送受信装置及び同期システム
【課題】２つの送受信装置の間の同期確立と距離を測定する
【解決手段】他の第２送受信装置に対して第１信号を送信し、第２送受信装置において受信した第１信号を折り返して第２信号として返信して、フェズドロックループ（ＰＬＬ）により同期をとる送受信装置である。基準信号を出力する基準発振器と、送信ベースバンド信号を発生する、位相と周波数が可変の信号発振器と、送信ベースバンド信号により搬送波を変調して得られる第１信号を送信する送信器を有する。第２送受信装置から受信した第２信号を復調して受信ベースバンド信号を得る受信器と、送信ベースバンド信号と基準発振器の出力する基準信号との第１位相差を検出する第１位相比較器と、受信ベースバンド信号と基準発振器の出力する基準信号との第２位相差を検出する第２位相比較器と、第１位相差と第２位相差との絶対値の差を出力する比較器とを有する。比較器の出力が零となるように、信号発振器の位相と周波数をフィードバック制御した。
【解決手段】他の第２送受信装置に対して第１信号を送信し、第２送受信装置において受信した第１信号を折り返して第２信号として返信して、フェズドロックループ（ＰＬＬ）により同期をとる送受信装置である。基準信号を出力する基準発振器と、送信ベースバンド信号を発生する、位相と周波数が可変の信号発振器と、送信ベースバンド信号により搬送波を変調して得られる第１信号を送信する送信器を有する。第２送受信装置から受信した第２信号を復調して受信ベースバンド信号を得る受信器と、送信ベースバンド信号と基準発振器の出力する基準信号との第１位相差を検出する第１位相比較器と、受信ベースバンド信号と基準発振器の出力する基準信号との第２位相差を検出する第２位相比較器と、第１位相差と第２位相差との絶対値の差を出力する比較器とを有する。比較器の出力が零となるように、信号発振器の位相と周波数をフィードバック制御した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの送受信装置の間において、有線又は無線により信号を送受信して、それら２つの送受信装置間で同期をとったり、装置間の距離を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁波を反射する対象物までの距離を測定する装置として、特許文献１に記載の装置が知られている。この装置は、送受信装置と、反射対象物との間でフェーズロックドループを形成して、その時の同期周波数から距離を測定するものである。
また、本発明者により発明された、特許文献２、３のように、送受信装置を２個１組として、２つの送受信装置間でフェーズロックドループを形成し、数ＭＨｚ程度の方形波を数百乃至数ＧＨｚの高周波搬送波に載せて当該数ＭＨｚ程度の方形波の位相遅れを検出する装置が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１９８３０６
【特許文献２】特開２００８−０３２５３５
【特許文献３】特開２００８−１２２２５５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示の方法は、送信信号と、その反射波の受信信号との間で、同期のかかる周波数を検出して、その周波数から、送信器と反射物間の距離を測定する方法である。周波数を、順次、変更して、同期する周波数を検出するのが困難であるという問題がある。また、特許文献２、３の方法では、２つの送受信装置間でフェーズロックドループを用いることから、安定して、距離が測定できる。
しかしながら、２つの送受信装置間でフェーズロックドループを形成しても、２つの送受信装置間の距離が変動すると、信号の伝搬遅延時間が変化するために、２つの送受信装置間において、同期をとることはできない。たとえば、あるマスターの送受信装置から、複数のスレーブの送受信装置に対して、信号を送信することで、全てのスレーブの送受信装置及びマスタの送受信装置において、タイミングの同期をとることはできない。複数の送受信装置間で、タイミングの同期をとることができれば、同期時刻を基準にして、時分割によりチャネルを各送受信装置に割り当て、衝突することなくデータ通信を実行することができる。また、特許文献２、３では、送受信装置間の往復距離を測定して、その１／２を両装置間の距離としており、両装置間の距離を直接的には、測定していない。
そこで本発明の目的は、複数の送受信装置間でタイミングの同期をとるための送受信装置を実現することである。
また、２つの送受信装置間の距離を直接的に測定することを実現し、測定精度を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の発明は、他の第２送受信装置に対して第１信号を送信し、第２送受信装置において受信した第１信号を折り返して第２信号として返信することにより、第２送受信装置との間において、フェズドロックループ（ＰＬＬ）により同期をとる送受信装置において、所定の基準周波数の基準信号を出力する基準発振器と、送信ベースバンド信号を発生する、位相と周波数が可変の信号発振器と、信号発振器により生成された送信ベースバンド信号により搬送波を変調して得られる第１信号を送信する送信器と、第２送受信装置から受信した第２信号を復調して受信ベースバンド信号を得る受信器と、送信器に入力される送信ベースバンド信号と基準発振器の出力する基準信号との第１位相差を検出する第１位相比較器と、受信器による復調により得られた受信ベースバンド信号と基準発振器の出力する基準信号との第２位相差を検出する第２位相比較器と、第１位相差と第２位相差との絶対値の差を出力する比較器とを有し、比較器の出力が零となるように、信号発振器の位相と周波数をフィードバック制御したことを特徴とする送受信装置である。
【０００６】
本発明において、本発明に係る送受信装置が第１信号を送信する時に、他の第２送受信装置は、単一でも複数存在しても良い。第２送受信装置は、受信した第１信号を、理想的には遅延時間なく折り返して、第２信号として返信する装置である。装置内での遅延時間は、通常は、回路による処理時間である。装置内遅延時間は、本発明の送受信装置から第２送受信装置までの伝搬遅延時間に比べて、装置内の遅延時間が十分に小さい値であって、既知の変動しない時間であれば、存在してもかまわない。既知の装置内遅延時間だけ、送受信装置間の同期タイミングや測定される距離を補正すれば良い。
【０００７】
第１信号、第２信号の送信は、有線であっても無線であっても良い。第２送受信装置において、受信した第１信号を第２信号として返信する場合には、第１信号の搬送波の周波数と異なる周波数の搬送波で返信することが望ましい。本発明に係る送受信装置は、第１信号と異なる周波数の第２信号を受信した場合に、第２送受信装置から折り返し返信された信号であると認識できる。すなわち、第１信号の他の物体による反射による受信信号や、第１信号の回り込みによる受信信号を第２信号として、誤検出することがない。
【０００８】
第２送受信装置が複数存在する場合には、各第２信号の搬送波の周波数は、各第１送受信装置間で異なる周波数とするのが望ましい。すなわち、各第２送受信装置には、使用する周波数が割り当てられており、本発明の送受信装置で、第２信号を周波数により選局して復調することで、本送受信装置と、複数の第２送受信装置との間で、順次、走査して、同期をとることができる。本送受信装置を基準に複数の第２送受信装置との間で同期をとることは、全て第２送受信装置間で同期がとれていることを意味する。また、本発明の送受信装置で、第２信号を周波数により選局して復調することで、本送受信装置と、複数の各第２送受信装置との間の距離を、順次、走査して、測定することができる。
【０００９】
