JP4221480B2

JP4221480B2 - 超広帯域バンドパスフィルタを用いた伝送システムおよび伝送装置

Info

Publication number: JP4221480B2
Application number: JP2003316916A
Authority: JP
Inventors: 章彦斎藤; 博司原田
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: EP1515451A1; CN1595813A; RU2004127123A; US20050064823A1; JP2005086512A

Description

本発明は、超広帯域バンドパスフィルタ（Ultra Wide Band Pass Filter）を用いた超広帯域通信システムに関する。（以下、「超広帯域」を「ＵＷＢ」、「バンドパスフィルタ」を「ＢＰＦ」、「超広帯域バンドパスフィルタ」を「ＵＷＢＰＦ」と、それぞれ略称する。）本発明は、ＵＷＢ通信に使用する装置、すなわち送信機および受信機にも関する。

現在、伝送すべき情報の超広帯域化が進みつつある。ＵＷＢ伝送システムはその代表的な例であって、搬送波を使用することなく、帯域制限された、幅が数ｎｓ以下の短パルスを用いて直接通信することにより、最大で数Ｇbpsの速度の伝送を行なうことが企てられている。この通信の使用周波数帯域は、アメリカのＦＣＣ（連邦通信委員会）において、３．１〜１０．６ＧＨｚと定められている。この帯域内の周波数を用いて、１Ｇbpsを超える速度でＵＷＢディジタル情報を高品質に伝送するためには、情報の伝送帯域と同じ帯域幅をもったＵＷＢＰＦが必要である。

しかし、従来はそのような超広帯域をカバーするＵＷＢＰＦは存在しなかったので、伝送に当たって、相対的に狭い周波数帯域のＢＰＦを複数組み合わせて使用することが試みられた。狭い周波数帯域のＢＰＦを複数組み合わせることは、減衰が積み重なって、信号源が高出力であることを必要とするか、または帯域による遅延の差異が伝送のタイミングをとることを困難にするという問題がある。これを防ぐには、送信側において、高能率の波形整形フィルタを使用するほかなかった。図１(ａ)に示すシステムは、そのような伝送システムである。

図１(ａ)のシステムは、これまで、数ＧＨｚ以上の広帯域で、かつ低損失なＢＰＦがなかったため、送信側の波形整形フィルタ部において、できるだけ伝送周波数帯に電力を集中させることができるように、送信信号のパルス波形を整形する必要にもとづいて構成したものである。このような高能率波形整形フィルタは、高精細でなければならないから、設備は大型で高価なものとならざるを得なかった。

発明者らは、高周波成分をカットするローパスフィルタ機能を内在した損失基板上に分布定数線路を形成することにより、数ＧＨｚの帯域幅をもちながら、小型（たとえば、５０mm×２０mm×１mm）で、低損失なＵＷＢＰＦを開発することに成功した。そのプロトタイプはすでに提案した（特許文献１）が、より急峻な周波数特性を有するものを実現するとともに、ＵＷＢＰＦの統合的な原理を確立したので、別途開示すべく準備中である（非特許文献１）。この新しく開発したＵＷＢＰＦを使用すれば、図１(ｂ)に示すような構成の伝送システムが実現可能になるはずであり、実験の結果、この予想は正しいことが確認された。
特願２００３−００８８１１斉藤ほか「ＵＷＢ（３．１ＧＨｚ−１０．６ＧＨｚ）用バンドパスフィルタの開発」電子情報通信学会ソサイエティ大会（２００３年９月）

高周波成分をカットするローパスフィルタ機能を内在した損失基板上に分布定数線路を形成した、小型で低損失なＵＷＢＰＦの具体例は、図２に示すようなものであって、軟磁性金属の粉末がシート状のポリマー・マトリクス中に分散したシート（１）の表面に、導体のストリップからなり、直列方向に走る入力信号ライン（２）および出力信号ライン（３）を間隙を置いて配置し、入力信号ライン（２）および出力信号ライン（３）の上に、両方にまたがって重なり合うように、絶縁体のフィルム（５）を介して、いまひとつの導体のストリップからなる中間ライン（６）を設け、上記シート（１）の裏面にＧＮＤライン（４）を設けた構造を有する。

