有線・無線回線のための簡易テレメータシステム

(1)

東京大学地震研究所技術報告，

N o . 5

，

1 6 ‑ 2 2

頁，

1 9 9 9

年.

T e c h n i c a l R e s e a r c h R e p o r t

，

E a r t h q u a k e R e s e a r c h I n s t i t u t e

，

U n i v e r s i t y o f Tokyo

，

N o . 5

，

p . 1 6 ‑ 2 2

，

1 9 9 9 .

有線・無線回線のための簡易テレメータシステム

瀬戸憲彦*・中村正夫*.北浦泰子*.田上貴代子*

A S i m p l i f i e d T e l e m e t e r i n g System f o r W i r e ‑ u s e o r W i r e l e s s T r a n s m i s s i o n

N orihiko SETO

ヘ

MasaoN AKAMURA

ヘ

YasukoKITAURA* and Kiyoko TAGAMI*

Abstract

m u l t i ‑ o b s e r v a t i o n s i t e s .

I n order t o analyze a mechanism o f earthquakes around Wakayama‑city

，

we have had the earthquake observation plan using a w i r e l e s s or wire type t e l e m e t e r i n g system i n t h i s area with

For t h i s purpose

，

we have developed a following telemetering s y s t e m .

This r e p o r t d e s c r i b e s a one‑channel type FM‑FM ( w i r e l e s s ) and FM ( w i r e ) telemetering s y s t e m . The system has t h e following c h a r a c t e r i s t i c s :

( 1 ) This system has high 8/N and high s t a b i l i t y

，

comparing with a four‑channel FM system

，

because i t can use wider frequency d e v i a t i o n f o r s u b ‑ c a r r i e r .

( 2 ) The system i s compact and low c o s t

，

and can be driven with a low input power.

We produced 2 1 s e t s of w i r e l e s s t e l e m e t e r i n g systems and f i v e s e t s o f wire‑use o n e s . These telemetering systems are used mainly i n t h e north‑west o f K i i peninsula and provide s t a b l e o p e r a t i o n .

Key words : PCM ( p u l s e c o d e d modul

，

α t i o n )

，

F M ( f r e q u e n c y m o d u l a t i o n )

，

S/N 1m ρ r o v e m e n t c o e f f i c i e n t

まえがき

最近使用されている無線あるいは有線テレメータは，ほとんどが

PCM

方式である.しかし，当初，地震予知計.両に携わる大学が地震観測に使用する無線の周波数を確保した頃は周波数変調方式(無線は

FM‑FM

，有線は

FM)が主で

あった. これは

PCM

方式に比べるとシステムが安価であること，比較的低消費電力で運用できるという理由による.今回報告するシステムは

FM‑FM

方式による

l

チャンネル型の無線テレメータと

FM

型有線テレメータである.通常，緊急的な臨時観測時においては，とりあえず I チャンネルで良い場合が多い. また

1

チャンネル型のテレメータシステムは既成の

4

チャンネル型

FM

方式より高ダイナミックレンジを確保できること，低消費電力であること，かつ安価に製作できる利点がある.我々はこれらの無線系および有線系のテレメータシステムをそれぞれ

1 9 9 9

年

8

月

3 0

日受付，

1 9 9 9

年

1 0

月

2 6

日受理.

*東京大学地震研究所地震地殻変動観測センター和歌山地震観測所.

• Wakayama E a r t h q u a k e O b s e r v a t o r y E a r t h q u a k e O b ‑ s e r v a t i o n C e n t e r

，

E a r t h q u a k e R e s e a r c h I n s t i t u t e

，

U n i ‑ v e r s i t y o f T o k y o .

2 1

対向と

5

対向製作した.本報告はシステムの

S/N

の見積もりとシステムの概要について述べる.

4

チャンネル型と

1

チャンネル型無線テレメータの

S/N

の見積もり

FM‑FM

テレメー夕方式において，その

S/N

は無線回線の

C/N ( C a r r i e r s i g n a l j N o i s e s i g n a l

でパワー比，通常

dB

で表す)および

FM

改善係数(無線周波数における改善係数とサブキャリアーにおける改善係数)に依存する.

無線系

FM‑FM

テレメータシステムの総合

S/N

は以下の式で表される(志津田，

1 9 6 6 ) .

S/N=C/N' IFM

ここで，

IFM :S/N

改善係数.

4

チャンネル型の各チャンネルの

IFM

は以下の式による.

IFM=20・ l

叩 ( 福志・

( A o ; /A)・ (Fd/F i )

・

(F d ; /

FmJ .

~(B/語元子)

)

1 i

(

=20

・

l o g (

1.

2 2 5

・O.3・(1

2 5 / 5 0 )

.

