JP4933426B2 - 電気ネットワークによる信号伝送においてスペクトルのボイドを設ける方法 - Google Patents

Description

本発明は、明細書に示すように、電気ネットワークを用いて信号伝送する際にスペクトルのボイドを設けるための処理に関する。

低および中電圧の電気ネットワークを有する通信手段は、その当初において、遠距離通信用の信号の伝送を予定した手段ではなかった。この手段は、遮蔽されていない手段であり、当該手段において、伝送される信号は、同じ周波数を使用する別のシステムに対し放射され混信することがある。このことは、アマチュア無線愛好家と、無線ナビゲーション、緊急サービス等の他の無線通信サービスとの場合と関連性のある問題である。これらのサービスにおいては、干渉性の低い信号であっても通信を妨害することがある。そのため、それらの周波数におけるパワーの伝送を防止することが格別に重要である。

そのために、多くの国々において、特定の周波数において伝送してもよいパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を制限する法規が実施され、その法規に従い、電気ネットワークによって信号を伝送するには、深いスペクトルのボイドを設ける必要がある。本発明の目的である本方法は、可能な限り高効率に、厳密に必要とする帯域をカバーする、とても深いスペクトルのボイドを設けるための構成を有する。

本方法は、信号を、先述した法制上の理由により課せられる特定のパワーのパターンに、効率的な方法で調整する。これらパワーのパターンは、周波数の範囲として定められることが多く、その範囲においてパワー伝送は厳密に制限される。（例えば、その他の周波数と比べて３０ｄＢ以上低く制限される。）または、禁止されることもある。しかし、技術的な限界もあり、特定のパワースペクトル密度を有する周波数帯域から、異なるパワースペクトル密度を有する別の周波数帯域へ即時的に移行することは不可能である。それ故、スペクトルのボイドに隣接したキャリアのパワーを低減させることなしに、特定の周波数帯域内を伝送中の信号だけを除去することは不可能である。本発明にかかる方法により、上記低減を効率的に行うことが可能である。そのため、本発明においては、スペクトルのボイドを生成することにより影響を被る、スペクトルのボイドに隣接したキャリアの数を最大限に減少させる。

他方において、ウィンドウの概念、ならびに、精密に立ち上げられるコサイン・ウィンドウは、本方法の発明ではなく、本分野における周知技術である。例えば、John G. Proakis の「デジタル・コミュニケーション（Digital Communications）」（マグローヒル（McGraw-Hill publishing company））、Alan V. Oppenheim の「ディスクリート・タイム・シグナル・プロセッシング（Discreet-Time Signal Processing）」（プレンティス・ホール（Prentice Hall publishing company））、および、Richard Van Nee とRamjee Prasad の「ＯＦＤＭ・フォー・ワイヤレス・マルチメディア・コミュニケーション（OFDM for Wireless Multimedia Communications）」（Artech House Publishers company）といった遠距離通信に関する文献にそれらの説明が見られる。最初の文献では、立ち上がりコサイン・ウィンドウを用いて帯域内における信号の限定を行うことについて言及している。（これによりシンボル間の干渉を防止する。）また、最後の文献では、ウィンドウ処理を個々のＯＦＤＭシンボルに適用することで、帯域外の信号スペクトルを低減させる適用について言及している。

本発明は、効率的な方法で帯域内に３０ｄＢ以上のスペクトルのボイドを生成する点に、新規な態様を備える。本態様においては、あるキャリアにより送られるパワーを調整すること、循環的なプレフィックスを備えたＯＦＤＭシンボルのウィンドウを使用すること、本発明の従来技術では減らすことができなかった程度に、アクティブなキャリアの数を適切な数にし、そして、適当なサイズのＩＤＦＴを使用すること、を含む。

本発明は、明細書に示すように、電気ネットワークを用いて信号伝送する際にスペクトルのボイドを設けるための処理に関する。スペクトルのボイドは、伝送されるパワー密度が、要求される値よりも小さい周波数帯域を指す。本手法は、電気ネットワークを介した伝送システムの形成および使用において特に重要である。なぜなら、本手法は、伝送される信号のパワーを異なる周波数に調整することができ、よって、異なる国において現在発効している法規に基づく、電気ネットワークによる信号伝送のための規則に適合させることが可能だからである。この場合、それら法規に規定されたスペクトルのボイドについての条件も満たされる。このようにして、電気ネットワークを介した通信手段により信号を伝送する際、同一の周波数帯域を使用する認可事業間の混信（干渉）が防止される。

