RF設計・デバッグのための広帯域IQエミュレーションと解析

Wideband IQ Emulation and Analysis for RF Design and Debug

July 11, 2025 microwavejournal

複雑な信号の生成と解析は、RF設計において欠かせない試験機能です。製品がより高度な信号方式を採用するにつれ、干渉解析や変調解析を含む送受信サブシステムの試験要件は高まっています。5G New Radio（NR）、Wi-Fi 6、Wi-Fi 7規格などの新しい信号方式では、より複雑な方式で、より高いキャリア周波数、より広い帯域幅、より高いシンボル・レートが求められます。設計検証やデバッグのためにこれらの信号を取り込み、シミュレーションするソリューションはさまざまです。新たなプロトコル、変調方式、チャネルに対応してRF設計・デバッグ試験を進化させるには、次世代のベースバンド生成・解析ソリューションが必要です。

信号エミュレーションの制約と広帯域ソリューション

従来のRF信号源は、約150 MHzの帯域幅内での信号エミュレーションに対応しています。この帯域幅の制約は、同様のシンボル・レートの制約と一致します。標準のSSG5000X-Vモデルでは、最大シンボル・レートは60 MSymbols/secです。SigIQProなどの信号作成ソフトウェアは、信号をインポート・作成して測定器に直接転送できますが、これらの制約はエミュレーションできる信号の種類に影響します。たとえば、図1と図2はいずれも、5 GHzのキャリア上で40 MSymbols/secの疑似ランダム・データによる標準的な64QAMテスト信号を示しています。ユーザーは、異なる信号発生器を使って、さまざまな要因の影響を受けるエラー・ベクトル振幅（EVM）を確認できます。図1と図2では、両方の信号を同じアナライザで測定することで、これらの影響の一部を低減しています。周波数確度、校正からの経過時間、位相雑音はいずれも信号のEVMに影響します。しかし、図1と図2に示すように、IQベースバンド発生器のサンプル・レートと帯域幅は、信号の品質に大きな影響を与えます。図1はSSG5000X-Vモデルでの例で3.14パーセントrmsのEVMを示し、図2はSSG6082A-VSSG6082A-VSIGLENT SSG6082A-V ベクトル信号発生器 9kHz～8GHz、+30dBm7,744,000円税込詳しく見るモデルでの例で1.75パーセントrmsのEVMを示しています。

W-CDMA、LTE、GSM、EDGE、QAM、QPSK、CDM2000の各信号を含む、規定されたすべての代表値および実測値のIQ EVM信号において、SSG6082A-Vの誤差はSSG5000X-Vの3分の1から3分の2です。

ベースバンド発生器の速度と帯域幅の制約による誤差は、干渉、ノイズ、マルチバンドのトーンやチャネルなどのアプリケーションに影響します。加法性白色ガウス雑音のアプリケーションは、信号帯域幅によって直接制約されます。ベースバンドのサンプル・レートは少なくともその上限を生成するのに十分であるため、IQ帯域幅がノイズの最大幅となります。

複数のトーンや複数チャネルのIQ信号を必要とする複雑な干渉信号には、高度なサンプリング機能とメモリ機能が必要です。こうしたアプリケーションでは、サンプリング・レートだけでなく、ベースバンドのサンプル・メモリにも目を向ける必要があります。任意波形の再生時間が長くなるほど、より高いサンプル・レートで、より長く動的な信号を作成できます。たとえば、SSG6082A-Vは20億サンプルを超えるベースバンド信号に対応しています。これは標準的なIQ発生器のメモリの10倍以上になることも少なくありません。その結果、1つのIQパターンで1000倍以上のトーンを生成できます。この方法で最大65,536トーンを同時に生成できます。図3は、4 GHzのキャリア上に5 MHz間隔で100トーンを生成した例です。

Wi-Fiの干渉アプリケーションでは、チャネル切り替えやスループットの挙動を監視するために、チャネル内に規格準拠のアクティブな信号が必要になることがよくあります。帯域幅、シンボル・レート、メモリ長の組み合わせにより、図4に示すように、個別の波形を持つ複数のチャネルを1つのパターンにまとめられるという利点もあります。

最後に、広帯域変調を必要とするプロトコルがあります。従来のLTE信号では通常20 MHzのチャネルを使用します。新しい5G NRチャネルでは100 MHzの帯域幅を使用し、Wi-Fi 7の802.11be信号では最大320 MHzを使用します。SSG6082A-Vは、1024QAMを含む標準的な変調方式で、こうしたより複雑な信号をより高いシンボル・レートで生成できます。これらの新しい方式は、データ量の多いアプリケーションのスループットを向上させるために設計されています。帯域幅、シンボル・レート、そしてシンボルあたりのビット数が多い複雑な変調方式の組み合わせが、スループットを高める主な手段です。EVM、ビット誤り率、データ・スループットは、この帯域幅を効率よく利用できているかを示す指標となります。

