(57)【要約】  動作システム周波数帯域内のゼロ平均雑音および確定信号からの干渉を削減するかまたはなくす、リモートデバイスとのワイヤレス通信のための装置、システム、および方法が、提供される。質問器が、連続的な送信される信号または送信される信号の組の開始時間のディザリングを、結果として得られる受信された信号の同期した累積とともに使用して、所望の信号の相対的な強度を高めながら、干渉する信号の相対的な強度を下げる。装置、システム、および方法は、パッシブワイヤレスセンサおよびタグから識別情報および/またはセンサデータを抽出するために使用されるときに特に有利である。
2018528728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線受信チェーンが、直接ベースバンド付近へのサブサンプリングを実施し、
N個の連続的な同期したパルスの組からのデジタル化されたデータが、1つの出力データセットを生成するために合計され、
それぞれの前記デジタル化されたデータセットが、
送信パルスが特定の時間に生成され、送信されるステップと、
前記受信チェーンが、送信されるパルスの間、および前記送信パルスの完了後の短い規定された時間の間、非アクティブであるステップと、
前記受信チェーンが、前記送信されるパルスの開始後の規定された時間にオンにされるステップと、
デジタル化されたデータが、受信された信号をサンプリングすることによって生成されるステップと、
それぞれの受信されたパルスからのデジタル化されたデータが、N個のパルスの前記組内の前のパルスからの記憶されたデータと合計されるステップと
を含むプロセスに従って収集され、
共通クロックまたは前記共通クロックに由来する1つもしくは複数の信号が、送信プロセス、受信プロセス、A/D変換プロセス、およびデータ累積プロセスをクロック制御するために使用され、制御信号とともに、パルス毎に位相の同期した動作を保証する、ソフトウェア無線。
【請求項２】
確定的な帯域内の干渉する信号の改善された排除をさらに含み、
それぞれの前記デジタル化されたデータを収集するために使用される前記プロセスが、送信信号の時間ディザリングのステップをさらに含み、
各パルスからの前記デジタル化されたデータの合計の後、システムが、次の送信パルスの開始前に規定された遅延を待ち、前記規定された遅延が、パルス毎に変わり、
共通クロックまたは前記共通クロックに由来する1つもしくは複数の信号が、送信プロセス、受信プロセス、A/D変換プロセス、可変遅延プロセス、およびデータ累積プロセスをクロック制御するために使用され、制御信号とともに、パルス毎に位相の同期した動作を保証する、請求項1に記載のソフトウェア無線。
【請求項３】
前記デジタル化されたデータセットの平均化をさらに含み、
それぞれの前記デジタル化されたデータを収集するために使用される前記プロセスが、収集されたデータセットをパルスの数Nによって割るステップをさらに含む、請求項1に記載のソフトウェア無線。
【請求項４】
前記デジタル化されたデータセットの平均化をさらに含み、
それぞれの前記デジタル化されたデータを収集するために使用される前記プロセスが、収集されたデータセットをパルスの数Nによって割るステップをさらに含む、請求項2に記載の確定的な帯域内の干渉する信号の改善された排除を有するソフトウェア無線。
【請求項５】
確定的な帯域内の干渉する信号の改善された排除を有するソフトウェア無線であって、
N個の連続的な同期したパルスの組からのデジタル化されたデータが、1つの出力データセットを生成するために合計され、
それぞれの前記デジタル化されたデータセットが、
送信パルスが特定の時間に生成され、送信されるステップと、
受信チェーンが、送信されるパルスの間、および前記送信パルスの完了後の短い規定された時間の間、非アクティブであるステップと、
前記受信チェーンが、前記送信されるパルスの開始後の規定された時間にオンにされるステップと、
デジタル化されたデータが、受信された信号をサンプリングすることによって生成されるステップと、
それぞれの受信されたパルスからのデジタル化されたデータが、N個のパルスの前記組内の前のパルスからの記憶されたデータと合計されるステップと、
システムが、次の送信パルスの開始前に規定された遅延を待ち、前記規定された遅延が、パルス毎に変わるステップと
を含むプロセスに従って収集され、
共通クロックまたは前記共通クロックに由来する1つもしくは複数の信号が、送信プロセス、受信プロセス、A/D変換プロセス、可変遅延プロセス、およびデータ累積プロセスをクロック制御するために使用され、制御信号とともに、パルス毎に位相の同期した動作を保証する、ソフトウェア無線。
【請求項６】
前記デジタル化されたデータセットの平均化をさらに含み、
それぞれの前記デジタル化されたデータを収集するために使用される前記プロセスが、収集されたデータセットをパルスの数Nによって割るステップをさらに含む、請求項5に記載の確定的な帯域内の干渉する信号の改善された排除を有するソフトウェア無線。
【請求項７】
1つまたは複数の音波センサまたはセンサタグデバイスと、
請求項1に記載のソフトウェア無線とを含む、ワイヤレスセンサシステム。
【請求項８】
1つまたは複数の音波センサまたはセンサタグデバイスと、
請求項2に記載のソフトウェア無線とを含む、ワイヤレスセンサシステム。
【請求項９】
1つまたは複数の音波センサまたはセンサタグデバイスと、
請求項3に記載のソフトウェア無線とを含む、ワイヤレスセンサシステム。
【請求項１０】
1つまたは複数の音波センサまたはセンサタグデバイスと、
請求項4に記載のソフトウェア無線とを含む、ワイヤレスセンサシステム。
【請求項１１】
1つまたは複数の音波センサまたはセンサタグデバイスと、
請求項5に記載のソフトウェア無線とを含む、ワイヤレスセンサシステム。
【請求項１２】
1つまたは複数の音波センサまたはセンサタグデバイスと、
請求項6に記載のソフトウェア無線とを含む、ワイヤレスセンサシステム。
【請求項１３】
選択された合計のデータ応答の選択された部分のみを単一の処理デバイスに転送し、それによって、必要とされる総データ転送時間を削減し、システムのデータ出力レートを高めるための手段をさらに含む、請求項7に記載のワイヤレスセンサシステム。
【請求項１４】
選択された合計のデータ応答の選択された部分のみを単一の処理デバイスに転送し、それによって、必要とされる総データ転送時間を削減し、システムのデータ出力レートを高めるための手段をさらに含む、請求項8に記載のワイヤレスセンサシステム。
【請求項１５】
選択された合計のデータ応答の選択された部分のみを単一の処理デバイスに転送し、それによって、必要とされる総データ転送時間を削減し、システムのデータ出力レートを高めるための手段をさらに含む、請求項9に記載のワイヤレスセンサシステム。
【請求項１６】
選択された合計のデータ応答の選択された部分のみを単一の処理デバイスに転送し、それによって、必要とされる総データ転送時間を削減し、システムのデータ出力レートを高めるための手段をさらに含む、請求項10に記載のワイヤレスセンサシステム。
【請求項１７】
選択された合計のデータ応答の選択された部分のみを単一の処理デバイスに転送し、それによって、必要とされる総データ転送時間を削減し、システムのデータ出力レートを高めるための手段をさらに含む、請求項11に記載のワイヤレスセンサシステム。
【請求項１８】
選択された合計のデータ応答の選択された部分のみを単一の処理デバイスに転送し、それによって、必要とされる総データ転送時間を削減し、システムのデータ出力レートを高めるための手段をさらに含む、請求項12に記載のワイヤレスセンサシステム。
【請求項１９】
1つまたは複数の音波センサまたはセンサタグデバイスと、
ソフトウェア無線とを含み、
N個の連続的な同期したパルスの組からのデジタル化されたデータが、1つの出力データセットを生成するために合計され、
それぞれの前記デジタル化されたデータセットが、
送信パルスが特定の時間に生成され、送信されるステップと、
受信チェーンが、送信されるパルスの間、および前記送信パルスの完了後の短い規定された時間の間、非アクティブであるステップと、
