JP2011527873A - 低電力無線通信システム - Google Patents
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Abstract
【課題】低電力無線通信システムを提供する。
【解決手段】低通信レイテンシを必要とする適用形態を有するシステムなどの通信システムにおいて、無線通信のための平均電力を大幅に低下させる方法を提供する。本方法は、低電力無線通信回路(例えば非ヘテロダイン受信機)を用いて、無線通信回路の電力消費量が少ないことを利用して、通信要求を待つことができる。通信要求を受信しかつ有効にした後、通信システムは、より効率的な(しかしより高電力の)通信回路に切り替えることができる。それゆえ、感度の低下などの望ましくない妥協をすることなく、効率的な通信が達成される。
【選択図】図3
【解決手段】低通信レイテンシを必要とする適用形態を有するシステムなどの通信システムにおいて、無線通信のための平均電力を大幅に低下させる方法を提供する。本方法は、低電力無線通信回路(例えば非ヘテロダイン受信機)を用いて、無線通信回路の電力消費量が少ないことを利用して、通信要求を待つことができる。通信要求を受信しかつ有効にした後、通信システムは、より効率的な(しかしより高電力の)通信回路に切り替えることができる。それゆえ、感度の低下などの望ましくない妥協をすることなく、効率的な通信が達成される。
【選択図】図3
Description
関連出願の相互参照
本願は、米国特許仮出願第61/079,435号(特許文献1)に関連しかつ該出願に基づく優先権を主張する。特許文献1は、事実上、引用を以て本明細書の一部となす。
技術分野
本発明は、エネルギー量(エネルギーバジェット)の制約がある装置に適した改良無線通信システムに関する。
近年では、数多くの携帯型アプライアンスにRF通信機能が備えられており、それらは、機能性を向上させ、新たな応用展開の機会を提供している。しかし、問題は、RF通信のエネルギー要求が大きいせいで、電池の頻繁な交換または充電が必要であることである。電池寿命の短さが、新たな画期的な製品を創造するために必要とされる技術の実現を妨げる重大な障害となっている。
最近の信号処理の進歩は、スループット、感度、信号雑音比(SNR)、及びビット誤り率(BER)などのRF通信回路の設計性能における柔軟なトレードオフを可能にしている。
シャノン・ハートレーの定理から、所与の情報通信路(伝送路)容量に対して、帯域幅と送信電力との間のトレードオフが予測される(ウィキペディア:シャノン・ハートレーの定理)。一般的に、用いる帯域幅が広ければ広いほど低送信電力で済み、すなわち、データ転送速度が高速であればあるほど高送信電力が必要になる。通常、帯域幅効率と送信電力との間のトレードオフは、高速デジタル信号論理回路を用いて処理利得によって実現される。このアプローチは通信を実行している間の効率を向上させるが、受信機の動作期間が長いので総電力消費量は大きいままである。動作中、非同期伝送をリッスンするために、かなりの電力が消費される。この電力及びエネルギー負荷は、小型の携帯型機器において最も顕著であり、相反する物理法則のせいで低減することが非常に困難である。例えば、通信に参加する複数の無線機間の連続リンクのデューティサイクルを小さくするために、ポーリング方式通信が開発された。平均電力を低下させるために、他のアプローチ、例えばアクティブ通信及び一定の間隔をおいてのバースト同期ポーリングを用いることができる(例えば図1を参照。図1は、送信機及びヘテロダイン受信機または非ヘテロダイン受信機の典型的な平均電力消費量をデューティサイクル[%]の関数として示している)。
以下の詳細な説明において、「レイテンシ」なる語は、情報源で情報を送信する準備ができてから受信機で実際に情報を受信するまでの遅延(待ち時間)を指す。「非同期通信」なる語は、プロトコルの一種で、それによって送信装置が、ローカルの時刻の制約、またはクロック信号、または意図した受信装置の状態を顧みずに、時を選ばず、受信機との通信を開始するものを指す。すなわち、非同期通信では、送信装置は、受信機におけるタイミングと無関係に好きなように送信を開始する。
通信するのは稀であるが低レイテンシの非同期通信を要求するアプライアンスの場合、動作している無線機のデューティサイクルを小さくして平均電力消費量を減少させることは、競合するレイテンシ要求によって制約される。この現象は、機能的要求と電池寿命との競合の一例である。
本明細書の文脈の中では、「アプライアンス」なる語は、或る特定の機能または一連の機能を果たす装置または機器であって、その構造内に、後述するように、無線通信装置、無線通信システムまたは無線装置をさらに含むものを指す。この文脈におけるアプライアンスの一例は、ワイヤレス・ガレージドアオープナーである。
ヘテロダイン検波は、基準周波数を用いて電磁信号を検波する方式である。ヘテロダイン方式は、受信信号の搬送波(キャリア)周波数を異なる周波数に変換する過程において、非線形周波数混合効果を用いて、ローカルに生成される基準信号を受信信号に重ねる。基準信号源は、当分野において「局部発信器」(LO)としても知られている。受信信号と局部発信器からの信号を混合する非線形装置は、無線通信の分野では「混合器(ミキサ)」として知られている。ヘテロダインベースの受信機は、優れた選択性及び感度を示す。
ヘテロダイン受信機における電力消費量の減少は、混合器を駆動する高周波数LOを動作させるために必要な電力によって制限されている。
本発明は、特に低通信レイテンシを必要とする適用形態において、無線通信のための平均電力を大幅に低下させる方法を提供する。一実施形態によれば、本方法は、非ヘテロダイン受信機を用い、電力消費量が少ないことを利用して、感度の低下などの望ましくない妥協をすることなく、低電力無線通信システムを実現する。
本発明は、非ヘテロダイン受信機を用いて、通信相手が当該受信機との通信を確立しようと試みているか否かを判断する。この過程で、受信機は、通信相手との通信を確立するために必要な情報を獲得し得る。受信装置は、その後、より高性能なヘテロダインベースの無線通信システム(より大きな電力を消費するシステムではあるが)の電源を「オン」にして、通信相手と通信する。
シャノン・ハートレーの定理は、指定されたBERで、データ転送速度を低下(すなわち、情報スループットの低下)を代償にして非ヘテロダイン受信機の感度を上げるための基礎を提供する。それゆえ、非ヘテロダイン受信機は、遠く離れた通信相手を正確に識別するのにより多くの時間を必要とすることがある。しかし、それより高性能な受信機、または送信機、またはトランシーバの電源がひとたび「オン」にされると、データは、より高速のデータ転送速度で、より低BERで、交換され得る。
非ヘテロダイン受信機の相対的に悪いBERは、時には、選択された通信プロトコルが非ヘテロダイン受信機によって受信される信号への応答を必要とするときには特に、不用意に、より高性能な受信機(または送信機またはトランシーバ)の電源を「オン」にする結果を招くことがある。非ヘテロダイン受信機は、有効データ通信速度を増加させるか、またはBERを低下させるために、複数の、徐々に高度にかつ複雑になる変調法及びマッチング復調器(これらは、より大きな動作電力を必要とし得る)を採用することがある。それゆえ、本発明は、非ヘテロダイン受信機に利用される変調手順の階層により合成波形を提供するが、ここでは、通信プロトコルの一部として、順を追って1ビット当りのエネルギーが低くなる(ひいては、通信のデータ転送速度が高速になる)ように、複数の、順を追って動作電力が高くなるような、より高性能な無線通信回路が連続的に採用されている。この階層は、通信誤り、雑音または信号干渉によってトリガされるような、意図せぬ通信の確率を低下させる。この方法を途切れなく用いることで、つけっ放しであるが動作上待機状態にあれば別な方法で過剰な電力を消費するような無線装置回路の階層を連続的に採用することができるが、無線装置回路が低デューティサイクルで動作されている場合には、許容できないほどの通信遅延が生じることがある。
固定式機器と携帯型機器との通信の場合、両機器間で電池エネルギー負荷を交換することができる。それゆえ、一実施形態では、固定式機器は、携帯型機器の偽のウェイクアップの可能性を減少させるために長い情報ペイロードを持つ長い合成信号を送信し、そうすることで携帯型機器の電池エネルギーを節約することができる。さらに別の実施形態では、固定式機器は、より短い情報ペイロードを持つ短い合成信号を送信し、そうすることで自身の電池の消耗を減らす。この構成では、携帯型機器は、既に述べた実施形態と比べて偽のウェイクアップの可能性が高く、それによって電池の消耗が大きくなる。
本発明の一実施形態によれば、「超低電力」(ELP)無線通信システム及び方法は、「多層」または「マルチティア」無線通信システムにおいて実現され得る。多層またはマルチティア無線通信システムにおいて、本発明は、通信プロトコルの一部として、順を追って通信のデータ転送速度が高速になるように、複数の、順を追って動作電力が高くなるような、より高性能な無線通信システムが連続的に採用されている階層を提供する。
本発明は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を考慮すると、よりよく理解される。
本発明は、低レイテンシの非同期通信を維持しながら低い動作電力を実現する。本発明の1つの利点は、低電力受信機が非同期通信をサポートするために必要な感度及び通信帯域幅を有するような無線通信システムである。
上記したように、図1は、典型的な低電力送信機と、「ヘテロダイン」受信機と、「非ヘテロダイン」受信機に対して、平均電力消費量をデューティサイクルの関数として示している。望ましい無線受信機は、中程度から適度の平均電力消費量で動作する無線受信機であるが、それは許容可能なデューティサイクルを有しているので、通信過程における過度の遅延が回避される。レイテンシを犠牲にすることなしには、デューティサイクル方式によってヘテロダイン受信機の平均電力消費量を大幅に減少させることはできない。
数多くの従来の低電力アナログ無線受信機は、スーパーヘテロダインベースの受信機である。そのような受信機は、電力の大部分を、局部発信器(LO)及び混合器を動作させてRF入力信号を中間周波数にダウンコンバートすることに費やす。これらの受信機においては、搬送波周波数が増加すると電力消費量が増加する。LOを作り出すために位相ロックループ(PLL)を使用すれば、電力負荷をさらに増加させることになる。受信機がさらに(例えば、直接シーケンス・スペクトラム拡散{すなわち「DSSS」}変調信号を受信するために)デジタル検出器を用いる場合には、相関器のための高速ロジックが電力消費量をさらに増加させる。
図2は、本発明の一実施形態に従うELP無線通信システムを示している。図2に示すように、ELP無線装置2及び22は、リンクを介して互いに通信する。ELP無線装置2及び22は各々、完全なトランシーバであるTier-1回路(それぞれ符号4及び24によって示される)を含み、ここで、受信機部分(すなわち受信機9または29)は「非ヘテロダイン」である。ELP無線装置2及び22には、Tier-2回路3及び23も含まれる。Tier-2回路3及び23内の受信機6及び26は、(感度、SNR、帯域幅またはデータ転送速度に関して)より高性能のものであり、ヘテロダイン受信機によって実現することができる。従って、Tier-1受信機9及び29は、受信機6及び26よりも低電力である。
図3は、本発明の一実施形態に従い、Tier-1及びTier-2トランシーバ3及び4が1つの共通アンテナを共有している点を除いて、図2のシステムと類似であるELP無線通信システムを示している。より一般的には、本発明のマルチティア無線機では、ELP無線装置内のトランシーバは、1つの共通アンテナ、複数の別々のアンテナ、または1つの多重アンテナを用いることができる。
図4は、本発明の一実施形態に従い、第3のELP無線通信システムを示している。図4は、ELP無線装置32及び42を含むELP通信システムを示している。図2のELP無線装置2のTier-1回路4とは異なり、アプライアンス#5のTier-1回路34には、受信機が含まれていない。アプライアンス#6のTier-1回路44には、送信機が含まれていない。
図5は、本発明の一実施形態に従い、アプライアンス#7(素子51)のTier-1及びTier-2回路34及び3が1つの共通アンテナを共有している点を除いて、図4のELPシステムと類似である第4のLP無線通信システムを示している。同様に、アプライアンス#8(素子41)内のTier-1及びTier-2回路44及び23も1つの共通アンテナを共有している。
本発明の一実施形態では、Tier-1送信機8は、負抵抗デバイス(例えば、トンネルダイオード、ガンダイオード、トラパットダイオードまたはインパットダイオード)を含む発振器を用いることによってRF搬送波を生成するために、非ヘテロダイン方式を用いることができる。
