(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の時間での信号の位相差と、前記第１の時間より長い第２の時間での前記信号の位相差、を用いて、前記信号のもつ周波数を推定する周波数推定部を備え、
前記周波数は前記第１の時間での位相回転が２π以上となる周波数である
ことを特徴とする周波数推定装置。
【請求項２】
前記信号の品質を測定又は予測する信号品質算出部と、
前記信号品質算出部で測定又は予測された信号の品質に応じて、前記信号の周波数を推定する周波数範囲を設定する周波数範囲設定部と、を備え、
前記周波数推定部は、前記周波数範囲設定部で設定された周波数範囲で前記信号の周波数を推定する
ことを特徴とする請求項１に記載の周波数推定装置。
【請求項３】
無線伝送された信号を受信し、請求項１または請求項２に記載の周波数推定装置を用いて、前記受信された信号に対する周波数推定を行うことを特徴とする無線装置。
【請求項４】
信号を受信し、第１の時間での前記信号の位相差と、前記第１の時間より長い第２の時間での前記信号の位相差、を用いて、前記第１の時間での位相回転が２π以上となる前記信号のもつ周波数を推定する受信局で、前記周波数を推定できるように、前記信号の送信電力又は信号フォーマットを決定する送信制御部と、
前記送信制御部で決定された送信電力又は信号フォーマットに従い、前記信号を前記受信局へ送信する信号送信部と、
を備えたことを特徴とする無線装置。
【請求項５】
前記送信制御部は、前記送信電力又は信号フォーマットを、自無線装置又は前記受信局又は前記信号によって測定される測定対象物、の移動速度に依存して決定することを特徴とする請求項４に記載の無線装置。
【請求項６】
前記送信制御部は、既知信号の時間的な配置が異なる複数の信号フォーマットの中から一の信号フォーマットを決定する
ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の無線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、信号の周波数推定を行う周波数推定装置及び無線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信や無線での測位を行う無線装置では、信号を受信する際に信号のキャリア周波数を広い周波数範囲の中から精度よく推定することが重要となる。一般に、無線装置で用いられる周波数推定では、一定時間で生じる信号の位相差を測定し、測定された位相差を満たす周波数を求める。この際、周波数の存在する周波数範囲が広くなると、測定された位相差を満たす周波数の解が複数存在し、周波数が不確定となる状態が発生する。この不確定性を解消し、周波数を一意に求めることが周波数推定では重要となる。【０００３】
広い周波数範囲から周波数を一意に求めるにあたり、不等間隔の時間Ｔ１、Ｔ２（Ｔ１＜Ｔ２）でサンプリングされた信号の位相差から、その位相差を満たす周波数を求める方法がある（非特許文献１〜３）。この方法では、まず短時間Ｔ１の間に位相が１回転しないことを仮定し、短時間Ｔ１での位相差を満たす周波数を粗推定する。さらに、粗推定された周波数に近く、長時間Ｔ２での位相差を満たす周波数を求める。この処理によって、長時間Ｔ２での位相差のみを満たす周波数の候補が複数存在する場合であっても、粗推定の結果を用いて周波数を一つに確定でき、広い周波数範囲で高精度な周波数推定を行える。【０００４】
この周波数推定は、例えば、無線通信における自動周波数制御（ＡＦＣ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）として用いられる。ＡＦＣでは受信信号と受信機のクロックとの周波数差を推定し、その周波数差を補正する。このとき、広い周波数範囲で周波数を推定できれば、大きな周波数誤差をもつクロックや高いドップラー周波数をもつ受信信号の存在する環境においても、ＡＦＣによって周波数を補償できる。通常、この周波数範囲は基準を満たす全ての信号の周波数を一意に求められるように設定される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】J.A. Gansman, J. V. Krogmeier, and M. P. Fitz, ``Single frequency estimation with non-uniform sampling,'' Conference Record of the Thirtieth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, vol.1, pp. 399--403, 1996.
【非特許文献２】H. Kubo, K. Murakami, M. Miyake, and T. Fujino, ``A multiple open-loop frequency estimation based on differential detection for MPSK,'' IEICE Trans. Commun., vol. E82-B, no. 1, pp. 136--143, Jan. 1999.
【非特許文献３】L. Wu, B. Liu, and L. An, ``Two-step frequency estimation algorithm for PSAM systems,'' International Conference on Communication Technology (ICCT '06), 2006.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の周波数推定装置では、基準を満たす全ての信号の周波数を一意に求められるように一定の周波数範囲を設定して、信号の周波数を推定している。この基準を満たす信号の中でもさまざま品質をもつ信号が存在するが、従来の周波数推定装置では、高い信号品質をもつ信号に対して、より広い周波数範囲で周波数の推定を行うことができない。その結果、ドップラー周波数の影響によって、受信信号の周波数が設定された周波数範囲を超える場合など、信号の周波数が設定された周波数範囲を超える場合に、その信号の周波数を推定できない課題がある。【０００７】
本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、信号品質の高い信号に対して広い周波数範囲で周波数の推定を行うことで、高いドップラー周波数を持つ信号の周波数を推定できる周波数推定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】
【０００８】
この発明に係る周波数推定装置は、信号の品質を測定又は予測する信号品質算出部と、前記信号品質算出部で測定又は予測された信号の品質に応じて、前記信号の周波数を推定する周波数範囲を設定する周波数範囲設定部と、前記周波数範囲設定部で設定された周波数範囲で前記信号の周波数を推定する周波数推定部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、高い信号品質の信号に対して広い周波数範囲で周波数推定を行うことで、高いドップラー周波数を持つ信号の周波数を推定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係る無線装置１００及び周波数推定装置５００の構成例。
【図２】実施の形態１に係る無線装置１００の処理手順を表すフローチャート。
【図３】実施の形態１における信号３０のフォーマットの一例。
【図４】実施の形態１において整合フィルタ２から出力される信号の位相。
【図５】実施の形態１において整合フィルタ２から出力される信号の振幅の一例。
【図６】実施の形態１において周波数推定部５で行われる周波数範囲の設定の一例。
【図７】実施の形態１における第１の周波数推定法の制御手順。
【図８】実施の形態１におけるＩ／Ｑ平面における変数の関係。
【図９】実施の形態１において第１の周波数推定法で得られる帯域幅Ｂの評価結果。
【図１０】実施の形態１において第２の周波数推定法で得られる帯域幅Ｂの評価結果。
