WO2023161995A1 - 受信装置、通信システム、制御回路および記憶媒体 - Google Patents

受信装置、通信システム、制御回路および記憶媒体 Download PDF

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WO2023161995A1
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frequency
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transmission path
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勇太 堀
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三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/08—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station

Definitions

  • the present disclosure relates to a receiving device, a communication system, a control circuit, and a storage medium that perform channel estimation.
  • BLE Bluetooth (registered trademark) Low Energy
  • a function for estimating a position based on an arrival angle estimated using an array antenna has been standardized. This is a technique of estimating the direction of arrival of radio waves by utilizing the fact that received signals observed by each antenna element have a phase difference due to the physical distance between the antenna elements.
  • the position estimation technique using the angle of arrival has the advantages of high estimation accuracy at short distances and no need for prior measurement in the environment to be measured, called a fingerprint.
  • Non-Patent Document 1 discloses a technique of estimating the frequency response of a transmission path from a received signal and performing transmission path equalization processing on the received signal to remove the effect of multipath itself. ing.
  • the estimated value of the frequency response of the transmission path includes phase rotation due to frequency hopping in addition to the phase rotation due to the transmission path, and there is a problem that the estimation accuracy of the transmission path is lowered.
  • the present disclosure has been made in view of the above, and even in an environment where there is phase rotation due to the influence of frequency hopping in addition to the phase rotation due to the influence of the transmission path, it is possible to improve the estimation accuracy of the transmission path.
  • the aim is to obtain a possible receiver.
  • the receiving device includes a receiving antenna that receives a radio signal transmitted using frequency hopping as a received signal, and a known sequence included in the received signal.
  • a transmission path estimating unit for estimating the frequency response of the transmission path for each packet, and a packet averaging unit for calculating the average value for each channel of the phases of the frequency responses estimated for each of the plurality of packets.
  • the receiving apparatus has the effect of being able to improve the estimation accuracy of the transmission path even in an environment where there is phase rotation due to the influence of frequency hopping in addition to the phase rotation due to the influence of the transmission path. .
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a communication system according to a first embodiment
  • FIG. FIG. 2 is a diagram showing an example of the functional configuration of the receiving device shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration when a processing circuit included in the receiving apparatus shown in FIG. 2 is configured with dedicated hardware
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of a processing circuit when the processing circuit included in the receiving apparatus shown in FIG. 2 is realized by a processor and a memory;
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a communication system 1 according to the first embodiment.
  • the communication system 1 performs communication using radio signals.
  • the communication system 1 has a transmitter 5 and a receiver 10 .
  • the communication system 1 is assumed to be BLE and uses GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) as a modulation scheme.
  • GMSK Gausian Minimum Shift Keying
  • the transmitting device 5 transmits radio signals while switching the channel to be used for each packet.
  • the receiving device 10 receives signals of respective channels as received signals in accordance with the switching pattern of channels used when transmitting radio signals in the transmitting device 5 .
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the functional configuration of the receiving device 10 shown in FIG.
  • the receiving device 10 includes receiving antennas 11a and 11b, reception processing units 12a and 12b, a phase difference calculating unit 17, and an arrival angle estimating unit .
  • receiving antennas 11a and 11b are referred to as receiving antennas 11 when there is no need to distinguish between them.
  • the receiving device 10 may have three or more receiving antennas 11 .
  • the receiving antenna 11 receives radio signals as received signals.
  • the reception processing unit 12 is provided corresponding to each of the plurality of reception antennas 11 and processes the reception signal received by the corresponding reception antenna 11 .
  • the reception processing unit 12a has a channel estimation unit 13a, a packet averaging unit 14a, a channel coupling unit 15a, and a direct wave extraction unit 16a.
  • the reception processing unit 12b has a transmission path estimation unit 13b, a packet averaging unit 14b, a channel coupling unit 15b, and a direct wave extraction unit 16b.
  • the transmission path estimation unit 13a estimates the transfer function of the transmission path between the transmission device 5 and the reception device 10 based on the received signal received by the corresponding reception antenna 11a. Specifically, the transmission path estimation unit 13a estimates the frequency response of the transmission path for each packet based on the known sequence included in the received signal. The channel estimation unit 13a outputs the frequency response of the channel estimated for each packet to the corresponding packet averaging unit 14a.
  • the plurality of receiving antennas 11 and the reception processing units 12 form a plurality of systems for processing received signals, and "corresponding" means being in the same system.
  • the corresponding packet averaging unit 14 for the transmission path estimation unit 13a refers to the packet averaging unit 14a
  • the corresponding packet averaging unit 14 for the transmission path estimation unit 13b refers to the packet averaging unit 14b. Point.
