JP4506295B2

JP4506295B2 - 無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラム

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Publication number: JP4506295B2
Application number: JP2004174781A
Authority: JP
Inventors: 啓次秋山; 勝之田中; 昌幸高田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2024-06-11
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Description

本発明は、無線信号を送受信する無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、データ伝送と距離測定が可能な無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。

さらに詳しくは、本発明は、無線機間でパケット送信から受信までの時間に基づいて測距する無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、データ送信時において、データ信号とクロック信号のタイミング若しくは遅延時間を補償する無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。

有線方式によるＬＡＮ配線からユーザを解放するシステムとして、無線ＬＡＮが注目されている。無線ＬＡＮによれば、オフィスなどの作業空間において、有線ケーブルの大半を省略することができるので、パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）などの通信端末を比較的容易に移動させることができる。近年では、無線ＬＡＮシステムの高速化、低価格化に伴い、その需要が著しく増加してきている。特に最近では、人の身の回りに存在する複数の電子機器間で小規模な無線ネットワークを構築して情報通信を行なうために、パーソナル・エリア・ネットワーク（ＰＡＮ）の導入の検討が行なわれている。例えば、２．４ＧＨｚ帯や、５ＧＨｚ帯など、監督官庁の免許が不要な周波数帯域を利用して、異なった無線通信システム並びに無線通信装置が規定されている。

例えば、近年、「ウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）通信」と呼ばれる、きわめて微弱なインパルス列に情報を載せて無線通信を行なう方式が、近距離超高速伝送を実現する無線通信システムとして注目され、その実用化が期待されている。現在、ＩＥＥＥ８０２．１５．３などにおいて、ウルトラワイドバンド通信のアクセス制御方式として、プリアンブルを含んだパケット構造のデータ伝送方式が考案されている。

また、ＵＷＢ通信は、超極細パルスを用いることにより高い時間分解能を持ち、この性質を使ってレーダやポジショニングを行なう「測距（Ｒａｎｇｉｎｇ）」をすることが可能である。特に、最近のＵＷＢ通信では、１００Ｍｂｐｓ超の高速データ伝送と元来の測距機能を併せ持つことができる（例えば、特許文献１を参照のこと）。

将来、ＵＷＢに代表される近距離通信のＷＰＡＮ（ＷｉｒｅｌｅｓｓＰｅｒｓｏｎａｌＡｃｃｅｓｓＮｅｔｗｏｒｋ）はあらゆる家電品やＣＥ（ＣｏｎｓｕｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）機器に搭載されることが予想される。したがって、高速データ伝送とは別に測距による位置情報の利用、例えばナビゲーションや近距離通信（ＮｅａｒＦｉｅｌｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ：ＮＦＣ）のような無線の付加価値を生むことが考えられ、高速データ伝送とともに測距機能も実装することが望ましいと思料される。

このような測距システムでは、パケット送信から受信までの時間から測距するのが一般的である。被測距側は受信した信号をほとんど受信信号処理することなく送り返すだけである。一例としては、測距する無線機からの信号そのものに被測距側は自身の情報を乗じて送り返し、測距する無線機は往復の電波伝搬時間を計測することで測距を行なうものがある（例えば、特許文献２を参照のこと）。但し、測距する側が自身及び被測距側の信号処理時間を含む送信から被測距側の返送信号受信までの時間から測距する方法もある（例えば、特許文献３、特許文献３４、並びに特許文献５を参照のこと）。

このように、無線機間でパケット送信から受信までの時間に基づいて測距するシステムにおいては、測距する側が自身及び被測距側の信号処理時間を含むことから、データ送信時において、データ信号とクロック信号のタイミング若しくは遅延時間を補償する必要がある。

ここで、データ信号とクロック信号の遅延は、クロック周期内の遅延と、クロック周期を超える遅延に大別することができる。

例えば、すべてのクロック・タイミングでデータ伝送を正確に行なうことができるエラステックストアについて提案がなされている（例えば、特許文献６を参照のこと）。

また、データ信号を一定周期のクロック信号と同期させ、送信側から受信側へ伝送経路を通して伝送する場合に、データ信号とクロック信号との間の相対遅延量を安定して許容範囲内に収めることができ、さまざまな伝送経路に対して個々に調整を行なうことができるデータ伝送装置について提案がなされている（例えば、特許文献７を参照のこと）。

また、データ伝送の遅延時間の変動を自動で調整し、データを正しく受信するための位相を確保するインターフェース回路について提案がなされている（例えば、特許文献８を参照のこと）。

しかしなから、これらはいずれも、クロックと同期したデータ転送時において、クロックに対してデータを正しく取得できる位置へ遅延させるための構成である。言い換えればクロック周期内の遅延を補償するに過ぎず、１クロック周期を超える遅延がある場合でも特段の取り扱いがなく、同期しているシステムにおいてクロックに対する遅延量を補償することはできない。

このため、測距する側の通信機では、クロックに対してデータが１周期以上遅延しているかどうかを判別することができず、正確な測距を実現することができない。

特表２００２−５１７００１号公報特許第３１１８５７８号公報特開２００１−１８３４４７号公報特開２００１−５０１４７号公報特開平８−６２３３４号公報特開平９−１３９７３０号公報特開平１０−２１００１８号公報特開２００１−２５１２８３号公報

