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しげのぶみのしま
5 years ago
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1 卒業研究報告題目 OFDM 光無線方式の光送受信機の製作と特性評価報告者学籍番号 : 氏名 : 小野裕章指導教員岩下克教授平成 1 年月 0 日高知工科大学電子光システム工学科

2 第 1 章序論背景目的論文構成...3 第章無線通信の現在の利用状況無線 LAN...4. 光無線...5 第 3 章研究計画光無線構成 OFDM( 直交周波数分割多重 )...7 第 4 章研究の準備光送受信機構成光送信機光受信機増幅器...14 第 5 章実験の結果光送受信機の周波数特性光信号送受信波形変調歪み測定 OFDM 変復調実験 OFDMスペクトル...6 第 6 章まとめ...7 謝辞...8 参考文献...9

3 第 1 章序論 1.1 背景目的近年インターネット技術の進歩に伴い高速広帯域な通信環境が急速に普及しているそれに伴い高品質な音声や動画などの大容量コンテンツの伝送に対する需要が増し家庭内などで無線 LAN(Local Area Network) の需要が高まっている無線 LAN では電波が届く所であればどこでも移動可能でネットワークの構成に自由が利くという利点があるしかし無線 LAN にも欠点があり使用できる周波数帯が決められ伝送速度が制限されている電波の特性上通信範囲が不明確でセキュリティや混信等の問題があるそこで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の制限を受けず広帯域通信が可能であるまた通信媒体に光を使うことで電波干渉がなく他機器への影響もないという利点があり光無線アクセス方式として注目されている通信媒体に光波を利用することで将来望まれる数 Gbps の高速通信への対応も可能でさらに光は電波と違い指向性が高いためセキュアな通信が可能であるそこで屋内用の無線アクセス方式に光無線通信を適用しセキュアで広帯域な通信を行うため OFDM 用の光送受信機の製作および特性評価を行った 1. 論文構成本論文の第章では光無線通信の概略と外部機関の研究状況について述べる第 3 章では本研究で想定している光マイクロセル無線システム OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 方式の内容について述べる第 4 章で送受信機の構成及び特性について第 5 章で実験結果を示し第 6 章で本研究の結論をまとめる 3

4 第章無線通信の現在の利用状況本章では無線通信の現在の利用状況について説明する.1 無線 LAN 無線 LAN はオフィスや家庭で広く普及している無線通信であるその仕様を表 --1 に示す IEEE80.11a/b/g の規格があり通信媒体に.4GHz~5.5GHz の周波数帯の電波が使用され最大 54Mbps で通信を行う事が出来る次世代無線 LAN IEEE 80.11n の規格も検討されているこれは最大通信速度 300Mbps で IEEE80.11a/b/g の規格より数倍高速化されているが無線 LAN では電波法に制限され帯域が狭く将来望まれる数 Gbps の通信速度の実現は難しいと考えられる表 --1 無線 LAN 仕様規格 IEEE80.11g IEEE80.11b IEEE80.11a 周波数帯.4~.47GHz.4~.47GHz 5.15~5.5GHz 通信方式 OFDM DS-SS OFDM 最高通信速度 54Mbps 11Mbps 54Mbps 周波数干渉混信やノイズの影響を受けやすい混信やノイズの影響が少ない通信距離障害物の影響を受けにくい障害物の影響を受けやすい屋外使用可能可能不可 (DS-SS:direct sequence spectrum spread) 無線 LAN のセキュリティ対策暗号化通信のセキュリティ技術には主に WEP (Wired Equivalent Privacy) や WPA (Wi-Fi Protected Access) や WPA (Wi-Fi Protected Access ) があるこれらの暗号化通信ではネットワークキーによって通信機器を限定する目的のほか通信内容を暗号化することで通信内容の傍受を防ぐ目的もある個々の無線 LAN 機器が持つ機器固有番号 (MAC アドレス ) を無線 LAN アクセスポイントにあらかじめ登録することで登録されている無線 LAN 端末以外の通信を遮断する方法もあるこれらを組み合わせることによって無線 LAN におけるセキュリティを高めることができるが設定ミスやパスワード設定されていない無線 LAN アクセスポイントも存在する暗号化技術の WEP では脆弱性も指摘され低い信頼性しかもっていないとされているこのように無線 LAN における情報漏えいが問題となっている 4

