JP5251851B2

JP5251851B2 - インパルス無線通信装置

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Publication number: JP5251851B2
Application number: JP2009275506A
Authority: JP
Inventors: 安宏中舍
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2013-07-31
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Description

本発明は、インパルス無線通信装置およびシステムに関する。

インターネット利用者の爆発的増大と高精細画像などコンテンツの大容量化・多様化にともない、無線通信においても伝送容量の増大が望まれている。大容量無線伝送手段としては、商用無線局が少なく広い周波数帯域を確保しやすいミリ波帯の利用が適している。インパルス方式による無線通信装置は、搬送波方式による狭帯域通信装置と比較して、局部発振器やミキサが不要で無線部の構成が簡素・低コストとなる特徴を有し、毎秒１０ギガビット（１０Ｇｂｐｓ）を超える大容量無線伝送の実現手段として期待されている。

図１は、ミリ波帯を使用する１０Ｇｂｐｓのインパルス無線通信システムの基本構成を示す図である。

図１に示すように、ミリ波帯を使用するインパルス無線通信システムは、送信装置１００と、受信装置１０５と、を備える。送信装置１００は、短パルス（インパルス）発生部１０１と、バンドパスフィルタ１０２と、送信増幅器（アンプ）１０３と、アンテナ１０４と、を備える。受信装置１０５は、アンテナ１０６と、受信増幅器（アンプ）１０７と、検波器１０８と、を備える。

送信装置１００では、短パルス発生部１０１が、ベースバンド部から入力した１０Ｇｂｐｓのデータ信号を基にインパルスと呼ばれる半値幅（パルス幅）の極小さい信号を生成する。短パルス発生部１０１が出力するインパルスは、直流から高い周波数までのエネルギを含んでいる。バンドパスフィルタ１０２は、図２に示すように、インパルスのもつ広帯域周波数成分の中から通信に使用する周波数成分だけを抜き出す。これにより、バンドパスフィルタ１０２の出力は、通過帯域の中心周波数付近で振動する波束として変調される。送信アンプ１０３は、バンドパスフィルタ１０２の出力する波束を、必要な電力まで増幅する。アンテナ１０４は、増幅された波束を、ミリ波信号として空中に送出する。一方、受信装置１０５では、受信アンプ１０７が、アンテナ１０６により受信した微弱ミリ波信号を増幅し、検波器１０８がミリ波信号の包絡線を検出し、データ信号として復号する。

ミリ波帯を使用するインパルス通信装置は、送信装置１００と受信装置１０５の両方を備え、対向通信装置との間で送受信を行う。このような通信装置は、送信装置１００と受信装置１０５を別々に備える場合もあるが、送信用アンテナと受信用アンテナを共用し、アンテナを送信アンプ１０３と受信アンプ１０７のいずれかに接続するように切り替えるスイッチを備える場合もある。以下、送受信を行う通信装置に設けられる送信装置を送信部、受信装置を受信部と称する。

屋外固定通信に使用するミリ波帯を使用するインパルス通信システムでは、天候などに起因する伝送路変動をカバーするために、システム全体のダイナミックレンジを広く確保する必要がある。

図３は、周波数８５ＧＨｚ、帯域１０ＧＨｚのミリ波帯を使用し、送信電力２０ｄＢｍ、送受アンテナ５０ｄＢｉ、雑音指数５ｄＢのインパルス通信システムを屋外固定通信に使用する場合の、屋外の状況によるＳ／Ｎの変化を示す図である。図３において、横軸は１時間当たりの降水量（ｍｍ／ｈ）を示し、縦軸はＳ／Ｎ（ｄＢ）を示し、Ａが晴天状態を、Ｂが霧雨程度の降雨状態を、Ｃが大雨の状態を、Ｄが１年にまれにしか発生しない豪雨状態を示し、１ｋｍおよび３ｋｍは通信距離を示す。

図３から、８０−９０ＧＨｚ帯ミリ波を利用して１０Ｇｂｐｓデータを距離３ｋｍで伝送する場合、晴天時と降水量毎時１００ｍｍの豪雨時とで空間伝搬損失が１００ｄＢ以上もの変動が生じることが分かる。

通信システムは、たとえ豪雨時でも通信経路が確保できることが要求される。したがって、通信装置としては１００ｄＢ以上のダイナミックレンジが必要となる。これまでのミリ波帯を使用するインパルス通信装置では、送信アンプあるいは受信アンプの利得を可変としてダイナミックレンジを確保していた。

図４の（Ａ）は、送信アンプの利得を可変とした送信装置の構成を示す図である。図４の（Ｂ）は、受信アンプの利得を可変とした受信装置の構成を示す図である。

図４の（Ａ）の送信装置は、図１の送信装置１００において送信アンプ１０３を利得可変送信アンプ１０３‘とした構成を有する。図４の（Ｂ）の受信装置は、図１の受信装置１０５において受信アンプ１０７を利得可変受信アンプ１０７‘とした構成を有する。

図４の（Ａ）および（Ｂ）に示す送信装置および受信装置を使用するシステムでは、例えば豪雨の場合、利得可変受信アンプ１０７‘および／または利得可変送信アンプ１０３‘の利得をそれぞれ最大にする一方で、晴天時には、利得可変受信アンプ１０７‘および／または利得可変送信アンプ１０３‘の利得を低下させていた。

