広帯域変調波の高感度測定技術の研究開発

平成23年11月30日

アンリツ(株)

2

背景

各種無線機器の小型化、多様化、高機能化にともなって、無線システムが広く国民生活に浸透、利用可能

な周波数資源も新技術開発をなくしては、限界に近づきつつある。この限りある周波数資源をより有効に利用

する技術として、直交周波数分割多重（OFDM）変調などのマルチキャリア通信方式やウルトラワイドバンド

（UWB）無線など新しい無線機器の導入が進んでいる。

しかし、これら新しい無線機器は、強大な電力を瞬間的に出力したり、短時間に激しい電力変化を伴う信号

を出力する。従来測定器を用いて信号評価を行う場合には、測定器内部（主に周波数変換部）が飽和しない

ように入力信号電力を低下させる必要があり、結果的に信号帯雑音比（S/N）を大幅に低下させた測定となる。

ここでは、分波合成手法を用いたアレイ化周波数変換技術を新たに開発することで、予め入力信号レベル

に余裕を持たせることを可能とし、従来の無変調連続波（CW）信号測定を対象とした測定器と同等以上の測

定性能を実現する高ダイナミック測定技術に関する研究開発成果を報告する。

加えて、瞬時に変化する信号の性質を明らかとするため、信号捕捉率を限界にまで向上させ、高い周波数

分解能を実現する多チャンネル振幅確率分布（APD）測定器を開発することで、無線機器相互の干渉問題を

軽減し、既存の無線システムとの共存を可能とする多チャンネル同時測定技術の研究開発成果を報告する。

研究開発体系

（１）高ダイナミックレンジ測定技術に関する研究開発

（２）多チャンネル同時測定技術の研究開発

研究開発概要

2

3

高ダイナミックレンジ測定システム

多チャンネル振幅確率分布（APD）測定器

送

信

電

力

被干渉特定

信号帯域周波数（ＧＨｚ）

周波数共用化を促進するための測定技術の開発

⇒ 広帯域変調波の高感度測定技術の研究開発

被干渉信号：

従来無線

被干渉信号：

ＯＦＤＭ信号

与干渉信号：

ＵＷＢ無線等のアン

ダーレイ帯域信号

無線周波数需要の増加 ⇒ 無線周波数の共用化

⇒ 被干渉信号と与干渉信号の鬩ぎ合い状況

目的

測定器のダイナミックレンジを大幅に拡大し、強力な信号の極めて近傍にある微弱なスプリアス等を高感度測定する技術

を実現する。更に、高い周波数分解能で信号捕捉率を限界にまで向上させ、従来測定対象とできなかった発生確率の低いス

プリアスや、OFDM信号の振幅の時間的な変化を測定する技術を実現する。

成果

高ダイナミックレンジ測定システムの実現スプリアス測定ダイナミックレンジ 80dB以上@RBW1MHz

信号を1000チャンネル以上の周波数成分で振幅確率分布を測定解析レベル範囲 110dB以上@RBW1kHz

目的・成果

3

干渉

4

当初計画目標値の達成状況

項目 概要仕様

目標値 実証機性能

解析周波数帯域幅(BW)

帯域幅（BN）40MHzのOFDM信号と近傍±2.5BN以内に存在するスプリアス信号の同時周波数分析を可能とする

>200MHz 204MHz

ﾀﾞｲﾅﾐｯｸﾚﾝｼﾞ(SNR)

帯域幅40MHzのOFDM信号と近傍スプリアス信号の電力比80dB以上の信号解析

>80dB 82dB

外部出力受信した高DR測定信号をAPD測定装置やFFT装置に伝達するためのインタフェース技術の確立

APD測定器との連携

APD測定器との連携

（1）高ダイナミックレンジ測定技術に関する研究開発

4

5

帯域40MHzのOFDM変調波と極近傍に生じるスプリアスを同時に周波数分析し、電力比が80dB以内においてスプリアス検出を可能とする高ダイナミックレンジ測定システムを確立する。

