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JP2002042295A - 長範囲双方向低電力通信装置 - Google Patents

長範囲双方向低電力通信装置

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JP2002042295A
JP2002042295A JP2001120548A JP2001120548A JP2002042295A JP 2002042295 A JP2002042295 A JP 2002042295A JP 2001120548 A JP2001120548 A JP 2001120548A JP 2001120548 A JP2001120548 A JP 2001120548A JP 2002042295 A JP2002042295 A JP 2002042295A
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coupled
digital
circuit
communication device
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JP2001120548A
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バーリー・アール・アレン
Barry Dunbridge
バーリー・ダンブリッジ
George W Mciver
ジョージ・ダブリュー・マクアイヴァー
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TRW Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高性能ウエークアップ検出器を有する長範
囲、低電力、双方向通信装置100を提供する。 【解決手段】 信号の送受信用アンテナ114と、アン
テナに結合されたアナログ部分118と、アナログ部分
に結合されたデジタル部分120を含む。アナログ部分
は中間周波数ダウンコンバータ、デジタル同相I出力、
デジタル直交位相Q出力を含み、好適にはデジタルI、
Q出力を生成する1ビットアナログ/デジタル・コンバ
ータを使用する。デジタル部分は、IとQ出力を発生さ
せるI/Qデローテータ、大きさ出力を含むウエークア
ップ検出器、大きさ出力に結合された閾値比較回路を含
み、一つの実現において内積/外積回路、IとQのアキ
ュームレータ、内相関器、外相関器を含み得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】[マイクロフィッシュの付録]この明細書
は1マイクロフィッシュが全54のフレーム数からなる
マイクロフィッシュ付録を含む。
【0002】
【発明の属する技術分野】本発明は通信装置に関する。
特に本発明は例えば車、トラックおよび他の車両用の、
無鍵リモート・エントリ・システムにおいて、低電力で
比較的長距離にわたり通信するために使用され得る双方
向通信の実現に関する。
【0003】
【従来の技術】自動車産業は長年、無鍵リモート・エン
トリ装置「RKE」のために、TRWの自動車電子グルー
プを含む電子設計者の技術に変わった。毎日の体験に共
通のRKEは、RKEから車両へコマンド信号を送信す
るためのエレクトロニクスを組み込んでいる小さなプラ
スチックの格納装置(ポケット中または、キーチェーン
上で適合するのに充分に小さい)としてしばしば設計さ
れている。RKEは、一組の制御ボタンを含み、該ボタ
ンは作動時にRKEがコマンド信号を車両に送信させ
る。RKEが送るコマンド信号は押される制御ボタンに
依存し、例えばドアのロックからアラームの起動にまで
及ぶタスクを実行するために車両に指示を与え得る。し
かし過去においては、RKEはいくつかの重要な方法に
おいて制限されていた。
【0004】第1の重要な制限は以前のRKEが単方向
のみに動作することであった。換言すると、過去のRK
EはRKEから車両への送信のみ可能であったので車両
から何らのフィードバックを得ることが出来なかった。
例として、RKEは以前に送信されたRKE制御信号に
応答してドアがロックされたと指示する車両からの送信
を受信することは出来なかった。従って過去において
は、RKEの使用者は、ドア・ロックのコマンド信号に
応答して車両が実際にドアをロックしたか否かを決定す
るため、典型的には不完全な聴覚に頼らざるをえなかっ
た。雑音のある環境または可聴の機械的なロック音の聞
き取りが可能な範囲を越えている場合においてRKEを
作動させることは、RKEの使用者は車両が実際にドア
をロックしたかを確信することが出来なかったことを意
味した。
【0005】さらに双方向通信の欠如は、以前のRKE
は、ユーザが車両にその状態を問い合わせるためにRK
Eを作動できるメカニズムを提供することが出来なかっ
たことを意味した。結果として、例えば車両が壊された
かを決定するために車両の状態をチェックすることが出
来なかった(例えば窓がうち砕かれたかを決定するため
のセンサをチェックすることによって)。さらなる例と
して、RKEはドアがロックされ、トランクがロックさ
れ、または内部のライトが点灯されているかを決定する
ために車両に問い合わせることが出来なかった。
【0006】以前のRKEの第2の重要な制限は、それ
らの比較的短い範囲にある。従って、RKEによって送ら
れたコマンド信号が車両によって受信されるであろう特
定の範囲を越えてRKEは何ら確実に使用出来なかった。
よって、例えば聴覚の不完全さと組み合わさって、ドア
・ロックのコマンド信号に反応して車がドアをロックし
たかを決定することがいつも可能ではなかった。さらに
以前のRKEが車両の状態を問い合わせることが可能であ
ったとしても、RKEに固有である範囲の制限が多くの例
において問い合わせの有効性を制限した。
【0007】例えば、車が壊されたかを決定するために
車の状態を問い合わせることは、好適には車両から出来
る限り離れた所から達成されるであろう。実際の侵入者
がまだ車の中にいるか否かを決定するための関連した問
い合わせは、同じように車両から出来る限り離れた所か
ら達成されるであろう。別の例として、いくつかの場合
においては、以前のRKEによって提供された比較的短
い範囲より遠い距離から車両のエンジン制御または環境
制御がなされることが好適であるであろう。それからよ
り遠い作動範囲はユーザが車両に到着する前に、エンジ
ンを暖めることを可能にしまたは、車両に快適な環境セ
ッティングを達成することを可能とする。
