JP2005033375A - ダイバ−シティアンテナシステムにおけるアンテナ選択方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】周波数復調後の受信信号のS/N比を、簡単で信頼性の高い方法で推定し、この推定値を選択基準の設定に用いることができるようにする。
【解決手段】アンテナ信号の選択処理方法として、各アンテナ信号(Si)を復調し;信号(Si)のコンテント(S)を有するコンテント信号を取得するため、対象とする信号として１つもしくは複数の信号成分の周波数帯に対応する周波数帯域上でバンドパスフィルタによって復調された信号をフィルタ処理し；信号(Si)のノイズ信号（N）を取得するため、ノイズの周波数帯域幅に対応する周波数帯域上でバンドパスフィルタによって復調された信号をフィルタ処理し；対象とする信号とノイズ信号に対し自乗要素を適用し；取得された信号をローパスフィルタによってフィルタ処理し；取得した信号を除し、それぞれのアンテナ信号(Si)に対する選択基準(Ci)を定め；選択基準(Ci)を比較し；比較結果に基づきアンテナ信号(Si)を選択する。
【選択図】図１
【解決手段】アンテナ信号の選択処理方法として、各アンテナ信号(Si)を復調し;信号(Si)のコンテント(S)を有するコンテント信号を取得するため、対象とする信号として１つもしくは複数の信号成分の周波数帯に対応する周波数帯域上でバンドパスフィルタによって復調された信号をフィルタ処理し；信号(Si)のノイズ信号（N）を取得するため、ノイズの周波数帯域幅に対応する周波数帯域上でバンドパスフィルタによって復調された信号をフィルタ処理し；対象とする信号とノイズ信号に対し自乗要素を適用し；取得された信号をローパスフィルタによってフィルタ処理し；取得した信号を除し、それぞれのアンテナ信号(Si)に対する選択基準(Ci)を定め；選択基準(Ci)を比較し；比較結果に基づきアンテナ信号(Si)を選択する。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はダイバ−シティアンテナシステムにおける複数のアンテナから１つのアンテナを選択する方法に関するものである。特にアンテナ信号の品質指数の測定に基づいて、よりよい選択基準を含む方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
モバイルターミナル、例えば、ラジオ信号を受信する車両などを用いる通信網において、２つの対応する装置間の信号は、伝搬チャンネルを経由するラジオ波を用いている。このような伝搬チャンネルを経由する伝達は、しばしば通信外乱の大きな要素をもたらすものとなっている。
【０００３】
大きな外乱の中には、特に、トランスミッタとレシーバ間の距離によるパワーの損失、大きな受信開口部を備えたアンテナにおいて、例えば周囲の物への反射によりいくつもの経路を通り受信されることによる、信号におけるエコーの存在、そして、このシステムの受信帯域を使用する他の信号送出源の存在による妨害などがある。
【０００４】
これらの問題を軽減させるためには、例えばアダプティブフィルタやイコライザの使用、出力パワーの増大、もしくはエミッタサイトの増加などにより、従来のシステムを改良する必要がある。しかし、商売上の競争において、コストを考えると改良の実施は難しいとされてきた。そのほかの点では、問題の解決に有効であると考えられている技術のいくつかは、現行の通信網のインフラを大幅に変更しないと適応することができないものであった。
【０００５】
従来、アンテナに対して数々の改良が考えられてきた。特に、外乱による影響を軽減させるために様々な種類の送信・受信アンテナが提案されてきた（送信・受信方向をコントロールするためにメインローブの幅を狭くしたアンテナなど）。しかし、モバイルターミナルへの適用の場合、導入が簡単であるため、全方向アンテナの使用が好適な様式であるとされている。
【０００６】
前記問題に取り組むために、従来のシステムではダイバ−シティ方式を用いてきた。多数の無相関信号（お互いに関連しない信号）の受信のために様々なアンテナを使用することにより、１つのアンテナ信号が前記問題の影響を受けても、他の信号は影響されないようにするものがある。
【０００７】
様々なアンテナが使用された場合、アンテナ信号の選択処理が必要となってくる。処理は一般的に３つの技法カテゴリに分類することができる。
【０００８】
（１）所定の基準を満たしている間は同じアンテナ信号を継続し、基準外となった際に他のアンテナ信号に切り替える切り替え技法。
【０００９】
（２）全てのアンテナ信号が分析され、選択基準に基づき最適であるとされるものを選択する選択技法。
【００１０】
（３）それぞれの品質を考慮しながら、最終合計の前に、信号フェーズと振幅の修正を各アンテナ信号に独立して適用する組み合わせ技法。
【００１１】
（１）、（２）の適用は、選択基準に基づいた特定のアンテナ信号の選択に制限されている。理論的には、組み合わせ技法が用いられると信号の品質は向上するが、逆にシステムは複雑になるため、コスト面を考慮すると、通常は選択技法を適用するが好適と考えられている。
【００１２】
適切な選択基準と、アンテナ信号の品質指数が、ダイバ−シティアンテナシステムの性能を向上させるために重要である。
【００１３】
例えば、１つ、もしくは複数の品質指数の使用に基づいていくつかの選択基準が活用されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【００１４】
通常使用されている品質指数は以下のカテゴリに分類される。
【００１５】
１）受信信号強度インジケータ
２）受信信号強度に基づく受信信号品質インジケータ
３）周期的冗長検査インジケータ（ＣＲＣ）
４）ビット誤差率（ＢＥＲ）
５）プレアンブル相関の振幅
