JP5646765B2

JP5646765B2 - 通信システム、送信装置および受信装置

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Publication number: JP5646765B2
Application number: JP2013535895A
Authority: JP
Inventors: 阿部　順一; 阿部　　順一; 小林　聖; 聖小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2032-09-25
Also published as: CN103907299B; US20140211814A1; CA2843833C; WO2013046636A1; CN103907299A; CA2843833A1; US9252906B2; JPWO2013046636A1

Description

本発明は、変調信号を複数のスペクトラムに分割して伝送する通信システム、送信装置および受信装置に関する。

シングルキャリアの変調信号を複数のスペクトラムに分割し、不連続な空き帯域を有効利用する技術として、非特許文献１に記載の帯域分散伝送方式が知られている。帯域分散伝送は、周波数領域の信号処理を適用し、送信側で変調信号の周波数スペクトラムを直接分割した後に分散配置し、分割された周波数スペクトラム（サブスペクトラム）を受信側で抽出して再合成する。

図６は、帯域分散伝送を行う従来の通信システムの構成例を示す。図６(a) は通信システムにおける送信装置の構成を示し、その送信装置各部の信号波形を図７に示す。図６(b) は通信システムにおける受信装置の構成を示し，その受信装置各部の信号波形を図８に示す。

図６(a) の送信装置において、送信信号は時間窓処理部６１に入力し、連続信号を周波数領域で処理するために長さＰ点の時間窓で切り出され、さらに長さＰ点の高速フーリエ変換器（Ｐ点ＦＦＴ）６２によって周波数領域に変換され、分割フィルタ６３に入力する（図７(a))。次に、分割フィルタ６３によって複数のサブスペクトラムに分割される（図７(b) のS1〜S6）。分割された各サブスペクトラムは、送信周波数シフタ６４によってそれぞれ所定の周波数に周波数変換され（図７(c))、送信合成器６５によって１つに合成される（図７(d))。次に、長さＰ点の高速逆フーリエ変換器（Ｐ点ＩＦＦＴ）６６によって時間領域に再変換され、オーバラップ加算処理部６７を介して連続信号として再構築される。

図６(b) の受信装置において、受信信号は時間窓処理部７１に入力して長さＰ点の時間窓で切り出され、さらに長さＰ点のＰ点ＦＦＴ７２によって周波数領域に変換され、合成フィルタ７３に入力する（図８(a))。次に、合成フィルタ７３によって個々のサブスペクトラムが抽出される（図８(b))。抽出された各サブスペクトラムは、受信周波数シフタ７４によって送信装置の分割フィルタ直後と同じ周波数関係となるようにそれぞれ周波数変換され（図８(c))、受信合成器７５によって１つに再合成される（図８(d))。次に、長さＰ点のＰ点ＩＦＦＴ７６により時間領域に再変換され、オーバラップ加算処理部７７を介して連続信号として再構築される。

なお、簡単のため、図６ではオーバラップ加算処理に必要な、同一構成を有する他方１系統の構成は省略している。

阿部、山下、小林：「高周波数利用効率を実現するスペクトラム編集型帯域分散伝送の提案」、電子情報通信学会技術研究報告、SAT2009-48、2009年12月

従来の帯域分散伝送では、分割したスペクトラムを分散配置する際に、信号スペクトラムの帯域幅Ｗと比較して分散配置した後のスペクトラムの帯域幅Ｆ２が極端に広くなる場合に、回路規模が大きくなる問題があった。例えば、信号スペクトラムの帯域幅Ｗを基準として設計すると、当該帯域を分割するための周波数分解能で広い帯域幅Ｆ２に渡って処理を行う必要があり、回路規模が大きくなる。一方、分散配置後の帯域幅Ｆ２を基準として分解能を大きくすると、帯域幅Ｗの信号スペクトラムの分割ができない。

