**PySDR:PythonによるSDRおよびDSPのハンドブック**

2025/12/29 5:02

**PySDR:PythonによるSDRおよびDSPのハンドブック**

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要約

Japanese Translation:

本書は、重い数式や専有ツールを使わずに、Python、NumPy、および Matplotlib を用いてソフトウェア定義無線(SDR)とデジタル信号処理(DSP)の入門を提供します。SDR は従来の無線ハードウェアを置き換えるソフトウェアとして定義され、DSP はそれらの信号をデジタルに操作するものです。簡潔なコードスニペットとアニメーション付き可視化を通じて、読者は理論的背景が深くなくてもシンプルな SDR と DSP システムを構築できる方法を見ることができます。著者は「Signals and Systems」の全学期分のカリキュラムを数章に凝縮し、Python に既に習熟している初心者にとって理想的です。Analog Devices の SDR 教科書や dspguide.com など既存の参考文献も引用し、背景情報を提供しています。このプロジェクトはオープンソースであり、貢献者は GitHub リポジトリを編集したり、Patreon を通じて寄付したり、謝辞を得たりできます。印刷本として販売するのではなくオンラインで公開し続けることで、コミュニティの参加と、MATLAB や他の環境から Python へ移行したい学生・ホビイスト・業界専門家に広く採用されることを促進します。

本文

1 序章


目的と対象読者

まず、いくつか重要な用語を整理します。

  • Software‑Defined Radio (SDR)
    概念: 従来はハードウェアで行われていた信号処理タスクをソフトウェアで実装し、主に無線・RF アプリケーション向けに利用するものです。このソフトウェアは汎用 CPU、FPGA、あるいは GPU 上で動作させることができ、リアルタイムまたは録音した信号のオフライン処理に使用されます。類似語として「software radio」や「RF digital signal processing」があります。
    装置: アンテナを差し込んで RF 信号を受信するユニットです。デジタイズされたサンプルは USB、Ethernet、PCI 等を介してコンピュータへ送られ、そこで処理または記録されます。多くの SDR には送信機能も備わっており、コンピュータがサンプルを再び SDR に送り返すと、指定された RF 周波数で送信します。組み込み型 SDR ではオンボードコンピュータが搭載されているものもあります。

  • Digital Signal Processing (DSP) – 信号のデジタル処理;本書の場合は RF 信号です。

この教科書は DSP、SDR、および無線通信への実践的な入門書です。以下のような方に向けて設計されています。

  • SDR を使って面白いことをしたい人
  • Python に慣れている人
  • DSP・無線通信・SDR がまだ初心者である人
  • 直感的な学習(アニメーション=式より)を好む人
  • 視覚的に概念を掴んだ後で方程式を理解しやすいと感じる人
  • 1 000 ページの教科書ではなく、簡潔な説明を求めている人

例としては、卒業後に無線通信分野で働きたいコンピュータサイエンス学生が挙げられますが、プログラミング経験があるあらゆる方が SDR を学びたい場合に利用できます。

本書では DSP 技術を理解するために必要な理論のみを取り上げ、通常の DSP コースで盛り込まれる膨大な数式は省きます。代わりに、フーリエ級数の複素平面アニメーションなど、多くの画像とアニメーションを用いて概念を伝えます。方程式は視覚的・実践的演習で概念を掴んだ後に理解するのが最も効果的だと考えているため、PySDR は Amazon で販売されるような紙媒体を持ちません。

この教科書は概念を迅速かつスムーズに紹介し、読者が DSP を実行し SDR を賢く使えるようにします。すべての DSP/SDR トピックの参照書ではありません。既に多くの優れたテキスト(例:Analog Devices の SDR 教科書、dspguide.com)がありますので、三角関数や Shannon 限界を思い出したいときは Google を活用してください。本書は DSP と SDR への入り口として設計されており、従来のコースより軽量で時間・費用が少なく済みます。