インジケータ１）、２）には、実際によく問題となっている、いくつもの経路を通った受信や妨害などによって、しばしば信号強度が受信信号の品質に関連していないという大きな問題がある。実際、妨害された場合、受信信号強度は大きく増大し、その一方では信号が大きく乱れ、場合によっては使用不能ともなる。
【００１６】
インジケータ３）、４）、５）は、まずデジタル信号に関するものであり、さらに、これらを適用する際には、信号の復調ステップおよび解読ステップの少なくとも２つの補助的なステップが実行される必要がある。補助的なステップの実行により、システムはさらに複雑になるが、常により良い結果を出すということが保証されているわけではない。さらに、これらの基準は、例えばＦＭラジオ信号のようなアナログ信号には適用されない。
【００１７】
そのほかに、最適な信号に対するノイズの比率（Ｓ／Ｎ比）を有する信号を選択するために、受信信号と周波数復調後（ＦＭ）のＳ／Ｎ比を比較することが提案されている（例えば、特許文献４参照）。これにより、選択基準はＳ／Ｎ比となる。しかし、ここではＳ／Ｎ比をどう取得するかまでは説明されていない。実際、Ｓ／Ｎ比の実計測はほぼ不可能である。さらに、ここで述べられているシステムでは周波数の多様性（ダイバ−シティ）を用いることが必要である。これによりシステムはさらに複雑となり、受信、送信側においてコストが高くなる。
【００１８】
【特許文献１】
米国特許第６０８５０７６号明細書
【００１９】
【特許文献２】
米国特許第６１４１３９２号明細書
【００２０】
【特許文献３】
米国特許第５９５２９６３号明細書
【００２１】
【特許文献４】
特開昭６１−１１９８２５号公報
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる欠点を解消すべく発案されたものである。詳細すると、本発明の目的の１つは、正確、迅速、低コストという利点を持つダイバ−シティアンテナシステムにおけるアンテナ選択の処理において、かかる欠点を解消することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本システムは、少なくとも２つのアンテナと、信号の品質の計測により決まった選択基準に基づいた選択と、周波数変調され電波によって伝達される１つ以上の成分を含む信号とを備えた、ダイバ−シティアンテナシステムにおけるアンテナ信号の選択処理であり、以下のようなステップを特徴としている。
【００２４】
ａ）各アンテナ信号（Ｓｉ）を復調するステップ；
ｂ）前記信号（Ｓｉ）の内容を示すコンテント（Ｓ）を有するコンテント信号を取得するため、対象とする信号として１つもしくは複数の信号成分の周波数帯に対応する周波数帯域上でバンドパスフィルタによって復調された信号をフィルタ処理するステップ；
ｃ）前記信号（Ｓｉ）のノイズを示すノイズ信号（Ｎ）を取得するため、ノイズの周波数帯域幅に対応する周波数帯域上でバンドパスフィルタによって復調された信号をフィルタ処理するステップ；
ｄ）前記対象とする信号と前記ノイズ信号に対し自乗要素を適用するステップ；
ｅ）ステップｄ）にて取得された信号をローパスフィルタによってフィルタ処理するステップ；
ｆ）ステップｅ）で取得した信号を除し、それぞれのアンテナ信号（Ｓｉ）に対する選択基準（Ｃｉ）を定めるステップ；
ｇ）選択基準（Ｃｉ）を比較するステップ；及び
ｈ）ステップｇ）の結果の比較に基づきアンテナ信号（Ｓｉ）を選択するステップ。
【００２５】
さらに好ましい選択方法では、前記ステップａ）の前に、アンテナ信号において対象となる信号が存在するかどうかをチェックする。
【００２６】
同処理において、対象とする信号が少なくとも１つのアンテナ信号に存在する時には、前記ステップｈ）において、選択基準（Ｃｉ）が高い値のアンテナ信号（Ｓｉ）を選択し、対象とする信号がどのアンテナ信号にも存在しない時には、該ステップｈ）において、選択基準（Ｃｉ）が低い値のアンテナ信号（Ｓｉ）を選択する。
【００２７】
本発明のこのような特徴により、Ｓ／Ｎ比と同じ方向に展開する選択基準を定めることが可能となり、この設定は信号を決定することはできないが、信号の最適選択が可能で、さらに、信号品質を推定することが可能となる。このようにして、最適な選択基準が取得される。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を具体化した実施形態を図に従って説明する。
【００２９】
本発明におけるアンテナ信号選択処理は、信号品質指数に基づいた選択基準を用いる。以下に示す例は、ラジオ局から送信され車両のラジオ受信機で受信されるＦＭラジオ信号の分野に適用される処理である。
【００３０】
従来の研究において、発明者は、周波数復調後の受信信号のＳ／Ｎ比を、信号品質の優れたインジケータとして定めてきた。しかし、このＳ／Ｎ比を実測することは不可能とされている。ゆえに本発明はこのＳ／Ｎ比を、簡単で信頼性の高い方法で推定し、この推定値を選択基準の設定に用いることを提案する。
【００３１】
一般的にはＦＭ信号の通信では、３００ｋＨｚの周波数帯域幅のＦＭ信号を、ヨーロッパでは８８ＭＨｚから１０８ＭＨｚ、日本では７６ＭＨｚから９０ＭＨｚの搬送周波数で伝搬する。
【００３２】
復調されたＦＭ信号は、モノラル， パイロット・トーン， ステレオ， ＲＤＳ， ＳＷＩＦＴ（ヨーロッパ）または ＤＡＲＣ（日本）などで構成され、最高帯域幅９６ ｋＨｚを占めるため、ＦＭ多重信号と呼ばれる（ベースバンド信号）
信号が外乱による影響を受けない場合、アンテナｉの信号に対するベースバンドＮｂｂｉにおけるノイズの電力スペクトル密度は、次の等式１によって求められる。
【００３３】
【数１】
アンテナｉに対するｋｉ（ｔ）は、周波数帯域ｆで全体的に一定であり、受信パワーに対して反比例の状態である。
【００３４】
これにより、特定の周波数帯域Ｂ［ｆｍｉｎ；ｆｍａｘ］ におけるノイズパワーＮＢは、周波数帯域における等式１の積分値であり、ＮＢは以下の式によって求められる。
【００３５】
