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あきひさよどぎみ
5 years ago
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1 5 セメコミュニケーション工学 A 情報知能システム総合学科コミュニケーションネットワークコース安達文幸講義ノート掲載 WEB コミュニケーション工学 A で学ぶこと目的最近の通信システムはディジタル通信技術をもとに構成されている. この授業では, このような通信システムを設計するために必要となるディジタル技術の基礎を学ぶ. 概要通信システムにおける信号の周波数スペクトル, 信号伝送とひずみ, 雑音, そしてディジタル変調と復調の基礎について, 具体的な実例を用いながら学ぶ. 達成目標この授業では以下のような能力を修得することを目的としている. 信号の周波数スペクトルの概念と伝送帯域幅について理解し, 説明することができる. 通信システムにおける雑音の影響について理解し, 説明することができる. ディジタル変調と復調について理解し, その動作を説明することができる. 安達 : コミュニケーション工学 A 1 安達 : コミュニケーション工学 A 2 講義の流れ講義の流れ 1. 通信システムの構成 2. 信号のフーリエ級数展開とフーリエ変換 3. 線形システムにおける信号伝送とひずみ 4. 雑音の統計的性質 5. 信号対雑音電力比 (S/N) と雑音指数 6.~7. アナログ変調 8. 標本化定理とパルス振幅変調 9. パルス符号変調 (PCM) 10. ディジタル変調 11. ディジタル伝送の誤り率 12. ディジタル伝送における最適受信 13. 通信路符号化 14. 多重伝送と多重アクセス教科書通信システム工学安達文幸朝倉書店 (2007) 参考書通信方式平松啓二コロナ社 (1985) コミュニケーション工学 A 第 1 章通信システムの構成通信の目的通信の歴史通信情報と通信形態固定通信と移動通信通信システムのモデル安達 : コミュニケーション工学 A 3 安達 : コミュニケーション工学 A 4

2 1900 年代 : 電話 ( 固定有線通信 ) 1920~30 年代 : ラジオテレビ放送 ( 固定無線通信 ) 1980 年代 : 携帯電話 ( 移動無線通信 ) 1990 年代 : インターネット ( マルチメディア通信 ) 2000 年代 : 携帯電話コンピューターインターネットが融合したマルチメディア携帯通信 2010 年代 : 携帯電話でも 100M~1Gbps のブロードバンド通信が実現するだろう現代の通信システムの基礎となっている理論と技術をしっかりと学ぶことが大事. そして, より高度な通信システムを研究開発する能力を身に付け, 社会へ貢献するのが通信技術者の役割である. 通信システム工学では, これら通信システムを構成する技術を理解する上で重要な基礎を述べている. 安達 : コミュニケーション工学 A 5 通信の目的通信とは何か? それは勿論, 私たちの意思を伝達することであろうが, 最近ではコンピュータ間通信のように人間を介さない通信もある. 通信の目的遠くの人と会話したい送る情報 : 音声通信システム : 電話, 携帯電話遠くの情報を知りたい, 見てみたい ( あるいは遠くの人へ情報を送りたい ) 送る情報 : 音声, データや画像通信システム : ラジオテレビ放送, 遠隔監視, インターネット遠くの機械を操作したい送る情報 : 制御データ通信システム : 遠隔操縦 ( 無人飛行機, 衛星 ), 宇宙探査機安達 : コミュニケーション工学 A 6 通信技術の歴史 ( その 1) 電話の発明 G.Bell( ベル ) 1876 年 *1 無線電信の発明と実験 G.Marconi( マルコーニ ) 1895 年発明,1897 年特許,1897 年英仏海峡横断実験 *2,1901 年大西洋横断実験テレビ技術の開発 1926 年 12 月 25 日, 高柳健次郎 ( 浜松高等工業学校 ) が受像機にイの字を映し出すのに成功 (20 世紀放送史 (NHK 編 ) による ) 周波数変調 (FM) 方式の発明 E.H.Armstrong( アームストロング )1933 年 *1 トランジスタの発明 W.B.Shockley( ショックレイ )1951 年 *1 参考文献 : 無線百話, 若井登監修, クリエイトクルーズ *1 科学技術史, 直川一也著, 東京電気大学出版局 *2 R. Jordan and C.T.Abdallah, Wireless communications and networking: an overview, IEEE Antennas and Propag. Mag., vol. 44, pp , 安達 : コミュニケーション工学 A 7 通信技術の歴史 ( その 2) AM ラジオ放送本放送 1925 年米国では,1920 年に開始 FM ラジオ放送実験放送 1957 年本放送 1969 年 TV 放送実験放送 1939 年 ( 走査線 441 本, 毎秒 25 枚 ) 本放送 1953 年商用移動通信サービス船舶電話 :1953 年 ( 世界で最初の公衆移動通信 ) 携帯電話 :1979 年 12 月 ( 世界で最初の本格的セルラー移動通信 ) 商用インターネットサービス 1993 年参考文献 : 無線百話, 若井登監修, クリエイトクルーズ安達 : コミュニケーション工学 A 8

