JPS5920988B2 - 信号処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えば周波数測定に供される信号処理装置に
係る。

周知の周波数測定装置には、２つのサンプラを用いたト
ランスファ発振器のサンプリング法によるものがある。

例えばこの種の測定装置は、米国特許第３８３６７５８
号の明細書にも詳述されている。しかしながら上述測定
装置はサンプラを２個必要としており、構成が複雑とな
りまた測定装置も高価となる欠点があつた。

本発明の一実施例では、周波数ｆ、およびｆ２の２つの
信号によつて交互に駆動されるサンプラを１個のみしか
用いていない。

これら２つの周波数は、高調波の同一次数を有するサン
プラによる両方の中間周波数（それぞれＩＦｈＩＦ２と
する）が十分に近いように選ばれており、また次の２つ
の式を満足するようになつている。ｆｘ＝Ｎｆ１−１Ｆ
１ ｆｘ＝Ｎｆ２−１Ｆ２ 位相連続状態で前記両周波数ｆ、、ｆ。

の信号を切換えるようにして前記サンプラの出力信号の
平均周波数ｆの測定により、両中間周波数の平均値を正
確に得ることができる。そして前記測定値から未知周波
数ｆｘが計算され得る。ところで、位相連続状態で周波
数を切換える動作は次のようにして行われる。

サンプラの駆動周波数としての周波数ｆｌから駆動周波
数としての周波数ｆ２への転移又はその逆の転移が、２
つの周波数ｆ４およびｆ２の信号が位相一致したときの
みに起こる。ところで、混合器が差周波数ｆ２−ｆｌの
信号を発生するために具備されており、該フ 信号はサ
ンプラを周波数ｆｌで駆動するときと周波数ｆ２で駆動
するときとの両者のトリガ信号となつている。２つの駆
動周波数ｆｌからｆ２へあるいはその逆で周波数を素早
く切換え、しかも上述位相連続の５ 状態で周波数切換
えを行うことにより、出力中間周波数の正確な測定が可
能である。

もしかような周波数切換えを行わない１個のサンプラ装
置を用いるならば、ランダム位相で切換わることによつ
て生じるスプリアス計数を避けるために、多数のゲート
回路を通して中間周波数を測定する必要があつた。また
、各中間周波数の十分に正確な測定を行うのに必要な長
い時間を得るようにして両周波数の切換えを行わねばな
らなかつた。従つて、入力周波数が周波数ドリフトおよ
び変調の影響を受けないようになつていなければならず
、それにより長期間の測定時間によつて正確な結果を得
るようにする必要がある。以下図面を用いて本発明を詳
述する。

なお上述した本発明におけるサンブラの駆動周波数の切
換えを、本明細書では単に周波数切換えとだけ呼ぶもの
とする。第１図は、本発明の一実施例による信号処理装
置のプロツク図である。

図において、未知周波数Ｆｘの信号５はサンプラ１０に
導入される。電圧制御発振器（以下ＶＣＯと称する）６
０および６５によつてそれぞれ発生される周波数ｆ１お
よびＦ２の信号６１および６６によつて、サンプラ１０
は交互に駆動される。両信号６１，６６間の交互切換え
動作は、分周器（分周係数Ｌ）７５を介してゲート５０
および５５へ導入される混合器７０からの差周波数（Ｆ
２−ｆ１）信号７１によつて制御される。すなわち上記
差周波数信号７１の分周器７５による分周出力信号によ
つてゲート５０がオンとなるとき、サンプラ１０の出力
信号１１が基準信号発生器３７からの周波数１Ｆ１の基
準信号に同調されるまで、位相検出器３０を介してＶＣ
Ｏ６Ｏが周波数ｆ１に同調する第１位相ロツクループが
形成される。