5 . 光無線光無線は通信媒体に光波を利用するため電波法による制限を受けず広帯域通信が可能である現在実用化されている光無線の製品の仕様を表 --1 に示す [1] これはビル間通信などの長距離通信に利用されている 1.5Gbpsの高速通信で大容量のデータ通信にも対応し高い秘匿性がある波長 800nm 付近のレーザーダイオードを使用し 1km 程度の距離で通信が可能である電波法で制限されるのは 3THz 以下の周波数の電磁波なので 800nmのレーザーダイオードは 400THz 程度の周波数なので制限されず電波障害もなく広帯域通信が可能である表 --1 canon 高速光無線システム仕様通信距離 100m~1000m 発光素子レーザーダイオードレーザー波長 785±15nm 受光素子 Si-APD データ伝送速度 1.5Gbps 5

6 第 3 章研究計画本章では本研究において想定している光マイクロセル無線システム及び変調方式である OFDM について説明する 3.1 光無線構成光マイクロセル無線システムはオフィス家庭などで使用できる屋内用光無線を想定し複数の端末に対して提供する事を想定したシステムである概念図を図 3-1 に示す [] 複数の送信器が天井等からデスク上に光を照射しセルを形成するセル群の範囲内であれば任意の場所で通信が行える受信端末がセル A B 間で移動した場合はハンドオーバ処理を行い通信の切断を回避する通信が行えるのはセル内に限られるこの為電波による無線通信のような特定外のユーザーに電波が到達する事がないため非常にセキュアな通信が実現できるなお本研究の想定モデルでは送受信端末間の距離が4m 以下とする図 3-1 光無線概念図 6

7 3. OFDM( 直交周波数分割多重 ) OFDM 方式は送信データを複数のサブキャリアに分けて伝送する方式である OFDM のスペクトルを図 3- に示すマルチキャリア形式である OFDM では複数のサブキャリアにデータを分割して変調するため低いシンボルレート ( シンボルがチャネル時間特性と比較して比較的長い ) での伝送が可能であるこの為シングルキャリア方式と比べて伝送容量が大きくなるそれぞれのキャリア同士が重なっているため干渉が起きるように見えるがキャリア同士が直交 ( キャリア同士を掛け算して積分すると 0 となる状態 ) になっているので互いを干渉することなく復調できる検討している光無線方式図 3-1 においてマイクロセル間を移動する際セル A から B へ移動しながら送信機 A,B からつの信号を受信することになり複数の経路ができ両経路の差よりパケットの到着時間に差が出来るしかしマルチキャリアの1シンボル長はシングルキャリアと比べて長く遅延波によるシンボル間干渉は非常に小さく遅延波の影響を受けにくいこれに加えてさらにマルチパス干渉を効率よく除去するためにシンボルの先頭部分に冗長信号を付加し遅延波を吸収させるこれをガードインターバルと呼ぶこれは復調時に除去することで遅延波の干渉を除去することができるこのように OFDM はハンドオーバによるマルチパス干渉にも強いこのような理由から光無線通信の変復調方式に OFDM 方式を用いた図 3- OFDM のスペクトル 7

8 第 4 章研究の準備本章では本研究で用いた送受信機の構成及び特性について説明する 4.1 光送受信機構成図 4-1 に光送受信機の構成を示す入力されたデータがまず OFDM 変調され光送信機へ入る次に光が空中伝搬され光受信機で受信されるそして OFDM 復調されデータが受信される本実験ではブルーの囲いの部分 ( 送信機受信機本体部分の ) 特性評価を行った光送信機において発光素子に波長 850nm の VCSEL を用いたこの光送受信機では屋内に設置することを想定しているので光源については視認の妨げにならない赤外光が望ましいまた高速伝送を実現するためには光源の素子の応答速度が高速であること受信端末に用いる受光素子の感度波長範囲が 30~1000nm であるため 650~1000nm の波長である事が必要である以上の点に加え閾値電流が他の半導体レーザに比べて低いという点から VCSEL( 面発光レーザ ) を採用した光受信機では受光素子に受光径 1mmの微弱な光でも通信が行える高感度受光素子 Si-APD を用いた図 4-1 光送受信機構成 8

