JP5774229B2 - 無線機、無線機のアンテナ選択方法 - Google Patents

無線機、無線機のアンテナ選択方法 Download PDF

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Description

本発明は、GMSK、GFSK変調におけるSINR値に基づく無線機の送受信アンテナ選択ダイバーシチ技術に関する。
通信方式の1つとして瞬時周波数を変調ベースバンドに比例させて通信を行う周波数変調では、変調信号にガウシアンフィルタを施すことで帯域制限を行うGFSK(Gaussian-filtered Frequency Shift Keying)や、瞬時周波数の偏移が直交する最小の瞬時周波数を用いたGMSK(Gaussian−filtered Minimum Shift Keying)が通信方式として知られている。これらは一般的にFSK変調とも呼ばれている。
また、無線通信では、受信時にマルチパスによって受信電力が大きく低下するフェージングが発生する。フェージングにより受信電力が低下すると、受信信号の復調性能が劣化する問題が発生する。この問題を解決する技術の1つとして、アンテナによる受信される信号の伝搬路が異なることを利用した、複数のアンテナを用いたダイバーシチ技術がある。ダイバーシチ技術には様々な方式が存在するが、その1つに、複数のアンテナから1つを選択するアンテナ選択ダイバーシチ技術がある。アンテナ選択ダイバーシチ技術とは送信または受信時に伝搬路特性がよいアンテナを選択して送信または受信することで、通信品質を向上させる技術である。
特許文献1ではFSK復調器において、プリアンブル信号の検出結果に基づいて受信信号のRSSI値(受信信号強度)がより大きい方のアンテナを選択するダイバーシチ技術が開示されている。
特開平09−064924
しかしながら、特許文献1で開示されている、アンテナ選択ダイバーシチ技術では、RSSI値によりアンテナ選択を行っているが、干渉波が存在する場合には、受信電力が大きくとも干渉波が混入しており、必ずしもRSSI値が大きいアンテナを選択した場合に通信品質が向上するとは限らない。
本発明は上記のような問題を解決するためになされたもので、データフレームのプリアンブルを利用したSINR(Signal to Interference and Noise Ratio)を基準としたアンテナ選択ダイバーシチを用いることで、選択アンテナ精度を向上し、通信品質を向上させることを目的とする。
上述した課題を解決し目的を達成するために、無線機は、アンテナが受信する受信プリアンブル情報と受信プリアンブル情報に対応し予め保持した対応プリアンブル情報に基づいてSINRを算出する無線機において、受信プリアンブル情報に対してシンボル毎に位相信号を算出する積分部、位相信号に基づいて電力値を算出する電力値計算部、位相信号と対応プリアンブル情報の相関値から希望信号電力を算出する相関演算部、電力値と希望信号電力からSINR値を算出するSINR演算部、を備えるものである。
更に、アンテナ選択部を有し、アンテナ選択部は、第1のアンテナが受信した受信プリアンブル情報により算出された第1のSINR値、第2のアンテナが受信した受信プリアンブル情報により算出された第2のSINR値、に基づいてアンテナを選択する。
更にアンテナ切替部を有し、アンテナ切替部は、アンテナ選択部の選択したアンテナに無線信号を送信させる。
更にアンテナ切替部を有し、アンテナ切替部は、アンテナ選択部の選択したアンテナに無線信号を受信させる。
更に位相検出部、ビットタイミングずれ検出部を有し、位相検出部は、相関演算部が算出した希望信号電力に基づいて位相を算出し、ビットタイミングずれ検出部は、前記位相検出部で検出された位相に基づいてビットタイミングずれを検出する。
更に受信電力検出部を有し、選択したアンテナに対応したSINR値が、予め決められた閾値より小さい場合、受信電力検出部は、第1のアンテナが受信プリアンブルを受信した際の第1の受信電力、第2のアンテナが受信プリアンブルを受信した際の第2の受信電力を算出し、受信制御部は、第1の受信電力、第2の受信電力に基づいてアンテナを選択する。