図6(a)は、本発明の一実施形態に従い、アプライアンス#9(素子61)のELP無線装置62のTier-2回路63に送信機がなく、アプライアンス#10(素子71)のELP無線装置72のTier-2回路73に受信機がない点を除いて、図5のELPシステムと類似である第5のLP無線通信システムを示している。それゆえ、ELP無線装置62のTier-2回路63は、Tier-1回路34の送信機8を用いる。同様に、ELP無線装置72のTier-2回路73は、Tier-1回路44の受信機29を用いる。この非対称な構成は、特定のコンパクトかつ低コストの適用形態において有用であり得る。さらに、各アプライアンスは、Tier-1回路とTier-2回路間で非対称な構成を有している。
図6(b)は、別の実施形態に従い、ELP無線装置82が、Tier-2回路83及びTier-1回路84の双方の送信機機能を果たす1つの共通送信機回路88を用いる点を除いて、図5に示したELP無線通信システムと類似である第6のLP無線通信システムを示している。
図6(c)は、ルーティング用途に有用であるような別の実施形態に従い、アプライアンス#14(素子91)が、1つの共通送信機回路95を用いるTier-2回路93及びTier-1回路94を有する点を除いて、図6(b)に示したELP無線通信システムと類似である第7のELP無線通信システムを示している。
図6(d)は、アプライアンス#15のELP無線装置82内のTier-1回路84及びTier-2回路83が1つの共通アンテナを共有し、アプライアンス#16のELP無線装置92内のTier-1回路94及びTier-2回路93も1つの共通アンテナを共有している点を除いて、図3に示したELP無線通信システムと類似であるELP無線通信システムの好適実施形態を示している。さらに、アプライアンス#15(素子81)のELP無線装置82内のTier-1回路84及びTier-2回路83は、1つの共通送信機88を共有している。同様に、アプライアンス#16(素子91)のELP無線装置92内のTier-1回路94及びTier-2回路93も1つの共通送信機95を共有している。この構成は、従って対称的であり、例えば大規模メッシュ・ネットワークに有用である。
図2〜図6の各実施形態では、Tier-1回路が適度の通信帯域幅を持っており、非ヘテロダイン受信機は、無線通信相手からの非同期通信の要求(リクエスト)を確実に検出する。要求は、次のパラメータ、すなわち、データ転送速度、感度、信号雑音比、ビット誤り率、スペクトル効率及び1ビット当りのエネルギーのうちの1若しくは複数によって決定されるようにTier-1回路より高性能であるTier-2(またはより高次の)無線回路を用いて実行される後続の通信を効率的に設定するために、必要な追加情報を提供し得る。
図7は、Tier-1回路内で低電力の非ヘテロダイン受信機100が用いられるようなELP無線通信システムを示している。図7に示すように、無線信号は、アンテナ101を介して非ヘテロダイン受信機によって受信され、例えば離散型または分散型の同調素子を含む通信路同調素子102によって同調される。同調された信号は、低雑音RF増幅器103(任意選択)によって増幅され、ダイオード検波器ベースのRF復調器104によって復調される。そのような検波器は、ショットキーダイオード、トンネルダイオード、バックダイオード、または金属−絶縁体−金属(metal-insulator-metal:MIM)ダイオードなどのダイオード検波器、及びトランジスタから選択することができる。復調された信号は、その後、105において増幅され、106によって雑音/干渉を減少させるようにフィルタリングされる(任意選択)。復調されかつフィルタリングされた信号は、符号化された情報を回復しかつそれが通信相手である無線装置からの有効なウェイクアップ信号であるかどうかを判断するためにデコーダ107において復号化されるベースバンド信号である。
図7に示すELPトランシーバの一実施形態では、RF増幅器103は、RF増幅器として機能するようにダイオードの電流−電圧特性の負勾配領域に沿って動作するような、トンネルダイオード、ガンダイオード、トラパットダイオードまたはインパットダイオードを含み得る。この実施形態は、消費電力が低くかつよりコンパクトなレイアウトでありながら、より高い受信機感度、優れた信号雑音比を提供する。
さらに、トンネルダイオードは非常に鋭い非線形領域を有するので、トンネルダイオードは図7のELPトランシーバにおいて鉱石検波器104などの検波器として用いられることもある。トンネルダイオードの変形形態(例えばバックダイオード及びMIM{metal-insulator- metal}ダイオード)も同様に検波器として用いることができる。
図7に示すELPトランシーバの一実施形態では、RF増幅器103は、再生回路(すなわち正帰還を用いる)増幅器からなるものであってよい。
図7では、通信コントローラ108及びTier-2トランシーバ109は、ELP無線システムの素子であるがヘテロダイン受信機100の素子ではないことを示すために、点線で描かれている。中央演算処理装置(CPU)110は、全体的な制御を提供する演算器であるが、ELP無線システムの一部ではない。
ELP無線通信システムの一実施形態では、エネルギー量の範囲内で、プログラム制御下にあるCPU(または好適にはMCU{マイクロコンピュータユニット})は、「通信コントローラ」108や「復号化及びウェイクアップ・ロジック」107の機能の一部を提供することができる。
効率的なデータ変調方式(例えば、効率的なアナログ・デジタル変換器{ADC}を用いた振幅シフト・キーイング{ASK})を以てすれば、誤り訂正技術を用いようが用いまいが、シンボル期間当たりより多くのビットを送信することができる。Tier-1のブロードキャストがより短ければ、送信機の電池負荷を減らすことができる。
無線通信システム内にCPU110が設けられているような図7に示す本発明の実施形態によれば、CPU110は、カスタム集積回路、あるいは1若しくは複数のプログラミング可能な論理回路によって実装され得る。適切なプログラミング可能な論理回路は、例えば、現場でプログラミング可能なゲートアレイ(FPGA)または複雑なプログラミング可能な論理デバイス(CPLD)を含み得る。カスタム集積回路による実装では、CPU110は、特定用途向け集積回路(ASIC)として提供され得る。他の実施形態は、ADC回路を備えたマイクロコンピュータユニット(MCU)を含み得る。
一実施形態では、RF復調器104によって検出される十分に強い出力信号は、非同期通信を開始するために通信相手によって送信される要求を表すバイナリ信号として用いられ得る。図13は、非常に単純な環境での使用に適したELP無線機を示している。信号を検出した時点で、Tier-2(またはより高次の)トランシーバ109は、通信相手と通信するように作動され得る。作動には、Tier-2トランシーバ109を省電力状態(例えば「ディープスリープ」または「ハイバーネート」状態)から電源「オン」または通常動作状態へ移行させることが含まれる。
本発明の一実施形態では、非ヘテロダイン無線受信機100は常に動作している。本発明の別の実施形態では、非ヘテロダイン無線受信機100は、所定のスケジュールに基づき定期的に短期間「オン」にされる(すなわち、非作動状態から作動状態に置かれる)。この作動期間は、固定期間か、タイムベースがローカル環境時刻と同期されるような固定期間(図21を参照)か、または予め決められた擬似ランダムに割り当てられた期間かのいずれかであり得る。例えば、非ヘテロダイン無線受信機の動作は、0.1%ないし50%のデューティサイクルにあるように選択されることができる。
非ヘテロダイン受信機100の感度は、ELPトランシーバが用いられる環境によって変わることがある。通常、感度は設計パラメータであり、幾つかの範囲の感度のうちの1つを用いることができる。例えば、本発明の一実施形態では、受信機感度は−40dBmより良好であることができる。別の実施形態では、より制限的な条件が、受信機により高い(例えば−60dBmより良好な)感度を与えることがある。
無線信号は、無線周波数搬送波(fc)で直接変調され得る。図8(a)は、RF周波数搬送波(fc)で直接変調されている信号を受信するためのELP無線システムの一実施形態における低電力非ヘテロダイン受信機800を示している。RF周波数搬送波で直接変調されている信号のスペクトルを図14(a)に示す。非ヘテロダイン受信機100と比較すると、非ヘテロダイン受信機800にはRF増幅器103が存在しない。検波器104は、ベースバンド信号を回復する。無線信号は搬送波信号で直接変調されているので、この時点で通信要求が検出され得る。感度を上げるために、回復された信号は、107で復号化される前に105によって増幅される。信号検出の結果によって、Tier-2トランシーバ109を用いるか否かが決定される。受信機100(低電力RF増幅器103を含む)は、より高い粒度を提供する。マルチティア回路の各ティアは、同一または異なる搬送波周波数及び周波数スペクトルを用いるものであってよい。図8(b)は、図8(a)のELP無線システムの変形形態であり、低雑音RF増幅器103を含んでいるので、より高い受信機感度が得られる。
図9は、本発明の一実施形態に従い、RF電波強度が強くかつ雑音または干渉源が弱い環境で用いるための、振幅変調(AM)受信機回路を含むELP無線システムを示している。図9では、低雑音増幅器103、増幅器105及びフィルタ106を提供する必要がない。パーツがより少なく、方式がより単純であるので、この低コストシステムは、非同期通信要求に応答することができ、かつ高性能で電力効率の良いTier-2トランシーバを作動させることができる。
多くの場合、増幅器雑音を考慮して、信号は先ず副搬送波(サブキャリア)周波数(fsc)で変調され、それがさらに搬送波信号で変調される。副搬送波で直接変調された信号のスペクトルを図14(b)に示す。図10は、本発明の一実施形態に従い、副搬送波で変調された信号とともに使用するためのELP無線システムを示している。図10に示すように、図8(a)に関して既に上記した方法で、搬送波信号が、検波器104、増幅器105及びフィルタ106によって、それぞれ検出され、増幅され、フィルタリングされる。回復された信号160は、副搬送波(fsc)で変調されているが、161によって復調される。第2の復調器161は、例えば周波数弁別器であってよい。第2の復調器161もまた、復調が副搬送波信号でなされる点を除いて、上記した復調器のうちの任意のものであってよい。
増幅器105は、従来の増幅器または正帰還を用いる再生回路であってよい。
要求情報を副搬送波周波数で変調すると、搬送波での直接変調によって或るレベルのロバストネスが与えられるが、それにもかかわらず変調方式は適度に単純であり、1/f雑音を除去する。そのような雑音排除性は、増幅器が低電流で動作する状況では、特に重要である。副搬送波は、大きなパワーペナルティを発生させることなく、ヘテロダイン受信機を用いて復調されることができる。その理由は、副搬送波(fsc)のための局部発信器は、RF搬送波(fc)よりもずっと低い周波数であり、従って、RF搬送波周波数に特有である大きなパワーペナルティを課さないからである。さらに、ヘテロダインベースの副搬送波復調器は、入力信号電力が十分に強いときのみ電力を供給され得る。
本発明によれば、低電力無線受信機は、ヘテロダイン原理を用いずに周波数変調(FM)RF搬送波を復調することができる。図11は、本発明の一実施形態に従ってFM変調されたRF搬送波(fc)を復調するELP無線システムを示している。図11に示すように、信号は、周波数弁別器または急峻なエッジを有するフィルタ204によって復調される。周波数弁別器204は、個別部品またはバルク材料フィルタ(例えば弾性表面波(SAW)フィルタや圧電性結晶)によって実現され得る。図12は、本発明の一実施形態に従い、バルク材料周波数弁別器を用いてfcを復調するELP無線システムを示している。
高レベルの雑音または干渉が存在する環境では、上記した非ヘテロダイン受信機回路は偽のウェイクアップ・イベントを発生させることがあり、これはエネルギーを無駄にする不要なTier-2(またはより高次の)無線回路の作動につながる。そのような偽のウェイクアップ・イベントは、第1の復調器に適合する多くの変調方式のうちの任意のものを用いて情報を適切に変調することによって回避することができる。適切な変調方式には、以下のものが含まれるが、これらに限定されるものではない。
a.1若しくは複数の周波数を用いたAM変調−増幅器、狭帯域フィルタ及び検波器を含む受信機を必要とする;
b.AM変調されている搬送波の低速FM変調−例えば、受信機はFM変調を検波し、搬送波で変調されている埋め込みデジタルデータを復号化する;
c.ASKを用いたデジタルデータ符号化−この技術の下では、デジタルデータは搬送波信号の振幅変動として符号化される(例えば、4値の符号化方式は1シンボル当たり2ビットを表し、8値の符号化方式は1シンボル当たり3ビットを表す);
d.オン・オフ・キーイング(OOK)を用いたデジタルデータ符号化−このASKの一般的な形態では、搬送波信号の存在がバイナリ「1」を符号化し、搬送波信号の不在(または振幅の減少)がバイナリ「0」を符号化する(「トーンの有無」)。電力を節約するために、デジタルデータは、低速論理回路または減速モードで動作する中央演算処理装置(例えばCPU110)を用いて復号化され得る;
