【発明の詳細な説明】
超高速時間ホッピングＣＤＭＡ−ＲＦの改良
発明の背景および簡単な説明
本発明は、ワイヤレスＲＦ時間ホッピング符号分割多元接続（ＣＤＭＡ：code
division multiple access）および時分割多元接続（ＴＤＭＡ：time division
multiple access）スペクトル拡散通信システムに関し、特に、ピコ秒（１０-1 2
）ないしナノ秒（１０-9）からマイクロ秒（１０-6）の範囲の個別超短パルス
（モノサイクル）または少数のサイクル（パケット）の信号を用いる超高速シス
テムに関するものである。送信前および受信後、システムは、ディジタル通信シ
ステムとして機能する。かかるワイヤレス通信システムのためのキャリアは、周
波数でも、振幅でも、位相でも偏極キャリア(polarization carrier)でもなく、
ディジタル・コード化方式によって与えられる一連の個別パルスという形態の正
確なタイミングの配列を基本とする。
当技術分野におけるワイヤレスＲＦ通信システムの殆どは、ヘテロダインまた
はスーパー・ヘテロダイン原理に基づく周波数領域受信機の設計を用いているが
、本発明の受信機は時間領域ホモダイン受信機である。従来技術は、例えば、直
接拡散(direct sequencing)または周波数ホッピングにおいてコード化を用いて
信号の拡散および逆拡散を行い、その結果プロセッサ利得を得るが、本発明は、
個々の信号として超短パルスまたはパケット、およびシーケンス内におけるかか
る個別パルスのタイミングを判定するコード化を用いる。送信時、情報はパルス
位置変調技法、即ち、チャネル・コードによって設定されたパルス・シーケンス
・タイミングからの正確な微小偏差によって搬送される。
直交コード化方式の使用、および超高速パルス・シーケンス技法の使用により
、極度にデータ・レートが高いワイヤレスニ点間（ポイント・ツー・ポイント）
通信、および広域マルチメディア通信を提供することが可能となる。
前述の特許における発明は、二点間および同報通信モード双方において超高速
時間ホッピングＣＤＭＡ通信に直交コード化方式を用いることにより、ワイヤレ
スＲＦ通信のデータ・レートを大幅に高める。これは、従来のＲＦ送信またはそ
の他の超高速時間ホッピングＣＤＭＡまたはＴＤＭＡユーザと干渉せず、あるい
は干渉を発生することなく、共存が可能な通信システムを提供する。また、ディ
ジタルの、例えば、光ファイバ通信システムとのインターフェースが可能なワイ
ヤレス通信システム、および送信信号における周波数成分の環境的ノッチ濾波(e
nvironmental notched filtering)に対してローバスト性がある通信システムも
提供し、更に適度のパワーで広い範囲を有し、小型軽量であり、かつ製造に費用
がかからない通信システムを提供する。
概述すれば、上述の特徴は、ＲＦ超高速時間ホッピングＤＣＭＡおよびＴＤＭ
Ａワイヤレス通信システムにおいて得られる。この通信システムは、一連のパル
スまたはパケットにおける個々のパルスおよびパケットを用い、これら個々のパ
ルス／パケットは持続期間が非常に短いので(例えば、ピコ秒およびナノ秒範囲)
、個々のパルス信号のエネルギは、遅いサンプリング・システムに対して、同時
にまたは瞬時に（逐次的ではなく）非常に広い周波数に拡散する。また、時間ホ
ッピング・シーケンシャル・コードも用いてこれらのパルス／パケットを正確に
順次位置付けることにより、時間−周波数空間の最適な利用を図ると共に、使用
するコード化方式の直交性により、干渉のない送信チャンネルを提供する。使用
する個々のパルス／パケットの超短性のために、１フレームの時間長を非常に多
くの微小時間間隔に分割し、その中に信号を発生することができる。このフレー
ムにおける非常に多くの微小間隔への分割によって、多くの可能なコード化方式
や多くの非干渉送信チャネルが使用可能となる。このように、個々のパルスの超
短性は、直交コード化方式と共に、あらゆるワイヤレス通信システムにおいて最
高のマルチチャネルまたは集合体(aggregate)データ・レートを可能にする。
前述の特許における本発明の一実施形態では、通信システムは、（ｉ）単一の
獲得（acquisition）システム／マッチド・フィルタ（整合フィルタ）のスレー
ブとなることができ、各コードを捕獲し一意のデコード用モデムに各コードを割
り当てる直交コードと、（ｉｉ）超高速信号を検出し、ミリ秒単位のスーパーフ
レーム(superframe)にわたってかかる捕獲の記憶を保持することが可能な相関器
／獲得システム／マッチド・フィルタと、（ｉｉｉ）パルス状電源、アンテナ、
エンコード用モデム、発振器−クロック、インテリジェンス／データ暗号化器と
、（ｉｖ）コード化情報をエンコード用モデムおよびデコード用モデム双方に供
給するＥＰＲＯＭとを用いる。
本発明は、光時間ホッピング符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）および時分割多元
接続（ＴＤＭＡ）スペクトル拡散通信システム、特に、フェムト秒（１０-15）
範囲の個別超短信号を用いるが、他の時間長の信号にも適用可能な超高速システ
ムおよび高データ・レート・システムを対象とする。送信前および受信後に、シ
ステムはディジタル通信システムとして機能する。先述の特許におけると同様、
かかるワイヤレス通信システムのキャリアは、周波数でも、振幅でも、位相でも
偏極キャリアでもなく、ディジタル・コード化方式によって与えられる一連の個
別パルスまたは波形パケット(wave packet)という形態の正確なタイミングの配
