JP5363566B2 - 高速データ伝送方法および対応する装置 - Google Patents

Description

本発明は、高速データ伝送方法および対応する送信／受信装置に関する。より詳細には、本発明は、１つの活動状態の電線だけを使用して双方向かつ同時の方式（全二重）で２つの装置間のデジタル伝送に対する技術的解決策を説明する。本発明は、ノイズに対する十分な耐性を有する１メートルまでの装置間の距離で高い伝送速度（数１０Ｍビット／秒）を達成することを可能にする。

本発明により説明される技術は、ＳＷＰ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｗｉｒｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）に関係するＥＴＳＩ（欧州電気通信標準化機構）の勧告ＴＳ １０２．６１３に関連して使用されることがあり、一例として、ＳＩＭカードおよびＮＦＣコントローラが、本発明により可能にされるこのより効果的な方式で動作するＳＩＭカードおよびＮＦＣコントローラの能力を発見した後にだけ活動化されることがある。したがって、本発明がたとえＳＷＰ ＳＩＭカードで使用されることがあるとしても、たとえば構成要素に利用可能なコンタクトの数が限られている場合などの、１つだけの活動状態の電線を使用して、双方向かつ同時の方式（全二重）で２つの装置間のデジタル伝送の実現に必要とされるあらゆる環境でも都合よく使用されることもある。

２つの送信／受信装置間の伝送の媒体を共有するための多くの変調技法が現在あり、そのうちの主なものが以下である。

時分割多重化：２つの送信／受信装置が、半二重方式で送信し、これらの装置のそれぞれのデータを異なる時間に送信する。送信されるデータの粒度は、ビットのサイズからバイトのサイズまで、またはフレームまでも変わることがある。イーサネット（登録商標）、ＵＳＢ、ＣＡＮ、ＶＡＮ、ＬＩＮ、またはＧＳＭネットのワークがこの原理を使用する。

周波数分割多重化：各送信／受信装置が、異なる周波数帯を占有する。ＡＤＳＬネットワーク用に使用されるモデムなどのモデムの技術がこの原理を使用する。

ドメイン分割：各送信／受信装置が、異なる物理量を変調する。標準ＴＳ １０２．６１３（ＳＷＰ）がこの方法を適用し、この場合、送信／受信装置のうちの一方が信号の電圧を変調するのに対して、他方の装置が信号の電流を変調する。

総和による共有。媒体が送信／受信装置により送信される情報の和を移送する。送信／受信装置は、媒体を介して送信されたデータから自分の送信データを減算することにより受信情報を演繹する。この機能は送受切換器により実行され、従来の電話システムで一般に使用される。

これらの技法はどれも（非平衡終端された）単一の活動状態の電線を使用することができる、または困難な環境（たとえば、製造業の仕事場、自動車など）でのノイズに対する技法の耐性を増すために、差動対で動作することができる。

極端に高い粒度を有する、通信媒体を介したデータの半二重伝送は、性能を害する可能性がある高い待ち時間を生み出す可能性がある。実効的帯域幅は伝送待ち時間により直接影響を受ける。その副作用を相殺するために、最も知られている代表がＨＤＬＣ（ＩＳＯ １３２３９）であるスライディングウィンドウに基づく技術などの適切なプロトコルと組み合わせて全二重技法を使用することが望まれる。

本発明により取り組まれる問題は以下である：
最小の待ち時間を達成するために、解決策はビットの交換粒度を有する全二重通信の特性を有していなければならない、
解決策は対称的かつ平衡型でなければならない、すなわち、送信／受信装置のいずれも他方より特権を与えられていない（マスタでもスレーブでもない）、
解決策は、２つの送信／受信装置間でアプリケーションデータが全く送信されないとき、省電力モードを提供することができるようにしなければならない、
解決策は、送信／受信装置のうちの一方または両方が最小の時間で省電力モードを出ることができるようにする手順を提供しなければならない、そして
解決策は、ノイズの多い環境で少なくとも１ｍの動作距離、および１００Ｍビット／秒までのバイナリ速度を可能にしなければならない。

