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設計技術シリーズ

ソフトウェアで作る無線機の設計法

編著: 太郎丸 眞氏(福岡大学)
阪口 啓氏(東京工業大学)
執筆者: 太郎丸 眞氏(福岡大学)
阪口 啓氏(東京工業大学)
高田 潤一氏(東京工業大学)
荒木 純道氏(東京工業大学)
眞田 幸俊氏(慶應義塾大学)
横野 聡氏(日本無線(株))
末松 憲治氏(東北大学)
上原 一浩氏(岡山大学(元 日本電信電話(株)))
藤井 威生氏(電気通信大学)
原田 博司氏(京都大学(元 情報通信研究機構))
宮本 健宏氏(マイクロウェーブファクトリー(株)(元 日本電業工作㈱))
小島 浩氏(ノキアソリューションズ&ネットワークス(株))
価格: 4,300円(本体)+税
判型: A5
ページ数: 292 ページ
ISBN: 978-4-904774-47-2
発売日: 2016/9/28

【編著者】

太郎丸 眞(たろうまる まこと)
福岡大学 工学部 教授 博士(情報工学)
昭和62年東京工業大学大学院理工学研究科電気・電子工学専攻修了、
同年九州松下電器 (株) 入社。同社在籍中、
平成9年九州工業大学大学院情報工学研究科にて博士(情報工学)の学位を取得。
平成13年九州産業大学工学部助教授
平成16年 (株) 国際電気通信基礎技術研究所 (ATR) 波動工学研究所入社
平成17年同所無線方式研究室長
平成22年より現職
平成26~28年電子情報通信学会無線通信システム研究専門委員会委員長
無線通信システムを中心に、信号処理から送受信回路までの研究に従事。
大学では無線部の顧問となり、アマチュア無線のモールス電信による交信で 「ディジタル無線通信」 を楽しんでいる。
阪口 啓(さかぐち けい)
東京工業大学 准教授 ドイツFraunhofer研究所 兼務
平成10年東京工業大学物理情報工学専攻修士課程修了、
平成18年東京工業大学電気電子工学専攻学術博士取得。
平成25~27年電子情報通信学会ソフトウェア無線 (現スマート無線) 研究専門委員会委員長。
現在はミリ波帯を用いた第5世代無線通信システム (5G) の研究開発および国際標準化に従事。その傍らで無線給電の研究も行い線に捕らわれない自由な通信の実現を目指している。

【目次】

序文

Ⅰ 序論
  1. 1.ソフトウェア無線の歴史と現状
  2. 2.周波数有効利用・スペクトル管理とソフトウェア無線技術

Ⅱ 無線通信システム設計の基礎理論

  1. 1.基礎数学
    1. 1-1 複素数と複素関数
      1. 1-1-1 三角関数
      2. 1-1-2 複素数
      3. 1-1-3 オイラーの公式
      4. 1-1-4 帯域信号
    2. 1-2 フーリエ級数とフーリエ変換
      1. 1-2-1 フーリエ級数
      2. 1-2-2 フーリエ変換
    3. 1-3 サンプリング定理
      1. 1-3-1 パルス列
      2. 1-3-2 帯域制限
      3. 1-3-3 ナイキスト周波数
    4. 1-4 フィルタ理論
      1. 1-4-1 畳み込み
      2. 1-4-2 アナログフィルタ
      3. 1-4-3 デジタルフィルタ
      4. 1-4-4 ウィナーフィルタ
    5. 1-5 確率過程
      1. 1-5-1 ランダムパルス列
      2. 1-5-2 自己相関
      3. 1-5-3 電力スペクトル
      4. 1-5-4 白色過程
  2. 2.無線通信理論
    1. 2-1 信号システム
      1. 2-1-1 線形時不変システム
      2. 2-1-2 等価低域表現
      3. 2-1-3 自己相関と電力スペクトル
      4. 2-1-4 加法性雑音
    2. 2-2 情報の理論的表現
      1. 2-2-1 情報量とエントロピー
      2. 2-2-2 通信路と条件付エントロピー
      3. 2-2-3 相互情報量
      4. 2-2-4 通信路容量
      5. 2-2-5 連続信号の通信路容量
    3. 2-3 送受信機の構成
      1. 2-3-1 デジタル変調
      2. 2-3-2 波形整形
      3. 2-3-3 アップコンバータ
      4. 2-3-4 受信機
      5. 2-3-5 ダウンコンバータ
      6. 2-3-6 整合フィルタとシンボル同期
      7. 2-3-7 同期検波
      8. 2-3-8 デジタル復調
    4. 2-4 検出理論
      1. 2-4-1 確率分布
      2. 2-4-2 最尤推定
      3. 2-4-3 しきい値判定
      4. 2-4-4 判定誤り
      5. 2-4-5 QPSK変調の誤り率
    5. 2-5 無線伝搬路
      1. 2-5-1 システムモデル
      2. 2-5-2 伝搬路の利得
      3. 2-5-3 フェージング

