JP2006074081A - Ofdm通信装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
OFDM通信装置において、参照シンボルや伝送路補正用シンボルなどの通信制御のためのシンボルを送信する必要があるため、特に送信データが短い場合には伝送効率が低下するという問題があった。
【解決手段】
複数のキャリアからなるOFDMシンボルのうちの1つのキャリアを基準キャリア、残りのキャリアをデータを送信するためのデータキャリアとしてキャリアを配置し、差動変調器により隣接するキャリアに差動変調を行って作成された差動送信データを送信し、受信側では、差動復調器により隣接する2つのキャリアの周波数領域信号からデータを復調することで、全キャリア数に占めるデータキャリアの割合が多いため、送信データが少ない場合には特に伝送効率が向上する。
【選択図】図3

Description

本発明は、OFDM(直交周波数分割多重)通信方法を利用してデータの送受信を行うOFDM通信装置に係わり、特に伝送効率を向上するのに好適なデータの変調方法を採用したOFDM通信装置に関する。
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexingの略)通信方法は、複数のキャリアを周波数軸上に等間隔で配置し、各キャリアにデータを重畳して通信する方法である。複数のキャリアを用いるマルチキャリア通信方法に比べ、キャリアの周波数間隔を最小にすることができるため、伝送速度と使用周波数帯域幅との比で表される周波数利用効率が高く、高速化が可能である。このような特徴からADSLや無線LANの通信方法として広く採用されている。
OFDM通信方法において各キャリアを変調する方法としては、〔特許文献1〕に記載のように、OFDM変調回路を差動符号化のスタートシンボルを記憶するSSメモリ回路等で構成した差動変調方法、又は〔特許文献2〕に記載のように、受信する信号を初期位相メモリ回路が出力する初期位相でサブキャリア毎に検波して残留周波数誤差信号とする同期検波を用いる多値振幅位相変調方法があり、この2つの方法のいずれかが採用される。
特開2000−59329号公報 特開2000−165341号公報
差動変調は送信データの変化を送信信号にする方法であり、OFDM通信方法のキャリア変調に差動変調を用いる場合には、位相基準となる参照シンボルを送信し、次のシンボルからは、位相基準と送信データとの変化によりキャリアを変調したシンボルを送信する。受信側では参照シンボルの各キャリアの位相と、次に受信されたシンボルの位相との差から受信データを復調する。受信シンボルが複数ある場合には一つ前で受信されたシンボルの位相と比較して復調する。送信信号は伝送路によって各キャリアの位相が変化するが、差動変調の場合には一つ前のシンボルの同一のキャリアの位相差を検出するため、伝送路で発生する位相変化を補正する必要はない。
一方、同期検波を用いる多値振幅位相変調方法では、振幅と位相を送信データによって変化させるため、伝送路で発生する振幅と位相変化を補正する必要がある。この補正は、伝送路の振幅,位相変化を推定して行うが、伝送路の振幅,位相変化を推定するため、伝送路補正用シンボルを送信した後、送信シンボルを送信する。伝送路補正用シンボルの送信時の振幅,位相は既知であり、受信側では、受信された伝送路補正用シンボルの振幅,位相変化から伝送路の伝達関数を求め、受信されるシンボルを伝達関数を用いて補正して復調する。
これら2つの方法は、参照シンボルや伝送路補正用シンボルなどの余分なシンボルを送信する必要があるため、送信データが短い場合には特に伝送効率が低下するという問題がある。
また、OFDM通信方法では、伝送路の信号電圧対ノイズ電圧比であるS/Nによってキャリアの変調方法を変えて通信する適応速度制御が採用され、耐ノイズ性が向上されている。しかし、ノイズが比較的に大きい場合に採用されるBPSK変調も、さらに耐ノイズ性を向上させたスペクトル拡散方法に比べるとノイズに対しては弱いという問題がある。
