音声デジピーターの実験２

音声デジピーターの実験２（小型軽量化へのアプローチ）

つくばＦ３

　前回の音声デジピーターの実験では、汎用のマイコンボード（Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ、または自作互換機)、音声録音再生ＬＳＩ（ＡＰＲ９６００）、そして音声合成ＬＳＩ（ＡＴＰ３０１２）等を使い、そのハードウェア、ソフトウェアの設計開発などを行ってきた。一方、実験装置の設置（仮設）自由度の向上や、持ち運びの負担軽減など小型軽量化も課題の一つであり、今回はそれに取り組んでみた。以下の写真（図１）に前回の試作機（２号機）と今回紹介する試作機（３号機）をそれぞれ示す。

　ご覧のように前回２号機は、電子回路基板３枚を積層し、単三型電池６本使用の電池ボックスから給電している。今回の試作機（３号機）は電源となる単四型電池４本の電池ボックス（スイッチ付き）の上に、電子回路基板を１枚載せるような構造になっていて、大幅な小型軽量化を試みた。

【小型軽量化へのアプローチ】

　基板上の部品の配置や配線などを工夫するだけでは大幅な小型化はあまり期待できない。よって使用部品をできるだけ小型のものに替えてみたり、また構成（アーキテクチャ）や回路そのものを見直して部品点数を減らすなどが効果的である。そこで前回試作機（初号機、２号機）の基板面積の大半を占めていた大型（６００ｍｉｌ：２８ＤＩＰ）の音声録音再生ＬＳＩや音声合成ＬＳＩを使わずにマイコンボードのみでこれらの機能を実現できないか検討することにした。つまり、外付けのハードウェアをできるだけ減らし、その部分をソフトウェアで置き換えることで小型化できないか考えたわけである。

　軽量化へのアプローチとしては、全体の重量の多くを占めている電源（電池）の低電圧化も効果的である。前回はマイコンボードの動作電圧（約７Ｖ～）の確保のため、単三型電池６本（約１６２ｇ：実測値）を使用した。一方、後述する今回使用したマイコンボード（図２：ＲＰ２０４０ベース基板）は外部電源として５Ｖ程度の電源電圧（内部電圧３．３Ｖ）で動作可能であり、単四型電池４本（約５２ｇ：実測値）を使用することで約１１０ｇ軽量化できた。また前回の総重量（ケーブル類や無線装置を除く）と今回は、それぞれ実測値で約２５０ｇ、約９６ｇであり、トータルで約１５４ｇ軽量化された。特小機が約１００～２００ｇほどなので、トランシーバー１台分ほど軽量化できたことになる。

【今回使用のマイコンボード】

　前回のレポートでも示したように、録音再生に必要なメモリ量は以下に示す計算式（１）から約１６０Ｋバイト以上必要となる。前回使用のマイコンボード（Ａｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ）では搭載ＲＡＭ容量が僅か２Ｋバイト（実際に使用可能なのはこの約半分）しかないため、基本動作（中継動作）をこのボードだけで実現するのは非常に困難（外付けのメモリデバイスが必要）である。

　必要なメモリ量（ビット）＝　サンプリング周波数（Ｈｚ） ＊　量子化（ビット）＊　録音時間（秒）　．．．（１）

以下の条件で計算してみると、

　サンプリング周波数：８ＫＨｚ（無線電話：必要な周波数帯域３００～３０００Ｈｚ）
　量子化ビット数：８ビット（無線電話音質）
　録音時間：２０秒（一通報毎に必要な時間）

　必要なメモリ量（バイト）＝　約１６０ＫＢ

　そこで十分な処理速度と録音再生に必要なメモリ容量を搭載した別のマイコンボードを探したところ、ＳｅｅｅｄＳｔｕｄｉｏ社製のマイコンボード（Ｓｅｅｅｄ　Ｘｉａｏ　ＲＰ２０４０）がこれら条件を満たしており、これを使って評価することにした。図２（左）が前回（初号機）使用のマイコンボード（約69mm x 53mm)、図２（右）が今回使用したマイコンボード（約18 mm x 21 mm）である。

