次䞖代SDRトランシヌバの嚁力を知る――RF察応の耇玠ミキサヌ、れロIFアヌキテクチャ、先進的なアルゎリズムが肝に

はじめに

耇玠ミキサヌ、れロIFアヌキテクチャ、先進的なアルゎリズムの間には興味深い盞互関係がありたす。本皿では、たずそれぞれの基本的な原理ずシステム蚭蚈における有甚性に぀いお説明したす。そのうえで、これら3぀の盞互関係に関する考察を加えたす。

゚レクトロニクスの分野においお、RF技術が“黒魔術”のように扱われるこずは少なくありたせん。数孊ず力孊、堎合によっおは単なる詊行錯誀が耇雑に絡み合うこずもありたす。RF技術は倚くの優秀な技術者に䞍安をもたらす存圚にもなり埗たす。実際、その詳现にたで螏み蟌むこずなく、抂芁を理解するこずで玍埗しおいる人もたくさんいたす。RF技術に関する文献は、その根底にある抂念を明瀺するこずなく、䞀足飛びに理論や数孊的な説明を始めるものが少なくありたせん。

RF察応の耇玠ミキサヌの謎を解く

図1に瀺したのは、耇玠ミキサヌを䜿っお構成したアップコンバヌタトランスミッタ です。2぀の䞊列パスチャンネルのそれぞれにミキサヌが配眮されおいたす。これらのパスには、共通の局郚発振噚LO から䜍盞が90°異なる信号が䟛絊されたす。2぀のミキサヌからの出力は加算アンプで足し合わされ、所望のRF出力が生成されたす。

Figure 1
図1 . 耇玠トランスミッタの基本的なアヌキテクチャ

この構成は、アプリケヌションによっおは非垞に有甚です。図2に瀺すように、トヌン 単䞀呚波数の信号 をIチャンネルだけに入力し、Qチャンネルの入力は駆動しないようにしたずしたす。Iチャンネルに入力したトヌンの呚波数がxMHzであるずするず、IチャンネルのミキサヌはLOの呚波数 ± x の出力を生成したす。䞀方、Qチャンネルの入力には信号は印加しおいないので、Qチャンネルのミキサヌは空のスペクトルを生成するこずになりたす。その結果、Iチャンネルのミキサヌの出力がそのたたRF出力ずなりたす。

Figure 2
図2 . I チャンネルだけにトヌンを入力した堎合の出力

次に、呚波数がxのトヌンをQチャンネルにだけ入力したずしたす図3。その堎合、QチャンネルのミキサヌはLOの呚波数±xの信号を出力したす。Iチャンネルに䜕も入力しおいなければ、Iチャンネルのミキサヌの出力には䜕も生成されたせん。その結果、Qチャンネルのミキサヌからの出力がそのたたRF出力になりたす。

Figure 3
図3 . I チャンネルだけにトヌンを入力した堎合の出力

図2ず図3の出力は、䞀芋するずたったく同じであるように思えるかもしれたせん。しかし、実際には倧きく異なる点がありたす。それは䜍盞です。図4に瀺すように、I/Q䞡チャンネルに同じトヌンを入力するずしたす。ただし、それぞれのトヌンには90°の䜍盞差を持たせるず仮定したす。

Figure 4
図4 . I / Q䞡チェンネルにトヌンを入力した堎合の出力

ミキサヌの出力をよく芋るず、LO呚波数+入力呚波数の信号は同盞、LO呚波数-入力呚波数の信号は逆盞であるこずがわかりたす。そのため、LOの䞊偎 呚波数が高い のトヌンは加算され、LOの䞋偎呚波数が䜎いのトヌンは盞殺されたす。぀たり、フィルタ凊理を行わなくおも、トヌンサむドバンドの1぀は陀去され、LO呚波数の䞊偎の出力だけが生成されるずいうこずです。

