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みさきおいもり
5 years ago
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1 A-5 高速広帯域通信時代の最新ノイズ計測技術岡田信孝

2 本日の予定最近のノイズ環境とEMI 規制の動向ノイズ対策のためのスペクトラムアナライザテクトロニクスのノイズ測定ソリューション 2

3 市場動向と設計者の課題ここ近年世界で年間 10 億個を超える RF デバイスが出荷どこでもワイヤレス業務用と個人用途に関わらずあらゆる業界に浸透設計者の責務は拡大デジタルアナログ RF の設計統合 RF 信号はより時間変動する仕様に推移バースト通信が省電力に寄与複雑な周波数ホッピング変調方式の導入 ( 耐ノイズセキュリティ ) 異なる周波数の複数の通信規格が同居 900MHz 帯の ZigBee と 2.4GHz 帯の Bluetooth が一つのデバイスに統合機器の小型化と高機能化製品内での電波干渉が性能低下の原因に EMC のトラブルシュートが更に困難に輻射が間欠的になり広帯域化している 3

4 近年のノイズ環境搭載される無線機器の増加無線 LAN, Bluetooth, GPS, 地上波デジタル放送チューナー,RFID スマートメータ ( スマートグリッド ) 高密度実装 GND プレーンの減少回路のアイソレーション低下複数の発振無線回路をメインボードに実装モーター回路 (DVD など ) の増加省エネ環境対策インバータスイッチング電源 IGBT LSI の高速化 CPU, Memory の動作周波数高速化 CPU, Memory の動作電圧の低下 4

5 EMC の分類 EMC (Electro-Magnetic Compatibility): 電磁的両立性 EMI (Electro-Magnetic Interference): 電磁妨害エミッション ( ノイズ放出 ) 試験導電性ノイズ ( 電源線データ線 ) 放射性ノイズ ( 電磁波 ) スペクトラムアナライザ EMS (Elector-Magnetic Susceptibility): 電磁妨害感受性イミュニティ ( ノイズ耐性 ) 試験静電気試験落雷試験 EMC = EMI + EMS オシロスコープ 5

) CE マーキングは EMS( イミュニティ : 電磁耐性 ) も含む VCCI(

6 周波数とパワーの法規制電波法規制国内法規制 : 電波利用周波数 ( パワー ) は国別に法規制されている総務省電波利用ホームページ資料 ARIB( 一般社団法人 ) が規格策定する 2300~3000MHz の例国際法規制 ( 主にエミッション :EMI 電磁波障害 ) CISPR( 国際無線障害特別委員会勧告 ) FCC( 米国連邦通信委員会法規制 ) EN( 欧州 EC 指令法規制 ) CE マーキングは EMS( イミュニティ : 電磁耐性 ) も含む VCCI( 日本情報処理装置等電波障害自主規制協議会 : メーカーの自主規制 ) EMI :Electro-Magnetic Interference 6

7 EMC ノイズ国際規格規制 ( 一例 ) CISPR( 国際無線障害特別委員会 ) CISPR11 工業科学医療 (ISM) 高周波装置 --- EN55011( 欧 ) FCC47-Part18( 米 ) CISPR12 自動車ボート内燃機関 --- 自動車規格 JASO( 日 ) SAE J551/2( 米 ) CISPR13 音声 TV 放送受信機 EN55013 FCC-Part15 CISPR14 家庭用機器電動工具 EN55014 CISPR15 電気照明及び類似機器 EN55015 CISPR16 無線妨害イミュニティ測定装置 ANSI/IEEE291( 米 ) CISPR22 情報技術 (IT) 装置 VCCI( 日本 ) EN55022 FCC47- Part15,18 CISPR25 車載受信機 CISPR32 マルチメディア機器 ( 審議中 ) CISPR13 と 22 の統合 VCCI に反映予定 IEC( 国際電気標準会議 ) 総会 TC77(EMC 専門委員会 ) 入力 16A 以下の機器の高調波電流エミッション限度値 JIS C 放射無線周波電磁界イミュニティ試験 JSI C

