JP3886254B2 - スペクトルパターンによる通信方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に無線による通信方法の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在までに広く利用されている無線通信方法における変調方法としては、
(1) 信号に応じて送信電波（搬送波）の振幅を変化させるもの（振幅変調）
(2) 信号に応じて送信電波（搬送波）の周波数を変化させるもの（周波数変調）
(3) 信号に応じて送信電波（搬送波）の位相を変化させるもの（位相変調）
(4) 信号に応じて送信電波（搬送波）自体を拡散させるもの（スペクトラム拡散変調）
があるが、これらの変調方法は、ノイズ、混信、妨害電波など、電波環境の悪い状況下では安定な通信が困難であり、さらに低い受信感度の状態になれば通信が不可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術に共通することは、いずれも１つの送信電波（搬送波）により信号を変調して送信する点であり、スペクトラム拡散変調では送信電波の周波数自体を広い周波数帯域に散らせて送信するため、他の変調方法に比較してノイズの影響を受けにくい方法といわれているが、瞬間的には、やはり１つの送信電波（搬送波）により送信する方法に変わりはない。
（発明の目的）
本発明の目的は、上述の課題を解決し、ノイズが多い状況下においても安定な通信を確保できる通信方法を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の本発明は、送信側では、互いに異なる周波数および振幅で、かつ、該周波数および振幅相互間に一定の相関関係を有する複数の搬送波を、同じ情報信号によりそれぞれ変調して同時に発信し、受信側では、搬送波の周波数および振幅における前記相関関係に基づいて、対象とする複数の搬送波を選別受信し、該複数の搬送波より前記情報信号をそれぞれ復調するようにしたことを特徴とするものである。
【０００５】
また、請求項２記載の本発明は、送信側では、互いに異なる周波数の複数の搬送波を、情報内容が同じで、かつ、互いに振幅が異なり、該振幅が前記搬送波の周波数と一定の相関関係を有する情報信号によりそれぞれ変調して同時に発信し、受信側では、受信した搬送波より復調した復調信号のうちから、前記搬送波の周波数および前記情報信号の振幅における前記相関関係に基づいて、前記情報信号を選別するようにしたことを特徴とするものである。
【０００６】
さらに、請求項３記載の本発明は、請求項１または２記載のスペクトルパターンによる通信方法において、送信側では、前記複数の搬送波を３波以上とし、受信側では、復調された３波以上の前記情報信号を多数決処理するようにしたことを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態である、振幅変調型のスペクトルパターンによる通信方法における送信電波（被変調搬送波）を示す図である。
【０００８】
図１において、太線は本発明による送信電波（被変調搬送波）を示し、細線はノイズや他の放送電波等を示している。なお、図１では、送信電波（被変調搬送波）として周波数ｆ１およびｆ２の２波を使用する例について示している。
【０００９】
本発明のスペクトルパターンによる通信方法では、搬送波の周波数と振幅の間に、または、搬送波の周波数と情報信号の振幅の間に、ある相関関係（規則性）を持たせている。図１の振幅変調型の実施の形態では、周波数ｆ１での搬送波の振幅をＨ１とし、周波数ｆ２での搬送波の振幅をＨ２とすれば、
(1) Δｆ＝ｆ１−ｆ２（周波数差）、または、Ｆ＝ｆ１／ｆ２（周波数比）
(2) Ｕ＝Ｈ１／Ｈ２（振幅比）
