平成 30 年 8 月 25 日
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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
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
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
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
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 https://www.icom.co.jp/beacon/ 8
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 https://www.icom.co.jp/beacon/ 9
10 真空管式ラジオ 並 3(3 球再生 ) ラジオ 出典元 : 週刊 BEACON https://www.icom.co.jp/beacon/ 組立キット 3R5NKM 10
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 https://www.icom.co.jp/beacon/ https://www.sony.jp/radio/radio_sony/history/ 11
DSP ラジオ (2011 年 7 月号のラジオライフの記事 ) 12 12
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
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
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 http://www2.plala.or.jp/hikokibiyori/soft/kgtrx/ 16
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
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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
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
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) http://www.hdsdr.de/ 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) https://sourceforge.net/projects/drm/ 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 http://www.dxatlas.com/download.asp 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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 00110000111000 00110000111101 00110001000011 00110001001011 00110001001110 DVD 48kHz PC のサウンドカードもこれが多い IC-R8600 122.88MHz 高くして折り返し雑音に有利な構成 37 37
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
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
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
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
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
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
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 7-6.55=450kHz 7+6.55=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
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
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
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
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) 2 1 2 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
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
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 10.000MHz 10.012MHz 10.024MHz 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 10-9.988=12kHz 9.992-9.98=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 10.000MHz 10.012MHz 10.024MHz 50
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
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
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
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 http://digitalfilter.com/products/dfalz/jpdfalz.html 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
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
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
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
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
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
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.3 https://www.icom.co.jp/products/amateur/topics/ic-7610/ 60
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.3 https://www.icom.co.jp/products/amateur/topics/ic-7610/ 61
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
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
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
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.com/help/simulink/ 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? 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
RF ワールド No.22 SdrStudy のデモ 69 69
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
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
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