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

５．ローカル発振器

１０．ダイレクトコンバージョンＲＸ／ＴＸ

８．パワーアンプ(PA)

４．ミクサ

９．その他の回路

６．変復調その１

３．低雑音アンプ(LNA)その２

７．変復調その２

３．低雑音アンプ(LNA)その２－システム仕様３．低雑音アンプ(LNA)その２－システム仕様

２００５年　９月１５日（木）

１．受信感度とCN

２．NF

３．非線形３次歪み

４．IM3

５．混変調

６．NF測定

受信感度とCN

受信感度

C

差CN

N

No = kTBNF

受信機の雑音N熱雑音No

受信々号レベルC

PDC(BER10-2)　C/N=7.3dB

GSM　C/N=9dB

受信感度とCN

CNとSNの関係

アナログAM/SSB

IF出力

受信機

RF入力

ローカル 発振

ミクサ

RFアンプ

IFフィルタRFフィルタC/N S/NAM/FM 検波

アナログFM

NC

NS= AMTVIN

CNS= 2475.0=AMTVI

FMINC

NS=

3

25.1

h

devFM f

BfI = 3247.1

h

devFMTV f

BfI =

（一般）

（一般）

受信感度とCN

受信感度

PDC(BER10-2)　C/N=7.3dB

GSM　C/N=9dB

dBm/Hz93.1732931038.1 23 −=××= −kT

C = -102dBm

差CN = 9dB

N = -110.6(111)dBmNF = 9dB

B = 270.8kHz = 54.33dB No = kTB = -119.6dBm

C = -103dBm(4dBµ)

差CN = 7.3(8)dB

N = -111dBmNF = 20dB

B = 21kHz = 43.22dB No = kTB = -130.7dBm

NF

NF（F）の定義

回路のNFの定義

oNC/入力CN = GFNCG o/出力CN =

CNCNF

出力

入力=

C G > 100dB

NF = Ft

No受信機

G > 100dBNoise FreeR

C = ic2R

ic in

Nt = in2R = FtNo

出力入力

信号源

等価雑音源

(= No + (Ft－1)No)

BkTBNo ×××==− 2931038.1 23

NF

縦続接続（NF公式）

利得G1NF = F1

NF = F2総合NF = Ft

G2

アンプ１ アンプ２

1

21

1G

FFFt−

+=

アンプ

減衰器

22

/11 LF

LFLFt =

−+=

アッテネータ損失L，　入力　C/No，出力(C/L)/No　⇒

ケース1

NF = L, Gain= 1/L

F2L

Ft

NF

アッテネータとNF

アッテネータのNFはL　（ゲインは1/L）

ケース2

ケース3a

GLFFt

11

−+=

ケース3b

GLFFFt

121

−+=

ケース1から

LGF

GLFFt /

11 21

−+

−+=

ケース2から

F1L

GFt

F1L

GFt

F2

NF

問題　NFの定義からアンプ縦続接続公式を導出せよ。

問題　NFの定義からアッテネータ＋アンプのNF（ケース1）を導出せよ。

22

/11 LF

LFLFt =

−+=

1

21

1G

FFFt−

+=

非線形３次歪み

３次歪の発生

わずかな歪をもつ線形回路の入出力特性

x；時間調和（サイン波）の入力，k0；DCバイアス，k1；増幅率

...332

210 ++++= xkxkxkky

入力 tBtAx ba ωω coscos +=

...cos23cos

23... 23

23 +++ tBAktABk ba ωω

...)2cos(43)2cos(

43... 23

23 +−+−+= tABktBAk baba ωωωω

333 xky =３次出力

アンプ

ミクサ入力 出力

線形回路

x y

y = k x

BA =

非線形３次歪み

３次歪み考慮の背景

IM（Inter-modulation）歪み：

CM（Cross-modulation）歪み：

近傍に存在するブロッカ（Blocker：強力妨害波）排除能力

希望波

ブロッカ

IM3

ブロッカ

（AM波）

希望波

振幅変調の転写

AMを持つ信号： QPSKQAM

IM3

IM3の発生

...)2cos(43)2cos(

43... 23

23 +−+−+= tABktBAk baba ωωωω

fa fb2fa-fb 2fb-fa

k 1 A k1B

k3A2B34

k3AB23

4

基本波

IM3IM3

入力電力[dBW]測定ポイント

基本

波出

力

IM3出力

1

1

1

1

3

入力換算IIP3

IM3ICP

出力

電力

[dB

W]