まとめると、広帯域生成により、実環境における精度と忠実度を高めたカスタムかつ高性能な信号評価が可能になり、帯域幅の利用効率をより完全に評価できるようになります。

リアルタイム解析とデジタル復調

RF信号生成の機能が拡大し続けているのと同様に、アナライザも速度と精度の向上を続けています。これには、メモリの拡張、測定の忠実度、解析帯域幅の向上が含まれます。

動的なRF信号の可視化手法の一つに、リアルタイム密度表示があります。リアルタイム表示は、所定のスペクトラム内の時間領域サンプルを高速フーリエ変換（FFT）で高速に処理して生成されます。ここで重要な検討事項に、100パーセントの捕捉確率（POI）があります。これは、解析モードで電力を正確に測定できる最短のRFパルスを定義するものです。POIは、サンプル・レートと、FFTのインターリーブまたはオーバーラップの影響を受けます。

図1と図2に示すSHA862ASHA862ASIGLENT SHA860Aシリーズ スペクトラムアナライザ 9kHz～7.5GHz2,684,000円税込詳しく見るT&M 即納ストアで購入のような測定器は、表示されている復調画面に加えて、110 MHzのリアルタイム帯域幅の表示を生成できます。より広い解析帯域幅を、より高速で正確なサンプリングと組み合わせることで、最終的に送信信号をより適切に評価できます。

より広帯域の取り込みは、最新の高速オシロスコープを解析システムの中核として利用することで実現できます。SDS7000Aシリーズのようなオシロスコープは、DC近傍から最大8 GHzの帯域幅を備え、広い帯域幅と、1サンプルあたり12ビットで毎秒200億ポイントの高速サンプリングを提供します。

図5に示すように、これらのサンプルを用いて1 GHzの帯域幅を可視化できます。これは、RF領域のチャネルを高分解能オシロスコープで表示した広帯域リアルタイム可視化です。さらに、デジタル・ダウンコンバージョン技術を使って追加の解析を行えます。これにより、キャリアからIQデータを抽出し、高速サンプリングを活用して複雑な広帯域波形を復調できます。

たとえば、図6に示す5G NR信号は、EVMとビット・レベルの精度について解析できます。デジタル・ダウンコンバージョン技術により、アナログ変換技術では加わる可能性のある系統誤差を低減できます。時間とスペクトラムの両方におけるビット・レベルの検証とエラー・ベクトル解析を視覚的に表示でき、デバッグや故障解析に役立ちます。さらに、チャネルやレーンの測定など、より上位のカスタム・プロトコル検証試験を追加することもできます。

Conclusion

サンプル・レートとシンボル・レートの向上、メモリ長、そして総合的な信号忠実度は、IQベースバンドの生成・解析機能の進歩を際立たせています。こうしたデジタル技術の進歩が、RFアナログ設計における解析帯域幅の拡大やキャリアの高周波化と結びついています。これが、最新のプロトコル、変調方式、チャネルを用いたRF試験の基盤となります。これらが相まって、高スループットかつ高い信号忠実度でのエミュレーションと解析を簡素化し、RF設計とデバッグを改善します。

SIGLENT Technologies
Solon, Ohio

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高分解能オシロスコープによる信号忠実度の課題への取り組み

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	SDS8000Aシリーズ オシロスコープ 特長と利点 4チャンネル + 外部トリガーチャンネル アナログチャンネル帯域幅：最大16GHz(8/13/16GHz) リアルタイムサンプリングレート：最大40GSa/s（全チャンネル同時） 12ビットADC 低ノイズフロア：16GHz帯域幅で176μVrms SPOテクノロジー ・ 波形キャプチャレート：最大200,000フレーム/秒 ・ 256段階の波形輝度と色温度表示をサポート ・ 最大2Gポイント/チャンネルのストレージ容量 ・ デジタルトリガー
	SSG6M80Aシリーズ マルチチャネル・コヒーレント・マイクロ波信号発生器 主な特長 ・最大周波数 13.6 GHz/20 GHz ・出力周波数分解能 最大0.001 Hz ・位相ノイズ < -136 dBc/Hz @ 1 GHz、オフセット 10 kHz（測定値） ・コヒーレントモード、搬送周波数 = 10 GHz、周囲温度変動 ±2℃、観測時間 5時間、位相変動 < 1.5° ・チャンネル間の周波数、振幅、位相を個別に調整可能。単一デバイスチャンネル同期および複数デバイスチャンネル位相同期をサポート。位相メモリ機能搭載 ・アナログ変調、パルス変調（オプション）
	SSA6000A シリーズ シグナルアナライザ 主な特長 ・測定周波数範囲：2 Hz～50 GHz ・IQ解析帯域幅：1.2 GHz ・リアルタイム・スペクトラム解析帯域幅：400 MHz ・位相雑音：-123 dBc/Hz @ 1 GHz、10 kHzオフセット ・DANL：-165 dBm/Hz未満 ・5G NR、LTE/LTE-A、WLAN、IoTをはじめとする複数の移動体通信規格および無線接続の信号の復調・解析に対応します。
	SNA6000A シリーズ ベクトル・ネットワークアナライザ 主な特長 ・周波数範囲：100 kHz～50 GHz ・ダイナミックレンジ：135 dB ・IF帯域幅範囲：1 Hz～10 MHz ・出力電力設定範囲：-60 dBm～+20 dBm ・4ポート（2信号源）Sパラメータ測定、差動（平衡）測定、時間領域解析、スカラー・ミキサ測定などに対応します。 ・オプション・アクセサリとして、電子校正キット、スイッチ・マトリクス、メカニカル・スイッチを用意しています。