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Title 降雨により発生する受信障害に関する研究-1 : 沈積雑音の実験と理論的考察

Author(s) 小妻, 勝; 梅園, 茂

Citation 長崎大学水産学部研究報告, v.53, pp.11-18; 1982

Issue Date 1982-08

URL http://hdl.handle.net/10069/30440

Right

NAOSITE: Nagasaki University's Academic Output SITE

http://naosite.lb.nagasaki-u.ac.jp

長崎大学水産学部研究報告 第53号11～18(1982) 11

降雨 によ り発生 す る受信 障害 に関す る研 究―Ⅰ

沈積雑 音の実験 と理論 的考察

小 妻 勝 ・ 梅 園 茂

Some Studies on Rain Noise on Shipboard Receiver — I

Experimental and Theoretical Considerations on Preticipition Noise

Masaru KOZUMA and Shigeru UMEZONO

Aiming at finding methods either to eliminate or reduce the precipitation noise (rain noise) caused by rain drops, experiments and observation have been continued for several years. A

portion of the results was published earlier (Kozuma and Umezono, 1979). Recent success by the present authors in photographing oscillograph records of wave form

of actual rain noise showed that the wave form is saw tooth wave. As for trial experiments, output from a saw tooth generator was put into a receiver. The resulting wave forms were compared with those caused by the introduction of actual wave forms to show a similarity between them. Consideration on the mechanism of radio interference caused by rain noise was made through mathematical expression, and the phenomenon was theoretically proved to some extent.

筆者 らは,雨 滴 によ り発生す る沈積雑音(以 下雨雑

と称す)の 除去,お よび,軽 減方法を見いだす 目的で

雨雑が受信機 におよぼす メカニズムを解明す るために,

1976年 以来実験 および観測 を続 けてい る.既 報(1)の

通 り,雨 雑の軽減方法について報告ずみであるが,そ

の後 さらに雨雑 による受信 障害 のメカニズムについて

解析をお こない,二 三の知見を得た.す なわち,実 際

の雨雑波形 のオシロスコープ(CRT)映 像を解析 した

結果,雨 雑波形は鋸歯状波に近似 した充放電波形であ

ると判断された.一 方,鋸 歯状波発 振器 を試作 し,こ

れか らの信号を受信機 に入力 して得 られ た波形 と比較

した結果,両 者が よ く一致 していることが分 った.ま

た,雨 雑が受信機障害をひきおこす原因について理論

的考察をお こない,こ れが実 際の観測結果によ く一致

す るので ここに報告す る.

方 法

観測および実験 にあた り使用 した器材はTable1に

1.雨 雑波形の観 察 実際の雨雑波形を考え るた

め,1978年 か ら1981年 の間,船 上でホ イッフ。アンテナ

を介 して入力 した雨雑波形をCRTに 加 え,そ の波形

を カメラで記 録 した.航 海中,雨 雑が長時間連続 して

発生す ることに,そ の波形の観測 と記録を くりかえ し

た.

2.雨 雑波形の合成 とシ ミュレーシ ョン 雨雑波

形の解析 を目的 とす る合 成波形を作 るため,鋸 歯状波

発 振器Fig.1を 自作 し,そ の出力を受信機 のアンテ

ナ入力端子に加え,シ ミュレーシ ョンをおこない,2

現象CRTを 用いて,次 の受信機各部の波形を観測 し

カメラで記録 した.す なわち,

1)ア ンテ ナ入力 波形(ANTInput)と 高周波増

幅部の入力波形(RFInput):水 平 軸を拡大 した記 録

をふ くむ.

