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ギガビット電力線ネットワークと無線サービスとの両立性

by Dr David Lauder, University of Hertfordshire

要約

最近、主電源配線を介して「ギガビット」と表現されるビット・レートでデータを伝送する家庭用電力線ネットワーク・アダプタが市場に現れている。そのような製品は、汎用のコンピュータ・ネットワークのためのみではなく、マルチ・ユーザーの高品質ビデオ・ストリーミングのためにも意図されている。そのようなデバイスは、HF バンドの伝導エミッションに加えて、 50MHz から 300MHz のあいだの VHF 伝導エミッションも生じる。この記事は、VHF アマチュア・バンドとともに、 FM 放送、民間航空、移動サービス、そして DAB を含む VHF 無線サービスとの、そのようなデバイスの両立性を検討する。主電源網の VHF における特性も検討される。

ギガビット電力線ネットワーク

電力線ネットワーク・アダプタ、時に PLA と呼ばれるものは、電力線通信 (PLT) を使用する。コンピュータ・ネットワーク・データを「ギガビット」と表現されるビット・レートで主電源線を介して伝送する PLA デバイスが市場に現れている。

そのような製品は、既存の電力配線を用いての、コンピュータ・ネットワークやマルチ・ユーザー高品質ビデオ・ストリーミングのために意図されている。そのようなデバイスは、HF バンドの、そして主電源を介した経路損失が高過ぎないならば VHF バンドの周波数を用いる。

VHF 伝導エミッション試験

Figure 1: VHF LISN の回路図

Figure 2: 試作の VHF LISN のレイアウト

30MHz よりも上では通常は伝導エミッション試験は行なわれないが、 PLA エミッションのスペクトラム特性を同定するため、 30～300MHz の VHF 伝導エミッション測定が行なわれた。特に VHF での使用のために、Figure 1 で示すようなプロトタイプの LISN が設計された。その原理は 30MHz までで用いられている CISPR `V' 型 LISN に似ている。 RF 出力 RF_Out1 と RF_Out2 は、フェーズとニュートラルの接地に対するエミッションをスペクトラム・アナライザや測定用受信機を用いて測定できるようにする、 2つの BNC ソケットである。

使用されていない出力は BNC ソケットに挿された 50Ω 負荷 RL で終端される。 C1～C4 は 2.2nF AC 400V Class Y キャパシタである。このタイプは安全上の理由のために必要であるが、VHF で理想的な RF 特性を持たず、このため直列インピーダンスの低減のために2つを並列に用いている。 L1 と L2 は、クリップ式フェライト・コア、TDK ZCAT2032-0930 にワイヤを3回巻いたものである。 L1 と L2 のそれぞれは 20～320MHz の範囲で 200～500Ω のインピーダンスを持つ。 L3 は3本の導体全てを TDK ZCAT3035-1330 クリップ式フェライト・コアに通して作られたコモン・モード・チョークである。

Figure 2 は銅のグランド・プレーン上のその VHF LISN の構造を示す。ゴムの主電源ソケットの接地ピンは、そのグランド・プレーンに直接接続されている。

その VHF LISN はネットワーク・アナライザを用いて校正され、 300MHz での 3dB まで周波数に伴って増加する小さい損失を持つことがわかった。この LISN トランスジューサ・ファクタは結果に加味された。これらの PLA は通信ペアとして試験する必要があるので、エミッションが測定される「ローカル」の PLA は VHF LISN に挿し込まれ、これは VHF LISN の反対側の「遠隔」の PLA と通信した。 LISN 内でフェーズとニュートラルのワイヤに直列に入れられているチョークは、測定結果が主に「ローカル」な PLA によるものとなるが、 2台の PLA が通信できるようにするのに充分な信号が通過するように、 2台の PLA のあいだを通過する RF 信号を減衰させる。それらの PLA は接地接続を持たず、 Figure 1 のフェーズとニュートラルの出力でのエミッションの測定のあいだに顕著な違いがないことがわかった。

PLA からのエミッションがパルス変調されており、データの流量が増加するとデューティー比が増加することがわかった。それらの PLA は電力網を介してネットワークされた 2台の PC のあいだで大きなファイルを転送することで動作させられた。「生」のデータ・レートはこれよりも高かったであろうものの、これは 40～50Mb/s のユーザ・データ・レートをもたらした。伝導エミッションのスペクトラムは、125kHz ステップで 20～330MHz の範囲の 2401個のスポット周波数で測定された。準尖頭値 (QP) 検波器と 120kHz の分解能帯域幅が用いられた。その結果を Figure 3 に示す。その縦軸は dB(μV) での伝導エミッションである。