本発明の目的は、伝送効率の低下を防止し、耐ノイズ性を向上したOFDM通信装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明のOFDM通信装置は、複数のキャリアからなるシンボルの1つのキャリアを基準キャリア、他のキャリアをデータキャリアとし、隣り合うキャリアの位相差を差動変調器により差動変調する。これにより、全キャリアが基準信号となる参照キャリアを用いる従来の差動変調方法に比べ、参照キャリアの数を減らすことができ、伝送効率を向上できる。
本発明のOFDM通信装置は、複数のキャリアに同一の送信データを割当てる変調方法、もしくは複数のキャリアに同一の送信データを割当てる変調方法と適応速度制御を併用する。そのため、ノイズが少ないときは高速で、ノイズが大きい場合にも低速ながら通信を実現することができる。
本発明によれば、データを送信する場合に1シンボルを基準キャリアや伝送路補正用シンボルとして使う必要が無いため、伝送効率が向上する。特に送信データが少ない場合、例えば送信データが1シンボル以内の場合には、50%程度の向上となる。また、適応速度制御と複数キャリアに同一の送信データを割当てる変調方法を併用するため、従来の
OFDMでは通信できないほどのノイズが発生した場合においても通信が可能であり、通信装置の信頼性が向上する。
本発明の第1の実施例を図1から図4により説明する。図1は、本実施例のOFDM通信装置の送信スペクトル、図2は、BPSK(Binary PSK)のコンスタレーション、図3は、送信処理回路の構成、図4は、受信処理回路の構成を示している。
図3に示すように、差動変調器5により送信データ4には、隣接するキャリアに差動変調が行われ、差動変調された信号はシリアル/パラレル変換器16a(S/P16a)によりパラレルデータに変換され、逆フーリエ変換器6(IFFT6)で送信時間信号に変換された後、パラレル/シリアル変換器7a(P/S7a)によりシリアル信号に変換されて送信信号8として送信される。
図1に示す送信スペクトルのように、データキャリア2a,2b,2c,2dは、左端のキャリアを基準キャリア1として、他のキャリアが差動送信データ3を送信するためのデータキャリア2b,2c,2dである。
差動変調器5では、送信データ4の先頭データ0が入力されると、先頭データ0の入力と遅延器13aの出力とが排他的論理和12(EOR12)で演算される。遅延器13aの初期値を0とすると、先頭データ0,遅延データ0のためEOR12の出力は0となる。次の送信データである1がEOR12に入力されると、遅延器13aの出力は0であるためEOR12の出力は1となる。さらに次の送信データである0がEOR12に入力されると、遅延器13aの出力は1であるためEOR12の出力は1となる。以上のような動作にて差動変調器5は送信データ4の1bitデータが入力される毎に遅延器13aの出力データとの間で排他的論理和演算することで差動送信データ3を生成することができる。
一方、図4に示す受信処理回路では、送信信号8が伝送路を伝播して間に振幅,位相が変化した受信信号9をシリアル/パラレル変換器16b(S/P16b)によりパラレルデータに変換し、フーリエ変換器10(FFT10)で周波数領域信号i(k)+j*Q(k)に変換され、パラレル/シリアル変換器7b(P/S7b)によりシリアル信号に変換され、差動復調器11に入力され、受信データとして復調される。
差動送信データ3の0,1のデータに応じて図2に示すBPSKのコンスタレーションにデータが変換されるが、k番目のキャリアのデータをi(k)+j*Q(k) とすれば、ひとつ前のk−1番目のキャリアデータとの位相差は、数1の内積演算によりもとめることができる。
(数1)
F(k)=i(k−1)*i(k)+Q(k−1)*Q(k)
図2に示すk−1番目とk番目のキャリアの関係においては、i(k)=i(k−1)=0であるので、内積演算F(k)は、F(k)=−Q*Q と負の値となる。k−1番目とk番目のキャリアのデータが同一の値であれば、内積演算F(k)は、F(k)=Q*Q となり正の値となる。BPSKの場合には、0,1のデータを復調すればよいので、内積演算F(k)の符号で位相差を判定することができる。
