JP2013135257A - 無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】雑音の大きな環境下でも安定した通信を可能とする通信システムを提供する。
【解決手段】無線通信端末１が２本のアンテナ１１，１２で非反転変調信号と反転変調信号を送信し、無線通信端末２が４本のアンテナ２１，２２，２３，２４で受信信号ｅ₁，ｅ₂，ｅ₃，ｅ₄を受信し、２入力信号分離部２５１，２５２のそれぞれで、受信信号ｅ₁，ｅ₄の差の振幅の変動、受信信号ｅ₂，ｅ₃の差の振幅の変動が最小となる利得を求め、２入力信号分離部２５１，２５２の何れか一方の分離信号出力を復調する。これにより、無線通信端末１のアンテナ１１，１２と無線通信端末２のアンテナ２１，２２，２３，２４との位置関係の制約なく、雑音源がどこにあっても、信号対雑音比を改善できる無線通信システムを提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線通信技術に関する。

近年、ユビキタス社会のネットワークを担う、微弱な信号（電波、電磁波）で通信する近距離無線通信が注目されている。近距離無線には、通信距離が１００ｍ程度の無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）や１０ｍから２０ｍ程度をカバーする無線ＰＡＮ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などがある。また、人が通信相手と接触するまで近接したときに通信することを目的とし、人体などの伝送媒体に電界を誘起し、誘起された電界を検出することで通信する電界通信も存在する。

岡村武夫、「微弱無線と小電力無線の基礎知識」、トランジスタ技術、ＣＱ出版社、２００７年１１月号、p.106 「たくさん使われている微弱無線機器」、株式会社サーキットデザイン、［online］、［平成２３年１１月７日検索］、インターネット〈 URL：http://www.circuitdesign.jp/jp/technical/technical_pdf/bijaku.pdf.PDF〉 小國英徳、外４名、「ＤＳＰを用いたディジタルダイバーシチ受信機の製作」、第４回ＤＳＰＳ教育者会議、２００２年８月２９日 「無線伝送の基礎（フェージング通信路における誤り率,ダイバーシチ受信）」、［online］、新潟大学、ディジタル無線伝送工学 平成２３年度講義資料、［平成２３年１１月７日検索］、インターネット〈 URL：http://telecom0.eng.niigata-u.ac.jp/index.php?plugin=attach&refer=Lecture%2FWCom&openfile=04-wireless-2.pdf〉

上記の無線通信システムの内、発射する電波が著しく微弱な無線局（微弱無線）や空中線電力が１０ｍＷ以下の小電力無線局に該当する無線通信システムでは、信号強度が微弱なため環境雑音の影響を受けやすい。図１６に従来の無線通信システムを示す。ここでは、無線通信端末１００を送信側の端末、無線通信端末２００を受信側の端末として、無線通信端末１００のアンテナ１０１から通信すべき情報を含む信号を送信し、無線通信端末２００のアンテナ２０１で受信する場合を考える。図１６に示すように、無線通信端末１００よりも環境雑音の源となる雑音源の方が無線通信端末２００に近いと、環境雑音が無線通信端末１００から送信される信号よりも大きくなり通信が妨害される。

雑音源としては、電子ディスプレイ・看板などの電子機器や無線通信端末１００，２００間の無線通信と同じ周波数帯を利用する他の無線通信機器などがある。これらの機器の密集度や稼働状況によって環境雑音の大きさは変化する。利用者となる人が集まるエリアには雑音源となる機器が密集するため環境雑音が大きくなり、そのエリアでの通信を利用するサービスが影響を受ける。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、雑音の大きな環境下でも安定した通信を可能とする通信システムを提供することを目的とする。

本発明に係る無線通信システムは、無線送信装置と無線受信装置との間で無線通信を行う無線通信システムであって、前記無線送信装置は、第１、第２のアンテナと、送信すべき情報に基づいて搬送波を変調する変調手段と、前記変調手段が変調した変調信号を入力し、当該変調信号の位相を反転せずに前記第１のアンテナから送信する第１のバッファと、前記変調手段が変調した変調信号を入力し、当該変調信号の位相を反転して前記第２のアンテナから送信する第２のバッファと、を有し、前記無線受信装置は、第１、第２のアンテナと、前記第１のアンテナで受信した受信信号を第１の利得で増幅する第１の増幅器と、前記第２のアンテナで受信した受信信号を第２の利得で増幅する第２の増幅器と、前記第１の増幅器の出力信号と前記第２の増幅器の出力信号の差を出力する第１の差動増幅器と、前記第１の差動増幅器が出力する第１の差動増幅出力信号の振幅を検出し、当該振幅の変動が最小となるように前記第１、第２の利得のいずれか一方もしくは双方を制御する第１の制御手段と、第３、第４のアンテナと、前記第３のアンテナで受信した受信信号を第３の利得で増幅する第３の増幅器と、前記第４のアンテナで受信した受信信号を第４の利得で増幅する第４の増幅器と、前記第３の増幅器の出力信号と前記第４の増幅器の出力信号の差を出力する第２の差動増幅器と、前記第２の差動増幅器が出力する第２の差動増幅出力信号の振幅を検出し、当該振幅の変動が最小となるように前記第３、第４の利得のいずれか一方もしくは双方を制御する第２の制御手段と、前記第１、第２の差動増幅出力信号のうち前記振幅の変動の最小値がより小さい方の差動増幅出力信号を選択する選択手段と、前記選択手段が選択した前記差動増幅出力信号を復調する復調手段と、を有することを特徴とする。

