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Agilent Technologies 低価格任意波形発生器による 複雑な変調信号の生成 無線アプリケーションに適した Agilent Trueform アーキテクチャ White Paper Joan Mercade, Arbitrary Resources, S.L 概要 本書では、Agilent 33500シリーズ Trueform 波形発生器を用いてI/Q変調 はじめに 信号を生成する手法を紹介します。 デジタル変調信号は、あらゆる有線／光ネットワークで使用されています。今日では、 Agilent 33500Bシリーズ Trueform 波形 ロジー／コンポーネントの絶え間ない機能強化とエラー訂正コードの進化によってチ 発生器は、高いコスト・パフォーマン ャネル容量は増加しましたが、シャノン−ハートレーの定理の理論的な限界値が迫っ スで、最新のベースバンドIQデジタル ほとんどの無線サービスでは複雑なキャリア変調方式を利用しています。変調テクノ ています。 通信信号を作成できるソリューション 容量と効率の向上は、さらに、MIMO（マルチ入力マルチ出力） アンテナ・テクノロジー です。ここでは、Agilent 33500Bシリ や、時間／周波数／コード・ドメインにおける多元接続方式の実装など、新しい伝送 ーズ Trueform 波形発生器を用いた 技術の開発によって行われています。また、多くの製品やサービスを低価格で適切 に運用するためには、複数の無線テクノロジーに対応した機能が必要です。 W-CDMA、DVB、OFDMなどの複雑な デジタル無線プロトコルの作成につい て説明します。 このように非常に複雑な状況に対応し相互運用性を実現するためには、技術研究か らデバイスの製造、ネットワークの敷設までの製品／サービスを提供するすべての段 階で、広範囲のテストを行うしかありません。このようなニーズに適切に対応する ためにはテスト機器の柔軟性が必須です。テスト機器のコストも重要なので、チーム・ リーダは、全エンジニアがすべてのプロジェクトで使用できる機器を検討する必要が あります。 従来、無線アプリケーション用のテスト機器は特定の作業向けにデザインされていて、 新しい変調テクノロジーや信号帯域幅が導入された際には新しい機器や有償のアッ プグレードが必要でした。無線関係の設計者が解析に使用できる機器としてはベクト ル・シグナル・アナライザ （VSA）が主流で、この機器で、信号のスペクトラムやその時 間変化を測定でき、振幅／位相情報のすべてが得られます。入力信号として、ベク トル・シグナル・ジェネレータ （VSG）を使用して、複数の搬送波を出力したり、その搬 送波に関連する振幅／位相をリアルタイムに制御することができます。RF搬送周波 数のみで行うべきテストもありますが、多くのテストはより低い周波数（IF/中間周波 数）やベースバンド・レベルで行われます。 任意波形発生器（AWG）は、長年、VSG内蔵のアナログ直交変調器にベースバンド信 号を供給するために使用されてきました。外部のAWGを使用するソリューションが ある一方で、RF VSGがベースバンド発生器を内蔵している場合もあります。多くの テストで多くのオペレータが使用できるように、RF信号発生器は、十分な周波数レ ンジとともに、最低限の変調／スペクトラム品質性能が必要です。その結果、変調帯 域幅と価格に限界が生じてきます。最先端の発生器はこのようなアーキテクチャを 備えていますが、最新の高性能AWGはそれよりもはるかに低コストで高品質のベー スバンドとIF信号（仕様によってはRF信号も）を容易に供給可能で、多くのデザイナ が広範囲で使用することができ、従来のRF信号発生器では不可能だったアナログ／ デジタル信号も出力することができます。低コストのAWGは一般に、便利で柔軟な ダイレクト・デジタル・シンセシス （DDS） ・アーキテクチャに基づいて設計されていま す。残念ながら、これらのAWGはDDSテクノロジーの限界によって、使用に耐える IF/RF信号や広帯域のベースバンド信号を出力することができません。Agilentは、 新しい独自のTrueform テクノロジーを用いて、低価格の無線信号発生器の概念を一新 しました。本書では、Agilent 33500シリーズ Trueform 波形発生器を用いてI/Q変調 信号を生成する手法を紹介します。 2 デジタル変調の基礎 図1は、デジタル無線伝送システムのブロック図です。搬送波の振幅と位相が同時に 変調されます。直交変調器は、2つのベースバンド信号を2本の直交した搬送波（位相 差90 °）に対応させることで変調を実現します。各ベースバンド信号は、I/Q信号の 実数部／虚数部として表されます。実数部は、"I"（同相）信号、虚数部は"Q"（直交位 相）信号と呼ばれています。 ベースバンド 直交変調器 I波形 アップ コンバータ IF発振器 ベースバンド Q波形 同期信号 復調器 ベースバンド 処理 同相波形 ダウン コンバータ IF発振器 デコード 直交位相波形 図1. デジタル無線システムの簡略化したブロック図。最新の変調方式の多くは直交変調 方式で、2つの直交した搬送波がデジタル・メッセージ部分を伝送します。この図には、ト ランスミッタ／レシーバのテストでシグナル・ジェネレータを使用する位置も示されてい ます。 