JPS6216584B2

JPS6216584B2 -

Info

Publication number: JPS6216584B2
Application number: JP54093866A
Authority: JP
Inventors: Fumio Ikegami
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-07-24
Filing date: 1979-07-24
Publication date: 1987-04-13
Also published as: JPS5617536A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は移動無線通信に適した可変指向性ア
ンテナを用いる無線受信装置に関する。

移動無線通信においては、多重路波の干渉によ
つて生じるフエージングによる通信の瞬断など通
信品質の劣化が大きな問題となつている。

この種のフエージングを効果的な軽減する方式
として、可変指向性アンテナを用い、その指向性
を受信出力に応じて制御するしきい値付指向性ダ
イバシテイ受信方式が考えられている。この方式
は空間、周波数、偏波などの差によるダイバシテ
イ効果を利用する周知のダイバシテイ受信方式と
比較してアンテナ以後の受信系統が１組で済み経
済的である。また、この方式では複数のアンテナ
出力をそれぞれに可変移相器や可変減衰器を介し
て合成して１つの可変指向性アンテナとして動作
させるため、２つのアンテナと１台の受信機を用
い受信出力がしきい値以下に低下したとき他のア
ンテナに切替えるしきい値付切替ダイバシテイ受
信方式と比較しても速応性、通信品質の向上の点
で有利である。すなわちしきい値付切替ダイバシ
テイ方式では、両方のアンテナの受信出力が共に
しきい値以下に低下したとき切替器がバタツキを
起して受信不能となるのを防ぐため、フエージン
グを平均化して受信信号の平均値に応じて切替器
を動作させたり、切替後ある一定時間は受信出力
が低下してもそのままの状態を保持する等の対策
が必要であり、その結果早いフエージングに対す
る改善効果が失なわれてしまう。また切替器の動
作時に発生する信号の瞬断や、切替に伴う信号の
振幅、位相の不連続的変化による雑音の発生とい
つた致命的な欠点がある。

一方、指向性を段階的に遷移させることが可能
な可変指向性アンテナを用い、受信信号レベルが
しきい値以下に低下したとき指向性を遷移させて
ダイバシテイ受信を行なうようにすれば、切替雑
音は減少すると考えられる。しかしながら、この
方式でも実用上次の問題がある。

第９図はある致来電波に対して可変指向性アン
テナの指向性を変化させたときの受信機の受信信
号レベルの変化の一例を示したものである。この
図において今、指向性が２または３の状態で受信
しているとすると、そのときの受信信号レベルは
しきい値より小さいので、アンテナを他の指向性
１，４，５等に遷移させて受信信号レベルがしき
い値以上となるように制御する必要がある。とこ
ろが指向性の遷移方向を例えば１→２→３→４→
５の方向にとつたとすると、３の指向性で受信し
ていた場合は指向性が４に遷移するとき受信信号
レベルが徐々に増加するので問題はないが、２の
指向性で受信していた場合は指向性が１に遷移す
る過程で受信信号レベルが一旦大きく低下する。
逆に指向性の遷移方向を５→４→３→２→１の方
向にとつたとすると、３の指向性で受信ていた場
合に指向性が２に遷移する過程で受信信号レベル
の低下を生じる。

このように可変指向性アンテナの指向性の遷移
方向を一方向に規定すると、その遷移過程で受信
信号レベルの低下が一時的に起ることがある。こ
の受信信号レベルの低下は極く短時間であるが、
デイジタル通信などでは符号誤りの原因となり受
信品質の劣化を招く。

また、この従来のしきい値付タイバーシテイ受
信方式では、指向性の遷移方向を５→４→３→２
→１にとつた場合は、例えば３の状態で受信して
いたときは指向性が２の状態を経て、受信信号レ
ベルがしきい値を越える１の状態に移行すること
になり、逆方向に遷移させた場合に比べて時間が
かかるという問題もあつた。

この発明は、指向性が双方向に循環して段階的
に遷移可能な可変指向性アンテナについて受信信
号レベルの増加する指向性の遷移方向の自動的に
決定し、この決定された方向に指向性を遷移させ
て制御することにより、指向性遷移過程での受信
信号レベルの低下をなくして安定良好な受信が行
なえるようにした無線受信装置を提供することを
目的とする。

