JP2007251486A - 無線通信装置および無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＯＯＫ変調方式により通信を行なうに際し、グリッチの発生を効果的に抑圧して送信信号における周波数スペクトラムのピーク値を低減し、周波数スペクトラムの平坦化を図ることにより、１ＭＨｚあたりの周波数スペクトラムのピーク値で送信電力が規制されるＵＷＢ通信において、規制の枠内で送信電力を十分に高く設定でき、良好な通信を行なうことができる無線通信装置および無線通信方法を提供する。
【解決手段】送信側における送信対象とするデータを担う送信ビットパターン信号をＯＯＫ変調するに際し、該ＯＯＫ変調における搬送波に対し実質的に０°／１８０°の位相変調をかける。
【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は、ＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）変調の一種であるＯＯＫ（On/Off Keying）変調方式により通信を行なう無線通信装置および無線通信方法に関し、特
に、グリッチの発生を効果的に抑圧して送信信号における周波数スペクトラムのピーク値を低減し、周波数スペクトラムの平坦化を図ることのできる無線通信装置および無線通信方法に関する。

ＵＷＢ（Ultra-Wide Band）のパルス通信は、低消費電力な近距離無線通信を実現する
ことができる。ＵＷＢ通信では、１ＭＨｚあたりの周波数スペクトラムのピーク値で送信電力が規制されるため、なるべく平坦な周波数スペクトラムを実現することが望ましい。
ＯＯＫ変調などを用いたＵＷＢパルス通信に関して、種々の提案がなされ、提案の中では一般的な技術解説も詳細になされている（例えば特許文献１参照）。

例えば特許文献１では次のように説明されている。即ち、使用された信号規約に応じて、パルスが発生されてバイナリ１を表し、パルスが信号内に存在しないためにバイナリ０を表すか、またはパルスが発生されてバイナリ０を表し、パルスが信号内に存在しないためにバイナリ１を表す。ＵＷＢシグナリングのパルス幅特性は、持続時間が非常に短い（ほとんどの符号化方式に対して）。典型的には、パルス幅は、１０ピコ秒〜数ナノ秒の範囲にある。結果として生じた伝送は、使用されたパルス幅に応じてＤＣ〜数ＧＨｚまでの広帯域を占有する。典型的な伝送では、擬似ランダムコードに基づく時間ホッピング技術を信号に適用することにより、伝送された信号のスペクトルがノイズとして現れることが一般的である。オンオフキーイング方式に従って、「１」ビットまたは「０」ビットが、シンボル伝送間隔内部の特定の場所においてパルスが存在するかまたはしないかによって表される、と解説されている。

更に、受信信号がチャンネルノイズによって破壊され、受信されたパルス波形は無関係なパルスを同様に含む可能性があるといった問題に対応すべく、情報波形のデータレートと同期化されたパルスウインドウの列を生成するように構成し、これらのウインドウは情報を表すオンオフパルスが配置されることが予想される間隔で同期化され、受信されたパルス波形をゲート制御するためにゲート信号として作用することにより、情報を含む場所において存在するこれらのパルスのみが通過することを可能にする。即ち、パルス検出波形を含むパルスは、情報波形を生成するために使用された特定の符号化技術（この場合オンオフキーイング変調技術）のタイミング方式で同期化されるように、それに従って間隔が開けられ、この結果生じたゲート信号は、情報波形に含まれたパルスに対応するパルスの群を含むようにする趣旨の開示がなされている。

また一方、発振器により変調されたＵＷＢパルスと、ＯＫＫ（On/Off Keying）変調な
どを組み合わせた通信方式が提案されている。この提案では、送信データにあたるパルス発生器に疑似ランダム波形を発生させることでスペクトラムピーク値を低減させ、秘匿性を高める提案を行っている（例えば特許文献２参照）。

