(57)【要約】【課題】ＵＷＢ通信方式を用いる場合に、距離精度を向上する無線測距システム、及び、無線端末を提供すること。【解決手段】無線端末２００において、測距動作と同期確立動作とで信号の経路が異なり、測距動作が行われる際には、コンパレータ２０８に対して検波結果が積分器２０４を経由することなく入力される。これにより、無線端末２００の測距動作に積分処理が含まれないので、積分処理による遅延時間が発生せず、距離測定の精度を向上することができる。また、測距動作において、コンパレータ２０８で用いられる比較基準電圧には、積分器２０４で得られた積分結果が用いられる。これにより、検波信号からノイズ信号成分が取り除かれた積分結果を比較基準電圧として用いるので、比較基準電圧が適正化される。この結果、距離測定の精度をさらに向上することができる。【選択図】図４
2010164555.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線基地局と無線端末とを具備し、パルス信号を用いて前記無線基地局と前記無線端末との離間距離を測定する無線測距システムであって、
前記無線端末は、前記無線基地局から送信されたパルス信号列を受信する受信手段と、
受信された前記パルス信号列を検波し検波信号を出力する検波器と、
前記検波信号を受信タイミング候補ごとに積分し積分結果を出力する積分器と、前記積分結果に基づいて前記無線基地局との同期タイミングを検出する検出手段と、を含む同期確立手段と、
前記積分結果を保持する保持手段と、前記保持手段に保持された前記積分結果を基準データとして用いて、入力信号に応じた２値化信号を出力するコンパレータと、前記コンパレータから出力された２値化信号に基づいて送信パルス信号を生成するパルス生成手段と、を含む測距処理手段と、を具備し、
前記無線基地局は、前記パルス信号列の送信タイミングと、当該送信タイミングで送信されたパルス信号列に基づいて前記無線端末から送信されたパルス信号列の受信タイミングとの時間差を測定し、測定された前記時間差に基づいて前記離間距離を算出する算出手段、を具備し、
前記無線端末において測距動作と同期確立動作とで信号の経路が異なり、前記測距動作が行われる際には、前記コンパレータに対して前記検波信号が前記積分器を経由することなく入力される、
無線測距システム。
【請求項２】
前記無線端末は、前記検波器に入力されるパルス信号列を増幅する増幅器と、
前記測距動作が行われる測距期間において、前記同期タイミングでは前記増幅器をオンさせ、前記同期タイミング以外のタイミングでは前記増幅器をオフさせるタイミング制御手段と、をさらに具備する、
請求項１に記載の無線測距システム。
【請求項３】
前記タイミング制御手段は、前記同期確立動作が行われる同期確立期間では、前記積分器をオンさせ、前記測距期間では、前記積分器をオフさせる、
請求項２に記載の無線測距システム。
【請求項４】
前記保持手段は、前記同期確立動作が行われる同期確立期間において、前記同期タイミングについて得られた積分結果を保持し、
前記コンパレータは、前記測距動作が行われる測距期間において、前記同期確立期間で保持された前記積分結果を前記基準データとして用いる、
請求項１に記載の無線測距システム。
【請求項５】
前記無線基地局は、前記無線端末から送信される前記送信パルス信号を受信する受信手段と、
前記パルス信号列を構成するパルス信号が送信される周期よりも短い周期で、前記無線端末から送信された送信パルス信号をサンプリングし、サンプリングされた信号を積分する手段と、
前記サンプリングされた信号に基づいて、前記受信タイミングを検出する検出手段と、をさらに具備する、
請求項１に記載の無線測距システム。
【請求項６】
パルス信号列を受信する受信手段と、
受信された前記パルス信号列を検波し検波信号を出力する検波器と、
前記検波信号を受信タイミング候補ごとに積分し積分結果を出力する積分器と、前記積分結果に基づいて前記無線基地局との同期タイミングを検出する検出手段と、を含む同期確立手段と、
前記積分結果を保持する保持手段と、前記保持手段に保持された前記積分結果を基準データとして用いて、入力信号に応じた２値化信号を出力するコンパレータと、前記コンパレータから出力された２値化信号に基づいて送信パルス信号を生成するパルス生成手段と、を含む測距処理手段と、
を具備し、
測距動作と同期確立動作とで信号の経路が異なり、前記測距動作が行われる際には、前記コンパレータに対して前記検波信号が前記積分器を経由することなく入力される、
無線端末。
【請求項７】
前記検波器に入力されるパルス信号列を増幅する増幅器と、
前記測距動作が行われる測距期間において、前記同期タイミングでは前記増幅器をオンさせ、前記同期タイミング以外のタイミングでは前記増幅器をオフさせるタイミング制御手段と、
をさらに具備する請求項６に記載の無線端末。
【請求項８】
前記タイミング制御手段は、前記同期確立動作が行われる同期確立期間では、前記積分器をオンさせ、前記測距期間では、前記積分器をオフさせる、
請求項７に記載の無線端末。
【請求項９】
前記保持手段は、前記同期確立動作が行われる同期確立期間において、前記同期タイミングについて得られた積分結果を保持し、
前記コンパレータは、前記測距動作が行われる測距期間において、前記同期確立期間で保持された前記積分結果を前記基準データとして用いる、
請求項６に記載の無線端末。
【請求項１０】
前記タイミング制御手段は、前記測距期間内に含まれる第２の同期確立期間において、前記同期確立手段で検出された第２の同期タイミングでは、前記積分器をオンさせ、前記第２の同期タイミング以外のタイミングでは、前記積分器をオフさせる、
