JP2010171859A - 無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な回路構成で、高いデータ伝送速度を維持しつつ、電力スペクトル密度を低減可能なSWBの無線通信装置を提供する。
【解決手段】無線通信装置１００は、周辺装置と接続して通信を行うためのユーザーインターフェース部１０１を備えており、これに送信部１０２と受信部１０３が接続されている。ユーザーインターフェース部１０１を介して周辺装置から入力した送信データ１０は、送信部１０２で高周波信号１４に変換されて所定の送信アンテナから送信される。また、所定の受信アンテナで受信された受信信号２０は、受信部１０３で受信データ２５に変換され、ユーザーインターフェース部１０１を介して周辺装置に出力される。周辺装置として、例えば無線通信装置１００とは別の通信方式を用いている通信端末や記録媒体、医療用センサー等がある。
【選択図】図１

Description

本発明は、超広帯域を利用して短距離通信を行うUWB（Ultra Wideband）の無線通信装置の技術分野に関するものである。

数百MHz以上の広い帯域で、単位周波数当りの電力を低減して近距離通信を行うUWBといわれる技術が、PAN（Personal Area Network）において普及し始めている。周辺装置との通信や車載レーダーなどにも使用されているが、特に、医療、福祉、健康用途の情報通信技術（医療ICT：Medical Information and Communication Technology）として、BAN（Body Area Network）と呼ばれる人体周辺領域で無線通信を行う近距離無線ネットワークへの適用が期待されている。

BANで求められる性能の特徴として、近距離通信、低消費電力、高速、高信頼などが挙げられる。BANに最も適した無線通信方式の一つとして、広帯域インパルス無線通信（Ultra Wideband Impulse Radio : UWB-IR）が着目されている。特許文献１はUWB-IRの一例である。また、特許文献２は、医療用のセンサをUWB-IRを用いてネットワーク接続する技術について開示している。非特許文献１はUWB-IRを用いた測距技術が主題であるが、医療ICTへの応用についても言及されている。

特開２００６−１８６７６１号公報 特開２００８−５０２４０４号公報

「ボディエリアネットワーク向けUWB無線通信技術と応用」、宮崎祐行、Microwave Workshops and Exhibition 2007、Microwave Workshop digest p.383-p.386 （2007年11月刊行）

従来のUWB-IRを用いた通信方式では、利用する周波数帯域が高々1GHz程度であった。これに対し、医療ICTに適用するには、他装置との干渉による誤作動を防止するために、単位周波数当りの電力(電力スペクトル密度)をさらに低減することが求められる。また、利用できる電波の周波数はすでに逼迫して新たに周波数を割り当てるのが困難になっており、既に規格化されている他方式の通信装置と干渉させないという観点からも、電力スペクトル密度の低減が必要となっている。電力スペクトル密度を低減させるには、パルスの間隔を広くすればよい。しかし、その分データ伝送速度が低下することになり、高速なデータ伝送が困難になる。また、医療ICTに適用する場合には、主に携帯端末としての使用が想定されるので、バッテリーの消耗を抑えるためにも、ある程度高速で短時間で通信を行えることが必要である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡素な回路構成で、高いデータ伝送速度を維持しつつ、電力スペクトル密度を低減可能な超広帯域UWB(Super Wideband。以下、SWBという。)の無線通信装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の無線通信装置は、周辺装置とのデータ入出力を行うユーザーインターフェースと、前記ユーザーインターフェースから入力したデータをパケットデータに変換するデータ/パケット変換部と、前記データ/パケット変換部から入力した前記パケットデータをパルス変調されたパルス信号に変換するパルス変換部と、前記パルス変換部から入力した前記パルス信号の各パルスを複数の広帯域インパルスからなる広帯域インパルス列に変換するインパルス変換部と、前記インパルス変換部から入力した前記広帯域インパルス列を高周波信号にアップコンバートする無線変調部と、前記高周波信号を通信相手に向けて無線信号として放射する送信アンテナと、前記通信相手からの無線信号を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナで受信した高周波信号をベースバンドのインパルス列に復調する無線復調部と、前記無線復調部から前記ベースバンドのインパルス列を入力して主に低周波帯域の成分を通過させる低域通過フィルタと、前記低域通過フィルタの出力信号を入力して所定の閾値と比較することによりパルスの有無を判定するパルス判定部と、前記パルス判定部でパルス有りと判定されると所定のパルス幅のパルスを復調し、該パルスからパケットデータを復元するパケット復元部と、前記パケット復元部から入力した前記パケットデータからデータを取り出し前記ユーザーインターフェースに出力するパケット/データ変換部と、前記データ/パケット変換部、前記パルス変換部、前記インパルス変換部、前記無線変調部、前記無線復調部、前記パルス判定部、前記パケット復元部、及び前記パケット/データ変換部を制御する制御部とを有することを特徴とする。

上記構成の本発明では、周辺装置から入力されたデータをパケット化し、これをパルス変調した後に各パルスを複数の広帯域インパルスからなる広帯域インパルス列に変換して送信している。また、受信側ではベースバンドのインパルス信号を復調後、低域通過フィルタを経て所定の閾値と比較することにより簡便にパルスの有無を判定することができる。このため、電力密度スペクトル密度の低減された超広帯域化された無線信号を用いて通信ができる。さらに、パルスの間隔を広げることなく通信ができるのでデータ伝送速度が低下しない。

また、第２の発明は、前記パルス変換部は、前記データ/パケット変換部から入力した前記パケットデータに対してパルス間隔変調を行い、前記パルス信号を出力することを特徴とする。上記構成の第２の発明によれば、パルス間隔にデータを変調させることができる。

