JP2005130314A - スペクトラム拡散通信におけるマルチパス検出方式 - Google Patents

Abstract

【課題】 新規な「スペクトラム拡散通信におけるマルチパス検出方式」を提供する。
【解決手段】 直接拡散方式によりスペクトラム拡散された信号を受信する受信装置１は、スペクトラム拡散された信号を受信しこれを逆拡散する逆拡散器５０と、逆拡散器５０より出力された信号を積分する積分器６０と、積分器６０の積分値６２に基づき受信した信号がマルチパス受信状態か否かを判定するマルチパス判定手段（ＭＰＵ７０）とを有する。積分値が積分期間に比例して単調増加するとき受信信号がマルチパス受信状態でないと判定する。反対に単調増加しないとき受信信号がマルチパス受信状態であると判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直接拡散方式によりスペクトラム拡散された信号を受信する受信装置のマルチパス検出方式に関し、特にナビゲーション装置等に用いられるＧＰＳ受信装置のマルチパス検出方式に関する。

従来からマルチパス検出に関する様々な提案が成されている。例えば特許文献１は、マルチパスによって発生する交流信号を増幅する演算増幅回路と、この演算増幅回路の出力信号をレベル検波する検波回路とを備え、マルチパスノイズを正確に検出することができ、かつＩＣ化に適したマルチパス検出回路を提供している。

近年、携帯電話等の移動通信やＧＰＳ（Global Positioning System）における通信にスペクトラム拡散通信方式が用いられている。スペクトラム拡散通信方式とは、コンピューター等から出力されるベースバンド信号を乗せたキャリア（搬送波）のスペクトラムの帯域幅を、もともと持っている狭帯域な周波数帯域幅よりも数倍から数十倍に拡散する伝送方式である。

ベースバンド信号を乗せた狭帯域なキャリアを広帯域に拡散する手法の一つに直接拡散がある。直接拡散方式によるスペクトラム通信において、送信側は、ベースバンド信号（ディジタル信号）をキャリアに乗せるベースバンド変調と、その変調されたベースバンド信号（スペクトラム）に高速で広帯域なランダム符号化信号（ＰＮ符号：Pseudo Noise）を乗せてスペクトラムを拡散する拡散変調とを有している。受信側は、送信側と逆の処理、すなわち受信した信号に送信側と同じＰＮ符号を用いて逆拡散復調を行い、元の送信データを再生する。なお、ＰＮ符号のクロック周波数は、ベースバンド信号のそれよりも大きく、ＰＮ符号の１つの矩形波（これをチップと呼ぶ）の時間をＴｃとすると、チップレート（チップの伝送速度cps chip per second）は１／Ｔｃとなる。

特開平５−９０９８５号

直接拡散方式によるスペクトラム拡散通信では、直接波と反射波が同時に受信されても、その時間差がＰＮ符号の１チップ期間（Ｔｃ）以上であれば、分離して受信できるという特徴を有するが、１チップ期間未満の場合には分離できず、マルチパス状態の検出を行うことができない。携帯電話機等のデータ通信機の場合、マルチパス環境であってもデータの復調さえ行うことができれば問題はないが、ＧＰＳ受信機の場合には、純粋な直接波のみを位置検出に使用しないと位置演算に誤差を生じてしまうという課題がある。上記特許文献１は、マルチパス検出に関する１つの手法を提案するが、スペクトラム拡散通信におけるマルチパスの検出を課題とするものではないし、またその課題を解決することを教示するものでもない。

本発明は、上記従来の課題を解決し、新規な手法によりスペクトラム拡散通信におけるマルチパス検出方式を提供することを目的とする。
さらに本発明は、このような新規なマルチパス検出方式を実施する受信装置およびこれを利用したＧＰＳ受信装置ならびにナビゲーション装置を提供することを目的とする。