3 通信情報と通信形態通信情報は, インターネットの普及に伴い, 音声からデータや静止画像や動画像へと移っている. 音声データ画像通信形態は以下のように 3 つに分類できる. インターネットの普及前は人から人への通信が主であったが, 最近ではコンピュータが介在する通信が増えてきている. 人対人人対コンピュータコンピュータ対コンピュータ固定通信と移動通信固定通信システム : 基本的には静止点と静止点とを結ぶ通信 ( コードレスは点を面にやや広げた通信 ) 移動通信システム : 面的通信無線比較サービスエリア : 固定 < 移動基地局基地局通信品質 : 固定 > 移動通信速度 : 固定 > 移動コードレス基地局固定電話安達 : コミュニケーション工学 A 9 安達 : コミュニケーション工学 A 10 携帯電話のユーザ数が, 日本では 2000 年 3 月末, 固定電話の加入数を超えるという歴史的な出来事が起こった. 携帯 : 万 PHS: 万固定 : 万誰もが場所と時間に縛られずに人と人との通信をしたいと望んでいるからである. これからは固定通信と移動通信に分けるのは難しくなるかもしれない. なぜなら, それぞれの特徴を生かして固定通信と移動通信が互いに協調して通信サービスを提供するようになるかもしれない. ユーザー数 ( 百万 ) 固定電話携帯 6122 年 10 Year 西暦安達 : コミュニケーション工学 A 11 ディジタルシステム安達 : コミュニケーション工学 A 12

高速通信ネットワークへの発展インターネットの急速な普及により, より高速な通信が切望されている固定網アクセスリンクの高速化 ISDN ADSLモデム光ファイバ携帯電話の高速化第 3 世代移動通信システム (IMT2000) CDMA (W-CDMA,CDMA2000) 日本では2001 年 10 月にサービス開始 ( 仙台では2002 年 4 月よりサービスが開始された ).

安達 : コミュニケーション工学 A 13 固定網アクセスリンクの高速化メタリックアクセスリンクピンポン伝送による ISDN 基本インタフェース (144kbps: 2B+D) の提供交換局マンホール紙 ( またはプラスチック ) ケーブル (0.32-0.9mm, 200-3600 対 ) 局内き線系平均 1.5km プラスチックケーブル (0.4-0.

