(Microsoft PowerPoint - \215\305\220V\203f\203W\203^\203\213\226\263\220\374\213Z\217p\202R.ppt)

Size: px

Start display at page:

Download "(Microsoft PowerPoint - \215\305\220V\203f\203W\203^\203\213\226\263\220\374\213Z\217p\202R.ppt)"

ぜんすけさだい
4 years ago
Views:

1 青山学院大学電気電子工学特論 I 最新デジタル無線技術 ~ 携帯電話に至った無線技術と今後 ~ 2007 年 6 月 23 日 ~ 7 月 7 日相模原キャンパス L402 オフィスウワノ上野伴希 ( 工学博士 )

2 講義内容 1. 無線技術の歴史とアナログ方式 6 月 23 日 2. デジタル無線通信 6 月 30 日 3. システム設計と無線回路の進化 7 月 7 日 4. デスカッション 7 月 7 日

3 1. システム設計無線機ブロックダイアグラム受信アンテナ送信 RF アンプ BPF ミクサ 860~885MHz (RF フィルタ ) アンテナ共用器 ( 出力フィルタ ) 915~940MHz P A BPF 局部発振信号 SAW フィルタ周波数シンセサイザアップ IF アンプコンバータ IF アンプ PLO セラミックフィルタ 90MHz 455kHz 145MHz SAW フィルタ変調器 TCXO PLO 受信検波ベースバンド部変調データ BPF: バンドパスフィルタ TCXO: 温度安定水晶発振器 PLO: 位相ロック発振器 P A: パワーアンプ旧国内アナログセルラ携帯電話のブロック図

4 1. システム設計無線機諸元 ( 仕様 ) と意味 1. 受信感度 2. 最大信号入力 3. チャネル選択度 4. ブロッカ特性 5. スプリアス感度 (RX) 6. 相互変調 7. A M サプレション 8. スプリアス輻射 9. 送信出力 1 0. 出力制御精度 1 1. A C P R 1 2. 占有帯域幅 1 3. S W 時スペクトル 1 4. 変調精度 1 5. スプリアス ( T X ) 受けることが出来る最小信号レベル単位は [dbm] または dbµv] 受けることが出来る最大信号レベル隣のチャンネルの受信抑圧度近接チャンネル信号が受信々号に妨害となるレベル目的外信号の最大感度スーパヘテロダインではイメージ抑圧比非線形歪による発生するスプリアスあるいは歪みを評価する特性 GSM におけるダイレクトコンバージョン受信機の 2 次歪妨害受信機のアンテナ端子などからの, 不要な信号輻射目的信号の送信出力レベル単位は [W] または [dbw] 希望の出力レベルに対する誤差送信信号の隣接チャンネルへ漏洩電力送信信号エネルギーの占める帯域 TDMA バースト送信過渡時のスペクトラム拡がりデジタル変調で希望の振幅位相と実際の誤差 Rms で評価送信機の目的外信号放射高調波やその他の不要信号

5 1. システム設計無線機諸元と回路ブロックの関係無線機諸元 1. 受信感度 (BER=10-3 ) 2. 最大信号入力 3. チャネル選択度 4. ブロッカ特性 5. スプリアス感度 (RX) 6. 相互変調 7.AM サプレション 8. スプリアス輻射 9. 送信出力 10. 出力制御精度 11.ACPR 12. 占有帯域幅 13.SW 時スペクトル 14. 変調精度 15. スプリアス (TX) ブロック仕様回路回路 ( 機能機能 ) ブロック利得 LNA NF IIP 3 IIP 2 ミクサ VCO P 1dB シンセサイザ効率 PA CN アイソレーション変調器フェーズノイズフィルタ減衰特性挿入損 SW

6 1. システム設計無線機諸元と回路ブロックの関係無線機諸元 1. 受信感度 (BER=10-3 ) 2. 最大信号入力 3. チャネル選択度 4. ブロッカ特性 5. スプリアス感度 (RX) 6. 相互変調 7.AM サプレション 8. スプリアス輻射 9. 送信出力 10. 出力制御精度 11.ACPR 12. 占有帯域幅 13.SW 時スペクトル 14. 変調精度 15. スプリアス (TX) ブロック仕様回路回路 ( 機能機能 ) ブロック利得 LNA NF IIP 3 IIP 2 ミクサ VCO P 1dB シンセサイザ効率 PA CN アイソレーション変調器フェーズノイズフィルタ減衰特性挿入損 SW

