ドップラーシフト生成装置
【課題】高周波信号に、電波状態のままで時系列的な速度差（ドップラーシフト効果）を付加すること。
【解決手段】指向性アンテナ６は、無線伝搬路８を経由して回転反射体１に向けて電波を送信する。回転反射体１および回転軸体２は、駆動手段により、回転軸３の回りを回転方向４の方向に回転する。このとき、回転反射体１は、螺旋形を成すために反射面は５に示す方向に移動する。回転反射体１に反射された電波は反射伝搬路９を経由して供試無線機１０に受信される。
【解決手段】指向性アンテナ６は、無線伝搬路８を経由して回転反射体１に向けて電波を送信する。回転反射体１および回転軸体２は、駆動手段により、回転軸３の回りを回転方向４の方向に回転する。このとき、回転反射体１は、螺旋形を成すために反射面は５に示す方向に移動する。回転反射体１に反射された電波は反射伝搬路９を経由して供試無線機１０に受信される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信および電波伝搬の試験に用いられるドップラーシフト生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数資源は自然界に存在する有用な通信手段の必須要素である。このため、ほぼ全ての周波数は利用が公的に制限されている。したがって、無線通信機器の研究・開発・製造においても電波暗室や電波遮蔽室などを用いて行うことが前提である。しかし、実際の無線機器が利用する電波伝搬環境は、フェージング効果やドップラー効果などの影響により、複雑で時々刻々変化する。
【０００３】
このため、従来は、屋外環境を模すために、フェージングシミュレータなどを用いて試験を行ってきた（特許文献１、特許文献２、非特許文献１、非特許文献２）。
【０００４】
フェージングシミュレータは、送信出力を一旦サンプリング手段でデジタル化した後、ベースバンド信号を取り出してフェージング効果に相当する遅延波合成を施し、変調ならびに周波数変換を行い、原信号の搬送波周波数に戻すものである。
【０００５】
特許文献２は、アレーアンテナ用フェージングシミュレータであり、アレーアンテナの各素子から出力される複数の到来波によるフェージング信号を模擬する模擬フェージング信号を発生するものである。
【０００６】
このフェージングシミュレータでは、送り出すべき情報を送信信号発生器により生成し、アレーアンテナの素子数に等しい電波伝搬路を回路上に構成し、送出するものである。模擬フェージング信号として、到来波の入射方向の角度広がりを持つ模擬フェージング信号を発生させることにより、より実際に近い条件のもとで受信系と信号処理系とを含む受信装置の特性や機能の評価を実現可能とするように構成されている。
【０００７】
角度広がりを持つ模擬フェージング信号を発生する手段は、アレーアンテナの素子と同数のＤＤＳ（ダイレクト・ディジタル・シンセサイザ）、および、これらＤＤＳのそれぞれに設定する位相と振幅とを更新する手段から構成され、実際に近い模擬フェージング信号を発生させることができる。
【０００８】
この方法では、各ＤＤＳに設定する位相と振幅とを信号の最大ドップラー周波数のナイキスト条件を満足する周期で更新することにより、現実的な模擬フェージング信号を発生することができる。さらに各ＤＤＳの出力と変調信号とをアナログ乗算することにより、より広ダイナミックレンジの模擬フェージング信号を発生させることができる。さらに、複数の到来波の入射方向の角度広がりを持つ模擬フェージング信号を発生する手段を複数備え、かつそれぞれから出力されるアレーアンテナの素子数と同数の出力信号を合成して対応の素子ごとに出力する信号合成手段を備えることにより、より実際的な模擬フェージング信号を発生させることができる。
【０００９】
また、従来のドップラーシフト生成装置は、対象とする高周波信号を、一旦受信して検波ならびにＡ／Ｄ変換した後に、ＤＤＳ（ダイレクト・ディジタル・シンセサイザ）等を用いて位相と振幅とを信号の最大ドップラー周波数のナイキスト条件を満足する周期で更新させ、そのディジタルデータをＤ／Ａ変換し変調ならびに周波数変換を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２９８５３６号公報
【特許文献２】特開２００２−３２５０１１号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】大國英徳,工藤栄亮, 安達文幸, "任意の多重波到来角分布のフェージング波を発生する周波数選択性フェージングシミュレータ," 第5回DSP教育者会議, pp.55-60, 2002年9月. 公開URL: http://www.mobile.ecei.tohoku.ac.jp/paper/pdf/rcs_2002/09_rcs_2002_sao.pdf（図２）
【非特許文献２】Agilent社Multipath Fading Simulator/Signature Test Set製品品番11757BのProduct Overview 掲載URL:[http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5091-1052EN.pdf]“Agilent 11757B Multipath Fading Simulator/Signature Test Set Product Overview”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来のドップラーシフト生成装置は、対象とする高周波信号を、本来の搬送波周波数という高い周波数の上ではなく、一旦受信して検波ならびにＡ／Ｄ変換した後に、位相と振幅とを信号の最大ドップラー周波数のナイキスト条件を満足する周期で更新させ、そのディジタルデータをＤ／Ａ変換し変調ならびに周波数変換を施すため、本来の高周波信号が有する変調精度や周波数特性が、ドップラーシフト生成装置に内在する誤差や雑音で劣化する。さらに、従来のドップラーシフト生成装置は、周波数帯の異なる複数の高周波信号が存在する場合に対処できない。また、電波伝搬路は、無線通信システムにとって、ダウンリンクとアップリンクすなわち、無線基地局に代表されるネットワーク系から無線端末への伝搬と、無線端末から基地局への伝搬の双方に対してドップラー効果を必要とするが、従来のドップラーシフト生成装置は、前述のとおり、一旦通信を受信し、その成分を抽出した後にドップラーシフト効果なりフェージング効果を付加する、一方向の通信となるため、実態に即した試験環境を構築することが難しい。
【００１３】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、高周波信号に、電波状態のままで時系列的な速度差（ドップラーシフト効果）を付加することができるドップラーシフト生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のドップラーシフト生成装置は、指向性アンテナから送信された指向性を有する電波に対してドップラーシフトを付加する生成装置であって、一つの回転軸周りに回転可能な回転軸体と、前記回転軸体に取り付けられ、前記電波を反射させる反射面が螺旋形を為し、前記反射面の半径方向が前記回転軸に対して約９０度の角度を有する回転反射体と、前記回転軸体を所定の速度で回転させる駆動手段と、を具備する構成を採る。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、反射面が螺旋形を為す高速回転体を備えることにより、高周波信号を高速回転体に反射させれば、電波状態の高周波信号に時系列的な速度差（ドップラーシフト効果）を付加することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１に係るシステムの構造を示す図
【図２】本発明の実施の形態１のドップラーシフト生成装置の構造を示す図
【図３】本発明の実施の形態２のドップラーシフト生成装置の構造を示す図
【図４】本発明の実施の形態３に係るシステムの構造を示す図
【図５】本発明の実施の形態４に係るシステムの構造を示す図
【図６】本発明の実施の形態５に係るシステムの構造を示す図
【図７】図６に概念を示したマルチパスフェージング生成用のアンテナ群を含むマルチパスフェージング生成装置の構成を示した図
【図８】移動体と伝搬路との間の位置関係によるドップラーシフト周波数の関係を示す図
【図９】本発明の実施の形態６に係るシステムの構成を示す図
【図１０】アンテナに生じるドップラーシフト周波数について説明する図
【図１１】レイリーフェージングあるいはライスフェージングを生成する場合のシステム全体を示す図
