(57)【要約】【課題】より広帯域な変調の通信に対しても、方位探知を可能とすることを目的とする。【解決手段】複数のアンテナから受信した受信信号に乗算回路等で構成された２乗処理部により受信信号に２乗処理を施すことで受信信号の帯域を狭帯域化し、その上で帯域制限を行って位相差算出を行う構成としたため、雑音の影響を抑え高精度の方位探知を行う。【選択図】          図１
2004233196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２のべき乗の位相を有する位相変調方式により変調された通信信号電波を受信する複数の受信部と、
当該各受信部からの出力信号にそれぞれ２乗処理をべき乗回施す複数の２乗処理部と、
当該２乗処理後の各信号に帯域制限を施し、前記各信号の２のべき乗倍高調波成分をそれぞれ抽出する複数の帯域制限部と、
当該帯域制限後の各信号同士の位相差を算出する位相差検出部と、
当該算出した位相差情報と前記通信信号電波の周波数情報とから方位算出を行う方位演算部とを備えることを特徴とする方位探知装置。
【請求項２】
前記通信信号電波の周波数情報は、前記２のべき乗処理部の出力信号を周波数解析して求める周波数解析部の出力であることを特徴とする請求項１記載の方位探知装置。
【請求項３】
２のべき乗の位相を有する位相変調方式により変調された目標通信信号を受信する複数の受信部と、
前記受信した目標通信信号の周波数に応じて所定の周波数のローカル信号を出力するローカル信号発生部と、
前記受信した各目標通信信号と前記ローカル信号とを混合して所定の中間周波数の信号に変換する複数の周波数変換部と、
当該周波数変換部の出力信号にそれぞれ２乗処理をべき乗回施す複数の２乗処理部と、
当該２乗処理後の各信号に帯域制限を施し、前記各信号の２のべき乗倍高調波成分をそれぞれ抽出する複数の帯域制限部と、
当該帯域制限後の各信号同士の位相差を算出する位相差検出部と、
当該算出した位相差情報と前記所定の中間周波数の周波数情報とから方位算出を行う方位演算部とを備えることを特徴とする方位探知装置。
【請求項４】
２のべき乗の位相を有する位相変調方式により変調された目標通信信号を受信する複数の受信部と、
当該複数の受信部の出力信号にそれぞれ２乗処理をべき乗回施す複数の２乗処理部と、
当該べき乗回の２乗処理後の信号の周波数解析を行う周波数解析部と、
当該周波数解析結果に応じて所定の周波数のローカル信号を出力するローカル信号発生部と、
前記２乗処理後の各信号と前記ローカル信号とを混合して所定の中間周波数の信号に変換する複数の周波数変換部と、
当該周波数変換後の各信号に帯域制限を施し、前記各信号の２のべき乗倍高調波成分をそれぞれ抽出する複数の帯域制限部と、
当該帯域制限後の各信号同士の位相差を算出する位相差検出部と、
当該算出した位相差情報と前記所定の中間周波数の周波数情報とから方位算出を行う方位演算部とを備えることを特徴とする方位探知装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位相変調方式の通信に対する方位探知装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は位相変調方式の送受信装置と、その通信伝搬路から送信装置の方位探知を行う方位探知装置の関係を示す系統図である。図８において、方位探知の対象となる通信系の通信送信装置１０１、通信受信装置１０２に対して、方位探知の主体となる方位探知装置１０３が存在するものとする。
【０００３】
通信送信装置１０１は通信送信信号を送信する。通信送信信号は、通信伝搬経路を伝搬して通信受信信号として通信受信装置１０２にて受信される。なお、通信送信信号は、データ等により変調され、ある帯域幅を有しているものとする。
【０００４】
一方、通信送信信号は、方位探知の目標である目標通信信号として方位探知装置１０３にて受信される。ここでは、方位探知装置のアンテナ部はｎ個あるものとし、目標通信信号の伝搬する方位探知伝搬路もｎ個となる。
【０００５】
図９は、図８の方位探知装置１０３の従来の構成を表す図である。方位探知装置１０３に到来する目標通信信号は、空中線部３０１を介して受信され、低雑音増幅部３０２において低雑音増幅される。なお、一般的には、この後中間周波数（ＩＦ）信号に周波数変換し、さらに電力増幅することが多いが、ここでは説明の便宜上省略する。ここで、図１０（ａ）は目標通信信号の低雑音増幅後のスペクトルである。縦軸は電力密度（ｄＢｍＷ）、横軸は周波数（Ｈｚ）である。
