CN102288939A

CN102288939A - 电波到达角度检测装置以及电波到达角度检测方法

Info

Publication number: CN102288939A
Application number: CN2011101247563A
Authority: CN
Inventors: 山田英明
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2011-12-21
Also published as: US20110281539A1; JP2011237359A

Abstract

一种电波到达角度检测装置及电波到达角度检测方法，该电波到达角度检测装置具备：第一接收天线；第二接收天线，分离小于信号波的波长的距离C；振荡器，输出与信号波相同频率的振荡波；第一乘法器，通过将第一信号波W1和振荡波相乘而输出第一混合波；第一滤波器，提取第一混合波所含的第一直流成分；第二乘法器，通过将第二信号波W2和振荡波相乘而输出第二混合波；第二滤波器，提取第二混合波所含的第二直流成分；以及到达角度计算部，根据第一直流成分和第二直流成分计算第一信号波W1与第二信号波W2之间的相位差Δλ，并根据相位差Δλ和距离C计算信号波的到达角度θ。

Description

电波到达角度检测装置以及电波到达角度检测方法

技术领域

本发明涉及电波到达角度检测装置以及电波到达角度检测方法。

背景技术

以往，通过一个接收装置接收从多个发送装置发送的电波并测定接收装置的位置、或者通过多个接收装置接收从一个发送装置发送的电波并测定发送装置的位置的方法一直被执行。

例如，在专利文献1中，提出通过一个便携终端装置接收从多个无线基地站装置同时发送的电波，并利用接收的时刻的时间差来测定便携终端装置的位置的方法。

【现有技术文献】

【专利文献】

专利文献1：日本特开2006-71389号公报

然而，在这样的利用时间差测定位置的方法中，必须在同一时刻从作为无线基地站装置的多个发送装置发送电波。因此，存在在各发送装置中具备高精度的计时装置以高精度地校正时刻的问题。

发明内容

本发明为了解决上述问题的至少一部分而提出，其目的在于能够实现作为下面的实施方式或者应用例。

【应用例1】一种电波到达角度检测装置，其特征在于，具备：第一接收天线，用于接收从发送装置发送来的信号波作为第一信号波；第二接收天线，位于距所述第一接收天线的距离小于所述信号波的波长的位置上，所述第二接收天线用于接收从所述发送装置发送来的所述信号波作为第二信号波；振荡器，用于输出与所述信号波相同频率的振荡波；第一乘法器，用于通过将所述第一信号波和所述振荡波相乘而输出第一混合波；第一滤波器，用于提取所述第一混合波所含的第一直流成分；第二乘法器，用于通过将所述第二信号波和所述振荡波相乘而输出第二混合波；第二滤波器，用于提取所述第二混合波所含的第二直流成分；以及到达角度计算部，用于根据所述第一直流成分和所述第二直流成分计算所述第一信号波与所述第二信号波之间的相位差，并根据所述相位差和所述距离计算所述信号波的到达角度。

根据该结构，第一乘法器将第一信号波和与第一信号波相同频率的振荡波相乘，第二乘法器将第二信号波和与第二信号波相同频率的振荡波相乘。由此，在第一混合波中含有第一直流成分，在第二混合波中含有第二直流成分。

另外，第一接收天线与第二接收天线位于分离小于信号波的波长的距离的位置上。由此，由第一接收天线作为第一信号波接收的时刻与由第二接收天线作为第二信号波接收的时刻之间的时间差小于一个周期。即，第一信号波与第二信号波之间的相位差的值小于2π弧度(小于360度)。

因此，到达角度计算部根据由第一滤波器提取的第一直流成分与由第二滤波器提取的第二直流成分，计算第一信号波与第二信号波之间的相位差，可根据计算出的相位差和第一接收天线与第二接收天线的距离而计算信号波的电波到达角度。因此，到达角度计算部能够不包含时间的函数地计算从发送装置发送的信号波的电波到达角度。因此，在发送装置中无需具备高精度的计时装置。因此，不需要高精度地对时刻进行校正。

