音声デジピーターの実験

音声デジピーターの実験

つくばＦ３

　２０２３年８月２７日、筑波山（男体山：871m）で移動運用した際、立山山頂（雄山：3003m）にデジタル小電力コミュニティ無線（以下、ＬＣＲ）を使った音声デジピーター（立山山頂ＤＰＴ局）が設置されているとの情報を交信局（とうきょうＧＷ１９３局：城山湖移動）からいただいた。この交信後、アクセス可能かどうか試したところ、幸運にも可能なことが判明した。さらにこの中継装置を介して一斉呼び出しを行い、富山市内の方（とやま１局）と交信することができた。

　後日、筑波山～立山山頂間の地形を調べてみると、途中、山岳地帯（長野／群馬県境付近）に遮られ見通しはなく、また距離は約２２６ｋｍも離れているが、ＬＣＲ（500mW）は特定小電力トランシーバー（以下特小：10mW）に比べ電力が大きく、また波長も長い（約３倍）ためか？山岳回折や反射により、電波が十分に届いていたと考えられる。また立山山頂にはアマチュア無線レピーター（JR9VQ:439.12 MHz）が設置されており、国内だけでなく海外からもアクセス可能であるらしい。

　偶然、立山山頂に置かれた音声デジピーターを使う機会を得て、自らの手（Hands-on）で実験してみたくなった。そこで特小機（単信）１台、音声録音再生ＬＳＩ、そしてそれらを制御するためのマイコンボード等を組み合わせて試作することにした。

　以下の写真（図１）中央に示す試作ボードは２段構造になっていて、僅かに見える下段の青色のボードがマイコンボード、その上段に載せられた緑色のボードが音声録音再生ＬＳＩ他である。これらはピンヘッダとソケットを使って相互に接続（積層）されている。

【音声デジピーターとは？】

　図２左に示すように一般的な半複信のレピーターの場合は同時に２つのチャンネルを使って送受信する。あるチャンネル（ｆ１：アップリンク周波数）で受信された音声を別のチャンネル（ｆ２：ダウンリンク周波数）で再送信する仕組みである。

　それに対し、図２右に示すように音声デジピーター（やまびこレピーター）の場合は単一チャンネル（ｆ０）のみで中継するため、受信音声を中継装置で一時的に録音し、通話終了直後、録音された音声を再生してそれを送信する仕組みである。よって交信にかかる時間は２倍以上必要（録音時間＋再生時間）となり、一見”この時差”が発生して使いにくい印象だが、動作原理を理解して通話内容をできるだけ簡潔にすれば、効率よく会話（交信）が進められると思われる。

　また単一チャンネルしか使用せず、中継に関わる無線装置（単信）はすべて同じ仕様（周波数、電波形式など）のものでよいため、システム全体としては非常にシンプルである。また自局から送信した内容を送信終了後、折り返し確認できるので訂正が容易であり、そして相手局が不在の場合でも中継装置までどの程度通話内容が届いているかを事前に確認できるので、自局モニター（別のモニター受信機など不要）としても便利である。

　ところで「デジピーター」という言葉は昔々（１９８０～１９９０年代頃）、アマチュア無線でパケット通信（無線を使ったパソコン通信のようなもの）が流行っていた頃、デジピーターと呼ばれるデータ中継機能がモデム装置（ＴＮＣ：ターミナルノードコントローラー）に予め実装されており、単一周波数を使って、あるノード（ＮＯＤＥ：各アマチュア無線局）から別のノードへデータパケットをバケツリレーのように次から次へと中継（転送）する機能があり、盛んに使用されていた。それになぞらえて、音声デジピーターと呼ばれているようである（諸説あり？）。

