JP2006319817A - 無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 受信したＵＷＢ信号を、適当なサンプル・レート及び解像度を持つＡ／Ｄ変換器を用いてデジタル処理して、正確な受信タイミング情報を得る。
【解決手段】 Ａ／Ｄ変換出力のサンプル・レートは高いので、２段のマッチドフィルタでタイミング検出回路を構成する。前段のチップ・マッチドフィルタは、入力信号とテンプレート信号との相関をとり、正しい送信パルス信号が到来したときはフレーム・マッチドフィルタへパルスの有無と受信タイミングを出力する。後段のフレーム・マッチドフィルタは、拡散符号との相関値をとり受信フレームの正誤判定を行ない、チップ・マッチドフィルタの閾値を適宜変更する。
【選択図】 図９

Description

本発明は、超広帯域を利用して極めて微弱なインパルス列に情報を載せたウルトラワイドバンド（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ：ＵＷＢ）信号を受信処理する無線通信装置に係り、特に、送信機との間での微弱なインパルス列のＵＷＢ通信を利用して物体間の距離の測定を行なう無線通信装置に関する。

さらに詳しくは、本発明は、送信機からのＵＷＢ信号の受信タイミング情報を利用して送信機の位置を割り出す無線通信装置に係り、特に、受信したＵＷＢ信号にデジタル処理を行なうことにより受信タイミングの検出を行なう無線通信装置に関する。

無線ＬＡＮシステムの高速化、低価格化に伴い、その需要が著しく増加してきている。特に、人の身の回りに存在する複数の電子機器間で小規模な無線ネットワークを構築して情報通信を行なうために、パーソナル・エリア・ネットワーク（ＰＡＮ）の導入が検討されている。例えば、２．４ＧＨｚ帯や、５ＧＨｚ帯など、監督官庁の免許が不要な周波数帯域を利用して、異なった無線通信システム並びに無線通信装置が規定されている。

また、近年、「ウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）通信」と呼ばれる、極めて微弱なインパルス列に情報を載せて無線通信を行なう方式が、近距離超高速伝送を実現する無線通信システムとして注目され、その実用化が期待されている。

米国では、２００２年２月にＦＣＣ（Ｆｅｄｅｒａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ：米国連邦通信委員会）がＵＷＢシステム関する規制緩和を行なった（例えば、非特許文献１を参照のこと）。規制緩和の内容としては３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚまで−４１．３［ｄＢｍ］の出力の電波を放射することを許可するものである。現在、ＩＥＥＥ８０２．１５．３などにおいて、ウルトラワイドバンド通信のアクセス制御方式として、プリアンブルを含んだパケット構造のデータ伝送方式が考案されている（例えば、非特許文献２を参照のこと）。

一方、ＵＷＢシステムは、超極細パルスを用いることにより高い時間分解能を持ち、この性質を使ってレーダやポジショニングを行なう「測距（Ｒａｎｇｉｎｇ）」をすることが可能である。特に、最近のＵＷＢ通信では、１００Ｍｂｐｓ超の高速データ伝送と元来の測距機能を併せ持つことができる（例えば、特許文献１を参照のこと）。

将来、ＵＷＢに代表される近距離通信のＷＰＡＮ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ）はあらゆる家電品やＣＥ（Ｃｏｎｓｕｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）機器に搭載されることが予想される。したがって、高速データ伝送とは別に、測距による位置情報の利用、例えばナビゲーションや近距離通信（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ：ＮＦＣ）のような無線の付加価値を生むことが考えられ、高速データ伝送とともに測距機能も実装することが望ましいと思料される。

図１４には、ＵＷＢ通信を利用した測距システムの構成を模式的に示している。図示のシステムは、ＵＷＢ通信をデータ伝送ではなく測距を主体として利用することを前提としており、送信機は、ＩＣチップやＩＣタグなどの小型の機器で構成され、既知パターンを載せたＵＷＢ信号を発信する。そして、この送信機の周囲に存在する受信機は、受信したＵＷＢ信号の受信タイミング情報を検出して送信機までの距離やその位置を検出する。

このように受信機側で距離若しくは位置の検出を行なうには、ＵＷＢ信号の正確な受信タイミング情報を獲得する必要がある。

例えば、ＵＷＢ信号をアナログ処理することによって受信タイミング情報を検出する技術について提案がなされている（例えば、非特許文献３を参照のこと）。その回路構成は、図１５に示すように、アンテナ部と、テンプレート生成回路と、ループ・フィルタと、クロック生成回路によるアナログ回路からなる。アンテナ部で受信した信号を、テンプレート生成回路で生成した信号と相関値を取り、ループ・フィルタによって相関値から受信タイミングを検出し、クロック生成回路へ受信タイミングの補正を行なう。

