JP4061237B2 - 無線送信装置、レーダ・システムおよび無線通信システム - Google Patents
無線送信装置、レーダ・システムおよび無線通信システム Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線送信装置、レーダ・システムおよび無線通信システムに関し、より詳細には、小さなパルス時間幅と高い繰り返し周波数を有する超広帯域無線システムを適用した無線送信装置、レーダ・システムおよび無線通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超広帯域（ＵＷＢ：Ultra Wide Band）無線システムは、１ビットのデータに相当する１つのパルス信号を連続的に送受信する無線通信に適用されている（例えば、特許文献１参照）。また、被測定物で反射されたパルスの伝搬時間と方向から被測定物の距離と位置とを検出するレーダにも適用されている。通信速度とレーダの分解能は、パルスの時間幅と繰り返し周波数により決定されるため、よりパルス時間幅の短い、かつ、繰り返し周波数の高いパルス発生システムが必要である。
【０００３】
現在、開発されているＵＷＢ無線システムが電気的に発生するパルス時間幅は、１ｎｓ程度であり、繰り返し周波数は１ＧＨｚ以下である。例えば、ＬＣ共振回路により生成されるパルス時間幅は、数十ｎｓであり、繰り返し周波数は数ＭＨｚである。また、ステップリカバリダイオードなどを用いたコムジェネレータから出力されるパルス時間幅は、約５０ｐｓであり、繰り返し周波数は最大１ＧＨｚであるが、固定的である。このような電気的にパルスを発生する無線システムにおいては、通信速度は１Ｇｂｐｓ以下に制限され、レーダの空間分解能は５０ｃｍ程度に制限される。
【０００４】
無線通信システムにおいては、超高速ＬＡＮ技術として、１０Ｇｂｐｓの速度を有するEthrenet（登録商標）が標準化され、屋内無線通信速度の増大が熱望されている。また、レーダ・システムにおいては、犯罪捜査や危険物検査の現場において、不可視状態における障害物、危険物の検知を、１ｃｍ以下の空間分解能により高精細に行うことが必須となっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−４３８４９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、従来から提案されている電気的にパルスを発生するＵＷＢ無線システムは、屋内通信に要求される通信速度、および不可視物検知に要求される空間分解能を十分有していないという問題があった。
【０００７】
また、屋内無線通信においては、複数のユーザが同一システムを共有するため、各ユーザのデータ信号の分離が必要となる。各データ信号は、ＱＦＴＭ（Quadrature Flip Time Modulation）などの多値化によって分離されるため、大きなパルス時間幅は、多値数を制限し、共有できるユーザ数を減少させるという問題もあった。
【０００８】
さらに、屋内においては、送信機からの電波を反射する物体が近傍に存在し、受信機が受信するマルチパス信号が多数存在する。このため、所望のデータ信号とマルチパス信号とを分離する必要がある。大きな繰り返し時間間隔は、マルチパス信号の遅延時間と等しくなるため、信号雑音比が劣化するという問題があった。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、より優れた通信品質を有する無線通信システム、および空間分解能に優れたレーダ・システムを実現するための無線送信装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、１ビットのデータに相当する１つのパルス信号を送信する超広帯域無線送信装置において、外部入力信号により繰り返し周波数を任意調整することができる半導体レーザおよびパルス圧縮装置から構成され、モノパルス信号である光パルス信号を発生する光パルス発生器と、前記光パルス信号を変調するためのベースバンド信号を発生するベースバンド信号発生器と、前記光パルス信号を前記ベースバンド信号により変調する光変調器と、該光変調器で変調された光パルス信号を電気パルス信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、前記電気パルス信号を電磁波に変換して空間に放射する送信アンテナとを備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記光パルス信号は、ガウス形モノパルス信号であることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記光変調器は、光強度変調器であることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記光変調器は、光遅延回路であることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記光変調器は、光位相制御回路であることを特徴とする。