　次に音声デジピーターの構成例について説明する。 

【音声デジピーター構成例】

　次に通信が終了（スケルチクローズ）と判定されるとＲＥＣ信号が解除され、変わってＰＬＡＹ信号が録音再生装置へ送られて再生を開始し、送信音声が無線装置のＭＩＣ端子へ入力される。また同時にＰＴＴ信号もコントローラーから無線装置へ入力され送信が開始される。そして音声の再生がすべて終わると録音再生装置からＥＮＤ信号がコントローラーへ送られてＰＴＴ信号が解除され、無線装置が再び受信待機状態へ戻る。

　このような一連の動作（受信待機→受信録音→送信再生→受信待機→）が順次繰り返される。

　次に具体的な各構成部品について説明する。

【コントローラーについて】

　一方、今回の実験では無線装置のＳＰ端子から出力される微弱なノイズを、先ずオペアンプを使って十分なレベルまで増幅（約２０～３０ｄＢ）させ、この増幅されたノイズをマイコンボードのアナログ入力ピンへ直接入力し、ＭＣＵ内でサンプリング（標本化）、Ａ／Ｄ（アナログ～デジタル）変換後、数値化（量子化）されたノイズを前回と同様の原理に従って、ＭＣＵ内で演算処理することでＢＵＳＹ信号を検出することにした。前回の方法ではすべてアナログ的（ハードウェア）な手法だったため回路定数（抵抗や容量など）の調整等を試行錯誤（カット＆トライ）しながら決めていたが、今回はプログラム（ソフトウェア）の変更で機種（無線機）によるノイズレベル差の微調整も可能となった。そして動作が不安定なアナログ部分を極力減らし、安定性の改善と実装面積の節約が両立できたかもしれない。

　この検出されたＢＵＳＹ信号を基に、後述する音声録音再生ＬＳＩの制御信号であるＳＴＡＲＴ信号、ＲＥＣ／ＰＬＡＹ信号、無線装置の送受信をコントロールするためのＰＴＴ信号をこのボードから発生させる。またこれら基本動作とは別にＩＤ（コールサイン等）送出のためのモールス信号の発生や局名アナウンス用の音声合成ＬＳＩの制御なども追加機能として用意してみた。

　そして、本稿冒頭で示した写真（図１）のように「シールド」と呼ばれる拡張ボードをピンヘッダとソケットを使って次々にマイコンボードの上へ積層できるような構造になっていて、後述する音声録音再生ＬＳＩや音声合成ＬＳＩなどを追加、実装している。このような構造を採用することで、拡張性、保守性、そしてコンパクトに収め可搬性も向上させている。

　ところで最近（２０２３年１１月現在）ＵＮＯは、Ｒｅｖ４版（Ｍｉｎｉｍａ／ＷｉＦｉ）がリリースされ、これまで採用されてきたＡｔｍｅｌ社製ＡＴｍｅｇａ３２８（１６ＭＨｚ）に代わり、新しいＭＣＵ（ＲＡ４Ｍ１）が採用された。クロック周波数の大幅な向上（４８ＭＨｚ）、またメモリ容量も大幅に増加し、他の機能も強化されたらしい。このＭＣＵ（内臓ＣＰＵ：ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ　Ｍ４）、なんと日本製（ルネサスエレクトロニクス社）であり、今後注目のマイコンボードである。 

【無線装置（特定小電力トランシーバー）について】

【録音再生装置について】

　最新のＰＣ／スマートフォンに内臓されているメインメモリ（数Ｇバイト～）やストレージ用のＨＤＤ／ＳＳＤ（数Ｔバイト～）と比べれば、最大１Ｍバイトなんて写真１枚程度のとても小さなサイズだが、このような小さなマイクロコントローラー（ＭＣＵ）にとっては現在でも広大なメモリ空間である。前述した「Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ」のＲＡＭサイズは僅か２Ｋバイト（必要な量の約５００分の１、実際に使えるのはこの半分程度）しかない。

　メモリ量だけをみれば、ＤＲＡＭやＳＲＡＭ、フラッシュメモリなどを外付けすれば十分に実装できそうだが、その制御はとても面倒であり時間とリソースをかける余裕はあまりない。しかしシステム全体をさらにコンパクトにまとめるためには選択肢の一つかもしれない。

