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卒研テーマ資料
平成27年度 村⼝研究室 卒業研究テーマ 説明会 2015.02.18 卒業研究の⽬的 1. 新しい無線技術の研究 (1) OFDM送信機の低消費電⼒化 信号(通信)の本質を知る (2) 無線通信の周波数利⽤効率を倍増させる新技術の提案 (3) 未知無線信号のブラインド推定技術 本質を理解し応⽤⼒をつける (4) 直交アンダーサンプリング技術の優位性の実証 ２. 可視光通信の研究（⾼度道路交通ｼｽﾃﾑ（ITS）および室内通信） ３. 光無線融合技術の研究（その提案と実証） 就職後にも使える永続的な知識にする ４. 低消費電⼒光ネットワークに関する研究 ５. その他（⽊村先⽣のテーマ） * 各テーマの⼈数制限は⾏いません 1 Tokyo University of Science なぜＲＦサンプリングか？ 村⼝研のオリジナル成果 RF直交アンダーサンプリング技術 殆ど全て研究がこの成果をベースにしている ＤＳＰ技術が高周波アナログ回路の常識を覆すように なった。 例えば： ｲﾒｰｼﾞﾚｼﾞｪｸｼｮﾝﾐｷｻでｲﾒｰｼﾞ抑圧比が40dBあった ら・・・ 素晴らしい回路ですねと評価された。 Tokyo University of Science Tokyo University of Science 4 アナログ信号処理ではできないことが・・ OFDM信号のスペクトラム 互いにイメージ位置にあるサブキャリアに異なったデータを 載せている！ ところが・・・ 下側波帯 ５番目のｻﾌﾞｷｬﾘｱ DSPを用いると完璧なｲﾒｰｼﾞ抑圧を実現できる。 fc 上側波帯 ５番目のｻﾌﾞｷｬﾘｱ それどころか、 ＯＦＤＭではイメージ信号位置に違うデータを載せた サブキャリアを配置している！ f Tokyo University of Science 5 ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ通りの実信号が・・・ 6 バーチャルな世界が現実に MATLAB/Simulinkでミキサなどのアナログ回路の動作 を確認し、それをFPGAに書き込むとｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ通り の実信号が出力される。 でも、 FPGA内部のアナログ回路は、 複素数の数値演算を行っているだけ。 Tokyo University of Science Tokyo University of Science DSPとADC、DACの発達により、バーチャルな世 界が現実世界へ飛び出してきた。 DSPでは、現実にはあり得ない 負の周波数だって使用できる！ 7 Tokyo University of Science 8 負周波数の演算がなせる業 下側波帯のサブキャリアはIFFTでは負周波数として扱って いる。 下側波帯 ５番目のｻﾌﾞｷｬﾘｱ １. RFサンプリングの基礎 上側波帯 ５番目のｻﾌﾞｷｬﾘｱ fc ２. RF信号に同期したｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞｸﾛｯｸの 発生 実は搬送波再生技術なのです。 しかも、64QAMやOFDMでも可能！ f 9 Tokyo University of Science Tokyo University of Science 10 ＲＦ信号のサンプリング D サンプリング値は同じでも同一の信号とは限ら ない t TS SW 量子化 C Tokyo University of Science 11 Tokyo University of Science 12 TS 時間間隔のサンプリング 150 MHz 210 MHz サンプリングの規則性 （ナイキストゾーン） 510 MHz ZONE 2 ZONE 1 fS 2 3 fS 2 fS ZONE 1 ZONE 4 ZONE 3 2 fS 裏返し fS 2 fS 裏返し 3 fS 2 2 fS TS t Fs : 360 MHz 全てZONE1に重なる 13 14 アンダーサンプリングを行うには ナイキストのサンプリング定理 NYQUIST ZONE 2 NYQUIST ZONE 1 入力信号に含まれる最大周波数成分を f とすると、2f よりも高い fS 2 周波数fs でサンプリングすれば、標本値から原信号を完全に復元で fS きる。 NYQUIST ZONE 4 3 fS 2 2 fS アンチエイリアス・フィルタの通過ゾーンを高次に設定 逆に、もしサンプリング周波数fs が決まっている場合は、入力信号を NYQUIST ZONE 1 NYQUIST ZONE 2 fs/2以下に制限すれば原信号を完全に復元できることを保証する。 この入力信号の上限をナイキスト周波数という。 fS Nyquist frequency = fS /2 サンプリングの基本単位である ! Tokyo University of Science 2 fS 15 fS 2 NYQUIST ZONE 3 NYQUIST ZONE 4 2012.11.28 NYQUIST ZONE 3 3 fS 2 ゾーン３の信号がゾーン１に現れる 16 16 無線通信のように搬送波を変調した狭帯域通信 では、目的のシステム全体を高次のﾅｲｷｽﾄｿﾞｰ ﾝに収納できる。 直交変調器の原理から直交サンプリングを理解 する ﾅｲｷｽﾄｿﾞｰﾝとｱﾝﾁｴｲﾘｱｽﾌｨﾙﾀを適切に選べ ば、アンダーサンプリングで完全なデータ再生 が可能である。 実は、ｼｽﾃﾑﾌｲﾙﾀをｱﾝﾁｴｲﾘｱｽﾌｨﾙﾀにすれ ばよい。 17 Tokyo University of Science 直交変調器の出力 I RFサンプリングで直接データを取り出す I I CH DAC cos 2 f c t I CH DAC cos 2 f c t I ( t ) cos 2 f c t I ( t ) cos 2 f c t Q CH Q CH I ( t ) cos 2 f c t I ( t ) cos 2 f c t Q ( t ) sin 2 f c t Q ( t ) sin 2 f c t Q ( t ) sin 2 f c t sin 2 f c t Q ( t ) sin 2 f c t sin 2 f c t DAC Q 18 Tokyo University of Science DAC I CH QCH Q 19 I CH QCH Q CH 20 直交サンプリングのサンプル点 直交サンプリングから直交アンダーサンプリン グへ f 1 fc 5 直交サンプリング f s 4 fc 21 22 Tokyo University of Science RFサンプリングとは 直交アンダーサンプリングの式 4 fc fs 4k 1 fs : サンプリング周波数 fc : 搬送波周波数 k : 間引き係数 直交サンプリング点 飛んでいる飛行機の 窓際にいる人が誰か を特定するようなもの 直交アンダーサンプリング点 @ k=1 Tokyo University of Science 23 24 2012.11.28 Tokyo University of Science 直交アンダーサンプリングの信号とエイリアス Zone 1 Zone 2 k 1 fs 2 fc 5 Zone 3 fs 2 3 fc 5 RF信号（変調波）と同期した fc fs サンプリングクロックを発生させる Zone 1 Zone 2 Zone 4 Zone 3 fs 2 Zone 5 k2 fc 9 fs 2 3 fc 9 fs 5 fc 9 3 fs 2 7 fc 9 2 fs fc 25 Tokyo University of Science 26 