上記無線通信システムにおいて、前記無線受信装置は、前記第１、第２、第３、第４のアンテナのうちいずれか２本で受信した雑音の極性を判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果を送信する送信手段と、を有し、前記無線送信装置は、前記判定結果を受信し、当該判定結果が前記雑音の極性が同極性を示す場合には、前記第１、第２のバッファが前記変調信号の位相が互いに反転した前記変調信号を送信するように前記第１、第２のバッファを設定し、当該判定結果が前記雑音の極性が異極性を示す場合には、前記第１、第２のバッファが前記変調信号の位相が同じ前記変調信号を送信するか、どちらか一方のバッファから前記変調信号を送信するように前記第１、第２のバッファを設定する設定手段を有することを特徴とする。

上記無線通信システムにおいて、前記判定手段は、前記２本のアンテナそれぞれで受信した雑音を乗算して直流成分を取り出し、当該直流成分の電位が第１のしきい値よりも高い場合は前記雑音の極性を同極性と判定し、当該直流成分の電位が第２のしきい値よりも低い場合は前記雑音の極性を異極性と判定することを特徴とする。

上記無線通信システムにおいて、前記判定手段は、前記２本のアンテナそれぞれで受信した雑音の差をとり、当該差の振幅の大きさと前記雑音の振幅の大きさを比較し、前記差の振幅の大きさが前記雑音の振幅の大きさよりも小さい場合は前記雑音の極性を同極性と判定し、前記差の振幅の大きさが前記雑音の振幅の大きさよりも大きい場合は前記雑音の極性を異極性と判定することを特徴とする。

上記無線通信システムにおいて、前記第１、第２、第３、第４のアンテナで受信した信号の搬送波周波数とは異なる周波数の信号を発振する局部発振手段を有し、前記第１、第２、第３、第４のアンテナで受信した信号をダウンコンバートすることを特徴とする。

上記無線通信システムにおいて、前記第１、第２、第３、第４のアンテナで受信した信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、雑音の大きな環境下でも安定した通信を可能とする通信システムを提供することができる。

第１の実施の形態における無線通信システムの構成を示す機能ブロック図である。 変調信号と雑音の分離の原理を説明する図である。 第１の比較例の無線通信システムを示す図である。 図３の無線通信システムにおける変調信号と雑音の分離の原理を説明する図である。 雑音を分離できる条件を満たす領域を示す図である。 雑音を分離できる別の条件を満たす領域を示す図である。 信号分離部の構成を示す機能ブロック図である。 ２入力信号分離部の構成を示す機能ブロック図である。 別の２入力信号分離部の構成を示す機能ブロック図である。 さらに別の２入力信号分離部の構成を示す機能ブロック図である。 第２の実施の形態における無線通信システムの構成を示す機能ブロック図である。 雑音極性判定部の構成を示す機能ブロック図である。 雑音の極性判定を説明する図である。 別の雑音極性判定部の構成を示す機能ブロック図である。 さらに別の雑音極性判定部の構成を示す機能ブロック図である。 従来の無線通信システムを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態における無線通信システムの構成を示す機能ブロック図である。図１に示す無線通信システムは、無線通信端末１，２を備える。無線通信端末１，２はそれぞれ送信・受信する機能をもつモジュールを備えているが、簡略化のため、図１では、無線通信端末１では送信モジュールのみを、無線通信端末２では受信モジュールのみを記載している。

無線通信端末１は、２本のアンテナ１１，１２と、端末処理部１３、変調部１４、非反転バッファ１５、反転バッファ１６を備える。端末処理部１３は、送信すべき情報に基づくデータ信号を変調部１４に入力する。変調部１４は、入力されたデータ信号で所定の周波数の搬送波を変調した変調信号を非反転バッファ１５、反転バッファ１６に入力する。非反転バッファ１５は、変調信号の位相を反転しない非反転変調信号をアンテナ１１へ出力し、アンテナ１１から非反転変調信号を送信する。反転バッファ１６は、変調信号の位相を反転させた反転変調信号をアンテナ１２へ出力し、アンテナ１２から反転変調信号を送信する。

無線通信端末２は、４本のアンテナ２１，２２，２３，２４と、信号分離部２５、復調部２６、端末処理部２７を備える。アンテナ２１，２２，２３，２４それぞれで受信された受信信号は信号分離部２５に入力される。信号分離部２５は、アンテナ２１，２２，２３，２４それぞれが受信した受信信号から、周囲の雑音源から放射されアンテナ２１，２２，２３，２４で受信した雑音を分離し、無線通信端末１が送信した非反転変調信号と反転変調信号を合成した変調信号を復調部２６に入力する。復調部２６は、変調信号を復調してデータ信号を得て端末処理部２７に入力する。端末処理部２７は、入力されたデータ信号に基づいて処理を行う。

次に、信号分離部で変調信号と雑音を分離する動作を図２のモデルを用いて説明する。

図２中の○は、変調信号を送受信するアンテナ１１，１２，２１，２２，２３，２４と雑音を放射する雑音源を示している。無線通信端末１のアンテナ１１，１２それぞれから送信された変調信号ｘ₁，−ｘ₁と雑音源から放射された雑音ｘ₂はアンテナ２１，２２，２３，２４に到達するまでに減衰する。アンテナ１１とアンテナ２１間の減衰率をｂ₁₁、アンテナ１２とアンテナ２１間の減衰率をｂ₁₂、アンテナ１１とアンテナ２２間の減衰率をｂ₂₁、アンテナ１２とアンテナ２２間の減衰率をｂ₂₂、アンテナ１１とアンテナ２３間の減衰率をｂ₃₁、アンテナ１２とアンテナ２３間の減衰率をｂ₃₂、アンテナ１１とアンテナ２４間の減衰率をｂ₄₁、アンテナ１２とアンテナ２４間の減衰率をｂ₄₂とし、雑音源とアンテナ２１間の減衰率をａ₁₂、雑音源とアンテナ２２間の減衰率をａ₂₂とする。雑音源とアンテナ２３間の減衰率をａ₃₂、雑音源とアンテナ２４間の減衰率をａ₄₂とする。アンテナ２１，２２，２３，２４それぞれで受信する受信信号ｅ₁，ｅ₂，ｅ₃，ｅ₄は以下の式で表される。

