8K放送番組素材伝送用120GHz帯SHV-FPU

枚田

明彦

††††

120-GHz-Band SHV-FPU for UHDTV Broadcasting Program Transmission

Jun TSUMOCHI

†a)

, Satoshi OKABE

†

, Fumiyasu SUGINOSHITA

††

,

Jun TAKEUCHI

†††

, and Akihiko HIRATA

††††

あらまし 次世代の放送サービスとして開発が進められている8K スーパーハイビジョンの番組制作に対応 するため，8K に対応した FPU（SHV-FPU）の開発を進めている．従来のハイビジョン放送より大容量のデー タを無線伝送するために，広い周波数帯域幅が利用できる120GHz 帯に着目し，2 対向の無線機で 8K の DG (Dual Green) 信号を非圧縮伝送する 120GHz 帯 SHV-FPU を開発した．120GHz 帯 SHV-FPU を用いた伝送 実験によって伝送特性を明らかにするとともに，8K の番組制作の現場において 120GHz 帯 SHV-FPU で 8K 信 号を安定して伝送できることを実証した． キーワード 8K，FPU，120GHz 帯，偏波多重

1.

ま え が き

次世代の放送サービスとして，8Kスーパーハイビ ジョン（SHV; Super Hi-Vision）の研究開発が進めら れている[1]．8Kは現行のハイビジョン放送より高画 質，高臨場感を体感できる放送サービスとして，早期 の実現が期待されている． 8Kの放送サービスを実現するためには，カメラな どの映像機器をはじめ，主に中継番組の制作で利用す る番組素材伝送装置（FPU; Field Pick-up Unit）も

8K対応にする必要がある．ハイビジョンの16倍以 上のデータ量からなる8Kの信号を無線伝送するため に，番組素材無線伝送用に割り当てられた116GHzか

†_{NHK放送技術研究所，東京都}

NHK Science & Technology Research Laboratories, 1–10– 11 Kinuta, Setagaya-ku, Tokyo, 157–8510 Japan

††NHKエンジニアリングシステム，東京都

NHK Engineering Systems Inc., 1–10–11 Kinuta, Setagaya-ku, Tokyo, 157–8540 Japan

†††_{東日本電信電話株式会社，東京都}

Nippon Telegram and Telephone East Corporation, 3–19–2 Nishi-shinjuku, Shinjuku-ku, Tokyo, 163–8019 Japan

††††_{日本電信電話株式会社} NTT先端集積デバイス研究所，神奈川県

NTT Device Technology Laboratories, NTT Corporation, 3–1 Wakamiya, Morinosato, Atsugi-shi, Kanagawa, 243– 0198 Japan a) E-mail: [email protected] ら134GHzの周波数で18GHzの帯域幅が利用できる 120GHz帯に着目し，8K対応FPU（以下，120GHz 帯SHV-FPU）の実現を目指した． 120GHz帯を使った放送番組素材を無線伝送する装

置としては，初めにASK（Amplitude Shift Keying） 方式の装置が開発され，ハイビジョン放送のスタジ オ間の伝送に用いられるHD-SDI（High-Definition Serial Digital Interface）信号を非圧縮で複数伝送す る実験が行われた[2]． 次に，120GHz帯で8KのDG（Dual Green）信号 （以下，DG信号）[3]を伝送する方式が検討された． 約24Gbpsのデータを三つのグループに分けて，無線 装置を3対向使って伝送できることが実証されてい る[4]．しかしながら，1グループの変調信号を伝送す るためにほぼ全てのチャネルの帯域幅を利用するため， 3対向の無線装置は同じチャネルで伝送することが求 められる．したがって，干渉を避けるためには，各々 の無線機の離隔距離を大きくしなければならないとい う課題があった． そこで本論文では，24Gbpsのデータを2グループ に分けて，2対向の無線装置で伝送する120GHz帯 SHV-FPUを提案する．無線装置を2対向にすること で，同じチャネルで偏波多重伝送によって干渉を軽減 でき，従来の離隔距離の課題を解決する．2対向の無

線機でDG信号を伝送するための伝送信号のレート調 整法や誤り訂正符号の伝送方式について検討し，開発 した120GHz帯SHV-FPUの装置を用いた伝送実験 によってDG信号が伝送できることを実証したので， その結果を述べる． 本論文の構成を以下に述べる．初めに，DG信号を 2対向の無線装置で伝送する120GHz帯FPUを概説 する．次に，8本のHD-SDIに関する信号処理を行う ベースバンド信号処理と屋外利用時の気温変動に対し て安定した動作ができる無線機の構成について述べる． そして，DG信号を2対向の無線装置で伝送できる 120GHz帯SHV-FPUを用いた伝送実験によって，伝 送特性を確認する．最後に，120GHz帯SHV-FPUで 8KのDG信号を非圧縮伝送した実例として，さっぽ ろ雪まつりの会場で実施した伝送実験について述べる．

