JP6324183B2

JP6324183B2 - インピーダンス調整システム、及びインピーダンス調整方法

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Publication number: JP6324183B2
Application number: JP2014083350A
Authority: JP
Inventors: 啓輔川原; 竹三杉村; 浩一横山; 裕樹平山
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Furukawa Automotive Systems Inc
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Furukawa Automotive Systems Inc
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2034-04-15
Also published as: JP2015204543A

Description

本発明は、伝送路のインピーダンス整合技術に関する。特に、伝送路から放射される電磁ノイズを低減させるインピーダンス整合技術に関する。

近年のデジタル機器等の高機能高速化により、信号の伝送スピードが飛躍的に増し、高周波信号を高品質に伝送することが必要不可欠となっている。

通常、信号を伝送する伝送系は、終端抵抗を伝送路の特性インピーダンスと一致させる（インピーダンス整合をとる）ことで、信号の伝達効率が最大になるように構築される。

例えば、特許文献１には、デジタル信号を伝送するバス型伝送路に複数の端末が接続されたデータ伝送装置において、ネットワークの線路インピーダンスの変化を測定する線路インピーダンス測定部と、測定した線路インピーダンス値に応じて特性インピーダンスと整合するように終端抵抗値を補正するインピーダンス調整部とを有していることを特徴とするデータ伝送装置、が開示されており、伝送路の特性インピーダンスの変化に応じてインピーダンス整合を行うことを可能にしている。

特開平６−１５２６１０号

一方、上述したように、近年のデジタル機器等の高機能高速化に伴い、機器から放射される高周波の電磁ノイズが問題となっており、周囲の機器や回路に干渉を起こすことなく正常に動作させるためには、ＥＭＣ（ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＣｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙＤｅｓｉｇｎ）対策が必須となっている。特に、電圧波形が、鋭く立ち上がるパルス信号は、高周波成分を多く含み、放射ノイズの原因となりやすい。

しかしながら、伝送路の特性インピーダンスと終端抵抗を一致させるインピーダンス整合方法が、必ずしも放射ノイズに対して頑健であるとは言えない。なぜならば、インピーダンス整合により信号の伝達効率を良好にすることは信号に含まれる放射ノイズになり得る成分の伝達効率も必然的に高めてしまうからである。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、通信エラーを小さく抑えつつ伝送路から放射される電磁ノイズを低減させる、インピーダンス調整システムを提供することにある。

本発明の課題を解決するための第１の発明は、伝送路のインピーダンス調整システムであって、前記伝送路の通信エラーを監視する監視手段と、前記伝送路の終端抵抗値を変化させる可変抵抗制御手段と、前記伝送路の特性インピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、を備え、前記可変抵抗制御手段は、前記終端抵抗値を、前記特性インピーダンスを基準として小さく変化させながら、前記通信エラーを監視し、前記通信エラーが規定範囲内に収まる、最も小さい値に設定することを特徴とするインピーダンス調整システムである。
第１の発明によって、通信エラーを規定範囲内に抑制しつつ送信信号に含まれるノイズ成分を最大限に低減させることできる。また、測定した伝送路の特性インピーダンスに基づいて通信エラーを規定範囲内に抑制しつつノイズ成分を最大限に低減させることできる。

本発明の課題を解決するための第２の発明は、伝送路のインピーダンス調整方法であって、前記伝送路の通信エラーを監視する監視ステップと、前記伝送路の終端抵抗値を変化させる可変抵抗制御ステップと、前記伝送路の特性インピーダンスを測定するインピーダンス測定ステップと、を含み、前記可変抵抗制御ステップは、前記終端抵抗値を、前記特性インピーダンスを基準として小さく変化させながら、前記通信エラーを監視し、前記通信エラーが規定範囲内に収まる、最も小さい値に設定することを特徴とするインピーダンス調整方法である。
第２の発明によって、通信エラーを規定範囲内に抑制しつつノイズ成分を最大限に低減させることができる。また、測定した伝送路の特性インピーダンスに基づいて通信エラーを規定範囲内に抑制しつつノイズ成分を最大限に低減させることできる。

本発明によれば、通信エラーを小さく抑えつつ伝送路から放射される電磁ノイズを低減させることができる。

本発明の実施の形態に係るインピーダンス調整システムの概念図である。制御装置１００のハードウェア構成図である。インピーダンス調整システムの動作を説明するフローチャート図である。終端抵抗値とＢＥＲの関係を示す図である。入射波、反射波、送信信号（合成波）の関係を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係るインピーダンス調整システム１の概念図である。インピーダンス調整システム１は、伝送路２、伝送路２に接続される受信部３（以下、「ＲＸ」と呼ぶ）、及び、受信端３の近くに配置される終端抵抗４からなる伝送系と、制御装置１００、インピーダンス測定部２００、及び、可変抵抗制御部３００からなる制御系と、から構成される。