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５に記載の前記Ｏ／Ｅ変換器は、単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ）であることを特徴とする。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、レーダ・システムであって、請求項１に記載の無線送信装置と、該無線送信装置から放射された電磁波を、前記電気パルス信号に変換する受信アンテナと、前記電気パルス信号の伝搬時間と方向から被測定物の距離と位置とを検出する検出器とを有する無線受信装置とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、無線通信システムであって、請求項１に記載の無線送信装置と、該無線送信装置から放射された電磁波を、前記電気パルス信号に変換する受信アンテナと、前記電気パルス信号からベースバンド信号を抽出する受信器とを有する無線受信装置とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。上述したように、ＵＷＢ無線システムが適用されるシステムの性能は、パルス時間幅と繰り返し周波数により決定される。本発明は、電気的に発生する電気パルス信号に比べて、小さなパルス時間幅と高い繰り返し周波数を有する光パルス信号を用いてＵＷＢ無線システムを構成する。
【００２１】
図１に、本発明の第１の実施形態にかかるＵＷＢ無線システムを示す。ＵＷＢ無線システムは、光学的パルス発信部１と受信部２とから構成されている。光学的パルス発信部１は、光パルス信号を発生する光パルス発生器３と、光パルス信号を変調する光変調器４と、変調された光パルス信号を電気パルス信号に変換するＯ／Ｅ変換器５と、電気パルス信号を電磁波に変換して空間に放射する送信アンテナ６とを備えている。また、光パルス信号を変調するベースバンド信号を発生するベースバンド信号発生器７が、光変調器４に接続されている。
【００２２】
受信部２は、光学的パルス発信部１から放射された電磁波を、電気パルス信号に変換する受信アンテナ９と、電気パルス信号からベースバンド信号を抽出する受信器８とから構成されている。
【００２３】
光パルス発生器３は、小さいパルス時間幅と高い繰り返し周波数を有する光パルスを生成する。パルス時間幅と繰り返し周波数は、システムの要求に合わせて適宜選択される。例えば、10G-Ethernet（登録商標）に要求されるパルス時間幅は、１００ｐｓ以下、繰り返し周波数は１０ＧＨｚ以上である。複数のユーザが同一のシステムを共有するとき、ユーザ数をｎとすると、時間幅は（１００／ｎ）ｐｓ以下、繰り返し周波数は（１０×２）ＧＨｚ以上となる。
【００２４】
例えば、色素レーザやＹＡＧレーザをＱスイッチさせることにより数百ｆｓのパルスを発振させることができる。ただし、機械的にＱスイッチさせるため、繰り返し周波数は数ｋＨｚに制限され、かつ、装置構成は大がかりなものとなる。また、受動モード同期レーザは、共振器内に可飽和吸収体を有し、自己スイッチングによりパルス時間幅１００〜３００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ以下のパルスを得ることができる。また、利得媒質、光フィルタ、変調器を加えた能動モード同期レーザは、変調周波数を共振器長で決まる基本波の整数倍にすることにより、繰り返し周波数を数十ＧＨｚに増加することができる。しかしながら、いずれのレーザにおいても、繰り返し周波数は固定であり、かつ、装置構成は大きくなる。
【００２５】
図２に、ＵＷＢ無線システムの光パルス発生器の一例を示す。光パルス発生器３は、外部入力信号により繰り返し周波数を任意調整することができる半導体レーザ３１と、パルス圧縮装置３２とから構成される。繰り返し周波数は、外部入力信号により規定され、１００ＧＨｚ以上を得ることができる。半導体レーザ３１から出力されたパルス時間幅は、２０ｐｓ程度であり、分散補償ファイバまたはグレーティングを透過することにより数ｐｓとすることができる。
【００２６】
パルス圧縮装置３２は、光フィルタと分散減少ファイバとの組み合わせ、または、非線形ファイバと光フィルタとの組み合わせにより構成されている。パルス圧縮装置３２は、半導体レーザ３１から出力された光パルス信号を圧縮して、パルス時間幅２００〜３００ｆｓのパルスを生成することができる。
【００２７】
半導体レーザ３１から出力される光パルス信号は、モノパルス信号、またはガウス形モノパルス信号である。システム設計の観点から、電気パルス信号に定義されているような矩形パルスは、広帯域であり取り扱いが困難である。半導体レーザから出力される光パルス信号は、矩形パルスと較べて狭帯域であり、システム設計が容易になる。また、ガウス形モノパルス信号の周波数スペクトルは、ガウス形状をしており、アンテナ、フィルタ、線路などのＲＦ回路の設計がさらに容易となる。
