JP4410687B2 - 電力線搬送通信装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電気機器に電力を供給する電力線を利用して通信を行う電力線搬送通信装置及び電力線搬送通信方法に関する。
近年、インターネットに代表される通信網を介して企業や個人の間で大量の情報が伝送されるようになってきた。そして、伝送される情報量の増加に伴い、通信路の伝送容量（伝送速度）の向上が求められてきている。通信手段として、光ファイバ通信、無線、ＡＤＳＬ、電力線搬送等があるが、いずれの場合でも高速通信が求められている。電力線搬送は、電気機器に電力を供給する電力線に情報を重畳し情報伝送を行う技術である。従来の電力線搬送通信装置では、その送信端電圧が９０［ｄＢμＶ］前後である。また、電力線を通信線として利用した電力線搬送通信としては、例えば特開２００２−２８０９３５号公報が挙げられる。当該公報によれば、電力線を利用して、複数搬送波にそれぞれ異なる情報を割り付けて通信を行う技術が開示されている。
電力線は、ツイストペア線のようにツイストしていることもなく、同軸ケーブルのようにシールドもしていない。従って、耐ノイズ性の観点からは非常に弱いケーブルである。このことは、外部からのノイズや他の機器で使われる通信信号が電力線に侵入しやすいことを示していると同時に、電力線に印加した電力線搬送通信装置からの通信信号が漏洩しやすいことを示している。電力線には多くの電化製品が接続されており、電力線に直接又は間接的にノイズが混入する。最近の電化製品はインバータが採用され省電力化等を図っているが、インバータを構成するスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、サイリスタ等の半導体スイッチング素子）のオンオフ動作によって電磁ノイズが発生する。この電磁ノイズは、スイッチング素子がオンあるいはオフした際に、回路内の配線によるインダクタンスや浮遊容量及びスイッチング素子のスイッチング速度によって決まる高周波ノイズである。このノイズは実験により評価した結果、数百ｋＨｚから数十ＭＨｚにまで及ぶことがわかった。この結果、このまま使用すると電磁ノイズの影響による伝送エラーが多発し、安定した通信ができないという問題が発生することがある。さらに、従来の電力線搬送通信装置は、漏洩電界強度が大きいため通信に使用する帯域に存在するラジオやアマチュア無線等の無線受信装置にノイズを加える可能性がある。
電力線は、ツイストペア線のようにツイストしていることもなく、同軸ケーブルのようにシールドもしていない。従って、耐ノイズ性の観点からは非常に弱いケーブルである。このことは、外部からのノイズや他の機器で使われる通信信号が電力線に侵入しやすいことを示していると同時に、電力線に印加した電力線搬送通信装置からの通信信号が漏洩しやすいことを示している。電力線には多くの電化製品が接続されており、電力線に直接又は間接的にノイズが混入する。最近の電化製品はインバータが採用され省電力化等を図っているが、インバータを構成するスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、サイリスタ等の半導体スイッチング素子）のオンオフ動作によって電磁ノイズが発生する。この電磁ノイズは、スイッチング素子がオンあるいはオフした際に、回路内の配線によるインダクタンスや浮遊容量及びスイッチング素子のスイッチング速度によって決まる高周波ノイズである。このノイズは実験により評価した結果、数百ｋＨｚから数十ＭＨｚにまで及ぶことがわかった。この結果、このまま使用すると電磁ノイズの影響による伝送エラーが多発し、安定した通信ができないという問題が発生することがある。さらに、従来の電力線搬送通信装置は、漏洩電界強度が大きいため通信に使用する帯域に存在するラジオやアマチュア無線等の無線受信装置にノイズを加える可能性がある。
従って、本発明は、電力線を通信線として用いた電力線搬送通信において、低い漏洩電界強度でノイズや減衰に対して強い安定した通信を可能にする電力線搬送通信装置を提供することを主たる課題とする。
前記課題を解決するために、電力線搬送通信装置は、少なくとも周波数１ＭＨｚから３０ＭＨｚのいずれかの帯域を使用して、情報を割り付けた搬送波（キャリア、サブキャリアとも言う）をより広い帯域幅をもった搬送波に変調し、電力線を通信線として、電力線に接続される他の電力線搬送通信装置と通信する。
前記課題を解決する他の手段として、他の電力線搬送通信装置によって送信された送信信号を受信時に、送信信号に使用された拡散符号と同一の拡散符号系列を基に逆拡散して復調する。又は、複数受信される同一の情報を基に送信情報を復元するダイバーシティ合成手段によって復調する。
前記課題を解決する他の手段として、電力線搬送通信装置は、前記変調手段において、送信端電圧の上限を７０［ｄＢμＶ］（ＲＢＷ９ｋＨｚ、準尖頭値）以下として通信する。
前記課題を解決する他の手段として、電力線搬送通信装置は、送信信号を、高速逆フーリエ変換器によりＯＦＤＭ変調してＯＦＤＭ信号を生成する手段と、ディジタルアナログ変換器によりアナログ信号に変換する手段と、アナログ信号を一定間隔ごとにサンプリングして少なくともサンプリング間隔以上にならないようなホールド時間で個々のサンプリングをホールドするホールド制御手段と、さらに前記ホールド制御手段には、前記ホールド時間経過後に次のサンプリングまでサンプリングした振幅を所定値以下にする手段とを備える。
前記課題を解決する他の手段として、電力線搬送通信装置は、受信信号の時間系列信号に同期を取ってアナログディジタル変換器により受信信号のサンプリングを行ってディジタル信号に変換する手段と、前記ディジタル信号に対して高速フーリエ変換器によりＯＦＤＭ復調を行う手段とを備える。
本発明における電力線搬送通信装置は、より広い帯域を利用して通信を可能とし、またノイズや減衰に強い通信を可能とし、さらに送信端電圧を抑えることで低い漏洩電界強度を達成しながら、安定した通信を可能とする。
前記課題を解決するために、電力線搬送通信装置は、少なくとも周波数１ＭＨｚから３０ＭＨｚのいずれかの帯域を使用して、情報を割り付けた搬送波（キャリア、サブキャリアとも言う）をより広い帯域幅をもった搬送波に変調し、電力線を通信線として、電力線に接続される他の電力線搬送通信装置と通信する。
前記課題を解決する他の手段として、他の電力線搬送通信装置によって送信された送信信号を受信時に、送信信号に使用された拡散符号と同一の拡散符号系列を基に逆拡散して復調する。又は、複数受信される同一の情報を基に送信情報を復元するダイバーシティ合成手段によって復調する。
前記課題を解決する他の手段として、電力線搬送通信装置は、前記変調手段において、送信端電圧の上限を７０［ｄＢμＶ］（ＲＢＷ９ｋＨｚ、準尖頭値）以下として通信する。
前記課題を解決する他の手段として、電力線搬送通信装置は、送信信号を、高速逆フーリエ変換器によりＯＦＤＭ変調してＯＦＤＭ信号を生成する手段と、ディジタルアナログ変換器によりアナログ信号に変換する手段と、アナログ信号を一定間隔ごとにサンプリングして少なくともサンプリング間隔以上にならないようなホールド時間で個々のサンプリングをホールドするホールド制御手段と、さらに前記ホールド制御手段には、前記ホールド時間経過後に次のサンプリングまでサンプリングした振幅を所定値以下にする手段とを備える。
前記課題を解決する他の手段として、電力線搬送通信装置は、受信信号の時間系列信号に同期を取ってアナログディジタル変換器により受信信号のサンプリングを行ってディジタル信号に変換する手段と、前記ディジタル信号に対して高速フーリエ変換器によりＯＦＤＭ復調を行う手段とを備える。
本発明における電力線搬送通信装置は、より広い帯域を利用して通信を可能とし、またノイズや減衰に強い通信を可能とし、さらに送信端電圧を抑えることで低い漏洩電界強度を達成しながら、安定した通信を可能とする。
第１図は、本発明に係る第１実施形態の電力線搬送通信装置の構成を示す図である。
第２図は、本発明に係る電力線搬送通信装置における多値変調の一つであるＱＰＳＫのコンスタレーションマッピングの一例を示す図である。
第３図は、どの多値変調を行うかを決定するための通信誤り率とＳＮ比を示す図である。
第４図は、第３図における通常のＱＰＳＫの通信誤り率と拡散率が２０の時のＱＰＳＫの通信誤り率を示す図である。
第５図は、電力線の伝送路特性（減衰特性）を実験により測定した結果の例を示す図である。
第６図は、電力線のノイズ特性を示す図である。
第７図は、本発明に係る第２実施形態の電力線搬送通信装置における直接スペクトル拡散方式の構成を示す図である。
第８図は、拡散前帯域幅Ｗａの単一搬送波を、１ＭＨｚから３０ＭＨｚの帯域を使用して直接スペクトル拡散した場合の周波数スペクトル概念図である。
第９図は、帯域幅Ｗａの単一搬送波からなる情報信号を複数の搬送波に割り付け、複数の搬送波を周波数１ＭＨｚから３０ＭＨｚのいずれかの帯域に割り当てた図である。
第１０図は、本発明に係る第３実施形態の電力線搬送通信装置における、前記第９図に示した複数の搬送波に割り付けを行うための構成を示す図である。
第１１図は、複数搬送波に情報を分割して割り付けた図である。
第１２図は、第１１図に示す搬送波を、周波数１ＭＨｚから３０ＭＨｚのいずれかの帯域を使用して、同一又は異なる拡散符号を用いて拡散し、個々の搬送波に割り付けた拡散情報信号が互いに干渉しないように周波数軸上に割り当てた例を示す図である。
第１３図は、スペクトル拡散変調器の処理フロー図である。
第１４図は、周波数選択性フェージングとフラットフェージングを説明する図である。
第１５図は、本発明に係る第４実施形態の電力線搬送通信装置における、後記第１６図に示す割り付けを行うための構成を示す図である。
第１６図は、複数搬送波に情報を分割して割り付け、同一情報が割り付いている個々の搬送波を互いに干渉することなく周波数軸上に割り当てた図である。
第１７図は、第１５図に示す電力線搬送通信装置における帯域割付装置の処理フローである。
第１８図は、第１１図に示す複数の搬送波に関して、同一情報が割り付けられている搬送波をそれぞれ離隔して周波数軸上に割り当てた図である。
第１９図は、第１５図に示す電力線搬送通信装置おいて第１８図に示す割り付けを実行する場合の帯域割付装置の処理フローである。
第２０図は、第１１図に示す複数の搬送波を、周波数１ＭＨｚから３０ＭＨｚのいずれかの帯域を使用して、一括してスペクトル拡散を行った図である。
第２１図は、本発明に係る第５実施形態の電力線搬送通信装置の構成を示す図である。
第２２図は、複数搬送波からなるブロックの周波数スペクトル概念図である。
第２３図は、第２２図のそれぞれのブロックごとに個々の搬送波を直接拡散した場合の周波数スペクトル概念図である。
第２４図は、第２２図のそれぞれのブロックごとに同一情報の搬送波を複数搬送波に割り付けた場合の周波数スペクトル概念図である。
第２５図は、第２２図のそれぞれのブロックごとに一括して直接拡散した場合の周波数スペクトル概念図である。
第２６図は、ＯＦＤＭ信号の周波数スペクトル概念図である。
第２７図は、ＯＦＤＭ信号をより広い通信帯域幅に拡散した場合の周波数スペクトル概念図である。
第２８図は、ＯＦＤＭ信号にスペクトル拡散を適用する場合の処理構成図である。
第２９図は、ＯＦＤＭの複数搬送波に同一情報を割り付ける場合の処理構成図である。
第３０図は、ＯＦＤＭ信号を一括して直接拡散する場合の処理構成図である。
第３１図は、家庭内電力線のコモンモードインピーダンスの測定結果を示す図である。
第３２図は、家庭内電力線の不平衡減衰量の測定結果を示す図である。
第３３図は、環境電界強度の測定結果の例である。
第３４図は、本発明に係る第６実施形態の電力線搬送通信装置の構成を示す図である。
第３５図は、第３４図の電力線搬送通信装置におけるＤＡ変換器の出力波形を示す図である。
第３６図は、第３４図の電力線搬送通信装置におけるホールド制御装置の出力波形を示す図である。
第３７図は、第３４図の電力線搬送通信装置のおけるホールド制御装置の一例を示す回路図である。
第３８図は、第３５図の信号波形の周波数スペクトル概念図である。
第３９図は、第３６図の信号波形の周波数スペクトル概念図である。
第２図は、本発明に係る電力線搬送通信装置における多値変調の一つであるＱＰＳＫのコンスタレーションマッピングの一例を示す図である。
第３図は、どの多値変調を行うかを決定するための通信誤り率とＳＮ比を示す図である。
第４図は、第３図における通常のＱＰＳＫの通信誤り率と拡散率が２０の時のＱＰＳＫの通信誤り率を示す図である。
第５図は、電力線の伝送路特性（減衰特性）を実験により測定した結果の例を示す図である。
第６図は、電力線のノイズ特性を示す図である。
第７図は、本発明に係る第２実施形態の電力線搬送通信装置における直接スペクトル拡散方式の構成を示す図である。
第８図は、拡散前帯域幅Ｗａの単一搬送波を、１ＭＨｚから３０ＭＨｚの帯域を使用して直接スペクトル拡散した場合の周波数スペクトル概念図である。
第９図は、帯域幅Ｗａの単一搬送波からなる情報信号を複数の搬送波に割り付け、複数の搬送波を周波数１ＭＨｚから３０ＭＨｚのいずれかの帯域に割り当てた図である。
第１０図は、本発明に係る第３実施形態の電力線搬送通信装置における、前記第９図に示した複数の搬送波に割り付けを行うための構成を示す図である。
第１１図は、複数搬送波に情報を分割して割り付けた図である。
第１２図は、第１１図に示す搬送波を、周波数１ＭＨｚから３０ＭＨｚのいずれかの帯域を使用して、同一又は異なる拡散符号を用いて拡散し、個々の搬送波に割り付けた拡散情報信号が互いに干渉しないように周波数軸上に割り当てた例を示す図である。
第１３図は、スペクトル拡散変調器の処理フロー図である。
第１４図は、周波数選択性フェージングとフラットフェージングを説明する図である。
第１５図は、本発明に係る第４実施形態の電力線搬送通信装置における、後記第１６図に示す割り付けを行うための構成を示す図である。
第１６図は、複数搬送波に情報を分割して割り付け、同一情報が割り付いている個々の搬送波を互いに干渉することなく周波数軸上に割り当てた図である。
第１７図は、第１５図に示す電力線搬送通信装置における帯域割付装置の処理フローである。
第１８図は、第１１図に示す複数の搬送波に関して、同一情報が割り付けられている搬送波をそれぞれ離隔して周波数軸上に割り当てた図である。
第１９図は、第１５図に示す電力線搬送通信装置おいて第１８図に示す割り付けを実行する場合の帯域割付装置の処理フローである。
第２０図は、第１１図に示す複数の搬送波を、周波数１ＭＨｚから３０ＭＨｚのいずれかの帯域を使用して、一括してスペクトル拡散を行った図である。
