JP2015173469A - 通信速度およびスペクトル効率を増大させ、他の利益を可能にする共通波通信システムおよび方法ならびに側波帯軽減通信システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線通信リンクと有線通信リンクの両方に使用可能な共通波通信システムおよび方法、ならびに側波帯軽減通信システムおよび方法を提供する。【解決手段】送信機４０１は、変調器５０３にて情報信号５０２を搬送波５０１上に変調しデータ信号を生成する。生成されたデータ信号および共通波信号５０４は、１つまたは複数のアンテナ５０５を介して、通信リンク４０３を通じて受信機４０２へ送信される。受信機４０２は、１つまたは複数のアンテナ５０６を使用して信号を受信する。第１のフィルタ５０７は、データ信号を信号比較装置５０９の第１の入力に出力し、第２のフィルタ５０８は、基準信号を信号比較装置５０９の第２の入力に出力する。信号比較装置５０９は、データ信号と基準信号の差信号を出力し、復調器５１０は、送信機４０１に入力された情報信号５０２に対応する情報信号５１１を生成する。【選択図】図５

Description

優先権の主張／関連出願
本出願は、２００７年１２月１９日に出願された「Ｃｏｍｍｏｎ Ｗａｖｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｅｄｓ ａｎｄ／ｏｒ Ｅｎａｂｌｉｎｇ Ｏｔｈｅｒ Ｂｅｎｅｆｉｔｓ」という名称の米国特許仮出願第６１／０１５，０４３号の米国特許法１１９条（ｅ）に基づく恩典および米国特許法１２０条に基づく優先権を主張するものである。この出願は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。

有線または無線通信システムおよび方法が提供される。

さまざまな有線および無線通信システムがよく知られている。例えば、図１および２に示すように、２つの異なる従来の通信システムが知られている。図１に示すように、従来の有線通信システムの一例は、送信機および受信機を有し、第１の有線通信リンクを通じてデータ信号が伝達され、（このデータ信号を反転させた形態の）第２のデータ信号が第２の有線の通信リンクを通じて伝達される。図１に示すシステムでは、２つの有線通信リンクが互いに近くに位置する。受信機はこれらの２つのデータ信号を受け取り、これらの２つのデータ信号の差を求めて、これらのデータ信号からデータを抽出することができる。この従来の通信システムは差動信号システムとして知られ、差動信号システムでは、２つの信号の差だけが必要なためより低い電圧を使用することができ、より高いデータ送信速度が可能であり、全てのノイズが両方の通信リンクに影響を及ぼし、２つのデータ信号の差が決定されたときに、ノイズがフィルタ除去されるため、ノイズイミュニティ（ｎｏｉｓｅ ｉｍｍｕｎｉｔｙ）が増大する。図１に示すシステムは例えばプリント基板上で使用することができ、このとき、それぞれの有線通信リンクはプリント基板上のトレースである。

図１のシステムが銅線上でどのように機能するのかを示す一例は、隣接する２本の電線がそれぞれ信号を有し、一方の信号がもう一方の信号の反転信号である場合である。例えば、「デジタル１」が１ボルトのレベルで送信される場合には、線Ａが１ボルト、線Ｂが０ボルト（すなわち反転）となり、「デジタル０」が送信される場合には、線Ａが０ボルト、線Ｂが１ボルトになる。これらの電線は両方とも送信機から受信機まで延びているため、電線は、線内の電圧レベルを上昇させまたは低下させるノイズを拾い、加えて、データのようにも見えるスパイクを生じさせる可能性がある。これらの２本の電線が物理的に互いのごく近くにある場合、ノイズは両方の電線で全く同じになる。受信機端で、これらの２本の線は差動増幅器回路に接続される。差動増幅器回路は、このノイズを「減算によって除去する」。

図２は、無線通信システムとすることができる従来の別の通信システムの一例を示す。この通信システムでは、送信機が、複数のデータ信号を発生させ、通信リンクを通じて伝達し、次いで受信機が、それぞれのデータ信号からデータを独立に抽出するが、これらのデータ信号間に、データ信号からデータを抽出するのに役立つ関係はない。図２に示すシステムは、時分割多重通信システム、符号分割多重通信システムなどの一般的な移動電話システムに対して使用することができる。

図３は、パイロット信号を使用する無線通信システムを示し、このシステムでは、パイロット信号が搬送波およびデータ信号で変調されて、単一の出力信号が生成され、次いで、この信号が通信リンクを通じて受信機に送信される。受信機は次いで、（出力信号に埋め込まれた）パイロット信号を使用して、データ信号を復号する。パイロット信号を使用するこの従来のシステムでは、単一の信号だけが通信リンクを通じて送信される。

これらの従来の通信システムはいずれも、（同じ通信リンクを通じて異なるチャネル上で送信される）データ信号と基準信号を使用しておらず、したがって、共通波システムおよび方法を提供することが望ましく、そのため共通波システムおよび方法を対象とする。

さらに、有効帯域幅を最小化し、側波帯を中性化する（側波帯軽減）システムおよび方法であって、データ送信速度およびスペクトル効率を大幅に増大させることができるシステムおよび方法を提供することが望ましく、そのためこのようなシステムおよび方法も対象とする。

