JP3967452B2

JP3967452B2 - スペクトラム拡散無線伝送受信装置

Info

Publication number: JP3967452B2
Application number: JP6262298A
Authority: JP
Inventors: 裕樹庄木; 康夫鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-03-13
Filing date: 1998-03-13
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2018-03-13
Also published as: DE69934041T2; EP0942540A2; JPH11261525A; EP0942540B1; DE69934041D1; US6480526B1; EP0942540A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ディジタルセルラ移動通信などに利用されるスペクトラム拡散無線伝送受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話などのディジタル移動体通信における伝送方式のーつとして、スペクトラム拡散 (Spread Spectrum)通信方式が用いられている。このスペクトラム拡散通信方式の代表的な一つであるＣＤＭＡ (Code Division Multiple Access ）方式では、直交する符号系列により送信データをスペクトラム拡散変調して送信し、受信側ではスペクトラム拡散変調に用いたものと同一の符号系列によって逆拡散することにより、元のデータを取り出す。この方式はユーザ毎に異なる符号系列を与えることにより、符号領域での多重化を行うことができ、耐干渉性にも優れているという利点を持つ。
【０００３】
このようなスペクトラム拡散通信方式、特にＣＤＭＡ方式で使用される受信装置として、図６に示すようなＲＡＫＥ受信機を用いた構成が知られている。この受信装置では、アンテナ４１で受信された信号はＲＦ受信回路４２で増幅および周波数変換等の操作が行われ、さらにＡ／Ｄ変換器４３でディジタル信号に変換された後、ＲＡＫＥ受信機４４に入力される。
【０００４】
ＲＡＫＥ受信機４４においては、まず相関演算部４５により既知の符号系列との相関処理を行って、時間軸上での最大相関を与える時刻を複数個推定し、これらの各最大相関時刻において受信信号に対し逆拡散処理（受信信号と既知の符号系列との相互相関処理）を逆拡散処理部４６により行う。次に、合成部４７によりそれぞれの逆拡散処理部４６の出力信号を同相となるように時間補正を施してから合成し、復調信号を出力する。
【０００５】
ＲＡＫＥ受信機４４での上述した処理によって、アンテナ４１で受信される遅延時間の異なる複数の遅延波（マルチパス波）を合成することが可能となり、復調信号のＳＮＲ（信号対雑音比）を向上させることができる。このＲＡＫＥ受信機４４から出力される復調信号は復号器４８によって復号され、マルチパルス波が存在する場合でも、元のデータが正しく再生される。従って、ＲＡＫＥ受信機はマルチパス波が多く存在する移動通信用の受信機として非常に有効である。
【０００６】
この従来のＲＡＫＥ受信機を用いたスペクトラム拡散無線伝送受信装置は、遅延時間の異なる複数のマルチパス波の合成には有効であるが、到来波の偏波の変化には対応できないことが欠点である。すなわち、実際の移動通信の電波伝搬環境では、端末を持つユーザの使い方や、電波伝搬経路での反射、回折現象によって、送信した信号の偏波が時々刻々と変化してゆくのが一般的であり、受信装置に到来する複数のマルチパス波の主偏波成分が異なっていることが多い。図６のスペクトラム拡散無線伝送受信装置は、基本的にある一つの偏波成分しか受信できないため、このような主偏波成分の異なる複数のマルチパルス波を合成することはできず、従ってＲＡＫＥ受信機の使用による復調信号のＳＮＲ向上の効果は期待できない。
【０００７】
この問題に対して、偏波ダイバーシチによる改善方法が従来から用いられているが、偏波ダイバーシチの方式として各偏波成分を取り込んで合成する合成ダイバーシチを採用すると、各々の偏波成分に対応したＲＡＫＥ受信機をそれぞれ含む複数の受信系を用意する必要があり、受信装置の構成が非常に複雑なものとなってしまう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のＲＡＫＥ受信機を用いたスペクトラム拡散無線伝送受信装置は、到来波の偏波の時々刻々の変化に対応できず、主偏波成分の異なる複数のマルチパルス波を合成することができないという問題点があり、またこの問題解決のために合成ダイバーシチによる偏波ダイバーシチを用いると、複数の偏波成分に対応した複数のＲＡＫＥ受信機を用意しなければならず、装置が複雑かつ高価なものとなってしまうという問題点があった。
