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技術 信号伝送回路及び方法

出願人 富士電機株式会社
発明者 大原浩一
出願日 2006年9月19日 (14年3ヶ月経過) 出願番号 2006-253589
公開日 2008年4月3日 (12年8ヶ月経過) 公開番号 2008-078827
状態 特許登録済
技術分野 直流方式デジタル伝送 有線伝送方式及び無線の等化,エコーの低減
主要キーワード 光ファイバケーブル束 並列伝送方式 伝送線間 無線LAN設備 信号反転回路 各伝送線 トグル信号 並列伝送路
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課題

複雑な制御を必要とせず、簡単な構成により、高速通信物理的には低速である伝送路を用いて実現する。

解決手段

送信する信号波形を1/2に分周したものを、送信信号そのままの波形反転波形とについて作成してそれぞれ個別の伝送路で送信し、受信側ではそれらの2つの波形を排他的論路和により合成することで、もとの信号波形を復元する。

概要

背景

マイクロコンピュータを応用した各種製品に対して、それらの製品どうしを接続するために様々な通信方式考案されてきている。
近年、伝送するデータ量の増加に伴いそれらの通信方式は高速化される傾向にあり、特に、送信と受信のそれぞれに対して1本の伝送線を使って相手機器と接続するシリアル伝送方式による高速化が目覚しい勢いで発展してきている。その代表的なものとして、オフィス環境ネットワーク設備として一般的となったイーサネット登録商標)がある。このイーサネット(登録商標)は、1Gbpsを超える伝送速度を実現している。

このような通信速度の向上に伴って、従来の方式では、電線での伝送では損失が大きくなるために伝送距離が短くなったリ、また信号伝送媒体を高価な光ファイバケーブルに変更するなどの対策を取らなければならないという問題があった。

また高速伝送を実現するためには、送受信のための電子回路についても設計技術とものづくりの両方に対して高度な技術が要求される様になってくるため、その通信を実現するためのコスト高騰を招くという問題がある。

更に通信速度が高速になり、電子回路の動作速度もそれに増して高速になることで、通信機器通信ケーブルなどから妨害電波周辺環境放射してしまうという問題がある。近年、携帯電話パソコン無線LAN設備など、無線技術を使った製品が増加しており、妨害電波の放射対策は通信機器等を製品化する上で極めて重要な課題となっており、またこの対策のために多大な開発期間とコストが必要になるという問題がある。

またその逆もあり、通信速度の増加に伴い、周辺環境から発生される妨害電波の影響を受けて通信が正常に行われなくなる問題も発生するという問題がある。
一方、イーサネット(登録商標)のほかにも、シリアル伝送方式を採用した通信規格として、PCI−Expressという通信方式が開発されている。PCI−Expressは、下記特許文献1にも記載されているような並列伝送方式において伝送速度を高速化した場合の並列伝送路間のスキューの発生という問題を、高速シリアル伝送を採用することにより解決しようとするものである。

それに対して、特許文献1に開示された技術は、並列伝送方式において、各並列伝送路の1本で伝送される信号をビットレートが1/mのm本の低速データに分割し、分割されたm本の低速データを多重化して1本の伝送路で伝送することにより、並列伝送路間で発生するスキューによる影響を避けようとするものである。

特許文献1に開示された技術では、スキューの問題は解決するかも知れないが、分割された低速データを1本の伝送路に多重化して伝送することから、伝送路上の信号の伝送速度自体は低速とはならないので、上述の通信速度高速化に伴う問題の解決にはならない。

また、1つの論理チャネルの信号を複数の並列物理回線で伝送する技術として、IEEE 802.3ad として標準化されているリンクアグリゲーションが知られている。この技術によれば、確かに物理的な伝送路上の伝送速度は低下するが、リンクアグリゲーションを実施するためには物理層より上位の階層における複雑な制御が必要であり、低コストで簡便なものではない。
特開2000−101669号公報

概要

複雑な制御を必要とせず、簡単な構成により、高速通信を物理的には低速である伝送路を用いて実現する。送信する信号波形を1/2に分周したものを、送信信号そのままの波形反転波形とについて作成してそれぞれ個別の伝送路で送信し、受信側ではそれらの2つの波形を排他的論路和により合成することで、もとの信号波形を復元する。

