マイクロ波アナログ信号処理

マイクロ波リアルタイムアナログ信号処理（R-ASP）[1] [2] [3]は、 DSPベースの処理の代替として、マイクロ波またはミリ波およびテラヘルツアプリケーションを可能にする特定の操作を実現するために、信号を元のアナログ形式でリアルタイムに操作することとして定義できます。

無線におけるより高いスペクトル効率への需要の高まりにより、従来の純粋なデジタル信号処理技術を超えたアナログリアルタイムコンポーネントおよびシステムへの関心が新たに高まっています。デジタルデバイスは、高い柔軟性、小型、低コスト、そして高い信頼性により、低いマイクロ波周波数においては比類のない性能を発揮しますが、高いマイクロ波およびミリ波周波数においては、性能の低さ、A/DコンバータおよびD/Aコンバータの高コスト、過剰な消費電力といった大きな問題を抱えています。このような周波数においては、時間領域で広帯域信号を操作するアナログデバイスおよび関連するリアルタイムまたはアナログ信号処理（ASP）システムがはるかに好ましい選択肢となる可能性があります。なぜなら、これらのシステムは複雑さが少なく高速であるという利点があり、通信だけでなく、レーダー、センサー、計測機器、画像処理といった無線工学の主要分野において、これまでにないソリューションを提供できる可能性があるからです。この新技術は、超高速光信号処理のマイクロ波およびミリ波版と見なすことができ[4]、最近では、任意の群遅延対周波数応答に従うコンポーネントである、幅広い新しい位相器によって実現されています。

マイクロ波アナログ信号処理の中核は、分散遅延構造（DDS）をはじめとする様々な手法です。例えば、DDS手法では、構造の群遅延周波数応答に基づいて入力信号の周波数成分を区別します。この構造では、線形アップチャープDDSは高周波成分を遅延させ、ダウンチャープDDSは低周波成分を遅延させます。この周波数選択的な遅延特性により、DDSはリアルタイムフーリエ変換などのマイクロ波アナログ信号処理アプリケーションにおける基本要素として最適です。カスタマイズ可能な群遅延応答を備えたDDSシステムを設計することで、特に超広帯域（UWB）システムと統合することで、高度なマイクロ波信号処理における幅広いアプリケーションが可能になります。

アプリケーション

R-ASP アプリケーション
無線通信 センシングと検出 汎用
インパルスラジオ スペクトラムスニファー 信号コンプレッサー
FDM受信機 周波数セクター検出 非線形位相シフター
分散多重アクセス RFID 歪みイコライザー
レーダー[5]

RFIDシステム[6] :

ここ数年、RFIDシステムは、通信、物流、輸送、セキュリティなどの分野での応用により、マイクロ波コミュニティで大きな注目を集めています。典型的なRFIDシステムは、リーダー（インテロゲータ）と複数のタグで構成され、長距離と短距離の両方で動作します。RFIDタグにはアクティブとパッシブがあり、パッシブタグはさらにチップベースとチップレスに分けられます。チップレスタグは集積回路が不要なため、低コストであることが特に魅力的です。従来の時間領域RFIDは、パルス位置変調（PPM）符号化に依存していますが、反射による干渉を受けやすいという問題がありました。新しいアプローチでは、透過型オールパス分散遅延構造（DDS/フェイザー）を使用してPPMコードを生成することでこの問題に対処し、シンプルでパッシブかつ周波数スケーラブルなRFIDソリューションを提供します。

周波数計[7]：

線形群遅延応答を持つ分散遅延構造（DDS）は、入力信号の周波数を時間遅延にマッピングすることで、周波数計アプリケーションに利用できます。入力信号がDDSを通過すると、各周波数成分は異なる遅延を経験するため、システムは時間遅延に基づいて周波数を区別することができます。群遅延の周波数に対する傾きを大きくする（つまり、周波数に対する遅延の変化率を高める）と、2つの近接した周波数間の時間遅延差が大きくなります。この時間間隔の拡大により、近接した周波数をより細かく区別できるようになり、結果として周波数計の周波数分解能が向上します。