イ

( 8

，

5 0 0 / ( 2

・印)))

= 1 8 . 5 (dB)

ここで， A:サプキャリアーの振幅

A o i:

i番目のサブキャリアーの振幅

(2)

1 6

(2)

有線.Jilf線回線のための筏易テレメータシステム

1 7

事喜量豊霊童韓

図 1 . チャンネル割

FM‑FM

無線テレメータ

(400MHz

帯)及び有線テレメ岳タのブロック夕、イアグラム

製作した部分はアンプ

(AMP)

・変調;f~

(MOD)

と復調探

(DEMO)

である.送信機

(TX)

・受信機

( R

文)は既成品(ー協特殊無線製)である^E

ーナ1'17

図

2 .

アンプ及び

FM

変調同i節

l o K 1 l

究無線回線へ

RADIO LINE

アンプおよび間変婿図書事 ERI‑930111

富

段計札5串

t o

アンプは

OP‑77

，

OP‑400 GP

で構成，

FM

変調j口1M告は

AD654

を使泊した.

LPF'

は主パ夕

してf使史用する場f合!守干はよf点、

l

線内がイ十付、，j加さ才れ

L t 出 : U

Jル

J

が調整される.無線用は，許可された無線の，

l i

1i'椛域内(約

8KHz)

に収まるようにサブキャリアーのレベルを調整する.

れ : 送信機の最大周波数偏移

(Hz)

F

i:

i番目のサブキャリアーの中心周波数

(Hz)

F

d i :

番目のサブキャリアーの最大周波数偏移

(Hz)

Fm i:

i番目のサブキャリアーの復調器出力における低域フィルター遮断周波数

(Hz)

B:

受信機の通過帯域幅二

8

，

5 0 0Hz ( 4 0 0 MHz

帯周波数用).

ただし .

Fd

ニ

2.2kHz.

1チャンネルあたりの変調度 (Ao;!A)・

(Fd/F i )

はおのおの

0 . 3radian

に設定されている

Fmi

二

50Hz

とする.

受信機の通過帯域における雑音電力を

123dBm

とし，

送信出力

1w

，距離

50km

での受信電力は

8

素子八木・字国アンテナを使用した時，約一

78dBm

となる(武田ほか，

1 9 7 6 ) .

マージンを

20dB

とっても

C/N=25dB

確保できる. (1)式にこれらの値を代入すると，各チャンネルの

S/N

は (25~45) 斗 18.5

(dB)

となる.これらの結果によると，

地震波帯域での総合 S/N は 43.5~63.5

(dB)

確保できるこ

(3)

18 機):iぷ)玄・中村正六.j七浦泰

t .

^r^l^l上長代f

無線機より有線より

篭源12V/4

御成

図

3 . FM

彼調同IM'f

1 ' "

l P F ( f c = 3 0 H z )

" . 1

閥復揖隠路 ERI‑930111A 段計礼句

t o

1wi線、機(受信機)および有線回線からのサブキャリアーは

‑11 BPF (j~ ~

，[

5 0 0 Hz)

を通して噌幅

3

れ，

LM565C ( P T

ふ復調〉により復調される.さらに

LPF

そ通して出}jされる

盟主アンヅ・

FM

変調器

とになるが，実際は復調時におけるチャンネル間クロス

トークの影響を受け 34~40dB 程度が限度である.すなわ

ち，無線凶線の

C/N

または

F M

改善係数に無関係にアナログ回路上の問題(サブキャリアーを分離する

BPF

の性能)で

S/N

が決まってしまう.

これに対しチャンネル型のテレメータは，チャンネル間クロストークの影響を除くことができること，サブキャリアーにおける周波数偏移を大きくすることができ，

かっ回路が簡単になるという特徴を持つ.このことから，

次の条件により改善係数

IFM

を言i算してみると以下のよ

図

5 . FM

復調総.LPF

うになる.

F i

ニ

1

，

500Hz

F d i

ニ

1

，

000Hz ( 4

チャンネル型と違うところ)

F mi =50Hz

B =

8

，

500 Hz ( 4 0 0 MHz

帯周波数用)

F d ζ2.2kHz

周波数偏移

(Ao;/A)

・

(Fd/F i )

ニ1.

0. 2

，

200/1

，

5 0 0

二1.

47 IFM

ニ

2 0

・

l o g

兵(

3 / 2 )

・

(A ο ;/A)

・

(F

d/

F ; )

・

( F d i

凡

i ) . R

^B^;^厄^示

‑ 1 )

(4)

有線・無線回線のための簡易テレメータシステム

1 9

図

6 . 1

チャンネル型

FM

←

FM

無線方式テレメータの受信倶iJシステム

上段が復調閉路基板，下は無線受信基板.

