(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の走行経路の近傍に設置され、車両に搭載される車載機との路車間通信を行うために、車載機への下り信号に続けて、無変調のキャリア信号を送信し、該キャリア信号を受信した車載機から、該キャリア信号を変調することで生成された上り信号を受信するパッシブ方式用路上機側送受信器であって、
前記下り信号及びキャリア信号の送信に送信用アンテナ、前記上り信号の受信に前記送信用アンテナとは別に設けられた受信用アンテナを用いて行い、
該送信用アンテナと受信用アンテナとの間のアイソレーションを５０ｄＢ以上に設定し、且つ、前記キャリア信号、及び前記上り信号の復調に使用するローカル信号を生成する発振部は、前記上り信号の使用帯域における位相雑音が−１００ｄＢｃ／Ｈｚ以下となる信号を生成することを特徴とするパッシブ方式用路上機側送受信器。
【請求項２】
前記送信用アンテナ及び受信用アンテナは、いずれもアレーアンテナからなることを特徴とする請求項１記載のパッシブ方式用路上機側送受信器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パッシブ方式にて路車間通信を行うために路上機に設置されるパッシブ方式用路上機側送受信器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、車両に搭載された車載器、及び車両の走行路近傍に設置された路上機との間で双方向通信を行うことにより、有料道路等の料金収受を自動的に行う料金自動収受システムが知られている。この料金自動収受システムでは、路車間通信に使用する通信方式として二つの方式、即ち、車載器から路上機への上り信号の送信を、路上機から車載器への下り信号に続けて送信されてくるキャリア（搬送波）信号を変調して返送することにより行うパッシブ方式（ヨーロッパ，中国，東南アジアで採用）と、上り信号の送信を、下り信号とは異なる周波数帯を用いて車載器が自律的に行うアクティブ方式（日本で採用）とが存在している。なお、通信に使用する周波数帯域として、アクティブ方式では５．８ＧＨｚ帯、パッシブ方式では２．４５ＧＨｚ帯が使用されていた。
【０００３】
ここで、図６（ａ）は、パッシブ方式にて使用される路上機側の送受信器の一般的な構成を表すブロック図である。
図６（ａ）に示すように、パッシブ方式用路上機側送受信器１００は、車両に搭載された車載機Ｍとの間で電波の送受信を行う送受信アンテナ１１０と、キャリア信号Ｃ及びローカル信号Ｌを生成する発振部１１４と、発振部１１４にて生成されたキャリア信号Ｃを下りデータＤＤにて変調したもの、或いは無変調のキャリア信号Ｃを送信信号ＳＤとして送受信アンテナ１１０に供給する送信部１１６と、送受信アンテナ１１０からの受信信号ＲＤを、発振部１１４からのローカル信号Ｌを用いて復調し、上りデータＵＤを生成する受信部１１８と、送信部１１６からの送信信号ＳＤを送受信アンテナ１１０に供給すると共に、送受信アンテナ１１０からの受信信号ＲＤを受信部１１８に供給するサーキュレータ１２２と、発振部１１４，送信部１１６，受信部１１８の動作状態を制御する制御部１２０とを備えている。
【０００４】
そして、制御部１２０では、図６（ｂ）に示すように、下りデータ送信期間では、送信部１１６に、下りデータＤＤを供給し、この下りデータＤＤにてキャリア信号Ｃを変調してなる送信信号ＳＤの送信を行わせ、一方、上りデータ受信期間では、送信部１１６に、無変調のキャリア信号Ｃをそのまま送信信号ＳＤとして送信を行わせると共に、受信部１１８に車載機Ｍからの受信信号ＲＤを復調させて上りデータの生成を行わせるように各部を制御し、下りデータ送信期間と上りデータ受信期間とを交互に設定することにより、パッシブ方式での路車間通信を実現している。
【０００５】
