JP2005354322A - Array antenna communication apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数のアンテナによってアンテナ指向性が決定されるアレイアンテナを用いた通信装置に関するものである。 The present invention relates to a communication apparatus using an array antenna whose antenna directivity is determined by a plurality of antennas.
無線通信においては、電波状況に応じて適応的に指向性を変化させるアダプティブアレイアンテナ受信装置が広く用いられている。この受信装置では、互いに異なる方向から所望波と妨害波が到来したときに、所望波の方向に指向性を形成し、妨害波の方向にヌルを形成するようアンテナ指向性が制御されるため、受信信号の所望波対妨害波比を最良値に維持することができる。また、アンテナは送受信で同一の指向性を呈するので、当該受信装置で形成された指向性を送信装置においても利用することで、アダプティブアレイアンテナ送受信装置を構成することもできる。 In wireless communication, adaptive array antenna receivers that change the directivity adaptively according to radio wave conditions are widely used. In this receiving apparatus, when a desired wave and an interference wave arrive from different directions, the directivity is formed in the direction of the desired wave, and the antenna directivity is controlled so as to form a null in the direction of the interference wave. The desired wave-to-interference ratio of the received signal can be maintained at the best value. Further, since the antenna exhibits the same directivity in transmission and reception, an adaptive array antenna transmission / reception device can be configured by using the directivity formed by the reception device also in the transmission device.
図10に、アダプティブアレイアンテナ受信装置3の一般的な従来構成を示す。それぞれのアンテナ10で受信された信号は、受信機12によって増幅され中間周波数帯に変換された後、受信部64に入力される。受信部64はウェイト係数乗算器18、加算器20および直交復調器22を備える。受信部64に入力された信号は、ウェイト係数計算部66によって計算されたウェイト係数に基づいて、ウェイト係数乗算器18において振幅と位相の調整を受け、加算器20によって合成される。加算器20はその合成された信号である受信合成信号を出力する。受信合成信号は直交復調器22によってベースバンド信号に変換され受信部64から出力される。一般に、ベースバンド信号は複数のチャンネルから構成されるが、説明の便宜上、図10では1系統の信号線で表記しており、以下の説明においても同様とする。受信部64から出力された受信合成信号は、データ復調部70に入力される。データ復調部70は受信合成信号から受信データ信号とフレーム同期信号を抽出し出力する。
FIG. 10 shows a general conventional configuration of the adaptive
データ復調部70はシンボル同期部28とデータ抽出部26を備えており、シンボル同期部28は受信合成信号からシンボル周期を検出し、データ抽出部26は検出されたシンボル周期に基づいてデータを抽出する。ここで、シンボル周期とは、例えばQPSK信号であれば、Iチャンネル信号およびQチャンネル信号のとりうる値の組が現れる周期であり、システムで予め定められたディジタル情報、すなわちシンボルが得られる周期をいう。
The data demodulator 70 includes a
データ復調部70には、さらにフレーム周期検出部62が備えられており、復調データ信号に基づいてフレーム同期信号を生成する。ここで、フレーム周期とは、システムで予め定められた数の複数のシンボルで構成されるデータ列、すなわちフレームが現れる周期をいう。受信合成信号の各フレームの冒頭あるいは所定のシンボル位置には、アダプティブアレイアンテナの適応動作を可能にするための信号である参照信号が付されており、参照信号はフレーム周期毎に現れる。この様子を表したものが、図11(a)である。
The data demodulator 70 is further provided with a
ウェイト係数計算部66は、上述の受信合成信号のフレーム内所定位置に付された参照信号と、予めウェイト係数計算部66の参照信号生成部68で記憶されている参照信号との差分である誤差信号を減算器48によって算出し、当該誤差と複数のアンテナ10から別途受信された受信信号SAに基づいてウェイト係数を計算する。このようなウェイト係数を計算するアルゴリズムとしては、RLSアルゴリズムやLMSアルゴリズムなどがあり、アダプティブアルゴリズム実行部38において実行される。また、一般的に受信信号SAは、直交復調器22によってベースバンド信号に変換された後にアダプティブアルゴリズムに供されることが多い。
The weight coefficient calculation unit 66 is an error that is a difference between the reference signal given at a predetermined position in the frame of the received combined signal and the reference signal stored in advance in the reference
アダプティブアルゴリズムが実行される際には、参照信号生成部68はデータ復調部70からフレーム同期信号の供給を受け、これに従うタイミングで自ら記憶する参照信号を出力している。したがって、ウェイト係数が計算される前においては、データ復調部70においてフレーム周期の検出が完了し、フレーム同期が確立していなければならない。なお、フレーム同期が確立されるまでの間は、ウェイト係数計算部66からは予め固定定数として定められた初期ウェイト係数が出力されている。図11(b)から図11(d)は、シンボル同期を確立し、フレーム同期を確立した後にウェイト係数計算が行われ、アレイアンテナにおけるウェイト係数が決定されるという動作過程を示す。
When the adaptive algorithm is executed, the
このように、フレーム周期毎にウェイト係数が計算がされ適応的にアンテナ指向性が決定されるというアダプティブアレイアンテナの定常動作に収束するためには、フレーム同期を確立し、フレーム内所定位置に付されている参照信号を取り出し、自ら記憶する参照信号と比較するという動作が可能でなければならない。しかしながら、アダプティブアレイアンテナ受信装置の起動時や、受信状況が悪化して定常動作を逸脱したときにはフレーム同期は確立されておらず、アダプティブアレイアンテナ通信装置は初期ウェイト係数で決定される指向性を以て動作する。このときにレベルの高い妨害波が存在する等、受信状況によっては、所望波のシンボル周期およびフレーム周期の検出が困難となり、定常動作に収束することが不可能となる。このような問題を回避するためには、迅速かつ確実に同期確立を行い、アダプティブアレイアンテナ受信装置を定常動作に導くことを可能とする手段が別途必要となる。 As described above, in order to converge to the steady operation of the adaptive array antenna in which the weight coefficient is calculated for each frame period and the antenna directivity is adaptively determined, frame synchronization is established and attached to a predetermined position in the frame. It must be possible to take out a reference signal that has been stored and compare it with a reference signal stored by itself. However, frame synchronization is not established when the adaptive array antenna receiver starts up or when the reception condition deteriorates and deviates from the normal operation, and the adaptive array antenna communication apparatus operates with directivity determined by the initial weight coefficient. To do. At this time, depending on the reception situation, such as the presence of a high level interference wave, it is difficult to detect the symbol period and frame period of the desired wave, and it is impossible to converge to a steady operation. In order to avoid such a problem, it is necessary to separately provide means for quickly and surely establishing synchronization and enabling the adaptive array antenna receiving apparatus to be brought into a steady operation.
