JP2005184359A - Ｏｆｄｍ変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】量子化ビット数の少ないＯＦＤＭで干渉問題などからトーンを抜きたい場合に、量子化ビット数が少ないと十分に抑圧できない。
【解決手段】マッピング部４で予め余分にトーンを抜いておき、量子化部８で一旦擬似的に量子化したのち、雑音除去・トーン付加部１０で抜きたいトーンに発生した量子化雑音を引いて、余分に抜いておいたトーンを足してＤ／Ａ変換器に送り出すことによって、抜きたいトーンに発生した量子化雑音を抑圧する。
【選択図】 図１

Description

本発明は特定の周波数への干渉を避ける機能に優れたＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ
Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）変調器に関する。

情報化社会の発展により、身近な場面で使用出来る通信手段が飛躍的に増加しており、その通信速度の増加も著しい。通信速度を増加させるために、その伝送媒体ではそれまで使用されていなかった帯域を使用する例も多い。例えば電話線は、一昔前までは電話のみに使用され、その帯域はせいぜい８ｋＨｚであったが、今ではｘＤＳＬが通るようになり、数ＭＨｚの帯域を使用している。

また、電力を送電する電灯線では現在ｋｂｐｓオーダの低速通信が可能であり、将来的には１００Ｍｂｐｓオーダの通信が行われる可能性がある。このような、本来想定していない帯域を使用する場合、その媒体のシールド性能が追いつかず、大量の不要波を輻射する可能性が高い。その媒体の外で、その不要波の周波数を何らかの用途に使用している場合、その不要波は干渉波となってしまう。

無線通信においては、特定の帯域を特定の用途に限定して使用するよう法律で定められているが、いくつかの帯域は複数の用途に開放しているし、将来的には、非常に広い帯域を小電力近距離通信に限定して他の用途と重ねるように開放する可能性がある。このような場合、ある通信が他の用途の無線に対して干渉波となる可能性が高い。

このように、通信容量の増大に伴い様々な干渉が発生する可能性が高くなっている。干渉を受ける側（被干渉側）の干渉に対する性能は様々で、少々の干渉ならば問題無いことが多いが、例えば電波天文のようにほんの少しの干渉でも多大な影響を被るものもある。そのような感度の高い用途に対しては、その周波数には干渉波を出さないようにするなどの配慮が必要である。

ＯＦＤＭ変調方式は、上述したｘＤＳＬや無線ＬＡＮ、地上波デジタル放送等、種々の通信で使用されている重要な変調方式であるが、特定の周波数だけ使用しないようにできるという特徴を持っている（非特許文献１参照）。
鈴木博，「無線通信におけるＯＦＤＭ技術−移動通信の話題を中心にして−」，島田理化技報，Ｎｏ．１４（２００２）

上述したように、非特許文献１に記載されたＯＦＤＭ変調方式は、特定の周波数だけ使用しないようにできるという特徴を持っている。ＯＦＤＭで特定の周波数だけ使用しないようにするには、抜きたい周波数のトーン（サブキャリア）を除去してしまえば良い。しかしながら、実際にはＯＦＤＭ変調器の最終段のＤ／Ａ変換器における量子化雑音があるために、特定のトーンを抜いても十分に干渉の発生を抑圧できないという問題がある。

本願はこの問題を解決するためになされたもので、Ｄ／Ａ変換器の量子化ビット数が少ない場合でも、十分に干渉の発生を抑圧できるＯＦＤＭ変調器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために本願第１の発明では、所望のトーンを抜いてＯＦＤＭ信号を生成するＯＦＤＭ変調器であって、前記所望のトーンと他の１つ以上のトーンを抜いた後、逆フーリエ変換し、前記ＯＦＤＭ変調器に配されるＤ／Ａ変換器の量子化ビット数と同一の量子化ビット数で擬似的に量子化して擬似時間波形を得た後、前記擬似時間波形から前記所望のトーンの周波数に発生した量子化雑音を除去し、前記他の１つ以上のトーンを乗せなおした信号を前記Ｄ／Ａ変換器によって実時間信号にして出力することを特徴としている。

さらに、本願第２の発明では、前記擬似時間波形から前記所望のトーンに発生した量子化雑音を除去し、前記他の１つ以上のトーンを付加した信号を生成するにあたって、前記擬似時間波形をフーリエ変換し、前記所望のトーンの周波数に発生した量子化雑音を除去し、前記他の１つ以上のトーンを付加した後、逆フーリエ変換することを特徴としている。

さらに本願第３の発明では、前記ＯＦＤＭ変調器は、送信と受信を同時に行わない送受信機内で用いられ、前記擬似時間波形をフーリエ変換するフーリエ変換器は、前記ＯＦＤＭ変調器に付随するＯＦＤＭ受信機に用いるフーリエ変換器であることを特徴としている。

さらに本願第４の発明では、前記擬似時間波形から前記所望のトーンに発生した量子化雑音を除去し、前記他の１つ以上のトーンを乗せなおした信号を生成するにあたって、前記擬似時間波形を前記所望のトーンの周波数についてのみフーリエ変換し、その結果を位相反転させたものと、前記他の１つ以上のトーンについてのみ逆フーリエ変換して、前記擬似時間波形に加算することを特徴としている。

