JP2006153579A

JP2006153579A - 到来波数推定装置および到来波数推定方法

Info

Publication number: JP2006153579A
Application number: JP2004342517A
Authority: JP
Inventors: Hironori Ikeda; 裕則池田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】信号電力の大きさに関係なくアレイアンテナに到来する信号数を推定することにより推定精度を向上させることができる到来波数推定装置を提供する。
【解決手段】アレイアンテナ１で受信された受信データに基づき共分散行列を計算する共分散行列計算部５１と、共分散行列計算部で計算された共分散行列の固有値を算出する固有値算出部５２と、固有値算出部で算出された固有値を共分散行列の対角成分の１つで割ることによって信号電力で正規化する正規化部５３と、正規化部で正規化された固有値のうちの所定の閾値より大きい固有値の数を判定して到来波数と推定する閾値判定部５４とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アレイアンテナを用いた信号処理で利用される到来波数推定装置および到来波数推定方法に関し、特に実空界環境で到来波数を推定する技術に関する。

従来の到来波数の推定方式では、ＡＩＣ（Akaike Information Criteria）やＭＤＬ（Minimum Description Length）といったアルゴリズムが利用されている（例えば、非特許文献１参照）。

しかしながら、この推定方式では、白色雑音のようにアレイアンテナを構成するアンテナ素子間で無相関となる雑音環境下でしか到来波数の正確な推定を行うことができないという問題を有している。

この問題を解決するため、アレイアンテナで受信されたデータから生成される共分散行列の最小固有値を定数倍して閾値を計算し、この閾値を超える固有値の数に１を加えたものを到来波数とする到来波数推定方式が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。

図４は、８本のアンテナ素子からなるアレイアンテナで受信されたデータから計算された共分散行列の８個の固有値（第１固有値〜第８固有値）の分布例を示している。この到来波数推定方式では、最小固有値（第８固有値）を定数倍した値を閾値に設定し、この閾値を超える固有値の数に「１」を加えたものが到来波数と推定される。従って、図４に示した例では、閾値を超える固有値の数は「２」であるので、到来波数は「２＋１＝３」波と推定される。

なお、到来波数の推定に関連する技術として、特許文献１は、複数のアンテナから構成されるアレイアンテナで受信した信号から高い精度、かつ小さい計算負荷で到来波の数と各到来波の方向を推定することが可能な電波到来方向推定装置を開示している。

この電波到来方向推定装置は、方向推定精度が高く計算負荷が小さい線形予測法により到来方向候補を推定し、電力推定精度の高いＣａｐｏｎ法により到来方向候補のアレイアンテナ出力電力を算出して、アレイアンテナ出力電力値を到来波数判定規範に適用して到来波数推定を行い、到来波数推定後に到来方向候補の中から真の到来方向を推定する。

これにより、ＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）で行われる固有値分解を必要とせずに高い精度で、かつ一定の小さい計算負荷で到来波数と到来方向を推定することが可能であるため、信号処理装置を簡略化することができる。

また、特許文献２は、アレイアンテナを用いた電波到来方向推定装置を開示している。この電波到来方向推定装置では、Ｍ素子円形アレイから得られる複素デジタル信号に対し、到来波電力推定手段は到来波電力を推定する。

仮想直線アレイ変換行列算出手段は、その最大電力方向に沿って、実素子以上の素子数の仮想直線アレイを配置させる変換行列を算出する。仮想アレイ受信信号算出手段は、複素デジタル信号に対し変換行列を乗算することで、仮想直線アレイでの受信信号に変換する。相関抑圧手段は実素子以上の仮想素子での受信信号を用いて到来波間の相関を抑圧し、到来方向推定手段でＭＵＳＩＣ手法による到来方向推定処理を行う。合成結果出力手段は、到来波電力推定結果と到来方向推定結果を重み付け合成し、そのピーク方向を到来方向出力とする。
"Measurements of direction of arrival of HF sky wave signals by means of a wide aperture antenna array and two super resolution direction finding algorithm", E.M Warrington,PhD,CEng,MIEE IEE proc.-Microw.Antennas Propag. Vol.142,No2,April 1995 "Detection of Signals by Information Theoretic Crietera" MATI WAX and THOMAS KAILATH 特開２００２−１４８３２４号公報特開２００２−４８８５３号公報

