JP2003152611A

JP2003152611A - 無線通信装置

Info

Publication number: JP2003152611A
Application number: JP2001352530A
Authority: JP
Inventors: Mikio Kuwabara; 幹夫桑原; Arata Nakakoshi; 新中越; Yuji Ishida; 雄爾石田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-11-19
Filing date: 2001-11-19
Publication date: 2003-05-23

Abstract

(57)【要約】【課題】アレイアンテナにおいて、ＡＧＣを用いること
により、限られたビット数で対応可能なダイナミックレ
ンジを拡大したいが、可変利得アンプの非線形性より、
アンテナ間の位相回転に偏差が発生し、所望のアレイパ
タンを作成することが困難である。【解決手段】各アンテナ系のＡＧＣを同じ制御パラメー
タで動作させる。あるいは、アナログでの利得制御を行
わずに、ディジタルにて利得制御を行う。【効果】各アンテナＡＧＣを統一制御系で制御すること
で、各アンプの利得を統一化し、位相回転偏差を小さく
抑える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のアンテナを
具備するアレイアンテナ無線通信装置の特に受信機に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図９と図１０の比較により、従来技術で
あるアレイアンテナの動作とその効果について説明す
る。図９はアレイアンテナを用いていない固定のセクタ
アンテナによるセルプランを説明する図である。図１０
はアレイアンテナを用い、特定の方向に存在する端末４
４に対して狭帯域ビームの指向性４６を作成した状態を
説明する図である。図９、ならびに図１０において、中
央に位置する基地局４０は指向性アンテナを用いて３方
向にセクタと呼ばれるエリア４１，４２，４３を形成し
ている。セクタ４１には端末４４が存在する。図９の基
地局４０は、セクタ４１の全域をカバーする固定の指向
性をもったアンテナを用いて端末４４と通信を行ってい
る。このため、例え端末４４の信号だけを受信したいと
しても、扇形のエリア４１の全方向からの信号を均等に
受信してしまい、他の端末４５が発信する信号を受信し
てしまう。この結果、同一チャネル干渉が大きくなり、
信号品質が劣化することから、トラヒックが制限されて
しまう課題があった。図１０に示すアレイアンテナシス
テムでは、基地局４０は端末４４の信号を受信する際
に、アンテナ指向性を適応的に変化させて、常に端末４
４の方向を向く狭帯域のビーム４６を作成している。こ
れにより、基地局４０は他の端末４５が発する信号を受
信しにくくなり、上記の課題を緩和させている。これが
アレイアンテナシステムの効果である。図８を用いて上
り回線（端末→基地局への通信）に関するアレイアンテ
ナ基地局装置の構成例を説明する。アンテナ群３０は、
異なる位置に置かれたアンテナ素子からなる。したがっ
て、各アンテナ素子が受信する信号は、受信する電波の
到来方向によってその位相が異なり、それぞれ信号の位
相情報の中に、到来角情報が投影された形となって受信
される。受信信号はそれぞれのアンテナに対応するRF部
３１によって増幅、周波数変換が行われ、ベースバンド
の信号に変換される。このベースバンド信号は、アナロ
グ−ディジタル変換装置３２によってディジタル信号に
変換され、それぞれのアンテナ素子に対応した重み（ｗ
１〜ｗ４）がかけられる。重みがかけられた情報は加算
器３４で足し合わされて１つの信号にまとめられる。こ
の重み付け加算によって、特定方向から入射する信号の
位相を調整し、同相にして加算することができる。この
操作により、特定の方向から基地局アンテナに到来する
信号を強調することができる。この原理に基づいて重み
を変化させながら特定方向に狭帯域のビームを作成する
のが、アレイアンテナシステムである。指向性を絞るこ
とによって信号品質が改善された信号は、検波器３５に
おいて検波される。図７を用いて、図８に示したＲＦ部
３１の増幅機能に関して詳細に説明する。図でアンテナ
１あるいは２が受信した信号は、アナログ−ディジタル
変換装置２６、２７によって、アナログ信号からディジ
タル信号に変換される。この際、後段のベースバンド部
の回路規模に影響するために、ビット幅は極力小さくし
たい。しかし、通常、無線回線を伝搬する信号は、フェ
ージングなどの影響から数十ｄＢものダイナミックレン
ジが必要となり、多くのビット数が必要となる。そこで
従来技術では、ＡＧＣ（自動利得調整装置）を具備する
解決手段が一般的に採用されている。これは、あらかじ
め信号レベルを一定レベルになるようにレベル調整をし
てからアナログ−ディジタル変換装置２６、２７に信号
を入力する解決手段であり、ダイナミックレンジを確保
しつつ、ビット数を削減することができる。図７では例
としてフィードバック型のＡＧＣを示している。受信信
号は可変利得アンプ３、４により増幅されるが、出力の
一部が取り出され、ログアンプ１６，１７でレベルを測
定し、参照信号２０、２１との比較１８、１９が行われ
る。制御を安定させるためのローパスフィルタ２２，２
３を通過後、制御信号２４，２５として、可変利得アン
プ３，４に入力される。この可変アンプへの入力２４，
２５がそのアンテナ系の入力レベルとして、後段の重み
決定に利用される。従来技術の特長は、２つあるアンテ
ナ系それぞれに独立したＡＧＣ回路１４、１５が具備さ
れていたことである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】アレイアンテナの場合
には、各アンテナが受信した信号の位相が重要な情報で
ある。ところが、従来技術のようにアンテナ系毎に独立
して利得制御を行うと、各アンテナ系の可変利得アンプ
の持つ非線形性を原因としてアンテナ系毎に異なった位
相回転量が発生してしまう。そのため、所望のアレイパ
タンを構成することが困難となる。これが従来技術の課
題である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題は、複数のアン
テナを使って信号を送受信するアレイアンテナを具備す
る無線通信装置において、上記の複数のアンテナに接続
される各受信機が、各受信機の少なくとも１つのアンテ
ナの受信信号電力あるいは信号強度を測定し、測定結果
から各受信機の利得を定める統合レベル測定手段と、上
記の統合レベル測定手段の出力である調整信号に従い、
受信機の利得を調整する利得調整手段を具備することを
特長とする無線通信装置によって解決される。