さらに本願第５の発明では、前記擬似時間波形から前記所望のトーンに発生した量子化雑音を除去し、前記他の１つ以上のトーンを乗せなおした信号を生成するにあたって、前記他の１つ以上のトーンは予め逆フーリエ変換された波形をメモリに記憶しておき、前記擬似時間波形を前記所望のトーンの周波数についてのみフーリエ変換、逆フーリエ変換して所望のトーンの周波数に発生した量子化雑音波形を計算し、前記擬似時間波形に、前記メモリに記憶された波形と、位相反転させた前記量子化雑音波形を足すことを特徴としている。

さらに本願第６の発明では、前記他の１つ以上のトーンの数は、それらのトーンを合成した時間波形のピークトゥピークの大きさが、前記Ｄ／Ａ変換器の量子化ステップの１つ分を超える最小の数であることを特徴としている。

さらに本願第７の発明では、前記他の１つ以上のトーンの周波数は、それらのトーンを合成した時間波形を仮に前記Ｄ／Ａ変換器で量子化した場合に発生するスプリアスが、前記所望のトーンの周波数で前記所望のトーンの周波数に要求される量子化雑音抑圧レベルより小さくなるような周波数であることを特徴としている。

さらに本願第８の発明では、複数のトーンを用いたＯＦＤＭ方式による通信で用いられるＯＦＤＭ変調器であって、前記複数のトーンのうち、所望のトーンと前記所望のトーンと異なる他の１つ以上のトーンを抜いて逆フーリエ変換する第１の手段と、前記第１の手段の出力を、このＯＦＤＭ変調器に設けられるＤ／Ａ変換器の量子化ビット数と同一の量子化ビット数で量子化した値を計算によって求める第２の手段と、前記第２の手段で得られた結果から、前記所望のトーンの周波数に発生した量子化雑音を求め、この量子化雑音を除去する第３の手段と、前記第３の手段の出力に前記他の１つ以上のトーンを付加する
第４の手段と、前記第４の手段の出力信号を逆フーリエ変換し、前記Ｄ／Ａ変換器によって実時間信号にして出力する第５の手段とを具備したことを特徴としている。

本発明のＯＤＦＭ変調器によれば、Ｄ／Ａ変換器の量子化ビット数が少ない場合でも、十分に干渉の原因となる信号の発生を抑圧できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明するが、先ず最初に本願発明で着目する量子化雑音について図８、図９、図１０を用いて説明する。

図９はＯＦＤＭのスペクトルを説明するための図である。それぞれの小さなスペクトルの山１０８−ｘ（但し、ｘ＝１・・・，ｉ，・・・，ｎ。ｎ＞ｉ、ｎ，ｉは自然数）はトーンまたはサブキャリアと呼ばれ、各々のトーンは適切な変調方式、例えばＱＰＳＫ等でデータ変調されている。それぞれのトーンは非常に近接しており、通常これらをフィルタ等のアナログ的な手法で合成分離することはなく、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、高速逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）等を用いてデジタル的に合成、分離する。

図８は一般的なＯＦＤＭ変調器の構成を示すブロック図である。送信したいデータがデータ入力１０２から入力され、エンコーダ１０３にて通信に適した形態にエンコードされる。ここでは分割、誤り訂正符号付加、インターリービング等の処理が施される。コンスタレーションマッピング部１０４で各トーンに適切な変調座標点がマッピングされ、ＩＦＦＴ部１０５にて時間信号に変換されて、Ｄ／Ａ変換器１０６にて実時間の信号に変換される。

ＯＦＤＭで特定の周波数だけ使用しないようにするには、抜きたい周波数のトーンを除去してしまえば良い。図９において、トーン１０８−ｉに相当する周波数だけ使用しないときは、このトーンを除いた残りをＩＦＦＴすれば、得られた波形はトーン１０８−ｉに相当する周波数成分を持たないはずである。しかし、いくつかの原因で、実際には完全に除去できない。１つは各々のトーンがデータ変調される際のデータ信号の波形や、ＩＦＦＴされた時間波形の途中に挿入されるガードインターバルの影響で、一つひとつのトーンにスプリアスが発生すること、もう１つはＤ／Ａ変換器のビット数が十分でないことによって量子化雑音が発生することである。

図１０は、Ｄ／Ａ変換器で量子化される前と量子化された後の時間波形を示す図である。ＩＦＦＴされて得られた時間波形の点は、ＩＦＦＴの演算ビット数が十分（例えばＱＰＳＫ、１２８トーンを１６ビットで計算する場合）あれば、例えば、図の白丸と実線であらわされるような点となる。これを不十分なビット数のＤ／Ａ変換器（例えば４ビットのＤ／Ａ変換器）で量子化すると、Ｄ／Ａ変換器から出力される波形は、その量子化レベルに丸められて図の白四角と点線で表されるような点となる。

２つの波形のずれの成分は、実際に所望する波形に乗った雑音とみなすことが出来て、量子化によって発生する雑音、量子化雑音と呼ばれる。このように発生した量子化雑音は、その帯域全体、さらにその外側に発生し、当然、干渉問題に対応するためにわざわざ抜いたトーンの周波数にも発生する。また、量子化ビット数が少ない程その量は大きくなる。一方、Ｄ／Ａ変換器は消費電力が大きく、また、その消費電力は量子化ビット数に依存するため、できるだけ量子化ビット数を下げたいという要望がある。

