JP3461150B2 - スペースホッピング受信方式と受信電波推定方法 - Google Patents

スペースホッピング受信方式と受信電波推定方法

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JP3461150B2 JP2000055556A JP2000055556A JP3461150B2 JP 3461150 B2 JP3461150 B2 JP 3461150B2 JP 2000055556 A JP2000055556 A JP 2000055556A JP 2000055556 A JP2000055556 A JP 2000055556A JP 3461150 B2 JP3461150 B2 JP 3461150B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はマルチパスによって
電界強度が大きく変動するような箇所において有効なス
ペースホッピング受信方式に関わり、特に、スペクトル
拡散通信方式の一つとされる周波数ホッピング方式によ
り、受信した電波から妨害波を推定する際に好適な受信
電波推定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】陸上移動体通信における伝搬特性は受信
地点に置ける周辺の建物や、移動速度、及び受信機の位
置等により大きく変化する。特に移動に伴う周辺の建物
からの反射波や散乱波により多重伝搬通路（マルチパ
ス）の状況が変化し、この異なる通信経路を経由した多
数の波が互いに干渉することによって複雑な定在波が生
じることにより、受信電波の電界強度が大きく変化する
と共に、その位相がランダムに変動する。
【０００３】例えば図６（ａ）（ｂ）はそれぞれマルチ
パス状況下で２ｍ、２ｍの２次平面内（４００ポイン
ト）で変化する受信電界強度と、その位相変化をシュミ
レーションしたものであり、（ａ）はｘーｙ平面に対し
て縦軸が電界強度、（ｂ）の場合は縦軸が受信波の位相
変化を示している。この図に示されているように例えば
波長λ＝１２．６ｃｍ（２，４ＧＨｚ）帯の電磁波の場
合は狭い空間内で移動したときでも大きく位相及び電界
強度が変動することが分かる。
【０００４】そこで、このような激しいフェージング現
象に対処して電界強度の電波を受信するために、各種の
受信方式が実用化されている。これらの受信方式の中で
最も有効な受信方式としてはダイパシティ受信方式が良
く知られている。図７（ａ）の受信方式は、例えば互い
に離隔した位置に設けた２本のアンテナＡ１，Ａ２によ
って所望の電波を受信し、その電界強度の高い方のアン
テナ出力をスイッチ２１を介して受信電波として受信機
２２に取り込む。そして取り込んだ信号のレベルをレベ
ル検出器２３によって検出し、レベルがあるしきい値を
越えるとスイッチ２１によって他方のアンテナを選択す
るようにするものである。
【０００５】この方式は１台の受信機とアンテナ切り換
えスイッチを設けることによって簡単に構成することが
できるが、強い妨害波や受信信号の種類が判断できない
ような場合は、所望の受信電波を必ずしも受信できると
はいえない。また、アンテナ切り替え時間に伴う時間遅
れが生じるという問題がある。
【０００６】そこで、図７（ｂ）に示すように空間上で
離隔している２本のアンテナＡ１，Ａ２を設け、一方の
アンテナの受信信号は可変移相器３１、および可変利得
アンプ３２を介して他方のアンテナの出力と合成器３３
で合成し、その出力を受信機３４に取り込むようにする
受信方式も知られている。この方式の場合は受信電波の
合成波からＳ／Ｎ等を検出部３５により判断して前記可
変位相器３１、可変利得アンプ３２を制御し、ＣＮＲを
重視して重み付けを行いながら受信波を合成する最大比
合成法方式となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】このように、多数のア
ンテナとそのアンテナの受信電波を受信する受信機を備