高ダイナミックレンジ測定システム

高ダイナミックレンジ測定システム構成

5

6

測定系の誤差補正（イコライズのみ）

<測定系の周波数特性> <イコライズ処理後の周波数特性>

各チャンネルの振幅位相特性をイコライズすることで、特性はリニアとなる。しかし、隣合うチャンネル間の位相不連続により、合成して得られる波形は、元の波形情報を維持できず、不完全な波形（QPSK変調波では干渉の増大）となる。

<イコライズ処理を実施し合成したQPSK変調信号測定結果>

6

7

測定系の誤差補正（イコライズ＋チャンネル間位相補正）

7

イコライズにより各チャンネルの電気長を揃え、異なるローカル信号とのミキシングにより生じた各チャンネル間の位相誤差を補正し合成することで、入力された広帯域変調波が再生可能となる。

<イコライズ処理実施>

<イコライズとCH間位相補正を実施し合成したQPSK変調信号測定結果>

<イコライズとCH間位相補正を実施>

8

測定系の誤差補正（位相回転量補正精度）

<CHｲｺﾗｲｽﾞ後の位相>

<合成時の位相>

CH間の位相回転量

補正

ローカル信号とサンプリングタイミングで定められる各チャンネル間の位相回転量をイコライズ処理結果に反映し、被測定信号のベースバンド信号を再生する。各CH間の位相回転量補正精度が、EVM測定に大きな誤差を与えるため、回路の位相安定度が重要となる。

8

9

従来機とのスプリアス測定結果比較（広帯域FFT方式との比較：OFDM）

800 840 880 920 960 1000-100

-90-80-70-60-50-40-30-20-10

0

Ampl

itude

[dBm

]

Frequency [MHz]

占有周波数帯域幅40MHzのOFDM変調波の電力と、極近傍（85MHz離れた周波数）に重畳した電力比-80dBのスプリアスを被測定信号として、掃引式スペクトラムアナライザとの比較測定実験を実施、周波数分解能（RBW）が1MHzの同時周波数分析において、本研究目標が達成されているのを確認するとともに、広帯域FFT方式スペクトラムアナライザとの比較において、10dB以上のダイナミックレンジ向上が図られることを確認した。

当社スペクトラムアナライザのFFTモード本研究成果の試作機による観測結果（帯域200MHz：34MHz×4chの合成）

当社広帯域FFT方式の解析帯域

RBW: 1MHz

８０ｄＢ

広帯域・高ダイナミックレンジ測定が可能 ダイナミックレンジが狭い

＜高ダイナミックレンジ測定＞ ＜従来型リアルタイムスペクトラムアナライザ＞

9

10

従来機とのスプリアス測定結果比較（限定帯域FFT方式との比較：OFDM）

800 840 880 920 960 1000-100

-90-80-70-60-50-40-30-20-10

0

Ampl

itude

[dBm

]

Frequency [MHz]

当社スペクトラムアナライザのFFTモード

広帯域・高ダイナミックレンジ測定が可能 解析帯域幅が狭くなる

RBW: 1MHz

占有周波数帯域幅40MHzのOFDM変調波の電力と、極近傍（85MHz離れた周波数）に重畳した電力比-80dBのスプリアスを被測定信号として、掃引式スペクトラムアナライザとの比較測定実験を実施、周波数分解能（RBW）が1MHzの同時周波数分析において、本研究目標が達成されているのを確認するとともに、限定帯域FFT方式スペクトラムアナライザとの比較において、同等以上のダイナミックレンジ向上が図られることを確認した。

８０ｄＢ

当社限定帯域FFT方式の解析帯域

本研究成果の試作機による観測結果（帯域200MHz：34MHz×4chの合成）

＜高ダイナミックレンジ測定＞ ＜従来型リアルタイムスペクトラムアナライザ＞

10

11

800 840 880 920 960 1000-90-80-70-60-50-40-30-20-10

010

Ampl

itude

[dBm

]

Frequency [MHz]