FDM受信機[8]：

線形群遅延応答を持つ分散遅延構造（DDS）は、フェイザーとも呼ばれ、多重化信号の各周波数成分を特定の時間遅延にマッピングすることで、周波数分割多重化（FDM）を簡素化します。このようなFDMシステムでは、CセクションオールパスDDSが時間領域で信号の周波数を分離するため、従来のFDM受信機で一般的に使用される複雑なアナログ回路とデジタル回路が不要になります。この純粋なアナログ方式は、システムの複雑さを軽減するだけでなく、高周波数における消費電力の増加、低速化、コスト増加といったデジタル回路の制約を回避し、さまざまな周波数範囲にわたる拡張性を実現します。

パルス圧縮[9]：

マイクロ波アナログ信号処理では、アナログ手法を活用した低コストの技術を使用して パルスを圧縮し、広帯域パルスを作成できます。

スペクトラムスニッフィング[10]：

分散遅延構造は、コグニティブ無線システムにおける低コストの時間領域スペクトルスニフィングにおいて重要な役割を果たすことができます。このアプローチでは、グループ遅延位相器を活用し、高速フーリエ変換（FFT）技術に依存する従来のデジタルスペクトルスニファーに通常伴う制限なしに、リアルタイムの周波数弁別を可能にします。従来のデジタルシステムは、特に広い帯域幅と高い周波数を扱う場合、複雑で高価なプロセッサを必要とすることがよくあります。これに対し、位相器ベースの設計では、分散遅延構造の受動的かつ広帯域な性質を活用することで、シンプルで費用対効果が高く、周波数スケーラブルなアーキテクチャを実現しています。この革新的な手法は、従来の位相器において周波数分解能を低下させる可能性のあるパルス拡散の問題を軽減することで、効率的なリアルタイムスペクトル解析を可能にし、利用可能な周波数帯域を機会に応じて特定することで、無線ネットワークにおけるチャネルの信頼性とデータスループットを向上させます。

リアルタイムセクター検出システム[11]：

分散構造の一種である漏洩波アンテナ（LWA）は、リアルタイム信号処理に効果的に活用することで、受信周波数セクター検出システムを構築できます。独自の設計により、LWAは長さに沿って連続的にエネルギーを放射できるため、さまざまな方向や周波数からの受信信号に感度を発揮します。LWAを再構成することで、システムは検出機能を動的に制御し、特定の到来角度に焦点を合わせることができます。これにより、受信信号の方向と周波数をリアルタイムで識別できるようになり、スペクトル認識が向上します。調整可能なバンドパスフィルタと組み合わせることで、LWAは特定の周波数帯域を分離・分析できるため、スペクトル占有に関する貴重な情報が得られ、コグニティブ無線システムが利用可能なチャネルを機動的に活用して無線通信の効率と信頼性を向上させることが可能になります。

SN比向上型インパルス無線トランシーバー: [12]

分散遅延構造 (DDS)、具体的には逆チャーピング傾斜を持つ位相器は、広帯域インパルス無線トランシーバーの信号対雑音比 ( SNR ) を大幅に向上できます。この方法では、送信されるインパルスはアップチャープ位相器を使用してアップチャープされます。アップチャープ位相器はパルス持続時間を延長するとともにピーク電力を低減するため、電力スペクトル密度制限を超えるリスクが少ない、より効率的な送信が可能になります。受信時には、目的のインパルスとノイズの両方を含む入力信号がダウンチャープ位相器で処理されます。この位相器は、受信したチャープ信号をより鋭いインパルスに効果的に圧縮するとともに、事前にチャープされていないバーストノイズを拡散して、その影響を軽減します。一方、ガウスノイズのスペクトル特性は影響を受けません。その結果、目的の信号はノイズに対して強化され、バーストおよびガウスノイズのタイプに対して数倍の SNR 向上が達成されます。このシンプルで低コストのシステムは、位相器の広帯域特性を活用し、インパルス無線測距および通信のアプリケーションに適しています。

