JP5303505B2

JP5303505B2 - 電界通信端末

Info

Publication number: JP5303505B2
Application number: JP2010090391A
Authority: JP
Inventors: 直志美濃谷; 満品川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2030-04-09
Also published as: JP2011223306A

Description

本発明は、人体等の電界伝達媒体に電界を誘起し、その誘起された電界を検出して通信を行う通信技術に関する。

特許文献１や特許文献２にて公開されている電界通信は、人体等の電界伝達媒体に電界を誘起し、その誘起された電界を検出して通信を行う通信技術である。例えば、人体が携帯した携帯端末と人体が触れた物に接続された設置端末との間で、人体を介して通信を行うことが可能である。

特開２００７−２９５１９２号公報米国特許出願公開第２００７／０１８４７８８号明細書

建物の壁や天井、床下等に埋め込まれる設置端末に、埋め込まれた場所の環境雑音が混入し、設置端末の性能に大きな影響を与えるという問題があった。以下、この問題について説明する。

図８に、電源ラインや通信ケーブルを介して従来の設置端末に雑音が混入するモデルを示す。設置端末６には、電極４１，４２、電源ライン（ＡＣアダプタケーブル）５１、通信ケーブル５２が接続され、通信端末６は通信ケーブル５２を介して通信制御装置７に接続される。設置端末６は、必ずしも大地グランドと近接した場所に埋め込まれるわけではなく、図８では大地グランドと離れた場所に埋め込まれた様子を示している。設置端末６には、ＡＣアダプタケーブル５１や通信ケーブル５２からコモンモードノイズが混入する。

図９に、雑音混入の回路モデルを示す。図９に示す雑音源は、ＡＣアダプタケーブル５１や通信ケーブル５２を介して設置端末６に混入するコモンモードノイズを表す。また、受信時の設置端末６を受信入力インピーダンスＺｔで模擬している。

雑音の伝達経路には、ケーブル（ケーブルのインピーダンスＺｃ）、回路グランド６１を介して、電極４２と大地グランド間の浮遊容量Ｃｎ２を通る経路と、受信入力インピーダンスＺｔ、電極４１と大地グランド間の浮遊容量Ｃｎ１を通る経路がある。このとき、電極４１と大地グランド間に生じる電圧Ｖｎ１と、雑音により電極４２と大地グランド間に生じる電圧Ｖｎ２が異なれば、受信入力インピーダンスＺｔに電位差が生じ、雑音が混入することになる。図９では、電極４１と大地グランド間、電極４２と大地グランド間を浮遊容量でモデル化したが、インピーダンスで一般化しても同じ議論が成り立つ。このようにして雑音が設置端末６に混入すると、信号対雑音比が悪くなり、データの受信率等の通信性能が劣化する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、ケーブルを介して混入する雑音を抑制し、通信性能の劣化を防ぐことを目的とする。

本発明に係る電界通信端末は、電界を電界伝達媒体に誘起して通信を行う電界通信端末であって、電界通信用の電極を接続して電界通信を行う通信手段と、外部電源を接続するインターフェース回路と、前記通信手段と前記インターフェース回路とを接続する電源配線に配置され、前記通信手段が通信に用いる搬送波周波数帯において高インピーダンスとなる電源分離手段と、前記通信手段と前記インターフェース回路とを接続するグランド配線に配置され、前記通信手段が通信に用いる搬送波周波数帯において高インピーダンスとなるグランド分離手段と、を有することを特徴とする。

上記電界通信端末において、前記インターフェース回路は外部機器との間で信号を入出力する通信ケーブルを接続するものであって、前記通信手段と前記インターフェース回路とを接続する信号線に配置され、前記信号を通過し当該信号の周波数より高い周波数の雑音を遮断する信号分離手段を有することを特徴とする。

上記電界通信端末において、前記通信手段は、前記電極をトランスを介して接続することを特徴とする。

上記電界通信端末において、前記電源分離手段及び前記グランド分離手段を、コイル、コンデンサ、抵抗を並列に接続した複数のＬＣＲ並列回路を直列に接続した回路により構成することを特徴とする。