e.周波数シフト・キーイング(FSK)を用いたデジタルデータ符号化−搬送波信号の周波数の離散変化としてデジタルデータが符号化される点を除いてASKと類似である技術;
f.パルス幅変調(PWM)−時間情報に変調したパルス幅を有する方形波が、波形の平均値の変化に従って検出され得る;
g.パルス位置変調(PPM)−パルス位置変調方式では、Mビットが、対応する2M個の可能な時間シフトのうちの1つ分だけ時間的にシフトされた1つの送信パルスで符号化される;
h.パルス符号変調(PCM)−パルス符号変調方式では、バイナリビットの符号語を用いて搬送波または副搬送波信号が(例えばOOK変調を用いて)変調される;
i.パルス振幅変調(PAM)−パルス振幅変調方式では、メッセージ情報が、一連の信号パルスの振幅で符号化される;
j.PN符号化−典型的には、「直接シーケンス」符号化方式では、擬似ランダム雑音(PN)系列の複数のビットが、搬送波または副搬送波を(例えばOOK方式で)変調する。
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a.1若しくは複数の周波数を用いたAM変調−増幅器、狭帯域フィルタ及び検波器を含む受信機を必要とする;
b.AM変調されている搬送波の低速FM変調−例えば、受信機はFM変調を検波し、搬送波で変調されている埋め込みデジタルデータを復号化する;
c.ASKを用いたデジタルデータ符号化−この技術の下では、デジタルデータは搬送波信号の振幅変動として符号化される(例えば、4値の符号化方式は1シンボル当たり2ビットを表し、8値の符号化方式は1シンボル当たり3ビットを表す);
d.オン・オフ・キーイング(OOK)を用いたデジタルデータ符号化−このASKの一般的な形態では、搬送波信号の存在がバイナリ「1」を符号化し、搬送波信号の不在(または振幅の減少)がバイナリ「0」を符号化する(「トーンの有無」)。電力を節約するために、デジタルデータは、低速論理回路または減速モードで動作する中央演算処理装置(例えばCPU110)を用いて復号化され得る;
e.周波数シフト・キーイング(FSK)を用いたデジタルデータ符号化−搬送波信号の周波数の離散変化としてデジタルデータが符号化される点を除いてASKと類似である技術;
f.パルス幅変調(PWM)−時間情報に変調したパルス幅を有する方形波が、波形の平均値の変化に従って検出され得る;
g.パルス位置変調(PPM)−パルス位置変調方式では、Mビットが、対応する2M個の可能な時間シフトのうちの1つ分だけ時間的にシフトされた1つの送信パルスで符号化される;
h.パルス符号変調(PCM)−パルス符号変調方式では、バイナリビットの符号語を用いて搬送波または副搬送波信号が(例えばOOK変調を用いて)変調される;
i.パルス振幅変調(PAM)−パルス振幅変調方式では、メッセージ情報が、一連の信号パルスの振幅で符号化される;
j.PN符号化−典型的には、「直接シーケンス」符号化方式では、擬似ランダム雑音(PN)系列の複数のビットが、搬送波または副搬送波を(例えばOOK方式で)変調する。
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さらに、i)パリティまたは誤り訂正符号(ECC)符号化データや、ii)前方誤り訂正(FEC)符号化データなどの誤り訂正技術を用いて、送信データに対するロバストネスを強化することができる。
図15(a)ないし図15(e)は、複数の包絡線変調RF搬送波変調方式を示しており、図15(a)の連続波(CW)と、図15(b)の周波数変調またはトーン変調と、図15(c)のOOKを用いたPCM符号化と、図15(d)のOOKを用いた直接シーケンスPN符号化と、図15(e)のCW及びOOK方式を含む複合方式とを含む。図15(a)ないし図15(e)では、ダイオード検波器(例えば、図7のダイオード検波器104)において変調された波形及び出力された波形が示されている。図15(b)〜図15(d)において、情報が搬送波包絡線上で変調されているところには、デジタル検出器(例えば、図7のデコーダ107)の出力波形も示されている。
図15(c)ないし図15(e)に示すパルス符号変調(PCM)、振幅シフト・キーイング(ASK)、オン・オフ・キーイング(OOK)などのデジタルデータ変調方式において、信号は、時間軸上に広がるシンボルの列を含むことに留意されたい。OOK変調の場合、シンボルは「0」または「1」のいずれかに相当する。しかし、ASK変調方式を用いる利便性の1つとして、線形受信機及び良好なSNRを必要とするものの、各シンボル期間において2ビット以上の情報を送信することができることが挙げられる。
図16(a)ないし図16(f)は、副搬送波変調による複数の包絡線変調信号を示しており、図16(a)の連続波(CW)、図16(b)の周波数変調またはトーン変調と、図16(c)OOKを用いたPCM符号化と、図16(d)のOOKを用いた直接シーケンスPN符号化と、図16(e)のCW、トーン及びOOK方式を含む複合変調方式と、図16(f)のCW及びfsc周波数検出を伴い、低周波数トーン変調がなく、OOK変調方式が続く複合変調方式(例えば、擬似ランダム雑音(PN)符号変調及びデータ)とを含む。復調器出力及びデコーダ出力信号も示されている。
本発明のマルチティア無線システムでは、シグナリング(すなわち波形)が最初に非ヘテロダイン受信機向けの「ウェイクアップ・フレンドリーな」変調を用いるように設計され得る。適切な変調には、エネルギーセンス(energy sense)、長いトーン及び長いPN系列が含まれる。比較的単純な変調の機能は、非ヘテロダイン受信機をトリガして、その動作モードをより高利得に変更するか、または非ヘテロダイン受信機における電力消費量の増加という代償を払って異なるフィルタまたは復調器を作動させることである。
本発明のマルチティア無線システム内のAM受信機は、1つの合成信号すなわち変調波形を提供するために複数の検波器を含み得る。適切な変調は、次の変調方式のうちの1若しくは複数(データは、典型的にはOOKまたはASKとして符号化される)を含み得る。
a.エネルギーセンス(搬送波CW)または副搬送波周波数検出(ノッチフィルタを用いて);
b.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW);
c.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、データ;
d.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、データ;
e.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
f.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
g.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
h.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
i.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
j.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、シングルトーン;
k.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、シングルトーン;
1.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、シングルトーン、データ;
m.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、シングルトーン、データ;
n.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、シングルトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
o.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、シングルトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
p.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、シングルトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
q.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、シングルトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ。
r.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、時系列順の複数のトーン;
s.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、時系列順の複数のトーン;
t.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、時系列順の複数のトーン、データ;
u.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、複数のトーン、データ;
v.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、時系列順の複数のトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
w.副搬送波エネルギーセンス(CW変調)、時系列順の複数のトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
x.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、時系列順の複数のトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
y.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、時系列順の複数のトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
z.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、同時に複数のトーン;
aa.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、同時に複数のトーン;
bb.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、同時に複数のトーン、データ;
cc.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、同時に複数のトーン、データ;
dd.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、同時に複数のトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
ee.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、同時に複数のトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
ff.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、同時に複数のトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
gg.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、同時に複数のトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
hh.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、周波数シフト・キーイング(FSK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
ii.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、周波数シフト・キーイング(FSK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
jj.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、シングルトーン、周波数シフト・キーイング(FSK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