第２１図は、本発明に係る第５実施形態の電力線搬送通信装置の構成を示す図である。
第２２図は、複数搬送波からなるブロックの周波数スペクトル概念図である。
第２３図は、第２２図のそれぞれのブロックごとに個々の搬送波を直接拡散した場合の周波数スペクトル概念図である。
第２４図は、第２２図のそれぞれのブロックごとに同一情報の搬送波を複数搬送波に割り付けた場合の周波数スペクトル概念図である。
第２５図は、第２２図のそれぞれのブロックごとに一括して直接拡散した場合の周波数スペクトル概念図である。
第２６図は、ＯＦＤＭ信号の周波数スペクトル概念図である。
第２７図は、ＯＦＤＭ信号をより広い通信帯域幅に拡散した場合の周波数スペクトル概念図である。
第２８図は、ＯＦＤＭ信号にスペクトル拡散を適用する場合の処理構成図である。
第２９図は、ＯＦＤＭの複数搬送波に同一情報を割り付ける場合の処理構成図である。
第３０図は、ＯＦＤＭ信号を一括して直接拡散する場合の処理構成図である。
第３１図は、家庭内電力線のコモンモードインピーダンスの測定結果を示す図である。
第３２図は、家庭内電力線の不平衡減衰量の測定結果を示す図である。
第３３図は、環境電界強度の測定結果の例である。
第３４図は、本発明に係る第６実施形態の電力線搬送通信装置の構成を示す図である。
第３５図は、第３４図の電力線搬送通信装置におけるＤＡ変換器の出力波形を示す図である。
第３６図は、第３４図の電力線搬送通信装置におけるホールド制御装置の出力波形を示す図である。
第３７図は、第３４図の電力線搬送通信装置のおけるホールド制御装置の一例を示す回路図である。
第３８図は、第３５図の信号波形の周波数スペクトル概念図である。
第３９図は、第３６図の信号波形の周波数スペクトル概念図である。
以下、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
〔電力線搬送通信装置〕
第１図は、本発明に係る第１実施形態の電力線搬送通信装置の構成を示す図である。電力線搬送通信装置１ａは、パソコン２６やテレビ２７、冷蔵庫２８、監視カメラ２９等の電気機器に内蔵又は外付けされ、電力線２０を通信線として用い、同一配電系統内にある他の電力線搬送通信装置１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅと通信を行う。また、ホームゲートウェイ２３やホームサーバ２４等からローカルエリアネットワークやインターネット２５上にあるコンテンツや保守情報、その他のサービス情報の授受を行う。
電力線搬送通信装置１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅは同一構成であり、第１図に示す電力線搬送通信装置１ａを基に説明する。電力線搬送通信装置１ａは、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１４，１８、検波回路１７、受信アンプ１６、送信アンプ１３、アナログ／ディジタル変換器（ＡＤ変換器）１５、ディジタル／アナログ変換器（ＤＡ変換器）１１、ミキサ１２、復調器２、変調器３、コンスタレーションデマッパ４、コンスタレーションマッパ１０、等価器／判定器５、復号器６、符号器９、メディアアクセスコントローラ７、プロトコル変換器８から構成されている。
プロトコル変換器８は、接続されているパソコン２６やテレビ２７等の電気機器とのインタフェースが取れるように通信データの変換をおこなう装置である。このインタフェースは、例えばイーサ（Ｒ）やＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）等の標準的な規格のインタフェースである。プロトコル変換器８は、パソコン２６等の機器からデータを受け取ると、このデータを電力線搬送通信装置１ａで扱う所定フォーマットの通信パケットに変換する。メディアアクセスコントローラ７では、プロトコル変換器８からの通信パケットを受信するとこのデータを、符号器９と変調器３に送る。また、メディアアクセスコントローラ７は、ＭＡＣ制御（通信データの送信タイミングやパケットのフレーム構造等の制御）に関する処理と電力線のＳＮ比の状態をトレーニング信号を使って解析を行っており、この解析情報を、符号器９、変調器３及びコンスタレーションマッパ１０に送る。符号器９では、誤り訂正符号化を行う。コンスタレーションマッパ１０では、多値ＰＳＫ（ＱＰＳＫ）、多値ＱＡＭ等の多値変調を行い、そのコンスタレーション配置に応じてデータを割り付ける（コンスタレーションマッピング）。なお、ＱＡＭはＱｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＱＰＳＫはＱｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇと呼ばれ、ＱＡＭは振幅変調、ＱＰＳＫは位相変調である。
第２図は、ＱＰＳＫのコンスタレーションマッピングの一例を示す図である。符号器９から送られてきた２ビットのデータが、第２図の４点のうちのいずれかに割り当てられ、それぞれＩとＱの値が変調器３に送られる。ＱＰＳＫは、各搬送波（キャリア、サブキャリアとも言う）に２ビットを割り付ける変調方式であり、信号点配置は第２図のようになっている。Ｉ軸は信号の同相成分を表し、Ｑ軸は信号の直交成分を表している。信号点へのデータ割り付けは、例えば、第１象限の信号点でデータ“００”を示し、第２象限の信号点でデータ“０１”、第３象限の信号点でデータ“１１”、第４象限の信号点でデータ“１０”を表す。
なお、第２図ではＱＰＳＫの一例を示したが、コンスタレーションマッパ１０はメディアアクセスコントローラ７から、伝送路のＳＮ比を受け取り、第３図に示す通信誤り率とＳＮ比に基づいて、いずれの多値変調を行うかを決定する。第３図は、どの多値変調を行うかを決定するための通信誤り率とＳＮ比を示した図である。より広い帯域を使った通信の場合、拡散率や同一情報をいくつ送信するかによって、第３図に示す所要ＳＮ比よりも低いＳＮ比で多値変調を行えるため、コンスタレーションマッパ１０は、拡散率や同一情報の送信数を考慮して多値数を決定する。例えば、第４図は、第３図における通常のＱＰＳＫの通信誤り率と拡散率が２６の時のＱＰＳＫの通信誤り率を示した図である。拡散等の処理を施さない（通常のＱＰＳＫ）場合は、通信誤り率が１０−５の時の所要ＳＮ比は約１０ｄＢであるが、拡散率が２０の場合は、ＳＮ比が−３ｄＢで、ＱＰＳＫ変調ができることを示している。これをプロセスゲインと呼ぶ。なお、拡散率は、ベースバンド信号帯域幅と伝送帯域幅で決定される。例えば、ベースバンド帯域幅が１ＭＨｚであり、伝送帯域幅が２５ＭＨｚであれば拡散率は２５となる。
変調器３は、後記するスペクトル拡散や帯域割り付けによって、変調器３への入力信号を、より広い帯域幅を持った通信信号とする。その後、この信号は、ＤＡ変換器１１によりアナログ信号に変換される。この処理をアナログ回路で実現することもあり、その場合にはＤＡ変換器は不要である。この後、ミキサ１２でＩ，Ｑ変調や周波数変換され、送信アンプ１３により増幅された後、ＢＰＦ１４を介して電力線に出力され、他の電力線搬送通信装置１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに送信される。なお、ＩＱ変調はＤＡ変換処理の前に実行されることもある。
一方、他の電力線搬送通信装置１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅから送信されてきた信号（受信信号）は、ＢＰＦ１８によって通信帯域外の信号が抑制され、受信アンプ１６に出力される。受信信号は、受信アンプ１６で増幅され、ＡＤ変換器１５に出力される。ＡＤ変換器１５によってディジタル情報に変換され、復調器２で逆拡散が行われる。逆拡散等の復調処理をアナログ回路によって実現する場合には、ＡＤ変換器１５は不要である。逆拡散や帯域合成（ダイバーシティ合成）を行って、元のベースバンド帯域幅まで帯域幅を狭くした後、コンスタレーションデマッパ４でデマッピングが行われる。デマッピングは、受信信号の振幅と位相情報により行われる。第２図は、ＱＰＳＫのコンスタレーションマッピングを示しているが、デマッピングされたデータは、ノイズや伝送路歪により、本来のコンスタレーション位置とは異なる場合が多い。このデータは、等価器／判定器５の等価器により、伝送路の歪により生じる位相回転が修正される。位相回転量は、トレーニング信号として送られる既知のデータがどの程度位相回転しているかを割り出すことで把握される。
次に、等価器／判定器５により、元の２値データに振り分ける符号等価が行われ、復号器６で誤り訂正符号の復号を行って、メディアアクセスコントローラ７に送られる。メディアアクセスコントローラ７でＭＡＣ制御に関する処理を行ってプロトコル変換器８に送られる。その後、データは、プロトコル変換器８でパソコン２６やテレビ２７等の情報受信装置に送られる。
電力線２０は、電源供給線であるため、一般家庭であれば、配電盤／ブレーカ２２に接続されているので、電力線搬送通信装置１ａの信号が配電盤／ブレーカ２２を介して同一の外部配電線に接続されている家屋へ伝送される可能性がある。これを抑制する目的でブロッキングフィルタ２１を、電力線２０に設ける場合がある。
［電力線の通信特性 １ＭＨｚ−３０ＭＨｚ］
次に、通信線として用いる電力線２０の特性について説明する。第５図は、電力線の伝送路特性（減衰特性）を実験により測定した結果の例である。あるコンセント間においての減衰特性であり、実測値３０（破線参照）とその実測値３０を１次近似した結果３１（実線参照）とを示してある。一般に電力線２０は、第５図に示すように減衰が大きく特に周波数が高くなるほどその傾向は顕著である。第５図により周波数が３０ＭＨｚ以上になると、減衰量（マイナスの符号）は６０ｄＢ以上にも及ぶことがわかる。これは、３０ＭＨｚ以上の高周波信号は電力線２０によって十分に伝送できないことを示している。また、第６図は、電力線２０のノイズ特性であるが、３０ＭＨｚ付近ではノイズは３０［ｄＢμＶ］である。これに減衰特性を考慮した場合、例えば電力線搬送通信装置１ａの送信端電圧が７０［ｄＢμＶ］だったとしても、ＳＮ比が−２０ｄＢとなる（３０ＭＨｚ付近では減衰が６０ｄＢあるため、７０ｄＢμＶの送信端電圧が１０ｄＢμＶにまで落ち、そこにノイズ３０ｄＢμＶが加わるため）。仮に拡散等によるプロセスゲインでＳＮ比の改善を試みても、３０ＭＨｚ以上の周波数帯域では、減衰により通信に寄与することができない。従って、３０ＭＨｚまでを使って通信をすると安定性が向上する。また、第６図からわかるように、１ＭＨｚ以下の周波数ではノイズが高いため、１ＭＨｚ以上の周波数を使い、広い帯域を確保することで通信の安定性が増す。５ＭＨｚ以上では、さらにノイズが低いため、より安定した通信ができる。
以上により、電力線搬送通信装置１ａで、スペクトル拡散や帯域割り付けにより広い帯域を使って通信を行う場合には、少なくとも１ＭＨｚから３０ＭＨｚのうちのいずれかの帯域を使用することで、安定した通信が可能になる。
また、この通信信号に対し、受信側において逆拡散処理を実行したり、複数の搬送波信号に割り付けられているそれぞれの同一の情報（ダイバーシティ枝と言う）を加算したり、位相調整後に加算したり、あるいはそれぞれのダイバーシティ枝に重み付けをして、位相調整後に加算したりして、帯域合成（ダイバーシティ合成）を行うことにより、ＳＮ比を改善することが出来るため、信頼性の高い通信を行うことが可能である。ここで、ダイバーシティ枝とは、それぞれの搬送波に割り付けられた個々の同一情報を意味する。
〔単一搬送波のスペクトル拡散〕
次に、より広い帯域を使用したスペクトル拡散方式又は帯域割り付けについて説明する。
第７図は、本発明に係る第２実施形態の電力線搬送通信装置１ａにおける直接スペクトル拡散方式の構成を示す図である。第１図と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。第１図で示した処理と異なる点は、拡散及び逆拡散部分であり、拡散符号発生器３４、スペクトル拡散変調器３５、タイミング同期回路３３及びスペクトル逆拡散変調器３２を備える。送信時にコンスタレーションマッピングされたデータは、拡散符号発生器３４で発生した拡散符号系列を用いてスペクトル拡散変調器３５でスペクトル拡散され、ＤＡ変換器１１に送られる。一方受信時には、タイミング同期回路３３により符号同期をとり、スペクトル逆拡散変調器３２で逆拡散されたデータがデマッピングされる。
第８図は、拡散前帯域幅Ｗａの単一搬送波３６を、１ＭＨｚから３０ＭＨｚの帯域を使用して直接スペクトル拡散した場合の周波数スペクトル概念図である。拡散後の搬送波３７は、周波数帯域幅がより広い帯域幅Ｗｂになっている。拡散符号には、ＰＮ符号（擬似ランダム符号）、Ｍ系列、ゴールド符号、バーカ符号、その他の直接拡散を行うことができる任意の符号長の符号系列を用いる。この拡散手段は、帯域幅Ｗａの搬送波に対し、拡散符号を乗算するだけで簡単により広い帯域幅Ｗｂにスペクトル拡散できるという特徴がある。
以下、同様に帯域幅Ｗａの搬送波を少なくとも周波数１ＭＨｚから３０ＭＨｚのいずれかの帯域を使用して、より広い帯域幅Ｗｂを持つ搬送波に変換して行う情報通信について、周波数スペクトル概念図を用いて説明する。
〔単一搬送波情報の複数の搬送波への割り付け〕
第９図は、帯域幅Ｗａの単一搬送波３８からなる情報信号を複数の搬送波３９〜４６に割り付け、複数の搬送波３９〜４６を少なくとも周波数１ＭＨｚから３０ＭＨｚのいずれかの帯域に割り当てた図である。複数の搬送波３９〜４６は同一情報を持ち、全体として、より広い帯域幅Ｗｂを利用して通信を行うことができる。
第１０図は、本発明に係る第３実施形態の電力線搬送通信装置１ａにおける、前記第９図に示した複数の搬送波に割り付けを行うための構成を示す図である。第１図及び第７図と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。第１図及び第７図で示した処理と異なる点は、帯域割付装置４９、帯域合成装置４７を備える点である。第１０図において、送信側のコンスタレーションマッパ１０によってマッピングされたデータは、帯域割付装置４９において帯域割り付けが行われる。帯域割付装置４９では、コンスタレーションマッパ１０とメディアアクセスコントローラ７から受け取った割り付け情報に基づいて、所定の搬送波３９〜４６に同一の情報を割り付ける。このように同一の情報を複数の搬送波に割り付ける方法を周波数ダイバーシティと呼ぶ。この周波数ダイバーシティは、同一の情報を複数の周波数の搬送波で伝送しているため、搬送波のいずれかがノイズや伝送路歪で情報を失っても、他の周波数帯域の搬送波に割り付けた情報が健全であれば、帯域合成装置４７においてダイバーシティ合成を行うことで、正しい情報を復元できるため、通信の安定性が向上するという効果がある。なお、詳細な説明は省略するが、ダイバーシティ合成方式には、選択合成方式、等利得合成方式、最大比合成方式等がある。図示しないが、複数の搬送波３９〜４６は個々において同一又は異なる拡散符号系列及び拡散符号長を乗積して拡散されることもある。復調時には、同一情報が割り付けられている搬送波３９〜４６ごとにダイバーシティ合成を行って元の帯域幅Ｗａにした後に、第１図の実施形態で示したと同様の復調処理を行う。また、ダイバーシティ合成は、先にデマッピングまでの処理を行い、そのデマッピングしたデータについて行うこともある。
