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かずゆきりゅうとう
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1 第 3 章通信の概念システムLSI 設計 /19 石黒 1 of 48

2 内容変調方式アナログ変調デジタル変調 ( スペクトルリグロース ) 移動体 RF 通信多元接続方式時分割 (TDD) および周波数分割 (FDD) デュプレクス周波数多元接続 (FDMA) 時分割多元接続 (TDMA) 符号分割多元接続 (CDMA) 各種無線規格 2 of 48

3 iphone Xs Max の無線機能 Ref.) TechInsights 3 of 48

4 Intel PMB5762 (4G LTE modem) 28 14nm-CMOS LTE Cat16: DL > 1Gbps 256QAM 4 x 4 MIMO GPS Ref.) TechInsights H. Ishikuro System LSI Design 2018/10/19 4 of 48

5 Broadcom BCM4377 (WiFi/BT) ax Gbps PHY rate 1024 QAM modulation 28 OFDMA,MU-MIMO Bluetooth 5.0+ Ref.) TechInsights H. Ishikuro System LSI Design 2018/10/19 5 of 48

6 無線通信システムの構成変調チャネル ( 通信路 ) 復調アンテナ ( 端末 ) のサイズ複数のサービスユーザー同士上り下りでの同時利用 6 of 48

7 内容変調方式アナログ変調デジタル変調 ( スペクトルリグロース ) 移動体 RF 通信多元接続方式時分割 (TDD) および周波数分割 (FDD) デュプレクス周波数多元接続 (FDMA) 時分割多元接続 (TDMA) 符号分割多元接続 (CDMA) 各種無線規格 7 of 48

8 変調とは元の低周波信号を使って搬送波の変数 ( 振幅位相周波数 ) を変化させる周波数空間では元の低周波信号 ( ベースバンド信号 ) を搬送波 (ω c ) 近傍の信号 ( パスバンド信号 ) にシフトする 8 of 48

9 時間領域での乗算の波形 ( 復調 ) RF 信号 :1GHz LO 信号 :0.9GHz 出力信号 : 0.1GHz & 1.9GHz Q. 上記波形とうなり波形 ( ビート ) との違いは? 9 of 48

10 周波数変換の基本原理機能 : 周波数変換原理 : 時間領域でのアナログ乗算器時間領域 cos( ω 周波数領域 RF t) cos( ω LO t) = 1 2 ( cos( ω + ω ) t + cos( ω ω ) t) δ RF ( ω ) ω RF LO ω IF = ω RF RF ω LO LO ω RF ω LO 0 + ωlo +ωrf 時間領域での乗算周波数領域での畳み込み LO 成分による周波数シフト ωrf ω LO ω RF + ω LO +ωrf ω LO +ω + ω RF LO 0 IF 帯で LPF により選択 10 of 48

11 アナログ変調周波数 ω c の搬送波 ( キャリア ) a cos( ω + θ ) C t 振幅変調周波数変調位相変調元のアナログ信号をそのまま使って上記パラメータのいずれかを変化させる AM FM ラジオアナログテレビ第一世代携帯電話 etc. 11 of 48

12 デジタル変調アナログ変調変復調器や通信チャネルで重畳したノイズがそのまま S/N 比を劣化させるデジタル変調アナログ信号を AD 変換して 1,0 信号に変えたあと搬送波を変調ノイズが重畳しても復調しやすい of 48

13 デジタル変調 (ASK, PSK: 線形変調 ) ASK BPSK 13 of 48

符号間干渉 (ISI) 入力信号 ( ベースバンド波形 ) 1 0 1 0 1 出力信号 ( ベースバンド波形 ) 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 送信信号は 0

14 符号間干渉 (ISI) 入力信号 ( ベースバンド波形 ) 出力信号 ( ベースバンド波形 ) 送信信号は 0 であるが受信信号は 0 に成りきらない送受信機チャネルの帯域が信号帯域に比べて狭くなる ( 制限される ) と前シンボルの応答の裾が次シンボルに影響を与える (ISI) 14 of 48

15 帯域制限幅 T b で高さが 1 の矩形パルスのスペクトルは P( f ) = T b ( πft ) sin( πft ) 2 sin πft b b, Sx( f ) = T b サイドローブ πft b b 1/T b ごとに null を持つ sinc 関数隣接チャネル漏洩変調ベースバンド信号がパルス波形でそのまま変調するとサイドローブによる隣接チャネルへの漏洩電力大 ( 周波数利用効率が悪い ) よって帯域は制限したいでもそうすると ISI が発生周波数利用効率雑音除去 ISI はトレードオフ 15 of 48