列、即ち、マイクロコードによるものである。
本発明は、パルスまたはパケット位置変調技法、即ち、チャネル・コード即ち
マイクロコード、例えば、パルス／パケット変調によってセットされるパルス／
パケット・シーケンス・タイミングからの正確な微小偏差によって情報を送信す
るシステムおよび方法を対象とする。
直交コード化方式の使用および超高速パルス・シーケンス技法の使用により、
極度にデータ・レートが高い光ファイバ同報通信および二点間通信を提供するこ
とが可能である。
本発明の目的
したがって、本発明の更に別の目的は、超高速時間ホッピングＣＤＭＡまたは
ＴＤＭＡ通信システムにおいて、ネットワーク同報通信および二点間モード双方
に直交コード化方式を用いることにより、光ファイバ通信(Gagliardi & Karp,19
95;Spirit & O'Mahony,1995)のデータ・レートを大幅に高めることである。
本発明の更に別の目的は、ディジタル・システム、例えば、ＲＦまたは有線、
通信システムとのインターフェースが可能な光ファイバ通信システムを提供する
ことである。
発明の概要
概述的には、本発明の上述のおよびその他の目的は、個々の波形パケットを、
かかる波形パケットまたはパルスのシーケンスという形態で用いる、超高速時間
ホッピングＣＤＭＡおよびＴＤＭＡワイヤレス通信システムにおいて達成される
。時間ホッピング・シーケンシャル・コードも用いて、これらの波形パケットま
たはパルスを正確に順次位置付け、時間−周波数空間の最適な使用を図ると共に
、用いるコード化方式の直交性による非干渉送信チャネルを備える。この時間ホ
ッピング・シーケンシャル・コードのことを「マクロコード」と呼び、これが全
チャネル内の各情報サブチャネルを識別する。パラレルまたはシリアルのいずれ
かが可能な変調方式で、各パルスまたは波形パケット上にデータをエンコードす
る。後者の場合は、パルス位置変調方式である。このデータ・エンコード方式を
「マイクロコード」と呼ぶ。
原発明におけると同様、用いる個々のパルスの超短性により、フレームの時間
長を非常に多くの微小時間間隔に分割し、その中で信号を発生することができる
。このフレームにおける非常に多くの微小間隔への分割により、多くの可能なコ
ード化方式および多くの非干渉送信チャネルの利用が可能となる。したがって、
個々のパルスまたは波形パケットの超短性は、直交コード化方式と相まって、あ
らゆる光通信システムでも最高のマルチチャネルまたは集合体データ・レートを
可能にする。
本発明の一実施形態では、通信システムは、（ｉ）単一の獲得システム／マッ
チド・フィルタのスレーブとなることができ、各コードを捕獲し一意のデコード
用モデムに各コードを割り当てる直交コードと、（ｉｉ）超高速信号を検出し、
ミリ秒単位のスーパーフレームにわたってかかる捕獲の記憶を保持することが可
能な相関器／獲得システム／マッチド・フィルタと、(ｉｉｉ)パルス列ソース、
エンコーダ、発振器−クロック、インテリジェンス／データ暗号化器と、（ｉｖ
）エンコードおよびデコード双方を行うためにコード化情報を提供するデバイス
、例えば、音響−光変調器およびホログラムを用いる。方法（ｏ）−（ｉｉｉ）
は、原発明によっても用いられる。方法（ｉｖ）は、本発明に特有なものである
。
図面の簡単な説明
本発明の上述のおよびその他の目的、利点および特徴は、以下の明細書および
添付図面を用いて検討すると、一層明白となろう。図面において、
図１ａは、超高速時間ホッピングＣＤＭＡワイヤレス通信システムのために本
発明の構成を組み込んだ送信機のブロック図であり、図１ｂは、その受信機構成
のブロック図である。
図２は、本発明に組み込まれる超高速時間ホッピングＣＤＭＡワイヤレス通信
システムにおけるフレームおよびサブフレームを示す。
図３は、サブフレーム、フレームおよびスーパーフレームを明示する図である
。
図４は、相関およびサブフレームのサンプリングを行う一方法を明示する図で
ある。
図５ａ、図５ｂおよび図５ｃは、２つの直交コード(図５ａおよび図５ｂ)、お
よびそれらの自己相関および相互相関（図５ｃ）を示す。
図６は、双曲線合同コード(hyperbolic congruence code)、Ｐ＝１１，ａ＝１
，１０×１０マトリクスを示す。
図７は、双曲線合同コード、Ｐ＝１１，ａ＝１，５０×５０マトリクスを示す
。
図８は、双曲線合同コード、ｐ＝１１，ａ＝１およびｐ＝１１，ａ＝３，１０
×１０マトリクスに対する自己曖昧関数(autoambiguity function)を示す。
図９は、双曲線合同コード、ｐ＝１１，ａ＝１およびｐ＝１１，ａ＝３，１０
Ｘ１０マトリクスに対する相互曖昧関数(crossambiguity function)を示す。
図１０ａは、１ナノ秒の超短パルスの時間−周波数関係、および狭帯域正弦波
用同期（即ち、ヘテロダイン）受信機を示し、図１０ｂは、図１０ａの鳥瞰図で
ある。
図１１は、図１０の三次元図を切断した図である。
図１２は、本発明による獲得システムを示す。
図１３は、獲得システムおよびデコード用モデムの詳細を示す。
図１４は、本発明を組み込んだ光モード同報通信ネットワークを示す。
図１５は、本発明を組み込んだ光モード二点間システムを示す。
図１６は、本発明に組み込まれたマクロコードおよびマクロコードの埋め込み
を示す図である。
図１７は、本発明に組み込まれたデータ復元を示す図である。
図１８は、本発明のインターフェースに関する態様を示す。
好適な実施形態の詳細な説明
本発明を組み込んだ超高速時間ホッピングＣＤＭＡおよびＴＤＭＡシステムに
