(57)【要約】【課題】更に秘匿性を向上させることのできる信号送信装置を得る。【解決手段】振幅位相分布算出装置８は、変調信号における各信号点の振幅及び位相と、アレーアンテナを励振したときの所望方向における合成電界の振幅及び位相とがそれぞれ対応する励振振幅位相分布の組合せを算出すると共に、その組合せとして、ある１つの素子アンテナを基準としたときの他の素子アンテナの励振位相の相対値が等しくならない組合せとする。振幅位相分布制御装置９は、振幅位相分布算出装置８で算出した組合せに従って位相制御装置５−１〜５−Ｎと振幅制御装置６−１〜６−Ｎの設定値を時分割で切り替える。【選択図】図１
2015065565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレーアンテナの各素子アンテナに入力される搬送波信号の振幅位相を時分割で切り替えることで変調信号を生成する信号送信装置であって、
前記変調信号における各信号点の振幅及び位相と、前記アレーアンテナを励振したときの所望方向における合成電界の振幅及び位相とがそれぞれ対応する励振振幅位相分布の組合せを算出すると共に、当該組合せとして、ある１つの素子アンテナを基準としたときの他の素子アンテナの励振位相の相対値が等しくならない組合せとする振幅位相分布算出装置と、
前記振幅位相分布算出装置で算出した組合せに従って前記搬送波信号の振幅位相を時分割で切り替える振幅位相分布制御装置とを備えたことを特徴とする信号送信装置。
【請求項２】
前記励振振幅位相分布の組合せは、励振振幅が前記アレーアンテナの中央部から端部に向かって大きくなる組合せであることを特徴とする請求項１記載の信号送信装置。
【請求項３】
前記アレーアンテナは、リニアアレーアンテナ、平面アレーアンテナまたはコンフォーマルアレーアンテナのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の信号送信装置。
【請求項４】
変調方式を設定し全ての信号点を複素平面上にマッピングするステップと、
アレーアンテナの励振振幅分布を設定するステップと、
前記変調方式における各信号点の振幅および位相と、前記アレーアンテナの各素子アンテナを励振したときの所望方向における合成電界の電界振幅および電界位相とがそれぞれ対応する励振振幅位相分布の組合せを計算するステップと、
前記励振振幅位相分布の組合せにおいて、ある１つの素子アンテナを基準としたときの他の素子アンテナの励振位相の相対値を比較し、当該相対値が等しくならない組合せを選択するステップと、
前記各素子アンテナに分配された搬送波信号に対し、前記選択された励振振幅分布の組合せに従って前記各素子アンテナの振幅および位相の設定値を時分割で切り替えるステップとを備えたことを特徴とする信号送信方法。
【請求項５】
前記励振振幅位相分布の組合せにおいて、励振振幅はアレーアンテナの中央部から端部に向かって大きくなることを特徴とする請求項４記載の信号送信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、場所依存性の高い秘匿通信を目的とした信号送信装置及び信号送信方法に関し、特に、秘匿通信領域を限定する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
場所依存性の高い秘匿通信を目的とした信号送信装置の一例として、ベースバンド変調信号の各信号点の振幅位相と所望方向における電界振幅位相とを対応させる励振振幅位相を算出し、アレーアンテナの各素子アンテナに入力される搬送波信号に対して当該励振位相を時分割で与え、アンテナ全体内で変調処理を行う信号送信装置があった（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
図５に従来の信号送信装置の一例を示す。以下、円形パッチアンテナを用いた４素子半波長等間隔リニアアレーアンテナにおいて、素子アンテナが並ぶ方向に対して垂直な方向から２５度シフトした方向を所望方向とした例について説明する。
【０００４】
