CN112534292B - 电波到来方向推定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电波到来方向推定装置。两个天线接收频率不同的三个电波。运算部基于由两个天线分别接收到的频率不同的三个电波的接收信号，求出从同一发送部位在相互不同的两个路径中传播而向两个天线到来的三个电波的到来方向。

Description

电波到来方向推定装置

技术领域

本发明涉及电波到来方向推定装置。

背景技术

在多路径环境中，公知有推定到来的直接波(或者直达波)和反射波的到来方向的装置(专利文献1等)。专利文献1所公开的装置使用设置在旋转台的中心和中心以外的位置的两个天线来推定电波的到来方向。此外，在多路径环境中，作为推定到来的直达波和反射波的到来方向的方法，公知有MUSIC法、MODE法。

专利文献1:日本特开2009-14688号公报

要想使用MUSIC法、MODE法来推定电波的到来方向，必须使天线的数量比到来波的个数多。例如，在直达波和主要为一个反射波到来的情况下，必须设置三个天线。在使用专利文献1所公开的装置的情况下，不需要使天线的个数比到来波的个数多，但由于必须设置旋转台，因此构成装置的元件数增加而大型化。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种不需要使天线的个数比到来波的数量增加、也不需要旋转台的电波到来方向推定装置。

根据本发明的一个观点，提供一种电波到来方向推定装置，具有：两个天线，接收频率不同的三个电波；以及运算部，基于由上述两个天线分别接收到的频率不同的上述三个电波的接收信号，求出从同一发送部位在相互不同的两个路径中传播而向上述两个天线到来的上述三个电波的到来方向。

通过接收频率不同的三个电波，能够使用两个天线，不使用使天线旋转的旋转台等机械式的可动装置，推定电波的到来方向。

附图说明

图1是包含第一实施例的电波到来方向推定装置和发送机的无线通信系统的概略图。

图2是第一实施例的电波到来方向推定装置的运算部进行的处理的流程图。

图3A是表示电波到来方向推定装置的两个天线与电波的到来方向的关系的图，图3B是在复平面上表示复信号S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂、p₁和p₂的图表。

图4是进行了模拟的电波发送接收系统的概略图。

图5A是表示使频率发生变化时的积p₁＊·p₂在复平面上的轨迹的图表，图5B是表示使频率发生变化时的商p₂/p₁在复平面上的轨迹的图表。

图6是对模拟对象的电波发送接收系统(图4)中定义的真值与通过模拟求出的值进行比较并表示的图表。

图7是第二实施例的电波到来方向推定装置的框图。

具体实施方式

[第一实施例]

参照图1至图6的附图，对第一实施例的电波到来方向推定装置进行说明。

图1是包含第一实施例的电波到来方向推定装置10和发送机20的无线通信系统的概略图。发送机20包含局部振荡器21、信号生成部22和天线23。局部振荡器21输出本地时钟信号。信号生成部22以三个不同的载波频率依次输出某个决定的模式的特定发送信号。从天线23将该发送信号作为电波而辐射。这样，从同一发送部位依次辐射具有不同的频率的三个电波。

在第一实施例中，作为从发送机20辐射的电波达到电波到来方向推定装置10为止的主要传播路径，存在相互不同的第一路径P₁和第二路径P₂这两个路径。第一路径P₁例如相当于从发送机20直接到达电波到来方向推定装置10的直达波的路径。第二路径P₂例如相当于在室外被大厦等反射、在室内被墙壁或地面等反射而到达电波到来方向推定装置10的反射波的路径。

电波到来方向推定装置10具有两个天线11。两个天线11配置在空间上不同的位置，具有接收从发送机20辐射的频率不同的三个电波的功能。由两个天线11接收到的接收信号被输入分别对应的接收部13。两个接收部13按照从局部振荡器12供给的本地时钟进行动作，进行由天线11接收到的接收信号的下变频。即，两个接收部13分别按照同步的本地时钟信号进行动作。例如，接收部13通过将接收信号与本地时钟信号进行比较，输出将接收信号置换为复数表现的复信号(IQ信号)。复信号包含接收信号的振幅信息和相位信息。对于频率不同的三个电波，分别输出该复信号。

从两个接收部13分别输出的复信号被输入运算部14。运算部14基于频率不同的三个电波的接收信号，求出经过第一路径P₁和第二路径P₂而到达两个天线11的电波的到来方向。例如，运算部14通过对复信号进行数值运算，求出电波的到来方向，该复信号是对由两个天线11分别接收到的接收信号进行下变频而得的。

