JP2005295378A - 超音波デジタル通信装置 - Google Patents

Abstract

【目的】この発明は、超音波を利用した通信システムであり、広帯域の超音波発波器と受波器を用いてスペクトル拡散された超音波を送受信するためのものである。

【構成】数値制御発振器１５は基準発振器１６に同期して超音波信号の搬送波周波数を生成し変調器１４に搬送波信号を供給する。スペクトル拡散符号生成器１８はＭ系列あるいはゴールド符号あるいは嵩符号あるいは任意の符号系列の拡散符号を基準発振器１６に同期して生成しており、データ入力端子１９から入力されるデジタルデータも基準発振器１６に同期して取り込まれている。

【選択図】 図１

Description

この発明は、超音波を利用した通信システムであり、広帯域の超音波発波器と受波器を用いてスペクトル拡散された超音波を送受信するためのものである。

従来の水中での通信装置については、特許文献１のように複数の受信チャンネルを設けるもの、特許文献２のように複数のデータ伝送装置が隣接して設置されても誤動作をしないようにするもの、特許文献３のように複数のチャンネルを設け安定した復調ができる水中通信復調器に関するもの、特許文献４のように主として操作表示に関するもの、特許文献５のように主として通信手順に関するもの、特許文献６ではアダプテイブフイルタを用いて音響干渉信号を除去するもの、特許文献７のようにパルス幅変調を行う水中通信機に関するもの、特許文献８のように２種以上の周波数をキャリアとして１ビットを送信する方法等がある。

特許文献１では複数の受信チャンネルを設け受信した音響信号の変調波を周波数分析手段により時間領域の信号から周波数領域の信号に変換しデジタル信号を復調している。特許文献２では複数のデータ伝送装置が隣接して設置されても誤動作をしないようにデータ伝送を遅延同期検波方式の４−ＤＰＳＫ変復調で行う。特許文献３では複数のチャンネルを設け安定した復調ができるよう各受波器に対応してフイードフオアードイコライザの出力に複数の位相誤差補償を施した後に合成して復調を行っている。特許文献４では主として操作表示に関するものである。特許文献５ではＨＤＬＣハンドシェークによって回線を確立しフレーム要求とフレーム伝送によってデータ伝送が行われる。
特許文献６では送信信号に音響干渉信号が重畳されて受信される場合にアダプテイブフイルタを用いて音響干渉信号を除去するものである。特許文献７では送信側においてパルス幅変調を行い低域通過フイルタを通して送信する。特許文献８ではセンサー部で得た情報をデジタルデータ信号に変換し２種以上の周波数をキャリアとして１ビットを送信する。
特開２００４−０１５７６２号公報 特開２００１−２０３６４５号公報 特開２００１−１３６１１４号公報 特開２０００−２７８２２３号公報 特開平１１−１４５９１６号公報 特開平１１−１２２６９０号公報 特開平１０−２８５１２３号公報 特開平０９−０５５７０７号公報

従来の方法では超音波信号を用いてデジタル信号を伝送する場合に狭い周波数帯域を利用して伝送するものであり、また複数チャンネルを用いて広帯域化する場合でもビット割当てのパターンが定型化されており、ランダムなスペクトル拡散符号による広帯域通信よって干渉あるいは妨害を除去する等の提案がなされていない。

この発明に係わる超音波デジタル通信装置は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、超広帯域の超音波送波器と受波器を用い直接拡散法あるいは周波数ホッピング法あるいは時間ホッピング法によるスペクトル拡散技術を活用し高周波論理回路を用いてデジタル処理を行うことで受信感度を改善し他からの干渉と妨害を排除する。

この発明の超音波デジタル通信装置において、超広帯域の超音波送波器と受波器を用いることでスペクトル拡散された超音波信号が送受信可能となり、Ｓ／Ｎの改善により伝送誤り率が飛躍的に改善され、他からの干渉あるいは妨害を排除できる。

この発明に係わる超音波デジタル通信装置は、超広帯域の超音波送波器と受波器を用い、送信側でスペクトル拡散符号により拡散を行い、受信側でデジタル信号に変換した後高周波論理回路を用いて逆拡散を行いもとのデジタル信号に復調する。回路が単純化されておりマイクロコンピュータあるいはデジタルシグナルプロセッサーなどを用いないため小型で安価な通信装置が提供できる。