  • the transmitted signal of the i-th packet generated from the known sequence on the transmitting side is expressed by the following formula (1).
  • n is 1 or more and N or less.
  • f b is the transmit carrier frequency defined in GMSK as determined by the information bit b.
  • the signal part corresponding to the known sequence in the received signal received by the receiving antenna 11 is represented by the following formula (2).
  • n is 1 or more and N or less.
  • Equation (2) for symbols in which a superscript character and a subscript character are lined up vertically, in the following sentences, the subscript character is shown after the superscript character, and the same thing is indicated. shall point to For example, the left side of Equation (2) is written as y a n (i) in the text.
  • ⁇ ah is the phase rotation caused by the transmission line corresponding to the receiving antenna 11a.
  • ⁇ i FH is the phase rotation caused by the oscillator of the transmitter 5 in the i-th packet, and is the phase rotation associated with changing the oscillation frequency of the oscillator when the channel used is changed by frequency hopping. A different value for each packet.
  • the channel estimator 13a converts the received signal into a signal in the frequency domain by Fourier transform, and then obtains the frequency response of the channel by inverse modulation.
  • the frequency response obtained by the channel estimation unit 13a is represented by the following formula (3).
  • X k (i) is a frequency domain signal obtained by Fourier transforming x n (i) represented by Equation (1)
  • Y a k (i) is y It is a frequency domain signal obtained by Fourier transforming an ( i ).
  • ⁇ a k represents the amplitude variation in the transmission path.
  • the packet averaging unit 14a averages the phase of a plurality of frequency responses for each packet output by the corresponding transmission path estimating unit 13a for each channel. That is, the packet averaging unit 14a obtains the average value of the frequency response of the transmission path for I packets using the same specific channel, as shown in Equation (4) below.
  • ⁇ i FH can be modeled as a value that changes for each packet according to a distribution with an average of 0
  • phase rotation due to frequency hopping can be canceled by sufficiently increasing I
  • the number of packets to be averaged. and only the phase rotation due to the transmission path can be extracted as expressed in Equation (5) below.
  • the channel combiner 15a obtains the transmission path impulse response by bundling the averaged frequency responses obtained by the packet averaging unit 14a for a plurality of channels and performing Fourier transform.
  • 37 channels are defined as channels for information transmission, so the channel combiner 15a bundles up to 37 frequency responses and performs Fourier transform to generate a transmission channel impulse response with high time resolution.
  • the number of channels bundled by the channel combining unit 15a is not particularly limited. All channels may be bundled, or only some channels may be bundled. Multipath resolution in channel estimation is proportional to the bandwidth of the transmission signal. Therefore, if the band used is narrow, the multipath resolution will be low.
  • the transmission path estimation unit 13a performs transmission path estimation for each channel. Some reflected waves cannot be separated, and errors caused by the reflected waves remain even after equalization processing is performed. Since the channel combiner 15a bundles the frequency responses of the transmission paths calculated for each channel into a plurality of channels and performs a Fourier transform, it is possible to generate a transmission path estimation value with high multipath resolution. Become. Therefore, it becomes possible to improve the separation performance of the direct wave and the reflected wave.
  • the direct wave extraction unit 16a extracts only the component corresponding to the direct wave from the transmission line impulse response obtained by the channel coupling unit 15a, and outputs the extracted direct wave component to the phase difference calculation unit 17 in the subsequent stage.
  • the direct wave component extracted by the direct wave extractor 16a is represented by the following formula (6).
  • the direct wave component that the direct wave extractor 16b outputs to the phase difference calculator 17 is represented by the following formula (7).
  • the phase difference calculator 17 calculates the phase difference of the direct wave component calculated by each receiving antenna 11 .
  • the phase difference calculator 17 outputs the calculated phase difference to the arrival angle estimator 18 .
  • the phase difference calculated by the phase difference calculator 17 is represented by the following formula (8).
  • the arrival angle estimator 18 estimates the arrival angle indicating the direction from which the received signal arrived, based on the phase difference output from the phase difference calculator 17 .
  • the arrival angle estimated by the arrival angle estimator 18 is represented by the following formula (9).
  • ⁇ represents the wavelength of the radio wave
  • d represents the distance between the receiving antennas 11a and 11b.
  • FIG. 3 is a flowchart for explaining the operation of the receiving device 10 shown in FIG.
  • the receiving antenna 11 receives a radio signal (step S101). At this time, the receiving antenna 11 receives the signals of each channel according to the switching pattern of the channels used when the transmitting device 5 transmits the signals. The receiving antenna 11 outputs a received signal, which is a received radio signal, to the corresponding reception processing unit 12 .
  • the transmission path estimation unit 13 estimates the frequency response of the transmission path for each packet based on the known sequence included in the received signal output from the receiving antenna 11 (step S102).