8 広帯域化するノイズ規制 CISPR22 edition5.2, VCCI, EN55022, FCC part15 1GHz 6GHz: PK( 尖頭値 ) と AV( 平均値 ) 規格改定 ( 追加 ) 規制対象は情報技術装置 (PC, 複合機, プリンタなど )=CISPR22 CISPR32でデジタル家電全般に拡大の予定 (CISPR13,22は2017 年 3 月で廃止 ) 出典 : 一般財団法人 VCCI 協会 1GHz 以下 1GHz~6GHz 8

9 CISPR22 edition5.2 での測定周波数範囲装置内部で使用している周波数もしくは装置に供給されるクロック周波数によって EMI の測定周波数範囲が決定 EUT 内の最高周波数 108MHz 未満 108MHz 以上 500MHz 未満 500MHz 以上 1GHz 未満 1GHz 以上測定の上限周波数 1GHz 2GHz 5GHz 最高周波数の 5 倍または 6GHz の低い方 CISPR32 でも CISPR22 と同じ値が採用される予定 9

10 さまざまなノイズの種類外部ノイズ電源ノイズ AC 電源モータ発電機変圧器 DC 電源スイッチングレギュレータ開閉器ノイズアーク放電突入電流雷サージ静電気放電誘導雷電波 ( 無線通信 ) 干渉位相ノイズクロックジッタ内部ノイズ ( イントラ EMC) 熱雑音 ( ホワイトノイズ ) ショットノイズ ( 微小電流の揺らぎ ) フリッカノイズ ( 1/f ノイズピンクノイズ ) バーストノイズ ( ポップコーンノイズ ) アバランシェノイズ ( ツェナー振動 ) PCB のノイズ信号品質 SI Signal Integrity 電源品質 PI Power Integrity グラウンドバウンスリンギングクロストークチャージインジェクション SSO(CMOS 同時スイッチング ) ノイズコモンモードノイズ高速差動伝送プレーン共振 10

高速広帯域化する PC のノイズ環境通信モジュールの増加 & 高速化 Bluetooth モジュール 2.4~2.5GHz 無線 LAN モジュール 2.4GHz, 5~5.8GHz CPU ボード SATA3.0 DDR3 USB3.0 6 Gbps 2.4Gbps 5 Gbps DVI/HDMI1.4 3.

11 高速広帯域化する PC のノイズ環境通信モジュールの増加 & 高速化 Bluetooth モジュール 2.4~2.5GHz 無線 LAN モジュール 2.4GHz, 5~5.8GHz CPU ボード SATA3.0 DDR3 USB3.0 6 Gbps 2.4Gbps 5 Gbps DVI/HDMI Gbps DisplayPort PCI Express Thunderbolt 5.4 Gpbs 8 Gbps 10 Gbps バスクロック周波数 >1GHz ハードディスクドライブディスプレイドライブ NFC モジュール 13.56MHz DVD モータドライブ GPS モジュール / MHz 地上波デジタル 470~770MHz 11

多様化する自動車のノイズ環境無線システムの多様化ノイズ源の増加広帯域放射雑音オルタネーター放電ノイズ PCU (EV/HV/PHV) インバータ ECU LED ヘッドライト AM/FM ラジオ 522kHz~1.7MHz 76~90MHz ドアミラーのモーター LED 内部照明 DSRC (ETC) 5.8GHz スマートキーキーレス 134kHz, 314MHz GPS 1227.

12 多様化する自動車のノイズ環境無線システムの多様化ノイズ源の増加広帯域放射雑音オルタネーター放電ノイズ PCU (EV/HV/PHV) インバータ ECU LED ヘッドライト AM/FM ラジオ 522kHz~1.7MHz 76~90MHz ドアミラーのモーター LED 内部照明 DSRC (ETC) 5.8GHz スマートキーキーレス 134kHz, 314MHz GPS / MHz 高感度 -130dBm パワーウインドゥのモーター Bluetooth( カーナビ等 ) 2.4~2.5GHz RFID( 電子タグ車体管理等 ) 135kHz, 13.56MHz, 950MHz, 2.45GHz DC-AC(DC) コンバータ車車間路車間無線通信 ( 衝突防止レーダー ) 700MHz, 76~77GHz 侵入者検知 24GHz カーオーディオ TPMS ( タイヤ空気圧モニタ )125kHz, 315MHz, 2.4GHz 高感度センサ狭帯域放射雑音 12