まず、変調方式設定装置５１が、多値変調方式の全ての信号点を複素平面上にマッピングする。図６に示すように、変調方式はＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ，四位相偏移変調）である。図６における点６１ａ〜６１ｄはそれぞれ、位相が４５度、１３５度、２２５度、３１５度となる信号点である。また、矢印６２ａ〜６２ｄは原点から信号点６１ａ〜６１ｄのそれぞれに向かうベクトルである。
【０００５】
一方、搬送波信号発生装置５３から出力された搬送波が分配器５４によってＮ個に分配される。Ｎ個に分配された搬送波はＮ個の移相器５５−１〜５５−Ｎに入力され、Ｎ個の移相器５５−１〜５５−Ｎは、これら搬送波に対して、予め設定した位相にし、Ｎ個の増幅器５６−１〜５６−Ｎにそれぞれ出力する。Ｎ個の増幅器５６−１〜５６−Ｎは、Ｎ個の移相器５５−１〜５５−Ｎから出力された信号を予め設定した振幅となるよう増幅し、増幅後の信号を素子アンテナ５７−１〜５７−Ｎにそれぞれ出力する。なお、Ｎ個の増幅器５６−１〜５６−Ｎの設定値は全て等しい。
【０００６】
振幅位相分布算出装置５８は、信号点６１ａ〜６１ｄの振幅および位相と、アレーアンテナの各素子を励振したときの所望方向での電界振幅および電界位相とがそれぞれ対応する励振振幅位相分布の組合せを計算する。この励振振幅位相分布の組合せは、ＧＡ（Ｇｅｎｅｔｉｃ  Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ、遺伝的アルゴリズム）により算出される。
【０００７】
振幅位相分布制御装置５９は、上記励振振幅分布の組合せに従って各素子アンテナ５７−１〜５７−Ｎにそれぞれ設けられた増幅器５６−１〜５６−Ｎおよび移相器５５−１〜５５−Ｎの設定値を時分割で切り替える。
【０００８】
図７は、ＢＥＲ（Ｂｉｔ  Ｅｒｒｏｒ  Ｒａｔｅ、ビット誤り率）のシミュレーション結果である。図７において、曲線７１ａは従来技術を用いた場合のシミュレーション結果、角度７２は所望方向を示す。ＢＥＲ＜１０−３となる角度範囲を秘匿通信領域と定義した場合、従来技術における秘匿通信領域は１４度と算出される。
【０００９】
ここで、比較対象としてベースバンド信号と搬送波をミキシングしてアンテナから放射される、いわゆる通常のアレーアンテナを取り上げる。通常のアレーアンテナは、角度により電力レベル差があるものの全方位に同一情報を送信されるものである。図７において、曲線７１ｂは通常のアレーアンテナでのＢＥＲのシミュレーション結果であり、秘匿通信領域は２０度である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】M. P. Daly, "Directional Modulation Technique for Phased Arrays," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.57, pp.2633-2640, 2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の信号送信装置では、所望方向における電界振幅位相がベースバンド信号情報となるように移相器等を時間的に切り替えるため、アンテナ全体内で変調処理を実現している。従って、信号送信装置において、所望方向では復調可能であるが、所望方向から離れると受信信号の信号点配置は乱れ復調不能となる。すなわち、秘匿通信が可能となる。しかしながら、秘匿通信を行う信号送信装置として更に秘匿性を向上させることへの要望があった。
【００１２】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、更に秘匿性を向上させることのできる信号送信装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係る信号送信装置は、アレーアンテナの各素子アンテナに入力される搬送波信号の振幅位相を時分割で切り替えることで変調信号を生成する信号送信装置であって、変調信号における各信号点の振幅及び位相と、アレーアンテナを励振したときの所望方向における合成電界の振幅及び位相とがそれぞれ対応する励振振幅位相分布の組合せを算出すると共に、その組合せとして、ある１つの素子アンテナを基準としたときの他の素子アンテナの励振位相の相対値が等しくならない組合せとする振幅位相分布算出装置と、振幅位相分布算出装置で算出した組合せに