JP3690293B2 - マルチキャリア変調方式の同期方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ）方式をはじめとするマルチキャリア変調方式において、送信の単位となるフレームの開始位置を受信側で検出する同期方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の搬送波夫々を振幅及び位相変調しそれらを合成して送信信号とする方式をマルチキャリア変調方式と呼ぶ。伝送速度が同一の場合には、マルチキャリア方式の方が送信時間をキャリア数倍、長くできるために通信路で発生する反射波の影響を受けにくい。
【０００３】
直交周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ）はマルチキャリア変調方式の一つであり、搬送波の周波数間隔を最小にできるため、高い周波数利用効率が得られる。このため、電力線搬送，デジタルテレビ放送，無線及び電話回線を用いるｘＤＳＬ(Digital Subscriber Line）の変調方式として採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＯＦＤＭ変調方式では、送信デジタルデータを搬送波の振幅及び位相に変換し、逆フーリエ変換(ＩＦＦＴ)にて搬送波を合成し送信信号を生成する。ＩＦＦＴにより合成した送信信号の長さをＦＦＴフレームと呼び、その長さＮはＩＦＦＴの基数と一致する。ＯＦＤＭでは更にマルチパス遅延波の影響を低減するため、ＦＦＴフレームの後半部をフレームの先頭にコピーし、送信信号とする。このコピーした部分がガードインターバルであり、これとフレームを合わせた送信信号単位をシンボルと呼ぶ。送信信号はシンボルが複数個連続したものとなる。
【０００５】
受信側では、受信信号をＦＦＴフレーム毎にフーリエ変換（ＦＦＴ）し、搬送波を分離し各搬送波毎にデータを復調する。受信処理ではＦＦＴフレームの区切りを検出することが重要であり、区切りを誤検出すると異なるフレームのデータをＦＦＴするため、復調できなくなる恐れがある。
【０００６】
ＦＦＴフレームの区切りを検出することをＦＦＴフレーム同期と呼ぶ。従来は、シンボル中のガードインターバル信号がそのシンボル後半部と同一であることを利用し相関処理にて検出する方法や、１シンボル期間送信しないヌルシンボル、周波数を直線的に変化させるチャープシンボル或いは同期信号を用いて、FFTフレーム同期を達成していた。これらの従来技術は、例えば特開平１１−239115号公報，特開２０００−６８９７２号公報等がある。
【０００７】
ガードインターバルを利用する方法は、ガードインターバルがＦＦＴフレームのコピー信号であるため、シンボル区切り点前後においても相関値は高く相関ピーク値が明瞭ではないため、同期誤差が発生し易く、また同期精度を上げるためには複数シンボル期間同期処理する必要がある。同期信号を用いる従来法においても上記問題がある他、その対策の一案であるところの、同期信号と同じ信号を受信側に設けその一致度でシンボル同期を取る方法は、同期検出処理が複雑になること及び同期信号が伝送路で歪むと一致度が低下し精度を上げるためには複数の同期信号を用いて判定する必要があった。
【０００８】
本発明の目的は、少ない処理時間で精度良くＦＦＴフレーム同期を実現できる同期方法及びこれを用いた通信装置を提供することにある。