狭帯域デジタル無線の現状

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きょうすけあわび
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1 平成 30 年 8 月 25 日

2 1

4 3 SDR(Software Defined Radio) ソフトウエア無線は周波数帯や変調方式などが異なるさまざまな無線通信を 1 台の無線機のソフトウエアを書き換えることで対応する技術です JVC ケンウット社 TH-D74 AOR 社 AR-DV1 AOR 社 PERSEUS( ペルセウス ) ICOM 社 IC-R30 ICOM 社 IC-7300 ICOM 社 IC-R8600 ALINCO 社 DX-SR9 3

5 SDR と言えば多くの人がドングルタイプ (Dongle: パソコンに接続する小さな装置 ) や小型ケースをパソコンに USB 接続して SDR ソフトウェアを使用するタイプを思い浮かべるが 4 写真提供 :JF7ELG 木幡栄一氏 4

6 5 SDR の本来の意味移動体通信や業務無線機ではソフトウェアの変更で様々な通信方式に対応する方式を意味しているがアマチュア無線では ( この講演では ) ソフトウェアで無線信号を処理していれば書き換えの可否にかかわらず SDR と呼ぶことにしますスペクトラムアナライザ ( 上画面 ) 時間 AOR 社 PERSEUS( ペルセウス ) を SDR ソフトウェア搭載のパソコンに接続ウォーターフォール ( 下画面 ) 周波数 5

7 従来のラジオとSDRの構成はどのように違うか? 従来はトランジスタやコイルコンデンサ等の部品で構成された無線機器をデジタル信号処理に置き換えたもの従来のラジオのブロック図 ( スーパーヘテロダイン ) SP 高周波増幅器周波数混合器中間周波増幅器検波器低周波増幅器 6 SDR のブロック図局部発振器アナログデジタル変換器デジタルアナログ変換器高周波増幅器 A/D 変換器 DSP によるデジタル信号処理 D/A 変換器低周波増幅器 SP DSP(Digital signal processor) とは非常に高速な計算ができる CPU( マイクロプロセッサ ) ソフトウェアソフトを変更すれば無線機の機能を変更できる 6

9 8 鉱石ラジオ天然鉱石の方鉛鉱や黄鉄鉱紅亜鉛鉱等を検波器に使用したラジオ鉱石検波器鉱石検波器 FOX トーンを使った鉱石ラジオ簡単な鉱石検波器の作り方出典元 : 週刊 BEACON 8

10 9 ゲルマニュームラジオ天然鉱石の検波器に感度の良いゲルマニュームダイオードが使われたが当初は大変高価で貴重品だったシリコンダイオードでもバイアス電圧を加えると検波器に使えるゲルマニュームダイオードの構造シリコンダイオードの鉱石ラジオ出典元 : 週刊 BEACON 9

11 10 真空管式ラジオ並 3(3 球再生 ) ラジオ出典元 : 週刊 BEACON 組立キット 3R5NKM 10

12 11 トランジスタ式ラジオ 6 石 ( トランジスタの数 ) スーパーヘテロダイン方式ラジオ回路図トランジスタラジオキットチェリー製 MODEL CK ー 606 日本初のトランジスタラジオ SONY TR-55(1955 年 ) 出典元 : 週刊 BEACON

13 DSP ラジオ (2011 年 7 月号のラジオライフの記事 ) 12 12

14 13 DSP ラジオ (SDR) 1 チップの DSP 内蔵 IC が搭載される受信回路はここだけ裏ブタを開けたこの IC はアマチュア無線機のラジオ IC としても使われている 13

15 14 < 参考 > 特定小電力アナログトランシーバーの傾向今までは個別の部品を使用していたが受信だけでなく送信も含め 1 チップに集積された IC が採用されるようになった直交ミキサ I/Q 信号 JVC ケンウッド社 UBZ-M31/M51 直交ミキサと I/Q 信号の画期的な発明により SDR が飛躍的に進化できた 14

17 送受信の SDR ソフトウェア <KG-TRX> ALINCO 社の SDR トランシーバ -DX-SR9 用に開発された SDR ソフトウェア KG-TRX の画面 ( シンプルで直感的にわかり易いソフト ) 16 周波数受信 (IF) 帯域幅 MODE 受信 (IF) 帯域幅音量スケルチスペアナウォーターフォール SDR ソフトのダウンロード 16

