JP6902259B2 - 測定装置及び測定方法 - Google Patents
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具体的には、無線信号のI成分とQ成分の最高周波数の倍以上のサンプリング速度を有するリアルタイムオシロスコープによって、無線信号の波形に対して測定が行われる。この場合、ナイキストの定理にしたがって、被測定信号の周波数の2倍よりも高いサンプリング周波数で動作するADCボードが必要となる。そして、無線信号の波形から得られたサンプリングデータから、コンスタレーションが計算される。
具体的には、300GHz帯のいわゆるミリ波と呼ばれる周波数帯の無線信号を使用した通信においては、600Gs/s以上のサンプリング周波数が必要であるが、600Gs/sのサンプリング周波数を有するリアルタイムオシロスコープを実用化するのは難しい。
(1)第1の態様に係る測定装置は、無線信号を第1の信号へダウンコンバートするダウンコンバータ部と、前記第1の信号を分解したI成分信号とQ成分信号とを、ナイキスト周波数よりも低いサンプリング周波数でサンプリングするA/D変換回路と、前記A/D変換回路によってサンプリングされたI成分デジタル信号とQ成分デジタル信号とに基づいて、トリガを生成するトリガ生成部と、前記トリガ生成部が生成した前記トリガに基づいて、前記A/D変換回路によってサンプリングされた前記I成分デジタル信号と前記Q成分デジタル信号とを取得し、取得した前記I成分デジタル信号と前記Q成分デジタル信号とに基づいて、前記I成分デジタル信号の時間波形と前記Q成分デジタル信号の時間波形とを取得する処理部と、前記I成分信号と前記Q成分信号とに基づいて、前記I成分信号と前記Q成分信号との位相の揺らぎ又は周波数の揺らぎを補正する補正信号を生成するキャリア再生部と、前記補正信号と同期して、前記第1の信号の周波数を調整する発振器とを備え、前記A/D変換回路は、前記発振器によって周波数が調整された前記第1の信号を分解したI成分信号とQ成分信号とを、ナイキスト周波数よりも低いサンプリング周波数でサンプリングする。
(2)上記態様にかかる測定装置において、前記キャリア再生部は、前記I成分信号と前記Q成分信号との位相の回転量を補正する補正信号を生成してもよい。
(3)上記態様にかかる測定装置において、前記無線信号は位相変調された信号であってもよい。
(4)上記態様にかかる測定装置において、前記処理部は、前記トリガに基づいて、前記A/D変換回路によってサンプリングされた前記I成分デジタル信号と前記Q成分デジタル信号とを重ね合せてもよい。
(5)第1の態様に係る測定方法は、無線信号を第1の信号へダウンコンバートするステップと、前記第1の信号を分解したI成分信号とQ成分信号とを、ナイキスト周波数よりも低いサンプリング周波数でサンプリングするステップと、サンプリングされたI成分デジタル信号とQ成分デジタル信号とに基づいて、トリガを生成するステップと、前記トリガに基づいて、サンプリングされた前記I成分デジタル信号と前記Q成分デジタル信号とに基づいて、前記I成分デジタル信号の時間波形と前記Q成分デジタル信号の時間波形とを取得するステップと、前記I成分信号と前記Q成分信号とに基づいて、前記I成分信号と前記Q成分信号との位相の揺らぎ又は周波数の揺らぎを補正する補正信号を生成するステップと、前記補正信号と同期して、前記第1の信号の周波数を調整するステップと、調整する前記ステップで周波数が調整された前記第1の信号を分解したI成分信号とQ成分信号とを、ナイキスト周波数よりも低いサンプリング周波数でサンプリングするステップとを有する、測定装置が実行する測定方法である。
(実施形態)
図1は、実施形態に係る測定装置の一例を示す図である。実施形態に係る測定装置100は、無線信号の品質を評価するときに使用される。測定装置100は、アイパターンを描画し、描画したアイパターンに基づいてコンスタレーションを描画し、描画したコンスタレーションから、EVMを演算し、EVMの演算結果を出力する。
測定装置100は、ダウンコンバータ部102とアイパターン測定部108と発振器132とアンダーサンプリング部134とを備える。
ダウンコンバータ部102は、ミキサー(Mixer)104とバンドパスフィルタ(Band−pass filter:BPF)106とを含む。Mixer104には、アンテナ101が接続される。