式（１）から式（４）それぞれの右辺第１項が変調信号成分であり、第２項が雑音成分である。雑音成分を打ち消すようにｅ₁からｅ₄に重み付けして受信信号間の差をとれば、変調信号成分のみが残り、信号対雑音比が改善する。受信信号ｅ₁，ｅ₂，ｅ₃，ｅ₄のいずれか２つの受信信号を使用して雑音成分を消す組み合わせ６通りを以下に示す。

信号分離部２５では、式（５）〜（１０）のうちのいずれか２つを用いて、用いる式の右辺第２項がゼロとなるように各式の係数をそれぞれ求め、いずれか一方の式により、受信信号に重み付けして受信信号間の差を取った信号分離出力を復調部２６に入力する。例えば、式（７）と式（８）を用いる場合、信号分離部２５では、アンテナ２１，２４で受信した受信信号ｅ₁，ｅ₄の差を取った式（７）の右辺第２項の（ａ₁₂−ｃ₁₄ａ₄₂）がゼロとなる係数ｃ₁₄と、アンテナ２２，２３で受信した受信信号ｅ₂，ｅ₃の差を取った式（８）の右辺第２項の（ａ₂₂−ｃ₂₃ａ₃₂）がゼロとなる係数ｃ₂₃を求め、いずれか一方の差を信号分離出力として復調部２６に入力する。受信信号ｅ₁，ｅ₄の差と受信信号ｅ₂，ｅ₃の差のうち、先に係数ｃ₁₄，ｃ₂₃が求められた方、あるいは、係数ｃ₁₄，ｃ₂₃を求めるときの差の振幅の変動の最小値が小さくなった方を選択して復調部２６に入力する。

＜１本のアンテナで送信して２本のアンテナで受信する場合＞
ここで、第１の比較例の１本のアンテナで送信して２本のアンテナで受信する場合について説明する。第１の比較例では、雑音成分を打ち消して信号対雑音比を改善することができるが、雑音源の位置によっては変調信号成分も打ち消されてしまうことがある。

図３は第１の比較例の無線通信システムを示す図であり、１本のアンテナ１０１を備えた無線通信端末１００と２本のアンテナ２０１，２０２、信号分離部２１０、復調部２２０を備えた無線通信端末２００からなる。無線通信端末１００は、アンテナ１０１から変調信号ｘ₁を送信し、雑音源は雑音ｘ₂を放射する。無線通信端末２００は、２本のアンテナ２０１，２０２により変調信号ｘ₁と雑音ｘ₂を受信する。信号分離部２１０で変調信号ｘ₁と雑音ｘ₂を分離して復調部２２０で変調信号ｘ₁を復調する。雑音源は通信を妨害する要素と記載したものであり、通信システムの動作とは関係ない。図４に図３の通信システムのモデルを示す。

アンテナ１０１とアンテナ２０１間の減衰率をａ₁₁、アンテナ１０１とアンテナ２０２間の減衰率をａ₂₁、雑音源とアンテナ２０１間の減衰率をａ₁₂、雑音源とアンテナ２０２間の減衰率をａ₂₂とする。アンテナ２０１，２０２それぞれで受信する受信信号ｅ₁，ｅ₂は以下の式で表される。

この場合においても、式（１１）と式（１２）それぞれの右辺第１項が変調信号成分の項であり、第２項が雑音成分の項である。雑音成分を打ち消すようにｅ₁またはｅ₂に重み付けしてｅ₁，ｅ₂の差をとれば、変調信号成分のみが残り、信号対雑音比が改善する。ｅ₂に係数ｃ₁₂で重み付けしてｅ₁から差し引いた式を以下に示す。

雑音ｘ₂を分離するときは、式（１３）の右辺第２項の（ａ₁₂−ｃ₁₂ａ₂₂）がゼロになるように係数ｃ₁₂を決定するが、このときａ₁₂／ａ₂₂＝ａ₁₁／ａ₂₁であると右辺第１項もゼロとなる。すなわち、変調信号成分も打ち消されてしまうことになる。通常、減衰率ａ_ij（ｉ＝１，２、ｊ＝１，２）は正であるため、第２項がゼロの時に第１項がゼロになる可能性はある。

＜２本のアンテナで送信して２本のアンテナで受信する場合＞
続いて、第２の比較例の２本のアンテナで送信して２本のアンテナで受信する場合について説明する。第２の比較例では、雑音源がどこにあっても変調信号成分を打ち消さずに雑音成分を打ち消すことができるが、アンテナの位置関係に制約がある。

ここでは、図１に示した無線通信端末２がアンテナ２１，２２のみを用いて受信信号から雑音成分を取り除くものとする。アンテナ２１，２２のみを用いた場合、アンテナ２１，２２それぞれでは受信信号ｅ₁，ｅ₂が受信されるので、受信信号ｅ₁，ｅ₂を使用して雑音成分を打ち消す式（５）を用いる。式（５）を用いる場合、（ｂ₁₁−ｂ₁₂）か（ｂ₂₁−ｂ₂₂）のいずれか一方のみが負、つまり、（ｂ₁₁−ｂ₁₂）と（ｂ₂₁−ｂ₂₂）の積が負であれば、減衰率ａ₁₂，ａ₂₂がどのような減衰率であっても信号対雑音比を改善できる。

（ｂ₁₁−ｂ₁₂）か（ｂ₂₁−ｂ₂₂）のいずれか一方のみが負になる条件、すなわち（ｂ₁₁−ｂ₁₂）と（ｂ₂₁−ｂ₂₂）の積が負となる条件を考察する。簡単のため減衰率がアンテナ間の距離に反比例すると仮定する。アンテナから放射される電界や磁界はアンテナからの距離に反比例（電力は距離の２乗に反比例）して減衰することが知られている。なお、アンテナの指向性に関しては無指向性のアンテナを使用したと仮定する。

