JP6542114B2 - 衛星受信装置および受信方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、例えばＶＳＡＴ（Very Small Aperture Terminal）に適用可能な衛星受信装置および受信方法に関する。

ＶＳＡＴは、静止衛星と通信するための装置のうち、アンテナ開口が比較的小さなものとして知られている。車載型のハードウェアも提供されていて、その機動性を活かして災害現場などでの利用が始まっている。移動通信インフラと連携させて利用されることも多い。

特開２００２−２７１２２４号公報

この種のシステムにおいても、近年ではマルチチャンネル／広帯域ＶＳＡＴと称して広帯域化、多チャンネル化が図られようとしている。必然的に受信系統の構成が肥大化しがちであるが、何らかの工夫によりそれを抑え、小型で軽量な衛星受信装置が要望されている。

目的は、構成簡易にして軽量化を図った衛星受信装置およびその受信方法を提供することにある。

実施形態において、衛星受信装置は、高周波部と、局部発振器と、直交復調部と、信号処理部とを具備する。高周波部は、複数のトランスポンダを備える人工衛星から受信した無線信号を中間周波数信号に変換する。局部発振器は、複数のトランスポンダの各々のカバーバンドの間のガードバンドに含まれる周波数のローカル周波数信号を出力する。直交復調部は、局部発振器から出力されたローカル周波数信号を用いて中間周波数信号を直交復調して、互いに直交するベースバンドのＩＱ複素信号を生成する。信号処理部は、ＩＱ複素信号から無線信号に含まれる伝送データを再生する。

図１は、ＶＳＡＴを利用した衛星通信システムの一例を示す図である。 図２は、実施形態に係るＶＳＡＴ局の一例を示す機能ブロック図である。 図３は、受信ＩＦ部７０および復調部８０の一例を示す機能ブロック図である。 図４は、各トランスポンダのカバーバンドＴ１，Ｔ２，Ｔ３と、ローカル周波数信号の周波数Ｌｏとの関係の一例を示す図である。 図５は、図４の周波数設定に基づくダイレクトコンバージョンについて説明するための図である。 図６は、ダウンコンバート後のカバーバンドＴ１，Ｔ２，Ｔ３およびガードバンドの関係を模式的に示す図である。 図７は、既存の衛星受信装置における周波数変換の一例を示す図である。

図１は、ＶＳＡＴを利用した衛星通信システムの一例を示す図である。このシステムは、複数のトランスポンダを搭載する静止軌道上の通信衛星ＳＡＴを中核として形成される。地上側には、固定局１１，１４〜１ｎが例えば県庁所在地などに設置される。車載局１２あるいは可搬局１３を、災害現場などに設置することも可能である。固定局１１，１４〜１ｎ、車載局１２、および可搬局１３はそれぞれＶＳＡＴ局を備え、それぞれ通信衛星ＳＡＴを経由して通信することが可能である。

例えば、災害現場の映像を衛星回線で主要拠点（固定局１１）や各拠点（固定局１４〜１ｎ）に送信して、災害状況の把握の一助とすることができる。また、衛星回線によるＶｏＩＰ（Voice over IP）通話やＴＶ会議により、関係部署間の情報共有や災害対応協議にも利用できる。この種のシステムは自治体の防災システムの一つとして構築されることが多い。

例えば、２３本のトランスポンダを搭載する人工衛星がある。このうち帯域の隣接する３つのトランスポンダを利用する自治体防災システムが知られている。この種のシステムでは、或る局から発信要求が生じると、各地球局（固定局１１、１４〜１ｎ、車載局１２、および可搬局１３）に対して予め確保された共用回線のうちから接続可能な回線を回線制御装置（図示せず）が選択し、発信要求元に割り当てる。このような回線割り当て方式はＤＡＭＡ（Demand Assignment Multiple Access：接続要求割り当て）と称される。

実施形態において、Ｋｕバンドの人工衛星を想定し、地上から衛星へのアップリンク帯域を１４ＧＨｚ〜１４．５ＧＨｚとし、衛星から地上へのダウンリンク帯域を１２．２５ＧＨｚ〜１２．７５ＧＨｚとする。また、いわゆるマルチチャンネルＶＳＡＴを例に採り、人工衛星に備わる３つのトランスポンダを利用して、同時使用帯域が１２０ＭＨｚ（３８ＭＨｚ×３トランスポンダ＋ガードバンド）で、可変範囲が最大５００ＭＨｚの帯域にて複数のキャリアで送受信することを想定する。