また、第３の発明は、前記パケット復元部は、前記パルス判定部からパルス有りの判定結果を入力すると、前記パルス判定部で検出された前記パルスを所定の時間保持した保持パルスを出力するパルス検出部と、前記保持パルスのパルス間隔計測を行うパルス間隔計測部と、前記パルス間隔計測部で計測したパルス間隔の値からデータの復元を行うデータ復調部とを有することを特徴とする。
上記構成の第３の発明によれば、前記復調されたベースバンドのインパルス信号からパケットデータを復元するとともに、前記パルス間隔変調された信号を長期間に亘り高精度な同期を必要とせずに受信することができる。

また、第４の発明は、前記インパルス変換部は、前記パルス変換部から入力した前記パルス信号の各パルスに対し尖頭形の複数の広帯域パルスからなる広帯域パルス列を出力する広帯域パルス変換部と、前記尖頭形の複数の広帯域パルスと所定の閾値とを比較して前記尖頭形の広帯域パルスが前記所定の閾値を超える期間のみHIGH出力を出力することによりインパルス列を出力する高速コンパレータ部と、前記高速コンパレータ部から入力した前記インパルス列のスペクトルのうち低周波成分を抑制してスペクトルを平坦化することで前記広帯域インパルス列に変換するスペクトル調整部とを有することを特徴とする。
上記構成の第４の発明によれば、前記広帯域パルス変換部、前記高速コンパレータ部、前記スペクトル調整部という簡易な構成で、前記パルス変換部出力を広帯域インパルス列に変換することができる。

また、第５の発明は、前記無線復調部は、包絡線検波部を有することを特徴とする。上記構成の第５の発明によれば、前記包絡線検波部によって前記高周波信号をベースバンドのインパルス信号に復調することができる。

また、第６の発明は、前記無線変調部は、連続波を出力する発振器と、前記広帯域インパルス列と前記連続波を入力して前記広帯域インパルス列を前記連続波の周波数帯域にアップコンバートするミキサーと、前記ミキサーからの出力を入力して増幅する高周波増幅器とを有し、前記制御部は前記広帯域インパルス列が前記無線変調部を通過する時間を含む所定の時間だけ前記高周波増幅器の電源をオンに制御することを特徴とする。
上記構成の第６の発明によれば、前記ミキサーにより高周波信号にアップコンバートされたインパルス列が通過する時間を含む所定の時間だけ前記高周波増幅器の電源をオンにするため、常に電源をオンとしておく場合よりも消費電力を低減することができる。

また、第７の発明は、前記発振器と前記ミキサー間に前記連続波をオン／オフする高周波スイッチを有し、前記制御部は前記広帯域インパルス列が前記ミキサーに送信される時間を含む所定の時間だけ前記高周波スイッチをオンにすることを特徴とする。
上記構成の第７発明によれば、前記発振器出力を前記高周波スイッチでオフにすることにより、前記広帯域インパルス列が送信されていない間のキャリアリークを低減でき、他システムへ干渉を与えないようにすることができる。

また、第８の発明は、前記制御部は、送信動作時は前記無線復調部、前記パルス判定部、前記パケット復元部、前記パケット/データ変換部からなる受信系の電源をオフとし、受信動作時は前記データ/パケット変換部、前記パルス変換部、前記インパルス変換部、前記無線変調部からなる送信系の電源をオフとすることを特徴とする。
上記構成の第８の発明によれば、送信中は使用しない前記受信系を、受信中は使用しない前記送信系をそれぞれ電源オフにすることによって、消費電力を低減することができる。

また、第９の発明は、前記制御部は、前記インパルス変換部が前記パルス変換部から入力した前記パルス信号に対して前記尖頭形の複数の広帯域パルス列を出力するタイミングを制御信号でランダムに変更できることを特徴とする。
上記構成の第９の発明によれば、尖頭形パルスの時間的な位置をランダム化することで占有周波数帯の電力スペクトル密度を低減することができる。

また、第１０の発明は、前記送信アンテナと前記受信アンテナとは共通の無線アンテナであり、前記制御部からの制御信号で前記無線アンテナを前記無線変調部または前記無線復調部に切り替え接続する送受信切り替えスイッチを有することを特徴とする。
上記構成の第１０発明によれば、前記無線通信装置のアンテナを前記送受信アンテナ一つで構成できるため、前記無線通信装置を小型化・低コスト化することができる。

本発明によれば、簡素な回路構成で、高いデータ伝送速度を維持しつつ、電力スペクトル密度を低減可能なSWBの無線通信装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る無線通信装置の構成を示すブロック図である。 送信データをパケットデータに変換する方法を説明するための説明図である。 パケットデータをＰＩＭ変調する方法を説明するための説明図である。 パケットデータをＰＩＭ変調する別の方法を説明するための説明図である。 インパルス変換部の構成を示すブロック図である。 インパルス変換部において、パルス信号から広帯域インパルス列に変換されるまでの信号処理過程を示す説明図である。 インパルス変換部において形成される尖頭形パルスのスペクトルを示す図である。 無線変調部の構成を示すブロック図である。 広帯域インパルス列および制御部から出力される制御信号を示す図である。 無線変調部から出力される高周波信号の一例を示す図である。 無線復調部の構成を示すブロック図である。 無線復調部、低域通過フィルタ及びパルス判定部から出力される信号の一例を示す図である。 パケット復元部の構成を示すブロック図である。 送信部及び受信部の各機器への電源供給のタイミングを示す図である。 本発明の無線通信装置の使用例を示す説明図である。 マスター装置とスレーブ装置との間の通信手順を示す説明図である。

