WO2012090266A1 - シフト法によるデータ通信装置、及び、データ通信方法 - Google Patents

Abstract

　超低電力でありながら長距離通信が可能なスペクトラム拡散方式の通信装置において、従来のものと比較して大量のデータを伝送することができるデータ通信装置を提供する。　送信機２は、通信データを独立変数として、予め定められた関数Ｆの従属変数値を計算し、算出された値を拡散符号のシフト量として出力し、算出されたシフト量に従ってシフトさせたデータ通信用のシフト拡散符号を用いて搬送波を拡散して送信信号を生成するように構成され、受信機３は、同期確立後に受信した信号の搬送波の復調のために必要となるデータ通信用の逆拡散符号のシフト量を決定し、決定されたシフト量を独立変数として、関数Ｆの逆関数の従属変数値を計算し、算出された値を、復元された通信データとして出力するように構成されている。

Description

シフト法によるデータ通信装置、及び、データ通信方法

　本発明は、データ通信装置、及び、データ通信方法に関し、特に、超低電力でありながら長距離通信が可能なスペクトラム拡散通信方式の通信装置において、従来のものと比べ大量のデータを伝送することができるデータ通信装置、及び、データ通信方法に関する。

　近年、データ通信の技術分野においては、より大量のデータを、より高速で通信するための技術（大容量高速通信技術）の開発が盛んに進められている。しかし、気象データや防災データ等を取り扱うデータ通信の分野においては、例えば１秒あたり１００ビット程度の少量のデータを伝送できれば十分であり、このような分野に、設備費が高額で、消費電力も大きい大容量高速通信システムをそのまま適用することは、経済性の観点からも、また、運用面でも問題があり、現実的ではない。そこで、通信速度はそれほど高速でなくても、消費電力が少なく、ある程度の通信距離を確保することが可能な通信システムの開発が求められている。

　本発明の発明者は、通信帯域幅を小さくした通信システムにスペクトラム拡散方式の通信技術を適用した、超低電力でありながら長距離通信が可能な通信装置を提案している（国際公開ＷＯ２００４／０７０９６７号公報）。

　ここで上記公報に記載されている通信装置について簡単に説明すると、基本的にスペクトラム拡散方式の通信では、干渉波排除能力を確保するために、拡散符号あたりのデータ伝送量が１ビット以下に抑制される。スペクトラム拡散方式を、通信帯域幅を小さくした通信システムに適用する場合、使用する拡散符号の１チップ時間をある程度長く設定する必要があるため、伝送されるデータが少量である場合は別として、データを伝送し終えるまでに長時間を要するという問題が生じることになる。また、スペクトラム拡散方式では、送信側と受信側との間で同期を確立し、維持する必要があり、通信帯域幅を小さくした通信システムにおいて、使用する拡散符号の１チップ時間を長く設定すると、同期の確立までに長時間を要することになる。

　これに対し上記公報の通信装置では、拡散変調された受信信号から、信号の位相が反転するトグル点を抽出し、抽出されたトグル点に基づいてシフト量を算出し、拡散符号をシフト量に従ってシフトさせて受信信号に乗算して逆拡散を行うことにより、使用する拡散符号の１チップ時間を長く設定した場合でも、短時間で同期を確立させることができる。従って、取り扱われるデータが少量であるデータ通信の分野においては、超低電力でありながら長距離通信が可能な通信装置として好適に利用することができる。

国際公開ＷＯ２００４／０７０９６７号公報

　上記公報に記載の通信装置は、上述の通り、超低電力でありながら長距離通信が可能であるが、データ伝送速度（拡散符号あたりのデータ伝送量）は低いレベルに留まるため、その適用分野は、取り扱われるデータが少量であるデータ通信の分野に限定されてしまうことになる。従って、適用分野を拡大するためには、拡散符号あたりのデータ伝送量を増加させて、データ伝送速度を向上させることが必要となる。本発明は、超低電力でありながら長距離通信が可能なスペクトラム拡散方式の通信装置において、従来のものと比較して大量のデータを伝送することができるデータ通信装置、及び、データ通信方法を提供することを目的とする。

　本発明に係るデータ通信装置は、スペクトラム拡散方式により通信データを送信する送信機と、当該送信機から送信された通信データをスペクトラム拡散方式により復元する受信機とからなり、送信機が、通信データに基づいてシフト量を算出し、当該シフト量に従って拡散符号の開始点をシフトさせることによりシフト拡散符号を生成し、当該シフト拡散符号を用いてスペクトラム拡散を行うことにより送信信号を生成し、当該送信信号を同期確立後に送信するように構成され、受信機が、同期確立後に受信した受信信号の復調のために必要となる逆拡散符号のシフト量を決定し、決定されたシフト量に基づいて通信データを復元するように構成されていることを特徴としている。