各トランスポンダのカバーバンドをＴ１，Ｔ２，Ｔ３と表記する。すなわちＴ１，Ｔ２，Ｔ３の帯域幅はそれぞれ３８ＭＨｚであり、Ｔ１とＴ２との間、およびＴ２とＴ３との間にそれぞれ２ＭＨｚのガードバンドがある。つまり３つのトランスポンダの各々のカバーバンドは、Ｋｕバンドにおいて２ＭＨｚのガードバンドを隔てて配置される、それぞれ３８ＭＨｚの帯域幅の範囲である。

図２は、実施形態に係るＶＳＡＴ局の一例を示す機能ブロック図である。図２に示されるＶＳＡＴ局１において、送信信号は符号化部１０でＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）符号化されたのち送信ＩＦ（Intermediate Frequency）部２０に入力される。送信ＩＦ部２０は、ＱＰＳＫ符号化されたディジタルデータに基づいて搬送波を直交ディジタル変調し、送信ＲＦ（Radio Frequency）部４０に入力する。送信ＲＦ部４０は、直交ディジタル変調された信号（アナログ）を送信帯域にまでアップコンバートし、送信アンテナ５１経由で通信衛星ＳＡＴに向け送信する。
送信アンテナ５１のアンテナ素子は、平面アンテナＡＮＴ上に形成されても良い。また、同じ平面アンテナＡＮＴに、受信アンテナ５２のアンテナ素子を形成しても良い。

一方、通信衛星ＳＡＴのトランスポンダから到来した無線信号は受信アンテナ５２で捕捉されて受信ＲＦ部６０に送られる。受信ＲＦ部６０は、無線信号をダウンコンバートして受信ＩＦ信号に変換し、受信ＩＦ部７０に入力する。

一方、局部発振器３０がローカル周波数信号を発生する。ローカル周波数信号の周波数Ｌｏは、Ｔ１とＴ２との間のガードバンドに含まれる周波数、または、Ｔ２とＴ３との間のガードバンドに含まれる周波数である。実施形態ではローカル周波数信号の周波数Ｌｏを、Ｔ１とＴ２との中央（センター）の周波数とする。

受信ＩＦ部７０は、ローカル周波数信号と受信ＩＦ信号とをミキシングして復調部８０に入力する。復調部８０は、受信ＩＦ信号を直交復調して、互いに直交するベースバンドのＩＱ複素信号を生成し、処理回路９０に入力する。処理回路９０は、トランスポンダから受信された無線信号に含まれる伝送データを上記ＩＱ複素信号から再生し、受信信号を得る。

図２において、少なくとも符号化部１０および復調部８０を共通のＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）上に形成することが可能である。これにより処理の高速化や小型化を促すことができる。さらに、受信ＩＦ部に備わるアナログ／ディジタル変換器の帯域を狭くすることで大幅な小型化及び低コスト化を促すことができる。以下にその新規な手法につき詳しく説明する。

図３は、受信ＩＦ部７０および復調部８０の一例を示す機能ブロック図である。受信ＩＦ信号は受信ＩＦ部７０の直交復調器７１に入力され、局部発振器３０のローカル周波数信号とミキシングされて直交復調されて、Ｉ信号およびＱ信号（ＩＱ複素信号）が生成される。例えばＩ信号がローパスフィルタ（ＬＰＦ）７２に入力され、Ｑ信号がローパスフィルタ（ＬＰＦ）７３に入力される。ＬＰＦ７２，７３はそれぞれチャンネルフィルタ（ロールオフフィルタ）として機能し、それぞれＩ信号、Ｑ信号から所望波成分を取り出す。この所望波成分はアナログ／ディジタル変換器７４に入力される。

アナログ／ディジタル変換器７４は、所望波成分をアナログ／ディジタル変換して符号化データを抽出する。この符号化データは復調部８０の、例えば４系統の直交復号器８１１〜８１４に入力される。直交復号器８１１〜８１４は符号化データを復号し、さらにデコーダ８２１〜８２４により各チャンネル分の伝送データが再生される。

