通信デバイス工学

(1)

通信デバイス工学

山田博仁

- 無線通信デバイス -

(2)

講義について

1.

講義スケジュール

　　

4/11

講義について、無線通信デバイス

(WiFi, Bluetooth, ZigBee)

　　

4/18

ソフトウェア無線

(SDR)

　　

4/25

休講

　　

5/9

その他無線通信デバイス

(RFID

など

)

　　

5/16

通信ネットワークの現状　　

5/23

半導体光デバイスの基礎

　　

5/30

物質の発光現象、物質と電磁場との相互作用　　

6/6

2 準位系での相互作用と光増幅のメカニズム

　　

6/13

レーザー

　　

6/20

電磁場の量子化と全量子論

　　

6/27

半導体中での光学遷移、フォトダイオード、

LED

　　

7/4

半導体レーザー、光増幅器

　　

7/11

非線形光学

　　

7/18

光変調器、光スイッチ、波長フィルターと光合分波器　　

7/25

その他の光デバイス、まとめ

2.

質問等　

E-mail: [email protected]

、電気系

2

号館

202 3.

号室講義資料のダウンロード　

URL: http://www5a.biglobe.ne.jp/~babe

(3)

通信デバイスとは

無線通信用デバイス

WiFi

ノート

PC

やスマホ等に搭載され、高速の無線データ通信を実現。

IoT

の本命

光ファイバー通信用デバイス

赤外線通信デバイス

IrDA

規格携帯電話の「赤外線メールアドレス交換」

デジタルカメラの「赤外線プリント」など

有線通信デバイス

半導体レーザ、フォトダイオード、光増幅器、光変調器、光スイッチ、光合分波器他

1)

電波を用いるもの

2)

光を用いるもの

赤外線リモコン

ZigBee

Bluetooth

RFID FeliCa(Sony

が開発した非接触型の

IC

カードの技術方式の名称で

Suica

や楽天

Edy

がこの方式を利用

)

や物流管理等で利用超低消費電力で、低速データ通信を実現。センサー

NW

の本命

デジタル機器用の近距離無線通信で、

NFC

等でも利用

赤外

LED

による低速通信

(4)

WiFi 規格

ノート

PC

やスマホ等、モバイル機器で現在広く利用されている通信方式

(5)

WiFi 規格

暗号化方式には、安全度が高い順に

WPA2-PSK

（

AES

）

WPA-PSK

（

AES

）

WPA2-PSK

（

TKIP

）

WPA-PSK

（

TKIP

）

WEP

などがある

WiFi

の “ g” と “ gw” の違いは暗号化方式の違い

WiFi

アンテナが

gw

となっている場合、「

gw = WEP

」

gw

は比較的古い通信方式で、脆弱性が認められているのでできれば使いたくない

WiFi

の

” a”

と

” g”

との違いは周波数の違い

a

は

5GHz

、

g

は

2.4GHz

の電波を使用

ノート

PC

やスマホ等のモバイル機器には

WiFi

通信用デバイスとアンテナが内蔵

USB

コネクタに挿して使う

WiFi

通信デバイス

(

アンテナ内蔵

)

(6)

Bluetooth

デジタル機器用の近距離無線通信規格の

1

つであり、

Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR)

と

Bluetooth Low Energy (LE)

から構成。

Bluetooth BR/EDR

は

2.4GHz

帯を

79

の周波数チャネルに分け（

LE

は

40

）、利用する周波数をランダムに変える周波数ホッピングを行いながら、

10

～

100m

の距離で、

最大

3Mbps

（

HS

は

24Mbps

）の無線通信が可能。

やスマホなどに搭載され、

Wireless

ヘッドフォ

ン、

Wireless

スピーカー、無線マウスとの無線接続に使用

USB

コネクタに挿して使う

Bluetooth

デバイス

(

アンテナ内蔵

)

(7)

Bluetooth

規格発展の歴史

1994

年エリクソン社内のプロジェクトとして開発開始

1998

年

5

月

20

日エリクソン、インテル、

IBM

、ノキア、東芝の

5

社で

Bluetooth SIG

を設立。

　　　　　　　同時に

Bluetooth

という名称を発表。

1999

年

7

月

26

日

Bluetooth

仕様書バージョン

1.0

を発表

2001

年

2

月

Ver.1.1

を発表

2003

年頃日本で

Bluetooth

が普及し始める

2004

年

11

月

Ver.2.0

を発表。

Enhanced Data Rate (EDR)