【0008】産業界においては、無鍵リモート・エント
リを含む応用を有する、手持ちサイズの遠距離双方向通
信装置に対する必要性が長く存在している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】双方向通信装置を提供
することが本発明の目的である。拡張範囲を有する双方
向通信装置を提供することは本発明の別の目的である。
【0010】ウエークアップ検出器を含む双方向通信装
置を提供することは本発明のさらなる目的である。必要
とされるまでマイクロプロセッサをスリープモードに維
持し得ることによって、双方向通信装置を含む通信シス
テムを実現するために要求される電力を減少させること
は本発明の別の目的である。
【0011】本発明の別の目的は、更なる処理のために
信号サンプルを記憶するためのスナップショット・レコ
ーダを含む双方向通信装置を提供することである。本発
明の別の目的は、周波数、位相、時間分解能をベースと
したマイクロプロセッサを有する双方向通信装置を含む
通信システムを提供することである。
【0012】双方向通信装置を使用した通信システムに
おいて、復調、ビット検出、解読をベースとしたマイク
ロプロセッサを提供することは本発明のさらなる目的で
ある。
【0013】
【課題を解決するための手段】上述した一つまたはそれ
以上の目的は本通信装置により全体に又は一部に満たさ
れる。装置は信号を送信および受信するためのアンテ
ナ、アンテナに結合されたアナログ部分、アナログ部分
に結合されたデジタル部分を含む。特に、アナログ部分
は中間周波数ダウンコンバータ、デジタル同相出力、デ
ジタル直交位相出力を含む。デジタル部分は、I出力と
Q出力を発生させるI/Qデローテータ(derotater)、
大きさ出力を含むウエークアップ検出器、大きさ出力に
結合された閾値比較回路を含む。閾値比較回路は、大き
さ出力に反映されるようなウエークアップ信号受信条件
を示す閾値を記憶する。
【0014】さらにウエークアップ検出器は、例えば大
きさ出力と閾値比較回路の間にアキュムレータと移動平
均回路を使用し得る。大きさ出力は、二つの入力のうち
の大きな方と二つの入力のうちの小さい方の半分との加
算により形成された大きさ近似を好適に出力する大きさ
回路を使用することによって典型的には生成される。二
つの入力は、例えば、デローテートされたI/Qデー
タ、I/Qデータの内積/外積、又は相関された内積/
外積であり得る。通信装置の一つ実現において、デジタ
ル部分はI出力およびQ出力に結合された内積/外積回
路、内積/外積のためのIとQのアキュムレータを含
む。内積および外積のための相関器が、さらに含まれ得
る(特に変調されたウエークアップ信号が望まれる場
合)。
【0015】好適にはスナップショット・メモリが提供
され、IアキュムレータおよびQアキュムレータに結合
される。以下でより詳細に説明されるように、入力ウエ
ークアップ信号の周波数は記憶されたサンプルの後続処
理によって決定され得る。より大きなスナップショット
・レコーダがさらに含まれ、デローテータによって生成
されたI出力およびQ出力を記憶するために使用され
る。それから記憶されたIとQ出力は周波数および情報
内容を決定するために続いて処理され得る。
【0016】アナログ部分は典型的にはデジタル同相出
力を発生させるために中間周波数ダウンコンバータに結
合された同相アナログ/デジタル変換器を使用する。同
様に、直交位相アナログ/デジタル変換器は中間周波数
ダウンコンバータに結合され、デジタル直交位相出力を
生成する。アナログ/デジタル変換器は好適には1ビッ
トのアナログ/デジタル変換器である。
【0017】
【発明の実施の形態】ここで図1について言及すると、
図示されるように単一の特定用途向け集積回路(ASI
C)において実現される長距離双方向通信装置102
(「BCD102」)、水晶発振器104、DC/DCコ
ンバータ106およびマイクロプロセッサ108を含む
通信システム100を示している。水晶発振器104
は、アナログ信号を処理しデジタル制御のための内部ク
ロックを発生させるためにBCD102により使用され
るクロック周波数を提供する。BCD102は、一つの
実施形態においては+12VのDC入力を+3VのDC
出力へ減少させるDC/DCコンバータ106から電力
を受け取る。
【0018】マイクロプロセッサ108は、以下で詳細
に説明されるであろう処理のために、BCD102に結
合されている。マイクロプロセッサ108は、例えばコ
ーディング/デコーディング・チップ110を含む、サ
ポート回路にさらに結合され得る。コーディング/デコ
ーディング・チップ110は信号エラーのコーディング
とデコーディング、暗号化と解読およびそれと同様のよ
うな、計算上の集中オペレーションを実行し得る。代替
的にコーディング/デコーディング・チップ110を省
くことができ、必要な機能はメモリ122に記憶された
ソフトウエアにおいて実現され、マイクロプロセッサ1
08によって実行される。マイクロプロセッサ108は
外部メモリ、I/O装置および同様のものと通信するた
めに使用され得る汎用目的データバス112をサポート
する。最後に送信および受信アンテナ114が含まれ、
BCD102に結合される。
【0019】BCD102は例えば単一の特定用途向け
集積回路(ASIC)において実現され得る。代替的に
はアナログ部分とデジタル部分(以下で述べられる)は
別々のASICに分離されることが出来、または両部分
は別々の回路とともに実現されることができる。以下で
より詳細に述べるように、BCD102は入力通信が検
出された時にマイクロプロセッサ108に知らせ得る。
【0020】図1において示される通信システム100
は例えば、車両内へ集積され得る。データバス112
は、ドア・ロック、トランク・ロック、セキュリティ・
システム、および同様のものを含む車両内のエレクトロ
ニクスの周りにルートされた汎用目的データバスに結合
され得る。同様に関連したRKEは、信号を車両へ送信
し、車両から信号を受信するためにその独自の通信シス
テム100を組み込むことが出来る。RKE内のデータ
バス112は、例えば、ドアのロック/アンロック作
動、アラームの作動、エンジンのスタートを含む様々な
タスクを実行するために車両に指示を与えるための実現
可能なボタンを提供するスイッチ・マトリクスに結合さ
れ得る。
【0021】再び図1について言及すると、BCD10
2は多くの個別信号処理ブロック(以下で詳細に述べら
れている)を含む。信号処理ブロックは一般的にRF/
IF(アナログ)処理ファンクション116、118と