しかしながら、上述した従来の到来波数推定方式では、以下のような問題がある。図５は、横軸に周波数、縦軸に各周波数で取得された実空界電波の固有値の大きさを示し、周波数スペクトラムから目視により１波と判断した実空界電波の最小固有値（第８固有値）を「１」に正規化して表したものである。この図５からわかるように、実空界電波に対して、従来の到来波数推定方式のように最小固有値を基準に閾値を設定した場合、信号に相当する固有値（第１固有値）と雑音に相当する固有値（第２固有値〜第８固有値）とを一律に区別する閾値を設定することはできない。

これは、信号電力の大きさに比例して、固有値の大きさも変化するため、微弱な電波の第１固有値が強力な電波の雑音成分に相当する固有値よりも小さくなってしまうためである。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、信号電力の大きさに関係なくアレイアンテナに到来する信号数を推定することにより推定精度を向上させることができる到来波数推定装置および到来波数推定方法を提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を採用した。第１の発明に係る到来波数推定装置は、アレイアンテナで受信された受信データに基づき共分散行列を計算する共分散行列計算部と、この共分散行列計算部で計算された共分散行列の固有値を算出する固有値算出部と、この固有値算出部で算出された固有値を共分散行列の対角成分の１つで割ることによって信号電力で正規化する正規化部と、この正規化部で正規化された固有値のうちの所定の閾値より大きい固有値の数を判定して到来波数と推定する閾値判定部とを備えたことを特徴とする。

第２の発明に係る到来波数推定方法は、アレイアンテナで受信された受信データに基づき共分散行列を計算する共分散行列計算ステップと、計算された共分散行列の固有値を算出する固有値算出ステップと、算出された固有値を共分散行列の対角成分の１つで割ることによって信号電力で正規化する正規化ステップと、正規化された固有値のうちの所定の閾値より大きい固有値の数を判定して到来波数と推定する閾値判定ステップとを有することを特徴とする。

第１の発明に係る到来波数推定装置によれば、ＡＩＣやＭＤＬといった白色雑音環境下でしか正確に到来波数を推定できない従来の到来波数推定装置とは異なり、実空界において支配的な外来雑音環境下においても、到来波数を推定することができる。

また、アレイアンテナで受信したデータから生成される共分散行列の固有値を信号電力で正規化するように構成したので、信号電力の大きさに関係なくアレイアンテナに到来する到来波数を推定でき、推定精度を向上させることができる。この第１の発明に係る到来波数推定装置は、到来波数の推定を必要とする全てのアレイアンテナ信号処理技術に適用することができ、例えば、アレイアンテナを利用した信号処理技術の１つである到来方向推定方式ＭＵＳＩＣに適用すれば、その方測精度を向上させることができる。

また、第２の発明に係る到来波数推定方法によれば、上述した第１の発明に係る到来波数推定装置と同様の効果が得られる。

以下、本発明の実施例に係る到来波数推定装置および到来波数推定方法を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る到来波数推定装置の構成を示すブロック図である。この到来波数推定装置は、アレイアンテナ１、Ａ／Ｄ変換器２、デジタルダウンコンバータ（以下、「ＤＤＣ」と略する）３、フィルタ４および到来波数推定処理装置５から構成されている。

アレイアンテナ１は、Ｋ本のアンテナ素子から構成されている。このアレイアンテナ１を構成するＫ本のアンテナ素子の各々は、受信した電波をアナログの電気信号に変換してＡ／Ｄ変換器２に送る。

Ａ／Ｄ変換器２は、アレイアンテナ１から送られてくるＫ個のアナログの電気信号をデジタル信号に変換する。このＡ／Ｄ変換器２で変換することにより得られたＫ個のデジタル信号は、ＤＤＣ３に送られる。