尚、同期信号は送信データを伝送する信号ではないため、同期信号は短ければ短いほど、送信信号を伝送するために利用できる時間が増えるため、送信データとデータ伝送を制御するために必要なデータとの比で決まる伝送効率は高くなる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明におけるマルチキャリア変調方式の同期方法は、複数の搬送波の振幅と位相を送信データにより変調しそれらの合成信号を変調信号とする直交周波数多重分割（ＯＦＤＭ）方式をはじめとするマルチキャリア変調方式の送信データフレームの同期方法であって、送信データの送信前に、複数の搬送周波数を周波数多重変調しデータフレーム長Ｎの１／４の長さの同期信号を生成し、前期同期信号を少なくとも４個以上繰り返し連続して送信し、前記同期信号とは異なる複数の搬送周波数からなる長さＮ／４の第２の同期信号を少なくとも４個以上繰り返し連続して送信し、続いて全搬送周波数を周波数多重変調し長さＮの同期信号を２回以上繰り返し送信し、前記複数の同期信号と送信データを受信する受信側においては、送信データの開始位置をＮ／２長さ離れて受信される信号値との比較及び受信データ列を検出点から折り返し検出点から同数離れた信号値との比較により決定されることを特徴とする。
【００１０】
この発明においては、▲１▼一定間隔で割り当てた少なくとも４個以上の搬送波周波数を多重変調した同期信号を利用すること、▲２▼Ｎ／２長さ離れて受信される信号値間の相関値によりフレーム開始位置を検出し、前記全搬送周波数から生成された同期信号の上記フレーム開始位置に相当する受信データサンプリング点前後の点を上記折り返し点とし上記相関処理し、フレーム開始位置を検出すること、▲３▼前記同期信号を送信する前に伝送路ノイズの周波数分布を測定し同期信号を生成する搬送波周波数を決定すること、または▲４▼前記同期信号及び送信データが電力を機器に供給する電力線内を伝送すること、が望ましい。
【００１１】
本発明の同期法では、同期確立時間の短縮と高精度化のため２段階の同期処理手順を持つ。ＦＦＴフレーム内のサンプリングデータ数をＮとすれば、最初にＮ／４周期の同期信号を繰り返し送信し、受信側では受信信号とそれをＮ／２サンプリングクロックだけ遅延させたものとの相関演算をし、同期信号の区切りのところで発生する相関のピーク値に区切りを検出する。この検出点には、ノイズ等により誤差が含まれている可能性がある。
【００１２】
そこでＮ／４周期の同期信号を繰り返し送信した後、全搬送波を変調した同期信号を送信し、受信側ではＮ／４周期同期信号で得られた区切り点から、上記全搬送波を変調した同期信号の到来時刻を予測し、その時刻前後を検出点として一種の相関処理を行う。
【００１３】
ＯＦＤＭ変調方式ではＩＦＦＴにより送信信号を生成するが、発生させたＮ個の時間データは中心位置Ｎ／２を点対称として同一の値を持つ。例えばＮ＝８の場合、（２，８），（３，７），（４，６）の要素の組が同一の値を持つ。このことを利用し、（Ｎ／２−１）組のデータを相関処理し相関値の大きなところがＮ／２の区切りと判断することができる。この処理は全受信信号系列に対して行う必要はなく、Ｎ／４周期同期信号で得られた誤差を含んだ区切り点の前後をＮ／２の点として、相関処理をすればよい。
【００１４】
このように、本発明ではＦＦＴフレームの粗同期をＮ／４周期の同期信号で行い、次に通常周期の同期信号により精密同期を行うことにより、確立時間の短縮と高精度化が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細な実施例を図１を用いて説明する。図１は本発明の一実施例である電力線搬送装置の構成図である。送信信号（送信データ）１及び同期信号２は、ＩＦＦＴ３により複数の搬送波に合成され、デジタルアナログ変換器Ｄ／Ａ４により、アナログ信号に変換され、電力線結合器５ａを介して電力線６にＯＦＤＭ送信信号が重畳される。尚、符号１２，１３はスイッチである。
【００１６】
電力線６には電力線搬送装置の他、いろいろな電気機器１１ａ，１１ｂが接続されており、これら機器によりノイズや送信信号の歪みが発生する。
【００１７】
受信側では、電力線結合器５ｂより受信信号を分離し、Ａ／Ｄ７によりデジタル信号に変換する。ＯＦＤＭ受信信号を復調するため、まず同期回路８にてFFTフレーム同期を取り、受信信号をＦＦＴフレーム毎にＦＦＴ９にてフーリエ変換し受信データを得る。尚、符号１０は受信データ（受信信号）であり、符号１３はスイッチである。同期回路８は、ＦＦＴフレームカウンタ１８，ピーク検出１６，相関処理１５，Ｎ／２遅延１４，折り返し相関処理１７で構成される。
