(57)【要約】【課題】複数の受信アンテナ素子の素子間隔を搬送波の半波長以下に設定しなくても良い伝送システムおよびその受信装置を提供する。【解決手段】送信装置１００は、情報信号（入力信号）にパイロット信号を重畳して伝送する。受信装置は、情報信号にパイロット信号が重畳された信号１１０を受信する受信アンテナ素子＃１〜＃４と、受信アンテナ素子＃１〜＃４がそれぞれ受信した信号がそれぞれ入力され、パイロット信号２１２をローカル信号として用いて情報信号２１３をダウンコンバートして出力信号２１５を出力する受信周波数変換部＃１〜＃４と、受信周波数変換部＃１〜＃４の出力信号を合成する合成回路２６０と、を備える。【選択図】        図３
2006319511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信装置と受信装置を有する伝送システムであって、
前記送信装置は、情報信号にパイロット信号を重畳して送信する手段を備え、
前記受信装置は、
前記情報信号にパイロット信号が重畳された信号を受信する複数の受信アンテナ素子と、
前記複数の受信アンテナ素子がそれぞれ受信した信号がそれぞれ入力され、前記パイロット信号をローカル信号として用いて前記情報信号をダウンコンバートして出力信号を出力する複数のダウンコンバート手段と、
前記複数のダウンコンバート手段の出力信号を合成する合成手段と、
を備えることを特徴とする伝送システム。
【請求項２】
送信装置と受信装置を有する伝送システムであって、
前記送信装置は、情報信号にパイロット信号を重畳して送信する手段を備え、
前記受信装置は、
前記情報信号にパイロット信号が重畳された信号を受信する複数の受信アンテナ素子と、
前記複数の受信アンテナ素子がそれぞれ受信した信号がそれぞれ入力され、前記パイロット信号をローカル信号として用いて前記情報信号をダウンコンバートして出力信号を出力する複数のダウンコンバート手段と、
前記複数のダウンコンバート手段の出力信号を使って、受信アンテナ素子間の位相差を検出する位相差検出手段と、
を備えることを特徴とする伝送システム。
【請求項３】
情報信号にパイロット信号が重畳された信号を受信する受信装置であって、
前記情報信号にパイロット信号が重畳された信号を受信する複数の受信アンテナ素子と、
前記複数の受信アンテナ素子がそれぞれ受信した信号がそれぞれ入力され、前記パイロット信号をローカル信号として用いて前記情報信号をダウンコンバートして出力信号を出力する複数のダウンコンバート手段と、
前記複数のダウンコンバート手段の出力信号を合成する合成手段と、
を備えることを特徴とする受信装置。
【請求項４】
情報信号にパイロット信号が重畳された信号を受信する受信装置であって、
前記情報信号にパイロット信号が重畳された信号を受信する複数の受信アンテナ素子と、
前記複数の受信アンテナ素子がそれぞれ受信した信号がそれぞれ入力され、前記パイロット信号をローカル信号として用いて前記情報信号をダウンコンバートして出力信号を出力する複数のダウンコンバート手段と、
前記複数のダウンコンバート手段の出力信号を使って、受信アンテナ素子間の位相差を検出する位相差検出手段と、
を備えることを特徴とする受信装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載の受信装置において、前記情報信号にパイロット信号が重畳された信号は送信側で第１の周波数のローカル信号を用いてアップコンバートされた信号であることを特徴とする受信装置。
【請求項６】
請求項３ないし５のうちいずれか１項に記載の受信装置において、前記ダウンコンバート手段は、前記情報信号にパイロット信号が重畳された信号を第２の周波数のローカル信号を用いて一旦ダウンコンバートした後、前記一旦ダウンコンバートしたパイロット信号をローカル信号として用いて前記一旦ダウンコンバートした情報信号をダウンコンバートすることを特徴とする受信装置。
【請求項７】
請求項３ないし６のうちいずれか１項に記載の受信装置において、受信アンテナ素子の間隔が、搬送波の周波数における半波長よりも大きく、前記パイロット信号と前記情報信号の差となる周波数における半波長よりも短くなる値で、設置されていることを特徴とする受信装置。
【請求項８】
請求項３に記載の受信装置において、受信アンテナ素子における位相差の最大値が、前記ダウンコンバート手段の出力信号の周波数において所定値以下となるように、情報信号の周波数、またはパイロット信号の周波数、または受信アンテナ素子の間隔、または合成する素子数を設定したことを特徴とする受信装置。
【請求項９】
請求項３ないし８のうちいずれか１項に記載の受信装置において、前記受信アンテナ素子は開口径が搬送波の半波長よりも大きいことを特徴とする受信装置。
【請求項１０】
