第 3 章通信の概念 システムLSI 設計 2018 10/19 石黒 1 of 48
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
iphone Xs Max の無線機能 Ref.) TechInsights http://www.techinsights.com/abouttechinsights/overview/blog/apple-iphone-xs-teardown/ 3 of 48
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
Broadcom BCM4377 (WiFi/BT) 802.11ax 1.429 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
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
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
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
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
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
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
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 1 0 1 1 0 1 1 0 1 12 of 48
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 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
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
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
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
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
信号コンスタレーション 19 of 48
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 ) 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
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
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
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
デジタル多値変調 (QAM) 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Bluetooth 例 : チャネル幅 1MHz, FH-CDMA(625µsec), GFSK, 1Mbps 43 of 48
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
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
無線 LAN (IEEE 802.11a) 20MHz 帯域で OFDM( 一次変調は QAM) Max:54Mb/s 46 of 48
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
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