ところで、パッシブ方式に使用されている２．４５ＧＨｚ帯は、ＩＳＭバンドと呼ばれる規制の緩やかな周波数帯であるため、屋内の無線ＬＡＮや電子レンジをはじめとする様々なシステムや機器にて採用されている。つまり、２．４５ＧＨｚ帯は、他の機器との干渉が生じる可能性が高いため、近年では、パッシブ方式で使用する周波数帯も、アクティブ方式と同じ５．８ＧＨｚ帯に変更されつつある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、２．４５ＧＨｚ用に作製された路上機側送受信器を、発振器の周波数を変える等の必要最小限の変更だけで、そのまま５．８ＧＨｚを採用したシステムに適用した場合、受信感度が不足して、必要な大きさの通信エリアを確保できないという問題があった。
【０００７】
即ち、電波の伝搬損失は、使用周波数の２乗にほぼ比例して増大するため、車載機Ｍからの上り信号の送出レベルが、２．４５ＧＨｚを使用周波数とする従来装置の場合と同じであったとしても、路上機側送受信器での受信レベルは７．５（≒１０×ｌｏｇ（２．４５／５．８）2 ）ｄＢ程度低下することになる。
【０００８】
受信信号ＲＤの受信レベルと受信信号ＲＤから復調された上りデータのビット誤り率（ＢＥＲ）とは、図５に示すような関係にあり、所定値（例えば１０-5）以下のＢＥＲを確保できる受信レベルの下限が受信感度となる。つまり、受信感度が同じであれば、電波の伝搬損失が増大することにより、受信感度以上の受信レベルにて車載機からの上り信号を受信できる範囲、即ち通信エリアが小さくなってしまい、また、同じ通信エリアを確保するには、受信感度が不足してしまうのである。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するために、５．８ＧＨｚを採用したシステムでも、通信エリアを十分に確保できるパッシブ方式用路上機側送受信器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するには、車載機からの上り信号の受信レベルが大きくなるように車載機での上り信号の送信レベルを大きくするか、或いは上り信号の受信レベルが小さくても所定値以下のＢＥＲを実現できるように路上機側送受信器の受信感度を向上させればよい。しかし、ＥＴＣの路車間通信における車載機側の送信レベルは、例えばＣＥＮ（欧州標準化委員会：Comite Europeen de Normalisation）の規格によって上限値が規制されており、勝手に大きくすることはできず、従って、路上機側送受信器の受信感度を向上させる必要がある。
【００１１】
具体的には、ＣＥＮの規格では車載機の送信電力（ＥＩＲＰ）が−２４ｄＢ以下であり、通信エリア内における車載機から路上機までの距離を２〜１０ｍ程度とすると、路上機側送受信器では、使用周波数が２．４５ＧＨｚの時には、その伝搬損失が−４５ｄＢ〜−５５ｄＢ程度であることから、受信感度が−８０ｄＢｍあれば十分であったが、使用周波数が５．８ＧＨｚになると、その伝搬損失が−５４ｄＢ〜−６８ｄＢにまで増大するため、受信感度は−９０ｄＢｍ以上必要となる。
【００１２】
ところで、送受信器の受信感度は、受信信号の受信レベルや受信信号の復調を行う受信部での雑音レベル等により決まる。そして、雑音レベルを決める要因の一つとして、送信部を経由したキャリア信号の受信部への回り込み、即ち送受信間のアイソレーションがある。
【００１３】
つまり、上り信号の伝送のために送出されるキャリア信号と受信した上り信号を復調するためのローカル信号とは、同じ発振部の出力を分配して生成するのが一般的であり、両信号の周波数は一致している。しかし、送信部を経由して回り込んだキャリア信号（以下「回込信号」という）と、発振部から直接供給されるローカル信号との間には、受信部に到る経路の違いに基づく位相ずれ等が生じている。このようにずれの生じた両信号が受信部でミキシングされることで生成される成分が雑音成分となるのである。
【００１４】
