JP3096733B2 - Array antenna beam forming method - Google Patents

Array antenna beam forming method

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JP3096733B2
JP3096733B2 JP10265786A JP26578698A JP3096733B2 JP 3096733 B2 JP3096733 B2 JP 3096733B2 JP 10265786 A JP10265786 A JP 10265786A JP 26578698 A JP26578698 A JP 26578698A JP 3096733 B2 JP3096733 B2 JP 3096733B2
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array antenna
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龍 三浦
雅之 大堂
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、希望通信信号の到
来方向に自動的に受信ビームを向けてこれを捕捉し、か
つ追尾するとともに、非希望通信信号による干渉を軽減
するアレーアンテナのビーム形成方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a beam forming method for an array antenna for automatically directing a reception beam in the direction of arrival of a desired communication signal, capturing and tracking the beam, and reducing interference caused by undesired communication signals. About the method.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、様々な方向から様々な周波数
で送信されている通信信号の中から希望通信信号のみを
選択的に受信できることが望まれており、非希望通信信
号を抑制して希望通信信号を良好に受信するための技術
が種々提案されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, it has been desired to be able to selectively receive only a desired communication signal from communication signals transmitted from various directions and at various frequencies. Various techniques for satisfactorily receiving communication signals have been proposed.

【0003】第1の従来技術として、“MMSE合成に
よるアダプティブアレーと空間ダイバーシチの等価性
−素子間隔と加入者容量に関する考察−,電子情報通信
学会(技術研究報告 RCS97-249, p73-p80, 1998-02)”
に記載されているように、各アンテナ素子の受信信号に
乗算する重みにある初期値を設定し、その時の受信側で
用意した既知の参照データ系列とアレーアンテナの合成
出力信号との差を誤差信号とし、これが最小となるよう
にこの誤差信号をフィードバックし、各アンテナ素子に
よる各受信信号とその誤差信号から、各アンテナ素子に
よる各受信信号に乗算する重みの変化分を計算し、その
変化分だけ重みを繰り返し更新し、希望通信信号を捕捉
追尾するビームを形成するとともに非希望通信信号によ
る干渉を抑圧する方法がある。
As a first prior art, "Equivalence between adaptive array and spatial diversity by MMSE combining"
-Consideration on element spacing and subscriber capacity-, IEICE (Technical Research Report RCS97-249, p73-p80, 1998-02) "
As described in, an initial value is set as a weight for multiplying the received signal of each antenna element, and the difference between the known reference data sequence prepared on the receiving side at that time and the combined output signal of the array antenna is set as an error. This error signal is fed back so that this signal is minimized, and from each received signal by each antenna element and its error signal, a change in weight to multiply each received signal by each antenna element is calculated, and the change is calculated. There is a method in which the weight is repeatedly updated only to form a beam for capturing and tracking a desired communication signal and to suppress interference due to an undesired communication signal.

【0004】上述した第1の従来技術においては、アレ
ーアンテナの合成出力信号と希望通信信号のもつ既知の
参照データ系列との平均2乗誤差を最小にするように重
み制御が行われるため、最終的には希望通信信号の到来
方向にビームの山が向けられ、且つ非希望通信信号の到
来方向にはビームの谷が向けられるようになることか
ら、希望通信信号の受信に最適なビーム形成が実現で
き、しかも演算は比較的簡単であるという特徴をもって
いる。
In the first prior art, weight control is performed so as to minimize the mean square error between the combined output signal of the array antenna and the known reference data sequence of the desired communication signal. Specifically, the peak of the beam is directed in the direction of arrival of the desired communication signal, and the valley of the beam is directed in the direction of arrival of the non-desired communication signal. Therefore, optimal beam formation for receiving the desired communication signal is achieved. The feature is that it can be realized and the operation is relatively simple.

【0005】また、第2の従来例として、“SMI法に
基づくアダプティブアレーを用いた高速ディジタル陸上
移動通信の多重波抑圧,電子情報通信学会(論文誌 B-I
I, Vol. J75-B-II, No. 11, p806-p814, 1992-11)”に
記載されているように、各アンテナ素子の受信信号から
求まる共分散行列を時間を追う毎に逐次更新しながら計
算し、これと各アンテナ素子の受信信号、並びに受信側
で用意した既知の参照データ系列とから、上記各アンテ
ナ素子の受信信号に乗算する重みを求め、希望通信信号
を捕捉追尾するビームを形成するとともに非希望通信信
号による干渉を抑圧する方法がある。
[0005] As a second conventional example, a multi-wave suppression in high-speed digital land mobile communication using an adaptive array based on the SMI method, IEICE (Transactions of BI)
I, Vol. J75-B-II, No. 11, p806-p814, 1992-11) ”, the covariance matrix obtained from the received signal of each antenna element is successively updated every time. From this, the received signal of each antenna element, and a known reference data sequence prepared on the receiving side, a weight for multiplying the received signal of each antenna element is obtained, and a beam for capturing and tracking a desired communication signal is obtained. And suppressing interference by undesired communication signals.

【0006】上述した第2の従来技術においては、フィ
ードバック制御を全く行わずに、アレーアンテナの合成
出力信号と希望通信信号のもつ既知の参照データ系列と
の平均2乗誤差を最小にするような重みを求めることが
でき、その結果、希望通信信号の到来方向にビームの山
が向けられ、且つ非希望通信信号の到来方向にはビーム
の谷が向けられることとなり、希望通信信号の受信に最
適なビーム形成が高速に実現できるという特徴をもって
いる。
In the above-mentioned second prior art, the feedback control is not performed at all, and the mean square error between the combined output signal of the array antenna and the known reference data sequence of the desired communication signal is minimized. The weight can be obtained. As a result, the peak of the beam is directed in the direction of arrival of the desired communication signal, and the valley of the beam is directed in the direction of arrival of the undesired communication signal, which is optimal for receiving the desired communication signal. Beam forming can be realized at high speed.

【0007】また、第3の従来例として、“DBFによ
る移動体衛星通信用セルフビームステアリングアレーア
ンテナの構成法,電子情報通信学会(論文誌 B-II, Vo
l. J79-B-II, No. 8, p448-458, 1996-08)”並びに
“車載DBFセルフビームステアリングアレーアンテナ
による衛星電波の追尾受信実験,電子情報通信学会(論
文誌B-II, Vol. J80-B-II, No. 7, p547-p557, 1997-0
7)”に記載されているように、参照データ系列を用い
ずに、各アンテナ素子のうちある特定の、または最も受
信電力の強いアンテナ素子による受信信号、あるいは所
定の方向を向いた複数の固定ビームのうち最も受信電力
の強いビームによる受信信号を参照データ系列の代わり
に用いて、各アンテナ素子あるいは各固定ビームによる
受信信号に乗算する重みを求め、希望通信信号を捕捉追
尾するビームを形成する方法がある。
[0007] As a third conventional example, a method for constructing a self-beam steering array antenna for mobile satellite communication using DBF, IEICE (Transactions B-II, Vo
l. J79-B-II, No. 8, p448-458, 1996-08) ”and“ Experiment for tracking reception of satellite radio waves using an in-vehicle DBF self-beam steering array antenna ”, IEICE (Transactions B-II, Vol. . J80-B-II, No. 7, p547-p557, 1997-0
7), a reference signal sequence is not used, and a signal received by a specific one of the antenna elements or an antenna element having the strongest reception power, or a plurality of fixed signals oriented in a predetermined direction is used. By using the received signal of the beam having the highest received power among the beams instead of the reference data sequence, a weight for multiplying the received signal of each antenna element or each fixed beam is obtained, and a beam for capturing and tracking a desired communication signal is formed. There is a way.

【0008】上述した第3の従来技術においても、やは
りフィードバック制御を全く行わずに希望通信信号の到
来方向にビームの山を向けることができ、しかも通信信
号の中に既知の参照データ系列をもつ必要がないという
特徴をもっている。
In the third prior art described above, the beam peak can be directed to the arrival direction of the desired communication signal without performing any feedback control, and the communication signal has a known reference data sequence. It has the feature that there is no need.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記第
1の従来技術には、重みの制御がフィードバック制御に
より行われているために、応答の高速性と安定性あるい
は演算の複雑さとの両立が難しいという欠点があった。
また、アレーアンテナのアンテナ素子数が多い場合や到
来する非希望通信信号が多い場合には、制御対象となる
重みの数が増え、応答の高速性と安定性が損なわれる可
能性が高まるという問題点もあった。
However, in the first prior art, since the control of the weight is performed by the feedback control, it is difficult to achieve both high speed response and stability or complicated computation. There was a disadvantage.
In addition, when the number of antenna elements in the array antenna is large or when there are many undesired communication signals, the number of weights to be controlled increases, and the possibility that the response speed and stability are impaired increases. There were also points.