上記電界通信端末において、前記インターフェース回路の回路グランドの雑音の強度を検出する検出手段と、前記検出手段が検出した雑音の強度が小さくなるように、前記電源分離手段及び前記グランド分離手段のインピーダンスを制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、ケーブルを介して混入する雑音を抑制し、通信性能の劣化を防ぐことができる。

本実施の形態における電界通信端末の構成を示すブロック図である。図１の電界通信端末のＡＣアダプタケーブルからコモンモードノイズが混入する回路モデルである。図１の電源分離部、グランド分離部の構成例を示す回路図である。図１の電源分離部、グランド分離部の別の構成例を示す回路図である。本実施の形態における別の電界通信端末の構成を示すブロック図である。図５の電界通信端末のＡＣアダプタケーブルからコモンモードノイズが混入する回路モデルである。本実施の形態におけるさらに別の電界通信端末の構成を示すブロック図である。電源ラインや通信ケーブルを介して従来の設置端末に雑音が混入するモデルを示す図である。図８の回路モデルである。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本実施の形態における電界通信端末の構成を示すブロック図である。図１に示す電界通信端末１は、トランシーバ部１０、インターフェース（Ｉ／Ｆ）部２０、およびトランシーバ部１０とＩ／Ｆ部２０の間に各分離部を備える。

トランシーバ部１０は、電界通信用の電極４１，４２を接続し、電界通信による送信・受信、送受切替制御、およびデータ処理を行う。

Ｉ／Ｆ部２０は、ＡＣアダプタケーブル５１を接続し、ＡＣアダプタ（図示せず）からＡＣアダプタケーブル５１を介して電力の供給を受けるとともに、トランシーバ部１０へ電源電圧を供給する。また、Ｉ／Ｆ部２０は、通信ケーブル５２を接続し、トランシーバ部１０が外部機器（図示せず）と通信する際に信号を中継する機能を持つ。

トランシーバ部１０とＩ／Ｆ部２０は、電源分離部３１、グランド分離部３２、信号１分離部３３〜信号Ｎ分離部３４を介して、電源、回路グランド、信号１〜Ｎの各配線により接続される。電源、回路グランド、信号１〜Ｎの各配線上に配置された各分離部３１〜３４は、ＡＣアダプタケーブル５１や通信ケーブル５２を介して入力される雑音がトランシーバ部１０に混入することを防ぐ。

ここで、分離部の効果について説明する。

図２に、ＡＣアダプタケーブルからコモンモードノイズが混入する回路モデルを示す。図２では、電源と回路グランド１１，２１に関する箇所を記載し、トランシーバ部１０の受信状態を受信入力インピーダンスＺｔで模擬しており、他の機能に関する箇所は示していない。また、図２に、電極４１，４２を含むトランシーバ部１０の入力と大地グランド間の図中波線の左側をみたインピーダンスＺ_１を示す。

ＡＣアダプタケーブルのインピーダンスＺｃ１，Ｚｃ２を含めた雑音源を電圧源とみなすと、電源分離部３１とグランド分離部３２のインピーダンスを大きくすれば、Ｚ_１に印加される雑音強度は小さくなる。Ｚ_１に印加される雑音強度が小さくなれば、受信入力インピーダンスＺｔに印加される雑音強度も小さくなる。すなわち、電源分離部３１とグランド分離部３２をインピーダンスの大きな回路で構成すればトランシーバ部１０に混入する雑音を抑制することができる。

一般的に、回路の電源には電源電圧の変動を抑制する目的でデカップリングコンデンサＣｔ，Ｃｉが使用されており、そのインピーダンスは低い。したがって、回路グランドの配線のみにグランド分離部３２を設けても、デカップリングコンデンサＣｔ，Ｃｉと電源を介する経路のインピーダンスが低いために分離の効果はなくなる。この対策として、電源にも電源分離部３１を設けた。