本願発明は、量子化ビット数を少なくしたために発生した量子化雑音によって、特定のトーンを抜いてもその周波数の出力を十分に抑圧出来ないという問題を解決するものであ
る。

図１は本願発明のＯＦＤＭ変調器の実施の一形態であり、最も基本的な形態である。図２はそのスペクトルを説明するための図である。

図１のＯＦＤＭ変調器１は、エンコーダ３、マッピング部４、ＩＦＦＴ部５−１，５−２、量子化部８、ＦＦＴ部９、雑音除去・トーン付加部１０、Ｄ／Ａ変換器６によって構成される。

それぞれの動作について説明する。ＯＦＤＭ変調器１にデータ入力２からデータが入力される。まず、エンコーダ３にて通信に適した形態にエンコードされる。ここで分割、誤り訂正符号付加、インターリービング等の処理が施される。

エンコードされたデータはコンスタレーションマッピング部４で各トーンはそのシステムの変調方式（例えばＱＰＳＫ）の適切な座標点でマッピングされる。抜きたいトーン１１（図２）には当然マッピングせず、さらに、トーンそのものを抜いておく。また、予め余分に抜いておくトーン１２−１，１２−２（図２）にはデータ割り振ってもかまわないが、ＩＦＦＴ（高速逆フーリエ変換）５−１に送る前にトーンそのものを抜いておき、そのトーンに割り振ったデータは、メモリ等に記憶しておく。一般にＯＦＤＭでは全てのトーンにデータをマッピングしないことが多いため、もちろん、そのトーンにデータをマッピングしなくてもかまわない。

データをマッピングされたトーンは、ＩＦＦＴ部５−１にて時間波形に変換される。これを量子化部８によって、ＯＦＤＭ変調器１の最終段にあるＤ／Ａ変換器６の量子化ビット数と同一の量子化ビット数、量子化レベルで、あくまでも計算上、擬似的に量子化する。なお、言うまでもないが、ＯＦＤＭ変調器１内部の演算ビット数はＤ／Ａ変換器６の量子化ビット数よりは大きい。例えば、Ｄ／Ａ変換器６の量子化ビット数が4ビットであるなら、ＯＦＤＭ変調器１の演算ビット数は8ビットや16ビットなどである。

量子化部８で擬似的に量子化された波形は、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）部９によって再び周波数軸の信号に変換される。雑音除去・トーン付加部１０では、抜きたいトーンの周波数に乗った量子化雑音を削り、予め余分に抜いておいたトーンの周波数にトーンを乗せ直す。前述のように、乗せ直したトーンにデータ変調が必要な場合は、メモリに記憶しておいた値で変調する。

雑音除去・トーン付加部１０の出力は、ＩＦＦＴ部５−２で再び逆フーリエ変換され、Ｄ／Ａ変換器６でアナログ電気信号に変換され出力７から出力される。

ＯＦＤＭ変調器は大部分が数値計算を行う信号処理部で構成されている。実時間の波形をアナログ的に取り扱うのはＯＦＤＭ変調器の最終段のＤ／Ａ変換器６のみである。本願発明の構成の特徴的な部分も信号処理を行う部分に構成される。

本願発明では、干渉を避けるために抜いたトーンの周波数の量子化雑音が少なくなるように、再計算を行うことを基本とする。量子化雑音は、図１０に示したように、量子化レベルの１ステップに満たない量に起因する雑音であるため、量子化雑音のみを再計算によって除去しようとしても、量子化後のそれぞれの点は結局、前と同じ点に丸められてしまって除去することが出来ない。そこで、本願発明では、再計算後に量子化された点が、前とは若干違う点になるようにする。上述した実施例では、コンスタレーションマッピング部４において、抜きたいトーンの他にいくつかのトーンを余計に抜いて、ＩＦＦＴ部５−
１でＩＦＦＴし、量子化部８で信号処理部内での擬似的な量子化を行う。量子化部８の量子化レベル、ビット数は最終段のＤ／Ａ変換器６のものと同一とする。雑音除去・トーン付加部１０において、得られた時間波形（擬似時間波形）から、抜きたいトーンに発生した量子化雑音を引き、さらに余計に抜いておいたトーンを加算する。このようにすると、初めの量子化後とは若干ずれた時間波形が得られるので、これをＤ／Ａ変換器６で量子化する。このときの点は、初めの量子化後の点とやはり若干ずれている。再計算時に、抜きたいトーンの周波数に乗った量子化雑音を引いているため、Ｄ／Ａ変換後の時間波形において初めの量子化後の波形からずれた成分は、抜きたいトーンの周波数に乗った量子化雑音と明確に負の相関を持っている。その結果、Ｄ／Ａ変換器から出力される波形は、初めの量子化後の波形より、抜きたいトーンに乗っている量子化雑音が抑圧される。

