JP6482453B2 - Impulse UWB receiver circuit - Google Patents
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Description
本発明は、インパルスUWB受信回路に関する。 The present invention relates to an impulse UWB receiving circuit.
従来、UWB(Ultra Wide Band)信号を受信して、測定対象物との距離やその位置を検出するための測距・測位システム(例えば、特許文献1参照)や、UWB信号を用いたデータ通信システムがある。 Conventionally, a distance measurement / positioning system (for example, refer to Patent Document 1) for receiving a UWB (Ultra Wide Band) signal and detecting the distance to the measurement object and its position, and data communication using the UWB signal There is a system.
しかし、検出すべき本来の受信信号(以下、主信号と言う場合もある)の他に、建物等の他の物体で反射してくる反射波や、ノイズ等の不要信号が、存在すると、誤ったデータを取り込む虞れがあり、或いは、主信号に近いタイミングに不要信号が存在すれば、主信号の波形に影響を与えて、時間的な誤差要因となる。
つまり、主信号以外の不要信号を受信して、データ検出エラーや測距誤差を生ずるといった問題がある。
However, in addition to the original received signal to be detected (hereinafter sometimes referred to as the main signal), if there is a reflected wave reflected by another object such as a building or an unnecessary signal such as noise, it will be erroneously detected. If an unnecessary signal exists at a timing close to the main signal, the waveform of the main signal is affected and becomes a temporal error factor.
That is, there is a problem that an unnecessary signal other than the main signal is received to cause a data detection error or a distance measurement error.
そこで、本発明は、比較的簡素な回路構成をもって、確実に不要信号を除去して、主信号のみを高精度に受信するインパルスUWB受信回路を提供することを目的とする。
特に、インパルスUWBの受信に於けるエラー率を確実に低減することを目的とする。
Accordingly, an object of the present invention is to provide an impulse UWB receiving circuit that reliably removes unnecessary signals and receives only a main signal with high accuracy with a relatively simple circuit configuration.
In particular, the object is to reliably reduce the error rate in receiving the impulse UWB.
上記目的を達成するために、本発明のインパルスUWB受信回路は、インパルスUWB信号に対して同期していることを示すロック信号を出力するPLL回路部と、該PLL回路部からのクロック信号と上記ロック信号の両方が入力された場合にタイミング信号を出力するタイミング信号作成部と、上記タイミング信号に基づいてブロッキング信号を出力するブロッキング信号作成部と、上記ブロッキング信号に基づいて上記UWB信号をオンオフ制御する受信信号スイッチ部と、を備え、検出すべきUWB信号の波形相互間の不要信号をブロックするように構成したものである。 In order to achieve the above object, an impulse UWB reception circuit according to the present invention includes a PLL circuit unit that outputs a lock signal indicating synchronization with an impulse UWB signal, a clock signal from the PLL circuit unit, A timing signal generator that outputs a timing signal when both of the lock signals are input, a blocking signal generator that outputs a blocking signal based on the timing signal, and an on / off control of the UWB signal based on the blocking signal And a reception signal switch unit configured to block unnecessary signals between waveforms of UWB signals to be detected.
本発明によれば、他の物体で反射してくる反射波やノイズ等の不要信号が、検出すべきUWB信号の波形相互間に存在していても、その不要信号をブロックして、検出すべきUWB信号(主信号)を高精度かつ確実に抽出できる。つまり、データ検出エラーや距離測定エラーといった不具合の発生(エラー率)を低減させ、安定性に優れると共に正確なUWB測距・測位システムやUWBデータ通信システムを得ることができる。 According to the present invention, even if an unnecessary signal such as a reflected wave or noise reflected from another object exists between the waveforms of UWB signals to be detected, the unnecessary signal is blocked and detected. A power UWB signal (main signal) can be extracted with high accuracy and reliability. That is, it is possible to reduce the occurrence of errors such as data detection errors and distance measurement errors (error rate), and to obtain an accurate UWB ranging / positioning system and UWB data communication system that are excellent in stability.
