JP2011119813A

JP2011119813A - 無線送信装置及び無線通信方法

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Publication number: JP2011119813A
Application number: JP2009273141A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Suzuki; 義規鈴木; Fumihiro Yamashita; 史洋山下; Sei Kobayashi; 聖小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2011-06-16

Abstract

【課題】直交する２偏波を使用する無線送信装置における、回路特性のばらつきによる信号漏洩、増幅後のハイブリッド部による損失、実装の困難性という問題を解決する。
【解決手段】入力される２つの信号の差に基づく差信号及び和に基づく和信号をそれぞれ出力する１８０度ハイブリッド手段と、１８０度ハイブリッド手段の各出力信号を、互いに直交する偏波の無線信号に変換する２偏波合成アンテナ手段とを備えており、１８０度ハイブリッド手段には、第１の変調信号及び第２の変調信号か、周波数変換後の第１の変調信号及び第２の変調信号が入力される。１８０度ハイブリッド手段に第１の変調信号及び第２の変調信号を入力した場合には、１８０度ハイブリッド手段の出力信号を周波数変換した後、２偏波合成アンテナ手段の入力とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、直交する２偏波を同時に使用する無線通信技術に関するものである。

無線通信において周波数有効利用は考慮すべき課題であり、そのひとつの手法として、同一周波数帯域の直交する２偏波を同時に使用することが挙げられる。非特許文献１に記載されている、２偏波を使用する従来の無線送信装置の構成を図７に示す。図７に示す様に、無線送信装置は、一方の偏波で送信する信号の処理のために、変調部５０、周波数変換部５２及び電力増幅部５４を備えており、他方の偏波で送信する信号の処理のために、変調部５１、周波数変換部５３及び電力増幅部５５を備えており、両信号は、偏波合成部５６で合成されてアンテナ５７から送信される。

図７に示す無線送信装置は、各偏波の信号処理のために専用の電力増幅部を有しており、無線送信装置の総出力電力は電力増幅部５４及び５５の出力の和である。図７に示す構成において、各偏波の信号の最大送信電力は、対応する電力増幅部５４又は５５の性能に依存し、電力増幅部５４又は５５に同じ性能のものを使用した場合、各偏波の信号の最大送信電力は総出力電力の半分になる。

直交する２偏波を同時に使用する衛星通信システムの場合、通信の利用者数や通信衛星の性能・構成に応じて、送信局における偏波毎の出力電力に差が生じることが想定され、このとき、一方の電力増幅部の出力は小さく、他方の電力増幅部には非常に大きな出力が要求されることになる。つまり電力増幅部の効率を考慮すると、総出力電力の範囲内で、各偏波の送信電力を、任意に配分できることが望ましいことになる。

非特許文献２には、同一周波数帯の直交する２つの偏波を同一の利用者が使用する通信システムにおいて、無線受信装置が干渉補償を行うことにより、無線受信装置における偏波追尾を不要とする構成が記載されている。さらに、非特許文献２に記載の通信システムにおいて、周波数帯域や送信電力といった通信リソースの有効利用を図るためには、キャリア毎に変調方式・符号化率を最適化する必要があること、つまり偏波毎の送信電力を動的に変化させることの必要性が非特許文献３に示されている。

以上、直交する２つの偏波を同時に使用する無線通信システムにおいては、各偏波の送信電力を個別に設定できることが望ましく、非特許文献４には、総出力電力の範囲内で、各偏波の送信電力を異ならせることができる送信機の構成が記載されており、図８にその構成を示す。図８に示す無線送信装置は、図７に示す無線送信装置の電力増幅部５４及び５５の前段と後段に、９０度ハイブリッド部５８と５９を追加したものである。９０度ハイブリッド部５８及び５９は、入力信号ｘ１、ｘ２に対して、以下の式で示す信号ｙ１、ｙ２を出力するものである。

式（１）より、電力増幅部５４及び５５には、変調部５０、５１が変調し、周波数変換部５２、５３で周波数変換した信号を２分配して合成したものが入力されることが分かる。よって、電力増幅部５４及び５５のそれぞれに入力される信号の電力量は、変調部５０が出力する変調信号と、変調部５１が出力する変調信号の電力比に拘らず、常に同一となる。

また、変調部５０が出力する変調信号をＩｎ１、変調部５１が出力する変調信号をＩｎ２、電力増幅部５４及び５５の利得をｇとすると、偏波合成部５６の偏波Ａ側の入力端子に入力される信号Ｏｕｔ１と、偏波合成部５６の偏波Ｂ側の入力端子に入力される信号Ｏｕｔ２は、以下の様になる。