例えば、上述した従来の送受信器１００の場合、サーキュレータ１２２のアイソレーションは一般に２０ｄＢ程度であり、送信部での送信出力が２３ｄＢｍとすると、サーキュレータを介した回込信号は３ｄＢｍとなる。ローカル信号は、一般に１０ｄＢｍ程度に設定されるため、これと比較して回込信号は無視できないほど大きく、このサーキュレータ１２２での送受信間のアイソレーションが、受信系の雑音指数、ひいては受信感度に大きな影響を与えている。
また、受信部での雑音レベルを決める他の要因として、ローカル信号の純度、即ち、位相雑音があり、この位相雑音は、受信信号とのミキシングが行われることにより、復調された信号に重畳される。特に復調すべき信号（ここでは上り信号）が位相偏移（ＰＳＫ）変調されている場合には、この位相雑音の影響を受けやすいことが知られている。
【００１５】
そこで、請求項１記載のパッシブ方式用路上機側送受信器では、下り信号及びキャリア信号の送信に送信用アンテナ、上り信号の受信に前記送信用アンテナとは別に設けられた受信用アンテナを用いて行うことにより、サーキュレータを省略し、且つ送信用アンテナと受信用アンテナとの間のアイソレーションを５０ｄＢ以上に設定している。
更に、キャリア信号やローカル信号を生成する発振部は、上り信号の使用帯域における位相雑音が−１００ｄＢｃ／Ｈｚ以下となる信号を生成するようにされている。
なお、上り信号の使用帯域とは、例えば、ＣＥＮ規格（車載機からの上り信号が１．５ＭＨｚ又は２ＭＨｚのサブキャリアを用いてＢＰＳＫ変調される）の場合、キャリア信号の周波数からのオフセットが５００ｋＨｚ〜２ＭＨｚの当たりがこれに相当する。
【００１６】
これにより、本発明によれば、上り信号を復調する受信部での雑音レベルを十分に低減させ、上り信号の受信感度を向上させることができ、その結果、５．８ＧＨｚを採用した路車間通信システムにおいても、通信エリアを十分に確保することができる。
【００１７】
即ち、受信レベルに対するＢＥＲの特性を表す図５（ａ）及び図５（ｂ）のグラフに示されているように、送受信間のアイソレーションが大きいほど、また、発振部が生成する信号の位相雑音が小さいほど、受信感度（所定のＢＥＲを確保できる受信レベルの下限）が向上し、−９０ｄＢｍ以上の受信感度（ＢＥＲが１０-5以下）を確保するには、送受信間のアイソレーションを５０ｄＢ以上、位相雑音を−１００ｄＢｃ／Ｈｚ以下とする必要がある。
【００１８】
なお、送信用アンテナ及び受信用アンテナとしては、請求項２記載のように、いずれもアレーアンテナが好適である。即ち、アレーアンテナは、使用するアンテナ素子の形状や数や配置、及び各素子に供給する信号の位相や振幅を適宜選択，調整することにより、様々な特性を実現することが可能であり、しかも小型に構成することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を図面と共に説明する。
図１は、ＣＥＮ規格を満たすように設計された本実施形態のパッシブ方式用の路上機側送受信器の構成を表すブロック図である。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態のパッシブ方式用路上機側送受信器２は、車両に搭載された車載機Ｍに対する下り信号を送信する送信アンテナ１０と、同じく車載機Ｍからの上り信号を受信する受信アンテナ１２と、キャリア信号Ｃ及びローカル信号Ｌを生成する発振部１４と、発振部１４にて生成されたキャリア信号Ｃを下りデータＤＤにて変調したもの、或いは無変調のキャリア信号Ｃを送信信号ＳＤとして送信アンテナ１０に供給する送信部１６と、受信アンテナ１２からの受信信号ＲＤを、発振部１４からのローカル信号Ｌを用いて復調し、上りデータＵＤを生成する受信部１８と、発振部１４，送信部１６，受信部１８の動作状態を制御する制御部２０とを備えている。
【００２４】
送信アンテナ１０及び受信アンテナ１２は、いずれも３６（＝６×６）個のアンテナ素子を四角形状に配列してなるアレーアンテナからなり、車両の走行経路の上部に、車両の幅員方向に沿って並ぶように配置されている。
