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通信工学の基本md 8c3a01e
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通信工学つうしんこうがく基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_607729d375d0265c1e70bcb1f9031bdddescription信号の周波数表現、線形時不変システム、変調、信号対雑音比、帯域の基礎を説明する。prerequisitesフーリエ変換の基本 / 複素数 / 確率の基本type講義statusactiverelateddata/lecture/information/communications/communications-engineering-portal.lecture.n.md / data/lecture/information/communications/sampling-and-sampling-theorem-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/analysis/introduction-to-fourier-transform.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/complex-numbers-and-complex-plane.lecture.n.md / data/lecture/math/statistics/probability-distribution-basics.lecture.n.md
informationcommunicationsundergraduatelecture
data/lecture/information/communications/communications-engineering-portal.lecture.n.md

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、信号しんごう時間領域じかんりょういき周波数領域しゅうはすうりょういき双方そうほう表現ひょうげんし、通信路つうしんろ作用さよう変調へんちょう雑音ざつおん帯域制約たいいきせいやく分析ぶんせきする方法ほうほう説明せつめいする。

data/lecture/math/analysis/introduction-to-fourier-transform.lecture.n.md

2信号しんごう周波数しゅうはすう

信号しんごうSignalとは、情報じょうほう伝達でんたつまたは表現ひょうげんする、時間じかん空間くうかんなどの変数へんすう関数かんすうである。この講義こうぎでは連続時間信号れんぞくじかんしんごう x(t)あつかう。

周波数しゅうはすうFrequencyとは、周期的しゅうきてき変化へんか単位時間たんいじかん反復はんぷくする回数かいすうである。周波数しゅうはすう f単位たんいは Hz であり、角周波数かくしゅうはすうとの関係かんけいω=2πf である。

通信工学つうしんこうがくでは虚数単位きょすうたんいjあらわし、j2=-1 とする。x とそのフーリエ変換へんかんがともに可積分かせきぶんで、x連続れんぞくである場合ばあいかんがえる。フーリエ変換へんかん

X(f)=-x(t)e-j2πftdt

とする。逆変換ぎゃくへんかん

x(t)=-X(f)ej2πftdf

であり、これらの仮定かていもと各時刻かくじこくにおいて反転はんてんできる。X(f) は、x(t)ふくまれる各周波数成分かくしゅうはすうせいぶん振幅しんぷく位相いそう表現ひょうげんする。数学すうがく参照講義さんしょうこうぎもちいる角周波数かくしゅうはすう変換へんかん Xω(ω) とは、X(f)=Xω(2πf)関係かんけいにある。より一般いっぱん信号しんごうには、二乗可積分関数にじょうかせきぶんかんすう超関数ちょうかんすうとしてフーリエ変換へんかん拡張かくちょうする。

3線形時不変せんけいじふへんシステム

線形時不変せんけいじふへんシステムLinear time-invariant system; LTI systemとは、かさわせを保存ほぞんする線形性せんけいせいと、入力にゅうりょく時間移動じかんいどう出力しゅつりょくおな時間移動じかんいどうしょうじる時不変性じふへんせいたすシステムである。

LTI システムのインパルス応答おうとうh(t) とすると、入力にゅうりょく x(t)出力しゅつりょく y(t)関係かんけい

y(t)=(h*x)(t)=-h(τ)x(t-τ)dτ

である。フーリエ変換へんかん存在そんざいする条件じょうけんもとでは、周波数応答しゅうはすうおうとうFrequency response H(f) によって

Y(f)=H(f)X(f)

表現ひょうげんできる。複素指数関数ふくそしすうかんすうは LTI システムの固有関数こゆうかんすうであり、システムは入力複素指数関数にゅうりょくふくそしすうかんすう周波数しゅうはすう保存ほぞんし、その複素振幅ふくそしんぷくH(f)じょうじる。この性質せいしつにより、フィルタや通信路つうしんろ周波数しゅうはすうごとに分析ぶんせきできる。

4変調へんちょうとスペクトル移動いどう

変調へんちょうModulationとは、情報じょうほうあらわすベースバンド信号しんごうおうじて、搬送波はんそうは振幅しんぷく周波数しゅうはすう位相いそうなどを変化へんかさせる操作そうさである。ここでは周波数移動しゅうはすういどう明確めいかくにするため、両側波帯抑圧搬送波振幅変調りょうそくはたいよくあつはんそうはしんぷくへんちょうれいとする。

s(t)=m(t)cos(2πfct)