という相関性を持たせる。したがって、送信電波には、ΔｆまたはＦ、および、Ｕの２つのパラメータと、必然的に存在する時間要素の、合計３次元の要素が含まれることになる。
【００１０】
図２は、送信電波（被変調搬送波）のスペクトルを示す図であり、上記の模様が図２に示されている。すなわち、送信電波（被変調搬送波）は、それぞれの電波の時間的変化（振幅、周波数）を含めた、３次元スペクトルとして送信される。
【００１１】
通常、ある種の変調を受けている電波は、送信電波の搬送周波数（ここではｆ１とｆ２）を中心として周波数、および、振幅が変動している。
【００１２】
図１の例では、受信側における受信感度に関わらず、周波数ｆ１およびｆ２の搬送波の振幅比Ｕ（＝Ｈ１／Ｈ２）、または、復調された情報信号の振幅比は一定である。
【００１３】
受信側では、受信対象とする電波の周波数範囲を全体的に監視し、周波数および振幅に定められた相関関係のある１組の電波をサーチし、これらに追従しながら受信、復調を行う。
【００１４】
図３は、同じく振幅変調型のスペクトルパターンによる通信方法を示す図である。周波数差Δｆが既知であれば、３波以上の場合も全く同様であり、図３では４波の送信電波（被変調搬送波）を使用する場合を示している。図３の場合の相関性は、下記の通りである。
【００１５】
(1) Δｆ１（ｆ１−ｆ２）＝Δｆ２（ｆ２−ｆ３）＝Δｆ３（ｆ３−ｆ４）、または、Ｆｎ＝ｆ１：ｆ２：ｆ３：ｆ４
(2) Ｕｎ＝Ｈ１：Ｈ２：Ｈ３：Ｈ４
図４および図５は、本発明の実施の一形態である、振幅変調型のスペクトルパターンによる通信方法を実施する送信装置および受信装置の１例を示すブロック図である。図４は、２波の送信電波（搬送波）を用いる例を示し、図５は、搬送波の振幅を比較する例を示している。
【００１６】
図４の送信装置において、搬送波発振器１，２により出力される周波数ｆ１，ｆ２の搬送波（両波の最大振幅値は等しい）は、情報信号発生回路３より出力される同一の情報信号Ｓにより振幅変調器４，５（特性は等しい）にてそれぞれ変調される。被変調搬送波は、高周波増幅器６，７によりα１倍とα２倍にそれぞれ直線増幅され、アンテナ８，９より発信される。高周波増幅器６，７の利得α１，α２は、被変調搬送波の振幅比が前述したＵ＝Ｈ１／Ｈ２を満足するように定められる。
【００１７】
図５の受信装置において、アンテナ１０，１１により受信された受信電波のうち、周波数差Δｆ（＝ｆ１−ｆ２）のある２波の搬送波が同調回路１２，１３により選別される。同調回路１２，１３の出力は振幅比較回路１４に入力され、その振幅Ｈ１，Ｈ２が比較される。振幅比較回路１４は、振幅比（Ｈ１／Ｈ２）がα１／α２になるように、同調周波数変更回路１５を制御し、同調回路１２，１３の同調周波数をｆ１とｆ２に一致させる。これにより、同調回路１２，１３の各出力は周波数ｆ１，ｆ２の搬送波となり、復調回路１６，１７により復調された復調信号は情報信号Ｓとなる。図５では、復調回路１６，１７から２つの情報信号Ｓが得られることになるが、▲１▼いずれかを情報信号と見做す、▲２▼ディジタルデータの場合はパリティやチェックコードの正しい方を採用する、などの信号処理方法が考えられ、特に後述するように、送信電波（搬送波）として３波以上を使用する場合には、多数決的処理方法、あるいは、統計的処理方法などにより、妨害を受けた情報信号を復元する方法も可能である。
【００１８】
振幅比較回路１４および同調周波数変更回路１５の一具体例を図６に示す。図６では、ドライブ回路１８の制御によるサーボモータ１９の回転により同調回路１２，１３の可変容量（バリアブルコンデンサ）を回転軸を同軸として回転させて、同調周波数を差Δｆを保ちつつ変更し、それぞれｆ１，ｆ２に調整する様子を表している。
【００１９】