請求項３ないし９のうちいずれか１項に記載の受信装置において、前記受信アンテナ素子が２次元または３次元に配置されていることを特徴とする受信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送信装置と受信装置を有する伝送システムおよびその受信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通信・放送の分野においては、混在して飛び交っている電波の中から、所望の情報を運んでいる電波を選び出す必要がある。アンテナの指向特性によって所望の電波を選別するものとして、複数個のアンテナ素子を配列し、個々のアンテナ素子における励振の振幅及び位相を独立に制御できるようにした、いわゆるアレーアンテナがある（非特許文献１）。
【０００３】
図１を用いて、Ｋ素子からなるリニア（直線状）アレーアンテナを例に説明する。図１において、アンテナ素子＃１，＃２・・・＃Ｋに誘起された電圧は、振幅調整器でそれぞれ重みＡ１，Ａ２・・・ＡＫだけ振幅が調整された後、可変移相器でそれぞれ移相量δ１，δ２・・・δＫだけ移相され合成回路Σで合成される。図１に示すように、電波が角度θの方向から到来するとき、ｋ番目のアンテナ素子（ｋ＝１，２・・・Ｋ）に誘起する電圧は、ベースライン上の基準点での受信信号をＥ０とし、各アンテナ素子の受信特性が等しいとすると、次式で与えられる。ここで、ｆは搬送波周波数、λは搬送波の波長、ｃは伝搬速度、ｄｋは基準点から測ったｋ番目の素子の位置である。なお、図１に示す路長差ｌ（＝ｄｋｓｉｎθ）は下記式（２）からｌ＝ｃτｋある。τｋは基準点に電波が到達してから等位相の電波がｋ番目の素子の位置に到来するまでの時間差（遅延時間）である。
【０００４】
【数１】
2006319511.tif 000003
各素子出力の移相量を可変移相器で位相が揃うように調整して合成回路Σで加算すると、合成出力Ｅｓｕｍは次式となる。
【０００５】
【数２】
2006319511.tif 000004
ここで、Ａｋ、δｋはそれぞれｋ番目の素子に掛ける重みと移相量である。移相量δｋは、所望の方向をθ０とすると、
【０００６】
【数３】
2006319511.tif 000005
に選ぶ。このようにすると、角度θ０方向の所望信号は同相で加算される一方、それ以外の方向では、各素子の出力の位相が一致せず互いにある程度の相殺が行われる。したがって、アンテナのメインローブを向けて所望信号を取り出すことができる。
しかし、ｄｋが大きい場合には、
【０００７】
【数４】
2006319511.tif 000006
を満足するような角度θｇｍ（ｍ＝±１，±２・・・）でも、メインローブと同様に同相になって加算されて大きな応答を生じる。これはグレーティングローブと呼ばれており、所望の方向以外からも電波を受信してしまうことになるので、設計段階から防止策が取られるのが普通である。
【０００８】
グレーティングローブの防止策としては、「角度θ０の値をある範囲に限定する（所望の電波の到来する方向を限定する）」、あるいは「アンテナ素子間隔を搬送波の半波長以下（０．５λ以下）にすること」などが考えられる。アレーアンテナでは、後者の「アンテナ素子間隔を搬送波の０．５λ以下に制限すること」が多く行われている。
【０００９】
また、前述のように、通信・放送の分野においては、混在して飛び交っている電波の中から、所望の情報を運んでいる電波を選び出す必要があるが、その１つの方法として、アンテナの指向特性によって所望の電波を選別することがあげられる。アレーアンテナによる到来方向推定技術は、アンテナの指向特性によって所望の電波を選別するために、複数個のアンテナ素子を配列し、個々のアンテナ素子における位相差から、希望波の方向ベクトル（到来方向）を推定するものである。
【００１０】
図１においてＫ＝２の場合、すなわち２素子からなるリニア（直線状）アレーアンテナを例に到来方向推定技術について説明する。電波が角度θの方向から到来するとき、ｋ番目の受信アンテナ素子（ｋ＝１，２）に誘起する電圧Ｅｋは、ベースライン上の基準点での受信信号をＥ０とし、各アンテナ素子の受信特性が等しいとすると、前記式（１）で与えられる。
【００１１】
２つの受信アンテナ素子＃１と＃２の素子間隔ｄ（＝ｄ２−ｄ１）は、搬送波の半波長間隔以下で設置されている。このようにアンテナ素子間隔が、搬送波の半波長間隔以下で設定されている場合には、希望波の到来方向をθ０とすると、移相量δ（この例では２つの受信アンテナ素子間の位相差を表す）は
【００１２】
【数５】
2006319511.tif 000007
で一意に求めることができる。
【００１３】
図２は、２素子からなるリニア（直線状）アレーアンテナによる到来方向推定のための伝送システムを示したものである。送信側では、伝送する情報信号（周波数ｆｉ）を、周波数変換（通常は、電波を伝送するのに適した周波数ヘアップコンバート）し、送信アンテナから電波として飛ばす。アップコンバートするためのローカル信号の周波数をｆｕとする（多段で周波数変換する場合においては、そのトータルの周波数を意味する）と、伝送信号の搬送波周波数は、（ｆｉ＋ｆｕ）である。受信周波数変換部＃１、＃２は、受信アンテナ素子＃１、＃２がそれぞれ受信した信号を信号処理のし易い周波数に、周波数変換（通常はダウンコンバート）する。ダウンコンバートするためのローカル信号の周波数をｆｄとする（多段で周波数変換する場合においては、そのトータルの周波数を意味する）と、出力信号の周波数は、（ｆｉ＋ｆｕ−ｆｄ）になる。アンテナ素子＃１と＃２でダウンコンバートに用いるローカル信号の位相が同じとなるような条件では、受信アンテナで受信した信号（ｆｉ＋ｆｕ）の位相差が、ダウンコンバートした出力信号（ｆｉ＋ｆｕ−ｆｄ）においても保存されるので、ダウンコンバートした出力信号を用いて位相差を検出し、この情報をもとに、電波の到来方向を推定することができる。