を追加

2007

年

3

月

28

日

Ver.2.1

を発表

2009

年

4

月

21

日

Ver.3.0

を発表。

High Speed (HS)

を追加

2009

年

12

月

17

日

Ver.4.0

を発表。

Bluetooth Low Energy (LE)

を追加

2011

年

6

月

21

日アップルと

Nordic Semiconductor

が理事会に加わる

2013

年

12

月

4

日

Ver.4.1

を発表

2014

年

12

月

3

日

Ver.4.2

を発表

2016

年

12

月

8

日

Ver.5.0

を発表

(8)

Bluetooth 規

格

(9)

Bluetooth 規格

BR: Basic Rate

EDR: Enhanced Data Rate LE: Low Energy

(10)

ZigBee

センサーネットワークを主目的とする近距離無線通信規格の一つ。通信速度は非常に低速であるが、消費電力が極めて少ないという特徴を持つ。従って、電池駆動可能な超小型機器への実装に向いている。通信デバイスも安価である。基礎部分の（電気的な）仕様は

IEEE 802.15.4

として規格化されており、論理層以上の機器間の通信プロトコルについては

ZigBee Alliance

が仕様を策定。

ZigBee

モジュールの写真

(11)

TWELITE

ZigBee

規格に準拠した無線マイコンモジュールの

TWELITE(

トワイライト

)

が安価に購入可能

様々なタイプの

TWELITE

の写真

約

1,500

円約

2,700

円約

4,000

円

MONO Wireless https://mono-wireless.com/jp/products/index.html

(12)

TWELITE による遠隔制御および遠隔監視

遠隔制御

-

リモートコントロール遠隔監視

-

リモートモニタリング

応用例

(13)

ZigBee によるセンサーネットワーク

ZigBee

の送信出力は

10mW

程度と小さいが、見通し距離など条件さえ良け

れば、

10km

以上の距離の

Peer to Peer

通信も可能

更に、中継器を立ててネットワークを構成すれば、大規模なセンサー

NW

も

構築可能

_規格 _ZigBee IEEE802.15.4 独自プロトコル

周波数帯 2.4GHz/ その他 2.4GHz/920MHz/

その他

2.4GHz/920MHz/

その他

通信速度 250kbps 数十 kbps～数百

kbps 数kbps～数百kbps ネットワーク構成メッシュ、ツリースター、P2P メッシュ、ツリー、

スター、P2Pなど

ZigBee

の各種

NW

構成

(14)

ZigBee によるメッシュネットワーク

ZigBee

デバイスは、動作開始時に下記３種類の何かの役割を指定してスタート

させる。

コーディネータ

: PAN

を開始し、セキュリティの認証やチャンネルマネージャなどネットワークの管理的役割を果たし、インターネットと接続するゲートウェイとしても使われる。

エンドデバイス

:

センサーなどを接続し、スリープによる間欠動作をしながら様々なデータを収集するが、他デバイスからの接続を受け入れる機能はなく、データの中継は行えず、データは接続先のルータまたはコーディネータにのみ送信される。

ルータ

:

メッシュネットワーク能力を持ったデバイスを指す（勿論ルータにセン

サーを付けて運用しても良い）。いつデータの中継を依頼されるか分からないた

め、ルータは原則としてスリープはできない。

(15)

WiFi/Bluetooth/ZigBee

比較

(16)

無線受信機 ( ラジオ ) の構成

(a)

直接検波型

(b)

ヘテロダイン検波型前置増幅器ベースバンド

増幅器等価器検波器

(

高周波増幅

) (

低周波増幅

)

アンテナスピーカー

f_S

前置増幅器混合器

(

高周波増幅

)

アンテナ

f_S

局部発振器

中間周波増幅器ベースバンド

増幅器等価器

(

低周波増幅

)

スピーカー

f_LO f_IF

f_IF = | f_S − f_LO|

検波器

(c)