デジタル処理ファンクション120との間で一般的に区
分される。送信方向用RF/IF処理ファンクション1
18中には、I/Qアップコンバージョンおよび送信機
ゲインが含まれる。受信方向用RF/IF処理ファンク
ション116は受信機ゲイン、I/Qダウンコンバージ
ョン、ベースバンド・ゲイン、アナログ/デジタル変換
を含む。デジタル処理ファンクション120は数値制御
発振器(NCO)駆動のデジタルI/Qデローテータ、
ウエークアップ・ディテクタ、スナップショット・レコ
ーダを含む。
【0022】ここで図2について言及すると、図はアナ
ログ部分におけるRF/IF処理ファンクション11
6、118の詳細な図200を示す。図2においてRF
/IF処理ファンクションは6個のブロック:送信/受
信ブロック202、アナログI/Qダウンコンバータ・
ブロック204、アナログI/Qアップコンバータ・ブ
ロック206、Iアナログ/デジタル・コンバータ・ブ
ロック208、Qアナログ/デジタル・コンバータ・ブ
ロック210、周波数ソース・ブロック212に分割さ
れる。各ブロックは以下で詳細に述べられる。
【0023】送信/受信ブロック202はアンテナ11
4、送信/受信スイッチ214、受信増幅器216、送
信増幅器218を含む。アンテナ114はBCD102
によって発生されまたは処理される電磁信号を捕らえま
たは送信する。典型的な送信および受信周波数は300
―500MHzの範囲にある。送信/受信スイッチ21
4はBCD102がアンテナ114を駆動するか、アン
テナ114によって捕らえられた信号を読み取るかを制
御する。送信/受信スイッチ214は例えば、アナログ
・マルチプレクサまたは他のスイッチング素子(例え
ば、リレー)として実現され得る。代替的に、出力ディ
セーブル制御を有するバッファが送信パスを受信パスか
ら隔離するために使用され得る。受信増幅器216は、
アンテナ114によって捕らえられた信号をアナログI
/Qダウンコンバータ・ブロック204における更なる
処理のためにブーストするために作動し、一方で送信増
幅器218はI/Qアップコンバータ・ブロック206
によって発生されアンテナ114に提供される信号をブ
ーストするために作動する。
【0024】送信増幅器218は製造公差、FCC制限
および同様のものに基づき、その出力を変化するために
マイクロプロセッサ108によってインテリジェントに
制御され得る。例えば、製造の間、通信装置100のサ
ンプル・ロットはテスト可能であり、適切な電力レベル
コードがマイクロプロセッサ108に結合されたメモリ
122に供給される。それから各通信装置100は好適
なレベルで送信増幅器218を動作し得る。
【0025】I/Qダウンコンバータ・ブロック204
は信号スプリッタ220と、ダウンコンバータIミキサ
発信器入力224とダウンコンバータIミキサ信号入力
226とアナログダウンコンバートされたI出力228
を有するダウン・コンバータIミキサ222を有する。
I/Qダウンコンバータ・ブロック204はさらにダウ
ンコンバータQミキサ発振器入力232とダウンコンバ
ータQミキサ信号入力234とアナログダウンコンバー
トされたQ出力236を有するダウンコンバータQミキ
サ230をさらに含む。発振器の位相シフタ238はさ
らに提供される。
【0026】I/Qアップコンバータ・ブロック206
の構造は、I/Qダウンコンバータ・ブロック204の
構造と同じである。アップコンバータ・ブロック206
は信号加算器240、アップコンバータIミキサ発振器
入力244とアップコンバータIミキサ信号入力246
とアナログアップコンバートされたI出力248を有す
るアップコンバータIミキサ242を有する。I/Qア
ップコンバータ・ブロック206はさらにアップコンバ
ータQミキサ発振器入力252とアップコンバータQミ
キサ信号入力254とアナログ・アップコンバートされ
たQ出力256を有するアップコンバータQミキサ25
0をさらに含んでいる。発振器の位相シフタ258はさ
らに提供される。
【0027】アナログIローパス・フィルタ270は、
アナログ・ダウンコンバートされたI出力をIアナログ
/デジタル・コンバータ・ブロック208に接続する。
Iアナログ/デジタル・コンバータ・ブロック208は
それ自身加算器272、増幅器274、デジタルI出力
278を発生させるIアナログ/デジタル・コンバータ
276を含む。同様に、アナログQローパス・フィルタ
280はアナログ・ダウンコンバートされたQ出力をQ
アナログ/デジタル・コンバータ・ブロック210に接
続する。Qアナログ/デジタル・コンバータ・ブロック
210は加算器282、増幅器284、デジタルQ出力
288を発生させるアナログ/デジタル・コンバータ2
86を含む。
【0028】周波数ソース・ブロック212は、水晶発
振器104、周波数マルチプレクサを含んでいる。周波
数マルチプレクサは、位相検出器290、増幅器29
2、電圧制御発振器(VCO)294を含んでいる位相
ロックループを使用する。分周器296はVCO294
と位相検出器290との間のループを閉じる。動作にお
いては、水晶発振器104は、例えば12.5MHzな
どの比較的低い周波数の出力信号を発生させる。位相検
出器290は、水晶発振器104の出力と分周器296
によって選択される分周されたVCO294のダウン出
力との周波数差または位相差を表す差信号を発生する。
この例として、除算は32にセットされているが、他の
整数および非整数値をさらに使用し得る。差信号は増幅
されてVCOへ印加されその出力を制御する。周波数ソ
ース・ブロック212において図示された周波数マルチ
プレクサは、水晶発振器104より32倍大きな周波数
(即ち400MHz)を有する出力信号を発生させる。
【0029】次に、図2に示されたRF/IF処理の構
成要素の動作は送信方向および受信方向について以下で
詳細に述べられるであろう。受信方向においては、送信
/受信スイッチ214はアンテナ114によって捕らえ
られた受信信号が増幅器216を通って流れ、スプリッ
タ220に到達することを可能とする。スプリッタ22
0は受信された信号の同一コピーをダウンコンバータI
ミキサ222およびダウンコンバータQミキサ230に
結合する。ダウンコンバータIミキサ発振器入力は、V
CO294の出力を受信し、一方でダウンコンバータQ
ミキサ発振器入力は(発振器位相シフタ238によっ
て)90度シフトされたVCO294の出力を受信す
る。
【0030】従って受信信号の周波数内容は、ミキサ2
22と230によって差周波数(受信信号の周波数―V
CO294周波数)および和周波数(受信信号の周波数
