WO2006112475A1 - 時刻基準点情報伝送システムおよび受信器 - Google Patents

時刻基準点情報伝送システムおよび受信器 Download PDF

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WO2006112475A1
WO2006112475A1 PCT/JP2006/308212 JP2006308212W WO2006112475A1 WO 2006112475 A1 WO2006112475 A1 WO 2006112475A1 JP 2006308212 W JP2006308212 W JP 2006308212W WO 2006112475 A1 WO2006112475 A1 WO 2006112475A1
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PCT/JP2006/308212
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Hiromichi Hashizume
Masanori Sugimoto
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Inter-University Research Institute Corporation Research Organization Of Information And Systems
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    • G01S11/14—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves

Definitions

  • the present invention restricts the frequency band that can be used for communication because the communication path can communicate in a predetermined frequency band (for example, the phase propagation characteristic and the amplitude propagation characteristic change depending on the frequency).
  • the present invention relates to a time reference point information transmission system for transmitting information on a time reference point from a transmitter to a receiver in a communication channel) and a receiver used in the time reference point information transmission system.
  • timing information (corresponding to the time reference point in the present invention) at high speed and strictly.
  • the phase of horizontal / vertical scanning is synchronized in image communication
  • the phase of detecting the timing for switching each bit information in synchronous digital data communication and the distance based on the signal delay time in measurement.
  • the angle is measured.
  • the above-described system uses the wave phenomenon of electromagnetic waves propagating in space, optical fibers, waveguides, and communication cables, and the wave phenomenon of sound waves propagating in gas, liquid, and solid. Communicate information.
  • the waveform generator, wave propagation medium, and waveform receiver used in the above-described system have sufficiently wide amplitude range and phase transfer characteristics over a wide frequency range!
  • the timing information you want to convey with the leading edge of a rectangular electrical signal pulse or the leading edge of a rectangular ultrasonic burst
  • the timing information can be accurately and easily transmitted from the waveform generator to the waveform receiver. It can.
  • the amplitude can be obtained simply by detecting the envelope amplitude.
  • the electrical signal pulses and ultrasonic bursts described above have an infinite spread in the frequency spectrum!
  • the measurement accuracy of distance and angle is directly related to the transmission accuracy (detection accuracy) of timing information.
  • the distance and angle measurement accuracy depends on the timing information transmission accuracy (detection accuracy). Therefore, it is important to transmit timing information accurately (strictly) in the field of measurement.
  • an ultrasonic rangefinder that measures the distance between a transmitter and a receiver by detecting the leading edge of a 40 kHz carrier burst envelope.
  • the distance measurement accuracy of the ultrasonic distance meter is about several centimeters to several tens of centimeters.
  • a piezoelectric ceramic element is used as an ultrasonic transmission / reception element.
  • the transmission accuracy of timing information in the ultrasonic rangefinder is 0.1 ms to: Lms, which is the waveform that has passed through the narrowband communication path. This is a representative value of accuracy that can be achieved using the envelope of.
  • the piezoelectric ceramic element used in the ultrasonic distance meter described above has a narrow band frequency characteristic, the received waveform is subjected to strong distortion.
  • the ultrasonic distance meter described above uses a region where the transient response characteristics are strongly influenced in terms of signal, such as the leading edge of an ultrasonic burst, variations in the characteristics of the transmitting and receiving elements are subject to measurement accuracy and timing information. This is likely to affect the accuracy of transmission.
  • the waveform envelope is affected by both the amplitude frequency characteristic and the phase frequency characteristic of the transmission line, the shape of the envelope is likely to change when a transmission line having these characteristics is used. As a result, the transmission accuracy of timing information may be reduced.
  • the timing information can be transmitted using only the phase information, it is possible to improve the transmission accuracy compared to the method of transmitting the timing information using the envelope, and as a result, There is a possibility of more accurate measurement and communication.
  • an angle meter that measures a distance between two relatively close points and obtains an angle with a signal source by obtaining a phase difference has been put into practical use.
  • a micro displacement meter for obtaining a displacement within a narrow distance has been put into practical use, and the micro displacement meter has a measurement accuracy of about lmm.
  • the phase when the timing information is transmitted using only the phase information, the phase must also extract a periodic phenomenon force such as a sine wave, and the waveform has a phase value of 2 ⁇ radians (in the case of time) Is repeated with a period or a wavelength in the case of distance), the phase obtained at the receiving end is a remainder obtained by dividing the absolute value by 2 ⁇ (the remainder when the absolute value is divided by 2 ⁇ ). This makes it impossible to measure the absolute value of the distance, for example, even if trying to measure the distance by extracting the phase.
  • the wavelength of an ultrasonic wave of 40 kHz is about 8.5 mm in air (corresponding to a phase value of 2 ⁇ radians), but the phase is extracted using the ultrasonic wave and the distance is determined. However, only the remainder when the distance is divided by the wavelength of 8.5 mm is required, and the absolute value of the distance cannot be measured.
  • Patent Document 1 is disclosed as an invention in which an ultrasonic displacement meter using a phase has a measurement range exceeding 8.5 mm corresponding to the wavelength of 40 kHz ultrasonic waves in air.
  • phase delay measurement using two different frequencies f and f (f> f) is performed.
  • the phase was actually measured using the frequency of “f f” by performing various processes.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-191145
  • the present invention has been made in view of the above problems, and is used in a time reference point information transmission system capable of transmitting a time reference point accurately and in a short time, and the time reference point information transmission system.
  • An object is to provide a receiver.
  • the time reference point information transmission system transmits information related to the time reference point from a transmitter to a receiver in a communication path capable of communication in a predetermined frequency band.
  • a time reference point information transmission system wherein the transmitter is configured to generate a plurality of frequency signals communicable through the communication channel, and a plurality of the frequency signals generated by the frequency signal generation unit. Based on the defined time point, the time point is defined as the time reference point, and based on the defined time reference point, the frequency signal phase of each frequency signal is determined.
  • a phase adjusting unit that adjusts the phase, and a plurality of frequency signals after the phase is adjusted by the phase adjusting unit are combined, and the combined plurality of frequency signals are transmitted as communication signals to the receiver.
  • Transmitting means and the receiver is included in the communication signal based on the receiving means for receiving the communication signal transmitted from the transmitter and the communication signal received by the receiving means.
  • Phase extraction means for extracting the phase of each of the frequency signals to be obtained, and a time point at which each of the phases has a predetermined relationship based on the plurality of phases extracted by the phase extraction means, and the obtained time point Time reference point determination means for determining the time reference point.
  • the time reference point information transmission system according to the present invention is the time reference point information transmission system described above, wherein the phase extraction means is based on the communication signal received by the reception means and Equation 1! Then, the phase of each frequency signal included in the communication signal is extracted.
  • ⁇ 2 is the frequency of the frequency signal generated by the frequency signal generator.
  • ⁇ is the length of time for extracting the communication signal.
  • e is the base in natural logarithm.
  • j is an imaginary unit.
  • p and p are each of frequency f
  • a and a are each the frequency signal of frequency f
  • ⁇ s (t), "> push ⁇ 3), e j co 2t > are the inner product of 3) and" and the inner product of s (t) and e j co 2t , respectively.
  • the time reference point information transmission system is the time reference point information transmission system described above, wherein the phase extraction means is included in the communication signal based on the communication signal received by the reception means.
  • the phase of each of the frequency signals and the angular frequency of each of the frequency signals included in the communication signal are extracted, and the time reference point determination unit is configured to extract the plurality of phases and the plurality of phases extracted by the phase extraction unit.
  • a time point at which each of the phases becomes a predetermined relationship based on the angular frequency of The determined time point is determined as the time reference point.
  • the time reference point information transmission system is the time reference point information transmission system described above, wherein the transmission means superimposes the combined frequency signals as the communication signals. Transmitting to the receiver by any one of sound wave, electromagnetic wave, and light, and the receiving means transmits the communication signal transmitted from the transmitter by any one of the ultrasonic wave, the electromagnetic wave, and the light. It is characterized by receiving.
  • the present invention also relates to a time reference point information transmission method, and the time reference point information transmission method according to the present invention includes: A transmitter reference power transmission method for transmitting information on a time reference point to a receiver, wherein the transmitter generates a plurality of frequency signals communicable on the communication path; and Based on the plurality of frequency signals generated in the frequency signal generation step, a time point at which the phase of each frequency signal has a predetermined relationship is determined, and the determined time point is defined as the time reference point A phase adjusting step for adjusting the phase of each of the frequency signals based on the time reference point, and a plurality of the frequency signals after adjusting the phase in the phase adjusting step are combined, and a plurality of the combined frequency signals are combined.
  • the time reference point information transmission method according to the present invention is the time reference point information transmission method described above, wherein the phase extraction step is based on the communication signal received in the reception step and Equation 1. Therefore, the phase of each of the frequency signals included in the communication signal is extracted.
  • T is the length of time for extracting the communication signal.
  • e is the base in natural logarithm.
  • j is an imaginary unit.
  • a and a are the frequency signals of frequency f.
  • the time reference point information transmission method is the time reference point information transmission method described above, wherein the phase extraction step is based on the communication signal received in the reception step.
  • the phase of each of the frequency signals included in the communication signal and the angular frequency of each of the frequency signals included in the communication signal are extracted, and the time reference point determination step includes a plurality of the extracted in the phase extraction step.
  • a time point at which each of the phases has a predetermined relationship is obtained based on a phase and a plurality of the angular frequencies, and the obtained time point is determined as the time reference point.
  • the time reference point information transmission method is the time reference point information transmission method described above, wherein the transmitting step includes ultrasonic waves using the synthesized plurality of frequency signals as the communication signals. , Electromagnetic wave, or light is transmitted to the receiver, and the receiving step includes transmitting the communication signal transmitted from the transmitter to the ultrasonic wave, The electromagnetic wave and the light are received by one of them.
  • the present invention relates to a transmitter, and the transmitter according to the present invention is a transmitter that transmits information on a time reference point in a communication path capable of communication in a predetermined frequency band, Based on the frequency signal generating means for generating a plurality of frequency signals communicable on the communication path and the plurality of frequency signals generated by the frequency signal generating means, the phases of the frequency signals have a predetermined relationship.
  • Phase adjustment means for defining the time point to be defined, defining the time point as the time reference point, and adjusting the phase of each of the frequency signals based on the defined time reference point, and the phase adjustment means Transmitting means for combining the plurality of frequency signals after adjusting the frequency and transmitting the combined plurality of frequency signals as communication signals to the receiver.
  • the transmitting means uses the synthesized plurality of frequency signals as the communication signal to transmit to the receiver by one of ultrasonic waves, electromagnetic waves, and light. It is characterized by transmission.
  • the present invention also relates to a receiver, and the receiver according to the present invention is a receiver that receives information about a time reference point in a communication channel capable of communication in a predetermined frequency band, Based on the time reference point defined as the point in time when the phase of the signal becomes a predetermined relationship, a plurality of frequency signals, each of which is adjusted in phase, and synthesized after the adjustment, are used as communication signals.
  • Receiving means for receiving, based on the communication signal received by the receiving means and Equation 1, the phase extracting means for extracting the phase of each of the frequency signals included in the communication signal, and the phase Time reference point determining means for determining a time point at which each of the phases has a predetermined relationship based on the plurality of phases extracted by the extracting means, and determining the determined time point as the time reference point.
  • ⁇ 2 is the frequency of the frequency signal generated by the frequency signal generator.
  • ⁇ is the length of time for extracting the communication signal.
  • e is the base in natural logarithm.
  • j is an imaginary unit.
  • p and p are each of frequency f
  • a and a are each the frequency signal of frequency f
  • ⁇ s (t), "> ⁇ ⁇ 3), e j co 2t > are the inner product of 3) and" and the inner product of s (t) and e j co 2t , respectively.
  • each of the phase extraction units is included in the communication signal based on the communication signal received by the receiving unit.
  • the phase of the frequency signal and the angular frequency of each of the frequency signals included in the communication signal are extracted, and the time reference point determination unit is configured to extract the plurality of phases and the plurality of angular frequencies extracted by the phase extraction unit Based on the above, a time point at which each of the phases has a predetermined relationship is obtained, and the obtained time point is determined as the time reference point.
  • the receiver according to the present invention is characterized in that in the receiver described above, the receiving means receives the communication signal by any one of an ultrasonic wave, an electromagnetic wave, and light.
  • the invention's effect [0028]
  • the transmitter power in a communication channel that can communicate in a predetermined frequency band (a communication channel in which the frequency band that can be used for communication is limited), the transmitter power also transmits information about the time reference point to the receiver. .
  • the transmitter generates a plurality of frequency signals communicable over the communication path, determines a time point at which the phase of each frequency signal has a predetermined relationship based on the generated frequency signals, and sets the determined time point as a time reference point.
  • the receiver receives the communication signal transmitted from the transmitter, extracts the phase of each frequency signal included in the communication signal based on the received communication signal, and extracts each phase based on the extracted plurality of phases.
  • the time point at which the phase becomes a predetermined relationship is obtained, and the obtained time point is determined as the time reference point.
  • the receiver extracts the phase of each frequency signal included in the communication signal based on the received communication signal and Equation 1! As a result, only the frequencies related to information transmission are handled without using the general FFT, thereby reducing the effects of noise and enabling high-speed detection operations.
  • the amplitude reference of each carrier wave from Equation 1 it is possible to efficiently demodulate quadrature amplitude modulation using a plurality of carriers.
  • the phase information and amplitude information of the element frequency can be extracted at high speed and with high accuracy compared to the conventional frequency decomposition method such as FFT.
  • the receiver is based on the received communication signal, and the phase of each frequency signal included in the communication signal and the frequency signal included in the communication signal.