請求項２に記載の無線測距システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス信号を用いて距離測定を行う無線測距システム、及び、無線端末に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速無線伝送技術の一つとして、インパルス無線方式であるＵＷＢ（Ultra Wide Band）通信方式がある。ＵＷＢ通信方式では、所定の周期タイミングに同期したパルス信号で構成されるパルス信号列が通信に用いられる。従って、ＵＷＢ通信方式は、超広帯域で行われる。
【０００３】
例えば、搬送波は用いられずに、パルス幅が例えば１ナノ秒程度の極めて狭いパルス信号が用いられる、ＵＷＢ通信が知られている。このようなＵＷＢ通信では、基地局（リーダ）が通信端末に対してパルス幅が極めて狭いパルス信号を送信することにより、マルチパス伝搬環境においても、通信端末の測位（以下、「ＵＷＢ測位」と呼ぶことがある）を正確に行うことができる。
【０００４】
しかし、ＵＷＢ通信では、他システムへの与干渉の観点から、基地局の送信電力に関して上限が決められている。基地局から送信された信号の電力は伝搬ロスによって減衰するので、実際上、ＵＷＢ通信システムにおける通信エリアの大きさには制限がある。また、ＵＷＢ通信システムにおける通信端末は、通常、タグのように小型なものである。従って、通信端末が電池を搭載する場合でも、その電池は、例えばボタン電池のような電流容量の小さなものが想定される。
【０００５】
このため、所望のエリアにおいてＵＷＢ測位を行う場合、通信端末に対しては、適切な感度が要求されることは当然として、省電力を実現できる構成を有することも要求される。
【０００６】
従来の測位システムは、例えば、特許文献１に開示されている。図１は、特許文献１に開示されたタグの構成を示す図である。図１に示すパッシブタグにおいては、感度制御信号に基づいて、受信ＲＦ信号に対する感度を増加している。また、特許文献１に開示されるタグは、基地局からの信号をバックスキャッタ（後方反射）する方式、すなわち、アンテナの負荷インピーダンスを整合させることによりリーダからの電波を反射させない状態（すなわち、符号「０」を送信する状態）と、インピーダンスを不整合にすることにより電波を反射させる状態（すなわち、符号「１」を送信する状態）と、で切り替えている。ここで、パッシブ方式は、電源を持たないタグで採用される方式である。従って、パッシブ方式の通信エリアは、非常に小さい。例えば、ＵＷＢ帯域での通信エリアは、１ｍ以下程度となる。
【０００７】
また、従来のＵＷＢ通信タグが、例えば、特許文献２に開示されている。図２は、特許文献２に開示されたＵＷＢ通信タグの構成を示す図である。図２に示すＵＷＢタグでは、フィルタ部が受信信号からＵＷＢパルスの成分を抽出し、検波部が包絡線検波又はピーク検波し、積分部が検波結果を所定の積分期間（例えば、タイムスロット）だけ積算する。そして、信号復調部が、積分部で得られた積算値のＡ／Ｄ変換値が所定の閾値以上であるか否かを判断基準として、データ値（「１」又は「０」）を判定することにより、ベースバンド信号の復調を行う。図２に示すＵＷＢタグでは、積分部における積分期間（タイムスロット）を調整しつつ同期捕捉することにより、ノイズ耐性が向上する。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平４−２１８７８９号公報
【特許文献２】特開２００８−５１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記したように、特許文献２のＵＷＢタグのように受信信号を積分することによって同期処理におけるノイズ耐性は向上する。しかしながら、積分処理によって遅延時間が生じるので、電波の往復時間を測定することにより距離を測定する測距処理で積分処理を用いると、距離測定精度が劣化する問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ＵＷＢ通信方式を用いる場合に、距離精度を向上する無線測距システム、及び、無線端末を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の無線測距システムは、無線基地局と無線端末とを具備し、パルス信号を用いて前記無線基地局と前記無線端末との離間距離を測定する無線測距システムであって、前記無線端末は、前記無線基地局から送信されたパルス信号列を受信する受信手段と、受信された前記パルス信号列を検波し検波信号を出力する検波器と、前記検波信号を受信タイミング候補ごとに積分し積分結果を出力する積分器と、前記積分結果に基づいて前記無線基地局との同期タイミングを検出する検出手段と、を含む同期確立手段と、前記積分結果を保持する保持手段と、前記保持手段に保持された前記積分結果を基準データとして用いて、入力信号に応じた２値化信号を出力するコンパレータと、前記コンパレータから出力された２値化信号に基づいて送信パルス信号を生成するパルス生成手段と、を含む測距処理手段と、を具備し、前記無線基地局は、前記パルス信号列の送信タイミングと、当該送信タイミングで送信されたパルス信号列に基づいて前記無線端末から送信されたパルス信号列の受信タイミングとの時間差を測定し、測定された前記時間差に基づいて前記離間距離を算出する算出手段、を具備し、前記無線端末において測距動作と同期確立動作とで信号の経路が異なり、前記測距動作が行われる際には、前記コンパレータに対して前記検波信号が前記積分器を経由することなく入力される構成を採る。
【００１２】
