JP3937023B2 - 周波数ホッピング無線通信方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、ミリ波帯などの非常に周波数の高い領域で、周波数ホッピング方式を適用した無線通信を行う場合の周波数ホッピング無線通信方法及びシステムに関する。

免許不要の周波数帯で運用するような無線通信システムを構築する際に、狭帯域干渉の影響を避ける、もしくは十分に抑圧するための一手段としては周波数ホッピング方式の採用が有効である。
第６図および第７図に、一般的な周波数ホッピング方式を用いる場合の無線通信システムの送信機の構成と受信機の構成を示す。送信機は送信データが入力される中間周波数（ＩＦ）帯変調器１から得られる信号と、ホッピングパターン発生器２からの信号で制御されたホッピングシンセサイザ３の出力とがミキサ４に入力されることで、周波数ホッピングした無線変調信号を得る。これが帯域濾波器５によって不要波成分が除去された後に送信アンテナ６より送信される。一方受信機では受信信号が受信アンテナ７で受信されて増幅器８で増幅された後、広帯域な帯域濾波器９で不要波成分が除去され、この信号と、所望の受信信号に対応した周波数ホッピングパターンを生成するホッピングパターン発生器１１で制御されたホッピングシンセサイザ１２の出力信号がミキサ１０に入力され、これが帯域濾波器１３を通過して、ホッピングしないある固定ＩＦ周波数の変調信号を得る。この信号がＩＦ帯復調器１４に入力されてデータが復調される。なお、第７図には受信機においてホッピング周波数の同期を捕捉するための構成も併せて示してある。すなわち、帯域濾波器１３の出力がさらに、信号検出（包絡線検出）器１５と積分器１６を通過し、これがスレッショルド比較器１７でスレッショルドレベルと比較されて位相制御器１８に入力され、その出力によってさらにホッピングシンセサイザ１２の発生位相が制御される。
この場合伝送された信号の品質を保持するため、及び十分に周波数ホッピングによる干渉抑圧効果を得るためには、送信機で使用するホッピングシンセサイザ出力と、受信機で使用するホッピングシンセサイザ出力とが、常に所定の周波数差の関係であり、位相差の時間変動も小さいことが要求される。このため、送受信機内で使用するホッピングシンセサイザとしては、周波数安定性に優れ、位相雑音が低いものが必要とされると同時に、高速に応答するものが望まれる。特に周波数が高いマイクロ波の領域では、誘電体共振器またはＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋ Ｌｏｏｐ）回路により安定化、低雑音化するなどの工夫がなされる。
しかしながら、使用周波数が非常に高くなるにつれて（例えば３０ＧＨｚ以上のミリ波帯）、周波数安定度の高い低位相雑音のホッピングシンセサイザの実現が困難になるとともに、その製造コストが上昇する。更に伝送する変調信号が狭帯域変調信号のマルチキャリア信号もしくは、ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）信号である場合、送受信機間のホッピングシンセサイザは非常に精度良く周波数が同期していることが求められる。またバースト的に周波数が変化するため、これに対して高速に応答する必要がある。しかしながら、このような高精度に周波数同期が可能なホッピングシンセサイザの実現は、例えばミリ波帯のように高い周波数においては通常非常に困難であると同時に、大きな周波数オフセットが生じた場合に即座にこれに応答する、もしくは同期補足することが困難であり、その解決にはシステムに非常に高価な安定化機構を持たせざるを得ないという課題があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、周波数変換のための局部発振器もしくはホッピングシンセサイザの周波数不安定性に影響を受けない周波数ホッピング方式の無線システムを構築することを目的としている。
また、本発明は、周波数ホッピング方式の適用が困難であったミリ波帯などの非常に高い周波数領域で周波数ホッピング方式の適用を可能とし、その際に使用する局部発振器もしくはホッピングシンセサイザとして高安定なものを必要とせずに、低コストで小型な端末およびシステムを構築することを目的としている。
本発明の周波数ホッピング無線通信方法及びシステムは、中間周波数帯変復調部からの中間周波数帯変調信号が局部発振信号と乗積されることにより無線変調信号が生成される送信部と、無線変調信号に局部発振信号を乗積することでダウンコンバートされた中間周波数帯復調信号を生成して、中間周波数帯変復調部において復調する受信部と、を各々が有する複数の無線通信端末間で通信を行う。基準局部発振信号のみを送信するための１つの送信局を設けるか、或いは複数の無線通信端末の内の１つが、基地局または親局となって自局で用いる局部発振信号を無線変調信号と併せて送信する。複数の無線通信端末はそれぞれ、中間周波数帯変復調部において周波数ホッピング方式を用いて送信信号を変調しかつ受信信号を復調する。また、複数の無線通信端末はそれぞれ、送信局からの基準局部発振信号を受信し、これを増幅、帯域濾波した後、注入同期発振器または増幅器によって基準局部発振信号を再生し、これを送信機能および受信機能で使用する局部発振信号として用いて相互に通信を行う。
また、本発明は、複数の無線通信端末のそれぞれにおいて、送信部は、中間周波数帯で生成された変調信号を、ホッピングシンセサイザとして機能する局部発振信号で無線周波数帯へアップコンバートし、これによって得られる単側帯波もしくは両側帯波の周波数ホッピング無線変調信号と、該アップコンバートに使用した局部発振信号を同時に伝送する。受信部は、希望する受信波に相当する周波数ホッピングパターンに固定周波数オフセットを付加したパターンで周波数ホッピングする局部発振信号で受信信号を第１中間周波数帯信号へダウンコンバートした後、これを帯域濾波器に通すことでダウンコンバートされた局部発振信号成分と変調信号成分の二つの信号成分を抽出し、この二つの信号成分の乗積成分を生成することで所望の第２の中間周波数帯変調信号を再生する。