【００１８】
ＦＦＴフレーム内のデータ数をＮとして、以下説明する。本発明では図１に示すようにまずＮ／４個の同期信号Ｘを送信し、次に符号を反転させた−Ｘを送信し、続けて同様にＸ，−Ｘ，−Ｘの順に連続して送信する。このようにＮ／４周期の信号を生成するには、搬送波周波を４個間隔で選択して変調し合成すればよい。このとき、同期信号を生成する搬送波周波数の数は多いほどノイズに対する誤検出が少なくなるため、少なくとも４個以上とすることが望ましい。
【００１９】
受信側では、初期状態では同期が確立されていない。従って電力線結合器５ｂ，Ａ／Ｄ７を介して入力された受信信号は、スイッチ１３により同期回路８の方へ出力される。その受信信号は、相関処理１５とＮ／２遅延１４に入力される。図１においては、折り返し相関処理１７にも接続されているが、同期処理の初期段階では折り返し相関処理１７の動作は停止させておく。受信信号はＡ／Ｄ７のサンプリング毎に受信され、Ｎ／２遅延１４は受信信号をサンプリング数でＮ／４個分遅延される機能を持つ。
【００２０】
このため、スイッチ１３の時刻ｔ＝ｋ／ｆｓにおける出力信号をｙ(ｋ)とすれば、同時刻にＮ／２遅延１４から出力される信号はｙ(ｋ−Ｎ／２)となる。ここで、ｆｓはＡ／Ｄ７のサンプリング周波数である。相関処理１５はｙ(ｋ)と
ｙ(ｋ−Ｎ／２)の相関処理を行う。これは両信号の積、或いは差分を計算することで実現できる。Ｎ／４周期の同期信号を繰り返し送信するため、ｙ(ｋ−Ｎ／２）が同期信号であればｙ(ｋ)との相関値は当然高くなる。
【００２１】
一方、同期信号の前は電力線で発生したノイズが相関処理１５の入力信号となり、ノイズにはＮ／４或いはＮ／２の周期性を持つ可能性は小さいため相関値は小さい。但し、同期信号にノイズが重畳されたものが入力信号となる可能性がある。このため、相関処理１５の誤検出を防ぐため、連続した複数個の相関値を平均化したものを相関処理１５の出力とすることで、誤検出を防ぐことができる。平均化する個数は多ければ多いほど耐ノイズ性は向上する。
【００２２】
本発明の実施例では、Ｎ／４周期の同期信号をその符号を交互に反転させ繰り返し送信するため、最大でＮ／２個の相関値を平均化すればよい。相関処理１５においては、上述したようにサンプリングされた受信信号ｙ(ｋ) 及びｙ(ｋ−Ｎ／２）が入力され、両者の積或いは差を取り、これをその前の入力信号で計算された（Ｎ／２−１）個の相関値と合わせて平均値を求めるのみで良く。このような処理は信号を時系列的に処理するために用いられるデジタルシグナルプロセッサ（以下ＤＳＰと略す）に好適なアルゴリズムである。
【００２３】
図１の本発明の実施例においては、上述したようにＮ／４周期の同期信号ＸをＸ，−Ｘ，Ｘ，−Ｘ，−Ｘのように符号を反転させて送信する。このため、図１に示すようにＮ／２相関出力値は時刻Ａ点において、相関出力値が最大となる。すなわち時刻Ａ点で相関処理されるＮ／２組の受信信号は、両者とも(Ｘ，−Ｘ)となるためである。ピーク検出１６は相関値のピークを検出すると、次の同期処理である折り返し相関処理１７の動作を開始させる。なお、時刻Ａ点の後の同期信号が−ＸではなくＸであるとすれば、相関出力値はＮ／４期間最大値となる。この場合にはしきい値を設けて、それ以上の値になることで時刻Ａ点となり、ピーク検出１６で検出すればよい。本発明の実施例では、時刻Ａ点で相関値がピークを示すように最後のＮ／４周期の同期信号の符号を反転させている。
【００２４】
このように少なくともＮ／４個の同期信号を繰り返し最後のＮ／４個は先頭のＮ／４同期信号と符号を反転させれば、Ａ点でピークが得られる。従って、上述の本発明の実施例では、（Ｘ，−Ｘ，Ｘ，−Ｘ，−Ｘ）の同期信号を用いたが、（Ｘ，Ｘ，Ｘ，Ｘ，−Ｘ）の組合せの同期信号を用いても良い。
【００２５】