13 ノイズの種類と測定器ノイズ測定全般スペクトラムアナライザ近接界プローブアンテナスペクトラムアナライザインパルスノイズサージノイズの測定オシロスコープ高電圧プローブ高圧差動プローブ電流プローブオシロスコープ 13

14 掃引型スペアナの基本構造入力 RF アッテネータミキサ #1 Tektronix 2784 型 (1990 年 ) IF: 中間周波数分解能帯域幅 (RBW) は 1Hz~ 最大でも10MHz 程度分解能帯域幅可変フィルタ (RBW) 発振器 (Local Oscillator) 検波器 X 軸 Y 軸のこぎり波発生器周波数掃引掃引速度は最速でも1ms/ スイープ CRT 分解能帯域幅 (RBW) を 1/2 にすると掃引時間は 4 倍必要ビデオフィルタ 14

15 リアルタイムシグナルアナライザ (RTSA) の概念高い周波数 RF 信号分解能帯域幅フィルタ #1 分解能帯域幅フィルタ #2 分解能帯域幅フィルタ #3 取りこぼしが無い掃引しないで同時に通過レベル表示時間分解能帯域幅フィルタ #n 低い周波数 FFT 計算により帯域幅フィルタを並べる時間周波数 15

16 FFT とは? FFT: Fast Fourier Transform ( 高速フーリエ変換 ) あらゆる信号はさまざまな周波数の正弦波の組み合わせで成り立っています周期 T 離散フーリエ変換 (DFT) を高速に行うのが FFT オシロスコープ表示繰り返し波形振幅時間 1024 ポイントで計算すると周波数 FFT 計算 4/T 1024 の周波数値に分割される 3/T C1 1/T 2/T スペアナ表示 16

17 FFT 方式のスペアナは速い掃引型スペアナアナログ掃引方式パワー Fa を見ている時 Fb は見えていない最速 1m 秒で掃引 Fa から Fb まで掃引した時には Fb は消えている FFT 方式のスペアナデジタル計算方式周波数離散フーリエ変換 (DFT) 最速 200n 秒で FFT Fa を見る時 Fb も同時に見えている 17

全 21ch ロジックアナライザオシロスコープスペクトラムアナライザオシロスコープ操作部時間軸画面

18 MDO4000B ミックスドドメインオシロスコープアナログ / デジタル /RF の時間相関測定を 1 台で提供デジタルアナログ RF 1GHz x 4ch のオシロ + 6GHz x 1ch のスペアナ + ロジアナ x 16ch = 全 21ch ロジックアナライザオシロスコープスペクトラムアナライザオシロスコープ操作部時間軸画面スペアナ操作部スペアナ画面 RF 入力 (N コネクタ ) 18 16ch ロジックアナライザ Tektronix MDO4104-6

19 ノイズの発生源を探索する近接界プローブの使い方近接界プローブを使用するメリットコスト卓上での手軽なノイズ対策 PCB の部品レベルでのノイズ対策時間短縮電波暗室使用の順番待ちが不要磁界 (H) プローブ 6cm 3cm 1cm 近接界プローブの種類と用途電界プローブは電圧磁界プローブは電流検出ノイズの発生源を探索する磁界 (H) プローブは径が大きいほど感度が良い電界 (E) プローブ無指向性指向性 19

20 微細ピッチの近接界プローブ 30MHz~6GHz 0.2mm 空間分解能磁界プローブ (H) 電界プローブ (E) パスコンを付ける端子を判別できるドイツ LANGER 社製国内連絡先 :TSS ジャパン 20

21 微細ピッチの近接界プローブ ( 詳細 ) 磁界プローブ直径 :25 mm 磁界プローブ空間分解能 :1 mm 磁界プローブ空間分解能 :0.5 mm 垂直磁界用プローブ空間分解能 :2 mm 電界プローブ空間分解能 :0.2 mm 21

22 低ノイズフロア測定に最適なプリアンプ MDO4000/B シリーズ用 TPA-N-PRE 型プリアンプダイナミックレンジを減らさずに低ノイズフロアを実現特長周波数帯域 : 9 khz 6 GHz ゲイン : 12 db 表示平均ノイズレベルの改善 (DANL) : 10 db 上側 :MAX Hold トレース TPA-N-PRE 使用下側 :Normal トレース 22