本発明にかかる無線機無線機のアンテナ選択方法は、位相信号に基づいて電力値を算出する電力値計算部、位相信号と対応プリアンブル情報の相関値から希望信号電力を算出する相関演算部によりプリアンブルを使用して希望波と、干渉波及び雑音と、の分離が可能となり、SINR推定値に基づく受信アンテナ選択ダイバーシチによる干渉低減が可能となる。
実施の形態1における無線機の全体図である。 実施の形態1におけるプリアンブル処理部を示す図である。 実施の形態1におけるSINR推定部を示す図である。 実施の形態1におけるフレームの構成を示す図である。 実施の形態1における無線機の送信時のフローチャートである。 実施の形態1における無線機の受信時のフローチャートである。 実施の形態1におけるSINR推定部のフローチャートである。 実施の形態2におけるSINR推定部を示す図である。 実施の形態2における無線機の受信時のフローチャートである。 実施の形態2におけるSINR推定部のフローチャートである。 実施の形態3における無線機の送信時のフローチャートである。 実施の形態4における無線機の全体図である。 実施の形態4における無線機の受信時のフローチャートである。 実施の形態4におけるSINR推定部のフローチャートである。
以下、本発明にかかる無線機および無線機のアンテナ選択方法の実施の形態を図面をもって詳細に説明する。なお、この実施の形態の説明によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1にかかる無線機を示す図である。図1において、100はアンテナ切替部、200はRF部、300はバンドパスフィルタ部、400は変調部、500はフレーム生成部、600は送信制御部、700は復調部、800はプリアンブル処理部、900は受信制御部、110はフレーム検出部、120は第1のアンテナであるアンテナ#1、130は第2のアンテナであるアンテナ#2である。ここでは1つの無線機は無線信号の送信機能と受信機能とを有するとして説明する。また、ここでは無線機がアンテナを2つ有するとして説明するがこれに限られるものではなく、アンテナを3つ以上有する場合もある。
図2は本実施の形態にかかるプリアンブル処理部800の詳細を示す図である。810はビットタイミング検出部、820はSINR推定部である。
図3は本実施の形態にかかるSINR推定部820の詳細を示す図である。821は周波数弁別検波部、822は積分部、823は電力値計算部である2乗計算部、824は相関演算部、825は複素正弦波生成部、826はSINR演算部、827アンテナ選択部である。
図4は無線機が受信するデータのフレーム構成を示す。フレーム構成のうち101はプリアンブル、102はユニークワード、103はPHYペイロードである。プリアンブル101は「0」と「1」のビットからなり「0」が連続し、その後にこの「0」が連続したと同じ回数だけ「1」が連続するものである。「0」「1」が連続しない場合は「0」と「1」とが交互する。例えば「0」「1」が1つ交互に配列する「0101010101・・・」、「0」が2つ連続し「1」が2つ連続して交互に配列する「001100110011・・・」、「0」が3つ連続し「1」が3つ連続して交互に配列する「000111000111・・・」等のパターンがある。なお、ここでは「0」と「1」の順番が逆であっても良い。このプリアンブルの情報は、データを送信する送信機、そのデータを受信する受信機が予め共有する。なお、フレーム構成は必ずしも図4に限定されるものではなく、少なくともプリアンブル101が存在するフレーム構成であればよい。
次に、実施の形態1における無線機の動作について「送信時」「受信時」に分けて説明する。
図5は無線機の「送信時」の動作のフローチャートである。ステップ10では、送信制御部600が上位(例えばMAC部、図示せず)から送信要求を受けた場合、この送信要求に基づいて、アンテナ切替部100、変調部400及びフレーム生成部500に対して後述する指示をだす。
次にステップ11では、フレーム生成部500は、送信制御部600からの指示に基づいて、送出するPHYペイロード103に対して、ユニークワード102、プリアンブル101を付加し、変調部400にこのフレーム信号を出力する。
