JPH11504480A - 全２重超広帯域通信システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 全２重超広帯域通信用のインパルス無線トランシーバ。トランシーバはインパルス無線信号パルスを送信するインパルス無線送信機と、インパルス無線信号パルスを受信するインパルス無線受信機と、インパルス無線送信機およびインパルス無線受信機のいずれかまたは両方と関連づけられた、パルス・インターリーブ通信のためにインパルス無線信号パルスの送信および受信を同期させる手段とを備えている。パルス・インターリーブは送信インパルス無線信号パルスと受信インパルス無線信号パルスとの間の自己干渉を回避する。パルス・インターリーブ通信に加えて、パルスのバーストを２台のトランシーバの間でインターリーブ方式で送信することができる。あるいは、２つの異なるパルス繰り返し数を使用して、インパルス無線信号パルスを同時に送受信する。受信または送信インパルス無線信号パルスのうち選択されたパルスをブランキングするブランキング手段を使用して、干渉を回避することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 全２重超広帯域通信システムおよび方法 発明の背景 発明の分野 本発明は通信分野に関し、詳細にいえば、本発明は情報が本質的に同時に送受 信される全２重モードを用いた超広帯域インパルス通信トランシーバ・システム および方法に関する。 関連技術 狭帯域信号で動作する従来のトランシーバは通常、信号の送受信に同一のアン テナを使用している。送信信号と受信信号とは周波数が同じであるか、きわめて 近いものであることが普通である。送信モードと受信モードの切換えは、データ の各パケットの密度にもよるが極めて高速で行うことができる。 全２重動作は従来は、周波数領域多重アクセス(frequency domain multiple a ccess;周波数分割多元接続ともいう)または時間領域多重アクセス(time domain multiple access;時分割多元接続ともいう)（ＦＤＭＡまたはＴＤＭＡ）のいず れかによって達成されていた。送信機と受信機とを分離するため、ＦＤＭＡは周 波数フィルタおよびハイブリッドを使用しており、一方ＴＤＭＡは送信機と受信 機が動作を交番するデューティ・サイクル手法(duty cycle scheme)を使用して いる。 ＦＤＭＡ全２重音声通信システムの例としては、異なる送信周波数と受信周波 数で動作するアマチュア無線送信機がある。例えば、分離された周波数は１４４ ＭＨｚと４３６ＭＨｚであるとすることができる。このようなシステムにおいて は、アンテナが通常別々になっており、フィルタを受信機に使用して、隣接する 送信アンテナからの送信雑音を排除する必要がある。これを行わなければ、受信 機に自身の送信機からの過負荷がかかりやすくなる。 インパルス無線技術は、これに対し、定義上超広帯域のものである。インパル ス無線の最初の記述は本発明者の多数の米国特許明細書に見出せる。これらのう ちの３件は米国特許第４６４１３１７号（１９８７年２月３日発行）、同第４８ １３０５７号（１９８９年３月１４日発行）、および同第４９７９１８６号（１ ９９０年１２月１８日発行）である。インパルス無線の超広帯域性により、イン パルス無線システムを改変して、従来の全２重手法を使用することは困難である 。 インパルス無線技術において全２重を達成するためには、ハンドヘルド（携帯 形）・トランシーバ用に送信および受信に別々のアンテナが必要である。これは 同じアンテナを使用して送信を行えるようにするのに十分な速さで、受信機をア ンテナから切断することができないからである。したがって、インパルス無線ア ンテナのサイズは、比較的小さいものでなければならない。 多数のユーザがお互に通信を行うインパルス無線システムでは、ユーザ全員が 同じサイズのアンテナを有していることが必要である。さらに、同一帯域幅での インパルス無線通信の場合にも、送信アンテナと受信アンテナとが同じサイズで あると考えられる。これらの制約事項は、送信機と受信機が両方とも同じ超広帯 域周波数帯域幅で動作しなければならないため、インパルス無線技術における全 ２重の実施を複雑なものとする。 インパルス無線技術は信号が目的の受信機に到達してから、次のパルスが送信 されるまでに時間がほとんどかからないほどの高速で動作することを可能とする 。この状況により、２台のトランシーバ・ユニットの間の空間に数個のパルスが 存在するようになる。移動体通信におけるように２台のトランシーバ・ユニット の間に動きがある場合は、送信機と受信機とが同時に動作しなければならない、 避けることのできない状態が発生する。 移動体環境において全２重モードで動作するためには、送信機と受信機との間 の距離がＣ／Ｒの倍数（ただし、Ｃは光の速度、Ｒは繰り返し数である）だけ増 減した場合はいつでも、送信機と受信機とが同時に動作することが必要となるで あろう。例えば、Ｒ＝１００万パルス／秒である場合、これらの地域は約３００ メートルになるといったものである。全２重モードの動作はきわめて望ましいも のではあるが、この結果はそれを行うのを非実用的なものとする。 課題はきわめて明白である。どうすれば、インパルス無線受信機はそれ自体の 隣接する送信アンテナによって送信されたはるかに強力なインパルス無線信号が 存在しているときに、他のインパルス送信機が送信した信号と区別することがで きるかということである。解決策として必要なものは、インパルス無線技術に適 用できる、送信信号と受信信号の間の干渉を回避する技法である。 発明の要約 本発明は全２重超広帯域通信用のインパルス無線トランシーバを対象とする。 このトランシーバはインパルス無線信号パルスを送信するインパルス無線送信機 と、インパルス無線信号パルスを受信するインパルス無線受信機と、インパルス 無線送信機およびインパルス無線受信機のいずれか、あるは両方に関連づけられ た、パルス・インターリーブ通信用にインパルス無線信号パルスの送信および受 信を同期化する手段とを備えている。パルス・インターリーブは送信されたイン パルス無線信号パルスと受信されたインパルス無線信号の間の自己干渉を回避す る。パルス・インターリーブ通信に加えて、パルスのバースト(burst)をインタ ーリーブ方式で２台のトランシーバの間で送信することができる。 あるいは、本発明は異なる繰り返し数での送受信によって、オーバラップ状態 を空間分布と無関係な一定速度で生じさせる同時動作を回避する。オーバラップ 状態を解決するために、インパルス無線受信機は１秒当たりに生じる数個のオー バラップ・パルスの間は動作を中止させる論理を用いている。 それ故、本発明はインパルス無線において同一のアンテナを使用して情報の送 受信を同時に行うことのできるシステムおよび方法を対象とする。 本発明の一実施の形態では、通信中の２台のトランシーバ・ユニットの間の距 離を連続的に変動させることが可能となり、いずれかのユニットがモノサイクル （単一サイクル）を送信してから、望ましくないクロストークを引き起こす時間 内にその関連する受信機を動作させる必要がない。これは送信および受信方向の 各々に対して若干異なる繰り返し数(repetition rate)を使用することにより、 また２つの繰り返し数の間のビート期間が情報を含んでいるインパルス信号の受 信の直前に、またはこの受信と同時にすぐに送信を必要とする期間の間、送信機 をオフとすることによって達成される。 図面の簡単な説明 図１Ａおよび図１Ｂは時間域および周波数域のそれぞれにおける、本発明によ る２ＧＨｚ中心周波数モノサイクルを示す図である。 図２Ａおよび図２Ｂは時間域および周波数域のそれぞれにおける、本発明によ るパルスが１ｎｓの１ｍｐｐｓシステムを示す図である。 図３は変調に比例してパルス繰り返し間隔（ＰＲＩ）を変化させる本発明によ る変調信号を示す図である。 図４は本発明による周波数域でのエネルギーの分布に対する疑似乱数ディザの 影響(impact)を説明するグラフである。 図５は本発明によるインパルス無線信号に重なった狭帯域正弦（干渉）信号の 結果を示す図である。 図６は本発明によるインパルス無線受信機の「相互相関器」伝達関数を示す図 である。 