しかし、一般にダイナミックレンジと低雑音性、高出力性、広帯域性などの性能はトレードオフの関係にあるため、利得可変範囲を広くするとそれらの諸特性を犠牲にしなければならない。このように、ミリ波帯を使用する通信装置では、インパルス無線通信装置も含め、十分なダイナミックレンジを確保するのが難しかった。

特開２００８−２０５７３３号公報

R. Yamaguchi, et al. "10-Gbit/s MMIC Wireless Link Exceeding 800 Meters" RWS2008 Digest, pp.695-698

実施形態は、広いダイナミックレンジをもちながら、送信アンプおよび受信アンプの低雑音性と広帯域性を保持し、高い伝送品質を得ることが可能なインパルス無線通信システムを構築するインパルス無線通信装置を記載する。

実施形態の第１の態様のインパルス無線通信装置は、短パルス発生部と、短パルス発生部が出力するインパルスを受け取って通過帯域のエネルギ成分のみを抽出し、波束として出力するバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタの出力を増幅するアンプと、アンプの出力する波束を無線信号として出力するアンテナと、を備えるインパルス無線通信装置であって、短パルス発生部は、出力するインパルスの形状を変化可能であり、短パルス発生部が、無線通信の伝送路の環境条件に応じて、出力するインパルスの形状を変化するように制御する制御部を備える。

実施形態の第２の態様のインパルス無線通信装置は、短パルス発生部と、短パルス発生部が出力するインパルスを受け取って通過帯域のエネルギ成分のみを抽出し、波束として出力するバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタの出力を増幅するアンプと、アンプの出力する波束を無線信号として出力するアンテナと、を備えるインパルス無線通信装置であって、短パルス発生部は、送信データを第１遅延時間遅延し、第１遅延制御信号に応じて前記第１遅延時間が変化する第１可変遅延バッファと、送信データを第１遅延時間遅延と異なる第２遅延時間遅延し、第２遅延制御信号に応じて第２遅延時間が変化する第２可変遅延バッファと、第１可変遅延バッファの出力と第２可変遅延バッファの出力の論理積を演算してインパルスを生成し、利得制御信号に応じてインパルスの利得が変化する論理積回路と、を備え、利得制御信号により、インパルスの振幅を一定に保持しながら、第１遅延制御信号および第２遅延制御信号によりインパルスのパルス幅を変化させる。

実施形態によれば、送信アンプおよび受信アンプの広帯域性・低雑音性を損なうことなく、送信装置と受信装置間のダイナミックレンジを拡大し、伝送品質が向上したインパルス無線通信システムを実現できる。

図１は、ミリ波帯を使用する１０Ｇｂｐｓのインパルス無線通信システムの基本構成を示す図である。図２は、バンドパスフィルタが抜き出すインパルスのもつ広帯域周波数成分を示す図である。図３は、周波数８５ＧＨｚ、帯域１０ＧＨｚのミリ波帯を使用し、送信電力２０ｄＢｍ、送受アンテナ５０ｄＢｉ、雑音指数５ｄＢのインパルス通信システムを屋外固定通信に使用する場合の、屋外の状況によるＳ／Ｎの変化を示す図である。図４は、送信アンプの利得を可変とした送信装置および受信アンプの利得を可変とした受信装置の構成を示す図である。図５は、第１実施形態のインパルス無線通信装置の送信部の構成を示す図である。図６は、第２実施形態のインパルス無線通信装置の送信部の構成を示す図である。図７は、第３実施形態のインパルス無線通信システムの構成を示す図である。図８は、第４実施形態のインパルス無線通信装置における短パルス発生部の構成を示す図である。図９は、第１可変遅延バッファおよび論理積回路（ＮＡＮＤ回路）の回路構成を示す図である。図１０は、論理積回路（ＮＡＮＤ回路）の第３制御電圧の変化に対する利得の変化例を示す図である。図１１は、短パルス発生部における動作を示すタイムチャートである。図１２は、短パルス発生部で、制御電圧を変化させた時のインパルスのパルス幅とパルス振幅の変化を示す図である。図１３は、第４実施形態の効果を説明する図であり、パルス幅ｔｗとパルス振幅Ｖｐで規定されるインパルスの、使用周波数に対する規格化スペクトラムの変化を示す図である。図１４は、第５実施形態のインパルス無線通信装置における短パルス発生部の構成を示す図である。図１５は、第１可変遅延バッファの回路構成を示す図である。図１６は、第１可変遅延バッファの特性を示す図である。図１７は、短パルス発生部における動作を示すタイムチャートである。

第１実施形態のインパルス無線通信装置は、７０−８０ＧＨｚのミリ波帯を使用する１０Ｇｂ／ｓのインパルス通信装置であり、送信部と受信部を備え、対向通信装置との間で送受信を行う。

図５は、第１実施形態のインパルス無線通信装置の送信部の構成を示す図である。なお、第１実施形態のインパルス無線通信装置は図示していないが、受信部も備える。

図５に示すように、第１実施形態のインパルス無線通信装置の送信部分は、短パルス（インパルス）発生部１１と、バンドパスフィルタ１２と、送信増幅器（アンプ）１３と、アンテナ１４と、制御部１５と、を備える。