上記で説明される既存の技術は、上記で説明される基準を部分的に満たし、最も近い技術が、伝送速度および動作距離の性能を除いて、ＥＴＳＩにより標準化されたＳＷＰの技術である。ＳＷＰ技術は約２０ｃｍの距離に亘って１．６Ｍビット／秒に到達することができる。

本発明はこれらの技術的制約すべてを満たすことを目的とする。その目的のために、少なくとも２つの別個の送信時間が、送信すべきデータ信号の２つのそれぞれの状態に関連付けられる論理符号化ステップを含む、第１の送信／受信装置から遠隔装置と呼ばれる第２の送信／受信装置へのデータ信号の半二重方式を使用する伝送方法が、信号状態の送信のために、送信すべき状態に関連付けられる送信時間により規定される時間の間、第１の電圧レベルにある大体排他的なプラトー（ｐｌａｔｅａｕ）、および任意の立ち上がりを除外する立ち下がりを含む信号の第１の装置による生成を含み、第２の装置から第１の装置へのデータ信号の状態の送信が、第２の電圧レベルにある大体排他的なプラトー、および任意の立ち下がりを除外する立ち上がりを含む信号の第２の装置による生成を含むことを特徴とする。信号状態は、２値の状態、すなわち「１」または「０」でも、ビットのシーケンス、たとえば「１０１」でもよい。

本発明は、この「新しいタイプの多重化」を使用して、ビットの粒度を有する全二重プロトコルを達成する。そのことが、取り組まれるべき問題で説明されるすべての特性を本発明に与える。

データの送信を２つの送信／受信装置間で交互に行うために、本発明により使用される方法は、「論理レベル多重化」と言い換えられることがある。

本発明の別の特性および利点が、対応する添付の図面に関係する以下の説明でより明らかになる。

本発明による２つの送信／受信装置の概略図である。 ２つの送信／受信装置間のレベルの、本発明による多重化を示す図である。 ２つの送信／受信装置による信号の駆動を関連させるタイミングの詳細を示す図である。 パルス幅に基づくＰＷＭ論理符号化を示す図である。 信号の一方がノイズにより影響を受ける送信／受信装置について２つの同等の信号を示す図である。 送信／受信装置の一方から他方への信号の伝送に対するノイズの影響を示す図である。 活動状態から中断状態へ、および逆への回線切り換えの時間図である。 ＥＴＳＩ標準ＴＳ １０２．６１３により提案されるタイプのメッセージフォーマットを示す。 遠隔の送信／受信装置からの時間基準（クロック）を評価するために、各送信／受信装置内に含まれる回路を示す図である。 プログラム可能コンデンサの回路の概略図である。 プログラム可能コンデンサの２つのプログラム（Ｔ１およびＴ２）による信号の時間表現を示す図である。 １．５Ｔにセットされた単安定トリガ素子の助けを借りて送信／受信装置により受信される信号の復号を示す図である。 低レベルを駆動する送信／受信装置に近い伝送ラインの末端での波形を示す図である。

図１を参照すると、データ信号が、本発明による２つの送信／受信装置１および２の間で半二重で送信される。送信すべき信号はビットの２値ストリーム、または状態である。送信は高電圧Ｘボルト（たとえば、５ボルト）および低電圧Ｙボルト（たとえば、０ボルト）に対応する２つのレベルの電圧を使用する。

本発明によれば、論理符号化は事前に適用され、その符号化はたとえばＰＷＭ技法（パルス幅変調）を使用する。パルス幅変調を使用するその事前の符号化処理の結果は、少なくとも２つの別個の伝送時間（Ｔ、２Ｔ）が、伝送すべきデータ信号の２つのそれぞれの状態（「０」、「１」）に関連付けられることである。

また、本発明によれば、２つの送信／受信装置１および２、ならびに上記で説明される２値符号化からなるシステムでは、論理レベル１が送信／受信装置の一方に、たとえば１に割り当てられ、論理レベル０が他方の送信／受信装置に、この場合２に割り当てられる。