本発明に係る、直接拡散方式によりスペクトラム拡散された信号を受信する受信装置は、スペクトラム拡散された信号を受信しこれを逆拡散する逆拡散手段と、逆拡散手段より出力された信号を積分する積分手段と、積分手段の出力結果に基づき受信した信号がマルチパス受信状態か否かを判定するマルチパス判定手段とを有する。

好ましくはマルチパス判定手段は、積分手段により積分された値が積分期間に比例して単調増加するとき受信した信号がマルチパス受信状態でないと判定し、他方、積分手段により積分された値が積分期間に比例して単調増加しないとき受信した信号がマルチパス受信状態であると判定する。

本発明に係る直接拡散方式によりスペクトラム拡散された信号を受信する受信装置のマルチパス検出方式は、スペクトラム拡散された信号を受信するステップと、受信された信号を逆拡散するステップと、逆拡散された信号を積分するステップと、積分された値に基づき受信した信号がマルチパス受信状態か否かを判定するステップとを有する。

本発明によれば、受信装置における逆拡散後の信号を積分し、その積分結果に基づき受信した信号がマルチパス受信状態か否かを判定するようにしたので、受信した信号の時間差が１チップ期間（Ｔｃ）未満の場合であってもマルチパスを検出することができる。さらに、このようなマルチパス検出方式をナビゲーション装置のＧＰＳ受信装置に適用し、マルチパスを生じているＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を測位対象から除外することで、位置検出精度を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係るスペクトラム拡散通信方式による受信装置の構成を示すブロック図である。同図において、受信装置１は、スペクトラム拡散された信号を受信するアンテナ１０と、アンテナ１０によって受信された信号を増幅する高周波増幅器２０と、高周波増幅器２０からの信号を入力しここからキャリア成分を取り除くベースバンド復調器３０と、ＰＮ符号を発生するＰＮ符号発生器４０と、ベースバンド復調器３０からの信号にＰＮ符号発生器４０からのＰＮ符号を乗算し元の送信信号（ディジタル信号）を再生する逆拡散器５０とを含んでいる。

さらに本実施例の受信装置１は、受信信号のマルチパス状態を検出するために、逆拡散器５０の出力５２に接続された積分器６０と、積分器６０の積分値６２からマルチパス受信状態にあるか否かを判定する機能を備えたマイクロプロセッサユニット（ＭＰＵ）７０とを有している。

図２に示すように、送信側では、送信データまたはベースバンド信号を乗せたキャリアのスペクトラムの帯域幅を、ＰＮ符号を加えることで拡散する。ここで、Ｔｓはベースバンド信号の１ビット（パルス）期間であり、そのビットレートは１／Ｔｓ（ｂｐｓ）で表される。Ｔｃは、ＰＮ符号の１チップ（パルス）期間であり、そのチップレートは１／Ｔｃで表される。

受信装置１のアンテナ１０には、送信側から発射されたスペクトラム拡散信号の直接波や反射波が受信される。受信された信号は、高周波増幅器２０およびベースバンド復調器３０を介して逆拡散器５０において逆拡散される。ＰＮ符号発生器４０は、ＭＰＵ７０からの制御信号７２を受け取り、この制御信号７２に応答して送信側において与えられたＰＮ符号と同一のＰＮ符号４２を逆拡散器５０に与える。

逆拡散器５０によって元の送信データまたはベースバンド信号が再生され、再生された信号が積分器６０に入力される。積分器６０はこれを積分し、その積分値６２をＭＰＵ７０に出力する。ＭＰＵ７０は、積分器６０からの積分値６２を受け取り、この積分値からマルチパスの有無を判定する。さらにＭＰＵ７０は、積分器６０に対して一定期間ごとに積分内容をクリアするためのクリア信号７４を出力することで一定の積分期間が設定される。本実施例では、積分期間はベースバンド信号の１ビット期間Ｔｓに等しく、従ってＭＰＵ７０は１ビット期間Ｔｓ毎にクリア信号７４を積分器６０に出力する。

