JP2015061105A - 無線送信機、無線受信機、無線通信システム及び無線通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インパルス型ＵＷＢを用いつつ長距離の通信を可能とし、測距を行う場合の測距基準局の数を削減することで通信設備の低コスト化を実現する。
【解決手段】インパルス型ＵＷＢを用いる通信送信機２。無線送信機２は、送信データを変調し、送信デジタル信号の生成を行うベースバンド信号処理部２１と、ベースバンド信号処理部２１に並列に接続された複数の送信部２２と、送信部２２から送出される信号の送出タイミングをずらす遅延回路２３と、送信用アンテナ２４と、を有し、送信部２２の個数は送信部２２により生成される信号の電力の総和が平均電力密度の所定の制限値を越えない範囲で設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は、超広帯域（ＵＷＢ：Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）の高周波パルス（極短パルス）を用いつつ、通信距離を伸ばすことのできる無線送信機、無線受信機、無線通信システム及び無線通信方法に関するものである。

近年注目されている無線通信技術として、時間幅が極めて小さいパルスを用いて通信を行うインパルス型ＵＷＢを用いる方法がある（非特許文献１及び２参照）。

インパルスＵＷＢ通信では、１ナノ秒程度の非常に短い時間幅のパルス信号を利用し、そのパルス信号の時間軸上の位置や振幅又は位相などを変化させることで情報を伝送する。

ＵＷＢ信号が占有する周波数帯域幅は５００ＭＨｚから数ＧＨｚ以上と非常に広くなるが、１ナノ秒の非常に短い時間幅のパルス信号を用いることから、高いデータレートの信号伝送や高精度の測距が実現され得る。

また、インパルス型ＵＷＢを用いる無線通信方式は、送受信機の構成がシンプルなものとなるため製造コストを低く抑えることができるとともに、低消費電力の通信方式である等の特徴を持つ。

Kenichi Midugaki, Tatsuo Nakagawa, Ryosuke Fujiwara, Shinsuke Kobayashi, Noboru Koshizuka, and Ken Sakamura: "UWB-IR Wireless Accurate Location System for Sensor Network," IEICE Trans. Commun., vol. E94-B, no.5, pp.1432-1437, May 2011. Ryosuke Fujiwara, Kenichi Midugaki, Tatsuo Nakagawa, Takayasu Norimatsu, Takahide Terada, Akira Maeki, and Masayuki Miyazaki: "Accurate TOA Estimating UWB-IR Transceiver for Ranging System in Multi-path Environment," IEICE Trans. Commun., vol. E94-B, No.3, pp.777-785, March 2011.

ところで、日本や欧州、米国等では、図４に示すように、法律によりＵＷＢ送信機の放出できる尖頭電力密度と平均電力密度が規制されている。図４は、インパルス型ＵＷＢの尖頭電力と平均電力を示す模式図である。例えば日本では、尖頭電力密度は０ｄＢｍ／５０ＭＨｚ以下、平均電力密度は−４１．３ｄＢｍ／ＭＨｚ以下であることが要求されている。

また、日本では干渉軽減技術を適用せずに使用可能なＵＷＢ周波数バンドは７．２５ＧＨｚ〜１０．２５ＧＨｚとなっているため、ＵＷＢ電波の届く距離が短いという問題がある。そのため、例えばインパルス型ＵＷＢを用いて測位を行う際に、より多くの測位基準局を必要とすることになり、通信設備の高コスト化を招いていた。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、従来よりも長距離の通信を可能とし、基地局の数を削減することで通信設備の低コスト化を実現することのできるインパルス型ＵＷＢを用いる無線送信機、無線受信機、無線通信システム及び無線通信方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上述した課題を解決するために、インパルス型ＵＷＢを用いつつ長距離の通信を可能とし、インパルス型ＵＷＢを用いて測位を行う場合の測位基準局の数を削減することで通信設備の低コスト化を実現することのできる無線送信機、無線受信機、無線通信システム及び無線通信方法を発明した。

第１発明に係る無線送信機は、インパルス型ＵＷＢを用いる無線送信機であって、送信データを変調し、送信デジタル信号の生成を行うベースバンド信号処理部と、前記ベースバンド信号処理部に並列に接続され、前記ベースバンド信号処理部から送出された前記送信デジタル信号をインパルスＵＷＢ信号に変換する複数の送信部と、隣接する２つの前記送信部間に設けられ、複数の前記送信部から送出される前記インパルスＵＷＢ信号の送出タイミングをずらす遅延回路と、複数の前記送信機にそれぞれ接続され前記インパルスＵＷＢ信号の送信を行う送信用アンテナと、を有し、前記送信部の個数は前記送信部により生成される前記インパルスＵＷＢ信号の電力の総和が平均電力密度の所定の閾値を越えない範囲で設定されることを特徴とする。

