JP3630688B2 - ディジタル伝送システム - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は電気通信システムに関し、特に加入者ループを介して信号を送信する装置および方法に関するものである。
発明の背景
電気通信ネットワークは、もともとは加入者端末間で音声通信を提供するために開発されたものである。このような、旧来の電話、すなわちPOTSサービスから、様々なディジタル系に至るネットワークを経験するにつれて、今や、このネットワークに改善された加入者アクセスができるようにする必要がある。従来より、加入者は、一般に加入者ループと呼ばれる撚り対線のループによってネットワークへ接続されている。これらのループを、より効率の良い、あるいは広帯域幅の接続（例えば、同軸接続）で置き換えるコストが非常に高いため、この加入者ループを介して効率的にディジタル信号を提供する様々な技術が提案されてきた。最近導入された伝送技術に、直交周波数分割多重（OFDM）プロトコルがある。この技術は、マルチ・キャリア変調方式で構成されており、これは、各データシンボル上に巡回語頭（cyclic prefix）を使用することで、分散チャネルにおける共チャネル干渉を非常に小さくする方式である。これは、従来の周波数分割多重（FDM）技術と違って、何ら複雑な時分割等化処理を必要としない。この技術の解説は、Ｊ ビンハム（Bingham）によってIEEE、Communication、28（４）、５〜14頁、1990年４月、および、Ａ ペレド（Peled）とＡ ルイズ（Ruiz）による「音響、音声および信号処理に関する国際会議」、1980年４月、デンバー、964〜967頁に記載されている。OFDM技術については、ヨーロッパ特許EP−A2−0656705号の明細書や米国特許US−Ａ−4884139号の明細書に、さらに解説がなされている。
直交周波数分割多重は、ディジタル伝送の適用に理想的な適合性を有しており、通常の高速フーリエ変換（FFT）技術を使用して実施されてきた。しかしながら、この技術を、伝送路が撚り対銅線でできた電気通信の加入者ループ技術に適用することは、高レベルの音声干渉に対する感受性があるために制限を受けてきた。このような状況では、従来のFFT処理による除去では、著しいデータ化けを防ぐには不十分であることが分かった。
本発明の目的は、この不都合を最小限にくい止め、あるいは、それを克服することである。
発明の概要
本発明の一態様によれば、直交周波数分割多重（OFDM）伝送システムが提供される。このシステムは、連続するビットからなる入力データ・シーケンスに対応する各チャネル中にＮ（Ｎは整数）時分割サンプルの組を入力ビット・ストリームから生成する手段を有する送信機と、伝送路を介して上記送信機に接続された受信機とを備える。この受信機は、時間可変ディジタル・フィルタと、このフィルタの出力よりデータ・ストリームを再生するフーリエ変換手段とを組み込んでいる。上記の時間可変ディジタル・フィルタは、各送信チャネルに一つ配されるウエーブレット・フィルタの組からなる。このウエーブレット・フィルタのタップの重み付けは、特定の干渉除去を行うよう決定され、また、このフィルタは、フーリエ変換のオーダに比べて短いインパルス応答を有する。
本発明のさらなる態様によれば、伝送路を介して連続するビットからなるディジタル・データ・シーケンスを送信する方法を提供する。この方法は、上記入力データ・シーケンスに対応した各チャネル中に時分割サンプルの組を生成するステップと、上記各チャネルに一つ配される複数の要素を有する時間可変ディジタル・フィルタを組み込んだ受信機へ、上記伝送路を介して上記サンプルを送信するステップと、上記フィルタの要素からの出力についてのフーリエ変換を決定して、上記データ・ストリームを再生するステップとを含む。上記時間可変ディジタル・フィルタは、各送信チャネルに一つ配されるウエーブレット・フィルタの組からなる。このウエーブレット・フィルタのタップの重み付けは、特定の干渉除去を行うよう決定される。
本装置は、例えば、電話加入者撚り対ループを介した、ブロック直交符号方式を用いたディジタル伝送手段を提供する。特に本装置は、離散フーリエ逆変換（IFFT）によって生成された一組の基本ベクトルを使用した伝送符号化方法に関連しており、この離散フーリエ逆変換では、信号ブロックの巡回拡張（cyclic extension）が、符号化されたシンボルの前あるいは後に挿入されたサンプルの影響を受ける。本装置における上記受信機は、離散フーリエ変換（DFT）を使用して、相関検出を行っている。この受信機では、フーリエ変換の前に時間可変ディジタル・フィルタを使用することで、非干渉性妨害に対する感受性を大幅に減らしている。
【図面の簡単な説明】
添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係るOFDM伝送システムを概略的に示す図である。
図２は、図１のシステムに使用するOFDM送信機の概略図である。
図３は、図１のシステムに使用するOFDM受信機の概略ブロック図である。
図４は、図３の受信機とともに使用されるディジタル・フィルタの詳細構成を示す図である。
図５は、図３のフィルタ構成をさらに詳細に示す図である。
図６は、単段矩形インパルス応答を使用した図５のフィルタ構成によって遂行される干渉除去を示す図である。
図７は、デュアル段カスケード矩形インパルス応答を使用した図５のフィルタ構成によって遂行される干渉除去を示す図である。
実施の形態
図１において本システムは、通常、撚り対電話線からなる伝送路３によって結合された、OFDM送信機１と受信機２を含む。この送信機に入力されるディジタル信号は、上記の伝送路を介して伝送するために、OFDM信号に変換される。受信機側では、このOFDM信号が、元のディジタル信号に戻すべく復号化され、それが、次に加入者端末（不図示）へ送られる。
図２は、図１のOFDM送信機を示しており、毎秒Ｄビット（b/s）のビット・レートを有する入力ディジタル・シリアル・ビットストリームが、エンコーダ11によって、N/2パラレルデータ・ブロックの形で格納される。この各ブロックは、各チャネルの信号対雑音比（S/N比）に基づいて割り当てられた数のビットからなっている。従って、雑音の少ないチャネルには、より多くのビットを割り当てることができ、その逆もまた成り立つ。ブロック毎のデータ・ビットの数は、伝送チャネルについて、あらかじめ分かっている特性をもとに割り当てたり、あるいは、その数は、伝送リンクの２端点間における自動速度調停処理を介して立ち上げ初期化の間に設定される。これには、所定のディジタル・シーケンスで伝送リンクの異常を調べて、その組内における各複素指数に対する信号対雑音比を確定することが含まれる。
データ・ブロックの数Ｎは、２のべき乗である。N/2データ・ブロックの各組は、対応するN/2直交振幅変調（QAM）サブシンボルの組として符号化される。このサブシンボルの位相と振幅は、各データ・ブロックを示している。Biビットの各ブロック内の情報は、一組の互に直交した搬送波上にマッピングされ、このBiビットは、各搬送波に対する許容振幅・位相点の組を表す複素振幅変調によって符号化される。送信信号は、離散フーリエ逆変換（IFFT 12）のシーケンスを実行することによって構築され、これにより、各複素指数の振幅および位相が、搬送波Ciに割り当てられたBiビットによって、上記許容された組より選択される。複素データ・サンプルの連続ストリームは、このIFFT12によって結合および周波数シフトされ、リアルタイムのドメイン・データストリームが生成される。
チャネルが分散しやすいときに搬送波の直交性を保持するため、本願出願人は、各変換出力ブロックの開始時において、余分な信号サンプル（巡回準備拡張（cyclic prepended extension）サンプル）を挿入している。こうすることで、この変換されたデータ・セットが、Ｐサンプルのブロックあるいは語頭に準備される。これにより、変換ウインドウよりも長い期間、直交性が拡張され、また、理想とする受信同期と実際の受信同期との間において、ある程度のオフセットが行われ、さらに、受信信号がサンプル抽出される前に、シンボル境界における乱れを、影響のないレベルまで減衰させることになる。
高速フーリエ逆変換（IFFT）装置12の出力は、受信機への送信のため、パラレル／シリアル変換器13を介して、ディジタル／アナログ（D/A）変換器14と低域通過フィルタ15に送られる。このパラレル／シリアル変換の間、IFFT12から出力されたＮ個のリアルタイム分割サンプルの組に語頭が付加され、一組のＮ＋Ｐサンプルが提供される。ここでＰは、付加された語頭を表している。このD/A変換器14のサンプリング・レートは、これら付加された語頭のために、符号器11のサンプリング・レートよりも大きくなっている。通常、伝送路には、撚り対電話加入者ループが含まれる。
図３は、図１の伝送システムのOFDM受信機を概略的に示すもので、受信したOFDM信号は、アナログ低域通過フィルタ31とアナログAGC回路32を通じて、アナログ／ディジタル変換器33へ送られる。この結果得られたディジタル信号は、語頭除去部34を介して、時間可変OFDMフィルタ35へ送られ、そこで、元のデータ・チャネルが再構築される。これらのパラレル・チャネルは、次にエラー訂正回路36を介して出力される。この受信機は、各チャネルに対して独立したウエーブレット波形整形フィルタをかけることで、さらなる干渉の除去を行っている。このフィルタのインパルス応答は、フーリエ変換のオーダに比べて短いので、あまり多くない数の巡回準備拡張サンプルのみを挿入するだけで、かなりの減衰を得ることができる。