また、第２送受信装置において、第１信号の受信に同期して第２信号を生成する場合には、高周波信号である第１信号を、単に、周波数変移させたものを第２信号としても良い。すなわち、受信した第１信号の周波数を、所定周波数だけ高い周波数に変移させるのであれば、その所定周波数の正弦波と第１信号とをミキシングして、帯域通過フィルタにより変移後の周波数の第２信号を抽出すれば良い。また、第１信号を復調して、一端、送信ベースバンド信号を得た後に、この送信ベースバンド信号により搬送波を変調して、第２信号を生成して、返信するようにしても良い。
【００１０】
また、他の発明は、上記発明において、第１位相比較器の出力する第１位相差又は第２位相比較器の出力する第２位相差から、第２送受信装置までの距離を求める距離測定装置を有することを特徴とする送受信装置である。
【００１１】
上記発明において、送信ベースバンド信号は、方形波又は周期的パルスとすることができる。ベースバンド信号については、同期タイミングが分かる信号であれば、任意である。方形波、パルスの他、鋸歯状波、正弦波などを用いることができる。また、拡散符号などの符号データであっても良い。ベースバンド信号には周期関数が望ましいが、同期タイミングが分かるものであれば、必ずしも、周期関数である必要はない。また、変調方式は、振幅変調、周波数変調、位相変調であっても良い。また、振幅変変移変調（ＡＳＫ）、周波数変移変調（ＦＳＫ）、位相変移変調（ＰＳＫ）であっても良い。また、第１位相差、第２位相差は、基準信号の基準位相に対する時間差で測定しても良く、これらの位相差は時間差の概念を含む。
【００１２】
また、他の発明は、上記の発明に係る送受信装置と、複数の第２送受信装置とから成り、各第２送受信装置において、第１信号を受信して、復調された各送信ベースバンド信号を、複数の第２送受信装置間における同期信号とすることを特徴とする同期システムである。本発明の送受信装置を用いて第１信号を送信し、第２信号を受信することで、複数の送受信装置間で、ＰＬＬ同期をとることができる。これにより、各第２送受信装置で復調された送信ベースバンド信号を、同期のためのタイミング信号とすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、本発明に係る送受信装置から第２送受信装置へ向けて第１信号が送信される。第２送受信装置では、この第１信号は第２信号として折り返し返信される。本送受信装置では、第２信号を復調して得られる受信ベースバンド信号と基準信号との位相差である第２位相差θ２が測定される。また、送信ベースバンド信号と基準信号との位相差である第１位相差θ１が測定される。そして、この第１位相差θ１と第２位相差θ２の絶対値が等しくなるように、送信ベースバンド信号は、基準信号に対して位相が進められる。今、基準信号の位相を基準にすると、送信ベースバンド信号の位相はθ１（正値）、受信ベースバンド信号の位相はθ２（負値）となる。θ１、θ２は、基準信号に対して進み位相を正、遅れ位相を負として定義する。
【００１４】
第２送受信装置において第１信号の受信から第２信号の送信までの遅延時間がなく、本送受信装置と第２送受信装置間の伝搬遅延時間により生じる送信ベースバンド信号の遅れ位相量をΔφ（正値）とする。すると、第２送受信装置において第１信号を受信した時の送信ベースバンド信号の基準信号に対する位相は、θ１−Δφとなる。さらに、第２信号として第２送受信装置から本送受信装置に伝搬する間に、位相は、Δφだけ遅れる。したがって、本送受信装置で第２信号を復調して得られる受信ベースバンド信号の基準信号に対する位相は、θ１−２Δφとなる。この位相が受信ベースバンド信号の位相θ２に等しくなる。よって、θ１−２Δφ＝θ２が成立する。
【００１５】
第１位相差θ１と第２位相差θ２の絶対値が等しくなるように、送信ベースバンド信号の位相θ１は、フィードバック制御されている。したがって、θ１＝−θ２であるので、θ１＝Δφである。すなわち、上記の第１位相差θ１又は第２位相差θ２から、本送受信装置と第２送受信装置間の距離Ｌが、Ｌ＝ｃθ１／（２πｆ）で求められる。ただし、ｃは光速、ｆは送信ベースバンド信号の周波数である。このようにして、本送受信装置と第２送受信装置との間でＰＬＬ同期をかけた状態で、両装置間の距離を直接的に正確に求めることができる。
【００１６】
また、第２送受信装置において、第１信号を復調して得られた送信ベースバンド信号の基準信号に対する位相は、上記したように、θ１−Δφである。そして、上記のように、第１位相差θ１と第２位相差θ２の絶対値が等しくなるように、ＰＬＬ同期がかかっている場合には、θ１＝Δφである。したがって、第２送受信装置において得られる送信ベースバンド信号の位相は、本送受信装置の基準発振器の出力する基準信号と同位相となっている。このようなＰＬＬ同期が、本送受信装置と複数の第２送受信装置との間で確立しているならば、全ての第２送受信装置において受信した第１信号を復調して得られる送信ベースバンド信号は、基準信号と同期したものとなる。この結果、本送受信装置、それぞれ異なる距離にある全ての第２送受信装置との間で、同期を確立させることができる。よって、たとえば、この同期した送信ベースバンド信号を基準に、複数の第２送受信装置に各タイムスロットを割り当てることで、時分割多重通信を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の具体的な実施例１に係る送受信装置の構成図。
【図２】実施例１に係る送受信装置と通信する第２送受信装置の構成図。
【図３】実施例１に係る送受信装置において、第２送受信装置との間でＰＬＬ同期が確立した状態での、送信ベースバンド信号の位相と、受信ベースバンド信号との位相との関係を示した説明図。
【図４】実施例２に係るシステムの構成図。
【図５】実施例３に係る、時分割による送信周波数、受信周波数の制御を行う送受信装置の動作説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、ブロック図を用いて本発明の具体的な実施例を説明する。本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明に係る送受信装置１の構成図である。基準発振器１０は、１ＭＨｚの方形波の基準信号Ｓ０を発振する発振器である。基準発振器１０の出力する基準信号Ｓ０は、第１位相比較器１１と、第２位相比較器１２に入力している。第１位相比較器１１には、電圧制御発振器１７の出力する送信ベースバンド信号Ｂ１が入力されている。送信ベースバンド信号Ｂ１は、後述するように、基準信号Ｓ０に周波数同期し、位相差が所定値となるように位相同期した方形波である。電圧制御発振器１７の出力する送信ベースバンド信号Ｂ１は変調器（ミキサー）１８に入力している。基準発振器１０の出力する基準信号Ｓ０はＰＬＬ電圧制御発振器１９に入力しており、ＰＬＬ電圧制御発振器１９は、基準信号Ｓ０を元に、その基準信号Ｓ０の周波数を逓倍した正弦波を搬送波として発生する。この搬送波は、変調器１８に入力しており、変調器１８により送信ベースバンド信号Ｂ１により搬送波が振幅変調される。そして、変調器１８の出力する信号は、帯域通過フィルタ２０に入力して、変調信号の上側帯波だけ抽出される。帯域通過フィルタ２０の出力信号は増幅器２２で増幅された後、送信アンテナ２１を介して、空間に、第１送信信号Ｓ１として、放射される。
【００２０】
第２送受信装置２については後述するが、第２送受信装置２からは、第１信号を受信して、単に、周波数を変移させて、第２信号Ｓ２が返信されるものとする。第２信号Ｓ２は受信アンテナ３０により受信され、受信信号は増幅器３１により増幅された後、復調器３３に入力する。復調器３３は、同期復調器であり、第２信号Ｓ２の搬送波に同期した周波数の正弦波の復調搬送波を発生して、その復調搬送波で第２信号Ｓ２を同期復調する。復調器３３の出力信号は帯域通過フィルタ３４を通過して、受信ベースバンド信号Ｂ２として第２位相比較器１２に入力する。受信ベースバンド信号Ｂ２は方形波であり、送信ベースバンド信号Ｂ１と同一周波数であり、所定位相だけ遅れた信号である。