　尚、送信機は、通信データを独立変数として、予め定められた関数Ｆの従属変数値を計算し、算出された値をシフト量として出力するシフト量算出部と、拡散符号を生成する拡散符号生成部と、シフト量に従って拡散符号の開始点をシフトさせることによりシフト拡散符号を生成するシフト拡散符号生成部と、シフト拡散符号を用いて搬送波を拡散することにより送信信号を生成する送信信号生成部と、送信信号を送信する送信部と、を含み、受信機は、送信信号を受信して受信信号を生成する受信信号生成部と、受信信号の搬送波の中に存在しているトグル点（位相変化点）を検出してトグル信号を出力するトグル検出部と、受信信号、及び、トグル信号を対応付けて記憶する受信信号・トグル信号記憶部と、拡散符号と同一の符号からなる逆拡散符号を生成する逆拡散符号生成部と、受信信号・トグル信号記憶部に記憶されたトグル信号と逆拡散符号から生成したトグル信号との相互相関値を算出する相互相関値算出部と、相互相関値に基づいて逆拡散符号のシフト量（受信信号に逆拡散符号を乗算して搬送波を復調する場合において、復調を成功させるために、乗算する逆拡散符号をシフトさせるべき量）を決定するシフト量決定部と、シフト量決定部において決定された逆拡散符号のシフト量を独立変数として、関数Ｆの逆関数の従属変数値を計算し、算出された値を復元された通信データとして出力する復元部と、を含むことが好ましい。

　更に、送信機は、通信データに基づいて搬送波を変調する変調部を含み、送信信号生成部は、変調部において変調された搬送波を、シフト拡散符号を用いて拡散することにより送信信号を生成するように構成され、受信機は、シフト量決定部において決定されたシフト量に従って逆拡散符号の開始点をシフトさせることによりシフト逆拡散符号を生成するシフト逆拡散符号生成部と、受信信号・トグル信号記憶部に記憶された受信信号をシフト逆拡散符号を用いて逆拡散した後、検波して搬送波を復調する復調部と、を含むことが好ましい。また、「予め定められた関数」としては、１次関数を用いることが好ましい。

　また、本発明に係るデータ通信方法は、スペクトラム拡散方式により通信データを送信する送信機と、当該送信機から送信された通信データをスペクトラム拡散方式により復元する受信機とを使用するデータ通信方法であって、通信データに基づいてシフト量を算出し、当該シフト量に従って拡散符号の開始点をシフトさせることによりシフト拡散符号を生成し、当該シフト拡散符号を用いてスペクトラム拡散を行うことにより送信信号を生成し、当該送信信号を、同期確立用の拡散符号（同期確立用の拡散符号によって搬送波を拡散して生成した同期確立用の送信信号）の送信に続けて送信するデータ送信工程と、同期確立用の拡散符号による同期確立後に続けて受信した信号に含まれているシフト拡散符号のシフト量を決定し、決定されたシフト量に基づいて通信データを復元するデータ受信工程と、が実行されることを特徴としている。

　尚、データ送信工程は、通信データを独立変数として、予め定められた関数Ｆの従属変数値を計算し、算出された値をシフト量として出力するシフト量算出段階と、拡散符号を生成する拡散符号生成段階と、シフト量に従って拡散符号の開始点をシフトさせることによりシフト拡散符号を生成するシフト拡散符号生成段階と、シフト拡散符号を用いて搬送波を拡散することにより送信信号を生成する送信信号生成段階と、送信信号を送信する送信段階と、を含み、データ受信工程は、送信信号を受信して受信信号を生成する受信信号生成段階と、受信信号の搬送波の中に存在しているトグル点を検出してトグル信号を出力するトグル検出段階と、受信信号、及び、トグル信号を対応付けて記憶する受信信号・トグル信号記憶段階と、拡散符号と同一の符号からなる逆拡散符号を生成する逆拡散符号生成段階と、受信信号から生成されたトグル信号と逆拡散符号から生成されたトグル信号との相互相関値を算出する相互相関値算出段階と、相互相関値に基づいて逆拡散符号のシフト量を決定するシフト量決定段階と、シフト量決定段階において決定された逆拡散符号のシフト量を独立変数として、関数Ｆの逆関数の従属変数値を計算し、算出された値を復元された通信データとして出力する復元段階と、を含むことが好ましい。

　更に、データ送信工程は、通信データに基づいて搬送波を変調する変調段階を含み、送信信号生成段階において、変調段階において変調された搬送波を、シフト拡散符号を用いて拡散することにより送信信号が生成され、データ受信工程は、シフト量決定段階において決定されたシフト量に従って逆拡散符号の開始点をシフトさせることによりシフト逆拡散符号を生成するシフト逆拡散符号生成段階と、受信信号・トグル信号記憶段階において記憶された受信信号をシフト逆拡散符号を用いて逆拡散した後、検波して搬送波を復調する復調段階と、を含むことが好ましい。また、「予め定められた関数」としては、１次関数を用いることが好ましい。

　本発明に係るデータ通信装置によれば、超低電力でありながら長距離通信が可能なスペクトラム拡散方式の通信装置において、拡散符号あたりのデータ伝送量を、従来のものと比較して飛躍的に増大させることができる。具体的には、従来のスペクトラム拡散方式の通信装置においては、拡散符号あたりのデータ伝送量は１ビット程度（ＧＰＳでは、拡散符号あたり０．０５ビット以下）であったのに対し、このデータ通信装置によれば、拡散符号あたり１０ビット、或いは、それ以上のデータ伝送能力を実現できる。従って、この方式の通信装置の適用分野を拡大することができ、その有用性及び利用価値をより一層向上させることができる。

