JP2018186343A - 無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多値ＦＳＫ変調方式を使用した無線通信装置において、受信感度劣化に起因する通信エラーを低減する。【解決手段】送信側では、４値（＋３，＋１，−１，−３）のプリアンブル及び同期ワードを有する４値ＦＳＫ部と、それらに続く２値（＋３，−３）のプリアンブル、同期ワード、及びデータを有する２値ＦＳＫ部で構成された４値ＦＳＫ方式の通信データフォーマットのデータを送信する。受信側では、ノイズや受信劣化により２値の部分が４値に変化してエラーになっても、変換テーブルに従って４値を２値に変換してエラーを訂正する。【選択図】図２

Description

本発明は多値ＦＳＫ（Frequency Shift Keying:周波数シフトキーイング）変調方式の無線通信装置に関する。

ガスメータや水道メータの自動検針、或いは火災や異常事態の監視等に用いられる遠隔監視システムが知られている。これらの遠隔監視システムでは、多値ＦＳＫ変調方式として４値ＦＳＫ変調方式の無線技術が使われるものがある（特許文献１）。

４値ＦＳＫ変調方式では、データ送信側では４つのシンボルの＋３、＋１、−１、−３に対して、それぞれ、４つの周波数偏移の＋９４５Ｈｚ、＋３１５Ｈｚ、−３１５Ｈｚ、−９４５Ｈｚを割り当てて変調する。データ受信側では、４つの周波数偏移を電圧に変換し、閾値を設定して４つのシンボルを判定する。そして、得られた４つのシンボルデータを、それぞれ０１（＋３）、００（＋１）、１０（−１）、１１（−３）に変換して遠隔監視のセンサ側のデータとして取り出す。

特開２０１０−１６１６７６号公報

しかしながら、４値ＦＳＫの変調方式では、図８Ａに示すような通信距離が短く受信電界レベルに余裕がある場合は、エラーのないデータを取り出すことができるが、図８Ｂに示すような通信距離が長くなる場合や受信側付近に妨害波源がある場合、受信感度劣化が起こり、閾値との比較によるシンボル判定でエラー（通信エラー）が発生するという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、多値ＦＳＫ変調方式を使用した無線通信装置において、受信感度劣化に起因する通信エラーを低減することである。

本発明に係る無線通信装置は、送信する多値ＦＳＫ変調方式の通信データフォーマットのデータとして、多値のプリアンブル部分及び同期ワード部分を有する第１のＦＳＫ部と、それらに続く前記多値より少ない値のプリアンブル部分、同期ワード部分、及びデータ部分を有する第２のＦＳＫ部を生成するＦＳＫデータ生成手段と、受信した前記通信データフォーマットのデータの前記第２のＦＳＫ部のデータ部分で通信エラーにより多値に変化したデータを所定の変換規則で前記多値より少ない値のデータに変換することにより前記通信エラーを訂正する手段と、を有する無線通信装置である。

本発明によれば、多値ＦＳＫ変調方式を使用した無線通信装置において、受信感度劣化に起因する通信エラーを低減することができる。

本発明の実施形態に係る無線通信装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る無線通信装置における通信データフォーマットを示す図である。 本発明の実施形態に係る無線通信装置における受信動作の概要について説明するための図である。 図１における送信部、受信部、及び制御部の要部構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る無線通信装置における送信側のＦＳＫ処理に関するデータと波形のタイミングを示す図である。 本発明の実施形態に係る無線通信装置における受信側の正常時のＦＳＫ処理に関するデータと波形のタイミングを示す図である。 本発明の実施形態に係る無線通信装置における受信側の異常時のＦＳＫ処理に関するデータと波形のタイミングを示す図である。 従来の４値ＦＳＫ変調方式の受信動作の概要について説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
〈無線通信装置の構成〉
図１は、本発明の実施形態に係る無線通信装置の概略構成を示す図である。
この無線通信装置１は、例えば、ガスメータや水道メータの自動検針、或いは火災や異常事態の監視等に用いられる遠隔監視システムに用いられるものであって、制御部１１と、それぞれが制御部１１に接続された送信部１２、受信部１３、記憶部１４、表示部１５、及び操作入力部１６、並びに送信部１２と受信部１３の入出力を切り替えるスイッチ部１７、及び電波の送受信を行うアンテナ１８を備えている。

制御部１１は、例えばマイクロプロセッサ及びその周辺回路等で構成され、この無線通信装置全体の制御や演算処理等を行う。送信部１２は、制御部１２から出力される０，１の符号からなる元データを多値ＦＳＫ変調方式としての４値ＦＳＫ変調方式の信号に変換し、スイッチ部１７を通してアンテナ１８から送信する。受信部１３は、アンテナ１８で受信され、スイッチ部１７を通して入力される４値ＦＳＫ変調方式の信号を復調し、制御部１１に出力する。

