WO2014128906A1 - 無線通信システム、送信機、受信機、昇降機制御システム、及び、変電設備監視システム - Google Patents

無線通信システム、送信機、受信機、昇降機制御システム、及び、変電設備監視システム Download PDF

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transmission
transmitter
radio
polarization
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武井　健
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株式会社 日立製作所
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    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/10—Polarisation diversity; Directional diversity

Definitions

  • the present invention relates to a wireless communication system and the like.
  • Wireless communication technology which has made significant progress in the broadcasting and communication fields, is gradually overcoming the problems of wireless fragmentation and non-updatable areas, improving the reliability of communication lines, significantly compared to calling and listening.
  • the reliability of communication means is higher than that of general consumer equipment, but adoption of wireless technology as a communication means is also being considered in such fields.
  • high reliability of communication quality is required.
  • an electromagnetic wave propagating in free space is used as a communication transmission medium, but the frequency of the electromagnetic wave that can be propagated wirelessly in real space is in the range of 300 MHz to 3 GHz. At frequencies below this range, the efficiency of radiating radio waves into the air is significantly reduced, and at frequencies above this range, electromagnetic wave energy is greatly attenuated due to scattering phenomena caused by shielding, reflection, diffraction, etc. when radio waves propagate through the air. The distance between the points cannot be taken, and communication can be performed only in the vicinity region, and wireless communication in a broad sense becomes difficult to realize.
  • the operating frequency of general-purpose digital elements has been increased from several hundred MHz to several GHz, and it has become possible to introduce digital circuits into devices that perform wireless communication.
  • Patent Document 1 discloses that the amount of information is increased by an increase in the route in communication using electromagnetic waves on which information that arrives from a transmission side through a different route is superimposed.
  • the information to be transmitted is digitized, the digitized signal is orthogonalized using a special code and transmitted, and this code is used on the receiving side.
  • signals received in a batch are separated to increase the amount of information or improve the reliability of information transmission.
  • the main operation purpose of the wireless devices is to control or monitor social infrastructure devices. Since the social infrastructure device itself is a source for scattering electromagnetic waves used for wireless communication, the wireless communication is performed in an environment where multiple waves generated by scattering interfere with each other. For this reason, it is a technical problem to realize highly reliable wireless communication in the multiwave interference environment. When the difference in the distance from the transmission point to the reception point is an odd multiple of a half wavelength, the energy of the plurality of electromagnetic waves is canceled by interference and becomes zero, and communication becomes impossible.
  • One of the techniques for solving this problem is to use a plurality of transmission antennas, reception antennas, or a plurality of both antennas to separate them by more than half of the wavelength of the electromagnetic waves used for communication, and the electromagnetic waves cancel out their energy due to interference. It is to suppress the expression of the condition.
  • the adoption of this technology creates a new problem that increases the size of transmitters and receivers including antennas.
  • An electromagnetic wave has two independent polarizations, and when the electromagnetic wave is reflected by a scatterer such as a social infrastructure device, a change in the specific polarization direction occurs depending on the direction of the polarization incident on the scatterer. . Specifically, the direction of polarization of polarized waves perpendicular to the tangential plane of the scatterer surface is maintained, and the direction of polarization of horizontally polarized waves changes by 180 degrees.
  • each rotation angle of the polarized wave of the electromagnetic wave is determined by each incident angle of the electromagnetic wave incident on the scatterer. Since multiple waves are components of multiple waves reflected by the scatterers, the rotation directions of the multiple waves are different, and if these different rotation directions can be detected and separated, they are caused by interference of these multiple waves. It is possible to avoid the phenomenon that electromagnetic wave energy becomes zero.
  • An electromagnetic wave is transmitted with a certain polarization direction fixed, and the energy of the electromagnetic wave becomes zero due to the interference of multiple waves at the receiving point. Because it has the same direction of polarization rotation that can be canceled, if the direction of the polarization of the electromagnetic wave transmitted in this state is changed, the surface of the scatterer that is the source of multiwave generation Since the polarization rotation direction due to the reflection of radio waves changes, the polarization of electromagnetic waves that interfere at the reception point is not the same except for special conditions. The energy of electromagnetic waves is not zero.
  • the situation where the energy of the electromagnetic wave reaching the receiving side from the transmitting side does not become zero exists in an environment where there are many electromagnetic wave scatterers between the transmitting side and the receiving side, and they rotate. Since the direction of the polarization that has reached the reception side differs depending on the initial polarization direction sent from the transmission side of the polarization, it can be distinguished by the initial polarization direction. In other words, since the path of the electromagnetic wave reaching from the transmission side to the reception side differs depending on the initial polarization direction on the transmission side, the communication path reaching from the transmission side to the reception side using these different paths Can be multiplexed, and the reliability of communication quality can be improved by using the multiplexed communication path. For example, by transmitting the same information on each communication path using the multiplexed communication path, the effective communication path cut-off rate from the transmission side to the reception side due to external disturbance is remarkably reduced, and communication is highly reliable. Is realized.
  • the problem to be solved by the present invention is a technique for increasing communication reliability from a transmitter to a receiver in a radio wave environment in which an electromagnetic wave emitted from a transmitter is subjected to multiple reflections by a scatterer and reaches the receiver. Is to provide.
  • the present invention samples a radio wave transmitter that samples an information signal, modulates a carrier wave using the sampled information signal, and transmits a transmission wave transmitted from the radio transmitter.
  • a wireless communication system including a wireless receiver that receives and demodulates the information signal, the wireless transmitter rotates a transmission processing unit that generates a transmission wave and a polarization of the transmission wave at a predetermined rotation frequency.
  • the transmission processing unit duplicates the sampled information signal, multiplies each duplicated information signal by a predetermined weighting factor, and duplicates the information signal.
  • the information signal is allocated on the time axis to generate a transmission wave.
  • the present invention it is possible to increase communication reliability from a transmitter to a receiver in a radio wave environment in which an electromagnetic wave emitted from a transmitter is subjected to multiple reflections by a scatterer and reaches a receiver.
  • FIG. 1 is an example of a configuration diagram of a transmitter and a receiver that realize the wireless system of the present embodiment.
  • the transmitter 75 converts the signal of the frequency band fI generated by the information generation circuit 1 into a digital signal by the analog-digital converter 2, the sampling frequency is increased by the upsampler 3, and a new signal point is included in the discrete interval of the original digital signal. Are formed, and the value of the original digital signal is copied to the new signal point by the digital sample and hold circuit 4.
  • a weighting factor is stored in advance in the storage device 6, and the cyclic signal replicator 5 reads the weighting factor from the storage device 6 and sequentially multiplies it with the digital output of the digital sample hold circuit 4 by the first multiplier 7,
  • the multiplication result and the digital carrier wave generated by the digital oscillator 8 having the frequency fc are multiplied by the second multiplier 9, and the polarization direction is transmitted via the transmission antenna 10 that rotates at a frequency fr lower than the sampling frequency fc of the digital oscillator 8.
  • the receiver 85 includes a plurality of linearly polarized antennas 20 having different polarization directions, and each antenna of the plurality of linearly polarized antennas 20 generates a sine wave having a carrier frequency of the electromagnetic wave radiated from the transmitter.
  • An analog mixer 12 that mixes the output of the local oscillator 11, an analog filter 13 that removes unnecessary components from the output of the mixer 12, and an analog-to-digital converter 14 that converts the output of the analog filter 13 into a digital signal are cascade-connected.
  • the signals input from the antennas are input to the digital signal processing device 15 as digital signals.
  • the digital signal processing device 15 performs digital signal processing on each obtained signal to restore information generated in the information generation circuit 1 inside the transmitter.
  • the receiver receives signals in different polarization directions at different sampling timings, performs down-conversion and analog-digital conversion at the carrier frequency, and each time obtained by dividing the rotation period of the polarization at the sampling timings.
  • Information generated in the information generation circuit 1 is restored by performing parallel signal processing for the number of points on the axis.
  • the same digital data from the transmitter is subjected to different digital weights at different timings in different polarization directions, and sent to the receiver, so that the transmitted waves radiated from the transmitter can be transmitted between the transmitter and the receiver.