  • An angular frequency is extracted, a time point at which each phase has a predetermined relationship is obtained based on the extracted phases and a plurality of angular frequencies, and the obtained time point is determined as a time reference point.
  • the receiver determines the time point when the phases of the two frequency signals match based on the observed phase difference at an arbitrary time point.
  • the formula “t one (p—p) ⁇ ( ⁇ — ⁇ )” ( ⁇ and ⁇ are phase,
  • the time reference point can be determined in a short time and with high accuracy.
  • the transmitter transmits a plurality of synthesized frequency signals to the receiver as one of ultrasonic waves, electromagnetic waves, and light as communication signals.
  • the transmitted communication signal is received by one of ultrasonic waves, electromagnetic waves, and light.
  • FIG. 1 is a flowchart showing the basic principle of a time reference point information transmission system according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the definition of a time reference point.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of an ultrasonic distance measurement system to which a time reference point information transmission system is applied.
  • FIG. 4 is a block diagram showing an example of a specific configuration of the transmission node 102.
  • FIG. 5 is a block diagram showing an example of a specific configuration of the receiving node 104.
  • FIG. 6 is a flowchart showing an example of processing performed in the transmission node 102.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of processing performed in the reception node 104. Explanation of symbols
  • FIG. 1 is a flowchart showing the basic principle of a time reference point information transmission system that is useful in the present invention.
  • the present invention provides a communication channel capable of communicating in a predetermined frequency band (for example, a communication channel in which a frequency band that can be used for communication is restricted due to a change in phase propagation characteristic or amplitude propagation characteristic depending on frequency).
  • a predetermined frequency band for example, a communication channel in which a frequency band that can be used for communication is restricted due to a change in phase propagation characteristic or amplitude propagation characteristic depending on frequency.
  • a transmitter generates a plurality of frequency signals that can be communicated on a communication path (step S-1: frequency signal generation step).
  • step S-1 frequency signal generation step.
  • the time points at which the phases of the frequency signals have a predetermined relationship are determined, and the determined time points are defined as time reference points.
  • the phase of each frequency signal is adjusted based on the defined time reference point (Step S—2: Phase adjustment step).
  • the time reference point is defined as the time point at which the phases of the plurality of frequency signals generated in step S 1 have a predetermined condition relationship
  • the frequency signal relationship is defined as the predetermined condition of the time reference point. Align the phases of multiple frequency signals so that they match.
  • the period of the number signal is 2ms.
  • phase ⁇ and phase ⁇ will reciprocate between ⁇ radians and ⁇ radians many times (2 d in Fig. 2).
  • phase difference " ⁇ - ⁇ " passes through the range from 1 ⁇ radians to ⁇ radians only once.
  • the transmitter synthesizes a plurality of frequency signals whose phases are adjusted in step S-2, and transmits the synthesized frequency signals to the receiver as communication signals (step S-3).
  • step S-3 Sending step).
  • a plurality of synthesized frequency signals may be transmitted to the receiver as communication signals modulated by carrier waves of other frequencies.
  • the receiver receives a communication signal transmitted from the transmitter (step S-4: reception step).
  • step S-3 when a plurality of synthesized frequency signals are transmitted as direct carrier wave communication signals, the direct carrier wave communication signal may be received in step S-4.
  • step S-3 when the synthesized multiple frequency signals are transmitted as communication signals modulated by carrier waves of other frequencies, they are modulated by carrier waves of other frequencies in step S-4.
  • the communication signal may be received and demodulated.
  • Step S—5 Phase extraction step
  • the individual phase information is extracted by decomposing the frequency components of the communication signal received in step S-4.
  • step S-5 the phase of each frequency signal included in the communication signal may be extracted based on the received communication signal and Equation 1 below.
  • the frequency component of the received communication signal may be decomposed based on Equation 1 below to extract individual phase information.
  • e is the base in natural logarithm.
  • j is an imaginary unit.
  • p and p are the phase and phase corresponding to the frequency signal of frequency f, respectively.
  • phase corresponds to a frequency signal of 2.
  • s (t) is a function representing the waveform of the received communication signal, and is defined as “ s (t) a sin (c t + p) + a sin (o> t + p)”.
  • 1 1 1 1 2 2 2 1 and a are the amplitude corresponding to the frequency signal at frequency f and the frequency at frequency f, respectively.
  • t is a variable representing time.
  • ⁇ s (t), e j co "> and S (t), e j ⁇ 2t > are the inner product of s (t) and e j ⁇ " and s (t) and e j ⁇ 2t , respectively. It is an inner product.
  • the receiver obtains a time point at which each phase has a predetermined relationship based on the plurality of phases extracted in step S-5, and determines the obtained time point as a time reference point (step S-6). : Time reference point determination step). In other words, a plurality of phase information extracted in step S-5 is compared, and the time point when the relationship is in a predetermined condition is determined as the time reference point. Determine.
  • step S-6 the time when the receiver starts reading the communication signal based on the time reference point determined in step S-6 and the predetermined time length! It is also possible to set the reading start time and read the communication signal power received in step S-4 for a predetermined time length from the set reading start time. In this case, the receiver again executes step S-5 based on the read communication signal to extract a plurality of phases, and based on the extracted plurality of phases! Execute S-6 to determine the time reference point.
  • the location and length of the waveform for the phase extraction process are arbitrary, so the transient response disturbance at the beginning of the received communication signal waveform is excluded, and the part with a large amplitude is used with priority.
  • step S-5 based on the received communication signal,! /, The phase of each frequency signal included in the communication signal and each frequency signal included in the communication signal.
  • step S-6 the time points at which the respective phases have a predetermined relationship are obtained based on the extracted plurality of phases and the plurality of angular frequencies, and the obtained time points are determined as time reference points. May be.
  • the receiver determines the point in time when the phases of the two frequency signals match based on the observed phase difference at any point in time. Then, it may be obtained by Equation 6 described later, and the obtained time point may be determined as the time reference point.
  • the time reference point can be determined in a short time and with high accuracy.
  • a plurality of frequency signals synthesized in step S-2 may be transmitted as communication signals to the receiver using ultrasonic waves, electromagnetic waves, light, or the like. Specifically, a plurality of frequency signals whose phases are aligned in step S-2 may be transmitted directly as carrier wave communication signals using ultrasonic waves, electromagnetic waves, or light. A plurality of arranged frequency signals may be transmitted as ultrasonic waves, electromagnetic waves, light, or the like as communication signals modulated by carrier waves of other frequencies.
  • the communication signal transmitted from the transmitter May be received by ultrasonic waves, electromagnetic waves, light, or the like. Specifically, the direct carrier wave communication signal transmitted from the transmitter may be received by ultrasonic waves, electromagnetic waves, light, or the like.
  • the modulated communication signal transmitted from the transmitter may be received by ultrasonic waves, electromagnetic waves, or the like. It may be received and demodulated with light.
  • the present invention can be applied to anything that can be expressed by linear waves, such as ultrasonic waves, electromagnetic waves, and light.
  • step S-5 not only phase information but also amplitude information (amplitude reference information) may be extracted. Thereby, for example, quadrature amplitude modulation using a plurality of carriers can be efficiently demodulated.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of the ultrasonic distance measuring system 100.
  • the ultrasonic distance measurement system 100 includes a transmission node (transmitter) 102 and a reception node (receiver) 104, and is a communication channel (communication channel (communication in a predetermined frequency band)).
  • a communication channel communication channel (communication in a predetermined frequency band)
  • the time reference point from the transmitting node 102 to the receiving node 104 using a communication path in which the frequency band that can be used for communication is restricted due to changes in phase propagation characteristics and amplitude propagation characteristics depending on the frequency.
  • the information about is transmitted with ultrasonic waves.
  • the transmission node 102 mainly generates a plurality of frequency signals communicable through the communication path, and determines a time point at which the phases of the frequency signals have a predetermined relationship based on the generated frequency signals.
  • the defined time point is defined as the time reference point
  • the phase of each frequency signal is adjusted based on the defined time reference point
  • the frequency signals after adjusting the phase are combined, and the combined multiple frequencies
  • the signal is transmitted as a communication signal to the receiver by ultrasonic waves.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating an example of a specific configuration of the transmission node 102. As shown in FIG.
  • the transmission node 102 includes a measurement instruction switch 102a, a timing generation unit 102b, an address generation unit 102c, a waveform storage unit (waveform ROM) 102d, a DZA conversion unit 102e, and an amplification unit 102f. And an ultrasonic transmission element 102g, which are connected via an arbitrary communication path. It is.
  • the measurement instruction switch 102a is a switch for the user to instruct the start of distance measurement.
  • the timing generation unit 102b reads out a combined waveform obtained by pre-adjusting (aligning) the phases of waveforms corresponding to a plurality of frequency signals from a waveform storage unit 102d described later, and starts transmission of the combined waveform At the same time, a measurement instruction signal for instructing the start of distance measurement and a strobe signal used for calculating the propagation delay time of the ultrasonic wave are electrically transmitted to the receiving node 104.
  • the address generation unit 102c generates a memory one read address in accordance with the sampling frequency.
  • the waveform storage unit 102d stores a combined waveform obtained by adjusting (aligning) the phases of waveforms corresponding to a plurality of frequency signals in advance.
  • the DZA converter 102e converts a digital signal into an analog signal.
  • the amplifier 102f amplifies the analog signal.
  • the ultrasonic transmission element 102g is a commercially available piezoelectric ceramic vibrator.
  • the communication sensitivity and the signal-to-noise ratio of the element are good.
  • the communication band is narrow and is approximately 39.0 to 41.OkHz. Note that the amplitude and phase propagation characteristics have a strong frequency dependence even within the communication band.
  • the reception node 104 mainly receives the communication signal transmitted from the transmission node 102 by ultrasonic waves, and based on the received communication signal, each frequency included in the communication signal is received.
  • the phase of the signal is extracted, a time point at which each phase has a predetermined relationship is obtained based on the extracted plurality of phases, and the obtained time point is determined as a time reference point.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating an example of a specific configuration of the reception node 104. As shown in FIG.
  • the reception node 104 includes an ultrasonic reception element 104a, an amplification unit 104b, an AZD conversion unit 104c, a waveform storage unit (waveform memory) 104d, an address generation unit 104e, and a timing generator.
  • the ultrasonic receiving element 104a is a commercially available piezoelectric ceramic vibrator.
  • the amplifying unit 104b amplifies the communication signal (analog signal) received by the ultrasonic receiving element 104a.
  • a ZD converter 104c converts an analog signal into a digital signal.
  • the waveform storage unit 104d stores the waveform of the received communication signal and the waveform of the electrically transmitted strobe signal.
  • the address generation unit 104e generates a memory storage address in accordance with the sampling frequency.
  • the timing generation unit 104f acquires the measurement instruction signal transmitted from the transmission node 102.
  • the signal processing unit 104g acquires the communication signal stored in the waveform storage unit 104d, decomposes the frequency component of the communication signal, extracts individual phase information, compares the plurality of extracted phase information, and compares them. Is determined as the time reference point, the propagation delay time between the determined time reference point and the electrically transmitted strobe signal is calculated, and the transmission node 102 and the reception node 104 Calculate the distance between.
  • the distance display unit 104h displays the value of the distance between the transmission node 102 and the reception node 104 calculated by the signal processing unit 104g.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of processing performed in the transmission node 102.
  • the timing generation unit 102b monitors whether or not the measurement instruction switch 102a is pressed (that is, whether or not there is a measurement instruction), and when there is a measurement instruction (step SA—1: Yes) For this, the measurement instruction signal is driven (step SA-2).
  • the timing generation circuit 102b starts the timing generation circuit (step SA-3).
  • the frequency signal of the composite waveform is converted into an analog signal by the ZA converter 102e, the analog signal is amplified by the amplifier 102f, and the amplified signal is transmitted by the ultrasonic transmission element 102g (step SA— Four).
  • step SA-5 when the timing generation unit 102b monitors the timing at which the composite waveform is read and transmits a time reference point (for example, the time when the phase difference “ ⁇ — ⁇ ” becomes 0) (step SA-5).
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of processing performed at the reception node 104.
  • the timing generation unit 104f monitors whether or not the measurement instruction signal transmitted from the transmission node 102 has been acquired.
  • the measurement instruction signal is acquired (step SB—1: Yes)
  • the timing is generated.
  • the amplifier 104b amplifies the communication signal received by the ultrasonic receiving element 104a
  • the AZD conversion unit 104c converts the amplified communication signal into a digital signal and stores it in the waveform storage unit 104d (step SB-2).
  • the bit resolution and time resolution of AZD conversion affect the accuracy of the time reference point to be reproduced. Specifically, good bit resolution is achieved by performing 8-bit linear quantization and AZD conversion at 1 Msample per second. And time resolution can be obtained.
  • the frequency component of the communication signal read by the time length T in step SB-3 is decomposed to extract individual phase information, and the extracted phase information is compared. Temporarily determine the point in time when they are in a predetermined condition as a time reference point (Step SB-4) 0
  • step (5) the phase of the signal of each element is separated therefrom by the following steps (1) to (4), and the time reference point is Estimated in step (5).
  • the data (numerical string) read in step SB-3 is handled as a vector (s).
  • the f and f used in the node 102 are known at the receiving node 104. Number
  • Equation 2 j is an imaginary unit.
  • li 2i is a complex conjugate of li and e.
  • N is the number of dimensions of each vector.
  • phase p phase p
  • Amount Not only each phase (phases p and p) but also each amplitude (amplitudes a and a) are extracted.
  • ⁇ 2 is the frequency of each frequency signal.
  • ⁇ is the length of time to extract the communication signal.
  • e is the base in natural logarithm.