特許第3075983号公報には、同期確立を必要としない第1のアダプティブアルゴリズムと、受信信号から参照信号を得るための同期確立が要されるがフェージングやマルチパスの抑圧効果が比較的大きい第2のアダプティブアルゴリズムとを組み合わせることで、同期確立が困難な状態においてもアダプティブ処理を行うことを可能にしたアダプティブアンテナ付き受信装置が開示されている。 Japanese Patent No. 3075983 discloses a first adaptive algorithm that does not require synchronization establishment, and synchronization establishment for obtaining a reference signal from a received signal, but has a relatively large fading and multipath suppression effect. A receiving apparatus with an adaptive antenna that can perform adaptive processing even in a state in which synchronization establishment is difficult by combining with the adaptive algorithm is disclosed.
特許第3075983号公報に開示されているアダプティブアンテナ付き受信装置は、同期確立を必要としない第1のアダプティブアルゴリズムを実行することで同期確立を行い、参照信号を得て、この参照信号に基づいて第2のアダプティブアルゴリズムを実行する構成となっている。これによって、フェージングやマルチパスの影響で同期確立が困難な状況においても、安定したアダプティブアレイアンテナの定常動作が可能となる。しかしながら、この構成では2種類のアダプティブ処理系が必要とされるため、構成および動作が複雑となり、設計コストおよび製造コストの面で不利である。 The receiving apparatus with an adaptive antenna disclosed in Japanese Patent No. 3075983 performs synchronization establishment by executing a first adaptive algorithm that does not require synchronization, obtains a reference signal, and based on this reference signal The second adaptive algorithm is configured to be executed. As a result, even when it is difficult to establish synchronization due to fading or multipath, stable operation of the adaptive array antenna can be performed. However, this configuration requires two types of adaptive processing systems, which complicates the configuration and operation, and is disadvantageous in terms of design cost and manufacturing cost.
受信信号から参照信号を得て、これと自らが記憶する参照信号とを比較するアダプティブアルゴリズムは、定常動作においては、参照信号の比較を行わないアダプティブアルゴリズムに比して妨害波抑圧効果が大きい。したがって、一度定常動作に収束してしまえば、他のアダプティブアルゴリズムを用いなくとも十分な受信性能は確保されるはずである。 An adaptive algorithm that obtains a reference signal from a received signal and compares it with a reference signal stored by itself has a greater interference wave suppression effect in a steady operation than an adaptive algorithm that does not compare reference signals. Therefore, once convergence to steady operation is achieved, sufficient reception performance should be ensured without using other adaptive algorithms.
そこで、同期確立を行い、参照信号を得て、定常状態へ導くことを可能にする簡単な手段がありさえすれば、さらにもう1系統のアダプティブ処理系を備えなくとも、十分な受信性能を確保することが可能なアダプティブアレイアンテナ受信装置を実現することが可能である。 Therefore, as long as there is a simple means to establish synchronization, obtain a reference signal, and lead to a steady state, sufficient reception performance can be ensured without the need for an additional adaptive processing system. It is possible to realize an adaptive array antenna receiving apparatus capable of performing the above.
本発明は、このような課題に対してなされたものであり、単一のアダプティブアルゴリズムのみで参照信号を得るためのフレーム同期確立を可能にした、アダプティブアレイアンテナ通信装置を提供する。 The present invention has been made for such a problem, and provides an adaptive array antenna communication apparatus that enables frame synchronization to be obtained only by a single adaptive algorithm to obtain a reference signal.
本発明は、複数のアンテナと、前記複数のアンテナの各々で受信される信号の振幅と位相を変化させるための係数であるウェイト係数を計算するウェイト係数計算部と、前記複数のアンテナの各々で受信された信号の振幅と位相を、前記ウェイト係数計算部が算出したウェイト係数に基づいて変化させ、振幅と位相を変化させた当該信号を合成して受信する合成受信部と、前記複数のアンテナから信号を受信する傍系受信部とを含み、前記ウェイト係数計算部は、前記合成受信部が受信し出力する受信合成信号に含まれる参照信号と前記ウェイト係数計算部が記憶している参照信号との誤差を求め、前記傍系受信部が受信した信号と前記誤差とに基づいてウェイト係数を計算する、前記複数のアンテナによる指向性が前記ウェイト係数計算部が算出したウェイト係数に基づいて決定されるアレイアンテナ通信装置において、前記アレイアンテナ通信装置は、前記受信合成信号に含まれる参照信号と前記ウェイト係数計算部が記憶している参照信号との参照タイミングを変化させて前記誤差の評価を行い、前記参照タイミングと前記評価とに基づいて、前記受信合成信号のデータ抽出タイミングを決定し、前記ウェイト係数計算部は、当該決定されたデータ抽出タイミングに基づいて前記受信合成信号から参照信号を抽出し、当該参照信号と前記ウェイト係数計算部が記憶している参照信号との誤差を求め、前記傍系受信部が受信した信号と前記誤差とに基づいてウェイト係数を計算することを特徴とする。 The present invention includes a plurality of antennas, a weight coefficient calculation unit that calculates a weight coefficient that is a coefficient for changing the amplitude and phase of a signal received by each of the plurality of antennas, and each of the plurality of antennas. A combined reception unit that changes the amplitude and phase of the received signal based on the weight coefficient calculated by the weight coefficient calculation unit and combines and receives the signal with the changed amplitude and phase; and the plurality of antennas A side reception unit that receives a signal from the reference signal included in the received combined signal received and output by the combined reception unit, and a reference signal stored in the weight coefficient calculation unit And the weight coefficient is calculated based on the signal received by the neighboring receiver and the error. The directivity by the plurality of antennas is the weight coefficient calculator. In the array antenna communication apparatus determined based on the calculated weight coefficient, the array antenna communication apparatus determines a reference timing between a reference signal included in the received combined signal and a reference signal stored in the weight coefficient calculation unit. The error is evaluated by changing, and the data extraction timing of the received combined signal is determined based on the reference timing and the evaluation, and the weight coefficient calculation unit is based on the determined data extraction timing A reference signal is extracted from the received composite signal, an error between the reference signal and the reference signal stored in the weight coefficient calculation unit is obtained, and a weight coefficient is obtained based on the signal received by the neighboring reception unit and the error It is characterized by calculating.