【００２１】
第２位相比較器１２では、受信ベースバンド信号Ｂ２と基準信号Ｓ０との第２位相差θ２が検出される。第２位相差θ２は、受信ベースバンド信号Ｂ２の位相−基準信号の位相として定義される。すなわち、基準信号の位相を０度とした時の受信ベースバンド信号Ｂ２の位相である。θ２の負値は、遅れ位相を表す。第２位相比較器１２は、良く知られたようにフリップフロップ回路から成る。受信ベースバンド信号Ｂ２の基準信号Ｓ０に対する位相差に比例した幅のパルス信号が出力される。受信ベースバンド信号Ｂ２と基準信号Ｓ０とが同相の場合には、第２位相比較器１２の出力は、デューティ比５０％の方形波となり、受信ベースバンド信号Ｂ２が基準信号Ｓ０に対してπだけ位相が進んでいる場合には、デューティ比１００％の方形波（ハイレベルの直流）となり、受信ベースバンド信号Ｂ２が基準信号Ｓ０に対してπだけ位相が遅れている場合には、デューティ比０％の方形波（ローレベルの直流）となるように調整されている。第２位相比較器１２の出力信号はローパスフィルタ（ループフィルタ）１４に入力しており、平滑化（平均化）される。ローパスフィルタ１４の出力レベルが第２位相差θ２を与える。後述するように、受信ベースバンド信号Ｂ２は基準信号Ｓ０に対して、必ず位相が遅れる。したがって、第２位相差θ２は負値である。このため、反転器１６において、信号レベルが反転されて、第２位相差θ２の絶対値が求められる。すなわち、反転器１６の出力信号は、第２位相差の絶対値（−θ２）を与える。
【００２２】
同様に、第１位相比較器１１には、基準信号Ｓ０と送信ベースバンド信号Ｂ１が入力している。第１位相比較器１１は、第２位相比較器１２と同一の構成をしており、同一の作用をする。したがって、送信ベースバンド信号Ｂ１と基準信号Ｓ０とが同相の場合には、第１位相比較器１１の出力は、デューティ比５０％の方形波となり、送信ベースバンド信号Ｂ１が基準信号Ｓ０に対してπだけ位相が進んでいる場合には、デューティ比１００％の方形波（ハイレベルの直流）となり、送信ベースバンド信号Ｂ１が基準信号Ｓ０に対してπだけ位相が遅れている場合には、デューティ比０％の方形波（ローレベルの直流）となるように調整されている。第１位相比較器１１の出力信号はローパスフィルタ（ループフィルタ）１５に入力しており、平滑化（平均化）される。ローパスフィルタ１５の出力レベルが第１位相差θ１を与える。後述するように、送信ベースバンド信号Ｂ１は基準信号Ｓ０に対して、必ず位相が進んでいる。したがって、第１位相差θ１は正値である。このため、ローパスフィルタ１５の出力レベルは第１位相差θ１の絶対値（θ１）を与えることになる。
【００２３】
第１位相差の絶対値θ１と、第２位相差の絶対値（−θ２≧０）とが、比較器１３に入力している。比較器１３の出力は、第２位相差の絶対値の第１位相差の絶対値に対する差Δθを演算する。したがって、次式が成立する。
【数１】
比較器１３の出力信号は、電圧制御発振器１７の制御端子に入力している。Δθが正の場合には、電圧制御発振器１７の出力する送信ベースバンド信号Ｂ１の位相を進めて、比較器１３の出力Δθが０となるようにフィードバック制御される。また、Δθが負の場合には、電圧制御発振器１７の出力する送信ベースバンド信号Ｂ１の位相を遅らせて、比較器１３の出力Δθが０となるようにフィードバック制御される。このようにして、比較器１３の出力Δθが、常に、０となるように、送信ベースバンド信号Ｂ１の位相は制御されることになる。すなわち、送受信装置１と第２送受信装置２との間で、ベースバンド信号に関してＰＬＬ同期が確立したことになる。
【００２４】
ＰＬＬ同期が確立した状態では、比較器１３の出力であるΔθは零である。すなわち、次式が成立する。
【数２】
第１位相差θ１と第２位相差θ２の絶対値は等しくなる。この同期をした時の第１位相差θ１と第２位相差θ２の関係を図３に示す。
【００２５】
次に、この状態での第１位相差θ１、第２位相差θ２は、送受信装置１と第２送受信装置２との間の距離を表している。いま、第２送受信装置において、第１信号の受信してから第２信号を返信するまので装置内遅延時間を零と仮定する。送信装置１から第２送受信装置までの伝搬遅延時間をΔｔとし、送信ベースバンド信号Ｂ１の周波数をｆとする。遅延時間Δｔに相当する位相差Δφは、次式で表される。
【数３】
【００２６】
基準信号Ｓ０の位相をφ０とする。すると、電圧制御発振器１７の出力端における送信ベースバンド信号Ｂ１の位相φ１は、次式で表される。
【数４】
第１信号Ｓ１が伝搬して、第２送受信装置２で受信された時の送信ベースバンド信号Ｂ１の位相φ３は、次式で表される。
【数５】
第２送受信装置２では、この送信ベースバンド信号Ｂ１の位相は保持されて、第２信号Ｓ２として、送受信装置１に返信される。送受信装置１において、この第２信号Ｓ２を復調して得られる受信ベースバンド信号Ｂ２の位相φ２は、さらに、Δφだけ遅延するので、次式で表される。
【数６】
【００２７】
第２位相差θ２は、受信ベースバンド信号Ｂ２の位相φ２の基準信号の位相φ０に対する位相差であるので、（６）式を用いて、次式で表される。
【数７】
（２）式の関係があるので、θ１、θ２に関して、次式が成立する。
【数８】
すなわち、送受信装置１と第２送受信装置２との間でＰＬＬ同期が確立している状態では、第１位相差θ１と第２位相差θ２とは、送受信装置１と第２送受信装置２の間の伝搬遅延時間Δｔに基づく位相差を表す。送受信装置１と第２送受信装置２間の距離をＬとすると次式が成立する。
【数９】
【００２８】
このようにして、第１位相差θ１、又は、第２位相差θ２を用いて、送受信装置１と第２送受信装置２間の距離Ｌを測定することができる。この目的のために、ローパスフィルタ１５の出力が、距離演算装置７０に入力している。距離演算装置７０は、（９）式の演算を行う装置であり、コンピュータシステムで構成されている。このように、送受信装置１と第２送受信装置２との間で、ＰＬＬ同期が確立した後には、両者間の距離が時間的に変動しても、ＰＬＬ同期は継続されるので、リアルタイムで、連続的に両者間の距離を測定することができる。
【００２９】
第２送受信装置２は、第１信号Ｓ１を受信して、単に、周波数変換して第２信号として送信する装置である。周波数変換器は、ミキサーと帯域通過フィルタで構成できる。
なお、本発明における信号発振器は、電圧制御発振器１７で構成され、本発明における送信器は、変調器１８、ＰＬＬ電圧制御発振器１９、基準発振器１０、帯域通過フィルタ２０、増幅器２２、送信アンテナ２１により構成されている。また、本発明における受信器は、受信アンテナ３０、増幅器３１、帯域通過フィルタ３２、復調器３３、帯域通過フィルタ３４により構成されている。
【００３０】
次に、第２送受信装置２の他の構成例について説明する。図２において、受信アンテナ５１で受信された第１信号Ｓ１は、増幅器５２で増幅された後に、第１信号Ｓ１の搬送波の帯域を抽出する帯域通過フィルタ５３に入力する。帯域通過フィルタ５３から出力される第１信号Ｓ１は、コスタスループなどで構成される同期復調器５４により同期復調されて、ベースバンド帯域を抽出するための帯域通過フィルタ５５に入力する。帯域通過フィルタ５５の出力信号が送信ベースバンド信号Ｂ１となる。送信ベースバンド信号Ｂ１は、変調器５６に入力する。固定周波数発振器５８から周波数ｆ２の方形波がＰＬＬ電圧制御発振器５７に入力する。ＰＬＬ電圧制御発振器５７においては、その方形波の周波数を所定数倍に逓倍した周波数Ｍｆ２の正弦波が生成される。ＰＬＬ電圧制御発振器５７の出力は搬送波として、変調器５６に入力する。この搬送波の周波数は、受信した第１信号の搬送波の周波数ｆ１と異なり、第２送受信装置２に固有に割り当てられた周波数である。この変調器５６により送信ベースバンド信号Ｂ１により周波数Ｍｆ２の搬送波が振幅変調されて、上側帯波だけ通過させる帯域通過フィルタ５９に入力して、増幅器６０で増幅された後、第２信号Ｓ２として、送信アンテナ６１から空間に放射される。この第２信号Ｓ２が送受信装置１により受信されて、上記のようにＰＬＬ同期が確立される。