基礎的な DSP 理論をカバーするために、「Signals and Systems」(電気工学の典型的な単期講義)を数章に凝縮しています。基本事項が完了したら SDR を導入し、全書で DSP と無線通信の概念を継続的に復習します。

コード例は Python で提供されます。NumPy(配列と高レベル数学用標準ライブラリ)と Matplotlib(信号・配列・複素数を可視化する描画ライブラリ)を使用しています。Python は一般的に C++ より「遅い」と言われますが、NumPy 内の多くの数学関数は C/C++ で実装されており、高度に最適化されています。また、SDR API は C/C++ の関数/クラスへの Python バインディング集合です。MATLAB、Ruby、Perl に堅固な基盤がある方なら、Python 文法に慣れれば問題なく利用できます。


貢献

PySDR をご利用いただき感謝したい場合は、同僚・学生・その他の生涯学習者と共有してください。また、PySDR Patreon で寄付していただくと、すべてのページ下部にあなたのお名前を掲載できます。

本書のどこかを読んだ後でご質問・コメント・提案があれば、marc@pysdr.org までメールください。皆様のフィードバックは今後の版作成に活かされます!
GitHub 上の教材ソースを直接編集することも可能です。変更は新しい Pull Request を開始します。修正や改善のための Issue や PR を提出してください。貴重なフィードバック/修正を提供した方は、以下の謝辞セクションに永続的に追加されます。Git に不慣れでも提案がある場合は、marc@pysdr.org までメールしてください。

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2025/12/29 7:35

未処理の写真は、実際にどのような姿になるのでしょうか。

## Japanese Translation: --- ### 改良された要約 この記事は、カメラのRAWファイルが鈍く緑色がかった見た目になる理由を説明し、その原因をセンサーのADC出力、カラー・フィルタリング、およびその後の処理ステップに追跡しています。 1. **ADC 出力とコントラスト** – 14ビット ADC は理論上 0–16382 の値を出力しますが、実際のデータは約 2110–136000 の範囲にしかわかりません。これらの限界(黒レベル ≈ 2110、白点 ≈ 136000)を \[ V_{\text{new}} = \frac{V_{\text{old}} - \text{Black}}{\text{White} - \text{Black}} \] で再マッピングするとコントラストが向上します。 2. **カラーキャプチャ** – センサーは光の強度を記録し、色ではありません。ベイヤーフィルタグリッドは各ピクセルに単一の RGB コンポーネントを割り当てるため、初期画像にはピクセルあたり真の RGB の 1/3 のみが含まれます。 3. **デモザイキングとダイナミックレンジ** – デモザイキングは隣接ピクセルを平均化してフルカラー画像を作成しますが、依然として動的範囲が限定されます。線形 RAW データは、環境光や画面ガンマを考慮しないため、典型的なディスプレイ上で非常に暗く見えます。 4. **知覚とデータ** – 人間の明るさ知覚は非線形です。したがって、線形 ADC 値はガンマ補正や sRGB カーブを適用しない限り、過度に暗く見えることがあります。 5. **緑色キャストの起源** – 緑色のチントは、センサーの緑光への高感度、ベイヤーピクセルの 2/3 が緑を捕捉している事実、および単純なデモザイキングから生じます。 6. **ホワイトバランスとガンマ** – ホワイトバランスのスケーリングは線形データに対してガンマ補正より先に適用する必要があります。各チャネルに別々にガンマカーブを適用すると、ハイライトが減色(例えば星が黄色くなる)する可能性があります。 7. **最終画像の現在状態** – 著者の最終画像は未加工であり、カラーキャリブレーションも残留ノイズや完璧なホワイトバランスもありません。これにより、カメラ処理がすでにかなりの数学を行っていることが示されています。 8. **写真家とメーカーへの影響** – これらのステップを理解することで、写真家は RAW ファイルをより効果的に処理でき、メーカーはデフォルト設定、デモザイキングアルゴリズム、およびガンマ処理を改善する潜在的な領域を特定できます。 --- このバージョンは主要なポイントすべてを保持し、不必要な推測を避け、メインメッセージを明確に保ちつつ曖昧な表現を排除しています。