【０００５】また、上記課題は、上記解決手段におい
て、上記の統合レベル測定手段が、各アンテナの信号の
内、最も信号強度あるいは信号強度の高いもののレベル
を一定にするように調整することを特長とする無線通信
装置によって解決される。

【０００６】また、上記課題は、上記解決手段におい
て、上記の統合レベル測定手段が、１つのアンテナの信
号強度が一定値になるように上記の調整信号を制御し、
各アンテナの信号がその1つのアンテナの信号強度と同
じ比率を保つように制御されることを特長とする無線通
信装置によって解決される。

【０００７】また、上記課題は、上記解決手段におい
て、上記の統合レベル測定手段が、ディジタル信号の変
換後に具備されることを特長とする無線通信装置によっ
て解決される。

【０００８】また、上記課題は、上記解決手段におい
て、各利得調整手段が、調整信号に対して信号強度、位
相回転量を均一にするための調整手段を具備することを
特長とする無線通信装置にとって解決される。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１を用いて、本発明からなる第
１の実施例を説明する。図１は、本発明からなる第１の
実施例の構成を示す図であり、図８に示したアレイアン
テナのＲＦ部３１の増幅機能に関して説明する図であ
る。図７に示した従来技術では、各アンテナ系が個別の
レベル測定手段１４、１５を具備しており、各系独立に
利得調整を行っていた。しかし、本発明からなる第１の
実施例（図１）では、統合レベル測定装置５がまとめて
レベル測定を行い、共通した１つの制御信号を出力す
る。各アンテナ系の可変利得アンプ３、４は、同じ制御
信号によって利得調整を行っている。可変利得アンプ
３，４によって利得調整された信号は、アナログ−ディ
ジタル変換装置２６、２７に入力される。したがって、
各アンテナ系は、独立ではなく、関連してその利得が制
御される。一般に、可変アンプは非線形性のために、利
得により位相回転量が異なる。同じ制御信号を入力して
も、各アンプの個体差から全く同じ位相回転量にはなら
ない。しかしながら、同じ制御信号で、利得を調整する
ことにより、各アンテナ系の相対的な位相の変動を小さ
く抑えることができる。図１１は各信号の利得と位相変
動の変化を模式的に表したものである。図で、線１０
１、１０２は異なる固体の制御信号と位相の関係を示し
たものである。図では破線により２つの制御信号Ａ、Ｂ
の場合に、それぞれの位相回転量がどのようになるかが
示されている。固体差により位相回転値自体は異なって
いても、位相回転はアンプの構造等により決まっている
ため、制御信号に対する位相変動の趨勢は各アンテナ系
について同じである。つまり、制御信号に対する相対的
な変動は小さい。図では、制御信号Ａ，Ｂで位相変動が
異なっているが、各アンテナ系に同一の制御信号を用い
た場合の相対位相変動は小さい値となることを示してい
る。相対位相変動量１０３、１０４は、制御信号Ａ，Ｂ
が変化しても大きな変化は現れない。本発明では、アン
テナ系毎にアンプの利得を調整しないために、アナログ
−ディジタル変換装置に必要となるビット数は増加する
との懸念があるが、対象とするシステムがアレイアンテ
ナであるため、各アンテナの受信信号の相関は一般に高
い。このため各アンテナ系のレベル差は微小である。特
に基地局にアレイアンテナを具備する場合では、アンテ
ナは通常、高所に設置され、到来波の角度分散は一般に
狭いと考えられる。このとき、アンテナ間隔を波長より
も小さくなるようにアンテナを配置するアレイアンテナ
では、異なるアンテナの受信する信号間の相関は高くな
る。したがって利得調整を統一化することによりビット
数が増加するというデメリットは小さい。ここで言うア
ンテナ間隔とアンテナの受信信号の相関の関係は、想定
したシステムに依存する。例えアンテナ間隔が波長より
も大きい場合においても、各アンテナ系の受信信号に相
関が発生している場合には、本発明は効果があるため、
単純にアンテナ間隔によって本発明の範囲は限定されな
い。図２を用いて、図１に示した統合レベル測定部５の
実施例を説明する。アレイアンテナ１，２が受信した信
