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

CMM(3次元測定機)

レーザー測定に関する翻訳で、CMMという言葉がよく出てくる(例えば、5530レーザー・キャリブレーション・システム)。

CMMは、Coordinate Measuring Machineの略で、3次元測定機、3次元座標測定機、座標測定機とも呼ばれ、機械部品などの3次元形状の寸法や位置、幾何公差(真直度、平面度、平行度、直角度など)を測定する機械である。

3次元測定機は、プローブ(先端にボールが付いて、それが被測定物に接触すると信号が出力される)が取付けられたアームが、互いに直交するガイド(互いに直交するX軸、Y軸、Z軸)に沿って動き、ボールが被測定物に接触したときの3次元座標を記録する(互いに直交するガイドに沿ったアームの移動距離から、3次元座標がわかる)。例えば、この動画を参照。

これらの座標値から、直線の位置は2点の座標値から、平面や円の位置は3点の座標値から、球体の位置は4点の座標値から求められる。また、平面度、平行度などの幾何公差(幾何学的に正しい図形や位置関係からの許容誤差範囲)も多数の座標点を最小2乗法でフィッテングすることにより求められる。

CMM(3次元測定機)については、以下を参照

ものづくり産業を支える高精度三次元形状測定

訪問記 精密測定機器作りの元祖

decimation(デシメーション)

デジタイザに関する翻訳に、decimation(デシメーション)という言葉がよく出てくる(例えば、Keysight U5303A PCIe高速デジタイザ、オンボードプロセッシング搭載のp6)。

decimationの動詞decimateは、古代ローマ軍が10人ごとに1人選んで処刑するというのが語源であるが、デジタル信号処理の分野では、デシメーションはサンプリングレート(サンプリング周波数)を下げる(ダウンサンプリング)プロセスを意味する。逆に、サンプリングレートを上げる(アップサンプリング)プロセスはinterpolation(インターポレーション)と呼ばれる。

サンプリングレートが高いと、信号処理に時間がかかったりハードウェアの規模が大きくなるので、デシメーション(サンプルポイントの間引き)を行って、サンプリングレートを下げてデジタル信号処理を行なうことがよくある。

このとき、単にデシメーションを行なうだけでは、間引き後のサンプリングレートの1/2以上の周波数成分によりエリアシング誤差成分が生じる。例えば、サンプルポイントを2つごとに1つ間引くとサンプリングレートが1/2になり、このサンプリングレートの1/2以上の周波数成分(すなわち、間引く前の元の信号のサンプリングレートの1/4以上の周波数成分)が、ナイキストのサンプリング定理から、エリアシング誤差成分の原因になる。この誤差が生じないようにするために、デシメーションの前に元の信号のサンプリングレートの1/4以上の周波数成分を除去するローパスフィルタ(このフィルタをデシメーションフィルタと呼ぶ)に信号を通す必要がある。

デシメーションについては、以下を参照。

サンプリング周波数変換でできる 効率的なFFT分析

受信機のデジタル信号処理

SEM(スペクトラム・エミッション・マスク)

無線通信測定に関する翻訳に、SEMという言葉がよく出てくる(例えば、LTE/LTE-Advanced FDD/TDD Xシリーズ 測定アプリケーションのp5)。SEMは、SEM(スペクトラム・エミッション・マスク)の略である。

無線通信では、電波(搬送波)を変調して情報を送信する。このとき、送信機のアンプやミキサ(周波数アップコンバーター)などの非線形に起因して、情報を送信するために必要な周波数帯域幅(搬送波の周波数を中心にした、変調方式により決まる占有帯域幅)の外に、高調波成分相互変調歪み成分、周波数変換成分が生じる。このような帯域外に漏れ出す電波の成分はスプリアスエミッション(スプリアス発射とも呼ばれ、正確には帯域外発射とスプリアス発射に分けられる)と呼ばれる。

スプリアス発射は同じ通信の他のチャネルや他の通信の妨害となるので、無線通信の種類(無線LANやLTEなど)毎に、中心周波数(搬送波の周波数)からのオフセット周波数でのスプリアス発射の大きさの許容上限レベルが決められている。この許容上限レベルのスペクトラム形状をSEM(スペクトラム・エミッション・マスク)と呼ぶ(例えば、このページの図)。