与运算部14所求出的电波的到来方向相关的信息被输入至输出部15。输出部15将与电波的到来方向相关的信息输出至输出装置16。作为输出装置16，例如使用打印机、显示器、通信装置等。

接下来，参照图2、图3A和图3B，对运算部14的处理进行说明。

图2是运算部14(图1)进行的处理的流程图。

图3A是表示电波到来方向推定装置10的两个天线11与电波的到来方向的关系的一例的图。两个天线11隔开间隔D而设置。将一个天线11称为第一天线11A，将另一个天线11称为第二天线11B。电波的到来方向由相对于与经过两个天线11的虚拟直线VL正交的虚拟平面的倾斜角表示。从成为基准的虚拟平面到第一路径P₁和第二路径P₂为止的倾斜角分别由θ₁和θ₂表示。从发送机20(图1)到第一天线11A为止的第一路径P₁的路径长度与从发送机20到第二天线11B为止的第一路径P₁的路径长度的差由Δd₁表示。同样，从发送机20(图1)到第一天线11A为止的第二路径P₂的路径长度与从发送机20到第二天线11B为止的第二路径P₂的路径长度的差由Δd₂表示。

首先，在图2的步骤ST1中，将由第一天线11A和第二天线11B接收到的频率不同的三个电波分别置换为复数表现，按每个频率求出复信号p₁和p₂。将经过第一路径P₁和第二路径P₂而由第一天线11A接收的信号置换为复数表现的复信号S₁₁和S₁₂分别由以下的式子表示。

[数学式1]

[数学式2]

这里，a₁和a₂分别表示经过第一路径P₁和第二路径P₂而由第一天线11A接收到的信号的振幅。ω表示电波的角频率。τ₁₁和τ₁₂分别表示经过了第一路径P₁和第二路径P₂的接收信号的、与以本地时钟信号为基准的相位相当的时间。

同样地，将经过第一路径P₁和第二路径P₂而由第二天线11B接收到的信号置换为复数表现的复信号S₂₁和S₂₂由以下的式子表示。

[数学式3]

[数学式4]

假定为经过第一路径P₁和第二路径P₂而由第二天线11B接收到的信号的振幅分别与经过第一路径P₁和第二路径P₂而由第一天线11A接收到的信号的振幅相同。τ₂₁和τ₂₂分别表示经过了第一路径P₁和第二路径P₂的接收信号的、与相对于本地时钟信号的相位延迟相当的时间。

由第一天线11A和第二天线11B接收的复信号p₁和p₂能够由以下的式子表示。

[数学式5]

[数学式6]

图3B是在复平面上表示复信号S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂、p₁和p₂的图表。复信号p₁、p₂的振幅和相位能够分别通过对由第一天线11A和第二天线11B接收到的接收信号进行下变频而求出。复信号S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂各自的振幅和相位未知。

为了用到达时刻差(相当于相位差)的参数表现由第一天线11A和第二天线11B接收的信号，如以下那样定义Δτ₁、Δτ₂、Δτ₁₂。

[数学式7]

Δτ₁≡τ₂₁-τ₁₁

Δτ₂≡τ₂₂-τ₁₂

Δτ₁₂≡τ₁₂-τ₁₁…(7)

Δτ₁表示经过第一路径P₁到达第一天线11A和第二天线11B的电波的到达时刻差。Δτ₂表示经过第二路径P₂到达第一天线11A和第二天线11B的电波的到达时刻差。Δτ₁₂表示经过第一路径P₁到达第一天线11A的电波与经过第二路径P₂到达第一天线11A的电波的到达时刻差。

式子(7)能够如以下那样变形。

[数学式8]

τ₂₂-τ₁₁＝Δτ₂+Δτ₁₂

τ₂₁-τ₁₂＝Δτ₁-Δτ₁₂…(8)

接下来，在图3的步骤ST2中，求出复信号p₁的复共轭p₁＊与复信号p₂的积p₁＊·p₂。该积p₁＊·p₂能够变形为以下的式子。

[数学式9]

这里，A₁、A₂、A₃由以下的式子表示。

[数学式10]

接下来，在图2的步骤ST3中，基于积p₁＊·p₂而求出Δτ₁+Δτ₂。以下对Δτ₁+Δτ₂的求出方法进行说明。

从发送机20(图1)到第一天线11A为止的第一路径P₁的路径长度与从发送机20到第二天线11B为止的第一路径P₁的路径长度的差相比于第一路径P₁与第二路径P₂的路径长度的差充分小。同样地，从发送机20(图1)到第一天线11A为止的第二路径P₂的路径长度与从发送机20到第二天线11B为止的第二路径P₂的路径长度的差相比于第一路径P₁与第二路径P₂的路径长度的差也充分小。因此，到达时刻差Δτ₁和Δτ₂相比于到达时刻差Δτ₁₂充分小。如果具有不同的频率的三个电波的角频率ω的差充分小，例如相对频带充分小，则ωΔτ₁和ωΔτ₂能够视为常量。

