JP2006525740A - 通信システム - Google Patents

Abstract

光通信方法では、正確な共通のクロック信号（GPS）が送信機（10）と受信機（20）とに提供される。送信機では、共通のクロック信号が受信され、第１のクロック信号（CLK1）はその共通のクロック信号に基づいて生成され、所定の搬送周波数（f）を備えた搬送波は、タイミング基準としてそのクロック信号を使用して生成され、搬送波は、データ信号で変調され、変調された搬送波は、光ビーム（13）を使用して送信される。受信機では、共通のクロック信号が受信され、搬送周波数と同じ周波数（f）を有する基準信号は、その共通のクロック信号に基づいて生成され、その光ビーム（13）が受信され、検出信号は光ビームから導かれ、受信機は所定の搬送周波数（f）に同調し、データ信号は検出信号から導かれる。

Description

本発明は、概して送信機と受信機とを有し、受信機は送信側の送信周波数に同調する必要がある通信システムに関する。本発明は、特に自由空間光通信システムに関し、以下では、このような光通信システムについて本発明を説明するが、本発明は自由空間光通信システムに限定されないことを明らかに強調する。

自由空間通信システムは、それ自体既知である。一例はWO-00/25456に記載されている。一方の局（送信機）から他方の局（受信機）への通信のため、送信機は受信機の光検出器により受信されるレーザビームを生成する。双方向通信の場合、他方の局も送信機を有し、一方の局も受信機を有する。通常は、局での送信機及び受信機はトランシーバとして結合されている。

前記の刊行物WO-00/25456は、ネットワークのノードとして動作する複数のトランシーバ局を有する通信ネットワークに関する。データは、複数の中間局により確立された通信パスを介して、ソース局からターゲット局に通信され得る。

光通信システムの１つの課題は、対応する送信機及び受信機の間の空き見通し線が存在する場合にのみ、２つの局の間の通信パスが存在し得るという点にある。見通し線が何らかの原因によりブロックされると、通信パスがブロックされる。ネットワークの場合、（異なる）中間局を介した他の通信パスを利用することにより、通信が復旧される可能性がある。このことは、送信局がその光ビームを他の受信局に向けることを必要とし、受信局がその受信機を他の送信機に向けることを必要とする。その間に、データフローが続く。このため、送信局は、入力データを集めるデータバッファを有し、送信局が他の受信局に連絡するとすぐに、送信局はそのバッファからデータを送信し始める。このようなデータバッファの所要の大きさは、送信局が他の受信局に連絡するために必要な時間に比例する。このように、この理由のみのため、連絡ができるだけ迅速に確立されることが望ましい。

受信機に連絡を行うことは、レーザビームが受信側検出器に非常に正確に向けられることを必要とする。送信局は、受信側検出器の位置についての情報を有しているため、送信局は、レーザビームを向ける方向を認識しており、又は計算することができる。前記の刊行物WO-00/25456では、最初の位置情報がGPS信号から取得可能であることが記載されている。しかし、正確な方向からのわずかな逸脱により、非常に狭いレーザビームが受信側検出器をミスすることがある。連絡を確立する処理の間に、送信局がそのレーザビームの方向を調整する必要がある。しかし、ミスはミスであり、送信局は調整情報を必要とし、どの方向にレーザビームが調整されなければならないかを送信局に通知する。

このため、連絡を確立する処理の間に、ビーム軸に最大強度を有し、ビーム軸からの距離の増加と共に強度が減少する広いレーザビーム（すなわち発散レーザビーム）を使用することが知られている。このような広いビームでは、ビームが受信側検出器を“ヒット”する可能性がある。ビームは２つの直交方向を（一般的には水平及び垂直に）通過し、受信局は、受信したレーザ出力が最大である方向に注目する。受信局は例えばRF通信チャネルでこの方向を送信局に通信する。送信局は、レーザビームの方向を変えるために、受信局から受信した方向情報を使用し、レーザビームを狭くする。必要に応じて、前記のステップが繰り返されてもよい。