本実施例によれば1つのキャリアを基準信号として使用し、同時に送信する他のキャリアをデータキャリアとして送信できるため、基準キャリアが少なく伝送効率が高くなる。例えば、1シンボルが5キャリアの場合に、2シンボルを送信するためには、従来の差動変調方法では、1シンボル目の5キャリア全てを基準キャリアとするためデータキャリア数は5となる。これに対して、本実施例では合計10キャリア中の8キャリアをデータキャリアとして利用できるため、データキャリア数の割合が従来の差動変調方法の1.6 倍に向上する。OFDM通信方法における1シンボル当たりのキャリア数は数十から数百であり、キャリア数が多いほど効果は大きい。
本発明の第2の実施例を図5から図7を用いて説明する。第1の実施例ではキャリア変調方法がBPSKの場合について説明したが、本実施例ではQPSK(Quadrature PSK)でキャリアを変調する場合について説明する。図5はQPSKのコンスタレーション、図6は送信処理回路の構成、図7は受信処理回路の構成を示す。
本実施例のQPSKのコンスタレーションは、2bit単位のデータに対して図5に示すように反時計回りに00から11までの各座標位置としている。図6において、送信データ4をシリアル/パラレル変換器16c(S/P16c)により2bit単位のパラレルデータに変換し、2bit単位のデータを差動変調器5に入力する。差動変調器5では、EOR12にて排他論理和演算を実行し差動送信データ3を得る。その後の処理は、図1から図4で説明した第1の実施例の動作と同様に行われる。図7に示す受信処理回路では、キャリアのデータであるi(k)及びQ(k)を差動復調器11に入力し、k−1番目とk番目のキャリアデータを用いて演算回路17にて、F0+F1及びF0−F1を計算する。F0及びF1の計算式を数2に示す。
(数2)
F0=i(k−1)*i(k)+Q(k−1)*Q(k)
F1=i(k)*Q(k−1)−i(k−1)*Q(k)
QPSKでは各座標点の位相は90度毎に変化しており、その位置はF0+F1,F0−F1から表1に示すように対応づけることができる。
Figure 2006074081
以上説明したように、QPSKの場合においても1つの基準キャリアを用いて、隣接するキャリアに差動信号データを送信することで、伝送効率を向上させることができる。
本発明の第3の実施例を図8により説明する。本実施例は、第1,第2の実施例と同様に基準キャリアは1シンボル当たり1つであり、通信周波数領域内において通信に利用しない不使用帯域が存在する例である。本実施例では、隣接するキャリア間で差動変調するが、不使用領域が存在する場合には、不使用領域を挟んだ隣のキャリア間では周波数が離れるため伝送路での位相差が大きくなり、正しく受信できない場合が発生する。
図8において、通信周波数帯域29の中に不使用領域28a,28bが存在する場合には、不使用領域28a,28bの後の最初のキャリアを基準キャリア1として設定し、隣接したキャリアをデータキャリア2とする。この基準キャリア1とデータキャリア2を、第1,第2の実施例で説明したように処理することにより、不使用領域28a,28bが存在する場合にも差動変調を実現することができる。
このように、本実施例によれば、不使用領域が存在する場合においても、キャリア間での差動変調を実現できるため伝送効率を向上させることができる。なお、これまではキャリアの中で一番周波数が低いキャリアを基準キャリアとして説明したが、一番高い周波数のキャリアを基準キャリアとして用いても良く、中間の周波数位置に存在するキャリアの1つを基準キャリアとして用いても良い。
本発明の第4の実施例を図9から図12により説明する。図9は、本実施例の送信スペクトル、図10は、送信処理部の構成、図11は受信処理部の構成、図12は有線での伝送路の減衰特性の実測例を示している。