2. 120GHz

帯

SHV-FPU

2. 1 120GHz帯SHV-FPUの要求条件 120GHz帯は放送番組素材の無線伝送に利用でき る周波数であり，同様の目的で使用できるマイクロ 波帯などの他の周波数より広い帯域幅を割り当てら れている．その一方で，120GHz帯の電波は降雨によ る減衰が大きいことから，120GHz帯は短距離での 大容量無線伝送に適している．そのため，120GHz帯 SHV-FPUは，ケーブルの敷設が困難な短距離伝送に 限定する．長距離の伝送が必要な場合は，光ファイバ など8K信号を長距離伝送できる他の手段と組み合わ せることとし[5]，光ファイバに接続可能な拠点までを 120GHz帯で無線伝送することで実現する． 120GHz帯SHV-FPUの利用シーンの例として，陸 上競技場や野球場の場内及びその周辺での伝送やビル 間での伝送，交通量の多い道路の横断などでが挙げら れる．このような場所で120GHz帯SHV-FPUによ る無線伝送では，競技場のサイズなどから250m程度 の伝送距離を想定すればよい．ただし，FPUは屋外 で利用することがある．この場合，スポーツ競技が継 続できる程度の降雨による電波の減衰を考慮した伝送 マージンを設定しなければならない．120GHz帯の電 波の降雨減衰に関するITUの勧告によれば，降雨強度 が60mm/hの場合で降雨減衰が23dB/kmとなる[6]． 気象庁による雨の強さと降り方によれば，60mm/hの 雨量は災害の発生を示唆するほどの降雨である．こ の場合，屋外競技の継続は困難である．したがって， 120GHz帯SHV-FPUの伝送マージンは，降雨強度 が60mm/hでの降雨減衰を指標とする． 更に，120GHz帯SHV-FPUは競技場内やビルの屋 上に仮設して無線伝送することから，少ないスペース で設置できることが求められる．そのため，120GHz 帯の無線機の数を1対向で運用する，または2対向以 上の場合は近接設置して運用できる構成であることが 必要である． 2. 2 120GHz帯SHV-FPUの構成 120GHz帯SHV-FPUで伝送する8K信号は，一般 的にDG信号[3]と呼ばれる映像フォーマットの信号 である．DG信号は，ハイビジョン放送用のシリアルデ ジタルインタフェースであるHD-SDI信号16本に8K の画素データをマッピングした構成となっている．す なわち，120GHz帯SHV-FPUは，16本のHD-SDI 信号を伝送する装置であると言い換えることができる． 120GHz帯 で 番 組 素 材 伝 送 用 に 割 り 当 て ら れ て いる周波数は116∼134GHzで，占有周波数帯幅は 17.5GHz以下とすることが無線設備規則で定められ ている．変調方式は，実現可能性の観点から，ASK，

BPSK（Binary Phase Shift Keying）またはQPSK

（Quadrature Phase Shift Keying）から選択するこ とになる．表1に，120GHz帯でDG信号を伝送す る方法をまとめた．表1の周波数帯域幅は17.5GHz を1と正規化したときの帯域幅を示している．変調 方式としてQPSKが利用できれば無線機数または周 波数帯域幅の点は有利だが，ASKは無線機を構成す る部品点数を少なくできるため，小型化や消費電力の 点で優れている．ASKの場合，OMT（Orth-Mode Transducer）のような偏波面の異なる信号を合成でき る部品を使って，1対向の無線機で偏波多重伝送するこ とも考えられる．しかし，変調信号の周波数帯域幅が 広く，周波数特性などの面で良好な特性を得ることが 難しいと考え，120GHz帯SHV-FPUはOMTによ る1対向の構成とはしていない．したがって，120GHz 帯SHV-FPUは2対向の無線機で偏波多重伝送する こととし，2対向の無線機を近接設置できるように検 討を進めた． 120GHz 帯 SHV-FPU の 構 成 を 図 1 に 示 す． 表 1 120GHz帯による DG 信号の伝送方法 Table 1 Transmission scheme for 8K signal using

120-GHz-band.

変調方式 ASK BPSK QPSK

無線機の数 2対向 2対向 2対向 1対向

図 1 120GHz帯 SHV-FPU のシステム構成 Fig. 1 Block diagram of 120-GHz-band SHV-FPU.

120GHz帯SHV-FPUは，2対向の120GHz帯無線 機（送信機及び受信機）とベースバンド信号処理部で 構成する．カメラなどの8K制作機器と120GHz帯 FPUを接続するインタフェースは，前述のとおり16 本のHD-SDI信号である．無線機1対向で伝送する信 号がHD-SDI信号8本であることや安価な10Gイー サネットの部品が使用できることから，ベースバンド 信号処理部では，送信側では8本のHD-SDI信号を1 系統のシリアル信号に変換し，受信側ではその逆の操 作を行う．ベースバンド信号処理部と120GHz帯無線 機は光ファイバで接続し，各無線機はHD-SDI信号8 本のデータを伝送する構成とした． ベースバンド信号処理及び120GHz帯無線機の詳細 は，次章以降で詳述する．

3.

