送信機

電子工学および電気通信の分野において、無線送信機または単に送信機（技術文書ではXMTRまたはTXと略されることが多い）は、アンテナを使用して電波を生成し、無線受信機に信号を送信する電子デバイスです。送信機自体は、アンテナに適用される無線周波数の交流電流を生成します。この交流電流によって励起されると、アンテナは電波を 放射します。

送信機は、ラジオ（音声）やテレビ放送局、携帯電話、トランシーバー、ワイヤレス コンピュータ ネットワーク、Bluetooth対応デバイス、ガレージドア開閉装置、航空機、船舶、宇宙船の双方向無線、レーダーセット、ナビゲーション ビーコンなど、無線で通信するすべての電子機器に必要な構成部品です。送信機という用語は通常、通信目的または無線位置特定（レーダー トランスミッターやナビゲーション トランスミッターなど）のために電波を生成する機器に限定されます。電子レンジやジアテルミー装置など、加熱や工業目的の電波生成器は、同様の回路を備えていることが多いにもかかわらず、通常は送信機とは呼ばれません。

この用語は、一般的に、 FMラジオ送信機やテレビ送信機などの放送で使用される送信機である放送送信機を指すために、より具体的に使用されます。この用法には通常、送信機本体とアンテナの両方が含まれており、多くの場合、送信機が設置されている建物も含まれます。

送信機は、独立した電子機器の場合もあれば、別の電子機器内の電気回路の場合もあります。送信機と受信機が1 つのユニットに組み合わされたものは、トランシーバーと呼ばれます。ほとんどの送信機の目的は、遠距離にわたる情報の無線通信です。情報は、マイクロフォンからのオーディオ(音声) 信号、ビデオ カメラからのビデオ(TV) 信号、ワイヤレス ネットワークデバイスの場合はコンピューターからのデジタル信号など、変調信号と呼ばれる電子信号の形式で送信機に提供されます。送信機は無線周波数信号を生成します。この信号がアンテナに適用されると、搬送波信号と呼ばれる電波が生成されます。搬送波と変調信号を組み合わせる処理を変調と呼びます。情報は、さまざまな方法で、さまざまなタイプの送信機で搬送波に追加できます。振幅変調(AM) 送信機では、情報は振幅を変えることによって無線信号に追加されます。周波数変調(FM) 送信機では、情報は無線信号の周波数をわずかに変えることによって追加されます。他の多くのタイプの変調も使用されます。

送信機からの無線信号はアンテナに送られ、アンテナはエネルギーを電波として放射します。携帯電話、トランシーバー、ガレージドアオープナーなどの携帯機器の場合、アンテナはケース内に収納されている場合もあれば、送信機の外側に取り付けられている場合もあります。より強力な送信機では、アンテナは建物の屋上または別の塔に設置され、給電線、つまり伝送線によって送信機に接続されます。

電磁波は、電荷が加速されるときに放射されます。^{[1] [2]} 無線波、つまり無線周波数の電磁波は、速度が変化して加速しているアンテナと呼ばれる金属導体を流れる電子からなる、時間とともに変化する電流によって生成されます。 ^{[3] [2]} アンテナ内を前後に流れる交流電流は 、導体の周囲に振動する磁場を生成します。また、交流電圧は導体の端を交互に正と負に充電し、導体の周囲に振動する電場を生成します。振動の周波数が十分に高い場合、約20 kHzを超える無線周波数範囲では、振動する結合電場と磁場がアンテナから宇宙に電磁波、つまり電波として放射されます。

無線送信機は、電源、バッテリー、または主電源からの電力をアンテナに適用する無線周波数交流電流に変換する電子回路であり、アンテナはこの電流からのエネルギーを電波として放射します。 ^{[4]送信機はまた、}オーディオ信号やビデオ信号 などの情報を、電波によって運ばれる無線周波数電流にエンコードします。無線受信機のアンテナに当たると、電波はアンテナ内で同様の（ただし、より強力ではない）無線周波数電流を励起します。無線受信機は受信した波から情報を抽出します。

