JP4327069B2 - 無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、無線タグなどに利用されている 300ＭHz帯の微弱無線規格を用いて通信を行う微弱無線通信システムに適用可能な無線通信システムに関する。

図７は、従来の微弱無線通信システムの構成例を示す。図７(1) は送信機の構成例、図７(2) は受信機の構成例を示す。図８は、受信機の各部の信号波形の一例を示す。

図７(1) において、送信機は、キャリア信号を出力する発振器５１と、キャリア信号を送信データ信号でオンオフ変調する変調回路５２と、変調回路５２から出力される変調信号を増幅する増幅器５３と、増幅された変調信号から不要信号を除去する狭帯域のバンドパスフィルタ５４と、不要信号が除去された変調信号を無線信号として送信するアンテナ５５により構成される。

図７(2) において、受信機は、送信機から送信された無線信号を受信するアンテナ６１と、アンテナ６１の受信信号を増幅する増幅器６２と、増幅された受信信号を中間周波数（ＩＦ）に周波数変換する発振器６３およびミキサ６４と、中間周波数の受信信号Ｄから不要信号を除去する狭帯域のバンドパスフィルタ６５と、不要信号が除去された受信信号Ｄ′をオンオフ復調する復調回路６６と、復調されたアナログ復調信号Ｅをディジタル信号に変換し、受信データ信号Ｈとして出力するディジタル変換回路６７により構成される。各信号Ｄ，Ｄ′，Ｈの波形の例を図８に示す。中間周波数の受信信号Ｄに含まれる周波数の異なる雑音はバンドパスフィルタ６５で除去される。
Microwave and RF Design of Wireless Systems,David M. Pozar, ISBNO-471-32282-2, pp.335-338

従来の微弱無線通信システムでは、無線規格により電波強度が非常に小さな値に制限されている。このため、図７に示す従来の送受信機では、ノイズ帯域を狭めてＳ／Ｎ比を確保する狭帯域無線が用いられる。よって、通信可能なデータレートは10ｋbps 程度以下に制限されていた。

ところで、微弱無線の電波強度は１ＭHz帯域で規定される。この微弱無線規格内でトータルな電波強度を大きくするには、１ＭHzよりも十分に大きな無線帯域を用いる通信方式が必要となる。また、微弱無線の電波強度は１ＭHz帯域の最大瞬間電波強度で規定される。このため、１ビット当たりの電波エネルギーを最大にするにはデータレートを１Ｍbps 以下に制限する必要がある。その理由は、データレートが１Ｍbps より大きい場合はデータレートに反比例させて１ビットに対応する送信電波エネルギーを下げる必要があり、逆にデータレートが１Ｍbps 以下であれば１ビットに対応する送信電波エネルギーが一定になるからである。

本発明は、微弱無線の特性を活かしながら高データレートの通信を可能とし、かつ伝送エラーおよび他システムとの衝突確率を低減することができる微弱無線通信システムに適用可能な無線通信システムを提供することを目的とする。

本発明は、送信機と受信機との間で無線信号の送受信を行う無線通信システムにおいて、送信機は、所定のデータレートの送信データ信号を短時間の矩形ディジタル信号に変換してアンテナに供給し、短時間の電波パルスとして送信する構成であり、受信機は、受信して復調したアナログ復調信号をデータレートのＮ倍（Ｎは２以上の整数）高速なレートのディジタル復調信号に変換し、そのディジタル復調信号のビット列からＮ個おきのビットをそれぞれ抽出したＮ個の並列ディジタル復調データ信号に変換し、そのＮ個の並列ディジタル復調データ信号の中から希望する信号を選択し、受信データ信号として出力する構成である。

矩形ディジタル信号は、アンテナのアンテナ帯域の逆数で決定される時間以下の短時間の信号である。また、Ｎの値は、アンテナのアンテナ帯域とデータレートの比をＮ₀ としたときに、 0.5Ｎ₀ ＜Ｎ＜２Ｎ₀ の範囲にある整数とする。また、電波パルスの電波強度が所定の帯域幅における最大瞬間電波強度によって制限されている場合に、データレートの値を帯域幅の値以下とする。

本発明の無線通信システムは、送信データ信号をアンテナ帯域の逆数で決定される時間以下の短時間だけアンテナに供給することで、アンテナ帯域全体を用いた短時間パルスの無線送信を行う。このため、高いデータレートの通信が可能な無線通信システムを実現できる。

