石川　嘉彦

1.　はじめに
　郵政省では、地上テレビジョン放送の受信格差を 是正するため、辺地難視聴地域の解消と受信チャネ ル数の増加を図っている。その結果、辺地難視聴世 帯数はNHKが約10万、民間放送が約40万（日本全 国の総世帯数は約4,000万）に減少している。また 受信チャネル数についても、民間放送を4局（NHK と合わせると6局）以上割当てられている地域は、 28都道府県（全世帯数の83％）にまで達している。 FM放送に関しては、NHKは全都道府県で、民間放 送は予備免許中も含めると31都道府県（東京と大阪 では2局）で放送されている。
　最近、衛星放送の実用化、多チャネルCATVの新 設、ビデオディスク・CD・DATといったパッケイジ メディアの登場によって、地上放送を取り巻く環境 は大きく変動している。地上放送自身も高品質化・ 多様化の努力を続けてきたが（図1）、地上放送メ ディアの全国普及が最終段階に入ってきた現在、将 来に向けての耕しい放送メディアの技術的検討に取 り組む時期にきている。放送技術研究室では、地上 ディジタル音声放送の研究を開始したので、その概 要を以下に紹介する。

図　放送の高品質化・多様化

2.　地上ディジタル音声放送の目的
　クリアビジョン放送は今秋から、ハイビジョン放 送もBS-3を使って実用化の予定であり、映像の高 品質化が進んでいる。しかし音声放送に関しては、 高品質化の検討はあまり進んでいない（図1参照）。
　音声放送では、FM放送が高品質なメディアとし て利用されてきた。しかし、最近はCDに代表され るディジタル音響機器の普及が進んだほか、映像に 付随したものではあるが衛星放送の音声はディジタ ル化されており、FM放送より音質の良いメディア が増えてきた。FM放送では、高層建築物等からの 反射波（マルチパス）が時間的に遅れて希望波に重 畳されるため、音の歪みを生じる。また、自動車等 から発生するインパルスノイズによっても音質が劣 化する。これらは、受信世帯が密集している大都市 で多く発生し、問題となっている。その対策として は、指向性の鋭い受信アンテナを使用する以外に今 のところ有効な方法がない。
　地上ディジタル音声放送でも、伝搬路で生じるマ ルチパスやノイズによってピット誤りが発生する が、送信側で誤り制定符号を付加することによって、 受信信号中のピット誤りを検出または訂正すること が可能であり、この場合原音を忠実に再生できる。 ディジタル化のもう一つの利点としては、番組識別 信号や番組関連情報等も一緒に伝送し、使い勝手の 良いシステムを構成できることがある。例えば、歌 詞を画面上に出したり、好みの歌手や楽団の曲だけ を留守録音できる等、これまでのアナログ放送では 実現できなかった新しいサービスが可能となる。
　ディジタル音声放送は衛星系でも検討されている が、カーステレオやヘッドホーンステレオの普及が 進んだ現在、移動体での受信も可能な地上系への期 待は大きい。しかし、地上ディジタル音声放送に利 用できる周波数帯が用意されているわけではない。 そこで、テレビジョン放送（VHF・UHF帯）で使用 しているチャネルの隙間（空きチャネル）の利用を 考えている。
　　

3.　地上ディジタル昔声放送の研究課題

3.1　地上テレビジョン放送との両立性
　地上テレビジョン放送に割当てられている62チャ ネルを利用して、全国で約13,000局が放送を行なっ ている。例えば、東京タワーからは7 都県を対象に7局が放送している。更 に受信条件の悪い地域を対象に、東京 タワーからの放送波を受信して別の チャネルで再送信している中継地点が 87箇所あり、各地点からは2〜8局が 放送している。地上ディジタル音声放送を東京タワー から放送するとした場合、これらの放送局及び各 サービスエリアに妨害を与えない空きチャネルを探 さなければならない。従って、テレビジョン放送と の同一チャネル混信妨害の可能性を、充分に調べて おく必要がある。
　地上ディジタル音声放送のサービスエリアを広く するには、送信電力を大きくしたい。しかし、サー ビスエリア周辺で同じチャネルを使用しているテレ ビジョン放送に、混信妨害を与えないことが必須の 条件となる。他方、その周辺テレビジョン放送局か ら、地上ディジタル音声放送が混信妨害を受ける可 能性もある。そこで、伝送容量をできるだけ多くと りながら、テレビジョン放送との両立性も図れる変 復調方式の開発が研究課題となる。

3.2　高能率符号化
　実用化されているディジタル音源の量子化ビット 数と標本化周波数を

表1に示す。人間が知覚できる 最高周波数は20kHz程度といわれており、業務用 機器等で使用されている48kHzが標本化周波数の 候補となる。量子化ビット数としては、現在の業務 用機器では16ビットが使われており、これは音の最 大・最小の強度比で96dBに相当する。しかし自然 界の音では120dB程度あるといわれており、この 場合は20ビットが必要になる。更に、音像の定位に は左右のスピーカー（ステレオ2チャネル）だけで なく、中央にもスピーカーを置くと効果があると か、音場の再生には積あるいは後方にも音源が必要 といった議論もある。こうした要求を満たそうとす ると、例えば48kHz・20ピット・4チャネルでは、 4Mbpsもの伝送容量となってしまう。ユーザの要求 品質・条件を考慮しながら、伝送容量をできるだけ 減らす高能率符号化技術が研究課題となる。