図７は本発明によるインパルス無線マルチパス（多重通路）効果を示す図であ る。 図８は本発明によるマルチパスの位相を示す図である。 図９は本発明による全２重インパルス無線システムを表すブロック図である。 図１０はトランシーバにおける送信パルスおよび受信パルスのタイミングを示 す図である。 図１１はインパルス無線送信機と受信機の間のコンテンション帯域（競合帯域 ）を示す図である。 図１２は本発明の一実施の形態による、インパルス無線送信機と受信機の間の コンテンション帯域の影響を最小限とするための遅延送信技法を示す図である。 図１３は本発明の一実施の形態による、全２重インパルス無線通信のためのパ ルス・インターリーブ技法の流れ図である。 図１４は本発明の一実施の形態による、全２重インパルス無線通信のためのバ ースト・インターリーブ技法の流れ図である。 図１５は２台の通信中のトランシーバに関する、異なるパルス反復周波数を使 用した本発明の他の実施の形態に対する例示的なパルスを示す図である。 図１６は本発明による相互相関プロセス（処理工程）を示す図である。 図１７は本発明の一実施の形態による全２重通信用のインパルス無線トランシ ーバの代表的な図である。 図１８は本発明の他の実施の形態による全２重通信用のインパルス無線トラン シーバの代表的な図である。 図１９は本発明の好ましい実施の形態による、同期パルス・インターリーブを 実行するトランシーバの例示的なブロック図である。 図２０はパルス・インターリーブ通信用の遅延を実行するための流れ図である 。 図面において、同じ参照番号は同一または機能的に類似した要素を示す。さら に、参照番号の左端の数字はその参照番号が最初に示された図面の図番を示す。 好ましい実施の形態の詳細な説明 目次 Ｉ． 概要 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ７ II． 技術的な基本事項・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ８ Ａ．ガウス・モノサイクル・・・・・・・・・・・・・・・・・ ８ Ｂ．パルス列・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・１０ Ｃ．変調・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・１１ Ｄ．エネルギー平滑化およびチャネル化のためのコーディング・１１ Ｅ．受信および復調・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・１２ Ｆ．妨害耐性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・１３ Ｇ．処理ゲイン・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・１３ Ｈ．容量・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・１４ Ｉ．マルチパスおよび伝搬・・・・・・・・・・・・・・・・・１５ III ．インパルス無線通信システム用の全２重・・・・・・・・・・・・１６ Ａ．システム性能に対するディザ・ウィンドウの幅の影響・・・２３ IV． 例示的なトランシーバのハードウェア・・・・・・・・・・・・・２４ Ａ．送信機・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２４ Ｂ．受信機・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２５ Ｃ．時間ハンドオフ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２６ Ｄ．差動速度デュプレックス・・・・・・・・・・・・・・・・２８ Ｖ． その他の考慮事項・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２８ VI． 結論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２９ Ｉ．概要 本発明によるインパルス無線技術は無線通信用に広く適用できるものである。 インパルス無線が持続波（ＣＷ）搬送波ベース方式ではないため、副搬送波を使 用することは、時間域・インパルス無線設計に対する的確で、反直感的な追加分 となる。信号対雑音比はそれにより、非副搬送波インパルス無線送信に比較して かなり改善される。 インパルス無線機は一般に次のものを備えている。即ち、持続期間の短いパル ス；通常５０ＭＨｚと１０ギガヘルツ（ＧＨｚ）の間の中心周波数；中心周波数 の１００＋％の超広帯域。低利得のアンテナを使用した場合でも、サブミリワッ ト未満の平均電力レベルによる数マイルの範囲；きわめて低い電力スペクトル密 度。他の複雑な無線設計、特に広いスペクトラム拡散方式よりも低コスト；他の 伝送系からの妨害およびマルチパス・フェージングに対する優れた不感応性を備 えている。 インパルス無線機は特別優れたマルチパス不感応性を有しており、特にスペク トラム拡散無線機と比較し、比較的単純であり、構築コストが低い。インパルス 無線システムの消費電力は、既存の従来の無線機よりも実質的に低い。さらに、 インパルス無線システムの占有空間は、既存の携帯形通信トランシーバよりも小 さい。これらの特性のため、インパルス無線はパーソナル通信システムおよび屋 内通信システムをはじめとして広い用途で最適な技術である。 本願と同一出願人に譲渡された同時係属米国特許出願第０８／３０９，９７３ 号（１９９４年９月２０日出願、名称「超広帯域通信システムおよび方法」、こ れは参照することにより本明細書の一部となる。これを以下’９７３号出願と呼 ぶこととする）には、以下のインパルス無線の特徴が記載されている。即ち、イ ンパルス無線副搬送波の使用、コード時間遅延および副搬送波時間遅延に使用さ れる時変調器、時変調器の線形化、インパルス無線通信を使用したディジタル・ データの変調に対する疑似マンチェスタ・コーディング、およびインパルス無線 信号のロックを取得し、維持するためのインパルス無線受信機に対するロック取 得手法が記載されている。 以下の第II節および第III 節で本発明を詳述する。 第II節は技術的な基本事項に関するものであり、インパルス無線の概念、なら びに通信理論のその他の関連する態様を紹介するものである。第III 節はインパ ルス無線通信システムの全２重化に関するものである。この節にはインパルス無 線トランシーバの全２重動作についての理論に関する項目が含まれている。 II．技術的な基本事項 上述したように、本節は技術的な基本事項に関するものであり、インパルス無 線の概念、ならびに通信理論のその他の関連する態様を紹介するものである。本 節にはガウス・モノサイクル・パルス、ガウス・モノサイクル・パルスのパルス 列、変調、コーディング、およびこれらの概念の定性的および定量的な特性に関 する事項が含まれている。 インパルス無線送信機は厳密に制御された平均パルス間間隔で短いガウス・モ ノサイクル・パルスを放出する。インパルス無線送信機は２０〜０．１ナノ秒（ ｎｓ）のパルス幅および２〜５０００ｎｓのパルス間間隔を使用する。これらの 狭いモノサイクル・パルスは本質的に、広帯域の周波数特性を有している。 インパルス無線システムはパルス位置変調を使用しており、その実際のパルス 間間隔はパルスごとに、２つの成分、すなわち情報成分および疑似乱数コード成 分だけに基づいて変動する。スペクトラム拡散システムと異なり、疑似乱数コー ドはエネルギーの拡散に必要なのではなく（インパルス自体が本質的に広帯域で あるため）、むしろチャネル化、周波数域におけるエネルギーの平滑化、および 妨害（ジャミング）抵抗に必要なものである。 インパルス無線受信機は相互相関器フロント・エンドを備えた直接変換受信機 である。このフロント・エンドは電磁パルス列を１段のベースバンド信号に可干 渉性で変換する。インパルス無線受信機は複数のパルスを統合して、送信された 情報の各ビットを復元する。 Ａ．ガウス・モノサイクル インパルス無線技術のもっとも基本的な要素は、本明細書ではガウス・モノサ イクル・パルスとも呼ぶガウス・モノサイクルの実用的な実施である。