JP4742917B2 - 無線通信システム及びそれに用いる受信機 - Google Patents

Description

本発明は無線通信システム及びそれに用いる受信機に関し、特に適応アンテナを有する無線通信システム及びそれに用いる受信機に関するものである。

ミリ波無線システムでは高速データ通信が可能で、例えば、ＡＳＫ変調を用いた伝送速度１．５Ｇｂｐｓが実証されている。このためハイビジョン規格の高精細映像の非圧縮・リアルタイム伝送などに期待されている。ところで、ミリ波帯（＞３０ＧＨｚ）の電波を用いて室内伝送を行うと、反射率の高い机、窓、金属製の什器や壁等により遅延波（反射波）が生じる。これが主波（直接波）と共に受信アンテナに入射され、かつ主波と遅延波の到来時間差が長くなると（シンボル長に相関）、いわゆるマルチパス干渉となって伝送を阻害する。低い周波数と異なり、反射波はある程度限られた方向から到来するため、ビーム方向を制御し、特定方向からの電波に不感となるヌル点を形成する適応アンテナの導入が効果的である。

図８は、特許文献１あるいは特許文献２に記載された適応アンテナの動作を説明するための図である。アンテナ１１は、中心に位置する主放射素子１２と、その外周に位置する複数の寄生素子１３とからなり、寄生素子１３の各々には、インピーダンス可変素子１４がそれぞれ接続されている。こられ素子のインピーダンスをそれぞれ可変することにより、寄生素子と空間的に電磁界結合している放射（受信）素子の放射（受信）パターンを変えることができ、ビーム制御やヌル点形成が実現できる。このとき、インピーダンス状態数は（可変できるインピーダンスの数×寄生素子数）となるが、送信機から送出する規範（既知）信号パターンとその受信信号パターンにおいて、もっとも相関がとれる状態にする。

なお、特許文献１および特許文献２に記載された適応アンテナは、それぞれインピーダンス可変素子として、スイッチによる可変負荷、電圧制御された可変リアクタンス素子の違いはあるが、相関がとれるように最適化する点では同じである。

相関をとる際には、受信信号パターンをＡＤＣ（アナログ−デジタル変換器）にて数値化し、信号処理回路内にて既知の規範信号パターンと比較しなければならない。先ず、例えば、図９に示す送信機２０から、所定の時間規範信号を送出する。送信機２０は、ベースバンド処理回路２４を備え、入力されたデータに対して信号処理を行い変調器２３へと信号を送出する。変調された信号は、送信部２２で無線信号に変換され、アンテナ２１から送信される。なお、２５は規範信号発生部、２６は変調速度制御部である。

図１０は図８に示した適応アンテナを有するＡＳＫ受信機１０００のブロック図を示す。アンテナ１００１により受信された信号は、受信部１００６で増幅およびフィルタリング処理され、復調器１００７でベースバンド信号に復調される。ベースバンド信号はリミッタ増幅器１００８で波形整形され、データとして出力される。

この形態では、復調器からの出力は分岐され、ＡＤＣ１０１２にてデジタルデータに変換され、信号処理回路１０１１で規範信号のパターンと比較される。所定のアルゴリズム処理で得られた情報に基づき、アンテナ１００１のインピーダンス制御回路１００５に制御信号が送られる。規範信号を受信しながらインピーダンス可変素子の状態を変更し、より相関が高い状態に最適化を行う。最適化が終了すると、その状態でデータ通信に移行するようになっている。

特開２００３−２６４４１９号公報（図１） 特開２００３−３０４１１２号公報（図１）

例えば、１Ｇｂｐｓの信号をＡＤＣで数値化する場合には、サンプリング周波数として２Ｇサンプル／秒以上が必要である。しかしながら、このような高速のＡＤＣにおける問題点は、非常に高価で、サイズや消費電力が大きいことである。特に、消費電力は、サンプリング周波数が大きくなるにつれて増大するため、サンプリング周波数を下げる受信機の構成が求められる。あるいはＡＤＣを使用しない受信機が望まれている。

