(57)【要約】  相対的に移動している対象物間の周波数対の比率としてデータを送信するように構成された通信手段を備えているデータ通信装置が開示されている。この技術は、空気中の超音波周波数での音響データ通信に特に適用可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数対の比率としてデータを送信するように構成された通信手段を備えてなる、データ通信装置。
【請求項２】
前記比率が２を超える数の可能な値を有してなる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記比率の可能な値の数が２の整数累乗である、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
送信されるデータを前記可能な値のうちの１に変換するよう構成されている、前記データをコード化するためのコード化手段を備えてなる、請求項２または３に記載の装置。
【請求項５】
前記可能な値が、最小比率と最大比率との間を等しく分割したものである、請求項２、３または４に記載の装置。
【請求項６】
音波信号を送信するように構成されてなる、請求項１乃至５のうちのいずれか一つに記載の装置。
【請求項７】
前記信号が２０ｋＨｚを超える周波数を有してなる、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記周波数対を同時に送信するように構成されてなる、請求項１乃至７のうちのいずれか一つに記載の装置。
【請求項９】
前記周波数対を順次送信するように構成されてなる、請求項１乃至７のうちのいずれか一つに記載の装置。
【請求項１０】
受信手段をさらに備えており、前記通信手段は、前記受信手段が前記周波数対を同時に検出することができる十分な速さで前記周波数対を順次送信するように構成されてなる、請求項１乃至７のうちのいずれか一つに記載の装置。
【請求項１１】
前記受信手段が高速フーリエ変換を実行するように構成されており、前記通信手段が、前記受信機の単一高速フーリエ変換フレーム中に前記周波数対を送信するように構成されてなる、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
それぞれが固有の識別コードを送信するように構成された複数の通信手段を備えてなる、請求項１乃至１１のうちのいずれか一つに記載の装置。
【請求項１３】
周波数対を有する複数の信号としてデータをコード化することと、
前記周波数対を送信することと、
各周波数対を受信することと、
該周波数の比率を決定することと、
該周波数の比率からデータをデコード化することと
を含むデータ通信方法。
【請求項１４】
前記比率が２を超える数の可能な値を有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記比率の可能な値の数が２の整数累乗である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
送信されるデータを前記可能な値のうちの１つに変換することを含む、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記可能な値が、最小比率と最大比率との間を等しく複数に分割したものである、請求項１４、１５または１６に記載の方法。
【請求項１８】
音波信号を送信することを含む、請求項１３乃至１７のうちのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１９】
２０ｋＨｚを超える周波数で信号を送信することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記周波数対を同時に送信すること含む、請求項１３乃至１９のうちのいずれか一つに記載の方法。
【請求項２１】
前記周波数対を順次送信することを含む、請求項１３乃至１９のうちのいずれか一つに記載の方法。
【請求項２２】
前記周波数対を同時に受信することができる十分な速さで前記周波数対を順次送信することを含む、請求項１３乃至１９のうちのいずれか一つに記載の方法。
【請求項２３】
受信された信号に対して高速フーリエ変換を実行することを含んでおり、前記周波数対が、単一高速フーリエ変換フレームにおいて送信される、請求項２２に記載の方法
【請求項２４】
複数の通信手段の各々が固有の識別コードを送信することを含む、請求項１３乃至２３のうちのいずれか一つに記載の方法。
【請求項２５】
周波数対の比率としてデータを送信するように構成された送信機。
【請求項２６】
前記比率が２を超える数の可能な値を有してなる、請求項２５に記載の送信機。
【請求項２７】
