DTF

ハンドヘルド・アナライザに関する翻訳に、DTFという言葉がよく出てくる(例えば、FieldFoxハンドヘルド・アナライザのp3)。DTFは、Distance To Faultの略で、「障害位置検出」と訳されることが多い。

携帯電話の基地局のアンテナは高い塔やビルの上にある場合が多く、送信機とアンテナ間のケーブルは、風雨にさらされ温度/湿度の極端な変化を受けるので劣化しやすい。DTF測定はこのようなアンテナ/ケーブルの障害の調査に使用されることが多い。

アンテナが高い塔の上にある場合は、送信機の出力端子とアンテナの入力端子を接続するケーブルを取り外して、ケーブルの両端で測定するのが難しいので、送信機と接続する側のケーブル端から周波数掃引信号を入力して、ケーブルの途中の劣化箇所(ケーブルの極端な曲がりや亀裂、コネクタの接続不良など)でのインピーダンスの変化に起因する反射波が、反射係数VSWR、リターンロス)として測定される。

得られた反射係数対周波数の測定結果を逆フーリエ変換することにより、時間に対する振幅特性が得られるので、その振幅のピーク位置から、ケーブル内の信号の伝搬速度がわかっていれば、劣化箇所の位置(ケーブル端からの距離)を特定できる。これがDTF測定である。

DTFについては、以下を参照

Techniques for Time Domain Measurements(英語pdf)

Volterra series(Volterra級数)

無線通信のパワーアンプ測定/シミュレーションに関する翻訳で、Volterra series(Volterra級数)という言葉がよく出てくる(例えば、パワーアンプ・テスト用 Signal Studio N7614Bのp2)。

携帯電話やスマートフォンなどのモバイル無線機器の基地局でされているパワーアンプは、高い電力変換効率と同時に隣接チャネルへの不要な歪み成分の漏洩を防ぐために高い線形性が求められる。このために、デジタル・プリディストーションと呼ばれる手法が用いられている。デジタル・プリディストーションでは、通常、パワーアンプに入力される信号の瞬時電力に基づいて、歪み補償テーブルを参照してパワーアンプの非線形特性の逆特性をパワーアンプ入力の直前の信号に適用して、パワーアンプの入力信号と出力信号の関係を線形化する。しかし、パワーアンプには、瞬時電力に基づいた歪みだけでなく、メモリ効果と呼ばれる歪み(過去の入力信号の履歴に依存する歪み)が存在する。このメモリ効果による歪みを打ち消すためには、パワーアンプの入力信号と出力信号の間のメモリ効果に起因した非線形性をモデル化する必要があり、その手法の内の1つとしてVolterra級数展開と呼ばれるものがある。これは、パワーアンプ内の素子や回路などの物理/電気特性の詳細が分からなくても、メモリ効果が含まれる非線形性を表わすことのできる数学的なモデルであるが、正確なモデルにするためには、級数の次数が大きくなり、その係数の決定に時間がかかったり、逆特性の適用の際に計算コストがかかるという欠点がある。

Volterra級数展開は、線形性(重ね合わせの原理が成り立つ)、時不変性(時刻が異なっても入力と出力の関係が同じ)、因果律(時刻nにおけるシステムの出力y[n]は、過去の入力x[n]、x[n-1]、…のみに依存、メモリ効果あり)を満たすシステムに対する畳み込み演算を、以下のように非線形システムに対して拡張したものである。

メモリ効果なしの線形システム(ここでは線形増幅器)では、出力信号y(t)は、入力信号の瞬時値x(t)のみに依存し、リニア利得(比例係数)hを用いて、以下のように表される。

y(t)=h・x(t)、・は掛け算を表わす記号 (1)

メモリ効果ありの線形増幅器では、出力信号y(t)は、過去(0≦τ≦t)の入力x(t-τ)のすべてに、インパルス応答である重み関数h(τ)を掛けて足し合わせること(畳み込み積分すること)により、以下のように表される。

y(t)=∫h(τ)x(t-τ)dτ (2)

メモリ効果なしの非線形増幅器では、出力信号y(t)は、(1)式を拡張して、以下のようにTaylor級数展開で表される。

y(t)=h1・x(t)+h2・x(t)^2+…+hn・x(t)^n、^は累乗を表わす記号

メモリ効果ありの非線形増幅器では、出力信号y(t)は、(2)式を拡張して、以下のようにVolterra級数展開で表される。

y(t)=∫h1(τ)x(t-τ1)dτ1+∫∫h2(τ1、τ2)x(t-τ1)x(t-τ2)dτ1dτ2+…+
   ∫…∫hn(τ1、τ2、…τn)x(t-τ1)x(t-τ2)…x(t-τn)dτ1dτ2…dτn

