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ディジタルダウンコンバージョンを使用しない全ディジタル位相雑音計測

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ディジタルダウンコンバージョン（DDC）を使用しない全ディジタル位相雑音計測は、近年の高速ADC（アナログ-ディジタル変換器）の進化によって可能になった手法です。

従来の方式では、ミキサや局発（LO）を用いて中間周波数（IF）に落としてから処理していましたが、この手法では信号を直接サンプリング（ダイレクト・サンプリング）し、演算処理のみで位相雑音を抽出します。

1. 基本的な仕組み

DDCを使わない場合、一般的には解析信号（演算による複素変換）と位相検出アルゴリズムを組み合わせます。

信号処理のフロー

  1. ダイレクト・サンプリング: 被測定信号（DUT）をADCで直接デジタル化します。

  2. ヒルベルト変換: 実信号から複素信号（I/Q成分）を生成します。DDCのように周波数を変換するのではなく、位相関係を維持したまま複素平面上のベクトルとして扱います。

  3. 位相復調: 複素信号から瞬時位相 Φ(t) を算出します。通常、以下の計算式を用います。

     
     

  4. 位相アンラップと周波数除去: 位相の不連続点を取り除き、理想的な搬送波成分（線形に増加する位相）を差し引くことで、**位相ゆらぎ（位相雑音成分）**のみを抽出します。

  5. FFT解析: 得られた位相ゆらぎを周波数ドメインで解析し、電力スペクトル密度（PSD）を算出します。

2. なぜDDCを使わないのか？（メリット）

  • ハードウェアの簡素化: アナログのミキサ、フィルタ、外部局発が不要になり、回路起因の雑音や歪みを排除できます。

  • フルバンド解析: 高速ADC（数GHz/s以上）を使用すれば、広帯域な信号を一括で取り込み、エイリアシングを利用したアンダーサンプリング等で高周波まで対応可能です。

  • 誤差の最小化: DDC内のディジタルローカル信号やデシメーションフィルタによる振幅・位相への影響を考慮する必要がなくなります。

3. 性能を左右する要素

DDCを使わない計測において最も重要になるのが、ADC自体の性能です。

要素 影響
サンプリング・ジッタ ADC内部のクロック・アパーチャ・ジッタは、そのまま計測限界（ノイズフロア）となります。
分解能 (ENOB) 量子化雑音が位相雑音の測定感度を決定します。
相互相関 (Cross-correlation) 2つのADCで同時にサンプリングし、相互相関処理を行うことで、ADC自身が持つ雑音を相殺し、測定限界を大幅に向上させることが可能です。

4. 相互相関（Cross-correlation）による高精度化

全ディジタル計測の真価は、2系統の独立したADCを用いた相互相関法で発揮されます。

  1. 信号を2つに分け、それぞれのADCでサンプリングします。

  2. 各系統で独立して位相雑音を算出します。

  3. 2つの結果の相互相関をとることで、各ADCが独立して持つランダムな雑音（熱雑音やジッタ）を平均化により除去し、DUT本来の位相雑音だけを浮かび上がらせます。

次のステップとして、具体的な計算アルゴリズム（ヒルベルト変換の実装法など）や、特定のサンプリングレートにおける測定限界の試算について詳しくお調べしましょうか？

 

 

 

出典：Google Gemini

 

 

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