(57)【要約】【課題】個別の利得調整作業や設計を必要としないアクティブアンテナを提供すること。【解決手段】受信信号の利得を変化させる可変利得増幅手段を持つアクティブアンテナを、該アクティブアンテナに接続された後段の機器から供給される、該機器に入力される受信信号の信号品質に応じて変化する電源電圧を検出する電源電圧検出手段と、検出された電源電圧に基づき可変利得手段の利得を制御する利得制御手段とを有する構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信信号の利得を変化させる可変利得増幅手段を持つアクティブアンテナにおいて、
前記アクティブアンテナに接続された後段の機器から供給される、該機器に入力される前記受信信号の信号品質に応じて変化する電源電圧を検出する電源電圧検出手段と、
前記検出された電源電圧に基づき前記可変利得手段の利得を制御する利得制御手段と、
を有することを特徴とするアクティブアンテナ。
【請求項２】
請求項１に記載のアクティブアンテナと、
前記アクティブアンテナに接続されたＧＰＳ（Global Positioning System）レシーバと、
を有するＧＰＳユニットであって、
前記ＧＰＳレシーバは、
前記アクティブアンテナから入力される前記受信信号であるＧＰＳ信号の受信品質を検出する受信品質検出手段と、
前記検出された受信品質に応じた電源電圧を発生する電源電圧発生手段と、
前記発生された電源電圧を前記アクティブアンテナに供給する電源電圧供給手段と、
を備えることを特徴とするＧＰＳユニット。
【請求項３】
請求項１に記載のアクティブアンテナと、
前記アクティブアンテナに接続されたＧＰＳレシーバと、
を有するＧＰＳユニットであって、
前記ＧＰＳレシーバは、
前記アクティブアンテナから入力される前記受信信号であるＧＰＳ信号の受信品質を検出する受信品質検出手段と、
前記検出された受信品質に応じた電圧を前記アクティブアンテナに供給されるべき電源電圧に重畳させた重畳電圧を発生する重畳電圧発生手段と、
前記発生された重畳電圧を前記電源電圧として前記アクティブアンテナに供給する電源電圧供給手段と、
を備えることを特徴とするＧＰＳユニット。
【請求項４】
前記ＧＰＳレシーバは、各ＧＰＳ衛星のＧＰＳ信号を受信する受信チャンネルを複数有し、
前記受信品質検出手段は、各受信チャンネルで受信されたＧＰＳ信号のうち受信品質が良好な所定数のＧＰＳ信号の受信品質の平均値を検出することを特徴とする、請求項２または請求項３の何れかに記載のＧＰＳユニット。
【請求項５】
移動体に搭載されたことを特徴とする、請求項２から請求項４の何れかに記載のＧＰＳユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、受信信号の利得を変化させる可変利得増幅手段を持つアクティブアンテナおよび該アクティブアンテナを備えたＧＰＳ（Global Positioning System）ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧＰＳは、地球を周回するＧＰＳ衛星から発信されるＧＰＳ信号を用いて対象物の位置情報等を測定するための測位システムであり、日常生活においても広く利用されている。
【０００３】
ＧＰＳでは、ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）方式によって複数のＧＰＳ衛星が同じ周波数帯を共用してＧＰＳ信号を送信する。具体的には、ＧＰＳ信号は、クロック情報やＧＰＳ衛星の軌道情報を含む通信信号としての航法メッセージと、ＧＰＳ衛星毎に定められた拡散符号としてのＰＲＮコード（Pseudo Random Noise code）とにより、１５７５．４２ＭＨｚのキャリアをＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）変調したものである。ＧＰＳレシーバは、原理上必要とされる個数以上のＧＰＳ衛星を選択してＧＰＳアンテナにより受信し、受信されたＧＰＳ衛星に対応するＰＲＮコードを生成し、生成されたＰＲＮコードの位相をＧＰＳ信号に同期させて乗じることにより航法データを復調する。ＧＰＳレシーバは、このようにして得られた航法データを用いて演算を行い、対象物の位置情報、方位情報、移動速度情報などを生成する。
【０００４】