また、周波数Ｆ２が所定のオフセツト以内で周波数Ｆ，
に同調されるまで、位相検出器８５を介してＣＯ６５が
周波数Ｆ２に同調する第２位相ロツクルーブが形成され
る。サンプラ１０の出力信号１１における平均周波数ｆ
の測定は、ゲート１００が付勢されているとき周波数カ
ウンタ１０５によつて行われる。

平均周波数了の測定値および基準信号発生器３７からの
基準信号３６の周波数から未知周波数Ｆｘを計算できる
。周波数Ｆ，の信号６１がサンプラ１０を駆動している
とき、以下に示す方法にて入力信号５を受信している該
サンプラ１０が位相ロツクされる。

サンプラ１０の中間周波数による出力信号１１はゲート
４０を介して位相検出器３０に印加される。なお、ゲー
ト４０は信号７６によつてオン、オフ制御される。この
信号７６の発生動作は後に述べる。ゲート３５を介して
位相検出器３０に印加される他の信号は、基準信号発生
器３７からの周波数（ＩＦｌ）既知な基準信号３６であ
る。位相検出器３０の出力信号は増幅器２０に供給され
る。増幅器２０の出力信号により、ＣＯ６Ｏの発振周波
数が周波数ｆ１に同調され、そのときの第１位相ロツク
ループのロツク状態が成立し、次の関係が成立する。こ
こで、Ｎはサンプラ１０における高調波次数である。

周波数Ｆ２の発生動作は次のように行われる。

信号６１が分周器（分周係数Ｍ）８０に供給され、該分
周器８０の出力信号が位相検出器８５に印加される。位
相検出器８５に印加される他の信号７１は、混合器７０
からの差周波数（Ｆ２−ｆ１）である。位相検出器８５
の出力信号はルーブフイルタ増幅器９０に供給される。
増幅器９０の出力信号により、ＶＣＯ６５が制御され、
次の（２）式の関係が成立する。すなわち、 となる。

混合器７０の出力信号７１の周波数は（Ｆ２ｆ，）の差
周波数である。

周波数ｆ１の信号６１と周波数Ｆ２の信号６６との位相
が一致するとき、前記差周波数信号の特定な転移がみら
れる。従つて、周波数ｆ１およびＦ２の信号６１，６６
が位相一致するときのみ信号７６が論理状態を変える。
信号７６に応答してゲート５０および５５は、周波数ｆ
１の信号６１および周波数Ｆ２の信号６６を交互にサン
プラ１０のサンプリング信号として発生する。いま信号
７６が論理゛１゛状態にあるとき、ゲート５０は信号６
１を０Ｒゲート１１０に供給せしめると共に、ゲート３
５および４０が共にオンであることによりサンプラ１０
の出力信号１１の周波数が基準信号の周波数１Ｆ１に同
調されるまで、ＶＣＯ６Ｏを制御せしめるように第１位
相ロツクループが形成される。それに対して信号７６が
論理１゛０？′状態にあるとき、周波数Ｆ２の信号６６
がゲート５５を介して０Ｒゲート１１０に供給される。
ゲート３５および４０は共にオフとなり、位相検出器３
０によるＶＣＯ６Ｏを同調制御せしめる動作は行われな
い。その場合ＶＣＯ６Ｏの周波数ｆ１は、前述第１位相
ロツクループによつて決まる最終周波数である。周波数
Ｆ２の信号６６がサンプリング周波数信号として使用さ
れるとき、次の（４）式の関係が成立する。

ここでＮは、周波数ｆ１の信号６１がサンプリング周波
数であるときと同一の高調波次数である。

またＩＦ２は、周波数Ｆ２がサンプリング周波数である
ときのサンプラ１０からの出力周波数である。信号６１
および信号６６でそれぞれ同時間内にてサンプラ１０を
駆動しているとき、サンプラ１０による出力信号１１の
平均周波数Ｔは次の（５）式で示される。

