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コミュニケーションの原則-はじめに

コミュニケーションという言葉は、「共有する」という意味のラテン語の「commūnicāre」に由来しています。 コミュニケーションは、情報交換の基本的なステップです。

たとえば、ゆりかごにいる赤ちゃんは、母親が必要だという叫びを伝えます。 牛は、危険にさらされると大きな声で鳴きます。 人は言語の助けを借りてコミュニケーションをとります。 コミュニケーションは共有するための橋渡しです。

  • コミュニケーション*は、2人以上の個人間での言葉、行動、標識などの手段による情報交換のプロセスとして定義できます。

コミュニケーションの必要性

どんな生物にとっても、共存しながら、何らかの情報の交換が必要になります。 情報交換の必要が生じたときはいつでも、何らかのコミュニケーション手段が存在するはずです。 コミュニケーションの手段は、ジェスチャー、サイン、記号、または言語など何でもかまいませんが、コミュニケーションの必要性は避けられません。

言語とジェスチャーは人間のコミュニケーションに重要な役割を果たしますが、動物のコミュニケーションには音と行動が重要です。 ただし、何らかのメッセージを伝達する必要がある場合は、通信を確立する必要があります。

通信システムの部品

通信を提供するシステムは、次の図に示すように、3つの重要で基本的な部分で構成されています。

通信システムの部品

  • *送信者*はメッセージを送信する人です。 信号が送信される送信局である可能性があります。
  • *チャネル*は、メッセージ信号が移動して宛先に到達するための媒体です。
  • Receiver は、メッセージを受信する人です。 送信された信号が受信される受信局である可能性があります。

シグナルとは何ですか？

ジェスチャ、サウンド、アクションなどの何らかの手段で情報を伝えることは、「シグナリング」と呼ばれます。 したがって、信号は、*何らかの情報を送信する*エネルギー源*になります。 この信号は、送信者と受信者の間の通信を確立するのに役立ちます。

距離を伝わってメッセージを伝える電気インパルスまたは電磁波は、通信システムでは「信号」と呼ばれます。

信号は、その特性に応じて、主にアナログとデジタルの2つのタイプに分類されます。 次の図に示すように、アナログ信号とデジタル信号はさらに分類されます。

シグナル

アナログ信号

時間的に変化する量を表す連続的な時間変化信号は、*アナログ信号*と呼ばれます。 この信号は、それを表す量の瞬時値に従って、時間に対して変化し続けます。

例

1時間（午前6時から午前7時）に100リットルの容量のタンクを満たすタップを考えてみましょう。 タンクを充填する部分は、変化する時間によって変化します。 つまり、15分（午前6時15分）後にタンクの4分の1の部分が満たされ、午前6時45分にタンクの3/4が満たされます。

さまざまな時間に応じて、タンク内の水のさまざまな部分をプロットしようとすると、次の図のようになります。

アナログ信号

この画像に示されている結果は時間に応じて変化（増加）するため、この*時間変化量*はアナログ量として理解できます。 この状態を図の斜線で表す信号は、*アナログ信号*です。 アナログ信号とアナログ値に基づく通信は、*アナログ通信*と呼ばれます。

デジタル信号

本質的に離散的な信号または形式が非連続な信号は、*デジタル信号*と呼ばれます。 この信号には個別の値があり、個別に表示されます。これらの値は、特定の時点で導出されたかのように、以前の値に基づいていません。

例

20人の生徒がいる教室を考えてみましょう。 1週間の出席がプロットされている場合、次の図のようになります。

デジタル信号

この図では、値が個別に記載されています。 たとえば、水曜日のクラスの出席者は20人ですが、土曜日の出席者は15人です。 これらの値は、個別に、または個別に、または個別に考慮することができるため、*離散値*と呼ばれます。

1と0のみを持つ2進数は、主に*デジタル値*と呼ばれます。 したがって、1と0を表す信号は*デジタル信号*とも呼ばれます。 デジタル信号とデジタル値に基づく通信は、*デジタル通信*と呼ばれます。

周期信号

パターンを一定期間繰り返すアナログまたはデジタル信号は、*周期信号*と呼ばれます。 この信号のパターンは繰り返し継続され、推測または計算が容易です。

例

ある産業の機械を考えると、次々に行われるプロセスは、継続的で繰り返しの手順です。 たとえば、原材料の調達と等級分け、バッチでの材料の処理、次々と製品を梱包するなど、特定の手順を繰り返します。

このようなプロセスは、アナログとデジタルのどちらを考慮しても、次のようにグラフィカルに表現できます。

周期信号

非周期信号

一定の時間パターンを繰り返さないアナログまたはデジタル信号は、*非周期信号*と呼ばれます。 この信号のパターンは継続しますが、パターンは繰り返されず、推測や計算がそれほど容易ではありません。

例

人の日課は、考慮された場合、さまざまな種類の作品で構成され、作品ごとに異なる時間間隔をとります。 時間間隔または作業が継続的に繰り返されません。 たとえば、同じ時間帯に朝から夜まで歯を磨き続けることはありません。

このようなプロセスは、アナログとデジタルのどちらを考慮しても、次のようにグラフィカルに表現できます。

Aperiodic Analog Signal Aperiodic Digital Signal

一般に、通信システムで使用される信号は本質的にアナログであり、要件に応じてアナログで送信されるか、デジタルに変換されてから送信されます。

ただし、外部の干渉やノイズの追加の影響がなく、フェードアウトすることなく、信号を遠くまで送信するには、次の章で説明する*変調*と呼ばれるプロセスを実行する必要があります。

コミュニケーションの原則-変調

信号は、叫ぶときに出る音波のようなものです。 この叫び声は特定の距離までしか聞こえません。 ただし、同じ波が長距離を移動するには、元の信号のパラメーターを乱すことなく、この信号に強度を追加する手法が必要になります。

信号変調とは何ですか？

メッセージを運ぶ信号は、距離を置いて送信される必要があり、信頼できる通信を確立するために、メッセージ信号の元の特性に影響を与えない高周波信号の助けを借りる必要があります。

メッセージ信号の特性は、変更されると、それに含まれるメッセージも変更されます。 したがって、メッセージ信号を処理する必要があります。 高周波信号は、外乱の影響を受けることなく、より長い距離を移動できます。 メッセージ信号を送信するために、「キャリア信号」と呼ばれるこのような高周波信号を利用します。 このようなプロセスは、単に変調と呼ばれます。

  • 変調*は、変調信号の瞬時値に応じて、キャリア信号のパラメータを変更するプロセスです。

変調の必要性

ベースバンド信号は、直接送信には対応していません。 このような信号の場合、より長い距離を移動するには、高周波搬送波で変調することで強度を上げる必要がありますが、変調信号のパラメーターには影響しません。

変調の利点

変調が導入されない場合、送信に使用されるアンテナは非常に大きくなければなりませんでした。 波は歪まない限り遠くまで移動できないため、通信範囲は制限されます。

以下は、通信システムに変調を実装する利点の一部です。

  • アンテナのサイズが小さくなります。
  • 信号の混合は発生しません。
  • 通信範囲が広がります。
  • 信号の多重化が発生します。
  • 帯域幅の調整が許可されます。
  • 受信品質が向上します。

変調プロセスの信号

以下は、変調プロセスにおける3種類の信号です。

メッセージまたは変調信号

送信されるメッセージを含む信号は、*メッセージ信号*と呼ばれます。 それは送信されるために変調のプロセスを経なければならないベースバンド信号です。 したがって、「変調信号」とも呼ばれます。

キャリア信号

特定の位相、周波数、および振幅を持っているが情報を含まない高周波信号は、「キャリア信号」と呼ばれます。 空の信号です。 変調後に受信機に信号を伝えるために使用されます。

変調信号

変調プロセス後の結果の信号は、「変調信号」と呼ばれます。 この信号は、変調信号とキャリア信号の組み合わせです。

変調の種類

変調には多くの種類があります。 使用される変調技術に応じて、次の図に示すように分類されます。

変調の種類

変調のタイプは、連続波変調とパルス変調に大きく分類されます。

連続波変調

連続波変調では、高周波正弦波が搬送波として使用されます。 これは、振幅変調と角度変調にさらに分けられます。

  • 高周波搬送波の振幅が変調信号の瞬間的な振幅に応じて変化する場合、そのような手法は*振幅変調*と呼ばれます。
  • 変調信号の瞬時値に応じて搬送波の角度が変化する場合、このような手法は「角度変調」と呼ばれます。
  • 変調信号の瞬時値に応じて搬送波の周波数が変化する場合、そのような手法は*周波数変調*と呼ばれます。
  • 変調信号の瞬時値に応じて高周波搬送波の位相が変化する場合、そのような手法は「位相変調」と呼ばれます。

パルス変調

パルス変調では、矩形パルスの周期的なシーケンスが搬送波として使用されます。 これはさらにアナログ変調とデジタル変調に分けられます。

アナログ変調*テクニックでは、パルスの振幅、持続時間、または位置がベースバンド変調信号の瞬時値に従って変化する場合、そのようなテクニックは Pulse Amplitude Modulation（PAM）または Pulse Durationと呼ばれます/幅変調（PDM/PWM）、または*パルス位置変調（PPM）。

デジタル変調*では、使用される変調技術は*パルス符号変調（PCM）*であり、アナログ信号は1と0のデジタル形式に変換されます。 結果はコード化されたパルス列であるため、これはPCMと呼ばれます。 これは Delta Modulation（DM）*としてさらに開発され、以降の章で説明します。 したがって、PCMは、アナログ信号をデジタル形式に変換する手法です。

コミュニケーションの原則-ノイズ

通信システムでは、信号の送信中または信号の受信中に、一部の不要な信号が通信に導入され、受信機にとって不快になり、通信の品質に疑問が生じます。 このような妨害は*ノイズ*と呼ばれます。

ノイズとは？

ノイズは、元のメッセージ信号を妨害し、メッセージ信号のパラメーターを破損する「不要な信号」です。 通信プロセスのこの変更により、メッセージが変更されます。 チャネルまたは受信機で入力される可能性が最も高いです。

ノイズ信号は、次の例を見て理解できます。

ノイズ

したがって、ノイズはパターンがなく、一定の周波数または振幅を持たない信号であることが理解されます。 かなりランダムで予測不能です。 通常はそれを減らすための対策が取られますが、完全になくすことはできません。