また、上記伝送系においては、伝送路２を挟んでＲＸの反対側に、図示しない送信部（以下、「ＴＸ」と呼ぶ）が伝送路２と接続されており、ＴＸとＲＸとの間でデータ信号の送受信が行われる。なお、伝送路２とＴＸはインピーダンス整合されているものとする。したがって、ＲＸ端で反射した信号がさらにＴＸで反射することはない。そのため、ＴＸ及びＲＸの両端で反射が繰り返される（多重反射）ことはなく、多重反射による伝送系固有の定在波の発生は抑えられている。

なお、図１では、接地電位を基準として信号の授受を行っているが、これに限らず、信号の授受を接地電位に依らず平衡接続として、本実施形態のインピーダンス調整システムを構成してもよい。

図２は、伝送系を制御する制御装置１００のハードウェア構成図であり、主に、制御部１０１、記憶部１０２、入出力部１０３、バス１０４から構成される。

制御部１０１は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）から構成され、記憶部１０２は、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等で構成される。
制御部１０１が、記憶部１０２に記憶した制御プログラムを読みだして、当該制御プログラムを実行することにより、制御装置１００の各機能が実現される。

入出力部１０３は、アナログ入出力（Ａ／Ｄ変換、Ｄ／Ａ変換）の機能を備えており、周辺機器とデータの送受信を行う。本実施形態においては、ＲＸ、インピーダンス測定部２００、及び可変抵抗制御部３００は、入出力部１０３を介して制御装置１００と接続されており、制御部１０１の命令によって、データの授受、制御等が行われる。

バス１０４は、制御部１０１、記憶部１０２、入力部１０３の間のデータの授受を媒介する。

本実施形態に係るインピーダンス調整システム１は、以下に説明する「インピーダンス測定手段」、「通信エラー監視手段」、「可変抵抗制御手段」の各機能を備えており、これらの制御を制御部１０１が実行することにより、伝送系のインピーダンス調整が行われる。

「インピーダンス測定手段」では、伝送路２の特性インピーダンスを測定する。具体的には、制御装置１００の制御部１０１が、インピーダンス測定部２００を制御し、インピーダンス測定部２００が伝送路２の特性インピーダンスを測定する。そして、制御部１０１は、当該測定した伝送路２の特性インピーダンスを、入出力部１０３を介してインピーダンス測定部２００から取得し、記憶部１０２に記憶する。

「通信エラー監視手段」では、符号誤り率（ＢｉｔＥｒｒｏｒＲａｔｅ：以下、「ＢＥＲ」と呼ぶ）を計算する。具体的には、制御装置１００の制御部１０１が、ＴＸから送信される所定のパターンのパルス信号列（以下、「ビットパターン」と呼ぶ）を受信し、当該受信したビットパターンのＢＥＲを計算する。

ＢＥＲとは、データ伝送回路などの通信品質を表す指標であり、ＴＸから送信されるビットパターンの総ビット数Ｎのうち、誤って受信したビット数Ｍの比率（＝Ｍ／Ｎ）として定義される。ＢＥＲが小さいほど、伝送系の通信品質が良好であることを示す。

また、ＢＥＲは統計値であるため、理論的には測定するビット数が無現大に近づくほど、真のＢＥＲが得られることになるが、実用的には、測定するビット数は、所望する統計値の信頼度及びＢＥＲの許容上限に応じて定められる。以下、ＢＥＲの許容上限をＢＥＲmaxと呼ぶ。通信エラーが規定範囲内に収まるとは、ＢＥＲが許容上限ＢＥＲmaxより小さいことをいう。

本実施形態においては、統計値の信頼度及びＢＥＲmaxは、任意に設定できるものとし、また、これら設定された情報は予め記憶部１０２に記憶されているものとする。

また、本実施形態においては、予め、ＴＸから送信されるビットパターンと同一のビットパターン（正しいビットパターン）を制御部１０１によって生成し、記憶部１０２に記憶しておく。そして、制御部１０１が、当該正しいビットパターンと実際にＴＸから受信したビットパターンを比較することで、ＢＥＲを計算する。

上記に限らず、制御部１０１が、ＴＸから誤り自動検出用の冗長ビットを付加したビットパターンをＫ回受信し、当該受信した誤り自動検出用の冗長ビットを含むビットパターンに基づいて誤り検出を行い、誤りが検出された回数Ｌから誤り率（＝Ｌ／Ｋ）を計算し、ＢＥＲの代替として用いるよう構成してもよい。これによれば、制御装置１００において、予め正しいビットパターンを用意しておく必要がない。なお、誤り検出は、パリティコードチェック、ハミングコードチェック等の公知の方法で実現される。