第１図は、第１の実施の形態を示す図である。
第２図は、第１の実施の形態において送受信されるスペクトルを示す図である。
第３図は、第２の実施の形態における送信機の構成を示す図である。
第４図は、第２の実施の形態における受信機の構成を示す図である。
第５図は、第２の実施の形態において送受信されるスペクトルを示す図である。
第６図は、従来の周波数ホッピング方式の送信機の構成を示す図である。
第７図は、従来の周波数ホッピング方式の受信機の構成を示す図である。

（第１の実施の形態）
第１図は、本発明における第１の実施の形態を表した無線通信システム構成を示し、第２図は各局が送受信する信号スペクトルの移り変わりの様子を示したものである。第１図（Ｃ）に示すように、一つの基準信号局１９と複数の端末局２３とから構成される。基準信号局１９は、第１図（Ｂ）に示すように、基準局部発振器２０で生成された基準局部発振信号を増幅器２１で増幅した後、アンテナ２２よりサービスゾーンへ放射している。各端末局２３は、第１図（Ａ）に示すように、これを受信アンテナ２４で受信する。受信された信号はアンプ２５で増幅された後その一部が分岐されて、帯域濾波器２６によって不要波が除去され、これが注入同期発振器または増幅器２７に入力される。その結果、基準信号局１９から発せられた基準局部発振信号と同期した局部発振信号を得る。端末局２３はこの得られた局部発振信号を二分岐して、一方を受信用周波数変換器（ミキサ）２８に、もう一方を送信用周波数変換器（ミキサ）２９に入力する。また、端末局２３のミキサ２８と２９はそれぞれ周波数ホッピング方式（ＦＨ）の信号を復調および生成するＦＨ方式の中間周波数（ＩＦ）帯変復調回路３１に接続されており、ミキサ２８の出力であるＩＦ帯ＦＨ変調信号は帯域濾波器３０により不要波成分が除去された後、ＦＨ方式の中間周波数（ＩＦ）帯変復調回路３１に入力されて所望のデータが得られる。一方、ＦＨ方式の中間周波数（ＩＦ）帯変復調回路３１より得たＩＦ帯ＦＨ変調信号はミキサ２９に入力されて、無線周波数帯へ周波数変換され、さらに帯域濾波器３２によって不要波が除去されたのち、アンプ３３によって信号が増幅されて、送信アンテナ３４より送出される。
なお、ＦＨ方式のＩＦ帯変復調回路３１に含まれる送受信機の構成自体は、第６図及び第７図に示した従来の周波数ホッピング方式システムのものと同一である。この第１の実施形態によれば無線信号に生じている周波数オフセットや位相雑音が、ＦＨ方式のＩＦ帯変復調回路３１に入力される以前の回路によって十分に除去されているため、その後のＦＨ方式のＩＦ帯変復調回路３１としては、それほど応答速度の早い、もしくは同期補足能力の優れたものが求められないため、従来の周波数ホッピング方式回路を使用することが可能となる。
また、第２図はこの第１の実施形態において送受信される信号スペクトラムの時間に対する移り変わりの様子を示している。常に基準信号局１９から発信されるスペクトラム（濃い黒色部分）はその周波数が時間とともに遷移しないのに対し、この基準局部発振信号を使用してアップコンバートされて送信される無線変調信号（淡い黒色部分）は、時間とともにその周波数がホッピングしている。
第１の実施の形態では、基準局部発振信号のみを送信する局を端末とは別に設けているが、このように構成することで、１送信局あたりの送信空中線電力に制限があるシステムの場合、より多くの送信電力を基準局部発振信号に割り当てられるため、通信エリアの拡大を図ることが可能である。
しかしながら、基準局部発振信号送信局が端末機能または信号を送受信する機能を併せ持たせることもできる。即ち、端末群のうち何れかが親局となって、同局が用いる局部発振信号を基準局部発振信号として空間に送信し、他の各無線端末はこの基準発振信号を受信して、これを増幅、帯域濾波した後、注入同期発振器によって適正レベルの基準局部発振信号と同期した局部発振信号を再生し、これを送受信機能で用いる周波数変換用の局部発振信号とすることができる。
