JP2017098803A

JP2017098803A - 通信装置

Info

Publication number: JP2017098803A
Application number: JP2015230198A
Authority: JP
Inventors: 大志時水; Hiroshi Tokimizu
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2017-06-01

Abstract

【課題】複数のノイズ源が存在する環境において、ノイズ源を完全にシ−ルドできない構成であっても、アンテナ利得が高く、受信アンテナに回り込んだノイズによる受信感度劣化を抑制し、受信電力のＳ／Ｎ比が最大となる通信装置を得る。
【解決手段】通信機器１００を収納した筺体１０と、筺体の一部をアンテナとして利用して外部からの無線信号を受信する受信アンテナ１０１と、筺体内部のノイズを補足するため指向性を持たせたノイズセンサ１１０と、受信アンテナで受信したノイズを含む希望波を増幅する可変増幅器１０２と、ノイズセンサで受信したノイズを減衰する可変減衰器１１２と、増幅器１０２からのノイズを含む希望波と減衰器１１２からのノイズとをキャンセルするノイズキャンセル部１２０と、増幅器１０２の増幅率と減衰器１１２の減衰率を調整する制御部１３０とを備えた通信装置。
【選択図】図１

Description

この発明は、受信アンテナに回り込んだノイズによる受信感度劣化を抑制するようにした通信装置に関するものである。

近年、無線通信は、携帯電話、スマ−トフォン、タブレット、ノ−トパソコンなどの携帯端末だけでなく、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）、リモ−トＩ／Ｏ（入力／出力）、回転機器、センサ、ロボットなどの産業機器にも適用範囲が広がっている。
さらに、米国でのIndustrial Internetやドイツでの「インダストリ−４．０」など、産業機器とビッグデ−タを人間に結びつける、オ−プンでグロ−バルなネットワ−クを構築する取り組みもあって、産業機器の無線化の流れが進んでいる。産業機器では、例えば、電力プラントや各種工場プラントを制御する装置は、プラントを制御する制御装置、その制御装置に電源を供給する電源装置、プラントに取り付けられたセンサなどの入出力装置（Ｉ／Ｏ）で構成され、これらの構成要素をまとめるために大型の盤筺体が使用される。

これら大型の盤筺体に無線を適用する場合、各装置の影響を受けないよう、盤筺体の上にアンテナを配置することとなるため、特許文献１では、導体板と盤筺体の間隔を十分狭めた場合にも、放射導体板と金属筺体の間に金属ブロック等の等価的にキャパシタンスの効果を与える金属部材を設けることにより、また導体板と筺体の間に誘電体を装荷しこの誘電体内に金属部材を介在させることにより、電波の波長を短縮し導体板と筺体の間隔を狭くしてもアンテナ装置を共振させることができ、インピ−ダンス特性の優れた小型のアンテナ装置を得ている。

特許文献２では、放射導体板に対して垂直に配置された回路プリント基板上のプリントパタ−ン上に給電線パタ−ン及びショ−ト線パタ−ンを形成し、給電線パタ−ンにより放射導体板と無線回路のアンテナ接続端子とを接続して給電を行い、またショ−ト線パタ−ンによって放射導体板と、回路プリント基板上のＧＮＤパタ−ンと接続された接地導体とを接続して、インピ−ダンス整合のバラツキが小さくなるアンテナを得ている。この方法を使用した場合、給電線及びショ−ト線の部品を別に設ける必要がなくなり、部品点数を少なくでき、高さ制限も緩和できる可能性がある。

特許文献３では、分電盤の箱状本体内に通信モジュールを備え、この通信モジュールに電気的に接続されたアンテナを箱体の蓋の裏面に設けて有効活用しており、意匠面だけでなく、高さ制限のある場所でも有効活用できる可能性がある。
特許文献４では、筺体内部のノイズを取得するノイズピックアップセンサと、ノイズピックアップセンサが取得したノイズを基に、受信アンテナに回り込んだノイズ分を相殺（ノイズキャンセル）し、受信感度を向上させる方法が記載されている。また、筺体の形状に応じて、ノイズピックアップセンサの形状を変化させることで、さらに受信感度の向上する方法が開示されている。
特許文献５では、通信品質を測定しながら最適な通信品質が得られるアンテナ位置を自動調整することで、人手による調整作業を行わずにすむ方法が記載されている。

