(57)【要約】【課題】簡易なハードウェアの構成によって、パルス信号の搬送波の位相情報を取得し、パルス信号の到来方向を高精度に推定することができる到来方向推定装置及び到来方向推定方法を提供する。【解決手段】各アンテナは、マルチパス環境において第１の無線信号の第１到来波及びその他の到来波を受信し、第１到来波検出部は、第１到来波を検出し、タイミング制御部は、検出された第１到来波に基づいて、第１サンプリングタイミングを決定し、第１サンプリング部は、プリアンブル期間中に、Ｉ、Ｑ信号と、決定された第１サンプリングタイミングと、の同期を確立し、第１相関部は、第１の無線信号の相関データを取得し、到来方向推定部は、各アンテナが受信した第１の無線信号の間の位相差を検出し、検出された位相差に基づいて、第１の無線信号の到来方向を計算することを特徴とする。【選択図】図１
2010276531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線機によって送信された無線信号の到来方向を推定する到来方向推定装置であって、
前記到来方向推定装置は、複数のアンテナと、第１サンプリング部と、第１相関部と、到来方向推定部と、第１到来波検出部と、タイミング制御部と、を備え、
前記各アンテナは、マルチパス環境において第１の前記無線信号の第１到来波及びその他の到来波を受信し、
前記第１到来波検出部は、前記第１相関部によって出力された、前記第１の無線信号の相関データに基づいて、前記第１到来波を検出し、
前記タイミング制御部は、前記検出された第１到来波に基づいて、第１サンプリングタイミングを決定し、
前記第１サンプリング部は、前記第１到来波から生成されたパケットのプリアンブル期間中に、所定のサンプリング周波数に基づいて、前記第１の無線信号を直交復調することによって取得されるＩ、Ｑ信号と、前記決定された第１サンプリングタイミングと、の同期を確立し、
前記第１相関部は、前記第１サンプリングタイミングによってサンプリングされたＩ、Ｑ信号と前記無線機が使用する拡散符号との符号相関を計算することによって、前記第１の無線信号の相関データを取得し、
前記到来方向推定部は、
前記第１相関部によって出力された、前記第１の無線信号の相関データに基づいて、前記各アンテナが受信した第１の無線信号の間の位相差を検出し、
前記検出された位相差に基づいて、前記第１の無線信号の到来方向を計算することを特徴とする到来方向推定装置。
【請求項２】
前記サンプリング周波数は、前記受信した第１の無線信号のパルス繰り返し周波数であることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定装置。
【請求項３】
前記サンプリング周波数は、前記第１の無線信号のパルス繰り返し周波数以上であって、前記第１の無線信号のパルス幅の逆数に対応する周波数以下であることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定装置。
【請求項４】
前記到来方向推定部は、前記第１到来波から生成されたパケットのプリアンブル期間中に同期が確立してから、前記生成されたパケットのデータ部が終了するまでの間に、前記第１相関部によって出力された前記第１の無線信号の相関データに基づいて、前記第１の無線信号の到来方向を計算することを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定装置。
【請求項５】
前記到来方向推定装置は、さらに、前記タイミング制御部によって決定された第１サンプリングタイミングに基づいて、前記第１到来波から生成されたパケットのフレーム開始部に対応する前記第１の無線信号を受信した時刻を計算する到来時刻推定部を備えることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定装置。
【請求項６】
前記到来方向推定装置は、さらに、無線信号を送信する送信部を備え、
前記到来時刻推定部は、前記送信部が第２の前記無線信号を送信した時刻と、前記第２の無線信号を受信した前記無線機によって送信された前記第１の無線信号を受信した時刻との間の時間を計測することを特徴とする請求項５に記載の到来方向推定装置。
【請求項７】
前記到来方向推定装置は、さらに、ダウンサンプリング部と、復調部と、を備え、
前記第１到来波検出部は、さらに、前記第１サンプリングタイミングによってサンプリングされたＩ、Ｑ信号と前記拡散符号とを同期させるための逆拡散タイミングを検出し、
前記ダウンサンプリング部は、
前記検出された逆拡散タイミングに基づいて、前記第１相関部によって出力された前記第１の無線信号の相関データをサンプリングし、
前記復調部は、前記ダウンサンプリング部によってサンプリングされた相関データに基づいて、前記パケットの符号情報を作成することを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定装置。
【請求項８】
前記第１の無線信号は、所定のパルス幅の信号が間欠的に送信されるウルトラワイドバンドインパルス信号であることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定装置。
【請求項９】
前記到来方向推定装置は、さらに、第２サンプリング部と、第２相関部と、を備え、
前記第１到来波検出部は、前記第２相関部によって出力された、前記第１の無線信号の相関データに基づいて、前記その他の到来波を検出し、
前記タイミング制御部は、前記検出されたその他の到来波に基づいて、第２サンプリングタイミングを決定し、
前記第２サンプリング部は、前記その他の到来波から生成されたパケットのプリアンブル期間中に、所定のサンプリング周波数に基づいて、前記第１の無線信号を直交復調することによって取得されるＩ、Ｑ信号と、前記決定された第２サンプリングタイミングと、の同期を確立し、
前記第２相関部は、
前記第２サンプリングタイミングによってサンプリングされたＩ、Ｑ信号と前記拡散符号との符号相関を計算することによって、前記第１の無線信号の相関データを取得し、
前記取得した相関データを前記復調部に出力することを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定装置。
【請求項１０】
さらに、アンテナ制御部を備え、
前記アンテナ制御部は、
前記パケットを受信する場合、前記複数のアンテナのうち、前記第１の無線信号を受信する一のアンテナを選択し、
前記第１の無線信号を直交復調することによって取得されるＩ、Ｑ信号と前記第１サンプリングタイミングとの同期が確立し、所定の時間が経過した後、他のアンテナを選択し、
前記到来方向推定部は、
前期第１相関部によって出力された前記第１の無線信号の相関データのＩ、Ｑ信号を取得し、
前記取得した各相関データのＩ、Ｑ信号に基づいて、前記選択されたアンテナが受信した各第１の無線信号の間の位相差を検出することを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定装置。
【請求項１１】
さらに、スイッチと、位相差検出部と、を備え、
前記スイッチは、前記複数のアンテナが受信した第１の無線信号、及び前記直交復調のために使用されるローカル信号のいずれかを出力し、
前記位相差検出部は、前記スイッチによって、前記直交復調に使用されるローカル信号が出力される場合、各アンテナに対応する受信機内部の経路差によって生じる位相差を検出し、
前期到来方向推定部は、前記スイッチによって、前記複数のアンテナが受信した第１の無線信号が出力される場合、前記位相差検出部によって検出された、各アンテナに対応する受信機内部の経路差によって生じる位相差を用いて、前記計算された第１の無線信号の到来方向を補正することを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定装置。