ガウス・ モノサイクルはガウス関数の１次導関数である。図１Ａおよび図１Ｂは時間域お よび周波数域（それぞれ、１０２および１０４参照）における２ＧＨｚ中心周波 数（すなわち、０．５ｎｓのパルス幅）のモノサイクル・パルスである。（実用 上、完全なガウス・モノサイクルの伝送は行えない。周波数域においては、この ことにより、信号の帯域幅が若干狭くなる。）インパルスと呼ばれることもある これらのモノサイクルはゲートでコントロールされた正弦波ではない。 ガウス・モノサイクル波形は生来広帯域幅の信号であり、中心周波数と帯域幅 がパルスの幅によって完全に決定されるものである。時間域において、ガウス・ モノサイクルは次の式によって数学的に記述される。 ただし、Ａはパルスのピーク振幅、 ｔは時間、および τ（タウ）は時間減衰定数である。 周波数域において、ガウス・モノサイクルのエンベロープは次のようになる。 中心周波数はこの場合、次のようになる。 ｃに関し、３ｄＢ降下点（電力）は次のようになる。 それ故、帯域幅は中心周波数の約１６０％となる。τ（タウ）もパルス幅を定 義するものであるから、パルス幅は中心周波数と帯域幅の両方を規定する。実用 上、モノサイクル・パルスの中心周波数はその長さのほぼ逆数であり、その帯域 幅は中心周波数の約１．６倍となる。それ故、図１Ａおよび図１Ｂに示した「０ ．５ｎｓ」のパルスの場合には、次のようになる。 Ｂ．パルス列 インパルス無線システムは通信に単一パルスではなく、パルス列を使用する。 以下の第III 節で詳述するように、インパルス送信機は情報の各ビットに対する パルスの列を発生し、出力する。 本発明者らが作成したプロトタイプ（原器）は１秒当たり０．７〜１０メガパ ルス（ｍｍｐｓ。ただし、各メガパルスは１０６パルスである）のパルス反復周 波数を有している。図２Ａおよび図２Ｂは時間域および周波数域（それぞれ、１ ０２および１０４参照）に（未コード化で、未変調の）１ｎｓのパルスを有して いる１ｍｐｐｓのシステムを示す図である。周波数域において、このきわめて規 則的なパルス列は１メガヘルツ間隔でエネルギー・スパイク（くし歯線２０４） を生じ、それ故、すでに低くなっている電力がくし歯線２０４の間に拡散される 。このパルス列は情報を搬送しておらず、またエネルギー・スパイクの規則性の ため、短距離にある従来の無線システムに干渉することがある。 インパルス無線システムのデューティ・サイクルがきわめて低いため、時間域 における平均電力は時間域におけるピーク電力よりもはるかに低いものとなる。 図２Ａおよび図２Ｂの例においては、例えば、インパルス送信機は０．１％の時 間（すなわち、マイクロ秒（マイクロ秒（μｓ）当たり１ｎｓ）で動作する。 インパルス無線システムが実際に情報を通信できるようにするためにパルス列 を変調するには付加的な処理が必要である。この付加的な処理は周波数域におけ るエネルギーの分布の平滑化も行うことで、インパルス無線伝送（例えば、信号 ）による従来の無線システムへの干渉を最小限とする。 Ｃ．変調 振幅および周波数／位相変調はこの特別な形態のインパルス無線通信には適し ていない。唯一の適切な選択肢はパルス位置変調であって、これにより受信機で 整合フィルタ（すなわち、相互相関器）を使用することが可能となる。図３に示 すように、変調信号はパルス反復間隔（ＰＲＩ）を変調に比例させて変更する。 変調信号が３つのレベルを有しているものとすると、第１のレベルはパルスの 生成を公称(nominal)状態から前方へ∂ピコ秒（ｐｓ）だけシフトする。第２の レベルはパルス位置を公称状態からまったくシフトしない。第３のレベルはパル スを∂ｐｓだけ遅らせる。これはディジタル変調手法ということになる。アナロ グ変調はＰＲＩ−∂とＰＲＩ＋∂の間の連続的な偏移を可能とする。インパルス 無線システムにおいて、∂の最大値はｔ／４である（ただし、ｔ＝パルスの時間 ）。時間の測定は連続したモノサイクルにおいてモノサイクル波形の同じ部分で 行われるものと想定する。 周波数域において、パルス位置変調はエネルギーをより多くの周波数に分散さ せる。例えば、変調ディザ（ｄ）が１００ｐｓである１ｍｐｐｓシステムの場合 、ＰＲＩは１００００００ヘルツ（Ｈｚ）であり、付加的な周波数成分は９９９ ８００．０４Ｈｚ、９９９９００．０１Ｈｚ、１０００１００．０１Ｈｚおよび １０００２００．０４Ｈｚである。（ディザは時間によるパルス位置の移動に対 するインパルス無線通信の用語である。）送信エネルギーは周波数域においてよ り多くのスパイク（くし歯線）に分散されている。総送信エネルギーが一定のま まである場合、各周波数スパイクにおけるエネルギーは、可能なパルス位置の数 が増加すると減少する。それ故、周波数域においては、エネルギーはより円滑に 分散される。 Ｄ．エネルギー平滑化およびチャネル化のためのコーディング 受信機が相互相関器であるため、、１００％変調に必要とされる時間位置変調 の量はｆｃ／４（ただし、ｆｃは中心周波数）の逆数によって計算される。例え ば、中心周波数が１．３ＧＨｚのモノサイクルの場合、これは±１５７（ｐｓ） の時間位置変調に対応している。時間ディザのこのレベルにおけるスペクトル平 滑化はごくわずかである。 インパルス無線は変調ディザよりもはるかに大きいＰＮコード・ディザを各パ ルスに適用することによって、最適な平滑化を達成する。図４は周波数域におけ るエネルギー分布に対する疑似乱数ディザの影響を示すグラフである。図４は図 ２Ｂと比較して、無コード化信号に関して２５６位置のＰＮコードを使用する影 響を示している。 ＰＮディザリング（ディザ処理）はチャネル化ももたらす（チャネル化は１つ の通信路を多数のチャネルに分割するために用いられる手順である）。無コード 化システムにおいて、個別の送信機間の区別はきわめて困難である。ＰＮコード そのものが比較的直交しているものである場合（すなわち、使用されるコードの 間の相関および／または干渉が低い場合）、ＰＮコードはチャネルを創成する。 Ｅ．受信および復調 限定された領域内に多数のインパルス無線ユーザがいる場合、相互干渉が生じ ることがあるのは明らかである。さらに、ＰＮコーディングを使用すると、この 干渉が最小となるが、ユーザ数が増大すると、あるユーザのシーケンスからの個 々のパルスが他のユーザからのパルスと同時に受信される可能性が順次高くなる 。幸いなことに、本発明によるインパルス無線の実施態様は、すべてのパルスの 受信に依存するものではない。インパルス無線受信機は多くのパルスの統計的サ ンプリングを使用して、送信情報の復元を行う相関同期受信機能（ＲＦレベルに おける）を実行する。 インパルス無線受信機は通常、２００以上のパルスを統合して、復調出力をも たらす。受信機が統合するパルスの最適数はパルス繰り返し率(pulse rate)、ビ ット伝送速度、ジャミング・レベル、および範囲を含むいくつかの変数によって 左右される。 Ｆ．妨害耐性 チャネル化およびエネルギー平滑化の他に、ＰＮコーディングはインパルス無 線を、他のインパルス無線送信機を含むすべての無線通信システムからのジャミ ングに対してきわめて耐性の高いものにもする。このことは、インパルス信号が 占有している帯域内の他の信号がインパルス無線に対する妨害源として作用する ため、重要である。インパルス・システムに利用できる割り振られていない１Ｇ Ｈｚ超の帯域が存在しないため、これらのインパルス・システムは悪影響を受け ることなく、他の従来の無線機およびインパルス無線機とスペクトルを共用しな ければならない。ＰＮコードはインパルス・システムが意図されたインパルス伝 送と他からの伝送とを区別するのに助けとなる。 図５はインパルス無線信号５０４に重なった狭帯域の正弦曲線を描くジャミン グ（干渉）信号５０２の結果を示す。インパルス無線受信機において、相互相関 器への入力はこの狭帯域信号５０２、ならびに受信した超広帯域インパルス無線 信号５０４を含むものとなる。ＰＮコーディング（符号化）を行わないと、相互 相関器はジャミング信号がインパルス無線受信機に重大な干渉を引き起こすよう な規則性でジャミング信号５０２をサンプルすることとなる。しかしながら、送 信インパルス信号がＰＮコード・ディザによって符号化されている（かつ、イン パルス無線受信機が同一のＰＮコード・ディザと同期がとられている）場合、相 互相関器はジャミング信号をランダムにサンプルする。