以下この発明を実施例により詳細に説明する。

第１図はこの発明の一実施例に係る無線受信装
置の構成を示したものである。この図において１
０は可変指向性アンテナであり、複数（この例で
は２個）のアンテナ素子１１，１２と、これらの
アンテナ素子１１，１２の各出力をそれぞれ切替
移相器および可変減衰器を適宜直列に介して合成
する電子回路部分からなる。すなわちアンテナ素
子１１，１２はこの例では水平偏波ダイポール素
子であり、互いに直交して配置されている。

アンテナ素子１１の出力は切替移相器１４に直
接加えられ、またアンテナ素子１２の出力は固定
移相器１３を介して切替移相器１５に加えられ
る。固定移相器１３は例えばπ／２の一定の移相
量を持ち、また切替移相器１４，１５は外部から
の電気的制御によつて移相量が例えば０とπの２
段階に不連続に切替可能なもので、いずれも遅延
線あるいは表面弾性波素子や半導体素子などを用
いて容易に実現できる。なお、固定移相器１３は
切替移相器１５を含ませてもよい。

切替移相器１４，１５の出力はそれぞれ可変減
衰器１６，１７に加えられる。可変減衰器１６，
１７は外部からの電気的制御によつて減衰量が∞
dB〜0dBの間で連続可変の減衰器であつて、例え
ばPINダイオードやFETなどの半導体を可変抵抗
素子として用いた電子回路によつて構成される。

可変減衰器１６，１７の出力はセンシング変調
器１８，１９をそれぞれ経由した後、合成回路２
１で合成されて１つの信号となる。センシング変
調器１８，１９はセンシング信号発生器２０から
の信号によつて入力信号の振幅を変調、つまり周
期的に微小量だけ変化させるもので、この作用に
より可変指向性アンテナ１０の指向性は、切替移
相器１４，１５の移相量や可変減衰器１６，１７
の減衰器が一定であつても微小量だけ周期的に変
化する。

可変指向性アンテナ１０の出力である合成回路
２１の出力は受信機２２に入力され、所望の信号
が受信信号として選択されて復調される。この受
信機２２の受信信号出力の一部は、レベル検出器
２３および位相比較器２４を経て制御回路２５に
加えられる。ここでレベル検出器２３は、受信機
２２の受信信号レベルがしきい値以下かどうかを
検出し、規定値以下になると制御回路２５に制御
指令を送る。

一方、位相比較器２４は受信機２２の受信信号
中のセンシング変調器１９，１９による変調成分
の位相をセンシング信号発生器２０からのセンシ
ング信号の位相と比較して、受信機２２の受信信
号レベルが増加する指向性の遷移方向を決定する
もので、その決定した遷移方向に対応した出力信
号を制御回路２５に送る。

これにより論理回路を主体として構成された制
御回路２５は、レベル検出器２３から制御指令が
与えられると、位相比較器２４によつて決定され
た遷移方向にアンテナ１０の指向性が遷移するよ
うに切替移相器１４，１５の移相量および可変減
衰器１６，１７の減衰量を適宜制御して指向性の
制御を行なう。

上記の如く構成した装置において、アンテナ１
０がある指向性に設定された状態でアンテナ１０
に到来する多重路波を受信する場合、これらの多
重路波が干渉して打消し合つたとすると、受信機
２２の受信信号レベルは低下し深いフエージング
を生じることになる。しかしこのような場合は、
レベル検出器２３で受信信号レベルがしきい値以
下となつたことが検出され、これに基き制御回路
２５によつてアンテナ１０の指向性が自動的に制
御される結果、到来する多重路波は干渉による打
消し状態から自動的に脱して、受信信号レベルが
上昇し、フエージングが改善される。以下、アン
テナ１０の指向性変化によりフエージングが改善
される原理を述べる。

移動無線通信では周囲の建物などの反射により
多数の多重路波が受信アンテナに到来するが、受
信電界はこれらの波のベクトル和で与えられる。
これをベクトル図で表わすと第２図の実線のよう
になり、多重路波｜E₁，｜E₂，…………の合成
ベクトル｜Ｅの大きさが受信電界強度を与える。
この｜Ｅの大きさが図のように小さくなつたとき
深いフエージングが生じることになる。このよう
なとき例えば｜E₁の波の振幅を｜E₁′に変化させ
るとベクトル図は点線のようになり、合成ベクト
ル｜E′は大きくなつてフエージングが改善され
る。この場合｜E₁の位相を変えても同様な効果
が得られる。すなわちアンテナの振幅あるいは位
相の指向特性を適宜変化させればフエージングを
改善することができる。