ノイズ対策用プローブとアンテナアクティブプローブアダプタ TPA-N-VPI 型アダプタ TekVPI

RTPA2A 型プローブアダプタプローブ型式を認識して自動電圧補正 P7000 シリーズ用プローブアダプタ

896~960MHz P/N: 119-9596-xx 1710~1880MHz P/N: 119-9597-xx

23 ノイズ対策用プローブとアンテナアクティブプローブアダプタ TPA-N-VPI 型アダプタ TekVPI インタフェースプローブ用アダプタ 1103 型プローブ用電源 Tek Probe Level2 インタフェース対応 RTPA2A 型プローブアダプタプローブ型式を認識して自動電圧補正 P7000 シリーズ用プローブアダプタ指向性ビームアンテナ P/N: xx 824~896MHz P/N: xx 896~960MHz P/N: xx 1710~1880MHz P/N: xx 1850~1990MHz TPA-N-VPI 型アダプタ RTPA2A 型 (50Ω 出力 ) 1103 型プローブ電源ビームアンテナ 23

24 広帯域パルスノイズ測定例 (1) スイッチング電源のノイズ測定パルスノイズを放出している時間タイミングは? μ 秒以下の単発パルスを広帯域で観測できるか? Tektronix MDO AM ラジオ 522kHz~1.7MHz FM ラジオ 76MHz~90MHz 磁界プローブ放射ノイズ一次平滑回路高電圧差動プローブ電流プローブ 24

25 広帯域パルスノイズ測定例 (1) スイッチング電源のノイズ測定チャージ電圧の立下がり時に 50kHz~90MHz の広帯域ノイズ発生ノイズのパルス幅は 82ns 10.7μs 一次平滑コンデンサチャージ電圧 4μs 放出電流ノイズ電力の時間変動 82ns 50kHz 90MHz 25

26 広帯域パルスノイズ測定例 (1) スイッチング電源のノイズ測定放出電流の立下がり時は 1.8MHz の狭帯域ノイズ発生一次平滑コンデンサチャージ電圧放出電流ノイズ電力の時間変動 1.8MHz 26

27 広帯域パルスノイズ測定例 (2) LED 電球の放射ノイズ測定 LED 駆動電流のリップルと放射ノイズの時間相関磁界 (H) プローブ AM ラジオの周波数帯域 500kHz~1.6MHz 電流のリップルとノイズパワーの変動周期は相関がある Tektronix MDO

28 広帯域パルスノイズ測定 (3) スマートフォンのディスプレイノイズの観測 Tektronix MDO4104B-6 上側 : ディスプレイノイズのスペクトラム (MAX Hold トレース ) 下側 : ディスプレイノイズが出ていない状態 (Normal トレース ) 9kHz-250MHz スパンでの広帯域ノイズ観測ノイズ電力の時間変化に規則性があるか? 磁界プローブ 28

29 広帯域パルスノイズ測定 (3) スマートフォンのディスプレイノイズの観測ノイズ電力の時間変動ノイズのスペクトラム MDO4000 の自動測定機能でパルスノイズの発生間隔を求める 60kHz のサイクルで広帯域スイッチングノイズの発生が確認できる 29

30 広帯域パルスノイズ測定 (3) スマートフォンのディスプレイノイズの観測ノイズ電力の時間変動ノイズのスペクトラム時間軸を拡大し 40ms 間のノイズの変化を測定 30

31 広帯域パルスノイズ測定 (3) スマートフォンのディスプレイノイズの観測ノイズの発生周波数 :60kHz ノイズ電力の時間変動 1 サイクル当たりのパルスノイズの数 :961 回ノイズの変化周波数 :60Hz ノイズのスペクトラムノイズの変化周波数 :60Hz ディスプレイのリフレッシュレートに一致 1 サイクル当たりのノイズ発生回数 :961 回ディスプレイ解像度ディスプレイの表示画像によってノイズ電力の時間変動の様子も変化 31

