JPH03252563A - アラン分散測定器 - Google Patents

アラン分散測定器

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JPH03252563A
JPH03252563A JP5141790A JP5141790A JPH03252563A JP H03252563 A JPH03252563 A JP H03252563A JP 5141790 A JP5141790 A JP 5141790A JP 5141790 A JP5141790 A JP 5141790A JP H03252563 A JPH03252563 A JP H03252563A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、アラン分散測定器(アラン分散測定装置とも
いう、)に係る。
このアラン分散測定器は、発振器のもつごくわずかな周
波数のゆらぎを高精度に測定する装置であり、通信計測
分野においてはRb原子発振器やCs原子発振器等のマ
イクロ波周波数標準の評価に。
また光計測分野においては高安定なレーザ光源の周波数
安定度の評価装置として利用される。さらに、つぎの世
代の通信方式として研究が進められている光ヘテロダイ
ン通信用レーザ光源の周波数安定度の評価にも用いられ
るものである。
〔従来の技術〕
アラン分散は、発振器の周波数安定度を表す一つの指標
であり、一般に次のように定義される。
第4図に示すように、まず時間的に周波数が変化してい
る信号源において、その周波数のτ時間平均値ν、を順
次得る。連続する2個の周波数のτ時間の平均値ν、と
ν2についての標本標準偏差の2乗は、 となるが、アラン分散はこれをN個の平均値ν、に対し
計算を行ない、それらを平均したもので、ν t で表される。ここで、T は信号源のτ時間におτ ける公称周波数である。
一般に周波数安定度を表すにはσ(τ)すなわち、(2
)式の平方根が用いられている。アラン分散は(2)式
に示されるように、平均された周波数データ数Nと積分
時間τの二つの変数の関数で表され、さらに定義として
測定の空き時間、すなわち第4図でν、とν1.1の積
分領域の境界部分の時間がゼロであることが要求されて
いる。
第5図は、従来のアラン分散測定器の構成を示す一実施
例で、入力信号Saは波形整形機能を有する検出器1に
より矩形波信号sbに変換される。この信号sbを周波
数カウンタ部2で計数し、メモリ3に一旦データを蓄え
た後、データ処理部4でアラン分散値を計算する方法が
用いられている。さらに詳しく述べると、前記検出器1
を通して矩形化された矩形波信号sbは、前記周波数カ
ウンタ部2内のカウンタ5に入力され、立上り信号数が
計数・累積される。このカウンタ5に累積された立上り
信号数の計数値fcは、計数タイミング信号発生器6に
おいて設定された周期τ秒のラッチ信号Scにより、τ
秒毎にラッチ回路7に送られる。
ここで、立上り信号の度数を計数する前記カウンタ5は
前記ラッチ信号Scとは無関係に前記矩形波信号sbの
立上り信号の度数を計数し続けており、従って時間τの
計数と次の時間τの計数との間には、アラン分散の定義
どおり、空き時間は発生しない方法がとられている。
しかしながら、第6図に示すように、この立上り信号を
計数する場合、設定時間τの計数開始時あるいは計数終
了時のタイミングのずれにより、1カウントの数え落し
、あるいは、数え過ぎによる±1の丸め誤差が発生する
ことは避けられない構成になっていた。
この丸め誤差により、アラン分散測定器の安定度測定限
界が決定され、その値は、 σLi+*it  =  □・ τ弓  −・−一−−
−・・−−−−・・・・ (3)fL となる、ここでfLは1秒間の入力信号Saの公称周波
数である0例えば、fLが5 MHzの周波数入力の場
合、τ=1秒の積分時間では2 X 10−’のアラン
分散平方根以下の安定度は測定不能となる。
アラン分散測定装置に関する文献としては、次のものが
知−られている。
(1)「レーザ周波数安定度の実時間測定装置」推尾、
大津、田幸:電子通信学会技術研究報告OQE  PP
、82−52(1981)(2)[レーザ周波数安定度
の実時間測定装置の試作」椎尾、大津、田幸:電子通信
学会論文誌64−C1(1981)  P2O4 (3)「周波数オフセットロックシステムの性能評価」
加藤、久保木、大津:レーザ・原子発振器の周波数制御
と応用、第2回シンポジウム予稿(1987) 〔発明が解決しようとする課題〕 本発明は、従来技術において発生する±1カウントの丸
め誤差を低減することを課題とし、この丸め誤差により
制限されていた安定度測定限界を改善したアラン分散測
定器を実現することを目的としている。
〔課題を解決するための手段〕