3 多くの変調方式では、シンボル・マッピングと呼ばれるプロセスを用いて、多数のコ ード化ビットで構成されたシンボルの組み合わせに各変調ステートを割り当てていま す。そのため、Nビットでは2N個の異なる変調ステートが必要です。変調ステートの 位置をグラフ表示するには、各シンボルの振幅と位相を直接表示できるI/Q直交座標 系が便利です（図2参照）。この表示は、コンスタレーション・ダイアグラムと呼ばれて います。このダイアグラムより、変調や伝送中の信号に生じる異常／歪みに関する 手がかりを直接、視覚的に把握できるので、解析にも有効です。 図2. 位相／コンスタレーション・ダイアグラムは変調方式を表示するのに有効な手段で す。I/Q直交座標表示は、搬送波の変調状態を表す極座標（振幅対位相）表示に直接変換で きます。この図では、QPSK変調と256QAM変調のコンスタレーション （青い点）を表示して います。QPSKの搬送波が1シンボル当たり2ビットであるのに対して、256QAMの搬送波は 1シンボル当たり6ビットです。各シンボルの間隔がより広いため、QPSKではノイズや精 度の悪いコンポーネントに対する耐性が高くなっています。 コンスタレーションが複雑であればあるほど、1シンボル当たりのビット数が多くなり ます。しかし、高次の変調ではより複雑で高い精度の送受信システムが必要になり、 同じパワーレベルでもシンボル間の距離が近くなればなるほどノイズや歪みの影響を 受けやすくなります。QPSK変調方式（1シンボル当たり2ビット）は256QAM（1シン ボル当たり8ビット）よりもノイズ耐性があります。一方で、256QAM信号は、同じ シンボル・レート （ボー単位またはシンボル/s単位）でもQPSK信号の4倍以上の情報を 伝送することができます。変調方式の選択には、他にも多くの判断基準があります。 例えば、電力効率とコストを考慮するのであればGMSKを選択します。これはGSM の変調方式ですが、電力が一定の変調なので、効率の高い低価格の非線形パワー・ア ンプをUE （ユーザ機器／携帯電話）で使用できます。 4 無線通信の周波数帯は不足していて複数のユーザやサービスによって共有されてい るため、効率的に使用する必要があります。これは、有線アプリケーション （CATV など）や光アプリケーション （DWDMなど）でも同じですが、無線通信アプリケーショ ンでは特に重要です。どのような信号も制限された帯域幅（チャネル）を占有するべ きなので、シンボル・レートは上限を超えないように維持する必要があり、その信号 が隣接チャネルやその他のチャネルを妨害しないようにバンドパス・フィルタを経由さ せる必要があります。フィルタリングをRF周波数に直接実装することもできますが、 一般的には直交変調前の変調信号（ベースバンド）に適用します。このプロセスはパル ス整形と呼ばれ、IQ成分に有効なローパス・フィルタの手法です。 レイズド・コサイン・フィルタ （ナイキスト・フィルタ）は、QPSK/QAM変調に最も頻繁に 使用されるフィルタで、符号間干渉が生じることなく帯域制限された信号を作るこ とができます。多くの通信システムでは、レイズド・コサイン・フィルタの応答はトラ ンスミッタとレシーバで半分に分割してフィルタリングするので、ルート・レイズド・コ サイン・フィルタになります。FSK変調方式の場合、振幅は一定で、送信データによ って搬送周波数が制御されますが、変調信号（RF信号ではありません）には一般にガ ウシアン・フィルタが用いられます。レイズド・コサイン・フィルタはシンボル・レートと ロール・オフ （αと表されます）の2個のパラメータで完全に定義できます。ガウシアン・ フィルタはシンボル・レートとBT（帯域幅B、シンボル周期T）のパラメータにより定義 されます。アルファとBTのパラメータはロール・オフの形状に影響を与え、信号特性 の中でも占有帯域幅パラメータに影響を与えます。 変調された信号では、さまざまな線形／非線形歪みが問題になる可能性があります。 トランスミッタの精度不足が、直交エラー （直交搬送波間の位相差）や不平衡（IQ成分 間の振幅の違い）、搬送波リーケージ （残留搬送波として現れるDCオフセット）の原因 となることがあります。AM-AM歪みやAM-PM歪みなどの非線形エラーは、トラン スミッタにおけるRFパワー・アンプの飽和（あるいはクリッピング）によって発生しま す。非線形歪みはスペクトラム・グロースの原因になるので特に危険です。現在のトラ ンスミッタはプリコレクション手法を用いて、このような歪みを補正しています。 伝送経路もエラーや歪みの原因となります。各信号がさまざまな信号源から異なる 振幅や遅延でレシーバに到達するため、これらのエラーが干渉やフェージング、マル チパス歪みになる可能性があります。さらに、伝送経路によって歪みが時間的に変 化するため、レシーバ側でアダプティブ・イコライゼーション手法を用いて歪みを補正 する必要があります。また遅れて到達する信号の複製が、同じ信号の遅いシンボル に干渉するため、マルチパス歪みはシンボル・レートに対して大きな影響を与えます。 変調手法の中には、マルチパス歪みの補償やマルチパスを積極的に活用するものも あります。 5 直交周波数分割多重化方式（OFDM）には、数十本、数百本、時には数千本もの近接 した搬送波を持つものがあり、すべての搬送波にデータを分割してメッセージを伝送 します。その結果、同じ量のデータでもシンボル時間は短縮されます。