SEM(スペクトラム・エミッション・マスク)については、以下を参照

Spectrum Emission Mask (SEM) Measurement(英語ページ)

1 dB compression point(1 dB圧縮ポイント)

パワーアンプ測定に関する翻訳で、1 dB compression point(1 dB圧縮ポイント)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p12)。

通常、増幅器への入力パワーが小さいときには、増幅器への入力パワーが増加すると、それに比例して増幅器からの出力パワーが増加する。このときの比例係数を(小信号)利得と呼び、利得は一定である。また、利得が一定となる入力パワーの範囲を増幅器の線形(リニア)領域と呼ぶ。

増幅器への入力パワーが、リニア領域を超えて増加すると、増幅器内のトランジスタなどの増幅素子の動作原理から入力パワーと出力パワーが比例関係からずれてきて(入力パワーの増加に対して、出力パワーの増加が鈍くなり)、やがて入力パワーが増加しても出力パワーが増加しなくなる(利得がゼロになる)。このような入力パワーの範囲を増幅器の飽和(圧縮)領域と呼ぶ。入力パワーが圧縮領域に入ると、入力パワーと出力パワーの非線形性により、高調波歪み相互変調歪みが生じる。

増幅器のリニア領域と飽和領域を分けるポイントを表わす指標として、「1 dB圧縮ポイント」が用いられる。これは、以下の2つをプロットして、その出力パワーの差が1 dBとなる、増幅器の出力レベルである。

1) 増幅器への入力パワーが小さいときの、入力パワーと出力パワーの理想的な比例関係(グラフに入力パワー(横軸)と出力パワー(縦軸)をプロットしたときの直線(この直線の傾きが利得))を線形領域を超えて圧縮領域に外挿した直線

2) 実際の入力パワーと出力パワーの関係(グラフに入力パワー(横軸)と出力パワー(縦軸)をプロットしたときに、線形領域を超えて圧縮領域に入ると直線の傾き(利得)が徐々に小さくなる)

1 dB圧縮ポイントについては、以下を参照。

スタック電子株式会社のホームページ > 高周波用語集 > アンプの用語解説

bit-true(ビットトゥルー)

デジタル信号処理設計に関する翻訳に、bit-true(ビットトゥルー)という言葉がよく出てくる(例えば、W1717 SystemVueハードウェア・デザイン・キットのp3)。

携帯電話、液晶テレビ、DVD/ブルーレイプレーヤなど、身の回りの電化製品はほぼすべてデジタル化され、デジタル信号処理によりさまざまな機能が実現されている。複雑なデジタル信号処理には、DSP(信号処理アプリケーション向けの専用プロセッサ)を利用するソフトウェアベースの手法が用いられてきたが、最近のFPGAの高速化、大規模化により、このようなデジタル信号処理にFPGAを利用したハードウェアベースの手法が使用されるようになった。

DSPでは浮動小数点演算を利用できるので、デジタル信号処理の実装は簡単だが、FPGAで浮動小数点演算を実装すると回路規模が大きくなるので、通常は固定小数点演算が用いられる。

大規模な信号処理の場合は、FPGAに実装する前に、シミュレーションを行って動作を確認する。そのときに、固定小数点演算がシミュレーションと実装した場合とで結果がビット単位で一致することを、bit-true(ビットトゥルー)なシミュレーションと呼ぶ。固定小数点演算は、オーバーフローやアンダーフロー、丸めの処理にさまざまな方法があるので、演算結果がビット単位で一致しない(ビットトゥルーでない)ことがある。

FPGAと固定小数点演算については、以下を参照。

平坂久門ただいま失業中 > ラベル > 固定小数点演算回路

固定小数点演算信号処理の極意シリーズ(その1)~(その9)

cycle accurate(サイクルアキュレート)

デジタル信号処理設計に関する翻訳に、cycle accurate(サイクルアキュレート)という言葉がよく出てくる(例えば、W1717 SystemVueハードウェア・デザイン・キットのp3)。

