1/f noise(1/fノイズ)

半導体デバイス測定に関する翻訳で、1/f noise(1/fノイズ)という言葉がよく出てくる(例えば、Keysight E4727A Advanced Low-Frequency Noise Analyzerのp2)。

CPUやメモリなどのLSIには、MOS(Metal-Oxide-Semiconductor、金属酸化膜半導体)構造のトランジスタ(MOSFET、FETはField Effect Transistor(電界効果トランジスタ)の略)がスイッチング素子として使われている。MOSFETのゲートに電圧(電界)を印加する/しないによる、ソース-ドレイン間の電流のオン/オフ制御(スイッチ)を利用して、論理回路が形成されている。

MOSFET内部で生じるノイズとして、熱雑音と1/fノイズがある。

熱雑音は、白色雑音(ホワイトノイズ)とも呼ばれ、半導体内部のキャリアが熱によりランダムに運動することによって生じるもので、パワースペクトラムが周波数に依存しない(どの周波数成分も同じ量だけ含まれている)。また、熱雑音パワーはkTB(k=ボルツマン定数、T=温度、B=ノイズ測定時の帯域幅)で表わされるので、温度と測定帯域幅を小さくすると熱雑音は小さくなる。

1/fノイズは、ノイズのパワースペクトラムが周波数に反比例するので、1/fノイズと呼ばてれている(1/fゆらぎとも呼ばれる)。MOSFETにおけるこのノイズの原因は、ランダム・テレグラフ・ノイズの重ねあわせであると言われている。

1/fゆらぎは、音楽や人の声にも存在し、1/fゆらぎ成分のある音楽や歌声は心地よいとされている。また、打ち寄せる波の音、小川のせせらぎ、風の吹き方、木漏れ日、太陽光、蛍の光などの自然界のゆらぎも1/fゆらぎであると言われている。

1/fノイズについては、以下を参照

MOSの雑音(ノイズ)

1/f noise from the coincidences of similar single-sided random telegraph signals(英語PDF)

1/fゆらぎの物理

FDTD(時間領域差分法)

電磁界シミュレーションに関する翻訳に、FDTD(時間領域差分)法という言葉がよく出てくる(例えば、EMPro 3次元電磁界モデリング/シミュレーション環境とADSデザインフローの統合)。

電磁界シミュレーションの手法には、大きく3つの手法(有限要素法モーメント法、FDTD法)がある。FDTDは、Finite Difference Time Domain(時間領域差分)の略で、電磁界現象の支配方程式(基礎方程式)であるマクスウェルの方程式を差分化(Finite Difference)して、時間領域(Time Domain)で解く手法である。

簡単のために、真空中を電磁波が伝搬する場合を考える。この場合は、マックスウェル方程式は、E=(Ex、Ey、Ez)を電界ベクトル、H=(Hx、Hy、Hz)を磁界ベクトル、ε0を真空の誘電率、μ0を真空の透磁率、∇=(∂/∂x、∂/∂y、∂/∂z)、×を外積の記号として、

∂E/∂t=(1/ε0)∇×H
∂H/∂t=-(1/μ0)∇×E

と書ける。さらに、簡単にするために、1次元方向(z軸方向)のみの伝搬を考えると、上の式は、

∂Ex/∂t=-(1/ε0)∂Hy/∂z
∂Hy/∂t=-(1/μ0)∂Ex/∂z

となる。この2つの式は、x方向に振動する電界Exとy方向に振動する磁界Hyがあり、振動する電界が振動する磁界を誘起し、振動する磁界が振動する電界を誘起するというプロセスを繰り返しながら、平面波がz方向に伝搬していることを表している。

以降の式の表記を簡単にするために、改めて、ExをE、HyをHと表記すると、

∂E/∂t=-(1/ε0)∂H/∂z
∂H/∂t=-(1/μ0)∂H/∂z

となる、この連続系の連立微分方程式を、時間tと空間zの両方で中心差分近似を行って(Δtを時間ステップ、nを時間を離散化したときの時刻を表わすインデックス、kを空間zを離散化したときの位置を表わすインデックスとして)離散化すると、