従来の通信システムを示す図である。 従来の通信システムを示す図である。 従来のパイロット信号通信システムを示す図である。 送信機および受信機を有する共通波通信システムの一実施態様を示す図である。 図４に示した共通波通信システムの一例をより詳細に示す図である。 図４に示した共通波通信システムの実施態様の一例を示す図である。 共通波通信システムの受信機内の復調器回路が入力信号と比較するための予想信号の一例を示す図である。 共通波通信方法の一例を示す図である。 共通波通信システムのデータ信号をリセットする方法の一例を示す図である。 通信システムの有効帯域幅を最小化する方法の一例を示す図である。 通信システムの有効帯域幅を最小化する方法の一例を示す図である。 交番位相を有する信号とともに使用するフィルタの一例を示す図である。 通信システムの側波帯を中性化する方法の一例を示す図である。 通信システムの側波帯を中性化する方法の一例を示す図である。 振幅１．４１４Ｖ、位相０°の１ＧＨｚ搬送波を生成する回路の一例を示す図である。 変調されていない１ＧＨｚ搬送波に対する時間領域の一例を示す図である。 変調されていない１ＧＨｚ信号の１０００ｎｓの間のＦＦＴの一例を示す図である。 変調されていない１ＧＨｚ信号の１０００ｎｓサンプルに対するＦＦＴの一例を、２５０ｋＨｚ−２０ｄＢマスクとともに示す図である。 Ｖ２によって発生させたデータ信号およびＰｈａｓｅ＿Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ＿９０＿ｄｅｇによって実行された変調を有する回路の一例を示す図である。 最初の１２４ｎｓの間のデータ信号の一例を示す図である。データビット周期は８ｎｓである。 変調信号の一例を示す図である。データビット１の位相は９０°、データビット０の位相は０°である。３４ｎｓが示されている。 １２５Ｍｂｐｓ、移相９０°の変調信号のＦＦＴの一例を示す図である。 側波帯軽減回路における第１のステップの実施態様の一例を示す図である。 位相０から出発するデータビット１および位相１８０から出発するデータビット０を有する変調信号の一例を示す図である。 １ＧＨｚのローブが除去されたＦＦＴの一例を示す図である。側波帯は悪くなっている。 ８６７ＭＨｚおよび８８４ＭＨｚのローブを位相とともに示す図である。 ８６７ＭＨｚローブを低減させるために追加する側波帯軽減信号の実施態様の一例を示す図である。 最小化されたが、依然として残っている８６７ＭＨｚローブの一例を示す図である。 軽減された８６８ＭＨｚ残留ローブの実施態様の一例を示す図である。 １ＧＨｚよりも低い全ての側波帯が軽減された信号の実施態様の一例を示す図である。 表１に示す側波帯軽減信号によって１ＧＨｚよりも低い側波帯が軽減されたＦＦＴの実施態様の一例を示す図である。 位相フィルタリング回路の一例を示す図である。

このシステムおよび方法は特に、後述する離散ハードウェア回路ベースの送信機および受信機を使用する単一の通信リンクを有する無線通信システムに適用可能であり、このシステムおよび方法はこの文脈で説明される。しかしながら、このシステムおよび方法は、有線通信システム（例えば光ファイバ、電線、プリント基板（ＰＣＢ）トレースなど）または無線通信システム（例えばセル式電話システム、移動装置無線システムなど）とともに使用することができ、送信機だけまたは受信機だけとして実現することができ、かつ／あるいはソフトウェア（ソフトウェア送信機および／または受信機）、（後に示すまたは他の実施態様の）ハードウェア、またはソフトウェアとハードウェアの組合せ（例えばファームウェアまたは他の実施態様を有するデジタル信号プロセッサ）として実現することができるため、このシステムおよび方法は、より大きな有用性を有することが理解される。

本発明に係わる「移動装置」が、限定はされないが、セル式電話、パーソナルコミュニケーションサービス（ＰＣＳ）、スマートホン（例えばｉＰｈｏｎｅ、ＢｌａｃｋＢｅｒｒｙなど）、コンピュータ用の無線インターネットカードまたは回路、無線ローカルエリアネットワークおよびワイドエリアネットワーク（例えばＷｉＦｉ、ＷｉＭａｘなど）カードまたは回路、衛星電話、ＧＰＳ追跡装置などを含む、任意の移動無線通信装置を含むことができる。共通波システムおよび方法を使用する装置は、装置が送信または受信しているデータのタイプにかかわらず移動装置である。例えば、送信または受信データは、限定はされないが、音声、データファイル、ビデオ、放送、音楽、テレメトリ、ラジオなどを含む任意のタイプの情報を含むことができる。

図４は、送信機４０１および受信機４０２を有する共通波通信システム４００の一実施態様を示す。通信システム４００はさらに通信リンク４０３を含むことができ、通信リンク４０３は、送信機と受信機の間で信号を送信することができる媒体とすることができる。この媒体は、大気、空間、水、電線、同心ケーブル、光ファイバ（ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃｓ）、プリント基板トレース、集積回路トレース、掘穿泥水（ｄｒｉｌｉｎｇ ｍｕｄ）、ＡＣ電力分配線などを含むことができる。この通信システムでは、通信リンク４０３の中に複数のチャネル４０６を置くことができる。この通信システムは、データ信号を含む少なくとも１つのデータチャネル４０４と、基準信号を含む少なくとも１つの基準チャネル４０５と、データ信号または基準信号を含むことができる別の１つまたは複数のチャネル４０７とを含むことができる。この少なくとも１つのデータチャネル用の通信リンクとこの少なくとも１つの基準チャネル用の通信リンクは、同じ通信リンクでもよく、または異なる通信リンクでもよい。

この共通波システムでは、データ信号が、例えば周波数変調、振幅変調、位相変調またはこれらの組合せなどのさまざまな変調技術を使用して搬送波上に変調された情報信号を有するデータ波として知られることがある。基準信号は、データ波に対する基準波としての役目を果たす（固定の、または知られている方式で調整することができる）既知の周波数信号である共通波として知られることがある。一実施形態では、データ波と共通波が異なる周波数を有することができるが、それらの異なる周波数は互いに近い。周波数ホッピングを使用する符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）移動電話システムなどの一実施形態では、データ波と共通波が、任意の１つの瞬間に異なる周波数を有するが、周波数ホッピングのため、データ波は、別のある瞬間に共通波と同じ周波数を有することができる。他の実施形態では、所定のサイクル数の間、特定の周波数で共通波信号を送信し、次いで、（共通波信号が送信される所定のサイクル数とは異なる）所定のサイクル数の間、同じ周波数または異なる周波数でデータ波信号を送信することができる。他の実施形態では、データ波信号と共通波信号とが同じ周波数を有することができ、一連の共通波信号が送信され、次いで一連のデータ波信号が送信され（または一連のデータ波信号が送信され、次いで一連の共通波信号が送信され）、共通波信号を使用して受信機を較正し、データ波信号に対して、あるノイズフィルタリングを提供することができる。

