2005年度秋期実用マイクロ波講座 無線機設計におけるRF技術のすべて 無線機設計におけるRF技術のすべて 2005年 9月〜12月 松下電器産業(株) 上野 伴希(工学博士) 研修アジェンダ 1.システム設計概要 2.低雑音アンプ(LNA)その1 3.低雑音アンプ(LNA)その2 4.ミクサ 5.ローカル発振器 6.変復調その1 7.変復調その2 8.パワーアンプ(PA) 9.その他の回路 10.ダイレクトコンバージョンRX/TX 第1章 第1章 システム設計概要 システム設計概要 2005年 9月14日 1.システム設計の必要性,無線機諸元 2.受信方式(スーパヘテロダイン,DCR) 3.レベルダイアグラムによるシステム設計 4.基本事項,dBパワー計算 5.リンクバジェット システム設計の必要性 無線機ブロックダイアグラム 受信 SAW RFアンプ BPF ミクサ フィルタ IFアンプ セラミック フィルタ 受信検波 アンテナ 90MHz 860〜 885MHz 455kHz PLO (RFフィルタ) アンテナ 局部発振 共用器 信号 (出力フィルタ) 915〜 940MHz TCXO 周波数 シンセサイザ 145MHz ベース バンド部 PLO 変調 データ 送信 PA 変調器 BPF アップ IFアンプ SAW フィルタ コンバータ BPF: バンドパスフィルタ TCXO: 温度安定水晶発振器 PL O: 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 システム設計の必要性 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.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 1 1 . A C P R 1 2 . 占 有 帯 域 幅 13.SW時スペクトル 1 4 . 変 調 精 度 15.スプリアス(TX) ・・・・・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 システム設計の必要性 無線機諸元と回路ブロックの関係 無線機諸元 回路(機能)ブロック 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) 問題 6 . 相 互 変 調 「無線機諸元」と「回路(機能)ブロック」 7.AMサプレション の関連を線で結んでください。 8.スプリアス輻射 9 . 送 信 出 力 10.出力制御精度 1 1 . A C P R 1 2 . 占 有 帯 域 幅 13.SW時スペクトル 1 4 . 変 調 精 度 15.スプリアス(TX) ・LNA ・ミクサ ・VCO ・シンセサイザ ・PA ・変調器 ・フィルタ ・SW システム設計の必要性 無線機諸元とブロックの関係例 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 1 1 . A C P R 1 2 . 占 有 帯 域 幅 13.SW時スペクトル 1 4 . 変 調 精 度 15.スプリアス(TX) 回路(機能)ブロック ・LNA ・ミクサ ・VCO ・シンセサイザ ・PA ・変調器 ・フィルタ ・SW システム設計の必要性 無線機諸元と回路ブロックの関係 無線機諸元 ← ブロック仕様 ← 回路(機能)ブロック 1.受信感度(BER=10-3) ・利得 ・LNA 2.最大信号入力 ・NF 3.チャネル選択度 ・ミクサ ・IIP3 4.ブロッカ特性 5.スプリアス感度(RX) ・VCO ・IIP2 6.相互変調 ・P1dB ・シンセサイザ 7.AMサプレション ・効率 8.スプリアス輻射 ・PA 9.送信出力 ・CN 10.出力制御精度 ・アイソレーション ・変調器 11.ACPR ・フェーズノイズ 12.占有帯域幅 ・フィルタ 13.SW時スペクトル ・減衰特性 14.変調精度 ・SW ・挿入損 15.スプリアス(TX) システム設計の必要性 無線機諸元と回路ブロックの関係 無線機諸元 ← ブロック仕様 ← 回路(機能)ブロック 1.受信感度(BER=10-3) ・利得 ・LNA 2.最大信号入力 ・NF 3.チャネル選択度 ・ミクサ ・IIP3 4.ブロッカ特性 5.スプリアス感度(RX) ・VCO ・IIP2 6.相互変調 ・P1dB ・シンセサイザ 7.AMサプレション ・効率 8.スプリアス輻射 ・PA 9.送信出力 ・CN 10.出力制御精度 ・アイソレーション ・変調器 11.ACPR ・フェーズノイズ 12.占有帯域幅 ・フィルタ 13.SW時スペクトル ・減衰特性 14.