特開昭６１−２１０７０７号公報（第６,７頁、図１,４）特開平１１−７４７２２号公報（第１０頁、図５）特開２０１４−２３９６２８号公報（第３頁、図１）特開２０１１−２０５３１８号公報（第４頁、図１）特開２０１１−２５０３５５号公報（第４頁、図３）

しかしながら、特許文献１の方法では、筺体の上に、アンテナを配置する必要があり、天井の高さ制限のある場所では使用できないという問題があった。
特許文献２では、プリント基板を給電線、ショ−ト線に使用するため、プリント基板を金属筺体の近くに配置する必要があり、金属筺体近くにプリント基板を配置できない構成では使用できないという問題があった。

特許文献３では、アンテナの地導体となる金属筺体や給電部位が不明確であり、金属の構造物が多い盤筺体には簡単に適用できない。さらに、盤筺体をアンテナとして活用する場合、盤筺体には複数の装置や装置間を連結するケ−ブルが多数あり、それらがノイズ源となり自身の受信アンテナに干渉するため、アンテナ利得が大きくても、十分な受信感度が得られない（自家中毒）問題が発生する。

特許文献３の問題を解決するため、特許文献４の方法では、筺体内のノイズピックアップセンサでノイズ分だけを補足する必要があるため、筺体は完全シ−ルドする必要があるが、ノイズピックアップセンサがノイズだけでなく希望波も受信する構造では、ノイズキャンセル時に希望波もキャンセルしてしまい、所望の効果が得られない。つまり、小型化や低コスト化の要求などで筺体自身をシ−ルドとしてではなくアンテナとして利用する構成や、扉の開閉などで完全シ−ルドできない構成には、適用できないという問題があった。

さらに、特許文献４の方法では、筺体内の部品（ノイズ源）が動かない前提であるが、筺体内の部品、装置の配置が変わる通信機器では、アンテナ利得だけでなくノイズレベルも異なり、所望のアンテナ特性、受信感度を得られないという問題があった。
特許文献５では、最適な通信品質が得られるアンテナ位置を自動調整できるものの、自分自身のノイズで通話品質が劣化している場合には、それ以上の通信品質を確保することはできないという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、複数のノイズ源が存在する環境において、ノイズ源を完全にシ−ルドできない構成であっても、アンテナ利得が高く、受信アンテナに回り込んだノイズによる受信感度劣化を抑制し、受信電力のＳ／Ｎ比が最大となる通信装置を提供することを目的とするものである。

この発明に係る通信装置は、通信機器を収納した筺体と、筺体の一部をアンテナとして利用して外部からの無線信号を受信する受信アンテナと、筺体内部のノイズを補足するため指向性を持たせたノイズセンサと、受信アンテナで受信したノイズを含む希望波を増幅する増幅器と、ノイズセンサで受信したノイズを減衰する減衰器と、増幅器からのノイズを含む希望波と減衰器からのノイズとをキャンセルするノイズキャンセル部と、増幅器の増幅率と減衰器の減衰率を調整する制御部とを備えたものである。

この発明は、筺体の一部をアンテナや地導体として利用しているから意匠性を損ねることなく、低コストで利得の高い受信アンテナが得られ、また、筐体内部に複数の装置から発生するノイズを補足するノイズセンサを有し、このノイズセンサで受信したノイズと受信アンテナで受信したノイズを含む希望波とを入力してノイズを除くようにしているから、受信アンテナに回り込んだノイズによる受信感度劣化を抑制することができる通信装置を得ることが可能となる。