周波数ずれ方向を検出する原理 周波数ずれの方向をどのように知るか グリーンがθだけ遅れる RF 信号 高域方向への ずれ S/H 任意位相遅延 ( 0<θ<π） 同期 θ グリーンがθだけ進む 低域方向への ずれ S/H 周波数ずれの大きさ： ビートの周波数 周波数ずれの方向 ： ビートの位相関係 サンプリングクロック 27 2012.11.28 Tokyo University of Science 28 サンプリングクロック発生技術のキーポイント 変調波のサンプリングではどうなるか ① 変調波から振幅・位相情報の除去 16-QAM 信号 CW ② 変調波から周波数情報のみの抽出 16QAM 信号 ③ 周波数ずれ検出（周波数差，周波数の高低） サンプリングクロック ④ シンボル変化の影響除去 サンプリング後の波形 2012.11.28 29 Tokyo University of Science 矩形変換で変調波の振幅・位相情報を除去 同期したサンプリングクロックの発生 高域への周波数ずれ RF 信号 矩形波変換 S/H 波形の位相比較 QA Hard Limiter 周波数 比較器 θ S/H Hard Limiter + - 矩形波に 変換 QB 低域への周波数ずれ VCO Tokyo University of Science 変調信号 正負符号出力 周波数差に比例した パルス/秒の出力 2012.11.28 30 Tokyo University of Science 矩形波に 変換 31 32 2012.11.28 Tokyo University of Science 16-QAM信号のシンボル変化除去の例 シンボル変化の影響を除去するには DFFによる周波数比較器が必要 ゼロクロスする シンボル変化 1 -1 ハードリミッタは殆どのシンボル変化を吸収する しかし、ゼロクロスするシンボル変化は残ってしまう！ 2012.11.28 Tokyo University of Science 33 ２個の DFF を用いた周波数比較器 H (固定) 34 Tokyo University of Science ゼロクロスするシンボル変化による誤パルス DFFA D Q A QA CK Reset CK B Q D H (固定) QB DFFA シンボル変化点 最初に来た“A” の立ち上がりエッジで “QA ”を出力 次に来た“B” の立ち上がりで出力を “Reset” A と B のどちらの位相が進んでいるか出力ポートで分かる 35 シンボル変化があると周波数ずれと同様なパルスを発生する 35 2012.11.28 Tokyo University of Science 36 ソフトウェア無線に向けて ｱﾝﾁｴｲﾘｱｽﾌｨﾙﾀとｱﾝﾀﾞｰｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞの間引き係数を切り替えることにより、何ｵｸ ﾀｰﾌﾞにも渡り受信ができる。 ディジタル信号の本質を極める ｱﾝﾁｴｲﾘｱｽ ﾌｨﾙﾀﾊﾞﾝｸ fs / 2 B ｼｽﾃﾑA ｼｽﾃﾑB ｼｽﾃﾑC ｼｽﾃﾑD ｼｽﾃﾑE ｼｽﾃﾑF 37 Tokyo University of Science 38 ﾃﾞｨｼﾞﾀﾙ信号の周波数ｽﾍﾟｸﾄﾗﾑを分析する TP 両側波帯(DSB)通信 符号に周期性を持たせると周波数軸上でエネルギーが離散的になり、その包絡線はSinc関数になる。 TN アップコンバージョン W 1 TN TP パルス幅 TN 符号周期 N 符号周期のパルス数 1 N2 DC電⼒ W 1 TP メインローブのカットオフ 2 W 1 TP 39 sinx x DC スペクトルの包絡線の形 40 LSB （鏡対称のコピー ができる） USB fc ｼﾝｸﾞﾙｷｬﾘｱとOFDMの帯域比較 ｼﾝｸﾞﾙｷｬﾘｱとOFDMの帯域比較 ｼﾝｸﾞﾙｷｬﾘｱ伝送 ｼﾝｸﾞﾙｷｬﾘｱ伝送 必須帯域 同一信号速度の パラレル伝送 41 fc 同一信号速度の 直交パラレル伝送 （OFDM化） 42 OFDMは本当に周波数利用効率が良いか？ fc 周波数利用効率は同じ ｼﾝｸﾞﾙｷｬﾘｱ伝送 ｼﾝｸﾞﾙｷｬﾘｱ伝送 必須帯域 必須帯域 同一信号速度の OFDM伝送 43 fc 同一信号速度の OFDM伝送 44 fc シンボル列を切り出し、繰り返し符号化する 繰り返し符号によるスペクトラムの離散化 繰り返し符号列にするとスペクトラムが離散化し、スプクトラム数をコントロールできる データ符号列をNシンボル毎に切り出す。（例では10シンボル） １シンボル時間 シンボル列C シンボル列C シンボル列A シンボル列B シンボル列C シンボル列C 必須帯域 （シンボル帯域 /２） 切り出したシンボル列を無限の繰り返しにする。 １シンボル時間 TP １シンボル時間 TN シンボル周期 N シンボル周期のシンボル数︓10 W 1 TP シンボル列C シンボル列C 1 N2 シンボル列C シンボル帯域 シンボル帯域 DC電⼒ スペクトラム間隔︓W / N = シンボル帯域 /10 必須帯域内スペクトラム数︓N / 2 +1 = ５+ DC 45 46 高周波成分除去によるスペクトルの制限 シミュレーション結果１ 送信スペクトル フーリエ級数展開による演算処理を利用する USB側を 80ｄB以上抑圧 LSB側を 80ｄB以上抑圧 T＝1/f1 1 t 1 f fc フーリエ級数展開 a0 a1 cos 2f1t a 2 cos 2 2 f1t a 3 cos 2 3 f1t a 4 cos 2 4 f1t a 5 cos 2 5 f1t 2 b1 sin 2f1t b2 sin 2 2 f1t b3 sin 2 3 f1t b4 sin 2 4 f1t b5 sin 2 5 f1t f t LSB信号のスペクトル USB信号のスペクトル スペクトルの本数を制限し、片側の側波帯のみで送信できた f1 125 kHz 東京理科大学 村口研究室 47 東京理科大学 村口研究室 48 シミュレーション結果２ OFDMの多重化 送信スペクトル 通常のOFDM信号に対してもう一つの信号をずらして多 重化して周波数利用効率の向上を狙う s(f ) 不要周波数成分が直交性を崩す 挿入した信号がOFDM信号 の直交性を崩してしまう LSB信号とUSB信号の合成スペクトル LSBとUSBの信号を合成して送信できた f f1' f1 f2' f2 f3' f3 f4' f4 不要なサブキャリアを 除去する必要がある 4 49 東京理科大学 村口研究室 くし形フィルタ 多重化OFDMの分離 ・周波数特性がくし形となっているフィルタ ・遅延量により減衰する周波数を変えることができる zN H() s(f ) くし形フィルタを用い不要成分を除 去 ・くし形フィルタを通すこと で 不要成分を除去 + f1' f1 f2' f2 f3' f3 f4' f4 くし形フィルタの周波数特性 5 ・通常のOFDM信号の間に もう一つの信号を挿入 くし形フィルタの構成 6 f 元の信号を復元する シミュレーション結果 今後の課題 スペクトルの分離と復調 くし形フィルタによる不要サブキャリア除去(第1系統) 除去前 除去後 シンボル時間とサブキャリアの関係 不要な半周期を持っている 1シンボルの間に整数周期持つ 10 FFTで復調できない 12 OFDM送信機の低消費電⼒化 ① 第５世代は容易ではない OFDM送信機の低消費電⼒化 ・移動通信の環境で1Gbpsの通信を⾏うにはOFDM⽅式しかないが・・・ ・OFDM送信アンプは効率10%以下で携帯側で使⽤できない。 ・1Wの出⼒を出そうとすると、9Wが熱となる。 ・携帯が熱くて持てなくなる。電池がすぐなくなる。 ・上り（携帯⇒基地局）はOFDMが難しい（4Gでも当初は計画していた） ・上りは16QAM、下りはOFDM ⇒ LTE ・⼀部のキャリアは上りOFDMを諦めて、LTEを４Ｇと⾔いはじめた。 