以下、本発明の発信手段の実施例を図１に従って説明する。図１において、１１は広帯域送波器、１２は電力増幅器、１３は低域通過フイルタ、１４は変調器、１５は数値制御発振器、１６は基準発振器、１７は乗算器（この場合はイックスクルージブオア）、１８はスペクトル拡散符号生成器、１９はデジタルデータ入力端子、２０はマイクロホン、２１は音声コーデック、２２は切替器である。
数値制御発振器１５は基準発振器１６に同期して超音波信号の搬送波周波数を生成し変調器１４に搬送波信号を供給する。スペクトル拡散符号生成器１８はＭ系列あるいはゴールド符号あるいは嵩符号あるいは任意の符号系列の拡散符号を数値制御発振器１５あるいは基準発振器１６に同期して生成しており、データ入力端子１９から入力されるデジタルデータも数値制御発振器１５あるいは基準発振器１６に同期して取り込まれている。
一方、マイクロホン２０により受信した音声信号等のアナログ信号は音声コーデック２１により数値制御発振器１５あるいは基準発振器１６に同期してデジタル信号に変換される。切替器２２によりいずれかが選択され、スペクトル拡散符号生成器１８から出力される拡散符号と積算され変調器１４に入力され搬送波信号が変調されると共にスペクトルが拡散される。拡散された搬送波信号は低域通過フイルタ１３で高域が取り除かれ、電力増幅器１２で増幅されて広帯域送波器１１から空中あるいは水中あるいは固体中に送波される。
ここで、マイクロホン２０から入力される音声信号は音声コーデック２１によりデジタル信号に変換されてから拡散されるようになっているが、アナログ信号のままで変調器１４に入力しその後にスペクトル拡散を行っても同様な効果が得られる。
また、搬送波信号の生成に数値制御発振器１５を用いたが、通常のＣＲ発振器あるいはＬＣ発振器あるいはセラミック発振器あるいは水晶発振器あるいはＤＰＬＬ等の任意の信号源を用いても同様な効果が得られる。
また、スペクトル拡散符号とデジタルデータとの関係として、スペクトル拡散符号１周期分の整数倍あるいは整数分の１に対してデジタルデータ１ビットを割当てることで受信手段の処理を簡略化できる。
また、変調方式としては、直接拡散のための直交変調器のみでなく、周波数ホッピング、時間ホッピング、あるいはマルチキャリア拡散符号等任意の拡散方式に適合する変調器を用いても同様な効果が得られる。
また、搬送波信号の周波数とスペクトル拡散符号の伝送速度を同じにすることで、搬送波信号１サイクル当たりスペクトル拡散符号１ビットを対応させることができる。
また、当該送波器１１が帯域特性を有する時には低域通過フイルタ１３を省略することができる。