  • j is an imaginary unit.
  • p and p are the phase and frequency corresponding to the frequency signal at frequency f, respectively.
  • the phase corresponds to a frequency signal of several f. s (t) represents the waveform of the received communication signal
  • t is a variable representing time. ⁇ S (t), ⁇ 0 ) "> Oyobi ⁇ 3 (1;), e j ⁇ 2t> , respectively, s (t) and e j ⁇ " and the inner product and s (t) of e j ⁇ The inner product of 3 ⁇ 4 .
  • the extracted phases are compared, and the time point at which they are in a predetermined condition is temporarily determined as the time reference point. Specifically, based on the phases p and p, the time reference point t is
  • the signal processing unit 104g resets the start time of the time length T so that the time reference point temporarily determined in step SB-4 is near the center, and As in step SB-3, the communication signal is read for the time length T from the reset start time (step SB-5).
  • the signal processing unit 104g determines the time reference point again in the same manner as in step SB-4 (step SB-6). Theoretically, the same time reference point can be obtained no matter where the received beat waveform s (t) is read. However, there is an error due to the transient response of the element near the start of the waveform, and both ends of the beat waveform are easily affected by background noise with small amplitude. Therefore, in Step SB-4, the time reference point is estimated once, then the start time of time length T is reset so that the time is near the center, and the time reference point is calculated. By using the time reference point obtained in this second calculation, good reproducible results can be obtained.
  • the signal processing unit 104g calculates the propagation delay time between the time reference point determined in step SB-6 and the strobe signal, and based on the calculated propagation delay time and the ultrasonic velocity. Accordingly, the distance between the transmitting node 102 and the receiving node 104 is determined (step SB-7).
  • the transmission node 102 always transmits a measurement instruction signal and a strobe signal to the reception node 104, and the reception node 104 enters the communication range. These signals may be received. That is, in the ultrasonic measurement system 100, the transmission node 102 is always in operation, and the reception node 104 may receive a signal sent from the transmission node 102 when entering the communication area and start measurement. .
  • the transmitter generates a plurality of frequency signals communicable through the communication path, and generates the generated plurality of frequencies. Based on the signal, determine the time when the phase of each frequency signal has a predetermined relationship, define the time as the time reference point, and adjust the phase of each frequency signal based on the defined time reference point. Then, a plurality of frequency signals whose phases have been adjusted are synthesized, and the synthesized plurality of frequency signals are transmitted as communication signals to the receiver.
  • the receiver receives the communication signal transmitted from the transmitter, extracts the phase of each frequency signal included in the communication signal based on the received communication signal, and based on the extracted plurality of phases.
  • a time point at which each phase is in a predetermined relationship is obtained, and the obtained time point is determined as a time reference point.
  • the time reference point can be transmitted accurately and in a short time while suppressing the influence of received waveform distortion.
  • timing information In communication systems, there are many stations that transmit and measure timing information precisely at high speed. For example, the aspect of synchronizing horizontal and vertical scanning in image communication, and detection of switching timing of each bit information in synchronous digital data communication.
  • radar, laser, and ultrasonic measuring instruments In the field of measurement, there are radar, laser, and ultrasonic measuring instruments that measure distance and angle based on signal delay time, and the measurement accuracy basically depends on how precisely the timing information can be detected. Can be considered.
  • timing information is transmitted by wave phenomena of electromagnetic waves propagating in space, optical fiber, waveguide, communication cable, and acoustic waves propagating in a gas 'liquid' solid. is doing. If used waveform generator, wave propagation medium, waveform receiver However, accurate transmission of timing information is easy if it has sufficiently uniform amplitude and phase transfer characteristics in a wide frequency range. For example, it is only necessary to express the timing conveyed by the leading edge of a simple rectangular electric signal pulse or the leading edge of a rectangular ultrasonic burst.
  • the accuracy of timing measurement appears directly as a distance measurement error.
  • an ultrasonic rangefinder that measures the distance between a transmitter and a receiver by detecting the leading edge of a 40kHz carrier burst envelope.
  • the received waveform is strongly distorted because it has particularly poor (narrowband) frequency characteristics.
  • the typical accuracy of this type of instrument is about several centimeters to several tens of centimeters, which is 0.lms to lms for 40kHz ultrasonic burst waveform timing detection when converted to the velocity of sound waves propagating in the air.
  • Another problem with the envelope method is that it uses a signal-affected area such as the leading edge of a burst that strongly influences the transient response characteristics. There is also a point that is easy to adjust.
  • the waveform envelope is affected by both the amplitude frequency characteristic and the phase frequency characteristic of the transmission line, the influence of the characteristics on the envelope shape is large. If timing can be transmitted using only phase information, more accurate communication may be possible. However, it is difficult to transmit information by phase, because it is necessary to extract a periodic phenomenon force such as a sine wave, and the waveform repeats with a phase value of 2 ⁇ radians. It's just the remainder divided by ⁇ ! [0073]
  • the wavelength of the 40 kHz ultrasonic wave is about 8.5 mm in air, which corresponds to a phase of 2 ⁇ radians.
  • a displacement meter that only needs to determine the displacement within a narrow distance may not work even if there is an indefinite period of 8.5 mm in air. This method has a measurement accuracy of about lmm. A displacement meter is in practical use.
  • the timing indefinite due to the phase period remains even though it is expanded.
  • it is necessary to perform multiple measurements by switching the frequency, which takes a long time, and the accuracy deteriorates if there is a change in the transmission medium due to movement of the object, wind direction or temperature during that time.
  • it can be used as a displacement meter for a relatively static object in an adjusted environment, but it is not necessary for a distance meter that requires an absolute distance or a displacement meter that is used outdoors or a high-speed moving object. Not suitable.
  • Multipath is a particularly difficult timing transmission using the phase of electromagnetic waves and sound waves propagating in space.
  • an object that reflects, diffracts, or scatters electromagnetic waves or sound waves in the propagation space both the direct wave of the transmitting end force and the indirect wave reflected and diffracted by these objects arrive at the receiving end, and timing accuracy is improved. I'll make you evil.
  • Consideration of multipath is indispensable for timing transmission.
  • the desire to send timing accurately over a bandwidth-limited path (transmitter, signal medium, and receiver as a whole) can be found throughout communications applications.
  • ultrasonic rangefinders that use a 40 kHz piezoelectric ceramic vibrator, but in this case, the purpose of communication is to convey the exact timing using a transmittable waveform.
  • the constraint conditions were not fully examined, such as using a method using lines, and the detection accuracy was poor. Also, it took time to make adjustments to compensate for instrumental errors.
  • the method using the phase of the carrier wave has a timing detection accuracy exceeding that of the envelope method.
  • the phase of force phase 2 ⁇ radians (period in time, wavelength in distance) is indeterminate, making it a short-distance displacement detector. Although it could be used, it could not be used for general timing transmission or rangefinders that require absolute distance. It was also strongly influenced by multipath.
  • a specific time reference point is set in the communication waveform.
  • communication is performed in a form in which a plurality of carrier waves that can be transmitted through a narrowband communication channel are simultaneously overlapped.
  • the phase of each subcarrier is strictly controlled by the transmission means, and the phase is matched only at a specific timing, which is used as a time reference point.
  • the receiving means receives a composite signal of each frequency, separates each carrier wave by calculation, and detects the phase.
  • the time reference point is obtained by calculating the timing at which the phases match.
  • the time reference point can be transmitted even in a narrow-band, poor amplitude frequency characteristic, phase frequency characteristic and a weak communication path. It can also be transmitted in a short time.
  • the timing accuracy that exceeds the accuracy of the envelope method and comparable to the phase method can be obtained. The instability of the phase period seen in the phase system is avoided, and it is not easily affected by multipath.
  • the receiver extracts the individual phase information by decomposing the frequency components of the received communication signal based on Equation 1! .
  • the frequencies related to information transmission are handled without using general FFT, thereby reducing the effects of noise and enabling high-speed detection operations.
  • the amplitude reference of each carrier from Equation 1, it is possible to efficiently demodulate quadrature amplitude modulation using a plurality of carriers.
  • the present invention when the present invention is applied as a data communication system, the present invention can obtain a strict time reference point. Therefore, by cutting out the subsequent bit information in accordance with the time reference point, the performance can be improved. An asynchronous communication system can be realized.
  • the phase reference and the amplitude reference can be obtained in accordance with the time reference point (see Equation 1), these references can be used for digital demodulation when the data is expressed in phase amplitude modulation. It can be used as a reference signal.
  • a time reference point be obtained by phase matching from a synchronization pattern based on carrier superposition of multiple frequencies, but also the amplitude of the reference signal (a and
  • phase (p and p in Equation 1) can be obtained. And they are common digital
  • a synchronization pattern is placed at the beginning of a quadrature amplitude modulation (QAM modulation) data packet, it is sufficient to use the amplitudes (a and a) obtained with the synchronization pattern force as the reference amplitude for demodulation.
  • QAM modulation quadrature amplitude modulation
  • the data packet can be divided into symbols, if the symbol rate (bit rate) is fixed, it can be performed very precisely using the time reference point, and highly reliable data demodulation is possible. is there.
  • the receiver reads out the communication signal starting time! A start time is set, a communication signal for a predetermined time length is read from the set read start time, the received communication signal power is read, a plurality of phases are extracted anew based on the read communication signal, and the extracted plurality of phases are extracted. A time reference point is determined anew based on the phase.
  • the phase of each frequency signal included in the communication signal and the communication based on the communication signal received by the receiver extract the angular frequency of each frequency signal included in the signal, determine the time when each phase has a predetermined relationship based on the extracted multiple phases and multiple angular frequencies, and use that time as the time reference Determine as a point.
  • the receiver determines the point in time when the phases of the two frequency signals match based on the observed phase difference at any point in time. Then, use Equation 6 to determine the relevant time point as the time reference point.
  • the time reference point can be determined in a short time and with high accuracy.
  • the present inventors have found that the transmission of the timing signal can be performed by a method equivalent to the measurement of the group delay time in the filter.
  • the present invention is characterized by the use of a complex frequency complex waveform for measuring the phase difference ⁇ necessary for determining the group delay time, and the time reference point can be determined in a short time and with high accuracy.
  • a transmitter directly transmits a plurality of frequency signals having the same phase to one of ultrasonic waves, electromagnetic waves, and light.
  • a communication signal it is transmitted as a communication signal modulated with a carrier wave of another frequency or transmitted as a communication signal, and at the receiver, the communication signal of the carrier wave is directly received or modulated by any one of ultrasonic waves, electromagnetic waves, and light.
  • the received communication signal is received and demodulated.
  • the present invention can be applied to what can be expressed by a general linear wave.
  • Equation 1 the solution of Equation 1 will be described.
  • Equation 1 becomes two sets of equations (Equation 9 and Equation 10 below) with respect to the real part and the imaginary part.
  • Equation 9 ( ⁇ - ⁇ ) ⁇ 2... (Equation 9) ⁇ 2 cos ⁇ , I ⁇ 5 (ri, sini3 ⁇ 4 ( ⁇ +... (Equation 1 0)
  • the phases p and p correspond to the phase transfer characteristics, and the time from the coincidence time
  • the reference point can be reproduced.
  • Equation 1 is an equation for analyzing a composite wave (communication signal) obtained by combining (combining) two frequency signals
  • the Equation 1 uses a 2 ⁇ 2 matrix.
  • the present invention exhibits high performance (extraction speed, extraction accuracy, etc.) with respect to phase extraction in many applications, but when analyzing a composite wave composed of n frequency signals.
  • Equation 1 can be expanded to an equation using an n X n matrix. The extension is easy for those skilled in the art.
  • the distance between the transmission node 102 and the reception node 104 was measured using the ultrasonic distance measurement system 100 in the above-described embodiment.
  • This measurement is quite accurate (accuracy is a fraction of the wavelength), given that the ultrasonic wavelength in air is 8.5 mm.
  • this result shows that the time reference point can be transmitted with an accuracy of approximately ⁇ 3 s, which is difficult to achieve with the conventional envelope detection.
  • there is no indefinite timing information transmission due to the phase period which is a problem of the method using the phase.
  • the distance can be continuously measured until the zero force is about 10 m (measurement limit due to attenuation of sound waves).
  • the distance measurement since the distance measurement only receives a beat waveform of about 2 ms, the time reference point can be transmitted and the distance can be measured in a very short time.
  • the single beat waveform transmitted in the present invention exists only in the space as a wave packet of about 70 cm (in the case of a supersonic wave of 40 kHz). Therefore, according to the present invention, even when an obstacle exists.
  • the path difference is 70cm
  • the wave is not detected directly and the accuracy of measurement can be maintained without being affected by multipath. If the frequency of the ultrasonic wave is increased, the time reference point can be transmitted and the distance can be measured without being affected by the path difference.
  • the instrumental error is compensated, only the phase characteristics at a specific frequency need be compensated.
  • the time reference point information transmission system and the receiver used in the time reference point information transmission system that are relevant to the present invention can transmit the time reference point accurately and in a short time. It is possible to measure the distance and angle between nodes.

