狭帯域高信頼性 デ ィジタル変調方式 に関す る研 究 笹瀬 巌 慶應義塾大学 理 工学部 電気工学 科 専 任 講 師 口 は じめ に 近年、通信 の需要 の急激 な増加 に伴 い 、 デ イジ タル通信 における電力 お よび周波数帯域 の有効 利用 が大 きな課題 となって い るが 、本研究 では、狭帯域高信頼性 デ イジタル変調方式 に関す る研 究 と題 して、以下 の 5つ の研究課題 につい て研 究 を行 った。 1)優 れた スペ ク トル特性 を持 つ狭帯域 デ ィジタル変調方式 に誤 り訂正技術 を適用 して、 よ り信 頼性 の高 い狭帯域符号化変調方式 を見 い だす 。 2)周 波数利用効率向上 お よび大容量化 を図 るために変調信号 を多値化 す る と、干渉波、雑音 、 非線形性等 の影響 を受 けやす くす るため、 これ らによる劣化 の度合 を明 らかに し、劣化 の度合 が小 さい多値 デ イジ タル変調方式 を見 い だす 。 3)デ イジタル変調信号 に雑音 や干渉波 が重畳 した場合 の影響 を考察 し、特 に、判定帰遠 フ イル タを用 い た雑音 お よび干渉波 の効果的 な除去 または抑 圧方法 につい て検討す る。 4)非 線形 システムの及 ぼす影響 を考慮 し、非線形 システムにお い て優 れた特性 を有 す るデ ィジ タル変調方式 を見 い だす 。 5)光 通信 チ ヤ ンネルの伝送特性 を有効 に利用 して、光通信 チ ャ ンネルに適 した誤 り訂正方法 を 見 い だ し、デ ィジ タル光通信 方式 の高信頼性 、狭帯域化 を図 る。 6)デ イジタル通信 ネッ トワー クにお い て、従属 同期網 の累積 ジ ッタ特性 の改善 と、任意 の個数 の処理 システム を有す る待 ち行列 系 の平均待 ち時間 と平均並 び替 え時 間 の低減 を図 る。 以下 、そ れぞれの研究課題 における研究成果 の概 要 を述 べ る。 2 日 狭 帯 域 高 信 頼 性 デ ィ ジ タ ル 符 号 化 変 調 方 式 に 関 す る研 究 デ ィジタル変調方式 にお い ては、狭帯域化お よび誤 り率特性 の一層 の改善が求 め られてお り、 オ 支術 を利用 した、狭 帯域 でか つ信頼性 の高 い符号化 デ イジタル変調方式 に関す るO F 究が 誤 り訂 1 上 盛 んに行 われて い る。特 に、図 1 に 示す トレリス符 号化変調方式 は、符号器 と冗長度 の ある信号 ‐ 点配置 を組 み 合 わせ て、信 号点 の遷移 を制限す ることによってユ ー クリッ ド距離 を実質的 に大 き くし、伝送 レー ト、 スペ ク トル効率 を下 げる ことな く、大 きな符 け化利得 が得 られる変調方式 と して注 目され て い る。 そ こで 、本研 究 では、優れ た スペ ク トル特性 を持 つ狭帯域 デ ィジタル変調 方式 に、ト レリス符 け化等 の誤 り訂 工技術 を適用 して、 よ り信頼性 の高 い狭帯域符号化変調方式 を見 い だす ことを目的 として研究 を行 った。以下 、本研究 で得 られた研究成果 の要約 を述 べ る。 1 ) ス ペ ク トルの集 中性 の優 れたデ イジ タル変調方式 である連続位相変調方式 に、誤 り言r 正符号 を 単純 に組 み 合 わせ るだけで な く、図 2 に 示 す よ うに、複数 の変調指数 、お よび 、非対称 な マ ッピングを用 い て、変調方式 と符号化 の組合 せ に工 夫 を凝 らす ことによ り、 ユ ー クリッ ド距 卜10dulatOr EncOder anrlel Ci、 DemodulatO〔 B inary Dccoded scq(lence i n f mo a「t i O n s e q u e lc、 e Rate=r bits/s Rate=r bitS/S Coded sequence Rate=rc bits/s 1対1 ェ= 1 / 2 rioise トレリス符 ケ化変調 方式 4 1eVel i n i o『【R ヽ C 0 1 l v O l u t i o i l a l N O ぃ、 、 codelヽ E】 卜I R P p e r l N / 1 u i】 t、i ― S(t,こ ) CPFSK NlOdulatol 11(じ ) 泣i t t x t t i l u l l 、 Li k e l Oi Ol d、 Receiver 図 2 非 対称 マ ッピングM u k t h 畳込 み符号化 4 相 C P F S K の システムブ ロ ック図 離 を拡 大 で きる ことが示 された。 