通信工学概論音声通信

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みさきちづ
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1 通信工学概論 / コミュニケーション工学 B 2016 音声通信伊藤彰則 1

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3 この講義の経緯コミュニケーション工学 B(6 セメ ) と通信工学概論 (4 セメ ) の合同講義です昨年度まではコミュニケーション工学 B はアドバンストな話題 ( 応用的で少し難しい話 ) を扱っていたカリキュラム改訂でもっと概論的な内容 ( 前提知識なしに聞ける広い範囲の話題 ) が必要という結論になったアドバンストな内容は 8 セメのデータコミュニケーション工学で扱う 3

4 講義概略 ( 全体 ) 10 月 7 日 ( 金 ) 10 月 14 日 ( 金 ) 10 月 21 日 ( 金 ) 11 月 4 日 ( 金 ) 1/30 11 月 11 日 ( 金 ) 11 月 18 日 ( 金 ) 伊藤 ( 音声通信 ) 大町 ( 画像通信 ) 12 月 16 日 ( 金 ) 1 月 6 日 ( 金 ) 1 月 13 日 ( 金 ) 1 月 20 日 ( 金 ) 1 月 27 日 ( 金 ) 2 月 3 日 ( 金 ) 末松 ( 無線通信 ) 山田 ( 光通信 ) 11 月 25 日 ( 金 ) 12 月 2 日 ( 金 ) 12 月 9 日 ( 金 )) 陳 ( アンテナ ) 4

5 講義概略 ( 伊藤担当分 ) 声による通信はいかにして可能になったか電話登場以前人間の聴覚と発話能力人間の音声の特徴音声のスペクトル糸電話と伝声管電話の発明トランスデューサー ( 振動電気変換 ) ベースバンド通信回線交換と機械式交換機多重化 5

6 講義概略 ( 伊藤担当分 ) ラジオによる通信 AM 変調と FM 変調音のディジタル化 PCM 符号化線形量子化と非線形量子化ディジタル交換時分割多重化 Voice over Internet (VoIP) 6

7 講義概要 ( 伊藤担当分 ) 携帯電話と高能率符号化音声のスペクトルとボコーダ線形予測に基づく符号化インターネットと音声音楽のディジタル化と配信電話で音楽電話の未来自動翻訳電話 7

8 人間の聴覚聴覚器官 8

9 蝸牛 : 音の分析器官 9

10 基底膜と有毛細胞 10

11 音の大きさの感覚人間が感じる音の大きさ = ラウドネス音の大きさの感覚は音の高さにも依存する等ラウドネスレベル曲線 : 1kHz の正弦波と同じ高さに聞こえる音の強さを結んだものラウドネスレベルの単位 : phon(1khz 正弦波に換算したときの音圧の値 ) 11

12 音の高さの感覚音の高さは周波数と関連しているが比例はしていない 1kHz の音の高さを 1000 としたときの音の高さ感覚 = メル (mel) 音の高さ感覚は周波数の対数にほぼ比例するが 500Hz あたりで傾きが変わる 12

13 音声の生成声を生成する器官声帯喉頭咽頭舌歯茎歯口唇鼻腔 13

14 音響管モデル人間の発声機構は管楽器に似ている 14

15 音響管モデル人間の発声機構は管楽器に似ている 15

16 音響管モデル人間の発声機構は管楽器に似ている 16

17 声道の長さ個人性の最も重要なパラメータ成人男性で約 17.5cm 成人女性で約 15.2cm 子供 (8 歳 ) で約 12.2cm 長い声道長低い共振周波数 ( 太い声 ) 17

18 音声の知覚通常の音声は 8kHz ぐらいまでにほとんどの情報が含まれるどこまで情報を削っても良いのか? 18

19 音声の知覚音声に LPF( 低域通過フィルタ ) と HPF( 高域通過フィルタ ) をかけた音声の音節明瞭度 [Lipmann, 1996] 低域なら 3~4kHz 程度で高い明瞭度が得られる電話の帯域は 3.6kHz 程度 19