Volterra級数については、以下を参照。

Volterra Series:Introduction & Application(英語pdf)

UWB radar(UWBレーダー)

レーダー測定に関する翻訳で、UWB radar(UWBレーダー)という言葉がよく出てくる(例えば、レーダー/EW/ELINTテスト:一般的なテスト上の問題の特定のp16)。

UWBは、Ultra WideBand(超広帯域無線)の略で、パルス幅が非常に短く(1ns以下)ピーク出力の大きなスパイク状の波形(インパルス)をパルス列としてそのまま送受信する無線通信方式である。時間領域で短くて鋭いインパルスは、周波数領域では振幅が非常に小さく極めて広いスペクトラム(超広帯域)を持つので、他の通信との混信が少なく、消費電力も小さくなる。

radarは、RAdio Detecting and Ranging(電波探知および測距)の略で、ターゲットに電波を発射して、その反射波を測定することにより、ターゲットの方向や距離を測定する装置である。

UWBレーダーは、非常に短いパルス幅の(したがって、極めて広いスペクトラムを持つ)信号を使用するので、高い距離分解能が得られる。しかし、パルス幅が非常に短く(すなわち、平均電力が極めて小さく)、広帯域(すなわち、熱雑音(帯域幅Bに比例するkTB雑音)レベルが大きい)なので、S/Nが悪くなり遠距離探知には向かいない。

しかし、近年、合成開口レーダーで使用されている従来の可視化アルゴリズムの速度(ポスト処理が必要)と精度(半波長程度)に比べて、高速に(実時間で)高解像度(1/100波長程度)が得られるアルゴリズムが開発され、乳がん検査レーダー、自動車の衝突防止レーダー、道路/橋/トンネルなどの非破壊検査レーダー、建物/部屋への不正侵入者監視レーダー、土砂などに埋もれた生存者検知レーダーなどの、近距離イメージング用途の開発が活発化している。

UWBレーダーについては、以下を参照。

UWBレーダによる身体的負担が低く安価でがんの早期発見が可能な乳がん検査装置

兵庫県立大学 大学院工学研究科 電子情報工学専攻 阪本 卓也 准教授のホームページ > 論文,会議資料 > [Proceedings for Domestic Conferences] > 30.関 鷹人, 木寺正平, 阪本卓也, 佐藤 亨, “UWBパルスレーダのための高速画像化手法の複雑形状物体への適用,”電子情報通信学会,アンテナ・伝播研究会(AP), AP2006-69, vol. 106, no. 232, pp. 1-6, 大橋会館(池尻大橋,東京), Sep. 2006. [PDF]

causality、passivity(因果律、受動性)

高周波シミュレーションに関する翻訳に、causality、passivity(因果律、受動性)という言葉がよく出てくる(例えば、EEsof EDA Advanced Design Systemのp11)。

受動回路のシミュレーションを行なう際に、従来(信号速度が遅い場合)は、抵抗(R)、コンデンサ(C)、コイル(L)の集中定数素子を組み合わせた、集中定数のSPICEモデルが使用されていた。しかし、Gbpsのデータレートの信号を扱う場合は、信号の周波数が高い(波長が短い)ので受動回路(伝送線路やコネクタなど)を細分化して、細分化したセクション毎に集中定数素子モデルが必要になり非常に複雑なモデルになる。また、集中定数素子モデルでは、周波数依存の損失や高次の伝搬モードも考慮することができない。この結果、シミュレーション時間が長くなったり、不正確になる。

現在では、このような問題を克服するために、高周波の受動回路のシミュレーションにSパラメータモデルが使用されるようになった。Sパラメータモデルは、測定器による実測結果や電磁界解析ソフトウェアのシミュレーション結果を用いたものなので、周波数依存の損失や高次の伝搬モードも考慮されている。