前記受信チェーンが、前記送信されるパルスの開始後の規定された時間にオンにされるステップと、
デジタル化されたデータが、受信された信号をサンプリングすることによって生成されるステップと、
それぞれの受信されたパルスからのデジタル化されたデータが、N個のパルスの前記組内の前のパルスからの記憶されたデータと合計されるステップと
を含むプロセスに従って収集され、
共通クロックまたは前記共通クロックに由来する1つもしくは複数の信号が、送信プロセス、受信プロセス、A/D変換プロセス、およびデータ累積プロセスをクロック制御するために使用され、制御信号とともに、パルス毎に位相の同期した動作を保証する、ワイヤレスセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、2015年7月8日に出願した米国仮出願第62/189,936号の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明の実施形態は、システムの動作周波数帯域内のゼロ平均雑音(zero-mean noise)および確定信号(deterministic signal)からの干渉を削減するかまたはなくす、1つまたは複数のリモートデバイスとのワイヤレス通信のための装置、システム、デバイス、および方法に関する。本装置、システム、デバイス、および方法は、表面弾性波(SAW)に基づくセンサタグデバイスの組からなど、特定の遅延で差動応答(differential response)によって応答するものを含むパッシブワイヤレスセンサおよびタグからの識別情報および/またはセンサデータを抽出するために使用されるときに特に有利である。特に、本発明の実施形態は、所望の信号の相対的な強度を高めながら干渉する信号の相対的なサイズを削減するために、連続的な送信される信号の開始時間のディザリングを、結果として得られる受信される信号の同期した累積とともに使用する前記リモートデバイスのための質問器(interrogator)を実装するための改善された方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
音波センサ:表面射出音波デバイス(surface-launched acoustic wave device)に基づくセンサが、物理的測定(温度、圧力、トルク、ひずみなど)ならびに広範な化学的および生物学的検出の問題に応用するために1980年代以来開発されてきた。これらの非常に多岐にわたるデバイスは、以下、すなわち、Passive SAW-based hydrogen sensor and systemと題された米国特許第7,268,662号、SAW temperature sensor and systemと題された米国特許第7,434,989号、Acoustic wave array chemical and biological sensorと題された米国特許第7,500,379号、Frequency coded sensors incorporating tapersと題された米国特許第7,791,249号、Coded acoustic wave sensors using time diversityと題された米国特許第8,094,008号、SAW Sensor tags with enhanced performanceと題された米国特許第8,441,168号、Surface Acoustic Wave Deposition Monitor for Ultra-Thin Filmsと題された米国特許第9,121,754号、Power Spectral Density Chemical and Biological Sensorと題された米国実用特許出願(U.S. Utility Application)第13/679,607号(US20130130362A1)、およびIndividually Identifiable Surface Acoustic Wave Sensors, Tags, and Systemsと題された米国実用特許出願第13/694,889号(US20130181573A1)を含む公開文献において詳細に説明されている。
【０００４】
音波センサ質問システム:音波センサデバイスは、概して選択されたセンサを用いて動作するように特に設計された幅広い有線およびワイヤレス質問システムアーキテクチャ内で動作されている。通常、このシステムアーキテクチャは、特定のデバイスの特徴および応用の要件に基づいて選択され、概して、出力センサ測定値を提供するために、センサの周波数、位相、遅延、振幅、もしくは電力スペクトル密度、および目標のパラメータの変化に晒されたことによるこれらの量の変化の絶対測定または差異測定を伴う。
【０００５】
通常のワイヤレス質問システムアーキテクチャは、パルス発生レーダー(pulsed radar)のような遅延測定システム、フーリエ変換に基づく測定システム、遅延線および共振器に基づく発振器システム、ならびに時間積分相関器に基づく質問システムを含む。無線アーキテクチャは、通常のホモダインおよびヘテロダインミックスダウンシステム、ならびに(ベースバンドまたはベースバンド付近への)直接変換システムを含む。複数の掃引のコヒーレント積分を使用して信号対雑音比(S/N)を高める典型的なダウンミックスされる相関型無線受信機が、Kozlovskiら、「A 915 MHz SAW Correlator System」、IEEE Sensors Journal、第11巻、第12号、2011年12月、3426〜3432頁によって説明されている。この同期相関器の手法は、HumphriesおよびMalocha、「Software Defined Radio for Passive Sensor Interrogation」、Proceedings of the 2013 IEEE Joint UFFC, EFTF, and PFM Symposium、2013年、270〜273頁によるダウンミックスされるソフトウェア無線(SDR)システムに実装される。Humphriesは、同期したデータの累積を提供するために商業的に利用可能なソフトウェア無線を修正することを記載する。
【０００６】
レーダーシステムおよびサンプリングされたデータにおけるディザリング:アナログデジタル(A/D)コンバータ(ADC)が、軍事用レーダーから音声および画像処理にまで及ぶ電子システムにおいて広く使用されてきた。A/D変換のプロセスは量子化雑音を生じ、この量子化雑音は、相関性があることが多く、特に信号が小さい(量子化ステップ程度)ときに著しい歪みをもたらす、デジタル化された信号を劣化させるスペクトル調波を生成する可能性がある。Thakurら、「Utilization of Noise to Enhance the Performance of Radar Signal Processor」、9th International Radar Symposium India、2013年によって検討されたように、量子化前に信号に雑音を追加することは、ADC量子化雑音をランダム化し、全体的なシステム性能を改善し得る。この効果は、1960年代の初頭から広く研究されており、音声システム、画像処理、レーダー、直接ダウンコンバージョン受信機(direct down conversion receiver)、および多数のその他のシステムにより高いシステム性能を与えるために広く使用される。ディザリング技法は、A/D変換の前に受信された信号に信号のような雑音を追加することを含み、追加された信号は、デジタル化された信号から差し引かれる(減法(subtractive))かまたは差し引かれない(非減法(non-subtractive))かのどちらかである。レーダーの電子的妨害対抗策(ECCM: electronic counter counter measure)との関連でディザリングとして検討されたさらなる技法は、周波数ホッピングおよび帯域幅ホッピングなどのシステムの送信特性の修正を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第7,268,662号