【数２】
実際には、例えば周囲の物への反射（多経路受信）や、ドップラー効果などによる外乱による乱れが頻繁に起こり、対象とする信号域に存在する電力スペクトル密度が増加する。（図４アンテナ２）。しかし、本発明者達は、受信信号のＦＭ復調後も、品質は対象とする信号の周波数帯域におけるＳ／Ｎ比の展開方向と関連したままであることに気がついた。すなわち、Ｓ／Ｎ比は受信信号の品質の効率的なインジケータであることが推測できる。しかし、ここでは信号が混在しているため（対象とする信号とノイズ信号）、対象とする信号の周波数帯域におけるＳ／Ｎ比を計測することは不可能である。
【００３６】
本発明では、ＦＭ復調後の２つの異なる周波数帯域における受信信号エネルギーを比較することで、このＳ／Ｎ比の推測が確立されている。この推測により、Ｓ／Ｎ比と同方向に依存し、展開する基準Ｃが確立される。
【００３７】
本発明を具体化した第１の好ましい実施形態を図１に従って説明する。この実施例では、２つのアンテナＡ１、Ａ２が使用されている（図１）。３つ以上のアンテナが使用される場合もこの方式が適用される。信号はＦＭ多重ラジオ信号であり、モノラルもしくはステレオ、パイロット・トーンの様式で情報を含み、またＲＤＳ もしくはＳＷＩＦＴ（ヨーロッパ）ＤＡＲＣ（日本）などの様式では、補助的な情報に関連したデジタルデータの情報を含んでいる。
【００３８】
各アンテナ信号Ｓｉは、まず図１の復調器１、１１によって処理される。そして、復調された信号は選択判定計算回路ＣＣｉにおいて処理される。この計算回路では、信号はまず２つのバンドパスフィルタによりフィルタ処理される。信号は第一フィルタ（バンドパスフィルタ）２，１２によって周波数帯域△ｆｓｉｇｎａｌ＝ｆｓＭ−ｆｓｍにおいてフィルタ処理される。この式では、対象とする信号の最大周波数はｆｓ Ｍで、対象とする信号の最小周波数はｆｓｍである。例えば、周波数ｆｓｍとｆｓＭ はそれぞれ、モノラルでは０ｋＨｚと１５ｋＨｚ、パイロット・トーンでは１８．５ｋＨｚと１９．５ｋＨｚ、ステレオ成分では２３ｋＨｚと５３ｋＨｚ、ＲＤＳ成分では５４．６ｋＨｚと５９．４ｋＨｚ、そしてＳＷＩＦＴ（ヨーロッパ）またはＤＡＲＣ（日本）成分では６０ｋＨｚと９６ｋＨｚとなっている。
【００３９】
次に、第ニフィルタ３，１３は周波数帯域の信号を、ノイズが△ｆｎｏｉｓｅ＝ｆｎＭ−ｆｎｍで表されている時だけフィルタ処理をする。この式において、ノイズ帯とされる最大周波数はｆｎＭで、ノイズ帯とされる最小周波数はｆｎｍである。例えば、ＦＭ多重信号を適応する特別な場合において、周波数ｆｎｍ とｆｎＭはそれぞれ１００ｋＨｚ（＞９６ｋＨｚ）と１５０ｋＨｚ（ＦＭ局の信号帯域の上限）となっている。
【００４０】
このように、信号ＳとＮは、信号Ｓｉにおける高い周波数での対象とする信号とノイズ信号の各周波数帯域での、対象とする信号とノイズの組み合わせのコンテンツをそれぞれ示すものである。
【００４１】
それにより、これらの信号は自乗要素４、１４によって処理され、続いて、例えば１００ｋＨｚほどの周波数帯域幅を持つ、低域フィルタ５、１５によって処理をされる。この値は発明者の実験に基づいて、高い周波数の振幅を抑え、送信信号を安定させるために定義されており、ここではほんの一例として挙げられている。
【００４２】
各アンテナのフィルタ信号はデバイザー６、１６に入力され、信号品質の代表値であるＣｉを出力する。
【００４３】
各アンテナ信号ＳｉのＣｉは、比較器７で比較され、その結果の値が、ルータ８を制御する選択基準として用いられ、値Ｃｉに基づいたアンテナ信号を選択する。ゆえに本システムにより、アンテナＡｉのアンテナ信号の値Ｃｉが求められる。
【００４４】
計算回路ＣＣｉ は選択基準Ｃｉを下記の等式に従って算出する。
【００４５】
【数３】
Ｓｉ は、対象とする信号の周波数帯域内の、対象とする信号のコンテント（内容）のエネルギーである。［ｆｓｍ；ｆｓＭ］
Ｎｉ は対象とする信号の周波数帯域内の、ノイズのエネルギーである。［ｆｓｍ；ｆｓＭ］
ＮＩ はノイズのみの周波数帯域内の、高周波数ノイズのエネルギーである。［ｆｎｍ；ｆｎＭ］
したがって、各復調アンテナ信号は、このアンテナ信号の選択基準値を出力する計算回路に入力される。比較器７へ選択基準値が送信され、比較結果値であるコントロール信号はルータ８へ送信される。
【００４６】
前記等式１に従って、各値は次の式で求められる。
【００４７】
【数４】
なお、等式４を等式３で用いると、次の式が成り立つ。
【００４８】
【数５】
Ａは＋の定数であり、各アンテナとも同じであるため、Ｃｉは信号の復調後にＳ／Ｎ比と類似する方法で展開することがわかる。したがって、信号の復調後、選択基準Ｃｉは簡単に定められ、アンテナはＣｉに基づき選択される。一般的にＣｉ値が高ければ、信号品質も高いとされている。
【００４９】
したがって、本選択方法はＦＭ復調後（等式１）のノイズの様態に基いており、対象となる信号の周波数帯域以外で決められたノイズ推定である。
【００５０】
このような原理によって、１つの信頼性の高い基準に基づいて信号の選択がきわめて単純なシステムによって可能となる。
【００５１】
実現した他のモード（様式）においては、システムが１つもしくは２つのルータと１つの記憶ＦＩＦＯとの組み合わせを用いた計算回路を使用することにより更に簡単になっている。
【００５２】
図１では各計算回路ＣＣｉは各アンテナ信号に対して同じになっている。したがって、例えばアンテナ信号を選択してから計算回路に送信する入力ルータ９などを使用し、各アンテナからの信号を交互に受信すれば、計算回路ＣＣは１つだけでよくなる。
【００５３】
図２は２つのアンテナ受信で、１つの計算回路を用いた第二の選択様式を示している。計算回路ＣＣへ信号が送信される手前で、９ａ、９ｂの２つのルータがアンテナの選択をする。ルータ９ａによって、どちらのアンテナからの信号を計算回路ＣＣへ送信するかが選択され、ルータ９ｂによって、どちらのアンテナからの信号を、図１に記載されているものと同様の出力ルータ８へ送信するかが選択される。ます、図２に示されたような状態のルータ９ａ、９ｂにより、計算回路ＣＣはアンテナＡ１からの信号を受信し、基準値Ｃｉを定める。