簡単のため、帯域幅Ｆ２のどこにでもサブスペクトラムを配置可能と仮定し（実際はサンプリング定理に起因するエイリアシングを防ぐため、配置可能な帯域幅はＦ２より狭い）、また帯域幅の例としてＷ＝２ [ｋHz] 、Ｆ２＞５０［ＭＨｚ］を条件とする。周波数領域で信号を分割するためには、Ｐ点ＦＦＴ６２およびＰ点ＩＦＦＴ６６の周波数分解能Ｆ２／ＰをＷより十分小さくし、帯域幅Ｗの帯域内に一定以上のサンプル点が含まれる必要がある。例えば、入力信号を１０個程度のサブスペクトラムに分解することを想定し、各サブスペクトラムを最低４点のサンプルで表すと、帯域幅Ｗの帯域内に４０点程度のサンプルが必要である。これから、必要な周波数分解能はＦ２／Ｐ≦２０００／４０＝５０［Ｈｚ］となり、Ｆ２＞５０［ＭＨｚ］であるのでＰ＞１００００００が必要である。さらに、分割するサブスペクトラム数を増加させる、あるいは配置可能な帯域幅Ｆ２を拡大する場合、一層Ｐが大きくなる。しかし、このように点数の大きなＦＦＴおよびＩＦＦＴは回路規模が極めて大きくなるため、実装が困難であった。

本発明は、２つのサンプリング速度を使い分けることにより、回路規模の増大を抑えて周波数分解能を細かくすることができる通信システム、送信装置および受信装置を提供することを目的とする。

本発明の通信システムは、送信装置に、第１のサンプリング速度Ｆ１で動作し、第１のサンプリング速度Ｆ１で標本化されたＬ点の送信信号をＬ点の周波数領域の信号に変換後に複数のサブスペクトラムに分割し、各サブスペクトラムを第１のサンプリング速度Ｆ１に対応する処理帯域幅内の所望の周波数位置に分散配置して複数の中間合成信号を合成し、各中間合成信号をＬ点の時間領域の複数の中間合成信号に再変換する帯域分散部と、中間合成信号毎に、Ｍ点（Ｍ＜Ｌ）のサンプル点を抽出後、第１のサンプリング速度Ｆ１でＭ点の周波数領域の中間合成信号に変換し、各中間合成信号を第１のサンプリング速度Ｆ１よりも高速な第２のサンプリング速度Ｆ２（Ｆ２＞Ｆ１）で合成してＮ点（Ｎ＞Ｍ）の周波数領域の信号を生成し、さらにＮ点の時間領域の信号へ再変換する合波部とを備え、受信装置に、第２のサンプリング速度Ｆ２で標本化されたＮ点の受信信号をＮ点の周波数領域の信号に変換し、Ｍ点（Ｍ＜Ｎ）毎に切り出してそれぞれ第１のサンプリング速度Ｆ１でＭ点の時間領域の信号に再変換して複数の中間合成信号を生成する分波部と、中間合成信号毎に、Ｌ点（Ｌ＞Ｍ）のサンプル点を抽出後、第１のサンプリング速度Ｆ１でＬ点の周波数領域の信号に変換して複数のサブスペクトラムを抽出し、合成した信号をＬ点の時間領域の信号へ再変換する帯域合成部とを備える。

本発明の送信装置は、第１のサンプリング速度Ｆ１で動作し、第１のサンプリング速度Ｆ１で標本化されたＬ点の送信信号をＬ点の周波数領域の信号に変換後に複数のサブスペクトラムに分割し、各サブスペクトラムを第１のサンプリング速度Ｆ１に対応する処理帯域幅内の所望の周波数位置に分散配置して複数の中間合成信号を合成し、各中間合成信号をＬ点の時間領域の複数の中間合成信号に再変換する帯域分散部と、中間合成信号毎に、Ｍ点（Ｍ＜Ｌ）のサンプル点を抽出後、第１のサンプリング速度Ｆ１でＭ点の周波数領域の中間合成信号に変換し、各中間合成信号を第１のサンプリング速度Ｆ１よりも高速な第２のサンプリング速度Ｆ２（Ｆ２＞Ｆ１）で合成してＮ点（Ｎ＞Ｍ）の周波数領域の信号を生成し、さらにＮ点の時間領域の信号へ再変換する合波部とを備える。

