JP4431093B2 - ディジタル伝送信号受信装置のアンテナ方向調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＯＦＤＭ(Orthogonal Frequency Division Multiplex)変調方式をはじめとするディジタル伝送装置のアンテナ方向調整に関する。

従来のアナログ方式の画像伝送では、通常、周波数変調であるＦＭ変調方式が使用されている。 この方式で一般的に使用される電界強度は、−３０ｄＢｍから−７０ｄＢｍ程度である。 これは、電界強度が−７０ｄＢｍ以下になると、伝送画像のＳ／Ｎが低下し、テレビジョン放送用の素材としての品質を保てないためである。

このような伝送は、最大１００ｋｍ程度離れた地点間でも行われる。 その際に利用されるアンテナは、直径０．６ｍから１．２ｍ程度のパラボラアンテナで、そのビーム半値角は、約５°程度であり、アンテナの方向調整は、高い精度を必要とする。

従って、遠距離伝送をする場合、１ｄＢｍでも高い電界、すなわち、Ｓ／Ｎの良い画像を得るために、アンテナを±１°以内に方向調整する必要がある。
送信側および受信側が静止していれば、事前に十分な時間を取って、方向調整を行い、堅固にアンテナ方向を固定すれば良い。 しかし、昨今のテレビジョン放送中継は、動く被写体を、ヘリコプタ等で移動追跡しながらの中継伝送が頻繁に行われる。 そのため、常時、アンテナを送信側あるいは受信側に向け続ける方向調整作業が必須となる。 しかし、人による操作では実現不可能である。

この問題を解決するために、自動方向調整機能を持つ受信アンテナおよび電動架台のサーボ処理装置が開発されている。 このブロック構成を図６に示す。
これは、主受電器５−１、方向補正用受電器(図では、補受器と略す)５−２，５−３、パラボラ反射部(皿)６、方向調整用の処理部(受信アンプ)７−２，７−３、サーボ制御部８、電動架台９を有する自動方向調整機能付き受信アンテナ１、アナログ用受信高周波部(Ｒｈ)１０−１、アナログ用受信制御部(Ｒｃ)１０−２から構成される。

パラボラアンテナは、その焦点位置に主受電器５−１を設けた構造である。
自動方向調整用では、さらに上下左右へ焦点位置をずらした計４ヶの方向補正用受電器が設けられている。 実際には、左右方向の調整用の受電器も持つが、本説明では上下方向にのみ限定して説明する。

この構成は、主受電器５−１の焦点位置から、上下方向にそれぞれ等間隔ずらした位置に、上ずれ方向補正用受電器５−２，下ずれ方向補正用受電器５−３が装備されている。 ここで、例えば、受信アンテナの向きが送信アンテナのある方向に対して上方向ヘずれていれば、
上ずれの方向補正用受電器５−２出力＞下ずれの方向補正用５−３出力
となる。 即ち、受信アンテナが主ビームに対しずれている方向に近い方向補正用受電器からの出力が大きくなるため、各方向補正用受電器からの出力が均等になるようにアンテナ方向を調整すれば、正しい方向にアンテナを向けることができる。 以上は、上下方向について記したが、左右方向についても同様である。なお、通常は、方向調整を手動とせず、電動架台９にアンテナを取り付け、ずれ検出用の方向補正用受電器出力を基に、サーボ制御部８から電動架台９のサーボ制御を行い、アンテナを駆動し正しく送信側に向ける自動追尾を実現している。

なお、複数の方向補正用受電器５−２，５−３は、主受電器５−１がメインであり、パラボラ面から主受電器５−１が拾い損なった電界を集める構造である。そのため、主受電器５−１に対して、２０ｄＢ程度はゲインが低いものとなる。

この対策として、アナログＦＭ伝送で行われる手法は、帯域を１／１０程度に減らして、アンプの雑音帯域比を稼ぐ。 これは、アナログＦＭ伝送では電力の主成分が帯域の中心１／１０程度に、常時集中しているためである。