【０００９】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、遅延時間および偏波成分が異なる複数の電波を受信した場合においても、全ての受信信号を合成することによるＳＮＲの向上を簡単な受信機構成により実現できるスペクトラム拡散無線伝送受信装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【発明を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係るスペクトラム拡散無線伝送受信装置は、複数の異なる偏波成分を受信するアンテナを含む複数の受信ブランチと、これら複数の受信ブランチからの受信信号を入力して復調信号を出力するＲＡＫＥ受信機とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
このように複数の異なる偏波成分を受信し、それらをＲＡＫＥ受信機において合成することができるため、遅延時間のみならず偏波も異なるような複数のマルチパルス波が到来する場合でも、それらのマルチパルス波を合成することが可能であり、ＲＡＫＥ受信機の使用によるＳＮＲ向上効果が得られる。
【００１２】
ＲＡＫＥ受信機は具体的には、複数の受信ブランチからの受信信号について、それぞれ既知の符号系列との相関演算を行って時間軸上での最大相関を与える時刻を複数個ずつ推定する複数の相関演算手段と、これら複数の相関演算手段によりそれぞれ複数個ずつ推定された時刻において受信信号の逆拡散処理を行う複数の逆拡散処理手段と、複数の受信ブランチからの受信信号に対して共通に設けられ、複数の逆拡散処理手段からの出力信号を互いに同相となるように時間補正を行った後に合成して復調信号を出力する合成手段とにより構成される。
【００１３】
このような構成により一つのＲＡＫＥ受信機を全ての受信ブランチに共通に用いることができ、偏波ダイバーシチを行う場合のようにＲＡＫＥ受信機をそれぞれ含む複数の受信系を容易する必要がないため、受信装置全体の構成が大幅に簡単化される。
【００１４】
また、複数の受信ブランチからの受信信号に対して相対的に遅延時間を与えるための遅延手段を設けてもよい。このようにすると、各受信ブランチが受信する偏波成分の遅延プロファイルがほぼ同じでも、大きな遅延時間差を持たせることによって、ＲＡＫＥ受信機で高精度の遅延時間推定を行う必要がなくなるため、ＲＡＫＥ受信機の処理が容易となる。
【００１８】
本発明における複数の異なる偏波成分を受信するアンテナは、各偏波毎に独立に設けてもよいが、例えば矩形のパッチアンテナを用い、物理的に一つのアンテナによって、互いに直交する二つの直線偏波成分、あるいは互いに直交する二つの円偏波成分を受信して個別に出力するようにすることもできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態に係るスペクトラム拡散無線伝送受信装置の構成例を示す。このスペクトラム拡散無線伝送受信装置は、例えば携帯電話などに用いられるディジタルセルラ移動通信のような移動通信システムにおける基地局または移動端末に設置されるものであり、大きく分けて二つのアンテナ１１，１２と、アンテナ１１，１２にそれぞれ接続されたＲＦ受信回路１３，１４と、ＲＦ受信回路１３，１４からの受信信号をディジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器１５，１６と、Ａ／Ｄ変換器１５，１６の出力信号を入力とするＲＡＫＥ受信機１７および復号器２３から構成される。
【００２０】
ここで、アンテナ１１，１２は基地局や移動端末への到来電波について、それぞれ異なる偏波成分を受信する機能を有しており、例えばアンテナ１１は垂直偏波、アンテナ１２は水平偏波をそれぞれ受信するものとする。なお、これらのアンテナ１１，１２は個別に構成してもよいが、後述するように一体に構成することも可能である。
【００２１】
こうしてアンテナ１１，１２により受信された各偏波成分の受信信号は、ＲＦ受信回路１３，１４にそれぞれ入力される。ＲＦ受信回路１３，１４では、低雑音増幅器（ＬＮＡ）による受信信号の増幅、帯域通過フィルタ（ＢＦＮ）などによる所望周波数成分の選択、さらに周波数変換器による電波（ＲＦ）周波数帯から中間（ＩＦ）周波数帯もしくはベースバンド（ＢＢ）への周波数変換などが行われる。
