水中音響通信装置
【課題】低消費電力であって確実に通信を行うことができる水中音響通信装置を提供する。
【解決手段】ｍ個のビットを周波数分割多重した音響信号を送信する送信回路を設け、ｍ個のビットにわたって重複が生じないように各ビットごとに異なる２つの搬送波周波数をが割り当てる。送信回路に、ビットごとにそのビットのビット状態を判定するビット状態判定部と、各ビットごとに、そのビットのビット状態に応じて２つの搬送波周波数のうちの１つを選択して搬送波信号を生成する搬送波生成回路と、搬送波生成回路で生成されたビットごとの搬送波信号をｍ個のビットにわたって加算する加算回路と、それぞれがｍ個のビットにわたって割り当てられた搬送波周波数のいずれかを共振周波数とする２ｍ個の振動子を有し音響信号を送波する送波器と、を設ける。２ｍ個の振動子の入力を相互に電気的に結合し、加算回路の出力に応じて駆動する。
【解決手段】ｍ個のビットを周波数分割多重した音響信号を送信する送信回路を設け、ｍ個のビットにわたって重複が生じないように各ビットごとに異なる２つの搬送波周波数をが割り当てる。送信回路に、ビットごとにそのビットのビット状態を判定するビット状態判定部と、各ビットごとに、そのビットのビット状態に応じて２つの搬送波周波数のうちの１つを選択して搬送波信号を生成する搬送波生成回路と、搬送波生成回路で生成されたビットごとの搬送波信号をｍ個のビットにわたって加算する加算回路と、それぞれがｍ個のビットにわたって割り当てられた搬送波周波数のいずれかを共振周波数とする２ｍ個の振動子を有し音響信号を送波する送波器と、を設ける。２ｍ個の振動子の入力を相互に電気的に結合し、加算回路の出力に応じて駆動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響信号を用いて水中で通信を行う水中音響通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水中あるいは水底に敷設されている機器との間で通信を行う手段として、音響信号を用いる方法がある。音響信号を用いる方法は、ケーブルなどを介した有線通信を行うことが困難な状況において、水中機器に対して通信を行うための有力な手段である。以下の説明においては、海洋への用途を念頭にして、「水中」あるいは「水底」の用語の代わりに「海中」あるいは「海底」の用語を用いることがあるが、説明において「海中」あるいは「海底」の用語が用いられていたとしても、当該説明はそのまま「水中」あるいは「水底」に適用できることは明らかである。
【０００３】
水中音響通信の例として、特許文献１には、音響信号としてＦＳＫ（周波数偏移変調；frequency shift keying）信号を用いる例が示されている。特許文献２には、スペクトル拡散変調された音響信号を用いることが示されている。特許文献３には、マルチパス・フェージング環境でも安定した通信が可能となるように、ＱＰＳＫ（直交位相偏移変調；quadrature phase shift keying）信号を使用し、ＱＰＳＫ信号の同相成分と直交成分の両方に同一の同期シンボルを付加することにより、フレーム同期を確実に行えるようにした例他示されている。
【０００４】
図１は、水中通信の例を示す図である。海面には浮標１１が配備されており、浮標から海中に通信装置１２が吊り下げられている。浮標１１は、海底に沈められた錘１３に対してロープ等により係留されることによって、海面での位置が一定に保たれている。海底には、水中機器１４が敷設されており、水中機器１４には、浮標１１側の通信装置１２との双方向の通信のために、通信装置１５が設けられている。海中には浮遊物１６が漂っている。水中通信が行われるこのような典型的な環境を考えると、浮標１１の通信装置１２と水中機器１４の通信装置１５との間で、図示太線で示されるように、双方向で、音響による通信信号がやりとりされることになる。しかしながら、各通信装置１２，１５で受信される音響信号には、海面や海底さらには浮遊物１６による反射波や、マルチパス伝播した成分が混入してくることになる。通信装置１２，１５はいずれも水中音響通信装置である。
【０００５】
安定した水中通信を実現する場合には、電磁波により空中で通信を行う場合に比べ、以下のような点を考慮する必要がある。
【０００６】
（１）水中通信は、海面や海底によるマルチパス伝播が起こりやすい環境での通信であり、自装置において相手装置から受信した信号は、相手装置での送信信号にマルチパス成分が重畳した信号となる可能性が高い。このため、受信信号からマルチパス成分を分離する必要がある。
【０００７】
（２）信号の搬送波として音響信号を使用しているため伝播速度が遅く（水中での音速は約１５００ｍ／秒）、海面や海底からの反射波が、自装置において送信信号を送波した後のしばらくの間、自装置周辺に戻ってくることが想定される。そのため、相手装置からの送信信号に自装置の送信信号の反射波が重畳した信号を受信信号として受信する可能性が高く、受信信号から反射波成分を分離する必要がある。
【０００８】
（３）水中通信の場合、対をなす通信装置間の位置関係が一定に定まらないことが多く、浮標側の通信装置の場合であればその向きも波浪や潮流等でランダムに変化し得るので、指向性幅が広い送波器及び受波器を使用して、通信可能な範囲を広くする必要がある。
【０００９】
関連技術においては、上記（１）〜（３）への対策として、以下のようなものがある。
【００１０】
マルチパス成分の分離（上記（１）の点）に関し、直交波周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency Division Multipelxing）を用いる。ＯＦＤＭは、電磁波を用いた通信では、耐マルチパス性の高い通信方式として知られている。一般的なＯＦＤＭでは、一次変調に伝送データの圧縮を考慮して位相変調を使用するが、水中通信の場合には位相の揺らぎが大きく、マルチパス重畳による位相ひずみの影響も大きい。そこで、位相情報を使用せずに、通信信号でのビットの状態（当該ビットが「０」であるか「１」であるか）により送信する搬送波の周波数を変えることにより、周波数成分のみでビットの状態を認識させる。
【００１１】
反射波成分の分離（上記（２）の点）に関し、相対する通信装置間で、送信に使用する搬送波の周波数を相互に異ならせ、受信信号に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理などを行って周波数成分の抽出を行うことにより、自装置の送信信号の反射波成分を受信信号から分離する。
【００１２】
指向性幅が広い送波器及び受波器（上記（３）の点）に関し、送波器及び受波器として、無指向性の振動子を用いる。ここでいう無指向性とは、例えば、水平面内の各方位に対する指向性が一様であることを言う。そのような振動子としては、リング形状の圧電体を用いたリング型振動子がある。送波器の場合、周波数が大きく異なる搬送波を同時に１つのリング型振動子で送波しようとすると、スプリアス放射などの問題が起こりがちであるので、後述するように、共振周波数が異なるリング型振動子を複数個組み合わせて送波器を構成し、使用する搬送波の周波数帯に応じて、送波に用いるリング型振動子を異ならせるようにする。
【００１３】
図２は、以上の点を踏まえて構成された、関連技術における水中音響通信装置の構成の一例を示している。この水中音響通信装置は、図１での通信装置１２，１５のいずれにも使用できるものであるので、ここでは、相互に音響信号によって双方向通信を行う通信装置１２，１５として説明する。通信装置１２，１５すなわち水中音響通信装置は、大別すると、外部から入力される通信信号に応じて音響信号を相手方に送信する送信回路２０と、相手方から送信されてきた音響信号を受信して通信信号に変換し外部に出力する受信回路３０とから構成されている。なお、通信装置１２，１５は同一構成であっていずれも複数の異なる周波数の搬送波で音響信号を送信するが、通信装置１２，１５の間では使用する搬送波の周波数が相互に異なっている。