この発明の実施の形態１に係る通信装置の回路構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１に係る通信装置の具体的構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る通信装置の具体的構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る通信装置のノイズキャンセル部における機能を説明するための図である。この発明の実施の形態２に係る通信装置の概略構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態２に係る通信装置の具体的構成を示す図である。この発明の実施の形態３に係る通信装置の概略構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態３に係る通信装置の具体的構成を示す図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る通信装置を図１から図４に基づいて説明する。図１は実施の形態１における通信装置の回路構成の概要を示すブロック図、図２及び図３は通信装置の具体的構成の例を示す図である。
図１において、通信装置１は筐体１０の内部に収納設置された通信機器１００を備えている。通信機器１００は、筐体１０の内部に発生するノイズを補足する指向性を持たせたノイズセンサ１１０と、ノイズセンサ１１０の位置を調整するノイズセンサ用位置調整部１１１と、ノイズセンサ１１０で受信したノイズを減衰する可変減衰器１１２と、受信アンテナ１０１で受信したノイズを含む希望波を増幅する可変増幅器１０２と、可変増幅器１０２からのノイズを含む希望波と可変減衰器１１２からのノイズとをキャンセルするノイズキャンセル部１２０と、可変増幅器１０２の増幅率と可変減衰器１１２の減衰率を調整する制御部１３０から構成される。

受信アンテナ１０１は、筺体１０の一部、例えば図２および図３に示すように天板１０ａをアンテナとして利用し、通信装置１と対向する外部の通信装置２からの希望波を受信する。こうして通信装置１と外部の通信装置２とは相互通信している。
ここで筺体１０は完全にシ−ルドされていない場合を想定する。各部の熱雑音については簡単化のため考慮しない。
図２は筺体１０の天板１０ａを受信アンテナ１０１として使用した通信装置の具体的構成の例を示し、受信アンテナ１０１は盤構成の筐体１０の内蔵アンテナとしてケーブル１４０を介して通信機器１００の可変増幅器１０２と接続されている。また筐体１０の側面１０ｂは地導体として活用し、天板１０ａと側面１０ｂとは負荷Ｚなどで絶縁されている。

図３は指向性を持たせたノイズセンサ１１０を筺体１０の内部に設置した通信装置の具体的構成の例を示し、ノイズセンサ１１０はノイズセンサ用位置調整部１１１により位置が変更可能になっており、筐体１０内の複数のノイズ源（１、２・・ｎ）３からのノイズを含む希望波のＳ／Ｎ比を最大化できるようにしている。このノイズセンサ１１０はケーブル１５０を介して通信機器１００の可変減衰器１１２と接続されている。またノイズセンサ１１０と受信アンテナ１０１が干渉しないように、しかもノイズセンサ１１０に指向性を持たせるため受信アンテナ１０１とノイズセンサ１１０の間でノイズセンサ１１０に近接して反射板１１が設けられている。

次にこの発明の実施の形態１による通信装置で、受信アンテナ１０１に回り込んだノイズによる受信感度劣化を抑制する動作を、図４に示したノイズキャンセル部１２０の機能に基づき説明する。
図１に示すように、受信アンテナ１０１では、対向の通信装置２から希望波の信号電力（Ｓ１）を、筺体１０内部のノイズ源３から雑音電力（Ｎ１）を受信するため、Ｓ１＋Ｎ１の電力を受信する。ノイズセンサ１１０では、対向の通信装置２から希望波の信号電力（Ｓ２）を、筺体１０内部のノイズ源３から雑音電力（Ｎ２）を受信するため、Ｓ２＋Ｎ２の電力を受信する。ここで、筺体１０はある一定のシ−ルド効果を持つため、各々の電力の大きさは、信号電力（Ｓ１）＞信号電力（Ｓ２）、雑音電力（Ｎ１）＜雑音電力（Ｎ２）となる。