Sパラメータは周波数領域で測定(シミュレーション)された応答であり、周波数の関数としてその大きさが表される。しかし、時間領域のシミュレーションで使用するには、周波数領域の応答を時間領域の応答(インパルス応答)に変換する必要がある。このとき、測定器や電磁界解析ソフトウェアの制限(0Hzから∞Hzまでのすべての周波数での応答が得られない)により、測定またはシミュレートされた周波数ポイント以外の応答を内挿/外挿する必要がある。この内挿/外挿した応答も含めて周波数領域の応答をインパルス応答に変換するので、内挿/外挿した応答が間違った応答だった場合は正確なインパルス応答が得られない。その結果、時間領域のシミュレーションで因果律(時刻t0における出力y(t0)は、過去の入力x(t)、t<t0のみに依存(インパルス応答がt<0でゼロ))や受動性(受動回路の出力パワーは入力パワー以下(受動回路では内部でエネルギーが生成されない))が満たされない偽の応答が生じる。

したがって、Sパラメータ(周波数領域の応答)からインパルス応答(時間領域の応答)に変換することにより作成されたモデルでは、偽の応答が生じないように、因果律や受動性が満たされているかどうかがチェックされる。

因果律、受動性については、以下を参照

Quality of S-parameter models(英語pdf)

The Need for Impulse Response Models and an Accurate Method for Impulse Generation from Band-Limited S-Parameters(英語pdf)

Synthetic Aperture Radar(合成開口レーダー)

レーダー測定に関する翻訳で、Synthetic Aperture Radar(合成開口レーダー)という言葉がよく出てくる(例えば、レーダー/EWシステムテスト用の多次元信号の作成のp9)。合成開口レーダーは、SARと略されることがある。

radarは、RAdio Detecting and Ranging(電波探知および測距)の略で、ターゲットに電波を発射して、その反射波を測定することにより、ターゲットの方向や距離を測定する装置であるが、合成開口レーダーは航空機や衛星などの飛翔体に搭載され、移動しながら電波を送受信し、信号処理を行って極めて高い分解能(高解像度)の地形イメージ(例えば、このページの画像)を得るものである。

合成開口レーダーの電波による高解像度イメージング(可視化)は、レンズによる高解像度結像に例えることができる。レンズの大きさ(開口)が大きいほど、遠くにあるものを高解像度で結像することができるのと同様に、アンテナの大きさ(開口)が大きいほど、遠くにあるものを高解像度でイメージングできる。しかし、実際には大きなアンテナを飛翔体に搭載できないので、飛翔体の移動とともに電波の発射と反射波の受信/記録を繰り返し(1秒間に数千回)、後でこの膨大な(時間遅れ)データを処理することにより高解像度のイメージングを行っている。すなわち、データ処理により、飛翔体が移動した距離分の大きさ(開口)のアンテナと等価なものが得られたことになるので、合成開口レーダーと呼ばれる。

飛翔体の移動方向(アジマス方向とも呼ばれる)の高い分解能は上記のようにして得られるが、移動方向に対して垂直な方向(レンジ方向と呼ばれる)の高い分解能は、パルス圧縮レーダーと同じ原理で得られる。

合成開口レーダーについては、以下を参照。

合成開口レーダーと間接計測技術
合成開口レーダー

zero span(ゼロスパン)

スペクトラム・アナライザに関する翻訳に、zero span(ゼロスパン)という言葉がよく出てくる(例えば、衛星地上局の正確な検証/保守/修理 FieldFoxハンドヘルド・アナライザのp9)。

掃引同調型スペクトラム・アナライザでは、入力のRF信号を、LO(局部発振器)信号の周波数を掃引しながら(低い周波数から高い周波数に変化させながら(この周波数範囲をスパンと呼ぶ))、ミキサでダウンコンバートして、IFフィルタ(RBW(分解能帯域幅)フィルタ)を通過したRF信号とLO信号の差周波数であるIF信号をCRTに表示している(ここのJavaアプレットを参照)。すなわち、LO信号の周波数に応じて同調したRF信号の振幅が表示される(周波数の関数としてRF信号のパワー(振幅)が表示される)。

ゼロスパンとは、LO(局部発振器)信号の周波数の掃引を止めること(すなわち、スパンをゼロにすること)である。スペクトラム・アナライザをゼロスパンに設定すると、CRTに周波数の関数としてRF信号の振幅が表示されなくなり(振幅対周波数で表示されなくなり)、代わりにIFフィルタを通過した(帯域制限された)IF信号のパワー(振幅)の時間変化(すなわち、RF信号の時間変化)が表示される(オシロスコープのようにタイムドメイン(振幅対時間)の波形が表示される)。