　そこで音声の録音再生専用チップを探していたところ、実は手元にあるのを思い出した。購入当初（約１０年前～？）、何かに使えないか悩んでいる間に忙しくなり、すっかりその存在を忘れていた。仕様書を改めて見ると高音質モードで最大約３０秒録音できるようなので、まさにこの実験のために用意されたかのようなチップである。ただ少し残念なのが、パッケージサイズが図７に示すように大型（６００ｍｉｌ）の２８ピンＤＩＰであり、小型（３００ｍｉｌ）で同様なチップを探したが、結局見つからず、今回ついにご登場いただいたわけである。

　本稿冒頭の写真（図１）に写っている緑色の基板面積を多く占拠しているのがこのチップである。 

【音声合成ＬＳＩについて】

　最近はＡＩ（人工知能）の技術を使い、文章（テキスト）から自然に聞こえる音声合成するソフトウェアがあるので、今後はそれを使って合成音声を作るのもよいかもしれない。そして人間が機械を、または機械が人間を相手にする「ＡＩ無線局」が現れるのも、そう遠くないのかもしれない。機械同士では人間の話す言葉をわざわざ使う必要はないので、実はもうすでに人間のわからない言葉？でお互いに交信しているのかもしれない。。。

　次にこれまで説明してきた各部品を組み合わせた、全体の回路構成を説明する。

【回路構成】

　受信終了（スケルチクローズ）直後、再生が開始され同時にＰＴＴ信号が無線装置（ＤＪ－ＣＨ１）へ入力されて送信状態となり、再生音声が送信される。そして、すべての再生（通信内容）が終了すると、音声録音再生ＬＳＩが動作中（録音中または再生中）であることを示すＢＵＳＹ信号（前述した図３の無線装置から出力されるＢＵＳＹ信号とは違うので注意）が変化し、それをモニターしているマイコンボードがＰＴＴ信号の解除を行って送信が終了、受信待機状態へ移行する。

　また約３分に一度（約１０～１５秒間）、ＩＤ（コールサイン等）が自動送出するようにプログラムされており、モールス信号または音声アナウンス（日本語）のいずれかを選択できる。モールス信号の場合はマイコンボードのみで生成できるが、音声の場合は専用の音声合成ＬＳＩ（ＡＴＰ３０１２）を使い、マイコンボードのシリアルポート（ＴＸＤ／ＲＸＤ）から送信される文章（テキスト）をこのＬＳＩで受信し、合成音声を発声させてそれを無線装置（ＤＪ－ＣＨ１）から送信している。 

【実験結果（フィールド実験）】

　２０２３年９月１８日、秋の一斉オンエアデーの日である。試作機（初号機）が完成したのでこれを携え、茨城県つくば市宝篋山（４６１ｍ）山頂へ登った。無線装置（ＤＪ－ＣＨ１）の電源を入れて使っていないチャンネル（レジャー９ｃｈ）に合わせ、試作した中継装置と繋いで試験運用を開始した。並行して行っている移動運用（市民ラジオ→ＬＣＲ→特小）で、茨城県筑西市内を移動運用中の”つくば４８局”と繋がり、実験内容を伝えたところ、快く実験のご協力をいただきアクセスを試していただいた。ところが、短時間（数秒間）で録音が停止してしまい、それを再送信するような状態が続いたため、この日の実験は残念ながら中止することにした。

　後日、その原因を探ってみると受信音声のレベル（振幅）が過大に入力された場合、前述したＢＵＳＹ信号（ＭＣＵ内で生成した信号）が一瞬途切れること（録音→再生）が判明した。微弱なノイズレベル差に比べて、通常の受信音声はレベル差がとても大きくなり、条件によっては検出プログラムが十分に対応できていなかったようである。早速、プログラム修正を行った。

　また「再送信される音声レベルが少し小さいのでは？」との”つくば４８局”からご指摘をいただいたので、適正なレベルになるよう再調整を行った。実際にフィールド実験してみると事前の室内実験では気が付かなかったことや、想定外の不具合が色々出てくるものであり、毎度ながらそれらを痛感させられた。

