時刻基準点情報伝送システムおよび受信器 |
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| 申请号 | JP2007528168 | 申请日 | 2006-04-19 | 公开(公告)号 | JPWO2006112475A1 | 公开(公告)日 | 2008-12-11 |
| 申请人 | 大学共同利用機関法人情報・システム研究機構; | 发明人 | 宏達 橋爪; 宏達 橋爪; 雅則 杉本; 雅則 杉本; | ||||
| 摘要 | 時刻基準点を 精度 よく且つ短時間で伝送することができる時刻基準点情報伝送システムおよび受信器を提供することを課題とする。本発明にかかる時刻基準点情報伝送システムにおいて、送信器は、通信路で通信可能な周 波数 信号 を複数生成し、生成した複数の周波数信号に基づいて各々の周波数信号の位相が所定の関係になる時点を定め、定めた当該時点を時刻基準点と定義し、定義した時刻基準点に基づいて各々の周波数信号の位相を調整し、位相を調整した後の複数の周波数信号を合成し、合成した複数の周波数信号を通信信号として受信器へ送信する。受信器は、送信器から送信された通信信号を受信し、受信した通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の周波数信号の位相を抽出し、抽出した複数の位相に基づいて各々の位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を時刻基準点として決定する。 | ||||||
| 权利要求 | 所定の周波数帯域で通信可能な通信路において送信器から受信器へ時刻基準点に関する情報を伝送する時刻基準点情報伝送システムであって、 前記送信器は、 前記通信路で通信可能な周波数信号を複数生成する周波数信号生成手段と、 前記周波数信号生成手段で生成した複数の前記周波数信号に基づいて各々の前記周波数信号の位相が所定の関係になる時点を定め、定めた当該時点を前記時刻基準点と定義し、定義した前記時刻基準点に基づいて各々の前記周波数信号の前記位相を調整する位相調整手段と、 前記位相調整手段で前記位相を調整した後の複数の前記周波数信号を合成し、合成した複数の前記周波数信号を通信信号として前記受信器へ送信する送信手段と、 を備え、 前記受信器は、 前記送信器から送信された前記通信信号を受信する受信手段と、 前記受信手段で受信した前記通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相を抽出する位相抽出手段と、 前記位相抽出手段で抽出した複数の前記位相に基づいて各々の前記位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を前記時刻基準点として決定する時刻基準点決定手段と、 を備えたことを特徴とする時刻基準点情報伝送システム。 前記位相抽出手段は、前記受信手段で受信した前記通信信号および数式１に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相を抽出すること を特徴とする請求項１に記載の時刻基準点情報伝送システム。 前記位相抽出手段は、前記受信手段で受信した前記通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相および当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の角周波数を抽出し、 前記時刻基準点決定手段は、前記位相抽出手段で抽出した複数の前記位相および複数の前記角周波数に基づいて各々の前記位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を前記時刻基準点として決定すること を特徴とする請求項１または２に記載の時刻基準点情報伝送システム。 前記送信手段は、前記合成した複数の前記周波数信号を前記通信信号として超音波、電磁波、光のいずれか１つで前記受信器へ送信し、 前記受信手段は、前記送信器から送信された前記通信信号を、前記超音波、前記電磁波、前記光のいずれか１つで受信すること を特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の時刻基準点情報伝送システム。 所定の周波数帯域で通信可能な通信路において時刻基準点に関する情報を受信する受信器であって、 各々の位相が所定の関係になる時点と定義された前記時刻基準点に基づいて各々の前記位相が調整された複数の周波数信号であって前記調整の後に合成されたものを、通信信号として受信する受信手段と、 前記受信手段で受信した前記通信信号および数式１に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相を抽出する位相抽出手段と、 前記位相抽出手段で抽出した複数の前記位相に基づいて各々の前記位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を前記時刻基準点として決定する時刻基準点決定手段と、 を備えたことを特徴とする受信器。 前記位相抽出手段は、前記受信手段で受信した前記通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相および当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の角周波数を抽出し、 前記時刻基準点決定手段は、前記位相抽出手段で抽出した複数の前記位相および複数の前記角周波数に基づいて各々の前記位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を前記時刻基準点として決定すること を特徴とする請求項５に記載の受信器。 前記受信手段は、前記通信信号を、超音波、電磁波、光のいずれか１つで受信すること を特徴とする請求項５または６に記載の受信器。 |
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| 说明书全文 | 本発明は、所定の周波数帯域で通信可能な通信路（例えば、周波数に因り位相伝搬特性や振幅伝搬特性が変化する等の理由から、通信に利用できる周波数帯域が制約されている通信路）において、送信器から受信器へ時刻基準点に関する情報を伝送する時刻基準点情報伝送システム、および当該時刻基準点情報伝送システムで用いる受信器に関するものである。 通信や計測を行うシステムにおいて、タイミング情報（本発明における時刻基準点に対応）を高速且つ厳密に伝達したり計測したりすることが要求される局面は多く存在する。 例えば、画像通信においては水平・垂直走査の同期をとる局面、同期型デジタルデータ通信においては各ビット情報を切り替えるタイミングを検出する局面、計測においては信号の遅延時間に基づいて距離や角度を計測する局面などが存在する。 そして、上述したシステムでは、空間や光ファイバー、導波管、通信ケーブル中を伝搬する電磁波の波動現象や、気体や液体、固体を伝搬する音波の波動現象を利用してタイミング情報を伝達している。 ここで、上述したシステムで使用する波形発生器、波動伝搬媒質および波形受信器が、広い周波数領域おいて十分均等な振幅伝達特性および位相伝達特性を有すると仮定すると、例えば、伝えたいタイミング情報を矩形の電気信号パルスの前縁や矩形の超音波バーストの前縁などで表現することで、波形発生器から波形受信器へタイミング情報を正確且つ容易に伝達することができる。 