一般社団法人 電子情報通信学会 信学技報 THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, IEICE Technical Report INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS

This article is a technical report without peer review, and its polished and/or extended version may be published elsewhere.

Copyright ©20●● by IEICE

多値変調 16QAM における秘匿化通信方式

鈴木健治†，山地光久‡，大竹正信‡，山口雄一‡，米田誠良‡，豊嶋守生†

†情報通信研究機構 〒184-8495 東京都小金井市貫井北町 4-2-1

‡NEC スペーステクノロジー株式会社 〒183-8551 東京都府中市日新町 1-10 E-mail: †{bt_kenji, morio}@nict.go.jp, ‡{m-yamaji, m-ohtake, y-yamaguchi, m-yoneda}@{uf, ts, db, ce}.jp.nec.com あらまし 衛星通信におけるセキュリティ確保のため，QPSK 変調方式で送信者と受信者のみが知り得る位相回転

量を与えることにより，第三者が受信しても復調再生ができない方式を提案してきた．これは誤制御耐性・耐傍受

性が優れた方式で，衛星の制御系通信のみならず衛星通信サービス利用も期待できる．そこで伝送容量を上げるた

め多値変調 16QAM にも適応可能か検討・設計・評価したのでその結果について述べる．

キーワード キャリア再生，ディジタル変調，セキュリティ，位相回転，16QAM

16QAM Communication System using the Concealed Data Recovery Method

Kenji SUZUKI†, Mitsuhisa YAMAJI‡, Masanobu OTAKE‡, Yuichi YAMAGUCHI‡,

Masayoshi YONEDA‡, Morio TOYOSHIMA†

†National Institute of Information and Communications Technology (NICT) 4-2-1, Nukui-kitamachi, Koganei-shi,

Tokyo, 184-8795 Japan

‡NEC Space Technologies, Ltd. 1-10 Nisshin-cho, Fuchu-shi, Tokyo, 183-8501 Japan

E-mail: †{bt_kenji, morio}@nict.go.jp, ‡{m-yamaji, m-ohtake, y-yamaguchi, m-yoneda}@{uf, ts, db, ce}.jp.nec.com

Abstract We have proposed the novel method for secure security in a satellite communication. A third person can not to

demodulate and reproduce data when receives QPSK modulation signal. Because the signal giving the phase rotation angles that

is only known by the authorized a transmitting station side and a receiving station side. It's difficult to be intercepted, it's also

expected for satellite communication services as well as satellite control system in a secure purpose satellite communication. So

we tried this system using 16QAM modulation for increase the transmission capacity. In this paper, we design a circuit and

describe the result on which we experimented actually.

Keyword Carrier Recovery, Digital Modulation, Security, Phase Rotation, 16QAM

1. はじめに 国立研究開発法人情報通信研究機構（以下 NICT と

いう）では，SRAM 型 FPGA を用いたソフトウエア無

線機“再構成通信機”のエンジニアリングフライトモ

デル（EFM）の開発を行ってきている [1]．これは，軌

道上に打上げた後でも，地上から回路情報をアップ

ロードすることで回路そのものの変更が可能な衛星搭

載用中継器である．高機能・高性能・高信頼化を目指

して衛星通信におけるセキュリティ確保のため，QPSK

変調方式で送信者と受信者のみが知り得る位相回転量

を与えることにより，第三者が受信しても復調再生が

できない方式（以下位相回転方式という）を提案して

きた [2][3][4]．これは誤制御耐性・耐傍受性が優れた方

式で，衛星の制御系通信のみならず衛星通信サービス

での利用も期待できるものである．これをさらに進め

て，セキュリティを強化したディジタル変調方式を検

討すると共に，伝送容量を上げるため多値変調 16QAM

にも位相回転方式が適応可能か検討した．実際に回路

設計して試作し検証実験を行い評価したのでその結果

について報告する．

2. 位相回転方式 一般的な位相変調方式において，簡単のため例えば

QPSK 変調では，

an = π/4+π /2×bn

bn = 0,1,2,3

の位相が定義されてデータが送信される．これに対

- 23 -

一般社団法人　電子情報通信学会 信学技報THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS

This article is a technical report without peer review, and its polished and/or extended version may be published elsewhere. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Copyright ©2016 by IEICE

IEICE Technical Report SAT2016-15(2016-07)