搬送波の間 隔はシンボル・レートの逆数となるように選択されるので、搬送波は互いに干渉しま せん（互いに直交します）。OFDM信号の構成要素の中には、信号チャネル予測やレ シーバ同期が容易になるようにデザインされたものがあり、巡回冗長検査コードを追 加することで直前のシンボルによる干渉を除去するものもあります。以上の利点に より、OFDMは、WiFi、UWB、LTE、WiMAX TMなど多くの最新の無線／有線通 信システムで採用されています。しかし、OFDMの信号にも欠点があります。信号 処理は複雑になり位相に関して高い精度が必要で、ピーク対平均電力比（PAPR）が 高いために、トランスミッタの非線形性の影響を受けやすくなっています。 OFDMにMIMOやビーム・フォーミングを組み合わせたものが、4G移動体通信テクノ ロジーのベースになっています。MIMOは複数の受信／送信アンテナを使用して空間 ダイバーシティを広げることで容量を増加させ、同じ帯域で複数の信号の伝送を行 うことができます。ビーム・フォーミングでは、フェーズド・アレイ・アンテナを利用し てレシーバに直接信号をステアリングすることで容量を向上させ、別の方位にいる他 のユーザが同一の周波数を再利用できます。 6 AWGを利用したRF信号の 生成 変調方式やコード化システムが急速に進化して複雑になることにより、無線のテスト が非常に難しくなっています。信号発生器は複数の標準信号を供給するだけでなく、 線形／非線形歪みをシミュレートする機能が必要で、これによってレシーバのデザイ ンやコンポーネントを適切に検証できます。任意波形発生器は、多くのRF/無線ベク トル信号発生器（VSG）のベースでした。通常2チャネルの外部または内部AWGで高 精度のベースバンドIQ信号を直交変調器に供給していました（図3参照）。 図3. AWGはRF変調信号を2つの方法で生 成できます。2つのチャネルを備えた発生 器はIQベースバンド信号を生成可能で、外 部IQ発生器として利用できます。十分なサ ンプリング・レートを備えた1つのチャネル の発生器は直接、IFまたはRF周波数の変調 搬送波を生成できます。 信号作成ソフトウェア 直交変調器 注記：本書に掲載されている信号は、図4/ 図5に掲載されているDDS波形を除いてす べて、Agilent 33522B波形発生器を使用し て作成したものです。図4/図5のDDS信号 は、 市販の任意波形発生器で作成しました。 信号の検証と解析は、Agilent CXAベクト ル信号発生器とAgilent MSO7014B DSOを 使用して行いました。 被試験デバイス ベクトル・シグナル・ アナライザ 7 オシロスコープ この手順は、システム帯域幅の範囲内でアナログ／デジタル方式や歪みの有無に関わ らず、搬送波の振幅／位相を完全に制御できます。特定の変調方式や変調規格に対 する特殊なハードウェアの必要がない点で、AWGは理想的です。新しい測定器が必 要なのは利用できる外部ソフトウェアがない場合のみです。AWGではサンプリング・ レートとスプリアス・フリー・ダイナミック・レンジ （SFDR）の性能が著しく向上し、複 数の異なる変調IF/RF搬送波を直接生成することが可能になりました（図3）。 AWGは、単独でも直交変調器／アップ・コンバータと組み合わせても、RFトランスミ ッタ／レシーバ内のさまざまなテスト・ポイントで信号源として使用できます（図1の 色付の丸印を参照）。IF/RF信号発生器は1つのチャネルで十分ですが、ベースバンド 信号の生成には同期した2つのチャネルが必要です。MIMOやビーム・フォーミングを エミュレートする場合には、さらにチャネルが必要です。多くのデジタル変調規格で は帯域幅の要件は数MHz前後と中程度なので、低価格のAWGでもベースバンド信号 を容易に生成できます。しかし、2つのベースバンド信号（I/Q）を発生する2つのチャ ネル間に、振幅や周波数特性、遅延など何らかの相違がある場合は直交エラーや不 平衡が生じて変調品質が著しく低下します。 そのため周波数特性が平坦であることと2つのチャネルが高い整合性をもつことが要 求されます。代表的な周波数特性は通常、タイム・ドメインのパルス応答に最適化さ れているためイメージの除去に関するAWG自体の問題が新たに発生する可能性があ ります。実際、複数のイメージによって帯域外にスプリアスが発生する可能性があり、 これは変調後、近接したチャネルに干渉します。ほとんどの低価格AWGは柔軟性の 高い安価なDDSアーキテクチャをベースにしています。この手法では固有ジッタが発 生します。タイム・ドメイン信号で許容できるレベルのジッタもありますが、非線形性 によりスペクトラム・グロースと帯域内ノイズが発生して変調品質に大きな影響を与え ることがあります。 最終的なRF搬送周波数での変調信号の発生は、ほとんどの低価格AWGで不可能で す。しかし、多くのレシーバ／トランスミッタは、最終周波数の変調信号を直接処理せ ず、それより低い中間周波数（IF）の信号を代わりに使用しています。一般的なIF周 波数は数10 MHzなので、多くのAWGが対応できます。信号のI/Qベースバンド成分 の不平衡は数学的なものなので、問題ではありません。周波数特性のフラットネスの 問題は残りますが広帯域の変調に限定されます。問題になるのはむしろDDSアーキ テクチャによって生じるジッタで、これが搬送波に影響を与え許容できないレベルの 信号歪みやスペクトラム・グロースの原因になります。 