その方法では、本発明によれば、また図２で示されるように、送信／受信装置１は、レベル１のプラトー、信号の立ち下がり、およびおそらく（「トリガリング」遅延から起因する）レベル「０」の非常に小さな部分からなる形で送信／受信装置１の信号１０、１１を送信し、送信がない場合には、送信／受信装置１の出力を高インピーダンスに切り換える。送信／受信装置２はその信号２０、２１をレベル「０」のプラトー、信号の立ち上がり、およびおそらくレベル「１」の非常に小さな部分からなる形で送信し、次に、送信／受信装置２の出力を高インピーダンスに切り換える。図２の３行目に提示される信号は、それぞれ図２の１行目および２行目に示される２つの装置１および２により送信される２つの信号の和の結果Σである。

図１に示されるように、本発明による送信／受信装置は、少なくとも２つの別個の送信時間を、送信すべきデータ信号の少なくとも２つのそれぞれの状態と関連付けるためのカスケード方式の論理符号化回路１００と、遠隔の送信／受信装置により生成される立ち下がり（または立ち上がり）を検出するための回路１０１と、入力が回路１００の出力に接続され、遠隔の送信／受信装置により生成される立ち下がり（または立ち上がり）の検出に応答して、送信すべきデータ信号状態のために、送信すべき状態（「０」、「１」）に関連付けられる送信時間（Ｔ、２Ｔ）により規定される大体の時間の間、第１のレベル（または第２のレベル）にある電圧の大体排他的なプラトー、および立ち上がり（または立ち下がり）を生成する回路１０２とを図式的に含む。

図３は、装置１により生成される信号１０および１１（それらの信号の合間には、装置は高インピーダンス状態に切り換わる）、ならびに装置２により生成される信号２０の詳細を示す。伝送ラインは低インピーダンスで２つの装置１および２の少なくとも一方により連続的に駆動され、低インピーダンスは、送信機の出力インピーダンスが伝送ラインのインピーダンスに等しいならば、ノイズからの効果的な耐性、および動作距離を示す。装置間で伝送される信号の振幅は、システムに特有な取り決めにより規定される。その取り決めは、相互運用性を提供し、所与の環境に適切なノイズ耐性マージンを達成するのために不可欠である。

図４に示されるように、ＰＷＭ符号化はパルス幅に基づく。通常、論理値０が時間Ｔを有し、論理値１が時間２Ｔを有する。その選択が、各送信／受信装置により受信される情報を復号するために必要とされる伝送クロックの回復の簡略化につながる場合、別の取り決めが使用されることがある（たとえば、Ｔおよび３Ｔ）。

実装の方式により、送信／受信装置に特別な信号を送信するために、別の符号が使用されることがある。その例を示すために、前記信号を取り出す取り決めが、
Ｔ：論理値０
２Ｔ：論理値１
４Ｔ：２つの装置１および２の間のインタフェースの再初期化としてもよい。

この方式の実施形態では、２ビットの伝送が規則的信号を生成し、信号の継続時間は２Ｔと４Ｔの間に置かれ、この値は、１／２Ｔと１／Ｔの間に置かれる論理値０および１の分布に応じた２値平均速度である。

各送信／受信装置１および２はその信号を、反対側の送信／受信装置の立ち下がり（または立ち上がり）が検出された後に送信する。各送信／受信装置は、時間α．Ｔの間、装置により受信される信号をマスクすることができ、ここで、αは送信機により生成されるパルスの幅の精度に関係する１未満のエラーマージンである。

図５は、信号の一方がノイズ（低い線の信号で示す）により影響を受けるとき、遠隔の送信／受信装置により同様な方式で受信のときに感知される２つの信号を例示する。送信／受信装置により受信される信号に適用されるマスクは、０．５Ｔ（α＝０．５）の間どんなノイズも隠すことができるようにする。