しかしながら、ＵＷＢ信号という高周波信号をアナログ部品によって処理するためには、高精度なアナログ部品が多数必要となることから、受信機のコスト増加を招来する。また、実装誤差の増大が予想され、高周波回路の設計は困難である。

ＵＷＢという広帯域信号における受信タイミング検出をアナログ回路で行なう場合、遅延回路や周波数合成回路の構成が複雑化を回避することはできない。その帰結として、受信したＵＷＢ信号にデジタル処理を行なうことにより受信タイミングの検出を行なうという方法が想起される。この場合、Ａ／Ｄ変換器におけるサンプル・レートや解像度（ビット数）をどのように設定するかが課題となる。

例えば、高周波のＵＷＢ信号をアンダーサンプリングするＵＷＢ受信機について提案がなされている（例えば、非特許文献４を参照のこと）。このＵＷＢ受信機では、１ビットの解像度を持つＡ／Ｄ変換器が使用され、多数のアナログ・フィルタ・バンクを利用して周波数軸上で相関をとるように構成されているので、アナログ回路は複雑なものとなる。また、このＵＷＢ受信機自体は測距機能を有していない。

また、受信信号の周波数をダウンコンバートしてからデジタル処理を行ない、受信タイミング情報を検出するシステムについて提案がなされている（例えば、非特許文献５を参照のこと）。同システムは、図１６に示すように、狭帯域のＣＤＭＡ信号をデジタル処理するためのアンテナ部、Ａ／Ｄ変換器、タイミング検出回路で構成される。アンテナ部で受信した信号をベースバンド信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器によりチップレートにてデジタル信号に変換し、タイミング検出回路により受信タイミングの検出を行なう。

このようにデジタル回路により受信タイミングを検出する従来のシステムでは、チップレートによる低速なＡ／Ｄ変換及びデジタル処理を前提としている。このため、タイミング検出回路は図１７に記すような構成となる。ＵＷＢ信号は、狭帯域ＣＤＭＡに比べてシンボル長が短いため、高速なＡ／Ｄ変換及び高速なデジタル処理が必要であり、複雑なデジタル処理を行なうことは難しく、消費電力や実装面積の増大が予想される。

図１６に示した回路構成で、受信信号の周波数をダウンコンバートしてからデジタル処理を行なうシステムを実現することは容易ではない。ＵＷＢ信号は搬送波を用いていないため、ベースバンド信号に変換することは容易ではない。したがって、高周波のまま処理を行なうため、高速なＡ／Ｄ変換器及び高速なデジタル処理が必要となる。複雑なデジタル処理を行なうことは難しく、消費電力や実装面積の増大を招く。また、仮にアナログ回路によるダウンコンバート回路を入れた場合、受信機のコストが増大する。

また、図１８には、受信信号をデジタル処理して受信タイミングを検出するシステムに関する他の従来例を示している。このシステムは、アンテナ部と、Ａ／Ｄ変換器と、平均化フィルタと、タイミング検出回路で構成され、アンテナ部で受信した信号をＡ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換し、平均化フィルタにより前処理を行なってから、タイミング検出回路により受信タイミングの検出を行なうようになっている。ここで、Ａ／Ｄ変換器が扱う受信信号のノイズ・レベルや帯域により、その解像度及び速度が決定される。一般には、高解像度で高速なＡ／Ｄ変換器を使用してタイミングの検出を行なう方式が知られている（例えば、非特許文献６を参照のこと）。

図１８に示したシステムでは、１．５ビット以上のＡ／Ｄ変換器を用いている。この場合、平均化フィルタには正負の値を持ったサンプルが入力される。図１９には、従来より用いられている平均化フィルタの構成例を示している。Ａ／Ｄ変換器の出力する正負の値を持ったサンプル値を用いて平均化するためには、正と負の値を加算できるＡＬＵ（算術論理回路）と演算結果を一時的に格納するためのレジスタが必要となる。また、受信フレーム単位で並列して平均化を行なうため、Ｎ個のＡＬＵを並列に駆動させる必要がある（ここで、Ｎは１フレーム時間におけるサンプル数とする）。これは、サンプル・レートが高い場合は回路設計が難しく、且つ消費電力が増大することを意味する。