ノイズの最も一般的な例は-

  • ラジオ受信機の*ヒス*音
  • 電話での会話中の*バズ*音
  • テレビ受信機などの Flicker

ノイズの影響

ノイズは、システムのパフォーマンスに影響を与える不便な機能です。 ノイズの影響は次のとおりです。

ノイズはシステムの動作範囲を制限します

ノイズは、アンプで増幅できる最も弱い信号に間接的に制限をかけます。 ミキサー回路の発振器は、ノイズのためにその周波数を制限する場合があります。 システムの動作は、その回路の動作に依存します。 ノイズは、受信機が処理できる最小の信号を制限します。

ノイズは受信機の感度に影響します

感度は、指定された品質の出力を得るために必要な入力信号の最小量です。 ノイズはレシーバーシステムの感度に影響し、最終的には出力に影響します。

ノイズの種類

ノイズの分類は、ソースのタイプ、それが示す効果、または受信機との関係などに応じて行われます。

ノイズが発生する主な方法は2つあります。 1つは external source を介して行われ、もう1つはレシーバーセクション内の internal source によって作成されます。

外部ソース

このノイズは、通常、通信の媒体またはチャネルで発生する可能性のある外部ソースによって生成されます。 このノイズを完全に除去することはできません。 最良の方法は、ノイズが信号に影響を与えないようにすることです。

例

このタイプのノイズの最も一般的な例は-

  • 大気ノイズ（大気の不規則性による）。
  • 太陽ノイズや宇宙ノイズなどの地球外ノイズ。
  • 産業用ノイズ。

内部ソース

このノイズは、機能中に受信機コンポーネントによって生成されます。 回路内のコンポーネントは、継続的な機能により、わずかな種類のノイズを生成する場合があります。 このノイズは定量化できます。 適切な受信機設計により、この内部ノイズの影響を低減できます。

例

このタイプのノイズの最も一般的な例は-

  • 熱攪拌ノイズ（ジョンソンノイズまたは電気ノイズ）。
  • ショットノイズ（電子とホールのランダムな動きによる）。
  • 遷移時間ノイズ（遷移中）。
  • その他のノイズは、フリッカー、抵抗効果、ミキサー生成ノイズなどを含む別のタイプのノイズです。

信号対雑音比

  • 信号対雑音比（SNR）*は、ノイズ電力に対する信号電力の比です。 SNRの値が高いほど、受信出力の品質が高くなります。

さまざまなポイントでの信号対雑音比は、次の式を使用して計算することができます-

$$入力\：SNR =（SNR）_I = \ frac \ {平均\：パワー\：\：変調\：信号} \ {平均\：パワー\：\：ノイズ\：at \：入力} $ $

$$出力\：SNR =（SNR）_O = \ frac \ {平均\：電力\：の\：復調された\：信号} \ {平均\：電力\：の\：ノイズ\：at \：出力} $ $

メリット図

出力SNRと入力SNR *の比は、*性能指数（F）*と呼ばれます。 *F で示されます。 デバイスのパフォーマンスを記述します。

F = \ frac \ {（SNR）_O} \ {（SNR）_I}

受信機の性能指数は-

F = \ frac \ {（SNR）_O} \ {（SNR）_C}

これは、レシーバーの場合、チャネルが入力であるためです。

信号の分析

信号を分析するには、それを表現する必要があります。 通信システムでのこの表現は2つのタイプがあります-

  • 周波数領域表現、および
  • 時間領域表現。

周波数が1 kHzと2 kHzの2つの信号を考えます。 次の図に示すように、両方とも時間と周波数ドメインで表されます。

周波数ドメイン

時間領域分析は、特定の期間にわたる信号の挙動を示します。 周波数領域では、信号は周波数に関する数学関数として分析されます。

フィルタリング、増幅、ミキシングなどの信号処理が行われる場合、周波数領域の表現が必要です。

たとえば、次のような信号を考慮すると、ノイズが存在することがわかります。

ノイズグラフ

元の信号の周波数は1 kHzかもしれませんが、この信号を破損する特定の周波数のノイズは不明です。 ただし、同じ信号がスペクトルアナライザーを使用して周波数ドメインで表される場合、次の図に示すようにプロットされます。

周波数信号

ここでは、元の信号に導入されたノイズを表すわずかな高調波を観察できます。 したがって、信号表現は信号の分析に役立ちます。

周波数領域分析は、希望する波形パターンの作成に役立ちます。 たとえば、コンピューターのバイナリビットパターン、CROのリサージュパターンなど。 時間領域分析は、このようなビットパターンの理解に役立ちます。

振幅変調

変調技術のタイプの中で、主な分類は連続波変調とパルス変調です。 連続波変調技術は、さらに*振幅変調*と*角度変調*に分けられます。

連続波は、間隔を空けずに継続的に継続し、情報を含むベースバンドメッセージ信号です。 この波は変調する必要があります。

標準的な定義によれば、「キャリア信号の振幅は、変調信号の瞬間的な振幅に従って変化します。」つまり、情報を含まないキャリア信号の振幅は、信号の振幅ごとに変化します。インスタント。情報が含まれます。 これは、次の図で説明できます。

Aptitude Modulation Carrier Signal AM Modulated Wave

最初に表示される変調波はメッセージ信号です。 次は搬送波です。これは単なる高周波信号であり、情報は含まれていません。 最後の1つは合成された変調波です。

搬送波の正と負のピークが想像線で相互接続されていることが観察できます。 この行は、変調信号の正確な形状を再現するのに役立ちます。 搬送波上のこの想像上の線は、*エンベロープ*と呼ばれます。 メッセージ信号と同じです。

数式

以下は、これらの波の数学的表現です。

波の時間領域表現

変調信号を-

m（t）= A_mcos（2 \ pi f_mt）

キャリア信号を-

c（t）= A_ccos（2 \ pi f_ct）

ここで、* A〜m〜* =変調信号の最大振幅

  • A〜c〜* =キャリア信号の最大振幅

振幅変調波の標準形式は次のように定義されます-

S（t）= A_c [1 + K_am（t）] cos（2 \ pi f_ct）

S（t）= A_c [1+ \ mu cos（2 \ pi f_mt）] cos（2 \ pi f_ct）

Where、\ mu = K_aA_m

変調指数

変調されたレベルが計算される場合、変調後の搬送波は、*変調指数*または*変調深度*と呼ばれます。 搬送波が受ける変調のレベルを示します。

変調指数

変調波のエンベロープの最大値と最小値は、それぞれ_A〜max〜_と_A〜min〜_で表されます。

変調指数の方程式を作成してみましょう。

A _ \ {max} = A_c（1+ \ mu）

A〜max〜でcosθの値は1なので

A _ \ {min} = A_c（1- \ mu）

A〜min〜でcosθの値は-1であるため

\ frac \ {A _ \ {max}} \ {A _ \ {min}} = \ frac \ {1+ \ mu} \ {1- \ mu}

A _ \ {max}-\ mu A _ \ {max} = A _ \ {min} + \ mu A _ \ {min}

-\ mu（A _ \ {max} + A _ \ {min}）= A _ \ {min} -A _ \ {max}

\ mu = \ frac \ {A _ \ {max} -A _ \ {min}} \ {A _ \ {max} + A _ \ {min}}

したがって、変調指数の式が得られます。 µ は、変調指数または変調度を示します。 多くの場合、これは Percentage Modulation と呼ばれるパーセンテージで示されます。 これはパーセントで表される変調の程度であり、 m で表されます。

完全な変調を行うには、変調指数の値を1にする必要があります。これは、変調の深さが100％であることを意味します。

たとえば、この値が1より小さい場合、つまり変調指数が0.5の場合、変調出力は次の図のようになります。 変調不足と呼ばれます。 このような波は「変調不足波」と呼ばれます。

変調波の下

変調指数の値が1より大きい場合、つまり1.5程度の場合、波は*過変調波*になります。 次の図のようになります。

変調された波

変調指数の値が大きくなると、搬送波に180°の位相反転が発生し、追加の側波帯が発生するため、波が歪みます。 このような過変調された波は干渉を引き起こしますが、これは除去できません。

振幅変調の帯域幅

帯域幅は、信号の最低周波数と最高周波数の差です。

振幅変調波の場合、帯域幅は

BW = f _ \ {USB} -f _ \ {LSB}

（f_c + f_m）-（f_c-f_m）

= 2f_m = 2W 

*W* はメッセージ帯域幅です

したがって、振幅変調波に必要な帯域幅は変調信号の周波数の2倍であることがわかりました。

側波帯変調

振幅変調または位相変調のプロセスでは、変調波は搬送波と2つの側波帯で構成されます。 変調信号は、搬送周波数を除く全帯域の情報を持ちます。

側波帯

  • サイドバンド*は、電力を含む周波数の帯域で、搬送周波数の低周波数と高周波数です。 両方の側波帯には同じ情報が含まれています。 周波数領域での振幅変調波の表現は、次の図に示すとおりです。

サイドバンド

画像内の両方の側波帯には同じ情報が含まれています。 2つの側波帯とともに搬送波を含むこのような信号の送信は、 Double Sideband Full Carrier システム、または単に DSB-FC と呼ばれます。 次の図に示すようにプロットされます。

DSBFCシステム

ただし、このような送信は非効率的です。 電力の3分の2がキャリアで浪費されており、情報を伝達していません。

このキャリアが抑制され、節約された電力が2つの側波帯に分配される場合、そのようなプロセスは Double Sideband Suppressed Carrier システム、または単に DSBSC と呼ばれます。 次の図に示すようにプロットされます。

DSBSCシステム

ここで、2つの側波帯が同じ情報を2回伝送するため、なぜ1つの側波帯を抑制できないのかがわかります。 はい、これは可能です。

キャリアとともにサイドバンドの1つを抑制し、単一のサイドバンドを送信するプロセスは、 Single Sideband Suppressed Carrier システム、または単に SSB-SC または SSB と呼ばれます。 次の図に示すようにプロットされます。

SSBSCシステム

この* Single Sideband（SSB）*の送信には、キャリアと他の側波帯の両方に割り当てられた電力が利用されるため、単一の側波帯を送信するこのSSB-SCまたはSSBシステムは高い電力を持ちます。

したがって、このSSB手法を使用して行われる変調は、* SSB変調*と呼ばれます。

側波帯変調-利点

SSB変調の利点は次のとおりです-

  • 占有される帯域幅またはスペクトルスペースは、AMおよびDSB信号よりも小さくなります。
  • より多くの信号の送信が許可されます。
  • 電力が節約されます。
  • 高出力信号を送信できます。
  • より少ない量のノイズが存在します。
  • 信号のフェージングが発生する可能性は低くなります。