【００１４】
しかし、アンテナ素子間隔を半波長間隔よりも広く設定すると、移相量δが２πを越える（路長差が１波長以上になる）ことがあり、
【００１５】
【数６】
2006319511.tif 000008
で、ｍ＝０以外の場合でも式（７）が成り立つことになり、解が１つには定まらならなくなる。一意に解を定めることを優先しｍ＝０の場合を強制的に選択すると、正しい移相量では無いため（例えば移相量δが３９０度のとき、３０度と強制的に設定してしまう）、所望信号の到来方向を推定することができなくなってしまうことがある。
【００１６】
以上では説明を簡単にするために、電波としては希望波のみが受信できる場合について記述した。これに対して、マルチパス等の希望波以外の電波が同時に受信される場合には、非特許文献２のように、ＯＦＤＭ信号のパイロット信号を用いた補正処理を行うことで、２つのアンテナ素子間の位相差を求めることが可能となる。しかしこの場合においても、２つのアンテナ素子間隔は、０．５λ以下に設定しなければ、間違った位相差（例えば移相量δが３９０度のとき、３０度と判定してしまう）を検出してしまい、正常に動作させることができない。
【００１７】
【非特許文献１】菊間信良、「アダプティブアンテナ技術」、オーム社、平成１５年１０月１０日発行、１１頁〜１５頁
【非特許文献２】光山和彦  外４名、「ＯＦＤＭ受信波を用いた到来方向推定  −推定における相関性干渉波の影響−」、２００４年映像情報メディア学会年次大会、１６−１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
以上のように、アレーアンテナでは、ｋ番目の素子に掛ける重みＡｋと移相量δｋを調整して、所望方向θ０における各素子の出力を同相で合成する必要がある。ここで、重みＡｋは振幅調整器（可変増幅器あるいは可変減衰器）で、移相量δｋは可変移相器で実現するのが一般的である。この際に、前述したように、アンテナ素子間隔を搬送波の半波長以下にする必要がある。
【００１９】
搬送波の半波長以下に収めるためには、アンテナ素子としてパッチアンテナのような指向性の緩いアンテナ、すなわち物理的に小さなアンテナを用いて、その出力信号をダウンコンバートしてケーブルで取り出し、別筐体などにおいて重み付けと移相量補正をデジタル信号処理することが行われている。しかしながら、ダウンコンバートする各系統のすべてで、アンテナ素子で受信したときの位相関係を保つ必要があるので、各系統の電気長を厳密に等しくする（補正により等しくすることを含む）必要があり、回路の調整が難しくなるという課題がある。
【００２０】
また、到来方向推定を行う受信アンテナでも、アンテナ素子間隔を搬送波の半波長以下に設定する必要がある。図２に示すアンテナ素子としては、その利得によらないで良いわけであるが、指向性の鋭い、すなわちアンテナゲインのあるアンテナ（例えばホーンアンテナなど）を用いると、物理的に半波長間隔には設置できないという課題があった。その一方、アンテナ素子としてパッチアンテナのような指向性の緩いアンテナを用いる場合は、物理的には設置できるものの、アンテナ素子間に相互結合が生じるために移相量を正しくすることが難しいことや、受信できるレベルが低くなってしまい、ＣＮ比を大きく確保できなくなるという課題があった。
【００２１】
本発明の目的は、複数の受信アンテナ素子の素子間隔を搬送波周波数の半波長以下に設定しなくても良い伝送システムおよびその受信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本願において開示される発明の概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
（１）送信装置と受信装置を有する伝送システムであって、前記送信装置は、情報信号にパイロット信号を重畳して送信する手段を備え、前記受信装置は、前記情報信号にパイロット信号が重畳された信号を受信する複数の受信アンテナ素子と、前記複数の受信アンテナ素子がそれぞれ受信した信号がそれぞれ入力され、前記パイロット信号をローカル信号として用いて前記情報信号をダウンコンバートして出力信号を出力する複数のダウンコンバート手段と、前記複数のダウンコンバート手段の出力信号を合成する合成手段と、を備えるものである。
【００２３】