図６において、同調回路１２，１３より出力される搬送波ｖ１，ｖ２の最大振幅電圧Ｖ１，Ｖ２が振幅検出回路２０，２１により検出され、最大振幅電圧Ｖ２より抵抗器Ｒ１〜Ｒ３にて電圧ＶＨ２と電圧ＶＬ２が作られる。電圧ＶＨ２と電圧ＶＬ２とは、Δｆ＝ｆ１−ｆ２（周波数差）およびＵ＝Ｈ１／Ｈ２（搬送波の振幅比）の相関関係を満足する搬送波抽出のための許容幅を規定する電圧であり、高周波増幅器６，７の利得比α１／α２の値に基づいて、次の不等式を満足するように抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の値が設定される。
【００２０】

なお、図６において、２２，２３はコンパレータ、そして、２４はアンド回路であり、アンド回路２４は、最大振幅電圧Ｖ１が最大振幅電圧Ｖ２によって作られる電圧ＶＨ２と電圧ＶＬ２の間に入るまで、ローレベルの制御信号を出力し、ドライブ回路１８を動作させ、ハイレベルの信号によりドライブ回路１８の動作を停止させる。
【００２１】
ここで、ドライブ回路１８や２つの同調回路１２，１３が、常に同調周波数ｆ１，ｆ２の差△ｆまたは比Ｆを維持できるよう回路を設計する必要があるが、いずれも既存の技術で容易に実現可能である。
【００２２】
なお、以上は搬送波２波による本発明の実施の形態を示したが、搬送波を周波数の異なる３波以上とする場合にも同様に適用できる。
【００２３】
図５の受信装置は、受信搬送波の振幅を比較するものであるが、図７に示されるように、復調回路１６，１７により復調された復調信号Ｄ１，Ｄ２の振幅を比較することにより、所定の相関関係の搬送波を選別するようにしても良い。
【００２４】
復調回路１６，１７により復調された復調信号Ｄ１，Ｄ２が振幅比較回路２５に入力され、時々刻々変化するその振幅Ｈ１，Ｈ２が逐次比較される。振幅比較回路２５は、振幅比（Ｈ１／Ｈ２）がα１／α２になるように、同調周波数変更回路１５を制御し、同調回路１２，１３の同調周波数をｆ１とｆ２に一致させる。これにより、同調回路１２，１３の各出力は周波数ｆ１，ｆ２の搬送波となり、その時の復調回路１６，１７により復調された復調信号Ｄ１，Ｄ２は情報信号Ｓとなる。
【００２５】
なお、復調信号Ｄ１，Ｄ２の振幅を比較する場合に、送信装置においては、図４に示されるように、被変調搬送波をα１倍とα２倍に増幅しても良いし、情報信号発生回路３より出力される情報信号Ｓを、振幅変調器４，５に入力する前に、α１倍とα２倍に増幅しても良い。
【００２６】
図８および図９は、本発明の実施の他の形態である、周波数変調型のスペクトルパターンによる通信方法を実施する送信装置および受信装置の１例を示すブロック図である。図８は、４波の送信電波（搬送波）を用いる例を示し、図９は、受信搬送波の振幅を比較する例を示している。
【００２７】
図８の送信装置において、搬送波発振器３１〜３４により、差あるいは比が所定の関係を有する周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４の搬送波（最大振幅はすべて等しい）が出力され、周波数変調器３５〜３８（特性はすべて等しい）により、これらの４つの搬送波が情報信号発生回路３９からの同一の情報信号Ｓにより変調される。各被変調搬送波は、高周波増幅器４０〜４３によりα１〜α４倍に直線増幅されて、アンテナ４４〜４７より発信される。高周波増幅器４０〜４３の利得α１〜α４は、被変調搬送波の振幅Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４が所定の振幅比Ｕｎ（＝Ｈ１：Ｈ２：Ｈ３：Ｈ４）の関係を満足するように定められる。
【００２８】
図９の受信装置においては、アンテナ４８〜５１により受信された受信電波のうち、差あるいは比が所定の関係を有する周波数の４波の搬送波が同調回路５２〜５５により選別される。同調回路５２〜５５の出力は振幅比較回路５６に入力され、その最大振幅Ｈ１〜Ｈ４が比較される。振幅比較回路５６は、振幅比（Ｈ１：Ｈ２：Ｈ３：Ｈ４）がα１：α２：α３：α４に等しくなるまで、同調周波数変更回路５７を制御し、同調回路５２〜５５の同調周波数を変更する。振幅比（Ｈ１：Ｈ２：Ｈ３：Ｈ４）がα１：α２：α３：α４に等しくなった時点の同調回路５２〜５５の各出力は周波数ｆ１〜ｆ４の搬送波となり、これらの搬送波が復調回路５８〜６１により復調された復調信号は情報信号Ｓとなる。