（第１の実施形態）
本発明の好ましい実施の形態における無線通信装置について、図面を参照して詳細に説明する。同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

本発明の第１の実施形態に係る無線通信装置の構成を、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の無線通信装置１００の構成を示すブロック図である。無線通信装置１００は、周辺装置と接続して通信を行うためのユーザーインターフェース部１０１を備えており、これに送信部１０２と受信部１０３が接続されている。ユーザーインターフェース部１０１を介して周辺装置から入力した送信データ１０は、送信部１０２でSWBの高周波信号１４に変換されて送信アンテナから送信される。また、受信アンテナで受信されたSWBの受信信号２０は、受信部１０３で受信データ２５に変換され、ユーザーインターフェース部１０１を介して周辺装置に出力される。周辺装置として、例えば本実施形態の無線通信装置１００とは別の通信方式を用いている通信端末や記録媒体、医療用センサー等があり、ユーザーインターフェース部１０１は、これらの周辺装置とデータのやりとりを行う。

送信部１０２は、送信データ１０を入力してパケットデータ１１に変換するデータ／パケット変換部１１０と、データ／パケット変換部１１０からパケットデータ１１を入力しSWB無線通信に好適なパルス変調を行ってパルス信号１２に変換するパルス変換部１２０と、パルス変換部１２０からパルス信号１２を入力してパルス毎に複数の広帯域インパルスからなる広帯域インパルス列１３に変換するインパルス変換部１３０と、インパルス変換部１３０から広帯域インパルス列１３を入力して高周波信号１４にアップコンバートする無線変調部１４０と、を備えている。無線変調部１４０から出力される高周波信号１４は、送信アンテナから通信相手に送信される。

また、受信部１０３は、受信アンテナで受信したSWBの受信信号２０を入力して高周波信号を検波し、これをベースバンドのインパルス列２１に復調する無線復調部１５０と、無線復調部１５０からインパルス列２１を入力して通過信号２２を出力する低域通過フィルタ１６０と、低域通過フィルタ１６０から通過信号２２を入力して所定の閾値と比較することによりパルスの有無を判定するパルス判定部１７０と、パルス有無の判定に基づきパルス判定部１７０から出力されるパルス信号２３を入力してパケットデータ２４を復元するパケット復元部１８０と、パケット復元部１８０で復元されたパケットデータ２４を入力して受信データ２５に変換するパケット／データ変換部１９０と、を備えている。パケット／データ変換部１９０から出力される受信データ２５は、ユーザーインターフェース１０１に出力され、さらに周辺装置に出力される。

本実施形態の無線通信装置１００は、送信アンテナ及び受信アンテナとして、送受信共用の無線アンテナ１０４を備えており、無線アンテナ１０４を送信アンテナとして用いるときは無線変調部１４０に接続する一方、受信アンテナとして用いるときは無線復調部１５０に接続するための送受信切り替えスイッチ１０５を有している。無線アンテナ１０４は、SWBの高周波信号を通信相手に向けて放射するとともに、通信相手からSWBの高周波信号を受信するのに好適なアンテナである。送受信切り替えスイッチ１０５を送受信に対応して切り替える制御は、制御部１０６で行われる。制御部１０６は、送受信切り替えスイッチ１０５の制御に加えて、データ/パケット変換部１１０、パルス変換部１２０、インパルス変換部１３０、無線変調部１４０、無線復調部１５０、パルス判定部１７０、パケット復元部１８０、及びパケット/データ変換部１９０を制御している。

次に、データ／パケット変換部１１０における処理を、図２を用いて説明する。図２は、送信データ１０をパケットデータ１１に変換する方法を説明するための説明図である。SWB無線通信では１Mbps以上の伝送速度で高速通信が行われるのに対し、ユーザーインターフェース１０１と周辺装置との間では、１Mbpsより遅い伝送速度でデータ送受信が行われるため、両者に大きな伝送速度差がある。そこで、データ／パケット変換部１１０では、上記の伝送速度差を利用して、ユーザーインターフェース部１０１から入力した送信データ１０を数ビットから数百ビット程度ごとにバッファし、これにヘッダ情報を付加してパケットデータ１１に変換している。図２において、１１ａがヘッダを示し、１１ｂがデータ部を示している。

以下では、一例として、ユーザーインターフェース１０１と周辺装置との間の伝送速度を１００kbpsとし、本実施形態の無線通信装置１００による無線通信を１Mbpsの伝送速度で行うものとする。図２において、送信データ１０を８ビット毎にバッファしてパケット化するとしたとき、８ビットの送信データ１０がデータ／パケット変換部１１０に入力されるのに８０μsecの時間がかかる。この８ビットのデータをパケット化したパケットデータ１１は、１Mbpsの伝送速度では８μsecで伝送される。そのため、無線通信装置１００では、８０μsecのうちの８μsecだけデータ送信に使われ、残りの時間は信号が出力されない無信号時間帯になる。但し、パケットデータ１１にヘッダ１１ａを付加する場合には、ヘッダ１１ａの送信時間（ヘッダ１１ａのビット数×１μsec）だけ無信号時間が短くなる。このように、無線通信装置１００では無線通信が間欠的に行われることになる。