7 1. システム設計レベルダイアグラム PDC 受信機入力雑音とは? 810~ 828MHz SW RF- BPF RF amp. Lo BPF Xtal フィルタ 113.8MHz Lo アクティブフィルタ 400kHz NF=9dB -1.5dB 18dB -3dB 10dB 20dB NF=7.3dB NF=6dB NF=15dB P sat P 最大入力 1dB 0-7 Psat -6 9dB 飽和入力 18dB dbm 0-10 IF アンプ飽和出力最大感度 dB 入力雑音 dB -3dB dB 20dB

8 1. システム設計受信感度受信々号レベル C 受信機の雑音 N 熱雑音 N o 熱雑音 C 差 CN NF N N o = ktb PDC(BER10-2 ) C/N=7.3dB GSM C/N=9dB

9 1. システム設計 NF(F) の定義地上通信アンテナ入力 NF =F t 出力 R C 利得 G N o 受信機回路の NF の定義 F = 入力出力 CN CN 入力 CN = C/N o 出力 CN = CG / FN og N o = ktb = B 常温 =293K 受信機等価発生雑音 N r N o N t 利得 G Noise Free 受信機 N t =F t N o =N o +N r (=N o + (F t -1)N o ) N r = (F t -1)N o N = ( F 1 ) r N o

10 1. システム設計縦続接続 (NF 公式 ) アンプ 1 アンプ 2 利得 G 1 G 2 総合 NF =F t NF =F NF =F 2 1 アンプの総合利得は G 1 G 2 Q. 総合 NF を求めよ

11 1. システム設計非線形 3 次歪線形回路 y =kx アンプ入力 x ミクサ出力 y わずかな歪をもつ線形回路の入出力特性 y = k x k 1x + k 2x + k x; 時間調和 ( サイン波 ) の入力,k 0 ;DC バイアス,k 1 ; 増幅率

12 1. システム設計 3 次歪の発生線形回路 y =kx y = k x k 1x + k 2x + k アンプ入力 x ミクサ出力 y 入力 = A cos ω t + B cos t x a ω b A= B 3 次出力 y 3 =k 3x =... + k 3 A B cos(2 ω a ω b ) t + k 3AB cos( ω a 2ω b ) t k 3 AB cosω a t + k 3A B cosω bt

13 1. システム設計 3 次歪み考慮の背景近傍に存在するブロッカ (Blocker: 強力妨害波 ) 排除能力 IM(Inter-modulation) 歪み : ブロッカ IM 3 希望波 CM(Cross-modulation) 歪み : AM を持つ信号 : QPSK QAM 希望波ブロッカ (AM 波 ) 振幅変調の転写

14 1. システム設計 IM 3 の発生 =... + k 3 A B cos(2 ω a ω b ) t + k 3AB cos( ω a 2ω b ) t ( IM = (3 4 k k 1 3 A ) A 2 2 B ) 2 IM 3 ICP IM k 3 A 2 B 基本波 k 1 A k 1 B 基本波出力 2f a -f b f a f b 2f b -f a 3 4 IM 3 IM3 出力 k 3 AB 出力電力 [dbw] IIP 3 とは測定ポイント入力換算 IIP 3 入力電力 [dbw]

15 1. システム設計 PDC の IIP 3 テストシナリオ ( 実際例 ) 希望波信号レベル 7dBμ( 受信感度 4dBμ) ブロッカレベル -43dBm ブロッカによる妨害を受けないために必要な IIP 3 を求めよブロッカ -43dBm 希望波 7dBμ -100dBm 57dB C/N = 11dB 100kHz 間隔入出力特性トータルゲイン =1 を仮定 LNA 出力入力 ATT dBm 入力 [dbm]

16 1. システム設計 CM( 混変調 ) の発生 k 3 AB cosω a t + k 3A B cosω bt B B ( 1 + m cosω pt )... t m y 3 = k 3AB {1 + 2m cosω t + (1 + cos2 ω pt )} cos a 2 2 p ω CM = (3 k 3 ( k 1 AB A ) 2 2 m / 2) 2 1 = 2m 2 IM k 1 A k 1 B k 3 << k 1 k 1 B m 2 k 3 AB 2 m 2 3 +f f p +2f p a f b +f p CM = IM 6 20 log m ( IM = (3 4 k k 1 3 A ) A 2 2 B ) 2

17 1. システム設計発振器フェーズノイズとはフェーズノイズ =FM ノイズ V 発振信号雑音フロアノイズ周波数 ( 拡大 ) V c V n df V a 合成ベクトル ω c V c f c f n a = V c (1 + m b cos ω b t ) e V n m b = h = V c j ( ω c t + h sin ω b tan 1 V V V n t ) n c ノイズ = [W/Hz] ω b 交流表現 jω t V = Ae