ベースバンド信号処理

ベースバンド信号処理は，8本のHD-SDI信号の多 重化と無線伝送による伝送誤りを訂正するための誤り 訂正符号化，さらに音声信号処理を行う．次節以降で は，それぞれの処理について説明する． 3. 1 HD-SDI信号の多重化 HD-SDI信号の多重化処理の目的は，8本の HD-SDI信号を1本のシリアル信号に変換する多重化と， 光ファイバでシリアル信号を伝送するためのレート調 整の二つである． 一つ目のHD-SDI信号の多重化は，入力信号である 8本のHD-SDI信号を1系統のシリアル信号に変換す る処理であり，その変換方法を図2に示す．HD-SDI 信号は映像1フレームあたり1125本のライン（1ライ ンは2200ワードで構成され，1ワードあたり10ビッ トのデータを有する）に付加情報を含めた画像データ 図 2 HD-SDI信号の多重化処理 Fig. 2 Multiplexing method for HD-SDI signal.

が格納されている．8本のHD-SDI信号の多重化処 理では，初めに，各入力信号についてHD-SDI信号 の同期信号をもとに映像フレームの先頭で同期を合 わせた後，各HD-SDI信号のライン単位で多重化処 理を行う．具体的には，図 2のように，HD-SDIm （1≤ m ≤ 8）のラインn（1 ≤ n ≤ 1125）のデー タをLm_nと表記した場合，L11, L21, L31,· · ·, L81, L12, L22, · · ·, L82,· · ·, L11125, L21125, · · ·, L81125 の順に1列に並べることで，シリアル信号に変換する． 次に，レート調整の方式について説明する．HD-SDI 信号8本を多重化したシリアル信号は，伝送レートが 1.485Gbps× 8 = 11.88Gbpsと高速なため，光ファ イバで伝送する．そのためには，電気信号から光信号 への変換が必須となるが，10Gイーサネットの伝送 で使用される安価で信頼性の高いE/O変換器として 11.3Gbpsまでの伝送レートに対応した製品が市販さ れている．そこで，HD-SDI信号の水平ブランキング （HANC; Horizontal Ancillary Data）268ワードの うちの136ワードを削減することで，伝送レートを約 7%低減した11.1Gbpsとして伝送する．したがって， 受信側でシリアル信号からHD-SDI信号に復元する ときには，HANCの削減した領域を付加することで HD-SDI信号を再生している． 3. 2 誤り訂正の方式 HD-SDI信号は，標準規格でケーブル接続を前提と して所要ビットエラー率（BER）が10−10以下とす ることが規定されている[7]．一般的に無線伝送は有 線伝送に比べて外乱の影響を受けやすくデータの伝 送誤りが発生することから，誤り訂正符号による伝送 特性の改善が必要となる．120GHz帯SHV-FPUで は，誤り訂正符号として訂正能力が高く処理遅延が少 ないブロック符号であるリードソロモン（RS; Reed Solomon）符号を適用する．HD-SDI信号は1ワード

図 3 HD-SDI信号 1 ラインの誤り訂正の対象データ Fig. 3 FEC range for 1-line of HD-SDI signal.

図 4 HANCに埋め込むデータの構成 Fig. 4 HANC data structure.

図 5 誤り訂正パリティの格納方法 Fig. 5 Allocation method for FEC parity.

あたり10ビットの階調をもつことから，10ビットを 単位（シンボル）とするRS(1023,1003)符号を短縮化 したRS(986,966)符号で誤り訂正を行う． 120GHz帯SHV-FPUの誤り訂正符号化では， HD-SDI信号の1ラインを単位として誤り訂正パリティを 生成する．図3は，HD-SDI信号の1ラインのデー タについて誤り訂正符号化の対象となるデータを示す． HD-SDI信号1ラインを構成する2200ワードのうち， HANCを除く1932ワードを誤り訂正符号化の対象 データとし，966ワード単位で分割してRS(986,966) 符号化を行う．誤り訂正符号化によって生成される40 ワード（400ビット）分の誤り訂正パリティは，図4に 示すようにレート調整後のHANCの後部に格納する． ただし，誤り訂正パリティがHD-SDI信号の同期ワー ドと一致することを回避するために，50ワード分の領 域に40ワードの誤り訂正パリティを格納する．具体的 には，図5のように1ワードのうちの9ビットを誤り訂 正パリティ用に割り当て，50ワード× 9ビット= 450 ビットのうちの400ビットに40ワード分の誤り訂正 パリティを格納する．誤り訂正パリティを格納後，網 掛けの部分のデータを反転させてビット反転データ格 納領域に格納することで，同期ワードと一致したワー ドとなることを回避する． このように，HANCに誤り訂正パリティを埋め込 む誤り訂正方式によって，ビットレートを増加させず に誤り訂正符号化ができる． 3. 3 音声信号の伝送 8Kにおける音声信号は，22.2マルチチャネル音響 図 6 ベースバンド信号処理のブロック図 Fig. 6 Block diagram of 11 Gbps signal processing.