レコード長（使用可能な波形メモリ・サイズ）も考慮しなければならない重要な仕様で す。変調信号では試験対象のレシーバが正確に認識できる最低限のタイム・ウィンドウ （フレーム）が必要です。例えば、DVB-T信号では、最低でも68個のOFDMシンボル （信号変調に関する情報を搬送するTPSフレームの長さ）、約70 msが要求されます。 この時間ウィンドウでは、100 Mサンプル/sの波形発生器で最小7 Mサンプルのレコ ード長が必要になります。DDSベースの低価格AWGの最大レコード長は1 Mサンプ ル未満なので、大量のI/Q変調信号を出力することはできません。 8 今回ご紹介するTrueform アーキテクチャを備えたAgilent 33500Bシリーズ 波形発生 器は、ハイ・エンドの発生器と同様の性能に拡張されています。独自のTrueform テク ノロジーによって、任意波形発生器は高品質のベースバンド/IF信号を低価格で生成 することができるようになりました。 AgilentのTrueform アーキテクチャ 新しいAgilent 33500Bシリーズ 波形発生器は独自のTrueform アーキテクチャで構築 されていて、DDSベースの発生器がもつ欠点を除去し、優れた柔軟性と利点のみを 提供します（図4/図5を参照）。 低価格DDS ブロック図 位相 インクリメント 位相 インクリメント 加算器 位相 アキュムレータ 加算器 固定信号源 固定信号源 位相 アキュムレータ 波形メモリ デシメーション アンプ ローパスフィルタ DA コンバータ オーバサンプリング 補間器 波形メモリ DA コンバータ アンプ 信号の構築 ジッタ ジッタ 波形メモリ内サンプル 補間サンプル DACサンプル 波形メモリ内サンプル DACサンプル 図4. DDS対AgilentのTrueform テクノロジー。波形メモリにアクセスする従来のDDSアー キテクチャ （左側）による手法では、変調信号の発生時に許容できないレベルのジッタが発 生します。新しいAgilent Trueform アーキテクチャ （右側）では、メモリに保存された信号を リアルタイムにフィルタリング／補間／リサンプリングすることで、ジッタを除去してい ます。 9 低価格DDS コンスタレーション スペクトラム 図5. DDS対Agilent Trueform テクノロジーのコンスタレーション／スペクトラム・ダイ アグラム。この図では、同じQPSK信号をDDSとTrueform の発生器で生成しています。変 調品質（EVM、エラー・ベクトル振幅）とスペクトラム品質（ダイナミック・レンジに20 dBの 差があることに注意）に大きな違いがあります。DDSコンスタレーション・ダイアグラム上 の点は楕円状に分布していますが、これは変調ドメインにおける位相雑音がジッタとなっ て出現したものです。純粋な雑音（ガウシアン雑音）の場合は、コンスタレーション上の点 は、Trueform 信号発生器の出力に表示されているような円形になります。スペクトラム・ グロースは、DDSアーキテクチャによって生じるサンプリング・ジッタが原因です。 10 Trueform アーキテクチャは、波形メモリに保存されたサンプルをDSPでリアルタイム に補間し、FIRローパス・フィルタを用いて性能を向上させています。この方法によ り、波形メモリ内のサンプルを時間にマッピングする際に生じるジッタを分解能を上 げずに除去することができ、貴重な波形メモリを消費せずに潜在的に時間ウィンド ウを拡張することができます。測定器のDACがフィルタ通過後の信号を構成する周 波数を高い精度で再構築できるように、フィルタのカットオフ周波数と形状が調整 されています。最終的に、フィルタリングされ、アップ・サンプリングされた信号が、 DACのサンプリング・レートに整合するようにデシメートされます。この処理はリア ルタイム・リサンプリング・システムに見られるもので、すべてのサンプルが処理ブロ ックに入るので処理中は常にすべてのサンプルを使用できます。従来のDDSベース の発生器では、信号にランダムな抜けが発生したり位置が変わるという欠点がみら れましたが、ジッタが微小で安定しているのでそのような問題はありません。リア ルタイムの補間プロセスにより、このアーキテクチャは非常に長いレコード長を実現 しています。 ローパス・デジタル・リアルタイム・フィルタは、出力における時間応答／周波数応答 を改善するのにも使用されています。例えば、Agilent 33500Bシリーズでは、測 定器の帯域幅で得られる高いサンプリング・レート （オーバサンプリング）と出力のア ナログ補間フィルタを組み合わせることで、クリーンで、イメージ応答が存在しない 信号を実現できます。このデジタル・フィルタはDACの周波数特性を補償するため にデザインされていて2つのフィルタリング・モードを使用できます。平坦な周波数特 性（IQ/マルチトーン/IF信号の発生）を得るためにはブリックウォール・フィルタを使 用し、立ち上がりが速くリンギングのないステップ応答（パルス／パターンの発生）を 得るためにはベッセル・フィルタを使用します。フラットネスは良好な変調精度を得 るために非常に重要なので、変調信号の生成では平坦な周波数特性を選択する方が より適切です（図6参照）。 ステップ応答 平坦な応答 周波数応答 図6. Trueform ア ー キ テ ク チ ャ で は、 波 形発生器の周波数特性のフラットネスや ステップ応答を最適化できます。