J :

下とも同じ大きさのケースに収納されている.送信仰

j

も同じ構成で，上がアンプ

.FM

変調基板，下が送信機の基板

図

7 .

チャンネル型

FM‑FM

テレメータシステム左がアンプ

.FM

変調器・送信機

(400MHz

帯，

1 W)

，右は受信機・復調

2 3 .

ニ

2 0

・

l o g( 1 . 2 2 5

・

1 . 4 7

・(1，

000/50)

イ

( 8

，

5 0 0 /( 2 ・ 5 0 ) ))

ヱ

5 0 . 4(dB)

(3)

( 2 )

の結果と比べ，

1

チャンネル型のテレメータは約

3 0 (dB)

以土余計に

F M

改善係数を得ることが可能となる.

同時に(1)式から地震波帯域における総合の

S/N

は回線の

C/N

を

2 5(dB)

とすれば約

7 5(dB)

程度となる.この値は

4

チャンネルのものに比較して約

1 0 0

倍，

PCM

に換算して

1 2 b i t

以

k

となる.

1

チャンネル型無線テレメータの仕様図

1

は

l

チャンネル型有線・無線テレメータのブロックダイアグラムである.図 2~9 図はそれぞれ，アンプ・ FM 変調器の回路図，復調器の回路図，各基板の写真，受信側システムの写真，送受信(1対向)システムの写真，放熱板

図

8 .

エジプト仕様の

1

チャンネル型

FM‑FM

方式無線送信装置

i白:射日光を防ぐため，遮蔽板を回りに取り付けている.

アンテナ

'

函

9 . 1

チャンネル型

FM‑FM

無線テレメータの設置例アンテナは八木・宇田型

5

素子，その下にアンプ・送信機のボックス.消費電力は約

5 W(千ド間電 ) J

料として約

6 0 0

円).

を持ったエジプト仕様の送信機，国内における送信機設置例である.次に全体の機器の仕様を示す.

1 )

送信機周波数 :

400MHz

帯の内の

1

波，

出力:1 (W)

，三協特殊無線製.

2 )

アンテナ(送受信とも)

8

素子八木・宇田アンテナ.

3 )

アンプ

.FM

変調器増幅度 :

36~78 (dB)

，

6 dB

(5)

2 0

瀬戸憲彦・中村正夫・北浦泰子・田上貴代子

1 0

。 ^/ 1

/ V I (へ/

l ¥

I

/

^人

K 沖、 ^ド

^ヘ _{日 "}

f ^r~rv

¥ ト、 _/ J

/ ×

V

^ど

^v ￨¥

円 ¥

目司、~

。

‑ 5 0

き

‑ 1 0

〆圃、

<c

、旬

J

思

‑ 2 0

晦

‑ 3 0

心同﹄

g

h )

n U E 3

‑ 4 0

ー

2 ∞ Z

‑ 2 5 0

‑ 5 0

‑印

‑ 3 0 0

‑ 3 5 0

。 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0

周波数(HZ)

図

1 0 . 1

チャンネル型

FM‑FM

無線テレメータの総合振幅・位相特性

横軸は周波数

( H z )

，縦軸は左側が振幅

( A )

，単位

( d B )

，右側が位相

( B )

，単位

( D e g r e e ) (FFT

による結果).

。

‑10

1 0

胞。血の正弦』波: ^却

^叫

ー

1 0

‑ 2 0

宅

-30~ 1 1 1 6 0

ト ¹ ¹ ¹ ¹ ¹

^而

屯

O H

1 1 1

。

‑ 6 0

‑ 7 0

t H z

ゐ正張波

.

^.

I'"VV"

IW _m

_ゲ_怜ベ

ド V ^y ^. ^. ^t γ _M _r _¥ _J w

^い^内^が

2

3 4 5

6 7

8 9 10

周波数

( H z )

図

1 1 . 1

チャンネル型

FM‑FM

無線テレメータの

S/N

5Hz

と

10Hz

の正弦波を送信した時の復調部での波形のスペクトラムを

FFT

により計測した.入力の正弦波の歪み(倍調波)は差し引いてある. ほぽ

7 0 ( d B )

以上の

S/N

を確保しているのがわかる.なお，この時の受信機の電界強度は

1 5 d B μ

(1

μV

を

OdB

として)であった.

単位で可変可能，

LPF : 2 4 dB/oct

，

Butterworth

型，J九

=30Hz

，サブキャリアー:

1

，

500Hz

十

/‑500Hz.

型名:

ERI‑930111 B

，自作.

4 ) FM

復調器

PLL

回路による復調，出力

+/‑5V

，型名:

ERI‑930111 A

，自作.