表1　標本化周波数と量子化ビット数

3.3　マルチバス補償・誤り訂正符号
　マルチパス妨害に対しては、信号処理による波形 等化と、アンテナのダイバーシティ受信が研究課題 となる。マルチパス妨害は、テレビジョン放送の場 合ゴーストとなって現われるので、その対策技術は 地上放送に共通する基礎技術となる。地上ディジタ ル音声放送への期待として、移動体での受信があ る。この場合マルチパスの状態が時間と共に変化す るため、技術開発要素は大きい。また伝搬路の特性 を基に、地上ディジタル音声放送に適した誤り訂正 符号の開発も研究課題となる。

3.4　これまでの研究成果
　テレビジョン放送との同一チャネル混信妨害の程 度を机上で把握できるようにするため、放送局から 送出される放送波の受信電界強度を、国土地理院で 作成した精密な地形データを基にして計算し、受信 エリアを推定するプログラムを開発している。まず 送受信点の緯度・経度を与え、送受信点を結ぶ地形 の断面図を作成する。次に送受信点が見通し内であ れば、直接波と地面からの反射波を考慮して受信電 界強度を計算する。もし途中に山岳または高地があ れば、そこでの回折波も考慮して計算する。この作 業を、送信点を中心として360度計算すれば、現実 の地形を考慮に入れたきめ細かな受信エリアを推定 することができる。
　移動体受信技術を開発するため、アンテナ高3m の標準ダイポールを実験車の屋上に設置し、東京タ ワーから送出される4チャネルの放送波を、当所近 くの一般道路を走行しながら受信実験した（図2 上）。テレビジョン信号の中に挿入された参照信号 （チャープ信号）を利用し、伝搬路のディレープロ ファイルを求めたものが図2下である。実験車が建 物の蔭に入ると直接波の受信電界強度が減少し、代 わって周囲の建物からの反射波が時間的に少し遅れ て受信される様子がよく分かる。このようにして伝 搬路のマルチパス特性が把握できれば、マルチパス 妨害を受けた受信信号から、信号処理によって送信 信号を求めることができる。送信信号としてテレビ ジョン文字多重信号（5.72Mbps）を利用し、基礎的 な研究を進めている。

図2　実験場所（上）とディレープロファイル（下）

4.　おわりに
　地上ディジタル音声放送の研究は、ユーレカ（欧 州先端技術共同開発計画）の一つとしてヨーロッパ でも行われており、研究の背景・目的は日本とほぼ 同じである。今後CCIRの場で議論されることにな るが、解決すべき研究課題は通信分野と共通すると ころが多い。所内関連研究室との連携も深めながら 推進したいと考えている。暖かいご支援をお願いす る次第である。

（総合通信部　放送技術研究室長）

佐　竹　　誠

はじめに
　レーダによる雨の観測といえば、天気予報で登場 する富士山レーダがおなじみであり、すでにわれわ れの社会生活の中で実用されている。それではな ぜ、通信総研でこの研究を続けているかというと、 現在の降雨レーダには依然として解決すべき問題点 が多いからである。なかでも重大なものとして、
　　“従来の降雨レーダは測定の誤差が大きい” ことがあげられる。レーダを使って、雨が降ってい ることは間違いなくわかるのだが、どのくらい降っ ているか?、となるとあまり正確にはわかっていな いのである。
　2偏波レーダは、この問題点に対する解決策の一 つであり、より高精度の降雨観測のためのレーダで ある。従来のレーダが1種類の電波を用いて単一の観 測値を得るのに対して、2偏波レーダは異なる性質 （水平偏波と垂直偏波）を持つ2種類の電波を用い て同時に2つの観測値を得る。観測値が増えると、 当然、観測対象である雨に関する情報も多く得られ るので、降雨観測の精度向上が期待できる。
　気象観測用2偏波レーダの研究は、10年ほど前か ら米国・英国を中心に進められている。わが国では 最近、当所と建設省土木研究所が装置を開発し、実 験・研究を進めている。
　　