次にステップ12では、変調部400は、フレーム生成部500から入力されたフレームの信号に対して送信制御部600の指示に基づいてGFSKまたはGMSKの変調を行い、変調した信号をバンドパスフィルタ部300に出力する。
次にステップ13では、バンドパスフィルタ300は、変調部400から入力された変調された信号に対して帯域制限を行い帯域制限した信号をRF部に出力する。
次にステップ14では、RF部200は、バンドパスフィルタ300から入力された帯域制限された信号に対してD/A変換やアップコンバードを実施して無線信号を生成しアンテナ切替部100に出力する。
次にステップ15では、アンテナ切替部100は、送信制御部600からの指示に基づいて指定されたアンテナ(アンテナ♯1又はアンテナ♯2のうち指定されたアンテナ)に対して無線信号を出力し、指定されたアンテナ♯1又はアンテナ♯2は入力された無線信号を相手の受信機に送信する。なお、送信動作は、ここで説明した方法に限定されない。
図6は無線機の「受信時」の動作のフローチャートである。図6のステップ22及びステップ24におけるプリアンブル処理とはビットタイミング処理、SINR推定処理であり、その詳細は後述する。
ステップ21では、受信制御部900はアンテナ#1又はアンテナ♯2を選択して、アンテナ切替部100に対して選択したアンテナに切替えるように指示する。ここではまずアンテナ♯1を選択するとして説明する。アンテナ切替部100により切替えられたアンテナ♯1は検波した電波をRF部200に出力する。RF部200は入力された信号に対してA/D変換及びダウンコンバートを行いバンドパスフィルタ部300に出力する。バンドパスフィルタ部300は入力された信号に対して帯域制限を行い、帯域制限を行った信号を復調部700及びプリアンブル処理部800に出力する。
次にステップ22では、プリアンブル処理部800は、一定期間であるT1だけ入力されたプリアンブル101の信号に対してプリアンブル処理を行う。プリアンブル処理をして算出されたSINR♯1値を受信制御部900に出力する。プリアンブル処理については後述する。
次にステップ23では、受信制御部900は、アンテナ切替部100に対してT1経過後にアンテナ♯1からアンテナ#2に切替をするように指示する。切替されたアンテナ♯2は検波した電波をRF部200に出力し、RF部200はA/D変換及びダウンコンバートを行いバンドパスフィルタ部300に出力する。バンドパスフィルタ部300は入力された信号に対して帯域制限を行い、帯域制限を行った信号を復調部700及びプリアンブル処理部800に出力する。
次にステップ24では、プリアンブル処理部800は、一定期間であるT2だけ入力されたプリアンブル101の信号に対してプリアンブル処理を行う。プリアンブル処理をして算出されたSINR♯2値を受信制御部900に出力する。プリアンブル処理については後述する。
次にステップ25では、受信制御部900は、アンテナ♯1での検波に基づくプリアンブル101に対してプリアンブル処理を行った際に推定したSINR値であるSINR♯1、アンテナ♯2での検波に基づくプリアンブル101に対してプリアンブル処理を行った際に推定したSINR値であるSINR♯2を比較する。
SINR#1が大きい場合は、ステップ27で、受信制御部900がアンテナ切替部100に対してアンテナ#1を選択させ、SINR#2が大きい場合は、ステップ26で、受信制御部900がアンテナ切替部100に対してアンテナ#2を選択させる。SINR値の算出については後述する。
次にステップ28では、復調部700は、ステップ26又はステップ27で選択されたアンテナを使用して検波して得た信号に対して復調を開始する。これにより、最適なアンテナを利用して得た無線信号に対して復調をすることができる。
次にステップ29では、フレーム検出部110は、復調部700の復調結果よりフレームのユニークワード102部分を検出して、ユニークワード102に続くPHYペイロード103の開始位置を検出する。
次にステップ30では、フレーム検出部110でのフレーム開始位置の検出に基づいて復調部700は復調したPHYペイロード103を上位(例えばMAC)へ出力する。
次に、図6におけるプリアンブル処理(ステップ21及びステップ24)の詳細について説明する。図2に示すとおりプリアンブル処理は、プリアンブル処理部800のビットタイミング検出部810はビットタイミング処理を行い、SINR推定部820はSINR推定を行う。