電話の発明以前 17 世紀 Robert Hooke( イギリス,1635-1703) フックの法則で有名顕微鏡の発明者 Acoustic String

20 電話の発明以前 17 世紀 Robert Hooke( イギリス, ) フックの法則で有名顕微鏡の発明者 Acoustic String Phone (1667) いわゆる糸電話 Tin can telephone(19c) 商用糸電話 (19C) ( いずれも Wikipedia より ) 20

21 電話の発明以前伝声管 (Speaking Tube) 戦艦三笠の伝声管天空の城ラピュタより細い管を通して声を伝える通常の音声よりもずっと遠くまで届く 21

22 糸電話や伝声管の声はなぜ遠くまで届くのか? 自由空間内の音圧は音源からの距離の 2 乗に反比例する ( 球面波 ) p(r) p 0 4π r 2 距離減衰 1 次元的に伝搬する振動 ( 糸や管 ) は距離減衰しない媒質の損失による減衰はあるので無限には届かない 22

23 空間上で声の伝搬を 1 次元にするにはパラボラ ( 回転放物面 ) を使った音声通信仙台市科学館のロビーにあります平面波 ( 波が広がらない ) 伝声管と似た効果がある 23

24 空気による音の減衰指数的に減衰する p = p 0 exp αx (ISO9613-1) pは音のエネルギー p 0 は音源でのエネルギー αは減衰係数周波数温度湿度気圧に依存する音が1m 進むとα db 減衰する 24

25 吸収係数空気による音の減衰減衰係数の周波数特性 20 湿度 50% 1 気圧 1.00E E E E E E 周波数 (Hz) 25

26 声を遠くまで伝えるには減衰しない媒体を選ぶ 100Hz の音 100m の場合音圧 p 0.034p 電圧 v 100m パイプ ( 空気減衰のみ ) 21mΩ/m 銅線 ( 直径 1mm) スピーカ 8Ω 0.65v 26

27 電気通信始まる電線を使う通信 : 電信 (telegraph) Cf. NTT=Nippon Telegraph & Telephone 19 世紀初めに発明 1839 年事業化電線を通してモールス信号を送るモールス信号 (Morse Code). と - でアルファベット数字を表現する 27

28 電話の発明電話の発明者は Alexander Graham Bell だと言われているが 1856 Antonio Meucci 電話的な装置発明 1860 Johann Philipp Reis 電話的な装置発明 1876 Alexiander Graham Bell 電話の特許取得 1876 Elisha Gray 電話の発明 ( 水マイクロフォン ) 1876 Tivadar Puskás 電話交換台の発明 28

29 電話の発明 Alexander Graham Bell 電話の特許取得 (1876) 電磁式トランスデューサを利用 American Telephone & Telegraph 社創立 (1885) AT&T 米国最大の電話会社 29

30 音声電話の基本構成振動 - 電気変換器 ( トランスデューサ ) 振動電気電気電気振動音声マイクロフォン (microphone) スピーカ (loudspeaker) 30

31 マイクロフォン空気の振動を電圧変化に変換空気振動を振動膜 ( ダイヤフラム ) で受けその振動を抵抗 / 電圧 / 静電容量などに変換するマイクロフォンの種類カーボンマイクロフォンダイナミックマイクロフォンコンデンサーマイクロフォン 31

32 カーボンマイクロフォン最初の実用的なマイクロフォン黒炭粒子の振動による抵抗の変化を利用 32

ダイナミックマイクロフォンコイルと磁石で振動を電圧に変換 http://artsites.ucsc.

33 ダイナミックマイクロフォンコイルと磁石で振動を電圧に変換 /te-20/teces_20.html difference-between-a-dynamic-and-condenser-microphone 33

34 コンデンサーマイクロフォン金属膜でコンデンサーを作り, 振動を静電容量に変える 34

35 スピーカー電気を音に変換するダイナミック型が多いダイナミック型マイクロフォンと同じ構造ユニットを覆う筐体 ( エンクロージャー ) が必要 35

36 ベースバンド通信送信者と受信者をつないで音声 ( に対応する電気 ) 信号を直接送受信する方式としては単純回路構成が単純 1 対の電線で 1 回線しか通信できない 36