短パルス発生部１１は、ベースバンド部から入力した１０Ｇｂｐｓのデータ信号を基にインパルスと呼ばれる半値幅（パルス幅）の極小さい信号を生成する。短パルス発生部１１は、制御部１５からのパルス形状制御信号に応じて、出力するインパルスの形状を変化させる。バンドパスフィルタ１２は、インパルスのもつ広帯域周波数成分の中から通信に使用する周波数成分だけを抜き出し、通過帯域の中心周波数付近で振動する波束に変調する。送信アンプ１３は、バンドパスフィルタ１２の出力する波束を、必要な電力まで増幅する。なお、送信アンプ１３は、利得可変機能を有することが望ましい。アンテナ１４は、増幅された波束を、ミリ波信号として空中に送出する。制御部１５は、通信状態情報に基づいて、短パルス発生部１１で発生するインパルスの形状を制御するパルス形状制御信号を生成する。

具体的には、伝送路損失が大きいことを示す通信状態情報の場合には、波束のミリ波帯でのスペクトル強度が高くなるようにインパルスの形状を変化させるパルス形状制御信号が発生される。また、伝送路損失が小さいことを示す通信状態情報の場合には、波束のミリ波帯でのスペクトル強度が低くなるようにインパルスの形状を変化させるパルス形状制御信号が発生される。

第１実施形態のインパルス無線通信装置によれば、短パルス発生部１１は、通信状態情報に応じてインパルスの形状を変化させ、それに応じて出力される波束のミリ波帯でのスペクトル強度が変化する。そのため、送信アンプ１３の利得が一定でも、送信する波束の信号強度を変化させることができる。このように、インパルスの形状を変化させることにより送信信号強度を可変とする分だけ、送信アンプ１２および受信アンプに要求される利得可変量を小さくできるため、低雑音性、高出力性、広帯域性などの諸性能を劣化させることなく、広いダイナミックレンジを確保することができる。

図６は、第２実施形態のインパルス無線通信装置の送信部の構成を示す図である。

第２実施形態のインパルス無線通信装置は、通信状態情報として降雨情報を生成して制御部１５に出力する気象モニタ１６を備えることが、第１実施形態のインパルス無線通信装置と異なる。図３に示したように、屋外固定通信に使用するミリ波帯を使用するインパルス通信システムでは、降雨状態により伝送路の空間伝搬損失が変動する。気象モニタ１６は、第２実施形態のインパルス無線通信装置が設けられる屋外の降雨状態を検出して降雨情報を生成する。制御部１５は、図３に示したような降雨状態と空間伝搬損失の関係をあらかじめ記憶しておき、気象モニタ１６から送られた降雨情報に基づいてその状態の空間伝搬損失を求め、空間伝搬損失を補償するようにパルス形状制御信号を発生する。

図７は、第３実施形態のインパルス無線通信システムの構成を示す図である。図７において、参照番号１０は主通信装置を示し、２０は主通信装置１０と通信を行う対向通信装置を示す。主通信装置１０は、図５に示した第１実施形態の通信装置と同じ構成を備え、さらに受信アンテナ１７と、受信アンプおよび検波器を備える受信部１８と、を図示している。対向通信装置２０は、受信用のアンテナ２１と、送信用のアンテナ２２と、受信強度検出部２３と、図示していない受信部および送信部と、を備える。受信強度検出部２３は、受信部の受信した受信信号の強度を検出し、検出した受信強度から空間伝搬損失を判定し、主通信装置１０におけるインパルスの形状変化による波束のミリ波帯でのスペクトル強度変化を行う必要があるかを判定する。受信強度検出部２３は、主通信装置１０におけるインパルスの形状変化が必要であると判定した時には、空間伝搬損失に関する情報を含む要求信号を、送信部から送信用アンテナ２２を介して、主通信装置１０に送信する。主通信装置１０は、この要求信号を受信アンテナ１７を介して受信部１８で受信し、空間伝搬損失に関する情報を得て、空間伝搬損失を補償するようにパルス形状制御信号を発生する。

前述のように、これまでのインパルス通信装置では、送信アンプあるいは受信アンプの利得を可変としてダイナミックレンジを確保していた。また、これまで、消費電力及び信号品質を向上するためインパルスのパルス幅を変化させることが提案されているが、ダイナミックレンジの確保のためにインパルスの形状を変化させることは行われていなかった。

インパルスを発生するには、データ信号を遅延させて遅延データ信号を発生する遅延回路と、データ信号と遅延データ信号との論理積を生成する論理積回路と、を備える短パルス発生部を使用するのが一般的である。ここで、遅延回路として、遅延データ信号の遅延量を可変とする可変遅延回路を使用することにより、発生するインパルスの幅を変化させることが行われる。しかし、このような短パルス発生部は、可変遅延回路により単純に論理積回路に入力する２系統の信号のオーバーラップ時間を変化させるだけである。そのため、このような短パルス発生部で発生されるインパルスは、インパルスの半値幅を大きくすると、同時にインパルスの振幅も大きくなり、ミリ波帯のスペクトルは下がらない。つまり、このような短パルス発生部を使用したのでは、インパルスのスペクトル強度を変化させることによる送信出力の制御はできない。

