通信工学概論/コミュニケーション工学B2016

音声通信伊藤彰則

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このスライドは以下のURLからダウンロード可能ですhttp://www.spcom.ecei.tohoku.ac.jp/~aito/CommunicationB/

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この講義の経緯◦コミュニケーション工学B（6セメ）と通信工学概論（4セメ）の合同講義です◦昨年度までは「コミュニケーション工学Ｂ」はアドバンストな話題（応用的で少し難しい話）を扱っていた

◦カリキュラム改訂で、もっと概論的な内容（前提知識なしに聞ける、広い範囲の話題）が必要という結論になった

◦アドバンストな内容は8セメの「データコミュニケーション工学」で扱う

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講義概略（全体）10月7日（金）

10月14日（金）

10月21日（金）

11月4日（金）→1/30

11月11日（金）

11月18日（金）

11月25日（金）

12月 2日（金）

12月9日（金））

伊藤（音声通信）

大町（画像通信）

陳（アンテナ）

末松（無線通信）

山田（光通信）

• 12月16日（金）• 1月 6日（金）• 1月13日（金）

• 1月20日（金）• 1月27日（金）• 2月3日（金）

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講義概略（伊藤担当分）声による通信はいかにして可能になったか◦ 電話登場以前

◦ 人間の聴覚と発話能力

◦ 人間の音声の特徴

◦ 音声のスペクトル

◦ 糸電話と伝声管

◦ 電話の発明

◦ トランスデューサー（振動・電気変換）

◦ ベースバンド通信

◦ 回線交換と機械式交換機

◦ 多重化

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講義概略（伊藤担当分）◦ラジオによる通信

◦ AM変調とFM変調

◦音のディジタル化

◦ PCM符号化

◦線形量子化と非線形量子化

◦ディジタル交換

◦時分割多重化

◦ Voice over Internet (VoIP)

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講義概要（伊藤担当分）◦携帯電話と高能率符号化

◦音声のスペクトルとボコーダ

◦線形予測に基づく符号化

◦インターネットと音声

◦音楽のディジタル化と配信

◦電話で音楽

◦電話の未来

◦自動翻訳電話

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人間の聴覚聴覚器官

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蝸牛：音の分析器官

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基底膜と有毛細胞

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音の大きさの感覚◦人間が感じる音の大きさ＝ラウドネス

◦音の大きさの感覚は、音の高さにも依存する

◦等ラウドネスレベル曲線：1kHzの正弦波と同じ高さに聞こえる音の強さを結んだもの

◦ラウドネスレベルの単位：phon(1kHz正弦波に換算したときの音圧の値）

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音の高さの感覚◦音の高さは周波数と関連しているが、比例はしていない

◦ 1kHzの音の高さを1000としたときの音の高さ感覚＝メル(mel)

◦音の高さ感覚は周波数の対数にほぼ比例するが、500Hzあたりで傾きが変わる

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音声の生成◦声を生成する器官

◦声帯◦喉頭◦咽頭◦舌◦歯茎◦歯◦口唇◦鼻腔

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音響管モデル◦人間の発声機構は管楽器に似ている

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音響管モデル◦人間の発声機構は管楽器に似ている

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音響管モデル◦人間の発声機構は管楽器に似ている

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声道の長さ個人性の最も重要なパラメータ◦成人男性で約17.5cm

◦成人女性で約15.2cm

◦子供（８歳）で約12.2cm

長い声道長→低い共振周波数（太い声）

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音声の知覚◦通常の音声は8kHzぐらいまでにほとんどの情報が含まれる

◦どこまで情報を削っても良いのか？

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音声の知覚◦ 音声にLPF（低域通過フィルタ）とHPF（高域通過フィルタ）をかけた音声の音節明瞭度[Lipmann, 1996]