【図１２】都市環境本来の状況を考慮した場合のマルチパスフェージング生成システムを示す図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るシステムの構成を示す図である。１は回転反射体、２は回転軸体、３は回転反射体１および回転軸体２の回転軸、４は回転反射体１および回転軸体２の回転方向、５は回転反射体１の反射面の移動方向を示す。６は回転反射体１に向けて指向性を有する電波（高周波信号）を送信する指向性アンテナ、７は指向性アンテナ６に接続する無線システムとの接続線、８は指向性アンテナ６から送信された電波が通過する無線伝搬路、９は無線伝搬路８を通過した電波が回転反射体１により反射された後に通過する反射伝搬路、１０は反射伝搬路を通過した電波を受信する供試無線機、１１は電波暗室、１２は指向性アンテナ６と供試無線機１０との直接の無線結合を防ぐ手段を示す。
【００１９】
図１を用いて、本実施の形態に係るシステムの作用を説明する。任意の無線システムからの接続線７と接続された指向性アンテナ６は、無線伝搬路８を経由して回転反射体１に向けて電波を送信する。回転反射体１および回転軸体２は、図示しない駆動手段により、回転軸３の回りを回転方向４の方向に回転する。このとき、回転反射体１は、らせん形（螺旋形）を成すために反射面は５に示す方向に移動する。回転反射体１に反射された電波は反射伝搬路９を経由して供試無線機１１に受信される。これらの構成は電波暗室１１内に置かれる。電波暗室１１と無線結合の防止手段１２とにより、所望の無線伝搬路以外の無線伝搬路の発生を防止する。
【００２０】
図２は、本実施の形態のドップラーシフト生成装置の構造を示す図である。なお、図２において、図１と共通する部分には図１と同一符号を付して説明を省略する。１３は回転反射体１の回転半径、１４は回転反射体１の反射面部分の径、１５は回転反射体１の回転軸部分の径、１６は回転反射体１のらせん形状が有するピッチ、１７は回転反射体１の反射面の半径との法線方向、１８は回転反射体１の回転軸と反射面法線方向との成す角度を示す。
【００２１】
図２を用いて、本実施の形態のドップラーシフト生成装置の作用を説明する。回転反射体１は、ピッチ１６を有する螺旋形を有する。螺旋の効果により、反射面は回転反射体１が１回転するとピッチ１６に相当する移動距離が与えられる。他方、回転反射体１の反射面は、反射面と回転軸３との成す角度１８を直角にしている。このため反射体が供する移動距離は、そのまま無線伝搬路に対して伝搬路長変化として扱える。すなわち、反射面と回転軸３の成す角度１８をθとし、ピッチ１６をｐ(mm)とし、回転速度をｒ(回転/分)とすると、１時間当たりの反射面が示す移動距離ｌ(mm)は、以下の式（１）で与えられる。ここで、式（１）の初項の数値「２」は、後述の図１０に示すように電波の波源の反射面内の虚像が反射体の移動速度の２倍の速度で移動しているように作用することを意味する。
【数１】
【００２２】
θ＝９０°であるので、移動距離ｌ(mm)は、以下の式（２）となる。
【数２】
【００２３】
今、ピッチｐを５０mm、回転速度ｒを１５,０００回／分とすると、反射面の移動距離ｌは、９０,０００,０００mm、すなわち９０kmとなる。これは回転反射体１により、電波伝搬路上で時速９０kmの移動効果を生成することとなる。
【００２４】
例えば、周波数１,０００MHzの無変調波で考えると、ドップラーシフト周波数ｆｄは以下の式（３）で与えられる。
【数３】
【００２５】
また周波数を２,０００MHとすれば、容易に１６６.６Hzのドップラーシフト周波数が得られるだけでなく、１,０００MHzと２,０００MHzの２種類の電波に対して同時に機能する。さらに、本方式は電波伝搬路の方向性を限定するものではなく、図１の伝搬路の矢印の向きと逆方向の伝搬に対しても、同時かつ同等にドップラーシフトを与えるものである。
【００２６】
このように、本実施の形態によれば、反射面が螺旋形を為す高速回転体を備えることにより、高周波信号を高速回転体に反射させれば、電波状態の高周波信号に時系列的な速度差（ドップラーシフト効果）を付加することができ、従来のドップラーシフト生成装置の前述の課題をすべて解決することができる。
【００２７】
（実施の形態２）
上記本実施の形態１に示したドップラーシフト生成装置は、螺旋形の反射体を高速に回転することが必要である。この装置によれば、円盤の空気抵抗による発熱が、円盤を破壊する可能性がある。実施の形態２は、この課題を解決するものである。
【００２８】
図３は、本実施の形態のドップラーシフト生成装置の構造を示す図である。なお、図３において、図１あるいは図２と共通する部分には図１あるいは図２と同一符号を付して説明を省略する。２１は第１の羽根、２２は第２の羽根、２３は第１の羽根２１の第１の先端部と切り替わる第２の羽根２２の先端部の間に存するピッチ、２４は第１の羽根２１の第２の先端部と切り替わる第２の羽根２２の先端部の間に存するピッチを示す。
【００２９】
図３を用いて本実施の形態のドップラーシフト生成装置の作用を説明する。図２に示したドップラーシフト生成装置は、ピッチ部すなわち円盤不連続部での段差が大きい。図３に示すドップラーシフト生成装置は、円盤を２枚の羽根に分割しており、ピッチ部での段差を図２に対して２分の１にすることができる。これにより、不連続部の断面に生成する空気流体抵抗を半減させることができる。さらに、本実施の形態では、分割数を増やすこともできる。分割数をｎ、ピッチ１６をｐ(mm)とし、回転速度をｒ(回転／分)とすると、上記式（２）を次の式（４）に変形することができる。
【数４】
【００３０】
この方法によれば、上記実施の形態１で必要な回転速度とピッチの積を同一にした上で、分割数により回転速度を低下させたり、ピッチ幅を少なくさせたりすることが自由にできるようになる。
【００３１】
このように、本実施の形態によれば、反射回転体の生成する発熱を軽減することができる。
【００３２】
（実施の形態３）
都市部における移動体でのドップラーシフト作用は、建造物等からの反射が移動体の前方だけでなく、後方からも到来することを考慮すべきである。実施の形態３は、この課題を解決する方法を提供する。図４は、本実施の形態に係るシステムの構造を示す図である。なお、図４において、図１と共通する部分には図１と同一符号を付して説明を省略する。
【００３３】
図４において、３１は回転反射体、３２は回転軸体、３３は回転反射体３１および回転軸体３２の回転軸、３４は回転反射体３１および回転軸体３２の回転方向、３５は回転反射体３１の反射面の移動方向を示す。３６は回転反射体３１に向けて指向性を有する電波（高周波信号）を送信する指向性アンテナ、３７は指向性アンテナ６と指向性アンテナ３６に接続する無線システムとの接続線７を接続するための分配器、３８は指向性アンテナ３６から送信された電波が通過する無線伝搬路、３９は無線伝搬路３８を通過した電波が回転反射体３１により反射された後に通過する反射伝搬路を示す。
【００３４】
図４を用いて、本実施の形態に係るシステムの作用を説明する。任意の無線システムからの接続線７と接続された指向性アンテナ６と指向性アンテナ３６は、それぞれの無線伝搬路８と無線伝搬路３８により回転反射体１および回転反射体３１に向けている。回転反射体３１は、回転反射体１が有する反射面の移動方向５とは異なる移動方向３５を有しており、回転反射体３１により反射伝搬路３９に生成されるドップラーシフト周波数は、回転反射体１により反射伝搬路９に生成されるドップラーシフト周波数に対して、相反した極性を有する。図４において、回転反射体１と回転反射体３１は、同一形状をしており、それぞれの回転方向４と回転方向３４を相反する方向にしてこれを実現している。これにより供試無線機１０に到達する電波は、正負のドップラーシフト周波数を得る。
【００３５】
なお、回転反射体１および回転反射体３１の反射面のピッチ方向を相反するものとして、回転方向４および回転方向３４を同一にすることによっても、供試無線機１０に到達する電波は、正負のドップラーシフト周波数を得る。
【００３６】
このように、本実施の形態によれば、都市部に発生することが多い正負のドップラーシフト作用を提供することができる。また、本方式が電波伝搬路の方向性を限定するものではなく、図４の伝搬路の矢印の向きと逆方向の伝搬に対しても、同時かつ同等にドップラーシフトを与えるものであることは、上記実施の形態１と同様である。
【００３７】
（実施の形態４）
従来のドップラーシフト生成装置は、対象とする高周波信号を、一旦受信して検波ならびにＡ／Ｄ変換した後に、位相と振幅とを信号の最大ドップラー周波数のナイキスト条件を満足する周期で更新させ、そのディジタルデータをＤ／Ａ変換し変調ならびに周波数変換を施すものである。この方法では、周波数帯の異なる複数の高周波信号が存在する場合に対処できない。実施の形態４では、この従来の課題を解決する方法を提供する。図５は、本実施の形態に係るシステムの構造を示す図である。なお、図５において、図４と共通する部分には図４と同一符号を付して説明を省略する。
【００３８】