【特許文献２】米国特許第7,434,989号
【特許文献３】米国特許第7,500,379号
【特許文献４】米国特許第7,791,249号
【特許文献５】米国特許第8,094,008号
【特許文献６】米国特許第8,441,168号
【特許文献７】米国特許第9,121,754号
【特許文献８】米国実用特許出願第13/679,607号(US20130130362A1)
【特許文献９】米国実用特許出願第13/694,889号(US20130181573A1)
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Kozlovskiら、「A 915 MHz SAW Correlator System」、IEEE Sensors Journal、第11巻、第12号、2011年12月、3426〜3432頁
【非特許文献２】HumphriesおよびMalocha、「Software Defined Radio for Passive Sensor Interrogation」、Proceedings of the 2013 IEEE Joint UFFC, EFTF, and PFM Symposium、2013年、270〜273頁
【非特許文献３】Thakurら、「Utilization of Noise to Enhance the Performance of Radar Signal Processor」、9th International Radar Symposium India、2013年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、直接ベースバンド付近へのサブサンプリングをされる(near-baseband subsampled)ソフトウェア無線(SDR)を利用して、1組のリモートデバイスの組み合わされた無線周波数(RF)応答と、特に、RF応答が測定された応答を評価するときに比較するために使用される固有の基準信号を含む差動応答表面弾性波(SAW)センサおよびセンサタグの質問とを直接サンプリングし、したがって、ランダムなRF伝播遅延の位置にあるデバイスが正確に読まれ得る。ゼロ平均ランダム電磁雑音および非同期確定信号の削減は、送信パルスの開始から測定されるデジタル化された信号の同期した累積によって実現される。信号の累積時間が長いほど、S/Nが大きくなるかまたは受信機の感度が良くなる。受信チェーンの電子機器の帯域幅内の確定信号は、所望のセンサ信号と一緒にデジタルサンプリングされ、合計される可能性がある。これは、そのような信号がSAWセンサまたはセンサタグと同じ周波数範囲に存在する場合、特に、トーク(talk)/リッスン(listen)サイクルのタイミングが望ましくない確定信号が各無線質問ピングに関して同じ位相で(またはその近くで)サンプリングされる結果をたまたま生じた場合に、干渉源となる可能性がある。無線ピングの間に短い可変時間オフセットを導入すること--送信時間ディザリング(transmit time dithering)と呼ばれる--は、差動SAWセンサからの累積された応答のタイミングが常に送信された質問パルスの開始に対して相対的に測定されるので、これらの応答の同期した性質に影響を与えないまま、受信される結果として得られる確定信号の間に位相オフセットを導入する。これは、ゼロ平均の確定的な帯域内の干渉する信号が、ランダム雑音のように、積分プロセスにおいて平均してなくなるようにする。これは、システムサイクル時間に対して最小限の影響で、デバイスの読み取り値に対する確定的な干渉する信号の影響の打ち消しを可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の態様は、1つまたは複数の音波センサまたはセンサタグデバイスと、ソフトウェア無線とを含み、N個の連続的な同期したパルスの組からのデジタル化されたデータが、1つの出力データセットを生成するために合計され、それぞれの前記デジタル化されたデータセットが、送信パルスが特定の時間に生成され、送信されるステップであって、受信チェーンが、送信されるパルスの間、および送信パルスの完了後の短い規定された時間の間、非アクティブであり、受信チェーンが、送信されるパルスの開始後の規定された時間にオンにされる、ステップと、データが、デジタル化されるステップと、それぞれの受信されたパルスからのデジタル化されたデータが、N個のパルスの前記組内の前のパルスからの記憶されたデータと合計されるステップとを含むプロセスに従って収集され、共通クロックまたは共通クロックに由来する1つもしくは複数の信号が、送信プロセス、受信プロセス、A/D変換プロセス、およびデータ累積プロセスをクロック制御するために使用され、制御信号とともに、パルス毎に位相の同期した動作を保証する、ワイヤレスセンサシステムを含む。
【００１１】
本開示のさらなる態様は、1つまたは複数の音波センサまたはセンサタグデバイスと、直接ベースバンド付近へのサブサンプリングを利用するソフトウェア無線とを含み、N個の連続的な同期したパルスの組からのデジタル化されたデータが、1つの出力データセットを生成するために合計され、それぞれの前記デジタル化されたデータセットが、送信パルスが特定の時間に生成され、送信されるステップと、受信チェーンが、送信されるパルスの間、および送信パルスの完了後の短い規定された時間の間、非アクティブであるステップと、受信チェーンが、送信されるパルスの開始後の規定された時間にオンにされるステップと、データが、デジタル化されるステップと、それぞれの受信されたパルスからのデジタル化されたデータが、N個のパルスの前記組内の前のパルスからの記憶されたデータと合計されるステップとを含むプロセスに従って収集され、共通クロックまたは共通クロックに由来する1つもしくは複数の信号が、送信プロセス、受信プロセス、A/D変換プロセス、およびデータ累積プロセスをクロック制御するために使用され、制御信号とともに、パルス毎に位相の同期した動作を保証する、ワイヤレスセンサシステムを含む。
【００１２】
本開示のさらなる態様は、N個の連続的な同期したパルスの組からのデジタル化されたデータが、1つの出力データセットを生成するために合計され、それぞれの前記デジタル化されたデータセットが、送信パルスが特定の時間に生成され、送信されるステップと、受信チェーンが、送信されるパルスの間、および送信パルスの完了後の短い規定された時間の間、非アクティブであるステップと、受信チェーンが、送信されるパルスの開始後の規定された時間にオンにされるステップと、データが、デジタル化されるステップと、それぞれの受信されたパルスからのデジタル化されたデータが、N個のパルスの前記組内の前のパルスからの記憶されたデータと合計されるステップとを含むプロセスに従って収集され、共通クロックまたは共通クロックに由来する1つもしくは複数の信号が、送信プロセス、受信プロセス、A/D変換プロセス、およびデータ累積プロセスをクロック制御するために使用され、制御信号とともに、パルス毎に位相の同期した動作を保証する、直接ベースバンド付近へのサブサンプリングを利用するソフトウェア無線を含む。
【００１３】
本開示のさらなる態様は、N個の連続的な同期したパルスの組からのデジタル化されたデータが、1つの出力データセットを生成するために合計され、それぞれの前記デジタル化されたデータセットが、送信パルスが特定の時間に生成され、送信されるステップと、受信チェーンが、送信されるパルスの間、および送信パルスの完了後の短い規定された時間の間、非アクティブであるステップと、受信チェーンが、送信されるパルスの開始後の規定された時間にオンにされるステップと、データが、デジタル化されるステップと、それぞれの受信されたパルスからのデジタル化されたデータが、N個のパルスの前記組内の前のパルスからの記憶されたデータと合計されるステップと、システムが、次の送信パルスの開始前に規定された遅延を待ち、前記規定された遅延が、パルス毎に変わるステップとを含むプロセスに従って収集され、共通クロックまたは共通クロックに由来する1つもしくは複数の信号が、送信プロセス、受信プロセス、A/D変換プロセス、可変遅延プロセス、およびデータ累積プロセスをクロック制御するために使用され、制御信号とともに、パルス毎に位相の同期した動作を保証する、確定的な帯域内の干渉する信号の改善された排除を用いるソフトウェア無線を含む。