えて、各受信機の出力から最大比合成を行う方式や、近
年提案されているソフトウエアアンテナによってフェー
ジングに対処することも考えられているが、このような
方式は受信機の台数が増加したり、合成方法が複雑であ
って携帯型の小型受信器に適応することが困難になる。
特に周波数ホッピングによってスペクトルを拡散して送
受信を行う通信システムの場合は、受信周波数自体が特
定のパターンによって変化しているためマルチパスによ
って電界強度が大きく変動し、妨害波と所望する電波を
推定することが困難になる。
【０００８】本発明はかかる問題点を解消することがで
きる受信装置を提供するものであって、特にマルチパス
状況下で複数の周波数からなる受信電波の電界強度がで
きるだけ一定となるように、取り込みことができる受信
装置を提供するものである。特に、本発明では周波数ホ
ッピングされ、スペクトルが拡散された通信方式で受信
された電波から特定の受信波を検出する、すなわち、妨
害波を推定して所望のホッピングパターンを有するチャ
ンネルの情報を推定する際に有用なものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記したような目的を達
成するために本発明の受信装置は 所定の距離離隔して配置されているｎ個の受信アンテナ
と、前記ｎ個の受信アンテナで受信された受信信号を時
分割的に取り込むアンテナスイッチと、前記アンテナス
イッチから選択的に取り込まれた受信信号を復調する受
信機とを備えている。そして、復調された信号がｎ個の
遅延素子によって構成され、それぞれが異なる出力特性
を持った２n個のマッチドフイルタに供給され、このマ
ッチドフイルタを経由して出力される信号のレベルから
最大値となるマッチドフイルタの出力を受信電波として
取り込むようにしている。
【００１０】上記の受信電波は、例えば、送信側で特定
のパターンによって周波数がホッピングしているスペク
トル拡散方式の受信波であり、このような信号を受信す
ることによってマルチパスによって位相情報、及び電界
レベルが変動しているときでも妨害波と所望の受信波を
推定することが容易にできるようになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、図１に基づいて本発明のス
ペースホッピング受信方式の概要を、ｎ＝４とされてい
る４本の受信アンテナを使用した場合について説明す
る。この図においてｎ＝４の場合、Ａ１、Ａ２、Ａ３、
Ａ４は所定の間隔、例えばλ／２離間した２次元平面に
配置されている４本のアンテナであり、４１はこのアン
テナの受信信号を高速で切り替えているアンテナスイッ
チである。４２はアンテナスイッチ４１の出力を増幅す
る高周波増幅器、４３は増幅された信号を復調する復調
器である。
【００１２】この復調器４３は、例えば、ＢＰＳＫ、ま
たは、シンボルが１を示すデータで位相が反転するＤＰ
ＳＫ変調波であるときは、例えばアンテナＡ１のキャリ
ヤ信号に同期している復調キャリヤ信号を形成している
キャリヤ再生回路４４の信号を乗算することによって受
信電波の同期検波ががなされる。キャリヤ再生回路４４
は本出願人が先に提案したコスタスループ回路からなる
ＰＬＬ回路によって構成することができ、キャリアの位
相が激しく変化するときでもその位相に対応して情報を
復調するための復調キャリア信号を発生するようにして
いる。そして、復調された例えばＩ相成分の信号は一点
鎖線で囲ったマッチドフイルタバンク４５に供給され
る。
【００１３】マッチドフイルタバンク４５はｎ＝４の場
合、４個の遅延素子をもった２n＝１６個のマッチドフ
イルタ４５ａ、４５ｂ、４５ｃ・・・・・・・・４５ｐ
によってよって構成されており、各マッチドフイルタ４
５（ａ〜ｐ）の遅延素子ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４から出
力された信号が移相器φ（１ａ〜４ａ）、φ（１ｂ〜４
ｂ）、φ（１ｃ〜４ｃ）、……………………、φ（１ｐ