また、誤 リパ スの個数 と平均 出現確キ も減少 させ ることがで ヽ1 。 きる こ とが 示 され、誤 リキ特性 を 本 層改善 で きる こ とが 明 らか になった 十 いて 、 P S K と 2 ) ト レリス符 ケ化 をサ │よ FSKと を組 合せ 、 さらに、位相 と周波数 を考慮 した信 本 号点配置 を 様 ではない よ うに変形す る ことによ り、電 力 お よび周波数帯域 を増加 させず に、 前1 される送杉信 号点配歳内 でのユ ー クリッ ド距離 が拡大 で き、 よ り大 きな符 号化利得 が得 られ る ことを明 らか に した 1 9 1 . ム を凝 3 ) マ ルチ プル トレリス符 号化連続位相変調 方式 に、非対称 なマ ッピングを組 み合 わせ1 1 1 大 ー らす こ とに よ り、従来誤 り言] 正 本 で きなか った平行 パ ス誤 りが言r 正 で きる ようにな り、 ユ ク リッ ド距離 を大 きくす ることが可 能 とな り、誤 り率特性 が一店改善 で きる ことが明 らかになっ た にJ 。 3コ 多 値 デ ィ ジ タ ル 変 調 方 式 に 関 す る研 究 多値 のデ イジ タル信 けを用 い ることに よ り、周波数利用効率 の 向上、お よび、 大容 革:化が 1対ら れて い るが 、多値化 す る と、干渉波 、雑 音、非線形性等 の影響 を受 けやす くなるため、 これ らに よる劣化 の度合 を明 らかに し、劣化 の度合 が小 さい狭帯域 多値 デ イジ タル変調 を兄 い だす ことは 極 めて重 要 である。 そ こで 、本研究 では、代表的 なデ イジ タル多値変調方式 で ある、 QAM、 よび、 QPRS変 お 調方式 にお い て、 スペ ク トル効率、お よび、誤 り特性 の改話 を行 う ことを目的 と し、tlll究 を行 った。 以 下、本研究 で得 られた研究成果 の要約 を述 べ る。 1)多 値 QPRS(class― IV)変 調方式 にお い てスペ ク トル効率 を高 めるため 、 ナ イキ ス トレー ト よ り大 きな伝送 レー トを用 い る と、誤 り率 が劣化す るが 、独特 の フ イル タリングを施 す ことに よって 、従 来 に比 べ て、誤 り率 の劣化 の度合 を小 さ く保 ちなが ら大 きな スペ ク トル効率 を得 る こ とがで きる方法 を提 案 した -21。 2)多 値 QAM、 お よび、QPRSに お いて 、矩形 パ ルスの パ ルス幅 を狭 くす ることによ り、従 来 のx畑n(x)振幅 イ コ ラ イザ を用 い な くて も、良好 な誤 り率特性 を得 ることがで きる ことを示 し た 16 . 3)非 線形 チ ャネルでの 多値 QAM、 4)多 値 ダイ コー ドQPRS変 お よび、 QPRSの Ⅲ. 誤 り率特性 の比較検討 を行 った Ⅲ 調 方式 にお いて 、ベ ー スバ ン ド低域 スペ ク トル をサ ー ビスチ ャネ ル として利用 す る と、従来 の 多値 QPRS(chss,IV)変 調方式 よ り、誤 り率 の劣化 を低 く抑 え │。 た まま、広 い サ ー ビスチ ャネル を利用す ることがで きる こ とを示 した 1抑 4ロ デ ィ ジ タ ル 変 調 方 式 に お け る 雑 音 お よ び 干 渉 波 の 除 去 に 関 す る研 究 liず デ ィジ タル変調信号 を伝送 す る と、通信路 にお い て 、雑音 や十渉波 が 加 わ り、波形歪がイ る。 よって、雑古 や │:渉波 が重畳 した坊合 の影響 を考察 し、雑 音お よび十渉波 の効果的 な除去あ るい は抑 圧方法 につい て検討す ることは極 めて重 要 である。そ こで 、本崩F究では、特 に 、1対3に 示す判定帰還 トラ ンスバ ーサ ルフ ィル タを用 い て、 デ イジ タル変調信 けに重畳 した雑音 お よび千 渉波 の効果的 な除去あるい は抑圧 を行 う ことを 目的 とし、研究 を行 った。 以下、本研究 で得 られ た研 究成果 の要約 を述 べ る。 ステム にお い て、判定帰還 トラ ンスバ ーサ ルフ ィル タを用 い ることに よ り、複数 1)QPSKシ 個 の正 弦波状 11渉波 を除去 で きる ことを明 らか に し、最適 な タップ重み を求 めた 15。 