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Abstract

　時刻基準点を精度よく且つ短時間で伝送することができる時刻基準点情報伝送システムおよび受信器を提供することを課題とする。本発明にかかる時刻基準点情報伝送システムにおいて、送信器は、通信路で通信可能な周波数信号を複数生成し、生成した複数の周波数信号に基づいて各々の周波数信号の位相が所定の関係になる時点を定め、定めた当該時点を時刻基準点と定義し、定義した時刻基準点に基づいて各々の周波数信号の位相を調整し、位相を調整した後の複数の周波数信号を合成し、合成した複数の周波数信号を通信信号として受信器へ送信する。受信器は、送信器から送信された通信信号を受信し、受信した通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の周波数信号の位相を抽出し、抽出した複数の位相に基づいて各々の位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を時刻基準点として決定する。

Description

明 細 書
時刻基準点情報伝送システムおよび受信器
技術分野
[0001] 本発明は、所定の周波数帯域で通信可能な通信路 (例えば、周波数に因り位相伝 搬特性や振幅伝搬特性が変化する等の理由から、通信に利用できる周波数帯域が 制約されている通信路）において、送信器から受信器へ時刻基準点に関する情報を 伝送する時刻基準点情報伝送システム、および当該時刻基準点情報伝送システム で用いる受信器に関するものである。
背景技術
[0002] 通信や計測を行うシステムにお 、て、タイミング情報 (本発明における時刻基準点 に対応）を高速且つ厳密に伝達したり計測したりすることが要求される局面は多く存 在する。例えば、画像通信においては水平 ·垂直走査の同期をとる局面、同期型デ ジタルデータ通信にお 、ては各ビット情報を切り替えるタイミングを検出する局面、計 測においては信号の遅延時間に基づいて距離や角度を計測する局面などが存在す る。
またデジタル変調された情報パケットを伝送するシステムにお 、て、復調の基準に なる時刻や振幅を複数の搬送波周波数にぉ 、て効率よく正確に伝達できれば、高 速高信頼な通信が可能となる。
[0003] そして、上述したシステムでは、空間や光ファイバ一、導波管、通信ケーブル中を 伝搬する電磁波の波動現象や、気体や液体、固体を伝搬する音波の波動現象を利 用してタイミング情報を伝達して 、る。
[0004] ここで、上述したシステムで使用する波形発生器、波動伝搬媒質および波形受信 器が、広ヽ周波数領域お!/ヽて十分均等な振幅伝達特性および位相伝達特性を有 すると仮定すると、例えば、伝えたいタイミング情報を矩形の電気信号パルスの前縁 や矩形の超音波バーストの前縁などで表現することで、波形発生器から波形受信器 へタイミング情報を正確且つ容易に伝達することができる。また単に包絡線振幅を検 出することで、振幅を得ることができる。 [0005] 上述した電気信号パルスや超音波バーストは周波数スペクトラムにお!/、て無限の 広がりを持っている。しかし実在の波形発生器、波動伝搬媒質および波形受信器は
、不均等な振幅周波数特性および位相周波数特性を多少なり有し、限られた帯域の 周波数による通信し力許されない場合がほとんどである。そのため、矩形の電気信号 パルスや矩形の超音波バーストは受信端において変形を受ける。特に、狭帯域の周 波数特性を有する波形変換装置や波動伝搬媒質を利用する通信システムや遠距離 の通信システムでは、タイミング情報を厳密に伝達することが困難であり、また振幅の 検出が困難になり、結果的に情報通信速度が制限される。
[0006] ところで、計測の分野においては、信号の遅延時間により距離や角度を計測するレ 一ダーゃレーザー計測器や超音波計測器が存在する。そして、距離や角度の計測 精度はタイミング情報の伝達精度 (検出精度)と直接関係する。換言すると、距離や 角度の計測精度はタイミング情報の伝達精度 (検出精度）に左右される。そのため、 計測の分野ではタイミング情報を正確に (厳密に)伝達することが重要である。ここで 、例えば、 40kHzの搬送波バーストの包絡線前縁を検出することで送信器と受信器 との間の距離を計測する超音波式距離計が存在する。そして、当該超音波式距離計 の距離計測精度は数 cm〜数十 cm程度である。なお、当該超音波式距離計では超 音波の送受信素子に圧電セラミック素子を使用している。ちなみに、空気中を伝搬す る音波の速度に照らして換算すると、当該超音波式距離計におけるタイミング情報の 伝達精度は 0. 1ms〜： Lmsであり、この値は狭帯域通信路を通過した波形の包絡線 を利用して達成できる精度の代表値である。
[0007] 上述した超音波式距離計で使用している圧電セラミック素子は狭帯域の周波数特 性を有するため、受信波形は強い歪みを受ける。また、上述した超音波式距離計で は、超音波バーストの前縁のような、信号的に過渡応答特性の強く影響する領域を 使用するため、送受信素子の特性のばらつきが計測精度やタイミング情報の伝達精 度に影響を与えやすくなる。さらに、波形の包絡線は伝送路の振幅周波数特性およ び位相周波数特性の双方の影響を受けるため、これら特性を有する伝送路を利用 する場合には、包絡線の形状が変化し易くなり、その結果、タイミング情報の伝達精 度が低下してしまう可能性が考えられる。 [0008] 一方、位相情報のみを使用してタイミング情報を伝達することができれば、包絡線 を利用してタイミング情報を伝達する方法に比べてその伝達精度を高めることが可能 であり、その結果、より精度の高い計測や通信が行える可能性がある。ここで、例えば 、比較的近接した 2点間で距離計測を行い、位相の差を得て信号源との角度を求め る角度計は実用されている。また、例えば、狭い距離の中で変位を求める微小変位 計が実用化されており、当該微小変位計は lmm前後の計測精度を有している。
[0009] ここで、位相情報のみを使用してタイミング情報を伝達する場合、位相は正弦波の ような周期現象力も抽出しなければならず、さらに波形は 2 πラジアンの位相値 (時間 の場合は周期、距離の場合は波長)で繰り返されるため、受信端で得られる位相は、 その絶対値を 2 πで除した剰余（その絶対値を 2 πで割ったときの余り）となる。これに より、例えば、位相を抽出することで距離を計測しょうとしても、距離の絶対値を計測 することはできない。具体的には、 40kHzの超音波の波長は空気中で約 8. 5mm ( 位相値の 2 πラジアンに相当する）であるが、当該超音波を利用して位相を抽出し、 距離を決めようとしても、距離を 8. 5mmの波長で割ったときの余りが求められるのみ で、距離の絶対値を計測することはできない。
[0010] そこで、位相を利用した超音波変位計に、 40kHzの超音波の空気中での波長に 相当する 8. 5mmを超える計測範囲をもたせる発明として、特許文献 1が開示されて いる。特許文献 1には、異なる 2つの周波数 fおよび f (f >f )による位相遅延計測を
1 2 1 2
周波数を切り替えながら 2度行うことで位相 φおよび φ を得て、その位相に基づい
1 2
て各種処理を行うことで実質的に「f f 」の周波数を使用して位相を計測したことに
1 2
換算する装置および方法について記されている。具体的には、「f = 40kHz, f = 39
1 2 kHz]の各周波数を切り替えながら位相遅延を計測することで、実質的に 1kHz (40k Hz— 39kHz)の搬送波で位相を計測したような効果を得ている。これ〖こより、 lmm 前後の計測精度は維持しつつ、 40kHzの超音波を利用した変位計の距離の不定さ である 8. 5mmを 1kHzの音波の波長である 340mmまで延長することができた。
[0011] 特許文献 1 :特開 2004— 191145号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題 [0012] し力しながら、従来技術では、計測範囲を 340mmまで延長することができたものの 、依然、位相を利用した情報伝達技術における課題である位相周期によるタイミング 情報の不定さが残るので、変位を計測することはできるものの、絶対的な距離を計測 することは困難である、という問題点があった。
[0013] また、従来技術では、周波数を切り替えながら計測を複数回行っていたので、計測 時間が長くなつてしまい、タイミング情報の伝達時間が長くなつてしまう、という問題点 があった。当該問題点は、特に、対象物が移動したり風向きや気温の変動で伝搬媒 質が変化したりする場合に顕著となり、当該場合では計測自体が困難となってしまう
[0014] 本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、時刻基準点を精度よく且つ短 時間で伝送することができる時刻基準点情報伝送システム、および当該時刻基準点 情報伝送システムで用いる受信器を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0015] 上記目的を達成するために、本発明に力かる時刻基準点情報伝送システムは、所 定の周波数帯域で通信可能な通信路において送信器から受信器へ時刻基準点に 関する情報を伝送する時刻基準点情報伝送システムであって、前記送信器は、前記 通信路で通信可能な周波数信号を複数生成する周波数信号生成手段と、前記周波 数信号生成手段で生成した複数の前記周波数信号に基づ!、て各々の前記周波数 信号の位相が所定の関係になる時点を定め、定めた当該時点を前記時刻基準点と 定義し、定義した前記時刻基準点に基づいて各々の前記周波数信号の前記位相を 調整する位相調整手段と、前記位相調整手段で前記位相を調整した後の複数の前 記周波数信号を合成し、合成した複数の前記周波数信号を通信信号として前記受 信器へ送信する送信手段と、を備え、前記受信器は、前記送信器から送信された前 記通信信号を受信する受信手段と、前記受信手段で受信した前記通信信号に基づ いて、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相を抽出する位相 抽出手段と、前記位相抽出手段で抽出した複数の前記位相に基づいて各々の前記 位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を前記時刻基準点として決 定する時刻基準点決定手段と、を備えたことを特徴とする。 また、本発明にかかる時刻基準点情報伝送システムは、前記に記載の時刻基準点 情報伝送システムにおいて、前記位相抽出手段は、前記受信手段で受信した前記 通信信号および数式 1に基づ!/、て、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信 号の前記位相を抽出することを特徴とする。
[数 1]
Figure imgf000007_0001
(数式 1において、 sinc(x)は標本ィ匕関数であり、「sinc(x) = (sinx) ÷x」で定義され る。 ωおよび ωは角周波数であり、それぞれ「ω =2πί」および「ω =2πί」で定
1 2 1 1 2 2 義される。なお、 f
1および f
2はそれぞれ、前記周波数信号生成手段で生成した前記 周波数信号の周波数である。 τは前記通信信号を取り出す時間の長さである。 eは自 然対数における底である。 jは虚数単位である。 pおよび pはそれぞれ、周波数 fの
1 2 1 前記周波数信号に対応する位相および周波数 f
2の前記周波数信号に対応する位相 である。 s(t)は前記通信信号の波形を表す関数であり、「s(t) = a sin(co t+p ) + a
1 1 1 sin(co t+p；)」で定義される。 aおよび aはそれぞれ、周波数 fの前記周波数信号
2 2 2 1 2 1
に対応する振幅および周波数 f
2の前記周波数信号に対応する振幅である。 tは時刻 を表す変数である。 <s(t), ">ぉょび<3 ), ejco2t>はそれぞれ、 3 )と " との内積および s(t)と ejco2tとの内積である。 )
また、本発明にかかる時刻基準点情報伝送システムは、前記に記載の時刻基準点 情報伝送システムにおいて、前記位相抽出手段は、前記受信手段で受信した前記 通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相 および当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の角周波数を抽出し、前記 時刻基準点決定手段は、前記位相抽出手段で抽出した複数の前記位相および複 数の前記角周波数に基づいて各々の前記位相が所定の関係になる時点を求め、求 めた当該時点を前記時刻基準点として決定することを特徴とする。
[0018] また、本発明に力かる時刻基準点情報伝送システムは、前記に記載の時刻基準点 情報伝送システムにおいて、前記送信手段は、前記合成した複数の前記周波数信 号を前記通信信号として超音波、電磁波、光のいずれか 1つで前記受信器へ送信し 、前記受信手段は、前記送信器から送信された前記通信信号を、前記超音波、前記 電磁波、前記光のいずれか 1つで受信することを特徴とする。
[0019] また、本発明は時刻基準点情報伝送方法に関するものであり、本発明にかかる時 刻基準点情報伝送方法は、
Figure imgf000008_0001
、て送信 器力 受信器へ時刻基準点に関する情報を伝送する時刻基準点情報伝送方法であ つて、前記送信器において、前記通信路で通信可能な周波数信号を複数生成する 周波数信号生成ステップと、前記周波数信号生成ステップで生成した複数の前記周 波数信号に基づいて各々の前記周波数信号の位相が所定の関係になる時点を定 め、定めた当該時点を前記時刻基準点と定義し、定義した前記時刻基準点に基づ いて各々の前記周波数信号の前記位相を調整する位相調整ステップと、前記位相 調整ステップで前記位相を調整した後の複数の前記周波数信号を合成し、合成した 複数の前記周波数信号を通信信号として前記受信器へ送信する送信ステップと、を 実行し、前記受信器において、前記送信器から送信された前記通信信号を受信する 受信ステップと、前記受信ステップで受信した前記通信信号に基づいて、当該通信 信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相を抽出する位相抽出ステップと、 前記位相抽出ステップで抽出した複数の前記位相に基づ!/、て各々の前記位相が所 定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を前記時刻基準点として決定する時刻 基準点決定ステップと、を実行することを特徴とする。