他方、ＤＳ−ＢＰＳＫ変調において拡散系列を乗じることで、スペクトラムピーク値の低減を図ることが提案されている（例えば特許文献３参照）。この提案では、拡散系列発生部より出力する拡散系列と送信データを乗算器２で乗算してＤＳ−ＢＰＳＫ（Direct Sequence-Binary Phase Shift Keying）変調を行い、この場合の拡散系列１周期を送信デ
ータ１シンボル周期に同期させておき、乗算器の出力とパルス発生部の出力を乗算器で乗
算する際のパルス系列は拡散系列に同期させておき、ＰＡ（Power Amplifier）により乗
算器の出力電力を増幅し、ＢＰＦにおいてＰＡの出力の所要信号周波数帯域外の不要電波を除去し、その出力をアンテナにより空中に放射させるというものである。この場合、変調はＤＳ−ＢＰＳＫである為、ＰＰＭ変調−時間拡散のような高精度なパルス制御を必要としないとされている。
特表２００４−５２８７７６号公報（段落００３５〜段落００４０、図５） 特表２００５−５１７３５５号公報（段落００１５〜段落００２０、図２） 特開２００５−２７７６４２号公報（段落００２９〜段落００３０、図１）

しかしながら、上述した特許文献１では、スペクトラムのピークを低減するといった課題認識がされておらず、従って、そのための手法については何等提案されていない。
また一方、特許文献２における対案のように、発生パルスのＯＮ／ＯＦＦを疑似ランダム化するだけでは十分なピーク値の低減は望めない。
更に、特許文献３では、ＯＯＫ変調方式については全く検討がなされていない。

本発明は叙上のような状況に鑑みてなされたものであり、ＯＯＫ変調方式により通信を行なうに際し、グリッチの発生を効果的に抑圧して送信信号における周波数スペクトラムのピーク値を低減し、周波数スペクトラムの平坦化を図ることにより、１ＭＨｚあたりの周波数スペクトラムのピーク値で送信電力が規制されるＵＷＢ通信において、規制の枠内で送信電力を十分に高く設定でき、良好な通信を行なうことができる無線通信装置および無線通信方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するべく、本願では次に列記するような技術を提案する。
（１）送信側における送信対象とするデータを担う送信ビットパターン信号に対応したＯＯＫ変調信号を得るＯＯＫ変調部と、前記ＯＯＫ変調部における搬送波に対しその位相を実質的に０°／１８０°間でシフトするように位相変調をかける位相変調部とを含んで構成されたことを特徴とする無線通信装置。

上記（１）の無線通信装置では、送信側において送信対象とするデータを担う送信ビットパターン信号をＯＯＫ変調部でＯＯＫ変調して送出するに際して、ＯＯＫ変調のかかった搬送波に対し位相変調部でその位相を実質的に０°／１８０°間でシフトするように位相変調をかけることによりグリッチが十分に抑圧された変調波が得られ、送信信号における周波数スペクトラムのピーク値が低減して周波数スペクトラムの平坦化が図られることにより、１ＭＨｚあたりの周波数スペクトラムのピーク値で送信電力が規制されるＵＷＢ通信において、規制の枠内で送信電力を十分に高く設定でき、安定した良好な通信を行なうことができる。

（２）前記ＯＯＫ変調部は、当該送信ビットパターン信号の到来に同期し搬送波の所定の発現時間区間に相応する幅のパルスを発生するパルス発生器と、前記パルス発生器の出力が発現している時間区間に対応して発振回路が発振し搬送波を生成するパルス変調器とを含んで構成され、前記位相変調部は、当該送信ビットパターン信号に応答して作動し前記パルス変調器で生成される搬送波に対して実質的に０°／１８０°の位相変調をかけるＰＮパターン発生器と含んで構成されていることを特徴とする（１）の無線通信装置。