18 17 ALINCO 社 SDR トランシーバ DX-SR9 と PC の接続例市販オーディオケーブル 3.5mm を使用し I/Q 信号を L/R ラインを使用して接続する I/Q 信号を録音すれば帯域全体を再生できるサウンドカード受信用 I/Q データ (LINE-IN 端子 ) 送信用 I/Q データ (LINE-OUT 端子 ) 無線機制御用 RS232C で制御 ( 専用のオプションケーブル ) 17

19 18 18

20 IC-R8600 と PC の接続方法 IC ー R8600 は I/Q 信号と無線機の周波数を制御する信号が背面の [I/Q OUT] ポートから入出力できる 1 本のケーブルでパソコンの USB ポートに接続することによりパソコンにインストールされた SDR ソフトウェア (HDSDR) 上で受信信号処理と周波数制御ができる 19 19

21 20 HDSDR の操作についてメーカーブースでデモを見てください 20

22 PC 上で動作する代表的な SDR ソフトウェアの例 HDSDR(High Definition Software Defined Radio) 高機能で良く使用される代表的なフリーの SDR ソフトウェア Dream(AM/DRM Receiver) 短波帯を中心としたデジタルラジオ (Digital Radio Mondiale) により FM 放送並みの高音質の放送を受信できることで知名度の高いフリーの SDR ソフトウェア (HDSDR でも DRM は受信できる ) CW Skimmer SDRソフトと組合せ使用することにより広範囲で受信したモールス信号をリアルタイムにデコードし運用しているコールサインを一目で見れるように表示してくれるシェアウェアである 21 21

24 23 SDR の方式について大きく次の 3 方式に分けられる (1) ダイレクトコンバージョン方式 ( ゼロ IF 方式 ) 一般的に SDR と言うとこの方式スマホ Bluetooth テレビ DSP ラジオ特定小電力アナログ無線機等に広く使われている (2) ダイレクトサンプリング方式 HF 帯無線機や一部の無線機に使用される信号を直接 A/D 変換するため数十 MHz までの低い周波数で使用される (3) ヘテロダイン方式スーパーヘテロダイン方式の IF 信号または検波信号を信号処理する方法一般的な HF 帯無線機 D ー STAR 無線機デジタル簡易無線業務無線等に使用される 23

25 ダイレクトコンバージョン方式 ( ゼロ IF 方式 ) 高周波増幅器直交ミキサ直交ミキサ ~ -90 LPF ローカル信号 ( 局部発振器 ) LPF A/D 変換器 A/D 変換器 I 信号 DSP ジタル信号処Q 信号デ24 SP D/A 低周波変換器増幅器理2 つのミキサ ( 周波数混合器 ) に 90 位相をずらした局部発振信号を入れるミキサから出力された I/Q 信号を合わせるとイメージ混信が除去できて受信したい信号が取り出せる画期的な方式 24

26 25 ダイレクトコンバージョン方式特小アナログトランシーバの場合 DSP の中ではどのような信号処理が行われているか? 高周波増幅器 ~ -90 LPF 局部発振器 A/D 変換器 DSP 信号処理 FM 復調 AFC デエンファシストーンスケルチデジタルコードスケルチ DTMF 検出 D/A 変換器低周波増幅器 SP LPF A/D 変換器 ( その他送信の機能もある ) 受信信号処理 + 付属回路の機能 + 送信機能が 1 チップになっている 25

26 FPGA も信号処理を行う BPF 高周波増幅器 A/D 変換器 FPGA デジタル信号処理 DSP デジタル信号処理 D/A 変換器低周波増幅器 SP BPF:Band-Pass

27 ダイレクトサンプリング方式とは? HF 帯のように周波数が低い場合受信信号を直接 A/D 変換して FPGA と DSP でデジタル信号処理を行う FPGA で高速処理することにより更に多彩な信号処理と DSP の負荷を軽減できる 26 FPGA も信号処理を行う BPF 高周波増幅器 A/D 変換器 FPGA デジタル信号処理 DSP デジタル信号処理 D/A 変換器低周波増幅器 SP BPF:Band-Pass Filter( 帯域フィルタ ) FPGA:Field-Programmable Gate Array( ソフトでロジック回路を構成できる部品 ) 受信周波数はA/D 変換器のサンプリング周波数の半分以下となる受信信号を直接デジタルに変換して信号処理を行うためアナログデバイスの非直線性の影響は皆無となりイメージ妨害がなく混変特性の良い受信や高速バンドスコープが実現できる 26