Ⅲ 送受信機の信号処理と要素技術

  1. 1.送受信機の構成と要素技術
    1. 1-1 符号化と復号
    2. 1-2 信号処理の実装とアナログ・ディジタル信号処理の関係
    3. 1-3 アナログ処理とディジタル処理
    4. 1-4 高周波回路技術
  2. 2.変調と復調
    1. 2-1 変調の目的と種類
      1. 2-1-1 変調とは
      2. 2-1-2 無線通信における変調の目的
      3. 2-1-3 変調方式の大分類
    2. 2-2 アナログ変調
      1. 2-2-1 アナログ変調とは
      2. 2-2-2 振幅変調(AM)
      3. 2-2-3 各種AMの数式表現
      4. 2-2-4 周波数変調(FM)
      5. 2-2-5 FMとPM
      6. 2-2-6 AMとFM
    3. 2-3 ディジタル変調
      1. 2-3-1 ASK:amplitude shift keying
      2. 2-3-2 FSK:frequency shift keying
      3. 2-3-3 PSK:phase shift keying
      4. 2-3-4 多値変調とシンボル
      5. 2-3-5 変調出力の一般表現と複素数表現
      6. 2-3-6 コンスタレーション
      7. 2-3-7 QAM
      8. 2-3-8 変調パルスの狭帯域化
      9. 2-3-9 FSKの狭帯域化:GMSK
      10. 2-3-10 ASK、PSK、QAMの帯域制限
    4. 2-4 復調
      1. 2-4-1 復調と検波
      2. 2-4-2 同期検波
      3. 2-4-3 遅延検波(differential detection)
      4. 2-4-4 周波数検波
      5. 2-4-5 準同期検波による各種検波方式について
  3. 3.スペクトル拡散とOFDM
    1. 3-1 スペクトル拡散通信
    2. 3-2 直交周波数多重
  4. 4.直接スペクトル拡散信号のシンボル同期
  5. 5.チャネル推定
    1. 5-1 時間領域におけるチャネル推定
    2. 5-2 周波数領域におけるチャネル推定
  6. 6.ダイバーシチ受信
    1. 6-1 移動体通信路
      1. 6-1-1 フラットフェージングおよび周波数選択性フェージング
      2. 6-1-2 ダイバーシチ受信方式
      3. 6-1-3 ダイバーシチ受信信号の合成法
      4. 6-1-4 フェージング通信路における復調特性
  7. 7.MIMO伝送
    1. 7-1 MIMOシステムの容量
    2. 7-2 MIMOシステムの受信処理
      1. 7-2-1 Zero-Forcingアルゴリズム
      2. 7-2-2 最尤推定復調アルゴリズム
  8. コラム
  9. 無線機の機能ブロックと信号処理の用語について
  10. アップコンバート/直交変調と等価低域表現、複素ベースバンド、複素包絡線
  11. 検波と復調
  12. ダウンコンバート、準同期検波の同義語
  13. その他

Ⅳ 送受信機構成と信号処理のディジタル化・ソフトウェア化

  1. 1.送受信機のアーキテクチャ
    1. 1-1 送受信機の構成要素
      1. 1-1-1 周波数変換の目的
      2. 1-1-2 ミクサと周波数変換
      3. 1-1-3 局部発振器(local oscillator)
    2. 1-2 送信機アーキテクチャ
      1. 1-2-1 直交変調による構成
      2. 1-2-2 FMまたはFSK送信機
      3. 1-2-3 終段変調によるAM送信機
    3. 1-3 受信機アーキテクチャ
      1. 1-3-1 スーパーヘテロダイン方式
      2. 1-3-2 スーパーへテロダイン方式とイメージ妨害
      3. 1-3-3 ダイレクトコンバージョン方式
      4. 1-3-4 RFダイレクトサンプリング方式
      5. 1-3-5 ローカルの位相雑音とレシプロカルミキシング
  2. 2.アナログ処理とディジタル処理の切り分け
    1. 2-1 送信機のディジタル化
      1. 2-1-1 サンプリング周波数
      2. 2-1-2 量子化雑音と量子化ビット数
      3. 2-1-3 アンダーサンプルによるD/A変換
    2. 2-2 受信機のディジタル化
      1. 2-2-1 RFサンプリング
      2. 2-2-2 IFサンプリング
      3. 2-2-3 ベースバンドサンプリングおよびLow IFサンプリング
      4. 2-2-4 受信機のダイナミックレンジとADCの量子化ビット数
    3. 2-3 ADCとサンプルホールド
      1. 2-3-1 サンプルホールド回路のLPF効果と実効ビット数低下
      2. 2-3-2 アンダーサンプルと留意点
    4. 2-4 ADCにおけるSNR劣化とオーバーサンプリングによる改善
      1. 2-4-1 量子化雑音
      2. 2-4-2 サンプリングクロックのジッタによる雑音
      3. 2-4-3 オーバーサンプリングとデシメーションによるSNR改善
    5. 2-5 雑音指数と非線形歪の影響
  3. 3.信号処理のソフトウェア化とハードウエアのリコンフィギャラブル化
    1. 3-1 ソフトウェア無線機とリコンフィギャラブルハードウエア
    2. 3-2 アナログ回路のリコンフィギャラブル化
      1. 3-2-1 RFサンプリング受信機の場合
      2. 3-2-2 IFサンプリングまたはベースバンドサンプリングの場合
    3. 3-3 ディジタル信号処理のリコンフィギャラブル化