【図１１】実施の形態１において無線装置１００を構成する処理回路。
【図１２】実施の形態１において無線装置１００を構成する処理回路とメモリ。
【図１３】実施の形態２における無線システムの構成図。
【図１４】実施の形態２に係る無線装置２００の構成図。
【図１５】実施の形態２に係る端末装置２１０の構成図。
【図１６】実施の形態２における無線システムの動作を示すフローチャート。
【図１７】実施の形態２において端末装置２１０が送信電力制御を行う場合の一例。
【図１８】実施の形態３において１つの無線装置３００が信号送信と信号受信を行う図。
【図１９】実施の形態３に係る無線装置３００の構成図。
【図２０】実施の形態３における無線装置３００の動作を示すフローチャート。
【図２１】実施の形態４における各時刻での周波数推定の様子を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
図１は実施の形態１に係る無線装置１００及び周波数推定装置５００の構成例を示す図である。無線装置１００は、アンテナ１と、整合フィルタ２と、信号の品質を測定する信号品質算出部３と、信号品質算出部３で測定された信号の品質に応じて、信号の周波数を推定する周波数範囲を設定する周波数範囲設定部４と、周波数範囲設定部４で設定された周波数範囲で信号の周波数を推定する周波数推定部５と、を備える。周波数推定装置５００は信号品質算出部３と周波数範囲設定部４と周波数推定部５を備える。なお、以降の各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００１３】
この発明に係る周波数推定装置は、第１の時間での信号の位相差と、前記第１の時間より長い第２の時間での前記信号の位相差、を用いて、前記信号のもつ周波数を推定する周波数推定部を備え、前記周波数は前記第１の時間での位相回転が２π以上となる周波数であることを特徴とする。
【００１４】
アンテナ１は、無線伝送された信号を受信するアンテナである。整合フィルタ２は既知信号に対応したフィルタであり、受信信号に含まれる既知信号が整合フィルタ２を通過すると、整合フィルタ２の出力値は大きくなる。信号品質算出部３は、整合フィルタ２からの出力値を用いて、受信信号の信号品質を測定する。信号品質は例えば、信号対雑音電力比（ＳＮＲ：Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  Ｐｏｗｅｒ  Ｒａｔｉｏ）によって測定される。周波数範囲設定部４では、信号品質算出部３で測定された信号品質に応じて、周波数推定部５で受信信号の周波数を推定する際の周波数範囲を設定する。周波数推定部５は、周波数範囲設定部４で設定された周波数範囲の中で、整合フィルタ２の出力値を用いて受信信号の周波数を推定する。なお、信号品質はＳＮＲに限られるものではなく、信号電力の標準偏差と雑音電力の標準偏差の比を用いてもよく、それ以外の信号品質を表すいかなるパラメータを用いても構わない。
【００１５】
次に、無線装置１００の動作を説明する。図２に無線装置１００の処理手順を表すフローチャートを示す。
【００１６】
まず、無線装置１００はアンテナ１で信号３０を受信する（Ｓ２０１）。図３に信号３０のフォーマットの一例を示す。信号３０は既知信号３１、３３、３５とデータ３２、３４を含む。既知信号３１と既知信号３３の間は時間Ｔ１の間隔を持ち、既知信号３１と既知信号３５の間は時間Ｔ２（＞Ｔ１）の間隔を持つ。既知信号３１、３３、３５はシングルキャリア信号であっても、マルチキャリア信号であっても、拡散信号であっても、チャープ信号であっても、それ以外の信号であっても構わない。また、データ３２、３４は送信される場合もあるし、送信されない場合もある。そのいずれであっても構わない。
【００１７】
次に、受信信号を整合フィルタ２に入力する（Ｓ２０２）。図４に整合フィルタ２から出力される信号の位相を示す。整合フィルタ２は、サンプリング時刻ｔ０、ｔ１、ｔ２（ｔ１−ｔ０＝Ｔ１、ｔ２−ｔ１＝Ｔ２）にそれぞれ既知信号３１、３３、３５に対応した信号を出力する。既知信号３１、３３、３５に対応した出力はそれぞれ位相θ０、θ１、θ２を有している。従って、時間Ｔ１、Ｔ２（Ｔ１＜Ｔ２）で生じる位相差Δθｉは
Δθｉ＝θｉ−θ０        （ｉ＝１、２）
と表される。
【００１８】
図５に整合フィルタ２から出力される信号の振幅の一例を示す。整合フィルタ２に既知信号が入力されると、整合フィルタ２は振幅５１を出力する。既知信号でない信号が整合フィルタ２に入力されると、整合フィルタ２の出力のピークは振幅５１のピークより小さくなる。従って、整合フィルタ２からの出力を閾値判定することで、整合フィルタ２に既知信号が入力されたタイミングを抽出できる。なお、既知信号のタイミングはあらかじめ把握しておくこともできる。既知信号のタイミングを把握する方法は、既存のいかなる方法を用いてもよい。また、整合フィルタ２からの出力には、定常的な雑音５２が含まれる。
【００１９】
信号品質算出部３で信号品質を測定する（Ｓ２０３）。信号品質算出部３では、整合フィルタ２に信号の入力がない状態で定常的な雑音５２の電力を測定する。また、既知信号が検出されるタイミングで整合フィルタ２の出力の振幅５１を測定することにより、既知信号のもつ電力を測定できる。例えば、信号品質をＳＮＲとして測定する場合には、既知信号の持つ電力と雑音５２の電力の比を求める。なお、ＳＮＲの測定方法には、さまざまな方法があるが、既存のいかなる方法を用いてもよい。
【００２０】
周波数範囲設定部４で周波数範囲を設定する（Ｓ２０４）。図６に周波数推定部５で行われる周波数範囲の設定の一例を示す。図６に示すように、周波数範囲設定部４では、信号の信号品質に応じて、異なる周波数範囲を設定する。図６では、ＳＮＲ＜＝１０ｄＢの場合は帯域幅Ｗ（Ｗは特定の周波数幅）、１０ｄＢ＜ＳＮＲ＜＝２０ｄＢの場合は帯域２Ｗ、２０ｄＢ＜ＳＮＲ＜＝３０ｄＢの場合は、帯域５Ｗを周波数範囲として設定している。この周波数範囲は、所定の品質基準を満たして周波数推定が行われるように設定される。この品質基準としては、周波数推定の成功率が基準の成功率を満たす、周波数推定の精度が基準精度を満たす、などの基準が挙げられる。
【００２１】
なお、周波数範囲を設定する例は図６に限られるものではなく、周波数推定が品質基準を満たすように、信号品質に応じて周波数範囲を設定するいかなる形態でも構わない。例えば、信号品質を入力し、周波数範囲を出力する関数によって、周波数範囲の設定を行うこともできる。
【００２２】
周波数範囲設定部４で設定された周波数範囲を用いて、周波数推定部５で受信信号の周波数を推定する（Ｓ２０５）。周波数範囲設定部４は、周波数推定が品質基準を満たすように周波数範囲を設定するので、周波数推定部５では品質基準を満たす周波数推定を行える。
【００２３】
このように、無線装置１００では、信号品質に応じて周波数範囲を設定し、受信信号の周波数を推定することにより、信号品質に適合した周波数範囲内で周波数を推定できる。その結果、信号品質の高い信号に対しては広い周波数範囲で周波数推定を行うことができ、高いドップラー周波数を持つ信号の周波数を推定できる。高いドップラー周波数を持つ信号の周波数を推定すると、高速移動する送信局との無線通信を円滑に行うことが可能となる。また、高速移動する測定対象物の移動速度を測定することも可能となる。
【００２４】
以下では、周波数範囲設定部４と周波数推定部５の具体的な処理の一例を示す。まず、周波数推定に関する新たな理論展開を用い、具体的な処理を説明する。
【００２５】
（Ｉ）理想環境での周波数推定
まず、雑音のない理想環境を想定する。このとき、位相差Δθ１、Δθ２は受信信号のもつ周波数Ｆと次式の関係を持つ。
Δθ１=２πＦＴ１−２ｎπ    （１）
Δθ２=２πＦＴ２−２ｍπ    （２）
ここで、ｎ、ｍは未知の整数である。なお、時間Ｔ２内で周波数Ｆの変動は十分小さいとする。また、時間Ｔ１、Ｔ２はシンボルなどの時間単位であっても、フレームなどの時間単位であっても構わない。
【００２６】
真の周波数Ｆ０は式（１）（２）を満たす解Ｆであり、次式の連立方程式を満たす。
