JP4795291B2 - 広帯域インパルス生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、広帯域インパルス生成装置の技術分野に関するもので、特に他の無線機器との干渉を低減した広帯域インパルス生成装置の技術分野に関するものである。

近年、新しいコンセプトの無線技術として、５００ＭＨｚ乃至数ＧＨｚの帯域を利用した超広帯域無線システムであるＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）無線システムが注目されている。ＵＷＢを利用したシステムとして、ＵＷＢレーダ装置やＵＷＢ無線通信システム等が知られている。

ＵＷＢは、広帯域を利用することでパルス幅がナノ秒程度かそれ以下の超短パルス波を生成して用いたインパルス無線方式である。このような広帯域インパルスを生成する従来の方法を、図８を用いて説明する。同図では、（ａ）にバースト発振器９１０を用いた方法、（ｂ）に連続波発振器９２０とスイッチ９２１とを用いた方法、及び（ｃ）にベースバンドインパルス９０１をミキサ９３１でアップコンバートする方法、をそれぞれ示している。

図８（ａ）に示すバースト発振器９１０を用いた方法では、バースト発振器９１０に所定のトリガ信号９００を入力してパルスを発振させている。この方法では、パルスの形状がバースト発振器９１０の設計によって決まってしまい、例えば内蔵する増幅器の性能によってパルスの立ち上がり時間等が決まってしまう。そのため、バースト発振器９１０でパルス形状を変更するのは困難であり、設計変更やハードウェアの変更等が必要になってしまう。

図８（ｂ）に示す連続波発振器９２０とスイッチ９２１とを用いた方法では、高速に開閉するスイッチ素子と外部回路とが必要となり、このスイッチ９２１の特性によってパルス形状が決定されてしまう。そのため、この方法でもパルス形状を変更するのは容易ではない。

これに対し、図８（ｃ）に示すベースバンドインパルス９０１をアップコンバートする方法では、ベースバインドインパルス９０１の生成を、ディジタル処理で行うことが可能であり、パルス発生の制御方法をソフトウェアで容易に変更することが可能となっている。このディジタル処理には、例えばＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）を用いることができる。

ＵＷＢを利用した無線システムでは、信号に用いるパルスの周波数帯域が他の無線システムで利用する周波数帯と重なって干渉してしまう恐れがある。その一方で、パルス幅を狭くするほど平均送信電力が小さくなって到達距離が短くなることから、広帯域化してパルス幅を狭めることで到達距離を短くし、これにより同じ周波数帯を使う他の無線機器との混信を低減させるといったことが可能となる。

無線通信システムの性能を確保しつつ他の無線通信システムへの干渉を低減させる技術が、特許文献１に開示されている。ここでは、送信信号スペクトルの単位周波数あたりの電力値を低減させる技術が開示されており、これにより他の無線通信システムへの干渉を低減している。

上記従来の方法によれば、パルススペクトルのピークを低減させることが可能となるが、特定の周波数帯のみを低減させるといった要求には対応できない。このような特定の周波数帯のスペクトルのみを低減させる方法としては、例えばノッチフィルタを用いる方法が従来から知られている。ノッチフィルタは、特定の周波数帯域のスペクトルのみを抑制することが可能となっている。

特開２００６−１１５２１７号公報

しかしながら、ノッチフィルタ等の帯域ろ波器を用いて特定の周波数帯を抑制する従来の方法では、特定の周波数帯のスペクトルに対し大きな抑制効果が得られるものの、時間領域で見たパルス波形への影響が大きく、この影響を抑制するのが極めて難しいといった問題があった。例えば、時間領域で矩形波形のパルスに対し、ノッチフィルタを用いて特定の周波数帯のスペクトルを抑制するよう波形整形した場合には、パルスの矩形波形が乱れるだけでなく、比較的長い時間にわたってサイドローブが発生してしまうといった問題があった。