【００１４】
送信回路２０は、シリアル形式で入力する通信信号をｎ本のパラレル信号に変換するシリアル／パラレル変換回路（Ｓ／Ｐ）３１と、相互に共振周波数が異なるｎ個のリング型振動子２６を有する送波器２５とを有する。さらに、シリアル／パラレル変換回路３１のｎ個のパラレル出力の各々ごとに、変調器２２、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ変換）回路２３及び電力増幅回路２４が設けられている。変調器２２は、シリアル／パラレル変換回路３１の対応する出力に基づいて、リング型振動子の駆動波形に対応するデジタル信号を生成し、Ｄ／Ａ回路２４はこのデジタル信号をアナログ信号に変換し、電力増幅回路２４は、そのアナログ信号を増幅することにより、対応するリング型振動子２６を駆動する。
【００１５】
送波器２５の構造の一例が図３に示されている。送波器２５は、共振周波数が異なるｎ個のリング型振動子２６を円板状のベース２７の上に積み重ね、全体を樹脂からなるモールド２８で覆ったものである。リング型振動子における共振周波数の違いは、リング型振動子＃１、リング型振動子＃２、…、リング型振動子＃ｎのようにして記載している。リング型振動子では、共振周波数が低いほど直径も厚さも大きくなるから、ベース上に、共振周波数の低いリング型振動子２６から順番に積み重ねている。
【００１６】
一方、受信回路３０は、周波数特性が広帯域である広帯域振動子３２を有する受波器３１と、受波器３１で受波した信号を増幅する増幅回路３３と、増幅された信号をデジタル形式の信号に変換するＡ／Ｄ（アナログ／デジタル変換）回路３４と、Ａ／Ｄ回路３４から出力される信号に対してＦＦＴ処理を行って周波数解析を行い周波数成分ごとの信号を出力するＦＦＴ処理部３５と、周波数解析の結果に基づき、相手装置の周波数に対応する周波数成分の信号のみを出力する判定処理部３６と、周波数ごとに判定処理部３６から出力される信号を復調する復調器３７と、複数の復調器３７からの並列に入力する信号をシリアル信号に変換して通信信号として外部に出力するパラレル／シリアル変換回路（Ｐ／Ｓ）３８と、を有している。
【００１７】
次に、図２に示した水中音響通信装置の動作について説明する。ここでは、浮標１１側の通信装置１２から水中機器１４側の通信装置１５に対してまず通信を行い、その後、この通信への応答として通信装置１５から通信装置１２に対して通信を行う際の手順を説明する。
【００１８】
通信装置１２，１５は非同期で作動しており、常時、通信信号の受信待ち受け状態となっている。任意のタイミングにおいて、浮標１１側の通信装置１２の送信回路２０に対して通信信号がシリアルで入力されたものとする。通信信号の入力により、通信装置１２では、シリアル／パラレル変換回路２１がその通信信号のシリアル−パラレル変換を行ない、通信信号をビット(Bit)ごとに分割する。ビットごとに変調器２２が設けられており、各変調器は、対応するビットの状態（ビット値が「０」であるか「１」であるか）に応じて異なる周波数の搬送波を割り当てる。また分割されたビットに対しても相互に異なる搬送波の割当てが行われる。図４は、ここでのビット情報から周波数への変換を説明している。ｎが偶数であるとして、例えば、送信回路２０に与えられる通信信号が、ＭＳＢ（最上位ビット；most significant bit）からＬＳＢ（最下位ビット；least significant bit）までのｎ／２ビットのデータであるとすると、搬送波として、Ｆ１〜Ｆｎまでのｎ個の異なる周波数が用意される。説明の都合上、Ｆ１が最も低い周波数であり、順に周波数が高くなってＦｎが最も高い周波数であって、それぞれ、リング型振動子＃１〜＃ｎに対応するものとする。
【００１９】
最上位ビットには、全体としてＦ１及びＦ２が割り当てられており、その中から、ビット値が「０」（あるいは「Ｌ」（ローレベル））であればＦ１が割当てられ、ビット値が「１」（あるいは「Ｈ」（ハイレベル））であればＦ２が割り当てられる。以下同様にして、最下位ビットに対しては、ビット値が「０」であればＦ（ｎ−１）が割当てられ、ビット値が「１」であればＦｎが割り当てられる。
【００２０】
変調器２２には、ビット値に応じて対応する周波数の搬送波に対応する波形データのデジタル信号を生成し、Ｄ／Ａ回路２３はこのデジタル信号をアナログ信号に変換し、電力増幅回路２４はこのアナログ信号を増幅し、送波器２５内の対応するリング型振動子２６を駆動する。これにより、ＭＳＢからＬＳＢまでのｎ／２ビット分のデータが、周波数分割多重の形態で同時に送波器２５から音響信号として送波されることになる。
【００２１】
相手方となる通信装置１５では、通信装置１２からの音響信号は、受波器３１内の広帯域振動子３２によって受信される。そして受波器３１で受信した信号を増幅回路３３で増幅した後に、Ｄ／Ａ回路３４によってデジタル信号に変換する。変換後のデジタル信号に対し、ＦＦＴ処理部３５によって周波数解析を行って周波数成分の抽出を行い、抽出された周波数成分に基づき、判定処理部３６は判定処理を行って、相手装置からの音響信号の周波数成分のみを抽出する。相手装置からの信号の周波数成分が抽出されたら、周波数ごとの復調器３７により各周波数成分の信号を復調してビット状態を判定する。その結果、複数個の復調器３７から、ビット状態の判定結果がパラレルに出力されることになるから、パラレル／シリアル変換回路３８によってこのパラレル出力の信号をシリアル信号に変換し、通信信号として、通信装置１５に接続する外部回路に出力する。
【００２２】
その後、通信装置１５の送信回路２０に通信信号が入力した場合には、上述と同じ手順で送波が行われるが、その際、通信装置１５は、搬送波として、通信装置１２で使用している周波数とは異なる周波数のものを使用する。通信装置１２は、上述と同じで手順で通信装置１２からの音響信号を受信して処理する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開２００４−１５７６２号公報
【特許文献２】特開２００５−２９５３７８号公報
【特許文献３】特開２００６−１０９２７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
水中機器、特に、海底等に敷設された機器に対しては、外部からの電力供給を行うことが困難であることが多い。外部電源に依存せずに水中機器を動作させるためには、その水中機器の内部に実装された電池を用いることになる。水中機器をひとたび海底等に敷設すると、それを回収して再敷設することには多大の経費と時間がかかるので、電池動作の水中機器に関し、電池交換を行うことは容易ではない。このため、海底等に敷設される水中機器に付属する水中音響通信装置では、限られた容量の電池による長時間運用を行うために、低消費電力であることが求められる。しかしながら、図２に示したような水中音響通信装置では、変調や復調、ＦＦＴ処理などの信号処理を行うが、これらの信号処理はＣＰＵなどの消費電力が大きな素子を用いて、多大なプロセッサパワーを用いて実行する必要がある。さらに、消費電力の大きなＤ／Ａ回路やＡ／Ｄ回路も必要となる。したがって、図２に示したような水中音響通信装置は、電池による長期間運用に適したものではない。
【００２５】