基板 (PCB) レベルでのノイズ対策の重要性ノイズの発生源に対策を打つコストダウン品質向上

モジュール同士が近接しており極めて微弱なレベルでも問題を引き起こすリレー電動機インバータ

32 基板 (PCB) レベルでのノイズ対策の重要性ノイズの発生源に対策を打つコストダウン品質向上イントラシステム EMC( 自家中毒 ) 対策装置内部のノイズによって干渉誤動作を起こす問題モジュール同士が近接しており極めて微弱なレベルでも問題を引き起こすリレー電動機インバータクロストークデジタルアナログ混在回路内蔵する LSI やインタフェースの高速化で発生するノイズは広帯域化し電源電圧や信号レベルが低電圧化している事でさらにノイズの影響を受けやすくなる比較的安価な設備投資金額シールドテントシールドBOX 電波暗箱 50~150 万円 -30~-80dB 32

33 ( 例 ) 自動車ワイヤハーネスのノイズ対策 CISPR25 の規格に従いコンプライアンス試験を行った結果対策が必要ハーネスにシールド対策を行うとコスト高になるので ECU/PCU の PCB 側にノイズ対策を行うトータルコスト削減 CISPR25 車載ハーネスコンプライアンス試験設備電流プローブ出典 : 宮城県産業技術センター 33

34 狭帯域変動ノイズ測定自動車ワイヤハーネスのノイズ対策事例 ( 事例 ) ハーネスの 137MHz の伝導ノイズ対策スペアナの設定は中心周波数 :137MHz スパン幅 : 100MHz 電流プローブ手順 1: ワイヤハーネスのノイズを MDO でスペクトラム観測します手順 2: 対策を取るべき 137MHz のノイズの周波数とパワーを MDO で測定します 137MHz スペアナの設定は中心周波数 :137MHz スパン幅 : 10MHz 34

振幅対時間表示を使用して対策を取るべき 137MHz のパワーの時間変動を測定しますスペアナの設定は中心周波数 :137MHz スパン幅 :

35 自動車ワイヤハーネスのノイズ対策事例ノイズ発生源探索用の近接界プローブ手順 3: ハーネスが接続されている制御回路上のノイズを近接界プローブで探索して MDO で周波数観測します手順 4:MDO スペアナの RF 振幅対時間表示を使用して対策を取るべき 137MHz のパワーの時間変動を測定しますスペアナの設定は中心周波数 :137MHz スパン幅 : 100MHz スペアナの設定は中心周波数 :137MHz スパン幅 : 10MHz 掃引型スペアナではゼロスパンの帯域幅を RBW で設定しますが MDO はスパン幅 (10MHz) が時間軸の帯域幅になります 35

スペアナの振幅対時間測定手順 7:MDO でオシロとスペアの時間軸の挙動を同一タイミングで測定表示し原因特定します手順 8:

36 自動車ワイヤハーネスのノイズ対策事例手順 5:137MHz の放射ノイズがどの部分から放出されているか探索します手順 6: ノイズ発生源と推測される部品の電圧 vs 時間を MDO のオシロスコープで探索しますオシロスコープの ch1 測定スペアナの振幅対時間測定手順 7:MDO でオシロとスペアの時間軸の挙動を同一タイミングで測定表示し原因特定します手順 8: ノイズ源となる部品の近傍にパスコンを加える回路変更を行ないますスペアナの設定は中心周波数 :137MHz スパン幅 : 10MHz 36

37 Tektronix リアルタイムシグナルアナライザ RSA5000B/6000B シリーズ 37

38 RFノイズの可視化 DPXライブ表示 Digital Phosphor Technology スイッチング電源間欠放射ノイズの DPX 観測例 10MHz~120MHz 定常ノイズスパン幅 110MHz 間欠ノイズ色表示でスペクトラムの発生頻度を表す赤 : 高頻度青 : 低頻度 FM 波へ侵入する間欠ノイズ色 = 発生頻度測定限界のノイズ成分が確認できる 38

39 ノイズの電波密度 % 計測 ( 最大 165MHz 帯域幅 ) DPX 表示の残光時間を無限大に設定取りこぼしのない時間軸の存在確率 % を計測 ( 最大 8 時間 ) 2ms 0.2ms 振幅時間 39