本発明の無線端末は、パルス信号列を受信する受信手段と、受信された前記パルス信号列を検波し検波信号を出力する検波器と、前記検波信号を受信タイミング候補ごとに積分し積分結果を出力する積分器と、前記積分結果に基づいて前記無線基地局との同期タイミングを検出する検出手段と、を含む同期確立手段と、前記積分結果を保持する保持手段と、前記保持手段に保持された前記積分結果を基準データとして用いて、入力信号に応じた２値化信号を出力するコンパレータと、前記コンパレータから出力された２値化信号に基づいて送信パルス信号を生成するパルス生成手段と、を含む測距処理手段と、を具備し、測距動作と同期確立動作とで信号の経路が異なり、前記測距動作が行われる際には、前記コンパレータに対して前記検波信号が前記積分器を経由することなく入力される構成を採る。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ＵＷＢ通信方式を用いる場合に、距離精度を向上する無線測距システム、及び、無線端末を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のタグの構成を示す図
【図２】従来のＵＷＢ通信タグの構成を示す図
【図３】本発明の実施の形態１に係る無線測距システムの基地局の構成を示すブロック図
【図４】本発明の実施の形態１に係る無線測距システムの無線端末の構成を示すブロック図
【図５】基地局から送信されるパルス信号列を示す図
【図６】タイミング制御部が生成するクロック信号を示す図
【図７】同期確立処理の説明に供する図
【図８】測距動作の説明に供する図
【図９】検波器の出力波形と、この検波器の出力波形が入力された場合の積分器の出力波形を示す図
【図１０】本発明の実施の形態２に係る無線端末の構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、実施の形態において、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は重複するので省略する。
【００１６】
（実施の形態１）
[基地局の構成]
図３は、本発明の実施の形態１に係る無線測距システムの基地局１００の構成を示すブロック図である。基地局１００は、例えば、ＵＷＢ通信を行う読み取り装置（リーダ）である。
【００１７】
図３において、基地局１００は、タイミング信号出力部１０１と、送信パルス発生部１０２と、送信アンテナ１０３と、受信アンテナ１０４と、パルス検出部１０５と、積分部１０６と、距離算出部１０７とを有する。
【００１８】
タイミング信号出力部１０１は、等時間間隔でクロック信号を生成する。タイミング信号出力部１０１で生成されるクロック信号には、長周期クロック信号と、短周期クロック信号の２種類がある。長周期クロックは、測定範囲に応じて決定される。例えば、測定距離の最大値を１５ｍとすれば、電波の往復伝搬距離は３０ｍとなりこのとき、最大遅延波は１００ナノ秒となる。また、短周期クロックは測距分解能に相当し、通常はＵＷＢパルス幅と同等の値に設定する。１ナノ秒は距離分解能３０ｃｍに相当する。ここでは、短周期クロック信号として、１ナノ秒を１周期とするクロック信号が生成され、長周期クロック信号として、短周期クロック信号を１００分周した１００ナノ秒を１周期とするクロック信号が生成される。すなわち、長周期クロック信号と短周期クロック信号とは、長周期クロック信号の周期で同期している。生成されたクロック信号は、送信パルス発生部１０２、積分部１０６、及び距離算出部１０７に出力される。以下、長周期クロック信号の周期を、単に「長周期」と呼び、短周期クロック信号の周期を、単に「短周期」と呼ぶ。
【００１９】
送信パルス発生部１０２は、タイミング信号出力部１０１から受け取る長周期クロック信号に基づいて、パルス信号を発生する。送信パルス発生部１０２は、長周期クロック信号に基づいて励振増幅する増幅回路と、バンドパスフィルタとを含む。増幅回路には、例えば、ステップリカバリダイオードが用いられ、この場合、送信パルス発生部１０２では、ステップリカバリダイオードが、長周期クロック信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジの一方において励振（つまり、エッジショック励振）することにより電流増幅し、得られた信号をバンドパスフィルタが帯域制限する。これにより、１ナノ秒程度のパルス幅（つまり、短周期程度のパルス幅）を持つパルス信号が生成される。このようにパルス信号は長周期と同じ周期で生成され、パルス信号列として送信アンテナ１０３を介して送信される。
【００２０】
パルス検出部１０５は、後述する無線端末２００から送信されたパルス信号を受信アンテナ１０４を介して受信する。パルス検出部１０５は、受信パルス信号を検波し、得られた検波結果信号を積分部１０６に出力する。
【００２１】
積分部１０６は、パルス検出部１０５から受け取る検波結果信号を、短周期クロック信号に同期してサンプリングする。サンプル信号は、各長周期において、何番目の短周期クロック信号に基づいてサンプリングされたかによって分類される。すなわち、サンプル信号は、短周期クロック番号別に分類される。ここでは、１長周期の間に１００個の短周期クロック信号が生成されるので、短周期クロック番号は１〜１００まで用意される。
【００２２】
積分部１０６は、複数の長周期において、サンプル信号を短周期クロック番号別に積分する。
【００２３】
距離算出部１０７は、タイミング信号出力部１０１により生成された、送信パルスに対応した基準となる短周期クロック番号と、積分値の最も大きい短周期クロック番号とに基づいて、基地局１００と後述する無線端末２００との間を電波が往復するのに要する時間を計算する。その後に、無線端末２００の後述する内部回路におけるあらかじめ測定されている内部遅延時間を減算することにより、空間の伝搬遅延時間を計算する。この伝搬遅延時間を用いて電波の進行速度を乗算することにより、基地局１００と無線端末２００との間の距離を算出する。
【００２４】
[無線端末の構成]
図４は、本発明の実施の形態１に係る無線測距システムの無線端末２００の構成を示すブロック図である。無線端末２００は、例えば、ＵＷＢ通信を行うタグである。
