第7回 無線機器 無線通信における電波 アンテナと共振回路、電波の形式と記号 ＡＭ送信機、ＡＭ受信機 水晶発振器、ＰＬＬ発振器、Ｃ級増幅回路

Presentation on theme: "第7回 無線機器 無線通信における電波 アンテナと共振回路、電波の形式と記号 ＡＭ送信機、ＡＭ受信機 水晶発振器、ＰＬＬ発振器、Ｃ級増幅回路"— Presentation transcript:

1 第7回 無線機器 無線通信における電波 アンテナと共振回路、電波の形式と記号 ＡＭ送信機、ＡＭ受信機 水晶発振器、ＰＬＬ発振器、Ｃ級増幅回路
第7回　無線機器 無線通信における電波 アンテナと共振回路、電波の形式と記号 ＡＭ送信機、ＡＭ受信機 水晶発振器、ＰＬＬ発振器、Ｃ級増幅回路 スパーヘテロダイン、周波数変換器、ＡＭ復調器、ＡＧＣ ＳＳＢ送信機、ＳＳＢ受信機 ＦＭ送信機、ＦＭ受信機 プレエンファシス、ＦＭ変調器、周波数逓倍器 リミッタ、ミューティング、デエンファシス ＦＭステレオ 送信機の性能、受信機の性能 占有周波数帯幅、スプリアス放射、アンテナ電力 感度、選択度、忠実度 1

2 第１回授業の復習（変調） 変調された信号(a) 変調された信号(b) それぞれ何変調された信号ですか？

3 無線通信における電波（P.143) アンテナと共振回路 アンテナは、Ｑ値（共振の鋭さ）が大きい特定の 高周波数で効率よく電波が放射されます
Qが大きい ⇒ 帯域が狭いんだ

4 無線通信における電波 信号波と電波の周波数 信号波は、信号のもつ周波数が 低く、帯域が広いので、アンテナ から電波として放射されません。
電波として放射するには、 高い周波数の搬送波で、 信号波を変調し、アンテナに 供給する必要があります。 （AMラジオ、TV信号など） 注）左図はアナログテレビの周波数です

5 無線通信における電波の形式 電波の形式 電波法によって、下記の３つの分類の記号３文字で表現されます （１）搬送波の変調の方式
（２）変調する信号の性質 （３）伝送情報の形式（メディア情報の種類） 例えば、 ＡＭラジオは(1)両側波帯の振幅変調、(2)アナログモノラル、 (3)音響の放送なので、Ａ３Ｅと表現されます 地デジ放送は(1)その他のもの、ディジタル2チャンネル以上、 (3)データ、音声、画像等組み合わせなので、X7Wと表現されます 問1へ

6 ＡＭ送信機(P.146) A B C D E F A B C D E F 搬送波発振器：搬送波を発生させる発振器
緩衝増幅器：発振器に後段からの電流・電圧によって影響がないようにする 励振増幅器：搬送波の大きさを変調に必要な大きさまで増幅する 終段電力増幅器：送信機の出力まで増幅する 信号増幅器：AM変調に必要な大きさまで信号を増幅する ＡＭ変調器：直流電圧に信号波を重量する

7 搬送波発振器 周波数逓倍器 水晶発振器 水晶発振器を利用して、高調波を作り出し（トラン ジスタ増幅回路の高調波を利用）、共振回路で
下記は13mm角 周波数は安定しているが、 高い周波数の製作は困難なので 水晶の圧電特性を利用して 安定した周波数を取り出す 水晶発振器を利用して、高調波を作り出し（トラン ジスタ増幅回路の高調波を利用）、共振回路で 目的の周波数を取り出す回路を周波数逓倍器 といいます。ただし、水晶発振器の整数倍しか 　　　　　　　　　　　　　　　　　　作り出せません 周波数逓倍回路例 2,3,5の部分がLC共振回路 になっていますね 水晶発振器

