JP3756179B2 - トランスポンダ動作用の車両機器 - Google Patents

Description

本発明は、トランスポンダ方式による双方向データ伝送用の少なくとも１つの送／受信アンテナを備えた請求項１の上位概念に記載の車両機器に関する。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４２１３８８１号公報によりすでに、トランスポンダ方式に従ってマイクロ波領域で動作し、交通管理技術において定置されたビーコンとのデータ交換のために用いられる車両機器が公知である。この場合、ビーコンから車両機器へのデータ伝送（ダウンリンク）は振幅変調により行われる。逆方向（アップリンク）ではトランスポンダ方式に応じて、変調されない搬送波信号がビーコンから送信され、この搬送波信号は車両機器により変調されてビーコンへ送り戻される。ビーコンと車両との間の信号伝送に際して、電波はダイレクトな経路で伝播するだけでなく、反射たとえば路面やボンネットないしは前を通過する他の車両における反射によって伝播することもある。このような多経路伝播により受信場所で個々の電波の重なり合いが発生し、その結果、個々の電波の位相位置に応じて、得られる全電界強度が大きくなったり小さくなったりする。干渉フェージングないしフェージングと呼ばれるこのような既知の作用は、伝送信頼性に悪影響を及ぼすおそれがある。このことは殊にアップリンク動作に対してあてはまる。それというのはアップリンクの場合には伝送区間を２回、通り抜けなければならないからである。従来技術ではこの問題を解決するために、少なくとも２つのアンテナ素子を車両機器に設けるスペースダイバーシティないしアンテナダイバーシティにより、アップリンク動作での変調のために最大信号レベルを受信するアンテナを選択するようにしている。しかしこの手法はあらゆる動作状態に関して十分に信頼性のあるものではなく、したがってそれにもかかわらず伝送障害の生じるおそれがある。
発明の利点
これに対し、請求項１の特徴部分に記載の構成を備えた本発明による車両機器の有する利点は、干渉フェージングまたはフェージングの影響を受ける受信信号はまずはじめに高周波増幅器により増幅されてから復調される点にある。このことにより受信信号の著しいレベル変動を補償することができ、その結果、このことでデータ伝送がいっそう確実なものとなる。さらに別の利点は、受信信号の増幅により伝送区間の到達距離が拡大される点にあり、これによって車両速度が速い場合でもすべてのデータを伝送するのに十分な時間が得られる。
殊に有利であるのは、アップリンク信号用の増幅器をダウンリンク動作時にも、信号区間に整合可能な所定のアルゴリズムにしたがって調整可能なことである。本発明によれば、車両機器は少なくとも１つの増幅器を有しており、この増幅器はダウンリンク信号もアップリンク信号も高周波増幅するために使用され、これらの増幅器はダウンリンク信号およびアップリンク信号を所定のアルゴリズムすなわち２次式Ｖ_ＵＬ＝Ｖ_ＤＬ×Ｖ_ＤＬにしたがって増幅し、ここでＶ_ＵＬはアップリンクでの増幅度でありＶ_ＤＬはダウンリンクでの増幅度である。
従属請求項に記載の構成により、請求項１に記載の車両機器の有利な実施形態が可能である。
増幅された高周波信号は後置接続された復／変調器回路へ導かれ、この復／変調器回路により、ダウンリンク動作時には受信したダウンリンク信号が復調され、アップリンク動作時には受信した搬送波が変調される。
この場合に有利であるのは、部分的に同じコンポーネントがダウンリンク動作時には復調のために用いられ、アップリンク動作時には変調のために用いられることである。
増幅器の使用により、ダウンリンク信号の受信ないしアップリンク動作時の変調されていない搬送波信号の受信のためにただ１つのアンテナ素子で十分であり、このことで車両機器を構成することもできる。
