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発明の名称 振幅シフトキーイングデータ信号を復調する方法および装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−45077(P2001−45077A)
公開日 平成13年2月16日(2001.2.16)
出願番号 特願2000−183897(P2000−183897)
出願日 平成12年6月20日(2000.6.20)
代理人 【識別番号】100078053
【弁理士】
【氏名又は名称】上野 英夫
発明者 リチャード・ディ・クローフォード
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】データビットそれぞれがパルスの不在、あるいは所定周波数のパルスのバーストのいずれかにより特徴付けられる、信号強度が数桁変化しうるデジタル振幅シフトキーイング(ASK)データ信号を復調する装置であって、前記ASKデータ信号を受信し増幅して増幅信号を生成する、前記ASKデータ信号の前記パルスのバーストの前記所定周波数に同調した、帯域増幅器と、該帯域増幅器から受け取る前記増幅信号の包絡線を検出して、包絡線信号を生成するエッジ検出器と、前記包絡線信号を所定のしきい値と比較して、前記ASKデータ信号内にパルスのバーストが存在することを示すパルス信号を生成する比較器と、前記パルス信号内のそれぞれのパルスの長さを、前記ASKデータ信号内の対応するパルスのバーストの長さと略同じ長さに増大する、パルスストレッチャーと、を備えて成る装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に振幅シフトキーイング(ASK)信号の復調器に関し、より詳細には、データビットそれぞれがパルスの不在、あるいは所定周波数のパルスのバーストのいずれかにより特徴付けられる、デジタルASKデータ信号を復調する復調器に関する。
【0002】
【従来の技術】この特定種の復調器は、光通信システムにおいて、ASKデータ信号に従って変調された光信号を受け取る受信機の一部として一般に用いられている。データ信号は、光パルスが不在であるか、あるいは所定周波数で発生する光パルスのバーストがあるいずれかの形のデジタルデータを保持する。ある一般的なシステムでは、データ転送速度が1秒当たり75キロビット、それぞれの光パルスのバーストの持続時間が6.67マイクロ秒、周波数が1.5MHzである。従って、それぞれのバーストには光パルスが10個含まれている。
【0003】この種の光通信システムの特徴のひとつは、受信するASKデータ信号の信号強度が5000対1ほどの広範囲にわたって変化しうる、ということである。そのため、比較的強度の大きい信号のすぐ後に比較的強度の小さい信号が続く場合には、設計上重大な問題が起こりうる。受信機の待ち時間は、比較的強度の大きい信号の受信から回復して比較的強度の小さい信号を適切に受信可能となるまでにどれくらいかかるか、ということの尺度である。待ち時間が100マイクロ秒未満であることが望ましい。これまで、この種の復調器には、後段のプロセッサから受信機に信号をフィードバックして、データフレームが完結しており受信機はリセットして新しいデータ信号の受信待ちをすべきであるということを示すことによって、待ち時間を少なくしているものもある。このような復調器は一般的に、待ち時間を所望のとおり少なくする上では効果的である。しかし、後段のプロセッサからリセット信号をフィードバックする必要なく、待ち時間を同様に少なくすることができるASK復調器が必要とされている。本発明はこの必要性を満たし、かつこれに関連する更なる利点も提供するものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、信号強度が数桁変化しうる振幅シフトキーイング(ASK)データ信号を正確に復調することのできる復調器および復調方法を提供することにある。本発明の別の課題は、信号強度が数桁変化しうる振幅シフトキーイング(ASK)データ信号を、プロセッサからリセット信号をフィードバックすることなく、短い待ち時間で復調することのできる復調器および復調方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、それぞれのデータビットがパルスの不在、あるいは所定周波数のパルスのバーストのいずれかにより特徴付けられる、信号強度が数桁変化しうる振幅シフトキーイング(ASK)データ信号を復調する改良した復調器、および関連する方法において具体化される。復調器は、ASKデータ信号を受信し増幅する、パルスのバーストの所定周波数に同調した帯域増幅器を含み、増幅信号の包絡線を検出して包絡線信号を生成するエッジ検出器を更に含む。この包絡線信号を比較器が所定のしきい値と比較し、ASKデータ信号内にパルスのバーストが存在することを示すパルス信号を生成する。最後に、パルスストレッチャーが、パルス信号内のそれぞれのパルスの長さを、ASKデータ信号内の対応するパルスのバーストの予想長さと略同じ長さに増大する。