電力線搬送においては電気機器が発生する様々な周波数成分のノイズが発生する可能性があり、図１に示したような明瞭なピークが得られずに誤検出する恐れがある。このため、Ｘの信号を繰り返した同期信号の後、同じくＮ／４の周期を持つＹを繰り返し同期信号とすることでより検出精度を高めることができる。このとき、同期信号ＸとＹで利用する搬送波周波数を異なる周波数とすることにより、搬送波と同一の周波数を持つノイズが発生した場合にでもより精度良くフレーム位置を検出することができる。
【００２６】
尚、上述した同期処理方式では同期信号のＮ／４の周期性のみを利用するため、受信側では同期信号の時間波形を予め知る必要はない。このため、例えばＮ／４周期の信号を生成するために使用する搬送波周波数は受信側の告知せずに変更することが可能である。従って、送信前に電力線に発生しているノイズを測定し、ノイズ周波数と異なる搬送波から同期信号を生成すれば、ノイズの影響による同期誤差を小さくすることが可能となる。
【００２７】
上述したように、本発明においては１組の入力信号に対して１回の積和演算或いは差分演算のみで行えるため処理が簡単ではあるが、ピーク値前後の相関値も高いため、数サンプリングクロック程度の誤差は発生する可能性はある。そこでＦＦＴフレーム同期精度を高めるため、Ｎ／４周期の繰り返し同期信号に続いて全搬送波周波数を用いて生成した同期信号を送信する。受信側では上述したようにこの時刻Ａ点でピーク検出１６でピーク検出しているため、折り返し相関処理１７の動作が開始されている。
【００２８】
全搬送波周波数からなる同期信号は、図１に示すようにＩＦＦＴを用いて生成されることから、データ数をＮとすれば中心位置Ｎ／２において点対称な送信信号となる。上述のＮ／４同期信号で検出した時点Ａから、全搬送波周波数を用いて生成した同期信号を受信完了するまでのデータ数は５Ｎ／４であることは、受信側では予め解っている。従って、折り返し相関処理１７は時刻Ａ点以降、受信信号が入力される毎に処理を行う必要なく、ピーク検出１６で検出した時刻とＡ点との誤差範囲の領域のみにおいて、相関処理を行えばよい。
【００２９】
よって、誤差を予め測定しその誤差の最大値が５サンプル以下であるとすれば、ピーク検出点から（５Ｎ／４−５）時刻進んだ時点から折り返し相関処理を開始し、（５Ｎ／４＋５）時刻までの１０サンプル期間相関処理を行い、各サンプル時の相関出力から最大値を検出することでＦＥＴフレームの区切りを検出することができる。
【００３０】
折り返し相関処理１７では、受信信号が入力されるたびに、Ｎ／２を境に相関性を同期信号が持つことを利用して、Ｎ個のデータ列ｙ(ｎ)に対して下記相関演算を行う。
【００３１】
【数１】

【００３２】
このようにＮ個のデータを中心位置から折り返して相関をすることから、折り返し相関処理と呼ぶ。この相関値は、ＦＦＴフレーム点での相関値は高く、１サンプリングクロック離れた位置での相関は非常に小さな値となるため、精度良く検出することができる。尚、この演算ではデータ列を並べ替えて相関処理を行う必要があり、上述のＮ／４同期信号に対する処理に比べ処理時間を要する。電力線搬送や他のＯＦＤＭを用いた伝送方式においては、ＦＦＴフレーム同期処理だけでなく、他の処理も同時に並行して行う必要があるため、ＩＦＦＴの相関性を利用した折り返し相関処理を、常に行うことは実現するハードウェアの処理能力を増大させる。
【００３３】
このため、本発明の実施例で述べたようにＮ／４同期信号を用いて誤差数クロックを許容する方法でＦＦＴフレーム位置を検出し、全搬送波周波数を用いて生成した同期信号が受信される時点前後でのみ折り返し相関処理にて、同期検出を行う方が良いことは言うまでもない。
【００３４】
折り返し相関処理１７でフレーム位置を検出すると、その信号によりＦＥＴフレームカウンタ１８をリセットする。カウンタ１８はＮ進のカウンタとなっており、その出力値が０となる点がＦＥＴフレームの区切り点として、ＦＥＴ９の処理を行えば良い。折り返し相関処理でピークを検出した後は、スイッチ１３にてＡ／Ｄ７からの受信信号はＦＥＴ９に入力する。このようにすれば、同期信号の後に続けて送信されてくる送信データをＦＥＴ９にて、カウンタ１８の出力が０となる度にＮ個のデータをＦＥＴ処理することで受信データを復調することができる。