  • the channel estimation unit 13 outputs the estimated frequency response to the packet averaging unit 14 .
  • the packet averaging unit 14 calculates the average value of the phases of the frequency responses output by the transmission path estimating unit 13 for each channel among a plurality of packets (step S103). Packet averaging section 14 outputs the calculated average value to channel coupling section 15 .
  • the channel combining unit 15 bundles the frequency responses for each channel, which are the average values output by the packet averaging unit 14, for a plurality of channels and performs Fourier transform to obtain the transmission path impulse response (step S104).
  • the channel coupler 15 outputs the obtained transmission path impulse response to the direct wave extractor 16 .
  • the direct wave extraction unit 16 extracts a component corresponding to the direct wave from the transmission line impulse response output by the channel coupling unit 15 (step S105).
  • the direct wave extractor 16 outputs the extracted direct wave component to the phase difference calculator 17 .
  • the processing from step S101 to step S105 is performed in each of the receiving antenna 11a and the receiving processing section 12a and the receiving antenna 11b and the receiving processing section 12b. As a result, a plurality of direct wave components are input to the phase difference calculator 17 .
  • the phase difference calculator 17 calculates the phase difference between the antennas (step S106).
  • the phase difference calculator 17 outputs the calculated phase difference to the arrival angle estimator 18 .
  • the arrival angle estimation unit 18 estimates the arrival angle based on the phase difference output by the phase difference calculation unit 17 (step S107).
  • the receiving antennas 11a and 11b shown in FIG. 2 are realized by an antenna device.
  • the functions of transmission path estimation units 13a and 13b, packet averaging units 14a and 14b, channel coupling units 15a and 15b, direct wave extraction units 16a and 16b, phase difference calculation unit 17, and arrival angle estimation unit 18 are realized by processing circuits. be done.
  • the processing circuitry may be a processor and memory executing programs stored in the memory, or may be dedicated hardware.
  • the processing circuitry is also called control circuitry.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration when the processing circuit included in the receiving device 10 shown in FIG. 2 is configured with dedicated hardware.
  • the processing circuit 90 corresponds to, for example, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field Programmable Gate Array), or a combination thereof. .
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the processing circuit 91 when the processing circuit included in the receiving device 10 shown in FIG. 2 is realized by the processor 92 and the memory 93.
  • a processing circuit 91 shown in FIG. 5 is a control circuit and has a processor 92 and a memory 93 .
  • each function of the processing circuit 91 is implemented by software, firmware, or a combination of software and firmware.
  • Software or firmware is written as a program and stored in memory 93 .
  • each function is realized by the processor 92 reading and executing the program stored in the memory 93.
  • the processing circuitry 91 includes a memory 93 for storing programs that result in the processing of the receiving device 10 being executed.
  • This program can also be said to be a program for causing the receiving device 10 to execute each function realized by the processing circuit 91 .
  • This program may be provided by a storage medium storing the program, or may be provided by other means such as a communication medium.
  • the processor 92 is, for example, a CPU (Central Processing Unit), a processing device, an arithmetic device, a microprocessor, a microcomputer, or a DSP (Digital Signal Processor).
  • the memory 93 is a non-volatile or volatile memory such as RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), flash memory, EPROM (Erasable Programmable ROM), EEPROM (registered trademark) (Electrically EPROM), etc.
  • RAM Random Access Memory
  • ROM Read Only Memory
  • flash memory EPROM (Erasable Programmable ROM), EEPROM (registered trademark) (Electrically EPROM), etc.
  • a semiconductor memory, a magnetic disk, a flexible disk, an optical disk, a compact disk, a mini disk, or a DVD (Digital Versatile Disc) corresponds to this.
  • each of the plurality of functional blocks shown in FIG. 2 does not necessarily have to be realized by one circuit.
  • Functions of a plurality of functional blocks may be realized by one circuit, and functions of one functional block may be realized by a plurality of circuits.
  • the processing circuit may be partly implemented by dedicated hardware and partly implemented by software or firmware.
  • the processing circuitry may implement each of the functions described above through dedicated hardware, software, firmware, or a combination thereof.
  • the hardware configuration of the receiving device 10 has been described here, the hardware configuration of the transmitting device 5 can also be realized using the antenna device and the processing circuits 90 and 91, like the receiving device 10.
  • the receiving apparatus 10 uses the receiving antenna 11 that receives a radio signal transmitted using frequency hopping as a received signal, and based on a known sequence included in the received signal, transmits a transmission path estimator 13 for estimating the frequency response of the path for each packet; a packet averaging unit 14 for calculating an average value for each channel of the phases of the frequency responses estimated for each of the plurality of packets; Prepare. Therefore, when communicating using frequency hopping, the frequency response estimated for each packet includes phase rotation caused by changing the oscillation frequency of the oscillator. , it becomes possible to cancel this phase rotation and extract only the phase rotation caused by the transmission path. Therefore, even in an environment where phase rotation due to the influence of frequency hopping exists in addition to phase rotation due to the influence of the transmission path, it is possible to improve the estimation accuracy of the transmission path.