本発明によれば、多くの パルスを統合すると、ジャミングの影響が打ち消される。 統計的にいうと、受信プロセスの時間的な疑似乱数化によって、ゼロを平均と する（ジャミング信号に対して）ランダムに分散した値のストリームが生成され る。したがって、妨害源の影響を排除するには、十分な数のパルスについてサン プルして（すなわち、十分に多くの数のパルスを統合して）、ジャミング信号の 影響をゼロにするだけでよい。 Ｇ．処理ゲイン インパルス無線はその処理ゲイン（利得）が高いため、妨害に対して耐性があ る。スペクトラム拡散方式の場合、広帯域通信を使用した場合のチャネル干渉の 減少を定量化する処理ゲインの定義は、情報信号の帯域幅に対するチャネルの帯 域幅の比である。例えば、情報帯域幅が１０ｋＨｚで、チャネル帯域幅が１６Ｍ Ｈｚの直接スペクトル拡散(direct sequence spread spectrum)システムは、１ ６００すなわち３２ｄＢの処理ゲインをもたらす。しかしながら、インパルス無 線システムでははるかに大きい処理ゲインが達成され、情報帯域幅が同じ１０ｋ Ｈｚで、チャネル帯域幅が２ＧＨｚの場合、処理ゲインは２００，０００すなわ ち５３ｄＢである。 デューティ・サイクル（たとえば、０．５％の）は２８．３ｄＢの処理ゲイン をもたらす。（この処理ゲインは一般に、受信情報信号の帯域幅に対する受信信 号の帯域幅の比である。）情報を復元するための多数のパルスの統合（例えば、 ２００以上のパルスの統合）による有効オーバサンプリングは２８．３ｄＢの処 理ゲインをもたらす。毎秒５０キロビット（ｋｂｐｓ）を伝送する１０ｍｐｐｓ リンクによって２ＧＨｚを分割すると、４９ｄＢの処理ゲインとなる（すなわち 、１００ｎｓのパルス反復間隔で分割した０．５ｎｓのパルス幅は０．５％のデ ューティ・サイクルを有し、５００００ｂｐｓで分割した１０ｍｐｐｓはビット 当たり２００個のパルスを有する）。 Ｈ．容量 理論的な分析によると、インパルス無線システムがセル当たり数千の音声チャ ネルをもてることが示唆されている。インパルス無線システムの容量を理解する ためには、相互相関器の性能を慎重に検討する必要がある。図６は「相互相関器 転送関数」６０２を示す。これは所与の受信パルスに対するインパルス無線受信 機の相互相関器の出力値を表している。６０４に示すように、パルスが相互相関 ウィンドウ（窓）６０６の外部に到着した場合、相互相関器の出力は０ボルトで ある。受信パルス６０８がウィンドウに滑り込むと、相互相関器の出力が変動す る。パルスがウィンドウの中心よりもτ／４前方にある（６１０で示すように） 場合、最大値（例えば、１ボルト）となり、ウィンドウの中心にある（６１２に 示すように）場合、０ボルトとなり、中心よりもτ／４後方にある（図示せず） 場合、最小値（例えば、−１ボルト）になる。 受信システムが目的送信機と同期している場合、相互相関器の出力は±１ボル トの間で揺れる（送信機の変調の関数として）。他の帯域内送信は相互相関器の 出力値に対する変動を引き起こすこととなる。この変動はランダムに変化するも のであり、平均値が０のガウス白色雑音信号としてモデル化できるものである。 干渉源(interferer)の数が増加すると、これに直線的に比例して変動が増加する 。多数のパルスを統合することにより、受信機は送信信号の変調値の見積を行う 。数学的にいうと、次のようになる。 ただし、Ｎ＝干渉源の数、 σは単一の相互相関に対するすべての干渉源の変動、 Ｚは変調を復元するために受信機が統合するパルスの数である。 これは、同時にユーザの数が増加していくと、リンクの品質が徐々に（突然に 、ではなく）劣化するため、通信システムに対しての良好な関係となっている。 Ｉ．マルチパスおよび伝搬 正弦システムの基礎であるマルチパス・フェージングは、インパルス・システ ムでは従来の無線システムにおけるほど問題になることははるかに少ない（すな わち、規模の程度も少ない）。事実、セルラ通信ではきわめて顕著なものである レイリ・フェージングは持続波現象であって、インパルス通信現象ではない。 インパルス無線システムにおいては、マルチパス効果が存在するためには、特 別な条件が持続しなければならない。まず、散乱パルスが通過する経路の長さは パルスの幅×光の速度未満でなければならない。第２に、送信機において連続し て放出されるパルスは時間コーディングの相関解除(decorrelation)の利点を無 視して、受信機に同時に到着する。 前者の場合（１ナノ秒のパルスでは）、０．３メートル、すなわち約１フィー トに等しくなる（すなわち、１ｎｓ × ３００，０００，０００メートル／秒 ）。（「経路１」を通過するパルスが直接路ｎｏパルス後、半パルス幅で到着す る場合については、図７参照。） 後者の場合（１メガパルス／秒のシステムでは）、３００、６００、９００メ ートルなどを余分に通過することに等しい。しかしながら、個々のパルスの各々 が疑似乱数ディザの対象となるため、これらのパルスは相関解除される。 これらの区間を通過するパルスが自己干渉を引き起こすことはない（図７にお いて、これは経路２を通るパルスによって表されている）。しかしながら、図７ においてもっとも幅の狭い楕円で示されているグレージング(grazing)路を通る パルスは、インパルス無線マルチパス効果を生じる。 図８において８０２で示すように、マルチパス・パルスがさらにパルス幅の半 分の幅を通過すると、このパルスは受信信号の電力レベルを増加させる（マルチ パス・パルスの位相は反射面によって反転される）。このパルスがさらにパルス 幅の半分未満を通過した場合、８０４で示すように、破壊的干渉を生じる。例え ば、１ｎｓのパルスの場合、破壊的干渉が生じるのは、マルチパス・パルスが０ 〜１５ｃｍ（０〜６インチ）を通過した場合である。 インパルス無線システムのテスト（インパルス・レーダ・テストを含む）は、 マルチパスが実際の動作において重大な問題を何ら提起しないことを示唆してい る。さらに、もっと短いパルス幅も考えられており、これは破壊的干渉の可能性 をさらに少なくするものである（破壊的干渉に必要とされる反射経路長さが短く なるため）。 III．インパルス無線通信システム用の全２重 全２重インパルス無線通信システムの代表的なブロック図を、図９に示す。第 １のトランシーバ（Ａ）９０２は送信機（Ｔ１）９０４と受信機（Ｒ１）９０６ とを備えている。第２のトランシーバ（Ｂ）９０８は送信機（Ｔ２）９１０と受 信機（Ｒ２）９１２とを備えている。トランシーバ９０２および９０８は空気、 空間、あるいは超広帯域信号を伝搬できるその他の媒体などの伝搬媒体９１４に よって分離されている。送信インパルス無線信号９１６はＴ１ ９０４および Ｒ２ ９１２の間、ならびにＴ２ ９１０およびＲ１ ９０６の間を伝搬媒体９ １４を介して伝搬する。 超広帯域インパルス無線システムにおける全２重伝送の目的は、ウォーキート ーキー（すなわち、プッシュトーク・シンプレクス操作）ではなく、電話に類似 した情報の２方向伝送を提供することにある。超広帯域信号が全電磁スペクトル 、あるいは少なくともそのきわめて大きい部分を利用しているため、従来の方法 である周波数領域２重化以外の技法を使用する必要がある。このため、本発明者 らは全２重インパルス無線通信用にパルス・インターリーブ技法を開発した。 例えば、図１０を参照すると、送信機Ｔ１ ９０４が変調パルス１００２の列 を送出した場合、受信機Ｒ１ ９０６はＴ１が送信したパルス１００２の間の期 間内に送信機Ｔ２ ９１０から送信されたパルス１００４を受信する必要がある 。 この実施態様での複雑化の要因の１つは、送信機／受信機対番号１（すなわち トランシーバ１およびトランシーバ２）の間のある連続した範囲において、一方 または他方がまったく同時に送信および受信を行う必要があるということである 。しかしながら、同時送受信に必要な受信機のダイナミック・レンジは広すぎて 、機能を発揮することができない。このことは、パルス繰り返し数によって決定 されるいくつかの離散した位置において、各トランシーバが送信および受信を同 時に行う必要があることを意味する。