かかる構成では、初めの量子化後の波形（擬似時間波形）から、抜きたいトーンの周波数に発生した量子化雑音を検出するために、擬似時間波形を一旦フーリエ変換する。フーリエ変換して得られた周波数軸データの抜きたいトーンの周波数に乗った量子化雑音を除去し、予め余分に抜いておいたトーンを乗せ直して、再び逆フーリエ変換する。フーリエ変換、逆フーリエ変換が余計に入るため、計算量は増えるが、基本的な方法であるため、操作の範囲が広く、例えば、余分に抜いておいたトーンに任意のデータ変調を掛けたり、特定のデータの乗っている他のトーンの量子化雑音を抑圧するなど他の操作を加えることが容易になる。

このように上述した実施形態では、Ｄ／Ａ変換器６の量子化ビット数が小さい場合でも、抜きたいトーンの量子化雑音を抑圧することが出来、ＯＦＤＭ変調器１が用いられるシステムから、他のシステムへの干渉を抑圧することが出来る。なお、図２では抜きたいトーンが１つのみであるが、複数あってもかまわない。

次に本願発明にかかる第２の実施形態について説明する。図３は第２の実施形態の構成を示す。

図３は図１の変形であり、図１と同一部分には同一符号を附している。図３は、ＯＦＤＭ変調器１内のＦＦＴ部を、同一の送受信機内にあるＯＦＤＭ復調器１４内のＦＦＴ部１７で代用している構成である。この構成は、送受信機が送信と受信を同時に行わないという前提で実施可能である。また、ＯＦＤＭ変調器１、ＯＦＤＭ復調器１４は主にＡＳＩＣなどデジタルＩＣで構成されており、それぞれの機能ブロックはひとまとまりの回路になっている。

ＯＦＤＭ復調器１４はここでは一般的な構成のものを使用している。簡単に説明すると、信号入力１５からアナログ電気信号が入力される。これがＡ／Ｄ変換器１６でデジタル信号にされてＯＦＤＭ復調器１４に取り込まれる。これがＦＦＴ部１７でフーリエ変換され、周波数軸上のデータとなる。得られたトーンはそれぞれ、そのシステムの変調方式でデータ変調されており、それを識別部１８で識別する。

識別されたデータはデコーダ１９で元のデータに復元され、データ出力１３から出力される。ＦＦＴ部１７には、ＯＦＤＭ変調器１に接続を切り替えるためのスイッチ２０−１，２０−２が両側に接続されている。

ＯＦＤＭ変調器１の構成はほぼ図１と同じであるが、ＦＦＴ部９が無く、代わりに、スイッチ２０−１，２０−２に接続されている。スイッチ２０−１，２０−２はその送受信機が送信を行うときは、ＯＦＤＭ変調器１側に、受信を行うときはＯＦＤＭ復調器１４に接続するよう制御されている。

無線通信、特にＡｄＨｏｃネットワークのような上り下りのはっきりしないシステムにおいては、送受を時分割で分けることが多い。すなわち、同一の周波数を使用して接続しているネットワーク内では、１時刻に１つの送信機のみが送信を行う。このような場合、１つの送受信機内で、送信機と受信機が同時に作動することはない。したがって、送信機が動作しているときには、受信機はアイドルの状態である。

ＯＦＤＭ送受信機においては、通常、送信側は逆フーリエ変換の機能、受信側はフーリエ変換の機能を有している。本実施形態にかかる構成であれば、１つの送受信機内で送信と受信を同時に行わないシステムにおいて、変調側における再計算時のフーリエ変換の機能と、ＯＦＤＭ受信機のフーリエ変換機能を一つのＦＦＴ１７で実現する。送受信機に使用されている計算部が送受別々となっていれば、このようなことが可能である。

かかる構成によれば、本願の主たる効果である量子化雑音に起因する干渉の抑圧効果を有しつつ、再計算のために発生する計算量の増大を緩和することができ、本願のＯＦＤＭ変調器をより小さい回路規模で実現できる。

次に本願発明の第３の実施形態にかかる構成を説明する。図４は第３の実施形態の構成を示す図である。

量子化部８によって量子化するまでの動作は、図１と同じなので説明は省略する。量子化部８で擬似的に量子化された波形は、二方向に出力される。その一方は、部分ＦＦＴ部２１に送られて、抜きたいトーンの周波数に乗った量子化雑音が検出される。部分ＦＦＴ部２１は、抜きたいトーンの周波数に関してのみフーリエ変換する（フーリエ変換係数が計算される）。余分に抜いたトーンの情報を有するトーン付加部２２の出力から部分ＦＦＴ部２１の出力が加算部２３で引き算され、部分ＩＦＦＴ部２４に送られる。

なお、トーン付加部２２で付加されるトーンにデータ変調を掛けるならば、図の点線で示したように、マッピング部４からそのトーンに乗せるべきデータがトーン付加部２２に送られる。部分ＩＦＦＴ部２４は抜きたいトーンの周波数と乗せ直すトーンに限定して逆フーリエ変換を行う。部分ＩＦＦＴ部２４の出力は時間波形になっており、これを量子化部８のもう一方の出力と加算部２５で加算する。これをＤ／Ａ変換器６で実時間アナログ電気信号に変換して出力７から出力する。

本実施形態は、本願の構成の計算量を減らす方法として有効であり、再計算時のフーリエ変換、逆フーリエ変換の規模を縮小する。フーリエ変換は、抜きたいトーンの周波数についてのみ行って、発生した量子化雑音のフーリエ変換係数を求め、逆フーリエ変換は、得られた量子化雑音のフーリエ変換係数の位相を反転させたものと、予め余分に抜き、乗せ直すトーンのみについて行う。