Figure 3: PLA デバイスからの VHF 伝導エミッション

潜在的に放射され得る、主電源ワイヤに放射されている信号の電力は計算できる。 Figure 3 の結果に 6dB を加えると 100Ω 負荷への総振幅が得られ、これは 100Ω への電力の計算に使用できる。

だが、50Ω と 100Ω の総負荷での試験が、試験された PLA の出力インピーダンスがおおよそ 250Ω らしいことを示した。 250Ω 負荷に供給可能な電力は 100Ω の負荷に対するものよりもおおよそ 0.9dB 高いであろうと計算された。

その特性がノイズ的であるという仮定のもとに、 100Ω 負荷への電力を 120kHz 帯域幅から 1Hz 帯域幅にスケールし、 VHF LISN を用いて測定された Figure 3 の 74.8dB(μV) が 100Ω への −80dBm/Hz の QP PSD に等価となると計算された。 [1] によれば、試験された PLA で用いられていたチップセットは VHF で −80dBm/Hz の QP PSD を送出する。この PSD は、このチップセットを用いた PLT デバイスが CISPR 22 限度よりも低い放射エミッションを達成できるように選択されたと伝えられている。これが実際に達成できるかどうかは、明らかに PLA が接続される電力網の特性に大きく依存する。 Figure 3 から、いくつかのピークが −74dBm/Hz の PSD に対応する 81dB(μV) までに達していることも見ることができる。

Figure 3 は、比較のために 20～27MHz の HF エミッション・スペクトラムの一部も含むが、これは 120kHz 帯域幅で測定されており、9kHz 帯域幅で測定されたであろうものよりも 11dB 高い。伝導エミッションは 27MHz と 50MHz のあいだで低下し、 50MHz と 300MHz のあいだのはっきりとした範囲で再び上昇する。この範囲は、70MHz と 144MHz のアマチュア無線バンドとともに、 88～180MHz FM 放送バンド、民間航空、移動サービス、そして DAB を含む。

潜在的な放射エミッション

−80dBm/Hz の PSD は、1Hz で測定されたならば 10pW であることを意味する。従って、120kHz の帯域幅内の電力は 1.2μW である。その電力全てが 0dBi のゲインのアンテナ (すなわち等方性アンテナ) で放射されたならば、 10m の距離での電界強度は 767(μV/m)、あるいは 57.7dB(μV/m) となるであろうことを示せる。これは 30～230MHz で 10m で 30dB(μV/m) の EN55022 Class B QP 放射エミッション限度よりも 27.7dB 高い。 VHF PLT デバイスを EN55022 放射エミッション試験に合格させるためには、 30～230MHz で −27.7dBi、230MHz よりも上で −21.7dBi よりも低いアンテナ・ゲインの配線に接続する必要がある。

VHF 放射エミッション試験

一組の「ギガビット」 PLA デバイスが、評判の良い EMC 試験所で試験された。放射エミッション試験は 3m の距離で水平と垂直の偏波で実施され、 3m の測定距離にスケールされた EN55022 Class B QP 限度と比較された。この特定の製品は、EN55022 Class B 放射エミッション限度を、いくつかの周波数で 12～14dB 超過した。もしその放射エミッションが EUT 自身からの直接の放射ではなく主電源の配線によるものであれば、その EMC 試験サイトの電源の EUT に対するゲインが広い周波数範囲にわたって −28dBi よりも高かったか、あるいは PLA エミッションの PSD が一部の周波数で −80dBm/Hz よりも高かったか、あるいはその双方であったものと思われる。

この製品を 300MHz までで EN55022 Class B 放射限度に合格させるためには、慎重に設計された、従って実際的でない、 300MHz まで良く平衡した主電源配線を必要とすることになりそうである。 EN55022 は EUT に対する電源の VHF での RF 特性を規定していないので、放射エミッション試験に合格させるためにそうすることを妨げるものはない。

その EMC 試験所での測定は、グランド・プレーンに近い短い主電源配線を用いたことだろう。

明らかに、実際の設備での状況は顕著に異なったものとなりそうである。

現場での VHF 放射エミッション試験

UK の2階立ての家に家庭用電力線ネットワークが設置された。 1台の PLA は家の後側の壁のソケットに挿されて2階に、もう1台は1階の前側にあった。 2台の PLA は異なる環状主回路上にあった。