【００２２】
このように本実施形態では、アンテナ１１，１２とこれらに接続されたＲＦ受信回路１３，１４によって二つの受信ブランチが構成される。これら二つの受信ブランチからの受信信号、すなわちＲＦ受信回路１３，１４から出力されるＩＦ帯またはＢＢ帯での受信信号は、Ａ／Ｄ変換器１５，１６によってそれぞれディジタル信号に変換された後、ＲＡＫＥ受信機１７へ入力される。
【００２３】
ＲＡＫＥ受信機１７は公知の構成であり、以下のようにして相関演算と逆拡散処理および合成処理を行う。
すなわち、まずＡ／Ｄ変換器１５，１６によりディジタル化された各受信ブランチからの受信信号について、相関演算部１８，１９により拡散符号と呼ばれる既知の符号系列との相関演算が行われ、時間軸上での最大相関を与える時刻が各受信信号毎に複数個推定される。
【００２４】
そして、これら複数の最大相関時刻において各受信ブランチからの受信信号毎に、受信信号の逆拡散（受信信号と拡散符号との相互相関）処理が逆拡散処理部２０，２１によって行われる。逆拡散処理部２０，２１はそれぞれ時間軸上で合成する遅延波の数だけ設けられる。
【００２５】
最後に、合成部２２によって各逆拡散処理部２０，２１のそれぞれの出力信号が同相となるように時間補正を施された後に合成される。この場合、各受信ブランチからの受信信号に対応する遅延波が全て同一の合成部２２で合成されることになる。この合成部２２からの出力信号がＲＡＫＥ受信機１７の出力であり、この出力信号は復号器２３に入力されて復号され、元のデータが再生される。
【００２６】
このように構成された本実施形態のスペクトラム拡散無線伝送受信装置では、異なる二つの偏波成分、例えば水平偏波成分と垂直偏波成分をそれぞれアンテナ１１，１２で受信し、アンテナ１１，１２を含む各受信ブランチからの受信信号をＲＡＫＥ受信機１７に入力する構成とすることにより、到来電波の偏波、遅延時間に関係なく、基地局または端末へ到来する所望波成分を全てピックアップしてそれらをＲＡＫＥ受信機１７において合成部２２での遅延時間補正により同相にして合成することができる。このため、マルチパス環境下で信号成分を最大化することができ、復調信号のＳＮＲを向上させることができる。また、所望波成分に対して妨害となる干渉波対策としても有効である。
【００２７】
また、結果的に唯一のＲＡＫＥ受信機１７による構成により、このような効果が得られる点も低コスト化や信号処理の簡単化の面で有効である。
さらに、本実施形態ではＲＡＫＥ受信機１７において偏波成分毎に設けられた複数の受信ブランチからの受信信号についてそれぞれ逆拡散処理を行い、合成部２２での遅延時間補正による合成処理は共通に行うことにより、ＲＡＫＥ受信機自体はただーつで済ませることができ、受信装置の構成および処理手順を簡単化できるという利点もある。
【００２８】
次に、本発明に用いられるアンテナの具体的な実施形態を示す。
上記の説明では、異なる偏波成分を受信する複数のアンテナとして、垂直偏波成分を受信するアンテナ１１と水平偏波成分を受信するアンテナ１２を用いるとしたが、アンテナ１１，１２が受信する偏波成分は直線偏波でも円偏波でもどちらでもかまわなし、アンテナ方式も特に問わない。また、アンテナの数も２個に限らず、３個以上あってもかまわない。しかし、最小の個数のアンテナで本発明の効果を得るためには、物理的にはただ一つのアンテナを用いて、そのアンテナで互いに直交する二つの偏波成分を受信できるものが望ましい。以下に、その具体的な構成例を示す。
【００２９】
図２に、直交する二つの直線偏波成分を受信する機能を持つ直線偏波共用アンテナの構成例を示す。
この直線偏波共用アンテナは、誘電体基板１０１の裏面に接地導体膜１０２を設け、表面に銅膜のエッチング加工等により形成された矩形形状のパッチアンテナ１０３（マイクロストリップアンテナともいう）およびマイクロストリップ線路１０４，１０５を設けて構成される。パッチアンテナ１０３の給電点の選択の仕方により、直交する二つの直線偏波、すなわち水平偏波（Ｈ偏波）と垂直偏波（Ｖ偏波）の受信ができる。パッチアンテナ１０３の二つの給電点からのＨ偏波出力およびＶ偏波出力は、マイクロストリップ線路１０４，１０５をそれぞれ介して出力ポートに取り出され、例えば図１中のＲＦ受信回路１３，１４に接続される。
【００３０】
このような直線偏波共用のアンテナを用いることにより、受信装置全体の大きさを小さくすることができるため携帯性が向上し、低コスト化を図る上でも有利である。また、直交するただ二つの直線偏波を受信することにより、受信する電波の偏波の向きがいかなる方向になっている場合にも、受信信号電力を全て取り込むことが可能であり、受信効率を高くすることができる。このようなアンテナは、マルチパス波が多数存在する移動通信への応用として有効である。