2)ANTInput と中間周波増幅部 出力波形 (IF

Output)

3) IF Output と低周波増幅部 出力波形 (AF

ユ2 小妻・梅園　降雨による受信障害一1　沈積雑音

Table　1．　lnstruments　of　the　record．

Instrument Type’ No．　of　sets

Receiver

Oscilloscorp　’

Spectrum　analyser

CRT　bezel　adapter

Camera

Antenna（a）

（b）

Saw　tooth　generator

Type　N　R　D－70C

Type　SSG－5526　＆　1740A

Type　TR4132NType　5R－32

Type　M－75D　＆　SR－7

6m　Whip　Antenna　（10m　high）

4m　Whip　Antenna　（12m　high）

「⊥9臼可⊥19臼

1

Pulse　Generator

SN74123

Pulse　Amp．

2SC752

Saw一七・・七h　G・nemt・r鋤』も・・もh蜘．

2SA495，2SC7522SC272

Saw・・too七h　A皿P． Power　ftupe Level　Adjust

2SC505 2SC505，2SA5101・ 恕　　　　　　　　　　　　fFig．　1．　Block　diagram　of　saw－tooth　generator．

outpst

Output）：いずれも，鋸歯状波入力電圧の振幅1．3V，

周期2msに設定した．

　5．雨雑波形と合成波形の比較　　シミュレーショ

ンによる波形と実際の雨雑波形を比較するために，雨

雑発生時に，6mホイップアンテナの出力を受信機ア

ンテナ入力端子に加え，シミュレーションの時と，同

一箇所の波形を観測し，カメラで記録した．ただし，

ANT　InputとRF　Inputの波形の船上でのカメラに

よる記録は困難であるので観測のみとした．

　方法2，3ともに受信機の状態は，Table　2に示す

通りである．

　4．二二のスペクトラム分析　　スペクトラムアナ

ライザを使用して，雨雑の強度，周波数スペクトラム

の分析を観測とカメラの記録により行なった．雨雑発

生時とノイズの止まった直後の映像合計55枚を記録し

た．スペクトラムアナライザの状態をTable　3に示

した．

Table　3．　Conditions　of　the　Spectrum　analyser

　　　　used．

Table　2．　Conditions　of　the　receiver　used．

Frequency

Emission

AGC　Time　constant

RF　Gain

Band　width

1500　kHz

　　SSB　　5　sec

　　Max　3　kHz

ANTIF　Gain

RF　ATTDispersion／div

Band　width

Center　frequency

Reference　level

　　　6　m　Whip

　　　　　　20　dB

　　　　　　10　dB

5　MHz．　10　MHz　　　　，

　　　　100　kHz

25　MHz．　50　MHz　　　　，　　　100　dB／ptV

　5．雨雑波形のモデル化　　実際の雨雑波形を三角

波と仮定した場合の理論的考察をした．

長崎大学水産学部研究報告　第53号（1982） 13

　6．受信機のRF　Input波形　　二二波形が，ア

ンテナ同調回路に入力されたときの応答波形の理論的

考察をした．

結果および考察

　1．雨雑波形　　Fig．2～5は，1979年9月6日よ

り同年9，月13口までの間，スマトラ島西方，北緯05度，

南緯06度，東経96度，東経104度の各線で囲まれるイ

ンド洋上の長i崎丸船上で，カメラにより記録された熱

帯性降雨により発生した典型的雨雑波形の一例である．

当時，同海域に滞在中連口，午前中は雨脚が持続し，

観測可能な30MHz帯以下のすべての周波数帯にわた

り激しい受信障害を受け，通信不能となった．Fig．2

とFig．3は，降雨の初期にみられる雨雑波形で，周

期は約3．2ms，振幅約1．1Vぐらいの鋸歯状波で，

ピーク附近には高周波成分が含まれている．Fig．4は，

降雨の最盛期に記録された波形で，Ill湖約0．6ms，振

幅約1Vぐらいで，振幅は降雨初期のものと比べあま

り変化はみられないが，周期が安定している．Fig．5

は，Fig．6の横軸拡大による降雨最盛期の記録で，波

形は，ほぼ三角波である．

　一般的にいって温血の発生するときの気象条件は，

熱帯性の降雨によるものと，寒冷前線，停滞前線など