図１は、本発明のデータ通信装置１（第一実施形態）の構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示す拡散符号生成部２２において、同期確立用の拡散符号Ｓ１，Ｓ２を生成する方法の説明図である。 図３は、図１に示すシフト拡散符号生成部２４において、シフト拡散符号Ａを生成する方法の説明図である。 図４は、本発明のデータ通信装置１（第二実施形態）の構成を示すブロック図である。

　以下、本発明「データ通信装置」の実施形態（第一実施形態、及び、第二実施形態）について説明する。図１は、本発明のデータ通信装置１（第一実施形態）の構成を示すブロック図である。このデータ通信装置１は、スペクトラム拡散方式により通信データを送信する送信機２と、送信機２から送信された通信データをスペクトラム拡散方式により復元する受信機３とによって構成されている。

　送信機２は、通信データに基づいてシフト量を算出し、当該シフト量に従ってデータ通信用の拡散符号の開始点をシフトさせることによりシフト拡散符号を生成し、当該シフト拡散符号を用いてスペクトラム拡散を行うことにより送信信号を生成し、当該送信信号を、同期確立用の拡散符号（同期確立用の拡散符号によって搬送波を拡散して生成した同期確立用の送信信号）の送信に続けて送信するように構成されている。

　具体的には、通信データを読み込むデータ読込部２１と、同期確立用の拡散符号、及び、データ通信用の拡散符号を生成する拡散符号生成部２２と、読み込まれた通信データに基づいてデータ通信用の拡散符号のシフト量を算出するシフト量算出部２３と、算出されたシフト量に従ってデータ通信用の拡散符号の開始点をシフトさせることによりシフト拡散符号を生成するシフト拡散符号生成部２４と、シフト拡散符号を用いて搬送波を拡散することにより送信信号を生成する送信信号生成部２５と、生成された送信信号を送信する送信部２６とによって構成されている。

　尚、シフト量算出部２２は、データ読込部２１によって読み込まれた通信データを独立変数として、予め定められた関数の従属変数値を計算し、算出された値を拡散符号のシフト量として出力する。

　受信機３は、同期確立後に続けて受信した信号の搬送波の復調のために必要となるデータ通信用の逆拡散符号のシフト量（同期確立後に続けて受信した信号に含まれているシフト拡散符号）を決定し、決定されたシフト量に基づいて通信データを復元するように構成されている。具体的には、送信機２から送信された送信信号を受信して受信信号を生成し、出力する受信信号生成部３１と、データ通信用の逆拡散符号（送信機２の拡散符号生成部２２において生成されるデータ通信用の拡散符号と同一内容の符号系列）を生成する逆拡散符号生成部３２と、受信信号の搬送波の中に存在しているトグル点を検出し、検出されたトグル点の値をもとにトグル信号を生成して出力するトグル検出部３３と、受信信号生成部３１から出力された受信信号、及び、トグル検出部３３から出力されたトグル信号を、対応付けて記憶する受信信号・トグル信号記憶部３４と、受信信号・トグル信号記憶部３４によって記憶されたトグル信号と、逆拡散符号生成部３２によって生成されたデータ通信用の逆拡散符号から作られたトグル信号との相互相関値を算出する相互相関値算出部３５と、算出された相互相関値に基づいて逆拡散符号のシフト量を決定するシフト量決定部３６と、シフト量決定部３６によって決定された逆拡散符号のシフト量を独立変数として、予め定められた関数の逆関数の従属変数値を計算し、算出された値を、復元された通信データとして出力する復元部３７とによって構成されている。

　尚、ここに言う「逆拡散符号のシフト量」とは、データ通信用の逆拡散符号を用いて逆拡散を行うことにより、同期確立後に受信した信号の搬送波（シフト拡散符号によって拡散された搬送波）を復調する場合において、復調を成功させるために、乗算するデータ通信用の逆拡散符号をシフトさせるべき量、を意味し、その値は、シフト拡散符号生成部２４においてデータ通信用の拡散符号に与えられたシフト量と同じである。但し、本実施形態においては、必ずしも受信機３において、同期確立後の受信信号の搬送波を逆拡散することによる復調が行われるとは限らない。

　ここで、送信機２の動作態様の一例として、通信データＡ及び通信データＢを順番に送信機２から送信する場合の送信機２の動作態様（データ送信工程）について説明する。まず、送信機２と受信機３との同期確立のための手順が実行され、同期確立後に、通信データＡ，Ｂが反映された送信信号を送信する手順が実行される。

　送信機２における同期確立のための手順は、同期確立用の拡散符号Ｓによって搬送波を拡散（変調）して同期確立用の送信信号ＳＳを生成し、これを送信することによって行われる。同期確立用の拡散符号Ｓは、拡散符号生成部２２によって二つ生成され、直列的に列べられる。ここでは、図２に示すように、先頭側を拡散符号Ｓ１、後側を拡散符号Ｓ２とする。拡散符号Ｓ１と拡散符号Ｓ２は、同一内容の符号系列である。尚、搬送波は、送信信号生成部２５において生成され、送信信号ＳＳの送信は、送信部２６によって行われる。そして、受信機３において、送信信号ＳＳが受信され、同期確立のための手順が実行されると、送信機２と受信機３との同期が確立する。この点については後述する。

