JP2007139521A - Array antenna device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アレイアンテナ装置に関し、特に到来方向推定をディジタル処理により行うアレイアンテナ装置に関する。 The present invention relates to an array antenna device, and more particularly to an array antenna device that performs direction-of-arrival estimation by digital processing.
従来、電波を受信する複数のアンテナ素子からなるアダプティブアレイアンテナ等のアレイアンテナを備え、アレイアンテナの複数のアンテナ素子からの各信号の位相差により電波の到来方向を推定するアレイアンテナ装置がある。そして、このようなアレイアンテナ装置においては、電波の到来方向を推定する場合、各アンテナ素子からの受信信号をAD変換し、ディジタル処理により電波到来方向を推定するようにしている。図10は、このような従来のアレイアンテナ装置のブロック構成図である。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is an array antenna apparatus that includes an array antenna such as an adaptive array antenna including a plurality of antenna elements that receive radio waves, and estimates the arrival direction of radio waves based on the phase difference of each signal from the plurality of antenna elements of the array antenna. In such an array antenna apparatus, when the direction of arrival of radio waves is estimated, the received signal from each antenna element is AD converted and the direction of arrival of radio waves is estimated by digital processing. FIG. 10 is a block diagram of such a conventional array antenna apparatus.
図10では、ch1〜chnのn本のアンテナ素子301〜30nそれぞれに、アンプ34、フィルタ35、アンテナ素子301〜30nからの受信信号と局部発信器33からの信号をミキシングしてダウンコンバートを行うミキサ36が接続されている。
In FIG. 10, received signals from the
そして、各アンテナ素子301〜30nからの受信信号は、ミキサ36によりダウンコンバートされ、このダウンコンバートにより得られる、受信信号よりも周波数の低いビート信号がAD変換部37によりディジタルデータに変換される。この後、このビート信号はディジタル処理部38へと送られ、ディジタル処理部38では、このサンプリングした信号の振幅や位相を所定のアルゴリズムで処理することにより、電波の到来方向を推定する。以下、アンプ34、フィルタ35、ミキサ36、AD変換部37を合わせて受信機という。
The received signals from the
ところで、図10で示したアレイアンテナ装置の構成ではアンテナ素子301〜30nごとに受信機321〜32nが接続されており、このような構成の場合、アンテナ素子の増加に伴い、部品点数が増加するため、大型化・コスト高になる問題がある。また、到来方向推定精度の面から見ても、部品点数が多くなることにより、各部品の特性のバラツキの影響も大きくなる。
By the way, in the configuration of the array antenna apparatus shown in FIG. 10, the
さらに、各アンテナ素子301〜30nの位相の関係を正確に取得するためには、受信機内の信号経路長や、局部発信器33から各受信機321〜32nのミキサ36への信号経路長を、正確に合わせる必要がある。例えば、2.5GHzの入力信号に対して、高周波回路の経路長が1mmずれていたとすると、受信信号の位相には約3°の誤差が生じ、到来方向推定にも大きな影響を及ぼす。このように、基本的なアレイアンテナの構成では、コスト、大きさ、精度の面で大変不利である。
Further, in order to accurately obtain the phase relationship of each
そこで、このような問題を解決する手段として、複数のアンテナ素子に対して受信機を一つだけ設け、各アンテナ素子を切り替えスイッチによって順次切り換えることにより、受信機に接続するようにしたものがある。そして、このようなアレイアンテナ装置では、順次切り換えられて受信機に接続される各アンテナ素子からの受信信号をスイッチ切り替え周期で時分割してから取得するようにしている(例えば、特許文献1参照。)。 Therefore, as a means for solving such a problem, there is one in which only one receiver is provided for a plurality of antenna elements, and each antenna element is sequentially switched by a changeover switch to be connected to the receiver. . In such an array antenna apparatus, received signals from the antenna elements that are sequentially switched and connected to the receiver are acquired after time-division with a switch switching period (for example, see Patent Document 1). .)
図11は、このような従来のアレイアンテナ装置のブロック構成図である。このアレイアンテナ装置は、アンテナ素子301〜30nと、各アンテナ素子301〜30nを順次切り替えるための切り替えスイッチ31と、受信機321と、ディジタル処理部38と、切り替え信号発信器39とを備えている。そして、このように構成することにより、受信機321を一つにすることができ、アレイアンテナ装置の大幅な簡略化を図っている。
FIG. 11 is a block diagram of such a conventional array antenna apparatus. This array antenna apparatus includes
このようなアレイアンテナ装置において、切り替えスイッチ31とAD変換部37は切り替え信号発生器39で発生する同じクロック信号で制御されており、切り替えスイッチ31が切り替わったタイミングでAD変換が行われる。ここで、この切り替えスイッチ31を切り替えるためのクロック信号の周波数fswは、AD変換部37に入力されるビート信号の周波数fbよりも大きく設定される。
In such an array antenna apparatus, the
例えば、fsw/fb>>100〜1000と設定されている。このため、ビート信号は1周期が100から1000回に時分割されてサンプリングされる。 For example, fsw / fb >> 100 to 1000 is set. For this reason, the beat signal is sampled by time-dividing one cycle from 100 to 1000 times.