にともなう降雨によるものとの2つに大別されると思

われる．赤道附近で発生するスコールには，必ず雨雑

をともなうといってよい．雨雑発生のパターンは，周

期15msぐらいからはじまり，雨滴の数に比例するか

のように次第に周期が短かくなり，降雨の最盛期には，

0．1ms～3msぐらいとなり安定する．スコールの終期

に近づくにつれ周期は3msぐらいから次第に長くな

り15ms以上となって，雨域を出ると雨脚は消滅する．

振幅は，1V～2．5Vぐらいでまったく交信不能となる

受信障害を惹起するケースが多い．持続時間は，多く

の場合20分から40分ぐらいであるが，気象条件によっ

ては，1時間から4時間におよぶケースもみられた．

　寒冷前線にともなう降雨による雨雑発生のパターン

は，降雨初期，終期の周期および振幅は，前者と比較

してあまり差異はみとめられない．降雨最盛期の周期

は，約0．3～3msといくぶん長くなる傾向にある．

Fig．　2．　A　waveform　of　rain　noise　observed

　　　at　the　begin　of　heavy　squall．　The　peak

　　　voltage　is　measured　as　1．1　volts　at　a

　　　frequency　of　about　300　Hz．

Fig．　4．　A　waveform　of　rain　noise　at　the　peak

　　　period　of　squall．　The　scales　are　same

　　　as　in　the　Fig．　3．

Fig．　3．　A　waveform　of　rain　noise　at　the　in－

　　　termediate　level．　The　ordinate　shows　in

　　　terms　of　O．2　V／div　and　the　abscissa　2

　　　ms／div．

Fig．　5．　The　waveform　is　expanded　to　3　ms

　　　in　period　and　1．　1　volts　maximum　from

　　　Fig．　4．

14 小妻・梅園：降雨による受信障害一1　沈積雑音

受信障害は，熱帯性降雨の場合よりやや小さい．持続

時間は，前線の移動速度にもよるが，2～3時間ぐら

いである．

　梅雨前線など停滞前線にともなう二二は，周期が不

安定で3ms～20msの間を変動する．振幅は1V前後

である．波形は，充放電波形で充電期間が長く，放電

期間は非常に短かい．また，位相が180度反転する現

象がよく観測される．持続時間は，長く3～4時間ぐ

らい続くケースはめずらしくない．前線が南北に早い

速度で移動する場合は，終日続く例もみられた．

　結果として，発生する場所，持続時間などには差異

が認められたが，雨雑の波形は充放電波形で，その時

定数は，0．1ms～20msぐらいであることが分った．

　2．シミュレーションによる受信機各部の波形

　雨雑波形の観測とカメラによる記録を解析したとこ

ろ，この波形は，鋸歯状波であることが分った．そこ

で鋸歯状波発振器の出力を，受信機のアンテナ入力端子に加えぱ1。p。，，　IF・。，p。，，　AF・。，p。，でどの

ような波形の変化を示すかを観測と記録とにより分析

したところ，次のことが明らかにされた．すなわち，

シミュレーションを無雑の最盛期の状態と仮定すれば，

空中線同調回路の1次側に加えられた鋸歯状波Fig．6

（A）は，同調回路2次側出力，すなわち，RF　Input

にはFig．6（B）の波形が検出される．　Fig．6（A，

B）の部分をさらに拡大した記録がFig．7である．こ

の2枚の記録から明らかなように，鋸歯状波を充放電

と考えれば，充電の期間は雑音発生の原因とならない

が，放電の期間RF　Inputに，減衰振動波（B）が

生じている．さらに，減衰振動波は受信機内部で，ヘ

テロダウンされIF　Output波形Fig．8（B）のごと

く変調波となっている．（A）は，ANT　Input波形

である．Fig．　9は，　IF　Output（B）が検波回路を経

て可聴周波に変換されたAF　Output波形（A）であ

る．このようにRF　Inputに生じた減衰振動波のパタ

ーンは，AF　Outputにも忠実に再現され受信障害を

生じさせている．

　要するに鋸歯状波の充電過程では，RF　Inputに影

響をあたえないが，放電過程で空中線同調回路の2次

Fig．　6．　A　synthsized　waveform　of　ANT　lnput

　　　（A）　and　RF　Amp　lnput　（B）．　The　ordi－

　　　nate　shows　in　terms　of　O．5　V／div　（A），

