JP2004304586A

JP2004304586A - アレイアンテナ通信装置

Info

Publication number: JP2004304586A
Application number: JP2003096091A
Authority: JP
Inventors: Koji Fukino; 幸治吹野; Yoshihiko Takeuchi; 嘉彦竹内; Hirohisa Hirayama; 浩久平山; Toru Haneda; 亨羽田; Yoshio Miyazawa; 良男宮沢
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP4091465B2

Abstract

【課題】複数の単位アンテナからなるアダプティブ・アレイ・アンテナのアンテナ・パターンを迅速に調整する。
【解決手段】アンテナの受信系回路に参照信号を注入し、この参照信号を受信器２６の受信信号および各単位アンテナ１２毎に設けられたモニタ受信部４６のモニタ受信信号Ｕ’として検出し、両者の差を校正回路４８で比較し、これを校正値としてアダプティブアレイ制御部３８に供給し、各単位アンテナ毎の重み付け値Ｗを得る。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレイアンテナ通信装置、特に複数の単位アンテナを備えたアダプティブ・アレイ・アンテナを用いる通信装置において、その受信アンテナ・パターンを最適に制御することのできる通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空間的に離間して配置された複数の単位アンテナで受信された各信号を適切に加算合成することにより、希望波の到来方向にビームを有し、かつ干渉波の到来方向にヌルを有する受信アンテナ・パターンを形成して、希望信号を選択的に受信するアダプティブ・アレイ・アンテナを備えた通信装置が知られている。
【０００３】
従来のアダプティブ・アレイ・アンテナにおいて、所望の送受信アンテナ・パターンを得るため、送受信信号の振幅および位相に適切な重み付け処理が施されるが、このような重み付け処理を迅速に行うことが要望されている。
【０００４】
本願出願人は、特願２００３−４９５５６として改良されたアレイアンテナ通信装置を出願した。この先願発明によれば、送信側と受信側との振幅および位相調整を簡単な校正でかつ迅速に行うことが可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述した先願発明においては、受信部からの受信信号と単位アンテナモニタ受信部からの単位モニタ信号との位相差を、双方向ベクトル変調器にて調整するが、受信信号とモニタ信号の振幅および位相差が大きい場合には、最適なアンテナパターンを得るための収束時間が大きくなってしまうという問題があった。
【０００６】
実際、このようなアダプティブ・アレイ・アンテナを無線基地局等に用いる場合には、上記所望の重み付け値を得るための収束時間はアンテナの性能を示す重要な指標であり、受信部あるいはモニタ受信部の回路特性を安定させて振幅あるいは位相差を小さくすることは可能であるが、各部の回路構成が著しく複雑かつ高価になってしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は上記従来の課題に鑑みなされたものであり、受信部あるいはモニタ受信部等を比較的簡単な構成でかつ安価にしながら、最適な重み付け値に短時間で収束することができる改良されたアレイアンテナ通信装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、複数の単位アンテナを含むアダプティブ・アレイ・アンテナを用いる通信装置であって、単位アンテナ毎に設けられ、少なくとも送信電力増幅器を含むＲＦ送信系回路と、単位アンテナ毎に前記ＲＦ送信系回路と並列に設けられるＲＦ受信系回路であって少なくとも低雑音増幅器を含むＲＦ受信系回路と、ＲＦ送信系回路及びＲＦ受信系回路に単位アンテナの他方側で共通に接続された双方向ベクトル変調器と、複数の双方向ベクトル変調器に接続された分配合成部と、分配合成部に接続された受信部（ＲＸ）と、双方向ベクトル変調器を制御して複数の単位アンテナをアダプティブ・アレイ・アンテナとして機能させるアダプティブアレイ制御部と、各ＲＦ受信系