等比的に広範囲レベルの信号検出を可能とする多チャンネルランダムノイズ発生器の開発

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04415
• Research Institution: Hakodate National College of Technology
• Principal Investigator: 高田 明雄 函館工業高等専門学校, 生産システム工学科, 教授 (40206751)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: ノイズ発生回路 / 力学系の一部変更 / 回路の小規模化 / 複数チャネルでのノイズ発生

Outline of Annual Research Achievements

R2年度の主な課題は，以下 (1)および (2)であった．

【(1)ノイズ発生回路の小規模化】ノイズ発生器単体（1チャンネル）の基板面積・体積の増大を防ぐ，あるいは消費電力を抑える工夫として回路規模の縮小，すなわち部品数を概ね1/4に減らすことができた．その具体的な方法として，回路の力学系（微分方程式）における非線形項を正弦関数的なものから三角波的なものに置き換えた．これは，報告者が保有する本研究に関わる基本特許技術の力学系（非線形微分方程式）と等価な物理モデル：洗濯板モデル（Washboard potential model）の洗濯板の波板形状を意図的に再設計し，それを回路設計に反映させたものとなる．これによっても，回路パラメータの設定値によってホワイトノイズが発生することを確認した．力学系変更後のノイズ発生のパラメータ依存については，別途検討する必要がある．半導体部品も超小型化のものに代替するところまでは踏み込めなかったため，継続課題とする．

【(2)複数チャンネルのランダムノイズ発生回路の製作・性能評価】同一仕様で設計されたPLL回路を複数個製作し，それらを同時駆動し，いずれの回路からもランダムノイズが出力されることを確認した．回路内部にはシステムパラメータを決める要素，すなわち，多数の抵抗，コンデンサ，あるいは半導体素子がある．これらの部品の値や特性にはバラツキ（あるいは許容差）があるが，複数の回路でも同時にランダムノイズ発生を確認できた．この点について，当初システムパラメータに敏感なカオスを原理とするノイズ発生器の弱点となることも懸念されたが，現段階では問題ない結果が得られており，非常に興味深いところである．よって，再現性のある設計方法確立という観点から継続してその特徴をさらに調査したい．
以上(1)および(2)それぞれで得られた結果をまとめ成果発表する予定である．

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

R2年度は新型コロナウイルス感染拡大の影響を受け，年度の前半はテレワーク影響を，後半は，テレワーク下で停止した分の追加業務出現のため，計画を遂行する上で時間的に大きな制約を受けた．
計画では，回路の試作，特性評価，再設計というPDCAを回しながら年度末へのシステム設計完成を予定していたが，予定の三分の一程度しかできなかった．
それでも，ノイズ発生器多チャンネル化の口火を切る『複数の回路におけるランダムノイズ同時発生』を達成できたことは一つの成果だと考えている．小規模化を達成する前の回路について，カオス，ホワイトノイズそしてパラメータとの関係について解明できたところがあり，その結果は現在論文にまとめている．その他の停滞していた発表や論文投稿は，今年度に本格的に再開させたい．

Strategy for Future Research Activity

本計画の遅れの部分は主に次の三点に集約できる．すなわち，(1)簡素化できた回路におけるホワイトノイズの発生のパラメータ依存の解明，(2)回路から得られるホワイトノイズレベルの理論的根拠の解明，(3)回路の部品を超小型部品で置き換える，である．
一方，本研究計画の骨子は多チャンネルノイズ発生器の製作である．そのため，上記計画遅れの部分の優先順位を下げ，まずは数十チャンネルの回路でノイズを発生させることを最優先とし，その上でノイズの自己相関，チャネル間のノイズの相互相関（特に無相関性）も確認する．多チャンネルノイズ発生器のプロトタイプは，単一ノイズ発生回路各々の基板間にリード線を接続して相互連結して動作試験を行うこととする．また，その試験の結果を受けて，今度は一つの基板に多数のノイズ発生器をマウントする設計を行う．これによって，基板からはみ出るリード線の数を大幅に減らせると同時に，信号検出装置としてのユニットを完成させられる．引き続きその動作試験を確認し，最後に，信号検出器の動作検証（研究効果の検証）を行う．
上記計画遅れの項目(1)および(2)は学術的には興味深く ，また(3)は実用上重要な項目であるが，仮に未着手であったとしても，多チャンネルノイズ発生器のプロトタイプの開発という大きな計画の遂行の妨げにはならないと考えている．ただし，多チャンネルノイズ発生器自体が未完成のまま本研究を終えるわけにはいかないため，場合によってはR4年度への繰越申請も想定される．これによって，着実に補助金の事業への有効活用を図りたい．

Causes of Carryover

理由としては，多チャンネルAD変換器を購入していないために生じたものである．この計測機器は，ノイズを数十チャンネル同時にサンプリングするために購入する計画である．前述した通り研究に遅れが生じており，現在までに数十チャンネルのノイズ発生器が製作できていない．また，計測機器はOS：windowsとの関りも深く，これらは不定期でバージョンアップされる可能性があるため，必要になった段階で購入するのが，実験を着実に遂行する上で好ましいと判断している．少なくともR3年度内に購入する計画であるが，この機器の納入が遅れたことによる本研究計画への悪影響は全くない．