【請求項１２】
無線機によって送信された無線信号の到来方向を推定する到来方向推定装置において実行される到来方向推定方法であって、
前記到来方向推定装置は、複数のアンテナと、第１サンプリング部と、第１相関部と、到来方向推定部と、第１到来波検出部と、タイミング制御部と、を備え、
前記到来方向推定方法は、
前記各アンテナが、マルチパス環境において第１の前記無線信号の第１到来波及びその他の到来波を受信し、
前記第１到来波検出部が、前記第１相関部によって出力された、前記第１の無線信号の相関データに基づいて、前記第１到来波を検出し、
前記タイミング制御部が、前記検出された第１到来波に基づいて、第１サンプリングタイミングを決定し、
前記第１サンプリング部が、前記第１到来波から生成されたパケットのプリアンブル期間中に、所定のサンプリング周波数に基づいて、前記第１の無線信号を直交復調することによって取得されるＩ、Ｑ信号と、前記決定された第１サンプリングタイミングと、の同期を確立し、
前記第１相関部が、前記第１サンプリングタイミングによってサンプリングされたＩ、Ｑ信号と前記無線機が使用する拡散符号との符号相関を計算することによって、前記第１の無線信号の相関データを取得し、
前記到来方向推定部が、
前記第１相関部によって出力された、前記第１の無線信号の相関データに基づいて、前記各アンテナが受信した第１の無線信号の間の位相差を検出し、
前記検出された位相差に基づいて、前記第１の無線信号の到来方向を計算することを特徴とする到来方向推定方法。
【請求項１３】
前記サンプリング周波数は、前記受信した第１の無線信号のパルス繰り返し周波数であることを特徴とする請求項１２に記載の到来方向推定方法。
【請求項１４】
前記サンプリング周波数は、前記第１の無線信号のパルス繰り返し周波数以上であって、前記第１の無線信号のパルス幅の逆数に対応する周波数以下であることを特徴とする請求項１２に記載の到来方向推定方法。
【請求項１５】
前記到来方向推定部が、前記第１到来波から生成されたパケットのプリアンブル期間中に同期が確立してから、前記生成されたパケットのデータ部が終了するまでの間に、前記第１相関部によって出力された前記第１の無線信号の相関データに基づいて、前記第１の無線信号の到来方向を計算することを特徴とする請求項１２に記載の到来方向推定方法。
【請求項１６】
前記到来方向推定装置は、さらに、到来時刻推定部を備え、
前記到来方向推定方法は、前記到来時刻推定部が、前記タイミング制御部によって決定された第１サンプリングタイミングに基づいて、前記第１到来波から生成されたパケットのフレーム開始部に対応する前記第１の無線信号を受信した時刻を計算することを特徴とする請求項１２に記載の到来方向推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信を用いて無線信号の送信元が存在する方向を推定する到来方向推定装置及び到来方向推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の位置を測定する方法として、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）を利用する方法及びレーダ（特に、ミリ波帯を用いたレーダ）を利用する方法が知られている。
【０００３】
また、二つの受信ユニットを用いて、各受信ユニットに到達する無線信号の受信時刻を取得し、取得した受信時刻の差から無線信号の到来方向を推定する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、複数の基地局を用いて、各端末（ノード）から送信される無線信号の受信時刻を取得し、取得した受信時刻の差と光速とを乗算し、ノードからの各基地局までの信号の伝搬距離を計算することによって、ノードの位置を測定するシステムが提案されている（例えば、非特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００７−５１８９６８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】荻野敦、他５名、「無線ＬＡＮ統合アクセスシステム（１）位置検出システムの検討」、２００３年総合大会講演論文集、電子情報通信学会、Ｂ−５−２０３、ｐ．６６２
【非特許文献２】水垣健一、他９名、「３ｎＷ／ｂｐｓ超低消費電力ＵＷＢ無線システム（６）：３０ｃｍ高精度測位システムの検討」、２００５年ソサイエティ大会講演論文集、電子情報通信学会、Ａ−５−１５、ｐ．１３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
無線信号の到来方向（ＡＯＡ：Ａｎｇｌｅ  ｏｆ  Ａｒｒｉｖａｌ）を推定する場合、背景技術において述べたように無線信号の到達時刻の差を測定する。
【０００８】
図１８は、従来の複数アンテナを用いた到来方向推定（ＡＯＡ）の説明図である。
【０００９】
アンテナ１０１とアンテナ１０２との間の距離がＬであり、無線信号の到来方向がθである場合、二つのアンテナ１０１、アンテナ１０２に到来する無線信号の経路差ｄは、下記の式で与えられる。
【００１０】
ｄ＝Ｌ×ｓｉｎθ
前述した特許文献１に記載された技術によると、受信ユニットは、パルス信号の包絡線（エネルギー）を検出し、検出された包絡線に基づいて、パルス信号の受信時刻を計測する。そして、計測された受信時刻の差を求めることによって、パルス信号の到来方向を計算する。このため、原理的に、計測することができる受信時刻の精度は、パルス信号のパルス幅に依存する。
【００１１】
例えば、高精度に到来時刻を推定する場合には、ウルトラワイドバンドインパルスラジオ（ＵＷＢ−ＩＲ）方式が利用されるが、ＵＷＢ−ＩＲのパルス信号のパルス幅は１〜２ナノ秒であるので、受信時刻の誤差によって、経路差ｄは、少なくとも３０センチメートル以上の誤差を含む。この場合、高い精度で到来方向を推定するためには、アンテナ間の距離Ｌを、一般的には数メートル以上と、大きくしなければならない。したがって、ＵＷＢ−ＩＲによって高精度な到来方向推定システムを実現しようとすると、ハードウェアの構成が複雑かつ大規模になる問題がある。
【００１２】
ところで、受信時刻の差を高精度に推定する方法として、受信した複数のパルス信号に用いられている搬送波の位相情報を比較する方法がある。
【００１３】
図１９は、従来のパルス信号の搬送波の位相差の説明図である。
【００１４】
パルス信号がアンテナ１０１、アンテナ１０２で受信される場合、アンテナ１０１とアンテナ１０２とは距離Ｌだけ離れているので、受信した各パルス信号の経路差ｄによって、アンテナ１０１が受信したパルス信号ｓ１の搬送波とアンテナ１０２が受信したパルス信号ｓ２の搬送波との間に位相差αが生じる。
【００１５】
各パルス信号の搬送波の位相情報を比較する場合、パルス信号の搬送波の周波数（例えば、４ＧＨｚ）は、パルスの繰返し周波数（例えば、３２ＭＨｚ）よりもずっと大きいので、ナノ秒の数分の１のオーダーで受信時刻の差を取得することができる。このため、アンテナ１０１とアンテナ１０２との間の距離Ｌがパルス信号の１／２波長以下の場合であっても、高い精度で到来方向を推定することができる。つまり、各アンテナの間の距離が小さくてもよいので、受信機を小型化することができる。
【００１６】
図２０は、従来のマルチパス環境における受信波形の例を示す説明図である。
【００１７】
図２０の縦軸は受信信号の強度（振幅値）であり、横軸は時間である。屋内等のマルチパス環境において、ピーク波は直接波（第１到来波）の後に現れることがある。
【００１８】