　　　0，2　V／div　（B）　and　the　abscissa　1

　　　ms／div．

Fig．　8．　A　synthsized　waveform　of　ANT

　　　Input　（A）　and　IF　Amp　Output　（B）．The

　　　ordinate　shows　in　terms　of　O．5　V／div

　　　（A），　O．05　V／div　（B）　and　the　abscissa

　　　1　ms／div．

Fig．　7．　The　waveform　is　expanded　in　Parts

　　　of　（A）　and　（B）　from　Fig．　6．　The　ordi－

　　　nate　shows　in　terms　of　O．5　V／div　and

　　　the　abscissa　1　／t’s／div．

Fig．　9．　A　synthsized　waveform　of　AF　Amp

　　　Output　（A）　and　IF　Amp　Output　（B）．

　　　The　ordinate　shows　in　terms　of　O．5

　　　V／div　（A），　100　mV／div　（B）　and　the

　　　abscissa　1　ms／div．

長崎大学水産学部研究報告　第53；｝（1982） 15

Fig．　10．　A　waveform　of　rain　noise　（A）　and

　　　IF　Amp　Outpuし（B）．　The　ordinate　shows

　　　in　terms　of　20　mV／div　（A），　20　mV／div

　　　（B）　and　the　abscissa　5　ms／div．

Fig．　12．　The　waveform　of　rain　noise　is　in－

　　　verted　the　phase　to　180　digrees　（A）　and

　　　IF　Amp　Output　（B）．　The　ordinate

　　　shows　in　terms　of　20　mV／div　（A），　50

　　　mV／div　（B）　and　the　abscissa　5　ms／div．

Fig．　11．　A　waveform　of　AF　Amp　Output　（A）

　　　and　IF　Amp　Output　（B）　by　rain　noise．

　　　The　ordinate　shows　in　terms　of　20

　　　mV／div　（A），　50　mV／div　（B）　and　the

　　　abscissa　5　ms／div．

側出力に減衰振動波を生じさせ，受信障害の原因とな

っていることが分った．

　5．雨雑波形と合成波形の比較　　CRTの性能ヒ，

降雨最盛期の記録が困難であったので，周期の長い降

雨初期の暉暉を受信機に入力し，シミュレーションと

同一条件で各部の波形観測を行うとともにカメラに記

録した．ただし，高周波増幅部入力波形は観測のみと

した．Fig．10は，実際の雨雑波形（A）とIF　Output

波形（B）の記録である．シミュレーションFig．8

と比較すれば，雨雑初期であるので同期，振幅などは

不安定であるが，ひとつひとつの波形のパターンは，

一致する．Fig．12は，先にのべた雨雑波形（A）の

位相が180度反転した記録の1例である．これは負の

充放電が，生じたと解釈することができよう．この場

合も放電の期間にIF　Output（B）減衰振動波を生じ

ている．Fig．11は，　AF　Output波形（A）とIF

Output波形（B）の比較で，いずれもFig．9の波

形パターンと一致する．

　結果：として，雨雑は一種の充放電現象であり，この

放電の血忌に，アンテナ同調回路に減衰振動波を発生

させることに起因している．

　4．雨雑波形のスペクトラム分析　　雨雑波形のス

ペクトラムを分析する目的で，スペクトラムアナライ

ザー（以下スペアナ）を用いて，雨露発生時と正常時

の映像を比較するとともに，カメラにより記録した．Fi縁端気概塒，　F、詣1ま雨綱止ま。嫡後

の各各の1例である．観測と55枚の記録を分析したと

ころ次のことが分った．

　観測周波数帯（100MHz以下）全域にわたり，雨

雑発生時と正常時にくらべ，バックグラウンドノイズ

が10dB／μVぐらいヒ寵する．この原因は，雨雑波

形の充電山開に重るいする高周波成分により生ずると

思われる．放電一直に発生する雨雑レベルは，最高

84dB／μVに達する周波数帯もあった．観測された最高の信U’　vベルFi、4の・MH。　rl髄の7・dB／μV

をも，完全にマスクする強烈な受信障告：がみられた．

32MHz以下の／1【可波数帯では，1MHz，5MHz，7MHz