【0006】本発明の別のより詳細な特徴において、ASKデータ信号は光信号であり、本装置は更に、その光信号を対応する電気信号に変換する、例えばフォトダイオード等のデバイスを含む。更に、帯域増幅器の利得は略一定であり、従って、包絡線信号の持続時間は、元のASKデータ信号の強度に従って変化する。パルスストレッチャーは、パルス信号内の連続するパルスの持続時間を元のASKデータ信号内のパルスのバーストの予想公称持続時間と略同じにする、単安定マルチバイブレータの形をとってもよい。
【0007】本発明の他の特徴および利点は、本発明の原理を例として説明する以下の好適な実施形態の説明を添付図面と共に読めば、明らかとなろう。
【0008】
【発明の実施の形態】ここで、図面、特に図1を参照して、離れた信号源(図示せず)から振幅シフトキーイング(ASK)光信号を受信し復調するデジタルASK復調器11を示す。ASK光信号は、光パルスが不在であるか、あるいは所定周波数、例えば1.5MHz、で発生する光パルスのバーストがあるかのいずれかの形のデジタルデータを保持している。ある一般的なシステムでは、例えば、データ転送速度が1秒当たり75キロビット、それぞれの光パルスのバーストの持続時間が6.67マイクロ秒である。従って、それぞれのバーストには光パルスが10個含まれている。復調器11はライン13上にデジタル出力信号を生成するが、この出力信号の状態は、光パルスのバーストを受信したかしないかによって変化する。
【0009】ASK復調器11は、下は250ナノワット/cm2から上は1.25ミリワット/cm2までの強度を有するASK光信号を、適切に受信し復調することができるよう構成されている。これは、5000対1、すなわち74dBの範囲に相当する。復調器11はまた、比較的強度の大きい信号のすぐ後の比較的強度の小さい信号も適切に復調することができるように、待ち時間が100マイクロ秒未満になるよう構成されている。
【0010】図1に示すように、ASK復調器11は、離れた1つまたはそれ以上の信号源からASK光信号を受信するフォトダイオード15を含む。フォトダイオード15は、受信する光の強度に略比例する大きさの直流電流を発生する。この電流はライン17上を通って前置増幅器19に達し、ここで約40,000倍に増幅される。前置増幅器19は、好ましくは、ローレベルすなわちゼロ入力レベルの入力信号についての約1.5ボルトから、ハイレベル信号についての2.3ボルトの間で変化する出力信号を生成する、トランスインピーダンス型増幅器である。前置増幅器のノイズレベルは、様々な従来からの要因によって決まるが、日光では約2ピコアンペア/√Hzに、平均的室内照明では約0.9ピコアンペア/√Hzに制限されている。
【0011】前置増幅器19からの出力信号は、ライン21上を通って同調増幅器23に供給され、ここで更に約40倍に増幅される。同調増幅器23の搬送周波数は約1.5MHzであり、これは受信する光信号の公称パルス周波数である。同調増幅器23の帯域幅は約250kHzであり、これは毎秒75キロビットのデータ信号の帯域幅と略等しい。同調増幅器23は、好ましくは、それぞれのQが約3.3である単同調共振回路を3個含み、これらの回路は単同調かつ同期同調である。従って、同調増幅器23の出力信号の包絡線は、オーバーシュートもアンダーシュートも略ないものである。
【0012】同調増幅器23は、好ましくは、復調器に所望される100マイクロ秒の待ち時間よりも本質的に短時間で増幅器が比較的強度の大きい信号の受信から完全に回復するのに十分小さい時定数を有する。この場合、同調増幅器23の時定数は約1マイクロ秒である。これは、その出力が9マイクロ秒間に5000分の1に減衰することを意味している。
【0013】同調増幅器23が出力する増幅信号は、ライン25上を通ってエッジ検出器27に供給される。エッジ検出器27は、全波整流器および低域通過フィルタを含む。エッジ検出器が出力する信号は、光信号がパルス化フォーマットであることによって生ずる少量のリップルを除き、増幅信号の包絡線に略従ったものである。従って、エッジ検出器は基本的に、増幅信号の包絡線のピーク検出器としての機能を果たす。
【0014】エッジ検出器27が出力する包絡線信号は、ライン29上を通って比較器31に供給され、ライン33上を通って供給される所定のしきい値と比較される。これによって出力信号が生成される。出力信号は一般的に、光パルスが受信されているときにはハイレベルであり、そうでない場合にはローレベルである。しかし、エッジ検出器の回路において生来の時間遅延があるために、このようなそれぞれの出力パルスの立ち上がりと立ち下がりが共に遅延する。立ち上がりの遅延の方が立ち下がりの遅延よりも大きい。従って、このようなそれぞれの出力パルスの持続時間は、基になっている光パルスの持続時間よりも短くなる。