ステ ム に、有色雑 占 と干渉波 が 含 まれ る場 合 に も、判 定帰還 トラ ンスバ ー サ ル 2)QPSKシ フ ィル タを用 いることによ り、右色雑音 と干渉波 を共 に抑 圧で きる ことを示 し、両側判定帰還 「十。 フ ィル タが片側判定帰還 フ イル タよ りも有効 であるこ とを明 らかに した 十 ステムにお い て も、判定帰遠 トラ ンスバ ーサ ルフ ィル タを用 い て、 CW十 渉波 と 3)QPRSシ PRSフ イル タに よって生 じた右色雑音 を抑 llする ことがで きる こ とを明 らか に し、最適 な タップ重 み を求 めた Ⅲほ。 4)QPSKシ ステムにお い ては、判定帰還 トラ ンスバ ーサ ルフ ィル タを用 い ることによ り、 オ ンオフを繰 り返す パ ルス状 の CWr渉 波 も除去で きる ことを1月らか に し、最適 な タップ重 み を 。 求 めた (2Ⅲ - 4 - . が回 け■HFい ■it■ │ヽ ■ _ ///ィ t(` PS―、 \ \ x(k)′ /― たPS\ 十 h3る inも し )y(1() _鮮 刊m_曲計 \ ` Dビぃ // 隊1 3 判 定帰 還 トラ ンスバ ー サ ル フ ィル タ 5 . 非 線 形 シ ス テ ム お よ び デ ィ ジ タ ル 衛 星 通 信 に 関 す る研 究 で す ることが 考 え られてい るが 、そ の結果 生 屯力有効利用 の観点 か ら、増幅器 を飽 和領j _ l k止揚 じるシ ステムの非線形性 が 及 ぼす影響 を考察 し、非線形伝送系 にお い て、誤 り■特性 が優 れて い るデ ィジ タル変調 方式 を兄 い だす ことは、極 めて重要 で ある。 また、 周波数帯域有効利用 の為、 チ ャネルでの スペ ク トルの集 中性が優 れた変調方式 を兄 い だす こと も大 きな研 非線 形 な衛 狂j 曲 十 1キ 究課題 となって い る。 そ こで 、本研究 では、特 に、信号 が非線形 システムを通過 した場 合 の 出力 S N 非 に及 ぼす影響 の解析 、十 対4 に 示 す非縦形衛 駐通信 チ ャネルにおける況変調雑十 の低減法、 お よび 、 ハ イブ リッ ドA R Q / F E C シ ステムの スルー プ ッ ト特性 の 改善 を行 う こ とを 目的 と し、有 ) F 究を行 った. 以 下、本研究 で得 られた研究成果 の要約 を述 べ る。 1 ) 信 号 が非線形 システムを, 連 の変化 につい ては、 まず、非線形増幅 過 した場 合 の 人‖t t t S N 比 を 卜、及 び非線サ レ包格線検波器 の 出力 を過当 に組 み合 わせ ることによ り、出力 S N 比 が 改革 で き るこ とを明 らか に した 1 。 2 ) 非 線形包絡線校波器 にお い て、出力高調波成分 を利 ナ す ることによ り、出力 S N 比 が改 善 で │↓ きる ことを示 した - 1 . 従 来 の研究 では、非線 形性 は望 ま しくない もの をなるべ く抑 える こと に主 眼 がおかれて い たが 、本研究 では、 む しろ本 ることによ り特1 ■の 責極的 にリト 維形性 を利 │ │ ! す H っ て い る とい う点 で特色 がある。 改善 を在 1)土 チ 3 ) 非 線形筒 i 曲 信 ャネル によって生ず る淀変調雑ヤ を低減す るブ ロ ック分制 スロッ ト設定法 を提案 し、キ ャリアで満 た された S C P C シ ステ″ 、にお い て も、市域 をほ とん ど広 │ デ ず に、 十 分 に相 F i 変調雑 古 を低減 で きる ことを明 らか に した ■ 2 7 。 4 ) T y p c I I 選択 リ ピー ト1 l J ハ ッ ドA R Q / F E C シ イブ i ブ ステム にパ ンクチ ャ ド柱 み込 み 符 ケを らに した 1 1 ・ 用 い るこ とに よ り、高 スルー ブう 卜を得 るこ とがで きる ことをl l P lか . freqtlency gap′ 〔requency 92 frequency 9ap′ 9d_1 / \ と ___v_ BIock l \ 十 一 BIock 3 B10ck 2 Block d 図 4 ブ ロ ック分害」スロ ッ ト設定法 6 コ 光 チ ャネ ル に お け る デ ィ ジ タ ル 符 号 化 変 調 方 式 に 関 す る研 究 光通信 、特 に 、深宇宙通信 等 で 有望祝 されて い る光子計 数通信 にお い ては 、光通信 チ ャネル が 、豚1 5 に 示す ような非対称消失通信路 となる。