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

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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 ~ 007 年 6 月 3 日 ~ 7 月 7 日 相模原キャンパス L40 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 3 日. 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. 電磁波理論創出の科学者 特出したい科学者 1831 ファラディ電磁誘導の発見 1864 マクスウェルマクスウェルの方程式 1888 ヘルツ電磁波を検証 1876 ベル電話 1895 マルコーニ 1.5 マイルの無線通信,1901- 太平洋横断 フレミング ( 二極管 ) デフォレスト ( 三極管 ) アームストロングハートレィ コルピッツ

4 1. 電磁波理論創出の科学者 ファラディの電磁誘導 1. 磁界が変化. その磁界変化を妨げる方向に磁束を生じようとする 3. 妨げる磁束を生じる電流がコイルに流れる 4. 電流を流すためには電圧が必要 B E = t i + j + k x y z ;nabla または del と呼ぶ

5 1. 電磁波理論創出の科学者ローティション? H roth ストークの定理 H s = ( roth ) C d ds S H H ds H S H 輪郭線 C 面積 S H ds = i ds = I roth= J C S n C E ds = 0 rot E = 0 静電界は保存的な場

6 1. 電磁波理論創出の科学者 マクスウェルの方程式 ファラディの法則 B E = B = 0 t D t H = +J D = q マクスウェルが導入した変位電流とアンペアの法則 単極磁荷の否定 ガウスの法則

7 1. 電磁波理論創出の科学者 マクスウェルの式から電磁波の予言 z θ r Il jkr jωµ η 1 θ 4π ωε sin 3 E = e + + r r j r I l φ x y H φ = Il jkr jk 1 4π e + r r sin θ 1 r ; 放射電磁界 r 1 ; 誘導磁界 ~ 静電界 3 1 r ; 双極子静電界 θ

8 1. 電磁波理論創出の科学者 電波の検証 ( ヘルツ ) m+0.5mx 送信ダイポール r 1.x0.8m 受信コイル

9 1. 電磁波理論創出の科学者 電波の検証 ( マルコーニ ) コヒーラ検波器 送信機受信機 ベル

10 . 無線通信とは 送受信システム 電波を作る 送信機受信機 アンテナ 変調 音を乗せる 信号を増幅する 信号を増幅する 音を復元する 音声情報 復調

11 . 無線通信とは - 音を電波で送る 電波 (CW) マイク 電波 (CW) 送信機受信機 スピカ CW(Continuous wave) ( cos( f )) cosω t = t v = c π c 電波のエネルギをもつだけで, 情報はない ( 無変調キャリアと呼ばれる ) 交流理論表現では V jω ct = e = 1 ( ) jω j v = Re[ V ] = Re[ e ct ] オイラーの公式 e ja = cos a + j sin a

12 . 無線通信とは - 音を電波で送る AM( 振幅変調 ) 送りたい情報 ; ベースバンド信号 v = cosω t 情報が乗った電波 ; 変調波 ( 変調信号 ) CW 変調波 ( cos( f )) = cosω t = t = ( + m t t v c π c v m 1 cosω ) cosω c 変調度 ベースバンド信号角周波数

13 . 無線通信とは - 音を電波で送る AM 復調 半波整流 脈流 0V 検波ダイオード 平滑回路 DC ブロック 入力 出力 復調信号 変調波 電流 電流 電圧 時間 時間 ダイオードの検波特性 0V

14 . 無線通信とは - 音を電波で送る AM 放送の受信 195 東京放送局放送開始 受信感度の改善 1. 高周波信号の増幅. 低周波信号の増幅 同調コイル 鉱石検波器 バリコン マグネチックレシーバ

15 . 無線通信とは - 信号を増幅する 真空管増幅回路 プレートグリッド 入力 カソード 1907 三極管の発明 197 五極管の発明 出力

16 . 無線通信とは - 信号を検波 ( 復調 ) する 真空管検波 1904 フレミング二極管の発明 検波 変調波 検波出力

17 . 無線通信とは - 受信機 真空管ラジオ RF 増幅検波低周波増幅 原理 199~ 並四ラジオ ( 再生式 ) RF 増幅再生検波低周波増幅 スピカ スピカ