また、一般的に、受信機は、信号対雑音電力比が高いピーク波に基づいて受信した信号とサンプリングタイミングとを同期するように設計されている。
【００１９】
ところで、マルチパス環境において、直接波でないピーク波に基づいて同期された搬送波の位相情報では、高い精度でパルス信号の到来方向を推定することができないので、受信機は、直接波の位相情報を取得する必要がある。したがって、受信機は、ピーク波ではなく、直接波に基づいて、受信信号を同期させなければならないが、特に、ＵＷＢ−ＩＲ方式のような高時間分解能なパルス信号を用いるシステムでは、簡易なハードウェアの構成によって、直接波の位相情報を取得する処理を実現するのは非常に困難であった。
【００２０】
本発明は、前述した問題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成のハードウェアによって、マルチパス環境においても、直接波の位相情報を取得し、到来方向を高精度に推定することができる到来方向推定装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の代表的な一例を示せば以下のとおりである。すなわち、無線機によって送信された無線信号の到来方向を推定する到来方向推定装置であって、前記到来方向推定装置は、複数のアンテナと、第１サンプリング部と、第１相関部と、到来方向推定部と、第１到来波検出部と、タイミング制御部と、を備え、前記各アンテナは、マルチパス環境において第１の前記無線信号の第１到来波及びその他の到来波を受信し、前記第１到来波検出部は、前記第１相関部によって出力された、前記第１の無線信号の相関データに基づいて、前記第１到来波を検出し、前記タイミング制御部は、前記検出された第１到来波に基づいて、第１サンプリングタイミングを決定し、前記第１サンプリング部は、前記第１到来波から生成されたパケットのプリアンブル期間中に、所定のサンプリング周波数に基づいて、前記第１の無線信号を直交復調することによって取得されるＩ、Ｑ信号と、前記決定された第１サンプリングタイミングと、の同期を確立し、前記第１相関部は、前記第１サンプリングタイミングによってサンプリングされたＩ、Ｑ信号と前記無線機が使用する拡散符号との符号相関を計算することによって、前記第１の無線信号の相関データを取得し、前記到来方向推定部は、前記第１相関部によって出力された、前記第１の無線信号の相関データに基づいて、前記各アンテナが受信した第１の無線信号の間の位相差を検出し、前記検出された位相差に基づいて、前記第１の無線信号の到来方向を計算することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の一実施形態によれば、簡易な構成及び簡易な処理によって、無線信号の到来方向を高精度に推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の到来方向推定装置の処理を示すフローチャートである。
【図３Ａ】本発明の第１の実施形態の直交周波数変換部の処理によって出力されるパルス信号の波形を示す説明図である。
【図３Ｂ】本発明の第１の実施形態の直交周波数変換部４０２の処理によって出力されるパルス信号のコンスタレーションを示す説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態のデータ期間中のサンプリングの例を示す説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態のプリアンブル期間中のサンプリングの例を示す説明図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の到来方向推定装置のサンプリング部の処理によって出力される信号の波形を示す説明図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の相関部及び第１到来波検出部の構成の例を示す説明図である。
【図８Ａ】本発明の第１の実施形態のサンプリング部の構成の例を示す説明図である。
【図８Ｂ】本発明の第１の実施形態のサンプリングの処理の例を示す説明図である。
【図９Ａ】本発明の第１の実施形態のサンプリング部の構成の別の例を示す説明図である。
【図９Ｂ】本発明の第１の実施形態のサンプリングの処理の別の例を示す説明図である。
【図９Ｃ】本発明の第１の実施形態のサンプリングの処理の別の例を示す説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態の到来方向推定装置の処理の例を示す説明図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。
【図１５】本発明による到来方向推定装置を利用した測位システムの第１の例を示す説明図である。
【図１６】本発明による到来方向推定装置を利用した測位システムの第２の例を示す説明図である。
【図１７】本発明による到来方向推定装置を利用した測位システムの第３の例を示す説明図である。
【図１８】従来の複数アンテナを用いた到来方向推定（ＡＯＡ）の説明図である。
【図１９】従来のパルス信号の搬送波の位相差の説明図である。
【図２０】従来のマルチパス環境における受信波形の例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２５】
［実施形態１］
第１の実施形態の到来方向推定装置について図１〜図７を用いて説明する。
【００２６】
図１は、本発明の第１の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。
【００２７】
第１の実施形態の到来方向推定装置は、複数のアンテナ４０１、複数の直交周波数変換部（Ｄｏｗｎ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）４０２、複数のサンプリング部（Ｓｍａｐｌｉｎｇ）４０３、複数の相関部（Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）４０４、第１到来波検出部（Ｆｉｒｓｔ  ｐａｔｈ  ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ）４０５、ダウンサンプリング部（Ｄｏｗｎ−ｓａｍｐ）４０６、同期追跡部（Ｔｒａｃｋｉｎｇ）４０７、復調部（Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）４０８、到来時刻推定部（ＴＯＡ  ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ）４０９、タイミング制御部（Ｔｉｍｉｎｇ  ｃｏｎｔｒｏｌ）４１０、到来方向推定部（Ａｎｇｌｅ  ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ）４１１、ローカル発振器（ＬＯ）４１２、タイミング生成部（ＴＧ）４１３及び制御部（Ｃｏｎｔｒｏｌ）４１４を備える。
【００２８】
アンテナ４０１は、図示しない端末又は送信機（ノード）によって送信されたＵＷＢ−ＩＲのパルス信号を受信し、受信したパルス信号（ｓ１、ｓ２、・・・）を直交周波数変換部４０２に出力する。なお、直交周波数変換部４０２、サンプリング部４０３及び相関部４０４は、アンテナ４０１と同じ数が備えられる。
【００２９】
直交周波数変換部４０２は、アンテナ４０１から入力された受信パルス信号（ｓ１、ｓ２、・・・）をパルス信号（ｄ１、ｄ２、・・・）に変換し、変換されたパルス信号（ｄ１、ｄ２、・・・）をサンプリング部４０３に出力する。パルス信号（ｄ１、ｄ２、・・・）は、同相成分（Ｉ成分）及び直交成分（Ｑ成分）の二つの成分によって表わされる。なお、直交周波数変換部４０２の処理の詳細については、図２及び図３を用いて後述する。
