分 波 す る こ と に よ り ，1 つ の ミ キ サ で 処 理 す る 場 合 に 比 べ ， 個 々 の ミ キ サ に は 分 波 数 𝑚 分 だ け 大 き な 信 号 電 力 を 入 力 す る こ と が 可 能 と な る 。し た が っ て ，ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ は10 ⋅ log (𝑀 ) dB 改 善 す る こ と と な る 。本 項 で は ，実 際 の 変 調 信 号 を 用 い て ，実 験 に よ り ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ の 確 認 を 行 う 。 実 験 は ， 分 波 せ ず に 1チ ャ ン ネ ル の ミ キ サ 回 路 に よ り 処 理 す る 場 合 と ， ア レ イ 化 周 波 数 変 換 器 に よ り ， 分 波 後 の 信 号 を 複 数 の ミ キ サ 回 路 に よ り 処 理 す る 場 合 に つ い て ， そ れ ぞ れ の 条 件 で 取 得 し た 信 号 を 比 較 し ， ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ の 改 善 度 を 確 認 す る 。
ま ず ， 単 一 の ミ キ サ 回 路 に よ り 処 理 す る 場 合 ， お よ び ア レ イ 化 周 波 数 変 換 器 の 場 合 そ れ ぞ れ に お い て ， 各 ミ キ サ の 入 力 レ ベ ル が 等 し く な る よ う に ， 信 号 レ ベ ル を 調 整 す る 。 こ れ に よ り ， 各 ミ キ サ に よ り 生 じ る 混 変 調 歪 み の レ ベ ル が 同 一 に な る よ う に 調 整 さ れ る 。 こ の 時 ， ア レ イ 化 周 波 数 変 換 器 に 入 力 さ れ る 信 号 レ ベ ル は ， 単 一 の ミ キ サ 回 路 に 入 力 で き る 入 力 レ ベ ル の 𝑀 倍 と な る 。
広 帯 域 IF 信 号 と し て 変 調 帯 域 60 MHz の OFDM 変 調 信 号 を 用 い ，OFDM 変 調 信 号 の 近 傍 に 重 畳 し た 微 小 信 号 レ ベ ル の ス プ リ ア ス 信 号 を ， そ れ ぞ れ の 条 件 に お い て 観 測 し ， 分 波 合 成 適 用 時 の 効 果 を 確 認 す る 。
Fig. 3-22 は ，テ ス ト 信 号 を 観 測 し た 際 の 結 果 で あ る 。図 中 ，点 線 は 単 一 の ミ キ サ に よ り 解 析 を 行 な っ た 際 の 観 測 波 形 で あ り ， 実 線 は ア レ イ 化 周 波 数 変 換 器 に よ る 観 測 波 形 で あ る 。観 測 さ れ る OFDM 変 調 信 号 の 電 力 レ ベ ル は ど ち ら も 等 し い か ら ，観 測 さ れ る OFDM変 調 信 号 レ ベ ル を グ ラ フ 上 で 一 致 す る よ う ，測 定 系 を 校 正 し な お し ，ス プ リ ア ス 重 畳 し た 周 波 数 85 MHz 付 近 を 拡 大 し て み る と ，単 一 ミ キ サ に て 観 測 し た 波 形 に 比 べ ，ア レ イ 化 周 波 数 変 換 器 に て 観 測 し た 波 形 の ノ イ ズ レ ベ ル が 5～8 dB 低 く な っ て お り ， ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ が 改 善 し て い る こ と が 確 認 で き る 。 以 上 の こ と か ら 考 え て も ， ア レ イ 化 周 波 数 変 換 器 の 有 効 性 が 確 認 で き る 。
70 第 3 章 周波数インタリーブ技術による周波数変換器のダイナミックレンジの改善
Fig. 3-22 Experimental result with phase offset between each channels.