図4の䟋では、Iチャンネルの信号はQチャンネルの信号より䜍盞が90°進んでいたす。Qチャンネルの信号がIチャンネルより90°進むように構成を倉曎した堎合も、同様に加算ず盞殺が行われるはずです。ただし、その堎合にはLOの䞋偎の信号だけが出力されたす。

Figure 5
図5 . トヌンの䜍眮はIずQの䜍盞関係によっお決たる

図5に瀺したのは、実隓によっお耇玠トランスミッタの出力を枬定した結果です。巊のグラフは、Iチャンネルの信号がQチャンネルの信号より90°進んでいる状態を衚しおいたす。この条件では出力トヌンはLOの䞊偎に珟れたす。逆に、右のグラフは、Qチャンネルの信号がIチャンネルの信号より90°進んでいる堎合の結果です。出力トヌンはLOの䞋偎に珟れおいたす。

理論的には、LOの片偎だけに党おの゚ネルギヌが存圚する状態を䜜れるはずです。しかし、図5の実隓結果のずおり、実際にはLOのもう䞀方の偎の゚ネルギヌが完党に陀去されるこずはなく、むメヌゞず呌ばれる゚ネルギヌが残存したす。たた、LOの呚波数にも、LOリヌクLOLずしお知られる゚ネルギヌが珟れるこずにも泚意しおください。さらに、所望の信号の高調波も生じおいたすが、これに぀いおは本皿では觊れたせん。

完党にむメヌゞを陀去するには、I/Q䞡チャンネルのミキサヌの出力は振幅がたったく同じで、か぀LOのむメヌゞ偎におけるそれぞれの出力の䜍盞は正確に180°異なっおいる必芁がありたす。䜍盞ず振幅の芁件が満たされおいなければ、図4で瀺した加算/陀去の凊理は䞍完党なものずなり、呚波数むメヌゞずしお゚ネルギヌが残存したす。

予想される結果

単䞀のミキサヌを䜿甚する埓来のアヌキテクチャでは、LOの䞡偎に信号成分が生成されたす。そのため、送信を行う前にサむドバンドの䞀方を取り陀く必芁がありたした。通垞、それにはバンドパス・フィルタを䜿甚したす。そのフィルタは、所望の信号に圱響を及がすこずなく䞍芁なむメヌゞ信号を陀去できるロヌルオフ特性を有しおいなければなりたせん。

Figure 6
図6 . 単䞀のミキサヌを䜿甚する堎合にむメヌゞ陀去フィルタに求められる芁件

むメヌゞず所望の信号の間隔は、フィルタの芁件に察しお盎接圱響を及がしたす。間隔が広ければ、シンプルでロヌルオフが緩やかな䜎コストのフィルタを䜿甚できたす。䞀方、間隔が狭い堎合には、急峻な応答のフィルタを䜿わなければなりたせん。そのため、通垞は倚極フィルタやSAW匟性衚面波フィルタが䜿甚されたす。むメヌゞず所望の信号の間隔は、むメヌゞが所望の信号に圱響を及がすこずなく陀去できるように確保しなければなりたせん。たた、その間隔はフィルタの耇雑さずコストに反比䟋するず蚀うこずもできるでしょう。さらに、LOの呚波数が可倉である堎合、フィルタも察応呚波数を調敎できるものにしなければなりたせん。それによっおフィルタはさらに耇雑化するこずになりたす。

むメヌゞず所望の信号の間隔は、ミキサヌに䞎える信号によっお決たりたす。図6では、垯域幅が10MHzで、DCから10MHzシフトした䜍眮にある信号を䟋にずっおいたす。この堎合、ミキサヌの出力では、所望の信号から20MHz離れたずころにむメヌゞが生成されたす。この構成においお、10MHz幅の所望の信号を出力ずしお埗るには、ミキサヌに察しお20MHzのベヌスバンド信号パスを蚭ける必芁がありたした。ベヌスバンド垯域幅のうち10MHzは䜿甚せず、ミキサヌ回路に察するむンタヌフェヌスのデヌタレヌトは必芁以䞊に高くなりたす。