18 . 無線通信とは - 受信機 スーパヘテロダイン方式 アームストロングの発明 ミクサ ( 乗算回路 ) v t s = cosω s f s 入力信号 ミクサ 出力信号 f o = f s ± f f 出力信号 局部発振 v = cosω t v i = v s v = cosω s t cosω t = 1 { cos( ω ω ) + cos( ω + ω t} s t s )

19 . 無線通信とは - 受信機 スーパヘテロダイン方式 RF アンプ IF トランスミクサ ( フィルタ ) IF アンプ 検波低周波アンプ 局部発振 スーパヘテロダイン受信機ブロック回路図 信号周波数関係 IF ミクサ RF 3 3 f i f 4 1 f s IF フィルタ特性 局発周波数 目的の RF 帯域 RF フィルタ特性

20 . 無線通信とは - 受信機 スーパヘテロダイン方式 WC5 発売 5 球スーパ回路図 (1950~)

21 3. どこまで遠く電波が届くのか? 回線設計 ( リンクバジェット ) 遠く離れるとなぜ信号が弱くなるのか 距離と信号レベルの関係 どこまで弱い信号でも OK なのか 信号と雑音レベルの関係

22 3. どこまで遠く電波が届くのか? 受信レベル 1. 受信電力密度 P 1,, 送信電力 P t P 1 = P t S = P t 4π R. 送信アンテナ利得 G t,, 受信電力密度 P G P t P t eir P = G t P 1 = = 4π R 4π R 3. 受信アンテナ利得 G r,, 受信電力 P r λ P r = A e P = PG t t G r ただし 4π R λ A e = G r 4π 球面 S R P t P 1 無指向性波源

23 3. どこまで遠く電波が届くのか? リンクバジェット図 P λ r = A e P = PG t t G 4 π R λ P dbw] = P t [dbw] + G t [db] + 0log + 4π R r r [ G r [db] E.I.R.P G t 自由空間伝搬損 P t Pr P G r C/N = P r / N t N t 熱雑音 N o = ktb NF

24 3. どこまで遠く電波が届くのか? 受信レベルの問題 いずれもアンテナ利得は 0dB と仮定 1.BS から 5km 離れた位置の PDC 携帯端末の CN 比を求めよ 条件 送信周波数 80MHz, 出力 1W 受信機 NF=9dB,IF 帯域幅 1kHz. 微弱電波機器から 30m 離れた位置の CN 比を求めよ 条件 出力約 -40dBm(0.0001mW) 送信周波数 10MHz, 帯域 15kHz, NF=9dB P λ r = A e P = PG t t G 4 π R r

25 4. アンテナ 半波長ダイポールアンテナ アンテナ科学の基礎 電流分布 利得.15dB I 全長 λ/ 開口面積 0.13 λ λ/ λ/4 可逆性 (Recirocity): アンテナは送信と受信で全く同じ性能 利得 ( 開口面積 ) 指向性 インピーダンス

26 5.FM と AM AM( 振幅変調 ) のスペクトル 変調波 v = ( 1 + m cosω t ) cos c m ω t 変調度 ベースバンド信号角周波数 V = Ae jω c t 交流理論表現のとき,A( 複素数振幅 ) をフェーザ (Phasor) とよぶ

27 5.FM と AM AM のスペクトル 1 { cos( A + B ) + cos( A )} cos A cos B = B v = ( 1 + m cosω t ) cos c m ω t = cos ω t + m cosω t cos c c ω t = m cosω c + c c ω { cos( ω + ω ) t + cos( ω ) t} t 1 キャリア サイドバンド m m f c -f f c f c +f

28 5.FM と AM AM の複素電圧をベクトル図で表す V = Ae m cosω c t + c c ω { cos( ω + ω ) t + cos( ω ) t} v m = e ω ct 第 1 項 ω c jω c t

29 5.FM と AM AM の複素電圧をベクトル図で表す V = Ae m cosω c t + c c ω { cos( ω + ω ) t + cos( ω ) t} v m = 第 項 第 3 項 ω -ω ω c jω c t

30 5.FM と AM AM の複素電圧をベクトル図で表す V = Ae m cosω c t + c c ω { cos( ω + ω ) t + cos( ω ) t} v m = jω c t 合成 A B ω O -ω C キャリアがないときのベクトル? ω c AM 機器を作る課題は?