そこで、本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、トリガ信号を調整してベースバンドのインパルスを波形整形し、これをアップコンバートすることで、特定の周波数のスペクトルを低減した広帯域インパルスを生成する広帯域インパルス生成装置を提供することを目的とする。

本発明の広帯域インパルス生成装置の第１の態様は、所定の立上り・立下り時間及び所定のパルス幅からなるトリガ信号を生成する演算部と、前記演算部から前記トリガ信号を入力して所定の周波数のスペクトル成分が低減されたヌル周波数を有する広帯域インパルスを生成する広帯域インパルス源と、を備え、前記演算部は、前記ヌル周波数をｆｎとし、前記トリガ信号の前記立上り時間をＴｒとするとき、前記Ｔｒを次式
［数１］
Ｔｒ＝１／ｆｎ （式１）
で算出して前記トリガ信号を設定していることを特徴とする。

本発明の広帯域インパルス生成装置の他の態様は、前記パルス幅をＴｗとし、ｍを０を含まない自然数とするとき、前記Ｔｗを次式
［数２］
Ｔｗ＝ｍ／ｆｎ （式２）
で算出して前記トリガ信号を設定していることを特徴とする。

本発明の広帯域インパルス生成装置の他の態様は、所定の立上り・立下り時間及び所定のパルス幅からなるトリガ信号を生成する演算部と、前記演算部から前記トリガ信号を入力して所定の周波数のスペクトル成分が低減されたヌル周波数を有する広帯域インパルスを生成する広帯域インパルス源と、所定の周波数の連続波を発振する連続波発振源と、前記広帯域インパルスと前記連続波とを入力し、これを混合することで前記広帯域インパルスをアップコンバートするミキサと、を備え、前記演算部は、前記ヌル周波数をｆｎとし、前記立上り時間をＴｒとし、さらに前記連続波の周波数をｆ０とするとき、前記Ｔｒを次式
［数３］
Ｔｒ＝１／｜ｆｎ−ｆ０｜ （式３）
で算出して前記トリガ信号を設定していることを特徴とする。

本発明の広帯域インパルス生成装置の他の態様は、前記パルス幅をＴｗとし、ｍを０を含まない自然数とするとき、前記Ｔｗを次式
［数４］
Ｔｗ＝ｍ／｜ｆｎ−ｆ０｜ （式４）
で算出して前記トリガ信号を設定していることを特徴とする。

本発明の広帯域インパルス生成装置の他の態様は、前記広帯域インパルスの周波数帯域は、２２ＧＨｚ以上２９ＧＨｚ以下であることを特徴とする。

本発明の広帯域インパルス生成装置の他の態様は、前記広帯域インパルスは、帯域幅が少なくとも５００ＭＨｚ以上のＵＷＢ信号であることを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、トリガ信号を調整することにより、ベースバンドのインパルスを波形整形し、これをアップコンバートすることで、特定の周波数帯のスペクトルを低減したインパルスを生成する広帯域インパルス生成装置を提供することが可能となる。本発明の広帯域インパルス生成装置は、トリガ信号を調整するだけで特定の周波数帯のスペクトルを低減することができ、これにより他の無線システムとの干渉を容易に回避することが可能となる。

本発明の好ましい実施の形態における広帯域インパルス生成装置について、図面を参照して詳細に説明する。同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

本発明の広帯域インパルス生成装置は、帯域幅が少なくとも５００ＭＨｚ以上の広帯域なＵＷＢインパルスを生成するものであり、この帯域内に他の無線システムで利用している周波数が含まれている場合には、該無線システムとの干渉を避けるために、その周波数のスペクトル成分を低減させたインパルスを生成するよう構成されている。このように、スペクトル成分を低減させた周波数を、以下ではヌル周波数という。ここで、ヌル周波数の「ヌル」とは、ゼロを意味するものではなく、他の周波数のスペクトルに比べて十分低いことを意味している。