  • Multiple reflections can be made by an electric field scatterer existing between them, and transmission to a receiver through a plurality of different paths is possible, and communication reliability by multiplexing transmission paths can be improved.
  • FIG. 2 is an example of a configuration diagram of the wireless system that performs communication at different timings using electromagnetic waves having different polarization directions in an environment where an electric field scatterer exists between the transmitter and the receiver in the present embodiment. .
  • the transmitter 75 transmits the same digital data to the receiver 85 with different weights at different timings using the transmission antenna 70 capable of changing the polarization direction. Since the line-of-sight communication path is interrupted by the fixture 71 existing between the transmitter 75 and the receiver 85, radiation from the transmitter is caused by multiple reflections by a plurality of electromagnetic wave scatterers 72 existing between the transmitter 75 and the receiver 85. The electromagnetic waves that have reached the receiver 85 simultaneously through a plurality of paths.
  • the frequency of changing the polarization direction of the electromagnetic wave radiated from the transmitter that is, the maximum frequency of the signal to be transmitted from the transmitter to the receiver (the information generation circuit 1 in FIG. 1 generates)
  • the same frequency can be transmitted from the transmitter to the receiver through the plurality of transmission paths, and the communication reliability between the transmitter and the receiver can be increased.
  • the receiver Since the polarization direction of the electromagnetic wave radiated from the transmitter is not preserved due to the phase shift at the time of reflection by the electromagnetic wave scatterer 72, the receiver has a variety of polarization directions coming from the transmitter without fail in a plurality of polarization directions. It must detect the electromagnetic waves it has.
  • all polarization directions can be equivalent to the same signal. The signal can be detected.
  • the rotation frequency fr of the polarization is set sufficiently smaller than the frequency fc of the carrier wave. This is because the polarization rotation frequency fr needs to be sufficiently smaller than the width of ch, that is, the frequency band of the carrier wave, in order to maintain the independence of each frequency ch in wireless communication.
  • the transmission wave 91 transmitted in the first polarization direction using the transmission antenna 70 that rotates the polarization direction from the transmitter 75 is received as a combination of the reflected wave 93a having the path difference L1a and the reflected wave 93b having the path difference L1b.
  • the wave 92 reaches the receiver 85 in the third polarization direction.
  • the transmission wave 95 transmitted in the second polarization direction at another timing by rotating the polarization direction from the transmitter 75 is a combination of the reflected wave 97a having the path difference L2a and the reflected wave 97b having the path difference L2b.
  • the received wave 96 reaches the receiver 85 in the fourth polarization direction.
  • the eleventh electromagnetic waves in the third and fourth polarization directions have different polarization directions depending on the receiving antenna 80 that rotates the polarization angle of the receiver. Are separated into the polarization direction of the first and the twelfth polarization direction and detected by the receiver 85. Subsequently, the same operation is repeated in the next cycle.
  • the lower diagram of FIG. 2 shows the time change of the polarization direction of the electromagnetic wave radiated from the transmitter, and the polarization direction of the electromagnetic wave is larger than the maximum frequency of the signal to be transmitted from the transmitter to the receiver.
  • the situation of rotating at the frequency fr is shown.
  • the transmitter radiates digital data with different weights to the same signal every quarter of the period corresponding to the frequency fr. That is, the same information signal with different weighting is carried on the carrier wave of each polarization angle.
  • the weight coefficient is set to zero and no signal is transmitted, and the power consumption of the transmitter is reduced.
  • the received signal can be calculated as an absolute value by complex operation by digital signal processing or the like.
  • the value of ⁇ i is a phase difference based on the frequency of the carrier wave of the electromagnetic wave to be used.
  • the ratio of the values of A L1 and A L2 can be easily obtained by knowing the values of w1, w2, w3, and w4, and thereby the sum of absolute values
  • the maximum value of is obtained.
  • the specific calculation of the sum of absolute values creates a complex conjugate signal of the obtained signal, and the maximum value can be calculated by the product of the original signal and the complex conjugate signal.
  • this weighting code can have an orthogonal relationship. That is, in the weighting used by the transmitter, the number of different sampling points in the first period of the transmission wave that rotates the original information signal at the first frequency, and the same number of values assigned to the same point In the cycle repetition, recombination is performed, and a plurality of values for each cycle are orthogonal to each other. Then, a signal related to an arbitrary position code can be prepared and extracted by the digital signal processing of the receiving unit from the orthogonality of the code. If the extracted code is used, there is an effect that incoming waves transmitted at different polarization angles and transmitted through different paths can be separated and combined. As a result, multiplexing of transmission paths can be realized, and the reliability of communication can be improved for blocking a specific radio transmission path.
  • transmitted information signals are transmitted with different encryption on different transmission paths, which is effective in improving communication security.
  • the transmission and reception antennas can be integrated into two antennas with orthogonal polarizations, and the polarization of the electromagnetic waves radiated from the transmitter is rotated to create a plurality of propagation paths from the transmitter to the receiver.
  • the same information signal is multiplied by orthogonal weight codes on the plurality of paths and radiated from the transmitter at different sampling timings within the rotation period, and the receiver transmits a plurality of electromagnetic waves propagated from the plurality of paths. It is possible to receive and reconstruct signals superimposed on the multiple electromagnetic waves using the same weight, and to increase the information transmission capacity from the transmission side to the reception side. It can increase communication reliability to the receiver.
  • FIG. 3 is another weighting example of digital data in the transmitter of the wireless system in the second embodiment. Unlike the embodiment shown in FIG. 2, the same weighting is applied to the digital data points in the second half cycle as the digital data points in the first half cycle. Since the latter half of the one cycle has the same polarization direction as the sign of the former half, the digital data point of the latter half and the digital data point of the first half are sent from the transmitter to the receiver via the same path. Therefore, the communication reliability between the transmitter and the receiver cannot be improved, but the energy of electromagnetic waves that can be transmitted from the transmitter to the receiver in the average time increases. As a result, the power that can be transmitted from the transmitter to the receiver increases, and the communicable distance between transmission and reception can be extended.
  • FIG. 4 is another weighting example of the digital data in the transmitter of the wireless system in the third embodiment.
  • the second half cycle digital data points are weighted differently from the first half cycle digital data points. Since the latter half of the one cycle has the same polarization direction as the sign of the former half, the digital data point of the latter half and the digital data point of the first half are sent from the transmitter to the receiver via the same path. Therefore, when the environmental change cannot be considered between the transmitter and the receiver at the same speed as the rotation frequency in the polarization direction, the data transmission quality in the first half cycle and the data transmission quality in the second half cycle can be expected to be the same.
  • the digital data is transmitted from the transmitter to the receiver using the weighting coefficient corresponding to the digital data point in the first half cycle as a real part and the weighting coefficient corresponding to the digital data point in the second half cycle as an imaginary part.
  • the code added to the information signal to be transmitted from the transmitter to the receiver can be a complex number
  • the freedom of the algorithm that can be applied to the reconstruction of the information signal using the weighting factor in the receiver Greatly increase the degree.
  • FIG. 5 is an example of a digital data generation method of the transmitter of the wireless system in the first embodiment.
  • the signal in the frequency band fI generated by the information generation circuit 1 in the wireless device of FIG. 1 is converted into a digital signal by the analog-to-digital converter 2 to obtain the time waveform of FIG.
  • the sampling waveform of the same time waveform is increased by the upsampler 3, and a new signal point is formed in the discrete interval of the original digital signal to obtain the time waveform of FIG. 5b.
  • the same time waveform is duplicated by the digital sample and hold circuit 4 at the new signal point to obtain the time waveform of FIG.
  • the time waveform is the time waveform shown in FIG. 5d by sequentially reading out the weighting factor stored in advance in the storage device 6 by the cyclic signal duplicator 5 and multiplying it by the multiplication circuit.
  • the weighting coefficients [w1, w2, w3, w4] of Equation 1 are examples using complex conjugate signals of [1, 1, 1, ⁇ 1]. According to the present embodiment, it is possible to reconstruct an information signal superimposed on an electromagnetic wave radiated from a transmitter using a complex conjugate signal obtained from the same signal as that obtained at a receiver with a double signal strength. As a result, the upsampler 3 and the digital sample and hold circuit 4 duplicate the original digital signal value four times, and these four signals are used as a pair of complex numbers. This is equivalent to doubling. By using complex signals in this way, the digital signal processing load on the receiver side can be reduced.