【００１４】
本開示の追加の態様は、無線受信チェーンが、直接ベースバンド付近へのサブサンプリングを実施し、N個の連続的な同期したパルスの組からのデジタル化されたデータが、1つの出力データセットを生成するために合計され、それぞれの前記デジタル化されたデータセットが、送信パルスが特定の時間に生成され、送信されるステップと、受信チェーンが、送信されるパルスの間、および送信パルスの完了後の短い規定された時間の間、非アクティブであるステップと、受信チェーンが、送信されるパルスの開始後の規定された時間にオンにされるステップと、データが、デジタル化されるステップと、それぞれの受信されたパルスからのデジタル化されたデータが、N個のパルスの前記組内の前のパルスからの記憶されたデータと合計されるステップと、システムが、次の送信パルスの開始前に規定された遅延を待ち、前記規定された遅延が、パルス毎に変わるステップとを含むプロセスに従って収集され、共通クロックまたは共通クロックに由来する1つもしくは複数の信号が、送信プロセス、受信プロセス、A/D変換プロセス、可変遅延プロセス、およびデータ累積プロセスをクロック制御するために使用され、制御信号とともに、パルス毎に位相の同期した動作を保証する、確定的な帯域内の干渉する信号の改善された排除を用いるソフトウェア無線を含む。
【００１５】
本開示のさらに追加の態様は、1つまたは複数の音波センサまたはセンサタグデバイスと、確定的な帯域内の干渉する信号の改善された排除を用いるソフトウェア無線とを含み、N個の連続的な同期したパルスの組からのデジタル化されたデータが、1つの出力データセットを生成するために合計され、それぞれの前記デジタル化されたデータセットが、送信パルスが特定の時間に生成され、送信されるステップと、受信チェーンが、送信されるパルスの間、および送信パルスの完了後の短い規定された時間の間、非アクティブであるステップと、受信チェーンが、送信されるパルスの開始後の規定された時間にオンにされるステップと、データが、デジタル化されるステップと、それぞれの受信されたパルスからのデジタル化されたデータが、N個のパルスの前記組内の前のパルスからの記憶されたデータと合計されるステップと、システムが、次の送信パルスの開始前に規定された遅延を待ち、前記規定された遅延が、パルス毎に変わるステップとを含むプロセスに従って収集され、共通クロックまたは共通クロックに由来する1つもしくは複数の信号が、送信プロセス、受信プロセス、A/D変換プロセス、可変遅延プロセス、およびデータ累積プロセスをクロック制御するために使用され、制御信号とともに、パルス毎に位相の同期した動作を保証する、ワイヤレスセンサシステムを含む。
【００１６】
本開示のさらなる態様は、1つまたは複数の音波センサまたはセンサタグデバイスと、確定的な帯域内の干渉する信号の改善された排除を用いるソフトウェア無線とを含み、無線受信チェーンが、直接ベースバンド付近へのサブサンプリングを実施し、N個の連続的な同期したパルスの組からのデジタル化されたデータが、1つの出力データセットを生成するために合計され、それぞれの前記デジタル化されたデータセットが、送信パルスが特定の時間に生成され、送信されるステップと、受信チェーンが、送信されるパルスの間、および送信パルスの完了後の短い規定された時間の間、非アクティブであるステップと、受信チェーンが、送信されるパルスの開始後の規定された時間にオンにされるステップと、データが、デジタル化されるステップと、それぞれの受信されたパルスからのデジタル化されたデータが、N個のパルスの前記組内の前のパルスからの記憶されたデータと合計されるステップと、システムが、次の送信パルスの開始前に規定された遅延を待ち、前記規定された遅延が、パルス毎に変わるステップとを含むプロセスに従って収集され、共通クロックまたは共通クロックに由来する1つもしくは複数の信号が、送信プロセス、受信プロセス、A/D変換プロセス、可変遅延プロセス、およびデータ累積プロセスをクロック制御するために使用され、制御信号とともに、パルス毎に位相の同期した動作を保証する、ワイヤレスセンサシステムを含む。
【００１７】
本開示の追加の態様は、直接ベースバンド付近へのサブサンプリングを実施する無線受信チェーンを含むソフトウェア無線を含み、N個の連続的な同期したパルスの組からのデジタル化されたデータが、1つの出力データセットを生成するために合計され、それぞれの前記デジタル化されたデータセットが、送信パルスが特定の時間に生成され、送信されるステップと、受信チェーンが、送信されるパルスの間、および送信パルスの完了後の短い規定された時間の間、非アクティブであるステップと、受信チェーンが、送信されるパルスの開始後の規定された時間にオンにされるステップと、デジタル化されたデータが、受信された信号をサンプリングすることによって生成されるステップと、それぞれの受信されたパルスからのデジタル化されたデータが、N個のパルスの前記組内の前のパルスからの記憶されたデータと合計されるステップとを含むプロセスに従って収集され、共通クロックまたは共通クロックに由来する1つもしくは複数の信号が、送信プロセス、受信プロセス、A/D変換プロセス、およびデータ累積プロセスをクロック制御するために使用され、制御信号とともに、パルス毎に位相の同期した動作を保証する。
【００１８】
本開示のさらに追加の態様は、N個の連続的な同期したパルスの組からのデジタル化されたデータが、1つの出力データセットを生成するために合計され、それぞれの前記デジタル化されたデータセットが、送信パルスが特定の時間に生成され、送信されるステップと、受信チェーンが、送信されるパルスの間、および送信パルスの完了後の短い規定された時間の間、非アクティブであるステップと、受信チェーンが、送信されるパルスの開始後の規定された時間にオンにされるステップと、デジタル化されたデータが、受信された信号をサンプリングすることによって生成されるステップと、それぞれの受信されたパルスからのデジタル化されたデータが、N個のパルスの前記組内の前のパルスからの記憶されたデータと合計されるステップと、システムが、次の送信パルスの開始前に規定された遅延を待ち、前記規定された遅延が、パルス毎に変わるステップとを含むプロセスに従って収集され、共通クロックまたは共通クロックに由来する1つもしくは複数の信号が、送信プロセス、受信プロセス、A/D変換プロセス、可変遅延プロセス、およびデータ累積プロセスをクロック制御するために使用され、制御信号とともに、パルス毎に位相の同期した動作を保証する、確定的な帯域内の干渉する信号の改善された排除を有するソフトウェア無線を含む。
【００１９】
本開示のさらなる態様は、1つまたは複数の音波センサまたはセンサタグデバイスと、ソフトウェア無線とを含み、N個の連続的な同期したパルスの組からのデジタル化されたデータが、1つの出力データセットを生成するために合計され、それぞれの前記デジタル化されたデータセットが、送信パルスが特定の時間に生成され、送信されるステップと、受信チェーンが、送信されるパルスの間、および送信パルスの完了後の短い規定された時間の間、非アクティブであるステップと、受信チェーンが、送信されるパルスの開始後の規定された時間にオンにされるステップと、デジタル化されたデータが、受信された信号をサンプリングすることによって生成されるステップと、それぞれの受信されたパルスからのデジタル化されたデータが、N個のパルスの前記組内の前のパルスからの記憶されたデータと合計されるステップとを含むプロセスに従って収集され、共通クロックまたは共通クロックに由来する1つもしくは複数の信号が、送信プロセス、受信プロセス、A/D変換プロセス、およびデータ累積プロセスをクロック制御するために使用され、制御信号とともに、パルス毎に位相の同期した動作を保証する、ワイヤレスセンサシステムを含む。
【００２０】