システムが採用されている[8]．HD-SDI信号に音声を 多重する方法はSMPTE（Society of Motion Picture and Television Engineers）299M [9]で規定されてお り，4チャネルの音声信号で一つのグループを構成し， グループ単位でHD-SDI信号のHANCに格納する． 22.2マルチチャネル音響システムは24本の音声信号 で構成されていることから，6グループのデータを伝 送しなければならない．図4に示すように，レート調 整後のHD-SDI信号のHANCにおいても1グループ の音声信号を格納できる．そこで，6グループ分の音 声データは，レート調整後の複数のHD-SDI信号に割 り当てて伝送する． 3. 2で述べた誤り訂正符号方式は，HANCを誤 り訂正対象データから除いているため，音声信号は RS(986,966)符号での誤り訂正はできない．しかし， SMPTE299MによればHD-SDI信号に格納する音声 信号のグループには音声信号用に誤り訂正符号を付加 することが規定されているため，音声信号の誤り訂正 はその範囲で行うこととする． 3. 4 ベースバンド信号処理装置 ベースバンド信号処理の手順について述べる．図6 に送信側と受信側の各ベースバンド信号処理のブロッ ク図を示す．このブロック図に基づいて，3. 1から3. 3 で述べたベースバンド信号処理の機能をFPGA（Field Programmable Gate Array）ボードに実装したベー スバンド信号処理装置（図7）を開発した．そして，送 信側と受信側のベースバンド信号処理装置を光ファイ

図 7 ベースバンド信号処理装置 Fig. 7 11 Gbps signal processing unit.

図 8 誤り訂正符号による誤り訂正の効果 Fig. 8 Effect of error correction by FEC.

バと光アッテネータで接続した実験によって，伝送特 性を確認した．実験では，送信側のベースバンド信号 処理装置でPRBS（Pseudo-Random Bit Sequence）

23信号をHD-SDI信号の映像信号の格納領域である デジタルアクティブラインに格納し，受信側のベース バンド信号処理装置で誤り訂正前と誤り訂正後のBER を計測した．送信側と受信側のベースバンド信号処理 装置を光ファイバと光可変アッテネータで接続し，受 信側のベースバンド信号処理装置の入力レベルを調整 しながら，BERを測定した（図8）．図8の結果より， HD-SDI信号の規定値であるBER = 10−10を擬似エ ラーフリーの基準とした場合，誤り訂正前のBERが 1× 10−4以下であれば，RS(986,966)の誤り訂正に よって擬似エラーフリーにできることがわかった．

4. 120GHz

帯無線装置

120GHz帯無線装置は送受信機とアンテナで構成さ れている．それぞれの詳細について次節以降で説明 する． 4. 1 120GHz帯無線機 120GHz帯送受信機の構成を図9に示す．120GHz 帯送信機には，主要部品として8逓倍回路を内蔵し たASK変調器と電力増幅器，受信機には低雑音増幅 器を内蔵したASK復調モジュールを使用した[10]．8 図 9 120GHz帯無線機のブロックダイアグラム Fig. 9 Block diagram of 120-GHz-band transceiver.

逓倍回路に15.625GHzの基準信号を入力して，キャ リア信号を生成する．また，ベースバンド信号処理部 とのインタフェースとして，送信機には光・電気信号 変換器（O/E変換器），受信機には電気・光信号変換 器（E/O変換器）を使用した．更に，送信機には電 力増幅器の後段にRF（Radio Frequency）信号を帯 域制限するための帯域濾波器（BPF）を挿入した．そ のため，BPFの損失を含めてRF信号の送信電力が 10mWとなるように送信機を調整している． FPUは季節を問わず屋外で使用することが想定さ れることから，気温が低温時から高温時まで安定して 動作することが求められる．そこで，送信機に温度補 償機能[11]を搭載し，気温の変化に対する動作の安定 化を図った．温度補償機能は，環境温度の変化に伴い 送信モジュールが非線形動作することによって生じる BER特性の変動を抑制する機能である．図9の送信 モジュールに温度センサを取り付け，温度センサの情 報に基づいてマイコンで送信モジュールに供給する電 源電圧を制御する．各温度に対する送信モジュールの 電源電圧は，事前の測定によってBERが最適となる 動作電圧を取得し，その電圧値をマイコンに保存して おくことで電圧の制御を行う． 製作した送受信機（図10）の緒元を表2に示す．変 調方式がASKであることや120GHz帯は波長が短い ために，主要部品の多くが小型なモジュールで構成さ れている．そのため，送受信機を片手でもち運び可能 なサイズ・重量で無線機を製作することができた． 製作した送受信機を用いてBERを測定した．測定 系統は，3.で述べたベースバンド信号処理装置と図10

