Title:K2014E-3-2.ec7 Page:35 Date: 2014/10/02 Thu 09:33:59

国立研究開発法人情報通信研究機構

符号化変調技術実験
平良真一

李還幇

多重ブロック符号化変調方式を用いた画像伝送用の移動地球局を開発し、衛星回線における伝送信号特性を取得した。基本伝送特性であるビット誤り率は、シミュレーションによる計算値とほぼ同じ特性を示し、衛星回線による特性劣化はほとんど見られなかった。また、衛星回線の非線形性による特性劣化も少なく、本方式が衛星通信に適した方式であることが実証できた。

1 まえがき

表１

画像伝送地球局変復調部（多重ブロック符号化変復調器）の主要諸元

変調方式：MBCM (多重数 k=2,4,6),BPSK,QPSK,8PSK
情報ビットレート：65.
8kbps−1579.
2kbps
誤り訂正符号：外符号：ReedSolomo
n符号（204,188）
内符号：畳込み符号（符号化率 1/2）／ビタビ復号
ブロック信号フレーム長：7500s
ymbol
ヘッダ部： 360s
ymbol、データ部：7
140s
ymbo
l
送受信フィルタ：コサインロールオフフィルタ（ロールオフ率：0.
3）
入出力 I
F信号周波数：140MHz

移動体衛星通信における画像伝送用として、多重ブロ ッ ク 符 号 化 変 調 方 式（MultipleBloc
kCodedMo
dulation： MBCM）を用いた変復調器を有する移動地球局を開発した。本地球局においては、伝送するデータビットの重要度に応じた誤り保護レベルを設ける不均一誤り保護技術を適用しており、移動体衛星通信のように受信信号の信号対雑音比が絶えず変動する環境下においては、通信の信頼度を向上できることが期待される[1]。技術試験衛星Ⅷ型を用いた符号化変調技術実験では、基本特性であるビット誤り率特性を取得すると共に、衛星回線は電力制限による高出力増幅器の非線形による回線品質劣化がしばしば問題となるため、多重ブロック符号化方式の非線形領域での特性についても取得した。また、地球局を車両へと搭載し、走行中における画像伝送実験を実施した。本文では、これらの実験結果について述べる。

多重ブロック符号化変調を用いた
2 画像伝送用地球局

図 1 変復調部

開発した画像伝送用地球局における変復調器の諸元を、表 1に示す。多重ブロック符号化変調の多重数は 2、4、6の 3種類でスイッチによる切り替えが可能となっている。多重数が大きいほど、重要なビットに対してより高い誤り耐性を与えることになる。また、比較実験を行うため、BPSK、QPSK、8PSKなどの他の標準的な変調方式へも切り替えができる。画像コーデックには、MPEG4形式のものを使用しており、伝送するデータにはその重要度に応じて 3段階の保護レベルをかける不均一誤り保護の機能を持つ。例えば、IPパケット信号による画像伝送を行う場合、パケット信号のアドレス等のフレーム部のヘッダ情報、画像信号のヘッダ部、画像データの 3つの情報に対し、多重数 6の多重ブロック符号化時には、それぞれの符号化率が17/750、17/
125、102/125の誤り保護を行って信号を伝送する。これらの符号化率がもたらす最小 2乗ユー
クリッド距離はそれぞれ 24.
6、24.
0および 4.
0である。
伝送品質に強い影響をもつフレームヘッダと画像ヘッダに高い誤り耐性をもたせることによって、伝送データ全体の品質を向上させている。また、上記異なる誤り保護を一回の符号化変復調処理によって実現できるのは多重符号化変調の特長である。図 1に変復調部の写真を示す。地球局の高周波部は、送信の等価等方輻
wer：
射 電 力（EquivalentI
sotropicallyRa
diatedPoEIRP）で 20dBW 程 度、受 信 の 性 能 指 数（G/T）は
1TELECOM FRONTIER No.87 2015 SPRING

Title:K2014E-3-2.ec7 Page:36 Date: 2014/09/26 Fri 19:37:06

符号化変調技術実験

3 基本伝送実験−
15dBK程度を 定しており、 回の実験にて使用した移動地球局のアンテナ部には、へとにが可能な、フ ー ドアレー方式によるアンテナ[2]を用いている 。 2に、アンテナ部の主要を示す。
2に示すアンテナ利得は、衛星 角が 45度の場合の値である。衛星追尾は、からの位置と方 のにより制 を うオープンループ方式と、アンテナがらビーをすることで信号の最大レベルをサーチして衛星を追尾するクロー ドループ方式が わている。移相器には、 続 な位相変化が可能な無限移相器を 用して量子化誤 の低 をはかり、追尾角速度は 1秒 たり最大で 30度で、な方換をしないような通 のにおいてはに衛星追尾が可能とな ている。図 2にアンテナ部の、レドーを した状態でのを示す。18 のアンテナ素子が円に 置されている様子がわかる。なお、衛星には本変調方式による 生器は けておら 、衛星をベントパイプ ード 定して実験を う。