また単に包絡線振幅を検出することで、振幅を得ることができる。 上述した電気信号パルスや超音波バーストは周波数スペクトラムにおいて無限の広がりを持っている。 しかし実在の波形発生器、波動伝搬媒質および波形受信器は、不均等な振幅周波数特性および位相周波数特性を多少なり有し、限られた帯域の周波数による通信しか許されない場合がほとんどである。 そのため、矩形の電気信号パルスや矩形の超音波バーストは受信端において変形を受ける。 特に、狭帯域の周波数特性を有する波形変換装置や波動伝搬媒質を利用する通信システムや遠距離の通信システムでは、タイミング情報を厳密に伝達することが困難であり、また振幅の検出が困難になり、結果的に情報通信速度が制限される。 ところで、計測の分野においては、信号の遅延時間により距離や角度を計測するレーダーやレーザー計測器や超音波計測器が存在する。 そして、距離や角度の計測精度はタイミング情報の伝達精度（検出精度）と直接関係する。 換言すると、距離や角度の計測精度はタイミング情報の伝達精度（検出精度）に左右される。 そのため、計測の分野ではタイミング情報を正確に（厳密に）伝達することが重要である。 ここで、例えば、４０ｋＨｚの搬送波バーストの包絡線前縁を検出することで送信器と受信器との間の距離を計測する超音波式距離計が存在する。 そして、当該超音波式距離計の距離計測精度は数ｃｍ〜数十ｃｍ程度である。 なお、当該超音波式距離計では超音波の送受信素子に圧電セラミック素子を使用している。 ちなみに、空気中を伝搬する音波の速度に照らして換算すると、当該超音波式距離計におけるタイミング情報の伝達精度は０．１ｍｓ〜１ｍｓであり、この値は狭帯域通信路を通過した波形の包絡線を利用して達成できる精度の代表値である。 上述した超音波式距離計で使用している圧電セラミック素子は狭帯域の周波数特性を有するため、受信波形は強い歪みを受ける。 また、上述した超音波式距離計では、超音波バーストの前縁のような、信号的に過渡応答特性の強く影響する領域を使用するため、送受信素子の特性のばらつきが計測精度やタイミング情報の伝達精度に影響を与えやすくなる。 さらに、波形の包絡線は伝送路の振幅周波数特性および位相周波数特性の双方の影響を受けるため、これら特性を有する伝送路を利用する場合には、包絡線の形状が変化し易くなり、その結果、タイミング情報の伝達精度が低下してしまう可能性が考えられる。 一方、位相情報のみを使用してタイミング情報を伝達することができれば、包絡線を利用してタイミング情報を伝達する方法に比べてその伝達精度を高めることが可能であり、その結果、より精度の高い計測や通信が行える可能性がある。 ここで、例えば、比較的近接した２点間で距離計測を行い、位相の差を得て信号源との角度を求める角度計は実用されている。 また、例えば、狭い距離の中で変位を求める微小変位計が実用化されており、当該微小変位計は１ｍｍ前後の計測精度を有している。 ここで、位相情報のみを使用してタイミング情報を伝達する場合、位相は正弦波のような周期現象から抽出しなければならず、さらに波形は２πラジアンの位相値（時間の場合は周期、距離の場合は波長）で繰り返されるため、受信端で得られる位相は、その絶対値を２πで除した剰余（その絶対値を２πで割ったときの余り）となる。 これにより、例えば、位相を抽出することで距離を計測しようとしても、距離の絶対値を計測することはできない。 具体的には、４０ｋＨｚの超音波の波長は空気中で約８．５ｍｍ（位相値の２πラジアンに相当する）であるが、当該超音波を利用して位相を抽出し、距離を決めようとしても、距離を８．５ｍｍの波長で割ったときの余りが求められるのみで、距離の絶対値を計測することはできない。 そこで、位相を利用した超音波変位計に、４０ｋＨｚの超音波の空気中での波長に相当する８．５ｍｍを超える計測範囲をもたせる発明として、特許文献１が開示されている。 特許文献１には、異なる２つの周波数ｆ 1およびｆ 2 （ｆ 1 ＞ｆ 2 ）による位相遅延計測を周波数を切り替えながら２度行うことで位相φ 1およびφ 2を得て、その位相に基づいて各種処理を行うことで実質的に「ｆ 1 −ｆ 2 」の周波数を使用して位相を計測したことに換算する装置および方法について記されている。 具体的には、「ｆ 1 ＝４０ｋＨｚ、ｆ 2 ＝３９ｋＨｚ」の各周波数を切り替えながら位相遅延を計測することで、実質的に１ｋＨｚ（４０ｋＨｚ−３９ｋＨｚ）の搬送波で位相を計測したような効果を得ている。 これにより、１ｍｍ前後の計測精度は維持しつつ、４０ｋＨｚの超音波を利用した変位計の距離の不定さである８．５ｍｍを１ｋＨｚの音波の波長である３４０ｍｍまで延長することができた。 しかしながら、従来技術では、計測範囲を３４０ｍｍまで延長することができたものの、依然、位相を利用した情報伝達技術における課題である位相周期によるタイミング情報の不定さが残るので、変位を計測することはできるものの、絶対的な距離を計測することは困難である、という問題点があった。 また、従来技術では、周波数を切り替えながら計測を複数回行っていたので、計測時間が長くなってしまい、タイミング情報の伝達時間が長くなってしまう、という問題点があった。 当該問題点は、特に、対象物が移動したり風向きや気温の変動で伝搬媒質が変化したりする場合に顕著となり、当該場合では計測自体が困難となってしまう。 本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、時刻基準点を精度よく且つ短時間で伝送することができる時刻基準点情報伝送システム、および当該時刻基準点情報伝送システムで用いる受信器を提供することを目的とする。 上記目的を達成するために、本発明にかかる時刻基準点情報伝送システムは、所定の周波数帯域で通信可能な通信路において送信器から受信器へ時刻基準点に関する情報を伝送する時刻基準点情報伝送システムであって、前記送信器は、前記通信路で通信可能な周波数信号を複数生成する周波数信号生成手段と、前記周波数信号生成手段で生成した複数の前記周波数信号に基づいて各々の前記周波数信号の位相が所定の関係になる時点を定め、定めた当該時点を前記時刻基準点と定義し、定義した前記時刻基準点に基づいて各々の前記周波数信号の前記位相を調整する位相調整手段と、前記位相調整手段で前記位相を調整した後の複数の前記周波数信号を合成し、合成した複数の前記周波数信号を通信信号として前記受信器へ送信する送信手� ��と、を備え、前記受信器は、前記送信器から送信された前記通信信号を受信する受信手段と、前記受信手段で受信した前記通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相を抽出する位相抽出手段と、前記位相抽出手段で抽出した複数の前記位相に基づいて各々の前記位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を前記時刻基準点として決定する時刻基準点決定手段と、を備えたことを特徴とする。 また、本発明にかかる時刻基準点情報伝送システムは、前記に記載の時刻基準点情報伝送システムにおいて、前記位相抽出手段は、前記受信手段で受信した前記通信信号および数式１に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相を抽出することを特徴とする。 