構成が単純化されることでコンパクトな構造形態が助長され、その結果、車両機器をたとえばフロントガラスやリアウィンドウガラスの領域に取り付けることができるようになる。この車両機器をビーコンの受信範囲内で、交通管理データやナビゲーションデータの伝送ために、あるいは料金徴収のために利用できる。
図面
図面には本発明の２つの実施例が示されており、次にそれらの実施例について詳細に説明する。
図１にはデータ伝送の基本図が描かれており、図２には第１の実施例のブロック図が示されている。さらに図３には第２の実施例のブロック図が、図３ａには第２の実施例の変形例が示されており、また、図４には復／変調器回路の第１の構成が、図５には復／変調器の第２の構成が示されており、さらに図６には第３の復／変調器回路が示されている。
実施例の説明
図１には車両１が示されており、この車両はビーコン３の送／受信範囲内の道路上に位置している。ビーコン３は定置された送／受信装置として構成されており、この装置を交通信号機支柱あるいは交通標識橋に取り付けるのが有利である。図１の左側には、ビーコン３と車両機器２との間のダウンリンク動作での基本的なデータ伝送の様子が示されている。車両のフロントガラスまたはリアウィンドウガラスに車両機器２を取り付けるのが有利であり、そのアンテナはビーコンに向かって配向されている。ビーコン機器３も車両機器２もそれ自体周知であるので、それらについて詳細に説明する必要はない。この場合、データ伝送のために５．８ＧＨｚの周波数領域を用いるのが有利であって、この領域はＣＥＰＴ勧告によれば標準周波数範囲として所期値とされているものである。当然ながら、他のいかなる周波数でも伝送を行える。ダウンリンク動作時、データ伝送は有利には振幅変調（ＡＳＫ）により行われる。図１の右側には、車両１からビーコン３へのアップリンク動作でのデータ伝送の様子が略示されている。この場合にはトランスポンダ方式が用いられ、これによればビーコンは変調されていない搬送波信号（ＣＷ搬送波）４を送信し、この搬送波信号が車両機器２により受信される。変調されていないこの搬送波信号は、車両機器２により伝送すべきデータで変調されてビーコン３へ送り戻される。有利には、これは副搬送波の周波数変調（ＦＳＫ）または位相変調（ＰＳＫ）により行われ、この副搬送波自体が搬送波を変調する。そしてビーコン３はその信号を復調し、相応のデータを復号する。
図２には、第１の実施例の第１のブロック図が示されている。車両機器に対して必要とされる回路の複雑さをできるかぎりわずかに抑える目的で、アップリンク動作時にもダウンリンク動作時にも利用されるただ１つの増幅器１３しか用いられない。したがって図２のブロック図には、増幅器１３の入力側と接続されたアンテナ素子１１が示されている。増幅器１３の出力側は復／変調器１４と接続されており、これはたとえばダイオードにより構成されている。この回路部分１４によりダウンリンク動作時には受信信号が復調される一方、アップリンク動作時には受信した搬送波信号が変調される。ダウンリンク動作時、復調された信号は判定器１５へ導かれ、これにより後続の評価のためにダウンリンクデータＤＬが得られる。さらにアップリンク動作のために信号発生器１６が設けられており、これにより所望の変調形式に応じて周波数変調または位相変調された副搬送波が生成される。信号発生器１６の出力側は変調器１４の対応する入力側へ導かれており、これによりアップリンク動作が制御される。この場合、伝送すべきアップリンク情報は、搬送波信号の上側波帯または下側波帯中にＦＳＫ信号またはＰＳＫ信号として含まれている。変調器１４は第２のアンテナ素子１２と接続されており、アップリンク動作時にはこのアンテナを介して変調された信号がビーコン３へ送り戻される。
図３には、本発明による第２の実施例のブロック図が示されている。ここでは多経路伝播での伝送特性を改善する目的でそれ自体周知のダイバーシティ手法が採用されており、その際、本発明によれば車両機器に付加的な高周波信号増幅器１３，２３が設けられている。両方の増幅器１３，２３は有利には同じ形式の２つの増幅器として構成されており、また、これらの増幅器は集積された構造形態でモノリシックに集積されたマイクロ波増幅用回路として構成されている。
