JP2005516541A - 位相および時間シフトキーイングによる変調、およびその使用方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、位相および時間シフトキーイングによって変調された伝搬信号、およびその使用方法を提供する。一実施形態において、伝搬信号は、（１）パルスがスパンする期間であって、その各々が独自の位相／時間位置を有する時間スロットのグループに分割される期間を含み、（２）該パルスは、該位相／時間位置によってデータ要素を符号化する。

Description

本発明は、一般に伝搬信号に関し、より詳細には、位相および時間シフト変調によって変調された伝搬信号、およびその使用方法に関する。

電子データ伝送は、信号を、伝送媒体を介して伝搬し、復調して、本来符号化されていたデータを鮮明に復元できるように、データを情報伝達信号上に符号化する何らかの形態の信号変調を必要とする。変調は、デジタル・データ、音声、音楽、および他の「情報」を、該情報が伝搬に適した形態になるように、トランスミッタにより生成された電波に付加する処理と見なすことができる。変調は、符号化データを確実に復号できるように情報を電子または光信号キャリアに付加することであると見なすこともできる。変調を、（主にオン・オフすることによって）直流電流に適用し、交流電流に適用し、光信号に適用することができる。毛布を振ることも煙信号伝達（この場合、キャリアは一定の煙流である）に用いられる変調の一形態であると見なすことができる。電信法に合わせて変換され、まだアマチュア無線に利用されているモールス符号は、近代のコンピュータに使用される符号に類似した二進（二状態）デジタル符号を使用する変調方法である。

変調は、とりわけデータおよび情報伝送事業にとってその節約が重要性を増している貴重な資源である帯域幅の使用を意味する。帯域幅節約の必要性は、技術が許す限り最も効率よく帯域幅を使用するようにユーザへの圧力を強めてきた。帯域幅効率を高める１つの方法は、限定された期間にわたって伝送するデータまたは情報の量を最大にする伝送技術を利用することである。限定された期間にわたって伝送するデータの量を増やす１つの方法は、割り当てられた期間にわたって伝送する符号化データを最大にする変調方法を利用することである。

今では、デジタル・データを伝送する電子信号を変調するのにいくつかの方法が用いられている。たいていの無線および電気通信用途では、変調されるキャリアは、所定の周波数の範囲内の交流電流（ＡＣ）である。もっと一般的な変調方法の一部としては、キャリア信号の振幅を経時的に変化させる振幅変調（ＡＭ）、キャリア信号の周波数を経時的に変化させる周波数変調（ＦＭ）、およびキャリア信号の位相を経時的に変化させる位相変調（ＰＭ）が挙げられる。これらはすべて、デジタルおよびアナログ情報を二進様式で符号化するのに用いられるパルス符号変調（ＰＣＭ）法と区別するために、連続波変調法として分類される。位相偏移変調（ＰＳＫ）および直交振幅変調（ＱＡＭ）、ならびにレーザ・ビームの強度を変化させる電磁電流を加えることによって光信号を変調する方法のようなより複雑な形態の変調もある。

目的とする用途に応じて、先述のすべての変調方法は、一定の距離にわたる比較的信頼性の高い電子データ伝送を可能にする。しかし、伝送されるデータの量が絶えず増加しているのでますます多くの帯域幅が使用されているため、さらに効率的なデータ伝送機能が必要とされている。より多くの情報がデジタル化されるにつれて、伝送システムおよび帯域幅需要にさらに大きな圧力がかかっている。設備および技術の改善が、帯域幅の需要の増加によって生じている問題を解決するのにある程度役立っているが、他の解決策も必要である。

限定された帯域幅の問題を部分的に解決する１つの方法は、キャリア上のより多くのデータを符号化することである。限定された期間にわたって転送されるデータの量を増やすと、インフラストラクチャ、および当該インフラストラクチャを支えるのに必要な設備を著しく縮小できる。

したがって、当該技術分野において必要とされているのは、転送することができるデジタル・データの量、および当該転送を行うことができる率を増加させる新規で斬新な電子信号変調方法である。

従来技術の上記欠点に対処するために、本発明は、位相および時間シフトキーイングによって変調された伝搬信号、およびその使用方法を提供する。一実施形態において、伝搬信号は、（１）それぞれ独自の位相／時間位置を有する時間スロットのグループに分割される、パルスがスパン（span）する（及ぶ）期間（周期）と、（２）位相／時間位置によってデータ要素を符号化するパルスとを含む。

したがって、本発明は、伝搬信号のスロットのグループ内の位相位置と時間位置の両方によりパルスを配置することによってデータを符号化する広い概念を導入する。信号を符号化するこの新規で斬新的な方法は、伝搬信号が特定の期間にわたって伝達できるデータの量を、従来技術の符号化方法を用いて伝達可能なデータの量に比べて著しく増加させる。