パルス変換部１２０は、上記のように、データ／パケット変換部１１０から８ビットのパケットデータ１１を間欠的に入力し、このパケットデータ１１に対して所定の信号変調の処理を行う。パルス変換部１２０による信号変調の方法を図３を用いて説明する。本実施形態では、パケットデータ１１に対しパルス間隔変調（ＰＩＭ：Pulse Interval Modulation)を行っており、図３は、パケットデータ１１をＰＩＭ変調する方法を説明するための説明図である。ＰＩＭ変調の一例として、基準となるパイロットパルス１２ａとデータに応じて発生位置が決定されるデータパルス１２ｂの２つのパルスからなるパルス信号１２を用いることができる。

まず、８ビットのパケットデータ１１を２ビットずつ４つのフレーム３１に分け、各フレーム３１をさらに５つのスロット３２に分割する。そして、各フレーム３１の５つのスロット３２のうち、先頭のスロット３１にパイロットパルス１２ａを配置し、２ビットのデータに基づいて残りの４つのスロット３２のいずれかにデータパルス１２ｂを配置する。一例として、２ビットのデータが「００」のときに２番目のスロット３２にデータパルス１２ｂを配置し、以下「０１」、「１０」、「１１」の順に３〜５番目のスロット３２にデータパルス１２ｂを配置するようにすることができる。但し、２番目のスロット３２にデータパルス１２ｂが配置された場合でも１番目のパイロットパルス１２ａと判別可能となるように、各パルスはＲＺ(Return to Zero)パルスとする。

このようにしてＰＩＭ変調されたパルス信号１２は、伝送速度１Mbpsで伝送されることから、２ビットからなる１フレーム３１は２μsecで伝送される。従って、１スロット３２あたりの時間長は０．４μsecとなり、パイロットパルス１２ａ及びデータパルス１２ｂが配置される時間幅も０．４μsecとなる。ＲＺパルスの場合、パルスが立っている時間はその半分の０．２μsecとなる。

パルス変換部１２０において別の信号変調方法を用いる別の実施形態を、図４を用いて説明する。図４は、別の実施形態におけるＰＩＭ変調の方法を説明するための説明図である。ここでも、パケットデータ１１を２ビットずつ４つのフレームに分け、各フレーム毎にＰＩＭ変調を行っている。本実施形態では、１フレームあたり２μsecの前半の１μsecにＰＩＭ変調されたパルス１２ａ、１２ｂを配置し、後半の１μsecはパルスを配置しないガード時間３３としている。このようなパルスを配置しないガード時間３３を設けることで、混信やノイズの影響を低減することができる。また、データ復元時、ガード時間３３中にパルス信号が検出されてもこれを無効とすることで、エラーが発生したときに他のフレームにエラーが伝播するのを防止することが可能となる。本実施形態では、前半の１μsecの間に５つのスロットが伝送されることから、パイロットパルス１２ａ及びデータパルス１２ｂが配置される時間幅も０．２μsecとなる。

なお、ＰＩＭ変調によるパルス信号化は、２ビットずつに限定するものではなくｎビットずつのフレームに分け、そのフレームに対してスロット数を（２ⁿ＋１）に増やしたＰＩＭ変調のパルス信号１２にすることも可能である。また、パイロットパルス１２ａに対してデータパルス１２ｂを１個に限定するものではなく、複数個のデータパルス１２ｂを配置するパルス符号変調(PCM：Pulse Code Modulation)も適用可能である。

インパルス変換部１３０は、パルス変換部１２０からＰＩＭ変調されたパルス信号１２を入力し、広帯域インパルス列１３に変換する。インパルス変換部１３０の構成を図５のブロック図に示す。インパルス変換部１３０は、広帯域パルス変換部１３１と高速コンパレータ部１３２とスペクトル調整部１３３とを備えている。インパルス変換部１３０において、パルス信号１２から広帯域インパルス列１３に変換されるまでの信号処理過程を、図６を用いて説明する。

パルス信号１２には、１パケット（８ビット）あたり８個のパルス（１フレームあたり２パルスで４フレーム）１２ａ、１２ｂが含まれているが、広帯域パルス変換部１３１では、各パルス１２ａ、１２ｂを複数個の尖頭形パルス１３ａからなる第１のインパルス列１３’に変換している。広帯域パルス変換部１３１で生成される第１のインパルス列１３’の一例を図６（ａ）に示す。尖頭形パルス１３ａは、１スロット３２あたりの時間幅に対し十分に短い１nsec以下のパルス幅に形成される。広帯域パルス変換部１３１は、このような尖頭形パルス１３ａを１つのパルス１２ａまたは１２ｂに対し複数生成している。但し、第１のインパルス列１３’が生成される時間帯は、１つのパルス１２ａまたは１２ｂの時間幅の一部だけとし、その前に図６（ａ）に示すような立上げ前時間ｔ１を設けるのがよい。すなわち、パルス１２ａ（または１２ｂ）を入力して直ちに第１のインパルス列１３’を生成するのでなく、そのタイミングを立上げ前時間ｔ１だけ遅らせる。この立上げ前時間ｔ１を１０nsec程度ランダムに変化させることにより、インパルス変換部１３０から出力する広帯域インパルス列１３の占有周波数帯における電力スペクトル密度を低減させることができる。

