JP2005331343A - 電波到来角推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 一次元到来角推定アルゴリズムを用いて二次元到来角推定アルゴリズムを用いた場合と略同等の性能を維持しつつ回路構成を簡単にしてコスト低減を可能にした電波到来角推定装置を提供する。
【解決手段】 互いに交差する方向に少なくとも一列のアンテナ素子アレイをそれぞれ有するアレイアンテナ５と、該アレイアンテナ５の各アンテナ素子１で受信した送信端末の端末特定情報を含む電波の高周波信号を周波数変換すると共にＡ／Ｄ変換されたベースバンド信号の波形データを取得する波形データ取得回路６ａ，６ｂと、前記波形データにより隣接する各アンテナ素子１間の位相差を求め、該位相差に基づいて電波の水平方向及び垂直方向到来角をそれぞれ演算する一次元到来角推定部７ａ，７ｂと、前記電波に含まれる同一の端末特定情報に対応する水平方向及び垂直方向到来角に基づいて電波の二次元到来角を推定する受信信号相関器８とを備える構成とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アレイアンテナの各アンテナ素子で受信される電波の位相差に基づいて電波の到来角を推定する電波到来角推定装置に関し、特に、一次元到来角推定アルゴリズムを用いて二次元到来角推定アルゴリズムを用いた場合と略同等の性能を維持しつつ回路構成を簡単にしてコスト低減を可能にした電波到来角推定装置に関する。

従来の電波到来角推定装置は、図１４に示すように、マトリクス状に配列した複数のアンテナ素子１（例えば８×８＝６４素子）で受信した受信信号を各アンテナ素子１に接続した周波数変換部２で無線信号の高周波信号（ＲＦ信号）を中間周波数（ＩＦ帯）に周波数変換した後、位相検波し、Ｉ／Ｑチャネルのベースバンド信号に直交検波し、この検波信号をＡ／Ｄ変換器３によりデジタル信号に変換し、このデジタル信号により二次元到来角推定部４でMUSIC法等の到来角指定方法に基づく二次元到来角を、二次元到来角推定アルゴリズムを用いて演算して電波の到来方向の推定を行う（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２４１５２１号公報

しかし、このような従来の電波到来角推定装置においては、アンテナ素子数分（図１４においては、６４素子）だけ上記周波数変換部２及びＡ／Ｄ変換器３を有する信号処理回路の系統が必要となる。特に、高い角度分解能を得るためにはアンテナ素子数を多くする必要があるが、その結果、上記信号処理回路も増すことになり、回路数が増加してコストを上昇させ、故障率を悪化させる虞がある。

また、上記周波数変換部２はアナログ回路であるため、各回路間の電気特性を揃えるのが困難であり、特に回路数が多い場合には各回路間の特性ばらつきを抑えるのはより困難となる。従って、電波の到来角推定精度を悪化させる虞がある。これに対処するためには、高性能な回路が必要となり、これもコスト上昇の原因となる。

さらに、例えば、超高解像度法と呼ばれるMUSIC又はESPRITアルゴリズムを適用し電波の到来方向を推定する場合には、一般に固有値分解などの演算を必要とするため、デジタル信号処理が遅くなり、これを二次元処理に拡張した場合には、演算回数が多くなるため上記デジタル信号処理はより遅いものとなる。このため、高速のＤＳＰ（Digital Signal Processor）と大容量のメモリを必要とし、これによってもコストが増大することになる。

そこで、本発明は上記問題点に着目してなされたもので、一次元到来角推定アルゴリズムを用いて二次元到来角推定アルゴリズムを用いた場合と略同等の性能を維持しつつ回路構成を簡単にしてコスト低減を可能にした電波到来角推定装置を提供することを目的とする。

このために、請求項１の発明は、互いに交差する方向に少なくとも一列のアンテナ素子アレイをそれぞれ有するアレイアンテナと、該アレイアンテナの各アンテナ素子で受信した送信端末の端末特定情報を含む電波の高周波信号を周波数変換すると共にＡ／Ｄ変換されたベースバンド信号の波形データを取得する波形データ取得回路と、前記波形データにより隣接する前記各アンテナ素子間の位相差を求め、該位相差に基づいて前記電波の水平方向及び垂直方向到来角をそれぞれ演算する一次元到来角推定部と、前記電波に含まれる同一の端末特定情報に対応する前記水平方向及び垂直方向到来角に基づいて電波の二次元到来角を推定する受信信号相関器とを備える構成とした。

このような構成により、互いに交差する方向に少なくとも一列のアンテナ素子アレイをそれぞれ有するアレイアンテナの各アンテナ素子で送信端末の端末特定情報を含む電波を受信し、波形データ取得回路で高周波信号を周波数変換すると共にＡ／Ｄ変換されたベースバンド信号の波形データを取得し、一次元到来角推定部で波形データにより隣接する各アンテナ素子間の位相差を求め、該位相差に基づいて水平方向及び垂直方向到来角をそれぞれ演算し、受信信号相関器で上記電波に含まれる同一の端末特定情報に対応する水平方向及び垂直方向到来角に基づいて電波の二次元到来角を推定する。

また、前記受信信号相関器は、具体的には、請求項２のように前記一次元到来角推定部で推定した水平方向到来角に前記アレイアンテナの指向性を合わせて電波を受信し、該受信した電波に含まれる端末特定情報を抽出して前記水平方向到来角に対応付ける一方、前記一次元到来角推定部で推定した垂直方向到来角に前記アレイアンテナの指向性を合わせて電波を受信し、該受信した電波に含まれる端末特定情報を抽出して前記垂直方向到来角に対応付け、同一の端末特定情報に対応付けられた水平方向及び垂直方向到来角をそれぞれ水平及び垂直成分とする方向を前記端末特定情報を含む電波の到来方向と推定する構成とするとよい。

さらに、前記アレイアンテナは、請求項３のように、互いに直交する方向に前記アンテナ素子アレイをそれぞれ有するようにするとよい。この場合、前記アレイアンテナは、請求項４のように縦横方向に直交する二つのアンテナ素子アレイと、左右斜め方向に直交する二つのアンテナ素子アレイとの二組で構成してもよい。