この原理を第１図の装置に当てはめて考える
と、次のようになる。アンテナ素子１１，１２に
は上述したような多重路波がそれぞれ到来し、そ
の合成出力はそれら多重路波のベクトル和とな
る。アンテナ素子１１，１２の出力は、固定移相
器１３、切替移相器１４，１５および可変減衰器
１６，１７の部分でそれぞれ位相および振幅の変
化が与えられた後合成回路２１で合成されるの
で、アンテナ素子１１，１２の枝の出力（合成回
路２１の入力）を｜R₁，｜R₂とすると、受信信
号は第３図、第４図に示すようにそのベクトル和
｜Ｒとして表わされる。多重路波が打消し合つて
深いフエージングを生じたということは、｜R₁
と｜R₂とが打消し合つて合成ベクトル｜Ｒが小
さくなつたことにほかならない。

ここで、例えばアンテナ素子１２の枝にある可
変減衰器１７の減衰量を増加させて、第３図に示
すように｜R₂の振幅を｜R₂′の如く変化させたと
すると合成ベクトルは｜R′となり、打消し状態
を脱してフエージングが改善される。

また、同じくアンテナ素子１２の枝にある切替
移相器１５の移相量を切替えて、第４図に示すよ
うに｜R₂の位相をπだけ変化させて−｜R₂とし
ても、合成ベクトルは｜R′となつて同様にフエ
ージングが改善される。

上記の如く切替移相器１５の移相量や可変減衰
器１７の減衰量を変えることは、アンテナ１０の
指向性を変えるということであるが、第１図では
アンテナ素子１１の枝にも切替移相器１４および
可変減衰器１６があるため、これらの組合せを変
えることによつて指向性の状態を多種類に変える
ことができる。第５図はアンテナ素子１１，１２
のそれぞれの枝をＡ，Ｂとしたときの枝Ａ，Ｂに
おける信号の振幅および位相の８状態の組合せ
と、それぞれの状態におけるアンテナ１０の指向
性を示したものである。この図で状態１，３，
５，７における指向性の図は、ターンスタイルア
ンテナの指向性を示し、矢印はその位相回転方向
を示している。また状態２，４，６，８における
指向性の図は、ダイポールアンテナの指向性を示
している。

これらの状態はその状態遷移図を第６図に示し
たように、１→２→３→…………８→１→………
…の方向および８→７→６→…………１→８→…
………の方向のいずれにも遷移可能である。この
場合、ある状態から飛越して他の状態に遷移する
ことはない。

第５図を見れば明らかなように、枝Ａ，Ｂの信
号の振幅および位相の組合せは８種類であるが、
状態１〜４の指向性は状態５〜８の指向性と同じ
であり、結局計４種類の指向性を実現できる。実
際の受信にはこれら４種類の指向性の全部を適宜
用いてもよいが、そのうちの特定の２種類の指向
性のみを選択的に用い、それ以外の指向性は遷移
過程で通過させるようにしてもよい。その場合２
つの指向性は、それぞれの状態、つまり第２図〜
第４図における実線と点線の状態での受信信号レ
ベルが共に低い値をとる確率が小さくなるよう
に、フエージングの相関係数が小さいものを選ぶ
ことが望ましい。実験によれば１と３の間および
２と４の間ではフエージングの相関係数が極めて
小さいので、これらの組合せのいずれかを用い、
他の状態は遷移過程で単に通過させるようにする
とよい。

第７図は市街地での移動無線通信において、単
一アンテナで受信したときのフエージングの実測
例を示したものであるが、この場合１と３の状
態、つまり位相回転方向の異なるターンスタイル
アンテナで受信を行なつたときの相関係数は約
0.5、また２と４の状態、つまり最大受信振幅方
向が直交するダイポールアンテナで受信を行なつ
たときの相関係数は約0.2となり、いずれの組合
せでも指向性ダイバシテイ効果の著しいことが確
認された。このことは、しきい値付指向性ダイバ
シテイ受信によりフエージングが効果的に改善さ
れることを示すものである。