前記比率の可能な値の数が２の整数累乗である、請求項２６に記載の送信機。
【請求項２８】
送信されるデータを前記可能な値のうちの１つに変換するように構成されている、前記データをコード化するためのコード化手段を備えてなる、請求項２６または２７に記載の送信機。
【請求項２９】
前記可能な値が、最小比率と最大比率との間を等しく分割したものである、請求項２６、２７または２８に記載の送信機。
【請求項３０】
音波信号を送信するように構成されてなる、請求項２５乃至２９のうちのいずれか一つに記載の送信機。
【請求項３１】
前記信号が、２０ｋＨｚを超える周波数を有してなる、請求項３０に記載の送信機。
【請求項３２】
前記周波数対を同時に送信するように構成されてなる、請求項２５乃至３１のうちのいずれか一つに記載の装置。
【請求項３３】
前記周波数対を順次に送信するように構成されてなる、請求項２５乃至３１のうちのいずれか一つに記載の装置。
【請求項３４】
周波数対を検出し、周波数対の比率を求め、該比率からデータをデコードするように構成されてなる、受信機。
【請求項３５】
受信された信号に対して高速フーリエ変換を実行するように構成されてなる、請求項３４に記載の受信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相互に移動している対象物間、たとえば移動している送信機と固定の受信機との間におけるデータの通信に関するものである。これは、特に、空気中において超音波周波数（約４０kHz）で音響データを通信することに適用可能であるが、それのみに限定されない。
【背景技術】
【０００２】
WO03/087871には、複数の超音波送信機タグがどの部屋に配置されているか判別可能な超音波通信に基づく位置決めシステムが開示されている。各タグは固有の識別信号を送信するようになっている。全ての部屋には受信機が設けられており、識別信号はこのうちの一つにより受信される。
【０００３】
出願人は、このような現在の超音波測位システムが、データ転送速度において大きく制限される音響データリンクを用いていることを発見した。このことは、正確に追跡することができるはずの対象物／人の数および／または更新速度、特に部屋の内外に迅速に移動する複数の人／対象物の正確な追跡を制限することになる。
【０００４】
出願人が知っている最も高度な音声通信システムは水中音響学で用いられるものである。第一世代のデジタルモデムは、周波数偏移キーイング（ＦＳＫ）に基づくものであった。これは、ＦＳＫがチャネルの時間および周波数の拡散の点が優れていたからである。ところが、ＦＳＫは帯域幅の使い方という点では非効率であった。そのため、近年、デー・ビー・キルフォイル（D B Kilfoyle）およびエー・バゲロー（A．Baggeroer）、「水面下の音響の遠隔計測」、IEEE Trans. Ocea. Eng., OE-25,1-1111（2000）に記載されているような、例えば様々な形態の位相偏移キーイング（ＰＳＫ）に基づく、より効率的なコヒーレントシステムを開発するために大きな努力がなされている。ほとんどの場合、適応等化と組み合わされている。それにもかかわらず、実際には、インコーヒレントＦＳＫやＭＦＳＫ（多重ＦＳＫ）システムが信頼性のある通信を提供するにあたって大きな役割を果たしている。通常、このようなシステムは、非適応的なものであり、予測される最悪の環境に対応するために十分な帯域幅を考慮して設計されている。つまり、通常の好条件の下では、システムが帯域幅とパワーの点において非効率的に動作することになる。このような非効率性が著しくなる場合がある。この低い帯域幅効率を引き起こす設計制約条件のうちの１つが、ドップラー効果による周波数偏移の存在である。
【０００５】
送信機および受信機が互いに近づく方向にまたは互いに離れていく方向に向かって移動している場合は、各波面が２つの間を伝搬しなければならない距離が異なるので、受信機で検出された信号の周波数は送信機により送信された信号の周波数とは異なる。これはドップラー効果として知られている。
【０００６】
音速の比較的低い値は、比較的大きい振動数にシフトする低速移動を生じさせる。正の値のｖは発信源から受信機の方向に向かう移動を意味する相対的な移動をｖとすると周波数は以下のように偏移する。
【０００７】
【数１】
2009518918.tif 000003
【０００８】
この式において、ｆは元の周波数であり、ｃは音速である（たとえば、空気中において約340 m/sであり、水中で約1500 m/sである）。
【０００９】
