低コスト位相雑音評価法

日本大学

理工学部 電子工学科
准教授 今池 健
2021年12月21日

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新技術の概要• 発振器の周波数安定度を評価する指標の一つである
位相雑音について、発振器出力を直接AD変換器でサンプリングし、その後の処理を全てディジタル演算で行うことで高精度な位相雑音計測を低コストで実現する。
• 従来、高精度位相雑音の測定では被測定発振器のほかに2つのPLL（位相同期）回路または、2つの基準発振器が必要であった。本技術では、被測定発振器の信号のみで位相雑音測定が可能となり、位相雑音測定器の低コスト化が実現可能である。
2位相雑音計測の重要性• 位相雑音とは– 周期信号の位相揺らぎv(t ) = V0 sin0t +  (t )

位相雑音
位相雑音 (t)振幅雑音e (t)(t)：ガウシアンノイズの場合
3位相雑音計測の重要性• 位相雑音とは– 発振周波数近傍のスペクトル広がり

両側波帯(DSB)位相雑音
S( f ) [dBrad2 /Hz]

-60-70-80

位相雑音 [dBrad2/Hz]

単側波帯(SSB)位相雑音
発振信号電力に対する単位周波数あたりの雑音電力比
L( f ) [dBc/Hz]-90-100-110-120-130-140-150-160
1101001,000

10,000100,000

1,000,000

離調周波数 [Hz]4

位相雑音計測の重要性• 位相雑音とはQ– 通信・クロックへの影響• シンボルの回転• アイパターンの開口減少• ジッタの増加

I

QPSKコンスタレーション

アイパターン5位相雑音の測定• 位相雑音スペクトルで評価• スペクトラムアナライザ（SA）やFFTアナライザで位相雑音を測定できる発振器は低Qの発振器（VCO等）に限定される– SAのダイナミックレンジ ～150 dB– 水晶発振器のダイナミックレンジ ～180dB– SAのローカルスイーパーの位相雑音が支配的– 被測定発振器のよりも高安定な基準発振器（リファレンス）を用意して比較計測する必要性
6従来の位相雑音計測法• PLL方式（アナログダウンコンバージョン）– 高ダイナミックレンジを得るために発振信号を除去する必要がある→ 発振周波数の信号をＤＣに周波数変換– 発振周波数近傍の雑音のみを抽出
vDUT (t ) = V1 sin0t +  (t )
被測定発振器 ミキサ

低雑音増幅器LPF

FFT

vd (t )
V1V2
sin(0t +  (t ) ) + (0t +  (t ) )+ sin(0t +  (t ) ) − (0t +  (t ) )
2VV= k 1 2 sin (20t +  (t ) +  (t ) )+ sin  (t ) −  (t )
2
LPFで除去V1V2= ksin  (t ) −  (t )
2
V1V2 k (t ) ∵ (t) << (t) << 1 radiank：ミキサの変換係数
2vd (t ) = kLoopfilter
基準発振器

vREF (t ) = V2 sin0t +  (t )

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従来の位相雑音計測法• PLL方式（アナログダウンコンバージョン）

vDUT (t ) = V1 sin0t +  (t )
被測定発振器 ミキサ

power– 高ダイナミックレンジを得るために発振信号を除去する必要がある→ 発振周波数の信号をＤＣに周波数変換– 発振周波数近傍の雑音のみを抽出
低雑音増幅器
LPF

FFT

V1V2
 (t ) −  (t )
2VV
 k 1 2  (t )2vd (t ) = kLoopfilter

ダウンコンバージョン

基準発振器

vREF (t ) = V2 sin0t +  (t )

0

0 freqnency

8従来の位相雑音計測法• 2PLL＋相互相関方式– ２つのＰＬＬで基準発振器の位相雑音を低減
vREF1 (t ) = V1 sin0t + 1 (t )
基準発振器 1
Loopfilter

V0V1
 (t ) − 1 (t )
2低雑音増幅器vd 1 (t ) = kvDUT (t ) = V0 sin0t +  (t )
被測定発振器

LPF

FFT1

相関処理

LPF

FFT2
低雑音増幅器vd 2 (t ) = kLoopfilter
基準発振器 2vREF 2 (t ) = V2 sin0t +  2 (t )

V0V2
 (t ) −  2 (t )
2

クロススペクトルの平均化処理によりvd1，vd2の共通成分のみ残留
基準発振器やミキサ、低雑音増幅器の雑音がキャンセルされる固有成分は平均化処理回数の1/2乗で減衰→ (t)に比例した信号のみを測定可能
9従来の位相雑音計測法• 全ディジタル方式– ＡＤ変換器で直接周期波形をサンプリング– ディジタル演算により位相雑音を算出
：位相雑音S：位相雑音スペクトル
密度