【0010】また、第2の従来技術では、アレーアンテ
ナの各アンテナ素子による受信信号のサンプル値で構成
される共分散行列の逆行列を逐次計算する必要があるた
め、複雑な演算に対する高い処理能力が要求され、その
上、アンテナ素子数が増すと指数的にその複雑さが増す
という問題点があった。
In the second prior art, since it is necessary to sequentially calculate an inverse matrix of a covariance matrix composed of sample values of signals received by each antenna element of the array antenna, a high processing capability for complicated calculations is required. In addition, there is a problem that the complexity increases exponentially as the number of antenna elements increases.

【0011】しかも、第1の従来技術および第2の従来
技術とも、主に、非希望信号の到来方向に深いビームの
谷を向けることで、参照データ系列とアレーアンテナの
受信信号との平均二乗誤差の最小化を実現しており、希
望信号の到来方向には一応ビームの山を向けようとする
傾向はあるが、必ずしもアンテナの素子数で決まる最大
利得が向けられるとは限らないと言う問題点があった。
これは、特に受信できる電力が弱く、ある値以上の利得
がアンテナにないと通信回線自体が成立しない場合など
では問題となる。
Moreover, in both the first prior art and the second prior art, the mean square of the reference data sequence and the received signal of the array antenna is mainly set by directing a deep beam valley in the arrival direction of the undesired signal. The error has been minimized, and there is a tendency to aim the beam peak in the direction of arrival of the desired signal, but the problem is that the maximum gain determined by the number of antenna elements is not always aimed. There was a point.
This is a problem particularly when the power that can be received is weak and the communication line itself cannot be established unless the antenna has a gain greater than a certain value.

【0012】さらに、第1の従来技術および第2の従来
技術ともに、受信で求められた重みを用いて受信とは異
なる周波数の送信ビームを希望通信信号の到来方向に形
成する場合、受信で求められる重みに対して周波数変換
を施しても、非希望通信信号が壁などによる反射波であ
る場合などでは、周波数の違いにより伝搬経路並びに到
来方向が異なるケースもあり、非希望通信信号の送信源
にアレーアンテナによる送信ビームの谷が向かずに山が
向いてしまう可能性があるという問題点があった。
Further, in both the first prior art and the second prior art, when a transmission beam having a frequency different from that of the reception is formed in the arrival direction of a desired communication signal by using the weight obtained in the reception, the weight is obtained in the reception. Even if frequency conversion is performed on the weights given, if the undesired communication signal is a reflected wave from a wall or the like, the propagation path and the arrival direction may be different due to the difference in frequency. However, there is a problem that the valley of the transmission beam by the array antenna may not be directed but the mountain may be directed.

【0013】また、第3の従来技術では、非希望通信信
号が同時に到来する場合、その方向にも小さなビームの
山が向いて干渉を受けることとなる。すなわち、この方
式では、アレーアンテナで受信した信号が希望通信信号
か非希望通信信号かを区別できないため、最も強い到来
信号を希望通信信号と想定して、その方向にビームの山
を向けるよう動作することとなり、非希望通信信号の電
力が希望通信信号の電力より強い場合には、非希望通信
信号を希望通信信号とみなしてしまい、そちらにビーム
の山を向けてしまうという問題点があった。
In the third prior art, when an undesired communication signal arrives at the same time, a small beam peak is also directed in that direction, causing interference. That is, in this method, it is not possible to distinguish whether the signal received by the array antenna is a desired communication signal or a non-desired communication signal. Therefore, it is assumed that the strongest arriving signal is the desired communication signal and the beam is directed to that direction. When the power of the undesired communication signal is higher than the power of the desired communication signal, the undesired communication signal is regarded as the desired communication signal, and there is a problem that the beam peak is directed to that. .

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するべく成されたもので、請求項1に係るアレーアン
テナのビーム形成方法は、複数のアンテナ素子で構成さ
れるアレーアンテナに未知の方向から変調された希望通
信信号が到来し、その希望通信信号がある時間毎に所定
のビット数だけ受信側で既知の参照データ系列を伴って
おり、かつその受信タイミングは既知とし、上記アレー
アンテナからの受信信号を各アンテナ素子毎に共通の周
波数及び共通ではあるが任意の固定位相を有する局部発
振器によって同相および直交成分からなる複素ベースバ
ンド信号に変換し、これを各アンテナ素子ごとに出力
し、受信と同じタイミングで既知の参照データ系列を複
素ベースバンド信号に変換した複製信号を受信側で発生
させて、この複製信号を各アンテナ素子毎の受信複素ベ
ースバンド信号の複素共役に乗算し、その同相および直
交成分をそれぞれ低域通過フィルタもしくは帯域通過フ
ィルタに通して、これを複素重みとして各アンテナ素子
ごとの受信複素ベースバンド信号にそれぞれ乗算し、そ
の乗算結果をアンテナ素子数分だけ全て加算することに
より、希望通信信号の到来方向に向けた合成出力信号を
アレーアンテナの受信ビームとして形成するようにした
ものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and a beam forming method for an array antenna according to the present invention has an unknown effect on an array antenna composed of a plurality of antenna elements. It is assumed that the desired communication signal modulated from the direction shown in FIG. 2 is received, and that the desired communication signal is accompanied by a predetermined number of bits for each given time with a reference data sequence known on the receiving side, and that the reception timing is known. A signal received from an antenna is converted into a complex baseband signal composed of in-phase and quadrature components by a local oscillator having a common frequency and a common but arbitrary fixed phase for each antenna element, which is output for each antenna element and, by the replica signal converted into complex base band signal is generated at the receiving side the known reference data sequences at the same timing as the reception, the replication Shin Is multiplied by the complex conjugate of the received complex baseband signal for each antenna element, the in-phase and quadrature components are passed through a low-pass filter or a band-pass filter, respectively, and the complex weight is used as the complex weight of the received complex baseband signal for each antenna element. By multiplying each band signal and adding the result of the multiplication by the number of antenna elements, a composite output signal directed to the arrival direction of the desired communication signal is formed as a reception beam of the array antenna.

【0015】また、請求項2に係るアレーアンテナのビ
ーム形成方法は、請求項1において、受信側で用意した
既知の参照データ系列を複素ベースバンド信号に変換し
た複製信号と、各アンテナ素子毎の受信複素ベースバン
ド信号の複素共役との乗算結果を低域通過フィルタもし
くは帯域通過フィルタに通すことで得られる複素重み
を、上記各アンテナ素子による受信複素ベースバンド信
号にそれぞれ乗算する際に、上記複素重みのエネルギー
が予め定めた閾値以下であることを条件に、上記複素重
みを強制的にゼロにすることにより、複数の非希望通信
信号が希望通信信号とは異なる方向から同時に同じ周波
数で到来する場合においても、上記非希望通信信号によ
る干渉を抑圧できるようにしたものである。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a beam forming method for an array antenna according to the first aspect, wherein a duplicate signal obtained by converting a known reference data sequence prepared on the receiving side into a complex baseband signal, When multiplying the complex weight obtained by passing the multiplication result of the received complex baseband signal with the complex conjugate through a low-pass filter or a band-pass filter to the complex baseband signal received by each of the antenna elements, By forcibly setting the complex weight to zero on condition that the energy of the weight is equal to or less than a predetermined threshold, a plurality of undesired communication signals arrive at the same frequency simultaneously from different directions from the desired communication signal. In this case, the interference due to the undesired communication signal can be suppressed.