回路に参照信号を注入する参照信号注入回路と、ＲＦ受信系回路のそれぞれとアダプティブアレイ制御部との間に設けられたモニタ受信部（モニタＲＸ）と、受信部（ＲＸ）の出力と各モニタ受信部（モニタＲＸ）の出力とを比較して各単位アンテナ毎の校正値をアダプティブアレイ制御部へ供給する校正回路とを含むことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、前記校正回路は、受信部（ＲＸ）の受信信号と各モニタ受信部（モニタＲＸ）の単位アンテナモニタ受信信号との振幅または位相の差を検出し、この差がゼロまたは一定値となるようにアダプティブアレイ制御部に校正値を供給することを特徴とする。
【００１０】
本発明は、更に、参照信号としてアンテナ送信信号を用いることを特徴とする。
【００１１】
本発明は、更に、校正中に各単位アンテナをＲＦ送信系回路及びＲＦ受信系回路から切り離すスイッチを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明は、更に、校正回路は、受信信号とモニタ受信信号との差を検出する誤差検出回路と、検出された誤差に基づいてモニタ受信信号を補正する振幅・位相調整器とを含むことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態にかかるアレイアンテナ通信装置１０の要部を示すブロック図である。アダプティブアレイアンテナは４個の単位アンテナ１２を含み、各アンテナ１２に入力された信号は、送受切替器１４，１６が受信側に接続されている状態で、低雑音増幅器（ＬＮＡ）１８を通過し、双方向ベクトル変調器２０に入力される。ここで、送受切替器１４，１６の間では、送信系と受信系とでそれぞれ別個独立した回路（すなわちＲＦ送信系回路およびＲＦ受信系回路）を有しており、ＲＦ送信系回路には、送信電力増幅器（ＰＡ）２２が設けられている。
【００１５】
受信信号は双方向ベクトル変調器２０において、それぞれ重み付けされ、各単位アンテナ毎の信号が分配合成部２４において加算され、受信器２６およびＡＤ変換器２８からなる受信部を通って変復調回路３０へ供給される。
【００１６】
一方、送信信号は変復調回路３０からＤＡ変換器３２と送信器３４とからなる送信部を介してスイッチ３６から分配合成部２４へ送られる。
【００１７】
前記双方向ベクトル変調器２０の重み付けを最適値に制御するために、アダプティブアレイ制御部３８が設けられており、このアダプティブアレイ制御部３８には前述した受信部からの受信信号と後述する校正回路からの校正信号が供給され、これによって得られた所望の重み付け値が各ＤＡ変換器４０を介して単位アンテナ毎の双方向ベクトル変調器２０へ供給される。
【００１８】
アダプティブアレイ制御部３８から出力される重み付け値を短時間に収束させるために、本発明においては、各ＲＦ受信系回路に参照信号が注入され、アダプティブアレイ制御部３８による迅速な重み付け決定が行われる。本実施形態において、参照信号は変復調回路３０から送信部を経て分配合成部２４へ送られる送信信号が用いられる。すなわち、送信器３４の送信信号はスイッチ４１から減衰器４２を介して各単位アンテナ毎の低雑音増幅器１８の下流側へ方向性結合器４４を用いて注入されている。もちろん、本発明において、注入される参照信号は送信信号である必要はなく、送信信号と異なる特定の参照信号を用いることも好適である。
【００１９】
この参照信号は、各双方向ベクトル変調器２０を介して受信信号として分配合成部２４へ送られると共に各単位アンテナ毎に設けられたモニタ受信部４６に送られる。そして、受信部からの受信信号とモニタ受信部４６からのモニタ受信信号は校正回路４８において比較され、両者の振幅あるいは位相の差をゼロとするための校正信号がアダプティブアレイ制御部３８へ供給される。モニタ受信信号はモニタ受信部４６からＡＤ変換器５０を介して校正回路４８へ供給されている。
【００２０】
本発明の実施形態は以上の構成からなり、その校正手順を以下に説明する。通常のアンテナ送受信時において、切替器１４（ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４）、切替器１６（ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８）およびスイッチ３６（ＳＷ９）は送信時にはｔ側、そして受信時にはｒ側に接続され、送信系および受信系の切替えが行われる。また、この時、スイッチ４１（ＳＷ１０）は開放されている。
