(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信信号のスペクトラムを複数のサブスペクトラムに分割するスペクトラム分割手段と、
前記各サブスペクトラムのそれぞれの振幅および位相を校正して出力する振幅・位相調整手段と、
前記振幅・位相調整手段が出力した各サブスペクトラムを無線信号として送信する複数の送信機と
を備えた無線通信システムの送信装置において、
前記スペクトラム分割手段は、前記送信信号のスペクトラムを分割する周波数である分割周波数における規格化信号電圧が 0.5となり、かつ分割する２つのサブスペクトラムの分割周波数からの離調周波数に応じた信号電圧の和が１になるようにスペクトラムを分割し、
前記振幅・位相調整手段は、周波数軸上で偶数番目または奇数番目のいずれかのサブスペクトラムに 180度の位相回転を与えた信号を送信した場合に、前記分割周波数における受信信号レベルが最小となる振幅および位相を校正値とする
ことを特徴とする無線通信システムの送信装置。
【請求項２】
請求項１に記載の無線通信システムの送信装置において、
前記スペクトラム分割手段と前記振幅・位相調整手段の順番を入れ替え、前記振幅・位相調整手段は前記送信信号を複数に分割してそれぞれの振幅および位相を校正して出力し、前記スペクトラム分割手段はそれぞれ振幅および位相が校正された送信信号を複数のサブスペクトラムに分割する
ことを特徴とする無線通信システムの送信装置。
【請求項３】
請求項１に記載の無線通信システムの送信装置において、
前記スペクトラム分割手段は前記振幅・位相調整手段の機能を含み、複数のサブスペクトラムに分割する際に、それぞれの振幅および位相を校正したサブスペクトラムを出力する
ことを特徴とする無線通信システムの送信装置。
【請求項４】
送信信号のスペクトラムを複数のサブスペクトラムに分割するスペクトラム分割するスペクトラム分割ステップと、
前記各サブスペクトラムのそれぞれの振幅および位相を校正して出力する振幅・位相調整ステップと、
前記振幅・位相ステップにより振幅および位相が校正された各サブスペクトラムを複数の送信機に入力し、無線信号として送信するステップと
を有する無線通信システムの送信方法において、
前記スペクトラム分割ステップは、前記送信信号のスペクトラムを分割する周波数である分割周波数における規格化信号電圧が 0.5となり、かつ分割する２つのサブスペクトラムの分割周波数からの離調周波数に応じた信号電圧の和が１になるようにスペクトラムを分割し、
前記振幅・位相調整ステップは、周波数軸上で偶数番目または奇数番目のいずれかのサブスペクトラムに 180度の位相回転を与えた信号を送信した場合に、前記分割周波数における受信信号レベルが最小となる振幅および位相を校正値とする
ことを特徴とする無線通信システムの送信方法。
【請求項５】
請求項４に記載の無線通信システムの送信方法において、
前記スペクトラム分割ステップと前記振幅・位相調整ステップの順番を入れ替え、前記振幅・位相調整ステップは前記送信信号を複数に分割してそれぞれの振幅および位相を校正して出力し、前記スペクトラム分割ステップはそれぞれ振幅および位相が校正された送信信号を複数のサブスペクトラムに分割する
ことを特徴とする無線通信システムの送信方法。
【請求項６】
請求項４に記載の無線通信システムの送信方法において、
前記スペクトラム分割ステップは前記振幅・位相調整ステップの機能を含み、複数のサブスペクトラムに分割する際に、それぞれの振幅および位相を校正したサブスペクトラムを出力する
ことを特徴とする無線通信システムの送信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信において、送信能力（ＥＩＲＰ：アンテナ利得と送信電力の積）の低い送信機を複数用いて連係動作させることにより、広帯域・大容量の伝送信号を送信する無線通信システムの送信装置および送信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信においてリッチ・コンテンツ等を伝送する場合、従来のテキストベースの場合に比べて、広帯域・大容量の信号を伝送することが求められる。無線通信システムでは、このような大容量かつ広帯域の信号を伝送するためには、ＥＩＲＰの高い送信装置が必要となる。ここで、ＥＩＲＰとは、アンテナ利得と送信電力の積で表される。
【０００３】