31 5.FM と AM FM( 周波数変調 ) 1933 アームストロングの発明 ベースバンド信号 変調波 ω dev fc+f dev fc-f dev fc+f dev f dev = π ω dev = cos( ω c t + sin ω t ) cos ω v m θ d θ 瞬時周波数 = + cos t dt ω c ω dev ω 注意 v = cos(( ω +ω cos t ) t FM はではない m c dev ω ) 変調指数 β = ω ω dev f = dev f

32 5.FM と AM FM のスペクトル cos( ω t +β sin t v m = c ω ) = n ( cos( ω + nω ) t + ( 1) cos( ω n ) 0 ( β )cosω c t + J n ( β ) c c ) t n = 1 J ω J n : 第 1 種 n 次のベッセル関数 J 0 J 1 J J 3 FM の帯域 ( カーソン則 ) B n = ( f + f dev ) β = 1 f dev = 1kHz f = 1kHz β = f dev f

33 5.FM と AM FM の複素電圧をベクトル図で表す 1 n ( cos( ω + nω ) t + ( 1) cos( ω n ) m = J 0 ( β )cosω c t + J n ( β ) c c ) t n = 1 v ω ω n = 1 -ω +β -β

34 5.FM と AM FM の複素電圧をベクトル図で表す n ( cos( ω + nω ) t + ( 1) cos( ω n ) m = J 0 ( β )cosω c t + J n ( β ) c c ) t n = 1 v ω n = H E F D G I J 0 O

35 5.FM と AM PM( 位相変調 ) とは ベースバンド信号 変調波 ω dev fc+f dev fc-f dev fc+f dev f dev = π FM PM ω dev = cos( ω c t + sin ω t ) cosθ ω v m 瞬時周波数 d θ dt = ω c + ω dev cosω t v = ω + θ cos( c m ) m t FM はベースバンド信号を積分し PM することで得られる A θ = sin ω m ω t

36 5.FM と AM SSB( 単一側波帯 ) とは -ω +ω ω c AM(DSB) SSB +ω SSB FM(narrow) AM +ω AM FM

37 6. 無線機の構成 無線機回路ブロック 1.RF アンプ. ミクサ 3. 発振回路 4. 変調 / 復調回路 5. 電力増幅回路 ( パワーアンプ ) 6. 受動回路 / 補助回路 フィルタ 高周波トランス 減衰器 /SW 振動子 アナログの世界 RF アンプ ミクサ IF アンプ 復調 アンテナ共用器 局部発振 PA アンプ IF アンプ 変調 結合器 ベースバンド処理部

38 6. 無線機の構成 - 発振回路 (OSC) 発振回路 連続波の信号発生が可能に L 1 C 1 L C C L Hartley 190 Colitts R R LC Tr 負荷 jb -G o jb L o G L 発振等価回路 発振条件 振幅条件周波数条件 + L B o B G o V > G L V 0 =

39 6. 無線機の構成 - 発振回路 (OSC) コルピッツ発振回路 C 1 C L V b A' b R b g m V b c R c C e A C ce ハイブリッド π 形等価回路 A Tr 負荷 A' g C Y ω m s cb + j C C ce + C s C s = C C ce ce C + C ω C ce, ω C >> g m b c 1 R 1 R,,

40 6. 無線機の構成 - 発振回路 (OSC) 発振回路の改善 A 負荷抵抗 A' Tr コルピッツ回路の問題点? 結合コンデンサ A 負荷抵抗 A' Tr クラップ回路

41 6. 無線機の構成 - 発振回路 (OSC) 周波数安定な共振回路 jx リアクタンス C c L C 0 直並列共振回路 -jx f a 1 1 = f b = π L ( C + C c ) π LC f 1 C C c f b 1/jB L f a f o f b 周波数 インピーダンス特性

