やさしいデジタル大研究 ~ 受信感度 BER? PN9?~ 2014/8/23 1
講演メニュー 1. デジタル機 D-STAR の主な定格 2. アナログ機との主な違い 3. デジタル測定器を利用した受信測定 4. アナログ無線機テスターを利用した簡易な受信点検 2014/8/23 2
アナログとデジタル 階段を歩くと 一度に 1 段ずつと言う条件では 小さな子供が歩いても若者が歩いても一歩の幅は変わらない スロープを歩くと階段と違い 一歩の幅は歩く人によってそれぞれ異なる 連続して境目のないスロープがアナログ 連続ではなく断続した階段などの動きがデジタル 仮に階段数が 256 段ある場合 2 進数 8 ビットで計算すると 2 8 = 256 段 より滑らかにするのに 16 ビットで考えると 2 16 = 65,536 段 2014/8/23 3
1. デジタル機 D-STAR の主な定格 電波の型式アナログ F3E デジタル F7W テ シ タル伝送速度 4.8kbps 音声符号化速度 2.4kbps 変調方式 FM リアクタンス GMSK リアクタンス 受信感度アナログ FM12dBSINAD デジタル DV BER 1% 2014/8/23 4
1-1. 電波の型式 ( 定格 ) 振複変調 アナログ F3E 第 1 文字 第 2 文字 第 3 文字 主搬送波の変調の型式 主搬送波を変調する信号の性質 伝送情報の型式 無変調 N 変調信号無し 0 無情報 N 両側波帯 A 電信 ( 聴覚受信 ) A 副搬送波を使用しないデジタル信号アナログ信号の1 の単一チャネル単側波帯電信 ( 自動受信 ) B H 全搬送波単一チャネル電話副搬送波を使用するデジタル信号のファクシミリ C 2 単側波帯単一チャネルデータ伝送 R D 遠隔測定遠隔指令低減搬送波アナログ信号の単一チャネル 3 単側波帯 7 電話 ( 音響 W) E J 抑圧搬送波 独立側波帯周波数変調残留側波帯 角度変調 F 周波数変調 F 位相変調 振幅変調及び角度変調を同時に又は一定の順序で変調 B C 周波数変調 F アナログ信号の 2 以上のチャネル 8 N から F までの組合せ W G D 3 デジタル信号の 2 以上のチャネル デジタル信号の 2 以上のチャネル 7 テレビジョン ( 映像 ) F 1 以上のアナログ信号のチャネルと 1 以上のデジタル信号のチャネルの複合方式 デジタル F7W 2014/8/23 5 9 E NからFまでの組み合わせ
1-2. テ シ タル伝送速度 1 ( 定格 ) テ シ タル伝送速度 4.8kbps 4.8kbps (bits per second ) ビット毎秒 通信回線などのデータ伝送速度の単位 1 秒間に何ビットのデータを送れるか 1bps は 1 秒間に 1 ビットのデータを伝送できる 2014/8/23 6
1-3. テ シ タル伝送速度 2 ( 定格 ) テ シ タル伝送速度 4.8kbps DV モードでは 音声の伝送と同時に短い ( 低速 ) デジタルデータ伝送が可能 GPS で測位した自局の位置情報等 2014/8/23 7
1-4. 変調方式 ( 定格 ) 変調方式アナログ FM リアクタンスデジタル GMSK リアクタンス GMSK (Gaussian filtered Minimum-Shift Keying) 基本原理は周波数変調のひとつで変調信号を帯域制限する 帯域制限する事で周波数の有効利用が行える 2014/8/23 8
1-5. 関連する変調方式 ( 参考 ) FSK (Frequency Shift Keying) デジタルデータを周波数変調で送る方法 MSK (Minimum Shift Keying) FSK で最小限の周波数変動で変調をかけられる GMSK (Gaussian filtered Minimum Shift Keying) MSK にガウシャンフィルターを使い 帯域制限を掛ける 2014/8/23 9
1-6. 変調スペクトラム ( 参考 ) MSK の変調スペクトラム 変調による高次スペクトルの減衰が緩やかで広い帯域に影響を与える この高調波成分を取り去って 信号をできるだけ正確に通過させて帯域制限を掛けるのにガウシャンフィルタを使用 このフィルタを通して MSK 変調する方式が GM SK 変調 GMSK の出力波形は MSK に比べて中心から離れた不要なサイドの周波数が低下 GMSK はヨーロッパ発祥の携帯電話 GSM でも使用 2014/8/23 10
1-7. 電波の型式 占有周波数帯幅 ( 参考 ) デジタル DV モード F7W : 6kHz 以下 アナログ FM モード F3E Digital Voice ( デジタルボイス ) :16kHz 以下 アナログ FM 方式は 1 波あたり 16kHz の周波数を占有する デジタル運用は周波数の有効利用ができる 2014/8/23 11