分散符号多重アクセス（DCMA）：

分散符号多重アクセス（DCMA）は、チェビシェフ多項式を用いて複数のデータストリームを符号化し、共有媒体を介して伝送する革新的な特許取得済み[13]通信技術[14]です。インパルスで構成される各データ入力は、異なるチェビシェフ多項式次数を用いて符号化され、固有の分散周波数パターンを生成します。この符号化により、信号は十分に分散され、識別可能となり、複数のユーザーまたはデータストリームが干渉なく共存できるようになります。符号化された信号は、共通チャネルを介して同時に伝送されます。

受信側では、システムは逆チェビシェフ応答を適用し、分散遅延構造として機能して、個々のデータストリームをデコードおよび復元します。この精密なデコードプロセスにより、ノイズレベル以下に埋もれてしまう可能性のある微弱な信号であっても正確に復元できるため、ノイズや干渉に対する堅牢性が非常に高くなります。DCMAは、IoTネットワーク、無線通信、セキュアなデータ転送など、高いノイズ耐性と最適なスペクトル利用が求められるアプリケーションに適した、効率的で信頼性の高い多元接続通信方式を提供します。

利点と課題

マイクロ波リアルタイムアナログ信号処理は、信号処理に革新的なアプローチをもたらします。特に、従来のデジタル信号処理（DSP）手法では限界があった高周波数領域において、その効果は顕著です。R-ASPの主な利点の一つは、信号を純粋なアナログ形式で操作できるため、複雑さを軽減し、処理速度を向上させることができることです。これは、通信、レーダー、画像処理など、高いスペクトル効率が求められるアプリケーションにおいて極めて重要です。さらに、R-ASPは分散遅延構造（フェイザー）を活用することで、分解能を向上させ、デジタルシステムに多く見られる遅延なしにリアルタイム処理を実現します。

しかし、その利点にもかかわらず、R-ASPには解決すべき課題がいくつか存在します。群遅延の制御によって実現される分解能の向上は、システムのサイズと挿入損失の増大につながることが多く、特に高帯域幅アプリケーションにおいては、これらの要因が効率と信号品質を損なう可能性があります。さらに、所望の高次群遅延応答を持つ位相器の設計と製造は技術的に複雑でコストもかかるため、R-ASP技術の普及を阻む可能性があります。

これらの課題に対処するには、いくつかの戦略を採用できます。

  1. 先進的な材料の使用:メタマテリアルやフォトニック結晶などの新しい材料を研究することで、位相器の特性が向上し、サイズが縮小され、挿入損失が低減します。
  2. フェイザー設計の最適化:シミュレーションベースの設計最適化ツールを実装すると、機械学習などの技術を使用してパフォーマンス結果を予測し、フェイザーの特性を改良できます。
  3. 集積回路ソリューション: R-ASP コンポーネントと既存の半導体技術の統合を検討することで、アナログとデジタルの両方の処理能力を活用したコンパクトで高性能な集積回路を作成できます。
  4. モジュラー設計アプローチ:簡単に調整または再構成できるモジュラー位相器設計を開発することで、まったく新しい設計を必要とせずに特定のシステム要件を最適化できます。
  5. 強化された製造技術: 3D プリント、マイクロファブリケーション、リソグラフィーなどの高度な製造方法を利用することで、より小さなスケールで複雑な形状を作成できるようになり、パフォーマンスを維持しながら全体的なシステム サイズを縮小できます。
  6. リアルタイムのキャリブレーションとフィードバック:リアルタイムのキャリブレーション技術を実装すると、動作条件に基づいて位相器の特性を動的に調整できるため、環境条件の変化に応じて最適なパフォーマンスを確保できます。
  7. 研究協力:学界、産業界、研究機関間の協力を促進することで、フェイザー技術と R-ASP アプリケーションの革新が促進され、この分野のより急速な進歩につながります。
  8. プロトタイプのテストと反復:堅牢なプロトタイプとテストのフレームワークを確立すると、設計の迅速な反復が可能になり、パフォーマンスの制限に関する貴重な洞察が得られ、将来の改善につながります。