〜４ｐ）を通過して移相され、それぞれ加算器Ｋａ〜Ｋ
ｐによって合成されるように形成されている。
【００１４】各マッチドフイルタの各移相器φは例えば
（φ＝０）および位相反転（φ＝１８０度）となる移相
量を有するものであり、各マッチドフイルタ毎に移相量
の並びが異なるように配置されている。例えばマッチド
フイルタ４５ａの各移相器φ１ａ、φ２ａ、φ３ａ、φ
４ａの位相量は０．０．０．０となっており、マッチド
フイルタ４５ｂの各移相器φ１ｂ、φ２ｂ、φ３ｂ、φ
４ｂは０．０．０．１８０、マッチドフイルタ４５ｃの
各移相器は０．０．１８０．０となるように設定され
る。上記したように位相器は信号の位相を反転、または
非反転するものであり、１８０度の位相器は反転増幅器
によって構成することもできる。そして、このようなマ
ッチドフイルタの数を２n個設けることになる。
【００１５】各加算器Ｋ（ａ〜ｐ）の出力はその絶対値
が最大となるマッチド出力を選択する最大レベル選択回
路４６に供給され、最大レベル検出回路４６から、加算
器のレベルが最大となるマッチドフイルタの出力が選択
され信号処理回路４７に供給される。なお、上記の各マ
ッチドフイルタ４５ａ〜４５ｐはそれぞれが遅延素子ｒ
１、ｒ２、ｒ３、ｒ４を備えているが、各マッチドフイ
ルタの遅延素子には共通した信号が流れているので、１
列の各遅延素子ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４に対してマッチ
ドフイルタの数（１６）に相当する前記したような位相
器φ１（ａ〜ｐ）、φ２（ａ〜ｐ）、φ３（ａ〜ｐ）、
φ４（ａ〜ｐ）を並列的に接続して、それぞれの位相器
群毎に加算するようにしてもよい。
【００１６】最大レベル検出回路４６は各加算器の出力
（絶対値）を比較する比較部と、その比較部の出力によ
って最大のレベルの信号を出力している加算器の出力を
選択するセレクタ部を備え、各アンテナによって受信さ
れている電波の合成レベルが最も高くなるマッチドフイ
ルタの出力を信号処理回路４７に供給する。なお、４８
はこの受信システムの全体をコントロールするシステム
コントローラ、４９は各種のタイミング信号を発生する
基準信号発生部を示す。
【００１７】図２はアンテナの切り替え用のタイミング
信号Ａｓと、マッチドフイルタの遅延タイミングを示す
クロックＣＫを示している。この図に示されているよう
にアンテナＡ１〜Ａ４はタイミング信号Ａｓによって、
例えば周期ｔで順次選択されながら受信信号がアンテナ
スイッチ４１から出力されると共に、このアンテナスイ
ッチ４１の切り替えタイミングｔに同期してマッチドフ
イルタ内で順次遅延された信号が上記した移相器に出力
される。アンテナの切り替え１周期（４ｔ）は、受信電
波が情報を持ったＢＰＳＫ（ＤＰＳＫ）信号の場合は、
その１シンボル期間に数回（少なくともアンテナを一巡
する）切り替えられるように設定することで、受信情報
の復調が可能になる。また受信電波が周波数ホッピング
されているときは後述するように、周波数の１ステップ
内で数回切り替えるようにすることが好ましい。
【００１８】図３（ａ）は本実施例の４本のアンテナで
電界強度及び位相が変化している特定の周波数の電波を
受信したときに、特定の時間で各アンテナの出力位相と
電界強度を位相平面で示したものである。各アンテナ出
力ｎ１，ｎ２、ｎ３，ｎ４は位相平面上でそれぞれ異な
る位相状態で受信されており、マルチパスの状況によっ
てその受信レベルも異なっている。このような受信状況
の各アンテナの出力がＩ軸上で復調されると、図３
（ｂ）の実線で示すようにｎｘ１、ｎｘ２、ｎｘ３、ｎ
ｘ４としてして出力される。したがって、この復調出力
をそのままの位相で加算すると、出力はｎｘ３＋ｎｘ４
ー（ｎｘ２＋ｎｘ１）となり、アンテナ出力が相殺され
ると大きな出力レベルがえられない。
【００１９】しかしながら、図３（ａ）の復調出力信号
を例えばマッチドフイルタの移相器群の移相量が０．
０．１８０．１８０となっているマッチドフイルタ４５