図５において、４０は回転反射体１および回転反射体３１に向けて指向性を有する電波を送信する指向性アンテナ、４１は指向性アンテナ４０に接続する第２の無線システムとの接続線、４２は指向性アンテナ６から回転反射体１に向けて送信された電波が通過する無線伝搬路、４３は無線伝搬路４２を通過した電波が回転反射体１により反射された後に通過する反射伝搬路、４４は指向性アンテナ６から回転反射体３１に向けて送信された電波が通過する無線伝搬路、４５は無線伝搬路４４を通過した電波が回転反射体３１により反射された後に通過する反射伝搬路、４６は指向性アンテナ４０から回転反射体１に向けて送信された電波が通過する無線伝搬路、４７は無線伝搬路４６を通過した電波が回転反射体１により反射された後に通過する反射伝搬路、４８は指向性アンテナ４０から回転反射体３１に向けて送信された電波が通過する無線伝搬路、４９は無線伝搬路４８を通過した電波が回転反射体３１により反射された後に通過する反射伝搬路を示す。
【００３９】
図５を用いて、本実施の形態に係るシステムの作用を説明する。一般にアンテナは周波数特性を有する。このため、複数種の周波数帯に対応した無線システムを構築するためには、周波数帯に対応したそれぞれのアンテナを用いることが自然である。いま、第１の周波数に指向性アンテナ６を、第２の周波数に指向性アンテナ４０を対応させるとする。図５に示す本実施の形態のシステムでは、この２基の指向性アンテナのそれぞれが、無線伝搬路４２、４４、４６および４８を介して回転反射体１と回転反射体３１に電波を送信する。回転反射体１と回転反射体３１にて反射された電波は、それぞれ反射伝搬路４３、４５、４７および４９を介して、供試無線機１０に受信される。
【００４０】
このように、本実施の形態によれば、異なる周波数帯の無線システムの電波に対して、同時に正負のドップラーシフト周波数を提供することができる。また、本方式が電波伝搬路の方向性を限定するものではなく、図５の伝搬路の矢印の向きと逆方向の伝搬に対しても、同時かつ同等にドップラーシフトを与えるものであることは、上記実施の形態１および実施の形態３と同様である。
【００４１】
なお、図５のシステムにおいて、正負のドップラーシフト周波数の一方が不要の場合に、回転反射体を単一にすることも可能である。
【００４２】
（実施の形態５）
都市部においては、建物反射が単純ではなく、複数の建物からの反射を考慮する必要がある。従来、複数の周波数帯の無線システムに対するマルチパスフェージング環境を擬似する手段の実現が困難であるという課題がある。本実施の形態は、この従来の課題に対して解決の方法を提供するものである。図６は、本実施の形態に係るシステムの構造を示す図である。なお、図６において、図５と共通する部分には図５と同一符号を付して説明を省略する。
【００４３】
図６において、５０は無線システムとの接続線７に接続された第１のマルチパスフェージング生成用のアンテナ群、５１は第２の無線システムとの接続線４１に接続された第２のマルチパスフェージング生成用のアンテナ群、５２はアンテナ群５０から回転反射体１に向けて送信された電波が通過する無線伝搬路、５３は無線伝搬路５２を通過した電波が回転反射体１により反射された後に通過する反射伝搬路、５４はアンテナ群５０から回転反射体３１に向けて送信された電波が通過する無線伝搬路、５５は無線伝搬路５４を通過した電波が回転反射体３１により反射された後に通過する反射伝搬路、５６はアンテナ群５１から回転反射体１に向けて送信された電波が通過する無線伝搬路、５７は無線伝搬路５６を通過した電波が回転反射体１により反射された後に通過する反射伝搬路、５８はアンテナ群５１から回転反射体３１に向けて送信された電波が通過する無線伝搬路、５９は無線伝搬路５８を通過した電波が回転反射体３１により反射された後に通過する反射伝搬路を示す。
【００４４】
図６を用いて、本実施の形態に係るシステムの作用を説明する。いま、第１の周波数にマルチパスフェージング生成用のアンテナ群５０を、第２の周波数にアンテナ群５１を対応させるとする。図６に示すシステムでは、この２群のアンテナ群のそれぞれが、無線伝搬路５２、５４、５６および５８を介して回転反射体１と回転反射体３１に電波を送信する。回転反射体１と回転反射体３１にて反射された電波は、それぞれ反射伝搬路５３、５５、５７および５９を介して、供試無線機１０に受信される。
【００４５】
図７は、図６に概念を示したマルチパスフェージング生成用のアンテナ群を含むマルチパスフェージング生成装置の構成を示した図である。図７において、６１は図６における無線システムとの接続線７に相当する。６２は分配器、６３は電子制御可能な伝送量調整部、６４は伝送量調整部６３の伝送量調整素子、６５はパスである伝搬路のそれぞれの遅延量調整部、６６は遅延量調整部６５の遅延量調整素子、６７は伝搬路のアンテナ群、６８はアンテナにより生成される電波伝搬路を示す。６９は電子制御部、７０は制御信号線である。
【００４６】
図７を用いて、マルチパスフェージング生成方法を説明する。無線システムとの接続線６１は、複数の伝搬路を模擬するために分配器６２により複数の線路に分割される。この線路は伝送量調整部６３接続され、伝送量調整部６３を構成する伝送量調整素子６４を通る、その各出力線路は遅延量調整部６５に接続し、遅延量調整部６５を構成する伝送量調整素子６６によりそれぞれの遅延量が与えられる。図７においては、所望の遅延量に相当する線路長を有するケーブルで構成している。それぞれ遅延時間ｔｄ１、ｔｄ２、ｔｄ３、ｔｄ４、ｔｄ５、ｔｄ６、ｔｄ７、ｔｄ８を与える。遅延量調整部６５の各出力線路は、線路数のアンテナを備えたアンテナ群６７に接続されて、電波となり電波伝搬路６８を形成する。以上により、電波伝搬路６８においてマルチパスフェージング環境が構築される。
【００４７】
このように、本実施の形態によれば、異なる周波数帯の無線システムの電波に対して、同時に正負のドップラーシフト周波数を有するマルチパスフェージング環境を提供することができる。また、本方式が電波伝搬路の方向性を限定するものではなく、図６の伝搬路の矢印の向きと逆方向の伝搬に対しても、同時かつ同等にドップラーシフトを与えるものであることは、上記実施の形態１、実施の形態３および実施の形態４と同様である。
【００４８】
なお、図６のシステムにおいて、正負のドップラーシフト周波数の一方が不要の場合に、回転反射体を単一にすることも可能である。
【００４９】
（実施の形態６）
ここで、実際の屋外環境においては、図８に示すように、多重伝搬路すなわちマルチパスによる様々なドップラーシフト周波数が生成される。図８は、移動体と伝搬路との間の位置関係によるドップラーシフト周波数の関係を示す図である。
【００５０】
図８において、移動体８１が速度ｖ（ｔ）で進行し、電波伝搬路８２が角度θにて到来したとすると、到来波の相対速度はｖ（ｔ）cosθで与えられる。一般には異なる角度からの到来波が複数存在する。都市部では基地局から送信された電波が、建物などで反射、回折または散乱を受けて受信点に到達する場合が多い。この場合に、基地局からの直接波が見えない環境で移動しながら受信する場合に、到来波の合成波の振幅は、時間の関数において平均値が「０」で、等しい分散を持つ。これをレイリーフェージングと呼ぶ。レイリーフェージングは、受信波の振幅強度の確立分布がレイリー分布するために命名されたものである。理論的には、到来する受信波の数がＮで、それぞれの振幅をａｉ、位相をφｉとすると、受信点での合成波の時間ｔに対する変動は、搬送波の角周波数をωｃとして次の式（５）のように表すことができる。
【数５】
【００５１】
ここで、Ｎが十分に大きく、各到来波の振幅ａｉがほぼ等しく、位相φｉがランダムであるとする。受信点を移動させてａｉを観測すると、上記式（５）の振幅の正弦の合成値と振幅の余弦の合成値とは、平均値が「０」、等しい分散値の、互いに独立な正規分布を持つものとなる。このとき、受信振幅がＲになる確率ｐ（Ｒ）は次の式（６）で与えられる。
【数６】
【００５２】
これは、受信点を移動して観測される、受信波の振幅レベルＲの出現確率を表している。これがレイリー分布であり、受信波に対して或る振幅レベルＲｄを設定したとき、Ｒｄ以下となる累積確率分布はＰ（Ｒｄ）である（式（７）参照）。
【数７】
【００５３】
これに対して、基地局が見える環境での多重伝搬路においては、ライスフェージングが生成される。基地局アンテナが見える、見通し内伝搬や、到来波の一つＥｏが他の波より非常に強いとき、受信振幅がＲになる確率ｐ（Ｒ）は次の式（８）で与えられる。これはライス（または仲上-ライス）分布と呼ばれる。なお、式（８）において、σ／２はＥｏ以外の到来波の合成電力で、ｒはＥｏの電力とσ／２の比である。また、Ｉｏ（ｘ）は０次の変形ベッセル関数である。
【数８】
【００５４】
上記式（５）において受信点の移動速度をｖ（ｔ）で与えると、角周波数ωｃと位相φｉを次の式（９）に示す関係にする必要がある。速度ｖ（ｔ）で走行する場合の角度θからの到来波の周波数ωｃはωｃ（θ）の合成として表されるべきであることから、上記式（５）に式（９）を代入すると次の式（１０）になる。