図２は本発明の受信手段の実施例であり、３１は高帯域の受波器、３２はＡＧＣ機能を有する低雑音増幅器、３３はアナログデジタル変換器、３４はシフトレジスタ、３５は固定相関器、３６はΣＳｉｎ積和演算器、３７はΣＣｏｓ積和演算器、３８は振幅スペクトル検出器、３９は位相スペクトル検出器、４０は信号復調器、４１は基準発振器、４２はＡＧＣ制御ライン、４３は切替器、４４はデジタルデータ出力端子、４５は音声コーデック、４６は増幅器、４７はスピーカーである。
広帯域の受波器３１により受信された超音波信号はＡＧＣ機能を有する低雑音増幅器３３により増幅され、アナログデジタル変換器３３により基準発振器４１に同期してデジタル信号に変換されシフトレジスタ３４に入力される。当該アナログデジタル変換器３３のサンプリング周期は搬送波信号の1サイクルの間に４周期のサンプリングを行うように設定する。
固定相関器３５には発信手段のスペクトル拡散符号１周期分の符号系列が設定されており、シフトレジスタ３４とリアルタイムで相関をとるので当該相関器はマッチドフイルタの役割を持つことになる。
相関器３５の出力はＳｉｎのルックアップテーブルと積和演算されΣＳｉｎ積和演算器３６から出力され、Ｃｏｓのルックアップテーブルと積和演算されΣＣｏｓ積和演算器３７より出力される。
ΣＳｉｎ積和演算器３６からの出力とΣＣｏｓ積和演算器３７からの出力は振幅スペクトル検出器３８で２乗されて加算され更に平方根されて出力電力が検出され、ΣＳｉｎ積和演算器３６からの出力とΣＣｏｓ積和演算器３７からの出力が位相スペクトル検出器３９で比較されて搬送波信号の位相が検出され、信号復調器４０で元のデジタルデータあるいは音声のデジタル信号が復調される。
復調されたデジタルデータはデジタルデータ出力端子４４から外部に出力され、復調された音声のデジタル信号はコーデック４５によりアナログ信号に戻され、増幅器４６により増幅されてスピーカ４７から音声として出力される。
振幅スペクトル検出器３８の入力が飽和しないように低雑音増幅器３２のＡＧＣを制御ライン４２を経由して制御することができる。
ここで、請求項の記述を簡略化するために、シフトレジスタ３４と固定相関器３５をあわせて相関器と称し、ΣＳｉｎ積和演算器３６、ΣＣｏｓ積和演算器３７、振幅スペクトル検出器３８、位相スペクトル検出器３９、および信号復調器４０を復調手段と称することとする。
また、当該振幅スペクトル検出器３８の入力が飽和しないように低雑音増幅器３２のＡＧＣを制御ライン４２を経由して制御することができる。
また、積和演算に用いるＳｉｎのルックアップテーブルが０、１、０、−１、あるいは１、１、−１、−１、あるいはこれらの整数倍あるいは整数分の１の繰り返しでありあるいはＣｏｓのルックアップテーブルが１、０、−１、０あるいは１、−１、−１、１、あるいはこれらの整数倍あるいは整数分の１の繰り返しでありあるいは積和演算を行う際の−１の乗算は当該デジタル信号の補数を求めあるいはこれらを組合わせることでリアルタイムの演算が可能となる。
また、当該振幅スペクトルの出力が閾値を越えた時に「１」と判定しあるいは当該振幅スペクトルの出力が閾値を越えた時の当該位相スペクトルの出力から同期検波を行って判定しあるいは前のビットからの出力の変化から遅延検波を行って「１」あるいは「０」を判定し当該任意の変調信号を復調することができる。

以上の説明では、高周波論理回路を用いる場合について述べたが、マイクロプロセッサーあるいはデジタルシグナルプロセッサーを用いて演算処理を行っても現状では電力消費が増えるが将来高速でしかも低電力で動作するものができれば同様な効果が得られる。
また、当該位相スペクトル検出器３９に基づいて受信機あるいは復調手段の局発周波数を制御しあるいは同期あるいは同調の制御を行いあるいはこれらの組合わせを行う。
また、当該受信手段の数値制御発振器あるいは相関器あるいは復調手段が高周波論理回路で構成され、基本となるＡＮＤ、ＯＲ、ＮＡＮＤ、ＮＯＲ、ＩＮＶ、ＸＯＲの他に、ラッチ、選択回路、レジスタ、シフトレジスタ、エンコーダ、デコーダ、パリテイ回路、カウンタ、加算回路、減算回路、乗算回路、除算回路、逓倍回路、コンバータ回路、相関器、分配回路、変復調回路、同期回路、あるいは比較回路の任意の組合わせから構成される。
また、当該デジタル信号とＳｉｎおよびＣｏｓのルックアップテーブルとの積和演算あるいは高速フーリエ変換を行いあるいは当該デジタル信号に対して必要なリアルタイム処理を行うことができる。

