JP5578528B2 - ボディ結合通信システムのための広帯域通信 - Google Patents

Description

本発明は、ボディ結合通信信号を処理するための通信装置、方法及びコンピュータプログラムに関する。

ボディ結合通信（ＢＣＣ）又はボディベースの通信は、ボディ領域ネットワークに基づいた、無線周波数（ＲＦ）通信に対する有望な代替例として提案された。ＢＣＣは、人体若しくは動物体に又はその付近にある複数の装置間での情報の交換を可能にする。これは、ボディ（身体）表面上との低エネルギー電界の容量性結合又はガルヴァーニ結合により達成できる。信号は、空気を通じる代わりに身体上を伝達される。このように、通信は、非常に大きな領域がカバーされるＲＦ通信とは対照的に、身体近くの領域に限定される。従って、通信は、身体上に位置される、接続される又は近くに置かれた装置間で可能である。その上、ＲＦベースの低いレンジの通信において通常適用されるよりも低い周波数が適用されるので、この通信は、ボディ領域ネットワーク（ＢＡＮ）又は個人領域ネットワーク（ＰＡＮ）の低コスト且つ低出力実行のドアを開ける。よって、人体が通信チャネルとして利用されるので、ＢＡＮのために一般に使用される標準ラジオシステム（例えばＺｉｇＢｅｅ又はブルートゥースシステム）より、当該通信は非常に低電力消費で行われ得る。ＢＣＣは身体近くで通常適用されるので、これは接触又は近接に基づいた新規及び直観的なボディ―装置インタフェースを実現するために使用できる。これは、識別及びセキュリティの分野の多くのアプリケーションの可能性を作り出す。

図１は、ＢＣＣ通信システムにおける人体の関与を示すブロック線図を示す。直接の皮膚接触がない小型のＢＣＣ装置が、人体との容量性結合を利用することにより実現できる。２―電極ＴＸ装置は、人体と結合される可変的な電界を生成する。２―電極ＲＸ装置は、環境（空気又はアースグランド）に対する人体の可変電位を検出する。測定は、典型的なボディチャネルが高域特性を持つことを示し、低い方のコーナー周波数が、ＲＸ装置の入力インピーダンスによって、及び電極のキャパシタンスによって決定される。信号減衰は、静的な又は動的人体上の様々な距離に置かれる装置に対して８０ｄＢ未満である。干渉に関しては、身体が１ＭＨｚより低い周波数帯域において干渉の大きな量を取り上げる一方、それより高い周波数に対して、干渉のレベルが７０ｄＢｍより低くとどまり、それらの周波数スペクトルは環境に大いに依存している。よって、この帯域がヘルスケア又は消費者向けアプリケーション（最高１０Ｍｂ／ｓ）に対して充分なデータレートを提供し、身体が効率的なアンテナとして動作せず無線周波数（ＲＦ）干渉の影響がより少ないので、確立したボディ―チャネル特性は、１―３０ＭＨｚ間の周波数帯域をＢＣＣのために特に魅力的にする。

ＢＣＣは、例えば、クレジットカード又は身体に取付けられるか又は身体近くに装着された他の適切な装置に集積される小さな身体着用タグにより生成される電界により技術的に実現できる。このタグは、低出力信号を身体と容量的に又はガルヴァーニ的に結合させる。時々、このボディ結合通信は、「近傍体内通信」と呼ばれる。ＢＣＣは、人体上及びその近くの電子回路装置が、人体自体を介した容量性結合又はガルヴァーニ結合を通じてデジタル情報を交換できる無線技術である。情報は、電界を変調し、小さい電流を身体と容量的に又はガルヴァーニ的に結合させることにより送信される。身体は、身体に取り付けられた受信器へこの小さい信号を導く。環境（空気又はアースグランド）は、伝達された信号のための戻り経路を供給する。

図２は、データ信号が身体近くに又は身体上に配置されるカプラを介して送信される例示的なボディ通信システム構造を示す。これらのカプラは、データ信号を身体にガルヴァーニ的に又は容量的に送る。図２の例では、一方のカプラ又は電極がグランド電位ＧＮＤを供給し、他方のカプラ又は電極が信号Ｓを送信／受信するために使用される。図１では、送信器（ＴＸ）１０から受信器（ＲＸ）２０へ腕を介した送信が示されている。一般に、各ノードは、送信器及び受信器として、すなわちトランシーバ（ＴＲＸ）として原則動作でき、通信は身体上のあらゆる所から起こすことができる。ボディチャネルを介したデータ送信が、約１００ｋＨｚから最高約１００ＭＨｚまでの周波数に対して使用できる。１００ｋＨｚより低い周波数は、ボディチャネルにおける重要な静電的干渉により影響を受けやすい。波長が、１００ＭＨｚを超える周波数では、すなわち＜３ｍなので、人体（の一部）の長さの範囲内に来る。結果的に、人体はアンテナとして作用し始める。結果的に、異なる身体に位置されるＢＣＣノードが、「人体アンテナ」を使用して互いに通信できでしまう可能性がある。更により高い周波数に対して、カプラさえ、アンテナとして作用し始める。よって、（人の）身体が通信媒体として存在しないときも、通信は起こり得る。同じ（人の）身体上に又は身体近くに配置される装置だけが通信すると推定されているので、両方の効果とも望ましくない。

ボディチャネルの特性及び対象の帯域幅を考えると、ＢＣＣに対する興味深いソリューションは、変調又はアップコンバージョンなしの人体へのデジタル広帯域信号の直接結合であることがわかった。ＢＣＣ通信に対する広帯域のデジタル信号の使用は、非常に低い電力消費量及び単純な設定可能性を持って高いビットレートを提供する効率的な態様である。そうであるにもかかわらず、このアプローチは、この種の信号を正しく受信するために十分に大きな帯域幅を持つ受信器を必要とするので、結果的に環境ノイズ及び干渉を受けやすい。今までに提案された受信器のアーキテクチャは、重要な高域フィルタリングを実施し、信号遷移に対応するピークを検出することにより、この課題を解決している。しかしながら、斯様なアプローチは、ハイパスフィルタリングも広帯域の所望の信号を減衰し、受信器チェーンが、ボディチャネルの特定の特性のため最も現れそうである高めの周波数により干渉を受けやすいという問題に悩まされている。

本発明の目的は、ボディ結合又はボディベースの通信システムにおける改良された広帯域のデータ伝播を提供することにある。

この目的は、請求項１に記載の通信装置、請求項１５に記載の方法及び請求項１６に記載のコンピュータプログラムにより達成される。

従って、提案された受信器アプローチは、ハードウェアの複雑さ、エネルギー効率及び設定可能性に関して初めに言及された利点を提供するために、人体又は動物体を介して、広帯域のデジタル信号の送信を可能にする。当該アプローチは、所望の入力信号を減衰させることなく、又はその形状を変えることなく、チャネル内に予測される低周波干渉を雑音除去するために、受信器チェーンの入力部でスイッチベースのフィルタリングを利用する。このフィルタアプローチの他の利点は、フィルタの動作が、ＢＣＣカプラの異なる実行の間に重大な変動を受ける入力寄生キャパシタンスの実際値に対してあまり影響されないということである。

その上、提案された受信アプローチは、時間同期だけでなくデータ検出を供給するための相関にも基づく。相関に基づく信号検出が、予想される入力信号に無相関である干渉を減衰できるので、これはスイッチベースのフィルタリングに対して特に示唆される。ＲＸ期間の間、受信器は、相当に広い帯域にわたって受信可能であってかなりの量の干渉を拾いそうなので、これは特に有利である。相関器装置は、単一の相関器でもよいし、又は少なくとも２つの並列相関器の装置を有する複合相関器であってもよい。

第１の態様によると、提案される通信構造は、例えばトランシーバ機器又は装置で実行でき、またその上、信号遷移を用いることにより、ボディ結合された送信信号を符号化するための符号器を有する。これは、提案されたスイッチベースのフィルタリングにより除去されるＤＣ（直流）成分なしで、送信されるべき符号化信号が送信期間（又はチップ期間）当たり少なくとも一つの信号遷移を有するという利点を提供する。第１の態様のさらに特定の例では、前記符号器は、拡散符号を適用し、その後マンチェスター符号を適用する。拡散符号は、所望のターゲット信頼性を達成するための冗長性を供給し、マンチェスター符号化は、少なくとも一つの信号遷移が送信期間当たりに供給されることを確実にする。

第１の態様と組み合わされてもよい第２の態様によると、前記入力フィルタは、前記受信信号のデータレートに実質的に等しい周波数で動作される。この手段は、送信器側からの受信信号が受信されることになる当該送信器側の出力部での信号遷移が、入力フィルタのスイッチが開いていて、従って効果的に計算できる時間内で発生することを確実にできる。

第１及び第２の態様の任意の一つと組み合わせられる第３の態様によると、前記入力フィルタは、連続的な受信期間の間、前記ボディ結合通信信号を受信するために使用される差動入力カプラを短絡する。これは、受信／送信信号のビットレートがフィルタリングの効果に影響を及ぼすことなくアプリケーションに適しているという利点を提供し、前述の効果は、入力カプラ又は電極が短絡される（例えば、スイッチが閉じる）時間を単に増大させるか又は減少させることによりスイッチが開かれる期間の長さに依存する。

第１乃至第３の態様の任意の一つと組み合わせられる第４の態様によると、前記入力フィルタは、前記通信装置の入力電極から増幅器をＤＣ分離したり、周期的にＤＣ状態をリセットするために前記増幅器の入力部及び出力部を短絡したりするのに適している。これにより、何れのＤＣ歪み又は影響が防止できる。

第１乃至第４の態様の任意の一つと組み合わせられる第５の態様によると、前記相関器装置が、前記受信信号と前記基準信号（すなわち、受信器システムの時間基準）との間の位相差を示す位相情報を供給する第１の相関器を有する。位相情報は、受信器システムの時間基準の位相を調整するためにタイミングコントローラに供給される。これにより、送信器側と受信器側との間の所望の同期が達成できる。

第１乃至第５の態様の任意の一つと組み合わせられる第６の態様によると、前記相関器装置の第１及び第２の相関器の少なくとも一つが、前記受信信号と、前記同期信号又は前記基準信号、それぞれのデジタルテンプレートとのアナログ乗算により実行される。斯様なアナログアプローチは、デジタルテンプレートが１ビットだけに減少する速くて簡易なアプローチを供給する。第６の態様のより特定の例において、受信期間にわたって前記アナログ乗算の結果を積分するための積分器が提供される。これは、データ及び／又は同期情報を得るための相関の簡易な決定を提供する。

第１乃至第６の態様の任意の一つと組み合わせられる第７の態様によると、第１の相関のサンプリングされた出力値により制御される発振器が提供され、前記発振器が、前記同期信号及び前記基準信号を生成するための時間ベースとして使用される内蔵クロックを生成する。よって、好適な同期ループが提供できる。この目的のために、第１の相関のサンプリングされた出力は、前述の同期ループの安定性を確実にするためにフィルタリングされる。

第１乃至第７の態様の任意の一つと組み合わせられる第８の態様によると、第２の相関のチップレベル出力信号を受信し、シンボルレベル同期を実施するための第３の相関器が提供される。これにより、テンプレート生成のための正しく且つ同期されたコードシーケンスが提供できる。第８の態様のさらに特定の例では、第３の相関器がデジタル相関を実施し、第２の相関がアナログ相関である。これは、追加の利点として、アナログの相関の出力ストリームとデジタル相関の出力ストリームとの間の比較が、受信信号の品質の尺度として使用できることを提供する。

第１乃至第８の態様の任意の一つと組み合わせられる第９の態様によると、通信装置は、復号化信号の極性に従って第２の相関の前記出力値の極性を制御するための極性制御要素を更に有し、前記極性制御要素の出力がフィルタを介して前記発振器を制御するために使用される。

第１乃至第９の態様の任意の一つと組み合わせられる第１０の態様によると、通信装置は、シンボルレベルの相関を得るために、シンボル期間にわたって第２の相関の前記出力値を蓄積するためのアキュムレータを更に有する。

通信装置がＢＣＣ信号のための受信器、送信器又はトランシーバであり、ディスクリートのハードウェア部品を持つディスクリートのハードウェア回路として、集積チップとして、チップモジュールの装置として、又はメモリに格納されたプログラム若しくはソフトウェアルーチンにより制御される信号処理装置若しくはチップとして実行されることに留意されたい。上記の実行オプションは、図１及び／又は図２にて図示されるように、ＴＸ及び／又はＲＸ装置の部品として供給できる。

他の有利な実施例が以下に定められる。

本発明は、例として、添付の図面を参照して実施例に基づいて説明されるだろう。

図１は、ＢＣＣシステム内の模式的な人体及びその関与を示す。 図２は、ＢＣＣシステムの電極アレンジメントを示す。 図３は、ＢＣＣチャネルのための従来の高域フィルタリングを備える模式的回路図を示す。 図４は、実施例によるスイッチベースのフィルタリングを備える模式的回路図を示す。 図５Ａ及び図５Ｂは、実施例によるスイッチベースのフィルタリングの周波数及び時間領域応答を示す。 図６は、実施例による異なるデータレート構成に対する波形線図を示す。 図７は、実施例による広帯域送信アプローチの流れ図を示す。 図８は、実施例によるトランシーバ装置の模式的ブロック図を示す。 図９は、実施例によるトランシーバ装置のより詳細な模式的ブロック図を示す。 図１０は、実施例で使用される増幅回路の模式的回路図を示す。 図１１は、実施例で使用される変調器回路の模式的回路図を示す。 図１２は、実施例で使用される相関回路の模式的回路図を示す。

本発明の様々な実施形態は、ＰＡＮ及びＢＡＮのための無線周波数（ＲＦ）通信に代わるものとして、ＢＣＣシステムに基づいて説明される。既に上述した様に、ＢＣＣ信号は、空気を介する代わりに身体上で伝達される。このように、非常に大きい領域がカバーされるＲＦ通信とは対照的に、この通信は身体近くの領域に限定される。従って、ＴＸ及びＲＸ装置は、身体上に位置され、接続され又は付近に配置される。これは、識別及びセキュリティの分野の多くのアプリケーションに対する可能性を作る。その上、ＲＦ通信の周波数よりも低い周波数が適用されるので、この通信は、ＢＡＮ／ＰＡＮの低コスト及び低パワー実行へのドアを開ける。データ信号は、アンテナにより送信されないが、例えば電極から成る「カプラ」を使用する。これらのカプラは、データ信号を身体に例えばガルヴァーニ的に又は容量的に結合するように構成される。

図３は、従来のシステムで提案されるように、受信器ノードでの周波数領域の高域フィルタリングを備えるボディ結合された通信チャネルの基本構成の模式的回路図を示す。

受信器は、人体又は動物（Ｂ）３０の様々な静電ポテンシャルを感知する２つの電極装置である。第１のオーダー近似値として、一方の電極が第１のキャパシタンスＣ_ｂｏｄｙを介して身体３０に容量性結合される一方、他方の電極が第２のキャパシタンスＣ_ｅｎｖを介して周囲の接地点（グランド）に容量性結合されると言える。２つの電極は、寄生キャパシタンスＣ_ｅｌｅを介して互いに結合されてもいる。信号経路が受信器にＡＣ（交流）結合されているという事実のため、受信器自体の入力インピーダンス（ここで、オーミック抵抗Ｒ_ｉｎとして示される）は、受信器ノードでハイパスフィルタリングを決定し、ロールオフ周波数は１／２πＲ_ｉｎ（Ｃ_ｅｌｅ＋Ｃ_ｂｏｄｙ＋Ｃ_ｅｎｖ）にほぼ等しい。しかしながら、結果のハイパスフィルタリングは、電圧遷移をパルスに変換する。

この簡易な説明から、フィルタ動作はチャネルパラメータ（すなわち、キャパシタンスＣ_ｅｎｖ及びＣ_ｂｏｄｙ）に強く依存し、これらパラメータは身体及び外部導電要素に対する装置の位置に強く依存し、よって、これらパラメータの値は通常の機能の間、変化しやすいことが理解できる。寄生キャパシタンスＣ_ｅｌｅは、装置の幾何学的特徴に主に依存する。寄生キャパシタンスは主に設計パラメータであるが、これを小さく保つことは望ましい。寄生キャパシタンスがあまり大きくなる場合、信号減衰も同様に増大するので、寄生キャパシタンスは寄生の振る舞いを抑制するために使用できない。このために、入力帯域幅は、結合パラメータの変動性の関数として変動しやすい。

この課題の第２の見地は、カプラの幾何学的配置が一の実行から他の実行で変化することであり、従って、受信器システムの入力インピーダンスも、同じフィルタ動作を維持できるためには調整されなければならない。

最後に、寄生効果のこの依存の他の重要な問題点は、フィルタ動作を変えることにより、受信器の入力部での過渡応答の形状も同様に変化し、従って、整合フィルタの付与が必要とされる場合には、前述のハイパス動作が精細に制御されるべきか、又は整合フィルタが非常に調整可能でなければならないことである。これらにもかかわらず、高いレベルの低周波干渉があるため、ハイパスフィルタリングがＢＣＣシステムでは望ましい。従って、これ以降に説明される様々な実施例によると、周波数ドメインのフィルタリングをスイッチベースのフィルタリングで置換することが提案されている。

図４は、提案されたスイッチベースのフィルタリングを備えるボディ結合された通信チャネルの基本構成の模式的回路図を示す。図３の抵抗Ｒ_ｉｎは、制御又はクロック信号Ｃｌｋに基づいて周期的に動作されるスイッチ又はスイッチ装置により置換される。これは、結果的にコーナー周波数がスイッチ又はスイッチ装置の動作期間に依存するハイパスフィルタリングとなる。スイッチ又はスイッチ装置は、例えば半導体スイッチング素子等のような任意の制御可能な電子回路スイッチング素子により実行できることに留意されたい。

図５Ａ及び図５Ｂは、入力信号の周波数の関数として及び時間領域の関数として、実施例によるスイッチベースのフィルタリング応答を示す。得られたハイパス特性は、スイッチが開いている時間の３つの異なる値に対する図５Ａの左側の周波数応答で概略示されている。このアプローチの効果は、フィルタ機能がもはや寄生効果に依存せず、（スイッチの時定数がスイッチングスピードに関して無視できる限り）切換期間だけに依存することである。他方、図４に含まれるキャパシタンスの値、又はより正確には、それらの比率だけが、通過帯域幅の全体の減衰を決定する。

その上、入力信号のデータレートに等しい周波数でスイッチを動作させ、発信器と受信器との同期を供給することにより、発信器の出力部での信号遷移が、スイッチが開いている時間内で発生することが保証できる。こうすることにより、受信器の入力信号は、信号が符号化される電圧遷移を提示する。同時に、図５Ｂの時間領域の図により示されるように、入力信号の形状はパルスに形が変わらず四角いままである。ＴＸ信号の正及び負の信号遷移が、それぞれ正及び負の長方形又は矩形パルスに変換される。これの利点は、後述されるように、デジタルテンプレート（例えば１ビットテンプレート）と所望の入力信号を相関させることにより、所望の入力信号を検出することが容易であるということである。提案された受信スキームは、発信器で生成されるデジタルビットストリームから、ＤＣ又は低周波成分を除去できる。従って、情報は、信号遷移を使用して、（例えばマンチェスター符号化のように）符号化されなければならない。

受信フェーズに対する時間の最適期間が、所望のフィルタリング挙動の関数（電極が短絡されていない時間の期間）として決定されると、反復レート又はデータレートは、２つの連続的な受信期間の間に、電極が短絡する時間を増大させるか又は減少させることにより非常に単純且つ柔軟な態様で選択できる。

図６は、実施例による種々異なるデータレート構成に対する波形線図を示す。上の波形は減少されたデータレートに関し、中間の波形は基準データレートに関し、下の波形は増大されたデータレートに関する。これらの波形で、期間「ＥＳ」は電極が短絡する時間を示し、期間「ＲＸ」は入力信号Ｓが受信できる受信期間を示す。この受信器アプローチの大きな利点は、一組の入力フィルタを再構成する必要なく、制御信号を生成するデジタルシステムを単に設定することにより、ビットレートが、フィルタリングの効果に影響を及ぼすことなく変更できることである。２つの別々のＲＸ期間の間の時間が、（入力段のような）ＲＸシステムのオン／オフ部分に切り換えるために必要とされる時間より大きい場合、これらの部分の幾つかが、全体のエネルギー効率を増大させるために、この期間の間スイッチオフできる点に留意することも興味深い。

更に、提案された受信器アプローチは、また、他のレベルの構成可能性を提供し、すなわち、フィルタリング動作が、スイッチが開いている時間を単に変えることにより、状況に応じて適応できる。また、これは、制御信号を生成するデジタルシステムを単にプログラムすることによりできる。

図７は、実施例によるＢＣＣ通信の幾つかのステップを示している模式的流れ図を示す。図７の第１のステップＳ１１０は送信側での処理に関する一方、他のステップＳ１２０乃至Ｓ１４０は、ＢＣＣ通信の受信側での処理に関することに留意されたい。

ステップＳ１１０では、ＢＣＣチャネルを介して送信されるべき情報が、信号遷移を使用して符号化され、これにより送信信号のＤＣ成分を減らすか又は防止する。その後、ステップＳ１２０では、送信され符号化された信号が受信され、スイッチベースのフィルタリングが、更に処理されるべき入力信号を得るために受信器入力部で実施される。前記入力信号は、前記入力信号と同期パターン又は同期信号との間の相関に基づいて受信器タイミングを同期させるためにステップＳ１３０で使用されるので、ＴＸにより生成される電圧遷移が、時間内の予想される時点のＲＸ期間内で発生する。同期されたタイミングは、送信された情報を引き出すため前記入力信号を復号化するために、ステップＳ１４０で前記入力信号と相関される基準信号を生成するために使用される。

図７のステップは、ＢＣＣシステムのための示唆された広帯域通信を供給するためのＢＣＣトランシーバ装置内に具備されるプロセッサ装置（例えばコンピュータの中央演算処理装置）を制御するプログラム又はソフトウェアルーチンとして実行できる。加えて、同期が復号化フェーズの間に失われることを回避するために、データ復号化の間、同期化プロセスが継続できることは注目に値する。

図８は、実施例による受信器装置の模式的ブロック図を示す。提案された受信アプローチは、通信のより高い効率を導き、減少したハードウェア要件及び結果的に減少した電力消費を導く。その上、ほとんどの動作がデジタル的に実施できるか、又はデジタル的に制御できるので、提案されたアーキテクチャは、高いレベルの設定能力を可能にする。

受信器装置は、２つのＢＣＣカプラ２０１、２０２を有するか又はこれらに接続でき、グランドカプラ２０２はローカルグランド（ＬＧＮＤ）に接続できる。スイッチ又はスイッチ装置２１２は、受信器装置の入力部で、スイッチベースのフィルタリングのために供給される。スイッチングは、タイミング制御回路（ＴＣＴＲＬ）２１０により生成されるクランプ信号ＣＬに応じて、ＢＣＣカプラ２０１、２０２を短絡させることにより達成できる。増幅器２０４は、切り換えられた入力信号を増幅するために供給される。図８の例示的な実施例では、カプラの一つ（すなわちグランドカプラ２０２）が基準電位としてみなされるローカルグランドに接続されているので、増幅器２０４がシングルエンド（片側接地）増幅を実施するように実行されることは注目に値する。もちろん、カプラ２０１及び２０２両方がＢＣＣ信号を受信するか又は差動入力部として使用される他の構成も可能である。

受信信号は、予想される入力信号（例えば形状又は他のパラメータについての高い程度の見込み）に関係するテンプレート信号又は基準信号と、データ相関器（ＤＣ）２０６内で相関され、受信信号の（干渉又はノイズのような）不所望の成分の抑制を達成する。当該相関は、例えば、所望のビット誤り率を達成するために必要とされるフィルタリングのレベルに依存して、選択された符号をフォローしてシンボルレベルで又はチップレベルで実施できる。ここで、「チップ」は、一つの単一のＲＸ期間内で符号化された情報又は符号部分を指す。すなわち、各ビットは、一つ以上のチップを有するシンボルで符号化されてもよい。データ相関器２０６の出力ＤＡＴＡｏｕｔは、例えば、１ビットＡＤ変換（図示されていない１つの比較器を用いて）を適用することにより適切にスライスされ、この結果は、所望される受信されたビットストリームを形成する。

加えて、受信側と送信側との間の同期は、入力信号と局所的に生成されたテンプレート（すなわち基準信号）との間の良好な相関を持つために保証されなければならない。これは、同期相関器（ＳＣ）２０８内で、入力信号と同期パターンとの間の相関を実施する他の相関を計算することにより達成できる。この相関はＲＸ期間ごとに実施され、この相関動作の結果は、テンプレート（すなわち同期パターン）と入力信号との間の位相差についての情報ＳＹＮＣＨｏｕｔである。得られた（位相）情報ＳＹＮＣＨｏｕｔは、その後、受信側と送信側との間の所望される同期を達成するために、その内部位相を調整するために当該情報を使用するタイミング制御回路２１０に供給される。

入力段（スイッチベースのフィルタ及び増幅器２０４）の出力が、デジタルパターン（例えば単一のビットデジタル信号）と容易に相関できる一連の矩形の正又は負のパルスを有するので、提案された相関と組み合わせたスイッチベースのフィルタリングの使用が、ＢＣＣ信号の効果的な受信を供給する。受信器構造の改良に加えて、送信器構造は、同様に単純化できる。単純なデジタルバッファが、通信のために使用されるデジタルビットストリームを人体と結合させるために使用できる。送信装置に適用されるべき符号化は、受信器が、静的レベルよりもむしろ電圧遷移に特に適しているという事実に対処しなければならない。

よって、提案された受信器アプローチは、ＢＣＣプロトコルスタックのための物理的レイヤ構造の新規な実行を提供する。当該提案は、標準デジタルビットストリームを送信することである。当該デジタルビットストリームは、受信器ノードで確実に検出されるために、チップ毎に信号遷移を持つ。この理由のために、所望のビットストリームを考えると、拡散符号が、ターゲット信頼性を達成するのに十分な冗長性を持つために適用でき、マンチェスター符号化又は他のタイプの遷移ベースの符号化が、チップ期間毎に少なくとも一つの電圧遷移を達成するために、このビットストリームに適用できる。結果として生じるビットストリームは、人体又は動物に直接結合できるか、又は「人体アンテナ」効果のため、身体から離れて伝播される高周波成分を低減するローパスフィルタを介して結合できる。

データストリームのパケット構造に関して、各パケットは、本例では、選択されたチップ速度に等しい周波数を備える矩形波を身体に結合させるために、「０」及び「１」の連続交替である同期パターンで始まる。同期シーケンスのための他の選択も、可能である。

図９は、他の実施例によるＢＣＣトランシーバのより詳細な模式的ブロック図を示す。

ＢＣＣトランシーバの発信器サブシステム１０は、選択された拡散符号に従って、且つチップごとに少なくとも一つの信号遷移を持つという要件に従って、他のデジタルビットストリームで送信されるようにビットストリームＢＳを符号化する符号器又は符号化回路（Ｃ）１２０を有する。このビットストリームは、デジタルバッファ（ＤＢ）１１０を介して、身体に結合される（必要である場合、デジタルバッファ１１０は帯域幅制限も提供できる）。更にまた、第１のスイッチ又はスイッチ装置２４２は、ＲＸモードが選択されるとき、この実施例では差動カプラとして配置されるボディカプラ又は電極２０１、２０２からデジタルバッファ１１０を切り離し得るために供給される。

受信器サブシステムに関して、提案されたスイッチベースのフィルタリングは、２つのレベルで実施される。第１に、差動カプラ２０１、２０２は、第２のスイッチ又はスイッチ装置２４０により互いの間が短絡される。第２に、入力増幅器（例えば低ノイズアンプ（ＬＮＡ））２１４は入力カプラ２０１、２０２から直流（ＤＣ）分が切り離され、入力増幅器２１４の入力部と出力部とは、周期的にＤＣ状態をリセットするため、デジタルコントローラ（ＤＣＴＲＬ）２３８により生成されるクランプ信号ＣＬの制御の下で、第３のスイッチ又はスイッチ装置２４４により短絡される。

他の構成も可能であり、上記受信器入力ブロックより多くのブロックが多段増幅器を実行するために直列接続され得る。

その後、増幅信号は、データ検出及び同期のために使用される２つの相関器回路に供給される。本実施例では、両方の相関器は、それぞれのデータ又は同期マルチプレクサ２１６、２１８内で入力信号とデジタルテンプレート（例えば同期のための同期パターンとしての１ビットテンプレートＳＴ及びデータ検出のための基準信号としての１ビットテンプレートＤＴ）とのアナログ乗算により実行される。同期テンプレートが「１」であるとき、増幅信号は同期マルチプレクサ２１８で「１」により（すなわち正で一定の増倍率により）乗算される。同期テンプレートが「０」であるとき、増幅信号は同期マルチプレクサ２１８で「―１」により（すなわち負で一定の増倍率により）乗算される。乗算の結果は、それぞれのデータ又は同期相関を実際に計算するために、ＲＸ期間（例えばチップ期間）にわたって、データ又は同期積分器２２０、２２２それぞれで積分される。積分出力は、所望のデータ及び同期情報に対応する。

チップレベルの同期ループＳＬを閉じるために、同期テンプレートと入力信号との間の相関は、サンプリング及びパルス振幅変調（ＰＡＭ）回路（Ｓ／ＰＡＭ）２２４により積分期間の終わりにサンプリングされる。サンプリングされたＰＡＭ値は、入力データに従って正しい極性を保証するために、検出データ（ＣＰＳ）の極性に従って、「＋１」又は「―１」により他のマルチプレクサ２４６内で乗算できる。前述の同期シーケンスの間、極性選択は、送信器サブシステムにより生成される同期シーケンスに準拠する固定の同期パターンを使用することにより実施できる。このように、他のマルチプレクサ２４６は、検出データ（すなわち復号化信号）の極性に従って第２の相関器の出力値の極性を制御する極性制御要素として動作する。マルチプレクサ２４６からの信号は、ループフィルタ（ＬＦ）２３４でフィルタリングされ、デジタルコントローラ２３８で制御及びテンプレート信号（例えばクランプ信号ＣＬ、同期テンプレートＳＴ、基準テンプレートＤＴ、クロック信号ＣＬＫ）の生成のため時間ベース又は時間基準として使用される内部クロックＩＣＬＫを、その入力に基づいて生成する電圧制御発振器（ＶＣＯ）２３６に供給される。このように、同期情報のフィルタリングは、ループフィルタ２３４でフィルタリングされるサンプリングされた信号と比例したパルス（ＰＡＭ信号）を生成することにより実施される。

データ検出ブランチに関して、データ相関器での相関は、チップレベルで実施でき、最初に比較器２２６を使用してデジタルビットストリームＣＰＳに変換されて、デジタル相関器（ＤＩＣ）２３２に供給でき、デジタル相関器２３２は、シンボルレベルの同期を実施して、デジタル制御装置２３８でのテンプレート生成のための正しく且つ同期されたコードシーケンスＳＣＤを供給する。その上、シンボルレベルでのアナログ相関が信頼性の理由のためにも必要とされる場合、チップレベル相関器のアナログ出力はアナログアキュムレータ２２８内でシンボル長にわたって更に積分でき、デジタル相関器２３２は、アナログ相関器リセット信号ＣＲＳＴを生成して、アナログアキュムレータ２２８に当該リセット信号を供給することによりシンボルにわたる蓄積時間を制御できる。シンボル―レベル相関は、所望のビットストリームＢＳを供給するために、比較器２３０を使用してデジタルに変換される。信頼性が問題でない場合、アナログアキュムレータは省略でき、デジタル相関器がシンボルレベル相関のために使用できる。

付加的なオプションとして、アナログシンボル―レベル相関器からの出力ビットストリームＢＳとデジタル相関器により生成される予想ビットストリームとの間の比較が、入力信号の品質の尺度として使用でき、これは、チップエラーレート信号ＣＥＲと呼ばれて出力される。

この構造への幾つかの追加が作られることは、注目に値する。例として、１ビットＡＤ変換をチップ―レベルアナログ相関器の出力（データ分岐の出力及び同期分岐の出力）に適用する回転周波数検出器が加えられ得る。得られた２ビット情報は、時間内のその展開を監視することにより受信側と送信側との間の周波数差のサインを検出するために使用できる。これは、同期システムの引き込み範囲を増大し、従って水晶発振器等のような正確な時間基準なしにさえ同期を可能にするために使用できる。

以下に、入力増幅器２１４、ＰＡＭ回路２２４及び相関器の模式的回路図が、図１０乃至図１２を参照して説明される。

図１０は、図９の入力増幅器２１４として使用できる低ノイズ増幅回路（ＬＮＡ）の模式的回路図を示す。ＬＮＡは、２段のシングルエンド増幅器である。第１段は、トランジスタＭ２及びＭ３を具備するＣＭＯＳインバータである。第２段は、改良された線形性のための抵抗負荷及び局所的フィードバックを持つトランジスタＭ５及びＭ６を具備する共有ソース増幅器である。追加のトランジスタＭ１、Ｍ４及びＭ７は、クランプ機能を実行し、図９のデジタルコントローラ２３８により生じるクランプ信号ＣＬにより制御される。例示的な回路では、全体のＬＮＡゲイン及び帯域幅は、それぞれ４０ｄＢ及び３０ＭＨｚである。

図１１は、図９のサンプリング及びパルス振幅変調回路２２４に使用されるＰＡＭ回路の模式的回路図を示す。前記ＰＡＭ回路は、ゲート期間に電流パルスを作るスイッチ出力部を具備する差動Ｇ_ｍ増幅器として設定される。ＣＭＯＳトランジスタ対Ｍ２０／Ｍ２１及びＭ２２／Ｍ２３は、入力トランジスタＭ２４及びＭ２５に供給される検出データに従って、出力の極性を選択する。加えて、ＣＭＯＳトランジスタＭ１８及びＭ１９を有するカレントミラー回路は、２つの差動ブランチのバイアス電流を等しくする。回路出力部は、それぞれのＣＭＯＳスイッチを供給することにより切り換えられた出力部として配置される。

図１２は、図９の実施例で使用されるアナログ相関器回路の模式的回路図を示す。上述されたデータ及びフェーズ相関器は、等しくなって、折り畳みカスケードＧｍ―Ｃ積分器として実行できる。ここで、乗算は、ゲート端子に付与されるデータ又は同期テンプレートに従って、差動スイッチングトランジスタ対Ｍ１２／Ｍ１３及びＭ１４／Ｍ１５により、出力部で電流を反転させることにより実施できる。入力信号は、トランジスタＭ８及びＭ９を有する差動入力段を介して供給される。入力段で供給される抵抗Ｒｃ及びキャパシタＣｃは、低周波干渉の更なる抑制のための差動高域フィルタリング（例えば１ＭＨｚで）を実現する。正及び負のバイアス信号が、カスコードトランジスタＭ１０、Ｍ１１、Ｍ１６及びＭ１７に供給される。保持機構が保持入力部を具備する第１のＣＭＯＳスイッチ装置ＣＭＯＳ―ＳＷ１により供給される一方、リセット機構がリセット入力部を具備する第２のＣＭＯＳスイッチ装置ＣＭＯＳ―ＳＷ２により供給される。

図９のＶＣＯ２３６は、既定の調整範囲（例えば３４―５４ＭＨｚ）を持つ５段リング発振器として実行できる。同期ループのループ低域フィルタ２３４は、ＲＣ受動フィルタとして実行でき、回路基板上、集積チップ又はチップモジュール上のデータ比較器と共に供給できる。

更に、上記実施例で説明された入力フィルタのスイッチ又はスイッチ装置の動作が、通信装置の他の信号の全て又は少なくとも幾つかと同期できることは、留意されたい。よって、スイッチ又はスイッチ装置の対応する制御信号（例えば、クランプ信号）が受信器タイミングに基づいて生成できるので、スイッチが開くとき、送信器により生成される遷移が発生する。

その上、上記実施例に関連して説明された２つの相関器がデータ検出及び同期両方のための単一の相関器又は相関器装置として、また実行できることは留意されたい。

上記実施例は、患者モニタリング又は患者／臨床医自動識別のような特に医療用途のための低電力の身体領域ネットワークのための最終的な解決策として、ますます関連してくる任意のＢＣＣシステムの実行又は応用に適用できる。

電極又はボディカプラは、任意の数、任意の形状又は任意の幾何学的配置で設定できる。その上、当該システムは、信号電極として、又は基準電極として使用されるべき電極の所望のセットを選択できてもよい。同様に、パラメータを結合することが、異なる電極から信号を結合するために決定できる。これらの態様において、強化された受信電力又は品質を備えた電極設定が、身体に関する所与の位置及び方向に対して得られるので、最適化で信頼性が高い通信が達成できる。

電極設定は、アプリケーションシナリオに従って静的に（起動時にだけ）又は動的に（連続的に又は周期的に）選択できる。設定の選択は、例えばキャパシタンス見積もりに基づいていて、ハードウェア又はソフトウェアにより制御できる。このとき、システム及び通信は、人体又は動物体に関する位置、向き又は動きによる影響をかなり少なくする。

加えて、基準として又は信号カプラとして使用される電極の数が最適化される。例えば、少数の電極が身体への信号の正しく結合を可能にするのに十分である場合、他の全ての電極は基準電極として選択できる。周囲導体（アースグランド）への基準電極の容量性結合が、信号強度を決定するパラメータの１つであるので、これは更なる最適化を提供する。容量性結合が多くなるほど、信号が強くなる。

電極装置の複数の電極又は電極セグメントは、前記ボディ結合通信の間、人体又は動物体の表面に関して信号と基準電極又は電極セグメントとの間の水平方向、人体又は動物体の表面に関して信号と基準電極又は電極セグメントとの間の垂直方向、及び前記電極アレンジメントが信号電極のみから成る信号のみの方向の少なくとも一つを供給するように調整され、前記複数の電極又は電極セグメントは、前記カプラ多様性を達成するのに十分な程度まで、方向及び位置の少なくとも一つだけ異なる。このことにより、個々の電極又は電極セグメントの多くの様々な方向が供給できるので、少なくとも一つの強い信号の受信が大いにありそうである。具体例としては、複数の電極又は電極セグメントが、３次元配列で配置でき、これは多様性の度合いを更に増大する。

上記実施例は、多くの領域の適応ボディ結合であるかボディベースのシステムとして実行されることができる。家電分野において、無線接続は、より容易に設定できる。多数の利用できる電子回路装置が増大するので（ホームコンピュータ、ラップトップ、ポケットｐｃ、携帯電話等）、これらの装置間のインタラクションは、共通のユーザにとってセットアップするのにますます困難になる。促進ツールとして、ＢＣＣシステムは、異質なプラットフォーム及びプロトコルを使用して、幾つかの異なる装置の接続を補助できる。例えば、ＢＣＣで、ラップトップと携帯電話との間のブルートゥース接続は、例えば写真交換アプリケーションを許容しているこれら２台の装置の単純なタッチにより設定できる。

ＢＣＣは、自動車領域において、より多くの便宜を供給するアプリケーションを実現するためにも使用できる。例は、車に触れるだけで車のドアが開くカーエントリ、特定のユーザに対する車の操作だけを許容する窃盗保護、車設定をユーザの好みに調整するためにユーザから負荷を取り除く車設定／個人化であり、車に乗り込むときユーザが即座に認識される。

その上、自動識別は、患者の安全性及び作業効率両方を改善するために、医療用途でますます必要とされる。ボディ結合通信に基づく患者識別子は、健康診断、装置の安全且つ自動連合、個々の患者に対するセンサ及び無線測定の間、患者の自動認識を可能にする。

アプリケーションの上記全ての分野において、上記実施例で説明された解決策は、改良された広帯域のボディチャネル通信のために実行できる。

要約すると、所望のデジタル信号を減衰させることなく低周波干渉を取り除くために、スイッチベースのフィルタリングと、所望の信号を減衰させることなく無相関の干渉を抑制するために、データ検出及び同期両方に対する相関を利用する受信器構造とを備えるボディ結合通信システムの受信アプローチを供給する通信装置、方法及びコンピュータプログラムが説明された。

本発明は図面及び前述の記載で詳細に例示され説明される一方、斯様な図例及び説明は、図示的及び説明的であるべきであり、限定的であるとはみなされない。本発明は、開示された実施例に限定されない。本開示を読み込むことで、他の変更も当業者にとって明らかであろう。斯様な変更は、従来技術として既に知られ、ここで既に説明された特徴に変えて、又は当該特徴に加えて使用される他の特徴を含んでもよい。

開示された実施例に対する変形例は、図面、明細書及び添付の請求の範囲の検討から、当業者により理解され、遂行できる。請求項において、「を有する」という用語は他の要素又はステップを除外しないし、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数の要素又はステップを除外しない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、対応するソフトウェアルーチンに基づいて、例えば、図８及び図９に関連して説明されたように、データ及び同期相関器の少なくとも機能を満たしてもよい。コンピュータプログラムは、他のハードウェア若しくはその一部と共に供給されるソリッドステート媒体又は光記憶媒体のような適切な媒体に格納／分配されてもよいが、インターネット、他の有線又は無線通信システムを介してのような他の形式で分配されてもよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項において再引用されるという単なる事実は、これらの手段の組合せが効果的に使用できないことを示さない。請求項内の何れの参照符号も、請求項の範囲を限定するものとして解釈されてはならない。

Claims (14)

1. ボディ結合された通信信号を受信するための通信装置であって、受信信号のスイッチベースのフィルタリングを実施するための入力フィルタであって、連続的な受信期間の間に、前記ボディ結合された通信信号を受信するために使用される差動入力カプラを短絡する前記入力フィルタと、前記受信信号と同期信号との間の第１の相関に基づいて受信器タイミングを同期させ、前記受信器タイミングに基づいて生成される基準信号と前記受信信号との間の第２の相関を実施することにより前記受信信号を復号化するための相関器装置とを有し、前記相関器装置が、前記基準信号の位相を調整するためタイミングコントローラへ供給されるべき、前記受信信号と前記基準信号との間の位相差を示す位相情報を供給する第１の相関器を有する、通信装置。
2. 信号遷移を用いてボディ結合された送信信号を符号化するための符号器を更に有する、請求項１に記載の通信装置。
3. 前記符号器が拡散符号を適用し、その後マンチェスター符号を適用する、請求項２に記載の通信装置。
4. 前記入力フィルタが前記受信信号のデータレートに実質的に等しい周波数で動作される、請求項１に記載の通信装置。
5. 前記入力フィルタが前記受信器装置の入力電極から増幅器に更に接続され、周期的にＤＣ状態をリセットするために前記増幅器の入力及び出力を短絡する、請求項１に記載の通信装置。
6. 前記相関器装置の第１及び第２の相関器の少なくとも一つが、前記受信信号と、前記同期信号及び前記基準信号、それぞれのデジタルテンプレートとのアナログ乗算のためのアナログ乗算器を有する、請求項１に記載の通信装置。
7. 受信期間にわたって前記アナログ乗算の結果を積分するための積分器を更に有する、請求項６に記載の通信装置。
8. 第１の相関のサンプリングされ、フィルタリングされた出力値により制御される発振器を更に有し、前記発振器が、前記同期信号及び前記基準信号を生成するための時間ベースとして使用される内蔵クロックを生成する、請求項１に記載の通信装置。
9. 第２の相関のチップレベル出力信号を受信し、シンボルレベル同期を実施するための第３の相関器を更に有する、請求項１に記載の通信装置。
10. 第３の相関器がデジタル相関を実施し、第２の相関がアナログ相関である、請求項９に記載の通信装置。
11. 復号化信号の極性に従って第２の相関の前記出力値の極性を制御するための極性制御要素を更に有し、前記極性制御要素の出力がフィルタを介して前記発振器を制御するために使用される、請求項８に記載の通信装置。
12. シンボルレベルの相関を得るために、シンボル期間にわたって第２の相関の前記出力値を蓄積するためのアキュムレータを更に有する、請求項８に記載の通信装置。
13. ボディ結合された通信信号を受信する方法であって、
    連続的な受信期間の間に、前記ボディ結合された通信信号を受信するために使用される差動入力カプラを短絡する入力フィルタで受信信号のスイッチベースのフィルタリングを実施するステップと、
    前記受信信号と同期信号との間の第１の相関に基づいて受信器タイミングを同期させるステップと、
    前記受信器タイミングに基づいて生成される基準信号と前記受信信号との間の第２の相関を実施することにより前記受信信号をデコードするステップと、前記基準信号の位相を調整するためタイミングコントローラへ供給されるべき、前記受信信号と前記基準信号との間の位相差を示す位相情報を供給するステップとを有する、方法。
14. コンピュータ上で動作するとき、請求項１３に記載の方法のステップを実行するためのコード手段を有する、コンピュータプログラム。

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