1-8. スペクトラム波形 ( 参考 ) デジタル F7W アナログ F3E デジタル変調信号が掛かっている 無変調時のスペクトラム 1kHz の変調信号を掛けた時 2014/8/23 12 変調音
1-9. 送信変調波形 ( 参考 ) 1 *** **** * * * * * * *** * * ***** * * FM モード F3E 0 * * * * * ** * * * * *** *** ** ***** デジタル F7W アナログ F3E 1kHz のオーデイオ信号を送出して測定 2014/8/23 13
1-10. 音声符号化 1 ( 定格 ) デジタル無線機 高周波信号に情報を乗せて扱っている その高周波信号はアナログ 音声符号化速度 2.4kbps 音声符号化 アナログの音声をデジタルの0と1のデータに変換して伝送する点 デジタルオーデイオ系の音声圧縮 MP3 (MPEG-1 Audio Layer III) ATRAC (Adaptive TRansform Acoustic Coding) AAC (Advanced Audio Coding) 2014/8/23 14
1-11. 音声符号化 2 ( 参考 ) 音声符号化のメリット圧縮する事で無線周波数の帯域幅を小さくできる 符号化方式の種類 音声波形を符号化の対象とした波形符号化 声のモデルを元に信号を分析 パラメータ化し符号化する 復号時は音声の波形ではなく聴感上で同じ音声に聞こえる ように再合成する分析合成符号化 ( ボコーダ ) 2014/8/23 15
1-12. 音声符号化 3 ( 参考 ) 圧縮効率に優れ 無線周波数の帯域幅を小さくできるボコーダを使用 ボコーダは人の音声をクリアな音質で伝えられますが 音楽は曲名がわからないくらい劣化し苦手な音 例えば 学校のチャイムのような音 NHK のど自慢の鐘の音 2014/8/23 16
1-10. 1-13. 音声符号化 43 ( 参考音の例 ) 1111 無線機を通さないで再生した音 デジタル無線機を通して聞いた音無線機 デジタル無線機を通しても劣化が少ない音 単一音をサンプリングした波形データを伝送しているのではなく 単一音の波形の種類 周波数や音量等の情報を符号にして送っている 2014/8/23 効果音:NHKクリエイティブ ライブラリー 17
1-14. 受信感度 ( 定格 ) SINAD は信号を S 雑音を N 歪を D とすると 次式で算出できる SINAD(dB)=(S+N+D)/(N+D) BER 1% 測定器構成は? SG(1KHz,3.5DEV) 無線機 AF SINAD メータ SG(PN9 4.8kbps) CLOCK DATA 入力された信号の BER(Bit Error Rate) の測定を行うことで無線機のデジタルの受信感度を測定する DV モードの受信感度は -11dBμ(BER1%) と記載されている これは無線機に入力した信号が -11dBμ の時 BER が 1% 以内で定格を満たすという内容です BER1% :100 ビットを受信したときに 1 ビットの誤り BER 計 2014/8/23 18
1-15. PN9 信号 ( 参考 ) PN9 パターン? PN とは Pseudorandom Noise ( スードランダムノイズ ) 疑似ランダムノイズを意味 9 は PN9 パターンを発生するビットシフト回路の段数 少し具体的に PN9 パターンは 2 の 9 乗のデーター長 (2 9-1=511) で繰り返すパターン 9 段のビットシフト回路 PN9 パターンの 511 ビット 1111111110 0000111101 1111000101 1100110010 0000100101 0011101101 0001111001 1111001101 1000101010 0100011100 0110110101 0111000100 1100010001 0000000010 0001000110 0001001110 0101010110 0001101111 0100110111 0010001010 0001010110 1001111110 1100100100 1011011111 1001001101 0100110011 0000000110 0011001010 0011010010 1111111010 0010110001 1101011001 0110011110 0011111011 1010000011 0101101101 1101100000 1011010111 1101010101 0000001010 0101011110 0101110111 0000001110 0111010010 0111101011 1010100010 0100001100 1110000101 1110110110 0110100001 1101111000 0 9 段のシフトレジスタによって構成される回路で生成されたランダムデータを用いる 1 と 0 の交互の繰り返しデーターを使う事で 誤りが判断しやすい 適当な繰り返しだけでは正しいのか 誤りなのかわからなくなるため ある程度のデーター長で繰り返し性のあるPN9を使用する 2014/8/23 19