　ご覧通りとても小さなボード（切手と比較）であり、基板上にはさらに小さなＭＣＵチップ、ＲＰ２０４０（図３：約7mm角）、電源ＩＣ、メモリＩＣなどが載り、非常にコンパクトにまとめられている。動作周波数は１３３ＭＨｚ、搭載ＲＡＭサイズは２６４Ｋバイトである。プログラム格納用の外付けＲＯＭ（フラッシュメモリ）のサイズは２Ｍバイト（２０４８Ｋバイト）となっていて、前回マイコンボードとして使用したＡｒｄｕｉｎｏ　ＵＮＯ（１６ＭＨｚ、ＲＡＭ：２ＫＢ、ＲＯＭ：３２ＫＢ）とは桁違いの動作速度と大容量メモリを有している。しかも価格は約５～６ドル（２０２３年１２月現在）と低価格である。

【ＩＤ送出、音声合成について】

　今回もＩＤ送出用にモールス信号などをＭＣＵから一定間隔（約３分）で送出できるようプログラムを用意した。また音声合成によるＩＤ送出も実現するため、ＡＩ（人工知能）技術を応用したＶＯＩＣＥＶＯＸ（音声合成ソフト）を使って、先ず音声データ（.wav）を作成し、図４に示すように、得られたデジタルデータ（抽出、加工後）をプログラムメモリ（ＲＯＭ）へ直接書き込むことにした。ＩＤ送出の際はＲＯＭ上の音源データを読み出し、Ｄ／Ａ変換器（ＰＷＭ）を通しアナログ音源を再生、送信音声とした。

　一つの合成音声ＩＤ送出時間を最大１０秒間とすると、必要なメモリ量も上記計算式（１）から同様に求めることができる。

以下の条件で計算してみると、

　サンプリング周波数：８ＫＨｚ

　量子化ビット数：８ビット

　録音時間：１０秒（合成音声ＩＤ送出時間）

　必要なメモリ量（バイト）＝　約８０ＫＢ

　仮に３パターンの合成音声データ（約２４０Ｋバイト）をＲＯＭへすべて書き込んだとしても、最大２Ｍバイト（約２０４８Ｋバイト）用意されているので、まだ十分に余裕がある。よって音声合成ＬＳＩ等を使わず、合成音声によるＩＤ送出をこのマイコンボードのみで実現することができる。

　ところで、プログラムメモリ（ＲＯＭ）は前述の通り、まだ十分余裕（残り１Ｍバイト以上）があるので、合成音声ＩＤと同様の方法を用い、音声周波数帯域（～３ＫＨｚ）で画像の送受信が可能なＳＳＴＶ（Slow Scan Television）によるＩＤ送出ができるようプログラムとその音源データ（約３２０Ｋバイト）を追加している。

　一つの画像ＩＤ送出時間を最大４０秒間とすると、必要なメモリ量も上記計算式（１）から同様に求めることができる。

以下の条件で計算してみると、

　サンプリング周波数：８ＫＨｚ

　量子化ビット数：８ビット

　録音時間：４０秒（画像ＩＤ送出時間）

　必要なメモリ量（バイト）＝　約３２０ＫＢ

【回路構成】

【考察】

　専用の音声録音再生ＬＳＩや音声合成ＬＳＩを使わず、マイコンボード（Ｓｅｅｅｄ　Ｘｉａｏ　ＲＰ２０４０）１枚を使って音声デジピーターを試作した。部品点数の削減や低電圧化などを行って大幅な小型軽量化が達成できた。フィールド試験等で良好に動作しており、現在までのところ、動作上大きな問題は発生していないようである。引き続き移動運用などで動作試験を継続する予定である。

【参考文献】

Seeed Xiao RP2040Seeed Studio Ltd
Raspberry Pi Documentation of RP2040Raspberry Pi Ltd
無料で使える中品質なテキスト読み上げ・歌声合成ソフトウェアＶＯＩＣＥＶＯＸ
SSTV 通信ソフト MMSSTVＪＥ３ＨＨＴ局ＨＰ
音声デジピーターの実験（つくばＦ３）

【更新】

２０２４年　２月２８日：Initial Release
２０２４年　３月　４日：誤字脱字の修正、および図８（仮設の様子）を追加

【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。