本発明の目的は、ＡＤＣを利用しなくても適応アンテナのインピーダンス可変素子の状態を最適化できる無線通信システム及びそれに用いる受信機を提供することである。

本発明の他の目的は、高速のＡＤＣの代わりに比較的低速なＡＤＣを利用して、適応アンテナのインピーダンス可変素子の状態を最適化できる無線通信システム及びそれに用いる受信機を提供することである。

本発明による通信システムは、
送信機と、前記送信機により既知のデューティ比を有するパルス列信号を変調して送信された送信信号が入力される適応アンテナを有する受信機とを含む通信システムであって、
前記受信機は、
前記適応アンテナによる受信信号を復調する手段と、
この復調出力を振幅制限する手段と、
この振幅制限出力を平滑化してこの平滑電圧に基づいて前記復調出力のデューティ比を推定し、この推定デューティ比と前記既知のデューティ比との対応から、前記受信信号と前記送信信号との相関を検出してこの検出結果に応じて前記適応アンテナのインピーダンス制御をなす手段とを有することを特徴とする。

本発明による他の通信システムは、
送信機と、前記送信機により一定のデューティ比を有するパルス列信号を変調して送信された送信信号が入力される適応アンテナを有する受信機とを含む通信システムであって、
前記受信機は、
前記適応アンテナによる受信信号を復調する手段と、
この復調出力を振幅制限する手段と、
この振幅制限出力を平滑化してこの平滑電圧に基づいて前記復調出力のデューティ比を推定し、この推定デューティ比と前記一定のデューティ比との対応から、前記受信信号と前記送信信号との相関を検出してこの検出結果に応じて前記適応アンテナのインピーダンス制御をなす手段とを有することを特徴とする。

本発明による受信機は、
適応アンテナを有する受信機であって、
既知のデューティ比を有するパルス列信号を変調して送信された送信信号を前記適応アンテナで受信して復調する手段と、
この復調出力を振幅制限する手段と、
この振幅制限出力を平滑化してこの平滑電圧に基づいて前記復調出力のデューティ比を推定し、この推定デューティ比と前記既知のデューティ比との対応から、前記受信信号と前記送信信号との相関を検出してこの検出結果に応じて前記適応アンテナのインピーダンス制御をなす手段とを含むことを特徴とする。

本発明による他の受信機は、
適応アンテナを有する受信機であって、
一定のデューティ比を有するパルス列信号を変調して送信された送信信号を前記適応アンテナで受信して復調する手段と、
この復調出力を振幅制限する手段と、
この振幅制限出力を平滑化してこの平滑電圧に基づいて前記復調出力のデューティ比を推定し、この推定デューティ比と一定のデューティ比との対応から、前記受信信号と前記送信信号との相関を検出してこの検出結果に応じて前記適応アンテナのインピーダンス制御をなす手段と含むことを特徴とする。

本発明による第１の効果は、ＡＤＣを利用しなくても適応アンテナのインピーダンス可変素子の状態を最適化できることである。その理由は、ＡＤＣにより規範信号パターンと受信信号パターンの相関をとる代わりに、受信信号のデューティ比から、規範信号と受信信号の相関を求めるためである。

また、本発明による第２の効果は、高速のＡＤＣの代わりに比較的低速なＡＤＣを利用して、適応アンテナのインピーダンス可変素子の状態を最適化できることである。その理由は、変調速度を低速にして規範信号パターンと受信信号パターンの相関をとり、そのときの受信信号のデューティ比と、実際にデータ通信で使用する速度における受信信号のデューティ比の対応から、規範信号と受信信号の相関を求めるためである。

以下に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の第１の実施の形態の受信機の構成を示すブロック図である。本受信機３００は、アンテナ３０１と、アンテナで受信された信号を受信する受信部３０６と、受信部から出力された信号を復調する復調器３０７と、復調された信号の波形整形を行うリミッタ増幅器３０８とを含む。