側波帯変調-欠点

SSB変調の欠点は-

  • SSB信号の生成と検出は複雑なプロセスです。
  • SSBトランスミッターとレシーバーが優れた周波数安定性を備えていない限り、信号の品質が影響を受けます。

側波帯変調-アプリケーション

SSB変調のアプリケーションは次のとおりです-

  • 省電力要件および低帯域幅要件向け。
  • 陸、空、海上でのモバイル通信。
  • ポイントツーポイント通信。
  • 無線通信で。
  • テレビ、テレメトリー、レーダー通信。
  • アマチュア無線などの軍事通信において

VSB変調

SSB変調の場合、側波帯がフィルターを通過すると、実際には帯域通過フィルターが完全に機能しない場合があります。 その結果、情報の一部が失われる可能性があります。

したがって、この損失を避けるために、* Vestigial Sideband（VSB）テクニックと呼ばれる *DSB-SC と SSB の間の妥協案であるテクニックが選択されます。 名前の由来となる「一部」を意味する「痕跡」という言葉。

痕跡側波帯

両方の側波帯は無駄なので、送信には必要ありません。 しかし、単一の帯域が送信されると、情報が失われます。 したがって、この手法は進化しました。 

*Vestigial Sideband Modulation* または *VSB Modulation* は、 *vestige* と呼ばれる信号の一部が1つの側波帯とともに変調されるプロセスです。 VSB信号は、次の図に示すようにプロットできます。

VSB

上側波帯に加えて、下側波帯の一部もこの手法で送信されています。 干渉を避けるために、VSBの両側に非常に狭い幅のガードバンドが敷かれています。 VSB変調は、主にテレビ伝送で使用されます。

伝送帯域幅

VSB変調波の伝送帯域幅は次のように表されます-

B =（f _ \ {m} + f _ \ {v}）Hz

どこで、

  • f〜m〜* =メッセージ帯域幅
  • f〜v〜* =残留側波帯の幅

VSB変調-利点

VSBの利点は次のとおりです-

  • 非常に効率的。
  • 帯域幅の削減。
  • 高精度が不要なため、フィルター設計は簡単です。
  • 低周波成分の伝送は、困難なく可能です。
  • 良好な位相特性を備えています。

VSB変調-欠点

VSBの欠点は次のとおりです-

  • SSBと比較した場合の帯域幅は大きくなります。
  • 復調は複雑です。

VSB変調-アプリケーション

VSBの最も顕著な標準的なアプリケーションは、*テレビ信号*の送信です。 また、これは帯域幅の使用を考慮する場合に最も便利で効率的な手法です。

角度変調

連続波変調のもう1つのタイプの変調は、*角度変調*です。 角度変調は、搬送波の周波数または位相がメッセージ信号に従って変化するプロセスです。 これは、周波数変調と位相変調にさらに分けられます。

  • 周波数変調は、搬送波信号の周波数をメッセージ信号に合わせて線形に変化させるプロセスです。
  • 位相変調は、搬送波信号の位相をメッセージ信号と線形に変化させるプロセスです。

これらのトピックについて詳しく説明します。

周波数変調

振幅変調では、搬送波の振幅が変化します。 しかし、周波数変調（FM）では、搬送波信号の周波数は変調信号の瞬間的な振幅に応じて変化します。

キャリア信号の振幅と位相は一定のままですが、キャリアの周波数は変化します。 これは、次の図を観察することでよりよく理解できます。

Frequency Modulation Carrier Signal Frequency Modulated Wave

変調波の周波数は、メッセージ信号がゼロのときに搬送波周波数として一定のままです。 メッセージ信号が最大振幅に達すると、周波数が増加します。

つまり、変調信​​号またはメッセージ信号の振幅が増加すると、搬送周波数が増加します。 同様に、変調信号の振幅が減少すると、周波数も減少します。

数学的表現

搬送周波数を* f〜c〜*とする

メッセージ信号の最大振幅での周波数= * f〜c〜 + Δf *

メッセージ信号の最小振幅での周波数=* f〜c〜-*Δf

FM変調周波数と通常周波数の差は、*周波数偏差*と呼ばれ、*Δf*で示されます。

高から低、または低から高へのキャリア信号の周波数の偏差は、*キャリアスイング*と呼ばれます。

キャリアスイング= 2×周波数偏差

* 2×Δf*

FM WAVEの式

FM波の方程式は-

s（t）= A_ccos [W_ct + 2 \ pi k_fm（t）]

どこで、

  • A〜c〜* =搬送波の振幅
  • w〜c〜 =キャリアの角周波数= 2πf〜c〜*
  • m（t）* =メッセージ信号

FMは、*狭帯域FM *と*広帯域FM *に分割できます。

狭帯域FM

ナローバンドFMの機能は次のとおりです-

  • この周波数変調の帯域幅は狭いです。
  • 変調指数が小さい。
  • そのスペクトルは、キャリア、USB、およびLSBで構成されています。
  • これは、警察の無線、救急車、タクシーなどのモバイル通信で使用されます。

広帯域FM

ワイドバンドFMの機能は次のとおりです-

  • この周波数変調の帯域幅は無限です。
  • 変調指数が大きい、つまり 1 より高い。
  • そのスペクトルは、搬送波とその周囲に配置された無限数の側波帯で構成されます。
  • これは、FMラジオ、テレビなどのエンターテイメント放送アプリケーションで使用されます。

位相変調

周波数変調では、搬送波の周波数が変化します。 ただし、* Phase Modulation（PM）*では、キャリア信号の位相は変調信号の瞬間的な振幅に応じて変化します。

キャリア信号の振幅と周波数は一定のままですが、キャリアの位相は変化します。 これは、次の図を観察することでよりよく理解できます。

Baseband Signal Carrier Signal Phase Modulated

変調波の位相には、波の位相シフトが発生する可能性のある無限のポイントがあります。 変調信号の瞬間的な振幅は、搬送波の位相を変化させます。 振幅が正の場合、位相は一方向に変化し、振幅が負の場合、位相は反対方向に変化します。

PMとFMの関係

位相の変化により、変調波の周波数が変化します。 波の周波数も波の位相を変化させます。 それらは関連していますが、それらの関係は線形ではありません。 位相変調は、FMを生成する間接的な方法です。 位相変調器によって生成される周波数シフトの量は、変調周波数とともに増加します。 これを補うためにオーディオイコライザーが使用されます。

PM波の式

PM波の方程式は-

s（t）= A_ccos [W_ct + k_pm（t）]

どこで、

  • A〜c〜* =搬送波の振幅
  • w〜c〜 =キャリアの角周波数= 2πf〜c〜*
  • m（t）* =メッセージ信号

位相変調は移動通信システムで使用され、周波​​数変調は主にFM放送で使用されます。

コミュニケーションの原則-多重化

  • 多重化*は、共有メディア上で複数の信号を1つの信号に結合するプロセスです。
  • これらの信号が本質的にアナログである場合、プロセスは「アナログ多重化」と呼ばれます。
  • デジタル信号が多重化されている場合、「デジタル多重化」と呼ばれます。

多重化は最初に電話で開発されました。 単一のケーブルを介して送信するために、多数の信号が組み合わされました。 多重化プロセスは、通信チャネルを複数の論理チャネルに分割し、各チャネルを異なるメッセージ信号または転送されるデータストリームに割り当てます。 多重化を行うデバイスは、 MUX として呼び出すことができます。

逆のプロセス、つまり、1つからチャネルの数を抽出することは、受信側で行われ、逆多重化*と呼ばれます。 逆多重化を行うデバイスは、 *DEMUX と呼ばれます。

次の図は、MUXおよびDEMUXの概念を示しています。 主な用途はコミュニケーションの分野です。

多重化と逆多重化

マルチプレクサの種類

マルチプレクサには、主にアナログとデジタルの2つのタイプがあります。 さらに、FDM、WDM、およびTDMに分けられます。 次の図は、この分類に関する詳細な考えを示しています。

マルチプレクサのタイプ

多重化手法には多くの種類があります。 それらのすべてのうち、上の図で述べた一般的な分類を持つ主なタイプがあります。 それらを個別に見てみましょう。

アナログ多重化

アナログ多重化技術には、本質的にアナログの信号が含まれます。 アナログ信号は、周波数（FDM）または波長（WDM）に従って多重化されます。

周波数分割多重

アナログ多重化で最もよく使用される手法は、*周波数分割多重化（FDM）*です。 この手法では、さまざまな周波数を使用してデータのストリームを結合し、それらを単一の信号として通信媒体で送信します。

例-1本のケーブルで多数のチャンネルを送信する従来のテレビ送信機はFDMを使用します。

波長分割多重

波長分割多重（WDM）はアナログ技術であり、異なる波長の多くのデータストリームが光スペクトルで送信されます。 波長が長くなると、信号の周波数が下がります。 異なる波長を単一のラインに変換できるプリズムは、MUXの出力とDEMUXの入力に使用できます。

例-光ファイバ通信では、WDM技術を使用して、異なる波長を単一の光に統合して通信します。

デジタル多重化

デジタルという用語は、情報の離散ビットを表します。 したがって、利用可能なデータは、フレームまたはパケットの形式であり、離散的です。

時分割多重化（TDM）

TDMでは、時間枠はスロットに分割されます。 この手法は、各メッセージに1つのスロットを割り当てることにより、単一の通信チャネルで信号を送信するために使用されます。

TDMのすべてのタイプのうち、主なものは同期および非同期TDMです。

同期TDM

同期TDMでは、入力はフレームに接続されます。 「n」個の接続がある場合、フレームは「n」個のタイムスロットに分割されます。 入力回線ごとに1つのスロットが割り当てられます。

この手法では、サンプリングレートはすべての信号に共通であるため、同じクロック入力が与えられます。 MUXは常に*同じスロット*を各デバイスに割り当てます。

非同期TDM

非同期TDMでは、サンプリングレートは信号ごとに異なり、共通のクロックは必要ありません。 割り当てられたデバイスがタイムスロットに対して何も送信せずにアイドル状態になっている場合、同期とは異なり、そのスロットは「別のデバイス」に割り当てられます。

このタイプのTDMは、非同期転送モードネットワークで使用されます。

デマルチプレクサ

デマルチプレクサは、単一のソースを複数の宛先に接続するために使用されます。 このプロセスは多重化の逆です。 前述のように、それは主に受信機で使用されます。 DEMUXには多くのアプリケーションがあります。 通信システムの受信機で使用されます。 コンピューターの算術および論理ユニットで使用され、電力を供給し、通信などを渡します。

デマルチプレクサは、シリアルからパラレルへのコンバータとして使用されます。 シリアルデータは、一定の間隔でDEMUXへの入力として与えられ、デマルチプレクサの出力を制御するためにカウンタがそれに接続されます。