第５世代へのブレークスルーになるか ② OFDM送信アンプの効率改善 ・効率が悪いのはOFDM信号のPAPR（ﾋﾟｰｸ電⼒対平均電⼒⽐）⼤きいから ・送信側のIFFT処理後のディジタル信号を変形して、PAPRを改善する。 ・受信側で元に戻す処理が必要。 ・PAPRを改善すると、通信速度低下やBER特性劣化の新たな問題が・・・ ・解決できると、世の中へのインパクトは絶⼤だけど・・・ 55 56 提案手法のOFDM送信機構成 ｻﾌﾞｷｬﾘｱをﾌﾞﾛｯｸ化し最適な組み合わせを見つける ① ②系列ごとにIFFTして、OFDM信号x1、 x2、 x3、 x4を生成 ① サ ブ キ ャ リ ア 分 割 X IFFT X3 IFFT x1 S/P 変換 送信データ x2 Qch X サ ブ キ ャ リ ア 分 割 Σ X2 IFFT IFFT x3 IFFT ● b2 X4 X1 ●● ● x4 IFFT ● ●● ●●● ● ● ● b1 ● X2 ● ● ● x4 ● ● ● Ich GI挿入 Σ x X3 X4 x3 x2 b3 X4 X3 Ich 一次 変調 X2 ④ ● ● ● ● ● ● 直交変調 IFFT ③ x1 IFFT ② X1 ② X1 IQ 分離 パワー アンプ Σ Qch GI挿入 Σ Σ 最小 PAPR 選択 Σ Σ Σ 33 44 57 DC 7 20 32 18 21 説明会 2015.02.18 シミュレーション結果 PAPR[dB] 1 従来OFDM 提案手法 8.0 6.2 可視光通信の限界に挑戦 PAPRを1.8dB低減 また、BER特性の劣化は無い BER 0.1 0.01 TVリモコンでハイビジョン放送を送れるか 従来OFDM 提案手法 0.001 0.0001 0 2 4 6 8 EbNo[dB] 10 12 14 23 60 説明会 2015.02.18 LEDの周波数利⽤効率の限界に挑戦 有線OFDM ⾮同期瞬時再⽣技術 可視光OFDM 復調Ich 復調Ich 復調Qch 復調Qch 可視光でハイビジョンの20Mbps通信を⽬指す 復調には必ず同期が必要 Symbol 2 61 62 受信側で同期しないとビット欠けが生じる １．シンボル同期 受信バースト信号は図のようにシンボル（搬送波が同じ状態を保つ期間、デー タの区切り）ごとに復調をおこなう。従って各シンボルの範囲（先頭と終わり）を 判別する必要がある。 Symbol 1 ITSの⾼速化に必要 空間伝送の過程で 振幅が減衰 Symbol 3 ◎ クロック同期（周波数一致） ・・・・・ ▲ クロック周波数ずれ（高い） ・・・・・ ２．周波数・位相同期 理想的な同期検波を実現するには、受信側で周波数誤差を常に最小にするた め周波数同期回路を準備する必要がある。 プリアンブル部 シンボル 同期 63 周波数 ・位相 同期 ビット欠け （ﾋﾞｯﾄｽﾘｯﾌﾟ） ▲ クロック周波数ずれ（低い） データ部 ・・・・・ 周波数 ・位相 保持 64 ビット欠け （ﾋﾞｯﾄｽﾘｯﾌﾟ） 説明会 2015.02.18 ●非同期で高速通信を可能にする 可視光通信による 空間ディジタル伝送 DPAM 光ビーコン 究極の低誤り率特性 伝送速度 1局通信エリア データ容量 媒体 1Mbps 3.5m 約10kbyte / 1箇所 赤外線 ・ビーコン対応VICSユニットが必要 ・同期式 伝送速度 1局通信エリア データ容量 媒体 9.0Mbps 22.29m 1.125Mbyte 可視光線 ・既存のインフラが利用可能 ・非同期式 65 66 雑音の扱い フーリエ変換を用いた変復調 通信において雑音はホワイトノイズで表現される 離散フーリエ変換（DFT） ホワイトノイズ 時間軸：不規則に上下に振動する波 周波数軸：全ての周波数帯域でほぼ同じ強度を持つ波 X (k ) N 1 x ( m )e