第２発明に係る無線受信機は、インパルス型ＵＷＢを用いる無線受信機であって、外部からのインパルスＵＷＢ信号を受信する複数のアンテナと、前記複数のアンテナにそれぞれ接続され前記インパルスＵＷＢ信号の低雑音増幅と包絡線検波を行う複数の受信部と、前記複数の受信部の全てが接続され、前記包絡線検波の結果に基づき合成波を生成する加算器と、を有することを特徴とする。

第３発明に係る無線通信システムは、インパルス型ＵＷＢを用いる送信機と受信機を備えて構成される通信システムであって、前記送信機は、送信データを変調し、送信デジタル信号の生成を行うベースバンド信号処理部と、前記ベースバンド信号処理部に並列に接続され、前記ベースバンド信号処理部から送出された前記送信デジタル信号をインパルスＵＷＢ信号に変換する複数の送信部と、隣接する２つの前記送信部間に設けられ、複数の前記送信部から送出される前記インパルスＵＷＢ信号の送出タイミングをずらす遅延回路と、複数の前記送信機にそれぞれ接続され前記インパルスＵＷＢ信号の送信を行う送信用アンテナと、を有し、前記送信部の個数は前記送信部により生成される前記インパルスＵＷＢ信号の電力の総和が平均電力密度の所定の制限値を越えない範囲で設定され、前記受信機は、前記送信機からの前記インパルスＵＷＢ信号を受信する複数のアンテナと、前記複数のアンテナにそれぞれ接続され前記インパルスＵＷＢ信号の低雑音増幅と包絡線検波を行う複数の受信部と、前記複数の受信部の全てが接続され、前記包絡線検波の結果に基づき合成波を生成する加算器と、を有することを特徴とする。

第４発明に係る無線通信方法は、インパルス型ＵＷＢを用いて無線送信と無線受信を行う無線通信方法であって、前記無線送信では、送信デジタル信号の変調を行うベースバンド信号処理工程と、前記送信デジタル信号を複数の同強度の複数の送信信号に分割する分割工程と、前記分割工程で分割された前記送信デジタル信号の送出タイミングをずらす遅延工程と、前記遅延工程によりタイミングのずれた前記複数の送信デジタル信号をそれぞれインパルスＵＷＢ信号に変換して送信する送信工程と、が行われ、前記無線受信では、前記送信工程において送信された前記複数のインパルスＵＷＢ信号を受信する受信工程と、前記受信工程において受信した前記複数のインパルスＵＷＢ信号を加算し合成波を得る加算工程と、が行われ、前記送信工程の分割個数は前記送信工程において送信される前記複数のインパルスＵＷＢ信号の電力の総和が平均電力密度の所定の制限値を越えない範囲で設定されることを特徴とする。

上述した構成からなる本発明によれば、インパルス型ＵＷＢを用いつつ長距離の通信を可能とし、基地局の数を削減することで通信設備の低コスト化を実現することが可能となる。

本発明の実施形態に係る無線送信機を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る無線受信機を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る無線送信機及び無線受信機により行われる処理を示すフローチャートである。 インパルス型ＵＷＢの尖頭電力と平均電力を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態として、無線送信機と無線受信機により構成される無線通信システムについて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る無線送信機２を示す模式図である。無線送信機２は、ベースバンド信号処理部２１と、ベースバンド信号処理部２１に並列に接続される４段の送信部２２と、ベースバンド信号処理部２１と２段目以降の送信部２２との間にそれぞれ設けられている遅延回路２３と、送信部２２に接続されインパルスＵＷＢ信号の送信を行う送信用アンテナ２４とを備えて構成されている。

ベースバンド信号処理部２１は、送信データを変調し、送信デジタル信号の生成を行う。送信デジタル信号の変調方式は任意のものを採用することができ、例えばパルス密度変調を用いることができる。こうして生成される送信デジタル信号は、図１に示すように矩形のデジタル信号であるパルスＡであり、ベースバンド信号処理部２４に対してそれぞれが並列に接続されている複数の送信部２２へと送出される。

