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ラジオは電波を使って通信する技術です。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]電波は、3ヘルツ（Hz）から300ギガヘルツ（GHz）の周波数の電磁波です。送信機と呼ばれる電子機器がアンテナに接続して電波を放射し、そのアンテナで受信します。これが無線通信の基本原理です。通信以外にも、レーダー、無線航法、リモートコントロール、リモートセンシングなどの用途にラジオが使われています。
ラジオ通信は、ラジオやテレビ放送、携帯電話、双方向無線機、無線ネットワーク、衛星通信など、数多くの用途で利用されており、送信機で電波信号を変調（電波の何らかの側面を変化させることで情報信号を電波に刻み込む）することで、送信機から受信機へ情報を空間を越えて伝送します。レーダーは、航空機、船舶、宇宙船、ミサイルなどの物体の位置を特定し追跡するために使用され、レーダー送信機から発射された電波ビームが目標物で反射し、反射波によって物体の位置が受信機に示されます。受信機は通常、送信機と同じ場所に設置されています。GPSやVORなどの無線航法システムでは、移動式航法機器が位置が既知の複数の航法用無線ビーコンから無線信号を受信し、電波の到着時間を正確に測定することで、受信機は地球上の位置を計算できます。ドローン、ガレージドアオープナー、キーレスエントリーシステムなどの無線リモートコントロール機器では、コントローラー機器から送信された無線信号によってリモート機器の動作が制御されます。
電波の存在は、1886年11月11日にドイツの物理学者ハインリヒ・ヘルツによって初めて証明されました。 [ 4 ] 1890年代半ば、物理学者が電磁波の研究に用いていた技術を基に、イタリアの物理学者グリエルモ・マルコーニは長距離無線通信のための最初の装置を開発し、[ 5 ] 1895年に1キロメートル以上離れた受信者に無線モールス信号を送信し、 [ 6 ] 1901年12月12日には最初の大西洋横断信号を送信しました。 [ 7 ] 最初の商用ラジオ放送は1920年11月2日に行われ、ピッツバーグのウェスティングハウス・エレクトリック・アンド・マニュファクチャリング社がコールサインKDKAで1920年の米国大統領選挙の生中継を放送しました。[ 8 ]
電波の発信は法律で規制されており、国際電気通信連合（ITU）が調整役を務め、無線スペクトル内の周波数帯域を様々な用途に割り当てている。
「ラジオ」という言葉は、ラテン語の「 radius」（車輪のスポーク、光線、光線）に由来します。この言葉が通信に初めて適用されたのは1881年で、フランスの科学者エルネスト・メルカディエの提案により、アレクサンダー・グラハム・ベルが自身のフォトフォン光伝送システムの別名として「ラジオフォン」（「放射音」を意味する）を採用しました。[ 9 ] [ 10 ]
1886年にヘルツが電波の存在を発見した後、当初はこの放射に対してヘルツ波という用語が使われた。[ 11 ] 1894年から1895年にかけてマルコーニによって開発された最初の実用的な無線通信システムは、電波によって電信信号を送信したため、 [ 4 ]無線通信は当初無線電信と呼ばれた。1910年頃までは、無線電信という用語には、静電誘導、電磁誘導、水中および地中伝導など、電信信号をワイヤなしで送信するためのさまざまな実験システムも含まれていたため、電磁放射のみを指すより正確な用語が必要になった。[ 12 ] [ 13 ]
1890年に電波検出コヒーラーを開発したフランスの物理学者エドゥアール・ブランリーは、それをフランス語でradio-conducteurと呼んだ。[ 14 ] [ 15 ] radio-という接頭辞は、後に特にヨーロッパで、追加の記述的な複合語やハイフン付きの単語を形成するために使用された。例えば、1898年初頭のイギリスの出版物The Practical Engineerには、radiotelegraphとradiotelegraphyへの言及が含まれていた。[ 14 ] [ 16 ]
「radio」という単語が単独の単語として使われるようになったのは、少なくとも1904年12月30日に遡り、英国郵政省が電報送信のために発行した指示書には「『Radio』という単語はサービス指示書に添付して送信する」と明記されていた。[ 14 ] [ 17 ]この慣習は1906年のベルリン無線電信条約で広く採用され、「radio」という単語が国際的に導入された。同条約には「無線電報は前文にサービスが『Radio 』であることを明記しなければならない」というサービス規則が含まれていた。[ 14 ]