ただし、分周器７５の分周係数Ｌ一２とする。２つのサ
ンプリング信号間の滑らかな転移を正確に行う本発明の
周波数切換えによつてサンプラ１０からの２つのＩＦ出
力信号間の滑らかな転移も正確に行われ、それにより平
均周波数ｆの正確な測定が可能である。

従つてＩＦ出力信号の周波数測定値には、周波数転移に
よつて発生するスプリアス計数が含まれていない。平均
周波数ｆの測定値から未知周波数Ｆ。

が計算される式の誘導は以下のとおりである。先ず（１
）式の両辺に（１＋−）を乗算する。

１１ｒ （３）式を（４）式に代入、 （６）式および（７）式より、 ここでＩＦ，およびＭは既知であるから、未知周波数Ｆ
ｘはＩＦ２のみの関数となる。

なおここで、ＩＦ２は間欠的にしか発生しない信号の周
波数なので該Ｆ２を直接測定するのは有効でない。しか
し、平均周波数Ｔは以下に述べるとおり正確に測定され
る。前記（５）式より、 （９）式を（８）式に代入する。

従つて（代）式より未知周波数Ｆｘは、平均周波数Ｔよ
り計算される。

再度第１図を参照するに、測定付勢信号９６を印加する
と共に信号７６によつてフリツプフロツプ９５をセツト
することにより、ゲート１００を付勢するとき平均周波
数Ｔの測定が開始される。

平均周波数了の測定は信号７６に応じてフリツプフロツ
プ９５のストローブによつて終り、該信号７６の後に測
定付勢信号９６の印加状態を解除する。かようにしてフ
リツプフロツプ９５でゲート１００を制御することによ
り、サンプラ１０を駆動する信号６１の付勢で平均周波
数ｆの測定の開始および終了が正確に行われる。従つて
ＩＦｌおよびＩＦ２による信号が等しい時間に基いて、
分周器７５の分周係数Ｌ＝２のとき周波数カウンタ１０
５によつて計数される。分周係数Ｌが他の値であるとき
、ＩＦｌおよびＩＦ２のそれぞれの信号の現出期間は分
周器７５における分周の計数コードに依存する。例えば
分周係数Ｌ−３であれば、周波数ｆ１の信号６１による
駆動時間が周波数Ｆ２の信号６６によるよりも２倍長く
、若しくはその逆でサンプラが駆動されうる。かように
両信号６１，６６によるそれぞれの駆動時間が異なると
、それに応じ前記（５）式は変つてくる。すなわち上述
測定は、ロック補捉期間経過後つまり上述両位相ロツク
ループがロツク状態に達した後に、信号９６を供給する
ことによつて行われる〜 平均周波数Ｔの測定が完了した後、未知周波数Ｆｘの計
算がデジタル的手段によつて行われる。

周波数カウンタ１０５の計数内容はレジスタ４２の最高
桁ビツトから順にストアされそして、定数２Ｍの被乗数
たる平均周波数７が効果的に収納されるように最低桁ビ
ツトへとシフトされる。本実施例ではＭは２の指数例え
ば３２、６４、１２８等が選択されており、適当な数の
位置をシフトすることによつて乗算がなされる。別なレ
ジスタ４４に具備されている定数（２Ｍ＋１）ＩＦｌを
レジスタ４２の内容から減算回路４６にて減算せしめて
、未知周波数Ｆｘの計算値が求まる。しかる後、前記計
算された未知周波数Ｆｘの値は表示レジスタ４８に供給
される。なお、減算回路４６は例えばＴＩ社製のＳＮ７
４ｌ８ｌと同様である。第２図は、本発明の別実施例に
よる信号処理装置のプロツク図である。図において、未
知周波数Ｆｘの入力信号５がサンプラ１０に導入されて
いる。サンプラ１０は、ここでも信号６１および６６に
よつて交互に駆動されている。しかし信号６１は信号発
生器２６０によつて一定の周波数ｆ１となつている。一
方ＶＣＯ６５は第２位相ロツクループによつて同調制御
されるものであり、周波数ｆ１の信号６１に対して所定
オフセツト内で同調されて周波数Ｆ２を発振する。第１
位相ロツクループによりＶＣＯ２３７が制御され、その
ため信号６１がサンプリング周波数信号として用いられ
ているときは絶えず該ＶＣＯ２３７の出力信号２３６の
周波数１Ｆ１はサンプラ１０の出力信号１１の周波数と
同調される。信号７６によりサンプリング周波数信号と
して信号６６を論理１０１状態に切換えるときは絶えず
、第１位相ロツクループの位相ロツク状態から離脱する
とＶＣＯ２３７は該第１位相ロツクループによつて決定
した最終周波数にて発振する。第２図のプロツク図を参
照するに、周波数ｆ１の信号６１は発振器２６０によつ
て既知周波数で発振している。