【0015】比較器31のそれぞれの出力パルスの短くなった持続時間は、パルスストレッチャー回路35によって、光パルスのバーストの公称持続時間に対応する持続時間まで再び増大される。この回路35は、ライン37上を通る比較器31からの出力パルス信号を受け取り、単安定マルチバイブレータ回路すなわちワンショット回路として機能し、公称持続時間が約6.67マイクロ秒である一連のパルスを生成するようになっている。この一連の出力パルスは、ライン39上を通ってバッファ回路41に供給され、ライン13上に復調器の出力信号を生成する。
【0016】包絡線信号の立ち上がりの遅延時間量は、受信信号の強度に従って変化する。強度の大きい信号であれば、遅延時間は短くなる。このばらつきは、パルスストレッチャー回路35によって補償される。パルスストレッチャー回路35は、本質的にすべての包絡線信号の持続時間を同じ公称値に延ばす。
【0017】図2は、エッジ検出器27、比較器31、およびパルスストレッチャー回路35を好適に実施した回路の例を示す。この回路については、図3A乃至図3Gに示す例示的信号波形を参照して後述する。
【0018】同調増幅器23の出力段は、プッシュプル回路の形をとっており、ライン25を経由して図2の回路に供給される増幅信号を生成する。信号は、まずトランジスタ43a、43bによって整流される。増幅信号とその結果として生じる整流信号の代表例を、それぞれ図3A、図3Bに示す。図2の回路におけるこれら2つの信号の位置を、それぞれA、Bで表す。これらの信号は、比較的強度の大きいASK光信号における光パルスの6.67マイクロ秒のバーストを復調器11が受信した結果生じるものである。このバーストは、それぞれの持続時間が0.333マイクロ秒である10個の個別の光パルスを含む。ライン25上の増幅信号のピーク・ツゥ・ピーク振幅は約150ミリボルトであり、整流信号の周波数は非整流信号の2倍である、ということがわかるであろう。
【0019】整流信号(図3B)は、ライン45を経由してトランジスタ47aのベース端子に供給される。トランジスタ47aは、トランジスタ47bと共に差動増幅器として構成されている。トランジスタ47bのベース端子は、コンデンサ49を通じて基準電圧に接続されており、また、抵抗器51を通じてトランジスタ53のエミッタ端子に接続されている。トランジスタ53のコレクタ端子は、ライン29上にエッジ検出器の出力信号を供給する。トランジスタ47bのベース端子に存在する信号およびエッジ検出器の出力信号の例を、それぞれ図3C、図3Dに示す。図2の回路におけるこれら2つの信号の位置を、それぞれC、Dで表す。
【0020】整流信号(図3B)の偏位が正であれば、コンデンサ49は正に充電され、電流は抵抗器51によって最大約100マイクロアンペアに制限される、ということがわかる。一方整流信号の偏位が負であれば、コンデンサは負に放電し、電流は最大約300マイクロアンペアに制限される。従って、図3Cからもわかるように、コンデンサの充電時間は放電時間の約1/3である。これによって、エッジ検出器の出力信号、すなわち包絡線信号(図3D)が対称になり、アタックが比較的速く減衰も速く、待ち時間がほとんどない。この包絡線信号は、図2のDで表す位置に存在する。
【0021】比較器31は、包絡線信号(図3D)を、約−0.133ボルトになるよう選択した所定のしきい値と比較する。これは、トランジスタ55a、55b、57a、57b、59を用いて行われる。包絡線信号がしきい値よりも負であれば、比較器はトランジスタ59をオンにバイアスし、それによって、結果として得られる比較器の出力信号がハイ状態になる。この出力信号を図3Eに示す。この信号は、図2のEで表す位置に存在する。
【0022】図3Dおよび図3Eを参照して、包絡線信号は最初、バースト開始後約1.8マイクロ秒でしきい値を超え、バーストの17半周期の間、すなわちバースト開始後約7マイクロ秒まで、しきい値を超えた状態のままである、ということがわかる。従って、包絡線信号の各パルスの総持続時間は約6.67マイクロ秒であるが、比較器の出力信号の各パルスの総持続時間はわずか約5.2マイクロ秒である。
【0023】パルスストレッチャー35は、比較器31の出力した信号(図3E参照)の持続時間を延ばして、持続時間が元のバーストの持続時間により近い、単一の出力パルスを生成する。図2を参照して、パルスストレッチャー35は、トランジスタ61、63、および両トランジスタの間にあるコンデンサ65を含む。トランジスタ61は、ライン31を経由して比較器の出力信号を受け取り、オンにバイアスされると、コンデンサ65を放電する。このトランジスタは、20サイクルのバーストの約第3サイクルまで、すなわち約1.8マイクロ秒が経過するまで、オンにバイアスされない。コンデンサは結局、約0.3ボルトになるまで放電し、それによってトランジスタ63がオフにバイアスされ、従ってパルスストレッチャー35の出力信号がローになる。コンデンサの電圧は、図2のFで表す位置に存在し、図3Fに示す。パルスストレッチャー35の出力信号は、図2のGで表す位置に存在し、図3Gに示す。