昨今、アナログ伝送に代わりディジタル伝送が利用されつつある。 移動しながらの代表的なディジタル伝送としては、ＯＦＤＭによる伝送がある。 現在、ＯＦＤＭによる伝送方式は、８００ＭＨｚ帯で実用化されている。 ＤＱＰＳＫ(Differential Quadrature Phase Shift Keying)変調を用いたＯＦＤＭ−ＦＰＵ(Field Pick-up Unit)は、反射波が多く、電界が低い伝送状況においても、安定した伝送を実現している。

図７に、ＯＦＤＭ伝送装置の自動方向調整機能を持つ受信装置の構成を示す。 図６との違いは、アナログ用受信高周波部(Ｒｈ)１０−１とアナログ用受信制御部(Ｒｃ)１０−２が、ＯＦＤＭ用受信高周波部(ＯＦＤＭ−Ｒｈ)１１−１とＯＦＤＭ用受信制御部(ＯＦＤＭ−Ｒｃ)１１−２になったことである。

ここで、ＯＦＤＭ信号のシンボル構成について、簡単に説明する。 ＯＦＤＭ信号は、例えば、ＮＵＬＬ(ヌル)、ＣＷ、ＳＷＥＥＰ(スイープ)、予備１、予備２、ＲＥＦ(リファレンス)等の同期シンボルと、これに続くデータシンボル０〜８９３とでフレームを構成する信号である。 ＮＵＬＬシンボルは電力を出さない。 ＣＷシンボルは一定周波数を出力する。 ＳＷＥＥＰシンボルは、最低周波数から最高周波数まで時間とともに変化する信号を出力する。 ＲＥＦシンボルは、データシンボルとの差動復号用の基準信号である。 なお、予備１、２のシンボルは、他の同期シンボルの予備的なもので任意のシンボルでよい。 この中でＮＵＬＬシンボルは周波数的にも成分を持たない。 ＣＷシンボルは中心周波数のみの成分を持つ。 その他のシンボルは、帯域内の成分を一様に持つ。

受信可能電界は、ＤＱＰＳＫであるため、ある程度の低さでもエラーレートが１^−４程度で受信可能である。 また、画像と音声は、ディジタル圧縮処理されているため、−９０ｄＢｍ時の画像も−４０ｄＢｍ時と全く同一画質である。
このため、この様な低電界でも十二分な実用性があり、利用も高頻度である。

しかしながら、従来の自動方向調整には、以下の理由から懸念がある。
まず、方向補正用受電器５−２，５−３での受信電界は、主受電器５−１より−２０ｄＢｍ低いために、−１１０ｄＢｍとなる。 その結果、−１１０ｄＢｍでの出力は、方向調整用処理部７−２，７−３の受信アンプの雑音に埋もれてしまい、たとえ、増幅を行っても雑音成分が多く、有効な出力が生じない。 この様子を示す波形図を図８に示す。

ここでは、斜線表示範囲を雑音成分として示している。
ＯＦＤＭ信号は、マルチキャリア変調であり、９００シンボル中、ＮＵＬＬとＣＷシンボルを除く、８９８シンボルは、帯域全体に、ほぼ一様なレベルの電界が存在する。 そのため、帯域を限定しても、Ｓ／Ｎ改善は不可能である。

以上説明した様に、従来の構成では、低電界でも動作可能なディジタルＦＰＵにおいて、最もアンテナの自動方向調整が必要とされる遠距離伝送の場合、方向補正用受電器出力が小さ過ぎて、たとえ増幅を行っても雑音量が大きく不正確な出力しか得られず、移動する送信側に対するアンテナ方向制御が不完全となり、安定伝送が実現できない欠点が生じている。
本発明はこれらの欠点を除去し、ＯＦＤＭ信号等のディジタル伝送において、低電界強度でも使用でき、遠距離伝送時にも安定したアンテナの自動方向調整を可能とすることを目的とする。