従来の無線通信システムにおいて、所望のトラヒック量に相当する信号を伝送するためには、回線設計を行い、当該回線設計に応じたＥＩＲＰが必要である。必要とされるＥＩＲＰは、変調方式を固定した場合は、通信容量に比例して増大する。また、多値化を行うことで１Hz当たりの伝送ビット数を向上させて周波数を減らすことができるが、その反面、より大きいＥＩＲＰが必要となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】須崎他、「複数アンテナを用いた船上地球局用追尾アンテナの検討」、2010年電子情報通信学会ソサイエティ大会、B-3-19、p.290
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＥＩＲＰの向上には、アンテナ利得の向上または送信出力の増大のいずれか、もしくは、両者が必要である。アンテナ利得の向上には、アンテナの開口面積の増大が必要である。一方、送信出力の増大に関しては、年々、最大出力電力が向上しているものの物理的な限界がある。さらに、送信出力を増大する場合は、送信装置を構成するコンポーネントに、送信出力の増大に耐えうる強度が求められる。以上の理由により、いずれの手法を用いても、送信装置の大幅な改修が必要となる。
【０００６】
そこで、送信装置の大幅な改修を行わずに、送信装置の送信性能を向上する手法として、非特許文献１に記載されるように、複数の送信機を用いることにより送信性能を向上させるアプローチが報告されている。この場合、図８に示すように変調器８１から出力される送信信号を信号分配器８２、位相設定部８３を介して複数の送信機８４に入力し、受信側で同相となるように位相を調整して各送信機８４から同一の送信信号を送信することで、通信性能を向上させている。しかし、本手法はアレーアンテナとして動作するため、サイドローブやグレーティングローブ等の不要波が発生することが課題となる。
【０００７】
本発明は、不要波を発生することなく複数の送信機を用いて送信性能を向上させることができる無線通信システムの送信装置および送信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】
【０００８】
第１の発明は、送信信号のスペクトラムを複数のサブスペクトラムに分割するスペクトラム分割手段と、各サブスペクトラムのそれぞれの振幅および位相を校正して出力する振幅・位相調整手段と、振幅・位相調整手段が出力した各サブスペクトラムを無線信号として送信する複数の送信機とを備えた無線通信システムの送信装置において、スペクトラム分割手段は、送信信号のスペクトラムを分割する周波数である分割周波数における規格化信号電圧が 0.5となり、かつ分割する２つのサブスペクトラムの分割周波数からの離調周波数に応じた信号電圧の和が１になるようにスペクトラムを分割し、振幅・位相調整手段は、周波数軸上で偶数番目または奇数番目のいずれかのサブスペクトラムに 180度の位相回転を与えた信号を送信した場合に、分割周波数における受信信号レベルが最小となる振幅および位相を校正値とする。
【０００９】
第１の発明の無線通信システムの送信装置において、スペクトラム分割手段と振幅・位相調整手段の順番を入れ替え、振幅・位相調整手段は送信信号を複数に分割してそれぞれの振幅および位相を校正して出力し、スペクトラム分割手段はそれぞれ振幅および位相が校正された送信信号を複数のサブスペクトラムに分割する。
【００１０】
第１の発明の無線通信システムの送信装置において、スペクトラム分割手段は振幅・位相調整手段の機能を含み、複数のサブスペクトラムに分割する際に、それぞれの振幅および位相を校正したサブスペクトラムを出力する。
【００１１】
第２の発明は、送信信号のスペクトラムを複数のサブスペクトラムに分割するスペクトラム分割するスペクトラム分割ステップと、各サブスペクトラムのそれぞれの振幅および位相を校正して出力する振幅・位相調整ステップと、振幅・位相ステップにより振幅および位相が校正された各サブスペクトラムを複数の送信機に入力し、無線信号として送信するステップとを有する無線通信システムの送信方法において、スペクトラム分割ステップは、送信信号のスペクトラムを分割する周波数である分割周波数における規格化信号電圧が 0.5となり、かつ分割する２つのサブスペクトラムの分割周波数からの離調周波数に応じた信号電圧の和が１になるようにスペクトラムを分割し、振幅・位相調整ステップは、周波数軸上で偶数番目または奇数番目のいずれかのサブスペクトラムに 180度の位相回転を与えた信号を送信した場合に、分割周波数における受信信号レベルが最小となる振幅および位相を校正値とする。
【００１２】