図６に示されるように、ノイズの多い信号が、ラインを制御する送信／受信装置により（装置の受信機能で）解釈される。２つの送信／受信装置１および２が逆位相でラインを同時に駆動する。２つの送信／受信装置１および２は競合状態にある。ラインの状態は不定であり、（２−α）Ｔまで続く可能性がある。送信／受信装置１および２の回路は、損害を受けずに競合をサポートすることができなければならない。ライン競合が両方の送信方向でエラーを生成することがある。

２つの送信／受信装置１および２に送信すべきデータがないとき、電力を節約するためにライン上の電気的活動を中断することが重要である。同様に、送信／受信装置１および２の一方が伝送ラインを再活動化したいと望む場合、非同期再活動化手順が提供されなければならない。解決策は２状態ライン管理を提案する：
ライン活動化：双方向伝送が可能であり、２つの送信／受信装置１および２がパケットの形に構成されるビットを交換する。
ライン中断：電気的活動がなく、２つの送信／受信装置１および２が省電力モードに切り換わることができる。実際的理由のため、ラインは、中断されるとき、電気的レベル０（０ボルト）にある。

図７はラインを活動化状態から中断状態に、およびその逆に切り換える手順を例示する。

２つの送信／受信装置１および２が、レベル「０」を駆動する送信／受信装置２がラインを中断状態に切り換える瞬間について同意する。そうするためには、送信／受信装置２はラインをレベル１に引き上げない。送信／受信装置１にラインを活動化状態に切り換える機会を与えるために、送信／受信装置２はラインを低く弱いレベル０に保つ。弱いレベル０は、プルダウン抵抗、または電流源、またはバスキーパと呼ばれるシステムを介して、ラインを強いレベル０に接続することにより達成されることがある。

送信／受信装置１および２のそれぞれが以下の方法でラインを再活動化することができる：
送信／受信装置２がラインをレベル１に引き上げ、次に、高インピーダンスに切り換えなければならない。
送信／受信装置１がラインをレベル１に引き上げ、次に、上記で説明される手順に従って送信／受信装置１のサイクルを完了する。

２つの送信／受信装置１および２は、必然的に異なる時間基準を有し、そのことは、受信される論理値を復号するために、前記送信／受信装置１および２がそれぞれの時間基準を評価することができるように学習フェーズが必要とされるためである。

図８に示されるように、各送信／受信装置を受信機能で較正するために、他方の送信／受信装置により各フレーム（ＳＯＦ、ＤＡＴＡ、ＣＲＣ、ＥＯＦ）が放出される前にプリアンブルＰＲＥＡＭＢＬＥが送信される。プリアンブルＰＲＥＡＭＢＬＥのパターンは、遠隔の送信／受信装置の受信機能での較正を容易にする一連の論理値１および０からなる。送信はビット指向であることが好ましいので、フレーム開始（ＳＯＦ）フラグおよびフレーム終了（ＥＯＦ）フラグを規定する必要がある。ＳＯＦフラグとＥＯＦフラグの間に、送信されるデータＤＡＴＡが、たとえばいわゆる「ビットスタッフィング」技法を使用して符号化される。勧告ＥＴＳＩ ＴＳ １０２．６１３が、そのようなフレームの構成を明確に説明している。プリアンブルのパターンはビットスタッフィング違反（ｖｉｏｌａｔｉｏｎ）を生成しない。

図９を参照すると、その図に例示される単安定トリガ素子が、送信された信号の立ち上がり（マスタ）または立ち下がり（スレーブ）でトリガされる。単安定の原理は、デジタル的にプログラム可能なコンデンサ３２を定電流で充電することである。前記充電は、信号ＣＬＥＡＲがレベル０にある（トランジスタＱ４が導通していない）ときに始まる。シュミットトリガ３１が、プログラム可能コンデンサの端子で所定のレベルの電圧でトリガする。プログラムされる容量が大きいほど、単安定からの出力パルスがそれだけ大きく遅延される。