（２）送信装置と受信装置を有する伝送システムであって、前記送信装置は、情報信号にパイロット信号を重畳して送信する手段を備え、前記受信装置は、前記情報信号にパイロット信号が重畳された信号を受信する複数の受信アンテナ素子と、前記複数の受信アンテナ素子がそれぞれ受信した信号がそれぞれ入力され、前記パイロット信号をローカル信号として用いて前記情報信号をダウンコンバートして出力信号を出力する複数のダウンコンバート手段と、前記複数のダウンコンバート手段の出力信号を使って、受信アンテナ素子間の位相差を検出する位相差検出手段と、を備えるものである。
【００２４】
（３）情報信号にパイロット信号が重畳された信号を受信する受信装置であって、前記情報信号にパイロット信号が重畳された信号を受信する複数の受信アンテナ素子と、前記複数の受信アンテナ素子がそれぞれ受信した信号がそれぞれ入力され、前記パイロット信号をローカル信号として用いて前記情報信号をダウンコンバートして出力信号を出力する複数のダウンコンバート手段と、前記複数のダウンコンバート手段の出力信号を合成する合成手段と、を備えるものである。
【００２５】
（４）情報信号にパイロット信号が重畳された信号を受信する受信装置であって、前記情報信号にパイロット信号が重畳された信号を受信する複数の受信アンテナ素子と、前記複数の受信アンテナ素子がそれぞれ受信した信号がそれぞれ入力され、前記パイロット信号をローカル信号として用いて前記情報信号をダウンコンバートして出力信号を出力する複数のダウンコンバート手段と、前記複数のダウンコンバート手段の出力信号を使って、受信アンテナ素子間の位相差を検出する位相差検出手段と、を備えるものである。
【００２６】
（５）前記（３）または（４）の受信装置において、前記情報信号にパイロット信号が重畳された信号は送信側で第１の周波数のローカル信号を用いてアップコンバートされた信号であるものである。
【００２７】
（６）前記（３）ないし（５）の受信装置において、前記ダウンコンバート手段は、前記情報信号にパイロット信号が重畳された信号を第２の周波数のローカル信号を用いて一旦ダウンコンバートした後、前記一旦ダウンコンバートしたパイロット信号をローカル信号として用いて前記一旦ダウンコンバートした情報信号をダウンコンバートするものである。
【００２８】
（７）前記（３）ないし（６）の受信装置において、受信アンテナ素子の間隔が、搬送波の周波数における半波長よりも大きく、前記パイロット信号と前記情報信号の差となる周波数における半波長よりも短くなる値で、設置されているものである。
【００２９】
（８）前記（３）の受信装置において、受信アンテナ素子における位相差の最大値が、前記ダウンコンバート手段の出力信号の周波数において所定値以下となるように、情報信号の周波数、またはパイロット信号の周波数、または受信アンテナ素子の間隔、または合成する素子数を設定したものである。
【００３０】
（９）前記（３）ないし（８）の受信装置において、前記受信アンテナ素子は開口径が搬送波の半波長よりも大きいものである。
【００３１】
（１０）前記（３）ないし（９）の受信装置において、前記受信アンテナ素子が２次元または３次元に配置されているものである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明は、受信したパイロット信号をローカル信号として、受信した情報信号をダウンコンバートすることにより、移相量を、情報信号とパイロット信号の差となる周波数に比例させる。その結果、アンテナの素子間隔を搬送波周波数の半波長以下に設定しなくても良いので、回路作成における物理的な大きさの制約を回避することができる。そのため、アンテナ素子として、アンテナゲインのあるアンテナ（例えばホーンアンテナなど）を用いることも可能になる。
【００３３】
また、前記のダウンコンバートの前に用いる回路素子については、アンテナやアンプ、フィルタなどの位相差が１波長以内であれば異なっていても問題が生じないので、高周波（マイクロ波やミリ波）における部品選定の自由度を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施形態について図を用いて詳細に説明する。実施形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付ける。
【００３５】
（実施形態１）
図３は、実施形態１による伝送システムの構成図である。本実施形態の伝送システムは、送信アンテナ１０１を有する１台の送信装置１００と、受信アンテナ素子＃１〜＃４をそれぞれ有する４個の受信周波数変換部＃１〜＃４と受信周波数変換部＃１〜＃４の出力信号ｆ１Ｏ〜ｆ４Ｏを合成する合成回路２６０とを備える受信装置から構成される。同図は具体的な回路構成を示すものではなく、装置の動作を概念的に示す構成図であり、周波数を選択するフィルタやレベルを調整するアンプなどは省略して記載してある。本実施形態においては受信アンテナ素子および受信周波数変換部を４個として説明するが、受信アンテナ素子および受信周波数変換部は４個に限定されず、複数個あればよい。
【００３６】
送信装置１００では、入力信号すなわち伝送する情報信号（周波数ｆｉ）にパイロット信号（周波数ｆｐ）を加算回路１０２で加算して周波数多重し、ローカル信号（周波数ｆｕ）を周波数ミキサ１０３で混合してアップコンバートし、送信アンテナ１０１から放射する。したがって図中の１１０に示すように、アップコンバートされたパイロット信号（周波数ｆｐ＋ｆｕ）とアップコンバートされた情報信号（周波数ｆｉ＋ｆｕ）が、一緒に電波で伝送される。搬送波周波数ｆは、情報信号の中心周波数と考えられるので、ｆｉ＋ｆｕである。