【０００６】
低雑音増幅後の目標通信信号は図１０（ａ）に示したように、ある帯域幅ＢＷを持っている。この帯域幅ＢＷは、変調方式、変調速度、送信前の帯域制限によって変化する。変調方式とは、２相位相変調方式（ＢＰＳＫ）や４相位相変調方式（ＱＰＳＫ）等のことであり、変調速度とは、１秒間に行う変調の回数を示す速度のことである。帯域幅ＢＷは目標通信信号の変調速度が大きい場合により広帯域化する。例えば、搬送波を中心とした上下にそれぞれ変調速度分、即ち毎秒１０００回変調すれば、±１ｋＨｚだけ広がるということである。
【０００７】
しかし、信号の総電力は変わらないため、帯域幅が広がるとその分目標信号の電力密度は小さくなる。また、実際にはデジタル信号が乗せられると、スペクトルはその両側、さらにその両側と理論上は無限大に小さな山が広がっていく。そのままではいたずらに帯域が広がってしまうので、必要な搬送波を中心とする真ん中の部分だけ残して（立ち上がりや立下りがなまってしまうが）、両脇を落とすように送信前に帯域制限をかける。
【０００８】
図１０（ａ）においてＮｏ（ｄＢｍＷ／Ｈｚ）は周波数当たりのノイズレベルを表す。また、目標通信信号は信号電力Ｓ（ｄＢｍＷ）を有しているが、広帯域化によってその電力密度はノイズレベルを下回っているとする。
【０００９】
広帯域ＢＰＦ部３０９は、低雑音増幅後、中間周波数に変換された目標通信信号に対し、図１０（ｂ）に示したように、その信号と同等、またはより広い帯域幅にて帯域制限され位相差検出部３０５に出力する。以上の系は、空中線の個数と同じくｎ系用意される。位相差検出部３０５は、ｎ個の帯域制限後の目標通信信号の入力を受け、各信号の位相角を求め、それぞれの信号間の差分を計算することにより位相差を検出する。方位演算部３０６は、各目標通信信号間の位相差情報、および検知対象の周波数情報をもとに方位演算し、目標通信信号の方位情報を出力する。
【００１０】
以上のように、従来の方位探知装置は、図１０（ｂ）に示す通り、目標通信信号と同等またはそれ以上の帯域幅で帯域制限していた。そうすると目標通信信号の変調度（変調速度）が大きい場合にはその帯域幅ＢＷはより広帯域化し、一方電力密度（スペクトルの縦軸）は小さくなる。そのため、帯域制限後に含まれる雑音電力Ｎは、
Ｎ＝Ｎｏ＋１０ｌｏｇ（ＢＷ）
のように目標通信信号の帯域幅ＢＷにほぼ比例して増大するが、一方で目標通信信号の総電力Ｓは変化しない。
【００１１】
そのため搬送波対雑音電力比（Ｃ／Ｎ）は、
（Ｃ／Ｎ）＝Ｓ−Ｎ
＝Ｓ−Ｎｏ−１０ｌｏｇ（ＢＷ）
となり、帯域幅ＢＷが増大する分だけ劣化にする。Ｃ／Ｎが小さいことで、方位精度の劣化をもたらし、さらには方位探知自体が不可能となることがあった。
【００１２】
【特許文献１】
特開平３−６０２５２号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、より広帯域な変調の通信に対しても、方位探知を可能とすることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る方位探知装置は、２のべき乗の位相を有する位相変調方式により変調された通信信号電波を受信する複数の受信部と、当該各受信部からの出力信号にそれぞれ２乗処理をべき乗回施す複数の２のべき乗処理部と、当該べき乗回の２乗処理後の各信号に帯域制限を施し、前記各信号の２のべき乗倍高調波成分をそれぞれ抽出する複数の帯域制限部と、当該帯域制限後の各信号同士の位相差を算出する位相差検出部と、当該算出した位相差情報と前記通信信号電波の周波数情報とから方位算出を行う方位演算部とを備えるものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る方位探知装置の構成を表すブロック図である。本実施の形態１においては、説明の便宜上、方位探知すべき対象である目標通信信号は、その周波数は既知であり、２相位相変調（ＢＰＳＫ変調）され、ある帯域幅を有するものであるとする。以下、本実施の形態１について説明する。
【００１６】
まず、本実施の形態１の方位探知装置は複数（ｎ個）の素子アンテナ３０１ａ〜３０１ｎを備え、ある方向から各素子アンテナ３０１ａ〜３０１ｎに到来する目標通信信号の位相差を測定することで、受信信号の到来方向を算出するものである。即ち、測定対象となる目標通信信号が各素子アンテナ３０１ａ〜３０１ｎに到来すると、各素子アンテナ３０１ａ〜３０１ｎに接続された低雑音増幅部３０２ａ〜３０２ｎに入力され、当該低雑音増幅部３０２ａ〜３０２ｎにおいて低雑音増幅する。そして、増幅された目標通信信号は本発明の特徴である２乗処理部３０３ａ〜３０３ｎに入力され、目標通信信号の２乗処理が行われる。この２乗処理の１方法としては、信号を電力分配してこれらをミキサに入力することで行ってもよい。