高速コンパレータ部１３２は、広帯域パルス変換部１３１から第１のインパルス列１３’を入力し、各尖頭形パルス１３ａを所定の閾値３４と比較して閾値３４を超える期間だけ、別の尖頭形パルス（HIGH出力）１３ｂを出力している。尖頭形パルス１３ａは、頂部に近いほど幅が狭くなることから、比較する閾値３４を高くするほど、高速コンパレータ部１３２から出力される別の尖頭形パルス１３ｂのパルス幅が狭くなる。図６（ｂ）は、閾値３４を調整することで、第１のインパルス列１３’の尖頭形パルス１３ａを、パルス幅２００psec以下の別の尖頭形パルス１３ｂに変換した第２のインパルス列１３’’を示している。なお、広帯域パルス変換部１３１で生成された第１のインパルス列１３’が、パルス幅が十分狭い尖頭形パルス１３ａを有している場合には、高速コンパレータ部１３２を設ける必要はない。

スペクトル調整部１３３は、高速コンパレータ部１３２から入力した第２のインパルス列１３’’に対し、スペクトルが周波数に対しできるだけ平坦になるように調整している。第２のインパルス列１３’’を構成する各尖頭形パルス１３ｂについて、そのスペクトルの一例を図７（ａ）に示す。尖頭形パルス１３ｂはパルス幅が２００psec以下に形成されており、そのスペクトル成分は５GHz以上にわたって分布している。そして、低周波成分ほど強度が大きくなっており、低周波成分と高周波成分との強度差は１０dBを超えている。スペクトル調整部１３３では、低周波成分と高周波成分とのゲイン差を１０dBより小さくするために、低周波成分を減衰させている。これにより、図７（ｂ）に示すようなより平坦なスペクトルを有し、図６（ｃ）に示すような直流成分がより小さい広帯域インパルス列１３を出力することができる。

無線変調部１４０は、インパルス変換部１３０から広帯域インパルス列１３を入力し、これを高周波の搬送波でアップコンバートして高周波信号１４を出力する。無線変調部１４０の構成を図８のブロック図に示す。無線変調部１４０は、発振器１４１、ミキサー１４２、高周波（ＲＦ）スイッチ１４３、及び高周波増幅器１４４を備えている。発振器１４１は、周波数（ｆｃとする）が１３GHz程度の搬送波を発生させている。ミキサー１４２は、インパルス変換部１３０から広帯域インパルス列１３を入力し、これを発振器１４１から入力した搬送波で高周波帯にアップコンバートする。高周波増幅器１４４は、ミキサー１４２からアップコンバートされた高周波信号を入力して増幅し、高周波信号１４を出力する。

発振器１４１とミキサー１４２との間にＲＦスイッチ１４３を設けており、広帯域インパルス列１３がミキサー１４２に入力される期間だけ発振器１４１から搬送波をミキサー１４２に入力するように、制御部１０６がＲＦスイッチ１４３をオン／オフに制御している。インパルス変換部１３０は数nsecの範囲に数本のインパルスが分布する広帯域インパルス列１３を出力するため、ＲＦスイッチ１４３は、広帯域インパルス列１３がミキサー１４２に入力される期間を含む所定の時間長だけオン状態であればよく、例えば１０nsecの間だけオンとなるように、制御部１０６から図９（ａ）に示すような制御信号３５で制御される。これにより、広帯域インパルス列１３を入力しない期間に発振器１４１からミキサー１４２の出力側に搬送波がリークするのを低減することができ、他システムへの干渉を低減して広帯域化されたスペクトルを有する高周波信号１４をそのまま利用することが可能となる。

また、高周波増幅器１４４についても、インパルス変換部１３０から広帯域インパルス列１３を入力する期間を含む所定の時間長だけその電源がオンとなるように、制御部１０６から図９（ｂ）に示すような制御信号３６で制御される。高周波増幅器１４４の電源をオン／オフするための図９（ｂ）に示す制御信号３６の時間幅は、高周波増幅器１４４の立ち上がり時間等を考慮して、例えば１００nsec程度とするのがよい。これにより、無線変調部１４０における消費電力を低減することができる。

無線変調部１４０でアップコンバートされて出力される高周波信号１４の一例を図１０に示す。図１０（ａ）は、高周波信号１４の時間波形を示し、（ｂ）はスペクトルを示す。高周波信号１４は、同図（ｂ）に示すように、中心周波数ｆｃを中心に１０GHz程度の広帯域のスペクトルを有しており、ＲＦスイッチ１４３を用いて搬送波のリークを低減したことにより、中心周波数ｆｃのピークを低減して各スペクトルがゲイン差１０ｄＢ程度の範囲に抑えられている。

送受信切り替えスイッチ１０５は、高周波（ＲＦ）スイッチで構成されており、制御部１０６からの制御信号に従って、無線アンテナ１０４を送信部１０２側の無線変調部１４０または受信部１０３側の無線復調部１５０に接続する。送信アンテナ及び受信アンテナをこのような構成とすることによって、一つの無線アンテナ１０４を送信用と受信用の両方に使用することができ、低コスト化・省スペース化を図ることが可能となる。

無線アンテナ１０４は、所定の周波数帯において、１０GHz以上の周波数帯域に亘ってゲイン特性がフラットでかつ無指向性を有する高周波アンテナで構成される。このような高周波アンテナを用いることで、SWBの高周波信号１４を通信相手に向けて放射することができ、かつ通信相手から送信されたSWBの無線電波を受信することができる。

次に、受信部１０３の構成について、以下に詳細に説明する。まず、無線復調部１５０の構成を、図１１に示すブロック図を用いて説明する。無線復調部１５０は、高周波増幅器１５１及び包絡線検波部１５２を備えている。無線復調部１５０では、無線アンテナ１０４から受信信号２０を入力すると、これを高周波増幅器１５１で増幅したのち、包絡線検波部１５２に入力する。包絡線検波部１５２は、変調された高周波信号を検波してベースバンドのインパルス列２１を得る。検波されたインパルス列２１の一例を、図１２（ａ）に示す。インパルス列２１の各インパルス２１ａのパルス幅は、送信波である高周波信号１４に対応したものとなっている。また、インパルス列２１の時間長は数nsecとなっている。