附近に81－84dB／μVの大きな山があり，このうち7

Fig．　13．　A　record一　of　normal　condition　by

　　　spectrum　analyser．　The　ordinate　shows

　　　in　terms　of　10　dB／／（V／div　and　the

　　　abscissa　10　MHz／div．

16 小妻・梅園：降雨による受信障害一1　沈積雑音

Fig．　14．　A　record　of　rain　noise　by　spectrum

　　　analyser．　The　ordinate　shows　in　terms

　　　of　10　dB／ptV／div　and　the　abscissa　10

　　　MHz／div．

MHz附近の84　dB／μVを最高レベルとして32　MHz

附近までは，一12dB／OCT前後の傾きで雑音レベル

は減少している．32MHzより62　MHzまでの周

波数帯では，32MHz附近の山から約5MHz毎に

50dB／μVの山を生じ，62　MHz附近で急に雑音レ

ベルは，バックグラウンドノイズ以下に低下している．

時として，60－80MHz附近までの周波数帯でも，か

なり高レベルの雑音が観測された．ここで使用された

レベル値は，雨避のレベルではなく，これにより誘起

された雑音レベルで，見かけ上の入力端子レベルであ

る．また測定値は，6mホイップを使用したときのも

ので正確なレベルを出すには補正する必要があろう．

　5，雨雑波形のモデル化　　実際の雨雑の波形は，

観測と記録解析の結果，鋸歯状波であることが分った．

これを三角波（充放電の近似）と仮定し，理論的考察

を行なった．そこで，Fig．15の三角波のパルス幅，

y（t）

A

一τ1 0 τ2

Fig．　15．　Triangle　waveform．

t

鶏繕亡　窃

フーリエ変換すれば（2）．

一Ti：Sllt一：E｛｛gO

O：；llt：ST2

それ以外のt

　　　　OO”y（t），一jWtdt．．，AfO　（1－ltt／Ti）e－jWt　dtY（to）　一f

帰蘇ギ　　＝v，1．．．一if？！一．．，W’n（ωτユ　2）Exp（j，，．，／2）

　　　　JQ）　Tl　一（十tl）

線画憐）轟綱となる．三角波パルスを充放電と考えると充電はゆっ

くり，放電は急速に行なわれるとすれば，τ1》τ2だ

からtO・＝Oの近辺を除き，　Y（ω）の第1項は無視する

ことができる．したがって，

　　　　　　　　　　　　　　）EXP私／，）　　　　　　1　．　sin（一EfEtiZ2

Y（ω）÷一怩`窒eω穿）

絶対値をとり相対的な変化を考えるならば，

　　　lyl・　C・藁一・i・ω菱2　（C・は定数）

つまり，Y（t）の高次の調波成分は，1／ω2（一12　dB／

OCT）に比例する．雨下波形の観測，スペアナによ

る記録を分析したところ放電時間は，およそ0．16μs

（周波数6MHz）附近と見られる．したがって，実

際の雨雑の調波成分も，ほぼ1／ω2に比例している．

さらに，充電時間は通常0．3ms以上であり，放電時

間は0．16μsと非常に短い．これは受信機を問題に

する場合は，乱雑波形の放電時間が支配的となること

を意味している．

　6．高周波増幅部の入力波形　　RF　Input波形を

理論的に考察するためにFig．16の鋸歯状波を，雨雑

N

y（t）

τ，パルス振幅，A，としてパルス波形を次式で仮定

する．

t＝o 　t＝T　t＝2T　t＝3T’　t

Fig．　16．　Saw－tooth　wave．

長崎大学水産学部研究報告　第53号（1982） 17

の最盛期の波形と仮定する．

　この鋸歯状波のラプラス変換Y（S）は（3），

　　　nT≦t＜（n＋1）T……から

　　　Y（t）＝t－nT　　　　（n＝0，1，2．．．．）

　　　（t〈0ではy（t）≡0）

　したがって，

　　　　　　　　Y（S）一

?By（・）e’Std・

　　　　　「鉦輩三署　　〔・〕

この第1項は，y＝・t（t＞0）を変換したものである．

第2項は

　　　一÷・、…誤。一L｛一T・u（・一T）｝

　　　十L｛一T・u（t－2T）｝十L｛一T・u（t－3T）｝

　　　＋……（推移定理）

　ただし，u（t）はunit　step関数で

　　　　　耀i三i

である．

　Fig。17の短波受信機のアンテナ入力回路において，

Rはアンテナインピーダンス，rはRF　Ampの入

力インピーダンスで，R，　rとも純抵抗であると仮定

する．

RO　　一

〇〇〇

岬q

一　1

●　重

齢一一一一r魯1

11↓

E C2　L

　　　