kk.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、シングルトーン、周波数シフト・キーイング(FSK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
11.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、時系列順の複数のトーン、周波数シフト・キーイング(FSK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
mm.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、時系列順の複数のトーン、周波数シフト・キーイング(FSK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
nn.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、同時に複数のトーン、周波数シフト・キーイング(FSK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);及び
oo.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、同時に複数のトーン、周波数シフト・キーイング(FSK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ。
a.エネルギーセンス(搬送波CW)または副搬送波周波数検出(ノッチフィルタを用いて);
b.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW);
c.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、データ;
d.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、データ;
e.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
f.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
g.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
h.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
i.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
j.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、シングルトーン;
k.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、シングルトーン;
1.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、シングルトーン、データ;
m.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、シングルトーン、データ;
n.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、シングルトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
o.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、シングルトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
p.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、シングルトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
q.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、シングルトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ。
r.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、時系列順の複数のトーン;
s.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、時系列順の複数のトーン;
t.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、時系列順の複数のトーン、データ;
u.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、複数のトーン、データ;
v.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、時系列順の複数のトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
w.副搬送波エネルギーセンス(CW変調)、時系列順の複数のトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
x.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、時系列順の複数のトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
y.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、時系列順の複数のトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
z.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、同時に複数のトーン;
aa.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、同時に複数のトーン;
bb.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、同時に複数のトーン、データ;
cc.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、同時に複数のトーン、データ;
dd.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、同時に複数のトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
ee.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、同時に複数のトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
ff.搬送波エネルギーセンス(搬送波CW)、同時に複数のトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
gg.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、同時に複数のトーン、オン・オフ・キーイング(OOK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
hh.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、周波数シフト・キーイング(FSK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
ii.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、周波数シフト・キーイング(FSK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
jj.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、シングルトーン、周波数シフト・キーイング(FSK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
kk.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、シングルトーン、周波数シフト・キーイング(FSK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
11.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、時系列順の複数のトーン、周波数シフト・キーイング(FSK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);
mm.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、時系列順の複数のトーン、周波数シフト・キーイング(FSK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ;
nn.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、同時に複数のトーン、周波数シフト・キーイング(FSK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号);及び
oo.副搬送波エネルギーセンス(副搬送波CW)、同時に複数のトーン、周波数シフト・キーイング(FSK)と組み合わせた擬似ランダム雑音(PN符号)、データ。
本発明の非ヘテロダイン無線受信機は、次の技術のうちの1若しくは複数を用いてさらに干渉信号をフィルタリングし得る。
a.1若しくは複数のトーンを用いてサブ変調されたRF搬送波信号の使用、
b.所望のトーンを選択するための1若しくは複数の狭帯域フィルタ(ナローフィルタ)の使用、
c.圧電性結晶に基づき所望のトーンを選択するための1若しくは複数の狭帯域フィルタの使用、
d.圧電性結晶に基づき不要なトーンを受け取り検出閾値を決定するための1若しくは複数の狭帯域フィルタの使用。
a.1若しくは複数のトーンを用いてサブ変調されたRF搬送波信号の使用、
b.所望のトーンを選択するための1若しくは複数の狭帯域フィルタ(ナローフィルタ)の使用、
c.圧電性結晶に基づき所望のトーンを選択するための1若しくは複数の狭帯域フィルタの使用、
d.圧電性結晶に基づき不要なトーンを受け取り検出閾値を決定するための1若しくは複数の狭帯域フィルタの使用。
本発明の非ヘテロダイン無線受信機は、複数の個別符号を有するデジタルデータを搬送する変調信号を用いてさらに干渉信号をフィルタリングし得る。適切な符号には、次のうちの1若しくは複数が含まれる。
a.独立型パルス符号変調(PCM)符号、
b.個別受信機IDに対応するパルス符号変調(PCM)符号(インスタンスモデル)、
c.情報タイプに対応するパルス符号変調(PCM)符号(すなわち情報サブスクリプションモデル)。
a.独立型パルス符号変調(PCM)符号、
b.個別受信機IDに対応するパルス符号変調(PCM)符号(インスタンスモデル)、
c.情報タイプに対応するパルス符号変調(PCM)符号(すなわち情報サブスクリプションモデル)。
本発明の非ヘテロダイン無線受信機は、誤り低減のための変調されかつデジタル符号化された信号を用いて、さらに干渉信号をフィルタリングし得る。任意の誤り訂正符号は、非ヘテロダイン無線受信機とともに用いられ得る。訂正符号のいくつかの例には、(a)前方誤り訂正(FEC)を有するデータビットストリーム及び(b)擬似ランダム雑音(PN)拡散符号を有するデータビットストリームが含まれる。
図面にはっきりと示されてはいないが、他の機能素子には、例えば電圧制御発振器(VCO)が含まれ得る。VCOは、周波数変調(FM)回路、周波数合成において、並びに周波数シフト・キーイング(FSK)及び位相変調(PM)などのデジタル用途において、習慣的に用いられる。共通、すなわちマルチティア無線システムによって共有され得る他の機能素子は、制御またはシーケンシング(順序付け)論理回路である。
以下は、同様に本発明のマルチティア階層的無線システムにおいて共有され得る機能素子の例である。
a.低雑音無線周波数(RF)増幅器、
b.RF電力増幅器、
c.局部発信器、
d.電圧制御発振器(VCO)、
e.位相ロックループ(PLL)、
f.増幅器、
g.制御/シーケンシング・ロジック及び制御/シーケンシング論理回路、
h.電圧調整器、
i.電源、
j.アンテナ、
k.フィルタ。
a.低雑音無線周波数(RF)増幅器、
b.RF電力増幅器、
c.局部発信器、
d.電圧制御発振器(VCO)、
e.位相ロックループ(PLL)、
f.増幅器、
g.制御/シーケンシング・ロジック及び制御/シーケンシング論理回路、