マルチプレクサとデマルチプレクサの両方が、送信機と受信機の両方のセクションで通信システムで重要な役割を果たします。

通信の原理-FMラジオ

周波数分割多重化は、ラジオおよびテレビ受信機で使用されます。 FMの主な用途は、無線通信です。 FMトランスミッターとFMレシーバーの構造とそのブロック図と動作を見てみましょう。

FMトランスミッター

FMトランスミッターは、オーディオ信号を入力として受け取り、FM変調波を送信する出力としてアンテナに送信するユニット全体です。 FMトランスミッターは、6つのメインステージで構成されています。 それらを次の図に示します。

FMトランスミッター

FM送信機の動作は次のように説明できます。

  • マイクの出力からのオーディオ信号は、変調信号のレベルを上げるプリアンプに与えられます。
  • 次に、この信号はハイパスフィルターに渡されます。ハイパスフィルターは、プリエンファシスネットワークとして機能し、ノイズを除去して信号対ノイズ比を改善します。
  • この信号はさらにFM変調回路に渡されます。
  • 発振回路は高周波搬送波を生成し、変調信号とともに変調器に与えます。 *動作周波数を上げるために、複数の周波数逓倍器が使用されます。 それでも、信号のパワーは送信するのに十分ではありません。 したがって、最後にRF電力増幅器を使用して、変調信号の電力を増加させます。 このFM変調出力は、最終的にアンテナに渡されて送信されます。

受信者の要件

ラジオ受信機は、AMバンドとFMバンドの両方の信号を受信するために使用されます。* AM の検出は *Envelope Detection と呼ばれる方法で行われ、 FM の検出は Frequency Discrimination と呼ばれる方法で行われます。

このような無線受信機には、次の要件があります。

  • 費用対効果が高いはずです。
  • AMとFMの両方の信号を受信する必要があります。
  • 受信機は、目的のステーションを調整および増幅できる必要があります。
  • 不要なステーションを拒否する機能が必要です。
  • 復調は、搬送波周波数に関係なく、すべてのステーション信号に対して行われる必要があります。

これらの要件が満たされるためには、チューナー回路とミキサー回路が非常に効果的でなければなりません。 RFミキシングの手順は興味深い現象です。

RFミキシング

RFミキシングユニットは、信号を効果的に処理するために、受信信号が変換される*中間周波数*（IF）を開発します。

RFミキサーは、受信機の重要な段階です。 結果として得られる混合出力を生成するために、1つの信号レベルが他の信号のレベルに影響を与える異なる周波数の2つの信号が取得されます。 入力信号と結果のミキサー出力を次の図に示します。

RF Mixing First Signal Second Signal

2つの信号がRFミキサーに入ると、 

*最初の信号周波数=* F〜1〜*
*2番目の信号周波数=* F〜2〜 *

次に、結果の信号周波数=* （F〜1〜+ F〜2〜）および（F〜1〜-F〜2〜）*

異なる周波数の2つの信号のミキサーが出力で生成されます。

これが周波数領域で観察される場合、パターンは次の図のようになります。

周波数領域観測

RFミキサーのシンボルは次の図のようになります。

RFミキサーのシンボル

2つの信号は混合されて結果の信号を生成します。1つの信号の効果が他の信号に影響を与え、前述のように両方とも異なるパターンを生成します。

FMレシーバー

FMレシーバーは、変調信号を入力として受け取り、出力として元のオーディオ信号を生成するユニット全体です。 ラジオアマチュアは最初のラジオ受信機です。 ただし、感度と選択性が低いなどの欠点があります。

  • 選択性*は、特定の信号を選択し、他の信号を拒否します。 *感度*は、RF信号を検出し、最低電力レベルで復調する能力です。

これらの欠点を克服するために、*スーパーヘテロダイン*受信機が発明されました。 このFM受信機は5つの主要なステージで構成されています。 次の図に示すとおりです。

スーパーヘテロダイン

RFチューナーセクション

アンテナで受信された変調信号は、最初にトランスを介して*チューナー回路*に渡されます。 チューナー回路はLC回路に他なりません。これは*共振*または*タンク回路とも呼ばれます。 無線受信機が希望する周​​波数を選択します。 また、ローカルオシレーターとRFフィルターを同時に調整します。

RFミキサー

チューナー出力からの信号は、ミキサーとして機能する* RF-IFコンバーター*に与えられます。 一定の周波数を生成するローカル発振器を備えています。 ここでは、受信信号を1つの入力として、局部発振器周波数を他の入力として、ミキシングプロセスが行われます。 結果の出力は、ミキサーによって生成される2つの周波数[（f〜1〜+ f〜2〜）、（f〜1〜-f〜2〜）]の混合であり、*中間周波数（IF）と呼ばれます。 *。

IFの生成は、任意の搬送周波数を持つすべてのステーション信号の復調に役立ちます。 したがって、すべての信号は、適切な選択性のために固定キャリア周波数に変換されます。

IFフィルター

中間周波数フィルターは、目的の周波数を通過させるバンドパスフィルターです。 ノイズだけでなく、不要な高周波成分も除去します。 IFフィルターは、* Signal to Noise Ratio（SNR）*の改善に役立ちます。

復調器

受信した変調信号は、送信側で使用されたのと同じプロセスで復調されます。 周波数弁別は一般にFM検出に使用されます。

オーディオアンプ

これは、検出されたオーディオ信号を増幅するために使用されるパワーアンプステージです。 処理された信号には、効果的な強度が与えられます。 この信号はスピーカーに渡され、元の音声信号が取得されます。

このスーパーヘテロダイン受信機は、優れたSNR、感度、選択性などの利点があるため、よく使用されています。

FMのノイズ

FMでもノイズの存在は問題です。 目的の信号に近い周波数の強い干渉信号が到着すると、受信機はその干渉信号をロックします。 このような現象は、*キャプチャ効果*と呼ばれます。

より高い変調周波数でSNRを増加させるために、 preemphasis と呼ばれるハイパス回路が送信機で使用されます。 プリエンファシスの逆プロセスである de-emphasis と呼ばれる別の回路は、ローパス回路であるレシーバーで使用されます。 プリエンファシスおよびデエンファシス回路は、出力SNRを効果的に増加させるためにFMトランスミッタおよびレシーバで広く使用されています。

パルス変調

これまで、連続波変調について説明してきました。 次に、離散信号の時間です。 *パルス変調*テクニックは、離散信号を扱います。 連続信号を離散信号に変換する方法を見てみましょう。 サンプリングと呼ばれるプロセスがこれに役立ちます。

サンプリング

連続時間信号を同等の離散時間信号に変換するプロセスは、*サンプリング*と呼ばれます。 データの特定の瞬間は、サンプリングプロセスで継続的にサンプリングされます。

次の図は、連続時間信号* x（t）およびサンプリングされた信号 x〜s〜（t）を示しています。 * x（t）*に周期的なインパルス列を掛けると、サンプリングされた信号 x〜s〜（t）*が得られます。

サンプリング

サンプリング信号*は、*サンプリング時間*と呼ばれる T〜s〜の等間隔でサンプリングされる*単位振幅*を持つ周期的なパルス列です。 このデータは、 T〜s〜*の時点で送信され、キャリア信号は残りの時間に送信されます。

サンプリングレート

信号を離散化するには、サンプル間のギャップを修正する必要があります。 そのギャップは、サンプリング期間 * T〜s〜*と呼ぶことができます。

Sampling \：Frequency = \ frac \ {1} \ {T_s} = f_s

どこで、

  • T〜s〜* =サンプリング時間
  • f〜s〜 *=サンプリング周波数またはサンプリングレート

サンプリング定理

サンプリングレートを検討する際、レートをいくらにするかについての重要なポイントを考慮する必要があります。* サンプリングの速度*は、メッセージ信号のデータが失われたり、重複したりしないようにする必要があります。

サンプリング定理*では、「最大周波数Wの2倍以上のレート f〜s〜*でサンプリングされた場合、信号を正確に再現できる」と述べています。

簡単に言えば、元の信号を効果的に再現するには、サンプリングレートを最高周波数の2倍にする必要があります。

つまり、

f_s \ geq 2W

どこで、

  • f〜s〜* =サンプリング周波数

    *W* は最高周波数です

このサンプリングレートは、*ナイキストレート*と呼ばれます。

  • ナイキスト定理とも呼ばれるサンプリング定理は、帯域制限された関数のクラスの帯域幅に関して十分なサンプルレートの理論を提供します。

連続時間信号* x（t）*の場合、周波数領域の帯域制限された信号は、次の図に示すように表すことができます。

帯域制限信号

信号がナイキストレートを超えてサンプリングされる場合、元の信号を復元できます。 次の図は、周波数領域で2wよりも高いレートでサンプリングされた場合の信号を説明しています。

サンプリングされた信号

同じ信号が2w未満のレートでサンプリングされる場合、サンプリングされた信号は次の図のようになります。

エイリアス

上記のパターンから、情報の重複が行われ、情報の混乱と損失につながることがわかります。 この重複の望ましくない現象は、*エイリアス*と呼ばれます。

エイリアシングは、「信号のスペクトル内の高周波成分の現象であり、サンプリングされたバージョンのスペクトル内の低周波成分のアイデンティティを引き継ぐ」と言えます。

したがって、サンプリング定理で述べたように、信号のサンプリングはナイキストレートになるように選択されます。 サンプリングレートが最高周波数（2W）の2倍に等しい場合。

つまり

f_s = 2W

どこで、

  • f〜s〜* =サンプリング周波数

    *W* は最高周波数です

良好なサンプリングレート

結果は上図のようになります。 情報は損失なく置き換えられます。 したがって、これは優れたサンプリングレートです。

アナログパルス変調

連続波変調の後、次の区分はパルス変調です。 パルス変調は、さらにアナログ変調とデジタル変調に分けられます。 アナログ変調技術は、主にパルス振幅変調、パルス持続時間変調/パルス幅変調、およびパルス位置変調に分類されます。

パルス振幅変調

  • Pulse Amplitude Modulation（PAM）*は、パルスキャリアの振幅がメッセージ信号の瞬間的な振幅に比例して変化するアナログ変調方式です。

パルス振幅変調信号は、信号が波全体の経路をトレースするため、元の信号の振幅に従います。 自然PAMでは、ナイキストレートでサンプリングされた信号は、正確なカットオフ周波数を持つ効率的な*ローパス周波数（LPF）*を通過することにより再構築されます

次の図は、パルス振幅変調を説明しています。

PAM Carrier Pulse Train Natural PAM

PAM信号はLPFを通過しますが、歪みなしで信号を回復することはできません。 したがって、このノイズを回避するために、次の図に示すようにフラットトップサンプリングが行われます。