すなわち、受信したＵＷＢ信号をデジタル処理してから受信タイミングの検出を行なうシステムを、図１８に示したように高解像度で且つ高速なＡ／Ｄ変換器を用いて構成することは容易ではない（高解像度のＡ／Ｄ変換器は、実験機としてならともかく、ポータブル機器としては現実的でない）。この場合、高速な平均化フィルタが必要となり、受信機のコスト増加を招くことになる。また、Ａ／Ｄ変換器自体の高コスト化や高消費電力化も問題となる。

また、通信だけでなく測位や測距を行なうような場合にも、消費電力を低くすることができ、また信号捕捉時間を短くすることができるＵＷＢ装置について提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。このＵＷＢ装置では、ＵＷＢ信号に載せられたパルスの幅を、ローパス・フィルタを通過させることによって広げ、これによってサンプル・レートの低いＡ／Ｄ変換器でのデジタル信号化を可能にしている。しかしながら、Ａ／Ｄ変換のサンプル・レート以下のマルチパスによって受信波形が乱れると、その影響を受けてしまうという問題がある。また、長いパルスをＡ／Ｄ変換する際、受信信号を複数の相関器に入力し各相関器出力からピーク・サーチしてサンプル・タイミングを変更しているが、ピーク・サーチするために雑音に弱い、透過的に測位距離が減少する、という問題もある。

特表２００２−５１７００１号公報 特開２００５−５１４６６号公報 佐々木重信、井家上哲史、眞田幸俊共著「ＵＷＢシステムと技術に関する国際会議（ＵＷＢＳＴ２００２）報告」（ＳＳＴ２００２−１９，２００２年７月） ｈｔｔｐ：／／ｇｒｏｕｐｅｒ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｇｒｏｕｐｓ／８０２／１５／ｐｕｂ／ＳＧ４ａ．ｈｔｍｌ Ｙ．Ｓｈｉｍｉｚｕ ａｎｄ Ｙ．Ｓａｎａｄａ，"Ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅｂａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ"（ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，ｖｏｌ．Ｊ８６−Ａ，ｎｏ．１２，ｐｐ．１３１０−１３１９，Ｄｅｃ．２００３（ｉｎ Ｊａｐａｎ）） Ｈｙｕｎｇ−Ｊｉｎ Ｌｅｅ， Ｄｏｎｇ Ｓａｍ Ｈａ， ａｎｄ Ｈｙｎｇ−Ｓｏｏ Ｌｅｅ，"Ｔｏｗａｒｄ Ｄｉｇｉｔａｌ ＵＷＢ Ｒａｄｉｏｓ：Ｐａｒｔ Ｉ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ ＵＷＢ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｗｉｔｈ １ ｂｉｔ ＡＤＣｓ"（Ｊｏｉｎｔ ＵＷＢＳＴ ＆ ＩＷＵＷＢＳ ２００４， ｉｎ Ｋｙｏｔｏ） Ｒ．Ｄ．Ｇａｕｄｅｎｚｉ，Ｍ．Ｌｕｉｓｅ，ａｎｄ Ｒ．Ｖｉｏｌａ，"Ａ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｈｉｐ ｔｉｍｉｎｇ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｌｏｏｐ ｆｏｒ ｂａｎｄ ｌｉｍｉｔｅｄ ｄｉｒｅｃｔ−ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｓｐｒｅａｄ−ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｓｉｇｎａｌｓ"（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｃｏｍｍｕｎ．，ｖｏｌ ＣＯＭ−４１，ｐｐ．１７６０−１７６９，Ｎｏｖ．１９９３） Ｙ．Ｓｈｉｍｉｚｕ ａｎｄ Ｙ．Ｓａｎａｄａ，"Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅｂａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ １．５ｂｉｔ Ａ／Ｄ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ"（Ｐｒｏｃ． ｏｆ ｔｈｅ Ｓｅｖｅｎｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ， ｖｏｌ．１，ｐｐ．５０−５４，Ａｂａｎｏ Ｔｅｒｍｅ，Ｉｔａｌｙ，Ｓｅｐｔ，２００４）