複数の搬送波に同一情報を割り付けての通信は、電力線２０特有の伝送路特性及びノイズ特性に対して、より信頼性の高い通信を行うことが可能である。さらに、ＳＮ比を評価するトレーニング信号を利用したり、予め他の機器で使われる通信帯域の情報を与えることで、信号を伝送するのに都合の悪い帯域（著しく信号が歪んだり、他の機器で使われる通信帯域に存在する通信に著しく妨害を与える帯域）に対しては、いずれかの搬送波３９〜４６の割り付けを行わないようにすることで、より高信頼の通信を行うことができまた他の機器の通信と干渉することを防ぐことが可能である。
〔複数搬送波のスペクトル拡散〕
第１１図は、２つ以上の搬送波５１，５２，５３に情報を分割して割り付けた図である。従って、搬送波５１，５２，５３には、それぞれ異なる情報が割り付いている。第１２図は、第１１図に示した搬送波５１，５２，５３に対してそれぞれの搬送波を直接拡散している様子を示した図である。即ち、第１２図は、周波数１ＭＨｚから３０ＭＨｚのいずれかの帯域を使用して、第１１図に示す搬送波５１〜５３を、それぞれの搬送波に対して同一又は異なる拡散符号を用いて拡散し、個々の搬送波５４，５５，５６に割り付けた拡散情報信号が互いに干渉しないように周波数軸上に割り当てた例である。
第１３図は、第１２図の処理を実現するスペクトル拡散変調器３５の処理フローである。スペクトル拡散変調器３５は、第７図のコンスタレーションマッパ１０からコンスタレーションマッピングのＩ，Ｑの値を入力し（Ｓ１）、拡散率を入力して（Ｓ２）、拡散率に基づいて発生された拡散符号を用いて、Ｉ，Ｑの値と拡散符号により各情報信号を直接拡散し（Ｓ３）、ＤＡ変換器１１に出力する（Ｓ４）。拡散符号には、ＰＮ符号（擬似ランダム符号）、Ｍ系列、ゴールド符号、バーカ符号、その他の直接拡散を行うことができる任意の符号長の符号系列を用いる。第１１図に示す搬送波５１、５２、５３はそれぞれ第１２図に示す搬送波５４、５５、５６に割り当てられている。
これにより、例えば、第９図のスペクトル拡散信号と比較して、同一の拡散符号長を用いた場合、相対的に拡散後の帯域幅を狭くすることができるため、第１４図に示す急激な減衰量の落ち込みの影響を回避しやすくなる。第１４図で、破線は、第５図で示した減衰特性の実測値３０である。第１４図で、搬送波６３は、搬送波６２に比べ帯域幅が狭いため急激な減衰量の落ち込み（第１４図における○の個所）に掛からず波形にひずみを生じないため、復調ができる。つまり、急激に減衰が起こった場所では、ノイズによる情報の損失がおきやすくなるが、この状況に陥ることを回避できる。搬送波６２は、電力線２０特有の伝送路特性等により生じる周波数選択性フェージングであり、搬送波６３は、フラットフェージングである。周波数選択性フェージングとは、電力線の伝送路特性において減衰量が急激に落ち込むことで通信信号が著しく歪んだ状態になることであり、フラットフェージングは影響されない状態のことである。第１４図は、相対的に信号帯域幅が狭くなった信号を用いることで電力線２０の伝送路特性によって著しく通信信号が歪む現象を回避している例である。なお、実験の結果、第１４図での減衰量の落ち込み時の周波数幅は約１００ｋＨｚである。
〔複数搬送波のスペクトル拡散、同一情報が割り付いている搬送波を互いに干渉することなく周波数軸上に配置〕
第１６図は、第１１図に示す複数搬送波５１，５２，５３に情報を分割して割り付け、同一情報が割り付いている個々の搬送波を互いに干渉することなく周波数軸上に割り当てた図である。第１５図は、本発明に係る第４実施形態の電力線搬送通信装置１ａにおける、第１６図に示す割り付けを行うための構成を示す図である。第１図等と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。第１図、第７図、第１０図と異なる部分は、帯域割付装置６６、帯域合成装置６４を備え、タイミング／同期回路６５を備えた点である（第１０図に対してはタイミング／同期回路６５を追加）。
第１６図によれば、例えば、第１１図において情報（データａ）が割り付いている搬送波５１は、第１６図において搬送波６７，６８，６９に割り付いており、この時、搬送波６７，６８，６９は少なくともオーバラップしない程度に近接して周波数軸上に配置される。第１１図において情報（データｂ）が割り付いている搬送波５２及び情報（データｎ）が割り付いている搬送波５３は、第１６図において、搬送波７０〜７２、搬送波７３〜７５に割り当てられる。また、同一の情報が乗っている搬送波の集まり（搬送波群：６７，６８，６９や７０，７１，７２等）は任意の周波数に割り当てられる。
第１７図は、第１５図に示す帯域割付装置６６の処理フローである。帯域割付装置６６は、第１５図のコンスタレーションマッパ１０から、コンスタレーションマッピングのＩ，Ｑの値と拡散率を入力する（Ｓ１１，Ｓ１２）。また、メディアアクセスコントローラ７から通信帯域情報を入力し（Ｓ１４）、Ｉ，Ｑの値と拡散率と通信帯域情報に基づいて各搬送波に帯域割り付け及び各搬送波に情報の割り付けを行い（Ｓ１３）、ＤＡ変換器１１に出力する（Ｓ１５）。また、帯域割付装置６６は、同一情報を割り付ける搬送波を何本用いるかを決定する。さらに、ＳＮ比が著しく低い帯域や、他の機器で使われる通信帯域には、搬送波を割り当てないようにする。以上の処理を行うことにより、広い拡散後帯域幅Ｗｂを利用して通信を行う。これら全ての搬送波６７，６８，６９は、それぞれに干渉を起こさないようにフィルタリングが施されたり、その干渉が互いに影響を及ぼさない程度の周波数間隔を空けたりする処置を講じている。このように複数搬送波のそれぞれに割り付けられた情報を、複数の周波数で同じ情報を送信する帯域割り付けの方法も周波数ダイバーシティという。一方、復調時には、同一情報が乗っている搬送波（例えばデータａが割り付けられている搬送波６７，６８，６９）ごとにダイバーシティ合成を実行して、第１図の実施形態と同様の復調処理を行う。また、ダイバーシティ合成は、先にデマッピングまでの処理を行い、そのデマッピングしたデータについて行うこともある。
従って、この方式は、第１２図及び第１３図と比較して１つの搬送波の帯域幅が相対的に狭くなるため、第１４図で示した電力線特有の伝送路特性である周波数選択性フェージングをフラットフェージングにする効果がより大きくなり、これにより通信の信頼性がより向上する。また、電力線２０ではランダムに減衰が起こる場合があり、この時の減衰の幅は狭いため、同一情報を割り付けた搬送波のうち、減衰により１つの搬送波が情報を失っても、他の搬送波に割り付けられた同一情報は健全であるため、それら健全な情報を用いて、送信された情報を復元でき、通信の安定性が向上する。なお、第１１図及び第１６図では、各搬送波に分割して情報を割り付けているため、１つの搬送波の帯域幅は第８図の単一搬送波３６と比較して狭い。また、第１６図のようにより広い帯域を使った場合でも、第１１図の個々の搬送波５１，５２，５３と第１６図の個々の搬送波６７〜７５の帯域幅は同じである。
１ＭＨｚから３０ＭＨｚの帯域を使うことでより安定した通信ができることはもちろんであるが、ノイズレベルの高い１ＭＨｚ以下の周波数帯においても、十分なＳＮ比が確保できる帯域が局所的に存在し、前記のように狭い帯域幅の搬送波であれば１ＭＨｚ以下の帯域を利用しても通信が可能である。この結果、さらに多くの搬送波を利用して通信することができ、より一層の高速通信を行うことができる。
〔複数搬送波のスペクトル拡散、同一情報が割り付けられている搬送波を離隔して周波数軸上に配置〕
第１８図は、第１１図に示す複数搬送波５１，５２，５３に情報を分割して割り付け、同一情報が割り付いている個々の搬送波を離隔して周波数軸上に割り当てた図である。第１８図において、例えば、第１１図で示した搬送波５１に割り付けられた情報（データａ）は、搬送波７６，７９，８２に割り付けられている。そして、同一の情報を割り付けた複数搬送波７６，７９，８２は、搬送波同士が互いに干渉を起こさず、且つ、数十ｋＨｚから数百ｋＨｚ以上の間隔をあけて任意の周波数に割り当てられている。従って、前記した第１６図との違いは、同一情報が割り付けられている搬送波７６，７９，８２が、数十ｋＨｚから数百ｋＨｚ以上の間隔をあけて割り付けられていることである。
第１９図は、第１８図に示すように割り付けを実行する場合の帯域割付装置６６の処理フローである。第１７図との違いは、帯域割付装置６６は、メディアアクセスコントローラ７から、データ割り付け情報を入力し（Ｓ２１）、Ｉ，Ｑの値と拡散率と通信帯域情報とデータ割り付け情報に基づいて各搬送波に帯域を割り付け（Ｓ２０）、及びデータ割り付け情報に基づいて、どの搬送波にどの情報を割り付けるかを決定し各搬送波に情報の割り付け（Ｓ２０）を行っている点である。
なお、第１８図においては、説明を容易にする為、第１１図における各搬送波の配列に従って帯域割り当て後も規則的にブロックごとに各搬送波７６〜８４が配列されているが、第１８図は一例であるため、複数のブロックにまたがってランダムにデータを割り付ける場合もある。第１８図において例えば、搬送波７６〜８４には、ランダムにデータａからデータｎまでのデータを割り付ける（図示せず）。割り付けるデータが周期的であると、電力線において急激な減衰量の落ち込みが周期的に現れた場合には、減衰量の落ち込み周期とデータ割り付け周期が合致して常に同じデータが欠落する可能性があるのに対し、このようにデータ割り付け系列をランダムにすることで常に同一データが欠落する可能性を減らすことができ、結果として通信品質が向上する。これら全ての搬送波７６〜８４はそれぞれに干渉を起こさないようにフィルタリングが施されたり、その干渉が互いに影響を及ぼさない程度の周波数間隔を置いたりする等の処置を講じている。また、復調時には、同一情報を割り付けている搬送波（例えばデータａに対しては搬送波７６，７９，８２）がどこに配置されているかの情報を、メディアアクセスコントローラ７から受け取って、同一情報が割り付けられている搬送波ごとにダイバーシティ合成を実行した後に、第１図の実施形態と同様の復調処理を行う。場合によっては、ダイバーシティ合成は先にデマッピングまでの処理を行い、そのデマッピングしたデータについて行うこともある。
第１８図に示す割り付けでは、第１６図によって得られる効果のほかに、電力線特有の伝送路特性における特性改善を行うことが可能である。例えば、第１４図に示した電力線の減衰周波数特性としては深い減衰があると、その両側数十ｋＨｚから数百ｋＨｚに渡っては、深い減衰が継続している場合がある。前記したように、実験の結果、通信信号の急激な減衰量の落ち込み時の周波数幅は約１００ｋＨｚである（第１４図参照）。従って、第１６図のように同一情報が割り付けられている搬送波が近接して配置された場合（例えば、第１６図で搬送波６７，６８，６９は同一情報）、同一情報が割り付けられた全ての搬送波が歪んでしまうために、結果としてビット誤りを引き起こす可能性が高くなる。これに対し、第１８図は、同一情報が割り付けられている搬送波同士が離隔した配置構成となるため、同一情報が割り付けられた全ての搬送波が同時に歪を受けることを回避することができる。即ち、隣り合った同一情報を割り付けた搬送波の周波数間隔を１００ｋＨｚ以上離隔した状態で通信することで、歪を受けることを回避することができる。この結果、周波数ダイバーシティ効果をより強くすることができるため、送信された情報を復元でき、通信の安定性を向上させることができる。なお、第１８図では、各搬送波に分割して情報を割り付けているため、１つの搬送波の帯域幅は第８図の単一搬送波３６と比較して狭い。また、第１８図のようにより広い帯域を使った場合でも、第１１図の個々の搬送波５１，５２，５３と第１８図の個々の搬送波７６〜８４の帯域幅は同じである。１ＭＨｚから３０ＭＨｚの帯域を使うことでより安定した通信ができることはもちろんであるが、ノイズレベルの高い１ＭＨｚ以下の周波数帯においても、十分なＳＮ比が確保できる帯域が局所的に存在し、前記のように狭い帯域幅の搬送波であれば１ＭＨｚ以下の帯域を利用しても通信が可能である。この結果、さらに多くの搬送波を利用して通信することができ、より一層の高速通信を行うことができる。
〔複数搬送波の一括スペクトル拡散〕
第２０図は、第１１図に示す複数搬送波５１，５２，５３を、少なくとも周波数１ＭＨｚから３０ＭＨｚのいずれかの帯域を使用して、拡散符号による一括してスペクトル拡散を行う図である。拡散に使用される拡散符号はＰＮ符号（擬似ランダム符号）、Ｍ系列、ゴールド符号、バーカ符号、その他の直接拡散を行うことができる任意の符号長の符号系列を用いる。逆拡散の際には、送信時に使用した拡散符号系列と同一拡散符号による逆拡散処理を行う。
このスペクトル拡散方式は、第７図と同様の回路構成により実現することができ、また第１６図又は第１８図の方式と比較して、拡散後の搬送波８５の数が相対的に少なくてすむため、図示しないがフィルタ、周波数シンセサイザ、ミキサ等の数を減らすことができ、ハードウェアの簡素化が可能である。
［ブロック毎のスペクトル拡散］