【００２８】
図３に、光パルス発生器から出力される光パルス信号の時間波形と周波数スペクトルを示す。パルス圧縮装置３２は、波長分散がなく、かつ、十分な帯域を有するため、半導体レーザ３１から出力された光パルス信号は、パルス圧縮装置３２を通過した後もガウス形モノパルス信号である。
【００２９】
光パルス発生器３により生成された光パルス信号は、光変調器４によりベースバンド信号が重畳される。光パルス信号から変換された電気パルス信号は、高い繰り返し周波数を有するため、電気パルス信号にベースバンド信号を重畳する変調は、大変困難である。そこで、光パルス信号にベースバンド信号を光変調器により重畳する。光通信技術で培われた光変調技術は、１００Ｇｂｐｓ以上の通信速度に対応しており、変調された光パルス信号を電気パルス信号に変換して、アンテナから放射する。
【００３０】
ベースバンド信号は、計算機などにより構成されるベースバンド信号発生器７において生成される。または、10G-Ethernet（登録商標）、ＡＴＭなどの外部装置より入力されたベースバンド信号が、ベースバンド信号発生器７を経由して、光変調器４へ出力される。光変調器４は、通信システムに対応して選択される。図４に、パルス振幅変調（ＰＡＭ）方式のＵＷＢ無線システムを示す。光変調器４として光強度変調器１０を用いる。図５に、パルス位置変調（ＰＰＭ）方式のＵＷＢ無線システムを示す。光変調器４として光遅延回路１１を用いる。図６に、２相位相変調（ＢＰＳＫ）方式のＵＷＢ無線システムを示す。光変調器４として光位相制御回路１２を用いる。また、他の変調方式においても、適切な変調器を選択することにより、光パルス信号にベースバンド信号を重畳することができる。
【００３１】
光変調器４によりベースバンド信号が重畳された光パルス信号は、Ｏ／Ｅ変換器５により電気パルス信号に変換される。従来の光電変換器の周波数帯域は、光パルス信号の必要帯域に比べて非常に狭く、光パルス信号は、パルス時間幅の大きい電気パルス信号に変換されてしまう。例えば、一般的なＰＩＮ−ＰＤの周波数帯域は３０ＧＨｚ程度であり、変換される電気パルス信号のパルス時間幅は３ｎｓ程度である。また、従来の光電変換器の出力は小さいため、アンテナに入力される電気信号を増幅しなければならない。増幅器の周波数帯域は、光パルス信号の必要帯域に比べて非常に小さいため、パルス時間幅の大きい電気パルス信号が出力されてしまう。例えば、一般的な増幅器の周波数帯域は３０ＧＨｚ程度であり、変換される電気パルス信号の時間幅は３ｎｓ程度である。
【００３２】
光パルス信号の特性を生かすためには、Ｏ／Ｅ変換器５には広い帯域が必要である。例えば、１ｐｓのパルスを生成するには数百ＧＨｚの帯域が必要である。近年、このような通信システムに適した光電変換器として単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ）が開発された。ＵＴＣ−ＰＤは、３００ＧＨｚ以上の周波数帯域と１０ｍＷ以上の出力パワーを有しており、１ｐｓ以下のパルスを生成したことが確認されている。また、ＵＴＣ−ＰＤは、空間伝搬に十分な１０ｍＷ以上の出力パワーを有するため、増幅器の帯域に制限されることがない。従って、ＵＴＣ−ＰＤをＯ／Ｅ変換器として用いると、数ｐｓのパルス時間幅と数十ＧＨｚの繰り返し周波数とを有する光パルス信号を、電気パルス信号に変換することができ、電気パルス信号は、送信アンテナにより電磁波に変換されて空間に放射される。
【００３３】
光パルス信号を広帯域なＯ／Ｅ変換器５で電気パルス信号に変換することで、光パルス信号の特性をそのまま生かすことができる。Ｏ／Ｅ変換器が１００ＧＨｚ以上の周波数帯域を有しているとき、光パルス信号は繰り返し周波数を保ったまま、時間幅１０ｐｓ以下のパルスに変換される。変換された電気パルス信号を広帯域のアンテナにより送受信することにより、従来のシステムに比べて数十倍の通信速度と空間分解能を有するシステムを構築することができる。また、同様に、ユーザ数を数十倍確保し、マルチパス干渉に対する耐性を向上させることができる。
【００３４】
Ｏ／Ｅ変換器５により生成された電気パルス信号は、送信アンテナ６から電磁波に変換されて空間に放射される。送信アンテナ６は、Ｏ／Ｅ変換器５と同等の帯域を有するように設計されており、集積化の観点からスロットアンテナ、リングアンテナなどの平面アンテナから構成されている。但し、アンテナは、電気パルス信号のＤＣ成分を放射することができないため、送信アンテナ６より出力されるパルス信号は、ガウス形モノサイクルパルス信号となる。
【００３５】