共通波システムの一実施形態では、１つまたは複数のデータ信号４０４と１つまたは複数の基準信号４０５が通信リンク４０３を通じて同時に伝達され、受信機４０２によって受信される。
他の実施形態では、１つまたは複数のデータ信号と１つまたは複数の基準信号が通信リンクを通じて同時には伝達されない。１つまたは複数のデータ信号および１つまたは複数の基準信号が受信機４０２によって受信されると、データ信号から情報信号を抽出するため、データ信号はそれぞれ対応する基準信号と比較される。データ信号と対応する基準信号は、両方とも通信リンク４０３内のノイズの影響を同じように受け、そのため、受信機でデータ信号と基準信号とを比較することによって、ノイズの一部がフィルタ除去され、データ信号中のノイズのレベルが低減し、その結果、シャノンの法則によってよく知られているように、より良好な信号対ノイズ比、したがってより高い可能な送信速度が得られるため、この共通波システムは、向上したノイズイミュニティを提供する。

図５は、図４に示した共通波通信システム４００の一例をより詳細に示す図であり、この図には、図解目的のため無線通信リンクを通じて伝達されている単一のデータ信号チャネルおよび単一の基準信号チャネルが示されている。前述のとおり、データ信号４０４および基準信号４０５は、送信機４０１と受信機４０２の間の通信リンク４０３を通じて伝達される。送信機４０１は、情報信号５０２を（特定の周波数を有する）搬送波５０１上に変調して、データ信号を生成する変調器５０３を有することができる。一実施形態では位相変調器回路を使用することができる。共通波信号４０５が生成されるが、（図５に示す例の）共通波信号４０５は送信前に変調されない。データ信号および共通波信号は次いで、１つまたは複数のアンテナ５０５を介して、通信リンク４０３を通じて受信機４０２へ送信される。

受信機４０２は、１つまたは複数のアンテナ５０６を使用して通信リンクからこれらの信号を受信することができ、アンテナ５０６によって受信されたこれらの信号は、データ信号の搬送波の周波数に同調した第１のフィルタ５０７および基準信号の周波数に同調した第２のフィルタ５０８に入力される。したがって、第１のフィルタは、データ信号を信号比較装置５０９の第１の入力に出力することを可能にし、（他の信号をフィルタ除去し）、第２のフィルタは、基準信号を信号比較装置５０９の第２の入力に出力することを可能にする（他の信号をフィルタ除去する）。一実施形態では、この信号比較装置を、第１の入力の信号と第２の入力の信号とを比較する差動増幅器とすることができる。したがって、信号比較装置５０９は、データ信号と基準信号の差である信号を出力し、この差は、通信リンク４０３に導入されたノイズを除去する。送信機４０１に入力された情報信号５０２に対応する情報信号５１１を生成するため、信号比較装置の出力は、（図５の例の位相復調器などの）復調器５１０に供給され、復調器５１０はさらに、（受信機でローカルに生成した、または送信された信号から抽出した）搬送波の複製を受け取る。差動増幅器を使用する一実施形態では、次いで差動増幅器の出力を解析して、（復調された）データを識別することができる。この信号は、復調される通常の無線信号とはかなり異なるが、この信号を、標準回路またはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を使用するよく知られた技法で解析することができる。

図６は、図４に示した共通波通信システムの実施態様の一例を示す。この実施態様では、送信機４０１は、さらに、９１０．５４６ＭＨｚの搬送波などの搬送波を発生させる例えば電圧制御器発振器などの搬送波発生器６０１と、９２５．０００ＭＨｚの基準波などの基準波を発生させる例えば電圧制御器発振器などの基準波発生器６０２とを備えることができる。この実施態様では、変調器５０３を、搬送波の位相を情報信号５０２に基づいてシフトさせる移相器回路とすることができる。この実施態様では、これらのデータ信号および基準波が、無線周波数増幅器などの信号増幅器６０３に入力され、信号増幅器６０３は、これらの両方の信号の強度を押し上げ、これらの信号はその後、１つまたは複数のアンテナ５０５によって放射される。

この実施態様の受信機４０２は、さらに、低ノイズ増幅器などの増幅器６０４を含むことができ、増幅器６０４は、受信信号（データ信号と基準信号の両方）の信号強度を押し上げ、それらの信号は次いでフィルタ５０７、５０８に供給される。この実施態様では、復調器５１０を、（信号比較装置５０９から出力された）着信情報信号と、「１」または「０」の予想信号とを比較し、回復された情報信号を出力する（しきい値回路などの）回路とすることができる。図７は、一実施形態の「１」および「０」の予想信号を示し、「１」は、データ波とは＋９０度位相がずれて始まり、「０」は、データ波とは−９０度位相がずれて始まる。

図８は、上記図４〜６に示した送信機および受信機によって実行することができる共通波通信方法８００の一例を示す。送信機において、システムは、データ信号と基準信号の間の関係を選択する（８０１）。この関係を、いくつかの方法で受信機に伝達することができる（例えばこの関係は予め構成しておいてもよく、またはそれぞれの通信セッションの間にセットしてもよい）。この関係は、特定の時点における振幅、周波数、位相および／または極性の特定の差とすることができる。一実施形態では、システムが、（送信機と受信機の両方に）デフォルト設定をセットしておくことができ、次いで必要に応じてその関係を、互いに通信することによって調整することができる。デフォルト関係の一例は、一般的な振幅、周波数および／または位相変調であり、通信中にこの関係を変更して、周波数ホッピングを提供し、かつ／または信号強度を調整することができる。この関係を決定した後、送信機は、情報信号（８０３）に基づいて、基準信号およびデータ信号を生成する（８０２）ことができる。送信機でこれらの信号を生成した後、１つまたは複数の通信リンク４０３を介して、データ信号チャネルを通じてデータ信号を伝達し（８０４）、基準信号チャネルを通じて基準信号を伝達する（８０５）。次いで受信機が送信機信号を受信し（８０６）、次いで関係情報を使用して、データチャネル内のデータ信号から情報信号を抽出し（８０７）、その結果、情報信号を出力する（８０８）。