1およびω 2は角周波数であり、それぞれ「ω 1 ＝２πｆ 1 」および「ω 2 ＝２πｆ 2 」で定義される。なお、ｆ 1およびｆ 2はそれぞれ、前記周波数信号生成手段で生成した前記周波数信号の周波数である。Ｔは前記通信信号を取り出す時間の長さである。ｅは自然対数における底である。ｊは虚数単位である。ｐ 1およびｐ 2はそれぞれ、周波数ｆ 1の前記周波数信号に対応する位相および周波数ｆ 2の前記周波数信号に対応する位相である。ｓ（ｔ）は前記通信信号の波形を表す関数であり、「ｓ（ｔ）＝ａ 1 ｓｉｎ（ω 1 ｔ＋ｐ 1 ）＋ａ 2 ｓｉｎ（ω 2 ｔ＋ｐ 2 ）」で定義される。ａ 1およびａ 2はそれぞれ、周波数ｆ 1の前記周波 数信号に対応する振幅および周波数ｆ 2の前記周波数信号に対応する振幅である。ｔは時刻を表す変数である。＜ｓ（ｔ），ｅ j ω 1t ＞および＜ｓ（ｔ），ｅ j ω 2t ＞はそれぞれ、ｓ（ｔ）とｅ j ω 1tとの内積およびｓ（ｔ）とｅ j ω 2tとの内積である。） また、本発明にかかる時刻基準点情報伝送システムは、前記に記載の時刻基準点情報伝送システムにおいて、前記位相抽出手段は、前記受信手段で受信した前記通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相および当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の角周波数を抽出し、前記時刻基準点決定手段は、前記位相抽出手段で抽出した複数の前記位相および複数の前記角周波数に基づいて各々の前記位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を前記時刻基準点として決定することを特徴とする。 また、本発明にかかる時刻基準点情報伝送システムは、前記に記載の時刻基準点情報伝送システムにおいて、前記送信手段は、前記合成した複数の前記周波数信号を前記通信信号として超音波、電磁波、光のいずれか１つで前記受信器へ送信し、前記受信手段は、前記送信器から送信された前記通信信号を、前記超音波、前記電磁波、前記光のいずれか１つで受信することを特徴とする。 また、本発明は時刻基準点情報伝送方法に関するものであり、本発明にかかる時刻基準点情報伝送方法は、所定の周波数帯域で通信可能な通信路において送信器から受信器へ時刻基準点に関する情報を伝送する時刻基準点情報伝送方法であって、前記送信器において、前記通信路で通信可能な周波数信号を複数生成する周波数信号生成ステップと、前記周波数信号生成ステップで生成した複数の前記周波数信号に基づいて各々の前記周波数信号の位相が所定の関係になる時点を定め、定めた当該時点を前記時刻基準点と定義し、定義した前記時刻基準点に基づいて各々の前記周波数信号の前記位相を調整する位相調整ステップと、前記位相調整ステップで前記位相を調整した後の複数の前記周波数信号を合成し、合成した複数の前記周波数信� ��を通信信号として前記受信器へ送信する送信ステップと、を実行し、前記受信器において、前記送信器から送信された前記通信信号を受信する受信ステップと、前記受信ステップで受信した前記通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相を抽出する位相抽出ステップと、前記位相抽出ステップで抽出した複数の前記位相に基づいて各々の前記位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を前記時刻基準点として決定する時刻基準点決定ステップと、を実行することを特徴とする。 また、本発明にかかる時刻基準点情報伝送方法は、前記に記載の時刻基準点情報伝送方法において、前記位相抽出ステップは、前記受信ステップで受信した前記通信信号および数式１に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相を抽出することを特徴とする。 1およびω 2は角周波数であり、それぞれ「ω 1 ＝２πｆ 1 」および「ω 2 ＝２πｆ 2 」で定義される。なお、ｆ 1およびｆ 2はそれぞれ、前記周波数信号生成ステップで生成した前記周波数信号の周波数である。Ｔは前記通信信号を取り出す時間の長さである。ｅは自然対数における底である。ｊは虚数単位である。ｐ 1およびｐ 2はそれぞれ、周波数ｆ 1の前記周波数信号に対応する位相および周波数ｆ 2の前記周波数信号に対応する位相である。ｓ（ｔ）は前記通信信号の波形を表す関数であり、「ｓ（ｔ）＝ａ 1 ｓｉｎ（ω 1 ｔ＋ｐ 1 ）＋ａ 2 ｓｉｎ（ω 2 ｔ＋ｐ 2 ）」で定義される。ａ 1およびａ 2はそれぞれ、周波数ｆ 1の前記 周波数信号に対応する振幅および周波数ｆ 2の前記周波数信号に対応する振幅である。ｔは時刻を表す変数である。＜ｓ（ｔ），ｅ j ω 1t ＞および＜ｓ（ｔ），ｅ j ω 2t ＞はそれぞれ、ｓ（ｔ）とｅ j ω 1tとの内積およびｓ（ｔ）とｅ j ω 2tとの内積である。） また、本発明にかかる時刻基準点情報伝送方法は、前記に記載の時刻基準点情報伝送方法において、前記位相抽出ステップは、前記受信ステップで受信した前記通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相および当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の角周波数を抽出し、前記時刻基準点決定ステップは、前記位相抽出ステップで抽出した複数の前記位相および複数の前記角周波数に基づいて各々の前記位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を前記時刻基準点として決定することを特徴とする。 また、本発明にかかる時刻基準点情報伝送方法は、前記に記載の時刻基準点情報伝送方法において、前記送信ステップは、前記合成した複数の前記周波数信号を前記通信信号として超音波、電磁波、光のいずれか１つで前記受信器へ送信し、前記受信ステップは、前記送信器から送信された前記通信信号を、前記超音波、前記電磁波、前記光のいずれか１つで受信することを特徴とする。 また、本発明は送信器に関するものであり、本発明にかかる送信器は、所定の周波数帯域で通信可能な通信路において時刻基準点に関する情報を送信する送信器であって、前記通信路で通信可能な周波数信号を複数生成する周波数信号生成手段と、前記周波数信号生成手段で生成した複数の前記周波数信号に基づいて各々の前記周波数信号の位相が所定の関係になる時点を定め、定めた当該時点を前記時刻基準点と定義し、定義した前記時刻基準点に基づいて各々の前記周波数信号の前記位相を調整する位相調整手段と、前記位相調整手段で前記位相を調整した後の複数の前記周波数信号を合成し、合成した複数の前記周波数信号を通信信号として前記受信器へ送信する送信手段と、を備えたことを特徴とする。 また、本発明にかかる送信器は、前記送信手段は、前記合成した複数の前記周波数信号を前記通信信号として超音波、電磁波、光のいずれか１つで前記受信器へ送信することを特徴とする。 