第3回 通信ケーブル 電話機と交換機 電話機の構成 防側音回路、ブリッジ回路 クロスバスイッチ、時間スイッチ、空間スイッチ

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1 第3回 通信ケーブル 電話機と交換機 電話機の構成 防側音回路、ブリッジ回路 クロスバスイッチ、時間スイッチ、空間スイッチ
第3回　通信ケーブル 電話機と交換機 電話機の構成 防側音回路、ブリッジ回路 クロスバスイッチ、時間スイッチ、空間スイッチ 通信ケーブルの特性 デシベル 分布乗数回路、特性インピーダンス インピーダンスマッチング（整合） 通信ケーブルの種類と構造 平衡対ケーブル 同軸ケーブル 光ファイバ 1

2 ベルとエジソンの電話機の違い ベルの電話 (送話器) エジソンの電話 (送話器) 振動板(鉄板) コイル 振動板の振動で 音 磁場変化を利用
棒磁石 ＊グラハムベル(米) 1876 電流 振動板(鉄板) 炭素粒子 振動板の振動による 炭素粒子への圧力で 抵抗変化を利用 エジソンの電話 (送話器) 音 電流 ＊トーマスエジソン(米) 1877

3 601P電話機と呼出し信号 DTMF(DualToneMultiFrequency) 601P電話機 1 2 3 4 5 6 7 8 9 *
ボタンを押すと、２つの周波数を組み合わせて 交換局に送り出される 601P電話機 1209Hz 1336Hz 1477Hz 697Hz 1 2 3 770Hz 4 5 6 852Hz 7 8 9 941Hz * # 例えば１を押すと、 697Hzと1209Hzの信号が送信される ピポパ音は映画でおなじみですね

4 電話機（P.32） 4線式と2線式 4線式通話路 送話用と受話用の通信路が独立 2線式通話路 送話器と１次側のコイルを直列に
　送話用と受話用の通信路が独立 2線式通話路 　送話器と１次側のコイルを直列に 　して通話路を2線式にした形 通話路の線を減らすことで経済的に なるが、自分の声が混信しないように する必要がある

5 電話機の防側音回路(P.34) 通話中、受話器から聞こえる自分の声を抑制する回路を 防側音回路という
防側音回路は、送話中の送話器からの電流による、 誘導コイルの磁界の打消しをうまく利用した回路です 送話中の回路の働き 受話中の回路の働き L1 L2 L3 受話器 送話機 磁束が 打消される L1 L2 L3 受話器 送話機 磁束は 打消されない 防側音回路とは何か説明できるようにしておくこと

6 601P電話機の回路例(P.37) 発信時信号の流れ：受話器を上げるとHS1、HS2が閉じる
　L1→HS1→DB→L→T→D1→P2→P3→DB→HS2→L2 着信時信号の流れ：受話器を上げる 　L1→HS1→DB→L→R→C2→DB→HS2→L2 (受話時) ＊送話時は発信時と同じ

7 ブリッジ回路の働き ブリッジ回路の働き ブリッジ回路は、交流電圧のような極性が反転（＋－）する
入力電圧 出力電圧 ブリッジ回路は、交流電圧のような極性が反転（＋－）する 電圧を、一方向にする（整流という）役割があります 電話の回路では、LSIやICなどの電源の極性が変わらない ようにする　⇒ LSIやICは逆電圧を加えると壊れます ブリッジ回路を説明できるようにしておくこと

8 交換機(P.40) 多数の電話機の中から一つの電話機を選び出し、その間を 接続して通話を可能にするための装置を、交換機という
加入者と直接つながる交換機を、加入者線交換機といい、 加入者線交換機を束ねる交換機を、中継線交換機という 中継線交換機は、 ネットワーク全体の 回線数を減らせる ⇒ コスト削減