【００３１】
送受信装置１と第２送受信装置２との間でＰＬＬ同期が確立すると、第２送受信装置２で復調されて得られる送信ベースバンド信号Ｂ１の位相は、（６）式により、φ３＝φ０＋θ１−Δφであるが、θ１＝Δφが成立しているので、φ３＝φ０となる。すなわち、第２送受信装置２で復調されて得られる送信ベースバンド信号Ｂ１は、送受信装置１の基準信号Ｓ０と同一周波数で、位相同期した信号となる。これにより、送受信装置１と第１送受信装置２との間で、同期を確立させることができる。このように、送受信装置１と第２送受信装置２との間で、ＰＬＬ同期が確立した後には、両者間の距離が時間的に変動しても、ＰＬＬ同期は継続されるので、距離の時間的変動に係わらず、送受信装置１と第２送受信装置との間で、共通の基準信号Ｓ０を得ることができ、同期をとることができる。
【実施例２】
【００３２】
本実施例は、図４に示すように、１台の送受信装置１に対して、複数の第２送受信装置２が存在する場合において、距離測定と同期確立を可能とした実施例である。送受信装置１は、図１に示す第１位相比較器１１、第２位相比較器１２、比較器１３、電圧制御発振器１７、変調器１８、ＰＬＬ電圧制御発振器１９、復調器３３などの送信ベースバンド信号Ｂ１と第１信号Ｓ１を発生する変調系統、及び、第２信号Ｓ２を復調して受信ベースバンド信号Ｂ２を得る復調系統とを、第２送受信装置の数ｎだけ有する。そして、各系統に第１送信信号Ｓ１の搬送波の周波数をＦ１〜Ｆｎ、割り当てる。周波数Ｆ１〜Ｆｎは、それぞれ、第２送受信装置Ａ１〜Ａｎに、固有に割り当てられている。各第２送受信装置は、自己に割り当てられた周波数以外の第１信号Ｓ１は、周波数変移、又は、復調できないように帯域通過フィルタなどを用いて構成されている。又、第２送受信装置Ａ１〜Ａｎの返信する第２信号Ｓ２の搬送波の周波数は、それぞれ、Ｍｆ１〜Ｍｆｎの固有の値に割り当てられている。
【００３３】
送受信装置１の各復調器３３は、これらの周波数Ｍｆ１〜Ｍｆｎの第２信号Ｓ２を、それぞれ、帯域通過フィルタにより選別して復調するように構成されている。このような構成により、送受信装置１と複数の第２送受信装置Ａ１〜Ａｎ間で、それらの距離が時間的に変動しても、ＰＬＬ同期を確立することができる。この結果、送受信装置１と各第２送受信装置Ａ１〜Ａｎ間の距離を、距離が時間的に変動しても、リアルタイムで連続して測定できる。また、送受信装置１と各第２送受信装置Ａ１〜Ａｎ間の距離が時間的に変動しても、常に、第２送受信装置Ａ１〜Ａｎで復調される送信ベースバンド信号Ｂ１の位相を基準信号Ｓ０の位相に同期させることができる。すなわち、送受信装置１、全ての第２送受信装置Ａ１〜Ａｎの全てにおいて、それらの距離が変動しても、同期信号を得ることができ、同期確立が実現できる。これにより、同期信号を基準にして、各第２送受信装置Ａ１〜Ａｎにタイムスロットを割り当てることで、時分割多重通信を実現できる。
【実施例３】
【００３４】
実施例３は、実施例２のように送受信装置１の変調及び復調系統を、ｎ系統並列に設けるのではなく、ｎ個の時間区間に分けて、それぞれ、順に、周波数Ｆ１〜Ｆｎのｎ個の第１信号Ｓ１の送信と、周波数Ｍｆ１〜Ｍｆｎの第２信号Ｓ２の受信を、繰り返すようにした実施例である。図５に示すように、送受信装置１は、各第２送受信装置Ａ１〜Ａｎと、上記のＰＬＬ同期確立を、送信周波数及び受信周波数を変化させて、順次、繰り返して、実行する。本実施例の場合には、各第２送受信装置Ａ１〜Ａｎは、送受信装置１との間で、各時間区間だけＰＬＬ同期が確立されることになる。この各時間区間において、各第２送受信装置Ａ１〜Ａｎと送受信装置１との間の距離が測定されることになる。したがって、距離測定は、時間的には離散的に得られるが、周波数変化の１周期を短くすることで、距離が時間的に変動してせ、リアルタイムでの距離測定が可能となる。
【００３５】
各第２送受信装置Ａ１〜Ａｎには、ＰＬＬが確立た時に復調して得られる送信ベースバンド信号Ｂ１に同期した同期信号を発振する同期発振器が設けられている。この同期発振器は、常に、発振周波数と位相とをレジスタに記憶している。同期発振器は、たとえば、ディジタルシンセサイザで構成できる。ＰＬＬ同期を行う時間区間では、復調して得られた送信ベースバンド信号Ｓ１と同期信号との間の周波数差と位相差を、更新パルスや絶対値でフィードバックさせて、レジスタの値が、常時、更新される。これにより、ＰＬＬ同期が確立する。この同期発振器は、ＰＬＬ同期を確立する時間区間以外では、フィードバック信号が入力されず、レジスタの値は更新されない。したがって、この同期発振器は、ＰＬＬ同期を確立する時間区間以外では、ＰＬＬ同期を確立させる時間区間の最後に、レジスタに保持されている周波数と位相とに同期して同期信号を発振する。
【００３６】
このように、第２送受信装置の同期発振器を構成することで、送受信装置１との間でのＰＬＬ同期確立を、時分割で行うことができる。送受信装置１と第２送受信装置Ａ１〜Ａｎの全てにおいて、それらの距離が変動しても、同期信号を得ることができ、同期確立が実現できる。なお、複数の第２送受信装置において、同期信号を得る場合には、ＰＬＬ同期確立により、一端、同期信号が得られた場合には、送受信装置１に対する距離が時間的に変化しても、第２送受信装置における同期信号の位相は、距離によって影響を受けない。したがって、上記のように、ディジタルシンセサイザを用いて同期信号を発生させ、周期的に、送信装置１から送信される送信ベースバンド信号Ｂ１に、同期させることで、同期信号の位相を微調整すれば良い。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、複数の送受信装置間の距離測定や、同期確立に用いることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１…送受信装置
２…第２送受信装置
１１…第１位相比較器
１２…第２位相比較器
１３…比較器
１７…電圧制御発振器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの送受信装置の間において、有線又は無線により信号を送受信して、それら２つの送受信装置間で同期をとったり、装置間の距離を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁波を反射する対象物までの距離を測定する装置として、特許文献１に記載の装置が知られている。この装置は、送受信装置と、反射対象物との間でフェーズロックドループを形成して、その時の同期周波数から距離を測定するものである。
また、本発明者により発明された、特許文献２、３のように、送受信装置を２個１組として、２つの送受信装置間でフェーズロックドループを形成し、数ＭＨｚ程度の方形波を数百乃至数ＧＨｚの高周波搬送波に載せて当該数ＭＨｚ程度の方形波の位相遅れを検出する装置が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１９８３０６
【特許文献２】特開２００８−０３２５３５
【特許文献３】特開２００８−１２２２５５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示の方法は、送信信号と、その反射波の受信信号との間で、同期のかかる周波数を検出して、その周波数から、送信器と反射物間の距離を測定する方法である。周波数を、順次、変更して、同期する周波数を検出するのが困難であるという問題がある。また、特許文献２、３の方法では、２つの送受信装置間でフェーズロックドループを用いることから、安定して、距離が測定できる。