　通信データＡ，Ｂが反映された送信信号を送信する手順は、次のようにして実行される。まず、データ読込部２１によって通信データＡが読み込まれ、シフト量算出部２３において、通信データＡを送信するためのシフト量（拡散符号のシフト量）が算出される（シフト量算出段階）。より具体的には、通信データＡを独立変数として、予め定められた関数Ｆの従属変数値が計算される。ここで用いられる関数Ｆ（つまり、予め定めておく関数）の種類は特に限定されず、どのような関数でも用いることができるが、１次関数とすることが実用的であり、好適である。通信データＡを独立変数とする関数Ｆの従属変数値が、例えば「３２」であった場合、これが通信データＡを送信するためのシフト量としてシフト量算出部２３から出力される。

　シフト量算出部２３からシフト量が出力されると同時に、或いは、出力される前又は後で、拡散符号生成部２２によって、データ通信用の拡散符号Ｄが生成される（拡散符号生成段階）。尚、ここで生成されるデータ通信用の拡散符号Ｄは、同期確立用の拡散符号Ｓ１，Ｓ２とは異なる符号系列であることが好ましい。データ通信用の拡散符号Ｄの長さ（チップ数）については、同期確立用の拡散符号Ｓ１，Ｓ２と同一でも、異なっていてもよい。

　次に、シフト拡散符号生成部２４において、データ通信用の拡散符号Ｄの開始点が、算出されたシフト量に従ってシフトされる（シフト拡散符号生成段階）。具体的には、拡散符号Ｄを二つ生成して直列的に列べ、先頭側を拡散符号Ｄ１、後側を拡散符号Ｄ２とする。そして、この拡散符号Ｄの二つ分の長さの符号系列の先頭から、算出されたシフト量に従ってシフトさせた位置を開始点として設定し、このシフトさせた開始点から、拡散符号Ｄの一つ分の長さの符号系列を抽出する。例えば、拡散符号生成部２２によって生成されるデータ通信用の拡散符号Ｄが２５６チップ長の拡散符号であり、通信データＡを送信するための拡散符号のシフト量が「３２」であり、シフト拡散符号生成部２４による拡散符号のシフトが１チップ単位で行われるように設定されている場合、図３に示すように、開始点の位置が、拡散符号Ｄ１の先頭（１チップ目の位置）から、３３チップ目の位置までシフトされ、拡散符号Ｄ１の３３チップ目から２５６チップ目までの部分、及び、それに続く拡散符号Ｄ２の１チップ目から３２チップ目までの部分からなるシフト拡散符号Ａが生成される。

　また、通信データＡに続いて送信される通信データＢについても、全く同様の処理が行われる。即ち、データ読込部２１によって通信データＢが読み込まれ、シフト量算出部２３において、通信データＢを独立変数とする関数Ｆの従属変数値が計算される。そして、その値が、例えば「１２８」であった場合、これが通信データＢを送信するためのシフト量として出力され（シフト量算出段階）、拡散符号Ｄ（シフト拡散符号Ａのシフト前の拡散符号と同一のもの）の開始点が１２９チップ目までシフトされ、拡散符号Ｄ１の１２９チップ目から２５６チップ目までの部分、及び、それに続く拡散符号Ｄ２の１チップ目から１２８チップ目までの部分からなるシフト拡散符号Ｂが生成される（シフト拡散符号生成段階）。

　次に、送信信号生成部２５において、データ通信用のシフト拡散符号Ａ、及び、データ通信用のシフト拡散符号Ｂを使用して搬送波を拡散することによりデータ通信用の送信信号ＳＤが生成される（送信信号生成段階）。そして、この送信信号ＳＤが、送信部２６によって送信される（送信段階）。

　尚、ここでは、便宜上、送信機２と受信機３との同期確立のための手順と、同期確立後に、通信データＡ，Ｂが反映された送信信号を送信する手順とを分けて説明したが、通信データＡ，Ｂが反映された送信信号を送信する手順のうち、通信データＡ，Ｂの読み込みから、データ通信用の送信信号ＳＤの生成までの手順については、同期確立用の送信信号ＳＳの送信の前に行ってもよい。

　つまり、同期確立用の拡散符号Ｓ（Ｓ１，Ｓ２）の生成から、同期確立用の送信信号ＳＳの生成までの手順を実行した後、通信データＡ，Ｂの読み込みから、データ通信用の送信信号ＳＤの生成までの手順を実行し、最後に、同期確立用の送信信号ＳＳと、データ通信用の送信信号ＳＤを連続して送信するようにしてもよい。

　また、同期確立用の拡散符号Ｓ１，Ｓ２を生成した後、通信データＡ，Ｂの読み込みから、シフト拡散符号Ａ，Ｂの生成までを行い、これらの拡散符号を順番に、即ち、拡散符号Ｓ１、拡散符号Ｓ２、シフト拡散符号Ａ、シフト拡散符号Ｂの順番に直列的に列べ、これらの一連の符号系列によって搬送波を拡散することにより、同期確立用の送信信号ＳＳと、これに続くデータ通信用の送信信号ＳＤからなる送信信号を生成して、連続的に送信するようにしてもよい。但し、いずれの場合にも、データ通信用の送信信号ＳＤの送信は、同期確立用の送信信号ＳＳの送信の後に実行される必要がある。