8 ＰＬＬ発振器 PLL発振器 PLL(Phase-Locked Loop) 近年、飛躍的に進化した発振器
AM、FM、テレビの同期信号、計測機器 (スペクトラムアナライザ)などに利用 動作原理 位相比較器で fR=f0 のとき出力 fc が得られているとする。 1. VCO出力が希望する fc より低くなると f0 も小さくなる ↓ 2. 位相比較器 入力 fRとf0の位相パルスの差(幅)が増える 3. 低域フィルタ LPF を利用して、パルスの差を直流電圧に変換(=制御電圧) 4. この直流電圧は、位相パルスの幅に比例するので、増大する 5. 増大した電圧入力でVCOの出力周波数は上がり、fR=f0 に戻る VCOは電圧の大小で 周波数を変化させる

9 ＶＣＯとは 電圧制御発振器（Voltage-controlled oscillator、VCO） 可変容量ダイオードを利用：
入力電圧が高くなると 出力信号の周波数は高くなります VCOの回路例 線形の部分を 利用します 可変容量ダイオードを利用： 　　加わる電圧によって容量が変化し、共振周波数が変わり、 　　出力信号の周波数が変わるわけです

10 分周器とは 分周器（分周回路） 信号の周波数を1/nにできる 回路を分周回路といいます Q0：CLK周期の2倍 Q1：CLK周期の4倍
論理回路での構成例 信号の周波数を1/nにできる 回路を分周回路といいます Q0：CLK周期の2倍 Q1：CLK周期の4倍 Q2：CLK周期の8倍 となっていることが分かります 入力信号の周波数をfk とすると 　Q0端子 ⇒ fk/2、Q1端子 ⇒ fk/4、 　Q2端子 ⇒ fk/8、・・・となります

11 増幅器 緩衝増幅器 励振増幅器 終段電力増幅器 後段の増幅器の電圧・電流 の変動が発振器に影響しない ようにするための増幅器
（出力インピーダンスを低くします） 励振増幅器 終段電力増幅器に必要な大きさに増幅するための増幅器 一般に、Ｃ級増幅器を利用するので、同調回路（共振回路）で整形します （波形は歪みますが、電力使用効率が高いのでＣ級が利用され、歪は 　同調回路でなんとかするわけです） 終段電力増幅器 アンテナからの放射を行うために、さらに大きな増幅を行うのが目的です。 やはり電力効率が良いＣ級増幅器が利用されます。

12 増幅器 電子回路、覚えてますか？ トランジスタのＡ級、Ｂ級、Ｃ級増幅 よって、高出力の送信機には Ｃ級増幅が用いられるわけです
電子回路、覚えてますか？　トランジスタのＡ級、Ｂ級、Ｃ級増幅 Ａ級 ⇒ バイアスが必要で、信号が０でも電力消費大 Ｂ級 ⇒ アイドリング電流のため電力消費中 Ｃ級 ⇒ バイアスが負なので、電力消費小（高効率） よって、高出力の送信機には 　　　　　Ｃ級増幅が用いられるわけです Ｃ級増幅 A級増幅 B級増幅

13 ＡＭ変調器 ＡＭ変調器 信号増幅器で増幅された 信号波の大きさに従って、 搬送波の振幅を変えます 左図は、コレクタ側に信号波を
入れているコレクタ変調回路で、 ＡＭ変調回路に良く利用されます。 ベース変調回路、エミッタ変調回路 もありますが、線形性の面で劣ります。 問2～問7へ

14 ＡＭ受信機(P.151) 高周波増幅器 周波数変換器 中間周波数増幅器 アンテナからの受信信号は 微弱なためまず高周波の まま増幅します。
高周波のままでの信号増幅は 困難なため、中間周波数(IF)と 呼ばれる低い周波数に変換します（詳細は後述） 中間周波数増幅器 中間周波数での信号波を 増幅するとともに、共振 回路を用いて、不要な 周波数をカットしています。 共振回路がいくつもあります

