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やすもりかむら
5 years ago
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1 特別研究報告題目 CDMA 方式を用いた光無線通信の設計と特性 (Design and performance of CDMA for optical wireless communication system) 報告者島村卓嗣指導教員岩下克教授平成 20 年 2 月 18 日高知工科大学大学院工学研究科基盤工学専攻電子光システムコース

2 第 1 章序論研究背景研究内容論文構成...3 第 2 章 CDMA 方式を用いた送受信構成変調方式送信構成受信構成 LPF 相互相関誤り率...9 第 3 章実験概要発光素子受光素子オペアンプ DAボード ADボード...14 第 4 章実験結果 BPSK 変調を用いた送受信 QPSK 変調を用いた送受信 QAM 変調を使った送受信干渉光を用いた受信レベルの検討...22 第 5 章結論...24 謝辞...25 参考文献

3 第 1 章序論 1.1 研究背景近年無線 LAN(IEE802.11) はインターネットの普及により様々な所で使われるようになったしかし無線 LANでは電波法による周波数制限がされており最大 54Mbpsが限界であるまた病院などで使用すると精密機械との干渉が起こる問題があるそこで現在注目されているのが空間伝搬を利用した光無線通信である光無線通信は電波法による制限はないので広帯域通信が可能であるまた人体や機器の影響が少ないという利点があり近距離通信手段として注目されている現在ではブロードバンド環境がない地域へのネットワーク構築手段として総合型光無線システムの開発 [1] といった研究もされているしかし光無線通信でも送信された光が障害物による光の減衰雑音や干渉でデータが受信できない問題が起こるそこで微弱な光でも通信が行えるように高い受光感度を持った受光素子雑音といった干渉に対応するために干渉強い変復調方式を用いる必要があるそこで無線 LANや携帯電話に使われており拡散符号を用いて雑音に強い変調復調処理ができるCDMA 方式を適用することが考えられる本研究では光無線通信に CDMA 方式を適用しその可能性をあきらかにする 1.2 研究内容研究の目的はセキュアで広帯域の通信を行うことであり遅延信号といった雑音干渉の影響をうけることなく光無線通信を行うことが目的であるそこで様々な影響を受けずに光無線通信を行なうために CDMA 方式を用いた通信環境を製作し光無線通信を行う特性の良い光源を使用した送信機と微弱な光を受信できる受信機を製作し空間伝搬を行う信号は周波数利用効率を上げるために QPSK といった多値信号でも行うまた誤り率の測定を行う CDMA チャネル選択の特性を測定するために干渉信号を作成し干渉光に対する受信レベルの検討を行うこの研究によりどこまで減衰させた信号を正確に受光できるか明らかにし干渉信号の影響度も明らかにする 1.3 論文構成本論文の第 2 章では CDMA 方式を用いた送受信構成および送受信概要について述べる第 3 章では研究概要を述べる第 4 章実験の結果を述べ第 5 章では第 4 章の結果からの考察を述べ本研究の結論とする 3

4 第 2 章 CDMA 方式を用いた送受信構成今回の実験では CDMA 方式でデジタル信号を空間伝搬するために信号の変調処理には LabVIEW 復調処理には Mathematica を使用した本章ではその変調方式として使用する CDMA 方式送受信構成及び処理誤り率の求め方について述べる 2.1 変調方式 CDMA(Code Division Multiple Access) とは無線 LANや携帯電話などで使用されている方式で多元接続技術の一つである CDMA 方式では送信側で元の信号に高速拡散符号で拡散変調を行い周波数帯域幅を広げる違った端末に異なる拡散符号を使うことで同じ周波数帯で多数の信号を送信することができる受信側でその中から必要な信号に変調した同じパターンの拡散信号で逆拡散を行い必要な信号を取り出す方式である CDMA 方 (2) 式の原理送信データ一次変調二次変調 1 搬送波拡散符号 1 送信データ一次変調二次変調 2 P 搬送波拡散符号 2 P P 0 fc f 0 fc f 0 fc f 図 2-1 CDMA 方式の原理 ( 送信 ) 4