【应用例2】一种电波到达角度检测方法，其特征在于，包括：第一接收步骤，通过第一接收天线接收从发送装置发送来的信号波作为第一信号波；第二接收步骤，通过第二接收天线接收从所述发送装置发送来的所述信号波作为第二信号波，所述第二接收天线位于距所述第一接收天线的距离小于所述信号波的波长的位置上；振荡步骤，输出与所述信号波相同频率的振荡波；第一乘法步骤，通过将所述第一信号波和所述振荡波相乘而输出第一混合波；第一直流成分提取步骤，提取所述第一混合波所含的第一直流成分；第二乘法步骤，通过将所述第二信号波和所述振荡波相乘而输出第二混合波；第二直流成分提取步骤，提取所述第二混合波所含的第二直流成分；以及到达角度计算步骤，根据所述第一直流成分和所述第二直流成分计算所述第一信号波与所述第二信号波之间的相位差，并根据所述相位差和所述距离计算所述信号波的到达角度。

根据该结构，在第一乘法步骤中，将第一信号波和与第一信号波相同频率的振荡波相乘，在第二乘法步骤中，将第二信号波和与第二信号波相同频率的振荡波相乘。由此，在第一混合波中含有第一直流成分，在第二混合波中含有第二直流成分。

另外，在第一接收步骤中所使用的第一接收天线与在第二接收步骤中所使用的第二接收天线位于分离小于信号波的波长的距离的位置上。由此，由第一接收天线作为第一信号波接收的时刻与由第二接收天线作为第二信号波接收的时刻之间的时间差小于一个周期。即，第一信号波与第二信号波之间的相位差的值小于2π弧度(小于360度)。

因此，在到达角度计算步骤中，根据在第一直流成分提取步骤中提取的第一直流成分与在第二直流成分提取步骤中提取的第二直流成分，计算第一信号波与第二信号波之间的相位差，可根据计算出的相位差和第一接收天线与第二接收天线的距离而计算信号波的电波到达角度。因此，在到达角度计算步骤中，能够不包含时间的函数地计算从发送装置发送的信号波的电波到达角度。因此，在发送装置中无需具备高精度的计时装置。因此，不需要高精度地对时刻进行校正。

附图说明

图1是表示电波到达角度检测装置的主要结构的框图。

图2是用于说明相位差与电波到达角度之间的关系的图。

具体实施方式

下面，参照附图同时对实施方式进行说明。图1是表示本实施方式中的电波到达角度检测装置1的主要结构的框图。第一接收天线2从发送装置(未图示)接收作为电波发送的信号波作为第一信号波W1。由第一接收天线2接收到的第一信号波W1被低噪声放大器(LNA)3放大。

振荡器11输出与从发送装置发送的信号波相同频率的振荡波。在本实施方式中，振荡器11振荡正弦波I与余弦波Q作为振荡波。

第一乘法器4通过将从LNA 3输入的第一信号波W1和从振荡器11输入的正弦波I、余弦波Q相乘而输出作为第一混合波的混合波M1与混合波M2。通过第一乘法器4所具备的正弦波乘法部5，将第一信号波W1和正弦波I相乘而输出混合波M1。通过第一乘法器4所具备的余弦波乘法部6，将第一信号波W1与余弦波Q相乘而输出混合波M2。

第一滤波器7从作为第一混合波的混合波M1、M2中提取作为第一直流成分的直流成分D1、D2。由第一滤波器7所具备的低通滤波器(LPF)8从混合波M1提取直流成分D1。由第一滤波器7所具备的低通滤波器(LPF)9从混合波M2提取直流成分D2。

第二接收天线12从发送装置接收作为电波发送的信号波作为第二信号波W2。由第二接收天线12接收到的第二信号波W2被低噪声放大器(LNA)13放大。

第二乘法器14通过将从LNA 13输入的第二信号波W2和从振荡器11输入的正弦波I、余弦波Q相乘而输出作为第二混合波的混合波M3与混合波M4。通过第二乘法器14所具备的正弦波乘法部15，将第二信号波W2和正弦波I相乘而输出混合波M2。通过第二乘法器14所具备的余弦波乘法部16，将第二信号波W2与余弦波Q相乘而输出混合波M4。

