JP3800176B2 - Communication apparatus and communication system using the same - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、直交周波数分割多重方式のようなマルチキャリア変調方式により通信を行う通信装置及びそれを用いた通信システムに関する。
背景技術
搬送波(キャリア)を用いた通信技術において、1つのキャリアの振幅,位相或いは周波数を変調することによりデータを送信する方式をシングルキャリア変調方式と呼ぶ。これに対して、振幅或いは位相が変調された複数のキャリア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。伝送速度が同じ場合、マルチキャリア変調方式の方がキャリア数倍送信時間を長くできるため、通信路で発生する反射波の影響を受けにくいという特徴がある。
直交周波数分割多重(以下、OFDMという)方式は、マルチキャリア変調方式の一つであり、キャリアの周波数間隔を最小にできるので周波数利用効率が高い。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。
このOFDM方式に限らずマルチキャリア変調方式では、複数のキャリアを合成して送信信号とするため、送信信号の振幅の実効値に対して比較的高いピーク振幅を持つ。つまり、ピーク電力と平均電力との比(以下、ピーク電力/平均電力をピーク比と呼ぶ)が高い。一般に、通信装置には送信出力に規制値があるため、マルチキャリア変調方式のようにピーク比が高いと、平均電力を大きくすることができない。通信装置の伝送特性は通信装置を含めた伝送路の信号雑音比(S/N)によって決まるが、前述の通り、マルチキャリア変調方式では平均電力を大きくすることができないためにS/Nを高くすることが難しく、その結果、伝送誤りが増加してしまう。また、ピーク比が高いことにより、送信アンプとして最大電力の大きなアンプを使用しなければならず、送信アンプのコストが高くなる。更に、送受信の信号処理に用いられるデジタル処理回路のダイナミックレンジを大きくしなければならない。
ピーク比を低減するための従来技術としては、特開平8−97797号公報,特開平10−178411号公報及び特開平11−163826号公報等があるが、これらの従来技術では、伝送データの配列により発生するピーク電力を低減するための配列変換用の複雑な演算が必要であったり、データ配列を制限するための冗長ビットを付加することにより実効的な伝送速度が低下するという問題がある。
発明の開示
本発明の目的は、マルチキャリア変調方式を用いて通信を行う際に、伝送速度を低下させることなくピーク比を低減可能な通信装置及びそれを用いた通信システムを提供することにある。
上記目的を達成する本発明の特徴は、送信データにより変調された複数の搬送波を合成して得られた変調信号を入力し、予め設定された閾値以下の信号に対する第1増幅率と、前記第1増幅率よりも小さな値が設定された前記閾値を超える信号に対する第2増幅率とによって前記変調信号を増幅する圧縮器と、前記圧縮器の出力信号に基づいて得られた送信信号を送信する送信手段とを備えたことにある。
閾値を超える信号の増幅率を閾値以下の信号の増幅率よりも小さな値とすることによって、閾値を超える信号が閾値以下の信号に比べて圧縮されるため、変調信号のピーク電力が低下し、かつ平均電力の低下はピーク電力の低下よりも小さく押さえられるため、ピーク比は低減される。また、従来技術のようにデータ配列を制限するための冗長ビットを付加する必要がないため、伝送速度を低下させることがない。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
(実施例1)
第1図は、本発明の好適な一実施例である通信システムの構成を示す。第1図に示すように、本実施例の通信システムでは、複数の通信装置1a,1b,1c…が電力線2を介して接続されており、各通信装置1a,1b,1c…は電力線2に信号を畳重することによって互いにデータを送受信する。つまり、本実施例の通信装置は、電力線搬送によってデータを送受信する電力線搬送装置である。なお、通信装置1a,1b,1c…は、同じ装置構成となっており、その動作も同様である。
以下、通信装置1aから通信装置1bにデータを送信する場合について説明する。まず、通信装置1bへ送信する送信データが、通信装置1aのOFDM変調器10に入力される。OFDM変調器10において、入力された送信データはマッピング101に入力され、マッピング101は入力された送信データを0,1パターンから複素数データに変換する。この複素数データが、各キャリアの振幅データとなる。得られた複素数データは、逆高速フーリエ変換器(IFFT)102に入力され、逆高速フーリエ変換されることによって時間領域での変調信号が生成される。なお、本実施例では、振幅及び周波数の異なる複数のキャリアを合成するため、逆高速フーリエ変換を採用している。IFFT102による逆高速フーリエ変換によって得られた複素数信号は、直交変調器103に入力される。直交変調器103は、入力された複素数信号を実数信号に変換して出力する。従来は、この直交変調器103で得られた信号をアナログ信号に変換した後、電力線2に畳重して送信していたが、本実施例ではアナログ信号に変換する前に信号の圧縮を行う。