「可変抵抗制御手段」は、終端抵抗４の抵抗値を変更する機能であり、制御部１０１の制御命令によって、可変抵抗制御部３００が制御され、可変抵抗制御部３００が終端抵抗４の抵抗値を設定変更することで実現される。

可変抵抗制御部３００は、いわゆるポテンショメータなど、終端抵抗４の抵抗値を変更できる機構で構成される。本実施形態においては、可変抵抗制御部３００は、制御部１０１の命令によって、終端抵抗４の抵抗値を自動制御可能なポテンショメータを用いるが、これに限らず、つまみ等により手動で可変するものを用いてもよい。

また、終端抵抗４は、可変抵抗体であれば良く、磁気抵抗素子、サーミスタ、フォトレジスタ、トランジスタ、ピエゾ抵抗、などあらゆる抵抗体を採用可能である。

＜インピーダンス調整システムの動作＞
以上のように構成されたインピーダンス整合システム１の具体的な動作ステップについて、図３のフローチャートと適宜図４を参照しながら説明する。

まず、ステップ１において、通信が開始されると、制御装置１００の制御部１０１は、インピーダンス測定部２００を制御し、伝送路２の特性インピーダンスの値Ｚ_０を測定する。そして、測定した特性インピーダンスＺ_０を、入出力部１０３を介して、記憶部１０２に記憶する。

次に、ステップ２において、制御装置１００の制御部１０１は、可変抵抗制御部３００を制御し、終端抵抗４の抵抗値Ｒ_Ｔを、ステップ１において測定し記憶した特性インピーダンスＺ_０に設定する（Ｒ_Ｔ←Ｚ_０）。このとき、伝送系はインピーダンス整合が取れた状態となっている。

一方、ステップ３において、制御装置１００の制御部１０１は、ＴＸから送信されるビットパターンを入出力部１０３を介して受信し、当該受信したビットパターンの符号誤り率（ＢＥＲ）を計算する。また、制御部１０１は、当該計算したＢＥＲを記憶部１０２に記憶する。ステップ３において測定されるＢＥＲは、インピーダンス整合状態のＢＥＲであるため、通常、図４（ａ）に示すように、ＢＥＲは小さい値に収束する。

ステップ４において、制御装置１００の制御部１０１は、上記ＢＥＲがＢＥＲmax＜ＢＥＲと判定した場合（ＢＥＲが許容上限を超える場合）、ステップ８に移行し、終端抵抗４の抵抗値をＲ_Ｔ＝Ｚ_０に設定したまま（インピーダンスが整合された状態）、インピーダンス調整を終了する。
ＢＥＲが許容上限に達していない場合、次のステップ５に移行する。

ステップ５において、制御装置１００の制御部１０１は、可変抵抗制御部３００を制御し、終端抵抗４の抵抗値を現在のＲ_ＴからＲ_Ｔ−δに下げて設定する（図４（ｂ）参照）。ここで、δは抵抗値の下げ幅であり、δの値は任意に設定できるものとする。
また、制御部１０１は、記憶部１０２に記憶されている終端抵抗４の抵抗値Ｒ_Ｔを新たに設定した抵抗値に更新しておく（Ｒ_Ｔ←Ｒ_Ｔ−δ）。

次に、ステップ６において、制御装置１００の制御部１０１は、ＴＸから送信されるビットパターンを入出力部１０３を介して受信し、当該受信したビットパターンの符号誤り率（ＢＥＲ）を計算する。また、制御部１０１は、当該計算したＢＥＲを記憶部１０２にＢＥＲを記憶する。

ステップ７において、制御装置１００の制御部１０１は、上記ＢＥＲがＢＥＲmax＜ＢＥＲと判定した場合（ＢＥＲが許容上限を超える場合）、ステップ８に移行する。
ＢＥＲが許容上限に達していない場合、ステップ５に戻る。上記ステップ５からステップ７までの処理は、ステップ７においてＢＥＲmax＜ＢＥＲと判定されるまで（ＢＥＲが許容上限を超えるまで、図４（ｃ）参照）繰り返す。

そして、ステップ８において、制御装置１００の制御部１０１は、可変抵抗部２００を制御し、終端抵抗４の抵抗値を、記憶部１０２に最後に記憶（更新）した終端抵抗４の抵抗値Ｒ_Ｔに基づいて設定する。具体的には、一つ前に設定した抵抗値（ＢＥＲが許容内のうち最も小さい抵抗値）、つまりＲ_Ｔ＋δに設定する。

以上の動作ステップにより、インピーダンス整合システム１による適切なインピーダンス調整が実現される。

なお、ステップ５における終端抵抗４の抵抗値の下げ幅δは、一定である必要はない。例えば、制御部１０１は、最初は下げ幅δの値を大きく設定し、ステップ６において計算されるＢＥＲがＢＥＲmaxに近づくに従い、下げ幅δを徐々に小さく設定していくように、制御してもよい。これにより、最初から下げ幅δを小さく設定する場合に比べ、ステップ５からステップ７までの繰り返し回数を減らすことができ、インピーダンス調整時間を短縮できる。