5 図 2-1 ではデジタル信号を送信する時に搬送波を送信データに掛けることで一次変調を行い狭帯域なスペクトルを持った信号にする次に送信データより一桁以上高速でランダム性があるが周期性で生成されるデータ列で擬似雑音と呼ばれる拡散符号で変調して二次変調を行い信号のスペクトル広げる複数のデータを扱う時は拡散符号のパターンが異なることで同じ周波数帯に信号を加算することができる次に図 2-2 に CDMA 方式の原理 ( 受信 ) を示す逆拡散第一復調受信データ拡散符号 1 P 同期検波 0 fc f 図 2-2 CDMA 方式の原理 ( 受信部 ) 図 2-2 のように伝送路で重なり合った信号に送信部で変調した同じ拡散符号を変調し逆拡散を行う逆拡散を行うことで必要な信号のみ狭帯域な信号に戻し搬送波で復調を行うことで元の信号に戻すこのように帯域を完全に共有しながら所望の信号と他の信号を拡散符号によって選択を行う方式が CDMA 方式である CDMA 方式は同じ周波数帯域幅で信号を多重化しているので周波数利用効率が良く同一周波数内で拡散符号のチャネル分割を行っているので受信側で拡散符号だけ変えることで欲しい信号がとれる柔軟なシステムが作ることができるまたシンボルレートとチップレートの比は拡散率と呼ばれ拡散率が高いことで広いスペクトル幅に拡散されるので耐干渉性を向上することができるまた CDMA 方式を使用する時はこれを考えながら値を決める必要がある 5

6 2.2 送信構成図 2-3 に送信部の構成を示すデータ DA VCSEL サブキャリア拡散符号図 2-3 送信部の構成信側データ拡散符号および出力処理はLabVIEW ( 3) で行う信号をDAボードに入力しデジタル信号からアナログ信号に変換し VCSELに入力することで光強度変調を行い外部に光出力する今回拡散符号では CDMA 方式ではよく使用されるM 系列符号を使用している M 系列符号とは周期性を持ったランダム符号である M 系列符号はデータを記憶して右に数値のシフトを行うシフトレジスタとEXORの論理素子を使用し作成できる作成時には自己相関特性を持っているように作成することが重要である次にシフトレジスタとEXORを用いたM 系列符号の例を示す EXOR シフトレジスタ図段の M 系列出力 M 総ビット数は 2 1 なので4 段は 15bitで一回繰り返すことになるシフトレジスタの初期値をすべて 1 として操作を行なった信号列はであるまた今回の実験では信号データとして主に7 段のM 系列を使用している段が多いM 系列符号は自己相関特性を考慮しつつEXORのパターンを変えることで様々 M 系列 (4) を作成することができる図 2-5 と図 2-6 に7 段 M 系列の作成例を示す EXOR 出力シフトレジスタ図段の M 系列 1 6

7 EXOR EXOR EXOR 出力シフトレジスタ図段のM 系列 2 これらの図で示されるように M 系列の EXOR の位置を変更することにより様々パターンの信号を作成することができる 2.3 受信構成図 2-5 に受信機の構成を示す Si-APD オペアンプ AD 帯域補償フィルタ相互相関 LPF 復調信号搬送波抽出図 2-7 受信機の構成送信部から出力された光をSi-APDで受け取りオペアンプで信号の増幅を行なう AD ボードによりアナログ信号からデジタル信号に戻しその後帯域補償フィルタを通し搬送波抽出を行って抽出した搬送波で変調し同期検波を行い LPFを通し相互相関をとることで逆拡散操作を行うそして再びLPFを通すことで復調処理を行うことができるデジタル信号に戻した後の処理はMathematica ( 5) を用いて信号処理を行った 2.3.1LPF LPF では処理を行なうためにガウス関数型 LPF を使用するガウス関数を掛け合わせることで必要区間内のみ残すことができる次の式がガウス関数である fはカットを行う点 b は全測定点を入力し LPF 機能を持つことができる exp ln 2 f b 2 (2-1) 7