そして周波数Ｆ２の信号６６は、ループフイルタ増幅器
９０を介して制御されるＶＣＯ６５によつて発生される
。なお周波数Ｆ２は、第１図の回路の場合と同様に、と
して表わされる。

混合器７０かの差周波数Ｆ２一ｆ１の信号７１は分周器
７５に供給され、該分周器７５はゲート５０および５５
に信号７６を供給する。従つて、サンプラ１０には信号
６１および６６が交互に印加される。この場合第１図に
関連して前述したと同様に、周波数ｆ１の信号６１と周
波数Ｆ２の信号６６の位相が一致しているときのみサン
プリング周波数としての周波数ｆ１からサンプリング周
波数Ｆ２へあるいはその逆の周波数切換えが行われるの
で、サンプラ１０の出力信号は該周波数切換えの動作が
行われた信号である。信号６１がサンプリング周波数信
号としてゲート５０、０Ｒゲート１１０およびドライバ
４５を介してサンプラ１０に印加されるとき、ゲート３
５および４０も制御信号７６によつてオンとなる。

サンプラ１０の出力信号１１およびＶＣＯ２３７の出力
信号２３６のそれぞれは、ゲート４０および３５のそれ
ぞれを介して位相検出器３０に供給される。位相検出器
３０の出力信号はフイルタ増幅器２０を介してＶＣＯ２
３７に帰還供給され、該ＶＣＯ２３７は制御され次の関
係が成立する。ＶＣＯ２３７の周波数１Ｆ，は既知定数
ではないので、該１Ｆ，の信号を測定して、Ｆｘ＝２Ｍ
ｆ−（２Ｍ＋１）ＩＦｌの式から未知周波数Ｆｘを計算
する必要がある。

この測定は、ゲート２３９がフリツプフロツプ９５によ
つて付勢されているとき周波数カウンタ２３８によつて
行われる。未知周波数Ｆｘは上記式Ｆｘ−２Ｍｆ−（２
Ｍ＋１）ＩＦｌから計算される。

第３図は、第１図および第２図における１個のサンプラ
を駆動する２つのサンプリング周波数間の交互切換を行
うために使用される周波数切換え手段を説明するための
プロツク図である。図において、混合器７０からの差周
波数Ｆ２−ｆ１の転移によつて両信号６１，６６の位相
関係が示される。なお混合器７０の種類によつては、該
混合器７０と分周器７５との間に差周波数成分を分離す
るためにフイルタを用いる必要がある。しかしながら周
知のとおり、両信号６１，６６に方形波信号を使用する
ことにより、混合器７０として１個のＤフリツプフロツ
プ若しくはＤフリツプフロツプのシリーズの使用が可能
となる。そのため周波数ｆ１およびＦ２の２つの信号を
ＤフリツプフロツプのＤ入力およびクロツク入力に印加
せしめることにより、フイルタを追加することなく差周
波数を直接得ることができる。なおこのことについては
、例えばモトローラ・セミコンダクタ社の１９７３年８
月発行のフエーズ・ロツクド・ループ・システムズ（Ｐ
ＨＡＳＥ−ＬＯＣＫＥＤＬＯＯＰＳＹＳＴＥＭＳ）の第
１１〜１３頁にも述べられている。

