JP4571178B2 - 超広帯域通信用受信機および超広帯域通信用の再生データ生成方法および、超広帯域通信システム - Google Patents

Description

本発明は、超広帯域通信システムに適用される超広帯域通信用受信機および超広帯域通信用の再生データ生成方法、および、超広帯域通信システムに関する。

一般的に、伝統的な通信技術では、使用される周波数帯域幅をでき得る限り抑えることで（すなわち、狭帯域化することで）、限られた周波数資源の有効利用を図ってきた。しかし、周波数帯域幅を狭帯域化すればするほどノイズ耐性（通信路の雑音に対する耐久性）や耐干渉性（他チャンネルの信号などによって信号が歪むことに対する耐性）などが劣化する。この結果として、データの再送などによって通信路の帯域が余計に消費されてしまうという不都合が生じる。

この不都合を解消するために、超広帯域ベースバンド信号を用いた超広帯域（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）通信方式が知られている。この通信方式では、無線通信路やＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ Ｌｉｎｅ）と言った減衰の大きな伝送路を介して通信が行われる。

超広帯域通信方式では、データをたとえば１ＧＨｚ程度の広さの周波数帯に拡散して送受信を行う。超広帯域通信方式を採用したシステムでは、スペクトラムは非常に広帯域に分布するが（通常、数百ＫＨｚ〜数ＭＨｚの帯域幅を持つ）、その分スペクトラムの密度は薄く、同じ周波数帯域で他の通信が行なわれていてもほとんど影響を受けなくなる。また、周波数帯域同士がたとえ衝突しても、データに付加した強力なエラー訂正コードでエラー修正が行なわれる。

超広帯域通信方式では、広い周波数帯域に微弱なスペクトルを分散させるので、（１）同一帯域上で多くの通信を同時並行的に行なうことができる、（２）他局に対する影響が少ない（ほとんどない）、（３）ノイズや他ノードからの影響をほとんど受けない、（４）信号内容を追跡したり検出したりすることが困難なので秘匿性が高い、といった特徴を持つ。

代表的な超広帯域通信方式の一つに直接拡散方式がある。直接拡散方式は、信号データにある帯域幅をもった擬似乱数系列を乗算して、データ列自身の周波数帯域を広げ、それを変調して送信する方法である。

すなわち、この方法では、デジタル信号にビットレートが大きい拡散符号を付加しすることで、帯域幅が狭く電力密度が高いデジタル信号を、電力密度が低く帯域幅の広いものに変調している。受信機は、受信した電波の中からその擬似雑音符号と同じビット列を持つ信号だけを相関器で取り出し，情報データに復元することができる。

超広帯域通信方式の中には、回路の実現がし易いインパルスを利用した通信方式がある（特許文献１参照）。インパルスは瞬時の信号であり、かつ周波数スペクトルは極めて広いので、他の帯域への影響を小さくできる。
特表平１１−５０４４８０号公報

しかしながら、特許文献１では、インパスルが出る瞬間には大電力の信号が出るため、他の信号への影響が生じる。

本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、多数のキャリアが時間的に継続して送信される変復調方式を超広帯域ベースバンド通信に採用し、逆拡散復調処理の後に高ダイナミックレンジの自動利得制御増幅器を設け、他の電波への影響を軽減することができる超広帯域通信技術、すなわち、超広帯域通信用受信機および超広帯域通信用の再生データ生成方法、および、超広帯域通信システムを提供することを目的としている。

本発明は、受信した拡散変調信号を低利得増幅する低利得増幅器と、前記低利得増幅器により低利得増幅した信号を復調する逆拡散復調器と、前記低利得増幅器と前記逆拡散復調器の間に設けられ、拡散前の情報信号帯域のみを阻止する高域通過フィルタと、前記逆拡散復調器の出力端子に設けられ、拡散前の情報信号帯域のみを通過させる低域通過フィルタと、前記逆拡散復調器により復調した信号を一定レベルの振幅の信号に増幅する広ダイナミックレンジの自動利得制御増幅器と、前記自動利得制御増幅器により増幅された信号を判定してデータ再生を行なう判定器とを備えた超広帯域通信用受信機である。

