アナログ直交ミキサの弱点ローカル信号の漏れ

低エラー・レート広帯域SDR入門

アナログ直交ミキサの弱点

アナログ直交ミキサの最大の問題点は，乗算という演算処理をアナログ領域で行う点にあります． ミキサは周波数変換のために，入力信号とローカル信号を乗算する構成です． アナログ的に乗算を行う限り，乗算結果に誤差が発生することは避けられません． この演算誤差がシステム全体の性能に影響するため，重要な課題です．

I/Qバランスの不一致と直交誤差

アナログI/Qミキサでは，信号を$I$と$Q$の2成分に分けて処理します． ここで問題になるのが$I$と$Q$のバランスです． $I$側のゲインが大きく，$Q$が小さいというような不均等が発生することがあります． さらに，$I$と$Q$の直交性を保つためには，ローカル信号に90°の位相差を正確にもたせる必要があります． この位相精度が悪いと直交性が崩れ，変換後に不要なイメージ成分が残ってしまいます．

本来，ローカル＋IFの成分だけが出力に残って，ほかの成分は除去されるべきです． ただし直交精度が悪いと，ローカル-IF側の不要な成分も出力に現れます． このようなイメージ信号の漏れはシステムの誤動作や性能劣化の原因になります．

ローカル信号の漏れとその原因

アナログ・ミキサにはローカル信号の漏れ（ローカル・リーク）という現象もあります． これはDC成分に依存してローカル信号がそのまま出力に現れてしまう現象です． ローカル・リークの原因には以下のようなものがあります．

1. DCバイアスの残留によりミキサからローカル信号が出力される
2. バランス・ミキサの左右対称性が保たれていない
3. ローカル信号のアイソレーションが不足している

これらはアナログ構成の限界に由来しており，完璧に除去するのは困難です．

EVMとキャリブレーションの必要性

アナログ直交ミキサにおいて発生する直交誤差やローカル・リークは，システムの誤差ベクトル振幅（EVM）に直結します． 性能が良好な場合でも，イメージ抑圧比は45dB程度にとどまります． 40dB程度の抑圧比であれば，EVMはおおよそ1$\%$になります． この程度であれば，通信システムとしてぎりぎり許容される範囲です．

ただし，キャリブレーションを行わない場合，これよりはるかに悪化する可能性があります． 実際にディジタル変調を適用すると，誤差の影響が大きく，無視できないレベルに達します． このため，実運用ではアナログ・ミキサの特性誤差を補正するキャリブレーション処理が不可欠です．

ディジタルI/Q変換では，$I$と$Q$のレベル差も極めて小さいです． そのため，直交誤差がほとんど発生しません． 一方で，アナログ方式は広い帯域を処理できる利点がある反面，誤差の影響を考慮して使う必要があります． ユーザ側でキャリブレーションや補償手法を理解して適用する意識が求められます．

〈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！プロ用USBマルチ測定器 ADP5250誕生，ZEPエンジニアリング．
10. 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．
11. 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．
12. 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．
13. 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．
14. 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．
15. 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．
16. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.7]，ZEPエンジニアリング．
17. 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．
18. 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．
19. GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機，ZEPエンジニアリング．
20. ［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．
21. ［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．
22. ［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．
23. ［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．
24. ［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．
25. ［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．