目的

そこで、本発明が解決しようとする課題は、複雑な制御を必要とせず、簡単な構成により、高速通信を物理的には低速である伝送路を用いて実現する伝送方式を提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

送信データ信号が入力される送信データ入力端子に接続された第1の1/2分周回路と、前記送信データ入力端子に信号反転回路を介して接続された第2の1/2分周回路と、前記第1の1/2分周回路の出力データ信号伝送する第1の伝送路と、前記第2の1/2分周回路の出力データ信号を伝送する第2の伝送路と、前記第1の伝送路と前記第2の伝送路から受信されたデータ信号を入力として前記送信データ信号を復元した受信データ信号を出力する排他的論理和回路と、を備えたことを特徴とする信号伝送回路

請求項2

送信データ入力端子に接続された第1の1/2分周回路と、前記送信データ入力端子に信号反転回路を介して接続された第2の1/2分周回路と、を備え、前記第1の1/2分周回路の出力を第1の伝送路に送出し、前記第2の1/2分周回路の出力を第2の伝送路に送出することを特徴とする信号伝送回路。

請求項3

前記第1の1/2分周回路と第2の1/2分周回路はトグルフリッププロップであることを特徴とする請求項1又は2に記載の信号伝送回路。

請求項4

送信データ信号が入力される送信データ入力端子に接続され、入力信号を1/2分周して出力する第1の分周回路と前記入力信号反転させる反転回路と該反転回路の出力を1/2分周して出力する第2の分周回路からなる分周ユニットツリー状複数段接続した送信信号低速化部と、該送信信号低速化部の最下層の出力データ信号それぞれを送信する複数の伝送路と、前記送信信号低速化部の前記分周ユニットに対応して階層的に接続されて設けられた排他的論理和回路と、を備え、前記階層的に接続されて設けられた排他的論理和回路の初段の排他的論理和回路には前記複数の伝送路から受信されたデータ信号が入力され、最終段の排他的論理和回路から前記送信データ信号を復元した受信データ信号を出力することを特徴とする信号伝送回路

請求項5

送信データ信号が入力される送信データ入力端子に接続され、入力信号を1/2分周して出力する第1の分周回路と前記入力信号を反転させる反転回路と該反転回路の出力を1/2分周して出力する第2の分周回路からなる分周ユニットをツリー状に複数段接続した送信信号低速化部を備え、前記送信信号低速化部の最下層の出力信号をそれぞれ個別の伝送路に送出することを特徴とする信号伝送回路。

請求項6

第1の送信データ信号を2つに分岐し、該分岐された一方の前記第1の送信データ信号を1/2分周して第2の送信データ信号を生成し、前記分岐された他方の送信データ信号を反転させそれを1/2分周して第3の送信データ信号を生成し、前記第2の送信データ信号を第1の伝送路に送出するとともに前記第3の送信データ信号を第2の伝送路に送出し、前記第2の送信データ信号及び前記第3の送信データ信号を前記第1の伝送路及び第2の伝送路からそれぞれ受信し、該受信された該第2の送信データ信号及び該第3の送信データ信号の排他的論理和により前記第1の送信データ信号を復元することを特徴とする信号伝送方法

請求項7

第1の送信データ信号を2つに分岐し、該分岐された一方の前記第1の送信データ信号を1/2分周して第2の送信データ信号を生成し、かつ前記分岐された他方の第1の送信データ信号を反転させそれを1/2分周して第3の送信データ信号を生成する過程を、各生成された第2及び第3の送信データ信号を前記第1の送信データ信号としてm回繰り返すことにより2m個の第2の送信データ信号と第3の送信データ信号の組を生成して該第2の送信データ信号と第3の送信データ信号の組を2m+1個の伝送路に送出し、前記第2の送信データ信号と第3の送信データ信号の組を前記伝送路から受信し、前記第2の送信データ信号と第3の送信データ信号の組ごとに排他的論理和を順次階層的に繰り返すことにより前記第1の送信データ信号を復元すること、を特徴とする信号伝送方法。