降雨観測の誤差　−雨滴粒径分布−
　レーダによる降雨観測の精度を考える時、いちば んの問題は雨滴粒径分布の取り扱いである。雨滴粒 径分布とは、単位体積中にどのくらいの大きさの雨 滴が何個ずつあるかを表すもので、雨滴の直径Dの 関数である。
　雨の強さを表すのに一般に使われる降雨強度（�o ／h）は、雨滴の体積と落下速度の積で決まり、およ そΣD^3.5に比例する。（�狽ﾍ観測範囲内の全雨滴に ついて総和をとることを意味する。）一方、レーダ の受信電力は雨滴にぶつかった電波がどのくらい 戻ってくるか（レーダ断面積）で決まるが、これは 概ねΣD^6に比例する。したがって、同じ降雨強度の 場合でも雨滴粒径分布によってレーダ受信電力は異 なり、一般に大きな雨滴を多く含む面ほど受信電力 が大きめに出る。
　これは、レーダ受信電力だけから降雨強度を決め ることは厳密には不可能であり、両者の仲介役とし て雨滴粒径分布が必要となることを意味する。従来 のレーダでは、実際の雨滴粒径分布を直接測ること はできないので、予め経験的に求めた平均的な雨滴 粒径分布を用意して、これを使って測定された受信 電力から降雨強度を求めているわけである。ところ が、例えば雷雨と梅雨との比較から想像できるよう に、雨滴粒径分布は個々の降雨によってかなり違う ものなので、従来のレーダによる降雨観測では大き な誤差が生じやすいことになる。
　　

2偏波レーダによる降雨観測の原理
　2偏波レーダは、この雨滴粒径分布をレーダ観測 から直接決めることができるのが最大の特徴であ る。ここで言う2偏波レーダとは、送信及び受信に おいて電波の偏波を水平と垂直方向とに高速で切り 替えて、各々に対する受信電力を測定できるもので ある。図1に2偏波レーダによる降雨観測の概念図 を示す。偏波を高速で切り替えることによって等価 的に2偏波同時観測を実現している。雨滴粒径分布 を求めるにあたっては、決定できる未知量の数が限 られているので、やはりある仮定が必要となる。
　（仮定1）雨滴粒径分布は2つのパラメータで決 まる指数関数型（p・exp(-qD)）で表せるものとす る。すなわち、小さい雨滴は多く、大きくなるとそ の個数が指数関数的に減少する、という形である。
　ところで、落下中の雨滴は、小さいものはほぼ球 形であるが、大きくなればなるほど空気抵抗の影響 のため底部がつぶれた変形雨摘（図1参照）となる ことが知られている。

図1　2偏波レーダによる降雨観測の概念図

　（仮定2）雨滴の大きさDと雨滴の形（つぶれ加 減）の関係は既知とする。
　このような変形雨滴では、水平偏波の場合と垂直 偏波の場合とでレーダ断面積が異なるが、仮定2よ り両者をDに応じて計算することができる。雨滴が 小さい時は球形に近いので偏波間の差は小さく、大 きくなるほど横につぶれて水平偏波の方が大きくな る。したがって、レーダ受信電力の偏波間の差は雨 滴の大きさに依存する。このことを利用して、測定 によって得られる水平、垂直偏波に対する2つの観 測値から、雨滴粒径分布を（仮定1で決めた近似形 式として）決定することができる。雨滴粒径分布が 決まれば、降雨強度のみならず、降雨減衰や含水量 といった降雨に関する物理量を高精度で求めること ができる。
　　

2偏波レーダ・システム
　2偏波レーダを新規につくるには莫大な費用がか かるが、当所の2偏波レーダ・システムは鹿島支所 に既存の後方散乱実験装置を利用し、これに2偏波 観測に必要な機能を付加することによって、低いコ ストで実現した。偏波切り替えのための高速スイッ チング機能を持つ送信及び受信用アンテナ装置を新 規に開発し、パソコンを使用するデータ収集とシス テム制御系を新しく整備して、2偏波レーダの基本 システムが完成した。本システムの特徴的な点を、 通常の気象レーダと対比させて示すと次のようにな る。

　　　　　　　通常の気象レーダ　　本システム
使用周波数帯　　C帯（5-6GHz）　　　Ku帯（14GHz）
アンテナ構成　　送受一体　　　　　送受分離
レーダ方式　　　パルス方式　　　　 FM-CW方式

これら本システムの特徴は実は改造前の装置に由来 するものであり、その結果、欧米等の既存のものと は異なるユニークな2偏波レーダ・システムとなっ た。鹿島支所にはこの2偏波レーダの他に、Cバン ド・ドップラ・レーダ、雨量計、雨滴粒径分布測定 装置などの降雨観測設備がそろっているので、同時 観測による総合的な研究を行える利点がある。
　　

むすび
　以上2偏波レーダによる降雨観測の特長等を述べ たが、実際には短所もあり、高精度の観測は大きな 困難も伴う。まず、現実の雨は一瞬ごとに絶えず変 化しているから、高速（最高20ミリ秒）の偏波切替 といっても厳密には2偏波同時観測ではない。さら に、仮定しているモデル通りに変形雨滴が行儀よく 並んでいるわけではなく、雨滴が傾いている場合も あり、理論通りにいかない点も多い。また、偏波間 の受信電力の差はよほど強い雨でない限り，わずか 10分の数dB程度と小さいので、これを正確に測定 することは容易ではない。
　以上のように難しい点も多いが、昨年中に行った 予備実験で、ある程度の見通しも得られているので、 今年は本格的な降雨観測を行い、2偏波レーダによ る高精度な降雨観測を実証したい。

（鹿島支所第一宇宙通信研究室　技官）

水野　光彦

（企画調査部　企画課　主任研究官）

ストックホルムでの測定風景