一例では、２５kHzの中心周波数で動作し、１０ノットの速度のＡＵＶ（自動潜水船）上で用いられる水中音声通信システムは、８６Hzまたは中心周波数の典型的な相対帯域幅１０％（すなわち、2500 Hz）の３.４％のドップラーシフトを受けることになる。６ｋm/h（早足）の速度で移動している送信機から４０kHzで送信する飛行中の超音波通信システムは、196 Hzというより大きなドップラーシフトまたは典型的な相対帯域幅１０％（すなわち、4000 Hz）の４.９％のドップラーシフトを受けることになる。
【００１０】
ドップラーシフトは、相対運動に応じて周波数を上方にまたは下方に偏移させる。ＭＦＳＫは、複数の周波数を同時に用い、複数のＦＳＫシステムが並列に動作しているものと考えることができる。周波数間に課せられた唯一の関係は、これらの周波数がオーバラップしてはいけないということである。ＭＦＳＫシステムでは、周波数の間隔をパルス長の逆数Ｂ＝１/Ｔの値まで近くすることが理論的に可能であり、そうなることが望ましい。しかしながら、ドップラーシフトｆD = ｆ’−ｆは簡単にこの間隔を大きく超えることから（｜ｆD｜＞＞Ｂ）、使用可能な周波数の数およびひいてはビット転送速度を実質的に制限することになる。
【００１１】
ドップラーシフトに対応する標準的な方法は、最大のドップラーシフトに以下に示す所定の保護領域ｆgを加えた分だけ周波数の間隔をあけることである。
【００１２】
【数２】
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【００１３】
ΔｆとＢの比率は非常に大きい場合がある。このことは、トランスデューサの帯域幅は限られていることから、この方法に従うことで実施可能な有効データ転送速度が損失することを表わしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記の変調方法は、無線通信においてよく用いられる方法を適応したものである。しかしながら、本発明の目的は、音響環境により適した方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
第一の態様によれば、本発明は、転送手段を含むデータ通信システムを提供している。
【００１６】
第二の態様によれば、本発明は、データを周波数対が含まれる複数の信号にコード化すること、周波数対を送信すること、各周波数対を受信すること、この周波数の比率を決定すること、および、この周波数の比率からデータをデコード化すること、を含むデータ通信方法を提供している。
【００１７】
また、本発明は、周波数対の比率としてデータを送信するように構成された送信機を含んでいる。さらに、本発明は、周波数対を検出し、この周波数対間の比率を求めるように構成された受信機を含んでいる。
【００１８】
したがって、明らかなように、本発明によれば、ＦＳＫのような公知のデータ送信方法とは対照的に、データが搬送波信号の周波数の値にコード化されるのではなく、データビットが、１対の搬送波信号間の振動数比率により表わされる。
【００１９】
２つの周波数の比率としてデータをコード化することによる主な利点は、送信機と受信機との間の相対的な運動に起因して発生するドップラーシフトの下においても変化しないということである。以下、このことを説明する。
【００２０】
ドップラー効果の結果として上述されているように送信される周波数ｆ1、ｆ2は、それぞれ以下の式により与えられる周波数の偏移を受けることになる。
【００２１】
【数３】
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【００２２】
【数４】
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【００２３】
しかしながら、送信される信号の周波数の絶対値でデータをコード化するのではなく、データが、本発明に従って、信号の周波数対の比率でコードされる場合には、受信される信号は以下のようになる。
【００２４】
【数５】
2009518918.tif 000007
【００２５】
したがって、ドップラーシフトの下であっても、当初の比率は正確に保持されることになる。このことは、少なくとも送信機と受信機との間における等速度移動に起因するドップラーシフトに対応できることから、さらなる帯域幅を必要とすることがなく、通信システムが移動に対して頑強なものであることを意味する。したがって、利用可能な帯域幅をデータ伝送に非常に効率的に用いることができる。例えば、従来のＦＳＫ方式で必要であった大きな保護領域はもはや必要ではない。
【００２６】