本発明の目的は、特に、送信機との間での微弱なインパルス列のＵＷＢ通信を利用して物体間の距離の測定を好適に行なうことができる、優れた無線通信装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、受信したＵＷＢ信号にデジタル処理を行なうことにより受信タイミングの検出を行なうことができる、優れた無線通信装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、受信したＵＷＢ信号を、適当なサンプル・レート及び解像度を持つＡ／Ｄ変換器を用いてデジタル処理して、正確な受信タイミング情報を得ることができる、優れた無線通信装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、広帯域上にパルスを載せたＵＷＢ信号を受信する無線通信装置であって、
ＵＷＢ信号を受信するアンテナ部と、
前記アンテナ部による受信信号をデジタル信号化する１ビットＡ／Ｄ変換器と、
Ｎサンプル毎に１が出現する数を並列して計数してフレーム単位で出力するＮ並列カウンタと（Ｎは１フレーム時間におけるサンプル数とする）、
Ｎサンプル毎に計数された１の出現数に基づいてフレームの受信タイミングを検出するタイミング検出部と、
を具備することを特徴とする無線通信装置である。

ＵＷＢ通信システムは、高速データ伝送とは別に、測距による位置情報の利用が検討されている。高精度の測距機能を実現するためには、ＵＷＢ受信機側でＵＷＢ信号の正確な受信タイミング情報を獲得する必要がある。

ＵＷＢ信号の受信タイミング検出をアナログ回路で行なう場合、遅延回路や周波数合成回路の構成が複雑化を回避することはできない。このため、受信したＵＷＢ信号にデジタル処理を行なうことにより受信タイミングの検出を行なうという方法が好ましいと思料されるが、この場合、Ａ／Ｄ変換器におけるサンプル・レートや解像度（ビット数）をどのように設定するかが課題となる。

本発明者らは、主として測距に利用するＵＷＢ通信システムでは、Ａ／Ｄ変換器はサンプル・レートが高速であれば、その解像度は低くても十分に通用すると考えている。

本発明の第１の側面に係る無線通信装置は、１ビットのＡ／Ｄ変換器を備え、Ｎ並列カウンタを利用して、受信したＵＷＢ信号にデジタル処理を行なうことによって受信タイミングの検出を行なう。

アンテナ部は、１個以上のアンテナ素子と、フィルタと、ＬＮＡ（低雑音アンプ）などで構成される。無線通信装置は信号区間と無信号区間を検出する構成であることから、通信経路となるアンテナは特に限定されない。１ビットＡ／Ｄ変換器には、このアンテナ部の受信信号が入力され、信号強度と所定の閾値を比較して２値デジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器の変換速度は、使用する通信方式とシンボル長に基づいて決定される。Ａ／Ｄ変換器の出力は一般にサンプル・レートの高いデジタル信号となる。Ｎ並列カウンタは、このデジタル信号を入力すると、Ｎサンプル毎に１が出現する数を並列して計数して、フレーム単位で出力する。そして、タイミング検出回路は、計数された１の出現数に基づいてフレームの受信タイミングを検出する。

Ａ／Ｄ変換後のデジタル信号のサンプル・レートは高いが、Ｎ並列カウンタで既にサンプル・レートの低いデジタル信号となっている。このため、タイミング検出部における統計フィルタの処理はデジタル信号処理となり、多くの場合は他のデジタル信号処理と同様のＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）やＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）を用いて処理される。

このように本発明の第１の側面に係る無線通信装置によれば、コンパレータ（１ビットＡ／Ｄ変換器）とＮ並列カウンタを利用して受信タイミングの検出を行なうので、高解像度のＡ／Ｄ変換器や高速なＮ並列ＡＬＵを利用する必要がなく、受信機のコスト削減、サイズ縮小、省電力化などを実現することができる。

また、本発明の第２の側面は、広帯域上にパルスを載せたＵＷＢ信号を受信する無線通信装置であって、
ＵＷＢ信号を受信するアンテナ部と、
前記アンテナ部による受信信号をオーバーサンプルによりデジタル信号化するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換から出力されるデジタル信号に基づいて受信タイミングを検出するタイミング検出部と、
を具備することを特徴とする無線通信装置である。

本発明の第２の側面に係る無線通信装置は、高速なオーバーサンプリングＡ／Ｄ変換器を備え、受信したＵＷＢ信号にデジタル処理を行なうことによって受信タイミングの検出を行なう。オーバーサンプリングＡ／Ｄ変換器は、例えば、信号をデジタル信号化する１ビットＡ／Ｄ変換器と、Ｎサンプル毎に１が出現する数を並列して計数してフレーム単位で出力するＮ並列カウンタで構成することができる。