本実施形態に係るインピーダンス調整システムの作用効果について説明する。

まず、終端抵抗４の抵抗値Ｒ_Ｔと伝送路２の特性インピーダンスＺ_０との不一致により、ＴＸから出力された信号（入射波、図５（ａ）参照）の一部はＲＸで反射され、伝送路２のＴＸの方向に逆流する（反射波、図５（ｂ）参照）。したがって、実際にＴＸから出力され伝送路２を伝わる信号（送信信号）は、入射波と反射波を合成した信号となる（図５（ｃ）参照）。そして、この送信信号が定常的にＴＸからＲＸに伝送路２を伝搬することになる。

本実施形態においては、Ｒ_Ｔ＜Ｚ_０の関係より、ＲＸ端における反射係数（σ＝（Ｒ_Ｔ−Ｚ_０）／（Ｒ_Ｔ＋Ｚ_０））は負の値となる。したがって、反射波は、図５（ｂ）に示すように、入射波がＲＸ端で反転して、ＴＸの方向へ進行する（なお、反射波の振幅は反射係数に応じて定まる）。このため、入射波と反射波が合成された送信信号の振幅は、当初の入射波の振幅より小さくなり、その結果、送信信号に含まれるノイズ成分も必然的に小さくなる。

特に本実施形態においては、終端抵抗４の抵抗値Ｒ_Ｔが、ＢＥＲが許容内（＜＝ＢＥＲmax）に収まる、最も小さい値に調整される。このとき、反射波の振幅の大きさを表す反射係数の絶対値｜σ｜は最大となり、つまり、送信信号の振幅は最小となる。よって、ＢＥＲが許容内に収まる範囲で最良のノイズ低減効果を得ることができる。

また、反射波の位相遅れの影響でＴＸから出力される送信信号のパルス波形の立ち上がり時間にも遅れが生じ、立ち上がりの傾斜が緩くなる（図５（ｃ）参照）。これにより、送信信号は、入射波をローパフィルタに通したときと類似の効果を生ずる信号となり、つまり、高調波成分が顕著に低減される。

以上、本実施形態におけるインピーダンス調整システムは、終端抵抗４の抵抗値を、伝送路２の特性インピーダンスに対して、ＢＥＲが許容内に収まる、最も小さい値に自動調整することで、ＲＸ端で信号の一部を反転反射させる。これにより、ＴＸから出力される送信信号の振幅を低減させ、ＢＥＲが許容内に収まる範囲で最良のノイズ低減効果を得るとともに、ＴＸから出力される送信信号のパルス波形の立ち上がり時間に遅れが生じ、その結果、高調波成分を特に顕著に低減させる。ひいては、伝送路から放射される電磁ノイズを低減することに貢献する。
また、本実施形態においては、ＢＥＲが許容内に収まるため、通信性能を低下させることもない。

したがって、本実施形態に係るインピーダンス調整システムによれば、通信エラーを小さく抑えつつ伝送路から放射される電磁ノイズを低減させることが可能となる。

添付図面を参照しながら、本発明に係るインピーダンス調整システムの好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１・・・・・・インピーダンス調整システム
２・・・・・・伝送路
３・・・・・・受信端（ＲＸ）
４・・・・・・終端抵抗
１００・・・・制御装置
１０１・・・・制御部
１０２・・・・記憶部
１０３・・・・入力部
１０４・・・・バス
２００・・・・インピーダンス測定部
３００・・・・可変抵抗制御部

Claims

伝送路のインピーダンス調整システムであって、
前記伝送路の通信エラーを監視する監視手段と、
前記伝送路の終端抵抗値を変化させる可変抵抗制御手段と、
前記伝送路の特性インピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
を備え、
前記可変抵抗制御手段は、前記終端抵抗値を、前記特性インピーダンスを基準として小さく変化させながら、前記通信エラーを監視し、前記通信エラーが規定範囲内に収まる、最も小さい値に設定することを特徴とするインピーダンス調整システム。
伝送路のインピーダンス調整方法であって、
前記伝送路の通信エラーを監視する監視ステップと、
前記伝送路の終端抵抗値を変化させる可変抵抗制御ステップと、
前記伝送路の特性インピーダンスを測定するインピーダンス測定ステップと、
を含み、
前記可変抵抗制御ステップは、前記終端抵抗値を、前記特性インピーダンスを基準として小さく変化させながら、前記通信エラーを監視し、前記通信エラーが規定範囲内に収まる、最も小さい値に設定することを特徴とするインピーダンス調整方法。