周波数検出方法、サンプリング装置および波形観測システム
【課題】 サンプリング対象の信号の周波数を正確に検出する。
【解決手段】 仮のサンプリング周波数Ｆｓで被測定信号をサンプリングし（Ｓ１）、得られた信号のうち、サンプリング周波数Ｆｓの１／２以下の帯域に現れる特定信号の周波数Ｆｈを検出する（Ｓ２）。サンプリング周波数を所定量ΔＦｓだけ変化させ（Ｓ３）、そのときの特定信号の周波数変化量ΔＦｈを検出し（Ｓ４）、次式により被測定信号の周波数Ｆｘを算出する（Ｓ５）。
Ｆｘ＝Ｆｈ−Ｆｓ・ΔＦｈ／ΔＦｓ ……（０＞ΔＦｈの場合）
Ｆｘ＝−Ｆｈ＋Ｆｓ・ΔＦｈ／ΔＦｓ ……（０＜ΔＦｈの場合）
【解決手段】 仮のサンプリング周波数Ｆｓで被測定信号をサンプリングし（Ｓ１）、得られた信号のうち、サンプリング周波数Ｆｓの１／２以下の帯域に現れる特定信号の周波数Ｆｈを検出する（Ｓ２）。サンプリング周波数を所定量ΔＦｓだけ変化させ（Ｓ３）、そのときの特定信号の周波数変化量ΔＦｈを検出し（Ｓ４）、次式により被測定信号の周波数Ｆｘを算出する（Ｓ５）。
Ｆｘ＝Ｆｈ−Ｆｓ・ΔＦｈ／ΔＦｓ ……（０＞ΔＦｈの場合）
Ｆｘ＝−Ｆｈ＋Ｆｓ・ΔＦｈ／ΔＦｓ ……（０＜ΔＦｈの場合）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号に対するサンプリングを行ってその波形情報を取得し、観測するためのシステムにおいて、信号の周波数を正確に検出し、安定な波形情報の取得と観測ができるようにするための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、高速な繰り返し信号で変調された光信号の波形のデータを取得して観測するために、図１４に示す波形観測装置１０が用いられている。
【０００３】
この波形観測装置１０は、入力される光信号Ｐの波形の繰り返し周期ＴｘのＮ倍（Ｎは１以上の任意の整数で例えば１００、１０００等）より所定値（オフセット遅延時間）ΔＴだけ長い繰り返し周期Ｔｓ（＝Ｎ・Ｔｘ＋ΔＴ）をもち、パルス幅が狭い光サンプリングパルスＰｓを光サンプリングパルス発生手段１１によって生成する。
【０００４】
そして、その生成された光サンプリングパルスＰｓを光サンプリング部１２に入力し、光信号Ｐを光サンプリングパルスＰｓでサンプリングし、そのサンプリングによって得られたパルス光を光電変換して電気のパルス信号Ｅｏに変換し、このパルス信号Ｅｏの振幅強度をＡ／Ｄ変換器１３によってデジタルのデータに変換して波形データメモリ１４に記憶し、この波形データメモリ１４に記憶された一連の波形データを表示制御手段１５が読み出して表示器１６に波形表示する。
【０００５】
このようなサンプリング方式の波形観測装置１０では、図１５の（ａ）に示すように、光信号Ｐの繰り返し波形がＮ回連続して入力される毎に、光サンプリングパルスＰｓによるサンプリングタイミングが図１５の（ｂ）のように、ΔＴ時間ずつシフトしていくため、周期Ｔｘに比べて格段に低速なサンプリングで、光信号Ｐの波形を高分解能でサンプリングすることができ、これを表示器１６の画面上で観測することができる。
【０００６】
このようなサンプリング方式の波形観測装置は、例えば次の特許文献１に開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−０７１７２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記のような波形観測装置１０に要求される観測モードには、パーシステンスモード、平均化モード等がある。
【０００９】
パーシステンスモードは、光信号Ｐをサンプリングしてその取得データを表示器の画面上にある一定時間表示し、その残像によって測定波形を表示するという動作を繰り返すモードであり、光信号の波形の変化をほぼリアルタイムに観測することができる。
【００１０】
また、平均化モードは、複数のデータ取得期間分の波形データの平均化処理を行い、その平均化された波形を表示するモードであり、ノイズ成分を除去した波形観測が可能となる。
【００１１】
上記のように光信号の波形を残像によって表示していく観測モードの場合、サンプリングが光信号Ｐの繰り返し波形の同一位相位置から開始されないと、表示される波形が時間軸方向に毎回ずれたり、平均化モードでは平均化処理が正しく行なえず波形を正しく再現できなくなり、また、波形の位相や振幅の変動の大きさを正しく把握できなくなる。
【００１２】
このため、入力する信号の波形の繰り返し周期、あるいはその信号自体の周波数（ビットレート）が既知である必要がある。
【００１３】
しかし、場合によっては、観測対象の波形の繰り返し周期や周波数の概略値は分かっていても、その正確な値が不明な状況があり、このような状況では、観測対象の波形に対して正しいサンプリング周期の設定が行えず、所望の波形を観測できない。
【００１４】
また、この種の波形観測装置において、狭い幅の光サンプリングパルスを生成したり、光同士のミキシングを行なう光ミキサ等が必要であり、表示部を含めると装置全体が複雑化し高価になるという別の問題がある。
【００１５】
本発明は、これらの問題を解決して、サンプリング結果から信号の周波数を正確に検出できる周波数検出方法およびこれを用いて安定な波形情報の取得と観測ができ、さらに、システム全体を簡易に構成することができるサンプリング装置および波形観測システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１の周波数検出方法は、
被測定信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングして得られた信号のうち、該サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる特定信号の周波数を求める段階（Ｓ１、Ｓ２）と、
前記被測定信号に対するサンプリング周波数を前記所定のサンプリング周波数から所定量変化させたときの前記特定信号の周波数変化量を求める段階（Ｓ３、Ｓ４）と、
前記所定のサンプリング周波数と、該所定のサンプリング周波数に対する前記特定信号の周波数、前記サンプリング周波数の変化量および前記特定信号の周波数変化量に基づいて、前記被測定信号の波形の繰り返し周波数を算出する段階（Ｓ５）とを含んでいる。
【００１７】
また、本発明の請求項２のサンプリング装置は、
サンプリングの対象となる信号を入力するための入力端子（２１ａ）と、
指定されたサンプリング周波数のクロック信号を生成出力する信号発生手段（２４）と、
前記クロック信号に同期したサンプリングパルスを発生するサンプリングパルス発生手段（２５）と、
前記入力端子に入力された入力信号を前記サンプリングパルスによってサンプリングするサンプリング部（２６）と、
前記サンプリング部の出力信号を受け、前記サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる特定信号の周波数（Ｆｈ）を検出する特定信号周波数検出手段（２７）と、
前記信号発生手段に対し、仮のサンプリング周波数（Ｆｓ′）を指定するとともに、該仮のサンプリング周波数を所定量変化させて、該サンプリング周波数の変化量に対する前記特定信号の周波数変化量を求め、前記仮のサンプリング周波数と、該仮のサンプリング周波数に対する前記特定信号の周波数、前記サンプリング周波数の変化量および前記特定信号の周波数変化量に基づいて、前記入力信号の波形の繰り返し周波数（Ｆｘ）を算出する繰り返し周波数算出手段（２８）と、
前記繰り返し周波数算出手段によって算出された繰り返し周波数に対応する繰り返し周期（Ｔｘ）の整数倍に対して所定のオフセット遅延時間（ΔＴ）だけ差のある周期（Ｔｓ）に対応する周波数（Ｆｓ）を前記入力信号に対する正規のサンプリング周波数として算出し、該正規のサンプリング周波数を前記信号発生手段に指定する演算手段（２３）と、
前記クロック信号を外部へ出力するためのクロック出力端子（２１ｂ）と、
前記サンプリング部から出力された信号を外部へ出力するためのサンプル信号出力端子（２１ｃ）とを備えている。
【００１８】
また、本発明の請求項３の波形観測システムは、
サンプリングの対象となる信号を入力するための入力端子（２１ａ）と、
指定されたサンプリング周波数のクロック信号を生成出力する信号発生手段（２４）と、
前記クロック信号に同期したサンプリングパルスを発生するサンプリングパルス発生手段（２５）と、
前記入力端子に入力された入力信号を前記サンプリングパルスによってサンプリングするサンプリング部（２６）と、
前記サンプリング部の出力信号を受け、前記サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる特定信号の周波数（Ｆｈ）を検出する特定信号周波数検出手段（２７）と、
前記信号発生手段に対し、仮のサンプリング周波数（Ｆｓ′）を指定するとともに、該仮のサンプリング周波数を所定量変化させて、該サンプリング周波数の変化量に対する前記特定信号の周波数変化量を求め、前記仮のサンプリング周波数と、該仮のサンプリング周波数に対する前記特定信号の周波数、前記サンプリング周波数の変化量および前記特定信号の周波数変化量に基づいて、前記入力信号の波形の繰り返し周波数（Ｆｘ）を算出する繰り返し周波数算出手段（２８）と、
前記繰り返し周波数算出手段によって算出された繰り返し周波数に対応する繰り返し周期（Ｔｘ）の整数倍に対して所定のオフセット遅延時間（ΔＴ）だけ差のある周期（Ｔｓ）に対応する周波数（Ｆｓ）を前記入力信号に対する正規のサンプリング周波数として算出し、該正規のサンプリング周波数を前記信号発生手段に指定する演算手段（２３）と、
前記サンプリング部から出力される信号をデジタルのデータに変換して出力するＡ／Ｄ変換器（４３）と、
波形データを記憶するための波形データメモリ（４５）と、
前記Ａ／Ｄ変換器が出力するデータを前記クロック信号に同期して前記波形データメモリに書き込むデータ取得制御手段（４４）と、
前記波形データメモリに記憶された一連の波形データを読み出して前記オフセット遅延時間間隔の時間軸上に波形表示する波形表示手段（４６、４７）とを備えている。
【００１９】
また、本発明の請求項４の波形観測システムは、請求項３の波形観測システムにおいて、
前記特定信号周波数検出手段は、前記サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる複数の特定信号の周波数をそれぞれ検出し、
前記繰り返し周波数算出手段は、前記特定信号周波数検出手段によって検出された複数の特定信号についての周波数変化量に基づいて、前記入力信号に含まれる複数の周波数成分のスペクトラムを求めるように構成され、
さらに、前記波形表示手段は、前記繰り返し周波数算出手段によって得られたスペクトラムを周波数軸上に表示できるように構成されている。