本発明は上記目的を達成するため、少なくとも１つの方向補正用受電器を有するパラボラアンテナを備えたディジタル伝送信号受信装置のアンテナ方向調整方法において、上記方向補正用受電器出力に、所定の周波数帯域のみを通過させる処理を施し、当該所定の周波数帯域通過処理の施された上記方向補正用受電器出力の所定期間の信号をサンプルホールドし、当該サンプルホールドされた方向補正用受電器出力に基づき、上記パラボラアンテナを方向調整するようにしたものである。

また、上記方向補正用受電器出力に、所定の周波数帯域のみを通過させる処理を施し、当該所定の周波数帯域通過処理の施された上記方向補正用受電器出力に、所定の増幅処理または所定の検波処理を施し、当該所定の増幅処理及び所定の検波処理を施された上記方向補正用受電器出力をサンプルホールドし、当該サンプルホールドされた方向補正用受電器出力に基づき、上記パラボラアンテナを方向調整するようにしたものである。

さらに、上記ディジタル伝送信号をＣＷシンボル信号が挿入されたＯＦＤＭ伝送信号とし、所定期間の上記ＣＷシンボル信号をサンプルホールドするようにしたものである。
図２に、各シンボル波形のシンボル期間における周波数スペクトル例を示す。
ＳＷＥＥＰ、ＲＥＦ、データのシンボルのスペクトル分布は帯域全体に渡り一様である。

しかし、９００シンボル毎に１シンボル生じるＣＷシンボルは、中心周波数にのみスペクトルが存在する。
即ち、ディジタル伝送に付加される特定データ(ＣＷ信号)に着目し、この特定データの帯域のみを増幅して得た、高ＳＮであるが発生期間が１／９００の信号を、その特定データが生じている期間にサンプルホールドする抽出処理を施す。 これにより、レベル不足から低Ｓ／Ｎ状態にある方向補正用受電器出力を高ＳＮで増幅でき、かつ、定期的だが時間的には極わずかの期間のみ、信号レベルが大きくなる瞬問をサンプルできる。

以上説明したように、本発明によれば、ゲインの低い方向調整用受電器からの出力を低電界でも使用でき、遠距離伝送時も自動方向調整が可能となる。

図１に、本発明のＯＦＤＭ伝送装置の自動方向調整機能を持つ受信装置の構成を示す。
この構成は、図７と同様構成の主受電器５−１、方向補正用受電器５−２，５−３、パラボラ反射部６、サーボ制御部８、電動架台９を有する自動方向調整機能付き受信アンテナ１(具体的構成省略)と、方向調整用の処理部２−２，２−３、ゲート信号発生器３、ＯＦＤＭ用受信高周波部(ＯＦＤＭ−Ｒｈ)１１−１とフレームパルス出力機能のあるＯＦＤＭ用受信制御部(ＯＦＤＭ−Ｒｃ)１１−３からなる。 ここで、方向調整用の処理部２−２，２−３は、それぞれ、バンドパスフィルタ(ＢＰＦ)２-2-1，２-3-1、アンプ２-2-2，２-3-2、サンプルホールド回路(Ｓ／Ｈ)２-2-3，２-3-3で構成されている。

自動方向調整機能付き受信アンテナ１の方向補正用受電器５−２，５−３の各出力は、処理部２−２，２−３を経由して自動方向調整機能付き受信アンテナ１のサーボ制御部８に入力される。

次に、処理部２−２，２−３の内部構成・動作について説明する。 方向補正受電器５−２，５−３の出力は、それぞれ処理部２−２，２−３のＢＰＦ２-2-1，２-3-1、アンプ２-2-2，２-3-2、サンプルホールド回路(Ｓ／Ｈ)２-2-3，２-3-3に入力される。 フレーム出力信号が得られるＯＦＤＭ受信制御部１１−３からのフレーム信号は、ゲート発生部３に入力される。 該ゲート発生部３からの出力は、ゲート信号として処理部２−２，２−３のＳ／Ｈ２-2-3，２-3-3の制御端子に入力される。