また、本発明は受信器に関するものであり、本発明にかかる受信器は、所定の周波数帯域で通信可能な通信路において時刻基準点に関する情報を受信する受信器であって、各々の位相が所定の関係になる時点と定義された前記時刻基準点に基づいて各々の前記位相が調整された複数の周波数信号であって前記調整の後に合成されたものを、通信信号として受信する受信手段と、前記受信手段で受信した前記通信信号および数式１に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相を抽出する位相抽出手段と、前記位相抽出手段で抽出した複数の前記位相に基づいて各々の前記位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を前記時刻基準点として決定する時刻基準点決定手段と、を備えたことを特徴とする。 1およびω 2は角周波数であり、それぞれ「ω 1 ＝２πｆ 1 」および「ω 2 ＝２πｆ 2 」で定義される。なお、ｆ 1およびｆ 2はそれぞれ、前記周波数信号生成手段で生成した前記周波数信号の周波数である。Ｔは前記通信信号を取り出す時間の長さである。ｅは自然対数における底である。ｊは虚数単位である。ｐ 1およびｐ 2はそれぞれ、周波数ｆ 1の前記周波数信号に対応する位相および周波数ｆ 2の前記周波数信号に対応する位相である。ｓ（ｔ）は前記通信信号の波形を表す関数であり、「ｓ（ｔ）＝ａ 1 ｓｉｎ（ω 1 ｔ＋ｐ 1 ）＋ａ 2 ｓｉｎ（ω 2 ｔ＋ｐ 2 ）」で定義される。ａ 1およびａ 2はそれぞれ、周波数ｆ 1の前記周波 数信号に対応する振幅および周波数ｆ 2の前記周波数信号に対応する振幅である。ｔは時刻を表す変数である。＜ｓ（ｔ），ｅ j ω 1t ＞および＜ｓ（ｔ），ｅ j ω 2t ＞はそれぞれ、ｓ（ｔ）とｅ j ω 1tとの内積およびｓ（ｔ）とｅ j ω 2tとの内積である。） また、本発明にかかる受信器は、前記に記載の受信器において、前記位相抽出手段は、前記受信手段で受信した前記通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の前記位相および当該通信信号に含まれる各々の前記周波数信号の角周波数を抽出し、前記時刻基準点決定手段は、前記位相抽出手段で抽出した複数の前記位相および複数の前記角周波数に基づいて各々の前記位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を前記時刻基準点として決定することを特徴とする。 また、本発明にかかる受信器は、前記に記載の受信器において、前記受信手段は、前記通信信号を、超音波、電磁波、光のいずれか１つで受信することを特徴とする。 本発明によれば、所定の周波数帯域で通信可能な通信路（通信に使用できる周波数帯域が制限された通信路）において送信器から受信器へ時刻基準点に関する情報を伝送する。 送信器は、通信路で通信可能な周波数信号を複数生成し、生成した複数の周波数信号に基づいて各々の周波数信号の位相が所定の関係になる時点を定め、定めた当該時点を時刻基準点と定義し、定義した時刻基準点に基づいて各々の周波数信号の位相を調整し、位相を調整した後の複数の周波数信号を合成し、合成した複数の周波数信号を通信信号として受信器へ送信する。 受信器は、送信器から送信された通信信号を受信し、受信した通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の周波数信号の位相を抽出し、抽出した複数の位相に基づいて各々の位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を時刻基準点として決定する。 これにより、例えば安価な狭帯域送受信素子を使用しても、受信波形歪による影響を抑えて時刻基準点を精度よく且つ短時間で伝送することができる、という効果を奏する。 また、本発明によれば、受信器は、受信した通信信号および数式１に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の周波数信号の位相を抽出する。 これにより、一般ＦＦＴによることなく情報伝送に関わる周波数のみを扱うことで、ノイズの影響を軽減し、また高速な検出操作が可能になる、という効果を奏する。 なお、数式１から個々の搬送波の振幅基準を得ることにより、複数搬送波による直交振幅変調を効率よく復調することができる。 また、従来のＦＦＴなどによる周波数分解方法に比較して、高速に、高精度に、要素周波数の位相情報や振幅情報を抽出することができる。 また、本発明によれば、受信器は、受信した通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の周波数信号の位相および当該通信信号に含まれる各々の周波数信号の角周波数を抽出し、抽出した複数の位相および複数の角周波数に基づいて各々の位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を時刻基準点として決定する。 具体的には、例えば通信信号が２つの周波数信号を合成したものである場合、受信器は、２つの周波数信号の位相が一致する時点を、観測された任意の時点での位相差に基づいて、数式「ｔ＝−（ｐ 1 −ｐ 2 ）÷（ω 1 −ω 2 ）」（ｐ 1およびｐ 2は位相、ω 1およびω 2は角周波数）で求め、求めた当該時点を時刻基準点として決定する。 これにより、短時間且つ高精度に時刻基準点を決定することができる、という効果を奏する。 また、本発明によれば、送信器は、合成した複数の周波数信号を通信信号として超音波、電磁波、光のいずれか１つで受信器へ送信し、受信器は、送信器から送信された通信信号を、超音波、電磁波、光のいずれか１つで受信する。 これにより、一般の線形波動で表現できるものに本発明を適用することができる、という効果を奏する。 １００ 超音波距離計測システム（時刻基準点情報伝送システムを含む） 以下に、本発明にかかる時刻基準点情報伝送システム、および当該時刻基準点情報伝送システムで用いる受信器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 ［本発明の基本原理］ まず、送信器で、通信路で通信可能な周波数信号を複数生成する（ステップＳ−１：周波数信号生成ステップ）。 つぎに、送信器で、ステップＳ−１で生成した複数の周波数信号に基づいて各々の周波数信号の位相が所定の関係になる時点を定め、定めた当該時点を時刻基準点と定義し、定義した時刻基準点に基づいて各々の周波数信号の位相を調整する（ステップＳ−２：位相調整ステップ）。 具体的には、ステップＳ−１で生成した複数個の周波数信号の各位相が所定の条件の関係になった時点を時刻基準点と定義し、周波数信号の関係が時刻基準点の所定の条件に合うように複数個の周波数信号の位相を揃える。 ここで、本発明の特徴部分である時刻基準点の定義の一例について、図２を参照して説明する。 図２は時刻基準点の定義の一例を示す図である。 なお、当該説明は、ステップＳＡ−１で２つの周波数信号（周波数ｆ 1 ＝３９．７５ｋＨｚ、周波数ｆ 2 ＝４０．２５ｋＨｚ）を生成した場合の一例である。 再び図１に戻り、送信器で、ステップＳ−２で位相を調整した複数の周波数信号を合成し、合成した複数の周波数信号を通信信号として受信器へ送信する（ステップＳ−３：送信ステップ）。 なお、ステップＳ−３において、ステップＳ−２で合成した（具体的には位相を揃えた）複数の周波数信号を直接搬送波の通信信号として受信器へ送信してもよく、また合成した複数の周波数信号を、他周波数の搬送波で変調した通信信号として受信器へ送信してもよい。 