  • the information signal can be reconstructed with four times the signal strength because each digital signal value multiplied by four is multiplied by a real number.
  • setting the weighting coefficient is effective in improving the reliability between transmission and reception.
  • FIG. 6 is another configuration example of the transmitter that implements the wireless system according to the fourth embodiment.
  • the difference from the transmitter of FIG. 1 is that the digital signal that is the output of the first multiplier is split into two, and the first digital oscillator 21 and the second digital signal having the frequencies fc ⁇ fr / 2 and fc + fr / 2, respectively.
  • the digital carrier generated by the digital oscillator 23 is multiplied by the first multiplier 22 and the second multiplier 24, and both are added by the synthesizer 25.
  • the other is radiated from the transmission antenna 30 and the other is radiated from the vertical polarization transmission antenna 31 via the 90 ° delay device 26 with respect to the rotation frequency fr in the polarization direction.
  • the antennas whose polarization direction rotates at a frequency lower than the frequency of the carrier wave can be realized by two orthogonally polarized antennas that can be integrally formed, the effect of the first embodiment can be achieved by using the mechanical drive unit. This can be realized with a transmitter having a small size that is not used. That is, since the orthogonal polarized waves are independent of each other, these two antennas do not need to be spatially separated, and two antennas can be installed with a minimum volume.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of the transmitter that implements the wireless system according to the fourth embodiment.
  • the transmitter of FIG. 6 generates the time waveforms of FIGS. 7A and 7B by the first digital oscillator 21 and the second digital oscillator 23 having the frequencies fc ⁇ fr / 2 and fc + fr / 2.
  • an information signal having a maximum frequency fI is superimposed and a change appears in the envelope, but since the fI is sufficiently smaller than the rotation frequency fr in the polarization direction, the change is very small in the figure.
  • the synthesizer 25 are added by the synthesizer 25, and the time waveform of FIG. 7C is obtained. Since the frequency difference between FIGS. 7A and 7B is small, the difference becomes a beat and is found as an envelope. The vibration frequency in the envelope is extremely higher than the frequency of the envelope.
  • this beat wave When this beat wave is radiated into the air by two antennas that are spatially orthogonal and shifted by 1/4 wavelength of the envelope frequency, a three-dimensional composite waveform of a three-dimensional envelope as shown in FIG. Advance in the air while rotating the wave direction.
  • electromagnetic waves that rotate the polarization direction can be generated using two orthogonally polarized antennas orthogonal to each other.
  • the receiver side uses two receiving antennas having two orthogonal polarizations, one is multiplied by the first amplitude coefficient, and the other is a quarter of the rotation period of the polarization.
  • the first and second amplitude coefficients are a sine function and a cosine function having the rotation period of the polarization, and the sum of the two is the rotation period of the polarization. This can be realized by performing parallel signal processing by the number of points on each time axis obtained by dividing at the sampling timing.
  • FIG. 8 is an example of a configuration diagram of a transmitter and a receiver that realize the wireless system of the present embodiment.
  • the radio that performs polarization angle division diversity in FIG. 8 description of portions having the same functions as those in FIG. 1 already described is omitted.
  • the difference from the transmitter of the embodiment of FIG. 1 is that the weighted digital information signal, which is the output of the first multiplier 7, is upsampled by a cascade connection circuit of an interpolator 41 and a digital filter 42.
  • the frequency conversion function of the delta sigma circuit 44 can be used to lower the frequency of the digital clock circuit 43 from the frequency of the digital oscillator 8, so that the maximum operating frequency of the digital signal processing of the transmitter is lowered. This makes it possible to reduce the power consumption of the transmitter.
  • an analog signal detected by the receiving antenna 20 is converted into a digital signal by a delta-sigma analog-digital conversion circuit 52 that is clocked by a digital clock circuit 51 having a frequency fc2. This is a point to be supplied to the digital signal processing device 15.
  • the analog mixer 12 and the local transmitter 11 which are difficult to extend the life and to adjust the atonability due to the secular change and the temperature change, respectively, are suitable for extending the life and the atonity. Since it can be replaced with a circuit, it is effective in improving the device reliability of the transceiver applied to the wireless system of the present invention.
  • FIG. 9 is an example of a configuration diagram of a transmitter and a receiver that realize the wireless system of the present embodiment.
  • the radio that performs polarization angle division diversity in FIG. 9 description of portions having the same functions as those in FIG. 6 described above is omitted.
  • 6 differs from the transmitter of the embodiment of FIG. 6 in that the weighted digital information signal, which is the output of the first multiplier 7, is upsampled by a subordinate connection circuit of an interpolator 41 and a digital filter 42.
  • One is converted to a 1-bit digital signal by a delta-sigma modulator 62 clocked by a transmission digital clock circuit 61 having a frequency fs + fr / K, and then converted to an analog signal by a sample and hold circuit 65, and the other is frequency It is converted into a 1-bit digital signal by a delta-sigma modulator 64 clocked by an fs-fr / K transmission digital clock circuit 63, and then converted into an analog signal by a sample hold circuit 66, and both are added by a synthesizer 25.
  • the frequency conversion function of the delta sigma circuits 62 and 64 can be used to lower the frequency of the digital clock circuits 61 and 63 from the frequency of the first digital oscillator 21 and the second digital oscillator 23.
  • the maximum operating frequency of the digital signal processing of the transmitter can be lowered, which is effective in reducing the power consumption of the transmitter.
  • FIG. 10 is an example of a configuration diagram of an elevator system to which the polarization angle division diversity radio of this embodiment is applied.
  • the elevator cage 111 moves up and down in the building 101 where the elevator is installed.
  • a base station radio 103 having a polarization angle division diversity function and a base station 2 orthogonal polarization integrated antenna 102 are coupled and installed on the floor and ceiling of the building 101.
  • the terminal station 2 orthogonal polarization integrated antenna 112 is installed on the external ceiling and the external floor of the elevator 111, respectively, and is coupled to the terminal radio 113 using a high frequency cable 114.
  • the base station radio 103 and the terminal station radio 113 use the inside of the building 101 as a radio transmission medium, electromagnetic waves are subjected to multiple reflections by the inner wall of the building 101 and the outer wall of the elevator, and a multi-wave interference environment is formed.
  • FIG. 11 is an example of a configuration diagram of a substation equipment monitoring system to which the polarization angle division diversity radio according to the present embodiment is applied.
  • a plurality of substations 201 and a terminal station radio 203 that performs polarization angle division diversity and a terminal station 2 orthogonal polarization integrated antenna 202 are combined and installed in the substation 201.
  • a plurality of base station apparatuses 211 smaller than the number of substations 201 are installed, and the base station apparatus 211 performs base station radio for performing polarization angle division diversity according to the present invention.
  • the machine 213 and the base station 2 orthogonal polarization integrated antenna 212 are connected and installed.
  • the dimensions of the substation are on the order of several meters, which is overwhelmingly larger than the wavelength corresponding to the frequency of the electromagnetic waves used by the radio device, from several hundred MHz to several GHz.
  • a multi-wave interference environment is formed.
  • the polarization angle division diversity enables high-quality wireless transmission even in a multi-wave interference environment. Therefore, control and monitoring of the substation 201 can be performed using wireless connection means using the wireless device.
  • this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
  • Each of the above-described configurations, functions, processing units, processing means, and the like may be realized by hardware by designing a part or all of them with, for example, an integrated circuit.
  • Each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by interpreting and executing a program that realizes each function by the processor.
  • Information such as programs, tables, and files for realizing each function can be stored in a recording device such as a memory, a hard disk, an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card, an SD card, or a DVD.
  • the control lines and information lines indicate what is considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.