本発明の目的は、上記の新しく開発した、小型で低損失なＵＷＢＰＦを使用したＵＷＢ伝送システムを提供することにある。

本発明の伝送システムは、図１(ｂ)に示すように、短パルス生成器により生成したナノセカンド以下のパルス信号を、波形整形フィルタを通して帯域制限したのち、ＵＷＢＰＦを通して所定の周波数帯域のパルス信号波として送信し、この信号波を受信して、送信側のものと同じ周波数帯域のＵＷＢＰＦを通した後、パルス検出器を経て判定部に導入することからなり、ＵＷＢＰＦとして、軟磁性金属の粉末がシート状のポリマー・マトリクス中に分散したシート（１）の表面に、導体のストリップからなり、直列方向に走る入力信号ライン（２）および出力信号ライン（３）を間隙を置いて配置し、入力信号ライン（２）および出力信号ライン（３）の上に、両方にまたがって重なり合うように、絶縁体のフィルム（５）を介して、いまひとつの導体のストリップからなる中間ライン（６）を設け、上記シート（１）の裏面にＧＮＤライン（４）を設けた構造を有し、高周波成分をカットするローパスフィルタ機能を有する損失基板上に、分布定数線路を形成したものを用いた伝送システムである。

本発明の伝送システムによるときは、使用するＵＷＢＰＦが、前記した高周波成分をカットするローパスフィルタ機能を有する損失基板上に分布定数線路を形成したという簡単な構成のものであって、ＵＷＢＰＦの部分が小型で済み、しかも損失が少ないから、送信側の信号源として高出力のものを必要とせず、波形整形フィルタも高精細であることを必要としない。このようにして、本発明は、小型で低コストの装置を用いたＵＷＢ伝送を可能にする。

ＦＣＣが定めた通信を行なう場合、前記した所定の周波数帯域は３．１〜１０．６ＧＨｚであるから、使用するＵＷＢＰＦは、この帯域を通過させるＢＰＦということになる。

本発明のＵＷＢ伝送システムを実現する装置の一方は、ナノセカンド以下のパルス信号を生成する短パルス生成器、帯域制限を行なうための波形整形フィルタ、所定の周波数帯域の信号だけを通過させるＵＷＢＰＦおよび送信アンテナから構成される送信機である。実装置には、減衰器を設ける必要がある。それにより送信出力を減衰させて、法規制に合致した電力で送信する。

他方は、受信アンテナ、所定の周波数帯域の信号だけを通過させるＵＷＢＰＦ、パルス検出器および判定部から構成される受信機である。

上記の送信機にしても、受信機にしても、ＦＣＣが定めた通信に使用するものであれば、ＵＷＢＰＦが通過させるべき周波数帯域は、やはり３．１〜１０．６ＧＨｚということになる。

実験例１

図２に示す構成の実験装置を組立て、１Ｇbpsを超えるＵＷＢパルス信号のマイクロ波帯周波数帯域制限環境における伝送特性を調べた。パルス発生器は最大３Ｇbpsの信号を発生することができ、Duty比（すなわちパルス幅／情報のシンボル間隔）は可変である。使用したＵＷＢＰＦは、図３に示す特性を有するものであって、２ＧHｚを中心として３ｄＢ帯域幅が２ＧＨｚあり、挿入損失も３ｄＢ帯域内であれば数ｄＢ以内である。

パルス発生器からの信号は、ＵＷＢＰＦを通って受信回路まで伝送される。受信回路では、あらかじめ知られている情報信号系列から同期点を見つけ、その同期点におけるパルスの信号レベルにより、１／０の判定を行なう。ＵＷＢＰＦの出力と受信回路の入力とは、同時受ケーブルで接続した。ＵＷＢＰＦの出力には、スペクトルアナライザおよびオシロスコープが接続されている。