【００３７】
受信装置には、受信アンテナ素子＃１、＃２、＃３、＃４が配置されている。これらの受信アンテナ素子は、後述する出力信号（ｆｉ−ｆｐ）の半波長よりも十分に狭い間隔で配置されているものとする。
【００３８】
受信アンテナ素子＃１〜＃４の出力は、それぞれの受信周波数変換部＃１〜＃４に接続されている。受信周波数変換部＃１〜＃４の構成は、ダウンコンバートするためのローカル信号の周波数ｆｄ１、ｆｄ２、・・・が同一でない（同一であっても良い）以外は、すべて同じであるので、受信周波数変換部＃１（２１０）についてのみ詳細に説明する。受信周波数変換部２１０では、受信アンテナ素子＃１で受信した信号をローカル信号（周波数ｆｄ１）と周波数ミキサ２１１で混合して信号処理し易い周波数に、一旦ダウンコンバートする。さらに、周波数変換されたパイロット信号（周波数ｆｐ＋ｆｕ−ｆｄ１）２１２と周波数変換された情報信号（周波数ｆｉ＋ｆｕ−ｆｄ１）２１３に信号が分けられた後、周波数変換されたパイロット信号（周波数ｆｐ＋ｆｕ−ｆｄ１）２１２をローカル信号として周波数ミキサ２１４で混合して、周波数変換された情報信号（周波数ｆｉ＋ｆｕ−ｆｄ１）２１３をダウンコンバートする。この結果、受信周波数変換部２１０の出力には、周波数が（ｆｉ−ｆｐ）に変換された出力信号２１５が得られる。受信周波数変換部＃２、＃３、＃４においても、受信周波数変換部＃１と同様にして周波数が（ｆｉ−ｆｐ）に変換された出力信号が得られる。
【００３９】
受信周波数変換部＃１、＃２、＃３、＃４では、周波数（ｆｉ−ｆｐ）において、ほぼ等路長であるように設計された線路で、合成回路２６０に接続され、合成回路２６０から合成出力を得る。
【００４０】
以下には、位相を含めた関係を式で説明する。基準点で受信されるパイロット信号及び情報信号をＥ０ｐ及びＥ０ｉとすると、受信アンテナ素子＃ｋで受信されるパイロット信号Ｅｋｐ及び情報信号Ｅｋｉは、次式で与えられる。
【００４１】
【数７】
2006319511.tif 000009
アンテナ素子間の移相量は、電波で伝搬する周波数に比例する。ｆｕは、ｆｉ、ｆｐに比べて十分に大きくするのが通常であるので、ほぼ２πｆｕに比例することになる。
【００４２】
受信周波数変換部＃ｋでのダウンコンバートするためのローカル信号Ｅｋｄ（ｔ）が、次式で与えられるものとすると、
【００４３】
【数８】
2006319511.tif 000010
ダウンコンバートされたパイロット信号Ｅｋｐｄ、及び情報信号Ｅｋｉｄは、
【００４４】
【数９】
2006319511.tif 000011
で記すことができる。ここで、Ｄｋ、ｆｄｋ、αｋｄは受信周波数変換部＃ｋでのローカル信号の振幅、周波数、位相であり、Ｅ０ｋｐｄ、Ｅ０ｋｉｄは基準点で受信されるパイロット信号、情報信号をダウンコンバートしたパイロット信号、情報信号である。
【００４５】
上記で得られたパイロット信号をローカル信号として、情報信号をダウンコンバートすると、得られる信号ＥｋＯは、次式となる。ここで、Ｅ０ｋＯは基準点において受信されたパイロット信号をローカル信号として基準点において受信された情報信号をダウンコンバートして得られる信号である。
【００４６】
【数１０】
2006319511.tif 000012
ここで得られる各受信系統間の移相量は、（ｆｉ−ｆｐ）に比例し、電波で搬送波を受信したときに比べて、（ｆｉ−ｆｐ）／（ｆｉ＋ｆｕ）倍になっている。
【００４７】
具体的な数値を入れて説明する。情報信号の中心周波数ｆｉを１０００ＭＨｚ、パイロット信号の周波数ｆｐを９００ＭＨｚとし、アップコンバート用のローカル信号の周波数ｆｕを５９ＧＨｚとする。この結果、搬送波周波数は６０ＧＨｚとなる。受信周波数変換部の出力信号の中心周波数は（ｆｉ−ｆｐ）で１００ＭＨｚであり、搬送波周波数６０ＧＨｚの１／６００になっている。
【００４８】
搬送波の半波長である２．５ｍｍ間隔でアンテナ素子を設置したとき、隣接するアンテナ素子間での位相差は０度から３６０度までの値を取る。これが、本実施形態の受信周波数変換部での出力信号ではその１／６００に小さくすることができる。
【００４９】
例えば受信アンテナ素子の間隔を、搬送波の５波長である２．５ｃｍとしても、隣接する各アンテナ素子間の位相は、最大でも６度しか変化しないことになる。仮に４素子から等振幅の信号が得られた場合には、最大で１８度の位相差があることになるが、４合成した場合の合成利得としては５．９ｄＢが得られ、同相合成のときからの劣化は０．１ｄＢ以下である。また、４合成での振幅劣化の許容値を、等振幅同相合成の場合より１ｄＢダウンとした場合、隣接するアンテナ素子間での位相差を２０度以下にすれば良い。すなわち、受信アンテナ素子における位相差の最大値が、受信周波数変換部の出力信号の周波数において所定値以下となるように、情報信号の周波数ｆｉ、パイロット信号の周波数ｆｐ、アンテナ素子の間隔、合成する素子数を決めれば、位相調整回路を用いなくても、振幅の劣化をほとんど受けずに、合成することが可能になる。