本目的を実現し、先の項目において述べた不都合を防止するため、本発明の方法は、電気ネットワークによるＯＦＤＭ信号伝送においてスペクトルのボイドを設ける方法であって、ボイド内のＯＦＤＭ信号キャリアおよびボイドに隣接するＯＦＤＭ信号キャリアのパワーの調整もしくは除去のいずれかの処理により、ボイド内のＯＦＤＭ信号キャリアおよびボイドに隣接するＯＦＤＭ信号キャリアの二次ローブに起因するパワーを抑制するステップと、信号を周波数領域から時間領域の信号へ変換する逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）を、ＩＤＦＴが複素形式の場合には少なくとも１０２４ポイント数で、または、ＩＤＦＴが実数形式の場合には少なくとも２０４８ポイント数で、適用するステップと、循環的プレフィックスを付与するステップと、時間領域のＯＦＤＭ信号をウィンドウと乗算するステップとを含み、パワーを抑制するステップは、ウィンドウの形状を含む条件に基づいて、パワーが調整もしくは除去されるボイドに隣接するＯＦＤＭ信号キャリアの数を決定し、かつ、決定した数のボイドに隣接するＯＦＤＭ信号キャリアのパワーを調整もしくは除去することを含む。

ひとつの例において、ウィンドウは、立ち上がりコサイン・ウィンドウである。

ひとつの例において、立ち上がりコサイン・ウィンドウは、最大ロールオフ係数０．２を有する。

ひとつの例において、ウィンドウは、少なくとも２０４８のサンプル数を有し、サンプルは、送信器のデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）を通される。

ひとつの例において、パワーが調整されるボイドに隣接するＯＦＤＭ信号キャリアの数は、ボイドの位置、幅および深さ、ならびにウィンドウの形状によって決定される。

ひとつの例において、除去は、ＯＦＤＭ信号キャリアから選択されたキャリアにおいてパワーを伝送しないことにより行われる。

ひとつの例において、パワーを抑制することにより、ボイド内のＯＦＤＭ信号キャリアおよび二次ローブの電力密度をボイドに要求される電力密度よりも小さくする。

これら２つの調整手法は、各キャリアにおいてそれぞれ独立的に用いることができ、また、組み合わせて用いることもでき、特定のキャリアの除去および他の減衰を行うことが可能である。

本明細書を理解するうえで、その一部をなす図面を例示の目的で示す。図面は、本発明を限定する意図を一切含まない。

これより、図面中に付した参照数字を参照し、本発明にかかる実施形態について説明する。

信号伝送、および、電気ネットワークを介した通信システムの設計において、最も重要な課題は、伝送手段が遮蔽されておらず、電気ネットワークへ伝送した信号の一部は外部へ漏出し、よって、信号伝送に用いた周波数帯域とオーバーラップした周波数帯域を利用する認可されたシステムと干渉する点にある。

この干渉を低減することを目的として、多くの国々では、電気ネットワークに導入もしくは電気ネットワークを伝送される最大パワースペクトル密度について規則を設けている。残念ながら、これら規則は国毎に異なる。したがって、スペクトルにおいて、急峻なスペクトルのボイドを設け、各国毎に特定の周波数における伝送を防止するように調整する必要がある。図１は、パワースペクトル密度の例を示す。本図に示すパワースペクトル密度の例においては、２ないし３０ＭＨｚの間で信号を伝送可能とすることが求められている。図より明らかだが、この帯域で伝送するために、順守すべき複数のスペクトルのボイドが見られる。

本発明にかかる方法は、このようなスペクトルのボイドを効率よく設け、もって、様々な事例において適切なスペクトル密度に調整することを可能にする。

既に述べたように、本発明は、ウィンドウの概念を用いる。この概念は、当業界において周知の知識である。しかし残念なことに、技術資料によって、この概念は様々な方法で解釈がなされており、そのために、本発明に係る方法による実施形態を説明する前に、本方法における「ウィンドウ」の定義を行う。

デジタル信号のウィンドウ化は、ウィンドウによって信号のサンプルを乗ずることを含む。このウィンドウは、一般に、別のデジタル信号であり、ゼロでない隣接したサンプルのセットを有する。図２は、サンプル０を中心としたウィンドウの例である。

本方法において使用するウィンドウを選択した後、ウィンドウ化を実施する必要がある。図３は、信号のウィンドウ化の処理を示す図である。このウィンドウ化は、ウィンドウのサンプルと信号のサンプルとを乗算する手段（１）により行う（このとき、サンプルゼロの代わりに、適当な位置にウィンドウを移動させる必要がある）。信号のウィンドウ化の処理（時間領域に関する乗算）は、周波数領域での信号に作用する。この関係性は、変調またはウィンドウの定理で示される。

