第 5 章 20kHz 帯を用いた通信実験
5.3. PSK，QAMによる通信実験
5.3.1. 鉛直方向通信実験
ディジタル通信が行えるので，簡単なウィンチとロープを使用して音響通信を行うことが可能である。
以上，FSK変調方式により，HDLC半二重パケット伝送プロトコルを用いた音響通信装置を開発し た。この装置を用いた実海域実験を実施し，約 4,000 m（垂直から約40度の範囲）のスラントレンジ において，20 Wの音響出力で，1,250 bpsの通信を行うことができることを確認した。また，中継伝送 についても海域でデータを転送できることを確認した。中継伝送機能を持たせた音響通信装置は，
この時点で他には存在しなかった。
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し，有人潜水船「しんかい6500」に搭載していたが，「うらしま」を建造するにあたり，音響による遠隔 制御及び自律航走中の「うらしま」の状況をモニタするために，画像伝送装置を搭載することになっ た。開発にあたり，より高速の画像の伝送レートが求められ，QAM変調方式を適用することを検討す ることとした。そして，その変復調方式を確立する目的で，本実験を実施した。伝送距離約 900 mに
おいて，16QAM方式による通信実験を行い，良好な結果が得られ，本実験結果を用いて「うらしま」
用の画像伝送装置は開発された。また，併せて4-DPSK変調方式についても試験を行った。
実験時のパラメータをTable5-2に示す。また，装置の配置をFig.5-9に示す。中心周波数は 20 kHz，
変調方式は4-DPSK及び16-QAM，帯域は 4 kHz及び 8 kHzとした。駿河湾の水深約 1,000 mの 海域において，海洋調査船「かいよう」から鎧層付同軸ケーブル（アーマードケーブル）を用いて送
信機を約 900 m吊下し，上向きに送波した。この音波を「かいよう」の船底に装備した音響航法装置
（ANS: Acoustic navigation system）用のハイドロフォンで受波して，その出力を記録した。実験装置 のブロック図をFig.5-10に示す。ノートPC，DAC，パワーアンプをバッテリとともに耐圧容器に納め，
送波器と組み合わせて送信機としてフレームに取付けて吊下した。送波器は，節4.2.2で示した，整
合層付のTonpilz型コニカルビーム送波器を用いた。受信機は，ANSハイドロフォンの出力をアンプ
及びハイパスフィルタを通してADCによりサンプリングしてハードディスクに記録した。ANSハイドロ フォンの受波周波数特性は 50 kHz以下でほぼフラットである。また，フィルタは，カットオフ周波数 6 kHzのハイパスフィルタを用いた。これは，受波器として船底に装備されたハイドロフォンを使用し たため，船体雑音（主にプロペラとエンジンの音）の影響でADCへの入力が飽和することを防ぐため
Table5-2. Parameters at experiment.
Ship R/V “KAIYO”
Date of experiment 2000/12/
Water depth 1,000 m (Suruga-Bay)
Transmission range 900 m
Carrier frequency 20 kHz
Modulation method 4-DPSK 16-QAM
Band width ±4 kHz ±2 kHz ±4 kHz
Transmission rate 16 kbps 16 kbps 32 kbps Data amount for each packet 8 ksymbols 4 ksymbols
に挿入した。復調は，伝搬実験終了後，ソフトウェアで行った。ADC，DAC共にサンプリング周波数 は，キャリヤ周波数の 10 倍の 200 kHzとした。復調方式は，シングルチャンネルトランスバース型 アダプティブフィルタを適用している（節3.4.1参照）。
送信データパケットの構成をFig.5-11に示す。各パケットの先頭には，復調器の初期化用に中心 周波数 20 kHzのピュアトーンを 200 シンボル分送信している。これを用いて自動ゲイン制御
（AGC: Automatic gain control）及びローパスフィルタの初期化を行う。これに引き続き，トレーニング 系列の先頭を検出するためのスタートコードを送信している。4-DPSKでは，13 シンボルのバーカー
Rec eiv er
(AN S hydrophon )
T ran sm itter
S ea b otto m
S ea s urfac e
1,000m
900m
R/V KAIYO
Fig.5-9. Arrangement of the experiment at sea.
Personal computer Personal computer
A/D converter fs=200kHz D/A converter
fs=200kHz Power amp.
Transducer ANS Hydrophone
Transmitter Receiver
Pre-amp. (20 dB) High pass filter (6 kHz)
Fig.5-10. Block diagram of the experimental equipment.
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コードを用い，16-QAMでは，42 シンボルの2値の系列を用いている。トレーニング系列は，511 ディジットのM-系列符号を用いている。トレーニング終了後，データ本体の先頭を検出するための 13 シンボルのバーカーコードを再び送信し，これに引き続いてデータ本体を送信する。
Fig.5-12に復調結果の例を示す。変調方式は16QAM，伝送速度は 32 kbpsである。a)はFig.3-5に 示したブロック図の Adaptive equalizer の入力，b)は Adaptive equalizer の出力，c)は Decision の入力における信号の，信号平面上でのプロット（スキャッタプロット）である。a)の等化前の信号で は，各信号点の識別が全くできない状態であるが，b)の等化後の信号では，3つのリング状の塊に集 まっている。さらに，c)の位相補償を行った後の出力では，16個の信号点に収束している。すなわち，
適応等化器において振幅方向の補正がなされ，適応等化器で補償しきれなかった位相回転分が
Carrier tracking 部において十分に補償され，エラーのない復調が行われていることを示している。
d)には，MSE（Mean square error）が表示されている。横軸はシンボル単位の時間を表しており，1 symbol = 1/fd =1/8000 = 0.125 ms である。713 symbols に相当する点線は，トレーニングモードを 終了し，データブロックが始まるタイミングを示している。この時点までにMSEが十分に小さくなって おり，これは，適応等化フィルタが十分に収束しており，受信信号のみから復調すべき信号点を判 定可能であることを示している。
Fig.5-13は，入力SNRに対するシンボルエラーレートのプロットである。実線は16QAM，点線は４ DPSKのそれぞれ雑音が白色ガウス雑音（AWGN: Additive white Gaussian noise）の場合の計算値 である。△及び▲は，16QAMの帯域がそれぞれ 8 kHz，4 kHzの場合の復調結果である。×は 4-DPSKの帯域が 8 kHzの場合である。ほぼ，AWGN時の特性に対して 3 dBの劣化が見られる。
エラーフリーの通信を行うためには16QAMで 22 dBのSNRが必要であった。「うらしま」の画像伝送
200 42 700 13 4000
100 13 500 13 8000
Initialization Data Data block
start code Training block
Training start code
16-QAM
4-DPSK
Fig.5-11. Format of a data packet.
-5 0 5 -5
0 5
a) Before equalise
-5 0 5
-5 0 5
b) After equalise
-5 0 5
-5 0 5
c) After carrier tracking
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
0 0.5 1 1.5
2 d) Mean square error
Fig.5-12. Example of demodulation results.
(Modulation method: 16-QAM, Transmission rate: 32 kbps)
10-4 10-3 10-2 10-1 100
12 14 16 18 20 22 24
16-QAM (Calculated) 16QAM (BW=8kHz) 16-QAM (BW=4kHz) 4-DPSK (Calculated) 4-DPSK (BW=4kHz)
Symbol error rate
SINR per symbol [dB]
Fig.5-13. Performance of 16-QAM and 4-DPSK with a single channel adaptive equalizer.
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装置に適用するアルゴリズムの検証が得られた。DPSKについては，SNRの低いデータを取ることが できなかったので，エラーのない結果のみを得た。