図４に示すように、受信アンテナ１０１で受信した電力は可変増幅器１０２で増幅されα＊（Ｓ１＋Ｎ１）となり、ノイズキャンセル部１２０に入力される。ノイズセンサ１１０で受信した電力は可変減衰器１１２で減衰されβ＊（Ｓ２＋Ｎ２）となり、ノイズキャンセル部１２０に入力される。ここで、増幅率α＞１、減衰率β＜１である。
ノイズキャンセル部１２０では、増幅されたα＊（Ｓ１＋Ｎ１）から減衰されたβ＊（Ｓ２＋Ｎ２）が減算されて、α＊（Ｓ１＋Ｎ１）−β＊（Ｓ２＋Ｎ２）となる。その結果、信号成分αＳ１−βＳ２と雑音成分αＮ１−βＮ２の和となり、Ｓ／Ｎ比[ｄＢ]は次の式（１）となる。
Ｓ／Ｎ比[ｄＢ]＝１０log10（Ｐ（αＳ１−βＳ２）／Ｐ（αＮ１−βＮ２））・・（１）

制御部１３０では、式（１）のＳ／Ｎ比[ｄＢ]、すなわち１０log10（Ｐ（αＳ１−βＳ２）／Ｐ（αＮ１−βＮ２））が最大となるよう、可変増幅器１０２の増幅率α、可変減衰器１１２の減衰率βを調整することで、受信電力のＳ／Ｎ比が最大となる通信装置が得られる。
ここで、Ｓ／Ｎ比を最大化するため、Ｓ／Ｎ比の計算式（１）から、βＳ２の値を十分小さくし、かつ、増幅率αの値はαＮ１−βＮ２＝０（α＝βＮ２／Ｎ１）になるようにする必要がある。そこで、ノイズセンサ１１０の位置をノイズセンサ用位置調整部１１１にて調整し、ノイズセンサ１１０に指向性を持たせるよう調整することで、雑音電力（Ｎ２）を大きく、信号電力（Ｓ２）を小さくさせ、結果βＳ２の値を十分小さくすることが可能となる。
ノイズセンサ１１０に指向性を持たせるには、ノイズセンサ用位置調整部１１１の位置調整と共に、図３に示すように反射板１１を使用することで、受信電力のＳ／Ｎ比が最大となる通信装置が得られる。

以上のように実施の形態１の発明は、筐体の一部を受信アンテナとして利用すると共に、受信アンテナで受信した筐体内部のノイズを含む希望波と、ノイズセンサで受信したノイズとをノイズキャンセル部でキャンセルするようにしたから、受信アンテナに回り込んだ複数のノイズによる受信感度劣化を抑制することができる通信装置が得られる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る通信装置を図５および図６に基づいて説明する。図５は実施の形態２における通信装置の回路構成の概要を示すブロック図、図６は通信装置の具体的構成の例を示す図である。
図５および図６に示すように、受信アンテナ１０１は、筐体１０の天板１０ａに給電部が接続された、例えば棒状のアンテナ受信部１０１ａを設けた構成にされ、天板１０ａとアンテナ受信部１０１ａとで受信アンテナ１０１が構成されている。このアンテナ受信部１０１ａは指向性を持たせるため、受信アンテナ用位置調整部１０３によって位置や向きが調整できるようになっている。
その他の構成は実施の形態１と同じに付き、同じまたは相当部分には同じ符号を付して説明を省略する。ここで、実施の形態１と同様、筺体１０は完全にシ−ルドされていない場合を想定する。各部の熱雑音については簡単化のため考慮しない。

この実施の形態２の発明においても、実施の形態１と同様、式（１）のＳ／Ｎ比[ｄＢ]は１０log10（Ｐ（αＳ１−βＳ２）／Ｐ（αＮ１−βＮ２））が最大となるよう、増幅率α、減衰率βを調整することで、受信電力のＳ／Ｎ比が最大となる通信装置が得られる。
ここで、Ｓ／Ｎ比を最大化するため、Ｓ／Ｎ比の計算式（１）から、αＳ１が最大になるようにする必要がある。そこで、受信アンテナ１０１の位置を受信アンテナ用位置調整部１０３にて調整し、受信アンテナ１０１に指向性を持たせるよう調整することで、信号電力（Ｓ１）を大きく、雑音電力（Ｎ１）を小さくさせ、結果αＳ１の値を大きくすることが可能となる。
このように、受信アンテナ１０１に指向性を持たせることで、受信電力のＳ／Ｎ比が最大となる通信装置が得られる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る通信装置を図７および図８に基づいて説明する。図７は実施の形態３における通信装置の回路構成の概要を示すブロック図、図８は通信装置の具体的構成の例を示す図である。
実施の形態３の発明は、受信アンテナの特性に影響を与える金属構造物の位置状態が変化しても、複数のノイズセンサにより、新たなノイズ源が追加されてもキャンセルできるようにしたものである。