28 ダイレクトコンバージョン方式とダイレクトサンプリング方式直交ミキサ 27 LPF A/D 変換器 I 信号高周波増幅器 ~ -90 ローカル信号 ( 局部発振器 ) DSP デジタル信号処理 D/A 変換器低周波増幅器 SP LPF A/D 変換器 Q 信号アナログ直交ミキサを使っている FPGA の中でデジタル直交ミキサを使っている BPF 高周波増幅器 A/D 変換器 FPGA デジタル信号処理 DSP デジタル信号処理 D/A 変換器低周波増幅器 SP アナログデバイスの非直線性の影響は皆無となっている 27

29 ダイレクトサンプリング方式 IC-R8600 の場合 FPGA DSP の中ではどのような信号処理が行われているか? 28 BPF 高周波増幅器 A/D 変換器アンテナからの受信信号を直接 A/D 変換する D/A 変換器低周波増幅器 SP FPGA 信号処理 DSP 信号処理直交ミキサ (I/Q) FILTER IF フィルタ復調器 ~ 直交ミキサ (I/Q) FILTER FFT データ描写ノイズリダクション / マニュアルノッチ他 DDS( 局部発振器 ) ダイレクトデジタルシンセサイザ ~ バンドスコープ用 DDS( 局部発振器 ) FFT: 高速フーリエ変換 CPU バンドスコープ表示直交ミキサで変換するのでダイレクトサンプリングスーパーヘテロダイン方式とも呼ばれる 28

30 29 IC-R8600 広帯域受信機 (10kHz~3GHz) 3GHz まで受信可能な広帯域受信機 30MHz 以上の高い周波数はダウンコンバートして A/D 変換で取り込めるようにしている 29

による信号処理に置き換えるとともに検波等も行っているクリスタルフィルタの外観 30 従来の HF 機

検波器低周波増幅器 SP ~ 局部発振器最近の一般的な HF 機 : ヘテロダイン方式 ~

高周波増幅器ルーフイングフィルタ中間周波増幅器 A/D 変換器 DSP デジタル信号処理 D/A

31 ヘテロダイン方式従来の HF 機は SSB/CW フィルタに右写真に示すクリスタルフィルタを使っていたが非常に高価なものであった最近は DSP による信号処理に置き換えるとともに検波等も行っているクリスタルフィルタの外観 30 従来の HF 機 : スーハーヘテロダイン方式 SSB ワイド高周波増幅器中間周波増幅器 SSB ナロー CW 検波器低周波増幅器 SP ~ 局部発振器最近の一般的な HF 機 : ヘテロダイン方式 ~ BFO:Beat Frequency Oscillator (SSB/CW を検波するための発振器 ) 高周波増幅器ルーフイングフィルタ中間周波増幅器 A/D 変換器 DSP デジタル信号処理 D/A 変換器低周波増幅器 SP ~ 局部発振器ルーフイングフィルタ :roofing filter ROOF は屋根の事で始めに ( 第 1IF 等 ) に使われるフィルタの事 30

32 ヘテロダイン方式 :TH-D74(B バンド : 広帯域バンド ) の場合 3rd LO ~ 12kHz 450kHz SP 31 高周波増幅器 1st IF A/D 変換器 D/A 変換器低周波増幅器 1st LO ~ 2nd LO ~ FM 復調 A/D 変換器 DSP 信号処理 IF フィルタディエンファシス SSB/CW /AM 復調オーディオイコライザオーディオイコライザ IF 12kHz SSB/CW/AM 復調 IF 12kHz 出力アナログ FM 復調デジタル D-STAR 復調 USB 端子へ AFC 4800 GMSK 誤り訂正フレーム分離 AMBE 音声復元オーディオイコライザパケットデータ 1200 AFSK 9600 GMSK 誤り検出フレーム分離 CTCSS/DCS デコード CPU へ 31

33 D-STAR 無線機の信号処理 D-STAR 無線機のデジタル変調方式 = SDR ではないしかしデジタル変調を行うために音声をデジタルデータに変換する音声符号化と FM 復調信号からデジタルデータを再生するデジタル信号処理を行っている 32 送信機の構成 DSP による信号処理 MIC A/D 音声符号化 (AMBE+) 誤り訂正符号化フレーム構築フィルタ D/A PLL 発振器 (FM 変調 ) GMSK 信号 4800bps 受信機の構成 DSP による信号処理 GMSK 信号 4800bps FM 復調 A/D フィルタデータビット再生誤り訂正フレーム分離音声復元化 (AMBE+) D/A SP 部分的であるがデジタル信号処理を行っているので SDR である 32