ＧＰＳレシーバに接続されるＧＰＳアンテナには、例えばアンテナエレメントの後段に信号増幅器を有するアクティブアンテナが用いられる。アクティブアンテナは、ＧＰＳ衛星から放射されるＧＰＳ信号が微弱であること、アンテナエレメントの利得が小さいこと、ＧＰＳレシーバまでの伝送ロスがあることなどを考慮して、ＧＰＳレシーバの信号入力端における信号レベルを一定値以上に保つ目的で使用される。このようなアクティブアンテナが実装されたＧＰＳレシーバの一例が特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２４０８３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、例えばＧＰＳレシーバが車両等に搭載される車載用ＧＰＳレシーバである場合を考える。この場合、ＧＰＳレシーバとＧＰＳアンテナとを電気的に接続するケーブルの長さは、車体の形状やサイズ、ＧＰＳレシーバ、ＧＰＳアンテナの取付位置などの各種条件によって相違する。ＧＰＳアンテナからＧＰＳレシーバに送信される信号は、かかるケーブル長に比例して高周波信号ロスが増大する。ケーブルでの高周波信号ロス分を含むアクティブアンテナのトータルゲインが不足した状態では、ＧＰＳ信号の受信Ｃ／Ｎが劣化してＧＰＳレシーバの測位感度が悪化する問題がある。そのため、ケーブル長が異なる毎に、アクティブアンテナの信号増幅器に対する個別の利得調整作業や設計が必要である。しかし、このような個別の利得調整作業や設計は、開発コストやリードタイムを増加させる要因であり望ましくない。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、個別の利得調整作業や設計を必要としないアクティブアンテナおよび該アクティブアンテナを備えたＧＰＳユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決する本発明の一形態に係るアクティブアンテナは、受信信号の利得を変化させる可変利得増幅手段を持つアンテナであり、以下の特徴を有する。すなわち、かかるアクティブアンテナは、該アクティブアンテナに接続された後段の機器から供給される、該機器に入力される受信信号の信号品質に応じて変化する電源電圧を検出する電源電圧検出手段と、検出された電源電圧に基づき可変利得手段の利得を制御する利得制御手段とを有することを特徴とする。
【０００８】
かかる構成によれば、可変利得増幅手段の利得が自動的に制御されるため、例えばケーブル長などの使用条件を考慮した利得調整作業や設計が不要となる。そのため、アクティブアンテナの開発コストやリードタイム等の削減が達成される。
【０００９】
また、上記の課題を解決する本発明の一形態に係るＧＰＳユニットは、上記に記載のアクティブアンテナと、該アクティブアンテナに接続されたＧＰＳレシーバであって、アクティブアンテナから入力される受信信号であるＧＰＳ信号の受信品質を検出する受信品質検出手段と、検出された受信品質に応じた電源電圧を発生する電源電圧発生手段と、発生された電源電圧をアクティブアンテナに供給する電源電圧供給手段とを備えたＧＰＳレシーバとを有することを特徴とする。
【００１０】
別の側面によれば、本発明に係るＧＰＳユニットは、上記に記載のアクティブアンテナと、該アクティブアンテナに接続されたＧＰＳレシーバであって、アクティブアンテナから入力される受信信号であるＧＰＳ信号の受信品質を検出する受信品質検出手段と、検出された受信品質に応じた電圧をアクティブアンテナに供給されるべき電源電圧に重畳させた重畳電圧を発生する重畳電圧発生手段と、発生された重畳電圧を電源電圧としてアクティブアンテナに供給する電源電圧供給手段とを備えたＧＰＳレシーバとを有することを特徴とする。
【００１１】
ここで、ＧＰＳレシーバは、例えば各ＧＰＳ衛星のＧＰＳ信号を受信する受信チャンネルを複数有した構成を持つ。このとき受信品質検出手段は、各受信チャンネルで受信されたＧＰＳ信号のうち受信品質が良好な所定数のＧＰＳ信号の受信品質の平均値を検出するように構成される。
【００１２】