最も単純な実施形態では、２つの利用可能な比率値だけを用いて、データを個々の単一ビットにコード化する。このことは、比率を構成するトーンを非常に密な間隔で並べることができるので、必要とされる帯域幅を非常に狭くすることができる。しかしながら、与えられた帯域幅に対してデータ転送速度を向上させることができるように、２つよりも多い利用可能な比率が用いられることが好ましい。例えば、好ましい実施形態では、利用可能な比率の数を複数のビットを一度に送信できるように２の累乗とする。例えば、６４の利用可能な比率値がある場合、各時間スロットにおいて、６ビットのデータを送信することが可能となる。上述のように、これらが標準的なドップラーシフトにより影響されないため、与えられた帯域幅に対して非常に多くの比率値が利用可能である。より好ましくは、利用可能な比率の範囲が等しい増分に分割され、各々が利用可能なデータ値に対応するように構成されている。
【００２７】
この比率は、連続する時間スロット毎に、搬送波のうちの一方または両方の絶対値を変更することにより、変更するようにしてもよい。
【００２８】
本発明は電磁波を用いるデータ通信にも適用することができるが、一般的に地球上における通常の速度で移動する送信機が受けるドップラーシフトは１/Ｔと比較して小さい。そのため、本発明の用途は、音波通信が好ましく、最も好ましいくは超音波通信である。音波とは、流体媒体内の粗密波のことである。なお、これらの波を表す周波数または他のパラメータに関してなんらかの推論が行われることを意図するものではない。超音波通信とは、正常聴力範囲より高い周波数を有する波のことを意味している。従来、この周波数は、２０ｋＨｚを超える周波数を意味すると考えられている。
【００２９】
本発明によれば、データは、２つの周波数における一対の信号間の比率としてコード化される。一部の実施形態では、信号を同時に送信することがある。しかしながら、２つの周波数を必ずしも同時に送信する必要はない。たとえば、他の実施形態では、これらは順次送信されるようになっている。これは、どのような場合でも１つの周波数しか発生しないことになるため、使用する発振器は１つでよいという利点がある。このような方法は、各ビットの送信に二倍の時間がかかるので、同時送信と比較して、必然的にデータ転送速度を減少させるが、大きな保護領域を確保する必要がないため、公知の方法に比べて著しい改良を達成することができる。
【００３０】
一対の信号が同時に送信されない場合、これらの信号は他の信号によって分離されてもよい（例えばインターリービング法に従って）。しかしながら、一対の信号は相次いで、すなわち交互に送信されることが好ましい。このような好ましい実施形態には、一対の信号が十分早く連続して送信され、一対の信号が同時に送信されたかのように一対の信号を検出できるものもある。これらの実施形態の場合、受信機は上記の順次送信を同時として検出するように構成されていることが好ましい。例えば、受信機は、デコード化する際、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いてもよい。この場合、ＦＦＴフレームのサイズは２つの信号を同一のＦＦＴフレーム内に含むようにする。例示する実施形態では、１対の信号のうち、第一の信号は１ミリ秒の間送信され、１ミリ秒未満のギャップのあと、さらに第二の信号が１ミリ秒の間送信されるようになっている。
【００３１】
一部の実施形態では、一対の信号の送信は１回、２回、または３回以上繰り返されてもよい。これにより送信誤差は軽減される。
【００３２】
データを２つの周波数間による比率にコード化することに代えて、より多くの周波数を用いるようにしてもよい。その際、データは、それぞれの周波数対に対応する比率にコード化されるようにしてもよい。例えば、ベース周波数があり、それよりも高い周波数および低い周波数が複数あってもよい。この場合、データは、各周波数とベース周波数との間の比率にコード化されるようにする。出願人は、より高い／より低い周波数のうちの一部または全部の比率を併せて測定することにより、この方法において受信機により受信されたデータの照合が可能であることをさらに認識した。
【００３３】
上述の方法は、多重周波数偏移キーイング（ＭＦＳＫ）システムと類似点を共有しているが、従来のＭＦＳＫ理論が示唆するよりもはるかに密な間隔で周波数を並べることができるよう、データをそれらの絶対値ではなく周波数の比率でコード化するという重大な違いを有している。
【００３４】
本発明の好ましい用途の１つは、複数の人または対象物をある部屋に配置するための超音波システムである。超音波はこのような用途に特に適している。というのは、超音波は、その信号が壁を透過したり、戸口で回折したりなどしないため、部屋に効果的に閉じこめられるという特性を有しているからである。また、超音波は、日光により無力化されやすい赤外線通信などに比べ環境障害を受けにくい。
【００３５】