図７および図８において、受信アンテナ１０１の特性に影響を与える金属構造物の位置状態が変化する例として、筺体１０の扉１０ｃの開閉の例をあげる。筺体１０の扉１０ｃが開いた状態を検出する扉開閉検出部２０１、扉開閉検出部２０１からの出力により金属構造物の位置状態が変化したことを検出する各種状態検出部２０２、扉１０ｃの開時に扉直近の筺体外の複数のノイズ源（１、２・・ｎ）４からのノイズを補足するためのノイズセンサ２１０、ノイズセンサ２１０の位置を調整するためのノイズセンサ用位置調整部２１１、ノイズセンサ２１０で受信したノイズを減衰する可変減衰器３１２を備えている。

その他の構成は実施の形態２と同じに付き、同じまたは相当部分には同じ符号を付して説明を省略する。なお、各種状態検出部２０２は、筺体１０の扉１０ｃが開いた状態を検出する以外に筐体１０内部の金属構造物の位置状態が変化したことも検出する。
ここで、実施の形態１、２と同様、筺体１０は完全にシ−ルドされていない場合を想定する。各部の熱雑音については簡単化のため考慮しない。

筺体１０の扉１０ｃの開閉状態を開閉検出部２０１で検出後、各種状態検出部２０２で金属構造物の位置状態が変化したことを検出する。制御部１３０は、扉１０ｃが開状態時に筺体外のノイズを補足するノイズセンサ２１０を使用するため、各種状態検出部２０２からの信号に基づいてノイズセンサ用位置調整部２１１および可変減衰器２１２を調整する。

ここでは、簡単化のため、筺体内のノイズ源３からのノイズの影響（ノイズセンサ１１０からの信号を減衰する可変減衰器１１２からの出力）は無視することとする。
図７に示すように、受信アンテナ１０１では、対向の通信装置２から希望波の信号電力（Ｓ１）を、筺体１０外部のノイズ源４から雑音電力（Ｎ３）を受信するため、Ｓ１＋Ｎ３の電力を受信する。ノイズセンサ２１０では、対向の通信装置２から希望波の信号電力（Ｓ３）を、筺体１０外部のノイズ源４から雑音電力（Ｎ４）を受信するため、Ｓ３＋Ｎ４の電力を受信する。

実施の形態１と同様の考え方で、ノイズキャンセル部１２０では、可変増幅器１０２で増幅されたα＊（Ｓ１＋Ｎ３）から可変減衰器２１２で減衰されたγ＊（Ｓ３＋Ｎ４）が減算されて、α＊（Ｓ１＋Ｎ３）−γ＊（Ｓ３＋Ｎ４）となる。その結果、信号成分αＳ１−γＳ３と雑音成分αＮ３−γＮ４の和となり、Ｓ／Ｎ比[ｄＢ]は次の式（２）となる。
Ｓ／Ｎ比[ｄＢ]＝１０log10（Ｐ（αＳ１−γＳ３）／Ｐ（αＮ３−γＮ４））・・（２）

