JP2014027500A - 極座標変換器を有する受信装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】極座標変換器の2つの乗算器素子の制御電圧の2乗和を一定となるようにして振幅合成後の振幅変動や追尾誤差信号がアンテナ制御へ及ぼす影響を防止し、位相制御は信号品質の低い偏波側に挿入制御し、2つの乗算器制御電圧で構成される直交座標での位相角を連続制御するとともに、伝搬路の一部の小変動でも長軸の瞬時ジャンプが発生することがあるので、このジャンプを防止する閾値XPDを設定し閾値XPD以下の偏波の信号を振幅合成するときに被位相制御側をオンオフするようにする。
【選択図】 図1
Description
衛星送信アンテナから良好なXPDにて送信して、到来波として地上側の衛星管制局のアンテナで受信されるとき、送受信のアンテナ特性と衛星姿勢・伝搬路の特性により、到来波の偏波は右旋円偏波成分と左旋円偏波成分を含む偏波に劣化する。以下では、直交する劣化した偏波を、それぞれ右旋偏波成分、左旋偏波成分と呼ぶことにする。
注)偏波が点ではなく面で定義されていることは、文献(飯田尚志「ウェーブサミット講座 衛星通信」、オーム社、平成9年2月25日、p.113参照)に示されている。しかし、図に複数の偏波面の回転を指し示すことは煩雑であるので、記号「○」や記号「●」で偏波面を含む一部を点印で示すことにする。
限に回転すること(上記「位相が360°以上の無限に」回転する状態を以下では簡単に「エンドレスに」回転あるいは「エンドレスな」回転と記載する。)を図11から抜き出して説明している。エンドレスな偏波回転に対しては、主として回転速度への追従応答が副位相制御系の要求条件となる。
受信装置では受信レベルにデシベルリニアの関係を持つAGC(Automatic Gain Control:自動利得制御)のAGC電圧がある。右旋偏波を主偏波と仮定すると、「右旋偏波(主偏波)のレベルに比例するAGC(A)電圧、dB表示」に対する、「左旋偏波(交差偏波)のレベルに比例するAGC(B)電圧、dB表示」の比であるXPD(Cross Polarization Discrimination、交差偏波識別度)をXPD(dB)=−20LOG(交差偏波レベル/主偏波レベル)と定義すると、XPD(dB)=AGC(A)-AGC(B)(単位はdB)と計算される。従って、到来偏波形状を示すXPDと長軸の角度(r)は、左旋偏波を主偏波と仮定した場合も含めて、主偏波受信装置の測定パラメータから、次の式(1)、式(2)で求められる。
XPD= AGC(A)-AGC(B) (dB)(右旋偏波成分が主偏波のとき)
あるいは
XPD= AGC(B)-AGC(A) (dB)(左旋偏波成分が主偏波のとき) (1)
r=[受信装置で測定された右旋偏波成分と左旋偏波成分の位相差]/2
+f(アンテナ機械構造の座標)
=(argB-argA)/2+f(アンテナ機械構造の座標) (2)
(argB-argA)/2と係数1/2が付く理由は、上記で説明した右旋偏波成分と左旋偏波成分の回転方向が反対であることから来ている。また、関数fは、アンテナの受信開口面と受信装置間にアンテナ軸の駆動が関係し座標が回転することから来ており、アンテナの構造設計で決まる関数である。
なお、非特許文献1は英文で作成されているので、非特許文献1にあわせて、上記の様に、右旋偏波はRHCP (Right Hand Circular Polarization)にて表し、左旋偏波はLHCP (Left Hand Circular Polarization)にて示す。
前記到来電波を受信するアンテナからの信号を入力とし、前記直交する2種類の偏波成分である右旋偏波成分と左旋偏波成分の和信号および右旋偏波成分と左旋偏波成分の差信号を作成するアンテナ給電装置と、