英語圏では、無線からラジオへの移行はゆっくりと、そして不均一に進んだ。リー・デ・フォレストは、米国でこの新しい言葉を普及させるのに貢献した。1907年初頭、彼はデフォレスト無線電話会社を設立し、1907年6月22日付のエレクトリカル・ワールド誌に掲載された、法的規制の必要性に関する彼の書簡では、「このような厳格な規制が実施されるまで、ラジオの混乱は確実に起こるだろう」と警告した。[ 18 ]米国海軍も役割を果たした。1906年のベルリン条約の翻訳では無線電信と無線電報という用語が使われていたが、1912年までに代わりにラジオの使用を促進し始めた。この用語は、1920年代に放送が導入されると、一般の人々の間で好まれるようになった。
電磁波は、ジェームズ・クラーク・マクスウェルが1873年に発表した電磁気学の理論（現在はマクスウェル方程式と呼ばれている）で予言された。マクスウェルは、結合した振動する電場と磁場が波として空間を伝わる可能性があると提唱し、光は波長の短い電磁波で構成されていると提唱した。1886年11月11日、ドイツの物理学者ハインリヒ・ヘルツは、マクスウェルの理論を検証しようとして、原始的な火花放電送信機を使って自ら生成した電波を初めて観測した。[ 4 ]ヘルツや物理学者のジャガディッシュ・チャンドラ・ボース、オリバー・ロッジ、レイリー卿、アウグスト・リギらの実験により、電波は光と同様に反射、屈折、回折、偏光、定常波を示し、光と同じ速度で伝わることが示され、光と電波はどちらも電磁波であり、周波数だけが異なることが確認された。[ 19 ] 1895年、グリエルモ・マルコーニは、火花放電送信機を用いてモールス信号を長距離送信する最初の無線通信システムを開発した。1901年12月までに、彼は大西洋を横断する送信に成功した。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] マルコーニとカール・フェルディナント・ブラウンは、「無線電信の開発への貢献」により、1909年のノーベル物理学賞を共同受賞した。[ 20 ]
ラジオの最初の20年間は、無線電信時代と呼ばれ、原始的な無線送信機は音声変調に必要な連続波ではなく、パルス状の電波しか送信できなかったため、ラジオは個人間の商業、外交、軍事のテキストメッセージに使用されました。1908年頃から、工業国は大陸間の電報のやり取りや植民地や海軍艦隊との通信のために、強力な大洋横断送信機の世界的ネットワークを構築しました。第一次世界大戦中、連続波無線送信機、整流電解コンデンサ、水晶受信機検出器の開発により、レジナルド・フェッセンデンらが振幅変調（AM）無線電話を実現し、音声の送信が可能になりました。1920年11月2日、ウェスティングハウス・エレクトリック・アンド・マニュファクチャリング社がピッツバーグでコールサインKDKAで最初の商業ラジオ放送を行いました。この放送では、1920年の米国大統領選挙の生中継が行われました。[ 8 ]
電波は加速する電荷によって放射される。[ 21 ] [ 22 ]アンテナと呼ばれる金属導体内を電子が往復する時間的に変化する電流によって人工的に生成される。[ 23 ] [ 24 ]
送信アンテナから遠ざかるにつれて、電波は広がり、信号強度（平方メートルあたりのワット数）は減少します（逆二乗法則を参照）。そのため、無線送信は送信機から限られた範囲内でしか受信できません。受信できる距離は、送信機の出力、アンテナの放射パターン、受信機の感度、背景雑音レベル、送信機と受信機の間の障害物の有無によって決まります。無指向性アンテナはあらゆる方向に電波を送受信しますが、指向性アンテナは特定の方向にビーム状に電波を送信するか、1つの方向からのみ電波を受信します。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]
電波は真空中では光速で伝わり[ 29 ]、空気中ではそれよりわずかに遅い速度で伝わります[ 30 ] 。
電波以外の電磁波の種類、赤外線、可視光線、紫外線、X線、ガンマ線も情報を伝達し、通信に使用できます。通信に電波が広く使用されている主な理由は、波長が長いため伝搬特性が優れているためです。[ 24 ]電波は、あらゆる天候、樹木、そして長い波長ではほとんどの建築材料を通過する能力があります。回折により、長い波長は障害物の周りを曲がることができ、他の電磁波とは異なり、波長よりも大きい物体に吸収されるよりも散乱される傾向があります。