また、請求項５の構成においては、前記波形データ取得回路は、ベースバンド信号の波形データを取得する信号処理回路の系統を前記アンテナ素子アレイのアンテナ素子数と同数有し、前記各アンテナ素子アレイを切換えて水平方向及び垂直方向の波形データ群を時分割して取得する構成とした。この場合、請求項６のように、前記一次元到来角推定部は、第１及び第２の一次元到来角推定部を備え、前記波形データ取得回路で取得した水平方向及び垂直方向のいずれか一方の波形データ群を第１のメモリに記録し、切換えて他方の波形データ群に基づいて前記第２の一次元到来角推定部で前記他方の方向の到来角を推定し、同時に前記第１のメモリから前記一方の波形データ群を読み出して前記第１の一次元到来角推定部で前記一方の方向の到来角を推定する構成とするとよい。

または、請求項７のように、前記波形データ取得回路は、前記横方向及び左斜め方向のアンテナ素子アレイでそれぞれ受信した電波の各水平方向波形データを時分割して取得する第１の波形データ取得回路と前記縦方向及び右斜め方向のアンテナ素子アレイでそれぞれ受信した電波の各垂直方向波形データを時分割して取得する第２の波形データ取得回路とを備え、該第１及び第２の波形データ取得回路に対応してそれぞれ第３及び第４と第５及び第６の一次元到来角推定部を有し、前記第１の波形データ取得回路で取得した二つの水平方向波形データ群の一方を第２のメモリに記録し、切換えて他方の水平方向波形データ群に基づいて前記第４の一次元到来角推定部に入力し、同時に前記第２のメモリから前記一方の水平方向波形データ群を読み出して前記第３の一次元到来角推定部に入力し、前記第３および第４の一次元到来角推定部で水平方向到来角を推定する一方、前記第２の波形データ取得回路で取得した二つの垂直方向波形データ群の一方を第３のメモリに記録し、切換えて他方の垂直方向波形データ群に基づいて前記第６の一次元到来角推定部に入力し、同時に前記第３のメモリから前記一方の垂直方向波形データ群を読み出して前記第５の一次元到来角推定部に入力し、前記第５及び第６の一次元到来角推定部で垂直方向到来角を推定する構成としてもよい。

また、請求項８の構成においては、前記波形データ取得回路は、ベースバンド信号の波形データを取得する信号処理回路が一系統であり、前記各アンテナ素子で受信した電波の各波形データを時分割して取得し、該各波形データを順次第４のメモリに記録する構成とした。この場合、請求項９のように、前記第４のメモリに記録された水平方向及び垂直方向のいずれか一方の波形データ群を読み出して前記一次元到来角推定部で前記一方の方向の到来角を推定して第５のメモリに記録すると共に、前記第４のメモリから読み出した他方の波形データ群に基づいて前記一次元到来角推定部で前記他方の方向の到来角を推定し、前記受信信号相関器で前記第５のメモリから読み出した到来角と前記一次元到来角推定部から直接入力した到来角とに基づいて二次元到来角を推定する構成とするとよい。

本発明の電波到来角推定装置によれば、互いに交差する方向に少なくとも一列のアンテナ素子アレイをそれぞれ有し、各アンテナ素子で受信した端末特定情報を含む電波のベースバンド信号の波形データから水平方向及び垂直方向到来角を、一次元到来角アルゴリズムを用いて演算し、受信電波に含まれる同一の端末特定情報に対応する水平方向及び垂直方向到来角に基づいて電波の二次元到来角を推定するようにしたことにより、略同等の到来角推定性能を有する二次元到来角アルゴリズムを用いた従来の電波到来角推定装置よりも、高周波の受信電波から周波数変換してベースバンド信号を取得するためのアナログ回路数を減らすことができる。従って、各アナログ回路間の特性ばらつきを抑えて電波の到来角推定精度を向上することができる。また、回路構成が簡単となり装置のコストを低減することができる。

また、受信信号相関器で同一の端末特定情報に対応付けられた水平方向及び垂直方向到来角をそれぞれ水平及び垂直成分とする方向を上記端末特定情報を含む電波の到来方向と推定するようにすれば、一次元到来角に基づいて二次元到来角を推定することができる。したがって、演算回数が減りデジタル信号処理を高速で行うことができる。

さらに、アレイアンテナを縦横方向に直交する二つのアンテナ素子アレイと、左右斜め方向に直交する二つのアンテナ素子アレイとの二組で構成すれば、例えばマルチパスの激しい受信環境において、どちらかの一方のアンテナ素子アレイの組合せ（例えば、縦横方向に直交するアンテナ素子アレイの組）ではフェージングにより受信が困難である場合でも、他方のアンテナ素子アレイの組合せ（例えば、斜めに方向に直交するアンテナ素子アレイの組）で受信することができ、受信環境の制約が少なくなる。

また、水平方向と垂直方向の波形データとを切換えて時分割により取得するようにすれば、波形データ取得回路におけるベースバンド信号の波形データを取得する信号処理回路の系統数をより減らすことができる。従って、各アナログ回路間の特性ばらつきがより抑えられて電波の到来角推定精度をより向上することができる。この場合、一次元到来角推定部を第１及び第２の二つの一次元到来角推定部で構成し、時分割して取得した水平方向及び垂直方向のいずれか一方の波形データ群を第１のメモリに記録し、切換えて他方の波形データ群に基づいて第２の一次元到来角推定部で他方の方向の到来角を推定し、同時に上記第１のメモリから上記一方の波形データ群を読み出して第１の一次元到来角推定部で一方の方向の到来角を推定する構成とすれば、波形データ取得回路における信号処理回路の系統数をさらに減らしても水平方向及び垂直方向到来角の推定が可能となる。

また、横方向及び左斜め方向のアンテナ素子アレイの各水平方向波形データを時分割して取得する第１の波形データ取得回路と縦方向及び右斜め方向のアンテナ素子アレイの各垂直方向波形データを時分割して取得する第２の波形データ取得回路とを備え、該第１及び第２の波形データ取得回路に対応してそれぞれ第３及び第４と第５及び第６の一次元到来角推定部を有し、上記二つの水平方向波形データ群の一方を第２のメモリに記録し、切換えて他方の水平方向波形データ群に基づいて第４の一次元到来角推定部に入力し、同時に第２のメモリから上記一方の水平方向波形データ群を読み出して第３の一次元到来角推定部に入力し、これら各一次元到来角推定部で水平方向到来角を推定する一方、上記二つの垂直方向波形データ群の一方を第３のメモリに記録し、切換えて他方の垂直方向波形データ群に基づいて第６の一次元到来角推定部に入力し、同時に第３のメモリから上記一方の垂直方向波形データ群を読み出して第５の一次元到来角推定部に入力し、これら各一次元到来角推定部で垂直方向到来角を推定する構成とすれば、四組のアンテナ素子アレイを使用した場合でも信号処理回路の系統数の増加を抑制することができる。