上記（２）の無線通信装置では、（１）の無線通信装置において特に、当該送信ビットパターン信号の到来に同期し搬送波の所定の発現時間区間に相応する幅をもってパルス発生器から出力されるパルスに対応して形成されるＯＯＫ変調のかかった搬送波に対し、ＰＮパターン発生器によって実質的に０°／１８０°の位相変調をかけることによって、グリッチが十分に抑圧された変調波が得られる。

（３）送信側における送信対象とするデータを担う送信ビットパターン信号をＯＯＫ変調するに際し、該ＯＯＫ変調における搬送波に対し実質的に０°／１８０°の位相変調をかけることを特徴とする無線通信方法。
上記（３）の無線通信方法では、送信ビットパターン信号をＯＯＫ変調するに際し、該ＯＯＫ変調における搬送波に対し実質的に０°／１８０°の位相変調をかけることによって、送信信号における周波数スペクトラムのピーク値が低減して周波数スペクトラムの平坦化が図られることにより、１ＭＨｚあたりの周波数スペクトラムのピーク値で送信電力が規制されるＵＷＢ通信において、規制の枠内で送信電力を十分に高く設定でき、安定した良好な通信を行なうことができる。

（４）前記ＯＯＫ変調における搬送波に対して送信ビットパターン信号に応答して作動するＰＮパターン発生器によって実質的に０°／１８０°の位相変調をかけることを特徴とする（３）の無線通信方法。
上記（４）の無線通信方法では、（３）の無線通信方法において特に、ＯＯＫ変調における搬送波に対して送信ビットパターン信号に応答して作動するＰＮパターン発生器によって実質的に０°／１８０°の位相変調がかけられる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。尚、以下に参照する図においては、便宜上、説明の主題となる要部は適宜誇張し、要部以外については適宜簡略化し乃至省略されている。
図１は、本発明の実施の形態としての通信装置を含む通信システムを表す図である。また、図２は図１のシステムにおける通信装置としての送信機、および、これに対応する受信機の各部における信号のタイミング図である。図２においてＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５，Ｃ１，Ｃ２，Ｅ６，Ｅ７と表記された波形図が、以下に図１を参照して説明する該当各部に発現する信号を表すものである。

図１の通信システム１０は、送信機１００と受信機２００を含んで構成される。
送信機１００は本発明の通信装置の一つの実施の形態としての構成を備える。この送信機１００には送信側における送信対象とするデータを担う送信ビットパターン信号Ｅ１が図２にＥ１と表記して示されたようにＲＺ（Return-to-Zero）符号として供給され、送信機１００の構成要素をなすパルス発生器１１０に入力される。パルス発生器１１０は一方の入力端に送信ビットパターン信号Ｅ１が供給されるように配されたＡＮＤ回路１１１と、このＡＮＤ回路１１１の他方の入力端に付加されたインバータ１１２に送信ビットパターン信号Ｅ１に一定の遅延を与えた信号を供給する遅延素子１１３とを含んで構成される。

パルス発生器１１０は、ＲＺ符号として供給される送信ビットパターン信号Ｅ１の到来（送信ビットパターン信号Ｅ１の立ち上がり）に同期し搬送波の所定の発現時間区間に相応する幅のパルスＥ２を発生するものであり、その出力（即ち、ＡＮＤ回路１１１の出力端からの出力）Ｅ２は、次段のパルス変調器１２０に供給される。
このパルス変調器１２０は、複数の（図示の例では２つの）インバータ１２１が縦続接続された最後段のインバータの出力がＡＮＤ−ＯＲゲート１２２を介して初段のインバータの入力に帰還されるように接続されてなるリング発振回路部１２３が、上記ＡＮＤ−Ｏ
Ｒゲート１２２を構成する２つのＡＮＤ回路の一方のものの一の入力端と他方のものの一の入力端（インバータが付加されている）とに共通に設定された入力端に供給されるパルス発生器１１０の出力Ｅ２が「Ｈ」の時間区間に対応して高周波の発振出力を発生し出力するように構成されている。即ち、パルス変調器１２０はパルス発生器１１０の出力が発現している時間区間に対応して発振回路が発振し搬送波を生成する。