また、受信した拡散変調信号を低利得増幅し、この低利得増幅した信号について拡散前の情報信号帯域のみを阻止する高域通過フィタ処理を行い、この後期通過フィルタ処理後の信号を復調し、この復調した信号について拡散前の情報信号帯域のみを通過させる低域通過フィルタ処理を行い、この低域通過フィルタ処理後の信号を一定レベルの振幅の信号に増幅し、この一定レベルの振幅の信号からデータ再生を行うことを特徴とする超広帯域通信用の再生データ生成方法である。

また、送信データを、多数のキャリアが時間的に継続して送信される形式の広帯域信号に拡散変調する拡散変調器と、前記拡散変調器により拡散変調した拡散変調信号を増幅する送信用増幅器とを備え、前記送信用増幅器により増幅した信号をベースバンド信号のまま有線または無線により送信することを特徴とする超広帯域通信用送信機と、受信した拡散変調信号を低利得増幅する低利得増幅器と、前記低利得増幅器により低利得増幅した信号を復調する逆拡散復調器と、前記低利得増幅器と前記逆拡散復調器の間に設けられ、拡散前の情報信号帯域のみを阻止する高域通過フィルタと、前記逆拡散復調器の出力端子に設けられ、拡散前の情報信号帯域のみを通過させる低域通過フィルタと、前記逆拡散復調器により復調した信号を一定レベルの振幅の信号に増幅する広ダイナミックレンジの自動利得制御増幅器と、前記自動利得制御増幅器により増幅された信号を判定してデータ再生を行なう判定器とを備えてなることを特徴とする超広帯域通信用受信機とを備えてなることを特徴とする超広帯域通信システムである。

したがって、本発明によれば、受信側では、低利得増幅器で混入したノイズの影響を除去することができ、受信感度を向上することができるという効果を得る。

また、多数のキャリアが時間的に継続して送信される変復調方式を超広帯域ベースバンド通信に採用し、逆拡散復調処理の後に高ダイナミックレンジの自動利得制御増幅器を設けたので、インパルス通信の場合に比べて、他の電波への影響を軽減することができるという効果も得る。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は第１態様の実施形態を示す基本システム構成図である。

図１の通信システムでは、送信機１１は、送信データが入力される拡散変調器１１１と、送信用増幅器１１２とからなる。

受信機１２は、低利得増幅器１２１と、逆拡散復調器１２２と、自動利得制御増幅器（ＡＧＣアンプ）１２３と、レベル検出器１２４と、再生データを出力する判定器１２５とからなる。

送信機１１と受信機１２とは伝送路／伝播路Ｐを介して接続される。

送信機１１側では、拡散変調器１１１は、送信データを多数のキャリアが時間的に継続して送信される形式の広帯域信号に拡散変調する。送信用増幅器１１２は、この拡散変調された信号を増幅してベースバンド信号のまま有線または無線による送信を行なう。

受信機１２側では、受信用低利得増幅器１２１は、拡散変調信号を受信してＳＮを劣化させない程度に増幅する。この後、これを逆拡散復調器１２２により復調し、当該復調した信号をダイナミックレンジが広い自動利得制御増幅器１２３により一定レベルの振幅の信号に増幅し、これを判定器１２５で判定してデータ再生を行なう。受信信号は受信用低利得増幅器１２１でＳＮを劣化させない程度に増幅するにとどめている。また、逆拡散復調器１２２により、伝送路で混入する干渉信号を逆拡散した後、広ダイナミックレンジの自動利得制御増幅器１２３で増幅している。したがって、逆拡散復調器の前段に自動利得制御増幅器を置く方式に比べて干渉信号により復調信号が歪むこともなく、受信感度が向上する。