しかしながら、２つの送受信装置間でフェーズロックドループを形成しても、２つの送受信装置間の距離が変動すると、信号の伝搬遅延時間が変化するために、２つの送受信装置間において、同期をとることはできない。たとえば、あるマスターの送受信装置から、複数のスレーブの送受信装置に対して、信号を送信することで、全てのスレーブの送受信装置及びマスタの送受信装置において、タイミングの同期をとることはできない。複数の送受信装置間で、タイミングの同期をとることができれば、同期時刻を基準にして、時分割によりチャネルを各送受信装置に割り当て、衝突することなくデータ通信を実行することができる。また、特許文献２、３では、送受信装置間の往復距離を測定して、その１／２を両装置間の距離としており、両装置間の距離を直接的には、測定していない。
そこで本発明の目的は、複数の送受信装置間でタイミングの同期をとるための送受信装置を実現することである。
また、２つの送受信装置間の距離を直接的に測定することを実現し、測定精度を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の発明は、他の第２送受信装置に対して第１信号を送信し、第２送受信装置において受信した第１信号を折り返して第２信号として返信することにより、第２送受信装置との間において、フェズドロックループ（ＰＬＬ）により同期をとる送受信装置において、所定の基準周波数の基準信号を出力する基準発振器と、送信ベースバンド信号を発生する、位相と周波数が可変の信号発振器と、信号発振器により生成された送信ベースバンド信号により搬送波を変調して得られる第１信号を送信する送信器と、第２送受信装置から受信した第２信号を復調して受信ベースバンド信号を得る受信器と、送信器に入力される送信ベースバンド信号と基準発振器の出力する基準信号との第１位相差を検出する第１位相比較器と、受信器による復調により得られた受信ベースバンド信号と基準発振器の出力する基準信号との第２位相差を検出する第２位相比較器と、第１位相差と第２位相差との絶対値の差を出力する比較器とを有し、比較器の出力が零となるように、信号発振器の位相と周波数をフィードバック制御したことを特徴とする送受信装置である。
【０００６】
本発明において、本発明に係る送受信装置が第１信号を送信する時に、他の第２送受信装置は、単一でも複数存在しても良い。第２送受信装置は、受信した第１信号を、理想的には遅延時間なく折り返して、第２信号として返信する装置である。装置内での遅延時間は、通常は、回路による処理時間である。装置内遅延時間は、本発明の送受信装置から第２送受信装置までの伝搬遅延時間に比べて、装置内の遅延時間が十分に小さい値であって、既知の変動しない時間であれば、存在してもかまわない。既知の装置内遅延時間だけ、送受信装置間の同期タイミングや測定される距離を補正すれば良い。
【０００７】
第１信号、第２信号の送信は、有線であっても無線であっても良い。第２送受信装置において、受信した第１信号を第２信号として返信する場合には、第１信号の搬送波の周波数と異なる周波数の搬送波で返信することが望ましい。本発明に係る送受信装置は、第１信号と異なる周波数の第２信号を受信した場合に、第２送受信装置から折り返し返信された信号であると認識できる。すなわち、第１信号の他の物体による反射による受信信号や、第１信号の回り込みによる受信信号を第２信号として、誤検出することがない。
【０００８】
第２送受信装置が複数存在する場合には、各第２信号の搬送波の周波数は、各第１送受信装置間で異なる周波数とするのが望ましい。すなわち、各第２送受信装置には、使用する周波数が割り当てられており、本発明の送受信装置で、第２信号を周波数により選局して復調することで、本送受信装置と、複数の第２送受信装置との間で、順次、走査して、同期をとることができる。本送受信装置を基準に複数の第２送受信装置との間で同期をとることは、全て第２送受信装置間で同期がとれていることを意味する。また、本発明の送受信装置で、第２信号を周波数により選局して復調することで、本送受信装置と、複数の各第２送受信装置との間の距離を、順次、走査して、測定することができる。
【０００９】
また、第２送受信装置において、第１信号の受信に同期して第２信号を生成する場合には、高周波信号である第１信号を、単に、周波数変移させたものを第２信号としても良い。すなわち、受信した第１信号の周波数を、所定周波数だけ高い周波数に変移させるのであれば、その所定周波数の正弦波と第１信号とをミキシングして、帯域通過フィルタにより変移後の周波数の第２信号を抽出すれば良い。また、第１信号を復調して、一端、送信ベースバンド信号を得た後に、この送信ベースバンド信号により搬送波を変調して、第２信号を生成して、返信するようにしても良い。
【００１０】
また、他の発明は、上記発明において、第１位相比較器の出力する第１位相差又は第２位相比較器の出力する第２位相差から、第２送受信装置までの距離を求める距離測定装置を有することを特徴とする送受信装置である。
【００１１】
上記発明において、送信ベースバンド信号は、方形波又は周期的パルスとすることができる。ベースバンド信号については、同期タイミングが分かる信号であれば、任意である。方形波、パルスの他、鋸歯状波、正弦波などを用いることができる。また、拡散符号などの符号データであっても良い。ベースバンド信号には周期関数が望ましいが、同期タイミングが分かるものであれば、必ずしも、周期関数である必要はない。また、変調方式は、振幅変調、周波数変調、位相変調であっても良い。また、振幅変変移変調（ＡＳＫ）、周波数変移変調（ＦＳＫ）、位相変移変調（ＰＳＫ）であっても良い。また、第１位相差、第２位相差は、基準信号の基準位相に対する時間差で測定しても良く、これらの位相差は時間差の概念を含む。
【００１２】
また、他の発明は、上記の発明に係る送受信装置と、複数の第２送受信装置とから成り、各第２送受信装置において、第１信号を受信して、復調された各送信ベースバンド信号を、複数の第２送受信装置間における同期信号とすることを特徴とする同期システムである。本発明の送受信装置を用いて第１信号を送信し、第２信号を受信することで、複数の送受信装置間で、ＰＬＬ同期をとることができる。これにより、各第２送受信装置で復調された送信ベースバンド信号を、同期のためのタイミング信号とすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、本発明に係る送受信装置から第２送受信装置へ向けて第１信号が送信される。第２送受信装置では、この第１信号は第２信号として折り返し返信される。本送受信装置では、第２信号を復調して得られる受信ベースバンド信号と基準信号との位相差である第２位相差θ２が測定される。また、送信ベースバンド信号と基準信号との位相差である第１位相差θ１が測定される。そして、この第１位相差θ１と第２位相差θ２の絶対値が等しくなるように、送信ベースバンド信号は、基準信号に対して位相が進められる。今、基準信号の位相を基準にすると、送信ベースバンド信号の位相はθ１（正値）、受信ベースバンド信号の位相はθ２（負値）となる。θ１、θ２は、基準信号に対して進み位相を正、遅れ位相を負として定義する。
【００１４】
第２送受信装置において第１信号の受信から第２信号の送信までの遅延時間がなく、本送受信装置と第２送受信装置間の伝搬遅延時間により生じる送信ベースバンド信号の遅れ位相量をΔφ（正値）とする。すると、第２送受信装置において第１信号を受信した時の送信ベースバンド信号の基準信号に対する位相は、θ１−Δφとなる。さらに、第２信号として第２送受信装置から本送受信装置に伝搬する間に、位相は、Δφだけ遅れる。したがって、本送受信装置で第２信号を復調して得られる受信ベースバンド信号の基準信号に対する位相は、θ１−２Δφとなる。この位相が受信ベースバンド信号の位相θ２に等しくなる。よって、θ１−２Δφ＝θ２が成立する。