図９は、共通波通信システムのデータ信号をリセットする方法の一例を示す。基準信号とデータ信号が同時に送信されると、これら２つの信号は重ね合わされ、それにより、大部分の時間（約５０％の時間）の間、かなりの弱め合う干渉が起こることがあり、このことは多くの無線システムで一般的である。この重ね合せ問題を克服するため、位相変調を使用する共通波通信システムの一実施形態では、送信機がデータ信号を定期的にリセットして、図９に示すように、データ信号を、データ信号と同位相に戻すことができる。一実施形態では、（図９に示すように）４信号周期ごとにデータ波をリセットすることができる。このデータ信号のリセットは、位相変調実施形態だけでなく、振幅変調実施形態、周波数変調実施形態および他の変調実施形態に対しても使用することができる。このデータ信号のリセットは、データ信号と基準信号が同時に送信される共通波通信システムだけでなく、データ信号と基準信号を同時に送信しないシステムに対しても使用することができる。

有効放射電力の制御
前述のとおり、この共通波システムは、共通波を固定周波数で送信することができ、共通波信号は実質上変調されず、データ信号を有するデータチャネルは異なる周波数を有し、データチャネル信号の振幅は、共通波信号に対して既知の関係を有する。一実施形態では、共通波信号の振幅を、０〜２０ｄＢなどデータ信号よりもかなり高くすることができる。次いで、受信機において、非常に幅の狭い帯域フィルタ（ＢＰＦ）が共通波信号を検出する。

このかなり高い振幅を有する共通波信号は、受信機において、データ信号の周波数、位相、振幅および／または時間を評価するための強い基準信号を確立する。ハードウェア、ソフトウェア、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）などがこの強い基準信号を使用して、データ信号をノイズから識別し、データ信号を復号／回復することができる。

一例として、有効放射電力（ＥＲＰ）１００ワットで共通波信号を送信し、ＥＲＰ５０Ｗで８つのデータチャネルを８つの異なる受信機にそれぞれ送信することができる。この共通波信号に対して、受信機が、１０マイクロ秒の期間にわたってサンプリングされる強い信号を受信するように、受信機は、帯域幅１００ｋＨｚの帯域フィルタを有することができる。１００Ｗの信号は、５０Ｗの信号よりも良好に、壁および天候を透過することができ、ノイズ、多重通路および移動速度を扱うことができることはよく知られている。したがって、８つの受信機はそれぞれ、特定の受信機の関心の特定の信号を評価するための基準として使用される強い共通波信号を受け取る。

通信システムの実際の大部分の実施態様では、それぞれの送信機が送信することが許された電力に限界がある。例えば、米国では一般に、移動電話塔送信機は、ＥＲＰ５００Ｗの送信しか許されておらず、そのため、８つの１００Ｗデータ信号を有する通信システムの実施態様を設計することはできない。その送信機は、許された最大電力を上回ることになるためである。しかしながら、強力な共通波信号およびより小電力の複数のデータ波信号を有する実施態様は、通信システムが、送信最大電力レベルを満たすことを可能にし、より強い電力の共通波信号によってデータ信号をより正確に復号／回復することを可能にする。上記のより高い電力の共通波信号を、それぞれがその共通波信号を利用することができる多数の受信機に一斉送信することができ、その結果、共通波信号とデータ波信号の数との比を、１対８（上記の例）、１対１００、１対１０００または１対１，０００，０００とすることができる。実際、単一の共通波信号を使用することができるデータチャネルの数に限界はない。同じ共通波信号をより多くのデータチャネルが使用することの利点は、許される全ＥＲＰのうち共通波信号が占める割合がより小さくなることである。一実施形態では、同じセル塔を使用する複数の移動電話サービスプロバイダが同じ共通波信号を使用することができ、それによって、全てのサービスプロバイダが、それぞれのデータチャネルに対するＥＲＰを増大させることができる。

有効帯域幅の最小化
図１０および１１は、通信システムの有効帯域幅を最小化する方法の一例を示す。図１０〜１１に示す方法は、従来の通信システムおよび共通波通信システムで使用することができる。

例示的な一通信システムでは、搬送周波数が１ＧＨｚであり、デジタルデータがＡＭ、ＦＭまたはＰＭによって１０ＭＨｚで変調される場合、送信される周波数帯は９９０ＭＨｚから１．０１０ＧＨｚであり、この周波数帯は、送信チャネルとして使用する必要がある場合に、９９５ＭＨｚとの干渉の問題を引き起こす。結果として生じる帯域幅の増大は、所与の周波数帯で送信することができる総データ量を限定する多くの因子の１つである。９９５ＭＨｚでのこの干渉を克服し、搬送波の帯域幅を最小化するため、通信システムは、図１０に示すように所定の時刻に１８０度移相される搬送波を使用することができる。分かりやすくするため、搬送波上に変調された情報信号は示されていない。図１１に示すように、この移相は、搬送周波数および近くのチャネル、例えば９９５ＭＨｚにおける平均電力をゼロにする。そのため、９９５ＭＨｚを、共通波システムまたは従来の技術を使用する通信チャネルとして使用することができ、このチャネルは１ＧＨｚチャネルの影響を受けない。

一実施形態では、１０サイクルごとに送信信号を移相する場合、受信機も「移相」して、着信信号を取り扱うことができるようにしなければならない。隣接チャネルもこの移相法を使用する場合には、それぞれのチャネルの移相のタイミングを他のチャネルからずらすことができる。これによって、より多くのチャネルを、チャネル間の干渉なしで同じ周波数帯に詰め込むことができる。

送信機または受信機用の伝統的なフィルタでは、図１０に示すように信号の位相を交番させると、回路が効果的に共振することが妨げられることがあり、したがって回路が弱い信号を出力する。
図１２は、交番位相を有する信号に対して共振を効果的に達成する交番位相信号フィルタ１２００の一実施形態を示す。スイッチ１２０１は、スイッチ制御入力に基づいて位置を交互に変える。この位置スイッチのタイミングは、従来の帯域フィルタまたは共振回路１２０２が常に、それに対する同じ位相入力を有するようなタイミングである。これによって、回路は共振を達成することができ、したがって所望の周波数および位相での強い信号を通過させることができる。さらに、これにより、望ましくない周波数および位相に対する弱め合う干渉が生じる。この同じタイプの交番位相信号フィルタ１２００は、図９に示すようにリセットされた信号とともに使用するとよく機能する。