図２は、図１の通信システムにおいて感度をさらに改善したシステムを示している。図２では、送信機１１側の送信用増幅器１１２の前段または後段に、拡散前の情報信号帯域のみを阻止する高域通過フィルタ（以下、「ＨＰＦ」と言う）４１１が設けられている。また、図２では、受信機１２側の逆拡散復調器１２２の入力端子に拡散前の情報信号帯域のみを阻止するＨＰＦ４２１を設け、逆拡散復調器１２２の出力端子には拡散前の情報信号帯域のみを通過させる低域通過フィルタ（ＬＰＦ）が設けられている。

図２の通信システムでは上記のようにＨＰＦ４１１を設けることで、逆拡散復調器１２２の入出力信号スペクトルの重なる領域が無くなる。このため、逆拡散復調器１２２内での信号の漏洩によるノイズ混入を相当量低減でき、受信感度をさらに大幅に向上させることができる。

図３は、図１および図２の通信システムの動作説明図である。図３（ａ−１），（ａ−２），（ａ−３），（ａ−４）、および図３（ｂ−１），（ｂ−２），（ｂ−３），（ｂ−４）において、横軸が周波数で縦軸が電力密度である。

図３（ａ−１）は送信機１１の送信用増幅器１１２の出力端における信号スペクトルを、図３（ａ−２）は逆拡散復調器１２２の入力端の信号スペクトルを、図３（ａ−３）は逆拡散復調器１２２内の参照拡散信号スペクトルを、（ａ−４）は逆拡散復調器１２２の出力端の信号スペクトルを示している。

また、図３（ｂ−１）は図２の感度改善した通信システムの送信用増幅器１１２の出力端（ＨＰＦ４１１の出力端）における信号スペクトルを、図３（ｂ−２）は逆拡散復調器１２２の入力端（ＨＰＦ４２１の出力端）の信号スペクトルを、図３（ｂ−３）は逆拡散復調器１２２内の参照拡散信号スペクトルを、図３（ｂ−４）は逆拡散復調器１２２の出力端における信号スペクトルを示す。

図３（ａ−１）〜（ａ−４）、すなわち図１の通信システムでは、送信機１１は狭帯域のデータ信号が拡散され送信信号として送出されるが、これが受信端に届くと、希望波以外に様々な干渉波やノイズが混入する。そのため、参照拡散信号との相関出力は図３（ａ−４）のように、本来の所望相関出力以外に受信信号および参照拡散信号が直接出力端に漏洩してくることにより、受信信号レベルが低い場合に十分なＳＮ比を取れなくなり、通信品質が大きく劣化することがある。

一方、図３（ｂ−１）〜（ｂ−４）、すなわち図２の通信システムでは、送信機１１の出力はＨＰＦ４１１を通しているので、送信信号自体に所望相関信号帯域の信号が除去され、受信側でも逆拡散復調器１２２の前段でＨＰＦ４２１により再度所望相関信号帯域の信号および他からの干渉信号やノイズが除去される。このため、干渉信号やノイズが相関出力に影響することがなくなる。

また、逆拡散復調器１２２における相関器への参照拡散信号についても、ＨＰＦ４２１を通して所望相関信号帯域の成分を除去しているので、これが漏洩して相関出力に影響することもなくなる。その結果、相関出力は所望相関出力とそれより高い周波数領域に回り込んだノイズ成分に明確に分かれるので、続くＬＰＦ４２３で所望相関信号のみを取出せるようになる。この後、この所望信号のみを自動利得制御増幅器１２３で増幅することにより大幅にノイズを低減した信号を再生できるため、受信感度を大幅に向上でき、通信品質も向上する。なお、受信側にＨＰＦ４２１が設けられているので、送信側でのＨＰＦ４１１は必須ではない。

図４は第２態様の実施形態を示す基本システム構成図である。第２形態では、直接拡散方式により拡散変調を行なう。すなわち、信号データにある帯域幅をもった擬似乱数系列を乗算して、データ列自身の周波数帯域を広げ、それを変調して送信することで、帯域幅が狭く電力密度が高いデジタル信号を、電力密度が低く帯域幅が広いものに変えることができる。

図４の通信システムでは、送信機２１は、送信データが入力される擬似雑音符号発生器２１１と、乗算器２１２と、送信用増幅器２１３とからなり、受信機２２は、低利得増幅器２２１と、クロック再生回路２２２と、擬似雑音符号発生器２２３と、相関器２２４と、自動利得制御増幅器２２５と、レベル検出器２２６と、判定器２２７とからなる。

