JP5078019B2 - 超広帯域信号の送受信装置、ローカルエリアネットワーク、広報装置、および送受信方法 - Google Patents

Description

この発明は、階層符号化され超広帯域な周波数スペクトラムを有する電波信号を送信機で発生し、受信機で階層ごとに復調する超広帯域信号の送受信装置、それを用いたローカルエリアネットワーク、広報装置、また、前記ローカルエリアネットワークの送受信方法に関している。

周波数帯域が超広帯域となるインパルス信号を用いた通信（ＵＷＢ−ＩＲ：Ultra-Wide-Band Impulse Radio）は、搬送波を用いることなく、また、最大でバンド幅１杯の情報量を伝送できる。このため、電界強度を弱く、また、通信時間を短くでき、他の通信への妨害、特に電波の干渉等を抑制できる。

一般に、信号電力をＳ、雑音電力をＮ、帯域幅をＷ、雑音電力密度をＮ₀とするとき、チャネル容量Ｃは、次のように表すことが出来ることが知られている。

このため、信号対雑音比が一定ならば、チャネル容量は帯域幅に比例する。このため、例えば、１０〜１００Ｇｂｐｓのチャネル容量を確保することも可能である。

また、帯域幅の極限では、

となり、チャネル容量は、信号電力に比例する。このため、超広帯域の場合、通常の通信の場合に比べて、信号電力密度を大幅に抑制することができ、他の電波との干渉を抑制することができる。

このような超広帯域信号による通信に関して、特許文献１（米合衆国特許第３、７２８、６３２号明細書）には、サブナノ秒のパルス信号を用いて広帯域化し、ベースバンド信号を送受信する電磁信号通信システムが開示されている。

また、特許文献２（米合衆国特許第６、７８１、５３０号明細書）には、超広帯域パルスの組み合わせを変えて２進符号を送信する変調方法や装置が開示されている。

上記の特許文献の場合の超広帯域信号は、連続した単一の周波数帯域であるが、その他、複数の帯域をつなぎ合わせて広帯域化する例が報告されている。前者の連続した単一の周波数帯域を利用する場合は、後者にくらべて、簡単な構成の送受信機とすることができる。

階層符号化されたデータとしては、例えば、図６に示す画像データがある。図６（ａ）は４行４列の画像データで、この画像データは、図６（ｄ）の画像１に示す様に、左上（１１１０）、右上（００００）、左下（００００）、右下（０００１）の２×２のブロックからなるデータとみることができる。この画像データの概要のみを提示する場合には、それぞれのブロックを代表するデータで構成した画像を提示すればよいことが知られている。この場合は、それぞれのブロックの明暗を多数決で決めた明暗にした画像で、図６（ｂ）の画像を提示することになる。また、この場合の提示データは、図６（ｄ）の画像２のデータである。同様に、画像２を代表するものとして、図６（ｃ）の画像３あるいは図６（ｄ）の画像３のデータを提示する場合がある。

このような階層符号化されたデータを受信した場合には、従来は、例えば図８（ａ）に示す復調された画像データから、論理演算を行なって、図８（ｂ）に示す画像データを生成し、新たな画像データとしている。また、場合によっては、さらに論理演算を行なって、図８（ｃ）の画像データとする場合がある。

このように、従来は、送信されたバイナリデータを復調してから、論理演算によって、順次それぞれのブロックのデータを得るものであった。
米国特許第３、７２８、６３２号明細書 米国特許第６、７８１、５３０号明細書

上記の様に、超広帯域インパルス信号を用いた通信は、膨大なチャネル容量を確保できる。通常の通信では、送信された信号をすべて復調しようとするが、本発明では、受信機の性能に応じた階層レベルまでの復調を行なうものである。

本発明の超広帯域信号の送受信装置では、受信者の都合に応じて必要な帯域幅をもった受信装置とすることができるので、多数の受信装置を準備する場合に、簡単な構成のものとすることができる。このため、受信機の消費電力を抑制することができる。