図２に示すように、無線通信端末１のアンテナ１１とアンテナ１２間の距離をｌ_q、無線通信端末２のアンテナ２１とアンテナ２２間の距離をｌ_eとする。アンテナ１１とアンテナ１２を結ぶ線分の中心からアンテナ２１とアンテナ２２を結ぶ直線Ｅ１２に垂直な線を引き、その垂直な線と直線Ｅ１２との交点をＢ１とする。そして、垂直な線の長さをｄ_r1、アンテナ２１と交点Ｂ１間の距離をｌ_e1、アンテナ２２と交点Ｂ１間の距離をｌ_e2とし、図示していないが、アンテナ１１とアンテナ２１間の距離をｄ_s11、アンテナ１２とアンテナ２１間の距離をｄ_s12、アンテナ１１とアンテナ２２間の距離をｄ_s21、アンテナ１２とアンテナ２２間の距離をｄ_s22とすると、各アンテナ間の距離ｄ_sij（ｉ＝１，２、ｊ＝１，２）は以下の式で表される。

ここで、θは直線Ｅ１２とアンテナ１１とアンテナ１２を結ぶ直線がなす角度である。

減衰率がアンテナ間の距離に反比例する仮定から、減衰率ｂ_ij（ｉ＝１，２、ｊ＝１，２）を定数ｋを用いて以下の式で表す。

（ｂ₁₁−ｂ₁₂）と（ｂ₂₁−ｂ₂₂）は以下の式で表される。

定数ｋは式（１９）と式（２０）の両方に含まれているため、（ｂ₁₁−ｂ₁₂）と（ｂ₂₁−ｂ₂₂）の積が負となる条件に関係ない。また、ｄ_s11，ｄ_s12，ｄ_s21，ｄ_s22は正の実数であることから、（ｄ² _s12-ｄ² _s11）と（ｄ² _s22-ｄ² _s21）の積が負となる条件が（ｂ₁₁−ｂ₁₂）と（ｂ₂₁−ｂ₂₂）の積が負となる条件となる。

式（１４）〜（１７）から（ｄ² _s12-ｄ² _s11）と（ｄ² _s22-ｄ² _s21）は以下の式で表される。

式（２１）と式（２２）から（ｄ² _s12-ｄ² _s11）と（ｄ² _s22-ｄ² _s21）の積は以下の式で表される。

式（２３）の右辺が負となる条件は以下のようになる。

式（２４）からθ＞ｔａｎ^-1（ｌ_e1／ｄ_r）かつθ＜−ｔａｎ^-1（ｌ_e2／ｄ_r）であるため、式（２４）の条件では、（ｂ₁₁−ｂ₁₂）と（ｂ₂₁−ｂ₂₂）の積が負となるθは存在しない。一方、式（２５）からθ＜ｔａｎ^-1（ｌ_e1／ｄ_r）かつθ＞−ｔａｎ^-1（ｌ_e2／ｄ_r）であるため、−ｔａｎ^-1（ｌ_e2／ｄ_r）＜θ＜ｔａｎ^-1（ｌ_e1／ｄ_r）となる。以上の結果から、（ｂ₁₁−ｂ₁₂）と（ｂ₂₁−ｂ₂₂）の積が負となる条件が存在することがわかり、この条件が満たされていれば雑音源がどこにあっても信号対雑音比が改善される。言い換えると、無線通信端末２のアンテナが２本の場合、雑音源がどこにあっても信号対雑音比を改善するためには、無線通信端末２のアンテナが２本を結ぶ直線と無線通信端末１の２本のアンテナを結ぶ直線のなす角度に制約がある。

＜２本のアンテナで送信して４本のアンテナで受信する場合＞
最後に、本実施の形態の２本のアンテナで送信して４本のアンテナで受信する場合について、アンテナの位置関係の制約が緩和されることを説明する。

ここでは、図１に示した無線通信端末２がアンテナ２１，２４それぞれで受信した受信信号ｅ₁，ｅ₄と、アンテナ２２，２３それぞれで受信した受信信号ｅ₂，ｅ₃のそれぞれで雑音成分を取り除く場合を考える。つまり、受信信号ｅ₁，ｅ₄を使用して雑音成分を打ち消す式（７）と受信信号ｅ₂，ｅ₃を使用して雑音成分を打ち消す式（８）を用いる。式（７）と式（８）を用いる場合、（ｂ₁₁−ｂ₁₂）と（ｂ₄₁−ｂ₄₂）の積か（ｂ₂₁−ｂ₂₂）と（ｂ₃₁−ｂ₃₂）の積のいずれかが負になれば、減衰率ａ₁₂，ａ₂₂，ａ₃₂，ａ₄₂がどのような減衰率であっても信号対雑音比を改善できる。

２本のアンテナで送信して２本のアンテナで受信する場合と同様に、アンテナ１１，１２とアンテナ２１，２２の位置関係に基づいてｌ_q，ｌ_e1，ｌ_e2，ｄ_r1を定義する。さらに、アンテナ１１とアンテナ１２を結ぶ線分の中心からアンテナ２３とアンテナ２４を結ぶ直線Ｅ３４に垂直な線を引き、垂直な線と直線Ｅ３４との交点をＢ２とする。そして、垂直な線の長さをｄ_r2、アンテナ２３と交点Ｂ２間の距離をｌ_e1、アンテナ２４と交点Ｂ２間の距離をｌ_e2とし、図示していないが、アンテナ１１とアンテナ２１間の距離をｄ_s11、アンテナ１２とアンテナ２１間の距離をｄ_s12、アンテナ１１とアンテナ２２間の距離をｄ_s21、アンテナ１２とアンテナ２２間の距離をｄ_s22、アンテナ１１とアンテナ２３間の距離をｄ_s31、アンテナ１２とアンテナ２３間の距離をｄ_s32、アンテナ１１とアンテナ２４間の距離をｄ_s41、アンテナ１２とアンテナ２４間の距離をｄ_s42とすると、各アンテナ間の距離ｄ_sij（ｉ＝１，２，３，４、ｊ＝１，２）は以下の式で表される。