しかしながら、超音波通信を用いて達成可能なデータ転送速度の向上に関し、本発明の原理が有益となりうる応用例はまだある。第一の例は、ＡＵＶ（自動潜水船）のような移動するプラットフォームとの水面下データ通信である。水中においては、音速が比較的速いためドップラーシフトの問題は削減されるものの、送信機と受信機と相対速度は大きくなる傾向にある。
【００３６】
他の例は、リモートコントロール用途、とくに産業環境の下におけるリモートコントロール用途である。上述したように、超音波は直線見通し線が必要ではなく（赤外線送信などには必要である）、また、隣の部屋の機械を間違って制御してしまうという危険性がない。この点、産業用ロボットが関与しているところでは非常に危険となりうる（無線周波数送信ではそのような危険性がありうる）。もちろん、本発明によれば、従来よりも高いデータ転送速度を達成することができる。
【００３７】
有益な応用例の第三の例は、超音波信号が部屋で閉じこめられることを利用する装置（例えば、無線コンピュータキーボード）間の無線通信である。この状況における盗聴の防止に顕著な効果がある。
【００３８】
さらに潜在的に可能性のある重要な応用例は、心臓監視装置のような監視デバイスから基地局へ患者のデータを送信する無線通信である。この応用例により、患者が静止状態でなくとも、患者から基地局へ送られるデータをリアルタイムで更新することが可能となる。このような用途において超音波を用いることは、上述のプライバシの観点から、または、ヒト組織またはペースメーカーのようなデバイスの近くに無線送信機を設ける必要がなくなることから、有益であると考えられる。
【００３９】
ここでは受信機が各データワードについて２つのトーンの検出を１つの場合よりも正確に行う必要があることから、与えられた範囲、送信パワー、雑音レベルなどによって、全体として検出可能範囲が減少する。言い換えれば、与えられた全体の最小検出率（たとえば、９９％）を満足するために、個々のトーンに対する検出率を上げる必要がある。実際問題として、このことは、わずかに低い範囲を受け入れるか、または、わずかに高い送信機パワーを用いなければならないことを意味する。しかしながら、本発明の少なくとも一部の実施形態によればデータ転送速度を著しく増大させることができるため、上記の問題は比較的小さなものであると考えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
ここで、本発明の技術範囲を制限するものではない添付の図面を参照しながら特定の具体例および実施形態を用いて、本発明を説明する。
【００４１】
図１には単純な多重周波数偏移キーイング（ＭＦＳＫ）システムが示されている。このシステムは、利用可能な、中央周波数ｆｃを中心とする利用可能な帯域幅Ｗを備えている。したがって、用いることができる最小周波数および最大周波数は、それぞれｆmin＝ｆc−Ｗ/２でありｆmax＝ｆc＋Ｗ/２である。
【００４２】
帯域幅は、５つずつある０と１にそれぞれ対応する周波数対ｆi,0およびｆi,1に分割される。図１に示されているようなデジタル信号1001000を送信するためには、第１のビット１は周波数ｆ1,1におけるトーンを送信することにより送信される。この周波数ｆ1,1とは、５つの対のうちの最下部からの「１」のビットの周波数のことである。「０」である次のビットは、第二の周波数対を用いて、この場合は周波数ｆ2,0で送信される。次の「０」ビットは第三の周波数対を用いて、すなわち、周波数ｆ3,0で送信される。４番目の「１」ビットはｆ4,1で送信される。５番目の「０」ビットは最後の対を用いて、ｆ5,0で送信される。６番目のビットは、再び最初の対を用いてｆ1,0で送信される。最後までこのように進んでいく。
【００４３】
このように周波数対を循環させるのは、残響によって生じる前の信号と後の信号との干渉を回避できるよう、周波数を再び使用するまでの時間間隔ＧＩを最大化しようとするためである。ある周波数を再使用するまでの最小時間間隔は、ガードインターバルとして知られている。このガードインターバルが必要であることから、実施可能な最大データ転送速度がある程度制限されることは明らかである。
【００４４】
図を明確にするために周波数対の循環が記載されているが、ＭＦＳＫ法は複数のトーンを同時に送信することができる。
【００４５】
図から明らかなように、周波数ｆi,0およびｆi,1は、帯域幅全体にわたって分布されている。隣接する周波数がドップラーシフトを受けた場合に信号間の干渉を防ぐため、隣接する周波数の間の間隔ＦＳは必要である。そのため、周波数対が再循環するまでに利用可能な周波数対の数が制限されてしまい、最大データ転送速度も制限されてしまう。通常、最小離間距離は、送信機と受信機との間の相対的運動から予測される最大周波数偏移によって設定する。
【００４６】
ここで、本発明にかかるコード化の方法を記載する。