以下、図示の実施形態に基づき本発明のインパルスUWB受信回路を詳説する。
図1に示すように、受信器側の回路に設けられ、インパルスUWB信号Sを受信するためのアンテナ部11と、受信したUWB信号Sを増幅するための第1の増幅部12と、受信したUWB信号Sを(包絡線)検波波形として検出するための包絡線検波部14と、第1の増幅部12と包絡線検波部14の間に介装され第1の増幅部12からのUWB信号Sを包絡線検波部14に伝送するか否かを切り換えてUWB信号Sをオンオフ制御する受信信号スイッチ部13と、包絡線検波されたUWB信号S´(主信号検波波形S´)を増幅させる第2の増幅部15と、利得が適切な範囲になるように調整(フィードバック制御)するための自動利得制御部16と、UWB信号Sを検波波形からパルス信号に変換するためのパルス変換部17と、パルス変換されたUWB信号S´´(主信号パルスS´´)からデータを抽出するためのPLL回路部(位相同期回路部)18と、PLL回路部18にて抽出した主信号パルスS´´をデジタル処理するデジタル処理部19と、を備えている。デジタル処理部19に処理されたデータに基づいて、図示省略のCPUや集積回路等の演算処理器にて測定対象物までの距離や位置を算出する。
The impulse UWB reception circuit of the present invention will be described in detail below based on the illustrated embodiment.
As shown in FIG. 1, an
図2に於て、アンテナ部11はアンテナ素子を有するアンテナ部材11であり、第1の増幅部12は高周波増幅器(LNA:Low Noise Amplifier)12であり、受信信号スイッチ部13はON−OFFスイッチ部13であり、包絡線検波部14は検波器(包絡線検波回路部)14であり、第2の増幅部15はアンプ(AMP)15であり、自動利得制御部16はAGC(Automatic Gain Control)回路部16であり、パルス変換部17は所定閾値(スレッシュホールド値)に設定したコンパレータ(比較器)17であり、デジタル処理部19はベースバンド回路部19である。
In FIG. 2, an
PLL(Phase Locked Loop)回路部18は、クロック信号Iaを出力可能であると共に、インパルスUWB信号Sのプリアンブル(同期用初期信号)を認識するとスタートして同期している(ロック状態である)ことを示すロック信号Ibを出力可能な回路である。
PLL回路部18は、(内部の)可変周波数発振器の出力と、パルス変換部17からの入力と、を(内部の)位相比較器に入力し、2信号間の位相差が無くなるまで自動的に上記可変周波数発振器の周波数を制御して、位相差が無くなった状態でロック信号Ibを出力する。
The PLL (Phase Locked Loop)
The
さらに、図1に示すように、PLL回路部18からのクロック信号Iaとロック信号Ibの両方が入力された場合にタイミング信号Icを出力するタイミング信号作成部20と、タイミング信号Icに基づいてブロッキング信号Idを受信信号スイッチ部13へ出力するブロッキング信号作成部21と、を備えている。
Further, as shown in FIG. 1, when both the clock signal Ia and the lock signal Ib from the
図2に於て、タイミング信号作成部20はAND回路部20である。
AND回路部20は、PLL回路部18からのクロック信号Iaとロック信号Ibの両方が入力された場合に、タイミング信号Icが出力される。つまり、正しい受信体制が整っているとき(同期がとれたとき)に、タイミング信号Icが得られることになる。
このタイミング信号Icは、検出すべきUWB信号S(検波出力)に同期している。
In FIG. 2, the timing
The
This timing signal Ic is synchronized with the UWB signal S (detection output) to be detected.
