０の位相が得られる。
図１１のマルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０Ａとマルチトーン信号分離部４０Ａとマルチトーン位相差測定部５０Ａは、図１０のミリ波帯信号発生部８０の位相特性を校正する位相特性校正装置１Ｂに適用することも可能であり、各実施形態を適宜組み合わせることができる。
図１２は、マルチトーンのトーン数を減らす場合の構成例を示す。
例えば、図１２に示すように、図４の第１の実施形態のマルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０から中間周波信号発生器１１ｄと変調器１３ｄと基準信号Ｓ７を９０度移相する９０度移相器１４ｂとを削除し、マルチトーン信号分離部４０から基準信号Ｓ４４を９０度移相する９０度移相器４３ｂと変調器４４ｄと変調器４４ｄの後の低域通過フィルタ４５ｄとを削除し、マルチトーン位相差測定部５０から位相検出部５１ｄを削除することにより、３トーンの構成のマルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０Ｂ、マルチトーン信号分離部４０Ｂ、マルチトーン位相差測定部５０Ｂに変更することも可能であり、トーン数が奇数の場合にも対応可能である。
図１３は、マルチトーンのトーン数を増やす場合の構成例を示す。
例えば、図１３に示すように、図４の第１の実施形態のマルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０に対し、２つの中間周波信号発生器１１ｅ、１１ｆと基準信号発生器１２ｃと９０度移相器１４ｃと２つの変調器１３ｅ、１３ｆとを追加し、マルチトーン信号分離部４０に基準信号発生器４１ｃと移相器４２ｃと９０度移相器４３ｃと２つの変調器４４ｅ、４４ｆと２つの低域通過フィルタ４５ｅ、４５ｆとを追加し、マルチトーン位相差測定部５０に２つの位相検出部５１ｅ、５１ｆを追加することにより、４トーンから６トーンに増やしたマルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０Ｃ、マルチトーン信号分離部４０Ｃ、マルチトーン位相差測定部５０Ｃに変更することも可能である。
図１４は、マルチトーンのトーン数を増やす場合の別の構成例を示す。
図１１の第４の実施形態の構成についても、例えば図１４に示すようにマルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０Ａに中間周波信号発生器１１ｄと基準信号発生器１２ｄと変調器１３ｄとを追加し、マルチトーン信号分離部４０Ａに基準信号発生器４１ｄと移相器４２ｄと変調器４４ｄと低域通過フィルタ４５ｄとを追加し、マルチトーン位相差測定部５０Ａに位相検出部５１ｄを追加することにより、３トーンから４トーンに増やしたマルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部１０Ｄ、マルチトーン信号分離部４０Ｄ、マルチトーン位相差測定部５０Ｄに変更することが可能である。以上のようにして、第４の実施形態においても３トーン以上の任意のトーン数に拡張することができる。
以上述べたように、本発明は、隣接するトーン信号の変動および非線形の影響を排除して高精度な位相測定を実現すると共に、可変遅延器の掃引幅によらず高い周波数分解能での位相測定ができるという効果を有し、位相特性校正装置および位相特性校正方法の全般に有用である。
１、１Ａ、１B、１C 位相特性校正装置
２ 短パルス光源（パルス光源）
３ 光分岐器
４ 光可変遅延器（可変遅延器）
５ 同期処理部
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ マルチトーン中間周波信号発生・基準信号変調部（マルチトーン中間周波信号発生部）
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ 中間周波信号発生器
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ 基準信号発生器
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ 変調器
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ ９０度移相器
１５ 加算器
１６ 基準同期信号発生器
２０ 校正用信号生成部
２１ 周波数変換部
２２ 局発信号発生部
２５ マルチトーン中間周波信号発生部（信号測定部用マルチトーン中間周波信号発生部）
３０、３０Ａ 電気光学サンプリング部
３１ 電気光学結晶
３２、３２ａ、３２ｂ 偏波分離部
３３、３３ａ、３３ｂ 受光器
４０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄ マルチトーン信号分離部