これらの戦略に焦点を当てることで、研究者やエンジニアはR-ASPの現在の課題を克服し、最終的には高周波アプリケーションにおけるR-ASPの実現可能性と性能を向上させることができます。これらの課題とR-ASP固有の利点のバランスをとることは、次世代無線システムやその他の重要な分野におけるR-ASPの応用を進展させる上で極めて重要です。

結論

マイクロ波リアルタイムアナログ信号処理は、マイクロ波およびミリ波周波数における純粋なデジタル信号処理の課題を解決する重要なイノベーションとして登場しました。R-ASPは、純粋なアナログ形式で信号操作を可能にし、位相器などの分散遅延構造を活用することで、高周波アプリケーションに不可欠な複雑さの低減、処理速度の高速化、消費電力の削減を実現します。パルス圧縮、スペクトルスニフィング、リアルタイムフーリエ変換といった複雑な演算を実行できるR-ASPは、通信、センシング、レーダー、計測機器などの分野に変革をもたらしています。

R-ASPは、その利点にもかかわらず、分解能の向上に伴うサイズと挿入損失の増大、そして高次応答のための位相器の設計と製造の複雑さといった課題に直面しています。しかしながら、先端材料の活用、位相器設計の最適化、回路ソリューションの統合、研究協力の促進といった戦略的なアプローチは、これらの限界を克服する道筋を提供します。

分散符号多重アクセス（DCMA）のような革新技術は、チェビシェフ多項式の独自の符号化能力と分散遅延ベースの復号化を組み合わせることで、R-ASPの将来的な可能性を実証しています。DCMAは、低い信号対雑音比（S/N比）においても、複数の信号が最小限の干渉と優れたノイズ耐性で共有メディア上で共存できるようにすることで、スペクトル利用率を向上させます。アナログ信号処理原理と最先端の符号化技術をシームレスに融合することで、現代の無線工学に革新的なソリューションを提供し、高性能通信システムと次世代無線アプリケーションへの道を切り開きます。R-ASP固有の課題に継続的に取り組むことで、この分野はその能力をさらに活用し、無線技術における新たな機会と進歩を切り開くことができます。