【0024】比較器31からの出力信号が再びトランジスタ61をオフにバイアスすると、コンデンサ65が充電を開始し、結局トランジスタ63をオンにバイアスするのに十分な電圧に達する。これはバースト開始後約8.5ミリ秒で起こる。これは、比較器の出力信号の持続時間を延ばす効果を有する。従ってトランジスタ63は約6.67マイクロ秒間オンにバイアスされる。これは、元のバーストの公称持続時間に対応する。パルスストレッチャー35の出力信号(図3G)のパルスも、同様に持続時間が延びている。上述のように、この出力信号が出力バッファ41(図1)に供給され、負荷と適切にインタフェースする。
【0025】図2に表す回路を用いると、それぞれのパルスのバーストの開始において二重パルス発信が時に起こりうることが理解されよう。この二重パルス発信は、比較器31が適当な量のヒステリシスを含むように構成することによって、除去することができる。
【0026】上記説明から、本発明が、データビットそれぞれがパルスの不在、あるいは所定周波数のパルスのバーストのいずれかにより特徴付けられる、デジタルASKデータ信号用の改良した復調器を提供する、ということを理解されたい。復調器は、この所定周波数に同調した増幅器を含み、増幅信号の包絡線を生成するエッジ検出器を更に含む。次にこの包絡線信号を比較器が所定のしきい値と比較し、受信したパルスのバーストそれぞれについてパルス信号を生成する。次に、このパルス信号の持続時間が、そのパルスのバーストの予想公称持続時間に対応するように延ばされる。復調器は、数桁の範囲にわたって大きさが変化する電力レベルを有するASKデータ信号を適切に復調することができるよう、特別に構成されている。
【0027】本発明を、現在好適な実施形態のみを参照して詳細に説明したが、当業者であれば、本発明から逸脱することなく様々な変形を行うことができることが理解されよう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ規定される。
【0028】以上、本発明の実施例について詳述したが、以下、本発明の各実施態様の例を示す。
【0029】[実施態様1]データビットそれぞれがパルスの不在、あるいは所定周波数のパルスのバーストのいずれかにより特徴付けられる、信号強度が数桁変化しうるデジタル振幅シフトキーイング(ASK)データ信号を復調する装置であって、前記ASKデータ信号を受信し増幅して増幅信号を生成する、前記ASKデータ信号の前記パルスのバーストの前記所定周波数に同調した、帯域増幅器と、該帯域増幅器から受け取る前記増幅信号の包絡線を検出して、包絡線信号を生成するエッジ検出器と、前記包絡線信号を所定のしきい値と比較して、前記ASKデータ信号内にパルスのバーストが存在することを示すパルス信号を生成する比較器と、前記パルス信号内のそれぞれのパルスの長さを、前記ASKデータ信号内の対応するパルスのバーストの長さと略同じ長さに増大する、パルスストレッチャーと、を備えて成る装置。
【0030】[実施態様2]前記比較器が生成する前記パルス信号の持続時間は、前記装置が受け取る前記ASKデータ信号の強度に従って変化することを特徴とする、実施態様1に記載の装置。
【0031】[実施態様3]前記パルスストレッチャーは単安定マルチバイブレータであることを特徴とする、実施態様1に記載の装置。
【0032】[実施態様4]前記ASKデータ信号は光信号であり、該ASKデータ光信号を受け取り対応する電気信号に変換するデバイスをさらに備えて成ることを特徴とする、実施態様1に記載の装置。
【0033】[実施態様5]前記帯域増幅器の利得は略一定であることを特徴とする、、実施態様1に記載の装置。
【0034】[実施態様6]データビットそれぞれがパルスの不在、あるいは所定周波数のパルスのバーストのいずれかにより特徴付けられる、信号強度が数桁変化しうるデジタル振幅シフトキーイング(ASK)データ信号を復調する方法であって、前記ASKデータ信号の前記パルスのバーストの前記所定周波数に同調した帯域増幅器を用いて、前記ASKデータ信号を増幅し増幅信号を生成するステップと、前記増幅信号の包絡線を検出して、包絡線信号を生成するステップと、前記包絡線信号を所定のしきい値と比較して、前記ASKデータ信号内にパルスのバーストが存在することを示すパルス信号を生成するステップと、前記パルス信号内のそれぞれのパルスの長さを、前記ASKデータ信号内の対応するパルスのバーストの長さと略同じ長さに増大するステップと、を備えて成る方法。
【0035】
【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いることにより、信号強度が数桁変化しうる振幅シフトキーイング(ASK)データ信号を正確に復調することができる。また、そのようなデータ信号を、プロセッサからリセット信号をフィードバックすることなく、短い待ち時間で復調することができる。




 

 


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