従来機とのスプリアス測定結果比較

占有周波数帯域幅40MHzのOFDM変調波の電力と、極近傍（85MHz離れた周波数）に重畳した電力比-80dBのスプリアスを被測定信号として、掃引式スペクトラムアナライザとの比較測定実験を実施、周波数分解能（RBW）が1MHzの同時周波数分析において、本研究目標が達成されているのを確認するとともに、従来型掃引式スペクトラムアナライザの測定ダイナミックレンジに対して、同等以上であることを確認した。

当社スペクトラムアナライザの掃引モード本研究成果の試作機による観測結果（帯域200MHz：34MHz×6chの合成）

周波数変換モジュール単体の解析帯域

RBW: 1MHz

８０ｄＢ

同時刻の周波数分析結果が得られる 測定時刻が全て異なる＜高ダイナミックレンジ測定＞ ＜従来型掃引式スペクトラムアナライザ＞

11

12

従来機との歪み比較（当社掃引式スペアナとの比較：マルチトーン）

スペクトラムアナライザの測定条件を変えずに、OFDM信号と同じ信号電力のマルチトーン信号（PAPRは2dB程度低い）を入れて測定した結果である。掃引式スペアナでは測定系の歪みと思われる成分が観測され、入力信号レベルの抑圧が必要であることがわかる。

800 840 880 920 960 1000-100-90-80-70-60-50-40-30-20-10

0

Ampl

itude

[dBm

]

Frequency [MHz]

歪成分発生に余裕がある 内部歪の影響が観測される

ATT：12dB ATT：16dB

本研究成果の試作機による観測結果（帯域200MHz：34MHz×6chの合成）

当社スペクトラムアナライザの掃引モード

＜高ダイナミックレンジ測定＞ ＜従来型掃引式スペクトラムアナライザ＞

12

13

従来機との歪み比較（当社掃引式スペアナとの比較：マルチトーンとOFDM）

歪みの無い状態にATTを調整し、マルチトーン信号およびOFDM変調波を用いて比較測定を行なうと、同等以上のダイナミックレンジ向上が図られていることが分かる。

800 840 880 920 960 1000-100-90-80-70-60-50-40-30-20-10

0

Am

plitu

de [d

Bm

]

Frequency [MHz]

800 840 880 920 960 1000-100-90-80-70-60-50-40-30-20-10

0

Am

plitu

de [d

Bm

]

Frequency [MHz]

ATT：12dB ATT：16dB

マルチトーン信号

OFDM変調波

ATT：12dB ATT：16dB

本研究成果の試作機による観測結果（帯域200MHz：34MHz×6chの合成）

当社スペクトラムアナライザの掃引モード

＜高ダイナミックレンジ測定＞

13

14

（２）多チャンネル同時測定技術の研究開発

14

目標の達成状況

・組込用小型化APD測定装置の試作によって、研究開発目標値である測定帯域幅は1kHz～10MHz（1-3ステップ）及び20MHz、チャンネル数は32000チャンネル数（RBW:1kHz）に及ぶAPD処理回路のリアルタイム処理性能の確認実証を行った。さらにRBWの設定変更機能の性能検証や信号捕捉率が99%以上であることを確認し、高精度多チャンネル測定技術を実証した。

・総合測定評価装置の評価手法によって、組込用小型化多チャンネル測定装置で実現された無線信号の解析レベル範囲機能を、研究目標のRBW:1kHzにおいて110dB以上であることを実証した。

・CISPR/B/WG1委員会のAPD測定評価の共同実験に協力、本研究備品の組込用小型化APD測定装置と低雑音フロントエンド装置とを連携動作することにより、測定周波数帯域2GHzから10GHzの範囲の周波数点で10チャンネルのAPD同時測定（RBW:1MHz）の評価実験を行い、多チャンネルAPD測定の標準化策定活動に寄与できた。

時間毎の変化を的確に捉えるための信号捕捉率を限界にまで高めるとともに、多チャンネル高精度APD 測定では実用のOFDM 通信方式を考慮し、測定帯域幅は1kHz～10MHz（1-3ステップ）及び20MHz、チャンネル数は1000 チャンネル以上（RBW：1kHz）とする。広範囲なレベル変動のある電磁環境の測定に対応するため、無線信号の解析レベル範囲を大幅に拡大し、RBW1kHzにおいて110dB 以上とし、信号捕捉率99％を目標値とする。