送信機２１側では、疑似雑音符号発生器（ＰＮＧ）２１１は、所定クロックを入力して擬似雑音符号を生成し、この擬似雑音符号と送信データとを乗算器２１２により乗算して拡散復調信号を生成する。そして、この拡散変調信号を送信用増幅器２１３で増幅してベースバンド信号のまま有線または無線による送信を行なう。

受信機２２側では、低利得増幅器２２１は拡散変調信号を受信してＳＮを劣化させない程度に増幅する。そして、この増幅信号からクロック再生回路２２２によりクロックを再生した後に、これを用いて擬似雑音符号発生器２２３により擬似雑音符号を生成する。そして、擬似雑音符号を用いて相関器２２４により、低利得増幅器２２１からの増幅された受信信号を復調する。広ダイナミックレンジの自動利得制御増幅器２２５は、復調した信号を広ダイナミックレンジの一定レベルの振幅の信号に増幅し、これを判定器２２７で判定してデータ再生を行なう。

図５は、図４の通信システムにおいて感度をさらに改善したシステムを示している。図５では、送信機２１側の送信用増幅器２１３の後段に、拡散前の情報信号帯域のみを阻止するＨＰＦ５１１を設けている。

また、受信機２２側の相関器２２４の受信用低利得増幅信号の入力端子には拡散前の情報信号帯域のみを阻止するＨＰＦ５２１が設けられている。また、相関器２２４の擬似雑音符号の入力端子にも情報信号帯域のみを阻止するＨＰＦ５２２が設けられている。さらに、相関器２２４の出力端子には、拡散前の情報信号帯域のみを通過させるＬＰＦ５２３が設けられている。

図５の通信システムでは、上記のようにフィルタを設けることで、ノイズ混入を相当量低減でき、受信感度をさらに大幅に向上させることができる。

図６は第３態様の実施形態を示す基本システム構成図である。第３形態でも、直接拡散方式により拡散変調を行なう。

図６の通信システムでは、送信機３１は、所定クロックを分周する分周器３１１と、分周器３１１からの分周クロックにより第１の擬似雑音符号を生成する第１の疑似雑音符号発生器（ＰＮＧ）３１２１と、前記所定クロックにより第２の擬似雑音符号を生成する第２の疑似雑音符号発生器（ＰＮＧ）３１２２と、送信データと第１の疑似雑音符号発生器（ＰＮＧ）３１２１が生成する第１の擬似雑音符号を乗算する第１の乗算器３１３１と、第２の擬似雑音符号発生器３１２２が生成する第２の擬似雑音符号と第１の乗算器３１３１からの信号を乗算する第２の乗算器３１３２と、送信用増幅器３１４とからなる。

また、受信機３２は、低利得増幅器３２１と、クロック再生回路３２２と、クロック再生回路３２２からのクロックを分周する分周器３２３と、クロック再生回路３２２からのクロックにより動作する第１の擬似雑音符号発生器３２４１と、分周器３２３からの分周クロックにより動作する第２の擬似雑音符号発生器３２４２と、低利得増幅器３２１からの増幅した受信信号と第１の擬似雑音符号発生器３２４１からの擬似雑音符号を入力する第１の相関器３２５１と、第１の相関器３２５１からの信号を入力する第１の自動利得制御増幅器３２６１と、第１の自動利得制御増幅器３２６１からの信号と第２の擬似雑音符号発生器３２４２からの信号を入力する第２の相関器３２５２と、第２の相関器３２５２からの信号を入力する第２の自動利得制御増幅器３２６２と、第２の自動利得制御増幅器３２６２からの信号を入力し再生データを出力する判定器３２８とからなる。