Duty比５０％で１Ｇbps信号を伝送したときの、信号がＵＷＢＰＦを通過した後の、送信パルスとそのアイパターンを図４に示す。アイが開いていることがわかる。誤り率を測定した結果は０％であり、同期ロスもなかった。

実験例２

上記のように、基礎伝送特性が確認されたので、つぎにＵＷＢＰＦとして、前掲の、高周波成分をカットするローパスフィルタ機能を有する損失基板上に、分布定数線路を形成したものを用意した。このＵＷＢＰＦのＳ_２１伝送特性は図５に示すとおりであって、３．１〜１０．６ＧＨｚ用ＢＰＦとして好適な、急峻な帯域阻止特性を有している。このＵＷＢＰＦをそなえた送受信機のセットを用い、１Ｇbps信号の無線送受信を行なって、良好な通信結果を確認することができた。

本発明で使用するＵＷＢＰＦは、数ＧＨｚの帯域幅をもちながら、挿入損失はフィルタの３ｄＢ帯域幅において数ｄＢ程度と低損失であるため、送信側の波形整形フィルタ部によって波形整形された送信信号の周波数帯域がＵＷＢで指定されている帯域よりも広い場合においても、ＵＷＢＰＦにより帯域制限することが可能になるから、環境に応じてその波形整形をフレキシブルに変更することが可能である。このようにして本発明の伝送システムは、上記実験例のほかにも、さまざまな応用場面を有する。

ＵＷＢ伝送システムの構成を示す概念的な図であって、(ａ)は従来技術によるもの、(ｂ)は本発明に従うもの。本発明の伝送システムに使用するＵＷＢＰＦの構造を示す図であって、Ａは平面図、Ｂは縦断面図。本発明の実験例１における機器構成を示す概念的な図。実験例１で使用したＵＷＢＰＦのＳ_２１伝送特性を示すグラフ。縦軸は、一目盛りが１０ｄＢ。実験例１で伝送したパルス信号とそのアイパターンを示すグラフ。本発明の実験例２で使用したＵＷＢＰＦのＳ_２１伝送特性を示すグラフ。

符号の説明

１シート
２入力信号ライン
３出力信号ライン
４ＧＮＤライン
５絶縁体のフィルム
６中間ライン

Claims

短パルス生成器により生成させたパルス信号を、波形整形フィルタを通して帯域制限したのち、超広帯域バンドパスフィルタを通して所定の周波数帯域のパルス信号波として送信し、この信号波を受信して、送信側のものと同じ周波数帯域の超広帯域バンドパスフィルタを通した後、パルス検出器を経て判定部に導入することからなり、超広帯域バンドパスフィルタとして、軟磁性金属の粉末がシート状のポリマー・マトリクス中に分散したシート（１）の表面に、導体のストリップからなり、直列方向に走る入力信号ライン（２）および出力信号ライン（３）を間隙を置いて配置し、入力信号ライン（２）および出力信号ライン（３）の上に、両方にまたがって重なり合うように、絶縁体のフィルム（５）を介して、いまひとつの導体のストリップからなる中間ライン（６）を設け、上記シート（１）の裏面にＧＮＤライン（４）を設けた構造を有し、高周波成分をカットするローパスフィルタ機能を有するものを用いた伝送システム。
前記所定の周波数帯域が３．１〜１０．６ＧＨｚである請求項１の伝送システム。
ナノセカンド以下のパルス信号を生成する短パルス生成器、帯域制限を行なうための波形整形フィルタ、所定の周波数帯域の信号だけを通過させる超広帯域バンドパスフィルタおよび送信アンテナから構成され、超広帯域バンドパスフィルタが請求項１に記載の構造と機能を有するものである、請求項１の伝送システムに使用する送信機。
受信アンテナ、所定の周波数帯域の信号だけを通過させる超広帯域バンドパスフィルタ、パルス検出器および判定部から構成され、超広帯域バンドパスフィルタが請求項１に記載の構造と機能を有するものである、請求項１の伝送システムに使用する受信機。
前記所定の周波数帯域が３．１〜１０．６ＧＨｚである請求項３の送信機または請求項４の受信機。