h.電圧調整器、
i.電源、
j.アンテナ、
k.フィルタ。
デジタル復号化は、ウェイクアップ(すなわちターン「オン」)信号のための受信機SNRを増加させる効果的な方法である。非常に小さな(最良の場合でも、たったの1ビット)データペイロードのみが受信される必要があるならば、別の検波器によって復号化されることができる変調のための中程度の通信帯域幅のトレードオフ(すなわち、シャノン・ハートレーの定理内でのSNRの獲得)と、Tier-1及びTier-2双方の受信機通信路の通信範囲感度のマッチングとによって、液晶検波器ベースの受信機の適度の感度を増加させることができる。
図17(a)、図17(b)及び図17(c)は、本発明の一実施形態に従って、Tier-1非ヘテロダイン受信機のためのエア・インタフェースを提供するために用いられ得る合成信号変調方式の3つの例を示している。このエア・インタフェースの1つの利点は、ロバストでかつ柔軟性がある一方で、簡素でかつ実装が容易であることである。これら3つの例は、既に図15(a)、図16(e)及び図16(f)として示したような、複合変調方式である。図17(a)では、複合変調は、長いCWパルスをRF搬送波信号上で直接変調し、続いて、PCM/OOK変調によりPCM符号化データがOOKによってRF搬送波上で変調される。図17(b)では、複合変調方式は、長いCWパルスを副搬送波信号上で変調し、続いて、或る周期の周波数変調またはトーン変調を副搬送波信号上で、その後PCM/OOK変調を副搬送波信号上で変調する。図17(c)では、複合変調方式は、長いCWパルスを副搬送波信号上で変調し、その後、副搬送波信号での低周波数トーン変調を行わずに直接PCM/OOK変調する。この方法は、検出のために副搬送波のトーンそのものを用いる。3つの場合全てにおいて、長いCWパルスは、たとえ信号雑音比状態が悪くても、低電力アナログ検波器(例えばダイオード検波器)によって容易に分解されることができる。周波数変調またはトーン変調も、周波数弁別器を用いて容易に検出されることができる。これらのアナログ検波器による検出が成功すると、信号のPCM/OOK部分におけるデジタルデータを受信するようにデジタル検出器が作動され得る。
あるいは、PCM/OOK変調方式の代わりに、データは、任意の振幅変調または位相/周波数変調されたベースバンド信号においても符号化され得る。デジタルデータ符号化は、より高い信頼性を提供する。データパケットは、誤り検出、誤り訂正またはその両方のために、1若しくは複数のデータ完全性技術、例えば、パリティ、ハミング、あるいは誤り訂正符号(ECC)または前方誤り訂正(FEC)を用いて、符号化され得る。
図18は、本発明の一実施形態に従って、図17(b)の信号を復調及び復号化する際に用いるのに適したELP受信機を示している。図18に示すように、副搬送波変調信号は、電力検出器1801、トーン検出器1802及びデジタル検出器1803を用いて、順次に復調及び復号化される。各検出器はそれより前の復調または復号化回路より複雑であるが、各検出器は前の復調または復号化回路よりも多くの電力を要求(例えば、より高電流を要求)している。電力検出器1801は、長い副搬送波CWパルスを検出する。トーン検出器1802は、信号のトーン変調部分を検出する。デジタル検出器1803は、信号のPCM/OOK部分を復号化する。
図18に示すように、最初は、電力検出器1801のみに電力が供給される。トーン検出器1802及びデジタル検出器1803は共に、省電力状態にある。長い副搬送波CWパルスが(例えばダイオード検波器を用いて)検出されると、電力検出器1801は、トーン検出器1802の出力を上げる(パワーアップさせる)。(例えば周波数弁別器を用いて)トーン検出器1802によって周波数変調を検出することで、真正な通信要求が受信されることをさらに保証する。トーン検出器1802は、その後、デジタル検出器1803の出力を上げる。図18に示すように、デジタル検出器1803は、符号化されることになる個々のビットを識別するためのビットスライサ1811と、シフトレジスタ1812と、受信したビットとストアされた所定の符号語とのマッチングのための比較器/相関器1813と、受信信号をさらに処理するためにより複雑な回路(例えば、ヘテロダイン受信機、MCUまたはADCなどのTier-2受信機)の出力を上げるための論理回路1814とを含む。比較器/相関器1813は、受信データを、受信機に割り当てられた識別コードと比較するために用いられることもある(IDは、PN符号の形であってもよい)。マッチすることは、通信要求がその受信機に向けられていることを示している。その後、Tier-2受信機は、要求された通信の実行を引き継ぐことができる。
一実施形態では、電力検出器1801は、低電流レベル(例えば約0.1μA)で動作する。トーン検出器1802は、動作のために相対的により大きな電流(例えば〜10μA)及び相対的により長い期間(例えば1ms)を必要とする。デジタル検出器1803は、動作のためにさらに大きな電流(例えば40μA)及びさらに長い期間(例えば約10ms)を必要とする。所要電力のこの漸進的増加は、非常に低デューティサイクルにおいてではあるが、総電力フットプリントの増加をずっと小さいものにする。
図19は、本発明のさらに別の実施形態に従って、図17(c)の信号を復調及び復号化する際に用いるのに適したELP受信機を示している。(注:図18及び図19のに同種の素子には同じ符号が割り当てられているので、以下の段落では繰り返しを避けるためにそれらの動作について説明しない。)図19に示すように、副搬送波変調信号は復調器1802aを用いて順次に復調及び復号化され、fscトーン復号化/ウェイクアップ論理回路は1802bであり、デジタル検出器は1903である。1802aは、副搬送波を復調し、やはりウェイクアップ論理回路1802bによって用いられるベースバンド信号を生成する。1802bも、副搬送波のエネルギーを測定する。1802bは、本質的に、副搬送波周波数fsc向けに同調されている狭帯域フィルタからの副搬送波エネルギーを測定することに留意されたい。fscが、図18に示す実施形態で用いられるトーン変調よりも、通常ずっと高い周波数であり、トーン検出器1802bによって処理されるので、測定が早いことは、当業者には理解されるであろう。1つの例示的な実施形態では、副搬送波周波数fscは約100kHzであり得るが、図18のトーン変調は約10kHzであり得る。トーン復号化及びウェイクアップ論理回路1802bは、ビットスライサ1811及びデジタル検出器1903の出力を上げる。デジタル検出器1903は、外部クロック信号1905を受信するシフトレジスタ1812を含む。図18と同様に、相関器1813及びウェイクアップ論理回路1814は、信号のPN部分を復号化し、CPU及びTier-2無線機の出力を完全に上げる。これに加えて、デジタル検出器1903内のシフトレジスタ1812は、CPUによってさらに処理されるためにメモリにストアされることができるような合成波形であるPN符号に続くデータペイロードを受信するデータバッファ1904を作り出す。
図19に示した実施形態に従うELP受信機回路にはスイッチ1910も含まれており、スイッチ1910は、アンテナ101からの信号が、通信路同調素子102を通過した後、検波器104を通過する前に、低雑音増幅器(LNA)103によって予め増幅されることができるようにする。真正な通信要求が受信されかつTier-2受信機の出力が完全に上がったことが確認された時点で、スイッチ1910が作動される。この配置は、低エネルギー消費量で、通信のためのSNRが高められるが、その理由は、LNA103の出力は、信号が非ヘテロダイン受信機の全てのステージ(段)によって有効にされたときにしか上がらないからである。SNRが高められると、より大きな通信路容量が生じるので、より高い受信データビットレートと、優れたBERを得ることができる。
図20(a)は、ELPトランシーバにおける通信論理回路の動作を説明するための2つのフローチャートを含み、それぞれ本発明に従って、1つはTier-2回路を用いて宛先フィルタリングを行い(すなわち、通信要求がTier-2回路に向けられているか否かを判断し)、もう1つはTier-1回路を用いて宛先フィルタリングを行う。図20(a)(i)に示すように、ステップ2001において、ELPトランシーバは、休止状態(例えば、Tier-1回路内のエネルギー検出器のみに電力を供給されているリッスンモード)にある。ELPトランシーバは、エネルギー検出器の出力値が閾値を超えるまでこの状態のままである(ステップ2002)。図20にステップ2004〜2008として示すような手順2003において、ELPトランシーバは、受信信号において次の信号特徴量を分解するように次に高いレベルの検出器を作動させる。ステップ2004では、次に高いレベルの検出器が作動され、それによりタイマー及び閾値も必要に応じて設定され得る(ステップ2005)。次の信号特徴量を分解することなくタイマーが期限切れとなったら、この次のレベルのELP検出器は停止され、ELPトランシーバはステップ2001へ戻る。ステップ2007では、タイマーが期限切れとなる前に、この次のレベルの検出器は、そこに割り当てられた信号特徴量が分解された(すなわち、検出器の閾値に到達する)かどうかを判断する。検出器の閾値に到達したとき、タイマーはリセットされ(ステップ2008)、ELPトランシーバは、第3のレベルの検出を作動させる。このようにして、信号に関する規則に応じて、多くの連続的により複雑な検出器があり得、各検出器は、連続的な信号特徴量の検出を実行する。そのような検出器は各々、手順2003に関して上記した形式の手順(図20(a)(i)に手順2009として示されている)に従うことになるであろう。デジタルデータの復号化(例えばPCM/OOK符号化データまたはASK符号化データ)がTier-1回路において行われることもある(ステップ2010)。
ELPトランシーバのTier-1回路によって分解される全ての信号特徴量が分解されると、Tier-1回路はディセーブルにされる(ステップ2011)。ステップ2012では、Tier-2回路が作動させられる。作動後に、ELPトランシーバは、Tier-2回路を用いてメッセージをブロードキャストして通信要求について問い合わせを行い、自身のステータス情報を通信リクエスタに供給し得る(ステップ2013)。Tier-2回路は、その後、通信リクエスタからのメッセージの受信(ステップ2014)を待つ。ステップ2015では、宛先フィルタリングが行われる(すなわち、リクエスタは、このELPトランシーバがその意図した通信相手であるか否かを示すためにメッセージを送信し得る)。ELPトランシーバとの通信が意図されていなければ、ステップ2019で、Tier-2回路が停止され、Tier-1回路が再び作動されるので、ELPトランシーバは状態2001へ戻り得る。そうでなければ、ELPトランシーバは、通信リクエスタとのメッセージ交換を開始する(ステップ2016)。通信が完了すると、Tier-2回路は停止される(ステップ2017)。これらの通信システムにおいては、ELPトランシーバは、ステップ2016で実行される通信を介して要求されるサービスを提供するアプライアンスの一部である。ステップ2018では、アプライアンスは、要求されたサービスを提供する(例えば、ガレージドアを開ける)。宛先フィルタリングのためにより高出力のTier-2受信機が用いられるので、当業者は、図20(a)(i)に関与する論理ステップが、上記のように、或る領域のより多くの電力消費量を受信装置に与えることを理解するであろう。
図20(a)(ii)は、Tier-1回路を用いて宛先フィルタリングを行うようなELPトランシーバにおける通信論理回路のためのフローチャートである。図20(a)(ii)では、ステップ2001〜2009によって示されるように、図20(a)(i)と実質的に同じ方法で信号特徴量の検出を進めることができる。Tier-1回路を用いてデジタルデータが交換されるとき(ステップ2051)、通信リクエスタは、デジタルデータ内に、その意図した通信相手及び/または通信要求に関する他のコンテクスト情報を指定することができる。これは、例えば、一般的なブロードキャスト・イベント、通知、警告メッセージ、または近接性発見メッセージなどの通信の目的を符号化するメッセージを含むものであってよい。ステップ2052では、ELPトランシーバは、それが意図した通信相手であるか否かと、応答する必要があるか否かとを(コンテクスト情報に基づいて)判断する。否であれば、ELPトランシーバはステップ2001へ戻る。そうでなければ、Tier-1回路は停止され(ステップ2011)、Tier-2回路は作動される(ステップ2012)。Tier-2回路を用いた宛先フィルタリングは行われないので、ステップ2013〜2015は除外される。それに続く動作は、実質的に上記したステップ2016〜2019に従う。当業者は、図20(a)(ii)に関与するステップが、或る領域のより多くの電力消費量を送信装置に、より少ない電力消費量を受信装置に、それぞれ与えることを理解するであろう。