本発明の目的は、データ伝送と距離測定が可能な優れた無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、無線機間でパケット送信から受信までの時間に基づいて好適に測距することができる、優れた無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、データ送信時において、データ信号とクロック信号のタイミング若しくは遅延時間を補償することができる、優れた無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、無線信号を送受信する無線通信装置であって、
送受信信号を処理する第１の回路及び第２の回路と、
動作の基準となる受信クロックを第１の回路側で生成する発振器と、
前記受信クロックを前記第１の回路から前記第２の回路へ供給する第１のインターフェースと、
前記第２の回路において前記第１の回路から供給された受信クロックに同期させて出力する送信データを前記第１の回路へ入力する第２のインターフェースと、
前記第１の回路において、前記第２のインターフェース経由で入力された送信データと受信クロックとの遅延を補償する遅延補償手段と、
を具備することを特徴とする無線通信装置である。ここで言う前記第１の回路は、例えば、無線信号の送受信処理を行なう無線回路モジュールである。また、前記第２の回路は物理層プロトコルにおける伝送データの処理を行なう物理層モジュールである。

無線機間でパケット送信から受信までの時間に基づいて測距するシステムにおいては、測距する側が自身及び被測距側の信号処理時間を含むことから、データ送信時において、データ信号とクロック信号のタイミング若しくは遅延時間を補償する必要がある。

データ信号とクロック信号の遅延は、クロック周期内の遅延と、クロック周期を超える遅延に大別することができる。従来のデータ伝送装置においては、クロック周期内の遅延を補償することはできるが、１クロック周期を超える遅延がある場合でも特段の取り扱いがない。

これに対し、本発明に係る無線通信装置は、前記第１の回路において、前記第２のインターフェース経由で入力された送信データと受信クロックとの遅延を補償する遅延補償手段を備えている。この遅延補償手段は、送信データに対し適切な遅延量を挿入し、送信データの遅延が常に一定になるようにすることで、遅延時間を補償する。

本発明に係る無線通信装置は、データ送信処理を行なうデータ送信モードと、送信データの遅延時間の補償を行なうキャリブレーション・モードを備えている。

キャリブレーション・モード下では、前記遅延補償手段は、予想される最大遅延時間を超える長さを持つキャリブレーション・パルスを前記第１のインターフェース経由で前記第１の回路から前記第２の回路へ送出し、前記第２のインターフェース経由で前記第２の回路から前記第１の回路へループバックされるパルスと元のキャリブレーション・パルスとの遅延に基づいて遅延時間を補償する。

そして、前記遅延補償手段は、前記第２のインターフェース経由で前記第２の回路から前記第１の回路へループバックされるパルスと元のキャリブレーション・パルスとの位相差に基づいてクロック周期未満の遅延時間を補償する。さらに送信データが前記最大遅延時間を持つように適切な遅延量を挿入する。

このように、本発明によれば、第１及び第２のインターフェースが高速クロックで動作する場合であっても、データの遅延量の変動に拘らず、正しいデータ伝送が可能である。

また、データの遅延量によってクロックのサンプル位置が変動することによるクロック単位のデータ伝送時間の変動を、あらかじめ一定の値に固定することができる。この結果、時間変動対して敏感なデータ伝送が可能となる。

また、本発明の第２の側面は、送受信信号を処理する第１の回路及び第２の回路と、動作の基準となる受信クロックを第１の回路側で生成する発振器と、前記受信クロックを前記第１の回路から前記第２の回路へ供給する第１のインターフェースと、前記第２の回路において前記第１の回路から供給された受信クロックに同期させて出力する送信データを前記第１の回路へ入力する第２のインターフェースとを備えた無線通信装置において遅延時間を補償したデータ送信を行なうための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、
予想される最大遅延時間を超える長さを持つキャリブレーション・パルスを前記第１のインターフェース経由で前記第１の回路から前記第２の回路へ送出するステップと、
前記第２のインターフェース経由で前記第２の回路から前記第１の回路へループバックされるパルスと元のキャリブレーション・パルスとの位相差に基づいてクロック周期未満の遅延時間を補償するステップと、
送信データが前記最大遅延時間を持つように適切な遅延量を挿入するステップと、
を具備することを特徴とするコンピュータ・プログラムである。

本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・システム上で所定の処理を実現するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムを定義したものである。換言すれば、本発明の第３の側面に係るコンピュータ・プログラムをコンピュータ・システムにインストールすることによって、コンピュータ・システム上では協働的作用が発揮され、本発明の第１の側面に係る無線通信装置と同様の作用効果を得ることができる。

本発明によれば、データ伝送と距離測定が可能な優れた無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。

また、本発明によれば、無線機間でパケット送信から受信までの時間に基づいて好適に測距することができる、優れた無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。

また、本発明によれば、データ送信時において、データ信号とクロック信号のタイミング若しくは遅延時間を補償することができる、優れた無線通信装置及び無線通信方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。