リミッタ増幅器３０８からは、データ信号が出力されると共に、平滑回路３０９にも信号が送られる。平滑回路３０９から出力された電圧を電圧計３１０で測定し、電圧の値は信号処理回路３１１に送られる。アンテナ３０１は、インピーダンス制御回路３０５を有する適応アンテナであり、例えば、図８に示した構成になっている。なお、送信機は図９の送信機２０と同じであるものとする。

かかる構成において、先ず、受信機側のアンテナの最適状態を決めるため、所定の期間、送信機から規範（既知）信号を送出する。図９に記載の送信機２０には、規範信号発生部２５が備えられ、ここで発生した信号がベースバンド処理回路２４で処理され、変調器２３へと送出される。変調された信号は、送信部２２で無線信号に変換され、アンテナ２１から送信される。このとき、規範信号のデューティ比は５０％と予め定められているものとする。無線信号は、受信機３００のアンテナ３０１で受信され、受信部３０６で増幅やフィルタリング処理され、復調器３０７でベースバンド信号へと変換され、リミッタ増幅器３０８で波形整形される。

さて、送信機２０より送出された信号は、マルチパスの影響を受けることがある。簡単のために主波と、少し遅れた遅延波の２波が存在する場合で説明する。図２には、主波と遅延波が同位相で受信された場合の復調信号を示す。（Ａ）は高速信号の場合であり、（Ｂ）は低速信号の場合である。高速信号になればなるほど、遅延時間が同じ遅延波によって、デューティ比の変化が大きくなり、シンボルの識別が難しくなることが分かる。従って、デューティ比の変化が少ない状態が、遅延波の影響を受けない状態であると言える。

図３には、主波と遅延波が同位相および逆位相で合成された場合のリミッタ増幅器３０８からの出力信号の例を示す。遅延時間をΔｔとすると、遅延があった場合には、シンボル１（ハイレベル）の時間がΔｔだけ伸びて、デューティ比が５０％に対して変化する。デューティ比が変化すると、平滑回路３０９の出力電圧に反映される。よって、この電圧値の変化を電圧計３１０で測定すれば、遅延波の影響を数値化することができることになる。

信号処理回路３１１は、アンテナ３０１内のインピーダンス制御回路３０５にインピーダンス制御信号を発して、適応アンテナのビーム制御を行うことができる。そこで、ビーム制御をしつつ、電圧値、すなわち遅延波の影響を評価し、適応アンテナの最適状態を見出すことが可能となる。最適化の方法は、全ての状態を総当りする方法や、特許文献１や特許文献２に記載された遺伝的アルゴリズムや、最急勾配法などの周知の手法が適用可能であるが、これらに限定されるものではない。このようなプロセスにより、遅延波の影響が少ない状態に設定した後、データ通信に移行すれば、マルチパスの影響をうけない良好な受信を行うことができる。

なお、デューティ比が５０％に対応する平滑回路の出力電圧が、予め校正（キャリブレーション）できない場合、リミッタ増幅器３０８の直前、またはより前段階で、デューティ比が５０％の校正信号を入力して、随時校正することも可能である。更に、この例では、デューティ比を５０％としたが、本発明はデューティ比の変化を検出するものであるので、具体的な値に限定されるものではない。以上に述べた適応アンテナの最適化は、一定間隔または適宜行ってもよい。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。装置の構成は第１の実施の形態と同じである。異なる点は、送信機から送出するデューティ比は既知ではなく、一定であることである。この形態ではデューティ比が最小（図３の例では、信号が反転している場合には、デューティ比が最大）となるように最適化すればよいことになる。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。装置の構成は第１および第２の実施の形態と同じである。異なる点は、図９における送信機２０のベースバンド処理回路２４にある変調速度制御部２６が、規範信号のシンボル速度を制御する点である。