図12は、ビート信号のサンプリングの様子を示す図である。なお、図12において、アンテナ素子は4本(ch1〜ch4)として、fswは図示上の都合により小さな値としている。また、図12の4つの連続的な波形は、4本の各アンテナ素子の受信信号をそれぞれ常時ダウンコンバートした場合のビート信号を示しており、ch1〜ch4の信号は、それぞれ位相と振幅が異なるものとして表示している。 FIG. 12 is a diagram illustrating how the beat signal is sampled. In FIG. 12, the number of antenna elements is four (ch1 to ch4), and fsw is set to a small value for convenience of illustration. Also, the four continuous waveforms in FIG. 12 show beat signals when the received signals of the four antenna elements are always down-converted, and the signals of ch1 to ch4 have different phases and amplitudes. It is displayed as a thing.
この信号上で太く表示している部分がAD変換されている部分であり、4つのビート信号はスイッチ31によるチャネルの切り替えによって順番にAD変換が行われる。なお、既述したように、表示上の都合上、fswは小さな値を用いて表示しているが、実用上ではfsw>>fbとして設定することにより、ビート信号はさらに時間軸上で細分化されてサンプリングされる。
The part that is boldly displayed on this signal is the part that is AD-converted, and the four beat signals are sequentially AD-converted by the channel switching by the
しかし、このような従来のアレイアンテナ装置において、ビート信号の周波数fbに対してクロック信号の周波数fswは、fsw>>fbとなるように高速に設定されているため、切り替えスイッチ31としては高速切り替えが可能なスイッチが必要である。 However, in such a conventional array antenna apparatus, the frequency fsw of the clock signal is set to be high speed so as to satisfy fsw >> fb with respect to the frequency fb of the beat signal. A switch that can do this is necessary.
このようにスイッチの高速切り替えを行なう場合、高調波などのノイズが発生するため、受信信号に影響を与え、最終的には電波の到来方向推定の精度が低下する。また、切り替えスイッチ31の切り替えタイミングが安定しない場合、あるいは切り替えに時間を要する場合に、計測した各信号の位相が予定したタイミングで取り込まれず、誤差を含む可能性がある。
When high-speed switching of switches is performed in this way, noise such as harmonics is generated, which affects the received signal and ultimately reduces the accuracy of radio wave arrival direction estimation. In addition, when the switching timing of the
さらに、切り替えクロックが一定であるとすると、アンテナ素子数を増やした場合には、各チャネル(アンテナ素子)をサンプリングする間隔が長くなり、大きく間隔の空いたデータしか得られなくなるため、サンプリング結果の信頼性が劣ってくる。なお、サンプリング結果の信頼性を高めるため、切り替えクロック周波数を大きくした場合には、さらに高速なスイッチを使用する必要があり、高調波ノイズの問題などがさらに深刻になってくる。またさらに、高速切り替え可能なスイッチは高価であり、コスト面でも不利である。 Furthermore, assuming that the switching clock is constant, if the number of antenna elements is increased, the sampling interval of each channel (antenna element) becomes longer, and only large-spaced data can be obtained. Reliability is inferior. If the switching clock frequency is increased in order to increase the reliability of the sampling result, it is necessary to use a faster switch, and the problem of harmonic noise becomes more serious. Furthermore, a switch that can be switched at high speed is expensive and disadvantageous in terms of cost.
そこで、本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、高速なスイッチを用いることなく、高い精度で電波の到来方向推定を行うことのできるアレイアンテナ装置を提供することを目的とするものである。 Therefore, the present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to provide an array antenna apparatus capable of estimating the arrival direction of radio waves with high accuracy without using a high-speed switch. To do.
本発明は、複数のアンテナ素子からなるアレイアンテナを備え、前記複数のアンテナ素子からの各信号の位相差により電波の到来方向を推定するアレイアンテナ装置において、前記複数のアンテナ素子の内の所定の基準アンテナ素子と、前記基準アンテナ素子からの基準信号を順次サンプリングするための第1の受信部と、前記複数のアンテナ素子の内、前記基準アンテナ素子以外の他の複数のアンテナ素子からの信号をサンプリングするための第2の受信部と、前記他の複数のアンテナ素子と前記第2の受信部との間に設けられ、前記他の複数のアンテナ素子からの信号を順次前記第2の受信部に入力させるスイッチと、前記スイッチの切り替えを制御する切り替え制御部と、前記複数のアンテナ素子の信号を保存するディジタル処理部と、を備えたことを特徴とするものである。 The present invention provides an array antenna apparatus that includes an array antenna including a plurality of antenna elements, and estimates an arrival direction of a radio wave based on a phase difference of each signal from the plurality of antenna elements. A reference antenna element, a first receiver for sequentially sampling a reference signal from the reference antenna element, and signals from a plurality of antenna elements other than the reference antenna element among the plurality of antenna elements A second receiving unit for sampling, and the second receiving unit provided between the plurality of other antenna elements and the second receiving unit, and sequentially receiving signals from the other antenna elements A switch to be input to the switch, a switching control unit that controls switching of the switch, a digital processing unit that stores signals of the plurality of antenna elements, The is characterized in that it comprises.
本発明のように、第1の受信部によって順次サンプリングされる際に基準信号に生じる位相差を元に、第2の受信部に入力されてサンプリングされた他の複数のアンテナ素子からの信号の位相差を補正する。これにより、スイッチ切り替え時間間隔を大幅に遅くすることができ、この結果、高速なスイッチを用いることなく、高い精度で電波の到来方向推定を行うことができる。 As in the present invention, based on the phase difference generated in the reference signal when sequentially sampled by the first receiver, the signals from other antenna elements sampled by being input to the second receiver are sampled. Correct the phase difference. As a result, the switch switching time interval can be greatly delayed, and as a result, the arrival direction of radio waves can be estimated with high accuracy without using a high-speed switch.