【００２５】
図４において、無線端末２００は、受信アンテナ２０１と、増幅器２０２と、検波器２０３と、積分器２０４と、レベル検出部２０５と、タイミング制御部２０６と、データ保持部２０７と、コンパレータ２０８と、ＵＷＢパルス発生部２０９と、送信アンテナ２１０とを有する。また、無線端末２００には、電源が備えられている。後述するようにＵＷＢパルス発生部２０９では、この電源から供給される電力を用いて送信パルス信号が発生される。すなわち、無線端末２００には、セミパッシブ方式が適用されている。
【００２６】
増幅器２０２は、タイミング制御部２０６から出力されるオンオフ制御信号に基づいてオンオフする。オン期間中には、増幅器２０２は、受信アンテナ２０１を介して受信した受信信号を増幅し、増幅後の受信信号を積分器２０４及びコンパレータ２０８に出力する。一方、オフ期間中には、増幅器２０２は動作を停止する。従って、オフ期間中の増幅器２０２の出力は、無信号となる。
【００２７】
検波器２０３は、増幅器２０２の出力信号を検波する。検波器２０３は、例えば、ダイオードで構成され、増幅器２０２の出力信号を包絡線検波する。例えば、受信信号がインパルス方式ＵＷＢのＯＯＫ（ＯＮ  ＯＦＦ  Ｋｅｙｉｎｇ）変調信号の場合、検波器２０３で得られる検波結果は、１〜２ナノ秒程度のベースバンド信号となる。検波器２０３で得られた検波結果は、積分器２０４及びコンパレータ２０８に出力される。
【００２８】
積分器２０４は、検波器２０３から受け取る検波結果を一定の時間長を有する積分期間に渡って積分する。積分期間の長さは、タイミング制御部２０６からの積分期間制御信号によって制御される。積分器２０４は、例えば、アナログローパスフィルタによって構成される。又は、積分器２０４は、アナログディジタル変換部、及び、アナログディジタル変換部で得られたディジタル信号を加算する加算器又はデジタルローパスフィルタを含んで構成されても良い。
【００２９】
積分器２０４にアナログローパスフィルタが用いられる場合には、１積分期間だけ検波結果が積分された後、タイミング制御部２０６からの制御信号によって、コンデンサーに蓄積された電荷がディスチャージされることにより積分値が初期化される。また、積分器２０４が加算器又はデジタルローパスフィルタを含んで構成される場合には、タイミング制御部２０６からの制御信号によって積分値がリセットされることにより初期化される。
【００３０】
ここで上記積分期間は、Ｊ個（Ｊは、２以上の自然数）の積分繰り返し単位期間で構成される。Ｊは、信号の電力を増大させることにより所望の信号対雑音比が得られる値である。また、１つの積分繰り返し単位期間は、Ｋ個（Ｋは、２以上の自然数）の単位積分期間で構成される。Ｋは、所望距離分解能性能より得られる値である。すなわち、各積分繰り返し単位期間は、期間識別番号が１〜Ｋまでの単位積分期間を有している。そして、積分器２０４は、積分期間に渡って期間識別番号ごとに検波結果を積分する。積分繰り返し単位期間は、タイミング制御部２０６からの繰り返し単位期間制御信号によって制御され、単位積分期間は、単位積分期間制御信号によって制御される。こうして得られた期間識別番号ごとの積分値がレベル検出部２０５に出力される。
【００３１】
レベル検出部２０５は、積分器２０４からＫ個の積分値を受け取り、最大の積分値を有する積分期間の期間識別番号を特定する。期間識別番号は、タイミング制御部２０６に出力される。
【００３２】
タイミング制御部２０６は、制御信号を出力することによって、増幅器２０２、積分器２０４、及びデータ保持部２０７の動作を制御する。タイミング制御部２０６は、オンオフ制御信号を増幅器２０２に出力し、増幅器２０２のオンオフタイミングを制御する。また、タイミング制御部２０６は、レベル検出部２０５で特定された期間識別番号に基づいて積分期間制御信号、単位積分期間制御信号、及び単位積分期間制御信号を生成し、これらを積分器２０４に出力し、積分器２０４の積分処理を制御する。また、タイミング制御部２０６は、レベル検出部２０５で特定された期間識別番号に基づいて信号レベル保持制御信号をデータ保持部２０７に出力し、データ保持部２０７の信号レベル保持動作及び保持信号出力動作を制御する。
【００３３】
無線端末２００には、後述するように「同期確立動作」及び「測距動作」の２つの動作があり、実行動作に応じて、タイミング制御部２０６は、上記各機能部の動作を制御する。
【００３４】
データ保持部２０７は、信号レベル保持制御信号に応じた単位積分期間に対応する積分値を保持するとともに、保持した積分値に応じた電圧印加信号をコンパレータ２０８の一方の入力端に出力する。
【００３５】
コンパレータ２０８は、検波器２０３の検波結果を第１の入力端の入力とし、データ保持部２０７から出力される電圧印加信号を第２の入力端の入力とする。この電圧印加信号に応じた電圧は、比較基準電圧として用いられる。
【００３６】
コンパレータ２０８は、比較基準電圧と検波結果との大小比較結果に応じた信号をＵＷＢパルス発生部２０９に出力する。具体的には、入力検波結果が比較基準電圧より大きい場合には、コンパレータ２０８は、ハイレベル信号を出力する。一方、入力検波結果が比較基準電圧より小さい場合には、ローレベル信号を出力する。
【００３７】
ＵＷＢパルス発生部２０９は、コンパレータ２０８の出力信号に応じた信号を発生する。ＵＷＢパルス発生部２０９は、コンパレータ２０８の出力信号に基づいて励振増幅する増幅回路と、バンドパスフィルタとを含む。増幅回路には、例えば、ステップリカバリダイオードが用いられ、この場合、ＵＷＢパルス発生部２０９では、ステップリカバリダイオードが、長周期クロック信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジの一方において励振（つまり、エッジショック励振）することにより電流増幅し、得られた信号をバンドパスフィルタが帯域制限する。これにより、１ナノ秒程度のパルス幅（つまり、短周期程度のパルス幅）を持つパルス信号が生成される。こうして生成されたパルス信号は、送信アンテナ２１０を介して送信される。
