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Analog Discovery Pro入門 LabVIEWとの連携


ディジタル変調システムの評価


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BPSK変調信号を生成して入力に戻して観測

図1　LabVIEWはグラフィカルな開発環境を備えた計測制御用ソフトウェア．Analog Discovery Pro 3000をLabVIEWと連携させると，計測リソース間の接続やパラメータ設定を自在にプログラムできる．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］加藤 隆志（ラジアン）

LabVIEWとAnalog Discovery Proの連携

LabVIEWは，プログラミング経験の少ない技術者でも使いやすい，グラフィカルな開発環境を備えた計測制御用ソフトウェアです．Analog Discovery Pro 3000をLabVIEWと連携させることで，計測リソース間の接続やパラメータ設定を自在にプログラム可能になります．

Analog Discovery Pro 3000でBPSK変調信号を生成し，それを入力に戻して観測する「ループバック・テスト」を行う際，LabVIEWを利用することで，以下のような高度な信号処理が可能です．

  1. 信号生成
    LabVIEW内蔵の疑似ノイズ信号源を活用し，PN符号（Pseudo-Noise Code）を生成．この符号を元にBPSK変調波を生成します
  2. 信号処理
    生成したBPSK信号に対して，フィルタリングや周波数変換を適用し，スペクトル拡散や帯域制限を施します
  3. 信号観測
    Analog Discovery Pro 3000のオシロスコープ機能を使用して，生成した信号を観測し，FFT解析を実行します

この連携により，実験環境全体を効率化するだけでなく，柔軟な解析と評価が可能になります．

BPSK変調・復調システムの技術的詳細

BPSKは，ディジタル変調方式の中でも特にシンプルで効率的な手法として知られています．本システムでは，以下の流れで変調・復調が行われます．

1．PN符号の生成とキャリア信号の合成

PN符号（$PN（t）$）はLabVIEWのモジュールを利用して生成され，正弦波キャリア信号（$S（t）$）と乗算されます．この際，PN符号は0/1から±1にレベルシフトされ，キャリア信号の極性を反転させることでBPSK変調波が得られます．

2．変調波の観測と解析

生成した変調波はAnalog Discovery Pro 3000のオシロスコープ機能で観測され，LabVIEWを介してFFT（高速フーリエ変換）解析を行います．これにより，変調波のスペクトルや信号品質を評価できます．

3．復調プロセス

復調には，受信信号をキャリア信号と乗算し，低周波成分を抽出する手法が採用されます．フィルタには，群遅延平坦性を重視したFIR（Finite Impulse Response）が推奨されます．

BPSK変調の基礎

PN符号（Pseudo-Noise Code）

PN符号は，ディジタル通信におけるスペクトル拡散の要です．BPSKでは，PN符号の品質が通信の信頼性に直結します．本システムで用いたPN符号は，LabVIEWの疑似乱数生成モジュールを利用して生成されました．この符号は，周期性が高く，自己相関特性が優れているため，ノイズに強い通信を実現します．

フィルタ設計

BPSKの復調では，フィルタ設計が重要な役割を果たします．本システムでは，FIRフィルタを使用し，信号帯域を制限しました．FIRフィルタは，位相特性が一定であり，群遅延のばらつきを抑えることができるため，ディジタル変調システムで頻繁に用いられます．

FFT解析

FFT解析は，変調信号のスペクトル特性を把握するための重要な手法です．本システムでは，LabVIEW内蔵のFFTモジュールを利用して，BPSK信号の周波数成分を視覚的に確認しました．これにより，信号品質の評価や誤り率の低減に役立てることができます．〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • 1990年　無線通信機器メーカで設計開発．その後，計測器メーカでRF測定機器，半導体試験装置の設計開発
  • 2017年　フリーランスエンジニアとして独立，無線通信機器やSDR機器の受託開発
  • 2019年　株式会社ラジアンとして法人化，現在に至る

著書

  1. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.1　分散型マルチビーム無線機のハードウェア］，ZEPエンジニアリング．
  2. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.2　1エレメント1モジュール独立分散型の理由］，ZEPエンジニアリング．
  3. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.3　ソフトウェアによるマルチビーム制御の実験］，ZEPエンジニアリング．
  4. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.4　非接触共振カプラによるアレイ・チャネル拡張］，ZEPエンジニアリング．
  5. ［Webinar/KIT/data］Arm M4/M7/DSP×500MHz！STM32H7ハイスペック計測通信Module開発，ZEPエンジニアリング．
  6. 高感度受信！ソフトウェア無線機の心臓部“Root-Raised Cosine Filter”の設計，ZEPエンジニアリング．
  7. 超長距離無線LoRaからローカル5Gまで！GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機，ZEPエンジニアリング．
  8. 自宅で設計・開発！USBミクスト・シグナル・アナライザ Analog Discovery Pro 3000 誕生，ZEPエンジニアリング．
  9. 高精度基準搭載＆1GSPS広帯域！
  10. プロ用USBマルチ測定器 ADP5250誕生，ZEPエンジニアリング．
  11. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.1]，ZEPエンジニアリング．
  12. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.2]，ZEPエンジニアリング．
  13. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.3]，ZEPエンジニアリング．
  14. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.4]，ZEPエンジニアリング．
  15. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.5]，ZEPエンジニアリング．
  16. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.6]，ZEPエンジニアリング．
  17. ，ZEPエンジニアリング．
  18. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.8]，ZEPエンジニアリング．
  19. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.9]，ZEPエンジニアリング．
  20. GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機，ZEPエンジニアリング．
  21. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ MkⅡ【z-mmcon2】（mz-mmcon1後継機），ZEPエンジニアリング．
  22. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ【mz-mmcon1】（生産終了，後継機 z-mmcon2），ZEPエンジニアリング．
  23. ［KIT］実験用28GHzミリ波パッチ・アンテナ【mz-mmant1】，ZEPエンジニアリング．
  24. ［KIT］実験用800M～6GHz 広帯域90°ハイブリッド【mz-qhybrid】，ZEPエンジニアリング．
  25. ［KIT］実験用27.5G-29.5GHzバンド・パス・フィルタ【mz-mmbpf1】，ZEPエンジニアリング．
  26. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ【z-pptgen-on1】，ZEPエンジニアリング．

参考文献

  1. ［VOD］MATLAB/Simulink×FPGAで作るUSBスペクトラム・アナライザ，ZEPエンジニアリング．
  2. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング．
  3. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計，ZEPエンジニアリング．
  4. ［VOD/KIT］初めてのソフトウェア無線＆信号処理プログラミング 基礎編/応用編，ZEPエンジニアリング．
  5. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング．