JP5557406B2

JP5557406B2 - 人体通信システムにおける低周波数帯域でのデータ送信装置及び方法、並びにその人体通信システム

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Publication number: JP5557406B2
Application number: JP2012531992A
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Inventors: サン−ユン・ファン; チョル−ジン・キム; ジャン−スン・パク; ジョン−リム・イ; ヒュン−クク・チェ; チャン−リョン・ヘオ; ソン−ジュン・ソン
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Description

本発明は、低周波数帯域でのデータ送信装置及び方法に関し、特に、人体通信システムにおける低周波数帯域でのデータ送信装置及び方法、及びその人体通信システムに関する。

一般的に、電界通信は、送信器で電界を誘導し、誘電体物質に電界を形成した後に受信器で電界を感知することによりデータを送受信することができる通信方式を意味する。このような電界通信方式の中でも人体を誘電体物質として見なして通信する方式を人体通信と呼ぶ。

一般的に、人体通信は、ユーザ干渉などにより数ＭＨｚの帯域で高いノイズを有しており、数十ＭＨｚの帯域にわたってノイズが分散されている特徴を有している。図１では、このような人体通信チャネルの周波数特性を示している。このような通信方式では、通信するチャネルの特性を把握してこれに合う変調方式を適用することにより送信効率を最大化する。したがって、人体通信では、送信データの帯域が人体ノイズが密集している数ＭＨｚの帯域を避けることができるように搬送波に乗せられて送信されなければならない。しかしながら、人体通信において、このような搬送波があまり高周波になる場合には人体で放射する成分が増加する。したがって、人体を介して送信される信号は、放射する成分の増加及びノイズ特性を考慮して一般的に数十ＭＨｚ内の周波数帯域を有する。

また、人体通信では、送信帯域の効率を最大化することが重要である。その理由は、人体ノイズが一般的に温度ノイズより高いエネルギーレベルを有するためである。したがって、図１に示すように、中心周波数（ｆ_０）は、数十ＭＨｚ以内に存在しなければならず、人体通信では、帯域効率を最大化して送信することが重要な実現目標である。

一方、人体通信は、人体の誘電体的な特性を用いて人体の周辺に形成された電界を介してデータ送信が可能であり、ユーザが直観的に端末装置を選択した後にデータ送信がなされるために、直観的な便宜性をユーザに提供することができるという長所を有する。データの送信の際に、ユーザの直観的な便宜性を最大化するためには、人体が情報端末装置に非接触するか又は近接接触する短い時間の間に必要とするデータをすべて送信できなければならないので高速送信の性能が要求される。このような非接触性能では、ユーザの人体から遠くなると、電界のサイズが１／ｒ^２のサイズに減少するために距離が遠くなるほど受信される信号のサイズが急減する。したがって、人体による信号減衰を補償するためには、例えば、光センサー、磁界センサーなどのセンサー技術又はグラウンドカップリング（Ground Coupling）を向上させる電極を使用する方式で通信の受信感度を向上させる。このような受信感度の制約は、人体接触による通信の場合に限定されており、受信部の低い信号レベルに対する信号処理が難しい。また、人体近接及び非接触状況又は機器間の超近接状況に対する判断が難しいために、各状況に合う通信方式及びチャネル選択が難しくなる。さらに、人体非接触通信の場合においては、人体接触により通信がなされるか否かが判定されるのでなく、人体が近接したそれ自体のみで通信システムが稼働されるためにこれを考慮した人体通信システムの設計が要求される。

上述したような人体通信の特性のために、人体通信は、一種の接続（connectivity）技術として適用されるシステムの複雑度及び電力消費を考慮して簡素な構造及び電力消費を最小化する方向に実現されなければならない。また、人体の非接触状況では、減衰を考慮して通信を可能にするシステムが実現されなければならない。すなわち、人体通信のための装置は、人体通信のチャネル環境、システムの周波数特性などを考慮して設計されなければならない。

本発明の目的は、少なくとも上述した問題点及び／又は不都合に取り組み、少なくとも以下の便宜を提供することにある。すなわち、本発明の目的は、送信帯域を最小化し帯域効率を最大化できるようにする人体通信システムにおける低周波領域でのデータ送信装置及び方法、及びその人体通信システムを提供することにある。

本発明の他の目的は、人体通信システムにおいて人体の非接触状況でも受信感度を保持しつつ高い効率のデータ送信のための装置及び方法、及びその人体通信システムを提供することにある。

本発明のさらなる他の目的は、人体通信システムにおいて簡素な構造及び低電力消費のための低周波領域でのデータ送信装置及び方法、並びにその人体通信システムを提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明の実施形態の一態様によれば、人体通信システムで低周波数帯域でのデータ送信装置であって、プリアンブル信号を生成するプリアンブル生成器と、パケットヘッダー情報を生成するヘッダー生成器と、データを生成するデータ生成器と、前記データ生成器からのデータを直並列変換することによりシンボルに変更する直並列変換器と、前記直並列変換器からのシンボルを相互直交特性を有するシーケンスの中の１つにマッピングするための直交変調器と、前記プリアンブル生成器、前記ヘッダー生成器及び前記直交変調器から出力された信号を時分割的に選択する多重化器と、前記多重化器の出力を特定の周波数に遷移させる周波数遷移器を含むことを特徴とする。

本発明の実施形態の他の態様によれば、人体周辺電界を用いる非接触通信を実行する人体通信システムは、媒体アクセス制御（ＭＡＣ）送受信処理器で定義されたパケットフォーマットに従って生成されたデータを特定の周波数を用いて送信する送信回路と、上記送信信号からの出力を外部に出力する電極と、上記電極から信号の入力を受信し、増幅及び雑音を除去するアナログフロントエンド回路と、受信信号の強度を測定する受信信号強度測定部と、人体近接の感知に従う近接センサー値を出力する近接センサーと、上記近接センサー及び上記受信信号強度測定部への信号を選択的に出力する多重化部と、上記多重化部及び上記アナログデジタル変換器からの信号を処理する受信回路と、上記受信信号強度の測定値又は上記近接センサー値を用いて上記電極が接触されるか否かを判定し、上記判定の結果に基づく制御信号を出力するマイクロコントローラとを有することを特徴とする。

本発明の実施形態のさらなる他の態様によれば、人体通信システムにおける低周波数帯域でのデータ送信方法は、プリアンブル信号、パケットヘッダー情報、及びデータを生成するステップと、上記生成されたデータを直並列変換することによりシンボルに変更するステップと、上記シンボルを相互直交特性を有するシーケンスの中の１つにマッピングするステップと、上記プリアンブル信号、パケットヘッダー情報、及び上記マッピングされた信号を時分割的に選択するステップと、上記選択された信号を特定の周波数に遷移させるステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、人体通信のための低周波数帯域でのデータ送信装置において、中心周波数を簡素化しつつも様々な範囲に移動させることができ、低速データの送信の際に送信帯域を最小化することができる。さらに、本発明は、ユーザが非接触状態で人体周辺の電界を用いて通信が可能であるようにするシステムを実現することにより、中心周波数の選択及び送信帯域の最小化だけでなく、データ速度及び変調なども制御することができる。

一般的な人体通信チャネルの周波数特性を示す図である。データ送信装置を介して送信される一般的なパケット構造を示す図である。一般的な人体通信システムの構造を示す図である。図３に示す周波数選択的拡散器の構造を示す図である。図４に示す周波数選択的拡散器の周波数帯域の特性を示す図である。本発明の実施形態によるパケット構造を示す図である。本発明の第１の実施形態による人体通信システムの構造を示す図である。図７に示す周波数遷移器の構造を示す図である。図７に示す人体通信システムの送信周波数特性を示す図である。本発明の第２の実施形態による人体通信システムの構造を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態を、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。図面中、同一の構成要素には、可能な限り同一の参照符号及び番号を付するものとする。下記の説明において、明瞭性と簡潔性の観点から、本発明に関連した公知の機能や構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にすると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。

本発明は、人体通信システムにおいて、様々な範囲の中心周波数を選択しつつ人体の非接触状況も考慮してデータを送信する方案を提案する。このために、本発明の第１の実施形態では、中心周波数を簡便に移動することができる人体通信システムを提案し、特に、中心周波数の移動が可能であるように多重化器の出力を特定の周波数に遷移させる周波数遷移器を含むデータ送信装置を提案する。また、本発明の第２の実施形態では、中心周波数の選択及び送信帯域の最小化だけでなく、データ速度及び変調などを制御することにより人体の非接触状況でも安定して通信することができる人体通信システムを提案する。このようにすることにより、帯域効率を最大化することができるだけではなく人体の非接触状況も考慮したデータの送信が可能である。

本発明の説明に先立って、人体通信システムの基本的な構成を説明する。このために、一般的な人体通信システムの構造図である図３を参照する。まず、このようなデータ送信装置を介して送信される一般的なパケット構造は、図２に示すようである。図２に示すプリアンブルは、パケットに含まれたヘッダーの開始時点を通知するために使用され、ヘッダーは、パケットの長さなどのようなパケットに関連した情報を含んでおり、データは、実際送信するための情報を含んでいる。このようなパケットを構成する場合には、プリアンブルだけが存在するので、ヘッダー及びデータの復元の際には正確な時点を探すことが困難であり得る。したがって、安定しつつもシステムの複雑度を最小化することができるパケット構造を提案する場合には、より効率的なデータ送信が可能である。

図３を参照すると、データ送信装置は、ＭＡＣ送信処理器２００から一次的にプリアンブル生成器２０５、ヘッダー生成器２１０、及びデータ生成器２１５に情報を伝達することにより、伝達しようとするパケットを構成する。プリアンブル生成器２０５及びヘッダー生成器２１０の出力は、拡散器２３５を介して拡散されることにより多重化器２４０により時分割的(time-divisionally)に選択され、これにより、信号電極を介して伝達される。

データは、ヘッダーの次に送信され、このようなデータ生成過程は、次のようである。まず、データ生成器２１５により送信されるデータの送信速度をＣとすると、データ生成器２１５の出力は、Ｎ：１直並列変換器によりシンボルに変換される。この際のシンボルレートは、Ｃ／Ｎで表すことができる。直並列変換器２２０の出力は、次の段階であるシンボル反復器２２５により所定の回数（Ｒ）だけ反復され、この場合に、シンボル反復器２２５のシンボルレートは、Ｃ・Ｒ／Ｎで表すことができる。シンボル反復器２２５のＮビットの出力は、周波数選択的拡散器（Frequency Selective Spreader）２３０に伝達される。周波数選択的拡散器２３０は、一種の直交変調器（orthogonal modulator）として２^Ｎ個の２^Ｌ１の長さを有するシーケンスで構成される。周波数選択的拡散器２３０は、Ｎの入力を受信することによりこれに対応するシーケンスを出力し、出力レートは、（Ｃ・Ｒ・２^Ｌ１）／Ｎとなる。周波数選択的拡散器２３０の出力は、多重化器２４０によりヘッダーが送信された後に連続して伝達される。最後に、多重化器２４０の出力は、アナログ回路２７０なしに送信／受信スイッチ２４５を経て信号電極２５０を介して外部に伝達される。

信号電極２５０を介して入力される受信信号は、送信／受信スイッチ２４５を経て雑音除去フィルター２５５を介して所望しない帯域の周波数成分が除去される。ついで受信信号は、増幅器２６０を通過し、これにより所望されるアナログ信号へと増幅される。増幅器２６０の出力は、次の段階であるクロックデータ再整列部（Clock recovery & Data Retiming part：以下、“ＣＤＲ”と称する）２６５に入力される。ただし、パケットのデータ部分は、一般的に受信器の同期過程のための分割の情報がないので、別途のアナログ同期部のようなクロック復元・データ再整列部２６５が存在する。この際、データに追加の同期情報がないので、クロック復元・データ再整列部２６５は、タイミング同期過程を実行すると同時にデータを抽出しなければならない。しかしながら、入力レベルが非常に低い場合には、クロック復元・データ再整列部２６５が誤動作し、性能低下を引き起こす可能性がある。この後に、クロック復元・データ再整列部２６５の出力は、次の段階であるデジタル受信部に伝達される。

上述したようなデータ送信装置の構成要素の中でも、周波数選択的拡散器２３０について説明する。図４は、周波数選択的拡散器の構造を示す。ここで、周波数選択的拡散器２３０は、Ｎ個の入力を受信し、２^Ｎ個の種類を有し、長さが２^Ｌ１であるシーケンスの中の１つを選択することにより次の段階に伝達する。このような周波数選択的拡散器２３０で使用されるシーケンスは、（２^Ｌ１，２^Ｌ１）アダマール（Hadamard）シーケンスの中で相対的に高い帯域にあるエネルギーが分布している２^Ｎ個のシーケンスである。このように、周波数選択的拡散器で使用されるシーケンスは、帯域効率を考慮して特定のコード、すなわち、アダマールコードだけで選択されなければならない。このようなアダマールコードは、相互相関特性が悪いために、場合によっては、相互相関特性がよいシーケンスを適用する必要性がある。

図５を参照して周波数選択的拡散器２３０の周波数帯域特性について説明する。図５に示すように、図４の周波数選択的拡散器２３０を介して送信データを希望する帯域に拡散して送信することができ、この際に送信される帯域の中心周波数は、（Ｃ・Ｒ・２^Ｌ１）／（２・Ｎ）となる。

送信しようとするデータの送信率Ｃが２Ｍｂｐｓであり、Ｎ：１直並列変換器のＮが４であり、シンボル反復器のＲが１である場合に、周波数選択的拡散器のシーケンス長さは６４である。この際に、最終出力レートは、３２ＭＨｚであり、送信中心周波数は、１６ＭＨｚである。また、周波数選択的拡散器に使用される１６個のシーケンスは、（６４，６４）アダマール（Hadamard）シーケンスの中で相対的に１６ＭＨｚに多くのエネルギーを分布しているシーケンスとして選択される。送信しようとするデータの送信率Ｃが１Ｍｂｐｓであり、直並列変換器のＮが４であり、シンボル反復器のＲが１である場合に、周波数選択的拡散器のシーケンス長さは６４である。この際に、最終出力レートは、１６ＭＨｚである。しかしながら、この際の送信中心周波数は、８ＭＨｚにまで低くなる。送信中心周波数が低くなる場合には、人体ノイズによる影響が大きくなるので、これを補完するためには、シンボル反復器のＲは２とならなければならない。この際の送信中心周波数は、１６ＭＨｚに維持されるが、１Ｍｂｐｓの場合には、２Ｍｂｐｓと同一の送信帯域幅を有する。

上述したように、中心周波数が２の倍数又は逆数だけに変更することができるので、干渉信号による中心周波数の移動の際に制約がある。また、２の倍数だけに増加する場合には、放射特性が非常によくなるので、人体を介したデータ送信でない放射によるデータ送信が行われ得る。このような場合に、システムの電力消費も大きくなり得る。したがって、中心周波数を簡便に移動することができる方法が必要である。また、低速データの送信の際にも中心周波数を維持するために同一の帯域幅を維持しなければならないので、帯域効率が低下し得る。したがって、これに基づいて送信帯域を最小化しつつも帯域効率を最大化することができる方法が必要である。

以下、本発明の第１の実施形態は、中心周波数の選択及び送信帯域の最小化が可能な人体通信システムを提案し、その人体通信システムでもデータ送信装置に関する。本発明の第２の実施形態は、中心周波数の選択及び送信帯域の最小化だけでなく、データ速度及び変調などを制御することができる人体通信システムを提案する。

まず、本発明による第１の実施形態に対応する人体通信システムは、概してデータ送信装置及びデータ受信装置で構成される。図７を参照してデータ送信装置の構造を説明する。この際に、データからの効率的な送信のために図６に示すようなパケット構造を提案する。図６に示すように、本発明によるパケット構造は、プリアンブル６００と、フレーム開始デリミター（Start Frame Delimiter：以下、“ＳＦＤ”と称する）６１０と、ヘッダー６２０と、パイロット６４０、６６０、．．．、６８０と、データ６３０、６５０、６７０、．．．、６９０とを含む。データの間にパイロットという同期コードを挿入することにより受信器でクロック復元及びデータ抽出のためのＣＤＲが不必要である。プリアンブルを数回反復してＳＦＤの開始点を把握した後に、プリアンブルとは異なるシーケンスが割り当てられたＳＦＤを伝達することにより正確にヘッダーの開始時点を把握する。したがって、簡単な１ビット比較器とデジタル回路だけでもデータ受信過程で発生する時間誤差を補償することが可能である。

図７を参照すると、媒体アクセス制御（Media Access Control：以下、“ＭＡＣ”と称する）送受信処理器７００は、データ送信装置及びデータ受信装置の共通構成部であり、低周波数帯域でデータを送信するデータ送信装置において、ＭＡＣ送受信処理器７００は、データを送信する送信処理器として動作する。本発明の第１の実施形態による中心周波数の選択は、データ送信装置で実行される動作であるので、図７では、本発明の第１の実施形態と関連が少ないデータ受信装置の具体的な構成部は図示しなかった。

このようなＭＡＣ送受信処理器７００を含むデータ送信装置は、プリアンブル生成器７０５と、ヘッダー生成器７１５と、データ生成器７２５と、直並列変換器７３０と、直交変調器７３５と、多重化器７４０とを含む。図６のようなパケット構造を作るために、データ送信装置は、追加でＳＦＤ生成器７１０及びパイロット生成器７２０を備える。特に、本発明では、多重化器７４０の出力を特定の周波数に遷移させるための周波数遷移器７４５をさらに含む。

ＭＡＣ送受信処理器７００は、パケットを構成するための情報を構成部７０５、７１０、７１５、７２０、７２５に送信する。このような情報の送信に従って、プリアンブル生成器７０５は、プリアンブル信号を生成し、ＳＦＤ生成器７１０は、ヘッダー情報の開始点を通知するためのＳＦＤを生成し、ヘッダー生成器７１５は、パケットヘッダー情報を生成し、パイロット生成器７２０は、データ受信の際に同期過程が可能であるようにパイロットを生成し、データ生成器７２５は、データを生成する。図６のようなプリアンブル、ＳＦＤ、及びパイロットで構成されたパケットを送信する場合に、各シーケンスの出力レートを直交変調器７３５に合せるようにすることにより、最終出力端での送信帯域を一致させる。データ送信装置は、同一のプリアンブルを数回反復して送信した後にＳＦＤを送信し、ヘッダー送信の後にデータを伝達する際に一定の周期ごとにパイロットを挿入して送信する。このようなパイロットを挿入することにより、受信側では、ＣＤＲの代わりに１つの１ビット比較器とデジタル回路だけで実現することができる。

次いで、直並列変換器７３０は、データの直並列変換を行うことにより、データ生成器７２５からシンボルへ変更する場合に、直交変調器７３５は、直並列変換器７３０のシンボルを相互直交特性を有するシーケンスの中の１つにマッピングする。この際に、プリアンブル生成器７０５、ＳＦＤ生成器７１０、及びパイロット生成器７２０の出力レートは、全パケットの送信帯域を同一に保持するように、直交変調器７３５の出力レートと同一に送信する。

具体的には、データ生成器７２５から伝達されるデータ送信率がＣである場合に、Ｎ：１直並列変換器７３０を経てＮビットを有するシンボルに変換する。この変換されたシンボルは、種類が２^Ｎであり長さが２^Ｌ２であるシーケンスを有する直交変調器７３５に伝達される。直交変調器７３５では、Ｎビットの情報に従って２^Ｎのシーケンスの中の１つをマッピングすることにより多重化器７４０に伝達する。このような場合に、直交変調器７３５の出力レートは、（Ｃ・２^Ｌ２）／Ｎとなる。ここで使用される直交変調器７３５は、周波数特性を考慮する必要がないので、直交コードでアダマールコードの代わりにアダマールコードより相互相関特性がよい直交コードを適用することができ、これを介して受信器で安定した性能を保証することができる。

多重化器７４０は、プリアンブル生成器７０５、ＳＦＤ生成器７１０、ヘッダー生成器７１５、パイロット生成器７２０、及び直交変調器７３５から出力された信号を時分割的に選択する。多重化器の出力は、周波数遷移器７４５から周波数遷移シーケンスを用いて特定の周波数に遷移される。具体的に、多重化器７４０から伝達される出力は、周波数遷移器７４５に伝達され、周波数遷移器７４５は、送信しようとする周波数がｆ_ｏの場合に、２・ｆ_ｏの出力レートを有する周波数遷移シーケンスを多重化器７４０の出力に乗じる。ここで、周波数遷移シーケンスの代表的な例が‘１’及び‘０’が反復されるシーケンスであるが、本発明では、これに限定されない。周波数遷移された信号は、送信／受信スイッチ７５０を経て信号電極７５５を介して外部に送信される。このような周波数遷移器の構造は、図８のようである。図８に示すように、周波数遷移器による中心周波数は、直交変調器７３５の出力レート（Ｃ・２^Ｌ２）／Ｎの自然数の倍に設定することができる。すなわち、中心周波数ｆ_ｏは、ｎ・（Ｃ・２^Ｌ２）／Ｎとなる。このようにすることにより様々な中心周波数を得ると同時に、もう１度拡散利得を得ることができる。

上述したように、低周波数帯域で特定の中心周波数にデータを送信するために、データを直並列変換器７３０を介して直並列変換し、直交変調器７３５を介して直交変調した後に周波数遷移シーケンスを用いて基底帯域のデータを所望する周波数帯域に移動することができる。この際に、周波数遷移シーケンスとして‘０’及び‘１’が反復されるシーケンスが使用される。

一方、人体通信システムにおけるデータ受信装置は、アナログ受信器であり、雑音除去フィルター７６５と、増幅器７７０と、１ビット比較器７７５とを含む。１ビット比較器７７５は、次の段階であるデジタル受信部に伝達される。この以外のデータ受信装置の構成は、本発明の第１の実施形態と関連が少ないので図示を省略する。したがって、具体的な説明も省略する。

上述したような構造を有するデータ送信装置を使用した場合の人体通信システムの送信周波数特性は、図９に示すように現れる。図９に示すように、送信帯域の帯域幅は、直交変調器の出力レート（（Ｃ・２^Ｌ２）／Ｎ）により可変的であることが分かり、これは、データ送信率（Ｃ）を低くする場合に帯域幅を減少させることができる機能を提供する。すなわち、送信帯域幅（ＢＷ）は、データ送信率（Ｃ）、直交変調器の長さ（２^Ｌ２）、及びＮ：１直並列変換器のＮにより可変的に調節することができる。

システムのデータ送信率Ｃが２Ｍｂｐｓであり、Ｎが４である直並列変換器と、１６個の長さが１６であるシーケンスを有する直交変調器と、中心周波数が１６ＭＨｚであり、出力レートが３２ＭＨｚである周波数遷移シーケンスを使用した場合に、出力データは、中心周波数が１６ＭＨｚであり、帯域幅が８ＭＨｚである帯域特性を有する。他方、１Ｍｂｐｓの場合には、帯域幅が４ＭＨｚに減少するが、中心周波数は１６ＭＨｚに保持される。すなわち、図２とは異なり、送信率が低くなる場合に帯域効率もよくなる。

これとは異なり、２Ｍｂｐｓのデータレートを１６ＭＨｚ搬送波に乗せて伝達する場合に、この帯域に干渉成分が存在する場合には、図２のような構造では、１６ＭＨｚの２倍の高い周波数、すなわち、３２ＭＨｚに移動しなければならない。図７のような構造では、直交変調器の出力レート（８ＭＨｚ）を４倍にすることにより図２におけるように３２ＭＨｚに移動し得るだけでなく、直交変調器の出力レートを３倍にすることにより２４ＭＨｚの搬送波でデータを送信し得る。これを介して干渉を容易に回避することができ、送信データの放射特性を抑制することができると同時に電力消費の増加も最小化することができる。

以下、本発明の第２の実施形態による人体周辺電界を用いる非接触データ送信が可能な人体通信システムの構造を図１０を参照して説明する。図１０は、本発明の第２の実施形態による人体通信システムの構造を示す図である。このような人体通信システムにおいて、非接触状態でそのシステムの安定した運用のために待機（Idle）制御、ディップスリープ（deep sleep）制御、及び保安（security）制御などが伴わなければならず、以下では、このような様々な情報などを含むシステム設計を提案する。

図１０での人体通信システムもデータ送信装置及びデータ受信装置で構成され、送信及び受信をすべて実行する共通構成部を有する。このような共通構成部である送受信部は、データの送信又は受信を行うためにパケットフォーマットを定義するＭＡＣ送受信処理器１００と、マイクロコントローラ（Micro Controller Unit：以下、“ＭＣＵ”と称する）とモデムを接続するホストインターフェース１０５と、モデム及び各種信号を制御するＭＣＵ１１０とを含む。

データ送信装置は、ＭＡＣ送受信処理器１００で生成される通信信号を伝達する送信回路１１５と、送信回路１１５からの出力を外部に伝達するための送受信スイッチ１２０と、電極１２５とを備える。送受信スイッチ１２０の場合に、一般的に１つの電極で人体通信システムを構成するためにかならず必要な構成要素であり、送信及び受信の際のスイッチを調節する機能をする。この信号は、送受信部のモデムで生成され得、ソフトウェア（Ｓ／Ｗ）の操作によっても生成され得る。

一方、図１０では、送信回路１１５の具体的な構成部を図示していないが、図７の構成部であるプリアンブル生成器７０５から周波数遷移器７４５までの構成部に置き換えられることができることはもちろんである。したがって、送信回路１１５は、ＭＡＣ送受信処理器１００で定義されたパケットフォーマットに従って生成されたデータを特定の周波数を用いて送信することができる。このような場合に、送信回路１１５からの出力は、周波数遷移器からの出力と同様である。したがって、本発明の第２の実施形態による人体通信システムも周波数遷移器を含むことにより中心周波数の選択及び送信帯域の最小化が可能となる。

データ受信装置は、受信された微弱な電界信号の増幅及び雑音除去を行うためのアナログフロントエンド（Analog Front End：以下、“ＡＦＥと称する”）回路１３０と、デジタル信号に変換するための比較器／アナログデジタルコンバータ（A/D Convertor：以下、“ＡＤＣ”と称する）１３５と、入力信号のサイズを測定し、信号サイズに従って制御するための受信信号強度指示（Received signal strength indication：以下、“ＲＳＳＩ”と称する）測定部／自動利得制御部（Automatic Gain Control：以下、“ＡＧＣ”と称する）１４０と、人体近接の感知に従う近接センサー値を出力する近接センサー（proximity sensor）１４５と、近接センサー１４５及びＲＳＳＩ測定部／ＡＧＣ部１４０からの信号を時分割的に選択して出力する多重化器１５０と、比較器／ＡＤＣ１３５を介して入力された受信信号及び多重化器１５０からの信号を処理する受信回路１５５とから構成される。ＡＦＥ１３０からの信号は、信号強度を比較してデジタル信号に変換され、このために、比較器及びアナログデジタル変換器の中の１つを選択的に使用することができる。アナログデジタル変換器でデジタル信号の変換が行われる場合に、ＲＳＳＩ測定も自動利得調整部で実行することができる。すなわち、自動利得調整部は、受信信号強度も測定することができる受信信号強度測定部としての機能をし、その測定結果で自動利得制御を実行する。図１０では、ＲＳＳＩ測定部及びＡＧＣは、説明の便宜のために１つの構成部で図示したが、分離することができることはもちろんである。同様に、ＡＤＣと比較器も分離することができる。

上述したような構成を有するデータ送信装置の場合に、電界通信を最適化することができるように周波数及び帯域幅、連続的な符号化（Sequential Coding）などの変数を介して制御し、これは、チャネル状況に従って非常に異なる構造を有する。データ受信装置の場合では、電極１２５を介して流入した微弱な電界信号は、ＡＦＥ１３０を経て一定の程度増幅及びフィルタリング過程を介して比較器／ＡＤＣ１３５に伝達される。この際に、比較器／ＡＤＣ１３５は、流入した信号の大きさを比較し、その信号の大きさに従ってデジタル信号に変換することによりＲＳＳＩを測定することができる。入力された信号強度は、チャネル状況、すなわち、グラウンドカップリング（Ground Coupling）が良好であるか否かに従って測定される。

ここで、比較器／ＡＤＣ１３５は、ＡＦＥ１３０内のいずれの位置でも入力信号の受信信号強度を測定することができ、これに基づいて自動利得調整（Auto Gain Control）を行うための入力信号を生成することができる。ＡＦＥ１３０のいずれの位置でも比較器／ＡＤＣ１３５でＲＳＳＩを測定する理由は、グラウンドカップリング状況が良好な場合、すなわち、チャネル環境がよい場合に、増幅器（以下、“ＡＭＰ”と称する）の後の段階又はフィルターの後の段階で信号がすでに飽和（Saturation）され得るためである。測定されたＲＳＳＩ信号は、信号入力の強度を示し、これは、非接触で構成されている電界通信のチャネル状態を知らせる重要な変数である。すなわち、人の人体が近くあるか、他のいずれの要素でグラウンドカップリング状態がよくなった際に、ＲＳＳＩ値は大きくなる。これを使用する場合に、複数のデバイスにチャネル優先権を与え得、人体からの距離の感知などの様々な用途として活用し得る。

このように測定されたＲＳＳＩは、ＡＦＥ１３０自体の利得制御のために使用される。また、測定されたＲＳＳＩは、データ受信装置での周波数、フィルター帯域幅及び利得、拡散因子（Spreading Factor）、データ率（Data Rate）、及び連続的な符号などの選択に基づいて使用される。ユーザからの視点では、このようなＲＳＳＩは、技術の使用シナリオに従って電極が接触したか否かを判定するために使用され、マルチユーザの場合には、もっともチャネル状態がよいユーザを区分するために使用される。また、このようなＲＳＳＩ値は、人の特定のモーションに対しても差があるので、この制御値をＭＣＵ１１０に提供する場合に、人のモーションに関連した様々な入力制御信号を提供することができる。すなわち、ＭＣＵ１１０は、ＲＳＳＩ値又は近接センサー値を用いて電極１２５が非接触したか否かを判定し、この判定の結果に基づいて制御信号を出力する。また、このようなＲＳＳＩ値は、近接センサー１４５の制御でもある程度構成が可能であり、人体状況のみに対して情報の収集が可能であるので、制御信号が受信回路１５５、ＭＣＵ１１０、及びＡＦＥ１３０に伝達することができる。

さらに、人体周辺電界を用いる非接触人体通信システムにおいて、ＭＣＵ１１０は、全体的なシステムを制御し、これは、大部分待機動作に属しているシステム全体を制御するためである。一般的に、このようなシステムを実現するためには、スロットフレーム（Slotted Frame）構造で設計されており、このようなスロットフレームに基づいて待機タイミングを制御する。待機状態からウェークアップ状態に転換される場合にも、ＲＳＳＩ測定部１４０からの入力信号及び近接センサー１４５を介して入力を制御することができる。

上述したように、本発明の第２の実施形態は、人体周辺の電界を用いてユーザが非接触状態でも通信を可能にするシステムに関し、低周波数帯域でデータを送信することができ、人体通信の場合に、中心周波数の選択、送信帯域の最小化、中心周波数、データ速度、及び変調などを制御することができる。