8 2.3.2 相互相関相互相関とは逆拡散を行う重要な操作である図 2-8 に相互相関の原理図を示す図 2-8 相互相関の原理図図 2-8 では送信データと 3 ビット周期の拡散符号を例としてあげる変調された信号を拡散符号のチップ時間分信号のシフトを行うその動作を拡散符号のビット分行い拡散符号に合わせて +1 と-1 をかけあわし合成することで相関が強いところつまりすべてが +1 の所では +3 となりマイナスの場合でも相関が強ければに-3 とでてくることで逆拡散が可能となる 8

9 2.4 誤り率り率とは光無線通信では光の減衰や雑音により信号が全て復調しきれずエラーが起こることの比率である今回の研究においても誤り率を求める誤り率の求め方として次のような構成で行なうことで求めることができる図 2-9 にアイパターンの例を示す最大幅図 2-9 アイパターンアイパターンの最大幅測定点数から見つけることでその信号内の最初のデータレートの最大点と最小点がわかるそこからデータレートの間隔ごとに信号を抽出することで各データレートの最大点および最小点を抽出することができる抽出した点数は送受信を行なっているために 1-1 ではないので判断しやすくするために 1-1 判定を行うその後元信号との比較を行い誤り率を求める 9

第 3 章実験概要本章では光無線通信を行なうために用いた発光素子受光素子オペアンプ DA ボード AD ボードについての説明を行なう 3.

一般的に知られている光が活性層と平行方向に取り出される端面発光型ではなく光が活性層に垂直に取り出される面発光型である図 3-1 にVCSEL

で見られるように活性層を挟んで上下に分布反射器が作られることで高い反射率を持っており広帯域信号の伝送も可能な利点があり光伝送に適している

10 第 3 章実験概要本章では光無線通信を行なうために用いた発光素子受光素子オペアンプ DA ボード AD ボードについての説明を行なう 3.1 発光素子 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting LASER) とは半導体レーザーの一種で一般的に知られている光が活性層と平行方向に取り出される端面発光型ではなく光が活性層に垂直に取り出される面発光型である図 3-1 にVCSEL 光源の基本構造 (6) を示す図 3-1 VCSEL の基本構造図 3-1 で見られるように活性層を挟んで上下に分布反射器が作られることで高い反射率を持っており広帯域信号の伝送も可能な利点があり光伝送に適している今回使用する VCSEL 光源を図 3-2 に写真とその特性を示すバンド幅ピーク波長高速立ち上がり時間光カップリング出力順電圧 2GHz 850nm 3ns 以下 350μw 1.7V~2.2V 図 3-2 VCSEL 光源 10

3.2 受光素子発光素子からでた光を受け取るには受光素子が必要であるまた微弱な光でも通信を行なうために高感度の受光素子を必要なので今回の研究ではAPD ( 7) を使用する図 3-3 にAPDの動作原理を示す + 空乏層 - E1 E2 ホール電子図 3-3 アバランシェフォトダイオードの動作原理逆バイアスを大きくしていくと空乏層内の電界が強くなり

11 3.2 受光素子発光素子からでた光を受け取るには受光素子が必要であるまた微弱な光でも通信を行なうために高感度の受光素子を必要なので今回の研究ではAPD ( 7) を使用する図 3-3 にAPDの動作原理を示す + 空乏層 - E1 E2 ホール電子図 3-3 アバランシェフォトダイオードの動作原理逆バイアスを大きくしていくと空乏層内の電界が強くなり送信光を吸収して発生した電子とホールが高速度で空乏層内を走り衝突電離を起こすことでねずみ算式に電子とホールが増えるこの現象をアバランシェ現象と呼ばれ光が微弱で少しの電子とホールしかなくても増幅することができるこのアバランシェ現象を利用しているのが APD である APD のなかでも今回は微弱検出用で多々用いられる Si-APD を使用する図 3-4 に今回使用する Si-APD の写真と特性を示す感度波長範囲最大感度波長受光感度量子効率遮断周波数増倍率 320~1000nm 600nm 0.24A/W (λ=420nm) 70% (λ=420nm) 530MHz 50 (λ=420nm) 図 3-4 Si-APD 11