図７に、送信アンテナから放射される電磁波の時間波形と周波数スペクトルを示す。光学的パルス発信部１から放射された電磁波のパルス信号は、光パルス信号とほぼ同等の特性を有する。Ｏ／Ｅ変換器５と送信アンテナ６とが光パルス信号よりも狭い周波数帯域を有するとき、電気パルス信号と電磁波のパルス信号とは、ガウス形マルチサイクルパルス信号となる。図８に、帯域制限されたときの電気パルス信号または電磁波のパルス信号の時間波形と周波数スペクトルを示す。サイクル幅と繰り返し周波数を制御することにより、必要な伝送速度やレーダ時間分解能を得ることができる。例えば、サイクル幅が１０ｐｓ以下、繰り返し周波数が１００ＧＨｚ以上のとき、伝送速度は１００Ｇｂｐｓである。
【００３６】
放射された電磁波を送信アンテナ６と同じ帯域を有する受信アンテナ９で受信することにより、通信やレーダシステムを構成することができる。受信アンテナ９で受信された電磁波は、電気パルス信号に変換され、受信器８に出力される。無線通信システムにおいては、受信器８は、電気パルス信号を、それぞれの変調方式に対応した復調処理を行って、ベースバンド信号を抽出する。レーダシステムにおいては、それぞれの計測方式に対応した信号処理を行って、電気パルス信号の伝搬時間と方向から被測定物の距離と位置とを検出する。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態によれば、光パルスの特性を損なうことなく、１ｐｓ以下のパルス時間幅と１００ＧＨｚ以上の繰り返し周波数を有するパルス信号が空間へ放射され、１００Ｇｂｐｓ以上の無線通信システム、１ｍｍ以下の空間分解能を有するレーダ・システムを実現することができる。また、屋内無線通信におけるユーザ数は、従来の１０倍以上にすることができる。さらに、マルチパス干渉に対する耐性は、従来の１０倍以上であり、無線通信システムの伝送品質を向上することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、外部入力信号により繰り返し周波数を任意調整することができる半導体レーザおよびパルス圧縮装置から構成され、モノパルス信号である光パルス信号を発生する光パルス発生器と、光パルス信号を変調するためのベースバンド信号を発生するベースバンド信号発生器と、光パルス信号をベースバンド信号により変調する光変調器と、光変調器で変調された光パルス信号を電気パルス信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、電気パルス信号を電磁波に変換して空間に放射する送信アンテナとを備えた無線送信装置を用いて、より優れた品質を有する無線通信システム、および空間分解能に優れたレーダ・システムを提供することが可能となる。
【００３９】
また、本発明によれば、通信速度に制限されることなく、光ネットワークに対応した無線システムを構築することが可能となる。さらに、高精細なレーダ・システム、非破壊検査、体内検査などのシステムを構築することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかるＵＷＢ無線システムを示す構成図である。
【図２】ＵＷＢ無線システムの光パルス発生器を示す構成図である。
【図３】光パルス発生器から出力される光パルス信号の時間波形と周波数スペクトルを示す図である。
【図４】パルス振幅変調（ＰＡＭ）方式のＵＷＢ無線システムを示す構成図である。
【図５】パルス位置変調（ＰＰＭ）方式のＵＷＢ無線システムを示す構成図である。
【図６】２相位相変調（ＢＰＳＫ）方式のＵＷＢ無線システムを示す構成図である。
【図７】送信アンテナから放射される電磁波のパルスの時間波形と周波数スペクトルを示す図である。
【図８】帯域制限されたときの電気パルス信号または電磁波のパルスの時間波形と周波数スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１ 光学的パルス発信部
２ 受信部
３ 光パルス発生器
４ 光変調器
５ Ｏ／Ｅ変換器
６ 送信アンテナ
７ ベースバンド信号発生器
８ 受信器
９ 受信アンテナ
１０ 光強度変調器
１１ 光遅延回路
１２ 光位相制御回路
３１ 半導体レーザ
３２ パルス圧縮装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線送信装置、レーダ・システムおよび無線通信システムに関し、より詳細には、小さなパルス時間幅と高い繰り返し周波数を有する超広帯域無線システムを適用した無線送信装置、レーダ・システムおよび無線通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超広帯域（ＵＷＢ：Ultra Wide Band）無線システムは、１ビットのデータに相当する１つのパルス信号を連続的に送受信する無線通信に適用されている（例えば、特許文献１参照）。また、被測定物で反射されたパルスの伝搬時間と方向から被測定物の距離と位置とを検出するレーダにも適用されている。通信速度とレーダの分解能は、パルスの時間幅と繰り返し周波数により決定されるため、よりパルス時間幅の短い、かつ、繰り返し周波数の高いパルス発生システムが必要である。
【０００３】