【発明の効果】
【００２０】
このように、本発明の周波数検出方法は、サンプリング周波数を変化させたときの特定信号の周波数変化量から入力信号の繰り返し周波数を求めているので、入力信号の波形繰り返し周波数を高精度に検出でき、サンプリング装置あるいは波形観測システムにおいては、そのサンプリング構造を利用するだけで、周波数未知の信号に対するサンプリング周波数の設定を正確に行うことができる。
【００２１】
また、本発明のサンプリング装置および波形観測システムは、上記周波数検出方法を用いて入力信号の繰り返し周波数を正確に求めて、サンプリング周波数を設定しているので、サンプリング対象の波形の繰り返し周期と装置が高い精度で同期し、波形情報の安定な取得と観測が可能となる。
【００２２】
また、本発明のサンプリング装置では、サンプリング部から出力されたパルス信号、クロック信号およびトリガ用信号を、出力端子を介して外部へ出力できるようにしているので、手持ちのデジタルオシロスコープを併用することで、波形観測システムを安価に構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
始めに、本発明の周波数検出方法の原理について説明する。
【００２４】
被測定信号を単一周波数Ｆｘの正弦波と仮定し、これを仮のサンプリング周波数Ｆｓでサンプリングして得られる信号Ｓｘの周波数成分について考察する。
【００２５】
サンプリングパルスが幅無限小の理想パルスであれば、その周波数成分は、図１に示すように、周波数ｎ・Ｆｓの各スペクトラムを有する（ｎ＝０，１，２，…）。
【００２６】
したがって、このサンプリングパルスでサンプリングして得られた信号Ｓｘには、被測定信号の周波数Ｆｘと各周波数ｉ・Ｆｓとの差および和の成分が含まれる。
【００２７】
この中で最も周波数が低い成分は、図２の（ａ）、（ｂ）に示すように、周波数Ｆｘに最も近い周波数ｎ・Ｆｓのスペクトラム成分との差周波数あるいは周波数（ｎ＋１）・Ｆｓのスペクトラム成分との差周波数であり、その差周波数Ｆｈは、次のように表すことができる。
【００２８】
Ｆｈ＝ｍｏｄ［Ｆｘ，Ｆｓ］ ……（ｍｏｄ［Ｆｘ，Ｆｓ］≦Ｆｓ／２の場合）
Ｆｈ＝（Ｆｓ／２）−ｍｏｄ［Ｆｘ，Ｆｓ］
……（ｍｏｄ［Ｆｘ，Ｆｓ］＞Ｆｓ／２の場合）
ただし、記号ｍｏｄ［Ａ，Ｂ］は、ＡをＢで割ったときの余りを表す。
【００２９】
この差周波数Ｆｈは最大でＦｓ／２なので、帯域上限Ｆｓ／２の低域通過フィルタを用いることで簡単に抽出することができる。
【００３０】
ここで、サンプリング周波数Ｆｓの微小な変化∂Ｆｓに伴う差周波数Ｆｈの変化∂Ｆｈは、差周波数Ｆｈを周波数Ｆｓについて微分した次の式で与えられる。
【００３１】
∂Ｆｈ／∂Ｆｓ＝−ｑｕｏｔｉｅｎｔ［Ｆｘ，Ｆｓ］
……（０＜ｍｏｄ［Ｆｘ，Ｆｓ］＜Ｆｓ／２の場合）
∂Ｆｈ／∂Ｆｓ＝１＋ｑｕｏｔｉｅｎｔ［Ｆｘ，Ｆｓ］
……（ｍｏｄ［Ｆｘ，Ｆｓ］＞Ｆｓ／２の場合）
ただし、記号ｑｕｏｔｉｅｎｔ［Ａ，Ｂ］は、ＡをＢで割ったときの整数商を表す。
【００３２】
上記結果、および、次の商と余りの関係、
ｍｏｄ［Ｆｘ，Ｆｓ］＝Ｆｘ−Ｆｓ・ｑｕｏｔｉｅｎｔ［Ｆｘ，Ｆｓ］
から、被測定信号の周波数Ｆｘは、次の演算で求めることができる。
【００３３】
Ｆｘ＝Ｆｈ−Ｆｓ・∂Ｆｈ／∂Ｆｓ ……（０＞∂Ｆｈの場合）
Ｆｘ＝−Ｆｈ＋Ｆｓ・∂Ｆｈ／∂Ｆｓ ……（０＜∂Ｆｈの場合）
【００３４】
図３はその周波数検出の手順の一例を示すフローチャートである。
即ち、仮のサンプリング周波数Ｆｓで被測定信号をサンプリングし（Ｓ１）、そのサンプリングによって得られた信号のうち、サンプリング周波数Ｆｓの１／２以下の帯域に現れる特定信号の周波数Ｆｈを検出する（Ｓ２）。
【００３５】
そして、サンプリング周波数を所定量ΔＦｓ（例えば１Ｈｚ）だけ変化させ（Ｓ３）、そのときの特定信号の周波数変化量ΔＦｈを検出する（Ｓ４）。
【００３６】
そして、サンプリング周波数Ｆｓとその変化量ΔＦｓ、特定信号周波数Ｆｈとその変化量ΔＦｈとを次式（１）に代入することで、被測定信号の周波数Ｆｘを算出する（Ｓ５）。
【００３７】
Ｆｘ＝Ｆｈ−Ｆｓ・ΔＦｈ／ΔＦｓ ……（０＞ΔＦｈの場合）
Ｆｘ＝−Ｆｈ＋Ｆｓ・ΔＦｈ／ΔＦｓ ……（０＜ΔＦｈの場合）
……（１）
【００３８】
波形情報を取得して観測するシステムの場合には、この周波数検出処理を被測定信号について予め行い、それによって得られた周波数Ｆｘに対応したサンプリング周波数Ｆｓを設定すれば、被測定信号の波形情報の取得および観測を正確に行うことができる。
【００３９】
ここで、誤差について考察すると、∂Ｆｈ／∂Ｆｓの値は、上記定義から整数であるから、実際の測定で得られるΔＦｈ／ΔＦｓが整数とならない場合、その値の少数点以下を四捨五入して整数化することで、測定誤差をなくすことができる。
【００４０】
また、サンプリング周波数の値は、システム自体が与える値であるため、誤差は発生しない。
【００４１】
さらに、特定信号の周波数Ｆｈの測定誤差は、ＦＦＴ処理などのデジタル信号処理の分解能で決まり、容易に数Ｈｚ以下にすることができる。
【００４２】
これらのことから、被測定信号の周波数Ｆｘの測定誤差も、数Ｈｚ以下の精度が得られる。この誤差は、例えば繰り返し周波数１０ＧＨｚに対して１０−１０となり、極めて高精度に繰り返し周波数を検出することができる。
【００４３】
なお、上記説明は、被測定信号が単一周波数Ｆｘの正弦波と仮定したものであるが、実際の観測対象となる被測定信号には、通常複数の周波数成分が含まれている。
【００４４】
即ち、被測定信号がデータによりＮＲＺ形式で変調された信号である場合、その変調データの符号長に等しい周期（波形繰り返し周期）に対応した周波数を下限とし、多数の周波数成分Ｆｘ（ｉ）が存在する場合が考えられ、各周波数成分のレベルは変調データのパターンに依存する。
【００４５】
例えば、変調データが１０Ｇｂｐｓで（１０）の２ビットデータの場合、ビットレートの１／２の周波数成分５ＧＨｚとその高調波成分が存在するが、そのレベルは、ビットレートの１／２の周波数成分が最も高くなる。
【００４６】
また、変調データが１０Ｇｂｐｓで（１１１１１０００００）の１０ビットデータの場合には、ビットレートの１／１０の周波数成分１ＧＨｚとその高調波成分が存在するが、そのレベルは、ビットレートの１／１０の周波数成分１ＧＨｚが最も高くなる。
【００４７】
また、上記にように１の期間と０の期間が交互に且つ等しい長さで現れるデューティ比５０パーセントの単純なパターンではなく、（１１０００１１１００）のように１符号内に１の期間や０の期間が複数回現れるパターンの場合には、ビットレートの１／２の周波数成分や符号長に等しい周期に対応した周波数成分のレベルより、ビットレートの１／５の周波数成分２ＧＨｚのレベルの方が大きくなる。
【００４８】
このように信号波形の繰り返し周波数と一致しなくても、レベルが大きい周波数成分を特定信号としてその周波数を検出する方がＳ／Ｎの点で有利となり、この特定信号の周波数から繰り返し周波数を求めたほうが精度的に有利である。
【００４９】
これを自動的に行う場合には、特定信号周波数検出処理において、サンプリングされた信号のスペクトラムを解析し、各周波数成分のうち最もレベルの高い信号成分を選択してその周波数を検出することで実現できる。また、手動で行う場合には、観測対象の波形のデータからレベルが最も高くなると思われる周波数の概略値を設定し、特定信号周波数検出処理において、その設定値に対応した信号成分の周波数を検出すればよい。
【００５０】
図４は、上記の周波数検出方法を用いた波形観測システム２０の構成を示している。
この波形観測システム２０は、サンプリング装置２１とデジタルオシロスコープ６０によって構成されている。
【００５１】
サンプリング装置２１は、入力端子２１ａから入力される光信号Ｐを幅の狭い光パルスによってサンプリングしてその波形情報を取得するためのものであり、デジタルオシロスコープ６０は、このサンプリングによって得られた波形情報を記憶し、表示する。
【００５２】
このサンプリング装置２１は、観測対象の波形の繰り返し周期が正確に分かっているような場合に指定する手動設定モードと、観測対象の波形の繰り返し周期が不明あるいはその概略値しかわからない場合に指定する自動設定モードとを有し、図示しない操作部の操作等によってそのモードを指定できるようになっている。
【００５３】
パラメータ指定手段２２は、図示しない操作部の操作等によって、光信号Ｐの波形の繰り返し周期Ｔｘとサンプリングのオフセット遅延時間ΔＴに対応する情報を指定するためのものであり、前記手動設定モードのときには、正確な繰り返し周期Ｔｘを指定する。また、自動設定モードの場合には、その概略値Ｔｘ′を指定するか、なにも指定しない。
【００５４】
なお、この指定情報は、周期値だけでなく、それに対応した周波数値であってもよく、また、予め設定されている値から一つを指定する番号等の情報であってもよい。
【００５５】
また、信号の周期と周波数とは、その一方が決まれば他方が一義的に特定されるので、本明細書において「周期」およびその関係を「周波数」およびその関係に置き換えたものや、逆に「周波数」およびその関係を「周期」およびその関係に置き換えたものも本発明に含まれるものとする。
【００５６】
演算手段２３は、パラメータ指定手段２２によって指定された情報または後述する繰り返し周波数算出手段２８によって得られた情報に基づいて、被測定信号の繰り返し周期Ｔｘ（またはその概略値）の整数（Ｎ）倍に対してオフセット遅延時間ΔＴだけ差のあるサンプリング周期Ｔｓ（サンプリング周波数Ｆｓ）を算出する。
【００５７】
また、この演算手段２３は、算出したサンプリング周期で観測対象の波形の１周期分のデータをΔＴの分解能で得るのに必要な時間をトリガ周期Ｔｇ（周波数Ｆｇ）として算出する。
【００５８】
即ち、サンプリング周波数Ｆｓ（＝１／Ｔｓ）は、Ｔｓ＝Ｎ・Ｔｘ＋ΔＴの関係から、
Ｆｓ＝Ｆｘ／（Ｎ＋Ｆｘ・ΔＴ）
の演算によって求められる。
【００５９】
また、トリガ周波数Ｆｇは、前記したように、
Ｆｇ＝ｍｏｄ［Ｆｘ，Ｆｓ］＝Ｆｓ・Ｆｘ・ΔＴ
の演算によって得られる。
【００６０】
例えば、Ｆｘ＝１ＧＨｚ、ΔＴ＝０．１ｐｓ、サンプリング周波数Ｆｓの設定可能範囲を１０ＭＨｚ±１ｋＨｚとすると、
１０９／（Ｎ＋１０９・０．１×１０−１２）
が、９．９９９ＭＨｚから１０．００１ＭＨｚの範囲に入る整数Ｎを求め、そのＮについてＦｓ＝Ｆｘ／（Ｎ＋Ｆｘ・ΔＴ）を満たす周波数Ｆｓを求めればよく、上記数値例では、Ｎ＝１００、Ｆｓ＝９．９９９９９ＭＨｚが得られる。
【００６１】
また、
Ｆｘ／Ｆｓ＝Ｎ＋Ｆｘ・ΔＴ
であるから、ＦｘをＦｓで割った余りをＤとすれば、
Ｄ／Ｆｓ＝Ｆｘ・ΔＴ（＜１）
と表すことができる。よって、余りＤは、
Ｄ＝Ｆｓ・Ｆｘ・ΔＴ
となる。
【００６２】
したがって、上記数値例のトリガ周波数Ｆｇは、