あ と が き
ア レ イ 化 周 波 数 変 換 器 の 基 本 原 理 で あ る 分 波 合 成 ア ル ゴ リ ズ ム の 基 本 原 理 を ， 数 式 に よ り 説 明 し た 。 さ ら に ， 振 幅 特 性 ， 群 遅 延 特 性 の 異 な る 分 波 器 に よ り 分 波 さ れ た QPSK 変 調 信 号 に 対 し て ，分 波 合 成 ア ル ゴ リ ズ ム を 適 用 す る こ と で ，IF周 波 数 に お い て 元 の 信 号 に 再 生 さ れ る こ と を ， シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り 示 し た 。
本 ア ル ゴ リ ズ ム に よ り ，分 波 数（𝑀 ）だ け 被 測 定 信 号 電 力 を 低 下 さ せ る こ と が 可 能 と な り ，1 つ の 周 波 数 変 換 器 に お い て 処 理 す る 信 号 電 力 を 低 下 さ せ る こ と が 可 能 と な る 。 従 っ て 周 波 数 変 換 器 に お い て 発 生 す る 2 信 号 3 次 歪 （Third-order inter modulation:IM3） の 発 生 を 抑 え る こ と が 可 能 と な る 。
分 波 数 を𝑀，変 調 波 の 帯 域 幅 を𝐵𝑊，変 調 波 の 送 信 電 力 を 𝑃0 と し ，分 波 後 の 変 調 波 帯 域 幅 B が 次 式 の よ う に な る よ う 分 波 し た と 仮 定 す る と ，
80 82 84 86 88 90
–110 –100 –90 –80 –70 –60
10 20 30 40 50 60 70 80 90
–50
–110–100–90–80–70–60–50–40–30–20
Am pl itude [ dBm ]
Frequency [MHz]
Arrayed Frequency Converter conventional single mixer
Amplitude [dBm]
Frequency [MHz]
3.5 あとがき 71
··· ( 3-15 )
分 波 後 の 電 力 𝑃 は ，𝑃0 / 𝑀 と な る た め ， 分 波 後 の 信 号 電 力 は ，𝐿 [dB]減 少 す る 。
··· ( 3-16 )
従 っ て ， 分 波 合 成 ア ル ゴ リ ズ ム を 適 用 し な い 場 合 に 比 べ て ，2 信 号 3 次 歪 成 分 は ， 2𝐿 [dB]減 少 す る た め ，ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ は ，𝐿 [dB]改 善 す る こ と に な り ，見 か け 上 ， IP3 が𝐿 [dB]高 い ミ キ サ の 動 作 と 等 価 な 歪 レ ベ ル と な る 。
以 上 ， 分 波 合 成 ア ル ゴ リ ズ ム は ， 測 定 ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ の 向 上 に 有 効 な 手 段 で あ る こ と を 示 し た 。
さ ら に ，原 理 検 証 装 置 に よ る 評 価 を 実 施 し ，QPSK 変 調 波 の EVM 測 定 ，お よ び ス プ リ ア ス を 含 む OFDM 変 調 信 号 の 高 ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ 測 定 を 実 施 ， 得 ら れ た 測 定 結 果 か ら ， 本 手 法 が ， 広 帯 域 信 号 を 解 析 す る に あ た り 有 効 な 手 法 で あ る こ と を 実 証 し た 。 本 手 法 を 用 い る こ と に よ り ， ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ を 維 持 し た ま ま 解 析 周 波 数 帯 域 を 拡 大 さ せ る こ と が 可 能 と な り ， ス ペ ク ト ラ ム 解 析 装 置 に 適 用 す る こ と で ， 装 置 の 広 帯 域 化 ・ 高 ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ 化 が 可 能 で あ る こ と を 示 し た 。
𝐵 = 𝐵𝑊 𝑀
𝐿 = 10 ∙ log ( 1
𝑀)
72 第 3 章 周波数インタリーブ技術による周波数変換器のダイナミックレンジの改善
参 考 文 献
[3-1] M.Pun, M.Morelli, C-C.J.Kuo, “Multi-Carrier Techniques for Broadband Wireless Communications: A Signal Processing Perspective,” Imperial College Press, 2007.
[3-2] H.Nikookar, R.Prasad, “Introduction to Ultra Wideband for Wireless Communications,” Springer, 2009.
[3-3] “総 務 省 ：ス プ リ ア ス 領 域 に お け る 不 要 発 射 等 の 測 定 方 法 例（ 情 報 通 信 審 議 会 答 申 H16.11.29（ 諮 問 第 2007 号 関 係 ））”, 1998.
[3-4] “ITU-R 勧 告 M.1177 準 拠 レ ー ダ ー ス プ リ ア ス 測 定 ソ リ ュ ー シ ョ ン”， Agilent Technologies. Inc., 2010.
[3-5] 小 宮 紀 旦, 矢 加 部 利 幸, “ス プ リ ア ス 発 射 測 定 に お け る ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ の 拡 大”, 信 学 ソ サ イ エ テ ィ 大 会, C-2-85,pp.107, 2007.
[3-6] 小 宮 紀 旦, 矢 加 部 利 幸, “ス プ リ ア ス 発 射 測 定 の た め の 可 変 同 調 フ ィ ル タ と 可 変 減 衰 器 と の 組 み 合 わ せ に よ る 信 号 レ ベ ル 調 整”, 信 学 総 大, C-2-97, pp.130, 2010.