　続いて、受信機３の動作態様の一例として、送信機２から送信された同期確立用の送信信号ＳＳ、及び、通信データＡ，Ｂが反映されたデータ通信用の送信信号ＳＤを受信した場合の受信機３の動作態様（データ受信工程）について説明する。同期確立用の送信信号ＳＳを受信した受信機３は、まず、送信機２との同期を確立するための手順を実行し、次いで、同期確立後に受信したデータ通信用の送信信号ＳＤから通信データＡ，Ｂを復元するための手順を実行する。以下、これらの手順についてそれぞれ説明する。

　送信機２と受信機３との同期を確立する、とは、送信機２が利用している１拡散符号長単位の時計と、受信機３の１拡散符号長単位の時計とを同期させるということであり、拡散符号によって拡散された搬送波を送信機２が送出するタイミングを受信機３において把握する、ということである。同期確立前の受信機３は、拡散符号によって拡散された搬送波を送信機２が送出するタイミングを把握していない。従って、同期確立前に、送信機２から送信された信号を受信機３が受信した場合、受信機３の受信バッファ（搬送波の拡散に使用される一つの拡散符号と同じ長さ（容量）のバッファ）に取り込まれた信号に含まれている拡散符号と、送信機２において生成された拡散符号とを比較すると、位相に差（ずれ）が生じている。この位相の差の大きさを把握することができれば、必要なシフト量（即ち、復調を成功させるために必要となる逆拡散符号のシフト量）を受信バッファに与えて開始位置を補正することにより、送信機２と受信機３との同期を確立させることができる。

　同期を確立するために受信機３において把握されるべき逆拡散符号のシフト量は、既知のスペクトラム拡散通信の同期確立法（或いは、同期検出法）を実行することにより、受信信号から検出することができる。本実施形態においては、送信機２との同期を確立するための方法として、国際公開ＷＯ２００４／０７０９６７号公報に記載されているスペクトラム拡散通信の高速同期確立法が受信機３において実行される。

　具体的には、同期確立用の送信信号ＳＳを受信した受信機３において、受信信号の波形から同期推定位置の予備検出（受信信号中に存在するトグル点の候補の検出、及び、トグル信号Ｔ１の出力）を行い（トグル検出部３３）、受信信号から生成したトグル信号Ｔ１と、逆拡散符号から生成されるトグル信号Ｔ２（逆拡散符号の微分値の絶対値）との相互相関値を算出し（相互相関値算出部３５）、その相互相関値に基づいて、シフト量を決定する（シフト量決定部３６）。

　より詳細に説明すると、受信機３が同期確立用の送信信号ＳＳを受信すると、受信信号生成部３１において受信信号ＳＳが生成され、出力される。出力された受信信号ＳＳは、トグル検出部３３に入力され、トグル点が検出され、検出されたトグル点の値をもとにトグル信号Ｔ１が生成される。

　同期確立用の送信信号ＳＳの搬送波には、拡散符号（同期確立用の拡散符号Ｓ１，Ｓ２）によって拡散された結果、位相が変化した点（トグル点）が含まれている。一方、トグル検出部３３は、同期確立用の拡散符号Ｓ１，Ｓ２によって拡散された搬送波中に形成されることが予想される期待信号を予め保持している。この期待信号は、受信信号ＳＳの搬送波中に存在するトグル点を検出するために比較参照（相関演算）される信号パターンである。トグル検出部３３は、入力された受信信号ＳＳと期待信号との間で相関演算を行うことにより、受信信号ＳＳの搬送波中におけるトグル点を検出し、検出したトグル点の値をもとにトグル信号Ｔ１を生成して出力する。

　受信信号生成部３１から出力された受信信号ＳＳ、及び、トグル検出部３３から出力されたトグル信号Ｔ１は、対応付けられたうえで、受信信号・トグル信号記憶部３４に記憶される。受信信号・トグル信号記憶部３４に、受信信号ＳＳ及びトグル信号Ｔ１が記憶されると同時に、或いは、記憶される前又は後で、逆拡散符号生成部３２によって、同期確立用の逆拡散符号Ｓ’が生成される。尚、ここで生成される同期確立用の逆拡散符号Ｓ’は、拡散符号生成部２２において生成された同期確立用の拡散符号Ｓと同一内容の符号系列である。

　次に、相互相関値算出部３５において、受信信号から生成されたトグル信号Ｔ１と、同期確立用の逆拡散符号Ｓ’から生成されたトグル信号Ｔ２との相互相関値が算出される。より具体的には、トグル信号系列Ｔ１のフーリエ変換値と、逆拡散符号Ｓ’の微分値の絶対値のフーリエ変換値との相互相関が行われ、得られた結果（相互相関値）が出力される。この相互相関値算出部３５は、ソフトウェア、デジタルシグナルプロセッサ、或いは、ハードロジックによるフーリエ変換器を含む相互相関手段によって構成されている。

　そして、シフト量決定部３６において、算出された相互相関値に基づいて逆拡散符号のシフト量が決定される。シフト量決定部３６は、相互相関値算出部３５から出力された相互相関値を逆フーリエ変換し、その結果（相互相関値の逆フーリエ変換値）の最大値を逆拡散符号Ｓ’のシフト量とみなして出力する。以上の手順を実行することにより、送信機２との同期が確立される。