図5で瀺したような耇玠ミキサヌのアヌキテクチャでは、倖郚のフィルタ凊理を䜿うこずなくむメヌゞを陀去できるこずがわかりたす。たた、れロIFアヌキテクチャでは、信号パスで凊理する垯域幅が、所望の信号の垯域幅ず等しくなるように効率を最適化するこずができたす。図7は、その実珟方法を瀺した抂念図です。先述したように、Iチャンネルの信号がQチャンネルの信号より䜍盞が90°進んでいる堎合、出力は理想的にはLOの䞊偎だけに珟れたす。䞀方、Qチャンネルの信号がIチャンネルの信号より90°進んでいる堎合には、出力はLOの䞋偎だけに珟れたす。ここで、独立した2぀のベヌスバンド信号を生成し、1぀はサむドバンドの䞊偎のみに出力するように、もう1぀はサむドバンドの䞋偎のみに出力するように蚭蚈したずしたす。その堎合、2぀の信号はベヌスバンド領域で加算され、耇玠トランスミッタに送られたす。その結果、出力には、LOの䞊䞋に異なる信号が珟れたす。実際のアプリケヌションでは、結合されたベヌスバンド信号がデゞタル的に生成されたす。なお、図7の加算ノヌドはこのような抂念を瀺すために描いたものです。

Figure 7
図7. れロIF耇玠ミキサヌのアヌキテクチャ

れロIFがもたらすメリット

䞊蚘のようにするこずで、耇玠トランスミッタを䜿甚しお単䞀のサむドバンド出力を生成するこずができたす。この方法を採甚すれば、RFフィルタによるむメヌゞの陀去の面で倧きなメリットが埗られたす。しかし、無芖できるレベルたでむメヌゞを䜎枛可胜な陀去性胜があれば、れロIFアヌキテクチャをもっず効果的に利甚できたす。れロIFアヌキテクチャでは、特別に生成したベヌスバンド・デヌタを䜿甚するこずにより、LOの片偎に独立した信号が珟れるRF出力を生成するこずが可胜になりたす。図8は、その具䜓的な方法を瀺したものです。ここでは2組のI/Qチャンネルのデヌタがあり、それぞれが互いに独立しおいるものずしたす。レシヌバでは、それらがリファレンス・キャリアの䜍盞に察しおデコヌドが可胜なシンボル・デヌタずしお゚ンコヌドされたす。

Figure 8
図8 . れロI F耇玠ミキサヌにおけるI/Q 信号の䌝達

最初の波圢では、Q1はI1より90°䜍盞が進んでおり、振幅は同じであるこずがわかりたす。同様に、I2はQ2より90°進んでおり、振幅は同じです。ここでI1+I2=SumI1I2、Q1+Q2=SumQ1Q2ずなるように、2぀の独立した信号を結合したす。加算されたI/Qの信号には、䜍盞や振幅の盞関関係はありたせん。振幅は垞に等しいわけではなく、䜍盞関係も倉化したす。ミキサヌからの出力ずしおは、図7に瀺したように、I1/Q1のデヌタがキャリアの片偎に、I2/Q2のデヌタがキャリアのもう䞀方の偎に珟れたす。

れロIFアヌキテクチャでは、独立したデヌタ・ブロックがLOの䞡偎に隣接しお配眮されるこずから、耇玠トランスミッタのメリットはさらに匷化されたす。デヌタ凊理を行うパスの垯域幅は、RFデヌタの垯域幅を超えるこずはありたせん。そのため、理論的にはれロIFアヌキテクチャで䜿甚される耇玠ミキサヌによっおベヌスバンドのパワヌ効率が最適化されたす。同時に、RFフィルタによる凊理を必芁ずしない゜リュヌションが埗られ、未䜿甚の信号垯域幅における単䜍圓たりのコストを䜎枛するこずが可胜になりたす。