つぎに、受信器で、送信器から送信された通信信号を受信する（ステップＳ−４：受信ステップ）。 なお、ステップＳ−３において、合成した複数の周波数信号が直接搬送波の通信信号として送信された場合には、ステップＳ−４において当該直接搬送波の通信信号を受信してもよい。 また、ステップＳ−３において、合成した複数の周波数信号が、他周波数の搬送波で変調した通信信号として送信された場合には、ステップＳ−４において当該他周波数の搬送波で変調した通信信号を受信して復調してもよい。 つぎに、受信器で、ステップＳ−４で受信した通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の周波数信号の位相を抽出する（ステップＳ−５：位相抽出ステップ）。 換言すると、ステップＳ−４で受信した通信信号の周波数成分を分解して個々の位相情報を抽出する。 1およびω 2は角周波数であり、それぞれ「ω 1 ＝２πｆ 1 」および「ω 2 ＝２πｆ 2 」で定義される。 なお、ｆ 1およびｆ 2はそれぞれ、生成した周波数信号の周波数である。 Ｔは通信信号を取り出す時間の長さである。 ｅは自然対数における底である。 ｊは虚数単位である。 ｐ 1およびｐ 2はそれぞれ、周波数ｆ 1の周波数信号に対応する位相および周波数ｆ 2の周波数信号に対応する位相である。 ｓ（ｔ）は受信した通信信号の波形を表す関数であり、「ｓ（ｔ）＝ａ 1 ｓｉｎ（ω 1 ｔ＋ｐ 1 ）＋ａ 2 ｓｉｎ（ω 2 ｔ＋ｐ 2 ）」で定義される。 ａ 1およびａ 2はそれぞれ、周波数ｆ 1の周波数信号に対応する振幅および周波数ｆ 2の周波数信号に対応する振幅である。 ｔは時刻を表す変数である。 ＜ｓ（ｔ），ｅ j ω 1t ＞および＜ｓ（ｔ），ｅ j ω 2t ＞はそれぞれ、ｓ（ｔ）とｅ j ω 1tとの内積およびｓ（ｔ）とｅ j ω 2tとの内積である。 つぎに、受信器で、ステップＳ−５で抽出した複数の位相に基づいて各々の位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を時刻基準点として決定する（ステップＳ−６：時刻基準点決定ステップ）。 換言すると、ステップＳ−５で抽出した複数の位相情報を比較して、それらが所定の条件の関係になった時点を時刻基準点として決定する。 以上、本発明の基本原理について説明したが、受信器で、ステップＳ−６で決定した時刻基準点および所定の時間長に基づいて、通信信号を読み出し始める時点である読出開始時点を設定し、設定した読出開始時点から所定の時間長分の通信信号をステップＳ−４で受信した通信信号から読み出してもよい。 なお、この場合、受信器は、読み出した当該通信信号に基づいて改めてステップＳ−５を実行して複数の位相を抽出し、抽出した複数の位相に基づいて改めてステップＳ−６を実行して時刻基準点を決定する。 これにより、位相抽出処理にかかる波形の抽出場所や長さは任意であることから、受信した通信信号の波形における冒頭部の過渡応答妨害を除外し、また振幅の大きな部分を優先して使用することで、雑音の影響を効果的に回避することができる。 換言すると、受信波形のうち過渡応答やノイズによる影響のある部分を避け、高精度な決定処理ができる。 また、検出に使用する波形は比較的短いものでよいので、高速な検出ができ、またマルチパス妨害による検出誤差を軽減できる。 また、ステップＳ−５において、受信した通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の周波数信号の位相および当該通信信号に含まれる各々の周波数信号の角周波数を抽出し、ステップＳ−６において、抽出した複数の位相および複数の角周波数に基づいて各々の位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を時刻基準点として決定してもよい。 具体的には、例えば通信信号が２つの周波数信号を合成したものである場合、受信器は、２つの周波数信号の位相が一致する時点を、観測された任意の時点での位相差に基づいて、後述の数式６で求め、求めた当該時点を時刻基準点として決定してもよい。 これにより、短時間且つ高精度に時刻基準点を決定することができる。 また、ステップＳ−３において、ステップＳ−２で合成した複数の周波数信号を通信信号として超音波、電磁波、光などで受信器へ送信してもよい。 具体的には、ステップＳ−２で位相を揃えた複数個の周波数信号を直接搬送波の通信信号として超音波や電磁波や光などで送信してもよく、またステップＳ−２で位相を揃えた複数個の周波数信号を他周波数の搬送波で変調した通信信号として超音波や電磁波や光などで送信してもよい。 また、ステップＳ−４において、送信器から送信された通信信号を超音波や電磁波や光などで受信してもよい。 具体的には、送信器から送信された直接搬送波の通信信号を超音波や電磁波や光などで受信してもよく、また送信器から送信された変調された通信信号を超音波や電磁波や光などで受信して復調してもよい。 また、ステップＳ−５において、位相情報だけでなく振幅情報（振幅基準情報）も抽出してもよい。 これにより、例えば、複数搬送波による直交振幅変調を効率よく復調することができる。 ［システム構成］ 図３に示すように、超音波距離計測システム１００は、送信ノード（送信器）１０２と受信ノード（受信器）１０４とで構成され、所定の周波数帯域で通信可能な通信路（例えば、周波数に因り位相伝搬特性や振幅伝搬特性が変化する等の理由から、通信に利用できる周波数帯域が制約されている通信路）を利用して送信ノード１０２から受信ノード１０４へ時刻基準点に関する情報を超音波で伝送する。 送信ノード１０２は、主に、通信路で通信可能な周波数信号を複数生成し、生成した複数の周波数信号に基づいて各々の周波数信号の位相が所定の関係になる時点を定め、定めた当該時点を時刻基準点と定義し、定義した時刻基準点に基づいて各々の周波数信号の位相を調整し、位相を調整した後の複数の周波数信号を合成し、合成した複数の周波数信号を通信信号として受信器へ超音波で送信する。 ここで、送信ノード１０２の具体的な構成の一例について、図４を参照して説明する。 図４は、送信ノード１０２の具体的な構成の一例を示すブロック図である。 図４に示すように、送信ノード１０２は、測定指示スイッチ１０２ａと、タイミング発生部１０２ｂと、アドレス生成部１０２ｃと、波形記憶部（波形ＲＯＭ）１０２ｄと、Ｄ／Ａ変換部１０２ｅと、増幅部１０２ｆと、超音波送信素子１０２ｇと、で構成され、これらは任意の通信路を介して接続されている。 測定指示スイッチ１０２ａは、利用者が距離の測定開始を指示するためのスイッチである。 タイミング発生部１０２ｂは、複数個の周波数信号に対応する各波形の位相を予め調整して（揃えて）合成した合成波形を後述する波形記憶部１０２ｄから読み出して当該合成波形の送信を開始すると共に、距離の測定開始を指示する測定指示信号および超音波の伝搬遅延時間を計算するために用いるストローブ信号を受信ノード１０４へ電気的に伝送する。 アドレス生成部１０２ｃはサンプル周波数に合わせてメモリー読み出しアドレスを生成する。 波形記憶部１０２ｄは、複数個の周波数信号に対応する各波形の位相を予め調整して（揃えて）合成した合成波形を記憶する。 Ｄ／Ａ変換部１０２ｅはデジタル信号をアナログ信号に変換する。 増幅部１０２ｆはアナログ信号を増幅する。 超音波送信素子１０２ｇは具体的には市販の圧電型セラミック振動体である。 