9 交換機による接続手続き（P.41）

10 交換機の構成 1 2 3 4 5 クロスバスイッチの原理　（5ノードの例） ON 右の例は 　端末1と5、2と4が 　接続される状態 ON

11 ディジタル交換機(P.44) アナログ信号から ディジタル信号への変換 ・標本化 ・圧縮 ・量子化 ・符号化 時分割交換
　・標本化 　・圧縮 　・量子化 　・符号化 時分割交換 多重化された信号を、時分 割通話路で順序入替（交換） することを時分割交換という 時分割交換を説明できるようにしておくこと 多重化された伝送路をハイウェイという

12 ディジタル交換機の順序入替(P.46) 時間スイッチと空間スイッチの役割 1) 時間スイッチ
制御メモリに従って、入ハイウェイ上のタイムスロットを 出ハイウェイ上のタイムスロットに入替えるスイッチを時間スイッチという t1 t2 t3 t4 A B C D ↓ #4 #2 #1 #3 入タイムスロット 制御メモリ順序 #1 #2 #3 #4 出タイムスロット C B D A 時間スイッチを説明できるようにしておくこと

13 ディジタル交換機の順序入替(P.47) 時間スイッチと空間スイッチの役割 2) 空間スイッチ（ハイウェイスイッチ）
タイムスロットの時間位置を変えないで、複数のハイウェイ間の 乗り換えを行うスイッチを時間スイッチという 入ハイウェイ #1 C B A #2 J I H #3 N M L t1 t2 t3 #2 #1 #3 N B H 出ハイウェイ #1 t3 t2 t1 ハイウェイ#1 の制御メモリ 空間スイッチを説明できるようにしておくこと

14 ディジタル交換機の基本構成 ディジタル交換機には、時間 スイッチ(T)と空間スイッチ(S)を 組み合わせたT-S-T多段スイッチ
が利用されている 電話加入者はとても多いので、 時間スイッチだけで交換機を 構成するには無理がある 組み合わせることで、 通話メモリ、ゲートスイッチの数を 減らし、コスト削減を実現している

15 「dB」デシベル 「dB」デシベルは、基準の信号と比較して どの程度の大きさかを表す単位 電圧、電流、音圧の場合 電力の場合
　　　どの程度の大きさかを表す単位 電圧、電流、音圧の場合 デシベル dB =20× log 10 比較対象の値 基準とする値 電力の場合 デシベル dB =10× log 10 比較対象の値 基準とする値 例えば、100Vの電圧を加えて(入力電圧V1=100V)、出力が1V(出力電圧V2=1V) になったとすると、 ただし、損失でみると負号はいらないので、40[dB]となる。 これは、比較対象の値をV1、基準とする値をV2とした教科書と一致する。 20× log 𝑉 2 𝑉 1 =20× log =−40[dB]となる。 20× log 𝑉 1 𝑉 2 =20× log =40[dB]となる。 ⇒ 問1

16 騒音もデシベル 教科書にない ので注意 58dBの掃除機と52dBの掃除機の騒音 6=20 log 10 𝑋 の𝑋を求める必要がある
⇒ 問2 52dBの掃除機2台を稼働すると、 騒音は2倍になる？ 全く同じ位相になるわけではない ⇒波形は2倍にはならない ⇒騒音のエネルギーは2倍になる つまり、騒音の電力が2倍になるので 約＋３dBになり、52+3＝約55dBになる 音圧で考えると元の騒音の1.4倍程度 比率 電圧、音圧比 電力比 0.01倍 ‐40dB ‐20dB 0.25倍 ‐12dB ‐6dB 0.5倍 ‐3dB 0.7倍 -1.46dB 1倍 0dB 1.4倍 3dB 1.46dB 2倍 6dB 100倍 40dB 20dB

17 分布定数回路？ 教科書にない ので注意 伝送線路は長くなると、位置によって交流の電圧、電流が変わる
計測位置で電圧電流が異なるので扱いずらい さらに周波数が高いほど、各位置で変化が大きい 電圧、電流を一定として考えることはできない 微小区間に切り分けて考えることで、変化に対応できる この考え方により、線路中の一様でない電気特性を表現できるようにしたのが、分布定数回路といいます これに対して、線路が短く信号の周波数が低い場合、線路の 電気特性を均一として取り扱う場合は集中定数回路といいます