なお、図２（ａ）及び（ｂ）は、送信アンテナ１０及び受信アンテナ１２（いずれも同じ特性）の走行方向、及び幅員方向に沿った指向性を表すものであり、鉛直方向を中心にして±１５°の範囲では、１０ｄＢの利得が得られるように設定されていると共に、特に両アンテナ１０，１２の配列方向である幅員方向については、±９０°方向での利得が−１５ｄＢ以下となるように設定されている。即ち、各アンテナ１０，１２では、幅員方向への信号の漏れがそれぞれ−２５ｄＢ以下となり、その結果、両アンテナ１０，１２間のアイソレーションが５０ｄＢ以上となるようにされている。
【００２５】
図２（ｃ）は、各アンテナ１０，１２の入力端子及び出力端子にネットワークアナライザを接続して、両者間をアイソレーションを測定した結果を表すグラフである。キャリア信号Ｃの周波数が設定される５．８ＧＨｚ帯では、実際に、両アンテナ１０，１２間のアイソレーションが５０ｄＢ以上となっていることがわかる。
【００２６】
なお、送信アンテナ１０及び受信アンテナ１２の特性は、アレーアンテナを構成するアンテナ素子単体の形状、配置間隔、励振状態での振幅，位相等を適宜選択，調整することにより設定することができ、実際には、周知のシミュレータを用いて所望の特性が得られるように設計される。
【００２７】
発振部１４は、位相雑音が小さく電圧制御が可能な水晶発振器を中心に、プリスケーラ，位相比較器を用いて構成した周知のＰＬＬシンセサイザからなる。なお、水晶発振器は、具体的には、図３に示すように、オフセットが１００ｋＨｚ以上での位相雑音が−１００ｄＢｃ以下となるもの（例えば、Ｍ／Ａ−ＣＯＭ社製，型番ＭＬ０６１１０５−０５８０５）が用いられている。即ち、車載機Ｍからの上り信号は、路上機側送受信器２から受信したキャリア信号を１．５ＭＨｚ又は２ＭＨｚのサブキャリアを用いてＢＰＳＫ変調したものとなっており、その信号成分が分布する領域、つまり、キャリア信号から５００ｋＨｚ〜２ＭＨｚ（サブキャリアの下半分２ＭＨｚの範囲）離れた領域での位相雑音が十分に小さくなるようにされている。
【００２８】
送信部１６は、制御部２０から下りデータＤＤの供給がある場合には、この下りデータＤＤを変調信号として、発振部１４から供給されるキャリア信号Ｃを振幅偏移（ＡＳＫ）変調し、これを送信信号ＳＤとして出力し、下りデータＤＤの供給がない場合には、無変調のキャリア信号Ｃをそのまま送信信号ＳＤとして出力するように構成されている。
【００２９】
受信部１８は、受信アンテナ１２からの位相偏移（ＰＳＫ）変調された受信信号ＲＤを低雑音にて増幅するローノイズアンプ（ＬＮＡ）と、ＬＮＡにて増幅された受信信号ＲＤを発振部１４からのローカル信号Ｌを用いて復調するを復調回路とを備えており、復調によって生成された上りデータを制御部２０に供給するように構成されている。
【００３０】
そして、制御部２０では、従来装置と同様に（図６（ｂ）参照）、送信部１６に下りデータＤＤを供給する下りデータ送信期間と、送信部１６への下りデータＤＤの供給を停止して無変調のキャリア信号を送信させ、受信部１８から上りデータＵＤの供給を受ける上りデータ受信期間とを交互に設定することにより、パッシブ方式での路車間通信を実現している。
【００３１】
このように構成された本実施形態のパッシブ方式用路上機側送受信器２は、下りデータ送信期間に、キャリア信号Ｃを下りデータＤＤでＡＳＫ変調してなる下り信号を送信し、これに続く一定期間（上りデータ受信期間）の間、無変調のキャリア信号を送信する。
【００３２】
この路上機からの下り信号を受信した車載機Ｍは、下り信号に続けて受信する無変調のキャリア信号を、上りデータＵＤでＢＰＳＫ変調してなる上り信号を返送する。また、この車載機Ｍからの上り信号を受信した路上機側送受信器２は、その受信信号ＲＤをローカル信号Ｌを用いて復調し、上りデータＵＤを生成する。
【００３３】
図４は、本実施形態の路上機側送受信器２を使用して路車間通信を行った場合の信号レベルの変化を表すレベルダイアである。
