(57)【要約】【課題】物体間で極めて微弱なインパルス列に情報を載せて無線通信を行なうことにより物体間の相対的な位置変化を好適に検出する。【解決手段】ＰＮ信号発生器２は、クロック発生器１の出力する所定周波数のクロック信号を用い、既知のＰＮ符号に従って矩形波を発生する。さらにインピーダンス・マッチング回路６によりマッチング処理が施された後、アンテナ７を介して無線伝送路に送出される。ダパルス発生器を用いなくとも、ＰＮ符号又はこれに代わる既知のデジタル信号からアンテナ７による波形成形でパルスを出力することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信機側と共有する矩形波形を生成し微分出力してパルス信号を出力する送信機と、
前記送信機から送出されるパルス信号を受信し、前記送信機と共有する矩形波形のテンプレートを生成し、受信パルス波形とテンプレート波形の相関をとって同期を獲得する際のタイミング調整量に基づいて送受信機間の距離の変化を検出する受信機と、
を具備することを特徴とする位置検出システム。
【請求項２】
前記送受信機間で共有される矩形波形はＰＮ信号からなる、
ことを特徴とする請求項１に記載の位置検出システム。
【請求項３】
前記送信機は、
所定周波数のクロック信号を発生するクロック発生器と、
クロック信号を用いて受信機側と共有する矩形波形としてＰＮ信号を発生するＰＮ信号発生器と、
ＰＮ信号をマッチングするインピーダンス・マッチング回路と、
マッチング処理後のＰＮ信号を波形成形するアンテナと、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の位置検出システム。
【請求項４】
前記送信機側のアンテナは、キャパシタンス型のアンテナで構成され、入力された信号を微分出力する、
ことを特徴とする請求項３に記載の位置検出システム。
【請求項５】
前記受信機は、
前記送信機からの送信信号を受信するアンテナと、
前記アンテナの受信信号を処理するフィルタ並びに低雑音アンプと、
ＰＮ符号を発生するＰＮ符号発生器と、所定周波数のクロック信号を発生するクロック発生器と、クロック信号を用いてＰＮ符号からテンプレート波形を生成するテンプレート波形発生器と、テンプレート波形と受信波形の相関をとる相関器と、相関器の出力を増幅するアンプと、増幅された相関出力を積分する積分器とからなる遅延ロック・ループを備え、
前記遅延ロック・ループにより同期を獲得する際のタイミング調整量に基づいて送受信機間の距離の変化を検出する、
ことを特徴とする請求項２に記載の位置検出システム。
【請求項６】
位置検出用の信号を送信する送信機であって、
所定周波数のクロック信号を発生するクロック発生器と、
クロック信号を用いて受信機側と共有する矩形波形としてＰＮ信号を発生するＰＮ信号発生器と、
ＰＮ信号をマッチングするインピーダンス・マッチング回路と、
マッチング処理後のＰＮ信号を波形成形するアンテナと、
を具備することを特徴とする送信機。
【請求項７】
前記送信機側のアンテナは、キャパシタンス型のアンテナで構成され、入力された信号を微分出力する、
ことを特徴とする請求項６に記載の送信機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体間の相対的な位置変化を検出する位置特定システムに係り、特に、微弱無線を用いて物体間の相対的な位置変化を検出する位置特定システム並びに送信機に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、物体間で極めて微弱なインパルス列に情報を載せて無線通信を行なうことにより物体間の相対的な位置変化を検出する位置特定システム並びに送信機に関する。
【０００３】
【従来の技術】
有線方式によるＬＡＮ配線からユーザを解放するシステムとして、無線ＬＡＮが注目されている。無線ＬＡＮによれば、オフィスなどの作業空間において、有線ケーブルの大半を省略することができるので、パーソナル・コンピュータ（ＰＣ）などの通信端末を比較的容易に移動させることができる。無線ＬＡＮシステムの高速化、低価格化に伴い、その需要が著しく増加してきている。特に、人の身の回りに存在する複数の電子機器間で小規模な無線ネットワークを構築して情報通信を行なうために、パーソナル・エリア・ネットワーク（ＰＡＮ）の導入の検討が行なわれている。
【０００４】
近年では、「ウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）通信」と呼ばれる、きわめて微弱なインパルス列に情報を載せて無線通信を行なう方式が、近距離超高速伝送を実現する無線通信システムとして注目され、その実用化が期待されている（例えば、非特許文献１を参照のこと）。
【０００５】