【数９】
【数１０】
【００５５】
式（１０）は、様々な方角θと遅延時間から生じる位相φｉによる係数項が主波cosωｃｔおよびsinωｃｔに乗ぜられていることを示す。ここで、式（１０）において、ωｃ×ｖ／ｃはドップラー周波数であり、ωｃ×（ｖ／ｃ）×cosωθｉが各方角からのベクトル成分としてのドップラー周波数である。上記式（１０）は、標準的な場合として、次の式（１１）で表すことができる。
【数１１】
【００５６】
すなわち、レイリーフェージング環境あるいはライスフェージング環境を模擬するためには、単一のドップラー周波数の生成だけでは、シミュレーションが不十分である場合がある。
【００５７】
そこで、本実施の形態では、上記実施の形態１等で説明した円盤型反射体を用いて、フェイリーフェージング環境あるいはライスフェージング環境が示す複数のドップラーシフト周波数を生成する場合について説明する。具体的には、上記実施の形態１等で説明した円盤型反射体へ、照射角度すなわち入射角と出射角の組が互いに異なる複数の電波を照射する。
【００５８】
図９は、本実施の形態に係るシステムの構成を示す図である。図９に示すように、ドップラーシフト生成装置９１は、回転反射体９２と、回転反射体９２に回転を与える回転手段９３と、回転反射体９２を収容する容器９５と、を有する。なお、図９には、回転反射体９２と回転手段９３とを結ぶ回転軸９４、回転反射体９２の反射面の移動方向９６、回転反射体９２の反射面（反射に利用する部分）９７、電波の伝搬路群９８、伝搬路９８と回転反射体９２の軸とのなす角度（入射角）９９が示されている。また、図９には、それぞれ異なる角度で電波を回転反射体９２に照射し或いは受信する指向性アンテナ群１０１〜１０６、１１１〜１１６が示されている。
【００５９】
以下、図９を用いて、本実施の形態に係るシステムの作用を説明する。いま、アンテナ１０１からの電波の伝搬路９８は、入射角９９を以って反射面９７に入る。反射面９７で反射された電波は、入射角９９と等しい角度で反対方向に進みアンテナ１１１に入る。同様の原理で、アンテナ１０２からアンテナ１１２へ、アンテナ１０３からアンテナ１１３へ、アンテナ１０４からアンテナ１１４へ、アンテナ１０５からアンテナ１１５へ、アンテナ１０６からアンテナ１１６へ、それぞれ電波が到達する。
【００６０】
このとき、反射面の速度はｖとして、それぞれのアンテナに生じるドップラーシフト周波数について図１０を用いて説明する。
【００６１】
図１０には、時刻ｔ０における回転反射体の反射面の位置１２１、時刻ｔ１における回転反射体の反射面の位置１２２、入射伝搬路１２３、入射伝搬路１２３に対する反射点１２４、入射伝搬路１２３に対する反射波伝搬路１２５、時刻ｔ１における反射点１２６、時刻ｔ１における入射路１２３に対する反射波伝搬路１２７、入射路１２３を形成するアンテナ１２８、反射波伝搬路１２５および１２７を収容するアンテナ１２９、アンテナ１２８の電波放射点１３０、入射伝搬路１２３の入射角１３１、反射波伝搬路１２５の反射角１３２、時刻ｔ０における反射面１２１によるアンテナ１２８の電波放射点１３０の鏡像１３４、アンテナ１２８の時刻ｔ０における鏡像１３５、時刻ｔ１における電波放射点１３０の鏡像１３６、時刻ｔ１におけるアンテナ１２８の鏡像１３７が示されている。
【００６２】
入射波１２３は、時刻ｔ０において、反射点１２４において反射され、反射波１２５となる。このとき、鏡像１３４は、鏡面（反射面）１２１からの法線方向ｌと等しい反対側に位置する。
【００６３】
次に、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間に反射面１２１から反射面１２２に移動すると、鏡像１３４は鏡像１３６に移動する。反射波を受信するアンテナ１２９から見ると、あたかも電波が鏡像アンテナから放射されているように見える。
【００６４】
ここで、鏡像は、反射面の移動距離Ｌの２倍を移動するが、鏡像のアンテナ１２９に対する移動距離は、２Ｌcosθとなる。次の式（１２）に示すように、時刻ｔ０と時刻ｔ１との差で除算することにより、鏡像アンテナのアンテナ１２９に対する移動速度が、求まる。
【数１２】
【００６５】
この式（１２）から明らかなように、鏡像アンテナのアンテナ１２９に対する移動速度は、入射角度がゼロの時、すなわち反射面に垂直に入射した場合に対して、cosθだけ小さくなる。これは、図８に示した移動体と伝播路のなす角度とから成るドップラーシフト周波数の低下と全く同一効果が得られることを示している。
【００６６】
すなわち、図９に示したように、互いに異なる入射角を有する電波を回転反射体の反射面で反射させれば、互いに異なるドップラーシフト周波数を生成することができることは明らかである。
【００６７】
図１１にレイリーフェージングあるいはライスフェージングを生成する場合のシステム全体を示す。図１１は、図７に、本実施の形態の目的に沿う変更を加えたものである。なお、図１１において、図７と共通する部分には、図７と同一の符号を付し、その詳しい説明を省略する。
【００６８】
図１１には、図７に対して、新たに、マルチパスを形成するためのアンテナ群７１、伝搬路７２、反射波を収容するアンテナ群７３、アンテナ群７３で収容した反射波を合成する合成器７４、合成器７４の出力７５が示されている。
【００６９】
図９のアンテナ群１０１から１０６が図１１のアンテナ７１に対応し、図９の入射伝搬路群および反射伝搬路群が図１１の伝搬路７２に対応し、図９のアンテナ群１１１〜１１６が図１１のアンテナ群７４に対応する。従って、図１１において、上記式（１１）に対応する機能が具備されることが明らかである。
【００７０】
図１２に、都市環境本来の状況を考慮した場合のマルチパスフェージング生成システムを示す。なお、図１２において、図１１と共通する部分には、図１１と同一の符号を付し、その詳しい説明を省略する。
【００７１】
図１２には、図１１に対して、新たに、マルチパスの電波強度と遅延量を調整した各パスの出力を束ねる合成器７６、合成器７６の出力をアンテナ群７１に伝える手段７７、アンテナ群７１に合成器７６の出力を分割する分配器７８、アンテナ群それぞれに対応した電力調整を図る減衰器群７９が示されている。
【００７２】
すなわち、図１２に示したマルチパスフェージング生成システムは、マルチパスで到来した電波群に対して、一律にレイリーフェージングもしくはライスフェージング化を施すものである。
【００７３】
このように、本実施の形態によれば、互いに異なる入射角を有する電波を回転反射体の反射面で反射させることにより、互いに異なるドップラーシフト周波数を生成することができ、レイリーフェージング環境あるいはライスフェージング環境を模擬することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、無線通信および電波伝搬の試験に用いるに好適である。
【符号の説明】
【００７５】
１，３１ 回転反射体
２，３２ 回転軸体
６，３６ 指向性アンテナ
１０ 供試無線機
５０，５１ アンテナ群
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信および電波伝搬の試験に用いられるドップラーシフト生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数資源は自然界に存在する有用な通信手段の必須要素である。このため、ほぼ全ての周波数は利用が公的に制限されている。したがって、無線通信機器の研究・開発・製造においても電波暗室や電波遮蔽室などを用いて行うことが前提である。しかし、実際の無線機器が利用する電波伝搬環境は、フェージング効果やドップラー効果などの影響により、複雑で時々刻々変化する。
【０００３】
このため、従来は、屋外環境を模すために、フェージングシミュレータなどを用いて試験を行ってきた（特許文献１、特許文献２、非特許文献１、非特許文献２）。
【０００４】
フェージングシミュレータは、送信出力を一旦サンプリング手段でデジタル化した後、ベースバンド信号を取り出してフェージング効果に相当する遅延波合成を施し、変調ならびに周波数変換を行い、原信号の搬送波周波数に戻すものである。
【０００５】
特許文献２は、アレーアンテナ用フェージングシミュレータであり、アレーアンテナの各素子から出力される複数の到来波によるフェージング信号を模擬する模擬フェージング信号を発生するものである。
【０００６】
このフェージングシミュレータでは、送り出すべき情報を送信信号発生器により生成し、アレーアンテナの素子数に等しい電波伝搬路を回路上に構成し、送出するものである。模擬フェージング信号として、到来波の入射方向の角度広がりを持つ模擬フェージング信号を発生させることにより、より実際に近い条件のもとで受信系と信号処理系とを含む受信装置の特性や機能の評価を実現可能とするように構成されている。