【0016】また、請求項3に係るアレーアンテナのビ
ーム形成方法は、複数のアンテナ素子で構成されるアレ
ーアンテナに未知の方向から変調された希望通信信号が
到来し、その希望通信信号がある時間毎に所定のビット
数だけ受信側で既知の参照データ系列を伴っており、か
つその受信タイミングは既知とし、上記アレーアンテナ
からの受信信号を各アンテナ素子毎に共通の周波数及び
共通ではあるが任意の固定位相を有する局部発振器によ
って同相および直交成分からなる複素ベースバンド信号
に変換し、これら複数の複素ベースバンド信号を空間離
散フーリエ変換により上記アレーアンテナからみて所定
の複数の方向に指向した固定ビームによる受信複素ベー
スバンド信号に変換し、これを各固定ビーム毎に出力
し、受信と同じタイミングで既知の参照データ系列を複
素ベースバンド信号に変換した複製信号を受信側で発生
させて、この複製信号を上記各固定ビーム毎の受信複素
ベースバンド信号の複素共役に乗算し、その同相および
直交成分をそれぞれ低域通過フィルタもしくは帯域通過
フィルタに通し、これを複素重みとして上記各固定ビー
ムごとの受信複素ベースバンド信号にそれぞれ乗算し、
その乗算結果を固定ビーム数分だけ全て加算することに
より、希望通信信号の到来方向に向けた合成出力信号を
アレーアンテナの受信ビームとして形成するようにした
ものである。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a beam forming method for an array antenna, wherein a desired communication signal modulated from an unknown direction arrives at an array antenna composed of a plurality of antenna elements, and the desired communication signal is present at a certain time. A predetermined number of bits are associated with a known reference data sequence on the receiving side, and the reception timing is assumed to be known, and a signal received from the array antenna is shared by each antenna element at a common frequency and common but arbitrary Is converted into a complex baseband signal composed of in-phase and quadrature components by a local oscillator having a fixed phase, and a fixed beam directed in a plurality of predetermined directions viewed from the array antenna by a plurality of complex baseband signals by spatial discrete Fourier transform. into a received complex baseband signal by, and outputs it to each fixed beam, same type as the reception The known reference data series replicated signal converted into complex base band signal is generated at the receiving side ring, the replica signal by multiplying the complex conjugate of the received complex baseband signal for each said respective fixed beams, the phase and Each of the orthogonal components is passed through a low-pass filter or a band-pass filter, and the received complex baseband signal for each fixed beam is multiplied as a complex weight.
By adding all the multiplication results by the number of fixed beams, a combined output signal directed to the arrival direction of the desired communication signal is formed as a reception beam of the array antenna.

【0017】また、請求項4に係るアレーアンテナのビ
ーム形成方法は、請求項3において、受信側で用意した
既知の参照データ系列を複素ベースバンド信号に変換し
た複製信号と、複数の方向に指向した各固定ビームによ
る受信複素ベースバンド信号毎の受信複素ベースバンド
信号の複素共役との乗算結果を低域通過フィルタもしく
は帯域通過フィルタに通すことで得られる複素重みを、
上記各固定ビームによる受信複素ベースバンド信号にそ
れぞれ乗算する際に、上記複素重みのエネルギーが予め
定めた閾値以下であることを条件に、上記複素重みを強
制的にゼロにすることにより、複数の非希望通信信号が
希望通信信号とは異なる方向から同時に同じ周波数で到
来する場合においても、上記非希望通信信号による干渉
を抑圧できるようにしたものである。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a beam forming method for an array antenna according to the third aspect, wherein a replicated signal obtained by converting a known reference data sequence prepared on the receiving side into a complex baseband signal is directed in a plurality of directions. The complex weights obtained by passing the result of multiplication with the complex conjugate of the received complex baseband signal for each received complex baseband signal by each fixed beam through a low-pass filter or a band-pass filter,
When multiplying the received complex baseband signal by each of the fixed beams, respectively, on condition that the energy of the complex weight is equal to or less than a predetermined threshold, the complex weight is forcibly set to zero, whereby a plurality of Even when the undesired communication signal arrives at the same frequency at the same time from a different direction from the desired communication signal, the interference by the undesired communication signal can be suppressed.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】次に、添付図面に基づいて、本発
明に係るアレーアンテナのビーム形成方法を具現化し得
る受信機構の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, an embodiment of a receiving mechanism capable of embodying a beam forming method for an array antenna according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

【0019】図1に示す第1実施形態は、アンテナ素子
出力によりビーム形成を行う受信機構1の概略を示す機
能ブロック図である。
The first embodiment shown in FIG. 1 is a functional block diagram schematically showing a receiving mechanism 1 for forming a beam by the output of an antenna element.

【0020】この受信機構1は、アレーアンテナ2(m
素子のアンテナ21 ,22 ,…2mよりなる)と、各ア
ンテナ素子21 〜2m からの受信信号を受ける前処理部
31,32 ,…,3m と、各前処理部(FE)31 〜3
m で前処理された信号に対して各アンテナ素子21 〜2
m に応じた励振振幅分布を設定するレベル調整部41
2 ,…,4m と、各レベル調整部41 〜4m からの信
号レベルが予め設定した閾値以上に該当する信号のみを
選択的に通過させる電力選択部5と、該電力選択部5か
らの信号を受けるビーム形成装置6と、該ビーム形成装
置6に既知の参照データ系列の複製信号を供給する参照
データ系列発生器(SQG)7とからなる。
The receiving mechanism 1 includes an array antenna 2 (m
Antenna 2 1, 2 2 of the device, and ... 2 consisting m), the processing unit 31,3 2 before receiving received signals from each antenna element 2 1 to 2 m, ..., 3 m and each pre-processing unit ( FE) 3 1 -3
Each antenna element with respect to the pre-processed signal in m 2 1 to 2
a level adjuster 4 1 for setting an excitation amplitude distribution according to m ,
4 2, ..., 4 and m, a power selector 5 the signal level to selectively pass only a signal corresponding to more than a predetermined threshold value from each level adjustment part 4 1 to 4 m, said power selector 5 And a reference data sequence generator (SQG) 7 for supplying a replica signal of a known reference data sequence to the beam forming device 6.

【0021】本第1実施形態では、m素子のアレーアン
テナ2に互いに異なる方向の異なる信号源から希望通信
信号Si を含むn本の同一周波数の通信信号S1 〜Sn
が同時に到来する場合、アンテナ素子出力信号に対して
そのまま参照データ系列の複製を演算することにより、
到来信号S1 〜Sn の中から非希望通信信号の干渉をで
きるだけ抑圧しつつ希望通信信号Si の到来方向だけに
ビームを向け、Si だけを分離受信してアレー合成出力
として得るものである。なお各アンテナ素子21 〜2m
の指向性は、全ての到来信号方向を含む広いビーム幅を
もつ場合を想定する。
In the first embodiment, the n number of communication signals S 1 to S n of the same frequency including the desired communication signal S i from different signal sources in different directions are provided to the m-element array antenna 2.
, Arrive at the same time, by directly calculating a copy of the reference data sequence for the antenna element output signal,
Only the arrival direction of the desired communication signal S i from the incoming signal S 1 to S n while suppressing as much as possible interference of the non-desired communication signal directing the beam, as it separates received only S i obtained as array combining output is there. Note each antenna element 2 1 to 2 m
Is assumed to have a wide beam width including all incoming signal directions.

【0022】以下、本実施形態の動作原理を説明する。Hereinafter, the operation principle of this embodiment will be described.

【0023】各アンテナ素子に21 〜2m よる受信信号
は、増幅器,周波数変換部,A/Dコンバータ,準同期
検波部等からなる前処理部31 〜3m を通り、A/Dコ
ンバータがもつサンプル周期でビーム形成装置6に入力
される。ビーム形成装置6への各入力信号は、準同期検
波部における局部発振信号の位相からみて同相成分と直
交成分からなる複素ベースバンド信号であり、n番目の
アンテナ素子からの入力信号を時間tの関数としてbn
(t)(n=1,2,…,m)とおく。
The received signals from the antenna elements 2 1 to 2 m pass through pre-processing sections 3 1 to 3 m including an amplifier, a frequency conversion section, an A / D converter, a quasi-synchronous detection section, and the like. Is input to the beam forming apparatus 6 at the sample period of the. Each input signal to the beam forming apparatus 6 is a complex baseband signal composed of an in-phase component and a quadrature component when viewed from the phase of the local oscillation signal in the quasi-synchronous detection unit. Bn as a function
(t) (n = 1, 2,..., m).

【0024】一方、希望受信信号Si に含まれる既知の
参照データ系列の複製ri(t)を同じく複素ベースバンド
信号として参照データ系列発生器7において受信と同じ
タイミングで発生し、ビーム形成装置6に入力する。
On the other hand, a replica ri (t) of the known reference data sequence included in the desired received signal S i is also generated as a complex baseband signal in the reference data sequence generator 7 at the same timing as the reception, and the beam forming device 6 To enter.

【0025】ビーム形成装置6では、各アンテナ素子2
1 〜2m からの各入力信号bn(t)の複素共役bn*(t) と
参照データ系列の複製ri(t)をそれぞれ乗算し、その結
果を各々低域通過フィルタ(LPF)6a1 〜6am
通してアレー合成のための重みwn(t)を得る。なお、低
域通過フィルタに代えて帯域通過フィルタを用いても良
い。
In the beam forming apparatus 6, each antenna element 2
1 complex conjugate bn * (t) and the reference data sequence replication ri of each input signal from to 2 m bn (t) a (t) by multiplying each result of each low-pass filter (LPF) 6a 1 ~ obtaining weights wn (t) for the array combined through 6a m. Note that a band-pass filter may be used instead of the low-pass filter.

