コラム
アナログ放送をアップデートする、GNSS時刻同期技術

GNSSという共通の時計を使用

技術の核心は、異なる局設備の間で高度な時刻同期を行う点にあります。それも単に複数局で送信タイミングを同一に揃えるのではなく、局ごとに異なる遅延量を加え送信する点がキモです。どういうことか説明しましょう。
たとえばA局とB局が同じ周波数で同じプログラムを放送する場合、両方の電波が重なり合うエリアで起こる事象は次の3つに分類できます。

ケース1. 同じ強さと同じタイミングで電波が届く場合
ケース2. 異なる強さ、異なるタイミングで電波が届く場合
ケース3. 同じ強さで、異なるタイミングで電波が届く場合

ケース1では、受信機は2局を区別することができないので、むしろ問題なく受信できます。
ケース2でも、FM受信機は電波が強いほうを優先して受信し、弱いほうを抑圧（無視）する特性があるため、問題は生じません。
問題はケース3となるエリアです。地形など伝搬条件がまちまちなので、距離は違っても電波の強さが同等になることはあり得ます。この場合受信機は、A局とB局からの信号を区別できないので、タイミングがズレたまま混ざりあった信号を再生することになり、音質は極端に悪化します。

現実には、2局がカバーする地域のほとんどがエリア2となり、同じ強さで電波の届くエリアがケース1（同じタイミング）となるか、ケース3（異なるタイミング）となるかの、どちらかになります。後者は、例えてみればかつての国立競技場の客席で、逆位相と反響音が混ざり合う場内アナウンスを聞かされる場合に似ていたかもしれません。耐え難い音質を回避する対策が、どうしても必要です。

FM-SFNでは、2局からの電波送出のタイミングを積極的に変えることで、ケース3のエリアに同じタイミングで電波が届くよう調整します。それにより、ケース3のエリアは、ケース1のエリアに塗り替えられることになります。
また、そもそもの電波の強さは変えていないため、従来のケース2のエリアは「異なる強さで異なるタイミング」のままです。2局の電波が重なるエリアの全域が、ケース1またはケース2のエリアとなり、良好な受信が可能となるわけです。

ただこのためには厳密なタイミングの管理が求められます。電波の速さは秒速約30万km、1マイクロ秒（100万分の1秒）で約300m進みます。これを下回る100ナノ秒～10ナノ秒オーダーでのタイミング調整がFM-SFNのキモとなります。それを実現するのがGNSS時刻同期です。空が開けた場所ならばどこでも正確な時刻が取得できます。デジタル放送やデジタル通信同様、このタイミング情報が容易に取得できるという前提のもと、アナログのFM-SFNは構築されたといっていいでしょう。

周波数の精密なコントロールもGNSSで

ただ、GNSS時刻同期という資源がありさえすればかんたんに同期放送が実現するというものでもありません。それを活用するためのさまざまな道具建てが必要でした。
たとえば、A局とB局の電波送出のタイミングを合わせるには、その時間差を正確に把握する必要があります。地図上でおおまかなところまでは掴めても、厳密なタイミング調整のためには現地での正確な計測が必要です。

そして、ここで問題となるのがA局とB局がそもそも「同じ周波数を使っている」という点です。A局とB局を別々に受信して比較したくとも、周波数が同じで電波の強さも同等ですから、指向性の鋭いアンテナを使うなどしても区別が難しくなっています。これはアナログ放送ならではの難しさとも言えるでしょう。

そこで使われるテクニックの一つが、A局とB局からの送信周波数を、わずかだけ変える手法です。放送局に限らず電波を発射する際には決められた周波数を守る必要があり、この種の放送では「周波数の許容偏差：20ppm以下」とルールが定められています。
そもそも周波数とは1秒間に何回変化したかを表す数値で、その単位「Hz」は無次元数である回数を時間で割ったものですから時間の逆数（1/秒）となります。これが意味することの一つは「より正確な時間が手に入れば、より正確な周波数調整が実現する」ということでもあります。

送信局では、GNSS受信機が出力する正確な基準周波数をもとに周波数の調整を行うことで、許容偏差の範囲内で送信周波数を変えることができます。許容偏差の範囲内ですから、音声品質に影響を与えることもありません。つまり一般の受信機を使う聴取者に気づかれることなく、A局とB局を分離しての測定・計測が可能となります。もちろんこの測定器にも、時刻同期のためのGNSS受信機が搭載され、正確な周波数同期を実現させています。
また、送出タイミングの調整と並ぶコア技術が、各送信局がそれぞれ独立に音声変調(*)を行っている点です。もちろんここでもGNSS時刻同期による1PPS（1秒ごとのパルス信号）信号を使った同期が行われています。

GNSSによる時刻同期や基準周波数という共通の資源を活用するためのツールや手法を整えたうえで、FM-SFNのシステム構築と継続的な品質維持が実現しています。さらにそのツールや手法を応用することで、FMコミュニティ放送局の強靭化や、トンネル内再放送設備の革新など、防災・安全に関わる分野での成果も生まれつつあります。こちらについては項を改めてご紹介したいと思います。

(*) FM放送では、19kHzのパイロット信号を使って音声変調（音声信号を電波で送りやすい信号に加工する）を行っています。このパイロット信号の位相の一致度が同期放送の音声品質に大きく影響します。

測量やナビゲーション分野におけるGNSS受信機はいわば、空間に描かれた見えないマス目を読み取るツールとして使われています。そこで得られる座標値の精度と確度と即時性が向上することで「ドローン物流」や「空飛ぶクルマ」といった新たなアプリケーションが生まれつつあります。
情報ネットワーク、とくに無線通信分野においても、GNSSによる時刻同期は携帯電話ネットワークや地デジ放送など、デジタル無線の普及に欠かせない役割を果たしてきましたが、さらにアナログ放送の革新にもつながったという点が、ご紹介した事例の興味深い点ではないでしょうか。