ワイヤレスの基礎：電波のしくみ
あなたは、電波のおかげで毎日どれだけの機器を使用しているか、数えることができますか？ この技術の活用によって、私たちの生活がどれほど影響を受けているかを考えると、少し圧倒されるかもしれません。 スマートフォンからノートパソコン、GPS、ベビーモニターまで、私たちはこの電磁エネルギーを利用して、驚くべきものを作り出してきました。
そこで、ワイヤレス電子工学の基礎シリーズでは、ワイヤレスの世界の基礎を理解し、できれば、その過程でいくつかの謎を払拭するのに役立つ情報をお届けします。
ワイヤレスの広い世界
電波を取り巻く科学に飛び込む前に、電波が私たちの日常生活にどれほど影響を与えたかを示すことによって、このテーマを正しく理解する必要があります。 スマートフォンのおかげで、目覚まし時計の音で目が覚めたとします。 早朝の目覚ましは、電波のおかげです。 スマートフォンのワイヤレス目覚まし時計は、電波によって実現されているのです。 (画像引用元：
朝の朝食をとるとき、ラジオやテレビをつけて世の中の動きに耳を傾けているかもしれませんね。 このような音声や映像の情報は、どのようにしてあなたのもとに届いているのでしょうか。 またまた電波で。 また、出勤前に交通状況を確認し、最も効率的なルートを計画するために、車のダッシュボードに搭載されたGPSを使うかもしれません。 もっと電波を。
早くどこかに行きたいですか？ 今のクルマのGPSはそれを可能にする。 (画像出典）
朝の通勤時間には、お気に入りの朝のトークショーに耳を傾けたいかもしれませんね。 あなたが接続するラジオ局は、一日中いつでも送信されている多くの特定の電波周波数のうちの1つです。 職場に着いたら、コンピュータの前に座り、ワイヤレスでワールドワイドウェブに接続するかもしれません。 Google ドキュメント、Web サイト、電子メールを読み込むと、すべて電波を使用して、WiFi を通じてワイヤレスにインターネットに接続されます。 現代のワイヤレス通信は、従来のラジオ内部のシンプルな設計から構築されており、世界中の人類を情報、ビデオ、オーディオ、データ、およびその他多くのものでつなぐことを可能にしています。 しかし、ラジオ波が今日その使用でいかに普及しているかについては、正確にどのように機能するか、そしてラジオ波とは何ですか？
電磁気学に学ぶ
電波は、赤外線、X線、ガンマ線、ラジオなど、特定の機能を持つさまざまな波からなる電磁スペクトルと呼ばれるものの中の1つでしかないのです。 3644>
電磁波スペクトルは、ROYGBIVよりも、左側の低周波と低波長です。 (画像出典）
このスペクトルの構成は、周波数、波長の2つの測定値で分類されます。 その内訳は、
- 周波数です。 これは基本的に、1秒間にどれだけの電磁波がある地点を通過するかということです。 各波の頂上（波の中で最も高い点）を数えることで測定でき、ヘルツ単位の数値が得られます。
- 波長。 これは、波の最高点の2つの間の実際に測定できる距離、または周期です。 波長は、ある波では原子の大きさより短く、ある波では私たちの惑星全体の直径より長くなることがあります
電磁スペクトルのすべての波は、周波数と波長の両方で測定されます。
この電磁スペクトルにおいて、電波は最も長い波長と最も低い周波数の両方を持ち、ゆっくりと着実に、長距離のランナーとなっています。 しかし、FMやAMの電波、携帯電話の電波、WiFiの電波など、あらゆる方向から電波を浴びているとき、これらの電波はすべて同じ空間を共有していると考えてよいのでしょうか。 電波スペクトルの特定の帯域を共有することで実現しており、以下のようなものがあります。
| 名称 | 略称 | 周波数 | 波長 | ||||
| 極低周波 | ELF | 105-104 km | |||||
| 超低周波 | SLEF | 30-300 Hz | 104-103 km | ||||
| 超低周波数 | ULF | 103-100 km | |||||
| 超低周波 | VLF | 100-10 km | |||||
| Low->Line中周波 | LF | 30-300 kHz | 10-1 km | ||||
| MF | 1 km – 100 m | ||||||
| 高周波 | LF-MF | 2-3kHz | 5桁 | HAF | 3-30 MHz | 100-10 m | |
| 超高周波 | VHF | 30-300 MHz | 10-1 m | ||||
| Ultra High-frequency | 10-10 m周波数 | UHF | 300 MHz – 3 GHz | 1 m – 10 cm | |||
| スーパーハイビジョン | SHF | 3-30 GHz | 10-1 cm | ||||
| 超高周波領域6006> | EHF | 1 cm – 1 mm | |||||
| 超高周波 | THF | 1 mm – 0.1 mm |
超高周波（UHF）帯は、300メガヘルツ（MHz）～3ギガヘルツ（GHz）の周波数を持つ周波数帯です。 UHF帯は、WiFi、Bluetooth、GPS、トランシーバーなど、特定の技術に使用されていることがわかります。 一方、3～30ヘルツの超低周波（VLF）帯は、政府の無線局、安全な軍事通信、潜水艦に独占的に使用されています。 米国は、これらのすべての無線サービスが周波数ごとにどのように割り当てられているかを示す無線周波数割当表を毎年発表しています。
Embedded Communications
さて、特定の周波数の電波が、場所から場所まで正確にどのように届くのだろうかと疑問に思うかもしれませんね。 地球の裏側にいる人とスマートフォンで会話できる魔法は、いくつかの非常に単純な原則に集約されます。 従来のAM/FMラジオも、スマートフォンのラジオも、すべてのラジオは、送信機と受信機の両方を使用して情報を送信する同じ基本的な方法を使用しています。 この波は空中を飛び、最終的に受信機がキャッチし、正弦波の中の情報をデコードして、音楽、人の声、または他のデータのビットなど、私たちが望むものを取り出します。