図４と図５は、図３の時間可変フィルタ35を詳細に示す図である。図４に示すように、この時間可変フィルタ35は前置フィルタ351を含み、そこでは、入力サンプルが、選択的にコミュテータ361へ入力され、各タップ列362に達する。このコミュテータ361は、サンプリング・レートFsamで動作し、上記のタップは、シンボル・レートFsymで動作する。このサンプリング・レートとシンボル・レートとの関係は、以下の式で与えられる。
Fsym＝Fsam/（Ｎ＋Ｐ）
ここで、Ｎはチャネル数であり、Ｐは巡回語頭である。２のべき乗のブロック・サイズを使用することで、高速フーリエ変換に基づいて、かなり効率良い実行ができるようになる。通常は約10〜15％、好ましくは12.5％の巡回準備拡張によって、帯域幅における相対的に控えめなコストで、干渉に対する送信信号の感受性を減ずる際に、かなりの利点をもたらすトレードオフが与えられる。
図５は、上記前置フィルタをさらに詳細に示す。これは、以下の特性を有する第１オーダのフィルタからなる。
Hn＝Σ_{ｉ＝０〜（ｐ−１）}Ω^i.nz^-i
ここで、Ω＝ｅ^２πj/mである。
図５に示すアーキテクチャは、このフィルタを、フーリエ変換への入力点における時間可変フィルタとして動作させる。このフィルタの構成は、一組の遅延要素51と、対応するフィルタ52とからなり、このフィルタが離散フーリエ変換装置53への入力を行う。これにより、OFDM受信機のマルチ・チャネル化に、多数のウエーブレット波形整形フィルタｆ＝Hn（ｚ）からなる共有フィルタ・アーキテクチャが提供される。
このフィルタ・アーキテクチャに対して、以下の定義を行う。
Ｇ（ｚ）＝（１−z^-n）／（１−z^-1）
ｍ＝フーリエ・ブロック長
ｃ＝巡回拡張長
Ω^ｍ＝−１ Ω＝ｅ^２πj/m
ｐ＝フィルタ長
H'（ｚ）＝（Σ_{ｉ＝０〜（ｐ−１）}hiz^-i）×Ｇ（ｚ）
＝Σ_{ｉ＝０〜（ｐ＋ｍ−２）}h'iz^-i
Wn（z^m）＝Σ_{（valid ｉ）}h'_(mi-n)z^-mi
δ（ｔ）＝時間ｔにおけるディラック・パルス
Ｔ＝m/fs
一方、このフィルタは、個々のフーリエ変換入力に対する一組の分離時間不変フィルタと見ることもでき、タップの重み付けは、フーリエ変換のオーダに等しい期間に渡って、H₀（ｚ）より、そのタップの重み付けをサンプル抽出することで得られる。ｐが短い場合、ほとんどのサブ・フィルタは、そのデフォルトが単一の係数を有する単一タップとなるが、サブ・フィルタが２タップの場合の、変換の最初のｐ入力については例外となる。
図４および図５の装置では、フィルタ応答が規定され、それは、非十進（nondecimating）チャネル０（すなわち、ゼロ周波数）OFDM受信機の応答を表している。他のOFDMチャネルに対する応答は、この基本的な応答を単に周波数シフトさせたものである。従来のOFDM受信機の場合、これは、矩形FFTウインドウのフーリエ変換となるだけである。ここで説明する、図４および図５の、改善された除去を行うOFDM受信機に対する応答は、従来のOFDM受信機のプロトタイプ応答と選択された前置フィルタのプロトタイプ応答との積である。よって、インパルス応答は、矩形FFTウインドウと前置フィルタ・インパルス応答とのたたみ込みである。
本願出願人に係る改善されたOFDMシステムは、Ｎ点DFT/FFTと、Ｍサンプルのインパルス応答を持つ時間可変前置フィルタを有しており、長さがＬ＝（Ｎ＋Ｍ−１）サンプルの複合プロトタイプ・インパルス応答を提供する。符号毎に単一の変換が必要なだけなので、シンボル長Ｎ＋Ｐに等しい十進係数は、実施された前置フィルタにおいて、複雑さがかなり軽減される。各前置フィルタ（FFTビン（bin）につき１個）は分離速度で動作し、プロトタイプ・フィルタのインパルス応答全体をサブ・サンプリングすることによって決定される係数を有している。各々が（L/N）＋１タップを有するＮ個の前置フィルタと単一のＮ点FFTが使用された、ＮチャネルOFDM受信機の部分が示されている。このシステムでは、上記の前置フィルタとFFTがFsam/（Ｎ＋Ｐ）で動作し、各チャネルに対して並列に、ダウン・サンプリングされた出力を生成する。この前置フィルタのインパルス応答は、語頭・サイズがシンボル長に対して最小となるようにするため、理想的には、変換長に比べて短くなければならない。このことを除けば、正確な前置フィルタの応答は、それが所望のスペクトル特性を有している場合には、限定されない。変更されたOFDMの実行を簡略化するため、乗算に要するハードウエアを最小にするインパルス応答を得るように前置フィルタを選択することができる。前置フィルタの応答に対する矩形の選択は、格納および乗算の両方のハードウエアを節約する低精度長の２進ワードによって表すことができる係数を与える。多少複雑さが増しても、カスケードの矩形インパルス応答に基づく他の前置フィルタの応答をも使用して、大幅な干渉の除去を行うことができる。