は可能な実施形態が多数ある。以下に、マルチチャネル（高データ・レート）の
使用を可能にする実施例を示す。
１．発振クロック１０，１０'。この回路は、例えば、ＧａＡｓ ＭＭＩＣ技術
またはその他の半導体技術を用いて、ＤＣ電力を２ＧＨｚ信号に変換することが
できる。発振クロックの出力信号は、データ・ゲート回路および送信増幅器（パ
ルスまたはパケットの送信中）を駆動する十分な電力を有する。発振クロックは
、精度＞１ｍｓｅｃ中２０ピコ秒、即ち、約１０9分の２０を要求する重要な副
構成物（サブコンポーネント）である。
信号は、周波数安定基準信号に位相ロックされた電圧制御発振器によって発生
することができる。
２．パルス・エミッタおよびアンテナ・モジュールＴＡ。現パルスの送信時に、
発振信号のサンプルを増幅し、アンテナから送信する。ＲＦスイッチング回路(
パルス発生器ＰＧ内)を比較器ＣＯＭＰのトリガによって駆動することにより、
発振クロックに、パルスの期間送信増幅器チェーンを駆動させる。送信増幅器チ
ェーンは、得られるＲＦパルスまたはパケットを、システムが要求する電力レベ
ルでアンテナに配信する。
増幅器は、例えば、カスケード状とした１組のＧａＡｓ ＭＭＩＣチップとす
ることができ、またはその他の半導体技術も可能である。これらの増幅器の帯域
およびインピーダンス整合は、例えば、並列ＭＥＳＦＥＴの分散ネットワークに
よって、またはその他の半導体による方法によって得ることができる。デバイス
の入出力寄生容量は、直列インダクタンスによって吸収される。直列インダクタ
ンスは、実際には、５０Ω伝送ラインの集中要素（素子）を形成する。
送信および受信双方に用いられるアンテナ自体は、例えば、非共振型、または
非分散性ＴＥＭホーン構造のいずれかとすることができる。多くの場合、プリン
ト回路方法およびその他の製作方法を用いて、回路ボード上にアンテナを作成す
ることができる。
３．獲得モジュールＡＭ。獲得モジュールは、例えば、連想ストリング・プロセ
ッサ・モジュール技術またはその他の手段を用いた設計を基本とすることができ
る。このモジュールについては、以下で詳細に説明する。
４．モデム／エンコーダおよびモデム／デコーダ(データ・ゲート回路)。データ
・ゲート回路は、送信機および受信機双方に共通である。これは、例えば超高精
度ＧａＡｓディジタル回路またはその他の半導体回路で構成することができる。
サブフレーム・カウンタは、クロック発振器によって駆動される自走カウンタで
ある。このカウンタの出力を、フレーム・カウンタに対応する参照（ルックアッ
プ）コードと比較する。
ディジタル・ゲート回路は、例えば、ＧａＡｓ上のＥＣＬコンパチブル・ソー
ス結合ロジック(ECL compatible source coupled logic)またはその他の半導体
技術を用いて得ることができる。ゲート長および幅は、寄生容量を低減し、５０
ピコ秒未満のロード・ゲート速度(loaded gate speed)を満足できるように選択
することができる。
受信機データ・ゲートカウンタは、送信を受信したときにリセットされる。高
速データ・ラッチをトリガし、コードによってトリガされたサブフレームの間に
、パルス検出器の出力を捕獲する。データ・ラッチの出力は、サブフレーム内の
パルスの位置に対応する誤り訂正を含む送信データを収容する。
送信機データ・ゲート・サブフレームおよびフレーム・カウンタは自走型であ
る。サブフレーム・カウンタおよびコードが一致したときはいつでも、パルス／
パケット発生器がトリガされ、高速パルスを送信させる。サブフレーム内のパル
ス／パケット位置は、獲得モジュールへの入力における、下位側ビットのデータ
および誤り訂正コードに対応する。
５．コードＥＰＲＯＭ(コード参照表１４，１４')。コード発生機能は、送信機
および受信機において、コード参照表１４，１４’内のＥＰＲＯＭによって行う
ことができる。１フレーム毎に１回、フレーム・カウンタＥＰＲＯＭによって１
パルス／パケットを発生する。コードは、当該パルス／パケットがどのサブフレ
ームに発生するのかを指定する。１種類より多いコード（要求に応じたデータ・
レート）を用いることによって、ＥＰＲＯＭは、１種類よりも多いコードを送信
機および受信機に供給する。あるいは、位相シフト・レジスタを用いてコードを
発生することができる。
６．パルス検出器(立ち上がり時トリガ１５)。背景干渉(background interferen
ce)は、立ち上がり時トリガ回路によって排除することができる。これは、単な
るハイ・パス・フィルタではない。立ち上がり時トリガ動作を行うために、ＲＦ
信号にエンベロープ検出器を通過させ、次いで、トリガ・スレショルド回路に到
達する前に、ハイ・パス・フィルタを介して送出する。ハイ・パス・フィルタは
、遅い変化を排除しつつ、エンベロープを微分し、過渡を通過させる。
７．受信機(図１ｂ)。受信機は、ホモダイン受信機（ヘテロダイン受信機ではな
く）である。受信機の前置増幅器（図示せず）は、最大４０ｄｂの利得、および
約５ｄｂの雑音指数を必要とし、ＡＧＣは不要である。受信アンテナＲＡの前置
増幅器は、パルス／パケット検出器１５に接続し、検出器１５は検出したパルス
／パケット毎に、ＥＣＬパルスを出力する。パルス／パケット検出器１５は、相
関器ＣＯ’を含む獲得モジュールＡＭに接続し、獲得モジュールＡＭはフレーム
・カウンタＦＣ’およびサブフレーム・カウンタＳＣ’にトリガを出力する。受
信機の残りの部分は、送信機と同様または相補的である。好適な実施形態では、
カウンタ値が現行の主コード値に一致したときに、高速カウンタＳＣ’がデータ
