コラム
C10_PN信号とは？
デジタル信号は1と0の並びで作られます。たとえば、携帯電話は音声をデジタル信号に変換して送られています。デジタル信号の1と0をビットと呼びます。
PN(Pseudo random Noise：疑似ランダム)信号とは1と0のビットがほとんどランダムに並んだデジタル信号のことです。PN信号のビット列はPN符号またはPRBS(Pseudo Random Binary Sequence)とも呼ばれます。PN信号はスペクトラム拡散という通信方式に応用してS/Nを改善させることができるので、身近なところではCDMA方式の携帯電話に採用されています。
理想的なPN信号は熱雑音を基に作られるように1と0が全く無秩序に真の乱数にしたがって並んでいるのですが、そのような信号は再現性がないので実用上たいへん使いにくいものとなります。実用的なPN信号として良く知られているのがM系列と呼ばれる信号です。M系列はシフトレジスタを用いて発生させることができ、たとえば、送信と受信に同じシフトレジスタを用意すれば通信することができます。
図１に例として4段のシフトレジスタを用いたPN信号発生回路を示します。1段目と2段目の間から信号を取り出し、出力との排他的論理和を入力にフィードバックします。初期値を１１１１に設定してシフトレジスタを回しますと、図に示すような符号列が得られます。これが4段のPN符号です。符号長は段数をnとすると2n-1になります。n=4の場合の符号長は15です。
図１ 4段のシフトレジスタを用いたPN符号発生回路と発生したPN符号
M系列の重要な特性に自己相関関数が単一パルスになるという特性があります。これは送信側と受信側に同じシフトレジスタを用意した場合に、全てのビットが一致したタイミングでのみパルスが発生し、タイミングが少しでもずれるとパルスが発生しないというものです。この性質を利用する信号処理を相関処理といいます。
相関処理を応用すれば、送信から受信までの時間を正確に測ることができます。また、全ビットが一致して発生したパルスのレベルは通信途中での信号の減衰に依存しますから、パルスの大きさを測ることで、通信途中での損失を求めることができます。これらの性質は光ファイバセンサや光ファイバ中の損失を測定するOTDRに応用することができます。