アンテナ部は、１個以上のアンテナ素子と、フィルタＬＮＡ（低雑音アンプ）などで構成される。無線通信装置は信号区間と無信号区間を検出する構成であることから、通信経路となるアンテナは特に限定されない。Ａ／Ｄ変換器は、アンテナ部の受信信号を、高速なサンプル・レートでオーバーサンプルしてデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器の変換速度は、使用する通信方式に基づいて決定される。そして、タイミング検出回路は、Ａ／Ｄ変換器の出力から受信タイミングを検出する。

Ａ／Ｄ変換器の出力は一般にサンプル・レートの高いデジタル信号となるため、単純に既存のデジタルＣＤＭＡ受信機の方式では受信タイミングの検出を行なうことができない。そこで、本発明の第２の側面では、チップ・マッチドフィルタとフレーム・マッチドフィルタの２段のマッチドフィルタによりタイミング検出回路を構成し、他のデジタル信号処理と同様のＤＳＰやＦＰＧＡを用いて受信タイミングの検出処理を行なえるようにした。

前段のチップ・マッチドフィルタは、入力されたデジタル受信信号に対して所定のテンプレート信号との相関を算出する。そして、この相関値が閾値を超えていれば正しい送信パルス信号が到来したと認識して、後段のフレーム・マッチドフィルタへパルスの有無と何チップ分の受信タイミングがずれていたかを出力する。また、後段のフレーム・マッチドフィルタは、拡散符号との相関値をとることにより受信フレームの正誤判定を行なう。そして、受信フレームが正しいと判定された場合には最終的に受信タイミングを出力する。他方、受信フレームが誤っていると判定された場合には、パルスの検出がうまくいっていないと判断し、チップ・マッチドフィルタに対し閾値を変更するようにフィードバックを行なう。このように２つのマッチドフィルタを備えるだけでタイミング検出回路の実装が容易であり、２段のチェックを行なうことによりタイミング検出精度の向上を期待できる。

すなわち、本発明の第２の側面に係る無線通信装置によれば、高速なＡ／Ｄ変換器とチップ・マッチドフィルタ及びフレーム・マッチドフィルタを利用して受信タイミングの検出を行なうので、受信タイミング検出機能をアナログ回路で構成する必要がなく、単純なデジタル処理で実現することができる。

本発明によれば、受信したＵＷＢ信号にデジタル処理を行なうことにより受信タイミングの検出を行なうことができる、優れた無線通信装置を提供することができる。

また、本発明によれば、受信したＵＷＢ信号を、適当なサンプル・レート及び解像度を持つＡ／Ｄ変換器を用いてデジタル処理して、正確な受信タイミング情報を得ることができる、優れた無線通信装置を提供することができる。

本発明に係る無線通信装置によれば、コンパレータ（１ビットＡ／Ｄ変換器）とＮ並列カウンタを利用して受信タイミングの検出を行なうので、高解像度のＡ／Ｄ変換器や高速なＮ並列ＡＬＵを利用する必要がなく、受信機のコスト削減、サイズ縮小、省電力化などを実現することができる。

また、本発明に係る無線通信装置によれば、高速なＡ／Ｄ変換器とチップ・マッチドフィルタ及びフレーム・マッチドフィルタを利用して受信タイミングの検出を行なう。したがって、受信タイミング検出機能をアナログ回路で構成する必要がなく、単純なデジタル処理で実現することができるので、受信機のコスト削減、サイズ縮小、省電力化などを実現することができる。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。

本発明は、広帯域上にパルスを載せたＵＷＢ信号を受信する無線通信装置に関するものであり、とりわけ、送信機との間での微弱なインパルス列のＵＷＢ通信を利用して物体間の距離の測定を行なう無線通信装置に関する。

ＵＷＢ信号の受信タイミング検出をアナログ回路で行なう場合、遅延回路や周波数合成回路の構成が複雑化を回避することはできない。このため、受信したＵＷＢ信号にデジタル処理を行なうことにより受信タイミングの検出を行なうという方法が好ましいと思料されるが、この場合、Ａ／Ｄ変換器におけるサンプル・レートや解像度（ビット数）をどのように設定するかが課題となる。これに対し、本発明者らは、主として測距に利用するＵＷＢ通信システムでは、Ａ／Ｄ変換器はサンプル・レートが高速であれば、その解像度は低くても十分に通用すると考えている。