　２０２３年１０月８日、前述した不具合のプログラム修正、音声レベル調整の他、ＩＤ送出のためのモールス信号発生プログラムの追加、また音声アナウンス生成のための音声合成ＬＳＩボード製作とその制御プログラムの追加を行い、修正版の２号機（マイコンボードは自作互換機へ変更）を携え、再び宝篋山山頂へ登った。この日も移動運用と並行して実験を行い、中継装置に設定したチャンネル（レジャー５ｃｈ）を同時にモニターしていたが、約３分ごとにＩＤが自動送出しているのを時々聞いているだけで、移動運用の方に注力したため、中継装置はほぼ放置したような状態であった。 

　並行してバンド（市民ラジオ→ＬＣＲ→特小）を順次変えながら移動運用を行っているので、音声デジピーターの利用状況にあまり注視できなかった。しかし交信の合間に時々モニターしたところ、コールサインなどは未確認ながら何度かアクセスされているのを確認でき、ほぼ正常に動作しているようであった。

　通常の交信が一段落して、ランチをいただきながら音声デジピーターをモニターしたところ、茨城県筑西市内を移動運用中の”つくば４８局”がアクセス中であり、声をかけたところ交信が成立した。こちらの設置場所との相性が最初あまり良くなったため、１１月としては気温が非常に高い中、本当にありがたいことに徒歩で良好なアクセスポイントを探していただいたようである。

　またそれと前後して、茨城県鹿嶋市内を移動運用中の”かしまＫＨ１９７局”がアクセス中の再生音声も聞こえ早速呼んだところ、”直接波”も同時に良好に入感しており、少し混乱を与えてしまったようだが最終的に中継装置を経由して交信が成立した。よってこの日の中継実験はほぼ成功したようである。 

【考察】

　今回、特定小電力トランシーバー（単信）を用いた音声デジピーターを試作した。フィールド試験（９月１８日、１０月８日）の結果を基に、ハードウェア、ソフトウェアの追加修正を行い、１１月３日の稼働実験で概ね良好に動作していることが確認できた。また特定小電力トランシーバー以外でもＬＣＲ（デジタル小電力コミュニティ無線）やアマチュア無線機器等でもこのボードが応用できるかもしれない。

　現在、マイコンボード等は剥き出しの「バラック」状態であり、また電源の確保や場所等の問題があって、今のところ常設のハードルは非常に高いと思われる。よって移動運用の際にできるだけ仮設する機会を設け、動作状況を観察しながら改良や機能追加などを今後も引き続き行う予定である。

【謝辞】

　本実験に際し、フィールド実験（初号機）で動作状況や改善点などのアドバイスと実際に交信していただいた”つくば４８局”、今回交信していただいた”かしまＫＨ１９７局”、そしてこの音声デジピーターへアクセスしていただいたすべての特定小電力無線局へ感謝申し上げたい。

　また、今回の実験の動機付けとなった”立山山頂ＤＰＴ局”に関して情報共有していただいた”とうきょうＧＷ１９３局”、実際にこの音声デジピーター（ＬＣＲ）を介して交信していただいた”とやま１局”、そして”立山山頂ＤＰＴ局”を維持管理されている有志の方々へ感謝申し上げたい。

【参考文献】

ATP3012データシート(PDF)(株)アクエスト
DJ-CH1取扱説明書(PDF)(株)アルインコ
クロスチャンネルレピーターの実験通信実験のページ(つくばＦ３)
ＰＣ用ヘッドセットを使った特定小電力トランシーバーの通話実験通信実験のページ(つくばＦ３)

【更新】

２０２３年１１月１１日：Initial Release
２０２３年１１月１８日：誤字、脱字の修正、および図の追加など

【ご注意】

本記事を利用して生じたトラブルに関しては、筆者は責任を負いかねますので、ご了承ください。