【００３１】
図３には、直交する二つの円偏波成分を受信する機能を持つ円偏波共用アンテナの構成例を示す。
誘電体基板１０１の裏面に接地導体膜１０２を設け、基板１０１の表面に銅膜のエッチング加工等により形成されたパッチアンテナ１０３およびマイクロストリップ線路１０４，１０５を設けた点は図２に示した直線偏波共用アンテナと同様であるが、本実施形態のアンテナはパッチアンテナ１０３の直交する二つの直線偏波に対応する給電点に９０°の位相差を付与して励振を行うことにより、円偏波アンテナとして動作するように構成されている。
【００３２】
パッチアンテナ１０３の二つの給電点に対する９０°の励振位相差の付け方、すなわち＋９０°とするか、−９０°とするかにより、受信する偏波成分が右旋円偏波か左旋円偏波かを制御できる。図３の例ではハイブリッド回路（ハイブリッドカプラ）１０６を用いることにより、その出力ポートで右旋、左旋の両方の円偏波成分を同時に出力することが可能となっている。ハイブリッド回路１０６の二つの出力ポートから取り出される右旋円偏波出力および左旋円偏波出力は、例えば図１中のＲＦ受信回路１３，１４に接続される。
【００３３】
このような円偏波共用アンテナを用いることにより、図２の直線偏波共用アンテナを用いた場合と同様に、受信装置全体の大きさを小さくすることができるため携帯性が向上し、低コスト化を図る上でも有利となり、また直交するただ二つの円偏波を受信することにより、受信する電波の偏波の向きがいかなる方向になっている場合にも、受信電力を全て取り込むことが可能であり、受信効率が向上するので、マルチパス波が多数存在する移動通信への応用として有効である。
【００３４】
さらに、本発明において図２および図３に示したような偏波共用アンテナを用いるもう一つの利点として、移動無線通信システムで用いられる偏波に対する柔軟性が挙げられる。例えば、我が国の移動電話では直線偏波（特にＶ偏波）を用い、衛星移動通信系では円偏波を用いることが多いが、その使用する偏波に関係なく、受信用アンテナとしては図２、図３のいずれも利用できる。逆の見方をすれば、使用する偏波の違う複数の通信システムに対して共通に利用できるスペクトラム拡散無線伝送受信装置を実現することが可能となる。
【００３５】
（第２の実施形態）
図４に、本発明の第２の実施形態に係るスペクトラム拡散無線伝送受信装置の構成を示す。図１と共通の部分に同一符号を付して説明すると、本実施形態と第１の実施形態との相違は、二つのアンテナ１１，１２とＲＦ受信回路１３，１４で構成される二つの受信ブランチからの受信信号に対して相対的に遅延時間を与えるための手段として、アンテナ１１とＲＦ受信回路１３の間に遅延線路２４を挿入した点である。なお、遅延線路２４の代わりに電気長が大きく回るフィルタ等で代用することもできる。
【００３６】
この遅延線路２４を設けたことによる利点は、ＲＡＫＥ受信機１７において逆拡散処理における遅延時間の精度を下げても、有効な信号合成効果が得られることである。以下、その根拠について述べる。
一般的に、アンテナ１１，１２に入射する電波の偏波は完全に一致はせず、その中間的な成分となる。その場合、アンテナ１１，１２で受信される偏波成分の遅延プロファイルはほぼ同一であり、その遅延時間差は両偏波成分のベクトル差による位相量にして高々３６０°以内の値に対応する微小な値である。従って、二つの受信ブランチからの受信信号について、ＲＡＫＥ受信機１７においてそのまま逆拡散処理を行い、時間補正して合成しようとする場合には、両受信ブランチの遅延時間差に対応する高精度な遅延時間推定が必要となるために、積分時間（回数）を多くして複雑な逆拡散処理を行うことが要求される。
【００３７】
これに対し、本実施形態のように二つの受信ブランチのいずれか一方に遅延線路２４を挿入すると、これらの受信ブランチからの受信信号の遅延プロファイルが全く異なったものとなるため、ＲＡＫＥ受信機１７において高精度な遅延時間推定を行わなくとも、良好な信号合成が可能となる。
なお、本実施形態では遅延線路２４を用いたが、電気長が大きく回るフィルタ等で代用することもできる。また、二つの受信ブランチの受信信号に相対的に遅延時間差を与えればよいので、遅延手段はいずれに挿入してもよく、場合によっては両方の受信ブランチに遅延時間の異なる遅延手段を挿入してもよい。
【００３８】
（第３の実施形態）