シンボル速度は、データ信号の伝送と同じ程度である速度を含み、それよりも遅い速度、または早い速度にも設定され得る。先の第１および第２の実施の形態では、主波と１つの遅延波が到来する場合についての説明を行ったが、実際には複数の遅延波が到来する場合がある。そのとき、マルチパスの影響を受けているにもかかわらず、たまたま選んだシンボル速度にてデューティ比が最適値と同じになる可能性がある。このような場合には、シンボル速度を変化させながら、デューティ比を測定する。

なおシンボル速度が遅い場合には、図２で説明したように（適応アンテナの状態に関わらず）マルチパスの影響を受けにくい。この状態から順次シンボル速度を増加させ、デューティ比を観測し、途中でデューティ比の大きな変化がないことで、誤った最適状態を避けることが可能になる。

次に、図４を参照して本発明の第４の実施の形態について説明する。これまでに述べた実施の形態と同じように、送信された無線信号は、図４に示す受信機４００のアンテナ４０１で受信され、受信部４０６で増幅やフィルタリング処理され、復調器４０７でベースバンド信号へと変換され、リミッタ増幅器４０８で波形整形される。リミッタ増幅器４０８からはデータ信号が出力されると共に、平滑回路４０９にも信号が送られる。平滑回路４０９から出力された電圧は電圧計４１０で測定され、遅延波の影響が数値化される。復調器４０７の出力はＡＤＣ４１２にも送付され、規範信号のパターンが照合される。

本実施の形態では、第３の実施の形態と同様、シンボル速度が遅い場合と速い場合に、デューティ比を測定する。但し、デューティ比が遅い場合には、ＡＤＣ４１２を用いて規範信号のパターンを照合し、従来の適応アンテナの制御と同じように相関を求める。第３の実施の形態と比べた場合、シンボル速度が遅い場合にパターン照合を行い、適応アンテナを最適化するので、デューティ比を頼りにシンボル速度を上げていくことにより、確実に最適状態を見つけることが可能となる。またパターン照合は、シンボル速度が遅い場合のみ行われるので、安価で消費電力も少ない比較的低速なＡＤＣを利用することが可能である。

以上に述べた実施の形態では、特にデータを復調する際に、ＡＤＣを用いない受信機構成で有用である。例えば、振幅変調では、変調器にスイッチを、復調器には包絡線検波器を用いることができ、超高速伝送が簡単な構成で安価に実現できる。また、直交変調によるＱＰＳＫなどでは、ＡＤＣを利用せずとも再生されたキャリアと位相分別器などで復調可能であり、本発明を適用した場合の有効性は大きい。

本発明の第５の実施の形態について、図５を参照しつつ説明する。これまでに述べた実施の形態と同じように、送信された無線信号は、図５に示す受信機５００のアンテナ５０１で受信され、受信部５０６で増幅やフィルタリング処理され、復調器５０７から直交信号（Ｉ，Ｑ信号）が出力される。このＩ，Ｑ信号は、それぞれリミッタ増幅器５０８−１，５０８−２で波形整形される。リミッタ増幅器５０８−１，５０８−２の各出力の一方は平滑回路５０９−１，５０９−２に送られ、その出力電圧は電圧計５１０−１，５１０−２でそれぞれ測定され、遅延波の影響が数値化される。

こうして得られた値を受けた信号処理回路５１１は、これら信号を処理してアンテナ５０１内のインピーダンス制御回路５０５にインピーダンス制御信号を発して、適応アンテナのビーム制御を行う。なお、リミッタ増幅器５０８−１，５０８−２の各出力の他方は、Ｉ，Ｑデータとしてそれぞれ出力される。

本実施の形態では、直交信号に対しての構成を示しているが、適応アンテナの制御の方法や得られる効果については、第１〜３の実施の形態で記したものと変わらない。なお、送信側でもそれぞれのチャンネルに対し、規範信号を出力する必要があることは言うまでもない。また、データ出力（Ｉ，Ｑ信号）は、リミッタ増幅器から取出す構成としたが、データ出力として、復調器から直接取出す構成にしてもよい。