【００３０】
サンプリング部４０３は、タイミング生成部（ＴＧ）４１３によって生成されたタイミングに基づいて、直交周波数変換部４０２から入力されたパルス信号（ｄ１、ｄ２、・・・）をサンプリングすることによって、ベースバンド信号（ｘ１、ｘ２、・・・）を生成し、生成されたベースバンド信号（ｘ１、ｘ２、・・・）を相関部４０４に出力する。なお、サンプリング部４０３の処理の詳細については、図４から図６、図８及び図９を用いて後述する。
【００３１】
相関部４０４は、サンプリング部４０３から入力されたベースバンド信号（ｘ１、ｘ２、・・・）と、送信側で用いられた拡散符号との相関を計算することによって、相関データを生成し、生成された相関データを第１到来波検出部４０５に出力する。
【００３２】
第１到来波検出部４０５は、相関部４０４から入力された相関データに基づいて、第１到来波を検出する。さらに、第１到来波検出部４０５は、検出された第１到来波を基準として、パルス信号（ｄ１、ｄ２、・・・）とサンプリングタイミングとを同期させるためのタイミング制御信号を生成し、生成されたタイミング制御信号を同期追跡部４０７、到来時刻推定部４０９及びタイミング制御部４１０に出力する。また、拡散符号同期のための逆拡散タイミング制御信号を生成し、生成された逆拡散タイミング制御信号をダウンサンプリング部４０６に出力する。なお、相関部４０４及び第１到来波検出部４０５の処理の詳細については、図７を用いて後述する。
【００３３】
ダウンサンプリング部４０６は、第１到来波検出部４０５から入力された逆拡散タイミング制御信号に基づいて、拡散符号長の逆数倍のサンプリングレートを用いて、相関部４０４から入力された相関データをサンプリングし、サンプリングされた相関データを同期追跡部４０７、復調部４０８及び到来方向推定部４１１に出力する。
【００３４】
同期追跡部４０７は、第１到来波検出部４０５から入力されたタイミング制御信号、及びダウンサンプリング部４０６から入力されたサンプリング後の相関データに基づいて、サンプリング部４０３のサンプリングタイミングを制御するためのタイミング制御信号を生成し、生成されたタイミング制御信号をタイミング生成部４１３に出力する。
【００３５】
復調部４０８は、ダウンサンプリング部４０６から入力されたサンプリング後の相関データを符号情報に復調し、復調された符号情報を到来時刻推定部４０９、到来方向推定部４１１及び制御部４１４に出力する。
【００３６】
到来時刻推定部４０９は、パルス信号（ｓ１、ｓ２、・・・）の受信時刻を計算する。具体的には、復調部４０８から入力された符号情報、及び同期追跡部４０７から入力されたタイミング制御信号に基づいて、パケットのフレーム開始部（ＳＦＤ：Ｓｔａｒｔ  Ｆｒａｍｅ  Ｄｅｌｉｍｉｔｅｒ）を取得した時のクロック数を計数することによって、パケットの受信時刻を計算する。
【００３７】
タイミング制御部４１０は、第１到来波検出部４０５から入力されたタイミング制御信号、及び同期追跡部４０７から入力されたタイミング制御信号に基づいて、タイミング生成部４１３を制御する。
【００３８】
到来方向推定部４１１は、各アンテナが受信したパルス信号（ｓ１、ｓ２、・・・）に対応する相関データのＩ、Ｑ成分に基づいて、受信した各パルス信号の間の位相差を検出し、さらに、検出された位相差に基づいて、パルス信号の到来方向を計算する。
【００３９】
ローカル発振器４１２は、直交周波数変換部４０２及びタイミング生成部４１３に基準クロックを供給する。タイミング生成部４１３は、サンプリングタイミングを生成し、生成されたサンプリングタイミングをサンプリング部４０３に出力する。制御部４１４は、復調された符号情報等を処理する上位のモジュールである。
【００４０】
図２は、本発明の第１の実施形態の到来方向推定装置の処理を示すフローチャートである。
【００４１】
まず、Ｓ５０１において、直交周波数変換部４０２は、各アンテナ４０１から入力された受信パルス信号（ｓ１、ｓ２、・・・）を必要に応じて増幅し、増幅された受信パルス信号（ｓ１、ｓ２、・・・）と、ローカル発振器４１２によって入力された受信パルス信号の搬送波と同じ周波数を持つ信号とを乗算し、また、増幅された受信パルス信号（ｓ１、ｓ２、・・・）と前述した受信パルス信号の搬送波と同じ周波数を持つ信号とは位相が９０度だけ異なった信号とを乗算する。
【００４２】
さらに、直交周波数変換部４０２は、ローパスフィルタを用いて、乗算された各信号の交流成分を除去し、パルス信号（ｄ１、ｄ２、・・・）を生成する。パルス信号（ｄ１、ｄ２、・・・）は、複素信号であり、Ｉ成分（ｄ１Ｉ、ｄ２Ｉ、・・・）とＱ成分（ｄ１Ｑ、ｄ２Ｑ、・・・）との二つの成分によって表わされる。
【００４３】
図３Ａは、本発明の第１の実施形態の直交周波数変換部４０２の処理によって出力されるパルス信号の波形を示す説明図である。
【００４４】
ｓ１、ｓ２は、各アンテナ４０１から入力された受信パルス信号の波形である。ｄ１、ｄ２は、直交周波数変換部４０４の処理によって出力されたパルス信号の波形である。ｄ１、ｄ２は、それぞれＩ成分及びＱ成分を含む。
【００４５】
なお、受信パルス信号（ｓ１、ｓ２）の搬送波の周波数とローカル発振器４１２の周波数との間に偏差がある場合、出力されたパルス信号（ｄ１、ｄ２）の波形の尖頭値は、前述した偏差によって変動する（うねりを生じる）。
【００４６】
図３Ｂは、本発明の第１の実施形態の直交周波数変換部４０２の処理によって出力されるパルス信号のコンスタレーションを示す説明図である。
【００４７】
各パルス信号（ｄ１、ｄ２）のＩ成分及びＱ成分の尖頭値をＩＱ平面上でプロットすると、図３Ｂに示すとおり、例えば、時刻ｔ１のコンスタレーション、及び、時刻ｔ２のコンスタレーションが作成される。各コンスタレーションにおいて、複素ベクトルｄ１とｄ２とは、回転位相差αを持つ。回転位相差αは、図１９に示した受信パルス信号ｓ１とｓ２との位相差αである。なお、前述した偏差によって尖頭値が変動するので、時刻ｔ１から時刻ｔ２に進むにしたがって、複素ベクトルｄ１、ｄ２はＩＱ平面上で回転する。
【００４８】
また、前述した偏差がない場合、パルス信号（ｄ１、ｄ２、・・・）のそれぞれの尖頭値は一定の値となり、変動しないので、複素ベクトルｄ１、ｄ２は、ＩＱ平面上で回転しない。
【００４９】
なお、必要に応じて、直交周波数変換部４０２とサンプリング部４０３との間に、可変ゲインアンプ等が挿入されてもよい。この場合、後段のダイナミックレンジに適するように適切なゲインが選択される。
【００５０】
図２のＳ５０１の後、Ｓ５０４からＳ５０７において、サンプリング部４０３、相関部４０４、第１到来波検出部４０５、及び、タイミング制御部４１０は、パルス信号（ｄ１、ｄ２、・・・）とサンプリングタイミングとを同期させることによって、ベースバンド信号（ｘ１、ｘ２、・・・）を生成し、生成されたベースバンド信号（ｘ１、ｘ２、・・・）を相関部４０４に出力する。
【００５１】
まず、Ｓ５０４において、サンプリング部４０３は、直交周波数変換部４０２から入力されたパルス信号（ｄ１、ｄ２、・・・）のＩ成分及びＱ成分にサンプリングをする。ここで、サンプリング部４０３は、受信パルス信号（ｓ１、ｓ２、・・・）の搬送波の周波数よりも低いサンプリング周波数（例えば、パルス繰返し周波数）を用いて、パルス信号（ｄ１、ｄ２、・・・）をサンプリングする。この場合、サンプリング部４０３は、復調された符号情報によって構成されるパケットのプリアンブル部に相当する期間中にサンプリングタイミングの同期を確立する。パケットの構成については、図６を用いて後述する。
【００５２】
図４は、本発明の第１の実施形態のデータ期間中のサンプリングの例を示す説明図である。
【００５３】