【0026】このWn(t)は、次式で表される。This Wn (t) is expressed by the following equation.

【0027】[0027]

【数1】 (Equation 1)

【0028】上式において、「 ̄」は、低域通過フィル
タ6a1 〜6am による平均化を意味する。また、
「 ̄」の中身は、|bn(t)|に比例した振幅成分と、b
n(t)とri(t)の位相差を位相成分としてもち、データ変
調に伴う位相変動成分はキャンセルされており、最大比
合成を行うための重みとなっている。この演算は、実際
の信号処理回路では次のような同相成分Iと直交成分Q
の積和演算と低域通過フィルタリングのみで実現するこ
とができ、演算は極めてシンプルである。
[0028] In the above equation, "¯" means averaged by the low-pass filter 6a 1 ~6a m. Also,
The content of “ ̄” is an amplitude component proportional to | bn (t) |
The phase difference between n (t) and ri (t) is used as a phase component, and the phase fluctuation component due to data modulation is cancelled, which is a weight for performing maximum ratio combining. This operation is performed by the following in-phase component I and quadrature component Q in an actual signal processing circuit.
And low-pass filtering alone, and the operation is extremely simple.

【0029】[0029]

【数2】 (Equation 2)

【0030】このwn(t)を各アンテナ素子21 〜2m
らの入力bn(t)に乗算し、n=1,2,…,mで加算す
ることにより、希望通信信号Si に対する利得を最大と
するビームが形成され、他の非希望通信信号の到来方向
に対する利得はそれより低くなる。この時、アレー合成
出力信号は、次式となる。
[0030] multiplied by this wn (t) to the input bn (t) from the antenna element 2 1 ~2 m, n = 1,2 , ..., by adding at m, a gain for the desired communication signals S i Is formed, and the gain in the direction of arrival of another undesired communication signal becomes lower. At this time, the array synthesized output signal is expressed by the following equation.

【0031】[0031]

【数3】 (Equation 3)

【0032】この第1実施形態に係る受信機構1では、
各重み乗算部6b1 〜6bm の前に重み制御部6c1
6cm を備え、通信信号中の参照データ系列以外の部分
については重みの更新を固定するため、参照データタイ
ミングによって重みの更新あるいは停止を行う制御を各
重みに対して行っている。また、低域通過フィルタ6a
1 〜6am による処理遅延を補償し、入力信号bn(t)と
重みwn(t)のタイミングを合わせるための遅延バッファ
6d1 〜6dm を備えている。
In the receiving mechanism 1 according to the first embodiment,
Weight controllers 6c 1 ~ before each weight multiplier unit 6b 1 ~6b m
Comprising a 6c m, portions other than the reference data sequence in the communication signal for fixing the updating of the weights, and the control by the reference data timing to update or stopping of the weight carried out for each weight. Also, a low-pass filter 6a
1 to compensate for the processing delays by ~6a m, and a delay buffer 6d 1 ~6d m for timing the input signal bn (t) and the weight wn (t).

【0033】なお、本実施形態では、希望通信信号に対
するビームのサイドローブレベルを低減するため、アン
テナ素子数が多い場合には、各アンテナ素子21 〜2m
ごとに適当な励振振幅分布を設定するためのレベル調整
部41 〜4m を備えるものとして、非希望通信信号に対
する利得を効果的に下げ、これによる干渉を軽減できる
ようにしてある。
[0033] In the present embodiment, in order to reduce the beam sidelobe level for desired communication signals, when the number of antenna elements is large, the antenna elements 2 1 to 2 m
As comprising level adjusting portion 4 1 to 4 m for setting an appropriate excitation amplitude distribution for every effectively lowers the gain for undesired communication signals are also available mitigate interference due to this.

【0034】また、本実施形態のビーム形成装置6で
は、アンテナ素子21 〜2m の指向性が狭く、かつ各々
のアンテナ素子21 〜2m が別々の方向を互いに重なり
あいながら指向することで想定される全ての信号到来方
向をカバーしている場合、すなわちセクタアンテナなど
を想定して、相関選択部6eを備えるものとし、非希望
通信信号による干渉を更に抑圧できるようにしてある。
この相関選択部6eでは、上記の式1で得られた重みの
エネルギー|wn(t)|2 を計算し、ある適当なしきい値
以下となる場合のみ、重みを強制的にゼロに設定するの
である。これにより、参照データ系列との相関が低い信
号の到来方向を向いたアンテナ素子21 〜2m からの入
力信号は合成されず、非希望通信信号からの干渉をより
抑圧することができる。加えて、この相関選択部6eの
機能により、希望通信信号に無関係な方向のビームは、
早い時間で切り捨てられるため、全ての重みを選択する
場合に比べ、希望通信信号の初期捕捉を早めることがで
きる。
Further, the beam former 6 of the present embodiment, the directivity of the antenna element 2 1 to 2 m is narrow, and each of the antenna elements 2 1 to 2 m are oriented while aligned with each other the different directions In the case where all the signal arrival directions assumed in (1) are covered, that is, assuming a sector antenna or the like, a correlation selection unit 6e is provided, so that interference by undesired communication signals can be further suppressed.
The correlation selector 6e calculates the energy | wn (t) | 2 of the weight obtained by the above equation 1, and forcibly sets the weight to zero only when the energy is equal to or less than a certain appropriate threshold value. is there. Thus, the input signal from the antenna element 2 1 to 2 m of correlation facing the direction of arrival of low signal and the reference data sequence is not synthesized, it is possible to further suppress interference from undesired communication signals. In addition, a beam in a direction irrelevant to a desired communication signal can be obtained by the function of the correlation selecting unit 6e.
Since the truncation is performed at an early time, the initial acquisition of the desired communication signal can be accelerated as compared with the case where all the weights are selected.

【0035】なお、全ての方向から到来信号が来るとは
限らないため、セクタアンテナの場合には、アンテナ素
子出力にあるしきい値を設け、そのしきい値以上の信号
のみを選択し、選択された信号のみで以降のビーム形成
演算を行う構成とすることが望ましい場合に備え、本実
施形態では、電力選択部5を設けたのである。これによ
り、不要な演算が省略でき、信号処理回路の規模並びに
処理時間を節約することができる場合がある。
Since a signal does not always come from all directions, in the case of a sector antenna, a threshold value is provided for the antenna element output, and only a signal having a threshold value or more is selected and selected. In the present embodiment, the power selection unit 5 is provided in preparation for a case where it is desirable to perform a subsequent beam forming operation only with the signal obtained. As a result, unnecessary calculations can be omitted, and the scale and processing time of the signal processing circuit can be saved in some cases.

【0036】図2に示す第2実施形態は、固定マルチビ
ーム出力によるビーム形成を行う受信機構1′の概略を
示す機能ブロック図である。
The second embodiment shown in FIG. 2 is a functional block diagram schematically showing a receiving mechanism 1 'for forming a beam with a fixed multi-beam output.

【0037】この受信機構1′の機能で、上記第1実施
形態で示した受信機構1と共通の機能には、同一符号を
付して説明を省略する。しかして、この受信機構1′
は、レベル調整部41 〜4m と電力選択部5との間にマ
ルチビーム形成部(MBF)8を介在させたことに特徴
がある。
In the function of the receiving mechanism 1 ', the same functions as those of the receiving mechanism 1 shown in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. Thus, the receiving mechanism 1 '
It is characterized in that by interposing a multi-beam forming unit (MBF) 8 between the level adjusting unit 4 1 to 4 m and the power selecting section 5.