現在、開発されているＵＷＢ無線システムが電気的に発生するパルス時間幅は、１ｎｓ程度であり、繰り返し周波数は１ＧＨｚ以下である。例えば、ＬＣ共振回路により生成されるパルス時間幅は、数十ｎｓであり、繰り返し周波数は数ＭＨｚである。また、ステップリカバリダイオードなどを用いたコムジェネレータから出力されるパルス時間幅は、約５０ｐｓであり、繰り返し周波数は最大１ＧＨｚであるが、固定的である。このような電気的にパルスを発生する無線システムにおいては、通信速度は１Ｇｂｐｓ以下に制限され、レーダの空間分解能は５０ｃｍ程度に制限される。
【０００４】
無線通信システムにおいては、超高速ＬＡＮ技術として、１０Ｇｂｐｓの速度を有するEthrenet（登録商標）が標準化され、屋内無線通信速度の増大が熱望されている。また、レーダ・システムにおいては、犯罪捜査や危険物検査の現場において、不可視状態における障害物、危険物の検知を、１ｃｍ以下の空間分解能により高精細に行うことが必須となっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−４３８４９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、従来から提案されている電気的にパルスを発生するＵＷＢ無線システムは、屋内通信に要求される通信速度、および不可視物検知に要求される空間分解能を十分有していないという問題があった。
【０００７】
また、屋内無線通信においては、複数のユーザが同一システムを共有するため、各ユーザのデータ信号の分離が必要となる。各データ信号は、ＱＦＴＭ（Quadrature Flip Time Modulation）などの多値化によって分離されるため、大きなパルス時間幅は、多値数を制限し、共有できるユーザ数を減少させるという問題もあった。
【０００８】
さらに、屋内においては、送信機からの電波を反射する物体が近傍に存在し、受信機が受信するマルチパス信号が多数存在する。このため、所望のデータ信号とマルチパス信号とを分離する必要がある。大きな繰り返し時間間隔は、マルチパス信号の遅延時間と等しくなるため、信号雑音比が劣化するという問題があった。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、より優れた通信品質を有する無線通信システム、および空間分解能に優れたレーダ・システムを実現するための無線送信装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、１ビットのデータに相当する１つのパルス信号を送信する超広帯域無線送信装置において、外部入力信号により繰り返し周波数を任意調整することができる半導体レーザおよびパルス圧縮装置から構成され、モノパルス信号である光パルス信号を発生する光パルス発生器と、前記光パルス信号を変調するためのベースバンド信号を発生するベースバンド信号発生器と、前記光パルス信号を前記ベースバンド信号により変調する光変調器と、該光変調器で変調された光パルス信号を電気パルス信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、前記電気パルス信号を電磁波に変換して空間に放射する送信アンテナとを備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記光パルス信号は、ガウス形モノパルス信号であることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記光変調器は、光強度変調器であることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記光変調器は、光遅延回路であることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記光変調器は、光位相制御回路であることを特徴とする。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５に記載の前記Ｏ／Ｅ変換器は、単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ）であることを特徴とする。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、レーダ・システムであって、請求項１に記載の無線送信装置と、該無線送信装置から放射された電磁波を、前記電気パルス信号に変換する受信アンテナと、前記電気パルス信号の伝搬時間と方向から被測定物の距離と位置とを検出する検出器とを有する無線受信装置とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、無線通信システムであって、請求項１に記載の無線送信装置と、該無線送信装置から放射された電磁波を、前記電気パルス信号に変換する受信アンテナと、前記電気パルス信号からベースバンド信号を抽出する受信器とを有する無線受信装置とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。上述したように、ＵＷＢ無線システムが適用されるシステムの性能は、パルス時間幅と繰り返し周波数により決定される。本発明は、電気的に発生する電気パルス信号に比べて、小さなパルス時間幅と高い繰り返し周波数を有する光パルス信号を用いてＵＷＢ無線システムを構成する。