35 SDR の利点欠点についてダイレクトコンバージョン受信信号を直接ベースバンド ( 低周波信号 ) に変換できるためイメージ受信がなく受信可能周波数範囲や受信帯域が広帯域にできる選択度はベースバンドの低周波フィルタで決まるため高価なクリスタルフィルタ等は必要ない精度の高い I/Q チャネル間のバランスが必要であるが DSP のデジタル信号処理により容易にできるようになったダイレクトサンプリング受信信号を直接 A/D 変換器でデジタルに変換して信号処理を行うためアナログデバイスの非直線性の影響は皆無となり高い混変調特性を持つ受信性能が得られるまた広帯域で取り込めるため広帯域で高速なバンドスコープが実現できる受信周波数は A/D 変換器で決定される SDRの信号処理は部品の温度特性に依存しないため良好な性能が得られるまた受信信号が強すぎるとA/D 変換器でオーバーフローが発生しデジタル信号への正常な変換ができなくなる場合があるので要注意 34 34

36 各方式の利点欠点比較表 ( 講演者の個人的な意見です ) 項目タイレクトコンハーション方式 SDR 方式タイレクトサンフリンク方式ヘテロタイン方式従来方式スーハーヘテロタイン受信機 1 受信感度 2 隣接チャネル感度抑圧〇〇 3 相互変調特性 4 ブロッキング特性 5 イメージ受信 ( スフリアス ) 6 選択度 7 帯域幅の自由度 8 帯域幅の広帯域化〇〇 9 受信範囲の広帯域化〇〇 10 汎用性拡張性〇 11 コスト〇 12 消費電力〇〇〇 35 35

38 アナログをデジタルに変換するサンプリング周波数アナログ信号をデジタルのデータに変換するときはある間隔で電圧を測定し数値にするこの間隔をサンプリング周期と言いその逆数をサンプリング周波数と言う電圧値サンプリング周波数 (Hz)= 1 T T 信号名サンプリング周波数備考 A/D 変換器電話 (ISDN など ) 8kHz 無線機の音声もほぼ同じ CD 44.1kHz DVD 48kHz PC のサウンドカードもこれが多い IC-R MHz 高くして折り返し雑音に有利な構成 37 37

サンプリング周波数の半分以下は復元可能 38 時間時間ナイキスト周波数サンプリング周波数アンチエイリアスフィルタ

39 サンプリング定理とナイキスト周波数アナログ信号の周波数帯域の 2 倍以上のサンプリング周波数でサンプリングすれば元の連続波形に戻せるこれをサンプリング定理と言いサンプリング周波数の半分の周波数をナイキスト周波数と言うサンプリング周波数の半分以下は復元可能 38 時間時間ナイキスト周波数サンプリング周波数アンチエイリアスフィルタ A/D 変換器フィルタを入れナイキスト周波数以下の成分にして折り返し雑音を低減する周波数 ( ナイキスト周波数以上を取り出す技術もある!) 38

40 折り返し雑音とは A/D 変換器においてナイキスト周波数を超える周波数成分をサンプリングする場合デジタル化された出力信号には折り返し雑音と呼ぶ雑音が混入してしまうそこで LPF などの回路 ( アンチエイリアスフィルタ ) を使って雑音が入らないようにするサンプリング周波数 20Hz のナイキスト周波数 10Hz 15Hz の信号は 5Hz の雑音になる 39 15Hz の信号 5Hz の雑音 15Hz を 50mS でサンプリングした場合 ( サンプリング周波数 20Hz) 39

41 直交ミキサについて : 何で I,Q 信号を使うのか? アナログミキサ ( 周波数混合器 ) のおさらい中間周波数が 2MHz の受信機で 7MHz の信号を受信する場合ミキサの出力に IF 成分以外にスプリアス成分 (12MHz) が発生する 40 fr=7mhz ミキサの出力 7-5=2MHz 7+5=12MHz LPF fif=2mhz fif flo fr fr+flo 2M 5MHz 7MHz 12MHz 5MHz 5MHz 中間周波増幅器周波数 ~ 局部発振器 flo=5mhz LPF で 12MHz を減衰させるアナログミキサは信号を和差算しているのでなく乗算を行う ( デバイスの非直線性を利用する ) 40

42 直交ミキサ : イメージ周波数の妨害波アナログミキサ ( 周波数混合器 ) のおさらいここで 3MHz の妨害波があった場合受信されてしまう! 41 fr=7mhz を受信したいここに 3MHz の妨害波あるとミキサの出力 7-5=2MHz 7+5=12MHz 3-5=-2MHz 3MHz の妨害波は 2MHz に変換され LPF で除去できない LPF 2MHz 中間周波増幅器 ~ 局部発振器 flo=5mhz fif fイメーシ flo fr 2M 3MHz 5MHz 7MHz 3MHz の信号をイメージ周波数と言うイメージ周波数 =fr-2 fif 5MHz 2MHz 2MHz 周波数 41