参考文献

  1. ^ Caloz, Christophe; Gupta S.; Zhang Q.; Nikfal B. (2013年9～10月). 「アナログ信号処理：主にデジタル無線方式の代替または補完手段」. IEEE Microwave Magazine . 14 (6): 87– 103. doi :10.1109/MMM.2013.2269862. S2CID  33284580.
  2. ^ Abielmona, Samer; Gupta S.; Caloz C. (2009年11月). 「アナログ信号処理のためのCRLHベース分散遅延線を用いた圧縮受信機」. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 57 (11): 2617– 2626. Bibcode :2009ITMTT..57.2617A. doi :10.1109/TMTT.2009.2031927. S2CID  7969178.
  3. ^ Gupta, Shulabh; Abielmona S.; Caloz C. (2009年12月). 「漏洩波構造のスペクトル空間分解特性に基づくマイクロ波アナログリアルタイムスペクトルアナライザ（RTSA）」. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 57 (12): 2989– 2999. Bibcode :2009ITMTT..57.2989G. doi :10.1109/TMTT.2009.2034223. S2CID  18462237.
  4. ^ テイヒ、バハ EA サレハ;マルビン・カール。タイヒ、MC (2007)。フォトニクスの基礎(第 2 版)。ホーボーケン、[ua]: Wiley-Interscience。ISBN 978-0471358329。{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  5. ^ メルビン、ウィリアム・L.; シェアー、ジェームズ (2012-01-01)、「概要：現代レーダーの高度な技術」、現代レーダーの原理：高度な技術、工学技術協会、pp.  1– 16、doi :10.1049/sbra020e_ch1、ISBN 978-1-891121-53-1、 2024年10月27日閲覧{{citation}}: CS1 maint: work parameter with ISBN (link)
  6. ^ S. Gupta, B. Nikfal, C. Caloz, "Chipless RFID System Based on Group Delay Engineeringed Dispersive Delay Structures," in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters , vol. 10, pp. 1366-1368, 2011, doi: 10.1109/LAWP.2011.2178058. キーワード: {無線周波数識別;遅延;分散;時間領域解析;マイクロ波回路;符号化;オールパスネットワーク;アナログ信号処理;分散遅延構造(DDS);群遅延工学;無線周波数識別(RFID)},
  7. ^ Nikfal, Babak; Gupta S.; Caloz C. (2011年6月). 「高分解能アナログ信号処理のための群遅延スロープ増加ループシステム」. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 59 (6): 1622– 1628. Bibcode :2011ITMTT..59.1622N. doi :10.1109/TMTT.2011.2117436. S2CID  16526587.
  8. ^ B. NikfalとC. Caloz、「低複雑度かつ周波数スケーラブルな分散遅延構造に基づくアナログリアルタイムFDM受信機」、2011年第41回欧州マイクロ波会議、マンチェスター、英国、2011年、pp. 397-400、doi: 10.23919/EuMC.2011.6101873。キーワード: {周波数分割多重化;受信機;遅延;周波数変調;送信機;トランシーバー;リアルタイムシステム}
  9. ^ B. Nikfal, S. Gupta, C. Caloz, "補助パルスとの混合に基づく低コストアナログパルス圧縮技術"、IEEE Microwave and Wireless Components Letters、第22巻、第3号、150-152頁、2012年3月、doi: 10.1109/LMWC.2012.2184274。キーワード: {ミキサー、ベースバンド、マイクロ波理論と技術、レーダー、遅延、帯域幅、アイソレータ、分散遅延構造（DDS）、ループシステム、パルス圧縮、パルス生成、超広帯域（UWB）技術}
  10. ^ Nikfal, Babak; Badiere D.; Repeta M.; Deforge B.; Gupta S.; Caloz C. (2012年11月). 「ステップ型群遅延位相器に基づく歪みの少ないリアルタイムスペクトラムスニフィング」. IEEE Microwave and Wireless Components Letters . 22 (11): 601– 603. Bibcode :2012IMWCL..22..601N. doi :10.1109/LMWC.2012.2219514. S2CID  42399893.
  11. ^ B. NikfalとC. Caloz、「再構成可能な漏洩波アンテナに基づくリアルタイムセクター検出」、2013年7回ヨーロッパアンテナ伝搬会議（EuCAP）、スウェーデン、ヨーテボリ、2013年、pp. 1788-1790。キーワード：{シリコン、アンテナ、リアルタイムシステム、歪み測定、漏洩波アンテナ（LWA）、周波数スニッフィング、到来方向検出、コグニティブ無線}
  12. ^ B. Nikfal, Q. Zhang, C. Caloz, "Enhanced-SNR Impulse Radio Transceiver Based on Phasers," in IEEE Microwave and Wireless Components Letters , vol. 24, no. 11, pp. 778-780, Nov. 2014, doi: 10.1109/LMWC.2014.2348792. キーワード: {ガウス雑音;信号対雑音比;分散;受信機;無線トランシーバー;分散工学;インパルス無線;位相器;無線アナログ信号処理;信号対雑音比},
  13. ^ WO2015179949A1、NIKFAL, Babak; Caloz, Christophe & SALEM, Mohamed Ahmed、「瞬時周波数分散を用いたデータ符号化方法および装置」、2015年12月3日発行 
  14. ^ Cooklev, Todor; Yagle, Andrew (2024). 現代通信システム入門. Michigan Publishing. doi :10.3998/mpub.14428518. ISBN 978-1-60785-848-5。
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