  • the receiving device 10 further includes a channel combiner 15 that combines a plurality of frequency responses by bundling a plurality of average values of frequency responses calculated for each of the plurality of channels and performing a Fourier transform.
  • a channel combiner 15 that combines a plurality of frequency responses by bundling a plurality of average values of frequency responses calculated for each of the plurality of channels and performing a Fourier transform.
  • the receiving device 10 further includes a direct wave extractor 16 that extracts a direct wave component from the combined frequency response.
  • a plurality of reception processing units 12 are provided corresponding to each of the plurality of reception antennas 11, and a phase difference calculation unit 17 for calculating a phase difference between a plurality of direct wave components extracted for each reception antenna 11, and a position
  • An arrival angle estimator 18 is further provided for estimating the arrival angle indicating the arrival direction of the received signal based on the phase difference. For this reason, the direct wave component is extracted from the transmission line impulse response obtained by the channel combining unit 15, and the phase difference between the direct wave components between the receiving antennas 11 is calculated. Therefore, it is possible to estimate the angle of arrival.
  • Embodiment 1 BLE was exemplified and explained, but the communication system 1 is not limited to BLE.
  • the technology of the present embodiment can be applied to all wireless systems using communication schemes involving frequency hopping.
  • 1 communication system 5 transmitting device, 10 receiving device, 11, 11a, 11b receiving antenna, 12, 12a, 12b reception processing section, 13, 13a, 13b transmission path estimation section, 14, 14a, 14b packet averaging section, 15 , 15a, 15b channel coupler, 16, 16a, 16b direct wave extractor, 17 phase difference calculator, 18 angle of arrival estimator, 90, 91 processing circuit, 92 processor, 93 memory.

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Abstract

受信装置（１０）は、周波数ホッピングを用いて送信された無線信号を受信信号として受信する受信アンテナ（１１ａ，１１ｂ）と、受信信号に含まれる既知系列に基づいて、伝送路の周波数応答をパケット毎に推定する伝送路推定部（１３ａ，１３ｂ）と、複数のパケットのそれぞれに対して推定された複数の周波数応答の位相についてチャネル毎に平均値を算出するパケット平均化部（１４ａ，１４ｂ）と、を備えることを特徴とする。

Description

受信装置、通信システム、制御回路および記憶媒体
　本開示は、伝送路推定を行う受信装置、通信システム、制御回路および記憶媒体に関する。