第二滤波器17从作为第二混合波的混合波M3、M4中提取作为第二直流成分的直流成分D3、D4。由第二滤波器17所具备的低通滤波器(LPF)18从混合波M3提取直流成分D3。由第二滤波器17所具备的低通滤波器(LPF)19从混合波M4提取直流成分D4。

到达角度计算部10构成为包括AD转换部(未图示)、CPU(未图示)、RAM(未图示)、ROM(未图示)。AD转换部将直流成分D1、D2、D3、D4从模拟量转换成数字量。另外，到达角度计算部10通过CPU将存储于ROM的程序读出到RAM并执行而发挥作用。

在ROM中具备存储有三角函数的值与反三角函数的值的表(table)，能够根据三角函数的值计算作为反三角函数的值的角度。到达角度计算部10基于由AD转换部转换的数字量，计算从发送装置发送的信号波的到达角度。

接下来，对计算信号波的到达角度的方法进行具体说明。

在设角频率α、时间t、相位φ1时，第一信号波W1用式(1)的余弦波表示。

W1＝cos(αt+φ1) …式(1)

振荡器11振荡设角频率β的式(2)的正弦波I与式(3)的余弦波Q。

I＝sinβt …式(2)

Q＝cosβt …式(3)

第一乘法器4所具备的正弦波乘法部5将从LNA 3输入的第一信号波W1和从振荡器11输入的正弦波I相乘并输出式(4)的混合波M1。

M1＝W1×I

＝cos(αt+φ1)×sinβt

＝[sin{(α+β)t+φ1}+sin{(α-β)t+φ1}]/2

…式(4)

LPF 8屏蔽(遮断)混合波M1中高频段频率，仅使低频段频率通过，混合波M1通过式(5)表示。

M=[sin{(α-β)t+φ}]/2 …式(5)

振荡器11振荡的正弦波I中的频率与第一信号波W1的频率相同，所以正弦波I中的角频率β与第一信号波W1的角频率α相同。因此，LPF8提取混合波M1中包含的式(6)的直流成分D1。

Dl=(sinφ1)/2 …式(6)

第一乘法器4所具备的余弦波乘法部6将从LNA 3输入的第一信号波W1和从振荡器11输入的余弦波Q相乘而输出式(7)的混合波M2。

M2＝W1×Q

＝cos(αt+φ1)×cosβt

＝[cos{(α+β)t+φ1}+cos{(α-β)t+φ1}]/2

…式(7)

LPF 9屏蔽混合波M2中高频段频率，仅使低频段频率通过，混合波M2通过式(8)表示。

M2＝[cos{(α-β)t+φ1}]/2 …式(8)

余弦波Q中的角频率β与第一信号波W1的角频率α相同。因此，LPF 9提取混合波M2中包含的式(9)的直流成分D2。

D2＝(cosφ1)/2 …式(9)

在设角频率α、时间t、相位φ2时，第二信号波W2用式(10)的余弦波表示。

W2＝cos(αt+φ2) …式(10)

第二乘法器14所具备的正弦波乘法部15将从LNA 13输入的第二信号波W2和从振荡器11输入的正弦波I相乘而输出式(11)的混合波M3。

M3＝W2×T

＝cos(αt+φ2)×sinβt

＝[sin{(α+β)t+φ2}+sin{(α-β)t+φ2}]/2

…式(11)

LPF 18屏蔽混合波M3中高频段频率，仅使低频段频率通过，混合波M3通过式(12)表示。

M3＝[sin{(α-β)t+φ2}]/2 …式(12)

振荡器11振荡的正弦波I中的频率与第二信号波W2的频率相同，所以正弦波I中的角频率β与第二信号波W2的角频率α相同。因此，LPF18提取混合波M3中包含的式(13)的直流成分D3。

D3＝(sinφ2)/2 …式(13)

第二乘法器14所具备的余弦波乘法部16将从LNA 3输入的第二信号波W2和从振荡器11输入的余弦波Q相乘而输出式(14)的混合波M4。

M4＝W2×Q

＝cos(αt+φ2)×cosβt

＝[cos{(α+β)t+φ2}+cos{(α-β)t+φ2}]/2

…式(14)