従って搬送波信号の振幅位相を時分割で切り替える振幅位相分布制御装置とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の信号送信装置は、変調信号における各信号点の振幅及び位相と、アレーアンテナを励振したときの所望方向における合成電界の振幅及び位相とがそれぞれ対応する励振振幅位相分布の組合せとして、ある１つの素子アンテナを基準としたときの他の素子アンテナの励振位相の相対値が等しくならない組合せとし、搬送波信号の振幅位相を時分割で切り替えるようにしたので、更に秘匿性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態１による信号送信装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による信号送信装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態１による信号送信装置の励振振幅分布を従来と比較して示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１による信号送信装置のシミュレーション結果を従来と比較して示す説明図である。
【図５】従来の信号送信装置を示す構成図である。
【図６】複素平面上への複数の信号点のマッピングを示す説明図である。
【図７】従来の秘匿通信領域を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による信号送信装置を示す構成図である。
図１に示す信号送信装置は、変調方式設定装置１、励振振幅分布設定装置２、搬送波信号発生装置３、分配器４、位相制御装置５−１〜５−Ｎ、振幅制御装置６−１〜６−Ｎ、素子アンテナ７−１〜７−Ｎ、振幅位相分布算出装置８、振幅位相分布制御装置９を備えている。
【００１７】
変調方式設定装置１は、使用する多値変調方式を決定し、全ての信号点を複素平面上にマッピングする処理を実施する。励振振幅分布設定装置２は、アレーアンテナの励振振幅分布を設定する処理を実施する。搬送波信号発生装置３は、使用する周波数の搬送波を出力し、分配器４は搬送波信号発生装置３から出力された搬送波をＮ個に分配する。Ｎ個の位相制御装置５−１〜５−Ｎは、分配器４で分配された搬送波に対して、予め設定した位相にし、Ｎ個の振幅制御装置６−１〜６−Ｎに出力する処理を実施する。Ｎ個の振幅制御装置６−１〜６−Ｎは、Ｎ個の位相制御装置５−１〜５−Ｎから出力された信号を予め設定した振幅となるよう増幅し、増幅後の信号を素子アンテナ７−１〜７−Ｎに出力する処理を実施する。振幅位相分布算出装置８は、上記信号点群の各信号点の振幅および位相と、アレーアンテナの各素子を励振したときの所望方向での電界振幅および電界位相とがそれぞれ対応する励振振幅位相分布の組合せを計算する処理を実施する。振幅位相分布制御装置９は、振幅位相分布算出装置８で算出された励振振幅分布の組合せに従って各素子アンテナ７−１〜７−Ｎにそれぞれ設けられた振幅制御装置６−１〜６−Ｎおよび位相制御装置５−１〜５−Ｎの設定値を時分割で切り替える処理を実施する。
【００１８】
図１の例では、信号送信装置の構成要素である搬送波信号発生装置３、分配器４、位相制御装置５−１〜５−Ｎ、振幅制御装置６−１〜６−Ｎ、素子アンテナ７−１〜７−Ｎ、振幅位相分布算出装置８、振幅位相分布制御装置９のそれぞれが専用のハードウェアで構成（例えば、振幅位相分布算出装置８、振幅位相分布制御装置９については、ＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどで構成）されているものを示したが、素子アンテナ７−１〜７−Ｎ以外の構成要素がコンピュータで構成されていてもよい。
【００１９】
素子アンテナ７−１〜７−Ｎ以外の構成要素をコンピュータで構成する場合、搬送波信号発生装置３、分配器４、位相制御装置５−１〜５−Ｎ、振幅制御装置６−１〜６−Ｎ、振幅位相分布算出装置８、振幅位相分布制御装置９の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、そのコンピュータのＣＰＵがメモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