Ｆｇ＝９．９９９９９×１０６・１×１０９・０．１×１０−１２
＝９．９９９９９×１０２（Ｈｚ）
となる。
【００６３】
信号発生手段２４は、演算手段２３で算出されたサンプリング周波数Ｆｓのクロック信号Ｃ、後述する光サンプリングパルス発生手段２５で幅の狭いパルス光を生成させるために必要な高い周波数の信号Ｕおよび周波数Ｆｇのトリガ用信号Ｇを生成して出力する。
【００６４】
この信号発生手段２４の構成は任意であるが、例えば安定で精度の高い基準信号（例えば１ＧＨｚ±１ＭＨｚ）を逓倍して信号Ｕを生成し、その信号Ｕを分周して上記クロック信号Ｃおよびトリガ用信号Ｇを発生するように構成されている。
【００６５】
光サンプリングパルス発生手段２５は、信号発生手段２４が出力するクロック信号Ｃと等しい周期の光サンプリングパルスＰｓを発生する。
【００６６】
この光サンプリングパルス発生手段２５が発生する光サンプリングパルスＰｓのパルス幅は、サンプリングの時間分解能の上限を決定するものであり、パルス幅が狭い程、高い時間分解能でサンプリングを行なうことができる。
【００６７】
この狭い光サンプリングパルスを得るために、光サンプリングパルス発生手段２５は、例えば図５に示しているように、光源２５ａから出射される連続光ＣＷを変調器２５ｂに入射して信号Ｕで変調して、図６の（ａ）のように比較的狭い幅のパルス光Ｐａを信号Ｕの周期Ｔｕで生成し、そのパルス光Ｐａを間引手段２５ｃに入力する。
【００６８】
間引手段２５ｃは、クロック信号Ｃの周期で短時間だけオンする光スイッチを有し、図６の（ｂ）のようにクロック信号Ｃの周期Ｔｓのパルス光Ｐｂを出力する。このパルス光Ｐｂは自動利得制御型のファイバアンプ２５ｄに入力され、適正な強度のパルス光Ｐｂ′に増幅されて分散減少ファイバ２５ｅに入射される。この適正な強度のパルス光Ｐｂ′を受けた分散減少ファイバ２５ｅからは、図６の（ｃ）のように幅が狭い（例えば０．１ｐｓ以下）の光サンプリングパルスＰｓが周期Ｔｓで出射される。
【００６９】
なお、この光サンプリングパルス発生手段２５から出射される光サンプリングパルスＰｓは、クロック信号Ｃに同期するように設定されている。
【００７０】
この光サンプリングパルスＰｓは、光サンプリング部２６に入射される。
光サンプリング部２６は、例えば、図７に示しているように、光ミキサ２６ａと光電変換器２６ｂとからなり、入力端子２１ａから入力される光信号Ｐと光サンプリングパルスＰｓとを光ミキサ２６ａに入力して、光信号Ｐを光サンプリングパルスＰｓでサンプリングし、そのサンプリングによって得られたパルス光Ｐｏを光電変換器２６ｂによって電気のパルス信号Ｅｏに変換して出力する。
【００７１】
特定信号周波数検出手段２７は、後述の繰り返し周波数算出手段２８とともに自動設定モードが指定されたときに動作し、光サンプリング部２８から出力されるパルス信号Ｅｏを受け、そのパルス信号Ｅｏに含まれる信号成分のうち、サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる特定信号の周波数Ｆｈを検出する。
【００７２】
この特定信号周波数検出手段２７は、例えば、図８に示すように、パルス信号ＥｏをＡ／Ｄ変換器２７ａに入力してそのピーク値をクロック信号Ｃに同期してサンプリングしデジタル値に変換し、そのデジタル値列に対して、デジタルフィルタ２７ｂにより、サンプリング周波数の１／２以下の帯域制限処理を行い、さらに演算処理部２７ｃにより、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）演算等の処理を行って、例えばレベルが最も高い信号成分を特定信号とし、その周波数Ｆｈを求める。
【００７３】
繰り返し周波数算出手段２８は、自動設定モードが指定された場合に、信号発生手段２４を制御し、入力信号に対するサンプリング周波数を微小変化させたときの特定信号の周波数の変化量を求め、その変化量に基づいて、入力信号の正確な繰り返し周波数Ｆｘを求め、これを演算手段２３に設定する。
【００７４】
なお、信号発生手段２４が生成したクロック信号Ｃはクロック出力端子２１ｂを介して外部に出力できるようになっており、同様に、パルス信号Ｅｏ、トリガ用信号Ｇもそれぞれサンプル信号出力端子２１ｃ、トリガ出力端子２１ｄを介して外部へ出力できるように構成されている。
【００７５】
このサンプリング装置２１の各出力端子２１ｂ〜２１ｄは、デジタルオシロスコープ６０の外部クロック入力端子６０ａ、第１チャネル入力端子６０ｂ、第２チャネル入力端子６０ｃにそれぞれ接続されている。
【００７６】
デジタルオシロスコープ６０は、各チャネル入力端子６０ｂ、６０ｃから入力される信号に対するＡ／Ｄ変換処理を外部クロック入力端子６０ａに入力されるクロック信号に同期して行う外部クロック同期機能と、任意に指定したチャネル入力端子またはトリガ入力端子の入力信号の電圧が任意に設定したしきい値を所定方向に越えたタイミングから一定時間（後述する時間軸の表示幅および表示ポイント数等に依存する）が経過する間にＡ／Ｄ変換処理によって得られたデータを波形データとしてチャネル毎に記憶する外部トリガ機能と、その記憶した波形データを時間軸上に表示する波形表示機能とを有しており、この波形表示のモードとして、前記したパーシステンス表示モード、平均化表示モードのいずれかを任意に選択できるように構成されている。
【００７７】
次に上記波形観測システム２０の動作を説明する。
始めに、例えば図９の（ａ）に示すようにデューティ比５０パーセントのほぼ矩形波の光信号Ｐを入力端子２１ａに入力し、その波形の概略の繰り返し周期Ｔｘ′（周波数Ｆｘ′）およびサンプリングのオフセット遅延時間ΔＴに対応した情報をパラメータ指定手段２２によって指定するとともに、図示しない操作部により自動設定モードを指定する。
【００７８】
演算手段２３は、指定された概略の繰り返し周波数Ｆｘ′とオフセット遅延時間ΔＴに基づいて、仮のサンプリング周波数Ｆｓ′、トリガ周波数Ｆｇ′をそれぞれ算出し、信号発生手段２４に設定する。なお、繰り返し周波数Ｔｘ′の指定がない状態で、自動設定モードが指定された場合、演算手段２３は、規定値、例えば１０ＭＨｚを繰り返し周波数Ｆｘ′として演算を行う。
【００７９】
このため、信号発生手段２４からは、仮のサンプリング周波数Ｆｓ′のクロック信号Ｃが出力され、光信号Ｐに対してサンプリング周波数Ｆｓ′によるサンプリングが行われ、そのサンプリングで得られたパルス信号Ｅｏが特定信号周波数検出手段２７に入力される。
【００８０】
特定信号周波数検出手段２７は、そのパルス信号Ｅｏに含まれる周波数成分のうち、サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる最もレベルが高い周波数成分を特定信号とし、その周波数Ｆｈ′を検出する。
【００８１】
この光信号の波形の場合、サンプリングに用いられる光サンプリングパルスＰｓのスペクトラムは、図１０のように周波数Ｆｓ′間隔で現れ、光信号Ｓの波形のスペクトラムは周波数Ｆｘの間隔で現れ、しかも、高次のもの程レベルが小さくなる。
したがって、特定信号周波数検出手段２７は、最低次の周波数Ｆｘと、その周波数Ｆｘに最も近いサンプリング周波数成分ｎ・Ｆｓ′との差周波数Ｆｈ′を特定信号の周波数として求め、繰り返し周波数算出手段２８に出力する。
【００８２】
このようにして仮のサンプリング周波数Ｆｓ′についての特定信号の周波数Ｆｈ′が得られると、繰り返し周波数算出手段２８は、この周波数Ｆｈ′を記憶するとともに、信号発生手段２４に対して、サンプリング周波数を所定量（例えば１Ｈｚ）変化させるように指示する。
【００８３】
この指示を受けた信号発生手段２４により、入力信号に対する仮のサンプリング周波数が所定量ΔＦｓだけ変化し、この変化に伴って、特定信号周波数検出手段２７によって検出される特定信号の周波数がΔＦｈだけ変化することになり、この変化量から光信号の波形の繰り返し周波数Ｆｘが次式により算出され、演算手段２３に設定される。
【００８４】
Ｆｘ＝Ｆｈ′−Ｆｓ′・ΔＦｈ／ΔＦｓ′
【００８５】
演算手段２３は、この繰り返し周波数算出手段２８によって算出された正確な繰り返し周波数Ｆｘに基づいて入力信号に正確に対応した正規のサンプリング周波数Ｆｓおよびトリガ周波数Ｆｇを計算し、信号発生手段２４に設定する。
【００８６】
これによって、光信号Ｐの波形の繰り返し周期Ｔｘに対し、Ｎ・Ｔｘ＋ΔＴに等しい周期を有するクロック信号Ｃと光サンプリングパルスＰｓが図９の（ｂ）、（ｃ）のように生成され、光信号Ｐがサンプリングされ、そのサンプリングで得られたパルス信号Ｅｏが、図９の（ｄ）のように光サンプリング部２８からサンプル信号出力端子２１ｃを介してデジタルオシロスコープ６０の第１チャネル入力端子６０ｂに入力される。
【００８７】
また、信号発生手段２４からは、図１１の（ｂ）のようにパルス信号Ｅｏのピークを結ぶ包絡線の波形の周期と等しい周期のトリガ用信号Ｇが生成され、トリガ出力端子２１ｄを介してオシロスコープ６０の第２チャネル入力端子６０ｃに入力される。なお、図１１の（ａ）は図９の（ｄ）の波形の時間軸を縮めて示したものである。
【００８８】
デジタルオシロスコープ６０は、パルス信号Ｅｏに対するＡ／Ｄ変換処理をクロック信号Ｃに同期して行い、パルス信号Ｅｏのピーク点を結ぶ包絡線のデータを光信号波形データとして順次出力し、トリガ用信号Ｇがトリガレベルを所定方向に超えるタイミングから、その波形データの取得を開始する。
【００８９】
このため、デジタルオシロスコープ６０の画面上に、例えば図１２のように、光信号Ｐの波形がオフセット遅延時間ΔＴ間隔のポイントで残像表示される。
【００９０】
オシロスコープ６０は、トリガ用信号Ｇがトリガレベルを所定方向に超えるタイミング毎に波形データの取得を開始して、波形を更新表示するが、前記したように、サンプリング装置２０のサンプリング周波数やトリガ周波数は、入力される光信号Ｐの波形の繰り返し周波数に対して正確に対応しているので、常に表示される波形の位置がずれることはなく、安定な波形観測を行うことができる。
【００９１】
また、上記説明では、観測対象の波形がデューティ比５０パーセントの矩形波で、最低次の特定信号のレベルが最大となる場合について説明したが、例えばビットレート１０Ｇｂｐｓで、ＮＲＺデータ（１１０００１１１００）の１０ビットの波形が繰り返される場合、その繰り返し周波数Ｆｘは、１０／１０＝１ＧＨｚとなるが、波形に含まれる各周波数成分のレベルを考慮すると、１ＧＨｚの成分よりも、その２倍の１０／２＝２ＧＨｚの成分の方が大きい。
【００９２】
これはパルス信号Ｅｏに含まれる信号についても言えることであり、前記したように波形１周期分相当の繰り返し周波数Ｆｘについて最低次の特定信号の周波数成分は、そのレベルが低く周波数算出を正確に行えない場合があるが、このような場合でも、特定信号周波数検出手段２７は、サンプリング周波数の１／２以下の帯域内の信号成分のうち、最もレベルの高い信号成分を特定信号として選択し、その周波数を検出しているので精度の低下は起こらない。