図２による第１の実施例をもとにして、図３では第１のアンテナ１１が第１の増幅器１３と接続されている。第１の増幅器１３は第１の復／変調器１４と接続されている。受信した信号レベルを求める目的で、復調器１４の出力側は第１の整流器３０の入力側と接続されている。第１の整流器３０の出力側は第１の低域通過フィルタ３１を介して比較器２７の一方の入力側と接続されている。変調動作時、アップリンクデータはＦＳＫないしＰＳＫ発生器１６へ導かれる。この信号発生器１６はスイッチ２８と接続されており、このスイッチは比較器２７による選択に依存して、信号発生器１６を第１の復／変調器１４の制御入力側と接続する。
さらに第１の復／変調器１４の出力側は第３のアンテナ素子１２と接続されており、アップリンク動作時にはこのアンテナを介してアップリンクデータがビーコン３へ送信される。同様に、この回路の第２の部分は次のように構成されている。第２のアンテナ素子２１は第２の増幅器２３と接続されている。第２の増幅器２３の出力側は第２の復／変調器２４の入力側と接続されている。そしてアップリンク動作時、所定の条件のもとでは信号発生器１６はスイッチ２８を介して復／変調器２４と接続される。さらに第２の復／変調器２４の出力側は第４のアンテナ素子２２と接続されており、アップリンク動作時にはこのアンテナを介してアップリンクデータがビーコン３へ送信される。第２の復／変調器２４は第２の整流器２５および後置接続された第２の低域通過フィルタ２６を介して比較器２７の第２の入力側と接続されている。比較器２７によりその両方の入力側における入力レベルに依存してスイッチ２８が制御される。このスイッチは有利には半導体スイッチとして構成されている。ダウンリンク動作とアップリンク動作は交互に相前後して生じ、その際、アップリンク動作の期間がダウンリンク動作の期間よりも短いことが多い。比較器２７はダウンリンク動作中に信号レベルの評価を行い、後続のアップリンク動作のための設定を記憶する。このようにしてアップリンク動作時のデータ伝送は常に、先行のダウンリンク動作時に高い方の入力レベルを導いた分岐を介して行われる。その際に比較器２７は復／変調器１４ないし２４の出力側における両方の復調器信号の出力レベルを評価して、最大の受信レベルを有する回路へそのつどスイッチ２８を切り換えるようにする。
後続のアップリンク動作時には信号発生器１６とは接続されない低い方の受信レベルを有する回路内の復／変調器は、それと接続されたアンテナ素子を介してその受信分岐から電波が放射されないように接続される。
ダウンリンク動作時、ダウンリンクデータは以下のようにして評価される。第１および第２のアンテナ素子２１により受信された信号は、両方の復調器１４ないし２４により復調され、加算器２９において加算される。その後、ダウンリンクデータは判定器１５へ導かれ、その出力側においてダウンリンクデータが得られる。見やすくするためここにはベースバンド増幅器は書き込まれていないが、必要に応じてそのような増幅器を設けることができる。個々のコンポーネントそれ自体は周知であるので、それらについての詳細な説明は不要である。
次に、図４および図５に基づきこれら両方の実施例の動作について詳細に説明する。復／変調回路１４ないし２４は車両機器２の重要なコンポーネントを成している。まずはじめに変調回路について考察する。車両機器全体を低コストにしたいため、回路技術的に簡単な解決手段が有利である。したがってアップリンク動作時、変調方式として振幅キーイング（０／１）または位相キーイング（１／−１ないし０°および１８０°の位相）が有利であり、その際、位相キーイングの場合には受信した搬送波信号の全信号エネルギーが再び放射されるのに対し、振幅キーイングの場合にはエネルギーの半分だけしか放射されない（−３ｄＢ）。このことから、位相キーイングの方が効果的であるのがわかる。