　尚、本実施形態においては、上述の通り、送信機２における同期確立のための手順が実行される際に、同期確立用の拡散符号Ｓの二つ分の長さの符号系列（拡散符号Ｓ１，Ｓ２、図２参照）によって搬送波が拡散されているため、送信機２から送信される同期確立用の送信信号ＳＳには、二つ分の拡散符号Ｓが連続して含まれていることになる。従って、受信機３の受信バッファとして、拡散符号Ｓと同じ長さ以上のものが使用されていれば、位相の差がどれだけの大きさであったとしても、拡散符号Ｓを構成する符号系列（必要なシフト量を与えることにより、一つの拡散符号Ｓと完全に一致させることができる符号系列）を漏れなく取り込むことができる。

　このため、シフト量決定部３６は、相互相関値算出部３５から出力された相互相関値の逆フーリエ変換値から、逆拡散符号Ｓ’のシフト量の候補を複数出力したり、候補毎に逆拡散符号Ｓ’をシフトさせて試行的な搬送波の復調を行ったり、或いは、その都度、搬送波スペクトルの有効性を検査し、同期成功の判定を行うといった手続を経ることなく、相互相関値の逆フーリエ変換値の最大値を、逆拡散符号Ｓ’のシフト量として決定することができ、また、拡散符号Ｓの二つ分の長さの送信信号ＳＳの受信が完了した時点で、送信機２との同期が必ず確立されることになる。

　受信機３において、送信機２との同期が確立されたら、同期確立後に受信したデータ通信用の送信信号ＳＤから通信データＡ，Ｂを復元するための手順が実行される。この手順が実行される際には、受信機３において、送信機２が送信信号ＳＤを送出するタイミングを受信機３において把握しているため、送信信号ＳＤに含まれているシフト拡散符号Ａ，Ｂと、逆拡散符号Ｄ’（シフト拡散符号Ａ，Ｂのシフト前のデータ通信用の拡散符号Ｄと同一内容の符号系列）とを比較することにより、シフト拡散符号Ａ，Ｂの生成の際に与えられた各シフト量を検出することができ、それらに基づいて、通信データＡ，Ｂを受信機３において復元することができる。

　より具体的には、受信機３が、同期確立後にデータ通信用の送信信号ＳＤを受信すると、受信信号生成部３１において、受信信号ＳＤが生成され、出力される（受信信号生成段階）。尚、受信信号ＳＤの生成及び出力は、データ通信用の拡散符号単位毎に行われる。例えば、送信信号ＳＤのうち、シフト拡散符号Ａによって拡散されて生成された１拡散符号長分の部分は、受信信号ＳＡとして出力され、シフト拡散符号Ｂによって拡散された１拡散符号長分の部分は、受信信号ＳＢとして出力される。

　受信信号ＳＡは、トグル検出部３３に入力され、トグル検出部３３が予め保持している期待信号（受信信号ＳＤの搬送波中に存在するトグル点を検出するために比較参照される信号パターンであり、データ通信用の拡散符号Ｄによって送信信号ＳＤの搬送波が拡散された場合に、受信信号ＳＤの搬送波中に含まれているであろうと予想されるトグル点の波形、及び、その前後の部分的な波形をモデルとして形成された信号）と、入力された受信信号ＳＡとの間でそれぞれ相関演算が行われる。これにより、受信信号ＳＡの搬送波中におけるトグル点が検出され、検出されたトグル点の値をもとにトグル信号ＴＡが生成されて出力される（トグル検出段階）。

　受信信号生成部３１から出力された受信信号ＳＡと、トグル検出部３３から出力されたトグル信号ＴＡは、対応付けられたうえで、受信信号・トグル信号記憶部３４に記憶される（受信信号・トグル信号記憶段階）。受信信号ＳＡとトグル信号ＴＡが記憶されると同時に、或いは、記憶される前又は後で、逆拡散符号生成部３２によって、データ通信用の逆拡散符号Ｄ’が生成される（逆拡散符号生成段階）。

　次に、相互相関値算出部３５において、トグル信号ＴＡのフーリエ変換値と、データ通信用の逆拡散符号Ｄ’の微分値の絶対値のフーリエ変換値との相互相関値が出力される（相互相関値算出段階）。続いて、シフト量決定部３６において、相互相関値算出部３５から出力された相互相関値の逆フーリエ変換値が算出され、その最大値が出力される。シフト量決定部３６は、この相互相関値の逆フーリエ変換値の最大値を、シフト拡散符号Ａに関する逆拡散符号Ｄ’のシフト量として決定する（シフト量決定段階）。

　送信機２のシフト量算出部２３において、通信データＡを送信するためのシフト量として「３２」という値が出力された場合、つまり、通信データＡを独立変数とする関数Ｆの従属変数値が「３２」であった場合、シフト拡散符号Ａに関する逆拡散符号Ｄ’のシフト量は、シフト量決定部３６において「３２である」と判定されることになる。そして、復元部３７において、シフト拡散符号Ａに関する逆拡散符号Ｄ’のシフト量「３２」を独立変数として、関数Ｆの逆関数Ｆ^－１の従属変数値を計算すると、通信データＡが算出されることになり、受信機３において通信データＡが復元される（復元段階）。

　また、受信信号生成部３１から出力される受信信号ＳＤのうち、シフト拡散符号Ｂによって拡散された１拡散符号長分の部分に相当する受信信号ＳＢについても、上述の受信信号ＳＡに対して行われる手順と同様の手順が実行されることにより、通信データＢが復元される。本実施形態のデータ通信装置１は、以上に説明したようなデータ送信工程、及び、データ受信工程からなるデータ通信方法（シフト法）を実行できるように構成されており、送信機２から受信機３へのデータ通信が実現される。