m 0 逆離散フーリエ変換（IDFT） N 1 j 2N mk k 0,1, , N 1 x ( m ) X ( k )e j 2N mk m 0,1, , N 1 k 0 次数N=8のとき 011 101 100 010 という情報を送るには 3 → 5 → 4 → 2 の順番で情報を伝送 011 101 100 010 IDFT DFT 周波数軸上のサブキャリアに 情報を対応させた通信方式を提案 東京理科大学 村口研究室 67 東京理科大学 村口研究室 68 復調 FFTの次数とSNの改善 1 3 4 5 6 7 8 電力[dBm] FFTの次数が512の時 帯域幅 ：500 [kHz] ビット数 ：9 [ビット/シンボル] シンボルレート：256/500ksps] FFTの次数が64の時 帯域幅：500[kHz] ビット数：5 [ビット/シンボル] シンボルレート：32/500ksps] 2 信号 雑音 周波数[Hz] シャノンの定理 ： 500/32＝500 log2(1+S/N) ∴1+S/N=2^32 C B log 2 (1 S / N ) 情報信号 付加雑音 受信信号の電力を周波数ごとに比較して最も電力の大きい周波数を選択 500/256＝500 log2(1+S/N) ∴1+S/N=2^256 8倍、約9dB ＳＮ改善が見込める 雑音に 埋もれて誤る 情報信号のみを 取り出せる 69 東京理科大学 村口研究室 受信信号 提案方式モデル 東京理科大学 村口研究室 70 実機による誤り率特性の測定 変調処理 送信側 空間伝送 復調処理 受信側 東京理科大学 村口研究室 71 東京理科大学 村口研究室 72 研究室 年間スケジュール FFTの次数ごとのSNRとBERの関係 説明会 2015.02.18 ４⽉ 各グループのゼミの聴講 輪講（B4勉強会） 期間︓４⽉〜７⽉ ５⽉ グループ配属（８⽉までに専⾨知識の習得） ８⽉ オープンキャンパス ９⽉ 旅⾏会 各⾃テーマで研究本格始動 11⽉ MWE2016のマイクローブ展で⼤学展⽰ 12⽉ 電⼦情報通信学会 総合⼤会（投稿、発表３⽉） 2⽉ M1中間発表 2⽉ 卒業研究発表会 修論発表会 ３⽉ 卒業式 約3dBの改善 東京理科大学 村口研究室 研究室旅⾏会（ 9⽉） 73 74 説明会 2015.02.18 ドコモR&Dセンター⾒学後 横須賀で 2014年 9⽉14⽇〜15⽇ ⻤怒川温泉 説明会 2015.02.18 2014年 10⽉20⽇ 75 くりはま 花の国 76 就職先、進学先（本年度内定も含む） メンバー構成 （2015年4⽉） 説明会 2015.02.18 説明会 2015.02.18 学部︓ NTTｺﾐｭﾆｹｰｼｮﾝｽﾞ、シャープ、富⼠電機、 トヨタ⾃動⾞、本⽥技研、 教授︓１名 NHK、成⽥国際空港、地⽅公務員（稲城市） 助教︓１名* 東京理科⼤学⼤学院(75名)、東京⼤学⼤学院(3名) Ｄ３︓１名 東京⼯業⼤学⼤学院(2名) 、早稲⽥⼤学⼤学院 Ｍ２︓ 9 名 修⼠︓ NTTドコモ(8名)、NTT研究所(4名)、NTTソフト、NTTデータ、NTTコムウェア Ｍ１︓ 9 名 KDDI、ソフトバンク、インターネットイニシアティブ(2名)、⽇本マイクロソフト Ｂ４（第１部）︓10 名（予定） 三菱電機(4名) 、 NEC (2名) 、ソニー、東芝、富⼠電機 富⼠ゼロックス(8名)、村⽥製作所(2名)、キヤノン(2名) Ｂ４（第２部）︓２名（予定） ニコン、コニカミノルタ、セイコーインスツル、ファナック 中部電⼒(4名)、東京電⼒(3名) 、四国電⼒、東北電⼒ 北海道電⼒、九州電⼒、JR⻄⽇本(2名) （* ４⽉１⽇より⽊村共孝 先⽣が赴任予定） トヨタ⾃動⾞(5名)、本⽥技研(2名)、⽇産⾃動⾞(2名)、デンソー 任天堂、⽇本ゼオン、アズビル、ジョンソン・エンド・ジョンソン 野村総合研究所、特許庁、防衛省(2名) 、地⽅公務員（神奈川県） 77 78