図１１に示すように、Ｔ１ ９０４が送信 したパルス１１０２およびＴ２ ９１０が送信したパルス１１０４はコンテンシ ョン帯域（競合帯域）と呼ばれる位置において互いに完全に重なり合っている。 一連のこれらのコンテンション帯域が存在しており、これらは実際上除去するこ とができない。トランシーバの一方または両方が可動である場合、これらが互い に関して運動すると、さらにコンテンション帯域が生じる。 本発明の実施の形態によれば、Ｔ１ ９０４はＲ１ ９０６がＴ２ ９１０か らのパルス１２０４を受信してから１０ナノ秒（ｎｓ）後に、各パルス１２０２ を放出するように設定されている。この送信遅れを図１２に示す。これは、例え ばトランシーバ１における送信機と受信機の間の干渉を軽減する。Ｔ１ ９０４ が１パルスの受信後に送信を行った場合、これらのパルスが干渉することはない 。Ｔ１ ９０４が全期間（１期間は約５ｎｓである）の間待ってから、送信する ため、以前のパルスによる雑音のほとんどは現在のパルスが送信される前に消滅 してしまう。しかしながら、若干のコンテンション帯域１２０６は２台の送信機 の間に依然存在している。 これらのコンテンション帯域１２０６を解決する最も簡単な方法は、パルスの 受信後、送信前に、第１のトランシーバに、例えば１０ｎｓまたは１００ｎｓの 遅れを選択させることである。これは、例えば、パルス１２１０を点１２１２へ 移動させて（時間的な位置で）、自己干渉を回避することによって、点１２０８ における干渉を除去する。 さらに、すべての場合に、各パルスも上述のように時間ディザ・コーディング されていることに留意することが重要である。本明細書において、これらは単純 化のため、時間ディザ・コーディングされていないものとして示されている。そ れ故、時間ディザ・コーディングは干渉１２０８の除去にさらに役立つものであ る。 パルス・インターリーブのための信号取得に必要なステップを、図１３の流れ 図に示す。動作時に、Ｔ１ ９０４はステップ１３０２に示すように、Ｒ２ ９ １２への送信を開始する。Ｒ２ ９１２は検波のために走査を行い、その走査機 構によってロックを取得する（ステップ１３０４参照）。ロックが取得されると （ステップ１３０６参照）、これに付随した送信機（Ｔ２ ９１０）はステップ １３０８に示すように、送信を開始することができる。Ｒ１ ９０６が次いで検 波のために、ステップ１３１０において走査を行う。Ｒ１ ９０６がコンテンシ ョン帯域内にいたような場合には、Ｔ２ ９１０にロックすることはない。した がって、メッセージ・レベルにおいて、Ｒ１ ９０６はＴ１ ９０４によってこ れに伝えられる確認メッセージ（ＡＣＫ）１３０６を待ってから、送信機受信 タイミング遅れとして、１０ｎｓを使うのか、１００ｎｓを使うのかを判断しな ければならない。Ｒ１ ９０６がＴ２ ９１０を取得したとのＡＣＫをまったく 受信しなかったり、あるいはある時間後にこのＡＣＫを受信しなかったりした場 合には、Ｔ２ ９１０がタイムアウトとなり、その送信パルス・タイミングを、 例えば、１００ｎｓシフトさせてから、再度試行する。これらのステップは一般 に、ステップ１３１２、１３１４、１３１６および１３１８における条件ループ によって示される。 Ｒ２ ９１２がステップ１３２２に示すように、ロックを取得した場合(すな わち、ステップ１３２０で送られたＴ１ ９０４からのＡＣＫを受信した場合) 、Ｔ２ ９１０はステップ１３２４で戻りＡＣＫを送信し、リンクが確立され、 トランシーバがロックされる。 タイムアウトはＲ２ ９１２がディザ・コードのモジュロ全体にわたってＴ１ ９０４からのパルスを走査するのに必要とする最大期間であることが好ましい 。２５６ビット・コード、および１０ｎｓというかなり小さいコードのディザの 場合、タイムアウトは最長２０秒とすることができる。タイムアウトが生じるの は、最初のロックのときだけである。トランシーバがコード〜遅延値を切り替え る場合には、タイムアウトは必要ない。パルス・インターリーブ技法の実施態様 を単純化するためには、パルス・インターリーブ全２重が、テレメータやトラン スポンダ・タイプのシステムなどの多くの通信用途ではきわめて経済的である。 好ましい実施の形態において、受信機はコールド・スタート(cold start)が必要 ないように、オンのままにしておくことができる。 上述したように、移動体環境は独特なコンテンション帯域の問題をもたらす。 したがって、以下の実施の態様では、移動体環境を明示的に取り扱い、デッド・ ゾーン〜コンテンション帯域の問題に対する不感応性（immunity）を特に対象と する。 これらの問題を対象とする本発明の実施の形態の１つは、バースト・インター リーブ方式である。バースト・インターリーブ方式によれば、競合はまったくな くなる。バースト・インターリーブ方式を図１４の流れ図に示す。Ｔ１ ９０４ は、例えば、長さが１０マイクロ秒であるバーストを送信することによって、プ ロセスを開始する（ステップ１４０２参照）。例示的な実施の形態において、各 バーストは２メガパルス／秒の速度で２０個のパルス、あるいは５メガパルスの 速度で５０個のパルスを含んでいる。この最初に送信されるバーストは、Ｒ２ ９１２による伝搬遅延（すなわち、範囲遅延）および走査遅延によるある長さの 時間後に、Ｒ２ ９１２によって受信される（ステップ１４０４参照）。範囲遅 延は約５．２マイクロ秒／マイル（約５２００フィート）、または約１フィート ／ナノ秒に相当する。 この受信バーストの終了時に、Ｒ２はロックされ（ステップ１４０６参照）、 Ｔ２ ９１０が情報変調を含んでいるバーストを送信し（ステップ１４０８参照 ）、同じ範囲遅延後に、Ｒ１が検波のための走査を行い（ステップ１４１０）、 ロックされる（ステップ１４１２）。バースト間のタイミングが十分なものであ る場合、トランシーバ間の位置または範囲のいかなる状況においても、バースト 衝突が生じることはない。基準となるのは、バースト間の遅延が往復遅延(round trip delay)およびバースト幅に対応するのに十分なものであることである。実 用上、バーストは再送信が必要とされる前に、この受信機における受信時間のマ ージンをすべて使い切ってしまう前にできるだけ離れている必要がある。トラン シーバは次いで、ステップ１４１４、１４１６、１４１８および１４２０に示す ように取得メッセージを交換して、ロック・プロセスを完了する。 本発明の他の実施の形態は超広帯域インパルス無線システムにおいて全２重通 信を達成するために符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）を使用する。この変形におい て、Ｔ１ ９０４およびＴ２ ９１０は異なる時間ディザ・コードで動作し、デ ィザ・ウィンドウは全フレームにほぼ等しいため、連続した各パルスがパルスを 分離している期間内にどこにでも出現することができる。（ディザ・ウィンドウ はディザ・コードによって位置変調された場合に、モノサイクルが生じることの できる期間である。）Ｔ１ ９０４およびＴ２ ９１０はこれらの間の時間遅延 が相関解除を可能とするため、同じディザ・コードを使用することもできる。し かしながら、通常は、異なる時間ディザ・コードで動作する。 この実施の形態において、Ｔ１ ９０４は送信後のある長さの時間、例えば １０ｎｓ以内にエネルギーを受信するのを防止するブランキング・パルスを生成 する。これにより、ローカル環境におけるアンテナがエネルギーを低下すなわち 減衰させて、考えられる受信パルスに合わせて受信機を動作させることが可能と なる。例えば、期間が２００ｎｓ（５メガパルス／秒の繰り返し数である）で、 ０．５ｎｓのパルス幅（すなわち、２ギガヘルツの中心周波数）は１／４００（ すなわち、０．２５％）のサイクルを生じる。 放出された送信パルスに等しいブランキング・パルスは、しかしながら、完壁 に効果的なものというものではない。環境およびアンテナで低下する十分なエネ ルギーが依然存在しており、これは重大な自己干渉を引き起こすことがある。統 計的にいうと、パルスは約１／４００パルスだけで完全に自動整合することがで きる。１０ｎｓのブランキング・ウィンドウは受信パルスがそのブランキング・ ウィンドウ内にある確率を最大１％上昇させる。１％の確率は１％のエネルギー が受信機によって放棄されることを意味する。