概要
無線機の出す I/Q 信号をサンプリングして 2ch (ステレオ) としてコンピュータに入力し、これを直接 WebAudio から扱って音声までデコードする。ソフトウェア側はブラウザだけで完結する。
実用レベルではないが SSB の復調まではできたので一旦記録しておく。
前提条件
入力
無線フロントエンド(アンテナや局発ミキサなどのハードウェア)が必要になるが、それは用意されていて、PCへの入力は2chのステレオマイク入力として行われているものとする。
自分の環境では KX3(無線機) のアナログ I/Q 出力を USB Audio Device のマイク入力に入れてサンプリングしている。
何を実現できればいいか
最初の要件を定義する。
- SSBモードをUSB/LSB 指定で音声をデコードできること
シンプルにまずこれだけを目標にする。
SSB モードが実装できれば、単純に全く同じ実装で AM と CW もひとまず復調できるし、サイドバンドの選択ができるというところに信号処理の面白さがある (と今のところは思っている) ので、ちょうど良い目標だと思う。
IQ信号とは何か
無線フロントエンド側で、特定の周波数のcos/sinをそれぞれミックスした信号のこと。
例えば 7020kHz の cos/sin 信号をアンテナからのRF信号にミックスすると、7020kHz を 0Hz として周波数変換 (ヘテロダイン)される。cos波だけだと 7030kHz も 7010kHz も同様に 10Hz に周波数変換されてしまう (イメージがでる) が、直交位相 (sin波) でも周波数変換することで、負の周波数と正周波数の情報を信号処理で分けることができるようになる。
何を作ればいいか
- IQ シグナルを受けとって復調周波数にバンドパスフィルタをかける
- フィルタした信号を音声周波数に周波数変換をする
- USB なら 0Hz〜nHz、LSB なら -nHz〜0Hz に変換する
- 実信号に変換する
- オーディオ信号として出力
どちらのサイドバンドを復調するかはバンドパスフィルタの時点で選択して抽出する。その後適切に周波数変換して、real だけとれば音声として聞こえる。
デバッグのために
音声信号はそこそこ流量があるので、print デバッグみたいなことは難しい。せっかく WebAudio なので、適時ブラウザ上に可視化しながら実装をすすめる。問題に気付きやすいし、なによりそのほうが楽しい。
FFTウォーターフォール表示
https://lowreal.net/2019/07/17/1 に書いたが、実は最初にやると一番簡単なので、まずこれを実装しておく。
入力のIQ信号をそのまま複素数として扱い、FFT にかけるだけで良い。実数のFFTは出力の上半分を無視するが、複素数FFTの場合、出力の上半分は負の周波数領域の解析結果となっており、適切にシフトさえすれば難しいことなしにそのまま可視化できる。
複素バンドパスフィルタ
複素バンドパス フィルター設計
- MATLAB & Simulink
- MathWorks 日本 この記事がわかりやすい。
- 実数ローパスフィルタは、負の周波数まで考慮すると0Hzを中心としたバンドパスフィルタとみなせる (実数フィルタは0Hzで折り返す)
- 実数ローパスフィルタに周波数変換をほどこすことで任意の周波数の複素バンドパスフィルタにできる
これによって -nyquistFreq 〜 +nyquistFreq の任意の範囲を取り出すことができる。
周波数変換 (複素ミキサー)
既に複素数の信号をさらに周波数変換する。LO (ローカルオシレータ) 周波数の cos/sin を複素数で元の信号に乗算する。
複素ミキサーの良いところは原理的にはイメージが発生しないというところ。普通のミキサーでは LO に対して -LO と +LO の信号が発生するが、それがない。
実信号に変換
周波数変換を経て ±n Hz 〜 0Hz の信号になっているので、real だけとって実数にする。これを出力すれば音声が出てくる。