従って、このような“照準”処理の間に、受信局は、実質的に減少した出力レベルでレーザ光を受信するに過ぎず、そのため、ノイズ信号が重要な妨害の役目を行うようになることがある。従って、レーザビームについて受信機の感度を増加させる必要が存在する。

その他の観点は、送信局と受信局との間の距離に関する。通信ネットワークが大きい範囲をカバーする場合、複数のトランシーバが必要となり、かなり高価になる。トランシーバ間の相互の距離が減少し得る場合には、通信ネットワークのハードウェアコストは減少する可能性があり、若しくは大きい範囲が同じコストでカバーされる可能性があり、又はその双方になる可能性がある。その結果、より遠くの受信局でのレーザ出力のレベルは小さくなる。従って、レーザ出力を増加させる必要なく、遠くの距離での光通信を可能にするために、レーザビームの受信機の感度を増加させることが望ましい。

その他の観点は、１つの送信局により送信されたデータが、通信ネットワークの複数の受信局により受信される状況に関する。技術水準によれば、送信局の狭いレーザビームは、１つのみの受信局に向けられ、受信される。データが第２の受信局に到達するために、第１の受信局は、次に第２の受信局に関する送信局として動作し、データの送信を繰り返す。このように、データは局から局に“ホップ”し、ネットワークの全体データ伝送容量を減少させ、また、データが第１の送信局から全ての目的の受信機に直接に光送信される場合よりかなり多くの時間を必要とする。技術水準による設計では、このような直接の複数伝送は、第１の送信局が目的の受信機の対応するものにそれぞれ向けられた複数の送信機を備えている場合にのみ可能である。

その他の観点は、安全性の観点である。レーザ光は特に目に対して危険なことがある。従って、通信ネットワークが住宅エリアで動作する場合、できるだけ小さいレーザ出力で送信機を動作することが望ましい。従って、この理由のためにおいても、レーザビームの受信機の感度を増加させることが望ましい。

増加する通信距離と目の安全性との観点もまた、固定のトランシーバを備えた通信システムにおいて、また、２つの局のみを備えた通信システムにおいてですら、役目を果たす点に留意すべきである。

従って、受信機の感度を増加する通信システムを提供することが、本発明の重要な目的である。

通信システムの更なる観点は、受信局側での同調手順に関する。一般的には、受信局は送信局の送信機がどの周波数で動作しているかを認識しているため、望ましくない信号成分を除去するために、低域通過フィルタで入力信号をフィルタリングすることが可能である。しかし、許容範囲を考慮に入れると、このような帯域フィルタの帯域は小さすぎるべきではない。技術水準では、同調は受信信号に受信機の回路を同調するように位相ロックループを使用することを含み、このことは更なる電子構成要素の必要性を有する。

従って、位相ロックループの必要性なしに、受信機が送信信号に同調可能な通信システムを提供することが、本発明の重要な目的である。

少なくとも１つの送信局と複数の受信局とを有し、送信局が効率的に同時に全ての受信局にアドレス指定することができる通信ネットワークを提供することが、本発明の更なる重要な目的である。

本発明の重要な観点によれば、通信システムの送信機及び受信機は、非常に正確なタイミング信号をそれぞれ備えており、それにより、送信機及び受信機はそれぞれ、受信機が本質的に送信機に非常に正確に同調される程度まで、送信信号の周波数及び受信機が同調される周波数をそれぞれ非常に正確に決定することができ、それにより、位相ロックループが除外されてもよい。

この非常に正確なタイミング信号は、共通のソースから生じることが好ましい。好ましい実施例では、送信機と受信機のそれぞれは、GPS信号を受信するGPS受信機を有し、そのGPS信号は、当業者に既知のように、非常に正確な時間信号を有する。

本発明の更に重要な観点によれば、送信レーザビームの出力は、複数の受信機に配信される。送信レーザビームは、その複数の受信機をカバーする広い発散ビームでもよい。送信レーザビームがそれぞれ対応する受信機に向けられた複数のレーザビームに分割されることも可能である。