PLA は HF と VHF のバンドで同時に動作したが、 HF / VHF 動作の範囲の限界近くで動作していたようである。一方の PLA を 1m の延長リードの 4口のテーブル・タップを介して接続すると、 PLA が VHF バンドでの動作を止めて HF バンドのみで動作するようになることがわかった。これは最大データ・レートの低下ももたらした。

家の後ろの壁から 10m 離して、庭に HP8591EM EMC アナライザ、 HP8447F プリアンプ、そして EMCO バイコニカル・アンテナがセットされた。その試験機器は、インバータと 12V バッテリを用いて、分離された電源から給電された。

PLT 信号がガレージの主電源配線から放射されるのを防ぐために、近くのガレージへの電源は切り離された。 HF と VHF のバンドの双方で動作する PLA で、上の階の PC から下の階の PC に大きなファイルが転送された。アンテナの給電点をグランド・レベルから 2m 上にして、水平と垂直の偏波の測定が実施された。大抵は垂直偏波の測定値が水平偏波の測定値よりも高いことがわかり、垂直偏波の測定値のみが示されている。

Figure 3: PLA 放射エミッションの環境信号

スペクトラム・アナライザは遠隔制御され、 30～300MHz の範囲で 0.5MHz ステップのスポット周波数での 120kHz の分解能帯域幅と QP 検波器での測定のために用いられた。その結果は垂直軸が dB(μV/m) での電解強度を示す Figure 4 に示されている。下のトレース (青) は PLA を切った時の環境信号を示し、上のトレース (赤) は PLA がデータを伝送している時の環境信号と PLA 放射エミッションを示す。

PLA エミッションのピークを環境信号から区別することは難しいが、特に「ノイズ・フロア」が 30～40dB(μV/ m) に上昇している 140～190MHz のあたりで、 Figure 3 の PLA エミッションの「ベース・ライン」を Figure 4 ではっきりと見ることができる。 Figure 3 との比較により、このエミッションの「ベース・ライン」がおおよそ 68dB(μV) の伝導エミッションに、従っておおよそ −87dBm/Hz の PSD に対応するのを見ることができる。

−80dBm/Hz の PSD が 10m の距離で 30dB(μV/m) の電界強度を生じるであろうことが上で示された。

−87dBm/Hz の PSD で 10m で 40dB(μV/m) までの電界強度が測定されるならば、主電源配線のアンテナとしてのゲインは一部の周波数で −27.7dBi よりも 17dB 高い、あるいはおおよそ −11dBi であると推定できる。

上の測定結果は、特定の構成の主電源配線と PLA の近くに接続された他の機器を持つ、 1つの特定の家に基づいている。テスト・サイトは校正されておらず、プリ・コンプライアンス EMC 試験器器が用いられ、アンテナ高さ掃引は実施されなかったので、それは相当の測定不確かさも持つ。それでも、その主電源配線はその PLA の設計で仮定されたものよりも相当高いアンテナ・ゲインを持つようである。

もしそれぞれの周波数でのアンテナ高さ掃引が導電性のグランド・プレーン上で行なわれたならば、測定された電界強度はいくつかの周波数で低くではなく高くなったことだろう。

明らかに、典型的な家の配線の VHF (そして HF) におけるアンテナ・ゲインを、主電源配線プラクティスの国による違い、主電源のプラグやソケットの違い、そして近傍の接続された機器を考慮に入れて求めるための、さらなる作業の余地がある。

VHF 無線サービスの保護

Ofcom は、2MHz～32MHz で動作する電力線通信デバイス (PLT)、そして 300MHz までで動作する新しいデバイスについての調査 [1] を委託した。この調査の目的は、今後数10年にわたる様々な無線干渉の可能性と程度を予測することであった。

Ofcom 報告書は、将来の干渉の可能性の低減のためには、動的電力制御と何らかの種類の「ノッチ」 ――すなわち選択された周波数範囲の PSD が低減されるようにエミッション・スペクトラムを形成すること―― が必要となるだろうと結論した。静的、及び「スマート」ノッチに言及されているが、これらのテクニックを用いたデバイスがまだ市場に出ていないため、「スマート」ノッチと動的電力制御の効果はまだ実際に実証されていない。

Ofcom 報告書の 10.1.1章は、家屋の配線の VHF におけるアンテナ・ゲインを検討している。 30MHz よりも上の PLT デバイスからの放射エミッションの既存の測定結果がないため、その著者らは VHF における PLT デバイスに対する主電源配線のアンテナ・ゲインは HF について主張されているものと同じ、すなわち配線の変動による ±5dB から ±10dB の変動を持つ −30dBi であろうと仮定している。その報告書は、全ての VHF リンク・マージン計算で上記のゲインの値を用いて、様々な無線サービスへの干渉を分析する。