【００５４】
計算回路は比較器７の第一の入力部に接続され、この値Ｃｉが送信される。比較器７は図１に記載されているものと同様であるが、２つの入力値のうち高い値を決定する簡単な加算器であってもよい。そして、ルータ８への入力部は１つしかないので、アンテナＡ１の接続を可能にさせるために、比較器７はコントロール信号をルータ８へ出力する。
【００５５】
計算回路の出力値である基準値Ｃｉが、例えば図２、１０のＦＩＦＯのようなデータ記憶手段に保存される間に、ルータ９ａ、９ｂによりアンテナＡ２のアンテナ信号の入力に切り替えられ、アンテナＡ２の信号は計算回路ＣＣへ送信される。ＦＩＦＯ１０の出力部は比較器７の第２の入力部に接続されているので、比較器７は各入力部で信号を受信し、ルータ８へコントロール信号を送信するために比較結果値を定める。この実現した方式では、計算回路は１だけ必要となり、図１で示されている第２の計算回路はデータの記憶手段に置きかえることができる。このように、システムは単純化されている。
【００５６】
図３に示されているのは第３の実現した方式であり、図２に示されている方式に類似しているが、この様式は複数のアンテナを配置している場合に適用されるものである。実際には、３つ以上のアンテナを使用する際には、比較器７は、最大値を調べ、その結果に従ってアンテナ信号を選択することができるよう、図１に示された方式と同様でなくてはならない。またこの場合、計算回路は１つだけ必要になる。図１に示された方式と同様に、計算回路の前にルータ９を配置することもできるが、ルータ９はＦＩＦＯの順序がルータ９の現位置により左右されるために、最終選択値をより確かにするにはルータ９は比較器７に対して配置されなくてはならない。この場合、図２における第２のルータ９ｂが必要なくなるが、第３の実現した様式における比較器７は補助的な入力部を必要とするため、図３に示されたように入力ルータ９を配置する。
【００５７】
したがって、上記のように選択基準の機能としての信号を選択することが可能となる。また、計算回路に単純な変更を加えることで、他の特徴を持つ必要な信号を選択することも可能となる。
【００５８】
実際には、上記のような計算回路では、適正周波数帯域を選択することによって、対象となる値の特定の成分に基づいて信号を選ぶことができる。しかし、対象となる値の周波数帯を修正することで、混在した信号のそのほかの成分を分析することもまた可能である。実際には、バンドパスフィルタ２、１２がわずかに修正された場合（△ｆｓｉｇｎａｌの修正）、信号のそのほかの成分が最良の状態の信号を選択することができる。
【００５９】
ダイバ−シティアンテナシステムにおいて受信された全てのアンテナ信号のなかに、対象となる成分を含んでいないという周囲のものによる外乱（障害）も存在する。さらに、単純にＦＭ多重信号の成分を送信しないラジオ局もある。例えばＲＤＳ成分のように、ダイバ−シティアンテナシステムにおいて受信された全てのアンテナ信号に対象となる信号が存在しない場合は、上記の処理を適用するのが望ましい。
【００６０】
２つのモノラル信号が受信され、選択基準のための対象となる信号がステレオもしくはＲＤＳ成分である状況が考えられる。前者の信号は、モノラル成分に対して良好な受信品質を備え、後者信号はモノラル成分に対して良好な受信品質を備えない。
【００６１】
図４は各信号に対するＦＭ復調信号の周波数帯をグラフにしたものである。
【００６２】
第２の信号の受信品質は低く、ノイズはモノラル成分を完全に遮蔽している。一方、第１の信号では、信号における様々な成分を識別することができる。したがって、通常選択処理により、信号を構成するモノラル成分が第１の信号に対して正しい信号として選択される。しかし、第２の信号に対して等式５を使うことにより下記のような結果を得ることができる。
【００６３】
【数６】
Ｃ２は選択基準に対応し、電力スペクトル密度のノイズは周波数帯域全体においてほぼ一定であるため、対象となる信号に対して使用される周波数帯域とノイズ対して使用される周波数帯域との比にほぼ等しい。
【００６４】
第１の信号において、対象となる信号に対して使用される周波数帯域における電力スペクトル密度が、等式１にしたがってノイズとして定義される場合、以下のようになる。
【００６５】
【数７】
しかし、ＦＭ多重信号に対して、ノイズの周波数帯域［１００ｋＨｚ；１５０ ｋＨｚ］は、対象となる信号の周波数帯域［０ｋＨｚ；９６ ｋＨｚ］よりも高い周波数の範囲に存在するとされている。したがって、
【数８】
上記と同じ処理を適用すると、ダイバ−シティアンテナシステムにおいて、全てのアンテナの受信信号に対象となる信号が存在しない場合、選択基準値の比較によって信号の品質が劣った第２の信号が選択されてしまう。
【００６６】
この問題を避けるために、ステレオ、またはＲＤＳ・ＤＡＲＣ成分などの対象となる信号で、少なくとも１つのアンテナにおいてアンテナ信号の選択の前に検出モジュールを追加することも可能である。実際、対象となる信号が存在する場合、最も高い選択基準値のアンテナ信号が選択される。また、対象となる信号が全てのアンテナにおいて存在しない場合、最も低い選択基準値のアンテナ信号が選択される。したがって、対象となる信号が存在しない場合、単純に選択を逆にすることが可能である。
【００６７】
尚、前記実施形態において採用された構成及び制御態様は一例であって、本発明を逸脱しない範囲で適宜の変更を加えてもよい。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、周波数復調後の受信信号のＳ／Ｎ比を、簡単で信頼性の高い方法で推定し、この推定値を選択基準の設定に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関連したアンテナ信号の選択処理の第１の様式で、本発明の好適な実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明に関連したアンテナ信号の選択処理の第２の様式を示す。