そこで、次に説明する第４実施形態のインパルス無線通信装置では、スペクトル強度を変化させることが可能なインパルスを発生する短パルス発生部を使用する。

図８は、第４実施形態のインパルス無線通信装置における短パルス発生部１１の構成を示す図である。第４実施形態のインパルス無線通信装置は、短パルス発生部１１以外は、図５に示した第１実施形態の通信装置と同じ構成を備える。

図８に示すように、第４実施形態のインパルス無線通信装置における短パルス発生部１１は、バッファ３１と、第１可変遅延バッファ３２と、第２可変遅延バッファ３３と、論理積回路３４と、制御電圧生成部３５と、を備える。バッファ３１は、入力信号（入力データ）ＩＮを増幅する。第１可変遅延バッファ３２は、バッファ３１の出力を第１遅延時間だけ遅延して第１遅延出力として出力し、第１電圧信号Ｖｃｎｔ１に応じて第１遅延時間を変化させることが可能である。第２可変遅延バッファ３３は、バッファ３１の出力を第２遅延時間だけ遅延して第２遅延出力として出力し、第２電圧信号Ｖｃｎｔ２に応じて第２遅延時間を変化させることが可能である。ここでは、第２可変遅延バッファ３３は、バッファ３１の出力を反転して出力するが、第１可変遅延バッファ３２は、バッファ３１の出力を反転せずに出力し、さらに、第１遅延時間と第２遅延時間は常に異なり、第１遅延時間は第２遅延時間より長い。論理積回路３４は、第１可変遅延バッファ３２の出力する第１遅延出力と第２可変遅延バッファ３３の出力する第２遅延出力の論理積を演算して出力Ｑを生成する。ここでは、論理積回路３４は、ＮＡＮＤ回路であり、出力Ｑがインパルスになる。論理積回路３４は、第３電圧信号Ｖｃｎｔ３に応じて利得を変化させる。これにより、インパルスの振幅が変化する。

制御電圧生成部３５は、制御部１５からの制御信号に基づいて、第１電圧信号Ｖｃｎｔ１、第２電圧信号Ｖｃｎｔ２および第３電圧信号Ｖｃｎｔ３を発生する。制御電圧生成部３５は、所要送信電力、そのために必要な出力Ｑのパルス振幅およびパルス半値幅、それを実現するＶｃｎｔ１、Ｖｃｎｔ２、Ｖｃｎｔ３の値を記載したテーブルを記憶するメモリと、それらの値からＶｃｎｔ１、Ｖｃｎｔ２、Ｖｃｎｔ３を生成するＤ／Ａ変換器と、を備える。なお、制御部１５が、第１電圧信号Ｖｃｎｔ１、第２電圧信号Ｖｃｎｔ２および第３電圧信号Ｖｃｎｔ３を発生するようにして、制御電圧生成部３５を省略することも可能である。

図９の（Ａ）は、第１可変遅延バッファ３２の回路構成を示し、図９の（Ｂ）は、論理積回路（ＮＡＮＤ回路）３４の回路構成を示す。

図９の（Ａ）に示すように、第１可変遅延バッファ３２の入力信号は相補信号ＩＮおよび／ＩＮである。また、第１電圧信号も相補信号Ｖｃｎｔ１および／Ｖｃｎｔ１である。第１遅延出力も相補信号Ａおよび／Ａである。ＩＮおよび／ＩＮは、トランジスタ対Ｔ１およびＴ２のゲートに入力され、Ｖｃｎｔ１および／Ｖｃｎｔ１は、トランジスタ対Ｔ５およびＴ７のゲートに入力される。

ＩＮが「低（Ｌ）」の時、Ｔ１に流れる電流は大で、Ｔ２に流れる電流は小である。このため、Ｔ９のゲート電圧は高く、Ｔ９に流れる電流は小さく、ダイオードＤ１はオフになり、ＡはＬになる。同様に、Ｔ１０のゲート電圧は低く、Ｔ１０に流れる電流は大きく、Ｄ２はオンになり、／ＡはＨになる。ＡがＬのためＴ３に流れる電流は大で、／ＡがＨのためＴ４に流れる電流は小になる。

ここで、ＩＮがＬからＨに変化した場合を考える。この場合、／ＩＮは、ＨからＬに変化する。これに応じて、Ｔ１に流れる電流が減少し、Ｔ２に流れる電流が増加する。そして、Ｔ９のゲート電圧が降下し、Ｔ９に流れる電流が増加するので、Ｄ１がオンに変化し、ＡがＨに変化すると共に、Ｔ１０のゲート電圧が上昇し、Ｔ１０に流れる電流が減少するので、Ｄ２がオフに変化し、／ＡがＬに変化する。さらに、Ｔ３に流れる電流が減少してＴ１０のゲート電圧を一層上昇させ、Ｔ４に流れる電流が増加してＴ９のゲート電圧を一層降下させる。これにより、出力Ａおよび／Ａは、それぞれＨおよびＬに確定する。