制御部１３０では、式（２）のＳ／Ｎ比[ｄＢ]、すなわち１０log10（Ｐ（αＳ１−γＳ３）／Ｐ（αＮ３−γＮ４））が最大となるよう、可変増幅器１０２の増幅率α、可変減衰器２１２の減衰率γを調整することで、受信電力のＳ／Ｎ比が最大となる通信装置が得られる。
ここで、Ｓ／Ｎ比を最大化するため、Ｓ／Ｎ比の計算式から、γＳ３の値を十分小さくし、かつ、αの値はαＮ３−γＮ４＝０（α＝γＮ４／Ｎ３）になるようにする必要がある。そこで、ノイズセンサ２１０の位置をノイズセンサ用位置調整部２１１にて調整し、ノイズセンサ２１０に指向性を持たせるよう調整することで、雑音電力（Ｎ４）を大きく、信号電力（Ｓ３）を小さくさせ、結果γＳ３の値を十分小さくすることが可能となる。

ノイズセンサ２１０にも指向性を持たせるため、ノイズセンサ用位置調整部２１１の位置調整と共に、図８に示すようにノイズセンサ２１０に近接した反射板１２を使用することで、受信電力のＳ／Ｎ比が最大となる通信装置が得られる。
このように、受信アンテナ１０１およびノイズセンサ１１０、２１０に指向性を持たせることで、受信電力のＳ／Ｎ比が最大となる通信装置が得られる。

以上、この発明の実施の形態を記述したが、この発明は実施の形態に限定されるものではなく、種々の設計変更を行うことが可能であり、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１：通信装置、２：外部の通信装置、３：筐体内部のノイズ源、４：筐体外部のノイズ源、１０：筐体、１０ａ：筐体の天板、１０ｂ：筐体の側板、１０ｃ：筐体の扉、１１、１２：反射板、１００：通信機器、１０１：受信アンテナ、１０２：可変増幅器、１０３：アンテ用位置調整部、１１０：ノイズセンサ、１１１：ノイズセンサ用位置調整部、１１２：可変減衰器、１２０：ノイズキャンセル部、１３０：制御部、２０１：扉開閉検出部、２０２：各種状態検出部、２１０：ノイズセンサ、２１１：ノイズセンサ用位置調整部、２１２：可変減衰器

Claims

通信機器を収納した筺体と、前記筺体の一部をアンテナとして利用して外部からの無線信号を受信する受信アンテナと、前記筺体内部のノイズを補足するため指向性を持たせたノイズセンサと、前記受信アンテナで受信した前記ノイズを含む希望波を増幅する増幅器と、前記ノイズセンサで受信したノイズを減衰する減衰器と、前記増幅器からのノイズを含む希望波と前記減衰器からのノイズとをキャンセルするノイズキャンセル部と、前記増幅器の増幅率と前記減衰器の減衰率を調整する制御部とを備えた通信装置。
前記受信アンテナの位置を調整するアンテナ用位置調整部を備え、前記アンテナ用位置調整部で前記受信アンテナに指向性を持たせるよう調整して、前記受信アンテナで受信した前記ノイズを含む希望波のＳ／Ｎ比を最大化できるようにした請求項１に記載の通信装置。
前記ノイズセンサの位置を調整するセンサ用位置調整部を備え、前記センサ用位置調整部で前記ノイズセンサに指向性を持たせるよう調整して、前記受信アンテナで受信した前記ノイズを含む希望波のＳ／Ｎ比を最大化できるようにした請求項１または請求項２に記載の通信装置。
前記筐体の内部に前記ノイズセンサに近接して反射板を設け、前記ノイズセンサに指向性を持たせるようにした請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の通信装置。
前記筺体外のノイズを補足するノイズセンサと、前記筐体の扉の開閉状態や前記筐体内部の金属構造物の状態を検出できる各種状態検出部を備え、前記各種状態検出部が扉の開状態または前記筐体内部の金属構造物の位置状態が変化したことの検出時に、前記筺体外のノイズを補足するノイズセンサを作動させるようにした請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の通信装置。
前記筺体外のノイズを補足するノイズセンサの位置を調整するセンサ用位置調整部を備え、前記センサ用位置調整部で前記ノイズセンサに指向性を持たせるよう調整して、前記受信アンテナで受信した前記ノイズを含む希望波のＳ／Ｎ比を最大化できるようにした請求項５に記載の通信装置。