🐈
TWT（進行波管）の非線形性とは？
衛星通信に使われるTWT（進行波管）の非線形補償回路は、TWTが持つ特性である「非線形性」によって発生する問題に対処するための重要な技術です。
TWTの非線形性とは？
まず、TWTがなぜ非線形性を持つのかを理解することが重要です。
- 増幅特性の飽和: TWTは、入力される信号の電力が小さい間は、入力電力に比例して出力電力が増加します。しかし、入力電力が一定のレベルを超えると、出力電力の増加が鈍くなり、最終的には飽和してしまいます。つまり、入力が大きくなっても、それ以上出力が大きくならなくなる点があるのです。
- AM/PM変換 (振幅変調・位相変調変換): 出力電力が飽和領域に近づくと、入力信号の振幅の変化が出力信号の位相の変化を引き起こす現象が発生します。これは、信号の振幅情報が位相情報にも影響を与えてしまうことを意味します。
これらの非線形特性は、特に複数の信号を同時にTWTで増幅する場合や、複雑なデジタル変調信号（例：QPSK, QAMなど）を扱う場合に深刻な問題を引き起こします。
非線形性が引き起こす問題
-
信号の歪み:
- 相互変調歪み (Intermodulation Distortion: IMD): 複数の異なる周波数の信号をTWTに通すと、それらの信号間で相互作用が起き、元の信号には存在しない新しい周波数成分（歪み成分）が発生します。これらの歪み成分は、通信に利用される帯域内に発生することがあり、他の通信チャンネルに干渉したり、通信品質を著しく低下させたりします。
- スペクトル再成長 (Spectral Regrowth): デジタル変調された信号（特にOFDMなど）は、本来限られた周波数帯域に収まるように設計されていますが、TWTの非線形性を通過すると、信号の「裾野」が広がり、隣接する周波数帯域に漏れ出して干渉を引き起こすことがあります。
-
符号誤りの増加 (BERの悪化): 非線形性による信号の歪みや位相の変化は、受信側で信号を正確に復調することを困難にし、結果としてビット誤り率（BER: Bit Error Rate）を増加させ、通信品質を低下させます。
非線形補償回路の役割と種類
非線形補償回路（Linearizer とも呼ばれます）は、TWTに入力される信号を、TWTの非線形特性と逆の特性を持つように「前もって歪ませておく」ことで、TWTを通過した後に結果として線形な増幅特性が得られるようにする回路です。これにより、上記の相互変調歪みやスペクトル再成長を抑制し、通信品質を向上させることができます。
主な非線形補償回路の種類には以下のようなものがあります。
-
プリディストーション回路 (Predistortion Circuit):
- 最も一般的な方式です。
- TWTに入力される前に、TWTの非線形特性を打ち消すような、逆の非線形特性を持つ回路（プリディストータ）を挿入します。
- 例えば、TWTが飽和する傾向があるなら、プリディストータはそれより手前で信号をやや「圧縮」して、TWTが線形に動作する範囲で最大の出力を出せるように調整します。
- AM/PM変換を打ち消すために、振幅に応じて位相を逆方向に変化させる機能も持ちます。
- アナログ回路で構成される場合と、DSP（デジタルシグナルプロセッサ）を用いたデジタル回路で構成される場合があります。特に最近では、より柔軟で高性能なデジタルプリディストーション（DPD）が主流です。
-
フィードフォワード回路 (Feed-forward Circuit):
- これはプリディストーションとは異なり、TWTの出力から歪み成分を検出し、その歪み成分を打ち消すための信号を生成してTWTの出力に加算する方式です。
- 複雑な回路構成になりますが、非常に高い補償効果が期待できます。
なぜ非線形補償回路が必要か？
- TWTの特性: TWT自体が、高出力・高効率を実現するために非線形性が避けられない特性を持っています。
- 通信容量の最大化: 衛星の限られたリソース（帯域幅、電力）を最大限に活用し、より多くのデータをより高品質で伝送するためには、非線形性による歪みを極力抑える必要があります。
- スペクトル効率の向上: 相互変調歪みやスペクトル再成長を抑えることで、隣接するチャンネルへの干渉を防ぎ、利用可能な周波数帯域を効率的に使用できるようになります。
まとめ
TWTの非線形補償回路は、TWTの高出力・高効率という利点を最大限に引き出しつつ、その非線形性が引き起こす通信品質の劣化を抑制するための極めて重要な技術です。特に多値変調や多重アクセス技術が高度化する現代の衛星通信において、安定した高品質な通信サービスを提供する上で不可欠な存在と言えます。
Discussion