以下、図面を使用して本発明を実施するための最良の形態について説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るアレイアンテナ装置のブロック構成図である。ここで、このアレイアンテナ装置は、各アンテナ素子からの受信信号をAD変換し、ディジタル処理により電波の到来方向を推定するディジタルビームフォーミング(DBF)アレイアンテナ装置である。そして、このアレイアンテナ装置では、所定のアルゴリズムにて受信信号の位相・振幅を使用して到来方向を推定する。なお、本アレイアンテナ装置では、到来方向推定アルゴリズムとしてBeamfomer法やMUSIC法、ESPRIT法等を使用する。 FIG. 1 is a block configuration diagram of the array antenna apparatus according to the first embodiment of the present invention. Here, this array antenna apparatus is a digital beam forming (DBF) array antenna apparatus that AD-converts received signals from each antenna element and estimates the arrival direction of radio waves by digital processing. In this array antenna apparatus, the direction of arrival is estimated using the phase and amplitude of the received signal with a predetermined algorithm. In this array antenna apparatus, a beamformer method, a MUSIC method, an ESPRIT method, or the like is used as an arrival direction estimation algorithm.
図1に示すアレイアンテナ装置は、n本のアンテナ素子101〜10n、スイッチ11、アンプ14、フィルタ15、局部発信器13、ミキサ16、AD変換部17、ディジタル処理部18、スイッチ11の切り換えを行なう切り替え制御部19を備えている。
The array antenna apparatus shown in FIG. 1 switches
図1において、121,122は、それぞれアンプ14、フィルタ15、ミキサ16、AD変換部17を備えた基準受信機及び切替受信機である。そして、基準受信機121及び切替受信機122のミキサ16には共通に使用する局部発信器13からの信号が入力されるようになっている。
In FIG. 1,
そして、複数のアンテナ素子101〜10nにより受信された信号は、まず第1の受信部である基準受信機121及び第2の受信部である切替受信機122のアンプ14、フィルタ15を通過する。この際、振幅、周波数が調整され、この後、ミキサ16により局部発信器13の信号とミキシングされ、受信信号よりも低周波であるビート信号となる。次に、このビート信号をAD変換部17によりサンプリングし、この後、サンプリング信号をディジタル処理部18に送る。
The signals received by the plurality of
ところで、本実施の形態において、スイッチ11はn−1個の入力端子1〜nー1と、1つの出力端子Exを備えている。また、n本のアンテナ素子101〜10nの内、例えば1番目のアンテナ素子(ch1)101は、基準アンテナ素子として基準受信機121に接続されている。そして、この1番目のアンテナ素子(ch1)からの信号は基準信号として基準受信機121により順次サンプリングされた後、ディジタル処理部18に取り込まれるようになっている。
By the way, in the present embodiment, the
また、他のn−1本のアンテナ素子102〜10nは、切り替え制御部19からの信号により電気的に切り替わるスイッチ11を介して順次切換受信機122に接続される。これにより、ch2〜chnのうちスイッチ11に接続している信号が切換受信機122によりサンプリングされ、この後、切換受信機122からディジタル処理部18に取り込まれる。
Further, the other n−1
次に、スイッチ11の切り替えタイミングについて説明する。
Next, the switching timing of the
スイッチ11は、切り替え制御部19からの切り替え信号によって、所定の順序でアンテナ素子102〜10nと接続する。以下、スイッチ11があるアンテナ素子に接続して、そのアンテナ素子からの信号をサンプリングしている時間をサンプリング時間という。ここで、スイッチ11の切り替えに要する時間を考慮しない場合には、スイッチ11を切り替える時間間隔と、サンプリング時間は等しい。
The
本実施の形態では、サンプリング時間を、サンプリングするビート信号の振幅・位相などの特徴が判別できる程度の時間以上に設定し、常に決まったサンプリング時間でスイッチ11を切り替えるようにしている。ここで、このように特徴が判別できる時間は、後述するようにサンプリング時間内でビート信号の1周期以上の信号であることが望ましい。
In the present embodiment, the sampling time is set to be longer than the time when characteristics such as the amplitude and phase of the beat signal to be sampled can be discriminated, and the
しかし、ビート信号の1/2周期の信号を取得することでも、場合によっては、それより短い周期であっても最大振幅と位相変化が判明するので、このような時間でも取得した信号から1周期の信号を仮想的に復元することができる。 However, even if a signal having a half cycle of the beat signal is acquired, or in some cases, the maximum amplitude and the phase change are found even in a shorter cycle, one cycle is obtained from the acquired signal even at such a time. Can be virtually restored.
よって、最短のサンプリング時間としては、1/2周期程度の時間で良く、切り替え制御部19からは、その時間間隔でスイッチ11の切り替え信号を断続的に送信するようにすれば良い。なお、本実施の形態では、後述する図2に示すように、ビート信号の2周期のサンプリング時間でスイッチ11を切り替えるようにしている。
Therefore, the shortest sampling time may be about ½ period, and the switching
そして、サンプリング時間(スイッチ切り替え時間間隔)を、このような時間にすることにより、ビート信号を細かく時分割して各chの信号を取得する場合よりも大幅にスイッチ速度を遅くすることができる。即ち、スイッチ切り替え時間間隔を大幅に遅くすることができる。この結果、スイッチングに起因する高調波などのノイズ・誤差を低減することができる。 By setting the sampling time (switch switching time interval) to such a time, the switch speed can be significantly reduced as compared with the case where the beat signal is finely time-divided to obtain the signal of each channel. That is, the switch switching time interval can be greatly delayed. As a result, it is possible to reduce noise and errors such as harmonics caused by switching.