の送受信機を用い，送受信機間は導波管とRFアッテ ネータで接続した．RFアッテネータの減衰量を変化 させて受信電力を調整しながらBERを測定した．こ こで，環境温度の違いによるBER特性を評価するた めに，送受信機とRFアッテネータを含む導波管部品 を恒温槽内に設置し，0∼40◦Cの範囲で温度条件を変 えながら測定を実施した． 図 11には，横軸の受信電力に対する各温度での 誤り訂正前のBER特性を示す．温度の上昇による BER特性の劣化は避けられないが，10−4以下の伝送 誤りは誤り訂正によって擬似エラーフリーのBERを 10−10以下に訂正できることに着目すると，0∼40◦C でBER = 10−4となる受信電力は−45∼−44dBmで その差は1dBと小さく，温度変化に対して安定した動 作ができることを確認できた． これまでの議論により，120GHz帯SHV-FPUの うちのアンテナを除く装置については，受信電力が −44dBm以上であれば無線伝送ができることがわかっ た．受信機の熱雑音電力が−61.5dBmであることか ら，所要CN比は17.5dBである．包絡線検波による 図 10 120GHz帯無線機（左）送信機（右）受信機 Fig. 10 120-GHz-band transmitter (left) and receiver

(right).

表 2 120GHz帯無線機の緒元

Table 2 Parameters of 120-GHz-band transceiver.

中心周波数 125 GHz 周波数帯域幅 17 GHz 変調方式 ASK 送信出力 10 mW 雑音指数 10 dB ベースバンド信号インタフェース 光ファイバ RF信号インタフェース WR-8導波管 偏波 垂直または水平 きょう体サイズ 10cm× 10cm × 27cm （幅× 高さ × 奥行き） 重量 2.2 kg（送信機） 1.7 kg（受信機） ASKのBER特性において，0と1のデータが等確 率で発生する場合におけるBER = 10−4となるSNR

（Signal to Noise Ratio）は12.3dBである[12]．製作 した装置とは約5dBの差があるものの，120GHz帯 の電波を使用する無線機の装置化によって生ずる固定 劣化やBPFによる帯域制限の影響を考慮すれば，妥 当な差といえる． 4. 2 ア ン テ ナ 2. 1で，120GHz帯SHV-FPUの要求条件が降雨 強度60mm/hで250mの伝送ができることを目標と した．伝送距離の長距離化のためには，送信電力の 増力またはアンテナ利得を大きくする必要があるが， 120GHz帯の増幅器での高出力化が現時点では難しい ことを考慮すると，長距離伝送のためにはアンテナ利 得を大きくしなければならない． 図12に，開口面アンテナにおけるアンテナ径とア ンテナ利得，伝送距離の関係を示す．アンテナ利得G 図 11 120GHz帯無線機とベースバンド信号処理装置に よる BER 特性

Fig. 11 BER characteristics for 120-GHz-band trans-ceiver and 11 Gbps processing unit.

図 12 アンテナ径とアンテナ利得，伝送距離の関係 Fig. 12 Relationship between antenna diameter to

図 13 アンテナの放射パターン Fig. 13 Antenna radiation patterns.

は，アンテナ径D，波長λとアンテナ効率ηより， G = η  πD λ 2 (1) から算出した[13]．ここではη = 0.4で計算している． また，伝送距離は23dB/kmに相当する降雨減衰も考 慮し，更にアンテナへの給電損失として送信側と受 信側にそれぞれ2dBを見込んだ場合において，伝送 マージンが0となる伝送距離を示している．この条件 において250m以上伝送するためには，アンテナ径を 15cm以上にすれば良いことがわかる．アンテナ径が 大きいほど伝送距離は長くなるが，可搬性や2対向の 無線機の近接設置の点で不利になるため，120GHz帯 SHV-FPUのアンテナとしては20cm径の市販品のカ セグレンアンテナを利用することとした（図10）． 120GHz帯SHV-FPUで使用する4式のアンテナ について，ニアフィールド測定装置を用いてアンテナ 利得の測定を行った．基準アンテナとして標準ゲイン ホーンアンテナ（アンテナ利得24dBi）との比較法で アンテナ利得を測定した結果，いずれのアンテナに ついても約44dBiの利得が得られることを確認した． また，4式のうちの一つのアンテナについて，同様に ニアフィールド測定によって得られた遠方界の放射パ ターンを図13に示す．この放射パターンは，最大放 射電力となる点を含むE面及びH面のカットパター ンで，最大放射電力を0dBとした相対値を示してい る．開口面アンテナの半値角θ (rad)は， θ ≈ 1.1 λ_D (2) で近似できることが知られており[14]，計算値で求め られる半値角0.76◦に対して，測定値で0.8◦とほぼ 図 14 120GHz帯無線機の伝送モデル Fig. 14 Propergation model of 120-GHz-band

transceiver.