このとき、フーリエ変換へんかん周波数移動則しゅうはすういどうそくから

S(f)=12{M(f-fc)+M(f+fc)}

る。したがって、ベースバンドスペクトルは ±fc周囲しゅうい複写ふくしゃされる。M(f)=0|f|>B成立せいりつし、fc>B なら、正周波数側せいしゅうはすうがわ側波帯そくはたいfc-B から fc+Bおよび、その占有帯域幅せんゆうたいいきはば2B である。変調へんちょうによって、アンテナや通信路つうしんろてきした周波数帯しゅうはすうたい利用りよう、および複数信号ふくすうしんごうへのことなる周波数帯しゅうはすうたい割当わりあてが可能かのうとなる。復調ふくちょうには、使用しようした変調方式へんちょうほうしき対応たいおうする受信処理じゅしんしょり必要ひつようである。

5雑音ざつおんと SNR

加法性雑音かほうせいざつおん仮定かていすると、受信信号じゅしんしんごう

r(t)=s(t)+n(t)

表現ひょうげんできる。ここで n(t)雑音ざつおんである。信号対雑音比しんごうたいざつおんひSignal-to-noise ratio; SNRとは、同一どういつ測定点そくていてんおよび測定帯域そくていたいいき評価ひょうかした信号電力しんごうでんりょく Ps雑音電力ざつおんでんりょく Pnである。

SNR=PsPn,Pn>0

確定的信号かくていてきしんごう u(t)平均電力へいきんでんりょくは、極限きょくげん存在そんざいする場合ばあい

Pu=limT12T-TT|u(t)|2dt

定義ていぎする。確率的雑音かくりつてきざつおん n(t)広義定常こうぎていじょうであると仮定かていすると、二乗値にじょうち期待値きたいち Pn=E[|n(t)|2]時刻じこく依存いぞんせず、平均電力へいきんでんりょくあらわす。このあたいは、平均へいきんが 0 の場合ばあいにのみ分散ぶんさん一致いっちする。

dB 表示ひょうじでは

SNRdB=10log10PsPn

となる。SNR は受信品質じゅしんひんしつ評価ひょうかする指標しひょうひとつであるが、同一どういつの SNR でも、変調方式へんちょうほうしき符号化ふごうか雑音分布ざつおんぶんぷ判定方式はんていほうしきによってあやまりつことなる。

6帯域たいいき

帯域たいいきBandwidthとは、信号しんごうまたはシステムが占有せんゆうまたは通過つうかさせる周波数範囲しゅうはすうはんい、あるいはそのはばである。ただし、帯域たいいき定義ていぎ文脈ぶんみゃく依存いぞんする。厳密げんみつ帯域制限たいいきせいげんされたベースバンド信号しんごうでは、ある B>0たいして |f|>BX(f)=0 となり、B片側帯域幅かたがわたいいきはばまたは最高周波数さいこうしゅうはすうぶ。両側りょうがわ支持範囲しじはんい [-B,B]はば2B である。実際じっさい信号しんごうやフィルタではスペクトルが完全かんぜんには 0 にならないことがあるため、占有帯域幅せんゆうたいいきはばや 3 dB 帯域幅たいいきはばなど、目的もくてきおうじた規約きやくもちいる。

ひろ帯域たいいきは、より急速きゅうそく波形変化はけいへんかたか情報速度じょうほうそくど実現じつげんする余地よちあたえるが、達成可能たっせいかのう通信速度つうしんそくど帯域たいいきだけではまらない。SNR、変調へんちょう符号化ふごうか許容誤きょようあやまりつなども関係かんけいする。

7要点ようてん

  • フーリエ変換へんかん信号しんごう周波数成分しゅうはすうせいぶん分解ぶんかいする。
  • LTI システムはたたみで記述きじゅつされ、周波数領域しゅうはすうりょういきでは周波数応答しゅうはすうおうとうとの乗算じょうざんになる。
  • 変調へんちょう情報信号じょうほうしんごうのスペクトルを伝送でんそうてきした周波数帯しゅうはすうたい移動いどうできる。
  • SNR は同一どういつ測定点そくていてん帯域たいいきにおける信号電力しんごうでんりょく雑音電力ざつおんでんりょくである。
  • 帯域幅たいいきはばべるときは、帯域制限たいいきせいげん占有帯域幅せんゆうたいいきはば、3 dB 帯域幅たいいきはばなどの定義ていぎ明示めいじする。

8つぎすす講義こうぎ

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