本発明のさらにその他の態様、特徴、および利点は、単純に、本発明を実施するために企図された最良の形態を含む例示的な実施形態および実装形態を説明することによる下の詳細な説明から明らかである。本発明は、その他のおよび異なる実施形態も可能であり、本発明のいくつかの詳細は、すべて本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく様々な点で修正され得る。したがって、図面および説明は、本質的に例示的であると考えられるべきであり、限定的であると考えられるべきでない。
【００２１】
本発明は、下で与えられる詳細な説明ならびに本発明の様々な実施形態の添付の図および図面からより完全に理解されるが、それらは、本発明を特定の実施形態に限定すると受け取られるべきでなく、説明および理解のためのものであるに過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本開示の態様による無線質問システムアーキテクチャのブロック図である。
【図２】本開示の態様による無線質問システムアーキテクチャの別のブロック図である。
【図３】本開示の態様による質問システムアーキテクチャの別のブロック図である。
【図４】本開示の態様によるトランシーバアンテナから10ftの距離で動作するワイヤレスSAWセンサに関する測定されたS/Nと比較されたS/Nの理論上の改善の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施形態は、関心のあるセンサ応答信号と同じ周波数帯域内にあるゼロ平均ランダム信号とゼロ平均確定信号との両方によって引き起こされる干渉をなくすかまたは削減するための装置、システム、デバイス、および方法を教示する。
【００２４】
本発明の態様は、デバイスに質問する(interrogate)ために一連の繰り返されるピングを使用し、返される信号を同期して累積して信号強度を高め、雑音レベルを抑える直接ベースバンド付近へのサブサンプリングをされる無線であるソフトウェア無線システムを含む。このプロセスは、ゼロ平均ランダム雑音からの干渉をなくすかまたは削減する。合計することは、確定信号の強度を雑音よりも早く高くし、一方、平均を取ることは、確定信号の信号強度を保ち、雑音は、集約されるデータセットの数が増えるにつれてゼロに近づく傾向がある。また、このプロセスは、1つの無線質問「ピング」の開始からデータの累積の開始までの総時間が干渉する信号のキャリア周波数のサイクル時間の整数倍ではない--これは、信号が連続的なピングに関して異なる位相で到着し、複数のピングに対して平均してゼロになることを保証する--ならば、確定ゼロ平均信号からの干渉をなくすかまたは削減する。アナログデジタル(A/D)コンバータ(ADC)において、ゼロ平均信号からの干渉のサンプリングは、ゼロから使用されるシステムパラメータによって決定される最大値までの範囲の値を有する、すべて正であるデジタル化されたデータセットをもたらす可能性がある。そのようなシステムにおいては、値ゼロを有する信号が、概して、ADC出力値のスケール(scale)の中間点かまたはその近辺に現れる。したがって、本明細書における「平均してゼロになる」または「累積してゼロになる」または「合計してゼロになる」との言及は、ランダムな相対的位相でサンプリングされたゼロ平均信号が積み重なって、経時的に、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)またはその他のデータ累積デバイスの値、ゼロ値入力信号に関して生成される値に対応する出力を生成するプロセスを指す。とりわけ、マイクロプロセッサ、プログラマブルロジックデバイス(PLD)などのその他の処理ユニットが、本明細書において検討される機能の一部またはすべてを実行するためにFPGAの代わりに使用される可能性がある。累積する(または合計する)は、同期して収集されたサンプリングされたデータが足されることを意味し、したがって、累積時間が長いほど、データ値は大きくなる--これは、レベルゼロの信号に対応する累積されたデータ値が増加することも意味する。比較
すると、平均することは、データが集められた無線ピングの数によって累積されたデータが除算されることを意味する。このプロセスは、値がより低いデータを生成する。
【００２５】
S/Nは、送信(Tx)信号も生成するFPGAによって現在実行されている累積(平均を伴うかまたは伴わない)によって大きく高められる。雑音のようなTx信号が、使用される可能性があり、1つの現在のシステムの実施形態においては、各SAWセンサまたはセンサタグに対しては広帯域であるPNコードが使用され、視野内のすべてのセンサデバイスをアクティブ化する。この広帯域信号は、規制要件を満たすように送信前にフィルタリングされる。希望に応じて、狭帯域アクティブ化信号も、使用される可能性があり、または分散(チャープもしくはその他の)信号が、使用される可能性があり、または(周波数、符号化、チャープ、もしくはその他の特徴に基づいて)選択されたデバイスを優先的にアクティブ化するように符号化された信号が、使用される可能性がある。
【００２６】
図1は、本開示の態様による、送信される信号の追加された時間ディザリングのない無線システムアーキテクチャ(無線)100のブロック図である。このシステムアーキテクチャ100は、好ましい実施形態として、直接ベースバンド付近へのサブサンプリングをされる無線である可能性があり、またはこのシステムアーキテクチャ100は、より通常のミックスダウンされる無線である可能性がある。無線100は、受信(Rx)チェーン回路102が、Txパルスの間、および(感度の高い受信チェーン回路を痛めないために)Txパルスが完了した後の設定された時間の間アクティブでなく、それから、Rx回路がオンになり、SAWセンサに関しては概して送信パルス長よりもずっと長い定義された期間の間、データを「リスニングする」かまたは獲得する「トーク」後「リッスン」モード('talk' then 'listen' mode)で動作する。高絶縁RFスイッチ104が、Tx/Rxサイクルを制御するために使用され、切り替えタイミングが信号ジェネレータユニット106によって与えられ、したがって、サイクルの「リッスン」部分は、サイクルの「トーク」部分に対して相対的な知られている時間に始まる。システムピングならびに動作サイクルの「トーク」および「リッスン」部分の精密なタイミングが、重要である。時間ゼロがセンサをアクティブ化するピングが始まるときであり、ピングが規定された時間(Tx時間)の間続く場合、環境内の物体に跳ね返される送信されたピングによって引き起こされるRFクラッターが晴れるためのその後の短い待ち時間が存在する。例として、公称〜200nsecのTxパルスに関して、短い待ち時間は、1μsecにもなる可能性がある。そして、RXチェーンは、オンに成り、システムは、デジタル化されたデータを累積し始め、そのデジタル化されたデータは、(所望の)センサからのデータならびに雑音を含み、無線受信機の動作周波数範囲内にある環境内の確定信号からの干渉も含む。質問器のアンテナおよびセンサの環境に対して相対的なSAWセンサの位置が急速に変わっていない(つまり、センサの位置および測定量が測定サイクルの時間枠内で実質的に変わっていない)条件に関して、各センサからの返ってくる信号の遅延(および位相)は、ピング毎に変わらず、センサデータの同期した累積を可能にする。
同期した累積を助けるために、単一の低ジッタクロック108(もしくは局部発振器LO)またはそれに由来する1つもしくは複数の信号が、信号ジェネレータユニット106(たとえば、FPGA)、トーク/待ち/リッスンサイクルを記録する制御回路タイミングカウンタ、受信チェーンA/Dコンバータ110、およびデータアキュムレータ112をクロック制御するために使用される。したがって、送信される信号のためのキャリアは、常に、(各ピングに関して)クロックに対して相対的な知られている位相で始まり、各センサ応答信号は、各ピングに関して知られている遅延および位相でA/Dコンバータに到着する。グループ内で動作する異なるセンサは、Tx/Rxアンテナに対して相対的なそれらのセンサの物理的な位置に基づき、任意の潜在的に異なる音響遅延を引き起こすそれらのセンサの環境内の変化する条件が原因であり、デバイスの設計が原因である任意の潜在的に異なるRF遅延で到着する信号を持つ。しかし、同じクロックまたはそれに由来する1つもしくは複数の信号が説明されたように使用される限り、各センサからの確定信号が積み重なる一方、ゼロ平均ランダム雑音信号(およびピング毎に異なる位相でサンプリングされるゼロ平均確定信号)はより多くの数のピングの累積によって合計してゼロになる。