図４には、位相キーイングまたは振幅キーイングのための簡単な実施例が示されている。この場合、変調電圧Ｕ_Ｍにより両方のスイッチＳ_１およびＳ_２が制御される。スイッチＳ_１は入線および出線Ｌ_ＥおよびＬ_Ａを有しており、これらはスイッチＳ_１のスイッチ接点のそれぞれ一方の側と接続されている。さらにこのスイッチ接点には、導体Ｌ_１およびＬ_２の一方の端部がそれぞれ接続されている。これら両導体の他方の端部は、まとめられてスイッチＳ_２の一方の接点と接続されている。スイッチＳ_２の他方の接点はアースと接続されている。特徴的なのは、導体Ｌ_１とＬ_２はλ／４（λ＝搬送波周波数における波長）の電気距離を有しており、したがって設計周波数に対しそれぞれ９０°の位相シフトを成すことである。また、λ／４の奇数倍（たとえば３／４λ，４／５λ）の電気距離を有する導体Ｌ_１とＬ_２を用いることも可能である。両方のスイッチＳ_１およびＳ_２が閉じられていると、信号は入力側から出力側へダイレクトに導かれる。この場合、λ／４長の導体Ｌ_１およびＬ_２の端部には短絡点が存在する。端部で短絡されたλ／４長の導体の入力インピーダンスＺ_Ｅは無負荷であるので（Ｚ_Ｅは無限大へ向かう）、両方の導体Ｌ_１およびＬ_２は信号に作用しない。これに対し両方のスイッチＳ_１およびＳ_２が開放されていると、導体Ｌ_１とＬ_２は信号経路中に存在し、したがって先に述べた事例に対し１８０°の位相シフトが生じる。
この回路は振幅キーイングにも適している。この場合には信号の消去を行う必要があり、これは両方のスイッチＳ_１とＳ_２を逆の位置にすることで達成される。Ｓ_２が閉じられＳ_１が開かれていれば、信号は直接的にも間接的にも導体Ｌ_１とＬ_２を介して出力側へは到達しない。また、スイッチＳ_２が開かれスイッチＳ_１が閉じられていれば、信号は同じ配分でＳ_１を介した直接的な経路と導体Ｌ_１およびＬ_２を介した間接的な経路とに分配される。この場合、１８０°の位相のずれを有する同じ大きさの両方の信号成分が信号出力側で重なり合い、したがってそれらは消えてしまう。
図５には、既述の方法で動作する復／変調器のための第２の実施例が示されている。この場合、導線Ｌ_ＥとＬ_Ａは導体部５３，５４と５５，５６に置き換えられていて、その際、各導体部５３，５４と５５，５６との間にそれぞれ１つのコンデンサＣが接続されている。さらにスイッチＳ１の代わりにダイオードＤ_１が接続されている。ダイオードＤ_１はアノード側で、直流電圧の入力結合のためにインダクタンスＬと接続されている。また、カソード側には別のインダクタンスＬが接続されており、その第２の端部は切替スイッチを介して切替位置１，２，３と接続されている。切替位置１においてこのスイッチは抵抗Ｒ_１を介してアースと接続され、切替位置２および３ではこのスイッチは開放状態におかれる。この第１の切替スイッチ５１の制御は、図４に関してすでに説明したやり方と同じように変調電圧Ｕ_Ｍにより行われる。導体Ｌ_１とＬ_２双方のそれぞれ第２の端部もコンデンサＣを介して相互に接続されており、その際、コンデンサＣの一方の側にはダイオードＤ_２がアノード側で接続されている。さらにカソード側ではこのダイオードはコンデンサＣ_１を介してアースと接続されている。他方、このダイオードは第２の切替スイッチ５２と接続されており、このスイッチも切替位置１，２，３を有している。切替位置１は抵抗Ｒ_２を介してアースと接続されており、切替位置２は開放状態におかれており、切替位置３は抵抗Ｒ_３を介してアースと接続されている。さらに、ダイオードＤ_２のカソードにおいて復調電圧Ｕ_Ｄを取り出すことができる。