アイパターン測定部108は、IQミキサー(IQMixer)110とローパスフィルタ(Low−pass filter:LPF)112とLPF114とA/D変換回路(A/D)116とA/D118とFPGA(field−programmable gate array)120とメモリ122とメモリ124と演算処理部126とトリガ生成部128とキャリア再生部130とを含む。
BPF106は、Mixer104と接続される。BPF106は、Mixer104が出力した信号から、高周波成分を取り除き、高周波成分を取り除くことによって得られる中間周波数(Intermediate Frequency:IF)信号をアイパターン測定部108へ出力する。BPF106が出力するIF信号は、アイパターン測定部108のIQMixer110へ出力される。
LPF112は、IQMixer110と接続される。LPF112は、IQMixer110が出力したI成分の信号から高周波成分を除去し、高周波成分を除去したI成分の信号を、A/D116、及びキャリア再生部130へ出力する。以下、LPF112が出力する「高周波成分を除去したI成分の信号」を、単に「I成分の信号」という。
LPF114は、IQMixer110と接続される。LPF114は、IQMixer110が出力したQ成分の信号から高周波成分を除去し、高周波成分を除去したQ成分の信号を、A/D118、及びキャリア再生部130へ出力する。以下、LPF114が出力する「高周波成分を除去したQ成分の信号」を、単に「Q成分の信号」という。
図2は、アンダーサンプリングの一例を示す図である。図2において、被測定信号は破線で表され、アンダーサンプリングの結果は実線で表される。
A/D116は、アンダーサンプリングすることによって得られたI成分のデジタル信号をトリガ生成部128、及びFPGA120へ出力する。
メモリ122は、FPGA120と接続される。メモリ122は、FPGA120が出力したI成分のデジタル信号を記憶する。メモリ124は、FPGA120と接続される。メモリ124は、FPGA120が出力したQ成分のデジタル信号を記憶する。
演算処理部126は、取得したI成分のデジタル信号の時間波形を描画する。演算処理部126は、I成分のデジタル信号の時間波形を重ね合せることによって、I成分のデジタル信号のアイパターンを描画する。
図3は、演算処理部の処理の一例を示す図である。図3の上図はI成分のデジタル信号の時間波形の一例を示し、図3の下図はI成分のデジタル信号の時間波形を重ね合せることによって得られるアイパターンの一例を示す。
また、演算処理部126は、取得したQ成分のデジタル信号の時間波形を描画する。演算処理部126は、Q成分のデジタル信号の時間波形を重ね合せることによって、Q成分のデジタル信号のアイパターンを描画する。
Q成分のデジタル信号の時間波形の一例と、Q成分のデジタル信号の時間波形を重ね合せることによって得られるQ成分のデジタル信号のアイパターンの一例は、図3を適用できる。
図4は、コンスタレーションの一例を示す図である。図4において、横軸はI成分の振幅(Amplitude−I)であり、縦軸はQ成分の振幅(Amplitude−Q)である。図4によれば、コンスタレーションが広がる原因となる雑音がないので、理想的なコンスタレーションに近い結果が得られている。
さらに、演算処理部126は、描画したコンスタレーションに基づいて、EVMを演算する。EVMは、コンスタレーションから抜き出した測定値と理想的な値との距離を平均した値である。N個のシンボルに対するEVMは、式(2)で求めることができる。
キャリア再生部130は、LPF112とLPF114と接続される。キャリア再生部130は、LPF112が出力したI成分の信号と、LPF114が出力したQ成分の信号とに基づいて、該I成分の信号と該Q成分の信号との位相の揺らぎ又は周波数の揺らぎを補正する補正信号を生成する。キャリア再生部130は、コスタス法を用いて、発振器132の補正信号vc(制御電圧vc)を生成する。コスタス法を用いることによって、I成分の信号とQ成分の信号とから、発振器132の補正信号vcを得ることができるため、搬送波の周波数fcに比べて低い周波数で乗算器を動作させることができるとともに、遅延線を不要にできる。
