エアバンドAMラジオのシミュレーション

警告: 多くの不快な音が含まれています。いつものコーディング関連の話題から少し離れて、飛行機とラジオについて話しましょう！ここ数年、私はほとんどの土曜日に、BMSという現代的な戦闘フライトシミュレーターで遊んだり（時々開発したり）しています。このシミュレーターでは、あなたと友人たちが仮想F-16で敵を爆撃します。30人以上が参加する協力プレイゲームはどれも楽しいですが、航空戦はチームスポーツとしての側面が特に面白いです。敵の防空網との激しいドッグファイトや、敵の対空ミサイルを回避するゲームを繰り広げ、数機のジェット機が目標上空で数秒間爆弾を投下できるようにします。これらは一切スクリプト化されておらず、全員が協力して生きて帰らなければなりません。これには多くの会話が必要になるだろうと想像できるでしょう。BMSにはIVCというボイスチャットアプリが同梱されています。没入感を高めるために、仮想コックピット内の無線機をシミュレートしています。チャットルームに参加するのではなく、無線周波数にチューニングします。話している相手からジェット機が離れるにつれて信号は弱くなり、両者とも低空飛行している場合は地形によって完全に遮断されることもあります。驚くべきことに、航空機の無線機、たとえ多くの軍用機であっても、VHFおよびUHF帯で動作するシンプルなAMセットが依然として使用されています。数十年にわたる技術進歩を経てもそれが続いている理由の一つは、AMラジオには「キャプチャー効果」がないことです。2人が同じ周波数で送信する場合、FMとは異なり、より強い信号が弱い信号をミュートまたは「キャプチャー」するのとは対照的に、両方の相手を（ある程度）聞くことができます。ネバダ州でのレッドフラッグ訓練演習中に捉えられた、戦闘機パイロットがお互いの通信に割り込むときの音は次のとおりです。だから、IVCが人々が互いに通信を妨害するたびにこの音を出すのを聞いたときの私の…好奇心を想像してみてください。それは私が思っている以上に私を悩ませます。そこで、友人がより良いUXと最新のオーディオコーデックを備えたIVCの代替品を開発し始めたとき、私はリアルなAMラジオのダイナミクスに貢献したいと思いました。例えばこれらのようなものです。どうやって？詳しく見ていきましょう。ラジオ101: 伝搬損失、デシベル、SNR誰かと無線で話したいとします。アンテナ設計の魔法は一旦置いておきましょう。適切な長さのワイヤーを切断し、その中の電子を揺らせば、それらのいくつかが電磁波として空間に奇跡的に放出されると仮定します。それらの波が何かに衝突しなくても、送信アンテナからの距離の二乗に比例して弱くなります。これは、それらが移動中に広がるためです。送信元Sからの波は、移動中に広がります。（Wikipedia）これはすべての波、音、無線、光に当てはまります。3そして、異なる距離から非常に異なる電力レベルが生じるため、私たちの感覚は対数スケールで機能する必要があります。それらは実際に驚くべきものです。ジェットエンジンの轟音は、最も静かなささやきの百万倍も大きく、両方を聞くことができます。部屋は晴れた日の百万倍暗くても、両方を見ることができます。無線周波数（RF）の世界も同様です。そのような広い範囲の数値で作業するのは面倒なので、信号強度をデシベルと呼ばれる対数スケールで表すことがよくあります。略してdBです。デシベルで記述したい最初のものの1つは、信号対雑音比、またはSNRです。SNR: 40 dB音量再生デシベルは常に2つの値の間の無単位の比であり、0 dBは「等しい」を意味し、±3 dBごとに電力はおおよそ倍増または半減します。したがって、SNRについて議論する場合、0 dBは信号がノイズと等しい電力であることを意味します。ノイズの一部は人為的なものであり、一部は雷雨のような大気現象に由来し、一部は宇宙から来ています。無線機の電気部品の不完全さからさらにノイズが発生します。そして、それらのノイズをすべて除去できたとしても、受信機の電子が振動する熱エネルギーを聞くことになるでしょう。（この現象を熱雑音と呼び、理論上の最小値です。）しかし、ノイズがどこから来ても、常に存在します！私たちはそれを取り除くことは決してできません。受信時に信号がノイズよりも大きいことを願うだけです。