本発明の受信装置は、第２のサンプリング速度Ｆ２で標本化されたＮ点の受信信号をＮ点の周波数領域の信号に変換し、Ｍ点（Ｍ＜Ｎ) 毎に切り出してそれぞれ第２のサンプリング速度Ｆ２よりも低速な第１のサンプリング速度Ｆ１（Ｆ２＞Ｆ１) でＭ点の時間領域の信号に再変換して複数の中間合成信号を生成する分波部と、中間合成信号毎に、Ｌ点（Ｌ＞Ｍ) のサンプル点を抽出後、第１のサンプリング速度Ｆ１でＬ点の周波数領域の信号に変換して複数のサブスペクトラムを抽出し、合成した信号をＬ点の時間領域の信号へ再変換する帯域合成部とを備える。

本発明の通信システムは、送信信号を低速な第１のサンプリング速度Ｆ１で複数のサブスペクトラムに分割し、一定帯域ごとに合成して中間合成信号を生成し、その中間合成信号を高速な第２のサンプリング速度Ｆ２（Ｆ２＞Ｆ１）で合波して広帯域に分散させる。このように、サブスペクトラムの分割および中間合成信号の生成を低速のサンプリング速度で行い、さらに高速のサンプリング速度で中間合成信号を広帯域に分散配置することにより、回路規模を増大せずに所要の周波数分解能を達成することができる。

ここで、送信装置では、帯域ごとに合成した中間合成信号についてＬ点の時間信号をＭ点（Ｍ＜Ｌ）の時間窓で取り出して時間−周波数変換を行う。受信装置は、送信側と逆の処理であり、Ｍ点の時間信号をＬ点ずつ取り出して時間−周波数変換を行う。これにより、２つのサンプリング速度の調整を行うことができる。また、サンプリング速度の差を利用し、低速で動作する処理部の一部を時分割処理で動作させ、回路規模を削減することができる。

本発明の実施例１における通信システムの構成例を示す図である。本発明の実施例１における通信システムの送信装置各部の信号波形を示す図である。本発明の実施例１における通信システムの受信装置各部の信号波形を示す図である。本発明の実施例１における時間軸上のサンプル点を示す図である。本発明の実施例２における通信システムの構成例を示す図である。帯域分散伝送を行う従来の通信システムの構成例を示す図である。従来の通信システムの送信装置各部の信号波形を示す図である。従来の通信システムの受信装置各部の信号波形を示す図である。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１における通信システムの構成例を示す。図１(a) は通信システムにおける送信装置の構成を示し、その送信装置各部の信号波形を図２に示す。図１(b) は通信システムにおける受信装置の構成を示し，その受信装置各部の信号波形を図３に示す。

図１(a) において、通信システムの送信装置は、帯域分散部１０と合波部２０により構成される。狭帯域な送信信号は、帯域幅Ｗに近い比較的低速なサンプリング速度Ｆ１で動作する帯域分散部１０によって複数のサブスペクトラムに分割後、分割されたサブスペクトラムから１以上の中間合成信号を合成し、得られた中間合成信号を高速なサンプリング速度Ｆ２（Ｆ２＞Ｆ１）で動作する合波部２０で広帯域に分散させる。

送信信号は、帯域分散部１０の時間窓処理部１１に入力して長さＬ点の時間窓で切り出され、長さＬ点の高速フーリエ変換器（Ｌ点ＦＦＴ）１２によって周波数領域に変換され、分割フィルタ１３に入力する（図２(a))。次に、分割フィルタ１３によって複数のサブスペクトラムに分割される（図２(b) のS1〜S6）。分割された各サブスペクトラムは、送信周波数シフタ１４によってそれぞれ所定の周波数に周波数変換され（図２(c))、送信合成器１５によって１以上（ここでは３つ）の中間合成信号が合成される（図２(d) のB1〜B3）。このとき送信合成器１５は、最終的に送信するサブスペクトラムの周波数配置を参照し、帯域幅Ｆ１に含まれる隣接サブスペクトラムの組み合わせを選び、中間合成信号を生成する。なお、図２(d) でわかるように、送信合成器１５の各出力のサンプリング速度はＦ１であるため、各中間合成信号の帯域幅も最大でＦ１である。