ところで、上記のように最低でもビート信号の1/2周期以上の時間間隔でスイッチ11を切り替えて各チャネルの信号をサンプリングした場合、各信号を取得した時間が異なるため、そのままではチャネル毎の位相差が判断できない。したがって、このままでは取得した信号を電波の到来方向推定に使用することはできない。
By the way, when the signal of each channel is sampled by switching the
そこで、本実施の形態では、スイッチ切り替えを行わず継続的に信号を取得する基準チャネル(アンテナ素子)からの信号を基準信号とし、この基準信号に基づいて各チャネルの位相関係を判別できるようにしている。なお、この基準チャネルは、本実施の形態においてはch1であり、このch1からの信号は、既述したようにスイッチ切り替えを行わずに常に基準受信機121に接続されており、常時基準信号としてサンプリングされている。
Therefore, in this embodiment, a signal from a reference channel (antenna element) that continuously acquires signals without switching is used as a reference signal, and the phase relationship of each channel can be determined based on this reference signal. ing. Note that this reference channel is ch1 in this embodiment, and the signal from this ch1 is always connected to the
即ち、本実施の形態では、基準とするアンテナ素子101(基準チャネルch1)を接続するための基準受信機121と、スイッチ11により順次切り替えられる複数のアンテナ素子ch2〜chnを接続するための切換受信機122が必要である。
In other words, in this embodiment, the
次に、スイッチ11の切り替えにより、異なる時間にサンプリングした信号の位相差を、基準信号を使用して判別する方法について図2及び図3を用いて説明する。
Next, a method for discriminating the phase difference of signals sampled at different times by switching the
ここで、図2は、スイッチ11の切り替えとサンプリングした信号の関係を示すものであり、横方向は時間経過を示し、縦方向は各チャネルを示している。また、t1、t2、t3・・・tn−1はそれぞれ、アンテナ素子ch2〜chnにスイッチが設定されているときのサンプリング時間を示している。
Here, FIG. 2 shows the relationship between the switching of the
なお、本実施の形態ではサンプリング時間はビート信号(周波数fb)の2周期の時間に固定でt1=t2=t3・・・=tn−1=2/fbである。また、ch1〜chnのチャネル表記は、図1のアンテナ素子と対応しており、ch1は既述したようにスイッチ11で切り替えられることなく、常にサンプリングされている基準チャネルである。
In this embodiment, the sampling time is fixed to the time of two cycles of the beat signal (frequency fb), and t1 = t2 = t3... = Tn-1 = 2 / fb. The channel notation of ch1 to chn corresponds to the antenna element of FIG. 1, and ch1 is a reference channel that is always sampled without being switched by the
図2に示した信号波形で太い線で表されている部分が、サンプリングされてディジタル処理部18のメモリに保存(格納)される部分であり、その他の点線の信号は、スイッチ11が接続されておらずサンプリングされない部分を示している。
A portion indicated by a thick line in the signal waveform shown in FIG. 2 is a portion that is sampled and stored (stored) in the memory of the
なお、サンプリングされない部分は、説明のために仮想的に示した部分であり、実際にはスイッチ11が接続されていないため、図に示したような信号は存在しない。また、本実施の形態では、ch1の受信信号を基準信号として常にサンプリングする構成にしているため、ch1の信号は常に太い線で表されており、信号の全ての部分がサンプリングされている。
The part that is not sampled is a part that is virtually shown for the sake of explanation, and since the
一方、他のチャネルch2〜chnについては、スイッチ11の切り替えに伴い、順番にサンプリングされている。なお、本実施の形態では、ch2〜chnが順番にサンプリングされる構成としており、サンプリング時間t1、t2、t3・・・tn−1の順に、ch2〜chnが切換受信機122のAD変換部17でサンプリングされる。
On the other hand, the other channels ch2 to chn are sampled in order as the
また、同一時間では、ch1のビート信号と、スイッチで接続されているch2〜chnの内のどれかのチャネルのビート信号の2つの信号がサンプリングされている。つまり、スイッチ11で切り替えながらch2〜chnをサンプリングするため、ch2〜chnの受信信号は同時刻では測定することができない。したがって、サンプリングしただけのデータからは、各々のチャネルの位相差情報は不明である。
Further, at the same time, two signals are sampled: the beat signal of ch1 and the beat signal of one of the channels ch2 to chn connected by the switch. That is, since ch2 to chn are sampled while being switched by the
そこで、本実施の形態においては、既述したようにch1を基準信号として常時サンプリングしている。ここで、受信信号に変化が生じない時間範囲で各チャネルのサンプリングを行えば、各チャネルの信号は周期的に同じ波形を示しているので、異なる時間でサンプリングした信号の位相を調整し、位相を合わせると同一の信号となる。 Therefore, in this embodiment, as described above, sampling is always performed using ch1 as a reference signal. Here, if each channel is sampled in a time range in which the received signal does not change, the signal of each channel shows the same waveform periodically, so the phase of the signal sampled at different times is adjusted to When combined, the same signal is obtained.