Ｆ０＝ｎ・Ｂ１＋ｆ１                  （３）
Ｆ０＝ｍ・Ｂ２＋ｆ２                  （４）
ここで、Ｂｉ、ｆｉは次式で与えられる。
Ｂｉ＝１／Ｔｉ
ｆｉ＝Δθｉ／（２πＴｉ）    ｉ＝１、２
式（３）（４）の解Ｆ＝Ｆ０を与える（ｎ、ｍ）を（ｎ０、ｍ０）とする。
【００２７】
従来の周波数推定（例えば、非特許文献１〜３）では、長時間Ｔ２での周波数の不確定性ｍ・Ｂ２を扱っているが、短時間Ｔ１での周波数の不確定性は扱っていない。すなわち、従来技術はｎ＝０とする場合に相当する。これに対して、本実施の形態では時間Ｔ１、Ｔ２の両方で生じる周波数の不確定性ｎ・Ｂ１、ｍ・Ｂ２を考慮する。この手法により、理想状態ではＢ１とＢ２の最小公倍数の周波数範囲で周波数を推定できる。
【００２８】
（ＩＩ）雑音環境での周波数推定法
ここまでは雑音がない理想環境での周波数推定について述べたが、以下では、雑音環境を扱う。雑音環境では、時刻ｔｉで次式の位相測定値θ’ｉが測定される。
θ’ｉ＝θｉ＋ξi                 ｉ＝０、１、２                      （５）
ここで、ξiは位相測定誤差である。この位相測定値θ’ｉを用いると、式（３）（４）に対応して、次式の１次推定値Ｆ１、Ｆ２が得られる。
Ｆ１＝ｎ・Ｂ１＋ｆ１’                                                （６）
Ｆ２＝ｍ・Ｂ２＋ｆ２’                                                （７）
ｆｉ’＝Δθ’ｉ／２πＴｉ、  Δθ’ｉ＝θ’ｉ−θ０’    ｉ＝１、２  （８）
雑音環境では、Ｆ１、Ｆ２から真の周波数Ｆ０になるべく近い周波数を推定することが重要となる。
【００２９】
この条件を満たし、広範囲で周波数を推定できる第１の周波数推定法を開示する。図７に第１の周波数推定法の制御手順を示す。第１の周波数推定法は以下の制御手順で制御が行われる。
（０）周波数範囲設定部４は、信号品質算出部３で測定された信号品質に基づき、周波数が一意に決定されるように周波数推定を行う周波数範囲（帯域幅）Ｂを設定し、周波数範囲Ｂを周波数推定部５に入力する（Ｓ７００）。帯域幅Ｂの設定方法は後述する。
（１）位相差Δθ’ｉ(ｉ＝１、２)を測定し、式（８）からｆ１’、ｆ２’を求める
（Ｓ７０１）。
（２）|Ｆ１−Ｆ２|を最小とする整数組（ｎ’、ｍ’）を
（ｎ’、ｍ’）＝arg（ｎ、ｍ）ｍｉｎ｜Ｆ１−Ｆ２｜            （９）
により求める（Ｓ７０２）。式（９）の右辺において、（ｎ、ｍ）は以下で定義され
る範囲内のものを扱う。
Ｕ＝｛０＜＝ｎＢ１＜＝Ｂ、０＜＝ｍＢ２＜＝Ｂ｝        （１０）
（３）整数組（ｎ’、ｍ’）に対応するＦ１、Ｆ２を算出し、適切なウエイトｗ１、ｗ２
を用いて、さらに高精度な次式の２次推定値Ｆ’を求める（Ｓ７０３）。
Ｆ’＝ｗ１・Ｆ１＋ｗ２・Ｆ２＝ｗＴＦ                      （１１）
ｗ＝［ｗ１、ｗ２］Ｔ
Ｆ＝［Ｆ１、Ｆ２］Ｔ
ここで、Ｔは転置を表す。
以上が、第１の周波数推定法の制御手順である。制御（０）は周波数範囲設定部４で行われる処理であり、制御（１）〜（３）は、周波数推定部５で行われる処理である。また、制御（０）、制御（２）、制御（３）は筆者の知る限り、従来文献では示されていない。以下では、制御（０）〜（３）の補足説明を行う。
【００３０】
◆制御（１）の補足説明を行う。
位相差Δθ’ｉ(ｉ＝１、２)は式（８）によって算出される。ここで、位相測定値θ’ｉは受信信号をキャリア周波数でダウンコンバートし、整合フィルタ２を通過した出力から測定できる。また、位相差Δθ’ｉ(ｉ＝１、２)として、それ以外の算出方法を用いることもできる。例えば、非特許文献２には、整合フィルタ２の出力信号とその出力信号を遅延させ、複素共役を取った信号との乗算を行う遅延検波が示されている。この遅延検波の構成を用いても、位相差Δθ’ｉ(ｉ＝１、２)を算出できる。
【００３１】
◆制御（２）の補足説明を行う。
制御（２）において、（ｎ’、ｍ’）が真の周波数Ｆ０のもつ（ｎ０、ｍ０）と一致する状態を「成功状態」と呼ぶ。成功状態（ｎ’、ｍ’）＝（ｎ０、ｍ０）となる条件を以下で論じる。
【００３２】
まず、式（６）（７）は次式で書き直される。
Ｆ１＝ｎＢ１＋ｆ１＋ｅ１                            （１２）
Ｆ２＝ｎＢ２＋ｆ２＋ｅ２                            （１３）
ｅｉ＝（ξｉ−ξ０）／（２πＴｉ）    ｉ＝１、２
式（３）（４）（１２）（１３）を用いると、式（９）における評価関数Ｆ１−Ｆ２は次式で表される。
Ｆ１−Ｆ２＝Δｎ・Ｂ１−Δｍ・Ｂ２＋ｅ１−ｅ２      （１４）
Δｎ＝ｎ−ｎ０
Δｍ＝ｍ−ｍ０
成功状態（ｎ’、ｍ’）＝（ｎ０、ｍ０）となるのは、式（１０）を満たし、かつ（ｎ、ｍ）≠（ｎ０、ｍ０）である（ｎ、ｍ）に対して次式が満たされる場合である。
｜Δｎ・Ｂ１−Δｍ・Ｂ２＋ｅ１−ｅ２｜＞｜ｅ１−ｅ２｜（１５）
式（１５）が満たされる確率を成功率Ｐｓと呼ぶ。成功率Ｐｓは制御（２）が成功状態となる確率を表す。
【００３３】
◆制御（３）で用いるウエイトｗについて補足説明を行う。
ここでは、一例として、適したウエイトｗを導く。制御（２）で成功状態（ｎ’、ｍ’）＝（ｎ０、ｍ０）であることを想定すると、式（３）（４）（１２）（１３）より、Ｆは次式を満たす。
Ｆ＝１・Ｆ０＋ｅ                                      （１６）
１＝［１、１］Ｔ
ｅ＝［ｅ１、ｅ２］Ｔ
＝（１／２π）［ξ１／Ｔ１、ξ２／Ｔ２］Ｔ
−（ξ０／２π）［１／Ｔ１、１／Ｔ２］Ｔ
式（１１）（１６）より、Ｆ’に含まれる真の周波数Ｆ０の電力（ｗＴ１）２と雑音電力（ｗＴｅ）２の比を最大とするウエイトｗは、次式のＭＶＤＲ（Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ｖａｒｉａｎｃｅ  Ｄｉｓｔｏｔｉｏｎｌｅｓｓ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ)ウエイトとなる。
ｗ＝Φ―１１／（１ＴΦ―１１）
＝１／（２（Ｔ１２−Ｔ１・Ｔ２＋Ｔ２２））
［２Ｔ１２−Ｔ１・Ｔ２、−Ｔ１・Ｔ２＋Ｔ２２］Ｔ  （１７）
Φ＝Ｅ［ｅｅＨ］                                        （１８）
ここで、Ｈは共役転置、σ２=Ｅ［|ξ０|2］=Ｅ［|ξ１|2］=Ｅ［|ξ２|2］を表す。式（１７）のウエイトｗは時間Ｔ１、Ｔ２によって決まる固定ウエイトである。この固定ウエイトｗを式（１１）に適用すると、高精度な２次推定値Ｆ’を計算できる。
【００３４】
制御（２）が成功状態となる場合に、制御（３）の２次周波数推定で得られる利得を説明する。１次推定値Ｆ１、Ｆ２及び２次推定値Ｆ’において、周波数推定値に含まれる真の周波数Ｆ０の電力と付随する雑音電力の比γ１、γ２、γはそれぞれ次式で表される。
γｉ＝２π２Ｔ１２／σ２                  ｉ＝１、２   （１９）
γ＝１ＴΦ―１１＝γ２（１＋Δγ／γ２）               （２０）
Δγ＝２π２（２Ｔ１−Ｔ２）２／（３σ２）             （２１）
ここで、０＜Ｔ１＜Ｔ２を考慮すると、次式が成り立つ。
１＜１＋Δγ／γ２＜４／３      （≒１．２５ｄＢ）    （２２）
一例として、Ｔ１＝０．７Ｔ２の場合、次式が成り立つ。
１＋Δγ／γ２≒１．１６（≒０．６４ｄＢ）            （２３）
制御（３）は従来文献では示されておらず、ウエイトｗも本実施の形態で初めて導出されるものである。
【００３５】
◆制御（０）で行われる周波数帯域幅Ｂの設定法を説明する。
帯域幅Ｂは、制御（２）で所要の成功率Ｐｒｅｑが得られるように事前に設定される。その設定法を以下で示す。
【００３６】
制御（０）では、以下の処理により、帯域幅Ｂを設定する。
（Ａ１）ＳＮＲΓの受信信号を想定して、さまざまな帯域幅Ｂ及び真の周波数Ｆ０
（０＜＝Ｆ０＜＝Ｂ）に対して成功率Ｐｓを算出する。