12 今回使用する Si-APD は短波長域での高い増倍率があり広い遮断周波数を持っている次に図 3-5 に Si-APD の基本的な IV 特性を示す 1uA 100nA 10nA 1nA 100PA 10PA 1PA 逆電圧 (V) 図 3-5 Si-APD の IV 特性 APD では衝突電離を効率良く行なうためには高電圧が必要となる図 3-5 で示されるように Si-APD では 400V 付近から電流が流れ出すよって Si-APD は高電圧な逆バイアスを使用する必要がある 12

13 3.3 オペアンプ光の空間伝搬を行い Si-APDに入射した信号の強度が低いとその後の復調処理ができないそこでオペアンプを使用し信号を増幅する必要があるそこで今回はオペアンプを使用し交流反転増幅回路 (8) を作成した図 3-6 で交流反転増幅回路の構成を示す R2 入力 R1 +V 出力 -V 図 3-6 交流反転増幅回路の構成図 3-6 のように信号の増幅が可能であるまた信号の増幅度は抵抗 R2/R1 で設定することができる信号を増幅するためにはその信号の帯域をカバーできる周波数特性が必要となる図 3-7 にオペアンプの周波数特性の例を示す強度 (db) 周波数 (MHz) 図 3-7 オペアンプの周波数特性 3dB 帯域は 21MHz である図 2-7 のようなオペアンプの周波数特性は 10MHz までは理想的な増幅が可能であるが 100MHz 帯に近づくと特性が悪くなっていることがわかるこの特性では広帯域信号を増幅するのは不可能であるよって広帯域の信号を使用するときには広い帯域の周波数特性をもったオペアンプを使用する必要がある 13

3.4DA ボード AD ボード空間伝搬をする時に送信側ではデータを出力する際にデジタル / アナログ変換を行なって出力するので1DA ボードを使用し受信側ではデータを受け取る際にアナログ / デジタル変換を行なってから入力を行なうので2AD ボードを使用してする使用する DA ボードと AD ボードの写真と特性を図 3-8 に示す DAボード PXI-5422 出力チャンネル分解能

14 3.4DA ボード AD ボード空間伝搬をする時に送信側ではデータを出力する際にデジタル / アナログ変換を行なって出力するので1DA ボードを使用し受信側ではデータを受け取る際にアナログ / デジタル変換を行なってから入力を行なうので2AD ボードを使用してする使用する DA ボードと AD ボードの写真と特性を図 3-8 に示す DAボード PXI-5422 出力チャンネル分解能最高サンプリング速度 1 チャンネル 16Bit 200MS/s ADボード PXI-5124 出力チャンネル分解能最高サンプリング速度図 3-8 DA ボート AD ボードの写真と特性 1 チャンネル 16Bit 200MS/s 空間伝搬を行うためにはデジタル / アナログ変換アナログ / デジタル変換を高速で行なう必要があるため変換時間が高速であるボードを使用したまた最高サンプリング速度が制限されており標本化定理を考えると光無線通信で使う搬送波は 50Mbps までしか今回使用できない 14