基準信号は常時サンプリングされているので、異なる時間にサンプリングされた基準信号の位相を調整することで、仮想的に同一時間でサンプリングした信号とすることができる。ch2〜chnのそれぞれのサンプリングは基準信号と同時にサンプリングされているため、異なる時間にサンプリングした基準信号と各チャネルの信号の組について、基準信号の位相が同じになるように位相を整理すると、各々の位相差が判別できるようになる。 Since the reference signal is always sampled, a signal sampled virtually at the same time can be obtained by adjusting the phase of the reference signal sampled at different times. Since each sampling of ch2 to chn is sampled at the same time as the reference signal, if the phases of the reference signal sampled at different times and the signal of each channel are arranged so that the phase of the reference signal is the same, The phase difference can be discriminated.
次に、信号位相の整理の方法について説明する。 Next, a method for organizing signal phases will be described.
この信号の整理は、ディジタル処理部18でのディジタル処理により行うことができる。各サンプリング時間でサンプリングした信号は、ch1の基準信号とスイッチで接続されたチャネルの信号の組が、時系列に沿ってディジタル処理部18のメモリに配列で格納される。
This signal rearrangement can be performed by digital processing in the
図2を例に説明すると、サンプリング時間t1では、基準信号であるch1の信号と、スイッチ11に接続しているch2の信号が組み合わせたデータとして保存される。なお、ディジタル処理部18にデータが保存されると、信号が切り換え制御部19に入力されてスイッチ11が切り替わり、次のサンプリング時間t3では基準信号(ch1)とch3の信号が組み合わせて保存される。そして、この操作が全てのチャネルch2〜chnの切り替えが終わるまで続けられる。
Referring to FIG. 2 as an example, at the sampling time t1, the ch1 signal as the reference signal and the ch2 signal connected to the
次に、異なるサンプリング時間にサンプリングした基準信号の位相差を求める。図3は、図2におけるサンプリング時間t1とt2にサンプリングしたデータを拡大して示した図である。 Next, the phase difference between the reference signals sampled at different sampling times is obtained. FIG. 3 is an enlarged view of data sampled at the sampling times t1 and t2 in FIG.
図3に示しているように、サンプリング時間t1とt2における基準信号の位相のずれはφt1−t2である。全チャネルch2〜chnのサンプリング中に基準信号は変化しないという前提でサンプリングを行うため、t1とt2の時間における基準信号は同一の信号である。 As shown in FIG. 3, the phase shift of the reference signal at the sampling times t1 and t2 is φt1-t2. Since sampling is performed on the premise that the reference signal does not change during sampling of all channels ch2 to chn, the reference signal at the times t1 and t2 is the same signal.
よって、t2の基準信号の位相をφt1−t2ずらすとt1の基準信号と重なり、仮想的に同じ時間にサンプリングした信号とすることができる。同様に、サンプリング時間t2にサンプリングしたch3の信号の位相もφt1−t2ずらすことにより、仮想的にサンプリング時間t1と同じ時間にサンプリングした信号とすることができる。なお、位相をずらす操作では、データの配列をシフトすることが好適である。 Therefore, if the phase of the reference signal of t2 is shifted by φt1-t2, it overlaps with the reference signal of t1, and can be made a signal virtually sampled at the same time. Similarly, by shifting the phase of the ch3 signal sampled at the sampling time t2 by φt1-t2, a signal sampled at the same time as the sampling time t1 can be obtained. In the operation of shifting the phase, it is preferable to shift the data array.
以上のように、以下の各ステップからなる操作により、異なる時間にサンプリングしたch1、ch2及びch3の信号の位相差を測定することができるようになる。 As described above, the phase difference between the signals of ch1, ch2, and ch3 sampled at different times can be measured by an operation including the following steps.
(1)各チャネルch2〜chnをスイッチ11で切り替えてサンプリングし、基準信号と各チャネルch2〜chnの信号を合わせて保存するステップ
(2)異なるサンプリング時間の基準信号の位相差を求めるステップ
(3)基準信号の位相差に基づいて、サンプリングした信号を補正するステップ
以下、他のサンプリング時間に測定した信号も同様に、基準信号の位相差を求め、同時に測定したサンプリング信号の位相を基準信号の位相差だけずらすことにより、全てのチャネルを仮想的に同一時間にサンプリングした信号を得ることができる。なお、図4は全てのサンプリング信号の位相をサンプリング時間t1に位相をそろえてまとめた例である。
(1) Step of switching and sampling each channel ch2 to chn with the
サンプリング時間がビート信号の1周期以上である場合には、信号の周期性に基づいて、サンプリング時間内の信号の先端と終端をループさせて、位相をずらしても良い。図4では、このような処理をすることにより、位相をそろえた後の信号もサンプリング時間内で連続的なデータとなっている。また、サンプリング時間が1周期以下の場合でも、サンプリングした信号を仮想的に1周期の信号にすることで同様の処理が可能になる。ただし、精度上の観点からや、スイッチの切り替え速度を遅くする目的からも、1周期以上のサンプリング時間を設定する方が望ましい。 When the sampling time is one cycle or more of the beat signal, the phase may be shifted by looping the leading and trailing ends of the signal within the sampling time based on the periodicity of the signal. In FIG. 4, by performing such processing, the signal after phase alignment is also continuous data within the sampling time. Even when the sampling time is one cycle or less, the same processing can be performed by virtually converting the sampled signal into a signal of one cycle. However, it is desirable to set a sampling time of one period or more from the viewpoint of accuracy and for the purpose of slowing down the switching speed of the switch.