前記アンテナ給電装置からの出力をもとに前記2種類の偏波成分を受信信号として入力し当該受信信号の受信電力を計測するとともに、受信電力レベルの影響を取り除くためのAGC電圧検出器を含む自動利得制御ループと、
前記自動利得制御ループで自動利得制御され、AGC電圧検出器で検出された電圧をもとに右旋偏波と左旋偏波の電力比を計測するとともに、前記自動利得制御ループで自動利得制御された右旋偏波成分と左旋偏波成分の位相差を計測し、位相差を同相とする副位相制御ループと、
上記副位相制御ループに含まれ、2つの乗算器を持つ極座標変換器と、
上記互いに同相に位相制御された右旋偏波成分及び左旋偏波成分を右旋、左旋の各偏波成分のSNRで重み付けてRF信号またはIF信号にて最適合成して周波数と位相を追従制御する主位相同期ループと、
を備え、
前記極座標変換器は、前記2つの乗算器の制御電圧の2乗和が一定であり、かつ前記2つの乗算器の制御電圧を互いに直交する直交座標上で表した場合に、当該2つの直交座標上での位相角を連続制御するものである。
以下、この発明の実施の形態について、図1〜図6に基づいて説明する。
まず、図1は本実施例の形態に係る受信装置の構成を示すブロック図である。図2は図1の構成部分の極座標変換器の回路構成図である。ここでは、説明の都合上、図2についてまず説明する。図2は、図1に示す受信装置の一部を構成するもので極座標変換器に係わり移相機能を持つものの回路構成図である。図2において、極座標は2軸、すなわち、位相座標と半径方向座標で定義されるが、最初に位相を制御する極座標変換器の構成と制御電圧について以下説明する。入力される信号、ここでは70MHz IF(中間周波数)を例に説明すると、は、0°/90° HYBRID(ハイブリッド。以下では「HYBRID」を用いる)で直交位相成分の90°位相差で振幅差が0.6dB程度の小さい2信号に分配され、この2信号はそれぞれ別々に乗算器で振幅変調され、その乗算器の2出力を0°/0° 同相 HYBRIDにて合成して、図3に示す直交座標である「X(IN(1))」対「Y(IN(2))」座標を構成している。制御電圧は、一例として、0〜1voltとし、図3を用いて第1象限について説明すると、X軸(0°)からY軸(90°)に回転する状態を電圧で表すと、X電圧(IN(1))は1volt→0voltへ、Y電圧(IN(2))は0volt→1voltへ、変化する。図4a)と図4b)で4つの象限と電圧の関係をみると、第1象限から第2象限への移動、及び第3象限から第4象限への移動は、微小電圧であるX(IN(1))のゼロ近傍の極性で連続して変化させることが出来て、第1象限から第4象限への移動、及び第2象限から第3象限への移動は、微小電圧であるY(IN(2))のゼロ近傍の極性で連続して変化させることが出来るので、象限間で電圧のジャンプ(不連続)がなく、かつ1回(0→360°)、あるいは2回(360→720°)以上の複数回の回転をしても電圧制御値は変化しないので、エンドレスな極座標変換器が実現できる。
次に、極座標のもう一方の半径方向座標は、位相を一定としてY/X=一定の関係(XとYを一定比率関係)で、半径ra=(X2+Y2)0.5方向変化の座標である。図での説明は省略する。
従って、到来偏波形状を示すXPD と長軸の角度(r)は、受信装置の測定パラメータから、以下の式(1)、式(2)で求められる(再掲)。
XPD= AGC(A)-AGC(B)(単位dB、主偏波が右旋偏波の場合) (1)
r=[受信装置で測定された右旋偏波成分と左旋偏波成分の位相差]/2
+f(アンテナ機械構造の座標) (2)
で求められる。
移相器は、振幅(半径)と位相回転が独立して1つの集合回路で実現できる「極座標変換器」で回路が簡素化される。本受信装置は、衛星姿勢等に関わる偏波面内の変動や回転運動に対応して受信処理や偏波状態を表示できるものである。