第２１図は、本発明に係る第５実施形態の電力線搬送通信装置１ａの構成を示す図である。第１図等と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。電力線搬送通信装置１ａは、送信側は複数の送信系統（変調器１４３、ＤＡ変換器１４４、ミキサ１４５、送信アンプ１４６、ＢＰＦ１４７）で構成され、受信側は複数の受信系統（復調器１３８、ＡＤ変換器１３９、受信アンプ１４０、検波回路１４１、ＢＰＦ１４２）で構成される。また、データ分割装置１３７及びデータ合成装置１３６を備えている。また、第２２図はスペクトル拡散前の複数搬送波からなるブロック１２４，１２５，１２６の周波数スペクトルを示した図である。複数の送信系統は、第２２図に示す複数搬送波からなるブロック１２４，１２５，１２６について、それぞれのブロック１２４，１２５，１２６に使用する周波数帯域や伝送する情報に要求されるＱｏＳ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）に基づいて拡散率とスペクトル拡散方式を決定して送信処理を行う。データ分割装置１３７は、メディアアクセスコントローラ７から伝送路環境、使用周波数帯域、送信データに要求されるＱｏＳを受け取り、データを分割しブロックを形成する。その後の各送信系統での変調処理は第１図と同様である。受信側では、復調器１３８は、メディアアクセスコントローラ７からブロックごとに、受信信号に関する使用帯域、スペクトル拡散方式、拡散率、同一情報を割り付けたキャリア配置情報を受け取り、復調を実施する。各系統での復調処理は第１図と同様である。なお、ディジタル信号処理により各系統に設けているデバイスを共通化することもできる。
第２２図で、それぞれのブロック１２４，１２５，１２６は帯域幅Ｗａ１，Ｗａ２，Ｗａ３を有している。また、ブロック１２４，１２５，１２６内にある各搬送波にはそれぞれＡからＩという情報が割り付けられている。第２３図は第２２図に示したそれぞれのブロック１２４，１２５，１２６ごとに個々の搬送波を直接スペクトル拡散した場合の周波数スペクトル概念図である。第２３図では、第２２図の各ブロック１２４，１２５，１２６にあった搬送波は、より広い帯域幅を持ち、各ブロックも拡散後のブロック１２７，１２８，１２９として形成し帯域幅Ｗｂ１，Ｗｂ２，Ｗｂ３に広がっている。また、第２４図は、第２２図に示したそれぞれのブロック１２４，１２５，１２６ごとに同一情報をもつ搬送波を複数搬送波に割り付けることでスペクトル拡散した場合の周波数スペクトル概念図である。第２４図では各搬送波に割り付けられた情報は規則正しく割り付けられているが、前記第１６図と第１８図に示したように情報の割り付け方を変えることもある。第２５図は第２２図に示した各ブロック１２４，１２５，１２６をそれぞれ一括して直接スペクトル拡散した場合の周波数スペクトル概念図を示した図である。また図示していないが、各ブロック１２７〜１３５は第２３図、第２４図、第２５図に示した拡散方式のいずれかを独立に採用し変復調する場合もある。第２１図に示した実施形態において、通信環境に応じて拡散率や拡散方式を独自に変えられるため、ブロック１２７〜１３５の伝送に利用する伝送帯域環境に応じて拡散率と拡散方式を選択することで通信品質の向上（耐ノイズ性、伝送速度）が図れる。例えば、減衰量の急激な落ち込みによる周波数選択性フェージングがある場合には、同一情報の複数搬送波への割り付けによるスペクトル拡散方式は、前記第１４図に示したように安定した通信が行える。一方、周波数選択性フェージングが顕著でない帯域に対しては直接拡散によるスペクトル拡散方式を用いて可能であり、ハードウェアの簡素化を図ることができる。その他に、例えば、制御信号等の通信に不可欠な情報に対しては高い拡散率を適用して耐ノイズ性がある情報伝送を行い、一方で例えば、音声情報のように誤りよりも、即時性と広帯域通信（ブロードバンド）が要求される場合には、制御信号に適用した拡散率よりも低い拡散率を設定し、より多くのデータを伝送させることでこの要求を実現できる。従って、この手段を用いることでＱｏＳの向上を図ることができる。
〔ＯＦＤＭのスペクトル拡散〕
第２６図は、複数搬送波８６，８７，８８に分割して情報を割り付けた情報信号に用いる特殊な場合としてＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：直交周波数分割多重）を適用した場合の周波数スペクトル概念図である。ＯＦＤＭは互いのサブキャリアが直交するように周波数軸上に配列される変調方式である。
第２７図は、ＯＦＤＭ信号をより広い通信帯域幅Ｗｂに拡散した場合の搬送波８９の周波数スペクトル概念図である。これにおける具体的な拡散又は帯域割り付けは、前記した第１２図、第１６図、第１８図、第２０図、第２３図、第２４図、第２５図と同様である。ただし、第１２図、第１６図、第１８図、第２３図、第２４図の拡散又は帯域割り付けを適用した場合は、ＯＦＤＭは、拡散又は帯域割り付け後の個々のサブキャリアが拡散処理後も直交を保つように処理される。
第２８図は、ＯＦＤＭ信号にスペクトル拡散を適用する場合のＯＦＤＭ変調の処理構成図である。送信時、入力データＩ，Ｑの値は、直並列変換器１１１に送られる。直並列変換器１１１においてデータを並列にし、拡散符号（拡散符号乗積装置１１２）により拡散した後に高速逆フーリエ変換器（ＩＦＦＴ）１１３で、各サブキャリアの直交関係が保たれるようにＯＦＤＭ変調をしている。そして、並直列変換器１１４によりシリアルデータに変換された後、ＤＡ変換器へ出力される。
また、第２９図は、ＯＦＤＭの複数搬送波に同一情報を割り付ける場合の処理構成図である。入力データＩ，Ｑの値は、直並列変換器１１５において並列にされ、ｄａｔａ１からｄａｔａ５には同一情報が割り付けられており、同一情報１１６をＩＦＦＴ１１７に入力させることで結果的に同一情報１１６が複数搬送波に割り付けられ、周波数ダイバーシティを実現している例である。そして、このデータは、並直列変換器１１８によりシリアルデータに変換された後、ＤＡ変換器へ出力される。
さらに、第３０図は、ＯＦＤＭ信号を一括して直接拡散する場合の処理構成図である。入力データＩ，Ｑの値は、直並列変換器１１９において並列にされ、高速逆フーリエ変換器（ＩＦＦＴ）１２０を通した後に、並直列変換器１２１によりシリアルデータに変換された後、拡散符号（拡散符号乗積装置１２２）により拡散される。なお、第３０図で示したような、ＯＦＤＭ変調した信号を拡散符号乗積装置１２２により一括して拡散する方式では、拡散後にサブキャリア同士の直交性が崩れる場合がある。
これらの処理により、周波数利用効率が良いＯＦＤＭを、より広い帯域を使って通信するため、限られた周波数帯域より大きな拡散率又はダイバーシティ効果を得ることが可能である。
また、ＯＦＤＭは、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）や高速逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を利用して変復調が実現できるため、サブキャリアごとのフィルタ、周波数シンセサイザ、ミキサといった装置が不要になる。第２８図のように、スペクトル拡散をＯＦＤＭ信号に適用する場合に対しても、同様の処理を適用して、スペクトル拡散後のＯＦＤＭ信号はＩＦＦＴ１１３により発生させる場合もあり、処理を１チップ化できる。従って、簡素なハードウェアにより、ＯＦＤＭのスペクトル拡散処理が実現できる。それ以外にも、ＩＦＦＴによるＯＦＤＭ変調を行った後に掛算器等を用いてスペクトル拡散処理を実行する場合もあるが、総じてハードウェアが簡素化できる。また、受信側のＯＦＤＭ復調時にＦＦＴを用いる場合にも同様のことが言える。
なお、第１２図、第１６図、第１８図、第２３図、第２４図の方式は、各搬送波に情報を分割して割り付けているため、１つの搬送波の帯域幅は第８図の単一搬送波３６と比較して狭い場合もある。また、ノイズレベルの高い１ＭＨｚ以下の周波数帯においても、十分なＳＮ比が確保できる帯域が局所的に存在する。１ＭＨｚから３０ＭＨｚの帯域を使うことでより安定した通信ができることはもちろんであるが、前記のように狭い帯域幅の搬送波であれば１ＭＨｚ以下の帯域を利用しても通信が可能である。この結果、さらに多くの搬送波を利用して通信することができ、より一層の高速通信を行うことができる。
〔送信端電圧７０［ｄＢμＶ］ （ＲＢＷ＝９ｋＨｚ、準尖頭値）の電力線搬送通信装置〕
次に、電力線搬送通信装置１ａの送信端電圧を７０［ｄＢμＶ］（ＲＢＷ＝９ｋＨｚ、準尖頭値）とした実施形態について説明する。（ＲＢＷ＝９ｋＨｚ、準尖頭値）は、測定条件であり、ＲＢＷ（Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｂａｎｄ Ｗｉｄｔｈ）は測定の帯域幅である。準尖頭値は、準尖頭値検波方式によって得られる値で、人間の聴覚特性を考慮して、信号振幅の時間変化に時定数を考慮した減衰波形を組み合わせ、その時間平均で評価する方法によって得られる値である。
第３１図は、家庭内の電力線のコモンモードインピーダンスを複数測定し、その結果を統計処理して、分布を図示したものである。また、第３２図は、家庭内の電力線の不平衡減衰量を複数測定しその結果を統計処理して、分布を図示したものである。一般に、帯域幅（ＲＢＷ）が９ｋＨｚにおける電力線２０からの、離隔距離が３ｍでの漏洩電界強度Ｉ［ｄＢμＶ／ｍ］は、Ｉ＝２４＋Ｖｄ−Ｚｃ−ＬＣＬで表すことができる。Ｖｄは９ｋＨｚ帯域幅（ＲＢＷ）当りのモデムの送信端電圧［ｄＢμＶ］、Ｚｃはコモンモードインピーダンス［ｄＢΩ］、ＬＣＬは不平衡減衰量［ｄＢ］である。これによると、漏洩電界は、電力線搬送通信装置１ａの送信端電圧とコモンモードインピーダンスと、不平衡減衰量に依存する。漏洩電界を低くするには電力線搬送通信装置１ａの送信端電圧を下げるか、コモンモードインピーダンスと不平衡減衰量を共に高くすることで実現できる。しかし、コモンモードインピーダンスと不平衡減衰量は電力線２０の敷設状況に依存するため、送信端電圧を抑えることで漏洩電界を抑制する。統計解析の結果、９５％以上のコンセント間で、コモンモードインピーダンスは３０［ｄＢΩ］から６５［ｄＢΩ］、不平衡減衰量は１０ｄＢから５０ｄＢを占める（第３１図、第３２図参照）。さらに、コモンモードインピーダンスが３０［ｄＢΩ］で、不平衡減衰量が１０ｄＢの時、電力線搬送通信装置１ａの送信端電圧を９ｋＨｚ帯域幅において７０［ｄＢμＶ］とした場合、漏洩電界強度は上式より、５４［ｄＢμＶ／ｍ］とすることができる。これは、送信端電圧を７０［ｄＢμＶ］以下に抑えた電力線搬送通信装置であれば、９５％以上のコンセント間においてその漏洩電界強度が５４［ｄＢμＶ／ｍ］に抑えられることを示している。５４［ｄＢμＶ／ｍ］は、これ以下にすれば他の機器で使われる通信帯域に対して影響を与えない値である。例えば、第３３図は、環境電界強度の測定結果の例である。第３３図によれば、約７ＭＨｚ以下では周囲の電気機器等によるノイズにより５４［ｄＢμＶ／ｍ］をはるかに上回る環境電界が観測されており、また、７ＭＨｚ以上の周波数帯域においても、５４［ｄＢμＶ／ｍ］を上回る環境電界が存在し、その強度は、７０［ｄＢμＶ／ｍ］を超えるものもある。さらに送信端電圧が７０［ｄＢμＶ］時の漏洩電界強度５４［ｄＢμＶ／ｍ］は、ほぼ最悪値と考えることができるため、ほとんどのコンセント間ではこれを下回る漏洩電界強度になる。
従って、送信端電圧を７０［ｄＢμＶ］にした電力線搬送通信装置１ａが発生する漏洩電界強度５４［ｄＢμＶ／ｍ］は他の通信との両立性、即ち他の機器で使われる通信帯域に大きな影響を与えることなく電力線搬送通信を行うことができる。しかし、送信端電圧を下げた場合、ＳＮ比が低くなるため、特にノイズや減衰が大きい電力線では通信が困難となるが、スペクトル拡散によるプロセスゲインや同一情報の複数帯域割り付けによる周波数ダイバーシティ効果により、送信端電圧７０［ｄＢμＶ］でも安定した通信を実現できる。
〔ＯＦＤＭ出力信号のサンプリングによるスペクトル拡散（ＯＦＤＭ信号生成手段、アナログ変換手段、ホールド制御手段）〕
第３４図は、本発明に係る第６実施形態の電力線搬送通信装置１ａの構成を示す図である。第１図等と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。第３４図に示す電力線搬送通信装置１ａには、送信側に直並列変換器９４、高速逆フーリエ変換器（ＩＦＦＴ）９７、並直列変換器９８、ＤＡ変換器９９、ホールド制御装置１００、ＧＩ付加器１０１を備えている。また、受信側に受信アンプ９０、サンプリング同期回路９１、ＡＤ変換器９２、ＧＩ除去器９３、直並列変換器９４、高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）９５、並直列変換器９６を備えている。まず、送信処理について説明する。送信時、コンスタレーションマッピングされたデータは、直並列変換器９４に送られる。直並列変換器９４においてデータを並列にし、その並列データに対して高速逆フーリエ変換器９７によりＯＦＤＭ変調処理を行う。そして、並直列変換器９８によりシリアルデータに変換された後、ＤＡ変換器９９によりアナログ信号に変換される。
第３５図はＤＡ変換器９９の出力波形を示したものである。また、第３６図は、第３４図の電力線搬送通信装置１ａにおけるホールド制御装置１００の出力波形を示した図である。ホールド制御装置１００は、第３５図に示すＤＡ変換器出力波形１０２に対し、第３６図に示すようにパルス状又はインパルス状に近い信号（ホールド時間制御回路出力波形１０３）に変換する。ホールド制御装置１００は、ホールド時間を制御する手段を持った回路であり、例えば、第３７図に示す半導体スイッチング素子１０４等で代用することが可能である。第３７図は、ホールド制御装置の一例を示す回路図である。半導体スイッチング素子１０４で、ＤＡ変換器９９のＤＡ出力とアース１２３又はそれに相当する電位を持った端子とを交互に切り替えることで第３６図の波形を得ることができる。ただし、アース１２３の電位は実装上０［Ｖ］とすることができない場合もあり、絶対電位０［Ｖ］に限ってはいない。第３５図に示すＤＡ変換器出力波形（ＯＦＤＭ信号波形）１０２の周波数スペクトルの概念図は第３８図のようになる。一方、第３６図に示すホールド時間制御回路出力波形（ＯＦＤＭ信号波形）１０３の周波数スペクトルの概念図は第３９図のようになる。ホールド時間を制御して、時間軸信号をパルス又はインパルス状に近い波形にすることで、第３８図のスペクトル１０５と同様の情報を持ったスペクトル１０６〜１１０が周波数軸上に複数現れる。この現象は、連続アナログ信号をＰＡＭ（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号化した際に観測される現象と同一である。理論的な詳細説明は省略するが、同一情報をもったスペクトルのパルス幅Ｗは、第３７図のスイッチ１０４によりＤＡ出力状態（以下、有値という）とアースに接続された状態（以下、ヌル値という）の時間比で決定される。スイッチ１０４が理想状態であれば、例えば１ＭＨｚの帯域幅を持ったＯＦＤＭベースバンドと同一の情報を持った複数のスペクトルを３０ＭＨｚまで発生させる場合には、有値とヌル値の比は１：６０にすることで達成できる。前記のホールド制御装置１００の出力は、ＧＩ付加器１０１によりガードインターバル（遅延波による影響を防ぐためＯＦＤＭの先頭部分に付加する時間）が付加され送信アンプ１３により信号の増幅が行われ、ＢＰＦ１４により所定帯域外の信号を除去して送信される。第３４図ではミキサを使用していないが、これは、ＩＦＦＴ９７の基数をサブキャリア数の倍にし、入力値とその入力値の複素共役の値とを同時にＩＦＦＴ処理することで、ＩＦＦＴ出力がＩ，Ｑ変調された状態で出力されるためである。また、周波数変換にあっては、フィルタ制限を行うことで希望の信号のみを利用することができるからである。従って、図中にはミキサを示していないが、ここにミキサを利用してＩ，Ｑ変調や周波数変換を実現しても構わない。受信側も同様である。この送信信号は、前記及び図示したプロセスによって得られた信号に限定されるものではない。つまり、本発明は、第３５図のＤＡ変換器出力波形１０２のホールド時間制御を行うところにある。