本発明の前記及び他の観点、特徴及び利点について、図面を参照した以下の説明で更に説明する。図面において同じ参照番号は同一又は類似の部分を示す。

図１は、少なくとも１つの送信局10と、少なくとも１つの受信局20とを有する通信システム1を概略的に示している。

送信局10は、GPSアンテナ11を通じて少なくとも１つのGPS衛星SからGPS信号を受信する送信処理回路14を有する。図２Ａは、送信処理回路14の実施例を更に詳細に示したブロック図である。送信処理回路14は、タイミング基準としてGPS信号のタイミング情報を使用して第１のクロック信号CLK1を生成するように適合されたクロック信号生成器15を有し、それにより、第１のクロック信号CLK1は非常に正確な所定のクロック周波数を有する。

送信局10は、狭いレーザビーム13を生成するように適合されたレーザ装置12を更に有する。送信処理回路14は、非常に正確な第１のクロック信号CLK1を受信するレーザドライバ16を有する。非常に正確な第１のクロック信号CLK1に基づいて、レーザドライバ16は、非常に正確な所定の搬送周波数fを備えた搬送波を生成する。その搬送周波数は、レーザビーム13により転送される。レーザドライバ16はまた、簡略化のために図示していない何らか適切なソースからデータ信号DATAも受信する。レーザドライバ16は、データ信号DATAでその搬送波を変調するように適合される。

受信局20は、GPSアンテナ21を通じて少なくとも１つのGPS衛星SからGPS信号を受信する受信処理回路24を有する。これは、送信処理回路14がGPS信号を受信するものと同じGPS衛星でもよいが、必ずしもそうでなくてもよい。図２Ｂは、受信処理回路24の実施例を更に詳細に示したブロック図である。受信処理回路24は、タイミング基準としてGPS信号のタイミング情報を使用して第２のクロック信号CLK2を生成するように適合されたクロック信号生成器25を有し、それにより、第２のクロック信号CLK2は非常に正確な所定のクロック周波数を有する。必須ではないが適当には、第２のクロック信号CLK2の周波数は第１のクロック信号CLK1の周波数と等しい。

受信処理回路24は、非常に正確な第２のクロック信号CLK2を受信し、送信局10の搬送波と同じ周波数fを有する基準信号を生成するように適合された基準信号生成器29を更に有する。クロック信号生成器25及び基準信号生成器29は１つの回路に結合されてもよい点に留意すべきである。

受信局20は、レーザビーム13のレーザ光を受信し、受信した光出力に対応する出力信号を生成するのに適した光検出器22を更に有する。図１に示すシステム1の実施例では、レーザビーム13は狭いビームであり、検出器22は、放出されたレーザ出力の比較的大きい部分を受信する。

受信処理回路24は、その基準信号及び検出器出力信号を入力信号として受信する周波数逓倍器26を更に有する。当業者に明らかなように、逓倍器26は、検出器の出力信号の周波数と基準信号の周波数fとの間の差に等しい周波数を有する出力信号を提供する。換言すると、検出器の出力信号の全ての周波数成分は、周波数の間隔fで低い周波数にシフトされる。

基準信号の周波数は、（10^-12〜10^-15のオーダの精度で）搬送信号の周波数に非常に正確に対応する。したがって、位相ロックループの必要なしに、基準信号は搬送信号に実際に非常に正確にロックされる。従って、逓倍器26は、重要な信号（すなわち搬送周波数を有する信号）を約0Hzの周波数を有する信号に変換する。送信局10により送信された信号に属さない信号成分は、0より大きい周波数成分を有する逓倍器の出力信号の信号成分に変換される。これらのノイズ信号又は妨害信号は、比較的低いカットオフ周波数を有する比較的簡単な低コストの低域通過フィルタ27により非常に効率的にフィルタ除去され得る。

このようにフィルタリングされた信号は、復調器28により復調され、その復調器28は出力信号としてデータ信号DATAを提供する。

受信局20が予期する搬送周波数を非常に正確に“認識”しているという事実を鑑みて、また、受信局20がこの搬送周波数に非常に正確に同調することができるという事実を鑑みて、受信局20は、搬送周波数の周辺の非常に狭い帯域の信号に非常に敏感である。