　尚、本実施形態のデータ通信装置１は、上述の通り、送信機２と受信機３との同期を確立する際に、国際公開ＷＯ２００４／０７０９６７号公報に記載されているスペクトラム拡散通信の高速同期確立法が実行されるように構成されているが、必ずしもこの方法には限定されず、他の方法によって同期が確立されるように構成してもよい。また、本実施形態においては、送信機２においてデータ通信用のシフト拡散符号が生成される際、データ通信用の拡散符号Ｄのシフトが１チップ単位で行われるように設定されているが、１チップ以下（例えば、１／２チップ、或いは、１／４チップ）の単位で、或いは、複数チップ単位で行われるように設定してもよい。

　次に、本発明に係るデータ通信装置の第二実施形態について説明する。図４は、本発明のデータ通信装置１（第二実施形態）の構成を示すブロック図である。本実施形態のデータ通信装置１も、第一実施形態と同様に、スペクトラム拡散方式によりデータを送信する送信機２と、送信機２から送信されたデータをスペクトラム拡散方式により受信する受信機３とによって構成されている。

　但し、本実施形態の送信機２は、第一実施形態のデータ通信装置１の送信機２（図１参照）に、変調部２７が追加された構成となっている。本実施形態においては、データ読込部２１に読み込まれた通信データが、シフト量算出のためにシフト量算出部２３に入力されるほか、変調部２７にも入力され、搬送波が通信データによって変調されるようになっている（変調段階）。そして、通信データによって変調された搬送波が、送信信号生成部２５において、シフト拡散符号によって拡散されることにより、データ通信用の送信信号が生成されるようになっている（送信信号生成段階）。

　また、本実施形態の受信機３は、第一実施形態のデータ通信装置１の受信機３（図１参照）に、シフト逆拡散符号生成部３８、及び、復調部３９が追加された構成となっている。これらのうち、シフト逆拡散符号生成部３８は、シフト量決定部３６において決定された逆拡散符号のシフト量に従って逆拡散符号の開始点をシフトさせることにより、シフト逆拡散符号を生成する（シフト逆拡散符号生成段階）。一方、復調部３９は、受信信号・トグル信号記憶部３４に記憶された受信信号のうち、送信機２の変調部２７において通信データによって変調され、更に、データ通信用のシフト拡散符号によって拡散された搬送波を、シフト逆拡散符号を用いて逆拡散した後、検波して搬送波を復調する（復調段階）。

　即ち、本実施形態のデータ通信装置１は、送信機２の送信信号生成部２５において搬送波の拡散の際に使用されたシフト拡散符号と内容及びシフト量が同一であるシフト逆拡散符号を用いて受信信号の搬送波を逆拡散することにより、送信機２の変調部２７において通信データにより変調された搬送波を正しく復調することができ、その結果、復調された搬送波から、通信データを抽出することができる。つまり、本実施形態のデータ通信装置１は、第一実施形態において説明したシフト法によるデータ通信に加えて、本来のスペクトラム拡散方式によるデータ通信を、同時に実行することができる。

　スペクトラム拡散方式によるデータ通信によってどのような通信を行うかは特に制限されないため、同一内容の通信データを、シフト法と、スペクトラム拡散方式とによって、重複して伝送してもよいし、異なる通信データをそれぞれの方法によって伝送してもよい。同一内容の通信データを、シフト法、及び、スペクトラム拡散方式によって重複して伝送する場合には、２つの異なる方法によって伝送した通信データを照合することにより、通信の正確性を向上させることができる。一方、異なる通信データをそれぞれの方法によって伝送した場合は、１通信あたりのデータ伝送量を増加させることができる。

　尚、第一実施形態及び第二実施形態のデータ通信装置１は、無線によりデータ通信を行うものであるが、当然のことながら、有線によるデータ通信に適用することも可能であるし、音波、光波など、あらゆる媒体による通信に利用できる。

１：データ通信装置、
２：送信機、
３：受信機、
２１：データ読込部、
２２：拡散符号生成部、
２３：シフト量算出部、
２４：シフト拡散符号生成部、
２５：送信信号生成部、
２６：送信部、
２７：変調部、
３１：受信信号生成部、
３２：逆拡散符号生成部、
３３：トグル検出部、
３４：受信信号・トグル信号記憶部、
３５：相互相関値算出部、
３６：シフト量決定部、
３７：復元部、
３８：シフト逆拡散符号生成部、
３９：復調部

Claims (8)