式（１８）と同様の減衰率と距離の関係式を用いると、（ｂ₁₁−ｂ₁₂），（ｂ₂₁−ｂ₂₂），（ｂ₃₁−ｂ₃₂），（ｂ₄₁−ｂ₄₂）は以下の式で表される。

定数ｋは式（３０）〜（３３）のすべてに含まれているため、（ｂ₁₁−ｂ₁₂）と（ｂ₄₁−ｂ₄₂）の積、（ｂ₂₁−ｂ₂₂）と（ｂ₃₁−ｂ₃₂）の積が負となる条件に関係ない。また、ｄ_s11，ｄ_s12，ｄ_s21，ｄ_s22，ｄ_s31ｄ_s32，ｄ_s41，ｄ_s42は正の実数であることから、（ｄ² _s12-ｄ² _s12）と（ｄ² _s42-ｄ² _s41）の積が負となる条件が（ｂ₁₁−ｂ₁₂）と（ｂ₄₁−ｂ₄₂）の積が負となる条件となり、（ｄ² _s22-ｄ² _s21）と（ｄ² _s32-ｄ² _s31）の積が負となる条件が（ｂ₁₁−ｂ₁₂）と（ｂ₄₁−ｂ₄₂）の積が負となる条件となる。

式（２６）〜（２９）から（ｄ² _s12-ｄ² _s11），（ｄ² _s22-ｄ² _s21），（ｄ² _s32-ｄ² _s31），（ｄ² _s42-ｄ² _s41）は以下の式で表される。

式（３４）と式（３７）から（ｄ² _s12-ｄ² _s11）と（ｄ² _s42-ｄ² _s41）の積は以下の式で表される。

式（３８）の右辺が負となる条件は以下のようになる。

式（３９）からｔａｎθ＞ｌ_e1／ｄ_r1かつｔａｎθ＞ｌ_e2／ｄ_r2となり、式（４０）からｔａｎθ＜ｌ_e1／ｄ_r1かつｔａｎθ＜ｌ_e2／ｄ_r2となる。これらの条件を満たすｔａｎθの領域を図５に示す。

また、式（３５）と式（３６）から（ｄ² _s22-ｄ² _s21）と（ｄ² _s32-ｄ² _s31）の積は以下の式で表される。

式（４１）の右辺が負となる条件は以下のようになる。

式（４２）からｔａｎθ＜−ｌ_e2／ｄ_r1かつｔａｎθ＜−ｌ_e1／ｄ_r2となり、式（４３）からｔａｎθ＞−ｌ_e2／ｄ_r1かつｔａｎθ＞−ｌ_e1／ｄ_r2となる。これらの条件を満たすｔａｎθの領域を図６に示す。

図５，６から、（ｄ² _s12-ｄ² _s11）と（ｄ² _s42-ｄ² _s41）の積または（ｄ² _s22-ｄ² _s21）と（ｄ² _s32-ｄ² _s31）の積の少なくともどちらか一方が負となることがわかる。したがって、無線通信端末１のアンテナ１１，１２を結ぶ直線と無線通信端末２のアンテナ２１，２２を結ぶ直線がなす角度θの制約なく、雑音源がどこにあっても信号対雑音比が改善される。

以上の考察では、減衰率が距離に反比例すると仮定して説明したが、極性だけに着目すれば減衰率が距離の２乗または３乗に反比例しても同じ考察が成り立つ。また、４本のアンテナ２１，２２，２３，２４を長方形の各頂点に配置した場合について説明したが、アンテナ２１，２２を結ぶ直線Ｅ１２とアンテナ２３，２４を結ぶ直線Ｅ３４が平行であればよい。

＜信号分離部＞
次に、信号分離部について説明する。

図７は、本実施の形態における信号分離部２５の機能ブロック図である。

図７に示す信号分離部２５は、２入力信号分離部２５１，２５２と選択部２５３を備える。アンテナ２１，２４を２入力信号分離部２５１に接続し、アンテナ２２，２３を２入力信号分離部２５２に接続する。

２入力信号分離部２５１，２５２それぞれは、各アンテナ２１，２２，２３，２４が受信した受信信号から雑音を分離し、雑音を分離した信号分離出力と分離が完了したことを示す分離完了信号を選択部２５３に入力する。

選択部２５３は、２入力信号分離部２５１から分離完了信号１を入力すると２入力信号分離部２５１の信号分離出力１を復調部２６へ出力し、２入力信号分離部２５２から分離完了信号２を入力すると２入力信号分離部２５２の信号分離出力２を復調部２６へ出力する。すでにどちらかの２入力信号分離部２５１，２５２から分離完了信号を入力していた場合は、先に分離完了信号を入力した方の信号分離出力を復調部２６へ出力する。あるいは、雑音を分離する際の信号分離出力の振幅の変動の最小値がより小さい方の信号分離出力を復調部２６へ出力する。

続いて、２入力信号分離部について説明する。２入力信号分離部２５１，２５２は、ブラインド信号源分離で用いられている処理で独立な信号と雑音を分離してもよいが、図８に示す２入力信号分離部を用いてもよい。２入力信号分離部２５１，２５２のいずれも同様の構成であるのでここでは２入力信号分離部２５１のみを示す。

