JP4076977B2 - スペクトル拡散通信装置及びその対向局受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、スペクトル拡散方式にて通信を行うスペクトル拡散通信装置とその対向局受信装置に関するもので、特に複数のアンテナを切り替え使用するものに関する。

例えば、固定局から通信衛星を介して地上の移動局との間で通信する移動体衛星通信システムにおいては、移動局側のアンテナはゲインを高めるため指向性アンテナを用いることが多い。この場合、衛星の移動、移動局の移動に応じて指向性アンテナを常に通信衛星の方向に指向制御しなければならない。このようなアンテナ指向装置は大型の機構部を必要としたり、あるいは電子的に指向方向を制御するアレーアンテナでは大面積を必要とし、その指向制御に高度な制御技術を必要とするなど、移動体に積載して走行しながら制御することはかなり困難であり、その簡略化が望まれている。
このような簡略化の一つの方法として、特許文献１には、互いにその指向範囲の一部が重複し、互いに異なる空域を照射する複数の半固定アンテナを設け、これらを適宜切り換えて通信するものが開示されている。この場合、通信衛星が一方のアンテナの空域のみにある場合には、指向が有効な側のアンテナに接続された受信系の復調信号が出力用端末に送られ、また、端末からの変調出力が、指向が有効な側のアンテナへ送られるようにし、衛星又は移動体の移動に応じて、有効なアンテナが変わると、指向が有効な側のアンテナに切り換えて送信及び受信を行う。

通信衛星が隣接する２つの空域の境界（重複した部分）に移動してきたときの動作について説明する。まず、受信について説明すると、境界の両側の２つのアンテナそれぞれに対応して２つの受信系を装備し、今後、使用する側の受信系から得た信号の位相が、現用している受信系の信号の位相に一致するように、両アンテナと衛星との経路差にもとづく位相の補償を行い、両位相が一致してから、アンテナを切り変える。これにより、切替えたときに切換前後で信号の位相ずれによるビット誤りが生じなくなる。
また、送信についても２つの送信系を装備し、前記受信によって知り得た両経路差による位相のずれ量に相当する位相補償を、送信系のチップ位相を調整することにより補正を行い、キャリア位相の違いについては、再同期で補正を実施する方法で、今後の送信に使用する側の送信系に補償を施してから切換を行うことにより、衛星側で受信したときに切換前後で位相がずれないのでビット誤りも生じないというものである。

特許文献２にはビットスプレッドアロハ方式について開示されている。これは本願実施の形態１で使用する公知技術である。
特開平３−５２３３６号公報、 スペクトラム拡散通信方式を用いた移動体衛星通信システムの移動局。 特開平３−１５０９４０号公報、 ビットスプレッドアロハ方式。

従来のものでは、移動局側にて複数のアンテナを切り換える際、受信では、個々のアンテナの指向領域に一部重複する部分をもたせ、２つのアンテナで同時受信した受信信号の位相を合わせてから切り換える。
また、送信では、送信系の切換によって２つのアンテナ間に生じる伝送距離差に起因するチップ位相、キャリア位相の違いを補正してから切替える。
この場合、アンテナ切換時間をごく小さくし、キャリア位相ずれ補正を高速で行わなければビット誤りが発生してしまう。しかし、アンテナの切換の高速化は容易ではない。また、送信系／受信系の位相は移動局の移動（アンテナの位置の変化）により刻々と変化するためその補正が容易でなく、位相差が生じてビット誤り率が期待どおりに改善されないという課題があった。

本発明は、とくにスペクトル拡散通信において、上記のような課題を解消し移動局のアンテナ毎に行う位相補正を容易にしてビット誤り率を改善したスペクトル拡散通信装置を提供するものである。

本発明のスペクトル拡散通信装置は、指向領域の一部が互いに重複するとともに、相手局への電波の到達時間差があらかじめ定めた所定の時間差以下となるように配置された第１のアンテナと第２のアンテナ、
前記第１及び第２のアンテナのそれぞれに搬送波電力を供給する２つの電力増幅部、
１つのコード信号を分離して生成した被変調信号を前記２つの電力増幅部のそれぞれに供給する１つのスプレッドアロハ変調器、
前記スプレッドアロハ変調器と前記第１のアンテナとの間に挿入され、その遅延時間と前記２つのアンテナから前記相手局への到達時間差との合計が前記拡散コードの１チップ時間より大となる遅延手段を備えたものである。