本発明の目的は、低消費電力であって確実に通信を行うことができる水中音響通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明の第１の水中音響通信装置は、ｍ個のビットを周波数分割多重した音響信号を送信する送信回路を有する水中音響通信装置であって、ｍ個のビットにわたって重複が生じないように各ビットごとに異なる２つの搬送波周波数が割り当てられ、送信回路は、ビットごとにそのビットのビット状態を判定するビット状態判定部と、各ビットごとに、そのビットのビット状態に応じて２つの搬送波周波数のうちの１つを選択して搬送波信号を生成する搬送波生成回路と、搬送波生成回路で生成されたビットごとの搬送波信号をｍ個のビットにわたって加算する加算回路と、それぞれがｍ個のビットにわたって割り当てられた搬送波周波数のいずれかを共振周波数とする２ｍ個の振動子を有し音響信号を送波する送波器と、を有し、送波器の２ｍ個の振動子の入力が相互に電気的に結合して加算回路の出力に応じて駆動される。
【００２７】
本発明の第２の水中音響通信装置は、周波数分割多重された音響信号を受信する水中音響通信装置であって、周波数分割多重で使用される複数の搬送波周波数のそれぞれを共振周波数とする複数の振動子を有し音響信号を受波する受波器と、受波器の各振動子ごとの出力レベルを判定する判定処理部と、を有する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、消費電力が大きいと考えられる素子や回路を用いることなく周波数分割多重による水中音響通信を行うことが可能となるので、低消費電力であって確実に通信を行うことができる水中音響通信装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】水中通信の例を示す図である。
【図２】関連技術における水中音響通信装置の構成を示すブロック図である。
【図３】無指向性の送波器の構成の一例を示す概略斜視図である。
【図４】ビット情報を周波数に変換する処理の一例を説明する図である。
【図５】実施の一形態の水中音響通信装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図５に示した実施の一形態の水中音響通信装置は、図２に示した装置と比べ、電力消費が大きい素子や回路を用いないようにし、さらに簡潔な回路構成とすることによって、ＯＦＤＭ方式での水中通信を実現しながら消費電力を低減できるようにしたものである。これにより、図５に示した水中音響通信装置は、電池による長期間運用を可能としている。
【００３１】
図５に示した水中音響通信装置は、図２に示した水中音響通信装置と同様に、外部から入力される通信信号に応じて音響信号を相手方に送信する送信回路４０と、相手方から送信されてきた音響信号を受信して通信信号に変換し外部に出力する受信回路５０と、を備えており、図１に示した水中通信の例における通信装置１２，１５のいずれにも使用できものである。ここでは、図２に示した装置との相違点を中心にして、本実施形態の水中音響通信装置を説明する。なお、通信装置１２から通信装置１５に音響信号を送信するときに用いられる複数の搬送波の周波数と、通信装置１５から通信装置１２に音響信号を送信するときに用いられる複数の搬送波の周波数とは、部分的にも一致することなく、相互に完全に異なっている。
【００３２】
図５に示した本実施形態の水中音響通信装置は、図２に示した装置での送信回路２０と比べ、送信回路４０においては、変調器及びＤ／Ａ回路の代わりに、より消費電力が小さなビット状態判定部４１及び搬送波生成回路４２を使用して同等の機能を実現し、また、電力増幅回路の個数を１個で済ますようにしている。送波器２６におけるｎ個のリング型振動子２６としては、共振周波数のＱ値が高いものを使用する。Ｑ値が高いことにより、各リング型振動子２６からはその共振周波数以外の周波数成分の出力を抑えることが可能になり、これにより、複数のリング型振動子２６をトランス４７で結合し、単一の電力増幅回路４６により駆動することが可能になっている。これにより、搬送波ごとに電力増幅回路を設ける必要もなくなって、電力消費量をさらに削減することが可能になっている。送波器２６としては、図３に示した構成のものを使用することができる。
【００３３】
詳しく説明すると送信回路４０は、ｎを偶数として、シリアル形式で入力する通信信号をｎ／２本のパラレル信号に変換するシリアル／パラレル変換回路（Ｓ／Ｐ）３１と、パラレル信号のｎ／２本の信号線のそれぞれごとに設けられたビット状態判定部４１と、これらのビット状態判定部４１の出力に応じてビットごとの搬送波を生成する搬送波生成回路４２と、搬送波生成回路４２から出力するビットごとの搬送波信号を加算する加算回路４５と、加算回路４６の出力を増幅する電力増幅回路４６と、電力増幅回路４６の出力が１次巻線に供給されるトランス４７と、ｎ個のリング型振動子２６を有する送波器２５と、を備えている。トランス４７には、リング型振動子２６ごとに設けられた合計ｎ個の２次巻線が設けられており、それらの２次巻線は対応するリング型振動子２６に接続する。本実施形態が適用される一般的な場合においては、ｍが２以上の整数であるとして、ｎ＝２ｍであるようにされ、その場合、シリアル／パラレル変換回路２１からはｍ本すなわちｍビットのパラレル信号が出力されることになる。
【００３４】
通信信号としてｎ／２ビットのシリアル信号がシリアル／パラレル変換回路２１に入力したとすると、シリアル／パラレル変換回路２１のｎ／２本のパラレル出力は、各々が通信信号でのビットに対応することになる。ビット状態判定部４１は、対応するビットが「１」であるか「０」であるかを判定する。搬送波生成回路４２には、図４を用いて説明した周波数Ｆ１〜Ｆｎにそれぞれ対応するｎ個の発振器４３と、ｎ／２個のスイッチ回路４４とが設けられている。加算回路４５は、ｎ／２個のスイッチ回路４４からの出力を加算して電力増幅回路４６に出力する。ここで、周波数がＦ１の発振器の出力と周波数がＦ２の発振器の出力とが、最上位ビットに対応するビット状態判定部４１の出力によって制御されるスイッチ回路４４によって切り替えられて加算回路４５に送られる。例えば、最上位ビットが「０」であればＦ１用の発振器の出力が、最上位ビットが「１」であればＦ２用の発振器の出力が、加算回路４５に送られることになる。同様に、最上位ビットの次のビットの値によって、Ｆ３用の発振器の出力かＦ４用の発振器の出力かが加算回路４５に送られることになる。その結果、図４に示した場合と同様に、通信信号での各ビット値に応じた周波数が選択され、これらの周波数の搬送波が搬送波生成回路４５で生成されて加算回路４６に供給されることになる。加算回路４６がこれらの搬送波を加算することから、周波数多重が実行され、ＯＦＤＭ信号が生成されることになる。このＯＦＤＭ信号は電力増幅回路４６で増幅され、送波器２５に入力する。
【００３５】
送波器に設けられるｎ個のリング型振動子２６は、それぞれ、共振周波数がＦ１〜Ｆｎのものであって、いずれも高いＱ値を有する。そのため、各リング型振動子２６は、その共振周波数以外の周波数で駆動されたとしても音波振動を送波することはない。例えば、共振周波数Ｆ２のリング型振動子２６は、周波数Ｆ３で駆動されたとしても、Ｆ２，Ｆ３のいずれの周波数の音波を放射することはない。したがって、電力増幅回路４６で増幅された信号における周波数成分に応じて、対応する共振周波数のリング型振動子２６のみが駆動されてそれらの共振周波数の音響信号を送波することとなり、ビット値に応じて搬送波が多重されているＯＦＤＭ信号が音響信号として相手方の通信装置に送られることになる。
【００３６】
図５に示す送信回路４０において、上記の説明から明らかなように、ビット状態判定部４１は例えばラッチ回路で構成でき、各発振器４３は低消費電力の発振回路で構成でき、スイッチ４４もアナログスイッチで構成できる。したがって、図２に示した回路と比べ、大幅に消費電力を削減することができる。