9 4. 光送信機送信機の発光素子に VCSEL を用いた VCSEL とは半導体レーザーの一種で図 4--1 の構造から分かるように基板に対して垂直に発光する機構を持つ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した VCSEL の仕様を表 4-- に示す図 4--3 が VCSEL の I-L 特性でしきい値電流は 1.6mA だった光送信機の回路図を図 4--4 に示す実際に製作した光送信機を図 4--5 に示す図 4--1 VCSEL 構造表 4-- VCSEL 仕様波長しきい値電流帯域幅 850nm 1.6mA GHz 9

10 図 4--3 VCSEL I-L 特性.3V 図 4--4 光送信機回路図 10

11 図 4--5 光送信機 11

4.3 光受信機光受信機の回路図を図 4-3-1 に示す微弱な光でも通信を行なうために微弱検出用で用いられる

空間伝搬の距離を考慮し受光径遮断周波数を決めた回路図においてオペアンプはアナログデバイセズ社製

12 4.3 光受信機光受信機の回路図を図に示す微弱な光でも通信を行なうために微弱検出用で用いられる Si-APD を使用した今回使用した Si-APD を図 4-3- に仕様を表に示す空間伝搬の距離を考慮し受光径遮断周波数を決めた回路図においてオペアンプはアナログデバイセズ社製 AD8009 を使用した実際に製作した光受信機を図に示す 480V 図光受信回路図図 4-3- Si-APD 1

表 4-3-3 Si-APD 仕様受光径端子間容量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 1mm 4pF

13 表 Si-APD 仕様受光径端子間容量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 1mm 4pF 30~1000nm 600nm 0.4A/W (λ=40nm) 70% (λ=40nm) 530MHz 50 (λ=40nm) 図光受信機 13

14 4.4 増幅器 Si-APD で受光し信号を復調できるように増幅器で信号を増幅させるその際の雑音特性は回路形式により異なる信号対雑音比を改善するには負荷抵抗を大きくする必要がある前置増幅器を負荷抵抗に接続した場合その入力インピーダンスが負荷抵抗に並列に接続されることになるので等価的な負荷抵抗を大きく保つためには入力インピーダンスが大きいことが望まれる Si-APD との構成で増幅器には以下の種類があるハイインピーダンス型を図に示すこの回路では負荷抵抗の熱雑音のほかゲート漏れ電流相互インダクタンス g m a, f = g a, f aγ m に関係する雑音が主な雑音源である ( i ei, v = 4kT / g, ここで Γ は FET の雑音係数 ) したがって負荷抵抗の熱雑音も含めた回路の雑音は I g によるショット雑音と n cir 4kT = Rl a 1+ Γ g R m l + ei g 4kTaΓ + (πc g m t ) B 3 I 3 で与えられるハイインピーダンスでは容量のために周波数帯域が狭くなる欠点があるまたこれを等化により補償しようとしても低周波と高周波では補償量が大きく異なるためダイナミックレンジを小さくする結果となる雑音の増大を極力抑えこの問題点を解決したトランスインピーダンス型の回路図を図 4-4- に示す帰還増幅器を用いたもので特に高速伝送において有用とされ低雑音高ダイナミックレンジ及び広帯域といった特徴があるこれらの理由から受信回路に高速伝送の可能なトランスインピーダンス型を選択したオペアンプはアナログデバイセズ社製 AD8009 を使用したその仕様を表に示す図ハイインピーダンス型 14

15 図 4-4- トランスインピーダンス型表オペアンプの仕様スルーレート 5500V/μs 立ち上がり時間 545ps 大信号帯域幅 440MHz 小信号帯域幅 1GHz セトリング時間 10ns 電源電圧範囲 +5V~±5V 供給電流 14mA 次高調波 -66dBm 3 次高調波 -75dBm 15

