[論文レビュー] Microwave Analog Signal Processing (ASP) Based on Group Delay Engineering for High Speed and High Frequency Applications

Christophe Caloz, Shulabh Gupta+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2013

Microwave Engineering and Waveguides参考文献 34被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、群遅延工学に基づくマイクロ波アナログ信号処理（ASP）を提案し、高速・高周波応用を実現する。非線形群遅延応答を有するフォーマーを設計することで、リアルタイムのフーリエ変換を実現し、可変パルス遅延、スペクトルスニーピング、高分解能・広帯域を備えたリアルタイムスペクトル解析といった高度な機能を可能にする。

ABSTRACT

Analog signal processing (ASP) is presented as a systematic approach to address future challenges in high speed and high frequency microwave applications. The general concept of ASP is explained with the help of examples emphasizing basic ASP effects, such as time spreading and compression, chirping and frequency discrimination. Phasers, which represent the core of ASP systems, are explained to be elements exhibiting a frequency-dependent group delay response, and hence a nonlinear phase response versus frequency, and various phaser technologies are discussed and compared. Real-time Fourier transformation (RTFT) is derived as one of the most fundamental ASP operations. Upon this basis, the specifications of a phaser resolution, absolute bandwidth and magnitude balance are established, and techniques are proposed to enhance phasers for higher ASP performance. Novel closed-form synthesis techniques, applicable to all-pass transmission-type cascaded Csection phasers, all-pass reflection-type coupled resonator phasers and band-pass cross-coupled resonator phasers are described. Several applications using these phasers are presented, including a tunable pulse delay system, a spectrum sniffer and a realtime spectrum analyzer (RTSA). Finally, future challenges and opportunities are discussed.

研究の動機と目的

• 次世代通信およびセンシングシステムにおける高速・高周波信号処理の増大するニーズに対応する。
• アナログドメイン処理を活用することで、従来のデジタル信号処理がリアルタイム・ワイドバンド応用において抱える制限を克服する。
• 時間圧縮や周波数分離といった基本的なASP操作を可能にするために、周波数依存の精密な群遅延応答を有するフォーマーを開発する。
• 実用的なASPシステムを定義するための性能仕様（分解能、絶対帯域幅、マグニチュードバランス）を確立する。
• 高度なフォーマー設計を通じて、可変パルス遅延、スペクトルスニーピング、リアルタイムスペクトル解析といった新規応用を実現する。

提案手法

• 非線形群遅延応答を有するフォーマーをコア部品として用い、マイクロ波領域におけるアナログ信号処理を実現する。
• フォーマー応答特性に基づき、リアルタイムフーリエ変換（RTFT）を基礎的なASP操作として導出する。
• 3種類のフォーマー形式（直列接続Cセクション全通型伝送、反射型結合共振器、バンドパスクロス結合共振器）に対する閉形式合成技術を提案する。
• 分解能の向上、広帯域、マグニチュード応答のバランスを最適化することで、ASP性能を向上させるフォーマー設計を最適化する。
• 分散および共振構造を用いた実装により、チューナブル性とリアルタイム信号処理能力を有するフォーマー基盤システムを実現する。
• フォーマーを、可変パルス遅延、スペクトルスナッファー、リアルタイムスペクトルアナライザー（RTSA）といった機能的システムに統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォーマーにおける群遅延工学は、どのようにマイクロ波システムにおけるリアルタイムアナログ信号処理を可能にするか？
• RQ2 高性能ASPシステムを特徴付ける主要な性能仕様（分解能、帯域幅、マグニチュードバランス）は何か？
• RQ3 閉形式合成技術は、多様なフォーマー構造にどのように応用され、最適な群遅延応答を達成できるか？
• RQ4 フォーマー基盤システムは、スペクトルスニーピングやリアルタイムスペクトルアナライシスといった高度な応用をどの程度サポートできるか？
• RQ5 アナログドメイン処理を用いた高速・高周波ASPを実現するにあたり、根本的なトレードオフと設計制約は何か？

主な発見

• 本稿は、設計された群遅延を有するフォーマーによって、リアルタイムフーリエ変換（RTFT）が基本的な操作として実現可能であることを確立した。
• 全通型伝送型直列Cセクション、全通型反射型結合共振器、バンドパスクロス結合共振器の3種類の異なるフォーマー構造に対して、閉形式合成技術が成功裏に開発された。
• 分解能が向上し、広帯域を有するフォーマーが実証され、高周波応用における高精度な信号処理を可能にした。
• 提案されたフォーマー設計を用いて、可変パルス遅延システムが実現され、信号伝搬時間の制御が実証された。
• 機能的なスペクトルスナッファーおよびリアルタイムスペクトルアナライザー（RTSA）が実装され、ASPフレームワークの実用的有用性が検証された。
• 本研究は、特に高周波数および広帯域へのスケーリングを念頭に、マイクロ波ASP分野における今後の開発の課題と機会を同定した。