本発明の実施の形態に係る広帯域インパルス生成装置の構成を、図１に示すブロック図を用いて以下に説明する。本実施形態の広帯域インパルス生成装置１００は、所定のインパルスを発生させるためのトリガ信号１０を生成する演算部１１０と、演算部１１０からトリガ信号１０を入力してベースバンドで広帯域なインパルス２０を生成する広帯域インパルス源１２０と、周波数一定の連続波３０を発生させる連続波発振源１３０と、広帯域インパルス２０と連続波３０とを混合して広帯域インパルス２０をアップコンバートするミキサ１４０とを備えている。

本実施形態の広帯域インパルス生成装置１００では、演算部１１０で生成したトリガ信号１０に基づいて、広帯域インパルス源１２０で広帯域インパルス２０を発生させるようにしているが、このトリガ信号１０を調整することで所定のヌル周波数を有する広帯域インパルス２０を発生させることが可能となっている。本実施形態では、ヌル周波数となる周波数を指定すると、この周波数に基づいてトリガ信号１０を生成し、これを広帯域インパルス源１２０に入力することで、指定された周波数をヌル周波数とする広帯域インパルス２０を生成することができる。

ヌル周波数とする周波数を、本実施形態の広帯域インパルス生成装置１００では、記憶手段１１１に記憶させるようにしている。あるいは、ヌル周波数を外部から指定できるようにしてもよい。演算部１１０は、記憶手段１１１からヌル周波数を読み込み、これをもとにトリガ信号１０の波形を決定して出力している。

広帯域インパルス源１２０は、ベースバンドで広帯域なインパルスを生成するものであり、例えばＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）を用いて構成することができる。ＦＰＧＡを用いた場合には、演算部１１０からディジタルなトリガ信号１０を入力し、これをもとに高精度な波形の広帯域インパルス２０を生成して出力することができる。

広帯域インパルス源１２０で生成されるベースバンドのインパルス２０は、その時間波形や周波数スペクトルが演算部１１０から入力するトリガ信号１０によって決定される。従って、演算部１１０でトリガ信号１０を調整することによって、広帯域インパルス源１２０で生成される広帯域インパルス２０の時間波形や周波数スペクトルを容易に調整することができる。

ベースバンドで生成された広帯域インパルス２０は、連続波発振源１３０で生成された連続波３０とミキサ１４０で混合され、これにより連続波３０の周波数を中心周波数とする帯域までアップコンバートして出力される。なお、ミキサ１４０によるアップコンバートを行わず、ベースバンドの広帯域インパルス２０をそのまま出力して用いることも可能である。この場合でも、指定された周波数位置にヌル周波数を形成することができる。

広帯域インパルス源１２０に入力されるトリガ信号１０と、これに基づいて生成される広帯域インパルス２０の周波数スペクトルとの関係を以下に説明する。一例として、中心周波数２６．５ＧＨｚ、パルス幅１ｎｓｅｃ（ナノ秒）のインパルスについて、その時間波形及び周波数スペクトルをそれぞれ図２（ａ）、（ｂ）に示す。図２（ａ）に示すような完全な矩形波５０では、パルス幅１ｎｓｅｃに対応して中心周波数２６．５ＧＨｚから１ＧＨｚ毎にヌル周波数（図中白矢印で示す）が周波数スペクトル５１に形成されている。以下では、パルス幅に対応して形成されるヌル周波数をメイン・ヌル周波数という。

このように、パルス幅に対応してメイン・ヌル周波数が生成されることから、パルス幅を調整することで所定の周波数位置にヌル周波数を生成させることが可能である。しかしながら、パルス幅は、例えばレーダに用いるインパルスでは距離分解能に大きく影響することから、これを自由に変更することはできない。そこで、本実施形態の広帯域インパルス生成装置１００では、インパルスを生成するためのトリガ信号の立上り時間を変更することで、ヌル周波数を調整可能としている。