18 1. システム設計ブロッカによる感度劣化 IF 信号ミクサ Lo 信号 V p RF 信号目的の信号 IF V b-if V b-rf f ポンプ p 信号局発フェーズノイズ希望波 RF f s ブロッカ 0 f o fp f o = f s ± f p 周波数目的チャネル隣接チャネル問題ミクサでのフェーズノイズの転写を確かめなさい v v b IF = b RF v p

19 1. システム設計ミクサによるフェーズノイズに関する問題 ( 実際例 ) 図に示すブロッカのテストシナリオにおける受信機局発のフェーズノイズの仕様を求めよブロッカ -49dBm -64dBm 希望波 -106dBm 所要 CN 比 = 11dB 白色雑音レベル -120dBm 希望波 50kHz 50kHz 隣接隣々接

20 新アーキテクチャ 21 世紀の無線回路

21 2.DCR (Direct conversion receiver) ブロック図直交検波器 LNA1 LNA2 Ant. SWplexer RF-BPF 0 o π/2 GSM/CDMA ブロック図 LPF BB-VGA Lo I Q

22 2.DCR ブロック図比較スーパヘテロダイン RF-BPF ミクサ IF-BPF RF アンプ IF アンプ局部発振 DCR RF-BPF RF アンプ復調 BB 処理部局部発振復調 BB 処理部

23 2.DCR 利点と課題利点課題 1.IF 回路がない場合によっては RF-BPF も省略可能 2. チャネルバンド幅がソフトウェア処理で可能 3. 局発が 1 個でよい 4. イメージ応答がない 5. ハイレベルの集積が可能 RF-BPF RF アンプ 1.BB 回路の DC オフセット問題 2.2 次歪み妨害の考慮が必要 3. 局発漏れ等, アイソレーション問題 4.BB 回路規模が大きく, 消費電力大復調 BB 処理部局部発振

24 2.DCR BB( ベースバンド ) ブロック図例 From Mixer Low Noise Buffer PGA1 PGA1 DC-Block LPF LPF LPF PGA1 PGA1 Passive BiQ BiQ to ADC PGA:Programmable gain-control amp.

25 2.DCR BB 回路 2 LPF 原理回路 V in V out V V in out 次フィルタ 2 次フィルタ (Sallen-Key)

26 2.DCR BB 回路 3 Tow-Thomas Biquad LPF 回路 V in V + + in V out V out 原理回路平衡動作

27 2.DCR BB 回路 4 VGA( 利得可変アンプ ) + Gain [db] Max Min PGA1 PGA2 PGA3 PGA step 原理回路 PGA の利得配分例

28 2.DCR DCR レベルダイアグラム 2110~ 2170MHz NF=9dB SW+Dup. LNA1-4dB 13dB BPF -3dB LNA2 13dB 0dB -7dB Mixer BB-Chain 97dBmax. dbm 最大入力 (-25) dB dB 44dB dB NF+kTB=-99dBm 最大感度 NF9dB dB dB -3dB NF<5dB dB dBµ 106dBµ (200mV) 97dBµ 87dBµ 77dBµ 67dBµ 57dBµ 47dBµ 37dBµ 27dBµ 17dBµ 7dBµ

29 2.DCR 方式性能比較 PDC ( スーパヘテロダイン ) システムダイナミック 92dB レンジ (-25~-117dBm) W-CDMA GSM PDC* NF 9dB 9dB 9dB* IICP 3-17dBm -18dBm -9dBm (0dBm)* -129@8MHz 87dB 102dB* (-15~-102dBm) (-7~-109dBm)* ~-103dBm チャネル間隔 5MHz 200kHz 25kHz 局発 CN dbc/hz -121@600kHz -114*@100kHz *PDC は慣習的仕様

30 3. 分数分周周波数シンセサイザ整数分周シンセサイザ Xtal 振動子基準信号位相比較器ループフィルタカットオフ周波数 f co ループフィルタ出力周波数 LPF VCO f f 誤差 o r 電圧分周器整数分周 f = N o f r N: 整数 f r : チャネル間隔, 例 10kHz f co : ループカットオフ, 例 <1kHz 切り替え速度, 例 0.1kHz = 10msec co f r f <

31 3. 分数分周周波数シンセサイザ高速周波数切り替え Xtal 振動子基準信号位相比較器ループフィルタ出力周波数 LPF VCO f f 誤差 o r 電圧分周器 co f r f < K L 分数分周 o = M + fr M,K,L(K<L): 整数 f f r : 例 10MHz L : 分母精度, 例 10 6 ( 周波数ステップ 10Hz) 追従速度, 例 >f co = 0.1MHz = 10μsec

