電磁波工学 第 11 回無線通信システムと回線設計 ( 固定局通信 移動体通信 衛星通信 ) 講義ノート 柴田幸司
無線通信と回線設計 無線機器の信号 ( 電磁波 ) を空間に放射し 情報 ( デジタル アナログ ) を伝送する手法 --- 通信方式 ( 送受信点による分類 )--- 固定通信 マイクロ波 中継回線 (4,5,6G), 携帯電話のエントランス回線 (TV ラジオ放送) 移動体通信 携帯電話 モバイル ( コンピュータ ) 通信 VICS ETC WiMAX 衛星通信 一般の衛星放送 業務用通信衛星を用いた車 車間 車 固定間通信 (ETSⅧ) 回線設計とは送信信号電力がノイズ電力を上回って受信できることを補償すること
無線通信機器の構成 (AM 放送の場合 ) 発振器 1485kHz アンテナ 送信回路 マイクロフォン 変調回路 高周波増幅回路 1485kHz アンテナ 局部発振器 35kHz 455kHz 受信回路 ( ヘテロダイン増幅の場合 ) 高周波増幅回路 周波数変換器 中間周波増幅回路 検波 ( 復調 ) 回路 イヤフォン
無線通信機器の回線設計 ( 送信機系 ) 発振器 +0dBm 高周波電力増幅回路 高周波電力増幅回路 アンテナ 電力 1485kHz +30dB +20dB 1485kHz マイクロフォン 変調回路変換損失 -db -dbm +20dBm +40dBm dbm について 1mW 0dBm 電力 (dbm) log XmW 1mW 1mW 0.1mW 1mW log log 1 1mW 0dBm 0. 1mW 1 log log dbm 1mW
[dbm] 1 A mw XmW log [dbm] [mw] A X +20dBm mw 0 2 20 +40dBm W 000mW 4 40-20dBm mw 01 0 2 20.
P i 入力電力 d 自由空間の伝搬損失 波源から d[m] 離れたある点で観測される電力 P d Pi 4d 2 送信アンテナ利得 P t G t 受信アンテナ利得 G r P r d 離れた点での電力密度 P d この値自体はもともとマイナス Pi 4d 2 波長で規格化 Loss 4d 4d Loss log 2 入力電力 球の表面積 を自由空間伝搬損失と言い db では 2 ガウスの法則と同じ考え方 [db] となる ( 損失が + だから分子分母が逆 ) c f d 離れた点での電力密度 受信機での受信電力は P r G G t t d 受信断面積 2 Pd Gr 4 2 Pi G 2 4d 4 4d 2 G r 空間での電力損失 G t r P i 電力は距離の 2 乗に反比例 となる
送信アンテナ 2dBi 回線系 AM ラジオのバーアンテナは利得が得られない 受信アンテナ -20dBi P t =+40dBm 距離 0km Pr: 有効電力? f 1485 3 [Hz] d 0 00 [m] ( f) 2.99792 8 f 2 Sloss( ) ( f) log [db] Sloss( ) 75.882 4 d P 40 A1 2 A2 20 Total Pr P A1 Sloss( ) A2 Total Pr 53.882 [dbm]
受信系 ( ヘテロダイン方式 ) -54dBm アンテナ +20dB -34dBm 局部発振器 35kHz 0dBm 455KHz 出力電力 Ref 点 高周波増幅回路 (LNA) 周波数変換器 -db -dbm +dbm 中間周波増幅回路 20dB 検波 ( 復調 ) 回路 イヤフォン 周波数変換器での合成電力 -34dBm 3.981-4 mw 0dBm 1mW 3. 981 4 実際の出力 1 1mW 0dBm -dbm コンバージョンロス
スーパーヘテロダイン受信機の場合
ノイズレベルについて アンプからノイズが発生 入力雑音なので N i 回路にて発生する入力雑音電力 N N i k T B ここで 23 k 1.38 ( ボルツマン定数 ) T: 絶対温度, B: 帯域幅 入力雑音電力は k が一定なので温度が高く 帯域幅が広いほど雑音が多い
N i ktb AM 放送の場合 絶対零度は -273.15 で これを 0 ケルビンという 温度が 25 の場合は ケルビンで表すと 298.25K となる また AM 放送の帯域幅を 6kHz とすれば 23 1. 38 298. 256 3 8.28 20 298.25 2.47 3 20 2.47 17 W 2.47 14 mw log 2.47 14 136.073 dbm 伝送線路や周波数変換器の損失により ノイズレベル上昇キャリアレベルとノイズレベルの比 C/N 比 を得る 一方 今回の AM 放送の場合には C=-54dBm なので C/N 比は -54-(-136)=82dB となり 充分な余裕のある回線系であると分かる
BS 放送の受信系の例 絶対零度は-273.15 であり これを0ケルビンとすれば 温度が25 の場合には これをケルビンで表すと298.25Kとなる また BS 放送の帯域幅は27MHzなので N i k T B 13 1. 11 W 129.54dBW 23 1.38 298.25 27 99.54dBm 5 log 1.11 99.547 1W=0dBW 1mW=0dBm 雑音測定に関しては 一般に T=290K が標準温度 To として定義 回路設計においては この入力される信号と雑音の比 ( S/N ) がどれぐらいあり 回路内部でどれくらいの雑音が発生し 最終的な出力として どれくらいの ( S/N ) となるかをみることが 低レベル信号を扱う受信系の回路設計では重要である