Comb(k)はComb(k)={[(N1)2+(kN2)2]0.5}/[S1+S2・k]
で表される。ここで、kは信号間の合成前の利得比 (k=G2/G1)、G1:Better-ch、G2:Lower- ch である。アンテナは同一アンテナの2偏波端子であり、受信系の前段は低雑音化で管理しているので2台の前段の雑音特性はほぼ等しい。よって、ここではN2=N1とする。Comb(k)をkに関して微分し、(kに関して2次方程式)=0の成立条件を求めると、結果は k=SNR2/SNR1となる。N2=N1から、kは更に変形されてk=SNR2/SNR1=S2/S1(S2とS1の電力比)となる。
従って、最適合成の利得の設定は
Better-ch 利得
G1=1×/[1+(S2)/(S1)]
Lower-ch 利得
G1=k×/[1+(S2)/(S1)]
=[(AGC AMP8、9のBetter-ch利得Ga)/(AGC AMP8、9のLower-ch利得Gb)]
×/[1+(S2)/(S1)]
となる。誤差信号の最適合成器40、41も上記のBetter-ch 利得(Ga)及びLower-ch 利得(Gb)の設定と同じにする。
信号34は(∝[AZ誤差角度]+j・[EL誤差信号])、信号35は(∝[AZ誤差角度]−j・[EL誤差角度])なので、EL誤差電圧の極性が、正負(+/−)逆極性である。方位角(AZ)誤差信号は和信号と同相と定義したので実数表示され、仰角(EL)誤差信号は和信号より水平方向の90°差の位相回転(右旋偏波と左旋偏波では回転方向が異なるので正負極性となる)しているので虚数「j」を付けることが(電気・通信関係では)良く用いられる。合成器(加算)40と合成器(減算)41の2回路を設け、到来偏波形状によらない誤差信号(アンテナ追尾系の制御信号)であるAZ誤差信号、EL誤差信号を作成可能とする。
実施の形態2について、図19に基づいて説明する。図2は本実施の形態に係る受信装置の構成を示すブロック図である。ここで、4つの回路素子、0°/90° HYBRID、2つの乗算器、0°/0° 同相 HYBRID、で構成されたエンドレスな極座標変換器は、少ない遅延時間変動特性で設計されるが、位相を操作すると若干の遅延時間変動が発生する。衛星管制では、地上局に割り当てられる測距誤差は1m rms以下であり、かつその大半は複雑な処理をする測距装置に割り当てられる。従って、測距装置へのIF(中間周波数)信号の通路であるダイバーシティ受信装置は遅延時間変動を極力少なく設計する(例えば1ns以下)。
δLm≒C・(δT)/2 (3)
C:光の速度(m/s)
式(3)で、係数1/2を乗じているのは、測距装置は衛星・地上局間の往復時間を計測しているが、軌道決定やRARRで定義される距離は衛星と管制局の距離(片道)での表示なので、往復距離を半分の片道距離に変換するためである。C≒3×108 (m/s)を考慮し、δTをns(ナノ秒)単位の値を用いると、δLm(m)は、式(4)で表される。
δLm≒0.15・(δT) (4)
となり、1ns(=10-9秒)の受信装置遅延誤差で0.15m(=15cm)の誤差が出るので、1nsでも上記の遅延誤差を少なくする必要がある。
図19において、Endless Phase Shifter18、19、20、21の挿入されているチャネルのEndless Phase Shifterで衛星運用のRARRに関係するチャネルは、誤差信号を扱う20、21を除き、18、19の和信号チャネルに挿入されている。更にPhase Shifter駆動電圧作成回路44にて信号品質の低い側(Lower-ch)を、A-chのAGC電圧12とB-chのAGC電圧13を比較して判定し、信号品質が等しいか、または低く、かつ信号品質の差が10dB等の事前設定した閾値以内のときに、Endless Phase Shifterを挿入する。