サンプリングのタイミング（黒点）は、受信パルス信号（ｓ１、ｓ２）が到来するタイミング、すなわち、パルス信号（ｄ１、ｄ２）の尖頭値が現れるタイミングである。
【００５４】
パケットのプリアンブル期間（Ｔ１（図６参照））において、パルス信号（ｄ１、ｄ２、・・・）とサンプリングタイミングとの同期が確立されると、データ期間（Ｔ２（図６参照））において、一度確立された同期は維持される。なお、図４に示したように、サンプリング周波数は、パルス信号の搬送波の周波数（例えば、４ＧＨｚ）ではなく、パルス信号のパルス繰り返し周波数（例えば、３２ＭＨｚ）の数倍に設定されるので、サンプリング部は高速で動作する。このため、簡易かつ低消費電力のハードウェアの構成によって、到来方向推定装置を実現することができる。
【００５５】
図５は、本発明の第１の実施形態のプリアンブル期間中のサンプリングの例を示す説明図である。
【００５６】
パルス信号（ｄ１、ｄ２）の尖頭値が現れるタイミングとサンプリングタイミングとが一致していないので、同期が確立されていない。プリアンブル期間（Ｔ１）において、同期が確立されるまでは、サンプリング部４０３は、ベースバンド信号（ｘ１、ｘ２）を検出することができないので、雑音を出力する。
【００５７】
次に、図２のＳ５０４において、相関部４０４は、サンプリング部４０３から入力されたベースバンド信号（ｘ１、ｘ２、・・・）について、逆拡散の処理を実行することによって、相関データを取得し、取得した相関データを第１到来波検出部４０５に出力する。
【００５８】
Ｓ５０５において、第１到来波検出部４０５は、相関部４０４から入力された相関データの電力値を計算し、計算された電力値に基づいて、受信信号が検出されたか否かを判定する。Ｓ５０５において、受信信号が検出されていないと判定された場合、Ｓ５０４の処理に戻る。この場合、タイミング制御部４１０は、サンプリングタイミングを所定の量だけシフトする。タイミング生成部４１３は、シフトされたサンプリングタイミングをサンプリング部４０３に出力する。サンプリング部４０３は、新たなサンプリングタイミングに基づいてサンプリングをする。また、相関部４０４は、新たなサンプリングタイミングに基づいて出力された信号について、相関を計算する。
【００５９】
一方、Ｓ５０５において、受信信号が検出されたと判定された場合、第１到来波検出部４０５は、第１到来波を検出する（Ｓ５０６）。次に、Ｓ５０７において、第１到来波検出部４０５は、第１到来波を基準として取得したサンプリングタイミングをタイミング制御部４１０に出力する。タイミング制御部４１０は、入力されたサンプリングタイミングに基づいて、タイミング制御信号を生成し、タイミング生成部４１３を制御する。
【００６０】
なお、相関部４０４及び第１到来波検出部４０５の構成及び処理の詳細については図７を用いて後述する。
【００６１】
前述したＳ５０４からＳ５０７によって、プリアンブル期間中に、第１到来波を基準として、サンプリング部４０３のサンプリングタイミングとパルス信号（ｄ１、ｄ２）の尖頭値との同期が確立される。なお、同期が確立した後は、同期追跡部４０７及びタイミング制御部４１０によって、同期が維持される。
【００６２】
以下に、サンプリング部４０３がプリアンブル期間中に同期を確立し、ベースバンド信号を検出する処理ついて説明する。
【００６３】
図６は、本発明の第１の実施形態の到来方向推定装置のサンプリング部４０３の処理によって出力される信号の波形を示す説明図である。
【００６４】
ｘ１、ｘ２は、到来方向推定装置が一つのパケット６００を受信した場合、サンプリング部４０３が出力するベースバンド信号の尖頭値の包絡線である。パケット６００は、プリアンブル部６０１、ＳＦＤ部６０２及びデータ部６０３を含む。データ部６０３には、情報が格納される。プリアンブル期間（例えば、Ｔ１）において、図２に示したＳ５０４からＳ５０７の同期の処理が実行され、パルス信号（ｄ１、ｄ２）とサンプリングタイミングとの同期が確立される。また、データ期間（例えば、Ｔ２）においては、同期が確立されているため、ベースバンド信号（ｘ１、ｘ２）が検出されている。
【００６５】
図２のＳ５０１において、第１到来波が検出され、第１到来波を基準として、同期が確立された後は、次に、Ｓ５０２において、相関部４０４は、サンプリング部４０３から入力されたベースバンド信号（ｘ１、ｘ２）の相関データをダウンサンプリング部４０６に出力する。ダウンサンプリング部４０６は、相関データを到来方向推定部４１１に出力する。
【００６６】
Ｓ５０３において、到来方向推定部４１１は、ダウンサンプリング部４０６から入力された各アンテナ４０１に対応する相関データのＩ成分及びＱ成分に基づいて、各アンテナ４０１で受信された各パルス信号の位相差を検出する。さらに、到来方向推定部４１１は、検出された位相差に基づいて、受信したパルス信号の到来方向を計算する。この場合、データ期間中に取得された相関データのすべて又は一部を利用することによって、雑音に対する信号の劣化を低減することができる。例えば、すべての相関データの平均値を求めることによって、到来方向推定の精度を向上させることができる。
【００６７】
パルス信号の到来方向を求めるアルゴリズムには様々なアルゴリズムがある。ここでは、最も簡単な下記の関係式に基づくアルゴリズムによって到来方向を推定する。すなわち、到来方向θ、各アンテナ間の距離Ｌ、搬送波の波長λを用いると、位相差αは下記の式で表現される。
【００６８】
α＝２π×Ｌ×ｓｉｎθ／λ
よって、到来方向θは、位相差αから推定することができる。また、このほかに、ビームフォーマ法、Ｃａｐｏｎ法、線形予測法、最小ノルム法、ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法、ＥＳＰＲＩＴ法等の様々な方法がある。本実施形態では、これらのどの方法を適用してもよい。また、到来方向推定部４１１は、ＬＳＩ、ＦＰＧＡ等の論理回路によって構成されてもよい。
【００６９】
また、到来時刻推定部４０９は、タイミング制御信号及び復調部４０８から入力されたデータを用いて、パケットの受信時刻を計算する。これによって、到来方向推定装置は、到来方向及び到来時間を推定することができる。到来方向及び到来時間は、パルス信号を送信した端末（ノード）の位置情報を取得するために利用される。
【００７０】
図７は、本発明の第１の実施形態の相関部及び第１到来波検出部の構成の例を示す説明図である。
【００７１】
相関部４０４は、送信側で用いられた拡散符号に対応したマッチトフィルタ（ＭＦ）１００１を備える。第１到来波検出部４０５は、電力算出部（Ｐｏｗ）１００３、同相加算部（Ｉｎ−ｐｈａｓｅ  ａｄｄｉｔｉｏｎ）１００４、合算部（Σ）１００５、サーチ部（Ｓｅａｒｃｈ）１００６を備える。
【００７２】
マッチトフィルタ１００１は、サンプリング部４０３から入力された各信号について、送信側で用いられた拡散符号を用いて、符号の相関を計算することによって、相関データを生成し、生成された相関データを第１到来波検出部４０５の電力算出部１００３、及びダウンサンプリング部４０６に出力する。
【００７３】
電力算出部１００３は、マッチトフィルタ１００１から入力された相関データのＩ成分及びＱ成分のそれぞれの電力値を計算する。同相加算部１００４は、各マッチトフィルタ１００１から入力されたマッチトフィルタの各位相の電力値を積算する。この積算によって、雑音が大きい場合（信号対雑音電力比が低い場合）であっても、信号を検出することができる。
【００７４】
合算部１００５は、各同相加算部１００４によって積算された電力値を合算し、合算された電力値をサーチ部１００６に出力する。サーチ部１００６は、合算された電力値が所定の閾値を超えるか否かを判定する。所定の閾値を超えると判定された場合、第１到来波を検出する。
【００７５】