【００２１】
しかしながら、校正を行う時には、切替器１４，１６およびスイッチ３６は全て受信ｒ側に接続され、スイッチ４１（ＳＷ１０）が閉じられ、参照信号注入回路から各方向性結合器４４を介して受信系回路に参照信号が注入される。
【００２２】
本発明によれば、最適な重み付け値ｗを得るための校正は参照信号によって行われるので迅速に最適な重み付けへの収束が行われるという利点があり、また校正のために単位アンテナ１２からの受信信号を必要とすることがなく、本発明においては、校正時にはアンテナ１２を装置から切り離すことが好適である。このために、切替器１４は図示した受信側のｒ端子と送信側のｔ端子のみでなく、これに加えて開放端子を設け、校正時にはアンテナ１２を装置から切り離すことが好適である。
【００２３】
以上の校正準備が整うと、参照信号は受信部から受信信号ｒとしてアダプティブアレイ制御部３８および校正回路４８に供給され、一方参照信号は単位アンテナモニタ受信部４６からＡＤ変換器５０を介して単位アンテナ毎にＵ１’、Ｕ２’、Ｕ３’、Ｕ４’として校正回路４８に供給される。そして、校正回路４８では、受信信号とモニタ受信信号との比較を行い両者の差をゼロとするような校正値Ｕをアダプティブアレイ制御部３８へ出力する。
【００２４】
４つの単位アンテナモニタ受信部４６に対する校正は１系統ずつ順に行われ、すなわち、モニタ受信部（１）の校正を行う場合は、双方向ベクトル変調器の重み係数を示すＷの値は、Ｗ_１の値のみが１で、Ｗ_２、Ｗ_３、Ｗ_４は全てゼロに設定し、この状態でβ_１の経路を通る信号のみが受信器２６へ入力されるようにすることによって、校正回路４８は一番目のアンテナ１２から得られた受信信号ｒとモニタ受信部（１）からのモニタ受信信号Ｕ１’とを比較して最適な校正値Ｕ１をアダプティブアレイ制御部３８へ供給し、これにより、双方向ベクトル変調器２０への重み付け値Ｗ_１を選択することができる。同様に、モニタ受信部（２）の校正を行う場合には重み係数Ｗ_２のみが１で残りを全てゼロに設定し、モニタ受信部（３）の校正に対しては、重み付け係数Ｗ_３、モニタ受信部（４）の校正に対しては、重み付け係数Ｗ_４のみを１と設定する。
【００２５】
図１には詳細には説明していないが、校正中にアンテナ１２から干渉信号が混入すると補正値の計算に悪影響を及ぼす場合があるので、校正を開始する直前にキャリアセンス等を行って干渉波が存在しない時間に校正を行うことが好適である。また、前述したように校正中はアンテナ１２からの干渉信号が参照信号に混入しないよう、切替器１４をすべて開放端子に接続することが好適である。
【００２６】
以上説明したように、本発明によれば、参照信号を用いることによって、校正回路４８からはアダプティブアレイ制御部３８に対して迅速に重み付けを収束させる校正値を供給することができるが、その更に具体的な実施形態を以下に説明する。
【００２７】
図２は校正回路４８の原理的なブロック回路を示し、モニタ受信信号Ｕ１’〜Ｕ４’は振幅・位相調整器５２において誤差検出回路５４の出力が乗算され、振幅および位相誤差が調整される。この調整された出力は校正値Ｕ１〜Ｕ４としてアダプティブアレイ制御部３８へ供給されるが、同時に誤差検出回路５４へ戻され、ここで受信信号ｒと演算され、前述した振幅・位相調整器５２へ戻される。
【００２８】
図２は原理的な校正回路を示したものであり、その更に具体的な実施形態が図３に示されている。図３において、モニタ受信部４６を一系統ずつ校正するために３個のスイッチＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ１３が設けられ、各スイッチ端子にはモニタ受信部４６の各系列と対応した数字１〜４が付されている。受信信号ｒは加算器５６において校正値Ｕ１〜Ｕ４の選択された値と減算され、その出力すなわち誤差分εが乗算器５８に供給され、スイッチＳＷ１１を介して得られたモニタ受信信号Ｕ’と乗算され、更に減衰器６０から振幅・位相調整器へ送られる。この振幅・位相調整器は記憶回路６２を有し、前記減衰器６０からの出力が常に記憶値ｃと加算器６４によって加算され、その出力がスイッチＳＷ１２から各系統毎の記憶回路６６に記憶され、乗算器６８によってモニタ受信信号Ｕ’に乗算される。この結果、校正値Ｕは常に各系統毎に更新された校正値としてアダプティブアレイ制御部３８へ供給されることとなる。