中間合成信号は、長さＬ点の高速逆フーリエ変換器（Ｌ点ＩＦＦＴ）１６−１〜１６−３によって時間領域に再変換され、オーバラップ加算処理部１７−１〜１７−３を介して連続信号として再構築される。

再構築された中間合成信号は、サンプリング速度をＦ１からＦ２に変換（アップサンプリング）する合波部２０に入力し、図２(e) のように周波数を変換して配置することで、最終的な送信スペクトラムが得られる。

合波部２０に入力する各中間合成信号は、時間窓処理部２１−１〜２１−３で長さＭ点（Ｍ＜Ｌ）の時間窓で切り出され、それぞれ長さＭ点の高速フーリエ変換器（Ｍ点ＦＦＴ）２２−１〜２２−３によって周波数領域に変換される。なお、サンプリング速度がＦ１で、かつＭ＜Ｌであるため、Ｌ点ＩＦＦＴ１６−１〜１６−３から時間領域で出力された中間合成信号は、Ｍ点ＦＦＴ２２−１〜２２−３に対し、図４上側に示すようにＬ点のサンプリング点のうち時刻の早い方からＭ点のサンプリング点として入力される。

ここで、Ｍ点ＦＦＴ２２−１〜２２−３とＬ点ＩＦＦＴ１６−１〜１６−３の長さは異なるが、サンプリング速度は同一のため、Ｍ点ＦＦＴから得られる周波数領域の出力もそれぞれＦ１の帯域幅を有する。すなわち、Ｍ点ＦＦＴの出力における周波数分解能はＦ１／Ｍである。これらをサンプリング速度Ｆ２にアップサンプリングするため、合波器２３は中間合成信号B1〜B3を図２(e) のように帯域幅Ｆ２内に周波数配置してＮ点ＩＦＦＴ２４に入力する。ただし、Ｎ＝Ｆ２／（Ｆ１／Ｍ) ＝Ｍ×Ｆ２／Ｆ１である。なお、中間合成信号が配置されない領域には、'0 'が挿入される。Ｎ点ＩＦＦＴ２４で時間領域に再変換された出力は、オーバラップ加算処理部２５を介して連続信号として再構築される。時間領域でのＮ点ＩＦＦＴ２４の出力（図４下側）は、低速なサンプリング速度（Ｆ１）であったＭ点ＦＦＴ２２−１〜２２−３の入力を、Ｆ２にアップサンプリングした信号となっている。

図１(b) において、通信システムの受信装置は、分波部３０と帯域合成部４０により構成される。広帯域な受信信号は、高速なサンプリング速度Ｆ２で動作する分波部３０によって１以上の中間合成信号を抽出し、得られた中間合成信号から、低速なサンプリング速度Ｆ１で動作する帯域合成部４０によって送信信号を再合成する。

受信信号は、分波部３０の時間窓処理部３１で長さＮ点の時間窓で切り出され、Ｎ点ＦＦＴ３２によって周波数領域に変換され、分波器３３に入力する（図３(a))。分波器３３は、送信装置の合波器２３と逆の要領で、帯域幅Ｆ１に含まれる隣接サブスペクトラムの組み合わせ（図３(a) のB1〜B3）を選択して抽出し、中間分離信号を生成する（図３(b))。中間分離信号は、それぞれが帯域幅Ｆ１の低速信号であり、Ｍ点ＩＦＦＴ３４−１〜３４−３によってそれぞれ時間領域に再変換され、オーバラップ加算処理部３５−１〜３５−３を介して連続信号として再構築される。

分波部３０によって低速な中間分離信号が得られるため、これらの信号からサブスペクトラムを抽出・合成する帯域合成部４０は、低速なサンプリング速度Ｆ１で動作できる。各中間分離信号は、時間窓処理部４１−１〜４１−３で長さＬ点の時間窓で切り出され、Ｌ点ＦＦＴ４２−１〜４２−３によって周波数領域に変換される。次に、合成フィルタ４３によって個々のサブスペクトラムが抽出され（図３(c))、受信周波数シフタ４４によって各サブスペクトラムが送信装置の分割フィルタ直後と同じ周波数関係となるようそれぞれ周波数変換される（図３(d))。これらのサブスペクトラムは、受信合成器４５によって１つに再合成され、最後にＬ点ＩＦＦＴ４６により時間領域に再変換後、オーバラップ加算処理部４７を介して連続信号として再構築される。