【0038】この第2実施形態では、m素子のアレーア
ンテナ21 〜2m に互いに異なる方向の異なる信号源か
ら希望通信信号Si を含むn本の同一周波数の通信信号
1〜Sn が同時に到来する場合、アンテナ素子出力信
号に空間軸上で離散フーリエ変換を施すことにより、一
旦、所定の複数の方向を指向した固定のマルチビームを
形成し、その出力に対して参照データ系列を演算するこ
とにより、到来信号S1 〜Sn の中から非希望通信信号
の干渉をできるだけ抑圧しつつ希望通信信号Si の到来
方向だけにビームを向け、Si だけを分離受信してアレ
ー合成出力として得る構成となっている。各アンテナ素
子21 〜2m の指向性は、全ての到来信号方向を含む広
いビーム幅をもつ場合を想定する。
[0038] In the second embodiment, the communication signals S 1 to S n of the n-number of the same frequency, including a desired communication signal S i from each other from the different directions of different source array antenna 2 1 to 2 m of m elements In the case of simultaneous arrival, a discrete multi-beam is applied to the antenna element output signal on the spatial axis to form a fixed multi-beam directed in a plurality of predetermined directions, and a reference data sequence is calculated for the output. by, incoming signals S 1 to S by the arrival direction of the desired communication signal S i while suppressing as much as possible interference of undesired communication signals from the n to direct the beam, S i only separated received by array combining output Is obtained. Directivity of each antenna element 2 1 to 2 m, it is assumed that with a broad beam width including all of the incoming signal direction.

【0039】以下、本第2実施形態の動作原理を説明す
る。
Hereinafter, the operation principle of the second embodiment will be described.

【0040】受信機構1′においても、上記第1実施形
態と同様、各アンテナ素子21 〜2m による受信信号
は、増幅器,周波数変換器,A/Dコンバータ,準同期
検波部等からなる前処理部31 〜3m を通り、A/Dコ
ンバータがもつサンプル周期でビーム形成装置6に入力
される。これらの入力信号は、準同期検波部における局
部発振信号の位相からみて同相成分と直交成分からなる
複素ベースパンド信号であり、k番目のアンテナ素子か
らの入力信号を時間tの関数としてxk(t) (k=1,
2,…,m)とおく。このとき、空間軸上の離散フーリ
エ変換は、次式で表される。
[0040] Also in the receiving mechanism 1 ', the same as the first embodiment, the received signal from each antenna element 2 1 to 2 m, the amplifier, frequency converter, A / D converter, before consisting quasi synchronous detector, etc. processor 3 through the 1 to 3 m, is input to the beam forming device 6 in the sample period where the a / D converter has. These input signals are complex baseband signals composed of an in-phase component and a quadrature component when viewed from the phase of the local oscillation signal in the quasi-synchronous detection unit. The input signal from the k-th antenna element is expressed as xk (t ) (K = 1,
2, ..., m). At this time, the discrete Fourier transform on the spatial axis is represented by the following equation.

【0041】[0041]

【数4】 (Equation 4)

【0042】なお、上記式4において、ωはフーリエ変
換の回転子であり、下式を満たす。
In the above equation (4), ω is a rotator of the Fourier transform, and satisfies the following equation.

【0043】[0043]

【数5】 (Equation 5)

【0044】上記式4は、m素子のアンテナから互いに
直交するm通りの方向を指向する固定のマルチビームを
形成し、その出力がbn(t)であることを示しており、図
2の中のマルチビーム形成部8でその処理を行う。マル
チビーム形成部8からの出力信号のうち、到来信号方向
の固定ビーム出力は、各アンテナ素子21 〜2m による
受信信号の信号対雑音電力比(SNR)が低い場合で
も、アレーアンテナの利得に近い分だけSNRが高まる
ため、以降の重み計算の精度を高めることができる。
Equation (4) shows that a fixed multi-beam is formed from the m-element antenna in m different directions orthogonal to each other, and the output is bn (t). The multi-beam forming unit 8 performs the processing. The output signals from the multi-beam forming unit 8, the fixed beam output of the incoming signal direction, even if the signal-to-noise power ratio of the signal received by each antenna element 2 1 ~2 m (SNR) is low, the array antenna gain Since the SNR is increased by an amount closer to, the accuracy of the subsequent weight calculation can be improved.

【0045】次に、系列の複製ri(t)を用いて上記式1
(或いは式2)及び式3による演算を行うことで、希望
通信信号Si に対する利得を最大とし、他の非希望通信
信号の到来方向に対する利得はそれより低くなるような
ビームが形成され、Si のみを分離受信したアレー合成
出力信号が得られる。
Next, the above equation (1) is obtained by using the sequence copy ri (t).
(Or Equation 2) and by carrying out calculation according to formula 3, to maximize the gain for the desired communication signals S i, the gain for the arrival direction of the other non-desired communication signal is formed beams, such as lower than, S An array composite output signal obtained by separating and receiving only i is obtained.

【0046】なお、本第2実施形態では、各アンテナ素
子21 〜2m のもつビーム幅は広くてもマルチビーム形
成部8で形成されるビームの幅は狭いため、アンテナ素
子にセクタアンテナを用いた第1実施形態と同様に、相
関選択部6eを備えることとしてもよく、その場合、非
希望通信信号による干渉をさらに抑圧し、また希望通信
信号の初期捕捉を早めることができる。
In the second embodiment, since the beam width formed by the multi-beam forming unit 8 is narrow even though the beam width of each of the antenna elements 2 1 to 2 m is wide, a sector antenna is used as the antenna element. As in the first embodiment used, a correlation selection unit 6e may be provided. In this case, interference by undesired communication signals can be further suppressed, and initial acquisition of desired communication signals can be accelerated.

【0047】また、本第2実施形態でも、アンテナ素子
がセクタアンテナである第1実施形態の場合と同様、全
ての方向から到来信号が来るとは限らないため、マルチ
ビーム形成部8の出力にあるしきい値を設け、電力選択
部5によりそのしきい値以上となった出力のみを選択的
にビーム形成装置6へ入力するものとし、選択された信
号のみで以降のビーム形成演算を行う構成としてある。
これにより、不要な演算が省略でき、信号処理回路規模
並びに処理時間を節約することが可能となる場合があ
る。
Also, in the second embodiment, as in the case of the first embodiment in which the antenna element is a sector antenna, an incoming signal does not always come from all directions. A configuration in which a certain threshold value is provided, and only an output that exceeds the threshold value by the power selection unit 5 is selectively input to the beam forming apparatus 6, and a subsequent beam forming operation is performed using only the selected signal. There is.
As a result, unnecessary calculations can be omitted, and the scale of the signal processing circuit and the processing time can be saved in some cases.

【0048】さらに、本第2実施形態でも、第1の実施
形態でアンテナ素子に広い指向性のアンテナを用いた場
合と同様、希望通信信号に対するビームのサイドローブ
を低下させるため、アンテナ素子数が多い場合には、各
アンテナ素子21 〜2m ごとにレベル調整部41 〜4m
を備え、適当な励振振幅分布を与える構成としてあり、
このレベル調整部41 〜4m と上記相関選択部6eを組
み合わせることにより、非希望波到来方向の利得を自由
に制御して、これによる干渉を確実に抑圧することがで
きる。
Further, also in the second embodiment, as in the case of using a wide directivity antenna as the antenna element in the first embodiment, the number of antenna elements is reduced in order to reduce the side lobe of the beam for the desired communication signal. If large, the antenna elements 2 1 level adjustment unit 4 for each to 2 m 1 to 4 m
With a configuration that gives an appropriate excitation amplitude distribution,
By combining this level adjusting unit 4 1 to 4 m and the correlation selecting section 6e, and freely controlling the gain of the non-desired wave arrival direction can be reliably suppress interference due to this.

【0049】図3に示す第3実施形態は、複数の到来信
号への同時捕捉追尾による空間分割多元接続方式で固定
マルチビーム出力によるビーム形成を行う受信機構1″
の概略を示す機能ブロック図である。
The third embodiment shown in FIG. 3 is a receiving mechanism 1 ″ that performs beam forming by fixed multi-beam output in a space division multiple access system by simultaneous acquisition and tracking of a plurality of incoming signals.
It is a functional block diagram showing the outline of.

【0050】この受信機構1″の機能で、上記第1,第
2実施形態で示した受信機構1,1′と共通の機能に
は、同一符号を付して説明を省略する。しかして、この
受信機構1″は、電力選択部5の後段にn′個の分配器
(DIV)91 〜9n'と、チャネル変換部10と、第1
ビーム形成装置61 〜第n′ビーム形成装置6n'よりな
るn′個のビーム形成装置を設けたことに特徴がある。
In the function of the receiving mechanism 1 ″, the same functions as those of the receiving mechanisms 1 and 1 ′ shown in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. This receiving mechanism 1 ″ includes n ′ distributors (DIVs) 9 1 to 9 n ′, a channel converter 10, and a first
It is characterized by providing the n 'number of beamformer consisting beamformer 6 1 through n' beamformer 6 n '.