在该假定下，能够认为在角频率ω变化时，在式子(9)中仅包含Δτ₁₂的项A₃变动。A₃的系数亦即指数函数表示积p₁＊·p₂在复平面上的轨迹的、从实数轴(I轴)的旋转量。积p₁＊·p₂的轨迹由具有与该旋转量相当的斜率的直线近似。由于在式子(9)的A₃的系数亦即指数函数的指数部分包含Δτ₁+Δτ₂，因此能够根据积p₁＊·p₂的轨迹的近似直线的斜率而求出Δτ₁+Δτ₂。作为求出Δτ₁+Δτ₂时的角频率ω，可以使用三个电波的角频率的平均值。

但是，在求出Δτ₁+Δτ₂时，一般存在多个解，无法唯一地求出。要想具有唯一的解，只要满足以下的条件即可。

[数学式11]

这里，f是由电波到来方向推定装置10接收的三个电波的频率中的最大的频率。根据式子(11)导出以下的式子。

[数学式12]

这里，Δd₁、Δd₂是图3A所示的路径长度的差。λ是由电波到来方向推定装置10接收的三个电波的波长中的最小的波长。

根据式子(12)，通过使两个天线11的间隔D小于λ/4，能够唯一地求出到达时刻差的和Δτ₁+Δτ₂的解。

接下来，在图2的步骤ST4中，求出将复信号p₂除以复信号p₁而得的商p₂/p₁。

然后，在图2的步骤ST5中，基于在步骤ST3中求出的Δτ₁+Δτ₂和在步骤ST4中求出的商p₂/p₁，求出到达时刻差的差Δτ₁-Δτ₂。以下，关于求出到达时刻差的差Δτ₁-Δτ₂的方法进行说明。

首先，使商p₂/p₁乘以如下的式子来计算实部和虚部。

[数学式13]

实部由以下的式子表示。

[数学式14]

虚部由以下的式子表示。

[数学式15]

[数学式16]

根据式子(14)和式子(15)，可知在角频率ω变动时，在复平面上描绘圆周的轨迹。使角频率ω变动时的式子(16)的轨迹是使商p₂/p₁的轨迹向与式子(9)所表示的近似直线的斜率相反的方向旋转了与近似直线的斜率同一角度而得的轨迹。

根据式子(14)，可知旋转后的圆周的中心坐标的实数成分由以下的式子表示。

[数学式17]

因此，只要知道旋转后的圆周的中心坐标的实数成分，则能够根据式子(17)来决定Δτ₁-Δτ₂的值。只要知道圆周上的至少3点的坐标，则能够决定该圆周的中心坐标。在第一实施例中，由于接收频率不同的三个电波，因此能够根据商p₂/p₁的计算结果来决定圆周上的3点的坐标。在根据式子(17)求出Δτ₁-Δτ₂的值时，作为角频率ω，可以采用三个电波的角频率的平均值。

接下来，在图2的步骤ST6中，求出Δτ₁和Δτ₂。Δτ₁和Δτ₂能够根据在步骤ST3中求出的Δτ₁+Δτ₂和在步骤ST5中求出的Δτ₁-Δτ₂来求出。

接下来，在图2的步骤ST7中，根据在步骤ST6中求出的到达时刻差Δτ₁、Δτ₂来求出电波的到来方向θ₁、θ₂(图3A)。到来方向θ₁和θ₂能够根据以下的式子求出。

[数学式18]

D sinθ₁＝cΔτ₁

D sinθ₂＝cΔτ₂…(18)

这里，D为两个天线11的间隔(图3A)，c为光速。

若求解式子(18)，则在到来方向θ₁、θ₂留存有正负符号的不确定性。并且，由于存在Δτ₁与Δτ₂互换的状态，因此无法决定到来方向θ₁与θ₂中的哪一个是直达波。要想唯一地确定直达波的到来方向θ₁，只要预先利用其他的方法来确认实际的发送机20(图1)的移动范围、使电波反射的物体的配置等即可。根据这些信息，能够唯一地确定直达波的到来方向θ₁。