【００３７】
図５に示した本実施形態の水中音響通信装置は、図２に示した装置における受信回路３０と比べ、受信回路５０においては、受波器３１に設けられる振動子として、単一の広帯域振動子を用いるのではなく、ｎ個の相互に共振周波数が異なって高いＱ値を有するリング型振動子５１を使用する。Ｑ値の高いリング型振動子は、その共振周波数での感度が高くて十分な強度の電気信号を出力できるので、増幅回路を設ける必要がなくなる。またそのようなリング型振動子は、共振周波数以外の周波数成分の音響信号に対してはほとんど感度を有さないので、受波器３１自体を周波数フィルタとして機能させることも可能である。そのため、ＦＦＴ処理や復調処理、それらのためのアナログ／デジタル変換を行う必要がなくなって、電力消費の大きなＣＰＵやＡ／Ｄ回路などを設けることなく、図２に示した回路での受信回路と同等の機能を実現することができる。
【００３８】
受波器３１に設けられるｎ個のリング型振動子５１は、図５においてリング型振動子＃１〜＃ｎと記載されているが、これらのリング型振動子の共振周波数は、それぞれ、Ｆ１〜Ｆｎであり、相手方の通信装置における送信回路でのリング型振動子２６での共振周波数Ｆ１〜Ｆｎと一致している。リング型振動子５１の共振周波数におけるＱ値は十分に高く、例えば、共振周波数がＦ２であるリング型振動子５１は、受波した音響信号の周波数がＦ３である場合には実質的には電気信号を出力しない。一般的に振動子は音響信号の送波にも受波にも使用できることから、受波器３１としては、図３に示した送波器と同一構成のものを使用することができる。
【００３９】
受波器３１の出力側には、ｎ個のコンパレータ５３を備える判定処理部５２が設けられている。ｎ個のコンパレータ５３は、ｎ個のリング型振動子５１に対して１対１で対応するものであり、各コンパテータ５３は、対応するリング型振動子５１の出力レベルを判定し、出力レベルが所定のしきい値以上の場合に「１」を出力し、そうでない場合には「０」を出力する。ｎ個のコンパレータ５３からの出力が並列に入力するパラレル／シリアル変換回路３８が設けられており、パラレル／シリアル変換回路３８は、コンパレータ５３から並列に入力する信号をシリアル信号に変換して通信信号として外部に出力する。
【００４０】
この受信回路５０では、例えば、周波数がＦ２，Ｆ３，Ｆ６，…である搬送波が多重された音響信号を受波器３１で受波したとすると、共振周波数がＦ２，Ｆ３，Ｆ６，…であるリング型振動子５１（すなわちリング型振動子＃２，＃３，＃６，…）のみが電気信号を出力し、それらのリング型振動子５１に対応するコンパレータ５３のみが「１」を出力する。その結果、ｎ個のコンパレータ５３の出力は、周波数がＦ１側から見て、順番に、「０１１００１…」ということになる。パラレル／シリアル変換回路３８は、このようなパラレル信号からシリアル信号を生成する。
【００４１】
なお、本実施形態の場合、相手方の通信装置での音響信号の生成過程を考えれば、相手方からの音響信号を受波した場合に、例えば、周波数Ｆ１とＦ２について、同時に「１」となることはなく、また同時に「０」となることもないはずである。周波数Ｆ３とＦ４、周波数Ｆ５とＦ６等々においても同様である。そこで、隣接する周波数成分での「０」と「１」の組み合わせがあり得ないものとなった場合には、伝送エラーであると判定することが可能である。
【００４２】
以上、送信回路４０と受信回路５０とを備えるものとして実施の一形態の水中音響通信装置を説明したが、片方向通信しか行わない場合にも本発明を適用することができる。すなわち、送信回路４０を含むが上述したような受信回路５０を備えないもの、あるいは受信回路５０を含むが上述したような送信回路４０を備えないものも、本発明に基づく水中音響通信装置の範疇に含まれることは明らかである。
【符号の説明】
【００４３】
１１ 浮標
１２，１５ 通信装置
１３ 錘
１４ 水中機器
１６ 浮遊物
２０，４０ 送信回路
２１ シリアル／パラレル変換回路
２２ 変調器
２３ デジタル／アナログ変換回路
２４，４６ 電力増幅回路
２５ 送波器
２６，５１ リング型振動子
２７ 土台
２８ モールド
３０，５０ 受信回路
３１ 受波器
３２ 広帯域振動子
３３ 増幅回路
３４ アナログ／デジタル変換回路
３５ ＦＦＴ処理部
３６，５２ 判定処理部
３７ 復調器
３８ パラレル／シリアル変換回路
４１ ビット状態判定部
４２ 搬送波生成回路
４３ 発振器
４４ スイッチ回路
４５ 加算回路
５３ コンパレータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響信号を用いて水中で通信を行う水中音響通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水中あるいは水底に敷設されている機器との間で通信を行う手段として、音響信号を用いる方法がある。音響信号を用いる方法は、ケーブルなどを介した有線通信を行うことが困難な状況において、水中機器に対して通信を行うための有力な手段である。以下の説明においては、海洋への用途を念頭にして、「水中」あるいは「水底」の用語の代わりに「海中」あるいは「海底」の用語を用いることがあるが、説明において「海中」あるいは「海底」の用語が用いられていたとしても、当該説明はそのまま「水中」あるいは「水底」に適用できることは明らかである。
【０００３】
水中音響通信の例として、特許文献１には、音響信号としてＦＳＫ（周波数偏移変調；frequency shift keying）信号を用いる例が示されている。特許文献２には、スペクトル拡散変調された音響信号を用いることが示されている。特許文献３には、マルチパス・フェージング環境でも安定した通信が可能となるように、ＱＰＳＫ（直交位相偏移変調；quadrature phase shift keying）信号を使用し、ＱＰＳＫ信号の同相成分と直交成分の両方に同一の同期シンボルを付加することにより、フレーム同期を確実に行えるようにした例他示されている。
【０００４】
図１は、水中通信の例を示す図である。海面には浮標１１が配備されており、浮標から海中に通信装置１２が吊り下げられている。浮標１１は、海底に沈められた錘１３に対してロープ等により係留されることによって、海面での位置が一定に保たれている。海底には、水中機器１４が敷設されており、水中機器１４には、浮標１１側の通信装置１２との双方向の通信のために、通信装置１５が設けられている。海中には浮遊物１６が漂っている。水中通信が行われるこのような典型的な環境を考えると、浮標１１の通信装置１２と水中機器１４の通信装置１５との間で、図示太線で示されるように、双方向で、音響による通信信号がやりとりされることになる。しかしながら、各通信装置１２，１５で受信される音響信号には、海面や海底さらには浮遊物１６による反射波や、マルチパス伝播した成分が混入してくることになる。通信装置１２，１５はいずれも水中音響通信装置である。
【０００５】
安定した水中通信を実現する場合には、電磁波により空中で通信を行う場合に比べ、以下のような点を考慮する必要がある。
【０００６】
（１）水中通信は、海面や海底によるマルチパス伝播が起こりやすい環境での通信であり、自装置において相手装置から受信した信号は、相手装置での送信信号にマルチパス成分が重畳した信号となる可能性が高い。このため、受信信号からマルチパス成分を分離する必要がある。
【０００７】
（２）信号の搬送波として音響信号を使用しているため伝播速度が遅く（水中での音速は約１５００ｍ／秒）、海面や海底からの反射波が、自装置において送信信号を送波した後のしばらくの間、自装置周辺に戻ってくることが想定される。そのため、相手装置からの送信信号に自装置の送信信号の反射波が重畳した信号を受信信号として受信する可能性が高く、受信信号から反射波成分を分離する必要がある。