【００１７】
この２乗処理は、
（増幅された目標信号）＝ｃｏｓ｛（２πｆｃｔ＋φ（ｔ））｝
ただし、ｆｃ：搬送波周波数、φ（ｔ）：０，π（２相位相変調成分）
であるとすると、以下の通り、
2004233196.tif 000003
ただし、ｆｃ２：２ｆｃ（２倍高調波周波数）、２φ（ｔ）＝０、２π
を得るものである。従って、この２乗処理によって位相変調成分がキャンセルされ、搬送波周波数の２倍高調波成分（（１）式右辺の第一項）と、直流成分（（１）式右辺の第二項）の和信号である２乗信号が得られる。
【００１８】
このうち各アンテナ３０１ａ〜ｎに到来した目標通信信号の２倍高調波成分（（１）式右辺の第一項）は、図２に示したように通信送信装置から各アンテナ３０１ａ〜ｎまでの行路差を反映した位相の差を有している。例えば、図に示したようにアンテナ３０１ａへの目標通信信号の到来時間をｔ０とすると、アンテナ３０１ｂへの到来時間はｔ０＋Δｔｂ、さらにアンテナ３０１ｎへの到来時間はｔ０＋Δｔｎとなる。ここでアンテナ３０１ａとアンテナ３０１ｂに注目すると、これら２つのアンテナへの到来時間の差に伴った位相差は２πｆｃΔｔｂであり、これをΔξとすると、
Δξ＝（２πｆ／ｃ）ｄｓｉｎθ                          （２）
となる。ただし、ｃは光速度、ｄはアンテナ間距離、ｆは電波の周波数（今の場合、ｆ＝ｆｃ）、θはアンテナ面の法線に対する電波の到来角度である。
【００１９】
（２）式はアンテナ到来時の位相差であるが、２乗処理後の位相差は２倍高調波成分が生じるのに伴っての２πｆｃ２Δｔｂとなり、（２）式右辺の電波の周波数ｆはｆｃ２である。これにより電波の到来方向θを求めることができる。
【００２０】
図３（ａ）に増幅された目標通信信号の周波数スペクトル、（ｂ）に２乗処理後の周波数スペクトル、（ｃ）に後述する帯域制限後の２乗信号の周波数スペクトルの一例を示す。各図の縦軸は周波数当たりの電力密度、また横軸は周波数である。各図中、Ｎｏはノイズレベル、Ｓは目標通信信号の総電力、Ｓ’は２倍高調波成分の総電力、ＢＷは目標通信信号の帯域幅である。
【００２１】
各２乗処理部３０３ａ〜３０３ｎの出力はそれぞれ狭帯域ＢＰＦ部３０４ａ〜３０４ｎに入力される。図３（ｂ）に示されたような２乗信号が入力された狭帯域ＢＰＦ部３０４ａ〜３０４ｎでは、図３（ｃ）に示したように（１）式右辺第一項の２倍高調波成分を中心とした狭い帯域幅ＢＷ’にて帯域制限をし、この帯域制限後の２乗信号を位相差検出部３０５に出力する。上述したようにこの２倍高調波成分の電力はＳ’であり、Ｓ’＝Ｓ−３（ｄＢｍＷ）である。この帯域幅の帯域制限によって直流成分の除去、および不要周波数成分を除くことで雑音を大幅に除去できる。従って、その搬送波対雑音比（Ｃ／Ｎ）’は、
2004233196.tif 000004
であり、従来のＣ／Ｎに対して｛１０ｌｏｇ（ＢＷ／ＢＷ’）−３｝だけ差が出る。実際の目標通信信号の帯域幅は、上述したように変調方式、変調速度、および、送信時の帯域制限によって変化するため、ＢＷ／ＢＷ’＞２を満たすような場合に、従来よりもＣ／Ｎを上げることができる。
【００２２】
位相差検出部３０５は、ｎ個の帯域制限後２乗信号の入力を受け、上述のように各信号の位相角を求め、それぞれの信号間の差分を計算し、平均や多数決、異常値の排除等を適宜行って位相差を検出する。方位演算部３０６では、この検出した位相差および入力される周波数情報から方位を演算し、目標通信信号の方位情報を出力する。位相差、方位算出には従来と同様の技術を用いる。
【００２３】
以上のように、本実施の形態１に係る方位探知装置は、ＢＰＳＫ方式で変調された目標通信信号に対し、２乗処理を行って目標通信信号を狭帯域化した後で帯域制限を行うため、雑音の影響を抑え、高精度の方位探知が可能となる。
【００２４】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、方位探知の対象となる目標通信信号の搬送波周波数は既知であるとしたが、本実施の形態２では、それが不明である場合でも高精度の方位探知を行う方位探知装置について説明する。なお、ここでも目標通信信号はＢＰＳＫ変調によりある帯域幅を有しているものとする。
【００２５】