ｈから出力されたときは、ｎｘ４と、ｎｘ３の復調出力
が１８０度反転された信号ｎｘ４’、ｎｘ３’となり、
このマッチドフイルタ４５ｈの加算器Ｋｈから出力され
た復調レベルは、ｎｘ３’＋ｎｘ４’＋ｎｘ２＋ｎｘ１
となり、移相を行わないで各アンテナの出力を単に加算
した復調出力より大きくなる。このようにして、周期４
ｔ毎に各加算器Ｋ（ａ−ｐ）の出力を、例えばラッチ回
路でラッチし、その中で最大出力となっている加算器の
出力が、最大レベル検出回路４６から信号処理回路に出
力され、復調することによって、４本のアンテナで受信
した所望の電波を効率的に受信することができるように
なる。
【００２０】このような受信方式はアンテナが速いスピ
ードで移動する移動体に設置され、常にマルチパスの状
況が変化し、その結果、受信電界も大きく変化している
ときでも、受信出力を最適の位相特性を有するマッチド
フイルタから取り出すように制御しているので、常に均
一の受信レベルとして取り込むことができ、フェージン
グの激しいＳＨＦ帯の電波の受信装置として有効であ
る。また、以下に述べるように移動体でなくとも受信電
波の周波数をホッピングしながら情報を伝送するＳＳ通
信方式の場合も、周波数変化によって生じるマルチパス
受信電界の変化に対しても常に均一の受信レベルを確保
することができるという効果が生じる。アンテナ本数は
４本に限ることなく使用することができ、本数が多い程
受信電のレベルの均一性が増加するが、ある数以上にな
ると信号処理回路の規模が大きくなり実効性が減少す
る。
【００２１】従来から通信方式の一つとしてスペクトル
拡散（Spread Spectrum：ＳＳ）通信方式が知られてい
る。スペクトル拡散通信方式は大きく分けて、直接拡散
方式（Direct Sequence：以下、「ＤＳ方式」と記す）
と、周波数ホッピング方式（Frequency Hopping ：以
下、「ＦＨ方式」と記す）がある。ＤＳ方式は拡散符号
と呼ばれる符号列で原データをＤＳ変調して通信を行う
方式であり、ＤＳ変調により信号のスペクトルを拡散さ
せて耐ノイズ特性の向上を図っている。この信号のスペ
クトルを拡散させる符号列としては、疑似雑音（Pseudo
Noise：ＰＮ）系列符号が一般的に用いられている。
【００２２】一方、ＦＨ方式は擬似的なランダム順序で
周波数チャンネルを一定の周期で予め決められた順序で
切り替えて通信を行う方式とされる。このため、ＦＨ方
式を利用して通信を行う場合は、送信装置及び受信装置
に予め同一のホッピングパタンが設定されている。
【００２３】図４はＦＨ方式の原理を説明するための図
である。この図４に示すＦＨ方式では、周波数チャンネ
ルとしてｆ0 〜ｆ9 までの１０チャンネルが用意されて
いる。また、この場合のホッピングパタンは、一例とし
て図示するように周波数チャンネルを、ｆ0 →ｆ1 →ｆ
2 →・・・ｆ9 →ｆ0 →ｆ1 ・・の順序でホッピングさ
せる。
【００２４】なお、実際のホッピングパタンは各受信機
／送信機毎に、周波数チャンネルをランダム順序にホッ
ピングさせるパタンに設定されるものである。また、周
波数チャンネル数も１０チャンネルとして説明するが、
実際には２０チャンネル〜４０チャンネル程度用意され
ている。
【００２５】上記のようなＦＨ方式を利用して送信装置
と受信装置との間で通信を行う場合、受信装置は送信装
置から送信される送信信号の送信周波数（送信チャンネ
ル）に同期させて、受信周波数（受信チャンネル）をホ
ッピングさせる必要がある。そのため、受信装置は、送
信装置の送信周波数に、受信周波数を同期させるいわゆ
る初期同期を確立する必要がある。
【００２６】図５は、ＦＨ方式の受信装置において行わ
れている初期同期を確立させる動作の説明図である。受
信装置では、送信装置から自己の端末に送信されてくる
送信信号のホッピングパタンが予めわかっていることか
ら、送信信号を１度受信すれば、送信装置との同期を確
立させることができる。従って、図５に示すように、例
えば送信装置からの送信信号の送信周波数がｆ 0 →ｆ1