さらに、ＩＮがＨからＬに変化した場合を考える。この場合、／ＩＮは、ＬからＨに変化する。これに応じて、Ｔ１に流れる電流が増加し、Ｔ２に流れる電流が減少する。そして、Ｔ９のゲート電圧が上昇し、Ｔ９に流れる電流が減少するので、Ｄ１がオフに変化し、ＡがＬに変化すると共に、Ｔ１０のゲート電圧が降下し、Ｔ１０に流れる電流が増加するので、Ｄ２がオンに変化し、／ＡがＨに変化する。さらに、Ｔ３に流れる電流が増加してＴ１０のゲート電圧を一層降下させ、Ｔ４に流れる電流が減少してＴ９のゲート電圧を一層上昇させる。これにより、出力Ａおよび／Ａは、それぞれＬおよびＨに確定する。

Ｔ１およびＴ２に流れる電流は、Ｔ５に流れる電流により制御され、Ｔ５に流れる電流はＶｃｎｔ１により制御される。そのため、Ｔ１およびＴ２に流れる電流は、Ｖｃｎｔ１が小さい時には大きく、Ｖｃｎｔ１が大きい時には小さい。同様に、Ｔ３およびＴ４に流れる電流は、Ｔ７に流れる電流により制御され、Ｔ７に流れる電流は／Ｖｃｎｔ１により制御される。そのため、Ｔ３およびＴ４に流れる電流は、／Ｖｃｎｔ１が小さい時には大きく、／Ｖｃｎｔ１が大きい時には小さい。ここで、Ｖｃｎｔ１と／Ｖｃｎｔ１は相補信号であるため、Ｖｃｎｔ１が大きい時には／Ｖｃｎｔ１は小さく、Ｖｃｎｔ１が小さい時には／Ｖｃｎｔ１は大きいという関係にある。さらに、Ｔ５とＴ７を流れる電流の和がＴ８であり、Ｔ８に流れる電流は一定なので、Ｔ５に流れる電流とＴ７に流れる電流は、一方が増加すれば他方が減少し、一方が減少すれば他方が増加する相補関係にある。

上記のように、ＩＮがＬからＨに変化した場合、Ｔ１に流れる電流が減少するが、Ｔ１に流れる電流の変化は、Ｖｃｎｔ１が小さい時にはＴ１に流れる電流が大きいため急激であり、Ｖｃｎｔ１が大きい時にはＴ１に流れる電流が小さいため緩慢である。Ｔ２に流れる電流の変化も同様である。Ｔ１およびＴ２に流れる電流が変化すると、Ｔ９およびＴ１０のゲート電圧が変化するが、このゲート電圧の変化は、Ｔ１およびＴ２に流れる電流変化に影響され、Ｖｃｎｔ１が小さい時には急激であり、Ｖｃｎｔ１が大きい時には緩慢である。さらに、Ｔ９およびＴ１０のゲート電圧の変化に応じて、Ｔ９およびＴ１０に流れる電流が変化するが、この電流変化もＶｃｎｔ１が小さい時には急激であり、Ｖｃｎｔ１が大きい時には緩慢である。さらに、Ｔ９およびＴ１０に流れる電流変化に応じて、Ｄ１およびＤ２がオンまたはオフするが、Ｄ１およびＤ２の状態変化は、Ｔ９およびＴ１０に流れる電流変化が急激な時は速く、Ｔ９およびＴ１０に流れる電流変化が緩慢な時は遅くなる。従って、出力Ａおよび／Ａの変化は、Ｖｃｎｔ１が小さい時には速く、Ｖｃｎｔ１が大きい時には遅くなる。言い換えれば、出力Ａおよび／Ａの遅延時間は、Ｖｃｎｔ１が小さい時には小さく、Ｖｃｎｔ１が大きい時には大きい。出力Ａおよび／Ａが変化すると、Ｔ３およびＴ４がＴ９およびＴ１０のゲート電圧を急激に変化させて、出力状態を確定するため、パルス自体は急激に変化する。ＩＮがＨからＬに変化する場合も同様であり、説明は省略する。

以上のように、図９の（Ａ）の第１可変遅延バッファ３２では、第１電圧信号Ｖｃｎｔ１を変化させることにより、出力するパルス（第１遅延出力）の遅延時間（Ｄｅｌａｙ）を変化させることが可能である。

第２可変遅延バッファ３３の回路構成は、第１可変遅延バッファ３２と同じであるが、出力を反転して使用する。

図９の（Ｂ）に示すように、論理積回路（ＮＡＮＤ回路）３４は、第１遅延出力Ａおよび／Ａと、第２遅延出力Ｂおよび／Ｂと、第３電圧信号Ｖｃｎｔ３と、が入力される。第３電圧信号Ｖｃｎｔ３は、シングルエンド信号である。図９の（Ｂ）の論理積回路（ＮＡＮＤ回路）３４は、広く知られた論理積回路である。このＮＡＮＤ回路３４では、Ｖｃｎｔ３が印加されるトランジスタＴｒ５を流れるドレイン電流を制御し、Ｔｒ１〜Ｔｒ４のｇ_ｍを変化させ、利得ｇ_ｍＲ_Ｌを派遣にする。具体的には、Ｖｃｎｔ３が小さいと振幅が大きくなり、Ｖｃｎｔ３が大きいと振幅が小さくなる。