【００２９】
図３に示した実施形態においては、校正値Ｕは再急降下法（ＬＭＳ）アルゴリズムを用いて求められる。この校正値Ｕは初期値に依存せずに収束するが、より早く収束させるためにはそれ以前の収束結果から始めるか、不明な場合はゼロから始めるのが良い。校正回路はモニタ受信信号であるＵ’と受信信号ｒとの差εがゼロとなるように（１）式に従って校正値Ｕ、実際には記憶回路６６の記憶値ｃを繰り返し更新して収束させる。
【数１】

上記（１）式において、＊は複素共役を意味する。上式において、各要素はμを除いて全て複素数である。ｎはＬＭＳアルゴリズムの繰り返し演算回数を示し、μは記憶値の収束時間と記憶値の安定性に影響する回路定数である。μは大きくするほど収束時間が短くなるが、記憶値の安定性は悪くなる。
【００３０】
図４には校正回路の他の実施形態が示されている。この実施形態は基本的に図３と同様であるので同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
【００３１】
図４において、スイッチＳＷ１３を省略し、その代わりに乗算器５８を加算器５６の前後に分離し乗算器５８ａ，５８ｂとした。これによって、乗算器５８ａは受信信号とモニタ受信信号との誤差εにモニタ受信信号Ｕ’を乗算する機能を受け持ち、一方乗算器５８ｂは記憶値ｃにモニタ受信信号Ｕ’を乗算する機能を受け持つ。
【００３２】
一般に、誤差検出回路をＤＳＰで実現し、振幅・位相調整器をＦＰＧＡ（ＰＬＤ）等で実現する場合、図３に示したＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３はＤＳＰがＦＰＧＡ（ＰＬＤ）の異なったレジスタを読み書きすることで実現されるが、その際ＤＳＰ内部の演算実行速度より、デバイス間のデータ転送速度の方が一般的に遅いことから、図３の実施形態に比較して、図４の実施形態によれば、ＤＳＰとＦＰＧＡ間のデータ転送時間が減少するという利点がある。
【００３３】
一方、図３においては、図４の実施形態に比べて実際の複素乗算結果を用いて誤差検出をしているので、回路規模が減少するという利点がある。
【００３４】
図５には、本発明に好適な校正回路の更に他の実施形態が示されて、図４と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
【００３５】
図５の実施形態において特徴的なことは、受信信号電力の大きさによって記憶値の収束時間が変化することを防止するものであり、このために平均電力検出回路７０およびこの平均電力Ｐによって乗算器５８ａでのモニタ受信信号Ｕ’の乗算値を減少するための分割器７２が設けられていることである。この実施形態によれば、平均電力でモニタ受信信号を正規化することができ、モニタ受信信号の平均電力による記憶値の収束時間への影響を減少することが可能となる。
【００３６】
図６には、本発明にかかる校正回路の更に他の実施形態が示され、図４の実施形態と類似するが、減衰器６０の回路定数μを選択できることを特徴とし、このために大きな回路定数μ１をもった減衰器６０ａと小さい回路定数μ２をもった減衰器６０ｂとを備え、これら並列接続された各減衰器６０ａ、６０ｂを切替器１４によって切り替えることができる。
【００３７】
この実施形態によれば、記憶値ｃの収束時間を短くしたい要求と収束後の記憶値の安定性をある程度確保したいとする相反する要求を共に満たす回路定数μを選択することができる。実際の校正時には、収束時間や収束の度合い等に応じて切替器１４を切替えることによっていずれかの回路定数μを選択することができる。
【００３８】
前述した図２から図６までの各実施形態は単独であるいは組み合わせて用いることができ、また上記実施形態においては誤差検出方法としてＬＭＳアルゴリズムを用いたが、ＲＬＳアルゴリズムを用いても同様に誤差を検出することが可能である。
【００３９】
なお、図示してはいないが、受信器２６あるいはモニタ受信部４６がＡＧＣ（自動利得制御）を備えている場合、全てのモニタ受信部４６を受信器２６と同じ利得に制御することが可能であるが、この場合においても、利得の変化による位相変化量は一定ではなく、校正を行った場合においても、受信器２６の利得が変化すれば、相対的な位相差が生じてしまう。すなわち、ＡＧＣ設定値で記憶値のテーブルを持つ必要が生じる。そこで、全てのＡＧＣ設定値について校正を行うかわりに、いくつかの代表的なＡＧＣ設定値で校正を行い、他の記憶値を補完してテーブルを作成するという操作を行い、これによって校正に要する時間を短くすることも可能である。