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ 基準信号発生器
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ 移相器
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ ９０度移相器
４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、４４ｅ、４４ｆ 変調器
４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ、４５ｅ、４５ｆ 低域通過フィルタ
５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ マルチトーン位相差測定部
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ、５１ｆ 位相検出部
５２ 位相差算出部
５５ 位相補正値算出部
６０ ミリ波帯信号送信部
７０ ミリ波帯信号測定部（信号測定部）
７２ 周波数変換部（ダウンコンバータ）
７３ 中間周波信号変換部（ダウンコンバータ）
８０ ミリ波帯信号発生部（信号発生部）
８４ 周波数変換部（アップコンバータ）
９０ ミリ波帯信号受信部

Claims (10)

  1. 被測定信号をダウンコンバートして測定する信号測定部（７０）のダウンコンバータ（７２，７３）の位相の周波数特性を校正する位相特性校正装置（１）であって、
    所定の繰返し周波数のパルス光を発生するパルス光源（２）と、
    前記パルス光を分岐する光分岐器（３）と、
    周波数の異なる３波以上の中間周波信号を、前記中間周波信号と同一個数の互いに直交した基準信号でそれぞれ変調し合波したマルチトーン中間周波信号を出力するマルチトーン中間周波信号発生部（１０）を備え、所定の周波数の局発信号と周波数変換部（２１）とにより前記マルチトーン中間周波信号をアップコンバートして校正用信号を生成する校正用信号生成部（２０）と、
    前記光分岐器から出力される前記パルス光の一方が入力され、前記校正用信号に含まれるアップコンバートされた前記各中間周波信号の周波数が前記パルス光の繰返し周波数の整数倍になるように、前記３波以上の中間周波信号および前記局発信号の周波数を制御する同期処理部（５）と、
    前記光分岐器から出力される前記パルス光の他方が入力され、該パルス光に従って前記校正用信号をサンプリングして電気信号として出力する電気光学サンプリング部（３０）と、
    前記電気光学サンプリング部に入力される前記パルス光と前記校正用信号との相対的時間差を変える可変遅延器（４）と、
    前記相対的時間差を変えながら前記電気信号を取得し、前記各基準信号と同一周波数の互いに直交した正弦波でそれぞれ前記電気信号を変調することにより、前記電気信号に含まれる前記３波以上の中間周波信号に対応するトーン信号を分離するマルチトーン信号分離部（４０）と、
    前記マルチトーン信号分離部で分離された前記トーン信号間の位相差を検出するマルチトーン位相差測定部（５０）と、
    前記トーン信号間の位相差から前記信号測定部の前記ダウンコンバータの位相の周波数特性を補正する位相補正値を算出する位相補正値算出部（５５）と、
    を具備する位相特性校正装置。
  2. 前記校正用信号生成部は、周波数の異なる３波以上の信号測定部用中間周波信号を合波した信号測定部用マルチトーン中間周波信号を出力する信号測定部用マルチトーン中間周波信号発生部（２５）をさらに有し、前記局発信号と前記周波数変換部とにより前記信号測定部用マルチトーン中間周波信号をアップコンバートして信号測定部用校正用信号を生成し、
    前記マルチトーン位相差測定部は、前記信号測定部用校正用信号を前記信号測定部に入力してダウンコンバートされた信号に含まれる前記３波以上の信号測定部用中間周波信号に対応する信号測定部用トーン信号間の位相差を検出し、
    前記位相補正値算出部は、前記トーン信号間の位相差と前記信号測定部用トーン信号間の位相差とから前記信号測定部の前記ダウンコンバータ（７２，７３）の位相の周波数特性を補正する位相補正値を算出する、請求項１記載の位相特性校正装置。
  3. 測定用中間周波信号をアップコンバートして測定用信号として出力する信号発生部（８０）のアップコンバータ（８４）の位相の周波数特性を校正する位相特性校正装置（１Ｂ）であって、
    所定の繰返し周波数のパルス光を発生するパルス光源（２）と、
    前記パルス光を分岐する光分岐器（３）と、
    周波数の異なる３波以上の中間周波信号を、前記中間周波信号と同一個数の互いに直交した基準信号でそれぞれ変調し合波したマルチトーン中間周波信号を出力するマルチトーン中間周波信号発生部（１０）と、