[0020] また、本発明にかかる時刻基準点情報伝送方法は、前記に記載の時刻基準点情 報伝送方法において、前記位相抽出ステップは、前記受信ステップで受信した前記 通信信号および数式 1に基づ!/、て、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信 号の前記位相を抽出することを特徴とする。
[数 2]
Figure imgf000009_0001
(数式 1において、 sinc(x)は標本化関数であり、「sinc(x) = (sinx) ÷x」で定義され る。 ωおよび ωは角周波数であり、それぞれ「ω =2πί」および「ω =2πί」で定
1 2 1 1 2 2 義される。なお、 f
1および f
2はそれぞれ、前記周波数信号生成ステップで生成した前 記周波数信号の周波数である。 Tは前記通信信号を取り出す時間の長さである。 eは 自然対数における底である。 jは虚数単位である。 p
1および p
2はそれぞれ、周波数 f
1 の前記周波数信号に対応する位相および周波数 f の
2 前記周波数信号に対応する位 相である。 s(t)は前記通信信号の波形を表す関数であり、「s(t)=asin(co t+p )
1 1 1
+ a sin(co t+p )」で定義される。 aおよび aはそれぞれ、周波数 fの前記周波数信
2 2 2 1 2 1
号に対応する振幅および周波数 f の
2 前記周波数信号に対応する振幅である。 tは時 刻を表す変数である。 <s(t), 0)">ぉょび<3( ， ejco2t>はそれぞれ、 s(t)と ej ω "との内積および s (t)と ej ω ¾との内積である。 )
[0021] また、本発明にかかる時刻基準点情報伝送方法は、前記に記載の時刻基準点情 報伝送方法において、前記位相抽出ステップは、前記受信ステップで受信した前記 通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相 および当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の角周波数を抽出し、前記 時刻基準点決定ステップは、前記位相抽出ステップで抽出した複数の前記位相およ び複数の前記角周波数に基づいて各々の前記位相が所定の関係になる時点を求 め、求めた当該時点を前記時刻基準点として決定することを特徴とする。
[0022] また、本発明にかかる時刻基準点情報伝送方法は、前記に記載の時刻基準点情 報伝送方法において、前記送信ステップは、前記合成した複数の前記周波数信号 を前記通信信号として超音波、電磁波、光のいずれか 1つで前記受信器へ送信し、 前記受信ステップは、前記送信器から送信された前記通信信号を、前記超音波、前 記電磁波、前記光のいずれか 1つで受信することを特徴とする。
[0023] また、本発明は送信器に関するものであり、本発明にかかる送信器は、所定の周波 数帯域で通信可能な通信路において時刻基準点に関する情報を送信する送信器 であって、前記通信路で通信可能な周波数信号を複数生成する周波数信号生成手 段と、前記周波数信号生成手段で生成した複数の前記周波数信号に基づ!、て各々 の前記周波数信号の位相が所定の関係になる時点を定め、定めた当該時点を前記 時刻基準点と定義し、定義した前記時刻基準点に基づいて各々の前記周波数信号 の前記位相を調整する位相調整手段と、前記位相調整手段で前記位相を調整した 後の複数の前記周波数信号を合成し、合成した複数の前記周波数信号を通信信号 として前記受信器へ送信する送信手段と、を備えたことを特徴とする。
[0024] また、本発明にカゝかる送信器は、前記送信手段は、前記合成した複数の前記周波 数信号を前記通信信号として超音波、電磁波、光のいずれか 1つで前記受信器へ送 信することを特徴とする。
[0025] また、本発明は受信器に関するものであり、本発明にかかる受信器は、所定の周波 数帯域で通信可能な通信路において時刻基準点に関する情報を受信する受信器 であって、各々の位相が所定の関係になる時点と定義された前記時刻基準点に基 づ 、て各々の前記位相が調整された複数の周波数信号であって前記調整の後に合 成されたものを、通信信号として受信する受信手段と、前記受信手段で受信した前 記通信信号および数式 1に基づ 、て、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数 信号の前記位相を抽出する位相抽出手段と、前記位相抽出手段で抽出した複数の 前記位相に基づいて各々の前記位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該 時点を前記時刻基準点として決定する時刻基準点決定手段と、を備えたことを特徴 とする。
[数 3]
Figure imgf000011_0001
(数式 1において、 sinc(x)は標本ィ匕関数であり、「sinc(x) = (sinx) ÷x」で定義され る。 ωおよび ωは角周波数であり、それぞれ「ω =2πί」および「ω =2πί」で定
1 2 1 1 2 2 義される。なお、 f
1および f
2はそれぞれ、前記周波数信号生成手段で生成した前記 周波数信号の周波数である。 τは前記通信信号を取り出す時間の長さである。 eは自 然対数における底である。 jは虚数単位である。 pおよび pはそれぞれ、周波数 fの
1 2 1 前記周波数信号に対応する位相および周波数 f
2の前記周波数信号に対応する位相 である。 s(t)は前記通信信号の波形を表す関数であり、「s(t) = a sin(co t+p ) + a
1 1 1 sin(co t+p；)」で定義される。 aおよび aはそれぞれ、周波数 fの前記周波数信号
2 2 2 1 2 1
に対応する振幅および周波数 f
2の前記周波数信号に対応する振幅である。 tは時刻 を表す変数である。 <s(t), ">ぉょび<3 ) , ejco2t>はそれぞれ、 3 )と " との内積および s(t)と ejco2tとの内積である。 )
[0026] また、本発明にかかる受信器は、前記に記載の受信器において、前記位相抽出手 段は、前記受信手段で受信した前記通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれ る各々の前記周波数信号の前記位相および当該通信信号に含まれる各々の前記 周波数信号の角周波数を抽出し、前記時刻基準点決定手段は、前記位相抽出手段 で抽出した複数の前記位相および複数の前記角周波数に基づ 、て各々の前記位 相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を前記時刻基準点として決定 することを特徴とする。
[0027] また、本発明にかかる受信器は、前記に記載の受信器において、前記受信手段は 、前記通信信号を、超音波、電磁波、光のいずれか 1つで受信することを特徴とする 発明の効果 [0028] 本発明によれば、所定の周波数帯域で通信可能な通信路 (通信に使用できる周波 数帯域が制限された通信路）において送信器力も受信器へ時刻基準点に関する情 報を伝送する。送信器は、通信路で通信可能な周波数信号を複数生成し、生成した 複数の周波数信号に基づいて各々の周波数信号の位相が所定の関係になる時点 を定め、定めた当該時点を時刻基準点と定義し、定義した時刻基準点に基づいて各 々の周波数信号の位相を調整し、位相を調整した後の複数の周波数信号を合成し、 合成した複数の周波数信号を通信信号として受信器へ送信する。受信器は、送信器 から送信された通信信号を受信し、受信した通信信号に基づいて、当該通信信号に 含まれる各々の周波数信号の位相を抽出し、抽出した複数の位相に基づいて各々 の位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を時刻基準点として決定 する。これにより、例えば安価な狭帯域送受信素子を使用しても、受信波形歪による 影響を抑えて時刻基準点を精度よく且つ短時間で伝送することができる、という効果 を奏する。
[0029] また、本発明によれば、受信器は、受信した通信信号および数式 1に基づ!、て、当 該通信信号に含まれる各々の周波数信号の位相を抽出する。これにより、一般 FFT によることなく情報伝送に関わる周波数のみを扱うことで、ノイズの影響を軽減し、ま た高速な検出操作が可能になる、という効果を奏する。なお、数式 1から個々の搬送 波の振幅基準を得ることにより、複数搬送波による直交振幅変調を効率よく復調する ことができる。また、従来の FFTなどによる周波数分解方法に比較して、高速に、高 精度に、要素周波数の位相情報や振幅情報を抽出することができる。
[0030] また、本発明によれば、受信器は、受信した通信信号に基づ!、て、当該通信信号 に含まれる各々の周波数信号の位相および当該通信信号に含まれる各々の周波数 信号の角周波数を抽出し、抽出した複数の位相および複数の角周波数に基づいて 各々の位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を時刻基準点として 決定する。具体的には、例えば通信信号が 2つの周波数信号を合成したものである 場合、受信器は、 2つの周波数信号の位相が一致する時点を、観測された任意の時 点での位相差に基づいて、数式「t=一（p—p ) ÷ ( ω — ω )」（ρおよび ρは位相、
1 2 1 2 1 2 ωおよび ωは角周波数)で求め、求めた当該時点を時刻基準点として決定する。こ れにより、短時間且つ高精度に時刻基準点を決定することができる、という効果を奏 する。
[0031] また、本発明によれば、送信器は、合成した複数の周波数信号を通信信号として超 音波、電磁波、光のいずれか 1つで受信器へ送信し、受信器は、送信器から送信さ れた通信信号を、超音波、電磁波、光のいずれか 1つで受信する。これにより、一般 の線形波動で表現できるものに本発明を適用することができる、という効果を奏する。 図面の簡単な説明
[0032] [図 1]図 1は、本発明にかかる時刻基準点情報伝送システムの基本原理を示すフロ 一チャートである。
[図 2]図 2は、時刻基準点の定義の一例を示す図である。
[図 3]図 3は、時刻基準点情報伝送システムを適用した超音波距離計測システムの構 成の一例を示す概念図である。
[図 4]図 4は、送信ノード 102の具体的な構成の一例を示すブロック図である。
[図 5]図 5は、受信ノード 104の具体的な構成の一例を示すブロック図である。
[図 6]図 6は、送信ノード 102で行われる処理の一例を示すフローチャートである。
[図 7]図 7は、受信ノード 104で行われる処理の一例を示すフローチャートである。 符号の説明
[0033] 100 超音波距離計測システム（時刻基準点情報伝送システムを含む）
102 送信ノード
102a 測定指示スィッチ
102b タイミング発生部
102c アドレス生成部
102d 波形記憶部
102e DZA変換部
102f 増幅部
102g 超音波送信素子
104 受信ノード
104a 超音波送信素子 104b 増幅部
104c AZD変換部
104d 波形記憶部
104e アドレス生成部
104f タイミング発生部
104g 信号処理部
104h 距離表示部
発明を実施するための最良の形態
[0034] 以下に、本発明に力かる時刻基準点情報伝送システム、および当該時刻基準点情 報伝送システムで用いる受信器の実施の形態を図面に基づ 、て詳細に説明する。 なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
[0035] [本発明の基本原理]
まず、本発明にかかる時刻基準点情報伝送システムの基本原理について、図 1を 参照して説明する。図 1は本発明に力かる時刻基準点情報伝送システムの基本原理 を示すフローチャートである。
本発明は、所定の周波数帯域で通信可能な通信路 (例えば、周波数に因り位相伝 搬特性や振幅伝搬特性が変化する等の理由から、通信に利用できる周波数帯域が 制約されている通信路）において、送信器から受信器へ時刻基準点に関する情報を 、以下のステップ S— 1からステップ S— 6までの工程で伝送する。
[0036] まず、送信器で、通信路で通信可能な周波数信号を複数生成する (ステップ S— 1： 周波数信号生成ステップ)。つぎに、送信器で、ステップ S— 1で生成した複数の周波 数信号に基づいて各々の周波数信号の位相が所定の関係になる時点を定め、定め た当該時点を時刻基準点と定義し、定義した時刻基準点に基づいて各々の周波数 信号の位相を調整する (ステップ S— 2：位相調整ステップ)。具体的には、ステップ S 1で生成した複数個の周波数信号の各位相が所定の条件の関係になった時点を 時刻基準点と定義し、周波数信号の関係が時刻基準点の所定の条件に合うように複 数個の周波数信号の位相を揃える。
[0037] ここで、本発明の特徴部分である時刻基準点の定義の一例について、図 2を参照し て説明する。図 2は時刻基準点の定義の一例を示す図である。なお、当該説明は、 ステップ SA— 1で 2つの周波数信号（周波数 f = 39. 75kHz,周波数 f =40. 25k
1 2
Hz)を生成した場合の一例である。
2つの周波数搬送波（図 2の aおよび b)を重ね合わせて送信するとビート（うなり）が 生じる（図 2の c)。なお、この場合、当該ビートの周期は、「f -f =0. 5kHz」の周波
2 1
数信号の周期、つまり 2msとなる。
そこで、周波数 fの搬送波の位相 φ と周波数 f の搬送波の位相 φ (の 2 πでの剰
1 1 2 2
余）に注目した場合、当該ビートの節力 節までの時間である 2msを取り出せば、位 相 φ および位相 φ は πラジアンから πラジアンの間を何度も往復する（図 2の dお
1 2
よび e)。
そして、位相差「 φ — φ 」は、 一 πラジアンから πラジアンの範囲を一度だけ通過
2 1
し、「φ — φ =0」となるタイミング（時刻）は、取り出した 2msの間に一度だけ発生す
2 1
る（図 2の f)。
そこで、「φ — φ =0」となるタイミングを時刻基準点として定義する。
2 1
[0038] 再び図 1に戻り、送信器で、ステップ S— 2で位相を調整した複数の周波数信号を 合成し、合成した複数の周波数信号を通信信号として受信器へ送信する (ステップ S - 3：送信ステップ）。なお、ステップ S - 3にお!/、て、ステップ S - 2で合成した（具体 的には位相を揃えた)複数の周波数信号を直接搬送波の通信信号として受信器へ 送信してもよぐまた合成した複数の周波数信号を、他周波数の搬送波で変調した 通信信号として受信器へ送信してもよ ヽ。