本発明のスペクトル拡散通信装置は、複数のアンテナのそれぞれに対して１系統づつの送信系を備え、しかも、アンテナの切り替え時にビット誤りを生じないので、装置の構成を小型、安価とすることができるという作用効果が得られる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１のスペクトル拡散通信装置を図面により説明する。以下の各図において同符号は同一または相当部分を示すので、その詳細な説明を図ごとに繰り返すことは省略する。説明の都合上、通信衛星を経由する移動局と固定局との間での通信を想定して説明するが、本発明はこのような場合に限らず、移動局と移動局との間、固定局と固定局との間でも使用できる。移動局１００は移動体５０に搭載され、スペクトル拡散方式を用いる通信装置であり、異なる領域を指向する複数のアンテナ（図１では、第１アンテナ１、第２アンテナ２）を持っている。両アンテナは図２のように、第１アンテナ１の指向領域１０１、第２アンテナ２の指向領域１０２の一部が互いに重複しているように設置されている。移動局１００から例えば通信衛星経由で固定局２００（以下、相手局という）への送信では、入出力装置としての端末１５からの信号をスプレッドアロハ方式の変復調器１３（以下、Ｓ／Ａ−ＭＯＤＥＭという、詳細については後述）に入力してスペクトル拡散信号を得る。Ｓ／Ａ−ＭＯＤＥＭ１３からの信号をハイブリッド１１（以下Ｈという）にて分割し、アップコンバータ５と６（以下、Ｕ／Ｃ）で送信キャリア周波数に変換してから、ハイパワーアンプ３と４（以下、ＨＰＡ）を経由して、第１アンテナ１と第２アンテナ２に送られ、各アンテナからほぼ同一出力レベルで出力されるよう調整されている。
図４は各アンテナと相手局との経路長の差について説明する図である。ここで、アンテナ１を経由して相手局に内蔵された変復調器への経路長（図４の経路３０ａと図１の内部回路長を合わせたもの）と、アンテナ２を経由して対向局に内蔵された変復調器への経路長（図４の経路３０ｂと図１の内部回路長を合わせたもの）との差にもとづく送信信号の位相差が、拡散コードの１チップ時間より大きくなるように、両系統のＳ／Ａ−ＭＯＤＥＭ１３〜アンテナ１又は２の間で、以下に説明するようにあらかじめ必要な伝送距離差をとって設置する。

即ち、図１に示すように、第２アンテナ２（第１アンテナ１でもよい）と移動局装置１００との間には冗長伝送路９０が挿入してある。冗長伝送路９０は伝送データが１チップ時間に進む距離以上の伝送経路差を取れるように２つのアンテナ間の物理的な配置の距離差を設定するものであり、具体的にはチップレートが２０ＭＨｚの場合、その必要距離差は１５ｍより大きいことが必要となる。このとき、対向する衛星からアンテナまでの経路距離差（図４の６０）も計算に入れる必要がある。また衛星は十分遠い距離にあるため、切り換えを行うアンテナ間の実距離の影響はほとんどないため、実際的には前述の必要距離差の３０％増し程度、例えば２０ｍ程度の移動局内伝送経路差をとればよい。