本発明の一実施形態において、データ要素は、マッピングによって符号化され、復号される。他の実施形態において、グループにおける時間スロットが隣接し、さらに他の実施形態において、グループにおける時間スロットが隣接しない。いずれの場合も、符号化信号をマッピングし、伝送されるデータを変化させることなく、その終点で復号できる。

本発明は、一実施形態において、グループ内の時間スロットが不均一な間隔を有する程の汎用性を有する。他の実施形態は、複数のパルスを時間スロットのグループ内に配置するという事実によって、さらなる汎用性が証明される。

この新規の発明は、大量のデータを非常に短い期間で符号化することを可能にする。例えば、本発明の一実施形態において、単一グループが、１５ビット長を上回るデータを符号化できる。１５ビットのデータはかなりの量であることを当業者なら認識するであろう。

本発明の特に有用な態様は、該グループを使用して、それぞれ異なるタイプのデータを符号化するものである。本発明の一実施形態において、グループにおいて符号化されるデータの要素は、ヘッダ、誤差検出メッセージ、同期要素およびデータ・メッセージからなる異なるタイプのデータの群から選択される。たいていのデータの流れは、３つのすべての異なるタイプのデータ・グループを含むことが多いことを当業者なら認識するであろう。

本発明のさらに他の実施形態において、伝搬信号は複数のグループからなる。さらに他の実施形態において、グループは、異なる数の時間スロットを有する。

当業者が、以下に続く本発明の詳細な説明をより良く理解できるように、本発明の好ましい特徴および代替的な特徴を概説した。本発明の請求項の実質を成す本発明のさらなる特徴を以下に説明する。本発明の同一の目的を実施するために、他の構造を設計または改造するための基礎として、開示された概念および具体的な実施形態を容易に用いることができることを当業者なら理解するはずである。同等の構成が、本発明の主旨および範囲から逸脱しないことも当業者なら理解するはずである。

次に、本発明をより完全に理解するために、添付の図面と併用して以下の説明を参照する。

最初に図１を参照すると、デジタル・パルス位置変調（ＰＰＭ）を用いた従来技術の４つのパルス１１０のグループ１０５に対する許容位置を示すグラフ１００が示されている。示されているグループは、許容パルス１１０のピーク位置の間の時間間隔であるＴｍｉｎを有する４つのスロット１２０と見なすことができる。ＰＰＭでは、隣接または潜在的に隣接するパルス１１０との符号間干渉を回避するために、このグループ１０５におけるこれらパルス１１０のうちの１つだけを伝送する。４つの許容ピーク位置で変調サンプリングを行うと、サンプルのうちの３つのサンプルは実質的にゼロになり、正確なサンプルは振幅が１になる。

復調時のサンプリングがピーク位置に適切に同期しない場合は、「正確なパルス」位置に対する振幅が縮小し始める一方、近接位置における振幅がゼロより大きくなる。しかし、１つのパルス１１０のみを伝送するため信号を正確に復調することができ、パルス１１０に対する正確な位置をさほど困難なく確認できる。システム内にノイズが存在する場合は、タイミング誤差のため不正確な復調の確率が高くなる。しかし、タイミング誤差が小さい場合は、劣化が極めて小さく、信号を復調できる。一般的に、信号対雑音比が十分に小さい場合は、タイミング誤差がＴｍｉｎ／２より小さければ、信号を問題なく復調することができる。

パルス１１０が部分的に重なっていても単一パルス１１０の２つの可能な位置を問題なく区別する能力を利用して、信号対雑音比感度を犠牲にしてデータ密度を高めることができる。このデータ密度の向上は、１つの許容パルス１１０のの縁１１５が近接パルス１１０の縁１１５に重なるように、許容パルス１１０位置を互いにより接近するように移動させることによって達成される。

次に図２を参照すると、Ｔｍｉｎよりはるかに小さい重なり間隔を有するように意図的に構成された許容パルス位置２１０（そのうちの１つがマーク付けされている）を示すグラフ２００が示されている。実際、許容間隔が、図１の５単位に比べて１単位に減じられ、各スロット２２０がＴｍｉｎ／５に等しい幅を有するため、データを符号化するのに利用可能な状態の数が潜在的に５倍に増加することになる。しかし、データ密度を高めるこの方法は、近接パルス位置を区別するのに利用可能な検出代（マージン）が減少するため、あまり用いられない。