ホモダイン検波

(

ダイレクトコンバージョン

)

型前置増幅器混合器

(

高周波増幅

)

アンテナ

f_S

局部発振器

ベースバンド

増幅器等価器

(

低周波増幅

)

スピーカー

f_LO

f_S = f_LO

位相検出

PLL

回路

(17)

4 石スーパーラジオの回路図

中間周波

(IF)

増幅検波低周波増幅

周波数混合

(18)

ソフトウェア無線

携帯電話、スマホ、

TV

チューナー、

WiFi/Bluetooth/ZigBee

等、最近の無線通信デバイスはソフトウェア

(DSP)

によって実現　→　ソフトウェア無線

(Software Defined Radio: SDR)

ソフトウェア無線の構成

RF

アナログ回路

(19)

ソフトウェア無線の方式

スーパーヘテロダイン

(IF)

方式

SDR

受信機

BPF LNA

LO (f=RF-IF)

BPF ADC DSP

RF

IF MIX

LNA

LO (f=RF)

LPF ADC DSP

RF MIX

BB

ダイレクトコンバージョン

(DC)

方式

SDR

受信機

ダイレクトサンプリング

(DS)

方式

SDR

受信機

LNA BPF ADC DSP

RF

(20)

ソフトウェア無線の方式

ヘテロダイン方式

ダイレクトコンバージョン方式

(21)

各種 SDR デバイス

bladeRF ADALM-PLUTO

(22)

RTL-SDR によるオールバンド受信機

RTL2832U

を用いてオールバンド・オール

モード受信機を実現するフリーソフトの

SDR#

ダウンロード　

https://airspy.com/

参考

)

本格的オールバンド受信機

(

約

70

万円

)

市販の

Realtek

RTL2832U USB

ドングル

(2

千円程度

)

(23)

Realtek RTL2832U USB ドングルの回路構

成

(24)

RTL2832U チューナー部の構成とス

ペック

(25)

非接触小規模データ通信方式

バーコード

RFID

次元

2

次元

商品情報などの極小規模のデータの伝送

(

通信

)

に、現在では非接触方式でのバーコードや

RFID

が主に用いられている

バーコードリーダー

RFID

リーダー

(26)

バーコードと RFID 方式の比較

バーコード

RFID

原価シール

1

枚

<1

円

RFID

～

10

円データの読み出し

データの書き込み不可

新たにシールを印刷読み出し可能

なデータ量

2

次元コードでも最

大数十バイト程度数

K

バイト以上も可能特徴

レーザースキャナーやカメラなどを用いた光学的読み出し

汚れや遮蔽などへの耐性

RFID

リーダーを用いた電磁的読み出し

バーコードパターンが見えなくなくなると不可

RFID

ライターを用いて電磁的に可能

金属以外のケースなら

、中にあっても可能

シールやタグの製造プリンターで印刷半導体製造工程

複数タグとの通信通信可能エリヤ内にあ

る複数タグとの通信も可能

不可基本的に

1

枚ずつ読み

取り

(27)

バーコードと RFID 方式の比較

・見えない

RFID

タグとも通信可能

・タグの汚れにも強い

・箱の中など見えない

RFID

タグや汚れたラベルは読めない

出典: 一般社団法人日本自動認識システム協会(JAISA)

(28)

RFID による複数タグの一括読み取り

(29)

RFID

（

radio frequency identifier

）とは、様々な情報を記憶させた

RF

チップ ) に対して、電波や磁場などを用いて近距離（数

cm

～数 m ）の無線通信によって情報をやりとりする技術を指す。

RF

タグは近年では、

小さなワンチップの

IC

で実現できるようになったのでこれを

IC

タグと呼び、

その中でも特に電源を必要としないパッシブタイプの

IC

タグのみを指して用いられることが多くなった。

パッシブタグ

:

電池を内蔵せず、

RFID

リーダライタから発信される電波から電力を得て

IC

チップを動作させ、

ID

を読む時だけ動作するもの

IC

チップアンテナ

シール・ラベル

・

RFID

タグは電子部品と同様に、繰り返し長期間使用することが可能

・リーダライタのアンテナ側からの電力伝送により、電池レス化も可能

・パッシブ及びセミパッシブ型

RF

タグは電波法の規制対象外

(

アクティブ型

RF

タグ及びパッシブ用リーダライタは、電波を発する無線

機として電波法の規制を受ける

)