ここで、素子は共振器であるため、当該素子において、通信感度や信号雑音比は良好であるが、通信帯域は狭く概ね３９．０〜４１．０ｋＨｚである。 なお、当該通信帯域内でも振幅・位相伝搬特性は強い周波数依存性をもつ。 再び図３に戻り、受信ノード１０４は、主に、送信ノード１０２から送信された通信信号を超音波で受信し、受信した通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の周波数信号の位相を抽出し、抽出した複数の位相に基づいて各々の位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を時刻基準点として決定する。 ここで、受信ノード１０４の具体的な構成の一例について、図５を参照して説明する。 図５は、受信ノード１０４の具体的な構成の一例を示すブロック図である。 図５に示すように、受信ノード１０４は、超音波受信素子１０４ａと、増幅部１０４ｂと、Ａ／Ｄ変換部１０４ｃと、波形記憶部（波形メモリー）１０４ｄと、アドレス生成部１０４ｅと、タイミング発生部１０４ｆと、信号処理部（信号処理プロセッサ）１０４ｇと、距離表示部１０４ｈと、で構成され、これらは任意の通信路を介して接続されている。 超音波受信素子１０４ａは具体的には市販の圧電型セラミック振動体である。 増幅部１０４ｂは超音波受信素子１０４ａで受信した通信信号（アナログ信号）を増幅する。 Ａ／Ｄ変換部１０４ｃはアナログ信号をデジタル信号に変換する。 波形記憶部１０４ｄは、受信した通信信号の波形および電気的に伝送されたストローブ信号の波形を記憶する。 アドレス生成部１０４ｅは、サンプリング周波数に合わせてメモリー格納アドレスを生成する。 タイミング発生部１０４ｆは、送信ノード１０２から伝送された測定指示信号を取得する。 信号処理部１０４ｇは、波形記憶部１０４ｄに記憶された通信信号を取得して当該通信信号の周波数成分を分解して個々の位相情報を抽出し、抽出した複数の位相情報を比較して、それらが所定の条件の関係になった時点を時刻基準点として決定し、決定した時刻基準点と電気的に伝送されたストローブ信号との伝播遅延時間を計算し、送信ノード１０２と受信ノード１０４との間の距離を計算する。 距離表示部１０４ｈは、信号処理部１０４ｇで計算された送信ノード１０２と受信ノード１０４との間の距離の値を表示する。 以上の構成において、超音波距離計測システム１００を構成する送信ノード１０２および受信ノード１０４で行われる処理を、図６および図７を参照して順に説明する。 初めに、送信ノード１０２で行われる処理を、図６を参照して説明する。 図６は、送信ノード１０２で行われる処理の一例を示すフローチャートである。 まず、タイミング発生部１０２ｂで、測定指示スイッチ１０２ａが押されたか否か（つまり、測定指示があるか否か）を監視し、測定指示があった場合（ステップＳＡ−１：Ｙｅｓ）には測定指示信号を駆動する（ステップＳＡ−２）。 これにて、送信ノード１０２で行われる処理の説明を終了する。 つぎに、受信ノード１０４で行われる処理を、図７を参照して説明する。 図７は、受信ノード１０４で行われる処理の一例を示すフローチャートである。 まず、タイミング発生部１０４ｆで、送信ノード１０２から伝送された測定指示信号を取得したかを監視し、測定指示信号を取得した場合（ステップＳＢ−１：Ｙｅｓ）にはタイミング発生回路を起動する。 そして、増幅器１０４ｂで、超音波受信素子１０４ａで受信した通信信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換部１０４ｃで、増幅した通信信号をデジタル信号に変換して波形記憶部１０４ｄに記憶する（ステップＳＢ−２）。 ここで、Ａ／Ｄ変換のビット分解能および時間分解能は再生される時刻基準点の精度に影響するが、具体的には８ｂｉｔ直線量子化および１Ｍサンプル毎秒のＡ／Ｄ変換を行うことで良好なビット分解能および時間分解能を得ることができる。 つぎに、タイミング発生部１０４ｆで信号処理部１０４ｇを起動し、信号処理部１０４ｇで波形記憶部１０４ｄに記憶された通信信号を所定の時間長（Ｔ）（例えばＴ＝１ｍｓ）だけ読み出す（ステップＳＢ−３）。 つぎに、信号処理部１０４ｇで、ステップＳＢ−３で時間長Ｔだけ読み出した通信信号の周波数成分を分解して、個々の位相情報を抽出し、抽出した位相情報を比較して、それらが所定の条件の関係になった時点を時刻基準点として仮決定する（ステップＳＢ−４）。 ここで、当該通信信号は複数周波数の搬送波を重畳したものであるので、それらから各要素の信号の位相は以下の工程（１）〜（４）で分離され、時刻基準点は工程（５）で推定される。 なお、ステップＳＢ−３で読み出したデータ（数値列）はベクトル（ｓ）として扱う。 1i （上線付き）およびｅ 2i （上線付き）はそれぞれ、ｅ 1iの複素共役およびｅ 2iの複素共役である。 また、Ｎは、各ベクトルの次元数であり、時間長Ｔおよびサンプル速度Ｓから「Ｎ＝ＴＳ」で定められる。
1 ｓｉｎ（ω 1 ｔ＋ｐ 1 ）＋ａ 2 ｓｉｎ（ω 2 ｔ＋ｐ 2 ）」であると仮定した場合、下記の数式１で各位相（位相ｐ 1およびｐ 2 ）を抽出する。 なお、位相ｐ 1およびｐ 2が時間長Ｔの中央における角周波数の位相であり、合成波形から分離して求めたい量である。 なお、各位相（位相ｐ 1およびｐ 2 ）だけでなく各振幅（振幅ａ 1およびａ 2 ）も抽出してもよい。 なお、数式１において、ｓｉｎｃ（ｘ）は標本化関数であり、「ｓｉｎｃ（ｘ）＝（ｓｉｎｘ）÷ｘ」で定義される。 ω 1およびω 2は角周波数であり、それぞれ「ω 1 ＝２πｆ 1 」および「ω 2 ＝２πｆ 2 」で定義される。 なお、ｆ 1およびｆ 2はそれぞれ、周波数信号の周波数である。 Ｔは通信信号を取り出す時間の長さである。 ｅは自然対数における底である。 ｊは虚数単位である。 ｐ 1およびｐ 2はそれぞれ、周波数ｆ 1の周波数信号に対応する位相および周波数ｆ 2の周波数信号に対応する位相である。 ｓ（ｔ）は受信した通信信号の波形を表す関数であり、「ｓ（ｔ）＝ａ 1 ｓｉｎ（ω 1 ｔ＋ｐ 1 ）＋ａ 2 ｓｉｎ（ω 2 ｔ＋ｐ 2 ）」で定義される。 ａ 1およびａ 2はそれぞれ、周波数ｆ 1の周波数信号に対応する振幅および周波数ｆ 2の周波数信号に対応する振幅である。 ｔは時刻を表す変数である。 ＜ｓ（ｔ），ｅ j ω 1t ＞および＜ｓ（ｔ），ｅ j ω 2t ＞はそれぞれ、ｓ（ｔ）とｅ j ω 1tとの内積およびｓ（ｔ）とｅ j ω 2tとの内積である。
1およびｐ 2に基づいて時刻基準点ｔは、下記の数式６で推定される。 ただし、時間長Ｔの中央の時刻を「ｔ＝０」とし、「ｐ 2 −ｐ 1 ＝０」となる時刻を時刻基準点とする。
1 −ｐ 2 ）÷（ω 1 −ω 2 ）