LPF 19屏蔽混合波M4中高频段频率，仅使低频段频率通过，混合波M4通过式(15)表示。

M4＝[cos{(α-β)t+φ2}]/2 …式(15)

余弦波Q中的角频率β与第二信号波W2的角频率α相同。因此，LPF 19提取混合波M4中所包含的(16)式的直流成分D4。

D4＝(cosφ2)/2 …式(16)

到达角度计算部10将式(6)的直流成分D1与式(9)的直流成分D2从模拟量转换成数字量，并计算式(17)的正切值。

tanφ1＝sinφ1/cosφ1

＝D1/D2 …式(17)

到达角度计算部10将式(13)的直流成分D3与式(16)的直流成分D4从模拟量转换成数字量，并计算式(18)的正切值。

tanφ2＝sinφ2/cosφ2

＝D3/D4 …式(18)

到达角度计算部10计算作为式(17)的正切值的反三角函数的第一信号波W1的相位φ1、和作为式(18)的正切值的反三角函数的第二信号波W2的相位φ2，如式(19)所示，计算作为相位φ1和相位φ2之差的相位差Δλ。

Δλ＝φ1-φ2

＝tan^-1φ1-tan^-1φ2 …式(19)

图2是用于说明相位差Δλ与电波到达角度的关系的图。通过第一接收天线2和第二接收天线12接收的信号波是相对于连结第一接收天线2与第二接收天线12的直线L的电波到达角度为+θ的信号波A1、A2、或者相对于直线L的电波到达角度为-θ的信号波A3、A4。对通过第一接收天线2与第二接收天线12接收信号波A1、A2的情况进行说明。

将与第二接收天线12的位置P2朝向信号波A1的垂线之间的交点设为位置P3。在从发送装置同时发送信号波A1、A2时，信号波A1到达位置P3的时刻、与信号波A2到达位置P2由第二接收天线12接收的时刻相同。

信号波A1进一步前进从位置P3到第一接收天线2的位置P1的距离C，在到达位置P1的时刻，被第一接收天线2接收。因此，由于产生信号波A1由第一接收天线2接收的时刻和信号波A2由第二接收天线12接收的时刻之间的时间差，所以在由第一接收天线2接收的第一信号波W1的相位φ1与由第二接收天线12接收的第二信号波W2的相位φ2之间产生相位差Δλ。

第一接收天线2的位置P1与第二接收天线12的位置P2被配置为分离小于信号波A1、A2的波长的距离C。通过这样，由第一接收天线2接收作为第一信号波W1的时刻与由第二接收天线12接收作为第二信号波W2的时刻之间的时间差小于一个周期。即，相位差Δλ的值能够设为小于2π弧度(小于360度)。

在将信号波A1的速度设为V、将信号波A1从位置P3前进到位置P1的时间设为Δt时，距离S通过式(20)表示。

S＝VΔt …式(20)

在将信号波A1的频率设为f时，时间Δt为Δt＝Δλ/2π·1/f，所以距离S变为式(21)。

S＝V(Δλ/2π·1/f) …式(21)

在这里，在将V/2π·1/f设为常数K时，所以距离S变为式(22)。

S＝KΔλ …式(22)

另一方面，根据距离C与电波到达角度θ，如图2所示，距离S通过式(23)表示。

S＝C·cosθ …式(23)

因此，KΔλ＝C·cosθ，所以可以计算出式(24)的余弦值。

cosθ＝KΔλ/C …式(24)

信号波A1、A2的电波到达角度θ为余弦值的反三角函数，所以通过式(25)计算。

θ＝cos^-1(KΔλ/C) …式(25)