また、サーチ部１００６は、第１到来波を検出したサンプリングタイミングを取得し、取得したサンプリングタイミングに基づいてタイミング制御信号を生成し、生成されたタイミング信号を同期追跡部４０７、タイミング制御部４１０等に出力する。さらに、サーチ部１００６は、マッチトフィルタ出力の出力タイミング（逆拡散タイミング）を取得し、取得した逆拡散タイミングに基づいて、逆拡散タイミング制御信号を生成し、生成された逆拡散タイミング信号をダウンサンプリング部４０６に出力する。
【００７６】
タイミング制御部４１０は、第１到来波をサーチした結果（第１到来波を検出したサンプリングタイミング）に基づいて、タイミング生成部４１３を制御する。サンプリング部４０３のサンプリングタイミングは、タイミング生成部４１３によって生成されたタイミングに基づく。
【００７７】
なお、サーチ部１００６は、タイミング制御部４１０及びタイミング生成部４１３によって、サンプリングタイミングを少しずつシフトさせながら、相関データの電力値を監視する。これによって、サーチ部１００６は、第１到来波を検出することができる。
【００７８】
図８Ａは、本発明の第１の実施形態のサンプリング部の構成の例を示す説明図である。
【００７９】
第１の実施形態のサンプリング部４０３は、例えば、アナログディジタル変換器（ＡＤＣ）１１０１を備える。ＡＤＣ１１０１は、広帯域なアナログ入力帯域を持ち、低速なクロックで動作する。ＡＤＣ１１０１は、サンプルアンドホールド回路を含んでもよい。アナログ入力帯域は、例えば、５００ＭＨｚ〜４ＧＨｚである。また、アナログデータをディジタルデータに変換する場合の動作クロック周波数は、数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚである。
【００８０】
ＡＤＣ１１０１は、タイミング生成部４１３から入力されたサンプリングタイミングに基づいて、直交周波数変換部４０２から入力されたパルス信号（ｘ１、ｘ２、・・・）をサンプリングする。
【００８１】
図８Ｂは、本発明の第１の実施形態のサンプリングの処理の例を示す説明図である。
【００８２】
サンプリング部４０３によって、直交周波数変換部４０２から入力されたパルス信号（ｘ１、ｘ２、・・・）の尖頭値がサンプリングされる。
【００８３】
図９Ａは、本発明の第１の実施形態のサンプリング部の構成の別の例を示す説明図である。
【００８４】
また、別の例では、第１の実施形態のサンプリング部４０３は、高速に動作するアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）１２０２、間引き部（Ｄｅｃｉｍａｔｉｏｎ）１２０３及びクロック１２０４を備える。ＡＤＣ１２０２は、一旦高速なクロック１２０４によってアナログディジタル変換を実行する。間引き部１２０３は、タイミング生成部４１３から入力されたサンプリングタイミングに基づいて、ディジタルデータに変換されたデータから所望のデータのみを選択する。
【００８５】
図９Ｂ、図９Ｃは、本発明の第１の実施形態のサンプリングの処理の別の例を示す説明図である。
【００８６】
図９Ａに示した間引き部１２０３は、ディジタルデータに変換されたデータから任意にデータを選択することができる。例えば、図９Ｂでは、ディジタルデータに変換されたデータからパルス波形の尖頭値のデータのみが選択されている。図９Ｃでは、パルス波形の尖頭値を中心として複数のデータが選択されている。選択された複数の点を同期の処理に利用することによって、復調性能、及び同期追跡の精度を向上させることができる。
【００８７】
以上説明したように、第１の実施形態によると、簡易なハードウェア構成によって、マルチパス環境における第１到来波の到来方向を推定することができる。さらに、３．０ナノ秒以下のパルス幅を用いるウルトラワイドバンド信号を利用するので、第１到来波（直接波）とその他のマルチパス波（反射波）とを分離することが容易である。このため、マルチパスによる到来方向推定の精度が低下しにくいので、高い精度で到来方向を推定することができる。
【００８８】
［実施形態２］
図１０は、本発明の第２の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。
【００８９】
第２の実施形態の到来方向推定装置は、複数のアンテナ４０１のそれぞれに対応する２系統のサンプリング部４０３Ａ、４０３Ｂ、相関部４０４Ａ、４０４Ｂ、ダウンサンプリング部４０６Ａ、４０６Ｂ、及びタイミング生成部４１３Ａ、４１３Ｂを備える点で、図１に示した第１の実施形態の到来方向推定装置の構成と異なる。また、ピーク波・第１到来波検出部（Ｐｅａｋ／Ｆｉｒｓｔ  ｐａｔｈ  ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ）１３０１を備える点で異なる。その他の処理部は、図１に示した同名の処理部と同じである。
【００９０】
ピーク波・第１到来波検出部１３０１は、プリアンブル期間において、第１到来波及びその他のマルチパス到来波（好適にはピーク波）を検出し、第１到来波を基準とするサンプリングタイミング、及び、ピーク波を基準とするサンプリングタイミングを取得する。
【００９１】
そして、例えば、タイミング生成部４１３Ａは、第１到来波を基準としたサンプリングタイミングを基準としたサンプリングタイミングをサンプリング部４０３Ａに出力する。また、例えば、タイミング生成部４１３Ｂは、ピーク波を基準としたサンプリングタイミングをサンプリング部４０３Ｂに出力する。
【００９２】
サンプリング部４０３Ａ、４０３Ｂは、タイミング生成部４１３Ａ、４１３Ｂから入力されたそれぞれのサンプリングタイミングに基づいて、ベースバンド信号を取得し、取得したベースバンド信号を相関部４０４Ａ、４０４Ｂに出力する。相関部４０４Ａ、４０４Ｂは、各々、サンプリング部４０３Ａ、４０３Ｂから入力されたベースバンド信号の相関を計算することによって、相関データを生成し、生成された相関データをピーク波・第１到来波検出部１３０１、及びダウンサンプリング部４０６Ａ、４０６Ｂに出力する。
【００９３】
また、例えば、ダウンサンプリング部４０６Ａは、逆拡散タイミングによってサンプリングされた相関データを、同期追跡部４０７及び到来方向推定部４１１に出力する。なお、ダウンサンプリング部４０６Ａは、相関データを復調部４０８に出力してもよい。また、例えば、ダウンサンプリング部４０６Ｂは、逆拡散タイミングによってサンプリングされた相関データを、復調部４０８に出力する。なお、ダウンサンプリング部４０６Ｂは、相関データを到来方向推定部４１１に出力してもよい。
【００９４】
これによって、例えば、到来方向推定部４１１は、第１到来波を基準として取得されたサンプリングタイミングに同期する信号に基づいて、到来方向を高精度に推定する。一方、復調部４０８は、最も受信信号電力の高いピーク波（又は、第１到来波とピーク波との合成波）を基準として取得されたサンプリングタイミングに同期する信号を復調する。このため、復調性能を向上させることができる。
【００９５】
以上説明したように、第２の実施形態によると、第１の実施形態の効果に加えて、最も受信信号電力の高いピーク波を基準としたサンプリングタイミングに基づいてパルス信号を復調するので、復調性能を向上させることができる。さらに、ピーク波の到来方向を推定することも可能であるので、パルス信号を送信した端末の位置に関する情報をより多く得ることができる。
【００９６】
［実施形態３］
図１１は、本発明の第３の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。
【００９７】