本発明では、上記課題に対して次の技術手段を用いて解
決している。従来は、第5図に示すように、入力信号S
aを波形整形機能を有する検出器1に通して矩形波信号
sbに変換し、この矩形波信号sbの立上りをカウンタ
5により計数していたのに対し、本発明は、第1図に示
すように、入力信号Saの周波数fLと同程度の参照周
波数f、の電気信号を出力する発振器8の出力信号の立
上りをカウンタ5で累積計数する。差周波数出力回路1
0により前記入力信号Saの周波数f、と前記発振器8
の出力信号fつとの差の差周波数f3の電気信号(差周
波数信号Se)を得て、この差周波数信号Seをラッチ
信号Scとして前記カウンタ5で累積計数されている値
をラッチ回路7にラッチする。このラッチされた計数値
をもとにしてデータ処理部4によりアラン分散値を算出
する。このような方式により前記入力信号Saの周波数
安定度を測定した場合、該入力信号Saの周波数ゆらぎ
を持つ前記差周波数信号Ssの周波数f、の逆数すなわ
ち、差周波数信号Seの周期を積分時間τとして測定し
ていることになり、測定すべき入力信号Saの周波数ゆ
らぎは、この積分時間τのゆらぎとして前記発振器8の
出力電気信号を計数して測定する。この際に発生する丸
め誤差は、前記カウンタ5により計数された±1カウン
トであるが、前記入力信号Saと前記発振器8の周波数
は同程度であり、したがって、両方の差の周波数である
前記差周波数信号Seは発振器8の出力信号周波数fl
に比べて十分低い周波数であるため、この±1カウント
の丸め誤差を入力信号Saの周波数fLに対する丸め誤
差已に換算すると、 E =  tm / fl   −・−・−・−・−・
−・−・−・−・・・ (4)となる、したがって、(
4)式で得られる丸め誤差に制限される本発明のアラン
分散測定器の安定度測定限界は、 f っ fL となる0例えば、前記入力信号Saの周波数f、を5M
Hzとし、前記発振器8の出力信号周波数fヨを4.9
99MHzに設定して、前記差周波数信号Seを周波数
fs =I KHzで測定した場合、その安定度測定限
界はτ=1秒の場合で4 X 10−”を得ることがで
きる。
この値は、従来技術における ft = 5 MHzの
場合の安定度測定限界2X10−’に比べ3桁以上の向
上が得られることになる。
〔実施例〕
第1図は本発明に係るアラン分散測定器の構成を示す基
本的な第1の実施例であり、更に第2図は本発明に係る
アラン分散測定器の第2の実施例である。入力信号Sa
を波形整形機能を有する検出器1で検知し、該入力信号
Saと同じ周波数fLの繰返し周期を持つ矩形波信号s
bに変換する。
また、入力信号Saの周波数fLと同程度の発振周波数
f8の電気信号が発振器8から該入力信号Saとは独立
して出力される。この発振器8がら出力される周波数f
いと前記矩形波信号sbの周波数fLとの差の差周波数
fiの電気信号(以下、差周波数信号という、)Seを
差周波数出力回路1oにより得る0発振器8より出力さ
れた出力信号はカウンタ5で常に累積計数され続けてお
り、この計数値は計数タイミング信号発生器6の出力信
号であるラッチ信号Scによりラッチ回路7にラッチさ
れる。この計数タイミング信号発生器6からのランチ信
号Scの出力タイミングは、前記差周波数信号Seを計
数タイミング信号発生器6により計数し、該差周波数信
号Seの周期の整数倍の時間に対応していて、かつ、設
定されたアラン分散値を測定する積分時間τのうち、最
小時間単位τehinに対応するn計数毎にラッチ信号
Scを出力する。
すなわち、前記差周波数信号Seの周波数f3がI K
Hzで、最小積分時間τ、、iを1/100から測定し
ようとする場合、該差周波数信号Seの10波数で1/
100秒となるためnは10となる。前記ラッチ回路7
にラッチされた前記カウンタ5の計数値はラッチが更新
される毎にメモリ3に記憶される。このラッチ回路7に
よる計数値のラッチと、その記憶動作は、ラッチ信号S
cを計数する測定データ数計数器9の計数値が、M(ア
ラン分散値を測定する最大積分時間τam xが最小積
分時間τsi nを何回集めて構成できるか、また何回
の最大積分時間τam xの測定によりアラン分散値を
算出するがで決定される)の値に等しくなるまで続けら
れる。
したがって、Mは τ −逼 ゎ である。すなわち、τ−i 、、= 1/100秒で、
τ0.Xが10秒であり、τ、、、Iの測定回数が10
回である場合のMの値は10,000である。
このMにラッチ信号Scの計数値が等しくなったとき、
前記測定データ数計数器9はデータ処理部4にデータ処
理開始信号Sdを出力する。
このデータ処理開始信号Sdを受領したデータ処理部4
は、前記メモリ3に記憶されている計数値のデータを基
にアラン分散値の算出を行う。この算出は、τ14..