本発明によれば、クロックに同期したデータ転送において、クロック信号と、そのクロック信号に同期した信号を相手方に伝送することができる。また逆に、相手方にて当該クロック信号に同期させた相手方からの信号を受信する際に、相手方のデータ遅延量に関わらず元の自己のクロック信号にデータを同期させることができる。この際、相手方の遅延量を測定し、相手方のデータ遅延量に拘らず自身のデータ遅延量を一定に保つよう、適応的に遅延を挿入することができる。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。

本発明に係る無線通信システムは、微弱なインパルス列に情報を載せて無線通信を行なうＵＷＢ伝送方式（前述）を採用するが、超極細パルスを用いることによる高い時間分解能を利用して、情報伝送を行なう毎に無線機間の測距を行なうように構成される。

まず、２つの無線機が無線機同士の信号の送受信により無線機同士の測距を行なう仕組みについて、図１を参照しながら説明する。

無線機１は、無線機２に向けて距離測定用のパケット１を送った後、無線機２からパケット２が返送されるまで待機する。そして、無線機１は、パケット１の送信からパケット２が検出されるまでの時間を自身のカウンタ１６１で計測する。距離測定用信号の変調速度は例えば数１００ＭＨｚ以上である。

無線機２は、無線機１からのパケット１を受信し検出すると、所定の時間後（単位時間の整数倍の経過後：後述）にパケット２を無線機１に返送する。

無線機１は、返送されたパケット２を検出し、検出時のカウンタ値に基づいて無線機1から無線機２までの距離を計算する。図示の時間はロジック回路が認識する時間とする。

ｔ：無線機１がパケットを送出してから
無線機２のパケットを検出するまでの真の時間
ｔ_A：空間の伝搬時間（ｔ_AIR）
＋無線機１のＲＦ送信回路における遅延時間（ｔ_DT1）
ｔ_B：無線機２のＲＦ受信回路における遅延時間（ｔ_DR2）
＋無線機２の処理時間（ｔ_P2）
ｔ_C：無線機１のＲＦ受信回路における遅延時間（ｔ_DR1）
＋無線機１の処理時間（ｔ_P1）＋空間の伝搬時間（ｔ_AIR）

通常、無線機２の処理時間は信号検出に要する処理時間とＲＦ送受信回路の各遅延時間は固定値である。上記の定義により、ｔは以下のように表される。

ｔ＝ｔ_A＋ｔ_B＋ｔ_C＝２ｔ_AIR＋ｔ_D1＋ｔ_D2＋ｔ_P1＋ｔ_P2
（ｔ_D1＝ｔ_DT1＋ｔ_DR1、ｔ_D2＝ｔ_DT2＋ｔ_DR2） …（１）

また、無線機間の距離ｄは下式の通りとなる。

ｄ＝ｃ・ｔ_AIR（ｃは光速） …（２）

したがって、無線機１は、時間ｔをカウントし、上式からｔ_AIRを計算することにより無線送信機間の距離ｄを得ることができる。ＵＷＢのような超広帯域信号では、受信パルス検出又は相関検出において高い時間分解能が得られるので、例えば１ナノ秒の時間分解能であれば、無線通信システムとしての距離分解能は３０ｃｍとなる。

このようにして、無線機間の距離を相互の通信により計測することができる。但し、無線ネットワークを構成する一方の無線機２の処理時間ｔ_P2には、フレーム間隔（ＩＦＳ：ＩｎｔｅｒＦｌａｍｅＳｐａｃｅ）やパケットの衝突確率を下げるためのランダムな遅延時間のような時間間隔なども含まれる。このような場合に、無線機２のｔ_P2（若しくはｔ_B）は固定値でないので、無線機１は何らかの方法、例えば無線機２が返送するパケットに処理時間ｔ_P2に関する情報を乗せるなどの方法によりｔ_P2を知る必要がある。ところが、測距するために特別な情報をパケットに加えるのは帯域の有効利用の観点から好ましくない。

そこで、ＩＦＳやランダムな遅延時間などを含めた無線機２の処理時間ｔＰ２（若しくはｔ_B）を必ず特定の単位時間の整数倍、例えば１００ナノ秒×Ｎとなるようにした。但し、Ｎは整数であることのみが通信システム内で約束されているだけで、その値は不定である。このような場合、無線機１側では、自身がパケットを送信した後、単位時間の整数倍後のパケットが返送される可能性のあるタイミング付近でのみパケット検出処理を繰り返し行なう。パケット検出処理では、例えば拡散コードとの相関値が検出され、最大且つ所定の相関値以上となった位置を計測結果とする。

例えば、無線機２の処理時間ｔ_P2（若しくはｔ_B）を単位時間としての１００ナノ秒に設定すると、単位時間分の信号の伝送距離はこれに高速ｃを掛けた３０ｍとなる。したがって、単位時間のＮ倍の遅延時間でパケットが返送されることが約束されているだけで、Ｎの値は不定であることから、この単位時間分の距離３０ｍの倍数がパケット検出処理時の不定分として生ずる。一方、通常の高速伝送では通信可能な距離には限界があるので、例えば３０ｍ以下の通信可能な距離の通信システムの場合、測距する範囲を３０ｍ以内に限定すれば、この不定性はまったく問題とならないことになる。