直交変調器103から出力された実数信号は圧縮器104に入力され、圧縮器104は入力された信号を予め設定された増幅率で増幅(圧縮)する。第2図(a)は、圧縮器104における増幅率、すなわち入力信号の振幅(以下、入力振幅と呼ぶ)とそれに対する出力信号の振幅(以下、出力振幅と呼ぶ)とを示す。第2図(c)に示すように、圧縮器104は、入力振幅が0から0.03の範囲では増幅率を1とし、入力振幅が0.03以上の範囲では増幅率を1/8(0.125)としている。つまり、入力振幅0.03を閾値として増幅率を変化させている。なお、この閾値及び増幅率の決定方法については後述する。
第3図(a)に示す信号が圧縮器104に入力された場合の圧縮後の信号を第3図(b)に示す。OFDM変調方式のようなマルチキャリア変調方式を用いた場合、複数のキャリアの重ね合わせによって、圧縮器104の入力信号(源信号と呼ぶ)は第3図(a)に示されるようにパルス状の振幅変化により振幅の大きな点が存在する波形となる。この第3図(a)に示す源信号を圧縮器104にて圧縮すると、第3図(b)に示すように、0.03以上の振幅が大幅に圧縮されて突出したピークがなくなる。本実施例の圧縮器104では、前述の通り、閾値である0.03以上の範囲で振幅を1/8に圧縮する、すなわち大きな振幅を圧縮することでピーク電力を低減でき、また閾値0.03以下の振幅は増幅率を1として圧縮しないので平均電力はほとんど減少しない。従って、ピーク電力と平均電力との比であるピーク比が大幅に低減される。第3図(c)は送信データとしてランダムデータを与えた場合の源信号のピーク比及び圧縮信号のピーク比と試行回数との関係をシミュレーションによって求めた結果を示す。図に示されるように、源信号のピーク比は最大で20近くあるのに対して、圧縮信号のピーク比は5以下に低減されている。このように本実施例によれば、信号圧縮を行わない場合と比較してピーク比の最大値を約4分の1まで低減することができ、それにより後述するアンプの最大電力を従来の約4分の1に低減することができる。逆に、従来と同一のアンプを用いた場合には送信電力を4倍まで大きくできる。
圧縮器104から出力された信号は、デジタル/アナログ変換器(D/A)105に入力され、D/A105は入力された信号をデジタル信号からアナログ信号に変換して出力する。D/A105から出力された信号が、OFDM変調器10から出力されるOFDM変調信号としてアンプ11に入力される。アンプ11は入力されたOFDM変調信号を予め設定された増幅率にて増幅し、アンプ11によって増幅されたOFDM変調信号は結合器12に入力される。結合器12は、入力されたOFDM変調信号を電力線2に畳重する。
電力線2に畳重されたOFDM変調信号は、通信装置1bにて受信される。通信装置1bの結合器12は、電力線2に畳重された信号のうち、通信装置1bに対して出力された信号を認識して取り込む。なお、電力線2に畳重される信号には予め送信先の通信装置に割り当てられたアドレス情報が付加されており、結合器12はそのアドレス情報に基づいて取り込むべき信号を認識する。結合器12によって取り込まれた信号はBPS(バンドパスフィルタ)13に入力され、BPS13では予め設定された周波数範囲の信号だけを出力する。このBPS13によりノイズが除去される。BPS13から出力された信号は、OFDM復調器14に入力される。
OFDM復調器14に入力された信号はアナログ/デジタル変換器(A/D)141に入力され、A/D141は入力された信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して出力する。A/D141から出力された信号は伸長器142に入力され、伸長器142は圧縮器104の逆変換となるような増幅率により信号を増幅(伸長)する。第2図(b)は、伸長器142における増幅率、すなわち入力振幅とそれに対する出力振幅とを示す。第2図(b)に示すように、伸長器142は、入力振幅が0から0.03の範囲では増幅率を1とし、入力振幅が0.03以上の範囲では増幅率を圧縮器104における増幅率の逆数である8としている。つまり、伸長器142でも入力振幅0.03を閾値として増幅率を変化させている。しかも、閾値0.03以上の入力振幅に対する増幅率は、圧縮器104の増幅率の逆数としているので、圧縮器104の入力信号(源信号)と同じ信号が伸長器142の出力信号として得られる。