本実施形態の帯域インパルス生成装置１００では、所定の周波数位置にヌル周波数を有する広帯域インパルス２０を生成するために、まず演算部１１０において図３に示すようなトリガ信号１０を生成している。トリガ信号１０は、台形状の信号（以下では台形波という）１１を繰返し周期Ｔで発生させるように形成されている。台形波１１の形状は、立上り・立下り時間Ｔｒと、パルス保持時間Ｔ１とから決定され、パルス幅（半値幅）Ｔｗとは以下の関係がある。なお、立下り時間については必ずしも立上り時間と等しくする必要はないが、以下では簡単のため立下り時間を立上り時間と同じＴｒとしている。
［数５］
Ｔｗ＝Ｔ１＋Ｔｒ （式５）

広帯域インパルス源１２０は、立上り・立下り時間がＴｒのトリガ信号１０を入力すると、周波数が１／Ｔｒの位置にヌル周波数ｆｂを有するベースバンドの広帯域インパルス２０を生成する。すなわち、立上り・立下り時間Ｔｒを次式
［数６］
Ｔｒ＝１／ｆｂ （式６）
で決定することで、ベースバンドの周波数ｆｂの位置にヌル周波数を生成することができる。

また、パルス幅Ｔｗを次式
［数７］
Ｔｗ＝ｍ／ｆｂ （式７）
で算出して図３のトリガ信号を設定した場合には、メイン・ヌル周波数が周波数ｆｎの位置にも形成されるようにすることができる。これにより、周波数ｆｎのスペクトルをさらに低減させることができる。なお、（式７）において、ｍは０を含まない自然数（以下同様）を表しており、許容されるパルス幅の範囲において適宜設定することができる。

ベースバンドにおける広帯域インパルス２０のスペクトルを、模式的に図４に示す。広帯域インパルス２０のスペクトルには、パルス幅Ｔｗに対応して形成されるヌル周波数（図中白矢印で示す）に加えて、周波数ｆｂの位置にも立上り・立下り時間Ｔｒに対応してヌル周波数（図中黒矢印で示す）が形成されている。

広帯域インパルス源１２０で生成されたベースバンドの広帯域インパルス２０は、連続波３０と混合されて所定の高周波帯域にアップコンバートされるが、このアップコンバートに用いる連続波３０の周波数をｆ０とするとき、立上り・立下り時間Ｔｒに対応して形成されるヌル周波数は、次式で与えられる周波数位置ｆｎに移動する。
［数８］
ｆｎ＝ｆ０＋ｆｂ （式８）

これより、他の無線システムと干渉する周波数がｆｎとして与えられたとき、立上り・立下り時間Ｔｒを次式
［数９］
Ｔｒ＝１／｜ｆｎ−ｆ０｜ （式９）
で算出してトリガ信号１０を生成することにより、周波数ｆｎの位置にヌル周波数を形成することができる。

また、パルス幅Ｔｗに対応するメイン・ヌル周波数を周波数ｆｎに形成するためには、パルス幅Ｔｗを次式
［数１０］
Ｔｒ＝ｍ／｜ｆｎ−ｆ０｜ （式１０）
で算出し、これと（式９）で算出された上り・立下り時間Ｔｒを用いてトリガ信号１０を生成することにより、周波数ｆｎの位置にヌル周波数を形成することができる。

上記の通り、本実施形態の広帯域インパルス生成装置では、他の無線システムと干渉する周波数ｆｎが与えられると、（式９）に基づいて立上り・立下り時間Ｔｒを算出し、これを用いてトリガ信号１０を生成することで、周波数ｆｎのスペクトルを低減させたヌル周波数を有する広帯域インパルス４０を生成することができる。

また、パルス幅Ｔｗを（式１０）に基づいて算出して用いることにより、メイン・ヌル周波数が周波数ｆｎに位置する広帯域インパルス４０を生成することができ、これにより周波数ｆｎのスペクトルをさらに低減させることができる。