最終目標

15

妨害波の実効値振幅が、ある一定レベル（閾値）を超える時間率

振幅確率分布(Amplitude Probability Distribution)

80

70 -

60 -

50 -

40 -

30

妨害波信号の時間波形 r (t)振幅(RMS)

時間

閾値 r k

W1(rk)

妨害波測定時間 T

W2(rk) WN(rk)

∫

∑

∞

=

=

=

k

k

r

rn

jkjk

dxxp

TrWrAPD

)(

)()()(

1

p(x) ：確率密度関数

30 40 50 60 70 80

確率 1

10-1

10-2

10-3

10-4

振幅

閾値 r k

APD(rk)

[dBμV]

[dBμV]

妨害波信号のAPD

APDとは

16

STFT:短時間フーリエ変換

多チャンネルAPD測定回路の概要

1717

多チャンネルAPD測定装置の外観（Up to 32000ch@1k）

多 チ ャ ン ネ ルAPD回路搭載

タ ッ チパネル

装置写真 組込用小型化APD測定装置

1818

広帯域多チャンネルAPD測定結果（Up to 32000ch@1k）

ISDB-T擬似信号（5.6MHz帯域×5CH） 測定結果

組込用小型化APD測定装置の測定結果 シグナルアナライザ（MS2692A）測定結果

組込用小型化APD測定装置

19

32000チャンネル@RBW１ｋHz 広帯域多チャンネルAPD測定の実現

32MHz帯域

APD測定の広帯域化：ISDB-T信号 5CH分のAPD同時測定の実現

超多チャンネルAPD測定結果表示法：

タッチパネル操作で容易に、希望帯域を表示

組込用小型化APD測定装置

実現した広帯域化実現モデルをリソース分析し、組込用小型

化用モデルを抽出する。

研究開発目標の達成測定帯域幅1kHz～10MHz（1-3ステップ）及び20MHz、チャンネル数は1000 チャンネル以上

（RBW：1kHz）

広帯域多チャンネルAPD測定結果の表示法（Up to 32000ch@1k）

20

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

APD [%]

雑音レベル

パルス変調信号

0.001 0.1 1 10 36.8 50 90 99

３０ビットデータ語長

研究開発目標：解析レベル範囲110dB以上（RBW１ｋHz）の達成

測定条件： 32000チャンネル@RBW1kHz APD測定・パルス変調信号（変調波74.9MHｚ、パルス[高0dBm、幅10ms、周期1s]・雑音レベル（無信号時のAD変換後の量子化雑音）・測定時間：10s

組込用小型化APD測定装置

雑音レベル（無信号時）の測定表示画面

雑音レベル測定は同一データ

多チャンネルAPD測定装置の解析レベル範囲

21

＜従来のFFT型スペクトラム測定結果＞＜高精度多ﾁｬﾝﾈﾙAPD測定装置による測定結果＞

＜測定系＞

高精度多ﾁｬﾝﾈﾙ

APD測定装置

SM7062A（１６０００ｃｈ＠１ｋHz）

中心周波数： 2.5GHz, ｽﾊﾟﾝ：16MHzﾘﾌｧﾚﾝｽﾚﾍﾞﾙ： -30dBm, ATT： 0dBRBW： 1kHz, 測定時間： 1sec

ﾊﾟﾙｽ変調信号発生器

E8267D

周波数： 2.5GHz, ﾚﾍﾞﾙ： -35 dBmﾊﾟﾙｽ幅： 2.5μsec, ﾊﾟﾙｽ周期： 125μsec

AWGN信号発生器

MG3700A

周波数： 2.5016GHz, ﾚﾍﾞﾙ： -45dBm帯域幅： 2MHz発生周期: 1sec, Duty比10%でON/OFF

ｼｸﾞﾅﾙｱﾅﾗｲｻﾞ

MS2690A1

中心周波数： 2.5GHz, ｽﾊﾟﾝ：10MHzﾘﾌｧﾚﾝｽﾚﾍﾞﾙ： -30dBm, ATT： 0dBRBW： 1kHz, 解析時間長： 1secﾋﾟｰｸ検波