そして、ベースバンド信号の波形データを取得する信号処理回路を一系統とし、複数のアンテナ素子で受信した電波の波形データを時分割して取得し、該波形データを順次第４のメモリに記録する構成とすれば、信号処理回路のアナログ回路間の特性ばらつきによる誤差が無くなり、より高精度に到来角を推定することができる。この場合、第４のメモリから水平方向及び垂直方向のいずれか一方の波形データを読み出して水平方向及び垂直方向のいずれか一方の到来角を推定して第５のメモリに記録すると共に、上記第４のメモリから読み出した他方の波形データに基づいて他方の到来角を推定し、上記第５のメモリから読み出した到来角と上記他方の到来角とに基づいて二次元到来角を推定するようにすれば、波形データ取得回路の信号処理回路が一系統であっても二次元到来角の推定が可能である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、図１４と同一の要素については、同一符号を用いて示す。
図１に、本発明に係る電波到来角推定装置の第１実施形態のブロック図を示す。
図１において、本第１実施形態の電波到来角推定装置は、複数のアンテナ素子を配列したアレイアンテナの各アンテナ素子で受信される電波の位相差に基づいて電波の到来角を推定するものであり、アレイアンテナ５と、波形データ取得回路６ａ，６ｂと、一次元到来角推定部７ａ，７ｂと、受信信号相関器８とを備えて構成する。

上記アレイアンテナ５は、デジタル無線通信において、フレーム同期やクロック同期を行うために、例えば送信フレームの先頭に挿入される既知のプリアンブルの後ろに送信端末の特定情報（端末ＩＤ情報）を付加して繰返し送信される電波を受信するものであり、縦横方向に直交する一列状態の二つのアンテナ素子アレイを有する構成としている。ここで、図１において横一列のアンテナ素子アレイは、水平方向（方位角）の電波の到来角を検出する水平方向用アンテナ５ａであり、縦一列のアンテナ素子アレイは、垂直方向（仰俯角）の電波の到来角を検出する垂直方向用アンテナ５ｂである。図１には、図１４の二次元アレイアンテナに対応して横８本、縦７本、合計１５本のアンテナ素子１を配置した構成例を示している。

また、上記波形データ取得回路６ａ，６ｂは、上記各アンテナ素子１で受信した電波を信号処理してベースバンド信号の波形データをそれぞれ取得する第１及び第２の波形取得回路であり、無線信号のＲＦ信号をＩＦ帯に周波数変換した後、位相検波し、Ｉ／Ｑチャネルのベースバンド信号に直交検波する周波数変換部２と、該周波数変換部２から入力したアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３とを有する信号処理回路を、各アンテナ素子１に対応して同数だけ備えている。例えば、図１においては、水平方向の波形データを取得する波形データ取得回路６ａは、水平方向用アンテナ５ａのアンテナ素子１に対応して８系統の信号処理回路を備え、垂直方向の波形データを取得する波形データ取得回路６ｂは、垂直方向用アンテナ５ｂのアンテナ素子１に対応して７系統の信号処理回路を備えている。

さらに、上記一次元到来角推定部７ａ，７ｂは、上記波形データ取得回路６ａ，６ｂで得られた波形データから隣接する上記各アンテナ素子１間の位相差を求め、該位相差に基づいて例えばMUSIC法により一次元到来角を、一次元到来角推定アルゴリズムを用いて演算し、上記電波の水平方向到来角及び垂直方向到来角をそれぞれ求める第１及び第２の一次元到来角推定部である。そして、水平方向到来角及び垂直方向到来角として、例えば図２（ａ）、（ｂ）に示すような一次元のMUSICスペクトルを出力する。なお、図２において表されている五つのピークは、五つの送信端末から送信される電波を受信したことを示している。

そして、上記受信信号相関器８は、上記一次元到来角推定部７ａ，７ｂから入力した水平方向到来角及び垂直方向到来角のうちから、同一の端末ＩＤ情報を含む電波の水平方向及び垂直方向到来角を抽出して、該水平方向及び垂直方向到来角に基づいて二次元到来角を推定するものであり、図３に示すように、指向性変更部９と、検波部１０と、到来角・ＩＤ対応付け部１１と、メモリ１２と、制御部１３とを備えている。

ここで、指向性変更部９は、制御部１３から入力した到来角情報に基づいて水平及び垂直方向用アンテナ５ａ，５ｂの指向性が上記到来角となるように変更するものである。また、検波部１０は、水平及び垂直方向用アンテナ５ａ，５ｂの指向性が上記到来角に設定された状態で受信した電波の波形データを検波して受信信号に含まれる端末ＩＤ情報を検出するものである。さらに、到来角・ＩＤ対応付け部１１は、制御部１３から入力した到来角と上記端末ＩＤ情報とを対応付けるものである。また、メモリ１２は、上記対応付けられた到来角と端末ＩＤ情報とを一時的に記憶するものである。そして、制御部１３は、一次元到来角推定部７ａ，７ｂから入力した到来角を指向性変更部９及び到来角・ＩＤ対応付け部１１に出力すると共に、到来角・ＩＤ対応付け部１１から入力した同一ＩＤの水平方向及び垂直方向到来角に基づいて二次元到来角を推定するものである。

次に、第１実施形態の電波到来角推定装置の動作を、図４のフローチャートを参照して説明する。
先ず、ステップ１（図４中Ｓ１で示し、以下同様とする）において、図１に示す互いに直交する水平及び垂直方向用アンテナ５ａ，５ｂで電波を受信する。

次に、ステップ２において、受信した電波のベースバンド信号の波形データを波形データ取得回路６ａ，６ｂで取得する。この場合、図１に示す横一列の水平方向用アンテナ５ａの各アンテナ素子１で受信した電波は、波形データ取得回路６ａの各系統の信号処理回路に入力し、同図に示す縦一列の垂直方向用アンテナ５ｂの各アンテナ素子１で受信した電波は、波形データ取得回路６ｂの各系統の信号処理回路に入力する。