トランシーバ部１０で、送受信に所定の周波数の信号（搬送波）を通信すべき情報に基づくデータで変復調する方式を採用している場合では、トランシーバ部１０の受信部で搬送波の周波数帯のみを選択的に受信する設計、つまり、搬送波の周波数帯以外の周波数の雑音を除去する設計がなされる。このため搬送波と同じ周波数のコモンモードノイズを抑制すればよく、電源分離部３１、グランド分離部３２は、搬送波周波数帯でインピーダンスが大きくなるように設計すればよい。

電源分離部３１、グランド分離部３２の構成例として、コイル、コンデンサ、抵抗を並列に接続したＬＣＲ並列回路があげられる。直流では低インピーダンスになり電源電圧が減衰なくトランシーバ部に入力される。ＬＣＲ並列回路の共振周波数を搬送波周波数に一致させておけば、搬送波周波数ではＬＣＲ並列回路が抵抗となり雑音が抑制される。他方、電源分離部３１、グランド分離部３２としてＬＣ並列回路を使用した場合では、Ｚ_１側の容量成分と電源分離部３１、グランド分離部３２のＬＣ並列回路で直列共振を起こし、雑音が大きくなる可能性がある。

実際のＬＣＲ並列回路では、Ｌの寄生抵抗等のため共振のＱ値が無限大にならず、インピーダンスを大きくするには限界がある。そこで、図３に示すように、ＬＣＲ並列回路を直列に接続することにより、ＬＣＲ並列回路を１個使用する場合よりインピーダンスを大きくすることができる。また、図４に示すように、ＬＣ並列回路を直列に接続した回路に抵抗を並列に接続してもよい。

一方、信号１分離部３３〜信号Ｎ分離部３４としては、信号１〜信号Ｎの配線に抵抗を挿入する。通常、信号には搬送波周波数より低い周波数のデジタル信号が使用される。このため、信号１分離部３３〜信号Ｎ分離部３４として信号配線に抵抗を挿入することで、配線や入力段の容量とローパスフィルタが形成され、雑音を低減する十分な効果がある。

図５は、本実施の形態における別の電界通信端末の構成を示すブロック図である。図５に示す電界通信端末は、図１に示した電界通信端末の構成に加えて、受信部１３の入力にトランス１５を使用して、受信時に電極４１，４２とトランシーバ部１０を分離する点で異なる。なお、図５では、トランス１５を示すために、送信部１２、受信部１３、および送受信を切り替える切替スイッチ１４も図示している。

図６に、図２と同様に、受信時の回路モデルを示す。トランス１５の１次側コイルＬ_１と２次側コイルＬ_２で、電極４１，４２とトランシーバ部１０の受信入力インピーダンスＺｔが分離されるため、雑音が受信入力インピーダンスＺｔに印加されるのを防ぐことができる。しかし、実際には、１次側コイルＬ_１と２次側コイルＬ_２間に寄生容量があるため、完全には分離されてはいない。そこで、トランス１５に加えて、電源分離部３１、グランド分離部３２を備えることにより、雑音の混入をさらに抑制することができる。

図７は、本実施の形態におけるさらに別の電界通信端末の構成を示すブロック図である。図７に示す電界通信端末は、図１に示した電界通信端末の構成に加えて、トランシーバ部１０に、Ｉ／Ｆ部２０の回路グランドの雑音をモニタする強度モニタ部１６、電源分離部３１、グランド分離部３２のインピーダンスを調整するインピーダンス制御部１７を備えた。

強度モニタ部１６は、搬送波周波数帯におけるＩ／Ｆ部２０の回路グランドの雑音の強度をモニタし、強度信号をインピーダンス制御部１７に出力する。

インピーダンス制御部１７は、調整時には、インピーダンス制御信号を電源分離部３１、グランド分離部３２に出力して、電源分離部３１、グランド分離部３２の共振周波数を順次変えながら強度信号を記録した後、Ｉ／Ｆ部２０の回路グランドの雑音の強度が最小となるようにインピーダンス制御信号を設定する。調整終了後は、インピーダンス制御信号の設定値を保持する。