【図３】本発明に関連したアンテナ信号の選択処理の第３の様式を示す。
【図４】ＦＭ復調で致命的な外乱がある場合とない場合の、２つのモノラル信号におけるＦＭ復調信号のスペクトルを表すグラフである。
【符号の説明】
１，１１・・・復調器、２，１２・・・第一フィルタ（バンドパスフィルタ）、３，１３・・・第ニフィルタ、４，１４・・・自乗要素、５，１５・・・低域フィルタ、６，１６・・・デバイザー、７・・・比較器、８・・・ルータ、９，９ａ，９ｂ・・・入力ルータ、１０・・・データ記憶手段
【発明の属する技術分野】
本発明はダイバ−シティアンテナシステムにおける複数のアンテナから１つのアンテナを選択する方法に関するものである。特にアンテナ信号の品質指数の測定に基づいて、よりよい選択基準を含む方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
モバイルターミナル、例えば、ラジオ信号を受信する車両などを用いる通信網において、２つの対応する装置間の信号は、伝搬チャンネルを経由するラジオ波を用いている。このような伝搬チャンネルを経由する伝達は、しばしば通信外乱の大きな要素をもたらすものとなっている。
【０００３】
大きな外乱の中には、特に、トランスミッタとレシーバ間の距離によるパワーの損失、大きな受信開口部を備えたアンテナにおいて、例えば周囲の物への反射によりいくつもの経路を通り受信されることによる、信号におけるエコーの存在、そして、このシステムの受信帯域を使用する他の信号送出源の存在による妨害などがある。
【０００４】
これらの問題を軽減させるためには、例えばアダプティブフィルタやイコライザの使用、出力パワーの増大、もしくはエミッタサイトの増加などにより、従来のシステムを改良する必要がある。しかし、商売上の競争において、コストを考えると改良の実施は難しいとされてきた。そのほかの点では、問題の解決に有効であると考えられている技術のいくつかは、現行の通信網のインフラを大幅に変更しないと適応することができないものであった。
【０００５】
従来、アンテナに対して数々の改良が考えられてきた。特に、外乱による影響を軽減させるために様々な種類の送信・受信アンテナが提案されてきた（送信・受信方向をコントロールするためにメインローブの幅を狭くしたアンテナなど）。しかし、モバイルターミナルへの適用の場合、導入が簡単であるため、全方向アンテナの使用が好適な様式であるとされている。
【０００６】
前記問題に取り組むために、従来のシステムではダイバ−シティ方式を用いてきた。多数の無相関信号（お互いに関連しない信号）の受信のために様々なアンテナを使用することにより、１つのアンテナ信号が前記問題の影響を受けても、他の信号は影響されないようにするものがある。
【０００７】
様々なアンテナが使用された場合、アンテナ信号の選択処理が必要となってくる。処理は一般的に３つの技法カテゴリに分類することができる。
【０００８】
（１）所定の基準を満たしている間は同じアンテナ信号を継続し、基準外となった際に他のアンテナ信号に切り替える切り替え技法。
【０００９】
（２）全てのアンテナ信号が分析され、選択基準に基づき最適であるとされるものを選択する選択技法。
【００１０】
（３）それぞれの品質を考慮しながら、最終合計の前に、信号フェーズと振幅の修正を各アンテナ信号に独立して適用する組み合わせ技法。
【００１１】
（１）、（２）の適用は、選択基準に基づいた特定のアンテナ信号の選択に制限されている。理論的には、組み合わせ技法が用いられると信号の品質は向上するが、逆にシステムは複雑になるため、コスト面を考慮すると、通常は選択技法を適用するが好適と考えられている。
【００１２】
適切な選択基準と、アンテナ信号の品質指数が、ダイバ−シティアンテナシステムの性能を向上させるために重要である。
【００１３】
例えば、１つ、もしくは複数の品質指数の使用に基づいていくつかの選択基準が活用されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【００１４】
通常使用されている品質指数は以下のカテゴリに分類される。
【００１５】
１）受信信号強度インジケータ
２）受信信号強度に基づく受信信号品質インジケータ
３）周期的冗長検査インジケータ（ＣＲＣ）
４）ビット誤差率（ＢＥＲ）
５）プレアンブル相関の振幅
インジケータ１）、２）には、実際によく問題となっている、いくつもの経路を通った受信や妨害などによって、しばしば信号強度が受信信号の品質に関連していないという大きな問題がある。実際、妨害された場合、受信信号強度は大きく増大し、その一方では信号が大きく乱れ、場合によっては使用不能ともなる。
【００１６】
インジケータ３）、４）、５）は、まずデジタル信号に関するものであり、さらに、これらを適用する際には、信号の復調ステップおよび解読ステップの少なくとも２つの補助的なステップが実行される必要がある。補助的なステップの実行により、システムはさらに複雑になるが、常により良い結果を出すということが保証されているわけではない。さらに、これらの基準は、例えばＦＭラジオ信号のようなアナログ信号には適用されない。
【００１７】
そのほかに、最適な信号に対するノイズの比率（Ｓ／Ｎ比）を有する信号を選択するために、受信信号と周波数復調後（ＦＭ）のＳ／Ｎ比を比較することが提案されている（例えば、特許文献４参照）。これにより、選択基準はＳ／Ｎ比となる。しかし、ここではＳ／Ｎ比をどう取得するかまでは説明されていない。実際、Ｓ／Ｎ比の実計測はほぼ不可能である。さらに、ここで述べられているシステムでは周波数の多様性（ダイバ−シティ）を用いることが必要である。これによりシステムはさらに複雑となり、受信、送信側においてコストが高くなる。