【００２７】
図2は、本開示の態様による、送信される信号の追加された時間ディザリングのない無線システムアーキテクチャ(無線)200の別のブロック図である。クロックまたはそれに由来する1つもしくは複数の信号に同期された制御信号が、送信(Tx)/受信(Rx)切り替えのタイミングを決め、データ累積プロセスのタイミングを決めるために使用される。これらの制御信号は、各サイクルにおいて、信号の送信が、設定された位相においてクロック信号から始まり、送信信号が、予め規定された時間の期間継続し、Tx信号がオフにされることとデータの累積がADCにおいて始まることとの間に規定された時間の空白があることを保証する。これは、所望の信号の位相の同期した累積を保証する。上で開示されていることと同様に、無線200は、受信(Rx)チェーン回路202が、Txパルスの間、およびTxパルスが完了した後の設定された時間の間アクティブでなく、それから、Rx回路がオンになり、SAWセンサに関しては概して送信パルス長よりもずっと長い定義された期間の間、データを「リスニングする」かまたは獲得する「トーク」後「リッスン」モードで動作する。高絶縁RFスイッチ204が、Tx/Rxサイクルを制御するためにやはり使用され、切り替えタイミングが、信号ジェネレータユニット206も制御する同期された制御信号210によって与えられ、したがって、サイクルの「リッスン」部分は、サイクルの「トーク」部分に対して相対的な精密な知られている時間に始まる。やはり上で開示されていることと同様に、信号ジェネレータユニット206、同期された制御信号210を生成する責任を負うトーク/待ち/リッスンサイクルを記録する制御回路タイミングカウンタ、受信チェーンA/Dコンバータ214、およびデータアキュムレータ212は、すべて、共通クロック208および/またはそこからの派生信号に基づいて同期される。このシステムの動作は、図1の動作と同じである。
【００２８】
内部メモリの割り当ての選択において起こり得る制限が原因で、FPGAの割り当てられた空間内で合計され得るピングの数は、センサ信号の最大振幅に基づいて制限される可能性がある。たとえば、32ビットレジスタは、(典型的なセンサ信号の振幅およびA/D入力電圧の範囲に関して6つ程のピングしか保持することができない)16ビットレジスタよりも多い数のピングを保持することができる(その数は、典型的なセンサ信号の振幅およびA/D入力電圧の範囲に関して65,000程度である可能性がある)。したがって、特定のシステムの実装に関して、約6を超える数のピングが合計される場合、結果として得られる数は、32ビットレジスタの下位16ビットに記憶され得るよりも大きくなる。しかし、FPGAのメモリの割り当てが制御され得るとき、所望のS/Nまで信号の累積を可能にするのに十分なだけ大きなストレージサイズを設定することが可能である。出力データレートに対する累積の影響が、考慮に入れられなければならない。
【００２９】
1組の時間データ点がシステム内で集約された後、データは、システムの内部処理部分(図1の114)、またはデジタル信号処理および分析のための(希望に応じて)コンピュータなどの外部デバイスに転送される。データの転送は、転送デバイスがUSB等であったとすれば、その転送デバイスの容量によって制限される可能性がある。
【００３０】
1つの「データセット」と考えられ得るデータが設定された数の「ピング」から累積されると、(コンピュータとして外部にあるかまたはマイクロプロセッサもしくは同様のデバイスのように基板に搭載されている可能性がある)信号処理デバイスにおいて受信された複数のデータセットからの応答を積分することによって、信号レベルおよびS/Nのさらなる向上が実現され得る。積分または同期した累積は、関心のある信号に対して相対的にランダムなゼロ平均信号からの雑音をさらに抑え、S/Nを高めながら、信号レベルが上がり続けるようにする。
【００３１】
受信チェーンの電子機器は、無線テクノロジーおよびソフトウェア無線テクノロジーの従来技術でよく知られているいくつかの方法で実装される可能性があることに留意されたい。これらは、純粋なベースバンド付近のサブサンプリングをされる(pure near-baseband subsampled)受信機の手法、直接ダウンコンバージョン、およびホモダインまたはヘテロダインのミックスダウンされるアーキテクチャを含む。
【００３２】
サブサンプリングする無線の受信チェーンは、スイッチ、フィルタ、増幅器、および減衰器を含む可能性がある種々雑多な構成要素からなる。受信された信号は、これらの構成要素によって処理され、それから、関心のある信号に関するナイキスト(Nyquist)よりもはるかに低いレートでA/Dコンバータによって直接サンプリングされる。周波数Fsでのサンプリングは、Fs/2の周りでイメージ(image)信号コンテンツを(左/右に)鏡映する(mirror)。しかし、関心のある信号が帯域を制限されており、ベースバンド付近のサンプリングをされた領域の整数倍である定義された周波数領域(DCからFs/2まで)内に完全に含まれるならば、(おそらくはどのナイキストゾーン内で信号が始まったかに依存して左右に鏡映される)所望の信号のイメージが、ベースバンド付近のサンプリングをされた領域において検出される。信号が来たナイキストゾーンを知ることは、元の(より高い周波数の)信号の精密な再構築を可能にする。
【００３３】
通常のダウンミックスされる無線の受信チェーンも、使用される可能性がある。そのようなシステムにおいては、RF信号が、より低い周波数のイメージ周波数信号を生成するためにその他の単一周波数信号と混合される。RF信号は、1つまたは複数の中間周波数(IF)に1または複数回ミックスダウンされる可能性があるが、最終的なダウンミックスは、概して、信号がナイキスト周波数を超える周波数でサンプリングされ得るベースバンドまたはベースバンド付近の周波数範囲内に入れる。フィルタリング、増幅、および減衰も、受信チェーン回路において必要に応じて使用される可能性がある。
【００３４】
確定信号からの干渉をなくすための方法:確定的であるSAWセンサシステムの環境内に存在し、受信機チェーン回路の帯域幅内にある信号は、SAWセンサ/タグ応答信号と一緒にサンプリングされ、干渉をもたらす可能性がある。トーク/リッスンサイクルのタイミングが、望ましくない確定信号が連続的なピングに対して異なる位相でサンプリングされる結果をたまたま生じる場合、サンプリングされた信号は、各ピングからのデータが異なる位相で加わると同時に、各トーク/リッスンサイクルからのデータが前のピングからのデータに加わりながら累積される。これは、望ましくない確定信号がゼロ平均信号である場合、その確定信号の振幅の削減をもたらす。ピング毎のサンプリングされた望ましくない信号の正確な位相の関係は、望ましくない信号の効果的な打ち消しが任意の所与の数のピングに関してどのようにして行われるかを決定する。
【００３５】