liJ

　　　　　　　　wtt　2（b　kS十co　o　2”i一＝．E＝gT－sT

でありこれを解くと時問波形x（t）は

　　　　　e－tookt　　　　　　　　　　sin（woVrt－k－2－t）

　　　　　　　　　　S2　　　G（S）＝wt，2．　ks＋．，2　（2）

〔1〕，〔2〕よりRF　InputのスペクトルX（S）は（4），

　　　X　（S）　一Y　（S）　・G　（S）

　　　　　　　　　　　1　　　　　＝twt　2to　kS十tu　o　2

　　　　　　　　　　　　S　e－sT　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3）　　　　　一T．

Fig．　17．

X（t）＝

st．2ny

窒kt－t－k，　Exp｛一tu，k（t－T）｝

　　　．cos｛tooVpt’　2　（t－T）一¢｝］t＞T

一［　　　　　T　　　　ttitii一］T－EXP｛一took（t－2T）｝

　　　．　cos　｛tooVne’k2　（t－2T）一¢｝）lil　2’；i；

’’’’”一

mv一一1－T－k2　EXIP　rtuok（t－nT）｝

　　　．　cos　｛woVne’k2　（t－nT）　riip　｝）　t＞．T　（4）

である．ただし，上式の第2項以後の各大カッコの項

はt≧nTの時間領域でその値を持ち，それ以前の時

刻t〈nTではゼロである．

　〔4〕より鋸歯状波が，アンテナ入力回路に入力され

た時の応答は，減衰振動形でおよそFig．18のような

波形となる．この波形はシミュレーションFig．7の

波形および観測による雨雑の応答波形と類似する．

Al　i｛t）

慨　　　　　　　　　　　　　の　　　　一の・齢oo一．．“．●一J

Equivalent　circuit　of　antenna　input．

o

伝2T t＝3

負荷条件から12＝E2／rであるから（4）

E・一i　　　　1　　．　　11十g211iJel一十一Si，itcE）E・

　ただし，S＝α＋jω（通常は（S－jω）

　したがって，アンテナ入力端からRF　Ampの電圧

伝達関数G（S）は

　　　G（s）一思

　　　f，、一ω1・k－tV一ととお嚥

lst　Term 2nd　Term 3rd　Term 4th　Terrn

Fig．　18．　Calculated　waveform　for　Eq．　（4）．

要 旨

　降雨に伴なって発生する雨雑波形は，鋸歯状波形で

あることを明らかにできた．そこで鋸歯状波発振器

を使用してシミュレーションを行い，受信機のRF

Inp．ut，IF　Output’およびAF　OUtputそれぞれの波

形の変化を観測し記録した．さらに，雨雑波形が，ア

ンテナ入力回路に加えられたときのIF　OutputとAF

t

18 小妻・梅園：降雨による受信障害rl　沈積雑音

Outputの波形の記録をシミュレーションのものと比

較検：討し，次の結果を得た．すなわち，

　i）雨雑波形は，鋸歯状波形である．

ii）高周波増幅部の入力部において，雨雑波形の放

電が行なわれる期間，アンテナ入力回路に減衰振動を

生じさせ，受信障害の原因となっている．

　この現象を明らかにするため，アンテナ入力回路に

鋸歯状波を入力した場合の理論的合成波形を求め，こ

の波形が実際の雨雑波形を入力したときの応答波形と

類似することが分った．

　本報告を草するにあたり，種々御教示をいただいた

本学部教授柴田恵司博士に深甚なる謝意を表する．ま

た，今回の研究に関し御協力いただいた日本無線株式

会社船舶第一課受信班小川哲生氏および同社長崎営業

所高比良毅氏に対し心から感謝の意を表する．

文 献

1）小妻　勝・梅園　茂（1979）．本誌，47，75－81．

2）　岸　達也（1955）．回路解析の基礎，共立出版株

　式会社．東京．17－72．

3）岸達也（1955）．同上書，108－113．

4）星合正治編（1976）．無線工学ハンドブック．オ

　ーム社，東京．9章，14，15章，3－4．