通信システムにおけるADC入門

役割と重要性

通信システムは現代の情報化時代の中核をなすもので、電波、有線ケーブル、光ファイバなどの様々なチャネルを用いたデータ交換を容易にします。アナログ・デジタルコンバータ (ADC) は、現代の通信システムにおいて不可欠な機能を担っています。携帯電話、Wi-Fiルータ、イーサネットネットワーク、光通信の分野であっても、ADCは信号処理において極めて重要な役割を果たします。

代表的な通信システムでは、情報は媒体を通過するときにアナログ信号の形をとります。このアナログ信号は、音声、データ、画像、またはその他の情報コンテンツを含むさまざまなデータタイプを表すことができます。デジタル処理、保存、送信の前に、この情報はデジタル形式への変換を経験しなければなりません。この重要な変換プロセスは、ADCが機能し、アナログ信号を離散的なデジタルビットに変換するところにあります。その後のステップでは、これらのデジタルビットを受信側でアナログ信号に戻す変換が行われますが、最初の変換段階でのADCの不可欠な役割に焦点が当てられています。

通信システムの一般的なADC要件

分解能: 通信システムにおいては、ADCの分解能が中心的な仕様になります。ADCが入力アナログ信号を離散化できる精度の度合いを表します。高い分解能は、信号が広いダイナミックレンジを示す場合や、信号のわずかな変更でさえ正確な表現を必要とする状況では不可欠です。

サンプリングレート: サンプリングレートは別の重要なパラメータとして機能します。ADCが入力アナログ信号をサンプリングする周波数を定義します。ナイキストの定理に従うと、信号を正確に表現するためには、サンプリングレートは入力信号の最高周波数成分の少なくとも2倍でなければなりません。通信システムの分野では、特に無線通信や光通信などの高周波アプリケーションでは、高いサンプリングレートが不可欠になっています。

線形性: 通信システムでは、ADCは入力アナログ信号と結果として得られるデジタル表現との間で線形相関を維持することが不可欠です。線形性からの逸脱は歪みをもたらし、それによって伝送される情報の品質に影響を与えます。

消費電力: 通信システム、特に携帯機器や電池駆動機器の場合では、効率性は最優先事項によくなります。したがって、ADCの消費電力を慎重に考慮することが重要です。

ノイズ性能: ノイズは通信の完全性に大きな影響を与える可能性があるため、ADCは最小限のノイズ特性を示す必要があります。信号対雑音比 (SNR) は、ノイズ性能を評価するために用いられる共通の指標です。

帯域幅: ADCは、通信システムの目的に関連する周波数範囲に対応する十分な帯域幅を持たなければなりません。

与えられた通信システムの特定の要件を理解することは、必要な属性を持つADCを選択または設計するプロセスにおいて極めて重要になります。ADCは通信システムの基本的な土台であり、性能、電力効率、アプリケーションの要求に応じたコスト調整などの最適化が必要です。

ワイヤレス通信におけるADC

ソフトウェア無線での役割

ソフトウェア無線 (SDR) は、無線通信システムの構築と展開において変革の時代を先導してきました。従来のハードウェアベースの無線システムとは異なり、SDRはソフトウェアを利用して、従来ハードウェア領域で行われていた信号処理タスクを実行します。この適応性により、単一のSDRプラットフォームが複数の通信規格に対応し、ソフトウェアアップデートによる再構成や拡張ができるようになります。

図4 : SDRトランシーバ内のADC

SDRの領域では、ADCは重要な部品として極めて重要な役割を担います。代表的なSDR設定では、アンテナは様々な周波数と変調方式を含むアナログ信号を傍受します。アナログフロントエンドはこの信号をフィルタリングして増幅し、その後ADCによってデジタルフォーマットに変換します。このデジタル化に続いて、ソフトウェアベースのデジタル信号処理アルゴリズムが機能し、信号の復調や不要な干渉の除去などの特定の情報の抽出を容易にします。