上記波形データ取得回路６ａ，６ｂにおいては、各アンテナ素子１で受信した無線信号のＲＦ信号を周波数変換部２でＩＦ帯に周波数変換した後、位相検波し、Ｉ／Ｑチャネルのベースバンド信号に直交検波する。さらに、Ａ／Ｄ変換器３でこの検波信号をデジタル信号に変換することによってベースバンド信号の波形データを取得する。そして、波形データ取得回路６ａで取得した波形データは電波の水平方向到来角を演算する一次元到来角推定部７ａに入力し、波形データ取得回路６ｂで取得した波形データは垂直方向到来角を演算する一次元到来角推定部７ｂに入力する。

ステップ３においては、入力した各波形データをそれぞれ一次元到来角推定部７ａ，７ｂで隣接する上記各アンテナ素子１間の位相差を求める。そして、該位相差に基づいて一次元到来角推定部７ａでは例えばMUSIC法により電波の水平方向到来角を演算し、一次元到来角推定部７ｂでは垂直方向到来角を演算し、それぞれ、例えば図２（ａ）、（ｂ）に示すような一次元のMUSICスペクトルを出力する。このとき、各一次元のMUSICスペクトルの各ピークを到来角と定め、到来波数を導出する。例えば、図２においては、水平方向到来角は、θ₁，θ₂，θ₃，θ₄の四波であり、垂直方向到来角は、φ₁，φ₂，φ₃，φ₄の四波である。

ステップ４においては、受信信号相関器８で上記水平及び垂直方向到来角に基づいて二次元の到来角を推定する。ここで、受信信号相関器８における二次元到来角推定方法を図５及び図６に示すフローチャートを参照して説明する。

先ず、ステップ１１において、一次元到来角推定部７ａから水平方向到来角を制御部１３に入力する。そして、制御部１３から先ず、水平方向到来角θ₁の到来角情報を指向性変更部９に出力する。

ステップ１２においては、指向性変更部９で入力した到来角情報に基づいて水平方向用アンテナ５ａの指向性を到来角θ₁に設定して、該到来角θ₁の電波の受信感度が最大となるようにする。

ステップ１３においては、水平方向用アンテナ５ａの指向性を到来角θ₁に設定した状態で電波を受信し、該受信した電波の波形データを波形データ取得回路６ａから指向性変更部９に入力し、この信号を検波部１０で検波する。そして、信号に含まれる送信端末のＩＤ情報（例えば、ＩＤ“１”）を抽出する。

ステップ１４においては、到来角・ＩＤ対応付け部１１で、抽出したＩＤ情報（ＩＤ“１”）と制御部１３から入力した上記ＩＤ情報（ＩＤ“１”）に対応する到来角情報θ₁とを対応付ける。

ステップ１５においては、上記ＩＤ情報（ＩＤ“１”）と、これに対応する到来角情報θ₁をメモリ１２に記憶する。

ステップ１６においては、全ての到来波数の到来角・ＩＤ対応付けが終了したか否かを制御部１３で判定する。ここで、“ＮＯ”判定となったときには、ステップ１２に戻ってステップ１２〜１６を繰返し実行し、図２（ａ）に示す水平方向到来角θ₂，θ₃，θ₄に対応する受信信号の端末ＩＤ情報と到来角との対応付けを順次行ってメモリ１２に記憶する。なお、第１実施形態においては、到来角θ₂にはＩＤ“２”が、到来角θ₃にはＩＤ“３”が、到来角θ₄にはＩＤ“４”が対応するものとして説明する。一方、ステップ１６において、“ＹＥＳ”判定になると図６に示すステップ１７に進む。

次に、図６に示すように、ステップ１７においては、一次元到来角推定部７ｂから垂直方向到来角を制御部１３に入力する。そして、制御部１３から先ず、垂直方向到来角φ₁の到来角情報を指向性変更部９に出力する。

ステップ１８においては、指向性変更部９で入力した到来角情報に基づいて垂直方向用アンテナ５ｂの指向性を到来角φ₁に設定して、該到来角φ₁の電波の受信感度が最大となるようにする。

ステップ１９においては、垂直方向用アンテナ５ｂの指向性を到来角φ₁に設定した状態で電波を受信し、該受信した電波の波形データを波形データ取得回路６ｂから指向性変更部９に入力し、この受信信号を検波部１０で検波する。そして、受信信号に含まれる送信端末のＩＤ情報（例えば、ＩＤ“１”）を抽出する。

ステップ２０においては、到来角・ＩＤ対応付け部１１で、抽出したＩＤ情報（ＩＤ“１”）と制御部１３から入力した上記ＩＤ情報（ＩＤ“１”）に対応する到来角情報φ₁とを対応付ける。

ステップ２１においては、上記ＩＤ情報（ＩＤ“１”）と、これに対応する到来角情報φ₁をメモリ１２に記憶する。

ステップ２２においては、全ての到来波数の到来角・ＩＤ対応付けが終了したか否かを制御部１３で判定する。ここで、“ＮＯ”となったときには、ステップ１８に戻ってステップ１８〜２２を繰返し実行し、図２（ｂ）に示す垂直方向到来角φ₂，φ₃，φ₄に対応する受信信号の端末ＩＤ情報と到来角との対応付けを順次行ってメモリ１２に記憶する。なお、第１実施形態においては、到来角φ₂にはＩＤ“３”が、到来角φ₃にはＩＤ“４”が、到来角φ₄にはＩＤ“２”が対応するものとして説明する。一方、ステップ２２において、ＹＥＳ判定となるとステップ２３に進む。

ステップ２３においては、上記メモリ１２より同一のＩＤに対応付けられた水平方向到来角と垂直方向到来角とを読出し、制御部１３において、両到来角に基づいて二次元到来角を推定する。例えば、送信端末のＩＤ“１”に対応する水平方向到来角θ₁及び垂直方向到来角φ₁がメモリ１２から読み出された場合には、図７に示すようにＩＤ“１”の送信端末の二次元到来角は、両到来角の方向ベクトルを合成した矢印Ａ方向となる。