[0039] つぎに、受信器で、送信器から送信された通信信号を受信する (ステップ S— 4：受 信ステップ)。なお、ステップ S— 3において、合成した複数の周波数信号が直接搬送 波の通信信号として送信された場合には、ステップ S—4において当該直接搬送波 の通信信号を受信してもよい。また、ステップ S— 3において、合成した複数の周波数 信号が、他周波数の搬送波で変調した通信信号として送信された場合には、ステツ プ S— 4にお 、て当該他周波数の搬送波で変調した通信信号を受信して復調しても よい。
[0040] つぎに、受信器で、ステップ S— 4で受信した通信信号に基づ 、て、当該通信信号 に含まれる各々の周波数信号の位相を抽出する (ステップ S— 5：位相抽出ステップ） 。換言すると、ステップ S— 4で受信した通信信号の周波数成分を分解して個々の位 相情報を抽出する。
ここで、ステップ S— 5において、受信した通信信号および下記の数式 1に基づいて 、当該通信信号に含まれる各々の周波数信号の位相を抽出してもよい。換言すると 、ステップ S— 5において、受信した通信信号の周波数成分を下記の数式 1に基づい て分解して個々の位相情報を抽出してもよい。
[数 4]
Figure imgf000016_0001
なお、数式 1において、 sinc(x)は標本ィ匕関数であり、「sinc(x) = (sinx) ÷x」で定 義される。 ωおよび ωは角周波数であり、それぞれ「ω =2πί」および「ω =2πί
1 2 1 1 2
2 」で定義される。なお、 f
1および f
2はそれぞれ、生成した周波数信号の周波数である Tは通信信号を取り出す時間の長さである。 eは自然対数における底である。 jは虚 数単位である。 pおよび pはそれぞれ、周波数 fの周波数信号に対応する位相およ
1 2 1
び周波数 f
2の周波数信号に対応する位相である。 s(t)は受信した通信信号の波形 を表す関数であり、「s(t) a sin(c t+p )+a sin(o> t+p )」で定義される。 aお
1 1 1 2 2 2 1 よび aはそれぞれ、周波数 fの周波数信号に対応する振幅および周波数 fの周波数
2 1 2 信号に対応する振幅である。 tは時刻を表す変数である。 <s(t), e jco">およびく S (t) , ej ω 2t >はそれぞれ、 s (t)と ej ω "との内積および s (t)と ej ω 2tとの内積である。 つぎに、受信器で、ステップ S— 5で抽出した複数の位相に基づいて各々の位相が 所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を時刻基準点として決定する (ステツ プ S— 6:時刻基準点決定ステップ)。換言すると、ステップ S— 5で抽出した複数の位 相情報を比較して、それらが所定の条件の関係になった時点を時刻基準点として決 定する。
[0042] 以上、本発明の基本原理について説明したが、受信器で、ステップ S— 6で決定し た時刻基準点および所定の時間長に基づ!、て、通信信号を読み出し始める時点で ある読出開始時点を設定し、設定した読出開始時点から所定の時間長分の通信信 号をステップ S— 4で受信した通信信号力 読み出してもよい。なお、この場合、受信 器は、読み出した当該通信信号に基づ!、て改めてステップ S— 5を実行して複数の 位相を抽出し、抽出した複数の位相に基づ!/ヽて改めてステップ S - 6を実行して時刻 基準点を決定する。これにより、位相抽出処理にかかる波形の抽出場所や長さは任 意であることから、受信した通信信号の波形における冒頭部の過渡応答妨害を除外 し、また振幅の大きな部分を優先して使用することで、雑音の影響を効果的に回避す ることができる。換言すると、受信波形のうち過渡応答やノイズによる影響のある部分 を避け、高精度な決定処理ができる。また、検出に使用する波形は比較的短いもの でよいので、高速な検出ができ、またマルチパス妨害による検出誤差を軽減できる。
[0043] また、ステップ S— 5にお 、て、受信した通信信号に基づ!/、て、当該通信信号に含 まれる各々の周波数信号の位相および当該通信信号に含まれる各々の周波数信号 の角周波数を抽出し、ステップ S— 6において、抽出した複数の位相および複数の角 周波数に基づいて各々の位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を 時刻基準点として決定してもよい。具体的には、例えば通信信号が 2つの周波数信 号を合成したものである場合、受信器は、 2つの周波数信号の位相が一致する時点 を、観測された任意の時点での位相差に基づいて、後述の数式 6で求め、求めた当 該時点を時刻基準点として決定してもよい。これにより、短時間且つ高精度に時刻基 準点を決定することができる。
[0044] また、ステップ S - 3にお 、て、ステップ S - 2で合成した複数の周波数信号を通信 信号として超音波、電磁波、光などで受信器へ送信してもよい。具体的には、ステツ プ S— 2で位相を揃えた複数個の周波数信号を直接搬送波の通信信号として超音 波や電磁波や光などで送信してもよぐまたステップ S— 2で位相を揃えた複数個の 周波数信号を他周波数の搬送波で変調した通信信号として超音波や電磁波や光な どで送信してもよい。また、ステップ S— 4において、送信器から送信された通信信号 を超音波や電磁波や光などで受信してもよい。具体的には、送信器から送信された 直接搬送波の通信信号を超音波や電磁波や光などで受信してもよぐまた送信器か ら送信された変調された通信信号を超音波や電磁波や光などで受信して復調しても よい。
つまり、本発明は、超音波や電磁波や光など、線形波動で表現することができる全 てのものに適用することができる。
[0045] また、ステップ S— 5において、位相情報だけでなく振幅情報 (振幅基準情報)も抽 出してもよい。これにより、例えば、複数搬送波による直交振幅変調を効率よく復調 することができる。
[0046] [システム構成]
つぎに、本発明の時刻基準点情報伝送システムを適用した超音波距離計測システ ム 100の構成について、図 3を参照して説明する。図 3は超音波距離計測システム 1 00の構成の一例を示す概念図である。
[0047] 図 3に示すように、超音波距離計測システム 100は、送信ノード (送信器） 102と受 信ノード (受信器) 104とで構成され、所定の周波数帯域で通信可能な通信路 (例え ば、周波数に因り位相伝搬特性や振幅伝搬特性が変化する等の理由から、通信に 利用できる周波数帯域が制約されている通信路)を利用して送信ノード 102から受信 ノード 104へ時刻基準点に関する情報を超音波で伝送する。
[0048] 送信ノード 102は、主に、通信路で通信可能な周波数信号を複数生成し、生成し た複数の周波数信号に基づいて各々の周波数信号の位相が所定の関係になる時 点を定め、定めた当該時点を時刻基準点と定義し、定義した時刻基準点に基づいて 各々の周波数信号の位相を調整し、位相を調整した後の複数の周波数信号を合成 し、合成した複数の周波数信号を通信信号として受信器へ超音波で送信する。ここ で、送信ノード 102の具体的な構成の一例について、図 4を参照して説明する。図 4 は、送信ノード 102の具体的な構成の一例を示すブロック図である。図 4に示すよう に、送信ノード 102は、測定指示スィッチ 102aと、タイミング発生部 102bと、アドレス 生成部 102cと、波形記憶部（波形 ROM) 102dと、 DZA変換部 102eと、増幅部 10 2fと、超音波送信素子 102gと、で構成され、これらは任意の通信路を介して接続さ れている。
[0049] 測定指示スィッチ 102aは、利用者が距離の測定開始を指示するためのスィッチで ある。タイミング発生部 102bは、複数個の周波数信号に対応する各波形の位相を予 め調整して (揃えて)合成した合成波形を後述する波形記憶部 102dから読み出して 当該合成波形の送信を開始すると共に、距離の測定開始を指示する測定指示信号 および超音波の伝搬遅延時間を計算するために用いるストローブ信号を受信ノード 1 04へ電気的に伝送する。アドレス生成部 102cはサンプル周波数に合わせてメモリ 一読み出しアドレスを生成する。波形記憶部 102dは、複数個の周波数信号に対応 する各波形の位相を予め調整して (揃えて)合成した合成波形を記憶する。 DZA変 換部 102eはデジタル信号をアナログ信号に変換する。増幅部 102fはアナログ信号 を増幅する。超音波送信素子 102gは具体的には市販の圧電型セラミック振動体で ある。ここで、素子は共振器であるため、当該素子において、通信感度や信号雑音 比は良好である力 通信帯域は狭く概ね 39. 0〜41. OkHzである。なお、当該通信 帯域内でも振幅，位相伝搬特性は強い周波数依存性をもつ。
[0050] 再び図 3に戻り、受信ノード 104は、主に、送信ノード 102から送信された通信信号 を超音波で受信し、受信した通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の 周波数信号の位相を抽出し、抽出した複数の位相に基づいて各々の位相が所定の 関係になる時点を求め、求めた当該時点を時刻基準点として決定する。ここで、受信 ノード 104の具体的な構成の一例について、図 5を参照して説明する。図 5は、受信 ノード 104の具体的な構成の一例を示すブロック図である。図 5に示すように、受信ノ ード 104は、超音波受信素子 104aと、増幅部 104bと、 AZD変換部 104cと、波形 記憶部（波形メモリー） 104dと、アドレス生成部 104eと、タイミング発生部 104fと、信 号処理部 (信号処理プロセッサ） 104gと、距離表示部 104hと、で構成され、これらは 任意の通信路を介して接続されて 、る。
[0051] 超音波受信素子 104aは具体的には市販の圧電型セラミック振動体である。増幅部 104bは超音波受信素子 104aで受信した通信信号 (アナログ信号)を増幅する。 A ZD変換部 104cはアナログ信号をデジタル信号に変換する。波形記憶部 104dは、 受信した通信信号の波形および電気的に伝送されたストローブ信号の波形を記憶す る。アドレス生成部 104eは、サンプリング周波数に合わせてメモリー格納アドレスを 生成する。タイミング発生部 104fは、送信ノード 102から伝送された測定指示信号を 取得する。信号処理部 104gは、波形記憶部 104dに記憶された通信信号を取得し て当該通信信号の周波数成分を分解して個々の位相情報を抽出し、抽出した複数 の位相情報を比較して、それらが所定の条件の関係になった時点を時刻基準点とし て決定し、決定した時刻基準点と電気的に伝送されたストローブ信号との伝播遅延 時間を計算し、送信ノード 102と受信ノード 104との間の距離を計算する。距離表示 部 104hは、信号処理部 104gで計算された送信ノード 102と受信ノード 104との間の 距離の値を表示する。
[0052] 以上の構成において、超音波距離計測システム 100を構成する送信ノード 102お よび受信ノード 104で行われる処理を、図 6および図 7を参照して順に説明する。
[0053] 初めに、送信ノード 102で行われる処理を、図 6を参照して説明する。図 6は、送信 ノード 102で行われる処理の一例を示すフローチャートである。
[0054] まず、タイミング発生部 102bで、測定指示スィッチ 102aが押されたか否力 (つまり、 測定指示がある力否か)を監視し、測定指示があった場合 (ステップ SA— 1： Yes)に は測定指示信号を駆動する (ステップ SA— 2)。
つぎに、タイミング発生部 102bで、タイミング発生回路を起動する (ステップ SA— 3
) o
つぎに、タイミング発生部 102bで波形記憶部 102dから合成波形（「S (t) = 5ίη ω t
1
+ sino> t」（ただし、 ω = 2 π ί、 ω = 2 π ί、 fおよび f は周波数））を読み出し、 D
2 1 1 2 2 1 2
ZA変換部 102eで当該合成波形の周波数信号をアナログ信号に変換し、増幅部 1 02fで当該アナログ信号を増幅し、超音波送信素子 102gで当該増幅した信号を超 音波で送信する (ステップ SA—4)。
一方、タイミング発生部 102bで、合成波形を読み出したタイミングを監視し、時刻 基準点（例えば、位相差「 φ — φ 」が 0となる時刻）を送信した場合 (ステップ SA— 5
2 1
： Yes)には瞬時にストローブ信号を発生し、測定指示信号と共に電気的に受信ノー ド 104へ伝送する（ステップ SA— 6)。なお、「一 11115<1;< 11115」の範囲の波形を送 信すれば、その波形の中央で時刻基準点（「 φ — φ =0」となる時刻）を送信したこ とになる。
[0055] これにて、送信ノード 102で行われる処理の説明を終了する。
[0056] つぎに、受信ノード 104で行われる処理を、図 7を参照して説明する。図 7は、受信 ノード 104で行われる処理の一例を示すフローチャートである。
[0057] まず、タイミング発生部 104fで、送信ノード 102から伝送された測定指示信号を取 得したかを監視し、測定指示信号を取得した場合 (ステップ SB— 1： Yes)にはタイミ ング発生回路を起動する。そして、増幅器 104bで、超音波受信素子 104aで受信し た通信信号を増幅し、 AZD変換部 104cで、増幅した通信信号をデジタル信号に 変換して波形記憶部 104dに記憶する (ステップ SB— 2)。ここで、 AZD変換のビット 分解能および時間分解能は再生される時刻基準点の精度に影響するが、具体的に は 8bit直線量子化および 1Mサンプル毎秒の AZD変換を行うことで良好なビット分 解能および時間分解能を得ることができる。
[0058] つぎに、タイミング発生部 104fで信号処理部 104gを起動し、信号処理部 104gで 波形記憶部 104dに記憶された通信信号を所定の時間長 (T) (例えば T= lms)だ け読み出す (ステップ SB— 3)。
[0059] つぎに、信号処理部 104gで、ステップ SB— 3で時間長 Tだけ読み出した通信信号 の周波数成分を分解して、個々の位相情報を抽出し、抽出した位相情報を比較して 、それらが所定の条件の関係になった時点を時刻基準点として仮決定する (ステップ SB-4) 0
[0060] ここで、当該通信信号は複数周波数の搬送波を重畳したものであるので、それらか ら各要素の信号の位相は以下の工程（1)〜(4)で分離され、時刻基準点は工程 (5) で推定される。なお、ステップ SB— 3で読み出したデータ (数値列）はベクトル (s)とし て扱う。