本実施形態の広帯域インパルス生成装置１００において、指定された周波数位置にヌル周波数を形成する方法を、図５に示す流れ図を用いてさらに詳細に説明する。図５（ａ）は、パルス幅Ｔｗが事前に設定されている場合であり、図５（ｂ）は、パルス幅Ｔｗも演算部１１０で算出する場合を示している。

図５（ａ）に示す流れ図において、ヌル周波数とする周波数ｆｎが指定されると、これを演算部１１０に入力する（ステップＳ１）。本実施形態では、指定された周波数ｆｎを記憶手段１１１に記憶させておき、これを演算部１１０が読み込むようにしている。

次のステップＳ２では、アップコンバートに用いる連続波３０の周波数ｆ０を演算部１１０に入力している。本実施形態では、連続波３０の周波数ｆ０も記憶手段１１１に記憶させており、演算部１１０がこれを読み込むようにしている。

ステップＳ３では、指定された周波数ｆｎと連続波３０の周波数ｆ０とから、（式９）を用いて立上り・立下り時間Ｔｒを算出する。本実施例では、パルス幅Ｔｗが事前に決定されていることから、これと上記で算出したＴｒを用いて図３に示すトリガ信号１０を生成する（ステップＳ４）。

次に、パルス幅Ｔｗも演算部１１０で算出する図５（ｂ）の場合には、ステップＳ１３までの処理により、図５（ａ）と同様にして立上り・立下り時間Ｔｒを算出する。そして、次のステップＳ１４において、（式１０）を用いてパルス幅Ｔｗを算出する。ステップＳ１５では、ステップＳ１３で算出された立上り・立下り時間ＴｒとステップＳ１４で算出されたパルス幅Ｔｗとから、図３に示すトリガ信号を設定する。

本実施形態の広帯域インパルス生成装置１００を用いて、所定の周波数位置にヌル周波数を形成した一実施例を、図６を用いて説明する。図６は、連続波３０の周波数ｆ０を２６．５ＧＨｚ、パルス幅Ｔｗを１ｎｓｅｃとし、ヌル周波数ｆｎを２３．８５ＧＨｚに形成するよう指定されたときの、広帯域インパルス生成装置１００で生成された広帯域インパルス４０の時間波形６０（図６（ａ））と周波数スペクトル６１（図６（ｂ））を示している。

時間波形６０は、トリガ信号１０の波形に対応して、台形波を上下に対称に組み合わせた形状となる。また、図６（ｂ）に示すスペクトル６１では、白矢印で示すメイン・ヌル周波数６２に加えて、黒矢印で示すヌル周波数６３が形成されている。このヌル周波数６３を形成するために、トリガ信号１０の立上り・立下り時間Ｔｒを、周波数ｆ０とヌル周波数ｆｎとから（式９）を用いて算出しており、Ｔｒ＝３７７ｐｓｅｃとなる。このＴｒとパルス幅Ｔｗ＝１ｎｓｅｃとから、図３に示すトリガ信号１０を決定して用いている。

本実施形態の広帯域インパルス生成装置１００を用いて、所定の周波数位置にヌル周波数を形成した別の実施例を、図７を用いて説明する。ここでは、パルス幅Ｔｗも、指定されたヌル周波数ｆｎに対応して決定した例を示している。連続波３０の周波数ｆ０及びヌル周波数ｆｎは、上記と同じ２６．５ＧＨｚ及び２３．８５ＧＨｚとしている。この場合、立上り・立下り時間Ｔｒは、（式９）からＴｒ＝３７７ｐｓｅｃと算出される。

また、本実施例ではパルス幅Ｔｗを（式１０）を用いて算出しており、ここではｍ＝３としてＴｗ＝１１３２ｐｓｅｃとしている。Ｔｒ＝３７７ｐｓｅｃとし、Ｔｗ＝１１３２ｐｓｅｃとして図３に示すトリガ信号を形成し、これを用いて広帯域インパルス生成装置１００で生成した広帯域インパルス４０の周波数スペクトル７１を図７に示している。