【００９３】
また、上記波形観測システム２０は、サンプリング装置２１とデジタルオシロスコープ６０とで構成されていたが、サンプリング装置２１とデジタルオシロスコープ６０の機能とを共通の筐体内に収容して一体化した波形観測システムを構成することも可能である。
【００９４】
図１３は、その波形観測システム４０の構成例を示すものであり、前記したサンプリング装置２１の各構成要素の他に、Ａ／Ｄ変換器４３、データ取得制御手段４４、波形データメモリ４５、表示制御手段４６、表示器４７および観測モード指定手段４８を備えている。
【００９５】
Ａ／Ｄ変換器４３は、光サンプリング部２６から出力されるパルス信号Ｅｏに対するＡ／Ｄ変換処理を、クロック信号Ｃ（またはクロック信号Ｃに同期したより高速のクロック信号でもよい）を受ける毎に行い、そのＡ／Ｄ変換処理によって得られたパルス信号Ｅｏのピーク値のデータＤｐをデータ取得制御手段４４に出力する。
【００９６】
データ取得制御手段４４は、トリガ用信号Ｇの立ち上がり（または立ち下がり）タイミングから、波形データメモリ４５に対するデータＤｐの書き込みをクロック信号Ｃに同期して開始し、所定数のデータの書き込みが終了すると、次にトリガ用信号Ｇの立ち上がるまで待機するという動作を繰り返す。なお、波形データメモリ４５に書き込むデータの数は、後述する表示器４７に表示される時間軸の表示ポイント数に対応する。
【００９７】
表示制御手段４６は、表示器４７とともに波形表示手段を形成するものであり、時間軸と電圧軸とからなる座標画面を表示器４７に表示させ、波形データメモリ４５に記憶された一連のデータＤｐを読み出して、座標画面上にプロット表示して、その読み出した一連のデータＤｐに対応する波形を表示する。
【００９８】
なお、この表示制御手段４６は、観測モード指定手段４８によって指定された観測モードに応じて、波形データメモリ４５に記憶されたデータＤｐに対する加工処理および表示処理を行う。
【００９９】
即ち、パーシステンスモードが指定された場合、波形データメモリ４５に記憶された一連のデータＤｐを残像を残すことで波形表示し、平均化モードが指定された場合、波形データメモリ４５に記憶された一連のデータＤｐを所定組求めて、その平均化処理を行い、その平均化処理で得られた一連のデータを重ねて波形として表示する。
【０１００】
このように構成された波形観測システム４０の動作は、前記波形観測システム２０同様であり、光信号の繰り返し周波数を正確に求め、その繰り返し周波数に対応したサンプリング周波数とトリガ周波数が設定されるので、繰り返し周波数が未知あるいは概略値しかわからない波形であっても、安定に表示させることができる。
【０１０１】
なお、被測定信号の波形の情報を単発的に取得して表示する場合には、上記のように周期的なトリガ用信号Ｇを生成する必要がなく、例えば手動のトリガ操作に応じて１回だけ立ち上がるトリガ用信号Ｇを出力すればよい。そして、サンプリング周波数を変えて被測定信号をサンプリングすることで、前記同様に光信号の繰り返し周波数を求めることができ、その正確な繰り返し周波数に正しく対応したサンプリング周波数を設定して、上記トリガ操作を行うことで、被測定信号の波形を正確に表示させることができる。
【０１０２】
また、上記した波形観測システム４０のように表示機能を有している場合、入力信号のスペクトラムを表示することも可能である。
この場合、特定信号周波数検出手段２７が、サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる複数の特定信号の周波数とレベルをそれぞれ検出して、繰り返し周波数算出手段２８に出力する。
【０１０３】
また、繰り返し周波数算出手段２８が、特定信号周波数検出手段２７によって検出された複数の特定信号についての各周波数変化量に基づいて、入力信号に含まれる複数の周波数成分のスペクトラムを求め、これを図１３の点線で示すように波形表示制御手段４６に出力する。
【０１０４】
波形表示制御手段４６は、自動設定モードが指定されているときに繰り返し周波数算出手段２８によって得られたスペクトラムを表示器４７の周波数軸上に表示する。
【０１０５】
また、前記した各波形観測システム２０、４０は、光信号を光パルスでサンプリングするＯ／Ｏサンプリング方式であったが、電気信号を光パルスでサンプリングするＥ／Ｏサンプリング方式についても本発明を同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の周波数検出方法の原理を説明するための図
【図２】本発明の周波数検出方法の原理を説明するための図
【図３】本発明の周波数検出方法の手順を示すフローチャート図
【図４】本発明の実施形態の構成を示す図
【図５】実施形態の要部の構成例を示す図
【図６】実施形態の要部の動作を説明するための図
【図７】実施形態の要部の構成例を示す図
【図８】実施形態の要部の構成例を示す図
【図９】実施形態の動作を説明するための図
【図１０】実施形態の動作を説明するための図
【図１１】実施形態の動作を説明するための図
【図１２】観測波形の一例を示す図
【図１３】本発明の他の実施形態の構成を示す図
【図１４】従来装置の構成を示す図
【図１５】従来装置の動作を説明するための図
【符号の説明】
【０１０７】
２０、４０……波形観測システム、２１……サンプリング装置、２２……パラメータ指定手段、２３……演算手段、２４……信号発生手段、２５……光サンプリングパルス発生手段、２６……光サンプリング部、２７……特定信号周波数検出手段、２８……繰り返し周波数算出手段、４３……Ａ／Ｄ変換器、４４……データ取得制御手段、４５……波形データメモリ、４６……表示制御手段、４７……表示器、４８……観測モード指定手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号に対するサンプリングを行ってその波形情報を取得し、観測するためのシステムにおいて、信号の周波数を正確に検出し、安定な波形情報の取得と観測ができるようにするための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、高速な繰り返し信号で変調された光信号の波形のデータを取得して観測するために、図１４に示す波形観測装置１０が用いられている。
【０００３】
この波形観測装置１０は、入力される光信号Ｐの波形の繰り返し周期ＴｘのＮ倍（Ｎは１以上の任意の整数で例えば１００、１０００等）より所定値（オフセット遅延時間）ΔＴだけ長い繰り返し周期Ｔｓ（＝Ｎ・Ｔｘ＋ΔＴ）をもち、パルス幅が狭い光サンプリングパルスＰｓを光サンプリングパルス発生手段１１によって生成する。
【０００４】
そして、その生成された光サンプリングパルスＰｓを光サンプリング部１２に入力し、光信号Ｐを光サンプリングパルスＰｓでサンプリングし、そのサンプリングによって得られたパルス光を光電変換して電気のパルス信号Ｅｏに変換し、このパルス信号Ｅｏの振幅強度をＡ／Ｄ変換器１３によってデジタルのデータに変換して波形データメモリ１４に記憶し、この波形データメモリ１４に記憶された一連の波形データを表示制御手段１５が読み出して表示器１６に波形表示する。
【０００５】
このようなサンプリング方式の波形観測装置１０では、図１５の（ａ）に示すように、光信号Ｐの繰り返し波形がＮ回連続して入力される毎に、光サンプリングパルスＰｓによるサンプリングタイミングが図１５の（ｂ）のように、ΔＴ時間ずつシフトしていくため、周期Ｔｘに比べて格段に低速なサンプリングで、光信号Ｐの波形を高分解能でサンプリングすることができ、これを表示器１６の画面上で観測することができる。
【０００６】
このようなサンプリング方式の波形観測装置は、例えば次の特許文献１に開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−０７１７２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記のような波形観測装置１０に要求される観測モードには、パーシステンスモード、平均化モード等がある。
【０００９】
パーシステンスモードは、光信号Ｐをサンプリングしてその取得データを表示器の画面上にある一定時間表示し、その残像によって測定波形を表示するという動作を繰り返すモードであり、光信号の波形の変化をほぼリアルタイムに観測することができる。
【００１０】
また、平均化モードは、複数のデータ取得期間分の波形データの平均化処理を行い、その平均化された波形を表示するモードであり、ノイズ成分を除去した波形観測が可能となる。
【００１１】
上記のように光信号の波形を残像によって表示していく観測モードの場合、サンプリングが光信号Ｐの繰り返し波形の同一位相位置から開始されないと、表示される波形が時間軸方向に毎回ずれたり、平均化モードでは平均化処理が正しく行なえず波形を正しく再現できなくなり、また、波形の位相や振幅の変動の大きさを正しく把握できなくなる。
【００１２】
このため、入力する信号の波形の繰り返し周期、あるいはその信号自体の周波数（ビットレート）が既知である必要がある。
【００１３】
しかし、場合によっては、観測対象の波形の繰り返し周期や周波数の概略値は分かっていても、その正確な値が不明な状況があり、このような状況では、観測対象の波形に対して正しいサンプリング周期の設定が行えず、所望の波形を観測できない。
【００１４】
また、この種の波形観測装置において、狭い幅の光サンプリングパルスを生成したり、光同士のミキシングを行なう光ミキサ等が必要であり、表示部を含めると装置全体が複雑化し高価になるという別の問題がある。
【００１５】
本発明は、これらの問題を解決して、サンプリング結果から信号の周波数を正確に検出できる周波数検出方法およびこれを用いて安定な波形情報の取得と観測ができ、さらに、システム全体を簡易に構成することができるサンプリング装置および波形観測システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１の周波数検出方法は、
被測定信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングして得られた信号のうち、該サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる特定信号の周波数を求める段階（Ｓ１、Ｓ２）と、
前記被測定信号に対するサンプリング周波数を前記所定のサンプリング周波数から所定量変化させたときの前記特定信号の周波数変化量を求める段階（Ｓ３、Ｓ４）と、