ステップ２４においては、全てのＩＤについて二次元到来角の導出が終了したか否かを制御部１３で判定する。ここで、“ＮＯ”判定となったときには、ステップ２３に戻って、上述と同様にして、二次元到来角の推定を継続して行う。例えば送信端末のＩＤ“２”に対応する水平方向到来角θ₂及び垂直方向到来角φ₄がメモリ１２から読み出された場合には、二次元到来角は、同図の矢印Ｂ方向となり、ＩＤ“３”に対応する水平方向到来角θ₃、垂直方向到来角φ₂が読み出された場合には矢印Ｃ方向、ＩＤ“４”に対応する水平方向到来角θ₄、垂直方向到来角φ₃が読み出された場合には、矢印Ｄ方向となる。
そして、ステップ２４において、“ＹＥＳ”判定となったときには、二次元到来角の推定は終了する。

このように第１実施形態によれば、互いに直交して配置した水平方向用アンテナ５ａと垂直方向用アンテナ５ｂによりそれぞれ電波を受信し、この受信信号に基づいて水平方向及び垂直方向の到来角を演算し、同一のＩＤに対応した水平方向及び垂直方向到来角に基づいて二次元到来角を推定するようにしたことにより、二次元到来角推定部４を用いた従来の電波到来角推定装置よりも、波形データ取得回路６ａ，６ｂのアナログ回路数（周波数変換部２）を減らすことができる。従って、回路構成が簡単となり装置のコストを低減することができる。

また、一次元到来角推定部７ａ，７ｂにおいて、水平方向及び垂直方向の一次元到来角を推定するようにしたことにより、隣接するアンテナ素子１間の位相差の演算回数が従来の二次元到来角推定部では一つのアンテナ素子１に対して前後左右及び斜め方向の８回であるのに対し、上記一次元到来角推定部７ａ，７ｂでは前後左右の４回で済み、信号処理速度が向上する。

なお、第１実施形態において、水平及び垂直方向用アンテナ５ａ，５ｂは、図１に示すように互いに端部で交差するように配置しているが、これに限られず、例えば、略十字状に交差するように配置しても、また斜めに交差するように配置してもよい。

次に、本発明に係る電波到来角推定装置の第２実施形態を、図８を参照して説明する。なお、ここでは、図１と同一の要素については同一符号を用いて示し、第１実施形態と異なる部分を説明する。
図８において、第２実施形態の電波到来角推定装置は、互いに直交する水平及び垂直方向用アンテナ５ａ，５ｂ（図８において、水平；８素子、垂直；７素子）と互いに斜め方向に交差する左斜め及び右斜め方向用アンテナ５ｃ，５ｄ（同図において、左斜め；７素子、右斜め；６素子）とを備えて構成したアレイアンテナ５と、各アンテナのアンテナ素子１と後段の波形データ取得回路６ａ，６ｂとの接続経路を切換える高周波スイッチ（以下、ＲＦスイッチと記載）１４ａ，１４ｂと、波形データ取得回路６ａ，６ｂで取得した波形データを後述する第２及び第３のメモリとしてのメモリ１２ｂ，１２ｃを介して第３及び第５の一次元到来角推定部としての一次元到来角推定部７ｃ，７ｅに入力する経路と第４及び第６の一次元到来角推定部としての一次元到来角推定部７ｄ，７ｆに直接入力する経路とを切換えるデータ切換スイッチ１４ｃ，１４ｄと、波形データ取得回路６ａ，６ｂで取得した水平方向に対応する波形データを記録するメモリ１２ｂ及び垂直方向に対応する波形データを記録するメモリ１２ｃとを備え、水平及び垂直方向アンテナ５ａ，５ｂに対応する波形データと左斜め及び右斜め方向アンテナ５ｃ，５ｄに対応する波形データとを時分割で取得できるようにしている。なお、図８において、波形データ取得回路６ａは８系統の信号処理回路を備え、波形データ取得回路６ｂは７系統の信号処理回路を備えている。

次に、このように構成した第２実施形態の動作を、図９のフローチャートを参照して説明する。
先ず、ステップ３１において、図８に示す互いに直交する水平及び垂直方向用アンテナ５ａ，５ｂ及び斜め方向に交差する左斜め及び右斜め方向用アンテナ５ｃ，５ｄで電波を受信する。

ステップ３２においては、ＲＦスイッチ１４ａにより水平方向用アンテナ５ａと波形データ取得回路６ａとを接続し、またＲＦスイッチ１４ｂにより垂直方向用アンテナ５ｂと波形データ取得回路６ｂとを接続した状態で水平及び垂直方向用アンテナ５ａ，５ｂの各アンテナ素子１で受信した電波の波形データを各波形データ取得回路６ａ，６ｂにより取得する。なお、このときデータ切換スイッチ１４ｃは、波形データ取得回路６ａとメモリ１２ｂとを接続しており、データ切換スイッチ１４ｄは、波形データ取得回路６ｂとメモリ１２ｃとを接続している。

ステップ３３においては、波形データ取得回路６ａで取得した水平方向の波形データをメモリ１２ｂに記録し、波形データ取得回路６ｂで取得した垂直方向の波形データをメモリ１２ｃに記録する。

ステップ３４においては、ＲＦスイッチ１４ａ，１４ｂ及びデータ切換スイッチ１４ｃ，１４ｄを同期して切換え、左斜め方向用アンテナ５ｃと波形データ取得回路６ａ、また右斜め方向用アンテナ５ｄと波形データ取得回路６ｂとを接続する。さらに、波形データ取得回路６ａと一次元到来角推定部７ｄ、また波形データ取得回路６ｂと一次元到来角推定部７ｆとを接続する。

ステップ３５においては、左斜め及び右斜め方向用アンテナ５ｃ，５ｄの各アンテナ素子１で受信した電波の波形データを各波形データ取得回路６ａ，６ｂにより取得する。

ステップ３６においては、メモリ１２ｂに記録した水平方向用アンテナ５ａに対応する波形データを一次元到来角推定部７ｃに入力し、メモリ１２ｃに記録した垂直方向用アンテナ５ｂに対応する波形データを一次元到来角推定部７ｅに入力し、同時に波形データ取得回路６ａから左斜め方向用アンテナ５ｃに対応する波形データを一次元到来角推定部７ｄに直接入力し、さらに波形データ取得回路６ｂから右斜め方向用アンテナ５ｄに対応する波形データを一次元到来角推定部７ｆに直接入力する。