次に、図１の構成による固定局２００からの電波の受信について説明する。特に図示説明しないが、通信衛星からは一つのアンテナから１つの信号が発信されているとする。
この１つの信号は図１の第１、第２のアンテナから受信される。送信系の伝送経路差と受信系の伝送経路差は同じであるから、移動局の受信系も位相差が１チップ位相よりおおきくなる。そして低雑音増幅器７、８、ダウンコンバータ９、１０、ハイブリッド１２を介してＳ／Ａ−ＭＯＤＥＭ１３に入力される。このとき冗長伝送路９０により第２アンテナ２から受信された信号の位相は、第１アンテナ１から受信した信号の位相に比べて拡散コードの１チップ時間より大きな遅れを生じる。
Ｓ／Ａ−ＭＯＤＥＭ１３は、特許文献２に開示され、また、後述のように、同一拡散コードのチップ位相の異なる２信号を個別に受信できる変復調器であるから、これら２信号を別個に復調して２つの受信信号として出力することが可能である。
更に、ＰＮコード発生器１４（以下Ｐｎｇｅｎという）により、２つの受信信号を比較し同期をとることにより、片方の信号が送信側の移動局のアンテナ切り替えによって消失したとしても受信データの断等のビット誤りが生じない。
ＨＰＡは電力増幅部という。Ｓ／Ａ−ＭＯＤＥＭは変調器として用いるときスプレッドアロハ変調器と言い、復調器として用いるときにはスプレッドアロハ復調器と言う。冗長伝送路はこの発明に言う遅延手段である。

実施の形態２．
次に、図１の送信系から送信された信号を他所（特に固定局の受信装置などのように、相手局の方向があまり変わらず、アンテナの切換を要しない場合）で受信する受信回路を簡易化した対向局受信装置について説明する。受信回路は図１に示した回路の受信系と同じ構成としてもよいが、次のようにすることで簡易化される。
図３は簡易化された受信回路を用いた例えば固定局に搭載された対向局通信装置２００の構成を説明するブロック図である。同図中の受信系部分（ＬＮＡ７〜Ｄ／Ｃ９〜Ｓ／Ａ−ＭＯＤＥＭ１３）が本発明で言う対向局受信装置に相当する。図１の移動局１００の２つのアンテナ１と２がともに信号を出力している時、図４のように相手局２００において、移動局１００のＳ／Ａ−ＭＯＤＥＭ１３からの出力信号が２つの信号として、相手局２００のＳ／Ａ−ＭＯＤＥＭ１３に１チップ以上の位相差をもって入力される。Ｓ／Ａ−ＭＯＤＥＭ１３は、特許文献２に開示され、また、後述のように、同一拡散コードのチップ位相の異なる２信号を個別に受信できる変復調器であるから、これら２信号を別個に復調して２つの受信信号として出力することが可能である。スプレッドアロハ方式の復調器を使用することにより、このように受信系を図３のような１系統にすることが可能となる。

更に、ＰＮコード発生器１４（以下Ｐｎｇｅｎという）により、２つの受信信号を比較し同期をとることにより、片方の信号が送信側の移動局のアンテナ切り替えによって消失したとしても受信データの断等のビット誤りが生じない。
スプレッドアロハ方式変復調器１３（Ｓ／Ａ−ＭＯＤＥＭ）について説明する。特許文献２にはスプレッドアロハ方式について開示されている。スプレッドアロハ復調器は、同一拡散コードの２つの信号が互いに１チップよりおおきい位相差をもって入力された場合、それを個々に復調することができるものである。

実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３の衛星通信移動局装置３００の構成を、図５により説明する。移動局３００はスペクトル拡散方式を用いる移動体通信システムである。実施の形態１の図２で説明したと同様に、移動局３００は異なる領域を指向する複数のアンテナを持ち、その指向領域の一部が重複しているように設定する。移動局３００から相手局への送信では、Ｓ／Ａ−ＭＯＤＥＭ１３（スプレッドアロハ方式変復調器）からの信号をＨ１１（ハイブリッド）にて分割し、Ｕ／Ｃ５、Ｕ／Ｃ６（アップコンバータ）、ＨＰＡ３、ＨＰＡ４（ハイパワーアンプ）を経由して、第１アンテナ１、第２アンテナ２に送られ、各アンテナからほぼ同一出力レベルで出力されるよう調整されている。
このとき予め、対向局に内蔵された変復調器との間の伝送経路長が、送信信号の位相差が拡散コードの１チップ時間より大きくなるように、２系統のＳ／Ａ−ＭＯＤＥＭ１３とアンテナとの間に遅延器３９（図ではＤと示す）を設置する。遅延器３９は、片方の経路の信号を遅延させ必要なチップ位相差を設定するものであり、具体的にはチップレートが２０ＭＨｚの場合、１チップの遅延量は５０ｎｓとなるため、衛星からの経路差の揺らぎを考慮してその３０％増し、例えば６６ｎｓ以上の移動局内伝送路遅延を設定すればよい。
相手局側は、実施の形態２の図４と同じであり、２受信信号を比較しＰＮコード発生器１４で同期をとることにより、片方の信号が送信側の移動局のアンテナ切り替えによって消失しても受信データの断等のビット誤りを生じない。