表 3 交差偏波の放射パターンの最大値 Table 3 Maximum value of XPD on the radiation

pattern. アンテナ番号 1 2 3 4 XPDの最大値 24.2 dB 21.5 dB 26.1 dB 24.5 dB 想定どおりの特性が得られていることが分かった． 次 に ，偏 波 多 重 に よ る 干 渉 に つ い て 検 討 す る ． 120GHz帯SHV-FPUは2対 向 の 無 線 機 を 同 一 周 波数帯で互いに直交する直線偏波を利用することから， その伝送モデルは図14のように表現できる．この場 合，受信信号は，希望する偏波面のRF信号（希望信 号）に直交する偏波面のRF信号（干渉信号）が合成 された信号となる． 送信機の送信電力が同一であることや，半値角0.8◦ のアンテナで250m先に電波を放射した場合のビー ム幅が1.75mとなることから，2式の送信機及び受 信機を近接設置していれば，一方の送信機から放射し た電波が双方の受信機に到達する．半値角が小さい ためにアンテナの指向性によって干渉源となる送信機 から放射される電力も若干小さくはなるが，ワース トケースとなる干渉電力の大きさは，干渉源の送信

EIRP（Equivalent isotropically radiated power）に アンテナの交差偏波識別度（XPD; Cross Polarization Discrimination）を乗じた電力となる．そこで，アン テナの放射パターンの測定と同様に，ニアフィールド 測定装置を用いて4式のアンテナの測定から，遠方界 におけるXPDの最大値を調べた（表3）．このXPD は，主偏波側の最大放射電力を0dBとした相対値を 示している．XPDの測定値はアンテナによって個体 差があるが，以降はXPDの最悪値である21.5dBを 基準に議論を進める． XPD = 21.5dBを基準としたときの，干渉を含めた 信号対雑音電力比（以下，CNI比と表記する）は図15 のようになる．CNI比は，キャリア電力に対する熱雑 音と干渉電力の和で算出した．受信電力が低いうちは 干渉電力が熱雑音より小さくほとんど影響を与えない

図 15 干渉を考慮した信号対雑音電力比 Fig. 15 SNR considering Interfarence.

表 4 120GHz帯無線機による 250m 伝送の回線計算 Table 4 Link budget for 120-GHz-band transceiver.

送信周波数 125 GHz 周波数帯域幅 17 GHz 送信電力 10 mW 送信アンテナ利得 44 dBi 送信給電損失 2 dB 伝送距離 250 m 自由空間損失 122.3 dB 降雨減衰 5.8 dB 受信アンテナ利得 44 dBi 受信給電損失 2 dB 受信電力 −34.1 dBm 雑音指数 10 dB 雑音電力 −61.5 dBm 所要 CN 比 17.5 dB 伝送マージン 9.9 dB が，受信電力が−40dBmを超えると干渉電力が熱雑 音よりも大きくなり，受信電力を高くしてもCNI比は 21.5dBで飽和する．ただし，XPDをワーストケース で考えた場合においても所要CN比の17.5dBを確保 できるため，誤り訂正を使用すれば干渉の影響を受け ながらも無線伝送ができると考えられる． 表4は，2. 1で述べた120GHz帯SHV-FPUの利 用条件に基づいて，本章で検討を進めた120GHz帯無 線装置の特性を反映させた回線設計である．降雨強度 60mm/hの減衰を受けたとしても，伝送マージンを約 10dB確保することができる．ミリ波では，アンテナ のレドームに雨滴が流れたり，付着した場合に，アン テナの利得が数dB程度低下することが知られている． しかし，約10dBのマージンがあるため，60mm/h の強雨時においても，伝送上の問題は生じないもの と考える．以上の検討により，120GHz帯SHV-FPU で8K信号を安定して無線伝送できる見とおしが得ら れた． 表 5 伝送距離 1.25km の回線計算 Table 5 Link budget for 1.25 km transmission.

伝送距離 1.25 km 自由空間損失 136.3 dB 受信電力 −42.3 dBm 雑音電力 −61.5 dBm CN比 19.2 dB CI比 21.5 dB CNI比 17.2 dB 所要 CN 比 17.5 dB

5.