技術分野

0001

本発明は、電子機器間を接続する信号伝送回路及び方法に関する。

背景技術

0002

マイクロコンピュータを応用した各種製品に対して、それらの製品どうしを接続するために様々な通信方式考案されてきている。
近年、伝送するデータ量の増加に伴いそれらの通信方式は高速化される傾向にあり、特に、送信と受信のそれぞれに対して1本の伝送線を使って相手機器と接続するシリアル伝送方式による高速化が目覚しい勢いで発展してきている。その代表的なものとして、オフィス環境ネットワーク設備として一般的となったイーサネット登録商標)がある。このイーサネット(登録商標)は、1Gbpsを超える伝送速度を実現している。

0003

このような通信速度の向上に伴って、従来の方式では、電線での伝送では損失が大きくなるために伝送距離が短くなったリ、また信号伝送媒体を高価な光ファイバケーブルに変更するなどの対策を取らなければならないという問題があった。

0004

また高速伝送を実現するためには、送受信のための電子回路についても設計技術とものづくりの両方に対して高度な技術が要求される様になってくるため、その通信を実現するためのコスト高騰を招くという問題がある。

0005

更に通信速度が高速になり、電子回路の動作速度もそれに増して高速になることで、通信機器通信ケーブルなどから妨害電波周辺環境放射してしまうという問題がある。近年、携帯電話パソコン無線LAN設備など、無線技術を使った製品が増加しており、妨害電波の放射対策は通信機器等を製品化する上で極めて重要な課題となっており、またこの対策のために多大な開発期間とコストが必要になるという問題がある。

0006

またその逆もあり、通信速度の増加に伴い、周辺環境から発生される妨害電波の影響を受けて通信が正常に行われなくなる問題も発生するという問題がある。
一方、イーサネット(登録商標)のほかにも、シリアル伝送方式を採用した通信規格として、PCI−Expressという通信方式が開発されている。PCI−Expressは、下記特許文献1にも記載されているような並列伝送方式において伝送速度を高速化した場合の並列伝送路間のスキューの発生という問題を、高速シリアル伝送を採用することにより解決しようとするものである。

0007

それに対して、特許文献1に開示された技術は、並列伝送方式において、各並列伝送路の1本で伝送される信号をビットレートが1/mのm本の低速データに分割し、分割されたm本の低速データを多重化して1本の伝送路で伝送することにより、並列伝送路間で発生するスキューによる影響を避けようとするものである。

0008

特許文献1に開示された技術では、スキューの問題は解決するかも知れないが、分割された低速データを1本の伝送路に多重化して伝送することから、伝送路上の信号の伝送速度自体は低速とはならないので、上述の通信速度高速化に伴う問題の解決にはならない。

0009

また、1つの論理チャネルの信号を複数の並列物理回線で伝送する技術として、IEEE 802.3ad として標準化されているリンクアグリゲーションが知られている。この技術によれば、確かに物理的な伝送路上の伝送速度は低下するが、リンクアグリゲーションを実施するためには物理層より上位の階層における複雑な制御が必要であり、低コストで簡便なものではない。
特開2000−101669号公報

発明が解決しようとする課題

0010

そこで、本発明が解決しようとする課題は、複雑な制御を必要とせず、簡単な構成により、高速通信を物理的には低速である伝送路を用いて実現する伝送方式を提供することである。

課題を解決するための手段

0011

上記課題を解決するために、本発明では単位時間に伝送できるデータ量はそのままとし、実際に伝送する信号波形の伝送速度を1/2、1/4、1/8・・・と、元のデータ信号速度の2m分の1に低減させる。

0012

具体的には、送信する信号波形を1/2に分周したものを、送信信号そのままの波形反転波形とについて作成してそれぞれ個別の伝送路で送信し、受信側ではそれらの2つの波形を排他的論路和にて合成することで、もとの信号波形を復元する。