本発明に係るＧＰＳユニットは、例えば車両等の移動体に搭載される車載型ＧＰＳユニットである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のアクティブアンテナおよびＧＰＳユニットによれば、アクティブアンテナの可変利得増幅手段の利得が自動的に制御されるため、例えばケーブル長などの使用条件を考慮した利得調整作業や設計が不要となる。そのため、アクティブアンテナの開発コストやリードタイム等の削減が達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態のＧＰＳユニットの構成および動作について説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態のＧＰＳユニット１００の概略構成を示すブロック図である。図１に示されるように、ＧＰＳユニット１００は、アクティブアンテナ１とＧＰＳレシーバモジュール３を有している。アクティブアンテナ１とＧＰＳレシーバモジュール３は、ＲＦ（Radio Frequency）ケーブル２によって電気的に接続されている。ＧＰＳユニット１００は、カーナナビゲーション装置や、簡易型ナビゲーション装置であるＰＮＤ（Personal Navigation Device）、携帯電話端末など、様々なアプリケーション装置に搭載される。
【００１６】
ＧＰＳ衛星から放射されたＰＳ信号は、アクティブアンテナ１が有するアンテナエレメント１１により受信される。アンテナエレメント１１により受信されたＧＰＳ信号は、可変ゲインＬＮＡ（Low Noise Amplifier）１２により所望の信号レベルに増幅される。増幅されたＧＰＳ信号は、ＢＰＦ（Band Pass Filter）１３に入力されてＧＰＳ帯域外のノイズが除去され、可変ゲインＬＮＡ１４に入力される。ＧＰＳ信号は、高利得化のため可変ゲインＬＮＡ１４により再度増幅されて、ＧＰＳレシーバモジュール３で必要な信号レベルに上げられる。可変ゲインＬＮＡ１２および１４のゲインコントロールは、アクティブアンテナ１の電源部である電圧制御回路１５が行う。電圧制御回路１５によるゲインコントロールについての詳細な説明は後述する。
【００１７】
可変ゲインＬＮＡ１４から出力されたＧＰＳ信号は、ＲＦケーブル２を介してＧＰＳレシーバモジュール３が有するＲＦアナログ処理部３２に入力される。ＲＦアナログ処理部３２に入力されたＧＰＳ信号は、ダウンコンバータ３２ａにおいて、基準クロック３２ｄの信号をもとに所定周波数の信号を発生するシンセサイザ３２ｃからの信号により、フィルタリング等の信号処理に適した中間周波数にダウンコンバートされる。ダウンコンバートされた中間周波数の信号は、Ａ／Ｄコンバータ３２ｂによってデジタル信号に変換され、ベースバンドデジタル処理部３３に出力される。
【００１８】
ベースバンドデジタル処理部３３は、スペクトラム拡散されているＧＰＳ信号を逆拡散するための処理を行う。Ａ／Ｄコンバータ３２ｂからキャリア相関部３３ａに出力された信号は、数値制御発信器であるキャリアＮＣＯ（Number Controlled Oscillator）３３ｃからの信号と乗算され、さらに乗算結果が積分されそれにより相関計算が行われる。この相関計算によるピーク値が得られるように、すなわち、搬送波との同期が確立されるように、測位演算部３３ｆは、キャリア追尾ループを介してキャリアＮＣＯ３３ｃを制御する。
【００１９】
キャリア相関部３３ａからの信号は、さらにＰＲＮコード相関部３３ｂに出力される。ＰＲＮコード相関部３３ｂでは、キャリア相関部３３ａからの信号と、捕捉すべきＧＰＳ衛星と同じ疑似ランダムコードをコードＮＣＯ３３ｅからの信号に基づいて発生するＰＲＮコード発生部３３ｄからの信号とが乗算され、さらに乗算結果が積分されそれにより相関計算が行われる。この相関計算によるピーク値が得られるように、すなわち、ＧＰＳ信号に含まれるＰＲＮコード信号との同期が確立されるように、測位演算部３３ｆは、コード追尾ループを介してコードＮＣＯ３３ｅを制御する。
【００２０】
以上の信号処理によりＧＰＳ信号は逆拡散され、ＰＲＮコード相関部３３ｂによる相関出力からはベースバンド信号が得られることになる。測位演算部３３ｆは、得られたベースバンド信号から衛星位置情報などを含むＧＰＳメッセージを取得する。また、測位演算部３３ｆは、ＧＰＳレシーバモジュール３側で発生されるＰＲＮコード信号の発生タイミングをもとにＧＰＳ信号の飛行時間を取得しそれをもとに疑似距離の計測を行い、また、キャリアＮＣＯ３３ｃの位相変化量をもとに、ＧＰＳレシーバモジュール３自身の速度、方位なども算出する。