図１０に示した実施形態では、搬送波が１８０度移相されるが、移相の他の組合せも同様の結果を達成することができ、このシステムが、図１０に示した１８０度の移相に限定されないことを理解することができる。例えば、０度の１０の搬送波、１２０度の１０の搬送波および−１２０度の１０の搬送波は、０度の３０の波よりも、搬送周波数における平均電力が小さい。さらに、異なる位相、振幅および周波数の組合せが同様の効果を有することができ、それらも本開示の範囲に含まれる。

側波帯の中性化
図１３および１４は、通信システムの側波帯を中性化する方法の一例を示す。図１３〜１４に示す方法は、従来の通信システムおよび共通波通信システムとともに使用することができる。無線信号（振幅、周波数および／または位相）を変化させると、帯域幅が増大し、側波帯が生成される。側波帯は、多くのプロトコルの無線通信、例えば「単側波帯」無線通信において不可欠の部分である。しかし、多くの状況で、側波帯は、信号変調の望ましくない副生物である。

図１１に示すように、搬送信号の移相によって、かなりの側波帯が生成されることが分かる。これらの側波帯は、放射され、その周波数の別のチャネルと干渉するため望ましくない。側波帯を排除する伝統的な方法は、低域、高域または帯域フィルタの使用である。これらの伝統的なフィルタは、高速信号を劣化させるため、高速データ信号が含まれる状況においては望ましくない。共通波システムとともに使用することができる側波帯中性化法では、搬送信号とともに「中性化信号」を送信線に注入することができる。図１３に示すように、９５０ＭＨｚの側波帯を中性化するため、特定の所定の振幅および位相を有する９５０ＭＨｚ信号を使用して、その側波帯を中性化し、図１３は、９５０ＭＨｚの側波帯が中性化された結果として得られた信号を示す。例えば、注入する信号は、中性化する側波帯と同じ振幅を有し、中性化される側波帯から１８０度移相されている必要がある。図１３に示す例では、搬送波が１ボルトの振幅を有し（図１０参照）、注入する９５０ＭＨｚ信号が０．６５２５ボルトの振幅を有する。注入する信号は、搬送波から位相が９０度ずれて始まる。さらに、追加の信号を同様に注入して、他の側波帯を排除することもできる。

側波帯の振幅、周波数および位相が予め分かっている限りにおいて、送信線への信号の注入を使用して、全ての側波帯源から生成される側波帯を排除することができる。これらの値は、研究室環境での以前の送信から決定し、現場設定で使用することができる。データ変調によって側波帯が生成される場合であっても、適当な側波帯中性化信号を送信線に注入することができる。その中性化信号の詳細はデータの値によって異なる。

送信システムの受信機端で、知られている技法を使用して原搬送波が回復される。中性化信号を注入した場合には、原搬送波を回復するために、それらの注入中性化信号が除去される。

本発明に係わる「送信線」が、１つの位置から別の位置へ信号エネルギーを伝達するのに使用される任意の経路と定義される。送信線には、限定はされないが、送信機内の導線、ウェーブガイド、送信機を１つまたは複数のアンテナ、増幅器または無線通信リンクを含む通信リンクに接続する線などが含まれる。

次に、上記の側波帯中性化（側波帯軽減）の詳細な例を説明する。この説明では、側波帯の中性化を例示するためにシミュレーションを使用する。以下に示す例は、側波帯の中性化が、無線通信のスペクトル効率をどのように実質的に増大させることができるのかを示す。この例では、よく知られた信号を出発点として示し、次いで、比較のため、説明した側波帯軽減を利用する信号を示す。この例の目的上、１ＧＨｚの搬送波を使用するが、開示する側波帯軽減は、任意の周波数とともに使用することができ、したがって特定の周波数に限定されない。この例示的な周波数を使用するのは、携帯電話（８００、９００、１８００、２１００ＭＨｚ）、ＷｉＦｉ（２．４ＧＨｚ）、ＷｉＭａｘ（２．３、２．５および３．５ＧＨｚ）などの一般的な周波数帯に近いためである。この例の目的上、使用するシミュレーションソフトウェアは、Ｌｉｎｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製のＬＴｓｐｉｃｅ／ＳｗｉｔｃｈｅｒＣＡＤ ＩＩＩ Ｖｅｒｓｉｏｎ ２．２４ｉである。

この例に対する１ＧＨｚの搬送波を生成することができる回路を図１５に示す。電圧源は、振幅１．４１４Ｖ、周波数１ＧＨｚの正弦波を発生させる。時間領域においてこの回路をシミュレートすると、図１６に示すような電圧対時間オシロスコープ出力が得られる。この信号電圧に対してよく知られているＦＦＴ（高速フーリエ変換）シミュレーションを実行した結果を図１７に示す。この例の目的上、全てのＦＦＴ演算は、そうでないと明記されていない限り、ハミング窓関数、１，０４８，５７６データ点サンプル、および５ポイント２項スムージングを使用して、１０００ｎｓの期間に対して実行される。

米連邦通信委員会（ＦＣＣ）の規制がどのように適用されるのかを示すため、「ＣＦＲタイトル４７、パート１５−無線周波装置、セクション１５．２４７ ９０２〜９２８ＭＨｚ、２４００〜２４８３．５ＭＨｚおよび５７２５〜５８５０ＭＨｚ帯におけるオペレーション」（CFR Title 47, Part 15-Radio Frequency Devices, §15.24.7 Operation within the bands 902-928 MHz, 2400-2483.5 MHz, and 5725-5850 MHz）を参照すると、以下のように記されている。
§１５．２４７ ９０２〜９２８ＭＨｚ、２４００〜２４８３．５ＭＨｚおよび５７２５〜５８５０ＭＨｚ帯におけるオペレーション
（ａ）このセクションの条項に基づくオペレーションは、以下の条項に従う周波数ホッピングおよびデジタル変調インテンショナルラジエータに限定される：
（１）周波数ホッピングシステムは、最小２５ｋＨｚまたはホッピングチャネルの２０ｄＢ帯域幅のいずれか大きい方によって分離されたホッピングチャネル搬送周波数を有するものとし、．．．。

