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二段階ダウンコンバートによる
位相変調インパルス無線受信装置
京都工芸繊維大学
電子システム工学部門
教授 大柴 小枝子
2
背景
Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2011-2016
◎ モバイルトラフィックの急増（年間平均増加率：78％） 2016年のトラフック総量 対2011年比で18倍、対2014年比で2.6倍と予測
出典
3
課題は 広帯域
長距離
低電力
な無線通信
無線通信の現状と課題
4
長距離通信が難しい
広帯域な無線通信 U W B帯域
低消費電力
5
光ファイバ無線融合（ROF) UWBインパルス通信システム
長距離化への課題解決の手法として注目
6
システムの構成イメージ
7
モバイルバックホールに光ファイバアクセスシステム
光ファイバ：低損失（約0.５dB/km)、広帯域(数十THz)
低遅延
CO-RA間の長距離化 マルチセル通信システムが構築可能
アクセスポイント数を増やし セル面積を縮小することで通信を高速化
RA
光ファイバ無線融合アクセス
ポスト４Gの
フェムトセル
（～１０ｍ）
Central
Office
光ファイバ アクセスポイント
セル
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RA: Remote Antenna
BU: Baseband Unit
:O/E or E/O
Distributed RAN
◎RAとBUが同一箇所
Centralized RAN
◎BUをCO側に集約
Radio on Fiber （RoF) -アナログ信号伝送
Digital RoF -デジタル信号伝送
例；Common Public Radio Interface (CPRI) （LTEで数Gbpsの容量が必要)
ベースバンドデジタル信号
RAの小型化・低コスト化
省エネルギー化
デジタルベースバンド信号伝送
伝送レート～通信レート
Radio Access Network : RAN
セル
RA
BU
BU
光ファイバ
Central
Office
B
U
光ファイバ
Central
Office
9
無線端末へは光ファイバを接続。
端末はOE変換器とBPFだけの簡単な構成。
０ １ ０ ０ １ ０ 従来OOK方式
2PAM-PPM方式
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０ １ ０ ０ １ ０ 従来技術
OOK方式
2PAM-PPM方式
などの2値通信
本発明の解決する課題
・さらなる情報量を送るため（シャノン限界に近づける）には
QPSK、１６QAM・・・などの多値通信とする必要
・しかし、キャリア周波数レスなため同期検波ができない。
→ ４相以上の位相変調（QPSK,１６QAM・・・）の受信は？
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従来技術とその問題点
●インパルス方式による無線送信装置
マイクロ波帯、準ミリ波帯ＵＷＢをはじめとする
超広帯域無線伝送システムに利用されている。
●従来の方式とその問題点
・信号電力を低く抑えるため、伝送距離が短い。
・搬送波を用いないため、送信信号の位相状態
を正確に受信することが困難であり、そのため、
多値のPSK変調信号の伝送が困難
という問題がある。
本技術の目的
UWB帯域＋インパルス無線＋光アクセス
数Gbps以上の広帯域無線アクセスの実現
課題
○ベースバンド光伝送信号から
位相変調インパルス無線信号を生成
○２段階ダウンコンバージョンによる
位相変調インパルス無線信号受信
ベースバンド光信号から 窓フィルタによって
位相変調インパルス無線信号を生成する。
入力 光信号：PPM変調信号
出力 無線信号：PSKインパルス無線
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情報信号
R （b/s)
オプティカルパルスジェネレータ
時間遅延 τ =1/2fC
cos(2π fct)
OE変換
受信信号
BPF LPF fc= nR [Hz]
τ
無線通信
光通信
（中心周波数：fb）
光ベースバンド信号から位相変調無線信号への変換
０
１
PPM変調
PSK-IR
同期検波
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UWB-IR の位相変調
ｔ
θ
正弦波（搬送波）の位相をずらす
＝正弦波を時間的にずらす
RZパルス信号の位置変調により
UWB-IR信号の発生タイミングをずらして 位相変調を行う
ｔ
τ
ｔ
τ
PPM信号 UWB-IR信号
通常、位相変調は搬送波を変調するが、UWB-IRは搬送波を用いない
BPF
UWB-IR 位相変調
fB
w
f
fC
UWB-IR 信号周波数スペクトル模式図
中心周波数
時間τ 遅延させたパルスで発生のUWB-IR信号
)2exp()()( tfjthtx B
ｆB に対応した遅延時間τ で位相が決定
UWB-IR信号
))2exp()()( BB ftfjthtx
で周波数低減することで包絡性波形を受信 Cf
})){(2exp()()( BCB ftffjthty
