JP4271039B2 - 超広帯域インパルス生成および変調回路 - Google Patents

Description

本発明は、一般に電子無線回路に関し、より詳細には、超広帯域インパルスを生成し変調する回路に関する。

一般に、レーダ、ＲＦ感知、および通信システムなどに用いられる超広帯域システムは、短いインパルス信号をアンテナに印加し、次いで、このアンテナが超広帯域信号を放射することを利用する。この放射信号の特徴は主に、印加されるインパルスが一般に数十ピコ秒〜ナノ秒の範囲にあるので、アンテナのインパルス応答に基づいている。この場合、伝播するＲＦ信号は一般に、決まった中心周波数および決まった帯域を有し、いずれも数ギガヘルツの範囲になり得る。

このようなシステムは、レーダその他のＲＦ監視目的によく適しているが、データ通信用途では、信号を変調し、また伝播するＲＦ信号に乗っている情報を符号化するなんらかの方法が必要とされる。情報を符号化して送信用超広帯域パルスにするために、オン／オフキーイング（ＯＯＫ）、パルス位置変調その他の変調技術が実施されている。次いで、これらのパルスを用いて、超広帯域システムのパルス繰返し周波数に依存する速度で情報を送信することができる。

このようなパルスを生成するにはアバランシェトランジスタおよびツェナーダイオードなどの技術が一般に用いられているが、一般に数千ワットのインパルス励起でさえ、１ワット未満のピークマイクロ波帯域出力電力になってしまう。さらに、このような電力レベルでは半導体デバイスは熱くなる傾向があるので、パルス繰返しレートは約１０ｋＨｚ以下に制限される。マイクロ波未満の周波数で生成されるエネルギーのほとんどは伝播せず、その代わりに熱として放散され、回路の信頼性に悪影響を及ぼし得る。

そうではあるが、超広帯域技術は一部の用途には依然として望ましいものである。その理由は、超広帯域技術は検出または傍受するのが難しく、このような信号は妨害するのが難しいからである。超広帯域送信の性質がインパルス的であり、放射信号の電力が低いので、受信機と送信機を正確に同期させることが実質的に求められ、その結果、受信機は、検出信号の確度を高めるのに十分なパルスを蓄積することができる。また、超広帯域レーダまたは通信機器による他の近くにあるＲＦ機器のノイズレベルの劣化は最小限であり、そのため、超広帯域システムは、様々な通信またはレーダ機器の既存のアセンブリを比較的干渉せずに統合される。

しかし、一般に、これらの超広帯域システムに用いられるパルスは、周期的または疑似ランダム的に調時されたパルスを使用し、それ自体が構成上均一であり、その結果、レーダ用途におけるパルスの検出を簡単にする。このようなパルスはレーダ用途には良好に働くが、情報を運ぶように適合されていないので、他の通信用途には適していない。

情報を運ぶことができ、低コストで低消費電力の超広帯域パルス生成システムが望まれている。

本発明は、変調型超広帯域パルス生成システムを提供する。このシステムは、オン／オフパルス波形を生成するように動作可能なパルス波形生成器回路と、変調信号を受け取り、かつこの変調信号に応答してオン／オフパルス波形を変調するように動作可能な変調回路とを備える。本発明の別の実施形態は、オン／オフパルス波形を含むパルスの帯域を変更するように動作可能な可変帯域回路を備える。本発明の様々な実施形態は、オン／オフキーイング変調、パルス位置変調、およびパルス位相変調を含む。

以下に示す本発明の実施形態の例の詳細な説明では、実施形態の例の一部である添付の図面を参照する。これらの図面には、例として、本発明を実施し得る特定の実施形態の例が示されている。当業者が本発明を実施することができるように、これらの実施形態を十分に詳細に説明する。本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、かつ論理的、機械的、電気的その他の変更を加えることができることを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味でとらえるべきではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。

本発明は、変調型超広帯域パルス生成システムを提供する。このシステムは、オン／オフパルス波形を生成するように動作可能なパルス波形生成器回路と、変調信号を受け取り、かつこの変調信号に応答してオン／オフパルス波形を変調するように動作可能な変調回路とを備える。したがって、変調されたオン／オフパルス波形は、変調信号中に含まれている情報を含むように改変され、その結果、この新規なシステムは情報を運び、かつそれを送信するように動作可能になる。本発明の異なる実施形態では、このパルス波形は、オン／オフキーイング変調、パルス位置変調、およびパルス位相変調を含めて様々な変調方法および回路によって変調される。