図８に示す２入力信号分離部２５１は、自動利得調整増幅・フィルタ部３１，３２、可変利得増幅器３３、差動増幅器３４、およびモニタ・分離制御部３５を備える。

自動利得調整増幅・フィルタ部３１，３２は、それぞれアンテナ２１，２４で受信した受信信号ｅ₁，ｅ₄の不要な雑音を除去するとともに、自動利得調整増幅・フィルタ部３１，３２出力のある期間Ｔａｇでの平均の振幅が所定の振幅になるように利得を調整して受信信号ｅ₁，ｅ₄を増幅する。

可変利得増幅器３３は、利得制御信号で設定される利得ｃ₁₄で自動利得調整増幅・フィルタ部３２の出力信号を増幅する。

差動増幅器３４は、自動利得調整増幅・フィルタ部３１の出力信号と可変利得増幅器３３の出力信号の差を信号分離出力として出力する。

モニタ・分離制御部３５は、差動増幅器３４の信号分離出力から雑音成分が分離されて無線通信端末１が送信した信号成分が支配的になるように、信号分離出力の振幅の変動が最小になる利得ｃ₁₄を求め、利得ｃ₁₄を設定する利得制御信号を可変利得増幅器３３に出力するとともに、選択部２５３へ分離完了信号を送信する。

無線通信端末１は、送信すべき情報に基づくデータ信号で所定の搬送波を変調する前に変調しない搬送波（プリアンブル）を所定の期間送信し、無線通信端末２はこの期間で雑音を分離するのに最適な利得ｃ₁₄を求める処理を行う。プリアンブルの振幅は一定でほとんど変動しないのに対し、雑音の振幅は一定でないため振幅の変動が大きい。そこで、モニタ・分離制御部３５は、可変利得増幅器３３に設定する利得を変化させて、設定した利得毎に、所定期間内における差動増幅器３４の信号分離出力の振幅の変動の大きさを求め、信号分離出力の振幅の変動の大きさが最小となる利得を雑音を分離するのに最適な利得ｃ₁₄とする。このように、送信すべき情報に基づくデータ信号を受信する直前に可変利得増幅器３３に設定する利得ｃ₁₄を求めるので、無線通信端末２の周囲の状況（伝搬定数）が時間的に変化する場合であっても、効果的に変調信号と雑音を分離することが可能となる。

なお、上記では、自動利得調整増幅・フィルタ部３２に可変利得増幅器３３を接続したが、自動利得調整増幅・フィルタ部３１，３２の両方に可変利得増幅器を接続して双方の利得を調整するものでもよい。このとき、一方の可変利得増幅器の利得を１に設定すると図８に示した２入力信号分離部２５１と同様になる。

図８に示す２入力信号分離部２５１ではアンテナ２１，２４で受信した受信信号ｅ₁，ｅ₄を直接信号処理していたが、図９に示す２入力信号分離部の変形例のように、受信信号ｅ₁，ｅ₄を局部発振器３６から出力される所定の周波数の信号でダウンコンバートした後、変調信号と雑音を分離してもよい。

また、図１０に示す信号分離部の変形例のように、アナログ−デジタル変換部３７，３８を備えて、自動利得調整増幅・フィルタ部３１，３２の出力をアナログ−デジタル変換した後にデジタル信号処理により変調信号と雑音を分離してもよい。この場合、アナログ−デジタル変換部３７で変換されたデジタル信号と、アナログ−デジタル変換部３８で変換されモニタ・分離制御部３５が出力する倍率で乗算されたデジタル信号との差を加算部で求めてモニタ・分離制御部３５に出力し、モニタ・分離制御部３５では、デジタル信号処理でピークホールド動作、すなわち最大値または最小値の探索を行って振幅データを求め、加算部が出力する信号の振幅が最小となるようにアナログ−デジタル変換部３８の出力の倍率を決める。

以上説明したように、本実施の形態によれば、無線通信端末１が２本のアンテナ１１，１２で非反転変調信号と反転変調信号を送信し、無線通信端末２が４本のアンテナ２１，２２，２３，２４で受信信号ｅ₁，ｅ₂，ｅ₃，ｅ₄を受信し、２入力信号分離部２５１，２５２のそれぞれで、受信信号ｅ₁，ｅ₄の差の振幅の変動、受信信号ｅ₂，ｅ₃の差の振幅の変動が最小となる利得を求め、２入力信号分離部２５１，２５２の何れか一方の分離信号出力を復調することにより、無線通信端末１のアンテナ１１，１２と無線通信端末２のアンテナ２１，２２，２３，２４との位置関係の制約なく、雑音源がどこにあっても、信号対雑音比を改善できる無線通信システムを提供することができる。

なお、アンテナ２１，２２，２３，２４として、特開２０１１−１９９３９５のようなゲートの左右に配置された電極を用いてもよい。

［第２の実施の形態］
図１１は、第２の実施の形態における無線通信システムの構成を示す機能ブロック図である。図１１に示す無線通信システムは、無線通信端末４，５を備える。無線通信端末４，５はそれぞれ送信・受信する機能をもつモジュールを備えているが、簡略化のため、図１１では、無線通信端末４では送信モジュールのみを、無線通信端末５では受信モジュールのみを記載している。

本実施の形態では、無線通信を行う前に、無線通信端末５の４本のアンテナのうちいずれか２本を用いて受信される雑音の極性を判定して判定結果を無線通信端末４に送信し、無線通信端末４は、判定結果が雑音の極性が同極性を示す場合には、２本のアンテナで異極性の変調信号を送信し、判定結果が雑音の極性が異極性を示す場合には、２本のアンテナで同極性の変調信号あるいは２本のアンテナのいずれか一方のみから変調信号を送信する。

