電波の中に、声はどこにある？

前回の困りごと

第1回なので「前回」はありません。そのかわり、このシリーズを始める前の困りごとを書いておきます。受信機の教科書を開くと、最初のページにスーパーヘテロダイン受信機のブロック図が載っていますね。高周波増幅器、周波数混合器、局部発振器、中間周波増幅器、検波器、低周波増幅器。名前を 6 つ覚えて、順番を覚えて、試験が終わると忘れる。これが多くの人の挫折の形です。

このシリーズでは逆から行きます。まず何も入っていない箱に電波を入れて、聞こえないことに困り、困ったぶんだけ部品を 1 つ足す。足した部品に、あとから教科書の名前をつける。16 回かけて、最後は実際の放送をあなた自身の受信機で聞きます。

予想してから、1つ足す

今日足すのは、模擬アンテナ入力と観測端子です。模擬アンテナ入力は、送信所から届く電波のかわりに、教材用の信号を作ってくれる装置だと思ってください。設定は、搬送波の周波数が 999 kHz、載せる音声は上限 3 kHz までの短いナレーションです。この設定はシリーズを通して使うので、999 kHz という数字を覚えておいてください。

足す前に予想してみましょう。999 kHz というのは 1 秒間に 99 万 9 千回の振動です。人の耳が聞ける音は、高くてもおよそ 20 kHz まで。では、この速い振動のどこに「声」が入っていると思いますか。振動の速さが声に合わせて変わっているのでしょうか。それとも別のところでしょうか。頭の中で答えを 1 つ決めてから、次へ進んでください。

進め方を 3 通り用意しています。基本はシミュレータで、この文章の設定をそのまま入れれば同じ波形が出ます。実物派の人は、AM 出力つきの信号発生器とオシロスコープがあれば同じ観察ができます。道具がない人は、文章と図を見ながら頭の中で波を描いてください。どの進め方でも、毎回の末尾に「聞こえたもの・見えたもの・まだ困ること」を自分の言葉で 1 行ずつ書き残すのが約束です。

動かしてみる

観測端子にオシロスコープをつなぎ、まず音声だけを見ます。ゆっくりした、なめらかな波です。次に搬送波だけ。こちらは 999 kHz の細かい振動で、高さがずっと同じです。最後に、搬送波に音声を載せた波を見ます。細かい振動はそのまま 999 kHz で続いているのに、振動の「高さ」が、音声の波の形どおりに太くなったり細くなったりしています。

ここで時間軸を縮めてみます。1 kHz の音を 1 周期だけ、つまり 1 ms の幅で表示すると、その間に搬送波はちょうど 999 回振動しています。細かい振動の山の先端を結ぶと、音声とそっくりの大きな輪郭が浮かび上がります。この輪郭が「声の居場所」でした。声は振動の速さではなく、振動の大きさの変化として入っていたのです。

模擬アンテナ入力には「変調度」というつまみがあります。0 % にすると輪郭はまっすぐで、搬送波だけになります。50 % にすると、振幅がもとの 1.5 倍から 0.5 倍の間で動きます。100 % にすると、最小の瞬間には振幅がゼロまで細くなります。つまみを上げるほど、輪郭の動きが大きくなるのが分かります。

もう一つ試しておきたいことがあります。搬送波の周波数を 999 kHz から 1,500 kHz に変えてみます。細かい振動はさらに細かくなりましたが、大きな輪郭はまったく変わりません。つまり、搬送波を高くしても声は高くなりません。「周波数が高い電波だから、高い音が聞こえる」という思い込みは、ここで捨てておきましょう。

観測端子の表示を「時間」から「周波数」に切り替えてみます。横軸が周波数のスペクトル表示です。搬送波だけのときは 999 kHz に 1 本の縞が立ちます。1 kHz の音を載せると、その両脇、998 kHz と 1,000 kHz に小さな縞が 2 本現れます。3 kHz までのナレーションを載せると、両脇の縞は 996 kHz から 1,002 kHz までの帯になります。声は時間の表示では包絡線として、周波数の表示では搬送波の両脇の帯として見えます。同じものの 2 つの見え方です。

名前をつける

見えたものに名前をつけます。999 kHz の細かい振動が 搬送波、載せたい音声が 信号波、音声を載せたあとの波が 変調波 です。信号波に合わせて搬送波の振幅を変える方式を振幅変調（AM）と呼びます。そして、変調波の山の先端を結んだ大きな輪郭が 包絡線 です。今日の実験で「声の居場所」だと分かったのは、この包絡線でした。

式の中の m が、つまみで動かした変調度です。波形から読み取るには、包絡線の最大値と最小値を使います。

さっきの 50 % の波形で確かめましょう。搬送波の振幅を 1 V とすると、最大は 1.5 V、最小は 0.5 V でした。式に入れると、分子は 1.0、分母は 2.0 で、m は 0.5。つまみの表示と一致します。m を 1 より大きくすると包絡線が一度ゼロを突き抜けて折り返してしまい、もとの音声の形が崩れます。これを過変調と呼び、送信側で避けるべき状態です。

スペクトルで見えた両脇の帯にも名前をつけておきます。搬送波の上と下に、音声の周波数のぶんだけ離れて現れる成分が側波帯です。音声の最高周波数が 3 kHz なら、側波帯は搬送波から上下 3 kHz、合計 6 kHz の幅を占めます。声はこの 6 kHz の帯の中にいます。この幅は第7回で、受信機がどこまで狭く絞れるかを決める主役になります。いまは「999 kHz の 1 本ではなく、両脇に幅がある」とだけ覚えておいてください。

最後に、搬送波と音声の「速さ」をそろえて見る道具として、周期と周波数の関係を置いておきます。

試験ではこう出る

今日の結果

次回は、この波の「外側だけをなぞる」部品を 1 つ足します。ダイオード 1 本とコンデンサ 1 個で、初めて声が戻ってきます。

この回で解けるようになる問題

本文の「例題No.」は公益財団法人日本無線協会が公表している CBT 方式の国家試験の例題、「過去問」は同協会の公表試験問題です（日本無線協会 試験問題。同協会の利用条件に基づき掲載）。「オリジナル」は当サイトの作問です。