いずれにしても、第１の実施の形態では、基準局部発振信号を送信するよう構成したことにより、周波数変換のための局部発振器の周波数不安定性に影響を受けない構成となる。これによって、周波数変換のための局部発振器の周波数不安定性に影響を受けない周波数ホッピング方式の無線システムを構築することが可能となる。
（第２の実施の形態）
第３図および第４図は、本発明における第２の実施の形態を表した無線通信システムの送信機構成と受信機構成を示し、第５図はこのとき端末間で送受信される信号スペクトルの移り変わりの様子を示したものである。本発明は、複数の無線端末間の通信に適用することができ、各無線端末は第３図の構成をとる送信部および第４図の形態をとる受信部を備えることにより、双方向通信が可能となる。
第３図に例示の送信機は、送信データをＩＦ帯変調器３５を用いてＩＦ帯変調信号を生成し、ホッピングパターン発生器３７によって制御されるホッピングシンセサイザ３８で得たＦＨ信号と該ＩＦ帯変調信号をミキサ３６に入力することで、周波数がホッピングする無線信号を得る。なおこの出力には、通常、第５図にも示すように周波数変換された両側帯波の無線信号のほかに局部発振信号として使用したホッピングシンセサイザの出力信号が含まれる。これら信号が増幅器３９で増幅されたのち、アンテナ４０より送信される。
本実施形態のようにミキサ出力における両側帯波信号と局部発振信号を送信する場合は、基本的には帯域濾波器で除去すべきものが発生しないため、第３図に示すように周波数変換用ミキサ後には帯域濾波器は不要となり、低コストな送信機構成が可能となる。
またミキサとしてイメージリジェクション型のものを用いれば、周波数変換された単側帯波の無線信号と局部発振信号として使用したホッピングシンセサイザの出力信号を得ることも可能である。
一方受信機においては、受信アンテナ４１で受信された信号が、アンプ４２で増幅されて、帯域濾波器４３によって不要波が除去されてミキサ４４に入力される。さらにミキサ４４には、ホッピングパターン発生器４５にオフセット信号生成器４６によって固定周波数オフセット信号が加えられた信号で制御されるホッピングシンセサイザ４７の出力信号が入力されており、その結果ミキサ４４の出力には無線周波数帯の信号がその相対的なスペクトル関係を維持したまま該オフセット信号に対応した、周波数ホッピングしない第１ＩＦ帯へダウンコンバートされた信号が現れる。これが帯域濾波器４８で不要波が除去されたのち、２乗器４９で２乗検波されると、送信元で使用した中間周波数帯での変調信号が再生される。この信号にはＦＨ方式におけるミリ波帯へのアップコンバートおよびダウンコンバートに伴う周波数オフセットや位相雑音の劣化が原理的に発生しない。これは、２乗器に入力される、ＩＦ帯へダウンコンバートされたもとの局部発振信号成分と無線変調信号成分とが同一の周波数オフセットおよび位相雑音成分を持っており、これが２乗検波によって相殺されるからである。従って、この得られたＩＦ帯信号をＩＦ帯復調器５０に入力することで、所望の受信データを得ることが出来る。なお、第４図には受信機においてホッピング周波数の同期を捕捉するための構成も併せて示してある。すなわち、２乗器４９の出力がさらに、信号検出（包絡線検出）器５１と積分器５２を通過し、これがスレッショルド比較器５３でスレッショルドレベルと比較されて位相制御器５４に入力され、その出力によってさらにホッピングシンセサイザ４７の発生位相が制御される。
以上説明したように、この第２の実施の形態においては、ホッピングシンセサイザの周波数不安定性に影響を受けない周波数ホッピング方式の無線システムを構築することが可能となる。

