電磁波工学

柴田幸司

　　　　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

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）

　高周波増幅回路

周波数変換器

局部発振器

中間周波増幅回路

455kHz

検波(復調)　　回路

イヤフォン

　　受信回路（ヘテロダイン増幅の場合）

アンテナ

送信回路

マイクロフォン

発振器

変調回路

　高周波増幅回路

1485kHz 1035kHz

1485kHzアンテナ

無線通信機器の回線設計（送信機系）

マイクロフォン

発振器

変調回路変換損失

高周波電力増幅回路

アンテナ

+0dBm

-10dB

-10dBm

+30dB

+20dBm +40dBm

高周波電力増幅回路

+20dB

dBmについて 1mW → 0dBm

電力（dBm）

W1W10 10 m

Xmlog

1mW　→ dBm0110W1W110 1010

log

mmlog

0.1mW　→ dBm101010mW1mW1010 1

1010

log.log

電力1485kHz

1485kHz

[dBm]1

10 10 AmW

XmWlog

10[dBm]

10[mW]A

X

+20dBm　→ mW1001010 21020

+40dBm　→ W10mW100001010 41040

-20dBm　→ mW0101010 21020

.

自由空間の伝搬損失

Pi

入力電力

d

d 離れた点での電力密度

24 dPP i

d

24 dPP i

d

入力電力

球の表面積

Pｔ Pｒ

d

Gｔ Gｒ

rdtr GPGP4

2

受信断面積

受信機での受信電力は

送信アンテナ利得 受信アンテナ利得

ri

t Gd

PG

44

2

2

itr PGGd

2

4 となる。

2

4

d

Loss を自由空間伝搬損失と言い、dBでは

2

104log10

dLoss [dB] となる。

（損失が＋だから分子分母が逆）

波源からd[m]離れたあ

る点で観測される電力

ガウスの法則と同じ考え方

この値自体はもともとマイナス 波長で規格化 f

c

d 離れた点での電力密度

電力は距離の2乗に反比例

空間での電力損失

送信アンテナ

Pt=+40dBm

2dBi -20dBi

距離　100km

受信アンテナ

Pr:　有効電力？

AMラジオのバーアンテ

ナは利得が得られない

f 1485 103 [Hz] d 100 1000 [m]

f( ) 2.99792108

f

Sloss ( ) 10 log f( )4 d

2 [dB] Sloss ( ) 75.882

P 40 A1 2 A2 20

Total P A1 Sloss ( ) A2

Total 53.882 [dBm]

　　Pr

　　Pr

回線系

コンバージョンロス

高周波増幅回路

(LNA)

周波数変換器

局部発振器

中間周波増幅回路

455KHz

検波(復調)　　回路

イヤフォン

アンテナ 1035kHz

-54dBm

0dBm

+20dB-34dBm

周波数変換器での合成電力 -34dBm　→　3.981×10-4mW

0dBm　→　1mW　

dBm0mW11109813 4 .

-10dB

実際の出力 -10dBm

-10dBm

20dB

+10dBm

出力電力

受信系（ヘテロダイン方式）

Ref点

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

回路にて発生する入力雑音電力N

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

BTkNi

ここで 231038.1 k （ボルツマン定数）

T： 絶対温度, B:　帯域幅

アンプからノイズが発生

入力雑音なのでNi

AM放送の場合

323 1062529810381 ..kTBNi

20320 101047.225.2981028.8 171047.2 W141047.2 mW

10 log 2.47 10 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

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

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　　　　　

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、 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。

10 log 1.11 10 10 99.547

BTkNi 523 102725.29838.1

W111 13 .dBW54129.

dBm5499.

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L1=3dB、受信ミキサ回路の雑音指数をF2=3dB、変換利得をG2=10dB、IF増幅回路の雑音指数をF3=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T0=290Kにおけるk・T0（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

受信ミキサ

IF増幅

回路

局部発振回路

受信フィルタの雑音指数をF1とすると

２（真数）311 dBLF損失L1を利得G1で表すと

50211

11 .

LG

となる。よって、この受信系の雑音指数Fは

052050106

501020211

21

3

1

21 .

..

...

GGF

GFFF

dB.log 70510 10

を得る。よって、雑音電力の入力換算値Ni[dBm]は

dBHz43102010 310 logB

より

dBm124743174 kTBFNi

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

Pt=+10dBm

2dBi 5dBi

距離　2km

基地局アンテナ

Pr:　有効電力？

800MHzでの自由空間伝搬損失　　　：-130.51dB2000GHz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

・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

送・受信機

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

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）

・光ファイバ

・ADSL

ADSLとその帯域幅

8Mでは上り25kHz～138kHz、下り138kHz～1104kHz

ＩＳＤＮが使用している周波数帯（0～320kHz）の中心が160kHz

26M（24M）は25kHz～2200kHzの範囲

ADSLの伝送損失

NTT局

https://lios-web.ntteast-lineinfo.jp/LiosApp1/home/index.jsp

自宅

870m

-17dB

伝送線路損失式の逆算

17log102

10

dX

基本式の作成

電力は距離の２乗に反比例

インターネットサイトにおける計算値

平行２線

計算例

未知数

17log20 10

dX

2017log10

dX

→

これより 2017

10

dX

となるので 2017

10

dX と変形される。

ここで、d=870mだから 11062.109126.087010 2017

dX

となる。これより、電話線による電力損失は

][110log20110log10 10

2

10 dBdd

Loss

で計算できることが分かった。

・・・（１）

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

1000 -19.17

2000 -25.19

3000 -28.72

4000 -31.21

5000 -33.15

線路長5013m　伝送損失-50dB

実際（測定値）は

1式と異なる

近似式による補正

][0225.0130log20 10 dBd

Loss

距離［m］ 損失[dB]（近似式）

870 -17.929

5013 -49.288

損失[dB]（測定値）

-18.0

-50.0

2000 -25.193

3000 -33.625

4000 -40.0

実際の測定値は計算値とは異なる。

で計算した場合

参考式

計算値は周波数によっても異なる

（株）ＮＴＴのホームページより　　　　　　　引用

同軸ケーブルの損失

導体損失

Z0：線路インピーダンス

f ：周波数［Hz］ K2:外部導体の材質

r 3.61Zo

f K1d

K2 K3

D 10 7 [dB/m]

K１:内部導体の材質

K3：外部導体の形状

d:内導体外径［m］

D:外導体内径［m］

g 9.1 tand f 10 8 [dB/m]

誘電損失

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=1104［KHz］

Zo 60

ln Dd

Zo 75.055

8Mbpsでの 高周波数

2.3 tand 2 10 4

D 10.0 10 3 d 1.5 10 3

テフロン絶縁の同軸線路

r g 4.41 10 3 [dB/m]

1000 4.41 [dB/km]

5000 22.052 [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

デジタル通信について

　デジタル　変復調回路

ベースバンド部

I / Q復調器

　ピンスイッチ

アンテナ

発振器

パワーアンプ RFフィルタ 　アップ　コンバータ

RFフィルタローノイズ　アンプ

　ダウン　コンバータ IFアンプ

I / Q変調器

PC

無線LANのブロック図