図３を参照すると、図１に示されるデータ伝送に比べて、目的とする５倍のデータ伝送の増加を示す、Ｔｍｉｎ／５のスロット３２０幅の間隔をおいたパルス３１０を有する信号の例のグラフ３００が示されている。従来技術の方法を用いて当該信号を復調する困難さは、検出代が制限されることから容易に理解される。そのような強固に重なったパルス３１０で信号を復調するためには、すべての可能なパルス位置のピーク位置（すなわち水平軸上のすべての整数位置）において受信信号をサンプリングすることが必要になる。隣接パルス位置に対して振幅の区別が特に低下し、その区別の問題が、次の隣接パルス３１０で大きくなることが容易に理解される。本発明は、これらの変調問題を克服するための新奇の変調形式を提供する。

本発明は、各パルスが、異なる時間位置のみならず、各隣接パルス間の付加された位相ステップをも有するように、許容パルスを改造する。例えば、各隣接パルス間に±９０°の位相ステップが付加されると、ｔ＝０における（時間がゼロに等しいときの）パルスは０°の位相を有し、ｔ＝１におけるパルスは±９０°の位相を有し、ｔ＝２におけるパルスは±１８０°の位相を有し、ｔ＝３におけるパルスは±２７０°の位相を有し、ｔ＝４におけるパルスは±３６０°の位相を有することになる。この同時位相および時間ずれ変調の組合せは、近接パルスを区別する能力を向上させる。

次に図４Ａおよび４Ｂを参照すると、重なりパルス４１０の実部および虚部、ならびに付加された＋９０°の位相ずれを示す本発明の一実施形態の実施態様を示すグラフ４００が示されている。９０°の位相倍が用いられるため、奇数番号のパルス４１０（１、３、５等）は、ゼロに等しい実部を有し、偶数番号のパルス４１０はゼロに等しい虚部を有する。この信号を復調するためには、ピーク位置（ｔ＝０、１、２等）において受信信号の実部をサンプリングすると共に、サンプリング信号の位相を１つの時間スロットから次の時間スロットに、それがそのスロット位置で生じる場合に予想されるパルス４１０の位相と一致するようにずらすことが必要である。

すべて本発明の意図する範囲内に含められる広範囲な位相角を用いることができる。これらの位相角の多くは、図４Ａおよび４Ｂに示された例と同等か、より良好な性能を与えることになる。例えば、移動角（stepping angle）は、Ｔｍｉｎ／５のスロット間隔を用いたときに性能が著しく低下することなく、９０°を中心に±２０°以上変化することが可能である。

次に図５を参照すると、Ｔｍｉｎ／５の許容パルス５１０間隔で正確な状態とその近接状態との区別が実質的に向上したことを証明する９０°以外の位相増分を有し、隣接許容状態間の７８．５°の位相差を用いた本発明の一実施形態のグラフ５００が示されている。広範囲な位相角に対して、正確な状態と近接状態の区別が実質的に改善されることを示すために、９０°以外の位相増分が示されている。図５は、図３に示した、位相ずれのない同一の許容パルス間隔に比べた場合に比べて区別が著しく改善されていることをも示している。図３および５は、それぞれ、Ｔｍｉｎの許容パルス間隔を有するより従来的なＰＰＭに比べると、可能な状態の数が同等に５倍増加している。しかし、位相ずれがなければ、最小検出代がわずか０．０６７であるのに対して、位相ずれがあると、図５に示すように、隣接状態に対する検出代が０．８１となり、それは、１に近い検出代を有する従来のＰＰＭに近い。

したがって、本発明は、既知の方法でパルス通信信号の位相と時間位置の両方を同時にずらせるものとして最も良く特徴付けられる。上記の符号化をマッピングすることによって、送信して復号できるデータの量が非常に多くなる。本発明の一実施形態において、単一グループにおいて１５ビットを上回るビット数のデータを符号化し、使用された符号をマッピングすることによって確実に復号することができる。マッピングが所定の配列または対応を構成することによって、符号化データ・メッセージまたは信号は、該符号化データ・メッセージまたは信号が復号または復調されるときに確認することができる、該データ・メッセージまたは信号に帰する具体的な意味を有する。この配列または対応は、符号化信号が復号されるときに符号化信号に確実で確認可能な意味を割り当てる符号の対応表の如きプロトコルの形をとることができる。本発明を用いてデータ・メッセージを符号化することの有利性は明らかである。非常に短期間にわたって大量のデータを転送することを可能にする伝搬信号内のデータ要素上で大量の情報を符号化できるため、帯域幅を節約する。