図１には、本発明の一実施形態に係る無線通信装置の構成を模式的に示している。この無線通信装置１０は、ＵＷＢ受信機として動作し、１ビットのＡ／Ｄ変換器を備え、Ｎ並列カウンタを利用して、受信したＵＷＢ信号にデジタル処理を行なうことによって受信タイミングの検出を行なうものである。

図示の通り、無線通信装置１０は、アンテナ素子１１と、フィルタ１２と、ＬＮＡ（低雑音アンプ）１３と、コンパレータ１４と、カウンタ１５と、タイミング検出部１６で構成される。

アンテナ部は、１個以上のアンテナ素子１１と、フィルタ１２と、ＬＮＡ１３で構成される。無線通信装置は信号区間と無信号区間を検出する構成であることから、通信経路となるアンテナは特に限定されない。

コンパレータ１４は、１ビットＡ／Ｄ変換器として動作し、アンテナ部の受信信号が入力され、信号強度と所定の閾値を比較して２値デジタル信号に変換する。すなわち、サンプル・データは｛０，１｝に限られる。Ａ／Ｄ変換の変換速度は、使用する通信方式に基づいて決定されが、その出力は一般にサンプル・レートの高いデジタル信号となる。

カウンタ１５は、図２に示すようにＮ並列のカウンタで構成されており、コンパレータ１４のデジタル信号を入力すると、Ｎサンプル毎に１が出現する数を並列して計数して、フレーム単位で出力する。そして、タイミング検出部１６では、計数された１の出現数に基づいてフレームの受信タイミングを検出する。

コンパレータ１４から入力されるサンプル値は｛０，１｝に限られているので、ＡＬＵ及びレジスタを用いる必要はなく、サンプル入力が“１”になった回数を数える並列カウンタ１５を備えるだけでよい。そして、Ａ／Ｄ変換した後のデジタル信号のサンプル・レートは高いが、Ｎ並列カウンタ１５でサンプル・レートの低いデジタル信号となる。レジスタとのデータのやり取りを行なう必要がなく、また、負数の加算に必要な補数生成回路などの必要もないため、カウンタ回路の実装は容易である。したがって、処理速度と消費電力ともに改善が見込まれる。

続いて、図１に示した無線通信装置１０における受信タイミングの検出動作について、図３〜図７を参照しながら説明する。

図３には、ＵＷＢ通信における受信信号の例を示している。図示の通り、広帯域上にパルス波が載せられている。

アンテナ部より出力された受信信号は、コンパレータ１４へ入力される。熱雑音が全くない場合、受信フレームは図４に示すように２値のサンプル・データにＡ／Ｄ変換される。

ここで、１フレームがコンパレータ１４によりＮ個のサンプル点でサンプリングされる場合、図３における正の信号成分をサンプリングしたＮ_Pサンプルが図４において１になる領域である。また、図３における負の信号成分をサンプリングしたＮ_Mサンプル及び信号の存在しないガード・インターバルをサンプリングしたＮ_Gが図４において０になる領域である。

一方、図５には、受信信号に熱雑音が含まれている場合に、受信フレームをＡ／Ｄ変換した例を示している。熱雑音はガウシアン分布に従うことから、信号成分を持っているＮ_p及びＮ_Mの領域は影響を受けにくいが、信号成分がないＮ_Gの領域では影響を受ける。図示の例では、Ｎ_GにおいてＮ_G／２個の１が出力されると想定している。

コンパレータ１４の出力はＮ並列のカウンタ１５に入力され、Ｎサンプル毎に１が出現する数が数えられる。例えば、図５に示すようにＬ（Ｌ＝４）フレーム分のカウントを行なった場合、その出力は図６に示すようになる。ここで、カウンタの出力の最大値はＬとなる。

次いで、Ｎ並列カウンタ１５の出力はタイミング検出部１６へ入力される。熱雑音が直接影響するＮ_Gの領域では、Ｎ並列カウンタ１５の出力はＬ／２、信号成分があるＮ_p及びＮ_Mの領域ではそれぞれＬ及び０となることが期待される。そこで、図６に示すように３Ｌ／４及びＬ／４という２つの閾値を設定し、カウンタ値が３Ｌ／４以上であれば１、Ｌ／４以下であれば−１、それ以外なら０と判定するようにする。これにより、図７に示すように、有効なフレームを認識し、受信タイミングの検出を行なうことができる。

図８には、本発明の他の実施形態に係る無線通信装置の構成を模式的に示している。この無線通信装置２０は、ＵＷＢ受信機として動作し、高速なオーバーサンプリングＡ／Ｄ変換器を備え、受信したＵＷＢ信号にデジタル処理を行なうことによって受信タイミングの検出を行なう。