号は利得調整用の可変利得アンプ３，４で利得調整が行
われた後に、その出力信号がアナログ−ディジタル変換
装置２６、２７に入力される。各アンテナ系の信号は、
それぞれ個別にログアンプ６でレベルが測定される。選
択装置７は、レベル測定結果の内、最大レベルのもの選
択する。比較器８は、選択された信号レベルと参照信号
９を比較する。比較された信号は、制御を安定させるた
めのローパスフィルタ１０を通過後、各アンテナ系の可
変利得アンプ３、４に入力される制御信号となる。本実
施例のポイントは、各アンテナ系の信号レベルから制御
信号を作り出すための方法であり、アンテナ系から最大
の信号レベルをもつものを選択して、その選択された信
号をもとに制御信号を作成することである。レベルの小
さいアンテナ系の信号は、切り捨てても影響が小さいた
め、レベルの大きなものを選択し、それによってレベル
調整を行うことで、品質劣化を最小に抑えつつ、アナロ
グ−ディジタル変換装置で必要となるビット数を削減す
ることができる。また本構成によって、制御信号は唯一
となるため、複数のアンテナ系は、同じ制御信号により
利得調整されることから、課題は解決される。上記実施
例では、統合レベル測定部５はただ１つしかない例によ
って本発明を説明しているが、本発明として各基地局に
唯一である必要はない。たとえば、セクタアンテナのよ
うに複数のアンテナ系をグループとして分割している場
合には、アレイアンテナのアレイ制御もセクタ毎に分割
することが考えられる。このような場合には、セクタ毎
に統合レベル測定部５を設ける方法も本発明の範疇であ
る。また、本発明からなる第１の実施例に加え、アンテ
ナ系毎に位相と振幅のオフセットを予め調整しておくこ
とで、本発明の効果を高めることができる。ここで言う
オフセットとは、例えば、図１１で示される１０１と１
０２の曲線のずれの平均値である。このオフセットを小
さくするように調整しておけば、絶対的な位相変動も些
少にすることができる。オフセットの調整方法では、例
えば、複数の利得調整用のアンプを直列にならべ、その
内の１つを半固定の制御信号で調整する構成とし、この
半固定の制御信号を予め調整しておくことで、各アンテ
ナ間の位相オフセットを除くことができる。図３を用い
て、本発明からなる第２の実施例を説明する。図３は、
本発明からなる第２の実施例の構成を示す図である。第
２の実施例では、フィードバック型の利得制御方式を示
している。図では、アンテナ１，２の内で、アンテナ２
を予め選択してレベル測定に利用している。そして測定
された結果を使って複数のアンテナ系全体の利得の調整
を行っている。まず、アンテナ２で受信された信号は可
変利得アンプ４で利得調整される。利得が調整された信
号は、アナログ−ディジタル変換装置２６，２７に入力
される。アンテナ系２の信号は、その一部が取り出さ
れ、ログアンプ６によって信号レベルが測定される。測
定された信号レベルは、比較器８によって、参照信号９
と比較される。比較された差成分は、制御信号となる
が、安定化のためにローパスフィルタを通過後に各可変
利得アンプに入力される。先に説明しているように、ア
レイアンテナではアンテナ間の間隔が狭いため、また基
地局アンテナでは、アンテナ高が高いため、アンテナ間
の相関が高い。したがって第１の実施例のように全ての
アンテナ系の信号レベルを検出する必要はない。つま
り、どのアンテナ系の信号レベルも似た値となるため、
複数のアンテナ系のレベル測定をする必要はない。例え
ば線形アレイアンテナでは、その中央のアンテナ素子１
つを選択してフィードバックすることで、簡易ながら全
てのアンテナの利得制御を行うことができる。したがっ
て本構成により課題は解決される。尚、本実施例では、
各アンテナ素子の指向性が異なる場合に問題が発生す
る。例えば各アンテナ素子の指向性が図１２のように、
各素子の指向性の中心角をずらして曲面上に配置されて
いる場合を考える。この場合には、各アンテナの受信信
号間の相関が低くなるため、どれか１つアンテナ系の信
号を予め選択してしまうと、到来波の方向によって利得
の調整が効果的に働かず、アナログ−ディジタル変換装
置２６，２７のビット数を増加させなければならなくな
る。こうした場合は、第１の実施例の方法を取るべきで