この回路の実際の構成ではコンデンサＣとＣ_１は、それらが搬送波周波数に対しほぼ短絡されるよう選定されている。これに対し直流電流入力結合のために用いられる両方のインダクタンスＬは、搬送波周波数に対し無負荷となる。アップリンク動作時、位相キーイングの場合には両方の切替スイッチは段１と２との間で同じ設定で切り替えられる。段１ではダイオードＤ_１とＤ_２は導通され、段２ではそれらが阻止される。抵抗Ｒ_１とＲ_２は、ダイオードＤ_１とＤ_２を導通させるのに十分に高い電流が流れるよう選定されている。振幅キーイングの場合、たとえば切替スイッチ５１は固定的に段１に設定され、切替スイッチ５２が段１と２の間で切り替えられる。これらのスイッチは、図２および図３に関して先に述べたようにＦＳＫないしＰＳＫ発生器により制御される。
ダイオードＤ_２を適切に選定することで、この回路をＡＳＫ変調されたダウンリンク信号の復調のために用いることもできる。この目的でダイオードＤ_２は、たとえばできるかぎり高い感度を保持するために、その非線形の特性曲線における適切な範囲内で作動される。しばしば必要とされるのは、僅かな電流をダイオードＤ_２に流すことである。この電流の調整は、復調動作時には切替段３において抵抗Ｒ３を介して行われる。この場合、ダイオードＤ_２は検出器として動作する。ダイオード電流を介して、必要に応じてダイオードのインピーダンスを変えることもできる。復調されたデータ電流はコンデンサＣ_１に対し並列である。切替スイッチ５１は、ダイオードＤ_１が阻止されるよう、やはり切替段３におかれる。
ダイオードは一般に理想的な切替特性を有していないので、場合によってはこの回路を整合および補償構成で補う必要がある。本発明の別の構成によれば、正の電圧を導く抵抗、向きの変えられたダイオード、あるいは変調された信号のその他のタップを備えた別の回路変形も考えられる。
図３ａには、図３によるブロック図の変形例が示されている。図３による回路とは異なり図３ａによる回路では、２つの送信アンテナ素子１２，２２の代わりに１つの送信アンテナ素子１２しか必要としない。この場合、復／変調器１４，２４の各出力側が結合されて送信アンテナ１２と接続されている。この結合は次のように構成されている。すなわち、目下変調を行っていない復／変調器が変調を行っている変調器からアンテナ素子への分岐の信号経路に作用しないよう接続されている。
図６には、両方の送信分岐を結合するための実施例が示されている。復／変調器１４，２４のために、図４で示した基本回路がそれぞれ用いられる。この回路は対称に構成されている。図６に示されている実例の場合、復／変調器１４が変調を行い、復／変調器２４はこれが変調も行わないし信号経路に対しても作用しないよう接続されている。見やすくするため、この回路状態に必要としない回路素子は省略した。
回路構成において特徴的なのは、スイッチＳ１１の出力接点（６３）とスイッチＳ２１の出力接点（６４）が互いに接続されていることである。この統合は、ダイレクトに行われて導体６５と６６が長さゼロを有するか、あるいはｍ＊λ／２の電気長を有する導体を介して行われる（λ＝設計周波数での波長、ｍεＮ）。結合点６７に出線ＬＡが接続されている。さらにこの回路実例についても、導体Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２がλ／４の奇数倍（（２ｎ−１）＊λ／４，ｎεＮ）の電気長を有することが成り立つ。
アップリンクの期間にわたり遮断される復／変調器のスイッチは固定的に設定されている。アップリンクの期間にわたり変調を行う復／変調器のスイッチは、データ内容と変調に応じて切り替えられる。図６に示されている実例の場合、Ｓ２１は開かれＳ２２は閉じられて、Ｓ１１とＳ１２がスイッチングされる。Ｓ２１は開かれており、このことで理想の場合には出力側６４において無負荷状態（高インピーダンス）となる。導体Ｌ２２の端部には閉じられたスイッチＳ２２が位置し、このスイッチは理想の場合には短絡点を成して、λ／４長の導体Ｌ２２を介して変換されて導体始端部でも無負荷状態となる。Ｓ２１とＳ２２の切替位置は出力側６４において高い入力インピーダンスを成すため、復／変調器１４と信号出力側との間の信号経路は復／変調器２４によっても影響を受けない。
対称構造ゆえに、この考察は逆の事例についても有効である。