(30)

RFID システム構成

(31)

RFID のタイプ

(32)

パッシブ方式とアクティブ方式との違い

(33)

RFID で用いられる周波数

(34)

RFID の通信原理

電磁誘導結合による伝送

135

ｋＨｚ未満及び

13.56MH

ｚ帯電波による伝送

920MHz

帯及び

2.54GH

ｚ帯

用いる周波数帯による通信原理の違い

(35)

RFID タグの構造

パッシブ

RFID

タグは、リーダ・ライタから送信さる

RF

信号を内蔵アンテ

ナで受信し、その一部を整流回路で直流に変換することによって

IC

チップ

に電力を供給し、チップ内蔵された通信回路によってリーダ・ライタと通信

を行う

(36)

RFID タグの構造

(37)

RFID タグと周波数

(38)

RFID リーダ・ライタの構成

振

(39)

リーダ・ライタのアンテナ構成

(40)

リーダ・ライタのアンテナ構成

(41)

FeliCa

は、ソニーが開発した非接触型

IC

カードで、

13.56MHz

の周波数を用いる

RFID

方式の一種。交通系

IC

カードの

Suica

や

PASMO

や

ICOCA

、プリペイド型電子マネーの

nanaco

や

WAON

や楽天

Edy

、後払い方式の電子マネーの

QUICPay

や

iD

として用いられている

主な仕様

搬送波

13.56 MHz

副搬送波なし

変調方式

ASK 10%

符号化方式

Manchester

通信速度

212 kbps (Fc/64), 424 kbps (Fc/32)

衝突出検

/

回避タイムスロット

FeliCa

の仕組み

(42)

その他の無線通信デバイス

レンタルビデオショップの

TUTAYA

などにある万引き防止システム

（

EAS: Electronics Article Surveillance system

）で、以下のような各種方式がある

音響磁気方式

(Acousto-magnetic systems)

58kHz

～

60kHz

の電波に共振するように作られたアモルファス金属製の

薄板が複数枚並行に並べられたタグに、発信アンテナから不規則な間隔で電波パルスを照射し、タグは発信アンテナからの電波を受けて共振し、タグ自ら微弱な電波を出す。この電波を受信アンテナが検出することにより、商品が持ち出されたことを検知する。

分解して中身を出したところ音響磁気式タグ

万引き防止システム

(43)

万引き防止システム

万引き防止システム電波方式　送信アンテナから発せられる

4.6MHz

～

10.5MHz

の電波を、

LC

共振回路によって構成されたタグが受けて共振し、再放射する際、位相の変化による歪が発生する。これを検知し警報音を鳴動させる仕組み。

8.2MHz

電波式タグ

(44)

万引き防止システム

自鳴方式　商品に貼りつけられるタグには、特定の周波数の交流磁場を検出して警報音を発する機能とタグがはずされると警報音を発する機能がある。精算レジなどでタグをはずさずに出入口のアンテナを内蔵したゲートに近づくと、ゲートが発信している特定の周波数の交流磁場に反応し警告音を鳴らす。また、タグが警報を発すると同時に、タグが微小磁界を発生し、それをゲート側で検出することで、ゲートから警報を発する機種もある。アンテナを形成する磁場には連続した交流磁場及び間欠（バースト）の交流磁場がある。使用する周波数帯は

22kHz

～

37.5kHz

であったが、近年では

58kHz

（音響磁気方式）や

8.2MHz

（電波方式）へも拡大している。

磁気方式　保持力の非常に小さな磁性材料（軟磁性体）を検出対象とし、それに

200Hz

～

14kHz

の交番磁界を掛けることによって発生する連続的な磁化極

性の反転により生ずるパルス状の磁場の歪みを検出する方式。鉄系やコバ

ルト系アモルファスを用いたリボン状の材料が主流であるが、一部ワイヤ

状や網膜フィルムを使用したものもある。図書館などで用いられ、貸し出

しの際は磁気を消去し、返却時に磁気を帯磁させる

(45)