1 −ｐ 2 ）÷（２π（ｆ 1 −ｆ 2 ）） ・・・（数式６） 再び図７のフローチャートの説明に戻り、信号処理部１０４ｇで、ステップＳＢ−４で仮に決定した時刻基準点が中央付近となるように時間長Ｔの開始時刻を再設定し、ステップＳＢ−３と同様に、当該再設定した開始時刻から時間長Ｔだけ通信信号を読み出す（ステップＳＢ−５）。 つぎに、信号処理部１０４ｇで、ステップＳＢ−４と同様に、時刻基準点を再度決定する（ステップＳＢ−６）。 ここで、理論的には、受信したビート波形ｓ（ｔ）のどこを読み出しても同一の時刻基準点が得られる。 しかし、波形の開始時点付近には、素子の過渡応答による誤差があり、またビート波形の両端は振幅が小さく、背景雑音の影響を受けやすい。 そのため、ステップＳＢ−４で時刻基準点を一度推定し、次にその時刻が中央付近となるように時間長Ｔの開始時刻を再設定して、時刻基準点を計算している。 この２回目の計算で得た時刻基準点を使うことで再現性のあるよい結果を得ることができる。 つぎに、信号処理部１０４ｇで、ステップＳＢ−６で決定した時刻基準点とストローブ信号との伝播遅延時間を計算し、計算した伝搬遅延時間および超音波の速度に基づいて送信ノード１０２と受信ノード１０４との間の距離を決定する（ステップＳＢ−７）。 これにて、受信ノード１０４で行われる処理の説明を終了する。 ここで、本実施の形態の超音波計測システム１００において、送信ノード１０２は、受信ノード１０４へ測定指示信号およびストローブ信号を常に送信し、受信ノード１０４は、通信範囲に入ったとき、これら信号を受信してもよい。 つまり、超音波計測システム１００において、送信ノード１０２は常に稼動しており、受信ノード１０４は、送信ノード１０２から送られた信号を通信エリアに入ったときに受け、測定を開始してもよい。 以上、詳細に説明したように、本発明にかかる時刻基準点情報伝送システムによれば、送信器は、通信路で通信可能な周波数信号を複数生成し、生成した複数の周波数信号に基づいて各々の周波数信号の位相が所定の関係になる時点を定め、定めた当該時点を時刻基準点と定義し、定義した時刻基準点に基づいて各々の周波数信号の位相を調整し、位相を調整した後の複数の周波数信号を合成し、合成した複数の周波数信号を通信信号として受信器へ送信する。 受信器は、送信器から送信された通信信号を受信し、受信した通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の周波数信号の位相を抽出し、抽出した複数の位相に基づいて各々の位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を時刻基準点として決定する。 これにより、例えば安価な狭帯域送受信素子を使用しても、受信波形歪による影響を抑えて時刻基準点を精度よく且つ短時間で伝送することができる。 ここで、改めて本発明を開発するに至るまでの経緯について説明する。 これらの通信システムないし計測システムでは、空間・光ファイバー・導波管・通信ケーブル中を伝搬する電磁波、気体・液体・固体を伝搬する音波の波動現象によりタイミング情報を伝達している。 もし使用する波形発生器、波動伝搬媒質、波形受信器が広い周波数領域において十分均等な振幅伝達特性、位相伝達特性をもてば、タイミング情報の正確な伝達は容易である。 たとえば単なる矩形の電気信号パルスの前縁、矩形の超音波バーストの前縁などをもって伝えたいタイミングを表現すればよい。 しかし前記のような信号は周波数スペクトラムにおいて無限の広がりを持つものである。 一方で実在の送受信機構や媒質は多少なりとも不均等な振幅周波数特性、位相周波数特性をもつ。 このため矩形パルスや矩形バーストは受信端において変形を受け、特に遠距離の通信システムや、劣悪な周波数特性をもつ波形変換装置、媒質を使用せざるを得ない通信システムでは、厳密なタイミング伝達は困難になる。 それはたとえば情報通信速度の制限となって顕在化する。 信号の遅延時間を計測することで距離や角度を求める計測器の分野では、タイミング計測の精度は直接に距離計測誤差として現れる。 たとえば、４０ｋＨｚの搬送波バーストの包絡線前縁を検出することで送受信機間の距離計測を行う超音波式距離計がある。 超音波の送受信素子には多く圧電セラミック素子を使用するが、それが特に劣悪な（狭帯域の）周波数特性を持つため、受信波形は強く歪みを受ける。 この種の計測器の代表的精度は数ｃｍ〜数１０ｃｍ程度で、これは空気中を伝搬する音波の速度に照らして換算すると、４０ｋＨｚ超音波バースト波形のタイミング検出では０．１ｍｓ〜１ｍｓが、狭帯域通信路を通過した波形の包絡線を利用して達成できる精度の代表値ということができる。 包絡線方式のほかの問題は、バーストの前縁のような信号的に過渡応答特性の強く影響する領域を使うため、素子の特性ばらつきも精度に影響しやすく、器差を補償するための調整になりやすい点にもある。 波形の包絡線は伝送路の振幅周波数特性、位相周波数特性の双方の影響を受けるため、それら特性の包絡線形状に与える影響は大きい。 もし位相情報のみを使用してタイミングを伝達できれば、より精度の高い通信を行える可能性がある。 しかし位相による情報伝達の困難は、それを正弦波のような周期現象から抽出しなければならず、波形は位相値２πラジアンで繰り返すため、受信端で得られる位相は絶対値を２πで除した剰余でしかない点にある。 ４０ｋＨｚ超音波の波長は空気中で約８．５ｍｍであり、これが位相の２πラジアンに相当する。 上のように位相を抽出することで距離を決めようとしても、距離を波長８．５ｍｍで割った余りがわかるのみで、絶対的距離はわからず、実用的距離計にはならない。 しかし比較的近接した２点でこの計測を行い、位相の差を得て信号源の角度を求める用途は、２πラジアンの不定さがあっても実行可能なため、そのような角度計は実用されている。 また狭い距離の中で変位だけを求めればよい変位計では空気中で８．５ｍｍ周期の不定さがあってもかまわない場合があり、この方法で１ｍｍ前後の計測精度をもつ微少変位計が実用されている。 位相を利用した超音波変位計に８．５ｍｍを越える計測範囲をもたせる発明として、特開２００４−１９１１４５がある。 これは異なる２つの周波数ｆ１，ｆ２（ただしｆ１＞ｆ２）による位相遅延計測を、周波数を切り替えながら２度行うことで、位相φ１，φ２を得、それをさらに吟味することで、実質的にｆ１−ｆ２の周波数を使用して位相計測をしたことに換算する方法である。 たとえばｆ１，ｆ２として４０ｋＨｚと３９ｋＨｚの周波数を切り替えながら計測し、実質的に４０−３９＝１ｋＨｚの搬送波で位相計測したような効果を得られる。 これにより１ｍｍの計測精度はそのままで、変位計の距離の不定さを１ｋＨｚの音波の波長である３４０ｍｍに延長することができる。 しかしこれでも、拡張されたとはいえ位相周期によるタイミング不定は残る。 また周波数切り替えによる複数回の計測を行わなければならず、測定時間が長くかかり、またその間に対象物の移動、風向きや気温による伝達媒質の変化があると精度が悪化する。 このため、調整された環境で比較的静的な対象物に使用する変位計としては利用可能であるが、絶対距離の必要な距離計、屋外や高速移動する対象物に使用する変位計には向かない。 特に空間を伝搬する電磁波、音波の位相を利用したタイミング伝達の困難として、マルチパスがある。 伝搬空間に電磁波、音波を反射、回折、散乱させる物体があると、受信端には送信端からの直接波のほか、これら物体で反射回折された間接波の両方が到達し、タイミング精度を悪化させる。 タイミング伝達にはマルチパスへの配慮も欠かせない。 帯域の制限された通進路（送信機、信号媒体、受信機の総体）でタイミングを正確に送りたいことは通信応用の各所に見られる。 特に４０ｋＨｚの圧電形セラミック振動体を使用した超音波距離計などであるが、このような場合伝送可能な波形を使用して正確なタイミングを伝えることが通信の目的であるのに、波形包絡線を使用した方式を使用するなど、必ずしも束縛条件を十分吟味しているとはいえず、検出精度が悪かった。 