【００２９】
図８および図９に示される本発明の実施の形態は、受信搬送波の振幅を比較するものであるが、図１１に示されるように、復調回路５８〜６１により復調された復調信号Ｄ１〜Ｄ４の振幅を比較することにより、所定の相関関係の搬送波を選別するようにしても良い。
【００３０】
図１０の送信装置において、情報信号発生回路３９により発生される情報信号Ｓは、増幅器６２〜６５によりα１〜α４倍に直線増幅され、周波数変調器３５〜３８にて周波数ｆ１〜ｆ４の搬送波を変調する。増幅器６２〜６５の利得α１〜α４は、増幅後の情報信号Ｓの振幅Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４が所定の振幅比Ｕｎ（＝Ｈ１：Ｈ２：Ｈ３：Ｈ４）の関係を満足するように定められる。
【００３１】
図１１の受信装置においては、復調回路５８〜６１により復調された復調信号Ｄ１〜Ｄ４が振幅比較回路６６に入力され、その最大振幅Ｈ１〜Ｈ４が比較される。振幅比較回路６６は、振幅比（Ｈ１：Ｈ２：Ｈ３：Ｈ４）がα１：α２：α３：α４に等しくなるまで、同調周波数変更回路５７を制御し、同調回路５２〜５５の同調周波数を変更する。振幅比（Ｈ１：Ｈ２：Ｈ３：Ｈ４）がα１：α２：α３：α４に等しくなった時点の同調回路５２〜５５の各出力は周波数ｆ１〜ｆ４の搬送波となり、これらの搬送波が復調回路５８〜６１により復調された復調信号Ｄ１〜Ｄ４は情報信号Ｓとなる。
【００３２】
図８〜図１１の場合は、搬送波４波による本発明の実施の形態を示しているが、搬送波を周波数の異なる２波以上とする場合にも同様に適用できる。また、図８〜図１１の周波数変調型を位相変調型とするようにしても良い。
【００３３】
搬送波を周波数の異なる３波以上とする場合には、３つ以上の情報信号Ｓが得られるので、これらを多数決処理することが好ましい。図１２（ａ）は多数決処理回路の一例を示し、図１２（ｂ）はＡ〜Ｊ点の出力を示すものである。
【００３４】
図９，１１の復調回路５８〜６０から出力されるアナログの情報信号はＡ／Ｄ変換回路７１〜７３によりディジタルの受信データにそれぞれ変換され、３つの受信データからそれぞれ２つをとる組み合わせで排他的オア回路７４〜７６に入力される。そして、Ａ点，Ｂ点，Ｃ点の出力がＤ点，Ｅ点，Ｆ点の出力と共にオア回路７７〜７９に入力され、オア回路７７〜７９の出力はアンド回路８０に入力される。その結果、図１２（ｂ）に示されるように、アンド回路８０の出力（Ｊ点の出力）は多数決処理されたデータとなる。これにより、受信データの精度を一層高くすることができる。
【００３５】
送信電波（被変調搬送波）による通信中に、外来ノイズや妨害電波の影響を受けた時、搬送波の周波数を自動的に変更するようにすれば、通信状態がより良好となる周波数帯へ移動することができ、通信品質を回復することができるので、大変望ましい。図１３はこの自動周波数変更を行う回路の一例を示すものである。この例では、Ａ局とＢ局が双方向通信を行っている状況を仮定し、通信データがパケット単位で送受信される場合を示している。
【００３６】
図１３の送受信装置はＡ局のものであり、Ｂ局も同様の送受信装置である。第１受信部８１、第２受信部８２、第３受信部８３は、図５や図９等の同調回路および復調回路等から構成されたものとして示されている。これらの受信部８１〜８３より出力される３つの受信データは多数決処理回路８４（詳細は図１２で既に説明した通り）により多数決処理されると共に、エラー監視回路８５により３つの受信データの不一致が検出される。このエラー監視回路８５の一例を図１４に示す。
【００３７】