【００１８】
【特許文献１】
米国特許第６０８５０７６号明細書
【００１９】
【特許文献２】
米国特許第６１４１３９２号明細書
【００２０】
【特許文献３】
米国特許第５９５２９６３号明細書
【００２１】
【特許文献４】
特開昭６１−１１９８２５号公報
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる欠点を解消すべく発案されたものである。詳細すると、本発明の目的の１つは、正確、迅速、低コストという利点を持つダイバ−シティアンテナシステムにおけるアンテナ選択の処理において、かかる欠点を解消することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本システムは、少なくとも２つのアンテナと、信号の品質の計測により決まった選択基準に基づいた選択と、周波数変調され電波によって伝達される１つ以上の成分を含む信号とを備えた、ダイバ−シティアンテナシステムにおけるアンテナ信号の選択処理であり、以下のようなステップを特徴としている。
【００２４】
ａ）各アンテナ信号（Ｓｉ）を復調するステップ；
ｂ）前記信号（Ｓｉ）の内容を示すコンテント（Ｓ）を有するコンテント信号を取得するため、対象とする信号として１つもしくは複数の信号成分の周波数帯に対応する周波数帯域上でバンドパスフィルタによって復調された信号をフィルタ処理するステップ；
ｃ）前記信号（Ｓｉ）のノイズを示すノイズ信号（Ｎ）を取得するため、ノイズの周波数帯域幅に対応する周波数帯域上でバンドパスフィルタによって復調された信号をフィルタ処理するステップ；
ｄ）前記対象とする信号と前記ノイズ信号に対し自乗要素を適用するステップ；
ｅ）ステップｄ）にて取得された信号をローパスフィルタによってフィルタ処理するステップ；
ｆ）ステップｅ）で取得した信号を除し、それぞれのアンテナ信号（Ｓｉ）に対する選択基準（Ｃｉ）を定めるステップ；
ｇ）選択基準（Ｃｉ）を比較するステップ；及び
ｈ）ステップｇ）の結果の比較に基づきアンテナ信号（Ｓｉ）を選択するステップ。
【００２５】
さらに好ましい選択方法では、前記ステップａ）の前に、アンテナ信号において対象となる信号が存在するかどうかをチェックする。
【００２６】
同処理において、対象とする信号が少なくとも１つのアンテナ信号に存在する時には、前記ステップｈ）において、選択基準（Ｃｉ）が高い値のアンテナ信号（Ｓｉ）を選択し、対象とする信号がどのアンテナ信号にも存在しない時には、該ステップｈ）において、選択基準（Ｃｉ）が低い値のアンテナ信号（Ｓｉ）を選択する。
【００２７】
本発明のこのような特徴により、Ｓ／Ｎ比と同じ方向に展開する選択基準を定めることが可能となり、この設定は信号を決定することはできないが、信号の最適選択が可能で、さらに、信号品質を推定することが可能となる。このようにして、最適な選択基準が取得される。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を具体化した実施形態を図に従って説明する。
【００２９】
本発明におけるアンテナ信号選択処理は、信号品質指数に基づいた選択基準を用いる。以下に示す例は、ラジオ局から送信され車両のラジオ受信機で受信されるＦＭラジオ信号の分野に適用される処理である。
【００３０】
従来の研究において、発明者は、周波数復調後の受信信号のＳ／Ｎ比を、信号品質の優れたインジケータとして定めてきた。しかし、このＳ／Ｎ比を実測することは不可能とされている。ゆえに本発明はこのＳ／Ｎ比を、簡単で信頼性の高い方法で推定し、この推定値を選択基準の設定に用いることを提案する。
【００３１】
一般的にはＦＭ信号の通信では、３００ｋＨｚの周波数帯域幅のＦＭ信号を、ヨーロッパでは８８ＭＨｚから１０８ＭＨｚ、日本では７６ＭＨｚから９０ＭＨｚの搬送周波数で伝搬する。
【００３２】
復調されたＦＭ信号は、モノラル， パイロット・トーン， ステレオ， ＲＤＳ， ＳＷＩＦＴ（ヨーロッパ）または ＤＡＲＣ（日本）などで構成され、最高帯域幅９６ ｋＨｚを占めるため、ＦＭ多重信号と呼ばれる（ベースバンド信号）
信号が外乱による影響を受けない場合、アンテナｉの信号に対するベースバンドＮｂｂｉにおけるノイズの電力スペクトル密度は、次の等式１によって求められる。
【００３３】
【数１】
【００３４】
これにより、特定の周波数帯域Ｂ［ｆｍｉｎ；ｆｍａｘ］ におけるノイズパワーＮＢは、周波数帯域における等式１の積分値であり、ＮＢは以下の式によって求められる。
【００３５】
【数２】
【００３６】
本発明では、ＦＭ復調後の２つの異なる周波数帯域における受信信号エネルギーを比較することで、このＳ／Ｎ比の推測が確立されている。この推測により、Ｓ／Ｎ比と同方向に依存し、展開する基準Ｃが確立される。
【００３７】
本発明を具体化した第１の好ましい実施形態を図１に従って説明する。この実施例では、２つのアンテナＡ１、Ａ２が使用されている（図１）。３つ以上のアンテナが使用される場合もこの方式が適用される。信号はＦＭ多重ラジオ信号であり、モノラルもしくはステレオ、パイロット・トーンの様式で情報を含み、またＲＤＳ もしくはＳＷＩＦＴ（ヨーロッパ）ＤＡＲＣ（日本）などの様式では、補助的な情報に関連したデジタルデータの情報を含んでいる。
【００３８】
各アンテナ信号Ｓｉは、まず図１の復調器１、１１によって処理される。そして、復調された信号は選択判定計算回路ＣＣｉにおいて処理される。この計算回路では、信号はまず２つのバンドパスフィルタによりフィルタ処理される。信号は第一フィルタ（バンドパスフィルタ）２，１２によって周波数帯域△ｆｓｉｇｎａｌ＝ｆｓＭ−ｆｓｍにおいてフィルタ処理される。この式では、対象とする信号の最大周波数はｆｓ Ｍで、対象とする信号の最小周波数はｆｓｍである。例えば、周波数ｆｓｍとｆｓＭ はそれぞれ、モノラルでは０ｋＨｚと１５ｋＨｚ、パイロット・トーンでは１８．５ｋＨｚと１９．５ｋＨｚ、ステレオ成分では２３ｋＨｚと５３ｋＨｚ、ＲＤＳ成分では５４．６ｋＨｚと５９．４ｋＨｚ、そしてＳＷＩＦＴ（ヨーロッパ）またはＤＡＲＣ（日本）成分では６０ｋＨｚと９６ｋＨｚとなっている。