実用的な無線送信機は主に以下の部品で構成されています。

• 高出力送信機において、入力電力を必要な出力電力を生成するために必要な高電圧に変換する電源回路。
• 無線周波数信号を生成する電子発振回路。通常、一定振幅の正弦波を生成します。この正弦波は、空間を介して情報を「運ぶ」無線波を生成するため、搬送波と呼ばれます。ほとんどの最新の送信機では、これは水晶発振器であり、周波数は水晶の振動によって正確に制御されます。搬送波の周波数は、送信機の周波数と見なされます。
• 変調回路は、発振器によって生成された搬送波に送信する情報を追加します。これは、搬送波の一部を変化させることによって行われます。情報は、変調信号と呼ばれる電子信号として送信機に提供されます。変調信号は、音を表すオーディオ信号、動画を表すビデオ信号、またはビットのシーケンスを表すバイナリデジタル信号形式のデータ、つまりビットストリームです。さまざまなタイプの送信機は、さまざまな変調方法を使用して情報を送信します。
  • AM（振幅変調）送信機では、搬送波の振幅（強度）は変調信号に比例して変化します。
  • FM (周波数変調) 送信機では、搬送波の周波数は変調信号によって変化します。
  • デジタル データを送信するFSK (周波数シフト キーイング) 送信機では、搬送波の周波数が 2 つの2 進数0 と 1 を表す 2 つの周波数間でシフトされます。
  • OFDM (直交周波数分割多重方式) は、最小限の無線スペクトル帯域幅を使用してデジタルデータを送信するために、Wi-Fi ネットワーク、携帯電話、デジタルテレビ放送、デジタルオーディオ放送 (DAB) などの高帯域幅システムで非常に広く使用されている複雑なデジタル変調方式のグループです。OFDM は、AM や FM よりもスペクトル効率が高く、フェーディングに対する耐性が優れています。OFDM では、周波数が密接した複数の無線搬送波が無線チャネル内で送信され、各搬送波は受信ビットストリームのビットで変調されるため、複数のビットが同時に並行して送信されます。受信機では、搬送波が復調され、ビットが適切な順序で 1 つのビットストリームに結合されます。

他にも多くの種類の変調が使用されています。大型の送信機では、発振器と変調器を合わせて励振器と呼ばれることがよくあります。

• 信号の電力を増大させ、無線波の範囲を拡大する無線周波数 (RF)増幅器。
• インピーダンス整合（アンテナチューナー）回路は、送信機の出力インピーダンスをアンテナ（またはアンテナへの伝送線路）のインピーダンスと整合するように変換し、アンテナに効率的に電力を伝送します。これらのインピーダンスが等しくない場合、定在波と呼ばれる状態が発生し、電力がアンテナから送信機に向かって反射され、電力が浪費され、送信機が過熱することがあります。

UHFおよびマイクロ波範囲の高周波送信機では、自走発振器は出力周波数で不安定です。古い設計では、より低い周波数の発振器が使用され、周波​​数逓倍器で逓倍されて、目的の周波数の信号が得られました。最近の設計では、動作周波数の発振器が一般的に使用され、非常に安定した低周波数基準 (通常は水晶発振器) に位相ロックすることで安定化されます。

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、相互に干渉し合って受信状態が乱れ、どちらの送信も明瞭に受信できなくなります。無線送信の干渉は、大きな経済的損失をもたらすだけでなく、生命を脅かすこともあります (たとえば、緊急通信や航空管制への干渉の場合)。

このため、ほとんどの国では、送信機の使用は法律で厳しく管理されています。送信機は、放送、船舶無線、エアバンド、アマチュアなど、用途に応じてさまざまなライセンスクラスで政府からライセンスを受ける必要があり、特定の周波数と出力レベルに制限されています。国際電気通信連合(ITU)と呼ばれる機関が、無線スペクトルの周波数帯域をさまざまなクラスのユーザーに割り当てています。一部のクラスでは、各送信機に、送信時に識別子として使用する必要がある文字と数字の文字列で構成される一意のコールサインが与えられます。送信機の操作者は通常、一般無線電話操作者ライセンスなどの政府のライセンスを保持している必要があり、これ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テストに合格することで取得できます。

上記の規制の例外により、携帯電話、コードレス電話、ワイヤレスマイク、トランシーバー、Wi-FiおよびBluetoothデバイス、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では、低電力短距離送信機を無免許で使用することが許可されています。米国では、これらは連邦通信委員会(FCC) 規制のパート 15に該当します。ライセンスなしで操作できますが、これらのデバイスは一般に、販売前に型式承認を受ける必要があります。

最初の原始的な無線送信機（スパークギャップ送信機と呼ばれる）は、1887年にドイツの物理学者ハインリッヒ・ヘルツが電波の先駆的な研究を行っていたときに作られた。これらは、2本の導体間の高電圧スパークによって電波を発生させた。1895年以降、グリエルモ・マルコーニがこれらの送信機を使用した最初の実用的な無線通信システムを開発し、ラジオは1900年頃に商業的に使用され始めた。スパーク送信機は音声（音）を送信できなかったため、代わりに無線電信によって情報を送信した。つまり、オペレーターが電信キーをタップして送信機のオン/オフを切り替えると、電波パルスが発生し、電信コード（通常はモールス信号）でテキストメッセージが綴られた。受信機では、これらのパルスが紙テープ上に直接記録されることもあったが、可聴受信の方が一般的だった。パルスは受信機のイヤホンでビープ音として聞こえ、モールス信号を知っているオペレーターによってテキストに変換された。これらのスパークギャップ送信機は、無線電信または「スパーク」時代と呼ばれる、ラジオの最初の 30 年間 (1887 年から 1917 年) に使用されました。スパーク送信機は減衰波を生成するため、電気的に「ノイズ」を発生しました。エネルギーは広い周波数帯域に拡散し、他の送信機に干渉する無線ノイズを発生させました。減衰波の放射は 1934 年に国際法で禁止されました。