図３は、積分器６０の出力波形を示す図であり、縦軸に積分値、横軸に積分期間を示している。多重波マルチパス環境下では、受信信号強度が変動する。この状況において、逆拡散器５０の後の積分器６０の出力を観測すると、マルチパスが無い状態では、積分期間が増えるとそれに比例して積分値が直線的に単調増加するが、マルチパスがあると信号強度が時間と共に変動するため、積分値が単調増加ではなく歪んだ増加の仕方をする。図３において、波形ＡおよびＣは、マルチパスが無い状態を示し、波形Ｃは受信強度が波形Ａよりも低い場合である。マルチパスが無い状態では信号強度の変動がほとんど無いため、波形ＡおよびＣの積分値は積分期間の増加に伴い直線的に変化する。他方、波形Ｂは、マルチパスがある場合であり、信号強度の変動により積分期間の増加と共に積分値が一定に増加しない、歪んだ増加となる。

ＭＰＵ７０は、積分器６０からの積分値６２を入力し、積分期間の増加に比例して積分値が単調増加するか否かを判定する。上記したように、ＭＰＵ７０はベースバンド信号の１ビット期間Ｔｓを１積分期間とし、積分器６０に対して期間Ｔｓ毎にクリア信号７４を出力する。このため、ＭＰＵ７０が積分器６０から受け取る積分値６２は、マルチパスが無い状態では、常に一定の変化量を示す値となる。例えば図３の波形Ａに関して言えば、積分期間ｔ１−ｔ２のときの変化量はΔｒ＝ｒ２−ｒ１であり、積分期間ｔ２−ｔ３のときの変化量はΔｒ＝ｒ３−ｒ２であり、これらの変化量は等しくなる。従って、ＭＰＵ７０は、積分期間毎の変化量が等しいとき、受信信号にマルチパスがないものと判定する。但し、実際の受信環境下では、たとえマルチパスがない状態でも、若干の受信強度の変動が発生することが予想されるため、積分期間毎の変化量が一定の範囲内にある場合にはマルチパスが無いものと判定することが望ましい。反対に、積分期間毎の変化量が一定の範囲を超える場合にはマルチパスがあると判定する。

このように本実施例によれば、スペクトラム拡散通信による受信装置において積分器の積分値をモニターすることでマルチパスの有無を検出を行うことができる。また、従来の受信装置では、受信した反射波の時間差が１チップ期間（Ｔｃ）未満である場合にはこれを分離することができず、その結果マルチパスの検出を行うことができなかったが、本実施例に係る受信装置ではそのような制約を受けることはない。

次に本発明の第２の実施例について説明する。第２の実施例は、第１の実施例に係る受信装置を車載用ナビゲーション装置のＧＰＳ受信装置に適用したものである。図４は、ナビゲーション装置１００の内部構成を示すブロック図である。同図において、ナビゲーション装置１００は、ＧＰＳ受信装置１１０と、ＧＰＳ受信装置１１０からの位置検出信号を参照し、現在位置の特定並びに現在位置から目的地までの案内を行うナビゲーション制御部１２０とを含んで構成される。

ＧＰＳ受信装置１１０は、第１の実施例において説明したスペクトラム拡張通信による受信装置１と、受信装置１からの出力信号に基づき位置検出を行う位置検出部１１２と、受信装置１の動作を制御する受信制御部１１４とを有している。位置検出部１１２は、受信装置１の逆拡散器５０の出力信号５２を受け取り、この信号に基づき位置検出を行う。受信制御部１１４は、制御線１１６を介して受信装置１のＭＰＵ７０と接続され、マルチパスの有無を示す信号の受信やＭＰＵ７０に対するＰＮ符号の制御等を行う。

ナビゲーション制御部１２０は、位置検出部１１２の出力に基づき自車位置周辺の地図データをハードディスク等の記憶媒体から読出しこれをディスプレイ１２２に描画するとともに自車位置マークを重ねて描画する。自車位置が変化すると、その位置変化に応じて地図がスクロールされ、現在位置が分かるようになっている。また、スピーカー１２４を介して目的地までの経路を音声案内する機能を備えている。