【００４０】
本発明の効果を検証するために計算機シミュレーションを行った結果が図７に示されている。図７の二点鎖線は従来における位相差が３０°の場合、破線は従来における位相差が６０°の場合、そして実線が本発明を適用して位相差がほぼ０°の場合におけるアダプティブ・アレイ・アンテナの重み付け収束の様子が示されている。
【００４１】
このシミュレーションは２素子のアダプティブアレイで希望波１、干渉波１の簡単なモデルで行い、収束の様子を比較しやすいように１つの重みのみをプロットしている。本発明を適用した場合には、従来方式と比較して収束時間が短縮できていることが理解される。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかるアレイアンテナ通信装置は、参照信号を用いて誤差検出することにより最適な校正値および重み付け値を迅速に得ることができ、複雑な回路を用いることなく、重み付けの収束時間を短縮できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるアレイアンテナ通信装置の好適な実施形態を示す全体的なブロック図である。
【図２】本発明による校正回路の概略ブロック図である。
【図３】本発明にかかる校正回路の更に具体的な実施形態を示す図である。
【図４】本発明の他の校正回路の実施形態を示す図である。
【図５】本発明の更に他の校正回路の実施形態を示す図である。
【図６】本発明の校正回路の更に他の実施形態を示す図である。
【図７】本発明による重み付け収束状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１アレイアンテナ通信装置、１２単位アンテナ、１８低雑音増幅器、２０双方向ベクトル変調器、２２送信電力増幅器、２４分配合成部、２６受信器、３０変復調回路、３８アダプティブアレイ制御部、４２減衰器、４４方向性結合器、４６モニタ受信部、４８校正回路、５２振幅・位相調整器、５４誤差検出回路。

Claims

複数の単位アンテナを含むアダプティブ・アレイ・アンテナを用いる通信装置であって、
単位アンテナ毎に設けられ、少なくとも送信電力増幅器を含むＲＦ送信系回路と、
単位アンテナ毎に前記ＲＦ送信系回路と並列に設けられるＲＦ受信系回路であって少なくとも低雑音増幅器を含むＲＦ受信系回路と、
ＲＦ送信系回路及びＲＦ受信系回路に単位アンテナの他方側で共通に接続された双方向ベクトル変調器と、
複数の双方向ベクトル変調器に接続された分配合成部と、
分配合成部に接続された受信部（ＲＸ）と、
双方向ベクトル変調器を制御して複数の単位アンテナをアダプティブ・アレイ・アンテナとして機能させるアダプティブアレイ制御部と、
各ＲＦ受信系回路に参照信号を注入する参照信号注入回路と、
ＲＦ受信系回路のそれぞれとアダプティブアレイ制御部との間に設けられたモニタ受信部（モニタＲＸ）と、
受信部（ＲＸ）の出力と各モニタ受信部（モニタＲＸ）の出力とを比較して各単位アンテナ毎の校正値をアダプティブアレイ制御部へ供給する校正回路と、
を含むことを特徴とするアレイアンテナ通信装置。
請求項１記載のアレイアンテナ通信装置において、
前記校正回路は、受信部（ＲＸ）の受信信号と各モニタ受信部（モニタＲＸ）の単位アンテナモニタ受信信号との振幅または位相の差を検出し、この差がゼロまたは一定値となるようにアダプティブアレイ制御部に校正値を供給することを特徴とするアレイアンテナ通信装置。
請求項１記載のアレイアンテナ通信装置において、
参照信号としてアンテナ送信信号を用いることを特徴とするアレイアンテナ通信装置。
請求項１記載のアレイアンテナ通信装置において、
校正中に各単位アンテナをＲＦ送信系回路及びＲＦ受信系回路から切り離すスイッチを備えることを特徴とするアレイアンテナ通信装置。
請求項２記載のアレイアンテナ通信装置において、
校正回路は、受信信号とモニタ受信信号との差を検出する誤差検出回路と、検出された誤差に基づいてモニタ受信信号を補正する振幅・位相調整器と、
を含むことを特徴とするアレイアンテナ通信装置。