ＢＰＦ２-2-1，２-3-1は、ＣＷシンボルの周波数成分が含まれる帯域のみを通過するよう動作するフィルタである。
アンプ２-2-2，２-3-3は入力を増幅する動作をする。 Ｓ／Ｈ２-2-3，２-3-3は、制御端子にレベルＨの信号が印加されると、入力された信号をサンプルし、制御端子への信号がレベルＬになると、入力されていた信号レベルを保持する。ゲート発生部３は、フレーム出力信号をもとにＣＷ信号の位相期間にレベルＨとなるゲート信号を出力する。

ここで、図３に、各部の波形を示し、説明する。 ＯＦＤＭ信号は、前述の様にＮＵＬＬとＣＷシンボル以外のシンボルは、伝送帯域すべてにわたって一様な電力分布を持つ。 なお、その波形は雑音的な波形となるため、記述は簡易的に四角で記した。

方向補正用受電器出力には、帯域全ての信号が現れるが、低レベルである。
この方向補正用受電器出力をＢＰＦ処理し中心の周波数近辺を取り出す。 具体的には、キャリア間隔のほぼ２〜３倍のＢＰＦが望ましい。

その結果、受信レベルは小さいが、ＳＮが改善され、かつ、ＣＷシンボル期間には他期間よりもレベルが高い信号が生じる。 このＢＰＦ信号を増幅することで、ＣＷシンボルとＳＷＥＥＰシンボルの中心周波数を出力する期間のみレベルの高いアンプ出力が得られる。

前述のように、ＣＷ期間は全電力が中心周波数に集中するため、高いレベルの信号が得られるが、それは９００シンボルに１回のみであり、その期間もシンボル周期の約６７μｓｅｃのみである。 ＯＦＤＭ信号の復調は、受信信号の同期シンボル群から同期再生するためのＯＦＤＭ信号の開始時期を検出するので、その基準となるフレーム信号をＯＦＤＭ受信制御部ｌｌ−３から取り出し、ゲート発生部１１に送る。

通常のフレーム信号は、ＮＵＬＬ期間の始まり時期を示すよう、８９４番目のデータの終了時期に一瞬レベルＨとなる。 ゲート発生器３は、このフレームパルスから、その９００シンボルに１回生じるＣＷのタイミングにレベルＨとなるゲート信号を出力する。

このゲート信号はＳ／Ｈ２-2-3，２-3-3の制御端子に入り、高ＳＮで他期間より高レベルのＣＷ期間のレベルをサンプリングする。
低電界のため、方向補正用受電器５−２、５−３の全帯域での出力は小さく、ＳＮも悪いが、特定帯域のみをＢＰＦで抽出することで、そこから周期的に生じるＣＷシンボル時は全送信電力が中心周波数に集中しているため、そのレベルをサンプルホールドすることで、高ＳＮの出力を得られる。

図４に、本発明の第２の実施例のブロック構成を示し、その動作を説明する。この構成は、図７と同様構成の主受電器５−１、方向補正用受電器５−２，５−３、パラボラ反射部６、サーボ制御部８、電動架台９を有する自動方向調整機能付き受信アンテナ１(具体的構成省略)と、方向調整用の処理部２’−２，２’−３、ゲート信号発生器３−１、検波器３−２、二値化器３−３、ＯＦＤＭ用受信高周波部(ＯＦＤＭ−Ｒｈ)１１−１とＯＦＤＭ用受信制御部(ＯＦＤＭ−Ｒｃ)１１−２からなる。 ここで、方向調整用の処理部２’−２，２’−３は、それぞれ、バンドパスフィルタ(ＢＰＦ)２-2-1，２-3-1、アンプ２-2-2，２-3-2、検波処理回路２-2-4，２-3-4、サンプルホールド回路(Ｓ／Ｈ)２-2-3，２-3-3で構成されている。

処理部２’−２，２’−３は、検波処理回路２-2-4，２-3-4を、Ｓ／Ｈ２-2-3，２-3-3の前に挿入し、高周波の影響を除去する。 伝送周波数帯のＵＨＦ帯やマイクロ波帯の信号をサンプルする回路は高価であるため、信号のエンベロープのみを取り出した後、周波数特性の低いサンプルホールド回路２-2-3，２-3-3により、処理する。