無線通信システムでは、情報は電波を使って空間を越えて伝送されます。送信側では、送信する情報は、何らかの変換器によって変調信号と呼ばれる時間的に変化する電気信号に変換されます。 [ 24 ] [ 31 ]変調信号は、マイクロホンからの音を表す音声信号、ビデオカメラからの動画を表すビデオ信号、またはコンピュータからのバイナリデータを表すビット列からなるデジタル信号である場合があります。変調信号は無線送信機に印加されます。送信機では、電子発振器が無線周波数で振動する交流電流を生成します。これは、情報を空中に運ぶ電波を生成する役割を果たすため、搬送波と呼ばれます。変調信号は搬送波を変調するために使用され、搬送波の何らかの側面を変化させ、変調信号の情報を搬送波に重ね合わせます。さまざまな無線システムでは、さまざまな変調方式が使用されます。[ 32 ]
他にも多くの種類の変調方式が用いられている。一部の方式では搬送波が抑制され、変調側波帯の一方または両方のみが送信される。[ 34 ]
変調された搬送波は送信機で増幅され、送信アンテナに印加され、アンテナはエネルギーを電波として放射します。電波は情報を受信機の場所に運びます。[ 35 ]受信機では、電波は受信アンテナに微弱な振動電圧を誘起します。これは送信アンテナの電流の弱い複製です。[ 24 ] [ 31 ]この電圧はラジオ受信機に印加され、弱い無線信号を増幅して強くし、復調して変調された搬送波から元の変調信号を抽出します。変調信号は変換器によって人間が使用できる形式に変換されます。音声信号はスピーカーまたはイヤホンによって音波に変換され、ビデオ信号はディスプレイによって画像に変換され、デジタル信号はコンピュータまたはマイクロプロセッサに印加され、人間ユーザーとやり取りします。[ 32 ]
多くの送信機からの電波は、それぞれ異なる周波数（ヘルツ（Hz）、キロヘルツ（kHz）、メガヘルツ（MHz ）、ギガヘルツ（GHz）で測定）で振動するため、互いに干渉することなく同時に空中を通過します。受信アンテナは通常、多くの送信機からの無線信号を受信します。受信機は同調回路を使用して、アンテナで受信したすべての信号の中から目的の無線信号を選択し、他の信号を排除します。同調回路は、音叉に似た共振器のように機能します。[ 31 ]同調回路には、振動する固有の共振周波数があります。受信機の同調回路の共振周波数は、ユーザーが目的のラジオ局の周波数に調整します。これを同調と呼びます。目的の局からの振動する無線信号によって同調回路が共鳴振動し、その信号が受信機の残りの部分に伝達されます。他の周波数の無線信号は同調回路によって遮断され、伝達されません。[ 36 ]
情報信号を運ぶ変調された電波は、周波数範囲を占めます。無線信号の情報は通常、搬送波周波数のすぐ上と下のサイドバンド（SB ）と呼ばれる狭い周波数帯域に集中しています。無線信号が占める周波数範囲の幅（最高周波数から最低周波数を引いた値）をヘルツで表したものを帯域幅（BW）と呼びます。[ 32 ] [ 37 ]任意の信号対雑音比に対して、特定の帯域幅は、無線周波数スペクトルのどこにあっても同じ量の情報を運ぶことができます。帯域幅は情報伝送容量の尺度です。無線伝送に必要な帯域幅は、送信される情報のデータレートと、使用される変調方式のスペクトル効率、つまり帯域幅の単位あたりにどれだけのデータを送信できるかに依存します。無線で伝送される情報信号の種類によってデータレートが異なります。たとえば、テレビ信号は音声信号よりもデータレートが高くなります。[ 32 ] [ 38 ]
無線スペクトル、つまり特定の地域で通信に使用できる無線周波数の全範囲は、限られた資源です。[ 37 ] [ 3 ]各無線送信は、利用可能な全スペクトルの一部を使用します。無線スペクトルは、金銭的コストがあり、需要が増加している経済財とみなされています。無線スペクトルの一部では、周波数帯域または単一の無線チャネルの使用権が数百万ドルで売買されています。そのため、無線サービスで使用されるスペクトルを最小限に抑える技術を採用するインセンティブがあります。[ 38 ]
アナログからデジタルへの無線伝送技術の緩やかな移行は、1990年代後半に始まった。[ 39 ] [ 40 ] その理由の一つは、デジタル変調はアナログ変調よりも一定の帯域幅でより多くの情報を伝送できること、変調自体がより効率的であること、損失圧縮によってさらに効率が向上することである。また、デジタル変調はアナログよりもノイズ耐性が高く、関連するデジタル信号プロセッサはアナログ回路よりもパワーと柔軟性が高く、同じデジタル変調を使用してさまざまな情報を伝送できる。[ 32 ]