（Ａ２）全てのＦ０（０＜＝Ｆ０＜＝Ｂ）に対する成功率Ｐｓが所要の成功率Ｐｒｅｑ
を満たす最大の帯域幅Ｂを設定する。
この処理により、全てのＦ０（０＜＝Ｆ０＜＝Ｂ）に対して所要の成功率Ｐｒｅｑを満たす帯域幅Ｂを設定する。この設定を信号品質（例えば、ＳＮＲ Γ）に応じて行う。すなわち、周波数範囲設定部４は、信号品質（例えば、ＳＮＲ Γ）に応じて、周波数帯域幅Ｂを設定する。
【００３７】
制御（Ａ１）において、帯域幅Ｂと真の周波数Ｆ０（０＜＝Ｆ０＜＝Ｂ）を想定した場合の成功率Ｐｓの算出法を述べる。成功状態（ｎ’、ｍ’）＝（ｎ０、ｍ０）となるのは、式（１５）が満たされる場合である。ここで、
Ｘ（ｎ、ｍ）＝Δｎ・Ｂ１−Δｍ・Ｂ２                        （２４）
とし、Ｘ（ｎ、ｍ）の中で、最も０に近い負の値Ｘ−と最も０に近い正の値Ｘ＋をそれぞれ次式の形式で表す。
Ｘ−＝Δｎ−・Ｂ１−Δｍ−・Ｂ２                            （２５）
Ｘ＋＝Δｎ＋・Ｂ１−Δｍ＋・Ｂ２                            （２６）
このとき、式（１５）が満たされるのは、以下の場合となる。
・ｅ１−ｅ２＞＝０のとき
Ｘ−＜−２（ｅ１−ｅ２）  従って、ｅ１−ｅ２＜−Ｘ−／２
・ｅ１−ｅ２＜０のとき
Ｘ＋＜−２（ｅ１−ｅ２）  従って、ｅ１−ｅ２＞−Ｘ＋／２
すなわち、
−Ｘ＋／２＜ｅ１−ｅ２＜−Ｘ−／２                    （２７）
が満たされる場合である。
【００３８】
従って、成功率Ｐｓは確率変数ｕ
ｕ＝２（ｅ１−ｅ２）／Ｂ１
＝｛ξ１−ξ０−ｒ（ξ２−ξ０）｝／π                   （２８）
が次式を満たす確率に相当する。
Ｙ−＜ｕ＜Ｙ＋                                           （２９）
Ｙ−＝Δｎ−−Δｍ−・ｒ                                 （３０）
Ｙ＋＝Δｎ＋−Δｍ＋・ｒ                                 （３１）
ｒ＝Ｔ１／Ｔ２＝Ｂ２／Ｂ１                               （３２）
Ｙ−、Ｙ＋はそれぞれＹ＝Δｎ−Δｍ・ｒの中で、最も０に近い負の値、最も０に近い正の値を表す。ここで、
０＜＝ｎ＜＝Ｂ／Ｂ１      ０＜＝ｍ＜＝Ｂ／Ｂ２           （３３）
であるので、Δｎ＝ｎ−ｎ０、Δｍ＝ｍ−ｍ０の範囲は
−ｎ０  ＜＝Δｎ＜＝Ｂ／Ｂ１−ｎ０                       （３４）
−ｍ０  ＜＝Δｍ＜＝Ｂ／Ｂ２−ｍ０                       （３５）
で与えられる。
【００３９】
信号受信時にガウス雑音が付加されるガウス雑音環境では、式（２８）における位相測定誤差ξｉ（ｉ＝０、１、２）は次式で与えられる。
ξｉ＝ａｒｃｔａｎ  ｙｉ／（Γ1/2＋ｘｉ）
ここで、ｘｉ、ｙｉ（ｉ＝０、１、２）はそれぞれ分散１／２のガウス変数、Γは位相θｉを測定する際のＳＮＲを表す。図８にＩ（Ｉｎ−ｐｈａｓｅ）／Ｑ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）平面における位相測定誤差８１（ξｉ）、ガウス変数８２ａ（ｘｉ）、８２ｂ（ｙｉ）（ｉ＝０、１、２）、信号８３、雑音８４、ＳＮＲ８５ Γの関係を示す。
【００４０】
式（３４）（３５）よりΔｎ、Δｍの範囲は帯域幅Ｂと真の周波数Ｆ０のもつｎ０、 ｍ０に依存する。その結果、式（２９）により定まる成功率Ｐｓは帯域幅Ｂ及び真の周波数Ｆ０に依存する。
【００４１】
従って、（Ａ１）でＳＮＲΓの受信信号を想定して、さまざまな帯域幅ＢとＦ０（０＜＝Ｆ０＜＝Ｂ）に対して成功率Ｐｓを事前に算出し、（Ａ２）で全てのＦ０（０＜＝Ｆ０＜＝Ｂ）に対して、Ｐｓ＞Ｐｒｅｑとなる最大の帯域幅Ｂを設定することにより、ＳＮＲΓのもとで所要の成功率Ｐｒｅｑを満たしつつ、広い周波数範囲Ｂで周波数を推定できる。以上で、周波数帯域幅Ｂが設定される。この帯域幅ＢはＳＮＲΓに依存して設定されることになる。
【００４２】
この周波数範囲設定部４で設定される周波数範囲Ｂは、ｎ０が１より大きくなる場合を含めて扱う。その結果、周波数範囲設定部４は、信号の位相回転が時間Ｔ１で２π以上となる周波数を含む広い周波数範囲を設定することができる。
（補足説明終わり）
【００４３】
これまでの説明で、図７に示す第１の周波数推定法の制御（０）〜（３）の具体的な処理例が示された。
【００４４】
（ＩＩＩ）第１の周波数推定法の性能
以下では、この第１の周波数推定法によって得られる性能について説明する。
【００４５】
まず、第１の周波数推定法の性能評価を行う評価モデルについて説明する。性能評価では、時間Ｔ２を固定とし、ｒ＝Ｔ１／Ｔ２を変化させる。この環境で、常にＰｓ＞Ｐｒｅｑを満たすように定められる帯域幅Ｂを評価する。帯域幅Ｂは以下の処理で求める。
（Ｂ１）ＳＮＲ  Γ（＝１０、２０、３０ｄＢ）と比率ｒ（０＜ｒ＜１）を設定する。
（Ｂ２）さまざまな帯域幅Ｂ及び真の周波数Ｆ０（０＜＝Ｆ０＜＝Ｂ）のもとで、これまでに説明した成功率Ｐｓを算出する。また、全ての真の周波数Ｆ０（０＜＝Ｆ０＜＝Ｂ）に対して、常にＰｓ＞Ｐｒｅｑを満たす最大の帯域幅Ｂを設定する。
【００４６】
この処理により、さまざまなＳＮＲ Γと比率ｒに対して、帯域幅Ｂが得られる。比較のため、第１の周波数推定法において式（１０）で示した（ｎ、ｍ）の範囲を
ｎ＝０、０＜＝ｍＢ２＜＝Ｂ
に変更したものを第２の周波数推定法と定義し、第１の周波数推定と異なる第２の周波数推定法に対してもＰｓ＞Ｐｒｅｑを満たす最大の帯域幅Ｂを評価する。なお、第２の周波数推定法も本発明の一形態である。
【００４７】
図９に第１の周波数推定法において、Ｐｒｅｑ＝０．９９、 ＳＮＲ＝１０、２０、３０ｄＢ、 比率ｒ（０＜＝ｒ＜＝１）に対して周波数推定可能な帯域幅Ｂ（図中ではＢ／Ｂ２）を評価した結果を示す。図９において、帯域幅Ｂは比率ｒ＝１／２に対してほぼ対称となる。
【００４８】
図９ではΓ＝１０ｄＢ、ｒ＜０．３の領域でＢ／Ｂ２≒１となる。これは時間Ｔ２で生じるｍの不確定性を時間Ｔ１での位相差条件を用いて解消できないためである。これに対して、ｒ＞０．３５では、ｍの不確定性を時間Ｔ１での位相差条件を用いて解消できるため、Ｂ／Ｂ２＞＝２となる。
【００４９】
また、Γ＝３０ｄＢの場合、帯域幅Ｂは比率ｒ＝Ｔ１／Ｔ２によって大きく変動するが、適切なｒを用いると、Γ＝３０ｄＢではΓ＝１０ｄＢより広い帯域幅Ｂを得られる。ただし、帯域幅Ｂを広くするためには、適切なｒ＝Ｔ１／Ｔ２の設定が重要となる。
【００５０】
図１０に第２の周波数推定法（ｎ＝０）においてＰｒｅｑ＝０．９９、ＳＮＲ＝１０、２０、３０ｄＢ、比率ｒ（０＜＝ｒ＜＝１）に対して、周波数推定可能な帯域幅Ｂ（図中ではＢ／Ｂ２）を評価した結果を示す。
【００５１】
なお、従来の周波数推定法（例えば、非特許文献２）もｎ＝０であるが、第２の周波数推定法（ｎ＝０）と異なり、信号品質に応じて帯域幅Ｂを変更する制御は行われていない。その結果、従来の周波数推定法で実際に設定される帯域幅Ｂは、図１０で示されるＳＮＲ＝１０、２０、３０ｄＢに対する帯域幅Ｂの中で最小の帯域幅となる。従って、従来の周波数推定法で実際に設定される帯域幅Ｂは、Ｂ２の２〜３倍程度となり、それ以上の帯域幅を設定することは難しい。
【００５２】
第１の周波数推定法では、信号品質に応じて帯域幅Ｂを設定することにより、ＳＮＲが２０ｄＢ、３０ｄＢとなる信号品質のよい環境では、帯域幅ＢをＢ２の３倍以上、場合によっては５倍以上、１０倍以上に設定することが可能となる。このように、本実施の形態で示される第１の周波数推定法を用いると、従来の周波数推定法よりも広い周波数帯域で周波数推定を行うことが可能となる。
【００５３】
また、第１の周波数推定法では、図９に示すように、特に、ｒを０．６３近辺（０．６２５＜＝ｒ＜＝０．６３５）、０．３７近辺（０．３６５＜＝ｒ＜＝０．３７５）の値とした場合、ＳＮＲ Γ＝１０、２０、３０ｄＢのいずれにおいても広い帯域幅Ｂを実現できる。すなわち、同じ比率ｒで既知信号を配置した信号フォーマットを用いて、信号品質によらず広い周波数範囲で周波数推定を行うことが可能となる。