そもそもフーリエ変換は、任意の時間波形を周波数成分に分解する変換であり、実際の操作は、時間波形を各周波数成分と（ＩとＱまたは、ｅｘｐ（−ｊωｔ）で）相関をとってその係数を求めるものである。従って、計算上、任意の波形から特定の周波数の成分のみのフーリエ変換係数計算することは容易で、全周波数のフーリエ変換を行うのに比べて、計算の規模はＭ／Ｎ（Ｎは全周波数の点の数、Ｍは抜きたいトーンの数）となる。

逆フーリエ変換は、任意の周波数成分から時間波形を合成する変換であって、線形である。すなわち、全部をまとめて逆フーリエ変換しても、部分に分けたものを別々に逆フーリエ変換してから足し合わせても同じ結果が得られる。この性質を利用して、逆フーリエ
変換をするのは、抜きたいトーンの周波数に発生した量子化雑音の位相を反転させたものと、予め余分に抜き、乗せ直すトーンのみに限定する。得られた逆フーリエ変換の結果を、元の擬似信号波形に足し合わせれば、全部まとめて逆フーリエ変換した場合と同じ結果が得られる。この場合、逆フーリエ変換の計算規模は、全周波数のフーリエ変換を行う場合と比較して、（Ｍ＋Ｋ）／Ｎ（Ｎは全周波数の点の数、Ｍは抜きたいトーンの数、Ｋは予め余分に抜いたトーンの数）となり、計算の規模を縮小することができる。

このように、第３の実施の形態の構成では、再計算時のＦＦＴ、ＩＦＦＴが限定された周波数に関してのみになるため、より少ない計算量で本願発明を実現できる。

次に本願発明の第４の実施形態にかかる構成を説明する。

本発明の実施形態では、予め余分に抜いておいたトーン乗せ直すときに、そのトーンに乗せる変調データが既知（例えばデータ変調しない等）であれば、予め逆フーリエ変換後の波形を計算し、メモリに記憶しておくことが可能である。このような場合、逆フーリエ変換の線形性を利用して、初めの量子化後の擬似時間波形から、抜きたいトーンの周波数に発生した量子化雑音をそのトーンのみに関してフーリエ変換して求め、これを時間波形にもどして位相を反転させたものと、メモリに記憶しておいた波形を、初めの量子化後の擬似時間波形に足せばよい。

図５は第４の実施形態の構成を示す図である。量子化部８によって量子化するまでの動作は、図１と同じなので説明は省略する。擬似的に量子化された波形は、二方向に出力される。その一方は、部分ＦＦＴ部２１に送られて、抜きたいトーンの周波数に乗った量子化雑音が検出される。部分ＦＦＴ部２１は抜きたいトーンの周波数のみフーリエ変換を行う。その結果は直ちに部分ＩＦＦＴ部２６に送られて、時間波形に変換される。

図５の例では、余分に抜いておくトーンについては、予め逆フーリエ変換された時間波形を波形メモリ２７に記憶しておく。記憶させておくのは、その通信セッションの初めでも良いし、もし、国や地域で抜いておくトーンが決まっているような場合は、工場出荷時に記憶させてもよい。波形メモリ２７に記憶された波形は、加算部２５によって、量子化部８のもう一方の出力と加算され、それらから、部分ＩＦＦＴ部２６の出力が減算される。加算部２５の出力はＤ／Ａ変換器６によって実時間アナログ電気信号に変換され、出力７から出力される。

図５の構成においては、余分に抜いておくトーンにはデータによる変調を掛けない構成が最も単純である。この場合、波形メモリ２７には、予め余分に抜いておくトーンを合成した波形が一種類記憶されており、これを毎回読み出せば良い。

予め余分に抜いておくトーンにデータによる変調をかけたい場合は、それぞれのトーンに変調が掛かっている場合の波形を変調データごとに持っておき、マッピング部４から送られてくる変調データの指示に従い、それぞれのトーン毎に適切な波形を読み出して、加算し、加算部２５に送り出すようにする。もし、変調方式がＢＰＳＫ程度のものであり、予め抜いておくトーンが２，３個であるならば、全ての変調データの組み合わせに関してトーンを合成した波形を予め計算し、記憶しておいてもよい。この場合、マッピング部４から送られてくるデータの組み合わせに従い、適切な波形を選択して、加算部２５に送り出せば良い。

波形をメモリに記憶するのは、その通信セッションの初めに一回だけ、あるいは、その送信機を製造する時に一回だけ記憶させれば良い。従って、毎回の波形生成の度に計算す
る必要がなく、計算の規模が縮小できる。

このように第４の実施の形態の構成では、再計算時のＦＦＴ、ＩＦＦＴが抜きたいトーンの周波数に限定されているためより少ない計算量で本願発明を実現できる。

次に、本発明の変形について説明する。

本願発明の構成においては、抜きたいトーンの周波数に発生した量子化雑音の除去だけでなく、出力されるトーンの周波数に発生した量子化雑音も落とすことが可能である。以下のように行う。