図１０は、図９の（Ｂ）の論理積回路（ＮＡＮＤ回路）３４の第３制御電圧Ｖｃｎｔ３の変化に対する利得の変化例を示す図である。

図１１は、図８の短パルス発生部１１における動作を示すタイムチャートである。図１１に示すように、第１可変遅延バッファ３２は、入力信号ＩＮが入力されると、Ｖｃｎｔ１で指示された遅延時間（Ｄｅｌａｙ）Φ１遅延させて第１遅延出力Ａを出力する。第２可変遅延バッファ３３は、入力信号ＩＮが入力されると、入力信号ＩＮを反転させて、Ｖｃｎｔ２で指示された遅延時間（Ｄｅｌａｙ）Φ２遅延させて第２遅延出力Ｂを出力する。Φ２がΦ１より小さいので、ＡとＢの「高（Ｈ）」部分はパルスの立ち下がりエッジの部分で重なり、ＮＡＮＤ回路３４が負のインパルスＱを生成する。

ここで、Ｖｃｎｔ１およびＶｃｎｔ２を変化させるとインパルスＱのパルス幅が変化する。例えば、Ｖｃｎｔ２＝−０．１５Ｖのとき、Ｖｃｎｔ１を−０．１Ｖから＋０．０６Ｖまで変化させると、パルス半値幅は３．５ｐｓから６ｐｓまで変化する。ところが、Ｖｃｎｔ３を一定にして、ＮＡＮＤ回路３４の利得を一定にすると、半値幅の大きいパルスほどパルス振幅が大きくなる。

図１２は、Ｖｃｎｔ２＝−０．１５ＶおよびＶｃｎｔ３＝−１．６Ｖとして、Ｖｃｎｔ１を−０．１５Ｖから＋０．１Ｖまで変化させた時のインパルスＱのパルス幅とパルス振幅の変化を示す図である。図１２において、Ｐがパルス幅の変化を、Ｑがパルス振幅の変化を示す。例えば、Ｖｃｎｔ１＝０．０５Ｖの時には、パルス幅は６ｐｓで、パルス振幅は１．３Ｖである。

そこで、第４実施形態では、Ｖｃｎｔ３を変化させて用いてＮＡＮＤ回路３４の利得が小さくなるように制御してパルス振幅を一定に保つようにする。具体的には、通常時は、Ｖｃｎｔ１＝−０．１Ｖ、Ｖｃｎｔ２＝−０．１５Ｖ、Ｖｃｎｔ３＝−１．６Ｖとすると、パルス半値幅が３．５ｐｓで、パルス振幅０．６ＶのインパルスＱが出力される。電力を低減する時には、Ｖｃｎｔ１＝＋０．０６Ｖ、Ｖｃｎｔ２＝−０．１５Ｖ、Ｖｃｎｔ３＝−１．８８Ｖとすると、パルス半値幅が６ｐｓで、パルス振幅０．６ＶのインパルスＱが出力される。この場合、ＮＡＮＤ回路３４の利得は、通常時より６ｄＢ低下しており、これによりパルス半値幅が大きくなっても振幅は変化しない。

図１３は、第４実施形態の効果を説明する図であり、パルス幅ｔｗとパルス振幅Ｖｐで規定されるインパルスの、使用周波数に対する規格化スペクトラムの変化を示す。インパルス無線通信の使用周波数帯は、８０〜１００ＧＨｚである。図１３で、Ｒはパルス幅ｔｗ：３．５ｐｓ、パルス振幅Ｖｐ：０．６Ｖの場合を、Ｓはパルス幅ｔｗ：６ｐｓ、パルス振幅Ｖｐ：１．２Ｖの場合を、Ｔはパルス幅ｔｗ：６ｐｓ、パルス振幅Ｖｐ：０．６Ｖの場合を示している。

パルス幅のみを制御し、パルス振幅を制御しない場合は、ＲとＳを比較することになる。この場合、使用周波数帯でのＲとＳのスペクトラム強度に差が見られず、電力制御の効果はないことが分かる。一方、第１実施形態のように、パルス振幅を一定に保持してパルス幅を変化させる場合は、ＲとＴを比較することになる。この場合、使用周波数帯でのＲとＴのスペクトラム強度の差から、６ｄＢの電力制御が可能である。これにより、送受信アンプの広帯域性・低雑音性を損なうことなく、送受信装置間のダイナミックレンジが拡大し、伝送品質が向上する。

図１４は、第５実施形態のインパルス無線通信装置における短パルス発生部１１の構成を示す図である。第５実施形態のインパルス無線通信装置は、短パルス発生部１１以外は、図５に示した第１実施形態の通信装置と同じ構成を備える。

図１４に示すように、第５実施形態の短パルス発生部１１は、図８に示した第４実施形態の短パルス発生部１１と類似の構成を有するが、第１遅延バッファ３５および第２遅延バッファ３６が利得も可変であること、およびＮＡＮＤ回路３７の利得が可変でないことが異なる。

制御電圧生成部３８は、制御部１５からの制御信号に基づいて、第１電圧信号Ｖｃｎｔ１および第２電圧信号Ｖｃｎｔ２を発生する。制御電圧生成部３８は、所要送信電力、そのために必要な出力Ｑのパルス振幅およびパルス半値幅、それを実現するＶｃｎｔ１およびＶｃｎｔ２の値を記載したテーブルを記憶するメモリと、それらの値からＶｃｎｔ１およびＶｃｎｔ２を生成するＤ／Ａ変換器と、を備える。