して位相回転方式は正規の送信者と受信者のみが知り

得る規則に基づきバースト信号のプリアンブルとユ

ニークワードはそのままで，データ領域のみに位相回

転を付加し，規則を知らない第三者が受信してもラン

ダムな位相で送信されているようにしか見えない状態

を実現する手法である．従って規則を知らない受信者

は復調再生ができず，逆に規則を知らない送信者は正

規受信者が復調再生できるデータを送信できなくする

方式である．図１に位相回転方式の位相回転量を付加

した I/Q コンスタレーション概念図を示す．ここで，

an' = π/4+π/2×bn+cn

bn = 0,1,2,3

c0=10 ﾟ,c1=65 ﾟ,c2=38 ﾟ,c3=0 ﾟ,c4=30 ﾟ,c5=45 ﾟ,・・・

となる．

この位相回転方式を多値変調 16QAM に拡張して適

用し，正規の受信者が正しくデータを復調再生でき

て，位相回転量を知らない受信者はデータ部分のキャ

リア再生ができず，情報を取得することができないこ

とを確認する．

図１ 位相回転量を付加した I/Q ｺﾝｽﾀﾚｰｼｮﾝ概念図

3. 試作評価実験 位相回転方式を適応した 16QAM 変復調回路を

FPGA 評価ボードに実装し，ノイズを付加し，「位相

回転あり／なし」で，

１）変調スペクトラム

２）キャリア再生状況

３）BER 特性

について評価を実施した．

3.1.試作評価回路 図２に実際に試作した FPGA 評価ボードの外観図

を示す．本評価実験では 4DSP 社製の AD/DA コン

バータ実装ボードと，PALTEK 社製の FPGA 評価ボー

ド (Xilinx 社製 Virtex-6 搭載 )を使用した．評価実験時

の評価実験ブロック図を図３に示す．16QAM の変調

器及び復調器は，それぞれ別の FPGA ボード及び発振

器を使用して構成し，クロックが非同期の系を構成し

て実施した．

図２ FPGA 評価ボード外観図

3.2.FPGA 回路仕様 FPGA 評価ボードに実装した回路構成及び，送受信

データフォーマットを示す（図４）．また，主要緒元

を表１に示す．位相回転量は，コード A を 55 周期，

コード B を 60 周期としてコード A とコード B を足し

合わせた位相回転量を得るコード 2 重化方式とするこ

とにより，55 周期と 60 周期の最小公倍数である 660

周期の位相回転量を与えることとした．

図５に 16QAM のマッピングを示す．グレイコード

符号方式を採用した．これは隣接するシンボル間で

1bit しか差がないため Binary Symbol マッピング方式

と比べ BER 特性に優れている．

表１ 主要緒元

項目 仕様

変調方式 16QAM

IF 周波数 30.72MHz

シンボルレート 15.36Msps (ビットレー

ト：61.44Mbps)