ある。第１の実施例では、全てのアンテナ素子の受信信
号からレベルが最大となる信号を選択しているため、こ
うした素子間の相関が低い場合にも本発明が実施でき、
効果を上げることができる。図４を用いて、本発明から
なる第３の実施例を説明する。図４は、本発明からなる
第３の実施例の構成を示す図である。第３の実施例では
フィードフォワード型の利得調整方式を例に挙げて説明
している。これまで説明してきた実施例では、いずれも
フィードバック型の利得調整を例に挙げてきた。しかし
ながら、本発明は複数のアンテナ系を同一の制御信号
で、各アンテナ系の利得を制御することがポイントであ
るから、構成としてこれに限るものではない。図４のよ
うに、アンテナ系から信号を取り出して制御信号を作る
統合レベル測定部１１と、後段に位置する可変利得アン
プ３，４のようにフィードフォワード型の制御において
も、本発明は有効である。アンテナの選択方法として
は、第１の実施例のように最大の信号レベルをもったも
のを基準にして、参照信号を比較する方法や、第２の実
施例のように特定のアンテナを選択しておいてもよい。
いずれにしても信号レベルを調整することができ、ま
た、同一の調整信号で可変利得アンプを制御するため、
課題であった各アンテナ間の位相回転の偏差を抑えるこ
とができ、課題は解決される。図５を用いて、本発明か
らなる第４の実施例を説明する。図５は、本発明からな
る第４の実施例の構成を示す図である。図５で、各アン
テナ系の信号は、先にアナログ−ディジタル変換を行
い、その後、可変利得アンプ３，４により利得調整が行
われる。利得調整が行われた信号は、その一部が取り出
されて統合レベル測定部１２に入力される。統合レベル
測定部１２では、１つの制御信号が作成され、それを元
にディジタル回路で実現される増幅器３，４が制御され
る。統合レベル測定部１２は、例えば図１３に示す構成
で実施される。各アンテナ系から取り出された信号は、
電力に換算するために２乗演算器５０、５１において２
乗演算が行われる。電力に変換された信号は、選択器５
２においてレベルが比較され、大きなレベルの信号が選
択される。選択された信号は、比較器５３において参照
信号５４と比較される。比較された信号は、加算器５４
において過去の値との移動平均がとられる。移動平均結
果が増幅器の利得を調整する制御信号となる。本実施例
の特長は、アナログ−ディジタル変換前に利得の調整を
行わないことである。そして、ディジタル変換後にＡＧ
Ｃを設けることである。本構成では、ダイナミックレン
ジ確保のために、アナログ−ディジタル変換器としては
多くのビット数を持つものが必要となる。しかしなが
ら、ディジタル回路で実現されるＡＧＣ機能（図５の
３、４、１２）を通過した後の信号処理部では、各アン
テナ系の信号レベルが最大レベルを持つアンテナ系に合
わせて調整されている。レベルの微弱な信号は、受信信
号品質への影響が殆どないため、ＡＧＣ通過後の信号の
ビット数を削減しても問題はない。よって後段のビット
数を削減することが可能となり、課題は解決される。本
実施例では、共通の統合レベル測定部１２によって統合
して利得を処理する構成により説明しているが、これに
限るものではない。ディジタル信号処理では、位相特性
が線形となるアンプの実現は容易であるため、各アンテ
ナ系で、個別にＡＧＣ制御を行う方法も本発明に含まれ
る。本発明のポイントは、ＡＧＣ機能がアナログ−ディ
ジタル変換前にないことである。図６を用いて、本発明
からなる第５の実施例を説明する。図６は、本発明から
なる第５の実施例の構成を示す図である。本実施例で
は、アナログ回路で構成した可変利得アンプ３、４をデ
ィジタル回路で構成した統合レベル測定部１２で制御し
ている。統合レベル測定部１２は、１つの制御信号を作
成する。可変利得アンプ３、４はこの１つの制御信号で
利得を調整するため、アンテナ系間の偏差が発生しにく
く、課題は解決される。統合レベル測定部の構成は、図
１３で示される第４の実施例と同じ構成で実現可能であ
る。本実施例では、第４の実施例とは異なり、アナログ
部に可変利得アンプ３，４があるためアナログ−ディジ
タル変換器のビット数を少なくすることができる。