【００５０】
本実施形態では、パイロット信号をローカル信号としてダウンコンバートする前の回路での位相差はキャンセルされるので、アンプやフィルタ、線路長など構成部品の位相特性は、各受信系統でのずれが１波長以内であれば問題が生じない。従来は、アンテナ素子で電波として受信した際の位相差を保存するために、各系統の電気長を厳密に揃えておくことが必要であった。なお本実施形態においても、パイロット信号をローカル信号としてダウンコンバートした後の回路では、線路長が等しくなるようにする必要があるが、ダウンコンバートされた後の周波数は、搬送波周波数に比べて相当程度小さいので、この周波数で線路長（位相）を揃えることは、それ程難しくない。
【００５１】
なお、ここでは送信側でパイロット信号をアップコンバートして、受信側では信号の処理がし易いように、一旦、周波数ｆｄｋでダウンコンバートする例で記した。しかし、これまでに示した式からもわかるように、受信装置において、送信側から送られてくるパイロット信号をローカル信号に用いて情報信号をダウンコンバートする部分さえあれば、全く同様な効果が得られる。したがって、送信側でアップコンバートすることや、受信側で一旦ダウンコンバートする以外の構成でも、同様な効果が得られる。すなわち、受信周波数変換部は、パイロット信号をローカル信号として用いて情報信号をダウンコンバートして出力信号を出力するダウンコンバート手段であればよい。
【００５２】
ここでは、合成回路に位相調整回路を全く含まない例で説明したが、位相の制御範囲が大幅に狭くなるので、本実施形態を用いて、位相の調整範囲の狭い可変移相器を使用することも考えられる。
【００５３】
以上では、リニアアレーアンテナを例に、１次元的なアンテナ配置について説明してきた。本実施形態は、２次元や３次元的なアンテナ配置においても有効な技術である。１次元的なアンテナ配置であれば、従来技術においても、余った次元を使って回路を配置することなどで物理的な大きさの制約を避けることが可能になる場合も、２次元や３次元的なアンテナ配置の合成では、空間的な配置の余裕が無いからである。
【００５４】
本実施形態の応用例としては、マイクロ波やミリ波伝送装置の利用が考えられる。ミリ波伝送装置では、伝送する帯域幅は十分にありパイロット信号の設定に自由度がある場合が多い。ホーンアンテナのような利得アンテナを用いて、４素子以下のリニアアレーアンテナや、２×２素子の２次元アレーアンテナなどを用いた合成回路を簡単に実現することができる。
【００５５】
（実施形態２）
図４は、実施形態２による到来方向推定のための伝送システムの構成図である。本実施形態の伝送システムにおいては、アンテナ素子間隔を、電波で伝送する搬送波周波数における半波長以下としなくても、アンテナ素子間の位相差を正確に測定できる。図４は具体的な回路構成を示すものではなく、装置の動作を概念的に示す構成図であり、周波数を選択するフィルタやレベルを調整するアンプなどは省略して記載してある。
【００５６】
本実施形態の伝送システムは、送信アンテナ１０１を有する１台の送信装置１００と、受信アンテナ素子＃１、＃２を有する２個の受信周波数変換部＃１、＃２と受信周波数変換部＃１、＃２の出力信号の位相差を検出する位相差検出回路２７０を備える受信装置から構成される。本実施形態においては受信アンテナ素子および周波数変換部を２個として説明するが、受信アンテナ素子および周波数変換部は２個に限定されず、複数個あればよい。
【００５７】
送信装置１００では、入力信号すなわち伝送する情報信号（周波数ｆｉ）にパイロット信号（周波数ｆｐ）を加算回路１０２で加算し周波数多重し、ローカル信号（周波数ｆｕ）を周波数ミキサ１０３で混合してアップコンバートし、送信アンテナ１０１から放射する。したがって図中の１１０に示すように、アップコンバートされたパイロット信号（周波数ｆｐ＋ｆｕ）とアップコンバートされた情報信号（周波数ｆｉ＋ｆｕ）が、一緒に電波で伝送される。搬送波周波数ｆは、情報信号の中心周波数と考えると、ｆｉ＋ｆｕである。
【００５８】
受信装置には、受信アンテナ素子＃１、＃２が配置されている。受信アンテナ素子＃１、＃２の出力は、それぞれ受信周波数変換部＃１、＃２に接続されている。受信周波数変換部＃１、＃２の構成は同じであるので、受信周波数変換部＃１（２１０）についてのみ詳細に説明する。受信周波数変換部２１０では、受信アンテナ素子＃１で受信した信号をローカル信号（周波数ｆｄ）と周波数ミキサ２１１で混合して信号処理し易い周波数に、一旦ダウンコンバートする。さらに、周波数変換されたパイロット信号（周波数ｆｐ＋ｆｕ−ｆｄ）２２２と周波数変換された情報信号（周波数ｆｉ＋ｆｕ−ｆｄ）２２３に信号が分けられた後、周波数変換されたパイロット信号（周波数ｆｐ＋ｆｕ−ｆｄ）２２２をローカル信号として周波数ミキサ２１４で混合して、周波数変換された情報信号（周波数ｆｉ＋ｆｕ−ｆｄ）２２３をダウンコンバートする。この結果、受信周波数変換部２１０の出力には、周波数が（ｆｉ−ｆｐ）に変換された出力信号２１５が得られる。受信周波数変換部＃２においても、受信周波数変換部＃１と同様にして周波数が（ｆｉ−ｆｐ）に変換された出力信号が得られる。