  • Base station radio 102: Base station 2 orthogonally polarized integrated antenna, 111 ... Lifting basket, 113 ... Terminal station radio, 112 ... Terminal station 2 orthogonal polarization integrated antenna, 200 ... Substation equipment monitoring system, 201 ... Substation, 202 ... Terminal station 2 orthogonal polarization integrated antenna, 203 ... Terminal station radio, 211 ... wireless base station, 212 ... base station 2 orthogonal polarization integrated antenna, 213 ... base station radio,

Abstract

本発明の課題は、送信機から発射された電磁波が散乱体により多重反射を受けて受信機に到達する電波環境において、送信機から受信機までの通信信頼性を増大させることである。上記課題を解決するために、本発明は、情報信号をサンプリングして、該サンプリングした情報信号を用いて搬送波に変調を施し送信する無線送信機と、前記無線送信機から送信された送信波を受信して前記情報信号を復調する無線受信機と、からなる無線通信システムにおいて、前記無線送信機は、送信波を生成する送信処理部と、前記送信波の偏波を所定の回転周波数で回転させて無線送信する送信部と、を有し、前記送信処理部は、サンプリングした前記情報信号を複製し、複製した前記情報信号それぞれに対して所定の重み係数を掛け合わせ、前記複製した情報信号がそれぞれ異なる偏波角度で送信されるよう時間軸上に該情報信号を割り当てて送信波を生成することを特徴とする。

Description

無線通信システム、送信機、受信機、昇降機制御システム、及び、変電設備監視システム
　本発明は、無線通信システム等に関する。
　放送・通信分野で著しい発展を遂げた無線通信技術は、無線特有の寸断・更新不能領域の問題を順次克服しつつあり、通信回線の信頼性を向上させ、通話・聴視に比べて大幅に通信回線の高信頼性が要求される、制御・観測の分野に進出しつつある。特に、社会インフラ系機器では、一般民生機器と比べて通信手段の信頼度がより高いが、このような分野にも無線技術が通信手段として採用が検討されている。このような社会インフラ系機器では、通信品質の高信頼性が要請される。
　無線装置では通信の伝送媒体として自由空間中を伝播する電磁波を用いるが、実空間中を無線伝播可能な電磁波の周波数は、３００ＭＨｚから３ＧＨｚの範囲である。この範囲以下の周波数では電波を空中に放射する効率が著しく低下し、この範囲以上の周波数では電波が空中を伝播する際に被る遮蔽、反射、回折等による散乱現象により電磁波エネルギーの減衰が大きく送受信点間の距離をとることが出来ず、近傍領域でのみ通信が可能となり、広義の無線通信は実現困難となる。現在、汎用デジタル素子の動作周波数は数百ＭＨｚから数ＧＨｚに高速化されてきており、無線通信を行う機器にデジタル回路を導入することが可能となってきた。
　このようなデジタル回路を用いた無線通信の技術として、例えば特許文献１には、送信側から異なる経路で到達する情報が重畳された電磁波を用いた通信において、該経路の増加分だけ該情報量を増大させるあるいは該情報の伝達信頼性を向上させる手段については、伝送すべき情報をデジタル化し、デジタル化された信号について特別な符号を用いて直交化して送信し、受信側では該符号を用いて一括受信された信号を分離して、そのような情報量増大あるいは情報の伝達信頼性の向上を実現させることが記載されている。
特表２００９－５０６５８２号公報
　社会インフラ系の無線機器が設置される環境は、同無線機器の主な動作目的が社会インフラ機器の制御あるいは監視であるため、民生機器と比べて圧倒的に寸法が大きく金属部材により堅牢に作られた社会インフラ機器自体が、無線通信に用いる電磁波を散乱する根源となるため、該無線通信は散乱により生じる多重波がお互いに干渉する環境で行われることとなる。このため、該多重波干渉環境下で高信頼性の無線通信を実現することが技術化課題となる。複数の電磁波は送信点から受信点に到達する距離の差が半波長の奇数倍であるとき干渉によりそのエネルギーが相殺されゼロとなり通信不能となる。
　この問題を解決する技術の一つは、送信アンテナあるいは受信アンテナあるいは両者を複数用いてそれらを通信に使用する電磁波の波長の１／２以上離し、上記、電磁波が干渉によりそのエネルギーが相殺される状態の発現を抑制することである。しかしながら同技術の採用はアンテナを含む送信機および受信機の寸法が増大する新たな課題が生じる。
　この問題を解決する他の技術として電磁波の偏波を用いる方法がある。電磁波には直交する二つの独立した偏波があり、電磁波が社会インフラ機器等の散乱体により反射される際に該散乱体に入射する偏波の方向により固有の偏波方向の変化が発生する。具体的には、散乱体表面の接平面に対して垂直な偏波は偏波の方向が維持され、水平な偏波は偏波の方向が１８０度変化する。
　従って、散乱体に入射する電磁波の夫々の入射角によって電磁波の偏波の夫々の回転角が決定される。多重波は散乱体によって反射された複数の波が構成要素であるから、該多重波の回転方向は夫々異なり、この異なる回転方向を検知・分離することが出来れば、これら多重波の干渉によって生じる電磁波エネルギーがゼロとなる現象を回避可能となる。
　ある偏波の方向を固定して電磁波を送信し、受信点で多重波の干渉により電磁波のエネルギーがゼロとなったということは、送った電磁波の偏波の方向が二つの電磁波が受信点で相殺されるような同一の偏波の回転方向を持ったということであるから、この状態で送信する電磁波の偏波の方向を変化させれば、多重波生成の根源である散乱体表面での電波の反射に起因する偏波の回転方向が変化するので、特別な条件を除けば、受信点で干渉する電磁波の偏波が同一とならないので、電磁波の偏波の独立性により同送信点で電磁波のエネルギーはゼロとはならない。
　このように、送信側から受信側に到達する電磁波のエネルギーがゼロとならない状況は、送信側から受信側の間に多くの電磁波の散乱体が存在する環境下では、複数存在しそれらは回転する偏波の送信側から送られた初期偏波方向によって受信側に到達した偏波の方向が異なることから該初期偏波方向によって区別することができる。換言すれば、送信側の初期偏波方向によって送信側から受信側へと到達する電磁波の経路は各々異なることになるから、これら異なる経路を用いて送信側から受信側へと到達する通信の経路を多重化することができ、この多重化された通信路を用いて通信品質の信頼性を向上させることが可能である。たとえば該多重化された通信路を用いて各々の通信の経路で同一の情報を伝送することで、外部擾乱による送信側から受信側までの有効通信路の遮断率が著しく軽減され通信の高信頼化が実現される。
　ここで、特許文献１に記載の技術では、送信側から受信側への複数の伝送路は時間的には固定されている条件下で、伝送すべき情報に対する符号化を時間軸方向に行うもので、時間的に偏波方向の異なる電磁波を複数放射して、送信側から受信側に至る複数の経路が異なる場合に適用できない。
　すなわち、異なる偏波方向で送信側から放射された電磁波が、異なる経路を経て異なる偏波方向で受信側で検出された場合、電磁波の独立する偏波は直交する２成分のみであることから、異なる偏波角度の電磁波はそれらが直交しない限り独立ではない。従って、異なる経路を経て異なる偏波方向で受信側で検出された其々の電磁波に重畳された信号を、常に異なる経路により増大する伝送路の数だけ信頼度を向上できる保証はない。
　本発明が解決しようとする課題は、送信機から発射された電磁波が散乱体により多重反射を受けて受信機に到達する電波環境において、送信機から受信機までの通信信頼性を増大させる技術を提供することである。