【００１０】

【発明の効果】本発明によれば、アレイアンテナの各ア
ンテナが利得調整を行う際に発生するアンテナ間の位相
回転偏差を簡易に抑えることができ、ダイナミックレン
ジの拡大を抑えながら、所望のアレイパタンの作成が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明からなる第１の実施例の構成図。

【図２】本発明からなる第２の実施例の構成図。

【図３】本発明からなる第３の実施例の構成図。

【図４】本発明からなる第４の実施例の構成図。

【図５】本発明からなる第５の実施例の構成図。

【図６】本発明からなる第６の実施例の構成図。

【図７】従来例の構成図。

【図８】アレイアンテナシステムの受信機の構成図。

【図９】固定のセクタの例を示す概念図。

【図１０】アレイアンテナシステムの動作を説明する概
念図。

【図１１】各アンプの制御信号と出力の位相回転量の関
係を示す模式図。

【図１２】各アンテナ素子の指向性が異なる場合を説明
する模式図。

【図１３】ディジタル回路で実現される統合レベル測定
部のブロック図。

【符号の説明】

１、２．．．アンテナ、３、４．．．可変利得アンプ、
５．．．統合レベル測定部（フィードバック型）、
６．．．ログアンプ、７．．．選択装置、８．．．比較
器、９．．．参照信号、１０．．．ローパスフィルタ、
１１．．．統合レベル測定部（フィードフォワード
型）、１２．．．統合レベル測定部（ディジタル制御装
置）、１４、１５．．．統合レベル測定装置（各アンテ
ナ個別）、１６、１７．．．ログアンプ、１８，１
９．．．比較器、２０，２１．．．参照信号、２２，２
３．．．ローパスフィルタ、２４，２５．．．制御信
号、２６，２７．．．アナログ−ディジタル変換装置、
３０．．．アンテナ、３１．．．RF部、３２．．．アナ
ログ−ディジタル変換装置、３３．．．重みの積算装
置、３４．．．加算装置、３５．．．検波器、４
０．．．基地局装置、４１，４２，４３．．．セクタ、
４４、４５．．．端末装置、４６．．．狭帯域ビーム、
５０、５１．．．２乗演算器、５２．．．選択器、５
３．．．比較器、５４．．．参照信号、５５．．．加算
器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石田雄爾神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地株式会社日立製作所通信事業部内Ｆターム(参考） 5K059 CC03 CC04 DD32 DD35 5K061 AA08 BB12 CC05 CC52

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のアンテナを使って信号を送受信する
アレイアンテナを具備する無線通信装置において、上記
の複数のアンテナに接続される各受信機は、各受信機の
少なくとも１つのアンテナの受信信号電力あるいは信号
強度を測定し、測定結果から各受信機の利得を定める統
合レベル測定手段と、上記の統合レベル測定手段の出力
である調整信号に従い、受信機の利得を調整する利得調
整手段を具備することを特徴とする無線通信装置。
【請求項２】請求項１記載の無線通信装置において、上
記の統合レベル測定手段は、各アンテナの信号の内、最
も信号強度あるいは信号強度の高いもののレベルを一定
にするように調整することを特徴とする無線通信装置。
【請求項３】請求項１記載の無線通信装置において、上
記の統合レベル測定手段は、１つのアンテナの信号強度
が一定値になるように上記の調整信号を制御し、各アン
テナの信号がその1つのアンテナの信号強度と同じ比率
を保つように制御されることを特徴とする無線通信装
置。
【請求項４】請求項１記載の無線通信装置において、上
記の統合レベル測定手段は、ディジタル信号の変換後に
具備されることを特徴とする無線通信装置。
【請求項５】請求項１記載の無線通信装置において、各
利得調整手段は、調整信号に対して信号強度、位相回転
量を均一にするための調整手段を具備することを特徴と
する無線通信装置。