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二段階ダウンコンバートによる
位相変調インパルス無線受信装置
京都工芸繊維大学
電子システム工学部門
教授 大柴 小枝子
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背景
出典
Cisco Visual Networking Index:
Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2011-2016
◎ モバイルトラフィックの急増（年間平均増加率：78％）
 2016年のトラフック総量 対2011年比で18倍、対2014年比で2.6倍と予測
2
無線通信の現状と課題
課題は
広帯域
長距離
低電力
な無線通信
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広帯域な無線通信
UWB帯域
低消費電力
長距離通信が難しい
4
長距離化への課題解決の手法として注目
光ファイバ無線融合（ ROF)
UWBインパルス通信システム
5
システムの構成イメージ
6
光ファイバ無線融合アクセス
モバイルバックホールに光ファイバアクセスシステム
光ファイバ：低損失（約0.５dB/km)、広帯域(数十THz)
低遅延
CO-RA間の長距離化
マルチセル通信システムが構築可能
アクセスポイント数を増やし
セル面積を縮小することで通信を高速化
RA
光ファイバ
ポスト４Gの
フェムトセル
（～１０ｍ）
アクセスポイント
Central
Office
セル
7
Radio Access Network : RAN
Distributed RAN
◎RAとBUが同一箇所
RA
光ファイバ
Central
RA: Remote Antenna
BU: Baseband Unit
:O/E or E/O
BU
Office
BU
ベースバンドデジタル信号
セル
デジタルベースバンド信号伝送
伝送レート～通信レート
Centralized RAN
◎BUをCO側に集約
Central
Office
RAの小型化・低コスト化
省エネルギー化
光ファイバ
B
U
Radio on Fiber （RoF)
-アナログ信号伝送
Digital RoF
-デジタル信号伝送
例；Common Public Radio Interface (CPRI) （LTEで数Gbpsの容量が必要)
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無線端末へは光ファイバを接続。
端末はOE変換器とBPFだけの簡単な構成。
従来OOK方式
2PAM-PPM方式
０
１
０
０
１
０
9
従来技術
０
１
０
０
１
０
OOK方式
2PAM-PPM方式
などの2値通信
本発明の解決する課題
・さらなる情報量を送るため（シャノン限界に近づける）には
QPSK、１６QAM・・・などの多値通信とする必要
・しかし、キャリア周波数レスなため同期検波ができない。
→ ４相以上の位相変調（QPSK,１６QAM・・・）の受信は？
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従来技術とその問題点
●インパルス方式による無線送信装置
マイクロ波帯、準ミリ波帯ＵＷＢをはじめとする
超広帯域無線伝送システムに利用されている。
●従来の方式とその問題点
・信号電力を低く抑えるため、伝送距離が短い。
・搬送波を用いないため、送信信号の位相状態
を正確に受信することが困難であり、そのため、
多値のPSK変調信号の伝送が困難
という問題がある。
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本技術の目的
UWB帯域＋インパルス無線＋光アクセス
数Gbps以上の広帯域無線アクセスの実現
課題
○ベースバンド光伝送信号から
位相変調インパルス無線信号を生成
○２段階ダウンコンバージョンによる
位相変調インパルス無線信号受信
ベースバンド光信号から 窓フィルタによって
位相変調インパルス無線信号を生成する。
入力
出力
光信号：PPM変調信号
無線信号：PSKインパルス無線
光ベースバンド信号から位相変調無線信号への変換
０
情報信号
PPM変調
オプティカルパル
スジェネレータ
光
通
信
R （b/s)
１
τ
PSK-IR
時間遅延
τ =1/2fC
OE変換
cos(2π fct)
受信信号
LPF
fc= nR [Hz]
同期検波
無
線
通
信
BPF
（中心周波数：fb）
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UWB-IR の位相変調
通常、位相変調は搬送波を変調するが、UWB-IRは搬送波を用いない
θ
ｔ
正弦波（搬送波）の位相をずらす
＝正弦波を時間的にずらす
RZパルス信号の位置変調により
UWB-IR信号の発生タイミングをずらして 位相変調を行う
τ
τ
BPF
ｔ
ｔ
PPM信号
UWB-IR信号
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UWB-IR 位相変調
UWB-IR信号
x(t )  h(t ) exp( j 2f Bt )
UWB-IR 信号周波数スペクトル模式図
w
時間τ 遅延させたパルスで発生のUWB-IR信号
x(t )  h(t   ) exp( j 2f Bt  f B ))
fC
fC fB
f
中心周波数
で周波数低減することで包絡性波形を受信
y(t )  h(t   ) exp( j 2 {( f B  f C )t  f B })
ｆB に対応した遅延時間τ で位相が決定
τ の決定
UWB-IR位相変調の受信信号
シンボル
レート
τ
y(t )  h(t  ) exp( j 2 {( f B  fC )t  f B })
ｔ
QPSK信号
信号の位相 “- 2π fBτ ”より、各位相に対応した遅延時間τ は
00