【００３８】
[無線測距システムの動作]
以上の構成を有する無線測距システムの動作について説明する。なお、ここでは、長周期を１００ナノ秒、短周期を１ナノ秒として説明する。
【００３９】
（基地局１００のパルス信号列送信動作）
基地局１００は、パルス信号列を生成し、無線端末２００に送信する。パルス信号列は、同期確立動作時及び測距動作時の両方で送信される。
【００４０】
図５は、基地局１００から送信されるパルス信号列を示す図である。図５において、縦線１本は、１つのパルス信号を表している。隣接パルス信号間の時間間隔は、長周期に対応し、１００ナノ秒である。すなわち、基地局１００からは、１００ナノ秒間隔で１ナノ秒程度のＵＷＢパルス信号が送信される。
【００４１】
（無線端末２００の動作）
無線端末２００の動作としては、上記したように同期確立動作と測距動作の２つがある。以下で説明するように、同期確立動作と測距動作とでは、信号の流れが異なっている。
【００４２】
〈無線端末２００の同期確立動作〉
無線端末２００は、初期状態ではスリープモードであり、受信信号の有無を検出している。受信信号が有る場合には、アウェイクモードに移り、同期確立動作を開始する。
【００４３】
ここで、先ず、タイミング制御部２０６の動作について説明する。図６は、タイミング制御部２０６が生成するクロック信号を示す図である。
【００４４】
図６において、タイミング制御部２０６は、１６相のクロック信号（Φ１〜Φ１６）を生成している。各相のクロック信号は、長周期と対応する１００ナノ秒周期で現れるパルス信号で構成されている。１つのパルス信号は、１００ナノ秒／１６＝約６．３ナノ秒のパルス幅を有している。１６相のクロック信号は、構成パルス信号が重ならないように、パルス信号の現れるタイミングが互いにずれている。タイミング制御部２０６は、例えば、１６０ＭＨｚクロック信号から遅延線６．３ナノ秒を用いて、１６相のクロック信号を生成する。
【００４５】
図７は、同期確立処理の説明に供する図である。図７において、最上段には、基地局１００から送信されるパルス信号列が示され、２段目には、１６相のクロック信号のうちｎ番目のクロック信号Φｎが示されている。図７の３段目には、基地局１００から送信された１００ナノ秒間隔のパルス信号を有するパルス信号列の受信タイミングが示されている。
【００４６】
この受信パルス信号列は、増幅器２０２に入力される。同期確立動作時には、タイミング制御部２０６から増幅器２０２に、１６相のクロック信号のすべてが順次、オンオフ制御信号として出力される。
【００４７】
このオンオフ制御信号は、図７の４段目に示されている。図７の４段目に示されるように各クロック信号が出力される期間は、互いにずれている。ここでは一例として、長周期の１２８倍の期間（つまり、１２８個分のパルス信号が送信される期間）だけ、第１のクロック信号が出力され、その期間が終わると、第２のクロック信号が同じく長周期の１２８倍の期間（ここでは、長周期が１００ナノ秒なので、１２８００ナノ秒）だけ出力される。そして、１６相のクロック信号が、出力期間をずらして順次出力される。従って、１６相のクロック信号の出力が一巡するためには、１２８（パルス）×１００（ナノ秒／パルス）×１６（相）＝２０４８００（ナノ秒）だけの時間が必要となる。ここで、挙げた１２８という値は、信号電力を積分により増大させることにより信号対雑音比を増大させる度合いにより設定される値であり、パルス数が１２８の場合には信号対雑音比が２１ｄＢ増大する。
【００４８】
そして、このオンオフ制御信号によって、増幅器２０２のオン状態は、１６相のオン期間に分けられる。従って、増幅器２０２からは、各相のオン期間での受信信号が検波器２０３を介して積分器２０４に入力される。
【００４９】
積分器２０４では、上記１６相のオン期間のそれぞれで得られた受信信号について、積分期間に渡って検波結果の積分が行われる。ここで、積分期間は、各クロック信号の出力期間に対応するので、１２８００ナノ秒である。積分期間は、複数の積分繰り返し単位期間で構成されており、この積分繰り返し単位期間の時間長は、長周期、つまりパルス信号の送信間隔（ここでは、１００ナノ秒）に対応する。すなわち、ここでは、Ｊの値は、１２８である。各積分繰り返し単位期間は、Ｋ個の単位積分期間で構成され、単位積分期間は、単位積分期間制御信号によって設定される。各単位積分期間は、増幅器２０２の各オン期間に対応する。すなわち、ここでは、Ｋの値は１６である。
【００５０】
こうして積分器２０４では、各積分期間で用いられるクロック信号が異なる、つまり、各積分期間で積分に用いられる積分単位期間が異なるので、期間識別番号１〜１６のそれぞれに対応する積分値が得られる。この積分値が、図７の最下段に示されている。ここで、受信パルス信号は１００ナノ秒周期で現れるので、期間識別番号１〜１６の積分値のうちの１つにピークが現れる。すなわち、ここでは、期間識別番号１〜１６の単位積分期間のそれぞれがパルス信号の受信タイミング候補として用いられており、積分器２０４では、１６個の受信タイミング候補のそれぞれに対する積分値が得られる。
【００５１】
そして、レベル検出部２０５では、１６個の積分値のうちで最大の積分値を持つ期間識別番号が特定される（図７の最下段における最も大きいピークに対応する）。この特定された期間識別番号に対応するタイミングが、同期タイミングである。
【００５２】