フラットトップPAM

  • フラットトップサンプリング*は、サンプリングされる信号を、サンプリングされるアナログ信号に対して信号の振幅を変更できないパルスで表すことができるプロセスです。 振幅のトップはフラットのままです。 このプロセスにより、回路設計が簡素化されます。

パルス幅変調

  • パルス幅変調（PWM）*または*パルス持続時間変調（PDM）*または*パルス時間変調（PTM）*は、パルスキャリアの持続時間または幅または時間が、瞬間的な振幅に比例して変化するアナログ変調方式です。メッセージ信号。

この方法ではパルスの幅は変化しますが、信号の振幅は一定のままです。 振幅リミッターは、信号の振幅を一定にするために使用されます。 これらの回路は、振幅を所望のレベルにクリップオフするため、ノイズが制限されます。

次の図は、パルス幅変調のタイプを説明しています。

PWM

PWMには3つのバリエーションがあります。 彼らは-

  • パルスの立ち上がりエッジは一定であり、立ち下がりエッジはメッセージ信号に応じて変化します。
  • パルスの後縁は一定であり、前縁はメッセージ信号に従って変化します。
  • パルスの中心は一定であり、リーディングエッジとトレーリングエッジはメッセージ信号に応じて変化します。

これらの3つのタイプは、上の図にタイミングスロットとともに示されています。

パルス位置変調

  • Pulse Position Modulation（PPM）*は、パルスの振幅と幅が一定に保たれるアナログ変調方式で、各パルスの位置は、基準パルスの位置を基準にして、瞬時のサンプリング値に応じて変化します。メッセージ信号。

送信機は、送信機と受信機の同期を保つために同期パルス（または単に同期パルス）を送信する必要があります。 これらの同期パルスは、パルスの位置を維持するのに役立ちます。 次の図は、パルス位置変調を説明しています。

画像：/principles_of_communication/images/baseband_signal.jpg [ベースバンド信号]画像：/principles_of_communication/images/pulse_train.jpg [パルス列]画像：/principles_of_communication/images/ppm.jpg [PPM]

パルス位置変調は、パルス幅変調信号に従って行われます。 パルス幅変調信号の各トレーリングは、PPM信号のパルスの開始点になります。 したがって、これらのパルスの位置は、PWMパルスの幅に比例します。

利点

振幅と幅が一定であるため、処理される電力も一定です。

不利益

送信機と受信機間の同期は必須です。

PAM、PWM、およびPPMの比較

上記の変調プロセスの比較は、単一の表に示されています。

PAM PWM PPM
Amplitude is varied Width is varied Position is varied
Bandwidth depends on the width of the pulse Bandwidth depends on the rise time of the pulse Bandwidth depends on the rise time of the pulse
Instantaneous transmitter power varies with the amplitude of the pulses Instantaneous transmitter power varies with the amplitude and width of the pulses Instantaneous transmitter power remains constant with the width of the pulses
System complexity is high System complexity is low System complexity is low
Noise interference is high Noise interference is low Noise interference is low
It is similar to amplitude modulation It is similar to frequency modulation It is similar to phase modulation

デジタル変調

これまで、さまざまな変調技術を経験してきました。 残っているのは*デジタル変調*で、これはパルス変調の分類に該当します。 デジタル変調には、主な分類としてパルス符号変調（PCM）があります。 さらに、デルタ変調とADMに処理されます。

パルス符号変調

信号は、アナログ情報をバイナリシーケンス、つまり1と0に変換するためにパルスコード変調されます。 * Pulse Code Modulation（PCM）*の出力は、バイナリシーケンスに似ています。 次の図は、特定の正弦波の瞬時値に関するPCM出力の例を示しています。

PCM

PCMはパルス列の代わりに一連の数字または数字を生成するため、このプロセスはデジタルと呼ばれます。 これらの数字はそれぞれバイナリコードですが、その瞬間の信号サンプルのおおよその振幅を表します。

パルス符号変調では、メッセージ信号は一連のコード化されたパルスで表されます。 このメッセージ信号は、時間と振幅の両方で離散形式で信号を表すことによって実現されます。

PCMの基本要素

パルス符号変調器回路の送信機セクションは、サンプリング、量子化、および*エンコード*で構成され、これらは*アナログ-デジタル変換器*セクションで実行されます。 サンプリング前のローパスフィルターは、メッセージ信号のエイリアスを防ぎます。

受信機セクションの基本的な操作は、量子化されたパルス列の*障害信号の再生、デコード*、および*再構築*です。 次の図は、送信機セクションと受信機セクションの両方の基本要素を表すPCMのブロック図です。

PCMの要素

ローパスフィルター（LPF）

このフィルタは、メッセージ信号のエイリアシングを回避するために、メッセージ信号の最高周波数よりも高い入力アナログ信号に存在する高周波成分を除去します。

サンプラー

これは、元の信号を再構築するために、メッセージ信号の瞬時値でサンプルデータを収集するのに役立つ手法を使用する回路です。 サンプリングレートは、サンプリング定理に従って、メッセージ信号の最高周波数成分 W の2倍より大きくなければなりません。

量子化器

量子化は、過剰なビットを減らしてデータを制限するプロセスです。 Quantizerに与えられたサンプル出力は、冗長ビットを削減し、値を圧縮します。

エンコーダ

アナログ信号のデジタル化はエンコーダーによって行われます。 各量子化レベルをバイナリコードで指定します。 ここで行われるサンプリングは、サンプルアンドホールドプロセスです。 これら3つのセクションは、デジタルコンバーターのアナログとして機能します。 エンコードは、使用される帯域幅を最小限に抑えます。

再生リピーター

チャネルの出力には、信号損失を補償して信号を再構築するための再生リピーター回路が1つあります。 また、信号の強度も増加します。

デコーダ

デコーダ回路は、パルス符号化された波形をデコードして元の信号を再現します。 この回路は*復調器*として機能します。

再構成フィルター

再生回路とデコーダーによってデジタルからアナログへの変換が行われた後、元の信号を取得するための再構成フィルターと呼ばれるローパスフィルターが使用されます。

したがって、Pulse Code Modulator回路は、与えられたアナログ信号をデジタル化し、コード化し、サンプリングします。 その後、アナログ形式で送信します。 このプロセス全体を逆パターンで繰り返して、元の信号を取得します。

変調技術

PCM信号を構築するために従う変調技術はほとんどありません。 *サンプリング、量子化、*コンパンディング*などのこれらの手法は、効果的なPCM信号の作成に役立ち、元の信号を正確に再現できます。

量子化

アナログ信号のデジタル化には、アナログ値にほぼ等しい値の丸めが含まれます。 サンプリング方法では、アナログ信号上のいくつかのポイントを選択し、これらのポイントを結合して、値をほぼ安定した値に丸めます。 このようなプロセスは*量子化*と呼ばれます。

アナログ信号の量子化は、多数の量子化レベルで信号を離散化することにより行われます。 量子化は、振幅のサンプル値をレベルの有限セットで表します。つまり、*連続振幅サンプル*を*離散時間信号*に変換します。

次の図は、アナログ信号がどのように量子化されるかを示しています。 青い線はアナログ信号を表し、赤い線は量子化された信号を表します。

量子化

サンプリングと量子化の両方により、情報が失われます。 クオンタイザー出力の品質は、使用される量子化レベルの数に依存します。 量子化された出力の離散振幅は、表現レベル*または*再構成レベル*と呼ばれます。 2つの隣接する表現レベルの間隔は、 *quantum または step-size と呼ばれます。

PCMでの圧伸

コンパンディング*という言葉は、 Com pressingとEx panding *の組み合わせです。つまり、両方を行います。 これは、PCMで使用される非線形手法で、送信機でデータを圧縮し、受信機で同じデータを展開します。 この手法を使用することにより、ノイズとクロストークの影響が低減されます。

コンパンディングテクニックには2つのタイプがあります。

A-lawコンパンディングテクニック

  • A = 1 で均一な量子化が達成されます。特性曲線は線形で、圧縮はありません。
  • A-lawの起点は中層です。 したがって、ゼロ以外の値が含まれています。
  • A-lawコンパンディングは、PCM電話システムに使用されます。
  • A-lawは世界の多くの地域で使用されています。

μ-lawコンパンディングテクニック

  • µ = 0 で均一な量子化が達成されます。この場合、特性曲線は線形であり、圧縮は行われません。
  • µ-lawは、原点にミッドトレッドがあります。 したがって、ゼロ値が含まれています。
  • µ-lawコンパンディングは、音声および音楽信号に使用されます。
  • µ-lawは、北米と日本で使用されています。

微分PCM

PCM技術でエンコードされた場合、高度に相関するサンプルは、冗長な情報を残します。 この冗長な情報を処理し、より良い出力を得るには、以前の出力から推定され、それらを量子化された値で要約した予測サンプリング値を取得することが賢明な決定です。

このようなプロセスは、 Differential PCM テクニックと呼ばれます。

デルタ変調

より良いサンプリングを実現するには、信号のサンプリングレートをナイキストレートよりも高くする必要があります。 差分PCM（DPCM）でのこのサンプリング間隔が大幅に短縮される場合、差が* 1ビット量子化*であるかのように、サンプル間の振幅差は非常に小さく、ステップサイズは非常に小さくなります。 Δ*（デルタ）。

デルタ変調とは何ですか？

サンプリングレートが非常に高く、量子化後のステップサイズが小さい値*Δ*である変調のタイプ。このような変調は*デルタ変調*と呼ばれます。

デルタ変調の機能

  • オーバーサンプリングされた入力は、信号相関を最大限に活用するために取得されます。
  • 量子化の設計は簡単です。
  • 入力シーケンスはナイキストレートよりもはるかに高いです。
  • 品質は中程度です。
  • 変調器と復調器の設計は簡単です。
  • 出力波形の階段近似。
  • ステップサイズは非常に小さく、つまり*Δ*（デルタ）です。
  • ビットレートはユーザーが決定できます。
  • より簡単な実装が必要です。

デルタ変調は、DPCM技術の簡略化された形式であり、1ビットDPCMスキームとも見なされます。 サンプリング間隔が短くなると、信号の相関が高くなります。

デルタ変調器

*Delta Modulator* は、1ビット量子化器と遅延回路と2つの加算回路で構成されています。 以下は、デルタ変調器のブロック図です。

デルタ変調器

階段近似波形は、ステップサイズがデルタ（Δ）のデルタ変調器の出力になります。 波形の出力品質は中程度です。

デルタ復調器

デルタ復調器は、ローパスフィルター、加算器、および遅延回路で構成されています。 ここでは、予測回路が削除されているため、復調器への入力は想定されていません。

以下は、デルタ復調器のブロック図です。

デルタ復調器

ローパスフィルターは多くの理由で使用されますが、顕著なものは帯域外信号のノイズ除去です。 トランスミッタで発生する可能性のあるステップサイズのエラーは「粒状ノイズ」と呼ばれ、ここでは除去されます。 ノイズが存在しない場合、変調器の出力は復調器の入力と等しくなります。