【０００７】
角度広がりを持つ模擬フェージング信号を発生する手段は、アレーアンテナの素子と同数のＤＤＳ（ダイレクト・ディジタル・シンセサイザ）、および、これらＤＤＳのそれぞれに設定する位相と振幅とを更新する手段から構成され、実際に近い模擬フェージング信号を発生させることができる。
【０００８】
この方法では、各ＤＤＳに設定する位相と振幅とを信号の最大ドップラー周波数のナイキスト条件を満足する周期で更新することにより、現実的な模擬フェージング信号を発生することができる。さらに各ＤＤＳの出力と変調信号とをアナログ乗算することにより、より広ダイナミックレンジの模擬フェージング信号を発生させることができる。さらに、複数の到来波の入射方向の角度広がりを持つ模擬フェージング信号を発生する手段を複数備え、かつそれぞれから出力されるアレーアンテナの素子数と同数の出力信号を合成して対応の素子ごとに出力する信号合成手段を備えることにより、より実際的な模擬フェージング信号を発生させることができる。
【０００９】
また、従来のドップラーシフト生成装置は、対象とする高周波信号を、一旦受信して検波ならびにＡ／Ｄ変換した後に、ＤＤＳ（ダイレクト・ディジタル・シンセサイザ）等を用いて位相と振幅とを信号の最大ドップラー周波数のナイキスト条件を満足する周期で更新させ、そのディジタルデータをＤ／Ａ変換し変調ならびに周波数変換を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２９８５３６号公報
【特許文献２】特開２００２−３２５０１１号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】大國英徳,工藤栄亮, 安達文幸, "任意の多重波到来角分布のフェージング波を発生する周波数選択性フェージングシミュレータ," 第5回DSP教育者会議, pp.55-60, 2002年9月. 公開URL: http://www.mobile.ecei.tohoku.ac.jp/paper/pdf/rcs_2002/09_rcs_2002_sao.pdf（図２）
【非特許文献２】Agilent社Multipath Fading Simulator/Signature Test Set製品品番11757BのProduct Overview 掲載URL:[http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5091-1052EN.pdf]“Agilent 11757B Multipath Fading Simulator/Signature Test Set Product Overview”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来のドップラーシフト生成装置は、対象とする高周波信号を、本来の搬送波周波数という高い周波数の上ではなく、一旦受信して検波ならびにＡ／Ｄ変換した後に、位相と振幅とを信号の最大ドップラー周波数のナイキスト条件を満足する周期で更新させ、そのディジタルデータをＤ／Ａ変換し変調ならびに周波数変換を施すため、本来の高周波信号が有する変調精度や周波数特性が、ドップラーシフト生成装置に内在する誤差や雑音で劣化する。さらに、従来のドップラーシフト生成装置は、周波数帯の異なる複数の高周波信号が存在する場合に対処できない。また、電波伝搬路は、無線通信システムにとって、ダウンリンクとアップリンクすなわち、無線基地局に代表されるネットワーク系から無線端末への伝搬と、無線端末から基地局への伝搬の双方に対してドップラー効果を必要とするが、従来のドップラーシフト生成装置は、前述のとおり、一旦通信を受信し、その成分を抽出した後にドップラーシフト効果なりフェージング効果を付加する、一方向の通信となるため、実態に即した試験環境を構築することが難しい。
【００１３】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、高周波信号に、電波状態のままで時系列的な速度差（ドップラーシフト効果）を付加することができるドップラーシフト生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のドップラーシフト生成装置は、指向性アンテナから送信された指向性を有する電波に対してドップラーシフトを付加する生成装置であって、一つの回転軸周りに回転可能な回転軸体と、前記回転軸体に取り付けられ、前記電波を反射させる反射面が螺旋形を為し、前記反射面の半径方向が前記回転軸に対して約９０度の角度を有する回転反射体と、前記回転軸体を所定の速度で回転させる駆動手段と、を具備する構成を採る。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、反射面が螺旋形を為す高速回転体を備えることにより、高周波信号を高速回転体に反射させれば、電波状態の高周波信号に時系列的な速度差（ドップラーシフト効果）を付加することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１に係るシステムの構造を示す図
【図２】本発明の実施の形態１のドップラーシフト生成装置の構造を示す図
【図３】本発明の実施の形態２のドップラーシフト生成装置の構造を示す図
【図４】本発明の実施の形態３に係るシステムの構造を示す図
【図５】本発明の実施の形態４に係るシステムの構造を示す図
【図６】本発明の実施の形態５に係るシステムの構造を示す図
【図７】図６に概念を示したマルチパスフェージング生成用のアンテナ群を含むマルチパスフェージング生成装置の構成を示した図
【図８】移動体と伝搬路との間の位置関係によるドップラーシフト周波数の関係を示す図
【図９】本発明の実施の形態６に係るシステムの構成を示す図
【図１０】アンテナに生じるドップラーシフト周波数について説明する図
【図１１】レイリーフェージングあるいはライスフェージングを生成する場合のシステム全体を示す図
【図１２】都市環境本来の状況を考慮した場合のマルチパスフェージング生成システムを示す図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るシステムの構成を示す図である。１は回転反射体、２は回転軸体、３は回転反射体１および回転軸体２の回転軸、４は回転反射体１および回転軸体２の回転方向、５は回転反射体１の反射面の移動方向を示す。６は回転反射体１に向けて指向性を有する電波（高周波信号）を送信する指向性アンテナ、７は指向性アンテナ６に接続する無線システムとの接続線、８は指向性アンテナ６から送信された電波が通過する無線伝搬路、９は無線伝搬路８を通過した電波が回転反射体１により反射された後に通過する反射伝搬路、１０は反射伝搬路を通過した電波を受信する供試無線機、１１は電波暗室、１２は指向性アンテナ６と供試無線機１０との直接の無線結合を防ぐ手段を示す。
【００１９】
図１を用いて、本実施の形態に係るシステムの作用を説明する。任意の無線システムからの接続線７と接続された指向性アンテナ６は、無線伝搬路８を経由して回転反射体１に向けて電波を送信する。回転反射体１および回転軸体２は、図示しない駆動手段により、回転軸３の回りを回転方向４の方向に回転する。このとき、回転反射体１は、らせん形（螺旋形）を成すために反射面は５に示す方向に移動する。回転反射体１に反射された電波は反射伝搬路９を経由して供試無線機１１に受信される。これらの構成は電波暗室１１内に置かれる。電波暗室１１と無線結合の防止手段１２とにより、所望の無線伝搬路以外の無線伝搬路の発生を防止する。
【００２０】
図２は、本実施の形態のドップラーシフト生成装置の構造を示す図である。なお、図２において、図１と共通する部分には図１と同一符号を付して説明を省略する。１３は回転反射体１の回転半径、１４は回転反射体１の反射面部分の径、１５は回転反射体１の回転軸部分の径、１６は回転反射体１のらせん形状が有するピッチ、１７は回転反射体１の反射面の半径との法線方向、１８は回転反射体１の回転軸と反射面法線方向との成す角度を示す。
【００２１】
図２を用いて、本実施の形態のドップラーシフト生成装置の作用を説明する。回転反射体１は、ピッチ１６を有する螺旋形を有する。螺旋の効果により、反射面は回転反射体１が１回転するとピッチ１６に相当する移動距離が与えられる。他方、回転反射体１の反射面は、反射面と回転軸３との成す角度１８を直角にしている。このため反射体が供する移動距離は、そのまま無線伝搬路に対して伝搬路長変化として扱える。すなわち、反射面と回転軸３の成す角度１８をθとし、ピッチ１６をｐ(mm)とし、回転速度をｒ(回転/分)とすると、１時間当たりの反射面が示す移動距離ｌ(mm)は、以下の式（１）で与えられる。ここで、式（１）の初項の数値「２」は、後述の図１０に示すように電波の波源の反射面内の虚像が反射体の移動速度の２倍の速度で移動しているように作用することを意味する。