接下来，参照图4至图6的各附图，对通过利用第一实施例的电波到来方向推定装置10来推定电波的到来方向的方法而求出到来方向的模拟进行说明。

图4是进行了模拟的电波发送接收系统的概略图。将从发送用的天线23到接收用的两个天线11为止的距离设为5m。将在第一路径P₁中传播的直达波的到来方向θ₁设为0°，将在第二路径P₂中传播的反射波的到来方向θ₂设为-45°。将接收用的两个天线11的间隔D设为0.1m。将电波到来方向的推定所使用的电波的频率设为2.40GHz以上且2.48GHz以下，以2MHz为间隔使频率变化。

图5A是表示使频率变化时的积p₁＊·p₂在复平面上的轨迹的图表。可知该轨迹能够由大致直线L近似。从实数轴到该直线L为止的倾斜角由α表示。

图5B是表示使频率变化时的商p₂/p₁在复平面上的轨迹的图表。该轨迹是圆周C₁的一部分。使该圆周C₁向与图5A所示的近似直线L的斜率相反的方向旋转移动了倾斜角α而得的圆周C₂的一部分对应于式子(16)的轨迹。圆周C₂的中心坐标的实部相当于式子(17)。

根据近似直线L的倾斜角α和圆周C₂的中心坐标的实部，能够求出Δτ₁、Δτ₂。根据Δτ₁、Δτ₂和天线11的间隔D，能够求出电波的到来方向θ₁、θ₂。

图6是对在模拟对象的电波发送接收系统(图4)中定义的真值与通过模拟求出的值进行比较而表示的图表。在第一路径P₁中传播的直达波的到来方向θ₁的真值与模拟值的差为0.2°，在第二路径P₂中传播的反射波的到来方向θ₂的真值与模拟值的差为1.8°。根据该结果可知，通过使用第一实施例的电波到来方向推定装置10，能够以充分高的精度推定到来方向。

在上述模拟中，在频率2.40GHz以上且2.48GHz以下的频带内，以2MHz为间隔使频率变化，但在实际的测定中，只要使用频率不同的三个电波即可。

接下来，对第一实施例的优异的效果进行说明。

在第一实施例中，即使在多路径环境下，也能够使用固定的两个接收用的天线11(图1)来推定电波的到来方向。这样，在第一实施例中，不需要三个以上的接收用的天线，不需要旋转台等机械式的可动机构。因此，能够保持原样地利用现有的无线系统来推定电波的到来方向。另外，由于用于求出电波的到来方向的运算量与现有的方法相比极少，因此能够实现运算部14(图1)的硬件的低成本化和低消耗电力化。

在第一实施例中，假定在复平面上描绘了与频率不同的三个电波分别相关的积p₁＊·p₂的值而得的3点位于1个近似直线(图5A的近似直线L)上。为了使该近似成立，优选使三个电波的相对频带小于5％。这里，相对频带是指将三个电波的最高频率与最低频率的差(带宽)除以中心频率而得的值。例如，在图4至图6的附图中说明的模拟所使用的电波的频率为2.40GHz以上且2.48GHz以下。在从该频带内的电波中，使用频率2.40GHz、2.44GHz、2.48GHz这三个电波来推定电波的到来方向的情况下，带宽为0.08GHz，中心频率为2.44GHz。在该情况下，相对频带约为3.3％。

相反，若相对频带过小，则与三个电波对应的复平面上的三个点接近，而在求出近似直线的斜率、圆周的中心坐标时容易产生误差。为了将近似直线的斜率、圆周的中心坐标的计算精度维持得高，优选使相对频带为3％以上。

作为在第一实施例中使用的频率不同的三个电波，优选使用微波或者毫米波。若使用微波或者毫米波，则能够将两个天线11(图1、图3A)的间隔D设定在从几mm到几cm的范围。因此，得到如下的效果：电波到来方向推定装置10的制造容易，并且能够提高电波的到来方向的推定精度。并且，可以使用不需要或者简单进行作为无线站的登录、许可取得的2.4GHz频带的ISM频段。

接下来，对第一实施例的各种变形例进行说明。

在第一实施例中，如上述那样，为了在步骤ST3(图2)中唯一地求出Δτ₁+Δτ₂，优选使两个天线11的间隔D小于λ/4。在发送机20的移动范围被限制、电波的到来方向也被限制在固定角度范围内的情况下，即使两个天线11的间隔D为λ/4以上，也存在能够唯一地求出Δτ₁+Δτ₂的情况。例如，在建筑物内的正交的壁面的角部分设置接收用的天线11，推定来自建筑物内的发送机20的电波的到来方向的情况下，电波的到来方向相对于水平方向被限制在角度90°的范围内。