上に示した搬送波に対する電力は、それらの帯域および１ＧＨｚに対する最大レベルよりも低い２０ｍＷである。ＦＦＴ結果に注目し、２５０ｋＨｚ（２０ｄＢ）帯域幅マスクを描いた結果を図１８に示す。この図では、ＦＦＴが１０００ｎｓの間サンプリングしただけであるため、信号がマスク内にフィットしていない。

この搬送波にデータを追加するため、図１９のＶ２によってデータ信号を発生させ、ＴＰ＿Ｄａｔａに出力させる。この例に対する以下のデータを任意に選択する。
１０１１００１１ １０００１１１１ ００００１１１１ １０００００１１ １１１１００００ ００１１１１１１ １０００００００ １１１１１１１１
００００００００ １１１１１１１１ １０００００００ ００１１１１１１ １１１１００００ ００００００１１ １１１１１１１１ １０００００００

データレートは１２５Ｍｂｐｓであり、その周期は８ｎｓである。この信号の最初の１２４ｎｓを図２０に示す。

図１９に示されたＰｈａｓｅ＿Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ＿９０＿ｄｅｇｒｅｅは、搬送波をデータ波で変調し、データビット「１」は９０°移相され、データビット「０」は０°移相される。図２１は、変調信号の最初の３６ｎｓを示す。図２２は、かなりの側波帯を有する変調信号のＦＦＴを示す。予想されるとおり、データレートがあまりに高いため、ローブ（ｌｏｂｅ）はマスク内にフィットしない。図２２に示されているように、２０ｄＢ帯域幅は２２ＭＨｚである。

本明細書に開示する側波帯軽減システムは、以下のように定義されるスペクトル効率を増大させる。
（スペクトル効率）＝（データレート）／（帯域幅） （式１）

式１を使用すると、図２１に示した信号のスペクトル効率は以下のようになる。
ＳＥ-20dB＝（１２５Ｍｂｐｓ）／（２２ＭＨｚ）＝５．７Ｍｂｐｓ／ＭＨｚ

帯域フィルタを使用して（一般的な解決策）、図２１の信号のスペクトル効率を向上させようとする試みは、帯域フィルタがデータをフィルタ除去してしまうため有効ではない。しかしながら、スペクトル効率は、デルタ移相を９０°未満（例えば１１．５°）に低減させること、振幅変調およびその他の使用を含む知られている技法を使用して向上させることができる。これらの知られている技法は機能し、頻繁に使用されているが、ハードウェアの実世界ノイズおよび感度に起因する限界を有する。例えば、デルタ移相を１１．５°に低減させると、受信機が、位相ノイズ（ジッタ）の影響をより受けやすくなり、位相検出器の分解能の限界に近づく。したがって、この一般的な解決策は限界を有し、かつ／または十分な結果を提供しない。本明細書に開示する側波帯軽減技術は、これらの知られている技法以上の改善を提供し、実際、これらの知られている技法とともに使用して、側波帯を低減させ、スペクトル効率を増大させることができる。

開示の側波帯軽減を実現するため、図２２に示された中央ローブを調べることができる。図２３に示すように、出力ＴＰ＿ＣＬＫ＿２５０を有する２５０ＭＨｚクロックおよび出力ＴＰ＿ＦＮ１を有する移相変調器を追加することができる。この移相変調器のため、それぞれのデータビットの移相はデータ周期の半分に対して０、残りの半分に対して移相は１８０である。データビットが１の場合、データビットの位相は最初の半分に対して０、次の半分に対して位相は１８０である。データビットが０の場合、図２４に示すように、データビットの位相は最初の半分に対して１８０、次の半分に対して位相は０である。ＬＴｓｐｉｃｅ（この例で使用したシミューレーションソフトウェア）では、「＾」（図２３に示されている）が、それらの式をブーリアンの両側に変換し、次いで結果のＸＯＲ（排他的論理和）をとるオペランドである。

側波帯軽減技術の変調により、それぞれのデータビットが、ＦＦＴに関してそれ自体を打ち消し、その結果、１ＧＨｚのローブは図２５に示されているように排除されるが、図２２の残りのローブは以前よりも悪くなる。図２５の８６７ＭＨｚに注目し、位相を追加すると図２６が得られる。この図では、ローブの中心が８６７ＭＨｚにあり、ピークが−１１．７ｄＢ、位相が−２４°（１ＧＨｚは−７°）である。８６７ＭＨｚローブを軽減するため、８６７ＭＨｚ、振幅０．３６８Ｖ、位相２４５°の正弦波Ｖ（ＴＰ＿ＦＮ２）を信号に追加する。結果はＴＰ＿ＦＮ２であり、図２７および２８に示されている。

図２８は、１回目の軽減の試みによって残留ローブが残っていることを示している。８６８ＭＨｚローブを軽減するため、振幅０．２００、位相２５０°の８６８．６ＭＨｚローブを追加する。これらの結果を図２９に示す。これらのステップを繰り返して、−２０ｄＢマスクよりも上の全てのローブを排除し、それによって、１２５Ｍｂｐｓデータレートを、２５０ｋＨｚ帯域幅ＦＣＣアロケーション内にフィットさせることを可能にすることができる。式１でこの数値を使用すると、側波帯軽減システムのスペクトル効率は以下のようになる。
ＳＥ_―20dB＝（１２５Ｍｂｐｓ）／（２５０ｋＨｚ）＝５００Ｍｂｐｓ／ＭＨｚ

この値は、既存の技術のスペクトル効率よりもかなり高い。この標準式によれば実際のスペクトル効率は無限大であるということができる。下表１に示すＳＢＭ信号によって、１ＧＨｚよりも低い全てのローブの排除が達成され、結果として生じる信号を図３０に、ＦＦＴを図３１に示す。