【００２０】
次に、上記のように構成された信号送信装置の動作について説明する。
本実施の形態では、円形パッチアンテナを用いた４素子半波長等間隔リニアアレーアンテナにおいて、素子アンテナが並ぶ方向に対して垂直な方向から２５度シフトした方向を所望方向とした例を説明する。
【００２１】
図２は本実施の形態による信号送信装置の処理内容（送信方法）を示すフローチャートである。
まず、変調方式設定装置１は、多値変調方式の全ての信号点を複素平面上にマッピングする（ステップＳＴ１）。本実施の形態では、従来技術と同様にＱＰＳＫ変調方式を採用する。
【００２２】
励振振幅分布設定装置２は、アレーアンテナの励振振幅分布を設定する（ステップＳＴ２）。ここで、従来技術ではＮ個の増幅器の設定値は全て等しい、すなわち一様分布であった。一方、本発明では振幅制御装置６−１〜６−Ｎの設定値は少なくとも１つの設定値が他と異なり非一様分布である。
【００２３】
振幅位相分布算出装置８は、信号点６１ａ〜６１ｄ（図６参照）の各信号点の振幅および位相と、上記アレーアンテナの各素子を励振したときの所望方向での電界振幅および電界位相とがそれぞれ対応する励振振幅位相分布の組合せを計算する（ステップＳＴ３）。また、励振振幅位相分布の組合せにおいて、ある１つの素子アンテナを基準としたときの他の素子アンテナの励振位相の相対値を比較し（ステップＳＴ４）、その相対値が等しくない場合はステップＳＴ５に移行し、等しい場合はステップＳＴ３に戻る。
【００２４】
一方、搬送波信号発生装置３から出力された搬送波は分配器４によってＮ個に分配される。
振幅位相分布制御装置９は、１つ目の振幅位相設定が完了すると、変数であるｉを“１”に初期設定する（ステップＳＴ５）。次に、振幅位相分布制御装置９は、上記の励振振幅分布の組合せに従って各素子アンテナ７−１〜７−Ｎにそれぞれ設けられた振幅制御装置６−１〜６−Ｎおよび位相制御装置５−１〜５−Ｎの設定値を時分割でそれぞれ切り替える（ステップＳＴ６およびステップＳＴ７）。更に、振幅位相分布制御装置９は、変数ｉが切替数Ｉであるか否かを判定し（ステップＳＴ８）、変数ｉが切替数Ｉに満たない場合（ｉ＜Ｉ）、変数ｉに１を加算して（ステップＳＴ９）、ステップＳＴ６の処理に戻り、変数ｉが切替数Ｉに到達するまで（ｉ＝Ｉ）ステップＳＴ６およびステップＳＴ７の処理が繰り返し実施される。
【００２５】
本実施の形態では、切替数Ｉは４とする。例えば、ｉ＝１の場合、信号点６１ａに対応する励振振幅位相分布に従って、振幅制御装置６−１〜６−Ｎおよび位相制御装置５−１〜５−Ｎが設定される。次に、ｉ＝２に処理が移行し、信号点６１ｂに対応する励振振幅位相分布に従って、振幅制御装置６−１〜６−Ｎおよび位相制御装置５−１〜５−Ｎが設定される。
【００２６】
次に、従来技術と本発明のシミュレーション比較結果を示す。ここでは、円形パッチアンテナを用いた４素子半波長等間隔リニアアレーアンテナにおいて、素子アンテナが並ぶ方向に対して垂直な方向から２５度シフトした方向を所望方向とした例について示す。変調方式はＱＰＳＫである。
【００２７】
図３に励振振幅分布を示す。ここで、横軸は位置（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）、縦軸は励振振幅（Ｒｅｌａｔｉｖｅ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）である。分布３１ａは従来技術の励振振幅分布であり、一様分布である。一方、分布３１ｂは本発明の励振分布であり、非一様分布である。ここでは一例として、励振振幅がアレーアンテナの中央部から端部に向かって大きくなる分布を採用した。具体的には、中央２素子が端部２素子と比べて６ｄＢ低い励振振幅を設定した。
【００２８】
図４において、曲線４１ａは従来技術におけるシミュレーション結果、曲線４１ｂは本発明におけるシミュレーション結果をそれぞれ示す。また、角度４２は所望方向を示す。
【００２９】
図４から明らかなように、本発明による秘匿通信領域は従来のそれよりも狭くなっていることが分かる。具体的には、本発明における秘匿通信領域は１１度、従来技術では１４度であり、秘匿性が向上した。
【００３０】