2025/12/29 5:14

ミトロリ―(Mockito)のメンテナとして10年後に退任します

## Japanese Translation: 著者は、10年間にわたるMockitoの長期メンテナとしての任務を辞める意向を表明し、2026年3月に引き継ぎが予定されていると述べています。彼は主に三つの懸念点を挙げています: 1. **JVMエージェントへの急激な移行**(Mockito 5で実装された変更は協議もなく、代替案も提示されず)によるエネルギー消耗。 2. **Kotlinとの非互換性**—特にsuspend関数に関連する問題が重複APIやスパゲッティコードを生み出し、Mockitoのアーキテクチャと整合しない点。 3. 彼自身の興味がServoなど他のオープンソースプロジェクトへ移りつつあること。 著者は、志願者が十分なサポートなしに圧力を感じる中で、Mockitoのメンテナンスが楽しみよりも「やらなければならない仕事」になっていると指摘しています。プロジェクトは新しいメンテナーによる方が最善だと考えており、他者にオープンソースの役割へ参加するよう奨励し、その名誉と特権を強調しています。 --- **(元文を保持したい場合)** > 著者は10年後にMockitoのメンテナとして退任すると発表し、2026年3月に移行が予定されていると述べています。彼はこの決定を、最近の変更—特にMockito 5でのJVMエージェントへの切替えや人気が高まるKotlinとの統合困難—による疲労感の増大に結び付けています。これらの変化は複雑さを増し、APIの重複を生じさせ、メンテナンスを楽しい活動よりも「やらなければならない仕事」に感じさせました。また、彼自身の関心がServoなど他のプロジェクトへ移っていることも述べており、これがハンドオーバーへの動機付けとなっています。著者は新たな志願者にメンテナシップを担ってもらうことで、Mockitoが新しいリーダーシップの下で進化し続けることを促しています。この変更は、新しい視点をもたらし、Kotlin統合問題を解決する可能性があり、オープンソースコミュニティにおける堅牢な志願者支援の必要性を強調すると期待されています。

2025/12/29 6:41

## Unity の Mono に関する問題 **C# コードが想定よりも遅く動作する理由** --- ### 1. 背景 - Unity は C# スクリプトの実行に **Mono**(または IL2CPP)をランタイムとして使用しています。 - 開発者は、ネイティブ C++ コードと比べてパフォーマンスが低下することに気づくことが多いです。 ### 2. 遅延の一般的な原因 | カテゴリ | よくある問題 | 発生理由 | |----------|--------------|----------| | **ガベージコレクション (GC)** | ゲームプレイ中に頻繁にメモリ確保 | GC の停止がゲームスレッドを止め、フレームレートの乱れを引き起こします。 | | **Boxing/Unboxing** | 値型をオブジェクトへキャスト | 一時的なヒープオブジェクトが生成され、収集対象になります。 | | **リフレクション** | 実行時に `System.Reflection` を使用 | 動的型解決のため、リフレクションは遅いです。 | | **文字列連結** | ループ内で `+` を繰り返し使用 | 多くの中間文字列が生成され、GC の負荷が増大します。 | | **大型 MonoBehaviour** | 一つのスクリプトに多くの責務を持たせる | フレームごとの作業量が増え、キャッシュミスにつながります。 | ### 3. プロファイリングのヒント 1. **Unity Profiler → CPU Usage を開く** - 「Managed」と「Native」の時間差に注目します。 2. **Memory タブを使用** - ゲームプレイ中に急増する割り当てを探ります。 3. **Profiler: Mono Runtime を有効化** - GC、JIT、メソッド呼び出しの詳細が確認できます。 ### 4. 最適化戦略 - **割り当てを最小限に抑える** - オブジェクトを再利用;頻繁に使うインスタンスはプールします。 - ループ内で文字列を作る場合は `StringBuilder` を使用。 - **Boxing を避ける** - 値型はそのまま保持し、`object` へのキャストは控えます。 - **リフレクション結果をキャッシュ** - 最初の検索後に `MethodInfo` や `FieldInfo` を保存します。 - **MonoBehaviour の複雑さを減らす** - 大きなスクリプトは機能ごとに分割し、専念型コンポーネントへ移行。 - **ホットパスにはネイティブプラグインを使用** - 性能重視のコードは C++ プラグインへオフロードします。 ### 5. ベストプラクティス | 実践 | 実装例 | |------|--------| | **早期にプロファイル** | 開発初期から頻繁にプロファイラを走らせます。 | | **クリーンコードを書く** | 可読性重視だが、割り当てには注意します。 | | **Update ループは軽量化** | 重いロジックは Coroutine やバックグラウンドスレッドへ移行可能です。 | ### 6. リソース - Unity Manual: [Performance Profiling](https://docs.unity3d.com/Manual/Profiler.html) - Unity Blog: 「Reducing GC Allocations in Unity」 - Stack Overflow の Mono vs. IL2CPP パフォーマンスに関する議論 --- **結論:** Mono がメモリと実行を管理する仕組みを理解し、効果的にプロファイルしてターゲット最適化を施すことで、Unity における C# スクリプトのランタイムオーバーヘッドを大幅に削減できます。