【００５４】
第１の周波数推定法（図９）では、サンプリング時刻ｔ０、ｔ１、ｔ２が不均一となるｒ≠０．５を用いるとサンプリング時刻ｔ０、ｔ１、ｔ２が均一となるｒ＝０．５を用いる場合よりも、広い帯域幅Ｂを設定できる。また、均一なサンプリングｒ＝０．５では、第１の周波数推定法（図９）と第２の周波数推定法（図１０）の帯域幅Ｂは同じとなり、第１の周波数推定法を用いる利点はない。従って、第１の周波数推定法は不均一なサンプリング（ｒ≠０．５）環境で効果を発揮する。
【００５５】
第１の周波数推定法を無線通信における自動周波数制御（ＡＦＣ）に適用した場合について述べる。ＡＦＣでは受信信号と受信機のクロックとの周波数差を推定し、その周波数差を補正する。図９における帯域幅Ｂはこの周波数差の許容範囲に相当する。図９より、受信信号のＳＮＲが大きくなるにつれて、大きな周波数誤差をもつクロックや高いドップラー周波数をもつ受信信号に対しても、ＡＦＣによって周波数を補償できる。
【００５６】
次に、周波数推定法で実現される周波数推定精度について述べる。従来の周波数推定法では制御（３）は行われておらず、制御（２）で得られる１次推定値Ｆ２が従来の周波数推定法の周波数推定値に相当する。
【００５７】
式（２０）（２１）に基づけば、真の周波数Ｆ０の電力を同じとした場合、第１の周波数推定法では従来の周波数推定法よりも周波数推定値に付随する雑音電力を（１＋Δγ／γ２）−１に低減できる。
（性能の説明終わり）
【００５８】
本実施の形態では、信号品質に応じて周波数範囲を設定する一例として第１の周波数推定法を示したが、周波数推定部５で用いられる周波数推定法は第１の周波数推定法に限定されるものではない（例えば、第２の周波数推定法を用いることが可能であることは、実施の形態２で示される）。
【００５９】
また、本実施の形態では、信号品質に応じて周波数範囲を設定する形態を示したが、これまで信号品質に応じて周波数範囲を設定する形態が示されていなかった要因の一つとして、帯域幅Ｂを評価する手法がこれまで確立しておらず、図９、１０で示される帯域幅Ｂと比率ｒとの関係がこれまで明確に示されていなかった点が挙げられる。図９、１０で示される帯域幅Ｂの評価は、本実施の形態で新たに開示された成功率の理論的導出に基づき行われるものであって、導かれた成功率の理論式を用いることで帯域幅Ｂの評価結果が本実施の形態で初めて開示されている。
【００６０】
無線装置１００における整合フィルタ２、信号品質算出部３、周波数範囲設定部４、周波数推定部５の各機能は、処理回路（Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）により実現される。この処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサー、ＤＳＰともいう）であってもよい。
【００６１】
処理回路が専用のハードウェアである場合、図１１に示すように、処理回路１１０１は、例えば、単一回路（ａ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｉｒｃｕｉｔ）、複合回路（ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｃｉｒｃｕｉｔｓ）、プログラム化したプロセッサー（ａ  ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、並列プログラム化したプロセッサー（ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。整合フィルタ２、信号品質算出部３、周波数範囲設定部４、周波数推定部５の各部の機能それぞれを処理回路で実現してもよいし、各部の機能をまとめて処理回路で実現してもよい。
【００６２】
処理回路がＣＰＵの場合、無線装置１００は、図１２に示すように、処理回路１２０１と、メモリ１２０２とを備える。整合フィルタ２、信号品質算出部３、周波数範囲設定部４、周波数推定部５の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアやファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ１２０２に格納される。処理回路１２０１は、メモリ１２０２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。すなわち、無線装置１００は、処理回路１２０１により実行されるときに、受信信号のフィルタ出力を生成するステップ、信号品質を測定するステップ、周波数範囲を設定するステップ、周波数を推定するステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ１２０２を備える。これらのプログラムの一例は図２に示されるステップＳ２０２〜Ｓ２０５で表すことができる。また、これらのプログラムは、整合フィルタ２、信号品質算出部３、周波数範囲設定部４、周波数推定部５の手順や方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリ１２０２とは、例えば、RAM、ROM、フラッシュメモリー、EPROM、EEPROM等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリや、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等が該当する。
【００６３】
なお、整合フィルタ２、信号品質算出部３、周波数範囲設定部４、周波数推定部５の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。例えば、整合フィルタ２、信号品質算出部３については専用のハードウェアとしての処理回路でその機能を実現し、周波数範囲設定部４、周波数推定部５については処理回路がメモリに格納されたプログラムを読み出して実行することによってその機能を実現することが可能である。
【００６４】
このように、処理回路１２０１は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。
【００６５】
以上で示したように、本実施の形態に係る無線装置１００は、受信信号の信号品質に応じて、受信信号の周波数推定を行う周波数範囲を設定する。この構成により、高い信号品質の信号に対して従来技術よりも広い周波数範囲で周波数推定を行うことができ、高いドップラー周波数を持つ信号を推定できる。
【００６６】
なお、実施の形態１では、無線装置１００における周波数推定について述べたが、信号の周波数を推定する形態であれば、無線信号以外に対しても、本実施の形態の周波数推定を適用することができる。すなわち、無線装置１００内の周波数推定装置５００は無線信号のみではく、任意の信号の周波数推定に適用することができる。例えば、音声信号の周波数推定、振動の周波数推定、など、さまざまな形態の周波数推定に本実施の形態の周波数推定を適用できる。従って、周波数推定装置５００の適用先は無線信号に限定されるものではない。
【００６７】
また、本実施の形態では、既知信号３１、３３、３５を整合フィルタ２に入力して、既知信号３１、３３、３５に対応する信号の位相を測定する形態を示したが、信号３０が無変調信号（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ）である場合には、既知信号３１、３３、３５と整合フィルタ２を用いなくても、信号３０の位相をそのまま測定することができる。例えば、信号３０の位相を測定するタイミングが事前に分かっており、そのタイミングで無変調信号を測定する場合、信号３０の位相をそのまま測定することができる。
【００６８】
このように、本実施の形態の周波数推定装置５００は、信号の品質を測定する信号品質算出部３と、信号品質算出部３で測定された信号の品質に応じて、前記信号の周波数を推定する周波数範囲を設定する周波数範囲設定部４と、周波数範囲設定部４で設定された周波数範囲で前記信号の周波数を推定する周波数推定部５と、を備えたことを特徴とする。この構成によって、高い信号品質の信号に対して従来技術よりも広い周波数範囲で周波数推定を行うことができる。特に、信号が無線信号である場合には、高いドップラー周波数を持つ信号の周波数を推定できる。