【００２１】
図１に、本発明の第１の実施形態にかかるＵＷＢ無線システムを示す。ＵＷＢ無線システムは、光学的パルス発信部１と受信部２とから構成されている。光学的パルス発信部１は、光パルス信号を発生する光パルス発生器３と、光パルス信号を変調する光変調器４と、変調された光パルス信号を電気パルス信号に変換するＯ／Ｅ変換器５と、電気パルス信号を電磁波に変換して空間に放射する送信アンテナ６とを備えている。また、光パルス信号を変調するベースバンド信号を発生するベースバンド信号発生器７が、光変調器４に接続されている。
【００２２】
受信部２は、光学的パルス発信部１から放射された電磁波を、電気パルス信号に変換する受信アンテナ９と、電気パルス信号からベースバンド信号を抽出する受信器８とから構成されている。
【００２３】
光パルス発生器３は、小さいパルス時間幅と高い繰り返し周波数を有する光パルスを生成する。パルス時間幅と繰り返し周波数は、システムの要求に合わせて適宜選択される。例えば、10G-Ethernet（登録商標）に要求されるパルス時間幅は、１００ｐｓ以下、繰り返し周波数は１０ＧＨｚ以上である。複数のユーザが同一のシステムを共有するとき、ユーザ数をｎとすると、時間幅は（１００／ｎ）ｐｓ以下、繰り返し周波数は（１０×２）ＧＨｚ以上となる。
【００２４】
例えば、色素レーザやＹＡＧレーザをＱスイッチさせることにより数百ｆｓのパルスを発振させることができる。ただし、機械的にＱスイッチさせるため、繰り返し周波数は数ｋＨｚに制限され、かつ、装置構成は大がかりなものとなる。また、受動モード同期レーザは、共振器内に可飽和吸収体を有し、自己スイッチングによりパルス時間幅１００〜３００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ以下のパルスを得ることができる。また、利得媒質、光フィルタ、変調器を加えた能動モード同期レーザは、変調周波数を共振器長で決まる基本波の整数倍にすることにより、繰り返し周波数を数十ＧＨｚに増加することができる。しかしながら、いずれのレーザにおいても、繰り返し周波数は固定であり、かつ、装置構成は大きくなる。
【００２５】
図２に、ＵＷＢ無線システムの光パルス発生器の一例を示す。光パルス発生器３は、外部入力信号により繰り返し周波数を任意調整することができる半導体レーザ３１と、パルス圧縮装置３２とから構成される。繰り返し周波数は、外部入力信号により規定され、１００ＧＨｚ以上を得ることができる。半導体レーザ３１から出力されたパルス時間幅は、２０ｐｓ程度であり、分散補償ファイバまたはグレーティングを透過することにより数ｐｓとすることができる。
【００２６】
パルス圧縮装置３２は、光フィルタと分散減少ファイバとの組み合わせ、または、非線形ファイバと光フィルタとの組み合わせにより構成されている。パルス圧縮装置３２は、半導体レーザ３１から出力された光パルス信号を圧縮して、パルス時間幅２００〜３００ｆｓのパルスを生成することができる。
【００２７】
半導体レーザ３１から出力される光パルス信号は、モノパルス信号、またはガウス形モノパルス信号である。システム設計の観点から、電気パルス信号に定義されているような矩形パルスは、広帯域であり取り扱いが困難である。半導体レーザから出力される光パルス信号は、矩形パルスと較べて狭帯域であり、システム設計が容易になる。また、ガウス形モノパルス信号の周波数スペクトルは、ガウス形状をしており、アンテナ、フィルタ、線路などのＲＦ回路の設計がさらに容易となる。
【００２８】
図３に、光パルス発生器から出力される光パルス信号の時間波形と周波数スペクトルを示す。パルス圧縮装置３２は、波長分散がなく、かつ、十分な帯域を有するため、半導体レーザ３１から出力された光パルス信号は、パルス圧縮装置３２を通過した後もガウス形モノパルス信号である。
【００２９】
光パルス発生器３により生成された光パルス信号は、光変調器４によりベースバンド信号が重畳される。光パルス信号から変換された電気パルス信号は、高い繰り返し周波数を有するため、電気パルス信号にベースバンド信号を重畳する変調は、大変困難である。そこで、光パルス信号にベースバンド信号を光変調器により重畳する。光通信技術で培われた光変調技術は、１００Ｇｂｐｓ以上の通信速度に対応しており、変調された光パルス信号を電気パルス信号に変換して、アンテナから放射する。
【００３０】