DPCMを超えるDMの利点

  • 1ビット量子化器
  • 変調器と復調器の非常に簡単な設計

ただし、DMには*ノイズ*が存在し、次のタイプのノイズがあります。

  • スロープ過負荷歪み（Δが小さい場合）
  • 粒状ノイズ（Δが大きい場合）

適応デルタ変調

デジタル変調では、出力波の品質に影響するステップサイズを決定する際に特定の問題に遭遇します。

変調信号の急勾配では大きなステップサイズが必要で、メッセージの勾配が小さい場合は小さなステップサイズが必要です。 その結果、詳細が失われます。 したがって、必要な方法でサンプリングを取得するために、要件に応じてステップサイズの調整を制御できればより良いでしょう。 これが* Adaptive Delta Modulation（ADM）*の概念です。

デジタル変調技術

デジタル変調は、より多くの情報容量、高いデータセキュリティ、優れた品質の通信を備えたより速いシステム可用性を提供します。 したがって、デジタル変調技術には、アナログよりも大量のデータを伝達する能力が求められています。

デジタル変調技術には多くの種類があり、これらの技術を組み合わせて使用​​することもできます。 この章では、最も顕著なデジタル変調技術について説明します。

振幅シフトキーイング

結果の出力の振幅は、キャリア周波数に応じて、ゼロレベルにするか、正負の変動にするかを入力データに依存します。

  • Amplitude Shift Keying（ASK）*は、信号の振幅の変動の形式でバイナリデータを表す振幅変調の一種です。

以下は、ASK変調波形とその入力の図です。

ASK

変調された信号には高周波キャリアが含まれます。 ASKが変調されたときのバイナリ信号は、LOW入力にゼロ値を与え、HIGH入力にキャリア出力を与えます。

周波数シフトキーイング

出力信号の周波数は、適用される入力データに応じて、高または低になります。

  • Frequency Shift Keying（FSK）*は、離散的なデジタル変化に応じてキャリア信号の周波数が変化するデジタル変調技術です。 FSKは、周波数変調のスキームです。

以下は、FSK変調波形とその入力の図です。

FSK

FSK変調波の出力は、バイナリHIGH入力では周波数が高く、バイナリLOW入力では周波数が低くなります。 バイナリの1と0は、*マーク*と*スペース周波数*と呼ばれます。

位相シフトキーイング

出力信号の位相は、入力に応じてシフトします。 これらは、位相シフトの数に応じて、主にBPSKとQPSKの2つのタイプです。 もう1つは、以前の値に従って位相を変更するDPSKです。

  • Phase Shift Keying（PSK）*は、特定の時間にサインおよびコサイン入力を変化させることにより、キャリア信号の位相を変更するデジタル変調技術です。 PSK技術は、無線LAN、バイオメトリック、非接触操作、RFIDおよびBluetooth通信に広く使用されています。

PSKには、信号がシフトする位相に応じて2つのタイプがあります。 彼らは-

バイナリ位相シフトキーイング（BPSK）

これは、 2フェーズPSK （または）*位相反転キーイング*とも呼ばれます。 この手法では、正弦波キャリアは0°および180°などの2つの位相反転を取ります。

BPSKは基本的にDSB-SC（両側波帯抑制キャリア）変調方式で、メッセージはデジタル情報です。

以下は、BPSK変調出力波とその入力の画像です。

BPSK

直交位相シフトキーイング（QPSK）

これは、位相シフトキーイング技術で、正弦波キャリアは、0°、90°、180°、270°などの4つの位相反転を取ります。

この種の手法をさらに拡張すると、要件に応じて8または16の値でPSKを実行できます。 次の図は、2ビット入力のQPSK波形を表しており、バイナリ入力のさまざまなインスタンスの変調結果を示しています。

QPSK

QPSKはBPSKのバリエーションであり、DSB-SC（Double Sideband Suppressed Carrier）変調方式でもあり、 bigits と呼ばれる2ビットのデジタル情報を一度に送信します。

デジタルビットを一連のデジタルストリームに変換する代わりに、ビットペアに変換します。 これにより、データビットレートが半分に低下し、他のユーザーにスペースを確保できます。

差動位相シフトキーイング（DPSK）

DPSK（差動位相シフトキーイング）では、変調された信号の位相は前の信号要素に対してシフトされます。 ここでは参照信号は考慮されません。 信号フェーズは、前の要素のハイまたはロー状態に従います。 このDPSK手法には、基準発振器は必要ありません。

次の図は、DPSKのモデル波形を表しています。

DPSK

上記の図から、データビットがLOW、つまり0の場合、信号の位相は反転されず、そのまま継続されることがわかります。 データがHIGHの場合、つまり1の場合、NRZIの場合と同様に、信号の位相は1で反転します（差分エンコードの形式）。

上記の波形を観察すると、HIGH状態は変調信号の M を表し、LOW状態は変調信号の W を表していると言えます。

M-aryエンコーディング

バイナリという単語は2ビットを表します。 M は、指定された数のバイナリ変数に可能な条件、レベル、または組み合わせの数に対応する数字を単に表します。

これは、データ送信に使用されるデジタル変調技術のタイプであり、1ビットではなく、2ビット以上が一度に送信されます*。 単一の信号が複数ビット伝送に使用されるため、チャネル帯域幅が減少します。

M-ary方程式

デジタル信号が電圧レベル、周波数、位相、振幅などの4つの条件下で与えられる場合、 M = 4 です。

与えられた数の条件を生成するのに必要なビット数は、数学的に次のように表されます。

N = \ log _ \ {2} M

どこで、 

*N* は必要なビット数です。
*M* は、 *N* ビットで可能な条件、レベル、または組み合わせの数です。

上記の方程式は次のように再配置することができます-

2 ^ \ {N} = M

たとえば、2ビットの場合、 2 ^ 2 ^ = 4 条件が可能です。

M-aryテクニックの種類

一般に、（ M-ary ）マルチレベル変調技術は、送信機の入力で許可される3つ以上の変調レベルを持つデジタル入力としてデジタル通信で使用されます。 したがって、これらの手法は帯域幅効率に優れています。

多くの異なるM-ary変調技術があります。 これらの手法の一部は、振幅、位相、周波数など、キャリア信号の1つのパラメーターを変調します。

M-ary ASK

これは、 M-ary Amplitude Shift Keying （M-ASK）または* M-ary Pulse Amplitude Modulation（PAM）*と呼ばれます。

キャリア信号の振幅は、 M の異なるレベルを取ります。

M-ary ASKの表現

S_m（t）= A_mcos（2 \ pi f_ct）\：\：\：\：\：\：A_m \ epsilon \ {（2m-1-M）\ Delta、m = 1,2 .... M} \：\：\：and \：\：\：0 \ leq t \ leq T_s

このメソッドはPAMでも使用されます。 その実装は簡単です。 ただし、M-ary ASKはノイズと歪みの影響を受けやすくなっています。

M-ary FSK

これは、 M-ary Frequency Shift Keying と呼ばれます。

キャリア信号の周波数は、 M の異なるレベルを取ります。

M-ary FSKの表現

S _ \ {i}（t）= \ sqrt \ {\ frac \ {2E _ \ {s}} \ {T _ \ {S}}} \ cos \ lgroup \ frac \ {\ Pi} \ {T _ \ { s}}（n _ \ {c} + i）t \ rgroup \：\：\：\：0 \ leq t \ leq T _ \ {s} \：\：\：and \：\：\：i = 1 、2 ..... M

ここで、$ f _ \ {c} = \ frac \ {n _ \ {c}} \ {2T _ \ {s}} $が固定整数 n の場合。

これはASKほどノイズの影響を受けません。 送信された M 個の信号のエネルギーと持続時間は同じです。 信号は$ \ frac \ {1} \ {2T_s} $ Hz で区切られ、信号を互いに直交させます。 

*M* 信号は直交しているため、信号空間に混雑はありません。 M-ary FSKの帯域幅効率は低下し、電力効率はMの増加とともに増加します。

M-ary PSK

これは、M-ary位相シフトキーイングと呼ばれます。

搬送波信号の*位相*は、 M の異なるレベルを取ります。

M-ary PSKの表現

S _ \ {i}（t）= \ sqrt \ {\ frac \ {2E} \ {T}} \ cos（w _ \ {0} t + \ emptyset _ \ {i} t）\：\：\： \：0 \ leq t \ leq T _ \ {s} \：\：\：and \：\：\：i = 1,2 ..... M

\ emptyset _ \ {i} t = \ frac \ {2 \ Pi i} \ {M} \：\：\：where \：\：i = 1,2,3 ... \：... M

ここでは、エンベロープは一定であり、位相の可能性がより多くなります。 この方法は、宇宙通信の初期に使用されました。 ASKやFSKよりもパフォーマンスが優れています。 受信機での最小位相推定誤差。

M-ary PSKの帯域幅効率は低下し、 M の増加とともに電力効率が増加します。 これまで、さまざまな変調手法について説明してきました。 これらのすべての手法の出力は、1と0で表されるバイナリシーケンスです。 このバイナリまたはデジタル情報には多くの種類と形式があり、それらについてはさらに説明します。

情報理論

情報は、アナログであろうとデジタルであろうと、通信システムのソースです。 *情報理論*は、情報の定量化、保存、および伝達とともに情報のコーディングを研究するための数学的アプローチです。

イベントの発生条件

イベントを考慮すると、3つの発生条件があります。

  • イベントが発生していない場合、*不確実性*の状態があります。
  • イベントが発生したばかりの場合、*サプライズ*の状態があります。
  • イベントが発生した場合、時間をさかのぼると、何らかの「情報」を持っているという状態があります。

したがって、これら3つは異なる時間に発生します。 これらの条件の違いは、イベントの発生確率に関する知識を得るのに役立ちます。

エントロピー

イベントの発生の可能性を観察するとき、それがどれだけ驚きか不確実かは、イベントのソースからの情報の平均的な内容について考えていることを意味します。

  • エントロピー*は、ソースシンボルごとの平均情報量の尺度として定義できます。 「情報理論の父」であるクロード・シャノンは、次のように式を与えています。

H =-\ sum _ \ {i} p_i \ log _ \ {b} p_i

ここで、$ p_i $は、指定された文字ストリームから文字番号 i が発生する確率であり、bは使用されるアルゴリズムのベースです。 したがって、これは Shannon’s Entropy とも呼ばれます。