本質的に、SDR内では、ADCはアナログRFドメインとデジタル処理領域の間の重要なリンクとして機能します。ADCの存在は、SDRの機能に不可欠な柔軟性と適応性を支えるため、最も重要です。ADCがなければ、SDR固有の優れた多様性と再構成可能性は達成できないままです。

セルラーおよびWi-FiアプリケーションのADC仕様

セルラーやWi-Fiアプリケーションの分野では、ADCに対する要求は非常に厳しく、高いデータレート、広い帯域幅、大きなノイズが特徴となる環境での信頼性の高い通信の保証が不可欠です。ここでは、これらのアプリケーションに関連するいくつかの重要なADC仕様について説明します。

サンプリングレート: 4G、5G、Wi-Fiなどの高いデータレート通信規格の場合、ADCは非常に高いレートでサンプリングする能力を持たなければなりません。例えば、特定の5G信号に関連する100MHzの帯域幅に対応するためには、ADCは最小サンプリングレートを200MSPS (メガサンプル/秒) とする必要があります。

分解能: ADCの分解能は、信号対量子化ノイズ比を形成する決定的な要因になります。より多くのビット数を意味する高分解能は、アナログ信号のデジタル表現の忠実性を高めます。セルラーおよびWi-Fiアプリケーションの分野では、標準として12から16ビットの範囲の分解能に遭遇するのが一般的です。

ダイナミックレンジ: 歪みを発生せずに広いスペクトルの信号レベルに対応するADCの能力が、重要な要件として浮上しています。これは、特にADCが近くのソースから発信される堅牢な信号と並んで遠くの基地局から発せられる非常に弱い信号と競合しなければならないセルラーシステム内で、重要性が高まっています。

線形性: ADCに起因する信号の歪みに対する保護をするためには、優れた線形性を達成することが不可欠になっています。これは通信システム内で特に顕著であり、非線形性がチャンネル間の干渉を引き起こす可能性があります。

消費電力: スマートフォンなどのモバイル機器の領域では、消費電力が最も重要な位置を占めます。ADCは、消費電力を最小限に抑えながら必要な機能を適切に実行し、バッテリー寿命を最大化する必要があります。

ノイズ性能: 無線通信の領域では、ノイズでいっぱいの環境の場合がよくあります。したがって、ADCは、困難なノイズ条件に直面しても忠実に信号をデジタル化するために、低ジッタと高信号対雑音比 (SNR) によって特徴付けられる優れたノイズ性能を示さなければなりません。

有線通信システムのADC

高速データ伝送でのアプリケーション

有線通信システムは、さまざまな産業、データセンタ、住宅環境にわたって不可欠なインフラとして機能し続けています。高速データ伝送の要求が高まるにつれ、有線通信システム内での高速データ伝送の厳しさを管理できるADCへの要求も急増しています。

有線通信でADCが重要な役割を果たす顕著な分野の1つは、イーサネットネットワーク内です。特にデータセンタやバックボーンネットワークにおける高速イーサネットの分野では、ギガビットおよび毎秒10ギガビットのデータレートに対応する高性能ADCの導入が義務付けられています。この場合、ADCは、ツイストペアケーブルや光ファイバーを介して受信したアナログ信号を、ネットワーク機器で処理可能なデジタルデータストリームに変換する作業を担います。

デジタル加入者線 (DSL) モデムでは、電話回線からのアナログ信号をデジタルデータに変換し、ブロードバンドインターネットサービスの提供を容易にするためにADCが不可欠な役割を果たします。

さらに、周辺機器とコンピュータをつなぐユニバーサルシリアルバス (USB) インタフェースもADCの機能を利用しています。例えば、オーディオインターフェースや外部サウンドカード内では、ADCはアナログオーディオ信号をデジタルデータに変換し、USB接続を介して送信します。

イーサネット、USB、およびその他の規格のADC要件

ADCは、信頼性の高いデータ伝送を保証するために、イーサネットやUSBインタフェースなどの高速有線通信システムの特定の性能要件を満たす必要があります。

高いサンプリングレート: ADCは、高いデータレートに対応するために、非常に高い周波数でサンプリングする能力が必要です。これには、10ギガビットのイーサネットのサンプリングレートがギガサンプル/秒 (GSP) の範囲で必要になる可能性があります。