ＤＤＣ３は、Ａ／Ｄ変換器２から送られてくるＫ個のデジタル信号の周波数を中間周波数に変換する。このＤＤＣ３で変換することにより得られた中間周波数を有するデジタル信号は、中間周波信号としてフィルタ４に送られる。

フィルタ４は、例えばローパスフィルタから構成されており、ＤＤＣ３から送られてくるＫ個の中間周波信号の高周波成分を除去する。このフィルタ４で高周波成分が除去されたＫ個の信号は、受信データとして到来波数推定処理装置５に送られる。

到来波数推定処理装置５は、フィルタ４から送られてくるＫ個の受信データに基づき到来波数の推定を行う。この到来波数推定処理装置５は、共分散行列計算部５１、固有値算出部５２、正規化部５３および閾値判定部５４から構成されている。

共分散行列計算部５１は、アレイアンテナ１からＡ／Ｄ変換器２、ＤＤＣ３およびフィルタ４を経由して送られてくるＫ個の受信データに基づき、共分散行列を計算する。この共分散行列計算部５１で計算された共分散行列を表すデータは、固有値算出部５２に送られる。

固有値算出部５２は、共分散行列計算部５１から送られてくるデータに基づき共分散行列の固有値を算出する。この固有値算出部５２で算出された共分散行列の固有値は、正規化部５３に送られる。

正規化部５３は、固有値算出部５２から送られてきた共分散行列の固有値を信号電力で正規化する。正規化は、共分散行列の固有値を、その対角成分の１つで割ることにより行われる。この正規化部５３で正規化された共分散行列の固有値は、閾値判定部５４に送られる。

閾値判定部５４は、正規化部５３から送られてくる正規化された共分散行列の固有値が、信号と雑音を区分するために設定された所定の閾値より大きい場合に到来波と判定する。そして、到来波と判定された数を推定された到来波数として出力する。

次に、このように構成された本発明の実施例１に係る到来波数推定装置の動作を、図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。

到来波数推定装置では、まず、受信データの取得が行われる（ステップＳ１０）。すなわち、アレイアンテナ１を構成するＫ本のアンテナ素子は、到来した電波を受信してアナログの電気信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器２に送る。Ａ／Ｄ変換器２は、アレイアンテナ１から受け取ったアナログの電気信号をデジタル信号に変換してＤＤＣ３に送る。ＤＤＣ３は、Ａ／Ｄ変換器２から受け取ったデジタル信号の周波数を中間周波数に変換し、中間周波信号としてフィルタ４に送る。

フィルタ４は、ＤＤＣ３から受け取った中間周波信号から高周波成分を除去し、Ｋ個の受信データとして到来波数推定処理装置５に送る。ここで、到来波数推定処理装置５に入力されるＫ個の受信データの各々のサンプル数をＮとし、Ｋ個の受信データＡを下式（１）のように定義する。

次に、共分散行列の計算が行われる（ステップＳ１１）。具体的には、共分散行列計算部５１は、入力されたＫ個の受信データＡの共分散行列Ｒ_xxを、下式（２）に従って算出する。

ここで、Ａ^HはＡの共役複素転置行列、Ｅ［・］は期待値演算子である。

このとき、共分散行列Ｒ_xxの行列要素ｒ_ijは、下式（３）で表される。

ここで、ａ^＊ _jkは、ａ_jkの共役複素数である。

この式（３）は、下式（４）のように書き換えることができる。

ここで、ａ_in＝Ｉ_in＋ｊＱ_inである。

次に、固有値解析、つまり固有値の算出が行われる（ステップＳ１２）。上記式（３）から、共分散行列の対角成分は、Ｋ本のアンテナ素子で受信した信号電力を表すことがわかる。固有値算出部５２は、ステップＳ１１で算出された共分散行列から固有値を算出する。ここで、算出された共分散行列の固有値を（λ₀、λ₁、…、λ_K）と定義する。