式（２）より、偏波合成部５６の偏波Ａ側に入力される信号は、変調部５１が出力する変調信号を利得ｇで増幅したものであり、偏波Ｂ側に入力される信号は、変調部５０が出力する変調信号を利得ｇで増幅したものであることが分かる。

宮憲一監修、"衛星通信技術"、４版、第８章地球局技術、社団法人電子情報通信学会山下、他、"衛星ＶＰＦＤＭモデム装置の特性評価"、２００９年電子情報通信学会衛星通信研究会、ＳＡＴ２００９−７、ｐ．１−６中平、他、"ＶＰＦＤＭ衛星通信用高効率回線アルゴリズムの提案"、２００９年電子情報通信学会衛星通信研究会、ＳＡＴ２００９−１２、ｐ．２９−３４江上、他、"多端子電力合成系マルチビーム送信系"、電子情報通信学会論文誌、Ｖｏｌ．Ｊ６９−ＢＮｏ．２、ｐ．２０６−２１２

しかしながら、図８に記載の構成は、電力増幅部５４及び５５の特性が一致し、９０度ハイブリッド部５８及び５９が、入力信号を等振幅に分配し、且つ、分配信号の位相差を９０度にすることを前提としている。つまり、電力増幅部５４及び５５の特性が一致しない場合や、９０度ハイブリッド部５８及び５９の特性に誤差が生じている場合には、対称性が崩れ、他の出力端子への信号漏洩が生じる。例えば、電力増幅部５４及び５５の特性を一致させるには、複数台の電力増幅部を作成し、特性評価後に２つを選択する必要がある。

また、電力増幅部５４及び５５の後段に配置される９０度ハイブリッド部５９での通過損失は、送信出力の低下に直結する。これを補うためには電力増幅部５４及び５５の高出力化が必要となる。電力増幅部５４及び５５の高出力化のためには、廃熱への対応、電源の増大等が必要であり、無線送信装置の増大につながる。

さらに、移動体衛星通信システムで使用される１４ＧＨｚ帯において、直交する２偏波を合波する偏波合成部には、一般的に導波管が使用される。この様な偏波合成部の形状は図９に示す様に、２つの入力端子が同一平面にはなく、９０度ハイブリッド部５９と接続するためにはフレキシブル導波管の使用や、同軸への変換等の実装方法を選択する必要がある。なお、フレキシブル導波管や同軸への変換はさらなる損失を生じさせる。

つまり、従来技術においては、特性のばらつきによる信号漏洩、増幅後のハイブリッド部による損失、実装の困難性という問題が存在する。したがって、本発明は、これら問題を解決する無線送信装置及び無線通信方法を提供することを目的とする。

本発明における無線送信装置は、
第１の変調信号を第１の無線信号に、第２の変調信号を前記第１の無線信号とは直交する偏波の第２の無線信号に変換して送信する無線送信装置であって、入力される２つの信号の和に基づく和信号及び差に基づく差信号をそれぞれ出力する１８０度ハイブリッド手段と、第１の電力増幅手段及び第２の電力増幅手段と、前記第１の電力増幅手段の出力信号及び前記第２の電力増幅手段の出力信号を、互いに直交する偏波の無線信号に変換する２偏波合成アンテナ手段と、第１の周波数変換手段及び第２の周波数変換手段とを備えており、前記１８０度ハイブリッド手段には、前記第１の周波数変換手段により周波数変換された前記第１の変調信号及び前記第２の周波数変換手段により周波数変換された前記第２の変調信号が入力され、前記第１の電力増幅手段には前記差信号が入力され、前記第２の電力増幅手段には前記和信号が入力されるか、前記１８０度ハイブリッド手段には、前記第１の変調信号及び前記第２の変調信号が入力され、前記第１の電力増幅手段には、前記差信号を前記第１の周波数変換手段により周波数変換した信号が入力され、前記第２の電力増幅手段には、前記和信号を前記第２の周波数変換手段により周波数変換した信号が入力されることを特徴とする。

本発明の無線送信装置における他の実施形態によれば、
前記１８０度ハイブリッド手段は、前記第１の変調信号及び前記第２の変調信号から、行列演算処理により、前記差信号及び前記和信号を生成することも好ましい。

また、本発明の無線送信装置における他の実施形態によれば、
前記１８０度ハイブリッド手段は、前記第１の変調信号及び前記第２の変調信号から前記差信号及び前記和信号を生成し、前記差信号の振幅及び位相を調整する第１の振幅位相調整手段と、前記和信号の振幅及び位相を調整する第２の振幅位相調整手段とを備えていることも好ましい。