到达角度计算部10如式(25)所示，基于常数K、通过式(19)计算出的相位差Δλ以及图2的距离C，计算信号波A1、A2的电波到达角度θ。

在由第一接收天线2与第二接收天线12接收信号波A3、A4的情况也同样。将与第二接收天线12的位置P2朝向信号波A4的垂线之间的交点设为位置P4。从发送装置同时发送的信号波A3、A4到达位置P2与位置P4的时刻相同，信号波A4进一步前进从位置P4到位置P1的距离S，从而到达第一接收天线2。因此，由第一接收天线2接收的第一信号波W1的相位φ1与由第二接收天线12接收的第二信号波W2的相位φ2产生相位差Δλ。通过上述方法，能够由电波到达角度检测装置1检测电波到达角度-θ。

通过这样，能够通过可预先识别坐标位置的多个电波到达角度检测装置1，检测信号波的电波到达角度，通过三角测量的方法，测定发送信号波的发送装置的位置。或者，能够检测从可预先识别坐标位置的多个发送装置发送的信号波的到达角度，并通过三角测量的方法，检测电波到达角度检测装置1的位置。

上面，在本实施方式中说明的电波到达角度检测装置1包括：第一接收天线2，接收从发送装置发送来的信号波作为第一信号波W1；第二接收天线12，以小于信号波的波长的距离C位于与第一接收天线2分离的位置上，接收从发送装置发送来的信号波作为第二信号波W2；振荡器11，输出作为与信号波相同频率的振荡波的正弦波I与余弦波Q；第一乘法器4，通过将第一信号波W1和振荡波相乘而输出作为第一混合波的混合波M1、M2；第一滤波器7，提取作为第一混合波所含的作为第一直流成分的直流成分D1、D2；第二乘法器14，通过将第二信号波W2和振荡波相乘而输出作为第二混合波的混合波M3、M4；第二滤波器17，提取作为第二混合波所含的作为第二直流成分的直流成分D3、D4；以及到达角度计算部10，根据第一直流成分与第二直流成分计算第一信号波W1与第二信号波W2的之间相位差Δλ，并根据相位差Δλ与距离C计算信号波的到达角度。

根据该结构，第一乘法器4将第一信号波W1和与第一信号波W1相同频率的振荡波相乘，第二乘法器14将第二信号波W2和与第二信号波W2相同频率的振荡波相乘。由此，在作为第一混合波的混合波M1、M2中分别含有作为第一直流成分的直流成分D1、D2，在作为第二混合波的混合波M3、M4中分别含有作为第二直流成分的直流成分D3、D4。

另外，第一接收天线2与第二接收天线12位于分离小于信号波的波长的距离C的位置上。由此，由第一接收天线2作为第一信号波W1接收的时刻与由第二接收天线12作为第二信号波W2接收的时刻之间的时间差小于一个周期。即，第一信号波W1与第二信号波W2之间的相位差Δλ的值小于2π弧度(小于360度)。

到达角度计算部10根据由第一滤波器7提取的直流成分D1、D2与由第二滤波器17提取的直流成分D3、D4，计算第一信号波W1与第二信号波W2之间的相位差Δλ，根据计算出的相位差Δλ和第一接收天线2与第二接收天线12的距离C而计算信号波的电波到达角度θ。因此，到达角度计算部10能够不包含时间的函数地计算从发送装置发送的信号波的电波到达角度θ。因此，在发送装置中无需具备高精度的计时装置。因此，不需要高精度地对时刻进行校正。

另外，在本实施方式中说明的电波到达角度检测方法包括：第一接收步骤，通过第一接收天线2接收从发送装置发送来的信号波作为第一信号波W1；第二接收步骤，通过第二接收天线接12接收从发送装置发送来的信号波作为第二信号波W2，第二接收天线12位于距第一接收天线2的距离C小于信号波的波长的位置上；振荡步骤，输出与信号波相同频率的振荡波的正弦波I与余弦波Q；第一乘法步骤，通过将第一信号波W1和振荡波相乘而输出作为第一混合波的混合波M1、M2；第一直流成分提取步骤，提取第一混合波所含的作为第一直流成分的直流成分D1、D2；第二乘法步骤，通过将第二信号波W2和振荡波相乘而输出作为第二混合波的混合波M3、M4；第二直流成分提取步骤，提取第二混合波所含的作为第二直流成分的直流成分D3、D4；以及到达角度计算步骤，根据直流成分D1、D2、D3、D4计算第一信号波W1与第二信号波W2之间的相位差Δλ，并根据相位差Δλ和距离C计算信号波的到达角度。