ステップ３７においては、入力した各波形データをそれぞれ一次元到来角推定部７ｃ〜７ｆで各一次元アレイアンテナの隣接する各アンテナ素子１間の位相差を求める。そして、該位相差に基づいて一次元到来角推定部７ｃ，７ｄでは例えばMUSIC法により電波の水平方向到来角を演算し、一次元到来角推定部７ｅ，７ｆでは垂直方向到来角を演算する。この場合、一次元到来角推定部７ｄからは、一次元到来角推定部７ｃと同一の座標系に変換された例えば図２（ａ）に示すような水平方向の一次元のMUSICスペクトルが出力する。また、一次元到来角推定部７ｆからは、一次元到来角推定部７ｅと同一の座標系に変換された例えば図２（ｂ）に示すような垂直方向の一次元のMUSICスペクトルが出力する。このとき、各一次元のMUSICスペクトルの各ピークを到来角と定める。

ステップ３８においては、受信信号相関器８により上記水平及び垂直方向到来角から同一のＩＤ情報を有する到来角を抽出し、該到来角に基づいて二次元到来角を推定し、送信端末の方向を特定する。なお、二次元到来角の推定は、図５及び図６に示す手順に従って実行される。

このように第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を有すると共に、斜め方向に交差する左斜め及び右斜め方向用アンテナ５ｃ，５ｄを備えたことにより、例えばマルチパスの激しい受信環境において、どちらか一方の一次元アレイアンテナの組合せ（例えば、水平及び垂直方向用アンテナ５ａ，５ｂ）でフェージングにより受信が困難な場合でも、他方の一次元アレイアンテナの組合せ（例えば、左斜め及び右斜め方向用アンテナ５ｃ，５ｄ）で受信することができ、受信環境の制約が少なくなる。

また、上記四つの一次元アレイアンテナを全て組み合わせて使用すれば、相関性の演算をより厳密に行うことができ、同一端末からの信号か否かをより正確に判定することができる。

さらに、水平及び垂直方向用アンテナ５ａ，５ｂの波形データと左斜め及び右斜め方向用アンテナ５ｃ，５ｄの波形データとをＲＦスイッチ１４ａ，１４ｂで切換えて時分割により取得するようにしたことにより、第１実施形態よりもアンテナ素子数が多いにもかかわらず、回路規模を第１実施形態と略同等にすることができる。

なお、上記第２実施形態において、メモリ１２ｂ，１２ｃは、それぞれ水平及び垂直方向用アンテナ５ａ，５ｂに対応する波形データを記録するものとして示したが、左斜め及び右斜め方向用アンテナ５ｃ，５ｄに対応する波形データを記録してもよい。

次に、本発明に係る電波到来角推定装置の第３実施形態を、図１０を参照して説明する。なお、ここでは、図１と同一の要素については同一符号を用いて示し、第１実施形態と異なる部分を説明する。
図１０において、第３実施形態の電波到来角推定装置は、アレイアンテナ５の水平方向用アンテナ５ａと垂直方向用アンテナ５ｂの各アンテナ素子１で受信した電波を交互に切換えて後段の波形データ取得回路６に送出するＲＦスイッチ１４ａと、波形データ取得回路６の出力を後述する第１のメモリとしてのメモリ１２ａを介して一次元到来角推定部７ａに伝える経路と直接一次元到来角推定部７ｂに伝える経路とを切換えるデータ切換スイッチ１４ｃと、波形データ取得回路６で取得した波形データのうち水平方向に対応する波形データを記録するメモリ１２ａとを備え、水平及び垂直方向に対応する波形データを時分割で取得できるようにしている。なお、図１０においては、波形データ取得回路８は、８系統の信号処理回路を備えている。

次に、このように構成した第３実施形態の動作を、図１１のフローチャートを参照して説明する。
先ず、ステップ４１において、図１０に示す互いに直交する水平及び垂直方向用アンテナ５ａ，５ｂで電波を受信する。

ステップ４２においては、ＲＦスイッチ１４ａにより水平方向用アンテナ５ａと波形データ取得回路６とを接続した状態で水平方向用アンテナ５ａの各アンテナ素子１で受信した電波の波形データを波形データ取得回路６により取得する。なお、このときデータ切換スイッチ１４ｃは、波形データ取得回路６とメモリ１２ａとを接続している。

ステップ４３においては、波形データ取得回路６で取得した水平方向の波形データをメモリ１２ａに記録する。

ステップ４４においては、ＲＦスイッチ１４ａ及びデータ切換スイッチ１４ｃとを同期して切換え、垂直方向用アンテナ５ｂと波形データ取得回路６とを接続する。さらに、波形データ取得回路６と一次元到来角推定部７ｂとを接続する。

ステップ４５においては、垂直方向用アンテナ５ｂの各アンテナ素子１で受信した電波の波形データを波形データ取得回路６により取得する。

ステップ４６においては、メモリ１２ａに記録した水平方向用アンテナ５ａに対応する波形データを一次元到来角推定部７ａに入力し、同時に波形データ取得回路６から垂直方向用アンテナ５ｂに対応する波形データを一次元到来角推定部７ｂに直接入力する。

ステップ４７においては、入力した各波形データをそれぞれ一次元到来角推定部７ａ，７ｂで隣接する上記各アンテナ素子１間の位相差を求める。そして、該位相差に基づいて一次元到来角推定部７ａでは例えばMUSIC法により電波の水平方向到来角を演算し、一次元到来角推定部７ｂでは垂直方向到来角を演算する。この場合、一次元到来角推定部７ａからは、例えば図２（ａ）に示すような水平方向の一次元のMUSICスペクトルが出力し、一次元到来角推定部７ｂからは、例えば同図（ｂ）に示す垂直方向の一次元のMUSICスペクトルが出力する。このとき、各一次元のMUSICスペクトルの各ピークを到来角と定める。

ステップ４８においては、受信信号相関器８により上記水平及び垂直方向到来角から同一のＩＤ情報を有する到来角を抽出し、該到来角に基づいて二次元到来角を推定し、送信端末の方向を特定する。なお、第３実施形態においても、二次元到来角の推定は、図５及び図６に示す手順に従って実行される。