なお、振幅制御装置６−１〜６−Ｎは、可変増幅器、可変減衰器、あるいはそれらの組合せ等によって構成される。
【００３１】
また、所望方向における受信電界位相が各信号点の振幅・位相に対応するという条件を満たせば、別の励振振幅位相分布の組合せであっても構わない。
【００３２】
また、本実施の形態では、所望方向が１方向の場合について示したが、本発明はこれに限られるものではなく、複数方向であってもかまわない。また、所望方向が角度幅を有する場合であってもよい。
【００３３】
さらに、本実施の形態では、ベースバンド信号に対応する励振振幅位相分布の組合せを算出したが、本発明はこれに限られるものではなく、ベースバンド信号に対して事前にスペクトル拡散処理を施してもよい。これにより、秘匿性のさらなる向上が可能となる。
【００３４】
なお、上述ではリニアアレーの場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、平面アレーアンテナあるいはコンフォーマルアレーアンテナにすることもできる。
【００３５】
以上説明したように、実施の形態１の信号送信装置によれば、アレーアンテナの各素子アンテナに入力される搬送波信号の振幅位相を時分割で切り替えることで変調信号を生成する信号送信装置であって、変調信号における各信号点の振幅及び位相と、アレーアンテナを励振したときの所望方向における合成電界の振幅及び位相とがそれぞれ対応する励振振幅位相分布の組合せを算出すると共に、その組合せとして、ある１つの素子アンテナを基準としたときの他の素子アンテナの励振位相の相対値が等しくならない組合せとする振幅位相分布算出装置と、振幅位相分布算出装置で算出した組合せに従って搬送波信号の振幅位相を時分割で切り替える振幅位相分布制御装置とを備えたので、更に秘匿性を向上させることができる。
【００３６】
また、実施の形態１の信号送信装置によれば、励振振幅位相分布の組合せは、励振振幅がアレーアンテナの中央部から端部に向かって大きくなる組合せであるようにしたので、簡単な構成で秘匿通信領域を狭くすることが可能となる。
【００３７】
また、実施の形態１の信号送信装置によれば、アレーアンテナは、リニアアレーアンテナ、平面アレーアンテナまたはコンフォーマルアレーアンテナのうちのいずれかであるようにしたので、種々のアレーアンテナであっても同様の効果を得ることができる。
【００３８】
また、実施の形態１の信号送信方法によれば、変調方式を設定し全ての信号点を複素平面上にマッピングするステップと、アレーアンテナの励振振幅分布を設定するステップと、変調方式における各信号点の振幅および位相と、アレーアンテナの各素子アンテナを励振したときの所望方向における合成電界の電界振幅および電界位相とがそれぞれ対応する励振振幅位相分布の組合せを計算するステップと、励振振幅位相分布の組合せにおいて、ある１つの素子アンテナを基準としたときの他の素子アンテナの励振位相の相対値を比較し、相対値が等しくならない組合せを選択するステップと、各素子アンテナに分配された搬送波信号に対し、選択された励振振幅分布の組合せに従って各素子アンテナの振幅および位相の設定値を時分割で切り替えるステップとを備えたので、更に秘匿性を向上させることができる。
【００３９】
また、実施の形態１の信号送信方法によれば、励振振幅位相分布の組合せにおいて、励振振幅はアレーアンテナの中央部から端部に向かって大きくなるようにしたので、簡単な構成で秘匿通信領域を狭くすることが可能となる。
【００４０】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１  変調方式設定装置、２  励振振幅分布設定装置、３  搬送波信号発生装置、４  分配器、５−１〜５−Ｎ  位相制御装置、６−１〜６−Ｎ  振幅制御装置、７−１〜７−Ｎ  素子アンテナ、８  振幅位相分布算出装置、９  振幅位相分布制御装置。
【図１】
2015065565.tif 000003
【図２】
2015065565.tif 000004
【図３】
2015065565.tif 000005
【図４】
2015065565.tif 000006
【図５】
2015065565.tif 000007
【図６】
2015065565.tif 000008
【図７】
2015065565.tif 000009