【０００８】
（３）水中通信の場合、対をなす通信装置間の位置関係が一定に定まらないことが多く、浮標側の通信装置の場合であればその向きも波浪や潮流等でランダムに変化し得るので、指向性幅が広い送波器及び受波器を使用して、通信可能な範囲を広くする必要がある。
【０００９】
関連技術においては、上記（１）〜（３）への対策として、以下のようなものがある。
【００１０】
マルチパス成分の分離（上記（１）の点）に関し、直交波周波数分割多重方式（ＯＦＤＭ：Orthogonal Frequency Division Multipelxing）を用いる。ＯＦＤＭは、電磁波を用いた通信では、耐マルチパス性の高い通信方式として知られている。一般的なＯＦＤＭでは、一次変調に伝送データの圧縮を考慮して位相変調を使用するが、水中通信の場合には位相の揺らぎが大きく、マルチパス重畳による位相ひずみの影響も大きい。そこで、位相情報を使用せずに、通信信号でのビットの状態（当該ビットが「０」であるか「１」であるか）により送信する搬送波の周波数を変えることにより、周波数成分のみでビットの状態を認識させる。
【００１１】
反射波成分の分離（上記（２）の点）に関し、相対する通信装置間で、送信に使用する搬送波の周波数を相互に異ならせ、受信信号に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理などを行って周波数成分の抽出を行うことにより、自装置の送信信号の反射波成分を受信信号から分離する。
【００１２】
指向性幅が広い送波器及び受波器（上記（３）の点）に関し、送波器及び受波器として、無指向性の振動子を用いる。ここでいう無指向性とは、例えば、水平面内の各方位に対する指向性が一様であることを言う。そのような振動子としては、リング形状の圧電体を用いたリング型振動子がある。送波器の場合、周波数が大きく異なる搬送波を同時に１つのリング型振動子で送波しようとすると、スプリアス放射などの問題が起こりがちであるので、後述するように、共振周波数が異なるリング型振動子を複数個組み合わせて送波器を構成し、使用する搬送波の周波数帯に応じて、送波に用いるリング型振動子を異ならせるようにする。
【００１３】
図２は、以上の点を踏まえて構成された、関連技術における水中音響通信装置の構成の一例を示している。この水中音響通信装置は、図１での通信装置１２，１５のいずれにも使用できるものであるので、ここでは、相互に音響信号によって双方向通信を行う通信装置１２，１５として説明する。通信装置１２，１５すなわち水中音響通信装置は、大別すると、外部から入力される通信信号に応じて音響信号を相手方に送信する送信回路２０と、相手方から送信されてきた音響信号を受信して通信信号に変換し外部に出力する受信回路３０とから構成されている。なお、通信装置１２，１５は同一構成であっていずれも複数の異なる周波数の搬送波で音響信号を送信するが、通信装置１２，１５の間では使用する搬送波の周波数が相互に異なっている。
【００１４】
送信回路２０は、シリアル形式で入力する通信信号をｎ本のパラレル信号に変換するシリアル／パラレル変換回路（Ｓ／Ｐ）３１と、相互に共振周波数が異なるｎ個のリング型振動子２６を有する送波器２５とを有する。さらに、シリアル／パラレル変換回路３１のｎ個のパラレル出力の各々ごとに、変調器２２、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ変換）回路２３及び電力増幅回路２４が設けられている。変調器２２は、シリアル／パラレル変換回路３１の対応する出力に基づいて、リング型振動子の駆動波形に対応するデジタル信号を生成し、Ｄ／Ａ回路２４はこのデジタル信号をアナログ信号に変換し、電力増幅回路２４は、そのアナログ信号を増幅することにより、対応するリング型振動子２６を駆動する。
【００１５】
送波器２５の構造の一例が図３に示されている。送波器２５は、共振周波数が異なるｎ個のリング型振動子２６を円板状のベース２７の上に積み重ね、全体を樹脂からなるモールド２８で覆ったものである。リング型振動子における共振周波数の違いは、リング型振動子＃１、リング型振動子＃２、…、リング型振動子＃ｎのようにして記載している。リング型振動子では、共振周波数が低いほど直径も厚さも大きくなるから、ベース上に、共振周波数の低いリング型振動子２６から順番に積み重ねている。
【００１６】
一方、受信回路３０は、周波数特性が広帯域である広帯域振動子３２を有する受波器３１と、受波器３１で受波した信号を増幅する増幅回路３３と、増幅された信号をデジタル形式の信号に変換するＡ／Ｄ（アナログ／デジタル変換）回路３４と、Ａ／Ｄ回路３４から出力される信号に対してＦＦＴ処理を行って周波数解析を行い周波数成分ごとの信号を出力するＦＦＴ処理部３５と、周波数解析の結果に基づき、相手装置の周波数に対応する周波数成分の信号のみを出力する判定処理部３６と、周波数ごとに判定処理部３６から出力される信号を復調する復調器３７と、複数の復調器３７からの並列に入力する信号をシリアル信号に変換して通信信号として外部に出力するパラレル／シリアル変換回路（Ｐ／Ｓ）３８と、を有している。
【００１７】
次に、図２に示した水中音響通信装置の動作について説明する。ここでは、浮標１１側の通信装置１２から水中機器１４側の通信装置１５に対してまず通信を行い、その後、この通信への応答として通信装置１５から通信装置１２に対して通信を行う際の手順を説明する。
【００１８】
通信装置１２，１５は非同期で作動しており、常時、通信信号の受信待ち受け状態となっている。任意のタイミングにおいて、浮標１１側の通信装置１２の送信回路２０に対して通信信号がシリアルで入力されたものとする。通信信号の入力により、通信装置１２では、シリアル／パラレル変換回路２１がその通信信号のシリアル−パラレル変換を行ない、通信信号をビット(Bit)ごとに分割する。ビットごとに変調器２２が設けられており、各変調器は、対応するビットの状態（ビット値が「０」であるか「１」であるか）に応じて異なる周波数の搬送波を割り当てる。また分割されたビットに対しても相互に異なる搬送波の割当てが行われる。図４は、ここでのビット情報から周波数への変換を説明している。ｎが偶数であるとして、例えば、送信回路２０に与えられる通信信号が、ＭＳＢ（最上位ビット；most significant bit）からＬＳＢ（最下位ビット；least significant bit）までのｎ／２ビットのデータであるとすると、搬送波として、Ｆ１〜Ｆｎまでのｎ個の異なる周波数が用意される。説明の都合上、Ｆ１が最も低い周波数であり、順に周波数が高くなってＦｎが最も高い周波数であって、それぞれ、リング型振動子＃１〜＃ｎに対応するものとする。
【００１９】
最上位ビットには、全体としてＦ１及びＦ２が割り当てられており、その中から、ビット値が「０」（あるいは「Ｌ」（ローレベル））であればＦ１が割当てられ、ビット値が「１」（あるいは「Ｈ」（ハイレベル））であればＦ２が割り当てられる。以下同様にして、最下位ビットに対しては、ビット値が「０」であればＦ（ｎ−１）が割当てられ、ビット値が「１」であればＦｎが割り当てられる。
【００２０】
変調器２２には、ビット値に応じて対応する周波数の搬送波に対応する波形データのデジタル信号を生成し、Ｄ／Ａ回路２３はこのデジタル信号をアナログ信号に変換し、電力増幅回路２４はこのアナログ信号を増幅し、送波器２５内の対応するリング型振動子２６を駆動する。これにより、ＭＳＢからＬＳＢまでのｎ／２ビット分のデータが、周波数分割多重の形態で同時に送波器２５から音響信号として送波されることになる。