チャネル出力を観察した後にチャネル入力について残る不確実性の量は、 Conditional Entropy と呼ばれます。 $ H（x \ arrowvert y）$で示されます

ディスクリートメモリレスソース

前の値とは無関係に、連続した間隔でデータが発信されるソースは、 discrete memoryless source と呼ばれます。

このソースは、連続的な時間間隔ではなく、離散的な時間間隔で考慮されるため、離散的です。 このソースは、以前の値を考慮せずに各瞬間に新鮮であるため、メモリがありません。

ソースコーディング

定義によれば、「エントロピー$ H（\ delta）$の離散メモリレスソースを考えると、ソースエンコーディングの平均コードワード長$ \ bar \ {L} $は$ \ bar \ {L} \ geq H（\ delta）$”。

簡単な言葉では、コードワード（例：QUEUEのモールス符号は-.- ..-です。 ..-。 ）は常にソースコード（例ではQUEUE）以上です。 つまり、コードワードのシンボルは、ソースコードのアルファベット以上です。

チャンネルコーディング

通信システムのチャネルコーディングは、システムの信頼性を向上させるために、制御に冗長性を導入します。 ソースコーディングは冗長性を減らしてシステムの効率を改善します。

チャネルコーディングは、アクションの2つの部分で構成されます。

  • 着信データシーケンスをチャネル入力シーケンスに*マッピング*します。
  • *逆マッピング*チャネル出力シーケンスを出力データシーケンスに。

最後の目標は、チャネルノイズの全体的な影響を最小限に抑えることです。

マッピングはエンコーダーの助けを借りて送信機によって行われますが、逆マッピングはデコーダーによって受信機で行われます。

スペクトラム拡散変調

信号を送信する前に、*スペクトラム拡散変調*として知られる安全な通信を提供するために、信号技術の集合的なクラスが採用されます。 スペクトル拡散通信技術の主な利点は、意図的であろうと意図的でない場合であろうと「干渉」を防ぐことです。

これらの手法で変調された信号は干渉しにくく、妨害されません。 公式のアクセス権を持たない侵入者は、決して侵入を許可されません。 したがって、これらの技術は軍事目的で使用されます。 これらのスペクトル拡散信号は、低電力密度で送信され、信号が広範囲に広がります。

擬似ノイズシーケンス

  • PseudoNoiseコーディングシーケンス*と呼ばれる特定の自己相関プロパティを持つ1と0のコード化されたシーケンスは、スペクトラム拡散技術で使用されます。 これは循環コードの一種である最大長のシーケンスです。

狭帯域信号

次の図の周波数スペクトルに示すように、狭帯域信号の信号強度は集中しています。

狭帯域信号

ここに狭帯域信号の特徴があります-

  • 信号の帯域は、狭い範囲の周波数を占有します。
  • 電力密度が高い。
  • エネルギーの拡散は低く、集中しています。

機能は優れていますが、これらの信号は干渉を受けやすい傾向があります。

スペクトラム拡散信号

スペクトラム拡散信号の信号強度は、次の周波数スペクトル図に示すように分布しています。

スペクトラム拡散信号

ここにスペクトラム拡散信号の特徴があります-

  • 信号の帯域は、広範囲の周波数を占有します。
  • 電力密度は非常に低いです。
  • エネルギーは広まっています。

これらの機能により、スペクトラム拡散信号は干渉や妨害に対して非常に耐性があります。 複数のユーザーが互いに干渉することなく同じスペクトラム拡散帯域幅を共有できるため、これらは「多元接続技術」と呼ばれることがあります。

スペクトラム拡散多元接続技術では、必要な最小RF帯域幅よりも大きい伝送帯域幅を持つ信号を使用します。

スペクトラム拡散信号は2つのカテゴリに分類することができます-

  • 周波数ホッピングスペクトラム拡散（FHSS）
  • ダイレクトシーケンススペクトラム拡散（DSSS）

周波数ホッピングスペクトラム拡散

これは周波数ホッピング技術であり、ユーザーは指定された時間間隔で使用頻度を変更するため、「周波数ホッピング」と呼ばれます。

たとえば、特定の期間、送信者1に周波数が割り当てられました。 現在、しばらくすると、送信者1は他の周波数にホップし、送信者2は以前に送信者1が使用していた最初の周波数を使用します。 これは「周波数再利用」と呼ばれます。

安全な伝送を提供するために、データの周波数は次々にホップされます。 各周波数ホップに費やされた時間は、*滞留時間*と呼ばれます。

直接シーケンススペクトラム拡散

ユーザーがこのDSSS手法を使用してデータを送信する場合は常に、ユーザーデータのすべてのビットに、チッピングコードと呼ばれる秘密コードが乗算されます。 この「チッピングコード」は、元のメッセージと乗算されて送信される拡散コードに他なりません。 受信者は同じコードを使用して元のメッセージを取得します。

このDSSSは、* Code Division Multiple Access（CDMA）*とも呼ばれます。

FHSSとDSSS/CDMAの比較

両方のスペクトラム拡散技術は、その特性から人気があります。 明確な理解を得るために、それらの比較を見てみましょう。

FHSS DSSS/CDMA
Multiple frequencies are used Single frequency is used
Hard to find the user’s frequency at any instant of time User frequency, once allotted is always the same
Frequency reuse is allowed Frequency reuse is not allowed
The sender need not wait The sender has to wait if the spectrum is busy
Power strength of the signal is high Power strength of the signal is low
It is stronger and penetrates through the obstacles It is weaker compared to FHSS
It is never affected by interference It can be affected by interference
It is cheaper It is expensive
This is the mostly used technique This technique is not frequently used

スペクトラム拡散の利点

スペクトラム拡散の利点は次のとおりです。

  • クロストーク除去
  • データ整合性を備えたより良い出力
  • マルチパスフェージングの影響を軽減
  • より良いセキュリティ
  • 騒音の低減
  • 他のシステムとの共存
  • より長い手術距離
  • 検出が難しい
  • 復調/デコードが難しい
  • 信号が詰まりにくい

スペクトル拡散技術はもともと軍事用に設計されていましたが、現在では商業目的として広く使用されています。

光ファイバ通信の原理

これまでに説明したデジタル通信技術により、光通信と衛星通信の両方の研究が進歩しました。 それらを見てみましょう。

光ファイバ

光ファイバは、光周波数で動作する誘電体導波路として理解できます。 デバイスまたはチューブは、曲がっていたり、エネルギーを放射するために終端されている場合、一般に「導波路」と呼ばれます。 次の画像は、光ファイバケーブルの束を示しています。

光ファイバー

電磁エネルギーは、光の形でそこを通過します。 導波管に沿った光の伝搬は、導波管の「モード」と呼ばれる一連の誘導電磁波の観点から説明できます。

作動原理

基本的な光学パラメータについては、光ファイバの研究では*屈折率*について考えておく必要があります。 定義では、「真空中の光の速度と物質中の光の速度の比は、材料の屈折率 n です。」と表されます-

n = \ frac \ {c} \ {v}

どこで、 

*c* =自由空間での光の速度= 3×10 ^ 8 ^ _m/s_
*v* =誘電体または非導電性材料の光の速度

一般的に、進行中の光線では、n〜2〜<n〜1〜のときに*反射*が起こります。 界面での光線の曲がりは、屈折率が異なる2つの材料の光速の違いの結果です。 インターフェースでのこれらの角度の関係は、*スネルの法則*と呼ばれます。 次のように表されます-

n_1sin \ phi _1 = n_2sin \ phi _2

どこで、

$ \ phi _1 $は入射角です

$ \ phi _2 $は屈折角です

n〜1〜およびn〜2〜は2つの材料の屈折率です。

光学的に密度の高い材料の場合、同じ材料内で反射が起こると、そのような現象は*内部反射*と呼ばれます。 入射角と屈折角を次の図に示します。

内部反射

入射角$ \ phi _1 $がはるかに大きい場合、ある点での屈折角$ \ phi _2 $はΠ/2になります。 これ以上の屈折は不可能です。 したがって、そのような点は*臨界角$ \ phi _c $ *と呼ばれます。 入射角$ \ phi _1 $が臨界角より大きい場合、*全内部反射*の条件が満たされます。

次の図は、これらの用語を明確に示しています。

内部全反射

光線は、そのような条件でガラスに通された場合、ガラスの表面から漏れる光なしでガラスに戻って全反射されます。

繊維の部品

最も一般的に使用される光ファイバは、半径 a および屈折率n〜1〜の*単一固体誘電体シリンダー*です。 次の図は、光ファイバの部品を説明しています。

繊維部品

このシリンダーは、ファイバーの「コア」として知られています。 コアを取り囲む固体の誘電体は、*クラッド*と呼ばれます。 クラッドの屈折率はn〜2〜で、n〜1〜未満です。

クラッドは次の場合に役立ちます-

  • 散乱損失の削減。
  • 繊維に機械的強度を追加します。
  • コアを不要な表面汚染物質の吸収から保護します。

光ファイバの種類

コアの材料組成に応じて、一般的に使用される2種類の繊維があります。 彼らは-

  • ステップインデックスファイバ-コアの屈折率は全体にわたって均一であり、クラッド境界で急激な変化（またはステップ）が発生します。
  • グレーデッドインデックスファイバ-コアの屈折率は、ファイバの中心からの半径距離の関数として変化するように作られています。

これらの両方はさらにに分けられます-

  • シングルモードファイバー-これらはレーザーで励起されます。
  • マルチモードファイバー-これらはLEDで励起されます。

光ファイバ通信

光ファイバーの通信システムは、その部分とセクションを研究することによってよく理解されます。 光ファイバ通信システムの主要な要素を次の図に示します。

光ファイバー通信

基本的なコンポーネントは、光信号送信機、光ファイバー、および光検出受信機です。 ファイバおよびケーブルのスプライサおよびコネクタ、再生器、ビームスプリッタ、光増幅器などの追加要素を使用して、通信システムのパフォーマンスを向上させます。

機能的な利点

光ファイバの機能的な利点は次のとおりです-

  • 光ファイバケーブルの伝送帯域幅は、金属ケーブルよりも広くなっています。
  • データ伝送量は、光ファイバケーブルの方が高くなります。
  • 電力損失は非常に低いため、長距離伝送に役立ちます。
  • 光ファイバーケーブルは高いセキュリティを提供し、タップすることはできません。
  • 光ファイバケーブルは、データ伝送のための最も安全な方法です。
  • 光ファイバケーブルは電磁干渉の影響を受けません。
  • これらは電気ノイズの影響を受けません。