図１４において、受信部８１〜８３よりシリアルに出力されるディジタルの３つの受信データは排他的オア回路８５に入力される。３つの受信データの各ビットがすべて一致していれば排他的オア回路８５の出力は［０］となり、ゲート８６は閉じているが、３つの受信データの各ビットが不一致であると、排他的オア回路８５の出力は［１］となり、ゲート８６を開く。これにより、クロック発生回路８７より出力されるクロックはゲート８６を通り、カウンタ８８で計数される。カウンタ８８の計数値は一定時間毎に監視タイマ８９のクリア信号によりクリアされるが、一定時間以内にカウンタ８８の計数値が設定器９０の設定値を越えると、比較器９１はそれを検出して、［１］の周波数変更信号を出力する。つまり、３つの受信データの各ビットが不一致である率が低ければ、カウンタ８８の計数値が設定器９０の設定値に達する前にクリアされ、周波数変更信号は発生しないが、不一致の率が高いと、カウンタ８８の計数値がクリアされる前に設定値に達し、周波数変更信号が発生する。なお、この例では、受信データのビット速度（ボーレート）よりクロックの周期を充分短くすることが必要である。
【００３８】
図１３に戻って説明を続ける。エラー監視回路８５が周波数変更信号を出力すると、周波数変更信号／データ合成回路９２により、Ｂ局へ送信すべきデータと周波数変更信号とがパケット単位で合成され、第１送信部９３、第２送信部９４、第３送信部９５によりＢ局へ向けて発信される。送信部９３〜９５は図４や図８等の搬送波発振器、変調器および増幅器等から構成されるものである。
【００３９】
同様に、Ｂ局からＡ局へ送られてくるデータも、周波数変更信号とパケット単位で合成されている。これらのデータおよび周波数変更信号は、周波数変更信号／データ分離回路９６により分離され、分離された周波数変更信号が［１］であれば、送信部９３〜９５の搬送波の周波数が変更される。この動作は、周波数変更信号が［０］になるまで繰り返される。
【００４０】
なお、受信側では、変更された送信電波（搬送波）の周波数に同調させる時間が必要であるから、送信側の周波数変更はこの時間を考慮したタイミングをとって行われる。
【００４１】
送受信データにこのような処理を施すことにより、自動的に通信品質が最も良好な周波数帯を探しながら通信することが可能となる。なお、送信側において変更された送信電波（搬送波）の周波数への受信側での同調は、上述の方法により行われるから、送信側、受信側双方における周波数変更の仕方（連続的、ランダムなどの周波数変更規約）を定める必要はなく、第三者からの意図的な妨害電波を除去する場合などには極めて有効である。
【００４２】
以上述べたように、受信側では、周波数および振幅の相関関係を探索して受信するから、受信側では、直接送信電波（被変調搬送波）の周波数を具体的に知る必要はなく、どの周波数帯の電波であるかを知っておけばよいことになる。
【００４３】
本通信方法は複数の電波の同時発信および同時受信によるものであり、かつ、時間的変化を捉える３次元要素を利用した方法であるから、従来の単一搬送波による通信方法に比較して、電波伝播状態が良くない、あるいは、ノイズが多い環境下における通信においても、対象とする情報信号を受信・復調することが容易となる。
【００４４】
さらに、使用している周波数帯の電波環境が良くないときには、送信側で任意に複数の送信電波（被変調搬送波）の周波数を、送受信間で定められた一定の相関関係（規則性）を維持しつつ変更（シフト）させて送信することができることから、電波環境に柔軟に対処可能となる。
【００４５】
なお、本方法は、単に無線通信のみならず、有線通信、光通信、超音波探査などにも応用可能である。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ノイズが多い状況下においても安定な通信を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である、２波の場合の振幅変調型のスペクトルパターンによる通信方法を示す図である。