(1)下記の数式 2で定義される周波数 fの複素正弦波信号 e (t)および下記の数式 3
1 1
で定義される周波数 fの複素正弦波信号 e (t)を算術的に発生させる。なお、送信ノ
2 2
ード 102で使用した当該 fおよび f は受信ノード 104において既知である。なお、数
1 2
式 2および数式 3において、 jは虚数単位である。
e (t) =exp (j co (t~T/2) ) = cos o (t— TZ2) +jsin o (t-T/2) · · · (数式 2)
1 1
e (t)=exp(jco (t~T/2))
2 2
= cosco (t-T/2) +jsinW (t-T/2) · · · (数式 3)
2 2
(2) e (t)および e (t)を時間長 Tにあわせてサンプリングし、複素ベクトル eおよび e
1 2 1 2 を計算する。なお、 eおよび eは一度計算しておけばよい。
1 2
(3)下記の数式 4で定義されるベクトル sと eとの内積く s, e >および下記の数式 5で
1 1
定義されるベクトル sと eとの内積く s, e >を計算する。
2 2
[数 5]
Figure imgf000022_0001
ί V …(数式 4)
X X e 2i, …(数式 5) ここで、式中の e (上線付き）および e (上線付き）はそれぞれ、 eの複素共役およ
li 2i li び eの複素共役である。また、 Nは、各ベクトルの次元数であり、時間長 Tおよびサン
2i
プル速度 Sから「N=TS」で定められる。
(4)受信した通信信号が「s(t)=a sin(co t+p )+a sin(co t+p )」であると仮定し
1 1 1 2 2 2
た場合、下記の数式 1で各位相 (位相 p
1および p )
2を抽出する。なお、位相 p
1および p が時間長 τの中央における角周波数の位相であり、合成波形力 分離して求めたい
2
量である。なお、各位相 (位相 pおよび p )だけでなく各振幅 (振幅 aおよび a )も抽出
1 2 1 2 してちよい。
[数 6]
Figure imgf000022_0002
なお、数式 1において、 sinc(x)は標本ィ匕関数であり、「sinc(x) = (sinx) ÷x」で定 義される。 ωおよび ωは角周波数であり、それぞれ「ω =2πί」および「ω =2πί 2」で定義される。なお、 f
1および f
2はそれぞれ、周波数信号の周波数である。 τは通 信信号を取り出す時間の長さである。 eは自然対数における底である。 jは虚数単位 である。 pおよび pはそれぞれ、周波数 f の周波数信号に対応する位相および周波
1 2 1
数 fの周波数信号に対応する位相である。 s(t)は受信した通信信号の波形を表す
2
関数であり、「s(t)=a sin(o> t + p )+a sin(o> t + p )」で定義される。 aおよび a
1 1 1 2 2 2 1 2 はそれぞれ、周波数 f の
1 周波数信号に対応する振幅および周波数 f の
2 周波数信号 に対応する振幅である。 tは時刻を表す変数である。 <S(t), ^0)">ぉょび<3(1；), ej ω 2t >はそれぞれ、 s (t)と ej ω "との内積および s (t)と ej ω ¾との内積である。
(5)抽出した位相を比較して、それらが所定の条件の関係になった時点を時刻基準 点として仮決定する。具体的には、位相 pおよび pに基づいて時刻基準点 tは、下記
1 2
の数式 6で推定される。ただし、時間長 Tの中央の時刻を「t=0」とし、 Γρ — ρ =0」と
2 1 なる時刻を時刻基準点とする。
t=— (ρ — ρ ) ÷ (ω ― ω
1 2 1 2
= -(ρ -ρ )÷(2π (ί -ί)) ··· (数式 6)
1 2 1 2
[0061] 再び図 7のフローチャートの説明に戻り、信号処理部 104gで、ステップ SB— 4で仮 に決定した時刻基準点が中央付近となるように時間長 Tの開始時刻を再設定し、ス テツプ SB— 3と同様に、当該再設定した開始時刻から時間長 Tだけ通信信号を読み 出す (ステップ SB— 5)。
[0062] つぎに、信号処理部 104gで、ステップ SB— 4と同様に、時刻基準点を再度決定す る (ステップ SB— 6)。ここで、理論的には、受信したビート波形 s(t)のどこを読み出し ても同一の時刻基準点が得られる。しかし、波形の開始時点付近には、素子の過渡 応答による誤差があり、またビート波形の両端は振幅が小さぐ背景雑音の影響を受 けやすい。そのため、ステップ SB— 4で時刻基準点を一度推定し、次にその時刻が 中央付近となるように時間長 Tの開始時刻を再設定して、時刻基準点を計算している 。この 2回目の計算で得た時刻基準点を使うことで再現性のあるよい結果を得ること ができる。
[0063] つぎに、信号処理部 104gで、ステップ SB— 6で決定した時刻基準点とストローブ 信号との伝播遅延時間を計算し、計算した伝搬遅延時間および超音波の速度に基 づいて送信ノード 102と受信ノード 104との間の距離を決定する（ステップ SB— 7)。
[0064] これにて、受信ノード 104で行われる処理の説明を終了する。
[0065] ここで、本実施の形態の超音波計測システム 100において、送信ノード 102は、受 信ノード 104へ測定指示信号およびストローブ信号を常に送信し、受信ノード 104は 、通信範囲に入ったとき、これら信号を受信してもよい。つまり、超音波計測システム 100において、送信ノード 102は常に稼動しており、受信ノード 104は、送信ノード 1 02から送られた信号を通信エリアに入ったときに受け、測定を開始してもよい。
[0066] 以上、詳細に説明したように、本発明に力かる時刻基準点情報伝送システムによれ ば、送信器は、通信路で通信可能な周波数信号を複数生成し、生成した複数の周 波数信号に基づいて各々の周波数信号の位相が所定の関係になる時点を定め、定 めた当該時点を時刻基準点と定義し、定義した時刻基準点に基づいて各々の周波 数信号の位相を調整し、位相を調整した後の複数の周波数信号を合成し、合成した 複数の周波数信号を通信信号として受信器へ送信する。受信器は、送信器から送 信された通信信号を受信し、受信した通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれ る各々の周波数信号の位相を抽出し、抽出した複数の位相に基づいて各々の位相 が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を時刻基準点として決定する。こ れにより、例えば安価な狭帯域送受信素子を使用しても、受信波形歪による影響を 抑えて時刻基準点を精度よく且つ短時間で伝送することができる。
[0067] ここで、改めて本発明を開発するに至るまでの経緯について説明する。
通信システムにおいて、タイミング情報を高速に厳密に伝達したり計測したりする局 面は多く存在する。たとえば画像通信で水平'垂直走査の同期をとる局面、同期型 デジタルデータ通信で各ビット情報の切り替えタイミング検出などである。計測の分野 では信号の遅延時間により距離や角度を計測するレーダー、レーザー、超音波計測 器があり、その測定精度は基本的にタイミング情報をどれだけ厳密な精度で検出でき るかに負って 、ると考えることができる。
[0068] これらの通信システムな 、し計測システムでは、空間 ·光ファイバ一 ·導波管 ·通信 ケーブル中を伝搬する電磁波、気体 '液体'固体を伝搬する音波の波動現象によりタ イミング情報を伝達している。もし使用する波形発生器、波動伝搬媒質、波形受信器 が広い周波数領域において十分均等な振幅伝達特性、位相伝達特性をもてば、タ イミング情報の正確な伝達は容易である。たとえば単なる矩形の電気信号パルスの 前縁、矩形の超音波バーストの前縁などをもって伝えた 、タイミングを表現すればよ い。
[0069] し力し前記のような信号は周波数スペクトラムにおいて無限の広がりを持つものであ る。一方で実在の送受信機構や媒質は多少なりとも不均等な振幅周波数特性、位相 周波数特性をもつ。このため矩形パルスや矩形バーストは受信端にぉ 、て変形を受 け、特に遠距離の通信システムや、劣悪な周波数特性をもつ波形変換装置、媒質を 使用せざるを得ない通信システムでは、厳密なタイミング伝達は困難になる。それは たとえば情報通信速度の制限となって顕在化する。
[0070] 信号の遅延時間を計測することで距離や角度を求める計測器の分野では、タイミン グ計測の精度は直接に距離計測誤差として現れる。たとえば、 40kHzの搬送波バー ストの包絡線前縁を検出することで送受信機間の距離計測を行う超音波式距離計が ある。超音波の送受信素子には多く圧電セラミック素子を使用するが、それが特に劣 悪な (狭帯域の)周波数特性を持っため、受信波形は強く歪みを受ける。この種の計 測器の代表的精度は数 cm〜数 10cm程度で、これは空気中を伝搬する音波の速度 に照らして換算すると、 40kHz超音波バースト波形のタイミング検出では 0. lms〜l msが、狭帯域通信路を通過した波形の包絡線を利用して達成できる精度の代表値 ということができる。
[0071] 包絡線方式のほかの問題は、バーストの前縁のような信号的に過渡応答特性の強 く影響する領域を使うため、素子の特性ばらつきも精度に影響しやすぐ器差を補償 するための調整になりやすい点にもある。
[0072] 波形の包絡線は伝送路の振幅周波数特性、位相周波数特性の双方の影響を受け るため、それら特性の包絡線形状に与える影響は大きい。もし位相情報のみを使用 してタイミングを伝達できれば、より精度の高い通信を行える可能性がある。しかし位 相による情報伝達の困難は、それを正弦波のような周期現象力 抽出しなければな らず、波形は位相値 2 πラジアンで繰り返すため、受信端で得られる位相は絶対値を 2 πで除した剰余でしかな!/、点にある。 [0073] 40kHz超音波の波長は空気中で約 8. 5mmであり、これが位相の 2 πラジアンに 相当する。上のように位相を抽出することで距離を決めようとしても、距離を波長 8. 5 mmで割った余りがわ力るのみで、絶対的距離はわ力もず、実用的距離計にはなら ない。しかし比較的近接した 2点でこの計測を行い、位相の差を得て信号源の角度を 求める用途は、 2 πラジアンの不定さがあっても実行可能なため、そのような角度計 は実用されている。
[0074] また狭い距離の中で変位だけを求めればよい変位計では空気中で 8. 5mm周期 の不定さがあっても力まわない場合があり、この方法で lmm前後の計測精度をもつ 微少変位計が実用されている。
[0075] 位相を利用した超音波変位計に 8. 5mmを越える計測範囲をもたせる発明として、 特開 2004— 191145力ある。これは異なる 2つの周波数 fl, f2 (ただし fl >f2)によ る位相遅延計測を、周波数を切り替えながら 2度行うことで、位相 φ 1, φ 2を得、それ をさらに吟味することで、実質的に fl f 2の周波数を使用して位相計測をしたことに 換算する方法である。たとえば fl, f2として 40kHzと 39kHzの周波数を切り替えなが ら計測し、実質的に 40— 39 = 1kHzの搬送波で位相計測したような効果を得られる 。これにより lmmの計測精度はそのままで、変位計の距離の不定さを 1kHzの音波 の波長である 340mmに延長することができる。
[0076] しかしこれでも、拡張されたとはいえ位相周期によるタイミング不定は残る。また周 波数切り替えによる複数回の計測を行わなければならず、測定時間が長くかかり、ま たその間に対象物の移動、風向きや気温による伝達媒質の変化があると精度が悪化 する。このため、調整された環境で比較的静的な対象物に使用する変位計としては 利用可能であるが、絶対距離の必要な距離計、屋外や高速移動する対象物に使用 する変位計には向かない。
[0077] 特に空間を伝搬する電磁波、音波の位相を利用したタイミング伝達の困難として、 マルチパスがある。伝搬空間に電磁波、音波を反射、回折、散乱させる物体があると 、受信端には送信端力もの直接波のほか、これら物体で反射回折された間接波の両 方が到達し、タイミング精度を悪ィ匕させる。タイミング伝達にはマルチパスへの配慮も 欠かせない。 [0078] 帯域の制限された通進路 (送信機、信号媒体、受信機の総体)でタイミングを正確 に送りたいことは通信応用の各所に見られる。特に 40kHzの圧電形セラミック振動体 を使用した超音波距離計などであるが、このような場合伝送可能な波形を使用して正 確なタイミングを伝えることが通信の目的であるのに、波形包絡線を使用した方式を 使用するなど、必ずしも束縛条件を十分吟味しているとはいえず、検出精度が悪かつ た。また器差を補償するための調整に手間取った。
[0079] 搬送波の位相を使用する方法は包絡線の方法を越えるタイミング検出精度をもつ 力 位相 2 πラジアン (時間では周期、距離では波長)の決定不定さをもち、短距離 変位の検出機には使えても一般タイミング伝達や絶対距離を求める距離計には使用 できなかった。またマルチパスの影響を強く受けた。
[0080] 以上のような経緯を踏まえて、鋭意検討した結果、発明者は、通信波形の中に特定 の時間基準点を設定することを見いだした。また、本発明では、狭帯域通信路で伝 達可能な搬送波を複数同時に、重合させた形で通信する。そして、各素搬送波の位 相は送信手段で厳密に制御され、特定のタイミングでのみ位相が合致するようにして おき、それを時間基準点とする。受信手段では各周波数の複合した信号を受信し、 演算により各搬送波を分離し、位相を検出する。その位相の合致するタイミングを算 出することで、時間基準点とする。これにより、当該時間基準点は、狭帯域の、劣悪な 振幅周波数特性、位相周波数特性し力もたない通信路でも伝達可能である。また、 短時間の通信で伝達できる。また、包絡線方式の精度を越え、位相方式に匹敵する タイミング精度を得ることができる。し力も位相方式に見られる位相周期のタイミング 不定さは回避し、またマルチパスの影響も受けにくい。
[0081] また、時刻基準点情報伝送システムによれば、受信器にぉ 、て、数式 1に基づ!/、て 、受信した通信信号の周波数成分を分解して個々の位相情報を抽出する。これによ り、一般 FFTによることなく情報伝送に関わる周波数のみを扱うことで、ノイズの影響 を軽減し、また高速な検出操作が可能になる。なお、数式 1から個々の搬送波の振 幅基準を得ることにより、複数搬送波による直交振幅変調を効率よく復調することが できる。また、従来の FFTなどによる周波数分解方法に比較して、高速に、高精度に 、要素周波数の位相情報や振幅情報を抽出することができる。 [0082] ここで、本発明をデータ通信システムとして応用する場合、本発明で厳密な時刻基 準点を得られるので、後続のビット情報は当該時刻基準点に合わせて切り出すことで 、性能のよい調歩同期通信方式を実現することができる。また、時刻基準点にあわせ て位相の基準と振幅の基準を得られる（数式 1参照）ので、これら基準は、データが位 相振幅変調で表現されて 、た場合にぉ 、てデジタル的復調の基準信号として利用 することができる。