図７に示すように、ヌル周波数が指定された２３．８５ＧＨｚに形成され、さらにメイン・ヌル周波数も同じ２３．８５ＧＨｚに位置するようにしたことにより、ヌル周波数２３．８５ＧＨｚにおけるスペクトルがさらに低減されている。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る広帯域インパルス生成装置の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における広帯域インパルス生成装置の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の実施形態に係る広帯域インパルス生成装置の構成を示すブロック図である。 広帯域インパルスの時間波形及び周波数スペクトルの例を示す図である。 本実施形態の広帯域インパルス生成装置で生成するトリガ信号を示す図である。 ベースバンドにおける広帯域インパルスのスペクトルを模式的に示す図である。 本実施形態の広帯域インパルス生成装置でヌル周波数を形成する方法を示す流れ図である。 本実施形態の広帯域インパルス生成装置で生成した広帯域インパルスの一実施例を示す図である。 本実施形態の広帯域インパルス生成装置で生成した広帯域インパルスの別の実施例を示す図である。 従来の広帯域インパルスを生成する方法を説明する図である。

符号の説明

１０ トリガ信号
２０ 広帯域インパルス
３０ 連続波
４０ 広帯域インパルス
１００ 広帯域インパルス生成装置
１１０ 演算部
１１１ 記憶手段
１２０ 広帯域インパルス源
１３０ 連続波発振源
１４０ ミキサ

Claims (6)

1. 所定の立上り・立下り時間及び所定のパルス幅からなるトリガ信号を生成する演算部と、
   前記演算部から前記トリガ信号を入力して所定の周波数のスペクトル成分が低減されたヌル周波数を有する広帯域インパルスを生成する広帯域インパルス源と、を備え、
   前記演算部は、前記ヌル周波数をｆｎとし、前記トリガ信号の前記立上り時間をＴｒとするとき、前記Ｔｒを次式
   ［数１］
   Ｔｒ＝１／ｆｎ
   で算出して前記トリガ信号を設定している
   ことを特徴とする広帯域インパルス生成装置。
2. 前記パルス幅をＴｗとし、ｍを０を含まない自然数とするとき、前記Ｔｗを次式
   ［数２］
   Ｔｗ＝ｍ／ｆｎ
   で算出して前記トリガ信号を設定している
   ことを特徴とする請求項１に記載の広帯域インパルス生成装置。
3. 所定の立上り・立下り時間及び所定のパルス幅からなるトリガ信号を生成する演算部と、
   前記演算部から前記トリガ信号を入力して所定の周波数のスペクトル成分が低減されたヌル周波数を有する広帯域インパルスを生成する広帯域インパルス源と、
   所定の周波数の連続波を発振する連続波発振源と、
   前記広帯域インパルスと前記連続波とを入力し、これを混合することで前記広帯域インパルスをアップコンバートするミキサと、を備え、
   前記演算部は、前記ヌル周波数をｆｎとし、前記立上り時間をＴｒとし、さらに前記連続波の周波数をｆ０とするとき、前記Ｔｒを次式
   ［数３］
   Ｔｒ＝１／｜ｆｎ−ｆ０｜
   で算出して前記トリガ信号を設定している
   ことを特徴とする広帯域インパルス生成装置。
4. 前記パルス幅をＴｗとし、ｍを０を含まない自然数とするとき、前記Ｔｗを次式
   ［数４］
   Ｔｗ＝ｍ／｜ｆｎ−ｆ０｜
   で算出して前記トリガ信号を設定している
   ことを特徴とする請求項３に記載の広帯域インパルス生成装置。
5. 前記広帯域インパルスの周波数帯域は、２２ＧＨｚ以上２９ＧＨｚ以下である
   ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の広帯域インパルス生成装置。
6. 前記広帯域インパルスは、帯域幅が少なくとも５００ＭＨｚ以上のＵＷＢ信号である
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の広帯域インパルス生成装置。
   
   

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