ここで、増幅器２０２の各オン期間は受信窓として用いられ、各オン期間の時間長は、クロック信号を構成するパルス信号のパルス幅（約６．３ナノ秒）に対応する。すなわち、受信窓幅が基地局１００から送信されるパルス幅に比べて大分広くなっている。従って、ここで行われている同期確立処理では、粗い同期がとられている。
【００５３】
そして、タイミング制御部２０６は、同期処理で特定された同期タイミングに基づいて、測距動作の基準タイミング、つまり、増幅器２０２をオンするタイミングを決定する。ここで、増幅器２０２の出力信号は、積分処理が完了するまでの処理に掛かる時間だけ遅延する。そのため、最大の積分値に対応する、積分器２０４への入力クロック信号と、その最大の積分値に対応する受信信号が増幅される際に増幅器２０２へ入力されたクロック信号には、この処理遅延に対応する時間だけずれが生じている。従って、タイミング制御部２０６は、最大積分値が得られたクロック信号の識別番号よりも処理遅延に対応する順番だけ前のクロック信号を、測距動作の基準タイミング信号とする。すなわち、処理遅延に１クロック信号分の時間が見込まれるときに、最大積分値がクロック信号Φｎ＋１で得られた場合には、タイミング制御部２０６は、クロック信号Φｎを測距動作の基準タイミング信号とする。
【００５４】
また、タイミング制御部２０６は、同期処理で特定された同期タイミングに基づいて信号レベルデータ保持信号を形成し、データ保持部２０７に出力する。これにより、最大積分値が得られる単位積分区間における積分器２０４の出力レベルが保持される。
【００５５】
〈無線端末２００の測距動作〉
図８は、測距動作の説明に供する図である。
【００５６】
図８において、最上段には、タイミング制御部２０６から出力された測距動作の基準タイミング信号に基づいて増幅器２０２で増幅された受信パルス信号が示されている。
【００５７】
この増幅後の受信パルス信号は、検波器２０３で検波処理され、検波結果がコンパレータ２０８に出力される。この検波結果の波形は、図８の２段目に示されている。同図に示されているように、検波器２０３での回路遅延Ａ（ナノ秒）が存在する。
【００５８】
検波器２０３から出力された検波結果は、積分器２０４を介すことなく、コンパレータ２０８の一方の入力端に入力される。そして、データ保持部２０７に保持されている比較基準電圧と、入力検波結果との大小比較結果に応じた信号が、コンパレータ２０８から出力される。このコンパレータ２０８の出力信号は、図８の３段目に示されるように、矩形波形となる。同図に示されているように、コンパレータ２０８での回路遅延Ｂ（ナノ秒）が存在する。
【００５９】
コンパレータ２０８の出力信号は、ＵＷＢパルス発生部２０９に入力される。ＵＷＢパルス発生部２０９は、コンパレータ２０８の出力信号に応じた信号を発生する。これにより、受信パルス信号に同期して送信パルス信号を発生し、無線端末２００は、パルス信号を基地局１００に対して再放射することができる。ＵＷＢパルス発生部２０９で発生されたパルス信号は、図８の４段目に示されている。同図に示されているように、ＵＷＢパルス発生部２０９での回路遅延Ｃ（ナノ秒）が存在する。
【００６０】
ここで、コンパレータ２０８の比較基準電圧には、積分器２０４の出力信号が用いられる。図９は、検波器２０３の出力波形（図９Ａ参照）と、この検波器２０３の出力波形が入力された場合の積分器２０４の出力波形（図９Ｂ参照）が示されている。図９Ａ及び図９Ｂの両方に周期的に現れている大きなピーク部分は、受信パルス信号に対応し、それ以外の部分は、ノイズ信号成分に対応する。
【００６１】
図９Ａを見て明らかなように、検波器２０３の出力信号には、信号レベルの大きいノイズ信号成分が多く含まれる。従って、検波器２０３の出力信号において、ピーク部分とノイズ信号成分とを明確に分離することは困難である。この検波器２０３の出力信号をコンパレータ２０８の比較基準電圧に用いる場合には、ノイズ信号成分の影響によって比較基準電圧の精度が低下し、この結果、無線端末２００の送信パルス信号列には、受信パルス信号列に含まれるパルス信号と対応しない雑音パルス信号が含まれてしまう可能性がある。
【００６２】
一方、図９Ｂを見て明らかなように、積分器２０４で入力信号が積分処理されることにより、ノイズ信号成分の多くが取り除かれる。これは、ノイズ信号成分のランダム性によるものである。従って、積分器２０４の出力信号においては、ピーク部分とノイズ信号成分とを精度良く容易に分離することができる。
【００６３】
このように積分器２０４でノイズ成分が除去された信号のレベルを用いることにより、コンパレータ２０８の比較基準電圧が好適化されるため、無線端末２００によって受信されるパルス信号列と送信されるパルス信号列とが一致する確率を高めることができる。
【００６４】
さらに、積分器２０４における上記１６相のオン時間においては、無線端末２００の受信信号が非常に弱い場合（つまり、信号対雑音比が０デシベル程度の場合）にも、基地局１００と無線端末２００との連携により、測距感度を改善することができる。すなわち、無線端末２００の受信信号レベルが小さい場合には、コンパレータ２０８の閾値（つまり、比較基準電圧）が雑音をコンパレートするレベルとなってしまうので、無線端末２００は、雑音に対してもパルスを送出するようになってしまう。すなわち、雑音パルス信号が送出されてしまう。一方、基地局１００では積算処理が行われることにより処理利得が得られる。これにより、無線端末２００によって誤って放出された雑音パルス信号の影響が除去される。
【００６５】