送信エネルギーのわずか１％の損 失は全２重動作を行わせるのにきわめてわずかな負担である。この１％の低下は ほとんど測定できない。 さらに他の実施の形態は周波数分割多元接続（ＦＤＭＡ）であり、「周波数」 という言葉はパルス反復周波数のことで、この用語を持続波ＦＭシステムで使わ れている周波数と区別するものである。図１５はこの実施の形態に対する例示的 なパルスを示しており、Ｔ１ ９０４は、例えば１メガパルス／秒（マイクロ秒 のパルス１５０２（数値１、２、３、４、５、６など）で表されている）で動作 している。Ｔ２ ９１０が約０．８５マイクロ秒／期間で動作しているものとす ると（パルス１５０４参照）、６個のパルス後に、２つが整合し、ほぼ静止する 。しかしながら、これ以降、すべてのパルスはずれてしまう。したがって、時間 コーディングが比較的狭いウィンドウに限定されていれば（例えば、２ギガヘル ツの中心周波数システムで使用されている４ｎｓ）、２台のトランシーバの互い に対する配置がいかなるものであっても、６個のパルスのうち１個だけが互いに 衝突することとなる。実用上、２台の間の繰り返し数の相違は１００個のうち１ 個だけが衝突１５０６を引き起こすようなものとなる。１００個のうちのこの１ 個を無効とすることができ（上述の例と同様に）、これは受信機に利用できる 電力に再び１％の低下を引き起こす。 ブランキングは様々な方法で実施できる。離散的論理を使用して、２つの異な るパルス繰り返し数の受信パルスおよび送信パルスが干渉する、あるいは時間的 に近づきすぎる時期を判定することができる。（例えば）トリガ信号の１つをゲ ートすることによって、干渉が回避される。 このＦＤＭＡの実施の形態は送信機が１００％利用可能であることなどの、パ ルス・インターリーブの実施の形態の利点のいくつかを有している。パルス・イ ンターリーブの実施の形態は、送信サイクルのかなりの部分の間、送信機をオフ にする必要がある。欠点は送信電力の同一の平均値に対して、パルス電力をはる かに高くして、これを埋め合わせなければならないことである。第１の例におけ るデューティ・サイクルは３３％程度であった。したがって、パルス電力（すな わち、瞬間パルス電力）は６６％大きなものにしなければならないであろう。こ の最後の実施の形態はパルス・インターリーブの利点、すなわち搬送波の１００ ％の利用可能度を共用しているが、送信時にオフにされることはまったくない。 しかしながら、受信時には、周期的な自己干渉が、上述の例と同様ブランキング によって処理され、受信電力の利用可能度をわずか１％低下させるが、これは完 全に受け入れられる値である。 全２重インパルス無線リンクに対する送信機と受信機の間の分離を行うために 使用される方法は、従来の無線機が連続搬送波周波数を使用して動作しているた め、従来の無線機とは異なるものである。これらの搬送波周波数はきわめて狭帯 域のものとなり、それ故、周波数域技法を使用して、送信機を受信機から同じよ うな考え方で分離することができる。低域フィルタを送信機に使用して、スプリ アス・エネルギー（にせもののエネルギー）が受信機に進入するのを防止するこ とができる。その受信機は若干高い周波数で動作している。逆に、高域フィルタ を使用して、送信機からの電力が受信機に進入するのを除去することができる。 この従来のフィルタリングは、しかしながら、送信機と受信機がモノサイクルの 同じパルスを使用しているため、インパルス無線システムに効果的に適用するこ とができない。 インパルス無線システムの動作特性はしたがって、異なる分離／フィルタリン グ手法を必要とする。これを実例を使用して説明することができる。異なる中心 周波数を有する２つのモノサイクル・パルスを、図１６に示す。長いモノサイク ル１６０２は低い中心周波数を有しており、短いモノサイクル１６０４は高い中 心周波数を有している。これら２つのパルスの中心周波数の相違は約３対１であ るが、依然かなり重なっている。したがって、この場合においても、フィルタを 使用して、アップリンクではある中心周波数（ｆｃ１）で、またダウンリンクで は異なる中心周波数（ｆｃ２）で動作している送信機と受信機の間の分離を行う ことができる。この実施の形態において、異なる中心周波数が処理動作に使用さ れていることによって、競合は完全に排除される。 Ａ．システム性能に対するディザ・ウィンドウの幅の影響 上述のように、ディザ・ウィンドウはモノサイクルがディザ・コードによって 位置決めされたとおりに出現できる期間である。上記の例において、ディザ・ウ ィンドウの幅は５ｎｓである。各ディザ・ウィンドウは２００ｎｓ離されている 。それ故、後続のモノサイクルは次のディザ・ウィンドウの何らかの場所に、少 なくとも２００ｎｓ遅く発生することができる。フレームが公称インパルス間隔 である各フレーム内の比較的狭い時間帯域におけるパルスの競合は、従来のサー ビスとの干渉の増加、ならびに類似のトランシーバとの干渉の増加に寄与するこ ととなる。干渉の増加は幅の広いディザ・ウィンドウを作成するのが困難なこと の望ましくない結果である。問題は長い時間遅延がジッタを低くするのが困難で あるというところにある。これはコヒーレント通信手法であるから、パルスの効 率のよい変換、および低ＲＦ電力レベルのおける良好な信号対雑音比には、低い ジッタが重要である。 パルス・インターリーブ方式、バースト・インターリーブ方式、およびパルス 繰り返し数多重アクセス技法はすべて、小さい時間帯域へのエネルギーのこの集 中の３つの結果である。このウィンドウを広げると、システムに対する制約は限 度まで少なくなり、フレーム全体をゲインの与えられたモノサイクルの目標とす ることができる（すなわち、２００ｎｓの平均パルス繰り返し率において、パル スはその２００ｎｓ内のどこかに出現できる）。汎用性のためには、ディザ・ ウィンドウの間のオフ時間が短時間なものであることが望ましい。 パルス・インターリーブ、バースト・インターリーブ、ＣＤＭＡおよび繰り返 し数多重アクセス技法において、これらすべてのタイプのインターリーブの違い は、フレーム全体で消失する。これらは互いに区別できない。これは構造が全フ レーム・ディザによって除去されると、以降のシャフリング（shuffling ）がこ れをさらにランダムにすることができないからである。さらに、沈黙ギャップが なければ、インターリーブは機能しない。 IV．例示的なトランシーバのハードウェア Ａ．送信機 インパルス無線通信システムのインパルス無線送信機９０４または９１０の好 ましい実施の形態を、図１７を参照して説明する。 送信機１７００は時間ベース（時間軸）１７０２を備えており、これは時間遅 延変調器１７０６に与えられる周期的なタイミング信号１７０４を生成する。時 間遅延変調器１７０６は情報源からの情報信号１７０８によって周期タイミング 信号１７０４を変調して、変調タイミング信号１７１０を生成する。変調タイミ ング信号１７１０はコード時変調器１７１２に供給され、コード時変調器１７１ ２は疑似雑音コードを使用して変調タイミング信号１７１０をディザ化する。コ ード時変調器１７１２は変調され、コード化されたタイミング信号１７１４を出 力段１７１６に対して出力する。出力段１７１６は変調され、コード化されたタ イミング信号１７１４をトリガとして使用して、電気的なモノサイクル・パルス （図示せず）を生成する。電気モノサイクル・パルスは送信アンテナ１７１８へ 、これに結合された送信線１７２０を介して送られる。電気モノサイクル・パル スは送信アンテナ１７１８によって、伝搬電磁パルス１７２２に変換される。各 種のインパルス無線送信機の詳細な説明は、’９７３号出願に記載されている。 Ｂ．受信機 インパルス無線受信機１７０１を図１７を参照して説明する。インパルス無線 受信機（以下、受信機と呼ぶ）１７０１は伝搬されたインパルス無線信号１７２ ４を受信するための受信アンテナ１７２６を備えている。受信信号は受信アンテ ナ１７２６に結合されている受信機伝送線１７３０によって相互相関器１７２８ に入力される。 受信機１７０１は復号タイミング変調器／復号源１７３２と、可調節時間ベー ス１７３４も備えている。（可調節時間ベース１７３４は当技術分野の技術者に は自明であるような、電圧制御発振器または可変遅延発生器を備えているとする ことができる。）