根据该结构，在第一乘法步骤中，将第一信号波W1和与第一信号波W1相同频率的振荡波相乘，在第二乘法步骤中，将第二信号波W2和与第二信号波W2相同频率的振荡波相乘。由此，在作为第一混合波的混合波M1、M2中分别含有作为第一直流成分的直流成分D1、D2，在作为第二混合波的混合波M3、M4中分别含有作为第二直流成分的直流成分D3、D4。

另外，在第一接收步骤中所使用的第一接收天线2与在第二接收步骤中所使用的第二接收天线12位于分离小于信号波的波长的距离C的位置上。由此，由第一接收天线2作为第一信号波W1接收的时刻与由第二接收天线12作为第二信号波W2接收的时刻之间的时间差小于一个周期。即，第一信号波W1与第二信号波W2之间的相位差Δλ的值小于2π弧度(小于360度)。

在到达角度计算步骤中，根据由第一滤波器7提取的直流成分D1、D2与由第二滤波器17提取的直流成分D3、D4，计算第一信号波W1与第二信号波W2之间的相位差Δλ，根据计算出的相位差Δλ和第一接收天线2与第二接收天线12的距离C而计算信号波的电波到达角度θ。因此，在到达角度计算步骤中，能够不包含时间的函数地计算从发送装置发送来的信号波的电波到达角度θ。因此，在发送装置中无需具备高精度的计时装置。因此，不需要高精度地对时刻进行校正。

符号说明

1电波到达角度检测装置 2第一接收天线

4第一乘法器 5、15...正弦波乘法部

6、16余弦波乘法部 7第一滤波器

8、9、18、19LPF 10到达角度计算部

11振荡器 12第二接收天线

14第二乘法器 17第二滤波器

A1～A4信号波 C距离

D1～D4直流成分 I正弦波

M1～M4混合波 Q余弦波

W1第一信号波 W2第二信号波

θ电波到达角度。

Claims

1.一种电波到达角度检测装置，其特征在于，具备：

第一接收天线，用于接收从发送装置发送来的信号波作为第一信号波；

第二接收天线，位于距所述第一接收天线的距离小于所述信号波的波长的位置上，所述第二接收天线用于接收从所述发送装置发送来的所述信号波作为第二信号波；

振荡器，用于输出与所述信号波相同频率的振荡波；

第一乘法器，用于通过将所述第一信号波和所述振荡波相乘而输出第一混合波；

第一滤波器，用于提取所述第一混合波所含的第一直流成分；

第二乘法器，用于通过将所述第二信号波和所述振荡波相乘而输出第二混合波；

第二滤波器，用于提取所述第二混合波所含的第二直流成分；以及

到达角度计算部，用于根据所述第一直流成分和所述第二直流成分计算所述第一信号波与所述第二信号波之间的相位差，并根据所述相位差和所述距离计算所述信号波的到达角度。

2.一种电波到达角度检测方法，其特征在于，包括：

第一接收步骤，通过第一接收天线接收从发送装置发送来的信号波作为第一信号波；

第二接收步骤，通过第二接收天线接收从所述发送装置发送来的所述信号波作为第二信号波，所述第二接收天线位于距所述第一接收天线的距离小于所述信号波的波长的位置上；

振荡步骤，输出与所述信号波相同频率的振荡波；

第一乘法步骤，通过将所述第一信号波和所述振荡波相乘而输出第一混合波；

第一直流成分提取步骤，提取所述第一混合波所含的第一直流成分；

第二乘法步骤，通过将所述第二信号波和所述振荡波相乘而输出第二混合波；

第二直流成分提取步骤，提取所述第二混合波所含的第二直流成分；以及

到达角度计算步骤，根据所述第一直流成分和所述第二直流成分计算所述第一信号波与所述第二信号波之间的相位差，并根据所述相位差和所述距离计算所述信号波的到达角度。