18 コンデンサ(寄生キャパシタンス)を作り出します
寄生インダクタンス、寄生キャパシタンス 教科書にない ので注意 電流が流れると、荷電子の動きによって、 伝送線路の周りに磁界や電界が発生します 電流 磁界 電界 寄生インダクタンス 寄生キャパシタンス ＋ — 磁界や電界によって、伝送線路に見えない コイル(寄生インダクタンス)や コンデンサ(寄生キャパシタンス)を作り出します

19 分布定数回路 …… …… L R C G ここから、電気的特性を導くことになる
それぞれの微小区間に 下記の回路が入っていると考える L R コイルやコンデンサ成分を含む ⇒　伝送線路は周波数によって 　　　　電気特性が変わる C G ここから、電気的特性を導くことになる （教科書の特性インピーダンス、減衰定数、位相定数、反射波、進行波） 伝送線路の単位長さ当たりの、インピーダンスＺ、アドミタンスＹは 　　Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬ　、　Ｙ＝Ｇ＋ｊωＣ R：線路の抵抗 Ｌ：線路のインダクタンス Ｇ：線路のコンダクタンス Ｃ：線路の静電容量 微小区間dxで、電圧はdV、電流はdI 減少するとして、 dV=－ZdxI　、　dI=－YdxV 単位長さ当たりをＺ、Ｙとしたから、dxを乗算すれば 微小区間のインピーダンスとアドイタンスになり、オームの法則でdV、dIが出ますね

20 分布定数回路（ちょっと難しい？） dV=－ZdxI 、 dI=－YdxV 𝑑𝑉 𝑑𝑥 =−𝑍𝐼 、 𝑑𝐼 𝑑𝑥 =−𝑌𝑉
R：線路の抵抗 Ｌ：線路のインダクタンス Ｇ：線路のコンダクタンス Ｃ：線路の静電容量 𝑑𝑉 𝑑𝑥 =−𝑍𝐼　、　 𝑑𝐼 𝑑𝑥 =−𝑌𝑉 微小区間での変化分を表していますね I 代入 𝐼=− 1 𝑍 𝑑𝑉 𝑑𝑥 𝑑𝐼 𝑑𝑥 = 𝑑 𝑑𝑥 − 1 𝑍 𝑑𝑉 𝑑𝑥 =− 1 𝑍 𝑑 2 𝑉 𝑑𝑥 2 =−𝑌𝑉 𝑑 2 𝑉 𝑑𝑥 2 =𝑍𝑌𝑉 この微分方程式を解くと 各場所の電圧と電流が求まる 厄介なので導出は省略して、 概念をまとめます 𝑑 2 𝐼 𝑑𝑥 2 =𝑍𝑌𝐼

21 進行波と反射波 𝑉= 𝑉 𝑖 𝑒 −λ𝑥 + 𝑉 𝑟 𝑒 λ𝑥 伝送線路を伝わる信号源からの距離xにおける電圧Ｖは、
𝑑 2 𝑉 𝑑𝑥 2 =𝑍𝑌𝑉 の解 𝑉= 𝑉 𝑖 𝑒 −λ𝑥 + 𝑉 𝑟 𝑒 λ𝑥 𝑉 𝑖 𝑒 −λ𝑥 は先に進むと小さくなる波：信号源からの進行波を表している 𝑉 𝑟 𝑒 λ𝑥 は先に行くほど大きくなる波：負荷からの反射波を表している このときλが、 Ｚ＝Ｒ＋ｊωＬ Ｙ＝Ｇ＋ｊωＣ λ= 𝑍𝑌 = (𝑅+𝑗𝜔𝐿)(𝐺+𝑗𝜔𝐶) =α+𝑗𝛽 と与えられることから、λの実部を減衰定数、λの虚部を位相定数と呼び、αとβで表しています。 進行波 反射波 負荷側 信号側 負荷