通常の AWGは一般にステップ応答を最適化して い ま す。 右 図 で は、1 MHz ∼ 100 MHzの レンジをカバーする100個のトーン信号を 使用して、両方のフィルタ・モードの周波 数特性を評価しています（上図）。20 Mボ ーの16QAM信号を発生させて2つのモード で品質を解析した結果、品質の高い広帯 域変調には周波数特性が平坦であること が重要だとわかります。250 MHzのサンプ リング・レートとTrueform 信号発生手法によ り、使用可能なデジタル帯域幅が他の方式 の発生器よりも広くなります。平坦化の ためにソフトウェアを用いれば100 MHzま でノーマライズすることができます。 変調精度 11 リンギングは、変調信号やベースバンド、IF/RFでは問題になりません。これらの信 号は既に帯域制限されていて、それ自身がリンギングを持つからです。周波数特性 はベースバンド信号発生器の重要な性能で、周波数特性が平坦であれば、ほとんど の状況で信号補正の必要がなくなりダイナミック・レンジが拡大しチャネル間の整合性 も向上します。マルチキャリア信号の生成についても改善されていて、すべてのチャ ネルで変調品質／振幅レベルが一貫しています。 Trueform アーキテクチャは、さまざまな理由で周波数／変調ドメインの品質が重要に なる信号の生成に極めて有効です（表1参照）。 • サンプリング・レートを選択しなくてもリアルタイムのリサンプリングにより信号か らジッタを除去できます。 • ローパスFIRのカットオフ周波数により出力信号に出現するエリアジングを防げ ます。 • DSPの補正により周波数特性が平坦になり、信号の前補正や周波数特性校正の手 間をかけずに高品質の変調信号（ベースバンド及びIF/RF）を生成することができ ます。 • 高いオーバサンプリング（30 MHzの帯域幅で250 Mサンプル/sのサンプリング・レ ート）とリアルタイムのリサンプル処理によりDAC定数に最適なサンプリング・レー トを維持し、優れたローパス・アナログ復元フィルタによってイメージ／スプリアス 応答の存在しない信号を実現できます。 • 2つのチャネル間の整合／同期が優れているので、高品質のベースバンドを生成 できます。 • 固定レート・サンプリング・クロックの性能が優れているので、信号の位相雑音を最 小にできます。 表1. 変調信号発生性能。DDS対Agilent Trueform 低価格DDS Trueform 備考 ジッタ位相雑音 × ◎ 位相ジッタは変調精度の性能やスペクトラムの変化に大きな影響 を与えます。DDSが生成する変調波形では要求を満たす品質レベ ルを達成できません。 周波数特性の選択 × ステップのみ ○ ステップ／平坦 周波数特性が平坦でない場合、特に広帯域の信号で変調品質の性 能が低下します。高品質の信号を出力するには、平坦な周波数特 性を得るために発生器を校正する必要があり、その後、数学的な 補正も必要になります。 レコード長 ＜1 Mサンプル 16 Mサンプル ペイロードのエミュレーション、チャネル・コード化、チャネリ ゼーション方式の実装には、長いシーケンスのシンボルが要求さ れるので十分に長いレコード長が必要になります。OFDM ／雑音 信号の生成にも長いレコード長が要求されます。 シーケンス設定 × 32シーケンス プロトコルや低周波レートのバーストを実現するためにはシーケ ンスが必要です。シーケンスにより自動テストのスループットも 著しく向上します。 12 従来の低価格DDSベース発生器とは異なり、Agilent 33500Bシリーズ発生器は、 「真の任意波形発生器」として使用できます。ユーザがDACにサンプリング・レートを 設定可能で、リアルタイムのオーバサンプリング・アーキテクチャの利点と信号の再生 を停止せずに繰り返し回数を変更できる利便性を兼ね備えていて、これはDDSアー キテクチャでは実現できません。DDSベースの波形発生器と同様に、Trueform 発生器 のDACは常に固定レート （DACの最大レート）で動作しています。これによってサン プリング・クロック・システムを大幅に簡素化でき、ジッタとコストを最小に抑制でき ます。サンプリング・クロック・ジッタは変調信号の位相雑音に変換されます。 アプリケーション例 Agilent 33500Bシリーズは、多重変調信号やRF信号を生成するアプリケーションに 利用することができます。 マルチトーン信号の生成 マルチトーン信号は等間隔の変調されていない搬送波グループで構成されています。 これらの信号は、あらゆるデバイスの線形応答（周波数応答）や非線形応答（相互変 調）の特性評価に利用できます。フラットネス／ダイナミック・レンジはマルチトーン 信号の特性の中で最も重要です。サンプリング・クロック・ジッタや従来のDDSアーキ テクチャにより位相雑音が生じると目的の信号を生成できない可能性があります。 Trueform アーキテクチャは、このような信号を生成するのに理想的です。ノイズ・パ ワー比（NPR） テストに用いる特定のマルチトーン信号では、数本の搬送波を除去して バンド内の相互変調を測定できるようにデザインされています（図7参照）。 変調器や増幅器によって生じた相互変調レベルの評価は、搬送波が除去された部分 のノッチ内に相互変調成分があるかどうかを観測して行います。 図7. マルチトーン信号は線形／非線形シ ステムの性能評価に利用できます。