43 42 直交ミキサ : イメージ周波数の妨害波対応アナログミキサ ( 周波数混合器 ) のおさらいイメージ周波数はミキサの前に HPF を入れて除去する fr=7mhz を受信したいここで 3MHz の信号が来る HPF ミキサの出力 7-5=2MHz 7+5=12MHz LPF 2MHz 中間周波増幅器受信の頭に HPF を入れ 3MHz を減衰させる ~ 局部発振器 flo=5mhz fif fイメーシ flo fr 2M 3MHz 5MHz 7MHz 5MHz 2MHz 2MHz 周波数 42

44 直交ミキサ : ダブルスーパーヘテロダインの構成アナログミキサ ( 周波数混合器 ) のおさらい一般的には BPF を使用して更に低い中間周波数に変換する 43 fr=7mhz BPF BPF 2MHz 中間周波増幅器 BPF 450kHz ~ 局部発振器 flo=5mhz ~ 局部発振器 1.55MHz なぜ2 回周波数変換を行うか?( ダブルコンバージョン ) 始めから450kHzに変換できないのか? 43

45 44 直交ミキサ : 何で I,Q 信号を使うのか? アナログミキサ ( 周波数混合器 ) のおさらい 1 回の周波数変換で 450kHz の低い中間周波数にすると fr=7mhz イメージ妨害波 =6.1MHz BPF ミキサの出力 =450kHz =13.55MHz BPF イメージ妨害波 =fr-2 中間周波数 =7MHz ー (2 450kHz) =6.1MHz 450kHz ~ 局部発振器 flo=6.55mhz flo fr イメージ妨害波 6.1MHz が存在するとこれを前段の BPF で切るのは困難であるそこで直交ミキサが登場する周波数 44

46 直交ミキサに信号を入れてみる 2つのミキサに入力は同じもの局部発振信号として位相を90 ずらしたsin 信号とcos 信号を入れI/Q 信号を合成するここでは EXCELで計算するため入力信号 7Hz 局部発振信号 5Hzとして I/Q 信号 2Hzを取り出す 45 sin 信号 LPF I 信号 (2Hz) 受信信号 (7Hz) ~ -90 局部発振信号 (5Hz) 位相器 cos 信号 LPF Q 信号 (2Hz) COS は 1 から始まる 45

47 交ミキサ出力上記青色のsin 信号を90 遅らせる直直交ミキサ : イメージ成分除去受信入力信号にイメージ周波数 3Hz の信号を含め 2 つミキサ出力の I/Q 信号を合成する受信信号イメージ成分 46 受信信号 7Hz の受信信号は同相になり 2 倍の出力イメージ成分がキャンセルされ性能の良い受信機ができるイメージ成分 3Hz のイメージ成分が逆相で相殺

48 直交ミキサ : 加法定理で説明直交ミキサでイメージ混信を完全に除去できることを EXCEL で計算した波形で説明したが三角関数の加法定理を使うと簡単に説明できる加法定理の式は下記の通り 1 sin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβ 2 sin(α-β)=sinαcosβ-cosαsinβ 3 cos(α+β)=cosαcosβ-sinαsinβ 4 cos(α-β)=cosαcosβ+sinαsinβ 47 1 と 2 から (2 から 1 を引いて両辺を 2 で割る ) 下式を得る sinαcosβ= 1 {sin(α β) + sin(α + β) } Q 信号の構成 2 3と4から (4から3を引いて両辺を2で割る) 下式を得る sinαsinβ= 1 2 {cos(α β) cos(α + β) } I 信号の構成 47

49 直交ミキサ : 式をブロック図に対応求めた式を直交ミキサのブロックに対応させる 48 入力信号 (α) ミキサの乗算 I の出力信号和の成分は LPF で除去 sinαsinβ= 1 2 ~ -90 sin 信号 LPF 局部発振信号 (β) 位相器 cos 信号 sinαcosβ= 1 2 {cos(α β) cos(α + β) } LPF I 信号 Q 信号 1 cos(α β) sin(α-β) {sin(α β) + sin(α + β) } 直交ミキサは三角関数の公式通りである I 信号は cos の偶関数で α-β の正負に関係なく同じ値が得られるが Q 信号は sin の奇関数で α-β の正負で出力も反転する 48