第4図(a)は、伸長を行わなかった場合の信号点配置誤差を示し、第4図(b)は、本実施例のように伸長を行った場合の信号点配置誤差を示す。図に示されるように、第4図(a)の伸長を行わない場合に比べて、第4図(b)の伸長を行った場合の信号点配置誤差は非常に小さくなっている。このように、圧縮して送信した信号に対してOFDM復調する前に伸長を行うことで送信信号の歪みを除去することができ、正しく復調することが可能となる。
伸長器142から出力された信号は直交復調器143に入力され、直交復調器143は入力された信号を実数信号から複素数信号に変換する。直交復調器143によって得られた複素数信号は、高速フーリエ変換器(FFT)144に入力され、高速フーリエ変換されることによって周波数領域の信号が生成される。FFT144により得られた信号はデマッピング145に入力され、デマッピング145は入力された信号を複素数データから0,1パターンのデータに変換する。このデータが受信データである。このようにして、通信装置1aから通信装置1bへのデータの送信が行われる。
ここで、圧縮器104における閾値の決定方法について説明する。閾値を小さくするほどピーク電力は小さくなるが、それに伴い平均電力も低下するため、閾値を小さくしすぎるとピーク比の低減効果が小さくなる。例えば極端な例として、閾値を0とする場合には、信号全体が圧縮されるためにピーク電力は小さくなるがピーク比は変わらない。OFDM変調信号では大きな振幅の頻度は少ないので、その大きな振幅のみを圧縮するように閾値を設定するとよい。第5図(a)は、1周期256個のOFDM変調信号に対して振幅度数を100回計数した結果を示し、第5図(b)は入力振幅とその累積頻度との関係を示す。この計数結果において、平均電力換算の振幅は0.02であり、0.02以下の累積頻度は約0.7である。また、振幅0.04では累積頻度が0.95となっている。OFDM変調信号の瞬時電力分布はカイ2乗分布となることが知られており、第5図の結果はそれと一致している。従って、閾値を平均振幅0.02以下に設定すると、平均電力が低下し、圧縮する信号の度数も増えるので好ましくない。一方、閾値を平均振幅の3倍以上に設定すると、圧縮する信号の度数が少なくなりすぎ、ピーク電力の低減効果が小さくなるので好ましくない。よって、閾値は平均電力換算振幅の1〜3倍の範囲内で設定するのが望ましい。更に、送信信号の歪みを小さくする、すなわち圧縮する信号の頻度を最小限にすることを考慮すれば、閾値は平均電力の振幅の2倍程度が良い。
次に、圧縮器104における増幅率について説明する。閾値を越える振幅に対する増幅率が小さいほどピーク比を低減できる。しかし、小さくしすぎるとデジタル値での量子化誤差が増えてしまう。従って、閾値以下の増幅率に対して1/10程度を閾値以上の増幅率の下限とするとよい。
以上説明した本実施例の圧縮器104について、数式を用いて説明する。圧縮器104の入力信号をx,出力信号をy,閾値をsとすると、圧縮器104における入力信号x及び出力信号yの関係は(数1)となる。
ここで、G1及びG2は増幅率であり、増幅率G1>増幅率G2である。
(数1)に示すように、入力信号xが閾値sを超える場合は、閾値sを越える部分を増幅率G2で増幅するが、閾値s以下の部分に対応する増幅率G1よりも増幅率G2は小さいため、閾値sを超える部分は閾値s以下の部分よりも圧縮される。これにより、ピーク電力を確実に低減することができ、かつ平均電力の低下は小さいため、ピーク比が低減される。なお、全ての入力振幅を1以下の増幅率(一定)で増幅すれば、出力のピーク電力は低減できるが、平均電力も同一比率で低下するため、ピーク比は低減できない。つまり、本実施例のように振幅の比較的大きな部分のみを圧縮しなければピーク比を抑制することはできない。なお、伸長器142における閾値はs×G1とし、閾値を越える部分の増幅率はG2の逆数にすれば良い。第2図(c)は、圧縮器104における増幅率の他の一例を示している。図示するように、閾値よりも小さな入力振幅に対してG1より低い増幅率であれば増幅率をG3のように連続的に変化させても同様の効果が得られる。
(実施例2)
次に、本発明の他の実施例である通信システムについて実施例1と異なる点を説明する。上述したようにOFDM変調信号はキャリアの合成によりピーク比が高くなる。しかし、各キャリアの振幅、位相の組合せによってはピーク比が小さい場合もあり、その場合には圧縮が不要であるので圧縮を行わない。そして、送信信号に信号を圧縮したか否かの情報を付加して送信し、受信側ではその情報に従って、圧縮した信号であれば伸長器142に入力し、伸長後にOFDM復調する。非圧縮の受信信号であれば、伸長器142を介さずにOFDM復調する。圧縮した信号を伸長しても多少の歪みは残ってしまうため、本実施例のように圧縮が不要な場合には非圧縮とすることで、不必要な圧縮を避け、歪みの発生を抑制することができる。それにより、通信の信頼性を更に向上させることができる。
(実施例3)