図４では、送信アンテナ１０及び受信アンテナ１２は、車載機Ｍの設置位置より２ｍ高い位置にあり、車載機がアンテナ直下（伝送距離２ｍ）である地点Ａ、通信エリア端（伝送距離７ｍ）である地点Ｃ、その中間位置（伝送距離５ｍ）である地点Ｂにある場合のそれぞれについて示したものである。なお図４中では、各地点Ａ〜Ｃでのレベルダイアを、それぞれ実線（地点Ａ），点線（地点Ｂ），一点鎖線（地点Ｃ）にて示す。
【００３４】
そして、送信部１６での送信出力を２３ｄＢｍとしており、通信エリア内に対する送信アンテナ１０の利得が１０ｄＢ（但しエリア端では７ｄＢ）あるため、通信エリア内での等価等方放射電力（ＥＩＲＰ）は３０〜３３ｄＢｍとなる。
５．８ＧＨｚの電波が２〜７ｍ伝播した時に生じる伝播ロスは−５４〜−６５ｄＢであり、従って、車載機Ｍでの受信電力は−２１〜−３５ｄＢｍとなる。なお、車載機Ｍでは、定出力機能を有しており、車載機Ｍからの上り信号の送信電力（ＥＩＲＰ）は−２４ｄＢｍ（但しエリア端では−２７ｄＢ）となるようにされている。
【００３５】
そして、伝播ロス，及び受信アンテナ１２の利得（送信アンテナ１０と同様）を考慮すると、路上機側送受信器２での受信信号ＲＤの受信レベルは、受信アンテナ１２の利得が１０ｄＢとして、−６７〜−８４ｄＢｍとなる。
ところで、本実施形態の路上機側送受信器２における受信系の熱雑音ｋＴＢＦは、帯域幅Ｂ＝２ＭＨｚ，雑音指数Ｆ＝５ｄＢ（位相雑音を−１００ｄＢｃ／Ｈｚ、送受信間のアイソレーションを−５０ｄＢ）として−１０６ｄＢｍとなる。また、ＢＰＳＫ変調された信号の復調には、Ｃ／Ｎが１１ｄＢ以上必要であるため、これに基づく受信感度の理論値は−９５ｄＢｍ（＝−１０６ｄＢｍ＋１１ｄＢ）となる。
【００３６】
即ち、上述したように上り信号の受信レベルは、−６７〜−８４ｄＢｍであるため、受信感度のマージンを１０ｄＢ設けたとしても、十分に受信可能であることがわかる。
以上説明したように、本実施形態のパッシブ方式用路上機側送受信器２においては、送信アンテナ１０と受信アンテナ１２とを別個に設け、サーキュレータを用いることなく構成することにより、送受信間のアイソレーションを５０ｄＢ以上とし、且つ、発振部１４を構成する発振器として、上り信号の使用周波数帯での位相雑音レベルが−１００ｄＢｃ／Ｈｚ以下となるものを用いて構成されている。
【００３７】
これにより、受信系における熱雑音（詳しくは雑音指数Ｆ）を、従来装置と比較して低下させること、ひいては受信感度を１２ｄＢ程度向上させることができ、その結果、本実施形態によれば、５．８ＧＨｚの周波数帯を使用してパッシブ方式で路車間通信を行う自動料金収受システムでも、必要な通信エリアを確実に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施形態のパッシブ方式用路上機側送受信器の構成を表すブロック図である。
【図２】  送信アンテナ及び受信アンテナの特性、及び両者間のアイソレーション特性を測定した結果を表すグラフである。
【図３】  発振部を構成する発振器の位相雑音特性を表すグラフである。
【図４】  実施形態の送受信器を用いて路車間通信を行った場合の信号レベルの変化を表すレベルダイアである。
【図５】  受信レベルに対するビット誤り率の特性を表すグラフである。
【図６】  従来のパッシブ方式用路上機側送受信器の構成を表すブロック図、及びその動作を表すタイミング図である。
【符号の説明】
２…パッシブ方式用路上機側送受信器    １０…送信アンテナ
１２…受信アンテナ    １４…発振部      １６…送信部
１８…受信部          ２０…制御部        Ｍ…車載機
【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】
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