本発明の第６の実施の形態について、図６を参照しつつ説明する。これまでに述べた形態と同じように、送信された無線信号は、図６に示す受信機６００のアンテナ６０１で受信され、受信部６０６で増幅やフィルタリング処理され、復調器６０７でベースバンド信号へと変換され、スイッチ６１３を経由してリミッタ増幅器６０８で波形整形される。以後の構成は、第１の実施の形態と同じである。

唯一の違いは、スイッチ６１３を設けたことであるが、これは以下のように機能させる。無線装置の回路では、ＤＣ分離のために回路間や回路内でキャパシタによるＡＣ結合をとるケースが多い。この場合、デューティ比が異なる信号が入力されても、平滑されると同じ電圧値、即ちゼロに収束する。このような場合には、このスイッチ６１３をオン／オフして過渡的に判定する。図７にはその過程を示す。

所定の期間、スイッチ６１３をオンとして一定のデューティ比である規範信号を受信し（ａ）、その後スイッチ６１３をオフにする。図７によれば、（ｂ）〜（ｄ）にそれぞれ示す様に、オフ直後の電圧の絶対値はデューティ比によって異なる。この関係により、デューティ比を推定することができる。得られた情報を基に、信号処理回路６１１は適応アンテナの制御を行うことができる。なお、ここで述べたスイッチ６１３は、受信機内の平滑回路の前、あるいは送信機内に設けてもよい。更に物理的にスイッチを用いなくても、信号を遮断、復帰できる等価的な機能、即ち規範信号を送出・停止する機能があればよい。

これまでに述べた実施の形態では、受信側に適応アンテナが設けられた構成のみであるが、送信側に設けてもよい。その場合、受信機で得られたデューティ比の情報を、送信側に伝送する手段を設ければ実現可能になる。

本発明は、マルチパス環境の影響が受けやすい屋内用の超高速無線通信装置といった用途に適用できる。また、マルチパスの影響を受ける可能性のある屋外用途にも適用可能である。

本発明の第１の実施の形態を示す受信機のブロック図である。 マルチパス環境での受信波形を説明するための図である。 本発明の各実施の形態におけるリミッタ増幅器の出力波形を示した図である。 本発明の第２の実施の形態を示す受信機のブロック図である。 本発明の第３の実施の形態を示す受信機のブロック図である。 本発明の第４の実施の形態を示す受信機のブロック図である。 図６の例において、スイッチ６１３により信号がオン／オフされる際の過渡応答の例を示した図である。 適応アンテナの一般的構成例を示すブロック図である。 送信機の構成の一例を示すブロック図である。 適応アンテナを有するＡＳＫ受信機の構成例を示した図である。

符号の説明

１１ アンテナ
１２ 主放射素子
１３ 寄生素子
１４ インピーダンス可変素子
１５ インピーダンス制御回路
２０ 送信機
２１ アンテナ
２２ 送信部
２３ 変調器
２４ ベースバンド処理回路
２５ 規範信号発生器
２６ 変調速度制御部
３００，４００，５００，６００，１０００ 受信機
３０１，４０１，５０１，６０１，１００１ アンテナ
３０５，４０５，５０５，６０５，１００５ インピーダンス制御回路
３０６，４０６，５０６，６０６，１００６ 受信部
３０７，４０７，５０７，６０７，１００７ 復調器
３０８，４０８，６０８，１００８，
５０８−１，５０８−２ リミッタ増幅器
３０９，４０９，６０９，５０９−１，５０９−２ 平滑回路
３１０，４１０，６１０，５１０−１，５１０−２ 電圧計
３１１，４１１，５１１，６１１，１０１１ 信号処理回路
４１２，１０１２ ＡＤＣ
６１３ スイッチ

Claims (13)