また、受信側では、受信信号をデータレートのＮ倍高速なレートでディジタルデータに変換し、Ｎ個の並列ディジタル復調データ信号に変換し、そのＮ個の並列ディジタル復調データ信号の中から希望する信号を受信データ信号として選択することにより、伝送エラーおよび他システムとの衝突確率を低減することができる。

（本発明の無線通信システムの基本構成）
図１は、本発明の無線通信システムの基本構成を示す。図１(1) は送信機の構成例、図１(2) は受信機の構成例を示す。図２は、送信機および受信機の各部の信号例を示す。なお、図２では送信機と受信機との間の電波伝搬遅延時間、および送受信機内の回路遅延時間は省略している。

図１(1) において、送信機は、送信データ信号Ａを短時間の矩形ディジタル信号Ｂに変換する矩形ディジタル信号発生回路１１と、矩形ディジタル信号Ｂにより励振されるアンテナ１２により構成される。矩形ディジタル信号発生回路１１は、インバータリングなどによるディジタル発振回路とカウンタ回路により構成される。送信データ信号Ａが「１」の場合のみディジタル発振回路が動作し、その出力をカウンタ回路が計数して所定数の矩形ディジタル信号Ｂが発生するとディジタル発振回路の動作を停止させる。これにより、短時間の矩形ディジタル信号Ｂがアンテナ１２に供給され、アンテナ１２が共振することになる。このときアンテナ１２から送信される電波パルスＣの時間幅は、近似的に（矩形ディジタル信号Ｂのパルス時間＋１／アンテナ帯域）となる。

ここで、アンテナ１２に供給される矩形ディジタル信号Ｂは、アンテナ帯域の逆数で決定される時間以下の短時間の信号とすれば、アンテナ１２から送信される電波パルスＣの時間幅は（１／アンテナ帯域）の２倍以下となり、本発明の効果を得ることができる。なお、矩形ディジタル信号Ｂは図２では２個の矩形パルスになっているが、矩形パルスの数は２個とは限らない。

図１(2) において、受信機は図７(2) に示す従来構成からバンドパスフィルタ６５を除いた構成であり、アンテナ６１と、増幅器６２と、発振器６３およびミキサ６４と、復調回路６６と、ディジタル変換回路６７から構成される。ミキサ６４から出力される中間周波数の受信信号Ｄのオンの時間は、（１／アンテナ帯域）の２倍以下となる。アンテナ帯域がデータレートよりも桁違いに大きいことから、復調回路６６でオンオフ復調されたアナログ復調信号Ｅは「０」の状態が「１」の状態よりも桁違いに長くなる。ディジタル変換回路６７は、このようなアナログ復調信号Ｅをディジタル信号に変換し、受信データ信号Ｈとして出力する。時間スケールを変えたアナログ復調信号Ｅと受信データ信号Ｈの関係を図３に示す。

ところで、複数の送信機から互いに独立に送信が行われる場合には、通信対象の送信機から送信された信号と他の送信機から送信された信号が混在することになる。ただし、本発明において、送信機から送信される電波パルスＣは、（１／アンテナ帯域）の２倍以下の短時間の信号であるために、時間軸上で重なる確率は極めて小さい。したがって、受信機において複数の送信機に対応する各アナログ復調信号Ｅも重なる確率は小さい。しかし、図４に示すように、ディジタル変換回路６７で各アナログ復調信号Ｅをディジタル信号に変換する際に信号が重なると、正確な受信データ信号Ｈの復元が困難になる。この問題を解決する受信機の構成が本発明の特徴とするところであり、以下に説明する。

（本発明の無線通信システムの実施形態）
図５は、本発明の無線通信システムの実施形態を示す。図５(1) は送信機の構成例、図５(2) は受信機の構成例を示す。なお、送信機は、図１(1) に示す基本構成のものと同じである。また、複数の送信機のデータレートはすべて等しいものとする。

図５(2) において、受信機は、送信機から送信された電波パルスＣを受信するアンテナ６１と、アンテナ６１の受信信号を増幅する増幅器６２と、増幅された受信信号を中間周波数（ＩＦ）に周波数変換する発振器６３およびミキサ６４と、中間周波数の受信信号Ｄをオンオフ復調する復調回路６６と、復調されたアナログ復調信号ＥをデータレートのＮ倍（Ｎは２以上の整数）高速なレートのディジタル復調信号Ｆに変換するＮ倍レートディジタル変換回路２１と、ディジタル復調信号Ｆのビット列からＮ個おきのビットをそれぞれ抽出したＮ個の並列ディジタル復調データ信号Ｇに変換するシリアル／パラレル変換回路（Ｓ／Ｐ）２２と、Ｎ個の並列ディジタル復調データ信号Ｇの中から希望する信号を選択して受信データ信号Ｈとして出力する選択回路２３により構成される。