【００１５】
第１位相差θ１と第２位相差θ２の絶対値が等しくなるように、送信ベースバンド信号の位相θ１は、フィードバック制御されている。したがって、θ１＝−θ２であるので、θ１＝Δφである。すなわち、上記の第１位相差θ１又は第２位相差θ２から、本送受信装置と第２送受信装置間の距離Ｌが、Ｌ＝ｃθ１／（２πｆ）で求められる。ただし、ｃは光速、ｆは送信ベースバンド信号の周波数である。このようにして、本送受信装置と第２送受信装置との間でＰＬＬ同期をかけた状態で、両装置間の距離を直接的に正確に求めることができる。
【００１６】
また、第２送受信装置において、第１信号を復調して得られた送信ベースバンド信号の基準信号に対する位相は、上記したように、θ１−Δφである。そして、上記のように、第１位相差θ１と第２位相差θ２の絶対値が等しくなるように、ＰＬＬ同期がかかっている場合には、θ１＝Δφである。したがって、第２送受信装置において得られる送信ベースバンド信号の位相は、本送受信装置の基準発振器の出力する基準信号と同位相となっている。このようなＰＬＬ同期が、本送受信装置と複数の第２送受信装置との間で確立しているならば、全ての第２送受信装置において受信した第１信号を復調して得られる送信ベースバンド信号は、基準信号と同期したものとなる。この結果、本送受信装置、それぞれ異なる距離にある全ての第２送受信装置との間で、同期を確立させることができる。よって、たとえば、この同期した送信ベースバンド信号を基準に、複数の第２送受信装置に各タイムスロットを割り当てることで、時分割多重通信を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の具体的な実施例１に係る送受信装置の構成図。
【図２】実施例１に係る送受信装置と通信する第２送受信装置の構成図。
【図３】実施例１に係る送受信装置において、第２送受信装置との間でＰＬＬ同期が確立した状態での、送信ベースバンド信号の位相と、受信ベースバンド信号との位相との関係を示した説明図。
【図４】実施例２に係るシステムの構成図。
【図５】実施例３に係る、時分割による送信周波数、受信周波数の制御を行う送受信装置の動作説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、ブロック図を用いて本発明の具体的な実施例を説明する。本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明に係る送受信装置１の構成図である。基準発振器１０は、１ＭＨｚの方形波の基準信号Ｓ０を発振する発振器である。基準発振器１０の出力する基準信号Ｓ０は、第１位相比較器１１と、第２位相比較器１２に入力している。第１位相比較器１１には、電圧制御発振器１７の出力する送信ベースバンド信号Ｂ１が入力されている。送信ベースバンド信号Ｂ１は、後述するように、基準信号Ｓ０に周波数同期し、位相差が所定値となるように位相同期した方形波である。電圧制御発振器１７の出力する送信ベースバンド信号Ｂ１は変調器（ミキサー）１８に入力している。基準発振器１０の出力する基準信号Ｓ０はＰＬＬ電圧制御発振器１９に入力しており、ＰＬＬ電圧制御発振器１９は、基準信号Ｓ０を元に、その基準信号Ｓ０の周波数を逓倍した正弦波を搬送波として発生する。この搬送波は、変調器１８に入力しており、変調器１８により送信ベースバンド信号Ｂ１により搬送波が振幅変調される。そして、変調器１８の出力する信号は、帯域通過フィルタ２０に入力して、変調信号の上側帯波だけ抽出される。帯域通過フィルタ２０の出力信号は増幅器２２で増幅された後、送信アンテナ２１を介して、空間に、第１送信信号Ｓ１として、放射される。
【００２０】
第２送受信装置２については後述するが、第２送受信装置２からは、第１信号を受信して、単に、周波数を変移させて、第２信号Ｓ２が返信されるものとする。第２信号Ｓ２は受信アンテナ３０により受信され、受信信号は増幅器３１により増幅された後、復調器３３に入力する。復調器３３は、同期復調器であり、第２信号Ｓ２の搬送波に同期した周波数の正弦波の復調搬送波を発生して、その復調搬送波で第２信号Ｓ２を同期復調する。復調器３３の出力信号は帯域通過フィルタ３４を通過して、受信ベースバンド信号Ｂ２として第２位相比較器１２に入力する。受信ベースバンド信号Ｂ２は方形波であり、送信ベースバンド信号Ｂ１と同一周波数であり、所定位相だけ遅れた信号である。
【００２１】
第２位相比較器１２では、受信ベースバンド信号Ｂ２と基準信号Ｓ０との第２位相差θ２が検出される。第２位相差θ２は、受信ベースバンド信号Ｂ２の位相−基準信号の位相として定義される。すなわち、基準信号の位相を０度とした時の受信ベースバンド信号Ｂ２の位相である。θ２の負値は、遅れ位相を表す。第２位相比較器１２は、良く知られたようにフリップフロップ回路から成る。受信ベースバンド信号Ｂ２の基準信号Ｓ０に対する位相差に比例した幅のパルス信号が出力される。受信ベースバンド信号Ｂ２と基準信号Ｓ０とが同相の場合には、第２位相比較器１２の出力は、デューティ比５０％の方形波となり、受信ベースバンド信号Ｂ２が基準信号Ｓ０に対してπだけ位相が進んでいる場合には、デューティ比１００％の方形波（ハイレベルの直流）となり、受信ベースバンド信号Ｂ２が基準信号Ｓ０に対してπだけ位相が遅れている場合には、デューティ比０％の方形波（ローレベルの直流）となるように調整されている。第２位相比較器１２の出力信号はローパスフィルタ（ループフィルタ）１４に入力しており、平滑化（平均化）される。ローパスフィルタ１４の出力レベルが第２位相差θ２を与える。後述するように、受信ベースバンド信号Ｂ２は基準信号Ｓ０に対して、必ず位相が遅れる。したがって、第２位相差θ２は負値である。このため、反転器１６において、信号レベルが反転されて、第２位相差θ２の絶対値が求められる。すなわち、反転器１６の出力信号は、第２位相差の絶対値（−θ２）を与える。
【００２２】
同様に、第１位相比較器１１には、基準信号Ｓ０と送信ベースバンド信号Ｂ１が入力している。第１位相比較器１１は、第２位相比較器１２と同一の構成をしており、同一の作用をする。したがって、送信ベースバンド信号Ｂ１と基準信号Ｓ０とが同相の場合には、第１位相比較器１１の出力は、デューティ比５０％の方形波となり、送信ベースバンド信号Ｂ１が基準信号Ｓ０に対してπだけ位相が進んでいる場合には、デューティ比１００％の方形波（ハイレベルの直流）となり、送信ベースバンド信号Ｂ１が基準信号Ｓ０に対してπだけ位相が遅れている場合には、デューティ比０％の方形波（ローレベルの直流）となるように調整されている。第１位相比較器１１の出力信号はローパスフィルタ（ループフィルタ）１５に入力しており、平滑化（平均化）される。ローパスフィルタ１５の出力レベルが第１位相差θ１を与える。後述するように、送信ベースバンド信号Ｂ１は基準信号Ｓ０に対して、必ず位相が進んでいる。したがって、第１位相差θ１は正値である。このため、ローパスフィルタ１５の出力レベルは第１位相差θ１の絶対値（θ１）を与えることになる。
【００２３】
第１位相差の絶対値θ１と、第２位相差の絶対値（−θ２≧０）とが、比較器１３に入力している。比較器１３の出力は、第２位相差の絶対値の第１位相差の絶対値に対する差Δθを演算する。したがって、次式が成立する。
【数１】