以上より理解されるとおり、パルス発生器１１０とパルス変調器１２０は、送信側における送信対象とするデータを担う送信ビットパターン信号に対応して搬送波の時間軸上での搬送波の発現状況が変化するＯＯＫ変調信号を得るＯＯＫ変調部を構成している。
一方、上記ＡＮＤ−ＯＲゲート１２２を構成する２つのＡＮＤ回路のうちの他方のものの他の入力端には、既述の信号Ｅ１を自己の入力クロック信号として該入力クロック信号の立上がりエッジに同期して（即ち、送信ビットパターンそのものを源クロックとして）ＰＮパターン信号Ｅ３を生成するＰＮパターン発生器１３０が設けられている。

このＰＮパターン発生器１３０から出力されるＰＮパターン信号Ｅ３がパルス変調器１２０に供給されることによって、ＯＯＫ変調信号（リング発振回路部１２３の出力である高周波がパルス発生器１１０の出力Ｅ２でＯＯＫ変調されてなる出力）たる上記ＡＮＤ−ＯＲゲート１２２の出力Ｅ４は、その位相が実質的に０°／１８０°間でシフトするように位相変調をかけられて出力される。このＯＯＫ変調信号Ｅ４がＢＰＦ（Band Pass Filter）１４０を通して、アンテナ１５０から放射される。

以上より理解されるとおり、ＰＮパターン発生器１３０と、そこから出力されるＰＮパターン信号Ｅ３を受けて上記ＡＮＤ−ＯＲゲート１２２の出力Ｅ４に対しその位相が実質的に０°／１８０°間でシフトするように位相変調をかける構成部が、上述のＯＯＫ変調部における搬送波に対しその位相を実質的に０°／１８０°間でシフトするように位相変調をかける位相変調部を構成している。

パルス変調器１２０では、ＰＮパターン信号Ｅ３の値に応じて、パルス変調出力が停止したときの出力のＨレベルまたはＬレベルが変化する。換言すれば、リング発振回路部１２３が発振を停止する際にＨまたはＬのどちらの信号レベルで終わるのかがＰＮパターン信号Ｅ３によって決められるということである。
この場合、ＰＮパターン信号Ｅ３の変化はパルス発生器１１０の出力がＨレベルの間はＡＮＤ−ＯＲゲートによってマスクされているため、パルス発生器１１０の出力がＨレベルの間に完了していればよい。そのため、信号の配線遅延などに起因するレーシングをに対して考慮する必要がなく、タイミングに対する要求精度が緩和できる。

図３はＯＯＫ変調信号Ｅ４（その搬送波）に関して位相変調がかけられる様子を表すタイミング図である。パルス変調出力がＨレベルもしくはＬレベルで停止している状態において、次の変調パルス出力がどのようになっているかが表されている。
それぞれの変調パルス出力は互いに反転しており、これにより０°位相、１８０°位相を生成できていることが判る。尚、パルス変調出力の停止状態レベルは低周波成分なので、ＢＰＦ（Band Pass Filter）１４０を経てアンテナ１５０から放射される段階ではこの位相の如何はパルスが担う情報とは無関係となる。

他方、図示の構成の他に、０°位相のパルス変調出力から反転／非反転出力を生成し、ＢＰＦ１４０の直前で選択切換えするという構成も考えられる。パルスとパルスの合間の比較的時間余裕のあるタイミングで反転／非反転を切り替えすると、その微分成分がアンテナから送信されてしまうことになり、不要輻射の増大や同期追従誤動作への要因となる虞がある。また、パルスの送信開始直前に反転／非反転を切り替えることは、直後に続くパルスに不用意な高調波を与えることになり、パルス波形や位相を所望の形に保つことは
難しいという課題がある。さらに、パルスの送信終了直後に切り替えることはタイミング制御が難しいという課題が残る。