とVCO294周波数の加算の周波数)にシフトされ
る。このようにミキサ222および230は受信信号の
I、Q成分を生成し、I、Qのローパス・フィルタ27
0、280によってフィルタされた時、中間周波数でア
ナログ・ダウンコンバートされたI、Qの信号を発生さ
せる。例えば受信信号の周波数内容が399.9MHz
周辺に中心を有し、VCO294の出力が400MHz
の場合には、差周波数は100KHz(中間周波数)で
あり、和周波数は799.9MHzである。I、Qロー
パス・フィルタ270、280は和周波数を取り除く。
処理の構成要素におけるDCオフセットをダウンコンバ
ートされた受信信号と干渉することを防止するために、
中間周波数は好適にはDCから少しの量だけ(例えば1
00―200KHzまたはそれ以上)オフセットされ
る。IとQのローパス・フィルタ270、280は随意
に、パスバンドが中間周波数周辺に中心を有し、送信信
号と受信信号の帯域幅に対応した帯域幅を有するバンド
パス・フィルタに置き換えることが可能である。バンド
パス・フィルタを使用することは信号内のDCオフセッ
トを直ちに除去する利点を提供する。
【0031】IとQのローパス・フィルタ270、28
0のダウンコンバートされたIとQの出力は、DCオフ
セットを除去するために、加算器272および282に
よって調整され(以下に、図3に関連してより詳細に説
明される)、増幅器274、284によって増幅され、
IとQのアナログ/デジタル・コンバータ276、28
6によってデジタルIとQ出力278、288上にデジ
タル表現へ変換される。IとQアナログ/デジタル・コ
ンバータは好適には1ビットのアナログ/デジタル・コ
ンバータであるが、マルチビットのコンバータもまた適
している(以下で述べるように)。
【0032】送信方向においては、BCD102は、例
えばBPSKまたはQPSKのような、マイクロプロセ
ッサ108によって使用される変調スキームに従って、
発生されたIとQ成分上で動作する。アップコンバータ
IとQのミキサ242、250は送信されるべき信号の
二つの成分を生成する。アップコンバータIミキサ信号
入力は(第1にアナログ形式へに変換された)I成分を
受け取り、(アップコンバータI発振器入力244に結
合された)VCO294出力と結合して、送信されるべ
き信号の一つの成分を生成する。アップコンバータQミ
キサ信号入力は、(第1にアナログ形式へに変換され
た)Q成分を受け取り、シフタ258によって90度シ
フトされ且つアップコンバータQ発振器入力252に結
合されたVCO294出力と結合して、送信されるべき
信号の第二の成分を生成する。二つの成分は加算器24
0によって加算され、増幅器218によってブーストさ
れ、アンテナ114を通って駆動される。
【0033】周波数シンセサイザー370(以下で述べ
られる)とVCO294出力の組み合わせは、受信のた
めに使用される周波数とは異なる送信のために使用され
る周波数を生成するように調整され得る。例として、V
CO294の周波数は、受信の間、期待された受信信号
の中心周波数(例えば399.9MHzであり得る)よ
り約100KHz大きな値に設定され得る。送信の間、
VCO294および周波数シンセサイザー370は、代
わりに399.9MHzの中心周波数を生成するように
設定され得る。それから400MHzの発振器を使用し
ている受信器は送信信号から100KHzの中間周波数
を生成し得る。
【0034】ここで、図3について言及すると、BCD
102のデジタル部分120の詳細なブロック図300
が示されている。デジタル部分120はIとQのオフセ
ット補正器302、304、デジタルI/Qダウンコン
バータ306、IとQのデジタル・アキュムレータ30
8、310を含む。デジタル部分120はさらに、ウエ
ークアップ検出器312、スナップショット・レコーダ
314、状態マシーン316を含む。さらにデジタル周
波数シンセサイザー370が示されている。
【0035】IとQオフセット補正器302、304は
デジタルのIとQの出力278、288におけるDC成
分(図2に示された任意の回路によって生成された)を
除去するように設計されている。Iオフセット補正器3
02はレジスタ318、加算器320、デジタル/アナ
ログ・コンバータ322で構成されたアキュムレータを
使用する。レジスタ318は、例えば、Iアナログ/デ
ジタル・コンバータ276が1の値を生成した場合にカ
ウント・アップし、Iアナログ/デジタル・コンバータ
276が0の値を生成した場合にカウント・ダウンする
ことが出来る。受信信号のIとQ成分が現実に周期的で
あることが期待されているので(即ちサインおよびコサ
イン成分)、デジタルI出力278はDCオフセットが
何ら存在しない時、0へ累算することが期待されている
(即ち等しい数の1と0の値)。このように任意のDC
オフセットはレジスタ318において累算し、デジタル
/アナログ・コンバータ322によってアナログ・オフ
セット補正へ変換され、加算器272(図2)によって
ローパス・フィルタ270のダウンコンバートされたI
出力から減算される。
【0036】Qオフセット補正器304はレジスタ32
4、加算器326、デジタル/アナログ・コンバータ3
28を含む。Qオフセット補正器はIオフセット補正器
302に関する上記と実質的に同じ方法で動作する。こ
のようにQオフセット補正器304は加算器282を使
用しているローパス・フィルタ280のダウンコンバー
トされたQ出力からDCオフセットを除去する。レジス
タ318、324は例えば10ビット幅であり得る。
【0037】代替的な実施形態においては、IとQオフ
セット補正器302、304はIとQデジタル出力27
8、288に結合されたデジタル/アナログ・コンバー
タに置き換え出来る。それからデジタル/アナログ・コ
ンバータの出力はアナログ積分器(例えばオペアンプか
ら形成される)に接続され得る。アナログ積分器の出力
は、IとQ信号におけるDCオフセットを除去するため
に加算器272、282に順に接続される。
【0038】上述したように、IとQのアナログ/デジ
タル・コンバータ276、278は好適には1ビットの
コンバータである。以下の議論は好適な実現に関連して
進行するが、例えばマルチビットのアナログ/デジタル
・コンバータを使用するために変更可能である。マルチ
ビット・コンバータが使用された場合には、入力信号が
コンバータにとって適切な範囲に維持されるように、好
適には自動ゲイン制御回路が含まれる。受信プロセスの
次のステップにおいては、デジタルI/Qダウンコンバ
ータ306はデジタルI、Q出力278、288から中