一般にＯＦＤＭにスペクトル拡散や帯域割り付けを適用する場合には、拡散後の帯域幅に比例して、一連の変復調処理を行うＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）やＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）の処理能力の高速性が要求される。例えば、同一の情報を割り付けた搬送波を複数の周波数に拡散する場合（第２９図）、ＦＦＴ基数が同一情報を持った搬送波をいくつ送信するかに応じて処理能力が増加し、その演算を処理する高速性が要求される。また、各搬送波を拡散符号により拡散する直接拡散方式（第２８図）では、ＦＦＴ基数は増えないが、拡散率に応じてシンボルレート、即ちチップレートが短くなるため、その短い時間に、ＯＦＤＭ変調処理を行うだけの高速性が要求される。
一方、本発明によれば、ＯＦＤＭ変調は、ベースバンド処理を行うことができる演算量があればよく、拡散又は帯域割り付けは、ホールド制御装置１００により実行されるため、ＤＳＰやＣＰＵの処理は少なくてすむ。例えば、ＯＦＤＭベースバンド信号の帯域幅が１ＭＨｚだった場合、３０ＭＨｚの帯域を使って帯域割り付けを行うと、第２９図の処理方式ではＣＰＵ等のクロックが６０ＭＨｚ必要であるのに対し、本発明では２ＭＨｚでよいため、電力線搬送通信装置１ａを安価にできる効果がある。
〔サンプリングによるスペクトル拡散後のディジタル変換手段、ＯＦＤＭ復調手段〕
再度、第３４図に戻り、受信処理（ＯＦＤＭ復調）について説明する。まず、電力線搬送通信装置１ａは他の電力線搬送通信装置１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅにより送信された送信信号を受信して、ＢＰＦ１８により不要な帯域外の信号を除去した後、受信アンプ９０によりＡＤ変換器９２に適切な値が入力するように受信信号のゲイン調整を行う。同時にサンプリング同期回路９１により有値の部分（第３７図のスイッチ１０４によりＤＡ出力状態、即ち送信側におけるＤＡ変換器９９の出力状態の時間に相当する部分）とＡＤ変換器９２のサンプリングクロックが合致するようにサンプリングクロックの同期を行う。この同期情報を基にＡＤ変換器９２において受信アンプ９０通過後の信号の有値部分のみサンプリングを行う。サンプリング同期回路９１により、有値部分にサンプリングクロックの同期を取るので、ＡＤ変換器９２はベースバンド部分のみを処理することができる能力を持った動作周波数のものでよい。例えばＯＦＤＭのベースバンド帯域幅が１ＭＨｚであれば、必要動作周波数は２ＭＨｚ程度である。サンプリングされた信号はＧＩ除去器９３でガードインターバルを除去され、直並列変換器９４を経て、高速フーリエ変換器９５によるＯＦＤＭ信号の復調が行われる。その信号（データ）を並直列変換器９６によりシリアルデータ列に変換し、コンスタレーションデマッパ４でコンスタレーション配置に基づいてデマッピングされ、等価器／判定器５により信号等価が行われる。等価器／判定機５の等価器は通信線の通信路歪（伝送路歪ともいう）を補正するためのものであり、通信路歪の補正処理を行った信号が判定器により信号判定される。その後、復号器６により誤り訂正復号を行い、復調ビット列を得る。この復調ビット列はメディアアクセスコントローラ７に入力される。メディアアクセスコントローラ７は、入力データを所定フォーマットの通信パケットに変換し、プロトコル変換器８に出力する。プロトコル変換器８は、この通信パケットを、パソコン２６等とのインタフェース（例えばイーサ（Ｒ）やＵＳＢ等）が取れるようにプロトコル変換して、パソコン２６等に情報を出力する。電力線２０は、電源供給線であるため、一般家庭では、配電盤／ブレーカ２２に接続されているので、電力線搬送通信装置１ａの信号が配電盤／ブレーカ２２を介して同一の外部配電線に接続されている家屋へ伝送される可能性がある。これを抑制する目的でブロッキングフィルタ２１を、電力線２０に設ける場合がある。
第３４図から第３９図を用いて説明した一連の処理では、ＯＦＤＭに複数の同一スペクトル１０６〜１１０を発生させて（第３９図参照）送信することで、受信側での周波数ダイバーシティ効果により、通信の信頼性が向上している。また、同時に、ＯＦＤＭをスペクトル拡散することで生じるＤＳＰやＣＰＵの演算量を低減している。なお、受信時は、ヌル値部分に乗ったノイズはサンプリングされないため、逆拡散効果、即ち変調時のＳＮ比と比較して復調時にＳＮ比が改善する効果が得られる（プロセスゲイン）。
このような処理を行うことで、全ての信号通信帯域をＡＤ変換器９２やＤＳＰ等により処理する方式と比較して、低演算で逆拡散及び復調が実現できる。また、ＯＦＤＭ信号のホールド時間を制御することで得られる効果は、電力線２０以外の、一般のペア線の通信又は無線による通信においても、得られるため、本発明を一般のペア線や無線による通信に適用することも可能である。
第３４図から第３９図に示す方式は、第３４図に示すＤＡ変換器９９によるディジタルアナログ変換後のアナログ波形について、半導体スイッチング素子１０４を用いることで、第３６図のホールド時間制御回路出力波形１０３を得ることを可能にしている。このホールド時間制御回路出力波形１０３は、ＤＡ変換器９９でアナログ信号に変換する前のディジタル信号において、あるサンプルクロックに並直列変換器９８から送出された値とその次のサンプルクロックに並直列変換器９８から送出された値との間に、拡散率に応じてメディアアクセスコントローラ７から指定されたサンプルクロック数だけゼロないし所定値以下の値を挿入し、これを全てのディジタル信号にわたって実行したものをＤＡ変換器９９の入力としてディジタルアナログ変換を行うことで得る事もできる。これは、半導体技術の発達により高性能なＤＳＰによって安価に演算量が多い処理が可能になった場合やソフトウェアにより変復調を実現する場合などには有効である。この場合、第３４図に示すホールド制御装置１００は不要である。また、受信側においては、第３４図に示すＡＤ変換器９２によりディジタル信号に変換された後、送信時に挿入したゼロないし所定値以下にした値に相当する部分を平均値レベル検出や波形相関を用いて検出して除去し、除去した以外のＡＤ変換器９２の出力データに対して復調処理を行う。
〔電力線搬送通信装置〕
第１図は、本発明に係る第１実施形態の電力線搬送通信装置の構成を示す図である。電力線搬送通信装置１ａは、パソコン２６やテレビ２７、冷蔵庫２８、監視カメラ２９等の電気機器に内蔵又は外付けされ、電力線２０を通信線として用い、同一配電系統内にある他の電力線搬送通信装置１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅと通信を行う。また、ホームゲートウェイ２３やホームサーバ２４等からローカルエリアネットワークやインターネット２５上にあるコンテンツや保守情報、その他のサービス情報の授受を行う。
電力線搬送通信装置１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅは同一構成であり、第１図に示す電力線搬送通信装置１ａを基に説明する。電力線搬送通信装置１ａは、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１４，１８、検波回路１７、受信アンプ１６、送信アンプ１３、アナログ／ディジタル変換器（ＡＤ変換器）１５、ディジタル／アナログ変換器（ＤＡ変換器）１１、ミキサ１２、復調器２、変調器３、コンスタレーションデマッパ４、コンスタレーションマッパ１０、等価器／判定器５、復号器６、符号器９、メディアアクセスコントローラ７、プロトコル変換器８から構成されている。
プロトコル変換器８は、接続されているパソコン２６やテレビ２７等の電気機器とのインタフェースが取れるように通信データの変換をおこなう装置である。このインタフェースは、例えばイーサ（Ｒ）やＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）等の標準的な規格のインタフェースである。プロトコル変換器８は、パソコン２６等の機器からデータを受け取ると、このデータを電力線搬送通信装置１ａで扱う所定フォーマットの通信パケットに変換する。メディアアクセスコントローラ７では、プロトコル変換器８からの通信パケットを受信するとこのデータを、符号器９と変調器３に送る。また、メディアアクセスコントローラ７は、ＭＡＣ制御（通信データの送信タイミングやパケットのフレーム構造等の制御）に関する処理と電力線のＳＮ比の状態をトレーニング信号を使って解析を行っており、この解析情報を、符号器９、変調器３及びコンスタレーションマッパ１０に送る。符号器９では、誤り訂正符号化を行う。コンスタレーションマッパ１０では、多値ＰＳＫ（ＱＰＳＫ）、多値ＱＡＭ等の多値変調を行い、そのコンスタレーション配置に応じてデータを割り付ける（コンスタレーションマッピング）。なお、ＱＡＭはＱｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＱＰＳＫはＱｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇと呼ばれ、ＱＡＭは振幅変調、ＱＰＳＫは位相変調である。
第２図は、ＱＰＳＫのコンスタレーションマッピングの一例を示す図である。符号器９から送られてきた２ビットのデータが、第２図の４点のうちのいずれかに割り当てられ、それぞれＩとＱの値が変調器３に送られる。ＱＰＳＫは、各搬送波（キャリア、サブキャリアとも言う）に２ビットを割り付ける変調方式であり、信号点配置は第２図のようになっている。Ｉ軸は信号の同相成分を表し、Ｑ軸は信号の直交成分を表している。信号点へのデータ割り付けは、例えば、第１象限の信号点でデータ“００”を示し、第２象限の信号点でデータ“０１”、第３象限の信号点でデータ“１１”、第４象限の信号点でデータ“１０”を表す。
なお、第２図ではＱＰＳＫの一例を示したが、コンスタレーションマッパ１０はメディアアクセスコントローラ７から、伝送路のＳＮ比を受け取り、第３図に示す通信誤り率とＳＮ比に基づいて、いずれの多値変調を行うかを決定する。第３図は、どの多値変調を行うかを決定するための通信誤り率とＳＮ比を示した図である。より広い帯域を使った通信の場合、拡散率や同一情報をいくつ送信するかによって、第３図に示す所要ＳＮ比よりも低いＳＮ比で多値変調を行えるため、コンスタレーションマッパ１０は、拡散率や同一情報の送信数を考慮して多値数を決定する。例えば、第４図は、第３図における通常のＱＰＳＫの通信誤り率と拡散率が２６の時のＱＰＳＫの通信誤り率を示した図である。拡散等の処理を施さない（通常のＱＰＳＫ）場合は、通信誤り率が１０−５の時の所要ＳＮ比は約１０ｄＢであるが、拡散率が２０の場合は、ＳＮ比が−３ｄＢで、ＱＰＳＫ変調ができることを示している。これをプロセスゲインと呼ぶ。なお、拡散率は、ベースバンド信号帯域幅と伝送帯域幅で決定される。例えば、ベースバンド帯域幅が１ＭＨｚであり、伝送帯域幅が２５ＭＨｚであれば拡散率は２５となる。
変調器３は、後記するスペクトル拡散や帯域割り付けによって、変調器３への入力信号を、より広い帯域幅を持った通信信号とする。その後、この信号は、ＤＡ変換器１１によりアナログ信号に変換される。この処理をアナログ回路で実現することもあり、その場合にはＤＡ変換器は不要である。この後、ミキサ１２でＩ，Ｑ変調や周波数変換され、送信アンプ１３により増幅された後、ＢＰＦ１４を介して電力線に出力され、他の電力線搬送通信装置１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに送信される。なお、ＩＱ変調はＤＡ変換処理の前に実行されることもある。
一方、他の電力線搬送通信装置１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅから送信されてきた信号（受信信号）は、ＢＰＦ１８によって通信帯域外の信号が抑制され、受信アンプ１６に出力される。受信信号は、受信アンプ１６で増幅され、ＡＤ変換器１５に出力される。ＡＤ変換器１５によってディジタル情報に変換され、復調器２で逆拡散が行われる。逆拡散等の復調処理をアナログ回路によって実現する場合には、ＡＤ変換器１５は不要である。逆拡散や帯域合成（ダイバーシティ合成）を行って、元のベースバンド帯域幅まで帯域幅を狭くした後、コンスタレーションデマッパ４でデマッピングが行われる。デマッピングは、受信信号の振幅と位相情報により行われる。第２図は、ＱＰＳＫのコンスタレーションマッピングを示しているが、デマッピングされたデータは、ノイズや伝送路歪により、本来のコンスタレーション位置とは異なる場合が多い。このデータは、等価器／判定器５の等価器により、伝送路の歪により生じる位相回転が修正される。位相回転量は、トレーニング信号として送られる既知のデータがどの程度位相回転しているかを割り出すことで把握される。
次に、等価器／判定器５により、元の２値データに振り分ける符号等価が行われ、復号器６で誤り訂正符号の復号を行って、メディアアクセスコントローラ７に送られる。メディアアクセスコントローラ７でＭＡＣ制御に関する処理を行ってプロトコル変換器８に送られる。その後、データは、プロトコル変換器８でパソコン２６やテレビ２７等の情報受信装置に送られる。
電力線２０は、電源供給線であるため、一般家庭であれば、配電盤／ブレーカ２２に接続されているので、電力線搬送通信装置１ａの信号が配電盤／ブレーカ２２を介して同一の外部配電線に接続されている家屋へ伝送される可能性がある。これを抑制する目的でブロッキングフィルタ２１を、電力線２０に設ける場合がある。
［電力線の通信特性 １ＭＨｚ−３０ＭＨｚ］