16 帯域制限と ISI 抑制の両立のためには滑らかな波形にしてサイドローブを抑制 ( 帯域制限 ) しかつ前シンボルの裾がそれ以降のシンボル判定時刻で 0 となるようにするには? 16 of 48

17 x( t) = ナイキスト波形整形 ( πt T ) sin πt T b b 時間波形 : T b ごとに 0 となる sinc 関数周波数スペクトルは幅 1/T b でサイドローブのなし ( 周波数利用効率良好 ) 周期 T b でランダム 0,1 パターンを送っても判定時刻では前パルスの振幅は 0 ISI なし! 17 of 48

18 波形整形ナイキスト波形の生成 ( 矩形フィルタの実装 ) は難しいので実際には二乗余弦形状のスペクトルとなるような波形を用いることが多い p( t) = ( πt T ) cos( παt T ) sin πt T S S 2 1 4α t 2 S 2 S T a は 0.3~0.5 の範囲で用いられることが多い (0 のときに時間波形が sinc 関数となる ) 18 of 48

19 信号コンスタレーション 19 of 48

20 BPSK の変復調 20 of 48

デジタル多値変調 (QPSK: 線形 ) (-1,+1) A( 直交成分 Q) (+1,+1) 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 シリアルパラレル変換 (SP 変換

21 デジタル多値変調 (QPSK: 線形 ) (-1,+1) A( 直交成分 Q) (+1,+1) シリアルパラレル変換 (SP 変換 ) で 2bit で対を構成 A( 同相成分 I) 同相信号と直交信号で表現 (-1,-1) (+1,-1) 各信号は 1/2 のレートとなり帯域は半分に 21 of 48

22 QPSK 信号の生成と帯域制限シンボルの切り替わりで波形が不連続に変化周波数空間でサイドローブが高くなる帯域制限をすることで信号をなまらせる 22 of 48

23 エラーベクトルマグニチュード (EVM) ノイズ無しの場合ノイズ有りの場合 1 EVM = V EVM の定義 rms 1 N N j= 1 デシベル表記の場合は 20log EMV e 2 j 23 of 48

24 デジタル変調 (FSK) と帯域制限シンボルの切り替わりで波形は連続であるが周波数が不連続に変化やはり周波数空間でサイドローブが高くなる帯域制限をすることで周波数変化をなまらせる 24 of 48

25 デジタル多値変調 (QAM) シリアルパラレル変換 (SP 変換 ) で 4bit で直交座標で 1 つの点を対応付け全部で 2 4 =16 通りの信号点シンボルレートは 1/4 もとのビットレートの 1/4 となり帯域は 1/4 に 25 of 48

26 内容変調方式アナログ変調デジタル変調 ( スペクトルリグロース ) 移動体 RF 通信多元接続方式時分割 (TDD) および周波数分割 (FDD) デュプレクス周波数多元接続 (FDMA) 時分割多元接続 (TDMA) 符号分割多元接続 (CDMA) 各種無線規格 26 of 48

27 セルラシステム限られた周波数帯域をより多くのユーザーで同時利用するためにセル構造が採用隣接するセルでは異なる周波数を利用同一チャネル干渉 27 of 48

28 ハンドオフセル間を移る ( ローミング ) する際に担当する基地局が変わる周波数が異なるのでチャネルを切り替える必要がある 28 of 48

29 パス損失とマルチパスフェーディング送信アンテナから受信アンテナには反射等により多数の経路が存在直接波は信号強度が距離の 2 乗に反比例反射波は 4 乗に反比例各経路からの信号の合成により距離の 2 乗から 4 乗に反比例 29 of 48

30 パス損失とマルチパスフェーディング異なる経路の信号が同相になると強めあい逆相になると弱めあう位相差は経路差と周波数で決まるので同じ経路差でも周波数に依存する経路差が長いと受信強度の山と谷の間隔 ( 周波数差が小さい ) 30 of 48

31 内容変調方式アナログ変調デジタル変調 ( スペクトルリグロース ) 移動体 RF 通信多元接続方式時分割 (TDD) および周波数分割 (FDD) デュプレクス周波数分割多元接続 (FDMA) 時分割多元接続 (TDMA) 符号分割多元接続 (CDMA) 各種無線規格 31 of 48