図５では、送信側の遅延器３９はＵ／Ｃ６とＨ１１の間に挿入しているがＨＰＡ４とＵ／Ｃ６の間でも、ＨＰＡ４と第２アンテナ２との間でもよい。また、第２アンテナ２の側には挿入せずに、第１アンテナ１の側の上記の位置に挿入してもよい。
受信側についても同様に、遅延器３９と同じ性能の遅延器４０をＤ／Ｃ１０とＨ１２の間に挿入している。これもＬＮＡ８とＤ／Ｃ１０の間でも、ＬＮＡ８と第２アンテナ２との間でもよい。また、第２アンテナ２の側には挿入せずに、第１アンテナ１の側の上記の位置に挿入してもよい。遅延器３９、４０はこの発明に言う遅延手段である。

実施の形態４．
以上に説明した各実施の形態の技術は適宜組み合わせて用いることができる。ここでは、送信系には実施の形態１の図１の回路構成の送信系部分を用い、受信系には実施の形態２の図３の回路構成の受信系部分を用いたものを図６に示す。
図６で受信系は第１アンテナ１から受信した信号と、第２アンテナ２から受信して冗長伝送路９０で遅延させた信号を混合器２３で混合して取り出している。本実施の形態では受信系は回路的にはアンテナの切換をしないが、相手局からの電波（図１の送信系で送信された位相の異なる２つの信号）がいずれか一方のアンテナに入感するために実質的に切替えたことになる。なお、図示しないがＨＰＡ３、ＨＰＡ４の送信電力が受信系に混入しないように方向性結合器を適宜もちいるが、公知の技術なので詳細な説明は省略する。

実施の形態５．
実施の形態１〜実施の形態４ではアンテナは２つであるとして説明した。ここではアンテナが３つ以上ある場合について説明する。アンテナが３つ以上であっても、切換はその３つのうちで領域が隣り合い、重複した指向領域をもつ２つのアンテナの間で行われる。したがって図１に示した２つの送信系は図７に示すような第１のアンテナ切換回路２０、第２のアンテナ切換回路２１によって、順次、次に切換を予定されるアンテナへと切替えていく。アンテナ切換回路２０、２１による切換は、相手局が１つのアンテナの領域内にあり、まだ境界領域に達していないとき、即ち、現に通信を行っていないアンテナについて切替えるのであるから特別に説明を要することはなく、説明を省略する。
図７においてＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ・・・は複数のアンテナ、ａ，ｂ，ｃ，ｄ・・・は各アンテナの指向領域を模式的に示したものである。図８は相手局が領域をａ，ｂ，ｃ，ｄの順に移動していくとき切替えていくべきアンテナの切換手順を示すものである。第１のアンテナの切換回路２０はＡ，Ｃ，Ｅの順で、第２のアンテナ２１はＢ，Ｄ・・・の順で切替えられる。

この発明のスペクトル拡散通信装置は、移動局に搭載するものに限らず、固定局でも相手局が複数の方向に存在するなど、アンテナを切替えて運用する局に利用することができる。

本発明の実施の形態１によるスペクトル拡散通信装置の構成図である。 図１のアンテナの領域説明図である。 実施の形態２の簡易化された受信系の構成説明図である。 図１のアンテナの経路差の説明図である。 実施の形態３のスペクトル拡散通信装置の構成図である。 実施の形態４のスペクトル拡散通信装置の構成図である。 実施の形態５のスペクトル拡散通信装置の構成図である。 図７の動作を説明する図である。