Tier-1回路における宛先フィルタリングは、偽のウェイクアップの呼び出し(コール)を回避するのにより効率的であり得るが、それにはTier-1レベルでのより複雑なデジタルデータ処理回路が必要とされる。データペイロード内の付加的なコンテクスト情報は、Tier-2回路を用いることによって応答する必要性をさらに最小限に抑えることができ(例えば、繰り返しのブロードキャストであったり優先度が低かったりすれば、一方向の通知)、あるいはTier-2回路との通信を促進するための情報(例えば、RF通信路、暗号化方法、時間遅延、タイムスロットなど)を提供することができる。
図20(b)は、送り先のアプライアンスとコンタクトを取ろうとする或るELP無線通信装置の動作を説明するためのフローチャートである。ELP無線装置は、マルチティア・アーキテクチャを用い、それによってTier-1送信機は送り先のアプライアンスとの最初の通信を確立する。ELP無線装置は、最初に、遠く離れたELP無線装置との通信が必要になるのを待つ(ステップ2060)。ELP無線装置は、通信する必要があれば、Tier-1送信機の出力を上げ(ステップ2061)、複数のパラメータを設定する(ステップ2062)。ELP無線装置は、合成信号を形成して通信相手に送信する(ステップ2063)。ELP無線装置は次に、Tier-2無線機を用いて受信メッセージをリッスンする(ステップ2012)。「パケット−リッスン間隔(Packet-Listen interval)」タイマーが開始され(2064)、その期間中Tier-2無線機は、潜在的な通信相手からの応答信号の受信を待ちかつリッスンする。通信相手からの応答が受信されたら、意思決定ステップ(2066)により、ELP無線装置はTier-2メッセージ・シーケンスの実行(2066)に経路指定され、その後、Tier-2無線機はオフにされ(ステップ2017)、装置またはアプライアンスの機能が実行される(例えば、ガレージドアを開けるか、または別の装置をロック解除する)。アプライアンスの機能が完了した後に、ELP無線システムはステップ2060へ戻る。
ステップ2066において、所定時間内にELP通信相手からのデータが受信されなければ、Tier-2無線機はオフにされ(ステップ2017)、「リトライ・カウント(Retry-Count)」カウンタがインクリメントされる(2067)。「リトライ・カウント」が、「リトライ・リミット(Retry-limit)」パラメータによって設定された限界に達したら、通信相手は到達不可能であると考えられ、機能設計要件により例外処理が行われ、ELP無線装置はステップ2060へ戻る。リトライカウンタがその限界に到達しない限り、ELP無線機は、(2061)で始まるTier-1送信機に電力を供給する新しいシーケンスをリトライ(再試行)する前に、「リトライ遅延間隔(retry delay interval)」が経過するのを待つ(ステップ2070)。
図20(c)は、Tier-1受信機を備えた別のELP無線通信装置との近接性を検出しかつ該別のELP無線通信装置と通信することができるELP無線通信システムの動作を説明するためのフローチャートである。これは、複数の装置が通信範囲に出たり入ったりするときに装置同士の相対位置に関与する動的環境に特有である。フローチャートによって説明されている手順は、パラメータ「パケット−リッスン間隔(packet-listen interval)」及び「近接ポーリング間隔(proximity poll interval)」をセットすることによって開始する(ステップ2070)。近接ポーリング間隔が経過するのを待った(ステップ2071)後、Tier-1送信機はオンにされ(ステップ2061)、合成信号が送信される(ステップ2063)。Tier-2無線機はオンにされ(2012)、「パケット−リッスン間隔」にわたって、通信範囲内の或る通信相手からの潜在的な通信をリッスンしようと試みる(2064)。この期間中に別のELP無線装置からの有効な応答が受信されたら(2065)、Tier-2メッセージ・シーケンスを実行する決定がなされ(2066)、Tier-2無線機をオフにし(2017)、設計要件によりアプライアンスの機能を実行する(ステップ2018)。有効な応答が届かなければ、Tier-2無線機は直ちにオフにされ(ステップ2017)、システムはステップ2071へ戻って次の近接ポーリング間隔が経過するのを待つ。
図21は、本発明の一実施形態に従い、低デューティサイクルでのTier-1受信機の動作に関与するタイミングシステムに基づくELPトランシーバの動作を説明するためのフローチャートを示している。図21に示すように、ELPトランシーバには、外部タイミングメッセージにおいて受信される時間ベースの信号が含まれる。ELP無線通信トランシーバの一実施形態では、そのような外部タイミングは、通信相手若しくはローカル環境内の別の装置またはクロックによって提供され得る。最初に、ステップ2101において、ELPトランシーバは、クロック同期をセットする。クロック同期タイマーが期限切れとなったら(ステップ2102によって確認されるように)、ELPトランシーバはTier-2受信機回路を作動させ、受信機タイマーをセットする(ステップ2103)。Tier-2受信機タイマーが期限切れとなる前に(ステップ2104によって確認されるように)、Tier-2受信機はタイミングメッセージをチェックする(ステップ2105)。タイミングメッセージを受信せずにTier-2受信機タイマーが期限切れとなったら、ELPトランシーバはTier-2受信機を停止し(ステップ2108)、ステップ2102へ戻る。そうでなければ(すなわち、タイミングメッセージが受信されたら)、受信機タイミングクロックが、タイミングメッセージにおいて受信される環境時刻と同期するように同調され(ステップ2107)、Tier-2受信機回路が停止され(ステップ2108)、ELPトランシーバはステップ2102へ戻る。
クロック同期の動作と同時に、Tier-1受信機回路は、「ポーリング割り込み(poll interrupt)」周期毎に(環境のタイムベースと同期したままでいるクロックを用いて)周期的に作動され、ELPウェイクアップ合成波形ブロードキャストのためにポーリングを行う(「ポーリング割り込み」;ステップ2110〜2112)。環境内の他のELPトランシーバが該ELPトランシーバのTier-1受信機をオンにしたときにブロードキャストが開始されることを確実にすることは、ブロードキャストを行う側の責任である。Tier-1回路が作動される(ステップ2001)前に、ステップ2112において、Tier-1受信機回路のためのデューティサイクルタイマーは、Tier-1回路が当該周期の間、確実に動作可能なままであるようにセットされる。デューティサイクルタイマーが期限切れとなる前に、Tier-1回路は、図20(a)に関して上記した方法で、信号特徴量を分解し、Tier-1デジタルデータ処理を行う。従って、図20(a)で行われる信号分解のステップに対応する図21のTier-1回路における信号分解のステップ(例えばステップ2001〜2012)には、同じ符号が与えられている。Tier-1受信機における一連の動作が完了すると、Tier-2受信機は作動され、Tier-2受信機タイマーがセットされる(ステップ2114)。Tier-2受信機タイマーは、Tier-2受信機回路宛先フィルタリングが行われる間隔を提供する。具体的には、意図した通信相手を識別する通信リクエスタからメッセージが受信される。ステップ2115及び2116では、通信リクエスタからのメッセージを受信せずにTier-2受信機タイマーが期限切れとなったら、ELPトランシーバはステップ2113へ戻る。そうでなければ(すなわち、そのようなメッセージが受信される)、ELPトランシーバはTier-2受信機タイマーをリセットし(ステップ2117)、それが意図した通信相手かどうかを判断する(ステップ2118)。もしそうであれば、データ通信(ステップ2016)及び要求されたサービスの実行(ステップ2018)が、上記の図20(a)に関連して説明した方法で行われる。ELPトランシーバは、その後、ステップ2113へ戻る。
図21の方法を用いると、低電力Tier-1回路ですら常に電力を供給される必要がない。所定のデューティサイクルにもよるが、さらに大幅な省電力を実現することができる。
図22は、図20(a)及び図20(b)のアプローチを組み合わせたELPトランシーバ内の通信論理回路のためのフローチャートを示しているが、そのTier-2回路は先ず、本発明の一実施形態に従い、通信発信元である通信相手によってブロードキャストをリッスンすることから始める。これは、受信機がTier-2通信に参加したいか否かを判断することができるように、発信元が膨大なコンテクスト情報をブロードキャストすることを要求する適用形態に有用である。図22(a)は、Tier-2回路を用いて宛先フィルタリングを行うELPトランシーバのためのフローチャートを示している。同様に、図22(b)は、Tier-1回路を用いて宛先フィルタリングを行うELPトランシーバの動作を説明するためのフローチャートを示している。図20(a)、図20(b)及び図21のステップに対応する図22(a)及び図22(b)のステップには、同じ符号が付されている。従って、これらのステップの詳細な説明は省略する。
図23は、本発明の一実施形態に従う非ヘテロダイン受信機の回路図である。この回路は、低電力検出器及び増幅器ステージ341と、AC結合増幅器ステージ351、361及び371と、ブートストラップ積分型検波器ステージ380と、増幅器ステージ390とを含む。ステージ341、351、361及び371は各々、電源384によって供給される電力によってエネルギーが与えられる。図23に示す実施形態では、この電源電圧は3.6Vである。交流結合増幅器ステージの使用は、直流オフセット及びドリフトの除去、直流増幅の複雑さの排除及び増幅回路の低周波数雑音の抑制に起因する所望の信号増幅を実現するためのより単純な方法を提供する図23に記載の実施形態の重要な特性である。
低電力RF検波器及び増幅器ステージ341は、図23に示されており、直流電源384からの同一バイアス電流を用いて検波器及び増幅器の動作を実現する。この実施形態は、高い信号利得及び感度、優れた雑音指数並びに電池負荷電流の節約をもたらす。1つの付加的利点は、電子部品がより少なく、従って回路の製造費用がより低いことである。本発明の一実施形態では、低電力検出器及び増幅器ステージ341は、図23に示したように配置される共通ベース構成においてバイアスされるシングルダイオード342及びトランジスタ344を利用する。この構成では、アンテナからの信号の負電圧スイングが、非ヘテロダイン受信機によって獲得される。本発明の他の実施形態は、後述するように、複数のダイオードを用いることができる。結合して一体にしたRF検波器及び増幅器回路341は、トランジスタ344とダイオード検波器342との間でバイアス電流を再利用し、動作電流の必要量を減少させる。さらに、この構成では、検波器342及びトランジスタ344は最適にインピーダンス整合されるが、その理由は、トランジスタのベース−エミッタ(BE)ダイオードはダイオード検波器342と同じ電流で動作しているからである。それゆえ、両者は、互いにほとんど同じ動的抵抗を示す。整合インピーダンスは、ダイオード検波器342とトランジスタ344との間のより効率的なエネルギー伝達をもたらし、より高い電力利得を可能にし、所与の低レベルのバイアス電流に到達できる本質的に最も低い雑音指数を達成する。その結果、低電力検出器及び増幅器341のSNRは、ありふれた技術によって得られる回路に比べて、かなり高められる。この回路は、他のタイプのトランジスタ(例えば、FET、MOSFETなど)を用いて実現することもできる。
本発明の別の実施形態では、低電力検出器及び増幅器ステージは、複数のアンテナからの複数の信号を結合するようにトランジスタ344のエミッタ電流を分けることによってバイアスされることができるような2つ以上の検波器ダイオードを含み得る。そのような検波器及び増幅器ステージは、次のもの、すなわち、全方向式RF通信、アンテナダイバーシチ、空間ダイバーシチなどのうちの1若しくは複数を実現するために有用である。
本発明の別の実施形態では、低電力検出器及び増幅器回路341は、ダイオード検波器342を省略し得る。トランジスタ344のベース−エミッタ接合は、ダイオード検波器342の代わりになるように非線形伝達関数を提供し、その一方で(クラスA−Bモードで操作する)トランジスタ増幅器としても働く。この構成は、3db電力結合損失を伴わない。さらに、この実施形態においてはダイオード検波器に電力を供給するためのバイアス電圧が存在しないので、節約された電圧を用いて、代わりにトランジスタ増幅器のコレクタ負荷抵抗を増大させ、なお一層の高利得を与えることもできる。これには、部品コストの低下という利点もある。
図23に示した低電力検出器及び増幅器341を含む本発明の1つの例示的な実施形態では、抵抗R17、R31及びR34、並びにトランジスタ344に供給されるバイアス電流に適した値は、30dBの総利得を達成するように選択され得る。