前記所定のサンプリング周波数と、該所定のサンプリング周波数に対する前記特定信号の周波数、前記サンプリング周波数の変化量および前記特定信号の周波数変化量に基づいて、前記被測定信号の波形の繰り返し周波数を算出する段階（Ｓ５）とを含んでいる。
【００１７】
また、本発明の請求項２のサンプリング装置は、
サンプリングの対象となる信号を入力するための入力端子（２１ａ）と、
指定されたサンプリング周波数のクロック信号を生成出力する信号発生手段（２４）と、
前記クロック信号に同期したサンプリングパルスを発生するサンプリングパルス発生手段（２５）と、
前記入力端子に入力された入力信号を前記サンプリングパルスによってサンプリングするサンプリング部（２６）と、
前記サンプリング部の出力信号を受け、前記サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる特定信号の周波数（Ｆｈ）を検出する特定信号周波数検出手段（２７）と、
前記信号発生手段に対し、仮のサンプリング周波数（Ｆｓ′）を指定するとともに、該仮のサンプリング周波数を所定量変化させて、該サンプリング周波数の変化量に対する前記特定信号の周波数変化量を求め、前記仮のサンプリング周波数と、該仮のサンプリング周波数に対する前記特定信号の周波数、前記サンプリング周波数の変化量および前記特定信号の周波数変化量に基づいて、前記入力信号の波形の繰り返し周波数（Ｆｘ）を算出する繰り返し周波数算出手段（２８）と、
前記繰り返し周波数算出手段によって算出された繰り返し周波数に対応する繰り返し周期（Ｔｘ）の整数倍に対して所定のオフセット遅延時間（ΔＴ）だけ差のある周期（Ｔｓ）に対応する周波数（Ｆｓ）を前記入力信号に対する正規のサンプリング周波数として算出し、該正規のサンプリング周波数を前記信号発生手段に指定する演算手段（２３）と、
前記クロック信号を外部へ出力するためのクロック出力端子（２１ｂ）と、
前記サンプリング部から出力された信号を外部へ出力するためのサンプル信号出力端子（２１ｃ）とを備えている。
【００１８】
また、本発明の請求項３の波形観測システムは、
サンプリングの対象となる信号を入力するための入力端子（２１ａ）と、
指定されたサンプリング周波数のクロック信号を生成出力する信号発生手段（２４）と、
前記クロック信号に同期したサンプリングパルスを発生するサンプリングパルス発生手段（２５）と、
前記入力端子に入力された入力信号を前記サンプリングパルスによってサンプリングするサンプリング部（２６）と、
前記サンプリング部の出力信号を受け、前記サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる特定信号の周波数（Ｆｈ）を検出する特定信号周波数検出手段（２７）と、
前記信号発生手段に対し、仮のサンプリング周波数（Ｆｓ′）を指定するとともに、該仮のサンプリング周波数を所定量変化させて、該サンプリング周波数の変化量に対する前記特定信号の周波数変化量を求め、前記仮のサンプリング周波数と、該仮のサンプリング周波数に対する前記特定信号の周波数、前記サンプリング周波数の変化量および前記特定信号の周波数変化量に基づいて、前記入力信号の波形の繰り返し周波数（Ｆｘ）を算出する繰り返し周波数算出手段（２８）と、
前記繰り返し周波数算出手段によって算出された繰り返し周波数に対応する繰り返し周期（Ｔｘ）の整数倍に対して所定のオフセット遅延時間（ΔＴ）だけ差のある周期（Ｔｓ）に対応する周波数（Ｆｓ）を前記入力信号に対する正規のサンプリング周波数として算出し、該正規のサンプリング周波数を前記信号発生手段に指定する演算手段（２３）と、
前記サンプリング部から出力される信号をデジタルのデータに変換して出力するＡ／Ｄ変換器（４３）と、
波形データを記憶するための波形データメモリ（４５）と、
前記Ａ／Ｄ変換器が出力するデータを前記クロック信号に同期して前記波形データメモリに書き込むデータ取得制御手段（４４）と、
前記波形データメモリに記憶された一連の波形データを読み出して前記オフセット遅延時間間隔の時間軸上に波形表示する波形表示手段（４６、４７）とを備えている。
【００１９】
また、本発明の請求項４の波形観測システムは、請求項３の波形観測システムにおいて、
前記特定信号周波数検出手段は、前記サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる複数の特定信号の周波数をそれぞれ検出し、
前記繰り返し周波数算出手段は、前記特定信号周波数検出手段によって検出された複数の特定信号についての周波数変化量に基づいて、前記入力信号に含まれる複数の周波数成分のスペクトラムを求めるように構成され、
さらに、前記波形表示手段は、前記繰り返し周波数算出手段によって得られたスペクトラムを周波数軸上に表示できるように構成されている。
【発明の効果】
【００２０】
このように、本発明の周波数検出方法は、サンプリング周波数を変化させたときの特定信号の周波数変化量から入力信号の繰り返し周波数を求めているので、入力信号の波形繰り返し周波数を高精度に検出でき、サンプリング装置あるいは波形観測システムにおいては、そのサンプリング構造を利用するだけで、周波数未知の信号に対するサンプリング周波数の設定を正確に行うことができる。
【００２１】
また、本発明のサンプリング装置および波形観測システムは、上記周波数検出方法を用いて入力信号の繰り返し周波数を正確に求めて、サンプリング周波数を設定しているので、サンプリング対象の波形の繰り返し周期と装置が高い精度で同期し、波形情報の安定な取得と観測が可能となる。
【００２２】
また、本発明のサンプリング装置では、サンプリング部から出力されたパルス信号、クロック信号およびトリガ用信号を、出力端子を介して外部へ出力できるようにしているので、手持ちのデジタルオシロスコープを併用することで、波形観測システムを安価に構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
始めに、本発明の周波数検出方法の原理について説明する。
【００２４】
被測定信号を単一周波数Ｆｘの正弦波と仮定し、これを仮のサンプリング周波数Ｆｓでサンプリングして得られる信号Ｓｘの周波数成分について考察する。
【００２５】
サンプリングパルスが幅無限小の理想パルスであれば、その周波数成分は、図１に示すように、周波数ｎ・Ｆｓの各スペクトラムを有する（ｎ＝０，１，２，…）。
【００２６】
したがって、このサンプリングパルスでサンプリングして得られた信号Ｓｘには、被測定信号の周波数Ｆｘと各周波数ｉ・Ｆｓとの差および和の成分が含まれる。
【００２７】
この中で最も周波数が低い成分は、図２の（ａ）、（ｂ）に示すように、周波数Ｆｘに最も近い周波数ｎ・Ｆｓのスペクトラム成分との差周波数あるいは周波数（ｎ＋１）・Ｆｓのスペクトラム成分との差周波数であり、その差周波数Ｆｈは、次のように表すことができる。
【００２８】
Ｆｈ＝ｍｏｄ［Ｆｘ，Ｆｓ］ ……（ｍｏｄ［Ｆｘ，Ｆｓ］≦Ｆｓ／２の場合）
Ｆｈ＝（Ｆｓ／２）−ｍｏｄ［Ｆｘ，Ｆｓ］
……（ｍｏｄ［Ｆｘ，Ｆｓ］＞Ｆｓ／２の場合）
ただし、記号ｍｏｄ［Ａ，Ｂ］は、ＡをＢで割ったときの余りを表す。
【００２９】
この差周波数Ｆｈは最大でＦｓ／２なので、帯域上限Ｆｓ／２の低域通過フィルタを用いることで簡単に抽出することができる。
【００３０】
ここで、サンプリング周波数Ｆｓの微小な変化∂Ｆｓに伴う差周波数Ｆｈの変化∂Ｆｈは、差周波数Ｆｈを周波数Ｆｓについて微分した次の式で与えられる。
【００３１】
∂Ｆｈ／∂Ｆｓ＝−ｑｕｏｔｉｅｎｔ［Ｆｘ，Ｆｓ］
……（０＜ｍｏｄ［Ｆｘ，Ｆｓ］＜Ｆｓ／２の場合）
∂Ｆｈ／∂Ｆｓ＝１＋ｑｕｏｔｉｅｎｔ［Ｆｘ，Ｆｓ］
……（ｍｏｄ［Ｆｘ，Ｆｓ］＞Ｆｓ／２の場合）
ただし、記号ｑｕｏｔｉｅｎｔ［Ａ，Ｂ］は、ＡをＢで割ったときの整数商を表す。
【００３２】
上記結果、および、次の商と余りの関係、
ｍｏｄ［Ｆｘ，Ｆｓ］＝Ｆｘ−Ｆｓ・ｑｕｏｔｉｅｎｔ［Ｆｘ，Ｆｓ］
から、被測定信号の周波数Ｆｘは、次の演算で求めることができる。
【００３３】
Ｆｘ＝Ｆｈ−Ｆｓ・∂Ｆｈ／∂Ｆｓ ……（０＞∂Ｆｈの場合）
Ｆｘ＝−Ｆｈ＋Ｆｓ・∂Ｆｈ／∂Ｆｓ ……（０＜∂Ｆｈの場合）
【００３４】
図３はその周波数検出の手順の一例を示すフローチャートである。
即ち、仮のサンプリング周波数Ｆｓで被測定信号をサンプリングし（Ｓ１）、そのサンプリングによって得られた信号のうち、サンプリング周波数Ｆｓの１／２以下の帯域に現れる特定信号の周波数Ｆｈを検出する（Ｓ２）。
【００３５】
そして、サンプリング周波数を所定量ΔＦｓ（例えば１Ｈｚ）だけ変化させ（Ｓ３）、そのときの特定信号の周波数変化量ΔＦｈを検出する（Ｓ４）。
【００３６】
そして、サンプリング周波数Ｆｓとその変化量ΔＦｓ、特定信号周波数Ｆｈとその変化量ΔＦｈとを次式（１）に代入することで、被測定信号の周波数Ｆｘを算出する（Ｓ５）。
【００３７】
Ｆｘ＝Ｆｈ−Ｆｓ・ΔＦｈ／ΔＦｓ ……（０＞ΔＦｈの場合）
Ｆｘ＝−Ｆｈ＋Ｆｓ・ΔＦｈ／ΔＦｓ ……（０＜ΔＦｈの場合）
……（１）
【００３８】
波形情報を取得して観測するシステムの場合には、この周波数検出処理を被測定信号について予め行い、それによって得られた周波数Ｆｘに対応したサンプリング周波数Ｆｓを設定すれば、被測定信号の波形情報の取得および観測を正確に行うことができる。
【００３９】
ここで、誤差について考察すると、∂Ｆｈ／∂Ｆｓの値は、上記定義から整数であるから、実際の測定で得られるΔＦｈ／ΔＦｓが整数とならない場合、その値の少数点以下を四捨五入して整数化することで、測定誤差をなくすことができる。
【００４０】
また、サンプリング周波数の値は、システム自体が与える値であるため、誤差は発生しない。
【００４１】
さらに、特定信号の周波数Ｆｈの測定誤差は、ＦＦＴ処理などのデジタル信号処理の分解能で決まり、容易に数Ｈｚ以下にすることができる。
【００４２】
これらのことから、被測定信号の周波数Ｆｘの測定誤差も、数Ｈｚ以下の精度が得られる。この誤差は、例えば繰り返し周波数１０ＧＨｚに対して１０−１０となり、極めて高精度に繰り返し周波数を検出することができる。
【００４３】
なお、上記説明は、被測定信号が単一周波数Ｆｘの正弦波と仮定したものであるが、実際の観測対象となる被測定信号には、通常複数の周波数成分が含まれている。
【００４４】
即ち、被測定信号がデータによりＮＲＺ形式で変調された信号である場合、その変調データの符号長に等しい周期（波形繰り返し周期）に対応した周波数を下限とし、多数の周波数成分Ｆｘ（ｉ）が存在する場合が考えられ、各周波数成分のレベルは変調データのパターンに依存する。
【００４５】
例えば、変調データが１０Ｇｂｐｓで（１０）の２ビットデータの場合、ビットレートの１／２の周波数成分５ＧＨｚとその高調波成分が存在するが、そのレベルは、ビットレートの１／２の周波数成分が最も高くなる。
【００４６】