したがって、無線機１は上式（２）で得た距離を３０ｍで割った余りを無線機１〜２間の距離として特定することができる。これは、Ｎの値を特定してｔから１００ナノ秒×Ｎを差し引いてから上式（２）を計算することと等価である。

ここで、上式（２）において、距離ｄの精度は、無線機１及び無線機２のそれぞれにおいて、距離測定信号を正確に測定し且つ発射できることに依存している。言い換えれば、データ信号とクロック信号の遅延時間を補償する必要がある。特に、無線機は、自身の受信遅延量と送信遅延量について正確な情報を持ち、正しい時間間隔で信号を送出することが極めて重要である。

図２には、データ伝送と距離測定が可能な無線通信装置の構成を模式的に示している。図示の通り、無線通信装置は、無線信号を送受信するアンテナ２７と、伝送データを無線信号にアップコンバートしたり受信した無線信号のダウンコンバートを行なったりする無線（ＲＦ）ブロック２５と、伝送データの符号化・複合化などのデジタル処理を行なう物理層（Ｐｈｙ）ブロック２６と、メディア・アクセス制御（ＭＡＣ）やさらに上位層プロトコルの処理を行なう機能ブロック（図示しない）で構成される。

無線ブロック２５と物理層ブロック２６は、単一のＬＳＩチップとして構成することも可能である。但し、本実施形態では、無線ブロック２５における最適なプロセスの選択と、トータル・コストを考量して、これらは独立したチップとして構成される場合を想定している。

図２において、無線ブロック２５における受信系統は、アンテナ２７とアンテナ・スイッチ１を介して他局から受信したウルトラワイドバンド信号を電圧増幅する低雑音アンプ（ＬＮＡ：ＬｏｗＮｏｉｓｅＡｍｐ）２や、電圧増幅された受信信号を周波数変換によりダウンコンバートするダウンコンバータ（Ｄ／Ｃ）３、受信信号の低域成分のみを通過するローパス・フィルタ４、受信信号のレベルを自動調整する自動利得制御器（ＡＧＣアンプ）５、アナログ受信信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器６、受信デジタル信号を内部信号レベルから物理層（ＰＨＹ）ブロック２６に送出するレベルに変換するためのインターフェース回路７で構成される。

また、無線ブロック２５における送信系統は、送信信号をＰＨＹブロック２６から受けるためのインターフェース回路８、送信信号を変調波として変換するための変調器９、変調信号を搬送波周波数の送信信号に変換するためのアップコンバータ（Ｕ／Ｃ）１０、アップコンバートされた送信信号の電力を増幅するパワーアンプ（ＰＡ）１１で構成される。

電圧制御発振器（ＶＣＯ）１３は、位相ロック・ループ回路（ＰＬＬ：ＰｈａｓｅＬｏｃｋＬｏｏｐ）１２と協調して動作し、送信系統及び全体のクロックの基となる周波数を生成する。ＰＬＬ１２の基準周波数は、無線ブロック２５外部に配置された温度補償推奨発振器（ＴＣＸＯ）２４から供給される。ここで、２分周器１４は、ＶＣＯ１３からの出力周波数を２分周して搬送波を生成し、同様に、１６分周器１５はＶＣＯ１３からの出力周波数をデータ用のクロックを発生させる。但し、これら分周器の分周比の構成は一例であり、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。

また、図２において、ＰＨＹブロック２６は、ＲＦブロック２５から受信信号を受けるためのインターフェース回路１７、受信信号をデコードするための復号器２０、送信信号をエンコードするための符号化器２２、送信信号をＲＦブロック２５側のクロックに同期させるための遅延器（Ｄラッチ）２３、ＲＦブロックに送信信号を送出するためのインターフェース回路１９である。自身の送信時刻と受信信号の到着時刻を計測する時間測定部２１を備えている。時間測定部２１は、カウンタ又はタイマで構成される。また、ＲＦブロック２５の１６分周器１５で生成された受信データ用のクロックは、インターフェース回路１６及び１８を経由してＰＨＹブロック２６側に供給され、Ｄラッチ２３における同期用クロックとして利用される。

上述したように、無線ブロック２５と物理層ブロック２６の間は、インターフェース回路７〜１７、１６〜１８、８〜１９を経由して相互接続されている。これらのインターフェース回路は、ＬＶＤＳ（ＬｏｗＶｏｌｔａｇｅＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＳｉｇｎａｌｉｎｇ）インターフェースなどの高速インターフェースが用いられるものとする。

距離測定の精度向上ためには、無線機は、全体を統一したクロックで動作させる必要がある。図２に示す例では、無線ブロックは１つのＶＣＯ１３のクロックをベースにして動作し、分周したクロックを受信クロックＲＸＣＬＫとしてＰＨＹブロック２６にも供給している。これによって、無線ブロック２５が受け取る送信データＴＸＤは自身のクロックに同期したものとなる。また、以下の例では、ＶＣＯの発振周波数を８ＧＨｚとし、受信クロックＲＸＣＬＫは５００ＭＨｚとする。