32 3. 分数分周周波数シンセサイザ原理 K 分数分周 fo = M + f r M,K,L(K<L): 整数 L 平均的分数分周数 M+1 M L-1 1 T = L f r 分周数を拡散分周数 M T 2T 3T T 2T 3T 時間時間

33 3. 分数分周周波数シンセサイザ原理 K 分数分周 fo = M + f r M,K,L(K<L): 整数 L 基準周波数位相比較器 PFD ループフィルタ VCO LPF 出力周波数データ ΣΔ 変調器デュアルモジュラス分周器周波数分周器 ΣΔ 変調とは

34 3. 分数分周周波数シンセサイザ ΣΔA-D 変換アナログ入力積分器 1~3 ビット AD コンバータ出力 DA コンバータクロック毎, 入力と DA 出力を比較その差を前の値と積算する積算結果より荒い量子化ビットを出力オーバサンプリングで出力を平均すると高精度なビット値

35 4. ポーラ変調なぜポーラ変調携帯電話への飽くなき要求 1. 小形 ( 薄形 ), 軽量化部品点数削減 LSI 化ワンチップ無線機 2. バッテリ長寿命化高効率送信機 3. コストダウン ( メーカニーズ ) SDR/ ソフトラジオ ( ハード開発費削減 )

36 4. ポーラ変調 PA 通話平均電力最大電力仕様 PA の出力確率 IS-95(CDMA) 確率 [%] W W-CDMA 2W/1W GSM/PCS +α=pa 設計仕様郊外市街 PA 出力 [dbm]

37 4. ポーラ変調 PA 低電力運用確率 [%] 郊外市街 PA 出力 [dbm] PA の低電力動作 : 低効率高効率化の方法? さらに電池運用時間が延びる高効率 PA = 飽和 ( 非線形 )PA ポーラ変調は候補の 1 つ

38 4. ポーラ変調各種線形補償技術のレビュー 1 歪み改善の定番, 負帰還回路フィードバック抵抗 R 入力 Tr 出力負帰還の解析 A V 1 V 2 α V A 1 2 = V 1 = V 1 ( A 1 + A α ) 歪み改善 α 定利得アンプ

39 4. ポーラ変調各種線形補償技術のレビュー 2 変調 ( 包絡線 ) フィードバック入力利得可変アンプ PA 包絡線検波差動アンプ包絡線比較 DC 電圧を与えると, 電圧に応じて出力変化パワコントロールに使える出力

40 4. ポーラ変調各種線形補償技術のレビュー 3 EER 方式 : Envelope elimination restoration アナログ EER 帯域制限された QPSK 包絡線電源によるコレクタ変調検波電源電圧制御入力出力リミタ飽和 PA EER は厳密な線形補償ではないオープンループ制御

41 4. ポーラ変調デジタル EER デジタルデータ I Q 信号処理ポーラ変調アイディアの始まり DAC DAC DAC 包絡線信号 Q I デジタル変調器周波数シンセサイザ電源電圧制御飽和 PA 出力デジタル変調器出力の帯域制限は無関係

42 4. ポーラ変調デジタル EER ポーラ変調データ入力 I/Q マッピング I Q 帯域制限フィルタ包絡線計算 DAC I 包絡線信号 DAC フィルタ DAC リミタ Q 90 o デジタル変調器 DBM キャリア発振包絡線は計算で求める位相はデジタル変調器による変調 DAC(D-A コンバータ ) まではデジタル処理電源電圧制御出力飽和 PA オープンループ制御

43 4. ポーラ変調デジタル EER ポーラ変調 2 データ入力 I/Q マッピング I Q 帯域制限フィルタ包絡線計算 DAC I 包絡線信号 DAC フィルタ DAC リミタ Q 90 o デジタル変調器 DBM キャリア発振電源電圧制御出力飽和 PA デジタル変調器は当初検討されたものいくつかの問題があり, シンセサイザ直接変調が検討されている

44 4. ポーラ変調分数分周シンセサイザポーラ変調データ入力マッピ I I/Q 帯域制限包絡線フィルタ計算 Q ングフィルタ位相計算 A AM-PM 補正 φ Σ 変換 φ f 振幅データ AM-AM 補正 DAC 周波数データ分数分周周波数シンセサイザキャリア VCO PLL プリデストーション基準周波数電源電圧制御出力飽和 PA デジタル変調器がシンセサイザに代わった位相情報周波数情報に変換 AM-AM/PM 補正 ( プリデストーション ) は PA の特性補正シンセサイザにもプリデストーションオープンループ制御