からτam wまでの所定の値に対して行われ、メモリ
3に記憶されている計数値は前記カウンタ5の累積値で
あるため、あらかじめ1つの累積計数値からその直前の
τ、1゜で計数した累積値を引き、実際にτ0.7の時
間で計数した値りに変換する。
所定のτ値の間の計数値は、τ/τ、!7個のD値の和
であるから、この和によりτ時間の計数値を算出し、τ
時間のアラン分散の計算に必要なτ時間におけるN個の
計数値データを作成する。このように算出したτ時間の
計数値は、前記発振器8の計数値であるから、前記差周
波数信号Seと発振器8の周波数比である f*/fm
の係数を各τ時間の計数値に乗算して、差周波数信号S
eのτ時間の波数を最初に求め、その値と発振器8の出
力信号のτ時間における波数との和(fL> flの場
合)、あるいは、差(fL<fmの場合)をとり、前記
入力信号Saのτ時間における周波数計数値νを求める
。その値を基に(2)式を使ってアラン分散を算出する
〔発明の効果〕
第3図に、入力信号5 MHz時における、従来技術と
本発明によるアラン分散測定器の安定度測定限界の比較
を示す。同図内aが従来技術による測定限界を示す直線
で、bが本発明による発振器の周波数を4.999MH
zに設定した場合の測定限界を示す直線である。本図に
示されているように従来技術における±1カウントの丸
め誤差を低減する手法を用いることにより測定限界を3
桁程度向上させることができた。この限界は入力信号の
周波数及び発振器の出力信号周波数の差の周波数をさら
に低い周波数にするか、あるいは、発振器の周波数を高
めることによりさらに改善することが可能である。
また、本発明と従来技術のアラン分散測定器を組合せる
ことにより、安定度の非常に悪い発振器から高い精度の
発振器までの安定度の測定ができるダイナミックレンジ
の広いアラン分散測定器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例の構成図、第2図は本発
明の第2の実施例の構成図、第3図は従来技術と本発明
のアラン分散測定器の安定度測定限界についての比較を
示す図、第4図は時間的に周波数が変化する信号を示す
図、第5図は従来技術によるアラン分散測定器の構成を
示す図、第6図は従来技術によるアラン分散測定器の丸
め誤差を説明する図である。 図において、1は検出器、2は周波数カウンタ部、3は
メモリ、4はデータ処理部、5はカウンタ、6は計数タ
イミング信号発生器、7はラッチ回路、8は発振器、9
は測定データ数計数器、1゜は差周波数出力回路をそれ
ぞれ示す。 aは従来技術による周波数安定度測定限界を示す直線、
bは本発明による周波数安定度測定限界を示す直線、S
aは入力信号、sbは矩形波信号、Scはラッチ信号1
、Sdはデータ処理開始信号、Seは差周波数信号をそ
れぞれ示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 周波数の揺らぎを持つ入力信号を受領し波形整形して2
    値の電気信号を出力する検出器(1)と、参照用周波数
    信号を出力する発振器(8)と、該検出器(1)と該発
    振器(8)とから出力される各々の信号を受領し、その
    差周波数の電気信号を出力する差周波数出力回路(10
    )と、 該発振器(8)の出力信号周波数を計数するカウンタ(
    5)と、 該差周波数出力回路(10)の出力電気信号によりラッ
    チ信号を形成し、該カウンタ(5)の出力信号をラッチ
    するラッチ回路(7)と、 該ラッチ回路(7)の出力信号を受領し、前記周波数の
    揺らぎを持つ入力信号のアラン分散値を計算するデータ
    処理部(4)とを備え、 入力信号の周波数の揺らぎを1波数以内の誤差でアラン
    分散値を測定するアラン分散測定器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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