送信機３１側では、所定クロックを入力する分周器３１１は分周信号を第１の疑似雑音符号発生器（ＰＮＧ）３１２１に送出する。第１の疑似雑音符号発生器（ＰＮＧ）３１２１は、分周クロックから第１の擬似雑音符号を生成し、この擬似雑音符号と送信データとを乗算器３１３１により乗算して一次拡散復調信号を生成する。一方、第２の疑似雑音符号発生器（ＰＮＧ）３１２２は、前記所定クロックを入力し、このクロックから第２の擬似雑音符号を生成し、この擬似雑音符号と乗算器３１３１からの一次拡散復調信号とを乗算して二次拡散変調信号を生成し、これを送信用増幅器３１４で増幅してベースバンド信号のまま有線または無線による送信を行なう。

受信機３２側では、低利得増幅器３２１は受信した散変調信号を拡散変調信号を受信してＳＮを劣化させない程度に増幅する。そして、この増幅信号からクロック再生回路３２２によりクロックを再生した後に、これを用いて第１の擬似雑音符号発生器３２４１により擬似雑音符号を生成し、この擬似雑音符号を用いて第１の相関器３２５１により低利得増幅器３２１により増幅した受信信号を一次拡散復調し、これを第１の自動利得制御増幅器３２６１により増幅する。一方、分周器３２３は、前記所定クロックを用いて第２の擬似雑音符号発生器３２４２により擬似雑音符号を生成し、この擬似雑音符号を用いて第２の相関器３２５２により自動利得制御増幅器３２６２により増幅した受信信号を二次拡散復調し、これを第２の自動利得制御増幅器３２６２によりダイナミックレンジが広い一定レベルの振幅の信号に増幅する。第２の自動利得制御増幅器３２６２からの信号は判定器３２８に入力され、判定器３２８は再生データを出力する。

図７は、図６の通信システムにおいて感度をさらに改善したシステムを示している。図７では、送信機３１側の送信用増幅器３１４の後段に、拡散前の情報信号帯域のみを阻止するＨＰＦ６１１を設けている。

受信機３２側の第１の相関器３２５１の受信用低利得増幅信号の入力端子には拡散前の情報信号帯域のみを阻止するＨＰＦ６２１が設けられている。また、第１の相関器３２５１の擬似雑音符号の入力端子にも情報信号帯域のみを阻止するＨＰＦ６２２が設けられている。さらに、第１の相関器３２５１の出力端子には、拡散前の情報信号帯域のみを通過させるＬＰＦ６２５が設けられている。

第２の相関器３２５２の受信用低利得増幅信号の入力端子には拡散前の情報信号帯域のみを阻止するＨＰＦ６２３が設けられている。また、第２の相関器３２５２の擬似雑音符号の入力端子にも情報信号帯域のみを阻止するＨＰＦ６２４が設けられている。さらに、第２の相関器３２５２の出力端子には、拡散前の情報信号帯域のみを通過させるＬＰＦ６２６が設けられている。

以上のように、本発明では、多数のキャリアが時間的に継続して送信される変復調方式を超広帯域ベースバンド通信に採用し、逆拡散復調処理の後に高ダイナミックレンジの自動利得制御増幅器を設けたので、インパルス通信の場合に比べて、他の電波への影響を軽減することができる。

また、受信信号は初段の低利得増幅器でＳＮを劣化させない程度に増幅するにとどめ、逆拡散復調器により伝送路で混入する干渉信号を逆拡散したあと、高ダイナミックレンジの自動利得制御増幅器で増幅しているので、逆拡散復調器の前段に自動利得制御増幅器を置く場合に比べて干渉信号により復調信号が歪むこともなく、受信感度が向上する。

また、逆拡散復調器の入力にＨＰＦを設けることで、逆拡散復調器内での信号の漏洩によるノイズ混入を、相当量低減でき、受信感度を大幅に向上できる。

また、拡散変調に疑似雑音発生器からのＰＮ信号をデータ信号に単純に掛け合わせる直接拡散型の拡散変調を採用することができる。この場合には、多数のキャリアが時間的に継続して送信される形式の広帯域信号を簡単な回路で低コストで実現でき、インパルスベースの超広帯域通信システムに比較して他への干渉の影響を低減できる。