【００２１】
また、ベースバンドデジタル処理部３３において、キャリア相関部３３ａ、ＰＲＮコード相関部３３ｂ、キャリアＮＣＯ３３ｃ、ＰＲＮコード発生部３３ｄ、およびコードＮＣＯ３３ｅで構成される受信チャンネルは複数存在する。例えば、図１において受信チャンネルが８チャンネルであるものとする。測位演算部３３ｆは、各受信チャンネルで受信される受信信号のうち４つ以上から得られる疑似距離をもとに、幾何学的な演算によりＧＰＳレシーバモジュール３自身の位置を求める測位演算（３次元測位）を実行する。これら測位結果、速度、および方位などのデータは、外部インタフェース部３４を介してホストシステムへ渡される。
【００２２】
測位演算部３３ｆは、ベースバンドデジタル処理部３３の各受信チャンネルにおいて受信される信号の受信Ｃ／Ｎを検出して、受信Ｃ／Ｎが所定の閾値を超えるもののみを選択し測位演算に用いている。測位演算部３３ｆは、例えばトラッキングしているＧＰＳ衛星の数が３つのとき２次元測位を、４つ以上のとき３次元測位を行う。
【００２３】
ＧＰＳレシーバモジュール３には、図示省略された外部電源から供給される電源電圧をもとに各要素に動作電圧を供給するＧＰＳレシーバＤＣ電源部３１、アンテナＤＣ電源部３５が内蔵されている。ＧＰＳレシーバＤＣ電源部３１は、外部電源から供給された電源電圧をもとに電圧を発生させて、ＲＦアナログ処理部３２、ベースバンドデジタル処理部３３、外部インタフェース部３４の各要素に動作電圧として供給する。アンテナＤＣ電源部３５は、外部電源から供給された電源電圧をもとに電圧を発生させて、アクティブアンテナ１の電圧制御回路１５に供給する。
【００２４】
ここで、電圧制御回路１５がアクティブアンテナ１の電源部として機能するだけでなく可変ゲインＬＮＡ１２および１４のゲインコントロール機能も兼ね備えていることは先に述べた通りである。可変ゲインＬＮＡ１２および１４のゲインコントロールは、ＧＰＳレシーバモジュール３の一部の回路と電圧制御回路１５とが協働して行う。
【００２５】
具体的には、測位演算部３３ｆは、ベースバンドデジタル処理部３３の各受信チャンネルにおいて検出される上位４つの受信Ｃ／Ｎの平均値（単位：ｄＢ）を検出し、検出された結果をアンテナＤＣ電源部３５に出力する。以下においては、説明の便宜上、検出された受信Ｃ／Ｎの平均値を「検出Ｃ／Ｎ」と記す。検出Ｃ／Ｎは、複数の良好な受信Ｃ／Ｎの平均値を用いて計算されているため、ＧＰＳ信号の現状の受信品質を正確に表している。
【００２６】
アンテナＤＣ電源部３５は、測位演算部３３ｆからの検出Ｃ／Ｎの値に応じたアンテナ電圧Ｖｄ（単位：Ｖ）を発生させる。図２に、アンテナ電圧Ｖｄと検出Ｃ／Ｎとの関係をグラフで示す。図２の縦軸はアンテナ電圧Ｖｄを、図２の横軸は検出Ｃ／Ｎをそれぞれ示している。図２に示されるように、アンテナＤＣ電源部３５は、例えば検出Ｃ／Ｎの値が２０〜４０ｄＢであるとき、該値に応じて４．０〜５．０Ｖのアンテナ電圧Ｖｄを発生させる。アンテナＤＣ電源部３５は、発生させたアンテナ電圧Ｖｄをアクティブアンテナ１の電源電圧としてだけでなく、可変ゲインＬＮＡ１２および１４のゲインをコントロールするための信号として、電圧制御回路１５に供給する。別の表現によれば、アンテナＤＣ電源部３５は、検出Ｃ／Ｎの値に応じた電圧を、電圧制御回路１５に供給されるべき電源電圧に重畳させて、アンテナ電圧Ｖｄとして電圧制御回路１５に供給する。
【００２７】
電圧制御回路１５は、アンテナＤＣ電源部３５から供給されたアンテナ電圧Ｖｄを検出し、検出された電圧値に応じたＬＮＡ制御電圧Ｖｇ（単位：Ｖ）を発生させる。図３に、ＬＮＡ制御電圧Ｖｇとアンテナ電圧Ｖｄとの関係をグラフで示す。図３の縦軸はＬＮＡ制御電圧Ｖｇを、図３の横軸はアンテナ電圧Ｖｄをそれぞれ示している。図３に示されるように、電圧制御回路１５は、例えばアンテナ電圧Ｖｄが４．０〜５．０Ｖであるとき、該アンテナ電圧Ｖｄに応じて２．０〜３．０ＶのＬＮＡ制御電圧Ｖｇを発生させて、可変ゲインＬＮＡ１２および１４に出力する。
【００２８】