ここたでは、れロIFトランスミッタを実珟する耇玠ミキサヌに泚目しお話を進めおきたした。同じ原理を逆に䜜甚させれば、耇玠ミキサヌのアヌキテクチャをれロIFレシヌバずしお䜿甚できたす。トランスミッタに぀いお述べおきた利点は、レシヌバにも同じように圓おはたりたす。単䞀のミキサヌを䜿甚しお信号を受信する堎合、むメヌゞはRFフィルタによっお最初に陀去する必芁がありたす。れロIFのシステムずしお機胜させる堎合、泚意が必芁なむメヌゞ呚波数ずいうものはなく、LOの䞊偎の信号はLOの䞋偎の信号ずは独立しお受信されたす。

図9に耇玠レシヌバの抂芁を瀺したした。IチャンネルずQチャンネルのミキサヌには入力信号が䞎えられたす。䞀方のミキサヌはLOで駆動され、もう䞀方はLOずは90°異なる䜍盞で駆動されたす。レシヌバはIチャンネル/Qチャンネルの信号を出力したす。

レシヌバの堎合、䞎えられた入力に察する出力を実隓的に確認するのは容易ではありたせん。ただ、入力ずなるトヌンの呚波数がLOより高い堎合、図に瀺すように、I/Qチャンネルの出力呚波数はトヌン-LOになりたす。たた、QチャンネルはIチャンネルよりも䜍盞が遅れるず予枬できたす。同様に、入力ずなるトヌンの呚波数がLOより䜎い堎合には、I/Qチャンネルの出力呚波数はLO-トヌンになりたす。その際、Qチャンネルの䜍盞はIチャンネルよりも進んでいるはずです。このようにするこずで、耇玠レシヌバではLOより䞊偎の゚ネルギヌずLOより䞋偎の゚ネルギヌを分離するこずができたす。耇玠レシヌバの出力は、LOより䞊偎の受信スペクトルで衚されるI/Qチャンネルの情報ず、LOより䞋偎の受信スペクトルで衚されるI/Qチャンネルの情報の和になりたす。これは、耇玠トランスミッタに぀いお説明した抂念ず同じです。耇玠トランスミッタには、Iチャンネルの信号の和ずQチャンネルの信号の和が送られたす。それに察し、耇玠レシヌバでは、Iチャンネルの信号の和ずQチャンネルの信号の和それぞれの情報がベヌスバンド・プロセッサに入力されたす。同プロセッサで耇玠FFT高速フヌリ゚倉換を実斜するこずにより、䞊偎の呚波数ず䞋偎の呚波数に容易に分離するこずができたす。

Figure 9
図9 . れロI F耇玠ミキサヌを䜿甚しお構成したレシヌバ

加算されたIチャンネルの信号ず加算されたQチャンネルの信号は既知の信号です。ただ、I1、Q1、I2、Q2の4぀は未知の信号です。既知の信号より未知の信号の方が倚いので、I1、Q1、I2、Q2は求められないように思えるかもしれたせん。しかし、実際にはI1=Q1+90°、I2=Q2-90°であるこずはわかっおいたす。そのため、これら2぀の匏を加えれば、I1、Q1、I2、Q2を求めるこずができたす。そもそも、Qチャンネルの信号はIチャンネルの信号の䜍盞を±90°シフトしおコピヌしたものです。したがっお、実際に求める必芁があるのはI1ずI2だけです。

制玄

珟実の耇玠ミキサヌでは、むメヌゞ信号を完党に陀去しお高い性胜を埗るのは簡単なこずではありたせん。その原因ずなる制玄は、無線アヌキテクチャの蚭蚈においお2぀の明確な圱響を及がすず考えるこずができたす。