ゼロスパンは、IFフィルタの帯域幅を調整して搬送波信号やスプリアス信号の単位周波数当たりのパワーを求めたり、時間軸上でほんの一瞬にしか存在しないバースト信号のスペクトラムを測定する(タイムゲーティッド・スペクトラム測定を行なう)際のトリガレベルを決めるために使用されたりする。

zero span(ゼロスパン)については、以下を参照

Zero Span Made Simple(英語ページ)

Zero Span(英語ページ)

intradyne(イントラダイン)

光変調測定に関する翻訳に、intradyne(イントラダイン)という言葉がよく出てくる(例えば、N4392A光変調アナライザのp8)。

光ファイバ通信では、1と0の符号列のデジタル信号をそのまま光信号のオンとオフに対応させて情報を伝送している。これはモールス信号と同じで、無線伝送で最も単純なデジタル信号伝送方式のオンオフキーング(搬送波の振幅があるかないかの振幅変調)である。受信側でフォトダイオードで2乗検波すること(光の強度(電界の2乗)に比例した出力電流を得ること)により情報を得ているので、光ファイバ通信では強度変調-直接検波方式と呼ばれている。この方式では、位相情報は失われる(位相情報は利用されていない)。

強度変調-直接検波方式(オンオフキーング)では、最大周波数利用効率が1 ビット/s/Hzと低いが、高速にオン/オフ動作する光/電子デバイスと波長多重化技術により、大容量伝送(1つの波長あたり40 Gbps)に対応してきた。しかし、限界が見え始めてきたので、さらに大容量の伝送を可能にするために、多値位相シフトキーングや直交振幅変調などの周波数利用効率の高い多値変調方式を使用して、光搬送波の振幅に加えて位相も変調して情報を伝送する方法が開発されている。この場合、光搬送波の位相(周波数)に情報を乗せるために位相の揃ったコヒーレント光を使用する必要があるので、コヒーレント光通信と呼ばれている。

コヒーレント光通信の検波方式には、コヒーレントな電波を用いる無線通信と同様に、ヘテロダイン検波(受信した光波をそれに近い周波数の局部発振光とミックスして(干渉させて)中間周波数帯の電気信号に変換する方法)とホモダイン検波(受信した光波をそれと等しい周波数の局部発振光と干渉させて直接ベースバンド信号に変換する方法)がある。しかし、電波に比べて周波数の高い光波のヘテロダイン検波では、中間周波数帯の幅が広くなり適用が難しく、ホモダイン検波では位相同期ループを使用して受信した光波と局部発振光の周波数を等しくする(位相を同期する)必要があるが光波ではその実現が難しいといった問題があった。

近年のデジタル信号処理の発展により、ホモダイン検波で必要であった位相同期ループをなくして、局部発振光の周波数や位相が受信した光波と多少ズレても、検波後の電気信号をデジタル信号処理することにより、リアルタイムで周波数や位相のズレを補正できるようになった。ホモダイン検波で位相同期ループをなくして、デジタル信号処理で周波数や位相のズレを補正して検波する方式がイントラダイン方式と呼ばれている。

コヒーレント光伝送技術については、以下を参照。

NTTグループのホームページ > 研究開発 > NTT技術ジャーナル > バックナンバー > 2011 vol.23 No.3 > 超高速大容量光トランスポートネットワークの「さらに詳しく・全文記事PDF」 > 超大容量デジタルコヒーレント光伝送技術の「全文記事PDF

NB-IoT

無線通信機器設計に関する翻訳に、NB-IoTという言葉が最近よく出てくる(例えば、IoT-大きな可能性と大きな課題のp5の図2。NB-IoTのNBは、Narrow Band(狭帯域)の略である。

IoT向けの無線規格として、Bluetooth Low Energy (BLE)ZigBeeWi-SUN802.11ahなどが知られている。これらは比較的通信可能距離が短い規格である。Bluetooth Low Energy (BLE)、ZigBee、Wi-SUNはPAN(Personal Area Network)と呼ばれる近距離ネットワーク用で、802.11ahはLAN(Local Area Network)と呼ばれる中距離ネットワーク用で、通信可能距離は数m~1 km程度である。これらに対して、NB-IoTはWAN(Wide Area Network)と呼ばれる長距離ネットワークに対応した低コスト、低消費電力通信(LPWA(Low Power Wide Area)ネットワークと呼ばれる)の規格で、基地局間の通信により通信距離の制限がない。