図３は、本発明による通信システム2の実施例を示しており、少なくとも１つの送信局10と複数の受信局とを有する。図３において、３つの受信局20A、20B、20Cが図示されているが、通信システム2は１つ（以上）の送信局に関連する３つより多い受信局を有してもよい。各受信局は、前記の受信局20と同一でもよい。

通信システム2の特徴は、送信局10のレーザ装置12が比較的広いビーム13を生成し、受信局20A、20B、20Cの全ての光検出器22A、22B、22Cをカバーするように設計されているという事実である。従って、各光検出器は、レーザビーム13の出力の比較的小さい部分のみを受信する。

図３に示す実施例では、レーザ出力のほとんどは、光検出器に到達しないという点で浪費される。代替として、レーザビーム13がそれぞれ対応の光検出器に向けられた適切な複数の狭いレーザビームに分割されてもよい点に留意すべきである。この場合にも同様に、光検出器はレーザビーム出力の一部のみを受信する。

これに関して、当業者に明らかなように、光検出器により受信される光出力は、送信局と受信局との間の距離が増加すると小さくなる点に留意すべきである。

それにもかかわらず、各受信局による非常に正確な同調と得られる高い感度とに鑑みて、受信局は、受信した光信号からDATAを確実に導くことができる。

本発明は前述の例示的な実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載の本発明の保護範囲内で複数の変形及び変更が可能であることは、当業者に明らかである。

例えば、前記では、第１及び第２のクロック信号が生成されること、又は共通のクロック信号から導かれることについて記載した。共通のクロック信号は非常に正確なタイミングで比較的低い周波数を有してもよいが、それから導かれる第１及び第２のクロック信号は高い周波数を有し、共通のクロック信号に正確に同期してもよい。正確なタイミングからの逸脱は送信側と受信側との双方で同じ影響を有するため、ある場合には、共通のクロック信号のタイミングが正確でない場合にも受け入れられる。

代替として、共通のクロック信号は適切な周波数を有し、それにより、第１及び第２のクロック信号の周波数が共通のクロック信号の周波数と同一でもよいことも可能である。その場合、第１及び第２のクロック信号は共通のクロック信号と同一でもよく、別々のクロック信号を生成する必要がない。しかし、適切な実施例では、共通のクロック信号は、共通のソース（例えば衛星）から提供され、この共通のクロック信号もまた、場合によっては本発明による他の通信システムによる他の目的に使用される。本発明による他の通信システムは、干渉を回避するため、送信周波数が共通クロック信号の周波数と一般的に同一でないように、異なる送信周波数に同調される。

前述では、ブロック図を参照して本発明を説明した。そのブロック図は、本発明による装置の機能ブロック図を示す。これらの機能ブロックのうち１つ以上はハードウェアに実装されてもよく、このような機能ブロックの機能が個々のハードウェア構成要素により実行されることがわかるが、これらの機能ブロックのうち１つ以上はソフトウェアにより実装され、それにより、このような機能ブロックの機能がコンピュータプログラム又はプログラム可能装置（マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタルシグナルプロセッサ等）の１つ以上のプログラムラインにより実行されることも可能である。

本発明による通信システムの実施例を示した概略図 本発明による第２の局の実施例を示した概略ブロック図 本発明による受信局の実施例を示した概略ブロック図 本発明による通信システムの他の実施例を示した概略図

Claims (25)

