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信号対雑音比、無線通信の定義と応用
あなたはパートナーと朝食を食べに行きます。別のカップルもレストランにいます。あなた方二人の会話はスムーズです。デザートが運ばれてくる頃には、レストランやバーエリアはほぼ満席状態です。会話は難しくなります。あなたはパートナーに対して大声で話すことで、相手に理解してもらうように努めます。これは、周囲の騒音レベルが高まっている状況に対応するためです。通信を維持するために、音量を上げ（信号強度を増やす）て、会話の音量レベルを維持する必要があります。これにより、増加した騒音レベル（より高いノイズレベル電力）に対抗できます。これは、無線周波数 (RF) と関連しています。 (RF) 世界中で同様の状況が発生しています。特に、無線周波数（RF）に関する... (RF) 世界中で、信号はあなたの無線電波であり、ノイズは大気、電気、またはその他の干渉性の無線電波です。
信号対雑音比 (SNR) これは、必要な信号のレベルとバックグラウンドノイズのレベルを比較する指標です。信号のパワーとノイズのパワーの比で計算されます。SNR は dB (デシベル) で表されます。
SNR（dB）＝ 10 * LOG[信号の電力（ワット単位）/ノイズの電力（ワット単位）]
大きな信号の場合、S値を使って粗くSNRを計算できます。受信したCW信号がS9で、電波計は信号がない状態でS7と表示する場合、SNRは12dB（通常、各S単位あたり6dB）となります。この信号が2400Hzの広い帯域のフィルターを通して受信していると仮定します。次に、500Hzの狭いCWフィルターを適用します。ノイズレベルはS6以下に低下し、6.8dB改善されます。これは2つの帯域幅の比率です。狭い帯域幅はより多くのノイズを除去し、SNRを向上させます。現在、SNRは18.8dBです。ただし、興味のある信号が完全にフィルターを通る必要があります。仮定の2300Hzの広いSSB信号を500Hzのフィルターに通すと、信号が聞き取りにくくなります。
10*LOG[2400 赫兹/500 赫兹] = 6.81 分贝
無線電スペクトルのあらゆる場所にノイズが存在します。これは、アンテナで受信した外部ノイズ（RFシグナル）によって引き起こされる可能性があります。 < 30MHz、HF の一般的な状況) または受信システムに組み込まれている内部ノイズ (信号 >（一般的な30MHz、VHF、UHFの状況において）が支配的です。
図1からわかるように、ノイズは広帯域の信号であり、そのパワーを測定するためには、測定する帯域幅を指定する必要があります。この帯域幅は「ノイズ帯域幅」と呼ばれます。 (NBW)。
図 1：異なるSNRの比較。信号電力（赤色）と受信帯域におけるノイズ電力との比較
SSB 信号は通常、2600 Hz または 2400 Hz のフィルターで受信されます。アマチュア無線界全体において、2500 Hz は、受信能力の品質指標として使用されてきました。ここでいう「モード」とは、SSB、CW、RTTY、JT65 などです。それぞれのモードには、それぞれ利点と欠点があります。例えば、SSB は 2300 Hz の帯域幅を持つ信号です。より狭いフィルターを使用すると、ノイズのエネルギーを低減するだけでなく、信号のエネルギーも失われる可能性があります。このような信号の損失は、SSB 信号を理解することを困難にします。帯域幅が SSB モードにおける制限要因となります。
CW (Continuous Wave) は非常に狭い帯域の信号です。一般的に使用されるフィルタには、2400Hz、500Hz、250Hz、および100Hzがあります。DSP（デジタル信号処理）を使用すれば、さらに帯域を絞り込むことも可能です。
本質的に、これこそがすべての新しいDSP（デジタル信号処理）モジュレーション方式が行っていることである。彼らはDSPを使用してノイズの帯域幅を狭め、信号にできるだけ近づけるようにしている。さらに、彼らは信号を符号化する。符号化とは、冗長な情報を入力したり、またはデコードされた信号の文字表や既知の結果を削減することを意味する*1。これにより、特定のSNR（信号対雑音比）の下で信号のデータ復調が改善される。符号化された信号の範囲は、本議論の対象外である。
遠距離の、通常は微弱な信号を扱うことに特化したDX（遠隔通信）専門家は、異なる変調方式が持つ特性を理解している。変調方式によって、微弱な信号に対する性能は異なる。ここでは、DXングで使用される一般的な変調方式について見てみよう。アマチュア無線に関する文献では、一般的に、受信可能な信号とノイズの比（SNR）を、2500 Hz帯域におけるノイズレベルとの関係でdBで表すことが多い。これは、図2に示す内容と同じである。