無線スペクトルは固定資源であり、利用者の増加に伴い需要が高まっているため、ここ数十年で混雑が深刻化しており、より効果的に利用する必要性から、トランキング無線システム、スペクトラム拡散（超広帯域）伝送、周波数再利用、動的スペクトル管理、周波数プーリング、コグニティブ無線など、多くの無線技術革新が生まれている。[ 38 ]
ITUは無線スペクトルを任意に12のバンドに分割し、各バンドは10のべき乗（10 n） メートルの波長から始まり、対応する周波数は10のべき乗の3倍で、それぞれが10倍の周波数または波長をカバーします。[ 3 ] [ 41 ] これらのバンドにはそれぞれ伝統的な名前があります。[ 42 ]
各バンドに含まれる帯域幅、つまり周波数の絶対範囲は等しくなく、周波数の増加に伴って指数関数的に増加することがわかります。各バンドは、前のバンドの10倍の帯域幅を含んでいます。[ 43 ]
ITUによって定義されてはいないが、[ 42 ]超低周波（TLF）という用語は、 1～3 Hz（300,000～100,000 km）の波長に使用されている 。[ 44 ]
電波は多くの利用者が共有する資源です。同じエリアにある2つの無線送信機が同じ周波数で送信しようとすると、互いに干渉し合い、受信が乱れ、多くの場合、どちらの送信も明瞭に受信できないほどになります。[ 37 ]無線送信への干渉は、経済的に大きな損失をもたらすだけでなく、生命を脅かす可能性もあります（例えば、緊急通信や航空管制への干渉の場合）。[ 45 ] [ 46 ]
異なるユーザー間の干渉を防ぐため、電波の発信は各国の法律で厳しく規制され、国際電気通信連合（ITU）という国際機関によって調整され、ITUは無線スペクトルの帯域をさまざまな用途に割り当てています。[ 37 ] [ 3 ]無線送信機は、用途に応じてさまざまなライセンスクラスの下で政府から免許を取得する必要があり、特定の周波数と出力レベルに制限されています。ラジオやテレビ放送局などの一部のクラスでは、送信機にはコールサインと呼ばれる文字と数字の文字列からなる固有の識別子が割り当てられ、すべての送信で使用しなければなりません。[ 47 ]無線送信機を調整、保守、または内部修理するには、個人は、安全な無線操作に関する十分な技術的および法的知識を証明する試験に合格して取得する、米国の一般無線電話オペレーター免許などの政府免許を保持する必要があります。[ 48 ]
上記の規則の例外により、携帯電話、コードレス電話、無線機器、トランシーバー、市民バンド無線機、ワイヤレスマイク、ガレージドアオープナー、ベビーモニターなどの消費者向け製品に搭載されている低出力短距離送信機を一般の人が免許なしで使用することが認められています。米国では、これらは連邦通信委員会（FCC）規則のパート15に該当します。これらの機器の多くは、無線スペクトル全体にわたって免許なしで使用できるように予約されている一連の周波数帯であるISMバンドを使用しています。免許なしで操作できますが、すべての無線機器と同様に、これらの機器は通常、販売前に型式承認を受ける必要があります。 [ 49 ]
無線妨害とは、他の無線信号の受信を妨害するように設計された無線信号を意図的に放射することです。妨害装置は、信号抑制装置、干渉発生装置、または単にジャマーと呼ばれます。[ 9 ]戦時中、軍隊は敵の戦術無線通信を妨害するために妨害を使用します。電波は国境を越えることができるため、検閲を行う一部の全体主義国家は、国民が他国のラジオ局の放送を聴取できないようにするために妨害を使用します。妨害は通常、標的の送信機と同じ周波数でノイズを発生させる強力な送信機によって行われます。[ 10 ] [ 11 ]米国連邦法は、GPS、携帯電話、Wi-Fi、警察のレーダーを妨害するものを含め、あらゆる種類の妨害装置の非軍事的な運用または販売を禁止しています。[ 15 ]
無線には、放送、音声通信、データ通信、レーダー、無線測位、遠隔制御など、多くの実用的な用途がある。
[我々は、このようにして音を生成および再生する装置を「フォトフォン」と名付けた。これは、通常
の光線が作用する光線を含んでいるためである。
今後この点に関して誤解が生じないように、我々は、M. メルカディエが提案した「
ラジオフォン
」という用語を、あらゆる形態の放射エネルギーによる音の生成を意味する一般的な用語として採用することにした。
無線電信。
マルコーニより1、2年早く「光線」電信または無線電信の実験を行ったOJロッジ博士は、メッセージの送受信の新しい方法を考案した。読者は、無線電信では、メッセージの信号を形成する電気波が送信機器から始まり、ランプからの光線のようにあらゆる方向に伝わるが、目には見えないことを理解するだろう。