【数１】
【００２２】
θ＝９０°であるので、移動距離ｌ(mm)は、以下の式（２）となる。
【数２】
【００２３】
今、ピッチｐを５０mm、回転速度ｒを１５,０００回／分とすると、反射面の移動距離ｌは、９０,０００,０００mm、すなわち９０kmとなる。これは回転反射体１により、電波伝搬路上で時速９０kmの移動効果を生成することとなる。
【００２４】
例えば、周波数１,０００MHzの無変調波で考えると、ドップラーシフト周波数ｆｄは以下の式（３）で与えられる。
【数３】
【００２５】
また周波数を２,０００MHとすれば、容易に１６６.６Hzのドップラーシフト周波数が得られるだけでなく、１,０００MHzと２,０００MHzの２種類の電波に対して同時に機能する。さらに、本方式は電波伝搬路の方向性を限定するものではなく、図１の伝搬路の矢印の向きと逆方向の伝搬に対しても、同時かつ同等にドップラーシフトを与えるものである。
【００２６】
このように、本実施の形態によれば、反射面が螺旋形を為す高速回転体を備えることにより、高周波信号を高速回転体に反射させれば、電波状態の高周波信号に時系列的な速度差（ドップラーシフト効果）を付加することができ、従来のドップラーシフト生成装置の前述の課題をすべて解決することができる。
【００２７】
（実施の形態２）
上記本実施の形態１に示したドップラーシフト生成装置は、螺旋形の反射体を高速に回転することが必要である。この装置によれば、円盤の空気抵抗による発熱が、円盤を破壊する可能性がある。実施の形態２は、この課題を解決するものである。
【００２８】
図３は、本実施の形態のドップラーシフト生成装置の構造を示す図である。なお、図３において、図１あるいは図２と共通する部分には図１あるいは図２と同一符号を付して説明を省略する。２１は第１の羽根、２２は第２の羽根、２３は第１の羽根２１の第１の先端部と切り替わる第２の羽根２２の先端部の間に存するピッチ、２４は第１の羽根２１の第２の先端部と切り替わる第２の羽根２２の先端部の間に存するピッチを示す。
【００２９】
図３を用いて本実施の形態のドップラーシフト生成装置の作用を説明する。図２に示したドップラーシフト生成装置は、ピッチ部すなわち円盤不連続部での段差が大きい。図３に示すドップラーシフト生成装置は、円盤を２枚の羽根に分割しており、ピッチ部での段差を図２に対して２分の１にすることができる。これにより、不連続部の断面に生成する空気流体抵抗を半減させることができる。さらに、本実施の形態では、分割数を増やすこともできる。分割数をｎ、ピッチ１６をｐ(mm)とし、回転速度をｒ(回転／分)とすると、上記式（２）を次の式（４）に変形することができる。
【数４】
【００３０】
この方法によれば、上記実施の形態１で必要な回転速度とピッチの積を同一にした上で、分割数により回転速度を低下させたり、ピッチ幅を少なくさせたりすることが自由にできるようになる。
【００３１】
このように、本実施の形態によれば、反射回転体の生成する発熱を軽減することができる。
【００３２】
（実施の形態３）
都市部における移動体でのドップラーシフト作用は、建造物等からの反射が移動体の前方だけでなく、後方からも到来することを考慮すべきである。実施の形態３は、この課題を解決する方法を提供する。図４は、本実施の形態に係るシステムの構造を示す図である。なお、図４において、図１と共通する部分には図１と同一符号を付して説明を省略する。
【００３３】
図４において、３１は回転反射体、３２は回転軸体、３３は回転反射体３１および回転軸体３２の回転軸、３４は回転反射体３１および回転軸体３２の回転方向、３５は回転反射体３１の反射面の移動方向を示す。３６は回転反射体３１に向けて指向性を有する電波（高周波信号）を送信する指向性アンテナ、３７は指向性アンテナ６と指向性アンテナ３６に接続する無線システムとの接続線７を接続するための分配器、３８は指向性アンテナ３６から送信された電波が通過する無線伝搬路、３９は無線伝搬路３８を通過した電波が回転反射体３１により反射された後に通過する反射伝搬路を示す。
【００３４】
図４を用いて、本実施の形態に係るシステムの作用を説明する。任意の無線システムからの接続線７と接続された指向性アンテナ６と指向性アンテナ３６は、それぞれの無線伝搬路８と無線伝搬路３８により回転反射体１および回転反射体３１に向けている。回転反射体３１は、回転反射体１が有する反射面の移動方向５とは異なる移動方向３５を有しており、回転反射体３１により反射伝搬路３９に生成されるドップラーシフト周波数は、回転反射体１により反射伝搬路９に生成されるドップラーシフト周波数に対して、相反した極性を有する。図４において、回転反射体１と回転反射体３１は、同一形状をしており、それぞれの回転方向４と回転方向３４を相反する方向にしてこれを実現している。これにより供試無線機１０に到達する電波は、正負のドップラーシフト周波数を得る。
【００３５】
なお、回転反射体１および回転反射体３１の反射面のピッチ方向を相反するものとして、回転方向４および回転方向３４を同一にすることによっても、供試無線機１０に到達する電波は、正負のドップラーシフト周波数を得る。
【００３６】
このように、本実施の形態によれば、都市部に発生することが多い正負のドップラーシフト作用を提供することができる。また、本方式が電波伝搬路の方向性を限定するものではなく、図４の伝搬路の矢印の向きと逆方向の伝搬に対しても、同時かつ同等にドップラーシフトを与えるものであることは、上記実施の形態１と同様である。
【００３７】
（実施の形態４）
従来のドップラーシフト生成装置は、対象とする高周波信号を、一旦受信して検波ならびにＡ／Ｄ変換した後に、位相と振幅とを信号の最大ドップラー周波数のナイキスト条件を満足する周期で更新させ、そのディジタルデータをＤ／Ａ変換し変調ならびに周波数変換を施すものである。この方法では、周波数帯の異なる複数の高周波信号が存在する場合に対処できない。実施の形態４では、この従来の課題を解決する方法を提供する。図５は、本実施の形態に係るシステムの構造を示す図である。なお、図５において、図４と共通する部分には図４と同一符号を付して説明を省略する。
【００３８】
図５において、４０は回転反射体１および回転反射体３１に向けて指向性を有する電波を送信する指向性アンテナ、４１は指向性アンテナ４０に接続する第２の無線システムとの接続線、４２は指向性アンテナ６から回転反射体１に向けて送信された電波が通過する無線伝搬路、４３は無線伝搬路４２を通過した電波が回転反射体１により反射された後に通過する反射伝搬路、４４は指向性アンテナ６から回転反射体３１に向けて送信された電波が通過する無線伝搬路、４５は無線伝搬路４４を通過した電波が回転反射体３１により反射された後に通過する反射伝搬路、４６は指向性アンテナ４０から回転反射体１に向けて送信された電波が通過する無線伝搬路、４７は無線伝搬路４６を通過した電波が回転反射体１により反射された後に通過する反射伝搬路、４８は指向性アンテナ４０から回転反射体３１に向けて送信された電波が通過する無線伝搬路、４９は無線伝搬路４８を通過した電波が回転反射体３１により反射された後に通過する反射伝搬路を示す。
【００３９】
図５を用いて、本実施の形態に係るシステムの作用を説明する。一般にアンテナは周波数特性を有する。このため、複数種の周波数帯に対応した無線システムを構築するためには、周波数帯に対応したそれぞれのアンテナを用いることが自然である。いま、第１の周波数に指向性アンテナ６を、第２の周波数に指向性アンテナ４０を対応させるとする。図５に示す本実施の形態のシステムでは、この２基の指向性アンテナのそれぞれが、無線伝搬路４２、４４、４６および４８を介して回転反射体１と回転反射体３１に電波を送信する。回転反射体１と回転反射体３１にて反射された電波は、それぞれ反射伝搬路４３、４５、４７および４９を介して、供試無線機１０に受信される。
【００４０】
このように、本実施の形態によれば、異なる周波数帯の無線システムの電波に対して、同時に正負のドップラーシフト周波数を提供することができる。また、本方式が電波伝搬路の方向性を限定するものではなく、図５の伝搬路の矢印の向きと逆方向の伝搬に対しても、同時かつ同等にドップラーシフトを与えるものであることは、上記実施の形態１および実施の形態３と同様である。
【００４１】
なお、図５のシステムにおいて、正負のドップラーシフト周波数の一方が不要の場合に、回転反射体を単一にすることも可能である。
【００４２】
（実施の形態５）
都市部においては、建物反射が単純ではなく、複数の建物からの反射を考慮する必要がある。従来、複数の周波数帯の無線システムに対するマルチパスフェージング環境を擬似する手段の実現が困難であるという課題がある。本実施の形態は、この従来の課題に対して解決の方法を提供するものである。図６は、本実施の形態に係るシステムの構造を示す図である。なお、図６において、図５と共通する部分には図５と同一符号を付して説明を省略する。
