JP2002171201A - スペクトル拡散受信装置と受信方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スペクトラム拡散受信装置においてさらに耐
ノイズ性を向上させる受信方法の提供する。 【解決手段】 ほぼλ／２間隔に設けられているｎ本の
アンテナの受信出力が、アンテナスイッチ１１で拡散符
号の１チップ期間で切り替え出力され、高周波増幅部１
２，周波数変換部１３からＩＦ信号として出力される。
２０はＰＮ系列符号の相関部を示し、この相関部２０で
は各アンテナ毎に受信された信号の位相を基準信号によ
り補償し、逆拡散処理を施すことによってスペクトルが
拡散されたＳＳ通信電波の復調を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスペクトラム拡散通
信方式に好適に使用される受信装置に関わり、特に、マ
ルチパスによって電界強度が大きく変動するような場所
において有効なスペクトル拡散受信方法を提供するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】陸上移動体通信における伝搬特性は受信
地点に置ける周辺の建物や、移動速度、及び受信機の位
置等により大きく変化する。特に移動に伴う周辺の建物
からの反射波や散乱波により多重伝搬通路（マルチパ
ス）の状況が変化し、この異なる通信経路を経由した多
数の波が互いに干渉することによって複雑な定在波が生
じることにより、受信電波の電界強度が大きく変化する
と共に、その位相がランダムに変動する。

【０００３】例えば図５（ａ）（ｂ）はそれぞれ上記し
たようなマルチパス状況下でほぼ２ｍ、２ｍの２次平面
内（４００ポイント）で変化する受信電界強度と、その
位相変化をシュミレーションしたものであり、（ａ）は
ｘーｙ平面に対して縦軸が電界強度を示しており、
（ｂ）の場合は同様に縦軸が受信波の位相変化を示して
いる。この図に示されているように例えば波長λ＝１
２．６ｃｍ（２，４ＧＨｚ）帯の電磁波の場合は狭い空
間内で移動したときでも、受信信号の位相及び電界強度
が大きく変動することが分かる。

【０００４】そこで、このような激しいフェージング現
象に対処して電界強度の電波を受信するために、各種の
受信方式が実用化されている。これらの受信方式の中で
最も有効な受信方式としてはダイパシティ受信方式が良
く知られている。図６（ａ）の受信方式は、例えば互い
に離隔した位置に設けた２本のアンテナＡ１，Ａ２によ
って所望の電波を受信し、その電界強度の高い方のアン
テナ出力をスイッチ３１を介して受信電波として受信機
３２に取り込む。そして取り込んだ信号のレベルをレベ
ル検出器３３によって検出し、レベルがあるしきい値を
越えるとスイッチ３１によって他方のアンテナを選択す
るようにするものである。

【０００５】この方式は１台の受信機とアンテナ切り換
えスイッチを設けることによって簡単に構成することが
できるが、強い妨害波や受信信号の種類が判断できない
ような場合は、所望の受信電波を必ずしも受信できると
はいえない。また、アンテナ切り替え時間に伴う時間遅
れがあると、この期間に受信データが欠落するという問
題がある。

【０００６】そこで、図６（ｂ）に示すように空間上で
離隔している２本のアンテナＡ１，Ａ２を設け、一方の
アンテナの受信信号は可変移相器４１、および可変利得
アンプ４２を介して他方のアンテナの出力と合成器４３
で合成し、その出力を受信機４４に取り込むようにする
受信方式も知られている。この方式の場合は受信電波の
合成波から、その復調波形を解析したり、Ｓ／Ｎ等を検
出部４５により判断して前記可変位相器４１、可変利得
アンプ４２を制御し、ＣＮＲを重視して重み付けを行い
ながら受信波を合成する最大比合成法方式となる。