分解能: 有線通信では、適度な分解能で十分であるが、それでも分解能は量子化ノイズ、そして最終的にはビット誤り率に影響を与えます。分解能は一般に8から14ビットの範囲です。

ジッタの性能: 高速データ転送にはタイミング精度が不可欠です。入力信号を正確な間隔で確実にサンプリングするには、ADCのジッタが低くなければなりません。

電力効率: 大規模なデータセンタでは、消費電力が深刻な問題になる可能性があります。そのため、このような状況で使用されるADCは、システム全体の消費電力を低減するために電力効率がよくなければなりません。

線形性と歪み: 高い線形性により、高速通信システムでシグナルインテグリティを確保するために不可欠なADCによる信号の歪みが少なくなることが保証されます。

統合とフットプリント: ADCを小型デバイス、特にUSBインタフェースのような民生用アプリケーションに適合させるためには、ADCは高度に集積化され、フットプリントが小さくなければなりません。

光通信システムにおけるADC

光ファイバトランシーバにおける役割

光通信システムは、データ伝送の革命をもたらし、長距離にわたって非常に高いデータレートを提供する能力を提供します。これらのシステムは伝送媒体として主に光ファイバに依存しています。これらの光通信の構成の中で、光ファイバトランシーバは重要な構成要素として出現し、光ネットワークと電気ネットワーク間の重要なインタフェースとして機能します。それらは光信号から電気信号への変換を容易にし、その逆もまた同様です。ADCはこの変換プロセスにおいて中心的な役割を担っており、特に光信号が電気信号に変換される受信経路において重要です。

受信経路では、移動は光検出器の作動を介して光信号を電気的な対応物に変換することから始まります。この電気信号は本質的にアナログですが、デジタルネットワークを介した処理や伝送を容易にするためにデジタルフォーマットへの変換が必要です。ここでは、ADCは最も重要な位置を仮定し、アナログ電気信号のデジタル表現への変換を容易にします。この変換プロセスは、伝送データの完全性を保護するために高い精度を示さなければならず、光通信システムにおけるADCの役割の重要性を明確にします。

高速、高分解能ADCの考慮事項

光ファイバトランシーバ用のADCを選択して配置する場合、考慮すべき重要な要素が多数あります。

高いサンプリングレート: 光通信システムはしばしば10Gbpsから100Gbps以上のデータレートで動作します。入力される高速信号を適切にサンプリングするためには、GSP (ギガサンプル/秒) サンプリングレートを持つADCが必要です。

分解能: 高分解能ADCは、入力信号をより高い精度と忠実度で表現するために役立ちます。この高精度化は、特に高速データ伝送の文脈では、伝送されるデータの完全性を維持する上で重要な役割を果たすため、最も重要です。8ビット以上の分解能を持つADCは、光通信システムでは一般的です。

ジッタとノイズの性能: データレートが高いレベルに達すると、タイミングの精度が重要な要素です。光通信システムに採用されるADCは、高速で正確に信号をサンプリングするために低ジッタを示す必要があります。加えて、信号対雑音比 (SNR) を高く維持するためには、特に遠距離で送信する場合には、低雑音レベルを維持することが不可欠です。

帯域幅: DCの入力帯域幅は光通信の信号帯域幅と一致、あるいはそれを超えなければなりません。これは、これらのアプリケーションが広帯域の光信号を効果的に処理するためには、数ギガヘルツの帯域幅を持つADCが必要であることを意味します。

消費電力と熱放散: データセンタのような大規模な光ネットワークでは、消費電力と発熱が大きな課題になります。したがって、電力効率の高いADCを選択することは、エネルギー使用量を管理し、熱関連の問題を軽減するために、このようなシナリオで重要な考慮事項になります。

他の部品との統合: 光通信システムでは、増幅器、クロックソース、デジタル信号プロセッサなどの補完部品とのシームレスな統合が最重要です。トランシーバモジュールや他のシステムコンポーネントに容易に組み込むことができるADCは、システムの設計と展開を合理化するために非常に好まれます。