この 信号は、同じ振幅の変調されていない搬 送波を等間隔に並べたものです。ピーク対 平均電力比（PAPR）を最適化し平均パワー を向上させるために、位相はランダムであ る必要があります。 非線形のふるまいについては、図に見ら れるように、ノッチを作成し、空いている バンド内で相互変調成分の有無を調べるこ とにより評価します。さまざまな相互変 調歪みを発見するためには、雑音のない ノッチやSFDR＞55 dBのノッチを作成する ことが重要です。 13 高品質な汎用変調信号発生器 衛星通信、無線リンク （図8参照）、コードレス電話、CATVのヘッドエンド、既存の WiFiネットワーク、低パワー無線通信（Zigbee/RFID）、その他多くのデバイスで、 比較的単純なシングル・キャリア変調方式が利用されています。Agilent 33500Bは、 フラットネス、リニアリティ、ダイナミックレンジの性能が優れているので、高い変調 品質と優れた周波数ドメイン性能の変調信号を作成することができます。本器の帯 域幅で最大60 MHzの変調帯域幅を持つ信号を生成できます（33522B）。 図8. 変調品質／スペクトラム品質で変調信号発生器の性能が決まります。伝送機器や信 号経路で発生する線形／非線形歪みをシミュレートする機能も重要です。Agilent 33522B 波形発生器で多重経路歪みを含む無線リンク64QAM （上図）を作成しました。Agilent CXA アナライザのアダプティブ・イコライザ （右上）に、対応するチャネル応答が表示されていま す。補正された信号の変調品質も優れています（0.3 ％）。 14 OFDM OFDMの信号はピーク対平均電力比が高く位相雑音や非線形の影響を受けやすいの で、高品質の信号が特に要求されます。さらに、信号を統計的に扱うために、可能 な限り多くの異なるシンボルを伴うシーケンスが必要です。各OFDMシンボルを長 時間発生させるために、統計的な意味をもつOFDM信号ではシングル・キャリア変 調よりもかなり長いレコード長が必要です。Agilent 33500Bシリーズは高い振幅レ ベルと16ビットのDAC分解能、さらに16 Mサンプルのレコード長を備えているの で、OFDM信号の生成に理想的です。Agilent 33500Bシリーズ波形発生器を使用 できる多くのアプリケーションには、地上波TV放送（DVB-T/T2、ISDB-T、DTMB、 DAB、DRM）、WiFi（802.11a/g/n）、WiMAX、LTEなどもあります（図9参照）。 劣化なし 直交性の劣化 図9. OFDM信号の生成には、性能の良い波長発生器のみでなく、長いレコード長も要求 されます。本DVB-T信号（8 kモード）では、TPS情報レシーバが適切に信号を復調するため に最低68個のOFDMシンボルが必要で、これをストアするために数Mサンプルのレコード 長が要求されます。 上の図で、Agilent 33522B波形発生器が生成した信号（左側）が優れた変調品質性能を実現 していることがわかります（MER＞45 dB）。右の図では、直交エラー （5 °）と不平衡（2 ％） が数値的に上昇しています。この解析結果は、高い精度のAWGで精度の劣化が生じたこ とを示しています。直交エラーによって、コンスタレーション上の点が円形ではなく四角 形になっていることに注意してください。これは相加性雑音によるものです。 15 チャネル・コーディングと実用的なペイロードのサポート ほとんどの無線通信規格はチャネル・コーディングを使用しています（例：エラー訂正 コード）。テストの中には、適切なコード化信号を生成したり、特定のペイロードを伝 送したりすることが必要なものもあります。多くの場合、シンボルは与えられた長 さのフレーム内で構成されていて、情報の割り込みも発生します（例：送信中のデー タ次数の変更）。例えば、代表的なCATVデジタル信号（DVB-C）にQAM （16 ∼ 256） 変調搬送波がありますが、実用的なフレームは8個のMPEG2パケット送信を要求し ます（188バイトのペイロード＋16バイトのリードソロモン・エラー訂正）。移動電話 （図10のUMTSなど）や無線ネットワーク （WiFiなど）でも同様の検討が必要です。 図10. Agilent 33522B波形発生器により生成された3GPP（UMTS）W-CDMAダウンリンク IF信号。さまざまなデータを搬送しながら複数のチャネルを同期させるI/Q信号です。 CXA上で動作するAgilent 89601Bソフトウェアで複数のドメインで信号を表示しています： コード・ドメイン・パワー・ダイアグラム （左上）：4つのチャネル （その内の2つのチャネルは 0 Hzに隣接していて、実質的に同期コードです）。マーカ2は音声をシミュレートする信号 で、QPSK変調されています。マーカ1は16QAM信号でデータ伝送部分で、上の左から二 番目に変調、左下に周波数、右下にチャネルが表示されています。 解析中のチャネルは、HSDPA、16QAMチャネルです。コンポジット信号のコンスタレー ションは信号全体のものです（上の左から二番目の図）。EVMが0.5 ％であることから、 Agilent 33500Bシリーズが優れたジッタ／雑音性能を維持しながら多重変調を生成できる ことがわかります。 16 このような信号を生成する場合、何千ものシンボルを波形メモリに保存する必要が あり、1 Mサンプル以上のレコード長が必要になることも珍しくないので、低価格 の発生器ではほとんど実現できません。