ブロッキング信号作成部21は、回路設計者が構成を設定できる集積回路、例えば、PLD(programmable logic device)やFPGA(field-programmable gate array)等に、タイミング信号Icがトリガー信号として入力されると、所定パルス幅の信号(ワンショトパルス)をブロッキング信号Idとして出力するようにプログラムしたプログラマブルワンショットマルチ回路部21である。
When the timing signal Ic is input as a trigger signal to an integrated circuit that can be configured by a circuit designer, for example, a PLD (programmable logic device) or an FPGA (field-programmable gate array), the blocking
ON−OFFスイッチ部13は、ブロッキング信号Idを受信している間は、LNA12と検波器14の間の信号伝送機能を無効化状態(OFF)とし、ブロッキング信号Idを受信していない場合はLNA12と検波器14の間の信号伝送機能を有効状態(ON)とするように、2状態に制御する。
The ON-
次に、本発明のインパルスUWB受信回路の動作(作用)について説明する。
アンテナ部11が様々な信号を受信し、PLL回路部18がプリアンブル(同期用初期信号)を確認するまでロック状態にならずロック信号Ibは出力しない。クロック信号Iaは、ロック状態、アンロック状態、いずれの場合も出力されている。
Next, the operation (action) of the impulse UWB receiving circuit of the present invention will be described.
Until the
そして、アンテナ部材11がUWB信号Sのプリアンブル(同期用初期信号)を受信し、PLL回路部18が認識(同期確認)すると、PLL回路部18からロック(情報)信号Ibが出力される。
When the
AND回路部20は、ロック信号Ibとクロック信号Iaの両方が入力されると、タイミング信号Icを出力する。
プログラマブルワンショットマルチ回路部21は、タイミング信号Icが入力されるとブロッキング信号Idを出力する。
The
When the timing signal Ic is input, the programmable one-
ON−OFFスイッチ部13は、ブロッキング信号Idが入力されている間は、LNA12と検波器14の間の信号伝送機能を無効化(切断又は遮断)し、アンテナ部11が受信した信号に対して、受信信号検出(検波)が行えないようにする。
While the blocking signal Id is being input, the ON-
ここで、図3(a)に示すように、アンテナ部11が受信する受信波形は、検出すべきUWB信号S(以下、主信号Sと呼ぶ場合もある)と、他の物体で反射してくる反射波やノイズといった不要信号Zと、がある。
図3(b)に示すように、従来技術では、検出すべきUWB信号S及び不要信号Zは包絡線検波部14によって、検波波形に変換される。
以下、説明を容易にするために、検波波形に変換されたUWB信号S´を、主信号検波波形S´と呼び、検波波形に変換された不要信号Z´を、不要検波波形Z´と呼ぶ場合がある。
Here, as shown in FIG. 3A, the received waveform received by the
As shown in FIG. 3B, in the prior art, the UWB signal S and the unnecessary signal Z to be detected are converted into a detection waveform by the
Hereinafter, for ease of explanation, the UWB signal S ′ converted to the detected waveform is called a main signal detected waveform S ′, and the unnecessary signal Z ′ converted to the detected waveform is called an unnecessary detected waveform Z ′. There is a case.
そして、図3(b)と(c)に示す従来技術のように、パルス変換部17によって、検波波形(主信号検波波形S´及び不要検波波形Z´)は、所定閾値(所定電圧値)でパルス変換される。
検出すべきUWB信号Sをパルス信号として検出できているが、不要検波波形Z´(不要信号Zの検波波形)が所定閾値を越えているとパルス信号として検出している。
つまり、UWB信号Sをパルス変換したパルス信号S´´(以下、主信号パルスS´´と呼ぶ場合もある)と、不要信号Zをパルス変換したパルス信号Z´´(以下、不要パルスZ´´と呼ぶ場合がある)と、を検出してしまう。
Then, as in the prior art shown in FIGS. 3B and 3C, the
Although the UWB signal S to be detected can be detected as a pulse signal, if the unnecessary detection waveform Z ′ (detection waveform of the unnecessary signal Z) exceeds a predetermined threshold, it is detected as a pulse signal.
That is, a pulse signal S ″ obtained by pulse conversion of the UWB signal S (hereinafter also referred to as a main signal pulse S ″) and a pulse signal Z ″ obtained by pulse conversion of the unnecessary signal Z (hereinafter referred to as unnecessary pulse Z ′). May be called ').