　上記課題を解決するために、本発明は、情報信号をサンプリングして、該サンプリングした情報信号を用いて搬送波に変調を施し送信する無線送信機と、前記無線送信機から送信された送信波を受信して前記情報信号を復調する無線受信機と、からなる無線通信システムにおいて、前記無線送信機は、送信波を生成する送信処理部と、前記送信波の偏波を所定の回転周波数で回転させて無線送信する送信部と、を有し、前記送信処理部は、サンプリングした前記情報信号を複製し、複製した前記情報信号それぞれに対して所定の重み係数を掛け合わせ、前記複製した情報信号がそれぞれ異なる偏波角度で送信されるよう時間軸上に該情報信号を割り当てて送信波を生成することを特徴とする。
　本発明によれば、送信機から発射された電磁波が散乱体により多重反射を受けて受信機に到達する電波環境において、送信機から受信機までの通信信頼性を増大させることができる。
本発明からなる無線通信システムに適用する送受信機の構成図の例である。 本発明からなる無線通信システムの動作原理を説明する図である。 本発明からなる無線通信システムの信号に対する重み付け符号化の例である。 本発明からなる無線通信システムの他の信号に対する重み付け符号化の例である。 本発明からなる無線通信システムの適用するデジタル信号処理の例である。 本発明からなる無線通信システムに適用する他の送信機の構成図の例である。 本発明からなる無線通信システムに適用する送信機の送信波形を説明する図である。 本発明からなる無線通信システムに適用する他の送受信機の構成図の例である。 本発明からなる無線通信システムに適用する他の送信機の構成図の例である。 本発明からなる無線通信システムを適用した昇降機システムの構成図の例である。 本発明からなる無線通信システムを適用した変電設備監視システムの構成図の例である。
　以下、実施例を図面を用いて説明する。
　本実施例では、本発明の無線システムに適用する送受信機の構成例を説明する。
　図１は、本実施例の無線システムを実現する送信機および受信機の構成図の例である。送信機７５は情報生成回路１が生成する周波数帯域ｆＩの信号をアナログデジタル変換器２によってデジタル信号とし、アップサンプラ３によってサンプリング周波数が引き上げられ、元デジタル信号の離散間隔の中に新たな信号点が形成され、デジタルサンプルホールド回路４により、該新たな信号点に元デジタル信号の値を複製する。
　記憶装置６には重み係数があらかじめ格納され、循環式信号複製器５は記憶装置６から該重み係数を読み出し、デジタルサンプルホールド回路４のデジタル出力と順次、第一の乗算器７により掛け合わせ、該乗算結果と周波数ｆｃのデジタル発振器８が生成するデジタル搬送波とが第二の乗算器９により掛け合わされ、該デジタル発振器８のサンプリング周波数ｆｃより低い周波数ｆｒで回転する送信アンテナ１０を介し偏波方向が時間と共に周波数ｆｒで回転する電磁波として空中に放射される。
　受信機８５は複数の異なる偏波方向を有する直線偏波アンテナ２０を具備しており、複数の直線偏波アンテナ２０の各アンテナには送信機が放射した電磁波の搬送波周波数の正弦波を発生させる局部発振器１１の出力がミキシングされるアナログミキサ１２と、該ミキサ１２の出力の不要成分を取り除くアナログフィルタ１３と、該アナログフィルタ１３の出力をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器１４が従属接続され、各アンテナから入力した信号がデジタル信号としてデジタル信号処理デバイス１５に入力される。デジタル信号処理デバイス１５は得られた各信号をデジタル信号処理して送信機内部の情報生成回路１で発生する情報を復元する。
　すなわち、受信機は異なるサンプリングタイミングで異なる偏波方向の信号を受信して、搬送波周波数でダウンコンバートとアナログデジタル変換を行い、該偏波の回転周期を該サンプリングタイミングで分割して得られる各時間軸上の点の数だけ並列信号処理を行うことで情報生成回路１で発生する情報を復元している。
　以上の構成によって、送信機から同一のデジタルデータを異なる偏波方向で異なるタイミングで異なるデジタル重み付けを施して、受信機に送ることにより、送信機から放射される送信波を送信機と受信機の間に存在する電場散乱体によって多重反射させ異なる複数の経路で受信機に伝送可能であり、伝送路多重化による通信信頼性を向上させることができる。
　次に、本実施例による無線システムの動作原理を説明する。
　図２は、本実施例における送信機と受信機の間に電場散乱体が存在する環境下で異なる偏波方向の電磁波を用いて異なるタイミングで通信をする本無線システムの構成図の例である。
　送信機７５は偏波方向の変化可能な送信アンテナ７０を用いて異なるタイミングで同一のデジタルデータを異なる重み付けで受信機８５に送出する。送信機７５と受信機８５の間に存在する什器７１により見通し通信経路が遮断されるので、送信機７５と受信機８５の間に存在する複数の電磁波散乱体７２による多重反射によって送信機から放射された電磁波が複数の経路を通じて同時に受信機８５に到達する。
　これらは送信機から受信機までに要した経路長に関係する位相変化と電磁波散乱体７２による反射の過程で発生する位相シフトにより特定の関係を持つ経路を通過した電磁波のみが受信機でお互いにエネルギーを強め合う。そのような経路を図２ではＬ１ａ，ｂおよびＬ２ａ，ｂと表している。電磁波散乱体７２で引起される位相シフトは該電磁波散乱体に入射する電磁波の偏波方向によって変化するから、送信機から放射される電磁波の偏波方向が異なれば、受信機において電磁波がそのエネルギーを強めあう特定の経路は異なるものとなる。
　従って、送信機から放射する電磁波の偏波方向を異なる複数のものとすることで送信機から受信機に電磁波を強度大で伝送可能な経路を多重化することができる。送信機から放射する電磁波の方向は一つの時間点で一つしか存在しないから、異なる時間で同一の信号を送信機から放射することで、偏波方向を変えることで出現する異なる伝送経路を各々使用することができる。
　ここで、送信機から放射する電磁波の偏波方向を変える頻度、すなわち偏波の回転周波数を、送信機から受信機へと伝送すべき信号が有する最大周波数（図１の情報生成回路１が生成する周波数帯域ｆＩの最大周波数）より大きくすることで、等価的に同一の信号を該複数の伝送路で送信機から受信機に伝送することが可能となり、送信機から受信機の間の通信信頼性が向上する。送信機から放射された電磁波の偏波方向は、電磁波散乱体７２による反射の際の位相シフトにより保存されないから、受信機は複数の偏波方向においてもれなく送信機から到来する種々の偏波方向を有する電磁波を検出しなければならない。受信アンテナの偏波方向を変える頻度を、送信機から受信機へと伝送すべき信号が有する最大周波数より大きくすることで、等価的に同一の該信号に対して、すべての偏波方向でもれなく該信号を検出することが可能となる。
　また、本実施例では偏波の回転周波数ｆｒは搬送波の周波数ｆｃはよりも十分小さく設定されている。これは、無線通信における各周波数ｃｈの独立性を維持するために、偏波の回転周波数ｆｒはｃｈの幅、すなわち搬送波の周波数帯域よりも十分小さい必要があるためである。
　次に、本無線通信システムの動作を詳しく説明する。送信機７５が具備する送信アンテナ７０と受信機８５が具備する受信アンテナ８０の間には電磁波散乱体である什器７１が存在するため、該送信アンテナ８０から該受信アンテナ８０に電磁波が直接到達する経路無く、該送信機７５と該受信機８５の周囲に分布する複数の電磁波反射物７２による反射を繰り返し、送信アンテナ７０から放射された電磁波は受信アンテナ８０に到達する。
　送信機７５より偏波方向を回転させる送信アンテナ７０を用いて第一の偏波方向で送信された送信波９１は行路差Ｌ１ａの反射波９３ａと行路差Ｌ１ｂの反射波９３ｂの合成である受信波９２として第三の偏波方向で受信機８５に到達する。さらに送信機７５より偏波方向を回転させることにより別のタイミングで第二の偏波方向で送信された送信波９５は行路差Ｌ２ａの反射波９７ａと行路差Ｌ２ｂの反射波９７ｂの合成である受信波９６として第四の偏波方向で受信機８５に到達する。独立な偏波方向は直交する二つであるから、第三および第四の偏波方向の電磁波は受信機が具備する偏波角度を回転させる受信アンテナ８０によって異なる偏波方向である第十一の偏波方向および第十二の偏波方向に分離されて受信機８５で検出される。引き続き、次の周期において同様の動作を繰り返す。