なお、簡単のため、図１ではオーバラップ加算処理に必要な、同一構成を有する他方１系統の構成図は省略している。

従来技術の課題で説明した場合と同様の条件（Ｗ＝２ [ｋHz] 、Ｆ２＞50 [ＭHz] ）において、図１の構成におけるＦＦＴ／ＩＦＦＴに所要の長さを求めてみる。入力信号を10分割するために必要な周波数分解能を従来と同様に50[Hz]とし、Ｌ＝4096、Ｍ＝16とすると、Ｆ１＝204.8[ｋHz] である。このとき、Ｎ＝4096とすればＦ２＝52.4288[ＭHz] となり、条件を満足する。長さＫ点のＦＦＴおよびＩＦＦＴの規模がＫlog₂Ｋに比例することを考慮すれば、長さ 1000000点のＦＦＴ、ＩＦＦＴを要する従来の構成に比較し、本発明の構成は圧倒的に小規模である。

（実施例２）
図５は、本発明の実施例２における通信システムの構成例を示す。図５(a) は通信システムにおける送信装置の構成を示し、図５(b) は通信システムにおける受信装置の構成を示す。

本実施例の構成は、図１の構成において複数の信号を並列に処理している区間、すなわち送信装置においてはＬ点ＩＦＦＴ１６からＭ点ＦＦＴ２２までの処理、受信装置ではＭ点ＩＦＦＴ３４からＬ点ＦＦＴ４２までの処理を、時分割処理により多重化して１系統の処理回路で実現するものである。

図５(a) の送信装置において、送信合成器１５と１系統のＬ点ＩＦＦＴ１６との間にメモリ１−１〜１−３および時分割制御部５１を接続し、オーバラップ加算処理部１７と時間窓処理部２１との間に時分割制御部５１、メモリ２−１〜２−３および時分割制御部５２を接続し、Ｍ点ＦＦＴ２２と合波器２３との間に時分割制御部５２およびメモリ３−１〜３−３を接続した構成である。

図５(b) の受信装置において、分波器３３と１系統のＭ点ＩＦＦＴ３４との間にメモリ４−１〜４−３および時分割制御部５３を接続し、オーバラップ加算処理部３５と時間窓処理部４１との間に時分割制御部５３、メモリ５−１〜５−３および時分割制御部５４を接続し、Ｌ点ＦＦＴ４２と合成フィルタ４３との間に時分割制御部５４およびメモリ６−１〜６−３を接続した構成である。

この並列処理を行っている区間は、いずれも低速なサンプリング速度Ｆ１で動作している。これらの処理を高速なサンプリング速度Ｆ２で時分割動作させれば、サンプリング周期（１／Ｆ１）の間に最大Ｆ２／Ｆ１回の処理が可能である。本実施形態では、上記を利用し、複数必要であった処理回路を１系統に削減できる。

以上の説明において、送信装置の合波部２０および受信装置の分波部３０はＦＦＴ／ＩＦＦＴによる周波数領域の信号処理を適用する構成を示したが、これによらず他の構成でもよい。すなわち、送信装置の合波部２０の機能は中間合成信号のアップサンプリングと周波数変換、受信装置の分波部３０の機能は中間分離信号の抽出とダウンサンプリングであるので、例えば文献（特開2007−312200号公報、「ディジタル信号分波装置及び合波装置」）に示されるような、フィルタバンクやインタポレータ、デシメータを組み合わせて適用する構成でもよい。

また，本装置は入力信号としてマルチキャリア信号やアナログ信号など、シングルキャリア以外の信号を入力して分割伝送することも可能である。

１０帯域分散部
１１時間窓処理部
１２Ｌ点ＦＦＴ
１３分割フィルタ
１４送信周波数シフタ
１５送信合成器
１６Ｌ点ＩＦＦＴ
１７オーバラップ加算処理部
２０合波部
２１時間窓処理部
２２Ｍ点ＦＦＴ
２３合波器
２４Ｎ点ＩＦＦＴ
２５オーバラップ加算処理部
３０分波部
３１時間窓処理部
３２Ｎ点ＦＦＴ
３３分波器
３４Ｍ点ＩＦＦＴ
３５オーバラップ加算処理部
４０帯域合成部
４１時間窓処理部
４２Ｌ点ＦＦＴ
４３合成フィルタ
４４受信周波数シフタ
４５受信合成器
４６Ｌ点ＩＦＦＴ
４７オーバラップ加算処理部
５１，５２，５３，５４時分割制御部