間周波数を除去する。デジタルI/Qダウンコンバータ
306は16×2のルックアップ・テーブル330と、
レジスタ332(例えば20ビットの幅であり得る)と
加算器334で構成される数値制御発振器(NCO)を
含む。ダウンコンバータ306はデジタルI出力278
とQ出力288が特定の中間周波数(例えば100KH
z)で運ばれるという想定のもとで動作する。特定の中
間周波数は時の経過、温度、信号パスの条件で変化し得
るので、マイクロプロセッサ108は、実際の中間周波
数を決定するアルゴリズムに応答して累算値を調整する
ことによってNCOを同調する。
【0039】レジスタ332の二つの最上位ビットは1
6×2のルックアップ・テーブル330への入力として
提供される。レジスタ332は一定の周波数でクロック
されるので、それは一定の周波数で(加算器334を使
用して)値を累積しおよびロールオーバする。値に加え
られる各クロックパルスを変化させることによって、レ
ジスタ332はより頻繁に、または頻繁でなくロールオ
ーバするために同調されることが出来る。従ってレジス
タ332の最上位ビット(MSB)はプログラム可能な
周波数出力を提供し、最上位nビットは周波数出力の位
相角表現を提供する。
【0040】16×2のルックアップテーブルに提供さ
れる二つのMSBは選択された中間周波数のために、4
個の可能位相角範囲(象限)の一つを提供する。従って
二つのMSBは、各4個の象限の通ってデジタルIとQ
の値を搬送する所望中間周波数に従う。16×2のルッ
クアップテーブル330はMSBによって指示された象
限とサンプルされたIとQの信号値(使用される変調技
術に従って、各ビットパターンのための各象限において
一定の既知の値を取るであろう)に従って索引されるこ
とが可能である。
【0041】例えば直交位相偏移キーイング(QPS
K)においては、IQ値はペアのビットを表現するため
に割り当てられる。従って、00は45度の位相角を使
用し、01は−45度の位相角を使用し、10は135
度の位相角を使用し、11は−135度の位相角を使用
し得る。例えば送信された00信号値は、ほぼ0.7×
A Cos(wt)−0.7×A Sin(wt)また
はI Cos(wt)−Q Sin(wt)の形をと
り、ここでAは一定値で、wtは搬送周波数である。従
って、例え00が常に送信されても、IとQの値はSi
nとCosの項が各4象限を通るに従い正および負の値
に変化するであろう。NCOはSinとCosの項を原
因とする変化を補償するために中間周波数wtに合わせ
られる。
【0042】以下のテーブル1はルックアップ・テーブ
ル330の好適な内容を提供する。
【0043】
【表1】
【0044】デジタルIとQのアキュムレータ308と
310は16×2のルックアップテーブル330に従
う。デジタルIアキュムレータ308はレジスタ336
と加算器338を含む。従ってレジスタ336は16×
2ルックアップテーブル330によって生成されたIの
値を累算する。同じように、デジタルQアキュムレータ
310はレジスタ340、加算器342を含み、Qの値
を累算する。例としてデジタルIとQアキュムレータ3
08、310はそれぞれ45の値を累算でき、従って受
信信号に存在するI値とQ値を平均またはローパス・フ
ィルタリングする。45の値が累算された後、レジスタ
336と340のI値とQ値はウエークアップ検出器3
12へ引き渡される。
【0045】ウエークアップ検出器312はIとQの絶
対値回路344および346、大きさ近似回路348、
アキュムレータ(レジスタ350と加算器352により
形成される)を含む。さらに、閾値レジスタ354およ
び加算器356が提供される。IとQの絶対値回路34
4および346は、正のI、Qレジスタ336、340
の大きさ(以下では便宜上RIおよびRQとして言及さ
れる)のみが大きさ近似回路348へ引き渡されること
を確かにする。
【0046】代替的に、IとQの絶対値回路344、3
46は省くことが出来、内積兼外積計算回路358、内
積と外積値のアキュムレータ360、362と置き換え
が可能である。計算回路358は連続的なIおよびQの
サンプルの内積(A)をA=I(n)×I(n−1)+
Q(n)×Q(n−1)として計算し、外積(B)をB
=I(n)×Q(n−1)−I(n−1)×Q(n)と
して計算する。AおよびBの値はアキュムレータ36
0、362内にそれぞれ累算され、スナップショットR
AM364にさらに保存される。スナップショットRA
M364に保存されたAおよびBの値のさらなる処理は
例えば受信された信号搬送波の周波数の決定を含み得
る。周波数はN個のAおよびB値にわたってATAN2
(A,B)をを加算し、加算値をNで割ることにより近
似され得る。
【0047】大きさ近似回路348はRIとRQの大き
さ(M)(絶対値回路344および346が使用された
場合)またはAおよびBの大きさ(内積兼外積計算回路
358が使用された場合)に対する近似を計算する。古
典的な大きさの公式はM=SQRT(RI×RI+RQ
×RQ)(またはM=SQRT(A×A+B×B))で
ある。好適な近似はM=LARGER(RI,RQ)+
1/2(SMALLER(RI,RQ))または(M=
LARGER(A,B)+1/2(SMALLER
(A,B))である。従って、RIがRQより大きい
(またはAがBより大きい場合)場合には、M=RI+
1/2×RQ(またはM=A+1/2×B)となる。
【0048】Mの値は加算器352を使用してレジスタ
350に累積される。レジスタ350の値が閾値レジス
タ354に記憶された値を越えた場合(加算器356に
よって決定される場合)、意味のある信号が受信されて
いる(「検出閾値」を越えている)という有意の可能性
が存在する。従って状態マシーン316は閾値を越えて
いると知らされ、マイクロプロセッサ108はスリープ
・モードにある場合にはウエークアップされ得る。好適
には、送信機は任意の変調された情報の前にまず純粋な
サイン波またはコサイン波の搬送波をBCD102へ送
る。純粋な搬送波はレジスタ350の値が累算されて検
出器の閾値を越えるであろう可能性を増加させる。検出
閾値それ自身は、任意の特別応用のために誤り検出およ
び紛失メッセージの許容率を提供するためにレジスタ3
54を使って設定される。
【0049】好適な実施形態においては、大きさ近似回
路348の出力はアキュムレータ366に結合され、該
アキュムレータは順に移動平均計算器368に結合され
る。アキュムレータ366は好適には実行している全1
00の値を保持し、全100個の累算値のトータルを移
動平均計算器368に引き渡す。移動平均計算器368