・ラッチＤＬをゲートする。高速カウンタＳＣ’は、各フレーム間隔（インター
バル）毎に一周する。この１周により、フレーム・カウンタＦＣ’が増分する。
フレーム・カウンタＦＣ’は、ＥＰＲＯＭ１４’においてコードの開始を調べる
ために用いられる。フレーム・カウンタＦＣ’は、各スーパーフレーム間隔毎に
一周する。データ・ラッチＤＬ’は、ＦＥＣデコーダＦＥＣ’およびオプション
の解読器ＤＥＣに接続し、１フレーム・レート（毎秒約１メガビット）で動作す
る。受信機の構造については、以下で更に説明する。
多数のコード（要求に応じたデータ・レート）を用いることにより、ＥＰＲＯ
Ｍ１４’または位相シフト・レジスタ、あるいはその他のコード発生手段は、１
つよりも多いコードを受信機および送信機双方に供給する。
コード：
ワイヤレス通信ネットワークは、ネットワータ構成またはデュプレクス構成の
いずれにおいても使用可能である。本発明のシステムでは、２レベルのコード化
を用いる。主コードは、パルス送信を適宜行い、多数のチャネルを可能にするた
めに用いられる。加えて、順方向誤り訂正（ＦＥＣ：forward error correction
）コードを、送信前に、情報データに適用することができる。誤り訂正コードに
は多数の選択肢がある(Cipra、１９９４を参照)。
直交コードの使用により、マッチド・フィルタの同一スーパーフレームにおい
て、共にスレーブに位置する多数のチャネルの共存が可能となる。かかるコード
の代表的なものは、直交合同(ＱＣ：Quadratic Congruence)コード、双曲線コー
ド(ＨＣ：Hyperbolic Codes)および光コード(Titlebaum & Sibul,1981;Titlebau
m et al,1991;Kostic et al,1991)である。コード化要件に関する説明は、これ
らのコードに基づいて行う。
ＱＣコード系列に配置演算子(placement operator)を発生する方法は、有限体
(finite field)Ｊp上に定義される一連の関数を与える。ここで、
Ｊp＝｛０，１，２,...，ｐ−１｝
であり、ｐはいずれかの奇数の素数である。関数は、
ｙ（ｋ；ａ，ｂ，ｃ）＝［ａｋ2＋ｂｋ＋ｃ］modp，ｋ∈Ｊp
で定義され、Ａは０以外のＪpのいずれかの要素、ｂ，ｃはＪpのいずれかの構成
要素（メンバ）である。パラメータａのことをファミリ・インデックスと呼ぶ。
ＨＣコードの差分関数は、２つの直交合同の比率である。この比率の分母多項
式(denominator polynomial)は、ゼロを全く有することができず、分子は二次式
(quadratic)で、有するゼロは多くとも２つである。したがって、ＨＣコードは
、いずれのサブフレームまたはフレームのシフトについても、せいぜい２つのヒ
ットを有するに過ぎない。シーケンスｕm（ｉ），ｉ＝０，１，２,...，ｎ−１
は、時間ホッピング・コードの構成要素であり、図２に示す方法にしたがって構
築することができる。例えば、マクロ・ウインドウの最初の間隔において受信
したパルスは「１」を意味し、２番目の間隔において受信したパルスは「０」を
意味する。サブフレーム（マイクロウインドウ）内のビット数は、データ・ゲー
ト回路の精度によって決定される。あるいは、サブフレームを用いてアナログ情
報をエンコードすることができる。
図５は、２つの直交コードの自己相関および相互相関を示す。自己相関は、卓
越した送信／受信能力を示す点で優れている。相互相関は、非常に平坦（フラッ
ト）で、卓越した相互チャネル干渉の排除を示す。
図６および図７は、２つのＨＣコード、ｐ＝１１，ａ＝１，１０×１０マトリ
クス(図６)、およびｐ＝１１，ａ＝１，５０×５０マトリクス（図７）を示し、
図８は、ＨＣＣコード、ｐ＝１１，ａ＝１，１０×１０マトリクスに対する自己
曖昧関数を示し、図９は、ＨＣコード、−＝１１，ａ＝１およびｐ＝１１，ａ＝
３、１０×１０マトリクスに対する相互曖昧関数を示す。
ＱＣコードは次のように定義される。
ｐ×ｐマトリクスについて、１≦ａ≦ｐ−１、および０≦ｘ≦ｐ−１である。
ＨＣコードは、次のように定義される。
ｙ0（ｘ）＝ｉ／ｘ ｍｏｄｐ
ここで、１／ｘは体ｊpにおける乗法的逆元(multiplicative inverse)であり
、ｐ−１×ｐ−１マトリクスに対して、１≦ａ≦ｐおよび１≦ｘ≦ｐである。
ＱＣコードおよびＨＣコードは、Titlebaumおよびアソシエートによれば(Albi
cki et al，1992;Bellegarda & Titlebaum，1988-1991;Drumheller & Titlebaum
，1991;Kostic et al，1991;Maric & Titlebaum，1992;Titlebaum，1981;Titleb
aum 7 Sibul．1981;Titlebaum et al，1991)、代表的な直交コードであり、高速
時間ホッピングＣＤＭＡおよびＴＤＭＡ通信システムである本発明に用いること
ができる。他の選択肢も文献において得ることができる。
本発明のシステムに用いられる主要なコードは、光ファイバ通信の光直交コー
ド化手順にも等しく適用可能である。直交コードの使用により、マッチド・フィ
ルタの同一スーパーフレームにおいて、互いにスレーブに位置する多数のチャネ
ルの共存が可能となる。説明を簡単にするために、次の用語を表１に定義する。
サブフレーム、フレーム、スーパーフレームおよびチャネル間の関係の一例を
、長さ１０２０のコードについて表２に、長さ５０８のコードについて表３に、