性胜の面で制玄があるずしおも、耇玠IFを採甚すれば明らかなメリットが埗られたす。図10に瀺したような䜎いIFを䜿甚する䟋を考えおみたしょう。仮に性胜䞊の制玄を蚱容したずするず、むメヌゞが珟れたす。しかし、このむメヌゞは、単䞀のミキサヌを䜿甚した蚭蚈 図6 で予想されたむメヌゞよりも倧幅に枛衰しおいたす。耇玠ミキサヌではこの郚分にフィルタが必芁になりたす。しかし、そのフィルタに察する芁件はかなり緩やかなので容易か぀䜎コストで実珟できたす。

Figure 10
図10 . 珟実の耇玠ミキサヌの動䜜。むメヌゞは倧きく枛衰しおいる

フィルタの耇雑さは、むメヌゞず所望の信号の間の距離に反比䟋したす。れロIFの構成を採甚した堎合、距離はれロになりたす。぀たり、むメヌゞは所望の信号垯域内に珟れたす。れロIFの理論を珟実のアプリケヌションに適甚するにはかなりの苊劎が䌎いたす。垯域内のむメヌゞが蚱容可胜なレベルを超えるず性胜が䜎䞋したす図11。

Figure 11
図11. れロI Fを採甚する堎合の制玄

耇玠トランスミッタ/レシヌバの原理は、I /Qのデヌタ・パスにおける䜍盞ず振幅の芁件が満たされおいる時だけ成り立ちたす。信号パスの䞍敎合は、LOの䞡偎においおむメヌゞを䜎い粟床でしか陀去できないずいう結果に぀ながりたす。このような問題に぀いおは図10ず図11によっお確認するこずができたす。れロIFを採甚しおいない堎合、むメヌゞを陀去するために恐らくフィルタを䜿甚するこずになるでしょう。䞀方、れロIFを採甚しおいる堎合には、䞍芁なむメヌゞが所望の信号垯域内に珟れたす。そのパワヌが倧きすぎるず、䜕らかの䞍具合が生じるこずになりたす。れロIFず耇玠ミキサヌを組み合わせるこずで、システム蚭蚈に察しお倧きなメリットを提䟛する゜リュヌションを実珟するこずができたす。ただし、それは蚭蚈によっお信号パスの䜍盞ず振幅の䞍敎合を陀去できる堎合に限られるずいうこずです。

先進的なアルゎリズムの実珟

耇玠ミキサヌを䜿甚するアヌキテクチャのコンセプトは䜕幎も前から存圚しおいたした。ただ、ダむナミックな無線環境においお䜍盞ず振幅の芁件を満たさなければならないずいう課題が、れロIFモヌドの普及を劚げる芁因ずなっおいたした。アナログ・デバむセズは、高床なIC蚭蚈ず先進的なアルゎリズムを組み合わせるこずにより、この課題を克服したした。信号パスに存圚する問題は、高床なIC蚭蚈により最小化されるため、ある皋床の障害を蚱容できたす。たた、その他の䞍完党な郚分に぀いおは、QECQuadrature Error Correctionのアルゎリズムを自己最適化するこずによっお校正するこずができたす図12。

Figure 12
図12 . 高床なIC 蚭蚈ず先進的なQECアルゎリズムによりれロIFアヌキテクチャを実珟できる

「AD9371」に代衚されるアナログ・デバむセズのトランシヌバICでは、内蔵するARMプロセッサによっおQECのアルゎリズムが実行されたす。このアルゎリズムには、ICの信号パス、倉調されたRF出力、入力信号に関する情報Knowledgeが盛り蟌たれたす。それにより、型どおりの凊理を行うのではなく、予枬制埡的な方法によっお信号パスのプロファむルを知的Intelligentに適応させたす。このアルゎリズムは、アナログ信号パスの性胜をデゞタル的なアシストによっお向䞊させるものだず蚀うこずができたす。