τ の決定
UWB-IR位相変調の受信信号
信号の位相 “- 2π fBτ ”より、各位相に対応した遅延時間τ は
n4
1
2)(n4
1
572
1
00
τ
B
B
B
f
f
f
: 0
: π
: π /2
: -π /2
I 信号
Q 信号
ただし、n = 1, 5, 9, …
ｔ
τ シンボル
レート
τ
QPSK信号
})){(2exp()()( BCB ftffjthty
ただし、ｆB =8.75GHz ps
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２段階ダウンコンバージョンによる
位相変調インパルス無線信号受信
w
1
w
1 0
τt
A
w
1
w
1 0
τt
A
w
1
w
1
0 τt
A
w
1
w
1 0
τt
B
w
1w
1
0 τt
B
振幅ゼロ
fcによる受信信号波形
fC : 帯域端 fC : 帯域中心
fB fC
f
ダウンコンバージョンに用いる周波数 fC の位置による
受信信号の波形の違い
w
1
w
1 0
τt
A
w
1
w
1 0
τt
A
w
1
w
1
0 τt
A
w
1
w
1 0
τt
B
w
1w
1
0 τt
B
振幅ゼロ
fcによる受信信号波形
fC : 帯域端 fC :帯域中心
直交信号を多重する際には直交信号の受信振幅は0が望ましい
→
直交信号の干渉 QPSK : 直交信号の分離のため中心周波数でのダウンコンバージョンが理想
2.48832 Gs/s の整数倍
中心
周波数
通常のダウンコンバージョンではシンボルレートの整数倍の周波数を用いる
UWBハイバンド (7.25~10.25 GHz)、
シンボルレート2.5Gs/s の場合、
中心周波数から遠いため、直交信号が干渉する
同相信号 直交信号
振幅の抑制が不十分
2段階ダウンコンバージョン
2.48832 Gb/s の整数倍
2.48832 Gb/s
2
R ： シンボルレート
1.24416 GHz
fc
① 中心周波数を用いてダウンコンバージョン
→ 直交信号の振幅を抑制する
② nRと中心周波数の差周波数を用いて周波数シフト
→ 通常のダウンコンバージョンと
スペクトルの位置を合わせる
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新技術の方式
情報信号
τ
R （b/s)
オプティカルパルスジェネレータ
時間遅延 τ =1/2fC1
cos(2π fc1t)
PD
受信信号
BPF （中心周波数：fb） LPF fc1= fb[Hz]
cos(2π fc2t)
fc2= |nR – fb| [Hz]
2段階でダウンコンバージョンを行う
I
Q
無線通信
光通信
24
新技術のシミュレーション結果
本方式での 90°位相信号検出結果
20μ
-20μ
80μ
-80μ
従来の方式での 90°位相信号検出結果
0度位相信号と 90度位相信号の干渉を軽減 → QPSKが実現。
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新技術の特徴・従来技術との比較
• 本技術の適用により、位相状態を正確に
とらえることが可能となったため、
通信速度を2～4倍に拡大できる。
• 信号電力を低く抑えても、通信距離を拡大
できる。
• 搬送波用発振器が不要となるため、
送・受信機の構成が簡易になる。
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実用化に向けた課題
• 現在、実験室において基本実験確認済み。
• 今後、周波数安定度について実験データを
取得する等の条件設定を行っていく。
• 実用化に向けて、デジタル信号処理の実装が必要。
5 Gb/s UWB-IR実験
ビットレート : 4.97664 Gb/s、 無線伝送距離 : 12 mm 伝送実験
5 Gb/s UWB-IR実験
シミュレータによる信号処理
奇数・偶数ビットを分離 周波数成分を適切な位置にシフト、
波形を再生
波形整形に適したフィルタ
5 Gb/s 無線伝送実験
奇数 偶数
最大Q値
(BER) 3.84
(1.19×10-6)
3.88 (1.13×10-6)
Q≧3
となる時間幅 334 ps 338 ps
奇数ビット(2.5 Gb/s)
３
偶数ビット(2.5 Gb/s)
３
偶数ビットと奇数ビットの分離に成功、
Q値3以上が得られた
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特長と企業への期待
• UWB帯域は低電力制限を守ることで、
自由に無線通信が可能であり（免許が不必要） 、
近距離の高速無線通信が可能である。
• 無線を使ったアプリケーションや応用研究
（映像伝送、セキュリティ、レーダ等）を
推進する企業との共同研究を希望。
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 ：インパルス無線受信装置、検波装置および検波方法
• 出願番号 ：特願2013-045849
• 出願人 ：京都工芸繊維大学
• 発明者 ：大柴小枝子、小原友里
光アクセスシステム
現状：TDM-PON
TDM/WDM-PON （TWDM-PON)
波長アンバンドリング
プログラマブルノード
光波長パスネットワーク、SDN