ここで、ＰＨＹブロック２６において、送信データＴＸＤは変調器９に達するまで、インターフェース回路８及び１９を経由している。なお且つ、Ｄラッチ２３において同期を取っているが、そのＤラッチ２３に入力させる同期用クロックは、インターフェース回路１６及び１８を経由したものである。

図示の無線機が高速の情報伝送を行ない、且つ距離測定の精度向上のためには、例えば数１００ＭＨｚ以上の高速のクロックを使用する。ここで、インターフェース回路１６からＤラッチ２３を経由してインターフェース回路８に至る遅延時間が１クロック周期以上の長さとなる場合、変調器９において送信データＴＸＤを正しく取得できなくなる可能性がある。

このような遅延時間は主にデバイス毎にプロセスのバラつきによって異なる。また同一デバイスにおいても温度変動によって変化する。また、ＬＶＤＳインターフェースは、低電圧バランス伝送を実現するインターフェースであるが、電圧レベル変換のためには基板が持つ容量に打ち勝つようにインターフェース回路を大規模化しなければならず、この大規模化により遅延時間はさらに拡大する。

図３には、データ信号がクロック信号に対し遅延するために、変調器９において送信データＴＸＤを正しく取得できなくなる動作例を図解している。データ信号とクロック信号の遅延は、クロック周期内の遅延と、クロック周期を超える遅延に大別することができ、同図では、前者をＤｅｌａｙ１とし、後者をＤｅｌａｙ２と表している。

Ｄｅｌａｙ１のケースでは、クロックでのサンプル点と送信データＴＸＤの変化点が遅延により重なってしまっている。このような場合、正しく送信データが伝達されないため、送信信号にエラーが発生する。

また、Ｄｅｌａｙ１よりもさらに遅延が大きいＤｅｌａｙ２の場合には、変調器９にＤｅｌａｙ１よりも１クロック遅れた位置において送信データＴＸＤがサンプルされている。これは受信データクロックＲＸＣＬＫを基準にしてＰＨＹブロック２６から見た場合、送信データＴＸＤに１クロック分の遅延が挿入されたことと等価となる。

特許文献６〜８では、クロックと同期したデータ転送時において、クロックに対してデータを正しく取得できる位置へ遅延させることができる。しかしながら、これらはクロック周期内の遅延に相当するＤｅｌａｙ１を補償するに過ぎず、１クロック周期を超える遅延Ｄｅｌａｙ２がある場合でも特段の取り扱いがない。通常のデータ伝送時においては、クロック周期内の遅延を補償することができれば十分である。これに対し、無線機間でパケット送信から受信までの時間に基づいて測距するシステムにおいては、遅延時間自体が測定データであることから、クロック周期を超える遅延Ｄｅｌａｙ２を補償する必要がある。

上式（１）では、無線機間をパケットが往来する真の時間を記述している。同式において、各無線機の送信の遅延時間はあらかじめそれぞれの無線機において既知であり、あらかじめその時間を補償した上でデータの送信並びに受信をそれぞれ行なう。したがって、送信データにおける１クロックの遅延の挿入は測距の計算結果に大きな変動をもたらすことになる。例えば、受信クロックＲＸＣＬＫが５００ＭＨｚの場合、１クロックの遅延は２ｎｓの遅延に相当する。これが測定時間ｔの測定結果の誤差として現れる。これは光速では６０ｃｍに相当し、測距の値はその半分の３０ｃｍ程度ずれることになる。

これら、Ｄｅｌａｙ１とＤｅｌａｙ２のケースを解決するために、図２に示した構成の無線通信装置において、以下のような機能を持つブロックを追加した図４のような装置構成を提案する。但し、同図において、参照番号１〜２７は図２に示したものと同じ機能であるため、以下では説明は省略する。

図４に示す無線通信装置は、キャリブレーション部２８が発生するキャリブレーション・パルスを用いて、キャリブレーション動作、すなわちインターフェース回路１６からＤラッチ２３を経由してインターフェース回路８に至る遅延時間の補償を行なう。スイッチ２９は、ＰＨＹブロック２６において、インターフェース回路１７の出力すなわちＲＦブロック２５からの受信データＲＸＤをループバックしてＤラッチ２３に入力させる経路を設定する。また、スイッチ３０は、デジタル変換された受信信号とキャリブレーション部２８からのキャリブレーション・パルスの送出を切り替える。

キャリブレーション部２８は図５に示すような回路構成を示している。

Ｄラッチ１０１は、受信クロックＲＸＣＬＫを４ＧＨｚに同期させる。分周器１０２はＤラッチ１０１の出力を分周し、受信クロックＲＸＣＬＫの整数倍の長周期パルスを発生させる。Ｄラッチ１０３は、分周器１０２で発生した長周期パルスを４ＧＨｚクロックに同期させる。Ｄラッチ１０４は、ＰＨＹブロック２６からの送信開始信号（ＴＸ＿ＶＡＬＩＤ）を４ＧＨｚクロックに同期させる。

Ｄラッチ１０５は、送信データＴＸＤを４ＧＨｚ周期でラッチする。また、ＸＯＲゲート１０６は、分周器１０２からのキャリブレーション・パルスと、Ｄラッチ１０５から送出されるループバックされたキャリブレーション・パルスの位相を比較する。そして、カウンタ１０７は、ＸＯＲ１０６の出力の期間だけ４ＧＨｚでカウントする。