1. 　スペクトラム拡散方式により通信データを送信する送信機と、当該送信機から送信された通信データをスペクトラム拡散方式により復元する受信機とからなるデータ通信装置であって、
   　前記送信機が、通信データに基づいてシフト量を算出し、当該シフト量に従って拡散符号の開始点をシフトさせることによりシフト拡散符号を生成し、当該シフト拡散符号を用いてスペクトラム拡散を行うことにより送信信号を生成し、当該送信信号を同期確立後に送信するように構成され、
   　前記受信機が、同期確立後に受信した受信信号の復調のために必要となる逆拡散符号のシフト量を決定し、決定されたシフト量に基づいて前記通信データを復元するように構成されていることを特徴とするデータ通信装置。
2. 　前記送信機が、前記通信データを独立変数として、予め定められた関数の従属変数値を計算し、算出された値を前記シフト量として出力するシフト量算出部と、前記拡散符号を生成する拡散符号生成部と、前記シフト量に従って前記拡散符号の開始点をシフトさせることによりシフト拡散符号を生成するシフト拡散符号生成部と、前記シフト拡散符号を用いて搬送波を拡散することにより送信信号を生成する送信信号生成部と、前記送信信号を送信する送信部と、を含み、
   　前記受信機が、前記送信信号を受信して受信信号を生成する受信信号生成部と、前記受信信号の搬送波の中に存在しているトグル点を検出してトグル信号を出力するトグル検出部と、前記受信信号、及び、前記トグル信号を対応付けて記憶する受信信号・トグル信号記憶部と、前記拡散符号と同一の符号からなる逆拡散符号を生成する逆拡散符号生成部と、前記受信信号・トグル信号記憶部に記憶されたトグル信号と前記逆拡散符号から生成されたトグル信号との相互相関値を算出する相互相関値算出部と、前記相互相関値に基づいて前記逆拡散符号のシフト量を決定するシフト量決定部と、前記シフト量決定部において決定された逆拡散符号のシフト量を独立変数として、前記関数の逆関数の従属変数値を計算し、算出された値を復元された通信データとして出力する復元部と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載のデータ通信装置。
3. 　前記送信機が、前記通信データに基づいて前記搬送波を変調する変調部を含み、
   　前記送信信号生成部が、前記変調部において変調された搬送波を、前記シフト拡散符号を用いて拡散することにより前記送信信号を生成するように構成され、
   　前記受信機が、前記シフト量決定部において決定されたシフト量に従って前記逆拡散符号の開始点をシフトさせることによりシフト逆拡散符号を生成するシフト逆拡散符号生成部と、前記受信信号・トグル信号記憶部に記憶された受信信号を前記シフト逆拡散符号を用いて逆拡散した後、検波して前記搬送波を復調する復調部と、を含むことを特徴とする、請求項２に記載のデータ通信装置。
4. 　前記関数が１次関数であることを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載のデータ通信装置。
5. 　スペクトラム拡散方式により通信データを送信する送信機と、当該送信機から送信された通信データをスペクトラム拡散方式により復元する受信機とを使用するデータ通信方法であって、
   　前記通信データに基づいてシフト量を算出し、当該シフト量に従って拡散符号の開始点をシフトさせることによりシフト拡散符号を生成し、当該シフト拡散符号を用いてスペクトラム拡散を行うことにより送信信号を生成し、当該送信信号を、同期確立用の拡散符号の送信に続けて送信するデータ送信工程と、
   　前記同期確立用の拡散符号による同期確立後に続けて受信した信号に含まれている前記シフト拡散符号のシフト量を決定し、決定されたシフト量に基づいて前記通信データを復元するデータ受信工程と、が実行されることを特徴とするデータ通信方法。
6. 　前記データ送信工程が、前記通信データを独立変数として、予め定められた関数の従属変数値を計算し、算出された値を前記シフト量として出力するシフト量算出段階と、前記拡散符号を生成する拡散符号生成段階と、前記シフト量に従って前記拡散符号の開始点をシフトさせることによりシフト拡散符号を生成するシフト拡散符号生成段階と、前記シフト拡散符号を用いて搬送波を拡散することにより送信信号を生成する送信信号生成段階と、前記送信信号を送信する送信段階と、を含み、
   　前記データ受信工程が、前記送信信号を受信して受信信号を生成する受信信号生成段階と、前記受信信号の搬送波の中に存在しているトグル点を検出してトグル信号を出力するトグル検出段階と、前記受信信号、及び、前記トグル信号を対応付けて記憶する受信信号・トグル信号記憶段階と、前記拡散符号と同一の符号からなる逆拡散符号を生成する逆拡散符号生成段階と、前記受信信号から生成された前記トグル信号と前記逆拡散符号から生成されたトグル信号との相互相関値を算出する相互相関値算出段階と、前記相互相関値に基づいて前記逆拡散符号のシフト量を決定するシフト量決定段階と、前記シフト量決定段階において決定された逆拡散符号のシフト量を独立変数として、前記関数の逆関数の従属変数値を計算し、算出された値を復元された通信データとして出力する復元段階と、を含むことを特徴とする、請求項５に記載のデータ通信方法。
7. 　前記データ送信工程が、前記通信データに基づいて前記搬送波を変調する変調段階を含み、
   　前記送信信号生成段階において、前記変調段階において変調された搬送波を、前記シフト拡散符号を用いて拡散することにより前記送信信号が生成され、
   　前記データ受信工程が、前記シフト量決定段階において決定されたシフト量に従って前記逆拡散符号の開始点をシフトさせることによりシフト逆拡散符号を生成するシフト逆拡散符号生成段階と、前記受信信号・トグル信号記憶段階において記憶された受信信号を前記シフト逆拡散符号を用いて逆拡散した後、検波して前記搬送波を復調する復調段階と、を含むことを特徴とする、請求項６に記載のデータ通信方法。
8. 　前記関数が１次関数であることを特徴とする、請求項６又は請求項７に記載のデータ通信方法。

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