1. 送信機と受信機とに正確な共通のクロック信号を提供するステップと、
   前記送信機において、前記共通のクロック信号を受信し、タイミング基準として前記共通のクロック信号を使用して送信信号を生成し、光ビームを使用して前記送信信号を送信するステップと、
   前記受信機において、前記共通のクロック信号を受信し、前記光ビームを受信し、前記光ビームから検出信号を導き、タイミング基準として前記共通のクロック信号を使用して前記検出信号を処理するステップと
   を有する通信方法。
2. 請求項１に記載の通信方法であって、
   前記送信機において、タイミング基準として前記共通のクロック信号を使用して所定の搬送周波数を備えた搬送波を生成し、データ信号で前記搬送波を変調し、光ビームを使用して前記変調された搬送波を送信するステップと、
   前記受信機において、タイミング基準として前記共通のクロック信号を使用して前記搬送周波数と同じ周波数を有する基準信号を生成し、前記所定の搬送周波数に同調し、前記検出信号から前記データ信号を導くステップと
   を有する通信方法。
3. 請求項１に記載の通信方法であって、
   前記送信機において、前記共通のクロック信号に基づいて第１のクロック信号を生成し、タイミング基準として前記第１のクロック信号を使用して前記送信信号を生成するステップと、
   前記受信機において、前記共通のクロック信号に基づいて第２のクロック信号を生成し、タイミング基準として前記第２のクロック信号を使用して前記検出信号を処理するステップと
   を有する通信方法。
4. 請求項３に記載の通信方法であって、
   前記送信機において、タイミング信号として前記第１のクロック信号を使用して所定の搬送周波数を備えた搬送波を生成し、データ信号で前記搬送波を変調し、光ビームを使用して前記変調された搬送波を送信するステップと、
   前記受信機において、タイミング信号として前記第２のクロック信号を使用して前記搬送周波数と同じ周波数を有する基準信号を生成し、前記所定の搬送周波数に同調し、前記検出信号から前記データ信号を導くステップと
   を有する通信方法。
5. 請求項２又は４に記載の通信方法であって、
   前記所定の搬送周波数に同調するステップは、
   前記基準信号で前記検出信号を乗算し、前記乗算された信号を低域通過フィルタでフィルタリングし、前記フィルタリングされた信号を復調するステップを有する通信方法。
6. 請求項１に記載の通信方法であって、
   前記共通のクロック信号は、GPS信号のタイミング信号である通信方法。
7. 請求項１に記載の方法を実行する光通信システム。
8. 請求項７に記載の光通信システムであって、
   共通のクロック信号を受信する受信手段と、光ビームを放出する光源とを有する少なくとも１つの送信局と、
   前記共通のクロック信号を受信する受信手段と、前記光ビームを受信する光検出器とを有する少なくとも１つの受信局と
   を有する光通信システム。
9. 請求項８に記載の光通信システムであって、
   前記共通のクロック信号は、GPS信号のタイミング基準である光通信システム。
10. 請求項８に記載の光通信システムであって、
    前記送信局は、
    タイミング標準として前記共通のクロック信号又はそれから導かれた第１のクロック信号を使用して、送信信号を生成する処理回路を有し、
    前記少なくとも１つの受信局は、
    タイミング標準として前記共通のクロック信号又はそれから導かれた第２のクロック信号を使用して、検出器の出力信号を処理する処理回路を有する光通信システム。
11. 請求項１０に記載の光通信システムであって、
    前記送信局は、
    タイミング標準として前記共通のクロック信号又はそれから導かれた第１のクロック信号を使用して、所定の搬送周波数を有するデータ搬送信号を生成する処理回路を有し、前記処理回路は、前記データ搬送信号で前記光ビームを変調するように適合され、
    前記少なくとも１つの受信局は、
    タイミング標準として前記共通のクロック信号又はそれから導かれた第２のクロック信号を使用して、前記所定の搬送周波数に同調し、前記光ビームから前記データ搬送信号を導く処理回路を有する光通信システム。
12. 請求項１１に記載の通信システムであって、
    前記送信局は、
    前記共通のクロック信号を受信するアンテナと、
    前記アンテナから出力信号を受信し、前記アンテナの出力信号に基づいて第１のクロック信号を生成するように適合されたクロック信号生成器と、
    前記第１のクロック信号を受信し、データ信号を受信するように適合された光源ドライバと
    を有し、