本発明により、今までスペクトル拡散方式の適用が行われていなかった空中あるいは水中での超音波を用いたデジタル通信が急速に進展するものと考える。

本発明の発信手段の実施例を示す構成図である。 本発明の受信手段の実施例を示す構成図である。

符号の説明

１１ 広帯域送波器
１２ 電力増幅器
１３ 低域通過フイルタ
１４ 変調器
１５ 数値制御発振器
１６ 基準発振器
１７ 積算器
１８ スペクトル拡散符号生成器
１９ デジタルデータ入力端子
２０ マイクロホン
２１ 音声コーデック
２２ 切替器
３１ 広帯域受波器
３２ ＡＧＣ機能つき低雑音増幅器
３３ アナログデジタル変換器
３４ シフトレジスタ
３５ スペクトル拡散符号１周期分の固定相関器
３６ ΣＳｉｎ積和演算器
３７ ΣＣｏｓ積和演算器
３８ 振幅スペクトル検出器
３９ 位相スペクトル検出器
４０ 障害物あるいは反射物からの垂直線
４１ 発信手段および受信手段からの垂直線
４２ 第１の変調信号
４３ 第２の変調信号
４４ 高周波信号の搬送波
４５ 発信手段が生成するスペルとる拡散符号
４６ シフトレジスタ
４７ １周期分の固定相関器

Claims (11)

1. 超音波を利用した通信システムにおいて、
   無変調あるいは任意の変調信号により変調された超音波信号をスペクトル拡散符号により拡散した後に広帯域特性を有する送波器から発信するための発信手段と、当該発信手段から発信された超音波信号を広帯域特性を有する受波器により受信するための受信手段から構成され、
   当該発信手段が基準発振器と同期して生成される超音波信号を当該変調信号によって変調した後にスペクトル拡散符号により拡散しあるいはスペクトル拡散符号により拡散した後に当該変調信号により変調しあるいは当該変調信号とスペクトル拡散符号との積をとり当該積により変調するための変調器と当該変調器の出力を増幅して当該送波器から空間あるいは水中あるいは固体中に放射するための送信機から構成され、
   当該受信手段が当該受波器により受信した超音波信号を増幅しあるいは少なくとも中間周波信号あるいはベースバンド信号に変換するための必要な数の受信機と当該受信機の出力を基準発振器に同期してデジタル信号に変換した後当該受信手段において固定して準備しあるいは繰返して生成されるスペクトル拡散符号との相関をとりあるいは当該スペクトル拡散符号との相関をとった後にデジタル信号に変換するために必要な数の相関器と当該相関器の出力から当該任意の変調信号を復調するために必要な数の復調手段から構成され、
   当該復調手段において当該相関器からの出力信号から振幅スペクトルあるいは位相スペクトルあるいはこれらの両方を検出して必要な処理を行い当該任意の変調信号を復調することを特徴とする超音波デジタル通信装置
   
2. 超音波を利用した通信システムにおいて、
   無変調あるいは任意の変調信号により変調されたスペクトル拡散符号を広帯域特性を有する送波器から発信するための発信手段と、当該発信手段から発信されたスペクトル拡散符号を広帯域特性を有する受波器により受信するための受信手段から構成され、
   当該発信手段が当該変調信号によって変調されたスペクトル拡散符号を直接増幅して当該送波器から超音波信号として空間あるいは水中あるいは固体中に放射するための送信機から構成され、
   当該受信手段が当該受波器により受信した超音波信号を増幅しあるいは少なくとも中間周波信号あるいはベースバンド信号に変換するための必要な数の受信機と当該受信機の出力を基準発振器に同期してデジタル信号に変換し当該受信手段において固定して準備しあるいは繰返して生成されるスペクトル拡散符号との相関をとりあるいは当該スペクトル拡散符号との相関をとった後にデジタル信号に変換するために必要な数の相関器と当該相関器の出力から当該任意の変調信号を復調するために必要な数の復調手段から構成され、
   当該復調手段において当該相関器からの出力信号から振幅スペクトルあるいは位相スペクトルあるいはこれらの両方を検出して必要な処理を行い当該任意の変調信号を復調することを特徴とする超音波デジタル通信装置
   