参照番号１０８〜１１５は、Ｄラッチ１０５の出力をそれぞれ４ＧＨｚの１周期ずつ遅れさせるためのＤラッチであり、１クロック周期未満の遅延時間Ｄｅｌａｙ１を補償するために動作する。セレクタ１０９は、Ｄラッチ１０８〜１１５の出力のうち１つをカウンタ１０７のカウント出力に応じて選択する。

Ｄラッチ１１６は、セレクタ１０９の出力を５００ＭＨｚクロックでサンプルする。また、Ｄラッチ１１７〜１１９は、それぞれＤラッチ１１６の出力を1クロックずつ遅らせ、１クロック周期を超える遅延時間Ｄｅｌａｙ２を補償するために動作する。スイッチ１２１〜１２３は、Ｄラッチ１１７〜１１９の挿入を制御する。また、デコーダ１２０は、カウンタ１０７の出力に応じて、スイッチ１２１〜１２３のオン／オフ動作をコントロールする。

キャリブレーション部２８のおおまかな動作は以下のようなものである。

１．送信データの送出の前に、ＲＦブロック２５の受信側インターフェース（ＲＸＤ側）より、予想される最大遅延時間を超える長さを持つキャリブレーション・パルスを送出する。
２．そのパルスをＰＨＹブロック２６側でループバックし、ＲＦブロック２５の送信側ＴＸＤに返送する。
３．送信側ＴＸＤで、ループバックされたパルスと自己が発生したパルスとの遅延（位相差）を測定し、パルス・サンプル位置を同定する（Ｄｅｌａｙ１の現象を解決）。
４．さらに送信データＴＸＤに適切な遅延量を挿入して、ＴＸＤの遅延が常に一定になるようにする（Ｄｅｌａｙ２の現象を解決）。

図６には、キャリブレーション部２８の内部における各信号の時間波形を示している。同図において、各信号は（Ａ）〜（Ｚ）で表示されている。図示の例では、ＶＣＯ１３の周波数を８ＧＨｚとし、それを２分周した４ＧＨｚのクロックの供給を受けられるものとする。また、受信ＲＸＣＬＫを５００ＭＨｚとし、送信データＴＸＤも５００ＭＢＰＳとする。同図（Ａ）は４ＧＨｚのクロック、同図（Ｂ）は受信クロックＲＸＣＬＫである。

まず、ＰＨＹブロック２６は、送信開始の合図としてＴＸ＿ＶＡＬＩＤ信号（Ｃ）を送出する。また、同時にＰＨＹブロック２６内の切り替えスイッチをループバック側に切り替える。

キャリブレーション部２８において、ＴＸ＿ＶＡＬＩＤ信号は、Ｄラッチ１０４で一度４ＧＨｚクロックに同期させた後（Ｄ）、分周器１０２に送られる。

分周器１０２では、（Ｄ）と（Ｂ）を基に長周期（ここでは８ｎｓとする）のキャリブレーション・パルス（Ｅ）を発生する。このキャリブレーション・パルス（Ｅ）は、Ｄラッチ１０３において再度４ＧＨｚクロックに同期させた後（Ｆ）、切り換えスイッチ３０で自身を通過させるよう設定する。

スイッチ３０を経由した信号は、インターフェース回路７に送られ、ＰＨＹブロック２６側のインターフェース回路１７で受信される。信号（Ｆ）は、切り替えスイッチ２９、Ｄラッチ２３、及びインターフェース１９を経由し、ＲＦブロック２５側のインターフェース回路８に入力される。インターフェース回路８を経由してキャリブレーション部２８に入力される信号は、遅延により図６の（Ｇ）のようになっている。

キャリブレーション部２８では、信号（Ｇ）を再度４ＧＨｚクロックに同期させた後（Ｈ）、ＸＯＲ１０６において信号（Ｅ）と（Ｈ）のＸＯＲをとり（Ｊ）、カウンタ１０７に入力される。カウンタ１０７では、信号（Ｆ）の立ち下がりからＸＯＲ演算結果の立ち下がりまでの期間を４ＧＨｚクロックでカウントする。この例では、４ＧＨｚで０〜７までの８クロックがカウントされている。

カウンタ１０７は、５ビットのカウンタであり、カウント値の下３ビットはセレクタ１０９に入力される。セレクタ１０９の入力信号は（Ｈ）〜（Ｒ）の８通りあるが、（Ｌ）〜（Ｒ）は信号（Ｈ）を４ＧＨｚクロックで順次シフトしたものである。セレクタ１０９では、この３ビット信号に基づいて（Ｈ）〜（Ｒ）のうち１つを選択する。選択のマッピングは、カウント値０〜７に対して（Ｍ）〜（Ｒ）、（Ｈ）〜（Ｍ）の順とする。