Claims (11)

1. ビーコンから車両機器への伝送信号（ダウンリンク）はたとえば振幅変調（ＡＳＫ）され、逆に車両機器からビーコンへの伝送信号（アップリンク）はビーコンから送信された搬送波信号であり、該信号は車両機器により副搬送波を介して周波数変調または位相変調可能であり（ＦＳＫ信号またはＰＳＫ信号）、該信号はビーコンへ送り戻されるように構成されている、
   定置されたビーコンに対するトランスポンダ方式による双方向データ伝送用の少なくとも１つの受信および送信アンテナを備えた車両機器において、
   車両機器（２）は少なくとも１つの増幅器（１３，２３）を有しており、該増幅器はダウンリンク信号（ＡＳＫ）もアップリンク信号（ＦＳＫ／ＰＳＫ）も高周波増幅するために使用され、
   前記増幅器（１３，２３）はダウンリンク信号（ＡＳＫ）およびアップリンク信号（４）を所定のアルゴリズムすなわち２次式Ｖ_ＵＬ＝Ｖ_ＤＬ×Ｖ_ＤＬにしたがって増幅し、ここでＶ_ＵＬはアップリンクでの増幅度でありＶ_ＤＬはダウンリンクでの増幅度であることを特徴とする、
   双方向データ伝送用の少なくとも１つの受信および送信アンテナを備えた車両機器。
2. 少なくとも１つの増幅器（１３，２３）に復／変調器（１４，２４）が後置接続されており、共通の回路によりダウンリンク動作時には受信した信号が復調され、アップリンク動作時には搬送波信号が変調される、請求項１記載の車両機器。
3. 前記復／変調器（１４，２４）は２つの導体部（Ｌ_Ｅ，Ｌ_１，Ｌ_Ａ，Ｌ_２）の間に２つの制御可能なスイッチ（Ｓ_１，Ｓ_２）を有しており、該スイッチは変調電圧（Ｕ_Ｍ）よりに同期して制御可能であり、一方のスイッチ（Ｓ_２）により２つの導体部（Ｌ_１，Ｌ_２）の一方の端部がアースと接続され、他方のスイッチ（Ｓ_１）により２つの導体部（Ｌ_１，Ｌ_２）の他方の各端部が短絡される、請求項１または２記載の車両機器。
4. 制御可能な両方のスイッチ（Ｓ_１，Ｓ_２）はたとえば２つのダイオード（Ｄ_１，Ｄ_２）により構成されており、該ダイオードの動作点は制御電流または制御電圧により、たとえば直列に接続可能な抵抗（Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３）によって調整可能である、請求項３記載の車両機器。
5. 少なくとも１つのダイオード（Ｄ_２；２５，３０）はダウンリンクにおいて受信した信号の復調に用いられる、請求項４記載の車両機器。
6. 同じ復／変調器回路においてアップリンク動作時に搬送波信号が選択的に振幅キーイングまたは位相キーイングされる、請求項１〜５のいずれか１項記載の車両機器。
7. 少なくとも２つの受信アンテナと少なくとも１つの送信アンテナを備えた車両機器において、先行のダウンリンク動作時にいっそう高い受信レベルを有していた復／変調器によりアップリンク動作時に変調が行われる、請求項１記載の車両機器。
8. 車両機器に比較器／判定器（１５）が設けられており、該比較器／判定器により、いっそう高い受信レベルを有する復／変調器が確定されてアップリンク動作のために選択される、請求項７記載の車両機器。
9. アップリンク動作時に２つの復／変調器（１４，２４）の１つの共通の送信アンテナと接続可能である、請求項１〜８のいずれか１項記載の車両機器。
10. 車両機器（２）はただ１つのアンテナ素子しか有しておらず、該アンテナ素子はダウンリンク信号およびアップリンク動作時の変調されていない搬送波を受信するために構成されている、請求項１〜９のいずれか１項記載の車両機器。
11. 車両機器（２）を交通技術での適用のためのデータの伝送に用いることができ、たとえばナビゲーションデータ、乗り入れ資格のチェックまたは料金徴収のために使用可能である、請求項１〜１０のいずれか１項記載の車両機器。

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