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初めてのBeyond5G開発 高C/N PLLの必要性


2周波数逓倍でC/Nは6dB悪化

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ミリ波5G開発における課題の1つ C/N

図1　ミリ波帯では，周波数逓倍に伴いC/Nが6dB悪化する課題がある．3.4GHzで-90dBcのC/Nが，28GHzでは-72dBcまで低下する．高C/N PLLの採用や電源ノイズの管理，逓倍の回数を抑えるなどの対策が必要．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）
詳細：［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ MkⅡ

高C/N PLLとジッタの関係

ミリ波を利用するBeyond5G通信機器の開発において，送受信システムの性能を大きく左右するのがジッタの抑制と信号対雑音比（C/N）の向上です．ミリ波帯での通信では周波数が高くなるため，C/Nが悪化する傾向にあります．

ループバック通信では送信（TX）と受信（RX）のローカル信号が同じジッタをもつため，ジッタの影響が相殺されます．しかし，実際の送受信通信ではRXのジッタが加わり，ジッタのパワーが3dB増加します．このため，Beyond5Gのような高性能通信システムでは，PLL（Phase-Locked Loop）の選択が極めて重要です．

ADF5356の特性とC/Nの悪化

ミリ波通信に用いられるPLLシンセサイザの一例として，アナログ・デバイセズ社のADF5356があります．このデバイスは内部にVCO（Voltage-Controlled Oscillator）をもち，例えば3.4GHzの基本周波数を2倍に逓倍して7GHzに上げることが可能です．しかし，逓倍に伴いC/Nが6dB悪化する問題があります．この影響は次の式で説明されます．

$$ C/N_{\text{final}} = C/N_{\text{input}} - 6 \times n $$

$n$は逓倍の回数です．ADF5356の出力をさらにアップコンバータで4倍に逓倍する場合，最終的にC/Nは18dB悪化します．3.4GHzで-90dBcのC/Nをもつ場合，28GHzでは-72dBcまで低下します．

高C/Nを実現するには

C/Nの悪化を最小限に抑えるためには，以下がポイントです．

  1. 高C/NをもつPLLの採用
    ADF5356は3.4GHzで高いC/N性能を発揮しますが，逓倍の影響を考慮して設計する必要があります
  2. ジッタの低減
    基板設計や電源ノイズの管理を徹底し，PLLが安定動作する環境を確保します
  3. 逓倍の回数を抑える
    必要最低限の周波数逓倍にとどめることで，C/Nの劣化を抑制できます

C/Nとは

C/Nは搬送波（キャリア）信号のパワーとノイズパワーの比を示す指標で，デシベル（dB）単位で表されます．通信システムでは，高いC/Nが高品質な信号伝送を意味します．たとえば，C/Nが高いと信号がノイズに埋もれる可能性が低く，誤り訂正の負担も軽減されます．

逓倍がC/Nに与える影響

周波数逓倍は信号の基本波成分を増幅しますが，同時にノイズも増幅するため，結果としてC/Nが悪化します．逓倍の回数が増えると，C/Nは次第に悪化します．

入力信号のC/Nが-90dBcで，逓倍回数が3回の場合，出力信号のC/Nは-108dBcまで低下します．このため，逓倍回数を最小限に抑えることが重要です．

Beyond5GにおけるC/Nの重要性

Beyond5Gでは，ミリ波帯（30GHz以上）の高周波数が利用されるため，C/Nの管理が通信品質を左右します．高C/Nを維持することで，信号の劣化を防ぎ，データ通信速度や信号の安定性を向上させることができます．このため，高性能なPLLやVCOの選択が欠かせません．〈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．