そして長さ２５０のコードについて表４に示す。 サブフレーム、フレームおよびスーパーフレームの関係を図３に示す。
受信機：
従来の周波数領域ヘテロダイン受信機では、ミキサは、格段に好適なフロント
・
エンド構成物である。一般に、ミキサは、非線形デバイスにおいて、低電力信号
を電力がそれよりも高いローカル・オシレータ（ＬＯ）信号と組み合わせること
によって、この低電力信号を一方の周波数から別の周波数に変換するために用い
られる。通常、ＲＦ信号とＬＯ信号との間の周波数差は、後続のＩＦ増幅におい
て、中間周波数（ＩＦ）の所望の出力周波数となる。ローカル・オシレータと混
合することにより、中間周波数にダウンコンバートし、ＩＦ部において、狭帯域
濾波が最も容易にかつ都合良く行われることになる。後続の増幅および検出は、
この中間周波数信号を基本とする。
混合コードにおける検出器の動作の結果、変換損失が大幅に減少し、これがス
ーパーヘテロダイン受信機の優れた感度の理由となる。混合動作は、以下の非線
形伝達関数に基づく。
Ｉ＝ｆ（Ｖ）＝ａ0＋ａ1Ｖ＋ａ2Ｖ2＋ａ3Ｖ3,...ａnＶn
ここで、ＩおよびＶは受信機の電流および電圧である。ＶRFｓｉｎωRFｔをＲＦ
信号、ＶLOｓｉｎωLOｔをＬＯ信号とすると、混合によって得られる信号は、次
のように表される。
Ｉ＝ａ0＋ａ1（ＶRFｓｉｎωRFｔ＋ＶLOｓｉｎωLOｔ）＋ａ2（ＶRFｓｉｎωR F
ｔ＋ＶLOｓｉｎωLOｔ）2＋ａ3（ＶRFｓｉｎωRFｔ＋ＶLOｓｉｎωLOｔ）3,...
ａn（ＶRFｓｉｎωRFｔ＋ＶLOｓｉｎωLOｔ）n
主要な混合生成物(mixing product)は、二次項から来る。しかしながら、多く
のその他の混合生成物は、ＩＦ通過帯内に存在する場合がある。混合は、新たな
信号を生成するだけでなく、その表像、即ち、ωLO±ωRFも生成する。しかしな
がら、超高速時間領域信号の場合、濾波が信号の振幅、したがってその範囲を厳
しく制限することができる。
例えば、狭帯域周波数領域信号の二次項は、
ａ2（ＶRFｓｉｎωRFｔ＋ＶLOｓｉｎωLOｔ）2
であるが、広帯域時間領域超高速信号では、
ａ2（ＶRF1ｓｉｎωRF1ｔ＋ＶRF2ｓｉｎωRF2ｔ＋ＶRF3ｓｉｎωRF3ｔ＋ＶRFi
ｓｉｎωRFiｔ＋......ＶLOｓｉｎωLOｔ）2
したがって、出力は、となる。これは、ＩＦ入力として使用するには、有する相互変調生成成分が余り
に多すぎる。
したがって、パケットに対する周波数選択性が望ましいのでないならば、超高
速超広帯域個別信号の広帯域性のために、即ち、生成される混合生成物の数のた
め、同期（スーパー）ヘテロダイン受信機は本発明の受信機における選択肢とす
べきではない。本発明の受信機としては、ホモダイン受信機が望ましい。
ホモダイン受信機の場合、定義に関する問題が生ずる。我々の定義は、レーダ
・エンジニアリングからではなく、光物理学(Born & Wolf,1970;Cummins & Pike
,1974)から採用した。本質的に、ヘテロダイン方法は受信信号と混合するために
ローカル・オシレータを必要とし、「セルフ・ビート(self-beat)」即ち自己相
関方法である。ホモダイン方法は、本来コヒーレント方法である(Born & Wolf,1
70,256ページ参照）。ヘテロダイン方法は、例えば、混合動作の後に、自己相関
方法と共に用いることができる。ヘテロダイン方法は、「コヒーレント」なロー
カル・オシレータでさえも用いることができるが、狭帯域信号の場合のみである
。これら２つの方法間の特徴を区別すると、ホモダイン方法は、（ａ）受信信号
の帯域幅に制約がなく、（ｂ）信号帯域幅成分の絶対タイミングに制約がある、
コヒーレントな（相関のある）信号獲得方法であることがあげられる。逆に、ヘ
テロダイン方法は、（ａ）受信信号のタイミングには制約がなく、（ｂ）信号周
波数成分の帯域幅に制約がある信号獲得方法である。
ヘテロダインおよびホモダイン方法の様々な定義には一貫性がない。例えば、
ＩＥＥＥ標準電子用語辞典(Jay，1988)は、「ホモダイン受信」を「ゼロ・ビー
ト受信、または局部的に発生したキャリア周波数の電圧の補助による受信システ
ム」として定義している。また、マクグローヒル科学技術辞典(Parker,1989)は
、「ホモダイン受信」を、「無線電話の抑圧キャリア方式の無線受信システムで
あり、受信機は、元のキャリア周波数を有する電圧を発生し、それを入来する信
号と結合させる。ゼロ・ビート受信としても知られている」と定義している。
本質的に、これらの定義(Jay，1988;Parker，1989)は、混合段が１つより多い
受信機におけるホモダイン処理の一般化した使用について言及するものである。
「同期」検出は、「ホモダイン処理」と呼ばれる方法で行われ、外部的方法また
は内部的（即ち、位相ループ）方法のいずれかで検出された周波数と同じ周波数
の信号との混合を伴う。したがって、最近、「ホモダイン」という用語は、狭帯
域信号を検出し、抑圧されたキャリア信号を変調信号に復元する方法を意味する
ようになった。
明らかに、ヘテロダイン方法およびホモダイン方法の定義に関しては、曖昧に
されてきた。しかしながら、元の光物理学の定義は、ヘテロダイン処理をローカ
ル・オシレータ（局部発振器）を用いる信号獲得方法として特定して、ホモダイ
ン処理を自己相関のようなコヒーレントな方法を用いる信号獲得方法として同等
視している。超高速、超短パルス／パケット信号獲得は、ホモダイン方法を必要
とする。何故なら、これはコヒーレントな方法であり、タイミング情報を保存す