無線通信端末４は、２本のアンテナ４１，４２と、端末処理部４３、変調部４４、極性切替バッファ４５，４６、復調部４７、および送受切替スイッチ４８，４９を備える。

端末処理部４３は、送信すべき情報に基づくデータ信号を変調部４４に入力する。また、端末処理部４３は、無線通信端末５から受信した雑音の極性を示す情報に基づいて、雑音の極性が同極性であれば、極性切替バッファ４５，４６のいずれか一方を非反転、他方を反転として、変調信号の位相が互いに反転した非反転変調信号、反転変調信号を送信するように極性切替バッファ４５，４６を設定し、雑音の極性が異極性であれば、極性切替バッファ４５，４６をどちらも非反転あるいは反転として変調信号の位相が同じ変調信号を送信するように極性切替バッファ４５，４６を設定するか、どちらか一方の極性切替バッファ４５，４６から変調信号を送信するように極性切替バッファ４５，４６を設定する。

変調部４４は、入力されたデータ信号で所定の周波数の搬送波を変調した変調信号を極性切替バッファ４５，４６に入力する。

極性切替バッファ４５，４６は、端末処理部４３から入力する極性切替信号に基づいて、非反転バッファとして機能するか、あるいは反転バッファとして機能するか設定し、非反転変調信号あるいは反転変調信号を送受切替スイッチ４８，４９を介してアンテナ４１，４２へ出力する。

送受切替スイッチ４８，４９は、送信時にはアンテナ４１，４２を極性切替バッファ４５，４６に接続し、受信時にはアンテナ４１，４２を復調部４７に接続する。

復調部４７は、無線通信端末５から送信された変調信号を復調して雑音の極性を示す情報を得て端末処理部４３に入力する。

無線通信端末５は、４本のアンテナ５１，５２，５３，５４と、信号分離部５５、復調部５６、端末処理部５７、雑音極性判定部５８、変調部５９、および送受切替スイッチ６０，６１，６２，６３を備える。

アンテナ５１，５２，５３，５４それぞれで受信された受信信号は、送受切替スイッチ６０，６１，６２，６３を介して信号分離部５５に入力される。

信号分離部５５は、アンテナ５１，５２，５３，５４それぞれが受信した受信信号から雑音を分離し、無線通信端末４が送信した変調信号を復調部５６に入力する。

復調部５６は、変調信号を復調してデータ信号を得て端末処理部５７に入力する。

端末処理部５７は、入力されたデータ信号に基づいて処理を行う。また、雑音極性判定部５８が判定した雑音の極性を示す情報に基づくデータ信号を変調部５９に入力する。

雑音極性判定部５８は、無線通信端末４と無線通信を開始する前に、アンテナ５１，５２，５３，５４それぞれで受信された雑音に基づいて雑音の極性を判定し、端末処理部５７に入力する。

変調部５９は、入力された雑音の極性を示す情報に基づくデータ信号で所定の周波数の搬送波を変調し、変調信号を送受切替スイッチ６０，６１，６２，６３を介してアンテナ５１，５２，５３，５４から送信する。

図１２に雑音極性判定部５８の構成例を示す。図１２に示す雑音極性判定部５８は、アンテナ５１，５４それぞれで受信した雑音を乗算部５８１で乗算し、低域通過フィルタ部５８２で直流成分を取り出し、判定部５８３で取り出した直流成分の電位に基づいて雑音の極性を判定する。

アンテナ５１，５４で受信した雑音が同極性である場合には、図１３に示すように、低域通過フィルタ部５８２の出力は高電位となり、雑音が異極性である場合には、低域通過フィルタ部５８２の出力は低電位となる。判定部５８３は、中心電位を挟んで高電位側のしきい値１と低電位側のしきい値２を設定し、低域通過フィルタ部５８２の出力がしきい値１より高い場合は、同極性の雑音を受信したと判定し、低域通過フィルタ部５８２の出力がしきい値２より低い場合は、異極性の雑音を受信したと判定して判定信号を出力する。低域通過フィルタ部５８２の出力がしきい値１としきい値２の間の場合は、雑音が小さいと判定する。この場合は、無線通信端末４は極性切替バッファ４５，４６をどのように設定してもよい。なお、ここで言う低電位とは、中心電位と比較して低い電位のことであり、例えば、中心電位がゼロの場合には負の電位となる。また、中心電位は、回路に与える電源電圧によって変わり、例えば、単電源の場合には、グランドと電源電圧（正負いずれの電位もあり得る）との中間電位となり、両電源の場合には、正電位の電源電圧と負電位の電源電圧との中間電位となる。高電位も同様に中心電位と比較して高い電位のことである。

図１４は、雑音極性判定部５８の変形例である。図１４に示す雑音極性判定部５８は、可変利得増幅器３３の利得を１にした状態で差動増幅器３４でアンテナ５１，５４それぞれが受信した雑音の差を取り、雑音極性判定部５８が差動増幅器出力の振幅の大きさと受信した雑音の振幅の大きさを比較することで、雑音の極性を判定する。雑音が同極性の場合は差動増幅器出力の振幅は雑音の振幅と比較して小さくなり、雑音が異極性の場合は差動増幅器出力の振幅は雑音の振幅と比較して大きくなる。

上記では、アンテナ５１，５４で受信する雑音の極性を判定したが、任意の２本のアンテナで受信する雑音の極性を判定してもよい。また、図１５に示すように、４本のアンテナ５１，５２，５３，５４を用いて、アンテナ５１，５４で受信する雑音の極性を雑音極性判定部５８の乗算部５８４、低域通過フィルタ部５８５、判定部５８３で判定し、アンテナ５２，５３で受信する雑音の極性を雑音極性判定部５８の乗算部５８１、低域通過フィルタ部５８２、判定部５８３で判定するものでもよい。図１４のように、２入力信号分離部５５１，５５２の分離処理部３９それぞれの信号分離出力とアンテナ５１，５４およびアンテナ５２，５３で受信した雑音の振幅とを比較して雑音の極性を判定してもよい。