【００２１】
相手方となる通信装置１５では、通信装置１２からの音響信号は、受波器３１内の広帯域振動子３２によって受信される。そして受波器３１で受信した信号を増幅回路３３で増幅した後に、Ｄ／Ａ回路３４によってデジタル信号に変換する。変換後のデジタル信号に対し、ＦＦＴ処理部３５によって周波数解析を行って周波数成分の抽出を行い、抽出された周波数成分に基づき、判定処理部３６は判定処理を行って、相手装置からの音響信号の周波数成分のみを抽出する。相手装置からの信号の周波数成分が抽出されたら、周波数ごとの復調器３７により各周波数成分の信号を復調してビット状態を判定する。その結果、複数個の復調器３７から、ビット状態の判定結果がパラレルに出力されることになるから、パラレル／シリアル変換回路３８によってこのパラレル出力の信号をシリアル信号に変換し、通信信号として、通信装置１５に接続する外部回路に出力する。
【００２２】
その後、通信装置１５の送信回路２０に通信信号が入力した場合には、上述と同じ手順で送波が行われるが、その際、通信装置１５は、搬送波として、通信装置１２で使用している周波数とは異なる周波数のものを使用する。通信装置１２は、上述と同じで手順で通信装置１２からの音響信号を受信して処理する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開２００４−１５７６２号公報
【特許文献２】特開２００５−２９５３７８号公報
【特許文献３】特開２００６−１０９２７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
水中機器、特に、海底等に敷設された機器に対しては、外部からの電力供給を行うことが困難であることが多い。外部電源に依存せずに水中機器を動作させるためには、その水中機器の内部に実装された電池を用いることになる。水中機器をひとたび海底等に敷設すると、それを回収して再敷設することには多大の経費と時間がかかるので、電池動作の水中機器に関し、電池交換を行うことは容易ではない。このため、海底等に敷設される水中機器に付属する水中音響通信装置では、限られた容量の電池による長時間運用を行うために、低消費電力であることが求められる。しかしながら、図２に示したような水中音響通信装置では、変調や復調、ＦＦＴ処理などの信号処理を行うが、これらの信号処理はＣＰＵなどの消費電力が大きな素子を用いて、多大なプロセッサパワーを用いて実行する必要がある。さらに、消費電力の大きなＤ／Ａ回路やＡ／Ｄ回路も必要となる。したがって、図２に示したような水中音響通信装置は、電池による長期間運用に適したものではない。
【００２５】
本発明の目的は、低消費電力であって確実に通信を行うことができる水中音響通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明の第１の水中音響通信装置は、ｍ個のビットを周波数分割多重した音響信号を送信する送信回路を有する水中音響通信装置であって、ｍ個のビットにわたって重複が生じないように各ビットごとに異なる２つの搬送波周波数が割り当てられ、送信回路は、ビットごとにそのビットのビット状態を判定するビット状態判定部と、各ビットごとに、そのビットのビット状態に応じて２つの搬送波周波数のうちの１つを選択して搬送波信号を生成する搬送波生成回路と、搬送波生成回路で生成されたビットごとの搬送波信号をｍ個のビットにわたって加算する加算回路と、それぞれがｍ個のビットにわたって割り当てられた搬送波周波数のいずれかを共振周波数とする２ｍ個の振動子を有し音響信号を送波する送波器と、を有し、送波器の２ｍ個の振動子の入力が相互に電気的に結合して加算回路の出力に応じて駆動される。
【００２７】
本発明の第２の水中音響通信装置は、周波数分割多重された音響信号を受信する水中音響通信装置であって、周波数分割多重で使用される複数の搬送波周波数のそれぞれを共振周波数とする複数の振動子を有し音響信号を受波する受波器と、受波器の各振動子ごとの出力レベルを判定する判定処理部と、を有する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、消費電力が大きいと考えられる素子や回路を用いることなく周波数分割多重による水中音響通信を行うことが可能となるので、低消費電力であって確実に通信を行うことができる水中音響通信装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】水中通信の例を示す図である。
【図２】関連技術における水中音響通信装置の構成を示すブロック図である。
【図３】無指向性の送波器の構成の一例を示す概略斜視図である。
【図４】ビット情報を周波数に変換する処理の一例を説明する図である。
【図５】実施の一形態の水中音響通信装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図５に示した実施の一形態の水中音響通信装置は、図２に示した装置と比べ、電力消費が大きい素子や回路を用いないようにし、さらに簡潔な回路構成とすることによって、ＯＦＤＭ方式での水中通信を実現しながら消費電力を低減できるようにしたものである。これにより、図５に示した水中音響通信装置は、電池による長期間運用を可能としている。
【００３１】
図５に示した水中音響通信装置は、図２に示した水中音響通信装置と同様に、外部から入力される通信信号に応じて音響信号を相手方に送信する送信回路４０と、相手方から送信されてきた音響信号を受信して通信信号に変換し外部に出力する受信回路５０と、を備えており、図１に示した水中通信の例における通信装置１２，１５のいずれにも使用できものである。ここでは、図２に示した装置との相違点を中心にして、本実施形態の水中音響通信装置を説明する。なお、通信装置１２から通信装置１５に音響信号を送信するときに用いられる複数の搬送波の周波数と、通信装置１５から通信装置１２に音響信号を送信するときに用いられる複数の搬送波の周波数とは、部分的にも一致することなく、相互に完全に異なっている。
【００３２】
図５に示した本実施形態の水中音響通信装置は、図２に示した装置での送信回路２０と比べ、送信回路４０においては、変調器及びＤ／Ａ回路の代わりに、より消費電力が小さなビット状態判定部４１及び搬送波生成回路４２を使用して同等の機能を実現し、また、電力増幅回路の個数を１個で済ますようにしている。送波器２６におけるｎ個のリング型振動子２６としては、共振周波数のＱ値が高いものを使用する。Ｑ値が高いことにより、各リング型振動子２６からはその共振周波数以外の周波数成分の出力を抑えることが可能になり、これにより、複数のリング型振動子２６をトランス４７で結合し、単一の電力増幅回路４６により駆動することが可能になっている。これにより、搬送波ごとに電力増幅回路を設ける必要もなくなって、電力消費量をさらに削減することが可能になっている。送波器２６としては、図３に示した構成のものを使用することができる。
【００３３】
詳しく説明すると送信回路４０は、ｎを偶数として、シリアル形式で入力する通信信号をｎ／２本のパラレル信号に変換するシリアル／パラレル変換回路（Ｓ／Ｐ）３１と、パラレル信号のｎ／２本の信号線のそれぞれごとに設けられたビット状態判定部４１と、これらのビット状態判定部４１の出力に応じてビットごとの搬送波を生成する搬送波生成回路４２と、搬送波生成回路４２から出力するビットごとの搬送波信号を加算する加算回路４５と、加算回路４６の出力を増幅する電力増幅回路４６と、電力増幅回路４６の出力が１次巻線に供給されるトランス４７と、ｎ個のリング型振動子２６を有する送波器２５と、を備えている。トランス４７には、リング型振動子２６ごとに設けられた合計ｎ個の２次巻線が設けられており、それらの２次巻線は対応するリング型振動子２６に接続する。本実施形態が適用される一般的な場合においては、ｍが２以上の整数であるとして、ｎ＝２ｍであるようにされ、その場合、シリアル／パラレル変換回路２１からはｍ本すなわちｍビットのパラレル信号が出力されることになる。