問題は、干渉する信号の周期性がその信号を我々の無線のそれぞれのサンプルの掃引に関して同じ位相にまたは同じ位相の近くにするときに悪化する。そのような状況で、高感度受信機は、所望のセンサ信号と一緒に望ましくない確定信号を累積し、そのことが、センサの適切な読み取りを妨げる有害な干渉を生む可能性がある。これは、たとえば、システムが同じISM帯域内にその他のワイヤレスシステムが存在する中で動作しているときに起こり得る。しかし、そのような信号からの干渉は、連続的なピングのための送信される(およびしたがって受信したセンサ)信号のタイミングを意図的にジッタリングすることによって本発明において除去され得る。本明細書において説明される無線の各ピングを送信する前に短い可変時間遅延を追加すること--送信時間ディザリングと呼ばれる--によって、実行毎の干渉する信号の相対的な位相が変更され、結果として、それらの干渉する信号をランダム雑音のように積分プロセスにおいて(所望の信号と比較して)比較的小さくすることができる。追加される遅延は、ランダムであるか、知られている特徴の確定的に変化する時間遅延である可能性がある。これは、システムサイクル時間に対して最小限の影響で、デバイスの読み取り値に対する確定的な干渉する信号の影響の打ち消しを可能にする。各ピングの始まりと受信された信号のサンプリングの始まりとの間の時間は、それぞれのトーク/待ち/リッスンサイクルに関して同じである可能性があるが、望ましくない信号がセンサシステム信号と無関係であるため、確定信号がその後のピングに対して異なる位相であるときにTxピングが送出される場合、望ましくない確定信号からの受信された信号も異なる位相になる。干渉する信号とは異なり、SAWデバイスは、各送信ピングの開始に対して相対的な規定された時間に応答し、したがって、SAW応答の累積は、1つのリッスンサイクルの終わりと別のピングの始まりとの間にどんな遅延があるかによらず同期した(同位相の)ままである。
【００３６】
実用的な実装に関して、連続的なピングの間の遅延オフセットは、潜在的には数ナノ秒以下程度ほどに非常に小さく、システムのデータレート全体に小さな影響しか引き起こさない可能性がある。これは干渉する電磁信号のキャリア周波数において大きな角度の位相に対応する可能性がある(たとえば、915MHzにおいては、位相の360度の完全なサイクルは、1.093ナノ秒しかかからない)が、これは、単に、望ましくない干渉する信号のキャリアの1つまたは複数のサイクルが、次の無線ピングが開始される前に「見過ごされる」ことを意味する。各ピングが(望ましくない信号の)異なるキャリアの位相で始まるならば、この送信信号のディザリングは、変化する位相で望ましくない信号からのデータをサンプリングし、累積する受信データをもたらす。
【００３７】
ランダムまたは擬似ランダムシーケンス、好ましくは、累積されるピングの数に対して相対的に長いランダムまたは擬似ランダムシーケンスの生成が実行される可能性があり、結果として得られるシーケンスが、1つの「リッスン」期間の終わりと次の「トーク」信号またはピングの始まりとの間の「待ち」期間の長さを変調するために使用される可能性がある。1つの単純な実装は、ピングの送信および受信サイクルの開始を制御するクロックと同じクロックによってランダムな遅延を制御させる可能性があるが、これは、受信されるSAWセンサ応答信号の同期を保つために必須ではない。
【００３８】
装置、システム、およびデバイスは、着信する(生の)信号か抽出されたデータかのどちらかを自動的に評価して干渉が発生しているかどうかを判定し、それから、その後の測定にジッタリングを適用するように設計される可能性がある。ランダムな遅延に加えて、装置、システム、およびデバイスは、実行毎の干渉する信号の位相を単純にシフトするために一定の遅延の追加を使用する可能性がある。実行毎に一定でない可変の確定的な予め規定された遅延の追加も、使用される可能性がある。システムは、様々な干渉排除方式を試験し、最良の干渉排除またはセンサのS/Nを生じる方式を使用することを選択するようにプログラミングされる可能性がある。
【００３９】
図3は、本開示の態様による、送信される信号の追加された時間ディザリングのある無線システムアーキテクチャ(無線300)の別のブロック図である。クロックまたはそれに由来する1つもしくは複数の信号に同期された制御信号が、信号生成のタイミング、送信/受信(Tx/Rx)スイッチの切り替え、および無線ピングまたは無線ピングの組の間で変わる定義された追加された遅延の後のデータの累積の開始を遅らせるために使用される。これは、関心のあるセンサによって生成される信号以外のいかなる信号も受信される位相をランダム化し、ゼロ平均信号が平均してゼロになるか、または複数の無線ピングからのデータが累積されるときに累積してゼロになるようにする。無線300は、受信(Rx)チェーン回路302が、Txパルスの間、およびTxパルスが完了した後の設定された時間の間アクティブでなく、それから、Rx回路がオンになり、定義された期間の間、データを「リスニングする」かまたは獲得する「トーク」後「リッスン」モードでやはり動作する。高絶縁RFスイッチ304が、Tx/Rxサイクルを制御するためにやはり使用され、サイクルの「リッスン」部分がサイクルの「トーク」部分に対して相対的な精密な知られている時間に始まるように、切り替えタイミングが同期された制御信号310によって与えられる。上で検討されたように、信号生成ユニット306、同期された制御信号310を生成する責任を負うトーク/待ち/リッスンサイクルを記録する制御回路タイミングカウンタ、受信チェーンA/Dコンバータ314、およびデータアキュムレータは、すべて、単一の低ジッタクロック308およびそこからの派生信号に同期される。しかし、無線300においては、追加された時間遅延312が、1つのトーク/リッスンサイクルの終わりと次のトーク/リッスンサイクルの始まりとの間に導入される。この追加された遅延312は、サイクル毎に可変であり、つまり、次のサイクルの始まりの無線ピングの開始前の各測定サイクルの終わりの後に小さな変化する時間遅延がある。追加された遅延312の変化は、ランダムであるかまたは確定的である可能性があり、追加された遅延のタイミングは、概して、クロック308またはそこからの派生信号に同期されるが、これは、適切なシステムの動作に厳密には必須でない。システムのトーク/リッスンサ
イクルがクロック308またはそこからの派生信号に対して相対的に位相が同期するようにして動作するならば、1つのサイクルの完了と次のサイクルの開始との間の可変の遅延は、理論的に任意である可能性がある。
【００４０】
SAWセンサおよびセンサタグを使用する高速サンプリング:本開示の態様によるSAWワイヤレスセンサシステム(無線質問器およびセンサの組)は、完了するのに10μsec(10-5秒)程度かかる可能性がある「トーク」後「リッスン」サイクルで動作する。したがって、そのようなシステムの基本的な最大サンプリングレートは、1/(10μsec)=100kHzによって与えられる。このレートは、主に、SAWセンサまたはタグに仕込まれた音響遅延に依存する。したがって、音響遅延時間をたとえば、2μsecに削減することは、サンプリングレートを500kHzまで高める可能性がある。ゼロに近い(またはナノ秒程度の非常に短い)音響遅延を有し、そして、マイクロ秒以上リングダウンする(ring down)共振器に基づくSAWデバイスを有する同様のシステムを使用することは、潜在的に、潜在的に、1μsec以下までサンプル時間を削減し、〜1MHzのデータレートを可能にする可能性がある。しかし、将来の応答を伴う1つの無線トーク/リッスンサイクルからのリングダウンし続ける共振器信号の間の干渉は、問題がある可能性がある。高速なサンプリングのために使用され得る別のSAWデバイス構造は、わずかに異なる遅延の2つの音響信号が生成され、これらの2つの信号の拍子(beating)が1つまたは複数のノッチ(notch)を含む通過帯域からなる周波数領域応答を生成するノッチセンサである。ノッチデバイスの固有の遅延は、従来の差動遅延線(differential delay line)よりも著しく小さい可能性があり、これらのデバイスは、共振デバイスもそうだが、長く鳴る応答に煩わされない。音響遅延が非常に短い共振デバイスとノッチフィルタとの両方は、送信されたRFパルスの反射されたマルチパスが原因である干渉を被る可能性があるが、この問題を少なくするために、基礎遅延(pedestal delay)が、特定のデバイスに仕込まれる可能性があることに留意されたい。
【００４１】