本発明の別の実施形態は、オン／オフパルス波形を含むパルスの帯域を変更するように動作可能な可変帯域回路を備える。本発明のいくつかの実施形態では、このような回路は、ローパスフィルタの形態を取ることになる。このフィルタは、これらのパルスの高周波成分を減らすように働き、したがって、それらのスペクトル帯域を狭くする。

図１に、本発明に適合した超広帯域パルス生成システムを示す。１０１で、オン／オフ波形が生成される。この波形を可変電圧として表すと、ほぼ１０２に示すようになる。１０３で示すインパルス生成器回路は、オン／オフ波形生成器１０１がオフからオンに移行する際に短パルスを生成する。これは、同じ出力信号１０２の反転かつ遅延した表現とともに、オン／オフ波形生成器の出力１０２をＮＡＮＤゲートに供給することによって実現される。この反転処理はインバータ１０５によって実施され、遅延はローパスＲＣフィルタ１０６によって導入される。このような回路の一実施形態では、典型的なインバータ遅延時間である８０ピコ秒に、ＲＣフィルタにより課される遅延である約１ナノ秒を加えたものが全信号遅延になり、これは１ナノ秒よりもわずかに大きい。この遅延反転信号と原信号の間の遅延期間は、ＲＣフィルタ１０６のフィルタ特性によって制御され、１０７で示す出力パルスの時間周期を決める。

次いで、１０７で示す生成されたパルスを、１０８で示す電力増幅器回路部に供給する。ここで示す電力増幅器部分は、高電力容量を有する一連のインバータで示されており、これらのインバータは、１つまたは複数の容量結合型アンテナ１０９に給電する。コンデンサ１１０は、ローパスフィルタとして機能し、入力信号に効果的に区別し、それによって、正弦波に類似した出力波形または帯域制限三角波をアンテナに提供する。

図１に示すような回路は超広帯域レーダなどの用途に有用であるが、情報を符号化して送信用超広帯域パルスにすることはできない。図２の回路には、情報により超広帯域パルス波形を変調するために本発明の様々な実施形態で用いることができる様々な符号化または変調回路が組み込まれている。

２０１で、オン／オフ波形生成器は、この場合も、図１の１０２に示すようなパルス列を生成する。２０２で、このパルス列はＯＯＫすなわちオン／オフキーイング変調回路を通過する。この信号は、２０３で反転され、変調信号２０７によりオンオフされるトランジスタ２０４によって変調される。変調された信号は、プルアップ抵抗２０５に接続され、インバータ２０６で反転され、変調出力信号が得られる。

２０８で、パルス位置変調回路は、入力インバータ２０９および直列抵抗２１０を備える。コンデンサ２１１およびトランジスタ２１２は、この抵抗の出力を接地に接続する。変調信号２１３は、変調信号２１３に従ってコンデンサから接地への接続のオンオフ切替えを行う。このコンデンサが回路内に組み入れられるように切り替えられると、抵抗２１０およびコンデンサ２１１は、ＲＣローパスフィルタを形成し、パルス波形の伝播を遅延させる。次いで、この波形は、インバータ２１４を通過する。インバータ２１４は、このパルス位置変調回路からの出力を提供する。このパルス位置変調回路によって課される遅延は、抵抗２１０およびコンデンサ２１１の値によって決まり、これらのコンポーネントの値を変更することによってこの遅延を調整して、この回路の様々な実施形態において遅延を変更することができる。

２１５で、この矩形波パルスは、パルスの継続時間および帯域を制御する回路２１５に供給される。図１のインパルス生成器回路１０３とほぼ同様に、この入力信号は、インバータ２１６で受け取られ、抵抗２１７およびコンデンサ２１８を備えたＲＣフィルタで遅延を受け、ＮＡＮＤゲート２１９に供給される。次いで、ＮＡＮＤゲート２１９からの出力は、２つの直列インバータ２２０および２２１に供給され、これらのインバータが出力を提供する。ただし、ここで示す回路は、コンデンサ２２２と、遅延を受けるＮＡＮＤゲート入力と接地の間の回路にこのコンデンサを組み入れるように切り替えるトランジスタ２２３とを含み、効果的にこのＲＣフィルタ回路を変更し、遅延パルスの遅延時間を長くする。このトランジスタは、変調信号２２４の状態に従って、このコンデンサをこの回路に組み入れ、またそれから切り離すように切替えを行い、その結果、変調信号がハイのときには、抵抗２１７およびコンデンサ２１８と２２２によって形成されるＲＣ回路の時定数は、抵抗２１７およびコンデンサ２１８だけによって形成されるＲＣ回路のものよりもかなり大きくなる。このようにＲＣ時定数が大きくなると、それに対応して、インバータ２１６の入力およびＮＡＮＤゲート２１９の入力に到達する入力信号がローからハイに移行するときに、ＮＡＮＤゲートの出力におけるパルス継続時間が長くなる。したがって、この実施例のパルス継続時間変調回路では、変調信号２２４は、インバータ２２１からの超広帯域パルス出力の継続時間を変更するように動作可能である。