【0051】すなわち、この第3実施形態では、第1,
第2実施形態におけるビーム形成装置6を複数(n′
個)備え、互いに異なる方向に位置する異なる通信相手
局から同一周波数で送信される複数の通信信号に同時に
複数のビームを向け、それぞれ分離受信して別々のアレ
ー合成出力として得る構成となっている。
That is, in the third embodiment, the first,
A plurality (n ′) of beam forming devices 6 in the second embodiment
And a plurality of beams are simultaneously directed to a plurality of communication signals transmitted at the same frequency from different communication partner stations located in different directions from each other, separated from each other, and obtained as separate array combined outputs. .

【0052】本受信機構1″においては、希望通信信号
をS1 とする第1ビーム形成装置61 、希望通信信号を
2 とする第2ビーム形成装置62 、…希望通信信号を
n'とする第n′ビーム形成装置6n'というように、
n′個のビーム形成装置を備え、各アンテナ素子21
m で受信された信号が、分配器91 〜9n'で各ビーム
形成装置にそれぞれ分配される。各ビーム形成装置61
〜6n'においては、それぞれ別々の参照データ系列の複
製を生成し、それぞれ別々の希望通信信号を捕捉する。
ただし、分配器91 〜9n'はディジタル信号で行うた
め、分配による電力の減少はない。
[0052] In this reception mechanism 1 ", the first beam forming units 61 to a desired communication signal S 1, 2 second beamformer 6 that a desired communication signal and S 2, ... a desired communication signal S n N 'beamformer 6 n '
comprising a n 'number of beamformer, each antenna element 2 1 -
Signal received by 2 m are respectively distributed to the beam former in the distributor 9 1 ~9 n '. Each beam forming device 6 1
In to 6 n 'each generates a replica of separate reference data sequences, capture separate desired communication signal.
However, the distributor 9 1 to 9 n 'is for performing a digital signal, there is no decrease in power due to distribution.

【0053】また、アレーアンテナ2の同一ビーム幅内
に相当する近接した方向から到来する複数の通信信号に
対しては、ビームによる空間分離ができないため、周波
数分割多元接続を併用している場合、別途制御チャネル
を使うなどの手段により各ビーム形成装置61 〜6n'に
別チャネルを割り当て、対応したチャネル変換部10に
よりチャネル変換を行って、周波数で分離された別々の
ビームをそれぞれの近接到来信号方向に形成する。
Further, since a plurality of communication signals arriving from close directions corresponding to the same beam width of the array antenna 2 cannot be spatially separated by beams, when frequency division multiple access is used together, Assign a different channel to each beam former 6 1 to 6 n 'by means such as using a separate control channel, performs channel converted by the channel converting unit 10 corresponding, respectively proximity separate beams separated by frequency Form in the incoming signal direction.

【0054】従って、本第3実施形態によれば、受信側
が備えるビーム形成装置6の数(n′個)だけ、異なる
方向から同一周波数で到来する通信信号を互いに分離し
ながら受信することができる。また、近接した方向から
到来する複数の通信信号に対しては、利用可能なチャネ
ルの数だけ互いに分離しながら受信することができる。
このため、単にチャネルだけで通信信号を分離受信する
場合に比べ、空間分離を行っていることにより、通信容
量を大幅に増大することができ、また常にアレーアンテ
ナ2の受信ビームの山が通信相手局方向に向けられるた
め、相手局の送信電力を節約することができる。さら
に、本実施形態における受信機構1″は、フィードバッ
クループを含まず、簡単な演算処理だけで実現できるた
め、回路規模が節約できるとともに、高速かつ安定な動
作が期待でき、多くのアンテナ素子を備えるアレーアン
テナや高速な伝送速度をもつ固定あるいは移動通信シス
テムに適している。
Therefore, according to the third embodiment, communication signals arriving at the same frequency from different directions can be received while being separated from each other by the number (n ′) of beam forming devices 6 provided on the receiving side. . Also, a plurality of communication signals arriving from close directions can be received while being separated from each other by the number of available channels.
Therefore, compared to the case where the communication signal is separated and received only by the channel alone, the spatial separation is performed, so that the communication capacity can be greatly increased, and the peak of the reception beam of the array antenna 2 always becomes the communication partner. Since the transmission is directed toward the station, the transmission power of the partner station can be saved. Furthermore, since the receiving mechanism 1 ″ in the present embodiment does not include a feedback loop and can be realized only by simple arithmetic processing, the circuit scale can be saved, high-speed and stable operation can be expected, and a large number of antenna elements are provided. It is suitable for an array antenna or a fixed or mobile communication system having a high transmission rate.

【0055】なお、上記したチャネルは、周波数のほ
か、時分割多元接続におけるタイムスロット、符号分割
多元接続における拡散符号などに置き換えることもでき
る。
The above-mentioned channel can be replaced with a time slot in time division multiple access, a spreading code in code division multiple access, or the like, in addition to the frequency.

【0056】以下に、第3実施形態の動作を計算機シミ
ュレーション結果を参照して説明する。シミュレーショ
ンは、半波長間隔で16個のアンテナ素子を直線上に並
べた直線アレーにより、3つの異なる方向から同一周波
数,同一レベル,同一変調方式の通信信号が到来する場
合を想定した。変調方式は4相位相シフトキーイング
(QPSK)、参照データ系列は10シンボルの疑似ラ
ンダム雑音(PN)符号、A/Dコンバータによるサン
プリングは1シンボル16サンプルとした。また、基本
特性の明確化のため、受信信号の信号電力対雑音電力比
(CNR)はアンテナ1素子当たり30dBとした。各
アンテナ素子は無指向性とし、マルチビーム形成部(M
BF)を備えるものとした。
Hereinafter, the operation of the third embodiment will be described with reference to computer simulation results. In the simulation, it is assumed that communication signals of the same frequency, the same level, and the same modulation scheme come from three different directions by a linear array in which 16 antenna elements are arranged on a straight line at half-wavelength intervals. The modulation method was four-phase phase shift keying (QPSK), the reference data sequence was a pseudo-random noise (PN) code of 10 symbols, and the sampling by the A / D converter was 16 samples per symbol. For clarifying the basic characteristics, the signal power to noise power ratio (CNR) of the received signal was set to 30 dB per antenna element. Each antenna element is omnidirectional, and a multi-beam forming unit (M
BF).

【0057】図4は、3つのビーム形成装置(第1〜第
3ビーム形成装置61 〜63 )を用いて、3つの到来信
号に対してそれぞれビーム形成を行った場合の3つのビ
ームパターンを示している。ただし、励振振幅分布は一
様分布とし、MBF出力の電力選択及び相関選択は行わ
ないものとした。本図から、それぞれの到来信号方向
に、別々のビームの山が自動的に向けられるとともに、
非希望通信信号の到来方向の利得は低くなり、3つの到
来信号が分離受信されていることがわかる。ただし、非
希望通信信号の方向にも−11dB〜−16dB程度の
小さなビームの山がそれぞれできており、非希望通信信
号の干渉をわずかに受けていることがわかる。
FIG. 4 shows three beam patterns when three beam forming devices (first to third beam forming devices 6 1 to 6 3 ) perform beam forming on three arriving signals, respectively. Is shown. However, the excitation amplitude distribution was uniform, and power selection and correlation selection of the MBF output were not performed. From this figure, different beam peaks are automatically directed to each incoming signal direction,
It can be seen that the gain in the direction of arrival of the undesired communication signal is low, and three incoming signals are separated and received. However, small beam peaks of about −11 dB to −16 dB are also formed in the direction of the undesired communication signal, and it can be seen that the interference of the undesired communication signal is slightly received.

【0058】図5は、チェビシェフ指向性パターンと呼
ばれる低サイドローブパターンが得られるようにレベル
調整部において励振振幅分布を設定するとともに、MB
F出力の相関選択を行った場合の3つのビームパターン
を示している。それぞれ、希望通信信号方向のビームは
ほとんど変わらずに非希望通信信号方向の利得が−30
dB以下に大きく減少し、これによる干渉が抑圧されて
いることがわかる。
FIG. 5 shows the setting of the excitation amplitude distribution in the level adjustment section so that a low side lobe pattern called a Chebyshev directivity pattern is obtained,
3 shows three beam patterns when the correlation selection of the F output is performed. In each case, the beam in the desired communication signal direction hardly changes, and the gain in the non-desired communication signal direction is -30.
It can be seen that the interference is greatly reduced to less than dB, and interference due to this is suppressed.