低域通過フィルタ１６０は、無線復調部１５０からベースバンドのインパルス列２１を入力し、インパルス列２１の各インパルス２１ａの裾を広げて一体につながったパルス状にする。低域通過フィルタ１６０から出力される通過信号２２の一例を図１２（ｂ）に示す。同図に示すように、複数のインパルス２１ａからなるインパルス列２１を、低域通過フィルタ１６０で一体につながったパルス状の通過信号２２にすることで、後段のパルス判定部１７０におけるパルス判別を容易にすることができる。

パルス判定部１７０は、コンパレータを用いて構成することができ、図１２（ｂ）に示すように、通過信号２２の複数のインパルスが一体につながっているレベル以下に閾値４１を調整することで、コンパレータでパルス信号の有無を判定することができる。パルス判定部１７０から出力されるパルス信号２３の一例を、図１２（ｃ）に示す。

パケット復元部１８０は、パルス判定部１７０からパルス信号２３を入力し、これからパケットデータ２４を復元して出力する。パケット復元部１８０の構成を、図１３に示すブロック図を用いて説明する。パケット復元部１８０は、パルス検出部１８１、パルス間隔計測部１８２、及びデータ復調部１８３を備えている。パルス検出部１８１は、パルス判定部１７０から出力されるパルス信号２３を検出すると、これを例えば約１００nsec間保持することで、図３または図４に示したパルス信号１２のようなＰＩＭ変調されたパルス信号（保持パルス）を再生する。パルス間隔計測部１８２では、パルス検出部１８１からＰＩＭ変調されたパルス信号を入力し、連続する２つのパルス間の時間間隔をカウントし、そのカウント値をデータ復調部１８３に出力する。

データ復調部１８３は、パルス間隔計測部１８２から入力したカウント値をもとに、予め所定の記憶手段に保存された参照テーブルに従ってパケットデータ２４に復元する。上記の連続する２つのパルスは、パイロットパルスとデータパルスであり、両者の間隔はデータと対応させて参照テーブルに保存されている。これにより、パケット復元部１８０では、パイロットパルスとデータパルス間の相対的な時間間隔に相当するカウント値のみで、パケットデータ２４を復元することがが可能となる。基準となるパイロットパルスと、それとの時間間隔がデータに応じて変化するデータパルスとを対にして用いることで、同期の補正と同様の効果をパイロットパルスによって得られる。これにより、高精度な同期回路が不要で低周波ジッタなども考慮する必要がなく、簡素で低消費電力の受信回路を実現できる。

パケット／データ変換部１９０は、パケット復元部１８０で復元されたパケットからヘッダを切り離してデータに変換し、これをユーザーインターフェース１０１に出力する。

制御部１０６は、送信部１０２側のデータ／パケット変換部１１０と受信部１０３側のパケット／データ変換部１９０に対し、通信手順に係る制御を行っている。また、無線変調部１４０に対し、キャリアリーク低減のための搬送波のオン／オフを制御している。また、送信時または受信時に不要な機器への電源供給を停止させるために、電源制御部１０６ａを有している。電源制御部１０６ａは、送信時には受信部１０３の無線復調部１５０、パルス判定部１７０、パケット復元部１８０、及びパケット/データ変換部１９０の電源をオフにし、受信時は送信部１０３のデータ/パケット変換部１１０、パルス変換部１２０、インパルス変換部１３０、及び無線変調部１４０の電源をオフにする。

さらに、データ／パケット変換部１１０で送信データ１０をパケット化したことにより、パケットデータ１１が出力されない時間帯を設けることができ、送信時であってもパケットデータ１１が出力されない時間帯は、パルス変換部１２０、インパルス変換部１３０及び無線変調部１４０の電源をオフにすることができる。電源制御部１０６ａによる電源制御の一例を図１４に示す。図１４は、送信部１０２及び受信部１０３の各機器への電源供給のタイミングを示す図である。

送信時は、データ／パケット変換部１１０の電源が常にオンにされて動作している。そして、データ／パケット変換部１１０からパケットデータ１１が出力される期間を含む所定の時間帯のみ、パルス変換部１２０、インパルス変換部１３０及び無線変調部１４０の電源がオンにされ、それ以外の時間帯は電源がオフにされる。また、送信時は、受信部１０３の電源がオフにされている。これに対し受信時は、送信部１０２の電源がすべてオフにされ、受信部１０３はすべての機器の電源がオンにされる。受信時は、受信信号２０がどのタイミングで受信されるかあらかじめ知ることができないため、受信部１０３のすべての機器を常に動作可能な状態にしておく必要がある。

なお、上記の実施形態では、８ビットずつにパケット化されたパケットデータを２ビットずつＰＩＭ変調する例を示したが、本発明の無線通信装置はこれに限定されるものではなく、送信データ１０を任意の複数個のビット毎にパケット化してパケットデータ１１とし、これをｎビットずつｍ個のフレームに分けてＰＩＭ変調することができる（なお、ｎ、ｍは自然数とする。）。このとき、各フレームに対し（２ⁿ＋１）個のスロットを設けてＰＩＭ変調されたパルス信号を生成することができる。また、上記の実施形態では、１つのパイロットパルスに対し１つのデータパルスを設定していたが、これに限定されるものではなく、１つのパイロットパルスに複数個のデータパルスを配置するパルス符号変調（ＰＣＭ：Pulse Code Modulation）を適用することも可能である。