次に、本実施例におけるＧＰＳ受信装置の動作を図５のフローチャートを参照して説明する。車両のイグニッションスイッチがオンされると、これに連動してＧＰＳ受信装置１００が動作可能となる（ステップＳ１０１）。受信制御部１１４は、自車位置から受信（観測）可能なＧＰＳ衛星をサーチさせ（ステップＳ１０２）、これにより受信装置１がＧＰＳ衛星からＧＰＳ信号を受信する（ステップＳ１０３）。

次いで、受信制御部１１４は、受信したＧＰＳ信号の中から受信強度の強い４つのＧＰＳ衛星を選択する（ステップＳ１０４）。４つのＧＰＳ衛星を用いて測位した場合には、緯度および経度に加えて高度を含む３次元の位置検出が可能となる。但し、高度が不要な場合には、３つのＧＰＳ衛星を選択するようにしてもよい。例えば図６（ａ）に示すように、自車位置から観測可能なＧＰＳ衛星Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４、Ｎ５、Ｎ６があったとき、そこから受信強度の高いＧＰＳ衛星Ｎ１、Ｎ３、Ｎ４、Ｎ５（図中ハッチング）が選択される。なお、受信制御部１１４は、予めすべてのＧＰＳ衛星に関するＰＮ符号のテーブルを備えており、受信制御部１１４からの指示によりＭＰＵ７０はＰＮ符号発生器に所望のＰＮ符号を発生させる。

次に、受信装置１において４つのＧＰＳ衛星からの各ＧＰＳ信号がマルチパスか否かの判定が行われる（ステップＳ１０５）。マルチパスの判定は第１の実施例と同様に積分器の出力をモニターすることで行われる。マルチパスの判定結果は、受信装置１から制御線１１６を介して受信制御部１１４に供給される。いずれかのＧＰＳ信号においてマルチパス受信状態が判定されると、受信制御部１１４は、マルチパス受信状態のＧＰＳ衛星を測位対象から外し（ステップＳ１０６）、他のＧＰＳ衛星を測位対象の衛星として選択させる（ステップＳ１０７）。例えば図６（ｂ）においてＧＰＳ衛星Ｎ１からのＧＰＳ信号がマルチパス状態であると判定されると、ＧＰＳ衛星Ｎ１が測位対象から外され、次に受信強度の高いＧＰＳ衛星Ｎ２が選択される。このとき、受信装置１のＭＰＵ７０は、ＰＮ符号発生器４０からＧＰＳ衛星Ｎ２に対応するＰＮ符号４２を発生させる。同様に、ＧＰＳ衛星Ｎ５からのＧＰＳ信号がマルチパス状態と判定されると、ＧＰＳ衛星Ｎ６が選択される。理想的には、測位対象のＧＰＳ信号はすべてマルチパスの無い状態であることが望ましいが、これには観測可能な衛星数の制約があるので、可能な限りマルチパスの無いＧＰＳ信号が選択されるようにする。

次に、位置検出部１１２は、ＧＰＳ衛星からの信号に基づき自車位置の検出を行う（ステップＳ１０８）。自車位置の検出結果は、ナビゲーション制御部１２０に出力され、ディスプレイ１２２上に自車位置周辺の地図や自車位置マークが表示される（ステップＳ１０９）。自車位置の移動に伴い（ステップＳ１１０）、受信信号にマルチパスがあるか否かのモニターがさ継続して行われる（ステップＳ１０５〜Ｓ１０９）。