このような、不要パルスZ´´を取り込んでしまうとデータ通信エラーや測定エラーの原因となってしまう。また、不要信号Zが検出すべき主信号Sの近くに存在すると、検波波形や検出されるパルス信号に影響を与えて時間的な誤差を発生させる要因となる。 If such an unnecessary pulse Z ″ is taken in, it causes a data communication error and a measurement error. In addition, if the unnecessary signal Z is present near the main signal S to be detected, the detection waveform and the detected pulse signal are affected, which causes a temporal error.
ところが、本発明は、図3(d)に示すように、PLL回路部18にて同期確認後に受信した主信号S(言い換えると、プリアンブル後のデータ用信号)がパルス変換(パルス検出)された直後にブロッキング信号Idの出力を開始し、所定パルス幅Taをもったブロッキング信号Idを出力する。つまり、ブロッキング信号Idがプログラムされた所定時間だけ出力することで、ON−OFFスイッチ部13を所定時間だけOFFにして、検出すべきUWB信号Sをパルス変換した直後(Δta)から、次に来る主信号Sをパルス変換する直前(Δtb)までの間に、アンテナ部11が不要信号Zを受信したとしても、主信号Sの波形相互間の不要信号Zが包絡線検波部14に伝送されないようにして、不要信号Zの包絡線検波やパルス変換が行われない(不要検波波形Z´や不要パルスZ´´が検出されない)ように受信信号検出を阻止(制御)する。即ち、検出すべきUWB信号Sの波形の相互間の不要信号Zをブロックしている。
However, in the present invention, as shown in FIG. 3 (d), the main signal S (in other words, the data signal after the preamble) received after the synchronization confirmation in the
図3(a)に示すような検出すべきUWB信号Sの波形相互間の不要信号Zが、図3(e)に示す実施例のように、不要パルスZ´´として検出されず、主信号パルスS´´のみとなる。次工程のデジタル処理部19や演算処理部でのデータ解析や距離計算等においてエラーが減少する。
The unnecessary signal Z between the waveforms of the UWB signal S to be detected as shown in FIG. 3A is not detected as an unnecessary pulse Z ″ as in the embodiment shown in FIG. Only the pulse S ″ is present. Errors are reduced in data analysis, distance calculation, and the like in the
ブロッキング信号Idの所定パルス幅Taは、主信号S(主信号検波波形S´)の周期W1や、検出幅W2や、主信号検波波形S´の所定閾値検出終了位置と次の主信号検波波形S´の所定閾値検出開始位置の間の間隔長さ(時間)W3等に基づいて、予め、プログラムにて設定している。
プログラマブルワンショットマルチ回路部21を、図示省略のCPUを介してディレー値をデジタル的に設定してブロッキング信号Idのタイミング制御(パルス制御)を行って、極めて正確な時間設定を実現している。
The predetermined pulse width Ta of the blocking signal Id is the period W1 of the main signal S (main signal detection waveform S ′), the detection width W2, the predetermined threshold detection end position of the main signal detection waveform S ′, and the next main signal detection waveform. Based on the interval length (time) W3 between the predetermined threshold value detection start positions of S ′, it is set in advance by a program.
The programmable one-
上記パルス変換した直後(Δta)の「直後」とは、同時も含み、パルス変換した時(同時)から2ナノ秒以内の範囲(0ns≦Δta≦2ns)であり、例えば、パルス変換した時から1ナノ秒以上2ナノ秒以下の範囲(1ns≦Δta≦2ns)でブロッキング信号Idが立ち上がるように設定するのが好ましい。
また、パルス変換する直前の「直前」とは、同時も含み、パルス変換する2ナノ秒前からパルス変換する時(同時)までの範囲(0ns≦Δta≦2ns)であり、例えば、次のUWB信号Sをパルス変換する時よりも2ナノ秒前から1ナノ秒前の間の範囲でブロッキング信号Idが立ち下がるように設定するのが好ましい。
The term “immediately” immediately after the pulse conversion (Δta) includes the same time and includes a range within 2 nanoseconds (0 ns ≦ Δta ≦ 2 ns) from the time of pulse conversion (simultaneous). For example, from the time of pulse conversion It is preferable to set the blocking signal Id to rise in the range of 1 nanosecond to 2 nanoseconds (1 ns ≦ Δta ≦ 2 ns).