送信部２２は、無線送信機２に４個並列に配置されている。送信部２２は、ベースバンド信号処理部２１から送出された送信デジタル信号であるパルスＡを増幅するとともに、これをインパルスＵＷＢ信号に変換する。また、送信部２２は、インパルスＵＷＢ信号の送信に用いられる帯域の制限を行う。こうして送信部２２により生成されたインパルスＵＷＢ信号は、送信用アンテナ２４を介して送出される。

また、ベースバンド信号処理部２１と２段目以降の送信部２２との間には、遅延回路２３が設けられている。遅延回路２３は、４つの送信部２２から送信用アンテナ２４を経て送出されるインパルスＵＷＢ信号の送出タイミングを互いにずらす機能を担っている。本実施形態においては、ベースバンド信号処理部２１と２段目、３段目及び４段目の送信部２２との間において、合計３つの遅延回路２３が設けられている。

この遅延回路２３の機能により、無線送信機２は、送信タイミングｔ１で送信されるパルスＢ１、送信タイミングｔ２で送信されるパルスＢ２、送信タイミングｔ３で送信されるパルスＢ３及び送信タイミングｔ４で送信されるパルスＢ４の、互いに送信タイミングの異なる４つのインパルスＵＷＢ信号を送信することが可能となる。

なお、各パルスＢ１、Ｂ２、Ｂ３及びＢ４は、送信タイミングのみが異なり、各々の平均電力密度や尖頭電力密度及びこれらに含まれる情報は共通したものとなっている。

こうして互いに送信タイミングのずれた４つのパルスＢ１、Ｂ２、Ｂ３及びＢ４が無線送信機２から送信されるが、これは図１に示す、４つのパルスＢ１、Ｂ２、Ｂ３及びＢ４が一体となった、総合インパルス成分Ｃが送信されることと同義となる。

総合インパルス成分Ｃは、パルスの強度（尖頭電力）は元のパルスＡやパルスＢ１、Ｂ２、Ｂ３及びＢ４と変わらないものの、送信平均電力密度は理論上４倍となっている。そのため、ＵＷＢ信号の送信可能な距離を伸ばすことができる。

ところで、無線通信を行う場合、パルスの繰り返す頻度（ＰＲＦ：Pulse Repetition Frequency）に応じて、上述した平均電力密度と尖頭電力密度の制限のうちいずれかの制限による影響が大きくなる。

具体的には、ＰＲＦが小さい場合には尖頭電力密度による制限が主導的となり、ＰＲＦが大きい場合には平均電力密度の制限が主導的となる。

すなわち、ＰＲＦが小さい場合には、パルスの数が少なく、各パルスの電力の合算に基づき得られる平均電力密度が小さくなるため、平均電力密度の制限値を越える可能性は低く、尖頭電力密度の制限の方がより大きな問題となる。

一方、ＰＲＦが大きい場合には、パルスの数が多く、各パルスの電力の合算に基づき得られる平均電力密度が大きくなるため、平均電力密度の制限値を越える可能性が高まる。そのため、平均電力密度の制限が大きな問題となる。

そして、インパルス型ＵＷＢを用いて低速通信及び測距等を行う場合には、ＰＲＦが小さいため、尖頭電力密度による制限が主導的となり、仮に尖頭電力密度が０ｄＢｍ／５０ＭＨｚに達した場合でも、平均電力密度は−４１．３ｄＢｍ／ＭＨｚに達していない可能性が高い。

そこで、本実施形態に係る無線送信機２では、尖頭電力密度を０ｄＢｍ／５０ＭＨｚ未満に保ちつつ、送信部２２の数を増加させることで、平均電力密度が−４１．３ｄＢｍ／ＭＨｚに達しない範囲内で総合インパルス成分Ｃの平均電力密度を増加させることが行われている。すなわち、総合インパルス成分Ｃの平均電力密度は、送信部２２の数に応じて倍化されることになる。

こうした本実施形態に係る送信機２によると、尖頭電力密度を０ｄＢｍ／５０ＭＨｚ未満に保ちつつ、平均電力密度を増加させることで、全体送信電力を大きくすることができ、通信可能な距離を伸ばすことができる。

図２は、本発明の実施形態に係る無線受信機３を示す模式図である。無線受信機３は、無線送信機２から送信されるインパルスＵＷＢ信号を受信する４つの受信用アンテナ３１と、受信用アンテナ３１にそれぞれ接続される４つの受信部３２と、４つの受信部３２が全て接続される加算器３３とを備えて構成されている。