本発明に関わる無線通信装置の使用例を以下に説明する。図１５は、上記実施形態のSWBによる無線通信装置１００の使用例を示す説明図である。同図に示すように、無線通信装置１００は、ＢＡＮへの適用として、医療で使用される体温計、血圧計、万歩計（登録商標）などのセンサー２０１と接続して使用されるのに加えて、ＢＡＮよりも広いエリアで通信可能な他通信方式を用いた携帯電話などの通信端末２０２や記録媒体２０３などと接続して使用される。以下では、上記の他通信方式を用いた通信端末２０２や記録媒体２０３などと無線通信装置１００とを組み合わせたものをマスター装置２１０と称し、体温計、血圧計、万歩計（登録商標）などのセンサー２０１と無線通信装置１００とを組み合わせたものをスレーブ装置２２０と称する。

マスター装置２１０は、スレーブ装置２２０に制御信号を送信し、スレーブ装置２２０は制御信号に従ってセンサー２０１で取得したデータをマスター装置２１０に返信する。マスター装置２１０とスレーブ装置２２０との間は、それぞれの無線通信装置１００を用いてSWB無線で通信する。マスター装置２１０は、スレーブ装置２２０から送信されたデータを記録媒体２０３に記録したり、通信端末２０２から病院などに送信することができる。図１５に示す使用例では、一台のマスター装置２１０にスレーブ装置２２０を一台以上接続している。このように、複数台のスレーブ装置２２０を接続可能とするために、数ビットからなる識別アドレスを各スレーブ装置２２０に割り当てて各々を識別可能にしている。マスター装置２１０及びスレーブ装置２２０のそれぞれに内蔵されているSWBの無線通信装置１００の構成は、すべて同じものを用いることができる。

図１５の使用例におけるSWB無線通信は、待機モードにあるマスター装置２１０から開始される。マスター装置２１０からのデータ送信を終了すると、その直後からスレーブ装置２２０が送信を開始し、スレーブ装置２２０がデータ送信を終了するとSWB無線通信を終了する。このように、マスター装置２１０から通信が開始されるとすれば、マスター装置２１０と複数のスレーブ装置２２０間の通信の制御は、マスター装置２１０が識別アドレスを用いることで容易に行える。

図１５に示した無線通信装置１００の使用例において、マスター装置２１０とスレーブ装置２２０との間の通信手順の一例を図１６を用いて説明する。図１６は、マスター装置２１０とスレーブ装置２２０との間の通信手順を示す説明図である。同図において、マスター装置２１０及びスレーブ装置２２０の動作状態を、「Ｔ」、「Ｒ」、「Ｗ」で示しており、それぞれ送信モード、受信モード、待機モードを示している。マスター装置２１０は、送信を行うときの送信モードＴ、受信を行うときの受信モードＲ、及び送信も受信も行わないときの待機モードＷのいずれかの動作状態にある。また、スレーブ装置２２０は、送信モードＴまたは受信モードＲのいずれかの動作状態にある。

非通信状態において、マスター装置２１０は通信要求があるまで待機モードＷで待機し、スレーブ装置２２０は受信モードＲでマスター装置２１０からの信号を待っている。マスター装置２１０が通信要求を受けると（Ｓ１）、マスター装置２１０は待機モードＷから送信モードＴに切り替わり、スレーブ装置２２０の識別アドレス情報を含んだM_Ready信号をスレーブ装置２２０に送信（Ｓ２）した後にデータを送信する（Ｓ３）。マスター装置２１０がデータ送信を終了すると、マスター装置２１０はスレーブ装置２２０にM_TX_END信号を送信（Ｓ４）した後に、受信モードＲに切り替わってスレーブ装置２２０からの信号を待つ。

スレーブ装置２２０は、マスター装置２１０からM_Ready信号を受信すると、該信号内の識別アドレスが自身の識別アドレスと一致するか判定し、自身の識別アドレスと一致すると判定すると、マスター装置２１０からのデータを受信する。スレーブ装置２２０は、マスター装置２１０からデータ受信後M_TX_END信号を受信すると、それまでの受信モードＲから送信モードＴに切り替わる。なお、識別アドレスが一致しないスレーブ装置２２０は、それまでの受信モードＲを継続する。

スレーブ装置２２０は、送信モードＴに切り替わった後、S_Ready信号をマスター装置２１０に送信する（Ｓ５）。その後、データをマスター装置２１０に送信し（Ｓ６）、データ送信が終了するとS_TX_END信号をマスター装置２１０に送信する（Ｓ７）。スレーブ装置２２０は、マスター装置２１０にS_TX_END信号を送信した後は、直ちに受信モードＲに切り替わり、再びマスター装置２１０からのM_Ready信号を待つ。マスター装置２１０は、スレーブ装置２２０からS_TX_ENDを受信すると、待機モードＷに切り替わって通信を終了し（Ｓ８）、再び通信要求があるまで待機する。以上の通信手順を用いることで、簡易なデジタル制御部を備えたSWBの無線通信装置１００を提供することができる。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係るSWBの無線通信装置の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における無線通信装置の細部構成及び詳細な動作などに関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１０ 送信データ
１１、２４ パケットデータ
１２、２３ パルス信号
１３ 広帯域インパルス列
１４ 高周波信号
２０ 受信信号
２１ インパルス列
２２ 通過信号
２５ 受信データ
１００ 無線通信装置
１０１ ユーザーインターフェース部
１０２ 送信部
１０３ 受信部
１０４ 無線アンテナ
１０５ 送受信切り替えスイッチ
１０６ 制御部
１１０ データ／パケット変換部
１２０ パルス変換部
１３０ インパルス変換部
１３１ 広帯域パルス変換部
１３２ 高速コンパレータ部
１３３ スペクトル調整部
１４０ 無線変調部
１４１ 発振器
１４２ ミキサー
１４３ ＲＦスイッチ
１４４ 高周波増幅器
１５０ 無線復調部
１５１ 高周波増幅器
１５２ 包絡線検波部
１６０ 低域通過フィルタ
１７０ パルス判定部
１８０ パケット復元部
１８１ パルス検出部
１８２ パルス間隔計測部
１８３ データ復調部
１９０ パケット／データ変換部
２０１ センサー
２０２ 通信端末
２０３ 記録媒体
２１０ マスター装置
２２０ スレーブ装置