スマートフォン、タブレットPC、DVD/ブルーレイレコーダーなどの身の回りの電化製品には、システムLSIが組み込まれている。システムLSIとは、その装置(システム)のほとんどの機能を1つのLSIに集約したもので、CPU、メモリ、キャッシュ、バスなどの入出力インタフェース、そのシステム固有のハードウェアエンジンから構成され、近年ますます大規模化、多機能化している。

また、このようなシステムLSIのプロセッサ上で動作するソフトウェアの開発/検証は、短期間で高品質(バグが少なく高性能)に行なう必要があり、ハードウェア設計の早い段階から協調検証ツールとしてプロセッサのシミュレータを使用してハードウェアとソフトウェアのデバッグや性能検証が行われている。ハードウェアの検証では精度が優先され、ソフトウェアの検証では速度が優先される。

プロセッサのパイプラインの動作やキャッシュの動作(クロックサイクル単位での動作で、通常ソフトウェアのプログラマには見えない動作)を模擬できるシミュレーションは、サイクルアキュレートな(サイクル精度の)シミュレーションと呼ばれ、精度は高いが動作速度は遅い。プロセッサの命令セットの命令単位で動作を模擬するシミュレーションは、命令セットシミュレーションと呼ばれ、精度は低いが動作速度は速い。

システムLSIの設計については、以下を参照。

システムLSI設計検証技術

C rate(Cレート)

バッテリ測定に関する翻訳で、C rate(Cレート)という言葉がよく出てくる(例えば、移動体デバイスのバッテリ寿命を最適化するための10のヒントのp15)。C rateはCapacity rateの略である。

バッテリの容量(キャパシティ)とは、満充電の状態のバッテリから、バッテリの端子電圧が所定の終止電圧に達するまで放電させてたときに取り出すことのできる電気(電荷)量(C(Coulomb)単位)である。バッテリの場合は、Ah(アンペア時)やmAh(ミリアンペア時)の単位で表されることが多い(1 Ah=1 A×3600 s=3600 C)。例えば、20 Ahの容量のバッテリは、20 Aの電流を1時間(10 Aの電流を2時間、5 Aの電流を4時間、…)流すことのできる電気(電荷)を持っていることを意味している。

C(Capacity)レートとは、バッテリ容量に対する放電(充電)電流値の比(放電(充電)電流(A)/容量(Ah))であり、バッテリの放電(充電)特性を表わすときに用いられる。例えば、20 Ahの容量のバッテリを1 CのCレートで放電するとは、20 Aの放電電流で放電することを意味し、20 Ahの容量のバッテリを0.5 CのCレートで放電するとは、10 Aの放電電流で放電するこを意味する。

Cレートの単位記号と電荷量の単位記号は同じCであるが、意味が異なること(CapacityのCとCoulombのC)に注意する必要がある。

Cレートについては、以下を参照。

リチウムイオン電池の豆知識の「リチウムイオン電池に関する用語 ③Cレート」

slew rate(スルーレート)

電源の翻訳に、slew rate(スルーレート)という言葉がよく出てくる(例えば、スイッチング電源の測定のp14)。

スルーレートとは、入力波形の変化にどの程度出力波形が追従できるかを示す定量的な指標である。立ち上がり時間と立ち下がり時間が0秒の理想的な矩形波(パルス波)を入力したときの、出力波形の立ち上がりまたは立ち下がり領域での単位時間当たりの電圧変化として定義され(通常、パルス振幅の10%から90%に(90%から10%に)変化するのにかかる時間を測定して求める)、V/μs単位で表されることが多い。

スルーレートは、理想的には∞(立ち上がり/立ち下がり時間が0秒なので)であるが、信号源側や負荷側に容量成分(コンデンサ)が存在するために、そのコンデンサを充放電するのに時間がかかり、有限の値になる。このような制限により、スルーレートが小さいと、波形が歪む(矩形波が台形波になったり、正弦波が三角波になる)。