２２５で、パルス位相変調器回路は、ＸＯＲ（排他的論理和）ゲート２２７において入力パルス波形および変調信号２２６を受け取る。これら２つの信号の一方だけがハイのとき、ＸＯＲゲートの出力はハイになり、インバータ２２８によって反転され、その結果、パルス位相変調回路の出力が得られる。したがって、変調信号２２６により、パルス位相変調回路からの出力が、デフォルト値ではローであり、パルスの受信中に状態がハイに変わるか、あるいは、デフォルト値ではハイであり、パルスの受信中に状態がローに変わるかどうかが決まる。

このパルス波形は、一連のインバータ２２９に供給される。これらのインバータは、受信した波形を反転し、かつそれを増幅するように働く。ここで示すインバータは、微分コンデンサ２３０を介して接続された１つまたは複数のアンテナ２３１に所望の出力を提供することができる。図１の回路の場合と同様に、コンデンサ２３０は、受信したパルス波形を微分し、いくらか正弦インパルスに似た帯域制限三角波形を生成するように働く。

図２の回路は様々な変調回路を含むが、本発明の他の実施形態では、１つの変調方法を実施するために含まれる変調回路の数がより少ないか、あるいは変調回路を１つしか含まないことが多いと想定される。ただし、本発明のいくつかの実施形態では、より多くのデータを符号化するか、あるいは、より堅固なデータの符号化を行って、送信用超広帯域パルスストリームにすることができるように複数の変調方法を用いることが可能あり、かつ望ましい。様々な構成の帯域および周波数を用いて本発明を実施することがさらに想定される。

ここで示した実施例に適合するシステムの一例は、継続時間が約１ナノ秒のパルスを含み、その結果、この極めて短いパルス継続時間により、アンテナによって送信される帯域が極めて広くなる。得られる典型的な帯域は、中心周波数が１ギガヘルツ、送信電力が数十ミリワットの状態で１ギガヘルツになり得る。このような超広帯域では、傍受または妨害に対する安全性および耐性が高くなる。スペクトルのかなりの部分が、遮断されるかまたは他の目的に用いられる応用例では特にそうである。さらに、地中での検出または通信など、スペクトルの一部が伝播媒体によって遮断される場合、この超広帯域システムにより、遮断されていない周波数に透過させるようにする効率的な方法が提供される。さらに、ここで説明したようなシステムの短いパルス幅により、正確な測位を行うことができ、その結果、このシステムは、地中の物体の検出および測位などの応用例で特に有用になる。

本明細書で説明した超広帯域システムは、通信に用いても比較的安全である。というのは、このような信号を多数受信し、その値を求めるためには、いくつかのパルスの検出および積分、送信機と受信機の同期、またはノイズレベルから低電力信号を十分に識別するための時間ゲート処理など、最新の技術が必要とされるからである。

また、図１および図２に示した回路の様々なコンポーネントの代わりに、添付の特許請求の範囲で特許請求する本発明を実施することができる他のコンポーネントを使用することができる。例えば、容易にインバータ２２９の代わりに、コンパレータとして構成された演算増幅器、コンパレータ、または類似の機能を実施する他の様々なコンポーネントを使用することができる。本発明のいくつかの実施形態においてアンテナ２３１はループアンテナであり、他の実施形態では他のタイプの広帯域アンテナの形態を取る。また、本発明のいくつかの実施形態には、可変ＲＣ時定数が組み込まれるが、これは、いくつかの機能的に等価な回路または機構によって実施することができる。他の様々なこのような回路の改変を、本明細書で説明し、かつ添付の特許請求の範囲に記載した発明に適合させることができることが当業者には明らかであろう。

本明細書では特定の実施形態を示し説明してきたが、ここで示した特定の実施形態の代わりに、同じ目的を達成するように適合された任意の構成を用いることができることが当業者には理解されよう。この出願は、本発明の任意の適合形態または変形形態を包含するためのものである。本発明は、特許請求の範囲およびその均等物の全範囲によってのみ限定されるものとする。

本発明に適合した超広帯域パルス生成システムを示す概略図である。 本発明の実施形態に適合した変調型超広帯域パルス生成システムを示す概略図である。

Claims (16)