→ｆ2 →・・・→ｆ9 →ｆ0 ・・といった順序でホッピ
ングしていれば、受信装置は受信周波数を全周波数チャ
ンネルｆ0 〜ｆ9 の内、任意の周波数チャンネル、例え
ば周波数チャンネルｆ0 に固定して送信装置からの信号
の受信待機状態となるようにする。そして、例えば周波
数チャンネルｆ0 で自己の識別符号を検出した時に、送
信装置との同期を確立するようにしている。
【００２７】この方法は簡単であるが周波数チャンネル
ｆ0の受信状況がマルチパス状況下で極めて悪い場合は
同期の確率性が低いものになる。しかし、上記したよう
にスペースホッピング受信方式を使用すると、どのよう
なマルチパス受信状況の場合でも、高いレベルの受信信
号を周波数に関係なく取り込むことができるという利点
が生じる。したがって、本発明のスペースホッピング方
式の受信を行うと、極めて高い確率で自己宛の受信電波
を推定して同期の確率性を高くすることができる。とこ
ろで、上記のような従来の同期確立方法では、受信装置
の受信周波数が送信装置の送信周波数と一致するまでの
期間が初期同期確立時間となるが、このような初期同期
確立時間は可能な限り短縮することが望ましい。
【００２８】例えば、上記したような初期同期の確立方
法によって、初期同期に最も時間を要する場合を考えて
みると、例えば図５に示すように送信装置が周波数チャ
ンネルｆ0 で送信信号を送出し終わったタイミングｔ11
で、受信装置が周波数チャンネルｆ0 で受信状態となっ
た時が考えられる。この場合、初期同期が確立されるの
は送信装置が１スキャン終了して、次に周波数チャンネ
ルｆ0 で送信信号を送出し終わるタイミングｔ12とな
る。
【００２９】よって、送信装置から送出される送信信号
が１周波数チャンネルにとどまる滞留時間をｔｌとし、
また周波数チャンネルが切り替わる切替時間を無視した
としても、初期同期に要する時間は、周波数チャンネル
数×滞留時間ｔｌだけ要することになる。一般的に、Ｆ
Ｈ方式における周波数チャンネルの数は２０〜４０程度
が用意されていることからチャンネル数を４０とし、１
周波数チャンネルあたりの滞留時間ｔｌを１０ｍｓとし
て考えると、初期同期を確立するのに最も時間を要する
最悪のタイミングでは４０×１０＝４００ｍｓになる。
つまり、この場合は、送信装置と受信装置との間で通信
を開始するために、受信装置において受信電波の検出を
開始してから、４００ｍｓたって初めて通信が可能にな
るといった非現実的なシステムとなってしまう。
【００３０】また、実際に各チャンネルの滞留時間ｔｌ
が、例えば数１００ｍｓと長いシステムも存在するた
め、そのようなシステムの場合は、初期同期を確立する
のに数秒の時間が必要になる。
【００３１】このように従来のＦＨ方式における初期同
期確立時間は、チャンネル数及び各チャンネルの滞留時
間ｔｌによって決定され、チャンネル数及び滞留時間ｔ
ｌに比例して初期同期確立時間が長くなるという欠点が
あった。
【００３２】そこで、送信装置と受信装置との間の通信
路の環境により、例えば送信電波が構造物等で反射・合
成されることによって発生するマルチパスフェージング
や、例えば地形や建物、樹木、車両等により送信電波が
遮蔽されることによって発生するシャドウイング、混信
などにより、初期同期確立動作時に送信装置からの送信
信号を受信装置で受信できないときでも、例えば初期同
期の確立動作時に、ＦＨ方式の全ての周波数チャンネル
の帯域に亘り、広帯域で受信してデジタル信号処理回路
等によりデジタル処理を施し、周波数チャンネルを推定
する方式がある。
【００３３】この場合、受信帯域が広がることで、熱雑
音を受信する周波数帯域も広がることになるので、熱雑
音エネルギーＷN （ＷN ＝ｋ×Ｔ×Ｂ 但し、ｋはボル
ツマン定数，Ｔは絶対温度，Ｂは帯域幅）が増加する。
この結果、Ｅｂ／Ｎｏ（Ｅｂはビット当たりエネルギ
ー、Ｎｏはノイズ）が低下するため、受信感度が低下す
る。しかしながら、受信帯域内のすべての周波数を短時
間で受信できるように受信周波数をスィープすると共