ベースバンド信号は、計算機などにより構成されるベースバンド信号発生器７において生成される。または、10G-Ethernet（登録商標）、ＡＴＭなどの外部装置より入力されたベースバンド信号が、ベースバンド信号発生器７を経由して、光変調器４へ出力される。光変調器４は、通信システムに対応して選択される。図４に、パルス振幅変調（ＰＡＭ）方式のＵＷＢ無線システムを示す。光変調器４として光強度変調器１０を用いる。図５に、パルス位置変調（ＰＰＭ）方式のＵＷＢ無線システムを示す。光変調器４として光遅延回路１１を用いる。図６に、２相位相変調（ＢＰＳＫ）方式のＵＷＢ無線システムを示す。光変調器４として光位相制御回路１２を用いる。また、他の変調方式においても、適切な変調器を選択することにより、光パルス信号にベースバンド信号を重畳することができる。
【００３１】
光変調器４によりベースバンド信号が重畳された光パルス信号は、Ｏ／Ｅ変換器５により電気パルス信号に変換される。従来の光電変換器の周波数帯域は、光パルス信号の必要帯域に比べて非常に狭く、光パルス信号は、パルス時間幅の大きい電気パルス信号に変換されてしまう。例えば、一般的なＰＩＮ−ＰＤの周波数帯域は３０ＧＨｚ程度であり、変換される電気パルス信号のパルス時間幅は３ｎｓ程度である。また、従来の光電変換器の出力は小さいため、アンテナに入力される電気信号を増幅しなければならない。増幅器の周波数帯域は、光パルス信号の必要帯域に比べて非常に小さいため、パルス時間幅の大きい電気パルス信号が出力されてしまう。例えば、一般的な増幅器の周波数帯域は３０ＧＨｚ程度であり、変換される電気パルス信号の時間幅は３ｎｓ程度である。
【００３２】
光パルス信号の特性を生かすためには、Ｏ／Ｅ変換器５には広い帯域が必要である。例えば、１ｐｓのパルスを生成するには数百ＧＨｚの帯域が必要である。近年、このような通信システムに適した光電変換器として単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ）が開発された。ＵＴＣ−ＰＤは、３００ＧＨｚ以上の周波数帯域と１０ｍＷ以上の出力パワーを有しており、１ｐｓ以下のパルスを生成したことが確認されている。また、ＵＴＣ−ＰＤは、空間伝搬に十分な１０ｍＷ以上の出力パワーを有するため、増幅器の帯域に制限されることがない。従って、ＵＴＣ−ＰＤをＯ／Ｅ変換器として用いると、数ｐｓのパルス時間幅と数十ＧＨｚの繰り返し周波数とを有する光パルス信号を、電気パルス信号に変換することができ、電気パルス信号は、送信アンテナにより電磁波に変換されて空間に放射される。
【００３３】
光パルス信号を広帯域なＯ／Ｅ変換器５で電気パルス信号に変換することで、光パルス信号の特性をそのまま生かすことができる。Ｏ／Ｅ変換器が１００ＧＨｚ以上の周波数帯域を有しているとき、光パルス信号は繰り返し周波数を保ったまま、時間幅１０ｐｓ以下のパルスに変換される。変換された電気パルス信号を広帯域のアンテナにより送受信することにより、従来のシステムに比べて数十倍の通信速度と空間分解能を有するシステムを構築することができる。また、同様に、ユーザ数を数十倍確保し、マルチパス干渉に対する耐性を向上させることができる。
【００３４】
Ｏ／Ｅ変換器５により生成された電気パルス信号は、送信アンテナ６から電磁波に変換されて空間に放射される。送信アンテナ６は、Ｏ／Ｅ変換器５と同等の帯域を有するように設計されており、集積化の観点からスロットアンテナ、リングアンテナなどの平面アンテナから構成されている。但し、アンテナは、電気パルス信号のＤＣ成分を放射することができないため、送信アンテナ６より出力されるパルス信号は、ガウス形モノサイクルパルス信号となる。
【００３５】
図７に、送信アンテナから放射される電磁波の時間波形と周波数スペクトルを示す。光学的パルス発信部１から放射された電磁波のパルス信号は、光パルス信号とほぼ同等の特性を有する。Ｏ／Ｅ変換器５と送信アンテナ６とが光パルス信号よりも狭い周波数帯域を有するとき、電気パルス信号と電磁波のパルス信号とは、ガウス形マルチサイクルパルス信号となる。図８に、帯域制限されたときの電気パルス信号または電磁波のパルス信号の時間波形と周波数スペクトルを示す。サイクル幅と繰り返し周波数を制御することにより、必要な伝送速度やレーダ時間分解能を得ることができる。例えば、サイクル幅が１０ｐｓ以下、繰り返し周波数が１００ＧＨｚ以上のとき、伝送速度は１００Ｇｂｐｓである。
【００３６】