[3-7] S.A. Mass, “Microwave Mixers - Second Edition,” Artech House, 1993.
[3-8] B. Razavi, “RF Microelectronics,” Prentice Hall, 1998.
[3-9] Iti S.Misra, “Wirless Communications and Networks: 3G and Beyond Second edition,” McGraw Hill Education, 2013.
4.1 まえがき 73
第 4 章 高ダイナミックレンジスペクトラム解析装置
ま え が き
第 3 章 で は ， ア レ イ 化 周 波 数 変 換 器 の 基 本 原 理 を 計 算 機 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン お よ び ， 原 理 確 認 装 置 に よ る 評 価 を 通 じ て ， 広 帯 域 変 調 波 の 高 ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ 測 定 が 可 能 と な る こ と を 示 し た 。 本 章 で は ， 分 波 数 ， 分 波 方 式 を 見 直 し た 高 ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ ス ペ ク ト ラ ム 解 析 装 置 （ 以 下 本 装 置 ） を 構 築 し ， 既 存 ス ペ ク ト ラ ム ア ナ ラ イ ザ と の 比 較 実 験 を 実 施 し た 。 比 較 実 験 を 通 じ て 本 装 置 が 既 存 の 掃 引 式 ス ペ ク ト ラ ム ア ナ ラ イ ザ と 同 等 の ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ を 有 し ， 時 間 連 続 な 周 波 数 解 析 を 行 う こ と の で き る こ と を 実 証 し ， 本 方 式 が 高 ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ ス ペ ク ト ラ ム 解 析 に 有 効 な 方 式 で あ る こ と を 示 す 。
シ ス テ ム 構 成
Fig. 4-1 に 本 装 置 の 機 能 ブ ロ ッ ク 図 を 示 す 。
Fig. 4-1 Function block diagram of High dynamic range spectrum measurement system.
周波数変換 部 信号
分波部
A/D 変換部
広帯域信号 再生部 Band1
Band1 Band6
…………
Band1
Band6
…………
Band1
Band6
…………
LO1 LO6
……
CLK1
……
CLK6 基準信号生成部
クロック生成部
制御部
REF OUT RF IN
表示出力
REF IN
周波数変換モジュール（#1～#6）
74 第 4 章 高ダイナミックレンジスペクトラム解析装置
本 装 置 は ，信 号 分 波 部 ，周 波 数 変 換 部 ，AD変 換 部 ，基 準 信 号 発 生 部 ，ク ロ ッ ク 発 生 部 ， ロ ー カ ル 信 号 発 生 部 ， 広 帯 域 信 号 再 生 部 ， 制 御 部 か ら 構 成 さ れ る 。
信 号 分 波 部 に 入 力 さ れ た RF 信 号 は ，6 つ の 帯 域 に 分 波 さ れ 周 波 数 変 換 部 へ 出 力 さ れ る 。周 波 数 変 換 部 に 入 力 さ れ た 信 号 は ，各 々 周 波 数 変 換 さ れ た 後 ，AD変 換 部 の AD 変 換 器 に よ り デ ジ タ ル 信 号 に 変 換 さ れ ， 広 帯 域 信 号 再 生 部 に て 信 号 再 生 さ れ る 。 ① 周 波 数 変 換 部 間 の 干 渉 低 減 ， ② 広 帯 域 信 号 再 生 部 の 信 号 処 理 リ ソ ー ス の 低 減 ， ③ 帯 域 変 更 へ の 拡 張 性（ 周 波 数 変 更 の 容 易 性 ）を 考 慮 し ，周 波 数 変 換 部 ，AD変 換 部 ，広 帯 域 信 号 再 生 部 は ， チ ャ ン ネ ル 毎 に 分 割 さ れ た モ ジ ュ ー ル （ 以 下 ， 周 波 数 変 換 モ ジ ュ ー ル ） 構 成 と な っ て い る 。 モ ジ ュ ー ル 化 に よ り 必 要 と な る 複 数 の ロ ー カ ル 信 号 ， 同 期 用 タ イ ミ ン グ 信 号 は ， 基 準 信 号 生 成 部 ・ ク ロ ッ ク 生 成 部 に お い て 生 成 ， 供 給 さ れ る 。
Fig. 4-2 に ， 高 ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ ス ペ ク ト ラ ム 解 析 装 置 の 外 観 を 示 す 。
Fig. 4-2 High dynamic range spectrum measurement system.
4.2 システム構成 75