次に、通信線として用いる電力線２０の特性について説明する。第５図は、電力線の伝送路特性（減衰特性）を実験により測定した結果の例である。あるコンセント間においての減衰特性であり、実測値３０（破線参照）とその実測値３０を１次近似した結果３１（実線参照）とを示してある。一般に電力線２０は、第５図に示すように減衰が大きく特に周波数が高くなるほどその傾向は顕著である。第５図により周波数が３０ＭＨｚ以上になると、減衰量（マイナスの符号）は６０ｄＢ以上にも及ぶことがわかる。これは、３０ＭＨｚ以上の高周波信号は電力線２０によって十分に伝送できないことを示している。また、第６図は、電力線２０のノイズ特性であるが、３０ＭＨｚ付近ではノイズは３０［ｄＢμＶ］である。これに減衰特性を考慮した場合、例えば電力線搬送通信装置１ａの送信端電圧が７０［ｄＢμＶ］だったとしても、ＳＮ比が−２０ｄＢとなる（３０ＭＨｚ付近では減衰が６０ｄＢあるため、７０ｄＢμＶの送信端電圧が１０ｄＢμＶにまで落ち、そこにノイズ３０ｄＢμＶが加わるため）。仮に拡散等によるプロセスゲインでＳＮ比の改善を試みても、３０ＭＨｚ以上の周波数帯域では、減衰により通信に寄与することができない。従って、３０ＭＨｚまでを使って通信をすると安定性が向上する。また、第６図からわかるように、１ＭＨｚ以下の周波数ではノイズが高いため、１ＭＨｚ以上の周波数を使い、広い帯域を確保することで通信の安定性が増す。５ＭＨｚ以上では、さらにノイズが低いため、より安定した通信ができる。
以上により、電力線搬送通信装置１ａで、スペクトル拡散や帯域割り付けにより広い帯域を使って通信を行う場合には、少なくとも１ＭＨｚから３０ＭＨｚのうちのいずれかの帯域を使用することで、安定した通信が可能になる。
また、この通信信号に対し、受信側において逆拡散処理を実行したり、複数の搬送波信号に割り付けられているそれぞれの同一の情報（ダイバーシティ枝と言う）を加算したり、位相調整後に加算したり、あるいはそれぞれのダイバーシティ枝に重み付けをして、位相調整後に加算したりして、帯域合成（ダイバーシティ合成）を行うことにより、ＳＮ比を改善することが出来るため、信頼性の高い通信を行うことが可能である。ここで、ダイバーシティ枝とは、それぞれの搬送波に割り付けられた個々の同一情報を意味する。
〔単一搬送波のスペクトル拡散〕
次に、より広い帯域を使用したスペクトル拡散方式又は帯域割り付けについて説明する。
第７図は、本発明に係る第２実施形態の電力線搬送通信装置１ａにおける直接スペクトル拡散方式の構成を示す図である。第１図と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。第１図で示した処理と異なる点は、拡散及び逆拡散部分であり、拡散符号発生器３４、スペクトル拡散変調器３５、タイミング同期回路３３及びスペクトル逆拡散変調器３２を備える。送信時にコンスタレーションマッピングされたデータは、拡散符号発生器３４で発生した拡散符号系列を用いてスペクトル拡散変調器３５でスペクトル拡散され、ＤＡ変換器１１に送られる。一方受信時には、タイミング同期回路３３により符号同期をとり、スペクトル逆拡散変調器３２で逆拡散されたデータがデマッピングされる。
第８図は、拡散前帯域幅Ｗａの単一搬送波３６を、１ＭＨｚから３０ＭＨｚの帯域を使用して直接スペクトル拡散した場合の周波数スペクトル概念図である。拡散後の搬送波３７は、周波数帯域幅がより広い帯域幅Ｗｂになっている。拡散符号には、ＰＮ符号（擬似ランダム符号）、Ｍ系列、ゴールド符号、バーカ符号、その他の直接拡散を行うことができる任意の符号長の符号系列を用いる。この拡散手段は、帯域幅Ｗａの搬送波に対し、拡散符号を乗算するだけで簡単により広い帯域幅Ｗｂにスペクトル拡散できるという特徴がある。
以下、同様に帯域幅Ｗａの搬送波を少なくとも周波数１ＭＨｚから３０ＭＨｚのいずれかの帯域を使用して、より広い帯域幅Ｗｂを持つ搬送波に変換して行う情報通信について、周波数スペクトル概念図を用いて説明する。
〔単一搬送波情報の複数の搬送波への割り付け〕
第９図は、帯域幅Ｗａの単一搬送波３８からなる情報信号を複数の搬送波３９〜４６に割り付け、複数の搬送波３９〜４６を少なくとも周波数１ＭＨｚから３０ＭＨｚのいずれかの帯域に割り当てた図である。複数の搬送波３９〜４６は同一情報を持ち、全体として、より広い帯域幅Ｗｂを利用して通信を行うことができる。
第１０図は、本発明に係る第３実施形態の電力線搬送通信装置１ａにおける、前記第９図に示した複数の搬送波に割り付けを行うための構成を示す図である。第１図及び第７図と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。第１図及び第７図で示した処理と異なる点は、帯域割付装置４９、帯域合成装置４７を備える点である。第１０図において、送信側のコンスタレーションマッパ１０によってマッピングされたデータは、帯域割付装置４９において帯域割り付けが行われる。帯域割付装置４９では、コンスタレーションマッパ１０とメディアアクセスコントローラ７から受け取った割り付け情報に基づいて、所定の搬送波３９〜４６に同一の情報を割り付ける。このように同一の情報を複数の搬送波に割り付ける方法を周波数ダイバーシティと呼ぶ。この周波数ダイバーシティは、同一の情報を複数の周波数の搬送波で伝送しているため、搬送波のいずれかがノイズや伝送路歪で情報を失っても、他の周波数帯域の搬送波に割り付けた情報が健全であれば、帯域合成装置４７においてダイバーシティ合成を行うことで、正しい情報を復元できるため、通信の安定性が向上するという効果がある。なお、詳細な説明は省略するが、ダイバーシティ合成方式には、選択合成方式、等利得合成方式、最大比合成方式等がある。図示しないが、複数の搬送波３９〜４６は個々において同一又は異なる拡散符号系列及び拡散符号長を乗積して拡散されることもある。復調時には、同一情報が割り付けられている搬送波３９〜４６ごとにダイバーシティ合成を行って元の帯域幅Ｗａにした後に、第１図の実施形態で示したと同様の復調処理を行う。また、ダイバーシティ合成は、先にデマッピングまでの処理を行い、そのデマッピングしたデータについて行うこともある。
複数の搬送波に同一情報を割り付けての通信は、電力線２０特有の伝送路特性及びノイズ特性に対して、より信頼性の高い通信を行うことが可能である。さらに、ＳＮ比を評価するトレーニング信号を利用したり、予め他の機器で使われる通信帯域の情報を与えることで、信号を伝送するのに都合の悪い帯域（著しく信号が歪んだり、他の機器で使われる通信帯域に存在する通信に著しく妨害を与える帯域）に対しては、いずれかの搬送波３９〜４６の割り付けを行わないようにすることで、より高信頼の通信を行うことができまた他の機器の通信と干渉することを防ぐことが可能である。
〔複数搬送波のスペクトル拡散〕
第１１図は、２つ以上の搬送波５１，５２，５３に情報を分割して割り付けた図である。従って、搬送波５１，５２，５３には、それぞれ異なる情報が割り付いている。第１２図は、第１１図に示した搬送波５１，５２，５３に対してそれぞれの搬送波を直接拡散している様子を示した図である。即ち、第１２図は、周波数１ＭＨｚから３０ＭＨｚのいずれかの帯域を使用して、第１１図に示す搬送波５１〜５３を、それぞれの搬送波に対して同一又は異なる拡散符号を用いて拡散し、個々の搬送波５４，５５，５６に割り付けた拡散情報信号が互いに干渉しないように周波数軸上に割り当てた例である。
第１３図は、第１２図の処理を実現するスペクトル拡散変調器３５の処理フローである。スペクトル拡散変調器３５は、第７図のコンスタレーションマッパ１０からコンスタレーションマッピングのＩ，Ｑの値を入力し（Ｓ１）、拡散率を入力して（Ｓ２）、拡散率に基づいて発生された拡散符号を用いて、Ｉ，Ｑの値と拡散符号により各情報信号を直接拡散し（Ｓ３）、ＤＡ変換器１１に出力する（Ｓ４）。拡散符号には、ＰＮ符号（擬似ランダム符号）、Ｍ系列、ゴールド符号、バーカ符号、その他の直接拡散を行うことができる任意の符号長の符号系列を用いる。第１１図に示す搬送波５１、５２、５３はそれぞれ第１２図に示す搬送波５４、５５、５６に割り当てられている。
これにより、例えば、第９図のスペクトル拡散信号と比較して、同一の拡散符号長を用いた場合、相対的に拡散後の帯域幅を狭くすることができるため、第１４図に示す急激な減衰量の落ち込みの影響を回避しやすくなる。第１４図で、破線は、第５図で示した減衰特性の実測値３０である。第１４図で、搬送波６３は、搬送波６２に比べ帯域幅が狭いため急激な減衰量の落ち込み（第１４図における○の個所）に掛からず波形にひずみを生じないため、復調ができる。つまり、急激に減衰が起こった場所では、ノイズによる情報の損失がおきやすくなるが、この状況に陥ることを回避できる。搬送波６２は、電力線２０特有の伝送路特性等により生じる周波数選択性フェージングであり、搬送波６３は、フラットフェージングである。周波数選択性フェージングとは、電力線の伝送路特性において減衰量が急激に落ち込むことで通信信号が著しく歪んだ状態になることであり、フラットフェージングは影響されない状態のことである。第１４図は、相対的に信号帯域幅が狭くなった信号を用いることで電力線２０の伝送路特性によって著しく通信信号が歪む現象を回避している例である。なお、実験の結果、第１４図での減衰量の落ち込み時の周波数幅は約１００ｋＨｚである。
〔複数搬送波のスペクトル拡散、同一情報が割り付いている搬送波を互いに干渉することなく周波数軸上に配置〕
第１６図は、第１１図に示す複数搬送波５１，５２，５３に情報を分割して割り付け、同一情報が割り付いている個々の搬送波を互いに干渉することなく周波数軸上に割り当てた図である。第１５図は、本発明に係る第４実施形態の電力線搬送通信装置１ａにおける、第１６図に示す割り付けを行うための構成を示す図である。第１図等と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。第１図、第７図、第１０図と異なる部分は、帯域割付装置６６、帯域合成装置６４を備え、タイミング／同期回路６５を備えた点である（第１０図に対してはタイミング／同期回路６５を追加）。
第１６図によれば、例えば、第１１図において情報（データａ）が割り付いている搬送波５１は、第１６図において搬送波６７，６８，６９に割り付いており、この時、搬送波６７，６８，６９は少なくともオーバラップしない程度に近接して周波数軸上に配置される。第１１図において情報（データｂ）が割り付いている搬送波５２及び情報（データｎ）が割り付いている搬送波５３は、第１６図において、搬送波７０〜７２、搬送波７３〜７５に割り当てられる。また、同一の情報が乗っている搬送波の集まり（搬送波群：６７，６８，６９や７０，７１，７２等）は任意の周波数に割り当てられる。
第１７図は、第１５図に示す帯域割付装置６６の処理フローである。帯域割付装置６６は、第１５図のコンスタレーションマッパ１０から、コンスタレーションマッピングのＩ，Ｑの値と拡散率を入力する（Ｓ１１，Ｓ１２）。また、メディアアクセスコントローラ７から通信帯域情報を入力し（Ｓ１４）、Ｉ，Ｑの値と拡散率と通信帯域情報に基づいて各搬送波に帯域割り付け及び各搬送波に情報の割り付けを行い（Ｓ１３）、ＤＡ変換器１１に出力する（Ｓ１５）。また、帯域割付装置６６は、同一情報を割り付ける搬送波を何本用いるかを決定する。さらに、ＳＮ比が著しく低い帯域や、他の機器で使われる通信帯域には、搬送波を割り当てないようにする。以上の処理を行うことにより、広い拡散後帯域幅Ｗｂを利用して通信を行う。これら全ての搬送波６７，６８，６９は、それぞれに干渉を起こさないようにフィルタリングが施されたり、その干渉が互いに影響を及ぼさない程度の周波数間隔を空けたりする処置を講じている。このように複数搬送波のそれぞれに割り付けられた情報を、複数の周波数で同じ情報を送信する帯域割り付けの方法も周波数ダイバーシティという。一方、復調時には、同一情報が乗っている搬送波（例えばデータａが割り付けられている搬送波６７，６８，６９）ごとにダイバーシティ合成を実行して、第１図の実施形態と同様の復調処理を行う。また、ダイバーシティ合成は、先にデマッピングまでの処理を行い、そのデマッピングしたデータについて行うこともある。
従って、この方式は、第１２図及び第１３図と比較して１つの搬送波の帯域幅が相対的に狭くなるため、第１４図で示した電力線特有の伝送路特性である周波数選択性フェージングをフラットフェージングにする効果がより大きくなり、これにより通信の信頼性がより向上する。また、電力線２０ではランダムに減衰が起こる場合があり、この時の減衰の幅は狭いため、同一情報を割り付けた搬送波のうち、減衰により１つの搬送波が情報を失っても、他の搬送波に割り付けられた同一情報は健全であるため、それら健全な情報を用いて、送信された情報を復元でき、通信の安定性が向上する。なお、第１１図及び第１６図では、各搬送波に分割して情報を割り付けているため、１つの搬送波の帯域幅は第８図の単一搬送波３６と比較して狭い。また、第１６図のようにより広い帯域を使った場合でも、第１１図の個々の搬送波５１，５２，５３と第１６図の個々の搬送波６７〜７５の帯域幅は同じである。
１ＭＨｚから３０ＭＨｚの帯域を使うことでより安定した通信ができることはもちろんであるが、ノイズレベルの高い１ＭＨｚ以下の周波数帯においても、十分なＳＮ比が確保できる帯域が局所的に存在し、前記のように狭い帯域幅の搬送波であれば１ＭＨｚ以下の帯域を利用しても通信が可能である。この結果、さらに多くの搬送波を利用して通信することができ、より一層の高速通信を行うことができる。
〔複数搬送波のスペクトル拡散、同一情報が割り付けられている搬送波を離隔して周波数軸上に配置〕
第１８図は、第１１図に示す複数搬送波５１，５２，５３に情報を分割して割り付け、同一情報が割り付いている個々の搬送波を離隔して周波数軸上に割り当てた図である。第１８図において、例えば、第１１図で示した搬送波５１に割り付けられた情報（データａ）は、搬送波７６，７９，８２に割り付けられている。そして、同一の情報を割り付けた複数搬送波７６，７９，８２は、搬送波同士が互いに干渉を起こさず、且つ、数十ｋＨｚから数百ｋＨｚ以上の間隔をあけて任意の周波数に割り当てられている。従って、前記した第１６図との違いは、同一情報が割り付けられている搬送波７６，７９，８２が、数十ｋＨｚから数百ｋＨｚ以上の間隔をあけて割り付けられていることである。
第１９図は、第１８図に示すように割り付けを実行する場合の帯域割付装置６６の処理フローである。第１７図との違いは、帯域割付装置６６は、メディアアクセスコントローラ７から、データ割り付け情報を入力し（Ｓ２１）、Ｉ，Ｑの値と拡散率と通信帯域情報とデータ割り付け情報に基づいて各搬送波に帯域を割り付け（Ｓ２０）、及びデータ割り付け情報に基づいて、どの搬送波にどの情報を割り付けるかを決定し各搬送波に情報の割り付け（Ｓ２０）を行っている点である。