比較器１３の出力信号は、電圧制御発振器１７の制御端子に入力している。Δθが正の場合には、電圧制御発振器１７の出力する送信ベースバンド信号Ｂ１の位相を進めて、比較器１３の出力Δθが０となるようにフィードバック制御される。また、Δθが負の場合には、電圧制御発振器１７の出力する送信ベースバンド信号Ｂ１の位相を遅らせて、比較器１３の出力Δθが０となるようにフィードバック制御される。このようにして、比較器１３の出力Δθが、常に、０となるように、送信ベースバンド信号Ｂ１の位相は制御されることになる。すなわち、送受信装置１と第２送受信装置２との間で、ベースバンド信号に関してＰＬＬ同期が確立したことになる。
【００２４】
ＰＬＬ同期が確立した状態では、比較器１３の出力であるΔθは零である。すなわち、次式が成立する。
【数２】
第１位相差θ１と第２位相差θ２の絶対値は等しくなる。この同期をした時の第１位相差θ１と第２位相差θ２の関係を図３に示す。
【００２５】
次に、この状態での第１位相差θ１、第２位相差θ２は、送受信装置１と第２送受信装置２との間の距離を表している。いま、第２送受信装置において、第１信号の受信してから第２信号を返信するまので装置内遅延時間を零と仮定する。送信装置１から第２送受信装置までの伝搬遅延時間をΔｔとし、送信ベースバンド信号Ｂ１の周波数をｆとする。遅延時間Δｔに相当する位相差Δφは、次式で表される。
【数３】
【００２６】
基準信号Ｓ０の位相をφ０とする。すると、電圧制御発振器１７の出力端における送信ベースバンド信号Ｂ１の位相φ１は、次式で表される。
【数４】
第１信号Ｓ１が伝搬して、第２送受信装置２で受信された時の送信ベースバンド信号Ｂ１の位相φ３は、次式で表される。
【数５】
第２送受信装置２では、この送信ベースバンド信号Ｂ１の位相は保持されて、第２信号Ｓ２として、送受信装置１に返信される。送受信装置１において、この第２信号Ｓ２を復調して得られる受信ベースバンド信号Ｂ２の位相φ２は、さらに、Δφだけ遅延するので、次式で表される。
【数６】
【００２７】
第２位相差θ２は、受信ベースバンド信号Ｂ２の位相φ２の基準信号の位相φ０に対する位相差であるので、（６）式を用いて、次式で表される。
【数７】
（２）式の関係があるので、θ１、θ２に関して、次式が成立する。
【数８】
すなわち、送受信装置１と第２送受信装置２との間でＰＬＬ同期が確立している状態では、第１位相差θ１と第２位相差θ２とは、送受信装置１と第２送受信装置２の間の伝搬遅延時間Δｔに基づく位相差を表す。送受信装置１と第２送受信装置２間の距離をＬとすると次式が成立する。
【数９】
【００２８】
このようにして、第１位相差θ１、又は、第２位相差θ２を用いて、送受信装置１と第２送受信装置２間の距離Ｌを測定することができる。この目的のために、ローパスフィルタ１５の出力が、距離演算装置７０に入力している。距離演算装置７０は、（９）式の演算を行う装置であり、コンピュータシステムで構成されている。このように、送受信装置１と第２送受信装置２との間で、ＰＬＬ同期が確立した後には、両者間の距離が時間的に変動しても、ＰＬＬ同期は継続されるので、リアルタイムで、連続的に両者間の距離を測定することができる。
【００２９】
第２送受信装置２は、第１信号Ｓ１を受信して、単に、周波数変換して第２信号として送信する装置である。周波数変換器は、ミキサーと帯域通過フィルタで構成できる。
なお、本発明における信号発振器は、電圧制御発振器１７で構成され、本発明における送信器は、変調器１８、ＰＬＬ電圧制御発振器１９、基準発振器１０、帯域通過フィルタ２０、増幅器２２、送信アンテナ２１により構成されている。また、本発明における受信器は、受信アンテナ３０、増幅器３１、帯域通過フィルタ３２、復調器３３、帯域通過フィルタ３４により構成されている。
【００３０】
次に、第２送受信装置２の他の構成例について説明する。図２において、受信アンテナ５１で受信された第１信号Ｓ１は、増幅器５２で増幅された後に、第１信号Ｓ１の搬送波の帯域を抽出する帯域通過フィルタ５３に入力する。帯域通過フィルタ５３から出力される第１信号Ｓ１は、コスタスループなどで構成される同期復調器５４により同期復調されて、ベースバンド帯域を抽出するための帯域通過フィルタ５５に入力する。帯域通過フィルタ５５の出力信号が送信ベースバンド信号Ｂ１となる。送信ベースバンド信号Ｂ１は、変調器５６に入力する。固定周波数発振器５８から周波数ｆ２の方形波がＰＬＬ電圧制御発振器５７に入力する。ＰＬＬ電圧制御発振器５７においては、その方形波の周波数を所定数倍に逓倍した周波数Ｍｆ２の正弦波が生成される。ＰＬＬ電圧制御発振器５７の出力は搬送波として、変調器５６に入力する。この搬送波の周波数は、受信した第１信号の搬送波の周波数ｆ１と異なり、第２送受信装置２に固有に割り当てられた周波数である。この変調器５６により送信ベースバンド信号Ｂ１により周波数Ｍｆ２の搬送波が振幅変調されて、上側帯波だけ通過させる帯域通過フィルタ５９に入力して、増幅器６０で増幅された後、第２信号Ｓ２として、送信アンテナ６１から空間に放射される。この第２信号Ｓ２が送受信装置１により受信されて、上記のようにＰＬＬ同期が確立される。
【００３１】
送受信装置１と第２送受信装置２との間でＰＬＬ同期が確立すると、第２送受信装置２で復調されて得られる送信ベースバンド信号Ｂ１の位相は、（６）式により、φ３＝φ０＋θ１−Δφであるが、θ１＝Δφが成立しているので、φ３＝φ０となる。すなわち、第２送受信装置２で復調されて得られる送信ベースバンド信号Ｂ１は、送受信装置１の基準信号Ｓ０と同一周波数で、位相同期した信号となる。これにより、送受信装置１と第１送受信装置２との間で、同期を確立させることができる。このように、送受信装置１と第２送受信装置２との間で、ＰＬＬ同期が確立した後には、両者間の距離が時間的に変動しても、ＰＬＬ同期は継続されるので、距離の時間的変動に係わらず、送受信装置１と第２送受信装置との間で、共通の基準信号Ｓ０を得ることができ、同期をとることができる。
【実施例２】
【００３２】
本実施例は、図４に示すように、１台の送受信装置１に対して、複数の第２送受信装置２が存在する場合において、距離測定と同期確立を可能とした実施例である。送受信装置１は、図１に示す第１位相比較器１１、第２位相比較器１２、比較器１３、電圧制御発振器１７、変調器１８、ＰＬＬ電圧制御発振器１９、復調器３３などの送信ベースバンド信号Ｂ１と第１信号Ｓ１を発生する変調系統、及び、第２信号Ｓ２を復調して受信ベースバンド信号Ｂ２を得る復調系統とを、第２送受信装置の数ｎだけ有する。そして、各系統に第１送信信号Ｓ１の搬送波の周波数をＦ１〜Ｆｎ、割り当てる。周波数Ｆ１〜Ｆｎは、それぞれ、第２送受信装置Ａ１〜Ａｎに、固有に割り当てられている。各第２送受信装置は、自己に割り当てられた周波数以外の第１信号Ｓ１は、周波数変移、又は、復調できないように帯域通過フィルタなどを用いて構成されている。又、第２送受信装置Ａ１〜Ａｎの返信する第２信号Ｓ２の搬送波の周波数は、それぞれ、Ｍｆ１〜Ｍｆｎの固有の値に割り当てられている。
【００３３】
送受信装置１の各復調器３３は、これらの周波数Ｍｆ１〜Ｍｆｎの第２信号Ｓ２を、それぞれ、帯域通過フィルタにより選別して復調するように構成されている。このような構成により、送受信装置１と複数の第２送受信装置Ａ１〜Ａｎ間で、それらの距離が時間的に変動しても、ＰＬＬ同期を確立することができる。この結果、送受信装置１と各第２送受信装置Ａ１〜Ａｎ間の距離を、距離が時間的に変動しても、リアルタイムで連続して測定できる。また、送受信装置１と各第２送受信装置Ａ１〜Ａｎ間の距離が時間的に変動しても、常に、第２送受信装置Ａ１〜Ａｎで復調される送信ベースバンド信号Ｂ１の位相を基準信号Ｓ０の位相に同期させることができる。すなわち、送受信装置１、全ての第２送受信装置Ａ１〜Ａｎの全てにおいて、それらの距離が変動しても、同期信号を得ることができ、同期確立が実現できる。これにより、同期信号を基準にして、各第２送受信装置Ａ１〜Ａｎにタイムスロットを割り当てることで、時分割多重通信を実現できる。
【実施例３】
【００３４】