45 4. ポーラ変調フィードバック補償回路原理的構成ベースバンド信号差動 OPA LPF AM 変調器キャリア発振器 AM 復調器リニア PA カプラ出力包絡線のみのフィードバッククローズドループ制御

46 4. ポーラ変調カーティシャンループ法 I- 信号入力 Q- 信号 OPAs デジタル変調器 DBM キャリア発振器 φ 移相器 I DBM Q デジタル復調器移相器は位相遅延補正デジタル復調器出力と I/Q 入力を比較差があれば逆歪みを加えて変調器へ入力出力クローズドループ制御

47 4. ポーラ変調ポーラループ法 VCO f c Loop amp 可変ゲイン PA OPA f c 出力 DBM LPF DBM SSB IF 変調信号 PFD 入力 f i f リミタリミタ i ミクサローカル発振器 IF 変調信号と出力が等しくなるように比較リミタ信号と元の信号をミクサへ入れると AM 検波リミタ信号同どうしを位相比較し位相差を取り出す AM 成分の差, 位相差がゼロになるよう自動制御クローズドループ制御

48 4. ポーラ変調ポーラループ送信機 AM 検波 f c VCO 可変ゲイン PA BB-VGA f c skyworks 出力入力 I Q デジタル変調器 DBM LPF PFD IF-VGA f i f i N M ローカル発振器 IF 変調入力信号がデジタル変調器に換わった平均出力レベルをコントロールする IF-VGA BB-VGA はループゲインを一定に保つ役目

49 5. 高効率 PA(Power amplifier) PA の動作クラス直線部 I d I dss V dd RFC 同調回路を追加すると同調負荷ゲイン小 V th 入力抵抗負荷 RFC R L 級 C B AB A 0 V g ゲートバイアス最大電源効率 ( 出力電源消費 ) A 級 50% B 級抵抗負荷 58% B 級同調負荷 79%

50 5. 高効率 PA A 級 PA I d 負荷直線 V th V g 0 0 V dd V d 入力電圧出力電圧出力電流 V dd RFC 同調回路を追加すると同調負荷入力抵抗負荷 RFC R L ゲートバイアス抵抗負荷出力電圧電流はサイン波 R L V g = 0

51 5. 高効率 PA B 級 PA V th V g 入力電圧 0 I d 0 負荷直線 ( 同調負荷 ) V d 出力電圧出力電流 V dd RFC 同調回路を追加すると同調負荷入力抵抗負荷 RFC R L ゲートバイアス同調負荷負荷直線は R L の半分および負荷同調回路のタンク動作出力電圧はサイン波 R L V g = 0

52 5. 高効率 PA D 級 PA S 2 オン入力 S 1 オン S 2 電流 S 2 オン S 2 オフ S 2 電圧 V dd V dd t t S 1 C L S 2 R トランジスタ消費電力ドレイン電圧電流 = 0 V dd で出力が直線変化 S 1 を RFC に代えると E 級 PA

53 5. 高効率 PA F 級 PA ドレイン電圧電流 V d B 級など I d I d V d F 級オーバラップ t t 損失 = ドレイン電圧電流を減らす電圧波形を整形奇数次高調波を追加入力 V dd 3f o 奇数高調波のトラップ f o 同調負荷負荷抵抗 R L

54 6. ディスカッションこれからの無線機無線応用とは通信の役割とは生活との関わり通信が世界に貢献すること携帯電話はどう進化する

55 6. ディスカッションレポート通信の役割とは授業内容に関連して生活との関わり通信が世界に貢献すること技術感想 etc 携帯電話はどう進化するエッセイを A4 半ページから 1 ページに

(Microsoft PowerPoint - \203Z\203~\203i03\203V\203X\203e\203\200\220\335\214v.ppt)

$(Microsoft PowerPoint - \203Z\203~\203i03\203V\203X\203e\203\200\220\335\214v.ppt)$ 集積化無線送受信機の設計技術最新無線技術 ~ システム設計 ~ 007 年 9 月 14 日横浜市教育会館オフィスウワノ上野伴希 ( 工学博士 ) http://www.hi-ho.ne.jp/uwano/download/ksemi007-03.pdf 講義内容 1. システム設計とは. 受信感度 3. 非線形歪み (3 次 ) 4. フェーズノイズ 5. ダイレクトコンバージョン受信機 (DCR)