【００５９】
本実施形態では、受信周波数変換部＃２の構成は、受信周波数変換部＃１と同じとして図示してあるが、後で説明する理由により、ダウンコンバートするためのローカル信号の周波数ｆｄは、受信周波数変換部＃１と一致していなくてもかまわない。
【００６０】
なお、受信アンテナ素子＃１と受信アンテナ素子＃２とは、出力信号（ｆｉ−ｆｐ）の半波長よりも狭い間隔で配置されているものとし、受信周波数変換部＃１と受信周波数変換部＃２の出力信号から、位相差検出回路２７０でその位相差が正確に検出される。
【００６１】
具体的な数値を入れて説明する。情報信号の中心周波数ｆｉを１０００ＭＨｚ、パイロット信号の周波数ｆｐを９００ＭＨｚとし、アップコンバート用のローカル信号の周波数ｆｕを５９ＧＨｚ、ダウンコンバート用のローカル信号の周波数ｆｄを５６ＧＨｚとする。この結果、搬送波周波数は６０ＧＨｚとなり、その波長は５ｍｍである。一方、受信周波数変換部の出力信号の中心周波数は（ｆｉ−ｆｐ）で１００ＭＨｚになり、電波での搬送波周波数の１／６００になる。波長の関係で言えば、６００倍（３ｍ）になる。したがって、受信アンテナ素子＃１と受信アンテナ素子＃２の間隔は、この半波長である１．５ｍ以下に設置されればよいことになる。ただし現実的には、２つの受信アンテナ素子での受信信号に相関性を持たせるために、アンテナの間隔を１．５ｍよりは狭くすることが考えられる。しかし、搬送波の半波長である２．５ｍｍに比べれば、大きな値とすることができる。
【００６２】
以上では、周波数関係を説明してきたが、位相を含めた関係を式で説明する。受信アンテナ素子＃２で受信される信号は、受信アンテナ素子＃１で受信される信号に比べて、遅延時間τだけ遅れているものとする。
【００６３】
受信アンテナ素子＃１で受信される信号は、アップコンバートされたパイロット信号をＥ１ｐ、アップコンバートされた情報信号をＥ１ｉとすると、次式で与えられる。ここで、Ａ０１ｐ、Ａ０１ｉはそれぞれの信号の振幅である。
【００６４】
【数１１】
2006319511.tif 000013
受信アンテナ素子＃２で受信される信号は、アップコンバートされたパイロット信号Ｅ２ｐ、アップコンバートされた情報信号をＥ２ｉとすると、次式で与えられる。ここで、Ａ０２ｐ、Ａ０２ｉはそれぞれの信号の振幅である。
【００６５】
【数１２】
2006319511.tif 000014
アンテナ＃１とアンテナ＃２での情報信号の移相量は、２π（ｆｉ＋ｆｕ）τになる。
【００６６】
アンテナ＃１、＃２でダウンコンバートするためのローカル信号Ｅ１ｄ（ｔ）、Ｅ２ｄ（ｔ）は、位相と周波数が異なっていて、次式で与えられるものとする。ここで、Ｄ０１、Ｄ０２はそれぞれのローカル信号の振幅、ｆｄ１、ｆｄ２は周波数、α１ｄ、α２ｄは位相である。
【００６７】
【数１３】
2006319511.tif 000015
ダウンコンバートされたパイロット信号Ｅ１ｐｄ、Ｅ２ｐｄ、情報信号Ｅ１ｉｄ、Ｅ２ｉｄは、
【００６８】
【数１４】
2006319511.tif 000016
である。ここで、Ａ０１ｐｄ、Ａ０１ｉｄ、Ａ０２ｐｄ、Ａ０２ｉｄはそれぞれの信号の振幅である。
【００６９】
上記で得られたパイロット信号をローカル信号として、情報信号をダウンコンバートすると、得られる信号Ｅ１Ｏ及びＥ２Ｏは、次式となる。ここで、Ａ０１Ｏ、Ａ０２Ｏはそれぞれの信号の振幅である。
【００７０】
【数１５】
2006319511.tif 000017
【００７１】
Ｅ１Ｏ（ｔ）は受信周波数変換部＃１の出力信号であり、Ｅ２Ｏ（ｔ）は受信周波数変換部＃２の出力信号である。これらの出力信号が位相差検出回路２７０に入力され位相差が検出される。位相差検出回路２７０で得られる情報信号の移相量は、２π（ｆｉ−ｆｐ）τであり、電波で受信したときに比べて、（ｆｉ−ｆｐ）／（ｆｉ＋ｆｕ）倍になっている。また、ダウンコンバートするためのローカル信号の周波数と位相の項は残っていないことから、既に記述したように、受信装置でのダウンコンバートに用いるローカル信号は、各受信周波数変換部で周波数が異なっていても良い。さらに、パイロット信号をローカル信号としてダウンコンバートする前の回路での位相差がキャンセルされるので、アンプやフィルタ、線路長などの構成部品の位相特性は、受信系統トータルで１波長以内のずれであれば、許容されることもわかる。
【００７２】
ここでは、受信側では信号の処理がし易いように、一旦、周波数ｆｄでダウンコンバートする例で記した。しかし、上記の式からもわかるように、送信側から送られてくるパイロット信号をローカル信号に用いて情報信号をダウンコンバートする部分で、移相量が大幅に小さくできるのであって、周波数ｆｄでダウンコンバートしない構成としても、全く同様な効果が得られる。すなわち、受信周波数変換部は、パイロット信号をローカル信号として用いて情報信号をダウンコンバートして出力信号を出力するダウンコンバート手段であればよい。