キャリア再生部130は、乗算器202と乗算器206と乗算器208と乗算器210と加算器204とループフィルター(Loop Filter)212とを備える。
I成分の信号は3つに分岐され、3つに分岐されたI成分の信号のうち、2つのI成分の信号は乗算器202へ出力され、1つのI成分の信号は乗算器208へ出力される。乗算器202は2つのI成分の信号を乗算し、乗算した信号を加算器204へ出力する。
一方、Q成分の信号は3つに分岐され、3つに分岐されたQ成分の信号のうち、2つのQ成分の信号は乗算器206へ出力され、1つのQ成分の信号は乗算器208へ出力される。乗算器206は2つのQ成分の信号を乗算し、乗算した信号を加算器204へ出力する。
加算器204は、乗算器206が出力した信号から乗算器202が出力した信号を減算し、減算することによって得られる信号を乗算器210へ出力する。乗算器208は、I成分の信号とQ成分の信号とを乗算し、乗算した信号を乗算器210へ出力する。乗算器210は、加算器204が出力する信号と乗算器208が出力する信号とを乗算し、乗算することによって得られる信号を、ループフィルター212へ出力する。
vc=(I×Q)×(Q^2−I^2)
={cos(φmod+θ)×sin(φmod+θ)}×[{sin(φmod+θ)}^2−{cos(φmod+θ)}^2]
=(1/4)sin{4(φmod+θ)} (3)
式(3)において、θは搬送波scと発振器132の出力との位相差である。また、計算の簡略化のため、I成分の信号及びQ成分の信号の振幅を1とした。式(3)において、φはπ/4、3π/4、5π/4、7π/4であるため、式(4)が得られる。
vc=(1/4)sin(π+4θ) (4)
キャリア再生部130は、生成した補正信号vcを、発振器132へ出力する。
ここで、キャリア再生部130が出力する補正信号vcによって、発振器132によって行われるIF信号の周波数の調整について説明する。
まず、QPSK変調波smodは前述した式(1)で定義される。
IQMixer110は、QPSK変調波smodを、再生した搬送波scで直交復調を行う。ただし、再生した搬送波scの周波数がfcではなくfrcのとき、I成分の信号とQ成分の信号は式(5)、式(6)のように求められる。
=(1/2)[cos{2π(fc−frc)t+φmod}−cos{2π(fc+frc)t+φmod}] (5)
=(1/2)[sin{2π(fc−frc)t+φmod}+sin{2π(fc+frc)t+φmod}] (6)
コンスタレーションが回転する場合、回転する速さを求め、補正を行う必要がある。リアルタイムサンプリングの場合、測定したデータは連続しているので、その差分を求めることで回転する速さ(回転量)が求められる。しかし、アンダーサンプリングの場合、測定で得られたデータは不連続なので、リアルタイムサンプリングの場合と同様には求めることはできない。
そこで、キャリア再生部130は、I成分の信号とQ成分の信号とから情報信号によって変化するφmodの成分を除去することによって位相を演算する。キャリア再生部130は、φmodの成分を除去したI成分の信号の位相とφmodの成分を除去したQ成分の位相との差分からΔfを求める。キャリア再生部は、求めたΔfを使用して、I成分の信号とQ成分の信号とに対して、位相の回転量の補正を行う。
=[{sin(2πΔft+φmod)}^2−{cos(2πΔft+φmod)}^2]−4{cos(2πΔft+φmod)×sin(2πΔft+φmod)}^2
=cos{4(2πΔft+φmod)} (9)
=4{cos(2πΔft+φmod)×sin(2πΔft+φmod)}×
{sin(2πΔft+φmod)}^2−{cos(2πΔft+φmod)}^2]
=sin{4(2πΔft+φmod)} (10)
I成分の信号とQ成分の信号の補正について説明する。
キャリア再生部130は、I4とQ4より求めた位相からΔfを計算し、I成分の信号とQ成分の信号との補正を行う。補正した後のI成分の信号をIcor、Q成分の信号をQcorとする。この場合、Icorは式(13)のように表わされ、Qcorは式(14)のように表わされる。
アンダーサンプリング部134は、発振器132と同期して、A/D116及びA/D118へ、ナイキスト周波数よりも低いサンプリング周波数を示す情報を出力する。アンダーサンプリング部134が出力するサンプリング周波数を示す情報の一例は、約100MHzである。