223

21

)43()(

BAkAk

IM =

IIP3とは

IM3

PDCのIIP3テストシナリオ

希望波7dBμ－１００ｄBm ５７ｄB

１００ｋHz間隔

ブロッカ －４３ｄBm

C/N = 11ｄＢ

希望波信号レベル7dBμ（受信感度4dBμ）

ブロッカレベル－43dBm

ブロッカによる妨害を受けないために必要なIIP3を求めよ

入力[dBm]

-111

-43

-9dBm

68

34

34

-43

ATT

LNA入力

出力

入出力特性トータルゲイン＝１　を仮定

混変調

CM（混変調）の発生

...cos23cos

23... 23

23 +++ tBAktABk ba ωω

)cos1( tmBB pω+→

ttmtmABky app ωωω cos)}2cos1(2cos21{

23 22

33 +++=

IMmmABk

AkCM2

223

21

21

)2/3()(

==

mIMCM log206−−=

k3

IM3

IIP3に関する問題

１．GSM受信機のミクサに必要なIIP3を求めよ

２．受信機フロントエンド（LNA+ミクサ）を設計せよ

条件

受信機最大感度－102dBm（CN=9dB)

ブロッカ　800KHz間隔でレベル－49dBmの2波

希望波レベル－99dBm

条件

利得21dB，NF=4dB，IIP3=－5dBm

ミクサ利得10dB，NF=9dB，IIP3=10dBm

LNA利得17dB，NF=2dB，OIP3=15dBm

仕様

IFアンプ，NF=9dB

ＬＮＡ利得　10dB

ＮＦ測定

ＮＦの測定原理

ノイズソースオフ

ノイズソースオン

N1－NoG

EnG

N 1N 2

ノイズソースオフ オン

NoGN1－NoG

NoGN.S. amp

バッファ増幅器 スペクトラム

アナライザ

雑音源ON

OFF

ON/OFF

雑音源

全体のゲインGNFt

DUT

GNNF

o

1=

1

1

1

2

NGEN

NN n+=

−−= 1log10log10]dB[

1

2

NN

NE

Fo

n

測定のセットアップ

ＮＦ測定

ＮＦ測定（DSB/SSB－ＮＦ）

測定のセットアップ

2.03GHz

ＳＳＢ－ＮＦ

2GHz2.0301.970

オフ

N 1

ノイズレベル N.S.

オン

N 2

NFメータ

ノイズソースON/OFF

ミクサ

N.S

DUT バッファアンプ

　IFアンプ

局発

30MHz

BPF

LNA

2.0GHz

For InstructorFor Instructor

NF

入力　C/No，出力　Cout/Nout

1

21

1G

FFFt−

+=利得G1

NF = F1 NF = F2G2No Nout

CoutC

(F1－1)No (F2－1)No

22211 )1( GNFGGNFN ooout −+=

1

21

1//

GFF

NCCN

NCNCF

oout

out

outout

ot

−+===

21GCGCout =

解答　NFの定義からアンプ縦続接続公式を導出せよ。

NF

L

Ft NF = F2

G2

2

22

2 //

//

LF

GNFLCG

NCNCNC

F

o

o

outout

ot ===

22 GNFN oout =

解答　NFの定義からアッテネータのNF（ケース1）を導出せよ。

IM3

１．GSM受信機に必要なIIP3を求めよ

ブロッカ　800KHz間隔でレベル－49dBmの2波

希望波レベル－99dBm

（条件：受信感度(最大感度) －102dBm（CN=9dB)）

－49dBm

－101dBm

－39dBm62

31

－18dBm

－8dBm

LNA入力

ミクサ入力換算値

テストシナリオ（GSM仕様）

LNA gain=10dB

白色雑音

－99dBm

－111dBm

－111dBm

－49dBm

－108dBm9dB

－102dBm9dB

ブロッカ

希望波

IM3

受信感度

LNA入力 出力

ミクサGain = 10dB

IIP3に関する問題の解答

IM3

IIP3に関する問題の解答２．受信機フロントエンド（LNA+ミクサ）を設計せよ

利得21dB，NF=4dB，IIP3=－5dBm仕様

-7-6-5-4

-3-2-1

3.03.23.43.6

3.84.0

1 2 3 4 5 6 7 ATT1 (dB)

IIP3(dBm)

NF(dB)

17dBLNA MIX IF-AMP

10dB

IIP3 = +10dBmNF=2dB NF=9dB NF=15dB

ATT1 ATT2