また、本発明に係るアレイアンテナ通信装置は、前記ウェイト係数計算部とは別に設けられたウェイト係数計算部であるサブウェイト係数計算部と、前記複数のアンテナの各々で受信される信号の振幅と位相を、前記ウェイト係数に基づいて変化させ、振幅と位相を変化させた当該信号を合成して受信し、当該受信した信号から受信データを抽出して出力する受信復調部とを含み、前記アレイアンテナ通信装置が前記受信合成信号のデータ抽出タイミングを決定するに至るまでの間は、前記受信復調部は、前記複数のアンテナの各々で受信される信号の振幅と位相を前記サブウェイト係数計算部が算出したウェイト係数に基づいて変化させ、振幅と位相を変化させた当該信号を合成して受信し、当該受信した信号であるタイミング決定時受信合成信号から受信データを抽出して出力し、前記受信合成信号のデータ抽出タイミングを決定した後は、前記受信復調部は、前記複数のアンテナの各々で受信される信号の振幅と位相を前記ウェイト係数計算部が算出したウェイト係数に基づいて変化させ、振幅と位相を変化させた当該信号を合成して受信し、当該受信した信号である受信合成信号から受信データを抽出して出力する構成とすることが好適である。 The array antenna communication apparatus according to the present invention includes a sub-weight coefficient calculation unit that is a weight coefficient calculation unit provided separately from the weight coefficient calculation unit, and amplitudes of signals received by each of the plurality of antennas. A reception demodulator that changes the phase based on the weight coefficient, synthesizes and receives the signal with the changed amplitude and phase, extracts the received data from the received signal, and outputs the received data; Until the antenna communication apparatus determines the data extraction timing of the received combined signal, the reception demodulating unit calculates the amplitude and phase of the signal received by each of the plurality of antennas as the subweight coefficient calculating unit. Is received based on the weighting factor calculated by combining the received signal with the changed amplitude and phase, and receiving the received signal when timing is determined. After the received data is extracted from the generated signal and output, and the data extraction timing of the received combined signal is determined, the reception demodulator determines the amplitude and phase of the signal received by each of the plurality of antennas as the weight. A configuration in which the signal is changed based on the weight coefficient calculated by the coefficient calculation unit, the signal whose amplitude and phase are changed is combined and received, and received data is extracted from the received combined signal that is the received signal and output. It is preferable to do.
また、本発明に係るアレイアンテナ通信装置は、前記ウェイト係数計算部が記憶している参照信号の参照タイミングは、前記タイミング決定時受信合成信号に基づいて定められる構成とすることが好適である。 In the array antenna communication apparatus according to the present invention, it is preferable that the reference timing of the reference signal stored in the weight coefficient calculation unit is determined based on the received composite signal at the time of timing determination.
また、本発明に係るアレイアンテナ通信装置は、前記複数のアンテナから信号を受信するサブウェイト係数計算用受信部を含み、前記サブウェイト係数計算部は、前記サブウェイト係数計算用受信部が受信した信号に基づいて、前記タイミング決定時受信合成信号の信号対雑音比が最小となるようなウェイト係数を算出する構成とすることが好適である。 An array antenna communication apparatus according to the present invention includes a sub-weight coefficient calculation receiving unit that receives signals from the plurality of antennas, and the sub-weight coefficient calculation unit is received by the sub-weight coefficient calculation receiving unit. It is preferable that the weight coefficient is calculated based on the signal so that the signal-to-noise ratio of the received composite signal at the timing determination is minimized.
また、本発明に係るアレイアンテナ通信装置は、送信データを前記複数のアンテナから送信する送信部を含む構成とすることが好適である。 The array antenna communication apparatus according to the present invention preferably includes a transmission unit that transmits transmission data from the plurality of antennas.
本発明によれば、単一のアダプティブアルゴリズムのみで参照信号を得るためのフレーム同期確立が可能であるアダプティブアレイアンテナ通信装置を構成することができる。また、同期確立がなされていない間は、最大比合成によってウェイト係数を計算し、このウェイト係数に基づいて指向性が形成されるアレイアンテナとして動作させることで、簡単な構成で、かつ、アンテナ指向性の適応制御性の優れたアダプティブアレイアンテナ通信装置を構成することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the adaptive array antenna communication apparatus which can establish the frame synchronization for acquiring a reference signal only with a single adaptive algorithm can be comprised. In addition, while synchronization is not established, the weight factor is calculated by maximum ratio combining and operated as an array antenna in which directivity is formed based on this weight factor. An adaptive array antenna communication apparatus having excellent adaptive controllability can be configured.