この定理は、時間領域での乗算により、周波数領域でのウィンドウの形状の周期的コンボリューションが行われることを示す。周波数領域における、ウィンドウの二次ローブは、出力信号ｙ［ｎ］の周波数形状を規定する。図４は、当該分野において周知の、典型的ウィンドウ（三角、バートレット、チェビシェフ）の時間領域および周波数領域における形状を示す図である。本図を参照すれば、ウィンドウの形状は、周波数応答の二次ローブを定めることがわかる。例えば、チェビシェフの周波数応答は、（二次ローブにおいて）一定を保つが、他方、バートレットにおいては、二次ローブの初期において高く、後続の部分において急速に低下する。

実施形態において好適なウィンドウは、立ち上がりコサイン・ウィンドウである。サンプルゼロを中心とした立ち上がりコサイン・ウィンドウは次式で表される。

ここでＮは、０．５より大きい値（ｖ［ｎ］）で定まる、ウィンドウの大きさを示す、ウィンドウの値であり、βは、ロールオフ係数である。一般に、立ち上がりコサイン・ウィンドウは、このロールオフ係数βで規定される。この係数は、通常、０ないし１の間にあり、伝送される過剰な信号を示す。ロールオフ係数が大きくなればなるほど、ロールオフは、より穏やかになる。このことは、図５に示される。本図では、時間領域および周波数領域の両領域での、幾つかの立ち上がりコサイン・ウィンドウ、ならびに、それらのロールオフ係数（β）依存性を示す。ロールオフ係数がゼロになると、ウィンドウは、三角ウィンドウになる。三角ウィンドウは、非常に高い周波数の二次ローブを示す。

ロールオフの値が増加すると、効率が犠牲になるが、二次ローブの増加が抑えられる。この効率にかかる損失は、ウィンドウの大きさが増加することに起因する（余剰分は、Ｎ×βで求められる。）。他方、余りに低いロールオフ係数を用いると、効率が損なわれる。なぜなら、二次ローブが十分に減衰しないからである。この場合、スペクトルのボイドに隣接し、パワーの調整を受けるキャリアの数を増加させる必要がある。

ロールオフ係数を保って効率をよくするには、ＯＦＤＭ信号のキャリアの数を増加させる。スペクトルのボイドを設けるために調整すべき隣接したキャリアの数は、上述の場合では変化しないが、キャリアの総数は多くなるため、効率の損失は、百分率において低下する。このため、本方法は、ＩＤＦＴキャリアに関し特定数以上の場合に適用可能である。

電気ネットワークを介した信号の伝送のための構成を整える際、高効率を達成するためロールオフ係数が０．２未満になるように計算される。同様に、ウィンドウのサンプル数は、２０４８よりも多くなければならない。本発明にかかる実施形態においては、ロールオフ係数０．１５、係数０．０５、サンプル２６００を用いている。

本発明にかかる伝送信号に対する処理を実施するため、（ウィンドウを選択した後、）図６に示すブロック図を用いる。本図において、ブロック（２）で、伝送すべき信号が各ＯＦＤＭキャリアに導入され、適当なキャリアのパワーを調整し、必要なスペクトルのボイドを形成する。スペクトルのボイド内にあるキャリアおよびそれに隣接するキャリアが、主に調整される。選択した立ち上がりコサイン・ウィンドウにおける二次ローブのロールオフが大きくなればなるほど、スペクトルのボイドの形成のために影響を被る隣接キャリアの数は減少する。その後、本実施形態におけるブロック（３）において、逆高速フーリエ変換を複素形式で行う。この形式は、通例、ＯＦＤＭ変調に逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）を行うときに用いる形式である。その後、ブロック（４）において、ブロック（５）で生成した循環的プレフィックスを挿入し、ブロック（６）において、ブロック（７）で生成したウィンドウと時間領域のデジタル信号とを乗算する。効率的なスペクトル・ボイドの形成処理を行うため、複数のキャリアのＯＦＤＭと多くのポイント数のＩＦＦＴを用いる必要がある。本実施形態においては、複素１０２４ポイントのＩＦＦＴを用いる。