中性化信号の適当な特性は、送信するデータが入力される式によって、または送信するデータが使用される照合テーブルによって決定することができる。

位相フィルタリング
データ波中の情報信号を位相変調する場合には、受信機において復調するために位相フィルタリングが有用である。位相変調は、近くのデータチャネルからのノイズおよび干渉を有する着信信号に対して特に有益である。一例では、着信信号がその信号中に所望のデータを有するが、その信号のデータ部分が、その信号の中のノイズおよび干渉によって不明瞭になっていると仮定する。位相フィルタリングを実行するため、そのデータの値を（例えば１または０と）仮定し、その仮定に等しい信号を着信信号に注入する。データ値の仮定が正しい場合、着信信号と注入した信号との間の強め合う干渉が、強め合う干渉を提供し、その仮定が正しいことを証明する。データ値の仮定が誤っている場合、弱め合う干渉が、その仮定が誤っていることを示す。着信信号および注入した信号が共振（または「同調」）回路中にある場合、正しい仮定と誤った仮定との間の出力信号の差が非常に大きくなる。これは、注入した信号およびデータ信号の着信データ部分に対する正しい仮定が、波ごとに出力信号の振幅を増大させるためである。

図３２に示す一実施形態では、着信信号を分割して１５０５、２つの回路に入力することができ、一方の回路１５０１は、そのデータが「１」であると仮定し、もう一方の回路１５０２は、そのデータが「０」であると仮定する。信号発生器１５０３および１５０４は、それぞれ１および０であるそれらのそれぞれの仮定に等しい信号を発生させる。シミュレートした信号に入力信号を追加するために、抵抗器１５０６が使用される。示された４つの全ての抵抗器が同じ値である場合、信号は全て均等に追加される。特定の信号に対して利得が必要な場合には、異なる値の抵抗器を使用することができる。これらの２つの回路からの出力を信号比較装置１５０７に通すことができ、この信号比較装置の出力は、どちらの仮定（「０」または「１」）が正しい仮定であるかを強く指示する信号を提供する。この出力信号は、復調される通常の無線信号とはかなり異なるが、標準回路またはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を使用するよく知られた技法によって解析することができる。

この開示では、どうすれば特定の信号を発生させることができるかを示すために、全体を通じてハードウェア回路を示したが、これらの信号およびハードウェアの機能は、限定はされないが、デジタル信号合成、波形発生器、任意波形発生器、信号発生器、関数発生器、デジタルパターン発生器、周波数発生器、周波数合成、直接デジタル合成などを含むさまざまな手段によって統合することができることに留意されたい。この開示の目的上、これらの用語およびさまざまなハードウェア解決策は全て同義であり、これらは全て本開示の範囲に含まれる。

以上では、本発明の特定の実施形態を参照したが、本発明の原理および趣旨から逸脱することなく、この実施形態に変更を加えることができることを当業者は理解するであろう。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

Claims (46)