42 6. 無線機の構成 - 発振回路 (OSC) 実際の回路例 携帯電話用回路 ( ディスクリート Tr) V T バラクタダイオード 6 (3.5) 10 (1.5) RFC SC3356 V cc.5 Out (.5) () 誘電体同軸共振器 10k V bb 10k C: [F] R: [Ω] ( ): 要調整 900MHz 帯 VCO 回路例

43 6. 無線機の構成 - ミクサ ミクサ動作 ミクサ ( 乗算回路 ) v t s = cosω s f s 入力信号 ミクサ f 出力信号 f o = f s ± f f = mf ± s o nf 局部発振 v = cosω t 1 出力信号 = v v = { cos( ω ω ) t + cos( ω + ω ) t} v i s s s ミクサはダイオード非線形回路 非線形でなぜ交流信号の乗算ができる?

44 6. 無線機の構成 - ミクサ ダイオードコンダクタンス V cost v i i 0 i V-I 特性 v g i ミクサダイオード t i = i α v 0 ( e 1) v = V cos t di = = g 0 + g cos t + g cos t dv g +K ただし g n =α i I ( α V 0 n ) α q = nkt 39 I n : 第 1 種の n 次変形ベッセル関数 g i t

45 6. 無線機の構成 - ミクサミクサ動作 I f m V m f V y m m I s I i V s f s f i 直流帰路コイルダイオード V i v = v s + v i + v m = V s cos π f s t + V i cos π f i t + V m cos π f m t i = I s cos π f s t + I i cos π f i t + I m cos π f m t i = g v f f = s f i f f m = f i V s,v i,v m, と I s,i i,i m の関係が求められる I I I s i * m = g g g 0 g g g 0 g g g 0 V V V s i * m ただし V,I はフェーザ表示 (*) は共役

46 6. 無線機の構成 - ミクサ イメージ処理ミクサ動作 RF 入力信号 I s V V s i g s g i I i IF 出力 I = y m m y m V m イメージ信号処理 I I s i Y = Y ss is Y Y si ii V V s i ただし Y ss Y si = = g 0 Y is = g 0 g g + y * m g g 0 g + y Y * m ii = g 0 g 0 g + y これより変換利得, インピーダンスが求められる * m

47 6. 無線機の構成 - ミクサ イメージ処理ミクサ特性 ダイオードは RF スイッチ イメージ整合 短絡開放 電圧振幅 V [V] g RF スイッチ t

48 6. 無線機の構成 - ミクサ 代表的なミクサ回路 RF 入力 ダイオード 局発入力 RF ( 入力 ) ダイオード 4 #4 #3 #1 IF 出力 高周波トランス 高周波トランス f i # IF( 出力 ) 高周波トランス SBM(Single Balanced Mixer) DBM(Double Balanced Mixer) Lo 958MHz RF -10~-5dBm SC3110 Xtal フィルタ 900MHz IF 58MHz I c = 1mA V cc = 5V トランジスタミクサ 局発入力

49 6. 無線機の構成 -RF アンプ トランジスタアンプの設計とは 入力 L 1 C C 1 L 出力 入出力の LC を設計 1. なぜ LC?( オーディオアンプのとの違い ). どのように?

50 6. 無線機の構成 -RF アンプ 有能電力と反射係数 負荷消費電力は P av = V 4R s R s I P L = R L R s V + R L = L s s V 信号源 交流回路 R L 負荷 R V = Pav R R L s R R ( 1 r ) P av : 有能電力 r: 反射係数 r = 0: 反射なし R L = R s

51 6. 無線機の構成 -RF アンプ 共役整合とは 信号源インピーダンス 信号源アドミタンス R s X s X L R L G s B s B L G L 負荷 Z s = Z L * Y s = Y L * 負荷 整合回路の基本素子 X L R s X s X s LP 形 HP 形インピーダンストランス 信号源負荷 X L R L

52 6. 無線機の構成 -PA( パワーアンプ ) パワーアンプの飽和 キャリア発振 変調エキサイタ AM 信号 出力 η add 入力 [dbm] パワアンプ AM パワアンプ 1. 大出力のトランジスタが必要. 電力効率が低い [dbm] とは P [dbm] = 10 log(p[mw])