なわち、右旋偏波成分の到来波電力はAチャネルのAGC電圧検出器36にて計測し、左旋偏波成分の到来波電力はBチャネルのAGC電圧検出器37にて計測して偏波パラメータのXPDはAとBのAGC電圧検出器の減算206で求めることからAとBに共通の変動成分は除去される。
実施の形態3について、図23、図24のフローチャートに基づいて説明する。上述のように、図11にて到来波の偏波形状と受信装置での受信状態を説明し、長軸に関する角度rとXPDの算出式を式(1)と式(2)で説明した。この式(1)、式(2)の計算方法をフローチャートの図(図23と図24)に示した。偏波の波形をPC画面等にビジブル表示し、あるいは長軸の角度(チルト角度)とXPDと記録日時分秒をログに記録し運用の便に供する。衛星アンテナ指向中心(ボアサイト)に地上局があればXPD=良い値(例として30dBとした)となるはずで、打ち上げ前衛星アンテナパターンデータと対応すれば大まかな指向角度誤差は解析できる。
実施の形態4として、図9に基づいて説明する。乗算器の制御について、更なる特徴は受信する偏波の交差偏波識別度(XPD)による移相動作停止である。交差偏波識別度(XPD)とは、任意の偏波は右旋偏波と左旋偏波の合成であり、両偏波の位相が一致するタイミング(同相位相関係)における偏波面を長軸として振幅が膨らみ、両偏波の位相差が180°になるタイミング(逆相位相関係)における偏波面を短軸として振幅が凹み、楕円偏波になり、分解された両(右旋と左旋の)偏波成分の振幅比を20・LOGとしてXPDという。XPDが0dBでは直線偏波を、XPDが無限大では主偏波(右旋偏波のみまたは左旋偏波のみの真円)を示す。XPDがある閾値(ここでは分かりやすい10dBとして図示した)より大きい値、25dB、30dB・・・を示すときは長軸を見出し難く、かつ交差偏波成分または直交偏波成分と言う成分(主偏波ではない成分)を無視しても受信機の動作が良好なので位相制御は継続し、最適合成をON/OFF制御する。
到来波の偏波形状、ここでは、特に長軸の動きについて説明する。到来波の偏波形状は、送信側の衛星のアンテナ特性、姿勢、軌道で変化し、伝搬路では主として降雨により高い周波数帯の電波で変化し、最後に受信側の地上局のアンテナ特性で変化し、これら各要素の合成で到来偏波の形状が決まる。各要素が円偏波に近い時は、一部の要素の偏波特性が少し変化しただけでも、最後の到来波の偏波特性の長軸が大きく変化することがある。このときは、交差偏波識別度(XPD)の変化は小さい。
この発明の実施の形態5について、図20、図21、図23、図24に基づいて説明する。
まず、図23、図24は、本実施例の形態3に係る受信装置の動作を示すフローチャートである。次に、図20、図21は、図23、図24のフローチャートの内容を衛星の軌道と到来偏波形状との関係から動作説明する図である。
図20は、本実施の形態に関わる到来偏波の偏波波形に関する受信波形の図であり、衛星が真円の円盤であるとしてその見え方を計算したものである。周回する衛星のアンテナは地球中心方向を自動的に指向し、その方向は衛星の構造体の+Z軸(地球の重心を指向する座標軸)となる。衛星が地上局の南方や北方から向かって来るときは衛星および衛星アンテナを横から見ることになる。衛星アンテナの偏波(XPD)パターンは公表されることがないので、ここでは例として上記+Z軸に固定した円盤を光学的に地上アンテナから見たものを示した。
実施の形態6について図1を用いて説明する。非特許文献1のp.51 Table 1 Summarized Resultsに示された2つの組合せケースの何れかを選択する。ケース1は「和信号と誤差信号も共に右旋偏波成分を選択する」、ケース2は「和信号と誤差信号も共に左旋偏波成分を選択する」であり、左旋偏波成分を選択するケース2では、仰角(EL)の誤差信号が反転するので、極性を反転させて、ケースの選択に関わらず誤差電圧の極性を一定にする。本発明では、ケースを選択する運用を改善し、偏波ダイバーシティ受信で右旋偏波成分と左旋偏波成分を最適合成し、偏波の状態に依らず、連続した追尾・受信を可能とする。最適合成では、合成する信号は位相が一致している必要があるので、副位相制御ループ同相になるよう制御する。