OFDMスペクトルに渡って、規則的に大きな干渉信号が配される環境（例えば、搬送波が、固定された周波数間隔で割り当てられた放送無線ピックアップ）では、このOFDM変調システム（および前置フィルタ）が、関連する周波数で大きな減衰量の「切り込み」を持つようにすることができる。これには、OFDMパラメータと前置フィルタ応答の適切な選択が含まれる。
例えば、シンボル・レートFsym＝8kHz、OFDM搬送波間隔Fcar＝9kHzに基づくシステムを分析してみた。このシステムは、サンプリング・レートFsamが2.304MHzで、32サンプルの巡回語頭Ｐを与える256点のFFTサイズＮを有する。これにより、中波のAM放送を除去するのに適した9kHzの搬送波間隔が提供された。矩形インパルス応答に基づく、いくつかの前置フィルタのオプションも分析した。それは、単一16タップ、デュアル・カスケード16タップ、そして、16タップと12タップのカスケードである。図６は、単一16タップの前置フィルタに対する、干渉への（直流でのOFDM搬送波に対する）受信機の応答を示しており、図７は、デュアル・カスケード16タップの前置フィルタに対する同様な応答結果を示している。
上述した本OFDM技術は、マルチ・ポイント・ツー・ポイントの通信に展開することができ、これにより、複数の送信機が１つの受信機の帯域幅を共有できるようになる。これは、１つの搬送波を各送信機に割り当てることでも達成でき、それによって、潜在的に干渉を受けやすい搬送波を避けている。送信レベルを調整すべく様々な送信機を制御して、受信信号レベルを実質的に等化することで、アナログ／ディジタル変換に要するダイナミックレンジを最小にしている。さらなる変形例として、フーリエ変換のブロック・サイズを大きくし、送信レートを下げて、同一の送信容量を提供することができる。しかし、この場合、受信機毎に１つ以上の搬送波を割り当てる必要がある。

Claims (7)

1. 連続するビットからなる入力データ・シーケンスに対応する各チャネル中に、入力ビット・ストリームから、Ｎ（Ｎは整数）分割サンプルの組を生成する手段を有する送信機と、伝送路を介して前記送信機に接続された受信機とを備えた伝送システムにおいて、
   前記受信機は、時間可変ディジタル・フィルタと、このフィルタの出力よりデータ・ストリームを再生するフーリエ変換手段とを組み込んでおり、前記時間可変ディジタル・フィルタは、各送信チャネルに一つ配されるウエーブレット・フィルタの組からなり、このウエーブレット・フィルタのタップの重み付けは、特定の干渉除去を行うよう決定され、また、このフィルタは、フーリエ変換のオーダに比べて短いインパルス応答を有することを特徴とする直交周波数分割多重（OFDM）伝送システム。
2. 前記伝送路は、電話加入者ループを備えたことを特徴とする請求項１記載の伝送システム。
3. 前記送信機は、前記データ・シーケンスのビットを前記チャネルに割り当てる手段を含み、これにより、低レベルの干渉を受けやすいチャネルへは、数多くのビットが割り当てられ、高レベルの干渉を受けやすいチャネルへは、少ないビットが割り当てられることを特徴とする請求項１または２記載の伝送システム。
4. 前記送信機は、前記Ｎサンプルの組にＰサンプルの語頭（Ｐは、Ｎより小さい整数）を準備する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の伝送システム。
5. 前記語頭は、10〜15％の間の巡回準備拡張からなることを特徴とする請求項４記載の伝送システム。
6. 連続するビットからなるディジタル・データ・シーケンスを伝送路を介して送信する方法において、当該方法は、前記入力データ・シーケンスに対応させて、各チャネルに時分割サンプルの組を生成するステップと、前記各チャネルに一つ配される複数の要素を有する時間可変ディジタル・フィルタを組み込んだ受信機へ、前記伝送路を介して前記サンプルを送信するステップと、前記フィルタの要素からの出力についてのフーリエ変換を決定して、前記データ・ストリームを再生するステップとを含み、前記時間可変ディジタル・フィルタは、各送信チャネルに一つ配されるウエーブレット・フィルタの組からなり、このウエーブレット・フィルタのタップの重み付けは、特定の干渉除去を行うよう決定されることを特徴とする方法。
7. 前記伝送路は、電話加入者ループを備えたことを特徴とする請求項６記載の方法。

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