プログラム可能コンデンサの原理は、ＭＯＳＦＥＴトランジスタの状態（導通または遮断）に依存するＭＯＳＦＥＴトランジスタのゲートの寄生容量の変動に依存する。前記容量はゲートの表面に、したがって、積Ｗ＊Ｌに比例する。図１０は一例としてＣから３２Ｃまでの間の等価容量をプログラムするために使用される５段階を有するプログラム可能コンデンサ３２を例示する。

受信される信号ビットの復号に関係するエラーが累積せず、かつ各ビットが自己同期されるので、単安定（図９）により生成される遅延の精度が大きい必要はない（＜２０％）。同期は、装置１および２の通信速度が、システムの柔軟性、およびシステムを作り上げる構成要素の許容誤差を吸収できるほど十分大きな許容誤差範囲内にある場合だけ可能である。

許容誤差は、中央値の通信速度、すなわち１／１．５Ｔに関係して規定され、ここでＴは論理値０の符号化である（図４を参照のこと）。

中央値の通信速度、および中央値の通信速度の許容誤差は、システムに関係する取り決め（たとえば標準）の対象である。

図１２は、プログラム可能コンデンサのプログラミングの２つの方法（Ｔ１およびＴ２）の関数としての、図９の単安定からの出力信号を例示する。

同期プリアンブルＰＲＥＡＭＢＬＥの送信中、信号を受信する送信／受信装置１または２が、アナログ０の送信に対応する継続期間Ｔを評価しなければならない。したがって、前記同期プリアンブル中に論理０を送信することは有用である。

同期原理は、連続二分法近似（ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ ｄｉｃｈｏｔｏｍｉｃａｌ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）に依存する。同期は２Ｎ段階に分割され、ここで、Ｎは、１から２^Ｎ−１までの間をＮビットで表現されるプログラム可能コンデンサ３２の段数（図１０の実施形態により示される）であり、送信／受信装置は同期されない。本来、プログラム可能コンデンサのプログラミングは遅延Ｄ（Ｚ）を提示し、ここで、Ｚは１から２^Ｎ−１までの間に置かれる。

遅延は値２^Ｎ−１でプログラムされる。

Ｎから０までのビットＩについては、以下の段階が実現される：
受信されるビットの終わりを求めてスタンバイする。Ｚのビット（Ｉ）に単安定からの出力値を記憶し、
受信されるビットの終わりを求めてスタンバイする。Ｚのビット（Ｉ）に単安定からの出力値を記憶する。ビット（Ｉ−１）に１を記憶する、以下同様。

２ビットごとの後に、プログラムすべき遅延のビットが評価される。

１つの代替形態によれば、アナログ単安定に基づく解決策がそのデジタルの均等物に取って代わられることがある。デジタル的解決策の制約は、低消費電力要件と両立しないことがある非常に高いサンプリング周波数である。

同期は決定論的である。必要とされる同期ビット数は、単安定により生成される遅延をプログラムするためのビット数の２倍である。しかしながら、そのビット数は、プログラムされたレベルＸおよびＸ／２のオーバランに対応する２つの信号を単安定が送り出す場合、低減されることがある。

同期後、値Ｚが読み出され、復号を可能にするために、５０％だけ増やされる。

２つの送信／受信装置は１および２は、必ずしも適合されていない（Ｚ＝∞終端なし）ライン上に放出するので、放出される信号は完全に反射される。

図１３は、低レベルを駆動する送信／受信装置近くの伝送ラインの末端での波形を例示する。

短い伝送距離にわたっては、反射が問題にならないが、伝播時間が１ビットを送信するための時間（ビットレート）に匹敵する場合、ラインが適合されなければならない。

解決策は差動伝送（たとえばＬＶＤＳ）に完全に適合し、ノイズに対する改善された耐性の利点を利用する。

特定の方式の実施形態では、３つ以上の送信／受信装置が同じ伝送ラインに接続される。

バス接続のない簡単な解決策が、まず第１に、Ａタイプの送信機をＢタイプのいくつかの送信機と接続し、または逆にＢタイプの送信機をＡタイプのいくつかの送信機と接続することを、次に、衝突のない解決プロトコル（したがって、競合がない）を動作させることを伴う。