スルーレートについては、以下を参照。

ローム株式会社のホームページ > 電子部品が基礎からわかる! エレクトロニクス豆知識 > オペアンプとは? > スルーレート

RLS、LMS

デジタル変調解析に関する翻訳で、RLS、LMSという言葉が出てくる(例えば、W1902 デジタル・モデム・ライブラリのp3)。RLSはRecursive Least Square(再帰的(逐次的)最小2乗法)の略で、LMSはLeast Mean Square(最小2乗平均)の略である。

現在、携帯電話、液晶テレビ、DVD/ブルーレイプレーヤなど、身の回りの電化製品はほぼすべてデジタル化され、デジタル信号処理によりさまざまな機能が実現されている。このようなデジタル信号処理技術の中に、反射や干渉信号、雑音などが存在する信号環境から必要な信号を抽出するための技術があり、適応信号処理と呼ばれている。

適応信号処理とは、環境の変化(反射/干渉信号や雑音が時々刻々変化する環境)に応じて(適応して)、自動的に自身の特性を変化させて(自身の特性に環境と逆の特性を追加して)、最適な出力(反射/干渉信号や雑音が除去された信号)を得ることである(身近な例では、ノイズキャンセリング・イヤホンがある)。

上のような適応信号処理では、入力信号x(k)を未知の環境(システム)に印加したときに、そのシステムにより反射/干渉信号や雑音が付加された結果としての応答(出力信号d(k))を推定する(システム同定と呼ばれる)必要がある。システム同定には、通常、FIRフィルタで実現された適応フィルタを未知システムと並列に接続し、未知システムの応答d(k)と適応フィルタの応答y(k)との差信号(誤差信号e(k))がゼロに近づくように、FIRフィルタの係数を調整するアルゴリズム(適応アルゴリズムと呼ばれる)が用いられる。このアルゴリズムの種類に、LMSとRLSという手法がある。

LMSとRLSの詳細は非常に難しいが概要は以下のようである。

誤差信号e(k)がゼロに近づくようにするためには、誤差信号e(k)のパワーJ=E[e(k)^2]を最小化すればよい。

適応フィルタ(FIRフィルタ)の応答y(k)は、入力信号x(k-j)とFIRフィルタの係数(重みベクトル)h_j(k)との畳み込みで与えられるので、

J=E[e(k)^2]
=E[(d(k)-y(k))^2]
=E[(d(k)-Σh_j(k)x(k-j))^2]

となり、誤差パワーJはFIRフィルタの係数h_j(k)の2次関数となる。したがって、最適解(極小値)が存在し、解析的に求められる。しかし、時間平均E[…]を計算するので、その間にシステムの応答が変化すると誤差が大きくなることや解析的に求めるための逆行列の計算に時間がかかることから、LMSアルゴリズムでは、時間平均誤差ではなく誤差の瞬時値を用いて、最急降下法により係数を更新しながら最適値を求める。

RLSアルゴリズムでは、過去のすべての時刻での入力x_l(k)と出力y_l(k)の関係を重みベクトルh(k)を使用して、

y_l(k)=h(k)~Tx(l)、l=1,2、…、k、~Tは転置

と表したときに、時刻kでの誤差信号e_l(k)=d(l)-y_l(k)の2乗和(e_1(k)^2+e_2(k)^2+…+e_k(k)^2)を最小にするh(k)を求める。このとき、時刻が1つ進む毎に入力と出力の関係式が1つ追加され、それを利用して逐次的にフィルタ係数が最適される。これは、長時間のデータを用いてフィルタ係数を最適化することを意味するので、入力と出力の関係式が新しいほどその関係式を多く利用するように忘却係数を導入して、2乗和の計算で重みを付ける。

LMSについては、以下を参照。

Toshiya SAMEJIMA’s Personal Page > Lectures > 音響情報処理工学演習 > 11回目の授業(7月8日)(尾本)
RLSについては、以下を参照。

筑波大学 システム情報工学研究科 コンピュータサイエンス専攻 牧野昭二教授のホームページの<Journals and Transactions> > 54. S. Makino and Y. Kaneda, ”A new RLS adaptive algorithm based on the variation characteristics of a room impulse response, ” J. Acoust. Soc. Jpn, vol. 50, no. 1, pp. 32-39, Jan. 1994 (in Japanese).の [PDF]