ビットタイミング処理はビットタイミング検出部810で行われるが、ビットタイミング処理としては、一般的な方法として例えばゼロクロスタイミング検出があるが、本願発明はこれに限定されるものではない。
図7を用いてSINR推定部820の動作について説明する。プリアンブル処理が開始されると、ステップ32では、周波数弁別検波部821は周波数弁別処理を行い、GFSK又はGMSK変調された信号の周波数成分を振幅に変換し、変換した信号を積分部822に出力する。
次にステップ33では、積分部822は、周波数弁別検波部821から入力された周波数弁別処理された信号に対してサンプル毎に積分処理を行う。
次にステップ34では、積分部822は、1シンボル経過するまでステップ32、ステップ33を繰り返すことにより積分処理を行い、その積分結果であるシンボル毎の位相信号を2乗計算部823及び相関演算部824に出力する。
次にステップ35では、2乗計算部823は、積分処理で1シンボル分積分された値(n番目のシンボル時の値をph[n])に対して2乗計算を行い、前回の全電力値p[n-1]に積分し、全電力値p[n]として算出する。具体的には、以下の式で算出する。
Figure 0005774229
次にステップ36では、相関演算部824は、積分処理で1シンボル分積分されたph[n]と複素正弦波生成部825で生成された複素正弦波との複素相関をとり前回の相関値に対して複素成分で積分し、希望信号S[n]とする。
ここで、複素正弦波生成部で生成される複素正弦波はn番目のシンボルに対して、
Figure 0005774229
となる複素正弦波を用いる。Nsは1シンボルのサンプル数である。また、Nbは無線信号を送信する送信機と無線信号を受信する受信機の間で予め決められたプリアンブルに基づく値であり、「01」が繰り返される場合2であり、「0011」が繰り返される場合4であり、「000111」が繰り返される場合6となる。
また、S[n]は以下のように計算される。なお、Ph[n]はスカラーであり、S[n]はベクトル値である。また、*は複素乗算である。
Figure 0005774229
プリアンブル処理時間(T1又はT2)が経過するまではステップ32〜ステップ36を繰り返し、プリアンブル処理時間経過した場合は、s[n]を希望信号としてSINR演算部826に出力する。
次にステップ38では、プリアンブル処理時間(T1又はT2)経過後、SINR演算部826は、SINR推定値を算出する。SINR推定値の算出方法は、全電力をP、希望波信号電力をSとし、プリアンブルシンボル数をNsymbとし、以下の様に計算する。
Figure 0005774229
干渉波及び雑音電力をNとすると、
Figure 0005774229
として、雑音電力Nを計算する。上記の、SとNを用いてSINR推定値を
Figure 0005774229
と計算する。ここで、logをとらずにS/NをSINR推定値としてもよい。ステップ22では式(6)をアンテナ♯1が検波した信号に対してSINR#1として記録し、ステップ24ではアンテナ♯2が検波した信号に対してSINR#2として記録する。
そして、アンテナ選択部827は、SINR#1とSINR#2とを比較して、その値が大きい方のアンテナを選択し、その後の電波の検波では選択したアンテナを利用する。
以上に示したように、本発明の実施の形態1にかかる無線機によれば、位相信号に基づいて電力値を算出する電力値計算部、位相信号と対応プリアンブル情報の相関値から希望信号電力によりプリアンブルを使用して希望波と、干渉波及び雑音と、の分離が可能となり、擬似的なSINR推定値に基づく受信アンテナ選択ダイバーシチによる干渉低減が可能となる。
なお、ここでは、無線機がRF部200、バンドパスフィルタ300、復調部700、プリアンブル処理部800、フレーム検出部110等を1つ有するとして説明したが、これに限られるものではない。例えば、これらを2つ有することにより、アンテナ♯1、アンテナ♯2が同時に電波を検波して、検波した同じプリアンブル101に対して独立してプリアンブル処理等をすることにより、SINR#1、SINR#2の推定精度を向上させることができ、受信品質の向上が可能となる。
実施の形態2.