50 直交ミキサ : ここがすごい世紀の発明! 直交ミキサの I/Q 信号の合成出力を複素表現すると下記の通り I 信号 COS(2πft) Q 信号 SIN(2πft) 合成出力 49-2πf -2πf 0 +2πf 0 = +2πf -2πf 0 +2πf 直交ミキサで I/Q 変換することにより下記のメリットがある 1 イメージ混信を除去できダブルトリプルスーパーヘテロダインは不要 2マイナスの周波数が扱えるので帯域幅が2 倍になる (0Hzも信号である) BPFを作成する際 LPFで良い高価なクリスタルフィルタ等は不要 3 瞬時の位相周波数振幅を知ることができる ( なんでも復調できる ) 直交ミキサで I/Q 信号を作る上で重要なこと局部発振信号を正確に 90 ずらして I/Q 信号のバランスでイメージを相殺する I/Qの局部発振信号 (sin cos) をソフトウェア (FPGAやDSP) で実現することでずれのないほぼ完全な直交ミキサを実現 ( アナログ回路では難しい ) 49

51 12kHz オフセット I/Q 信号について I/Q 信号は DC も AM の搬送波等の信号となる PC のアナログサウンドカードは DC がカットされるため 12kHz オフセットして対応している (ALINCO 社の DX-SR9 等 ) 周波数 10MHz を 1kHz で変調した信号と 9.98MHz の無変調信号を 3 方式で受信した場合 I/Q 信号の周波数 -24kHz -12kHz 0KHz +12kHz +24kHz 9.98MHz I/Q 信号によりマイナス周波数が扱えるうようになり折り返しが発生せずに取り込める 1 I/Q 信号 ( オフセット無し ) I/Q 信号をアナログ接続する場合は DC カットによりキャリア成分が減衰正しく AM 復調不可デジタル信号で接続すれば正しく復調できる 50 実際の周波数 9.976MHz 9.988MHz MHz MHz MHz 2 12kHz IF 信号受信できる帯域事前にフィルタで減衰させる必要がある 9.98MHz 12kHz 9.992MHz 帯域外の信号が折り返し信号として混入 fr=10mhz fi=12khz 9.98MHz =12kHz =12kHz LO=9.988MHz -24kHz -12kHz 0KHz +12kHz +24kHz I/Q 信号の周波数 9.98MHz 12kHzオフセットに 3 I/Q 信号よりキャリア成 (12kHz オフセット ) 分が正しく取り込めてAM 復調可 9.964MHz 9.976MHz 9.988MHz MHz MHz MHz 50

52 51 デジタルフィルタについて : どのように行われているか? 何で足し算引き算掛け算でフィルタができるのか? 代表的なデジタルフィルタは下記の 2 つに分類される FIR フィルタ (Finite Impulse Response) IIR(Infinite Impulse Response) 種類計算量減衰特性位相特性歪設計ダイナミックレンジ FIR 大きい悪い良い良い容易広い IIR 小さい良い悪い悪い難しい狭い FIR フィルタは計算量は多くなるが設計が容易で良質なフィルタを作れる FIR フィルタを理解するためにまず LPF の一種である移動平均フィルタについて説明する 51

53 移動平均フィルタ 1 サンプリングごとに平均を取ると波形が滑らかになる 52 a4 a3 a2 a1 FIRフィルタも原理は同じであるがサンプリングした値に係数を掛ける a5 a4 a3 a2 a6 a5 a4 a3 h1aaa + h2aa2 + h3aaa + h4aaa 4 aaa + aaa + aaa + aaa 4 aa2 + aa3 + aa4 + aa5 4 aa3 + aa4 + aa5 + aa6 4 52

54 53 FIR フィルタについて : 構成 FIR フィルタのブロック構成は下記のようになるサンプリングした値を左から順番に入れて係数 hn を掛け算したものを全て足し算して出力する Z -1 の段数をタップ数と言うタップ数が多いと良い特性のフィルタができるがその分出力が遅れ計算量も多くなる入力 Z -1 Z -1 Z -1 Z -1 Z -1 h0 h1 h2 h3 h4 hn-1 出力 53

55 54 FIRフィルタについて係数はどのようになるのかフリーソフトを使ってみる DIGITALFILTER.COM の Digital Filter Analyzer を使うこのソフトは直感的にわかり易く使いやすいソフトです DIGITALFILTER.COM のサイトはデジタル技術の宝庫です 54