図１または図３の構成においては、ＦＦＴ部９で得られた周波数軸信号のうち、量子化雑音を抑圧したいトーンに関して、マッピング部４でマッピングされた元の状態のトーンを上書きするようにしてもう一度乗せ直せばよい。図４または図５の構成において、部分ＦＦＴ部２１において雑音を抑圧したいトーンの成分をＦＦＴで検出する。そこから、マッピング部４で与えられた元の雑音の無いトーンを引き去り、雑音成分を検出する。得られた雑音成分に関して図の通り同様に処理していけば良い。ただし、この操作が可能なのは、全体のトーン数に対して、雑音を除去したいトーン数が十分に小さい場合のみである。このようにして、数の限定はあるものの、一部のトーンに関して信号対雑音比を改善することが可能である。

次に、実施形態の細部について説明する。

本願の効果を得るために、何個のトーンを予め余分に抜いておくのが良いかというと、再計算時にそれらのトーンを足し直すことによって、かろうじてＤ／Ａ変換後の点が、初めの量子化後の点から動く程度が望ましい。それらのトーンだけをＤ／Ａ変換したときに、出力が同じレベルに集中して直流しか出力されないようでは、本願の効果は得られない。

従って、それらのトーンを合成した波形は、最低、ピークトゥピークでＤ／Ａ変換器の１ステップより大きい必要がある。しかし、計算量の問題や、乗せ直すトーンによって発生するスプリアスの問題等から、その数は極力少ない方が望ましい。従って、合成後の波形のピークトゥピークの振幅がＤ／Ａ変換器の１ステップを超える最小の数が最も望ましい。

以下、予め抜いておくトーンの数について、図を用いて説明する。図６は余分に抜いておいたトーンを乗せ直す時のＩＦＦＴ後（例えば図４では部分ＩＦＦＴ部２４の後）の波形を説明している。

図６において、横軸は時間、縦軸はＤ／Ａ変換器の量子化ステップを基準にした振幅であり、１がＤ／Ａ変換器の１ステップに相当する。実線と菱形で表される波形は、余分に抜いておいたトーンのみを合成した波形である。点線と四角で表される波形は、余分に抜いておいたトーンを合成した波形から、抜きたいトーンに乗った量子化雑音を引き去った波形である。これが、最初に擬似的に量子化した擬似時間波形に加わったものが最後のＤ／Ａ変換器で量子化される。

擬似時間波形はすでに量子化されていて、その振幅の点は量子化レベルに合っているため、Ｄ／Ａ変換器で丸める対象となる部分は事実上、余分に抜いておいたトーンの乗せ直し分から抜きたいトーンの量子化雑音を引いた波形、すなわち、図６の点線に相当する波形である。すなわち、図６の波形を四捨五入した波形を擬似時間波形に足したものが、Ｄ
／Ａ変換器出力波形とほぼ等しくなる。

図６では、余分に抜いておいたトーンは２つであり、それらを合成した波形のピークトゥピークの振幅は±０．５、すなわち、量子化レベルの１ステップ分を若干超える程度である。このような波形を量子化すると、＋１，０，−１の３つのレベルのいずれかの点が得られる。

図６において矢印で示した点は、２つの波形の点が＋０．５（または−０．５）を跨いでおり、抜きたい点の量子化雑音を引いたことによって、量子化後の点のレベルがずれた点である。これらのずれた点によって構成される成分が、抜きたいトーンの量子化雑音と負の相関を有しており、その結果、抜きたいトーンの量子化雑音を抑圧する。

図６から判るように、余分に抜いておいたトーンの合成波形のピークトゥピーク振幅が、量子化時の１ステップを超えないと、このように、雑音成分の有無によって量子化後の点が変わることはない。従って、波形のピークトゥピーク振幅が、量子化時の１ステップを超える程度の数のトーンが必要である。

さらに、図４や図５のような構成では、余分に抜いておくトーンの数がそのまま計算量の増加に繋がるため、極力少ない方が望ましいことは明らかである。従って、余分に抜いておくトーンの数は、量子化ステップの１ステップを超える最小量が望ましい。図６の例では、トーン１つの場合のピークトゥピークの振幅は１ステップの０．８程度であり、必要量に達していない。トーン２つで１．６程度となるため、少なくとも２トーンを予め余分に抜いておく必要があり、また、２トーンが最適な値である。このようにすることによって、本発明の効果をより少ない演算量で実現できる。

次に、予め余分に抜いておくトーンの周波数をどのように選択するかについて説明する。基本的には、余分に抜いておいたトーンを乗せ直す時に発生するスプリアスが抜きたいトーンの周波数に乗らないように選択する。

予め余分に抜いておいたトーンを加えて再計算し、Ｄ／Ａ変換すると、新たに量子化雑音が発生する。本願では、初めの量子化後の波形から、抜きたいトーンに発生した量子化雑音を引き、余分に抜いておいたトーンを加える。引いた分の量子化雑音の振幅は非常に小さいため、大まかには、初めに量子化した擬似時間波形に、余分に抜いておいたトーンの波形を量子化した物を足すと考えることが出来る。従って、余分に抜いておいたトーンの量子化によって、新たな量子化雑音が発生する。新たに発生した量子化雑音のトータルのパワーは、初めの量子化の際に発生した量子化雑音のトータルのパワーと同等である。