図示の例では、カウント値が７のため、信号（Ｍ）がセレクタ１０９によって選択され、Ｄラッチ１１６に送られる。

Ｄラッチ１１６では、セレクタ１０９から送られた信号を受信クロックＲＸＣＬＫ（Ｂ）でサンプリングする。すると、上述したセレクタ１０９のマッピング規則により、キャリブレーション・パルスに続いて送られてきた５００ＭＢＰＳの信号（Ｄ０）の周期のちょうど真中でサンプルすることができる。

これまでの動作で、図３に示したＤｅｌａｙ１のようなクロック周期未満の遅延によりデータが正しく取得できないという問題が解消する。

続いて、セレクタ１０９の５ビット出力をデコードした出力を用いて、カウント値に応じて、Ｄラッチ１１７〜１１９を経由するルートを切り替える。この例では、Ｄラッチ１１８及び１１９が選択され、５００ＭＨｚで２クロック分の遅延が挿入される。Ｄラッチ１１９の出力は信号（Ｚ）となり、図示の時間まで遅延したことになる。

このように、異なる遅延量に対しても、予想される最大遅延時間と同一の位置まで遅延量を調整することが可能であり。すなわち、図３におけるＤｅｌａｙ２のようなクロック周期を超える遅延に依拠する問題が解消される。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

本明細書では、通信相手との間で行なわれるパケット通信の往復の電波伝搬時間を計測することで測距を行なう無線機を例に、本発明の実施形態について説明したが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。データ信号とクロック信号の遅延時間を補償する必要のあるその他のデータ処理装置に対しても、同様に本発明を適用し作用効果を奏することができる。

また、本明細書では、無線ブロックと物理層ブロックが別個のＬＳＩチップとして構成され、両チップ間がインターフェース経由で接続されている無線機を例に、両ブロック間をデータ信号が往復する際のデータ信号とクロック信号の遅延時間を補償する場合を例に、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。データ信号とクロック信号の遅延時間を補償する必要のあるその他の回路構成のデータ処理装置に対しても、同様に本発明を適用し作用効果を奏することができる。

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。

図１は、２つの無線機が無線機同士の信号の送受信により無線機同士の測距を行なう仕組みを説明するための図である。図２は、データ伝送と距離測定が可能な無線通信装置の構成を模式的に示した図である。図３は、データ信号がクロック信号に対し遅延するために、変調器９において送信データＴＸＤを正しく取得できなくなる動作例を示した図である。図４は、本発明の一実施形態に係る無線通信装置の構成を示した図である。図５は、キャリブレーション部２８の回路構成を示した図である。図６は、キャリブレーション部２８の内部における各信号の時間波形を示した図である。

符号の説明

１…切り換えスイッチ
２…ＬＮＡ
３…ダウンコンバータ
４…ローパス・フィルタ
５…ＡＧＣ
６…Ａ／Ｄ変換器
７、８、１６、１７、１８、１９…インターフェース回路
９…変調器
１０…アップコンバータ
１１…ＰＡ
１２…ＰＬＬ
１３…ＶＣＯ
１４、１５…分周器
２０…復号器
２１…時間測定部
２２…符号化器
２３…Ｄラッチ
２４…ＴＣＸＯ
２８…キャリブレーション部
２９、３０…切り換えスイッチ