以上、本発明を具体的な実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明の範囲及び趣旨を逸脱することなく様々な変更が可能であるということは、当業者には明らかであり、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるべきではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものの範囲内で定められるべきである。

７００ＭＡＣ送受信生成器
７０５プリアンブル生成器
７１０ＳＤＦ生成器
７１５ヘッダー生成器
７２０パイロット生成器
７２５データ生成器

Claims

人体通信システムにおける低周波数帯域でのデータ送信装置であって、
プリアンブルを生成するプリアンブル生成器と、
パケットヘッダー情報を生成するヘッダー生成器と、
データを生成するデータ生成器と、
前記プリアンブル、開始フレームデリミター（ＳＦＤ）、前記パケットヘッダー情報、及び前記データで構成されるパケットを送信する場合に、前記パケットヘッダー情報の開始を通知するための開始フレームデリミターを生成する開始フレームデリミター生成器と、
データ同期化のためのパイロットを生成するパイロット生成器と、
前記データ生成器からの前記データを直並列変換することによりシンボルに変更する直並列変換器と、
前記直並列変換器からのシンボルを相互直交特性を有するシーケンスの中の１つにマッピングするための直交変調器と、
前記データ生成器からの前記データを送信する際に、所定の周期ごとに前記パイロット生成器から前記生成されたパイロットが挿入されるように前記プリアンブル生成器、前記ヘッダー生成器、前記直交変調器、前記開始フレームデリミター生成器及び前記パイロット生成器から出力された信号を時間分割的に選択する多重化器と、
前記多重化器の出力を特定の周波数に遷移させる周波数遷移器と
を有することを特徴とするデータ送信装置。
前記周波数遷移器は、
前記多重化器の出力を２倍とする周波数遷移シーケンスを用いて特定の周波数に遷移させることを特徴とする請求項１に記載のデータ送信装置。
前記周波数遷移器は、
前記周波数遷移シーケンスとして‘０’及び‘１’が反復されるシーケンスを使用することを特徴とする請求項２に記載のデータ送信装置。
前記データ送信装置の送信帯域幅（ＢＷ）は、
データ送信率（Ｃ）、前記直交変調器の長さ（２^Ｌ２）、及びＮ：１の前記直並列変換器のＮにより可変的に調節されることを特徴とする請求項１に記載のデータ送信装置。
前記周波数遷移器による中心周波数は、
前記直交変調器の出力レート（Ｃ・２^Ｌ２）／Ｎの自然数の倍に設定されることを特徴とする請求項４に記載のデータ送信装置。
前記データ送信装置は、
前記プリアンブル、開始フレームデリミター（ＳＦＤ）、ヘッダー、パイロット及びデータで構成されたパケットを送信する場合に、最終出力端での送信帯域を一致させるために前記各シーケンスの出力レートを前記直交変調器に合うようにすることを特徴とする請求項１に記載のデータ送信装置。
前記データ送信装置は、
前記プリアンブル生成器からの前記プリアンブルを、１回または２回以上反復して送信した後に、前記開始フレームデリミター生成器からの前記開始フレームデリミターを送信し、前記ヘッダー生成器から生成されたヘッダーの送信の後に前記データ生成器から生成されたデータを送信する際に、所定の周期ごとに前記パイロット生成器から生成されたパイロットを挿入して送信することを特徴とする請求項１に記載のデータ送信装置。
人体通信システムにおける低周波数帯域でのデータ送信方法であって、
プリアンブル、パケットヘッダー情報、及びデータを生成するステップと、
前記プリアンブル、開始フレームデリミター（ＳＦＤ）、前記パケットヘッダー情報、及び前記データで構成されるパケットを送信する場合に、前記パケットヘッダー情報の開始を通知するための開始フレームデリミターを生成するステップと、
データ同期化のためのパイロットを生成するステップと、
前記生成されたデータを直並列変換することによりシンボルに変更するステップと、
前記シンボルを相互直交特性を有するシーケンスの中の１つにマッピングするステップと、
前記データを送信する際に、所定の周期ごとに前記生成されたパイロットが挿入されるように前記プリアンブル、前記パケットヘッダー情報、前記開始フレームデリミター、前記パイロット及び前記マッピングされた信号を時間分割的に選択するステップと、
前記選択された信号を特定の周波数に遷移させるステップと
を有することを特徴とするデータ送信方法。
前記特定の周波数に遷移させるステップは、
周波数遷移シーケンスを使用することを特徴とする請求項８に記載のデータ送信方法。
前記周波数遷移に従う中心周波数は、
前記マッピングされた信号の出力レート（Ｃ・２^Ｌ２）／Ｎの自然数の倍に設定されることを特徴とする請求項８に記載のデータ送信方法。