続いて、本発明の他の実施例である通信システムについて、実施例1と異なる点を第6図を用いて説明する。第6図は、本実施例のOFDM変調器10′及びOFDM復調器14′の構成を示している。図示するように、本実施例のOFDM変調器10′は、2つの圧縮器104a,104bを備えており、また、圧縮器104a,104bの後段に直交変調器103が設けられている。IFFT102から出力された複素数信号は、実数信号及び虚数信号に分けられて、実数信号が圧縮器104aに入力され、虚数信号が圧縮器104bに入力される。圧縮器104a,104bはそれぞれ実数信号及び虚数信号に対して実施例1と同様に圧縮を行う。圧縮器104a,104bにて圧縮された実数信号及び虚数信号は、直交変調器103に入力され、直交変調器103は入力された複素数信号(実数信号及び虚数信号)を実数信号に変換する。このように、圧縮器を実数信号及び虚数信号それぞれに対して設けることにより、例えば、実数信号のピーク電力が閾値よりも小さく、ピーク比も小さい場合には、実数信号について圧縮が行われないため、信号の歪みが生じない。一方、受信側となるOFDM復調器14′では、直交復調器143によって得られた複素数信号が実数信号及び虚数信号に分けられて、それぞれ伸長器142a,142bに入力される。伸長器142aの増幅率は圧縮器104aの逆変換を行うように設定されており、伸長器142bの増幅率は圧縮器104bの逆変換を行うように設定されている。
本実施例によれば、複素数信号を実数信号及び虚数信号に分けてピーク比の小さな信号については圧縮を行わないため、信号の歪みを低減することが可能となり、通信の信頼性を更に向上させることができる。
以上説明した各実施例では、電力線搬送によってデータ送受信を行う場合について説明したが、本発明は電力線搬送以外の通信方法にも適用可能である。また、各実施例では、マルチキャリア変調方式の例としてOFDM方式について説明したが、本発明はOFDM方式以外のマルチキャリア変調方式にも適用可能である。
産業上の利用可能性
本発明は、OFDM方式のようなマルチキャリア変調方式により通信を行う通信システムに適用できる。この適用により、通信速度を低下させることなく、ピーク比を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の好適な一実施例である通信システムの構成図、第2図は、圧縮器104及び伸長器142に設定された増幅率の特性図、第3図は、圧縮器104の入力信号(源信号)、出力信号(圧縮信号)及び源信号と圧縮信号のピーク比を示す図、第4図は、伸長を行わない場合と伸長を行った場合における信号点配置誤差を示す図、第5図は、入力振幅と出現頻度との関係及び入力振幅と累積頻度との関係を示す図、第6図は、本発明の他の実施例である通信システムの構成図である。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a communication apparatus that performs communication using a multicarrier modulation method such as an orthogonal frequency division multiplexing method and a communication system using the communication device.
Background Art In a communication technique using a carrier wave, a method of transmitting data by modulating the amplitude, phase or frequency of one carrier is called a single carrier modulation method. On the other hand, a method of combining a plurality of carriers whose amplitudes or phases are modulated to form a transmission signal is called a multicarrier modulation method. When the transmission speed is the same, the multicarrier modulation method has a feature that the transmission time can be increased by several times the number of carriers, so that it is less affected by the reflected wave generated in the communication path.