記憶部１４は、ＲＯＭなど不揮発性メモリ、フラッシュメモリ等の書換え可能な不揮発性メモリ、ＲＡＭ等の揮発性メモリからなる。そして、ＲＯＭには無線通信装置１を動作させるために必要な制御プログラムが格納されている。また、ＲＡＭには制御部１１が実行中の各プログラムや、それらの実行に必要な情報が格納される。また、書換え可能な不揮発性メモリには、各種設定データ（例えば後述する表１〜３に示されているテーブル）などが格納される。

表示部１５は、ＬＥＤ等で構成されており、無線通信装置１の動作状態等を表示するユーザＩ／Ｆである。操作入力部１６は、ボタンやスイッチ等からなり、無線通信装置１に対する所定の設定を入力するためのユーザＩ／Ｆである。

〈通信データフォーマットの構成〉
図２は、本発明の実施形態に係る無線通信装置における通信データフォーマットを示す図である。

通信データフォーマットの構成は、４値ＦＳＫ部として４値のプリアンブル及び４値の同期ワードを備え、２値ＦＳＫ部として２値のプリアンブル、２値の同期ワード、及び２値のデータを備えている。４値ＦＳＫ部は＋３、−３、＋１、−１の４つのシンボルを使用し、それぞれ０１、１１、００、１０の４種類のデータで構成される。一方、２値ＦＳＫ部は＋３、−３の２つのシンボルを使用するので、０１、１１のみで構成されることになる。２値のプリアンブルパターンは０１、１１の繰り返しで作られ、受信側となった無線通信装置はここで同期を取る。４値ＦＳＫ部、２値ＦＳＫ部は、それぞれ本発明における第１のＦＳＫ部、第２のＦＳＫ部に対応する。

本実施形態では、４６７ＭＨｚ−５Ｗの簡易無線の規格に沿った値とし、下記の表１に示すように、４つのシンボルの＋３、＋１、−１、−３に対して、それぞれ、４つの周波数偏移の＋９４５Ｈｚ、＋３１５Ｈｚ、−３１５Ｈｚ、−９４５Ｈｚを割り当てる。

〈受信動作の概要〉
図３は、本発明の実施形態に係る無線通信装置における受信動作の概要について説明するための図である。ここで、図３Ａは、正常時、即ち送信側の無線通信装置からの距離が近く、受信電界レベルに余裕がある場合の動作を示し、図３Ｂは、異常時、即ち送信側の無線通信装置からの距離が遠く、受信電界レベルに余裕がない場合の動作を示している。なお、後述する図５〜図７と同様に、図３Ａ及び図３Ｂにおいて、縦軸の「＋３」、「閾値＋１」、「＋１」、「−１」、「閾値−１」、「−３」は、それぞれ＋９４５Ｈｚ、＋６００Ｈｚ、＋３１５Ｈｚ、−３１５Ｈｚ、−６００Ｈｚ、−９４５Ｈｚに対応する。

図３Ａに示すように、正常時は周波数偏移が「閾値＋１」より大きいか又は「閾値−１」より小さいため、再生されたデータ列のシンボルは、送信側で生成された元データである「０１」と「１１」に対応する「＋３」と「−３」の繰り返しパターンとなり、エラーはない。

一方、図３Ｂに示す異常時は、周波数偏移が「閾値−１」より大きい部分が「−３」から「−１」に変化してしまい、エラーとなる。つまり、送信側では＋３、−３の２つのシンボルのみであった２値ＦＳＫ部のデータが４値ＦＳＫ部で使用したデータに変化してしまう。

そこで、本実施形態に係る無線通信装置では、４値ＦＳＫ部に使用されるデータ列のシンボルである（＋１，−１）が２値ＦＳＫ部で検出されたら、下記の表２、表３に示す変換規則を有する変換テーブルにより、「＋１」を「＋３」に変換し、「−１」を「−３」に変換することで（４値−２値変換）、エラーを訂正する。

〈制御部、送信部、受信部の要部構成と機能〉
図４は、図１における送信部１２、受信部１３、及び制御部１１の要部構成を示すブロック図である。

制御部１１は、送信側のＦＳＫ処理を行う部分として、元データ生成部１１ａ、２値ＦＳＫ生成制御部１１ｂ、及び４値ＦＳＫ生成制御部１１ｃを備えている。また、送信部１２は、変調部１２ａ、ＰＬＬ（Phase Locked Loop：位相同期ループ）回路１２ｂ、及び高周波アンプ１２ｃを備えている。