2 アンテナ給電装置、
3、4、5、6 給電部のSum信号(和信号)の右旋成分(R)と左旋成分(L)及びError信号(差信号)の右旋成分(R)と左旋成分(L)、
7 高周波装置、
8、9、10、11 自動利得制御増幅器(AGC AMP)、
12、13 Sum信号(和信号)の右旋成分(R)と左旋成分(L)のAGC制御電圧、
14、15、16、17 自動利得制御(AGC)が動作した到来受信レベルの影響を除いたSum信号(和信号)の右旋成分(R)と左旋成分(L)及びError信号(差信号)の右旋成分(R)と左旋成分(L)のIF信号、
18、19、20、21 極座標変換器(Endless Phase Shifter)、
22 和信号(Sum、Σ)の右旋偏波成分(R、A-ch)出力、
23 和信号(Sum、Σ)の左旋偏波成分(L、B-ch)出力、
24 誤差信号(Error、Δ)の右旋偏波成分(R、A-ch)出力、
25 誤差信号(Error、Δ)の左旋偏波成分(L、B-ch)出力、
26、27、28、29 ミクサー(周波数混合器)、
30 VCO(電圧制御発振器)、
31 ミクサーの局部発振信号、
32、33、34、35 自動利得制御(AGC)と位相調整されたIF信号、
36 A-chのAGC電圧検出器、
37 B-chのAGC電圧検出器、
38、39、40、41 最適合成器、
42 A-chとB-ch間の位相差検出器・積分器、
43 位相誤差信号、
44 Endless Phase Shifterの駆動電圧作成回路、
45、46 極座標変換器であるEndless Phase Shifterを駆動する制御信号、
47 最適合成器出力、
48 位相同期回路(PLL)のループフィルター、
49 VCOの制御信号、
50 ドップラー周波数偏移を含んだ最適合成器出力、
51 AZ誤差信号、
52 EL誤差信号、
53、54 誤差電圧検出器、
55 基準信号発生器、56 基準信号、
57 90°移相器、
58 90°移相された基準信号、
59 AZ誤差電圧、
60 EL誤差電圧、
61 最適合成器のA-ch合成信号ON/OFF信号、
62 最適合成器のB-ch合成信号ON/OFF信号。
Claims (10)
- 人工衛星からの到来電波を受信し、当該到来電波の有する直交する2種類の偏波成分を最適合成する受信装置において、
前記到来電波を受信するアンテナからの信号を入力とし、前記直交する2種類の偏波成分である右旋偏波成分と左旋偏波成分の和信号および右旋偏波成分と左旋偏波成分の差信号を作成するアンテナ給電装置と、
前記アンテナ給電装置からの出力をもとに前記2種類の偏波成分を受信信号として入力し当該受信信号の受信電力を計測するとともに、受信電力レベルの影響を取り除くためのAGC電圧検出器を含む自動利得制御ループと、
前記自動利得制御ループで自動利得制御され、AGC電圧検出器で検出された電圧をもとに右旋偏波と左旋偏波の電力比を計測するとともに、前記自動利得制御ループで自動利得制御された右旋偏波成分と左旋偏波成分の位相差を計測し、位相差を同相とする副位相制御ループと、
上記副位相制御ループに含まれ、2つの乗算器を持つ極座標変換器と、
上記互いに同相に位相制御された右旋偏波成分及び左旋偏波成分を右旋、左旋の各偏波成分のSNRで重み付けてRF信号またはIF信号にて最適合成して周波数と位相を追従制御する主位相同期ループと、
を備え、