APDの異なる２つの信号が存在していることが分かる

パルス変調信号狭帯域AWGN信号

パルス変調信号狭帯域AWGN信号

狭帯域AWGN信号のレベルに埋もれて、パルス変調信号の存在が分からない 解析時間長(1秒)に対し、結果表示までの処理時間が長い（約４分）

多チャンネルAPD測定スペクトラム波形の特徴

22

高調波測定時（2次、3次、4次）

CISPR/B/WG1/APD ( Shinozuka, Gotoh ) /11-03 [p.3, Fig.3-2 Frequency characteristics of APD and weighting (2nd harmonics)] から一部抜粋

結果をCISPR/B/WG1/APDに報告

SA データ

APD データ

平成22年度成果物

測定系

EUT：電子レンジ

DRGHホーンアンテナ

SM7065A組込用小型化APD測定装置

SM7067A低雑音フロント

エンド装置

ハイブリッドカプラ

FSP40スペクトラムアナライザ

HPFBRF

ATT ATT

AMP

基本波測定時（2.4GHz付近）

測定条件：RBW = 1MHz11 CH 同時 APD測定 3m

平成22年度成果物

電子レンジの妨害波測定実験

APD SA

実験風景

CISPR/B/WG1_APD測定標準化策定のための評価実験(1/2)

2323

CISPR/B/WG1_APD測定標準化策定のための評価実験(2/2)

電子レンジの妨害波測定実験：電子レンジ(A)

APDカーブによる10CHの同時APD測定 10分間の累積APD特性

測定結果例 （測定周波数： 4914～4923MHz (10ch)、RBW = 1MHz, 測定時間： 10分間）

マーカー点レベ ル 表 示 は絶対値

高DR測定信号とAPD測定装置の接続性能確認

24

帯域幅40MHzのOFDM信号と電力比80dBのスプリアス信号（QAM変調と無変調を切替出力）が重畳された試験信号を、本研究成果の高ダイナミックレンジ測定装置で捕捉、捕らえたスプリアス信号を多チャンネルAPD測定した結果である。従来型測定器では困難だった、発生確率の低い近傍スプリアスを高感度かつ定量的に測定でき、既存サービスとの共用基準策定やその適正な運用を可能とする。

APDスペクトラム表示

APDカーブ表示

＜多チャンネルＡＰＤ測定＞

試作機帯域幅max200MHz

800 840 880 920 960 1000-100-90-80-70-60-50-40-30-20-10

0A

mpl

itude

[dB

m]

Frequency [MHz]

APDスペクトラム表示

APDカーブ表示

＜QAM変調ｽﾌﾟﾘｱｽ信号＞ ＜無変調ｽﾌﾟﾘｱｽ信号＞

屈曲点:変調波である特徴

高DRアナログ出力信号

出力選択帯域

＜高ダイナミックレンジ測定＞

＜被測定信号＞

OFDM:900MHzBW40MHz

0dBmSpurious:

985MHz-80dBm

BPF:BW50MHzBEF:876MHz

24

2525

成果

発表(含予定)

年度 論文発表 口頭発表 ﾎﾟｽﾀｰ発表 国際標準化 合計平成20 0 0 0 0 0平成21 1 3 0 0 4平成22 1 2 1 1 5平成23 3 1 0 0 4合計 5 6 1 1 13

特許出願

年度 国内出願 外国出願 合計平成20 5 1 6平成21 5 1 6平成22 10 0 10合計 20 2 22

H23年度 H24年度 H25年度 H26年度 H27年度

応用開発

顧客調査 実用化開発

（信頼性・品質評価等）

（小型化・ローコスト化の実現）

顧客ニーズを適切に把握した上で、小型化・ローコスト化に注力し、

スペアナやシグアナ等の汎用無線計測器に組み込めるよう努める。

成果の今後の展開