次に、共分散行列の対角成分による固有値の正規化が行われる（ステップＳ１３）。すなわち、共分散行列の固有値（λ₀、λ₁、…、λ_K）を（４）式で示す共分散行列の対角成分の１つで割ることにより、下式（５）に示すように、固有値を信号電力で正規化することができる。

ここで、ｉ∈｛０、１、…、Ｎ｝のうちの１つである。

図３は、信号電力で正規化された固有値の周波数特性を示す図であり、横軸に周波数、縦軸に各周波数で取得した実空界電波の固有値の大きさを示し、周波数スペクトラムから目視により１波と判断した電波の固有値を信号電力で正規化して表示したものである。

図３より、信号に相当する固有値（第１固有値）と雑音に相当する固有値（第２固有値〜第８固有値）とを区分するための閾値を縦軸の「０〜１０」の間に設定できることがわかる。

次に、閾値判定が行われる（ステップＳ１４）。閾値判定部５４は、正規化部５３から送られてくる信号電力で正規化された固有値が、所定の閾値より大きいかどうかを調べ、大きい場合に到来波と判定する。

次に、到来波数の算出が行われる（ステップＳ１５）。すなわち、閾値判定部５４は、ステップＳ１４で到来波と判定した数を、推定した到来波数として出力する。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る到来波数推定装置によれば、信号電力で正規化した固有値に対して、信号と雑音を区分するための閾値を設定し、この閾値より大きい固有値の数を到来波の数としたので、信号電力の大きさに関係なく、到来波数を推定することができる。

なお、実施例１に係る到来波数推定装置は、ＡＩＣやＭＤＬといった白色雑音環境下でしか正確に到来波数を推定できない従来の到来波数推定装置とは異なり、実空界において支配的な外来雑音環境下においても、到来波数の推定が可能であることは勿論である。

また、この到来波数推定装置は、到来波数の推定を必要とする全てのアレイアンテナ信号処理技術に適用することができ、例えば、アレイアンテナを利用した信号処理技術の１つである到来方向推定方式ＭＵＳＩＣに適用すれば、その方測精度を向上させることができる。

本発明は、アレイアンテナを用いた信号処理の中で利用される到来波数推定装置に適用可能である。

本発明の実施例１に係る到来波数推定装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施例１に係る到来波数推定装置の動作を示すフローチャートである。本発明の実施例１に係る到来波数推定装置で得られる信号電力で正規化された固有値の周波数特性を示す図である。従来の到来波数推定方式で得られる共分散行列の固有値分布の例を示す図である。従来の到来波数推定方式で得られる最小固有値を基準とした場合の固有値分布の例を示す図である。

符号の説明

１アレイアンテナ
２Ａ／Ｄ変換器
３デジタルダウンコンバータ（ＤＤＣ）
５フィルタ
４到来波数推定処理装置
５１共分散行列計算部
５２固有値算出部
５３正規化部
５４閾値判定部

Claims

アレイアンテナで受信された受信データに基づき共分散行列を計算する共分散行列計算部と、
前記共分散行列計算部で計算された共分散行列の固有値を算出する固有値算出部と、
前記固有値算出部で算出された固有値を共分散行列の対角成分の１つで割ることによって信号電力で正規化する正規化部と、
前記正規化部で正規化された固有値のうちの所定の閾値より大きい固有値の数を判定して到来波数と推定する閾値判定部と、
を備えたことを特徴とする到来波数推定装置。
アレイアンテナで受信された受信データに基づき共分散行列を計算する共分散行列計算ステップと、
計算された共分散行列の固有値を算出する固有値算出ステップと、
算出された固有値を共分散行列の対角成分の１つで割ることによって信号電力で正規化する正規化ステップと、
正規化された固有値のうちの所定の閾値より大きい固有値の数を判定して到来波数と推定する閾値判定ステップと、
を有することを特徴とする到来波数推定方法。