　近年、ＩｏＴ（Internet　of　Things）の普及に伴い、汎用の無線通信機器を用いた位置推定技術に注目が集まっている。例えば、ＢＬＥ（Bluetooth（登録商標）　Low　Energy）では、アレーアンテナを利用して推定する到来角に基づいて位置を推定する機能が規格化された。これは、アンテナ素子間の物理的な距離に起因して各アンテナ素子で観測される受信信号に位相差が生じることを利用して、電波の到来方向を推定する技術である。到来角を用いた位置推定技術は、近距離での推定精度が高く、フィンガープリントと呼ばれる測定対象環境における事前測定も不要であるという利点がある。しかしながら、例えば屋内環境など、受信装置において送信装置からの直接波だけでなく壁などの物体で反射した反射波も到来するマルチパス環境では、直接波と反射波との合成波に対して到来角を推定することになるため、推定精度が大きく劣化するという欠点があった。
　これに対して、非特許文献１では、受信信号から伝送路の周波数応答を推定し、受信信号に対して伝送路等化処理を行うことで、マルチパスの影響そのものを除去する技術が開示されている。
I．Held　et　al．，　"Channel　Estimation　and　Equalization　Algorithms　for　Long　Range　Bluetooth　Signal　Reception"　IEEE　71st　Vehicular　Technology　Conference　2010．
　しかしながら、周波数ホッピングを用いる通信システムでは、使用チャネルを変更する際に発信器の発振周波数を変更することに伴い位相オフセットが生じる。このため、伝送路の周波数応答の推定値には、伝送路による位相回転に加えて、周波数ホッピングによる位相回転が含まれており、伝送路の推定精度が低下してしまうという問題があった。
　本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、伝送路の影響による位相回転以外に周波数ホッピングの影響による位相回転が存在する環境であっても、伝送路の推定精度を向上させることが可能な受信装置を得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、本開示にかかる受信装置は、周波数ホッピングを用いて送信された無線信号を受信信号として受信する受信アンテナと、受信信号に含まれる既知系列に基づいて、伝送路の周波数応答をパケット毎に推定する伝送路推定部と、複数のパケットのそれぞれに対して推定された複数の周波数応答の位相についてチャネル毎に平均値を算出するパケット平均化部と、を備えることを特徴とする。
　本開示にかかる受信装置は、伝送路の影響による位相回転以外に周波数ホッピングの影響による位相回転が存在する環境であっても、伝送路の推定精度を向上させることが可能であるという効果を奏する。
実施の形態１にかかる通信システムの構成を示す図 図１に示す受信装置の機能構成の一例を示す図 図２に示す受信装置の動作を説明するためのフローチャート 図２に示す受信装置が備える処理回路を専用のハードウェアで構成する場合の構成を示す図 図２に示す受信装置が備える処理回路をプロセッサおよびメモリで実現する場合の処理回路の構成を示す図
　以下に、本開示の実施の形態にかかる受信装置、通信システム、制御回路および記憶媒体を図面に基づいて詳細に説明する。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１にかかる通信システム１の構成を示す図である。通信システム１は、無線信号を用いて通信を行う。通信システム１は、送信装置５と、受信装置１０とを有する。ここでは、通信システム１は、ＢＬＥであることを想定し、変調方式としてＧＭＳＫ（Gaussian　Minimum　Shift　Keying）を使用する。送信装置５は、周波数ホッピングを用いて、使用するチャネルをパケット毎に切り替えながら無線信号を送信する。受信装置１０は、送信装置５において無線信号を送信する際に使用するチャネルの切り替わりパターンに合わせて、それぞれのチャネルの信号を受信信号として受信する。
　以下、同様の機能を有する複数の構成要素には、共通の数字の後にアルファベットを付する。
　図２は、図１に示す受信装置１０の機能構成の一例を示す図である。受信装置１０は、受信アンテナ１１ａ，１１ｂと、受信処理部１２ａ，１２ｂと、位相差算出部１７と、到来角推定部１８とを有する。以下、同様の機能を有する複数の構成要素のそれぞれを区別する必要がない場合、共通する数字のみを付することがある。例えば、受信アンテナ１１ａ，１１ｂのそれぞれを区別する必要がない場合、受信アンテナ１１と称する。
　なお、ここでは受信アンテナ１１が２本の場合について例示するが、受信装置１０は、３本以上の受信アンテナ１１を有してもよい。受信アンテナ１１は、無線信号を受信信号として受信する。受信処理部１２は、複数の受信アンテナ１１のそれぞれに対応して設けられ、対応する受信アンテナ１１が受信した受信信号を処理する。受信処理部１２ａは、伝送路推定部１３ａと、パケット平均化部１４ａと、チャネル結合部１５ａと、直接波抽出部１６ａとを有する。受信処理部１２ｂは、伝送路推定部１３ｂと、パケット平均化部１４ｂと、チャネル結合部１５ｂと、直接波抽出部１６ｂとを有する。
　伝送路推定部１３ａは、対応する受信アンテナ１１ａが受信した受信信号に基づいて、送信装置５と受信装置１０との間の伝送路の伝達関数を推定する。具体的には、伝送路推定部１３ａは、受信信号に含まれる既知系列に基づいて、伝送路の周波数応答をパケット毎に推定する。伝送路推定部１３ａは、パケット毎に推定した伝送路の周波数応答を対応するパケット平均化部１４ａに出力する。なお、複数の受信アンテナ１１および受信処理部１２は、受信信号を処理する複数の系統を形成しており、「対応する」とは同一系統であることを意味する。例えば、伝送路推定部１３ａにとって対応するパケット平均化部１４とはパケット平均化部１４ａのことを指し、伝送路推定部１３ｂにとって対応するパケット平均化部１４とはパケット平均化部１４ｂのことを指す。
