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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 - Hi-HO

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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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