図１５は、第５実施形態の第１可変遅延バッファ３５の回路構成を示す。図１５に示すように、第１制御電圧信号は、相補信号Ｖｃｎｔ１および／Ｖｃｎｔ１と、シングルエンド信号／Ｖｃｎｔ１’と、を備える。第２可変遅延バッファ３６も、図１５に示した回路構成を備えるが、制御電圧が異なる。

図１５の左側の部分は、図９の（Ａ）に示した回路構成と類似の構成を備え、Ｖｃｎｔ１および／Ｖｃｎｔ１に応じて遅延時間が変化したパルスが右側に出力される。図１５の右側の部分は、図９の（Ｂ）に示した回路構成に出力部を付加した構成を備え、Ｖｃｎｔ１’に応じて、左側の部分から出力されるパルスの振幅を変化させる。

図１６の（Ａ）は、図１５に示した第１可変遅延バッファ３５の遅延制御特性を示す図である。遅延時間は、Ｖｃｎｔ１に応じて図１６の（Ａ）に示すように変化する。

図１６の（Ｂ）は、図１５に示した第１可変遅延バッファ３５の利得制御特性を示す図である。利得はＶｃｎｔ１’に応じて図１６の（Ｂ）に示すように変化する。

図１７は、図１４の短パルス発生部１１における動作を示すタイムチャートである。図１７に示すように、第１可変遅延バッファ３５は、入力信号ＩＮが入力されると、Ｖｃｎｔ１で指示された遅延時間（Ｄｅｌａｙ）Φ１遅延させ、さらにＶｃｎｔ１’で指示された利得に調整した第１遅延出力Ａを出力する。第２可変遅延バッファ３６も、入力信号ＩＮが入力されると、入力信号ＩＮを反転させて、Ｖｃｎｔ２（Ｖｃｎｔ２，／Ｖｃｎｔ２を含む）で指示された遅延時間（Ｄｅｌａｙ）Φ２遅延させ、さらにＶｃｎｔ２’で指示された利得に調整した第２遅延出力Ｂを出力する。Φ２がΦ１より小さいので、ＡとＢの「高（Ｈ）」部分はパルスの立ち下がりエッジの部分で重なり、ＮＡＮＤ回路３４が負のインパルスＱを生成する。Ｖｃｎｔ１およびＶｃｎｔ２を変化させるとインパルスＱのパルス幅が変化する。また、Ｖｃｎｔ１’およびＶｃｎｔ２’を変化させると、インパルスＱの振幅が、変化する。

そこで、第５実施形態では、Ｖｃｎｔ１’およびＶｃｎｔ２’を変化させて用いてＮＡＮＤ回路３７の利得が小さくなるように制御してパルス振幅を一定に保つようにする。具体的には、通常時は、Ｖｃｎｔ１＝−０．１Ｖ、Ｖｃｎｔ２＝−０．１５Ｖ、Ｖｃｎｔ１’＝−１．６Ｖ、Ｖｃｎｔ２’＝−１．６Ｖとすると、パルス半値幅が３．５ｐｓで、パルス振幅０．６ＶのインパルスＱが出力される。電力を低減する時には、Ｖｃｎｔ１＝＋０．０６Ｖ、Ｖｃｎｔ２＝−０．１５Ｖ、Ｖｃｎｔ１’＝−１．８８Ｖ、Ｖｃｎｔ２’＝−１．８８Ｖとすると、パルス半値幅が６ｐｓで、パルス振幅０．６ＶのインパルスＱが出力される。この場合、第１可変遅延バッファ３５および第２可変遅延バッファ３６の利得は、通常時より６ｄＢ低下しており、これによりパルス半値幅が大きくなっても振幅は変化しない。

このように、第５実施形態の短パルス発生部では、遅延時間と利得の両方を可変とするバッファを使用し、送信信号の高出力時には、論理積（ＮＡＮＤ）ゲートへの入力振幅を大きくするとともに論理積ゲートへの入力信号間オーバーラップを小さくし、低出力時には、論理積ゲートへの入力振幅を小さくするとともに論理積ゲートへの入力信号間オーバーラップを大きくする。

以上説明したように、第１および第２実施形態によれば、送信アンプおよび受信アンプの広帯域性・低雑音性を損なうことなく、送受信装置間のダイナミックレンジが拡大し、伝送品質が向上する。また、第１および第２実施形態の構成は、固定通信に限定されるものではなく、移動通信にももちろん適用可能な技術である。

以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。

１１短パルス（インパルス）発生部
１２バンドパスフィルタ
１３送信増幅器（アンプ）
１４アンテナ１４
１５制御部
１６気象モニタ
１８受信部
２０対向通信装置
３２、３５第１遅延バッファ
３３、３６第２遅延バッファ
３４、３７論理積（ＮＡＮＤ）回路
３５、３８制御電圧生成部