さらに、本発明の無線送信装置における他の実施形態によれば、
入力信号を２つの信号系列に分離し、一方の信号系列により変調を行うことで第１の変調信号を生成し、他方の信号系列により変調を行うことで第２の変調信号を生成するＶＰＦＤＭ変調手段を備えていることも好ましい。

本発明における通信方法によれば、
第１の変調信号を第１の無線信号に、第２の変調信号を前記第１の無線信号とは直交する偏波の第２の無線信号に変換して送信する無線通信方法であって、第１の変調信号及び第２の変調信号を１８０度ハイブリッド部に入力し、前記１８０度ハイブリッド部が、前記第１の変調信号及び前記第２の変調信号の差に基づく信号である差信号と、前記第１の変調信号及び前記第２の変調信号の和に基づく信号である和信号を出力するステップと、前記差信号及び前記和信号を互いに直交する偏波の無線信号に変換して送信するステップとを備えていることを特徴とする。

従来技術による構成と比較して、増幅後の挿入損失要因となる９０度ハイブリッド部を除去することが可能となるため、電力損失が低減するのみならず、２偏波合成アンテナ手段と電力増幅手段との接続や、これらの実装性が各段に向上する。さらに、従来は２系統の電力増幅手段の特性を揃えるため、複数の電力増幅手段を作成して評価する必要があったが、これをディジタル信号処理で校正することで、特性が異なる電力増幅手段の使用が可能となり、無線送信装置の作成工程が大幅に簡略化でき、コストを削減することができる。

本発明の第１実施形態における無線送信装置の構成図である。送信無線信号の偏波面を説明する図である。第２実施形態における無線送信装置の構成図である。本発明による無線送信装置とアンテナを共用する場合における無線受信装置の構成図である。第３実施形態における無線送信装置の構成図である。第３実施形態における無線受信装置の構成図である。従来技術による２偏波を同時に使用する無線送信装置の構成図である。総出力電力の範囲内で各偏波の送信電力を異ならせることができる、従来技術による送信機の構成図である。導波管による偏波合成部を示す図である。

本発明を実施するための形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態における無線送信装置の構成図である。図１に示す様に、無線送信装置は、変調部１及び２と、周波数変換部３及び４と、１８０度ハイブリッド部５と、電力増幅部６及び７と、偏波合成部８と、アンテナ９とを備えている。なお、偏波合成部８とアンテナ９は、２偏波合成アンテナ部を構成する。

変調部１は、入力端子Ａに入力された信号により変調を行って第１の変調信号を出力し、周波数変換部３は、第１の変調信号を周波数変換して、１８０度ハイブリッド部５の一方の入力端子に出力する。また、変調部２は、入力端子Ｂに入力された信号により変調を行って第２の変調信号を出力し、周波数変換部４は、第２の変調信号を周波数変換して、１８０度ハイブリッド部５の他方の入力端子に出力する。

１８０度ハイブリッド部５は、２つの入力端子への入力信号をｘ１及びｘ２とすると、２つの出力端子から、以下の式で示す信号ｙ１及びｙ２を出力する。

１８０度ハイブリッド部５の出力信号は、それぞれ、電力増幅部６、７で増幅された後に、偏波合成部８に入力され、アンテナ９から無線信号として送信される。したがって、第１の変調信号をＩｎ１、第２の変調信号をＩｎ２、電力増幅部６及び７の利得をｇとすると、偏波合成部８の偏波Ａ側の入力端子に入力される信号Ｏｕｔ１と、偏波合成部８の偏波Ｂ側の入力端子に入力される信号Ｏｕｔ２は、以下の様になる。

式（４）より、アンテナ９から偏波Ａで送信される無線信号と、偏波Ｂで送信される無線信号には、それぞれ、第１の変調信号、つまり、入力端子Ａに入力された信号に対応する成分が同相で含まれており、第２の変調信号、つまり、入力端子Ｂに入力された信号に対応する成分が逆相で含まれていることが分かる。したがって、アンテナ９から送信される各成分は空間的にベクトル合成され、入力端子Ａに入力された信号に対応する無線信号と、入力端子Ｂに入力された信号に対応する無線信号は、互いに直交する偏波面を有することになる。この様子を図２に示す。

図２において、信号３０は、電力増幅部６が出力する信号に含まれる第１の変調信号に対応する成分であり、信号３１は、電力増幅部７が出力する信号に含まれる第１の変調信号に対応する成分であり、信号３３は、電力増幅部６が出力する信号に含まれる第２の変調信号に対応する成分であり、信号３４は、電力増幅部７が出力する信号に含まれる第２の変調信号に対応する成分である。したがって、入力端子Ａに入力された信号に対応する無線信号は、信号３０及び信号３１を合成した信号３２となり、入力端子Ｂに入力された信号に対応する無線信号は、信号３３及び信号３４を合成した信号３５となる。