1-16. PN9 変調波形とスペクトラム Modulation :FSK Symbol Rate :4.8kbps BT :0.5 Filter :Gaussian 2014/8/23 20
2. アナログ機との違い ( 送信系 ) アナログ MIC AMP デジタル A/D 変換音声エンコード 音声符号化 音声符号化 デジタル ベースバンド信号 D/A VCO TX AMP DSP デジタル信号処理信号フレーム構築 DSP デジタルフィルター 2014/8/23 21
2-1. アナログ機との違い ( 受信系 ) AF AMP D/A アナログに復元 CODEC 信号フレーム分離ボイスデコード 音声符号化 DSP DSP A/Dデジタルオーデイオコード化 フィルタービット再生 デジタル 2nd IF (FM 復調 ) アナログ 2014/8/23 22
2-2. 音声通信のパケット ( 参考 ) 無線部ヘッダ データ ビット同期信号 これより信号を表す フレーム同期信号 通信の種別 レピーター経由通信 直接通信 レピーター制御等 フラグ 1 /2 /3 最終目的地のコールサイン ID 送り側端末が属してるレピターコールサイン 相手局コールサイン フレームチェック自局コールサイン P-FCS 音声フレーム データ音声データ 音声フレームフレームフレーム フレーム 送信終了信号 ラストフレーム 64bit 15bit 1byt 1byt 1byt 8byt 8byt 8byt 8byt 2byt 72bit 24bit 72bit 24bit 72bit 48bit デジタル音声は通信の最初から受信すると 同期信号があるため受信する 途中からや フェージングにより 一旦途切れると同期がとれなくなり受信できなくなる 接続維持 音声途切れ対策として 音声パケットのデータフレームの中に周期的な同期信号を入れる コールサインの受信検出をガチガチにするのでなく緩和する 2014/8/23 23
2-3. 明瞭度 / 信号強度の比較 ( 参考 ) 明瞭度 ( 音質 ) Digital アナログ通信 は 情報を変換しないでそのまま伝える 一方 デジタル は情報を 0 と 1 の組み合わせで伝える アナログは信号強度に比例して明瞭度が低下するが デジタルは 0/1 のため ある程度の信号強度まで明瞭度の低下がない ( 聞こえる又は 聞こえない ) 信号強度 信号強度の弱い位置で混信を受けた場合音声として復調できないことがある 2014/8/23 24
3. デジタル測定器を利用した受信測定 受信感度デジタル DV BER 1% 511bit PN9 信号 2014/8/23 25
3-1. デジタル測定器を利用した測定 受信感度デジタル DV BER 1% -9dbμ 以下 ID-880( アマチュア周波数帯 ) 2014/8/23 26
3-2. BER 測定 (Bit Error Rate) 測定準備中 2014/8/23 27
4. アナログ無線機テスター (SG) を利用した簡易な受信測定 無線機テスター (SG) RF 信号 MIX PC 外部変調入力 RF 信号出力 無線機 DV モード パソコン BASE バンド変調音 ( 信号 ) をメデイアプレイヤー等で再生し出力する (WAV FILE) 疑似音声出力レベル (400mV 程度 ) 外部変調レベル (1.5kHz~2.2kHz) 2014/8/23 28
4-1 アナログ無線機テスター 2014/8/23 29
4-2 アナログ無線機テスター ( 受信音点検 ) FM DV が交互点滅状態 ( 不明なモード ) 受信音点検 パソコンから BASE バンド変調を入力 BASE バンド変調音 2014/8/23 30
4-3 アナログ無線機テスター ( 受信デモ ) 2014/8/23 31
おしまい 本公演の内容は PDF データーとして後日 JAIA ホームページにアップする予定です ご清聴ありがとうございました 日本アマチュア無線機器工業会技術委員会 2014/8/23 32