【０００７】このように、多数のアンテナとそのアンテ
ナの受信電波を受信する受信機を備えて、各受信機の出
力から最大比合成を行う方式や、近年提案されているソ
フトウエアアンテナによってフェージングに対処するこ
とも考えられているが、このような方式は受信機の台数
が増加したり、合成方法が複雑であって安価な小型受信
機に適応することが困難とされている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】そこで、近年は送信す
べきデータを拡散符号によって拡散し、マルチパスによ
る通信障害を軽減するスペクトル直接拡散方式（Direct
Sequency Spread Spectrum：DSSS)の通信システムが大
きく発展している。このスペクトラム直接拡散通信方式
は他のシステムへの干渉が少なく、また他から干渉を受
けにくい、通信情報の秘とく性がよい等のメリットがあ
る反面、同一周波数を共用する局の電界強度がほぼ等し
くなるように構成しないといわゆる遠近問題が発生し、
所望の送信局の情報を受信することが困難になる。ま
た、先に示したように激しいフェージングエリヤで受信
状態にしたときには、周波数選択フェージングによる一
部の周波数のスペクトルが欠落することによるデータ誤
りが高くなる。また反射波と直接波の電力が等しい状態
になると、送信系の電力を増加してもデータ誤りが低減
しないフロア効果により送信データの品質の改善効果が
期待できない。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明はかかる問題点を
解消することができる受信装置を提供するものであっ
て、特にスペクトル拡散通信で得られる拡散処理利得が
より向上するように、複数本のアンテナを切り替えるよ
うにしている。すなわち、本発明のスペクトル拡散受信
機は所定の距離離隔して配置されているｎ本の受信アン
テナと、前記ｎ本の受信アンテナの受信出力を拡散符号
長の１チップ周期で切り替えて取り込むアンテナスイッ
チと、前記アンテナスイッチから選択的に取り込まれた
受信信号を中間周波数に変換するＲＦ信号増幅部と、該
ＲＦ信号増幅部の出力を逆拡散する相関部と、前記相関
部の出力からベースバンド信号を復調する信号処理部を
備えている。そして、前記相関部は基準信号に基づい
て、前記各アンテナで受信された各信号の位相をそれぞ
れ補償する複数の位相補償部と、該各位相補償部の出力
を合成する合成部を備え、その出力から拡散前の逆拡散
された復調信号を得られるようにしたものである。

【００１０】また、本発明のスペクトル拡散受信方法
は、直接拡散されている送信波を相互に離間して配置さ
れている複数本のアンテナによって受信すると共に、該
各アンテナで受信された信号を拡散符号の１チップ周期
で切り替え取り込み、取り込まれた各アンテナの受信信
号の位相をそれぞれ前記拡散符号の基準信号に基づいて
修正することにより、送信側の拡散符号と相関した受信
信号を得、該信号をベースバンド信号で復調するもので
ある。

【００１１】特に、本発明ではスペクトルが拡散された
通信方式で受信された電波をさらに複数本のアンテナで
切り替え、拡散符号長を単位として空間的にホッピング
しながら復調しているので、拡散利得がさらに高くな
り、非とく性、および干渉波による障害等を軽減させる
ことができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図１に基づいて本発明のス
ペクトル拡散通信方式の受信機の概要をブロック図によ
り説明する。この図において１０は、例えば２次平面上
で ほぼλ／２離間して配置されているｎ本のアンテナ
であり、例えば送信電力のスペクトルが直接拡散された
ＰＳＫ変調送信電波を受信できるようにしている。１１
は各アンテナ（Ａ１，Ａ２，Ａ，３，・・・・Ａｎ）の
受信信号を後で述べるように所定のタイミングで切り替
えているアンテナスイッチである。１２はアンテナスイ
ッチ１１で選択された出力を増幅する高周波増幅器、１
３は増幅された信号を中間周波数に変換する周波数変換
部である。周波数変換部１３は上記高周波増幅器１２に
含まれる場合は省略され、局部発振器を使用してスーパ
ヘトロダイン方式により所望の角周波数（ωｔ）をもっ
たＩＦ周波数を発生するものでもよい。

【００１３】この周波数変換部１３から出力された信号
は、次にスペクトル拡散された信号の相関をとる相関部
２０に逐次入力され逆拡散処理を施される。そして、逆
算処理が施された２次復調信号は次のデータ処理回路１
８で１次復調処理がなされ、ベースバンドデータが抽出
される。ベースバンドデータは送信側の種種の情報によ
って構成されており、例えば、本発明が遠隔制御用機械
の受信装置として使用される場合は、操作側送信機の操
作情報がデジタル信号によって得られるようにしてい
る。