ルートナイキストフィルタ α=0.5

選択できる規則コード 4 通り（位相回転あり 3

通り＋位相回転なし）

4. 評価実験結果 位相回転方式を適応した 16QAM 変復調評価実験で

「位相回転あり／なし」の変調スペクトラム，キャリ

ア再生状況，BER 特性評価実験結果について述べ

る．

4.1.変調スペクトラム 「位相回転あり／なし」で，変調スペクトラムにど

のような影響があるかを見るために，D/A コンバータ

の出力 (IF 信号 )をスペクトラムアナライザーに接続

し， I/Q コンスタレーション及び，変調スペクトラム

の確認を行った．図６に示す通り位相回転なし (ノイ

ズ付加なし )の場合 16 点にきれいに定位し変調スペク

トラムは中心周波数 30.72MHz の通常の 16QAM の形

状となっている．位相回転を与えた場合，図７に示す

通り， I/Q コンスタレーションは定位することなく回

転しているように見える．変調スペクトラムは位相回

転なしの場合と変わらず帯域に影響していない．

- 24 -

図３ 評価実験ブロック図

図４ FPGA に実装した回路構成及び送受信データフォーマット

送信データ

生成部

16QAMMapping

データフォーマット

生成

送信ルートナイキストフィルタ部

DAC

FPGA boad

VCXO

Combiner

LPF

StepATT

LPF

NoiseGenerater

ADC

VCXO

受信ルートナイキストフィルタ部

DACInterface

ADCInterface

クロック

再生部

キャリア

再生部

UniqWord検出部

BER

測定部

FPGA boad

D/A,A/D board

D/A,A/D board

UpConvert

DownConvert

PC Interface

PC Interface

PC

16QAM復調器

16QAM変調器

61.44Mbps 15.36Msps

122.88MHz

122.88MHz

61.44Mbps

15.36Msps

30.72MHz

位相

付加部

位相

回転部

ノイズ源

30.72MHz

30.72MHz

- 25 -

図５ 16QAM マッピング

図６ 位相回転なしの I/Q コンスタレーション

及び，変調スペクトラム

図７ 位相回転ありの I/Q コンスタレーション

及び，変調スペクトラム

図８ キャリア再生の位相誤差（位相回転なし）

図９ キャリア再生の位相誤差（位相回転あり）

4.2.キャリア再生状況 キャリア再生の位相誤差の収束動作を確認すること

により，送受共に「位相回転あり／なし」で収束状態

に違いがあるか確認した．FPGA 内部信号の値をモニ

タした結果を示す．バースト信号のプリアンブルとユ

ニークワードに位相回転は与えていないため「位相回

転あり／なし」で差異は認められなかった．図８はク

ロック再生後 (CLK_DET=1 になった直後 )のキャリア

再生における位相誤差の様子を示す．クロック再生後

からキャリア再生 (CAR_DET=1)するまで約 3.8μ sec，

その後ユニークワード検出 (UW_DET=1)まで 9.2μ sec

かかる．従って，クロック再生後からユニークワード

を検出するまで約 13μ sec となっている．位相回転方

式でも同様に約 13μ sec でクロック再生後からユニー

クワードを検出している（図９）．

キャリア再生後の「位相回転あり／なし」の I/Q コ

ンスタレーションをそれぞれ図１０ , 図１１に示す．

特に大きな差異は認められず位相回転を行っても正し

くキャリア再生していることが分かる．

送信と受信で異なる位相回転規則コードを用いた場

合のキャリア再生位相誤差を図１２に示す．当然のこ

とながら位相誤差が収束しないことが読み取れる．

I/Q コンスタレーションも図１３に示す通り定位する

ことなく回転してしまうことが分かる．

- 26 -

図１０ キャリア再生後の I/Q コンスタレーション

（位相回転なし）

図１１ キャリア再生後の I/Q コンスタレーション

（位相回転あり）

図１２ キャリア再生の位相誤差（位相回転あり：

送受信異なる位相回転規則コード）

図１３ キャリア再生後の I/Q コンスタレーション

（位相回転あり：送受信異なる位相回転規則コード）

図１４ BER 特性（位相回転なし）

図１５ BER 特性（各種位相回転あり）

4.3.BER 特性 位相回転なしで測定した 16QAM 復調器における

BER 特性を理論値及び，理論値の 1dB 劣化の値と共

に図１４に示す．Eb/No=18dB まで理論値に対して

1dB 以内に入っていることが分かる．次に位相回転規

則コードすべての BER 測定結果を図１５に示す．何

れの場合にも，Eb/No=18dB までは理論値に対して

- 27 -

1dB 以内に収まりそれぞれの差異は認められなかっ

た．位相回転処理を追加することによる BER 特性の

劣化はなく，影響がない事を確認できた．本結果は，

キャリア再生処理において変復調回路双方で同じ規則

コードを使用した場合に，復調側でその規則コードに

従い逆回転して，通常の 16QAM で受信した状態に戻

す処理が正しく行われたことを意味している．

4.4.考察 位相回転方式は規則を知らない送信側は復調同期を

取るデータを送信できないため誤制御耐性があり，規

則を知らない受信側は復調同期を取ることができない

耐傍受性に優れた方式と言える．16QAM に対して位

相回転方式を適応したところ，位相回転あり／なしの

場合に変調スペクトラム，BER 特性について全く影

響が無いことが確認された．また，キャリア再生につ

いて規則コード長に依らず初期捕捉時間に差異の無い

ことが確認された（本評価では約 13us）．これはスペ

クトラム拡散方式のように，拡散コード長に依存して

初期捕捉時間が変化してしまうのに比べてメリットが

ある．さらに受信側で規則コードを知らなければ復調

再生が全くできないことが確認された．

なお，位相回転方式を付加することによって RAM

と DSP の個数については，それぞれ規則コード格納

用の RAM が 30 個，位相回転用の乗算器 (DSP)が 8 個

増加している．回路規模 (Slice 数 )の増分は約 20%程

度であるが，今回の評価のために追加したデバッグ用

の機能 (キャリア再生処理確認用の信号生成など )も含

んでいるため位相回転処理だけであれば少なくて済

む．また，規則コードの数を絞れば回路規模の増加率

は低く押さえられる．

5. おわり QPSK のみならず，多値変調 16QAM にも位相回転方

式が適応可能であることが分かり，セキュアな衛星回

線を同一占有帯域において広帯域伝送が可能となる .

また，回路規模の増加も数割程度で実現可能であるた

め衛星搭載化を考えた場合，負担が少なくて済むため

有効な手段と考えられる．今後は次期技術試験衛星

ミッション系 TTC 等に使い宇宙実証することを検討

する予定である．

文 献 [1] 鈴木健治，西永望，芳賀健二，岡田英人，米田誠

良，鈴木龍太郎，“再構成通信機の開発”，信学会2010 年ソサイ大会，BI-1-8，pp.SS-69～SS-70，2010-09．

[2] 山地光久，山口雄一，米田誠良，鈴木健治，豊嶋守生，“データ復調再生を秘匿化するディジタル変調方式”，信学技報，Vol.113，No.436，SAT2013-60(2014-2)，pp59-63，2014-02.

[3] 山地光久，山口雄一，米田誠良，鈴木健治，豊嶋守生，“データ復調再生を秘匿化するディジタル変調方式に関する考察” , 信学技報， Vol.114，

No.179，SAT2014-29(2014-08)，pp21-26，2014-08.

[4] Mitsuhisa Yamaji, Yuichi Yamaguchi, Masayoshi Yoneda, Kenji Suzuki, Morio Toyoshima, "The Digital Modulation System with the Concealed Data Recovery Method", 30th ISTS, 2015-j-18, 2015-07.

- 28 -