(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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の増幅率とによって前記変調信号を増幅する圧縮器、及び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を有する第１通信装置と、前記送信手段によって送信された送信信号を受信する受信手段、及び前記圧縮器における前記変調信号の増幅とは逆変換となるように前記受信手段にて受信した信号を増幅する伸長器を有する第２通信装置と、を備えたことを特徴とする通信システム。
【請求項２】
前記伸長器は、前記閾値に前記第１増幅率をかけた値以下の信号に対して前記第１増幅率の逆数にて増幅を行い、前記閾値に前記第１増幅率をかけた値を超える信号に対して前記第２増幅率の逆数にて増幅を行うことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
【請求項３】
前記閾値は、前記変調信号の振幅の平均値に対して１〜３倍の範囲内の値が設定されることを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
【請求項４】
前記第１増幅率は、前記第２増幅率の１０倍以下の値であることを特徴とする請求項１記載の通信システム。
【請求項５】
前記変調信号は、直交周波数多重分割方式によって得られた変調信号であることを特徴とする請求項１記載の通信システム。
【請求項６】
前記送信手段は、電力線に送信信号を畳重することによって送信信号を送信し、前記受信手段は、前記電力線に畳重された送信信号を受信することを特徴とする請求項１記載の通信システム。
【発明の詳細な説明】
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。
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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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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