また、変調データが１０Ｇｂｐｓで（１１１１１０００００）の１０ビットデータの場合には、ビットレートの１／１０の周波数成分１ＧＨｚとその高調波成分が存在するが、そのレベルは、ビットレートの１／１０の周波数成分１ＧＨｚが最も高くなる。
【００４７】
また、上記にように１の期間と０の期間が交互に且つ等しい長さで現れるデューティ比５０パーセントの単純なパターンではなく、（１１０００１１１００）のように１符号内に１の期間や０の期間が複数回現れるパターンの場合には、ビットレートの１／２の周波数成分や符号長に等しい周期に対応した周波数成分のレベルより、ビットレートの１／５の周波数成分２ＧＨｚのレベルの方が大きくなる。
【００４８】
このように信号波形の繰り返し周波数と一致しなくても、レベルが大きい周波数成分を特定信号としてその周波数を検出する方がＳ／Ｎの点で有利となり、この特定信号の周波数から繰り返し周波数を求めたほうが精度的に有利である。
【００４９】
これを自動的に行う場合には、特定信号周波数検出処理において、サンプリングされた信号のスペクトラムを解析し、各周波数成分のうち最もレベルの高い信号成分を選択してその周波数を検出することで実現できる。また、手動で行う場合には、観測対象の波形のデータからレベルが最も高くなると思われる周波数の概略値を設定し、特定信号周波数検出処理において、その設定値に対応した信号成分の周波数を検出すればよい。
【００５０】
図４は、上記の周波数検出方法を用いた波形観測システム２０の構成を示している。
この波形観測システム２０は、サンプリング装置２１とデジタルオシロスコープ６０によって構成されている。
【００５１】
サンプリング装置２１は、入力端子２１ａから入力される光信号Ｐを幅の狭い光パルスによってサンプリングしてその波形情報を取得するためのものであり、デジタルオシロスコープ６０は、このサンプリングによって得られた波形情報を記憶し、表示する。
【００５２】
このサンプリング装置２１は、観測対象の波形の繰り返し周期が正確に分かっているような場合に指定する手動設定モードと、観測対象の波形の繰り返し周期が不明あるいはその概略値しかわからない場合に指定する自動設定モードとを有し、図示しない操作部の操作等によってそのモードを指定できるようになっている。
【００５３】
パラメータ指定手段２２は、図示しない操作部の操作等によって、光信号Ｐの波形の繰り返し周期Ｔｘとサンプリングのオフセット遅延時間ΔＴに対応する情報を指定するためのものであり、前記手動設定モードのときには、正確な繰り返し周期Ｔｘを指定する。また、自動設定モードの場合には、その概略値Ｔｘ′を指定するか、なにも指定しない。
【００５４】
なお、この指定情報は、周期値だけでなく、それに対応した周波数値であってもよく、また、予め設定されている値から一つを指定する番号等の情報であってもよい。
【００５５】
また、信号の周期と周波数とは、その一方が決まれば他方が一義的に特定されるので、本明細書において「周期」およびその関係を「周波数」およびその関係に置き換えたものや、逆に「周波数」およびその関係を「周期」およびその関係に置き換えたものも本発明に含まれるものとする。
【００５６】
演算手段２３は、パラメータ指定手段２２によって指定された情報または後述する繰り返し周波数算出手段２８によって得られた情報に基づいて、被測定信号の繰り返し周期Ｔｘ（またはその概略値）の整数（Ｎ）倍に対してオフセット遅延時間ΔＴだけ差のあるサンプリング周期Ｔｓ（サンプリング周波数Ｆｓ）を算出する。
【００５７】
また、この演算手段２３は、算出したサンプリング周期で観測対象の波形の１周期分のデータをΔＴの分解能で得るのに必要な時間をトリガ周期Ｔｇ（周波数Ｆｇ）として算出する。
【００５８】
即ち、サンプリング周波数Ｆｓ（＝１／Ｔｓ）は、Ｔｓ＝Ｎ・Ｔｘ＋ΔＴの関係から、
Ｆｓ＝Ｆｘ／（Ｎ＋Ｆｘ・ΔＴ）
の演算によって求められる。
【００５９】
また、トリガ周波数Ｆｇは、前記したように、
Ｆｇ＝ｍｏｄ［Ｆｘ，Ｆｓ］＝Ｆｓ・Ｆｘ・ΔＴ
の演算によって得られる。
【００６０】
例えば、Ｆｘ＝１ＧＨｚ、ΔＴ＝０．１ｐｓ、サンプリング周波数Ｆｓの設定可能範囲を１０ＭＨｚ±１ｋＨｚとすると、
１０９／（Ｎ＋１０９・０．１×１０−１２）
が、９．９９９ＭＨｚから１０．００１ＭＨｚの範囲に入る整数Ｎを求め、そのＮについてＦｓ＝Ｆｘ／（Ｎ＋Ｆｘ・ΔＴ）を満たす周波数Ｆｓを求めればよく、上記数値例では、Ｎ＝１００、Ｆｓ＝９．９９９９９ＭＨｚが得られる。
【００６１】
また、
Ｆｘ／Ｆｓ＝Ｎ＋Ｆｘ・ΔＴ
であるから、ＦｘをＦｓで割った余りをＤとすれば、
Ｄ／Ｆｓ＝Ｆｘ・ΔＴ（＜１）
と表すことができる。よって、余りＤは、
Ｄ＝Ｆｓ・Ｆｘ・ΔＴ
となる。
【００６２】
したがって、上記数値例のトリガ周波数Ｆｇは、
Ｆｇ＝９．９９９９９×１０６・１×１０９・０．１×１０−１２
＝９．９９９９９×１０２（Ｈｚ）
となる。
【００６３】
信号発生手段２４は、演算手段２３で算出されたサンプリング周波数Ｆｓのクロック信号Ｃ、後述する光サンプリングパルス発生手段２５で幅の狭いパルス光を生成させるために必要な高い周波数の信号Ｕおよび周波数Ｆｇのトリガ用信号Ｇを生成して出力する。
【００６４】
この信号発生手段２４の構成は任意であるが、例えば安定で精度の高い基準信号（例えば１ＧＨｚ±１ＭＨｚ）を逓倍して信号Ｕを生成し、その信号Ｕを分周して上記クロック信号Ｃおよびトリガ用信号Ｇを発生するように構成されている。
【００６５】
光サンプリングパルス発生手段２５は、信号発生手段２４が出力するクロック信号Ｃと等しい周期の光サンプリングパルスＰｓを発生する。
【００６６】
この光サンプリングパルス発生手段２５が発生する光サンプリングパルスＰｓのパルス幅は、サンプリングの時間分解能の上限を決定するものであり、パルス幅が狭い程、高い時間分解能でサンプリングを行なうことができる。
【００６７】
この狭い光サンプリングパルスを得るために、光サンプリングパルス発生手段２５は、例えば図５に示しているように、光源２５ａから出射される連続光ＣＷを変調器２５ｂに入射して信号Ｕで変調して、図６の（ａ）のように比較的狭い幅のパルス光Ｐａを信号Ｕの周期Ｔｕで生成し、そのパルス光Ｐａを間引手段２５ｃに入力する。
【００６８】
間引手段２５ｃは、クロック信号Ｃの周期で短時間だけオンする光スイッチを有し、図６の（ｂ）のようにクロック信号Ｃの周期Ｔｓのパルス光Ｐｂを出力する。このパルス光Ｐｂは自動利得制御型のファイバアンプ２５ｄに入力され、適正な強度のパルス光Ｐｂ′に増幅されて分散減少ファイバ２５ｅに入射される。この適正な強度のパルス光Ｐｂ′を受けた分散減少ファイバ２５ｅからは、図６の（ｃ）のように幅が狭い（例えば０．１ｐｓ以下）の光サンプリングパルスＰｓが周期Ｔｓで出射される。
【００６９】
なお、この光サンプリングパルス発生手段２５から出射される光サンプリングパルスＰｓは、クロック信号Ｃに同期するように設定されている。
【００７０】
この光サンプリングパルスＰｓは、光サンプリング部２６に入射される。
光サンプリング部２６は、例えば、図７に示しているように、光ミキサ２６ａと光電変換器２６ｂとからなり、入力端子２１ａから入力される光信号Ｐと光サンプリングパルスＰｓとを光ミキサ２６ａに入力して、光信号Ｐを光サンプリングパルスＰｓでサンプリングし、そのサンプリングによって得られたパルス光Ｐｏを光電変換器２６ｂによって電気のパルス信号Ｅｏに変換して出力する。
【００７１】
特定信号周波数検出手段２７は、後述の繰り返し周波数算出手段２８とともに自動設定モードが指定されたときに動作し、光サンプリング部２８から出力されるパルス信号Ｅｏを受け、そのパルス信号Ｅｏに含まれる信号成分のうち、サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる特定信号の周波数Ｆｈを検出する。
【００７２】
この特定信号周波数検出手段２７は、例えば、図８に示すように、パルス信号ＥｏをＡ／Ｄ変換器２７ａに入力してそのピーク値をクロック信号Ｃに同期してサンプリングしデジタル値に変換し、そのデジタル値列に対して、デジタルフィルタ２７ｂにより、サンプリング周波数の１／２以下の帯域制限処理を行い、さらに演算処理部２７ｃにより、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）演算等の処理を行って、例えばレベルが最も高い信号成分を特定信号とし、その周波数Ｆｈを求める。
【００７３】
繰り返し周波数算出手段２８は、自動設定モードが指定された場合に、信号発生手段２４を制御し、入力信号に対するサンプリング周波数を微小変化させたときの特定信号の周波数の変化量を求め、その変化量に基づいて、入力信号の正確な繰り返し周波数Ｆｘを求め、これを演算手段２３に設定する。
【００７４】
なお、信号発生手段２４が生成したクロック信号Ｃはクロック出力端子２１ｂを介して外部に出力できるようになっており、同様に、パルス信号Ｅｏ、トリガ用信号Ｇもそれぞれサンプル信号出力端子２１ｃ、トリガ出力端子２１ｄを介して外部へ出力できるように構成されている。
【００７５】
このサンプリング装置２１の各出力端子２１ｂ〜２１ｄは、デジタルオシロスコープ６０の外部クロック入力端子６０ａ、第１チャネル入力端子６０ｂ、第２チャネル入力端子６０ｃにそれぞれ接続されている。
【００７６】
デジタルオシロスコープ６０は、各チャネル入力端子６０ｂ、６０ｃから入力される信号に対するＡ／Ｄ変換処理を外部クロック入力端子６０ａに入力されるクロック信号に同期して行う外部クロック同期機能と、任意に指定したチャネル入力端子またはトリガ入力端子の入力信号の電圧が任意に設定したしきい値を所定方向に越えたタイミングから一定時間（後述する時間軸の表示幅および表示ポイント数等に依存する）が経過する間にＡ／Ｄ変換処理によって得られたデータを波形データとしてチャネル毎に記憶する外部トリガ機能と、その記憶した波形データを時間軸上に表示する波形表示機能とを有しており、この波形表示のモードとして、前記したパーシステンス表示モード、平均化表示モードのいずれかを任意に選択できるように構成されている。
【００７７】
次に上記波形観測システム２０の動作を説明する。
始めに、例えば図９の（ａ）に示すようにデューティ比５０パーセントのほぼ矩形波の光信号Ｐを入力端子２１ａに入力し、その波形の概略の繰り返し周期Ｔｘ′（周波数Ｆｘ′）およびサンプリングのオフセット遅延時間ΔＴに対応した情報をパラメータ指定手段２２によって指定するとともに、図示しない操作部により自動設定モードを指定する。
【００７８】
演算手段２３は、指定された概略の繰り返し周波数Ｆｘ′とオフセット遅延時間ΔＴに基づいて、仮のサンプリング周波数Ｆｓ′、トリガ周波数Ｆｇ′をそれぞれ算出し、信号発生手段２４に設定する。なお、繰り返し周波数Ｔｘ′の指定がない状態で、自動設定モードが指定された場合、演算手段２３は、規定値、例えば１０ＭＨｚを繰り返し周波数Ｆｘ′として演算を行う。
