JP4680077B2 - Ｏｆｄｍ通信器 - Google Patents

Description

本発明は、周波数分割多重（ＦＤＤ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ）にて帯域干渉を防止してネットワークを構築するＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：直交周波数分割多重）通信システムにおいて、通信性能を向上させるためのＯＦＤＭ通信器に関する。

周波数分割多重によるＯＦＤＭ通信システムの従来技術としては、既設電力線を伝送路とする電力線搬送通信（Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ：以後、ＰＬＣと記載する）が挙げられる。ＰＬＣは、例えば、帯域幅３０ＭＨｚ以上において多数のサブキャリアより構成されるＯＦＤＭ信号を使用して通信を行う。

各サブキャリアは、例えば、１０２４ＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｄｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：直交振幅変調）の多値化を行い、通信容量を確保する。この多値化を実現するため、ＰＬＣモデムの送信信号は、高いＳＮ比が必要となる一方、大きな送信電力に対する設計が必要となる。

その一方で、ＯＦＤＭ時間波形は、ピーク対平均電力比（ＰＡＰＲ：Ｐｅａｋ−ｔｏ−Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｒａｔｉｏ）が大きく、送信増幅器での歪みを抑制しつつ送信電力を確保する技術が必要となる。最も簡単なピーク低減手法は、ある閾値以上のピーク信号をカットするピークカット法であるが、信号カットに起因して雑音レベルの増加を招く。

また、ＯＦＤＭ時間波形のピーク電力を低減する別の方法として、通信帯域内サブキャリアの一部を犠牲にして、ピーク電力を低減するための波形整形に使用する手法がある。しかし、この場合には、通信レートが低減することになる。

また、ピーク電力を低減するさらに別の方法として、ナリング（ｎｕｌｌｉｎｇ）波形によるピーク低減手法がある（例えば、特許文献１参照）。これによると、通信キャリアの加算に加えて、さらにナリング波形発生器を備える。このナリング波形発生器は、通信キャリアの時間波形のピーク電力を低減するように機能する。

特開２００２−３１４４９６号公報（第１頁、図１）

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。特許文献１の事例では、マルチキャリア伝送における時間波形のピーク電力を低減するためには、ナリング発生器による整形波形を加算器に追加する必要であった。すなわち、通信と無関係なナリング波形のために、わざわざ加算器を増加させる必要があった。

一方、ＰＬＣでは、システム構築をする上で周波数多重分割にてネットワークが構成される。各ネットワークグループは、全帯域の内、分割して割当てられた帯域のみを使用して、ネットワーク間の帯域干渉がないように通信を行う。割当てられた帯域以外の帯域については、通信に使用できないので、サブキャリアのリソースを無駄にしてしまうという課題があった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、ＦＤＤ割当て帯域を無駄にすることなく、ＯＦＤＭ時間波形のピーク電力を低減することのできるＯＦＤＭ通信器を得ることを目的とする。

本発明に係るＯＦＤＭ通信器は、周波数分割多重により割り当てられた帯域で送信データを変調して変調信号を生成する変調信号生成部を有し、帯域干渉を防止した通信を行うＯＦＤＭ通信器において、変調信号の増幅時の歪み要因を検出する歪み要因検出回路と、検出された歪み要因に基づいて歪み要因を低減するための整形波形を生成する整形波形生成器とを備え、変調信号生成部は、送信データに割り当てられた帯域以外の帯域で整形波形を変調した変調結果を、送信データの変調信号に合成することにより歪み要因低減後の変調信号を生成し、歪み要因低減後の変調信号を増幅した後の信号から送信データに割り当てられた帯域以外の帯域の信号成分を取り除く帯域パスフィルタをさらに備えたものである。

本発明によれば、ＦＤＤ割当て帯域以外の帯域を有効利用して、ＯＦＤＭ時間波形のピーク電力を抑制するための整形波形を生成して増幅器の歪み特性を補償することにより、ＦＤＤ割当て帯域を無駄にすることなく、ＯＦＤＭ時間波形のピーク電力を低減することのできるＯＦＤＭ通信器を得ることができる。

以下、本発明のＯＦＤＭ通信器の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
本発明のＯＦＤＭ通信器は、ＦＤＤ割当ての帯域内信号として生成された送信データに対して、後段の増幅器の歪み特性を補償するための整形波形を帯域外信号として生成して合成することにより、ＯＦＤＭ時間波形のピーク電力を低減することを特徴とするものである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるＯＦＤＭ通信器の構成図である。このＯＦＤＭ通信器は、高速ＰＬＣモデムの変調器１０とアナログフロントエンド２０とで構成される。そして、変調器１０は、マッパ１１、ＩＦＦＴ（Ｉｎｖｅｒｓｅｄ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：逆高速フーリエ変換）１２、Ｐ／Ｓ（Ｐａｒａｌｌｅｌ−ｔｏ−Ｓｅｒｉａｌ）変換器１３、ＤＡ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｎａｌｏｇ）変換器１４、ピーク検知回路１５、および整形波形生成器１６で構成される。