(E_k^(n+1/2)-E_k^(n-1/2))/Δt=-(1/ε0)((H_(k+1/2)^n-H_(k-1/2)^n)/Δz (1)
(H_(k+1/2)^(n+1)-H_(k+1/2)^n)/Δt=-(1/μ0)((E_(k+1)^(n+1/2)-E_k^(n+1/2))/Δz (2)

となる。(1)式の左辺は、時刻nΔtにおけるEの時間微分を、時刻(n+1/2)Δtと時刻(n-1/2)ΔtにおけるEの値を用いた中心差分で表している。(1)式の右辺は、位置kΔzにおけるHの空間微分を、位置(k+1/2)Δzと位置(n-1/2)ΔzにおけるHの値を用いた中心差分で表している。(2)式も同様である。

(1)式と(2)式の連立差分方程式を、以下のように変形して、

E_k^(n+1/2)=E_k^(n-1/2)+(Δt/ε0Δz)((H_(k-1/2)^n-H_(k+1/2)^n))
H_(k+1/2)^(n+1)=H_(k+1/2)^n)+(Δt/μ0Δz)((E_(k)^(n+1/2)-E_(k+1)^(n+1/2))

EとHについて交互に計算することにより、磁界と電界の時間変化を計算する手法がFDTD法である。

マクスウェル方程式については、以下を参照

電磁気学

FDTD法については、以下を参照

富山大学 工学部 電気電子システム工学科 波動通信工学研究室のホームページ > 学習用 基本 FDTD(有限差分時間領域法)コード (MATLAB 版) および解説(日本語)の1D_basic_matlab_document_J (PDF in Japanese)
The Finite-Difference Time-Domain Method (FDTD)(英語pdf)

sideband(側波帯)

変調/復調測定に関する翻訳に、sideband(側波帯)という言葉がよく出てくる(例えば、アナログ復調 Xシリーズ 測定アプリケーションN9063Cのp3)。sidebandは、側帯波と訳されることもある。

側波帯とは、通常は、搬送波を変調することにより、搬送波の近傍に生じる周波数成分として説明される。

最初に、最も簡単な例として、振幅変調により、単一の周波数成分ω_mのみを持つ正弦波信号を、周波数ω_cの正弦波の搬送波に乗せる場合を考える。

変調されていない搬送波V_cは正弦波なので、

V_c(t)=Acos(ω_ct)

と表される。

振幅変調なので、搬送波の振幅Aを、変調信号V_m(t)=A_mcos(ω_mt)により、A(1+kcos(ω_mt))に変調すると(k=A_m/Aは変調度と呼ばれる)、変調された搬送波は、

V_AM(t)=A(1+kcos(ω_mt))cos(ω_ct)

と表される。

上の式を三角関数の公式を用いて展開すると、

V_AM(t)=Acos(ω_ct)+(1/2)kAcos((ω_c+ω_m)t)+(1/2)kAcos((ω_c-ω_m)t)

となり、周波数軸上で搬送波周波数ω_cから上下に周波数ω_m離れた位置(ω_c+ω_mとω_c-ω_m)に側波が生じる。

次に、振幅変調で、単一の周波数成分の正弦波ではなく、ω1~ω2の帯域(帯域幅ω2-ω1)を持つ信号を、周波数ω_cの正弦波の搬送波に乗せる場合を考える。

この場合も、上と同様に考えることができ、搬送波周波数ω_cの上下の、ω_c-ω2~ω_c-ω1の帯域(帯域幅ω1-ω2)とω_c+ω1~ω_c+ω2の帯域(帯域幅ω1-ω2)に側波が生じる。

このように、搬送波周波数の上下の帯域に生じる側波を側波帯と呼んでいる。搬送波周波数より上の側波帯は上側波帯(upper sideband)、下の側波帯は下側波帯(lower sideband)と呼ばれる。

角度変調(周波数変調や位相変調)の場合も同様に計算できるが、非常に複雑で、単一の周波数成分ω_mのみを持つ正弦波で変調する場合でも、振幅がベッセル関数で表され、周波数間隔がω_mの無限個の側波が生じる。

振幅変調、角度変調については、以下を参照。

高知工科大学 野中 弘二 教授のホームページ > 通信概論(2013年2年2Q)講義ノート2 および 通信概論(2013年2年2Q)講義ノート3