アンテナ１５０から放射された電波は受信機２００のアンテナ２１０で受けられ、ＢＰＦ（Band Pass Filter）２２０を通して得られたＯＯＫ変調された信号Ｅ５がＬＮＡ（Low Noise Amplifier）２３０で増幅されてダイオード２４０で検波され信号Ｅ６が得られ
る。
検波された信号Ｅ６は積分器２５０で積分されて積分器出力Ｅ７が得られ、この積分器出力Ｅ７が、基準入力端に基準信号発生回路２６１（Vrefと表記）からの基準信号が印加されたコンパレータ２６０で比較された結果として送信側における送信対象とするデータたる元の信号が復元される。

尚、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）２３０および積分器２５０には、受信タイミング
制御部２７０からの各タイミング信号Ｃ１およびＣ２がそれぞれ供給されて、アンテナ２３０への受信パルスが到来する（と予測される）タイミングでその時間区間のみ作動するように制御されて無駄な電力消費が抑制されるように構成されている。
即ち、この受信機２００では、受信パルスの位相に関わらずパルスの「有り」「無し」によって１／０判定を行うことにより、回路を簡素化できるため、小型、低消費電力、低コストが実現可能となる。また、パルス位置ホッピング等によるスペクトラム拡散を用いていないため、パルスの受信時間位置は常に一定である。このため、高速に同期捕捉が可能となる。同様にパルス受信が予測される時間区間のみＬＮＡ２３０や積分器２５０を稼動させるように制御することが容易に可能となり、適切な低消費電力化が図られ得る。

以上説明した本発明の通信装置（送信機１００）においては、グリッチが十分に抑圧された変調波が得られ、送信信号における周波数スペクトラムのピーク値が低減して周波数スペクトラムの平坦化が図られることにより、１ＭＨｚあたりの周波数スペクトラムのピーク値で送信電力が規制されるＵＷＢ通信において、規制の枠内で送信電力を十分に高く設定でき、安定した良好な通信を行なうことができる。

これは、本発明では特に、ＯＯＫ変調のかかった搬送波に対し位相変調部でその位相を実質的に０°／１８０°間でシフトするように位相変調をかけることにより搬送波におけるグリッチが十分に抑圧されることによる効果である。この効果が他の構成を採った場合と比較して如何に顕著なものであるかを、本発明とは異なる種々の変調を行なった場合のシミュレーション結果との比較によって、以下に図面を参照して明らかにする。

図４は、ＯＯＫ変調信号の搬送波に対しパルス位置ホッピングをかけた場合の搬送波の周波数スペクトラムを表す図である。この例では、ビットシンボル時間を１６分割しそのうち前半の８分割のタイミングにおいてランダムにパルスを発生させ、かつそのパルスのＯＮ／ＯＦＦを制御することでＯＯＫ変調をかけたものである。毎回パルスの時間位置が変動するためシステムとして複雑になりながらも、本発明方式と比べて６．４ｄＢ大きいピークが現れる（次の、図５（ｊ）を併せ参照）。

図５は、ＯＯＫ変調信号の搬送波に対し種々の位相変調をかけた場合の搬送波におけるグリッチの発生の状況をシミュレーションした結果を比較して表す図である。（ａ），（ｃ），（ｅ），（ｇ），は夫々位相を０°／０°，０°／６０°，０°／１２０°，０°／１５０°の変調をかけた場合の搬送波の波形図であり、（ｉ）は本発明における０°／１８０°の変調を行なった場合の搬送波の波形図である。これら各図の右隣に配された（ｂ），（ｄ），（ｆ），（ｈ），はこれらに対応する周波数スペクトラムを表す図であり、（ｊ）は本発明における場合の周波数スペクトラムを表す図である。