40 DPXogram 表示 ( 最大 165MHz 帯域幅 ) Max-Hold 値をスペクトログラム化取りこぼしのないスペクトログラム表示 ( 最大 4,444 日間を記録 ) 最大記録時間 40

41 取りこぼしによるノイズの見過ごし品質劣化の対策革新的な DPX Density トリガ ( 動画 ) * Tektronix パテント DPX 表示上の電波密度 (Density 数値 %) でトリガ従来のアナライザでは不可能だった信号に埋もれたノイズにトリガスペクトラムの外周ではなく内側でトリガをかけられる従来の周波数マスクトリガ 41

42 全自動ノイズスキャンシステム 6 軸多関節ロボットによる全自動測定 0.02mmの位置決め精度 SI PI 電磁界シミュレーションツール検証 3m 法 10m 法の近似計算ソフトウェア Tektronix RSA5100 型高精細 4D プロット 42 APREL 社製 EM-ISight 国内連絡先 : 林栄精器株式会社 10kHz~20GHz 広帯域探索プローブ 0.035mm 厚の H( 磁界 ) プローブ

43 EM-ISight の特徴電波暗室 / 簡易シールド内での測定が可能設計部門の近くで測定が可能近傍界の測定結果から 3m/10m サイトでの測定結果を予測高精度の予測アルゴリズムを採用 RSA5000/6000 シリーズとの組み合わせによる高速スキャン高分解能と測定時間の両立 10kHz~20GHz まで 1 本のプローブで対応測定中のプローブ交換が不要茨城県つくば市にデモ用の測定サイトを常設実機を持ち込んで検証が可能 43

MDO4034B-3 4 350 MHz 16 1 9 khz 3 GHz 1,980,000 MDO4054B-3 4 500 MHz 16 1 9 khz 3 GHz 2,460,000 MDO4054B-6 4 500 MHz 16 1 9

44 MDO4000B シリーズミックスドドメインオシロスコープラインナップ 100MHz/350MHz/500MHz/1GHz のアナログ周波数帯域 21 チャネルのシステムデバッグスペアナ機能を統合アナログデジタル RF の時間相関測定型名アナログチャネルアナログ周波数帯域デジタルチャネル RF チャネル RF 周波数レンジ価格 ( 税抜 ) MDO4014B MHz khz 3 GHz 1,450,000 MDO4034B MHz khz 3 GHz 1,980,000 MDO4054B MHz khz 3 GHz 2,460,000 MDO4054B MHz khz 6 GHz 2,880,000 MDO4104B GHz khz 3 GHz 2,980,000 MDO4104B GHz khz 6 GHz 3,480, 価格は 2013 年 11 月現在の価格です

45 リアルタイムスペクトラム解析技術を用いた当社シグナルアナライザ一覧アプリケーションリアルタイムシグナルアナライザ RSA6100B 型 RSA6106B 型 (6.2GHz) RSA6114B 型 (14GHz) RSA6120B 型 (20GHz) 広帯域 DPX 表示電波監視 ( 40 / 110MHz 帯域解析 ) 878 万円 998 万円 SDR 958 万円レーダー RSA5115B 型 (15GHz) RSA5126B 型 (26.5GHz) リアルタイムシグナルアナライザ RSA5000B 型 (25/40/85/165MHz 帯域解析 ) RSA5103B 型 (3GHz) 528 万円 598 万円 RSA5106B 型 (6.2GHz) ノイズ解析電波干渉 PLL 解析 298 万円 418 万円無線 LAN バッテリ内蔵 GPS 内蔵地図情報内蔵可搬型 SA2500 型 (6.2GHz) H500 型 (6.2GHz) RFID 近距離無線デジタル携帯電話フィールドスペクトラムアナライザ SA2500 型 H500 型 (20MHz 帯域解析 ) 296 万円 518 万円 45 価格は 2013 年 7 月現在の価格です

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Microsoft PowerPoint - C-2_TIF2013_Noise_Okada_F C-2 高速広帯域通信時代の最新ノイズ計測技術岡田信孝本日の予定最近のノイズ環境とEMI 規制の動向ノイズ対策のためのスペクトラムアナライザ近接界プローブの使い方ノイズの測定例テクトロニクスのノイズ測定ソリューション 2 テクトロニクス / ケースレーイノベーションフォーラム 2013 市場動向と設計者の課題ここ近年世界で年間 10 億個を超える RF デバイスが出荷どこでもワイヤレス