【0059】図6は、レベル調整部41 〜4m における
励振振幅分布設定をサイドローブレベル設定値によって
変えた場合の、3波到来時にS1 到来方向に向けられた
ビームパターンを示している。S1 方向の利得をほとん
ど変化させずに、非希望通信信号であるS2 及びS3
向の利得を効果的に低減できることがわかる。
[0059] Figure 6, when changing the excitation amplitude distribution set in the level adjusting unit 4 1 to 4 m by the side lobe level set value shows a beam pattern directed to S 1 arrival direction when three waves arriving . The gain of the S 1 direction without substantial change, it can be seen that the S 2 and S 3 the direction of the gain which is undesired communication signals can be effectively reduced.

【0060】[0060]

【発明の効果】以上説明したように、請求項1に係るア
レーアンテナのビーム形成方法においては、以下のよう
な効果を奏し得る。
As described above, the beam forming method for the array antenna according to the first aspect has the following effects.

【0061】(1) 同一周波数で同一変調方式の通信
信号が複数同時にアレーアンテナに到来する場合におい
ても、希望通信信号と非希望通信信号の到来方向が識別
不可能なほどに接近していなければ、希望通信信号の到
来方向にのみビームの山を自動的に向けるとともにこれ
を追尾し、同時に非希望通信信号の到来方向の利得を自
動的に低減させ、非希望通信信号による干渉を軽減しつ
つ希望通信信号を空間的に分離受信することが可能とな
る。
(1) Even when a plurality of communication signals of the same frequency and the same modulation method arrive at the array antenna at the same time, if the arrival directions of the desired communication signal and the non-desired communication signal are not so close as to be indistinguishable. While automatically aiming and tracking the beam peak only in the direction of arrival of the desired communication signal, at the same time automatically reducing the gain in the direction of arrival of the undesired communication signal while reducing interference by the undesired communication signal Desired communication signals can be spatially separated and received.

【0062】(2) 複数の異なる通信信号が異なる方
向から同一周波数で到来する場合、これらの到来方向に
別々のビームを形成し、これらを互いに空間的に分離し
てそれぞれ受信することができ、到来信号の空間分離を
行っているため、チャネル分離のみを行うシステムに比
べて、大幅な通信容量の増大を図ることができる。
(2) When a plurality of different communication signals arrive at the same frequency from different directions, separate beams can be formed in these directions of arrival, and these beams can be spatially separated from each other and received. Since the incoming signal is spatially separated, the communication capacity can be significantly increased as compared with a system that only performs channel separation.

【0063】(3) ビーム形成のための演算は、フィ
ードバックループを含まず、簡単な演算処理のみで実現
できるため、動作は高速かつ安定であり、演算処理回路
の規模も節約可能となり、多くのアンテナ素子を有する
アレーアンテナや高速伝送システムのためのビーム形成
方法に好適である。
(3) The operation for beam forming does not include a feedback loop and can be realized only by simple arithmetic processing. Therefore, the operation is fast and stable, the scale of the arithmetic processing circuit can be saved, and many operations can be performed. It is suitable for an array antenna having an antenna element and a beam forming method for a high-speed transmission system.

【0064】また、上記請求項1の従属項である請求項
2に係るアレーアンテナのビーム形成方法においては、
更に以下の効果を奏し得る。
Also, in the beam forming method for an array antenna according to claim 2 which is dependent on claim 1,
Further, the following effects can be obtained.

【0065】(4) 各アンテナ素子がセクタアンテナ
である場合には、アンテナ素子出力の相関選択を行うこ
とにより、非希望通信信号到来方向の利得をさらに抑圧
することができ、かつ不要な出力が早い段階で切り捨て
られるため、初期捕捉を早めることができる。
(4) When each antenna element is a sector antenna, by performing correlation selection of the antenna element output, the gain in the undesired communication signal arrival direction can be further suppressed, and unnecessary output can be suppressed. Since early truncation occurs, early acquisition can be expedited.

【0066】(5) 各アンテナ素子が広い指向性をも
つ場合であっても、マルチビーム形成部出力の相関選択
を行うことにより、非希望通信信号到来方向の利得を大
きく抑圧することができ、かつ不要な出力が早い段階で
切り捨てられるため、初期捕捉を早めることができる。
(5) Even when each antenna element has a wide directivity, the gain in the arrival direction of the undesired communication signal can be largely suppressed by performing the correlation selection of the output of the multi-beam forming unit. In addition, since unnecessary outputs are truncated at an early stage, initial capture can be hastened.

【0067】(6) マルチビーム形成部を備える場合
には、マルチビーム形成部出力の相関選択とレベル調整
部による励振振幅分布設定の組合せにより、非希望通信
信号到来方向の利得をより一層抑圧することができ、か
つこれを自由に制御することができる。
(6) When a multi-beam forming unit is provided, the gain in the arrival direction of the undesired communication signal is further suppressed by a combination of the correlation selection of the output of the multi-beam forming unit and the setting of the excitation amplitude distribution by the level adjusting unit. And it can be controlled freely.

【0068】さらに、請求項3に係るアレーアンテナの
ビーム形成方法においては、上記請求項1により奏し得
る(1)〜(3)の効果に加えて、アンテナ素子による
受信信号の信号対雑音電力比(SNR)が低い場合で
も、マルチビーム形成部の出力信号のうち到来信号方向
の固定ビーム出力は、アレーアンテナの利得に近い分だ
けSNRが高まるため、以降の重み計算の精度を高める
ことができるという効果もある。
Further, in the beam forming method for an array antenna according to the third aspect, in addition to the effects (1) to (3) provided by the first aspect, a signal-to-noise power ratio of a received signal by the antenna element is provided. Even when (SNR) is low, the fixed beam output in the arriving signal direction among the output signals of the multi-beamformer increases the SNR by an amount close to the gain of the array antenna, so that the accuracy of the subsequent weight calculation can be improved. There is also an effect.

【0069】また、請求項3の従属請求項である請求項
4にアレーアンテナのビーム形成方法においては、更
に、上記(4)〜(6)の効果を奏する。
The beam forming method for an array antenna according to claim 4 which is a dependent claim of claim 3 further has the above-mentioned effects (4) to (6).

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係るアレーアンテナのビーム形成方法
を具現化し得る受信機構の第1実施形態を示す機能ブロ
ック図である。
FIG. 1 is a functional block diagram showing a first embodiment of a receiving mechanism capable of implementing a beam forming method for an array antenna according to the present invention.

【図2】本発明に係るアレーアンテナのビーム形成方法
を具現化し得る受信機構の第2実施形態を示す機能ブロ
ック図である。
FIG. 2 is a functional block diagram showing a second embodiment of a receiving mechanism capable of embodying the array antenna beam forming method according to the present invention.

【図3】本発明に係るアレーアンテナのビーム形成方法
を具現化し得る受信機構の第3実施形態を示す機能ブロ
ック図である。
FIG. 3 is a functional block diagram showing a third embodiment of a receiving mechanism capable of realizing the array antenna beam forming method according to the present invention.

【図4】3つのビーム形成装置を備えるものとした第3
実施形態に係る受信機構で3つの到来信号に対してそれ
ぞれビーム形成を行った場合の計算機シミュレーション
結果を示すビームパターン特性図である。
FIG. 4 shows a third embodiment having three beam forming devices.
FIG. 11 is a beam pattern characteristic diagram showing a computer simulation result when beam formation is performed on three incoming signals by the receiving mechanism according to the embodiment.

【図5】3つのビーム形成装置を備えるものとした第3
実施形態に係る受信機構で、チェビシェフ指向性パター
ンが得られるような条件として、3つの到来信号に対し
てそれぞれビーム形成を行った場合の計算機シミュレー
ション結果を示すビームパターン特性図である。
FIG. 5 shows a third example provided with three beam forming devices.
FIG. 8 is a beam pattern characteristic diagram showing a computer simulation result when beam forming is performed on three arriving signals under the condition that a Chebyshev directional pattern is obtained by the receiving mechanism according to the embodiment.

