システム計測からみた高速化技術

システム計測からみた高速化技術
ー通信システムにおける高速化技法ー
西宏章
世の中にあふれる高周波
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皆さんが使っている携帯電話
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NTTドコモPDC、au CdmaOne
800MHz帯
ツーカー各社、J-フォン、NTTドコモシティホン
1.5GHz帯
PHS
1.9GHz帯
CdmaOne2000、NTTドコモ FOMA（W-CDMA）、Vodafone
Global Standard
2.0GHz
非常に高い周波数を使っています
Keio Univ. West Lab. Hiroaki Nishi
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パソコンの心臓部、プロセッ
サだって。。。
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実験でお話した「ムーアの法
則」に従い確実に高速化して
います
いまや、3.8GHzもあります
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実はとんでもない世界です
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自由空間では、1GHz は 30cmが1周期
プリント基板(FR-4)では、
約16cmです
4cm違うだけで、位相は
90度違います
3.8Gの世界では、1cm違う
だけで90度位相が違います。
つまり、信号が見えなくなり
ます
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配線を曲げるだけで！
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基板上の配線が90度で曲がると、波である信号が減衰
し、正しく情報を伝えることができなくなります
これは、90度のコーナーで反射した波と干渉し波が小さ
くなる、もしくはコーナー部分から外部に飛び出すため
です
テンペストというセキュリティーホールがうまれます
Keio Univ. West Lab. Hiroaki Nishi
そういう世界なので
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こんな回路で発振してしまいます
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発振に寄与するのは、直径1cmで
4回巻いたコイルと、その下の10pF
のコンデンサです
これで100MHz程度で発振します
実はこれ、FMトランスミッタです
コイルとはじくと「ビョン」という音がします
振動がコイルのインダクタンスを変化させるため、FM変調が
かかるからです
さらに、コイルに向かってしゃべると、FMラジオから声がでて
きます
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そのような状況なので。。。
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単にトランジスタや抵抗、コンデンサ容量を基に回路設
計しただけで動作しません
回路設計者は配線も含めて設計を行います
基板設計において、通常は、
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等長配線で波形のずれを抑えます
多層基板・ベタグラウンドを用います
ビアやスルーホールを工夫します
専用のCADを使って設計します
回路を一筆書きにします
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さらに、
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部品のパーツはどんどん小型化しています
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測定するのも大変です
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プローブをあてるとインピーダンスが変わるため、正し
い波形が観測できません
プローブの影響も考えて、出てきた結果を補正します
ネットワークアナライザという専用
の測定器も存在します
スミスチャートも描いてくれますし、
Sパラメータや雑音指数などの測定
が瞬時に行えます
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それを逆手にとって
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配線だけで回路が構成できます
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インピーダンスマッチングやフィルタの基本となるスタブが構成できます
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オープンスタブの入力インピーダンスは、
Zin   jZ 0 cot l   位相定数(2 ) l : スタブの長さ
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l   の範囲ではキャパシタとして、   l   の範囲ではインダク
タとして働くことがわかります
たとえば、 l   とすると、スタブの付け根で電圧を0にできるため、Notch
Filter (Band Elimination Filter)が構成できます
ショートスタブの入力インピーダンスは、
Zin   jZ 0 tan l
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オープンスタブの逆になります。たとえば、l   とすると、インピーダンスを
無限大にできるためBPF(Band Pass Filter)が構成できます
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この様な高周波技術はとても大切です
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高周波技術がなければ、テレビもラジオも携帯もパソコ
ンも、ありとあらゆる情報機器が存在できません
デジタル回路技術者は一般に論理設計だけ考慮して
いればよかったのですが、現在はアナログ設計も求め
られています
スーパーコンピュータ、ネットワークが専門なので、そち
らに話を移しますと。。。
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ネットワークに信号を正しく伝える
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ネットワークに信号を正しく伝えることはとても難しいこ
とです
現在の計算機ネットワークは結構とんでもない周波数
を平気で扱っています
さらに、それをかなり遠くに伝えようとしています
今や普通のLANケーブルで10Gbit/秒の情報を飛ばす
技術さえあります
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