4 高速通信ネットワークへの発展インターネットの急速な普及により, より高速な通信が切望されている固定網アクセスリンクの高速化 ISDN ADSLモデム光ファイバ携帯電話の高速化第 3 世代移動通信システム (IMT2000) CDMA (W-CDMA,CDMA2000) 日本では2001 年 10 月にサービス開始 ( 仙台では2002 年 4 月よりサービスが開始された ). 最大情報伝送レートの設計値は2M ヒット / 秒であるが, 一般的には384kbps 程度年 8 月にピーク速度 14.4Mbpsの高速パケットサービス (HSDPA:High Speed Packet Access) が開始された年 12 月に長期発展システムLTEサービス ( 最大 100Mbps) が開始された. 安達 : コミュニケーション工学 A 13 固定網アクセスリンクの高速化メタリックアクセスリンクピンポン伝送による ISDN 基本インタフェース (144kbps: 2B+D) の提供交換局マンホール紙 ( またはプラスチック ) ケーブル ( mm, 対 ) 局内き線系平均 1.5km プラスチックケーブル ( mm, 対 ) き線点引込線ハントホール引き落とし点ユーザ宅地下プラスチックケーブル ( mm, 対 ) 配線系引き落とし平均 0.7km 安達 : コミュニケーション工学 A 14 メタリックケーブルで高速通信既存のメタリックケーブルの高速化技術 :ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) モデムを使ってインタ - ネットアクセスのトラフィックを迂回させる. xdsl は電話帯域より高い周波数帯を使う. の手前で電話帯域と xdsl 帯域とを分離することによって電話と同時通信できる. を通さずにインターネットアクセスのトラフィックをルータへと迂回させることができる. 各種ネットワーク電話局伝送路家庭ルータインタネット交換局 xdsl モデムマンホール地下メタリックケーブル架空メタリックケーブル xdsl モデムユーザ宅電話網 ISDN インタネット各種サーバ (www など ) ルータスプリッタ ADSL モデム V.34plus 33.6kbps ISDN 64~128kbps 電話線 (2 線 ) ADSL 1.5~8Mbps V.34plus モデム ISDN アダプタスプリッタ ADSL モデム電話ファクスパソコンパソコンイントラネット ( 企業内ネットワーク ) 16k~1Mbps 出展 : 電話線を高速通信網にする ADSL, NIKKEI ELECTRONICS 安達 : コミュニケーション工学 A 15 安達 : コミュニケーション工学 A 16

5 固定網アクセスリンクの高速化 ADSL の伝送速度交換局 1.5Mbps 224kbps 6.1Mbps 224kbps 5.4km 3.7km 家庭光ファイバアクセスリンク ISDN 1 次群速度インタフェース (1.5M:23B+D) を提供しようとすると, 光ファイバ化が必須. しかし全国光ファイバ化には時間がかかる. NTT の計画では地下ケーブルを 2010 年に 100% 光化. NTT の光アクセスリンク ( システム ) NTT 光ファイバユーザ宅光電気変換メタリックユーザ宅マンホール光ファイバ出典 : 成宮 xdsl の技術動向信学会東京支部講演,1998 年 11 月 12 日安達 : コミュニケーション工学 A 17 安達 : コミュニケーション工学 A 18 屋内環境 ~2M ビット / 秒移動通信ネットワークの高速化 2001 年 10 月に導入された第 3 世代携帯電話第 2 世代携帯電話よりけた違いに速い通信速度 ~2Mbps (2G システムの 30~200 倍 ) DS-CDMA 技術 W-CDMA と cdma2000 2GHz 帯歩行環境 ~384k ビット / 秒 IMT2000 ネットワーク移動環境 ~144k ビット / 秒周波数帯域 (MHz) 多重アクセス搬送波周波数間隔 (khz) チャネル数 / 搬送波音声符号器 (kbps) W-CDMA 800/1700 /2000 CDMA CDMA2000 CDMA 最大 256 ( 下り ) 800//2000 最大 64 ( 下り ) 8 ( 可変レート ) F. Adachi, M. Sawahashi and H. Suda, Wideband DS-CDMA for next generation mobile communications systems, IEEE Commun. Mag., vol. 36, pp , Sept 安達 : コミュニケーション工学 A 19 移動通信ネットワークの高速化第 2 世代と第 3 世代の間には大きな飛躍があった. 中心サービス音声 + データ 1G Analog (FDMA) ~2.4kbps 2G Digital (TDMA) ~64kbps 周波数利用効率の向上狭帯域化チャネル数の増加中心サービス音声 + データ Big leap 3/3.5G Digital (CDMA) ~2Mbps ~14Mbps 3.9G (LTE) 4G (LTE-A) 周波数利用効率の向上広帯域化ピークレートの増大スループットの増大 5G の目標できるだけ高い無線スループット (1Gbps/ ユーザ ) を限られた帯域幅とできるだけ低エネルギー (100mW 程度 ) で達成 3.5G 3.9G 4G (LTE-A, (HSPA,5MHz) (LTE,~20MHz) ~100MHz) 上り下り上り下り上り下り bps/ 30bps/ Mbps Mbps Mbps Mbps Hz Hz 2013/4/3 FA/Tohoku University 20