【００４７】
必要となる帯域幅パラメータには、３つのパラメータがある。すなわち、利用可能な帯域幅Ｗと、中心周波数ｆcと、パルス長Ｔの逆数である同期式多重周波数システムの絶対最小間隔Ｂ（＝１/Ｔ）である。非同期式システムでは、処理フレームとパルス長とのオーバラップ量により有効パルス帯域幅が決まるので、絶対最小間隔としてより大きな間隔を用いなければならない。たとえば、間隔が２倍、すなわち２Ｂになる場合もある。
【００４８】
また、重要な時間領域パラメータとして、Ｔ（パルス長）と、ｔr（残響時間、またはある周波数を再び利用することができるまでの時間（図１のガードインターバルＧＩと等価））と、ａmax（最大予測加速度）の３つのパラメータがある。
【００４９】
ここでは、短い通信（突発）が送信され、２つの周波数間の各比率が一度だけ用いられる場合のコード化の方法について説明する。連続的な送信の場合には、より精巧な方法が考えられる。ある用途下では処理装置が用いられ、周波数および周波数比率をできる限り再使用しないという判断基準に沿って、最適な周波数間隔を見つけるための検索アルゴリズムが実行される。
【００５０】
突発的なデータのコード化アルゴリズムについての提案の１つは以下のとおりである。先の場合と同様に、利用可能な最小周波数および最高周波数は、それぞれｆmin＝ｆc−Ｗ/２およびｆmax＝ｆc＋Ｗ/２である。与えられたパラメータから、単一パルスに関して加速による最大周波数偏移は、次のように決定される。
【００５１】
【数６】
2009518918.tif 000008
【００５２】
これは必須要件ではないが、本例では送信周波数間の最小間隔をセットする場合に考慮に入れられる。加速によるドップラーシフトを考慮に入れると、最小周波数距離は次のとおりである。
【００５３】
【数７】
2009518918.tif 000009
【００５４】
これが上述の式２と比較され、ｆaが０（すなわち一定速度）にセットされると、ドップラーシフトを考慮に入れる必要がなくなるため、周波数を非常に密接に分布させることができる。
【００５５】
情報がコード化されて２つの周波数の比率になるので、これは、Δr＝Δｆ/ｆminに変換することができる。Δｒは２つの周波数比率の起こりうる最も小さな差である。必要な周波数間隔により、最小比率は次のとおり設定される。
【００５６】
【数８】
2009518918.tif 000010
【００５７】
これに対応する最大比率ｒmaxは、ｆmax/ｆminと同じ大きさとなる。すなわち、利用可能な帯域幅すべてを用いる。しかしながら、これにより２つの周波数ｆ1およびｆ2を自由に選択できなくなる。大きな周波数比率を実現し、実際のｆ1やｆ2の値をある程度自由に選択できるように、最大比率はなるべく制限される。この例では、利用可能な帯域幅の２／３に制限する（つまり、次のとおりである）が、他の制限を用いてもよい。
【００５８】
【数９】
2009518918.tif 000011
【００５９】
実際のコード化は、ｒminからｒmaxまでの比率の範囲を等しい線形の増分ごとに分割し、各線形の増分にデータワードまたはデータ記号を割当ることによって実行される。利用可能な記号の数は次の式から与えられる。 
【００６０】
【数１０】
2009518918.tif 000012
【００６１】
図２に示す例では６４の記号が存在する。
【００６２】
したがって、記号には｜log２ｎsym｜の数のビット、すなわち、前の例では６ビットをコード化することができる。記号転送速度が１/Ｔであるので、ビット転送速度は次の式から与えられる。
【００６３】
【数１１】
2009518918.tif 000013
【００６４】
以上の計算では、記号に用いる未使用周波数は常に利用可能であると仮定しているが、この仮定は短い通信での仮定としては合理的なものである。長い通信については、残響時間ｔｒが過ぎた後、再度用いる周波数を自由に（開放）する機構が必要となる。
【００６５】
ここで、上記の分析の一例として、歩行者により送信機が持ち運ばれているような用途の場合について説明する。中央周波数ｆｃを３５kHz、帯域幅Ｗを５kHzとすると、３２.５kHzからｆmax＝３７.５kHzまでの周波数範囲が与えられる。最大ドップラーシフトは、速い歩行ペース（すなわち６km/hまたは６/３.６＝１.６７m/s）により算出されると仮定する。最大加速度ａmaxを０.５m/s２と仮定し、各トーンの残響が最大０.２ｓまで持続する空間でシステムが動作するとする。
【００６６】
次のパルスが送信される前にほとんどのエネルギが消滅するように、パルス長を最大残響時間よりもはるかに大きくなければならない。したがって、パルス長をＴ＝０.０５秒とするとパルス帯域幅はＢ＝ｌ/Ｔ＝２０Hzとなる。