Further, “immediately before” immediately before pulse conversion includes the simultaneous and includes the range from 2 nanoseconds before pulse conversion to the time of pulse conversion (simultaneous) (0 ns ≦ Δta ≦ 2 ns). For example, the next UWB It is preferable to set so that the blocking signal Id falls in a range between 2 nanoseconds and 1 nanosecond before the signal S is subjected to pulse conversion.
本発明は、データ通信システムや測距・測位システム等様々なシステムにおいて、UWB信号Sを受信するための受信器に適用可能であって、例えば、倉庫内に設けた固定送受信器や、フォークリフトや搬送物等の移動体に設けた送受信器付き移動タグ等の受信側回路に組み込むことができる。また、データ通信システムの受信器に用いることもできる。 The present invention can be applied to a receiver for receiving the UWB signal S in various systems such as a data communication system and a ranging / positioning system. For example, a fixed transceiver provided in a warehouse, a forklift, It can be incorporated in a receiving circuit such as a moving tag with a transmitter / receiver provided on a moving body such as a transported object. It can also be used in a receiver of a data communication system.
なお、本発明は、設計変更可能であって、タイミング信号作成部20や、ブロッキング信号作成部21や、受信信号スイッチ部13は、図2に示した回路構成に限らず自由である。
In the present invention, the design can be changed, and the timing
以上のように、本発明は、インパルスUWB信号Sに対して同期していることを示すロック信号Ibを出力するPLL回路部18と、PLL回路部18からのクロック信号Iaとロック信号Ibの両方が入力された場合にタイミング信号Icを出力するタイミング信号作成部20と、タイミング信号Icに基づいてブロッキング信号Idを出力するブロッキング信号作成部21と、ブロッキング信号Idに基づいてUWB信号Sをオンオフ制御する受信信号スイッチ部13と、を備え、検出すべきUWB信号Sの波形相互間の不要信号Zをブロックするように構成したので、検出すべきUWB信号(主信号)Sの波形相互間に存在する不要信号Zをブロックして、主信号Sを高精度かつ確実に抽出できる。つまり、データ検出エラーや距離測定エラーといった不具合の発生(エラー率)を低減させ、安定性に優れると共に正確なUWB測距・測位システムやUWBデータ通信システムを得ることができる。
As described above, according to the present invention, the
13 受信信号スイッチ部
18 PLL回路部
20 タイミング信号作成部
21 ブロッキング信号作成部
Ia クロック信号
Ib ロック信号
Ic タイミング信号
Id ブロッキング信号
S UWB信号
Z 不要信号
13 Receive signal switch
18 PLL circuit
20 Timing signal generator
21 Blocking signal generator
Ia clock signal Ib lock signal Ic timing signal Id blocking signal S UWB signal Z unnecessary signal
Claims (1)
検出すべき上記UWB信号(S)の波形相互間の不要信号(Z)をブロックするように構成したことを特徴とするインパルスUWB受信回路。 A PLL circuit unit (18) that outputs a lock signal (Ib) indicating that it is synchronized with the impulse UWB signal (S), a clock signal (Ia) from the PLL circuit unit (18), and the lock signal (Ib) when both are input, a timing signal generator (20) that outputs a timing signal (Ic) and a blocking signal generator (Id) that outputs a blocking signal (Id) based on the timing signal (Ic) 21) and a reception signal switch unit (13) for controlling on / off of the UWB signal (S) based on the blocking signal (Id),
An impulse UWB reception circuit configured to block an unnecessary signal (Z) between waveforms of the UWB signal (S) to be detected.
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