53 6. 無線機の構成 -AM 変調回路 コレクタ変調 キャリア入力 ベースバンド信号 ( オーディオ ) バイアス PA AM 出力 変調トランス 電源電圧 オーディオ信号振幅 電源電圧 AM 出力

54 6. 無線機の構成 -AM 変調回路 DBM による変調 AM の式 { cos( ω + ω ) t + cos( ω ) t} m cosω c t + c c ω v m = キャリアレベル調整 変調波出力 キャリア入力 ベースバンド信号入力 V 0 y = m cos ω t cos c = m ω t { cos( ω + ω ) t + cos( ω ω t} c c ) m V 0 f c -f m V 0 f c f c +f DSB 出力

55 6. 無線機の構成 -FM 変調回路 リアクタンス変調 最も分かりやすい方法 発振器共振回路の共振周波数を変える 発振 Tr へ ベースバンド信号入力 バラクタ 共振コイル バイアス電圧 逓倍 ( 変調度を上げる方法 ) ) y x cos( nω c t + nβ cosω t n n = cos ( ω c t + β cosω t ) = n = 1 +L

56 6. 無線機の構成 -FM 変調回路 変調原理 (PM) Armstrong 方式 キャリア入力 + π 平衡変調 リミタ PM 出力 C +β -β ベースバンド信号 回路ブロック図ベクトル図 R O S

57 6. 無線機の構成 -FM 変調回路 変調原理 その他の代表的 PM 生成法 B D C O θ A AM 合成 A C r 1 C r 0 r 0 B D C r 1 φ 1 ω c C C を変調 A B D ブリッジ回路

58 6. 無線機の構成 -FM 変調回路 PM 変調回路 ベースバンド信号入力 +45 o 100kΩ -180 o 40F キャリア入力 (~ 数 MHz) B D C O θ A 積分回路 PM FM PM 出力 キャリア入力 (~ 数 MHz) PM 出力 Vcc ベースバンド CH 順方向バイアス 信号入力 + C r 1 C A D r 0 r 0 B R 入力出力 C f c = 1 πcr

59 6. 無線機の構成 -AM 変調回路 シレー変調 + π キャリア入力 V 0 振幅変調 + - A' 飽和アンプ ベースバンド信号入力 振幅変調 B' 飽和アンプ - π PM 波合成による AM B A PA PA = Ve = Ve A 合成回路 B j ϕ j ϕ + 大電力出力 + θ θ A B A 0 B0 ψ A 1 + θ - θ B 1 PM 波合成ベクトル図

60 6. 無線機の構成 - 周波数シンセサイザ 発振周波数安定化 Xtal 振動子 基準信号 位相比較器 誤差電圧 VCO 電圧制御発振器 出力周波数発振器 f o f r Varactor = N f r f o N N 分周器 N は整数 ブロック図

61 6. 無線機の構成 - 周波数シンセサイザ PLL 動作解析 ( ラプラス変換 ) なにを解析する? PD 誤差 θ (t) 電圧 VCO θ i (t) e sin( ) K v i f f o θ o (t) 積分 ω o = dθ ο dt (t) ラプラス変換 Θ i (s) Θ e (s) Θ o (s) A(s) B(s) 周波数フィードバック制御 ラプラス変換 st F ( s ) = L ( f ) = e f ( t ) dt 0 Θ o A ( = 1 + A ( s s ) ) B ( s ) Θ i

62 6. 無線機の構成 - 周波数シンセサイザ 分周形シンセサイザの解析 f = N K f K f K o Θ i (s) Θ e (s) Θ o (s) P D LP F VCO i f o o f i Θ o (s) N 1/N ブロック図 R 1 入力出力 R C ループフィルタ θ o ζ = ω n t [rad]

63 6. 無線機の構成 - 周波数シンセサイザ スワローカウンタ f = N o f i 切り替え プログラマブルカウンタ A リセット A < M P P+1 M N = M P + A デュアルモジュラスプリスケーラ分周器 最初 (P+1) で分周 N = ( P + 1) A + P ( M A ) = PM + A 64/65 分周 :A(6 ビットのプログラマブルカウンタ ) A を下位ビット,M を上位ビットする N カウンタができる

