RFフロントエンド
アンテナとデジタルベースバンドの間にあるアナログハードウェア。低雑音増幅器と電力増幅器、ミキサとシンセサイザ、ADCとDAC、線形性の指標、デジタルプリディストーション、トランシーバのアーキテクチャを扱います。
概要
RFフロントエンドとは、アンテナとデータ変換器の間にあるすべての回路です。−100 dBmより弱いこともある受信信号を、雑音をあまり加えずに増幅します。信号を搬送波とベースバンドの間で周波数変換し、帯域内のそれ以外の信号をすべて除去し、送信信号を歪ませずにワット級まで増幅します。その不完全さが、受信機の雑音指数とダイナミックレンジ、送信機のスペクトラム純度と電力効率を決めます。デジタルベースバンドはそのすべてを引き継ぎます。
このハブは、アナログブロックがサンプルに何をするかを知る必要があるベースバンドエンジニア・ソフトウェアエンジニアと、システム全体の視点を求めるRFエンジニアに向けたものです。
重要な考え方
受信系とアーキテクチャ
低雑音増幅器（LNA）は、帯域フィルタの直後、最初の段に置きます。Friisの縦続接続の式によれば、初段の利得が後段の影響を打ち消すほど十分に高ければ、初段の雑音指数が受信機全体の雑音指数を支配します。ケーブル、スイッチ、フィルタなど、LNAより前にある損失はそのまま雑音指数に加わります。LNAは強い信号にも耐えなければなりません。1 dB利得圧縮点と3次インターセプトポイント（IP3）によって、所望信号を歪ませずに許容できるブロッカの大きさが決まります。
ミキサは、信号に局部発振器（LO）の出力を乗算して周波数を移動させます。スーパーヘテロダイン受信機は、まず選択性の高いフィルタを実現しやすい固定の中間周波数（IF）に変換し、その後ベースバンドに変換します。この方式にはイメージ除去フィルタが必要です。LOを挟んで所望信号と反対側にある信号も、同じIFに落ちるためです。ダイレクトコンバージョン（ゼロIF）受信機は、直交ミキサで直接ベースバンドに変換します。イメージフィルタが不要で集積化しやすいため、集積トランシーバやソフトウェア無線（SDR）で広く使われています。固有の問題は、LOリークと自己ミキシングによるDCオフセット、DC付近のフリッカ雑音、ミラーイメージを生むI/Qの利得・位相の不平衡です。下に挙げるAbidi（1995）とRazavi（1997）の論文が、これらのトレードオフを詳しく論じています。低IF受信機は、DCの問題を避けるために信号をゼロからわずかにずらして置きます。
発振器とシンセサイザ
局部発振器は通常、水晶基準信号を搬送波周波数まで逓倍する位相同期ループ（PLL）です。周波数精度は基準信号の精度で決まり、ppm（百万分率）単位で表します。位相雑音は、ループ帯域内では逓倍された基準信号の雑音、ループ帯域外では電圧制御発振器（VCO）の雑音で決まります。位相雑音は、搬送波からのオフセット周波数におけるdBc/Hzで表します。位相雑音の害は2つあります。受信機では、強い隣接信号がLOの雑音スカートとミキシングされ、所望チャネルに重なります。これを相反ミキシング（reciprocal mixing）と呼びます。送受信の両方向で、位相雑音はコンステレーションを回転させてにじませ、直交周波数分割多重（OFDM）ではサブキャリア間にエネルギーを漏らします。
データ変換器
理想的なNビットADCでフルスケールの正弦波をサンプリングすると、SNRは6.02N + 1.76 dBになり、12 ビットで約74 dBです。実際の変換器はこれに届かないため、データシートには有効ビット数（ENOB）とスプリアスフリーダイナミックレンジが記載されます。サンプリングクロックのジッタは、周波数fの入力とRMSジッタtjに対して、−20 log10(2π f tj) dBという別の上限を課します。1 psのジッタでは、1 GHzの入力は約44 dBに制限されます。Waldenの1999年のサーベイは、実際の変換器をこれらの限界と比較した古典的な文献です。受信機の自動利得制御は、ピークでクリップさせずに、信号をADCのレンジの上の方に保ちます。送信側では、DACの出力イメージとsinc形状の減衰を、フィルタで除去するか事前補償する必要があります。
電力増幅器、線形性、DPD
電力増幅器（PA）は通常、送信機の中で最も電力を消費する部品です。飽和付近で最も効率が高くなりますが、そこでは線形性が最も低くなります。OFDMや高次QAMの信号はピーク対平均電力比が高いため、線形PAは飽和点からバックオフする必要があり、効率が下がります。非線形性は2か所に現れます。スペクトラムの再成長は隣接チャネルに電力を漏らし、隣接チャネル漏洩電力比（ACLR）として測定されます。帯域内の歪みはエラーベクトル振幅（EVM）を大きくします。3GPP TS 38.104（Release 19版）は、NR基地局のACLR限度値を大半のFR1バンドで45 dBと定めています。EVM限度値は、4.2 GHzまでの搬送波でQPSKの17.5%から、256QAMの3.5%、1024QAMの2.5%までです。TS 38.101-1は、これに対応する端末（UE）の要件を定めています。