ＵＷＢ伝送方式には、ＤＳの情報信号の拡散速度を極限まで高くしたＤＳ−ＵＷＢ方式と、数１００ピコ秒程度の非常に短い周期のインパルス信号列を用いて情報信号を構成して、この信号列の送受信を行なうインパルス−ＵＷＢ方式の２種類がある。どちらの方式も例えば３ＧＨｚから１０ＧＨｚという超高帯域な周波数帯域に拡散して送受信を行なうことにより高速データ伝送を実現する。その占有帯域幅は、占有帯域幅をその中心周波数（例えば１ＧＨｚ〜１０ＧＨｚ）で割った値がほぼ１になるようなＧＨｚオーダの帯域であり、いわゆるＷ−ＣＤＭＡやｃｄｍａ２０００方式、並びにＳＳ（Ｓｐｒｅａｄ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）やＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式を用いた無線ＬＡＮにおいて通常使用される帯域幅と比較しても超広帯域なものとなっている。
【０００６】
２００２年２月に、米国ＦＣＣがＵＷＢシステムに関する規制緩和を行なった（例えば、非特許文献２を参照のこと）。規制緩和の内容としては、３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚまで−４１．３ｄＢｍの出力の電波を放出することを許可するものである。また、ＩＥＥＥ８０２．１５．３の標準化作業において、例えばＵＷＢ無線通信を行なう無線通信装置の間でピコネットを形成して通信を行なう方法が規格化されつつある。
【０００７】
図６には、ＵＷＢシステム用送信機の構成例（従来例）を模式的に示している。図示の送信機は、クロック発生器１と、ＰＮ信号発生器２と、パルス発生器３と、フィルタ４と、増幅器５と、インピーダンス・マッチング回路６と、アンテナ７で構成される。
【０００８】
まず、クロック発生器１からは、所定周波数のクロック信号が発生される。ＰＮ信号発生器２は、クロック発生器１の出力する所定周波数のクロック信号を用い、既知のＰＮ符号に従って矩形波を発生する。送信データがあるときには、送信データによってＰＮ符号が変調される。パルス発生器３は、ＰＮ信号発生器２から入力されるデジタル信号を表わすパルス信号を出力する。パルス変調の方式としては、パルスの位相に変化を加えることで送信データの０／１を表現する位相変調や、パルスの位置に変化を加えることで多値を表現するタイミング変調などが用いられる。フィルタ４は、パルス発生器３から出力されるパルス列を入力し、ＦＣＣ規制に適合する周波数の信号成分だけを取り出す。そして、フィルタ４の出力は、増幅器５により増幅され、さらにインピーダンス・マッチング回路６によりマッチング処理が施された後、アンテナ７を介して無線伝送路に送出される。
【０００９】
ＵＷＢ伝送方式では、所定のパルス幅のインパルス列を所定のパルス周期で繰り返して送信することにより、ある情報ビットを構成する信号列が示される。図７には、図６に示した送信機から送出される送信信号の波形例を示している。
【００１０】
しかしながら、図６に示した送信機回路の構成では、ＦＣＣのＵＷＢに関する規制に適合するために３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚという高周波数の信号を発生しなければならない。このため、図示の通り、パルス発生器３により高周波数パルスを生成しなければならず消費電力が増大する。また、ＦＣＣ規制に適合する信号成分を取り出すためにフィルタ４を通さなければならず、送信電力ロスが大きいという問題がある。
【００１１】
他方、ＵＷＢは、超極細パルスを用いることにより高い時間分解能を持ち、この性質を使ってレーダーやポジショニングを行なう「測距」をすることが可能である。すなわち、ＵＷＢは位置測定、レーダー、無線通信の３つの機能を合わせ持っており、極めて独特な無線応用技術と言える。
【００１２】
【非特許文献１】
日経エレクトロニクス２００２年３月１１日号「産声を上げる無線の革命児Ｕｌｔｒａ  Ｗｉｄｅｂａｎｄ」  Ｐ．５５−６６
【非特許文献２】
佐々木重信、井家上哲史、真田幸俊共著「ＵＷＢシステムと技術に関する国際会議（ＵＷＢＳＴ２００２）報告」ＳＳＴ２００２−１９、２００２年７月
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、物体間で極めて微弱なインパルス列に情報を載せて無線通信を行なうことにより物体間の相対的な位置変化を好適に検出することができる、優れた位置特定システム並びに送信機を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、受信機側と共有する矩形波形を生成し微分出力してパルス信号を出力する送信機と、
前記送信機から送出されるパルス信号を受信し、該パルス信号のテンプレート波形を生成し、受信パルス波形とテンプレート波形の相関をとって同期を獲得する際のタイミング調整量に基づいて送受信機間の距離の変化を検出する受信機と、
を具備することを特徴とする位置検出システムである。
【００１５】
但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。
【００１６】
ここで、前記送受信機間で共有される矩形波形は、例えば拡散に用いるＰＮ信号からなる。
【００１７】