ここで、無線端末２００は、コンパレータ２０８によって２値化された比較結果に基づいたパルス信号を送出する。このため、雑音と所望信号とのレベル比が、雑音パルス信号が送出される確率と一致する。従って、無線端末２００の内部で雑音のみが検出される場合には、コンパレータ２０８がコンパレート動作しないことが望ましい。具体的には、本実施の形態では同期処理が行われるので、コンパレータ２０８がパルスと雑音とをコンパレートする部分を、パルス信号及び当該パルス信号の±８ナノ秒程度の部分のみに限定することできる。こうすることで、その他の部分では、コンパレート動作自体が行われずパルスが送信されることがないので、信号対雑音値が向上したと見なすことができる。本実施の形態ではフレーム周期が１００ナノ秒で粗同期周期が６．３ナノ秒としているので、粗同期を行うことにより、信号対雑音比は、１／（６．３／１００）＝１５．９倍（つまり、１２デシベル）だけ改善される。
【００６６】
このように、無線端末２００において受信信号の積分処理による感度改善が行われなくても、基地局１００が受信パルス信号を積分処理することにより、基地局１００と無線端末２００による測距処理全体の感度の改善が見込まれる。
【００６７】
以上で説明した無線端末２００の測距動作において、タイミング制御部２０６は、クロック信号を出力し、増幅器２０２、検波器２０３、コンパレータ２０８、及びＵＷＢパルス発生部２０９の動作タイミングを制御する。
【００６８】
ここで、上記した検波器２０３、コンパレータ２０８、及びＵＷＢパルス発生部２０９の回路遅延Ａ、Ｂ、Ｃがそれぞれ６〜７ナノ秒だとする。この場合には、タイミング制御部２０６は、増幅器２０２に入力される基準タイミング信号がクロック信号Φｎなので、検波器２０３、コンパレータ２０８、及びＵＷＢパルス発生部２０９には、それぞれクロック信号Φｎ＋１、Φｎ＋２、Φｎ＋３が出力される。
【００６９】
また、ここでは、検波器２０３、コンパレータ２０８、及びＵＷＢパルス発生部２０９の電源は常時オンされており、検波器２０３、コンパレータ２０８、及びＵＷＢパルス発生部２０９の作動タイミングは制御されていない。しかしながら、省電力化を実現するために、タイミング制御部２０６から受け取るクロック信号に基づいて、検波器２０３、コンパレータ２０８、及びＵＷＢパルス発生部２０９をオン／オフしても良い。
【００７０】
〈基地局１００の測距動作〉
無線端末２００から放出されたパルス信号列は、基地局１００で受信される。
【００７１】
基地局１００のパルス検出部１０５では、受信パルス信号を検波され、得られた検波結果信号が積分部１０６に出力される。
【００７２】
積分部１０６は、パルス検出部１０５から受け取る検波結果信号を、短周期クロック信号に同期してサンプリングする。上記したように短周期は１ナノ秒程度なので、積分部１０６では、高速なサンプリング処理が行われる。
【００７３】
そして、積分部１０６は、複数の長周期において、サンプル信号を短周期クロック番号別に積分する。
【００７４】
距離算出部１０７は、積分値の最も大きい短周期クロック番号に基づいて、基地局１００と後述する無線端末２００との間の距離を算出する。
【００７５】
以上のように本実施の形態によれば、無線端末２００において、測距動作と同期確立動作とで信号の経路が異なり、測距動作が行われる際には、コンパレータ２０８に対して検波結果が積分器２０４を経由することなく入力される。
【００７６】
これにより、無線端末２００の測距動作に積分処理が含まれないので、積分処理による遅延時間が発生せず、基地局１００と無線端末２００とによって行われる距離測定の精度を向上することができる。
【００７７】
また、測距動作において、コンパレータ２０８で用いられる比較基準電圧には、積分器２０４で得られた積分結果が用いられる。特に、基準データには、同期確立動作で確立された同期タイミングについて得られた積分結果が用いられる。
【００７８】
これにより、検波信号からノイズ信号成分が取り除かれた積分結果を比較基準電圧として用いるので、比較基準電圧が適正化される。この結果、基地局１００と無線端末２００とによって行われる距離測定の精度をさらに向上することができる。
【００７９】
また、無線端末２００において、タイミング制御部２０６は、測距動作が行われる測距期間において、同期タイミングでは増幅器２０２をオンさせ、同期タイミング以外のタイミングでは増幅器２０２をオフさせる。
【００８０】
これにより、無線端末２００における省電力が図られる。さらに、同期タイミング以外のタイミングで受信するノイズ信号成分が増幅器２０２の後段に出力されないので、測距処理におけるノイズ信号成分による悪影響を軽減することができる。さらに、特定のタイミング以外では、無線端末の増幅器の電源がオフされている。従って、無線端末において受信した基地局からの送信信号が再び、無線端末の受信アンテナに回り込むことを防止でき、発振動作等の誤動作を起こすことを防ぐことができる。
【００８１】
また、無線端末２００において、タイミング制御部２０６は、同期確立動作が行われる同期確立期間では、積分器２０４をオンさせ、測距期間では、積分器２０４をオフさせる。
【００８２】
これにより、測距期間において無線端末２００の消費電力を削減することができる。
【００８３】
また、基地局１００において、積分部１０６は、パルス検出部１０５から受け取る検波結果信号を、短周期クロック信号に同期してサンプリングし、サンプリングされた信号を短周期クロック番号別に積分する。
【００８４】
これにより、受信タイミング候補を細かく設定することが可能となり、受信タイミングの検出精度を向上することができる。また、細かく設定された受信タイミング候補ごとにサンプリングされた信号を積分しているので、サンプリングされた信号に含まれるノイズ信号成分を除去することができる。すなわち、無線端末２００の測距動作では改善されない信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を改善することができる。このため、受信タイミングの検出精度がさらに向上する。従って、精度良く検出された受信タイミングを用いた離間距離算出が可能となり、距離測定の精度を向上することができる。
【００８５】
（実施の形態２）