図7は、実施形態に係る測定装置の動作の一例を示す図である。
(ステップS102)ダウンコンバータ部102は、無線信号をIF信号へダウンコンバートする。
(ステップS104)A/D116及びA/D118は、サンプリング周波数に基づいて、IF信号(I成分の信号、Q成分の信号)に対して、アンダーサンプリングを行う。
(ステップS106)トリガ生成部128は、アンダーサンプリングすることによって得られるI成分のデジタル信号とQ成分のデジタル信号とに基づいて、トリガを生成する。
(ステップS108)演算処理部126は、トリガ生成部128からのトリガにしたがって、I成分のデジタル信号の時間波形を重ね合せることによって、I成分のデジタル信号のアイパターンを描画する。また、演算処理部126は、トリガ生成部128からのトリガにしたがって、Q成分のデジタル信号の時間波形を重ね合せることによって、Q成分のデジタル信号のアイパターンを描画する。
(ステップS112)演算処理部126は、コンスタレーションに基づいて、EVMを演算する。その後ステップS102へ移行する。
(ステップS114)ステップS104の処理の後、キャリア再生部130は、補正信号を生成する。
(ステップS116)発振器132は、キャリア再生部130が出力する補正信号に基づいて、IQMixer110へ出力されるIF信号を補正する。
(ステップS118)アンダーサンプリング部134は、発振器132と同期して、サンプリング周波数を調整する。その後ステップS102へ移行する。
前述した実施形態では、測定装置100が、アイパターンを描画し、描画したアイパターンに基づいてコンスタレーションを描画し、描画したコンスタレーションに基づいて、EVMを演算する場合について説明したが、この例に限られない。例えば、測定装置100が、アイパターン、及びコンスタレーションを描画することなく、EVMを演算するようにしてもよい。
前述した実施形態では、QPSK変調された高周波数の無線信号の品質を評価する場合について説明したが、この例に限られない。例えば、BPSK変調された高周波数の無線信号の品質を評価する場合についても適用できる。
本実施形態に係る測定装置では、アンダーサンプリングが行われ、I成分のデジタル信号の時間波形とQ成分のデジタル信号の時間波形は連続したアイパターンとなる。このため、I成分のデジタル信号の二乗とQ成分のデジタル信号の二乗との和の演算結果に対して、包絡線検波を行うことで、トリガを得ることができる。さらに、リアルタイムサンプリングの場合と異なり、他のトリガと組み合わせる必要がない。
本変形例に係る測定装置は、前述した実施形態に係る測定装置と、トリガ生成部128の処理が異なる。トリガ生成部128は、I成分のデジタル信号の時間波形又はQ成分のデジタル信号の時間波形の立ち上り又は立下りのいずれかの位置に基づいて、トリガを生成する。例えば、時間波形の振幅のLow状態を0パーセントとし、High状態を100パーセントとした場合に、トリガ生成部128は、0パーセントから100パーセントのうち、予め設定されるパーセントに対応するタイミングを検出し、そのタイミングをトリガとする。
本変形例に係る測定装置によれば、アンダーサンプリングでサンプリングされたI成分のデジタル信号又はQ成分のデジタル信号に基づいて、トリガが生成される。アンダーサンプリングでサンプリングされたI成分のデジタル信号及びQ成分のデジタル信号は、ランダムなデータとなるため、1つのチャネルでトリガを生成できる。つまり、I成分のデジタル信号に基づいて生成したトリガとQ成分のデジタル信号に基づいて生成したトリガとの間で、トリガのずれは生じない。
また、本変形例に係る測定装置によれば、I成分のデジタル信号の二乗とQ成分のデジタル信号の二乗との和の演算や、包絡線検波を行うことなく、トリガを生成できる。
図9は、本変形例に係る測定装置を示す図である。
本変形例に係る測定装置300は、前述した実施形態に係る測定装置100において、トリガ生成部128、及びキャリア再生部130の処理を演算処理部326が実行するようにしたものである。