伝 送 実 験

製作した120GHz帯SHV-FPUの伝送特性を評価 するために，晴天時の長距離伝送実験による性能評価 実験と実際の中継番組の制作を想定した低温下での伝 送実験を行った． 5. 1 1.25km伝送実験による伝送特性の評価 製作した120GHz帯SHV-FPUについて，伝送可 能な距離の確認と干渉が伝送特性に与える影響の二つ の観点で評価するための伝送実験を行った．伝送可能 な距離を確認するために，表4の降雨減衰の5.8dB と伝送マージン9.9dBを合わせた15.7dBのマージン が小さくなるように実験の条件を設定した．送信点を NTT砧局，受信点をNHK放送技術研究所として伝 送距離1.25kmとすることで，表4の自由空間伝搬損 失を14dB増加させてマージンを小さくした． また，干渉による伝送特性の影響を調査するために， 送信機間距離及び受信機間距離をともに0.5mと近接 させて配置した．伝送距離が1.25km，アンテナの半 値角が0.8◦であることから，2式の受信機はともに干 渉源となる無線機のメインローブ内に存在する．その ため，2式の送信機から同時に電波を放射した場合は 干渉を無視できない状況となる．その一方で，1式の 送信機のみから電波を放射した場合は，水平偏波また は垂直偏波のいずれかのみで伝送できるため，干渉の 影響がない条件で実験ができる． この実験における回線計算を表5に示す．送信周波 数や周波数帯域幅，送信電力など表4と同一の一部の パラメータについては記載を省略している． 初めに，伝送可能な距離に関する性能を明らかにす るために，干渉がない条件でBERを計測した．表6 の干渉なしの列に，水平偏波または垂直偏波のいずれ か一方のみで伝送したときのBERを示す．BERの 値は水平偏波，垂直偏波でほぼ等しくなり，偏波の違 いによる伝送特性の差異はないといえる．120GHz帯

垂直偏波 4× 10 1× 10

図 16 1.25km伝送実験での BER

Fig. 16 BER characteristics on tranmission experiment of 1.25 km. で−40dBm以下の受信電力を直接計測することが困 難なため，図11のBERから受信電力を推定すると −44dBmとなる．この受信電力は表5の回線計算よ り1.7dB低いものの，BERから受信電力を推定した ことによる誤差を含んでいることを考慮すれば，おお むね回線設計に合致した受信電力といえる．これらの 結果から，受信電力の推定値が若干低いものの，誤り 訂正で伝送できる限界に近い受信条件となっており， 想定した距離を無線伝送できる性能が得られていると いえる． 次に，干渉による伝送特性への影響を評価する． 図16は，実験中のある期間における水平偏波，垂直 偏波の誤り訂正前のBERの時間推移を示している． 図16は，送信機2式ともに電波発射した場合（図中 の(1)の期間），水平偏波の送信機のみ電波発射した場 合（図中の(2)の期間），垂直偏波のみ電波発射した場 合（図中の(3)の期間）のBERを計測した結果であ る．あわせて，表6の干渉ありの列に(1)の期間にお けるBERを記載した．ここで，図16において，(2) の期間の垂直偏波のBERと(3)の期間の水平偏波の BERは，送信機が停波中のため計測を行っていない． 干渉がない場合はBERが10−5台であったのに対 し，干渉がある場合のBERは10−4とおよそ1桁悪 くなる．図11より，表 6のBERの差は受信電力が 1dB減少したことと等価であり，干渉のないCN比と 図 17 さっぽろ雪まつりでの 8K 信号の伝送系統 Fig. 17 8K signal transmission for the 66th Sapporo

Snow Festival. 干渉を考慮したCNI比の間には1dBの差がある．実 験より推定された受信電力−44dBmより，CN比と CNI比の差が1dBとなるXPDは25.1dBであると 推定される．回線計算で用いたXPDの21.5dBより 小さいものの，回線計算においてXPDの最悪値から 干渉の影響をおおむね見積もることは妥当であると考 える． ここまでの干渉の影響を考慮した実験の結果により， 測定したアンテナのXPDをもとに想定した回線計算 とおおむね一致するといえる． 5. 2 中継番組の制作を想定した伝送実験 8Kの番組制作を想定した120GHz帯SHV-FPUの 活用と寒冷地での伝送特性の評価を目的とした伝送 実験を2015年2月に実施した．第66回さっぽろ雪 まつり（2015年2月5日-11日）に合わせてNHK 札幌放送局で開催した8Kのパブリックビューイン グ（PV）において，8K信号の伝送系統に120GHz帯 SHV-FPUを組み込んで伝送実験を行った．PVでの 8K信号の伝送系統を図17に示す．PVは，8K-SHV カメラで撮影した雪まつりの大通り会場（2丁目会場） の映像をNHK札幌放送局でライブ上映した． 120GHz帯SHV-FPUでの無線伝送は，ケーブル の敷設が困難な大通り会場からさっぽろテレビ塔の間 の160mの距離で実施した．伝送実験における晴天時 と60mm/hを想定した雨天時の回線計算を表7に示

表 7 さっぽろ雪まつりの伝送における回線計算 Table 7 Link budget for the 66th Sapporo Snow

Festival. 晴天時 雨天時 伝送距離 160 m 自由空間損失 118.5 dB 降雨減衰 0 dB 3.8 dB 受信電力 −24.5 dBm −28.3 dBm 雑音電力 −61.5 dBm CN比 37 dB 33.2 dB CI比 21.5 dB CNI比 21.4 dB 21.2 dB 図 18 受信点での気温と受信電力の時刻変動 Fig. 18 Time behaviour for a air temperture and

received power at received point.