差周波数の各Ｌサイクル毎に分周器７５の出力信号７６
における論理状態に従つてゲート５０および５５のオン
、オフが制御される。

周波数Ｆ，およびＦ２の両信号６１，６６が位相一致す
る期間そのときの論理状態は維持されるので、ドライバ
４５の出力信号はサンプラ１０から得られるＩＦ出力信
号と同様に周波数切換えされた信号である。転移期間に
おいてその不連続を除去することにより、サンプラ１０
の出力信号における平均周波数７の正確な測定が可能と
なり、また測定値から未知周波数Ｆｘの値が計算できる
。周波数切換えの動作を行う装置部の構成について以下
述べる。有効なクロツク動作が行われる前に、混合器７
０として使用されるフリツプフロツプのＤ入力に対して
、信号が印加された後安定するのにある限定された時間
が必要である。

ただし前記時間は、設定されたものであり既知である。
そのため周波数ｆ１およびＦ２の２つの信号６１，６６
は、混合器７０の出力信号とは正確に位相一致していな
い。ＡＮＤゲート５０と０Ｒゲート１１０との間に所定
の小さな遅延時間を設けることにより、周波数ｆ１の信
号６１がＤ入力に印加されているものとして、セットア
ツプ時間に従つて位相差の補正が行われる。高調波次数
が整数であることから未知周波数Ｆｘの補正値が得られ
る。

もし第２図の回路のように周波数ｆ１既知あるいは該周
波数の測定値が得られれば、前記（自）式で未知周波数
Ｆｘを求めた後高調波次数が計算される。上記（自）式
で得られたＮ写整数に近く且つ整数でなければ、次の（
自）式で得られるＮの整数で置換えられる。

ここで補正されたＦｘをＦｘ′とすると となる。

別な高調波の次数で生じる他の高調波を抑圧すると共に
１つの中間周波数を選択するために、すなわちサンプラ
１０の出力におけるＩＦ信号と同調するために、例えば
帯域的にろ波される必要がある。

ろ波器は一対のサンプリング周波数Ｆ，およびＦ２以上
の帯域を必要とし、所定帯域内で全ての入力周波数をカ
バーする必要がある。実際動作上信号６１の周波数Ｆ，
は、前記帯域に亘つてカバーされるに可能な１セツトの
周波数のうちの１つである。ＩＦろ波器に合致する帯域
をカバーするために１セツトのサンプリング周波数を選
択する必要は、本発明においては除去されている。また
前述（１）および（４）式により、特定の側波帯の発生
が仮定されるが、反対側の側波帯に対しても完全なろ波
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による信号処理装置のプロツ
ク図、第２図は本発明の男１渓施例のプロツク図、第３
図は第１、第２図におけるサンプラの駆動動作説明図で
、５：未知周波数入力信号、１０：サンプラ、３０，８
５：位相検出器、６０，６１，２３７：電圧制御発振器
、７５，８０：分周器、１０５，２３８：周波数カウン
タである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第１入力端子と被測定信号が入力される第２入力端
   子を有するサンプラと、既知の周波数または、既知の周
   波数と前記被測定信号の周波数に関連した周波数の第１
   信号と前記第１信号の周波数に関連する周波数の第２信
   号とを受信し、前記第１信号と前記第２信号の差周波数
   信号を出力する混合器と、前記差周波数信号を受信し前
   記差周波数信号の所定サイクルごとに論理状態が変わる
   制御信号を出力する分周器と、前記制御信号に応答して
   前記第１信号、第２信号を選択的に前記第１入力端子に
   供給するゲート回路と、前記サンプラの出力信号の平均
   周波数を測定し、前記被測定信号の周波数を算出する演
   算処理部とから成る信号処理装置。