図２より、入力端子Ａに入力された信号に対応する無線信号３２は、偏波Ａの偏波面に対して＋４５度の偏波角を有し、入力端子Ｂに入力された信号に対応する無線信号３５は、偏波Ａの偏波面に対して＋１３５度の偏波角を有し、例えば、アンテナ９の偏波Ａの偏波面を水平軸に対して−４５度となる様に設置することで、無線信号３２を水平偏波で、無線信号３５を垂直偏波で出力することができる。

本実施形態の無線送信装置においては、入力信号の分配条件及びアンテナの偏波角を調整することにより、偏波毎に異なる送信電力とすることができる。さらに、本実施形態においては、従来技術と異なり、電力増幅部６及び７と偏波合成部８を直結できるため、従来技術において、電力増幅部と偏波合成部の間に配置していたハイブリッド部による損失が無くなるとともに、実装性が格段に向上する。

続いて、本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態は、１８０度ハイブリッド部５に特性誤差が無く、電力増幅部６及び７の特性が揃っていることが前提であったが、前提条件が崩れると、従来技術と同様、対称性が崩れ、他の出力端子への信号漏洩が発生する。本実施形態は、この問題を解決するものである。図３に、第２実施形態における無線送信装置の構成図を示す。

図１に示す第１実施形態においては、無線周波数帯でアナログ的に動作する１８０度ハイブリッド部５を使用していたが、本実施形態においては図３に示す様に、行列演算処理により式（３）の機能を実現した１８０度ハイブリッド部１３を使用する。また、周波数変換手段３及び４を含む、２つの経路の振幅及び位相差を演算処理により補償するために、振幅位相制御部１０及び１１を追加する。なお、このとき、周波数変換部３及び４を同期させる必要があるため、周波数変換部３及び４における周波数変換のための信号を供給する局部発振器１２を設ける。

続いて、周波数変換部３及び４を含む、経路間の特性差を補償するために、振幅位相制御部１０及び１１に対して設定する設定値の決定手順の一例を説明する。なお、振幅位相制御部１０及び１１への設定値は一度設定すれば、従来の送信機と同程度の特性を維持することができる。

（１）アンテナ９の一方の偏波面と、校正用アンテナの偏波面が一致する状態にて、校正用アンテナをアンテナ９に正対させる。
（２）アンテナ９の偏波軸を４５度回転させ、無線送信装置が送信する入力端子Ａ又は入力端子Ｂに対応する無線信号の偏波面と校正用アンテナの偏波面を一致させる。
（３）無線送信装置の入力端子Ａと入力端子Ｂのうち、校正用アンテナの偏波面とは異なる偏波となる側に信号を入力して無線信号を出力させる。
（４）校正用アンテナの出力端子において受信レベルを測定しながら、振幅位相制御部１０と１１のいずれか一方における位相の変化量を変化させ、受信レベルが最も小さくなる位相の変化量を設定する。
（５）校正用アンテナの出力端子において受信レベルを測定しながら、振幅位相制御部１０と１１のいずれか一方における振幅の変化量を変化させ、続いて他方の振幅位相制御部における振幅の変化量を変化させ、受信レベルが最も小さくなる振幅の変化量を設定する。

上記手順により決定した位相及び振幅の変化量を設定することで、各経路の通過利得及び位相を一致させることができ、互いに直交する直線偏波の無線信号として、入力端子Ａ及びＢに入力された信号を出力することが可能となる。本実施形態において、１８０度ハイブリッド部１３は、ディジタル的に構成されているため、誤差無く実現できるとともに、無線周波数で動作する周波数変換部３及び４並びに電力増幅部６及び７の特性ばらつきに関しても、振幅位相制御部１０及び１１でディジタル的に補償するため、電力増幅部６及び７の特性を揃える必要がなくなる。

なお、本発明による無線送信装置のアンテナ９を、無線受信装置と共用する場合、受信無線信号の偏波面と、アンテナ９の偏波面は４５度だけずれることになる。よって、偏波面のずれを補償するため、例えば、図４に示す様に、１８０度ハイブリッド部２４を、復調処理を行う復調部２７及び２８の前段に配置する必要がある。図４においては、電力増幅部２２及び２３と、周波数変換部２５及び２６の間に配置している。なお、図４においては、送信信号と受信信号を分離するための回路は省略している。