図４は本発明の実施の形態２に係る方位探知装置の構成を表すブロック図である。３０７は２乗処理後の目標通信信号を高速フーリエ変換により周波数解析する周波数解析部である。また、狭帯域ＢＰＦ部３０４ａ〜ｎは適宜通過帯域を変更できる帯域通過デジタルフィルタである。その他の構成要素は図１と同様である。また、低雑音増幅後の目標通信信号の周波数スペクトルと、２乗処理後の目標通信信号の周波数スペクトルと、帯域制限後の目標通信信号の周波数スペクトルは上述した図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）とそれぞれ同様である。
【００２６】
ＢＰＳＫ等により変調された目標通信信号は、総電力Ｓは変わらないため帯域幅が広がると逆に電力密度レベルは下がってしまい、図２（ａ）に示したようにノイズレベルＮｏを下回ってしまう。そのためこのままでは信号自体を検知することができないが、２乗処理により信号のピークレベルがノイズレベルＮｏを超えるため安定した周波数解析を行うことが可能である。
【００２７】
こうして得られた目標通信信号の周波数情報は、狭帯域ＢＰＦ部３０４ａ〜ｎおよび方位演算部３０６に入力される。狭帯域ＢＰＦ部３０４ａ〜ｎでは入力された周波数情報に応じて通過帯域を決定する。また、方位演算部３０６では入力された周波数情報と位相差情報とあわせて目標通信信号の方位算出を行う。
【００２８】
以上のように、本発明の実施の形態２では、２乗処理後の目標通信信号を用いて周波数解析を行う周波数解析部を設けたため、目標通信信号の周波数が不明であっても方位探知を行うことができるものである。
【００２９】
実施の形態３．
受信電力増幅においては、一般的によく採用されるスーパーヘテロダイン方式のように、無線周波数信号にローカル信号を乗ずることで中間周波数信号に変換し、その後に所定の電力まで増幅して利得を得ることが多い。本実施の形態３では、中間周波数に変換後に２乗処理を行い、高精度の方位探知を行う方位探知装置について説明する。なお、ここでも目標通信信号はＢＰＳＫ変調によりある帯域幅を有しているものとする。
【００３０】
図５は、本実施の形態３に係る方位探知装置の構成を表すブロック図である。３０８ａ〜ｎはローカル信号発生部３０９から入力されるローカル信号と低雑音増幅後の無線周波数の目標通信信号とを混合して中間周波数に変換し、所定の電力にまで増幅する周波数変換部である。ここで、無線周波数に対してローカル信号を可変とすることで変換後の中間周波数は固定とすることができる。そうすると、方位演算部では周波数情報を入力する必要はなく固定の中間周波数情報を用いて方位演算を行う。なお、位相差検出部３０５で算出される位相差は中間周波数ｆＩＦの信号を用いていることから、アンテナ３０１ａと３０１ｂとの電波の到来時間の差をΔｔｂとして２π（２ｆＩＦ）Δｔｂである。
【００３１】
このように一旦、無線周波数から中間周波数に信号を変換してから２乗処理を行い方位探知を行う構成としてもよい。
【００３２】
また、図６に示したように、周波数が不明の目標通信信号であっても、２乗処理後の目標通信信号を周波数解析部３０７にて周波数解析し、その解析結果である周波数情報をローカル発生部３０９に入力し、所定の中間周波数に変換されるようローカル信号の周波数を決定する構成としても良い。これにより２乗処理後の信号は中間周波数に変換され、さらに狭帯域ＢＰＦ部で帯域制限され、この帯域制限後の目標通信信号を用いて位相差が算出され、方位演算が行われる。
【００３３】
これにより、周波数が不明の目標通信信号であっても、所定の電力利得を得つつ高精度の方位演算が行うことができる方位探知装置を得る。
【００３４】
実施の形態４．
なお、上述の実施の形態１〜３においては、いずれも目標通信信号はＢＰＳＫ変調により変調されている場合について説明したが、本実施の形態４では、ＱＰＳＫ変調により変調されている場合について説明する。なお、ここで目標通信信号の周波数は既知であるとする。
【００３５】
図７は、本実施の形態４に係る方位探知装置の構成を表すブロック図である。図７に示したように、本実施の形態４に係る方位探知装置は、図１に示した実施の形態１に係る方位探知装置の各２乗処理部３０３ａ〜ｎの後段に更に２乗処理部３０３１ａ〜ｎを設けた構成となっている。
【００３６】
以下、動作について説明する。ＱＰＳＫ変調によって変調された目標通信信号は、４つの位相変調成分を有する。そのため、下式のように
（増幅された目標通信信号）＝ｃｏｓ｛（２πｆｃｔ＋φ（ｔ））｝
ただし、ｆｃ：搬送波周波数、φ（ｔ）：０，π／２，π，−π／２（４相位相変調成分）