　受信信号に含まれる既知系列長をＮとした場合、送信側において既知系列から生成されるｉ番目のパケットの送信信号は、以下の数式（１）で表される。なお、ｎは１以上Ｎ以下である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ｆbは情報ビットｂによって決定される、ＧＭＳＫで定義される送信キャリア周波数である。このとき、受信アンテナ１１が受信する受信信号における既知系列に対応する信号部分は以下の数式（２）で表される。ｎは１以上Ｎ以下である。なお、数式中では、上付きの文字と下付きの文字とが縦に並んで表記されている記号について、以下の文章中では上付きの文字の後に下付きの文字を示し、同一のものを指すものとする。例えば、数式（２）の左辺は、文章中においては、ｙa n（ｉ）と表記する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、θa hは、受信アンテナ１１ａに対応する伝送路に起因する位相回転である。θi FHは、ｉ番目のパケットにおける送信装置５の発振器に起因する位相回転であり、周波数ホッピングによって使用チャネルが変更される際に発振器の発振周波数を変更することに伴う位相回転であるため、パケット毎に異なる値となる。伝送路推定部１３ａは、受信信号をフーリエ変換により周波数領域の信号へと変換した後、逆変調によって伝送路の周波数応答を求める。伝送路推定部１３ａが求める周波数応答は、以下の数式（３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、Ｘk（ｉ）は、数式（１）で表されるｘn（ｉ）をフーリエ変換した周波数領域信号であり、Ｙa k（ｉ）は、数式（２）で表されるｙa n（ｉ）をフーリエ変換した周波数領域信号である。また、αa kは、伝送路における振幅変動を表す。
　パケット平均化部１４ａは、対応する伝送路推定部１３ａが出力するパケット毎の複数の周波数応答を、チャネル毎に、位相について平均化する。つまり、パケット平均化部１４ａは、特定の同じチャネルを使用するＩ個のパケットについて、以下に示す数式（４）のように、伝送路の周波数応答の平均値を求める。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここで、θi FHは平均０の分布に従ってパケット毎に値が変わるものとモデル化できるため、平均化するパケットの数であるＩを十分に大きくすることで、周波数ホッピングによる位相回転をキャンセルすることができ、以下の数式（５）に表されるように、伝送路による位相回転のみを取り出すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　チャネル結合部１５ａは、パケット平均化部１４ａで求めた平均化後の周波数応答を、複数のチャネル分を束ねた上でフーリエ変換を施すことによって伝送路インパルス応答を求める。例えばＢＬＥでは、情報伝送用のチャネルとして３７チャネル定義されているため、チャネル結合部１５ａは、最大３７個の周波数応答を束ねてフーリエ変換を行うことにより時間分解能の高い伝送路インパルス応答を生成する。なお、チャネル結合部１５ａが束ねるチャネル数は特に限定されない。全てのチャネルを束ねてもよいし、一部のチャネルのみを束ねてもよいものとする。伝送路推定におけるマルチパス分解能は、送信信号の帯域幅と比例関係にある。このため、使用する帯域が狭い場合、マルチパス分解能が低くなる。例えば、本実施の形態で用いられるＢＬＥでは、チャネルあたりの帯域幅が２ＭＨｚであるため、伝送路推定部１３ａではチャネル単位で伝送路推定を行うため、直接波との伝送距離差が１５０ｍ以内である反射波は分離することができず、等化処理を行ったとしても反射波に起因する誤差が残留したままとなる。チャネル結合部１５ａは、チャネル単位で算出された伝送路の周波数応答を複数のチャネル分を束ねた上でフーリエ変換を行うため、高いマルチパス分解能を有する伝送路推定値を生成することが可能になる。したがって、直接波と反射波の分離性能を向上させることが可能になる。
　直接波抽出部１６ａは、チャネル結合部１５ａで求めた伝送路インパルス応答から直接波に相当する成分のみを抽出し、抽出した直接波成分を後段の位相差算出部１７に出力する。直接波抽出部１６ａが抽出する直接波成分は、以下の数式（６）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　なお、上記では受信処理部１２ａの伝送路推定部１３ａから直接波抽出部１６ａまでの処理について説明したが、受信アンテナ１１ｂに対応する受信処理部１２ｂの伝送路推定部１３ｂから直接波抽出部１６ｂにおいても、同様の処理が実行される。直接波抽出部１６ｂが位相差算出部１７に出力する直接波成分は、以下の数式（７）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　位相差算出部１７は、各受信アンテナ１１で算出された直接波成分の位相差を算出する。位相差算出部１７は、算出した位相差を到来角推定部１８に出力する。位相差算出部１７が算出する位相差は、以下の数式（８）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　到来角推定部１８は、位相差算出部１７が出力する位相差に基づいて、受信信号が到来してきた方向を示す到来角を推定する。到来角推定部１８が推定する到来角は、以下の数式（９）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　λは電波の波長、ｄは受信アンテナ１１ａ，１１ｂ間の距離を表す。