15 ＡＭ受信機 ＡＭ復調器 信号増幅器 ＡＭ復調器はＡＭ波から信号を 取り出す部分で、検波器とも いわれます。 信号波を増幅する部分で、
信号波を増幅するため、歪の少ない増幅器を用います。 すなわち、Ａ級増幅やＢ級プッシュプル増幅などを利用します。 送信機とは異なり、大電力を扱わないため、効率はあまり気になりません。

16 ＡＭ受信機の周波数変換器 周波数変換器 局部発振器 混合器 帯域フィルタ
増幅を容易にするための中間周波数(IF)と呼ばれる周波数に変換し、受信機の性能を安定させます 局部発振器 搬送波周波数より少し高い周波数（ 𝑓 𝑐 + 𝑓 𝐼𝐹 ）を混合器の周波数に利用します 混合器 トランジスタなどの非線形素子で構成するので、 信号の線形成分と非線形成分が発生する 　　線形成分　　 ⇒　 𝑓 𝐿𝑂 、 𝑓 𝑐 　　非線形成分　⇒ 𝑓 𝐿𝑂 + 𝑓 𝑐 、 𝑓 𝐿𝑂 − 𝑓 𝑐 帯域フィルタ 𝑓 𝐿𝑂 − 𝑓 𝑐 = 𝑓 𝐼𝐹 成分を 　取り出すフィルタにします 𝑓 𝑐 がどのような周波数 でも 𝑓 𝐼𝐹 とできるので、 回路構成が統一できます ⇒　AM放送では455kHz 非線形成分⇒ sin 𝜔 𝐿𝑂 × sin 𝜔 𝑐 ⇒ 𝜔 𝐿𝑂 ± 𝜔 𝑐

17 ＡＭ受信機のＡＭ復調器 ＡＭ復調器 ダイオード検波器 自動利得調整(AGC) ＡＭ波から信号を取り出す部分 （検波器ともいわれます）
利用技術１ ダイオード検波器 ダイオードによりAM波を半分にし(②)、その包絡線(③)を取り出して復調を行います コンデンサC14で③ の直流分をカット 利用技術２ 自動利得調整(AGC) 出力が一定となるように増幅度を自動的に調整します 右図で、AM波の信号が強いと復調器の 直流電圧成分が低くなり、Trのバイアス が減るため、自動的に増幅度が下がります

18 最もよく使われている方式 ヘテロダイン方式は、受信機で周波数変換を行う方式ですが、 周波数変換を２回行う方式をダブルスーパーヘテロダイン、
３回行う方式をトリプルスーパーヘテロダインといいます。 シングルスーパーヘテロダインでは、影像周波数と呼ばれるノイズを拾い 易いことが問題でした。この問題は、一度中間周波数を高くし、その後、 本来の中間周波数に戻すことで、改善できることから、現在一般的には ダブルスーパーヘテロダイン方式が利用されています。 シングルスーパーヘテロダイン ダブルスーパーヘテロダイン トリプルスーパーヘテロダイン

19 携帯電話、無線LANなど受信方式 ダイレクト・コンバージョン方式 ダブルスーパーヘテロダインは性能は良いが、回路部品の多さ、複雑さから、
コスト面をはじめ、小型化、省電力化にあまり向きません。 一方で、携帯電話や無線LANなど小型の機器の受信で利用されているのは、 中間周波数を利用せずに小型化できるダイレクト・コンバージョンと呼ばれる方式です。この方式では、局部発振器の周波数を受信周波数とほぼ同一にして、混合器（ミキサ）に加え、中間周波数を用いず可聴周波数を直接得ます。 ダイレクト・コンバージョン方式 問8～問12へ