最後に、伝送を行う前に、本図には示されていないが、デジタル信号を、ＤＡＣ変換器を用いてアナログに変換する。

急峻なスペクトルのボイドを実現するためには、スペクトルのボイド内にある周波数に位置したキャリアを減衰または除去するだけでは不十分である。なぜなら隣接キャリアの二次ローブに起因するパワーが残存しているからである。これは、その大部分が、スペクトルのボイドがあるべきスペクトルの範囲に及ぶＯＦＤＭ信号の遷移に起因して生成されるものである。これを抑制するためには、スペクトルのボイドの端部のある位置にあるキャリアに隣接する適当数のキャリアのパワーを調整するか、または、除去する必要がある。これについては、図６のブロック（２）で処理される。ブロック（７）で生成される立ち上がりコサイン・ウィンドウの形状に依存して、パワーを変更する隣接キャリアの数は、増加、もしくは、減少する。この点に関し、両ブロックは相互に関連している。

図７は、実施形態において選択した値（ロールオフ係数０．１５および０．０５、ならびに、サンプル数２６００）の２つの立ち上がりコサイン・ウィンドウの形状を示す図である。この場合、例えば、３０ｄＢの深いスペクトルのボイドを達成しなければならなければ、本発明にかかる方法により、ロールオフ係数０．１５の立ち上がりコサイン・ウィンドウを用いる場合であれば、４つの隣接キャリアを調整する必要があり、また、ロールオフ係数０．０５の例を用いる場合であれば、トータルで７つの隣接キャリアを調整する必要がある。

２ないし３０ｄＢ帯域幅における信号伝送に対し、これら帯域幅における認可事業を保護する目的で、要求される規則にかかるパワースペクトル密度（ＰＳＤ）の例 本発明にかかる方法で使用可能なウィンドウの例 信号のサンプルに対するウィンドウ化処理のブロック図 時間領域および周波数領域におけるウィンドウ典型例 時間領域および周波数領域における、複数のロールオフ係数（β）により立ち上がりコサイン・ウィンドウ 伝送にかかるスペクトルのボイドを形成する処理にかかるブロック図 ３０ｄＢの深さのスペクトルのボイドを達成する、本実施形態において使用したウィンドウ

符号の説明

２ ・・・ ブロック
３ ・・・ ブロック
４ ・・・ ブロック
５ ・・・ ブロック
６ ・・・ ブロック
７ ・・・ ブロック

Claims (7)

1. 電気ネットワークによるＯＦＤＭ信号伝送においてスペクトルのボイドを設ける方法であって、
   前記ボイド内のＯＦＤＭ信号キャリアおよび前記ボイドに隣接するＯＦＤＭ信号キャリアのパワーの調整もしくは除去のいずれかの処理により、前記ボイド内のＯＦＤＭ信号キャリアおよび前記ボイドに隣接するＯＦＤＭ信号キャリアの二次ローブに起因するパワーを抑制するステップと、
   前記信号を周波数領域から時間領域の信号へ変換する逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）を、前記ＩＤＦＴが複素形式の場合には少なくとも１０２４ポイント数で、または、前記ＩＤＦＴが実数形式の場合には少なくとも２０４８ポイント数で、適用するステップと、
   循環的プレフィックスを付与するステップと、
   前記時間領域の前記ＯＦＤＭ信号をウィンドウと乗算するステップと
   を含み、
   前記パワーを抑制するステップは、前記ウィンドウの形状を含む条件に基づいて、パワーが調整もしくは除去される前記ボイドに隣接するＯＦＤＭ信号キャリアの数を決定し、かつ、決定した数の前記ボイドに隣接するＯＦＤＭ信号キャリアのパワーを調整もしくは除去することを含む方法。
2. 前記ウィンドウは、立ち上がりコサイン・ウィンドウである、請求項１に記載の方法。
3. 前記立ち上がりコサイン・ウィンドウは、最大ロールオフ係数０．２を有する、請求項２に記載の方法。
4. 前記ウィンドウは、少なくとも２０４８のサンプル数を有し、
   前記サンプルは、送信器のデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）を通される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. パワーが調整される前記ボイドに隣接する前記ＯＦＤＭ信号キャリアの数は、形成される前記スペクトルのボイドの位置、幅、および、深さに依存し、かつ、前記ウィンドウの形状に基づいて定められる請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記除去は、前記ＯＦＤＭ信号キャリアから選択されたキャリアにおいてパワーを伝送しないことにより行われる、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記パワーを抑制することにより、前記ボイド内のＯＦＤＭ信号キャリアおよび前記二次ローブの電力密度を前記ボイドに要求される電力密度よりも小さくする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。

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