復号タイミング変調器／復号源１７３２（以下、復号タイミン グ変調器と呼ぶ）は伝搬信号１７２４を送信した関連するインパルス無線送信機 （図示せず）が使用しているＰＮコードに対応する復号信号１７３６を生成する 。可調節時間ベース１７３４は、受信信号１７２４の各パルスにほぼ等しい波形 を有するテンプレート信号パルスの列を含んでいる周期タイミング信号１７３８ を生成する。 相互相関器１７２８によって行われる検波プロセスは、復号信号１７３６との 受信信号１７２４の相互相関演算を含んでいる。相互相関の時間による統合によ って、ベースバンド信号１７４０が生成される。ベースバンド信号１７４０は復 調器１７４２によって復調されて、復調された情報（信号）１７４４をもたらす 。復調情報信号１７４４は、受信信号１７２４を送った送信機の情報信号とほぼ 同一のものである。 ベースバンド信号１７４０は低域フィルタ１７４６にも入力される。低域フィ ルタ１７４６は取得およびロック・コントローラ１７５０用のエラー信号１７４ ８を生成して、可調節時間ベース１７３４に対してわずかな位相調節を行う。イ ンパルス無線受信機の詳細な説明は’９７３号出願に記載されている。 図１８は本発明のバースト・インターリーブの実施の形態に対するトランシー バのブロック図である。送信機バースト・コントローラ１８０２および受信機バ ースト・コントローラ１８０４が、図１７の基本アーキテクチャに追加されてい る。これら２つのコントローラはハードワイヤ制御、またはプログラム制御さ れて（ＥＥＰＲＯＭなどを使用して）、上述のバースト・インターリーブ動作に したがって、それぞれ変調され、コード化されたタイミング信号１７１４を時間 配置するか、あるいは周期タイミング信号１７３８を時間変調するかする。 本発明のパルス・インターリーブの実施の形態に必要な遅延は、取得およびロ ック・コントローラ１７５０によって判定され、与えられる。同様に、他の実施 の形態の場合、パルス繰り返し数、ディザ・ウィンドウなどは、例えば、バース ト・コントローラ１８０２、１８０４および取得およびロック・コントローラ１ ７５０に対してハードワイヤ制御されるか、プログラム制御される。開示された トランシーバの構成要素／コントローラのその他の制御機構および改変形は、本 発明の範囲を逸脱することなく、関連業界の技術者には明白なものであろう。 Ｃ．時間ハンドオフ パルス・インターリーブの実施の形態の場合、各受信機は他のトランシーバか らのパルスの受信と、それ自体の送信機に対するトリガの間の時間を測定しなけ ればならない（これは従来の回路を使用して達成することができる）。この時間 が最小限度（例えば、２０ｎｓ）よりも短いことを、あるトランシーバが検出し た場合、他のトランシーバに、例えば、現在から２番目のコード・モジュロの最 初のパルス時に、その受信タイミングを同期を取って変更するよう通知する（ま た、第１のトランシーバはその送信タイミングを変更する）。「現在」が基準時 点として、第１のトランシーバによって決定される時点である場合、これは同期 を取るために第２のトランシーバに通信される（あるいは、第２のトランシーバ によって推定される）。 これが可能になるのは、変調を使用して個々のパルスに「タグ」をつけること はできないが（多くのパルスがビットを構成しているため）、モジュロが少なく とも１つのビット全体を符号化するのに十分な長さであり、したがって、これが モジュロ全体の計数のためのトリガとして役立つことができるからである。適正 な時間ディザをデコーダに適用するために、コーダがパルスの「カウント」を追 跡しているので、この方法は同期化のために個々のパルスを間接的に識別するこ とができる。 このプロセスは、例えば、５ＭＰＰＳの速度で５４．８６メートル（１８０フ ィート）を伝わるたびに発生する最短時間の分離を検出したときに繰り返される 。 パルス・インターリーブの動作に対する同期化およびロックを達成する機構は 離散論理でよいが、パルス・インターリーブの機能の開示に基づいて、関連分野 の技術者に明白なものである、最小限のプログラミングを行ったディジタル信号 プロセッサ（ＤＳＰ）によって容易に実施することができる。 図１９は本発明の好ましい実施の形態による、パルス・インターリーブを同期 化するためにＤＳＰを使用して実施されるトランシーバの例示的なブロック図を 示す。こを示す図は同期化を説明するために、トランシーバを十分詳細に示して いる。「時間差の測定」というブロック１９０８を使用して、送信機のトリガ信 号１９０４が受信機のトリガ信号１９０６に近すぎないかどうかを判定するため に、ＤＳＰ１９０２を使用する。ＤＳＰ１９０２は遅延制御信号１９１０を遅延 ブロック１９１２へ送って、送信機に与えられる遅延トリガ信号１９１４を出力 することによって、送信機のトリガ信号１９０４を１００ｎｓ（例えば）だけ遅 延させる。ＤＳＰ１９０２はデータによって変調される操作情報(massaging inf ormation)１９１６を出力して、他のトランシーバとの同期化も達成する。アナ ログ・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器が１９１８で示されているが、これはＤＳＰ が相互相関器出力をディジタル領域で処理することが必要だからである。 図２０はパルス・インターリーブ通信に対して遅延を実施するためのＤＳＰ動 作の流れ図を示す。コールド・スタート２００２から、トランシーバは上述のよ うにして、ロック２００４を取得する。送信パルスと受信パルスの間の時間（ｔ ）が、判断ブロック２００６で示すように、２０ｎｓ未満である場合、１００ｎ ｓの遅延が２００８において２台のトランシーバの間でネゴシエート（折衝）さ れる。いずれかのトランシーバが必要な遅延を行うため、これをネゴシエーショ ンと呼ぶ。ネゴシエーションは操作情報１９１６によって実行される。判断ブロ ック２０１０で判定されるように、ロックが失われた場合には、 ２０１２に示すように、取得を繰り返さなければならない。 Ｄ．差動速度デュプレックス パルス繰り返し数の実施の形態において、トランシーバを構成する送信機と受 信機が２つの異なる速度で動作している場合には、これらが互いに「うなり」を 生じるため（すなわち、パルス列のタイミングが送信パルスと受信パルスを周期 的に一致させる）、パルスを「インターリーブ」することはできない。 上述の検出器と類似した機構を使用して、最小のパルス分離状態を検出するこ とができる。しかしながら、この信号を異なる方法で用いて、トリガを相関器に 対して無効とするか、あるいは送信機に対して無効とする。いずれの応答も自己 干渉を防止するという所望の結果をもたらすが、通信システムに異なるトレード オフをもたらす。 送信機を無効とした場合、これは送信電力を削減し、ブランキング作用によっ て生じる搬送波中のギャップのため、他のトランシーバが受信する搬送波と干渉 する。しかしながら、受信機を代わりに無効とした場合のように、この最小分離 ウィンドウ内で生じるパルスを放棄する必要がないため、これは第１のトランシ ーバに対する受信電力を増やす。 Ｖ．その他の考慮事項 ここで説明した通信方法は無線（電磁）インパルス波形を使用するのに有用な だけでなく、音響信号を使用するのにも有用であることが認められた。後者の手 法の原理の相違は（１）動作周波数、および（２）信号の伝送である。 動作周波数は主に数十ヘルツ（例えば、数十ミリ秒の継続期間のパルス）から 、最高数百メガヘルツ（例えば、数ナノ秒の継続期間のパルス）の間である。 音響変換器が音響手法では、無線手法に使用されるアンテナの代わりに用いら れる。変換器の信号特性は、中心周波数の１００％以上の帯域幅の波形（数パー セント超の分散がなく、変換ゲインが良好な）を送信および／または受信できな ければならないという点で、無線手法で使用されるアンテナが必要とする進 行特性と同様なものである。変換器はペンシルバニア州バーリ ホーグ(Valley Forge)のペンワルト社(Pennwalt Corporation)が供給しているキナール フィル ム(Kynar Film)という材料で作成することができる。このタイプで作成される変 換器の形状(geometry)は、関連業界の技術者には明らかであろう。 VI．