また、ＯＦＤＭ−Ｒｈ１１−１とＯＦＤＭ−Ｒｃ１１−２は、通常、１００ｍ以上離れた場所に設置される。 そのため、ＯＦＤＭ−Ｒｃ１１−２から、フレーム信号をＯＦＤＭ−Ｒｈ１１−１に送ることは、ケ―ブル敷設等の手間がかかる。 また、フレーム信号の取り出し口のあるＯＦＤＭ−Ｒｃ１１−２が必要となる。

この実施例では、主受電器５−１からの出力レベルは高いため、フレーム開始時期を示す信号を、本線系の出力から得るものである。 そのため、ＯＦＤＭ−Ｒｈ１１−１の出力を検波器３−２に入力し、それを二値化器３−３で二値化してディジタル信号に変換した後、ゲート信号発生器３−１によって、ＣＷ期間にレベルＨとなるゲート信号を作成する。 この様子を図５に示す。

主受電器５−１の出力は十分なレベルがあり、ＯＦＤＭ−Ｒｈ１１−１からは高ＳＮで出力される。 通常、１３０ＭＨｚのＩＦ信号となるため、この信号を検波することでＮＵＬＬ期間のみレベルが下がった信号が取り出される。 その信号を二値化することでフレーム開始時期を示す信号を作る。 ゲート信号発生器３−１は、二値化出力の立ち下がりを基準に約１シンボル周期ｔｄだけ遅れて、１シンボル弱の期間、レベルＨをとなるゲート信号を発生する。

なお、いずれの方式の場合も、ＯＦＤＭ−Ｒｈ１１−１の受信レベルが十分あることを検出した上で方向調整処理を行う必要がる。

本発明の自動方向調整機能を持つ受信装置の一実施例のブロック構成図 ＯＦＤＭ信号のシンボル別の周波数分布を示す模式図 本発明の各部の動作波形図 本発明の自動方向調整機能を持つ受信装置の第２の実施例のブロック構成図 本発明の第２の実施例の動作を示すタイムチャート 従来の自動方向調整機能を持つアナログ伝送用受信装置のブロック構成図 従来の自動方向調整機能を持つＯＦＤＭ伝送用受信装置のブロック構成図 従来の自動方向調整機能を持つ伝送用受信装置の各部の動作波形図

符号の説明

１：自動方向調整機能を有する受信アンテナ、２−２，２−３，２’−２，２’−３：処理部、２-2-1，２-3-1：ＢＰＦ、２-2-2，２-3-2：アンプ、２-2-3，２-3-3：サンプルホールド回路、３，３−１：ゲート信号発生器、３−２：検波部、３−３：二値化部、５−１：主受電器、５−２，５−３：方向補正用受電器、６：パラボラ反射部、８：サーボ制御部、９：電動架台、１１−１：ＯＦＤＭ用受信高周波部、１１−２：ＯＦＤＭ用受信制御部、１１−３：フレーム出力付きＯＦＤＭ用受信制御部。

Claims (1)

1. 少なくとも１つの方向補正用受電器を有するパラボラアンテナを備えたＣＷシンボル信号が挿入されたＯＦＤＭ伝送信号受信装置のアンテナ方向調整方法において、
   上記方向補正用受電器出力に、前記ＣＷシンボル信号の周波数帯域のみを通過させる処理を施し、前記ＣＷシンボル信号の周波数帯域通過処理の施された上記方向補正用受電器出力に、所定の増幅処理または所定の検波処理の少なくともいずれか一方を施し、当該所定の増幅処理または所定の検波処理が施された上記方向補正用受電器出力の前記ＣＷシンボル信号の９００シンボルに１回のシンボル周期の約６７μｓｅｃの期間のレベルをサンプルホールドし、当該サンプルホールドされた方向補正用受電器出力に基づき、上記パラボラアンテナを方向調整することを特徴とするアンテナ方向調整方法。