なお、本実施の形態においては、基準信号であるch1の信号はch2〜chnの各チャネルの切り替えが1周する間にn−1回測定されるが、ディジタル処理によってn−1回の測定結果を平均化して最終的なch1の信号としても良い。また、代表的な信号を選択して最終的なch1の信号としても良い。 In the present embodiment, the ch1 signal as the reference signal is measured n-1 times during one round of switching of each channel of ch2 to chn, but the measurement result n-1 times by digital processing. May be averaged to obtain the final ch1 signal. Alternatively, a representative signal may be selected as the final ch1 signal.
また、本発明によれば、図2に示すようなスイッチ切り替え時間が生じる場合にも、各チャネルの位相差を正確に得ることができる。理想的には、スイッチ切り替え時間は0であり、例えばch1の2周期ごとにスイッチを切り替える場合では、スイッチ切り替え前のサンプリング時間の最後はch1の位相角が0で終わり、スイッチ切り替え後のサンプリング時間の最初も位相角が0である。 Further, according to the present invention, the phase difference of each channel can be accurately obtained even when the switch switching time as shown in FIG. 2 occurs. Ideally, the switch switching time is 0. For example, when the switch is switched every two cycles of ch1, the end of the sampling time before switch switching ends with the phase angle of ch1, and the sampling time after switch switching. The phase angle is also zero at the beginning.
ところが、実際にはスイッチの切り替えには時間が必要であるため、図2に示すように、スイッチ切り替え時に信号を取得できない時間が存在する。信号を細かく時分割するようにスイッチを切り替えて信号を順次サンプリングする場合には、このスイッチ切り替え時間が影響し、各チャネル間の位相が比較できなくなる。 However, in actuality, it takes time to switch the switch. As shown in FIG. 2, there is a time during which the signal cannot be acquired when the switch is switched. When the switches are switched so that the signals are finely time-divided and the signals are sequentially sampled, the switch switching time is affected, and the phases between the channels cannot be compared.
しかし、本発明のようにch1を基準信号として用いて、後段のディジタル処理部18で位相を整理すれば、スイッチ切り替え時間の影響を受けずに位相差の情報を得ることができる。なお、基準信号は常にサンプリングしているので、スイッチ切り替え時間にもサンプリングが行われるが、この時のデータは破棄して良い。
However, if ch1 is used as a reference signal as in the present invention and the phase is arranged by the
また、図2ではスイッチ切り替え間隔は、ビート信号の2周期の時間としたが、振幅と位相が明確な信号が取得できるならば既述したように1/2周期程度まで短くしても良いし、逆に2周期以上の時間をかけてサンプリングしても良い。望ましくは、信号の形状が十分に判別できるように1周期以上のサンプリング時間でサンプリングするのが良い。しかし、1つのチャネルをサンプリングする時間をあまり長くすると、全チャネルの信号を取得するまでに大幅に時間がかかり、信号の変動の影響を受けやすくなるため、あまり長くなりすぎないように設定する。 In FIG. 2, the switch switching interval is the time of two cycles of the beat signal. However, if a signal with a clear amplitude and phase can be acquired, it may be shortened to about a half cycle as described above. Conversely, sampling may be performed over a period of two cycles or more. Desirably, sampling should be performed with a sampling time of one cycle or more so that the shape of the signal can be sufficiently determined. However, if the time for sampling one channel is made too long, it takes a long time to acquire the signals of all the channels, and it becomes easy to be affected by the fluctuation of the signal, so it is set not to be too long.
また、本実施の形態では、全チャネルch2〜chnを切り替えてサンプリングしている間に受信信号に変化がないという前提条件が必要である。これは、全チャネルch2〜chnの切り替えが終了する前に受信信号に変化が生じると、受信信号が変化した前後での信号については、各チャネルch2〜chnの位相差を求めることができなくなるからである。 Further, in the present embodiment, a precondition is necessary that there is no change in the received signal while sampling is performed by switching all channels ch2 to chn. This is because if a change occurs in the received signal before the switching of all channels ch2 to chn is completed, the phase difference between the channels ch2 to chn cannot be obtained for the signal before and after the change of the received signal. It is.
そのため、サンプリング時間が長すぎるのは好ましくなく、測定環境や測定条件に適したサンプリング時間を選択する必要がある。具体的には、受信信号に大きな変化が起こらない時間内に、ch2〜chnがそれぞれ少なくとも1度は信号を取得できるようなスイッチ切り替え時間を設定する必要がある。 Therefore, it is not preferable that the sampling time is too long, and it is necessary to select a sampling time suitable for the measurement environment and measurement conditions. Specifically, it is necessary to set a switch switching time so that the signals can be acquired at least once for each of ch2 to chn within a time during which no significant change occurs in the received signal.
サンプリング時間の設定可能な最大値は、測定対象(電波発信源)の移動速度や、測定環境(周囲の電波環境の時間変化や、測定対象との距離)によって異なる。例えば、スイッチ11で切り替える全てのチャネルch2〜chnにスイッチ11が切り替わってサンプリングが一通り終了するまでの時間に、電波発信源が大きく移動すると電波到来方向が変化し、各アンテナ素子の受信信号も変化する。
The maximum value that can be set for the sampling time varies depending on the moving speed of the measurement target (radio wave transmission source) and the measurement environment (time change of the surrounding radio wave environment and the distance to the measurement target). For example, the radio wave arrival direction changes when the radio wave source moves greatly during the time from when the
このため、(サンプリング時間)×(アンテナ素子数−1)の時間は、電波発信源が移動する時間に比べ十分に小さい必要がある。なお、(アンテナ素子数−1)はアレイアンテナのアンテナ素子数から、基準信号取得用の基準アンテナ素子数を引いた数である。 For this reason, the time of (sampling time) × (number of antenna elements−1) needs to be sufficiently shorter than the time for the radio wave source to move. In addition, (the number of antenna elements-1) is a number obtained by subtracting the number of reference antenna elements for obtaining a reference signal from the number of antenna elements of the array antenna.