本発明の第1の実施形態につき図面を参照して説明する。図1は単一のアダプティブアルゴリズムのみで参照信号を得るためのフレーム同期確立を可能にした、アダプティブアレイアンテナ受信装置1の構成を示す。このアダプティブアレイアンテナ受信装置1では、起動時の動作から定常動作に至るまで、あるいは受信状況が悪化し定常動作を逸脱した状態から定常動作に回復するまでの間は、フレーム同期を確立するためのモードである同期確立モードで動作する。同期確立モード時にはスイッチ44はa側に接続され、定常動作モード時にはスイッチ44はb側に接続されている。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration of an adaptive array
図2は同期確立モード時の接続状態を取り出して描いたものである。まず、主受信部14およびデータ復調部24の動作について説明する。それぞれのアンテナ10で受信された信号は受信機12によって増幅され中間周波数帯に変換された後、主受信部14に入力される。主受信部14は、ウェイト係数乗算器18、加算器20および直交復調器22を備える。主受信部14に入力された信号は、初期ウェイト係数計算部16によって計算されたウェイト係数に基づいて、ウェイト係数乗算器18において振幅と位相の調整を受け、加算器20によって合成される。加算器20はその合成された信号である主受信合成信号を出力する。主受信合成信号は直交復調器22によってベースバンド信号に変換され主受信部14から出力される。主受信部14から出力された主受信合成信号は、データ復調部24に入力される。データ復調部24は主受信合成信号から受信データ信号とフレーム同期信号を抽出し出力する。同期確立モードでは、この受信データ信号がシステムの受信信号とされ、受信装置の信号処理部(図示せず)に入力される。
FIG. 2 shows the connection state in the synchronization establishment mode. First, operations of the main receiver 14 and the
データ復調部24はシンボル同期部28とデータ抽出部26を備えており、シンボル同期部28は受信合成信号からシンボル周期を検出し、データ抽出部26は検出されたシンボル周期に基づいてデータを抽出する。データ復調部24には、さらにフレーム周期推定部30が備えられており、受信データ信号に基づいてフレーム周期を推定し、フレーム同期信号を出力する。受信合成信号の各フレームの所定位置には、アダプティブアレイアンテナの適応動作を可能にするための信号である参照信号が付されており、参照信号はフレーム周期毎に現れる。
The data demodulator 24 includes a
初期ウェイト係数計算部16は、同期確立モードにおいて何らかのウェイト係数を主受信部14に与えるものである。ここでは特に限定せず、システムで予め定められた任意のウェイト係数を出力するものとする。
The initial weight
一方、それぞれのアンテナ10で受信され、受信機12によって中間周波数帯に変換され増幅された信号は直交復調器22にも入力されている。直交復調器22によってベースバンド信号に変換された信号は副受信部34に入力される。副受信部34は、ウェイト係数乗算器18および加算器20を備える。副受信部34に入力された信号は、ウェイト係数計算部36によって計算されたウェイト係数に基づいて振幅と位相の調整を受け、加算器20によって合成され、加算器20は当該合成された信号である副受信合成信号を出力する。副受信部34から出力された副受信合成信号は、ウェイト係数計算部36に入力される。
On the other hand, the signals received by the
なお、本実施形態では、主受信部14においては主受信合成信号を生成した後に直交復調を施す構成としているが、主受信合成信号を生成する前に直交復調を施す構成とすることも可能である。この場合、直交復調器22は主受信部14のウェイト係数乗算器18に前置あるいは加算器20に前置される構成となる。同様に副受信部34についても、副受信部34に入力される信号は直交復調を施す前の信号とし、直交復調器22を加算器20に前置あるいは後置する構成とすることが可能である。
In the present embodiment, the main receiving unit 14 is configured to perform quadrature demodulation after generating the main received combined signal, but may be configured to perform quadrature demodulation before generating the main received combined signal. is there. In this case, the
次に、本発明の特徴的な構成要素であるウェイト係数計算部36の動作について説明する。ウェイト係数計算部36は、フレーム同期タイミング決定部40とアダプティブアルゴリズム実行部38を備える。フレーム同期タイミング決定部40は、副受信部34から入力された副受信合成信号に含まれる参照信号と、フレーム同期タイミング決定部40が参照信号生成部42において予め記憶している参照信号との誤差eを求める。アダプティブアルゴリズム実行部38は、現在出力しているウェイト係数と、誤差eおよびそれぞれのアンテナ10で別途受信された信号SAに基づいて新たなウェイト係数を算出する。この際、アダプティブアルゴリズム実行部38に副受信合成信号yをさらに入力し、副受信合成信号yの振幅に基づいて誤差eや受信信号SAの振幅規格化を行う構成とすることが好適である。アルゴリズムの1計算ステップは主受信合成信号からシンボルを抽出した場合における1シンボル周期毎に行われる。このため、アダプティブアルゴリズム実行部38は、システムからシンボルをサンプルするためのサンプルクロック信号の供給を受け、サンプルクロック信号に基づいて1シンボル周期毎に計算ステップを遂行する。また、供給されたサンプルクロック信号は、後に述べるフレーム同期タイミング決定部40と共に動作するために必要とされる。また、アダプティブアルゴリズムとしては、RLSアルゴリズムやLMSアルゴリズムなどを用いることが好適である。
Next, the operation of the weight coefficient calculation unit 36, which is a characteristic component of the present invention, will be described. The weight coefficient calculation unit 36 includes a frame synchronization
シンボル同期およびフレーム同期が共に確立されている場合、アダプティブアルゴリズムの遂行と共に誤差eは0に収束していく。しかしながら、シンボル同期およびフレーム同期が確立している場合を除いて、フレーム同期タイミング決定部40は、副受信合成信号のフレーム周期を認識し得ないため、副受信部34から入力された副受信合成信号に含まれる参照信号と、フレーム同期タイミング決定部40が予め記憶している参照信号のタイミングは合致せず、誤差eは十分小さな値に収束しない。図3はその様子を示したものであり、フレーム同期タイミングずれがない場合、1フレーム+1シンボルずれた場合および1フレーム−1シンボルずれた場合の収束状況を比較したものである。これより数シンボル程度の時間経過で、シンボル同期およびフレーム同期が確立している状態と確立していない状態とで収束状況に差異が現れることがわかる。本発明は、この収束状況の差異を積極的に利用し、フレーム同期タイミングを決定するものである。
When both symbol synchronization and frame synchronization are established, the error e converges to 0 with the execution of the adaptive algorithm. However, except for the case where symbol synchronization and frame synchronization are established, the frame synchronization