Claims

短パルス発生部と、
前記短パルス発生部が出力するインパルスを受け取って、波束として出力するバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタの出力を増幅するアンプと、
前記アンプの出力する前記波束を無線信号として出力するアンテナと、を備えるインパルス無線通信装置であって、
前記短パルス発生部は、出力するインパルスの形状を変化可能であり、
前記短パルス発生部が、無線通信の伝送路の環境条件に応じて、出力するインパルスの形状を変化するように制御する制御部を備えることを特徴とするインパルス無線通信装置。
前記制御部は、前記短パルス発生部が、
伝送路損失が大きい場合には、前記波束の無線信号のスペクトル強度を高くする形状のインパルスを発生し、
伝送路損失が小さい場合には、前記波束の無線信号のスペクトル強度を低くする形状のインパルスを発生する、ように制御する請求項１に記載のインパルス無線通信装置。
前記制御部は、前記短パルス発生部が、
前記インパルスの振幅を一定に保持しながら、パルス幅を変化させるように制御する請求項１または２に記載のインパルス無線通信装置。
気象条件を検出するモニタを更に備え、
前記制御部は、前記モニタの検出した気象条件に応じて、出力するインパルスの形状が変化するように、前記短パルス発生部を制御する請求項１から３のいずれか１項に記載のインパルス無線通信装置。
対向通信装置から送信される受信状態情報を、前記アンテナを介して受信する受信部を備え、
前記制御部は、前記受信部の受信した前記受信状態情報に応じて、出力するインパルスの形状を変化するように、前記短パルス発生部を制御する請求項１から３のいずれか１項に記載のインパルス無線通信装置。
前記短パルス発生部は、
送信データを第１遅延時間遅延し、第１遅延制御信号に応じて前記第１遅延時間が変化する第１可変遅延バッファと、
前記送信データを、前記第１遅延時間遅延と異なる第２遅延時間遅延し、第２遅延制御信号に応じて前記第２遅延時間が変化する第２可変遅延バッファと、
前記第１可変遅延バッファの出力と前記第２可変遅延バッファの出力の論理積を演算して前記インパルスを生成し、利得制御信号に応じて前記インパルスの利得が変化する論理積回路と、を備え、
前記利得制御信号により、前記インパルスの振幅を一定に保持しながら、前記第１遅延制御信号および前記第２遅延制御信号により前記インパルスのパルス幅を変化させる請求項１から５のいずれか１項に記載のインパルス無線通信装置。
前記短パルス発生部は、
送信データを第１遅延時間遅延して第１遅延出力を出力し、第１制御信号に応じて前記第１遅延時間が変化すると共に前記第１遅延出力の利得が変化する第１可変遅延バッファと、
前記送信データを第２遅延時間遅延して第２遅延出力を出力し、第２制御信号に応じて前記第２遅延時間が変化すると共に前記第２遅延出力の利得が変化する第２可変遅延バッファと、
前記第１可変遅延バッファと前記第２可変遅延バッファの出力の論理積を演算して前記インパルスを生成する論理積回路と、を備え、
前記第１制御信号および前記第２制御信号により、前記インパルスの振幅を一定に保持しながら、前記インパルスのパルス幅を変化させる請求項１から５のいずれか１項に記載のインパルス無線通信装置。
短パルス発生部と、
前記短パルス発生部が出力するインパルスを受け取って、波束として出力するバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタの出力を増幅するアンプと、
前記アンプの出力する前記波束を無線信号として出力するアンテナと、を備えるインパルス無線通信装置であって、
前記短パルス発生部は、
送信データを第１遅延時間遅延し、第１遅延制御信号に応じて前記第１遅延時間が変化する第１可変遅延バッファと、
前記送信データを、前記第１遅延時間遅延と異なる第２遅延時間遅延し、第２遅延制御信号に応じて前記第２遅延時間が変化する第２可変遅延バッファと、
前記第１可変遅延バッファの出力と前記第２可変遅延バッファの出力の論理積を演算して前記インパルスを生成し、利得制御信号に応じて前記インパルスの利得が変化する論理積回路と、を備え、
前記利得制御信号により、前記インパルスの振幅を一定に保持しながら、前記第１遅延制御信号および前記第２遅延制御信号により前記インパルスのパルス幅を変化させることを特徴とするインパルス無線通信装置。
短パルス発生部と、
前記短パルス発生部が出力するインパルスを受け取って、波束として出力するバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタの出力を増幅するアンプと、
前記アンプの出力する前記波束を無線信号として出力するアンテナと、を備えるインパルス無線通信装置であって、
前記短パルス発生部は、
送信データを第１遅延時間遅延して第１遅延出力を出力し、第１制御信号に応じて前記第１遅延時間が変化すると共に前記第１遅延出力の利得が変化する第１可変遅延バッファと、
前記送信データを第２遅延時間遅延して第２遅延出力を出力し、第２制御信号に応じて前記第２遅延時間が変化すると共に前記第２遅延出力の利得が変化する第２可変遅延バッファと、
前記第１可変遅延バッファと前記第２可変遅延バッファの出力の論理積を演算して前記インパルスを生成する論理積回路と、を備え、
前記第１制御信号および前記第２制御信号により、前記インパルスの振幅を一定に保持しながら、前記インパルスのパルス幅を変化させることを特徴とするインパルス無線通信装置。