1. 送信機と、前記送信機により既知のデューティ比を有するパルス列信号を変調して送信された送信信号が入力される適応アンテナを有する受信機とを含む通信システムであって、
   前記受信機は、
   前記適応アンテナによる受信信号を復調する手段と、
   この復調出力を振幅制限する手段と、
   この振幅制限出力を平滑化してこの平滑電圧に基づいて前記復調出力のデューティ比を推定し、この推定デューティ比と前記既知のデューティ比との対応から、前記受信信号と前記送信信号との相関を検出してこの検出結果に応じて前記適応アンテナのインピーダンス制御をなす手段とを有することを特徴とする通信システム。
2. 送信機と、前記送信機により一定のデューティ比を有するパルス列信号を変調して送信された送信信号が入力される適応アンテナを有する受信機とを含む通信システムであって、
   前記受信機は、
   前記適応アンテナによる受信信号を復調する手段と、
   この復調出力を振幅制限する手段と、
   この振幅制限出力を平滑化してこの平滑電圧に基づいて前記復調出力のデューティ比を推定し、この推定デューティ比と前記一定のデューティ比との対応から、前記受信信号と前記送信信号との相関を検出してこの検出結果に応じて前記適応アンテナのインピーダンス制御をなす手段とを有することを特徴とする通信システム。
3. 前記送信機から送信される前記信号の伝送速度を、システムのシンボル速度を含んで変化させる手段を有することを特徴とする請求項１または２記載の無線通信システム。
4. 前記送信機から送信される前記信号は既知のパターンであり、
   前記受信機は、前記信号の伝送速度が前記シンボル速度よりも遅い場合、受信信号のパターンを検出する手段、この検出パターンと前記既知のパターンとの相関を検出する手段を、更に有することを特徴とする請求項３記載の無線通信システム。
5. 前記送信機からの変調出力は、振幅変調または直交変調信号であることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の無線通信システム。
6. 前記受信機は、前記平滑化をなす前に、信号遮断をなす手段を更に有することを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の無線通信システム。
7. 前記送信機は、前記信号の送出停止機能を有することを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の無線通信システム。
8. 適応アンテナを有する受信機であって、
   既知のデューティ比を有するパルス列信号を変調して送信された送信信号を前記適応アンテナで受信して復調する手段と、
   この復調出力を振幅制限する手段と、
   この振幅制限出力を平滑化してこの平滑電圧に基づいて前記復調出力のデューティ比を推定し、この推定デューティ比と前記既知のデューティ比との対応から、前記受信信号と前記送信信号との相関を検出してこの検出結果に応じて前記適応アンテナのインピーダンス制御をなす手段とを含むことを特徴とする受信機。
9. 適応アンテナを有する受信機であって、
   一定のデューティ比を有するパルス列信号を変調して送信された送信信号を前記適応アンテナで受信して復調する手段と、
   この復調出力を振幅制限する手段と、
   この振幅制限出力を平滑化してこの平滑電圧に基づいて前記復調出力のデューティ比を推定し、この推定デューティ比と一定のデューティ比との対応から、前記受信信号と前記送信信号との相関を検出してこの検出結果に応じて前記適応アンテナのインピーダンス制御をなす手段と含むことを特徴とする受信機。
10. 前記送信信号は、その伝送速度がシステムのシンボル速度を含んで変化されていることを特徴とする請求項８または９記載の受信機。
11. 前記送信信号は既知のパターンであり、
    前記伝送速度が前記シンボル速度よりも遅い場合、受信信号のパターンを検出する手段と、
    この検出パターンと前記既知のパターンとの相関を検出する手段とを、更に有することを特徴とする請求項１０記載の受信機。
12. 前記送信信号は振幅変調または直交変調信号であることを特徴とする請求項８〜１１いずれか記載の受信機。
13. 前記平滑化をなす前に、信号遮断をなす手段を更に含むことを特徴とする請求項８〜１２いずれか記載の受信機。

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