図4にはフレーム同期タイミング決定部40の構成を示す。フレーム同期タイミング決定部40が誤差eを求める際には、所定のタイミングを以て参照信号生成部42が記憶する参照信号が出力される。そのため、参照信号生成部42はサンプルクロック信号の供給を受けている。参照信号生成部42は、サンプルクロック信号に基づいて、複数のタイミングで自らが記憶する参照信号を出力する。図5はその様子を示したものである。ここでは参照信号は推定タイミングAから推定タイミングHの8種のタイミングで出力されるものとしている。また、シンボルは4倍オーバーサンプリングされており、推定タイミングAから推定タイミングHはそれぞれ互いに1サンプルのタイミングずれを以て出力される。また、フレームはS0からS7の8シンボル、すなわちC0からC31の32サンプルで構成され、参照信号はフレーム先頭からS0、S1およびS3の3シンボルで構成されるものとしている。
FIG. 4 shows the configuration of the frame synchronization
ウェイト係数計算部36は、推定タイミングAから推定タイミングHまでのタイミングでアダプティブアルゴリズムを実行し、フレーム同期タイミング決定部40は、それぞれの推定タイミングに対してアルゴリズムの1ステップ毎に誤差を求める。誤差は減算器48によって副受信合成信号との差分をとることで求められ、いまの場合、E(eA、eB、eC、eD、eE、eF、eG、eH)のように表される。アルゴリズムの実行と共に、誤差収束判定部46はeAからeHのそれぞれについて収束判定を行い、これらのうち収束がみられた誤差に対応する推定タイミングを示す信号を出力する。図5の例では8サンプル(2シンボル)で収束判定をするものとし、推定タイミングHでアダプティブアルゴリズムを実行した際に誤差eHが収束したものと判定している。
The weight coefficient calculation unit 36 executes the adaptive algorithm at the timing from the estimation timing A to the estimation timing H, and the frame synchronization
なお、フレーム同期タイミング決定部40は、後述するDSPによって構成されるため、複数種の推定タイミングに対する誤差計算は並列計算処理によって行うものとすることができる。以下、この並列計算処理の具体的な動作について説明する。
In addition, since the frame synchronization
ウェイト係数計算部36は、まず、推定タイミングAに基づいてアダプティブアルゴリズムを実行する。誤差収束判定部は収束性を判断するのに十分なステップ数の経過後、eAが十分に小さい値に収束したか否かを判定する。次に、ウェイト係数計算部36は、推定タイミングAに基づくアダプティブアルゴリズムの実行が始まった1サンプル後に、推定タイミングBに基づいてアダプティブアルゴリズムを実行する。このタイミングは、サンプルクロック信号に基づいて決定される。誤差収束判定部46は収束性を判断するのに十分なステップ数の経過後、eBが十分に小さい値に収束したか否かを判定する。eAの収束性を判断するためのステップ数とeBの収束性を判断するためのステップ数が等しい場合、eAの収束性判断が行われた1サンプル後にeBの収束性判断が終了する。すなわち、推定タイミングBに基づくアダプティブアルゴリズムの実行が開始され、eAの収束性判断が終了するまでの間は、eAの収束性判断に係る処理とeBの収束性判断に係る処理とが並列に行われている。以下同様に、推定タイミングCから推定タイミングHの順に、それぞれの推定タイミングに基づくアダプティブアルゴリズムの実行を1サンプル経過する毎に開始していき、それぞれの計算処理時間が1サンプルに相当する時間ずれた並列計算処理を行う。誤差収束判定部は収束がみられた誤差に対応する推定タイミングを示す信号を出力する。図5の例ではeA、eB、eC、eD、eE、eF、eGの順に1サンプル経過する毎に収束性を判断し、eHに収束がみられると判断し、推定タイミングHを示す信号を出力している。
The weight coefficient calculation unit 36 first executes an adaptive algorithm based on the estimated timing A. The error convergence determination unit determines whether e A has converged to a sufficiently small value after a sufficient number of steps have elapsed to determine convergence. Next, the weight coefficient calculation unit 36 executes the adaptive algorithm based on the estimated timing B one sample after the execution of the adaptive algorithm based on the estimated timing A has started. This timing is determined based on the sample clock signal. The error
誤差が収束している状態においては、ウェイト係数計算部36は、受信波到来方向に適応させたアンテナ指向性を形成するウェイト係数を出力しているはずである。したがって、収束以後は、誤差を収束させた推定タイミングに従ってフレーム周期を推定し、アダプティブアルゴリズムを実行し、ウェイト係数を更新していけばよい。 In a state where the error has converged, the weight coefficient calculation unit 36 should output a weight coefficient that forms an antenna directivity adapted to the incoming direction of the received wave. Therefore, after convergence, the frame period is estimated according to the estimation timing at which the error is converged, the adaptive algorithm is executed, and the weight coefficient is updated.
誤差収束判定部46は、推定タイミングを示す信号をデータ復調部24のフレーム周期推定部30に入力し、フレーム周期推定部30は受信データと当該信号に基づいて、アダプティブアルゴリズムを遂行するのに十分な精度を以てフレーム周期を推定し、フレーム同期信号を出力する。フレーム同期信号は、フレーム同期タイミング決定部40の参照信号生成部42に入力され、参照信号生成部42は、誤差収束以後は入力されたフレーム同期信号に基づいて自ら記憶する参照信号を出力する。
The error
なお、フレーム同期タイミング決定部40におけるタイミング推定を並列計算処理によって行うこととした場合、DSPの計算速度やメモリ容量などの計算能力は、当該並列計算処理を行うのに十分なものでなければならない。しかしながら、計算能力に制約がある場合は、受信信号からデータを取り出して記憶装置に記憶し、その記憶したデータを用いてタイミング推定を単一計算処理で行う構成とすることも可能である。
When the timing estimation in the frame synchronization
その場合のアダプティブアレイアンテナ受信装置1の構成を図6に示す。ただし、この図は同期確立モード時の接続状態を取り出して描いたものである。図2の構成と異なる点は、副受信部34に記憶部50と切り出し部52が前置されていることである。同期確立モード時の接続状態と定常動作モード時の接続状態をスイッチで選択する構成については、図1において副受信部34に記憶部50と切り出し部52を前置するものとすればよい。この構成では、受信機12から出力され直交復調器22で直交復調された受信信号の2フレーム分のデータが記憶部50に記憶される。ここで、2フレームとしたのは、フレーム同期タイミングとは無関係に2フレーム分のデータを取り出したとしても、その中には必ず参照信号を含む1フレーム分の連続データが含まれているからである。切り出し部52は、記憶された受信データからタイミング推定に用いる8サンプル分の受信データを切り出してウェイト係数乗算器18に入力する。ウェイト係数乗算器18は、アダプティブアルゴリズムのステップ毎に出力されるウェイト係数に基づいて、切り出された受信データが表す信号の振幅と位相を調整する。加算器20はウェイト乗算器18が出力する受信データを合成して副受信合成信号を出力する。図7はその副受信合成信号を示したものであり、ここでは推定タイミングAから推定タイミングDまでのデータが1サンプルの間隔を以て切り出されるものとしている。