赤外線通信デバイス (IrDA)

赤外線通信は、

TV

やエアコン等の家電機器のリモコン通信として現在広く利用赤外線リモコンの信号様式は、コードと呼ばれる一連の符号から

なっているが、メーカーごとにその様式は異なり統一的な規格は存在しない。

通信には波長約

950nm

の近赤外光を使用し、

38

～

40kHz

（約

25μs

）の明滅パルスを搬送波とし、それをさらに数ミリ秒の周期で点滅させ、この点滅する間隔や長さを変調することでバイナ

リ符号を送っている。赤外線リモコン

ガラケーの

IrDA

通信デバ

イス

IrDA

によるアドレス交換

IrDA(Infrared Data Association

）は赤外線による光無線データ通信を規格化している団体であり、またその規格そのものの名称でもある

。規格名通信距離通信速度

IrDA DATA1.0 1m 115kbps IrDA DATA1.1 1m 1Mbps / 4Mbps IrDA DATA1.2 0.3m 115kbps IrDA DATA1.3 0.3m 1Mbps / 4Mbps IrDA DATA1.4 1m 16Mbps

通信デバイス工 学

通信デバイス工 学

山田 博仁

- 無線通信デバイス -

講義につい て

講義スケジュール

講義について、無線通信デバイス

ソフトウェア無線

休講

その他無線通信デバイス

など

通信ネットワークの現状

半導体光デバイスの基礎

物質の発光現象、物質と電磁場との相互作用

2 準位系での相互作用と光増幅のメカニズム

レーザー

電磁場の量子化と全量子論

半導体中での光学遷移、フォトダイオード、

半導体レーザー、光増幅器

非線形光学

光変調器、光スイッチ、波長フィルターと光合分波器

その他の光デバイス、まとめ

質問等

、電気系

号館

号室 講義資料のダウンロード

通信デバイスと は

無線通信用デバイス

ノート

やスマホ等に搭載され、高速の無線データ通信を実現。

の本命

光ファイバー通信用デバイス

赤外線通信デバイス

規格携帯電話の「赤外線メールアドレス交換」

デジタルカメラの「赤外線プリント」など

有線通信デバイス

半導体レーザ、フォトダイオード、光増幅器、光変調器、光スイッチ、光合 分波器他

電波を用いるもの

光を用いるもの

赤外線リモコン

が開発した非接触型の

カードの技術方式の名 称で

や楽天

がこの方式を利用

や物流管理等で利用 超低消費電力で、低速データ通信を実現。センサー

の本命

デジタル機器用の近距離無線通信で、

等でも利用

赤外

による低速通信

WiFi 規 格

ノート

やスマホ等、モバイル機器で現在広く利用されている通信方式

WiFi 規 格

暗号化方式には、安全度が高い順に

（

）

（

）

（

）

（

）

などがある

の “ g” と “ gw” の違いは暗号化方式の違い

アンテナが

となっている場合、「

」

は比較的古い通信方式で、脆弱性が認められているのでできれば使いたく ない

の

と

との違いは周波数の違い

は

、

は

の電波を使用

ノート

やスマホ等のモバイル機器には

通信用デバイスとアンテナが内蔵

コネクタに挿して使う

通信デバイス工学

通信デバイス工学

山田博仁

講義について

通信ネットワークの現状　　

物質の発光現象、物質と電磁場との相互作用　　

光変調器、光スイッチ、波長フィルターと光合分波器　　

質問等　

号室講義資料のダウンロード　

通信デバイスとは

半導体レーザ、フォトダイオード、光増幅器、光変調器、光スイッチ、光合分波器他

カードの技術方式の名称で

や物流管理等で利用超低消費電力で、低速データ通信を実現。センサー

WiFi 規格

WiFi 規格

は比較的古い通信方式で、脆弱性が認められているのでできれば使いたくない

の周波数チャネルに分け（

）、利用する周波数をランダムに変える周波数ホッピングを行いながら、

年エリクソン社内のプロジェクトとして開発開始

日エリクソン、インテル、

　　　　　　　同時に

年頃日本で