送信スペクトルは、1つの基準キャリア1と複数のデータキャリア2からなり、データキャリアのうち3つのデータキャリアに同一の送信データを割当てている。図9に示す例では、48本のデータキャリア2が有り、3つのデータキャリアに同一の差動送信データを割当てている。このため、48/3=16のデータキャリアでデータを送信しているのと等価である。この場合、キャリア変調方式がBPSKの場合には16bit、QPSKの場合には32bitが1シンボルで送信可能なデータ量となる。
3つのデータキャリアに同一の差動送信データを割当てるため伝送速度は低下するが、3本のキャリアを用いて送信受信するため、ノイズに対しては10*LOG3/LOG2の割合で信頼性が向上する。これは、同一データを割当てるキャリア数をNとすれば、通信に利用する周波数幅がN倍となるため、通信帯域幅Wと伝送量Q及び伝送路のS/Nとの関係を記述した数3に示すシャノンの定理から理解することができる。
(数3)
Q=W*LOG(1+S/N)/LOG2
本実施例によれば、複数のキャリアに同一データを割当てることにより、耐ノイズ性を向上できる。このとき、各キャリアのS/Nが同一である場合には、どのキャリアの組合せても同様の効果がある。但し、図12に示す伝送路の減衰特性から明らかなように、特定の周波数では減衰が大きなため、隣接するキャリアに同一データを割当てると、その周波数位置で減衰が大きな場合にはS/Nが悪いため通信ができない可能性がある。減衰が大きな周波数位置は通信線毎に異なるため、図12に示す送信スペクトルから分るように、等間隔に同一データを割当てるようにキャリアを選択したほうが、実際の伝送路における耐ノイズ性が向上する、あるいは減衰が大きいことによる低S/Nを避けることができ、通信の信頼性が向上する。
次に複数のキャリアに同一データを割当てて送信,受信する手順を図9〜図11により説明する。
送信側では、図10に示すように送信データ4は、3つのメモリ19aに同時に格納される。すなわち、メモリ1からメモリ3には同一の送信データ4が格納され、切替器20aによりメモリ1のデータを先頭から順に差動変調器5に出力し、次に切替器20aを切替えてメモリ2のデータを先頭から順に差動変調器5に出力し、最後に切替器20aを切替えてメモリ3に格納されたデータを差動変調器5に出力する。このように切替器20aを切替えてデータを順に出力することにより、等間隔はなれたキャリアに同一のデータを割当てて送信することができる。差動変調器5は、第1,第2の実施例で説明した差動変調器と同様の動作をする。
受信側では、差動復調器11の出力データを切替器20bで切替えてメモリ19bのメモリ1,2,3に順次格納する。このとき、通信時に伝送エラーが発生していない場合には、送信側メモリ19aと受信側メモリ19bには、同一のデータが格納される。
伝送エラーが発生している場合に対応するため、受信側メモリ19bのメモリ1,2,3の出力データを入力する多数決判定器21を設けている。3つメモリ1,2,3に格納されたデータのうち、1つのデータで伝送エラーが発生している場合には、多数決判定器21で多数決の判定することで正しいデータを受信データとして出力することができる。
本実施例によれば、複数のキャリアデータに同一データを割当てて送受信を実現することができる。なお、本実施例では受信側で0,1のデジタルデータとしてメモリに格納する場合を説明したが、位相情報である内積演算F(k)の強度を格納し、同一データが割当てられた内積演算F(k)のデータを加算処理し、加算処理結果の正負により受信データを判定すると、強度情報を用いるためにより正確な判定が可能である。また、多数決判定においては同一のデータキャリア数は奇数であることが必要であるが、内積演算F(k)を用いる場合には偶数でも判定できる。
本発明の第5の実施例を図13,図14により説明する。図13は、差動変調時の送信信号の構成図、図14は、適応速度制御と複数のキャリアを同一データとする通信方法との併用を実現するOFDM通信装置の送信処理回路の構成図である。