実施の形態1ではプリアンブル処理部はビットタイミング検出部810とSINR推定部820とに分けて説明したが、本実施の形態では相関演算部824の結果を流用してビットタイミング検出を行うためにビットタイミング検出部810が不要となる。つまり相関演算部824の結果を流用してビットタイミング検出を行うことで、ビットタイミング検出部が不要となり無線機の回路規模削減効果がある。なお、ここでは、実施の形態1と異なる事項だけ説明し共通する部分については説明を省略する。
実施の形態1と異なるSINR推定部820の構成を図8で説明する。図8に示すとおりSINR推定部820は、更に位相検出器828及びビットタイミングずれ検出部829を備える。
次に、実施の形態2における無線機の動作について説明する。「送信時」は実施の形態1と同じであるために「受信時」についてのみ説明する。
受信時のフローチャートを図9に示す。ステップ41の動作以外は実施の形態1と同じである。ステップ41では、ステップ22で算出するビットタイミングずれ値Nbit#1(後述)とステップ24で算出するビットタイミングずれ値Nbit#2(後述)から、この選択されたアンテナで算出したビットタイミングずれ値を使ってビットタイミング補正を行う。
実施の形態2にかかる図9のステップ22、ステップ24の処理の動作フローを図10で詳細に示す。ステップ39以外は実施の形態1と同じであるため説明を省略する。ステップ39では、位相検出部828は、相関演算部824で式(3)により算出したベクトルS[Nsymb]に対して、次式(7)を利用して位相phbitを算出する。
Figure 0005774229
続いて、ビットタイミングずれ検出部829で、位相phbitからビットタイミングずれNbitに換算する。式(2)で使用する正弦波は周期がNs+Nbの正弦波であるため、以下の様にビットタイミングずれを算出する。
Figure 0005774229
ステップ22では式(8)の結果をNbit#1として、ステップ24ではNbit#2として記憶する。
以上に示したように、実施の形態2では、相関演算部は希望信号電力に基づいて位相を算出し、ビットタイミングずれ検出部は位相検出部で検出された位相に基づいてビットタイミングずれを検出するため、ビットタイミング処理回路が不要となり、演算規模、回路規模の削減が可能となる。
実施の形態3.
実施の形態1及び実施の形態2では、送信側で固定したアンテナを用いて送信を行い、受信の際に選択したアンテナを利用していることとして説明したが、本実施の形態では、受信側でおこなったSINR推定に基づいて選択したアンテナを送信時にも用いることで、送信及び受信で通信品質の向上が可能となる。本実施の形態における構成図は実施の形態1と同じである。
次に、本実施の形態3における無線機の動作は「受信時」は実施の形態1又は実施の形態2と同じなので「送信時」についてのみ説明する。
無線機の「送信時」の動作フローを図11に示す。ステップ14b以外は実施の形態1又は実施の形態2と同じであるため説明を省略する。ステップ14bでは、受信側で選択されたアンテナを選択し、データを送信する際には選択されたアンテナを利用して無線信号を送出する。
実施の形態3によれば、受信の際に選択したアンテナを送信で使用することで、受信のみならず送信でも通信品質の向上が可能となる。なお、ここでは送信時及び受信時において選択したアンテナを利用するとして説明したが、これに限られるものではなく、送信時のみ選択したアンテナを利用することも可能である。
実施の形態4.
実施の形態4では、受信アンテナの切替をSINR推定と受信電力の両方を基準として行うものである。SINR推定のみを基準にアンテナを選択する際、両アンテナのSINR値の絶対値が小さい場合、必ずしも適切なアンテナ選択が出来ない場合があり、受信電力が大きい方のアンテナを使用した方がよい場合がある。そこで、選択したアンテナのSINR推定値があるしきい値以下の場合は受信電力の大きい方のアンテナを用いて受信する。そうすることで、受信アンテナ精度をさらに向上させることが可能となる。
実施の形態4にかかる構成図を図12に示す。受信電力検出部140以外は実施の形態1乃至実施の形態3と同じである。
次に、実施の形態4における無線機の動作について説明する。「送信時」は実施の形態1乃至実施の形態3と同じなので「受信時」についてのみ説明する。無線機の受信時の動作フローを図13に示す。ステップ21乃至ステップ25、ステップ28乃至30は実施の形態1乃至実施の形態3と同じである。
また、プリアンブル処理部800の動作も実施の形態1乃至実施の形態3と同じである。ステップ71ではステップ22のプリアンブル処理の区間、受信電力計算部140はアンテナ#1を用いて1シンボル当りの平均受信電力POW#1を計算する。
ステップ72ではステップ24のプリアンブル処理の区間、受信電力計算部140はアンテナ#2を用いて受信電力計算部140で1シンボル当りの平均受信電力POW#2を計算する。