は好適にはアキュムレータ366によって引き渡された
最後の10個の累算値の移動平均を決定する。移動平均
計算器368の出力はいつ検出閾値を越えたかを決定す
るために比較される。
【0050】デジタルIとQのアキュムレータ308、
310における議論で上述したように、関連したレジス
タ336、340は好適には、レジスタの値を後続処理
に渡す前に45のサンプルを累算する。さらに、二つの
二次のデジタルIおよびQアキュムレータ(図示されて
いない)はアキュムレータ308、310と同じ構造
(すなわちレジスタおよび加算器)を使用して提供され
得る。好適には、二次のデジタルIおよびQアキュムレ
ータは0にリセットされる前に15のサンプルを累算す
る。IとQサンプルの各15のサンプル累算の後に、累
積された値はスナップショット・レコーダ314に記憶
される。
【0051】本発明の一つの実施形態において、IとQ
のアナログ/デジタル・コンバータ276、286は
1.5MHzでサンプルし、スナップショット・レコー
ダは2000のIと2000のQの値を記憶する。従っ
てスナップショット・レコーダ314は100KHzレ
ート(1、500、00/15)でIに対する新たな値
およびQに対する新たな値を記憶し、20msに値する
受信信号を記憶する(累積されたIとQのサンプルによ
って表現されるように)。送信された信号バースト(一
つの実施形態において)は約10ms長と予想されるの
で、スナップショット・レコーダ314は、受信信号が
その初めまたは終わりに検出されたかに関係なくマイク
ロプロセッサ108に受信信号を回復することを可能と
するに充分なデータを記憶する。さらにデジタルI/Q
復調器306内のNCOは同様に1.5MHzでクロッ
クされ、デジタルI/Qダウンコンバータ・レジスタ3
32の二つのMSBは100KHz周波数信号の四つの
象限位相角を表現する。
【0052】代替的な実施形態においては、通信装置1
00を作動することから純トーン妨害を防止するために
FMまたはFSK信号がウエークアップ信号として使用
され得る(上記のように仮定された持続波(CW)ウエ
ークアップ信号とは対照的に)。例えば、特定の周波数
に中心を有するFSK信号はウエークアップ信号を提供
するためにプラスまたはマイナス6KHzで変化され得
る。FSKウエークアップ信号(二つの周波数間で交番
している)と共に、ウエークアップ信号を検出するため
に図4に示されたような相関器が使用され得る。図4に
示された相関器400は−−0++−−0++パターン
に割り当てられる10個のタップ402を使用し(好適
にはそれぞれ1ミリ秒のサンプル時間を表現する)、こ
こで−はFSK信号の第1の周波数を示し、+は第2の
周波数を示し、0は遷移中のノイズからの寄与を除去す
るために零にされた二つ周波数の間の遷移を示す。
【0053】図4に示されたように、内積と外積用に別
々の相関器が使用可能である。外相関器404は、アキ
ュムレータ406(好適には1ミリ秒のサンプルを提供
するしている)に続く。それから外相関器404の出力
408は大きさ近似回路348に接続され得る。同様に
内相関器410はアキュムレータ412に続き得る。そ
れから内相関器410の出力414(絶対値回路416
によって動作された後)は、大きさ近似回路348へ提
供され得る。
【0054】さらにFSKウエークアップ信号検出の別
の代替として、計算回路358の外積出力は発振のため
に調べられ得る。適切な検出器は図5に示されており、
NCO502、ミキサ504、506、アキュムレータ
508、510を含む。さらに移動平均回路512、5
14、絶対値回路520,522、I/Q大きさ回路5
16、閾値検出回路518が示されている。動作におい
ては、計算回路358の外積出力は二つのミキサ50
4、506に提供される。NCO502はウエークアッ
プ信号のFSK変調を原因とする出力積信号の期待周波
数変化に合致するようにセットされる。
【0055】アキュムレータ508、510および移動
平均回路512,514は結果として生じたIおよびQ
の要素を累積および平均し、その絶対値(絶対値回路5
20、522を使用して)を大きさ回路516に提供す
る。大きさ回路516は大きさ近似回路358に関して
上述したように動作する。大きさ回路516の出力は、
実際に受信信号がウエークアップ閾値を越えているかを
決定するために閾値検出器518によって閾値と比較さ
れる。
【0056】上述したように、一度受信信号が検出閾値
を越えた場合には、マイクロプロセッサ108はスナッ
プショット・レコーダ314に記憶されたIとQの累積
値を処理するためにウエークアップされ得る。最初に、
マイクロプロセッサ108はスナップショット・レコー
ダ314に記憶された信号の周波数を決定する(例え
ば、上述されたようにATAN2(A,B)を計算しお
よび平均をとることによって)。それからマイクロプロ
セッサは次のバースト(予め規定された信号環境におい
て、固定された時間、例えば90msの後に起きる)を
捕らえるためにスナップショット・レコーダ314を制
御する。
【0057】また図3について言及すると、ルックアッ
プ・テーブル372、デジタル/アナログ・コンバータ
374、376、ローパス・フィルタ378、380を
含む周波数シンセサイザ370が示されている。動作に
おいては、ルックアップ・テーブル372は(例えば)
NCO332から8ビットを受け取り、応答してデジタ
ル化されたサインとコサインの値を例えば6ビットの分
解能で出力する。サインとコサインの値はアナログに変
換され、ローパス・フィルタされる。結果として生じた
信号はアップコンバージョンおよびデータ送信処理の部
分としてミキサ入力246、254へ提供される。従っ
て、パラメータ(例えば周波数シフトコード、周波数訂
正コード)をメモリ122に記憶することによって、送
信周波数を所望値にシフトし、随意に公称水晶104の
エラー(つまり製造公差およびそれと同様なもの)を補
償するために、NCO332は使用されうる。
【0058】さらに通信装置100は異なる速度で通信
するための能力を随意に含み得る。このように、例え
ば、通信装置100は、受信機から高速度の応答を得る
ために実質的な情報により後続される相対的に高速ウエ
ークアップ信号(例えば毎秒10キロバイト)を最初に
送信する。高速度で信頼性ある通信にとって、通信装置
100が受信機からあまりに離れている場合、受信機は
送信信号を正確にデコードせず一般的には応答を送らな
いであろう。それから通信装置100は相対的により低
速度で再び送信する(例えば毎秒1キロバイト)。典型