【００３９】
次に、第ニフィルタ３，１３は周波数帯域の信号を、ノイズが△ｆｎｏｉｓｅ＝ｆｎＭ−ｆｎｍで表されている時だけフィルタ処理をする。この式において、ノイズ帯とされる最大周波数はｆｎＭで、ノイズ帯とされる最小周波数はｆｎｍである。例えば、ＦＭ多重信号を適応する特別な場合において、周波数ｆｎｍ とｆｎＭはそれぞれ１００ｋＨｚ（＞９６ｋＨｚ）と１５０ｋＨｚ（ＦＭ局の信号帯域の上限）となっている。
【００４０】
このように、信号ＳとＮは、信号Ｓｉにおける高い周波数での対象とする信号とノイズ信号の各周波数帯域での、対象とする信号とノイズの組み合わせのコンテンツをそれぞれ示すものである。
【００４１】
それにより、これらの信号は自乗要素４、１４によって処理され、続いて、例えば１００ｋＨｚほどの周波数帯域幅を持つ、低域フィルタ５、１５によって処理をされる。この値は発明者の実験に基づいて、高い周波数の振幅を抑え、送信信号を安定させるために定義されており、ここではほんの一例として挙げられている。
【００４２】
各アンテナのフィルタ信号はデバイザー６、１６に入力され、信号品質の代表値であるＣｉを出力する。
【００４３】
各アンテナ信号ＳｉのＣｉは、比較器７で比較され、その結果の値が、ルータ８を制御する選択基準として用いられ、値Ｃｉに基づいたアンテナ信号を選択する。ゆえに本システムにより、アンテナＡｉのアンテナ信号の値Ｃｉが求められる。
【００４４】
計算回路ＣＣｉ は選択基準Ｃｉを下記の等式に従って算出する。
【００４５】
【数３】
Ｎｉ は対象とする信号の周波数帯域内の、ノイズのエネルギーである。［ｆｓｍ；ｆｓＭ］
ＮＩ はノイズのみの周波数帯域内の、高周波数ノイズのエネルギーである。［ｆｎｍ；ｆｎＭ］
したがって、各復調アンテナ信号は、このアンテナ信号の選択基準値を出力する計算回路に入力される。比較器７へ選択基準値が送信され、比較結果値であるコントロール信号はルータ８へ送信される。
【００４６】
前記等式１に従って、各値は次の式で求められる。
【００４７】
【数４】
【００４８】
【数５】
【００４９】
したがって、本選択方法はＦＭ復調後（等式１）のノイズの様態に基いており、対象となる信号の周波数帯域以外で決められたノイズ推定である。
【００５０】
このような原理によって、１つの信頼性の高い基準に基づいて信号の選択がきわめて単純なシステムによって可能となる。
【００５１】
実現した他のモード（様式）においては、システムが１つもしくは２つのルータと１つの記憶ＦＩＦＯとの組み合わせを用いた計算回路を使用することにより更に簡単になっている。
【００５２】
図１では各計算回路ＣＣｉは各アンテナ信号に対して同じになっている。したがって、例えばアンテナ信号を選択してから計算回路に送信する入力ルータ９などを使用し、各アンテナからの信号を交互に受信すれば、計算回路ＣＣは１つだけでよくなる。
【００５３】
図２は２つのアンテナ受信で、１つの計算回路を用いた第二の選択様式を示している。計算回路ＣＣへ信号が送信される手前で、９ａ、９ｂの２つのルータがアンテナの選択をする。ルータ９ａによって、どちらのアンテナからの信号を計算回路ＣＣへ送信するかが選択され、ルータ９ｂによって、どちらのアンテナからの信号を、図１に記載されているものと同様の出力ルータ８へ送信するかが選択される。ます、図２に示されたような状態のルータ９ａ、９ｂにより、計算回路ＣＣはアンテナＡ１からの信号を受信し、基準値Ｃｉを定める。
【００５４】
計算回路は比較器７の第一の入力部に接続され、この値Ｃｉが送信される。比較器７は図１に記載されているものと同様であるが、２つの入力値のうち高い値を決定する簡単な加算器であってもよい。そして、ルータ８への入力部は１つしかないので、アンテナＡ１の接続を可能にさせるために、比較器７はコントロール信号をルータ８へ出力する。
【００５５】
計算回路の出力値である基準値Ｃｉが、例えば図２、１０のＦＩＦＯのようなデータ記憶手段に保存される間に、ルータ９ａ、９ｂによりアンテナＡ２のアンテナ信号の入力に切り替えられ、アンテナＡ２の信号は計算回路ＣＣへ送信される。ＦＩＦＯ１０の出力部は比較器７の第２の入力部に接続されているので、比較器７は各入力部で信号を受信し、ルータ８へコントロール信号を送信するために比較結果値を定める。この実現した方式では、計算回路は１だけ必要となり、図１で示されている第２の計算回路はデータの記憶手段に置きかえることができる。このように、システムは単純化されている。
【００５６】
図３に示されているのは第３の実現した方式であり、図２に示されている方式に類似しているが、この様式は複数のアンテナを配置している場合に適用されるものである。実際には、３つ以上のアンテナを使用する際には、比較器７は、最大値を調べ、その結果に従ってアンテナ信号を選択することができるよう、図１に示された方式と同様でなくてはならない。またこの場合、計算回路は１つだけ必要になる。図１に示された方式と同様に、計算回路の前にルータ９を配置することもできるが、ルータ９はＦＩＦＯの順序がルータ９の現位置により左右されるために、最終選択値をより確かにするにはルータ９は比較器７に対して配置されなくてはならない。この場合、図２における第２のルータ９ｂが必要なくなるが、第３の実現した様式における比較器７は補助的な入力部を必要とするため、図３に示されたように入力ルータ９を配置する。
【００５７】
したがって、上記のように選択基準の機能としての信号を選択することが可能となる。また、計算回路に単純な変更を加えることで、他の特徴を持つ必要な信号を選択することも可能となる。
【００５８】