本明細書に考慮されている本発明の実施形態は、均一な間隔の時間ずれおよび均一な間隔の位相ずれを使用するが、不均一な間隔の時間ずれか位相ずれのいずれか（または両方）も本発明の意図する範囲内に十分に含められることを当業者なら理解するであろう。同様に、グループは、スロットの数および／または占有スロットの数が異なっても、本発明の範囲内に含めることができる。また、単一グループを、それが一定数の占有スロットのみを有するように、あるいは可変数の占有スロットに対応しうるように定めることができる。また、単一のデータ・メッセージは、複数のタイプのグループを含むことが可能である（例えば、ヘッダを１つのタイプのグループとし、実データを第２のタイプのグループとし、誤差検出／補正ワードを第３のタイプとすることができる）。当業者なら認識するであろうが、これらの変形ならびに他の変形のすべてが、本発明の意図する範囲内に十分に含められる。

本発明は、信号を伝搬するための方法のいくつかの実施形態をも提供する。１つの当該実施形態において、該方法は、パルスがスパンする期間を指定し、時間スロットの各々が独自の位相／時間位置を有するように期間を時間スロットのグループに分割することを必要とする。該方法は、次いで、パルスに、位相／時間位置によってデータ要素を符号化させる。本発明は、信号を伝搬するためのいくつかの他の実施形態を含む。当業者が、当該方法の様々な実施形態を理解し、実施できるように、本明細書に十分な詳細説明を記載した。

本発明を詳細に説明したが、最も広い形態の本発明の主旨および範囲を逸脱することなく、様々な変更、代替および改変が可能であることを当業者なら理解するはずである。

デジタル・パルス位置変調（ＰＰＭ）を用いた従来技術の４つのパルスのグループに対する許容位置を示すグラフを示す図である。 Ｔｍｉｎよりはるかに小さい重なり間隔を有するように意図的に構成された許容パルス位置を示すグラフを示す図である。 図１に示されるデータ伝送に比べて、目的とする約５倍のデータ伝送の増加を示す、Ｔｍｉｎ／５のスロット幅の間隔をおいたパルスを有する信号の例のグラフを示す図である。 重なりパルスの実部および虚部、ならびに付加された＋９０°の位相ずれを有する本発明の一実施形態の実施態様を示すグラフを示す図である。 Ｔｍｉｎ／５の許容パルス間隔で正確な状態とその近接状態との区別が実質的に向上したことを証明する９０°以外の位相増分を用い、隣接許容状態間の７８．５°の位相差を用いた本発明の一実施形態のグラフを示す図である。

Claims (20)

1. パルスがスパンする期間であって、各々が独自の位相／時間位置を有する時間スロットのグループに分割される期間を含み、
   前記パルスは、前記位相／時間位置によりデータ要素を符号化する伝搬信号。
2. 前記データ要素は、マッピングによって確認可能である請求項１に記載の伝搬信号。
3. 前記グループにおける前記時間スロットが隣接する請求項１に記載の伝搬信号。
4. 前記グループにおける前記時間スロットが隣接しない請求項１に記載の伝搬信号。
5. 前記時間スロットは、不均一な間隔を有する請求項１に記載の伝搬信号。
6. 複数のパルスが、前記時間スロットのグループ内に配置される請求項１に記載の伝搬信号。
7. 前記グループは、１５ビット長を上回るデータを符号化する請求項１に記載の伝搬信号。
8. 前記データの要素は、
   ヘッダ、
   誤差検出メッセージ、
   同期要素、および
   データ・メッセージからなる群から選択される請求項１に記載の伝搬信号。
9. 複数の前記グループをさらに含む請求項８に記載の伝搬信号。
10. 前記グループは異なる数のタイムスロットを有する請求項８に記載の伝搬信号。
11. パルスがスパンする期間であって、各々が独自の位相／時間位置を有する時間スロットのグループに分割される期間を指定するステップ、および
    前記パルスに、前記位相／時間位置によりデータ要素を符号化させるステップを含む信号伝搬方法。
12. 前記データは、マッピングによって確認可能である請求項１１に記載の方法。
13. 前記グループにおける前記時間スロットが隣接する請求項１１に記載の方法。
14. 前記グループにおける前記時間スロットが隣接しない請求項１１に記載の方法。
15. 前記時間スロットは、不均一な間隔を有する請求項１１に記載の方法。
16. 複数のパルスが、前記時間スロットのグループ内に配置される請求項１１に記載の方法。
17. 前記グループは、１５ビット長を上回るデータを符号化する請求項１１に記載の方法。
18. 前記データの要素は、
    ヘッダ、
    誤差検出メッセージ、
    同期要素、および
    データ・メッセージからなる群から選択される請求項１１に記載の伝搬信号。
19. 複数の前記グループを指定するステップをさらに含む請求項１１に記載の方法。
20. 前記グループは、異なる数の時間スロットを有する請求項１８に記載の伝搬信号。
    

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