発明の効果

0013

本発明によれば、1つの伝送路が2つに増えることで、伝送するデータ量はそのままとし、伝送信号の速度を半分にすることができる。
この方式を送信側で繰り返して適用することで、伝送線は2本、4本、8本‥・と増えるが、伝送速度は1/2、1/4、1/8・・・と低下させることができる。

0014

そして、本発明は、分周回路反転回路及び排他的論理和回路というありふれた一般的な回路の単純な組み合わせで実現することができ、上位の通信プロトコルに影響を及ばすことがなく、また、伝送路の形態によらず適用することができる。

発明を実施するための最良の形態

0015

図1に本発明の一実施の形態の基本回路構成例を、図2にその動作波形を示す。
図2(a)の(1)にその波形を例示する送信データ信号入力端子11に入力された送信データ信号は2つに分岐され、一方はそのまま非反転信号用の第1のトグルフリップフロップ13のクロックCK端子に入力され、他方は信号反転用のインバータ12を通過して図2(a)の(3)にその波形を示す送信データ信号の反転信号となり、反転信号用の第2のトグル・フリップ・フロップ14に入力される。

0016

ここでトグル・フリップ・フロップの動作を説明する。この回路は、通常のロジック回路で多用される一般的な回路である。
トグル・フリップ・プロップは、入力信号(D)を、トグル信号(CK)の立ち上がりエッジ反転して出力信号(Q)とする動作を行う。

0017

図1に示すトグル・フリップ・プロップ13あるいはトグル・フリップ・フロップ14に基づいて更に詳しく動作を説明する。
図中の“CK”端子には、データ(D)を反転させる信号を入力して、その立ち上がりエッジでデータ(D)がラッチされて出力(Q)に出力される。

0018

立ち上がりエッジとは、信号のレベルが“Low”から“High”に変化する瞬間のことを意味する。“Low”とは通常0Vの電位を意味し、“High”とは、その回路の電源電圧の電位を意味する。

0019

ラッチとは信号を保持するという意味で、この場合データ(D)の状態がそのまま出力(Q)に出力される。一旦ラッチされた出力(Q)の状態は、データ(D)の状態が変化しても影響を受けることなく状態を保持し続ける。

0020

出力(Q)の反転状態を出力する端子である反転出力端子の信号をデータ(D)に接続することで常にデータ(D)は出力(Q)の反転したレベルの信号が入力される様になる。この状態でトグル信号(CK)に立ち上がりエッジが発生すると、出力(Q)のデータにデータ(D)の状態がラッチされ、その結果、出力(Q)がトグル信号(CK)の立ち上がりエッジで反転するという動作が実現できる。

0021

トグル・フリップ・フロップを通過した信号は、もとの信号の立ち上がりエッジで反転した信号となるため、信号の変化回数がもとの信号の半分になる。言い換えると、入力パルス信号は2分の1に分周され、例えば100MHzのクロック信号を入力すると、トグル・フリップ・フロップを通過したあとは50MHzのクロック信号になる。したがって、トグル・フリップ・フロップにより1/2分周器を実現できる。

0022

図2(a)の(1)に示すのが元の信号波形で、これがトグル・フリップ・フロップ13を通過したあとの波形が図2(a)の(2)に示す信号波形である。この信号は図1に示す第1の伝送線15に出力される。

0023

同様に図2(a)の(3)は元の信号を反転した信号波形であり、図2(a)の波形(4)がトグル・フリップ・フロップ14を通過したあとの信号波形で、図1に示す第2の伝送線16に出力される。

0024

なお、図2の波形(1)、(3)に記した矢印は、信号の立ち上がりエッジを示している。
図1の符号17を付した部分は第1の伝送線15及び第2の伝送線16からなる伝送線群を示している。ここはプリント基板配線群や電線ケーブル束や光ファイバケーブル束などに相当する。

0025

図1の符号18を付した部分は排他的論理和回路である。排他的論理和回路とは一般的にロジック回路で使われているもので、入力信号がお互いに同じレベルかどうかで出力信号のレベルを決めるものである。排他的論理和回路18は、第1の伝送線15と第2の伝送線16の入力信号のレベルが同じであれば受信データ信号出力端子19に“Low”レベルを出力し、違っていれば“High”レベルを出力する様に動作する。