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• 低域なら3～4kHz程

度で高い明瞭度が得られる

• 電話の帯域は3.6kHz程度

電話の発明以前17世紀 Robert Hooke（イギリス,1635-1703）◦ フックの法則で有名、顕微鏡の発明者

◦ Acoustic String Phone (1667) いわゆる糸電話

↑Tin can telephone(19C)商用糸電話(19C) →（いずれもWikipediaより） 20

電話の発明以前伝声管 (Speaking Tube)

http://plaza.rakuten.co.jp/shima365/diary/200905030000/

戦艦三笠の伝声管

細い管を通して声を伝える通常の音声よりもずっと遠くまで届く

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「天空の城ラピュタ」より

糸電話や伝声管の声はなぜ遠くまで届くのか？自由空間内の音圧は音源からの距離の2乗に反比例する（球面波）

1次元的に伝搬する振動（糸や管）は距離減衰しない◦媒質の損失による減衰はあるので無限には届かない

距離減衰

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𝑝(𝒓) ∝𝑝0

4𝜋 𝒓 2

空間上で声の伝搬を1次元にするにはパラボラ（回転放物面）を使った音声通信◦仙台市科学館のロビーにあります

平面波（波が広がらない）伝声管と似た効果がある

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空気による音の減衰指数的に減衰する◦𝑝 = 𝑝0 exp −0.1151𝛼𝑥 (ISO9613-1)

◦pは音のエネルギー、p0は音源でのエネルギー

◦αは減衰係数◦周波数、温度、湿度、気圧に依存する

◦音が1m進むとα dB減衰する

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空気による音の減衰◦減衰係数の周波数特性

◦ 20℃、湿度50%、1気圧

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1.00E-02

1.00E-01

1.00E+00

1.00E+01

1.00E+02

1.00E+03

50 500 5000

吸収係数

周波数 (Hz)

声を遠くまで伝えるには◦減衰しない媒体を選ぶ

◦ 100Hzの音、100mの場合

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パイプ（空気減衰のみ）

音圧p 0.034p

100m

銅線（直径1mm）電圧v

スピーカ8Ω21mΩ/m

0.65v

電気通信、始まる◦電線を使う通信：電信

(telegraph)◦ Cf. NTT=Nippon Telegraph &

Telephone

◦ 19世紀初めに発明、1839年事業化

◦電線を通してモールス信号を送る

◦モールス信号 (Morse Code)◦ .と-でアルファベット・数字を表現する

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電話の発明◦電話の発明者はAlexander Graham Bellだと言われているが・・・◦ 1856 Antonio Meucci電話的な装置発明

◦ 1860 Johann Philipp Reis 電話的な装置発明

◦ 1876 Alexiander Graham Bell 電話の特許取得

◦ 1876 Elisha Gray 電話の発明（水マイクロフォン）

◦ 1876 Tivadar Puskás電話交換台の発明

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電話の発明Alexander Graham Bell◦電話の特許取得(1876)

◦電磁式トランスデューサを利用

◦American Telephone & Telegraph社創立(1885)◦ AT&T、米国最大の電話会社

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電話の基本構成◦振動－電気変換器（トランスデューサ）

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音声振動→電気

電気→振動

音声電気

マイクロフォン(microphone)

スピーカ(loudspeaker)

マイクロフォン◦空気の振動を電圧変化に変換

◦空気振動を振動膜（ダイヤフラム）で受け、その振動を抵抗/電圧/静電容量などに変換する

◦マイクロフォンの種類◦カーボンマイクロフォン

◦ダイナミックマイクロフォン

◦コンデンサーマイクロフォン

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カーボンマイクロフォン◦最初の実用的なマイクロフォン

◦黒炭粒子の振動による抵抗の変化を利用

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ダイナミックマイクロフォン◦コイルと磁石で振動を電圧に変換

http://shure.custhelp.com/app/answers/detail/a_id/742/~/difference-between-a-dynamic-and-condenser-microphone

http://artsites.ucsc.edu/EMS/music/tech_background/te-20/teces_20.html

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コンデンサーマイクロフォン◦金属膜でコンデンサーを作り，振動を静電容量に変える

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スピーカー

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◦電気を音に変換する

◦ダイナミック型が多い◦ダイナミック型マイクロフォンと同じ構造

◦ユニットを覆う筐体（エンクロージャー）が必要

ベースバンド通信◦送信者と受信者をつないで音声（に対応する電気）信号を直接送受信する◦方式としては単純→回路構成が単純

◦ 1対の電線で1回線しか通信できない

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◦そのまま長距離伝送すると電線間のキャパシタンスが問題になる