The configuration of the adaptive array
ここで、参照信号生成部42が記憶する参照信号は、図2の構成を用いた場合とは異なり、必ずしもサンプルクロックに基づいて出力される必要はない。なぜなら、切り出して合成された副受信合成信号の2フレームデータ中の参照信号と参照信号生成部42が記憶する参照信号との相対的なタイミングは、記憶部50がデータを記憶した時間と、切り出されたデータの2フレーム分のデータ中における位置とから把握されるからである。
Here, the reference signal stored in the reference
ウェイト係数計算部36は、切り出された推定タイミングAから推定タイミングDまでのデータと、参照信号生成部42が記憶する参照信号を用いてアダプティブアルゴリズムを実行する。切り出し部52によって切り出された受信データは、振幅および位相の調整を受けているものではないが、副受信合成信号はアルゴリズムのステップ毎に更新されるウェイト係数に基づいて生成されるので、ステップを遂行するにしたがって誤差eの収束性を判定することができる。
The weight coefficient calculation unit 36 executes the adaptive algorithm using the cut data from the estimation timing A to the estimation timing D and the reference signal stored in the reference
フレーム同期タイミング決定部40は、各推定タイミング毎に誤差E(eA、eB、eC、eD)の収束判定を行う。誤差の収束性を判定する動作は、図4の構成を用いた場合と同様である。誤差収束判定部46は、収束した誤差に対応する推定タイミングを示す信号を出力する。推定タイミングは、記憶部50が2フレーム分のデータを記憶した時間と、推定タイミングデータの2フレーム分のデータ中における位置とから算出される。図7の例では8サンプルで収束判定をするものとし、推定タイミングDでアダプティブアルゴリズムを実行した際に誤差が収束したと判定されている。
The frame synchronization
フレーム同期タイミング決定部42が備える誤差収束判定部46は、推定タイミングを示す信号をデータ復調部24のフレーム周期推定部30に入力し、フレーム周期推定部30は、受信データと当該信号に基づいて、アダプティブアルゴリズムを遂行するのに十分な精度を以てフレーム周期を推定し、フレーム同期信号を出力する。以後の動作については、図2の構成を用いた場合と同様である。
The error
以上が、同期確立モードの動作である。同期確立モードは、推定タイミングを示す信号がフレーム周期タイミング決定部40からデータ復調部24のフレーム周期推定部30に入力され、フレーム周期推定部30がフレーム同期信号を出力すると同時に終了する。それと共に図1のスイッチ44はb側に接続され、定常動作モードに切り換わる。すなわち、ウェイト係数計算部36の出力するウェイト係数は、主受信部14に供給され、主受信合成信号はフレーム同期タイミング決定部40に供給される。定常動作モードでは、主受信合成信号に含まれる参照信号と、フレーム同期タイミング決定部40が備える参照信号生成部42が記憶する参照信号とから誤差eが求められ、現在出力しているウェイト係数と、誤差eおよびそれぞれのアンテナ10で別途受信された信号SAに基づいて新たなウェイト係数が算出される。参照信号生成部42は、フレーム周期推定部30が出力するフレーム同期信号に基づいたタイミングで自ら記憶する参照信号を出力する。なお、定常動作モードにおいては副受信部34と初期ウェイト係数計算部16は不稼働の状態にあり、DSPの動作負担は図10の従来構成と同程度となる。
The above is the operation in the synchronization establishment mode. The synchronization establishment mode ends when a signal indicating the estimation timing is input from the frame cycle
以上では、定常動作モードで動作する前には、原則として同期確立モードを経て同期確立を行うものとした。しかしながら、妨害波が存在しないときには同期確立モードによらなくとも十分短時間でフレーム周期推定部30の単独動作のみで同期確立が可能な場合がある。このような場合においても同期確立モードを経ることは処理の無駄であり、これを回避するための動作手段を設けることが好ましい。そこで、同期確立モードにおける動作に入る前に、あるいは同期確立モードとの並列計算処理によって、フレーム周期推定部30の単独動作による同期確立を優先するか否かを判定する単独動作優先判定を行う構成とすることが好適である。
In the above, it is assumed that, in principle, synchronization is established through the synchronization establishment mode before operating in the steady operation mode. However, when there is no interfering wave, synchronization may be established by a single operation of the frame
単独動作優先判定では、同期確立モードの接続状態においてフレーム同期タイミング決定部40が、フレーム周期推定部30が出力する初期状態におけるフレーム同期信号の供給を受ける。フレーム同期タイミング決定部40はそのフレーム同期信号に基づいて、参照信号生成部42が記憶する参照信号を生成し、副受信合成信号との誤差eを算出する。ウェイト係数計算部36は当該誤差eと初期状態におけるフレーム同期信号に基づいてアダプティブアルゴリズムを実行し、その誤差eに収束がみられた場合にはフレーム周期推定部30の単独動作による同期確立を優先する。
In the independent operation priority determination, the frame synchronization
単独動作優先判定によってフレーム周期推定部30の単独動作による同期確立を優先するものと判定された場合は、判定以後、フレーム周期推定部30が出力するフレーム同期信号に従ってアダプティブアルゴリズムを実行し、ウェイト係数が更新されることとなる。
If it is determined by the single operation priority determination that priority is given to the establishment of synchronization by the single operation of the frame
本発明の第1の実施形態では、同期確立モードにおいて初期ウェイト係数計算部16が出力するウェイト係数に基づいて主受信部14を動作させる構成となっている。また、初期ウェイト係数としてはシステムで予め定められた任意のウェイト係数であるものとし、特に値を限定していない。しかしながら、同期確立モード時においてもできる限り妨害波の影響を低減するようなウェイト係数が求められることが好ましい。そこで、初期ウェイト係数計算部16として、最大比合成によるウェイト係数計算を適用した最大比合成ウェイト係数計算部54を用いたものが第2の実施形態であり、その構成を図8に示す。最大比合成ウェイト係数計算部54がウェイト係数を計算するに際しては、複数のアンテナ10で受信された信号が別途必要とされる。図8ではこの信号をSBと表記している。最大比合成は、受信信号SBに基づいて主受信部14が出力する合成信号の信号対雑音比が最大となるようにウェイト係数を算出するものであり、周知のアルゴリズムで実現することができる。
In the first embodiment of the present invention, the main reception unit 14 is configured to operate based on the weight coefficient output from the initial weight