図５の各例においては、中心周波数は８ＧＨｚとし、パルスの周波数帯域幅は約２ＧＨｚである。図５（ａ），（ｂ）の例は０°／０°、即ち、送信ビットデータそのものをＰＮパターンで疑似乱数化しただけで、位相拡散（位相変調）を施していない場合である。図５（ｉ），（ｊ）の本発明のように０°／１８０°位相拡散（位相変調）を施すことによって、それによるグリッチ抑圧の効果が１４ｄＢ以上得られていることが判る。図５のその他の各例では、図５（ｃ），（ｄ）のように０°／６０°位相拡散（位相変調）する例、および、図５（ｅ），（ｆ）のように０°／１２０°位相拡散（位相変調）する例までは、位相拡散（位相変調）することによる効果は余り認められず、図５（ｇ），（ｈ）のように０°／１５０°位相拡散（位相変調）でも未だグリッチの尖頭は高くそのピークの抑圧は十分ではなく、本発明のように０°／１８０°位相拡散（位相変調）することによって顕著な効果が現れることが判読される。

以上のとおり、本発明によれば、スペクトラムのピーク値を低減でき、ピーク低減により規制の範囲内で送信電力を上げることができ、変調パルス発生器により誤パルスの発生を抑えながら０°／１８０°位相変調ができる。
また、本提案の変調パルス発生器を用いた通信装置をＢＰＳＫ変調データ通信そのものに適用できる。

本発明の実施の形態としての通信装置を含む通信システムを表す図である。 図１のシステムにおける通信装置としての送信機、および、これに対応する受信機の各部における信号のタイミング図である。 ＯＯＫ変調信号（その搬送波）に関して位相変調がかけられる様子を表すタイミング図である。 ＯＯＫ変調信号の搬送波に対しパルス位置ホッピングをかけた場合の搬送波の周波数スペクトラムを表す図である。 ＯＯＫ変調信号の搬送波に対し種々の位相変調をかけた場合の搬送波におけるグリッチの発生の状況をシミュレーションした結果を比較して表す図である。

符号の説明

１００…送信機 １１０…パルス発生器 １１１…ＡＮＤ回路 １１２…インバータ １１３…遅延素子 １２０…パルス変調器 １２１…インバータ １２２…ＡＮＤ−ＯＲゲート １２３…リング発振回路部 １３０…ＰＮパターン発生器 １４０…ＢＰＦ １５０…アンテナ ２００…受信機 ２１０…アンテナ ２２０…ＢＰＦ ２３０…ＬＮＡ ２４０…ダイオード ２５０…積分器 ２６０…コンパレータ ２６１…基準信号発生回路 ２７０…受信タイミング制御部

Claims (4)

1. 送信側における送信対象とするデータを担う送信ビットパターン信号に対応したＯＯＫ変調信号を得るＯＯＫ変調部と、前記ＯＯＫ変調部における搬送波に対しその位相を実質的に０°／１８０°間でシフトするように位相変調をかける位相変調部とを含んで構成されたことを特徴とする無線通信装置。
2. 前記ＯＯＫ変調部は、当該送信ビットパターン信号の到来に同期し搬送波の所定の発現時間区間に相応する幅のパルスを発生するパルス発生器と、前記パルス発生器の出力が発現している時間区間に対応して発振回路が発振し搬送波を生成するパルス変調器とを含んで構成され、前記位相変調部は、当該送信ビットパターン信号に応答して作動し前記パルス変調器で生成される搬送波に対して実質的に０°／１８０°の位相変調をかけるＰＮパターン発生器と含んで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 送信側における送信対象とするデータを担う送信ビットパターン信号をＯＯＫ変調するに際し、該ＯＯＫ変調における搬送波に対し実質的に０°／１８０°の位相変調をかけることを特徴とする無線通信方法。
4. 前記ＯＯＫ変調における搬送波に対して送信ビットパターン信号に応答して作動するＰＮパターン発生器によって実質的に０°／１８０°の位相変調をかけることを特徴とする請求項３に記載の無線通信方法。

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