ステップ73、ステップ74では、ステップ25において受信制御部900は、プリアンブル処理部800で算出したSINR推定値#1、SINR推定値#2の大きい方を選択し、SINR_MAXとする。
ステップ75では受信制御部900で予め設定されている閾値SINR_THとSINR_MAXを比較する。
ステップ76では、SINR_MAXの値がSINR_THよりも小さい場合は、POW#1とPOW#2を比較する。一方、ステップ77では、SINR_MAXの値がSINR_THよりも大きい場合はSINR_MAXのアンテナを選択する。
ステップ77ではPOW#2が大きい場合はアンテナ#2を選択する。ステップ78では、POW#1が大きい場合はアンテナ#1を選択する。アンテナ選択後の動作は実施の形態1乃至実施の形態3と同じである。なお、受信電力POW#1、POW#2の計算は、受信電力計算部140でなく、バンドパスフィルタ部300の出力結果から求めてもよい。
以上に示したように、実施の形態4では、SINR推定値に基づいて選択したアンテナのSINR値が予め決められたしきい値よりも小さい場合は、受信電力値に基づいてアンテナ選択することで、アンテナ選択精度を向上することが可能となる。
以上のように、本発明にかかる無線機無線機によるアンテナ選択方法は、通信品質を向上させるのに適している。
100:アンテナ切替部、200:RF部、300:バンドパスフィルタ部、400:変調部、500:フレーム生成部、600:送信制御部、700:復調部、800:プリアンブル処理部、900:受信制御部、110:フレーム検出部、120:アンテナ#1、130:アンテナ#2、810:ビットタイミング検出部、820:SINR推定部、821:周波数弁別検波部、822:積分部、823:2乗計算部、824:相関演算部、
825:複素正弦波生成部、826:SINR演算部、827:アンテナ選択部、101:プリアンブル、102:ユニークワード、103:PHYペイロード、140:受信電力計算部

Claims (7)

  1. アンテナが受信した受信プリアンブル情報と該受信プリアンブル情報に対応し予め保持した 対応プリアンブル情報に基づいてSINRを算出する無線機において、
    前記受信プリアンブル情報に対してシンボル毎に位相信号を算出する積分部、
    該位相信号に基づいて電力値を算出する電力値計算部、
    前記位相信号と前記対応プリアンブル情報の相関値から希望信号電力を算出する相関演算部、
    前記電力値と前記希望信号電力からSINR値を算出するSINR演算部、
    を備えたことを特徴とする無線機。
  2. 更に、アンテナ選択部を有し、
    該アンテナ選択部は、第1のアンテナが受信した受信プリアンブル情報により算出された第1のSINR値、第2のアンテナが受信した受信プリアンブル情報により算出された第2のSINR値、に基づいてアンテナを選択すること
    を特徴とする請求項1に記載の無線機。
  3. 更にアンテナ切替部を有し、
    該アンテナ切替部は、前記アンテナ選択部の選択したアンテナに無線信号を受信させること
    を特徴とする請求項2に記載の無線機。
  4. 更にアンテナ切替部を有し、
    該アンテナ切替部は、前記アンテナ選択部の選択したアンテナに無線信号を送信させること
    を特徴とする請求項2に記載の無線機。
  5. 更に位相検出部、ビットタイミングずれ検出部を有し、
    該位相検出部は、前記相関演算部が算出した希望信号電力に基づいて位相を算出し、
    前記ビットタイミングずれ検出部は、前記位相検出部で検出された位相に基づいてビットタイミングずれを検出すること
    を特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の無線機。
  6. 更に受信電力検出部を有し、
    前記選択したアンテナに対応したSINR値が、予め決められた閾値より小さい場合、
    前記受信電力検出部は、第1のアンテナが受信プリアンブルを受信した際の第1の受信電力、第2のアンテナが受信プリアンブルを受信した際の第2の受信電力を算出し、
    前記アンテナ選択部は、前記第1の受信電力、前記第2の受信電力に基づいてアンテナを選択すること
    を特徴とする請求項2に記載の無線機。
  7. アンテナが受信する受信プリアンブル情報と該受信プリアンブル情報に対応し予め保持した対応プリアンブル情報に基づいてSINRを算出する無線機のアンテナ選択方法において、
    前記受信プリアンブル情報に対してシンボル毎に位相信号を算出する積分ステップ、
    該位相信号に基づいて電力値を算出する電力値計算ステップ、
    前記位相信号と前記対応プリアンブル情報の相関値から希望信号電力を算出する相関演算ステップ、
    前記電力値と前記希望信号電力からSINR値を算出するSINR演算ステップ、
    を備えたこと
    を特徴とする無線機のアンテナ選択方法。
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