ここで、受信機では主に無線タグから送信されたＩＤデータの受信を想定している。この場合には、選択回路２３は受信対象の無線タグが送信するＩＤデータをメモリ内に記憶し、Ｎ個の並列ディジタル復調データ信号Ｇの中から希望データ信号をマッチング処理により検索する。そして、マッチングした信号を受信データ信号Ｈとして出力する。したがって、複数の送信機（無線タグ）が、それぞれ異なるデータを同じデータレートかつ任意のタイミングで送信している場合でも、それぞれのデータ信号を同時に受信することができる。

図６は、Ｎ＝５の場合における受信機の各部の信号Ｅ，Ｆ，Ｇの一例を示す。ここでは、２台の送信機に対応するアナログ復調信号ＥをデータレートよりもＮ倍速いレートのディジタル復調信号Ｆに変換し、さらに並列ディジタル復調データ信号Ｇ−１〜Ｇ−５に変換する。これにより、２台の送信機に対応するディジタル復調データ信号Ｇ−１，Ｇ−５を同時に受信データ信号Ｈ−１，Ｈ−２として出力することができる。このように、２台の送信機から任意のタイミングで送信しても、衝突確率を１／Ｎに低減することができる。

ここで、アンテナ帯域とデータレートの比をＮ₀ とすると、ＮがＮ₀ よりも大きい場合には１ビット当たりの受信電波エネルギーはＮに反比例して小さくなる。また、ＮがＮ₀ よりも小さい場合には、衝突確率はＮに反比例する。したがって、Ｎの最適値はほぼＮ₀ であり、本発明の効果を得るには 0.5Ｎ₀ ＜Ｎ＜２Ｎ₀ となるＮを選択することが望ましい。また、微弱無線通信システムに適用する場合には、データレートの値が微弱無線規格の電波強度を規定する帯域幅と等しいかまたは帯域幅より小さいことが好ましい。

本発明の無線通信システムの基本構成を示す図。 送信機および受信機の各部の信号例を示すタイムチャート。 アナログ復調信号Ｆと受信データ信号Ｈの関係を示すタイムチャート。 アナログ復調信号Ｆと受信データ信号Ｈの関係を示すタイムチャート。 本発明の無線通信システムの実施形態を示す図。 Ｎ＝５の場合における受信機の各部の信号例を示すタイムチャート。 従来の微弱無線通信システムの構成例を示す図。 受信機の各部の信号例を示すタイムチャート。

符号の説明

１１ 矩形信号発生回路
１２ アンテナ
２１ Ｎ倍レートディジタル変換回路
２２ シリアル／パラレル変換回路（Ｓ／Ｐ）
２３ 選択回路
５１ 発振器
５２ 変調回路
５３ 増幅器
５４ バンドパスフィルタ
５５ アンテナ
６１ アンテナ
６２ 増幅器
６３ 発振器
６４ ミキサ
６５ バンドパスフィルタ
６６ 復調回路
６７ ディジタル変換回路

Claims (4)

1. 送信機と受信機との間で無線信号の送受信を行う無線通信システムにおいて、
   前記送信機は、所定のデータレートの送信データ信号を短時間の矩形ディジタル信号に変換してアンテナに供給し、短時間の電波パルスとして送信する構成であり、
   前記受信機は、受信して復調したアナログ復調信号を前記データレートのＮ倍（Ｎは２以上の整数）高速なレートのディジタル復調信号に変換し、そのディジタル復調信号のビット列からＮ個おきのビットをそれぞれ抽出したＮ個の並列ディジタル復調データ信号に変換し、そのＮ個の並列ディジタル復調データ信号の中から希望する信号を選択し、受信データ信号として出力する構成である
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記矩形ディジタル信号は、前記アンテナのアンテナ帯域の逆数で決定される時間以下の短時間の信号であることを特徴とする無線通信システム。
3. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記Ｎの値は、前記アンテナのアンテナ帯域と前記データレートの比をＮ₀ としたときに、
   0.5Ｎ₀ ＜Ｎ＜２Ｎ₀
   の範囲にある整数とする
   ことを特徴とする無線通信システム。
4. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記電波パルスの電波強度が所定の帯域幅における最大瞬間電波強度によって制限されている場合に、前記データレートの値を前記帯域幅の値以下とする
   ことを特徴とする無線通信システム。

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