前記極座標変換器は、前記2つの乗算器の制御電圧の2乗和が一定であり、かつ前記2つの乗算器の制御電圧を互いに直交する直交座標上で表した場合に、当該2つの直交座標上での位相角を連続制御することを特徴とする極座標変換器を有する受信装置。 - 前記極座標変換器は、0°/90° HYBRID、2つの乗算器、0°/0° 同相 HYBRIDの4つの回路素子で構成されたものであることを特徴とする請求項1に記載の極座標変換器を有する受信装置。
- 長軸の瞬時ジャンプを防止する閾値XPDを設定して位相制御をオンオフする制御装置を有する請求項1に記載の極座標変換器を有する受信装置。
- 信号系統に挿入した極座標変換器を構成する4素子の移相動作で生ずる若干の遅延時間変動を、両偏波成分合成後の信号により遅延回路を用いて補正して、測距信号を含むIFまたはRF信号の増幅及び偏波ダーバーシティを行う請求項1に記載の極座標変換器を有する受信装置。
- 自動制御された誤差信号の右旋偏波成分と左旋偏波成分をRFまたはIF信号にて加算する合成器と、自動制御された誤差信号の右旋偏波成分と左旋偏波成分をRFまたはIF信号にて減算する合成器をもち、ダイバーシティ合成された追尾誤差信号AZと追尾誤差信号ELを出力する請求項1に記載の極座標変換器を有する受信装置。
- 衛星が地平線から現れる捕捉時に位相設定は水平方向に長軸を有する到来偏波に対応した位相角度で待ち受ける請求項1に記載の極座標変換器を有する受信装置。
- 衛星からアンテナを経由し受信装置までの利得変動を極座標変換器の半径方向制御にて補正する機能、最適合成比による利得または減衰制御とエンドレスな移相特性の2機能を極座標変換器にて同時に実現する請求項1に記載の極座標変換器を有する受信装置。
- 人工衛星からの到来電波を受信し、当該到来電波の有する直交する2種類の偏波成分を最適合成する受信装置において、
前記到来電波を受信するアンテナからの信号を入力とし、前記直交する2種類の偏波成分である右旋偏波成分と左旋偏波成分の和信号および右旋偏波成分と左旋偏波成分の差信号を作成するアンテナ給電装置と、
前記アンテナ給電装置からの出力をもとに前記2種類の偏波成分を受信信号として入力し当該受信信号の受信電力を計測するとともに、受信電力レベルの影響を取り除くためのAGC電圧検出器を含む自動利得制御ループと、
前記自動利得制御ループで自動利得制御され、AGC電圧検出器で検出された電圧をもとに右旋偏波と左旋偏波の電力比を計測するとともに、前記自動利得制御ループで自動利得制御された右旋偏波成分と左旋偏波成分の位相差を計測し、位相差を同相とする副位相制御ループと、
上記副位相制御ループに含まれ、2つの乗算器を持つ極座標変換器と、
上記互いに同相に位相制御された右旋偏波成分及び左旋偏波成分を右旋、左旋の各偏波成分のSNRで重み付けてRF信号またはIF信号にて最適合成して周波数と位相を追従制御する主位相同期ループと、
を備え、
前記和信号の右旋偏波成分の自動利得制御電圧と前記和信号の左旋偏波成分の自動利得制御電圧の差で到来偏波のXPDを算出するとともに表示し、前記右旋偏波成分と左旋偏波成分の計測した位相差でアンテナの座標変換を補正後に到来偏波の長軸位置を表示したことを特徴とする極座標変換器を有する受信装置。 - 前記位相差の時間変動率を計算し、その角度時間変動率の1/2倍を衛星姿勢回転(°/sec)とした請求項8に記載の極座標変換器を有する受信装置。
- 前記位相差の時間変動率を常時計算しその角度時間変動率の1/2倍を衛星姿勢回転として時間変動率とし、前記和信号の右旋偏波成分の自動利得制御電圧と前記和信号の左旋偏波成分の自動利得制御電圧の差を前記到来偏波XPDとし、前記位相差と前記XPDのパラメータから到来偏波形状の楕円偏波形状を実時間で画像表示した請求項8に記載の極座標変換器を有する受信装置。
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