56 FIRフィルタの設計直交ミキサで実験した入力信号 7Hz 局部発振信号 5Hzで中間周波数 2Hzを取り出す場合の 12Hzを除去するFIRフィルタの計算を行ってみるフィルタの設計画面 55 入力信号 7Hz ミキサの出力 7-5=2Hz 7+5=12Hz FIR の LPF 中間周波数 2Hz ~ 局部発振信号 5Hz パスバンド 3Hz ストップバンド 11Hz タップ数 558

57 FIRフィルタの設計結果計算結果を左図にまたタップ数を変更したものを右図に示す計算結果 8タップで12Hzは約 20dB 減衰タップ数を20にした結果 56 約 20dB 減衰約 30dB 減衰 12Hz 12Hz タップ数を 50 にした結果約 80dB 減衰これが 8 タップの係数 hn 12Hz 56

58 57 FIR フィルタについて計算結果を EXCEL を使って計算右下の LPF の出力は 12Hz が減衰されているのがわかる受信入力信号 fr=7hz 局部発振信号 fio=5hz 10ms でサンプリング 8 タップで過去の 7 個のデータを使用ミキサ出力信号小さな山が 12 個大きな山が 2 個 12Hz を 8 タップの LPF で減衰 12Hz は約 20dB の減衰で残っている 57

59 58 高速フーリエ変換高速フーリエ変換 (FFT:Fast Fourier Transform) は時間軸を周波数軸に変換できる演算であるわかり易く言い換えるとオシロスコープで測定した波形をスペクトラムアナライザの表示に変換できる時間周波数 58

60 スペクトラムアナライザを実現するには fr=7mhz AMP BPF 7.001MHz AMP db 59 複数の受信機の周波数に対する信号強度を表示する AMP 7.002MHz 7.100MHz AMP db 100 個の受信機の出力を使用 AMP AMP 信dB 号の強さ周波数 7.001~7.100MHz 59

61 60 スペクトラムアナライザは局部発振周波数をスイープして実現複数の受信機を並べるのは現実的でなく従来はスーパーヘテロダインの構造で局部発振器の周波数をスイープ ( 連続的に可変 ) して実現 BPF の帯域を狭くすると信号を伝達する時間が遅くなり高速の描写が出来ない出典元 :IC-7610 Technical Report Vol

62 61 高速フーリエ変換の演算で実現する左図の破線のブロックを高速フーリエ変換の演算で信号処理することにより実現する BPF の遅延時間が少なく狭帯域でも高速高精度に描写できる出典元 :IC-7610 Technical Report Vol

63 復調について 1:SSB の復調 SSB は搬送波 ( キャリア ) を抑圧してどちらかの側波帯を取り出したものである 62 搬送波抑圧搬送波抑圧搬送波下側波帯上側波帯 LSB(Lower Side Band) USB(Upper Side Band) 復調は LSB は +1.5kHz USB は -1.5kHz の局部発振周波数でミキサの演算をすることにより可能となる +1.5kHz LSB -1.5kHz USB SSB,CW はアナログの時は BFO 信号 (Beat Frequency Oscillator) を混合 ( 乗算 ) して復調出力するところは同じである 62

64 63 復調について 2:FM の復調 FM(Frequency Modulation) は変調信号に応じて搬送波の周波数を可変するまた周波数と位相は密接な関係にある搬送波変調波 FM 変調波周波数の単位は Hz であるが角周波数で表すと rad/sec( 角度 / 秒 ) となる周波数 :rad/sec= 角度 / 秒周波数に時間をかけると ( 角度 / 秒 ) 秒 = 角度 ( 位相 ) 位相がわかれば時間微分が周波数 ( 角周波数 ) となり FM 変調波の復調が実現できる 63

65 復調について2:FMの復調直交ミキサのI/Q 信号を使って位相を求める I/Qは直交している信号でそれぞれの大きさで tan 1 y x により位相を求め時間微分することにより周波数を求めることができる入力信号 ~ -90 LPF sin 信号局部発振信号位相器 cos 信号 LPF I 信号 θθ = tan 1 y x Q 信号 Q r r= 振幅 (x,y) Θ は位相 I 64 FM 波は振幅が一定であるが伝搬時にフェージング等によって変動するアナログの場合はリミッタ等で一定に戻すがデジタルのFM 復調は位相しか見ないので理想的なFM 復調ができる 64