なお、第１８図においては、説明を容易にする為、第１１図における各搬送波の配列に従って帯域割り当て後も規則的にブロックごとに各搬送波７６〜８４が配列されているが、第１８図は一例であるため、複数のブロックにまたがってランダムにデータを割り付ける場合もある。第１８図において例えば、搬送波７６〜８４には、ランダムにデータａからデータｎまでのデータを割り付ける（図示せず）。割り付けるデータが周期的であると、電力線において急激な減衰量の落ち込みが周期的に現れた場合には、減衰量の落ち込み周期とデータ割り付け周期が合致して常に同じデータが欠落する可能性があるのに対し、このようにデータ割り付け系列をランダムにすることで常に同一データが欠落する可能性を減らすことができ、結果として通信品質が向上する。これら全ての搬送波７６〜８４はそれぞれに干渉を起こさないようにフィルタリングが施されたり、その干渉が互いに影響を及ぼさない程度の周波数間隔を置いたりする等の処置を講じている。また、復調時には、同一情報を割り付けている搬送波（例えばデータａに対しては搬送波７６，７９，８２）がどこに配置されているかの情報を、メディアアクセスコントローラ７から受け取って、同一情報が割り付けられている搬送波ごとにダイバーシティ合成を実行した後に、第１図の実施形態と同様の復調処理を行う。場合によっては、ダイバーシティ合成は先にデマッピングまでの処理を行い、そのデマッピングしたデータについて行うこともある。
第１８図に示す割り付けでは、第１６図によって得られる効果のほかに、電力線特有の伝送路特性における特性改善を行うことが可能である。例えば、第１４図に示した電力線の減衰周波数特性としては深い減衰があると、その両側数十ｋＨｚから数百ｋＨｚに渡っては、深い減衰が継続している場合がある。前記したように、実験の結果、通信信号の急激な減衰量の落ち込み時の周波数幅は約１００ｋＨｚである（第１４図参照）。従って、第１６図のように同一情報が割り付けられている搬送波が近接して配置された場合（例えば、第１６図で搬送波６７，６８，６９は同一情報）、同一情報が割り付けられた全ての搬送波が歪んでしまうために、結果としてビット誤りを引き起こす可能性が高くなる。これに対し、第１８図は、同一情報が割り付けられている搬送波同士が離隔した配置構成となるため、同一情報が割り付けられた全ての搬送波が同時に歪を受けることを回避することができる。即ち、隣り合った同一情報を割り付けた搬送波の周波数間隔を１００ｋＨｚ以上離隔した状態で通信することで、歪を受けることを回避することができる。この結果、周波数ダイバーシティ効果をより強くすることができるため、送信された情報を復元でき、通信の安定性を向上させることができる。なお、第１８図では、各搬送波に分割して情報を割り付けているため、１つの搬送波の帯域幅は第８図の単一搬送波３６と比較して狭い。また、第１８図のようにより広い帯域を使った場合でも、第１１図の個々の搬送波５１，５２，５３と第１８図の個々の搬送波７６〜８４の帯域幅は同じである。１ＭＨｚから３０ＭＨｚの帯域を使うことでより安定した通信ができることはもちろんであるが、ノイズレベルの高い１ＭＨｚ以下の周波数帯においても、十分なＳＮ比が確保できる帯域が局所的に存在し、前記のように狭い帯域幅の搬送波であれば１ＭＨｚ以下の帯域を利用しても通信が可能である。この結果、さらに多くの搬送波を利用して通信することができ、より一層の高速通信を行うことができる。
〔複数搬送波の一括スペクトル拡散〕
第２０図は、第１１図に示す複数搬送波５１，５２，５３を、少なくとも周波数１ＭＨｚから３０ＭＨｚのいずれかの帯域を使用して、拡散符号による一括してスペクトル拡散を行う図である。拡散に使用される拡散符号はＰＮ符号（擬似ランダム符号）、Ｍ系列、ゴールド符号、バーカ符号、その他の直接拡散を行うことができる任意の符号長の符号系列を用いる。逆拡散の際には、送信時に使用した拡散符号系列と同一拡散符号による逆拡散処理を行う。
このスペクトル拡散方式は、第７図と同様の回路構成により実現することができ、また第１６図又は第１８図の方式と比較して、拡散後の搬送波８５の数が相対的に少なくてすむため、図示しないがフィルタ、周波数シンセサイザ、ミキサ等の数を減らすことができ、ハードウェアの簡素化が可能である。
［ブロック毎のスペクトル拡散］
第２１図は、本発明に係る第５実施形態の電力線搬送通信装置１ａの構成を示す図である。第１図等と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。電力線搬送通信装置１ａは、送信側は複数の送信系統（変調器１４３、ＤＡ変換器１４４、ミキサ１４５、送信アンプ１４６、ＢＰＦ１４７）で構成され、受信側は複数の受信系統（復調器１３８、ＡＤ変換器１３９、受信アンプ１４０、検波回路１４１、ＢＰＦ１４２）で構成される。また、データ分割装置１３７及びデータ合成装置１３６を備えている。また、第２２図はスペクトル拡散前の複数搬送波からなるブロック１２４，１２５，１２６の周波数スペクトルを示した図である。複数の送信系統は、第２２図に示す複数搬送波からなるブロック１２４，１２５，１２６について、それぞれのブロック１２４，１２５，１２６に使用する周波数帯域や伝送する情報に要求されるＱｏＳ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）に基づいて拡散率とスペクトル拡散方式を決定して送信処理を行う。データ分割装置１３７は、メディアアクセスコントローラ７から伝送路環境、使用周波数帯域、送信データに要求されるＱｏＳを受け取り、データを分割しブロックを形成する。その後の各送信系統での変調処理は第１図と同様である。受信側では、復調器１３８は、メディアアクセスコントローラ７からブロックごとに、受信信号に関する使用帯域、スペクトル拡散方式、拡散率、同一情報を割り付けたキャリア配置情報を受け取り、復調を実施する。各系統での復調処理は第１図と同様である。なお、ディジタル信号処理により各系統に設けているデバイスを共通化することもできる。
第２２図で、それぞれのブロック１２４，１２５，１２６は帯域幅Ｗａ１，Ｗａ２，Ｗａ３を有している。また、ブロック１２４，１２５，１２６内にある各搬送波にはそれぞれＡからＩという情報が割り付けられている。第２３図は第２２図に示したそれぞれのブロック１２４，１２５，１２６ごとに個々の搬送波を直接スペクトル拡散した場合の周波数スペクトル概念図である。第２３図では、第２２図の各ブロック１２４，１２５，１２６にあった搬送波は、より広い帯域幅を持ち、各ブロックも拡散後のブロック１２７，１２８，１２９として形成し帯域幅Ｗｂ１，Ｗｂ２，Ｗｂ３に広がっている。また、第２４図は、第２２図に示したそれぞれのブロック１２４，１２５，１２６ごとに同一情報をもつ搬送波を複数搬送波に割り付けることでスペクトル拡散した場合の周波数スペクトル概念図である。第２４図では各搬送波に割り付けられた情報は規則正しく割り付けられているが、前記第１６図と第１８図に示したように情報の割り付け方を変えることもある。第２５図は第２２図に示した各ブロック１２４，１２５，１２６をそれぞれ一括して直接スペクトル拡散した場合の周波数スペクトル概念図を示した図である。また図示していないが、各ブロック１２７〜１３５は第２３図、第２４図、第２５図に示した拡散方式のいずれかを独立に採用し変復調する場合もある。第２１図に示した実施形態において、通信環境に応じて拡散率や拡散方式を独自に変えられるため、ブロック１２７〜１３５の伝送に利用する伝送帯域環境に応じて拡散率と拡散方式を選択することで通信品質の向上（耐ノイズ性、伝送速度）が図れる。例えば、減衰量の急激な落ち込みによる周波数選択性フェージングがある場合には、同一情報の複数搬送波への割り付けによるスペクトル拡散方式は、前記第１４図に示したように安定した通信が行える。一方、周波数選択性フェージングが顕著でない帯域に対しては直接拡散によるスペクトル拡散方式を用いて可能であり、ハードウェアの簡素化を図ることができる。その他に、例えば、制御信号等の通信に不可欠な情報に対しては高い拡散率を適用して耐ノイズ性がある情報伝送を行い、一方で例えば、音声情報のように誤りよりも、即時性と広帯域通信（ブロードバンド）が要求される場合には、制御信号に適用した拡散率よりも低い拡散率を設定し、より多くのデータを伝送させることでこの要求を実現できる。従って、この手段を用いることでＱｏＳの向上を図ることができる。
〔ＯＦＤＭのスペクトル拡散〕
第２６図は、複数搬送波８６，８７，８８に分割して情報を割り付けた情報信号に用いる特殊な場合としてＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：直交周波数分割多重）を適用した場合の周波数スペクトル概念図である。ＯＦＤＭは互いのサブキャリアが直交するように周波数軸上に配列される変調方式である。
第２７図は、ＯＦＤＭ信号をより広い通信帯域幅Ｗｂに拡散した場合の搬送波８９の周波数スペクトル概念図である。これにおける具体的な拡散又は帯域割り付けは、前記した第１２図、第１６図、第１８図、第２０図、第２３図、第２４図、第２５図と同様である。ただし、第１２図、第１６図、第１８図、第２３図、第２４図の拡散又は帯域割り付けを適用した場合は、ＯＦＤＭは、拡散又は帯域割り付け後の個々のサブキャリアが拡散処理後も直交を保つように処理される。
第２８図は、ＯＦＤＭ信号にスペクトル拡散を適用する場合のＯＦＤＭ変調の処理構成図である。送信時、入力データＩ，Ｑの値は、直並列変換器１１１に送られる。直並列変換器１１１においてデータを並列にし、拡散符号（拡散符号乗積装置１１２）により拡散した後に高速逆フーリエ変換器（ＩＦＦＴ）１１３で、各サブキャリアの直交関係が保たれるようにＯＦＤＭ変調をしている。そして、並直列変換器１１４によりシリアルデータに変換された後、ＤＡ変換器へ出力される。
また、第２９図は、ＯＦＤＭの複数搬送波に同一情報を割り付ける場合の処理構成図である。入力データＩ，Ｑの値は、直並列変換器１１５において並列にされ、ｄａｔａ１からｄａｔａ５には同一情報が割り付けられており、同一情報１１６をＩＦＦＴ１１７に入力させることで結果的に同一情報１１６が複数搬送波に割り付けられ、周波数ダイバーシティを実現している例である。そして、このデータは、並直列変換器１１８によりシリアルデータに変換された後、ＤＡ変換器へ出力される。
さらに、第３０図は、ＯＦＤＭ信号を一括して直接拡散する場合の処理構成図である。入力データＩ，Ｑの値は、直並列変換器１１９において並列にされ、高速逆フーリエ変換器（ＩＦＦＴ）１２０を通した後に、並直列変換器１２１によりシリアルデータに変換された後、拡散符号（拡散符号乗積装置１２２）により拡散される。なお、第３０図で示したような、ＯＦＤＭ変調した信号を拡散符号乗積装置１２２により一括して拡散する方式では、拡散後にサブキャリア同士の直交性が崩れる場合がある。
これらの処理により、周波数利用効率が良いＯＦＤＭを、より広い帯域を使って通信するため、限られた周波数帯域より大きな拡散率又はダイバーシティ効果を得ることが可能である。
また、ＯＦＤＭは、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）や高速逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を利用して変復調が実現できるため、サブキャリアごとのフィルタ、周波数シンセサイザ、ミキサといった装置が不要になる。第２８図のように、スペクトル拡散をＯＦＤＭ信号に適用する場合に対しても、同様の処理を適用して、スペクトル拡散後のＯＦＤＭ信号はＩＦＦＴ１１３により発生させる場合もあり、処理を１チップ化できる。従って、簡素なハードウェアにより、ＯＦＤＭのスペクトル拡散処理が実現できる。それ以外にも、ＩＦＦＴによるＯＦＤＭ変調を行った後に掛算器等を用いてスペクトル拡散処理を実行する場合もあるが、総じてハードウェアが簡素化できる。また、受信側のＯＦＤＭ復調時にＦＦＴを用いる場合にも同様のことが言える。
なお、第１２図、第１６図、第１８図、第２３図、第２４図の方式は、各搬送波に情報を分割して割り付けているため、１つの搬送波の帯域幅は第８図の単一搬送波３６と比較して狭い場合もある。また、ノイズレベルの高い１ＭＨｚ以下の周波数帯においても、十分なＳＮ比が確保できる帯域が局所的に存在する。１ＭＨｚから３０ＭＨｚの帯域を使うことでより安定した通信ができることはもちろんであるが、前記のように狭い帯域幅の搬送波であれば１ＭＨｚ以下の帯域を利用しても通信が可能である。この結果、さらに多くの搬送波を利用して通信することができ、より一層の高速通信を行うことができる。
〔送信端電圧７０［ｄＢμＶ］ （ＲＢＷ＝９ｋＨｚ、準尖頭値）の電力線搬送通信装置〕
次に、電力線搬送通信装置１ａの送信端電圧を７０［ｄＢμＶ］（ＲＢＷ＝９ｋＨｚ、準尖頭値）とした実施形態について説明する。（ＲＢＷ＝９ｋＨｚ、準尖頭値）は、測定条件であり、ＲＢＷ（Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｂａｎｄ Ｗｉｄｔｈ）は測定の帯域幅である。準尖頭値は、準尖頭値検波方式によって得られる値で、人間の聴覚特性を考慮して、信号振幅の時間変化に時定数を考慮した減衰波形を組み合わせ、その時間平均で評価する方法によって得られる値である。