ＧＰＳによる位置検出は、各ＧＰＳ衛星における信号の発射時刻とＧＰＳ受信装置における信号の受信時刻との時間差に基づき距離を利用するものであるため、ＧＰＳ受信装置において、たとえ信号強度が強くともそれがマルチパス受信であれば正確な時間差を算出することができず、その結果、位置検出精度が劣化してしまうことがある。特に、高層ビル等が乱立する都市空間を車両が走行するときにマルチパス受信状態となりやすい。本実施例では、ＧＰＳ信号にマルチパスが生じたとき、そのＧＰＳ衛星を測位対象から除外し、他のＧＰＳ衛星を選択するようにしたので、理想的にはマルチパスの無いＧＰＳ信号を用いて精度の高い位置検出を行うことができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

本発明に係るスペクトラム拡散通信におけるマルチパス検出方式は、特にＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ受信装置およびこれを用いたナビゲーション装置において利用することができる。ナビゲーション装置は、車載用に限らず、船舶や携帯用であってもよい。

本発明の第１の実施例に係るスペクトラム拡散通信方式における受信装置の構成を示すブロック図である。 スペクトラム拡散を説明する図である。 積分器の出力波形を示す図である。 本発明の第２の実施例に係るナビゲーション装置の構成を示すブロック図である。 第２の実施例のおけるＧＰＳ信号の受信動作を説明するフローチャートである。 マルチパス状態にあるＧＰＳ衛星を測位から外した例を示す図である。

符号の説明

１：受信装置 １０：アンテナ
２０：高周波増幅器 ３０：ベースバンド復調器
４０：ＰＮ符号発生器 ５０：逆拡散器
６０：積分器 ７０：ＭＰＵ
１００：ナビゲーション装置 １１０：ＧＰＳ受信装置
１１２：位置検出部 １１４：受信制御部
１２０：ナビゲーション制御部

Claims (10)

1. 直接拡散方式によりスペクトラム拡散された信号を受信する受信装置において、
   スペクトラム拡散された信号を受信しこれを逆拡散する逆拡散手段と、
   逆拡散手段より出力された信号を積分する積分手段と、
   積分手段の出力結果に基づき受信した信号がマルチパス受信状態か否かを判定するマルチパス判定手段と、
   を有する受信装置。
2. 前記マルチパス判定手段は、積分手段により積分された値が積分期間に比例して単調増加するとき、受信した信号がマルチパス受信状態でないと判定する、請求項１に記載の受信装置。
3. 前記マルチパス判定手段は、積分手段により積分された値が積分期間に比例して単調増加しないとき、受信した信号がマルチパス受信状態であると判定する、請求項１に記載の受信装置。
4. 前記マルチパス判定手段は、前記積分手段の内容をクリアするためのクリア信号を一定の積分期間毎に出力する、請求項１に記載の受信装置。
5. 請求項１ないし４いずれかに記載の受信装置と、当該受信装置によって受信された信号に基づき位置検出を行う位置検出手段とを有し、前記受信装置のマルチパス判定手段はＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号がマルチパス受信状態であるか否かを判定する、ＧＰＳ受信装置。
6. 前記マルチパス判定手段によってＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号がマルチパス受信状態であると判定されたとき、当該ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を測位対象から除外し、他のＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を選択する、請求項５に記載のＧＰＳ受信装置。
7. 前記位置検出手段は、マルチパス受信状態にないＧＰＳ信号に基づき位置検出を行う請求項６に記載のＧＰＳ受信装置。
8. 直接拡散方式によりスペクトラム拡散された信号を受信する受信装置において、
   スペクトラム拡散された信号を受信するステップと、
   受信された信号を逆拡散するステップと、
   逆拡散された信号を積分するステップと、
   積分された値に基づき受信した信号がマルチパス受信状態か否かを判定するステップと、
   を有するマルチパス検出方式。
9. 前記判定ステップは、積分値が積分期間に比例して単調増加するとき受信した信号がマルチパス受信状態でないと判定する、請求項８に記載のマルチパス検出方式。
10. 前記判定ステップは、積分値が歪んだ増加をするとき受信した信号がマルチパス受信状態であると判定する、請求項８に記載のマルチパス検出方式。

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