チャネル間の位相と同期・校正

例えば、USRPの受信チャネルCH0とCH1に、同じ周波数の信号を入力して収録したとします。

収録した2つの波形を同じ時間軸で重ねたとき、山と谷の位置が重なっていれば、位相差は0°です。一方、CH0の山に対してCH1の山が4分の1周期ずれていれば、位相差は90°です。1周期を360°として、波形のずれを角度で表しています。

このような、同じ時刻におけるチャネル間の波形の位置の違いを「チャネル間の位相差」と呼びます。

同じ信号を入力しても、位相差が生じることがあります

1つの信号源から信号を2つに分け、USRPのCH0とCH1へ入力する場合を考えます。元は同じ信号でも、分配器やケーブル、USRP内部の受信回路を通る間に、それぞれの信号に異なる位相のずれが加わることがあります。

そのため、収録した2つの波形が、必ず同じ山と谷の位置になるとは限りません。

各チャネルのLOも、位相差の原因になります

LO（局部発振信号）を使う受信回路では、LOの位相が受信データの位相に影響します。

RFモジュール内にチャネルごとに独立したLOを持つ構成では、CH0とCH1を同じ受信周波数に設定しても、それぞれのLOの位相が揃うとは限りません。そのため、各チャネルの入力端子に同じ位相のRF信号が届いていても、収録したIQデータに位相差が生じます。

まとめ：位相差は、同じ時刻における波形の位置の違いで、入力信号だけでなく測定系によっても生じます。

複数台USRPを使用する場合、サンプリングや収録開始のタイミングと、チャネル間の信号の位相関係を扱う必要があります。タイミング同期と位相同期は、それぞれ役割が異なります。

タイミング同期：サンプリングの基準と開始タイミングを合わせる

リファレンスクロックは、各USRPのサンプリングクロックの周波数基準です。共通のリファレンスクロックを使用することで、機器間でサンプリングの周期がずれていくことを抑えます。

PPSは、複数台のUSRPで収録・再生の開始タイミングを合わせるための基準信号です。共通のPPSを基準に、各USRPが同じタイミングで収録・再生を開始するよう設定します。

位相同期：チャネル間の信号の位相関係を扱う

リファレンスクロックとPPSでタイミングを合わせても、各チャネルのLOや内部回路による位相のずれまで揃うわけではありません。

チャネル間の位相関係を測定や信号の合成に利用するには、機種に応じてLOを共有したり、LOや信号処理の同期設定を行ったりする必要があります。具体的な接続と設定は、次章で説明します。

初期位相差の再現性：再起動や周波数の再設定後も、同じ位相差になるか

収録・再生を開始したときに現れるチャネル間の位相差を、ここでは「初期位相差」と呼びます。

例えば、同じ信号を各受信チャネルへ入力したとき、CH1がCH0より30°遅れていたとします。USRPの電源を入れ直したり、受信周波数を変更してから元に戻したりした後も、同じ条件で再び30°の位相差になることを「初期位相差の再現性がある」といいます。

位相差が再現すれば、以前に求めた補正量を再利用できる可能性があります。再現しない場合は、その都度位相差を測定し直し、データを校正する必要があります。具体的な測定・校正方法は第5章で説明します。

初期位相差が再現することと、連続動作中に位相差が変化しないことは別です。再測定・再校正が必要になる条件は、第6章で説明します。

同じ信号を各チャネルに入力します

まずチャネル間の位相差がどの程度あるか、測定を行います。USRPの受信チャネルCH0とCH1を使う例で説明します。

1つの信号源からCW信号を2分配器で分け、同じ種類・長さのケーブルでCH0とCH1へ接続します。受信周波数・ゲイン・同期設定は、実際の測定で使用する条件に合わせます。

例えば、受信中心周波数を2 GHz、帯域幅を10 MHz、IQレートを12.5 MS/sとし、信号源から2.001 GHzのCWを入力します。収録したIQデータでは、受信中心周波数から＋1 MHzの信号になります。

ここでは、分配器とケーブルによる経路間の位相差は無視でき、各チャネルの入力端子に同じ位相の信号が届くものとして説明します。

収録データからチャネル間位相差を求めます

収録した両チャネルのIQデータを、お客様の解析プログラムで読み込み、同じサンプル位置で位相を比較します。ノイズの影響を減らすため、信号が安定している区間の複数サンプルから位相差を求めます。

例えば、CH1がCH0より30°遅れていた場合、この30°をUSRPの受信系による位相差として扱います。

お客様の解析環境でデータを校正します

測定した位相差を使って、収録したIQデータを校正します。この例では、PythonやMATLABなどのお客様の解析プログラムで、CH0を基準にCH1の位相を30°進めます。

具体的には、CH1の各IQサンプルを複素平面上で30°回転させます。サンプルの時間位置は変えず、各サンプルのIとQの値を変える処理です。

まず位相差の測定に使ったデータへ適用し、CH0とCH1の位相差がほぼ0°になることを確認します。

波形はIQデータのI成分を示す説明図で、実測値ではありません。点は80 nsごとのサンプル位置です。図を選択すると拡大できます。

測定対象のデータへ適用します

位相差の測定後、2本のケーブルを分配器から外し、それぞれを測定用のアンテナへ接続します。USRP側の接続と、受信周波数・ゲイン・同期設定は維持します。

測定系の位相差が変わっていなければ、アンテナで受信したCH1のデータにも、位相を30°進める校正を適用できます。これにより、USRPの受信系によるずれを取り除き、アンテナに届いた信号の位相差を調べます。

電源再投入や周波数の再設定などを行った場合の再測定については、次章で説明します。

広帯域と送信側の校正

この例で測定したのは、受信中心周波数から＋1 MHzの信号に対する位相差です。広帯域のデータを校正する場合は、CWの周波数を変えて測定するなどして、帯域内の位相差や遅延の周波数依存性も確認します。

送信側も、送信回路やケーブルを含めた位相差を別に測定し、その結果に基づいて校正します。受信側で求めた補正量を、そのまま送信側へ適用することはできません。

受信チャネル間の位相同期について、1台内と複数台構成の対応を示します。

○：対応　×：非対応　—：対象外

機種別の配線と設定条件は、第4章「USRPの同期方法」をご覧ください。