また、拡散変調、逆拡散復調処理を２段階に分けて処理しており、自動利得制御増幅器も２段に分けている。すなわち、１段では利得が高すぎてノイズによる発振が生じる場合に、２段にすることで利得を分割できる。これにより、より低レベルの信号を安定して復調できるようになり感度が向上する。この場合、２段階の相関処理のそれぞれにおいてその前後にフィルタを追加することによる感度改善を行なうことができる。

なお、散変調、逆拡散復調処理、あるいは自動利得制御を３段以上とすることで、さらに感度改善を行なうことができる。

図１は第１態様の実施形態を示す基本システム構成図である。 図１の通信システムにおいて感度をさらに改善したシステムを示す図である。 図１および図２の通信システムの動作説明図であり（ａ−１）〜（ａ−４），（ｂ−１）〜（ｂ−４）は各部のスペクトルを示す図である。 図１の拡散変調器と逆拡散復調器をそれぞれ直接拡散型の変調器と復調器に置き換えた実施形態を示すシステム構成図である。 図４の通信システムにおいて感度をさらに改善したシステムを示す図である。 図４における拡散変調、逆拡散復調処理を２段階に分けて処理するよう変更した実施形態を示すシステム構成図である。 図６の通信システムにおいて感度をさらに改善したシステムを示す図である。

符号の説明

１１，２１，３１ 送信機
１２，２２，３２ 受信機
１１１ 拡散変調器
１１２，２１３，３１４ 送信用増幅器
１２１，２２１，３２１ 低利得増幅器
１２２ 逆拡散復調器
１２３，２２５，３２６１，３２６２ 自動利得制御増幅器

Claims (3)

1. 受信した拡散変調信号を低利得増幅する低利得増幅器と、
   前記低利得増幅器により低利得増幅した信号を復調する逆拡散復調器と、
   前記低利得増幅器と前記逆拡散復調器の間に設けられ、拡散前の情報信号帯域のみを阻止する高域通過フィルタと、
   前記逆拡散復調器の出力端子に設けられ、拡散前の情報信号帯域のみを通過させる低域通過フィルタと、
   前記逆拡散復調器により復調した信号を一定レベルの振幅の信号に増幅する広ダイナミックレンジの自動利得制御増幅器と、
   前記自動利得制御増幅器により増幅された信号を判定してデータ再生を行なう判定器と、
   を備えてなることを特徴とする超広帯域通信用受信機。
2. 受信した拡散変調信号を低利得増幅し、
   この低利得増幅した信号について拡散前の情報信号帯域のみを阻止する高域通過フィルタ処理を行い、
   この高域通過フィルタ処理後の信号を復調し、
   この復調した信号について拡散前の情報信号帯域のみを通過させる低域通過フィルタ処理を行い、
   この低域通過フィルタ処理後の信号を一定レベルの振幅の信号に増幅し、
   この一定レベルの振幅の信号からデータ再生を行う、
   ことを特徴とする超広帯域通信用の再生データ生成方法。
3. 送信データを、多数のキャリアが時間的に継続して送信される形式の広帯域信号に拡散変調する拡散変調器と、前記拡散変調器により拡散変調した拡散変調信号を増幅する送信用増幅器とを備え、前記送信用増幅器により増幅した信号をベースバンド信号のまま有線または無線により送信することを特徴とする超広帯域通信用送信機と、
   受信した拡散変調信号を低利得増幅する低利得増幅器と、前記低利得増幅器により低利得増幅した信号を復調する逆拡散復調器と、前記低利得増幅器と前記逆拡散復調器の間に設けられ、拡散前の情報信号帯域のみを阻止する高域通過フィルタと、前記逆拡散復調器の出力端子に設けられ、拡散前の情報信号帯域のみを通過させる低域通過フィルタと、前記逆拡散復調器により復調した信号を一定レベルの振幅の信号に増幅する広ダイナミックレンジの自動利得制御増幅器と、前記自動利得制御増幅器により増幅された信号を判定してデータ再生を行なう判定器とを備えてなることを特徴とする超広帯域通信用受信機と、
   を備えてなることを特徴とする超広帯域通信システム。

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