図示の通り、無線通信装置２０は、アンテナ素子２１と、フィルタ２２と、ＬＮＡ２３と、Ａ／Ｄ変換器２４と、タイミング検出部２５で構成される。

アンテナ部は、１個以上のアンテナ素子２１と、フィルタ２２と、ＬＮＡ２３で構成される。無線通信装置は信号区間と無信号区間を検出する構成であることから、通信経路となるアンテナは特に限定されない。

Ａ／Ｄ変換器２４は、高速なサンプル・レートでオーバーサンプリングを行なうが、例えば、信号をデジタル信号化する１ビットＡ／Ｄ変換器と、Ｎサンプル毎に１が出現する数を並列して計数してフレーム単位で出力するＮ並列カウンタ（図２を参照のこと）で構成することができる。

Ａ／Ｄ変換器２４の出力は、タイミング検出部２５に入力されて、受信タイミングの検出が行なわれる。但し、このＡ／Ｄ変換出力はサンプル・レートの高いデジタル信号となるため、単純に既存のデジタルＣＤＭＡ受信機の方式では受信タイミングの検出を行なうことができない。そこで、本実施形態に係る無線通信装置２０では、図９に示すようにチップ・マッチドフィルタ２６とフレーム・マッチドフィルタ２７の２段のマッチドフィルタによりタイミング検出部２５を構成し、他のデジタル信号処理と同様のＤＳＰやＦＰＧＡを用いて受信タイミングの検出処理を行なえるようにしている。

前段のチップ・マッチドフィルタ２６は、入力されたデジタル受信信号に対して所定のテンプレート信号との相関を算出する。そして、この相関値が閾値を超えていれば正しい送信パルス信号が到来したと認識して、後段のフレーム・マッチドフィルタ２７へパルスの有無と何チップ分の受信タイミングがずれていたかを出力する。

また、後段のフレーム・マッチドフィルタ２７は、拡散符号との相関値をとることにより受信フレームの正誤判定を行なう。そして、受信フレームが正しいと判定された場合には最終的に受信タイミングを出力する。他方、受信フレームが誤っていると判定された場合には、パルスの検出がうまくいっていないと判断し、チップ・マッチドフィルタ２６に対し閾値を変更するようにフィードバックを行なう。

このように２つのマッチドフィルタ２６〜２７を備えるだけでタイミング検出回路の実装が容易であり、２段のチェックを行なうことによりタイミング検出精度の向上を期待できる。

続いて、図８に示した無線通信装置２０における受信タイミングの検出動作について、図１０〜図１３を参照しながら説明する。

送信機は拡散符号に従い、拡散符号が１の場合はパルスを送信し、それ以外の場合はパルスを送信しないものとする。図１０には、アンテナ部より出力された熱雑音が全くない場合に、受信機としての無線通信装置２０が受信するパルス信号の波形を示している。熱雑音が混ざった受信パルス信号をＡ／Ｄ変換すると、図１１に通りとなる。

チップ・マッチドフィルタ２６が使用するテンプレート信号は、図１２に示すように、理想的な受信パルス信号の正の信号を１、負の信号を−１、無信号を０とする。チップ・マッチドフィルタ２６が図１１に示したデジタル受信パルス信号波形と図１２に示したテンプレート波形の相関を取り、その相関値が所定の閾値αを越えたかどうかでパルスの有無を判定する。

図１３には、パルスの受信チップ位置を確認する様子を図解している。直言の受信フレームから推測したパルス位置ｄ_nから前後に有効なパルスが見つかるまでチップの検索を行なう。有効なパルスが見つかった場合、チップ・マッチドフィルタ２６は、受信フレーム信号が１であったことと、受信タイミングずれｄ_sを出力する。

次いで、フレーム・マッチドフィルタ２７は、受信フレーム信号と拡散符号の相関値を求めることにより、検出した受信フレーム情報が正しいかどうかを判定する。算出した相関値が拡散符号長となれば、受信フレーム情報は正しいと判断されるので、この場合は受信タイミングずれｄ_sを出力する。また、それ以外の場合は、受信フレーム情報の検出を誤っていると判定し、チップ・マッチドフィルタ２６に対して閾値αの変更をフィードバックする。これにより、有効なフレームを認識し、受信フレームの検出を行なう。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