ただし、既述したように、サンプリング時間は少なくとも1周期程度の時間を有することが望ましいことから、本発明でのサンプリング時間は、ビート信号の1周期程度以上、(サンプリング時間)×(アンテナ素子数−1)が測定環境の影響を受けない時間以下、となるように設定する。 However, as described above, since it is desirable that the sampling time has at least about one cycle, the sampling time in the present invention is about one cycle or more of the beat signal, (sampling time) × (number of antenna elements) -1) is set to be less than or equal to the time not affected by the measurement environment.
このように、基準受信機121によって順次サンプリングされる際に基準信号に生じる位相差を元に、切替受信機122に入力されてサンプリングされた他の複数のアンテナ素子からの信号の位相差を補正する。これにより、スイッチ切り替え時間間隔を大幅に遅くすることができ、この結果、高速なスイッチを用いることなく、高い精度で到来方向推定を行うことができる。また、構成は簡素でありながら、高速なスイッチを必要とせず、複数のアンテナ素子の信号を取得できるアレイアンテナ装置を提供することができる。
In this way, based on the phase difference generated in the reference signal when sequentially sampled by the
ところで、本実施の形態では、1つの基準受信機121と、1つの切換受信機122、1つのスイッチ11によりアレイアンテナ装置を構成した。しかし、例えば、アンテナ素子数が多く、スイッチを切り替えて全てのチャネルに接続するのに時間を要する場合には、既述したように環境の影響を受けることから、アンテナ素子数に合わせて2つ以上の切換受信機とスイッチを使用しても良い。
By the way, in this embodiment, the array antenna apparatus is configured by one
図5は、このようなスイッチと受信機の数を増やした本発明の第2の実施の形態に係るアレイアンテナ装置のブロック構成図である。なお、図5において、図1と同一符号は、同一又は相当部分を示している。 FIG. 5 is a block diagram of an array antenna apparatus according to the second embodiment of the present invention in which the number of switches and receivers is increased. In FIG. 5, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
図5において、122、123は第2の受信部を構成する第1及び第2切替受信機1210、111は第1及び第2スイッチである。そして、本実施の形態においては、ch2〜chmを第1スイッチ110と第1切換受信機122に接続し、chm+1〜chnを第2スイッチ111と第2切替受信機123に接続している。
In FIG. 5, 122 and 123 are first and
このように、アンテナ素子数に合わせて2つ(或は2つ以上)の切替受信機122,123とスイッチ110,111を使用することにより、全てのチャネルのデータを取得する時間を短縮することができるので、環境の影響を低減することができる。
Thus, by using two (or two or more) switching
なお、本実施の形態では、あるサンプリング時間tに、基準信号(ch1)と、ch2〜chmと、chm+1〜chnの3つのサンプリング信号がセットとなって保存される。また、ディジタル処理部18では第1の実施の形態と同様に、異なるサンプリング時間の信号について、基準信号の位相差を求めて位相調整を行うことにより、アレイアンテナの信号を取得する。
In the present embodiment, a reference signal (ch1), ch2 to chm, and chm + 1 to chn are sampled and stored as a set at a certain sampling time t. Similarly to the first embodiment, the
ところで、これまでは基準信号をch1に固定してサンプリングする構成について説明したが、受信状態に合わせて基準信号を取得するアンテナ素子を選択して使用しても良い。 By the way, the configuration in which the reference signal is fixed to ch1 and sampled has been described so far, but an antenna element that acquires the reference signal may be selected and used according to the reception state.
次に、このような本発明の第3の実施の形態について説明する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described.