　図３は、図２に示す受信装置１０の動作を説明するためのフローチャートである。受信アンテナ１１は、無線信号を受信する（ステップＳ１０１）。このとき受信アンテナ１１は、送信装置５が信号を送信するときに使用したチャネルの切替パターンに合わせて、それぞれのチャネルの信号を受信する。受信アンテナ１１は、受信した無線信号である受信信号を対応する受信処理部１２に出力する。
　伝送路推定部１３は、受信アンテナ１１が出力する受信信号に含まれる既知系列に基づいて、伝送路の周波数応答をパケット毎に推定する（ステップＳ１０２）。伝送路推定部１３は、推定した周波数応答をパケット平均化部１４に出力する。
　パケット平均化部１４は、複数のパケット間で、チャネル毎に、伝送路推定部１３が出力する周波数応答の位相について平均値を算出する（ステップＳ１０３）。パケット平均化部１４は、算出した平均値をチャネル結合部１５に出力する。
　チャネル結合部１５は、パケット平均化部１４が出力する平均値であるチャネル毎の周波数応答を、複数のチャネル分を束ねてフーリエ変換を行うことにより伝送路インパルス応答を求める（ステップＳ１０４）。チャネル結合部１５は、求めた伝送路インパルス応答を直接波抽出部１６に出力する。
　直接波抽出部１６は、チャネル結合部１５が出力する伝送路インパルス応答から直接波に相当する成分を抽出する（ステップＳ１０５）。直接波抽出部１６は、抽出した直接波成分を位相差算出部１７に出力する。なお、ステップＳ１０１からステップＳ１０５までの処理は、受信アンテナ１１ａおよび受信処理部１２ａと、受信アンテナ１１ｂおよび受信処理部１２ｂとのそれぞれにおいて実行される。その結果、位相差算出部１７には、複数の直接波成分が入力されることになる。
　位相差算出部１７は、アンテナ間の位相差を算出する（ステップＳ１０６）。位相差算出部１７は、算出した位相差を到来角推定部１８に出力する。
　到来角推定部１８は、位相差算出部１７が出力する位相差に基づいて、到来角を推定する（ステップＳ１０７）。
　続いて、受信装置１０のハードウェア構成について説明する。図２に示す受信アンテナ１１ａ，１１ｂは、アンテナ装置で実現される。伝送路推定部１３ａ，１３ｂ、パケット平均化部１４ａ，１４ｂ、チャネル結合部１５ａ，１５ｂ、直接波抽出部１６ａ，１６ｂ、位相差算出部１７および到来角推定部１８の機能は、処理回路により実現される。処理回路は、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサおよびメモリであってもよいし、専用のハードウェアであってもよい。処理回路は、制御回路とも呼ばれる。
　図４は、図２に示す受信装置１０が備える処理回路を専用のハードウェアで構成する場合の構成を示す図である。処理回路９０は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）、ＦＰＧＡ（Field　Programmable　Gate　Array）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。
　図５は、図２に示す受信装置１０が備える処理回路をプロセッサ９２およびメモリ９３で実現する場合の処理回路９１の構成を示す図である。図５に示す処理回路９１は、制御回路であり、プロセッサ９２およびメモリ９３を有する。処理回路９１がプロセッサ９２およびメモリ９３で構成される場合、処理回路９１の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ９３に格納される。処理回路９１では、メモリ９３に記憶されたプログラムをプロセッサ９２が読みだして実行することにより、各機能を実現する。すなわち、処理回路９１は、受信装置１０の処理が結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ９３を備える。このプログラムは、処理回路９１により実現される各機能を受信装置１０に実行させるためのプログラムであるともいえる。このプログラムは、プログラムが記憶された記憶媒体により提供されてもよいし、通信媒体など他の手段により提供されてもよい。
　ここで、プロセッサ９２は、例えば、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、またはＤＳＰ（Digital　Signal　Processor）などである。また、メモリ９３は、例えば、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable　Programmable　ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically　ＥＰＲＯＭ）などの、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、またはＤＶＤ（Digital　Versatile　Disc）などが該当する。
　なお、図２に示す複数の機能ブロックのそれぞれは、必ずしも１つの回路で実現する必要はない。複数の機能ブロックの機能が１つの回路で実現されてもよいし、１つの機能ブロックの機能が複数の回路で実現されてもよい。また、処理回路については、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。このように、処理回路は、専用のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。
　また、ここでは受信装置１０のハードウェア構成について説明したが、送信装置５のハードウェア構成も受信装置１０と同様に、アンテナ装置と、処理回路９０，９１とを用いて実現することができる。