1. オン／オフパルス波形を生成するように動作可能なパルス波形生成器回路と、
   変調信号を受け取り、かつ前記変調信号に応答して前記オン／オフパルス波形を変調するように動作可能な変調回路と、
   超広帯域パルスの帯域を変更するように動作可能な可変帯域回路と、
   を備える変調型超広帯域パルス生成システム。
2. 前記可変帯域回路がローパスフィルタを備える、請求項１に記載の変調型超広帯域パルス生成システム。
3. 前記ローパスフィルタは抵抗−コンデンサ回路を備え、前記抵抗およびコンデンサの少なくとも一方が可変である、請求項２に記載の変調型超広帯域パルス生成システム。
4. 前記変調回路は、変調信号に応答して前記パルスを選択的に通過または阻止するように動作可能なＯＯＫ（オン／オフキーイング）変調回路を備える、請求項１に記載の変調型超広帯域パルス生成システム。
5. オン／オフパルス波形を生成するように動作可能なパルス波形生成器回路と、
   変調信号を受け取り、かつ前記変調信号に応答して前記オン／オフパルス波形を変調するように動作可能な変調回路と、を備え、
   前記変調回路は、変調信号に応答して前記オン／オフパルス波形を選択的に遅延させるように動作可能なパルス位置変調器を備え、
   前記パルス位置変調器は、前記変調信号に応答して変化する時定数を有し、かつ前記変調信号に応答してパルス位置を選択的に遅延させるように動作可能な抵抗−コンデンサ型ローパスフィルタを備える、
   変調型超広帯域パルス生成システム。
6. オン／オフパルス波形を生成するように動作可能なパルス波形生成器回路と、
   変調信号を受け取り、かつ前記変調信号に応答して前記オン／オフパルス波形を変調するように動作可能な変調回路と、を備え、
   前記変調回路は、変調信号に応答して前記波形の位相を選択的に変更するように動作可能な位相変調器を備え、
   前記位相変調器は、１つの入力としてオン／オフパルス波形を有し、第２入力として変調する信号を有し、出力として変調された信号を有する排他的論理和（ＸＯＲ）ゲートを備える、
   変調型超広帯域パルス生成システム。
7. アンテナをさらに備える、請求項１または６に記載の変調型超広帯域パルス生成システム。
8. 前記アンテナと前記変調回路の間に配置されたコンデンサをさらに備える、請求項７に記載の変調型超広帯域パルス生成システム。
9. 前記パルス波形生成器回路が疑似ランダム波形を生成する、請求項１、５または６のいずれかに記載の変調型超広帯域パルス生成システム。
10. オン／オフパルス波形を生成するステップと、
    受け取った変調信号に応答して前記オン／オフパルス波形を変調するステップと、
    可変帯域回路によって前記オン／オフパルス波形の帯域を変更するステップと、
    を含む変調型超広帯域パルスを生成する方法。
11. 変調信号を生成するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記生成されたオン／オフパルス波形は、オン／オフパルスのランダムまたは疑似ランダムストリームを含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記可変帯域回路は抵抗−コンデンサ型ローパス回路を備え、前記抵抗およびコンデンサの少なくとも一方が可変である、請求項１０に記載の方法。
14. 前記オン／オフパルス波形を変調するステップは、変調信号に応答して前記パルスを選択的に通過または阻止するように前記波形をオン／オフキーイング（ＯＯＫ）変調することを含む、請求項１０に記載の方法。
15. オン／オフパルス波形を生成するステップと、
    受け取った変調信号に応答して前記オン／オフパルス波形を変調するステップと、
    前記オン／オフパルス波形を変調するステップは、変調信号に応答してパルス位置を選択的に遅延させるようにパルス位置を変調するステップと、を含み、
    前記パルス位置は、前記変調信号に応答して変化する時定数を有し、かつ前記変調信号に応答して前記パルス位置を選択的に遅延させるように動作可能な抵抗−コンデンサ型ローパスフィルタによって変調される、
    変調型超広帯域パルスを生成する方法。
16. オン／オフパルス波形を生成するステップと、
    受け取った変調信号に応答して前記オン／オフパルス波形を変調するステップと、を含み、
    前記オン／オフ波形を変調するステップは、変調信号に応答して前記波形の位相を選択的に変更するように前記波形の位相変調を含み、
    前記位相変調は、１つの入力として前記オン／オフパルス波形を有し、第２入力として変調する信号を有し、出力として変調された信号を有する排他的論理和（ＸＯＲ）ゲートを備える回路によって実現される、
    変調型超広帯域パルスを生成する方法。

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