【図２】本発明による送信電波（被変調搬送波）のスペクトルを示す図である。
【図３】本発明の実施の一形態である、４波の場合の振幅変調型のスペクトルパターンによる通信方法を示す図である。
【図４】本発明による振幅変調型のスペクトルパターンによる通信方法を実施する送信装置の一例を示すブロック図である。
【図５】本発明による振幅変調型のスペクトルパターンによる通信方法を実施する受信装置の一例を示すブロック図である。
【図６】図５の振幅比較回路および同調周波数変更回路の一具体例を示す図である。
【図７】本発明による振幅変調型のスペクトルパターンによる通信方法を実施する受信装置の他の例を示すブロック図である。
【図８】本発明による周波数変調型のスペクトルパターンによる通信方法を実施する送信装置の一例を示すブロック図である。
【図９】本発明による周波数変調型のスペクトルパターンによる通信方法を実施する受信装置の一例を示すブロック図である。
【図１０】本発明による周波数変調型のスペクトルパターンによる通信方法を実施する送信装置の他の例を示すブロック図である。
【図１１】本発明による周波数変調型のスペクトルパターンによる通信方法を実施する受信装置の他の例を示すブロック図である。
【図１２】本発明における多数決処理回路の一具体例およびその各部の出力を示す図である。
【図１３】本発明における自動周波数変更回路の一例を示すブロック図である。
【図１４】図６のエラー監視回路の一具体例を示す図である。
【符号の説明】
１，２ 搬送波発振器
３ 情報信号発生回路
４，５ 振幅変調器
６，７ 高周波増幅器
８，９，１０，１１ アンテナ
１２，１３ 同調回路
１４，２５ 振幅比較回路
１５ 同調周波数変更回路
１６，１７ 復調回路
３１〜３４ 搬送波発振器
３５〜３８ 周波数変調器
３９ 情報信号発生回路
４０〜４３ 高周波増幅器
４４〜４７，４８〜５１ アンテナ
５２〜５５ 同調回路
５６，６６ 振幅比較回路
５７ 同調周波数変更回路
５８〜６１ 復調回路
６２〜６５ 増幅器
７１〜７３ Ａ／Ｄ変換回路
７４〜７６ 排他的オア回路
７７〜７９ オア回路
８０ アンド回路
８４ 多数決処理回路
Ｆ 周波数比
ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４ 搬送波の周波数
Δｆ，Δｆ１，Δｆ２，Δｆ３ 周波数差
Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４ 振幅
Ｓ 情報信号
Ｕ，Ｕｎ 振幅比

Claims (3)

1. 送信側では、互いに異なる周波数および振幅で、かつ、該周波数および振幅相互間に一定の相関関係を有する複数の搬送波を、同じ情報信号によりそれぞれ変調して同時に発信し、受信側では、搬送波の周波数および振幅における前記相関関係に基づいて、対象とする複数の搬送波を選別受信し、該複数の搬送波より前記情報信号をそれぞれ復調するようにしたことを特徴とするスペクトルパターンによる通信方法。
2. 送信側では、互いに異なる周波数の複数の搬送波を、情報内容が同じで、かつ、互いに振幅が異なり、該振幅が前記搬送波の周波数と一定の相関関係を有する情報信号によりそれぞれ変調して同時に発信し、受信側では、受信した搬送波より復調した復調信号のうちから、前記搬送波の周波数および前記情報信号の振幅における前記相関関係に基づいて、前記情報信号を選別するようにしたことを特徴とするスペクトルパターンによる通信方法。
3. 送信側では、前記複数の搬送波を３波以上とし、受信側では、復調された３波以上の前記情報信号を多数決処理するようにしたことを特徴とする請求項１または２記載のスペクトルパターンによる通信方法。

Images