【００３４】
通信信号としてｎ／２ビットのシリアル信号がシリアル／パラレル変換回路２１に入力したとすると、シリアル／パラレル変換回路２１のｎ／２本のパラレル出力は、各々が通信信号でのビットに対応することになる。ビット状態判定部４１は、対応するビットが「１」であるか「０」であるかを判定する。搬送波生成回路４２には、図４を用いて説明した周波数Ｆ１〜Ｆｎにそれぞれ対応するｎ個の発振器４３と、ｎ／２個のスイッチ回路４４とが設けられている。加算回路４５は、ｎ／２個のスイッチ回路４４からの出力を加算して電力増幅回路４６に出力する。ここで、周波数がＦ１の発振器の出力と周波数がＦ２の発振器の出力とが、最上位ビットに対応するビット状態判定部４１の出力によって制御されるスイッチ回路４４によって切り替えられて加算回路４５に送られる。例えば、最上位ビットが「０」であればＦ１用の発振器の出力が、最上位ビットが「１」であればＦ２用の発振器の出力が、加算回路４５に送られることになる。同様に、最上位ビットの次のビットの値によって、Ｆ３用の発振器の出力かＦ４用の発振器の出力かが加算回路４５に送られることになる。その結果、図４に示した場合と同様に、通信信号での各ビット値に応じた周波数が選択され、これらの周波数の搬送波が搬送波生成回路４５で生成されて加算回路４６に供給されることになる。加算回路４６がこれらの搬送波を加算することから、周波数多重が実行され、ＯＦＤＭ信号が生成されることになる。このＯＦＤＭ信号は電力増幅回路４６で増幅され、送波器２５に入力する。
【００３５】
送波器に設けられるｎ個のリング型振動子２６は、それぞれ、共振周波数がＦ１〜Ｆｎのものであって、いずれも高いＱ値を有する。そのため、各リング型振動子２６は、その共振周波数以外の周波数で駆動されたとしても音波振動を送波することはない。例えば、共振周波数Ｆ２のリング型振動子２６は、周波数Ｆ３で駆動されたとしても、Ｆ２，Ｆ３のいずれの周波数の音波を放射することはない。したがって、電力増幅回路４６で増幅された信号における周波数成分に応じて、対応する共振周波数のリング型振動子２６のみが駆動されてそれらの共振周波数の音響信号を送波することとなり、ビット値に応じて搬送波が多重されているＯＦＤＭ信号が音響信号として相手方の通信装置に送られることになる。
【００３６】
図５に示す送信回路４０において、上記の説明から明らかなように、ビット状態判定部４１は例えばラッチ回路で構成でき、各発振器４３は低消費電力の発振回路で構成でき、スイッチ４４もアナログスイッチで構成できる。したがって、図２に示した回路と比べ、大幅に消費電力を削減することができる。
【００３７】
図５に示した本実施形態の水中音響通信装置は、図２に示した装置における受信回路３０と比べ、受信回路５０においては、受波器３１に設けられる振動子として、単一の広帯域振動子を用いるのではなく、ｎ個の相互に共振周波数が異なって高いＱ値を有するリング型振動子５１を使用する。Ｑ値の高いリング型振動子は、その共振周波数での感度が高くて十分な強度の電気信号を出力できるので、増幅回路を設ける必要がなくなる。またそのようなリング型振動子は、共振周波数以外の周波数成分の音響信号に対してはほとんど感度を有さないので、受波器３１自体を周波数フィルタとして機能させることも可能である。そのため、ＦＦＴ処理や復調処理、それらのためのアナログ／デジタル変換を行う必要がなくなって、電力消費の大きなＣＰＵやＡ／Ｄ回路などを設けることなく、図２に示した回路での受信回路と同等の機能を実現することができる。
【００３８】
受波器３１に設けられるｎ個のリング型振動子５１は、図５においてリング型振動子＃１〜＃ｎと記載されているが、これらのリング型振動子の共振周波数は、それぞれ、Ｆ１〜Ｆｎであり、相手方の通信装置における送信回路でのリング型振動子２６での共振周波数Ｆ１〜Ｆｎと一致している。リング型振動子５１の共振周波数におけるＱ値は十分に高く、例えば、共振周波数がＦ２であるリング型振動子５１は、受波した音響信号の周波数がＦ３である場合には実質的には電気信号を出力しない。一般的に振動子は音響信号の送波にも受波にも使用できることから、受波器３１としては、図３に示した送波器と同一構成のものを使用することができる。
【００３９】
受波器３１の出力側には、ｎ個のコンパレータ５３を備える判定処理部５２が設けられている。ｎ個のコンパレータ５３は、ｎ個のリング型振動子５１に対して１対１で対応するものであり、各コンパテータ５３は、対応するリング型振動子５１の出力レベルを判定し、出力レベルが所定のしきい値以上の場合に「１」を出力し、そうでない場合には「０」を出力する。ｎ個のコンパレータ５３からの出力が並列に入力するパラレル／シリアル変換回路３８が設けられており、パラレル／シリアル変換回路３８は、コンパレータ５３から並列に入力する信号をシリアル信号に変換して通信信号として外部に出力する。
【００４０】
この受信回路５０では、例えば、周波数がＦ２，Ｆ３，Ｆ６，…である搬送波が多重された音響信号を受波器３１で受波したとすると、共振周波数がＦ２，Ｆ３，Ｆ６，…であるリング型振動子５１（すなわちリング型振動子＃２，＃３，＃６，…）のみが電気信号を出力し、それらのリング型振動子５１に対応するコンパレータ５３のみが「１」を出力する。その結果、ｎ個のコンパレータ５３の出力は、周波数がＦ１側から見て、順番に、「０１１００１…」ということになる。パラレル／シリアル変換回路３８は、このようなパラレル信号からシリアル信号を生成する。
【００４１】
なお、本実施形態の場合、相手方の通信装置での音響信号の生成過程を考えれば、相手方からの音響信号を受波した場合に、例えば、周波数Ｆ１とＦ２について、同時に「１」となることはなく、また同時に「０」となることもないはずである。周波数Ｆ３とＦ４、周波数Ｆ５とＦ６等々においても同様である。そこで、隣接する周波数成分での「０」と「１」の組み合わせがあり得ないものとなった場合には、伝送エラーであると判定することが可能である。
【００４２】
以上、送信回路４０と受信回路５０とを備えるものとして実施の一形態の水中音響通信装置を説明したが、片方向通信しか行わない場合にも本発明を適用することができる。すなわち、送信回路４０を含むが上述したような受信回路５０を備えないもの、あるいは受信回路５０を含むが上述したような送信回路４０を備えないものも、本発明に基づく水中音響通信装置の範疇に含まれることは明らかである。
【符号の説明】
【００４３】
１１ 浮標
１２，１５ 通信装置
１３ 錘
１４ 水中機器
１６ 浮遊物
２０，４０ 送信回路
２１ シリアル／パラレル変換回路
２２ 変調器
２３ デジタル／アナログ変換回路
２４，４６ 電力増幅回路
２５ 送波器
２６，５１ リング型振動子
２７ 土台
２８ モールド
３０，５０ 受信回路
３１ 受波器
３２ 広帯域振動子
３３ 増幅回路
３４ アナログ／デジタル変換回路
３５ ＦＦＴ処理部
３６，５２ 判定処理部
３７ 復調器
３８ パラレル／シリアル変換回路
４１ ビット状態判定部
４２ 搬送波生成回路
４３ 発振器
４４ スイッチ回路
４５ 加算回路
５３ コンパレータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｍ個のビットを周波数分割多重した音響信号を送信する送信回路を有する水中音響通信装置であって、
前記ｍ個のビットにわたって重複が生じないように各ビットごとに異なる２つの搬送波周波数が割り当てられ、