このように第３実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を有すると共に、水平方向と垂直方向の波形データとをＲＦスイッチ１４ａで切換えて時分割により取得するようにしたことにより、第１実施形態とアンテナ素子数が同じにもかかわらず、アナログ回路（周波数変換部２）を含む信号処理回路を例えば８系統に減らすことができ、回路規模を第１実施形態の場合よりも縮小することができる。

なお、上記第３実施形態において、メモリ１２ａは、水平方向用アンテナ５ａに対応する波形データを記録するものとして示したが、垂直方向用アンテナ５ｂに対応する波形データを記録してもよい。

次に、本発明に係る電波到来角推定装置の第４実施形態を、図１２を参照して説明する。なお、ここでは、図１と同一の要素については同一符号を用いて示し、第１実施形態と異なる部分を説明する。
図１２において、第４実施形態の電波到来角推定装置は、アンテナ素子１を縦横にマトリクス状（図１２では、６４素子）に配列したアレイアンテナ５から各アンテナ素子１で受信した電波を順次切換えて波形データ取得回路６に送出するＲＦスイッチ１４ａと、波形データ取得回路６で取得した各アンテナ素子１による受信電波の波形データを順次記憶する第４のメモリとしてのメモリ１２ｄと、該メモリ１２ｄから水平方向及び垂直方向に対応する各波形データを選択的に読出して水平方向及び垂直方向到来角を演算する一次元到来角推定部７と、該一次元到来角推定部７からの波形データを後述する第５のメモリとしてのメモリ１２ｅに入力する経路と受信信号相関器８に入力する経路とを切換えるデータ切換スイッチ１４ｃと、一次元到来角推定部７から出力された水平方向到来角を一時的に記録するメモリ１２ｅとを備え、各アンテナ素子１の波形データを時分割で取得できるようにしている。なお、図１２において、波形データ取得回路６は、１系統の信号処理回路を備える。

次に、このように構成した第４実施形態の動作を、図１３のフローチャートを参照して説明する。
先ず、ステップ５１において、アンテナ素子１の番号を初期化する。
次に、ステップ５２において、ＲＦスイッチ１４ａをｎ＝１番目のアンテナ素子１と波形データ取得回路６とを接続するように切換えて、波形データ取得回路６により上記ｎ＝１番目のアンテナ素子１の波形データを取得する。

ステップ５３においては、上記取得した波形データをメモリ１２ｄに記憶する。
ステップ５４においては、アンテナ素子番号ｎが最大のアンテナ素子番号Ｎ（例えば、図１２では６４）となったか否かを図示省略の電波到来角推定装置の制御部で判定する。ここで、“ＮＯ”判定となるとステップ５５に進む。

ステップ５５においては、ＲＦスイッチ１４ａにより切換えてｎ＝２番目のアンテナ素子１と波形データ取得回路６とを接続する。そして、ステップ５２に戻り、ｎ＝２番目のアンテナ素子１の波形データを取得すると共に、ステップ５３でこの波形データをメモリ１２ｄに記憶する。以下、同様にして、ｎ＝Ｎ（例えば、６４）となるまでステップ５２〜５５を繰返し実行し、ステップ５４において、“ＹＥＳ”判定になるとステップ５６に進む。

ステップ５６においては、上記メモリ１２ｄから横一列のアンテナ素子アレイに対応する波形データを順次一次元到来角推定部７に読出す。

ステップ５７においては、入力した上記波形データを一次元到来角推定部７で隣接する各アンテナ素子１間の位相差を横一列の全アンテナ素子アレイについて順次求め、該位相差に基づいて例えばMUSIC法により電波の水平方向到来角を演算する。この場合、例えば図２（ａ）に示すような上記全アンテナ素子アレイの水平方向MUSICスペクトルの合成出力が得られる。

ステップ５８においては、上記演算した水平方向到来角を、データ切換スイッチ１４ｃを切換えてメモリ１２ｄに記憶する。

ステップ５９においては、上記メモリ１２ｄから縦一列のアンテナ素子アレイに対応する波形データを順次一次元到来角推定部７に読出す。

ステップ６０においては、ステップ５７と同様にして、入力した上記波形データを一次元到来角推定部７で隣接する各アンテナ素子１間の位相差を縦一列の全アンテナ素子アレイについて順次求め、該位相差に基づいて例えばMUSIC法により電波の垂直方向到来角を演算する。この場合、例えば図２（ｂ）に示すような上記全アンテナ素子アレイの垂直方向MUSICスペクトルの合成出力が得られる。

ステップ６１においては、メモリ１２ｅから水平方向到来角を読み出すと共にデータ切換スイッチ１４ｃを切換えて上記一次元到来角推定部７で演算した垂直方向到来角を受信信号相関器８に入力する。このときの水平方向及び垂直方向到来角の入力信号波形は、それぞれ、例えば図２に示すようなMUSICスペクトルである。

ステップ６２においては、受信信号相関器８により上記水平及び垂直方向到来角から同一のＩＤ情報を有する到来角を抽出し、該到来角に基づいて二次元到来角を推定し、送信端末の方向を特定する。第４実施形態においても、二次元到来角の推定は、図５及び図６に示す手順に従って実行される。

このように第４実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を有すると共に、複数のアンテナ素子１の出力を順次切換えて時分割により一系統の信号処理回路で構成した波形データ取得回路に入力し、取得された全アンテナ素子１の波形データを一旦メモリ１２ｄに記録すると共に、水平方向に対応する波形データを読み出して水平方向到来角を演算し、さらに垂直方向に対応する波形データを読み出して垂直方向到来角を演算し、両到来角に基づいて二次元到来角を推定するようにしたことにより、アンテナ素子数が従来の電波到来角推定装置のアレイアンテナ５と同じにもかかわらず、アナログ回路（周波数変換部２）を含む信号処理回路数を一つにすることができ、回路規模をより縮小することができる。これにより、アナログ回路の回路間のばらつきによる誤差が無くなり、より高精度に到来角を推定することができる。

なお、上記第４実施形態において、メモリ１２ｅは、水平方向到来角を記録するものとして示したが、垂直方向到来角を記録してもよい。
また、第４実施形態は、第１及び第２実施形態のアレイアンテナ５に対しても適用することができる。