在上述第一实施例中，基于复信号p₁的复共轭p₁＊与其他复信号p₂的积p₁＊·p₂、以及将复信号p₂除以复信号p₁而得的商p₂/p₁，求出电波的到来方向。作为其他的方法，也可以替换除法的分母分子，基于积p₁＊·p₂和商p₁/p₂，求出电波的到来方向。

此外，也可以求解由式子(5)和式子(6)构成的联立方程式，求出Δτ₁和Δτ₂。根据式子(5)和式子(6)，得到角频率ω不同的6元联立方程式。未知数是振幅a₁、a₂、与以本地时钟信号为基准的相位相当的时间τ₁₁、τ₁₂、τ₂₁、τ₂₂这6个。因此，通过求解该6元联立方程式，能够求出到达时刻差Δτ₁和Δτ₂。

在第一实施例中，相对于两个天线11分别设置了接收部13，但接收部13未必需要配置两个，也可以由两个天线11共享一个接收部13。例如，一个接收部13可以利用时分割进行两个天线11的接收处理。

如上述那样，能够使用第一实施例的电波到来方向推定装置10来推定电波的到来方向。通过配置多个电波到来方向推定装置10，能够确定发送机20(图1)的位置。

[第二实施例]

接下来，参照图7对第二实施例的电波到来方向推定装置10进行说明。以下，关于与第一实施例的电波到来方向推定装置10同一结构，省略说明。在第二实施例中，发送机20(图1)和电波到来方向推定装置10进行依据现有的无线通信用协议的通信。作为无线通信用协议的例子，例如列举蓝牙(BLE)、WiFi、ZigBee(注册商标)等。

图7是第二实施例的电波到来方向推定装置10的框图。第二实施例的电波到来方向推定装置10具备解调部17。从两个接收部13输出的复信号被输入至解调部17。解调部17对所输入的复信号进行解调。

在第二实施例中，能够与电波到来方向推定装置共用现有的无线通信系统的接收机。并且，能够利用一个装置进行电波到来方向的推定和数据通信这双方的处理。例如，作为在进行电波到来方向的推定时所使用的电波，可以使用BLE的提前信道的信号。特别是，可以将预先决定发送接收信号中的信号模式这样的场用于电波到来方向的推定。

上述的各实施例是例示，可以说能够进行不同的实施例所示的结构的部分性的置换或者组合。对于多个实施例的同一结构所产生的同一作用效果，在每个实施例中没有依次提及。并且，本发明不限于上述的实施例。例如，对于本领域技术人员来说，当然能够进行各种变更、改进、组合等。

附图标记的说明

10…电波到来方向推定装置；11…天线；11A…第一天线；11B…第二天线；12…局部振荡器；13…接收部；14…运算部；15…输出部；16…输出装置；17…解调部；20…发送机；21…局部振荡器；22…信号生成部；23…天线；P₁…第一路径；P₂…第二路径；θ₁…在第一路径中传播的电波的到来方向；θ₂…在第二路径中传播的电波的到来方向。

Claims (6)

1.一种电波到来方向推定装置，具有：

两个天线，接收频率不同的三个电波；以及

运算部，基于由所述两个天线分别接收到的频率不同的所述三个电波的接收信号，求出从同一发送部位在相互不同的两个路径中传播而向所述两个天线到来的所述三个电波的到来方向，

所述运算部针对所述三个电波中的各个电波，求出两个复信号中的一个复信号的复共轭与另一个复信号的积、以及使所述两个复信号中的一个复信号除以另一个复信号而得的商，所述两个复信号分别是将经过直达波路径和反射波路径而由所述两个天线中的一个天线接收的信号置换为复数表现的复信号之和、以及将经过直达波路径和反射波路径而由所述两个天线中的另一个天线接收的信号置换为复数表现的复信号之和，

所述运算部根据基于针对所述三个电波分别求出的所述积所对应的复平面上的三个点而求出的近似直线的斜率、以及经过针对所述三个电波分别求出的所述商所对应的复平面上的三个点的圆周的中心坐标，求出所述三个电波的到来方向。

2.根据权利要求1所述的电波到来方向推定装置，其中，

所述两个天线的间隔为所述三个电波的波长中的最小的波长的1/4以下。

3.根据权利要求1或2所述的电波到来方向推定装置，其中，

所述三个电波的相对频带小于5％。

4.根据权利要求1或2所述的电波到来方向推定装置，其中，

所述三个电波为微波或者毫米波。

5.根据权利要求1或2所述的电波到来方向推定装置，其中，

所述三个电波是依据某个无线通信用协议的电波。

6.根据权利要求1或2所述的电波到来方向推定装置，其中，

所述三个电波为2.4GHz频带的ISM频段的电波。

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