## Japanese Translation: Unity の現在の Mono ランタイムは、モダンな .NET と比べて約 2–3 倍遅く、同一ハードウェア上で実行するとベンチマークで最大 ~15 倍の速度向上が確認されています。このギャップは、Mono の JIT コンパイラが高度に最適化されていないアセンブリを生成する一方、.NET の JIT がスカラー化やレジスタベース演算などの高度な最適化を行うためです。 2006 年に導入以来、Mono は Unity のデフォルト C# ランタイムでした。Microsoft は 2014 年に .NET Core をオープンソース化し、2016 年 6 月にクロスプラットフォームサポートをリリースしました。2018 年、Unity はエンジンを Microsoft の CoreCLR(.NET Core 背後の CLR)へ移植する計画を発表し、パフォーマンス向上とプラットフォーム間の差異を縮小するとともに、一部ワークロードで 2–5 倍のブーストが期待できるとしました。 主なベンチマーク結果は次の通りです: - Mono ベースのエディタ起動時間:約 100 秒 - 同等の .NET 単体テスト:約 38 秒 - リリースモードスタンドアロンビルド:Mono 約 30 秒、.NET 約 12 秒 - 4k×4k マップ生成:.NET 約 3 秒 - int.MaxValue イテレーションの緊密ループテスト:Mono 約 11.5 秒、.NET 約 0.75 秒(約 15 倍遅い) - デバッグモード同じループ:約 67 秒(追加チェックが原因) モダンな .NET の JIT は小さな値型をスカラー化し、不変計算をループ外に持ち出し、レジスタベース演算を使用するなど、Mono が適用できない最適化を実行します。CoreCLR は Span<T>、ハードウェアイントリンシック、SIMD パスといった高度な機能も公開し、特定のコード(例:シンプルノイズ)でパフォーマンスが倍増する可能性があります。 Unity の Burst コンパイラは選択された C# メソッドを LLVM 生成ネイティブアセンブリに変換できますが、適用範囲が限定されています。CoreCLR の JIT はこれらの制約なしで同等かそれ以上の性能を提供できる可能性があります。 CoreCLR への移行は Unity 6.x を対象としており、本番稼働準備は 2026 年またはそれ以降になる予定です。採用されれば、開発者は高速なエディタ起動、短縮されたビルド時間、および Just‑In‑Time コンパイルを許可するプラットフォーム上でより効率的なランタイムコードを体験できます。ただし、Ahead‑Of‑Time (AOT) コンパイルが必要なデバイスは引き続き IL2CPP に依存するため、性能向上はターゲットプラットフォームによって異なる可能性があります。

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