第２の発明の無線通信システムの送信方法において、スペクトラム分割ステップと振幅・位相調整ステップの順番を入れ替え、振幅・位相調整ステップは送信信号を複数に分割してそれぞれの振幅および位相を校正して出力し、スペクトラム分割ステップはそれぞれ振幅および位相が校正された送信信号を複数のサブスペクトラムに分割する。
【００１３】
第２の発明の無線通信システムの送信方法において、スペクトラム分割ステップは振幅・位相調整ステップの機能を含み、複数のサブスペクトラムに分割する際に、それぞれの振幅および位相を校正したサブスペクトラムを出力する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、個々のＥＩＲＰにおける送信能力から回線設計上伝送することできない大容量のシングルキャリアの送信信号に対して、送信機の送信性能に応じた帯域のサブスペクトラムに分割して送信し、空間にて合成することにより送信すべき信号を形成する。このときに重要となる各送信機間の通過特性（利得および位相）の校正を、隣り合うサブスペクトラムの位相を反転させることで、等振幅逆相合成による零点を形成し、容易に校正係数を探索することができる。これにより、送信機を改修することなく、送信機を追加することで容易に広帯域の信号を伝送し得る送信装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の無線通信システムの送信装置の基本構成例を示す図である。
【図２】本発明の無線通信システムの送信装置の実施例構成を示す図である。
【図３】サブスペクトラムの分割例を説明する図である。
【図４】本発明による振幅・位相校正処理の構成例を示す図である。
【図５】送信信号および２つのサブスペクトラム例を示す図である。
【図６】校正前後の合成スペクトラムを示す図である。
【図７】本発明における誤り訂正特性を示す図である。
【図８】従来の無線通信システムの送信装置の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
まず、本発明において複数の送信機を用いることにより、所望のＥＩＲＰを満たして送信するための原理について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の無線通信システムの送信装置の基本構成例を示す。
図１において、変調器１１から出力される送信信号をスペクトラム分割部１２に入力し、送信信号のスペクトラムを周波数軸上で複数のサブスペクトラムに分割して振幅・位相調整部１３に入力する。振幅・位相調整部１３は、各サブスペクトラムの振幅と位相を設定してそれぞれ送信機１４に入力する。各送信機１４は電力増幅器を含み、互いに異なるサブスペクトラムの信号をそれぞれ電力増幅してアンテナから送信する。このように複数の送信機１４を用いて送信能力を向上させ、かつ、従来の課題である不要波による信号品質の劣化の課題を解決する。
【００１８】
なお、各送信機間では周波数同期がなされている。すなわち、ローカル発振器でのオフセットが生じない、または補正されている。このとき、各送信機１４から送信されたサブスペクトラムが空間合成された結果、元のスペクトラムが形成されるように、振幅・位相調整部１３において各サブスペクトラムの振幅および位相が調整される。本発明は、この振幅・位相調整部１３における各サブスペクトラムの振幅および位相の調整（補償）方法にあるが、詳しくは後述する。
【００１９】
送信信号のスペクトラムの分割によるサブスペクトラムの生成にあたり、各送信機１４の送信性能（ＥＩＲＰ）に応じた各サブスペクトラムの帯域幅を決定して分割する。例えば、ある送信信号を伝送するために必要なＥＩＲＰ（要求ＥＩＲＰ）が 100Ｗ、送信機数ｎが３、各送信機の最大ＥＩＲＰがそれぞれ、送信機１が50Ｗ、送信機２が40Ｗ、送信機３が30Ｗの場合には、送信信号のスペクトラムを送信機１：送信機２：送信機３＝５：４：３の帯域比で分割してサブスペクトラムを生成して送信する。この場合、各送信機への要求ＥＩＲＰはそれぞれ41.7Ｗ、33.3Ｗ、25Ｗとなり、各送信機毎の送信能力を下回るため、信号を伝送することができる。
【００２０】
ここで、 100Ｗの要求ＥＩＲＰに対して、各送信機の最大ＥＩＲＰの和は 120Ｗであるため、20Ｗの余剰が存在する。このように余剰があるときは、上記のような最大ＥＩＲＰの比で各送信機にサブスペクトラムを割り当てる手法に限らず、各送信機の最大ＥＩＲＰの範囲内で任意の割り当てができる。たとえば、各サブスペクトラムを送信機１：送信機２：送信機３＝２：２：１＝40Ｗ：40Ｗ：20Ｗのように、送信機の何れの上限も超えないよう配分することもできる。