第３の実施形態の到来方向推定装置は、複数のアンテナ４０１に対して一つの直交周波数変換部（Ｄｏｗｎ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）４０２、一つのサンプリング部４０３、一つの相関部（Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）４０４を備え、さらに、アンテナ制御部（Ａｎｔｅｎｎａ  ｃｏｎｔｒｏｌ）１４０２及びセレクター（Ｓｅｌｅｃｔｏｒ）１４０１を備える点で、図１に示した第１の実施形態の到来方向推定装置の構成と異なる。
【００９８】
セレクター１４０１は、複数のアンテナ４０１から入力された一つの受信パルス信号を選択し、選択された受信パルス信号を直交周波数変換部４０２に出力する。アンテナ制御部１４０２は、制御信号をセレクター１４０１に出力することによって、セレクター１４０１を制御する。その他の処理部は、図１に示した同名の処理部と同じである。
【００９９】
図１２は、本発明の第３の実施形態の到来方向推定装置の処理の例を示す説明図である。
【０１００】
図１２では、受信パケット６００、選択されるアンテナ１２００、及び取得したベースバンド信号のＩ成分、Ｑ成分が示されている。
【０１０１】
パケットを受信する場合、本実施形態のセレクター１４０１は、アンテナ制御部１４０２から入力された制御信号に基づいて、アンテナ４０１を切り替える。
【０１０２】
まず、セレクター１４０１は、ある一つのアンテナ４０１（Ａｎｔ１）を選択し、選択されたＡｎｔ１がパルス信号を受信するのを待ち受ける。サンプリング部４０３は、プリアンブル期間中において、第１の実施形態で説明したとおり、パルス信号とサンプリングタイミングとの同期を確立する。到来方向推定部４１５は、Ａｎｔ１が受信したパルス信号のＩ成分、Ｑ成分１２１１を取得する。
【０１０３】
同期が確立された後、データ期間中において、セレクター１４０１は、別のアンテナ４０１（Ａｎｔ２）に切り替える。到来方向推定部４１５は、Ａｎｔ２が受信したパルス信号のＩ成分、Ｑ成分１２１２を取得する。同様にして、到来方向推定部４１５は、Ａｎｔ３が受信したパルス信号のＩ成分、Ｑ成分１２１３を取得する。一つのパケットを受信した後、到来方向推定部４１５は、各アンテナ４０１が受信したパルス信号に対応する相関部４０４の出力（相関データ）を取得する。そして、到来方向推定部４１５は、各アンテナ４０１が受信した各パルス信号１２１１、１２１２、１２１３の位相差に基づいて、パルス信号の到来方向を推定する。
【０１０４】
以上説明したように、第３の実施形態によると、高周波帯域で動作する直交周波数変換部、サンプリング部及び相関部を複数備える必要がないので、高い精度で到来方向を推定することできる受信機を簡易かつ低消費電力のハードウェアの構成によって実現することできる。
【０１０５】
［実施形態４］
図１３は、本発明の第４の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。
【０１０６】
第４の実施形態の到来方向推定装置は、各アンテナ毎の受信機内部の受信パスの経路長又は回路のばらつきによって生じる誤差をキャリブレーションする。第４の実施形態の到来方向推定装置は、スイッチ１６０１、減衰器（Ａｔｔ）１６０２及び位相差検出器（Ｐｈａｓｅ−ｄｉｆｆ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）１６０３を備える。
【０１０７】
スイッチ１６０１は、各アンテナ４０１の後段に備えられ、減衰器１６０２から入力された信号を直交周波数変換部４０２に出力するか、又は、アンテナ４０１から入力された信号を直交周波数変換部４０２に出力するかを選択する。
【０１０８】
減衰器１６０２は、直交周波数変換部４０２、及び直交周波数変換部４０２の後段の回路が飽和しないように、ローカル発信器から入力された信号を適切に減衰し、減衰された信号をスイッチ１６０１に出力する。
【０１０９】
また、位相差検出部１６０３は、各アンテナ４０１が受信したパルス信号に対応する相関部４０４の出力（相関データ）に基づいて、各アンテナ４０１に対応する処理部の受信パスの位相差を検出する。なお、到来方向推定部４１１が、位相差検出部１６０３の処理を実行してもよい。
【０１１０】
受信の処理を開始する前にスイッチ１６０１を減衰器１６０２の出力側に接続すると、位相差検出部１６０３は、各アンテナ４０１に対応する受信パスの位相差を検出し、検出した受信パスの位相差を記憶領域に格納する。その後、スイッチ１６０１を減衰器１６０２の出力側に接続する。
【０１１１】
以上説明したとおり、第４の実施形態によると、到来方向推定部４１１は、到来方向を推定する場合、受信パスの位相差を計算することによって、各受信パスの経路長及び回路のばらつきによって生じる誤差を補正することができる。これによって、より高精度な到来方向推定が可能となる。
【０１１２】
［実施形態５］
図１４は、本発明の第５の実施形態の到来方向推定装置の構成を示すブロック図である。
【０１１３】
第５の実施形態の到来方向推定装置は、第１の実施形態に送信機能を加えた構成である。第５の実施形態の到来方向推定装置は、送信アンテナ１７０１、増幅部（Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１７０２、パルス整形部（Ｐｕｌｓｅ  ｓｈａｐｅ）１７０３及びフレーム部（Ｆｒａｍｅ）１７０４を備える。
【０１１４】
フレーム部１７０４は、制御部４１４から送信された伝送データを処理し、ベースバンド信号をパルス整形部１７０３に出力する。パルス整形部１７０３は、フレーム部１７０４から入力されたベースバンド信号を送信周波数帯域のパルス信号に変換し、変換されたパルス信号を増幅部１７０２に出力する。増幅部１７０２は、パルス信号を増幅し、増幅されたパルス信号を送信アンテナ１７０１に出力する。送信アンテナ１７０１は、パルス信号を端末（ノード）に送信する。なお、アンテナ４０１は、別にスイッチを備えることによって、送信アンテナ１７０１の機能を備えてもよい。
【０１１５】
第５の実施形態によると、到来時刻推定部４０９は、パルス信号を端末に送信する時刻と、端末から送信されたパルス信号を受信する時刻との差を計測することによって、送受信機と端末（ノード）と間のパルス信号の往復時間を計測することができる。よって、送受信機と端末（ノード）との間の距離を測定する測距機能が実現される。
【０１１６】
以上、第１の実施形態から第５の実施形態について説明した。本発明の適用範囲は、それぞれの実施形態に限定されるものではない。例えば、複数の実施形態を組み合わせることもできる。
【０１１７】
以下に、各実施形態の到来方向推定装置を測位システムに適用した例について説明する。
【０１１８】
［システム１］
図１５は、本発明による到来方向推定装置を適用した測位システムの第１の例を示す説明図である。
【０１１９】
本測位システムは、サーバ（Ｓｅｒｖｅｒ）１８０１、基地局（Ｂａｓｅ  ｓｔａｔｉｏｎ）１８０４及びノード（Ｎｏｄｅ）１８０７を備える。基地局１８０４は、制御部１８０２及び送受信装置１８０３を備える。また、ノード１８０７は、送受信装置１８０５及び制御部１８０６を備える。例えば、送受信装置１８０３は、第５の実施形態の到来方向推定装置を適用することができる。
【０１２０】
基地局１８０４は、パルス信号を送信する。ノード１８０７は、基地局１８０４から送信されたパルス信号を受信し、受信したパルス信号を基地局１８０４に送信する。基地局１８０４は、ノード１８０７から送信されたパルス信号を受信し、パルス信号の往復時間及び到来方向を推定する。サーバ１８０１は、パルス信号の往復時間に基づいて、基地局１８０４とノード１８０７との間の距離ｒを計算する。また、サーバ１８０１は、距離ｒ及び到来方向θに基づいて、基地局１８０４を基準としたノード１８０７の位置を計算する。
【０１２１】
［システム２］