　図２の下図は、送信機から放射される電磁波の偏波方向の時間変化を示したものであり、電磁波の偏波方向が送信機から受信機へと伝送すべき信号が有する最大周波数より大きい周波数ｆｒで回転する状況を示している。本実施例では、該周波数ｆｒに対応する周期の１／４ごとに同一の信号に異なる重み付けで送信機はデジタルデータを放射している。すなわち、各偏波角度の搬送波に対して異なる重み付けがされた同一の情報信号がのせられている。
　該一周期の後半周期は前半周期と符号が反転するだけで偏波方向は同一であるから、後半周期のデジタルデータ点と前半周期のデジタルデータ点は同一の経路を経て送信機から受信機へと到達する。本実施例では、伝送路の多重化効果には後半周期は寄与しないので、後半周期では重み係数をゼロとして信号を送らず、送信機の消費電力を低減する効果を得ている。
　この時、第一の周期で同じ信号ｓと異なる重み値ｗ１，ｗ２、第二の周期で同じく信号ｓと異なる重み値ｗ３，ｗ４を用いれば、第十一の偏波方向で受信された電磁波の複素強度は第一の周期と第二の周期で其々次式となる。
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　受信された信号はデジタル信号処理等によって複素演算による絶対値を計算することが出来る。第十一の偏波方向で受信された電磁波第一の周期と第二の周期の絶対の和をｗ１＝ｗ３＝１／ＡL1，ｗ２＝１／ＡL2，ｗ４＝－１／ＡL2とすることによって求めると２となり伝送路の数だけ受信信号電力が増加する。Φiの値は用いる電磁波の搬送波の周波数を基準とする位相差であり、式１の其々の絶対値の和を求めるためにはΦL2およびΦL1の値の差があれば十分であり、該差は搬送波の周波数を用いたデジタル信号処理の計算により容易に求められる。ΦL2およびΦL1の値の差が求められれば、ｗ１，ｗ２，ｗ３，ｗ４の値を知った上で、ＡL1およびＡL2の値の比は容易に得られ、それにより絶対値の和の最大値が求められる。絶対値の和の具体的計算は得られた信号の複素共役信号を作成し、元信号と該複素共役信号の積により最大値は計算できる。
　また、この重み付けの符号に直交関係を持たすこともできる。すなわち、送信機が用いる重み付けにおいて、元情報信号を第一の周波数で回転する送信波の第一の周期内の異なるサンプリングポイント数と、同ポイントに割り当てられた複数の値を同ポイントと同数の該周期繰り返しにおいて組み換え、各周期毎の複数の値を互いに直交させる。そうすると、受信部のデジタル信号処理によって符号の直交性より、任意の位置符号に関する信号を用意に分離抽出できる。そのように抽出された符号を用いれば異なる偏波角度で送信され、異なる経路を伝送してくる到来波を分離合成できる効果がある。これによって、伝送路の多重化が実現でき、特定の無線伝送路の遮断に通信の信頼性を向上することができる。
　また、他の重み付けの例として、重み付けする符号それぞれに異なる暗号処理を施せば、送信される情報信号が異なる伝送路に異なる暗号で伝送されるので、通信のセキュリティ向上に効果がある。
　以上のように本実施例では、送信機と受信機の間に電磁波の散乱体が複数存在し、送信機から発射された電磁波が該散乱体により多重反射を受けそれらがお互いに干渉して受信機に到達する電波環境において、送受信アンテナを一体形成可能な偏波が直交する２アンテナとし、送信機の放射する電磁波の偏波を回転させて、送信機から受信機に至る複数の伝搬経路を実現し、該複数の経路に同一の情報信号を直交する重み符号を掛けて該回転周期内の異なるサンプリングタイミングで送信機から放射し、受信機では該複数の経路から伝搬してきた複数の電磁波を受信し、同重みを用いて該複数の電磁波に重畳されている信号を再構成でき、送信側から受信側への情報伝送容量を拡大できるので、送受信機の寸法を小型に押さえつつ送信機から受信機までの通信信頼性を増大できる。
　本実施例では、本発明からなる無線システムの送信機におけるデジタルデータの他の重み付け例を説明する。
　図３は、実施例２における無線システムの送信機におけるデジタルデータの他の重み付け例である。図２に示す実施例と異なり、後半周期のデジタルデータ点に前半周期のデジタルデータ点と同一の重み付けを施す。該一周期の後半周期は前半周期と符号が反転するだけで偏波方向は同一であるから、後半周期のデジタルデータ点と前半周期のデジタルデータ点は同一の経路を経て送信機から受信機へと到達するので、送受信機間の通信信頼性向上は図られないが、平均時間において送信機から受信機へと伝達可能な電磁波のエネルギーが増加する。これによって、送信機から受信機へと伝送可能な電力が増大し、送受信間の通信可能距離を伸長することが可能となる。
　本実施例では、本発明からなる無線システムの送信機におけるデジタルデータの他の重み付け例を説明する。
　図４は、実施例３における無線システムの送信機におけるデジタルデータの他の重み付け例である。図２実施例と異なり、後半周期のデジタルデータ点に前半周期のデジタルデータ点と異なる重み付けを施す。該一周期の後半周期は前半周期と符号が反転するだけで偏波方向は同一であるから、後半周期のデジタルデータ点と前半周期のデジタルデータ点は同一の経路を経て送信機から受信機へと到達するので、送受信機間に偏波方向の回転周波数と同等以上の速さで環境変化が考えられない場合、前半周期のデータ伝送品質と後半周期のデータ伝送品質は同一と期待できる。
　本実施例では、該前半周期のデジタルデータ点に対応する重み係数を実数部として、該後半周期のデジタルデータ点に対応する重み係数を虚数部として送信機から受信機へとデジタルデータを伝送する。
　本実施例によれば、送信機から受信機へと伝送すべき情報信号に付加する符号を複素数と出来るので、受信機における、該重み係数を用いた情報信号の再構成に適用できるアルゴリズムの自由度を大幅に増大する。
　次に実施例１～３における無線システムの送信機のデジタルデータの生成法の例を説明する。
　図５は、実施例１における無線システムの送信機のデジタルデータの生成法の例である。
図１の無線機において情報生成回路１が生成する周波数帯域ｆＩの信号をアナログデジタル変換器２によってデジタル信号とし図５ａの時間波形を得る。同時間波形は、アップサンプラ３によってサンプリング周波数が引き上げられ、元デジタル信号の離散間隔の中に新たな信号点が形成され図５ｂの時間波形を得る。
　同時間波形は、デジタルサンプルホールド回路４により、該新たな信号点に元デジタル信号の値を複製し図５ｃの時間波形を得る。同時間波形は、記憶装置６にあらかじめ格納された重み係数が循環式信号複製器５により順次読み出され乗算回路で掛け合わされることにより図５ｄの時間波形となる。
　図５に示す例では、式１の重み係数［ｗ１，ｗ２，ｗ３，ｗ４］は［１，１，１，－１］の複素共役信号を用いた例である。本実施例によれば受信機で得られた信号と同信号から得られた複素共役信号を用いて送信機から放射した電磁波に重畳した情報信号を２倍の信号強度で再構成可能である。この結果は、アップサンプラ３と、デジタルサンプルホールド回路４により元デジタル信号の値を４倍に複製し、これら４つの信号を一対ずつの複素数として用いたことで最終的に４倍の半分で２倍になることに相当する。このように複素信号を用いることで、受信機側でのデジタル信号処理負荷を低減することができる。
　また、複素数ではなく、全て実数として重み付けを行えば、４倍にされたデジタル信号の値それぞれに実数をかけるため情報信号を４倍の信号強度で再構成可能である。
　このように、重み付け係数を設定することで送受信間の信頼性向上に効果がある。
　本実施例では、本発明からなる無線システムを実現する送信機の他の構成例を説明する。
　異なる偏波方向の電磁波を送信から受信側に伝送する為には、図１に示すような機械駆動部を用いて偏波を回転させる他に、二つのアンテナから放射される二つの直交した偏波を送信する際にその振幅強度を異なる組み合わせにすればよい。たとえば、時間的に両者の振幅強度を其々正弦波状および余弦波状に変化させ合成させれば時間的に偏波方向が回転する電磁波を送信することができる。本実施例は、二つのアンテナを用いて異なる偏波方向の電磁波を送信する例である。