次に、上記構成における作用を説明する。先に述べたように、同時使用帯域が１２０ＭＨｚで、可変範囲が最大５００ＭＨｚの帯域にて複数のキャリアで送受信することを想定する。また、送信アップリンク帯域を１４ＧＨｚ〜１４．５ＧＨｚ、受信ダウンリンク帯域を１２．２５ＧＨｚ〜１２．７５ＧＨｚとした。さらに、受信系において映像用ＩＲＤの接続ポートを設けることを考える。そうすると、汎用の受信モジュールを使うことを前提にすれば、受信ＩＦ信号の帯域は９５０ＭＨｚ〜１４５０ＭＨｚとなる。さらに、受信ＲＦ部６０におけるダウンコンバート用の局発周波数が１１．３ＧＨｚに決まり、符号化部１０における送信周波数が２７００ＭＨｚ〜３２００ＭＨｚに決まる。

図４は、各トランスポンダのカバーバンドＴ１，Ｔ２，Ｔ３と、ローカル周波数信号の周波数Ｌｏとの関係の一例を示す図である。実施形態では、Ｔ１とＴ２との中央にローカル周波数信号の周波数Ｌｏを設定する。

図５は、図４の周波数設定に基づくダイレクトコンバージョンについて説明するための図である。すなわちＴ１とＴ２との中央にＬｏを設定することで、受信ＲＦ部６０で９５０ＭＨｚ〜１４５０ＭＨｚに変換された受信ＩＦ信号は、図５（ａ）に示される状態から図５（ｂ）に示されるように、Ｔ１とＴ２とが折り返しで重なった状態でベースバンドにダウンコンバートされる。つまり９５０ＭＨｚ〜１４５０ＭＨｚの中間周波数信号が−４０〜＋８０ＭＨｚのＢＢ（ベースバンド）信号に落とされる。復調部８０においては、−４０〜＋８０ＭＨｚのＩＱ複素信号から所望の信号（例えばＢＷ＝５０ｋＨｚ〜８ＭＨｚ）を選択し、チャンネルフィルタ（ロールオフフィルタ）で所望信号だけを抽出して復調する。

すなわち、上記設定のローカル周波数Ｌｏを用いて直交復調することで、アナログ／ディジタル変換器７４に入力される信号帯域が、１２０ＭＨｚ分の帯域から、図６に示されるように８０ＭＨｚ相当にまで縮小されることになる。

図６に、ダウンコンバート後のカバーバンドＴ１，Ｔ２，Ｔ３およびガードバンド（ＧＢ）の関係を模式的に示す。ここで、ＤＣ（直流）に近い帯域Ｔ１およびＴ２が重なっているが、ＩＱ複素信号においてはこの重なった領域における各信号を容易に識別することが可能である。例えば処理回路９０（図２）において、ＩＱ空間上における複素ベクトルの回転方向に基づいて両信号を識別することが可能である。

図７に示すように既存の衛星受信装置では、一旦ＩＦ信号に周波数変換された受信信号（図７（ａ））を、ＤＣオフセットの影響のない位置のローカル周波数Ｌｏでベースバンド変換し（図７（ｂ））、この状態からアナログ／ディジタル変換するようにしていた。よって１２０ＭＨｚ相当の帯域をそのままサンプリングしなくてはならないので、回路規模が大きくなる。例えば２６０ＭＨｚ以上のサンプリング周波数が必要になるので、汎用品を使うことも難しい。このような超高速のアナログ／ディジタル変換器は価格も高く、ＦＰＧＡの内部に組み込むことも困難である。また、ＩＦ信号の周波数に対する減衰特性が厳しいので、イメージ除去フィルタ（アナログのＩＦフィルタ）にも厳しい特性を求められる。このような事情から回路規模の拡大に拍車がかかり、コスト的にも不利であった。

仮に、第２のトランスポンダのカバーバンドＴ２のセンター周波数でダイレクトにＢＢ（ベースバンド）に落とすことでベースバンド帯域を縮小しようとしても、ＤＣオフセットの影響が大きく出てしまう。マルチチャンネルの場合、１キャリアのレベルが非常に低いので、ダイレクト復調で発生するＤＣオフセットの影響を大きく受ける傾向にある。