符号の説明

１ 第１アンテナ、 ２ 第２アンテナ、 ３、４ ハイパワーアンプ（ＨＰＡ）
５、６ アップコンバータ（Ｕ／Ｃ） ７、８ 低雑音増幅器（ＬＮＡ）
９、１０ ダウンコンバータ（Ｄ／Ｃ） １１、１２ ハイブリッド（Ｈ）
１３ スプレッドアロハ変復調器（Ｓ／Ａ−ＭＯＤＥＭ）、
１４ ＰＮコード発生器（ＰＮgen）
１５ 端末、
２０ 第１のアンテナ切換回路、 ２１ 第２のアンテナ切換回路、
３０ 通信衛星のアンテナ、
３０ａ 通信衛星と移動局の第１アンテナとの経路、
３０ｂ 通信衛星と移動局の第２アンテナとの経路、
３９、４０ 遅延器（Ｄ）、 ５０ 移動体、 ６０ 経路差、
９０ 冗長伝送路、 １００ 移動局、 １９０ 簡易化された受信系、
２００ 固定局、 ３００ 移動局。

Claims (6)

1. 指向領域の一部が互いに重複するとともに、通信相手局への電波の到達時間差があらかじめ定めた所定の時間差以下となるように配置された第１のアンテナと第２のアンテナ、
   前記第１及び第２のアンテナのそれぞれに搬送波電力を供給する２つの電力増幅部、
   １つのコード信号から拡散コード信号を生成し、前記２つの電力増幅部のそれぞれに供給するスプレッドアロハ変調器、
   前記スプレッドアロハ変調器と前記第１のアンテナとの間に挿入され、その遅延時間と前記２つのアンテナから前記通信衛星への到達時間差との合計が前記コード信号の１チップ時間より大となる遅延手段を備えたことを特徴とするスペクトル拡散通信装置。
2. 前記遅延手段は、前記第１のアンテナとこのアンテナに前記搬送波電力を供給する前記電力増幅部との間に挿入された冗長伝送路であることを特徴とする請求項１に記載のスペクトル拡散通信装置。
3. 前記遅延手段は、前記第１のアンテナに前記搬送波電力を供給する前記電力増幅部と、前記スプレッドアロハ変調器との間に挿入された遅延回路であることを特徴とする請求項１に記載のスペクトル拡散通信装置。
4. 請求項１に記載のスペクトル拡散通信装置から送信され、その位相差が前記コードの１チップ時間より大なる２つの信号を受信する対向局受信装置であって、
   １つのアンテナ、
   この１つのアンテナで受信した前記１チップ以上の位相差をもって入力された２つの信号を、個々に２信号として復調可能な１つのスプレッドアロハ復調器、
   復調された前記２信号を比較して受信データの同期をとり、もとの１つのコード信号を再生するＰＮコード発生器を備えたことを特徴とする対向局受信装置。
5. 指向領域の一部が互いに重複するとともに、前記通信衛星への電波の到達時間差があらかじめ定めた所定の時間差以下となるように配置された第１のアンテナと第２のアンテナ、
   前記第１及び第２のアンテナのそれぞれに搬送波電力を供給する２つの電力増幅部、
   １つのコード信号を分離して生成した被変調信号を前記２つの電力増幅部のそれぞれに供給する１つのスプレッドアロハ変調器、
   前記スプレッドアロハ変調器と前記第１のアンテナとの間に挿入され、その遅延時間と前記２つのアンテナから前記通信衛星への到達時間差との合計が前記コード信号の１チップ時間より大となる遅延手段、
   前記２つのアンテナで受信し、前記遅延手段によって前記１チップ以上の位相差をもって入力された２つの信号を、個々に２信号として復調可能な１つのスプレッドアロハ復調器、
   復調された前記２信号を比較して受信データの同期をとり、もとの１つのコード信号を再生するＰＮコード発生器を備えたことを特徴とするスペクトル拡散通信装置。
6. 移動体に搭載され、通信衛星との間で通信をおこなうことを特徴とする請求項１、２、３、５のいずれか一項に記載のスペクトル拡散通信装置。

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