ここで、マッパ１１、ＩＦＦＴ１２、Ｐ／Ｓ変換器１３、およびＤＡ変換器１４は、変調信号生成部に相当する。また、ピーク検知回路１５は、歪み要因検出回路に相当する。

一方、アナログフロントエンド２０は、ＰＧＡ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｉｎ Ａｍｐ）２１、ＨＰＡ（Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐ）２２、および帯域パスフィルタ２３で構成される。

送信データは、マッパ１１で変調された後、ＩＦＦＴ１２で時間領域に変換される。さらに、Ｐ／Ｓ変換器１３でシリアルデータに変換され、ＤＡ変換器１４でアナログ信号に変換され、アナログフロントエンド２０に出力される。アナログフロントエンド２０内に取り込まれた信号は、ＰＧＡ２１およびＨＰＡ２２にて信号増幅された後、帯域パスフィルタ２３を経由して伝送路（電力線）へ信号出力される。

ＰＬＣでは、システム構築をする上で周波数多重分割にてネットワークが構成される。各ネットワークグループは、全帯域の内、分割して割当てられた帯域のみを使用して通信を行う。図２は、本発明の実施の形態１における通信帯域の分割例を示した図である。例えば、帯域Ａを割当てられたネットワークグループは、その他の帯域Ｂ、Ｃを使用できない。

この使用できない帯域Ｂ、Ｃは、伝送路に出力することはできないが、ＯＦＤＭ時間波形のピーク電力を低減するために活用することが可能である。ピーク電力が低減されると、ＰＧＡ２１やＨＰＡ２２の歪みに対する負荷が軽減でき、よりＳＮ比の大きい信号を得ることが可能となる。

例えば、図２の帯域Ａが割当てられているＯＦＤＭ通信器の場合には、マッパ１１内のキャリアマスク１は、帯域Ａのサブキャリアに対して送信データのマップを行って変調する。一方、キャリアマスク２で選択された帯域Ａ以外の帯域である帯域Ｂおよび帯域Ｃのサブキャリアについては、ピーク低減のための波形整形に活用される。

ピーク電力を低減するための整形波形は、整形波形生成器１６により作成される。Ｐ／Ｓ変換器１３からの出力の時間領域ピークをピーク検知回路１５で検知した後に、整形波形生成器１６は、検知された時間領域ピークが低減されるようなパターンを検索することにより整形波形を決定する。最適な（あるいは、それに近い）ピーク値を得るパターンの検索は、例えば、組合せ最適問題の収束アルゴリズムなどを適用して実施してもよい。

図３は、波形整形を行わない場合のＯＦＤＭ時間波形およびＯＦＤＭスペクトルの一例を示した図である。これに対して、図４は、本発明の実施の形態１における波形整形後のＯＦＤＭ時間波形およびＯＦＤＭスペクトルの一例を示した図である。低ピーク波形を得る整形波形が得られた場合には、ＰＧＡ２１およびＨＰＡ２２に伝達される信号波形は、この図４で示すような波形整形後の信号波形となる。

図３と図４のＯＦＤＭ時間波形を比較すると、波形整形後の図４の方が、ピーク値が低減している。また、周波数領域であるＯＦＤＭスペクトルを比較すると、波形整形後の図４は、通信キャリアに加えて、非通信キャリアを含むスペクトルとなっている。この非通信キャリアを除去するために、帯域パスフィルタ２３をパッシブ部品で構成する。これにより、伝送路に出力される信号は、最終的に、図４に示すＯＦＤＭ時間波形とＯＦＤＭスペクトルとすることができる。

以上のように、実施の形態１によれば、周波数多重分割システムにおける不使用帯域を活用して、時間波形のピーク低減を行うことができる。これにより、本来使用しないサブキャリアリソースを有効に活用して、増幅器の低歪み化対策が行える。使用しないサブキャリアを活用するため、帯域信号の犠牲は生じない。

さらに、マッパおよびＩＦＦＴその他の変調回路については、本来の回路構成から変更することなく、また、ナリング発生器のような本来通信には無関係な回路の追加が不要である。さらに、波形整形処理は、ＯＦＤＭの直交関係を保っているため、例えば、ピークカット手法の場合に生じる歪み起因の帯域外ノイズ増加を招くこともない。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２におけるＯＦＤＭ通信器の構成図である。先の実施の形態１における図１の構成と比較すると、図５におけるＯＦＤＭ通信器は、歪み要因検出回路として、ピーク検知回路１５の代わりにＡＭＰ歪み検出回路１７およびＡＤ変換器１８を変調器１０内に備えている。

ＡＭＰ歪み検出回路１７は、ＤＡ変換器１４およびＨＰＡ２２の出力信号を、ＡＤ変換器１８を介して取り込む。これにより、ＡＭＰ歪み検出回路１７は、増幅器（すなわち、ＰＧＡ２１およびＨＰＡ２２）の歪み成分を検出する。整形波形生成器１６は、増幅器の歪み成分が小さくなるように整形波形パターンを選択する。