衝突のない解決プロトコルの動作は以下のステップを含むことがある：
１．放出／受信装置の２つがラインをリッスンし、装置の出力を高インピーダンスに維持する。
２．放出装置と呼ばれる別の放出／受信装置が、識別子付きのフレームを交換することを可能にされる、タイプＢの送信機の識別子を含むフレームを放出する。
３．バスをリッスンすることにより装置の識別子を復号した、ラインをリッスンしている２つの放出／受信装置の一方が、送信機１とフレームを交換する。放出する放出／受信装置は、この方法で割り当てられた装置とフレームを交換する。放出／受信装置の活動に、したがって、それらの必要に応じて、放出／受信装置によるバスへのアクセスを分散させるために、インテリジェント管理が好都合に導入されることがある。２つのリッスンしている放出／受信装置が所定のタイプの範囲以内で交換を開始することができない場合、ステップ１が再び始まる。
４．ステップ１に戻る。

この方法において、上記で説明される解決策の利点は明らかである：
解決策は完全に対称的であり、２つの送信／受信装置は、駆動すべきレベルを選択するだけでよい、
解決策は活動状態のライン上で動作するが、差動対ＬＶＤＳ、ＲＳ４５８）上でも動作することができる。この特性は接触（コネクタ）の最大数に関係する要件を解決することができる、
解決策は、低インピーダンスで動作し、かつノイズの影響を制限するフィルタリングを提供することにより、ノイズに対して耐性があり、限られたスペクトルを占有することにより高い２値速度に到達することができる（本発明の例では、送信すべきデータの周波数の２倍未満）。

Claims (3)

1. 少なくとも２つの別個の送信時間（Ｔ、２Ｔ）が、送信すべきデータ信号の２つのそれぞれの状態（「０」および「１」）に関連付けられる論理符号化ステップを含む、第１の送信／受信装置から遠隔装置と呼ばれる第２の送信／受信装置にデータ信号を送信するための半二重方式を使用する方法であって、信号状態の送信のために、送信すべき状態（「０」および「１」）に関連付けられる送信時間（Ｔ、２Ｔ）として規定される時間の間第１の電圧レベルにあるプラトーおよび任意の立ち上がりを除外するための立ち下がりをほぼ排他的に含む信号を第１の装置により生成する動作と、第２の装置が、第２の電圧レベルにあるプラトーおよび任意の立ち下がりを排除するための立ち上がりをほぼ排他的に含む信号を生成することにより、第２の装置から第１の装置へデータ信号の状態の送信をする動作を含むことを特徴とする、方法。
2. 送信／受信装置であって、
   少なくとも２つの別個の送信時間（Ｔ、２Ｔ）を、送信すべきデータ信号の少なくとも２つのそれぞれの状態に関連付ける論理符号化回路と、
   遠隔の送信／受信装置により生成された立ち下がりを検出する回路と、
   遠隔の送信／受信装置により生成された立ち下がりの検出に応答して、データ信号の状態について、送信すべき状態（「０」、「１」）に関連付けられる送信時間（Ｔ、２Ｔ）として規定される大体の時間の間第１の電圧レベルにあるプラトーおよび任意の立ち下がりを除外するための立ち上がりをほぼ排他的に生成する回路とを含む、送信／受信装置。
3. 送信／受信装置であって、
   少なくとも２つの別個の送信時間（Ｔ、２Ｔ）を、送信すべきデータ信号Ｓの少なくとも２つのそれぞれの状態と関連付けるための論理符号化回路と、
   遠隔の送信／受信装置により生成された立ち上がりの検出のための回路と、
   遠隔の送信／受信装置により生成された前記立ち上がりの検出に応答して、送信すべきデータ信号の状態について、送信すべき状態（「０」、「１」）に関連付けられる送信時間（Ｔ、２Ｔ）により規定される大体の時間の間第２の電圧レベルにあるプラトーおよび任意の立ち上がりを除外するための立ち下がりをほぼ排他的生成するための回路とを含む、送信／受信装置。

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