より詳細に述べると、複数周波数の搬送波重畳による同期パターンから、位相一致 により時刻基準点を得ることができるのみならず、基準信号の振幅 (数式 1の aおよび
1 a )と位相（数式 1の pおよび p )を得ることができる。そして、それらは、一般のデジタ
2 1 2
ル通信を復調する場合の基準として使用できるものである。すなわち、直交振幅変調 (QAM変調)されたデータパケットの先頭に同期パターンを配置すれば、復調する ための基準振幅には同期パターン力も得た振幅 (aおよび a )を使用すればよぐ基
1 2
準位相には同期パターン力も得た位相（P
1および p )
2を使用すればよい。また、デー タパケットをシンボル単位に分割することも、シンボルレート（ビットレート）が固定であ れば、時刻基準点を使用して非常に精密に行うことができ、高信頼のデータ復調が 可能である。
[0083] また、時刻基準点情報伝送システムによれば、受信器にぉ 、て、決定した時刻基 準点および所定の時間長に基づ!/、て、通信信号を読み出し始める時点である読出 開始時点を設定し、設定した読出開始時点から所定の時間長分の通信信号を、受 信した通信信号力 読み出し、読み出した当該通信信号に基づいて改めて複数の 位相を抽出し、抽出した複数の位相に基づいて改めて時刻基準点を決定する。これ により、位相抽出処理に係る波形の抽出場所や長さは任意であることから、受信した 通信信号の波形における冒頭部の過渡応答妨害を除外し、また振幅の大きな部分 を優先して使用することで、雑音 (ノイズ)の影響を効果的に回避することができる。ま た、検出に使用する波形は比較的短いものでよいので、高速な検出ができ、またマ ルチパス妨害〖こよる検出誤差を軽減できる。
[0084] また、時刻基準点情報伝送システムによれば、受信器にぉ 、て、受信した通信信 号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の周波数信号の位相および当該通信 信号に含まれる各々の周波数信号の角周波数を抽出し、抽出した複数の位相およ び複数の角周波数に基づいて各々の位相が所定の関係になる時点を求め、求めた 当該時点を時刻基準点として決定する。具体的には、例えば通信信号が 2つの周波 数信号を合成したものである場合、受信器は、 2つの周波数信号の位相が一致する 時点を、観測された任意の時点での位相差に基づいて、数式 6で求め、求めた当該 時点を時刻基準点として決定する。これにより、短時間且つ高精度に時刻基準点を 決定することができる。この具体例は、物理学的には、例えば超音波の通信路 (伝送 路）を含む送信器と受信器のペアをフィルタ回路網と見なし、式「ϋ= ΔρΖ Δ ω」（Δ Ρ :位相差、 Δ ω：角周波数差)でその群遅延時間 Dを計測していることに相当する。 本発明者らは、タイミング信号の伝達が、フィルタにおける群遅延時間の計測と等価 な方法でできることを見出した。本発明は、群遅延時間の決定に必要な位相差 Δρの 計測に複素周波数の複合波形を使っていることが特徴であり、当該特徴により時刻 基準点の決定を短時間且つ高精度で実現して 、る。
[0085] また、時刻基準点情報伝送システムによれば、送信器にお!ヽて、位相を揃えた複 数個の周波数信号を、超音波、電磁波、光のいずれか 1つで、直接搬送波の通信信 号として送信または他周波数の搬送波で変調した通信信号として送信し、受信器に おいて、超音波、電磁波、光のいずれか 1つで、直接搬送波の通信信号を受信また は変調された通信信号を受信して復調する。これにより、一般の線形波動で表現で きるものに本発明を適用することができる。
[0086] [数式 1の解法]
ここで、数式 1の解法について説明する。
[数 7]
Figure imgf000029_0001
\ i
= 2j (数式 l ) 数式 1に示す方程式【ま、 a e Bl = a (cosp +jsinp )および a e ]p2 = a (cosp +jsin
1 1 1 1 2 2 2 p )について、次の方法により解くことができる。
2
まず、行列 Aおよび行列 Bをそれぞれ、下記の数式 7および数式 8のように定義する と、数式 1は、実部および虚部に関して 2組の方程式（下記の数式 9および数式 10)と なる。
[数 8]
(数式 7 )
Β …(数式 8 )
Figure imgf000030_0001
αχ cos ?, 〃(り， siriiy:
(Α - Β)\ 2 …(数式 9 ) α2 cos ρ, I 〈5(り， sini¾ (Α + …(数式 1 0 )
Figure imgf000030_0002
つぎに、数式 9および数式 10をそれぞれ解けば、 a および a 2の実部、虚部を
1 2
得たことになる。
最後に、 a etolおよび a eto2の複素数値の偏角を求め、位相 pおよび pを得る。また、
1 2 1 2 絶対値を求めることで振幅 aおよび aを得る。
1 2
なお、位相 pおよび pは位相伝達特性に相当するものであり、その一致時刻から時
1 2
刻基準点を再現することができる。
数式 1は 2つの周波数信号を複合 (合成)した複合波 (通信信号)を解析する式であ るため、当該数式 1では 2 X 2行列を使用している。数式 1を用いることで本発明は多 くの用途において位相の抽出に関し高い性能 (抽出速度や抽出精度など)を発揮す るが、 n個の周波数信号を複合した複合波を解析する場合には数式 1を n X n行列を 使用した式に拡張すればよい。なお、当該拡張は当業者にとって容易である。 実施例
[0087] 本実施例では、上述した実施の形態における超音波距離計測システム 100を用い て送信ノード 102と受信ノード 104との間の距離を計測した。実験の結果、 3mの距 離で誤差 lmm以内の計測値を得ることができた。この計測値は、空気中における超 音波の波長が 8. 5mmであることを踏まえると、かなり高精度である（波長の数分の一 の誤差である）。また、この結果は、概ね ± 3 s以内の精度で時刻基準点を伝達で きたことを示しており、従来用いられていた包絡線検出では達成することは困難であ る。また、本発明において、位相を用いた方法の課題である位相周期によるタイミン グ情報の伝達の不定さは存在しない。また、距離計として作動させる場合、本発明に よれば、ゼロ力も 10m程度 (音波が減衰することによる測定限界)まで、連続的に距 離の計測を行うことができる。し力も、本発明によれば、距離の計測では 2ms程度の ビート波形を受信するだけなので、極めて短時間に時刻基準点の伝達および距離の 計測を行うことができる。
[0088] さらに、本発明で送信する単発のビート波形は、空間に 70cm程度 (40kHzの超音 波の場合)の波束として存在するだけなので、本発明によれば、障害物が存在する 場合でも、経路差が 70cmある場合には直接波しカゝ感知せず、マルチパスの影響を 受けずに計測精度を維持することができる。なお、超音波の周波数を上げれば、経 路差の影響をより受けずに時刻基準点の伝達および距離の計測を実施することがで きる。また、本発明によれば、器差を補償する場合も、特定周波数における位相特性 のみを補償すればよい。
産業上の利用可能性
[0089] 以上のように、本発明に力かる時刻基準点情報伝送システム、および当該時刻基 準点情報伝送システムで用いる受信器は、時刻基準点を精度よく且つ短時間で伝 送することができ、ノード間の距離や角度などを計測する際に好適である。

Claims

請求の範囲
[1] 所定の周波数帯域で通信可能な通信路において送信器から受信器へ時刻基準 点に関する情報を伝送する時刻基準点情報伝送システムであって、
前記送 1§器は、
前記通信路で通信可能な周波数信号を複数生成する周波数信号生成手段と、 前記周波数信号生成手段で生成した複数の前記周波数信号に基づ!/、て各々の 前記周波数信号の位相が所定の関係になる時点を定め、定めた当該時点を前記時 刻基準点と定義し、定義した前記時刻基準点に基づいて各々の前記周波数信号の 前記位相を調整する位相調整手段と、
前記位相調整手段で前記位相を調整した後の複数の前記周波数信号を合成し、 合成した複数の前記周波数信号を通信信号として前記受信器へ送信する送信手段 と、
を備え、
前記受信器は、
前記送信器から送信された前記通信信号を受信する受信手段と、
前記受信手段で受信した前記通信信号に基づ!/、て、当該通信信号に含まれる各 々の前記周波数信号の前記位相を抽出する位相抽出手段と、
前記位相抽出手段で抽出した複数の前記位相に基づ!/ヽて各々の前記位相が所定 の関係になる時点を求め、求めた当該時点を前記時刻基準点として決定する時刻基 準点決定手段と、
を備えたことを特徴とする時刻基準点情報伝送システム。
[2] 前記位相抽出手段は、前記受信手段で受信した前記通信信号および数式 1に基 づいて、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相を抽出するこ と
[数 1]
Figure imgf000033_0001
s(t),eJ6"'
v …(数式 1) s(t),eJ^'
(数式 1において、 sinc(x)は標本ィ匕関数であり、「sinc(x) = (sinx) ÷x」で定義され る。 ωおよび ωは角周波数であり、それぞれ「ω =2πί」および「ω =2πί」で定
1 2 1 1 2 2 義される。なお、 f
1および f
2はそれぞれ、前記周波数信号生成手段で生成した前記 周波数信号の周波数である。 τは前記通信信号を取り出す時間の長さである。 eは自 然対数における底である。 jは虚数単位である。 pおよび pはそれぞれ、周波数 fの
1 2 1 前記周波数信号に対応する位相および周波数 f
2の前記周波数信号に対応する位相 である。 s(t)は前記通信信号の波形を表す関数であり、「s(t) = a sin(co t+p ) + a
1 1 1 sin(co t+p；)」で定義される。 aおよび aはそれぞれ、周波数 fの前記周波数信号
2 2 2 1 2 1
に対応する振幅および周波数 f
2の前記周波数信号に対応する振幅である。 tは時刻 を表す変数である。 <s(t), ">ぉょび<3 ), ejco2t>はそれぞれ、 3 )と " との内積および s(t)と ejco2tとの内積である。 )
を特徴とする請求項 1に記載の時刻基準点情報伝送システム。
[3] 前記位相抽出手段は、前記受信手段で受信した前記通信信号に基づいて、当該 通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相および当該通信信号に含 まれる各々の前記周波数信号の角周波数を抽出し、
前記時刻基準点決定手段は、前記位相抽出手段で抽出した複数の前記位相およ び複数の前記角周波数に基づいて各々の前記位相が所定の関係になる時点を求 め、求めた当該時点を前記時刻基準点として決定すること
を特徴とする請求項 1または 2に記載の時刻基準点情報伝送システム。
[4] 前記送信手段は、前記合成した複数の前記周波数信号を前記通信信号として超 音波、電磁波、光のいずれか 1つで前記受信器へ送信し、
前記受信手段は、前記送信器から送信された前記通信信号を、前記超音波、前記 電磁波、前記光のいずれか 1つで受信すること
を特徴とする請求項 1から 3のいずれか 1つに記載の時刻基準点情報伝送システム 所定の周波数帯域で通信可能な通信路において時刻基準点に関する情報を受信 する受信器であって、
各々の位相が所定の関係になる時点と定義された前記時刻基準点に基づいて各 々の前記位相が調整された複数の周波数信号であって前記調整の後に合成された ものを、通信信号として受信する受信手段と、
前記受信手段で受信した前記通信信号および数式 1に基づ!、て、当該通信信号 に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相を抽出する位相抽出手段と、
[数 2]
Figure imgf000034_0001
(数式 1において、 sinc(x)は標本ィ匕関数であり、「sinc(x) = (sinx) ÷x」で定義され る。 ωおよび ωは角周波数であり、それぞれ「ω =2πί」および「ω =2πί」で定
1 2 1 1 2 2 義される。なお、 f
1および f
2はそれぞれ、前記周波数信号生成手段で生成した前記 周波数信号の周波数である。 τは前記通信信号を取り出す時間の長さである。 eは自 然対数における底である。 jは虚数単位である。 pおよび pはそれぞれ、周波数 f の
1 2 1 前記周波数信号に対応する位相および周波数 f
2の前記周波数信号に対応する位相 である。 s(t)は前記通信信号の波形を表す関数であり、「s(t) = a sin(co t+p ) + a
1 1 1 sin(co t+p；)」で定義される。 aおよび aはそれぞれ、周波数 fの前記周波数信号
2 2 2 1 2 1
に対応する振幅および周波数 f
2の前記周波数信号に対応する振幅である。 tは時刻 を表す変数である。 <s(t), ">ぉょび<3 ) , ejco2t>はそれぞれ、 3 )と " との内積および s(t)と ejco2tとの内積である。 ) 前記位相抽出手段で抽出した複数の前記位相に基づ!/ヽて各々の前記位相が所定 の関係になる時点を求め、求めた当該時点を前記時刻基準点として決定する時刻基 準点決定手段と、
を備えたことを特徴とする受信器。
[6] 前記位相抽出手段は、前記受信手段で受信した前記通信信号に基づ!、て、当該 通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相および当該通信信号に含 まれる各々の前記周波数信号の角周波数を抽出し、
前記時刻基準点決定手段は、前記位相抽出手段で抽出した複数の前記位相およ び複数の前記角周波数に基づいて各々の前記位相が所定の関係になる時点を求 め、求めた当該時点を前記時刻基準点として決定すること
を特徴とする請求項 5に記載の受信器。
[7] 前記受信手段は、前記通信信号を、超音波、電磁波、光のいずれか 1つで受信す ること
を特徴とする請求項 5または 6に記載の受信器。
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