現代の無線通信の仕組み

2017-02-10

しおん

 こんにちは。りけぷらのしおんです。お久しぶりの方が多いと思います。

最近はテストも終わり、ようやく春休みといった感じで、

プログラミングコンテストでも暇つぶしにやってみるか~ってTopCoderの簡単な問題挑戦したみたところ、意外と難しくて死にました。はい。精進します。



 今日はですね、無線通信の仕組みについて紹介しようと思います。

僕が生まれたころはまだ電話さえあれば十分で携帯もパソコンもなくても暮らしていけたのですが、今ではプライベートな約束から、仕事の業務連絡まで、全部インターネットに任せっきりですよね。ないととっても不便です。さらに今ではユビキタスにどこに居てもネットにつながるので、無線通信を用いたインターネットが特に重要ということが分かります。では、無線通信とは実際にどのようにして行われているのでしょうか。

 

OFDM方式

まずインターネットは通信事業者と契約して使用が可能になりますよね。ケータイだったら、AUやドコモ、ソフトバンクなどが事業者です。事業者にお金を払うと、彼らが引いた通信網を経由して電波でネットにアクセスすることが可能です。

でも電波って具体的にどうやって情報を扱っているの?

というのが疑問ですが、これについて説明します。

最近の無線LANなどではOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)と呼ばれる方式が主流みたいです。

OFDMの利点は置いておいて、まず原理を説明します。

たとえば猫の画像を送りたいとします。

 


デジタル通信では猫はそのまま送るわけにはいきませんから、画像からピクセルごとの情報をとりだします。ピクセルとは画像の最小単位です。1ピクセルに赤緑青がそれぞれ0255の濃度で格納されていますから、一色につき8ビット(=2^8=256)必要で、三色で24ビットあれば情報として表現できます。

 猫の画像全体では膨大なビットが必要ですが、とりあえず画像をビットに変換できましたね。そしてここでは通常の01かではなく、-11かで表現しておきます。

 

画像引用:http://www.circuitdesign.jp/jp/technical/modulation/modulation_OFDM.asp

ここからがOFDMの説明です。この過程で情報信号は電波に変換されます。これを変調といいます。



画像引用:http://itpro.nikkeibp.co.jp/pc/article/NPC/20070517/271422/

最初のS/P変換ですが、これは情報信号を複数のチャンネルで一度に送ってしまおうということです。-11の数値の集合に変換された猫の画像は、頭から逐次的に送られるのではなく、要素で分けて伝送されます。今回のチャンネルの数は16とします。

 

ここで今回は2ビットごとに分けて送られるので、(1,1)(1,-1)(-1,1)(-1,-1)4種類値が存在しますよね。これは(1,1),(-1,-1)(1,-1),(-1,1)で分けられますね。一方のグループはもう一方のグループと互いに直交してます。これをIQに割り当てます。

 

このようにして変調したIQの信号を、それぞれ加算器で時間軸方向に加算して、

加算したIQの信号を逆フーリエ変換します。

本当はこの逆フーリエ変換が大事なところなのですが……結構力尽きてきました。



イメージとしては上の図の右から左です。この逆フーリエ変換によって、周波数領域における値とみなしたIQの信号が、実際に送られる電波になります。

詳しくは出典の下記サイトを参考にしてください。

http://www.ic.is.tohoku.ac.jp/~swk/lecture/yaruodsp/ft.html#SECTION00520000000000000000

電波を受け取った人は、今度は電波をフーリエ変換することで電波をビット数の列に戻せば情報を復元できますね。

 

こうしてできた波を、D/A変換でアナログ波に直し、最終的にIQを中間周波数にミキサで変換してから加算することでOFDM波形が得られます

 

実際に得られた波を見てみましょう。



出典:http://www.circuitdesign.jp/jp/technical/modulation/modulation_OFDM.asp

 

波が5つできていることが分かります。これはできた波の位相と振幅のグラフで、ちょうどある波のピークが、他の波において振幅が0になっていることが分かります。

これは信号を2ビットずつとりだし、(1,1)(1,-1)(-1,1)(-1,-1)で分けていたためです。これによりそれぞれ90°ずれた位相が実現できています。

 

OFDMの利点を説明します。まずあるシンボルと次のシンボルが大気や山などで反射することによる遅延で重なってしまい、つぶし合ってしまうマルチパス妨害があります。

これにはガードインターバルといって干渉がおきる部分を有効シンボル前にコピーすることで防ぐことができます。



出典:http://www.soi.wide.ad.jp/class/20040001/slides/08/40.html

OFDMの利点は複数の副搬送波を使用するためこのシンボル区間Tsが非常に長いのでGIを利用できる方式であることです。他の方式ではあまり用いられないそうです。

このため、OFDMは妨害に強い安定した通信方式であると言えます。

 

 

ここまでOFDMについて書きましたが、今日僕もはじめて調べつつ書いてみたので、説明が分かりづらかったり間違ったりすることがあると思います。ご指摘お待ちしています。

まああくまでコラムなので許してください(´;ω;)

無線がかなり奥が深いということが今日身にしみました。また色々調べてみようと思います。

 

りけぷらのしおんでした。

しおん

理系を身近に感じられるような記事をめざしてます!よろしくお願いします。(`・ω・´)

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