図５に、本発明の第３の実施形態に係るスペクトラム拡散無線伝送受信装置の構成を示す。図４と共通の部分に同一符号を付して説明すると、本実施形態はアンテナ１１，１２による二つの受信ブランチのいずれか一方に遅延線路２４を設けるとともに、アナログ信号領域、例えばＲＦ帯で二つの受信ブランチからの受信信号を合成器２６により合成し、ＲＦ受信回路以降を二つの受信ブランチで共通に用いる点が特徴であり、その他は第２の実施形態と同様である。
【００３９】
すなわち、合成器２６からの合成された受信信号は、Ａ／Ｄ変換器２７でディジタル信号に変換された後、ＲＡＫＥ受信機２８に入力される。ＲＡＫＥ受信機２８では、相関演算部２９と逆換算処理部３０および合成部３１により先と同様の処理が行われる。
【００４０】
本実施形態によれば、アナログ信号領域で二つの受信ブランチの受信信号を合成し、ＲＦ受信回路およびＲＡＫＥ受信機を共通に用いることにより、受信装置の構成が簡単化される。従って、特に増幅器などの高価な構成部品の数を少なくすることができ、装置全体の低コスト化に対する効果が大きい。
【００４１】
なお、このような合成器２６で二つの受信ブランチの受信信号を合成する場合には、遅延線路２４のような両受信ブランチの受信信号に相対的に遅延時間差を与えるための遅延手段を合成器２６の前に設けることが必須である。このような遅延手段がなく、二つの受信ブランチの受信信号を単純に合成すると、二つの偏波成分が同相で合成される結果、複数の異なる偏波成分を受信する効果がなくなってしまうからである。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば複数の異なる偏波成分を受信できるアンテナを含む複数の受信ブランチを設けたことにより、到来電波の偏波、遅延時間に関係なく、基地局または端末へ到来する電波の所望波成分を全てピックアップし、ＲＡＫＥ受信機においてそれらを同相で合成することができる。
【００４３】
このため、遅延時間のみならず偏波も異なっているような複数のマルチパスが存在する通信環境下でも、信号成分を最大化することができ、ＳＮＲを向上させる効果が期待できる。また、この構成は所望波成分に対して妨害となる干渉波対策としても有効である。
【００４４】
さらに、本発明では偏波ダイバーシチを用いる方式と異なり、結果的にただ一つのＲＡＫＥ受信機を用いた構成によって上述の効果が得られる点も、低コスト化や信号処理の簡単化の面で有効である。
【００４５】
従って、本発明のスペクトラム拡散無線伝送受信装置は、ディジタル移動通信用において端末や基地局に用いられる受信装置として非常に利用価値が高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るスペクトラム拡散無線伝送受信装置の構成を示す図
【図２】本発明の実施形態に係る直線偏波共用アンテナの構成を示す図
【図３】本発明の実施形態に係る円偏波共用アンテナの構成を示す図
【図４】本発明の第２の実施形態に係るスペクトラム拡散無線伝送受信装置の構成を示す図
【図５】本発明の第３の実施形態に係るスペクトラム拡散無線伝送受信装置の構成を示す図
【図６】従来方式によるスペクトラム拡散無線伝送受信装置の構成を示す図
【符号の説明】
１１，１２…アンテナ
１３，１４，２６…ＲＦ受信回路
１５，１６，２７…Ａ／Ｄ変換器
１７，２８…ＲＡＫＥ受信機
１８，１９，２９…相関演算部
２０，２１，３０…逆拡散処理部
２２，３１…合成部
２３…復号器
２４…遅延線路
２５…合成器
１０１…誘電体基板
１０２…接地導体膜
１０３…パッチアンテナ
１０４，１０５…マイクロストリップ線路
１０６…ハイブリッド回路

Claims

複数の異なる偏波成分を受信して複数の受信信号を出力する、アンテナを含む複数の受信ブランチと、
前記受信信号の遅延プロファイルを異ならせるために、前記受信信号に対して相対的に遅延時間を与える遅延手段と、
前記相対的に遅延時間が与えられた受信信号をディジタル信号に変換する複数のＡ／Ｄ変換器と、
前記ディジタル信号に変換された受信信号について、それぞれ既知の符号系列との相関演算を行って時間軸上での最大相関を与える時刻を複数個ずつ推定する複数の相関演算手段と、
前記複数の相関演算手段によりそれぞれ複数個ずつ推定された時刻において前記受信信号の逆拡散処理を行う複数の逆拡散処理手段と、
前記複数の逆拡散処理手段からの出力信号を互いに同相となるように時間補正を行った後に合成して前記復調信号を出力する合成手段と、を具備することを特徴とするスペクトラム拡散無線伝送受信装置。
前記アンテナは、互いに直交する二つの直線偏波成分を受信して個別に出力することを特徴とする請求項１に記載のスペクトラム拡散無線伝送受信装置。
前記アンテナは、互いに直交する二つの円偏波成分を受信して個別に出力することを特徴とする請求項１に記載のスペクトラム拡散無線伝送受信装置。