本発明のさらに別の実施形態では、低電力検出器及び増幅器341には、トランジスタ344のエミッタに並列接続されることができる複数のダイオード検波器342が含まれるので、他のダイオードの動作インピーダンスによる信号のスプリアスな分流に起因するゲインペナルティがほとんどなく回路の電力感度を高める。別の構成は、直列に接続された複数のダイオード検波器を用い得るが、これは、より高い駆動電圧を必要とするとしても、電池負荷電流を節約する。その結果として、トランジスタ344のより低いコレクタ電圧が、トランジスタステージ利得に使用可能である。別の構成は、より小さな動作電圧のために複数のダイオード検波器を並列接続し得る。そのような構成は、より低いバイアス電圧(例えば3.6V)が望ましい適用形態に特に適している。
図23に示したブートストラップ積分型検波器380は、図のように接続されかつ電圧源384によって電力を供給されるトランジスタ381及び382を含む。図23に示す実施形態では、トランジスタ381のベース端子におけるバイアス電圧は、382のベース−エミッタ電圧(VBE)によって確立されかつ抵抗器R32によってバイアスされるバイアス電圧によって、検波器の出力にブートストラップされる。抵抗器R32はまた、AC信号をトランジスタ382のベース−エミッタ接合と短絡させないようにし、それによってAC信号をバイアス負荷から分離する。このバイアス配置は、ダイオードの電圧−電流(V/I)特性曲線においてダイオードのカットイン点に動作点を非常に近付けることによって、381のベース−エミッタ接合の感度を高める。図23に示す実施形態では、R35の両端で「フォロア」として一端にトランジスタ382、他端にダイオード382が配線接続されている(すなわち、ベース端子の電圧がエミッタ端子の電圧に「追従(フォロー)する」)。その結果、AC信号の積分によってトランジスタ381のエミッタ端子の電圧が上昇しているときですら、トランジスタ381のベース−エミッタ接合は、接合の伝導開始時に一定電圧でバイアスされることになる。この効果は、AC信号がブートストラップ積分型検波器380に入る際にピーク間エネルギーのより大きな部分を獲得するトランジスタ381のベーススイングをもたらす。キャパシタC43及び抵抗器R35は、信号の積分を可能にする時定数を回路に導入する。入力信号がないときには、この回路の消費電流は無視できる。
図24は、図23のブートストラップ積分型検波器によってもたらされる効果のシミュレーション結果を示している。2401は、キャパシタC37より前にある点において測定されるような予め選択された副搬送波周波数fscを有するAC信号の経時的な波形を示している。波形2402はトランジスタ382のベース端子における電圧を示し、波形2403はトランジスタ381のエミッタ端子における電圧を示している。過渡効果は別として、所与の時間における波形2402と2403との電圧差は概ね一定であることに注目されたい。図24に示す本発明の実施形態では、この値は約0.6Vに相当し、これは典型的なシリコンダイオードの伝導エッジ電圧である。特定の用途に用いられるトランジスタの特定の型及びタイプに応じて、他の電圧値を用いることもできる。
図24は、ピークピーク値Viが約400mVであるAC信号をピーク値Viが約930mVである信号に統合することができることを示している。比較すると、完全なダイオード検波器というものがもしあれば、同じAC信号入力に対して200mVの出力しか生み出さないであろう。それゆえ、図23に示すブートストラップ積分型検波器は、最新の装置によって得ることができる最良の感度の数倍の改善をもたらす。
1つの動作モードにおいて、ELP無線通信システムは2つのアプライアンスA及びBを含む。第1のアプライアンス(すなわちアプライアンスA)の非ヘテロダイン受信機は、第2のアプライアンス(すなわちアプライアンスB)によって送信された通信要求メッセージからアプライアンスBのクラスを復号化して識別することができる。アプライアンスBからのメッセージは、ブロードキャストされることができ、幾つかのアプライアンスのうちどの1つと通信しようとするのかを指定することができるか、またはアプライアンスAが属する一般的クラス(タイプ)を指定することができる。アプライアンスAは、非ヘテロダイン受信機を用いてメッセージを受信した時点で、より高性能な無線システムを用いてアプライアンスBとの通信を開始する。
簡単に言うと、ELPトランシーバ内のTier-1非ヘテロダイン受信機は、効率的な通信のために、互換性のある潜在的通信相手がELPトランシーバのTier-2無線回路をウェイクアップさせることができるように、低コストのページャ受信機として用いられ得る。そのようなシステムの例には、セキュリティ・アクセス・デバイス及びトラッキング・デバイスが含まれる。セキュリティ・アクセス・デバイスでは、例えば電池式ドアオープナーは、ワイヤレスキーからの働きかけを待つことができる。ELPトランシーバの所要電力は小さいので、ドアオープナーを動作させる電池は、再充電または交換することなしに、1年以上電力を供給することができる。同様に、トラッキング・デバイスは、動産管理に用いられ得るものであり、その所在地の問い合わせを待っている。この場合もやはり、所要電力が小さいので、そのようなトラッキング・デバイスの電池は、以前可能であったよりも相当に長い時間にわたって稼働する。
従って、本発明は、低通信レイテンシで、無線通信電力フットプリントの平均値を大幅に低下させることによって、低通信デューティサイクルの適用形態のための効率的なエネルギーフットプリントを提供する。電池式の適用形態では、本発明は、電池の再充電または交換の間隔をかなり長くするか、または、本発明は、より小型、より低定格、またはより安価な電池の使用を可能にすることもできる。本発明は、従って、利用可能なRFスペクトル及びRF範囲をより効率的に用いるオンデマンド非同期通信を提供する。その結果として、ベースシステムは、飽和状態にならず、さらに多くの装置がより高い装置群密度で共存することを可能にする。ELPトランシーバの所要電力が小さいので、そのようなELPトランシーバを含むポータブルな適用形態は、従来にない、より低電力または低コストの動力源(例えば、太陽光、振動発電、熱電対列)によって電力を供給することができる。
一部の適用形態では、本発明は、ロバストな、低レイテンシの非同期通信のみならず、複数の通信回路間での平均エネルギー量の非相称的な再分配も可能にする。例えば、Tier-1送信機の動作時間または電力レベルは調節可能なので、受信機(例えばAM受信機)は、より高い帯域幅及び/またはより大きな増幅で動作することができる。
本発明は、赤外線域及び光学帯域の電磁波を含む多種多様な電磁波通信システムに適用可能である。
当然に理解されるように、全て本発明から逸脱することなしに、本発明は他の実施形態及び異なる実施形態が可能であり、その幾つかの詳細はあらゆる点で当業者にとって明らかであるような変形形態が可能である。従って、本明細書に含まれる図面及び説明は、事実上、制限的なものではなく例示的なものと見なされるべきである。
Claims (84)
- 無線通信システムであって、第1の無線通信装置を含み、該第1の無線通信装置が、
通信要求を受信しかつ該通信要求を受信した時点でウェイクアップ信号を供給するように構成された非ヘテロダイン受信機を含む第1の通信回路と、
動作状態及び省電力状態を有し、受信機、送信機またはトランシーバを含む第2の通信回路とを含み、該第2の通信回路が、前記非ヘテロダイン受信機から前記ウェイクアップ信号を受信した時点で、前記省電力状態から前記動作状態に切り替わることを特徴とする無線通信システム。 - 前記第2の通信回路の前記受信機、前記送信機または前記トランシーバが、ヘテロダイン受信機、ヘテロダイン送信機またはヘテロダイントランシーバからなることを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記非ヘテロダイン受信機がトランシーバの一部であることを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記非ヘテロダイン受信機の前記トランシーバ内の送信機回路が、前記第2の通信回路と共有されることを特徴とする請求項3に記載の無線通信システム。
- 前記第1の無線通信装置と通信する第2の無線通信装置をさらに含み、該第2の無線通信装置が、
前記通信要求を送信するように構成された送信機を含む第1の通信回路と、
動作状態及び省電力状態を有し、受信機、送信機またはトランシーバを含む第2の通信回路とを含み、該第2の無線通信装置の前記送信機が前記通信要求を送信した後、前記第2の無線通信装置の前記第2の通信回路が、省電力状態から動作状態に切り替わることを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。 - 前記第2の無線通信装置の前記第1の通信回路内の前記送信機が、トンネルダイオード、ガンダイオード、インパットダイオード及びトラパットダイオードからなる群から選択される負抵抗デバイスに基づく発振器を用いることを特徴とする請求項5に記載の無線通信システム。
- 前記第2の無線通信装置の前記第1の通信回路が、非ヘテロダイン受信機をさらに含むことを特徴とする請求項5に記載の無線通信システム。
- 前記非ヘテロダイン受信機が、前記通信要求が前記第1の無線通信装置に向けられていることを判断することを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記第2の通信回路が、前記通信要求が前記第1の無線通信装置に向けられていることを判断することを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記通信要求が、同報メッセージを含むことを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記第2の通信回路内の前記受信機が、前記非ヘテロダイン受信機より高性能な無線受信機であることを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記通信要求が、振幅変調(AM)、周波数変調(FM)及び連続波(CW)方式のうちの1若しくは複数を用いて変調された信号にのせて伝えられることを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記通信要求が、所定の周波数(fsc)の副搬送波で変調されていることを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記通信要求が、或る閾値に関して、振幅シフト・キーイング(ASK)、オン・オフ・キーイング(OOK)、周波数シフト・キーイング(FSK)、パルス幅変調(PWM)、パルス位置変調(PPM)、パルス符号変調(PCM)、パルス振幅変調(PAM)及び直接シーケンス・スペクトラム拡散(DSSS)、トーンの有無、並びに電圧の有無からなる群から選択される1若しくは複数の変調法を含む異種シグナリング方式で変調された信号にのせて伝えられることを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記第1及び第2の無線通信装置の一方が固定式機器であり、前記第1及び第2の通信装置の他方が携帯型機器であり、
前記通信要求が、或る閾値に関して、振幅シフト・キーイング(ASK)、オン・オフ・キーイング(OOK)、周波数シフト・キーイング(FSK)、パルス幅変調(PWM)、パルス位置変調(PPM)、パルス符号変調(PCM)、パルス振幅変調(PAM)及び直接シーケンス・スペクトラム拡散(DSSS)、トーンの有無、並びに電圧の有無からなる群から選択される1若しくは複数の変調法によって変調された合成信号を含むことを特徴とする請求項5に記載の無線通信システム。 - 前記合成信号が、60以上であるが10,000未満のシンボルを有するシンボル文字列を含むことを特徴とする請求項15に記載の無線通信システム。
- 前記合成信号が、20シンボルより短いシンボル文字列を含むことを特徴とする請求項15に記載の無線通信システム。
- 前記非ヘテロダイン受信機が、ダイオード及びトランジスタからなる群から選択される検波器を含み、
前記ダイオードがさらに、ショットキーダイオード、トンネルダイオード、バックダイオード及びMIMダイオードからなる群から選択されることを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。 - 前記検波器の出力信号が、増幅器とフィルタとの組合せによって処理されることを特徴とする請求項18に記載の無線通信システム。
- 前記増幅器とフィルタとの組合せが、AC結合増幅器及びフィルタを含むことを特徴とする請求項19に記載の無線通信システム。
- 前記非ヘテロダイン受信機が、検波器及び再生回路を含むことを特徴とする請求項18に記載の無線通信システム。
- 前記非ヘテロダイン受信機が、RF増幅器と、その後に検波器とを含むことを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記RF増幅器が、再生回路を含むことを特徴とする請求項22に記載の無線通信システム。
- 1若しくは複数の増幅器及び1若しくは複数のフィルタをさらに含むことを特徴とする請求項22に記載の無線通信システム。