２入力信号分離部５５１，５５２は、ブラインド信号源分離で用いられている処理で独立な信号と雑音を分離してもよいが、第１の実施の形態の図７〜９で示した２入力信号分離部２５１を用いてもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、無線通信を行う前に、無線通信端末５がアンテナ５１，５４で受信される雑音を乗算して直流成分を取りだし、直流成分の電位に基づいて雑音の極性を判定して無線通信端末４に通知し、無線通信端末４が雑音の極性に基づいてアンテナ４１，４２で送信する変調信号の極性を設定することにより、通信環境に応じて変調信号を送信することができる。

１，２…無線通信端末
１１，１２，２１，２２，２３，２４…アンテナ
１３…端末処理部
１４…変調部
１５…非反転バッファ
１６…反転バッファ
２５…信号分離部
２５１，２５２…２入力信号分離部
２５３…選択部
２６…復調部
２７…端末処理部
３１，３２…自動利得調整増幅・フィルタ部
３３…可変利得増幅器
３４…差動増幅器
３５…モニタ・分離制御部
３６…局部発振器
３７，３８…アナログ−デジタル変換部
３９…分離処理部
４，５…無線通信端末
４１，４２，５１，５２，５３，５４…アンテナ
４３…端末処理部
４４…変調部
４５，４６…極性切替バッファ
４７…復調部
４８，４９…送受切替スイッチ
５５…信号分離部
５５１，５５２…２入力信号分離部
５５３…選択部
５６…復調部
５７…端末処理部
５８…雑音極性判定部
５８１，５８４…乗算部
５８２，５８５…低域通過フィルタ部
５８３…判定部
５９…変調部
６０，６１，６２，６３…送受切替スイッチ
１００，２００…無線通信端末
１０１，２０１，２０２…アンテナ
２１０…信号分離部
２２０…復調部

Claims (6)

1. 無線送信装置と無線受信装置との間で無線通信を行う無線通信システムであって、
   前記無線送信装置は、
   第１、第２のアンテナと、
   送信すべき情報に基づいて搬送波を変調する変調手段と、
   前記変調手段が変調した変調信号を入力し、当該変調信号の位相を反転せずに前記第１のアンテナから送信する第１のバッファと、
   前記変調手段が変調した変調信号を入力し、当該変調信号の位相を反転して前記第２のアンテナから送信する第２のバッファと、を有し、
   前記無線受信装置は、
   第１、第２のアンテナと、
   前記第１のアンテナで受信した受信信号を第１の利得で増幅する第１の増幅器と、
   前記第２のアンテナで受信した受信信号を第２の利得で増幅する第２の増幅器と、
   前記第１の増幅器の出力信号と前記第２の増幅器の出力信号の差を出力する第１の差動増幅器と、
   前記第１の差動増幅器が出力する第１の差動増幅出力信号の振幅を検出し、当該振幅の変動が最小となるように前記第１、第２の利得のいずれか一方もしくは双方を制御する第１の制御手段と、
   第３、第４のアンテナと、
   前記第３のアンテナで受信した受信信号を第３の利得で増幅する第３の増幅器と、
   前記第４のアンテナで受信した受信信号を第４の利得で増幅する第４の増幅器と、
   前記第３の増幅器の出力信号と前記第４の増幅器の出力信号の差を出力する第２の差動増幅器と、
   前記第２の差動増幅器が出力する第２の差動増幅出力信号の振幅を検出し、当該振幅の変動が最小となるように前記第３、第４の利得のいずれか一方もしくは双方を制御する第２の制御手段と、
   前記第１、第２の差動増幅出力信号のうち前記振幅の変動の最小値がより小さい方の差動増幅出力信号を選択する選択手段と、
   前記選択手段が選択した前記差動増幅出力信号を復調する復調手段と、を有すること
   を特徴とする無線通信システム。
2. 前記無線受信装置は、
   前記第１、第２、第３、第４のアンテナのうちいずれか２本で受信した雑音の極性を判定する判定手段と、
   前記判定手段の判定結果を送信する送信手段と、を有し、
   前記無線送信装置は、
   前記判定結果を受信し、当該判定結果が前記雑音の極性が同極性を示す場合には、前記第１、第２のバッファが前記変調信号の位相が互いに反転した前記変調信号を送信するように前記第１、第２のバッファを設定し、当該判定結果が前記雑音の極性が異極性を示す場合には、前記第１、第２のバッファが前記変調信号の位相が同じ前記変調信号を送信するか、どちらか一方のバッファから前記変調信号を送信するように前記第１、第２のバッファを設定する設定手段を有すること
   を特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
3. 前記判定手段は、前記２本のアンテナそれぞれで受信した雑音を乗算して直流成分を取り出し、当該直流成分の電位が第１のしきい値よりも高い場合は前記雑音の極性を同極性と判定し、当該直流成分の電位が第２のしきい値よりも低い場合は前記雑音の極性を異極性と判定することを特徴とする請求項２記載の無線通信システム。
4. 前記判定手段は、前記２本のアンテナそれぞれで受信した雑音の差をとり、当該差の振幅の大きさと前記雑音の振幅の大きさを比較し、前記差の振幅の大きさが前記雑音の振幅の大きさよりも小さい場合は前記雑音の極性を同極性と判定し、前記差の振幅の大きさが前記雑音の振幅の大きさよりも大きい場合は前記雑音の極性を異極性と判定することを特徴とする請求項２記載の無線通信システム。
5. 前記第１、第２、第３、第４のアンテナで受信した信号の搬送波周波数とは異なる周波数の信号を発振する局部発振手段を有し、前記第１、第２、第３、第４のアンテナで受信した信号をダウンコンバートすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の無線通信システム。
6. 前記第１、第２、第３、第４のアンテナで受信した信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換手段を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の無線通信システム。

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