【００１４】１４はスペクトル拡散された受信信号に対
する同期確立情報を得るための受信部で、初期の段階で
複数本のアンテナの中の１本を選択して接続され、特定
の拡散信号パターンを記憶しているＰＮ系列発生器１５
と共に、予め、受信された信号が特定の拡散符号により
変調された信号であることを検出すると共に、その受信
信号を逆拡散するための初期同期の捕捉を行うようにし
ている。そして、捕捉された同期情報が受信システムを
コントロールしている受信コントローラ１６に供給され
る。

【００１５】受信コントローラ１６は捕捉した同期情報
に基づいてタイミング発生器１７を駆動し、その出力で
アンテナスイッチ１１の切換タイミングを設定すると共
に、相関部２０に同期情報と、この通信路に適応されて
いるＰＮ符号系列信号を所定のタイミングで送出して、
相関部２０において拡散された受信信号を逆拡散する処
理が行われるように制御する。

【００１６】ところで、よく知られているようにデジタ
ル通信方式において情報を拡散して伝送するスペクトル
拡散通信では、たとえば、図２に示すように２値信号で
符号化されたベースバンド送信データＴＤは、最大周期
Ｍとなる疑似ダンラム信号ＰＮ(Pseudo Noise)（以下、
拡散符号という）と乗算（排他的論理和）を取ることに
よって、ベースバンドデータの各ビット（シンボル期
間）が拡散され、拡散データＤＳに変換されている。送
信信号の送信電力のスペクトル分布はＳｉｎ（ｘ）／ｘ
により示され、上記拡散符号を構成する各ビットの周期
（以下、１チップ期間）をメインローブとして周波数帯
域が拡大され、結果的に送信電波の帯域幅が広がったも
のになる。

【００１７】本発明の場合は、このようなスペクトル拡
散がなされた信号電波を受信する際に所定の平面内に、
ほぼλ／２の距離離間して配置されている複数本（ｎ）
のアンテナによって受信すると共に、この各アンテナの
受信信号を上記拡散符号長の１チップ期間（Ｔｃ）をタ
イミング期間として切り替え抽出するようにしている。
すなわち、図３に示すように１０本のアンテナの場合
は、各アンテナＡ１．Ａ２．Ａ３．Ａ４・・・・Ａ10で
受信された信号は、拡散符号の１チップ期間（Ｔｃ）に
同期して斜線の期間のみの各アンテナの受信信号（Ａ
１，Ａ２，Ａ３，・・・・Ａ１０）がアンテナスイッチ
１１から切り出され出力される。そして、このアンテナ
スイッチ１１から出力された受信信号が、高周波増幅部
１２，および周波数変換部１３を介して中間周波数に変
換され、相関部２０に供給される。

【００１８】図４は相関部２０の機能をブロックによっ
て示したものである。この図においては２１は例えば信
号の分配器であり、周波数変換部１３から入力された各
アンテナの受信信号、つまり、アンテナスイッチ１１で
切り出された各受信電波の中間周波数信号を各位相補償
回路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、・・・・２２ｎに順次分
配して出力する。例えば、アンテナＡ１の受信情報ｍ１
は位相補償回路２２ａに、アンテナＡ２の受信情報ｍ２
は位相補償回路２２ｂ、以下、各アンテナ毎に各位相補
償回路に割り当てて供給されるようにしている。

【００１９】各位相補償回路２２（ａ、ｂ、ｃ、・・・
・）は移相回路２３（ａ、ｂ、ｃ、・・・）、基準信号
源２４（ａ、ｂ、ｃ、・・・・）、移相比較器２５
（ａ、ｂ、ｃ、・・・・）移相制御信号発生回路２６
（ａ、ｂ、ｃ、・・・）、乗算器２７（ａ、ｂ、ｃ、・
・・）を備えている。そして、この各位相補償回路２２
によって、離散的に配置されている各アンテナの受信信
号が基準信号の位相に基づいて位相制御が行われるよう
にしている。