- 前記RF増幅器が、トンネルダイオード、ガンダイオード、トラパットダイオード及びインパットダイオードからなる群から選択されるダイオードを含むことを特徴とする請求項22に記載の無線通信システム。
- 前記非ヘテロダイン受信機が、所定の時間間隔で電力を供給されることを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記所定の時間間隔が、ローカル環境クロックと同期される時間に関して、または所定の擬似ランダムに選択された時間間隔で、定期的に発生することを特徴とする請求項26に記載の無線通信システム。
- 前記ヘテロダイン受信機が、0.1%ないし50%のデューティサイクルを有することを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記非ヘテロダイン受信機が、−40dBmより良好な感度を有することを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記第1の通信装置がセキュリティ・アクセス・デバイスの一部であることを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記第1の通信装置がトラッキング・デバイスの一部であることを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記第1の通信回路及び前記第2の通信回路が1つのアンテナを共有することを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記アンテナが多重アンテナであることを特徴とする請求項32に記載の無線通信システム。
- 前記非ヘテロダイン受信機及び前記第2の通信回路の前記受信機が、互いに異なる搬送波周波数または周波数スペクトルを用いることを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記非ヘテロダイン受信機が、前記通信要求からの装置のタイプコードを受信することを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記通信要求が、固有のIDをさらに提供することを特徴とする請求項35に記載の無線通信システム。
- 前記第2の通信回路の前記受信機が、RF増幅器、増幅器、局部発信器、電圧制御発振器、位相ロックループ、増幅器及び制御/シーケンシング・ロジック、調整器、電源及びアンテナからなる群から選択される1若しくは複数の素子を含むことを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記通信要求を検出した時点で、前記非ヘテロダイン受信機が、より高利得で動作するかまたは予め選択されたフィルタまたは復調器を作動させることを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記非ヘテロダイン受信機が、前記通信要求を復調及び復号化することができ、前記通信要求が、合成信号内に与えられており、
前記非ヘテロダイン受信機が、複数の検出器ステージを含み、
前記合成信号が、エネルギーセンス(CW)変調法、続いて、以下の変調法、すなわち
mm.振幅変調(AM)
nn.シングルトーン変調
oo.デジタル符号変調
pp.時系列順の複数のトーン
qq.同時に複数のトーン
rr.周波数シフト・キーイング(FSK)
ss.パルス符号変調(PCM)
tt.オン・オフ・キーイング(OOK)または振幅シフト・キーイング(ASK)を用いた擬似ランダム雑音(PN符号)技術
のうちの1若しくは複数を用いた変調を含むことを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。 - 前記エネルギーセンス(CW)変調法による変調が第1の周波数で行われ、該第1の周波数が搬送波周波数であることを特徴とする請求項39に記載の無線通信システム。
- 前記エネルギーセンス(CW)変調法による変調が第1の周波数で行われ、該第1の周波数が副搬送波周波数であることを特徴とする請求項39に記載の無線通信システム。
- 前記エネルギーセンス(CW)変調法による変調が第1の周波数で行われ、続いて第2のエネルギーセンス(CW)変調法による変調が第2の周波数で行われ、前記第1及び第2の周波数が、搬送波周波数及び副搬送波周波数を含むことを特徴とする請求項39に記載の無線通信システム。
- 前記合成信号が、データストリームをさらに含むことを特徴とする請求項39に記載の無線通信システム。
- 前記合成信号が、デジタル符号を含むことを特徴とする請求項39に記載の無線通信システム。
- 前記デジタル符号が、パルス符号変調(PCM)技術を用いて符号化されることを特徴とする請求項44に記載の無線通信システム。
- 前記デジタル符号が、個別受信機識別子を符号化することを特徴とする請求項44に記載の無線通信システム。
- 前記デジタル符号が、装置タイプ、または通信の目的、またはコンテクスト情報のうちの1若しくは複数を符号化することを特徴とする請求項44に記載の無線通信システム。
- 前記デジタル符号が、誤り検出または誤り訂正符号をさらに含むことを特徴とする請求項44に記載の無線通信システム。
- 前記誤り訂正符号が、前方誤り訂正(FEC)符号を含むことを特徴とする請求項48に記載の無線通信システム。
- 前記非ヘテロダイン受信機が、前記通信要求を送信する無線通信装置の近接性を検出しかつ決定することを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記通信要求が、所定の周波数の副搬送波で変調されており、前記非ヘテロダイン受信機が、副搬送波周波数検出を提供する結晶共振器を含むことを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記結晶共振器が、20KHzないし550KHzの周波数で動作することを特徴とする請求項51に記載の無線通信システム。
- 中央演算処理装置(CPU)またはマイクロコンピュータユニット(MCU)をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。
- 前記中央演算処理装置または前記マイクロコンピュータユニットが、プログラミング可能な論理回路を含むことを特徴とする請求項53に記載の無線通信システム。
- 各プログラミング可能な論理回路が、現場でプログラミング可能なゲートアレイ(FPGA)及び複雑なプログラミング可能な論理デバイス(CPLD)からなる群から選択されることを特徴とする請求項54に記載の無線通信システム。
- 前記CPUまたはMCUが、特定用途向け集積回路(ASIC)によって実装されることを特徴とする請求項54に記載の無線通信システム。
- 前記MCUが、CPU及びアナログ・デジタル変換器を含むことを特徴とする請求項53に記載の無線通信システム。
- 非ヘテロダイン受信機回路であって、
RF信号を検出するための少なくとも1つのダイオード検波器を有する低電力検出器と、
前記ダイオード検波器からの前記信号を増幅するための少なくとも1つのトランジスタを有する増幅器とを含み、
前記ダイオード検波器が、前記トランジスタのベース−エミッタ接合と直列に接続されていることを特徴とする非ヘテロダイン受信機回路。 - 前記ダイオード検波器が、前記少なくとも1つのトランジスタの前記ベース−エミッタ接合によって提供されることを特徴とする請求項58に記載の非ヘテロダイン受信機回路。
- ブートストラップ積分型検波器であって、
共通コレクタ増幅器の形態をとる少なくとも1つのトランジスタと、
前記トランジスタのエミッタに接続する少なくとも1つのバイアス用ダイオードとを含み、
前記トランジスタのベース−エミッタ接合が、伝導の閾値でバイアスされることを特徴とする検波器。 - 無線通信装置において、
非ヘテロダイン受信機を用いて通信要求を受信するステップと、
前記通信要求を検出した時点で、ウェイクアップ信号を提供するステップと、
前記非ヘテロダイン受信機から前記ウェイクアップ信号を受信した時点で、第2の通信回路を省電力状態から動作状態に切り替えるステップとを含むことを特徴とする方法。 - 前記第2の通信回路が、ヘテロダイン受信機、ヘテロダイン送信機またはヘテロダイントランシーバを含むことを特徴とする請求項61に記載の方法。
- 前記非ヘテロダイン受信機がトランシーバの一部であることを特徴とする請求項61に記載の方法。
- 前記非ヘテロダイン受信機において、前記通信要求が前記無線通信装置に向けられていることを判断するステップをさらに含むことを特徴とする請求項61に記載の方法。
- 前記第2の通信回路において、前記通信要求が前記無線通信装置に向けられていることを判断するステップをさらに含むことを特徴とする請求項61に記載の方法。
- 前記通信要求が、同報メッセージを含むことを特徴とする請求項61に記載の方法。
- 前記第2の通信回路内の受信機が、前記非ヘテロダイン受信機より高性能の無線受信機であることを特徴とする請求項61に記載の方法。
- 振幅変調(AM)方式、周波数変調(FM)方式及び連続波(CW)方式のうちの1若しくは複数を用いて変調された信号にのせて、前記通信要求を伝えるステップをさらに含むことを特徴とする請求項61に記載の方法。
- 所定の周波数(fsc)の副搬送波で変調されている前記通信要求を伝えるステップをさらに含むことを特徴とする請求項61に記載の方法。
- 或る閾値に関して、振幅シフト・キーイング(ASK)、オン・オフ・キーイング(OOK)、周波数シフト・キーイング(FSK)、パルス幅変調(PWM)、パルス位置変調(PPM)、パルス符号変調(PCM)、パルス振幅変調(PAM)及び直接シーケンス・スペクトラム拡散(DSSS)、トーンの有無、並びに電圧の有無からなる群から選択される1若しくは複数の変調法を含む異種シグナリング方式で変調された信号にのせて、前記通信要求を伝えるステップをさらに含むことを特徴とする請求項61に記載の方法。
- 前記無線通信装置がセキュリティ・アクセス・デバイスの一部であることを特徴とする請求項61に記載の方法。
- 前記無線通信装置がトラッキング・デバイスの一部であることを特徴とする請求項61に記載の方法。
- 前記非ヘテロダイン受信機が、エネルギーセンス、トーン及び擬似ランダム雑音変調または符号化技術からなる群から選択される変調を用いて、前記通信要求を復調及び復号化することができることを特徴とする請求項61に記載の方法。
- 前記通信要求を検出した時点で、前記非ヘテロダイン受信機の前記動作モードをより高利得に変更するか、または予め選択されたフィルタまたは復調器を作動させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項73に記載の方法。
- 前記通信要求を復調及び復号化するための前記非ヘテロダイン受信機を用いるステップをさらに含み、前記通信要求が合成信号内に与えられており、
前記非ヘテロダイン受信機が、複数の検出器ステージを含み、
前記合成信号が、エネルギーセンス(CW)変調法、続いて、以下の変調法、すなわち
a.振幅変調(AM)
b.シングルトーン変調
c.デジタル符号変調
d.時系列順の複数のトーン
e.同時に複数のトーン
f.周波数シフト・キーイング(FSK)
g.パルス符号変調(PCM)
h.オン・オフ・キーイング(OOK)または振幅シフト・キーイング(ASK)を用いた擬似ランダム雑音(PN符号)技術
のうちの1若しくは複数を用いた変調を含むことを特徴とする請求項61に記載の方法。 - 前記エネルギーセンス(CW)変調法による変調が第1の周波数で行われ、該第1の周波数が搬送波周波数であることを特徴とする請求項75に記載の方法。
- 前記エネルギーセンス(CW)変調法による変調が第1の周波数で行われ、該第1の周波数が副搬送波周波数であることを特徴とする請求項75に記載の方法。
- 前記エネルギーセンス(CW)変調法による変調が第1の周波数で行われ、続いて第2のエネルギーセンス(CW)変調法による変調が第2の周波数で行われ、前記第1及び第2の周波数が、搬送波周波数及び副搬送波周波数を含むことを特徴とする請求項75に記載の方法。
- 前記合成信号が、データストリームをさらに含むことを特徴とする請求項75に記載の方法。
- 前記合成信号が、デジタル符号を含むことを特徴とする請求項75に記載の方法。
- 前記デジタル符号が、パルス符号変調(PCM)技術を用いて符号化されることを特徴とする請求項80に記載の方法。
- 前記デジタル符号が、個別受信機識別子を符号化することを特徴とする請求項80に記載の方法。
- 前記デジタル符号が、装置タイプ、または通信の目的、またはコンテクスト情報のうちの1若しくは複数を符号化することを特徴とする請求項80に記載の方法。
- 前記非ヘテロダイン受信機において、前記通信要求を送信する無線通信装置の近接性を決定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項61に記載の方法。
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