そこで実施形態では、ＩＦ信号に変換されたＴ１、Ｔ２およびＴ３の帯域の信号を、Ｔ１とＴ２の間のガードバンドに設定したローカル周波数Ｌｏでベースバンド変換する。つまり、トランスポンダ間に設けられている２ＭＨｚのガードバンド（ＧＢ）のセンターを０Ｈｚにすべくダウンコンバートするようにした。これによりマルチチャンネルおよび広帯域化されたＶＳＡＴにおいてＤＣオフセットの影響が出ないようにするとともに、アナログ／ディジタル変換器に入力される信号帯域を縮小することができる。

従ってアナログ／ディジタル変換器に要するサンプリング周波数を２００ＭＨｚ程度に抑えることができ、回路規模を削減できるとともに、ＤＣオフセットによる受信Ｓ／Ｎ比の劣化などの弊害も避けることができる。さらに、チャンネルフィルタにより帯域外のＤＣ成分が抑圧されることによっても、ＤＣオフセットの影響を無くすことができる。
これらのことから実施形態によれば、構成簡易にして軽量化を図った衛星受信装置およびその受信方法を提供することが可能となる。

なお本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば図４において、Ｔ１とＴ２との中央にローカル周波数信号の周波数Ｌｏを設定した。これに代えて、Ｔ２とＴ３との中央にローカル周波数信号の周波数Ｌｏを設定することも可能である。
また、図２において、送信系および受信系で個別にアンテナ（送信アンテナ５１、受信アンテナ５２）を設けるようにした。これに代えて、ハイブリッド回路や偏分波器（ＯＭＴ）などを用いて、送信系と受信系とで共通のアンテナを用いるようにしてもよい。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…ＶＳＡＴ局、１０…符号化部、１１…固定局、１２…車載局、１３…可搬局、１４〜１ｎ…固定局、２０…送信ＩＦ部、３０…局部発振器、４０…送信ＲＦ部、５１…送信アンテナ、５２…受信アンテナ、６０…受信ＲＦ部、７０…受信ＩＦ部、７１…直交復調器、７２，７３…ローパスフィルタ、７４…アナログ／ディジタル変換器、８０…復調部、９０…処理回路、８１１〜８１４…直交復号器、８２１〜８２４…デコーダ、Ｔ１，Ｔ２…カバーバンド

Claims (6)

1. 複数のトランスポンダを備える人工衛星から受信した無線信号を中間周波数信号に変換する高周波部と、
   前記複数のトランスポンダの各々のカバーバンドの間のガードバンドに含まれる周波数のローカル周波数信号を出力する局部発振器と、
   前記局部発振器から出力されたローカル周波数信号を用いて前記中間周波数信号を直交復調して、互いに直交するベースバンドのＩＱ複素信号を生成する直交復調部と、
   前記ＩＱ複素信号から前記無線信号に含まれる伝送データを再生する信号処理部とを具備する、衛星受信装置。
2. 前記信号処理部は、
   前記ＩＱ複素信号から所望波成分を取り出すフィルタと、
   前記所望波成分をアナログ／ディジタル変換して符号化データを抽出するアナログ／ディジタル変換器と、
   前記符号化データを復号して前記伝送データを再生する復号部とを具備する、請求項１に記載の衛星受信装置。
3. 前記複数のトランスポンダの各々のカバーバンドは、Ｋｕバンドにおいて２ＭＨｚのガードバンドを隔てて配置されるそれぞれ３８ＭＨｚの帯域幅の範囲である、請求項１に記載の衛星受信装置。
4. 複数のトランスポンダを備える人工衛星から受信した無線信号を中間周波数信号に変換し、
   前記複数のトランスポンダの各々のカバーバンドの間のガードバンドに含まれる周波数のローカル周波数信号用いて前記中間周波数信号を直交復調して、互いに直交するベースバンドのＩＱ複素信号を生成し、
   前記ＩＱ複素信号から前記無線信号に含まれる伝送データを再生する、受信方法。
5. 前記再生することは、
   前記ＩＱ複素信号から所望波成分を取り出すことと、
   前記所望波成分をアナログ／ディジタル変換して符号化データを抽出することと、
   前記符号化データを復号して前記伝送データを再生することとを含む、請求項４に記載の受信方法。
6. 前記複数のトランスポンダの各々のカバーバンドは、Ｋｕバンドにおいて２ＭＨｚのガードバンドを隔てて配置されるそれぞれ３８ＭＨｚの帯域幅の範囲である、請求項４に記載の受信方法。