的には、通信装置100における信号サンプリングはデ
ータ速度のいくつかの倍数で起きる(例えばデータ速度
の10倍)。従って双方の送信速度のためにスナップシ
ョット・レコーダ314を適応する場合、メモリの大き
さは増加することが出来、また同じメモリの大きさを維
持しつつデータ速度の倍数を減少することが出来る。代
替的には同じメモリの大きさを維持しつつ、サンプルあ
たり記憶ビット数は減少し得る。
【0059】ここで図6について述べると、図は上述さ
れたウエークアップ検出を網羅している高レベルの流れ
図600を説明している。ステップ602で、通信装置
は入力信号を受信する。ステップ604で結果として受
信された信号はダウンコンバートされ、ステップ606
でデローテートされる。ステップ608で、ウエークア
ップ状態決定の用意のためにデローテートされたI/Q
値が累積される。
【0060】ステップ610で、例えば、デローテート
されたI/Qの値の内積と外積が形成される。図3にお
いて上述したように内積と外積は持続波ウエークアップ
信号を検出するために使用可能で、または内積と外積の
相関(ステップ612)に関連して変調されたウエーク
アップ信号を検出するために使用可能である。ステップ
614では、ウエークアップ信号の存在を示す大きさ出
力が生成される。大きさ出力は、例えばデローテートさ
れたI/Qの値、内積および外積、または相関された内
積および外積の値から形成され得る。大きさの累積(ス
テップ616)と大きさの移動平均の随意的形成(ステ
ップ618)の後に、通信装置は所定閾値に対して比較
をし、ウエークアップ信号が実際に受け取られたかを決
定し得る。
【0061】ソース・コード付録に提示された以下のア
ルゴリズムは、プロセッサ108によって引き受けられ
た信号処理の実現を提供する。アルゴリズムは情報ビッ
トの復調および検出(ランダムBPSKビットを含んで
いるバーストのため)と同様に、周波数および到達時間
の推定(CWバーストまたはBPSKタイミング参照パ
ターンを含んでいるバーストのために)を含む。
【0062】アルゴリズムはマスキャド(Mathca
d)・プログラム言語(ファイル名が.mcdで終わっ
ている)およびC(ファイル名が.cで終わっている)
で書かれたソフトウエア・ルーチンとして提示される。
ルーチンは以下のように名前が付けられ記述される。
【0063】
【表2】
【0064】このように本双方向通信装置は、高性能ウ
エークアップ検出器を有する長範囲、低電力通信装置を
提供する。ウエークアップ検出器は通信装置が電力を節
約することを可能としさらに、ウエークアップ信号それ
自身と同様、ウエークアップ信号送信後の実質的な通信
信号を信頼性よく受信し、デコードし、処理する。スナ
ップショット・メモリは特定の実施形態においては、実
質的な通信信号と同様、ウエークアップ信号のための記
憶装置を提供する。関連したマイクロプロセッサはスナ
ップショット・メモリの内容を調べ、例えば、粗いまた
は細密な周波数の推定を実行し、または有用なデータを
デコードし、引き出すことができる。
【0065】本発明の特定の構成要素、実施形態、応用
は示され、記述されているが、一方で、特に前述の教示
の観点において、当業者によって変更がなされ得るので
本発明はそれには限定されないということが理解され
る。従ってそれらの変更をカバーし、本発明の趣旨およ
び範囲にある特性を組み込むことは、添付された請求項
によって熟考される。
【図面の簡単な説明】
【図1】長範囲双方向通信装置のブロック図を示してい
る。
【図2】受信機と送信機の信号処理を含む、長範囲双方
向通信装置の無線周波数と中間周波数部分の概略表示を
説明している。
【図3】長範囲双方向通信装置のデジタル処理部分を示
すブロック図を示している。
【図4】FSKウエークアップ信号を検出するために使
用される相関器回路の例を示している。
【図5】FSKウエークアップ信号検出器の別の例を示
している。
【図6】通信装置をウエークアップするための方法の高
レベル流れ図を示している。
【符号の説明】
100 長範囲低電力通信装置 102 長範囲双方向通信装置(BCD) 106 DC/DCコンバータ 108 マイクロプロセッサ 110 コーディング/デコーディング・チップ 114 送受信用アンテナ 116 RF/IF処理ファンクション 118 RF/IF処理ファンクション 120 デジタル処理ファンクション 122 メモリ 200 アナログ部分 202 送受信ブロック 204 アナログI/Qダウンコンバータ・ブロック 206 アナログI/Qアップコンバータ・ブロック 208 Iアナログ/デジタル・コンバータ・ブロック 210 Qアナログ/デジタル・コンバータ・ブロック 212 周波数ソースブロック 214 送信/受信スイッチ 220 信号スプリッタ 222 ダウンコンバータIミキサ 230 ダウンコンバータQミキサ 238 発振器位相シフタ 258 発振器位相シフタ 276 Iアナログ/デジタルコンバータ 278 Qアナログ/デジタルコンバータ 286 アナログ/デジタル・コンバータ 290 位相検出器 294 電圧制御発振器(VCO) 296 除算器 300 デジタル部分 302 IとQのオフセット補正器 304 IとQのオフセット補正器 306 デジタルI/Qダウンコンバータ 308 デジタルIアキュムレータ 310 デジタルQアキュムレータ 312 ウエークアップ検出器 314 スナップショット・レコーダ 316 状態マシーン 330 16×2ルックアップ・テーブル 344 I絶対値回路 346 Q絶対値回路 348 大きさ近似回路 354 閾値レジスタ 358 内積兼外積計算回路 360 内積用アキュームレータ 362 外積用アキュームレータ 364 スナップショットRAM 366 アキュムレータ 368 移動平均計算器 370 周波数シンセサイザー 372 ルックアップ・テーブル 400 相関器 404 外相関器 406 アキュムレータ 410 内相関器 412 アキュムレータ 416 絶対値回路 508 アキュムレータ 510 アキュムレータ 512 移動平均回路 514 移動平均回路 516 I/Q大きさ回路 518 閾値検出回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バーリー・アール・アレン アメリカ合衆国カリフォルニア州90277, リダンド・ビーチ,アベニュー・ビー 631 (72)発明者 バーリー・ダンブリッジ アメリカ合衆国カリフォルニア州90505, トーランス,コートニー・ウェイ 3614 (72)発明者 ジョージ・ダブリュー・マクアイヴァー アメリカ合衆国カリフォルニア州90277, リダンド・ビーチ,ノース・ポーリナ・ア ベニュー 801 Fターム(参考) 5H180 AA01 BB04 BB06 BB08 5K004 AA05 FA05 FG04 5K011 BA10 DA03 DA15 JA01 KA03 KA18