 DUT

SDUT + SADC + SCLK

 ADC

90°
DUT +  ADC + CLK

欠点
クロックの位相雑音が重畳
ADCの位相雑音が重畳

CLK

NCO: Numerically controlled oscillator 数値制御発振器
10従来の位相雑音計測法• 4ch全ディジタル方式– 基準発振器とＡＤＣの雑音を除去する構成
基準発振器 1

 REF 1 ADC1

REF1 +  ADC1 + CLK 1

ADC1DDCDUT − REF1 +  ADC1 −  ADC 2

クロック 1

被測定発振器 DUT

：位相雑音FFT1

CLK 1

SDUT + SREF 1 + SADC1 + SADC 2ADC2DDC

 ADC 2

DUT +  ADC 2 + CLK 1

 ADC 3

DUT +  ADC 3 + CLK 2

ADC3DDCCLK 2

相関処理

SDUT + SREF 2 + SADC 3 + SADC 4
FFT2

S：位相雑音スペクトル密度SDUT

減算によりクロックの位相雑音除去
相関処理によりADCの位相雑音除去→ 被測定発振器の位相雑音のみ測定可能

クロック 2

 REF 2基準発振器 2ADC4DDC

 ADC 4

REF 2 +  ADC 4 + CLK 2

DUT − REF 2 +  ADC 3 −  ADC 4欠点
基準発振器が2つ必要
ADCが4ch必要11新技術の特徴・従来技術との比較• 位相雑音計測に必要な基準発振器が不要• ＡＤ変換器および信号処理量が半減• 計算速度の高速化• 本技術の適用により，全ディジタル型位相雑音計測器のハードウェアコストが1/2程度まで削減されることが期待される

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新技術による位相雑音計測• 基準発振器を不要とした
全ディジタル型位相雑音計測
クロック 1

CLK 1ADC1

被測定発振器

 DUT

DUT +  ADC1 + CLK 1
DDC

FFT1

SDUT + SADC1 + SCLK 1

 ADC1
相関処理

 ADC 2ADC2

CLK 2クロック 2DDC

DUT +  ADC1 + CLK 2

FFT2

SDUT

特徴
2つの基準発振器が不要
ADCは2chに半減演算量の多いDDC部が半減4ch方式の信号処理部を利用可能

SDUT + SADC 2 + SCLK 2

：位相雑音S：位相雑音スペクトル密度13新技術と従来技術の比較
REF1 +  ADC1 + CLK 1
 REF 1

新技術

従来技術

 ADC1SDUT + SREF 1 + SADC1 + SADC 2

DUT − REF1 +  ADC1 −  ADC 2

CLK 1

SDUT + SREF 1 + SADC 2

 ADC 2
 DUT

 ADC 3

DUT +  ADC 2 + CLK 1

SDUTSDUT

DUT +  ADC 3 + CLK 2SDUT + SREF 2 + SADC 3

CLK 2

 REF 2

DUT − REF 2 +  ADC 3 −  ADC 4SDUT + SREF 2 + SADC 3 + SADC 4

 ADC 4
REF 2 +  ADC 4 + CLK 2
：位相雑音S：位相雑音スペクトル
密度


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新技術と従来技術の比較
-60

1
従来方式
提案手法
差分

2

位相雑音 [dBrad /Hz]_-800.80.6-90

0.4-1000.2-1100-120

-0.2

-130

-0.4

-140

-0.6

-150

-0.8

-160

-1

1.0E+00

1.0E+01

1.0E+02

1.0E+03

1.0E+04

1.0E+05

差分 [dB]-70

1.0E+06

オフセット周波数 [Hz]周波数シンセサイザ（ 5 MHz ）の位相雑音測定結果

15想定される用途• 精密位相雑音計測• 周期信号や回転数の揺らぎ計測• 位相変化の微分演算による瞬時周波数計測

16実用化に向けた課題• クロック周波数の精度• tan−1演算の精度• ディジタルフィルタの規模削減

17実用化に向けた課題• クロック周波数の精度

クロック周波数が相関処理で除去されるためには互いの位相雑音に無相間が求められる
OCXOや原子発振器の使用、またはPLLを使用する場合は制御帯域を可能な限り狭帯域にする必要がある
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企業への期待• 低価格ＦＰＧＡとＡＤ変換器搭載のボードとＰＣとのＵＳＢ接続で安価な位相雑音計測器の商品化• ディジタルオーディオのマスタークロックや無線機の基準発振器の評価器としてオーディオ愛好家，アマチュア無線家が個人で所持可能なコストで19

本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：位相雑音計測装置、および位相雑音計測方法• 出願番号 ：特願2019-044951
• 出願人
：日本大学
• 発明者
：今池 健
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お問い合わせ先
日本大学産官学連携知財センター
ＴＥＬ
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ＦＡＸ
03-5275-8328
e-mailnubic@nihon-u.ac.jp

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