上述したようにOFDM通信方法のキャリア変調方法には、差動変調方法と同期検波を用いる多値QAM方法がある。多値QAM方法は、1つのキャリアにより多くのデータを割当てることができるため伝送速度は向上するが、多くのデータを割当てるとシャノンの定理から分るように、S/Nが比較的に高くないと通信することはできない。このため多値QAMを採用する場合には伝送路のS/Nを推定してキャリアに割当てるデータ量を可変にする適応速度制御が採用される。適応速度制御の場合には、S/Nが高い場合にはデータ量を多く、S/Nが低い場合にはデータ量を少なくして送信するため、通信の信頼性は向上するが、最小の割当量はBPSKの1bit/キャリアであり、これで送信できるS/N以下になると通信できない可能性がある。例えばS/Nが10dB以下になると適応速度制御を行っても通信できなかった。この場合に、適応速度制御を、複数のキャリアを同一データとする方法に切替えて通信することで、通信信頼性を向上でき、またS/Nが高い場合でも高速通信が可能なOFDM通信装置を実現することができる。
図13に示すように、送信データを伝送路へ送信する場合には、送信信号の前に同期信号が必要であり、先頭に同期信号22を設けている。上述したように適応速度変調方法の場合には、伝送路推定用シンボル24が送信され、その後にデータ送信部25aのシンボルが送信される。伝送路推定用シンボル24を受信側で解析することにより、伝送路のS/Nを推定できるようになっている。一方、差動変調の場合には同期信号22の後に、データ送信部25bのシンボルが送信される。これらの両方法を併用する場合には、どちらの方式が選択されているかを受信側で知る必要があり、このため、図13に示すように同期信号22の後に変調方法を識別するための識別情報23を送信しており、受信側では、この識別情報23によりその後に続くデータ送信部25の変調方法を知ることができる。なお、識別情報23は伝送路推定用シンボル24が不要な差動変調方法の方が効率が良い。
図14に示すように、本実施例の送信処理回路は、識別情報23,送信データを入力して差動符号化する差動符号部30,キャリアテーブル27を参照し、識別情報23,伝送路推定用シンボル24,送信データを入力して多値QAM化する多値QAM部26,差動符号部30の出力と多値QAM部26の出力とを切替える切替部20c,切替部20cの出力のシリアルデータをパラレルデータに変換するS/P16a,パラレルデータを送信時間信号にIFFT6,パラレル信号をシリアル信号に変換するP/S7a,P/S7aより出力される信号と同期信号22を切替えて先頭に同期信号を設けた送信信号を送信する切替部20dで構成される。
このように切替部20cを設けているので、送信データの変調方法として差動変調方法と同期検波を用いる多値QAM方法を選択でき、切替部20dを設けているので、先頭に同期信号を付して送信することができる。
以上述べたOFDM通信装置を電力線搬送に用いた場合について説明する。電力線搬送では、商用電力を伝送する電力線に対して通信信号を重畳することで高速な通信を目指しているが、電力線には多くの家電製品が接続されており、それらの稼動状況に応じて、電力線のインピーダンスやノイズが時間的に変動する、又、電力線は配線の分岐が多いため、信号の減衰量が大きいため、電力線搬送では様々な伝送路特性に対応した通信方法が要求される。適用する差動変調方法では、1シンボル内において周波数軸上で隣接するサブキャリア間の位相差に対してデータを割り付けているので、1シンボルだけでも伝送することが可能となり、伝送遅延を小さくすることができる。又、1シンボル内で同一データを3回繰返して割り付けることで周波数ダイバーシティを持たせた差動変調方法としているので、復調時には多数決理論により正しいデータを復調することができる。