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 信号を送信し受信するためのアンテナ
    と、 前記アンテナに結合された送信回路および受信回路を含
    み、前記アンテナに結合されたアナログ部分と、 前記受信回路は中間周波数ダウンコンバータ、デジタル
    同相出力、デジタル直交位相出力を含み、 前記デジタル同相出力および前記デジタル直交位相出力
    に結合され、I出力およびQ出力を含むI/Qデローテ
    ータと、大きさ出力を含む大きさ回路と前記大きさ出力
    に結合された閾値比較回路を含むウエークアップ検出器
    とを含むデジタル部分と、 前記閾値比較回路は、前記大きさ出力とウエークアップ
    信号受信条件を示す閾値を比較する、を含む通信装置。
  2. 【請求項2】 前記ウエークアップ検出器は前記大きさ
    出力および前記閾値比較回路に結合されたアキュムレー
    タをさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の通
    信装置。
  3. 【請求項3】 前記ウエークアップ検出器は前記アキュ
    ムレータと前記閾値比較回路との間に移動平均回路をさ
    らに含むことを特徴とする、請求項2に記載の通信装
    置。
  4. 【請求項4】 前記デジタル部分は、 前記I出力と前記Q出力に結合された内積回路および外
    積回路と、 前記内積/外積回路と前記大きさ回路との間に結合され
    たIアキュムレータと、 前記内積/外積回路と前記大きさ回路との間に結合され
    たQアキュムレータと、をさらに含む、請求項1に記載
    の通信装置。
  5. 【請求項5】 前記デジタル部分は、 前記I出力および前記Q出力に結合された内積/外積回路
    と、 前記内積/外積回路と前記大きさ回路の間に結合された
    内相関器と、 前記大きさ回路に結合された絶対値回路に結合された外
    相関器と、をさらに含む、請求項1に記載の通信装置。
  6. 【請求項6】 前記内積、外積回路と前記外相関器との
    間に結合されたIアキュムレータと、前記内積、外積回
    路と前記内相関器との間に結合されたQアキュムレータ
    をさらに含む、請求項5に記載の通信装置。
  7. 【請求項7】 前記大きさ出力が同相値と直交値のうち
    のより大きい値と、前記同相値と前記直交値のうちのよ
    り小さな値の半分の加算示す値を搬送することを特徴と
    する、請求項1に記載の通信装置。
  8. 【請求項8】 前記アナログ部分はさらに、前記中間周
    波数ダウンコンバータと前記デジタル同相出力に結合さ
    れた同相アナログ/デジタルコンバータと、前記中間周
    波数ダウンコンバータと前記デジタル直交位相出力に結
    合された直交位相アナログ/デジタルコンバータを含む
    ことを特徴とする、請求項1に記載の通信装置。
  9. 【請求項9】 前記アンテナに結合された送信増幅器
    と、 前記送信増幅器に結合され、I入力とQ入力とを含むアッ
    プコンバータと、 前記I入力と前記Q入力に結合された周波数シンセサイ
    ザと、 前記周波数シンセサイザに結合された数値制御発振器
    と、を含むことを特徴とする、請求項1に記載の通信装
    置。
  10. 【請求項10】 前記送信増幅器に結合されたマイクロ
    プロセッサと、 前記マイクロプロセッサに結合され、送信増幅器の電力
    レベルコードを含むメモリと、をさらに含む、請求項9
    に記載の通信装置。
  11. 【請求項11】 前記送信増幅器に結合されたマイクロ
    プロセッサと、 前記マイクロプロセッサに結合され、前記数値制御発振
    器のための周波数シフトコードを含むメモリと、をさら
    に含む、請求項9に記載の通信装置。
  12. 【請求項12】 前記メモリが前記数値制御発振器のた
    めの周波数訂正コードをさらに含むことを特徴とする、
    請求項11に記載の通信装置。
  13. 【請求項13】 受信信号を発生させるためにアンテナ
    で入力信号を受信するステップと、 デジタルI出力とデジタルQ出力と発生させるために前
    記受信信号をダウンコンバートするステップと、 デローテートされたI出力とQ出力を発生させるために
    前記デジタルI出力と前記デジタルQ出力をデローテー
    トするステップと、 前記デローテートされたI出力とQ出力と関連した大き
    さ出力を発生させるステップと、 累積された前記大きさが所定の閾値を越える時を決定す
    るステップと、を含む、持続波または変調されたウエー
    クアップ信号を使用する通信装置を作動する方法。
  14. 【請求項14】 大きさ出力を発生させるステップは、
    二つの入力値のうちのより大きな値と二つの前記入力値
    のうちの小さな値の半分の加算に相当する大きさ出力を
    発生させるステップを含むことを特徴とする、請求項1
    3に記載の方法。
  15. 【請求項15】 前記発生させるステップの前に、前記
    デローテートされたIとQ出力を累算するステップをさ
    らに含む、請求項13に記載の方法。
  16. 【請求項16】 前記デローテートされたIとQ出力の
    外積および内積を形成するステップとを含み、大きさ出
    力を発生させるステップが前記内積と外積のうちのより
    大きな値と、前記内積と外積の値のより小さな値の半分
    の加算に相当する大きさ出力を発生させるステップを含
    むことを特徴とする、請求項13に記載の方法。
  17. 【請求項17】 前記デローテートされたIとQ出力の
    内積と外積を形成するステップと、 前記発生させるステップの前に相関された内積と相関さ
    れた外積を発生させるステップと、をさらに含む、請求
    項13に記載の方法。
  18. 【請求項18】 前記発生させるステップの前に、前記
    相関された内積の絶対値を形成するステップをさらに含
    むことを特徴とする、請求項17に記載の方法。
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