また器差を補償するための調整に手間取った。 搬送波の位相を使用する方法は包絡線の方法を越えるタイミング検出精度をもつが、位相２πラジアン（時間では周期、距離では波長）の決定不定さをもち、短距離変位の検出機には使えても一般タイミング伝達や絶対距離を求める距離計には使用できなかった。 またマルチパスの影響を強く受けた。 以上のような経緯を踏まえて、鋭意検討した結果、発明者は、通信波形の中に特定の時間基準点を設定することを見いだした。 また、本発明では、狭帯域通信路で伝達可能な搬送波を複数同時に、重合させた形で通信する。 そして、各素搬送波の位相は送信手段で厳密に制御され、特定のタイミングでのみ位相が合致するようにしておき、それを時間基準点とする。 受信手段では各周波数の複合した信号を受信し、演算により各搬送波を分離し、位相を検出する。 その位相の合致するタイミングを算出することで、時間基準点とする。 これにより、当該時間基準点は、狭帯域の、劣悪な振幅周波数特性、位相周波数特性しかもたない通信路でも伝達可能である。 また、短時間の通信で伝達できる。 また、包絡線方式の精度を越え、位相方式に匹敵するタイミング精度を得ることができる。 しかも位相方式に見られる位相周期のタイミング不定さは回避し、またマルチパスの影響も受けにくい。 また、時刻基準点情報伝送システムによれば、受信器において、数式１に基づいて、受信した通信信号の周波数成分を分解して個々の位相情報を抽出する。 これにより、一般ＦＦＴによることなく情報伝送に関わる周波数のみを扱うことで、ノイズの影響を軽減し、また高速な検出操作が可能になる。 なお、数式１から個々の搬送波の振幅基準を得ることにより、複数搬送波による直交振幅変調を効率よく復調することができる。 また、従来のＦＦＴなどによる周波数分解方法に比較して、高速に、高精度に、要素周波数の位相情報や振幅情報を抽出することができる。 ここで、本発明をデータ通信システムとして応用する場合、本発明で厳密な時刻基準点を得られるので、後続のビット情報は当該時刻基準点に合わせて切り出すことで、性能のよい調歩同期通信方式を実現することができる。 また、時刻基準点にあわせて位相の基準と振幅の基準を得られる（数式１参照）ので、これら基準は、データが位相振幅変調で表現されていた場合においてデジタル的復調の基準信号として利用することができる。 また、時刻基準点情報伝送システムによれば、受信器において、決定した時刻基準点および所定の時間長に基づいて、通信信号を読み出し始める時点である読出開始時点を設定し、設定した読出開始時点から所定の時間長分の通信信号を、受信した通信信号から読み出し、読み出した当該通信信号に基づいて改めて複数の位相を抽出し、抽出した複数の位相に基づいて改めて時刻基準点を決定する。 これにより、位相抽出処理に係る波形の抽出場所や長さは任意であることから、受信した通信信号の波形における冒頭部の過渡応答妨害を除外し、また振幅の大きな部分を優先して使用することで、雑音（ノイズ）の影響を効果的に回避することができる。 また、検出に使用する波形は比較的短いものでよいので、高速な検出ができ、またマルチパス妨害による検出誤差を軽減できる。 また、時刻基準点情報伝送システムによれば、受信器において、受信した通信信号に基づいて、当該通信信号に含まれる各々の周波数信号の位相および当該通信信号に含まれる各々の周波数信号の角周波数を抽出し、抽出した複数の位相および複数の角周波数に基づいて各々の位相が所定の関係になる時点を求め、求めた当該時点を時刻基準点として決定する。 具体的には、例えば通信信号が２つの周波数信号を合成したものである場合、受信器は、２つの周波数信号の位相が一致する時点を、観測された任意の時点での位相差に基づいて、数式６で求め、求めた当該時点を時刻基準点として決定する。 これにより、短時間且つ高精度に時刻基準点を決定することができる。 この具体例は、物理学的には、例えば超音波の通信路（伝送路）を含む送信器と受信器のペアをフィルタ回路網と見なし、式「Ｄ=Δｐ／Δω」（Δｐ：位相差、Δω：角周波数差）でその群遅延時間Ｄを計測していることに相当する。 本発明者らは、タイミング信号の伝達が、フィルタにおける群遅延時間の計測と等価な方法でできることを見出した。 本発明は、群遅延時間の決定に必要な位相差Δpの計測に複素周波数の複合波形を使っていることが特徴であり、当該特徴により時刻基準点の決定を短時間且つ高精度で実現している。 また、時刻基準点情報伝送システムによれば、送信器において、位相を揃えた複数個の周波数信号を、超音波、電磁波、光のいずれか１つで、直接搬送波の通信信号として送信または他周波数の搬送波で変調した通信信号として送信し、受信器において、超音波、電磁波、光のいずれか１つで、直接搬送波の通信信号を受信または変調された通信信号を受信して復調する。 これにより、一般の線形波動で表現できるものに本発明を適用することができる。 ［数式１の解法］ 1 ｅ -jp1 ＝ａ 1 （ｃｏｓｐ 1 ＋ｊｓｉｎｐ 1 ）およびａ 2 ｅ -jp2 ＝ａ 2 （ｃｏｓｐ 2 ＋ｊｓｉｎｐ 2 ）について、次の方法により解くことができる。
1 ｅ jp1およびａ 2 ｅ jp2の実部、虚部を得たことになる。
1 ｅ jp1およびａ 2 ｅ jp2の複素数値の偏角を求め、位相ｐ 1およびｐ 2を得る。 また、絶対値を求めることで振幅ａ 1およびａ 2を得る。
1およびｐ 2は位相伝達特性に相当するものであり、その一致時刻から時刻基準点を再現することができる。
本実施例では、上述した実施の形態における超音波距離計測システム１００を用いて送信ノード１０２と受信ノード１０４との間の距離を計測した。 実験の結果、３ｍの距離で誤差１ｍｍ以内の計測値を得ることができた。 この計測値は、空気中における超音波の波長が８．５ｍｍであることを踏まえると、かなり高精度である（波長の数分の一の誤差である）。 また、この結果は、概ね±３μｓ以内の精度で時刻基準点を伝達できたことを示しており、従来用いられていた包絡線検出では達成することは困難である。 また、本発明において、位相を用いた方法の課題である位相周期によるタイミング情報の伝達の不定さは存在しない。 また、距離計として作動させる場合、本発明によれば、ゼロから１０ｍ程度（音波が減衰することによる測定限界）まで、連続的に距離の計測を行うことができる。 しかも、本発明によれば、距離の計測では２ｍｓ程度のビート波形を受信するだけなので、極めて短時間に時刻基準点の伝達および距離の計測を行うことができる。 さらに、本発明で送信する単発のビート波形は、空間に７０ｃｍ程度（４０ｋＨｚの超音波の場合）の波束として存在するだけなので、本発明によれば、障害物が存在する場合でも、経路差が７０ｃｍある場合には直接波しか感知せず、マルチパスの影響を受けずに計測精度を維持することができる。 なお、超音波の周波数を上げれば、経路差の影響をより受けずに時刻基準点の伝達および距離の計測を実施することができる。 また、本発明によれば、器差を補償する場合も、特定周波数における位相特性のみを補償すればよい。 以上のように、本発明にかかる時刻基準点情報伝送システム、および当該時刻基準点情報伝送システムで用いる受信器は、時刻基準点を精度よく且つ短時間で伝送することができ、ノード間の距離や角度などを計測する際に好適である。 【０００４】 |
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