このフエージング改善効果を実験的に確認する
ために、この発明の構成によりしきい値付指向性
ダイバシテイ受信を行なつた結果を第８図に示
す。この図は単一のアンテナ素子で受信を行なつ
た場合とこの発明に基くしきい値付指向性ダイバ
シテイ受信を行なつた場合の受信信号レベルの累
積確率分布を比較して示したものである。点線は
レーリーフエージングの理論値で、単一アンテナ
素子で受信した場合の実測値（〇印で示す）は、
ほぼレーリー分布に従つている。そして実線はし
きい値付指向性ダイバシテイ受信の場合の理論値
で、実測値（×印）はこれと極めてよく一致して
いる。これよりこの発明によればフエージング10
数dB以上も改善できることが分る。

なおこの実施例によるしきい値付指向性ダイバ
シテイ受信の場合でも、実際に受信に使用する指
向性（上記例では１と３または２と４）での受信
信号レベルが共にしきい値以下に低下したときは
従来のしきい値付切替ダイバシテイ受信の場合と
同様にバタツキを生ずることになる。しかしなが
ら第５図に示したように振幅の変化を正弦的ある
いは余弦的に連続的に変化させて指向性を遷移さ
せるようにし、この変化による受信信号レベルの
正弦的変化の周波数を受信信号帯域外に設定すれ
ば、このバタツキによつて雑音が生じることはな
い。従つてしきい値付切替ダイバシテイ受信のよ
うにバタツキ対策によつて早いフエージングに対
する改善効果が低下することはなく、また指向性
の遷移速度には原理的に制御がないため、早いフ
エージングに対する改善効果を十分に発揮でき
る。

ところで、可変指向性アンテナ１０の指向性を
遷移させて制御する場合、遷移方向をどちらに選
ぶかが問題となる。すなわち、指向性の遷移に伴
う受信信号レベルの変化は例えば第９図のように
なる。この場合前にも説明したように、例えば指
向性が２の状態で受信しているときは、指向性の
遷移方向が１→２→３→４→５→…………の方向
であるとすると、指向性が２から３に遷移する過
程で受信信号レベルが低下するので、５→４→３
→２→１→…………の方向に指向性を遷移させる
ことが望ましい。一方、指向性が３の状態で受信
しているときは、逆に指向性の遷移方向が５→４
→３→２→１→…………の方向であるとすると、
指向性が３から２に遷移する過程で受信信号レベ
ルが低下するので、１→２→３→４→５→………
…の方向に指向性を遷移させることが望ましい。
つまり指向性が遷移する過程で、第９図の斜線の
領域を通過しないようにする必要がある。

そこで、この発明は可変指向性アンテナ１０の
指向性を周期的に微小量変化させ、そのときの受
信信号の変化状態から受信機２２の受信信号レベ
ルが増加する指向性の遷移方向を決定するもので
ある。すなわち第１図に示したように、センシン
グ変調器１８，１９でセンシング信号発生器２０
からの信号に従つて枝Ａ，Ｂの信号の振幅を周期
的に微小量変化させると、これに伴いアンテナ１
０の指向性も周期的に微小量変化する。この場
合、切替移相器１４，１５の移相量および可変減
衰器１６，１７の減衰量で定まる指向性の状態に
よつて、アンテナ１０の指向性微小変化に伴う受
信機２２の受信信号レベルの変化方向が異なる。
例えば指向性の微小変化方向が第９図で１→２→
３→４→５→…………の指向性遷移方向と同方向
であるとすると、指向性が２の状態のときには指
向性微小変化に伴い受信信号レベルは低下し、ま
た指向性が３の状態のときには指向性微小変化に
伴い受信信号レベルは増加する。

このようにアンテナ１０の指向性微小変化に伴
い受信信号レベルが低下するか増加するかの判定
は、例えば位相比較器２４によつてセンシング信
号発生器２０からの信号と受信機２２の受信信号
との位相関係が逆相であるか同相であるかを判定
することで行なうことができ、位相比較器２４の
出力にはこの判定結果に応じて例えばレベルが
“１”、“０”に変化する信号が現れる。そこで位
相比較器２４が、アンテナ１０の指向性微小変化
に伴い受信信号レベルが低下したと判定したとき
には、アンテナ１０の指向性の遷移方向が指向性
の微小変化方向と逆方向となり、また指向性微小
変化に伴い受信信号レベルが増加したと判定した
ときには、遷移方向が指向性の微小変化方向と同
方向となるように制御回路２５の動作を制御すれ
ば、アンテナ１０の指向性は常に受信信号レベル
が増加する方向に遷移して制御されることにな
る。