実施例３は、実施例２のように送受信装置１の変調及び復調系統を、ｎ系統並列に設けるのではなく、ｎ個の時間区間に分けて、それぞれ、順に、周波数Ｆ１〜Ｆｎのｎ個の第１信号Ｓ１の送信と、周波数Ｍｆ１〜Ｍｆｎの第２信号Ｓ２の受信を、繰り返すようにした実施例である。図５に示すように、送受信装置１は、各第２送受信装置Ａ１〜Ａｎと、上記のＰＬＬ同期確立を、送信周波数及び受信周波数を変化させて、順次、繰り返して、実行する。本実施例の場合には、各第２送受信装置Ａ１〜Ａｎは、送受信装置１との間で、各時間区間だけＰＬＬ同期が確立されることになる。この各時間区間において、各第２送受信装置Ａ１〜Ａｎと送受信装置１との間の距離が測定されることになる。したがって、距離測定は、時間的には離散的に得られるが、周波数変化の１周期を短くすることで、距離が時間的に変動してせ、リアルタイムでの距離測定が可能となる。
【００３５】
各第２送受信装置Ａ１〜Ａｎには、ＰＬＬが確立た時に復調して得られる送信ベースバンド信号Ｂ１に同期した同期信号を発振する同期発振器が設けられている。この同期発振器は、常に、発振周波数と位相とをレジスタに記憶している。同期発振器は、たとえば、ディジタルシンセサイザで構成できる。ＰＬＬ同期を行う時間区間では、復調して得られた送信ベースバンド信号Ｓ１と同期信号との間の周波数差と位相差を、更新パルスや絶対値でフィードバックさせて、レジスタの値が、常時、更新される。これにより、ＰＬＬ同期が確立する。この同期発振器は、ＰＬＬ同期を確立する時間区間以外では、フィードバック信号が入力されず、レジスタの値は更新されない。したがって、この同期発振器は、ＰＬＬ同期を確立する時間区間以外では、ＰＬＬ同期を確立させる時間区間の最後に、レジスタに保持されている周波数と位相とに同期して同期信号を発振する。
【００３６】
このように、第２送受信装置の同期発振器を構成することで、送受信装置１との間でのＰＬＬ同期確立を、時分割で行うことができる。送受信装置１と第２送受信装置Ａ１〜Ａｎの全てにおいて、それらの距離が変動しても、同期信号を得ることができ、同期確立が実現できる。なお、複数の第２送受信装置において、同期信号を得る場合には、ＰＬＬ同期確立により、一端、同期信号が得られた場合には、送受信装置１に対する距離が時間的に変化しても、第２送受信装置における同期信号の位相は、距離によって影響を受けない。したがって、上記のように、ディジタルシンセサイザを用いて同期信号を発生させ、周期的に、送信装置１から送信される送信ベースバンド信号Ｂ１に、同期させることで、同期信号の位相を微調整すれば良い。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、複数の送受信装置間の距離測定や、同期確立に用いることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１…送受信装置
２…第２送受信装置
１１…第１位相比較器
１２…第２位相比較器
１３…比較器
１７…電圧制御発振器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
他の第２送受信装置に対して第１信号を送信し、第２送受信装置において受信した前記第１信号を折り返して第２信号として返信することにより、第２送受信装置との間において、フェズドロックループにより同期をとる送受信装置において、
所定の基準周波数の基準信号を出力する基準発振器と、
送信ベースバンド信号を発生する、位相と周波数が可変の信号発振器と、
前記信号発振器により生成された前記送信ベースバンド信号により搬送波を変調して得られる前記第１信号を送信する送信器と、
前記第２送受信装置から受信した第２信号を復調して受信ベースバンド信号を得る受信器と、
前記送信器に入力される前記送信ベースバンド信号と前記基準発振器の出力する前記基準信号との第１位相差を検出する第１位相比較器と、
前記受信器による復調により得られた前記受信ベースバンド信号と前記基準発振器の出力する前記基準信号との第２位相差を検出する第２位相比較器と、
前記第１位相差と前記第２位相差との絶対値の差を出力する比較器と
を有し、
前記比較器の出力が零となるように、前記信号発振器の位相と周波数をフィードバック制御した
ことを特徴とする送受信装置。
【請求項２】
前記第１位相比較器の出力する前記第１位相差又は前記第２位相比較器の出力する第２位相差から、前記第２送受信装置までの距離を求める距離測定装置を有することを特徴とする請求項１に記載の送受信装置。
【請求項３】
前記送信ベースバンド信号は、方形波又は周期的パルスであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の送受信装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の送受信装置と、複数の前記第２送受信装置とから成り、前記各第２送受信装置において、前記第１信号を受信して、復調された前記各送信ベースバンド信号を、複数の前記第２送受信装置間における同期信号とすることを特徴とする同期システム。
【請求項１】
他の第２送受信装置に対して第１信号を送信し、第２送受信装置において受信した前記第１信号を折り返して第２信号として返信することにより、第２送受信装置との間において、フェズドロックループにより同期をとる送受信装置において、
所定の基準周波数の基準信号を出力する基準発振器と、
送信ベースバンド信号を発生する、位相と周波数が可変の信号発振器と、
前記信号発振器により生成された前記送信ベースバンド信号により搬送波を変調して得られる前記第１信号を送信する送信器と、
前記第２送受信装置から受信した第２信号を復調して受信ベースバンド信号を得る受信器と、
前記送信器に入力される前記送信ベースバンド信号と前記基準発振器の出力する前記基準信号との第１位相差を検出する第１位相比較器と、
前記受信器による復調により得られた前記受信ベースバンド信号と前記基準発振器の出力する前記基準信号との第２位相差を検出する第２位相比較器と、
前記第１位相差と前記第２位相差との絶対値の差を出力する比較器と
を有し、
前記比較器の出力が零となるように、前記信号発振器の位相と周波数をフィードバック制御した
ことを特徴とする送受信装置。
【請求項２】
前記第１位相比較器の出力する前記第１位相差又は前記第２位相比較器の出力する第２位相差から、前記第２送受信装置までの距離を求める距離測定装置を有することを特徴とする請求項１に記載の送受信装置。
【請求項３】
前記送信ベースバンド信号は、方形波又は周期的パルスであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の送受信装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の送受信装置と、複数の前記第２送受信装置とから成り、前記各第２送受信装置において、前記第１信号を受信して、復調された前記各送信ベースバンド信号を、複数の前記第２送受信装置間における同期信号とすることを特徴とする同期システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１０８０７６（Ｐ２０１２−１０８０７６Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５８８７２（Ｐ２０１０−２５８８７２）
【出願日】平成２２年１１月１９日（２０１０．１１．１９）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１９日（２０１０．１１．１９）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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