受信用アンテナ３１は、無線送信機２から送信された総合インパルス成分Ｃを受信するとともに、受信した総合インパルス成分Ｃを受信部３２へと送信する。

受信部３２は、低雑音増幅器として機能するとともに、増幅後の信号の包絡線検波を行う。すなわち、受信部３２は、受信した総合インパルス成分Ｃについて低雑音増幅を行うとともに、増幅後の包絡線の検出を行い、包絡線検波出力を加算器３３へと送信する。

加算器３３は、４つの受信部３２から受け取った４つの包絡線検波出力の加算を行い、合成波Ｄを生成する。合成波Ｄは、総合インパルス成分Ｃと比較して電力が理論上受信部３２の数に応じて倍増し、本実施形態では受信部３２の数は４つであるため電力も４倍となる。

そのため、無線送信機２から送信された総合インパルス成分Ｃについて、無線受信機３側で合成受信電力を高めることができるため、従来よりも長距離の無線通信を実現することが出来る。なお、こうして生成された合成波Ｄは、無線受信機２内でＡＤ変換等、更なる処理に供される。

次に、上述した無線送信機２及び無線受信機３により行われる無線通信について説明する。図３は、本発明の実施形態に係る無線送信機２及び無線受信機３により行われる処理を示すフローチャートである。

まず、無線送信機２のベースバンド信号処理部２１が、送信データを変調し、送信デジタル信号である、矩形のパルスＡを送信信号として生成する（ステップＳ１）。

次に、生成されたパルスＡが、並列に配置されている送信部２２へと向けて分割、送信される（ステップＳ２）。

次に、ベースバンド信号処理部２１と、各送信部２２の間に設けられている遅延回路２３により、ベースバンド信号処理部２１から送信部２２へと向けて送信されたパルスＡの送信タイミングが所定の間隔でずらされる（ステップＳ３）。

次に、送信部２２は、それぞれパルスＡを受信すると、これをインパルスＵＷＢ信号に変換するとともに、変換後の信号を、送信用アンテナ２４を介して送信する（ステップＳ４）。

本実施形態では、図１を用いて上述したように、４つの送信部２２からそれぞれ４つの送信用アンテナ２４を介してパルスＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４が送信されるが、これは４つのパルスを一まとめにした総合インパルス成分Ｃが送信されることと同義となる。

こうして総合インパルス成分Ｃの送信が終了すると、無線送信機２は動作を終了する。

一方、無線受信機３では、まず、無線送信機２から送信される信号の待ち受けが行われる（ステップＳ１１）。

次に、無線受信機３は、無線送信機２から送信された総合インパルス成分Ｃを受信する（ステップＳ１２）。具体的には、無線受信機３の４つの受信用アンテナ３１がそれぞれ総合インパルス成分Ｃを受信するとともに、これが受信部３２へと送信される。

総合インパルス成分Ｃを受信した４つの受信部３２は、これに対して低雑音増幅を行うとともに、増幅後の信号の包絡線検波を行い、検出された包絡線（総合インパルス成分Ｃのうち破線で示す部分）の情報を加算器３３へと送信する。

次に、加算器３３は、それぞれの受信部３２から送信された総合インパルス成分Ｃの包絡線の情報を受信するとともに、これら包落線の情報に基づき、無線受信機３が受信した全ての総合インパルス成分Ｃ（本実施形態では４つ）を加算し、合成波Ｄの生成を行う（ステップＳ１３）。こうして生成された合成波Ｄは、無線受信機３の内部で更なる処理に供される。

ところで、生成された合成波Ｄは、理論上は無線送信機２から無線受信機３へと送信される総合インパルス成分Ｃと比較して理論上最大で４倍の尖頭電力密度を有しているが、合成波Ｄはあくまで無線受信機３内においてのみ用いられ、空中に送信されることが無いため、尖頭電力密度の規制による制限を受けることが無い。

また、合成波Ｄの平均電力密度は、総合インパルス成分Ｃと比較して理論上４倍、無線送信機２の個々の送信部２２から送信されるパルスＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４と比較すると１６倍となるが、これについてもあくまで無線受信機３内の処理に用いられ、空中に送信されることが無いため、平均電力密度の規制による制限を受けることも無い。

そのため、電力密度が低く、従来は短距離の通信しか行うことのできなかったインパルスＵＷＢを用いる通信について、通信距離を伸ばすことができるとともに、通信網の整備の際に必要となる無線送信機２と無線受信機３の個数を削減することができ、通信設備の低コスト化を実現することができる。