元データ生成部１１ａは、０，１の符号からなる元データを生成し、２値ＦＳＫ生成制御部１１ｂに供給する。２値ＦＳＫ生成制御部１１ｂは、通信データフォーマットに従って、２値ＦＳＫ部を構成するプリアンブル（２値）、同期ワード（２値）、データ（２値）を生成する。

４値ＦＳＫ生成制御部１１ｃは、通信データフォーマットに従って、４値ＦＳＫ部を構成するプリアンブル（４値）、同期ワード（４値）を生成する。また、生成した４値ＦＳＫ部の後ろに２値ＦＳＫ生成制御部１１ｂから出力された２値ＦＳＫ部を結合する。

変調部１２ａは、４値ＦＳＫ生成制御部１１ｃから出力される４値ＦＳＫ部及び２値ＦＳＫ部シンボルデータの＋３、＋１、−１、−３を＋９４５Ｈｚ、＋３１５Ｈｚ、−３１５Ｈｚ、−９４５Ｈｚの周波数偏移に変換する。

ＰＬＬ回路１２ｂは、変調部１２ａで変換された周波数偏移毎に周波数をずらして高周波を生成する。

高周波アンプ１２ｃは、ＰＬＬ回路１２ｂで生成された高周波を増幅して５Ｗにまで出力を上げて、アンテナから電波として無線送信する。

受信部１３は、高周波アンプ１３ａ、ミキサ１３ｂ、ＰＬＬ回路１３ｃ、及び復調部１３ｄを備えている。また、制御部１１は、受信側のＦＳＫ処理を行う部分として、４値ＦＳＫ変換制御部１１ｄ、２値ＦＳＫ変換制御部１１ｅ、及びエラー訂正部１１ｆを備えている。

高周波アンプ１３ａは、送信側の無線通信装置から送信された電波を受信して増幅する。ミキサ１３ｂは、高周波アンプ１３ａで増幅された高周波信号を周波数偏移の成分を含むベースバンド信号に変換する。ＰＬＬ回路１３ｃは、ミキサ１３ｂで周波数変換するための高周波の局部発振周波数信号を生成する。復調部１３ｄは、ミキサ１３ｂで変換されたベースバンド信号を周波数偏移に変換する。

４値ＦＳＫ変換制御部１１ｄは、復調部１３ｄで変換された周波数偏移をシンボルデータに変換する。ここで、プリアンブル（４値）と同期ワード（４値）が抽出されるが、このときはこの抽出データを破棄する。

２値ＦＳＫ変換制御部１１ｅでは、４値ＦＳＫ変換制御部１１ｄから出力されたシンボルデータから、プリアンブル（２値）と同期ワード（２値）を抽出して、抽出された同期ワード（２値）が予め決められた同期ワード（２値）に一致すれば、同期が確定し、以降変換される部分をデータ（２値）と見なす。

エラー訂正部１１ｆは、２値ＦＳＫ変換制御部１１ｅで変換されたシンボルデータに対して、前述した表２及び表３に示されているエラー訂正のパターンに従って、エラー訂正を行い、エラー訂正されて２値変換された０、１のデータを出力する。ここで通信が完了となる。

このように、閾値を４値ＦＳＫの条件のまま変えることなく、エラー訂正を行うことで、ソフトの制御変更のみでエラー訂正を可能とし、受信感度の向上に寄与している。従って、無線通信装置を安価に構成できる。

通常は、送信側の無線通信装置からの定期的なポーリング通信で、受信側の無線通信装置での受信電界レベルが閾値を下回る場合は、遠方設置又は妨害波による影響を受けていると判断し、送信側の無線通信装置に対して２値ＦＳＫ化信号を送り、送信側の無線通信装置では、２値ＦＳＫ生成制御部１１ｂで生成した２値ＦＳＫ部を送信データに付加する。

以上、送信部、受信部、及び制御部の要部構成と機能について説明した。次にデータの具体例を用いて詳細に説明する。
図５は、本発明の実施形態に係る無線通信装置における送信側のＦＳＫ処理に関するデータと波形のタイミングを示す図である。また、図６、図７は、それぞれ本発明の実施形態に係る無線通信装置における受信側の正常時、異常時のＦＳＫ処理に関するデータと波形のタイミングを示す図である。

〈送信側のＦＳＫ処理〉
図５に示すように、２値ＦＳＫ生成制御部１１ｂは、元データ生成部１１ａから供給された「１０１１０００１００００１１」からなる元データの入力波形（矩形波）から、その「１」、「０」をそれぞれ「０１」、「１１」に変換した２値データの出力波形（矩形波）を生成し、４値ＦＳＫ生成制御部１１ｃに出力する。