NB-IoTは、第3世代以降の移動通信システムの国際標準化団体である3GPPが策定したリリース13に示されている、IoT向けのLTE通信の仕様である。LTEの通常の伝送帯域幅が最大20 MHzであるのに対して、NB-IoT通信の伝送帯域幅は200 kHzと狭帯域で、3つの動作モード(GSM搬送波に埋め込むスタンドアロンモード、LTE搬送波に埋め込むインバンドモード、LTE搬送波のガードバンドに埋め込むガードバンドモード)がある。

NB-IoTについては、以下を参照。

今後のIoT無線技術の本命「NB-IoT」の底力とは

IoTの世界を広げるLPWA(eMTC,NB-IoT)とIoT関連仕様に関する制度整備について

polarization extinction ratio(偏波消光比)

偏光測定に関する翻訳に、polarization extinction ratio(偏波消光比)という言葉がよく出てくる(例えば、偏波コントローラのp4)。

偏波消光比とは、どの程度直線偏光が完全に実現されているかを表わすための指標で、偏波クロストークとも呼ばれる。

光は電磁波の一種である。電磁波は、振動する電場と磁場の方向が波の進行方向と垂直な横波であり、電場の振動方向と磁場の振動方向も垂直である(電荷と電流がない真空でのMaxwell方程式を解くことにより示される)。電場の振動方向は、光波の進行方向に垂直であればよいので、進行方向に対して垂直な平面内の(原点を通る)さまざまな方向をとることができる。このとき、振動方向が特定の方向に偏っている波が偏光(偏波)状態の波である。

太陽や白熱電球から放出される光の電場の振動方向は、進行方向に対して垂直な平面内のあらゆる方向に存在する。このような光(無偏光または非偏光の光)から、進行方向に対して垂直な平面内の(原点を通る)特定の方向だけに振動している光のみを透過し、それ以外の方向に振動している光を遮断するデバイスを(直線)偏光子と呼ぶ。

無偏光の光の進行方向に、2つの直線偏光子を配置し、一方の偏光子を固定し、もう一方を回転すると、2つの偏光子の向きが同じ場合に透過光が最大の強度になり、向きが90度異なる場合に最小の強度(理想的にはゼロ、すなわち消光)となる。この最大強度Pmaxと最小強度Pminの比が偏波消光比である。以下のように通常はdB単位で表される。

偏波消光比=10log(Pmax/Pmin)

偏波保持ファイバ、レーザー、光変調器などの偏波状態に敏感なデバイスで、偏波消光比が測定/評価される。

偏光子については、以下を参照。

岡本硝子株式会社のホームページ > 偏光子の基礎知識 > 偏光子とは

PON(パッシブ・オプティカル・ネットワーク)

波長可変レーザー光源に関する翻訳に、PON(パッシブ・オプティカル・ネットワーク)という言葉がよく出てくる(例えば、8160xxシリーズ 波長可変レーザー光源のp2)。PONは、Passive Optical Networkの略である。

現在、通信事業者の中継局から加入者宅に光ファイバ回線を直接引き込むFTTH(Fiber To The Home)が普及している。

中継局と加入者宅の間のアクセス・ネットワーク(アクセス網)のネットワーク構成には、専有型(SS(Single Star)方式とも呼ばれ、中継局と加入者宅を1本の光ファイバで1対1で結ぶ方式)と共用型(中継局と加入者宅の間に光ケーブルの分岐ポイントがあり、1本の光ファイバを複数の加入者が共有する方式)の2つの形態がある。

共用型のネットワーク構成は、AON(Active Optical Network)方式とPON(Passive Optical Network)方式に分けられる。AON方式は、中継局と加入者宅の間のノードに能動(アクティブ)素子で構成された電気光変換装置や多重化装置を配置して、1本の光ファイバを分岐する方式である。PON方式は、光スプリッタなどの受動(パッシブ)部品で構成された装置を配置して、1本の光ファイバを分岐する方式である。

PON方式は、AON方式に比べて、安価で保守も容易なので広く普及している。NTTの光回線を使用している場合は、GE-PON-ONU(Gigabit Ethernet-Passive Optical Network-Optical Network Unit)と呼ばれる光回線終端装置が宅内に設置されているはずである。

PON(パッシブ・オプティカル・ネットワーク)については、以下を参照。

NTTグループのホームページ > 研究開発 > NTT技術ジャーナル > バックナンバー > 2005 vol.17 No.8 > GE-PON技術――第1回 PONとは