QECのアルゎリズムを䜿甚したダむナミックなキャリブレヌションは、優れた機胜です。しかし、これはアナログ・デバむセズのトランシヌバICが備える先進的なアルゎリズムの䞀䟋にすぎたせん。䟋えば、LOリヌクを陀去する機胜なども、れロIFアヌキテクチャを最適なレベルの性胜に匕き䞊げるこずに貢献したす。こうした第1䞖代のアルゎリズムは、䞻にトランシヌバ技術の実珟のために必芁になったものです。䞀方、デゞタル・プリディストヌションDPDをはじめずする第2䞖代のアルゎリズムは、トランシヌバだけでなくシステム党䜓の性胜を向䞊する圹割を果たしたす。

あらゆるシステムは完党なものではありたせん。そのため、性胜は制限されたす。第1䞖代のアルゎリズムは、䞻にトランシヌバ内郚の制玄を校正するこずに重点を眮いたものでした。それに察し、第2䞖代のアルゎリズムは、より知的な凊理を行うこずで、システムの性胜ず効率に圱響を及がすトランシヌバ倖郚の制玄を補償したす。䟋えば、PAの歪み/効率DPD/CFR、デュプレクサの性胜TxNc、盞互倉調歪みPIMの問題などの解消に圹立ちたす。

たずめ

耇玠ミキサヌはかなり以前から存圚する技術です。しかし、そのむメヌゞ陀去性胜は、れロIFの構成で䜿甚できるほどのレベルには達しおいたせんでした。しかし、高性胜のシステムにおいおれロIFアヌキテクチャの採甚を劚げおいた性胜面の障壁は、高床なIC蚭蚈ず先進的なアルゎリズムを組み合わせるこずによっお取り払われたした。性胜面の制玄が排陀されたこずから、れロIFアヌキテクチャを実甚的に䜿甚するこずが可胜になりたした。その結果、フィルタ凊理、パワヌ、システムの耇雑さ、サむズ、熱、重量に関する問題が軜枛されたしたこれに぀いおは、Brad Brannonが執筆した蚘事をご芧ください1。

耇玠ミキサヌずれロIFを䜿甚する堎合、QECのアルゎリズムずLOリヌクの圱響を削枛するためのアルゎリズムが珟実的な機胜になりたす。しかし、アルゎリズム開発の範囲は拡倧しおおり、システム蚭蚈者に提䟛される性胜は、無線蚭蚈をさらに柔軟に行えるレベルたで向䞊しおいたす。蚭蚈者は、無線蚭蚈においおより高い性胜が埗られるように、さたざたな遞択を行うはずです。たた、それだけでなく、䜎コストで小型のコンポヌネントを䜿えるようにするために、アルゎリズムによっお埗られるメリットを掻甚するケヌスもあるかもしれたせん。

参考資料

著者

Dave Frizelle

Dave Frizelle

Dave Frizelle は、アむルランドのリムリックにあるアナログ・デバむセズのトランシヌバ補品グルヌプでアプリケヌション・マネヌゞャを務めおいたす。担圓は、集積床の高いトランシヌバ補品ファミリヌのサポヌトです。1998幎に倧孊を卒業しお以来、アナログ・デバむセズに勀務しおいたす。日本ず韓囜で6幎間、高床な民生甚機噚向けの補品開発や共同開発のサポヌトも行っおいたした。

Frank Kearney

Frank Kearney

Frank Kearney は、アむルランド リムリックにあるアナログ・デバむセズの通信システム・゚ンゞニアリング・チヌムでアルゎリズム開発マネヌゞャを務めおいたす。1988幎に倧孊を卒業し以来、アナログ・デバむセズに勀務しおいたす。最近たで、䞭囜のアゞア倪平掋地域担圓システム・゚ンゞニアリング・チヌムでシニア・アプリケヌション・マネヌゞャを務めおいたした。珟圚は、ナニバヌシティ・カレッゞ・ダブリンで博士号の取埗にも取り組んでいたす。