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多値変調波を高効率に送信する空間重畳型多値変調 ( 16QAM, 32APSK, 64QAM ) システムを開発

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　多値変調された送信波の高効率送信を可能にし，経済的なシステム構築に寄与する空間重畳型多値変調システムを開発しました．

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　電波は有限資源であり，ワイヤレス通信では使用周波数帯域が制限されています．情報技術の進展により高速・大容量通信への要求が高まる中で，限られた周波数帯域内で高速通信することが望まれています．

　地上のワイヤレス通信では，建物等からの反射波による干渉に強いOFDM(直交周波数分割多重)通信が使用されていまが，複数の搬送波を使用するために非線形歪の影響を受けや易く，電力増幅器(HPA)の電力効率が低下する課題があります．

　一方，周波数帯域と同時に電力制限が一層厳しい衛星通信システムでは，反射波の影響が小さいために単一搬送波を多値変調し，伝送する方式の方が効果的でです．しかし多値変調波もOFDM波と同様に，振幅変動が大きくHPAの非線形特性による伝送特性の劣化を受け易くなります．この劣化を避けるためにHPAの線形領域で増幅すると出力の低下と効率の低下が発生します．この結果，より高出力の増幅器が必要となり，さらに電源の大容量化，発熱対策等のためシステムの経済的な構築が難しいという課題がある．

　そこで，筆者等は周波数の有効利用が可能な多値変調波をそのまま電力増幅する代わりに，多値変調波を複数の振幅変動の小さい変調波に分割し，個別に非線形領域で高効率電力増幅した後， 空間領域でベクトル重畳合成（空間重畳合成）を行うことによる高効率伝送方式を提案しています．

　解析と実験により，本提案が有限資源である周波数帯域とエネルギを同時に有効活用可能な方式であることを明らかにしています．

　

　本研究室では，ｼｽﾃﾑの構成ならびに空間重畳合成を実現するｱﾝﾃﾅ構成法 (ref) について検討し， 従来方法との比較を行っています．

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　1.  8x4=32APSK システム (Ref)

　本システムは，変形8PSK波とQPSK波を個別に高効率電力増幅したのちに，空間で重畳合成して32APSK波を実現している．変形8PSK波とQPSK波の振幅変動が小さく，電力増幅器(HPA)を効率の高い非線領域で運用可能となります．

この結果，例えばHPAを5dB出力ﾊﾞｯｸｵﾌして線形性を維持する従来方法に比べて，効率の高い飽和領域で使用するため 消費電力を約1/2に低減することが可能となります．重畳合成時のシンボルタイミング誤差，HPA並びにアンテナでの利得誤差，位相誤差の影響についても考察し，本システムの実現性を確認しています．

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Fig.1 Realization of 8x4 = 32 APSK with spatial superposition technology.

Fig.２空間重畳型 32APSK システムの効果
　従来方式に比べて消費電力を40％に低減，飽和出力の小さいＨＰＡの使用，電源の小型化，熱制御系の簡易等，送信設備の経済化，小型軽量化が可能になります．

Fig.３ 適用例

     Applications of spatially superposed 32 APSK Broadband tranmission for event link-up, disaster minitoring and maritime resources surveying.Fig.1 Realization of 8x4 = 32 APSK with spatial superposition technology.

2. 4x4x4=32APSK システム

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　３ビームの空間重畳を利用した32APSK多値変調ｼｽﾃﾑの構成例を示します．本システムでは，３つのレベルの異なるQPSK波を空間重畳合成して32APSK システムを実現しています．8x4=32APSK システムに比べると，３ビームを合成するため，送信アンテナのホーンの数が増えます．

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Fig. 4 空間重畳を適用した4x4x２ = 32APSKの原理（３ビームを使用）

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３. 空間重畳型64QAMシステム (Ref)

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​　空間重畳型６４ＱＡＭの原理を示します．本システムは，二つのQPSKを電力増幅後に回路で合成して16QAM波とした後，もう一つのPSK波と空間で２ビームで重畳合成して４ｘ１６＝３２ＡＰＳＫを実現します．３つのQPSK波を空間重畳合成する4x4x4=64 QAM (Ref)に比べて，送信アンテナ系が簡単になり，かつ受信範囲が広がります．

​　従来の4+12+20+28 ＝64APSKに比べて，HPA消費電力を40％削減可能です．

Fig. 5　Realization of 4x4x4 = 64 QAM with spatial superposition technology

4. 空間重畳型16QAMシステム (Ref)

　振幅の異なるOQPSKを２波，空間重畳合成して実現する空間重畳型16QAMシステムを示します．

Fig. 6　Realization of 4x4= 16 QAM with spatial superposition technology.