: 0
 1
I 信号

 57 : π
ただし、ｆB =8.75GHz
 2 fB
ps

τ

τ
 1 (n  2)
: π /2
4 f
B

Q 信号
1

: -π /2
 4f n

B
ただし、n = 1, 5, 9, …
２段階ダウンコンバージョンによる
位相変調インパルス無線信号受信
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fcによる受信信号波形
ダウンコンバージョンに用いる周波数 fC の位置による
f 受信信号の波形の違い
fC fB
A

1
w
A
1
w
0
t τ
1

w
0
A
1
w
t τ
fC : 帯域端
1
w
B
1
w
0
0
fC : 帯域中心
B
1

w
1

w

t τ
1
w
0
1
w
t τ
振幅ゼロ
t τ
fcによる受信信号波形
直交信号を多重する際には直交信号の受信振幅は0が望ましい
→
A

1
w
A
1
w
0
t τ
1

w
0
A
1
w
t τ
fC : 帯域端
1
w
B
1
w
0
0
fC :帯域中心
B
1

w
1

w

t τ
1
w
0
1
w
t τ
振幅ゼロ
t τ
直交信号の干渉
QPSK : 直交信号の分離のため中心周波数でのダウンコンバージョンが理想
通常のダウンコンバージョンではシンボルレートの整数倍の周波数を用いる
UWBハイバンド (7.25~10.25 GHz)、
シンボルレート2.5Gs/s の場合、
中心周波数から遠いため、直交信号が干渉する
同相信号
直交信号
振幅の抑制が不十分
2.48832 Gs/s の整数倍
中心
周波数
2段階ダウンコンバージョン
R ： シンボルレート
2.48832 Gb/s の整数倍
① 中心周波数を用いてダウンコンバージョン
→ 直交信号の振幅を抑制する
②
nRと中心周波数の差周波数を用いて周波数シフト
→ 通常のダウンコンバージョンと
スペクトルの位置を合わせる
2.48832 Gb/s
1.24416
GHz
2
fc
新技術の方式
I
情報信号
オプティカルパル
スジェネレータ
R （b/s)
Q
τ
光
通
信
時間遅延
τ =1/2fC1
P
D
cos(2π fc2t)
受信信号
LPF
cos(2π fc1t)
無
線
通
fc2= |nR – fb| [Hz] fc1= fb[Hz] 信
BPF （中心周波数：fb）
2段階でダウンコンバージョンを行う
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新技術のシミュレーション結果
20μ
80μ
-20μ
-80μ
本方式での
90°位相信号検出結果
従来の方式での
90°位相信号検出結果
0度位相信号と 90度位相信号の干渉を軽減
→ QPSKが実現。
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新技術の特徴・従来技術との比較
• 本技術の適用により、位相状態を正確に
とらえることが可能となったため、
通信速度を2～4倍に拡大できる。
• 信号電力を低く抑えても、通信距離を拡大
できる。
• 搬送波用発振器が不要となるため、
送・受信機の構成が簡易になる。
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実用化に向けた課題
• 現在、実験室において基本実験確認済み。
• 今後、周波数安定度について実験データを
取得する等の条件設定を行っていく。
• 実用化に向けて、デジタル信号処理の実装が
必要。
26
5 Gb/s UWB-IR実験
伝送実験
ビットレート : 4.97664 Gb/s、 無線伝送距離 : 12 mm
5 Gb/s UWB-IR実験
シミュレータによる信号処理
波形整形に適したフィルタ
奇数・偶数ビットを分離
周波数成分を適切な位置にシフト、
波形を再生
奇数ビット(2.5 Gb/s)
最大Q値
(BER)
Q≧3
となる時間幅
奇数
偶数
3.84
3.88
(1.19×10-6)
(1.13×10-6)
334 ps
338 ps
３
３
5 Gb/s 無線伝送実験
偶数ビット(2.5 Gb/s)
偶数ビットと奇数ビットの分離に成功、
Q値3以上が得られた
特長と企業への期待
• UWB帯域は低電力制限を守ることで、
自由に無線通信が可能であり（免許が不必要） 、
近距離の高速無線通信が可能である。
• 無線を使ったアプリケーションや応用研究
（映像伝送、セキュリティ、レーダ等）を
推進する企業との共同研究を希望。
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 ：インパルス無線受信装置、
検波装置および検波方法
• 出願番号 ：特願2013-045849
• 出願人
：京都工芸繊維大学
• 発明者
：大柴小枝子、小原友里
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お問い合わせ先（必須）
京都工芸繊維大学
創造連携センター
特任教授 行場 吉成
ＴＥＬ/ＦＡＸ 075 － 724 － 7934
e-mail
[email protected]
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光アクセスシステム
現状：TDM-PON
TDM/WDM-PON （TWDM-PON)
波長アンバンドリング
プログラマブルノード
光波長パスネットワーク、SDN