本発明による電波到来角推定装置の第１実施形態の概略構成を示すブロック図である。 一次元到来角推定部の出力で、例えばMUSICスペクトルを示す図である。 受信信号相関器の構成を示すブロック図である。 上記第１実施形態の動作を示すフローチャートである。 上記受信信号相関器における二次元到来角推定方法の前半部を示すフローチャートである。 上記受信信号相関器における二次元到来角推定方法の後半部を示すフローチャートである。 水平及び垂直方向到来角から二次元到来角を推定する方法を示す説明図である。 本発明による電波到来角推定装置の第２実施形態の概略構成を示すブロック図である。 上記第２実施形態の動作を示すフローチャートである。 本発明による電波到来角推定装置の第３実施形態の概略構成を示すブロック図である。 上記第３実施形態の動作を示すフローチャートである。 本発明による電波到来角推定装置の第４実施形態の概略構成を示すブロック図である。 上記第４実施形態の動作を示すフローチャートである。 従来の電波到来角推定装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…アンテナ素子
５…アレイアンテナ
６，６ａ，６ｂ…波形データ取得回路
７，７ａ〜７ｆ…一次元到来角推定部
８…受信信号相関器
１２，１２ａ〜１２ｅ…メモリ

Claims (9)

1. 互いに交差する方向に少なくとも一列のアンテナ素子アレイをそれぞれ有するアレイアンテナと、
   該アレイアンテナの各アンテナ素子で受信した送信端末の端末特定情報を含む電波の高周波信号を周波数変換すると共にＡ／Ｄ変換されたベースバンド信号の波形データを取得する波形データ取得回路と、
   前記波形データにより隣接する前記各アンテナ素子間の位相差を求め、該位相差に基づいて前記電波の水平方向及び垂直方向到来角をそれぞれ演算する一次元到来角推定部と、
   前記電波に含まれる同一の端末特定情報に対応する前記水平方向及び垂直方向到来角に基づいて電波の二次元到来角を推定する受信信号相関器と、
   を備えたことを特徴とする電波到来角推定装置。
2. 前記受信信号相関器は、前記一次元到来角推定部で推定した水平方向到来角に前記アレイアンテナの指向性を合わせて電波を受信し、該受信した電波に含まれる端末特定情報を抽出して前記水平方向到来角に対応付ける一方、前記一次元到来角推定部で推定した垂直方向到来角に前記アレイアンテナの指向性を合わせて電波を受信し、該受信した電波に含まれる端末特定情報を抽出して前記垂直方向到来角に対応付け、同一の端末特定情報に対応付けられた水平方向及び垂直方向到来角をそれぞれ水平及び垂直成分とする方向を前記端末特定情報を含む電波の到来方向と推定する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の電波到来角推定装置。
3. 前記アレイアンテナは、互いに直交する方向に前記アンテナ素子アレイをそれぞれ有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電波到来角推定装置。
4. 前記アレイアンテナは、縦横方向に直交する二つのアンテナ素子アレイと、左右斜め方向に直交する二つのアンテナ素子アレイとの二組で構成したことを特徴とする請求項３に記載の電波到来角推定装置。
5. 前記波形データ取得回路は、ベースバンド信号の波形データを取得する信号処理回路の系統を前記アンテナ素子アレイのアンテナ素子数と同数有し、前記各アンテナ素子アレイを切換えて水平方向及び垂直方向の波形データ群を時分割して取得する構成としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の電波到来角推定装置。
6. 前記一次元到来角推定部は、前記第１及び第２の一次元到来角推定部を備え、前記波形データ取得回路で取得した水平方向及び垂直方向のいずれか一方の波形データ群を第１のメモリに記録し、切換えて他方の波形データ群に基づいて前記第２の一次元到来角推定部で前記他方の方向の到来角を推定し、同時に前記第１のメモリから前記一方の波形データ群を読み出して前記第１の一次元到来角推定部で前記一方の方向の到来角を推定する構成としたことを特徴とする請求項５に記載の電波到来角推定装置。
7. 前記波形データ取得回路は、前記横方向及び左斜め方向のアンテナ素子アレイでそれぞれ受信した電波の各水平方向波形データを時分割して取得する第１の波形データ取得回路と前記縦方向及び右斜め方向のアンテナ素子アレイでそれぞれ受信した電波の各垂直方向波形データを時分割して取得する第２の波形データ取得回路とを備え、該第１及び第２の波形データ取得回路に対応してそれぞれ第３及び第４と第５及び第６の一次元到来角推定部を有し、前記第１の波形データ取得回路で取得した二つの水平方向波形データ群の一方を第２のメモリに記録し、切換えて他方の水平方向波形データ群に基づいて前記第４の一次元到来角推定部に入力し、同時に前記第２のメモリから前記一方の水平方向波形データ群を読み出して前記第３の一次元到来角推定部に入力し、前記第３および第４の一次元到来角推定部で水平方向到来角を推定する一方、前記第２の波形データ取得回路で取得した二つの垂直方向波形データ群の一方を第３のメモリに記録し、切換えて他方の垂直方向波形データ群に基づいて前記第６の一次元到来角推定部に入力し、同時に前記第３のメモリから前記一方の垂直方向波形データ群を読み出して前記第５の一次元到来角推定部に入力し、前記第５及び第６の一次元到来角推定部で垂直方向到来角を推定する構成としたことを特徴とする請求項４及び５に記載の電波到来角推定装置。
8. 前記波形データ取得回路は、ベースバンド信号の波形データを取得する信号処理回路が一系統であり、前記各アンテナ素子で受信した電波の各波形データを時分割して取得し、該各波形データを順次第４のメモリに記録する構成としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の電波到来角推定装置。
9. 前記第４のメモリに記録された水平方向及び垂直方向のいずれか一方の波形データ群を読み出して前記一次元到来角推定部で前記一方の方向の到来角を推定して第５のメモリに記録すると共に、前記第４のメモリから読み出した他方の波形データ群に基づいて前記一次元到来角推定部で前記他方の方向の到来角を推定し、前記受信信号相関器で前記第５のメモリから読み出した到来角と前記一次元到来角推定部から直接入力した到来角とに基づいて二次元到来角を推定する構成としたことを特徴とする請求項８に記載の電波到来角推定装置。

Images