The orthogonal frequency division multiplexing (hereinafter referred to as OFDM) scheme is one of multicarrier modulation schemes, and has a high frequency utilization efficiency because the frequency interval between carriers can be minimized. For this reason, it is adopted as an xDSL (Digital Subscriber Line) modulation method using power line carrier, digital television broadcasting, radio and telephone lines.
In the multi-carrier modulation system as well as the OFDM system, a plurality of carriers are combined to form a transmission signal, and therefore has a relatively high peak amplitude with respect to the effective value of the amplitude of the transmission signal. That is, the ratio of peak power to average power (hereinafter, peak power / average power is referred to as peak ratio) is high. In general, since a communication device has a restriction value for transmission output, the average power cannot be increased if the peak ratio is high as in the multicarrier modulation method. Although the transmission characteristics of the communication device are determined by the signal-to-noise ratio (S / N) of the transmission line including the communication device, as described above, since the average power cannot be increased in the multicarrier modulation method, the S / N is increased. As a result, transmission errors increase. In addition, since the peak ratio is high, an amplifier having a large maximum power must be used as the transmission amplifier, and the cost of the transmission amplifier increases. Furthermore, the dynamic range of the digital processing circuit used for transmission / reception signal processing must be increased.
As conventional techniques for reducing the peak ratio, there are JP-A-8-979797, JP-A-10-178411, JP-A-11-163826, and the like. Therefore, there is a problem that a complicated calculation for array conversion is required to reduce the peak power generated by, and that an effective transmission rate is lowered by adding redundant bits for limiting the data array.
DISCLOSURE OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a communication apparatus capable of reducing the peak ratio without reducing the transmission rate when performing communication using a multicarrier modulation method, and a communication system using the same. .