量子化雑音は、一般にランダムな雑音として取り扱われることが多いが、図１０からも判るように、本来は非線形なプロセスによって発生する歪みである。初めの量子化では、多数のトーンを合成した波形の量子化であるため、発生した歪みが複雑に絡み合って事実上ランダムな雑音とみなすことができる。しかし、余分に抜いておいたトーンは、その数がせいぜい数個であるため、発生する量子化雑音はランダムなノイズというより、歪みとしての振る舞いが強い。余分に抜いておいたトーンに発生する量子化雑音の主な成分は、それらのトーンの周波数の和や差等の高次の組み合わせに発生する。

図７は１２８トーンのＯＦＤＭで、余分に抜いておくトーンを１１１番目と、１１３番目のトーンに選んだときに、これらのトーンの合成波形を量子化した際のスペクトルである。図から判るとおり、量子化雑音は全て奇数番目のトーンに発生している。また、１２８を１とみなした反転したスペクトルとして見ると、奇数次高調波が山状に形成されていることが判る。

このように、量子化雑音はランダムな雑音というよりは、一定の規則に従った歪みとしての傾向を持っていることは明らかで、余分に抜いておいたトーンのみを量子化する際の量子化雑音は特定の周波数に大きく発生する。これらうちの大きなものは、抜きたいトーンの目標とする抑圧レベルを上回っていることもあり、このようなスプリアスが抜きたいトーンの周波数にあると、Ｄ／Ａ変換後の波形の抜きたいトーンの量子化雑音量は、余分に抜いておいたトーンを量子化することで発生した量子化雑音のために目標の抑圧レベルに達しないことがある。したがって、望ましくは、抜きたいトーンにスプリアスが発生しないトーンを余分に抜くと良い。

抜きたいトーンが１つのみ、複数あってもその周波数が偶数のみまたは奇数のみの場合は、図７の説明より明らかであるように、抜きたいトーンが偶数番目のトーンであるなら、余分に抜くトーンは奇数番目のトーンを選ぶと良い。抜きたいトーンが奇数番目のトーンであるなら、余分に抜くトーンは偶数番目のトーンを選択するとよい。

隣接してまとまったいくつかのトーンを抜きたい場合など、奇数だけ偶数だけという割り振りが出来ない場合には、いくつか選び方がある。

乗せ直したトーンによるスプリアスは、基本的に（トーンの最大周波数での折り返しを含み）奇数次の高調波に類する周波数に発生する。それらは端のトーンで折り返される。一方でＦＦＴでは一般にその点の総数、すなわちトーンの総数は２の階乗にとられる。従って、余分に抜くトーンの１つを２の階乗の周波数（２ｎ，ｎ＝１，２，３・・・）にとり、他のトーンをその整数倍にすると、スプリアスは端のトーンでの折り返しがあっても２ｎの整数倍のところにしか立たない。抜きたいトーンの周波数が２ｎの整数倍を含まないようなｎがあるならば、そのようなｎを取ればよい。ただし、この方法では、乗せ直すトーンの合成波形の周期性が高くなる。ＦＦＴの点の総数に対して２ｎが大きく、かつ、余分に抜いておくトーンのピークトゥピークの振幅が量子化ステップの１つ分を若干超える程度である場合、波形の１周期内の点が少なすぎて、図６に示したような雑音成分によって０．５をまたぐような点が全く取れない可能性がある。したがって、抜きたいトーンのまとまりがあまり広い場合には使用できない。総数１２８、量子化ビット数４でせいぜい２ｎ＝８または１６程度である。この方法では制限はあるもの、抜きたいトーンにスプリアスが新たに発生しないようにできる。

別の方法としては、スプリアスが奇数高調波ベースで発生することを利用して、抜きたいトーンの周波数が、余分に抜いておくトーンの偶数高調波近辺になるようにする。この方法では、抜きたいトーンに発生するスプリアスが場合によっては０にならない。しかし、目標の抑圧レベルよりも小さくなるような周波数のトーンを選択するとよい。例えば、抜きたいトーンの偶数分の１にその平均周波数があるようなトーンであるか、左右反転したスペクトルで見て、抜きたいトーンの偶数分の１の周波数近辺のトーンを選択する、などである。こちらの方法では、抜きたいトーンにスプリアスが発生する可能性はあるが、抜きたいトーンの周波数を比較的広範囲に取ることができる。

このように予め余分に抜いておくトーンの周波数を選択すると、抜きたいトーンに発生する量子化雑音を十分に抑圧することが可能となる。

なお、本願の構成では、余分に抜いておいたトーンを乗せ直す際に発生するスプリアス（例えば、図７）が新たに信号に重畳され、これが初めの量子化の際に乗った量子化雑音と加算されて、結果として量子化雑音が増加する。一般にＯＦＤＭでは全てのトーンにデータを乗せるとは限らないため、もし、送信機にデータを乗せるトーンを選択する権利があるならば、大きいスプリアスが発生しているトーンにはデータを乗せないようにすると
良い。例えば、余分に抜いておいたトーンの周波数の３次歪み、５次歪みのスプリアス成分（スペクトルを左右反転して見た周波数を含む）に対応する周波数にはデータを乗せないなどである。このようにすると、新たに加わった量子化雑音による通信品質の劣化を抑圧できる。

