USBソフトウェア測定器 ADP5250 試用レポート2

480MSPSのUSB2.0インターフェースを評価

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高速シリアル通信の定番「差動インターフェース」の評価に使ってみた

ADP5250は1GSPSのサンプリング速度をもつUSBソフトウェア測定器です．技術解説記事「高精度基準搭載＆1GSPS広帯域！USBソフトウェア測定器 ADP5250誕生」では，高速差動信号「USB2.0 480MSPS」の観測を通じてその実力を試しています．

テスト対象は高速差動信号です．信号波形の正確な観測には，伝送路インピーダンス整合や遅延差の調整が重要です．

USB差動信号の取り出しにおいて，以下のような工夫を施しました．

1．同軸ケーブルによる信号取り出し

USB伝送路から，2本の等長同軸ケーブルを用いて信号を取り出しました．この際，伝送路のインピーダンスに影響を与えないよう，510$\Omega$の直列抵抗を挿入．また，接続箇所のグラウンドはベタにはんだ付けすることで，ノイズの影響を最小限に抑えました．

2．20dBアッテネータの挿入

CH-1とCH-2の入力部には，BNC-SMA変換アダプタと20dBアッテネータを挿入しました．これにより，ADP5250の入力インピーダンス（1M$\Omega$）を50$\Omega$に調整し，反射を最小限に抑えます．これらの対策により，数GSPSのディジタル信号も安定して観測できます．

3．USB差動信号観測の実際と結果

最大サンプリング・レート1GSPSのADP5250は，USB2.0通信速度480MSPSの波形を正確に記録できます．同軸線路内の誘電体特性に基づき，CH-1とCH-2間の遅延差は20mm以下に抑える必要があります．

高速差動信号観測の基礎知識

Gbps超の高速信号観測では，次の課題に配慮が必要です．

1．インピーダンス整合の重要性

高速信号は，伝送路の特性インピーダンス（$Z_0$）と受端インピーダンスが一致しないと多重反射が発生します．20dBアッテネータを用いて$Z_0=50$\Omega$の条件を整えることで，多重反射を回避します．

2．信号の遅延差管理

CH-1とCH-2の信号遅延差は，サンプリング・レート1GSPSの1/10（約100ps）以下である必要があります．同軸ケーブル1mあたりの遅延が4.83ns/mであることから，長さ差は20mm以内に抑える必要があります．この精密な長さ調整が，正確な観測を可能にします．

USB差動信号の取り出し方法

差動信号を観測する際には，等長の同軸ケーブルを使いましょう．ループ面積がゼロになるようにして，ノイズ誘導の影響を最小限に抑えます．グラウンド・ケーブルの長さを最短にする工夫も重要です．〈著：ZEPマガジン〉

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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．
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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．