A feature of the present invention that achieves the above object is that a modulated signal obtained by synthesizing a plurality of carriers modulated by transmission data is input, a first amplification factor for a signal that is equal to or lower than a preset threshold value, A compressor that amplifies the modulation signal by a second amplification factor for a signal that exceeds the threshold value that is set to a value smaller than one amplification factor, and a transmission signal that is obtained based on the output signal of the compressor is transmitted And a transmission means.
By making the amplification factor of the signal exceeding the threshold value smaller than the amplification factor of the signal below the threshold value, the signal exceeding the threshold value is compressed compared to the signal below the threshold value, so that the peak power of the modulation signal is reduced, And since the fall of average power is suppressed smaller than the fall of peak power, a peak ratio is reduced. Further, since there is no need to add redundant bits for limiting the data arrangement as in the prior art, the transmission speed is not reduced.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Example 1
FIG. 1 shows the configuration of a communication system which is a preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, in the communication system of the present embodiment, a plurality of
Hereinafter, a case where data is transmitted from the communication device 1a to the
The real signal output from the
FIG. 3 (b) shows a signal after compression when the signal shown in FIG. 3 (a) is input to the
The signal output from the
The OFDM modulated signal folded on the power line 2 is received by the
The signal input to the
FIG. 4 (a) shows the signal point arrangement error when the expansion is not performed, and FIG. 4 (b) shows the signal point arrangement error when the expansion is performed as in the present embodiment. As shown in the figure, the signal point arrangement error when the extension of FIG. 4B is performed is very small as compared with the case where the extension of FIG. 4A is not performed. As described above, the signal transmitted after being compressed is expanded before the OFDM demodulation, so that the distortion of the transmission signal can be removed and the signal can be correctly demodulated.
The signal output from the
Here, a method for determining a threshold value in the
Next, the amplification factor in the
The
Here, G1 and G2 are amplification factors, and amplification factor G1> amplification factor G2.
As shown in (Expression 1), when the input signal x exceeds the threshold s, the portion exceeding the threshold s is amplified by the amplification factor G2, but the amplification factor G2 is higher than the amplification factor G1 corresponding to the portion below the threshold s. Therefore, the portion exceeding the threshold s is compressed more than the portion below the threshold s. As a result, the peak power can be reliably reduced, and the decrease in average power is small, so the peak ratio is reduced. Note that if all input amplitudes are amplified with an amplification factor (constant) of 1 or less, the peak power of the output can be reduced, but the average power also decreases at the same ratio, so the peak ratio cannot be reduced. In other words, the peak ratio cannot be suppressed unless only a portion having a relatively large amplitude is compressed as in this embodiment. Note that the threshold value in the
(Example 2)
Next, a communication system which is another embodiment of the present invention will be described while referring to differences from the first embodiment. As described above, the OFDM modulated signal has a high peak ratio due to carrier synthesis. However, the peak ratio may be small depending on the combination of the amplitude and phase of each carrier. In this case, compression is not performed because compression is unnecessary. Then, information indicating whether or not the signal is compressed is added to the transmission signal for transmission, and the reception side inputs the compressed signal to the
Example 3
Next, a communication system according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows the configuration of the OFDM modulator 10 'and OFDM demodulator 14' of the present embodiment. As shown in the figure, the OFDM modulator 10 'of this embodiment includes two
According to this embodiment, a complex signal is divided into a real signal and an imaginary signal, and a signal with a small peak ratio is not compressed. Therefore, it is possible to reduce signal distortion and further improve communication reliability. be able to.
In each of the embodiments described above, the case where data transmission / reception is performed by power line conveyance has been described. However, the present invention can also be applied to communication methods other than power line conveyance. In each embodiment, the OFDM system has been described as an example of the multicarrier modulation system, but the present invention can also be applied to a multicarrier modulation system other than the OFDM system.
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a communication system that performs communication using a multicarrier modulation method such as the OFDM method. By this application, the peak ratio can be reduced without reducing the communication speed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a communication system according to a preferred embodiment of the present invention, FIG. 2 is a characteristic diagram of amplification factors set in the
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