Published papers：

  1. Masayoshi Tanaka and Daiki Yamaguchi, Spatially Superposed Highly Efficient 64QAM Transmission System, 
    AIAA ICSSC2016,AIAA 2016-5738,pp1-9,Oct. 2016.     Ref,    Ref(pdf).

  2. Masayoshi Tanaka and Takahiro Ohkubo, Spatially Superposed Highly Efficient 32APSK Transmission System, AIAA ICSSC2015, AIAA 2015-4334, pp1-9, Sept. 2015. Masayoshi Tanaka and Takahiro Ohkubo, "Spatially Superposed Highly Efficient 32APSK Transmission System", AIAA-2015-4334.  Ref,    Ref(pdf).

  3. Masayoshi Tanaka and Takahiro Ohkubo,Highly Efficient Broadband Transmission System AIAA,ICSSC2013,AIAA2013-5677, Oct., 2013 Ref,    Ref pdf.

  4. Masayoshi Tanaka, Tasuku Watanabe,and Masayuki Tobinai,Highly efficient 32-APSK transmission system,AIAA ICSSC2012,6_1,pp.1-pp.10,2012.09 Ref.  Ref pdf. 

  5. T.Watanabe and M.Tanaka, Study on High Efficient 32APSK Transmitting System, IEICE, National Conf.， B-3-17,p311，2012.03

  6. Masayoshi Tanaka and Hiroyasu Madate, 64-QAM Communication System using Three-beam Spatial Power Combining Technology, AIAA, ICSSC-2011, AIAA 2011-8026,2011(Nov) Ref,  Ref pdf.

  7. T.Watanabe and M.Tanaka, Study on Spatially Superposed 32APSK System, IEICE, Society Conf.， B-3-19,p301，2011.09

  8. Masayoshi Tanaka and Hiroyasu Madate, Spatially Superposed 16-QAM System with Two Offset-QPSK Signals,28th AIAA International Communications Satellite Systems, AIAA ICSSC2010, AIAA-2010-8681-317,2010  Ref,  Ref pdf.

  9. Masayoshi TANAKA, and Takuya Eguchi, Beam Steering Characteristics and Element Failure Compensation of Spatially Superposed M-ary Modulation System, 27th AIAA International Communications Satellite Systems, AIAA, ICSSC, AIAA-2009_3.3.4,2009 Ref pdf

  10. Masayoshi.Tanaka,＆Takuya.Eguchi,"Spatially Superposed 64-QAM Communication System",AIAA, ICSSC, AIAA-2006-5347, 2006, June.  Ref.  Ref pdf

  11. Masayoshi Tanaka, Takuya Eguchi, Spatially Superposed M-ary QAM Wireless Communication System, APMC2006, Vol.2, pp 839-842, 2006.  Ref pdf

  12. Masayoshi Tanaka, and Takuya Eguchi， A Study on Spatially Superposed M-ary Communications System， IEICE, Comm society conf.，B-3-3，2006

  13. Takuya Eguchi, and Masayoshi Tanaka， "Phased Array Antenna System for Spacially Superposed M-ary Modulation ", IEICE, National Conf., B-1-47，2006

  14. Masayoshi Tanaka， "Transmission Performance of Space Power Combined Superposed 16-QAM Communication System", Simulation,vol-24,1，pp75-82，2005.  Ref pdf

  15. M.Tanaka, "New M-ary QAM Transmission Payload System",AIAA, ICSSC2005, I000249, 2005, Sept.

  16. M.Tanaka," New Satellite Communications System Using Power-Combined M-ary Modulation Technology", AIAA ICSSC, AIAA-2003-2288, 2003, April Ref    Ref pdf.

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