Agilent 33500Bシリーズでは、チャネルご とに16 Mサンプルの波形メモリを備えているので、現実的なチャネル・コーディング の要求にも対応できます。33500Bシリーズではレコード長の1サンプル分解能を設 定できるので、ユーザはレコード長を調整する手間から解放され、搬送周波数やシ ンボル・レートを含むすべてのタイミング・パラメータで高い精度が保証されます。 多重信号の生成 実際の条件に沿ったレシーバ・テストを行う場合は、歪み（例：マルチパス）と相加性 白色ガウシアン雑音（AWGN）の印加が必要です。使用可能なスペクトラムは複数の サービスで共有されていて、さらに、これらのサービスは多くのオペレータ／ユー ザに共有されているため、現実的なエミュレーションでは多重変調信号を同時に生 成する必要があります。特に、CATVのヘッドエンド・エミュレーションに見られるよ うに、それらが隣接チャネルに存在する場合は特に重要です（図11）。 図11. Agilent 33522Bによ って同時に生成された3つの DVB-C 64QAM搬送波。 テストは中央のチャネルで実 行 さ れ ま す が、 す べ て の チ ャネルがDVB-C規格に従って コード化されています。ただ し、信号の結合による高いパ ワー・ピークを回避するため にデータは無相関になってい ます。DVB-C解析で得られた 変調品質が表示されています （EVM＝0.35 ％）。信号はコー ド化チャネルなので、これを 用いてBERテストを行うこと ができます。BERは、リード ソロモン・デコード前後の補正 されたエラーと補正されてい ないエラーをチェックするこ とで計算できます。 図11では以下の重要ポイントに注目してください： • • • • 非常に良好な信号と平坦な周波数特性。 優れたノッチ。信号から50 dB。 現実のMPEGストリームを伝送する3つのDVB 64QAM変調搬送波信号。 良好なBER、エラー訂正の方式に最適な長さの信号の生成。 17 無線規格には、同じ帯域で同時に動作することを前提にデザインされたものもあり ます。例えば、WiFi/Bluetooth ®などの無線サービスは2.450 GHz付近のISM帯域を 共有する可能性があり、両サービスとも干渉が存在する条件で動作を継続する必要 があります。今日では、複数の無線規格を送信／受信するデバイスが一般的で（例え ば、すべてのスマートフォンはGSM、UMTS、WiFi、Bluetooth 、GPSを同時に処理 することができます。）、相互運用性が重要なデザイン要件となっています。コストと サイズを抑えるために、複数チャネルを同時に処理できるようにデザインされたトラ ンスミッタ内蔵パワー・アンプ （例：UMTS Node-B/DVB-T）がますます増加していま す。AWGはこのように複雑なシナリオを生成するのに理想的で、類似性／相違性の ある多重信号を数学的に作成し、同時に発生させることができます。信号振幅、周 波数ドメインのフラットネス、レコード長、ダイナミック・レンジは、多重信号シナリオ を生成するために重要で、Agilent 33500Bシリーズはこれらすべての要求に関して 大変優れています。 バースト信号発生機能 最先端の無線サービスでは、デバイスの通信接続やハンドオーバを処理するために複 雑なプロトコルが必要です。バースト信号間に比較的長いオフ期間が入るような非連 続の送信をベースとしているものもあります。オフ期間は、μ s前後になったり、数 秒程度の長さになることもあります。このような信号エミュレーションのシナリオを 市販の波形発生器で扱うには、真の任意波形アーキテクチャをもつ高性能AWGでシ ーケンス設定を使用するしかありません。しかし、従来のDDSベースの低価格波形 発生器ではメモリにアクセスする際に異なるセグメント間を連続的につなげること ができないため、シーケンス設定には対応できません。Trueform アーキテクチャを備 えたAgilent 33500Bにはこのような制限は無く、波形メモリ内のすべてのサンプ ルの読み込みが可能で連続的なセグメント・シーケンスを作成することができます。 33522Bでは、最大512セグメントのシーケンスを32個まで保存することができます。 まとめ Agilent 33500Bシリーズは、高品質のベースバンド及びIF/RF変調信号を生成で きる業界初の低価格波形発生器です。Agilentの優れたTrueform アーキテクチャは DDSのすべての利点を維持したまますべての欠点を克服しました。特に、低ジッタ 信号の生成に関して改善されており、この性能は無線アプリケーションに必須です。 Trueform アーキテクチャは、DSPベースのオーバサンプリングとフィルタリングによっ てイメージ応答の存在しない信号を得られる点と、アプリケーションで必要な最高の 周波数特性／過度応答を選択できるという点で、ハイエンドAWGで用いられている 真の任意波形アーキテクチャにも勝っています。 