37 装荷ケーブルと無装荷ケーブルそのまま長距離伝送すると電線間のキャパシタンスが問題になる R L G C インダクタンス L とコンダクタンス G は小さい LG = RC となったとき損失が最小になるコイルを足してキャパシタンスを増す = 装荷ケーブル 37

38 装荷ケーブルと無装荷ケーブル装荷ケーブルの問題点高周波の減衰が激しいコイルを挟むのではなく途中に増幅器を入れる無装荷ケーブル松前重義による発明 (1932) 東北帝国大学工学部電気工学科卒東海大学創設者衆議院議員電氣學會雑誌長距離電話回線として無装荷ケーブルを用ひたる實驗より 38

39 交換台 (Switchboard) 初期の電話回線では人間の交換手が電話を切り替えていた 39

40 ステップバイステップ交換器縦横方向に動くアームで自動的に接点につなぐ受話器から送られたダイヤルパルスで駆動される 1 つのスイッチあたり 100 回線直列につなぐことで連続ダイヤルに対応この部分がスイッチ 40

41 ステップバイステップ交換器ネットワーク上に配置されたスイッチ間を接続手前から順番にスイッチを切り替えていく 41

42 クロスバー交換器クロスバースイッチによる回線交換制御は論理回路による各行各列に対して 1 カ所のスイッチだけ ON にする 42

43 多重化 1 本の線で 1 回線しか通話できないのは不経済 1 本の線で複数回線を伝送多重化の種類周波数分割多重 (FDM) 時間分割多重 (TDM) 符号分割多重 (CDM) CDM と TDM はディジタル通信で使われる 43

44 周波数分割多重複数のキャリア周波数で入力音声を変調ラジオやテレビ放送と同じ原理 AM 変調 FM 変調搬送波 ( キャリア ) 入力音声 f f 44

45 無線による音声通信 ( アナログ通信 ) 放送用途 : ラジオ放送 AM 放送 : 振幅変調を使う FM 放送 : 周波数変調を使う通信用途業務無線 ( 警察船舶消防防災鉄道航空タクシー等 ) アマチュア無線特定省電力無線 ( 短距離トランシーバワイヤレスマイク等 ) 45

46 AM( 中波 ) 放送振幅変調 (AM) を利用音声周波数帯域の 2 倍の帯域幅を必要とする送信受信設備とも簡易 531kHz~1602kHz の周波数を利用キャリアは 9kHz 刻み ( つまり音声は 4.5kHz まで ) 20 世紀初めに放送開始日本では 1925 年放送開始 ( 東京放送局現在の NHK) 46

47 AM 変調搬送波の振幅に情報を載せる方式信号 y = cos 2πft 搬送波 y = Acos 2πf c t 振幅変調波 y = A(1 + a cos 2πft) cos 2πf c t 47

48 FM( 超短波 ) 放送周波数変調 (FM) を利用音声周波数帯域の 10 倍の帯域を使用高い SN 比が得られる 76.1MHz~89.9MHz を使用音声信号の帯域は 15kHz 変調波の帯域は ±75kHz ステレオ信号を伝送米国では 1930 年代後半から放送開始 1953 年長岡教育放送 48

49 FM 変調搬送波の周波数偏移に情報を載せる方式信号 y = cos 2πft 搬送波 y = Acos 2πf c t 周波数変調波 y = Acos(2πf c t + f m sin 2πft ) 49

50 短波放送振幅変調 (AM) を利用 3MHz~30MHz までの周波数を利用中波と超短波の間短波は地球の電離層で反射するので遠距離の放送が可能世界各地の放送が受信できるデジタル放送がある ( 日本にはデジタル放送局はない ) 50

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<4D F736F F F696E74202D2091E FCD91BD8F6489BB82C691BD8F E835A83582E > 多重伝送と多重アクセスコミュニケーション工学 A 第 4 章多重伝送と多重アクセス多重伝送周波数分割多重 (FDM) 時分割多重 (DM) 符号分割多重 (CDM) 多重アクセス多重伝送地点から他の地点へ複数チャネルの信号を伝送するときに, チャネル毎に異なる通信路を用いることは不経済である. そこでつの通信路を用いて複数チャネルの信号を伝送するのが多重伝送である. 多重伝送の概念図チャネル

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