本発明によれば、周波数変換のための局部発振器もしくはホッピングシンセサイザの周波数不安定性に影響を受けない周波数ホッピング方式の無線システムを構築することが可能であり、これまで同方式の適用が困難であったミリ波帯などの非常に高い周波数領域での周波数ホッピング方式の適用が可能となる。また、その際に使用する局部発振器もしくはホッピングシンセサイザとして高安定なものが必要とされないため、低コストで小型な端末およびシステムの構築が可能となる。

Claims (2)

1. 複数の無線通信端末間で周波数ホッピング方式の通信を行う無線通信方法において、
   前記複数の無線通信端末において、送信部は、中間周波数帯で生成された変調信号と、ホッピングパターン発生器によって制御されるホッピングシンセサイザで得た周波数ホッピング信号とをミキサに入力して、周波数がホッピングする無線信号を取得し、
   これによって得られる単側帯波もしくは両側帯波の周波数ホッピング無線変調信号のほかに局部発振信号として使用したホッピングシンセサイザの出力信号成分を、帯域濾波器で除去することなく増幅器で増幅したのち、アンテナより送信し、
   前記無線通信端末の受信部は、希望する受信波に相当する周波数ホッピングパターンに固定周波数オフセットを付加したパターンで周波数ホッピングする局部発振信号で受信信号を第１中間周波数帯信号へダウンコンバートした後、これを帯域濾波器に通すことでダウンコンバートされた局部発振信号成分と変調信号成分の二つの信号成分を抽出し、この二つの信号成分の乗積成分を生成することで所望の第２の中間周波数帯変調信号を再生する、
   ことを特徴とする周波数ホッピング無線通信方法。
2. 複数の無線通信端末間で周波数ホッピング方式の通信を行う無線通信システムにおいて、
   前記複数の無線通信端末において、送信部は、中間周波数帯で生成された変調信号と、ホッピングパターン発生器によって制御されるホッピングシンセサイザで得た周波数ホッピング信号とをミキサに入力して、周波数がホッピングする無線信号を取得し、
   これによって得られる単側帯波もしくは両側帯波の周波数ホッピング無線変調信号のほかに局部発振信号として使用したホッピングシンセサイザの出力信号成分を、帯域濾波器で除去することなく増幅器で増幅したのち、アンテナより送信し、
   前記無線通信端末の受信部は、希望する受信波に相当する周波数ホッピングパターンに固定周波数オフセットを付加したパターンで周波数ホッピングする局部発振信号で受信信号を第１中間周波数帯信号へダウンコンバートした後、これを帯域濾波器に通すことでダウンコンバートされた局部発振信号成分と変調信号成分の二つの信号成分を抽出し、この二つの信号成分の乗積成分を生成することで所望の第２の中間周波数帯変調信号を再生する、
   ことを特徴とする周波数ホッピング無線通信システム。

Images