【００６９】
また、本実施の形態に係る周波数推定装置５００において、信号品質算出部３は、信号の信号対雑音電力比を測定することを特徴とする。この構成によって、信号品質を簡易に測定でき、信号対雑音電力比と周波数範囲との関係（例えば、図９）を用いて、周波数範囲設定部４で適切な周波数範囲を設定することができる。例えば、図９の関係を用いれば、図６に示すＳＮＲと周波数範囲の関係を導くことも可能となる。
【００７０】
また、本実施の形態に係る周波数推定装置５００において、周波数推定部５は、信号３０の第１の時間Ｔ１での位相差と、第１の時間Ｔ１より長い第２の時間Ｔ２での位相差を用いて、信号３０の周波数を推定し、周波数範囲設定部４は、信号３０の位相回転が第１の時間Ｔ１で２π以上となる周波数を含む周波数範囲を設定することを特徴とする。この構成により、従来技術では困難であった信号３０の位相回転が第１の時間Ｔ１で２π以上となる周波数の周波数推定を行うことができ、従来技術よりも広い周波数範囲で周波数推定を行うことができる。
【００７１】
また、本実施の形態に係る無線装置１００では、無線伝送された信号３０を受信し、周波数推定装置５００を用いて、受信された信号に対する周波数推定を行うことを特徴とする。この構成によって、従来技術よりも広い周波数範囲で周波数推定を行うことができ、高いドップラー周波数を持つ信号の周波数を推定できる。また、従来技術では測定が困難であった移動速度の速い測定対象物の移動速度を測定することが可能となる。
【００７２】
実施の形態２．
本実施の形態では、第１の周波数推定法のみでなく、第２の周波数推定法に対しても、信号品質に応じた周波数範囲を設定できることを示す。また、信号の送信制御を行うことで、受信信号の周波数推定を円滑に行える形態についても示す。
【００７３】
図９、１０に示されるように、無線装置１００では信号品質に応じて周波数推定を行える周波数範囲が定まる。そこで、本実施の形態では、適した周波数範囲で周波数推定を行えるように、無線装置２００から端末装置２１０に制御情報を通知し、端末装置２１０が制御情報に基づき信号を送信する形態を示す。
【００７４】
図１３に実施の形態２における無線システムの構成を示す。この無線システムは無線装置２００と端末装置２１０を備える。端末装置２１０は図３に示される信号を送信し、無線装置２００はその信号を受信し、受信信号の周波数推定を行う。
【００７５】
図１４に実施の形態２における無線装置２００の構成を示す。無線装置２００は実施の形態１の構成に加えて、端末装置２１０に制御情報を通知する制御情報通知部６を備える。図１５に実施の形態２における端末装置２１０の構成を示す。端末装置２１０はアンテナ１１、信号を送信する信号送信部１２、送信する信号の信号フォーマットまたは送信電力を設定する送信制御部１３、端末装置２１０から制御情報を受信する制御情報受信部１４を備える。
【００７６】
図１６に本実施の形態における動作をフローチャートとして示す。本実施の形態では、無線装置２００の制御情報通知部６はこれまでの信号受信結果に基づき、次の信号送信に際して必要となる制御情報を端末装置２１０に通知する（Ｓ１６０１）。通知する制御情報にはさまざまな形態がある。例えば、制御情報通知部６は信号品質算出部３からこれまでに受信した信号の信号品質を受け取り、その信号品質情報を端末装置２１０に通知する。別の例では、制御情報通知部６は信号品質情報に加えて周波数範囲設定部４からこれまでに設定された周波数範囲の情報を受け取り、次の信号送信で必要とされる周波数範囲を考慮したうえで、必要となる送信電力情報を通知することも可能である。より具体的には、必要となる周波数範囲、周波数推定法、比率ｒが定まると、図９、１０に示される特性曲線から、必要なＳＮＲが定まる。その必要なＳＮＲを実現するために必要な送信電力を送信電力制御情報によって通知する。また、別の例では、制御情報通知部６は、次の信号送信で必要とされる周波数範囲を考慮したうえで、必要となる信号フォーマットを通知することも可能である。ここで、信号フォーマットには、さまざまな比率ｒで既知信号が配置された複数の信号フォーマットが準備され、その中から、次回の送信に適した一の信号フォーマットを選定することができる。この信号品質情報、送信電力情報、信号フォーマット情報を通知する方法は、これまで知られたいかなる方法でも構わない。例えば、セルラー無線通信では、信号品質情報を通知する構成としてＣＱＩ（Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｑｕａｌｉｔｙ  Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）、送信電力制御情報を通知する構成としてＴＰＣ（Ｔｒａｎｓｍｉｔ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）ビットを用いた制御が知られている。
【００７７】
端末装置２１０は制御が通知されると、制御情報受信部１４でその制御情報を受信する。端末装置２１０の送信制御部１３では、その制御情報に基づき、次回の送信に適した送信電力または信号フォーマットを設定する（Ｓ１６０２）。端末装置２１０は複数の信号フォーマットをあらかじめ有しており、その中から適切な信号フォーマットを選定する。ここで、信号フォーマットによって、時間的な比率ｒは変化する。端末装置２１０はその中で適切な比率ｒで既知信号が配置された信号フォーマットを選定する。具体的には、図１０において、帯域幅Ｂが大きくなるような比率ｒをもつ信号フォーマットを選定する。
【００７８】
端末装置２１０は選定した信号フォーマットで信号を送信する（Ｓ１６０３）。無線装置２００は受信信号に対して、周波数推定を行う（Ｓ１６０４）。この際、無線装置２００の周波数推定部５では実施の形態１で示した第１の周波数推定法を用いてもよいし、第２の周波数推定法（ｎ＝０）を用いてもよい。また、無線装置２００は既知信号の受信タイミングを整合フィルタ２の出力から認識することができる。また、端末装置１１０が送信する信号フォーマットを無線装置１００に事前に通知し、無線装置２００がその通知情報から既知信号の受信タイミングを構成とすることもできる。この出力タイミングに基づき、周波数推定部５で受信信号の周波数の推定を行うことができる。
【００７９】
図１７に本実施の形態において制御情報を送信電力情報とし、端末装置２１０が送信電力制御を行う場合の一例を示す。図１７（ａ）では、端末装置２１０は道路１７０上を進む移動局、無線装置２００は固定局としている。図１７（ｂ）に端末装置２１０の道路１７０上の位置と端末装置２１０の送信電力の関係を示している。特性曲線１７１、１７２は本実施の形態の送信電力制御を用いた場合であり、特性曲線１７１は端末装置２１０の移動速度が速い場合、特性曲線１７２は端末装置２１０の移動速度が遅い場合に必要な送信電力を示している。端末装置２１０の移動速度が速い場合、ドップラー周波数の影響によって、受信信号の周波数とクロック周波数の周波数差は大きくなる。従って、無線装置２００では広い周波数範囲で周波数推定を行う必要があり、端末装置２１０は大きな送信電力で信号を送信する必要がある。一方、端末装置２１０の移動速度が遅くなると、無線装置２００で必要とされる周波数範囲は狭くなるため、端末装置２１０では必要となる送信電力を小さくすることができる。
【００８０】
本実施の形態では、端末装置２１０が移動する場合を示したが、信号の受信局である無線装置２００が移動する場合についても同様に扱うことができる。例えば、無線装置２００が移動する場合、無線装置２００は自装置の移動速度の度合いを示す制御情報をＳ１６０１において端末装置２１０に通知することができる。端末装置２１０は受信した制御情報に基づいて、Ｓ１６０３で選定した信号フォーマットで信号を送信する。
【００８１】