す．送信周波数や周波数帯域幅，送信電力など表4と 同一である一部のパラメータについては記載を省略し ている．短距離の無線伝送のため，降雨減衰を考慮し ても伝送マージンは十分に大きく，安定した無線伝送 が期待できる状況であった． 図18に晴天時（2月11日）での垂直偏波と水平偏 波の受信電力と受信点で測定した気温の時間変動を示 す．水平偏波の受信電力は約−25dBmとほぼ回線計 算どおりの受信電力であるのに対し，垂直偏波の受信 電力は約−27dBmと2dB低い．この理由は，送信機 側に組んだ鉄製の足場の中段に無線機を設置したこと や，アンテナの向きの若干のずれから生じた電波伝搬 の差によるものと推測される．受信電力の安定性の点 に着目すると，測定期間での気温変動は8◦Cであるの に対して，受信電力の変動は1dBの範囲に収まってお り，気温の変化に対する特性は安定しているといえる． 図19は，雨天時（2月8日）の受信電力の時間変 動である．この日は，正午前から降雨が観測され，以 降は測定終了時刻まで断続的に雨が降る状況であった． この降雨によって，受信電力は晴天時に比べ垂直偏波・ 水平偏波ともに約4dB低下した．断続的な降雨にも 図 19 降雨による受信電力の時刻変動 Fig. 19 Time behaviour for a received power under

rainfall condition. かかわらず，正午前の降雨で約4dB低下した後に受信 電力が低下したままである理由は，雨滴が無線機やア ンテナを保護するカバーに付着したことで，電波が減 衰したためと考えられる．8K信号の伝送については， 受信マージンの範囲内のため影響はなかった． また，実験期間中にはたびたび視界が遮られるほど の降雪もあったが，いずれの状況においても受信電力 の変動は見られなかった．これは，札幌で降る雪の含 水率が小さいために，120GHz帯の電波伝搬には影響 を与えなかったものと推測される． 実験の結果，さっぽろ雪まつりが開催された全期 間において，上映した映像・音声の乱れはなく，晴天 時，雨天時，降雪時のいずれにおいても120GHz帯 SHV-FPUでの無線伝送による伝送エラーは発生しな かった．

6.

む す び

8Kスーパーハイビジョンの放送サービスの実現に 向け，番組制作で利用する番組素材無線伝送装置であ る120GHz帯SHV-FPUを開発した．8本のHD-SDI 信号の多重化や音声信号の伝送に対応したベースバン ド信号処理装置と120GHz帯無線機を開発し，その 性能評価の結果から，設計どおりの伝送特性が得られ ることがわかった．また，120GHz帯無線機を近接さ せて設置した場合において，干渉の影響を受けながら も250mの伝送ができることを実験によって実証した． 更に，さっぽろ雪まつりのパブリックビューイングで 8K信号の伝送を実施し，温度補償機能によって安定 した無線伝送ができることを確認した．一連の実験か ら120GHz帯SHV-FPUを番組制作の現場において， 安定して伝送できることを実証した．

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（平成 28 年 2 月 16 日受付，7 月 14 日公開） 送技術研究所にて，ミリ波イメージング技 術，ミリ波無線伝送システムの研究に従事． 岡部 聡 （正員） 1994年，大阪電気通信大学工学部通信 工学科卒業．同年，日本放送協会入局．大 阪放送局を経て，1998 年より，放送技術 研究所にて UHF 帯・マイクロ波帯・ミリ 波帯ディジタル FPU の研究に従事．現在， 同研究所伝送システム研究部副部長． 杉之下文康 （正員） 1984年，慶應義塾大学大学院工学研究 科修士課程修了．同年，日本放送協会入局． 静岡放送局を経て，1987 年より，放送技 術研究所にて，マイクロ波ミリ波回路，素 材伝送技術の研究に従事．現在，NHK エ ンジニアリングシステム特許部長． 竹内 淳 （正員） 2008年，東京工業大学大学院総合理工 学研究科物理電子システム創造専攻修士課 程修了．同年，日本電信電話株式会社入社． マイクロシステムインテグレーション研究 所（現，先端集積デバイス研究所）にて， 120GHz帯ミリ波無線装置に関する研究に 従事．現在，東日本電信電話株式会社に勤務． 枚田 明彦 （正員：シニア会員） 1994年，東京大学理学系大学院化学専 攻修士課程修了．同年，日本電信電話株式 会社入社．2007 年，東京大学工学系大学 院にて博士（工学）取得．マイクロシステ ムインテグレーション研究所（現，先端集 積デバイス研究所）にて，120GHz 帯ミリ 波技術に関する研究に従事．