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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


ソフトウェア制御によるマルチビーム制御の実験


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動的かつ高精度なマルチビーム制御が可能なことを確認

図1　ソフトウェア制御ミリ波通信システムは，動的かつ高精度なマルチビーム制御が可能，スマートシティの通信や自動運転車のレーダ・システム，衛星通信や宇宙分野で応用できる．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）

ソフトウェア制御によるマルチビーム生成と制御

mmCon3は，ソフトウェア制御によりマルチビーム制御を可能にしたフェーズドアレイ・ミリ波モジュールです．28GHz帯の高周波数で高精度なマルチビーム伝送が実現します．

I/Qデータを用いた信号生成 MATLABで生成したI/Qデータは，USB SDR USRP N310を通じて2.2GHzのベースバンド信号へ変換されます．USRP N310はリアルタイムで4チャネルのI/Q信号を28GHz帯までアップコンバートし，フェーズドアレイ技術により複数の方向にビームを同時に送信します．

ミリ波モジュール mmCon3-txは，内部でI/Q変調信号を活用し，送信機能を最適化します．高い同期精度を実現するためにmmCon3-pllによって供給される7.55GHzのシンセサイザ信号を各モジュールで共有する設計が採用されています．これにより，全チャネルで完全な同期が保たれ，位相キャリブレーションも容易です．

実験結果とその意義

mmCon3実験システムの特性を電波暗室で実測し，2つの異なるビーム（OFDMとCW）が同時に異なる方向へ放射されることを確認しました．ターンテーブルを用いてビーム方向を変化させた結果，受信スペクトラム上で明確に2つのビームの存在を識別できました．ソフトウェア制御による柔軟なビーム形成と方向制御が可能であることを確認できました．

フェーズドアレイの基本とその応用

フェーズドアレイとは，アンテナ素子の配列における位相制御によって，放射ビームの方向を自由に制御する技術を指します．従来の機械的なアンテナ回転と比較して，電子的にビームを制御できる点が大きな利点です．この技術は，5G通信，衛星通信，レーダ・システムなど，さまざまな分野で応用されています．

ミリ波通信においてフェーズドアレイ技術は重要です．28GHz帯を利用する通信は高い指向性と大容量伝送を可能にする一方，電波の減衰が大きくカバレッジが限られるため，ビームフォーミング技術が不可欠です．

mmCon3の利点

mmCon3によるソフトウェア制御型のミリ波通信は，次のような利点をもたらします．

  1. 高精度なマルチビーム制御
    異なる方向への複数ビームの同時送信が可能
  2. リアルタイム性
    MATLABやSDRを活用することで動的なビーム形成が可能
  3. 拡張性
    システム設計の柔軟性が高く，ほかの通信帯域や応用分野への展開が容易

これにより，スマートシティの通信基盤や自動運転車のレーダ・システムといった分野，衛星通信や宇宙分野での応用が期待されます．〈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．