受信機の入力換算雑音電力 図に示す受信系において 受信帯域フィルタの挿入損失を L 1 =3dB 受信ミキサ回路の雑音指数を F 2 =3dB 変換利得を G 2 =db IF 増幅回路の雑音指数を F 3 =7.8dB 帯域幅を B=20kHz とする時 この受信系の雑音電力の入力変化値を計算せよ 但し 周囲温度が T 0 =290K における k T 0 (k はボルツマン定数 ) の値を -174dBm/Hz とする 受信帯域フィルタ 受信フィルタの雑音指数を F 1 とすると F1 L1 3dB 受信ミキサ 局部発振回路 2( 真数 ) IF 増幅回路 損失 L 1 を利得 G 1 で表すと 1 1 G1 0. 5 L 2 1
となる よって この受信系の雑音指数 F は F F 1 F2 1 G 1 F G 1 3 1 G 2 2. 0 2. 0 1 0. 5 6. 0 1 0. 5 20 5. 0 log 5. 0 7dB を得る よって 雑音電力の入力換算値 N i [dbm] は より B log 3 20 43dBHz N i ktbf 174 43 7 124dBm を得る つまり 入信電力とこのノイズの値の比が C/N 比となる
移動体通信 基地局 固定局と 移動局および 移動局同士での通信 問題点 移動による直接波伝搬の断絶やマルチパスにより 常時接続が難しい 解決法 基地局 アダプティブアレーなど 移動局 ダイバシティ方式など
携帯電話網の回線設計 端末アンテナ 2dBi 基地局アンテナ 5dBi P t =+dbm 距離 2km Pr: 有効電力? 800MHzでの自由空間伝搬損失 :-130.51dB 2000GHzでの自由空間伝搬損失 :-138.47dB 受信電力としては 8dB の差
ダイバシティ方式 信号の強いアンテナに電子的なスイッチで切り替える方式 送 受信機 マルチセクタアンテナ技術 任意方向からの電波を捕らえる為にアンテナをスイッチで切り替える技術 メリット 単位アンテナの利得を大きく出来る マルチパスに強い
通信試験衛星 ETSⅧ
有線通信について 固定電話( 電線 光ファイバ ) ADSL 光ファイバ ADSL とその帯域幅 8M では上り 25kHz~138kHz 下り 138kHz~14kHz 26M(24M) は 25kHz~2200kHz の範囲 ISDN が使用している周波数帯 (0~320kHz) の中心が 160kHz
ADSL の伝送損失 計算例 870m インターネットサイトにおける計算値 -17dB NTT 局 自宅 平行 2 線 伝送線路損失式の逆算 未知数 log 2 X d 17 基本式の作成 電力は距離の 2 乗に反比例 https://lios-web.ntteast-lineinfo.jp/liosapp1/home/index.jsp
X 20log 17 d X 17 log d 20 X d 17 これより 20 X d 17 となるので 20 と変形される 17 20 ここで d=870mだから X d 8700.126 9.62 1 となる これより 電話線による電力損失は Loss 1 1 log 20log [ db] d d 2 (1) で計算できることが分かった
上記式での電話線の損失と距離との関係 距離 [m] 損失 [db] 500-13.15 00-19.17 2000-25.19 3000-28.72 4000-31.21 5000-33.15 実際 ( 測定値 ) は線路長 5013m 伝送損失 -50dB 1 式と異なる
近似式による補正参考式 130 Loss 20log 0.0225[ db] d 距離 [m] 損失 [db]( 近似式 ) で計算した場合 損失 [db]( 測定値 ) 870-17.929-18.0 2000-25.193 3000-33.625 4000-40.0 5013-49.288-50.0 計算値は周波数によっても異なる実際の測定値は計算値とは異なる
( 株 )NTT のホームページより引用
導体損失 r 同軸ケーブルの損失 3.61 K1 K2 f K3 7 Zo d D [db/m] Z 0 : 線路インピーダンス f : 周波数 [Hz] 誘電損失 d: 内導体外径 [m] D: 外導体内径 [m] K1: 内部導体の材質 K2: 外部導体の材質 K3: 外部導体の形状 g 9.1 tand f 8 [db/m] ε : 絶縁体の比誘電率 δ : 絶縁体の誘電正接 ( 損失角 ) r g [db/m]
K1=1 ( 銅単線 ) K2=2 ( 銅網線 ) K3=1 ( 平滑管 ) f=14[khz] 8Mbps での最高周波数 テフロン絶縁の同軸線路 D.0 3 d 1.5 3 2.3 tand 2 4 Zo 60 ln D Zo 75.055 d r g 4.41 3 00 4.41 5000 22.052 [db/m] [db/km] [db/km] 平行 2 線より損失少ない
光ファイバの伝送損失 石英ファイバで, 伝送損失 0.6dB/km( 波長 1300nm) 以下 長距離伝送が可能
I / Q ンド部デジタル通信について 無線 LAN のブロック図 アンテナ ローノイズアンプ RF フィルタ ダウンコンバータ IF アンプ デジタル変復調回路ベ復調器 ースピンスイッチ 発振器 I / Q 変調器 バPC パワーアンプ RF フィルタアップコンバータ