なお、上述した本実施形態に係る無線通信システムでは、無線送信機２には４つの送信部２２が設けられているとともに、無線受信機３にも４つの受信部３２が設けられている。

しかし、本発明においてはこれに限らず、無線送信機２と無線受信機３の間で送信される総合インパルス成分Ｃが平均電力密度の規制値を超えない範囲で任意の数の送信部２２を設けることができる。また、受信部３２については、平均電力密度の規制値に関わらず任意の数これを設けることができる。

２ 無線送信機
３ 無線受信機
２１ ベースバンド信号処理部
２２ 送信部
２３ 遅延回路
２４ 送信用アンテナ
３１ 受信用アンテナ
３２ 受信部
３３ 加算器
Ａ、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４ パルス
Ｃ 総合インパルス成分
Ｄ 合成波

Claims (4)

1. インパルス型ＵＷＢを用いる無線送信機であって、
   送信データを変調し、送信デジタル信号の生成を行うベースバンド信号処理部と、
   前記ベースバンド信号処理部に並列に接続され、前記ベースバンド信号処理部から送出された前記送信デジタル信号をインパルスＵＷＢ信号に変換する複数の送信部と、
   隣接する２つの前記送信部間に設けられ、複数の前記送信部から送出される前記インパルスＵＷＢ信号の送出タイミングをずらす遅延回路と、
   複数の前記送信機にそれぞれ接続され前記インパルスＵＷＢ信号の送信を行う送信用アンテナと、
   を有し、前記送信部の個数は前記送信部により生成される前記インパルスＵＷＢ信号の電力の総和が平均電力密度の所定の制限値を越えない範囲で設定されることを特徴とする無線送信機。
2. インパルス型ＵＷＢを用いる無線受信機であって、
   外部からのインパルスＵＷＢ信号を受信する複数のアンテナと、
   前記複数のアンテナにそれぞれ接続され前記インパルスＵＷＢ信号の低雑音増幅と包絡線検波を行う複数の受信部と、
   前記複数の受信部の全てが接続され、前記包絡線検波の結果に基づき合成波を生成する加算器と、
   を有することを特徴とする無線受信機。
3. インパルス型ＵＷＢを用いる送信機と受信機を備えて構成される通信システムであって、前記送信機は、
   送信データを変調し、送信デジタル信号の生成を行うベースバンド信号処理部と、
   前記ベースバンド信号処理部に並列に接続され、前記ベースバンド信号処理部から送出された前記送信デジタル信号をインパルスＵＷＢ信号に変換する複数の送信部と、
   隣接する２つの前記送信部間に設けられ、複数の前記送信部から送出される前記インパルスＵＷＢ信号の送出タイミングをずらす遅延回路と、
   複数の前記送信機にそれぞれ接続され前記インパルスＵＷＢ信号の送信を行う送信用アンテナと、
   を有し、前記送信部の個数は前記送信部により生成される前記インパルスＵＷＢ信号の電力の総和が平均電力密度の所定の制限値を越えない範囲で設定され、前記受信機は、
   前記送信機からの前記インパルスＵＷＢ信号を受信する複数のアンテナと、
   前記複数のアンテナにそれぞれ接続され前記インパルスＵＷＢ信号の低雑音増幅と包絡線検波を行う複数の受信部と、
   前記複数の受信部の全てが接続され、前記包絡線検波の結果に基づき合成波を生成する加算器と、
   を有することを特徴とする無線通信システム。
4. インパルス型ＵＷＢを用いて無線送信と無線受信を行う無線通信方法であって、前記無線送信では、
   送信データを変調し、送信デジタル信号の生成を行うベースバンド信号処理工程と、
   前記送信デジタル信号を複数の同強度の複数の送信信号に分割する分割工程と、
   前記分割工程で分割された前記送信デジタル信号の送出タイミングをずらす遅延工程と、
   前記遅延工程によりタイミングのずれた前記複数の送信デジタル信号をそれぞれインパルスＵＷＢ信号に変換して送信する送信工程と、
   が行われ、前記無線受信では、
   前記送信工程において送信された前記複数のインパルスＵＷＢ信号を受信する受信工程と、
   前記受信工程において受信した前記複数のインパルスＵＷＢ信号を加算し合成波を得る加算工程と、
   が行われ、前記送信工程の分割個数は前記送信工程において送信される前記複数のインパルスＵＷＢ信号の電力の総和が平均電力密度の所定の制限値を越えない範囲で設定されることを特徴とする無線通信方法。

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