測定装置300は、ダウンコンバータ部302とアイパターン測定部308と発振器332とアンダーサンプリング部334とを備える。ダウンコンバータ部302は、Mixer304とBPF306とを含む。Mixer304には、アンテナ301が接続される。アイパターン測定部308は、IQMixer310とLPF312とLPF314とA/D316とA/D318とFPGA320とメモリ322とメモリ324と演算処理部326とを含む。ダウンコンバータ部302とIQMixer310とLPF312とLPF314とA/D316とA/D318とFPGA320とメモリ322とメモリ324と演算処理部326とは、前述した実施形態を適用できる。
本変形例に係る測定装置300によれば、演算処理部326がプログラムを実行することによって、トリガ生成部328とキャリア再生部330として機能するようにしたため、測定装置300の部品点数を削減できる。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。
さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であってもよい。
前述した実施形態、変形例(その1)、及び変形例(その2)において、IF信号は第1の信号の一例であり、演算処理部は処理部の一例である。また、IQMixer110(IQMixer310)、LPF112(LPF312)、LPF114(LPF312)、A/D116(A/D316)、A/D118(A/D318)、アンダーサンプリング部134(アンダーサンプリング部334)はアンダーサンプリング部の一例である。
Claims (5)
- 無線信号を第1の信号へダウンコンバートするダウンコンバータ部と、
前記第1の信号を分解したI成分信号とQ成分信号とを、ナイキスト周波数よりも低いサンプリング周波数でサンプリングするA/D変換回路と、
前記A/D変換回路によってサンプリングされたI成分デジタル信号とQ成分デジタル信号とに基づいて、トリガを生成するトリガ生成部と、
前記トリガ生成部が生成した前記トリガに基づいて、前記A/D変換回路によってサンプリングされた前記I成分デジタル信号と前記Q成分デジタル信号とを取得し、取得した前記I成分デジタル信号と前記Q成分デジタル信号とに基づいて、前記I成分デジタル信号の時間波形と前記Q成分デジタル信号の時間波形とを取得する処理部と、
前記I成分信号と前記Q成分信号とに基づいて、前記I成分信号と前記Q成分信号との位相の揺らぎ又は周波数の揺らぎを補正する補正信号を生成するキャリア再生部と、
前記補正信号と同期して、前記第1の信号の周波数を調整する発振器と
を備え、
前記A/D変換回路は、前記発振器によって周波数が調整された前記第1の信号を分解したI成分信号とQ成分信号とを、ナイキスト周波数よりも低いサンプリング周波数でサンプリングする、測定装置。 - 前記キャリア再生部は、前記I成分信号と前記Q成分信号との位相の回転量を補正する補正信号を生成する、請求項1に記載の測定装置。
- 前記無線信号は位相変調された信号である、請求項1又は請求項2に記載の測定装置。
- 前記処理部は、前記トリガに基づいて、前記A/D変換回路によってサンプリングされた前記I成分デジタル信号と前記Q成分デジタル信号とを重ね合せる、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の測定装置。
- 無線信号を第1の信号へダウンコンバートするステップと、
前記第1の信号を分解したI成分信号とQ成分信号とを、ナイキスト周波数よりも低いサンプリング周波数でサンプリングするステップと、
サンプリングされたI成分デジタル信号とQ成分デジタル信号とに基づいて、トリガを生成するステップと、
前記トリガに基づいて、サンプリングされた前記I成分デジタル信号と前記Q成分デジタル信号とに基づいて、前記I成分デジタル信号の時間波形と前記Q成分デジタル信号の時間波形とを取得するステップと、
前記I成分信号と前記Q成分信号とに基づいて、前記I成分信号と前記Q成分信号との位相の揺らぎ又は周波数の揺らぎを補正する補正信号を生成するステップと、
前記補正信号と同期して、前記第1の信号の周波数を調整するステップと、
調整する前記ステップで周波数が調整された前記第1の信号を分解したI成分信号とQ成分信号とを、ナイキスト周波数よりも低いサンプリング周波数でサンプリングするステップと
を有する、測定装置が実行する測定方法。
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