るからである。現在の用語は、それらが由来した光物理学において比較的明確に
存続し続けているので、新たな用語を創造することは正しくないであろう。した
がって、我々は、これらの用語を光物理学の意味で用いることにするが、誤った
関連付けを招く虞れも注意深く認識する。
ホモダイン受信とヘテロダイン受信との相違は重要であり、本発明が従来の即
ちヘテロダイン受信機に対して非干渉であると主張する拠り所となるものである
。図１０ａおよび図１０ｂは、時間―周波数空間における超高速超短パルス・ホ
モダイン受信および狭帯域同期信号ヘテロダイン受信双方を示す。図１０ａは、
１ナノ秒の超短パルス、および狭帯域正弦波（シヌサイド）の同期（即ち、ヘテ
ロダイン）受信機の時間と周波数との関係を表す。周波数軸からのみ見ると、超
短パルスの（誇張した）スパイクは、狭帯域ヘテロダイン受信機の立ち上がりリ
ッジと重複するように見える。即ち、ヘテロダイン受信機は、超高速超短信号の
いずれかを受信するように見える。しかしながら、時間―周波数平面全体のグラ
フを見ると、狭帯域同期ヘテロダイン受信機のリッジ（隆起部）を示す部分は、
超高速信号を示す部分には達していないことがわかる。同期ヘテロダイン受信機
は、応答するためにある程度の時間を要し、ある信号を受信するには、当該信号
のサ
イクルを多数必要とする。
本発明のホモダイン受信と従来のヘテロダイン受信との相違を図１１に示す。
これは、図１０ａを切断し、時間側から見たものである。超高速超短パルス信号
は、全てのアタック（立ち上がり）時点において、超短信号の平均周波数がヘテ
ロダイン受信機の中心周波数に位置する場合でも、その振幅が従来のヘテロダイ
ン受信機については減少していることが示されている。一方、ホモダイン受信で
は、信号の振幅およびタイミングが維持されている。ホモダイン受信が好適であ
るが、ヘテロダイン受信も使用可能である。
獲得システム：
本発明の獲得システム／マッチド・フィルタは、スーパーフレームの時間期間
（１０２０長コードで１ｍｓｅｃ）において、多数のコード（チャネル）を認識
する。図１２は、非同期のラップアラウンド(wraparound)で、４つのチャネルＳ1
〜Ｓ4からＦ個のワイヤレス信号を受信し、受信系のデコード用モデムＳ1〜Ｓ4
をトリガする獲得システムＨを示す。
図１３は、例えば、長さ１０のプリアンブル・フレームが、例えば、長さ１０
２０のコードを用いた各送信Ｓ1〜Ｓ4のスーパーフレームに先行する実施形態を
示す。このプリアンブルは、チャネルＳ1〜Ｓnがその送信において同期されない
場合、二重ラップアラウンドで受信しなければならない。この実施形態では、プ
リアンブルは、同期されていない場合でも、全てのチャネルに対して同じコード
であり、獲得システムに対する同期警報(synchronization alert)として動作す
る。獲得システムは、チャネル・コードを認識し、デコード用モデムを割り当て
る。図１２の実施形態とは異なり、図１３の実施形態では、獲得システムはラッ
プアラウンド・モードでは機能せず、スーパーフレームの送信開始時に、二重ラ
ップアラウンドのプリアンブルによる警報を受ける。
ネットワーク：
本発明のネットワークの用途は様々であり、高データ・レート・デュプレクス
・システムから、建物間システム、かかる建物間の光ファイバ・ネットワークの
リ
ンク、建物内部の通信、ＬＡＮおよびＷＡＮ、セルラ電話機、グローバル・グリ
ッド通信(Global Grid communications)の「ラストマイル(last mile)」、ならび
に「スマート・ハイウエイ(smart highway)」の用途(Varaiya，1993)（例えば、
インテリジェント・フロントガラス等）等までの範囲に及ぶ。
適用領域：
ワイヤレスＷＡＮおよびＬＡＮ、
パーソナル通信ネットワーク、
セルラ電話機、
建物自動／防犯システム、
音声通信、
ブリッジおよびルータ・ネットワーキング、
計器モニタリング、
工場自動化、
バー・コードの遠隔検知、
車両位置検出、
汚染監視、
拡張範囲コードレス電話、
テレビ会議、
交通信号制御、
医療用監視および記録検索用途、
遠隔検知、
工場データ収集、
自動販売機監視、
「ラストマイル」グローバル・グリッド通信。
本発明は、次の特徴を含む。
ａ）超高速、超短パルス／パケット送信装置および方法。
ｂ）かかる超高速超短パルス／パケットのシーケンスを送信する装置および方
法。
ｃ）マクロ・コード化方式にしたがってかかるシーケンスのパルス／パケット
間隔（インターバル）変調を行う装置および方法。
ｄ）コードによって設定されるマクロウインドウのマイクロウインドウ内で、
かかるシーケンスのパルス／パケット・インターバル変調を行い、当該マイクロ
ウインドウ内における情報の暗号化を可能とする方法。
ｅ）例えば、連想メモリのようにマトリクス形態で格納されるコードであって
、受信信号のスーパーフレームを格納されているコードと一致させる。
ｆ）ワードは直交コードであり、超高速超短パルス／パケットのシーケンスの
時間（temporal）コード化によって送信用キャリアを構成する。
ｇ）同期ヘテロダインではない、ホモダイン受信機。
ｈ）スーパーフレームの送信と同期し、コード認識に基づいて適切なコード用
モデムにかかる送信を割り当てる、獲得システム／マッチド・フィルタ／相関器
。
ｉ）全体的または総合的に高いデータ・レート（例えば、最大マルチチャネル
動作に対して〜５００ｍｂｓ）を備えるマルチチャネル動作。
"Comparison of Communications...and disclosure statement"（通信の比較.