67 DSP 開発における数値解析ソフトウェアの例 MATLAB 無線メーカーの人が良く使っているアメリカの MathWorks 社が開発した最も使用されているソフト行列計算関数とデータの可視化アルゴリズム開発を行う FreeMat オープンソースの数値解析プログラミング言語 MATLAB と 100% の互換性はないが機能としては 95% をカバーしている GNU Octave 数値解析を目的とした高レベルプログラミング言語 GNU Gener al Public License の条件の下のフリーソフトウェアである Scilab( サイラボ ) フランスの INRIA( 国立情報学自動制御研究所 ) と ENPC で開発されているオープンソースの数値計算システムである 66 66

67 SDR ソフトの開発環境の例 MATLAB / Simulink 汎用シミュレーションプラットフォーム MATLAB/Simulink も SDR のソフトウェア開発環境としてよく使われている GnuRadio MATLAB/Simulink のシミュレーション例出典 :https://jp.mathworks.

68 67 SDR ソフトの開発環境の例 MATLAB / Simulink 汎用シミュレーションプラットフォーム MATLAB/Simulink も SDR のソフトウェア開発環境としてよく使われている GnuRadio MATLAB/Simulink のシミュレーション例出典 : オープンソースの SDR 専用開発環境である SDR USRP のソフトウェア開発環境として Ettus Research 社が開発した LabVIEW 米国のNational Instruments 社が販売する実験機器の制御や信号処理を可能にするビジュアルプログラミング環境である 67

RF ワールド No.22 SdrStudy のお勧め RF ワールド No.22 らくらく!SDR 無線入門のダウンロードサービスのソフト http://www.rf-world.jp/bn/rfw22/rfw22sdr.shtml 信号処理の入門に最適! これで何ができるか?

69 RF ワールド No.22 SdrStudy のお勧め RF ワールド No.22 らくらく!SDR 無線入門のダウンロードサービスのソフト信号処理の入門に最適! これで何ができるか? 外部入力や内蔵信号源に対しミキサフィルタ BFO 検波変調の信号処理がパソコン上で体験できるスペアナ機能で観察できるソースが公開されているので信号処理の勉強およびカスタマイズができる RF ワールド No.22 に詳細な解説がある部品を半田付けしなくても実現できる 68 68

70 RF ワールド No.22 SdrStudy のデモ 69 69

72 高性能小型化低消費電力低コスト化フレキシビリティ半導体のプロセスの進化とともに高集積化高性能化が進み信号処理技術も進化して SDR の性能向上が図れる具体的には A/D 変換器の高速低廉化で 1.2GHz 帯もダイレクトサンプリングを実現 LC 発振器の VFO PLL から IC チップの局部発振器に置き換わり直交ミキサと合わせて広受信範囲で高性能な無線機が期待される長年培ったスーパーヘテロダインからダイレクトコンバージョン / ダイレクトサンプリングに置き換わり今後弱点が克服され性能の向上が期待される SDR インターフェイスの標準化 SDR 機器とパソコン間のインターフェイス仕様が標準化されどの SDR ソフトウェアでも簡単に接続できるようになり Windows 標準アプリも搭載されるこれによりロケーションの良い場所にある SDR 機器から広帯域の I/Q 信号が配信されリアルタイムで受信するとともに録音して広い帯域を再生できるニュータイプのソフトラジオ少年が現れる SDR ソフト開発の得意なニュータイプのラジオ少年が現れトランジスタコイルコンデンサの話は聞かれず半田ごてを持つラジオ少年が少なくなる 71 ( 講演者の個人的な希望を含む予測です ) 71

73 72 下記の書籍を参考にさせて頂きました RF ワールド No.22 らくらく!SDR 無線入門著者中本伸一 CQ 出版社フルディジタル無線機の信号処理著者西村芳一 / 中村健真 CQ 出版社ソフトウェアで作る無線機の設計法編著太郎丸眞 / 坂口啓科学情報出版株式会社 72

74 少しでもお役に立てて SDR に興味を持って頂ければ幸いですご清聴ありがとうございましたハムフェア 2018 JAIA 技術委員会 73

Microsoft PowerPoint - 受信機.ppt[読み取り専用]

Microsoft PowerPoint - 受信機.ppt[読み取り専用] 受信機 1. 直線受信機 2. スーパヘテロダイン受信機受信機 1.AM 受信機 DSB 受信機 SSB 受信機 2.FM 受信機高周波増幅器アンテナで受信した希望周波数 f s を増幅する周波数変換回路混合器と局部発振器からなり高周波増幅された信号を中間周波数に変換する局部発振器スーパヘテロダイン受信機の局部発信周波数は受信周波数より中間周波数だけ高く ( 低く ) 設定する混合器