変調精度 ・SW ・挿入損 15.スプリアス(TX) 受信方式 スーパへテロダイン方式 RFフィルタ RF入力 76〜90MHz ミクサ IFフィルタ IF出力 10.7MHz RFアンプ ローカル 発振 65.3〜79.3MHz 周波数変換とフィルタ動作 RF ミクサ IF ③ ④ fi ③ ④ fp ② ② ⑤ ① fs ⑤ ⑥ ① ⑥ 局発 周波数 0 目的のRF帯域 IFフィルタ特性 RFフィルタ特性 受信方式 スーパへテロダイン方式 RFフィルタ RF入力 76〜90MHz ミクサ IFフィルタ IF出力 10.7MHz RFアンプ ローカル 発振 65.3〜79.3MHz スーパへテロダイン受信機 周波数伝達特性 イメージ応答 受信レベル (伝達特性) RFフィルタ特性 IFフィルタ特性 IFフィルタ 特性(ミラー) 10.7MHz イメージ 応答 局発 周波数 希望 信号 目的の RF帯域 受信方式 ダイレクトコンバージョン(DCR) 2110〜 2170MHz LNA1 LNA2 Mixer BB-Chain RF in Digital BB out BPF SW+Dup. 希望信号 ベースバンド フィルタ特性 ブロッカ 検波出力 0 BB周波数 15MHz RF レベルダイアグラムによるシステム設計 スーパへテロダイン方式 PDC受信機 810〜 828MHz RFSW BPF Lo RF amp. BPF Xtal Lo フィルタ 113.8MHz NF=9dB −1.5dB 18dB −3dB 10dB NF=7.3dB NF=6dB Psat P1dB 最大入力 0 0 ‑7 dBm 9dB ‑6 ‑10 ‑9 飽和入力 ‑20 18dB ‑30 ‑22.5 20dB NF=15dB Psat IFアンプ 飽和出力 ‑24 ‑40 ‑50 ‑60 ‑70 20dB ‑80 ‑90 ‑100 ‑110 最大感度 ‑109 ‑1.5dB 入力雑音 ‑110.5 ‑121.7 ‑85.5 ‑92.5 ‑3dB 10dB ‑95.5 18dB アクティブ フィルタ 400kHz レベルダイアグラムによるシステム設計 ダイレクトコンバージョン(DCR) 2110〜 2170MHz SW+Dup. LNA1 BPF LNA2 Mixer NF=9dB ‑4dB 13dB ‑3dB 13dB ‑7dB 0 dBm ‑10 ‑20 ‑25 ‑30 最大入力 ‑40 ‑44 0dB BB-Chain 97dBmax. ‑ 1 107dBµ 106dBµ (200mV) 97dBµ 25dB ‑16 87dBµ (‑25) ‑26 ‑35 77dBµ 20dB ‑45 ‑50 67dBµ 44dB 57dBµ ‑60 ‑70 ‑80 ‑90 ‑98 NF+kTB=‑99dBm ‑100 ‑108 ‑111 13dB ‑110 13dB ‑3dB ‑117 最大感度 ‑4dB ‑121NF<5dB NF9dB 97dB 47dBµ 37dBµ 27dBµ 17dBµ 7dBµ レベルダイアグラムによるシステム設計 送信機 12.7-13.2GHz 14-14.5GHz BPF TWTa OMT 映像 +50 +54.8 (300W) dBm Att. Cable SSPA 分波器 BPF TCGC P-con. Ku-upconv. 140MHz Att. 1.3GHz L-upconv. 47.8dB データ 1.5W 0 ‑8dB +15 +7 23dB 46dB ‑16 ‑31 ‑16 ‑15dB ‑27dBc ‑15dB Kuスプリアス ‑50 ‑62dB 13.2GHz ‑78dB ‑100 12.7GHz ‑133 1.16GHz ‑63dB ‑90dBc 衛星通信送信機 ‑11 ‑5dB 25dB ‑36 ‑50dBc IM3 ‑80dBc Lスプリアス 基本事項 dBmとdBμ [dBm]は電力を表す単位 1[mW]に対するdB値: q [mW] = 10logq [dBm] 1mW = 10 log 1 = 0dBm 0.1mW = 10 log 0.1 = −10dBm 2mW = 10 log 2 = 3dBm [dBμ]は電圧を表す単位 1[μV]に対するdB値: r [μV] = 20logr [dBμ] 1µV = 20 log1 = 0dBµ 2 µV = 20 log 2 = 6dBµ 問題 0dBmの換算: 何[dBμ]? 