【００７３】
本実施形態は２次元や３次元的なアンテナ配置においても有効な技術である。例えば、図４に示した実施形態で受信アンテナの配置を図１と同様にすれば、図１における紙面内のθ方向だけを検出するものとなるが、紙面と垂直な方向の検出が必要なときは、紙面と垂直な方向にもアンテナ素子を配置すればよい。また、本実施形態はアンテナ素子間の位相差を検出するものであるから、ある方向に対して２個のアンテナ素子で実施可能であるが、３個以上のアンテナ素子を用いれば、検出精度を上げることができる。
【００７４】
本実施形態の応用例としては、マイクロ波やミリ波伝送装置の利用が考えられる。特にミリ波伝送装置で、伝送する帯域幅は十分にありパイロット信号の設定に自由度があるが、受信アンテナとしての利得を確保したいシステムには有効である。
【００７５】
本実施形態では、位相差の検出方法は従来からの方法を用いるので、特に記載はしていない。例えば、位相比較器を用いる方法、非特許文献２に記載される信号処理による方法などが考えられる。
【００７６】
実施形態１、２において、送信側の構成は、パイロット信号を情報信号と一緒にアップコンバートしたものを図示したが、電波として、情報信号とパイロット信号を伝送できるものであれば、上記の構成には限定されない。すなわち、情報信号ｆｉが、ほぼ同じ周波数帯にあるパイロット信号ｆｐと一緒に、ローカル信号ｆｕでアップコンバートされ、送信装置から送信される（図５（ａ））以外にも、情報信号ｆｉだけがローカル信号ｆｕでアップコンバートされ、アップコンバートされた情報信号（周波数ｆｉ＋ｆｕ）とほぼ同じ周波数のパイロット信号ｆｐを重畳する場合や（図５（ｂ））、情報信号ｆｉだけをローカル信号ｆｕでアップコンバートし、アップコンバートされた情報信号（周波数ｆｉ＋ｆｕ）にアップコンバートに用いたローカル信号をパイロット信号として重畳する（ｆｐ＝ｆｕ）場合（図５（ｃ））などでもよい。これらの送信装置での構成としても、全く同様な効果が得られる。さらに、パイロット信号と情報信号の周波数は、どちらが上あるいは下に位置するかに関係無く、同様な効果が得られる。
【００７７】
実施形態１、２において、送信装置と受信装置での周波数変換についても、アップコンバート及びダウンコンバートの回数や組み合わせを変えても、同様な効果が得られる。
【００７８】
実施形態１、２において、受信アンテナの素子間隔は、パイロット信号と情報信号の差となる周波数において半波長よりも十分に小さくなるようにすれば良く、搬送波周波数の半波長よりは十分に大きくすることができる。したがって、受信アンテナとして、ホーンアンテナやカセグレンアンテナなど、開口径が搬送波の半波長よりも大きい受信アンテナを使用することができる。
【００７９】
実施形態１、２において、送信装置において情報信号に重畳されるパイロット信号は、各実施形態のために重畳されるパイロット信号だけに限定されず、他の目的のために情報信号に重畳されるパイロット信号でもよい。例えば、受信周波数変換部でフィルタまたはその他の手段で情報信号と分離できるパイロット信号であり、そのパイロット信号をローカル信号として用いて情報信号をダウンコンバートできるものであれば利用することができる。
【００８０】
実施形態１、２において、送信装置、受信周波数変換部は回路で構成しても、コンピュータと記憶装置に記憶されたプログラムで構成してもよい。また、実施形態１の合成回路、実施形態２の位相差検出回路に換えて、コンピュータと記憶装置に記憶されたプログラムを用いて、同じ機能を実現してもよい。
【００８１】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】従来のアレーアンテナシステムを説明する図
【図２】従来の到来方向推定のための伝送システムの概念的な構成図
【図３】本発明の実施形態１の伝送システムの概念的な構成図
【図４】本発明の実施形態２の到来方向推定のための伝送システムの概念的な構成図
【図５】本発明の実施形態による送信側の概念的な構成図
【符号の説明】
【００８３】
１００…送信装置、１０１…送信アンテナ、１０２…加算回路、１０３… 周波数ミキサ、１１０…アップコンバートされたパイロット信号（周波数ｆｐ＋ｆｕ）とアップコンバートされた情報信号（周波数ｆｉ＋ｆｕ）、２１０…受信周波数変換部、２１１…周波数ミキサ、２１２…周波数変換されたパイロット信号（周波数ｆｐ＋ｆｕ−ｆｄ１）、２１３…周波数変換された情報信号（周波数ｆｉ＋ｆｕ−ｆｄ１）、２１４…周波数ミキサ、２１５…周波数変換部の出力信号（周波数ｆｉ−ｆｐ）、２２２…周波数変換されたパイロット信号（周波数ｆｐ＋ｆｕ−ｆｄ）、２２３…周波数変換された情報信号（周波数ｆｉ＋ｆｕ−ｆｄ）、２６０…合成回路、２７０…位相差検出回路
【図１】
2006319511.tif 000018
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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