Claims

無線信号を送受信する無線通信装置であって、
送受信信号を処理する第１の回路及び第２の回路と、
動作の基準となる受信クロックを第１の回路側で生成する発振器と、
前記受信クロックを前記第１の回路から前記第２の回路へ供給する第１のインターフェースと、
前記第２の回路において前記第１の回路から供給された受信クロックに同期させて出力する送信データを前記第１の回路へ入力する第２のインターフェースと、
前記第１の回路において、前記第２のインターフェース経由で入力された送信データと受信クロックとの遅延を補償する遅延補償手段と、
を具備し、
前記第１の回路は無線信号の送受信処理を行なう無線回路モジュールであり、前記第２の回路は物理層プロトコルにおける伝送データの処理を行なう物理層モジュールである、
ことを特徴とする無線通信装置。
無線信号を送受信する無線通信装置であって、
送受信信号を処理する第１の回路及び第２の回路と、
動作の基準となる受信クロックを第１の回路側で生成する発振器と、
前記受信クロックを前記第１の回路から前記第２の回路へ供給する第１のインターフェースと、
前記第２の回路において前記第１の回路から供給された受信クロックに同期させて出力する送信データを前記第１の回路へ入力する第２のインターフェースと、
前記第１の回路において、前記第２のインターフェース経由で入力された送信データと受信クロックとの遅延を補償する遅延補償手段と、
を具備し、
データ送信処理を行なうデータ送信モードと、送信データの遅延時間の補償を行なうキャリブレーション・モードを備え、
前記遅延補償手段は、
前記キャリブレーション・モード下において、予想される最大遅延時間を超える長さを持つキャリブレーション・パルスを前記第１のインターフェース経由で前記第１の回路から前記第２の回路へ送出し、前記第２のインターフェース経由で前記第２の回路から前記第１の回路へループバックされるパルスと元のキャリブレーション・パルスとの遅延に基づいて遅延時間を補償し、
前記第２のインターフェース経由で前記第２の回路から前記第１の回路へループバックされるパルスと元のキャリブレーション・パルスとの位相差に基づいてクロック周期未満の遅延時間を補償し、さらに送信データが前記最大遅延時間を持つように適切な遅延量を挿入する、
ことを特徴とする無線通信装置。
無線信号を送受信する無線通信方法であって、
送受信信号を処理する第１の回路において動作の基準となる受信クロックを第１の回路側で生成するステップと、
前記受信クロックを前記第１の回路から前記第２の回路へ供給するステップと、
前記第２の回路において前記第１の回路から供給された受信クロックに同期させて出力する送信データを前記第１の回路へ入力するステップと、
前記第１の回路において前記第２の回路から入力された送信データと受信クロックとの遅延を補償する遅延補償ステップと、
を有し、
前記第１の回路は無線信号の送受信処理を行なう無線回路モジュールであり、前記第２の回路は物理層プロトコルにおける伝送データの処理を行なう物理層モジュールである、
ことを特徴とする無線通信方法。
無線信号を送受信する無線通信方法であって、
送受信信号を処理する第１の回路において動作の基準となる受信クロックを第１の回路側で生成するステップと、
前記受信クロックを前記第１の回路から前記第２の回路へ供給するステップと、
前記第２の回路において前記第１の回路から供給された受信クロックに同期させて出力する送信データを前記第１の回路へ入力するステップと、
前記第１の回路において前記第２の回路から入力された送信データと受信クロックとの遅延を補償する遅延補償ステップと、
を有し、
遅延補償ステップでは、
送信データの遅延時間の補償を行なうキャリブレーション・モード下において、予想される最大遅延時間を超える長さを持つキャリブレーション・パルスを前記第１のインターフェース経由で前記第１の回路から前記第２の回路へ送出し、前記第２のインターフェース経由で前記第２の回路から前記第１の回路へループバックされるパルスと元のキャリブレーション・パルスとの遅延に基づいて遅延時間を補償し、
前記第２のインターフェース経由で前記第２の回路から前記第１の回路へループバックされるパルスと元のキャリブレーション・パルスとの位相差に基づいてクロック周期未満の遅延時間を補償し、さらに送信データが前記最大遅延時間を持つように適切な遅延量を挿入する、
ことを特徴とする無線通信方法。
送受信信号を処理する第１の回路及び第２の回路と、動作の基準となる受信クロックを第１の回路側で生成する発振器と、前記受信クロックを前記第１の回路から前記第２の回路へ供給する第１のインターフェースと、前記第２の回路において前記第１の回路から供給された受信クロックに同期させて出力する送信データを前記第１の回路へ入力する第２のインターフェースとを備えた無線通信装置において遅延時間を補償したデータ送信を行なうための処理をコンピュータ上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、前記第１の回路は無線信号の送受信処理を行なう無線回路モジュールであり、前記第２の回路は物理層プロトコルにおける伝送データの処理を行なう物理層モジュールであり、前記コンピュータ・プログラムは、前記コンピュータに対し、
予想される最大遅延時間を超える長さを持つキャリブレーション・パルスを前記第１のインターフェース経由で前記第１の回路から前記第２の回路へ送出する手順と、
前記第２のインターフェース経由で前記第２の回路から前記第１の回路へループバックされるパルスと元のキャリブレーション・パルスとの位相差に基づいてクロック周期未満の遅延時間を補償する手順と、
送信データが前記最大遅延時間を持つように適切な遅延量を挿入する手順と、
を実行させることを特徴とするコンピュータ・プログラム。
送受信信号を処理する第１の回路及び第２の回路と、動作の基準となる受信クロックを第１の回路側で生成する発振器と、前記受信クロックを前記第１の回路から前記第２の回路へ供給する第１のインターフェースと、前記第２の回路において前記第１の回路から供給された受信クロックに同期させて出力する送信データを前記第１の回路へ入力する第２のインターフェースとを備えた無線通信装置において遅延時間を補償したデータ送信を行なうための処理をコンピュータ上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、前記コンピュータに対し、
予想される最大遅延時間を超える長さを持つキャリブレーション・パルスを前記第１のインターフェース経由で前記第１の回路から前記第２の回路へ送出する手順と、
前記第２のインターフェース経由で前記第２の回路から前記第１の回路へループバックされるパルスと元のキャリブレーション・パルスとの位相差に基づいてクロック周期未満の遅延時間を補償する手順と、
送信データが前記最大遅延時間を持つように適切な遅延量を挿入する手順と、
を実行させ、
遅延補償ステップでは、
送信データの遅延時間の補償を行なうキャリブレーション・モード下において、前記遅延補償手段は、予想される最大遅延時間を超える長さを持つキャリブレーション・パルスを前記第１のインターフェース経由で前記第１の回路から前記第２の回路へ送出し、前記第２のインターフェース経由で前記第２の回路から前記第１の回路へループバックされるパルスと元のキャリブレーション・パルスとの遅延に基づいて遅延時間を補償し、
前記第２のインターフェース経由で前記第２の回路から前記第１の回路へループバックされるパルスと元のキャリブレーション・パルスとの位相差に基づいてクロック周期未満の遅延時間を補償し、さらに送信データが前記最大遅延時間を持つように適切な遅延量を挿入する、
ことを特徴とするコンピュータ・プログラム。