15 第 4 章実験結果本章では 3 章で説明した器具を使用して行なった光無線通信の結果を述べる拡散符号は M 系列符号を利用して作成した 32bit 今回使用した DA ボードおよび AD ボードに 200MHz の制限があるためキャリアはサンプリング定理と拡散した時周波数帯域が広がるので 40MHz チップレートは 20Mbps にして実験を行い信号速度は 625kbps とし拡散率は 32 であるまたデータレート 2 値の BPSK から 4 値 QPSK にあげることで周波数利用効率をあげるまた減衰させる状況を作成するために減衰器である Attenuator を使用する次に今回作成した送受信機全体の周波数特性を示す強度 (db) 周波数 (MHz) 図 4-1 送受信機の周波数特性 3dB 帯域は 13MHz である帯域は 13MHz とあまり良くなかったので先ほどの受信回路であった補償フィルタを使って復調を行います 15

16 信する信号 Data1 と Data2 の波形を次の図で示す信号は 3 章で述べた M 系列 7 段に 1 ビット加えた 128bit の信号である図 4-2 data1 図 4-3 data2 16

逆拡散操作した図を図 4-5 に示す図 4-5 相互相関処理を行った信号図 4-5

17 4.1 BPSK 変調を用いた送受信次に出力された多重信号を Si-APD で受光した信号のアイパターン時間を示す図 4-4 受光した信号のアイパターンこの図は相互相関を行う前の信号のアイパターンである 1-1 の判別ができず図のようになった次に data1 の拡散変調に使用した拡散符号を用いて相互相関を行うことで逆拡散操作を行なう逆拡散操作した図を図 4-5 に示す図 4-5 相互相関処理を行った信号図 4-5 からわかるように相関が強い場所がでてきており信号の拡散処理ができていることがわかる次に復調信号とそのアイパターンを示す 17

18 図 4-6 復調処理を行った data1 とアイパターン図 4-6 の結果からアイパターンを確認してもしっかり 1-1 の判定ができていると考えられるまた誤り率判定を行った結果エラーはなく信号が正確に送受信されていることがわかる次に Attenuator をいれることで信号を減衰させどこまで誤りが起きずに空間伝搬を行うことができるかを図 4-7 に示す 18

19 図 4-7 減衰させた BPSK 信号この図 4-7 の結果から今回の実験系およびその環境では -43dBm の信号までならエラーなく送受信できることがわかった 19

20 4.2 QPSK 変調を用いた送受信図 4-9 に QPSK 変調の構成図を示す data1 QPSK出力 data2 90 位相器図 4-8 QPSK 変調 QPSK 変調は BPSK 変調と同じシンボルレートでも一度に BPSK の倍のデータを送ることが可能であるまた一つの拡散符号で 2 つの信号を選択するので誤り率の判定では 90 度位相をずらした側の二つで判断を行う次に実際に復調処理を行った結果を示す図 4-9 QPSK 復調処理を行った data1 とアイパターン図 4-10 QPSK 復調処理を行った data2 とアイパターンこのように位相をずらして一つの拡散符号に 2 つのデータを変調できる 20

21 次に QPSK の減衰を行った結果を示す図 4-11 減衰させた 128bitQPSK 信号 QPSK 信号は BPSK 信号と同じシンボルレートの中で 2 倍のデータを送っているので BPSK 信号に比べ早くエラーが発生する 21

4.3 16QAM 変調を使った送受信 16QAM 変調とは BPSK 変調と同じシンボルレート内で 4 倍のデータを変調することである作成方法としては QPSK 変調と同じ方法でできるが最初のデータを 4 ビットにする必要性がある次に送受信を行った QAM のアイパターンを示す図 4-12 16QAM のアイパターンこのように 3 つの目がでてきており正常に送受信を行うことができる

22 4.3 16QAM 変調を使った送受信 16QAM 変調とは BPSK 変調と同じシンボルレート内で 4 倍のデータを変調することである作成方法としては QPSK 変調と同じ方法でできるが最初のデータを 4 ビットにする必要性がある次に送受信を行った QAM のアイパターンを示す図 QAM のアイパターンこのように 3 つの目がでてきており正常に送受信を行うことができる 4.4 干渉光を用いた受信レベルの検討図 4-13 に実験構成を示す遅延ファイバー 1Km 干渉光 (-1dB,-3dB) 送信機光カプラ光カプラ ATT 受信機図 4-13 実験構成変調処理を行い VCSEL から送信した光信号を光カプラにいれ二つに分光し片方を 1km の遅延ファイバを通すことで干渉光信号とする再び光カプラに入力することで光信号を多重させる多重した信号を ATT で減衰させながら誤り率を見る干渉光は信号光に対してそれぞれ-1dB,-3dB とした結果である BPSK の誤り率特性を図 4-14 に示す 22