図１０は、本発明の実施の形態２に係る無線端末３００の構成を示すブロック図である。図１０において、図４と同じ符号を有するブロックは、実施の形態１で説明した動作と同じ動作を行う。図１０において、無線端末３００は、タイミング制御部３０１を有する。タイミング制御部３０１は、タイミング処理部３０２と、タイミング処理部３０３と、発振器３０４とを有する。図４の無線端末２００も明示しない発振器を有しているが、図１０では、特に、タイミング処理部３０２及びタイミング処理部３０３に接続されている発振器３０４が明示されている。
【００８６】
タイミング処理部３０２は、実施の形態１で説明した無線端末２００のタイミング制御部２０６と同様の処理を行う。すなわち、タイミング処理部３０２は、第１の同期確立期間において確立された第１の同期タイミングに基づいて、増幅器２０２、積分器２０４、及びデータ保持部２０７の動作を制御する。
【００８７】
タイミング処理部３０３は、測距期間と重なる第２の同期確立期間において確立された第２の同期タイミングに基づいて、増幅器２０２、積分器２０４、及びデータ保持部２０７の動作を制御する。
【００８８】
発振器３０４は、タイミング処理部３０２及びタイミング処理部３０３において単位積分期間制御信号を生成するために用いられる基準信号を発振する。発振器３０４は、例えば、水晶発振器である。通常、民生分野に於いて実用的な水晶発振器の精度は、数十ｐｐｍから数ｐｐｍ程度である。
【００８９】
ここで、発振器３０４の精度と単位積分期間との関係について説明する。ここでは、無線測距システムにおいて用いられるＵＷＢパルスのパルス幅は、１ナノ秒から２ナノ秒程度であり、単位積分期間は、実施の形態１と同様に６．３ナノ秒とする。また、水晶発振器の精度が、１０ｐｐｍであるとする。
【００９０】
基地局１００の周波数基準の精度が１０ｐｐｍに比べて十分良いと仮定した場合、無線端末３００の発振器３０４の精度が１０ｐｐｍとすると、基地局１００と無線端末３００との間で同一周期（例えば長周期）とみなされていた信号が６．３ナノ秒（１６相のオン期間の内の１相のオン期間に相当）のずれが生じるまでに、６３００００ナノ秒だけ掛かる。一方、単位積分期間を設定するまでには、実施の形態１で説明したように、１６相のクロック信号の出力が一巡する必要があり、１２８（パルス）×１００（ナノ秒／パルス）×１６（相）＝２０４８００（ナノ秒）の時間が必要となる。従って、同期確立動作が確立するまでに１６相クロックがずれるズレ量は、許容範囲に収まる。
【００９１】
しかしながら、実施の形態１で説明した同期確立動作が完了した後の測距動作の連続処理時間が６３００００ナノ秒より長くなる場合には、一度確立した同期がはずれてしまう。これに対応するために、単純にクロック相の数を１６から少なくすることも考えられる。しかしながら、感度又は消費電力に関する劣化が生じてしまう。そこで、本実施の形態においては、タイミング制御部３０１が次のように動作する。
【００９２】
タイミング制御部３０１のタイミング処理部３０３が、測距期間内に含まれる第２の同期確立期間において確立された第２の同期タイミングに基づいて、増幅器２０２、積分器２０４、及びデータ保持部２０７の動作を制御する。
【００９３】
すなわち、タイミング処理部３０２が第１の同期タイミングに固定して測距動作に移行した後も、タイミング処理部３０３が、第２の同期確立期間においてレベル検出部２０５で特定された期間識別番号に基づいて、増幅器２０２、積分器２０４、及びデータ保持部２０７の動作を制御する。
【００９４】
基地局１００の発振器と無線端末３００の発振器の精度が異なるため、前回の同期確立時から６３００００ナノ秒だけ経過すると、レベル検出部２０５で特定された期間識別番号が１つだけずれる、つまり、積分値が最大となる位相が１６相の中で隣の相へ移行する。従って、タイミング処理部３０３は、測距動作中における同期クロックの位相の変化量をタイミング処理部３０２へ通知することにより、タイミング処理部３０２に、第２の同期タイミングに基づいて、増幅器２０２、積分器２０４、及びデータ保持部２０７の動作を制御させる。
【００９５】
以上のように本実施の形態によれば、タイミング処理部３０２が第１の同期タイミングに固定して測距動作に移行した後も、タイミング処理部３０３が、第２の同期確立期間においてレベル検出部２０５で特定された期間識別番号に基づいて、増幅器２０２、積分器２０４、及びデータ保持部２０７の動作を制御する。
【００９６】
こうすることで、測距期間において同期がはずれてしまうことを防止できるので、信号対雑音比の劣化を防止でき、正確な測距を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明の無線測距システム、及び、無線端末は、ＵＷＢ通信方式を用いる場合に、距離精度を向上するものとして有用である。
【符号の説明】
【００９８】
１００  基地局
１０１  タイミング信号出力部
１０２  送信パルス発生部
１０３，２１０  送信アンテナ
１０４，２０１  受信アンテナ
１０５  パルス検出部
１０６  積分部
１０７  距離算出部
２００，３００  無線端末
２０２  増幅器
２０３  検波器
２０４  積分器
２０５  レベル検出部
２０６，３０１  タイミング制御部
２０７  データ保持部
２０８  コンパレータ
２０９  ＵＷＢパルス発生部
３０２，３０３  タイミング処理部
３０４  発振器
【図１】
2010164555.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2010164555.tif 000010
【図９】
2010164555.tif 000011
【図１０】
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