　図６は、実施例４における無線システムを実現する送信機の他の構成例である。図１の送信機と異なる点は、第一の乗算器の出力であるデジタル信号が二分岐され、其々、周波数ｆｃ－ｆｒ／２および同ｆｃ＋ｆｒ／２の第一のデジタル発振器２１および第二のデジタル発振器２３が生成するデジタル搬送波と、第一の乗算器２２および第二の乗算器２４により掛け合わされ、合成器２５によって両者が足し合わされたのちに再び二分岐され、一方はそのまま水平偏波送信アンテナ３０から放射され、他方は偏波方向の回転周波数ｆｒに対する９０°遅延器２６を介して垂直偏波送信アンテナ３１から放射される。
　本実施例によれば、搬送波の周波数より低い周波数で偏波方向が回転するアンテナを一体形成可能な直交する２つの垂直偏波アンテナで実現できるので、実施例１の効果を、機械駆動部を用いない小型の寸法の送信機で実現できる。すなわち、直交した偏波はお互いに独立であるからこれら二つのアンテナは空間的に離す必要はなく最小体積で２アンテナを設置可能である。
　次に、実施例４の無線システムを実現する送信機の動作を説明する。図７は、実施例４における無線システムを実現する送信機の動作を説明する図である。
　図６の送信機は、周波数ｆｃ－ｆｒ／２および同ｆｃ＋ｆｒ／２の第一のデジタル発振器２１および第二のデジタル発振器２３により、図７Ａおよび図７Ｂの時間波形を生成する。これらの波形には最大周波数がｆＩの情報信号が重畳されておりその包絡線に変化が現れるが、偏波方向の回転周波数ｆｒよりｆＩが十分小さいために同図にはその変化は極めて小さい。これらは合成器２５によって足し合わされ、図７Ｃの時間波形が得られる。図７Ａ，Ｂの周波数差が小さいためにその差がビートとなり包絡線として見出される。該包絡線内の振動周波数は該包絡線の周波数に比べて極めて大きい。このビート波を包絡線の周波数の１／４波長分ずらして空間的に直交する２アンテナで空中に放射すると図７Ｄのような立体的な包絡線の三次元合成波形となって電磁波はその偏波方向を回転させながら空中を進む。本実施例によれば、直交する２つの直線偏波アンテナを用いて、偏波方向を回転させる電磁波を生成することができる。
　また、受信機側も送信機と同様に二つの互いに直交する偏波の２つの受信アンテナを用いて、一方に第一の振幅係数を掛け、他方に偏波の回転周期の四分の一に相当する遅延差与えて第二の振幅係数を掛け、第一及び第二の振幅係数を該偏波の回転周期を有する正弦関数と余弦関数とし、両者の和を該偏波の回転周期を該サンプリングタイミングで分割して得られる各時間軸上の点の数だけ並列信号処理を行うことで実現できる。
　本実施例では、本発明の無線システムに適用する送受信機の他の構成例を説明する。
　図８は、本実施例の無線システムを実現する送信機および受信機の構成図の例である。図８の偏波角分割ダイバシチを行う無線機のうち、既に説明した図１と同一の機能を有する部分については、説明を省略する。図１の実施例の送信機と異なる点は、第一の乗算器７の出力である重み付けされたデジタル情報信号が、インターポレータ４１とデジタルフィルタ４２の従属接続回路によってアップサンプリングされたのち、周波数ｆｃ１の送信デジタルクロック回路４３でクロック供給されるデルタシグマ変調器４４によって１ビットのデジタル信号に変換され続いてサンプルホールド回路４５によりアナログ信号に変換され、送信アンテナ４より空中に放射される点である。
　本実施例によれば、デルタシグマ回路４４の周波数変換機能を用いてデジタルクロック回路４３の周波数をデジタル発信器８の周波数より下げることができるので、送信機のデジタル信号処理の最高動作周波数を下げることが可能となり、同送信機の消費電力低減に効果がある。
　図１の実施例の受信機と異なる点は、受信アンテナ２０で検出されたアナログ信号を、周波数ｆｃ２のデジタルクロック回路５１でクロック供給されるデルタシグマアナログデジタル変換回路５２によってデジタル信号に変換してデジタル信号処理デバイス１５に供給する点である。
　本実施例によれば、経年変化、温度変化のため長寿命化、無調性化が困難であるアナログミキサ１２、局部発信器１１を其々、長寿命化、無調性化に好適なデジタル回路に置換できるので、本発明の無線システムに適用される送受信機の機器信頼性向上に効果がある。
　本実施例では、本発明の無線システムに適用する送信機の他の構成例を説明する。
　図９は、本実施例の無線システムを実現する送信機および受信機の構成図の例である。図９の偏波角分割ダイバシチを行う無線機のうち、既に説明した図６と同一の機能を有する部分については、説明を省略する。図６の実施例の送信機と異なる点は、第一の乗算器７の出力である重み付けされたデジタル情報信号が、インターポレータ４１とデジタルフィルタ４２の従属接続回路によってアップサンプリングされたのち二分岐され、一方は周波数ｆｓ＋ｆｒ／Ｋの送信デジタルクロック回路６１でクロック供給されるデルタシグマ変調器６２によって１ビットのデジタル信号に変換され続いてサンプルホールド回路６５によりアナログ信号に変換され、他方は周波数ｆｓ－ｆｒ／Ｋの送信デジタルクロック回路６３でクロック供給されるデルタシグマ変調器６４によって１ビットのデジタル信号に変換され続いてサンプルホールド回路６６によりアナログ信号に変換され、合成器２５によって両者が足し合わされたのちに再び二分岐され、一方はそのまま水平偏波送信アンテナ３０から放射され、他方は偏波方向の回転周波数ｆｒに対する９０°遅延器２６を介して垂直偏波送信アンテナ３１から放射されることである。
　本実施例によれば、デルタシグマ回路６２，６４の周波数変換機能を用いてデジタルクロック回路６１，６３の周波数を第一のデジタル発振器２１および第二のデジタル発振器２３の周波数より下げることができるので、送信機のデジタル信号処理の最高動作周波数を下げることが可能となり、同送信機の消費電力低減に効果がある。
　本実施例では、本発明の偏波角分割ダイバシチを行う無線機を用いる通信システムの構成例を説明する。
　図１０は、本実施例の偏波角分割ダイバシチ無線機を適用した昇降機システムの構成図の例である。本実施例の昇降機システム１００は、昇降機が設置される建物１０１の内部を昇降カゴ１１１が昇降する。建物１０１の内部の床部および天井部には偏波角分割ダイバシチ機能を有する基地局無線機１０３と基地局２直交偏波一体アンテナ１０２が結合し設置される。昇降機１１１の外部天井と外部床面には其々端末局２直交偏波一体アンテナ１１２が設置され、高周波ケーブル１１４を用いて端末無線機１１３に結合している。基地局無線機１０３と端末局無線機１１３は、建物１０１の内部を無線伝送媒体とするので、該建物１０１の内壁および該昇降機の外壁により電磁波は多重反射を受け、多重波干渉環境が形成される。本実施例では偏波角度分割ダイバシチにより、多重波干渉環境下でも高品質の無線伝送が実現可能となるので、同無線機を用いた無線接続手段を用いて、昇降機１１１の制御・監視を建物１０１より有線接続手段を用いずに遠隔で実施できるので、ケーブル等の該有線接続手段を削除可能で、同一の輸送能力をより小さい建物体積で実現でき、あるいは同一の建物体積で昇降機寸法を増大させることによる輸送能力向上を実現できる。
　本実施例では、本発明の偏波角分割ダイバシチを行う無線機を用いる通信システムの他の構成例を説明する。
　図１１は、本実施例の偏波角分割ダイバシチ無線機を適用した変電設備監視システムの構成図の例である。本実施例の変電設備監視システム２００は、複数の変電機２０１と同変電機２０１には偏波角分割ダイバシチを行う端末局無線機２０３と端末局２直交偏波一体アンテナ２０２が結合し設置され、該複数の変電機２０１の近傍に、該変電機２０１の数よりも少ない数の複数の基地局装置２１１が設営され該基地局装置２１１は本発明の偏波角分割ダイバシチを行う基地局無線機２１３と基地局２直交偏波一体アンテナ２１２が結合し設置される。変電機の寸法は数ｍのオーダーであり無線機が使用する電磁波の周波数である数百ＭＨｚから数ＧＨｚに対応する波長に比べ圧倒的に大きいため、該複数の変電機２０１により電磁波は多重反射を受け、多重波干渉環境が形成される。本実施例では偏波角度分割ダイバシチにより、多重波干渉環境下でも高品質の無線伝送が実現可能となるので、同無線機を用いた無線接続手段を用いて、変電機２０１の制御・監視を複数の無線基地局２１１により有線接続手段を用いずに遠隔で実施できるので、ケーブル等の該有線接続手段を用いる場合に問題となる高圧誘導電力の問題を解決でき、同ケーブルの敷設コストを削除できるので、変電機２０１の制御・監視システムの安全性向上およびコスト削減に効果がある。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。 