図１は、本発明の一実施形態に係る無線通信装置のハードウェア構成を模式的に示した図である。 図２は、図１に示した無線通信装置１０内の並列カウンタ１５の構成を示した図である。 図３は、受信フレームの例を示した図である。 図４は、熱雑音がない場合の有効フレームの例を示した図である。 図５は、熱雑音がある場合の有向フレーム群の例を示した図である。 図６は、Ｎ並列カウンタの出力例を示した図である。 図７は、タイミング検出部１６で認識した有効フレームの例を示した図である。 図８は、本発明の他の実施形態に係る無線通信装置２０のハードウェア構成を模式的に示した図である。 図９は、図８に示した無線通信装置２０内のタイミング検出部２５の内部構成を示した図である。 図１０は、受信パルス波形を示した図である。 図１１は、デジタル受信パルス信号波形を示した図である。 図１２は、テンプレート波形を示した図である。 図１３は、パルス検出の様子を示した図である。 図１４は、ＵＷＢ通信を利用した測距システムの構成を模式的に示した図である。 図１５は、ＵＷＢ信号をアナログ処理することによって受信タイミング情報を検出するシステムの構成例を示した図である。 図１６は、受信信号の周波数をダウンコンバートしてからデジタル処理を行ない、受信タイミング情報を検出するシステムの構成例を示した図である。 図１７は、図１６に示したシステム内のタイミング検出回路の構成例を示した図である。 図１８は、受信信号をデジタル処理して受信タイミングを検出するシステムに関する他の従来例を示した図である。 図１９は、平均化フィルタの構成例を示した図である。

符号の説明

１０…無線通信装置（本発明の実施形態）
１１…アンテナ素子
１２…フィルタ
１３…ＬＮＡ
１４…コンパレータ
１５…Ｎ並列カウンタ
１６…タイミング検出部
２０…無線通信装置（本発明の他の実施形態）
２１…アンテナ素子
２２…フィルタ
２３…ＬＮＡ
２４…オーバーサンプリングＡ／Ｄ変換器
２５…タイミング検出部
２６…チップ・マッチドフィルタ
２７…フレーム・マッチドフィルタ

Claims (7)

1. 広帯域上にパルスを載せたＵＷＢ信号を受信する無線通信装置であって、
   ＵＷＢ信号を受信するアンテナ部と、
   前記アンテナ部による受信信号をデジタル信号化する１ビットＡ／Ｄ変換器と、
   Ｎサンプル毎に１が出現する数を並列して計数してフレーム単位で出力するＮ並列カウンタと（Ｎは１フレーム時間におけるサンプル数とする）、
   Ｎサンプル毎に計数された１の出現数に基づいてフレームの受信タイミングを検出するタイミング検出部と、
   を具備することを特徴とする無線通信装置。
2. 前記Ａ／Ｄ変換器の変換速度は使用する通信方式に基づいて決定される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 広帯域上にパルスを載せたＵＷＢ信号を受信する無線通信装置であって、
   ＵＷＢ信号を受信するアンテナ部と、
   前記アンテナ部による受信信号をオーバーサンプルによりデジタル信号化するオーバーサンプリングＡ／Ｄ変換器と、
   前記Ａ／Ｄ変換から出力されるデジタル信号に基づいて受信タイミングを検出するタイミング検出部と、
   を具備することを特徴とする無線通信装置。
4. 前記オーバーサンプリングＡ／Ｄ変換器は、信号をデジタル信号化する１ビットＡ／Ｄ変換器と、Ｎサンプル毎に１が出現する数を並列して計数してフレーム単位で出力するＮ並列カウンタで構成される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の無線通信装置。
5. 前記タイミング検出部は、チップ・マッチドフィルタとフレーム・マッチドフィルタの２段のマッチドフィルタにより構成される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の無線通信装置。
6. 前記チップ・マッチドフィルタは、入力されたデジタル受信信号に対して所定のテンプレート信号との相関を算出し、該相関値が閾値を超えていれば正しい送信パルス信号が到来したと認識して、前記フレーム・マッチドフィルタへパルスの有無と受信タイミングの検出結果を出力する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の無線通信装置。
7. 前記フレーム・マッチドフィルタは、拡散符号との相関値をとることにより受信フレームの正誤判定を行ない、受信フレームが正しいと判定された場合には最終的に受信タイミングを出力し、受信フレームが誤っていると判定された場合には、前記チップ・マッチドフィルタに対し前記閾値の変更を指示する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信装置。
   

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