図 2：2500 Hz のランダムコピーした SSB 信号における SNR 性能の目安
図2に示すように、一時的なSSB通信には6dBのSNRが必要です。ほとんど聞き取れないSSB信号（自分のコールサインを識別し、信号情報を取得する）は0dBのSNRとなります。注意点として、これらのSNR比較を行う際には、クリアなチャネルの状態であることを前提とします。QRM（妨害）、ノイズ、フェードなどの影響はありません。これらのチャネル特性を補償するためには、より高いSNRが必要となります。
図2を参照すると、通常のCWでの操作では、信号のSNRが11 dBまたは-5 dBで、通常のSSBと同等のクリアな受信が可能になります。「-5 dB」とは具体的に何を意味するのでしょうか？これは、信号がノイズよりも低いことを示しているのでしょうか？どのようにして聞こえることができるのでしょうか！ここで重要なのは、これは2500 Hzの帯域幅に対する相対的な値であることを理解することです。通常は500 Hzのフィルターを使用しますが、-5 dBが1.8 dBになることに注意してください。これにより、CWを受信することができます。しかし、ノイズが大きすぎますか？250 Hzのフィルターを使用すると、SNRは4.8 dBになります。
図3では、100Hzのフィルタを使用してデータを再計算しています。2500 Hzで-5dBのSNRを示すCW信号は、9dBのSNRになります。優れたDX（遠距離通信者）にとって、自分のコールサインと信号報告を確認することは重要です。そのため、-1dBのSNRまで下げることができます（脳が信号に対して独自のDSP処理を行うため）。また、単に自分のコールサインと応答の信号報告を探している場合、実際には文字の解読を有利に進めることができます。W2RSのレイ・ソイファーが執筆した「人間の聴覚における弱い信号の能力」を参照してください。
図 3：100Hz の最小コピー CW 信号の SNR パフォーマンスの参照
より優れた SNR（信号対雑音比）性能を得るためには、いずれかの DSP モードを使用する必要があります。JT65 は当初、非常に微弱な EME 通信用に開発されました。JT65A は JT65-HF として HF 用に設計されています。図2からわかるように、JT65A の SNR が -15 dB 以下の場合、従来の CW 受信では信号が弱すぎるためです。JT65 を使用すると、信号受信を 9 dB 向上させることができます。 (24-15)このモードを使用する場合、-1dBを超える信号は決して報告されません。このソフトウェアは、このような強い信号の報告を制限しています。これは、当初のJT65のデザイン目的であるEME（遠隔通信）に由来します。作成されたDSPコードは、正のSNR信号を処理する方法が不明です。私の経験から、-10以上の値を示すSNRは疑わしいものです。
WSPR 4 は双方向通信ではなく、ビーコンモードです。狭帯域のDSPによるフィルタリングとエンコーディングにより、微弱な信号を受信し、さらに8dB増幅します。
JT9は、JT65-5の後開発されました。JT65と似ていますが、より狭く、性能も優れています。JT65とは異なり、主に高周波での運用を想定して設計されています。報告されるSNRは正の値です。
FT8 は、最近開発されたもので、主に 6 メートル帯域での Sporadic-E 通信時の信号減衰を軽減するために使用されていますが、HF および VHF 帯域のハム無線コミュニティで広く採用されています。
注意：
注意：
*モールス信号を学ぶ際に、まずアルファベットから始めた方が良いでしょう。その後で数字を学ぶと、アルファベットだけだとより理解しやすくなります。例えば、アルファベットだけでテストする場合、6とBの区別がつきやすくなります。
参考文献：
JT65とのEME通信
2 JT65-HF
3 JT65A 最大SNR -1dB
4 WSPR
JT9
ACRONYMS
SSB = シングルサイドバンド、狭帯域音声通信モード
CW（連続波）は、モールス符号を用いた通信方式です。
HF = 高周波無線電スペクトル、3～30MHz
VHF＝甚長波無線帯、30～300MHz
UHF = 超高速周波数帯、300 MHz ～ 3 GHz
RTTY = 無線電による電信通信のモード
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