本発明は、簡単な構成の送受信機で、階層符号化され超広帯域な周波数スペクトラムを有する電波信号を送受信するものであり、さらに、受信機の性能の程度に応じて、大まかな情報からより詳細な情報までを選択して受信することができる通信装置を提案するものである。

より詳細には、本発明は、バイナリデータを搬送波を伴わないインパルスで送信する送信機と、送信された上記バイナリデータを受信する受信機と、を備える超広帯域信号の送受信装置である。特に、送信機は、複数の階層に渡り再帰的にブロック化されたバイナリデータを送信するものであり、また、受信装置は、送信されたインパルスからバイナリデータを検出する検波器と、上記バイナリデータから、それぞれ異なる階層のブロックを代表するバイナリデータを決定するブロックデータ決定器の複数とを備え、上記ブロックデータ決定器は、入力したインパルスあるいはバイナリデータを積分することで入力データの集計を行なうものである。この構成によって、複数の階層のバイナリデータを、ほぼ同時に得ることができる。

上記複数のブロックデータ決定器から１つを選択する選択器を備えることで、注目するデータのみを選択することができる。

上記ブロックデータ決定器のそれぞれは、上記検波器の出力を入力することで、複数の階層のバイナリデータを、同時に得ることができる。

上記の入力したインパルスあるいはバイナリデータを積分する積分時間を変更することができるリセット信号発生器を備えることで、復調する階層を容易に変更できるようになる。

上記の超広帯域信号の送受信装置を複数用いてローカルエリアネットワークを構成することができる。

また、上記の超広帯域信号の送受信装置の複数を受信装置に用い単数を送信装置に用いて広報装置を構成することができる。

さらに、上記の超広帯域信号の送受信装置を複数用いて構成するローカルエリアネットワークにおける送受信方法は、次のようにすればよい。
１）送信を行う前記送受信装置（送信側装置）は、ネットワーク上で送信する送信データを受信する他の前記送受信装置（受信側装置）のそれぞれから、該受信側装置が使用可能な階層レベルの報告を受け付け、
２）前記送信側装置は、上記の報告に従って、送信時に用いる階層レベルを決定し、
３）前記送信側装置は、決定した階層レベルのそれぞれに、送信データを割り付け、
４）前記送信側装置から前記受信側装置へ伝送し、
５）前記受信側装置は、伝送されたデータから、報告した階層レベルの情報をもとに送信データの再構成を行なう。

本発明は、図２に示す様に、例えば図７の画像データを受信した場合、それぞれのブロックの明または暗に対応するビット数が閾値を超えるかどうかで、そのブロックを代表するデータを決定するものであり、しかも、それぞれの階層のブロックについても、受信した画像データから直接、そのブロックを代表するデータを決定するものである。この処理は、例えば図１に示すブロックデータ復調器を用いることによって、同時並列に進めることができる。

図１のブロックデータ復調器１の構成は、ＵＷＢ−ＩＲ階層符号化変調信号を入力し、ブロックデータ決定器２でブロックのデータを決定し、必要に応じてブロックデータ決定器２の複数からブロックデータを選択し、情報ビットを出力するものである。ブロックデータ決定器２は、タイミング信号である時間長τのクロックによるパルス信号を処理してバイナリ信号を生成する。このブロックデータ決定器は複数あって、ｎをブロックの要素数、ｘを１からブロックデータ決定器の個数までの自然数とするとき、それぞれのｘについて、時間長τ×ｎ^x-1のクロック間に入力したパルス信号を処理してバイナリ信号を生成する複数の第ｘブロックデータ決定器を備える。また、その複数を並列動作させ、それらの結果から利用しようとする階層のブロックデータを選択して出力する選択器３を備えるものである。上記のタイミング信号は、タイミング信号発生器７からの信号を分周器を用いて、それぞれのブロックデータ決定器２用に分周したものである。