【００７９】
このため、信号発生手段２４からは、仮のサンプリング周波数Ｆｓ′のクロック信号Ｃが出力され、光信号Ｐに対してサンプリング周波数Ｆｓ′によるサンプリングが行われ、そのサンプリングで得られたパルス信号Ｅｏが特定信号周波数検出手段２７に入力される。
【００８０】
特定信号周波数検出手段２７は、そのパルス信号Ｅｏに含まれる周波数成分のうち、サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる最もレベルが高い周波数成分を特定信号とし、その周波数Ｆｈ′を検出する。
【００８１】
この光信号の波形の場合、サンプリングに用いられる光サンプリングパルスＰｓのスペクトラムは、図１０のように周波数Ｆｓ′間隔で現れ、光信号Ｓの波形のスペクトラムは周波数Ｆｘの間隔で現れ、しかも、高次のもの程レベルが小さくなる。
したがって、特定信号周波数検出手段２７は、最低次の周波数Ｆｘと、その周波数Ｆｘに最も近いサンプリング周波数成分ｎ・Ｆｓ′との差周波数Ｆｈ′を特定信号の周波数として求め、繰り返し周波数算出手段２８に出力する。
【００８２】
このようにして仮のサンプリング周波数Ｆｓ′についての特定信号の周波数Ｆｈ′が得られると、繰り返し周波数算出手段２８は、この周波数Ｆｈ′を記憶するとともに、信号発生手段２４に対して、サンプリング周波数を所定量（例えば１Ｈｚ）変化させるように指示する。
【００８３】
この指示を受けた信号発生手段２４により、入力信号に対する仮のサンプリング周波数が所定量ΔＦｓだけ変化し、この変化に伴って、特定信号周波数検出手段２７によって検出される特定信号の周波数がΔＦｈだけ変化することになり、この変化量から光信号の波形の繰り返し周波数Ｆｘが次式により算出され、演算手段２３に設定される。
【００８４】
Ｆｘ＝Ｆｈ′−Ｆｓ′・ΔＦｈ／ΔＦｓ′
【００８５】
演算手段２３は、この繰り返し周波数算出手段２８によって算出された正確な繰り返し周波数Ｆｘに基づいて入力信号に正確に対応した正規のサンプリング周波数Ｆｓおよびトリガ周波数Ｆｇを計算し、信号発生手段２４に設定する。
【００８６】
これによって、光信号Ｐの波形の繰り返し周期Ｔｘに対し、Ｎ・Ｔｘ＋ΔＴに等しい周期を有するクロック信号Ｃと光サンプリングパルスＰｓが図９の（ｂ）、（ｃ）のように生成され、光信号Ｐがサンプリングされ、そのサンプリングで得られたパルス信号Ｅｏが、図９の（ｄ）のように光サンプリング部２８からサンプル信号出力端子２１ｃを介してデジタルオシロスコープ６０の第１チャネル入力端子６０ｂに入力される。
【００８７】
また、信号発生手段２４からは、図１１の（ｂ）のようにパルス信号Ｅｏのピークを結ぶ包絡線の波形の周期と等しい周期のトリガ用信号Ｇが生成され、トリガ出力端子２１ｄを介してオシロスコープ６０の第２チャネル入力端子６０ｃに入力される。なお、図１１の（ａ）は図９の（ｄ）の波形の時間軸を縮めて示したものである。
【００８８】
デジタルオシロスコープ６０は、パルス信号Ｅｏに対するＡ／Ｄ変換処理をクロック信号Ｃに同期して行い、パルス信号Ｅｏのピーク点を結ぶ包絡線のデータを光信号波形データとして順次出力し、トリガ用信号Ｇがトリガレベルを所定方向に超えるタイミングから、その波形データの取得を開始する。
【００８９】
このため、デジタルオシロスコープ６０の画面上に、例えば図１２のように、光信号Ｐの波形がオフセット遅延時間ΔＴ間隔のポイントで残像表示される。
【００９０】
オシロスコープ６０は、トリガ用信号Ｇがトリガレベルを所定方向に超えるタイミング毎に波形データの取得を開始して、波形を更新表示するが、前記したように、サンプリング装置２０のサンプリング周波数やトリガ周波数は、入力される光信号Ｐの波形の繰り返し周波数に対して正確に対応しているので、常に表示される波形の位置がずれることはなく、安定な波形観測を行うことができる。
【００９１】
また、上記説明では、観測対象の波形がデューティ比５０パーセントの矩形波で、最低次の特定信号のレベルが最大となる場合について説明したが、例えばビットレート１０Ｇｂｐｓで、ＮＲＺデータ（１１０００１１１００）の１０ビットの波形が繰り返される場合、その繰り返し周波数Ｆｘは、１０／１０＝１ＧＨｚとなるが、波形に含まれる各周波数成分のレベルを考慮すると、１ＧＨｚの成分よりも、その２倍の１０／２＝２ＧＨｚの成分の方が大きい。
【００９２】
これはパルス信号Ｅｏに含まれる信号についても言えることであり、前記したように波形１周期分相当の繰り返し周波数Ｆｘについて最低次の特定信号の周波数成分は、そのレベルが低く周波数算出を正確に行えない場合があるが、このような場合でも、特定信号周波数検出手段２７は、サンプリング周波数の１／２以下の帯域内の信号成分のうち、最もレベルの高い信号成分を特定信号として選択し、その周波数を検出しているので精度の低下は起こらない。
【００９３】
また、上記波形観測システム２０は、サンプリング装置２１とデジタルオシロスコープ６０とで構成されていたが、サンプリング装置２１とデジタルオシロスコープ６０の機能とを共通の筐体内に収容して一体化した波形観測システムを構成することも可能である。
【００９４】
図１３は、その波形観測システム４０の構成例を示すものであり、前記したサンプリング装置２１の各構成要素の他に、Ａ／Ｄ変換器４３、データ取得制御手段４４、波形データメモリ４５、表示制御手段４６、表示器４７および観測モード指定手段４８を備えている。
【００９５】
Ａ／Ｄ変換器４３は、光サンプリング部２６から出力されるパルス信号Ｅｏに対するＡ／Ｄ変換処理を、クロック信号Ｃ（またはクロック信号Ｃに同期したより高速のクロック信号でもよい）を受ける毎に行い、そのＡ／Ｄ変換処理によって得られたパルス信号Ｅｏのピーク値のデータＤｐをデータ取得制御手段４４に出力する。
【００９６】
データ取得制御手段４４は、トリガ用信号Ｇの立ち上がり（または立ち下がり）タイミングから、波形データメモリ４５に対するデータＤｐの書き込みをクロック信号Ｃに同期して開始し、所定数のデータの書き込みが終了すると、次にトリガ用信号Ｇの立ち上がるまで待機するという動作を繰り返す。なお、波形データメモリ４５に書き込むデータの数は、後述する表示器４７に表示される時間軸の表示ポイント数に対応する。
【００９７】
表示制御手段４６は、表示器４７とともに波形表示手段を形成するものであり、時間軸と電圧軸とからなる座標画面を表示器４７に表示させ、波形データメモリ４５に記憶された一連のデータＤｐを読み出して、座標画面上にプロット表示して、その読み出した一連のデータＤｐに対応する波形を表示する。
【００９８】
なお、この表示制御手段４６は、観測モード指定手段４８によって指定された観測モードに応じて、波形データメモリ４５に記憶されたデータＤｐに対する加工処理および表示処理を行う。
【００９９】
即ち、パーシステンスモードが指定された場合、波形データメモリ４５に記憶された一連のデータＤｐを残像を残すことで波形表示し、平均化モードが指定された場合、波形データメモリ４５に記憶された一連のデータＤｐを所定組求めて、その平均化処理を行い、その平均化処理で得られた一連のデータを重ねて波形として表示する。
【０１００】
このように構成された波形観測システム４０の動作は、前記波形観測システム２０同様であり、光信号の繰り返し周波数を正確に求め、その繰り返し周波数に対応したサンプリング周波数とトリガ周波数が設定されるので、繰り返し周波数が未知あるいは概略値しかわからない波形であっても、安定に表示させることができる。
【０１０１】
なお、被測定信号の波形の情報を単発的に取得して表示する場合には、上記のように周期的なトリガ用信号Ｇを生成する必要がなく、例えば手動のトリガ操作に応じて１回だけ立ち上がるトリガ用信号Ｇを出力すればよい。そして、サンプリング周波数を変えて被測定信号をサンプリングすることで、前記同様に光信号の繰り返し周波数を求めることができ、その正確な繰り返し周波数に正しく対応したサンプリング周波数を設定して、上記トリガ操作を行うことで、被測定信号の波形を正確に表示させることができる。
【０１０２】
また、上記した波形観測システム４０のように表示機能を有している場合、入力信号のスペクトラムを表示することも可能である。
この場合、特定信号周波数検出手段２７が、サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる複数の特定信号の周波数とレベルをそれぞれ検出して、繰り返し周波数算出手段２８に出力する。
【０１０３】
また、繰り返し周波数算出手段２８が、特定信号周波数検出手段２７によって検出された複数の特定信号についての各周波数変化量に基づいて、入力信号に含まれる複数の周波数成分のスペクトラムを求め、これを図１３の点線で示すように波形表示制御手段４６に出力する。
【０１０４】
波形表示制御手段４６は、自動設定モードが指定されているときに繰り返し周波数算出手段２８によって得られたスペクトラムを表示器４７の周波数軸上に表示する。
【０１０５】
また、前記した各波形観測システム２０、４０は、光信号を光パルスでサンプリングするＯ／Ｏサンプリング方式であったが、電気信号を光パルスでサンプリングするＥ／Ｏサンプリング方式についても本発明を同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の周波数検出方法の原理を説明するための図
【図２】本発明の周波数検出方法の原理を説明するための図
【図３】本発明の周波数検出方法の手順を示すフローチャート図
【図４】本発明の実施形態の構成を示す図
【図５】実施形態の要部の構成例を示す図
【図６】実施形態の要部の動作を説明するための図
【図７】実施形態の要部の構成例を示す図
【図８】実施形態の要部の構成例を示す図
【図９】実施形態の動作を説明するための図
【図１０】実施形態の動作を説明するための図
【図１１】実施形態の動作を説明するための図
【図１２】観測波形の一例を示す図
【図１３】本発明の他の実施形態の構成を示す図
【図１４】従来装置の構成を示す図
【図１５】従来装置の動作を説明するための図
【符号の説明】
【０１０７】
２０、４０……波形観測システム、２１……サンプリング装置、２２……パラメータ指定手段、２３……演算手段、２４……信号発生手段、２５……光サンプリングパルス発生手段、２６……光サンプリング部、２７……特定信号周波数検出手段、２８……繰り返し周波数算出手段、４３……Ａ／Ｄ変換器、４４……データ取得制御手段、４５……波形データメモリ、４６……表示制御手段、４７……表示器、４８……観測モード指定手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングして得られた信号のうち、該サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる特定信号の周波数を求める段階（Ｓ１、Ｓ２）と、