　また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
１…情報生成回路、２…アナログデジタル変換器、３…アップサンプラ、
４…デジタルサンプルホールド回路、５…循環式信号複製器、６…記憶装置、
７…第一の乗算器、８…デジタル発信器、９…第二の乗算器、
１０…送信アンテナ、１１…局部発信器、
１２…アナログミキサ、１３…フィルタ、
１４…アナログデジタル変換回路、１５…デジタル信号処理デバイス、
２０…受信アンテナ、
２１…デジタル発信器、２２…乗算器、２３…デジタル発信器、
２４…乗算器、２５…合成器、２６…９０°遅延回路、
３０…水平偏波送信アンテナ、３１…垂直偏波送信アンテナ、
４１…インターポレータ、４２…デジタルフィルタ、４３…送信デジタルクロック回路、４４…デルタシグマ変調回路、４５…サンプルホールド回路、
５１…受信デジタルクロック回路、５２…デルタシグマアナログデジタル変換回路、
６１…送信デジタルクロック回路、６２…デルタシグマ変調回路、
６３…送信デジタルクロック回路、６４…デルタシグマ変調回路、
６５…サンプルホールド回路、６６…サンプルホールド回路、
７０…送信アンテナ、７１…什器、７２…電磁波散乱体、
７５…送信機、
８０…受信アンテナ、８５…受信機、
９１…送信波、９２…受信波、９３…経路、
９５…送信波、９６…受信波、９７…経路、
１００…昇降機システム、１０１…建物、１０３…基地局無線機、
１０２…基地局２直交偏波一体アンテナ、
１１１…昇降カゴ、１１３…端末局無線機、
１１２…端末局２直交偏波一体アンテナ、
２００…変電設備監視システム、２０１…変電機、
２０２…端末局２直交偏波一体アンテナ、２０３…端末局無線機、
２１１…無線基地局、２１２…基地局２直交偏波一体アンテナ、２１３…基地局無線機、

Claims (15)

  1. 　情報信号をサンプリングして、該サンプリングした情報信号を用いて搬送波に変調を施し送信する無線送信機と、前記無線送信機から送信された送信波を受信して前記情報信号を復調する無線受信機と、からなる無線通信システムにおいて、
    　前記無線送信機は、
    　送信波を生成する送信処理部と、前記送信波の偏波を所定の回転周波数で回転させて無線送信する送信部と、を有し、
    　前記送信処理部は、サンプリングした前記情報信号を複製し、複製した前記情報信号それぞれに対して所定の重み係数を掛け合わせ、前記複製した情報信号がそれぞれ異なる偏波角度で送信されるよう時間軸上に該情報信号を割り当てて送信波を生成する
    　ことを特徴とする無線通信システム。
  2. 　請求項１において、
    　前記送信部が送信する送信波の偏波の回転周波数は、前記搬送波の周波数よりも低く、かつ、前記情報信号の最大周波数よりも高いことを特徴とする無線通信システム。
  3. 　請求項１において、
    　前記送信処理部は、前記回転周波数の周期に対応させて送信波の時間軸を分割し、分割した時間軸上の各点に割当てられた情報信号に前記重み係数を掛け合わせるものであって、
    　前記重み係数は、前記回転周波数の半周期単位で繰り返すよう定められることを特徴とする無線通信システム。
  4. 　請求項１において、
    　前記送信処理部は、前記回転周波数の周期に対応させて送信波の時間軸を分割し、分割した時間軸上の各点に割当てられた情報信号に前記重み係数を掛け合わせるものであって、
    　前記重み係数は、前記回転周波数の前半周期に割当てられた情報信号に対する係数と、後半周期に割当てられた情報信号に対する係数とが、複素数の実部と虚部を表すよう定められ、
    　前記無線受信部は、掛け合わせられた複素数の重みを用いて情報信号を復調することを特徴とする無線通信システム。
  5. 　請求項１において、
    　前記送信部は、互いに交差する方向に設置された少なくとも２つの送信アンテナからなり、
    　前記送信処理部は、互いの周波数の差がおよそ送信波の偏波の回転周波数である二つの搬送波に情報信号を重畳し、これら２つ搬送波を合成しておよそ偏波の回転周波数でビートを起こすビート信号を生成し、前記ビート信号を分岐し、分岐した前記ビート信号の位相差が互いに送信波の偏波の回転周期の四分の一になるような遅延させ、前記ビート信号をそれぞれ２つの送信アンテナに送ることを特徴とする無線通信システム。
  6. 　請求項１において、
    　前記送信処理部は、デルタシグマ変調器を有し、
    　前記デジタルシグマ変調器は、アップサンプリングされた情報信号を入力として当該情報信号の搬送波への重畳を行うことを特徴とする無線通信システム。
  7. 　請求項６において、
    　前記デルタシグマ変調器はアンダーサンプリング型であることを特徴とする無線通信システム。
  8. 　請求項１において、
    　前記無線受信機は、所定の回転周波数で偏波が回転する送信波を受信する無線受信部と、受信した送信波を変調して情報信号を復調する受信処理部と、を有し、
    　前記受信処理部は、異なる偏波方向で受信した前記送信波に搬送波周波数を掛け合わせ、アナログデジタル変換を行い、前記回転周波数の周期に対応させて前記無線送信機が掛け合わせた前記重み係数を用いて前記情報信号を復調することを特徴とする無線通信システム。
  9. 　請求項８において、
    　前記無線受信部は、互いに交差する方向に設置された少なくとも２つの受信アンテナからなり、
    　前記受信処理部は、一方の前記受信アンテナから受信した信号に第一の振幅係数を掛け、他方の前記受信アンテナから受信した信号に前記送信波の偏波の回転周期の四分の一に相当する遅延与えて第二の振幅係数を掛け、
    　前記第一及び第二の振幅係数を該偏波の回転周期を有する正弦関数と余弦関数、両者の和を該偏波の回転周期をサンプリングタイミングで分割して得られる各時間軸上の点の数だけ並列信号処理を行うことを特徴とする無線通信システム。
  10. 　請求項８において、
    　前記受信処理部は、デルタシグマ変調器を用いて受信波のダウンコンバートとアナログデジタル変換を行うことを特徴とする無線通信システム。
  11. 　請求項１０において、
    　前記デルタシグマ変調器がアンダーサンプリング型であることを特徴とする無線通信システム。
  12. 　情報信号をサンプリングして、該サンプリングした情報信号を用いて搬送波に変調を施し送信する無線送信機において、
    　送信波を生成する送信処理部と、前記送信波の偏波を所定の回転周波数で回転させて無線送信する送信部と、を有し、
    　前記送信処理部は、サンプリングした前記情報信号を複製し、複製した前記情報信号それぞれに対して所定の重み係数を掛け合わせ、前記複製した情報信号がそれぞれ異なる偏波角度で送信されるよう時間軸上に該情報信号を割り当てて送信波を生成する
    　ことを特徴とする無線送信機。
  13. 　無線送信機から送信された送信波を受信して情報信号を復調する無線受信機において、　所定の回転周波数で偏波が回転する送信波を受信する無線受信部と、受信した送信波を変調して情報信号を復調する受信処理部と、を有し、
    　前記受信処理部は、異なる偏波方向で受信した前記送信波に搬送波周波数を掛け合わせ、アナログデジタル変換を行い、前記回転周波数の周期に対応させて前記無線送信機が掛け合わせた前記重み係数を用いて前記情報信号を復調することを特徴とする無線受信機。
  14. 　請求項１に記載の無線通信システムを適用した昇降機制御システム。
  15. 　請求項１に記載の無線通信システムを適用した変電設備監視システム。
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