に、先に述べたスペースホッピング方式の受信方式を使
用すると、受信周波数帯域内で電界強度の強度差が少な
くなり、周波数帯域の特定のホッピング周波数信号に対
して、常に均一なレベルで特定のホッピングパタンとさ
れている受信信号が得られるので受信信号の推定能力を
高くすることができる。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように本発明のスペースホ
ッピング受信方式は多数の障害物によって、複雑な反射
が生じているマルチパス状況下で電界強度が移動体また
は周波数後によって大きく変化する受信地点において
も、常に電界強度をほぼ一定とした状態で受信すること
が可能になり、特にＳＨＦ帯の通信媒体で優れた受信方
式を構築することが可能になる。
【００３５】また、受信周波数が変化するスペクトル拡
散方式の通信では、同期確立を達成するために必要な電
波を推定する際に、スペースホッピング受信を使用する
ことによって、所望の受信波の判定を確実に行うことが
できるという効果が生じる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態とされるスペースホッピン
グ受信方式の概要を示すブロック図である。
【図２】アンテナ切換タイミング、マッチドフイルタの
遅延タイミングを示す波形図である。
【図３】マッチドフイルタで選択された受信信号の位相
を示す説明図である。
【図４】周波数ホッピング方式の原理説明図である。
【図５】従来の初期同期確立動作を説明するための図で
ある。
【図６】マルチパス状況下に電界強度を２次元平面で示
す図である。
【図７】マルチパス状況下の位相変化を２次元平面で示
した図である。
【符号の説明】
４１ アンテナスイッチ、４２ 高周波増幅器、４３
復調器、４４ キャリヤ再生回路、４５ マッチドフイ
ルタバンク、４６ 最大レベル選択回路、４７信号処理
部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04J 13/00 - 13/06 H04B 1/69 - 1/713 H04B 7/08 H04B 7/12 H04B 7/26 H04L 7/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所定の距離離隔して配置されているｎ個
    の受信アンテナと、前記ｎ個の受信アンテナで受信され
    た受信信号を時分割的に取り込むアンテナスイッチと、 前記アンテナスイッチから選択的に取り込まれた受信信
    号を復調する復調部とを備え、 復調された信号がｎ個の遅延素子によって構成され、そ
    れぞれが異なる出力特性を持った２n個のマッチドフイ
    ルタに供給され、前記各マッチドフイルタを経由して出
    力される信号のレベルから最大値となるマッチドフイル
    タの出力を受信電波として取り込むように構成すること
    を特徴とするスペースホッピング受信方式。
  2. 【請求項２】 上記マッチドフイルタは上記受信アンテ
    ナの切換周期に同期して信号を遅延するｎ個の遅延素子
    と、該遅延素子の出力を移相する位相器、および該位相
    器の出力を加算する加算器によって構成されていること
    を特徴とする請求項１に記載のスペースホッピング受信
    方式。
  3. 【請求項３】 上記複数のアンテナは、送信側で特定の
    パターンによって周波数がホッピングしているスペクト
    ル拡散方式の受信電波を受信するように配置されている
    ことを特徴とする請求項１に記載のスペースホッピング
    受信方式。
  4. 【請求項４】 上記請求項１に記載のスペースホッピン
    グ受信方式によって受信した信号を解析して受信電波の
    ホッピングパターンを推定することを特徴とする受信電
    波推定方法。
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