又、伝送誤りに対しては、(255,231)BCH符号の誤り訂正符号を用いてFEC(Forward Error Correctionの略)処理を行い、ビット誤り率の低減を図っている。この誤り訂正処理により、255ビット中3ビットの誤りが訂正可能であり、4ビット以上の誤りについては、ARQ(Automatic Repeat Requestの略)処理を行うことにより、訂正が可能である。これらの処理により、1つのBHCブロックにおける情報ビットは231ビットであるが、このうちの224ビットをデータ伝送に割り当てているので、224ビット単位での再送処理が可能である。
本発明の第1の実施例であるOFDM通信装置の送信スペクトルを示す図である。 BPSKのコンスタレーションを示す図である。 OFDM通信装置の送信処理回路の構成図である。 OFDM通信装置の受信処理回路の構成図である。 本発明の第2の実施例であるOFDM通信装置のQPSKのコンスタレーションを示す図である。 送信処理回路の構成図である。 受信処理回路の構成図である。 基準キャリアとデータキャリアの配置を示す送信スペクトル図である。 本発明の第4の実施例である基準キャリアとデータキャリアの配置を示す送信スペクトル図である。 送信処理回路の構成図である。 受信処理回路の構成図である。 減衰測定結果を示す図である。 本発明の第5の実施例である送信信号の例を示す図である。 送信処理回路の構成図である。
符号の説明
1…基準キャリア、2…データキャリア、3…差動送信データ、4…送信データ、5…差動変調器、6…逆フーリエ変換器、7…パラレル/シリアル変換器、8…送信信号、9…受信信号、10…フーリエ変換器、11…差動復調器、12…排他的論理和、13…遅延器、14,17…演算回路、15…正負判定器、16…シリアル/パラレル変換器、
18…判定回路、19…メモリ、20…切替部、21…多数決判定器、22…同期信号、23…識別情報、24…伝送路推定用シンボル、25…データ送信部、26…多値QAM部、27…キャリアテーブル、28…不使用領域、29…通信周波数帯域、30…差動符号部。

Claims (6)

  1. 周波数軸上に配置した複数のキャリアからなるシンボルのうちの1部のキャリアを基準キャリア、他のキャリアをデータキャリアとし、作動変調器により送信データの隣接するキャリアに差動変調を行って作成された差動送信データを送信するOFDM通信装置。
  2. シンボルのうちの1部のキャリアを基準キャリア、他のキャリアをデータキャリアとし、送信データの隣接するキャリアに差動変調を行って作成された差動送信データを受信し、差動復調器により前記差動送信データから周波数領域信号に変換された隣接するキャリアの内積演算で位相を判定して復調するOFDM通信装置。
  3. 周波数軸上に配置した複数のキャリアからなるシンボルのうちの1部のキャリアを基準キャリア、他のキャリアをデータキャリアとし、複数のデータキャリアに同一の送信データを割当てて作動変調器により送信データの隣接するキャリアに差動変調を行って作成された差動送信データを送信するOFDM通信装置。
  4. シンボルのうちの1部のキャリアを基準キャリア、他のキャリアをデータキャリアとし、複数のデータキャリアに同一の送信データを割当てて送信データの隣接するキャリアに差動変調を行って作成された差動送信データを受信し、差動復調器により前記差動送信データから周波数領域信号に変換された隣接するキャリアの内積演算で位相を判定して復調して多数決判定部に入力し、多数決判定して正しいデータを出力するOFDM通信装置。
  5. 識別情報,送信データを入力して複数のキャリアを同一データとして差動符号化する差動符号部と、識別情報,伝送路推定用シンボル,送信データを入力して多値QAM化する多値QAM部と、前記差動符号化部の出力と前記多値QAM部の出力を切替える切替部とを備え、前記伝送路推定用シンボルを受信して推定された伝送路のS/Nに基づいて前記切替部を切替えて前記差動符号化部の出力と前記多値QAM部の出力を切替えるOFDM通信装置。
  6. 前記データキャリアの間に不使用領域が存在する場合は、不使用領域の後の最初のキャリアを基準キャリアに設定する請求項1から4のいずれかに記載のOFDM通信装置。

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