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微弱電波で長距離通信のお話

株式会社 数理設計研究所 玉置晴朗
2006/12/01-2008/02/06
Index
 難しい技術解説ではなく利用面からの話をしてみます。

情報伝送とは

 書かれた歴史が残るこの3000年。さても書かれた実体は何かといえばパピルスや石碑だ。遥かな時を乗り越えて3000年前から私たちに語りかけてくる石碑は岩石を媒体とした情報伝送なのだ。情報の伝送と言えばある地点から別の地点への伝達に限られるわけではない。時間と空間を越えて伝えることもできる。
 自然も地層や化石で過去を伝えてくれる。人間はパターンを記述し、そのパターンの分析によって自然と会話している。通信とはもともとそういうものなのだ。
 ある媒体を利用して時空を乗り越えて伝えることを広い意味で情報の伝達と言おう。伝達された物に明確な情報が付属しているわけではなく、解読されて始めて情報が伝達したことになる。多くの通信は情報を媒体に埋め込む作業、そして媒体を送りつける作業、つぎに媒体から情報を解読する作業、この3つで成り立っている。
 今ここで述べようとしているのは、この3段階のうち、最後のパターン分析をする解読部の新手法についてではあるが、必然的に媒体の特徴にも関係してお話しする必要がある。
 石碑ならば石碑に刻んだ凸凹を読み取る方法を念頭においてもらえばよい。古い摩滅した石碑に書かれた模様がアルファベットなのか漢字なのかわからずに読み取ることは難しいだろう。漢字ならば漢字のパターンを当てはめ、前後に解読できたものがあれば、その前後以外の文字の存在から類推し、当時の言語を知っていれば摩滅してしまった文字を埋めることができることも多い。
 電波や音波を媒体として使う通信でも同じことをしている。情報を送る側と受け取る側の2者で約束をするわけだ。無線通信が大規模に使われるようになったころは電波が受信できれば1、受信できなければ0と決め、時間順に並べて
000000111000111111111000000
と受信できれば、つまりトン_ツーと聞こえれば”A"を意味すると決めました。これをモールス符号と言い、モールスさんが決め、最近まで漁業無線など地球上の長距離通信で使われていた。
 電波の通信では、音の圧力を電気信号に直し、電波の強さに変えて送るのをAM、周波数の変化に変えて送るのをFMと言う。
 電波や音波など波を媒体として情報を送るには送受信の約束が必要。変化させるパラメータは振幅や周波数。周波数を変化させるのと原理的には同じなのですが位相を変化させるのもあります。実用上はこの3種(振幅、周波数、位相)が波のパラメータなので当たり前と言えば当たり前ですね。

スペクトラム拡散

 先ほどの波に情報を乗せて送るのとは少し違うのもあります。そうですね、やかましい飲み屋で会話したり、雑踏の中で友人を見つけたりすることができますね。どうしてでしょう? おそらく記憶にあるパターンと会話や顔形を照合しているのでしょうね。
 スペクトラム拡散(SSと書きます)を簡単に言えば、今までの波のパラメータを約束する通信を拡張して、さらにパターンを約束しあって通信するのです。鍵もその形を、まさにキーとして使いますが、SSは模様=パターン=鍵として通信をなりたたせるものなのです。
 ↑のAに雑音をいっぱい付け加えて↑にしてありますが、Aと読み取れるでしょう。これは2次元の画像ですが、同じようなことをSS通信ではしています。
 送信側と受信側で約束したパターンを伝送するわけですから、Aがきたら1、こなかったら0とすればいいわけですし、Bが来たら無視する。そんな約束で通信するので、コード領域の通信などと言ったりもします。
 先日、モスバーガの喫煙室でくしゃみをしました。そうすると、しばらくして娘が来て、「やっぱりいた・・・」と顔を見に来ました。騒音の激しい中でも特徴的なくしゃみだったのでしょう。まあ、けっこう大きなくしゃみをしますけど。
 パターン(特徴)を知っていれば、騒音の中でも聞き分けることができる。これと似たようなことをするために、受信側ではかなりの努力を必要とするのでコンピュータで雑音交じりの信号の中から知っているパターンを見つけ解読します。
 送信する方も受信機と示し合わせ、約束した特徴を埋め込んでおくのです。つまり、言い換えれば、同じ周波数でも別の特徴があれば聞き分けることができるってことになります。現状で一台の受信機では同時に10通信ぐらい、高性能のPCを使えば同時に同じ周波数で100の通信を聞き分けることができます。聖徳太子の7人聞き分けたなんてのよりも進んではいます。
 15分に1度の通信でよい気象観測などでは、たがいに衝突しないように時間差を持たせるなど、同時にでなければ、1台の受信機で1000ぐらいの通信を小さな領域で成り立たせることも可能です。

パンフレット素案

  • 適用場面
    • 防災
      • 崩壊地や斜面
        • 1m伸縮計のON/OFF信号
        • 高精度伸縮計
        • 地温(表面、1m)
        • 地下水位(GID-SS)
      • 河川
        • 水位(GID-SS)、水温
        • 土石流
          • ワイヤセンサ
          • 水位型(GID-SS)
    • 気象観測 見通し300-7kmテレメトリ
      • 工場や学校の敷地内
      • 極限環境の山頂
    • 医療・介護(+GPS)
      • ナースコール
      • 所在把握
      • 緊急通信


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