【００６７】
比較例として、ＭＦＳＫを用いる従来型の通信システムのデータ転送速度を計算する。このようなシステムでの最大のドップラーシフトは、＋/−ｖ/ｃ×ｆｃ＝＋/−（１.６７/３４０）×３５０００＝＋/−１７２Hzである。これに、パルス長帯域幅２×Ｂ＝４０Hzおよび加速による周波数明確分が追加される。この加速により、以下の周波数不明確分すなわち周波数変移が生じる。 
【００６８】
【数１２】
2009518918.tif 000014
【００６９】
これらが、すべて加算されると、単一トーンの変動範囲が与えられる。
【００７０】
【数１３】
2009518918.tif 000015
【００７１】
これは、利用可能な帯域幅において５kHz/（２×２２２）Hz＝１１.３の数の周波数を用いることができることを意味する。つまり、実質的には５の周波数対または１０の異なる周波数を用いることができる。また、残響のために、単一の周波数において１/０.２ｓ＝毎秒５回を超える頻度で送信することはできないため、単一の周波数対の場合のデータ転送速度は５×５＝２５ビット/秒となる。
【００７２】
ここで、本発明にかかるコード化方法の一例を参照すると、２つの周波数の最小比率は、２つの周波数を識別することができなくなるまで２つの周波数をどれくらい接近させることができるかによって決定される。ここでは、パルス長と加速度から、Δｆ＝２×２０＋１０Hz＝５０Hzとなる。よって、次のように最小周波数が得られる。
【００７３】
【数１４】
2009518918.tif 000016
【００７４】
また、次のように最大周波数が得られる。
【００７５】
【数１５】
2009518918.tif 000017
【００７６】
これにより、全部で（ｒmax−ｒmin）／Δｒ＝６４＝２６の数の異なる通信、または、ＭＦＳＫにおける周波数対あたり１ビットに代えて、周波数対あたり６の異なる通信のコード化が可能となる。したがって、この例において達成されるデータ転送速度は、１５０b/s、つまり従来型の方法から６倍増加している。
【００７７】
図２には、上述の例に従って動作するシステムについて、周波数を時間に対してプロットしたグラフが示されている。
【００７８】
この方法では、単一のトーンが単一のビットを表わすではなく、同時に送信される２つのトーン間の比率により、６ビットのデータワードが表現されている。図２のグラフ内における第一の時間スロットを検討すると、周波数ｆminおよびｆmin＋Δｆにおいて２つのトーンがそれぞれ対応して送信されている。ｆminは、帯域幅を超過しないことを担保するために保護領域を考慮に入れた帯域幅の最小周波数である。差Δｆは、パルス長帯域幅および加速ドップラーシフトに基づいた最小周波数増分を表わしている。間隔は、相対的（等速度）移動によるドップラーシフトを伴う場合は、２つのトーン間の比率が一定のまま維持されるため、図１のＭＦＳＫシステムの周波数間隔に比べ著しく小さくなっている。
【００７９】
第一の時間スロットでは、最小トーン比率ｒmin、つまり０のデータワード000000に対応する比率が送信されている。第二の時間スロットでは、最大トーン比率ｒmaxが送信されている。下側のトーンはｆmax−（２/３）Ｗである。最大トーン率の上側のトーンは、ｆmaxであり、上側の保護領域を考慮に入れた場合の帯域幅の最大周波数である。したがって、第二の時間スロットは、最大データ語111111つまり１０進数の６３を送信するようになっている。第三の時間スロットでは、中間トーン比率、より正確にいえば最大比率の３６/６４の比率が送信されている。したがって、100100（図１の一連全体で送信されるコードと同一のコード）に対応している。
【００８０】
したがって、本発明のこの例に従うと、同一の帯域幅において、ＦＳＫを用いるよりも６倍大きなデータ転送速度を達成することができることは明らかである。
【００８１】
この例では、保護間隔が依然として用いられている。というのは、保護間隔に等しい期間内ではトーンまたはトーン比率を再度用いないからである。短い通信については、これはよい仮定である。しかしながら、トーンまたはトーン比率を再度用いることを管理することが必要となりうる長い通信の場合には、前述した方法が有益となることもある。このことは、ｒmaxが帯域幅のわずか２/３しかカバーしていないという事実に起因していることから、必要なトーン比率は帯域幅内の周波数を組み合わせたものを選択・使用することにより得るようにしてもよい。この選択は、送信機により状況に応じて行われる。このとき、小さな比率の場合には特に帯域幅のうちどの部分を使用するかは柔軟に対応できることから、再使用を最小限に抑えるよう選択される。
【００８２】