電源分離部３１、グランド分離部３２をＬＣＲ並列回路で構成し、容量Ｃに可変容量ダイオードを使用することや、容量ＣまたはインダクタンスＬを切り替えるスイッチを使用することで、ＬＣＲ並列回路の共振周波数を可変とし、電源分離部３１、グランド分離部３２のインピーダンスを調整することができる。

この機能により、ＬＣＲ並列回路の構成素子のばらつきによる共振周波数のずれやボード上配線等の寄生素子による共振周波数のずれによる電源分離部３１、グランド分離部３２のインピーダンスの低下を防ぐことができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、トランシーバ部１０とＩ／Ｆ部２０を接続する配線に、電源分離部３１、グランド分離部３２、信号１分離部３３〜信号Ｎ分離部３４を備えることにより、ＡＣアダプタケーブル５１や通信ケーブル５２を介して入力され、トランシーバ部１０に混入する雑音を抑制し、通信性能の劣化を防ぐことができる。

本実施の形態によれば、強度モニタ部１６がＩ／Ｆ部の回路グランドの雑音の強度をモニタし、インピーダンス制御部１７がＩ／Ｆ部２０の回路グランドの雑音の強度が最小となるように、電源分離部３１、グランド分離部３２のインピーダンスを調整することにより、電源分離部３１、グランド分離部３２のインピーダンスの低下を防ぐことができる。

なお、以上の実施の形態では、電界通信端末として、トランシーバを用いて本発明を説明したが、もちろん、受信の機能のみを持つ受信器にも本発明を適用可能である。電界通信端末が受信器の場合、トランシーバ部が、電界通信による受信およびデータ処理を行う受信部となる。

１…電界通信端末
１０…トランシーバ部
２０…Ｉ／Ｆ部
３１…電源分離部
３２…グランド分離部
３３…信号１分離部
３４…信号Ｎ分離部
４１，４２…電極
１１，２１…回路グランド
１２…送信部
１３…受信部
１４…切替スイッチ
１５…トランス
１６…強度モニタ部
１７…インピーダンス制御部
５１…ＡＣアダプタケーブル
５２…通信ケーブル
６…設置端末
６１…回路グランド
７…通信制御装置

Claims

電界を電界伝達媒体に誘起して通信を行う電界通信端末であって、
電界通信用の電極を接続して電界通信を行う通信手段と、
外部電源を接続するインターフェース回路と、
前記通信手段と前記インターフェース回路とを接続する電源配線に配置され、前記通信手段が通信に用いる搬送波周波数帯において高インピーダンスとなる電源分離手段と、
前記通信手段と前記インターフェース回路とを接続するグランド配線に配置され、前記通信手段が通信に用いる搬送波周波数帯において高インピーダンスとなるグランド分離手段と、
を有することを特徴とする電界通信端末。
前記インターフェース回路は外部機器との間で信号を入出力する通信ケーブルを接続するものであって、
前記通信手段と前記インターフェース回路とを接続する信号線に配置され、前記信号を通過し当該信号の周波数より高い周波数の雑音を遮断する信号分離手段を有することを特徴とする請求項１記載の電界通信端末。
前記通信手段は、前記電極をトランスを介して接続することを特徴とする請求項１又は２記載の電界通信端末。
前記電源分離手段及び前記グランド分離手段を、コイル、コンデンサ、抵抗を並列に接続した複数のＬＣＲ並列回路を直列に接続した回路により構成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電界通信端末。
前記インターフェース回路の回路グランドの雑音の強度を検出する検出手段と、
前記検出手段が検出した雑音の強度が小さくなるように、前記電源分離手段及び前記グランド分離手段のインピーダンスを制御する制御手段と、
を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電界通信端末。