そ こで 、本研究 では 、光子計教通信路 の非対林 性 に適 した符 ケ化、復号 化 を用 い て、誤 り率特性 、周波数特性 の改善、お よび後 けの高速化 をは1 究成果 の 要約 を述 べ る. る ことに 目的 とし、研究 を行 った。 以下、本研究 で得 られたり「 を利用 した高速 1 ) 光 子計 独通信 チ ャ. ンネル におけるV i t e r b i 復 号 にお い て、 チ ャネルの非対称4 1 上 い パ スで あ ) を した。 この 方式 は、1 1 : し 復 け方式 R P V D ( R c d u c c d P a t h V i t e r t D i D c c o d c r提案 る可t 旨 号の復 ケ時 間 の 人部分 を しめ 性 の きわ めて小 さいパ スを除去す ることによ り、V i t c r b i 復 clcct(ACS)の るA d d C o m p a r cS― 単論解析 、及 び、占│ 回数 の大幅 な削減 を可 能 として い る。す 算機 シ ミュ レー ションの結果 、誤 り率特性 を劣化 させ ることな く、 A C S の l l lの 数大幅 な低減 がで きる ことが示 され、光通信 チ ャ ンネル における高速化復 ケ として きわめて適 した方式であ る ことが 明 らか になった - 1 い 。 2 ) 光 通信 チ ヤネルの非対和V 性を利用 す ることに よ り、 メ トリックの 計算 回数 を大 き く削減 し、 ー 逐次復号 の最大 の問題点 であるオーバ ー フ ロ 誤 りの確 立 をきわめて小 さ くで きる逐次復号法 を提案 した ⅢⅢ。 3 ) 光 通信 チ ヤネルにお いて、 リー ドソロモ ン符 チを用 い たマ ルチパ ルス P P M を 提案 し、通 信 1 1│ユ 。 容量 及 び誤 り率特性 の解析 を行 なった 4 ) 光 通信 チ ャネル にお い て、 パ ンクチ ャ ド畳 み込 み符 号 を用 い た P P M 方 12付 6 り、誤 り■特性 、周波数特性 の改善 が 図 れ ることを明 らか に した - 6 - 式 を提案 し、従来 よ ( 1 - ε) p X l \ く X2 1 - Yl 百 1 )ε β Y2 ( 1 - X9 Y。 YE 区1 5 非 対称消i 失 通イ li路 アロ デ ィ ジ タ ル 通 信 ネ ッ トワ ー ク に 関 す る研 究 デ ィブタル通1 1 の高度化 に付4 い、 デ イジ タル通信 ネッ トワー クの 一" キ 洋のイf 効利 ナ i l が求 め られて い る. そ こで 、本0 「 究 では、特 に、l X 1 6 に 示 す よ うな複数 の処叫 システムを有 す る待 ち行ダけ 系を 的 キ析 す ることによ 1 ) 、ネ ッ トワー クシステムの スルー プ ッ トの将 人、i 呈 延時間 の短縮牛 の特性改 洋を行 うことを│ 1 的とし、研究 を行 った. 以 卜、 本研究 で律 られたイ リ 「 究成果 の要約 を述 べ る。 1 ) 従 属 l i川 可ネ ッ トワー ク綱 にお い て 、 デ イジ タル位相 │」 卜 期 ル ー プの位相差平均 l l l lを 数従属局 の 性十 1 中に応 じて変化 させ ることに よ り、累積 ジッタ特性 が改善 で きる ことを明 らか に した 中] . 2 ) 2 1 1 引の処ナ 叫 ! システム を有す る待 ち行ダJ 系にお い て、処理速度が共 なる場 合 には、 2 1 J の バ ッ フ アに待代 中 の呼 のた に応 じて 、呼 の ルーチ ングを変化 させ る、し きい値制御 方式 を用 い るこ とに よ り、 ` 寺 を小 さ くで きる こ とをR l l ら か に した l S i . 