3.
1 ビット誤り率特性
ディジタル変復調器の基本特性であるビット誤り率（BitErrorRate： BER）特性を取得した[3]。ブロック符号化の多重数 6、シンボルレートが 1200ks
psにおける測定結果を図 3に示す。図 3の、L1、L2及び L3は、それぞれの符号化率が 17/750、17/125及び 102/175であり、比較のため、BPSKによる特性も取得している。
BPSKの計算値は理論値を示してあり、ブロック符号化における計算値は、計算機シミュレーションによる5dB以結果である[4]。計算値からの測定値の劣化は、0.
内と小さく、これは、地球局の変復調部の入出力信号である 140MHz帯の信号による折り返し測定の場合の特性ともほぼ一致しており、衛星回線を通過することによる回線品質劣化はほとんどないことが確認できた。

3.
2 非線形回線における BER特性
静止衛星は、赤道上空 36,000km に位置しており、地球局から衛星までの距離が大きく、衛星回線においては、信号送信用の高出力増幅器出力を飽和レベル付近で使用することもしばしば生じるため、回線の入出力特性が非線形状態にあるときの伝送性能を把握しておくことは重要である。
（1）トランスレータ折り返し試験
衛星を使用した実験の事前評価として、S帯基準局が持つトランスレータを用いた RF信号折り返し試
験を実施した。試験では、変調器の出力を S帯基準局へ接続し、2.
6GHz帯の出力周波数を持つ S帯基準局の高出力増幅器の送信出力信号をトランスレータへ入力して、2.
5GHz帯の受信周波数へ変換し、受信系である
低 雑 音 増 幅 器 へ と 入 力 し て や り、周 波 数 変 換 後 の140
MHz帯 I
F信号を復調し、BER特性を取得した。本試験における回線の非線形性は、S帯基準局高出力増

表 2 画像伝送地球局アンテナ部（アクティブフェーズドアレーアンテナ）の主要諸元

BitErrorRateアンテナ形式：セルフダイプレクシングアンテナ
上層：円形パッチ（送信）、下層：円環パッチ（受信）素子数：18移相器：無限移相器（ダブルバランスドミクサ型）
寸法：φ440×H117mm
重量：18.
7kg
周波数：2655.
5～ 2658.
0MHz（送信）：2500.
5～ 2503.
0MHz（受信）
偏波：左旋円偏波
アンテナ利得：12.
3dBi（送信） 14.
5dBi（受信）EI
RP：26.
3dBW
G/T：−12.
3dB/
K
追尾方式：クロースドループ追尾
及びオープンループ追尾方式
追尾角速度：最大 30°/秒

図 2 アンテナ部

図 3 BER特性

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Title:K2014E-3-2.ec7 Page:37 Date: 2014/09/17 Wed 14:15:23

符号化変調技術実験（2）衛星回線による実験 [5]幅器の非線形特性により生じている。取得した非線形特性を図 4に示す。図 4において、横軸は、変調器の出力電力、すなわち S帯基準局への入力電力値を、縦軸は、復調器への入力電力、すなわち S帯基準局の出力電力値を示している。S帯基準局への入力電力値が−13.
5dBm の動作点 P1が、直線で示す線形特性の出力から 1dBだけ低く抑圧された値となる 1dB利得抑圧点（1dBgaincompression：1dBGCP）になるので、この点 P1を基準として、S帯基準局への入力電力値を変化させている。BER測定は、動作点 P1と、動作点 P1での入力電力より 4dB大きな電力を入力した P1+4dB、また、動作点 P1での入力電力より 6dB小さな電力を入力した P1−6dBの 3点で実施した。多重ブロック符号化方式の BER特性並びに 8PSKの BER特性を図 5に示す。図 5に示すように、8PSKの場合は、例えば、−4BERが 1.
0×10 の と き、線 形 領 域 で 動 作 し て い る
P1−6dBに比べて、非線形領域で動作している P1+4dBは約 2dBの劣化が見られることがわかる。一方、多重ブロック符号化方式を用いると、非線形の影響による特性劣化はほとんど無く、多重ブロック符号化は、回線の非線形性の影響を受けにくい方式であるといえる。

図 6に ETS−Ⅷ経由の入出力特性を示す。図 4と同様に、横軸は、変調器の出力電力、すなわち S帯基準局への入力電力値を、縦軸は、復調器への入力電力、すなわち S帯基準局の出力電力値を示している。S帯基準局への入力電力値が −16.
7dBmの動作点 P1が 1dB利得抑圧点になるので、この点 P1を基準として、高出力増幅器への入力電力値を変化させる。運用上の衛星の放射電力制限から、動作点 P1より 1.
5dB大きな電力を入力した P1+1.
5dBが実験可能な最大出力である。なお、このとき、地球局は線形な領域で動作しており、非線形性の主な原因は、衛星上の高出力増幅器の非線形性の影響による。
多重ブロック符号化方式の BER特性を図 7に示す。
また、比較のため、8PSKの BER特性も示してある。図7に示すように、最大出力時には、8PSKにおいて伝送