..および先行技術説明書）と題する添付の論文、および"Reference"（参考文献
）と題する章にここで言及することにより、本願にも含まれるものとする。
要約すると、時間周波数領域（ドメイン）における超短パルス／パケット時間
ホッピング符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）および時分割多元接続（ＴＤＭＡ）Ｒ
Ｆ通信システムは、
ａ）ピコ秒ないしナノ秒からマイクロ秒範囲の短期間パルス／パケットを発生
する短期間パルス／パケット発生器およびこの発生器を制御するコントローラと
、
ｂ）コントローラに接続され、超高速時間ホッピング符号分割または時分割多
元接続フォーマットの直交スーパーフレームにおけるパルス／パケットのフレー
ムにおいて、各短パルス／パケットの時間位置を変化させるコード化手段と、
ｃ）かかるタイミングを制御する精密発振器クロックと、
ｄ）情報(intelligence)をパルス／パケット位置変調形態に変換するエンコー
ド用モデムと、
ｅ）前記発生手段に接続され、前記短期間パルス／パケットをコード化同報通
信信号として受信し同報通信するアンテナ／増幅器システムと、
を含む送信機と、
受信手段であって、
ａ）同報通信信号を受信するアンテナ／増幅器システムと、
ｂ）コード化同報通信信号を受信しデコードするホモダイン受信機と、
ｃ）ホモダイン受信機に接続された１つ以上の利用デバイスと、
を含む前記受信手段と、
を備えている。コード化手段は、超高速、超短パルス／パケットのシーケンスを
発生し、間隔変調器は、マクロウインドウ・エンコード・フォーマットにしたが
って、シーケンスの間隔を変調する。割り当てられたコードによってセットされ
るマクロウインドウ・エンコード・フォーマットは、マクロウインドウを含み、
パルス／パケット間隔変調器は、コードによってセットされた各マクロウインド
ウのマイクロインドウ内の個々のパルス／パケットの位置を変調し、マイクロウ
インドウの各々における情報の暗号化を可能にする。コード化手段は、例えば、
連想メモリのように、マトリクス形態で格納されたコードを含み、受信信号のス
ーパーフレームは、他の割り当て符号と直交し、格納されているコードと一致す
る、割り当てコード全てを表す。好ましくは、コードは、直交コードであり、超
高速超広帯域パルス・シーケンスの時間コード化が、アンテナ・システムによる
送信のためのキャリアを構成する。
ホモダイン受信機は、１群のデコーダ／モデム、およびスーパーフレームの送
信に同期させ、スーパーフレーム内でコード化シーケンスを識別し、コード認識
に基づいて選択したデコーダ／モデムに送信を割り当てる、獲得システム／マッ
チド・フィルタを含む。本システムは、マルチチャネル動作に適合化されており
、最大マルチチャネル（集合体チャネル）動作に、全体として５００ｍｂｓ範囲
の高データ・レートを備える。
本発明
本発明の光モードを、図１４ないし図１７に、全体として、物理的な表現で示
す。
図１４は、同報通信ネットワータ・モードを示し、この場合、ＲＦ、ＩＲ、光
または電気ラインのいずれかのデータ源（Ａ）に、光直交マクロコードを与え、
マクロコード・パケット・シーケンス内でマイクロコード（波形パケット）にエ
ンコードされたデータを、非同期に光ファイバに沿って、ハブ・システム（Ｃ）
に送信する。ハブ・システム（Ｃ）は、各直交マクロコード／チャネルを識別し
、波形パケットの各マクロコードまたはシーケンスにデコーダ（Ｂ）を割り当て
る。次に、ＲＦ、ＩＲ、光または電気的形態で、デコーダにおいてデータを復元
する。また、同報通信ネットワーク・モードは、ハブ・システムを必要とせず、
データ・ソース（Ａ）が仲介システムなしにデータ復元点（Ｂ）と相互作用を行
う実施形態を有することもできる。この実施形態では、データ・ストリームを連
続的にデータ復元ユニットによってサンプリングし、波形パケットを識別し、続
いてマクロコード「波形パケット」ストリームまたは列におけるそれらの占有に
よってデコードする。
図１５は、二点間モードを示し、この場合、ＲＦ、光または電気的ラインのい
ずれかのデータ・ソース（Ａ）に、互いにスレーブに位置する光直交マクロコー
ドを与え、マクロコード内でマイクロコード（波形パケット）にエンコードされ
たデータを、同期的に光ファイバに沿って、各マクロコード／チャネルあるいは
パケットのシーケンスまたは列毎に、データ復元デコーダ（Ｂ）に送信する。次
に、デコーダにおいて、ＲＦ、光または電気的形態でデータを復元する。
図１６は、ユーザの／チャネルのマクロコード内に埋め込まれたマイクロコー
ドにおけるデータ・エンコードを示す。マクロコードは、ユーザ（１つのコード
のみをユーザに割り当てる場合）またはマルチチャネル・システム内の１つのチ
ャネルを定義する。マクロコードは、直交光コードであり、第１マッチド・フィ
ルタによって識別する。マイクロコードは、誤り訂正コードとすることができ、
第１マッチド・フィルタの後に第２マッチド・フィルタによって識別する。
図１７は、同報通信モードおよび二点間モード双方におけるデータ復元を示す
。
Ａ．ハブ・システムまたは個々のデータ復元ユニットのいずれかによる、マクロ
コードまたは波形パケット・シーケンスの識別。この実施形態では、ハブ・シス
テムおよび個々のデータ復元ユニットは、音響光変調器（ＡＯＭ：acousto-opti