ここで、本発明にかかる通信方法の実施可能な用途の１つを説明する。
【００８３】
図３は、本発明の具体化したシステムを示す概略図である。この図の左側には、送信機モジュール１００が示されている。左端のブロックは、送信される生のデジタルデータ２を表わしている。この生のデジタルデータ２は、所定の用途に応じてアナログデータから変換されたものであってもよい。そして、このデータは処理装置４により処理される。処理装置４は、たとえばヘッダ、チェックビットなどを加えてデータを適切な構造に変換し、必要に応じて、データを暗号化する。次いで、送信される準備が整っているデータはコード化部６に送信される。コード化部６は、データを、例えば先に記載された一例では６ビットのワードに分割し、次いで各ワードに対して周波数比率を算出する。次いで、コード化部は、算出された比率をどの周波数を用いて提供するかを正確に決定する。これは、例えば最後のいくつかの時間スロットに用いられた周波数に基づいて行われる。次いで、コード化部は、適切な信号発生器８を制御し、必要なトーンに対応する電気信号を発生する。この電気信号は、増幅器１０により増幅され、超音波トランスデューサ１２により送信される。
【００８４】
受信機モジュール２００では、適切な超音波センサ変換器が、圧力波を電気信号に変換する。この信号は、モジュール１６で増幅されるとともにフィルタリングされる。次いで、この信号は、データ２０を再生できるよう、デコード化部１８において、受信された２つの周波数間の比率を求めてデコード化される。送信機１２および受信変換器１４が相互に移動することにより送信された信号がドップラーシフトを受けるような場合であっても、それらの比率は一定のまま維持されるので、データを正確に再生することが可能となる。
【００８５】
図４を参照すると、本発明にかかる位置決めシステムの概略図が示されている。この図の右側には複数の部屋２２が示されている。各部屋は超音波受信器モジュール２００を備えている。受信器モジュール２００は、中央サーバ３６と一または複数のクライアント３８を有するデータネットワークへ接続されている。 
【００８６】
このシステム内には、複数の超音波送信機タグ１００が存在している。タグが単に部屋２２の１つに人または装置を配置するために用いられている最も単純な実施形態では、各送信機１００はそれぞれ固有の識別コードを送信するように前もってプログラムするようにしてもよい。より複雑な実施形態では、送信機がさらなる情報を送信するようにしてもよい。これらは、一定の間隔でまたはイベントの発生により、例えばタグにより運動を検出したとき、またはポーリング信号を受信したときに、送信するように設定するようにしてもよい。
【００８７】
あるタグ１００がデータを送信するとき、それが配置されている部屋２２に、超音波信号が閉じこめられる。この信号は、その部屋のレシーバ２００により検出されデコード化される。送信機１００およびレシーバ２００の両方の識別情報をネットワーク３４に伝送することにより、中央サーバ３６は、各送信機がどの部屋にいるのかを判定することができる。本発明によるデータ転送速度の改良によって、システムが動き回る複数の送信機タグ１００を有しているにもかかわらずそれらをすべて正確にそれぞれ対応する部屋２２へ配置することが可能となった。もちろん、この所在情報は、クライアント端末３８のうちのいずれによって閲覧および処理されてもよい。
【００８８】
当業者にとって明らかなように、上述の実施形態および用途は全てを網羅したものではなく、多くの変形および変更を本発明の範囲内で加えられてもよい。たとえば、２つのトーンを同時に送信することは必ずしも必要ではない。これらの二つのトーンは、順次にまたは相互に遅れて送信されてもよいが、送信機および受信機の相対速度がトーン間で著しく変わる危険性を減らすために、相互の遅れを最小限に抑えることが通常望ましい。
【００８９】
また、計算される比率が２つのトーンだけの間である必要はない。３つ以上のトーンを用いてもよい。
【００９０】
また、開示された実施形態は一方向通信を採用しているが、いうまでもなく、二方向通信を用いている場合にも、同原理を先と同様に用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】単純化されたＭＦＳＫ方法に関し、周波数に対する時間をプロットしたグラフである。
【図２】本発明に係る方法の一例に関する同様のグラフである。
【図３】本発明を実施するシステムを示すブロック図である。
【図４】本発明を実施する位置決めシステムを示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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