50Ω負荷 75Ω負荷 基本事項 dBパワの足し算 つぎの計算を求めよ Pt = P1 + P2 [W] 3.01dBm = 0dBm + 0dBm ? dBm = (0dBm) + (3dBm) ? dBm = (0dBm) + (−1dBm) ? dBm = (0dBm) + (−2dBm) ? dBm = (0dBm) + (−3dBm) ? dBm = (0dBm) + (−6dBm) ? dBm = (0dBm) + (−10dBm) 基本事項 dBパワの足し算 Nomograph ∆A 差 S dB A(dB) B(dB) A+B(dB) 基本事項 交流表現 v (t ) = A cos(ωt + θ ) 瞬時値表現 V = Ae j (ωt +θ ) = Va e jωt 複素数表現 Ae jθ = Va A:実数 Va:フェーザ v(t ) = Re[V ] = Re[ Ae j (ωt +θ ) ] フェーザの利点⇒複素オームの法則 V Z= I リンクバジェット 受信レベル 球面 S 1.受信電力密度P1,,送信電力Pt R Pt Pt = P1 = S 4πR 2 Pt 2.送信アンテナ利得Gt,,受信電力密度P2 Peirp Gt Pt = P2 = Gt P1 = 2 4πR 4πR 2 3.受信アンテナ利得Gr,,受信電力Pr 2 λ Pr = Ae P2 = Pt Gt Gr 4πR λ2 Gr ただし Ae = 4π 無指向性 波源 P1 リンクバジェット リンクバジェット図 2 λ Pr = Ae P2 = Pt Gt Gr R 4 π λ Pr [dBW ] = Pt [dBW ] + Gt [dB] + 20 log + Gr [dB] 4πR E.I.R.P Pt Gt 自由空間伝搬損 Pr P2 Gr C/N = Pr / Nt Nt No = kTB NF リンクバジェット 受信レベルの問題 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820MHz,出力1W 受信機NF=9dB,IF帯域幅21kHz 2.携帯端末から10/30cm離れた位置の受信レベルを求めよ。 条件 送信周波数950MHz,出力0.8W 2 λ Pr = Ae P2 = Pt Gt Gr R 4 π For ForInstructor Instructor 基本事項 0dBmの換算: 何[dBμ]? 50Ω負荷 75Ω負荷 解答 0dBm = 1mW V50 = 50 × 1× 10 −3 = 0.2236V 20 log V50 = 20 log(0.2236 × 10 6 ) = 107dBµ V50 = 75 × 1× 10 −3 = 0.2739V 20 log V50 = 20 log(0.2739 × 10 6 ) = 108.8dBµ ≈ 109dBµ 基本事項 dBパワの足し算 解答 3.01dBm = 0dBm + 0dBm 4.76dBm = (0dBm) + (3dBm) 2.54dBm = (0dBm) + (−1dBm) 2.12dBm = (0dBm) + (−2dBm) 1.76dBm = (0dBm) + (−3dBm) 0.97dBm = (0dBm) + (−6dBm) 0.41dBm = (0dBm) + (−10dBm) リンクバジェット 1.BSから5km離れた位置のPDC携帯端末のCN比を求めよ。 受信機NF=9dB,IF帯域幅21kHz 送信周波数820MHz,出力1W 解答 30dBm ‑104.7 1W = 30dBm 0 C/N = 47dB 820MHz 5km ‑74.7dBm ‑74.7dBm kTB 293K 21kHz 0 ‑121.7dBm ‑130.7dBm 2.携帯端末から10/30cm離れた位置の受信レベルを求めよ。 送信周波数950MHz,出力0.8W 解答 10cm: 17dBm, 30cm: 7.5dBm NF 9 頭の準備 正弦余弦の公式 sin( A ± B) = sin A cos B ± cos A sin B cos( A ± B ) = cos A cos B m sin A sin B sin A sin B = − 1 {cos( A + B) − cos( A − B)} 2 1 {sin( A + B) + sin( A − B)} 2 1 cos A cos B = {cos( A + B ) + cos( A − B )} 2 sin A cos B = A+ B A− B cos 2 2 A+ B A− B cos A + cos B = 2 cos cos 2 2 A+ B A− B cos A − cos B = −2 sin sin 2 2 sin A + sin B = 2 sin
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