デジタルプリディストーション（DPD）を使うと、PAを飽和点により近い領域で動作させられます。DPDブロックは、増幅器の非線形性の近似的な逆特性をベースバンド信号に適用し、縦続接続全体がほぼ線形になるようにします。広帯域PAにはメモリ効果があります。つまり、歪みが現在の入力だけでなく直前の入力にも依存します。そのため実用的なDPDでは、メモリ多項式モデルや一般化メモリ多項式モデルを使います。観測受信機がPA出力をサンプリングし、温度・周波数・負荷の変化に合わせて係数を再推定します。DPDアルゴリズムは、多くの場合FPGAロジックや専用ハードウェアで実行します。FPGA GuideのDSP on FPGAハブでは、こうしたフィルタや多項式評価器をFPGAリソースにどう割り当てるかを解説しています。
どこから始めるか
入門レッスンでは、まずシステム側から扱います。/learn/beginner/01-what-is-a-radio-link/を読み、次に雑音指数と受信感度について/learn/beginner/04-noise-snr-and-capacity/を、IQ不平衡とDCオフセットがサンプルに何をするかについて/learn/beginner/02-complex-baseband-and-iq/を読んでください。/learn/beginner/09-first-gnu-radio-flowgraph/では、SDR上で動作する受信系を組むところまで進みます。トランシーバの不完全性とDPDを扱う中級レッスンは準備中です。無線機とトランシーバICの仕様は/reference/hardware/にあります。
ツールとプラットフォーム
| ツール | 用途 | ライセンス | プラットフォーム |
|---|---|---|---|
| scikit-rf | PythonでのSパラメータ、Touchstoneファイル、VNA校正 | BSD-3-Clause | /platforms/opensource/ |
| libiio | ローカル・リモートのLinux IIOデバイス用のクロスプラットフォームライブラリ。Analog Devicesが保守 | LGPL-2.1 | /platforms/analog-devices/ |
| UHD | USRP無線機用のドライバ。チューニング・利得・サンプルレートを制御 | デフォルトはGPL-3.0 | /platforms/ni-ettus/ |
| Keysight 89600 VSA | 測定信号の復調とEVM解析 | 商用 | /platforms/keysight/ |
| R&S FSW | 送信機・部品の測定に使うシグナル・スペクトラムアナライザ | 商用 | /platforms/rohde-schwarz/ |
よくある間違い
- LNAの前に損失の大きいフィルタや長いケーブルを入れ、受信感度が下がった原因がわからない。
- SDRの受信利得を最大にする。すると強いチャネル外信号がフロントエンドを圧縮させたり、ADCをクリップさせたりする。
- PAの飽和出力電力を、OFDMで使える出力電力と読み違える。
- ゼロIF受信機のDCスパイクとI/Qイメージを無視する。あるいは所望信号をLOとちょうど同じ周波数にチューニングする。
- 各無線機の発振器をフリーランのまま、マルチチャネル実験やコヒーレント実験を行う。
さらに深く
- H. T. Friis, Noise figures of radio receivers、「Proceedings of the IRE」32(7)、1944年。
- A. A. Abidi, Direct-conversion radio transceivers for digital communications、「IEEE Journal of Solid-State Circuits」30(12)、1995年、および B. Razavi, Design considerations for direct-conversion receivers、「IEEE Transactions on Circuits and Systems II」44(6)、1997年。
- D. B. Leeson, A simple model of feedback oscillator noise spectrum、「Proceedings of the IEEE」54(2)、1966年。
- R. H. Walden, Analog-to-digital converter survey and analysis、「IEEE Journal on Selected Areas in Communications」17(4)、1999年。
- F. H. Raab et al., Power amplifiers and transmitters for RF and microwave、「IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques」50(3)、2002年。
- J. Kim and K. Konstantinou, Digital predistortion of wideband signals based on power amplifier model with memory、「Electronics Letters」37(23)、2001年、および D. R. Morgan et al., A generalized memory polynomial model for digital predistortion of RF power amplifiers、「IEEE Transactions on Signal Processing」54(10)、2006年。
- 3GPP TS 38.104（NR基地局の無線要件）、TS 38.101-1（FR1におけるNR端末の無線要件）。