放射された電磁波を送信アンテナ６と同じ帯域を有する受信アンテナ９で受信することにより、通信やレーダシステムを構成することができる。受信アンテナ９で受信された電磁波は、電気パルス信号に変換され、受信器８に出力される。無線通信システムにおいては、受信器８は、電気パルス信号を、それぞれの変調方式に対応した復調処理を行って、ベースバンド信号を抽出する。レーダシステムにおいては、それぞれの計測方式に対応した信号処理を行って、電気パルス信号の伝搬時間と方向から被測定物の距離と位置とを検出する。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態によれば、光パルスの特性を損なうことなく、１ｐｓ以下のパルス時間幅と１００ＧＨｚ以上の繰り返し周波数を有するパルス信号が空間へ放射され、１００Ｇｂｐｓ以上の無線通信システム、１ｍｍ以下の空間分解能を有するレーダ・システムを実現することができる。また、屋内無線通信におけるユーザ数は、従来の１０倍以上にすることができる。さらに、マルチパス干渉に対する耐性は、従来の１０倍以上であり、無線通信システムの伝送品質を向上することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、外部入力信号により繰り返し周波数を任意調整することができる半導体レーザおよびパルス圧縮装置から構成され、モノパルス信号である光パルス信号を発生する光パルス発生器と、光パルス信号を変調するためのベースバンド信号を発生するベースバンド信号発生器と、光パルス信号をベースバンド信号により変調する光変調器と、光変調器で変調された光パルス信号を電気パルス信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、電気パルス信号を電磁波に変換して空間に放射する送信アンテナとを備えた無線送信装置を用いて、より優れた品質を有する無線通信システム、および空間分解能に優れたレーダ・システムを提供することが可能となる。
【００３９】
また、本発明によれば、通信速度に制限されることなく、光ネットワークに対応した無線システムを構築することが可能となる。さらに、高精細なレーダ・システム、非破壊検査、体内検査などのシステムを構築することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかるＵＷＢ無線システムを示す構成図である。
【図２】ＵＷＢ無線システムの光パルス発生器を示す構成図である。
【図３】光パルス発生器から出力される光パルス信号の時間波形と周波数スペクトルを示す図である。
【図４】パルス振幅変調（ＰＡＭ）方式のＵＷＢ無線システムを示す構成図である。
【図５】パルス位置変調（ＰＰＭ）方式のＵＷＢ無線システムを示す構成図である。
【図６】２相位相変調（ＢＰＳＫ）方式のＵＷＢ無線システムを示す構成図である。
【図７】送信アンテナから放射される電磁波のパルスの時間波形と周波数スペクトルを示す図である。
【図８】帯域制限されたときの電気パルス信号または電磁波のパルスの時間波形と周波数スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１ 光学的パルス発信部
２ 受信部
３ 光パルス発生器
４ 光変調器
５ Ｏ／Ｅ変換器
６ 送信アンテナ
７ ベースバンド信号発生器
８ 受信器
９ 受信アンテナ
１０ 光強度変調器
１１ 光遅延回路
１２ 光位相制御回路
３１ 半導体レーザ
３２ パルス圧縮装置
Claims (8)
- １ビットのデータに相当する１つのパルス信号を連続的に送受信する超広帯域無線通信システムの無線送信装置において、
外部入力信号により繰り返し周波数を任意調整することができる半導体レーザおよびパルス圧縮装置から構成され、モノパルス信号である光パルス信号を発生する光パルス発生器と、
前記光パルス信号を変調するためのベースバンド信号を発生するベースバンド信号発生器と、
前記光パルス信号を前記ベースバンド信号により変調する光変調器と、
該光変調器で変調された光パルス信号を電気パルス信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、
前記電気パルス信号を電磁波に変換して空間に放射する送信アンテナと
を備えたことを特徴とする無線送信装置。 - 前記光パルス信号は、ガウス形モノパルス信号であることを特徴とする請求項１に記載の無線送信装置。
- 前記光変調器は、光強度変調器であることを特徴とする請求項１または２に記載の無線送信装置。
- 前記光変調器は、光遅延回路であることを特徴とする請求項１または２に記載の無線送信装置。
- 前記光変調器は、光位相制御回路であることを特徴とする請求項１または２に記載の無線送信装置。
- 前記Ｏ／Ｅ変換器は、単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ）であることを特徴とする請求項１ないし５に記載の無線送信装置。
- 請求項１に記載の無線送信装置と、
該無線送信装置から放射された電磁波を、前記電気パルス信号に変換する受信アンテナと、前記電気パルス信号の伝搬時間と方向から被測定物の距離と位置とを検出する検出器とを有する無線受信装置と
を備えたことを特徴とするレーダ・システム。 - 請求項１に記載の無線送信装置と、
該無線送信装置から放射された電磁波を、前記電気パルス信号に変換する受信アンテナと、前記電気パルス信号からベースバンド信号を抽出する受信器とを有する無線受信装置と
を備えたことを特徴とする無線通信システム。
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