周波数2倍で6dB悪化ミリ波用PLLのC/N

低エラー・レート広帯域SDR入門

ミリ波用PLLのC/Nの基本と影響

ミリ波システムにおいて，位相雑音，すなわちC/N（キャリア・ツー・ノイズ比）は非常に重要な評価項目です．今回のように周波数を4倍にする場合，位相雑音がどのように変化するかを理解することは欠かせません．位相雑音は位相変調やFM変調として数学的に表現され，周波数が動いているように見える信号の揺らぎを示しています．この位相雑音は周波数が上がるほど増幅され，周波数が4倍になれば位相雑音も4倍大きくなる特性があります．つまり，周波数が高くなるとC/Nが悪化する傾向が強いです．

VCOのC/Nと周波数倍増の影響

実際の例として，4GHz帯で使用されるVCOのC/Nを考えます．VCOは基準となる値をもち，一般的に10kHz付近のオフセット周波数で評価されます．ここで示されるC/Nは-90dBc/Hz程度ですが，この値は基本的に4GHz用のスペックです．ミリ波帯での高周波に適用すると，倍々に周波数が上がるごとにC/Nは6dBずつ悪化していきます．つまり，8GHzでは4GHzに比べ6dB悪化し，16GHzではさらに12dB，32GHzでは18dBの悪化になります．

C/N悪化の注意点と設計への影響

周波数の上昇によるC/N悪化は，位相変調の性能に直結します．悪化した位相雑音は信号品質の低下や復調性能の悪影響を招きます．このため，ミリ波設計では位相雑音をいかに抑えるかが重要で，以下のポイントを意識する必要があります．

1. 位相雑音の基本特性を理解し，周波数倍増に伴う悪化を計算する
2. VCOやPLLの仕様を実際の周波数帯に適用し，必要なC/N性能を評価する
3. 設計段階で位相雑音の抑制策や補正方法を検討する

まとめると，4GHzで-90dBc/HzのC/Nは，32GHzにおいて72dBほど悪化する可能性があり，これを軽視するとシステムの性能低下につながります．ミリ波通信システムの設計において，位相雑音の管理は非常に重要な課題です．

〈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．
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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．
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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．
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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．
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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．