(6)

イ王線・無線、￨口￨線のための簡易テレメータシステム

2 1

7 0

告

5

50

4 0

30

1 0

図 12. チャンネ )v)\~

FM FM

システムの受信機の入}J レベルと

S

ぷ

T

との関係(実測値)

7 5 ( d B )

のふN与を篠保するための受信機の人}Jレベルは約

o ( d B

，u)である.

5 ) 400MHz

帯の内のi波，二三協特殊無線製，

: 0 d B J l ( 2 0 dB S/N

時).

6 ) AC/DC J I J .

送信側

2 5 0 1 2 V

，受信側，

1 5mA/ 1 2 V

，このシステムの周按数・位相特性，ら

Hz

と

10Hz

の主波のパワースペクトラム，

との関係については岡山 ~12

1チャン

F M

入力レベルと総合した.

レメータ

有線方式による

FM

テレメータは無線のそれと述い，比較的考え方が簡単である . この理由は無線凶線のような C/Nの変動をあまり考慮、しなくても良いことである.すなわち，回線の総合

SIN

はその布線回線の帯域Bと

FM

サブキャリアーの変調度，比較的変動の少ないC/N(ほぼ一定，回線固省の値)にのみ依存するからである.

S/N

の計算は(1)式，

FM

改善係数は

( 4 )

式による(廿利ほか，

1 9 6 8 ) .

IFM=20 ・ l o g ( J ; 3 ・ (Fd/Fm)•

[(B

/ 2 F

函)

( 4 )

ここで，

Fd:

サブキャリアーの最大周波数偏移

1

，

0 0 0Hz

Fm:

最大変調周波数

50Hz

B: 有線回線の帯域幅 (300~3 ，400 Hz) 3

，

1 0 0 Hz

上記定数を

( 4 )

式に代入すると，

IFM

は約

4 6(dB)

となる.有線回線のノイズを

50dBm

(凶線により異なる)とし，サブキャリア一周波数の受信レベルを 20dBm~

25dBm

とすると， C/N は 25~30dB となり，地震波帯域

図

1 3 .

チャンネル塑有線方式テレメータの送信慎五分，

受信側(右)システ人 m訴は

DC

，

AC 1

任意に選択ロ

J

能.

図

1 4 .

チャンネル型有線方式

FM

テレメータシステムの設

i

腎例

7

立源

( j

バッテリーと太陽域泌

(30W)

によって賄われるー

での総合の

S/N は計算上 71~76 (dB)

となる.

F M

方式有線テレメータの回路

アンプ・変調器および復調器はそれぞれ図 2，図 3のものと同じである.有線方式の場合は図

2

の凶路中，点線で囲った部分の凶路を付加している. これは回線の特性インピーダンス

( 6 0 0

Q)に合わせるためと，出力レベルの調整をするためである.復調凶路は無線方式のものと同じである.

(7)

2 2

瀬戸:岳彦・中村 IJム犬・ ~~i市泰子ー FR

J :

宍代子

図

1 5 .

凶 14 中のバッテリーとアンプ・変調~~の部分

F盟レメータの{土犠

。

アンプ・変認器無線系と同じ ( 図 2参照).有線凶線への出力レベルはディップスイッチにより OdBm~

20dBm

にi調繋可能.

2 )

復調器サブキャリアー潤波数の入力レベルは

‑30 dBmま

3 )

^Zタ^均^可ζ

とも彩~ 45 mA/12 V

，

DC

または

AC

国 1 :3 ~15 はそ

江住観測点における

システム(1対向)の写真，

ある.

とが議

のテレメータはほとんどが

PCM

化され，現地に

GPS

時計を持つパケットタイプによるある，

本報告は

PCM

システムの時代に沿わないシステムのようではあるが携帯型の嬬易・安価なテレメータとして，その特性を生かしたものである.現存.，無線によるFM‑FM型システムは和歌山市周辺部においては点，三重県における臨時点で2点，有線方式では紀伊半島市部において5点稼動中であり，安定した動作を示している.

謝辞:このシステムの作製にあたって有線な意見をいただいた山科健助教授，飯高隣志幼子に感謝いたします.

献

廿手

J I

省存・ f‑f

H ]

茂樹代表監札

1 9 6 8

，通信システム工学ハンドブック，ラチィスft，6

3 4 ‑ 6 3 5 .

志津附瑞穂，

1 9 6 6

，

SSB. FM

送4乏f，j機，オームネ

: 1

，1

3 ‑ 2 4 .

成問 L・大瀧泰郎・河村幸占・富尚優・片山修二，

1 9 7 6

，陸

上移動無線実務ハンドブック，水橋f十七・式出仁・大瀧

4

長期信ま修，オーム社，