図 6 S帯衛星回線の非線形特性
図 4 S帯基準局高出力増幅器の非線形性特性

図 5 BER特性（トランスレータ折り返し）

図 7 非線形領域における BER特性（衛星折り返し）

3TELECOM FRONTIER No.87 2015 SPRING

Title:K2014E-3-2.ec7 Page:38 Date: 2014/10/02 Thu 09:46:19

符号化変調技術実験を設けており、送信データをテストモードにて出力すると、走行中では、画像の伝送が完了せず、受信側での画像再生はできなかった。一方、送信データを重要度に応じて区分したノーマルモードの場合では、若干のエラーがある画像で再生ができた。図 8に実験時の送信画像と受信画像例を示す。このときの画像の毀損率は約 2.
5%で、図 8（ｂ）の上方に少々のエラーが生じている様子がわかる。の非線形性による劣化が認められるが、多重ブロッ−ク符号化方式では、BERが 1.
0×10程度までならば線形領域での動 とほぼ一致するとい 結果を得た。多重ブロック符号化は、回線の非線形性のを受けにくく、衛星回線に適した方式であるとい る。

4 画像伝送実験
地 球 局 を 車 両 へ と 搭 載 し、シ ン ボ ル レ ー ト を
1200kspsに設定して、走行中における画像の伝送実験を実施した。移動地球局の車両停止時の総合の受信信号電力対雑音電力密度比（C/No）は約 72.
5dBHzであり、衛星を見通すことができれば、走行中における受信 C/No値の最低値は約 71dBHzであった。画像伝送中の BER特性は取得していないが、符号化率の値が最も大きい 102/125の場合で、1ビット当たりの受信電力対雑音電力密度比（Eb/No）の最低値は約 9.
5dBHz、このときの BERは 1×10−7程度であると推定される。
開発した変復調器には、送信データを重要度に応じて区分するノーマルモードと、特別に区分することなくランダムにデータを振り分けるテストモードの 2種類

5 むすび
移動体衛星通信における画像伝送用地球局を開発し、ETS−Ⅷを使って衛星回線における性能試験を行った。
本地球局では、通信方式に多重ブロック符号化変調方式を用いている。基本特性である BER特性は、計算機シミュレーション結果から 0.
5dB以内の特性を示し、衛星回線による特性劣化はほとんど認められなかった。
また、衛星回線の非線形性領域における BER特性を取得したが、非線形性領域においても、線形領域での特性とほぼ同じ特性が取得できた。さらに、地球局を車両へと搭載し、走行中における画像伝送試験を実施し、送信データを、その重要度に応じて符号化することで、誤りの少ない画像伝送が実現できることを確認した。
実際の静止衛星を使ったこれらの実験結果により、多重ブロック符号化変調方式は、移動体衛星通信回線に適した方式であることが実証された。

謝辞
本文の執筆にあたり、技術試験衛星Ⅷ型の開発に携わった多くの方々に感謝致します。特に、変復調器の開発に協力頂いた大川 貢主任研究員、実験実施を主に御担当頂いた渡邉 宏氏に深謝致します。
（ａ）送信画像【参考文献】
1 H.
B.Liand M.Ohkawa,“A Modem Devel
oped forUnequalEr
r
orPr
ot
ecti
onUsi
ngMul
ti
pleBl
ockCodedModulati
on,”21stInt
er
nati
onal
Communicati
onsSatelli
teSystemsConference,AI
AA2003−2241,April,
2003.
2 A.Miura,Y.Fuj
ino,S.Taira,N.Obata,M.T
anaka,T.Ojima,andK.Sakauchi,“Sband Act
ive Array Ant
enna with Analog PhasedShi
ft
er
susi
ngDoubleBal
ancedMixer
sforMobi
leSATCOM Vehi
cles,
”
IEEET
rans.AntennaandPr
opagation,Vol
.53,No.8,Aug.2005.
3 渡邉宏，山本伸一，平良真一，“ETS−
Ⅷを用いた不均一誤り保護機能を持つ符号化変調効果の測定，”2008信学全大，B316,2008年3月.
4 李還幇，大川貢，“不均一誤り保護機能を持つ符号化変調装置，”通信総合研究所季報，Vol.49,Nos.3/
4,pp.199−
204,Sept.
/
Dec.2003.
5 渡邉宏，山本伸一，平良真一，“ETS−
Ⅷ地球局を用いたブロック符号化変調の非線形伝送路特性，”2008信学ソ大，B37,2008年9月.

（ｂ）受信画像
図 8 画像伝送実験

4

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Title:K2014E-3-2.ec7 Page:39 Date: 2014/09/26 Fri 19:38:56

符号化変調技術実験

平良真一 （たいらしんいち）
ワイヤレスネットワーク研究所宇宙通信シス
テム研究室副室長
移動体衛星通信、交換システム

李

還幇 （りかんほう）

ワイヤレスネットワーク研究所ディペンダブ
ルワイヤレス研究室総括主任研究員
博士（工学）
移動体衛星通信、符号化変調、ウルトラワイ
ドバンド技術国立研究開発法人情報通信研究機構発行の技術情報誌「情報通信研究機構研究報告」
Vol.60 No.1 2014年10月発行の記事を、筆者及び情報通信研究機構の承諾を得て掲載しています。体裁、内容を一部加筆修正しています。

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