【００２１】
図２は、本発明の無線通信システムの送信装置の実施例構成を示す。
図２において、フーリエ変換回路（ＤＦＴ）２１は、変調器１１から入力する送信信号を周波数軸上の信号に変換し、複数の送信機１４と同数の複数のスペクトラム分割回路２２−１〜２２−ｎに分配する。各スペクトラム分割回路は、送信信号と帯域分割重み係数とを乗算する乗算器を備え、送信信号をそれぞれの帯域分割重み係数に応じた帯域のサブスペクトラムの信号に分割する。すなわち、スペクトラム分割回路２２−１〜２２−ｎは、各サブスペクトラムの帯域を通過させる特性を有するフィルタの機能と同等である。各スペクトラム分割回路２２−１〜２２−ｎの出力は、振幅・位相調整回路２３−１〜２３−ｎを介してフーリエ逆変換回路（ＩＤＦＴ）２４−１〜２４−ｎで時間軸上の送信信号に変換して各送信機１４−１〜１４−ｎに送出される。
【００２２】
複数のサブスペクトラムに分割された送信信号が空間合成により正確に復元されるための具体的なフィルタ特性（スペクトラム分割回路における帯域分割重み係数）について、分割数を２として図３を参照して説明する。
【００２３】
図３(a) は、元の送信信号スペクトラムを示す。ここでｆd は２分割する周波数である。理想的には、図３(b) のようにｆd において信号を２分割できればよいが、このような急峻なフィルタ特性の実現は現実的でない。そこで実現可能な分割例として、図３(c) に示すように、本来の送信信号の周波数ｆd における信号電圧を１としたときに、ｆd における信号電圧（規格化信号電圧）が 0.5となるようにし、かつ、ｆd からの離調周波数δf に依らず、２つのサブスペクトラムの周波数毎の信号電圧Ｖ1(δf)、Ｖ2(δf)が以下の関係となるようにフィルタリングすると、空間合成後に送信信号のスペクトラムが正確に復元される。
Ｖ1(δf)＋Ｖ2(δf)＝１
この関係となる具体的な例として、コサイン・ロールオフフィルタの適用が挙げられる。
【００２４】
図４は、本発明による振幅・位相校正処理の構成例を示す。
図４において、変調器１１、フーリエ変換回路（ＤＦＴ）２１、スペクトラム分割回路２２−１〜２２−ｎ、振幅・位相調整回路２３−１〜２３−ｎ、フーリエ逆変換回路（ＩＤＦＴ）２４−１〜２４−ｎ、送信機１４−１〜１４−ｎは、図３の実施例構成に対応する。
【００２５】
振幅・位相調整回路２３は、送信するサブスペクトラムの振幅と位相を校正値によって補正する。校正値は、当該振幅・位相調整回路２３が設定する振幅と位相を変更しながら、受信側における評価値（後述）の最適値を求めることによって決定される。複数の送信機１４を連携して送信する場合、個々の送信機１４に対応するスペクトラム分割回路２２の通過特性（位相および利得）に差が生じると、空間合成したスペクトラムと元の送信信号のスペクトラムとに差が生じ、復調時の特性（例えば所要Ｃ／Ｎ）に劣化が生じる。そのため各送信機１４に対応する振幅・位相調整回路２３で校正を行い、通過特性を揃えることが重要となる。図４の例では、スペクトラム分割回路２２の後段に振幅・位相調整回路２３を配置しているが、前段に配置してもよく、さらに、スペクトラム分割回路２２の特性を決定する重み係数を調整することで、スペクトラム分割回路２２と振幅・位相調整回路２３をまとめる構成としてもよい。
【００２６】
送信機１４−１〜１４−ｎから送信された送信信号を受信機３１により受信し、さらにスペクトラム分析器３２で受信信号の周波数特性を分析して、校正係数を決定する。なお、衛星通信の場合は、自局の送信信号の衛星折り返し信号を、自身の無線装置の１つで受信する構成としてもよい。
【００２７】
具体的な校正手順の一例について説明する。
前提としては、各サブスペクトラムは周波数の低い順に各送信機１４−１〜１４−ｎに入力・送信されるものとし、振幅係数が１の場合、各送信機が最大のＥＩＲＰを出力するものとする。また、当該校正手順は、実際のデータを送信する前の初期設定時に、たとえばトレーニング信号等を用いて行われる。当該手順により定められた校正値を用いて、実際のデータ送信を行う。
【００２８】
本校正手順の特徴は、隣り合うサブスペクトラムの位相を反転させて送信することにより、分割周波数ｆd における信号レベルが、理想的には等振幅逆相合成となり、信号レベルが零になることを利用する。すなわち、分割周波数ｆd の受信信号レベルをモニタして、合成振幅が最小とすることで校正が可能となる。以下に、具体的な手順を説明する。