可変ゲインＬＮＡ１２および１４は、電圧制御回路１５からのＬＮＡ制御電圧Ｖｇに従ってゲインがコントロールされる。図４に、可変ゲインＬＮＡ１２および１４のゲイン（以下、「ＬＮＡゲイン」と記す。）（単位：ｄＢ）とＬＮＡ制御電圧Ｖｇとの関係をグラフで示す。図４の縦軸はＬＮＡゲインを、図４の横軸はＬＮＡ制御電圧Ｖｇをそれぞれ示している。図４に示されるように、可変ゲインＬＮＡ１２および１４は、例えばＬＮＡ制御電圧Ｖｇが２．０〜３．０Ｖであるとき、該ＬＮＡ制御電圧Ｖｇに従ってゲインが２５〜４５ｄＢにコントロールがされる。
【００２９】
ここで、車両等に搭載される一般的な車載用アクティブアンテナの電源電圧（本実施形態におけるアンテナ電圧Ｖｄ）は、例えば５Ｖ程度である。そのため、アンテナ電圧Ｖｄを利用して発生されるＬＮＡ制御電圧Ｖｇは、アクティブアンテナ１の正常な動作を保証する上では２．０〜３．０Ｖ程度が適切且つ妥当な値である。
【００３０】
図５に、図２〜図４に基づいて得られるＬＮＡゲインと検出Ｃ／Ｎとの関係をグラフで示す。図５の縦軸はＬＮＡゲインを、図５の横軸は検出Ｃ／Ｎをそれぞれ示している。図５に示されるように、検出Ｃ／Ｎが２０〜４０ｄＢの範囲内である場合に、検出Ｃ／Ｎの値が低いほど受信Ｃ／Ｎの改善を行うべく、ＧＰＳレシーバモジュール３の一部の回路と電圧制御回路１５とが協働することにより、ＬＮＡゲインが増加されている。
【００３１】
ＲＦケーブル２は、ゲーブル長に比例して高周波信号ロス（例えば０．５ｄＢ／ｍ）が増大する。そのため、ＲＦケーブル２のケーブル長が長いほど受信Ｃ／Ｎ（検出Ｃ／Ｎ）が必然的に劣化する。例えばＲＦケーブル２のケーブル長が２ｍの場合には１ｄＢの高周波信号ロスが生じて検出Ｃ／Ｎが３５ｄＢになる。かかる高周波信号ロスが生じた場合にもＲＦアナログ処理部３２に入力されるＧＰＳ信号のレベルを一定以上に保つべく、ＬＮＡゲインは例えば３１ｄＢに設定される。また、例えばＲＦケーブル２のケーブル長が１２ｍの場合には６ｄＢの高周波信号ロスが生じて検出Ｃ／Ｎが３０ｄＢに、また、該ケーブル長が２２ｍの場合には１１ｄＢの高周波信号ロスが生じて検出Ｃ／Ｎが２５ｄＢになる。かかる場合にもＲＦアナログ処理部３２に入力されるＧＰＳ信号のレベルを一定以上に保つべく、ＬＮＡゲインはそれぞれ、３６ｄＢ、４１ｄＢに設定される。
【００３２】
本実施形態のＧＰＳユニット１００においては、ケーブル長に応じて劣化した受信Ｃ／Ｎ（検出Ｃ／Ｎ）を直接検出し、当該検出結果、つまりＲＦケーブル２における信号ロスを加味した結果を用いてＬＮＡゲインをコントロールすることにより、ＲＦアナログ処理部３２に入力されるＧＰＳ信号のレベルを一定以上に保つようにフィードバック制御している。そのため、ＲＦケーブル２のゲーブル長毎にアクティブアンテナ１の信号増幅器に対する個別の利得調整作業や設計を行う必要がない。これにより、例えば開発コストやリードタイム等の削減が達成される。
【００３３】
また、本実施形態のＧＰＳユニット１００においては、ＬＮＡゲインのコントロールを行うため、ＲＦケーブル２の電源ラインが利用されている。ＲＦケーブル２の電源ラインは、アクティブアンテナ１の電源部に電源電圧を供給するための既存のラインである。すなわち、本実施形態によれば、ＬＮＡゲインをコントロールするための専用の信号ラインをＲＦケーブル２に付加する必要がないといったコストメリットがある。
【００３４】
以上が本発明の実施形態の説明である。本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態のＧＰＳユニットの概略構成を示すブロック図である。
【図２】アンテナ電圧Ｖｄと検出Ｃ／Ｎとの関係を示すグラフである。
【図３】ＬＮＡ制御電圧Ｖｇとアンテナ電圧Ｖｄとの関係を示すグラフである。
【図４】ＬＮＡゲインとＬＮＡ制御電圧Ｖｇとの関係を示すグラフである。
【図５】ＬＮＡゲインと検出Ｃ／Ｎとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１  アクティブアンテナ
２  ＲＦケーブル
３  ＧＰＳレシーバモジュール
１１  アンテナエレメント
１２、１４  ＬＮＡ
１３  ＢＰＦ
１５  電圧制御回路
３１  ＧＰＳレシーバＤＣ電源部
３２  ＲＦアナログ処理部
３３  ベースバンドデジタル処理部
３４  外部インタフェース部
３５  アンテナＤＣ電源部
１００  ＧＰＳユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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