次に、第3の実施形態について図9を参照して説明する。これは、第2の実施形態におけるアダプティブアレイアンテナ受信装置1に、送信データを変調する変調器や増幅器を備えた送信部58を加え、アダプティブアレイアンテナ送受信装置2を構成したものである。アンテナ特性の相反性により、アンテナは送受信で同一の指向性を呈する。したがって、アダプティブアレイアンテナ受信装置として動作させて決定されたウェイト係数を、アダプティブアレイアンテナ送信装置として動作させたときにおいてもそのまま利用することができる。
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG. In this configuration, an adaptive array antenna transmission / reception device 2 is configured by adding a
図9においてアンテナ10は送受信機56に接続されている。送受信機56は受信機と送信機とを備えており、送信受信に応じていずれかの動作が選択される。受信機としての動作が選択されているときには、アンテナ10から受信され送受信機56に入力された信号は、増幅され中間周波数帯に変換された後、ウェイト係数乗算器18に入力される。また、送信機としての動作が選択されているときには、ウェイト係数乗算器18から出力され送受信機56に入力された信号は無線周波数帯に変換され増幅された後、アンテナ10から送信される。ここで用いられるウェイト係数乗算器18は、送受信双方向の信号に対してウェイト係数乗算を施すことが可能なものである。送受信部との接続は送受切り換えスイッチ60によって行われる。
In FIG. 9, the
本発明に係るアダプティブアレイアンテナ受信装置1およびアダプティブアレイアンテナ送受信装置2の各回路は、ディジタル回路で構成することができる。ディジタル回路は入力されたディジタル信号を、それによって表された2進数に対する演算処理を施した上でディジタル信号として出力するものであり、演算処理は2進数の加算、減算、桁のシフト等に帰着される。2進数の演算処理は、各計算ステップ毎に論理回路を対応付けて構成することも理論的には可能であるが、回路規模が大きくなるため、DSP(Digital Signal Processor)によって構成することが好適である。DSPはあらかじめ作成されたプログラムによって動作する基本的な演算処理を行う回路を備えたものである。乗算器と加減算器で構成される高速な積和演算器を有しており、各種の命令を計算ステップ毎に実行できるように構成されている。DSPを動作させるためにはプログラムが必要であり、各回路の動作に応じたプログラムは周知の技術によって作成される。
Each circuit of the adaptive array
DSPによって各回路を構成する場合は、例えば、推定タイミングを示す信号、誤差などが実際の信号として生成される構成とする必要はない。ただし、実際に論理回路を構成し、これらの信号が実際に生成された場合に得られるであろう信号のタイミングを示した観念図は、DSPによる設計において動作タイミングチャートとして用いられる。そして、DSPによって構成された各回路は、仮に論理回路を構成してこれがタイミングチャートに基づいて動作したならば遂行されるであろう動作と全く同一の動作が実現されるよう演算処理を行う。 When each circuit is configured by a DSP, for example, a signal indicating an estimation timing, an error, or the like does not need to be generated as an actual signal. However, the conceptual diagram that actually configures the logic circuit and shows the timing of signals that would be obtained when these signals are actually generated is used as an operation timing chart in the design by the DSP. Then, each circuit configured by the DSP performs a calculation process so as to realize an operation exactly the same as an operation that would be performed if it configured a logic circuit and operated based on the timing chart.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではない。例えば、図5および図7に示す信号のオーバーサンプル数、フレーム長などは実施可能な範囲であれば任意のものとすることができる。また、アダプティブアルゴリズム実行部38において用いられるアルゴリズムとしては、RLSアルゴリズム、LMSアルゴリズムなどに限らず、受信信号に含まれる参照信号と、アダプティブアレイアンテナ受信装置が記憶する参照信号との誤差を求めるものであれば如何なるものであっても適用可能であることはもちろんである。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these examples. For example, the number of oversamples and the frame length of the signals shown in FIG. 5 and FIG. Further, the algorithm used in the adaptive
1,3 アダプティブアレイアンテナ受信装置、2 アダプティブアレイアンテナ送受信装置、10 アンテナ、12 受信機、14 主受信部、16 初期ウェイト係数計算部、18 ウェイト係数乗算器、20 加算器、22 直交復調器、24,70 データ復調部、26 データ抽出部、28 シンボル同期部、30 フレーム周期推定部、34 副受信部、36,66 ウェイト係数計算部、38 アダプティブアルゴリズム実行部、40 フレーム同期タイミング決定部、42,68 参照信号生成部、44 スイッチ、46 誤差収束判定部、48 減算器、50 記憶部、54 最大比合成ウェイト係数計算部、56 送受信機、58 送信部、60 送受切り換えスイッチ、62 フレーム周期検出部、64 受信部。 1, 3 Adaptive Array Antenna Receiver, 2 Adaptive Array Antenna Transmitter / Receiver, 10 Antenna, 12 Receiver, 14 Main Receiver, 16 Initial Weight Coefficient Calculator, 18 Weight Coefficient Multiplier, 20 Adder, 22 Quadrature Demodulator, 24,70 data demodulation unit, 26 data extraction unit, 28 symbol synchronization unit, 30 frame period estimation unit, 34 sub-reception unit, 36,66 weight coefficient calculation unit, 38 adaptive algorithm execution unit, 40 frame synchronization timing determination unit, 42 , 68 Reference signal generation unit, 44 switch, 46 Error convergence determination unit, 48 Subtractor, 50 Storage unit, 54 Maximum ratio combined weight coefficient calculation unit, 56 Transmitter / receiver, 58 Transmitter, 60 Transmission / reception changeover switch, 62 Frame period detection Part, 64 receiving part.