前記被測定信号に対するサンプリング周波数を前記所定のサンプリング周波数から所定量変化させたときの前記特定信号の周波数変化量を求める段階（Ｓ３、Ｓ４）と、
前記所定のサンプリング周波数と、該所定のサンプリング周波数に対する前記特定信号の周波数、前記サンプリング周波数の変化量および前記特定信号の周波数変化量に基づいて、前記被測定信号の波形の繰り返し周波数を算出する段階（Ｓ５）とを含む周波数検出方法。
【請求項２】
サンプリングの対象となる信号を入力するための入力端子（２１ａ）と、
指定されたサンプリング周波数のクロック信号を生成出力する信号発生手段（２４）と、
前記クロック信号に同期したサンプリングパルスを発生するサンプリングパルス発生手段（２５）と、
前記入力端子に入力された入力信号を前記サンプリングパルスによってサンプリングするサンプリング部（２６）と、
前記サンプリング部の出力信号を受け、前記サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる特定信号の周波数（Ｆｈ）を検出する特定信号周波数検出手段（２７）と、
前記信号発生手段に対し、仮のサンプリング周波数（Ｆｓ′）を指定するとともに、該仮のサンプリング周波数を所定量変化させて、該サンプリング周波数の変化量に対する前記特定信号の周波数変化量を求め、前記仮のサンプリング周波数と、該仮のサンプリング周波数に対する前記特定信号の周波数、前記サンプリング周波数の変化量および前記特定信号の周波数変化量に基づいて、前記入力信号の波形の繰り返し周波数（Ｆｘ）を算出する繰り返し周波数算出手段（２８）と、
前記繰り返し周波数算出手段によって算出された繰り返し周波数に対応する繰り返し周期（Ｔｘ）の整数倍に対して所定のオフセット遅延時間（ΔＴ）だけ差のある周期（Ｔｓ）に対応する周波数（Ｆｓ）を前記入力信号に対する正規のサンプリング周波数として算出し、該正規のサンプリング周波数を前記信号発生手段に指定する演算手段（２３）と、
前記クロック信号を外部へ出力するためのクロック出力端子（２１ｂ）と、
前記サンプリング部から出力された信号を外部へ出力するためのサンプル信号出力端子（２１ｃ）とを備えたサンプリング装置。
【請求項３】
サンプリングの対象となる信号を入力するための入力端子（２１ａ）と、
指定されたサンプリング周波数のクロック信号を生成出力する信号発生手段（２４）と、
前記クロック信号に同期したサンプリングパルスを発生するサンプリングパルス発生手段（２５）と、
前記入力端子に入力された入力信号を前記サンプリングパルスによってサンプリングするサンプリング部（２６）と、
前記サンプリング部の出力信号を受け、前記サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる特定信号の周波数（Ｆｈ）を検出する特定信号周波数検出手段（２７）と、
前記信号発生手段に対し、仮のサンプリング周波数（Ｆｓ′）を指定するとともに、該仮のサンプリング周波数を所定量変化させて、該サンプリング周波数の変化量に対する前記特定信号の周波数変化量を求め、前記仮のサンプリング周波数と、該仮のサンプリング周波数に対する前記特定信号の周波数、前記サンプリング周波数の変化量および前記特定信号の周波数変化量に基づいて、前記入力信号の波形の繰り返し周波数（Ｆｘ）を算出する繰り返し周波数算出手段（２８）と、
前記繰り返し周波数算出手段によって算出された繰り返し周波数に対応する繰り返し周期（Ｔｘ）の整数倍に対して所定のオフセット遅延時間（ΔＴ）だけ差のある周期（Ｔｓ）に対応する周波数（Ｆｓ）を前記入力信号に対する正規のサンプリング周波数として算出し、該正規のサンプリング周波数を前記信号発生手段に指定する演算手段（２３）と、
前記サンプリング部から出力される信号をデジタルのデータに変換して出力するＡ／Ｄ変換器（４３）と、
波形データを記憶するための波形データメモリ（４５）と、
前記Ａ／Ｄ変換器が出力するデータを前記クロック信号に同期して前記波形データメモリに書き込むデータ取得制御手段（４４）と、
前記波形データメモリに記憶された一連の波形データを読み出して前記オフセット遅延時間間隔の時間軸上に波形表示する波形表示手段（４６、４７）とを備えた波形観測システム。
【請求項４】
前記特定信号周波数検出手段は、前記サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる複数の特定信号の周波数をそれぞれ検出し、
前記繰り返し周波数算出手段は、前記特定信号周波数検出手段によって検出された複数の特定信号についての周波数変化量に基づいて、前記入力信号に含まれる複数の周波数成分のスペクトラムを求めるように構成され、
さらに、前記波形表示手段は、前記繰り返し周波数算出手段によって得られたスペクトラムを周波数軸上に表示できるように構成されていることを特徴とする請求項３記載の波形観測システム。
【請求項１】
被測定信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングして得られた信号のうち、該サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる特定信号の周波数を求める段階（Ｓ１、Ｓ２）と、
前記被測定信号に対するサンプリング周波数を前記所定のサンプリング周波数から所定量変化させたときの前記特定信号の周波数変化量を求める段階（Ｓ３、Ｓ４）と、
前記所定のサンプリング周波数と、該所定のサンプリング周波数に対する前記特定信号の周波数、前記サンプリング周波数の変化量および前記特定信号の周波数変化量に基づいて、前記被測定信号の波形の繰り返し周波数を算出する段階（Ｓ５）とを含む周波数検出方法。
【請求項２】
サンプリングの対象となる信号を入力するための入力端子（２１ａ）と、
指定されたサンプリング周波数のクロック信号を生成出力する信号発生手段（２４）と、
前記クロック信号に同期したサンプリングパルスを発生するサンプリングパルス発生手段（２５）と、
前記入力端子に入力された入力信号を前記サンプリングパルスによってサンプリングするサンプリング部（２６）と、
前記サンプリング部の出力信号を受け、前記サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる特定信号の周波数（Ｆｈ）を検出する特定信号周波数検出手段（２７）と、
前記信号発生手段に対し、仮のサンプリング周波数（Ｆｓ′）を指定するとともに、該仮のサンプリング周波数を所定量変化させて、該サンプリング周波数の変化量に対する前記特定信号の周波数変化量を求め、前記仮のサンプリング周波数と、該仮のサンプリング周波数に対する前記特定信号の周波数、前記サンプリング周波数の変化量および前記特定信号の周波数変化量に基づいて、前記入力信号の波形の繰り返し周波数（Ｆｘ）を算出する繰り返し周波数算出手段（２８）と、
前記繰り返し周波数算出手段によって算出された繰り返し周波数に対応する繰り返し周期（Ｔｘ）の整数倍に対して所定のオフセット遅延時間（ΔＴ）だけ差のある周期（Ｔｓ）に対応する周波数（Ｆｓ）を前記入力信号に対する正規のサンプリング周波数として算出し、該正規のサンプリング周波数を前記信号発生手段に指定する演算手段（２３）と、
前記クロック信号を外部へ出力するためのクロック出力端子（２１ｂ）と、
前記サンプリング部から出力された信号を外部へ出力するためのサンプル信号出力端子（２１ｃ）とを備えたサンプリング装置。
【請求項３】
サンプリングの対象となる信号を入力するための入力端子（２１ａ）と、
指定されたサンプリング周波数のクロック信号を生成出力する信号発生手段（２４）と、
前記クロック信号に同期したサンプリングパルスを発生するサンプリングパルス発生手段（２５）と、
前記入力端子に入力された入力信号を前記サンプリングパルスによってサンプリングするサンプリング部（２６）と、
前記サンプリング部の出力信号を受け、前記サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる特定信号の周波数（Ｆｈ）を検出する特定信号周波数検出手段（２７）と、
前記信号発生手段に対し、仮のサンプリング周波数（Ｆｓ′）を指定するとともに、該仮のサンプリング周波数を所定量変化させて、該サンプリング周波数の変化量に対する前記特定信号の周波数変化量を求め、前記仮のサンプリング周波数と、該仮のサンプリング周波数に対する前記特定信号の周波数、前記サンプリング周波数の変化量および前記特定信号の周波数変化量に基づいて、前記入力信号の波形の繰り返し周波数（Ｆｘ）を算出する繰り返し周波数算出手段（２８）と、
前記繰り返し周波数算出手段によって算出された繰り返し周波数に対応する繰り返し周期（Ｔｘ）の整数倍に対して所定のオフセット遅延時間（ΔＴ）だけ差のある周期（Ｔｓ）に対応する周波数（Ｆｓ）を前記入力信号に対する正規のサンプリング周波数として算出し、該正規のサンプリング周波数を前記信号発生手段に指定する演算手段（２３）と、
前記サンプリング部から出力される信号をデジタルのデータに変換して出力するＡ／Ｄ変換器（４３）と、
波形データを記憶するための波形データメモリ（４５）と、
前記Ａ／Ｄ変換器が出力するデータを前記クロック信号に同期して前記波形データメモリに書き込むデータ取得制御手段（４４）と、
前記波形データメモリに記憶された一連の波形データを読み出して前記オフセット遅延時間間隔の時間軸上に波形表示する波形表示手段（４６、４７）とを備えた波形観測システム。
【請求項４】
前記特定信号周波数検出手段は、前記サンプリング周波数の１／２以下の帯域に現れる複数の特定信号の周波数をそれぞれ検出し、
前記繰り返し周波数算出手段は、前記特定信号周波数検出手段によって検出された複数の特定信号についての周波数変化量に基づいて、前記入力信号に含まれる複数の周波数成分のスペクトラムを求めるように構成され、
さらに、前記波形表示手段は、前記繰り返し周波数算出手段によって得られたスペクトラムを周波数軸上に表示できるように構成されていることを特徴とする請求項３記載の波形観測システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００６−３３２７（Ｐ２００６−３３２７Ａ）
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１８２９４８（Ｐ２００４−１８２９４８）
【出願日】平成１６年６月２１日（２００４．６．２１）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月２１日（２００４．６．２１）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
[ Back to top ]