結論 本発明の各種の実施の形態を上記で説明してきたが、これらが例として提示さ れたものであり、限定のためのものではないことを理解すべきである。関連業界 の技術者には、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、形状および細部に おいて各種の変更を行えることが明らかであろう。それ故、本発明は上記の例示 的な実施の形態のいずれかによって限定されるべきものではなく、以下の請求の 範囲およびその同等物によってのみ定義されるべきものである。上記で引用した すべての特許文献および刊行物は、参照することによって本明細書の一部となる ものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｄ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．インパルス無線信号パルスを送信するインパルス無線送信機と、 インパルス無線信号パルスを受信するインパルス無線受信機と、 前記インパルス無線送信機および前記インパルス無線受信機の一方と関連づけ られた、パルス・インターリーブ通信のために前記インパルス無線信号パルスの 前記送信および前記受信を同期させて、前記送信インパルス無線信号パルスと前 記受信インパルス無線信号パルスの間の自己干渉を回避する手段と を備えていることを特徴とする全２重超広帯域通信用インパルス無線トランシ ーバ。 ２．インパルス無線信号パルスのバーストを送信するインパルス無線送信機と、 インパルス無線信号パルスのバーストを受信するインパルス無線受信機と、 前記インパルス無線送信機および前記インパルス無線受信機の一方と関連づけ られた、バースト・インターリーブ通信のためにインパルス無線信号パルスの前 記バーストの前記送信および前記受信を同期させて、インパルス無線信号パルス の前記送信バーストとインパルス無線信号パルスの前記送信バーストの間の干渉 を回避する手段と を備えていることを特徴とする全２重超広帯域通信用インパルス無線トランシ ーバ。 ３．第１のパルス繰り返し数でインパルス無線信号パルスを送信するインパルス 無線送信機と、 前記第１のパルス繰り返し数とは異なる第２のパルス繰り返し数でインパルス 無線信号パルスを受信するインパルス無線受信機と、 前記インパルス無線送信機および前記インパルス無線受信機の一方と関連づけ られた、前記インパルス無線信号の前記送信および前記受信を同期させて、前記 送信インパルス無線信号パルスと前記受信インパルス無線信号パルスとの間の干 渉を最小限にする手段と を備えていることを特徴とする全２重超広帯域通信用インパルス無線トランシ ーバ。 ４．前記受信または送信インパルス無線信号パルスの選択されたパルスをブラン キングして、干渉を回避するブランキング手段をさらに備えていることを特徴と する請求項３に記載のトランシーバ。 ５．ａ．少なくとも２台のインパルス無線トランシーバのうち第１のものに周期 タイミング信号を与えるステップと、 ｂ．情報信号を使用して前記周期タイミング信号を変調して、コード化された タイミング信号を出力するステップと、 ｃ．前記コード化されたタイミング信号を時間遅延変調して、変調されたコー ド化タイミング信号を出力するステップと、 ｄ．前記変調あれたコード化タイミング信号を使用してインパルス無線信号を 生成するステップと、 ｅ．前記インパルス無線信号を前記少なくとも２台のインパルス無線トランシ ーバのうちの他方のものへ送信するステップと、 ｆ．前記少なくとも２台のインパルス無線トランシーバの前記他方において前 記送信インパルス無線信号を受信するステップと、 ｇ．前記少なくとも．２台のインパルス無線トランシーバの他方において、前 記ステップｆに応答して他のインパルス無線信号を生成し、送信するステップと 、 ｈ．２台のインパルス無線トランシーバの間のパルス・インターリーブ通信の ための同期した態様で前記ステップａ−ｇを繰り返して、前記少なくとも２台の インパルス無線トランシーバの各々における自己干渉を回避するステップと を備えていることを特徴とする少なくとも２台のインパルス無線トランシーバ の間の全２重伝送。 ６．ａ．少なくとも２台のインパルス無線トランシーバのうち第１のものに周期 タイミング信号を与えるステップと、 ｂ．情報信号を使用して前記周期タイミング信号を変調して、コード化された タイミング信号を出力するステップと、 ｃ．前記コード化されたタイミング信号を時間遅延変調して、変調されたコー ド化タイミング信号を出力するステップと、 ｄ．前記変調されたコード化タイミング信号を使用してインパルス無線信号を 生成するステップと、 ｅ．前記インパルス無線信号をバーストとして前記少なくとも２台のインパル ス無線トランシーバのうちの他方のものへ送信するステップと、 ｆ．前記少なくとも２台のインパルス無線トランシーバの前記他方において前 記送信バーストを受信するステップと、 ｇ．前記少なくとも２台のインパルス無線トランシーバの前記他方において、 前記ステップｆに応答して他のインパルス無線信号のバーストを生成し、送信す るステップと、 ｈ．前記２台のインパルス無線トランシーバの間の全２重バースト・インター リーブ通信のための同期した態様で前記ステップａ−ｇを繰り返すステップと を備えていることを特徴とする少なくとも２台のインパルス無線トランシーバ の間の全２重伝送のための方法。 ７．ａ．少なくとも２台のインパルス無線トランシーバのうち第１のものに第１ のパルス繰り返し数の周期タイミング信号を与えるステップと、 ｂ．情報信号を使用して前記周期タイミング信号を変調して、コード化された タイミング信号を出力するステップと、 ｃ．前記コード化されたタイミング信号を時間遅延変調して、変調されたコー ド化タイミング信号を出力するステップと、 ｄ．前記変調コード化されたタイミング信号を使用してインパルス無線信号を 生成するステップと、 ｅ．前記インパルス無線信号を前記少なくとも２台のインパルス無線トラン シーバの第２のものへ送信するステップと、 ｆ．前記少なくとも２台のインパルス無線トランシーバの前記他方において前 記送信インパルス無線信号を受信するステップと、 ｇ．前記少なくとも２台のインパルス無線トランシーバの前記他方において、 前記第１のパルス繰り返し数とは異なる第２のパルス繰り返し数で他のインパル ス無線信号を生成し、送信するステップと、 ｈ．前記２台のインパルス無線トランシーバの間の全２重通信のための前記ス テップａ〜ｇを繰り返すステップと を備えていることを特徴とする少なくとも２台のインパルス無線トランシーバ の間の全２重伝送ための方法。 ８．前記受信または送信インパルス無線信号の選択されたパルスをブランキング して、干渉を回避するステップをさらに備えていることを特徴とする請求項３に 記載の方法。 ９．前記インパルス無線信号パルスが電磁的なものであることを特徴とする請求 項１に記載のトランシーバ。 １０．前記インパルス無線信号パルスが音響的なものであることを特徴とする請 求項１に記載のトランシーバ。 １１．前記インパルス無線信号パルスが電磁的なものであることを特徴とする請 求項２に記載のトランシーバ。 １２．前記インパルス無線信号パルスが音響的なものであることを特徴とする請 求項２に記載のトランシーバ。 １３．前記インパルス無線信号パルスが電磁的なものであることを特徴とする請 求項３に記載のトランシーバ。 １４．前記インパルス無線信号パルスが音響的なものであることを特徴とする請 求項４に記載のトランシーバ。 １５．前記生成ステップが電磁インパルス無線信号パルスの生成を含んでいるこ とを特徴とする請求項５に記載の方法。 １６．前記生成ステップが音響インパルス無線信号パルスの生成を含んでいるこ とを特徴とする請求項５に記載の方法。 １７．前記生成ステップが電磁インパルス無線信号パルスの生成を含んでいるこ とを特徴とする請求項６に記載の方法。 １８．前記生成ステップが音響インパルス無線信号パルスの生成を含んでいるこ とを特徴とする請求項６に記載の方法。 １９．前記生成ステップが電磁インパルス無線信号パルスの生成を含んでいるこ とを特徴とする請求項７に記載の方法。 ２０．前記生成ステップが音響インパルス無線信号パルスの生成を含んでいるこ とを特徴とする請求項７に記載の方法。