すなわち、アンテナ１０の指向性はその遷移過
程で受信信号レベルが低下する第９図の斜線の領
域を通過しないため、フエージングはより一層改
善される。

また、上記のように受信信号レベルが増加する
方向にアンテナ１０の指向性を遷移させると、例
えば第９図において３の状態で受信していた状態
から、受信信号レベルがしきい値を越える４の状
態に直ちに移行することができ、短時間で受信状
態を回復することが可能である。

以上述べたように、この発明によれば可変指向
性アンテナの指向性を常に受信信号レベルが増加
する方向に遷移させて制御することができるの
で、その指向性遷移過程における受信信号レベル
の低下がなくなる。従つて短時間の受信信号レベ
ルの低下が問題となるデイジタル通信の場合で
も、符号誤りの極力少ない安定良好な受信を行な
うことができるという利点がある。

なお、上述した実施例では可変指向性アンテナ
の指向性を周期的に微小量変化させるためのセン
シング変調器として、信号の振幅を変化させるも
のを用いたが、例えば信号の位相を周期的に微小
量だけ変化させるようなものを用いてもよい。ま
た指向性の遷移方向を決定する手段も、位相比較
器に限定されるものではなく指向性の微小変化に
よる受信信号強度の変化を検出して、受信信号強
度の増加する方向を決定するなど周知の各種方法
を適用することができる。

また、実施例ではアンテナ素子として２組の水
平偏波ダイポール素子をそれぞれの枝Ａ，Ｂの信
号が第５図に示した位相および振幅の組合せの状
態で変化するようにして用いたが、この組合せを
変えるか、また両アンテナ素子の配置を変えるこ
とにより、ダイポールアンテナとしての指向性の
振幅最大方向が第５図に対して45゜異なるもの
や、互いに反対方向に振幅の最大値を持つ単方向
性の指向性など各種の指向性を合成できる。勿論
水平偏波以外の他の偏波についても、同様に各種
の指向性を実現することができる。またアンテナ
素子の個数が３個以上の場合にもこの発明は適用
可能である。

さらに実施例では各アンテナ素子の枝を指向性
ダイバシテイ効果を持つダイバシテイ枝として説
明したが、この発明は通常の空間ダイバシテイや
偏波ダイバシテイなど他の種類のダイバシテイ枝
に対しても同様に適用できる。これらの場合も各
アンテナ素子の枝の信号を適宜合成した状態とし
て使用することになるので、広義の可変指向性ア
ンテナとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る無線受信装
置の構成を示す図、第２図は多重路波によるフエ
ージングを改善する原理を示すベクトル図、第３
図および第４図は同実施例によるフエージングの
改善の原理を示すベクトル図、第５図は同実施例
における各アンテナ素子の枝の信号の位相および
振幅の組合せとそれらに対応する指向性の各種状
態を示す図、第６図は上記指向性の状態遷移図、
第７図は単一アンテナによる移動無線通信の受信
時のフエージングの実測例を示す図、第８図はこ
の発明によるフエージング改善効果の実測例を示
す図、第９図は同実施例における可変指向性アン
テナの指向性変化に対する受信信号レベルの変化
の一例を示す図である。１０……可変指向性アンテナ、１８，１９……
センシング変調器、２０……センシング信号発生
器、２２……受信機、２３……レベル検出器、２
４……位相比較器、２５……制御回路。

Claims

【特許請求の範囲】

１指向性が双方向に循環して段階的に遷移可能
な可変指向性アンテナを介して信号を受信し、そ
の受信信号レベルがしきい値以下に低下したとき
前記アンテナの指向性を遷移させてダイバシテイ
受信を行なう無線受信装置において、前記アンテ
ナの指向性を周期的に微小量変化させる手段と、
この手段による前記指向性の変化に伴う前記受信
信号の変化から該受信信号のレベルが増加する方
向に対応した前記指向性の遷移方向を決定し、前
記受信信号のレベルがしきい値以下に低下したと
き前記アンテナの指向性をその決定した遷移方向
に遷移させる手段とを備えたことを特徴とする無
線受信装置。