【００２０】すなわち、各基準信号源２４（ａ、ｂ、
ｃ、・・・）はシンボルデータで位相変調されている中
間周波数（ωｔ）を基準の周波数とする信号源によって
構成されており、移相回路２３を介して入力された受信
信号は、比較回路２５においてこの基準信号と位相比較
がなされる。基準信号に対して位相がずれていると、各
比較回路２５から位相誤差信号が検出され、その信号が
位相制御信号発生部２６に入力される。そして、この回
路から出力される移相制御信号によって基準信号と受信
された信号の位相が一致するように制御ループが構成さ
れている。ここで、位相の一致は通常は双方の信号の位
相が一致するように制御するものであり、入力された受
信信号は基準信号の位相に対して、同相または１８０度
の位相となるように位相制御されるが、マッチドフィル
タによって信号の波形自体の相関をとることも可能であ
る。

【００２１】２８は、位相補償がなされた各信号を合成
して出力する合成回路であり、この合成回路２８から、
図３の合成信号のように離散的に配置されている各アン
テナからの受信信号の位相がベースバンドデータによっ
て変調された位相で出力される。したがって、各アンテ
ナ毎に変動すると考えられるマルチパスによる受信電波
の位相のずれが解消される。

【００２２】ところで、各基準信号源２４（ａ、ｂ、
ｃ、・・・）の信号の位相は、拡散符号ＰＮのパターン
に対応した位相と同じになるように制御部２６によりコ
ントロールされている。したがって、位相補償がなされ
た各アンテナ出力と、各基準信号を乗算器２７（ａ、
ｂ、ｃ、・・・・・）において演算した後に出力する
と、拡散符号によって逆拡散した信号成分が得られる。

【００２３】つまり、乗算器２７の乗算入力が同相の場
合は正の電圧レベルが重畳された高調波信号｛1/2（Ｃ
ｏｓ２ωｔ＋１｝）が、乗算器２７の入力が互いに１８
０度の位相差を持っているとき（Ｃｏｓωｔ、−Ｃｏｓ
ωｔ）は、負の電圧レベルが重畳された高調波信号｛1/
2（Ｃｏｓ２ωｔー１）｝が出力される。したがって、
この高調波成分（Ｃｏｓ２ωｔ）をローパスフイルタ等
で除去すると逆拡散されたベースバンド信号を得ること
ができる。なお、相関部２０は各アンテナの受信位相を
制御するだけとし、各受信信号の位相が基準信号によっ
て調整した後に合成する。

【００２４】相関器２７によって逆拡散処理がなされた
受信信号は、次によく知られているデータベースを復調
するための信号処理回路１８に供給することによってデ
ジタルベースバンドデータを得ることができる。

【００２５】このような受信装置は受信場所が変動する
ときや、その伝搬経路は変化することによって、常にマ
ルチパスの状況が変化し、その結果、受信電界も大きく
変化しているときでも、相関器２０に入力される総合受
信電力は殆ど変動しない均一のレベルとして処理される
ので、復調後のデータの誤り率を低下させることがで
き、フェージングの激しいＶＨＦ、ＳＨＦ帯の電波の受
信装置として有効である。

【００２６】また、本発発明では複数本のアンテナはほ
ぼλ／２の間隔に配置されるため、アンテナ毎の受信信
号は位相回転がほぼランダムとなる。したがって、希望
の受信電波と同一帯域内に混入する干渉波があるとき
に、この干渉波は本発明の複数本のアンテナでアンテナ
ホッピングされて受信されると、アンテナスイッチから
出力される干渉波の受信信号は拡散符号の１チップ毎に
位相が回転して拡散されることになる。そしてさらに、
この信号が相関器によって拡散されることにより、さら
に復調レベルが低下したものになる。

【００２７】スペクトル通信方式では一般的にベースバ
ンドデータの１ビットの転送速度と、拡散符号の１ビッ
トの転送速度の比が拡散率として示され、他の信号に対
してこの比が処理利得となるが、本発明の場合は受信信
号が複数本のアンテナから所定に順序で切り出され、こ
の点でＰＭ変調を受けたことと等価になる。そのため、
受信帯域内に狭帯域の干渉波が混入して来たときは、こ
の干渉波がアンテナの切換によって拡散され、さらに逆
拡散を受けることによって広いスペクトルに拡散され
る。これは混入した狭帯域の干渉（雑音）信号の受信電
力密度を低下させることになり逆拡散の後、フイルタを
通して得られる信号は、従来の拡散利得にさらにアンテ
ナ本数ｎだけホッピングすることにより加わる拡散利得
が追加され、最大値でほぼ２倍となるようにすることが
できる。