４値ＦＳＫ生成制御部１１ｃは、入力された矩形波の「０１」、「１１」からそれぞれのシンボルデータ「＋３」、「−３」に対応するレベルのアナログベースバンド波形を生成し、変調部１２ａに出力する。

〈受信側の正常時のＦＳＫ処理〉
図６に示すように、正常時、即ち送信側の無線通信装置からの距離が近く、受信電界レベルに余裕がある場合は、図３Ａの場合と同様に、４値ＦＳＫ変換制御部１１ｄの出力波形は＋６００Ｈｚに対応する「閾値＋１」より大きいか又は−６００Ｈｚに対応する「閾値−１」より小さいため、再生されたデータ列のシンボルは、送信側で生成された元データである「＋３」と「−３」の繰り返しパターンとなり、エラーはない。

４値ＦＳＫ変換制御部１１ｄの出力波形は２値ＦＳＫ変換制御部１１ｅに入力され、ここで「＋３」、「−３」がそれぞれ「０１」、「１１」となる矩形波に変換され、エラー訂正部１１ｆに入力される。「＋３」、「−３」のシンボルデータの状態でエラー訂正を行うのではなく、「１」、「０」の２値データに変換してから、エラー訂正を行う理由は、４値ＦＳＫの回路構成を流用しているからである。

エラー訂正部１１ｆは、入力された「０１」、「１１」をそれぞれ表２、表３に示されている変換テーブルにより、「１」、「０」のレベルの矩形波に変換する。

〈受信側の異常時のＦＳＫ処理〉
図７に示すように、異常時、即ち送信側の無線通信装置からの距離が遠く、受信電界レベルに余裕がない場合は、図３Ｂの場合と同様に、４値ＦＳＫ変換制御部１１ｄの出力波形が＋６００Ｈｚに対応する「閾値＋１」より小さい部分と、−６００Ｈｚに対応する「閾値−１」より大きい部分、即ち通信データフォーマットと２値ＦＳＫ部に無いはずの「＋１」、「−１」のシンボルデータに対応するレベルが発生し、エラーとなる。

このエラーを含む４値ＦＳＫ変換制御部１１ｄの出力波形は２値ＦＳＫ変換制御部１１ｅに入力され、正しいデータである「＋３」、「−３」がそれぞれ「０１」、「１１」となり、エラーデータである「＋１」、「−１」がそれぞれ「００」、「１０」となる矩形波に変換され、エラー訂正部１１ｆに入力される。

エラー訂正部１１ｆは、入力された正しいデータである「０１」、「１１」をそれぞれ表２、表３に示されている変換テーブルにより、「１」、「０」のレベルの矩形波に変換する。また、エラーデータである「００」、「１０」をそれぞれ「１」、「０」に変換することで、エラーを訂正する。ここで、所定期間毎に「００」と「１０」の総和をカウントしてエラー率を算出し、表示部１５で表示するように構成することもできる。

なお、以上説明した実施形態における４値ＦＳＫの多値の数、電波の周波数、周波数偏移は一例であり、実施形態の４値以上の６値や８値など多値ＦＳＫでもよいことは言うまでもない。

１…無線通信装置、１１ｂ…２値ＦＳＫ生成制御部、１１ｃ…４値ＦＳＫ生成制御部、１１ｄ…４値ＦＳＫ変換制御部、１１ｅ…２値ＦＳＫ変換制御部、１１ｆ…エラー訂正部。

Claims (3)

1. 送信する多値ＦＳＫ変調方式の通信データフォーマットのデータとして、多値のプリアンブル部分及び同期ワード部分を有する第１のＦＳＫ部と、それらに続く前記多値より少ない値のプリアンブル部分、同期ワード部分、及びデータ部分を有する第２のＦＳＫ部を生成するＦＳＫデータ生成手段と、
   受信した前記通信データフォーマットのデータの前記第２のＦＳＫ部のデータ部分で通信エラーにより多値に変化したデータを所定の変換規則で前記多値より少ない値のデータに変換することにより前記通信エラーを訂正する手段と、
   を有する無線通信装置。
2. 請求項１に記載された無線通信装置において、
   前記多値が４値であり、前記多値より少ない値が２値である無線通信装置。
3. 請求項２に記載された無線通信装置において、
   前記多値が前記多値より少ない値に変化してエラーになった個数をカウントしてエラー率を算出する手段と、当該エラー率を表示する手段とを有する無線通信装置。
   

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