上記の構成では、最短クロックに、時間長τのクロックを用いて第１階層のブロックのバイナリデータを得ているが、時間長τ×ｎのクロックを用いることによって、第２階層のブロックのバイナリデータを得ることができる。このようにクロックの周期を変えることによって、階層を変える事は容易である。当然の事ながら、上記のクロックの周期を長くすることによって、消費電力を低減できる。

それぞれのブロックデータ決定器２は、例えば図２に示す構成を備えるものである。検波器からのパルス信号が入力されると、タイミング信号で決められる時間に渡って、積分回路４が信号を蓄積する。蓄積された信号による電圧レベルは判定回路５に入力し、予め決められた閾値に対する大小を判定する。判定結果は、タイミング信号で決められる時間に渡って保持され、バイナリデータとして出力される。上記のタイミング信号は、タイミング信号発生器７から供給される。

図３は、このブロックデータ決定器の動作を示すものである。送信機から図３（ａ）に示す極超短パルス列が送信される。その周波数スペクトルは、図３（ｂ）に示す様に、超広帯域信号である。この超広帯域信号を受信機で受信するが、この受信においては、受信できる周波数領域は、受信機の性能によって異なる。当然のことながら、送信時の周波数スペクトル全てを受信できれば、図３（ｃ）に示す様に、送信されたパルスを復調することができる。この場合は、図３（ｄ）に示す様に、復調されたバイナリデータを、１ブロックに相当する時間に渡り積分する。ブロックの終点において積分出力をサンプリングし、ブロックを代表するデータを決定する。さらに、図２の保持回路６で、タイミング信号で決められる時間に渡って保持し、バイナリデータとして出力する。

積分回路４で信号を蓄積する上記の方法以外に、検波器からのパルス信号をシフトレジスタなどのカウンタで計数し、計数結果をデジタルバイナリデータを判定する判定回路５に入力し、予め決められた閾値に対する大小を判定するようにしてもよい。

受信機が送信時の周波数スペクトルの全ては受信することができない場合は、実用上での大概の場合、高周波数部分が欠如することになる。このような場合は、図４（ａ）に示すパルス信号を復調することはできない。しかし、図４（ｂ）あるいは図４（ｃ）に示すバイナリデータを得る事は可能である。このため、画像以外のデータに関しては、比較的長いインパルスで送信し、画像データに関しては、比較的短いインパルスで送信することにより、周波数帯域が比較的狭い受信機によっても、重要な情報部分を受信することができる。

このような本発明の特徴は、複数の階層に渡り再帰的にブロック化されたバイナリデータに対して発揮することができる。ここで言う、再帰的にブロック化するとは、図５（ｂ）に示す第１から第４ブロックのそれぞれが、図５（ａ）に示す様に図５（ｂ）と類似のブロック構造を備えることを言う。また、階層とは、再帰構造の深さをいう。例えば、図２の階層数は３である。

将来、現存するＵＷＢシステムのさらなる広帯域化が制度化され、かつ、検波器の性能に制限がある場合に有効となり、医療用無線テレメータ機器や、無線ボディエリアネットワークシステムの無線部分に利用できる。

図７は、比較的小規模の無線ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）を本発明の超広帯域信号の送受信装置で構成した模式図である。図７の送信機、受信機がそれぞれ送受信機であってもよい。ここで、それぞれの受信機は、全ての階層を受信できるものもあれば、特定の階層のみ受信できるものもある。

このような無線ＬＡＮにおいては、送信データに特別な注意が必要である。全ての受信装置が受信できるようにするためには、例えば図６（ｃ）の画像３に相当する階層レベルのデータとして送信する。全ての受信装置が、図６（ｂ）の画像２に相当する階層レベルで受信できる場合は、全受信装置向けにこの階層レベルのデータを用いる。また、図６（ａ）の画像1に相当する階層レベルは、例えば特別に詳細データを要求する受信装置がある場合に送信する。