【００２９】
(1) 送信装置の振幅・位相調整回路２３−１〜２３−ｎは、隣り合うサブスペクトラムの位相差が 180度となるように、奇数番目または偶数番目のサブスペクトラムの通過位相を 180度進める、または遅らせて送信する。
(2) 受信装置では、サブスペクトラム１とサブスペクトラム２の分割周波数（規格化信号電圧が互いに 0.5の周波数）の受信信号レベルを、スペクトラム分析器３２を用いてモニタする。受信信号レベルは、送信装置の振幅・位相調整回路２３−１〜２３−ｎへフィードバックする。
【００３０】
(3) 送信装置の振幅・位相調整回路２３−２は、サブスペクトラム２の位相係数２を０〜２πの範囲で制御し、モニタ周波数における受信信号レベルが最小になる値を探索し、その値を設定するとともに振幅・位相調整回路２３−２の位相係数２として記憶する。
(4) (3) における状態で、振幅・位相調整回路２３−２の振幅係数を０〜１と制御して、モニタ周波数における受信レベルが最小になる値を探索し、その値を設定するとともに振幅・位相調整回路２３−２の振幅係数２として記憶する。
(5) ｎ＝２の場合、手順(10)へ進む。
【００３１】
(6) 受信装置は、サブスペクトラム２とサブスペクトラム３の分割周波数の受信信号レベルをスペクトラム分析器３２を用いてモニタする。
(7) 送信装置の振幅・位相調整回路２３−３は、サブスペクトラム３の位相係数３を０〜２πの範囲で制御し、モニタ周波数における受信信号レベルが最小になる値を探索し、その値を設定するとともに振幅・位相調整回路２３−３の位相係数３として記憶する。
(8) (7) における状態で、振幅・位相調整回路２３−３の振幅係数を０〜１と制御して、モニタ周波数における受信レベルが最小になる値を探索し、その値を設定するとともに振幅・位相調整回路２３−３の振幅係数３として記憶する。
(9) 以下、振幅・位相調整回路２３−ｎの係数が決定するまで、手順 (6)〜(8) を繰り返す。
【００３２】
(10)隣り合うサブスペクトラムの位相差が０度となるように、奇数または偶数番目のサブスペクトラムの通過位相を 180度進める、または遅らせることにより、各送信装置の校正が完了する。
【００３３】
本発明の有効性を実験的に検証した例を示す。
図５および図６は、送信信号を生成後、２つのサブスペクトラムに分割、各振幅・位相調整回路２３−１〜２３−ｎの校正、サブスペクトラム合成した結果を示す。観測したサブスペクトラムは、分割周波数を０とした相対周波数に対するものとする。
【００３４】
図５(a) は、生成した送信信号であり、ＱＰＳＫ変調、変調速度 3.2Ｍbaud、ロールオフ率0.2 の帯域制限フィルタを用いている。図５(b),(c) は、分割したサブスペクトラムであり、スペクトラム分割回路２２のフィルタ特性として、ロールオフ率0.2 のコサイン・ロールオフフィルタを実現している。
【００３５】
図６(a) は、校正前の合成スペクトラムを示す。図６(b) は、逆相等振幅による校正時の合成スペクトラムを示す。これより、校正後に分割周波数において零点が形成されていることが確認できる。図６(c) は、校正後にサブスペクトラムの位相を元に戻して得られる合成スペクトラムを示す。
【００３６】
図７は、本発明における誤り訂正特性を示す。なお、本測定では誤り訂正符号として、符号化率0.66のターボプロダクト符号を使用した。この結果、顕著な特性の劣化なく、信号伝送が行えていることが確認できる。なお、校正係数の解析結果より、校正前の送信装置間には１dBの利得差、15度の位相差が生じていたことが推測される。これらの誤差により、校正前の復調特性が劣化していることが確認できている。
【符号の説明】
【００３７】
１１  変調器
１２  スペクトラム分割部
１３  振幅・位相調整部
１４  送信機
２１  フーリエ変換回路（ＤＦＴ）
２２  スペクトラム分割回路
２３  振幅・位相調整回路
２４  フーリエ逆変換回路（ＩＤＦＴ）
【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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【図６】
0005456737.tif 000007
【図７】
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【図８】
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