cal modulator）によって表されている。コード・マトリクス内の各黒ドット（
原特許参照）は、マイクロコードを搬送する波形パケットを表す。個々のデータ
復元ユニットは、個々に割り当てられた直交マクロコードに適切な時点に到達し
た波形パケットのみに対処する。
Ｂ．マイクロコード・レベルで、データをエンコードする。黒いドットで示され
るマクロコード内の位置に対応する１０１１「ワード」即ち波形パケットを、代
表として示す。マイクロコード・ワードは、シーケンシャル形態またはパラレル
のいずれかで処理即ちデコードすることができる。
図１８。本発明において対象となる光学的方法は、原特許において対象となる
方法とインターフェースすることができる。この図では、データは、光、ＩＲ、
電気ワイヤまたはＲＦの形態で送信スイッチに到達し、受信スイッチにおいて、
光、ＩＲ、電気ワイヤおよびＲＦ形態でデコードすることができ、出願人の特許
第５,６１０,９０７号において対処したようにＲＦ形態の仲介リンクを用いる。
全体としての物理的表現では、本発明は、図１４ないし図１７に示したシステ
ムとなる。種々の構成部分については、システムの章で説明し、コード化方式の
具体的な詳細については、コードの章で説明する。特許第５，６１０，９０７号
におけると同様、コードはキャリアである。
システム：
超高速光時間ホッピングＣＤＭＡおよびＴＤＭＡシステムには、多くの可能な
実施形態があり、その全ては、レーザ光源および光ファイバ・ネットワークを用
いる(Gagliardi & Karp,1995;Spirit & O'Mahony,1995参照)。以下に、マルチチ
ャネルまたは集合体（高データ・レート）の使用を可能にする本発明の実施形態
を示す。
１．光波形パケット・ストリームは、種々の方法、例えば、音響光変調器、ある
いは実際のまたはエミュレートしたホログラムまたはクロック・デバイスによっ
て、マイクロコード形態または光直交コード形態にエンコードすることができる
(Weiner et al,1992;Ford et al,1994;Hillegas,1994;Sun et al,1995参照)。
２．データは、種々の方法によって、例えば、ホログラフ的に、あるいはクロッ
ク、音響光学的方法、または空間光変調のようなその他の光学的方法によって、
マクロコード形態の個別波形パケットにエンコードすることができる(図１６は
一実施形態を示す)。
３．マクロコードは、ハブ・システムにおいて、識別および個々のデータ復元ユ
ニットへの割り当てのため、または直接個々のデータ復元ユニットへの割り当て
のために受信することができる。次いで、サンプリングし、特定のユニットに対
して一意のマクロコードを識別する。この機能は、多数の方法、例えば、実際の
またはエミュレートした、音響光変調器、ホログラム、またはクロッタ・デバイ
スによって実行することができる。（図１４は一実施形態を示す。）
４．マクロコードは、二点間動作では、超高データ・レート送信に対して互いに
スレーブとなることができる。（図１５は、一実施形態を示す。）
５．データは、種々の方法によって、個々の波形パケット・マイクロコードから
、シーケンシャル・ビット・ストリームまたはパラレル形態のいずれかにデコー
ドすることができる。種々の方法には、例えば、ホログラフ的なもの、またはク
ロックによるもの、あるいは音響光学的方法または空間光変調のようなその他の
光学的方法がある。（図１７は、一実施形態を示す。）
６．システムは、全光ネットワーク、全ＲＦネットワーク、ＩＲ−ＲＦネットワ
ーク、全ＩＲネットワーク、光−ＲＦネットワーク、ワイヤ−光ネットワークま
たはワイヤ−ＲＦネットワーク等において使用可能である。（図１８は一実施形
態を示す。）
コード：
マクロコードを定義する光直交コードは、原発明のＲＦ直交コードと同様であ
るが、ＲＦ信号が２つの極性、＋１および−１ならびにゼロ（０）の値を有する
のに対して、光直交コードは、＋１と０または−１と０という２つの値しか取れ
ない点を除く。したがって、光直交コードの統計的表現は、ＲＦ直交コードに関
係するが、ある観点では相違する(Nguyen et al,1992;Chung & Kumar,1990;Chun
g et al,1989参照)。
応用分野は以下のものを含む。
超高データ・レート全光ファイバ通信リンク、
ＲＦおよび電気ワイヤ通信リンクとインターフェースする、超高データ・レー
ト光ファイバ通信リンク。
本発明は以下のものを含む。
（ａ）超高データ・レート光ファイバ通信方法。
（ｂ）かかる超短波形パケット・シーケンスまたは列をマクロコードで送信す
る方法。
（ｃ）波形パケット・シーケンスまたは列内で、データをマイクロコードとし
てエンコードする方法。
（ｄ）光直交コードであるコード、および送信チャネル用キャリアを構成する
超短パルスまたは波形パケットのシーケンスまたは列の時間コード化。
（ｅ）マクロコード認識方式およびマイクロコード・データ復元ユニット。
（ｆ）全体として高いデータ・レート（例えば、最大マルチチャネル動作また
は集合体動作に対して〜５００ギガビット／秒ないし〜テラビット／秒）を備え
るマルチチャネル動作。 以上本発明の好適な実施形態について図示し説明したが、本発明の他の実施形
態、改造および変更も、当業者には容易に明らかとなり、添付する請求の範囲に
含まれるものとすることは認められよう。