実際には、上記のような計算回路では、適正周波数帯域を選択することによって、対象となる値の特定の成分に基づいて信号を選ぶことができる。しかし、対象となる値の周波数帯を修正することで、混在した信号のそのほかの成分を分析することもまた可能である。実際には、バンドパスフィルタ２、１２がわずかに修正された場合（△ｆｓｉｇｎａｌの修正）、信号のそのほかの成分が最良の状態の信号を選択することができる。
【００５９】
ダイバ−シティアンテナシステムにおいて受信された全てのアンテナ信号のなかに、対象となる成分を含んでいないという周囲のものによる外乱（障害）も存在する。さらに、単純にＦＭ多重信号の成分を送信しないラジオ局もある。例えばＲＤＳ成分のように、ダイバ−シティアンテナシステムにおいて受信された全てのアンテナ信号に対象となる信号が存在しない場合は、上記の処理を適用するのが望ましい。
【００６０】
２つのモノラル信号が受信され、選択基準のための対象となる信号がステレオもしくはＲＤＳ成分である状況が考えられる。前者の信号は、モノラル成分に対して良好な受信品質を備え、後者信号はモノラル成分に対して良好な受信品質を備えない。
【００６１】
図４は各信号に対するＦＭ復調信号の周波数帯をグラフにしたものである。
【００６２】
第２の信号の受信品質は低く、ノイズはモノラル成分を完全に遮蔽している。一方、第１の信号では、信号における様々な成分を識別することができる。したがって、通常選択処理により、信号を構成するモノラル成分が第１の信号に対して正しい信号として選択される。しかし、第２の信号に対して等式５を使うことにより下記のような結果を得ることができる。
【００６３】
【数６】
【００６４】
第１の信号において、対象となる信号に対して使用される周波数帯域における電力スペクトル密度が、等式１にしたがってノイズとして定義される場合、以下のようになる。
【００６５】
【数７】
【数８】
【００６６】
この問題を避けるために、ステレオ、またはＲＤＳ・ＤＡＲＣ成分などの対象となる信号で、少なくとも１つのアンテナにおいてアンテナ信号の選択の前に検出モジュールを追加することも可能である。実際、対象となる信号が存在する場合、最も高い選択基準値のアンテナ信号が選択される。また、対象となる信号が全てのアンテナにおいて存在しない場合、最も低い選択基準値のアンテナ信号が選択される。したがって、対象となる信号が存在しない場合、単純に選択を逆にすることが可能である。
【００６７】
尚、前記実施形態において採用された構成及び制御態様は一例であって、本発明を逸脱しない範囲で適宜の変更を加えてもよい。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、周波数復調後の受信信号のＳ／Ｎ比を、簡単で信頼性の高い方法で推定し、この推定値を選択基準の設定に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関連したアンテナ信号の選択処理の第１の様式で、本発明の好適な実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明に関連したアンテナ信号の選択処理の第２の様式を示す。
【図３】本発明に関連したアンテナ信号の選択処理の第３の様式を示す。
【図４】ＦＭ復調で致命的な外乱がある場合とない場合の、２つのモノラル信号におけるＦＭ復調信号のスペクトルを表すグラフである。
【符号の説明】
１，１１・・・復調器、２，１２・・・第一フィルタ（バンドパスフィルタ）、３，１３・・・第ニフィルタ、４，１４・・・自乗要素、５，１５・・・低域フィルタ、６，１６・・・デバイザー、７・・・比較器、８・・・ルータ、９，９ａ，９ｂ・・・入力ルータ、１０・・・データ記憶手段
Claims (3)
- ダイバ−シティアンテナシステムにおけるアンテナ信号の選択方法において、前記システムは、少なくとも２つのアンテナを含み、信号品質の計測に基づいた選択基準による選択を備えた、少なくとも１つの成分を含んでいる信号が周波数変調され電波として伝達される当該アンテナ信号の選択方法は以下の連続するステップを構成することを特徴とする：
ａ）各アンテナ信号（Ｓｉ）を復調するステップ；
ｂ）前記信号（Ｓｉ）の内容を示すコンテント（Ｓ）を有するコンテント信号を取得するため、対象とする信号として１つもしくは複数の信号成分の周波数帯に対応する周波数帯域上でバンドパスフィルタによって復調された信号をフィルタ処理するステップ；
ｃ）前記信号（Ｓｉ）のノイズを示すノイズ信号（Ｎ）を取得するため、ノイズの周波数帯域幅に対応する周波数帯域上でバンドパスフィルタによって復調された信号をフィルタ処理するステップ；
ｄ）前記対象とする信号と前記ノイズ信号に対し自乗要素を適用するステップ；
ｅ）ステップｄ）にて取得された信号をローパスフィルタによってフィルタ処理するステップ；
ｆ）ステップｅ）で取得した信号を除し、それぞれのアンテナ信号（Ｓｉ）に対する選択基準（Ｃｉ）を定めるステップ；
ｇ）選択基準（Ｃｉ）を比較するステップ；及び
ｈ）ステップｇ）の結果の比較に基づきアンテナ信号（Ｓｉ）を選択するステップ。 - ステップａ）の前に、アンテナ信号において対象となる信号が存在するかどうかをチェックするステップを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ信号の選択方法。
- 対象とする信号が少なくとも１つのアンテナ信号に存在する時には、ステップｈ）において、選択基準（Ｃｉ）が最も高い値のアンテナ信号（Ｓｉ）を選択し、対象とする信号がどのアンテナ信号にも存在しない時には、ステップｈ）において、選択基準（Ｃｉ）が最も低い値のアンテナ信号（Ｓｉ）を選択することを特徴とする請求項２に記載のアンテナ信号の選択方法。
Applications Claiming Priority (1)
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