この場合の送受信は、例えば、次に示す手順に従って、送受信を行う。
１）送信装置が、ネットワーク上のそれぞれの受信装置から、その受信装置が使用可能な階層レベルの報告を受け付ける。この報告は、ＬＡＮを構成する当初に行なえばよい。
２）送信装置は、上記の要求に従って、送信時に用いる階層レベルを決定する。
３）送信装置は、決定した階層レベルのそれぞれに、送信データを割り付ける。
４）送信装置から受信装置へ伝送する。
５）受信装置は、伝送されたデータから、報告した階層レベルの情報をもとに送信データの再構成を行なう。

また、図７の構成を無線ＬＡＮとするのではなく、単一の送信装置と複数の受信装置を用いることで、広報装置とすることは容易である。

本発明の超広帯域信号の送受信装置の受信機に用いるブロックデータ復調器を示すブロック図である。 ブロックデータ決定器の構成を示すブロック図である。 ブロックデータ決定器の動作を例示する図である。 階層化されたデータの階層ごとの復調データを例示する図である。 再帰的にブロック化されたバイナリデータを例示する図である。 階層符号化されたデータの例を示す図である。 本発明の超広帯域信号の送受信装置で比較的小規模の無線ＬＡＮを構成した模式図である。 従来の装置における、階層化されたデータの階層ごとの復調データを例示する図である。

符号の説明

１ ブロックデータ復調器
２ ブロックデータ決定器
３ 選択器
４ 積分回路
５ 判定回路
６ 保持回路
７ タイミング信号発生器

Claims (7)

1. バイナリデータを搬送波を伴わないインパルスで送信する送信機と、送信された上記バイナリデータを受信する受信機と、を備える超広帯域信号の送受信装置であって、
   送信機は、複数の階層に渡り再帰的にブロック化されたバイナリデータを送信するものであり、
   受信機は、
   送信されたインパルスからバイナリデータを検出する検波器と、
   上記バイナリデータから、異なる階層のブロックを代表するバイナリデータを決定するブロックデータ決定器の複数とを備え、
   上記ブロックデータ決定器は、入力したインパルスあるいはバイナリデータを積分することで入力データの集計を行なうことを特徴とする超広帯域信号の送受信装置。
2. 上記の入力したインパルスあるいはバイナリデータを積分する積分時間を変更することができるタイミング信号発生器を備えることを特徴とする請求項１に記載の超広帯域信号の送受信装置。
3. 上記複数のブロックデータ決定器から１つを選択する選択器を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超広帯域信号の送受信装置。
4. 上記ブロックデータ決定器のそれぞれは、上記検波器の出力を入力することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の超広帯域信号の送受信装置。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の超広帯域信号の送受信装置を複数用いて構成することを特徴とするローカルエリアネットワーク。
6. 請求項１から４のいずれか１つに記載の超広帯域信号の送受信装置の複数を受信装置に用い、該送受信装置の単数を送信装置に用いて構成することを特徴とする広報装置。
7. 請求項１から４のいずれか１つに記載の超広帯域信号の送受信装置を複数用いて構成するローカルエリアネットワークにおいて、
   １）送信を行う前記送受信装置（送信側装置）は、ネットワーク上で送信する送信データを受信する他の前記送受信装置（受信側装置）のそれぞれから、該受信側装置が使用可能な階層レベルの報告を受け付け、
   ２）前記送信側装置は、上記の報告に従って、送信時に用いる階層レベルを決定し、
   ３）前記送信側装置は、決定した階層レベルのそれぞれに、送信データを割り付け、
   ４）前記送信側装置から前記受信側装置へ伝送し、
   ５）前記受信側装置は、伝送されたデータから、報告した階層レベルの情報をもとに送信データの再構成を行なうことを特徴とする送受信方法。

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