14均 待 ち│ 1問 3 ) バ ッフ ァに待機 中 の呼数 に応 じて、利用 で きる処弾 システムを‖ iけ 快す る、し きい値制御 方式 、を有す る待 ち行ダJ 系の解析 を行 ない、十え を│ 十 1 いた場 合 の 、任, まの個数 の処理 システ ″ 均待 ち時 1」 ^ える 判文式 をナ │IJを 性システムの処す 性時間が 果な る場 合 には、 しきいl 1 4 制 革出 し、処す 作‖方式 を す │ ! いる こ とに よ り、平均待 ち時 間 を低減 で きる ことを明 らか に した Ⅲ7 1 ゅ 4 ) バ ッファに待機 中 の呼数 に応 じて、利用 で きる処F 早システムを制限す る、し きい1 1 1 制 御 方式 を用 い た場 合 の 、任意 の個数 の処理 システムを有す る待 ち行列 系 の解析 を行 ない 、1 1 1 カ された の川 頂序 を入力 H 子 呼 の川 衷序 に並 び替 えるのに要す る並 び替 え時間 を与 える 一般式 を導出 し、処 r 早 システムの処叫時問が共 なる坊合 には、 しきい値制御方式 を用 い ることによ り、並び替え時間 を低減 で きる こ とを明 らか に した + 1 9 + . 5)2種 の呼 に対 し適応遮 断形優先制作‖を行 ったマ ルチサ ー バ モ デルを解析 し、 バ ッフ ァでの待 時呼数 に応 じて、即時呼 に優先権 を ケえるサ ー ビス数 を適応 的 に変化 させ ることによ り、全体 の呼損キ を小 さくで きる ことを明 らか に した = H . 6 ) 2 1 r l の処理 システムをイ丁す る待 ち行列例 にお い て、処理速度が異なる場合 には、 2 個 の バ ッ フ アに待機 中 の呼教 に よる しきい値怖け 御 方式 を用 い るだけでな く、呼の ルー チ ング確率 を適 当 に選択 す ることに よ り、 平均待 ち時 間 を更 に小 さ くで きる ことを明 らか に した 1 2 4 1 。 系 にお い て、複数種 ) し きい値制御方式 を用 い た任意 の個数 の処理 システ ム を有す る待 ち行ダけ 一 -2H。 類 の呼 が出力 された場合 の 、呼 の並 び苦 え時 間 の 般 的 な解析 を行 った Departurも 系 図 6 複 数 の処理 システ ム を有 す る待 ち行ダけ . お わ りに ベ リ F 究成果 の概 要 を, 上 以 上、 ( 買 オ) 高 柳 記念電 r 科 学技術振興財回 の研究助成 を受 けて行 ったイ た。 これ らの研究成果 は、電子情手段通信学会等 の権成 ある論文誌 に掲載 ( 2 0 編) さ れ、 また、押f 信、 界で最 も権成 あ る同除通信 会議牛 の 同除会議 ( 2 5 編) ( 最近 3 年 間) で 謡演 され る午、衛■' 通 マ イク ロ波無線通信 、移動体通信 の分野 にお い て、国内外 か ら大 きな注 目 を受 け、高 い言F 価 を得 る こ とがで きた。 これ らの研究成果 を挙 げる ことがで き、国内外 の' F 究者 と意兄 の交換 をす る機 会 を多 くえ られたの も、i k 高柳先 1 1 の暖 か い励 ま しと、 ( 財) 高 柳記念電 子科学技術振興財I J l の の 意 を表 す。最後 に、故高柳 先生 の ご質福 多大 な御支援 に よる もので ある。関係 各位 に深 く感訪十 、よ りお祈 り致 します。 を″ 亡 参考文献 vcd by coherent detector and to― noisc ratio of nonlincarity fo1lo、 I、 vao Sasasc and Shinsaku Ⅳlori,1'Signal― envelopc dctcctorⅢ ,Thc Trans ofthe lnstitutc of Elcctronics,Information and Communication Enginccrs (IEICE),Vol E71,No.2,pp.139-146,Fcbruary 1988. 0と On class-lV PRS above the Nyquist ratcⅢ Kuang― Tsan Wu,Iwao Sasase and Kamllo Fchcr,Ⅲ ,IEE Pro― cccdings― F Conlmunications,Radar and Signal Proccssing,vol 135,Pt F,No.2,pp 183-191,April 1988. 八嶋弘キ、1 1 瀬 巌 、森 真作、 “ブ ロ ック分告J 設定法 による相互変調雑音 の低減 "、 電i ■1 青 , 6昭3 年6 月 報通信学会論 文誌 V o l J 7 1 - 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