【００３５】
図１は、ＯＦＤＭ変調方式を用いた電力線搬送装置において、本発明のＦＥＴフレーム同期方法の一実施例であったが、本発明の電力線搬送装置を用いた通信システムにも適用できる。その一例を図２に示す。図２において、高電圧電力線１００は、例えば６．６ＫＶの電圧を送電しており、電柱４１，４５に取りつけられた高電圧／低電圧変圧器３１，３２により１００Ｖ／２００Ｖの低電圧が２次側に出力される。高電圧／低電圧変圧器の２次側である低圧電力線６１，６２は、電力引込み線７１，７２を介して各家庭１０１，１０２，１０３，１０４，１０５に、１００Ｖ／２００Ｖの低電圧を供給する。４２，４３，４４，４６，４７は各家庭に配電する低圧電力線６１，６２、電力引込み線７１，７２を架設するための電柱である。
【００３６】
各家庭には、電力計９１，９２，９３，９４，９５が取りつけられており、家庭内には、宅内電力線１１１，１１２，１１３，１１４，１１５が敷設されており、この宅内電力線に、例えばパソコン１２１，１２２，１２３,１２４,１２５や家電品１３１，１３２，１３３，１３４，１３５，１４１，１４２，１４３，１４４，１４５などの機器が接続されている。尚、宅内電力線は単線図で示してある。光ファイバー２００は電柱４１，４５に架設されており、公衆通信網に接続されている。
【００３７】
また、光ファイバー２００は、光分岐器２１，２２を介して親局５１，５２に一部が接続されている。光分岐器２１，２２の代わりに、光ファイバー同士を融着接続させても良い。親局５１，５２は低圧電力線６１，６２、電力引込み線７１，７２に通信データを重畳させて各家庭に設置した電力線搬送装置８１，８２，８３，８４，８５と通信すると共に光ファイバー２００を介した公衆通信網１５０へのデータ通信も行う。この例では、パソコン１２１，１２２，１２３，１２４，１２５の通信情報を電力線搬送装置８１，８２，８３，８４，８５に出力し、親局５１，５２を介して宅外に通信することができる。いわゆるインターネット通信を可能としている。
【００３８】
公衆通信網１５０には、サービスプロバイダー１５１などが多数接続されており、宅内から欲しい情報を入手することが可能である。また逆に、外部から宅内の情報を入手することも可能である。さらに、宅外から、宅内遠隔監視・制御モバイル１５２により、宅内機器を遠隔に監視したり制御したりすることも可能である。
【００３９】
本発明は、電力線搬送の同期方法の処理時間短縮と同期精度を向上するため、このような通信システムに適用した場合には以下の効果がある。すなわち、同期処理時間が短いと同期信号を短くでき、短縮した時間をデータ送信時間に割り当てることが可能となるため、単位時間当たりに伝送可能な情報量を増やすことができる。また、同期精度が低下すると伝送誤りが増加し、送信データの再送が必要となる。このため、本発明は同期精度を高くすることができるため、再送の割合を低くすることができるため、結果として単位時間当たりに伝送可能な情報量を増やすことができる。
【００４０】
このように構成することにより、光ファイバーは各家庭まで敷設する必要がなく、基幹ルートの敷設のみでよい。基幹ルートからは、各家庭に電力を供給している電力線を利用して複数の家庭に電力線搬送により通信データを送受信することが可能である。特に、基幹ルートは公道に面した場所や電力線や光ファイバーなどを敷設する専用の地下トンネルであったりするので敷設距離の割りには工事費は比較的安価である。一方、各家庭は公道に面した場所でなかったり、工事用車が入りづらい場所であったりすることが多く、光ファイバーを各家庭に敷設しようとすると距離の割りには工事費が膨大になるが、このようなことが本実施例ではない。
【００４１】