    を備え、前記信号発生部は、所定の周波数の局発信号を用い前記マルチトーン中間周波信号を前記信号発生部の前記アップコンバータでアップコンバートして校正用信号を生成し、
    前記光分岐器から出力される前記パルス光の一方が入力され、前記校正用信号に含まれるアップコンバートされた前記各中間周波信号の周波数が前記パルス光の繰返し周波数の整数倍になるように、前記３波以上の中間周波信号および前記局発信号の周波数を制御する同期処理部（５）と、
    前記光分岐器から出力される前記パルス光の他方が入力され、該パルス光に従って前記校正用信号をサンプリングして電気信号として出力する電気光学サンプリング部（３０）と、
    前記電気光学サンプリング部に入力される前記パルス光と前記校正用信号との相対的時間差を変える可変遅延器（４）と、
    前記相対的時間差を変えながら前記電気信号を取得し、前記各基準信号と同一周波数の互いに直交した正弦波でそれぞれ前記電気信号を変調することにより、前記電気信号に含まれる前記３波以上の中間周波信号に対応するトーン信号を分離するマルチトーン信号分離部（４０）と、
    前記マルチトーン信号分離部で分離された前記トーン信号間の位相差を検出するマルチトーン位相差測定部（５０）と、
    前記トーン信号間の位相差から前記信号発生部の前記アップコンバータの位相の周波数特性を補正する位相補正値を算出する位相補正値算出部（５５）と、
    を具備する位相特性校正装置。
  4. 前記互いに直交した基準信号は、互いに周波数の異なる同相基準信号、または前記同相基準信号と同一周波数で位相が９０度異なる直交基準信号であり、
    前記互いに直交した正弦波は、前記各同相基準信号と同一周波数で所定の位相差を持つ同相正弦波、または前記同相正弦波と位相が９０度異なる直交正弦波であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の位相特性校正装置。
  5. 前記互いに直交した基準信号は、互いに周波数の異なる基準信号であり、
    前記互いに直交した正弦波は、前記各基準信号と同一周波数で所定の位相差を持つ正弦波であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の位相特性校正装置。
  6. 前記マルチトーン中間周波信号発生部は、互いに周波数の異なる第１の中間周波信号と第２の中間周波信号と第３の中間周波信号と第４の中間周波信号とを発生し、互いに周波数の異なる第１の基準信号と第２の基準信号とを発生し、前記第１の中間周波信号を前記第１の基準信号で変調し、前記第２の中間周波信号を前記第２の基準信号で変調し、前記第３の中間周波信号を前記第１の基準信号と９０度位相が異なる第１の直交基準信号で変調し、前記第４の中間周波信号を前記第２の基準信号と９０度位相が異なる第２の直交基準信号で変調し、変調された前記第１の中間周波信号と変調された前記第２の中間周波信号と変調された前記第３の中間周波信号と変調された前記第４の中間周波信号とを合波してマルチトーン中間周波信号として出力し、
    前記マルチトーン信号分離部は、前記第１の基準信号と同一周波数で所定の位相差を持つ第１の正弦波で前記電気信号を変調し、前記第２の基準信号と同一周波数で所定の位相差を持つ第２の正弦波で前記電気信号を変調し、前記第１の正弦波と９０度位相が異なる第３の正弦波で前記電気信号を変調し、前記第２の正弦波と９０度位相が異なる第４の正弦波で前記電気信号を変調することにより前記電気信号に含まれる前記第１の中間周波信号と前記第２の中間周波信号と前記第３の中間周波信号と前記第４の中間周波信号とに対応する４つのトーン信号を分離することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の位相特性校正装置。
  7. 前記マルチトーン中間周波信号発生部は、互いに周波数の異なる第１の中間周波信号と第２の中間周波信号と第３の中間周波信号とを発生し、互いに周波数の異なる第１の基準信号と第２の基準信号とを発生し、前記第１の中間周波信号を前記第１の基準信号で変調し、前記第２の中間周波信号を前記第２の基準信号で変調し、前記第３の中間周波信号を前記第１の基準信号と９０度位相が異なる直交基準信号で変調し、変調された前記第１の中間周波信号と変調された前記第２の中間周波信号と変調された前記第３の中間周波信号とを合波してマルチトーン中間周波信号として出力し、
    前記マルチトーン信号分離部は、前記第１の基準信号と同一周波数で所定の位相差を持つ第１の正弦波で前記電気信号を変調し、前記第２の基準信号と同一周波数で所定の位相差を持つ第２の正弦波で前記電気信号を変調し、前記第１の正弦波と９０度位相が異なる第３の正弦波で前記電気信号を変調することにより前記電気信号に含まれる前記第１の中間周波信号と前記第２の中間周波信号と前記第３の中間周波信号とに対応する３つのトーン信号を分離することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の位相特性校正装置。