【図6】3つのビーム形成装置を備えるものとした第3
実施形態に係る受信機構で、レベル調整部における励振
振幅分布設定をサイドローブレベル設定値によって変化
させ、3つの到来信号に対してそれぞれビーム形成を行
った場合の計算機シミュレーション結果を示すビームパ
ターン特性図である。
FIG. 6 shows a third example provided with three beam forming devices.
A beam pattern characteristic diagram showing a computer simulation result in a case where the excitation amplitude distribution setting in the level adjustment unit is changed by the side lobe level setting value and beam forming is performed on each of three incoming signals in the receiving mechanism according to the embodiment. It is.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 受信機構 21 ,22 ,…2m アンテナ素子 31 ,32 ,…,3m 前処理部 41 ,42 ,…,4m レベル調整部 5 電力選択部 6 ビーム形成装置 7 参照データ系列発生器1 receiving mechanism 2 1, 2 2, ... 2 m antenna elements 31, 3 2, ..., 3 m preprocessing unit 4 1, 4 2, ..., 4 m level adjuster 5 power selector 6 beamformer 7 reference data Sequence generator

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−199927(JP,A) 特開 平3−276903(JP,A) 特開 平9−246843(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01Q 3/26 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-9-199927 (JP, A) JP-A-3-276903 (JP, A) JP-A-9-246843 (JP, A) (58) Field (Int.Cl. 7 , DB name) H01Q 3/26

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 複数のアンテナ素子で構成されるアレー
アンテナに未知の方向から変調された希望通信信号が到
来し、その希望通信信号がある時間毎に所定のビット数
だけ受信側で既知の参照データ系列を伴っており、かつ
その受信タイミングは既知とし、 上記アレーアンテナからの受信信号を各アンテナ素子毎
に共通の周波数及び共通ではあるが任意の固定位相を有
する局部発振器によって同相および直交成分からなる複
素ベースバンド信号に変換し、これを各アンテナ素子ご
とに出力し、受信と同じタイミングで 既知の参照データ系列を複素ベ
ースバンド信号に変換した複製信号を受信側で発生させ
て、この複製信号を各アンテナ素子毎の受信複素ベース
バンド信号の複素共役に乗算し、その同相および直交成
分をそれぞれ低域通過フィルタもしくは帯域通過フィル
タに通して、これを複素重みとして各アンテナ素子ごと
の受信複素ベースバンド信号にそれぞれ乗算し、 その乗算結果をアンテナ素子数分だけ全て加算すること
により、希望通信信号の到来方向に向けた合成出力信号
をアレーアンテナの受信ビームとして形成するようにし
たことを特徴とするアレーアンテナのビーム形成方法。
1. A desired communication signal modulated from an unknown direction arrives at an array antenna composed of a plurality of antenna elements, and a predetermined number of bits of the desired communication signal is provided at each reception time by a known reference signal on a receiving side. It is accompanied by a data sequence, and its reception timing is known. The received signal from the array antenna is converted from in-phase and quadrature components by a local oscillator having a common frequency and a common but arbitrary fixed phase for each antenna element. A complex baseband signal is converted into a complex baseband signal, and this is output for each antenna element. At the same timing as reception, a duplicate signal obtained by converting a known reference data sequence into a complex baseband signal is generated on the receiving side. Is multiplied by the complex conjugate of the received complex baseband signal for each antenna element, and its in-phase and quadrature components are respectively low-pass filtered. Or a band-pass filter, multiplies the received complex baseband signal for each antenna element as a complex weight, and adds all of the multiplication results by the number of antenna elements, thereby obtaining the arrival direction of the desired communication signal. A beam forming method for an array antenna, characterized in that a combined output signal directed to the antenna is formed as a receiving beam of the array antenna.
【請求項2】 受信側で用意した既知の参照データ系列
を複素ベースバンド信号に変換した複製信号と、各アン
テナ素子毎の受信複素ベースバンド信号の複素共役との
乗算結果を低域通過フィルタもしくは帯域通過フィルタ
に通すことで得られる複素重みを、上記各アンテナ素子
による受信複素ベースバンド信号にそれぞれ乗算する際
に、上記複素重みのエネルギーが予め定めた閾値以下で
あることを条件に、上記複素重みを強制的にゼロにする
ことにより、複数の非希望通信信号が希望通信信号とは
異なる方向から同時に同じ周波数で到来する場合におい
ても、上記非希望通信信号による干渉を抑圧できるよう
にしたことを特徴とする請求項1に記載のアレーアンテ
ナのビーム形成方法。
2. A low-pass filter or a multiplication result of a duplicate signal obtained by converting a known reference data sequence prepared on a receiving side into a complex baseband signal and a complex conjugate of a received complex baseband signal for each antenna element. When the complex weights obtained by passing through the band-pass filters are respectively multiplied by the complex baseband signals received by the antenna elements, the complex weights are set on condition that the energy of the complex weights is equal to or less than a predetermined threshold. By forcibly setting the weight to zero, even when a plurality of undesired communication signals simultaneously arrive at the same frequency from a different direction from the desired communication signal, interference by the undesired communication signal can be suppressed. The method of forming a beam of an array antenna according to claim 1, wherein:
【請求項3】 複数のアンテナ素子で構成されるアレー
アンテナに未知の方向から変調された希望通信信号が到
来し、その希望通信信号がある時間毎に所定のビット数
だけ受信側で既知の参照データ系列を伴っており、かつ
その受信タイミングは既知とし、 上記アレーアンテナからの受信信号を各アンテナ素子毎
に共通の周波数及び共通ではあるが任意の固定位相を有
する局部発振器によって同相および直交成分からなる複
素ベースバンド信号に変換し、これら複数の複素ベース
バンド信号を空間離散フーリエ変換により上記アレーア
ンテナからみて所定の複数の方向に指向した固定ビーム
による受信複素ベースバンド信号に変換し、これを各固
定ビーム毎に出力し、受信と同じタイミングで 既知の参照データ系列を複素ベ
ースバンド信号に変換した複製信号を受信側で発生させ
て、この複製信号を上記各固定ビーム毎の受信複素ベー
スバンド信号の複素共役に乗算し、その同相および直交
成分をそれぞれ低域通過フィルタもしくは帯域通過フィ
ルタに通し、これを複素重みとして上記各固定ビームご
との受信複素ベースバンド信号にそれぞれ乗算し、 その乗算結果を固定ビーム数分だけ全て加算することに
より、希望通信信号の到来方向に向けた合成出力信号を
アレーアンテナの受信ビームとして形成するようにした
ことを特徴とするアレーアンテナのビーム形成方法。
3. A desired communication signal modulated from an unknown direction arrives at an array antenna constituted by a plurality of antenna elements, and a predetermined number of bits of the desired communication signal are provided for each predetermined time by a known reference signal on a receiving side. It is accompanied by a data sequence, and its reception timing is known. The received signal from the array antenna is converted from in-phase and quadrature components by a local oscillator having a common frequency and a common but arbitrary fixed phase for each antenna element. And converting the plurality of complex baseband signals into a received complex baseband signal by a fixed beam directed in a plurality of predetermined directions as viewed from the array antenna by a spatial discrete Fourier transform. outputs for each fixed beam, the known reference data sequences at the same timing as the reception complex base band signal Generate the converted duplicated signal on the receiving side, multiply this duplicated signal by the complex conjugate of the received complex baseband signal for each fixed beam, and convert the in-phase and quadrature components to a low-pass filter or a band-pass filter, respectively. Then, the complex output is multiplied by the received complex baseband signal for each fixed beam as a complex weight, and the multiplied results are all added by the number of fixed beams, thereby obtaining a combined output signal directed to the arrival direction of the desired communication signal. Is formed as a reception beam of the array antenna.
【請求項4】 受信側で用意した既知の参照データ系列
を複素ベースバンド信号に変換した複製信号と、複数の
方向に指向した各固定ビームによる受信複素ベースバン
ド信号毎の受信複素ベースバンド信号の複素共役との乗
算結果を低域通過フィルタもしくは帯域通過フィルタに
通すことで得られる複素重みを、上記各固定ビームによ
る受信複素ベースバンド信号にそれぞれ乗算する際に、
上記複素重みのエネルギーが予め定めた閾値以下である
ことを条件に、上記複素重みを強制的にゼロにすること
により、複数の非希望通信信号が希望通信信号とは異な
る方向から同時に同じ周波数で到来する場合において
も、上記非希望通信信号による干渉を抑圧できるように
したことを特徴とする請求項3に記載のアレーアンテナ
のビーム形成方法。
4. A duplication signal obtained by converting a known reference data sequence prepared on the receiving side into a complex baseband signal, and a reception complex baseband signal for each reception complex baseband signal by each fixed beam directed in a plurality of directions. When multiplying a complex weight obtained by passing a result of multiplication with a complex conjugate through a low-pass filter or a band-pass filter to a complex baseband signal received by each of the fixed beams,
On condition that the energy of the complex weight is equal to or less than a predetermined threshold, by forcibly setting the complex weight to zero, a plurality of undesired communication signals are simultaneously transmitted from different directions from the desired communication signal at the same frequency. 4. The array antenna beam forming method according to claim 3, wherein interference due to the undesired communication signal can be suppressed even when the signal arrives.
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