更に、本実施例では、１台の親局５１，５２に複数の電力線搬送装置８１，８２，８３，８４，８５を接続している構成としているために、親局５１，５２の設置台数が少なくて済み、工事費、設備費を軽減できる。これら親局及び子局に用いる電力線搬送において、ＯＦＤＭ変調方式のＦＦＴフレーム同期に本発明を適用することにより、同期処理時間の短縮と同期精度を高くできるため、実効伝送速度の向上及び通信の信頼性が向上する。
【００４２】
【発明の効果】
以上、本発明によればＯＦＤＭ変調信号を受信側で復調するために必要なＦＦＴフレーム同期処理を、処理時間を短くし精度良く検出することができる。また、同期処理においては同期処理の相関性を利用しており同期信号が伝送路で歪みを受けても相関性は損なわれることはなく、精度良い検出が可能となる。又、同期信号のＮ／４の周期性を利用しているため、受信側では同期信号の時間波形を予め知る必要がなくなり、第１，第２の同期信号で利用する搬送波周波数を異なる周波数としているので、搬送波と同一の周波数を持つノイズが発生しても精度よくフレーム位置を検出できる。
【００４３】
同期信号はデータ伝送に利用できない信号のため、本発明では同期信号を短くできるため、相対的に送信信号に利用できる割合が増え、実効伝送速度を向上できる。ＦＦＴ同期フレームがずれると、受信信号を復調するときに誤差が発生し易くなり、伝送誤りが発生する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る電力線搬送システムの構成図である。
【図２】本発明の好適な適用対象例である。
【符号の説明】
１…送信データ、２…同期信号、３…ＩＦＦＴ、４…Ｄ／Ａ、５…電力線結合器、６…電力線、７…Ａ／Ｄ、８…同期回路、９…ＦＦＴ、１０…受信データ、１１…電気機器、１２…送信切換ＳＷ、１３…受信切換Ａ／Ｄ、１４…Ｎ／２遅延、１５…相関処理、１６…ピーク検出、１７…折り返し相関処理、１８…FFTフレームカウンタ。

Claims (5)

1. 複数の搬送波の振幅と位相を送信データにより変調しそれらの合成信号を変調信号とする直交周波数多重分割（ＯＦＤＭ）方式をはじめとするマルチキャリア変調方式の送信データフレームの同期方法であって、送信データの送信前に、複数の搬送周波数を周波数多重変調されるデータフレーム長Ｎの１／４の長さの第１の同期信号を生成し、前記第１の同期信号を少なくとも４個以上繰り返し連続して送信し、前記第１の同期信号の搬送周波数とは異なる複数の搬送周波数を周波数多重変調されるデータフレーム長Ｎの１／４の長さの第２の同期信号を少なくとも４個以上繰り返し連続して送信し、続いて全搬送周波数を周波数多重変調し長さＮの第３の同期信号を２回以上繰り返し送信し、前記複数の同期信号と送信データを受信する受信側においては、前記第１の同期信号及び前記第２の同期信号をＮ／２遅延させた同期信号との相関処理により相関値のピーク検出を行い、前記相関値のピーク検出により検出されたＦＦＴフレーム開始位置を基準として前記第３の同期信号の中心位置Ｎ／２から折り返し相関処理して相関値を求めることによりＦＦＴフレームの区切りを検出することを特徴とするマルチキャリア変調方式の同期方法。
2. 請求項１において、前記第１の同期信号及び第２の同期信号の最後のＮ／４周期の同期信号が符号を反転させたものであることを特徴とするマルチキャリア変調方式の同期方法。
3. 請求項１において、第１の同期信号及び第２の同期信号の前記相関値のピーク値により検出されたフレーム開始位置から、前記全搬送周波数から生成された第３の同期信号の前記フレーム開始位置に相当する受信データサンプリング点前後の点を前記折り返し相関処理して、フレーム開始位置を検出することを特徴とするマルチキャリア変調方式の同期方法。
4. 請求項１において、前記同期信号を送信する前に伝送路ノイズの周波数分布を測定し同期信号を生成する搬送波周波数を決定することを特徴とするマルチキャリア変調方式の同期方法。
5. 請求項１の同期方法において、前記同期信号及び送信データが電力を機器に供給する電力線内を伝送することを特徴とするマルチキャリア変調方式の同期方法。

Images