【００２８】このように複数本のアンテナを所定の周期
で切り換えるアンテナホッピングによる拡散を有効にす
るためには、アンテナスイッチで切り出される受信信号
の位相が順次１８０度移相しているような信号を選択す
ることが好ましい。そのため、例えば受信信号のプリア
ンブル信号を受信したときに出力される相関部２０の移
相制御信号の結果を使用して、アンテナ切換による拡散
利得が最大となるように各アンテナの選択順序を設定す
るようにプログラムを作っておくことが好ましい。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明のスペクトル
拡散受信装置は、拡散符号長の１チップ期間で、離間し
て配置されている複数のアンテナ出力を切り取るアンテ
ナスイッチを設け、このアンテナスイッチから出力され
た受信信号を逆拡散して、送信データを復調するように
しているので、反射物、障害物によって複雑な反射が生
じているマルチパス状況下で電界強度が大きく変化する
受信地点においても、常に電界強度をほぼ一定とした状
態で受信することが可能になるという利点が生じる。

【００３０】また、受信周波帯域に狭帯域の干渉波信号
や雑音電波が混入しているときに、従来のスペクトル拡
散処理利得に、アンテナ切換による拡散処理利得が追加
されるので、結果的に通常のスペクトル拡散方式に比較
して、拡散処理利得が向上し耐ノイズ性が向上すると共
に、フェージングに対してデータの誤り率を低減するこ
とができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態とされるスペクトラム拡散
受信装置の概要を示すブロック図である。

【図２】ベースバンドデータを拡散するときの説明波形
図である。

【図３】アンテナ切換タイミングを示す波形図である。

【図４】相関部２０の構成例を示すブロック図である。

【図５】マルチパス状況下の電界強度と受信位相を２次
元平面で示した斜視図である。

【図６】マルチパス障害を低減するための受信方法の従
来例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１０ アンテナ、１１ アンテナスイッチ、１２ 高周
波増幅器、１５ ＰＮ符号系列発成器、１６ 受信コン
トローラ、２０ 相関部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の距離離隔して配置されているｎ本
   の受信アンテナと、 前記ｎ本の受信アンテナの受信出力を拡散符号長の１チ
   ップ周期で切り替えて取り込むアンテナスイッチと、 前記アンテナスイッチから選択的に取り込まれた受信信
   号を中間周波数に変換するＲＦ信号増幅部と、 該ＲＦ信号増幅部の出力を逆拡散する相関部と、 前記相関部の出力からベースバンド信号を復調する信号
   処理部を備え、 前記相関部は基準信号に基づいて、前記各アンテナで受
   信された各信号の位相をそれぞれ補償する複数の位相補
   償部と、 該各位相補償部の出力を合成する合成部によって構成さ
   れていることを特徴とするスペクトル拡散受信装置。
2. 【請求項２】 直接拡散されている送信波を相互に離間
   して配置されている複数本のアンテナによって受信する
   と共に、該各アンテナで受信された信号を拡散符号の１
   チップ単位で取り込み、取り込まれた各アンテナの受信
   信号の位相をそれぞれ基準信号に基づいて位相制御した
   のち合成し、受信信号を逆拡散処理することによりベー
   スバンド信号に復調することを特徴とするスペクトル拡
   散受信方法。
3. 【請求項３】 上記受信信号はスペクトル拡散位相変調
   信号とされていることを特徴とする請求項１に記載のス
   ペクトル拡散受信装置。
4. 【請求項４】 上記複数本のアンテナは、ほぼλ／２離
   間して配置され、受信信号の位相がほぼ１８０度に移相
   するような順番で選択されるように設定されることを特
   徴とする請求項１に記載のスペクトル拡散受信装置。
5. 【請求項５】 上記複数本のアンテナ本数は拡散符号長
   のビット数と同一となるように設定されていることを特
   徴とする請求項２に記載のスペクトル拡散受信方法。