図５におけるＯＦＤＭ通信器は、増幅器の歪み成分をアナログフロントエンド２０の信号を変調器１０にフィードバックすることにより推定しているが、より簡易的には、下式（１）のような非線形増幅器のモデル関数を仮定してもよい。

式（１）において、ｖは、増幅器の入力電位であり、ｆ（ｖ）が出力電位である。また、ｐは、定数である。増幅器が上式（１）の入出力特性を示して歪みを生じる場合に、その歪み補償関数が、例えば、下式（２）であるとする。

式（２）において、ｖは、入力電位であり、ｒ（ｖ）が歪み補償電位である。また、ｐは、定数である。図６は、本発明の実施の形態２における非線形増幅器のモデル関数を用いた歪み補償の説明図であり、式（１）と式（２）の入出力特性をプロットしたものである。整形波形生成器１６は、式（２）の特性を得るパターンを選択する。

すなわち、図６に示された式（２）のパターンは、入力電圧（Ｖｉｎ）が１Ｖ以下の場合には、式（１）による増幅器の入出力特性を補償するような入出力特性を有し、入力電圧が１Ｖ以上の場合には、出力電圧（Ｖｏｕｔ）を一定とするような入出力特性を有している。

図５において、ＡＭＰ歪み検出回路１７より出力される補正量は、ＦＦＴ処理により周波数領域に変換されてもよい。ただし、周波数領域で表現された補正量は、キャリアマスク２で選択されるＦＤＤ割当て帯域外のキャリアのみで構成されることとなる。仮に、補正量がＦＤＤ割当て帯域内キャリアを含む場合には、そのキャリアは使用できないので、その補正できない分については、増幅器歪みが残ることとなる。

以上のように、実施の形態２によれば、歪み要因検出回路としてＡＭＰ歪み検出回路を用いることによっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、整形波形発生器は、増幅器の歪み成分を補償するように整形波形パターンを選択するため、増幅器の歪みに起因する雑音レベルの増加を低減することができる。

本発明の実施の形態１におけるＯＦＤＭ通信器の構成図である。 本発明の実施の形態１における通信帯域の分割例を示した図である。 本発明の実施の形態１における波形整形後のＯＦＤＭ時間波形およびＯＦＤＭスペクトルの一例を示した図である。 波形整形を行わない場合のＯＦＤＭ時間波形およびＯＦＤＭスペクトルの一例を示した図である。 本発明の実施の形態２におけるＯＦＤＭ通信器の構成図である。 本発明の実施の形態２における非線形増幅器を用いた歪み補償の説明図である。

符号の説明

１０ 変調器、１１ マッパ、１２ ＩＦＦＴ、１３ Ｐ／Ｓ変換器、１４ ＤＡ変換器、１５ ピーク検知回路（歪み要因検出回路）、１６ 整形波形生成器、１７ ＡＭＰ歪み検出回路（歪み要因検出回路）、１８ ＡＤ変換器、２０ アナログフロントエンド、２１ ＰＧＡ、２２ ＨＰＡ、２３ 帯域パスフィルタ。

Claims (4)

1. 周波数分割多重により割り当てられた帯域で送信データを変調して変調信号を生成する変調信号生成部を有し、帯域干渉を防止した通信を行うＯＦＤＭ通信器において、
   前記変調信号の増幅時の歪み要因を検出する歪み要因検出回路と、
   検出された前記歪み要因に基づいて前記歪み要因を低減するための整形波形を生成する整形波形生成器と
   を備え、
   前記変調信号生成部は、前記送信データに割り当てられた帯域以外の帯域で前記整形波形を変調した変調結果を、前記送信データの変調信号に合成することにより歪み要因低減後の変調信号を生成し、
   前記歪み要因低減後の変調信号を増幅した後の信号から前記送信データに割り当てられた帯域以外の帯域の信号成分を取り除く帯域パスフィルタをさらに備えた
   ことを特徴とするＯＦＤＭ通信器。
2. 請求項１に記載のＯＦＤＭ通信器において、
   前記歪み要因検出回路は、前記変調信号生成部で生成された変調信号の時間波形からピーク値を検出するピーク検知回路であり、
   前記整形波形生成器は、検出された前記ピーク値を低減するための整形波形を生成する
   ことを特徴とするＯＦＤＭ通信器。
3. 請求項１に記載のＯＦＤＭ通信器において、
   前記歪み要因検出回路は、前記変調信号生成部で生成された変調信号を増幅する増幅器から増幅後の信号を取り込み、前記増幅器の歪み成分を検出するＡＭＰ歪み検出回路であり、
   前記整形波形生成器は、検出された前記歪み成分を低減するための整形波形を生成する
   ことを特徴とするＯＦＤＭ通信器。
4. 請求項１に記載のＯＦＤＭ通信器において、
   前記歪み要因検出回路は、前記変調信号生成部で生成された変調信号の増幅結果を、増幅器のモデル関数を用いて算出し、算出された前記増幅結果の歪み成分を検出するＡＭＰ歪み検出回路であり、
   前記整形波形生成器は、検出された前記歪み成分を補償するための歪み補償関数を整形波形として生成する
   ことを特徴とするＯＦＤＭ通信器。

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