Claims (5)
前記複数のアンテナの各々で受信される信号の振幅と位相を変化させるための係数であるウェイト係数を計算するウェイト係数計算部と、
前記複数のアンテナの各々で受信された信号の振幅と位相を、前記ウェイト係数計算部が算出したウェイト係数に基づいて変化させ、振幅と位相を変化させた当該信号を合成して受信する合成受信部と、
前記複数のアンテナから信号を受信する傍系受信部とを含み、
前記ウェイト係数計算部は、前記合成受信部が受信し出力する受信合成信号に含まれる参照信号と前記ウェイト係数計算部が記憶している参照信号との誤差を求め、前記傍系受信部が受信した信号と前記誤差とに基づいてウェイト係数を計算する、
前記複数のアンテナによる指向性が前記ウェイト係数計算部が算出したウェイト係数に基づいて決定されるアレイアンテナ通信装置において、
前記アレイアンテナ通信装置は、
前記受信合成信号に含まれる参照信号と前記ウェイト係数計算部が記憶している参照信号との参照タイミングを変化させて前記誤差の評価を行い、
前記参照タイミングと前記評価とに基づいて、前記受信合成信号のデータ抽出タイミングを決定し、
前記ウェイト係数計算部は、
当該決定されたデータ抽出タイミングに基づいて前記受信合成信号から参照信号を抽出し、当該参照信号と前記ウェイト係数計算部が記憶している参照信号との誤差を求め、前記傍系受信部が受信した信号と前記誤差とに基づいてウェイト係数を計算することを特徴とするアレイアンテナ通信装置。 Multiple antennas,
A weight coefficient calculation unit that calculates a weight coefficient that is a coefficient for changing the amplitude and phase of a signal received by each of the plurality of antennas;
Synthetic reception in which the amplitude and phase of the signal received by each of the plurality of antennas are changed based on the weight coefficient calculated by the weight coefficient calculation unit, and the signal with the changed amplitude and phase is combined and received. And
A side reception unit that receives signals from the plurality of antennas,
The weight coefficient calculation unit obtains an error between a reference signal included in a received composite signal received and output by the synthesis reception unit and a reference signal stored in the weight coefficient calculation unit, and is received by the neighboring reception unit. Calculating a weighting factor based on the signal and the error;
In the array antenna communication apparatus in which directivity by the plurality of antennas is determined based on the weight coefficient calculated by the weight coefficient calculation unit,
The array antenna communication device is:
Changing the reference timing of the reference signal included in the received composite signal and the reference signal stored in the weight coefficient calculation unit to evaluate the error,
Based on the reference timing and the evaluation, determine the data extraction timing of the received composite signal,
The weight coefficient calculation unit
Based on the determined data extraction timing, a reference signal is extracted from the received composite signal, an error between the reference signal and the reference signal stored in the weight coefficient calculation unit is obtained, and the side reception unit receives the reference signal. An array antenna communication apparatus that calculates a weight coefficient based on a signal and the error.
前記ウェイト係数計算部とは別に設けられたウェイト係数計算部であるサブウェイト係数計算部と、
前記複数のアンテナの各々で受信される信号の振幅と位相を、前記ウェイト係数に基づいて変化させ、振幅と位相を変化させた当該信号を合成して受信し、当該受信した信号から受信データを抽出して出力する受信復調部とを含み、
前記アレイアンテナ通信装置が前記受信合成信号のデータ抽出タイミングを決定するに至るまでの間は、
前記受信復調部は、
前記複数のアンテナの各々で受信される信号の振幅と位相を前記サブウェイト係数計算部が算出したウェイト係数に基づいて変化させ、振幅と位相を変化させた当該信号を合成して受信し、当該受信した信号であるタイミング決定時受信合成信号から受信データを抽出して出力し、
前記受信合成信号のデータ抽出タイミングを決定した後は、
前記受信復調部は、
前記複数のアンテナの各々で受信される信号の振幅と位相を前記ウェイト係数計算部が算出したウェイト係数に基づいて変化させ、振幅と位相を変化させた当該信号を合成して受信し、当該受信した信号である受信合成信号から受信データを抽出して出力することを特徴とするアレイアンテナ通信装置。 The array antenna communication device according to claim 1,
A sub-weight coefficient calculator that is a weight coefficient calculator provided separately from the weight coefficient calculator;
The amplitude and phase of the signal received by each of the plurality of antennas are changed based on the weighting factor, the signal with the changed amplitude and phase is synthesized and received, and the received data is received from the received signal. Receiving and demodulating unit for extracting and outputting,
Until the array antenna communication apparatus determines the data extraction timing of the received composite signal,
The reception demodulator
The amplitude and phase of the signal received by each of the plurality of antennas are changed based on the weight coefficient calculated by the sub-weight coefficient calculation unit, and the signal with the changed amplitude and phase is combined and received, Received data is extracted from the received composite signal at the time of timing determination, which is the received signal, and output.
After determining the data extraction timing of the received composite signal,
The reception demodulator
The amplitude and phase of the signal received by each of the plurality of antennas are changed based on the weight coefficient calculated by the weight coefficient calculation unit, and the signals with the changed amplitude and phase are combined and received. An array antenna communication apparatus, wherein received data is extracted from a received composite signal, which is a received signal, and output.
前記ウェイト係数計算部が記憶している参照信号の参照タイミングは、前記タイミング決定時受信合成信号に基づいて定められることを特徴とするアレイアンテナ通信装置。 The array antenna communication device according to claim 2,
The reference timing of the reference signal stored in the weight coefficient calculation unit is determined based on the received composite signal at the time of timing determination.
前記複数のアンテナから信号を受信するサブウェイト係数計算用受信部を含み、
前記サブウェイト係数計算部は、
前記サブウェイト係数計算用受信部が受信した信号に基づいて、前記タイミング決定時受信合成信号の信号対雑音比が最小となるようなウェイト係数を算出することを特徴とするアレイアンテナ通信装置。 The array antenna communication apparatus according to claim 2 or 3,
A sub-weight coefficient calculation receiving unit for receiving signals from the plurality of antennas;
The sub-weight coefficient calculator is
An array antenna communication apparatus that calculates a weight coefficient that minimizes a signal-to-noise ratio of the received composite signal at the time of timing determination based on a signal received by the sub-weight coefficient calculation receiving unit.
送信データを前記複数のアンテナから送信する送信部を含むことを特徴とするアレイアンテナ通信装置。 The array antenna communication apparatus according to claim 1, wherein:
An array antenna communication apparatus comprising: a transmission unit that transmits transmission data from the plurality of antennas.
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