【００４３】
図６において、５０は無線システムとの接続線７に接続された第１のマルチパスフェージング生成用のアンテナ群、５１は第２の無線システムとの接続線４１に接続された第２のマルチパスフェージング生成用のアンテナ群、５２はアンテナ群５０から回転反射体１に向けて送信された電波が通過する無線伝搬路、５３は無線伝搬路５２を通過した電波が回転反射体１により反射された後に通過する反射伝搬路、５４はアンテナ群５０から回転反射体３１に向けて送信された電波が通過する無線伝搬路、５５は無線伝搬路５４を通過した電波が回転反射体３１により反射された後に通過する反射伝搬路、５６はアンテナ群５１から回転反射体１に向けて送信された電波が通過する無線伝搬路、５７は無線伝搬路５６を通過した電波が回転反射体１により反射された後に通過する反射伝搬路、５８はアンテナ群５１から回転反射体３１に向けて送信された電波が通過する無線伝搬路、５９は無線伝搬路５８を通過した電波が回転反射体３１により反射された後に通過する反射伝搬路を示す。
【００４４】
図６を用いて、本実施の形態に係るシステムの作用を説明する。いま、第１の周波数にマルチパスフェージング生成用のアンテナ群５０を、第２の周波数にアンテナ群５１を対応させるとする。図６に示すシステムでは、この２群のアンテナ群のそれぞれが、無線伝搬路５２、５４、５６および５８を介して回転反射体１と回転反射体３１に電波を送信する。回転反射体１と回転反射体３１にて反射された電波は、それぞれ反射伝搬路５３、５５、５７および５９を介して、供試無線機１０に受信される。
【００４５】
図７は、図６に概念を示したマルチパスフェージング生成用のアンテナ群を含むマルチパスフェージング生成装置の構成を示した図である。図７において、６１は図６における無線システムとの接続線７に相当する。６２は分配器、６３は電子制御可能な伝送量調整部、６４は伝送量調整部６３の伝送量調整素子、６５はパスである伝搬路のそれぞれの遅延量調整部、６６は遅延量調整部６５の遅延量調整素子、６７は伝搬路のアンテナ群、６８はアンテナにより生成される電波伝搬路を示す。６９は電子制御部、７０は制御信号線である。
【００４６】
図７を用いて、マルチパスフェージング生成方法を説明する。無線システムとの接続線６１は、複数の伝搬路を模擬するために分配器６２により複数の線路に分割される。この線路は伝送量調整部６３接続され、伝送量調整部６３を構成する伝送量調整素子６４を通る、その各出力線路は遅延量調整部６５に接続し、遅延量調整部６５を構成する伝送量調整素子６６によりそれぞれの遅延量が与えられる。図７においては、所望の遅延量に相当する線路長を有するケーブルで構成している。それぞれ遅延時間ｔｄ１、ｔｄ２、ｔｄ３、ｔｄ４、ｔｄ５、ｔｄ６、ｔｄ７、ｔｄ８を与える。遅延量調整部６５の各出力線路は、線路数のアンテナを備えたアンテナ群６７に接続されて、電波となり電波伝搬路６８を形成する。以上により、電波伝搬路６８においてマルチパスフェージング環境が構築される。
【００４７】
このように、本実施の形態によれば、異なる周波数帯の無線システムの電波に対して、同時に正負のドップラーシフト周波数を有するマルチパスフェージング環境を提供することができる。また、本方式が電波伝搬路の方向性を限定するものではなく、図６の伝搬路の矢印の向きと逆方向の伝搬に対しても、同時かつ同等にドップラーシフトを与えるものであることは、上記実施の形態１、実施の形態３および実施の形態４と同様である。
【００４８】
なお、図６のシステムにおいて、正負のドップラーシフト周波数の一方が不要の場合に、回転反射体を単一にすることも可能である。
【００４９】
（実施の形態６）
ここで、実際の屋外環境においては、図８に示すように、多重伝搬路すなわちマルチパスによる様々なドップラーシフト周波数が生成される。図８は、移動体と伝搬路との間の位置関係によるドップラーシフト周波数の関係を示す図である。
【００５０】
図８において、移動体８１が速度ｖ（ｔ）で進行し、電波伝搬路８２が角度θにて到来したとすると、到来波の相対速度はｖ（ｔ）cosθで与えられる。一般には異なる角度からの到来波が複数存在する。都市部では基地局から送信された電波が、建物などで反射、回折または散乱を受けて受信点に到達する場合が多い。この場合に、基地局からの直接波が見えない環境で移動しながら受信する場合に、到来波の合成波の振幅は、時間の関数において平均値が「０」で、等しい分散を持つ。これをレイリーフェージングと呼ぶ。レイリーフェージングは、受信波の振幅強度の確立分布がレイリー分布するために命名されたものである。理論的には、到来する受信波の数がＮで、それぞれの振幅をａｉ、位相をφｉとすると、受信点での合成波の時間ｔに対する変動は、搬送波の角周波数をωｃとして次の式（５）のように表すことができる。
【数５】
【００５１】
ここで、Ｎが十分に大きく、各到来波の振幅ａｉがほぼ等しく、位相φｉがランダムであるとする。受信点を移動させてａｉを観測すると、上記式（５）の振幅の正弦の合成値と振幅の余弦の合成値とは、平均値が「０」、等しい分散値の、互いに独立な正規分布を持つものとなる。このとき、受信振幅がＲになる確率ｐ（Ｒ）は次の式（６）で与えられる。
【数６】
【００５２】
これは、受信点を移動して観測される、受信波の振幅レベルＲの出現確率を表している。これがレイリー分布であり、受信波に対して或る振幅レベルＲｄを設定したとき、Ｒｄ以下となる累積確率分布はＰ（Ｒｄ）である（式（７）参照）。
【数７】
【００５３】
これに対して、基地局が見える環境での多重伝搬路においては、ライスフェージングが生成される。基地局アンテナが見える、見通し内伝搬や、到来波の一つＥｏが他の波より非常に強いとき、受信振幅がＲになる確率ｐ（Ｒ）は次の式（８）で与えられる。これはライス（または仲上-ライス）分布と呼ばれる。なお、式（８）において、σ／２はＥｏ以外の到来波の合成電力で、ｒはＥｏの電力とσ／２の比である。また、Ｉｏ（ｘ）は０次の変形ベッセル関数である。
【数８】
【００５４】
上記式（５）において受信点の移動速度をｖ（ｔ）で与えると、角周波数ωｃと位相φｉを次の式（９）に示す関係にする必要がある。速度ｖ（ｔ）で走行する場合の角度θからの到来波の周波数ωｃはωｃ（θ）の合成として表されるべきであることから、上記式（５）に式（９）を代入すると次の式（１０）になる。
【数９】
【数１０】
【００５５】
式（１０）は、様々な方角θと遅延時間から生じる位相φｉによる係数項が主波cosωｃｔおよびsinωｃｔに乗ぜられていることを示す。ここで、式（１０）において、ωｃ×ｖ／ｃはドップラー周波数であり、ωｃ×（ｖ／ｃ）×cosωθｉが各方角からのベクトル成分としてのドップラー周波数である。上記式（１０）は、標準的な場合として、次の式（１１）で表すことができる。
【数１１】
【００５６】
すなわち、レイリーフェージング環境あるいはライスフェージング環境を模擬するためには、単一のドップラー周波数の生成だけでは、シミュレーションが不十分である場合がある。
【００５７】
そこで、本実施の形態では、上記実施の形態１等で説明した円盤型反射体を用いて、フェイリーフェージング環境あるいはライスフェージング環境が示す複数のドップラーシフト周波数を生成する場合について説明する。具体的には、上記実施の形態１等で説明した円盤型反射体へ、照射角度すなわち入射角と出射角の組が互いに異なる複数の電波を照射する。
【００５８】
図９は、本実施の形態に係るシステムの構成を示す図である。図９に示すように、ドップラーシフト生成装置９１は、回転反射体９２と、回転反射体９２に回転を与える回転手段９３と、回転反射体９２を収容する容器９５と、を有する。なお、図９には、回転反射体９２と回転手段９３とを結ぶ回転軸９４、回転反射体９２の反射面の移動方向９６、回転反射体９２の反射面（反射に利用する部分）９７、電波の伝搬路群９８、伝搬路９８と回転反射体９２の軸とのなす角度（入射角）９９が示されている。また、図９には、それぞれ異なる角度で電波を回転反射体９２に照射し或いは受信する指向性アンテナ群１０１〜１０６、１１１〜１１６が示されている。
【００５９】
以下、図９を用いて、本実施の形態に係るシステムの作用を説明する。いま、アンテナ１０１からの電波の伝搬路９８は、入射角９９を以って反射面９７に入る。反射面９７で反射された電波は、入射角９９と等しい角度で反対方向に進みアンテナ１１１に入る。同様の原理で、アンテナ１０２からアンテナ１１２へ、アンテナ１０３からアンテナ１１３へ、アンテナ１０４からアンテナ１１４へ、アンテナ１０５からアンテナ１１５へ、アンテナ１０６からアンテナ１１６へ、それぞれ電波が到達する。
【００６０】
このとき、反射面の速度はｖとして、それぞれのアンテナに生じるドップラーシフト周波数について図１０を用いて説明する。
【００６１】