    前記ドライバは、所定の搬送周波数を備えた搬送波を生成し、前記データ信号で前記搬送波を変調し、前記変調された搬送波で前記光源を駆動するように適合された通信システム。
13. 請求項１１に記載の通信システムであって、
    前記受信局は、
    前記共通のクロック信号を受信するアンテナと、
    前記アンテナから出力信号を受信し、前記アンテナの出力信号に基づいて第２のクロック信号を生成するように適合されたクロック信号生成器と、
    前記第２のクロック信号を受信し、前記第２のクロック信号に基づいて前記所定の搬送周波数を有する基準信号を生成するように適合された基準信号生成器と
    を有する通信システム。
14. 請求項１３に記載の通信システムであって、
    前記クロック信号生成器及び前記基準信号生成器は、１つの結合したユニットとして実装される通信システム。
15. 請求項１３に記載の通信システムであって、
    前記受信局は、
    前記光検出器から出力信号を受信し、前記基準信号を受信する周波数逓倍器を更に有する通信システム。
16. 請求項１５に記載の通信システムであって、
    前記受信局は、
    前記周波数逓倍器から出力信号を受信する低域通過フィルタと、前記低域通過フィルタから出力信号を受信する復調器とを更に有する通信システム。
17. 少なくとも１つの送信局と、
    複数の受信局と
    を有する光通信システムであって、
    前記送信局は、
    光ビームを放出する光源と、データ搬送信号を生成し、前記データ搬送信号で前記光ビームを変調するように適合された光源を有し、
    各受信局は、
    前記光ビームを受信する光検出器と、前記光ビームから前記データ搬送信号を導く処理回路とを有し、
    前記光ビームは、広いビームであり、又は前記複数の光検出器により受信されるように方向付けられた複数の狭いビームに分割される光通信システム。
18. 請求項１７に記載の光通信システムであって、
    前記送信局は、共通のクロック信号を受信する受信手段を更に有し、
    各受信局は、前記共通のクロック信号を受信する受信手段を更に有する光通信システム。
19. 請求項１８に記載の光通信システムであって、
    前記送信局の前記処理回路は、タイミング標準として前記共通のクロック信号又はそれから導かれた第１のクロック信号を使用して前記データ搬送信号を生成するように適合され、
    各受信局の前記処理回路は、タイミング標準として前記共通のクロック信号又はそれから導かれた第２のクロック信号を使用して前記データ搬送信号を導くように適合された光通信システム。
20. 請求項１９に記載の通信システムであって、
    前記共通のクロック信号は、GPS信号のタイミング基準である通信システム。
21. 請求項１９に記載の通信システムであって、
    前記送信局は、
    前記共通のクロック信号を受信するアンテナと、
    前記アンテナから出力信号を受信し、前記アンテナの出力信号に基づいて第１のクロック信号を生成するように適合されたクロック信号生成器と、
    前記第１のクロック信号を受信し、データ信号を受信するように適合された光源ドライバと
    を有し、
    前記ドライバは、所定の搬送周波数を備えた搬送波を生成し、前記データ信号で前記搬送波を変調し、前記変調された搬送波で前記光源を導くように適合された通信システム。
22. 請求項１９に記載の通信システムであって、
    各受信局は、
    前記共通のクロック信号を受信するアンテナと、
    前記アンテナから出力信号を受信し、前記アンテナの出力信号に基づいて第２のクロック信号を生成するように適合されたクロック信号生成器と、
    前記第２のクロック信号を受信し、前記第２のクロック信号に基づいて前記所定の搬送周波数を有する基準信号を生成するように適合された基準信号生成器と
    を有する通信システム。
23. 請求項２２に記載の通信システムであって、
    前記クロック信号生成器及び前記基準信号生成器は、１つの結合したユニットに実装される通信システム。
24. 請求項２２に記載の通信システムであって、
    各受信局は、
    前記光検出器から出力信号を受信し、前記基準信号を受信する周波数逓倍器を更に有する通信システム。
25. 請求項２４に記載の通信システムであって、
    各受信局は、
    前記周波数逓倍器から出力信号を受信する低域通過フィルタと、前記低域通過フィルタから出力信号を受信する復調器とを更に有する通信システム。

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