以上、本願発明にかかるいくつかの実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本願発明にかかる第１の実施の形態の構成を示すブロック図。 本願発明にかかるＯＦＤＭのスペクトルを説明するための図。 本願発明にかかる第２の実施の形態の構成を示すブロック図。 本願発明にかかる第３の実施の形態の構成を示すブロック図。 本願発明にかかる第４の実施の形態の構成を示すブロック図。 余分に抜いておくトーンによる振る舞いを説明するための図。 トーンの合成波形を量子化した際のスペクトル図。 一般的なＯＦＤＭ変調器の構成を示すブロック図。 ＯＦＤＭのスペクトルを説明するための図。 量子化雑音を説明するための図。

符号の説明

１・・・ＯＦＤＭ変調器
３・・・エンコーダ
４・・・コンスタレーションマッピング部
５−１，５−２・・・ＩＦＦＴ部
６・・・Ｄ／Ａ変換器
８・・・量子化部
９・・・ＦＦＴ部
１０・・・雑音除去・トーン付加部

Claims (8)

1. 所望のトーンを抜いてＯＦＤＭ信号を生成するＯＦＤＭ変調器であって、前記所望のトーンと他の１つ以上のトーンを抜いた後、逆フーリエ変換し、前記ＯＦＤＭ変調器に配されるＤ／Ａ変換器の量子化ビット数と同一の量子化ビット数で擬似的に量子化して擬似時間波形を得た後、前記擬似時間波形から前記所望のトーンの周波数に発生した量子化雑音を除去し、前記他の１つ以上のトーンを乗せなおした信号を前記Ｄ／Ａ変換器によって実時間信号にして出力することを特徴とするＯＦＤＭ変調器。
2. 前記擬似時間波形から前記所望のトーンに発生した量子化雑音を除去し、前記他の１つ以上のトーンを付加した信号を生成するにあたって、前記擬似時間波形をフーリエ変換し、前記所望のトーンの周波数に発生した量子化雑音を除去し、前記他の１つ以上のトーンを付加した後、逆フーリエ変換することを特徴とする請求項１記載のＯＦＤＭ変調器。
3. 前記ＯＦＤＭ変調器は、送信と受信を同時に行わない送受信機内で用いられ、前記擬似時間波形をフーリエ変換するフーリエ変換器は、前記ＯＦＤＭ変調器に付随するＯＦＤＭ復調器に用いるフーリエ変換器であることを特徴とする請求項２記載のＯＦＤＭ変調器。
4. 前記擬似時間波形から前記所望のトーンに発生した量子化雑音を除去し、前記他の１つ以上のトーンを乗せなおした信号を生成するにあたって、前記擬似時間波形を前記所望のトーンの周波数についてのみフーリエ変換し、その結果を位相反転させたものと、前記他の１つ以上のトーンについてのみ逆フーリエ変換したものを、前記擬似時間波形に加算することを特徴とする請求項１記載のＯＦＤＭ変調器。
5. 前記擬似時間波形から前記所望のトーンに発生した量子化雑音を除去し、前記他の１つ以上のトーンを乗せなおした信号を生成するにあたって、前記他の１つ以上のトーンは予め逆フーリエ変換された波形をメモリに記憶しておき、前記擬似時間波形を前記所望のトーンの周波数についてのみフーリエ変換、逆フーリエ変換して所望のトーンの周波数に発生した量子化雑音波形を計算し、前記擬似時間波形に、前記メモリに記憶された波形と、位相反転させた前記量子化雑音波形を足すことを特徴とする請求項１記載のＯＦＤＭ変調器。
6. 前記他の１つ以上のトーンの数は、それらのトーンを合成した時間波形のピークトゥピークの大きさが、前記Ｄ／Ａ変換器の量子化ステップの１つ分を超える最小の数であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のＯＦＤＭ変調器。
7. 前記他の１つ以上のトーンの周波数は、それらのトーンを合成した時間波形を仮に前記Ｄ／Ａ変換器で量子化した場合に発生するスプリアスが、前記所望のトーンの周波数で前記所望のトーンの周波数に要求される量子化雑音抑圧レベルより小さくなるような周波数であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のＯＦＤＭ変調器。
8. 複数のトーンを用いたＯＦＤＭ方式による通信で用いられるＯＦＤＭ変調器であって、
   前記複数のトーンのうち、所望のトーンと前記所望のトーンと異なる他の１つ以上のトーンを抜いて逆フーリエ変換する第１の手段と、
   前記第１の手段の出力を、このＯＦＤＭ変調器に設けられるＤ／Ａ変換器の量子化ビット数と同一の量子化ビット数で量子化した値を計算によって求める第２の手段と、
   前記第２の手段で得られた結果から、前記所望のトーンの周波数に発生した量子化雑音を求め、この量子化雑音を除去する第３の手段と、
   前記第３の手段の出力に前記他の１つ以上のトーンを付加する第４の手段と、
   前記第４の手段の出力信号を前記Ｄ／Ａ変換器によって実時間信号にして出力する第５
   の手段とを具備したことを特徴とするＯＦＤＭ変調器。
   
   

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