図１６は、本発明による到来方向推定装置を利用した測位システムの第２の例を示す説明図である。
【０１２２】
本測位システムは、サーバ（Ｓｅｒｖｅｒ）１９０１、二つの基地局（Ｂａｓｅ  ｓｔａｔｉｏｎ）１９０２、１９０３、及びノード（Ｎｏｄｅ）１９０４を備える。基地局１９０２、１９０３は、本発明のいずれかの実施形態の到来方向推定装置を備え、ネットワーク等を介して、サーバ１９０１に接続する。ノード１９０４は、送信装置を備える。基地局１９０２と１９０３とは同じ構成である。
【０１２３】
ノード１９０４は、パルス信号を送信する。基地局１９０２、１９０３は、それぞれ、ノード１９０４から送信されたパルス信号を受信し、受信したパルス信号の到来方向を推定する。サーバ１９０１は、各基地局１９０２、１９０３によって推定された到来方向（ＡＯＡ結果１、ＡＯＡ結果２）に対応する直線が交わる点をノード１９０４の位置座標として推定する。
【０１２４】
また、さらに、サーバ１９０１は、基地局１９０２、１９０３が取得したパルス信号の受信時刻を用いて、各パルス信号の受信時刻の差を計算し、計算された受信時刻の差に基づいて、距離差（ＴＤＯＡ結果）を計算する。サーバ１９０１は、計算されたＴＤＯＡ結果を利用することによって、より高精度にノード１９０４の位置座標を計算することができる。
【０１２５】
［システム３］
図１７は、本発明による到来方向推定装置を利用した測位システムの第３の例を示す説明図である。
【０１２６】
本測位システムは、図１６に示したシステム２において、さらに、基地局を追加したシステムである。すわなち、本測位システムは、サーバ（Ｓｅｒｖｅｒ）２００１、基地局１（Ｂａｓｅ  ｓｔａｔｉｏｎ１）２００２、基地局２（Ｂａｓｅ  ｓｔａｔｉｏｎ２）２００３、基地局３（Ｂａｓｅ  ｓｔａｔｉｏｎ３）２００４、及びノード（Ｎｏｄｅ）２００５を備える。基地局１（２００２）、基地局２（２００３）、基地局３（２００４）は、本発明のいずれかの実施形態の到来方向推定装置を備える。また、ノード２００５は、送信装置を含む。
【０１２７】
図１６に示したシステム２の説明のとおり、サーバ２００１は、基地局１（２００２）、基地局２（２００３）、基地局３（２００４）によって取得された到来方向推定結果（ＡＯＡ結果１、ＡＯＡ結果２、ＡＯＡ結果３）、及び各基地局の間の距離差（ＴＤＯＡ結果（１、２）、ＴＤＯＡ結果（１、３））に基づいて、ノード２００５の位置座標を計算する。
【０１２８】
本測位システムでは、位置を特定するために必要な最低限の情報より多い情報を利用することができるので、より高精度に位置座標を計算することができる。
【０１２９】
例えば、基地局１（２００２）とノード２００５との間に障害物２１０１がある場合、基地局１（２００２）は、ノード２００５からの直接波ではなく、反射物２１０２によって反射された反射波を受信する可能性がある。この場合、基地局１（２００２）は、反射物２１０２がある方向をパルス信号の到来方向とするので、到来方向推定結果（ＡＯＡ結果１）と、距離差推定結果（ＴＤＯＡ結果（１、２）、ＴＤＯＡ結果（１、３））と、の間には大きな誤差が生じる。
【０１３０】
そこで、本測位システムでは、障害物の影響を受けた推定結果（ＡＯＡ結果１、ＴＤＯＡ結果（１、２）、ＴＤＯＡ結果（１、３））を位置座標の計算から除外する。これによって、位置座標の精度を向上させることができる。
【０１３１】
具体的には、位置座標の計算からから誤差を含む推定結果を除外するため、誤差を含む推定結果に対応する基地局を抽出する。どの基地局が障害物の影響を受けたかを推定する方法には、様々なアルゴリズムが考えられる。例えば、すべての推定結果に基づいてノード２００５の位置座標を計算し、計算された位置座標とそれぞれのＡＯＡ結果とを比較し、矛盾がある場合、障害物が存在したと仮定してもよい。
【０１３２】
また、別の方法としては、まず、すべての基地局から取得された推定結果に基づいて第１の位置座標を計算し、さらに、一つの基地局をそれぞれ除外して、他の二つの基地局から取得された推定結果に基づいて第２、第３、第４の位置座標を計算する。次に、計算された第１の位置座標と第２、第３、第４の位置座標とを比較して、第１の位置座標に対して最も誤差（移動量）が大きくなる位置座標を特定し、このとき除外していた基地局を、障害物の影響を受けた基地局と仮定してもよい。
【０１３３】
また、別の方法としては、ＡＯＡ結果から得られた３つの直線と、ＴＤＯＡ結果から得られた３つの双曲線とのすべての組み合わせの交点を選び、選ばれた交点の平均点から最も遠い交点を推定位置から除外してもよい。
【０１３４】
以上、システム１〜３において説明したように、本発明の各実施形態の到来方向推定装置を利用すると、簡易かつ低消費電力のハードウェアの構成によって、パルス信号を送信する端末（ノード）の位置を測定する測位システムを実現することができる。
【符号の説明】
【０１３５】
４０１  アンテナ
４０２  直交周波数変換部（Ｄｏｗｎ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）
４０３  サンプリング部（Ｓｍａｐｌｉｎｇ）
４０４  相関部（Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）
４０５  第１到来波検出部（Ｆｉｒｓｔ  ｐａｔｈ  ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ）
４０６  ダウンサンプリング部（Ｄｏｗｎ−ｓａｍｐ）
４０７  同期追跡部（Ｔｒａｃｋｉｎｇ）
４０８  復調部（Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）
４０９  到来時刻推定部（ＴＯＡ  ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ）
４１０、１３０２  タイミング制御部（Ｔｉｍｉｎｇ  ｃｏｎｔｒｏｌ）
４１１  到来方向推定部（ＡＯＡ  ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ）
４１２  ローカル発信器（ＬＯ）
４１３  タイミング生成部（ＴＧ）
４１４  制御部（Ｃｏｎｔｒｏｌ）
１３０１  ピーク波・第１到来波検出部（Ｐｅａｋ／Ｆｉｒｓｔ  ｐａｔｈ  ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ）
１４０１  セレクター（Ｓｅｌｅｃｔｏｒ）
１４０２  アンテナ制御部（Ａｎｔｅｎｎａ  ｃｏｎｔｒｏｌ）
１６０１  スイッチ
１６０２  減衰器（Ａｔｔ）
１６０３  位相差検出部（Ｐｈａｓｅ−ｄｉｆｆ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）
１７０１  送信アンテナ
１７０２  増幅器（Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）
１７０３  パルス整形部（Ｐｈａｓｅ  ｓｈａｐｅ）
１７０４  フレーム部（Ｆｒａｍｅ）
１８０１、１９０１、２００１  サーバ（Ｓｅｒｖｅｒ）
１８０２、１８０６  制御部（Ｃｏｎｔｒｏｌ）
１８０３、１８０５  送受信装置（Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ）
１８０４、１９０２、１９０３、２００２、２００３、２００４  基地局（Ｂａｓｅ  ｓｔａｔｉｏｎ）
１８０７、１９０４、２００５  ノード（Ｎｏｄｅ）
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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