1. 通信リンクを渡って複数のチャネルを同時に送信する送信機を備え、前記複数のチャネルは、さらに、データ情報を運ぶ少なくとも１つのデータ信号チャネルと、前記データ信号との所定の関係を有する基準信号を運ぶ少なくとも１つの基準チャネルとを含み、前記データ信号チャネル中の前記データ情報が未知の特性を有する前記通信リンクを渡って伝送されたときに、前記少なくとも１つの基準チャネルに基づいて前記データ情報を回復することができる通信装置。
2. 前記通信リンクによって前記送信機から分離された受信機であり、前記複数の同時のチャネルを受信する受信機をさらに備え、前記受信機は、前記少なくとも１つの基準チャネルに基づいて前記少なくとも１つのデータチャネルから前記データ情報を抽出するデータ抽出器を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記データ抽出器は、前記少なくとも１つのデータチャネルと前記少なくとも１つの基準チャネルとの差を決定して、前記少なくとも１つのデータチャネルから前記データ情報を抽出する、請求項２に記載の装置。
4. 前記少なくとも１つの基準チャネルは、データ情報を運ばない、請求項１に記載の装置。
5. 前記少なくとも１つのデータチャネルがデータ情報を運んでいる期間中、前記少なくとも１つの基準チャネルはデータ情報を運ばない、請求項１に記載の装置。
6. 前記少なくとも１つの基準チャネルと前記少なくとも１つのデータチャネルとは、単一の送信媒体を通じて送信される、請求項１に記載の装置。
7. 前記通信リンクは、さらに、有線通信リンクを含む、請求項６に記載の装置。
8. 前記有線通信リンクは、さらに、電線、同心ケーブル、光ファイバ、プリント基板トレース、集積回路トレース、掘穿泥水およびＡＣ電力分配線のうちの１つを含む、請求項７に記載の装置。
9. 前記通信リンクは、さらに、前記複数のチャネルを送信する媒体を通じて機能する無線通信リンクを含み、前記媒体がさらに、空気、空間または水のうちの１つを含む、請求項６に記載の装置。
10. 前記基準信号は、前記少なくとも１つのデータ信号よりも多くの電力を有する、請求項１に記載の装置。
11. 前記基準信号は、複数の移動装置サービスプロバイダによって使用される、請求項１に記載の装置。
12. 通信リンクを渡って複数のチャネルを同時に受信する受信機を備え、前記複数のチャネルは、さらに、データ情報を運ぶ少なくとも１つのデータ信号チャネルと、前記データ信号との所定の関係を有する基準信号を運ぶ少なくとも１つの基準チャネルとを含み、前記データ信号チャネル中の前記データ情報が未知の特性を有する前記通信リンクを渡って受信されたときに、前記少なくとも１つの基準チャネルに基づいて前記データ情報を回復することができる通信装置。
13. 前記少なくとも１つの基準チャネルに基づいて前記少なくとも１つのデータチャネルから前記データ情報を抽出するデータ抽出器をさらに備える、請求項１２に記載の装置。
14. 前記データ抽出器は、前記少なくとも１つのデータチャネルと前記少なくとも１つの基準チャネルとの差を決定して、前記少なくとも１つのデータチャネルから前記データ情報を抽出する、請求項１３に記載の装置。
15. 前記少なくとも１つの基準チャネルは、データ情報を運ばない、請求項１２に記載の装置。
16. 前記少なくとも１つのデータチャネルがデータ情報を運んでいる期間中、前記少なくとも１つの基準チャネルはデータ情報を運ばない、請求項１２に記載の装置。
17. 前記少なくとも１つの基準チャネルと前記少なくとも１つのデータチャネルとは、単一の送信媒体を通じて送信される、請求項１２に記載の装置。
18. 前記通信リンクは、さらに、有線通信リンクを含む、請求項１７に記載の装置。
19. 前記有線通信リンクは、さらに、電線、同心ケーブル、光ファイバ要素、プリント基板トレース、集積回路トレース、掘穿泥水およびＡＣ電力分配線のうちの１つを含む、請求項１８に記載の装置。
20. 前記通信リンクは、さらに、前記複数のチャネルを送信する媒体を通じて機能する無線通信リンクを含み、前記媒体は、さらに、空気、空間または水のうちの１つを含む、請求項１７に記載の装置。
21. 前記基準信号は、前記少なくとも１つのデータ信号よりも多くの電力を有する、請求項１２に記載の装置。
22. 前記基準信号は、複数の移動装置サービスプロバイダによって使用される、請求項１２に記載の装置。
23. 交番位相信号を同調回路にどのように入力するのかを調整することにより、前記信号を受信することができる受信機を備える
    通信装置。
24. 複数の回路に入力信号を送信する回路であり、前記複数の回路のうちのそれぞれの回路が、予想される可能な信号を前記入力信号と結合する回路と、その結果生じる結合された信号を比較して、どの信号が、予想される信号の別のセットの１つに最も近いかを決定する比較器とを備える位相フィルタ装置。
25. 送信線を渡ってチャネルを送信することができる送信機を備え、
    前記送信機は、さらに、ある周波数を有する搬送波を提供する搬送波源と、前記搬送波の特性を変化させる回路とを備え、前記搬送波の前記特性を変化させることにより、前記搬送波の前記周波数における平均電力が大幅に低減する通信装置。
26. 前記搬送波の前記特性は、さらに、前記搬送波の位相を含み、前記搬送波の特性を変化させる前記回路は、さらに、前記搬送波周波数における平均電力が大幅に低減するような方式で、前記搬送波の前記位相をシフトさせる回路を含む、請求項２５に記載の装置。
27. 前記搬送波の特性を変化させる前記回路は、さらに、前記搬送波の１つまたは複数の側波帯周波数にある１つまたは複数の側波帯を中性化するある特性を有する中性化信号を、前記送信線に注入する中性化信号発生器を含み、前記中性化信号は、１つまたは複数の側波帯周波数にある前記１つまたは複数の側波帯と弱め合うように干渉する、請求項２５に記載の装置。
28. 前記中性化信号の前記特性は、送信するデータが入力される式によって決定される、請求項２７に記載の装置。
29. 前記中性化信号の前記特性は、送信するデータが使用される照合テーブルによって決定される、請求項２７に記載の装置。
30. 前記搬送波の前記特性は、前記搬送波の位相、前記搬送波の振幅および前記搬送波の周波数からなるグループから選択される、請求項２７に記載の装置。
31. 前記搬送波の前記特性を変化させる前記回路は、さらに、変調器を含む、請求項２５に記載の装置。
32. 送信線を渡ってチャネルを受信することができる受信機を備え、
    前記受信機がさらに、変化した特性を有する側波帯中性化搬送波を受信し、前記側波帯中性化搬送波から搬送波を回復する回路を備える通信装置。
33. 前記搬送波の前記変化した特性は、さらに、前記搬送波の位相を含み、前記搬送波を回復する前記回路は、前記搬送波の前記位相をシフトさせて、前記搬送波を生成する、請求項３２に記載の装置。
34. 前記搬送波を回復する前記回路は、さらに、前記側波帯中性化搬送波から、ある特性を有する中性化信号を除去して、前記搬送波を回復する回路を含む、請求項３２に記載の装置。
35. 前記搬送波の前記特性は、前記搬送波の位相、前記搬送波の振幅および前記搬送波の周波数からなるグループから選択される、請求項３４に記載の装置。
36. 前記搬送波を回復する前記回路は、さらに、変調器を含む、請求項３２に記載の装置。
37. データ情報を提供すること、および
    通信リンクを渡って複数のチャネルを同時に送信することを含み、
    前記複数のチャネルは、さらに、データ情報を運ぶ少なくとも１つのデータ信号チャネルと、前記データ信号との所定の関係を有する基準信号を運ぶ少なくとも１つの基準チャネルとを含み、前記データ信号チャネル中の前記データ情報が未知の特性を有する前記通信リンクを渡って送信されたときに、前記少なくとも１つの基準チャネルに基づいて前記データ情報を回復することができる
    通信方法。
38. 前記同時の複数のチャネルを受信すること、および前記少なくとも１つの基準チャネルに基づいて前記少なくとも１つのデータチャネルから前記データ情報を抽出することをさらに含む、請求項３７に記載の方法。
39. 前記データ情報を抽出することは、さらに、前記少なくとも１つのデータチャネルと前記少なくとも１つの基準チャネルとの差を決定して、前記少なくとも１つのデータチャネルから前記データ情報を抽出することを含む、請求項３８に記載の方法。
40. 前記少なくとも１つの基準チャネルは、データ情報を運ばない、請求項３８に記載の方法。
41. 前記少なくとも１つのデータチャネルがデータ情報を運んでいる期間中、前記少なくとも１つの基準チャネルはデータ情報を運ばない、請求項３８に記載の方法。
42. 前記少なくとも１つの基準チャネルと前記少なくとも１つのデータチャネルとは、単一の送信媒体を通じて送信される、請求項３８に記載の方法。
43. ある周波数を有する搬送波を提供すること、および
    前記搬送波の特性を変化させることを含み、
    前記搬送波の前記特性を変化させることにより、前記搬送波の前記周波数における平均電力が大幅に低減する通信方法。
44. 前記搬送波の前記特性を変化させることは、さらに、前記搬送波周波数における平均電力が大幅に低減するような方式で、前記搬送波の位相をシフトさせることを含む、請求項４３に記載の方法。
45. 前記搬送波の前記特性を変化させることは、さらに、前記搬送波の１つまたは複数の側波帯周波数にある１つまたは複数の側波帯を中性化するある特性を有する中性化信号を、前記送信線に注入することを含み、前記中性化信号は、１つまたは複数の側波帯周波数にある前記１つまたは複数の側波帯と弱め合うように干渉する、請求項４３に記載の方法。
46. 前記搬送波の前記特性は、前記搬送波の位相、前記搬送波の振幅および前記搬送波の周波数からなるグループから選択される、請求項４３に記載の方法。

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