　以上説明したように、実施の形態１にかかる受信装置１０は、周波数ホッピングを用いて送信された無線信号を受信信号として受信する受信アンテナ１１と、受信信号に含まれる既知系列に基づいて、伝送路の周波数応答をパケット毎に推定する伝送路推定部１３と、複数のパケットのそれぞれに対して推定された複数の周波数応答の位相についてチャネル毎に平均値を算出するパケット平均化部１４と、を備える。このため、周波数ホッピングを用いて通信する場合に、パケット毎に推定した周波数応答には、発振器の発振周波数を変更することに起因する位相回転が加わっているが、複数のパケットでチャネル毎に平均化することで、この位相回転をキャンセルし、伝送路に起因する位相回転のみを取り出すことが可能になる。したがって、伝送路の影響による位相回転以外に周波数ホッピングの影響による位相回転が存在する環境であっても、伝送路の推定精度を向上させることが可能になる。
　また、受信装置１０は、複数のチャネルのそれぞれに対して算出された周波数応答の複数の平均値を束ねてフーリエ変換を行うことによって複数の周波数応答を結合するチャネル結合部１５をさらに備える。上記の通り、パケット平均化部１４によって周波数ホッピングに起因する位相回転がキャンセルされるため、各チャネルの周波数応答が互いに位相コヒーレントな状態になる。このため、チャネル結合部１５がこれらのチャネル毎の周波数応答を結合して広帯域な周波数応答としてフーリエ変換することで、時間分解能の高い伝送路インパルス応答を得ることができる。
　また、受信装置１０は、結合後の周波数応答から直接波成分を抽出する直接波抽出部１６をさらに備え、伝送路推定部１３、パケット平均化部１４、チャネル結合部１５および直接波抽出部１６を含む受信処理部１２は、複数の受信アンテナ１１のそれぞれに対応して複数設けられ、受信アンテナ１１毎に抽出された複数の直接波成分の位相差を算出する位相差算出部１７と、位相差に基づいて、受信信号の到来方向を示す到来角を推定する到来角推定部１８と、をさらに備える。このため、チャネル結合部１５で得られた伝送路インパルス応答から直接波成分が抽出され、受信アンテナ１１間の直接波成分の位相差を算出することで、反射波の影響が除去された高精度な到来角推定を行うことが可能になる。
　以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
　例えば、上記の実施の形態１では、ＢＬＥを例示して説明を行ったが、通信システム１は、ＢＬＥに限らない。周波数ホッピングを伴う通信方式を用いる無線システム全般に対して、本実施の形態の技術を適用することができる。
　１　通信システム、５　送信装置、１０　受信装置、１１，１１ａ，１１ｂ　受信アンテナ、１２，１２ａ，１２ｂ　受信処理部、１３，１３ａ，１３ｂ　伝送路推定部、１４，１４ａ，１４ｂ　パケット平均化部、１５，１５ａ，１５ｂ　チャネル結合部、１６，１６ａ，１６ｂ　直接波抽出部、１７　位相差算出部、１８　到来角推定部、９０，９１　処理回路、９２　プロセッサ、９３　メモリ。

Claims (6)

  1. 　周波数ホッピングを用いて送信された無線信号を受信信号として受信する受信アンテナと、
    　前記受信信号に含まれる既知系列に基づいて、伝送路の周波数応答をパケット毎に推定する伝送路推定部と、
    　複数のパケットのそれぞれに対して推定された複数の前記周波数応答の位相についてチャネル毎に平均値を算出するパケット平均化部と、
    　を備えることを特徴とする受信装置。
  2. 　複数のチャネルのそれぞれに対して算出された前記周波数応答の複数の前記平均値を束ねてフーリエ変換を行うことによって複数の前記周波数応答を結合するチャネル結合部、
    　をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の受信装置。
  3. 　結合後の前記周波数応答から直接波成分を抽出する直接波抽出部、
    　をさらに備え、
    　前記伝送路推定部、前記パケット平均化部、前記チャネル結合部および前記直接波抽出部を含む受信処理部は、複数の前記受信アンテナのそれぞれに対応して複数設けられ、
    　前記受信アンテナ毎に抽出された複数の前記直接波成分の位相差を算出する位相差算出部と、
    　前記位相差に基づいて、前記受信信号の到来方向を示す到来角を推定する到来角推定部と、
    　をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の受信装置。
  4. 　周波数ホッピングを用いて使用する前記チャネルをパケット毎に切り替えながら前記無線信号を送信する送信装置と、
    　請求項１から３のいずれか１項に記載の受信装置と、
    　を備えることを特徴とする通信システム。
  5. 　周波数ホッピングを用いて送信された無線信号を受信信号として受信する受信装置を制御する制御回路であって、
    　前記受信信号に含まれる既知系列に基づいて、伝送路の周波数応答をパケット毎に推定するステップと、
    　複数のパケットのそれぞれに対して推定された複数の前記周波数応答の位相についてチャネル毎に平均値を算出するステップと、
    　を前記受信装置に実行させることを特徴とする制御回路。
  6. 　周波数ホッピングを用いて送信された無線信号を受信信号として受信する受信装置を制御するためのプログラムを記憶した記憶媒体において、該プログラムは、
    　前記受信信号に含まれる既知系列に基づいて、伝送路の周波数応答をパケット毎に推定するステップと、
    　複数のパケットのそれぞれに対して推定された複数の前記周波数応答の位相についてチャネル毎に平均値を算出するステップと、
    　を前記受信装置に実行させることを特徴とする記憶媒体。
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