64 6. 無線機の構成 -FM 復調 ( 検波 ) 回路 スロープ検波 FM 復調信号 f dev 出力 AM 信号 f 0 f r f r f 0 共振器 入力周波数 歪み補正形 3dB 合成特性 FM 入力 f r1 復調出力 f f r1 f c f r c B 動作範囲 f r 3dB

65 6. 無線機の構成 -FM 復調回路 フォスターシーリー弁別回路 F M 入力 e 1 A RF バイパス O' O B e 0 + RF チョーク レシオデテクタ F M 入力 e 1 A O' B + e 0 復調出力 O O B e 0 f = f O' 0 A f < f 0 f > f 0 C E 電解コンデンサ D 復調出力

66 6. 無線機の構成 -FM 復調回路 デジタル方式 遅延回路方式 F M 入力 リミタ 信号 A τ 遅延回路 B パルスカウント方式 PLL 方式 F M 入力位相比較 LPF VCO A A B B 出力 τ 時間 出力 時間 Set-Reset 形 AND ゲート形 検波出力リミッタを用いない 制御信号 スレショルド改善が可能

67 6. 無線機の構成 -RF フィルタ アンテナ共用器 860~885MHz RF アンプ アンテナ共用器 915~940MHz PA アンプ 伝達特性 RX TX 信号損失が少ないこと TX-RX の分離が十分であること 小形であること ( ケータイ ) 周波数

68 6. 無線機の構成 -RF フィルタ 高周波フィルタ (BPF) BPF(Band-Pass Filter) は複数共振器の ( 電磁界 ) 結合で構成 電気 : 共振器, 機械 : 振動子 共振器の例 LC ( 誘電体 ) 同軸導波管誘電体

69 6. 無線機の構成 -RF フィルタ アンテナ共用器 小形化と性能 70cc 5cc 1cc

70 7. アナログ携帯電話 自動車電話 RF アンプ ミクサ IF アンプ 復調 アンテナ共用器 局部発振 ベースバンド処理部 PA アンプ IF アンプ 変調 1979 NTT 方式スタート トランクへ装着する自動車電話 : 容積 7 リットル

71 7. アナログ携帯電話 自動車電話 携帯電話 1979~1981 7l 1981~ l cc 80B cc 803B l 車携帯 cc ミニモ cc Mova-P

72 7. アナログ携帯電話 自動車電話 携帯電話 1979~1981 7l 1981~ l cc 80B cc 803B l 車携帯 cc ミニモ cc Mova-P

73 7. アナログ携帯電話 自動車電話 携帯電話 1979~1981 7l 1981~ l cc 80B cc 803B l 車携帯 cc ミニモ cc Mova-P

74 7. アナログ携帯電話 自動車電話 携帯電話 1979~1981 7l 1981~ l cc 80B cc 803B l 車携帯 cc ミニモ cc Mova-P

75 7. アナログ携帯電話 ポケッタブル携帯電話 1979~1981 7l 1981~ l cc 80B cc 803B l 車携帯 cc ミニモ cc Mova-P

76 7. アナログ携帯電話 Mova 1979~1981 7l 1981~ l cc 80B cc 803B l 車携帯 cc ミニモ cc Mova-P

77 7. アナログ携帯電話 デジタル Mova 1979~1981 7l 1981~ l cc 80B cc 803B l 車携帯 cc ミニモ cc Mova-P 1993 Digital Mova-P

78 7. アナログ携帯電話 自動車電話 携帯電話 10 年強 どうして携帯電話は実現できたか 何を開発すべきと考えたか? 技術的な課題は?

79 何をなすべきか / 技術的課題は電子部品の小形化 低消費電力化 1000 携帯電話 モジュール部品の急速な小形化 1. 回路技術の進化. 仕様見直し サイズ [cm ] VCO アンテナ共用器 シンセサイザ パワアンプ 3. 半導体回路の進化 年代

80 何をなすべきか / 技術的課題は 半導体微細化プロセス ゲート長 [m] 10µ µ 1960: 70~100μ 100n Moore の法則 (1965) 18~4 ヶ月で集積密度が 倍 ( 指数関数的 ) 10n 年代 ITRS(International Technology Roadma for Semiconductors)