23 0.401 誤り率干渉なし -1dB -3dB 信号パワー (dbm) 図 4-14 BPSK の誤り率特性この結果から干渉なしの誤り率特性と -3dB の誤り率特性を比べるとほぼ同じ形になったよって干渉光の影響していないことがわかる次に QPSK の誤り率特性を図 4-15 に示す誤り率干渉なし -1dB -3dB 信号パワー (dbm) 図 4-15 QPSK の誤り率特性この結果から BPAK の誤り率特性と同じように干渉なしの信号の誤り率と -3dB の時の誤り率がほぼ一緒となり干渉に強いといことがわかった 23

24 第 5 章結論本研究では CDMA 方式を用いた空間伝搬を行なった結果をまとめる 1 BPSK 変調 QPSK 変調 QAM 変調を用いた CDMA 方式での信号伝搬を行った 2 VCSEL 光源 Si-APD を用いた空間伝搬を行い CDMA 方式における光無線通信が可能であることを示した 3 誤り率測定をしエラー判定を行ない微弱な光でも受光して復調できることを示した 4 干渉光を用いた受信レベルの検討を行ない CDMA 方式が干渉に強いことを示した以上のことから CDMA 方式は干渉に影響されずにチャネル選択ができるこが確認できたまた今回の実験では周りにいろんな光および雑音が存在しているような環境で空間伝搬その中で微弱な信号を受光し復調することができたよって CDMA 方式は光無線通信に適していると考えられる 24

25 謝辞本研究を進めるにあたり学部時代からの3 年間に渡って多大なご助言御指導頂きました高知工科大学電子光システム工学コース岩下克教授に心から感謝いたしています何も知らず覚えの悪い私に手取り足取り丁寧に教えて頂き本当にありがとうございました本研究論文の副指導員であるフロンティア工学コースの野中弘二教授には様々なことを学ばせていただき感謝申し上げます本研究論文の副審査員としてわからないこと詳しく丁寧に答えていただきました神戸宏教授に御礼申し上げますまた大学生活を楽しませてくれた同研究室の同期後輩に感謝します最後に大学院に進学を許してくれた家族に心から感謝しています 25

26 参考文献 (1) 塚本勝俊東野武史総合型光無線システムの研究開発電気情報通信学会全国大会 P (2) 藤岡雅宣服部武 : ワイヤレスブロードバンド教科書 :IDG ジャパン (3) 堀桂太郎 LabVIEW 実習森北出版 (4) 西村芳一無線によるデータ変復調技術 :CQ 出版社 (5) 榛葉實 Mathematica による通信工学東京電機大学出版局 (6) アムノンヤリーヴ監訳多田邦雄神谷武志光エレクトロニクス基礎編丸善株式会社 (7) 米津宏雄光通信素子工学工学図書株式会社 (8) 岩澤孝治大三宗安見方書き方オペアンプ回路オーム社 26

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<4D F736F F F696E74202D2091E FCD91BD8F6489BB82C691BD8F E835A83582E > 多重伝送と多重アクセスコミュニケーション工学 A 第 4 章多重伝送と多重アクセス多重伝送周波数分割多重 (FDM) 時分割多重 (DM) 符号分割多重 (CDM) 多重アクセス多重伝送地点から他の地点へ複数チャネルの信号を伝送するときに, チャネル毎に異なる通信路を用いることは不経済である. そこでつの通信路を用いて複数チャネルの信号を伝送するのが多重伝送である. 多重伝送の概念図チャネル