16 第 5 章実験の結果本章では第 4 章で説明した実験構成を元に測定した結果を示しその内容について考察する 5.1 光送受信機の周波数特性製作した光送受信機の周波数特性を図 5-1 に示す図 4-4- に示した光受信機回路の帰還抵抗 R を調節することで帯域を決めた帰還抵抗を 500Ωにした時の 3dB 帯域は 10MHz 1kΩにしたときの 3dB 帯域は 56MHzであった帯域が少ないほうが S/N 比がよいので OFDM を考慮し光受信回路の帰還抵抗 R を 1kΩにすることで帯域を 56MHzに設定した図 5-1 光送受信機の周波数特性 16

17 5. 光信号送受信波形 100Mbps で VCSEL をデジタル強度変調を行い光の空間伝搬を行ったときのアイパターンを図 5- に示すこれは Si-APD への受光電力 -44dBm 時の観測波形である図 5- 光信号送受信波形 17

18 5.3 変調歪み測定今回検討している OFDM は変復調のリニアリティも重要である図に示すようなシステムが非線形性を有しているとする図システムこのシステムの入力信号 v in (t) に対する出力信号 (t) は v ( t) = c0 + c1vin ( t) cv in ( t) out + で表されるとするこの時入力信号につの異なる角周波数 ω 1, ω の信号 v in ( t) = a 1 cosω 1 t + a cosω t が入力すると出力信号は v out ( t) = c0 + c1 ( a1 cosω 1t + a cosωt) + c ( a1 cosω 1t + a cosωt) = c0 + c1a 1 cosω 1t + c1a cosωt = c = v out + c ( a1 cos ω 1t + a cos ωt + a1a cosω1t cosωt) 0 + c1a1 t ca1 cosω 1t + ca cosωt + (1 + cos ω1 ) c a + (1 + cosωt) + ca1a 1 1 ω c 0 + ( a1 + a ) + c1a1 cosω 1t + ca cosω t c { cos( ω + ω ) t + cos( ω ) t} c a1 ca + cos ω1t + cos ωt + ca1a cos( ω1 + ω) t + ca1a cos( ω1 ) t ω となる線形システム ( c = 0 ) では入力信号の角周波数 ω 1, ω 以外の成分は出力されなかったが非線形システム ( c 0 ) では第次高周波及び ω 1 とω の相互変調波 ω 1 + ω, ω1 ω 歪みの測定を行ったの成分が発生するそこで送受信回路で第次高調波及び相互変調実験系を図 5-3- に示すまた実験は VCSEL の電圧.3V 電流 3.0mA Si-APD の電圧を 480V で行った 18

19 図 5-3- 変調歪み測定構成送信回路で歪み測定を行った結果を図に示す実験は 10MHz の正弦波で VCSEL を変調させスペクトラムアナライザを用いて入力した信号 (10MHz) 第次高調波 (0MHz) を観測した送信回路での歪み測定では信号パワーを上げていきそれに伴い発生する次高調波を観測したその際受信回路での歪みが発生しないように APD に入る光パワーを一定にしながら測定を行った結果から変調信号パワー -10dBm 以上から歪みが発生していることが図からわかるこれは図に示すように信号振幅が VCSEL のしきい値を超えて変調されるためであるこの計算方法を次に示す ( Vp = 信号振幅 [V], R = 回路抵抗 [Ω], P = 変調信号パワー [W], とする ) 図信号伝搬 v( t) = Vp cosωt Vp i( t) = cosωt R 1 T P = v( t) i( t) dt T 0 1 Vp T = tdt T R cos ω 0 V p = R この式に R=50Ω P=0.1mW(-10dBm) を当てはめると 19

20 p V = =0.01 V = 0.1 p V I = R p = =[ma] 50 となり信号振幅が VCSEL のしきい値を超えて変調されていることが分かるしたがって測定での変調信号パワーは -10dBm 以下でおこなった受信回路での歪み測定では APD に入る光パワーを上げながら信号パワーを上げていきそれに伴い発生する次高調波を観測した結果を図に示す送信回路で変調信号パワー -10dBm 以上でひずみが発生するので受信回路のひずみ測定時には送信機側でひずみが発生しないように信号を調整した図の結果から信号パワー 0dBm までは図のスペクトルに示すように 41dB までひずみが抑圧できていることが分かる次に VCSEL を 1MHz 10MHz それぞれの正弦波で変調した時の第次高調波 MHz 0MHz を測定した結果を図に示す次歪みは -5dBm 付近まで図に示すスペクトルのように 43dB 以下まで抑えられることが確認できた複数の周波数信号を入力すると変調周波数を f, f とすると次歪みは次高調波 f i j i だけでなく図に示すように相互変調歪み f ± i f j が現れるそこでつの発振器を用い 1MHzと 10MHzの正弦波を同時に入力し変調した時の 9,11,19,1MHzに発生する相互変調歪みの測定を行った結果を図に示す相互変調歪みは信号パワー -10dBm 付近まで図に示すように 9,11MHzの歪みは 56dB 以下 19,1 MHzの歪みは 70dB 以下まで抑えられることが確認できた共同研究での光無線方式の構成や QPSK 変復調実験においてのサブキャリア 56 を考慮し送受信機でのリニアリティは 40dB を目標としているので今回製作した送受信機は以上の結果から要求条件を確保していると言える 0