図１０には、時刻ｔ０における回転反射体の反射面の位置１２１、時刻ｔ１における回転反射体の反射面の位置１２２、入射伝搬路１２３、入射伝搬路１２３に対する反射点１２４、入射伝搬路１２３に対する反射波伝搬路１２５、時刻ｔ１における反射点１２６、時刻ｔ１における入射路１２３に対する反射波伝搬路１２７、入射路１２３を形成するアンテナ１２８、反射波伝搬路１２５および１２７を収容するアンテナ１２９、アンテナ１２８の電波放射点１３０、入射伝搬路１２３の入射角１３１、反射波伝搬路１２５の反射角１３２、時刻ｔ０における反射面１２１によるアンテナ１２８の電波放射点１３０の鏡像１３４、アンテナ１２８の時刻ｔ０における鏡像１３５、時刻ｔ１における電波放射点１３０の鏡像１３６、時刻ｔ１におけるアンテナ１２８の鏡像１３７が示されている。
【００６２】
入射波１２３は、時刻ｔ０において、反射点１２４において反射され、反射波１２５となる。このとき、鏡像１３４は、鏡面（反射面）１２１からの法線方向ｌと等しい反対側に位置する。
【００６３】
次に、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間に反射面１２１から反射面１２２に移動すると、鏡像１３４は鏡像１３６に移動する。反射波を受信するアンテナ１２９から見ると、あたかも電波が鏡像アンテナから放射されているように見える。
【００６４】
ここで、鏡像は、反射面の移動距離Ｌの２倍を移動するが、鏡像のアンテナ１２９に対する移動距離は、２Ｌcosθとなる。次の式（１２）に示すように、時刻ｔ０と時刻ｔ１との差で除算することにより、鏡像アンテナのアンテナ１２９に対する移動速度が、求まる。
【数１２】
【００６５】
この式（１２）から明らかなように、鏡像アンテナのアンテナ１２９に対する移動速度は、入射角度がゼロの時、すなわち反射面に垂直に入射した場合に対して、cosθだけ小さくなる。これは、図８に示した移動体と伝播路のなす角度とから成るドップラーシフト周波数の低下と全く同一効果が得られることを示している。
【００６６】
すなわち、図９に示したように、互いに異なる入射角を有する電波を回転反射体の反射面で反射させれば、互いに異なるドップラーシフト周波数を生成することができることは明らかである。
【００６７】
図１１にレイリーフェージングあるいはライスフェージングを生成する場合のシステム全体を示す。図１１は、図７に、本実施の形態の目的に沿う変更を加えたものである。なお、図１１において、図７と共通する部分には、図７と同一の符号を付し、その詳しい説明を省略する。
【００６８】
図１１には、図７に対して、新たに、マルチパスを形成するためのアンテナ群７１、伝搬路７２、反射波を収容するアンテナ群７３、アンテナ群７３で収容した反射波を合成する合成器７４、合成器７４の出力７５が示されている。
【００６９】
図９のアンテナ群１０１から１０６が図１１のアンテナ７１に対応し、図９の入射伝搬路群および反射伝搬路群が図１１の伝搬路７２に対応し、図９のアンテナ群１１１〜１１６が図１１のアンテナ群７４に対応する。従って、図１１において、上記式（１１）に対応する機能が具備されることが明らかである。
【００７０】
図１２に、都市環境本来の状況を考慮した場合のマルチパスフェージング生成システムを示す。なお、図１２において、図１１と共通する部分には、図１１と同一の符号を付し、その詳しい説明を省略する。
【００７１】
図１２には、図１１に対して、新たに、マルチパスの電波強度と遅延量を調整した各パスの出力を束ねる合成器７６、合成器７６の出力をアンテナ群７１に伝える手段７７、アンテナ群７１に合成器７６の出力を分割する分配器７８、アンテナ群それぞれに対応した電力調整を図る減衰器群７９が示されている。
【００７２】
すなわち、図１２に示したマルチパスフェージング生成システムは、マルチパスで到来した電波群に対して、一律にレイリーフェージングもしくはライスフェージング化を施すものである。
【００７３】
このように、本実施の形態によれば、互いに異なる入射角を有する電波を回転反射体の反射面で反射させることにより、互いに異なるドップラーシフト周波数を生成することができ、レイリーフェージング環境あるいはライスフェージング環境を模擬することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、無線通信および電波伝搬の試験に用いるに好適である。
【符号の説明】
【００７５】
１，３１ 回転反射体
２，３２ 回転軸体
６，３６ 指向性アンテナ
１０ 供試無線機
５０，５１ アンテナ群
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指向性アンテナから送信された指向性を有する電波に対してドップラーシフトを付加する生成装置であって、
一つの回転軸周りに回転可能な回転軸体と、
前記回転軸体に取り付けられ、前記電波を反射させる反射面が螺旋形を為し、前記反射面の半径方向が前記回転軸に対して約９０度の角度を有する回転反射体と、
前記回転軸体を所定の速度で回転させる駆動手段と、
を具備するドップラーシフト生成装置。
【請求項２】
前記回転反射体は、複数に分割された形状を有する、請求項１に記載のドップラーシフト生成装置。
【請求項３】
前記回転軸体および前記回転反射体からなる対を２つ有し、
前記駆動手段は、第１の回転反射体と第２の回転反射体が同一形状の場合に第１の回転軸体と第２の回転軸体とを相反する方向に回転させ、前記第１の回転反射体と前記第２の回転反射体の反射面のピッチ方向が相反するもので有る場合に前記第１の回転軸体と前記第２の回転軸体とを同一方向に回転させる、
請求項１に記載のドップラーシフト生成装置。
【請求項４】
前記回転反射体は、周波数、変復調方式または通信方式の少なくとも一つが互いに異なる複数の装置から照射された複数の電波を反射させる、請求項１から請求項３のいずれかに記載のドップラーシフト生成装置。
【請求項５】
前記回転反射体は、互いに異なる入射角により照射された複数の電波を反射させる、請求項１から請求項４のいずれかに記載のドップラーシフト生成装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載のドップラーシフト生成装置と、
複数の遅延手段と減衰量調整手段から成る遅延波群生成手段と、
を組み合わせたドップラーシフト生成装置。
【請求項１】
指向性アンテナから送信された指向性を有する電波に対してドップラーシフトを付加する生成装置であって、
一つの回転軸周りに回転可能な回転軸体と、
前記回転軸体に取り付けられ、前記電波を反射させる反射面が螺旋形を為し、前記反射面の半径方向が前記回転軸に対して約９０度の角度を有する回転反射体と、
前記回転軸体を所定の速度で回転させる駆動手段と、
を具備するドップラーシフト生成装置。
【請求項２】
前記回転反射体は、複数に分割された形状を有する、請求項１に記載のドップラーシフト生成装置。
【請求項３】
前記回転軸体および前記回転反射体からなる対を２つ有し、
前記駆動手段は、第１の回転反射体と第２の回転反射体が同一形状の場合に第１の回転軸体と第２の回転軸体とを相反する方向に回転させ、前記第１の回転反射体と前記第２の回転反射体の反射面のピッチ方向が相反するもので有る場合に前記第１の回転軸体と前記第２の回転軸体とを同一方向に回転させる、
請求項１に記載のドップラーシフト生成装置。
【請求項４】
前記回転反射体は、周波数、変復調方式または通信方式の少なくとも一つが互いに異なる複数の装置から照射された複数の電波を反射させる、請求項１から請求項３のいずれかに記載のドップラーシフト生成装置。
【請求項５】
前記回転反射体は、互いに異なる入射角により照射された複数の電波を反射させる、請求項１から請求項４のいずれかに記載のドップラーシフト生成装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載のドップラーシフト生成装置と、
複数の遅延手段と減衰量調整手段から成る遅延波群生成手段と、
を組み合わせたドップラーシフト生成装置。
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１８３５５２（Ｐ２０１０−１８３５５２Ａ）
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６８６７７（Ｐ２００９−６８６７７）
【出願日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【出願人】（３９７０６５１３６）株式会社横須賀テレコムリサーチパーク (28)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【出願人】（３９７０６５１３６）株式会社横須賀テレコムリサーチパーク (28)
【Ｆターム（参考）】
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