世紀の変わり目以降、2 つの短命に終わった競合する送信技術が使用されるようになりました。これらは最初の連続波送信機であり、 1904 年のアーク コンバータ( Poulsen arc ) と1910 年頃のAlexanderson オルタネーターで、1920 年代まで使用されました。

1920年代には、これら初期の技術はすべて真空管送信機に置き換えられた。真空管送信機は、1906年にリー・ド・フォレストが発明したオーディオン（三極管）真空管をベースに、エドウィン・アームストロングとアレクサンダー・マイスナーが1912年頃に発明したフィードバック発振器を使用した。真空管送信機は安価で連続波を生成し、振幅変調（AM）を使用してオーディオ（音）を送信するように簡単に変調することができた。これによりAMラジオ放送が可能になり、1920年頃に始まった。実用的な周波数変調（FM）送信は、エドウィン・アームストロングが1933年に発明し、AMよりもノイズや静電気に弱いことを示しました。最初のFMラジオ局は1937年に免許を取得しました。実験的なテレビ送信は1920年代後半からラジオ局で行われていましたが、実用的なテレビ放送は1930年代後半まで始まりませんでした。第二次世界大戦中のレーダーの開発は、マグネトロン、クライストロン、進行波管などの新しい能動装置を使用した、UHFおよびマイクロ波範囲の高周波送信機の進化を促しました。

トランジスタの発明により、 1960年代にはワイヤレスマイク、ガレージドアオープナー、トランシーバーなどの小型ポータブル送信機が開発されました。1970年代の集積回路(IC)の開発により、携帯電話やWi-Fiネットワークなどの現在のワイヤレス機器の普及が可能になりました。これらの機器では、ポータブル機器に統合されたデジタル送信機と受信機 (ワイヤレスモデム) がバックグラウンドで自動的に動作し、ワイヤレスネットワークとデータを交換します。

ますます混雑する無線スペクトルの帯域幅を節約する必要性から、拡散スペクトル、トランク無線システム、コグニティブ無線などの新しいタイプの送信機の開発が進んでいます。関連する傾向として、アナログからデジタルの無線送信方法への移行が進行中です。デジタル変調は、アナログ変調よりもスペクトル効率が高く、データ圧縮アルゴリズムを使用して、特定の帯域幅でアナログよりも多くの情報 (データ レート)を送信できることがよくあります。デジタル送信のその他の利点としては、ノイズ耐性の向上、デジタル信号処理集積回路の柔軟性と処理能力の向上が挙げられます。

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  グリエルモ・マルコーニの火花ギャップ送信機。 1895年から1897年にかけて、彼はこの送信機を使ってモールス信号による 無線電信通信の実用化に向けた最初の実験を行った。
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  1910 年頃のオーストラリアの高出力スパークギャップ無線電信送信機。
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  1 MW の米国海軍のポールセンアーク送信機は、磁場内の電気アークを使用して連続波を発生させ、1903 年から 20 年代に真空管が普及するまでの短期間使用された技術です。
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  アレクサンダーソンオルタネーターは、1910年頃から第二次世界大戦まで、非常に低い周波数の無線送信機として使用された巨大な回転機械です。
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  1914 年にLee De Forestによって製造された最初の真空管 AMラジオ送信機の 1 つ。右側に初期のAudion (三極管) 管が見えます。
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  1920 年代初頭、ロンドンの BBC の最初の放送送信機の 1 つ。4 つの三極管が並列に接続されて発振器を形成し、それぞれが陽極に 12,000 ボルトをかけて約 4 キロワットの電力を生成しました。
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  アームストロングの最初の実験的な FM 放送送信機 W2XDG は、ニューヨーク市のエンパイア ステート ビルにあり、1934 年から 1935 年にかけて秘密のテストに使用されました。この送信機は 41 MHz で 2 kW の電力で送信されました。
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  20kW、9.375GHz航空管制 レーダーの送信機アセンブリ、1947年。2つの磁石の間に取り付けられたマグネトロン管（右）はマイクロ波を生成し、そのマイクロ波は開口部（左）から導波管に送られ、パラボラアンテナに伝わります。

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• 国際電気通信連合
• ジム・ホーキンスのラジオと放送技術のページ
• WCOV-TV 送信機技術ウェブサイト
• グループ情報の変更を含む英国の主要なテレビ送信機については、送信機計画セクションを参照してください。
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