  8. 前記マルチトーン中間周波信号発生部は、互いに周波数の異なる第１の中間周波信号と第２の中間周波信号と第３の中間周波信号とを発生し、互いに周波数の異なる第１の基準信号と第２の基準信号と第３の基準信号とを発生し、前記第１の中間周波信号を前記第１の基準信号で変調し、前記第２の中間周波信号を前記第２の基準信号で変調し、前記第３の中間周波信号を前記第３の基準信号で変調し、変調された前記第１の中間周波信号と変調された前記第２の中間周波信号と変調された前記第３の中間周波信号とを合波してマルチトーン中間周波信号として出力し、
    前記マルチトーン信号分離部は、前記第１の基準信号と同一周波数で所定の位相差を持つ第１の正弦波で前記電気信号を変調し、前記第２の基準信号と同一周波数で所定の位相差を持つ第２の正弦波で前記電気信号を変調し、前記第３の基準信号と同一周波数で所定の位相差を持つ第３の正弦波で前記電気信号を変調することにより前記電気信号に含まれる前記第１の中間周波信号と前記第２の中間周波信号と前記第３の中間周波信号とに対応する３つのトーン信号を分離することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の位相特性校正装置。
  9. 被測定信号をダウンコンバートして測定する信号測定部（７０）のダウンコンバータ（７２，７３）の位相の周波数特性を校正する位相特性校正方法であって、
    所定の繰返し周波数のパルス光を光分岐器（３）で分岐し、
    周波数の異なる３波以上の中間周波信号を、前記中間周波信号と同一個数の互いに直交した基準信号でそれぞれ変調し合波したマルチトーン中間周波信号を生成し、
    所定の周波数の局発信号と周波数変換部（２１）とを用い前記マルチトーン中間周波信号をアップコンバートして校正用信号を生成し、
    前記光分岐器から出力される前記パルス光の一方を用いて前記校正用信号に含まれるアップコンバートされた前記各中間周波信号の周波数が、前記パルス光の繰返し周波数の整数倍になるように、前記３波以上の中間周波信号および前記局発信号の周波数を制御し、
    前記光分岐器から出力される前記パルス光の他方を用いて電気光学効果により前記校正用信号をサンプリングして電気信号として出力し、前記サンプリングに用いられる該パルス光と前記校正用信号との相対的時間差を変えながら前記電気信号を取得し、
    前記各基準信号と同一周波数の互いに直交した正弦波でそれぞれ前記電気信号を変調することにより前記電気信号に含まれる前記３波以上の中間周波信号に対応するトーン信号を分離し、
    分離された前記トーン信号間の位相差を検出し、前記トーン信号間の位相差から前記信号測定部の前記ダウンコンバータの位相の周波数特性を補正する位相補正値を算出する、
    ことを含む位相特性校正方法。
  10. 測定用中間周波信号をアップコンバートして測定用信号として出力する信号発生部（８０）のアップコンバータ（８４）の位相の周波数特性を校正する位相特性校正方法であって、
    所定の繰返し周波数のパルス光を光分岐器（３）で分岐し、
    周波数の異なる３波以上の中間周波信号を、前記中間周波信号と同一個数の互いに直交した基準信号でそれぞれ変調し合波したマルチトーン中間周波信号を生成し、
    所定の周波数の局発信号を用い前記マルチトーン中間周波信号を前記信号発生部の前記アップコンバータでアップコンバートして校正用信号を生成し、
    前記光分岐器から出力される前記パルス光の一方を用いて前記校正用信号に含まれるアップコンバートされた前記各中間周波信号の周波数が前記パルス光の繰返し周波数の整数倍になるように、前記３波以上の中間周波信号および前記局発信号の周波数を制御し、
    前記光分岐器から出力される前記パルス光の他方を用いて電気光学効果により前記校正用信号をサンプリングして電気信号として出力し、
    前記サンプリングに用いられる該パルス光と前記校正用信号との相対的時間差を変えながら前記電気信号を取得し、
    前記各基準信号と同一周波数の互いに直交した正弦波でそれぞれ前記電気信号を変調することにより、前記電気信号に含まれる前記３波以上の中間周波信号に対応するトーン信号を分離し、
    分離された前記トーン信号間の位相差を検出し、
    前記トーン信号間の位相差から前記信号発生部の前記アップコンバータの位相の周波数特性を補正する位相補正値を算出する、
    ことを含む位相特性校正方法。
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