前記送信機は、例えば、所定周波数のクロック信号を発生するクロック発生器と、クロック信号を用いて受信機側と共有する矩形波形としてＰＮ信号を発生するＰＮ信号発生器と、ＰＮ信号をマッチングするインピーダンス・マッチング回路と、マッチング処理後のＰＮ信号を波形成形するアンテナとで構成することができる。
【００１８】
ここで、前記送信機側のアンテナは、キャパシタンス型のアンテナで構成され、入力された信号を微分出力する。すなわち、キャパシタンス型のアンテナにより送出することにより、微分により矩形のエッジ部分が強調され、矩形波からなるＰＮ信号はパルス信号に変換して送出される。
【００１９】
一方、前記受信機は、前記送信機からの送信信号を受信するアンテナと、前記アンテナの受信信号を処理するフィルタ並びに低雑音アンプと、ＰＮ符号を発生するＰＮ符号発生器、所定周波数のクロック信号を発生するクロック発生器、クロック信号を用いてＰＮ符号からテンプレート波形を生成するテンプレート波形発生器、テンプレート波形と受信波形の相関をとる相関器、相関器の出力を増幅するアンプ、並びに増幅された相関出力を積分する積分器とからなる遅延ロック・ループを備えている。このような場合、前記遅延ロック・ループにより同期を獲得する際のタイミング調整量に基づいて送受信機間の距離の変化を検出することができる。
【００２０】
本発明に係る位置検出システムによれば、送信機側では、ＰＮ信号発生器の矩形波出力をそのままアンテナより放射することにより、微弱なパルス信号を送出することが可能である。フィルタがないことにより、ＦＣＣ規制に適合する周波数の信号成分だけを取り出すことはできないが、このこと自体は日本国内における微弱無線の規制には反しない。
【００２１】
一方、受信機側では、送信機から出力された微弱なパルス信号を受信し、復調・復号処理を施すことで、送信機との相対的な位置変化を検出することができる。例えば、受信機側では、遅延ロック・ループを構成し、テンプレート波形と受信波形との間で相関をとり、パルス位置並びに位相の同期を獲得すると同期の保持を行なう。ここで、送信機と受信機の間の距離が変化すると、再びテンプレート波形と受信波形との間でタイミングのずれが発生する。このときのタイミングのずれ量は送受信機間の相対位置の変化量に相当するので、これに基づいて送受信機間の距離の変化を測定することができる。
【００２２】
本発明に係る位置検出システムによれば、送信機側は、ＵＷＢ送信機に比べ、パルス発生器と、フィルタと、増幅器とが省略され、アンテナの構成を簡素にすることができる。すなわち、装置の設計・製造コストやサイズを削減するという効果が得られる。
【００２３】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００２５】
本発明は、物体間の相対的な位置変化を検出する位置特定システムに係り、より具体的には、物体間で極めて微弱なインパルス列に情報を載せて無線通信を行なうことにより物体間の相対的な位置変化を検出する位置特定システムに関する。
【００２６】
図１には、本発明の一実施形態に係る位置特定システムの送信機側の構成を模式的に示している。図示の送信機は、クロック発生器１と、ＰＮ信号発生器２と、インピーダンス・マッチング回路６と、アンテナ７で構成される。
【００２７】
まず、クロック発生器１からは、所定周波数のクロック信号が発生される。ＰＮ信号発生器２は、クロック発生器１の出力する所定周波数のクロック信号を用い、既知のＰＮ符号に従って矩形波を発生する。
【００２８】
発生された矩形波は、インピーダンス・マッチング回路６によりマッチング処理が施された後、アンテナ７を介して無線伝送路に送出される。
【００２９】
ここで、アンテナ７には、送信信号を波形成形するという一般的な性質がある。例えば、ダイポール・アンテナなどのキャパシタンス型のアンテナの場合、入力された信号を微分出力するという特性がある。
【００３０】
したがって、ＰＮ信号発生器２により出力される矩形波形が図２に示す通りであったとすると、キャパシタンス型のアンテナ７により送出することにより、微分により矩形のエッジ部分が強調され、図３に示す通りとなる。すなわち、パルス発生器を用いなくとも、ＰＮ符号又はこれに代わる既知のデジタル信号からアンテナ７による波形成形でパルスを出力することができる。
【００３１】
図１に示す送信機構成では、図６に示したＵＷＢ送信機に比べ、パルス発生器３と、フィルタ４と、増幅器５とが省略されているという点に充分留意されたい。フィルタ４がないことにより、ＦＣＣ規制に適合する周波数の信号成分だけを取り出すことはできないが、このこと自体は日本の規制には反しない。
【００３２】
図８には、日本における微弱無線の規制値とＦＣＣにおける放射レベルに関するＵＷＢ規制値の比較を示している。日本国内では放射周波数の制限がないため、送信機のフィルタが不要であり、また、アンテナの構成を簡素にすることができる。そして、ＰＮ信号発生器の矩形波出力をそのままアンテナより放射することにより、微弱なパルス信号を送出することが可能である。また、本実施形態に係る送信機は、搬送波を使用しないことから、従来のＣＤＭＡとも相違する。
【００３３】