0026

図2(b)に示すのは受信側の信号波形であり、第1の伝送線15の信号波形(2)及び第2の伝送線16の信号波形(4)と、信号波形(2)、(4)の排他的論理和を排他的論理和回路18で演算した結果の受信信号波形(5)を示している。

0027

図2(b)によれば、信号波形(2)と、信号波形(4)のレベルが同じ時は信号波形(5)のレベルは“Low”になり、違っている時は“High”になっていることが分かる。また、送信データ信号の信号波形(1)と、受信データ信号の信号波形(5)が同じであることから、途中で1/2分周され、2つに分割された伝送信号から送信データ信号が復元されて受信データ信号となっていることが分かる。

0028

図3は、伝送線を一般的なシリアル通信で使われている差動伝送回路で実現する場合の回路例を示すものである。この例では、送信データが例えば100MHzを基準周波数とする信号であった場合に、伝送線では2分周された50MHzを基準周波数の信号となって伝送される。

0029

送信データ信号入力端子31に入力された送信データ信号は、共通の入力端子にクロック端子が接続された非反転信号用の第1のトグル・フリップ・フロップ回路と共通の入力端子に信号反転用のインバータを介してクロック端子が接続された反転信号用の第2のトグル・フリップ・フロップから構成される分周ユニット32で1/2分周され、2分割された信号として差動通信方式の伝送路群35で受信側に送信される。差動通信方式の伝送路群35は2組の差動通信方式のドライバIC33及びレシーバIC34とそれらを接続する伝送線で構成されている。2組のレシーバIC34の出力は排他的論理和回路38に入力され、送信データ信号が復元されて受信データ信号出力端子39に出力される。

0030

差動通信方式の伝送路群35における各伝送線の伝送速度は送信データの通信速度の半分であるから、差動通信方式のドライバIC33及びレシーバIC34とそれらを接続する伝送線に要求されるスペックはそれだけ軽減されることになる。

0031

図4は、図3の説明において示した分周ユニットを2段使って、伝送線での信号を1/4分周して伝送する回路例を示すものである。この例では、送信データが例えば100MHzを基準周波数とする信号であった場合に、1段目の分周ユニットで50MHzに下がり、2段目の分周ユニットで25MHzに下がる。その結果伝送線には25MHzを基準周波数とする信号が伝送される様になる。

0032

送信データ入力端子41に入力された送信データ信号は、1段目の分周ユニット42で1/2分周され、2分割された信号として2段目の分周ユニット46に入力されてさらに1/2分周され、2分割された信号として差動通信方式の伝送路群45で受信側に送信される。元の送信データ信号から見ると1/4分周され4分割された信号が伝送されることになる。

0033

差動通信方式の伝送路群45は4組の差動通信方式のドライバIC43及びレシーバIC44とそれらを接続する伝送線で構成されている。2組のレシーバIC44の出力ごとに1段目の排他的論理和回路47に入力され、1段目の排他的論理和回路47の出力が2段目の排他的論理和回路48に入力され、送信データ信号が復元されて受信データ信号出力端子49に出力される。

0034

差動通信方式の伝送路群45の伝送線の伝送速度は送信データの通信速度の4分の1であるから、差動通信方式のドライバIC43及びレシーバIC44とそれらを接続する伝送線に要求されるスペックはさらに軽減されることになる。

0035

また、分割数を増やすことにより、不要輻射等を軽減できるのみならず、分割された伝送線間のスキューに対する許容度を増すこともできる。
なお、図3及び図4に示した実施例では、伝送線として差動信号での回路例を示したが、図1に示した基本回路構成例のように、通常のロジック回路で用いられるシングルエンド信号を用いたものでもよい。また、上記実施例の説明では分周回路としてトグル・フリップ・フロップを例示したが、他の分周回路も採用可能であることは明らかである。

0036

以上の詳細な説明から明らかなように、本発明は送信データを分周し分割して複数組の伝送路に送出し、複数組の伝送路から受信した信号の論理演算により送信信号を復元するものであるから、伝送路における伝送方式によらず適用可能である。