前記送信回路は、
前記ビットごとに当該ビットのビット状態を判定するビット状態判定部と、
前記各ビットごとに、当該ビットのビット状態に応じて前記２つの搬送波周波数のうちの１つを選択して搬送波信号を生成する搬送波生成回路と、
前記搬送波生成回路で生成されたビットごとの搬送波信号を前記複数のビットにわたって加算する加算回路と、
それぞれが前記ｍ個のビットにわたって割り当てられた搬送波周波数のいずれかを共振周波数とする２ｍ個の振動子を有し前記音響信号を送波する送波器と、
を有し、
前記送波器の前記２ｍ個の振動子の入力が相互に電気的に結合して前記加算回路の出力に応じて駆動される、水中音響通信装置。
【請求項２】
前記搬送波生成回路は、前記ｍ個のビットにわたって割り当てられた搬送波周波数のいずれかを発振する２ｍ個の発振器と、前記各ビットごとに設けられ、当該ビットの前記２つの搬送波周波数の発振器のうちの１つの出力を選択するスイッチ回路と、を有する、請求項１に記載の水中音響通信装置。
【請求項３】
前記加算回路の出力を増幅する電力増幅回路と、１次巻線が前記電力増幅回路の出力に接続したトランスと、をさらに備え、前記トランスは、前記送波器の前記振動子ごとに設けられて当該振動子に接続する２次巻線を有する、請求項１または２に記載の水中音響通信装置。
【請求項４】
シリアル信号として入力した通信信号に対してシリアル／パラレル変換を行って前記ｍ個のビットの信号を生成するシリアル／パラレル変換回路を有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水中音響通信装置。
【請求項５】
相手方となる水中音響通信装置からの周波数分割多重による音響信号を受信する受信回路をさらに備え、
前記受信回路は、前記相手方となる水中音響通信装置に割り当てられている複数の搬送波周波数のそれぞれを共振周波数とする複数の振動子を有して前記音響信号を受波する受波器と、前記受波器の前記各振動子ごとの出力レベルを判定する判定処理部と、を有し、
前記ｍ個のビットにわたって割り当てられた前記搬送波周波数と、前記相手方となる水中音響通信装置に割り当てられている複数の搬送波周波数とが重複しない、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水中音響通信装置。
【請求項６】
前記判定処理部から前記出力レベルの判定結果を並列に受け取ってシリアル信号に変換するパラレル／シリアル変換回路を有する、請求項５に記載の水中音響通信装置。
【請求項７】
前記判定処理部は、前記受波器の前記各振動子ごとに設けられて当該振動子の出力レベルを判定するコンパレータを有する、請求項５または６に記載の水中音響通信装置。
【請求項８】
周波数分割多重された音響信号を受信する水中音響通信装置であって、
前記周波数分割多重で使用される複数の搬送波周波数のそれぞれを共振周波数とする複数の振動子を有し前記音響信号を受波する受波器と、
前記受波器の前記各振動子ごとの出力レベルを判定する判定処理部と、
を有する、水中音響通信装置。
【請求項９】
前記判定処理部から前記出力レベルの判定結果を並列に受け取ってシリアル信号に変換するパラレル／シリアル変換回路を有する、請求項８に記載の水中音響通信装置。
【請求項１０】
前記判定処理部は、前記各振動子ごとに設けられて当該振動子の出力レベルを判定するコンパレータを有する、請求項８または９に記載の水中音響通信装置。
【請求項１】
ｍ個のビットを周波数分割多重した音響信号を送信する送信回路を有する水中音響通信装置であって、
前記ｍ個のビットにわたって重複が生じないように各ビットごとに異なる２つの搬送波周波数が割り当てられ、
前記送信回路は、
前記ビットごとに当該ビットのビット状態を判定するビット状態判定部と、
前記各ビットごとに、当該ビットのビット状態に応じて前記２つの搬送波周波数のうちの１つを選択して搬送波信号を生成する搬送波生成回路と、
前記搬送波生成回路で生成されたビットごとの搬送波信号を前記複数のビットにわたって加算する加算回路と、
それぞれが前記ｍ個のビットにわたって割り当てられた搬送波周波数のいずれかを共振周波数とする２ｍ個の振動子を有し前記音響信号を送波する送波器と、
を有し、
前記送波器の前記２ｍ個の振動子の入力が相互に電気的に結合して前記加算回路の出力に応じて駆動される、水中音響通信装置。
【請求項２】
前記搬送波生成回路は、前記ｍ個のビットにわたって割り当てられた搬送波周波数のいずれかを発振する２ｍ個の発振器と、前記各ビットごとに設けられ、当該ビットの前記２つの搬送波周波数の発振器のうちの１つの出力を選択するスイッチ回路と、を有する、請求項１に記載の水中音響通信装置。
【請求項３】
前記加算回路の出力を増幅する電力増幅回路と、１次巻線が前記電力増幅回路の出力に接続したトランスと、をさらに備え、前記トランスは、前記送波器の前記振動子ごとに設けられて当該振動子に接続する２次巻線を有する、請求項１または２に記載の水中音響通信装置。
【請求項４】
シリアル信号として入力した通信信号に対してシリアル／パラレル変換を行って前記ｍ個のビットの信号を生成するシリアル／パラレル変換回路を有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水中音響通信装置。
【請求項５】
相手方となる水中音響通信装置からの周波数分割多重による音響信号を受信する受信回路をさらに備え、
前記受信回路は、前記相手方となる水中音響通信装置に割り当てられている複数の搬送波周波数のそれぞれを共振周波数とする複数の振動子を有して前記音響信号を受波する受波器と、前記受波器の前記各振動子ごとの出力レベルを判定する判定処理部と、を有し、
前記ｍ個のビットにわたって割り当てられた前記搬送波周波数と、前記相手方となる水中音響通信装置に割り当てられている複数の搬送波周波数とが重複しない、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水中音響通信装置。
【請求項６】
前記判定処理部から前記出力レベルの判定結果を並列に受け取ってシリアル信号に変換するパラレル／シリアル変換回路を有する、請求項５に記載の水中音響通信装置。
【請求項７】
前記判定処理部は、前記受波器の前記各振動子ごとに設けられて当該振動子の出力レベルを判定するコンパレータを有する、請求項５または６に記載の水中音響通信装置。
【請求項８】
周波数分割多重された音響信号を受信する水中音響通信装置であって、
前記周波数分割多重で使用される複数の搬送波周波数のそれぞれを共振周波数とする複数の振動子を有し前記音響信号を受波する受波器と、
前記受波器の前記各振動子ごとの出力レベルを判定する判定処理部と、
を有する、水中音響通信装置。
【請求項９】
前記判定処理部から前記出力レベルの判定結果を並列に受け取ってシリアル信号に変換するパラレル／シリアル変換回路を有する、請求項８に記載の水中音響通信装置。
【請求項１０】
前記判定処理部は、前記各振動子ごとに設けられて当該振動子の出力レベルを判定するコンパレータを有する、請求項８または９に記載の水中音響通信装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２０９８６５（Ｐ２０１２−２０９８６５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７５５４９（Ｐ２０１１−７５５４９）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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