一方、受信機側では、送信機から出力された微弱なパルス信号を受信し、復調・復号処理を施すことで、送信機との相対的な位置変化を検出することができる。
【００３４】
図４には、本実施形態に係る位置特定システムの受信機側の構成例を模式的に示している。図示の通り、受信機は、アンテナ１１と、フィルタ１２と、低雑音アンプ１３と、相関器１４と、アンプ１５と、テンプレート波形発生器１６と、積分器１７と、クロック発生器１８と、ＰＮ符号発生器１９とで構成される。
【００３５】
アンテナ１１で受信された信号は、フィルタ１２を通過して送信パルス信号成分以外の周波数成分が除去される。フィルタ１２を通過した信号はさらに低雑音アンプ１３によって増幅され、相関器１４の第１の端子に入力される。
【００３６】
他方、クロック発生器１８からは所定周波数のクロック信号が出力されるとともに、ＰＮ符号発生器１９からは送信機側と共通となるＰＮ符号又はこれに変わる既知のデジタル信号が出力される。テンプレート波形発生器１６は、これらクロック信号並びにＰＮ符号に基づいて、受信波形と相関をとるためのテンプレート波形を生成する。クロック発生器１８は、ＶＣＴＣＸＯ（電流制御発振器）などの周波数可変型のクロック発生器であるとする。
【００３７】
相関器１４では、第１の端子から入力される受信波形と、第２の端子から入力されるテンプレート波形を乗算し、その結果をアンプ１５に出力する。アンプ１５はこの出力信号を増幅し、積分器１７はさらにこれを積分し、クロック発生器１８に帰還される。そして、クロック発生器１８では、積分器１７からの積分出力に従ってクロック発生タイミングを調整する。
【００３８】
図５（ａ）には、テンプレート波形の例を示している。また、図５（ｂ）には、テンプレート波形と相関器１４の出力とのタイミングずれ量の関係を示している。図５（ｂ）に示すように、受信パルス波形はテンプレート波形のタイミングが一致すれば、相関器１４の出力波形は０になる。積分器１７の出力波形が正の値を示すときにはクロック発生器１８のタイミングを早め、また、負の値を示すときにはタイミングを遅らせるようにする。
【００３９】
このような制御ループは遅延ロック・ループと呼ばれる。テンプレート波形と受信波形との間で相関がとられ、パルス位置並びに位相の同期が獲得されると、遅延ロック・ループでは同期の保持を行なう。これに対し、送信機と受信機の間の距離が変化すると、再びテンプレート波形と受信波形との間でタイミングのずれが発生する。すなわち、タイミングのずれ量は送受信機間の相対位置の変化量に相当する。位置検出部１９では、このクロック発生タイミングの調整量を取り出して、送受信機間の距離の変化を測定することができる。
【００４０】
既に述べたように、日本国内では微弱無線の規制において放射周波数の制限がないため、本発明に係る位置特定システムの送信機側ではフィルタが不要で、アンテナの構成を簡素にすることができる。そして、ＰＮ信号発生器の矩形波出力をそのままアンテナより放射することにより、微弱なパルス信号を送出することが可能である。すなわち、システムのコストやサイズを削減するという効果が得られる。また、本実施形態に係る送信機は、搬送波を使用しないことから、従来のＣＤＭＡとも相違する。
【００４１】
［追補］
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、物体間で極めて微弱なインパルス列に情報を載せて無線通信を行なうことにより物体間の相対的な位置変化を好適に検出することができる、優れた位置特定システム並びに送信機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る位置特定システムの送信機側の構成を模式的に示した図である。
【図２】ＰＮ信号発生器２により出力される矩形波形の例を示した図である。
【図３】図１に示した送信機によるアンテナ出力信号の波形の例を示した図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る位置特定システムの受信機の構成例を模式的に示した図である。
【図５】受信機の相関波形を示した図である。
【図６】ＵＷＢシステム用送信機の構成例（従来例）を模式的に示した図である。
【図７】図６に示した送信機から送出される送信信号の波形例を示した図である。
【図８】日本における微弱無線の規制値とＦＣＣにおける放射レベルに関するＵＷＢ規制値の比較を示した図である。
【符号の説明】
１…クロック発生器
２…ＰＮ信号発生器
３…パルス発生器
４…フィルタ
５…増幅器
６…インピーダンス・マッチング回路
７…アンテナ
１１…アンテナ
１２…フィルタ
１３…低雑音アンプ
１４…相関器
１５…アンプ
１６…テンプレート波形発生器
１７…積分器
１８…クロック発生器
１９…ＰＮ符号発生器
【図１】
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【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】
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