0037

したがって、本発明における伝送線として用いる伝送媒休としては、電線の場合にかぎらず、光ファイバケーブルの場合もあるし、場合により無線の場合もありうる。図3図4に例示した差動通信方式の伝送路群において、差動通信方式のドライバIC43及びレシーバIC44が用いられたように、それぞれの通信方式、伝送媒体に応じた変復調器により、パルス信号変調して送信し、受信した信号をパルス信号に復調することにより各種通信方式、伝送媒体に対応することができる。

0038

さらに、この伝送線には、様々な通信規格などを適用することができることも明らかである。例えば、LVDS伝送、RS232−C規格、RS422/485規格、Ethernet(登録商標)規格、各種工業用通信規格などが考えられる。

0039

また、シリアル伝送方式に限らず、本発明を複数の伝送線に使用することで、パラレル伝送方式での通信速度の低減も可能となる。
さらに、分周比について1/4のものまで例示したが、上記説明により、さらなる分周比のものについても、分周ユニットをツリー状複数段接続して送信信号低速化部とし、送信信号低速化部の最下層の出力データ信号それぞれを複数の伝送路に送信し、受信側には送信信号低速化部のツリー状の分周ユニットに対応して階層的に接続された排他的論理和回路を設けることにより、最終段の排他的論理和回路から送信データ信号を復元した受信データ信号を出力することができることは明らかである。

0040

すなわち、本発明によれば、mを自然数として、第1の送信データ信号を2つに分岐し、該分岐された一方の前記第1の送信データ信号を1/2分周して第2の送信データ信号を生成し、かつ前記分岐された他方の第1の送信データ信号を反転させそれを1/2分周して第3の送信データ信号を生成する過程を、各生成された第2及び第3の送信データ信号を前記第1の送信データ信号としてm回繰り返すことにより2m個の第2の送信データ信号と第3の送信データ信号の組を生成して該第2の送信データ信号と第3の送信データ信号の組を2m+1個の伝送路に送出し、前記第2の送信データ信号と第3の送信データ信号の組を前記伝送路から受信し、前記第2の送信データ信号と第3の送信データ信号の組ごとに排他的論理和を順次階層的に繰り返すことにより前記第1の送信データ信号を復元する信号伝送方法が実現される。

0041

以上詳細に説明したところから明らかなように、本発明によれば、簡明な構成により以下の効果を得ることができる。
1)通信速度は低いが、伝送できるデータ量は大きい通信システム構築することができる。
2)通信速度を低減することができるため、その送受信回路には従来からの技術を適用することができ、開発コストを低減できる。
3)通信速度を低減することで、伝送線としては安価な電線を採用することも可能となり、通信設備全体のコストダウンが可能となる。
4)通信速度を低減することで、電線ケーブルや通信回路などの通信媒体から周囲へ放射される妨害電波を低減することが可能となる。特に通信速度が低下することで、発生する妨害電波の周波数帯域が下がり、無線LANなどの他の情報機器への影響を無くすことが可能となる。
5)通信速度を低減することで、送受信回路の動作周波数も低く抑えることができるため、周辺環境からの妨害電波の影響で送受信回路が誤動作する可能性を低くすることができる。

図面の簡単な説明

0042

本発明の一実施の形態の基本回路構成例を示す図である。
図1に示す基本回路構成例の動作波形を示す図である。
分周ユニット1段による実施例を説明する図である。
分周ユニット2段による実施例を説明する図である。

符号の説明

0043

11、31、41送信データ信号入力端子
12インバータ
13 第1のトグル・フリップ・フロップ
14 第2のトグル・フリップ・フロップ
15 第1の伝送線
16 第2の伝送線
17伝送線群
18、38排他的論理和回路
19、39、49受信データ信号出力端子
32、42 1段目の分周ユニット
33、43差動通信方式のドライバIC
34、44 差動通信方式のレシーバIC
35、45 差動通信方式の伝送路群
46 2段目の分周ユニット
47 1段目の排他的論理和回路
48 2段目の排他的論理和回路

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