◦𝐿𝐺 = 𝑅𝐶となったとき損失が最小になる→コイルを足してキャパシタンスを増す＝装荷ケーブル

装荷ケーブルと無装荷ケーブル

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𝑅

𝐶𝐺

𝐿

インダクタンスLとコンダクタンスGは小さい

装荷ケーブルと無装荷ケーブル◦装荷ケーブルの問題点

◦高周波の減衰が激しい

◦コイルを挟むのではなく途中に増幅器を入れる→無装荷ケーブル◦松前重義による発明(1932)

◦東北帝国大学工学部電気工学科卒・東海大学創設者・衆議院議員

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電氣學會雑誌「長距離電話回線として無装荷ケーブルを用ひたる實驗」より

交換台 (Switchboard)◦初期の電話回線では人間の交換手が電話を切り替えていた

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ステップ･バイ･ステップ交換器

◦縦横方向に動くアームで自動的に接点につなぐ◦受話器から送られたダイヤルパルスで駆動される

◦ 1つのスイッチあたり100回線

◦直列につなぐことで連続ダイヤルに対応

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https://www.youtube.com/watch?v=xZePwin92cI

この部分がスイッチ

ステップ･バイ･ステップ交換器

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◦ネットワーク上に配置されたスイッチ間を接続

◦手前から順番にスイッチを切り替えていく

クロスバー交換器クロスバースイッチによる回線交換◦制御は論理回路による

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各行・各列に対して1カ所のスイッチだけONにする

多重化◦1本の線で1回線しか通話できないのは不経済→1本の線で複数回線を伝送

◦多重化の種類◦周波数分割多重(FDM)

◦時間分割多重(TDM)

◦符号分割多重(CDM)

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CDMとTDMはディジタル通信で使われる

周波数分割多重◦複数のキャリア周波数で入力音声を変調

◦ラジオやテレビ放送と同じ原理

◦ AM変調、FM変調

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f入力音声 f

搬送波（キャリア）

無線による音声通信（アナログ通信）放送用途：ラジオ放送◦AM放送：振幅変調を使う◦FM放送：周波数変調を使う

通信用途◦業務無線（警察、船舶、消防、防災、鉄道、航空、タクシー、等）

◦アマチュア無線◦特定省電力無線（短距離トランシーバ、ワイヤレスマイク等）

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AM（中波）放送◦振幅変調(AM)を利用

◦音声周波数帯域の2倍の帯域幅を必要とする

◦送信・受信設備とも簡易

◦531kHz～1602kHz の周波数を利用◦キャリアは9kHz刻み（つまり音声は4.5kHzまで）

◦20世紀初めに放送開始◦日本では1925年放送開始（東京放送局、現在のNHK）

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AM変調◦搬送波の振幅に情報を載せる方式

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信号𝑦 = cos 2𝜋𝑓𝑡

搬送波𝑦 = 𝐴cos 2𝜋𝑓𝑐𝑡

振幅変調波𝑦 = 𝐴(1 + a cos 2𝜋𝑓𝑡) cos 2𝜋𝑓𝑐𝑡

FM（超短波）放送◦周波数変調(FM)を利用

◦音声周波数帯域の10倍の帯域を使用◦ 高いSN比が得られる

◦ 76.1MHz～89.9MHzを使用◦音声信号の帯域は15kHz◦変調波の帯域は±75kHz◦ステレオ信号を伝送

◦米国では1930年代後半から放送開始◦ 1953年「長岡教育放送」

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FM変調◦搬送波の周波数偏移に情報を載せる方式

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信号𝑦 = cos 2𝜋𝑓𝑡

搬送波𝑦 = 𝐴cos 2𝜋𝑓𝑐𝑡

周波数変調波𝑦 = 𝐴cos(2𝜋𝑓𝑐𝑡 + 𝑓𝑚sin 2𝜋𝑓𝑡 )

短波放送◦振幅変調(AM)を利用

◦3MHz～30MHzまでの周波数を利用◦中波と超短波の間

◦短波は地球の電離層で反射するので遠距離の放送が可能◦世界各地の放送が受信できる

◦デジタル放送がある（日本にはデジタル放送局はない）

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