3. 超音波を利用した通信システムにおいて、
   搬送波周波数が異なる複数の超音波信号を同一あるいは異なる変調信号で変調し同一あるいは異なるスペクトル拡散符号により拡散した後に広帯域特性を有する送波器から発信するための発信手段と、当該発信手段から発信された超音波信号を広帯域特性を有する受波器により受信するための受信手段から構成され、
   当該発信手段が基準発振器と同期して生成される搬送波周波数が異なる複数の超音波信号を当該変調信号によって変調した後に当該スペクトル拡散符号により拡散しあるいはスペクトル拡散符号により拡散した後に当該変調信号により変調しあるいは当該変調信号とスペクトル拡散符号との積をとり当該積により変調するための変調器と当該変調器の出力を増幅して当該送波器から空間あるいは水中あるいは固体中に放射するための送信機から構成され、
   当該受信手段が当該受波器により受信した超音波信号を増幅しあるいは少なくとも中間周波信号あるいはベースバンド信号に変換するための必要な数の受信機と当該受信機の出力を基準発振器に同期してデジタル信号に変換し当該受信手段において固定して準備しあるいは繰返して生成されるスペクトル拡散符号との相関をとりあるいは当該スペクトル拡散符号との相関をとった後にデジタル信号に変換するために必要な数の相関器と当該相関器の出力から当該任意の変調信号を復調するために必要な数の復調手段から構成され、
   当該復調手段において当該相関器からの出力信号から振幅スペクトルあるいは位相スペクトルあるいはこれらの両方を検出して必要な処理を行い当該任意の変調信号を復調することを特徴とする超音波デジタル通信装置
   
4. 当該発信手段においてスペクトル拡散符号により搬送波信号を拡散する方式が直接拡散あるいは周波数ホッピングあるいは時間ホッピングあるいはＯＦＤＭであり拡散符号がＭ系列あるいはゴールド符号あるいは嵩符号あるいは任意の相関係数の大きい符号系列であることを特徴とする請求項第１項から第３項に記載した超音波デジタル通信装置
   
5. 当該振幅スペクトルの出力が閾値を越えた時に「１」と判定しあるいは当該振幅スペクトルの出力が閾値を越えた時の当該位相スペクトルの出力あるいは前のビットからの振幅と位相の変化から「１」あるいは「０」を判定し当該任意の変調信号を復調することを特徴とする請求項第１項から第４項に記載の超音波デジタル通信装置
   
6. 当該発信手段で生成されるスペクトル拡散符号の１周期分あるいはその整数倍あるいはその整数分の１に対して当該任意の変調信号１ビットを割当てることを特徴とする請求項第１項から第５項に記載の超音波デジタル通信装置
   
7. 当該受信手段の相関器が当該スペクトル拡散符号１周期分で固定されあるいは１周期分が順次繰返して準備されることを特徴とする請求項第１項から第６項に記載の超音波デジタル通信装置
   
8. 当該受信手段の数値制御発振器あるいは相関器あるいは復調手段が高周波論理回路で構成され、基本となる論理回路、ラッチ回路、選択回路、レジスタ、シフトレジスタ、エンコーダ、デコーダ、パリテイ回路、カウンタ、加算回路、減算回路、乗算回路、除算回路、逓倍回路、コンバータ回路、相関器、分配回路、変復調回路、同期回路、あるいは比較回路の任意の組合わせから構成されることを特徴とする請求項第１項から第７項に記載した超音波デジタル通信装置
   
9. 当該受信手段において当該相関器の出力信号とＳｉｎのルックアップテーブルとの積和演算を行うためのΣＳｉｎ積和演算器あるいはＣｏｓのルックアップテーブルとの積和演算を行うためのΣＣｏｓ積和演算器あるいはデジタルシグナルプロセッサーを用いて高速フーリエ変換を行うための演算器あるいはこれらの組合わせによってＳｉｎ成分とＣｏｓ成分をリアルタイムで検出することを特徴とする請求項第１項から第８項に記載の超音波デジタル通信装置
   
10. 当該復調手段においてＳｉｎのルックアップテーブルが０、１、０、−１、あるいは１、１、−１、−１、あるいはこれらの整数倍あるいは整数分の１の繰り返しであり当該Ｃｏｓのルックアップテーブルが１、０、−１、０あるいは１、−１、−１、１、あるいはこれらの整数倍あるいは整数分の１の繰り返しでありあるいは積和演算を行う際の−１の乗算は当該デジタル信号の補数を求めあるいはこれらの組合わせであることを特徴とする請求項第１項から第９項に記載の超音波デジタル通信装置
    
11. 当該受信手段において当該振幅スペクトルに基づいて受信機の利得を制御しあるいは当該位相スペクトルに基づいて受信機あるいは復調手段の局発周波数を制御しあるいは同期あるいは同調の制御を行いあるいはこれらの組合わせを行うことを特徴とする請求項第１項から第１０項に記載した超音波デジタル通信装置
    

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