Ofcom 報告書の 8.7章は、いくつかの VHF 無線サービスについてのリンク・マージン計算を含む。これには、そのモデルの条件のもとでは −14dB の干渉マージンがある、すなわちノッチのような緩和策が講じられない限り干渉の可能性が高いと結論された、カバー範囲の境界の FM 放送受信機が含まれる。だが、もし主電源配線のアンテナ・ゲインが −30dBi ではなく ±5dB から ±10dB の変動を持つ −20dBi とされたならば、そのマージンは −24dB となり、従ってノッチなしではサービス範囲の境界に限らず高い干渉の可能性があることだろう。

デジタル音声放送 (DAB) の分析は、 PLT 干渉に対して DAB が FM 放送よりも 17dB 鈍感であると結論する。これは DAB に対して +3dB の正の干渉マージンを与えそうに見えるかも知れないが、もし主電源配線のアンテナ・ゲインが −30dBi ではなく −20dBi とされたならば、マージンは −7dB となり、DAB サービス・エリアの境界で干渉を生じることになる。 Ofcom 報告書は DAB のノッチを提案していないが、もしその分析が主電源配線のアンテナ・ゲインについての楽観的過ぎる仮定に基づいたのであれば、これが必要となるかも知れない。

Private Mobile Radio (PMR) 機器についての同様の分析は、-20dB のマージンがある、すなわちユーザーの大半が干渉を受け、干渉の可能性の低減のためにノッチが必要であることを示す。もし主電源配線のアンテナ・ゲインが −30dBi ではなく −20dBi とされたならば、状況は −30dBi のマージンへと悪化し、深いノッチが必要となる。

一部のアマチュア無線受信機の高いゲインは考慮に入れられておらず、 VHF アマチュア無線使用者へのより高い干渉の可能性をもたらすものの、上の PMR 分析は VHF アマチュア無線バンドにも適用される。

主電源配線のアンテナ・ゲインを楽観的過ぎる −30dBi としてさえも、その報告書は VHF アマチュア無線バンドの「ノッチ」を勧告する。それは −110～−120dBm/Hz のノッチ深さが実際に達成できると言明するが、もし主電源配線のアンテナ・ゲインが −30dBi ではなく −20dBi とされれば、ノッチは 10dB 深くする必要があるだろうし、これは実際に実現可能ではないかも知れない。

Ofcom 報告書は VHF (そして HF) 航空管制への干渉の可能性を分析し、空中の HF と VHF のユーザーの干渉の緩和のためには「スマート」なものではなく固定のノッチが必要であろうと結論する。上で述べた VHF アマチュア無線バンドと同様、もし主電源配線のアンテナ・ゲインが −30dBi ではなく −20dBi とされたならば、 VHF 航空バンドのためのノッチは 10dB 深くする必要があり、これは実際に実現可能ではないかも知れない。

まとめ

主電源配線を介して高速データを伝送する一組の電力線通信デバイスが試験された。これらのデバイスは、主電源網を通る通過損失が充分に低ければ、 300MHz までの周波数を使用し得る。 VHF 伝導エミッションのための試験法が考案され、この試験法はその PLT デバイスのエミッション・スペクトラムがそのようなデバイスに対する公称 −80dBm/Hz の PSD よりも 6dB 高いピークを持つことを示した。

その後、典型的な UK 主電源配線と接続された機器のアンテナ・ゲインを求めるために、現場での放射エミッション試験が実施された。試験は一箇所のみで行なわれ、その結果は相当の測定不確かさを含むであろうが、 Ofcom 報告書 [1] で仮定された −30dBi の値は幾分楽観的であるという兆候がある。もしさらなる試験がこれを確認したならば、 VHF 無線サービスに対する干渉マージンの計算は見直す必要があるだろう。

EN55022 のような EMC 規格は被試験機器からの直接の放射エミッションをカバーすることを意図しているが、デバイスが意図的に差動モード広帯域 VHF 伝導エミッションを主電源に発生させる状況を適切にカバーしない。これは、VHF での伝導エミッションの放射エミッションへの変換がそのような規格で扱われていないためである。 EMC 規格のこの明らかな「抜け穴」は、現在、 EN55022 の放射エミッション限度への適合を主張する 300MHz までで動作する PLT デバイスで濫用されている。

参考

[1] Ofcom Report "The Likelihood and Extent of Radio Frequency Interference from In-Home PLT Devices", http://stakeholders.ofcom.org.uk/market-data-research/technology-research/research/emerging-tech/PLT

これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2010-12-31