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Keysight Technologies 低価格任意波形発生器による複雑な変調信号
Keysight 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Keysight Trueformアーキテクチャ White Paper 概要 本書では、Keysight 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。Keysight 33500Bシリーズ Trueform波 形発生器は、高いコスト・パフォーマンスで、最新のベースバンドIQデ ジタル通信信号を作成できるソリューションです。ここでは、Keysight 33500Bシリーズ Trueform波形発生器を用いた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。 はじめに 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、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 が迫っています。 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。 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。 Joan Mercade, Arbitrary Resources, S.L 2 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。キーサイトは、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、Keysight 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。 3 デジタル変調の基礎 ベースバンド 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。 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。 4 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。 5 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。 6 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、WiMAXTM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。 7 AWGを利用した RF信号の生成 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。 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）。 信号作成ソフトウェア 直交変調器 N9310（VSG） 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、Keysight 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、Keysight CXAベクト ル信号発生器とKeysight 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 8 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。 9 今回ご紹介するTrueformアーキテクチャを備えたKeysight 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。 キーサイトのTrueformアーキテクチャ 新しいKeysight 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対キーサイトの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Keysight 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。 10 低価格DDS コンスタレーション スペクトラム 図5. DDS対Keysight 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。 11 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、Keysight 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 変調精度 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。 12 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。 （30 MHzの帯域幅で250 Mサンプル/sのサンプリング・レー ・ 高いオーバサンプリング 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Keysight 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。 13 従来の低価格DDSベース発生器とは異なり、Keysight 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 Keysight 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。 14 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。Keysight 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。Keysight 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。Keysight 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 ％）。 15 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。Keysight 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。 Keysight 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、Keysight 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。 16 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. Keysight 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Keysight 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： （その内の2つのチャネルは 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 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、 Keysight 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。 17 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。Keysight 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. Keysight 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。 18 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、Keysight 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Keysight 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 Keysight 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。キーサイトの優れた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。 19 参考資料 Keysight Application Note 5952-8898E, The Fundamentals of Signal Analysis. Keysight Technologies, Inc. 2000. Keysight Application Note 5965-7160J、『通信システムのディジタル変調 入門編』 Keysight Technologies, Inc. 2001 Keysight Application Note 5989-4138EN, The ABC’s of Arbitrary Waveform Generation. Keysight Technologies, Inc. 2005. Keysight 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』Keysight Technologies, Inc. 2010 Keysight Application Note 5990-5965EN, Understanding Sequence Run and Sequence Advance Modes. Keysight Technologies, Inc. 2010. Keysight Application Note 5990-7451EN, Keysight Vector Signal Analysis Basics. Keysight Technologies, Inc. 2011. Keysight 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』Keysight Technologies, Inc. 2011. Keysight Application Note 5990-9871EN, Testing Broadband CATV Amplifiers with True Wideband Channel Rasters. Keysight Technologies, Inc. 2012. Keysight Application Note 5991-0370EN, Complete Digital RF Design and Test Process Fundamentals. 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Test & Measurement World, May 2011. 20 21 | Keysight | 低価格任意波形発生器による複雑な変調信号の生成 - White Paper myKeysight www.keysight.co.jp/find/mykeysight ご使用製品の管理に必要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。Keysightは、AXIeコンソーシアムの設立メンバです。 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。 www.keysight.com/go/quality Keysight Electronic Measurement Group DEKRA Certified ISO 9001:2008 Quality Management System 契約販売店 www.keysight.co.jp/find/channelpartners キーサイ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。 Bluetoothは、Bluetooth SIG, Inc.が所有する登録商標で、Keysight Technologiesにライセンスされています。 WiMAXは、WiMAX Forumの商標です。 キーサイト・テクノロジー合同会社 本社〒 192-8550 東京都八王子市高倉町 9-1 計測お客様窓口 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.keysight.co.jp © Keysight Technologies, 2012 - 2014 Published in Japan, November 25, 2014 5991-1100JAJP 0000-00DEP www.keysight.co.jp