20 SSB送信機、受信機(P.156) 単側波帯（ＳＳＢ）は中短波帯の無線通信(放送以外)に用い
られる信号で、送信機、受信機は下記のような構成に なっています。 現在、漁業無線やアマチュア無線に利用されていますが、 詳細は割愛します。

21 ＦＭ送信機(P.157) 信号増幅器 ＦＭ変調器 周波数逓倍器 緩衝増幅器 終段電力増幅器 信号波をそのまま増幅します
信号の大きさによって周波数 を変えます 周波数逓倍器 変調器で得られた信号の 周波数を整数倍します　⇒ 高周波となります 緩衝増幅器 AM送信機を同じ なので説明省略 終段電力増幅器 FM送信機は、周波数が高くなるほど信号の 減衰が大きい（SN比悪化）ので、あらかじめ 高域を強調しておくことをプレエンファシスと いいます。実体はRC回路です。 RC回路構成

22 ＦＭ送信機 ＦＭ変調器 信号の大きさによりFM波を発生させます ＡＭ送信機の発振器で用いた技術 ・電圧制御発振器（VCO）
・自動位相調整器（ＰＬＬ） を用いて、安定したFM波に変換します すでにＶＣＯ回路例は説明しましたが、 右図の回路図も同様に、可変容量ダイ オード（バリキャップともいう）により 電圧でコンデンサ容量を変化させ、 発振回路の周波数を制御します （現在VCOはIC化されたものもあります） 問13～問15へ

23 ＦＭ受信機(P.159) 高周波増幅器 周波数変換 中間周波数増幅器 リミッタ デエンファシス ミューティング 電波は微弱なので、まず、
受信周波数のまま増幅します。 周波数変換 中間周波数 fIF に変換します。 中間周波数増幅器 中間周波数を増幅します。 リミッタ FM波の振幅を制限します。 後段復調器の歪や雑音を抑える目的 デエンファシス 送信時に強めた高周波成分を弱めて 本来の信号成分に近づけます ミューティング 本来の大きさの電波がないとき、信号増幅を遮断し雑音を出力しないようにします。 この機能は、スケルチともいいます。

24 ＦＭ受信機 ＦＭ復調器 複同調型復調器 ＰＬＬ型復調器 周波数弁別器とも呼びます。 FM変調の周波数変化を電圧や電流
の変化として取り出します。 複同調型復調器 複同調型は、回路内に異なる共振 周波数を持たせ、周波数に応じて、 電圧を変化させます。（下図参照） ＰＬＬ型復調器 電圧制御発振器の出力周波数が FM波の周波数と同じになるように 出力電圧を調整する回路です。 （下図参照） 上側の回路と 下側の回路で 共振周波数を 変えて作ります 問13～問15へ

25 ＦＭステレオ（P.164） FMラジオでは左チャンネル(L)と 右チャンネル(R)の信号波を多重化 して送信しています。
マトリクス回路原理図 平衡変調器に、 L-Rの周波数と38kHzを入力すると 38kHz±(L-R)の周波数となります。 （混合器と同様です） 受信機側のマトリクスでは、 (L+R)と(L-R)が入力となるので、 (L+R)+(L-R) = 2L (L+R)-(L-R) = 2R 　が出力されます。

26 送信機の性能(P.165) 占有周波数帯幅 スプリアス放射 電波法により、左図のように上端5%、下端5%を
除いた周波数の幅を占有周波数帯幅といいます 無線設備規則により、放送等無線業務の占有 周波数帯幅の範囲が決められています。 スプリアス放射 増幅器の非直線部によって生じる高調波成分と 周波数逓倍器によって生じる不要な成分を スプリアスと呼びます

27 送信機の性能 受信機の性能 周波数安定度 アンテナ電力 受信機の性能は、 感度、選択度、忠実度、安定度などで表されます
搬送波の周波数は安定していなければならず、無線設備規則により、 放送等無線業務の周波数許容偏差が決められています。 アンテナ電力 送信機からアンテナに供給される電力は下記の３つで表します。 １．せん頭電力：左図参照 ２．平均電力：送信中の平均電力 ３．搬送波電力：無変調時の平均電力 この間１周期 　　の電力 せん頭電力 受信機の性能 受信機の性能は、 　　　　　　感度、選択度、忠実度、安定度などで表されます

28 本日の講義はここまで