第３１図は、家庭内の電力線のコモンモードインピーダンスを複数測定し、その結果を統計処理して、分布を図示したものである。また、第３２図は、家庭内の電力線の不平衡減衰量を複数測定しその結果を統計処理して、分布を図示したものである。一般に、帯域幅（ＲＢＷ）が９ｋＨｚにおける電力線２０からの、離隔距離が３ｍでの漏洩電界強度Ｉ［ｄＢμＶ／ｍ］は、Ｉ＝２４＋Ｖｄ−Ｚｃ−ＬＣＬで表すことができる。Ｖｄは９ｋＨｚ帯域幅（ＲＢＷ）当りのモデムの送信端電圧［ｄＢμＶ］、Ｚｃはコモンモードインピーダンス［ｄＢΩ］、ＬＣＬは不平衡減衰量［ｄＢ］である。これによると、漏洩電界は、電力線搬送通信装置１ａの送信端電圧とコモンモードインピーダンスと、不平衡減衰量に依存する。漏洩電界を低くするには電力線搬送通信装置１ａの送信端電圧を下げるか、コモンモードインピーダンスと不平衡減衰量を共に高くすることで実現できる。しかし、コモンモードインピーダンスと不平衡減衰量は電力線２０の敷設状況に依存するため、送信端電圧を抑えることで漏洩電界を抑制する。統計解析の結果、９５％以上のコンセント間で、コモンモードインピーダンスは３０［ｄＢΩ］から６５［ｄＢΩ］、不平衡減衰量は１０ｄＢから５０ｄＢを占める（第３１図、第３２図参照）。さらに、コモンモードインピーダンスが３０［ｄＢΩ］で、不平衡減衰量が１０ｄＢの時、電力線搬送通信装置１ａの送信端電圧を９ｋＨｚ帯域幅において７０［ｄＢμＶ］とした場合、漏洩電界強度は上式より、５４［ｄＢμＶ／ｍ］とすることができる。これは、送信端電圧を７０［ｄＢμＶ］以下に抑えた電力線搬送通信装置であれば、９５％以上のコンセント間においてその漏洩電界強度が５４［ｄＢμＶ／ｍ］に抑えられることを示している。５４［ｄＢμＶ／ｍ］は、これ以下にすれば他の機器で使われる通信帯域に対して影響を与えない値である。例えば、第３３図は、環境電界強度の測定結果の例である。第３３図によれば、約７ＭＨｚ以下では周囲の電気機器等によるノイズにより５４［ｄＢμＶ／ｍ］をはるかに上回る環境電界が観測されており、また、７ＭＨｚ以上の周波数帯域においても、５４［ｄＢμＶ／ｍ］を上回る環境電界が存在し、その強度は、７０［ｄＢμＶ／ｍ］を超えるものもある。さらに送信端電圧が７０［ｄＢμＶ］時の漏洩電界強度５４［ｄＢμＶ／ｍ］は、ほぼ最悪値と考えることができるため、ほとんどのコンセント間ではこれを下回る漏洩電界強度になる。
従って、送信端電圧を７０［ｄＢμＶ］にした電力線搬送通信装置１ａが発生する漏洩電界強度５４［ｄＢμＶ／ｍ］は他の通信との両立性、即ち他の機器で使われる通信帯域に大きな影響を与えることなく電力線搬送通信を行うことができる。しかし、送信端電圧を下げた場合、ＳＮ比が低くなるため、特にノイズや減衰が大きい電力線では通信が困難となるが、スペクトル拡散によるプロセスゲインや同一情報の複数帯域割り付けによる周波数ダイバーシティ効果により、送信端電圧７０［ｄＢμＶ］でも安定した通信を実現できる。
〔ＯＦＤＭ出力信号のサンプリングによるスペクトル拡散（ＯＦＤＭ信号生成手段、アナログ変換手段、ホールド制御手段）〕
第３４図は、本発明に係る第６実施形態の電力線搬送通信装置１ａの構成を示す図である。第１図等と共通する部分については同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。第３４図に示す電力線搬送通信装置１ａには、送信側に直並列変換器９４、高速逆フーリエ変換器（ＩＦＦＴ）９７、並直列変換器９８、ＤＡ変換器９９、ホールド制御装置１００、ＧＩ付加器１０１を備えている。また、受信側に受信アンプ９０、サンプリング同期回路９１、ＡＤ変換器９２、ＧＩ除去器９３、直並列変換器９４、高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）９５、並直列変換器９６を備えている。まず、送信処理について説明する。送信時、コンスタレーションマッピングされたデータは、直並列変換器９４に送られる。直並列変換器９４においてデータを並列にし、その並列データに対して高速逆フーリエ変換器９７によりＯＦＤＭ変調処理を行う。そして、並直列変換器９８によりシリアルデータに変換された後、ＤＡ変換器９９によりアナログ信号に変換される。
第３５図はＤＡ変換器９９の出力波形を示したものである。また、第３６図は、第３４図の電力線搬送通信装置１ａにおけるホールド制御装置１００の出力波形を示した図である。ホールド制御装置１００は、第３５図に示すＤＡ変換器出力波形１０２に対し、第３６図に示すようにパルス状又はインパルス状に近い信号（ホールド時間制御回路出力波形１０３）に変換する。ホールド制御装置１００は、ホールド時間を制御する手段を持った回路であり、例えば、第３７図に示す半導体スイッチング素子１０４等で代用することが可能である。第３７図は、ホールド制御装置の一例を示す回路図である。半導体スイッチング素子１０４で、ＤＡ変換器９９のＤＡ出力とアース１２３又はそれに相当する電位を持った端子とを交互に切り替えることで第３６図の波形を得ることができる。ただし、アース１２３の電位は実装上０［Ｖ］とすることができない場合もあり、絶対電位０［Ｖ］に限ってはいない。第３５図に示すＤＡ変換器出力波形（ＯＦＤＭ信号波形）１０２の周波数スペクトルの概念図は第３８図のようになる。一方、第３６図に示すホールド時間制御回路出力波形（ＯＦＤＭ信号波形）１０３の周波数スペクトルの概念図は第３９図のようになる。ホールド時間を制御して、時間軸信号をパルス又はインパルス状に近い波形にすることで、第３８図のスペクトル１０５と同様の情報を持ったスペクトル１０６〜１１０が周波数軸上に複数現れる。この現象は、連続アナログ信号をＰＡＭ（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号化した際に観測される現象と同一である。理論的な詳細説明は省略するが、同一情報をもったスペクトルのパルス幅Ｗは、第３７図のスイッチ１０４によりＤＡ出力状態（以下、有値という）とアースに接続された状態（以下、ヌル値という）の時間比で決定される。スイッチ１０４が理想状態であれば、例えば１ＭＨｚの帯域幅を持ったＯＦＤＭベースバンドと同一の情報を持った複数のスペクトルを３０ＭＨｚまで発生させる場合には、有値とヌル値の比は１：６０にすることで達成できる。前記のホールド制御装置１００の出力は、ＧＩ付加器１０１によりガードインターバル（遅延波による影響を防ぐためＯＦＤＭの先頭部分に付加する時間）が付加され送信アンプ１３により信号の増幅が行われ、ＢＰＦ１４により所定帯域外の信号を除去して送信される。第３４図ではミキサを使用していないが、これは、ＩＦＦＴ９７の基数をサブキャリア数の倍にし、入力値とその入力値の複素共役の値とを同時にＩＦＦＴ処理することで、ＩＦＦＴ出力がＩ，Ｑ変調された状態で出力されるためである。また、周波数変換にあっては、フィルタ制限を行うことで希望の信号のみを利用することができるからである。従って、図中にはミキサを示していないが、ここにミキサを利用してＩ，Ｑ変調や周波数変換を実現しても構わない。受信側も同様である。この送信信号は、前記及び図示したプロセスによって得られた信号に限定されるものではない。つまり、本発明は、第３５図のＤＡ変換器出力波形１０２のホールド時間制御を行うところにある。
一般にＯＦＤＭにスペクトル拡散や帯域割り付けを適用する場合には、拡散後の帯域幅に比例して、一連の変復調処理を行うＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）やＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）の処理能力の高速性が要求される。例えば、同一の情報を割り付けた搬送波を複数の周波数に拡散する場合（第２９図）、ＦＦＴ基数が同一情報を持った搬送波をいくつ送信するかに応じて処理能力が増加し、その演算を処理する高速性が要求される。また、各搬送波を拡散符号により拡散する直接拡散方式（第２８図）では、ＦＦＴ基数は増えないが、拡散率に応じてシンボルレート、即ちチップレートが短くなるため、その短い時間に、ＯＦＤＭ変調処理を行うだけの高速性が要求される。
一方、本発明によれば、ＯＦＤＭ変調は、ベースバンド処理を行うことができる演算量があればよく、拡散又は帯域割り付けは、ホールド制御装置１００により実行されるため、ＤＳＰやＣＰＵの処理は少なくてすむ。例えば、ＯＦＤＭベースバンド信号の帯域幅が１ＭＨｚだった場合、３０ＭＨｚの帯域を使って帯域割り付けを行うと、第２９図の処理方式ではＣＰＵ等のクロックが６０ＭＨｚ必要であるのに対し、本発明では２ＭＨｚでよいため、電力線搬送通信装置１ａを安価にできる効果がある。
〔サンプリングによるスペクトル拡散後のディジタル変換手段、ＯＦＤＭ復調手段〕
再度、第３４図に戻り、受信処理（ＯＦＤＭ復調）について説明する。まず、電力線搬送通信装置１ａは他の電力線搬送通信装置１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅにより送信された送信信号を受信して、ＢＰＦ１８により不要な帯域外の信号を除去した後、受信アンプ９０によりＡＤ変換器９２に適切な値が入力するように受信信号のゲイン調整を行う。同時にサンプリング同期回路９１により有値の部分（第３７図のスイッチ１０４によりＤＡ出力状態、即ち送信側におけるＤＡ変換器９９の出力状態の時間に相当する部分）とＡＤ変換器９２のサンプリングクロックが合致するようにサンプリングクロックの同期を行う。この同期情報を基にＡＤ変換器９２において受信アンプ９０通過後の信号の有値部分のみサンプリングを行う。サンプリング同期回路９１により、有値部分にサンプリングクロックの同期を取るので、ＡＤ変換器９２はベースバンド部分のみを処理することができる能力を持った動作周波数のものでよい。例えばＯＦＤＭのベースバンド帯域幅が１ＭＨｚであれば、必要動作周波数は２ＭＨｚ程度である。サンプリングされた信号はＧＩ除去器９３でガードインターバルを除去され、直並列変換器９４を経て、高速フーリエ変換器９５によるＯＦＤＭ信号の復調が行われる。その信号（データ）を並直列変換器９６によりシリアルデータ列に変換し、コンスタレーションデマッパ４でコンスタレーション配置に基づいてデマッピングされ、等価器／判定器５により信号等価が行われる。等価器／判定機５の等価器は通信線の通信路歪（伝送路歪ともいう）を補正するためのものであり、通信路歪の補正処理を行った信号が判定器により信号判定される。その後、復号器６により誤り訂正復号を行い、復調ビット列を得る。この復調ビット列はメディアアクセスコントローラ７に入力される。メディアアクセスコントローラ７は、入力データを所定フォーマットの通信パケットに変換し、プロトコル変換器８に出力する。プロトコル変換器８は、この通信パケットを、パソコン２６等とのインタフェース（例えばイーサ（Ｒ）やＵＳＢ等）が取れるようにプロトコル変換して、パソコン２６等に情報を出力する。電力線２０は、電源供給線であるため、一般家庭では、配電盤／ブレーカ２２に接続されているので、電力線搬送通信装置１ａの信号が配電盤／ブレーカ２２を介して同一の外部配電線に接続されている家屋へ伝送される可能性がある。これを抑制する目的でブロッキングフィルタ２１を、電力線２０に設ける場合がある。
第３４図から第３９図を用いて説明した一連の処理では、ＯＦＤＭに複数の同一スペクトル１０６〜１１０を発生させて（第３９図参照）送信することで、受信側での周波数ダイバーシティ効果により、通信の信頼性が向上している。また、同時に、ＯＦＤＭをスペクトル拡散することで生じるＤＳＰやＣＰＵの演算量を低減している。なお、受信時は、ヌル値部分に乗ったノイズはサンプリングされないため、逆拡散効果、即ち変調時のＳＮ比と比較して復調時にＳＮ比が改善する効果が得られる（プロセスゲイン）。
このような処理を行うことで、全ての信号通信帯域をＡＤ変換器９２やＤＳＰ等により処理する方式と比較して、低演算で逆拡散及び復調が実現できる。また、ＯＦＤＭ信号のホールド時間を制御することで得られる効果は、電力線２０以外の、一般のペア線の通信又は無線による通信においても、得られるため、本発明を一般のペア線や無線による通信に適用することも可能である。
第３４図から第３９図に示す方式は、第３４図に示すＤＡ変換器９９によるディジタルアナログ変換後のアナログ波形について、半導体スイッチング素子１０４を用いることで、第３６図のホールド時間制御回路出力波形１０３を得ることを可能にしている。このホールド時間制御回路出力波形１０３は、ＤＡ変換器９９でアナログ信号に変換する前のディジタル信号において、あるサンプルクロックに並直列変換器９８から送出された値とその次のサンプルクロックに並直列変換器９８から送出された値との間に、拡散率に応じてメディアアクセスコントローラ７から指定されたサンプルクロック数だけゼロないし所定値以下の値を挿入し、これを全てのディジタル信号にわたって実行したものをＤＡ変換器９９の入力としてディジタルアナログ変換を行うことで得る事もできる。これは、半導体技術の発達により高性能なＤＳＰによって安価に演算量が多い処理が可能になった場合やソフトウェアにより変復調を実現する場合などには有効である。この場合、第３４図に示すホールド制御装置１００は不要である。また、受信側においては、第３４図に示すＡＤ変換器９２によりディジタル信号に変換された後、送信時に挿入したゼロないし所定値以下にした値に相当する部分を平均値レベル検出や波形相関を用いて検出して除去し、除去した以外のＡＤ変換器９２の出力データに対して復調処理を行う。
以上説明したとおり、本発明の電力線搬送通信装置は、既存の電力線を用いて高信頼の通信を実現することができる。新たに通信線を施設する必要がないため設備コストが安価で済み、導入が促進される。
Claims (4)
- 電気機器が接続される電力線に接続し、前記電力線を通信線として用いて、前記電力線に接続される他の１つ又は１つ以上の電力線搬送通信装置と通信する電力線搬送通信装置であって、送信信号を、高速逆フーリエ変換器によりＯＦＤＭ変調してＯＦＤＭ信号を生成する手段と、前記ＯＦＤＭ変調したＯＦＤＭ信号をディジタルアナログ変換器によりアナログ信号に変換する手段と、前記ＯＦＤＭ信号のベースバンド帯域幅が１ＭＨｚである場合、２ＭＨｚのサンプリング速度で前記アナログ信号を一定間隔ごとにサンプリングし、サンプリングしたときのサンプリング間隔の１／６１のホールド時間で個々のサンプル値をホールドし、前記ホールド時間経過後に次のサンプリングまでサンプリングした振幅を前記電力線搬送通信装置のアースの電位の値にするホールド制御手段と、を備えることを特徴とする電力線搬送通信装置。
- 電力線搬送通信装置は、アナログディジタル変換器により受信信号のサンプリングを行ってディジタル信号に変換する手段と、前記ディジタル信号に対して高速フーリエ変換器によりＯＦＤＭ復調を行う手段とを、備えることを特徴とする請求項１に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、その送信端電圧の上限を７０［ｄＢμＶ］（ＲＢＷ９ｋＨｚ、準尖頭値）以下として、前記電力線搬送通信装置によって発生される漏洩電界強度の上限を抑え、前記電力線に接続される他の前記電力線搬送通信装置によって行われる他の通信と両立させて通信することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力線搬送通信装置。
- 前記電力線搬送通信装置は、
少なくとも、周波数１ＭＨｚから３０ＭＨｚの帯域を通信に使用することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力線搬送通信装置。
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