振幅変調（AM）では、どのような波を放送すべきでしょうか？あなたの声（そしてあなたが聞く他のすべて）を構成する周波数は、毎秒20から20,000サイクル、つまりヘルツです。しかし、周波数が低いほど波長は長くなり、適切なアンテナは波長の少なくとも4分の1になります。10 kHzの信号を受信するには、7キロメートル以上のワイヤーが必要になります。4代わりに、実際に送信できるより高いキャリア周波数に音声をシフトしましょう。簡単なアプローチは、音声の振幅でキャリア波の振幅を変調することです。これを振幅変調、または略してAMと呼びます。変調指数: 0.90私たちの声は、変調指数kで乗算することによって、より高い周波数のキャリアに変調されます。キャリア波の周波数はまったく変更されません。結果のAM信号の輪郭、つまりエンベロープが、私たちの声の鏡像コピーであることに注意してください。さて…ラジオには何が入っているのでしょう？ラジオがさまざまな周波数にどのようにチューニングされるか（答えはあなたを驚かせるかもしれません！）を省略すると、AM信号を聞くために解決すべき他の問題がいくつかあります。私たちが気にしないすべての周波数をフィルタリングし、実際に必要な周波数帯域のみを通過させる必要があります。（それをパスバンドと呼びましょう。）信号は、受信する時点ですでに非常に弱い可能性があります（上記参照）。そのため、増幅する必要があります。最後に、エンベロープ検出器を使用して、AM信号から音声を抽出、つまり復調します。フィルタリング一部の周波数を通過させ、他の周波数をブロックするにはどうすればよいでしょうか？回路101について話しましょう。アナログの世界では、私たちは以下を扱います。電流（I）、回路を流れる電子を表します。電圧（V）、回路の2つの部分間の電位エネルギーを表します。抵抗（R）、電流の流れに対する回路の一部が示す抵抗を表します。それらは直感に反する方法で振る舞うことがありますが、オームの法則に従って常に互いに比例しています: V=IRV = IRV=IRこの知識があれば、最も単純で有用なアナログ回路の1つを作成できます。それは分圧器です。波線は抵抗器を表し、下部にある逆向きの破線三角形はグラウンド、つまり0ボルトを表し、他のすべての電圧と比較します。抵抗器は電流の流れに抵抗するため、出力電圧は2つの抵抗器の比率に基づいて、入力電圧のある割合になります。スライダーをドラッグして比率を変更し、次のことを観察します。Vout=Vin⋅R2R1+R2V_{out} = V_{in} rac{R_2}{R_1 + R_2}Vout​=Vin​⋅R1​+R2​R2​​もし抵抗器の1つをより興味深いものに置き換えたらどうなるでしょうか？この記号はコンデンサを表します。これは、2つのプレートの間に電荷を蓄え、後で放電できる部品です。R2R2R2​をコンデンサに置き換えると、次のようになります。Vout(t)=Vin⋅(1−e−t/RC)+V0⋅e−t/RCV_{out}(t) = V_{in} imes (1 - e^{−t/RC}) + V_0 imes e^{−t/RC}Vout​(t)=Vin​⋅(1−e−t/RC)+V0​⋅e−t/RC 時間 ttt が経過するにつれて、VoutV_{out}Vout​ は、抵抗 RRR にコンデンサ CCC を掛けた値で決まる速度で、V0V_0V0​ から VinV_{in}Vin​ への 95% の値に漸近します。ここで、V0V_0V0​ は単に開始電圧でした。これにより、コンデンサはさまざまな用途に役立ちますが、今日私たちが気にかけているのは、一定の入力（アンテナからの波など）ではなく、交流入力が与えられたときの動作です。コンデンサは常に充電と放電を繰り返しているため、周波数が高くなるにつれて抵抗値5は減少します。これにより、RC回路は低周波を通過させ、高周波を縮小または減衰させるローパスフィルタになります。抵抗器とコンデンサを入れ替えるだけで、ハイパスフィルタになります。コンデンサが VinV_{in}Vin​ からの低周波をグラウンドにシャントする代わりに、VinV_{in}Vin​ から高周波を通過させるため、低周波は減衰します。フィルタ設計は驚くほど複雑になる可能性があり、この分野には専門書全体があります。