Claims (10)

1. 周辺装置とのデータ入出力を行うユーザーインターフェースと、
   前記ユーザーインターフェースから入力したデータをパケットデータに変換するデータ/パケット変換部と、
   前記データ/パケット変換部から入力した前記パケットデータをパルス変調されたパルス信号に変換するパルス変換部と、
   前記パルス変換部から入力した前記パルス信号の各パルスを複数の広帯域インパルスからなる広帯域インパルス列に変換するインパルス変換部と、
   前記インパルス変換部から入力した前記広帯域インパルス列を高周波信号にアップコンバートする無線変調部と、
   前記高周波信号を通信相手に向けて無線信号として放射する送信アンテナと、
   前記通信相手からの無線信号を受信する受信アンテナと、
   前記受信アンテナで受信した高周波信号をベースバンドのインパルス列に復調する無線復調部と、
   前記無線復調部から前記ベースバンドのインパルス列を入力して主に低周波帯域の成分を通過させる低域通過フィルタと、
   前記低域通過フィルタの出力信号を入力して所定の閾値と比較することによりパルスの有無を判定するパルス判定部と、
   前記パルス判定部でパルス有りと判定されると所定のパルス幅のパルスを復調し、該パルスからパケットデータを復元するパケット復元部と、
   前記パケット復元部から入力した前記パケットデータからデータを取り出し前記ユーザーインターフェースに出力するパケット/データ変換部と、
   前記データ/パケット変換部、前記パルス変換部、前記インパルス変換部、前記無線変調部、前記無線復調部、前記パルス判定部、前記パケット復元部、及び前記パケット/データ変換部を制御する制御部と
   を有することを特徴とする無線通信装置。
2. 前記パルス変換部は、前記データ/パケット変換部から入力した前記パケットデータに対してパルス間隔変調を行い、前記パルス信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記パケット復元部は、前記パルス判定部からパルス有りの判定結果を入力すると、前記パルス判定部で検出された前記パルスを所定の時間保持した保持パルスを出力するパルス検出部と、前記保持パルスのパルス間隔計測を行うパルス間隔計測部と、前記パルス間隔計測部で計測したパルス間隔の値からデータの復元を行うデータ復調部とを有することを特徴とする請求項２に記載の無線通信装置。
4. 前記インパルス変換部は、前記パルス変換部から入力した前記パルス信号の各パルスに対し尖頭形の複数の広帯域パルスからなる広帯域パルス列を出力する広帯域パルス変換部と、前記尖頭形の複数の広帯域パルスと所定の閾値とを比較して前記尖頭形の広帯域パルスが前記所定の閾値を超える期間のみHIGH出力を出力することによりインパルス列を出力する高速コンパレータ部と、前記高速コンパレータ部から入力した前記インパルス列のスペクトルのうち低周波成分を抑制してスペクトルを平坦化することで前記広帯域インパルス列に変換するスペクトル調整部とを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の無線通信装置。
5. 前記無線復調部は、包絡線検波部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の無線通信装置。
6. 前記無線変調部は、連続波を出力する発振器と、前記広帯域インパルス列と前記連続波を入力して前記広帯域インパルス列を前記連続波の周波数帯域にアップコンバートするミキサーと、前記ミキサーからの出力を入力して増幅する高周波増幅器とを有し、前記制御部は前記広帯域インパルス列が前記無線変調部を通過する時間を含む所定の時間だけ前記高周波増幅器の電源をオンに制御することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１つに記載の無線通信装置。
7. 前記発振器と前記ミキサー間に前記連続波をオン／オフする高周波スイッチを有し、前記制御部は前記広帯域インパルス列が前記ミキサーに送信される時間を含む所定の時間だけ前記高周波スイッチをオンにすることを特徴とする請求項６に記載の無線通信装置。
8. 前記制御部は、送信動作時は前記無線復調部、前記パルス判定部、前記パケット復元部、前記パケット/データ変換部からなる受信系の電源をオフとし、受信動作時は前記データ/パケット変換部、前記パルス変換部、前記インパルス変換部、前記無線変調部からなる送信系の電源をオフとすることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の無線通信装置。
9. 前記制御部は、前記インパルス変換部が前記パルス変換部から入力した前記パルス信号に対して前記尖頭形の複数の広帯域パルス列を出力するタイミングを制御信号でランダムに変更できることを特徴とする請求項４に記載の無線通信装置。
10. 前記送信アンテナと前記受信アンテナとは共通の無線アンテナであり、前記制御部からの制御信号で前記無線アンテナを前記無線変調部または前記無線復調部に切り替え接続する送受信切り替えスイッチを有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載の無線通信装置。

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