物理的な利点

光ファイバケーブルの物理的な利点は次のとおりです-

  • これらのケーブルの容量は、銅線ケーブルよりもはるかに高くなっています。
  • 容量は大きくなりますが、銅線ケーブルシステムのようにケーブルのサイズが大きくなることはありません。
  • これらのケーブルが占めるスペースははるかに小さくなります。
  • これらのFOCケーブルの重量は、銅ケーブルよりもはるかに軽いです。
  • これらのケーブルは誘電体であるため、火花の危険はありません。
  • これらのケーブルは簡単に曲げられ、柔軟であるため、銅ケーブルよりも耐食性があります。
  • 光ファイバケーブルの製造の原料はガラスであり、銅よりも安価です。
  • 光ファイバーケーブルは銅ケーブルよりも長持ちします。

デメリット

光ファイバには多くの利点がありますが、次のような欠点があります-

  • 光ファイバーケーブルは長持ちしますが、設置コストが高くなります。
  • リピーターの数は、距離とともに増加します。
  • プラスチック製のシースに囲まれていないと、壊れやすくなります。 したがって、銅よりも多くの保護が必要です。

光ファイバーの用途

光ファイバには多くの用途があります。 それらのいくつかは次のとおりです-

  • 電話システムで使用
  • 海底ケーブルネットワークで使用
  • コンピューターネットワーク、CATVシステムのデータリンクで使用
  • CCTV監視カメラで使用
  • 消防、警察、およびその他の緊急サービスを接続するために使用されます。
  • 病院、学校、交通管理システムで使用されます。
  • それらは多くの産業用途があり、また頑丈な構造で使用されます。

衛星通信の原理

  • 衛星*は、*軌道*と呼ばれる数学的に予測可能なパスで別の物体の周りを移動する物体です。 通信衛星は、インターネットアプリケーションに加えて、電気通信、ラジオ、テレビで役立つ宇宙のマイクロ波中継局に他なりません。
  • リピーター*は、受信および再送信する信号の強度を増加させる回路です。 しかし、ここでこのリピーターは、送信された信号の周波数帯域を受信された周波数帯域から変更する*トランスポンダー*として機能します。

信号が空間に送信される周波数は*アップリンク周波数*と呼ばれ、トランスポンダーによって送信される周波数は*ダウンリンク周波数*です。

次の図は、この概念を明確に示しています。

サテライト

次に、衛星通信の利点、欠点、および用途を見てみましょう。

衛星通信-利点

などの衛星通信の多くの利点があります-

  • 柔軟性
  • 新しい回路のインストールが簡単
  • 距離は簡単にカバーでき、コストは問題になりません
  • 放送の可能性
  • 地球の隅々が覆われています
  • ユーザーはネットワークを制御できます

衛星通信-欠点

衛星通信には次の欠点があります-

  • セグメントおよび起動コストなどの初期コストが高すぎます。
  • 周波数の輻輳
  • 干渉と伝播

衛星通信-アプリケーション

衛星通信は、次の分野でその用途を見つけます-

  • ラジオ放送で。
  • DTHなどのテレビ放送。
  • データ転送のためのインターネット接続の提供、GPSアプリケーション、インターネットサーフィンなどのインターネットアプリケーション。
  • 音声通信用。
  • 多くの分野の研究開発部門向け。
  • 軍事用途およびナビゲーションで。

軌道上の衛星の向きは、ケプラーの法則と呼ばれる3つの法則に依存します。

ケプラーの法則

天文学者のヨハネス・ケプラー（1571-1630）は、衛星の運動に関して3つの革命的な法則を与えました。 プライマリ（地球）の周りの衛星がたどるパスは*楕円*です。 楕円には2つの焦点があります- F1 と F2 、地球はその1つです。

オブジェクトの中心から楕円経路上の点までの距離を考慮する場合、中心から楕円の最も遠い点は apogee と呼ばれ、中心からの楕円の最短点は* perigeeと呼ばれます*。

ケプラーの第一法則

ケプラーの第一法則は、「すべての惑星は太陽を中心に楕円軌道で太陽の周りを公転します」と述べています。そのため、衛星は地球を中心に楕円軌道を移動します。

楕円の半長軸は「 a 」として示され、半短軸は b として示されます。 したがって、このシステムの離心率eは次のように書くことができます-

e = \ frac \ {\ sqrt \ {a ^ \ {2} -b ^ \ {2}}} \ {a}

  • 偏心（e）-これは、円の形状ではなく楕円の形状の違いを定義するパラメーターです。
  • 半長軸（a）-中心に沿って2つの焦点をつなぐ最長の直径で、両方の頂点（中心から楕円の最も遠い点）に接触します。
  • 半短軸（b）-近地点（中心からの楕円の最短ポイント）に接する中心を通る最短直径です。

これらについては、次の図で詳しく説明しています。

ケプラーの法則

楕円形のパスの場合、離心率は0〜1の範囲にあることが常に望ましいです。 0 <e <1。これは、 e がゼロになると、パスが楕円形ではなくなり、円形パスに変換されるためです。

ケプラーの第二法則

ケプラーの2 ^ nd ^法則は、「時間間隔が等しい場合、衛星のカバーするエリアは地球の中心に対して等しい」と述べています。

次の図を見ると理解できます。

ケプラーの第二法則

衛星が同じ時間間隔で p1 および p2 の距離をカバーし、両方のインスタンスでカバーされるエリア B1 および B2 がそれぞれ等しいと仮定します。

ケプラーの第三法則

ケプラーの第3の法則では、「軌道の周期時間の2乗は2つの物体間の平均距離の3乗に比例します。」

これは数学的に次のように書くことができます

T ^ \ {2} \：\ alpha \：\：a ^ \ {3}

ほのか

T ^ \ {2} = \ frac \ {4 \ pi ^ \ {2}} \ {GM} a ^ \ {3}

ここで、$ \ frac \ {4 \ pi ^ \ {2}} \ {GM} $は比例定数です（ニュートン力学による）

T ^ \ {2} = \ frac \ {4 \ pi ^ \ {2}} \ {\ mu} a ^ \ {3}

μ=地球の地球中心の重力定数、つまり Μ= 3.986005×10 ^ 14 ^ m ^ 3 ^/sec ^ 2 ^

1 = \ left（\ frac \ {2 \ pi} \ {T} \ right）^ \ {2} \ frac \ {a ^ \ {3}} \ {\ mu}

1 = n ^ \ {2} \ frac \ {a ^ \ {3}} \ {\ mu} \：\：\：\ Rightarrow \：\：\：a ^ \ {3} = \ frac \ { \ mu} \ {n ^ \ {2}}

ここで、 n =ラジアン/秒での衛星の平均運動

衛星の軌道機能は、これらのケプラーの法則を使用して計算されます。

これらに加えて、注意すべき重要なことがあります。 衛星は、地球の周りを公転するとき、重力である地球からの引っ張り力を受けます。 また、太陽と月からいくつかの引っ張り力を経験します。 したがって、それに作用する2つの力があります。 彼らは-

  • 求心力-軌道に沿って動く物体を引き寄せる力は、*求心力*と呼ばれます。
  • 遠心力-軌道経路を移動する物体をその位置から遠ざけようとする力は、*遠心力*と呼ばれます。

そのため、衛星は、軌道に自分自身を維持するために、これら2つの力のバランスを取る必要があります。

地球軌道

宇宙に打ち上げられた衛星は、特定の軌道に配置して、革命に特定の方法を提供する必要があります。これにより、アクセシビリティを維持し、科学、軍事、商業のいずれの目的にも役立ちます。 地球に関して衛星に割り当てられたそのような軌道は、*地球軌道*と呼ばれます。 これらの軌道の衛星は地球*軌道衛星*です。

地球軌道の重要な種類は-

  • 地球同期地球軌道
  • 中地球軌道
  • 低地球軌道

静止地球軌道衛星

  • Geo-Synchronous Earth Orbit（GEO）衛星は、地球から22,300マイルの高度に配置された衛星です。 この軌道は*実際の1日（つまり、23時間56分）と同期されます。 この軌道は、*傾きと偏心*を持つことができます。 円形ではないかもしれません。 この軌道は、地球の極で傾くことができます。 しかし、地球から見ると静止しているように見えます。

同じ静止軌道は、それが円形で赤道面にある場合、*静止軌道*と呼ばれます。 これらの衛星は、地球の赤道上空35,900km（静止軌道と同じ）に配置され、地球の方向（西から東）に対して回転し続けます。 これらの衛星は地球に対して静止していると考えられているため、その名前は暗示しています。

静止地球軌道衛星は、天気予報、衛星テレビ、衛星ラジオ、その他の種類のグローバル通信に使用されます。

次の図は、地理同期軌道と静止軌道の違いを示しています。 回転軸は地球の動きを示します。

地球軌道

注-すべての静止軌道は静止軌道です。 しかし、すべての静止軌道は静止軌道ではありません。

中地球軌道衛星

  • 中地球軌道（MEO）*衛星ネットワークは、地球の表面から約8000マイルの距離を周回します。 MEO衛星から送信される信号は、より短い距離を移動します。 これは、受信側での信号強度の改善につながります。 これは、より小さく、より軽量な受信端末を受信端で使用できることを示しています。

信号は衛星との間でより短い距離を移動するため、伝送遅延が少なくなります。 *送信遅延*は、信号が衛星に到達して受信局に戻るまでの時間として定義できます。

リアルタイム通信の場合、伝送遅延が短いほど、通信システムは良くなります。 例として、GEO衛星が往復に0.25秒を必要とする場合、MEO衛星は同じ旅行を完了するのに0.1秒未満を必要とします。 MEOは2 GHz以上の周波数範囲で動作します。

低地球軌道衛星

低地球軌道（LEO）衛星は、主に3つのカテゴリー、すなわち、小LEO、大LEO、およびメガLEOに分類されます。 LEOは地球の表面から500〜1000マイルの距離を周回します。

この比較的短い距離は、伝送遅延をわずか0.05秒に短縮します。 これにより、敏感でかさばる受信機器の必要性がさらに減少します。 ほとんどのLEOは800 MHz（0.8 GHz）の範囲で動作します。 Big LEOは2 GHz以上の範囲で動作し、Mega-LEOは20〜30 GHzの範囲で動作します。 

*Mega-LEO* に関連付けられているより高い周波数は、より多くの情報伝達容量に変換され、リアルタイムの低遅延ビデオ伝送方式の機能を実現します。

次の図は、LEO、MEO、およびGEOのパスを示しています。

Mega-LEOs

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