18 参考資料 Agilent Application Note 5952-8898E, The Fundamentals of Signal Analysis . Agilent Technologies, Inc. 2000. Agilent Application Note 5965-7160J、『通信システムのディジタル変調 入門編』 Agilent Technologies, Inc. 2001 s of Arbitrary Waveform Generation . Agilent Application Note 5989-4138EN, The ABC’ Agilent Technologies, Inc. 2005. Agilent Application Note 5990-5897JAJP、『2チャネル任意波形発生器による差動 信号の作成』Agilent Technologies, Inc. 2010 Agilent Application Note 5990-5965EN, Understanding Sequence Run and Sequence Advance Modes . Agilent Technologies, Inc. 2010. Agilent Application Note 5990-7451EN, Agilent Vector Signal Analysis Basics . Agilent Technologies, Inc. 2011. Agilent Application Note 5990-7460JAJP、『ファンクション・ジェネレータの比較： ダイレクト・デジタル・シンセシスとPxP （point-by-point） テクノロジー』Agilent Technologies, Inc. 2011. Agilent Application Note 5990-9871EN, Testing Broadband CATV Amplifiers with True Wideband Channel Rasters . Agilent Technologies, Inc. 2012. Agilent Application Note 5991-0370EN, Complete Digital RF Design and Test Process Fundamentals . 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Test & Measurement World, May 2011. 19 www.agilent.co.jp www.agilent.co.jp/find/trueform myAgilent myAgilent http://www.agilent.co.jp/find/myAgilent お客様がお求めの情報はアジレントがお届けし ます。 myAgilent に登録すれば、ご使用製品の 管理に必要な様々な情報を即座に手に入れる ことができます。 www.axiestandard.org AXIe（AdvancedTCA® Extensions for Instrumentation and Test）は、AdvancedTCA ® を汎用テストおよ び半導体テスト向けに拡張したオープン規格で す。 Agilent は、AXIe コンソーシアムの設立メ ンバです。 アジレント・アドバンテージ・サービスは、 お客様の機器のライフタイム全体にわたって、 お客様の成功を支援します。また、サービス の品質向上、サービス内容の充実、納期の短 縮に継続的に取り組みます。こうした取り組 みは、機器の維持管理費の削減にも繋がると 信じております。このような修理・校正サー ビスに支えられたアジレント製品を購入後も 安心してお使いください。機器およびサービ スの管理の効率化に、Infoline Webサービスも ご活用いただけます。修理・校正サービスを 通じて、お客様のビジネスの成功に貢献でき るよう努め、エンジニアは専門知識を積極的 にお客様に提供します。 www.agilent.co.jp/find/advantageservices TM http://www.pxisa.org PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）モジュラ測 定システムは、PC ベースの堅牢な高性能測 定／自動化システムを実現します。 DEKRA Certified ISO 9001:2008 Agilent Electronic Measurement Group Quality Management System Sys www.agilent.co.jp/quality 契約販売店 www.agilent.co.jp/find/channelpartners アジレント契約販売店からもご購入頂けます。 お気軽にお問い合わせください。 アジレント・テクノロジー株式会社 本社〒 192-8510 東京都八王子市高倉町 9-1 計測お 客様窓口 Bluetoothは、Bluetooth SIG, Inc.が所有する登録商 標で、Agilent Technologiesにライセンスされてい ます。 WiMAXは、WiMAX Forumの商標です。 受付時間 9:00-18:00（土・日・祭日を除く） TEL ■■ 0120-421-345 (042-656-7832) FAX ■■ 0120-421-678 (042-656-7840) Email [email protected] 電子計測ホームページ www.agilent.co.jp ● 記載事項は変更になる場合があります。 ご発注の際はご確認ください。 © Agilent Technologies, Inc. 2012 Published in Japan, December 26, 2012 5991-1100JAJP 0000-00DEP