21 図送信回路歪み測定図送信回路歪み 1

22 図受信回路歪み測定図受信回路歪みスペクトル

23 図第次高調波歪み測定図送受信回路歪みスペクトル 3

24 図相互変調歪み測定図相互変調歪みスペクトル 4

25 5.4 OFDM 変復調実験 OFDM 方式はピーク電力対平均電力の比が大きいため大きなダイナミックレンジが必要となる QPSK 変調をサブキャリア数 56 で行い OFDM に対する変復調実験を行ったその実験構成を図に結果を図 5-4- に示すビットレートは 50Mbps で 56 のキャリアに対して歪みなく受信できていることを図 5-4- のコンスタレーションより確認できた図 OFDM 変復調実験図 5-4- QPSK のコンスタレーション 5

26 5.5 OFDM スペクトル変調された OFDM のスペクトルを観測したものを図 5-5 に示す今回製作した光送受信機の周波数特性は 56MHz であったので図 5-5 の結果から受信できていることが確認できる図 5-5 OFDM スペクトル 6

27 第 6 章まとめ本研究では OFDM 光無線方式の光送受信機の製作と特性評価を行ったその結果をまとめる 1 発光素子に広帯域高速伝送が可能な VCSEL を用い受光回路を高感度素子の Si-APD を用いたトランスインピーダンス形とした OFDM 雑音を考慮し受信回路の帰還抵抗 R を 1kΩにし送受信機の周波数特性を 56MHz とした 3 送受信機でのリニアリティは要求条件である 40dB を確保していることを確認 4 値強度変調での良好なアイパターンを確認 5 QPSK 変調をサブキャリア数 56 で行い OFDM に対する変復調実験を行った 56 のキャリアに対して歪みなく受信できていることを確認 6 変調された OFDM のスペクトルから製作した送受信機で受信できていることを確認した以上のことから OFDM 光無線方式における光送受信機の製作を行い通信が出来ることが確認できた 7

28 謝辞本研究を進めるにあたり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科岩下克教授に心から感謝いたします通信の基礎から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の共同研究者である渡部隆寛さんにはわからないことを詳しく答えていただきました装置の使い方等丁寧に教えていただいた同研究室の先輩方速水佑治さん中妻宏太さん宮武太郎さんにも重ねてお礼を申し上げますまた充実した大学生活を送らせてくれた同研究室の同期小原弘志さん今井章智さんにも感謝します最後に大学入学を許可してくれた両親に深く感謝いたします 8

29 参考文献 [1] キャノン株式会社高速光無線システム CANOBEAM DT-100 シリーズ [] 加藤寿啓光マイクロセルビームシステムにおけるアップリンクダウンリンクビームの制御高知工科大学学士論文 006 年度 [3] 羽鳥光俊青山友紀 : 光通信工学 (1) P63 コロナ社 [4] 石尾秀樹中川清司 : 光増幅器とその応用 P1 オーム社 [5] 伊丹誠 : わかりやすい OFDM 技術 P147 オーム社 9

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<4D F736F F D208E518D6C B791BD8F6482CC8FDA8DD72E646F63> 参考 4 波長多重の詳細 1 波長多重の基本 1.1 波長多重の方式異なる波長の光を 1 本の光ファイバで伝送することを波長多重伝送という波長多重をする方式には以下の 2 方式がある (1) 粗い波長多重 CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing) (2) 密な波長多重 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)