また、本実施の形態では、無線装置２００が端末装置２１０に制御情報を通知する構成を示したが、制御情報の通知を行わない構成を用いることも可能である。例えば、無線装置２００が端末装置２１０に既知信号を送信し、端末装置２１０が送信された既知信号を用いてドップラー周波数とＳＮＲを測定することにより、端末装置２１０は無線装置２００との相対的な移動速度や端末装置２１０が信号を送信した時に得られるＳＮＲを概ね把握することができる。その結果を用いることで、端末装置２１０が送信制御部１３で送信制御を行い、信号を送信する構成も可能である。
【００８２】
また、本実施の形態では、端末装置２１０を例として説明したが、端末装置２１０の代わりにいかなる無線装置を用いても構わない。
【００８３】
本実施の形態では、無線装置２００は、実施の形態１で示した第２の周波数推定法（ｎ＝０）を周波数推定部５で用いて周波数推定を行うことができ、第１の周波数推定法のみでなく、第２の周波数推定法に対しても、信号品質に応じた周波数範囲を設定できる。
【００８４】
このように、本実施の形態では、無線装置である端末装置２１０から送信され、受信局（無線装置２００）で受信される信号、の周波数の推定が、受信局で必要な周波数範囲で行われるように、送信電力又は信号フォーマットを決定する送信制御部１３と、前記送信制御部で決定された送信電力又は信号フォーマットに従い、信号を送信する信号送信部１４と、を備えたことを特徴とする。この構成によって、必要な周波数範囲に応じて、送信電力を調整できるため、不要な送信電力を低減できる。また、適した信号フォーマットを用いることで、必要な周波数範囲での周波数推定を行うことが可能となる。その結果、高いドップラー周波数を含む信号の周波数推定を円滑に行うことが可能となる。
【００８５】
また、本実施の形態では、送信制御部１３は、必要な周波数範囲を、無線装置である端末装置２１０又は受信局（無線装置２００）の移動速度に依存して決定することを特徴とする。この構成によって、無線装置である端末装置２１０又は受信局（無線装置２００）の移動がある場合でも、受信局（無線装置２００）では適した周波数範囲で周波数推定を行える。
【００８６】
また、本実施の形態では、送信制御部１３は、既知信号の時間的な配置が異なる複数の信号フォーマットの中から一の信号フォーマットを決定することを特徴とする。この構成によって、受信局（無線装置２００）で適した周波数範囲で周波数推定を行える信号を送信することができる。特に、図９、１０では、既知信号の配置によって、周波数推定可能な周波数範囲は大きく異なるが、適切な信号フォーマットを用いることにより、広い周波数範囲での周波数推定を行うことが可能となる。例えば、図１０に示す第２の周波数推定法を受信局で用いる場合には、ＳＮＲ＝１０ｄＢのときはｒ＝０．３８、ＳＮＲ＝２０ｄＢのときはｒ＝０．１２となる既知信号の配置をもつ信号フォーマットを用いることにより、広い周波数範囲で周波数推定を行うことが可能となる。
【００８７】
実施の形態３．
実施の形態２では、異なる無線装置が送信と受信を行う場合を示したのに対し、本実施の形態では、１つの無線装置が信号送信と信号受信を行う形態を示す。
【００８８】
無線通信を行う場合、実施の形態２で示したように無線装置２００と端末装置２１０は通常異なる無線装置となる。一方、測定対象物の移動速度を測定する場合、図１８に示すように１つの無線装置３００が信号を送信し、測定対象物１８０１で反射された信号を同じ無線装置３００が受信する。無線装置３００は、受信信号に含まれるドップラー周波数を測定することで、測定対象物の移動速度を測定することができる。
【００８９】
図１９に本実施の形態における無線装置３００の構成を示す。無線装置３００は、実施の形態１で示した無線装置１００の構成に加えて、送信制御部７と信号送信部８を備える。
【００９０】
図２０に本実施の形態における動作を示すフローチャートを示す。本実施の形態では、
無線装置３００の送信制御部７はこれまでの信号受信結果に基づき、次の信号送信に際して必要となる制御情報を決定し、その制御情報に基づき信号を送信するように信号送信部８を制御する（Ｓ２００１）。制御情報にはさまざまな形態がある。例えば、送信制御部６は信号品質算出部３からこれまでに受信した信号の信号品質を受け取り、さらに周波数範囲設定部４からこれまでに設定された周波数範囲の情報を受け取り、次の信号送信で必要とされる周波数範囲を考慮したうえで、必要となる送信電力または信号フォーマットを決定する。より具体的には、必要となる周波数範囲、周波数推定法、比率ｒが定まると、図９、１０に示される特性曲線から、必要なＳＮＲが定まる。その必要なＳＮＲを実現するために必要な送信電力、信号フォーマットを決定する。信号送信部８は送信制御部７で決定された制御情報に従い、信号を送信する（Ｓ２００２）。無線装置３００から送信された信号は測定対象物１８０１で反射され、その反射波は無線装置３００で受信される（Ｓ２００３）。無線装置３００では、実施の形態１、２と同じく受信信号の周波数推定を行い（Ｓ２００４）、送信信号と受信信号の周波数差をドップラー周波数として推定し、そのドップラー周波数から測定対象物１８０１の移動速度を検出する。
【００９１】
このように、本実施の形態では、１つの無線装置が信号の送受信を行い、受信信号の周波数推定を行う。
【００９２】
すなわち、本実施の形態に係る無線装置３００は、自装置から送信され、測定対象物１８０１で反射され、自装置で受信される信号、の周波数の推定が、受信局で必要な周波数範囲で行われるように、送信電力又は信号フォーマットを決定する送信制御部７と、送信制御部７で決定された送信電力又は信号フォーマットに従い、信号を送信する信号送信部８と、を備えたことを特徴とする。この構成によって、測定対象物１８０１の移動速度に応じて必要となる送信電力又は信号フォーマットを用いて、測定対象物１８０１の移動速度を測定することができ、不要な送信電力を低減することが可能となる。また、適した信号フォーマットを用いることで、広い周波数範囲での周波数推定が可能となり、測定対象物１８０１での反射により生じる高いドップラー周波数を測定することができる。
【００９３】
また、本実施の形態に係る無線装置３００は、必要な周波数範囲を、測定対象物１８０１の移動速度に依存して決定することを特徴とする。この構成によって、測定対象物１８０１の移動がある場合でも、無線装置３００では適した周波数範囲で周波数推定を行える。
【００９４】
実施の形態４．
実施の形態４では、実施の形態２、３における信号送信に際して、信号の送信電力または信号フォーマットを調整する一形態を示すものである。
【００９５】
図２１に本実施の形態における各時刻での周波数推定の様子を示す。実施の形態１〜３で示したように、無線装置１００で受信される信号の受信電力や信号フォーマットによって、周波数推定することのできる周波数範囲は異なる。一方、信号のもつドップラー周波数は通常、時間的に連続に変化する。
【００９６】
このような特性を考慮して、本実施の形態では、端末装置２１０が時刻ｐ１、ｐ４で信号フォーマット・送信電力が規格Ａの信号を送信し、時刻ｐ２、ｐ３、ｐ５、ｐ６で信号フォーマット・送信電力が規格Ｂの信号を送信する。ここで、規格Ａの信号では、規格Ｂの信号よりも広い周波数範囲の周波数を推定できる。実施の形態２における制御情報通知部６または実施の形態３における送信制御部７でこの規格を決定することにより、この信号送信を行うことができる。
【００９７】
図２１に示すように、この信号送信を行うと、時刻ｐ１、ｐ４で広い周波数範囲の中から周波数を推定できる。その結果、受信信号が高いドップラー周波数を持つ場合にも、受信信号の周波数がその周波数範囲の中にあれば受信信号の周波数を推定できる。また、時刻ｐ２、ｐ３、ｐ５、ｐ６では、時刻ｐ１、ｐ４で推定された周波数を中心周波数として、時刻ｐ１、ｐ４で得られる周波数範囲より狭い周波数範囲で受信信号の周波数推定を行う。
【００９８】
ここで、周波数範囲の中心の周波数はさまざまな周波数に設定できる。例えば、受信信号をキャリア周波数によってダウンコンバートした信号の位相θ０、θ１、θ２を実施の形態１で示したように測定する場合、基本的には、キャリア周波数が周波数範囲の中心となる。
【００９９】