22 特性インピーダンスには orz・・・ 𝑉= 𝑉 𝑖 𝑒 −λ𝑥 + 𝑉 𝑟 𝑒 λ𝑥 𝐼= 𝐼 𝑖 𝑒 −λ𝑥 + 𝐼 𝑟 𝑒 λ𝑥
伝送線路を伝わる信号源からの距離xにおける電圧Ｖは、 𝑑 2 𝑉 𝑑𝑥 2 =𝑍𝑌𝑉 の解 𝑉= 𝑉 𝑖 𝑒 −λ𝑥 + 𝑉 𝑟 𝑒 λ𝑥 𝑑 2 𝐼 𝑑𝑥 2 =𝑍𝑌𝐼 の解 𝐼= 𝐼 𝑖 𝑒 −λ𝑥 + 𝐼 𝑟 𝑒 λ𝑥 𝑑𝑉 𝑑𝑥 =−𝑍𝐼 より 𝑑𝑉 𝑑𝑥 = 𝑑 𝑑𝑥 𝑉 𝑖 𝑒 −λ𝑥 + 𝑉 𝑟 𝑒 λ𝑥 =−𝑍( 𝐼 𝑖 𝑒 −λ𝑥 + 𝐼 𝑟 𝑒 λ𝑥 ) 𝑒 −λ𝑥 −λ 𝑉 𝑖 +𝑍 𝐼 𝑖 + 𝑒 λ𝑥 λ 𝑉 𝑟 +𝑍 𝐼 𝑟 =0 −λ 𝑉 𝑖 +𝑍 𝐼 𝑖 =0 より 𝑉 𝑖 𝐼 𝑖 = 𝑍 λ = 𝑍 𝑍𝑌 = 𝑍 𝑌 = 𝑅+𝑗𝜔𝐿 𝐺+𝑗𝜔𝐶 特性インピーダンスと呼ぶ

23 位相のずれと反射 光の性質： 光は周波数が高く、屈折率の違う物資 との境界で屈折と反射が起きた 交流電圧、電流：
境界面で反射 光の性質： 　　光は周波数が高く、屈折率の違う物資 　　との境界で屈折と反射が起きた 交流電圧、電流： 　　高周波になるほど、インピーダンスが異なる境界では 　　反射や位相のずれが発生する 交流波 位相がずれて一部は入射 異なるインピーダンスの導体 反射(インピーダンスの差大⇒反射大)

24 電圧反射係数とインピーダンス整合 教科書にない ので注意 電圧の反射の割合を、電圧反射係数という
伝送路のインピーダンスと負荷のインピーダンスが異なると、 電圧や電力の一部が負荷に伝わらず反射が起きます。 反射が起こるとノイズや損失になってしまいます。 教科書にない ので注意 電圧の反射の割合を、電圧反射係数という 電圧反射係数= 反射電圧 𝑉 𝑟 入射電圧 𝑉 𝑖 = 𝑍 ℓ − 𝑍 0 𝑍 ℓ + 𝑍 0 Zℓ 負荷 線路 インピーダンス Z0 𝑉 𝑖 𝑉 𝑟 𝑍 ℓ ≠ 𝑍 0 なら反射発生 ⇒負荷に伝わるのは一部 𝑍 ℓ = 𝑍 0 なら反射なし（ゼロ） ⇒100%負荷に伝わる 入力側と出力側のインピーダンスを同じに することをインピーダンス整合という 𝑍 ℓ =3 𝑍 0 のときの反射係数を求めなさい ⇒ 問3