続いて、本発明の第３実施形態を説明する。図５は、第３実施形態における無線送信装置の構成図であり、第２実施形態における変調部１及び２を、ＶＰＦＤＭ（偏波周波数可変多重）変調部１４としたものである。ＶＰＦＤＭ変調部１４は、入力信号を分割し、各偏波の同一帯域の変調信号として出力する。なお、各変調信号に使用する変調方式は異なるものとすることもでき、分割された入力信号は、それぞれ、直交する偏波の無線信号として送信される。また、無線受信装置には、図６に示す様に、受信する無線信号と、アンテナの偏波面とのずれに伴う偏波間干渉を補償するＶＰＦＤＭ復調部２９を使用することで、アンテナの偏波調整は不要となる。

以上、本発明による無線送信装置は、総出力電力の範囲内で、偏波毎の送信電力を任意に配分することができ、偏波間での送信出力が異なるような状況における使用に適したものである。また、従来技術による構成と比較して、増幅後の挿入損失要因となる９０度ハイブリッド部を除去することが可能となるため、電力損失が低減するのみならず、アンテナと各種要素回路の接続や、無線送信装置への実装性が各段に向上する。さらに、従来技術においては、２系統の電力増幅部の特性を揃えため、複数の電力増幅部を作成・評価する必要があったが、これをディジタル信号処理で校正することで、特性が異なる電力増幅部の使用が可能となり、よって、無線送信装置の作成工程の大幅な簡略化と、無線送信装置の低コスト化が可能になる。

１、２、５０、５１変調部
３、４、２５、２６、５２、５３周波数変換部
５、１３、２４１８０度ハイブリッド部
３０、３１、３２、３３、３４、３５信号
６、７、２２、２３、５４、５５電力増幅部
８、５６偏波合成部
９、５７アンテナ
１０、１１振幅位相制御部
１２局部発振器
１４ＶＰＦＤＭ変調部
２７、２８復調部
２９ＶＰＦＤＭ復調部
５８、５９９０度ハイブリッド部

Claims

第１の変調信号を第１の無線信号に、第２の変調信号を前記第１の無線信号とは直交する偏波の第２の無線信号に変換して送信する無線送信装置であって、
入力される２つの信号の和に基づく和信号及び差に基づく差信号をそれぞれ出力する１８０度ハイブリッド手段と、
第１の電力増幅手段及び第２の電力増幅手段と、
前記第１の電力増幅手段の出力信号及び前記第２の電力増幅手段の出力信号を、互いに直交する偏波の無線信号に変換する２偏波合成アンテナ手段と、
第１の周波数変換手段及び第２の周波数変換手段と、
を備えており、
前記１８０度ハイブリッド手段には、前記第１の周波数変換手段により周波数変換された前記第１の変調信号及び前記第２の周波数変換手段により周波数変換された前記第２の変調信号が入力され、前記第１の電力増幅手段には前記差信号が入力され、前記第２の電力増幅手段には前記和信号が入力されるか、
前記１８０度ハイブリッド手段には、前記第１の変調信号及び前記第２の変調信号が入力され、前記第１の電力増幅手段には、前記差信号を前記第１の周波数変換手段により周波数変換した信号が入力され、前記第２の電力増幅手段には、前記和信号を前記第２の周波数変換手段により周波数変換した信号が入力される、
無線送信装置。
前記１８０度ハイブリッド手段は、前記第１の変調信号及び前記第２の変調信号から、行列演算処理により、前記差信号及び前記和信号を生成する、
請求項１に記載の無線送信装置。
前記１８０度ハイブリッド手段は、前記第１の変調信号及び前記第２の変調信号から前記差信号及び前記和信号を生成し、
前記差信号の振幅及び位相を調整する第１の振幅位相調整手段と、
前記和信号の振幅及び位相を調整する第２の振幅位相調整手段と、
を備えている請求項１又は２に記載の無線送信装置。
入力信号を２つの信号系列に分離し、一方の信号系列により変調を行うことで第１の変調信号を生成し、他方の信号系列により変調を行うことで第２の変調信号を生成するＶＰＦＤＭ変調手段を備えている、
請求項１から３のいずれか１項に記載の無線送信装置。
第１の変調信号を第１の無線信号に、第２の変調信号を前記第１の無線信号とは直交する偏波の第２の無線信号に変換して送信する無線通信方法であって、
第１の変調信号及び第２の変調信号を１８０度ハイブリッド部に入力し、前記１８０度ハイブリッド部が、前記第１の変調信号及び前記第２の変調信号の差に基づく信号である差信号と、前記第１の変調信号及び前記第２の変調信号の和に基づく信号である和信号を出力するステップと、
前記差信号及び前記和信号を互いに直交する偏波の無線信号に変換して送信するステップと、
を備えている方法。