しかし、測定した位相に修正を加えることで、中心の周波数をキャリア周波数以外とすることも可能である。例えば、測定した位相θ０、θ１、θ２の代わりに、実施の形態１で示した時刻ｔ０、ｔ１、ｔ２で位相θ０、θ１＋ｆＴ１、θ２＋ｆＴ２が測定されたと修正を加えると、キャリア周波数よりもｆ［Ｈｚ］高い周波数を周波数範囲の中心とすることができる。このような位相の修正によって、キャリア周波数よりもｆ［Ｈｚ］高い周波数を中心周波数として、周波数推定を行うことが可能となる。
【０１００】
この方法を用いて、時刻ｐ２、ｐ３、ｐ５、ｐ６では、時刻ｐ１、ｐ４で推定された周波数を周波数範囲の中心として周波数推定を行う。時刻ｐ１から時刻ｐ２に至る時間での受信信号の周波数の変化分が時刻ｐ２で設定する周波数範囲の１／２以内であれば、時刻ｐ２でも誤りなく周波数を推定できる。同様に、時刻ｐ１から時刻ｐ３に至る時間での受信信号の周波数の変化分が時刻ｐ３で設定する周波数範囲の１／２以内であれば、時刻ｐ３でも誤りなく周波数を推定できる。
【０１０１】
時刻ｐ１からの時間経過が大きくなるにつれ、ドップラー周波数の変化によって、受信信号の周波数が変化する可能性は高くなる。そこで、時刻ｐ４で再び規格Ａの信号を送信することにより、広い周波数範囲での周波数推定を行う。
【０１０２】
すなわち、本実施の形態では、受信信号の周波数の存在する周波数範囲が広い場合には、規格Ａの送信信号を送信し、受信信号の周波数の存在する周波数範囲が限定された範囲と分かっている場合には、規格Ｂの信号を送信する。ドップラー周波数が変化する特性が分かっていれば、規格Ａ又は規格Ｂの信号を送信する時間的なパターンはあらかじめ定めておくことが可能である。また、周波数推定部５で推定された周波数が設定された周波数範囲のどの位置に属するかによって、次に送信される送信信号の送信電力と信号フォーマットの規格を決定することもできる。
【０１０３】
規格Ｂでは周波数推定を行える周波数範囲は規格Ａよりも狭く、通常、規格Ｂの信号の送信電力は規格Ａの信号の送信電力よりも小さい。従って、常に規格Ａの信号を用いて広い周波数範囲で周波数推定する場合と比較して、送信電力を抑えつつ、受信信号の周波数推定を行うことができる。このように、複数の規格の信号を適応的に用いることにより、適切な周波数推定の性能を維持しつつ、消費電力を低減できる。その結果、周辺無線局への干渉を抑えることが可能となる。
【０１０４】
実施の形態５．
実施の形態２〜４では、信号の送信電力または信号フォーマットを調整する形態を示したのに対し、本実施の形態では信号品質によらず常に同じ信号フォーマットを用いる形態を開示する。
【０１０５】
実施の形態１では、第１の周波数推定法を用いると、図９に示すように、０．６２５＜＝ｒ＜＝０．６３５、０．３６５＜＝ｒ＜＝０．３７５のｒを用いた場合、ＳＮＲ Γ＝１０、２０、３０ｄＢのいずれにおいても広い帯域幅Ｂを実現できることを述べた。        
【０１０６】
この特性を用いると、実施の形態２〜４において、送信電力制御のみを行い、既知信号を配置した信号フォーマットは必要な周波数範囲に依存せず常に同じとすることができる。例えば、既知信号が０．６２５＜＝ｒ＜＝０．６３５、０．３６５＜＝ｒ＜＝０．３７５の時間的な比率ｒをもつ信号フォーマットを用いると、ＳＮＲ Γ＝１０、２０、３０ｄＢのいずれにおいても広い帯域幅Ｂを実現できる。
【０１０７】
このように、本実施の形態に係る無線装置３００では、信号フォーマットは、必要な周波数範囲に関わらず、同じであることを特徴とする。この構成によって、信号フォーマットを選定する制御負荷を省くことができる。また、この制御負荷を省いても、信号品質によらず、広い周波数範囲で安定的に信号の周波数を推定することができる。
【０１０８】
また、本実施の形態に係る無線装置３００では、既知信号は第１の時間Ｔ１の間隔と第２の時間Ｔ２の間隔で配置され、第１の時間Ｔ１と第２の時間Ｔ２の比率は０．６２５から０．６３５の間、又は、０．３６５から０．３７５の間であることを特徴とする。この構成によって、信号フォーマットを選定する制御負荷を省きつつ、信号品質によらず、広い周波数範囲で安定的に信号の周波数を推定することができる。
【０１０９】
実施の形態６．
これまでの実施の形態では、信号品質算出部３で信号品質の測定を行ったが、本実施の形態では信号品質算出部３で信号品質の予測を行う形態を開示する。
【０１１０】
これまでの実施の形態では、信号品質算出部３で受信信号の信号品質を直接的に測定していた。しかし、受信信号の信号品質を直接測定しなくても、受信信号の信号品質を予測できる場合がある。例えば、初回の信号受信時に信号品質としてＳＮＲΓ１を測定し、ｎ（＝２、３、．．．）回目の受信信号と初回の受信信号と信号の電力差ｃｎを把握していれば、ｎ回目の受信信号のＳＮＲを
Γ１×ｃｎ
として予測できる。電力差情報ｃｎは、送信電力差が分かれば把握することができる。
【０１１１】
例えば、図１９では、無線装置３００は信号を送信するため、ｎ（＝２、３、．．．）回目の受信信号と初回の受信信号と信号の電力差ｃｎを把握することができる。この情報を用いれば、初回の信号受信時に信号品質としてＳＮＲΓ１を測定し、その後は受信信号の信号品質を直接測定しなくても、受信信号の信号品質を予測することができる。
【０１１２】
このように、本実施の形態では、信号品質算出部３で信号品質の予測を行う。この構成によって、信号受信時に毎回信号の品質測定を行わなくても、信号寝室を算出することができる。また、信号を受信する前に、その受信信号の信号品質を予測できるため、事前に周波数範囲設定部４で周波数範囲を設定することができ、信号受信後の処理を円滑に行うことが可能となる。
【符号の説明】
【０１１３】
１：アンテナ、２：整合フィルタ、３：信号品質算出部、４：周波数範囲設定部、５：周波数推定部、６：制御情報通知部、７：送信制御部、８：信号送信部、１２：信号送信部、１３：送信制御部、１４：制御情報受信部、３０：信号、３１、３３、３５：既知信号、３２、３４：データ、５１：振幅、５２：雑音、８１：位相測定誤差、８２ａ、８２ｂ：ガウス変数、８３：信号、８４：雑音、８５：ＳＮＲ、１００、２００、３００：無線装置、２１０：端末装置、１７０：道路、１７１、１７２：特性曲線、５００：周波数推定装置、１１０１：処理回路、１２０１：処理回路、１２０２メモリ、１８０１：測定対象物
【要約】
この発明に係る周波数推定装置は、信号の品質を測定又は予測する信号品質算出部と、前記信号品質算出部で測定された信号の品質に応じて、前記信号の周波数を推定する周波数範囲を設定する周波数範囲設定部と、前記周波数範囲設定部で設定された周波数範囲で前記信号の周波数を推定する周波数推定部と、を備えたことを特徴とする。この構成により、高い信号品質の信号に対して広い周波数範囲で周波数推定を行うことで、高いドップラー周波数を持つ信号の周波数を推定できる。【図１】
0006330985.tif 000002
【図２】
0006330985.tif 000003
【図３】
0006330985.tif 000004
【図４】
0006330985.tif 000005
【図５】
0006330985.tif 000006
【図６】
0006330985.tif 000007
【図７】
0006330985.tif 000008
【図８】
0006330985.tif 000009
【図９】
0006330985.tif 000010
【図１０】
0006330985.tif 000011
【図１１】
0006330985.tif 000012
【図１２】
0006330985.tif 000013
【図１３】
0006330985.tif 000014
【図１４】
0006330985.tif 000015
【図１５】
0006330985.tif 000016
【図１６】
0006330985.tif 000017
【図１７】
0006330985.tif 000018
【図１８】
0006330985.tif 000019
【図１９】
0006330985.tif 000020
【図２０】
0006330985.tif 000021
【図２１】
0006330985.tif 000022