Claims

送信装置は、
第１のサンプリング速度Ｆ１で動作し、第１のサンプリング速度Ｆ１で標本化されたＬ点の送信信号をＬ点の周波数領域の信号に変換後に複数のサブスペクトラムに分割し、各サブスペクトラムを前記第１のサンプリング速度Ｆ１に対応する処理帯域幅内の所望の周波数位置に分散配置して複数の中間合成信号を合成し、各中間合成信号をＬ点の時間領域の複数の中間合成信号に再変換する帯域分散部と、
前記中間合成信号毎に、Ｍ点（Ｍ＜Ｌ) のサンプル点を抽出後、前記第１のサンプリング速度Ｆ１でＭ点の周波数領域の中間合成信号に変換し、各中間合成信号を前記第１のサンプリング速度Ｆ１よりも高速な第２のサンプリング速度Ｆ２（Ｆ２＞Ｆ１) で合成してＮ点（Ｎ＞Ｍ) の周波数領域の信号を生成し、さらにＮ点の時間領域の信号へ再変換する合波部と
を備え、
受信装置は、
前記第２のサンプリング速度Ｆ２で標本化されたＮ点の受信信号をＮ点の周波数領域の信号に変換し、Ｍ点（Ｍ＜Ｎ) 毎に切り出してそれぞれ前記第１のサンプリング速度Ｆ１でＭ点の時間領域の信号に再変換して複数の中間合成信号を生成する分波部と、
前記中間合成信号毎に、Ｌ点（Ｌ＞Ｍ) のサンプル点を抽出後、前記第１のサンプリング速度Ｆ１でＬ点の周波数領域の信号に変換して複数のサブスペクトラムを抽出し、合成した信号をＬ点の時間領域の信号へ再変換する帯域合成部と
を備えたことを特徴とする通信システム。
第１のサンプリング速度Ｆ１で動作し、第１のサンプリング速度Ｆ１で標本化されたＬ点の送信信号をＬ点の周波数領域の信号に変換後に複数のサブスペクトラムに分割し、各サブスペクトラムを前記第１のサンプリング速度Ｆ１に対応する処理帯域幅内の所望の周波数位置に分散配置して複数の中間合成信号を合成し、各中間合成信号をＬ点の時間領域の複数の中間合成信号に再変換する帯域分散部と、
前記中間合成信号毎に、Ｍ点（Ｍ＜Ｌ) のサンプル点を抽出後、前記第１のサンプリング速度Ｆ１でＭ点の周波数領域の中間合成信号に変換し、各中間合成信号を前記第１のサンプリング速度Ｆ１よりも高速な第２のサンプリング速度Ｆ２（Ｆ２＞Ｆ１) で合成してＮ点（Ｎ＞Ｍ) の周波数領域の信号を生成し、さらにＮ点の時間領域の信号へ再変換する合波部と
を備えたことを特徴とする送信装置。
第２のサンプリング速度Ｆ２で標本化されたＮ点の受信信号をＮ点の周波数領域の信号に変換し、Ｍ点（Ｍ＜Ｎ) 毎に切り出してそれぞれ前記第２のサンプリング速度Ｆ２よりも低速な第１のサンプリング速度Ｆ１（Ｆ２＞Ｆ１) でＭ点の時間領域の信号に再変換して複数の中間合成信号を生成する分波部と、
前記中間合成信号毎に、Ｌ点（Ｌ＞Ｍ) のサンプル点を抽出後、前記第１のサンプリング速度Ｆ１でＬ点の周波数領域の信号に変換して複数のサブスペクトラムを抽出し、合成した信号をＬ点の時間領域の信号へ再変換する帯域合成部と
を備えたことを特徴とする受信装置。