私たちが電波からデコードできる情報はすべて、正弦波として送信されます。
興味深いのは、正弦波だけでは必要なデータが含まれていない、基本的に空の信号であることです。 このため、この正弦波を変調する必要があります。これは、有用な情報をもう1層追加するプロセスです。 変調の方法には、次の3つがあります。
- パルス変調。 この方法では、正弦波をオン・オフすることで、信号のビットを別々のチャンクで送信することになります。 救難信号を送るモールス信号のことを聞いたことがあるだろうか。 これはパルス変調を使用しています。
- Amplitude Modulation（振幅変調）。 この方法は、AMラジオ局や古いアナログテレビ信号の両方で使用されています。 ここでは、正弦波に人の声のような別の情報の波が重ねられています。 この波に別の情報を埋め込むと、元の正弦波の振幅に変動が生じ、静電気を発生させることができます。
正弦波と変調波の信号を一緒にすると、元の信号が変調されるのです。 (画像ソース）
- 周波数変調。 この方法は、FMラジオ局や、事実上すべての他のワイヤレス技術で使用されています。 正弦波に大きな変動をもたらす振幅変調とは異なり、周波数変調は正弦波をほとんど変化させないので、静電気が起こりにくいという利点もあります。
周波数信号で正弦波を変調すると、振幅変調よりも変調度が小さくなる。 (画像ソース）
変調されたすべての正弦波を送信機で送り、受信機で受信すると、埋め込んだ情報の波が取り出され、スピーカーから音声として再生したり、テレビ画面に動画として表示したりと、好きなように操作できるようになるのです。
Somewhere Between A and B
以上の変調、送信機、受信機の説明で、電波を送るのはA点からB点への単純な移動だと思うかもしれませんが、必ずしもそうとは限りません。 電波は送信機から受信機までまっすぐ薄い空中を飛んでいくとは限りませんし、どのような周波数をいつ送りたいかによって、最終的にどのように移動するかが決まります。 この旅には、次の3つの方法があります。
Line of Sight (Space Wave)
この方法では、電波はポイントAからポイントBに単純な光のビームとして送信されます。
地上波（表面波）
地上波という形で、地表の曲率に沿って電波を送ることもできます。 このように短～中距離を移動するAM電波が見られるので、目線の先に送受信機がなくても電波を聞くことができるのはこのためです。
電離層（スカイウェーブ）
最後に、あなたはまた、大気中の電荷の一部である地球の電離層に跳ね返る終わる空に向かってまっすぐ電波を送信することができます。 この場合、電波は電離層にぶつかり、跳ね返って地球に届き、また跳ね返ってきます。 これが、電波を最終目的地まで何度も跳ね返すミラーリングの過程です。
地上、宇宙、空を経由して、電波が取ることのできる移動方法は3つとも揃っています。 (画像出典)
この時点で、電波についていくつかのことを集めました。すなわち、非常に特定の周波数で伝わり、送信機と受信機の両方で通信し、地球上をさまざまな方法で移動できることです。 しかし、さまざまな電波が飛び交っている中で、スマートフォンやカーラジオはどの周波数を受信し、どの周波数を無視すればよいかをどのように判断しているのでしょうか。 そこで登場するのが、アンテナです。
It’s All About Antennas
アンテナにはさまざまな形やサイズがありますが、すべて同じ目的のために設計されています – 非常に特定の電波を拾うためです。 FM ラジオから突き出ている長い金属線から、衛星放送受信アンテナのような丸いもの、あるいは PCB 上のきっちりした銅片まで、さまざまなアンテナを見かけることができます。 送信機では、アンテナは電波を送るために使われ、受信機では、電波を拾うために使われるでしょう。 アンテナはすべて、次のような3つの特徴を持っています：
- Direction. このようなダイポールのようないくつかのアンテナの種類については、アンテナは、電波の送信の方向を向いて、適切な方向にマウントされている必要があります。 FMラジオに見られるような一部のアンテナタイプは、特定の方向に向ける必要がなく、どの角度からでも電波信号を捕らえることができます。
- ゲイン。 アンテナの利得は、信号をどの程度ブーストするかを表します。 例えば、古いアナログ・テレビの電源を入れると、ぼんやりとした映像が得られます。 これは、テレビの金属ケースや部品がアンテナとして機能するためです。 しかし、実際の指向性アンテナを接続すると、信号をブーストすることができ、より良い画像を得ることができるようになります。 デシベル（dB）単位で測定される利得が大きいほど、受信状態は良好になります。
- 帯域幅。 最後に、アンテナの帯域幅は、有用な周波数の特定の範囲です。 帯域幅が広いほど、より多くの電波を拾うことができます。 これは、より多くのチャンネルを取得することができますので、テレビに最適です。
宇宙に電波を飛ばすために使われる巨大アンテナ。 (画像出典）
Time to Phone Home
電波はどこにでもあります！
Time to Phone Home
電波はどこにでもあります。 もし、あなたが自分の目で電波を見ることができたらと想像してみてください。 ルーターから、携帯電話から、そして近所の無線LAN機器から、至る所に電波が飛び交っていることでしょう。 電波がなければ、GPSやWiFi、Bluetoothなどの便利な発明を享受することはできなかったでしょう。 しかし、電波は私たちの物理的、地球上の存在をはるかに超えて広がっています。 クエーサー、分子、および他の銀河を発見するために、電波天文学を使用して、既知の宇宙の最も遠い領域が探索されました！
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