6 第 3 世代システム (IMT-2000) の周波数利用帯域 800MHz 帯わが国の周波数利用計画国際電気通信連合 (ITU) 日本 IMT2000 MSS IMT2000 MSS PHS IMT2000 MSS IMT2000 MSS 携帯電話携帯電話携帯電話 806 [MHz] MHz 帯 2GHz 帯 PHS 衛星衛星地上地上地上 GHz 帯 1700 [MHz] 2300 [MHz] 960 [MHz] 欧州米国 DECT UMTS MSS UMTS MSS PCS PCS MSS MSS MHz 安達 : コミュニケーション工学 A GHz 帯音声衛星放送移動衛星プランバンド ( 音声衛星放送 ) 移動衛星 GHz 帯 2300 [MHz] 3000 [MHz] 1.5GHz 帯携帯電話の使用帯域 : MHz MHz : 携帯電話 :WRC-2000 で追加分配された周波数帯 : WARC-92 で分配された周波数帯ドコモテクニカルジャーナルvol.8 No.3, pp.80, Oct 安達 : コミュニケーション工学 A 22 通信システムのモデル通信システムは送信機, 通信路と受信機から構成される. メッセージ送信信号雑音受信信号受信メッセージ情報源送信機通信路受信機受信者電気信号同軸ケーブル光光ファイバー送信機電波空間送信メッセージ ( 例えば音声 ) をアナログまたはディジタル電気信号に変換. 通信路で伝送するのに適した信号波形へ変換. 通信路同軸ケーブルや光ファイバには線路損失がある. 電波伝搬路にも伝搬損失がある. 相手側に到達するまでに信号電力は減衰する. 受信機フィルタで邪魔な雑音を除去し, 処理しやすい電圧まで増幅. 送信メッセージ ( 例えば音声 ) を表す電気信号波形に変換し, 送信メッセージを復元. 安達 : コミュニケーション工学 A 23 無線通信の例 - 送信電力, 受信電力, 雑音電力と S/N - 送信受信点間距離 R=2km, 搬送波周波数 f c =800MHzのとき伝搬損失は何 dbか? 送信電力が1Wのときの受信電力はいくらか? 熱雑音の電力 ( 帯域幅がB=50kHz) はいくらか? 信号対雑音電力比 (S/N) はいくつか? 受信機では0.1Vまで増幅しなければならないとすると, 受信増幅器の電力利得はいくつでないといけないか? 安達 : コミュニケーション工学 A 24

7 通信速度の設計伝搬損失は市街地の場合, 距離のおよそ 3.5 乗に反比例して減衰することが実験的に知られている. 800MHz 帯電波を用いるとき,R=2km で 130.9dB 程度になる. したがって, 送信電力が 0dBW (1W) のとき, 受信電力は, dBW ( W) となる. 受信信号の実効電圧 (50 オーム系 ) に換算すると, v rms (db)=10log = dBV である. 熱雑音電力は ktb=1.38x10-23 x300x50000= dBW である. 受信機内部でも雑音を発生する. 受信機内部で熱雑音の 2 倍の雑音を発生するものとすると合計で 3 倍となって,-152dBW となる.S/N は, したがって,21.1dB. 無線機の中で直交検波,A/D 変換,DSP を用いた信号処理 ( 復調 ) をしやすい電圧まで増幅する.0.1V (-20dBV) まで増幅する増幅器の電力利得は G=93.9dB が必要. 安達 : コミュニケーション工学 A 25 ある信号波形をディジタル伝送するとき,1 秒間あたりどのくらいの頻度で標本化して,1 標本あたり何ビットで表せばいいか? 標本化周波数については第 8 章で学ぶ. 音声の例帯域幅 W=3.4kHz 8kHz 標本化 1 標本あたり 256 レベル (8 ビット ) で表示 8 8=64kbps -W 電力スペクトル密度周波数 0 W=3.4 (khz) 125s 波形時間安達 : コミュニケーション工学 A 26 通信路の最大情報伝送速度 (1 秒あたりのビット数 ) を知る通信路の帯域幅が W(Hz) で, 信号対雑音電力比が S/N のとき, 誤りなく伝送できる通信路の最大情報伝送速度 ( ビット / 秒 ) には限界がある. これをチャネル容量と呼ぶ. 信号帯域幅 W(Hz) の通信路雑音シャノンのチャネル容量通信路の帯域幅が W(Hz) で, 信号対雑音電力比が S/N のとき, 通信路の最大情報伝送速度 ( ビット / 秒 ) はいくつか? これに答えを与えるのが, 白色雑音チャネルで誤りなく通信できる最大通信速度を示したシャノンのチャネル容量である. チャネル容量は次式で与えられる. S C 2W ( 標本 / 秒 ) log2 1 N S W log21 ( ビット / 秒 ) N W : 通信路の帯域幅 ( Hz) S / N : 信号電力対雑音電力比 ( ビット / 標本値 ) -W 通信路伝達関数周波数 0 W (Hz) 安達 : コミュニケーション工学 A 27 安達 : コミュニケーション工学 A 28