32 デュプレクシング ( 二重化 : 上りと下り ) RX Base Station TX 時分割デュプレクス (TDD) スイッチで切り替えて上り下りを制御周波数分割デュプレクス (FDD) 上り下りの搬送波に別周波数を利用 ( 要 RF フィルタ ) 一般的にスイッチよりもフィルタの方が信号ロス ( 減衰 ) が大きい最近は TDD が増えている 32 of 48

33 多元接続 (FDMA と TDMA) 周波数分割多元接続 (FDMA) 複数ユーザがそれぞれ異なる周波数チャネルを利用 ( 同時刻に通信 ) 時分割多元接続 (TDMA) 時間スロットを分割して複数のユーザーに割り当て ( 周波数は同一チャネル ) 33 of 48

34 多元接続 (CDMA: 符号分割多元接続 1) 直交符号 ( ウォルシュ符号 ) 直接拡散 (DS)-CDMA ベースバンド信号に擬似ランダムな直交符号を掛け合わせるとスペクトルが拡散される ( ベースバンドのシンボルレートと拡散符号のチップレートの比率に拡散 ) 34 of 48

35 多元接続 (CDMA: 符号分割多元接続 1) 送信側 Signal1 が逆拡散され狭帯域に復調受信側 35 of 48

36 DS-CDMA における遠近問題近くに別の送信機があり同一の信号電力を送信すると逆拡散後も妨害並レベルが高くなり復調ができなくなる送信電力の制御が非常に重要になる 36 of 48

37 多元接続 (CDMA: 符号分割多元接続 2) 周波数ホッピング (FH)-CDMA 搬送波周波数 ( 局発 ) を高速に擬似ランダムに変化 ( ホッピング ) させる受信側で同じ擬似ランダム系列で局発周波数を切り替えることで復調できる 37 of 48

38 内容変調方式アナログ変調デジタル変調 ( スペクトルリグロース ) 移動体 RF 通信多元接続方式時分割 (TDD) および周波数分割 (FDD) デュプレクス周波数多元接続 (FDMA) 時分割多元接続 (TDMA) 符号分割多元接続 (CDMA) 各種無線規格 38 of 48

39 W-CDMA(IMT2000, 第 3 世代移動体通信 ) 1985 年ごろから規格検討, 1999 年に勧告 (2000 年からの実用化を目指して IMT2000 と命名 ) 例 : チャネル幅 5MHz, FDD, 上り BPSK/ 下り QPSK, 384kb/s Q: 拡散レートは? 39 of 48

40 TX: 隣接チャネル漏洩レベルとスペクトルマスク所望波レベルを基準にして隣接チャネルに対しては 33dB 以下次隣接チャネルでは 43dB 以下に漏洩電力を抑える必要あり 40 of 48

41 RX: 妨害波除去試験 89d B 帯域外妨害波除去 ( 単一トーン ) 基準感度 -107dBm! 帯域内妨害波除去 ( 変調波 ) Q: 基準感度 -107dBm での熱雑音による S/N 比は? 41 of 48

42 RX: 相互変調歪と隣接妨害波試験相互変調歪試験隣接妨害波試験 42 of 48

43 Bluetooth 例 : チャネル幅 1MHz, FH-CDMA(625µsec), GFSK, 1Mbps 43 of 48

44 TX: 隣接チャネル漏洩レベルとスペクトルマスク次隣接チャネルには -20dBm 以下次々隣接には -40dBm 以下最大送信電力が 0dBm と低いため比較的緩い仕様 44 of 48

45 RX: 帯域内妨害波試験 30d B 基準感度 -70dBm 基準感度が-70dBm, 次々隣接妨害波除去性能は30dB 通信距離が短いため感度妨害波性能の要求仕様も緩い仕様を緩和して低電力低コストでの無線 I/F 実現がねらい 45 of 48

46 無線 LAN (IEEE a) 20MHz 帯域で OFDM( 一次変調は QAM) Max:54Mb/s 46 of 48

47 TX: 隣接チャネル漏洩レベルとスペクトルマスク OFDM をもちいているため次隣接チャネルとの境界は急峻次々隣接以降は所望波レベルを基準として -40dB 47 of 48

48 まとめ無線通信ではアンテナ ( 端末 ) サイズ削減多元接続多重化のために変復調が必要アナログ変調デジタル変調多値化により通信品質 ( 信頼性 ) および周波数利用効率が向上上り下りおよび複数サービスユーザーの同時利用のためにデュプレクシング ( 二重化 ) 多元接続方式が考案移動環境での端末利用のために多種多様な無線規格が策定され用途に応じて使い分けられている 48 of 48

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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