Ⅴ ソフトウェア無線のための高周波回路技術

  1. 1.送受信高周波部のシステム設計
    1. 1-1 システム要求性能と送受信機特性
    2. 1-2 無線システムと送受信高周波部構成
    3. 1-3 受信高周波部の構成
    4. 1-4 送信高周波部の構成
    5. 1-5 送受信高周波部の全体構成
  2. 2.マルチバンド・広帯域RF回路
    1. 2-1 求められる特性と回路技術
    2. 2-2 コグニティブ無線用送受信Si-RFICの開発例
  3. 3.可変フィルタ
    1. 3-1 可変RFフィルタ
    2. 3-2 可変BBフィルタ
  4. 4.広帯域マルチモード受信機への応用
    1. 4-1 RFダイレクトサンプリングHF受信機
      1. 4-1-1 概要
      2. 4-1-2 理想的アーキテクチャと現実的アーキテクチャ
    2. 4-2 真のマルチチャネル、マルチモード受信機への挑戦
      1. 4-2-1 従来方式の問題と本方式の利点
      2. 4-2-2 感度と実効感度
      3. 4-2-3 SDRのアナログ自動利得制御(AGC)についての問題
      4. 4-2-4 インターセプトポイント(IP3、IP2)の問題
      5. 4-2-5 ADCのサンプリングジッタの問題
    3. 4-3 システムプランと設計
      1. 4-3-1 仕様の決定
      2. 4-3-2 レベルプラン1(受信機のMDS計算)
      3. 4-3-3 レベルプラン2(ADC選択とプロセスゲイン)
      4. 4-3-4 レベルプラン3(フロントエンドの利得計算)
      5. 4-3-5 バックエンドのノイズフィギュア
      6. 4-3-6 ADCのノイズフィギュア
      7. 4-3-7 デジタル信号処理部でのノイズ
      8. 4-3-8 ADCのインターセプトポイント
      9. 4-3-9 フロントエンドのノイズフィギュア
      10. 4-3-10 インターセプトポイント(IP3)のデザイン
      11. 4-3-11 フロントエンドのデザイン
      12. 4-3-12 アンプのデザイン
      13. 4-3-12-1 ベースアンプのデザイン
      14. 4-3-12-2 RFアンプのデザイン
      15. 4-3-13 設計検証と確認
    4. 4-4 総合性能の確認
  5. 5.ソフトウェア無線機のための高周波回路技術
    1. 5-1 アンテナ設計の基本的考え方
    2. 5-2 アンテナの基本原理と広帯域化・マルチバンド化手法
    3. 5-3 広帯域アンテナ・マルチバンドアンテナの実例

Ⅵ ソフトウェア無線機の具体例と設計上の留意点

  1. 1.GNU Radio-オープンソースによるソフトウェア無線機
    1. 1-1 GNU Radioとは
    2. 1-2 GNU Radioの構造
    3. 1-3 GNU Radioの動作するハードウェア
    4. 1-4 GNU Radioによるソフトウェア無線機の実装
    5. 1-5 GNU Radioを使った研究開発事例
    6. 1-6 おわりに
  2. 2.コグニティブ無線へのSDRの応用
    1. 2-1 概要
    2. 2-2 ヘテロジニアス型コグニティブ無線技術の開発事例
  3. 3.リコンフィギャブルプロセッサを用いたソフトウェア無線機(送受信機)の実装例
    1. 3-1 概要
    2. 3-2 RF BoardおよびAD/DA Boardの構成と周波数関係
    3. 3-3 まとめ 283
  4. 4.LTE基地局への応用
    1. 4-1 市場動向
    2. 4-2 ソフトウェア無線ベースの基地局
      1. 4-2-1 ソフトウェア無線ベースの基地局アーキテクチャ
      2. 4-2-2 LTE基地局への応用

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