単一の無線ピングに関する信号対雑音比(S/N)は、良好なセンサデータを提供するのに十分なほど高くない可能性がある。同期したデータの累積および/または平均が、S/Nを高めるために(上述のように)使用され得る。同期した累積(合計)は、合計された所望の信号に対して相対的に小さい干渉信号を生成するために、ゼロ平均の望ましくない信号(雑音、および本発明による送信時間ディザリングが適用されるときの確定信号)をやはり合計しながら、所望の確定センサ信号を積分し、より高い信号レベルを生成することによってS/Nを高める。合計されたデータを合計された応答の数で割る平均は、より小さな干渉する信号レベルを生成するために、ゼロ平均雑音源(および上述のこの送信時間ディザリングの発明によれば不必要な確定信号も)平均しながら、所望の確定センサ信号を維持することによってS/Nを高める。
【００４２】
累積が使用されるかまたは平均が使用されるかに関わらず、ピングの合計は、システムに関する達成可能な出力データレートに影響を与える。たとえば、それぞれが10μsecの長さである10個の「ピング」からの応答の累積が、10kHzのデータレートを生み出す一方、100個の「ピング」からの応答の累積は、1kHzのデータレートをもたらす。S/Nは、任意の所与のトランシーバアンテナからセンサアンテナまでの隔たりに関して、累積されるピング応答の数が増えるにつれて高まる。トランシーバアンテナから10ftの距離で動作するワイヤレスSAWセンサに関する測定されたS/Nと比較されたS/Nの理論上の改善の例が、図4に示される。100回実行された累積に関して、S/Nは13dBを超えており、1kHzのデータレートが10ftにおいてこのセンサに関して実現可能であることを示すことに留意されたい。より低損失のセンサおよび削減されたアンテナの損失は、すべて、所与の隔たりに関してより高いS/Nに寄与する。
【００４３】
上述のように、1組のデータがシステムにおいて集約された後、データは、システム内部の処理デバイスか、またはデジタル信号処理および分析のための外部コンピュータなどの外部デバイスかのどちらかに転送される。データの転送は、ユニバーサルシリアルバス(USB)などの転送インターフェースの容量によって制限される可能性がある。したがって、センサの測定値を抽出するために必要な情報を維持しながら、転送されるデータの量をできる限り削減することが有利である。差動遅延型(differential delay type)のセンサの実装が使用されるとき、「有用なデータ」と考えられ得る時間信号の領域と、関心のある信号が存在しない「活用されていない空間」と考えられる領域とが存在する。データ処理速度を高め、データセットを転送するためにかかる時間を削減するためには、時間応答の1つまたは複数の特定のセクションが転送および使用のために選択され、これらの有用なデータセクションの周りの活用されていない空間内のデータを破棄するかまたは無視する可能性がある。
【００４４】
その他の考慮すべき事項:本発明によるソフトウェア無線システムは、狭帯域スペクトル拡散パルスを含む幅広い送信パルスの種類を使用し得る。雑音のようなチャープされるスペクトル拡散信号が、特定のセンサの実施形態によって利益を得るために使用され得る。本開示の態様による1つのソフトウェア無線の実施形態によれば、平均またはデータ累積プロセスが、複数の擬似雑音(PN)コード質問シーケンスに対して実行され、信号対雑音比を高め、システムの雑音から低スペクトル拡散センサ信号を引き出す。受信された組み合わされた信号が、(RFでかまたはサブサンプリングを使用して)サンプリングされ、累積され、それから、各センサにとって適切な基準応答と相関を取られる。データの後処理が、各センサのリーダからの識別情報、応答、および距離の抽出を可能にする。
【００４５】
(質問器またはリーダとしても知られる)この無線システムは、特定のセンサを特定し、読むために、デバイスの時間および周波数ダイバーシティと一緒に、センサコード(sensor code)の相関特性を利用して特定のコードを有するセンサデバイスを特定する(チャープコーディング(chirp coding)、直接シーケンススペクトル拡散(DSSS: direct sequence spread spectrum)コーディング、またはその他の知られているコーディング技法が使用され得る)。加えて、処理利得が、チャープSAW要素を使用するセンサに組み込まれ得る。
【００４６】
本明細書で教示される送信信号時間ディザリング技法の応用は、帯域内の干渉する信号(雑音および確定信号)の影響をなくして1つまたは複数のSAWセンサまたはセンサタグデバイスの組の正確な読み取りを可能にするのに好適なソフトウェア無線システムを製造することに焦点を当てた。しかし、この技法の有用性は、送信された信号に関連する知られている遅延を有する応答信号の検出および受信を伴うか、または所望の信号の遅延が干渉する信号のレベルを効果的に削減するためのデータの累積のために必要とされる時間の間に大きく変わらない任意のワイヤレス通信システムにまで及ぶ。この技法は、通常の送信される信号とともに使用され得る--つまり、この技術は、電磁信号に限定されず、音響およびその他の種類のワイヤレス信号とともに使用され得る。この種のディザリングを含む本発明の技術および実施形態の応用から潜在的に恩恵を受ける可能性があるシステムおよびその他の応用は、検出されるデバイスまたは物体が(データの累積のために必要とされる時間に依存する)システムサンプルレートに対して相対的に急速に動いていないまたは変化していないレーダー、ソナー、超音波、光、撮像、およびその他の反射信号システムを含む。その他の応用もこれらの技法から同様に恩恵を受けるので、本発明を利用するSAWセンサ質問システムの実装に焦点を当てることは限定的であるように意図されていない。
【００４７】
本明細書に含まれる説明は、本質的に例示的であり、本発明のすべての態様を包含しない。当業者は、本発明の実施形態によって提供される改善が、直接ベースバンドへの変換(direct to baseband conversion)、(好ましい実施形態と同様の)ベースバンド付近のサブサンプリング(near-baseband subsampling)、およびA/D変換前の通常のダウンミキシングを含む幅広い受信チェーン構造を利用する無線システムアーキテクチャのために実装され得ることを認めるであろう。
【００４８】
当業者は、本発明によって提供される改善が、様々なダイバーシティ技法(とりわけ、コード、チャープ、時間、および周波数ダイバーシティ)を組み込むSAWセンサおよびセンサタグ構造を含むがこれらに限定されない幅広い知られているSAWセンサおよびセンサタグ構造のいずれかとともに働くように実装され得ることも認めるであろう。
【００４９】
本発明のその他の実装形態が、本明細書において開示された本発明の詳細および実践の考察から当業者に明らかになるであろう。説明された実施形態の様々な態様および/または構成要素は、単独でまたは任意の組合せで使用され得る。詳細および例は例示的であるに過ぎないとみなされることが意図され、本発明の真の範囲および趣旨は、以下の請求項によって示される。
【符号の説明】
【００５０】
100  無線システムアーキテクチャ(無線)
102  受信(Rx)チェーン回路
104  RFスイッチ
106  信号ジェネレータユニット
108  低ジッタクロック
110  A/Dコンバータ
112  データアキュムレータ
200  無線システムアーキテクチャ(無線)
202  受信(Rx)チェーン回路
204  RFスイッチ
206  信号ジェネレータユニット
208  共通クロック
210  同期された制御信号
212  データアキュムレータ
214  受信チェーンA/Dコンバータ
300  無線
302  受信(Rx)チェーン回路
304  RFスイッチ
306  信号生成ユニット
308  低ジッタクロック
310  同期された制御信号
312  追加された遅延
314  受信チェーンA/Dコンバータ
【図１】
2018528728.tif 000003
【図２】
2018528728.tif 000004
【図３】
2018528728.tif 000005
【図４】
2018528728.tif 000006
【国際調査報告】
2018528728.tif 000007