25 インピーダンス不整合における出力 (a)、(b)のどちらのモーターが良く回る？ M 5Ω 3V 1Ω M 0.5Ω 3V 1Ω
⇒ 問4，5

26 エミッタフォロワはインピーダンス変換により
インピーダンス変換(トランジスタ) 負荷 5Ω 8Ω 5V 5V 8Ω 負荷 4kΩ (a) エミッタ接地 (b) コレクタ接地 電子回路で やったはずだが エミッタフォロワ 負荷に加わる電圧は 約 8x5/4008＝約0.01V 負荷に加わる電圧は 約 8x5/13＝約3V エミッタフォロワはインピーダンス変換により 効率よく信号を伝えられる

27 インピーダンスマッチング（変成器） n1 n2 Z1 Z2 巻線比 𝑛 1 𝑛 2 2 = 𝑍 1 𝑍 2 のときインピーダンス整合となる
(トランス) Z2 Z1 通信回線１の インピーダンス 通信回線２の n1 n2 巻線比 𝑛 1 𝑛 = 𝑍 1 𝑍 2 のときインピーダンス整合となる 𝑉 1 𝑉 2 = 𝑛 1 𝑛 2 巻線数と電圧は比例するので、 𝑛 1 : 𝑛 2 = 𝑉 1 : 𝑉 2 インピーダンス整合は、電力を100%伝えることなので、 P=1次側の電力=2次側の電力を成立させる条件より、 𝑃= 𝑉 𝑍 1 = 𝑉 𝑍 2 𝑉 𝑉 = 𝑍 1 𝑍 2 = 𝑛 1 𝑛 が成立

28 インピーダンスマッチング（変成器） n1 n2 問 下図のようにトランスを介して450Ωの通信回線１
問 下図のようにトランスを介して450Ωの通信回線１ と800Ωの通信回線２をインピーダンス整合させる には巻数比ｎ1 :ｎ2をいくつにすればよいか 通信回線１ 450Ω 通信回線２ 800Ω n1 n2 ⇒ 問6

29 漏話 近接した二つの回路において、一方の回路の電気信号が 他方の回路に漏れる現象を漏話という
漏話の原因 　①相互インダクタンス 　　　　　による電磁結合 　②静電容量 　　　　　による静電結合 漏話減衰量=10 log 𝑃 𝑠 𝑃 𝑎 [𝑑𝐵] 𝑃 𝑠 ：信号電力 𝑃 𝑎 ：漏話電力

30 近端漏話、遠端漏話 近端漏話減衰量=10 log 10 𝑃 𝑠 𝑃 𝑛 =10 log 10 𝑉 1 𝐼 1 𝑉 2𝑛 𝐼 2𝑛 [𝑑𝐵]
近端：near end 遠端：far end 近端漏話＞遠端漏話 電磁結合、静電結合の影響大 近端漏話減衰量=10 log 𝑃 𝑠 𝑃 𝑛 =10 log 𝑉 1 𝐼 1 𝑉 2𝑛 𝐼 2𝑛 [𝑑𝐵] 遠端漏話減衰量=10 log 𝑃 𝑠 𝑃 𝑓 =10 log 𝑉 1 𝐼 1 𝑉 2𝑓 𝐼 2𝑓 [𝑑𝐵]

31 ケーブルの種類と構造 平衡対ケーブル（P57） 心線を絶縁した構造：ペア(pair)、クァッド(quad)がある
　　心線をより合わせることで漏話を抑える 　　 ◇ 加入者線、短距離回線⇒光ファイバに置き換え 同軸ケーブル(P58) 　　内部導体と外部導体の間に誘電損の少ない材質で緩衝 　　させたケーブル ◇ 高速データやテレビ映像伝送に利用 光ファイバケーブル(P59) 　　中心に屈折率の高いコア、周りに屈折率の低いクラッド、 　　さらに外を合成樹脂で被覆し衝撃を緩和 　　・全反射を繰り返しながら光が伝搬 　　・同時ケーブルよりもさらに高速 ◇ 高速長距離用のシングルモード光ファイバ ◇ 汎用、低コストのマルチモード光ファイバ

32 本日の講義はここまで 終わらなかった練習問題は取り組んでおいてください （中間課題の対象なので取り組んでおいてください）