8 通信限界音声帯域 0~3.4kHz のチャネル容量を考える C W log2(1 S / N) bps ここで, 伝送帯域幅 Wは3.4kHzであるから, S / N 7 ( 8.45dB) のとき C 3400 log2(1 S / N) 10.2kbps である. 音声帯域 (khz) チャネル容量は通信帯域幅で制限されない.S/Nが大きくなるにつれ, いくらでもチャネル容量が増加する. チャネル容量に近づける有効な手段が通信路符号化である安達 : コミュニケーション工学 A 29 周波数周波数利用効率 (bps/hz) の定義 1 ビットあたりの信号エネルギーと雑音電力スペクトル密度比 E / N b C W 0 ( S / C) /( N / W ) ( S / N)( W / C) であるから E log2 1 b N0 C W bps/hz 周波数利用効率 C/W の式で, ビットレート C を一定のままで帯域幅を無限大にしたとき (C/W 0) の E b /N 0 の極限. E N b 0 E N b 0 2 C / W ln 2 1.6dB 1 であるが, ここで C W 2 x e x ln 2 1 xln 2 を用いると安達 : コミュニケーション工学 A 30 所要 E b /N 0 と周波数利用効率 C/W の関係周波数利用効率と電力効率 C/W [bps/hz] E b /N 0 [db] 安達 : コミュニケーション工学 A 31 安達 : コミュニケーション工学 A 32

9 周波数利用効率の比較様々なディジタル変調方式 ( 同期検波 ) を対象に,BER=10-4 を確保するために必要な E b /N 0 を比較する (PSK,QAM ではロールオフファクタ 0.5 のルートナイキスト送信フィルタを仮定 ). 周波数利用効率と電力効率のどちらを優先させるか C/W>1の領域周波数利用効率 C/Wが重要視される (C/Wを小さくしたい ) 領域で, 電力効率を犠牲 (E b /N 0 が大きくなる ) C/W<1 電力効率が重要視される (E b /N 0 を小さくしたい ) 領域で, 周波数利用効率 C/Wを犠牲 (C/Wが小さくなる ) 出典 : 斎藤 : ティシタル無線通信の変復調, 信学会,1996 年安達 : コミュニケーション工学 A 33 安達 : コミュニケーション工学 A 34 重要なことは何か信号はどういう周波数成分から成り立っているか ( 周波数スペクトル )? 雑音はどんな性質を有しているか? どのようにしてアナログ信号をディジタル信号に変換するか? どのようにディジタル信号を伝送するか? 通信路に必要な帯域幅は何 Hzか, 信号電力対雑音電力比 S/Nはいくらか? 伝送品質はどうなるか? 重要な社会基盤である通信システムの高度化への貢献まず, 現代の通信システムの基礎となっている理論と技術をしっかりと学ぶことが大事. そして, より高度な通信システムを研究開発する能力を身に付け, 社会へ貢献しよう. 安達 : コミュニケーション工学 A 35 安達 : コミュニケーション工学 A 36

10 第 2 章予定信号のフーリエ級数展開とフーリエ変換決定論的信号の表現フーリエ級数 - 周期信号の表現 - フーリエ変換 - 非周期的信号の表現 - 周期関数のフーリエ変換と電力スペクトル密度フーリエ変換の重要な性質講義ノート掲載 WEB 安達 : コミュニケーション工学 A 37

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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