のように表される。そうすると２乗処理を施しただけでは、位相変調成分がキャンセルしきれず、２φ（ｔ）＝０、πの成分が残ってしまう。そのため、さらに２乗処理を行うことで、４φ（ｔ）＝０，２πとなって位相変調成分がキャンセルされるため、狭帯域化することができ、狭帯域ＢＰＦ部で帯域制限することで雑音の影響を抑え、高精度の方位探知が可能となる。なお、位相差検出部３０５で算出される位相差は４倍高調波周波数ｆｃ４（＝４ｆｃ）の信号を用いていることから、アンテナ３０１ａと３０１ｂとの電波の到来時間の差をΔｔｂとして２πｆｃ４Δｔｂである。
【００３７】
なお、以上では目標通信信号の周波数を既知であるものとしたが、周波数が不明の場合であっても、上述の実施の形態２および３に係る方位探知装置で２乗処理を行うところ４乗処理に変更するだけで、高精度の方位探知が可能となる。
【００３８】
また、上記ではＱＰＳＫの場合について説明したが、８相ＰＳＫ、１６相ＰＳＫ方式の変調であっても、位相の数に合わせた２のべき乗処理を施すことで、目標通信信号の狭帯域化を行うことが可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る方位探知装置においては、２のべき乗の位相を有する位相変調方式により変調された通信信号電波を受信する複数の受信部と、当該各受信部からの出力信号にそれぞれ２乗処理をべき乗回施す複数の２のべき乗処理部と、当該べき乗回の２乗処理後の各信号に帯域制限を施し、前記各信号の２のべき乗倍高調波成分をそれぞれ抽出する複数の帯域制限部と、当該帯域制限後の各信号同士の位相差を算出する位相差検出部と、当該算出した位相差情報と前記通信信号電波の周波数情報とから方位算出を行う方位演算部とを備えたため、位相変調により広帯域化した信号であっても高精度の方位探知を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る方位探知装置の構成を表すブロック図である。
【図２】各アンテナ３０１ａ〜ｎと目標通信信号の関係を示す図である。
【図３】（ａ）低雑音増幅後の目標通信信号の周波数スペクトルを表す図である。（ｂ）２乗処理後の目標通信信号の周波数スペクトルを表す図である。（ｃ）帯域制限後の目標通信信号の周波数スペクトルを表す図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る方位探知装置の構成を表すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る方位探知装置の構成を表すブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る方位探知装置の別の構成例を表すブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態４に係る方位探知装置の構成を表すブロック図である。
【図８】方位探知装置の概念を示す図である。
【図９】従来の方位探知装置の構成を表すブロック図である。
【図１０】従来の方位探知装置における（ａ）低雑音増幅後の目標通信信号の周波数スペクトルを表す図である。（ｂ）帯域制限後の目標通信信号の周波数スペクトルを表す図である。
【符号の説明】
１０１  通信送信装置、    １０２  通信受信装置、
１０３  方位探知装置、
３０１ａ〜ｎ  素子アンテナ、    ３０２ａ〜ｎ  低雑音増幅部、
３０３ａ〜ｎ、３０３１ａ〜ｎ  ２乗処理部、
３０４ａ〜ｎ  狭帯域ＢＰＦ部、    ３０５  位相差検出部、
３０６  方位演算部、    ３０７  周波数解析部、
３０８ａ〜ｎ  周波数変換部、    ３０９  ローカル信号発生部、
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004233196.tif 000007
【図４】
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【図５】
2004233196.tif 000009
【図６】
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【図７】
2004233196.tif 000011
【図８】
2004233196.tif 000012
【図９】
2004233196.tif 000013
【図１０】
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