図6は、本実施の形態に係るアレイアンテナ装置のブロック図である。なお、図6において、図1と同一符号は、同一又は相当部分を示している。 FIG. 6 is a block diagram of the array antenna apparatus according to the present embodiment. In FIG. 6, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
本実施の形態においては、図6に示すように基準受信機121にもスイッチ11が接続されている。そして、このように構成することにより、本実施の形態においては、まず全てのアンテナ素子101〜10nにスイッチ11を切り替えて接続して信号を取得し、各アンテナ素子101〜10nの受信状態を調査することができる。
In the present embodiment, the
なお、各アンテナ素子101〜10nの受信状態の調査方法としては、例えばAD変換後の信号をそれぞれ比較して、受信強度やSN比、信号の安定性を考慮して、最も受信状態が良好なアンテナ素子を判別する。
As a method for investigating the reception state of each of the
そして、このような調査の結果、最も受信状態が良好なアンテナ素子を基準信号用のアンテナ素子として選択し、スイッチ11を切り替えて基準受信機121に接続させる。例えば、全てのアンテナ素子101〜10nの受信状態を調査し、2番目のアンテナ素子(ch2)102の受信状態が最も良好だったとすると、図6のように2番目のアンテナ素子102を基準アンテナ素子とし、基準受信機121に接続させる。
As a result of such investigation, the antenna element with the best reception state is selected as the antenna element for the reference signal, and the
なお、2番目のアンテナ素子102に接続したスイッチ11は、そのまま固定する。これにより、基準受信機121は2番目のアンテナ素子102からの基準信号を順次取得してサンプリングを行う。また、残りのアンテナ素子はスイッチ11で切り替えて第1実施の形態と同様に、切替受信機122によりサンプリングを行う。
Note that the
また、これまではサンプリング時間は一定の時間で固定されたものとして説明したが、サンプリング時間中の信号を評価してからスイッチを切り替える構成にしても良い。なお、信号の評価は、サンプリング後にディジタル処理部18にて行っても良いし、AD変換前にアナログ処理によって行っても良い。
In the above description, the sampling time is fixed at a fixed time. However, the switch may be switched after the signal during the sampling time is evaluated. Signal evaluation may be performed by the
例えば、受信信号にノイズが発生していて、信号が安定していない場合がある。この場合には、ディジタル処理部18、又は第2受信部122とディジタル処理部18との間に設けられた不図示の信号評価用のアナログ回路に安定した信号が得られるまでスイッチ11を切り替えずサンプリングを行う。そして、精度の良い信号が得られたと判断した時点でディジタル処理部18又は信号評価用のアナログ回路から切り替え制御部19にサンプリングが終了した事を通知し、切り替え制御部19によりスイッチ11の切り替えを行う。
For example, there are cases where noise is generated in the received signal and the signal is not stable. In this case, the
このような構成にすることにより、突発的なノイズなどの影響により波形が乱れた場合には、すぐにはスイッチ11が切り替えられることはなく、サンプリングを継続することができるため、ノイズの影響を低減することができる。
With such a configuration, when the waveform is disturbed due to the influence of sudden noise or the like, the
なお、このように構成した場合は、各チャネルのサンプリング時間の長さが異なることになるが、本発明では、各チャネルのサンプリング時間の長さが異なっても特に問題はない。しかし、ノイズの影響が強い場合に、一つのチャネルの信号を長時間かけて測定すると、全チャネルの信号取得にも長い時間が必要となり、環境変動の影響を受けやすくなる。 In such a configuration, the length of the sampling time of each channel is different, but in the present invention, there is no particular problem even if the length of the sampling time of each channel is different. However, when the influence of noise is strong, if a signal of one channel is measured over a long period of time, it takes a long time to acquire signals of all the channels, and it is easily affected by environmental fluctuations.
このため、スイッチ切り替えまでの時間に最大値を設定して、その最大値まで信号取得を行ったときには、十分な信号が取得できていなくてもスイッチを切り替えて次のチャネルの信号取得を開始することが望ましい。 For this reason, when a maximum value is set for the time until switch switching and signal acquisition is performed up to the maximum value, even if a sufficient signal cannot be acquired, the switch is switched and signal acquisition for the next channel is started. It is desirable.
また、信号の評価は、そのときに取得した信号がノイズを多く含むかどうかを単独で評価しても良いし、基準信号がそれまでに別のチャネルと同時に測定した時の信号から大きく異なった場合に信号が安定していないと判断しても良い。これらの評価は、信号の取得に対してリアルタイムで行われる必要がある。 In addition, the evaluation of the signal may be performed independently to determine whether the signal acquired at that time contains a lot of noise, or it differs greatly from the signal when the reference signal has been measured simultaneously with another channel. In this case, it may be determined that the signal is not stable. These evaluations need to be performed in real time for signal acquisition.
ところで、これまで異なる時間に得た各チャネルの信号をディジタル処理部にて整理して位相差を算出できるようにしたが、サンプリングの開始タイミングを合わせておく構成にしても良い。 By the way, the signals of the respective channels obtained at different times so far are arranged by the digital processing unit so that the phase difference can be calculated. However, the sampling start timing may be matched.
次に、このような本発明の第4の実施の形態について説明する。 Next, the fourth embodiment of the present invention will be described.
図7は、本実施の形態に係るアレイアンテナ装置のブロック構成図である。本実施の形態においては、図7に示すように、切り替え制御部19から基準受信機121のAD変換部17へもスイッチ11の切り替えを通達するようにしている。そして、基準受信機121のAD変換部17では、これと同時にエッジトリガなど一定のトリガタイミングでAD変換を開始する。
FIG. 7 is a block configuration diagram of the array antenna apparatus according to the present embodiment. In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the
このような構成にすることにより、スイッチ11を切り替える度に、基準信号は同じタイミングでサンプリングが開始される。また、基準受信機121のAD変換部17がサンプリングを開始したタイミングをトリガ信号として、切換受信機122のAD変換部17に通知することにより、切替受信機122でも基準受信機121と同じタイミングでサンプリングが開始される。
With this configuration, every time the
図8は、本実施の形態によるサンプリングの様子を示す図である。図8において、t1、t2、t3・・・tn−1はそれぞれch2〜chnのアンテナ素子の受信信号をサンプリングするサンプリング時間で、ch1は基準信号としてサンプリングされている。 FIG. 8 is a diagram showing a state of sampling according to the present embodiment. 8, t1, t2, t3,..., Tn-1 are sampling times for sampling the received signals of the antenna elements ch2 to chn, and ch1 is sampled as a reference signal.
図8の例では、スイッチを切り替えるたびに、ch1の立ち上がりエッジをトリガタイミングにして、ビート信号の2周期の時間のサンプリング時間でサンプリングを行っている。ch1の立ち上がりエッジをトリガにすることにより、全てのサンプリング結果においてch1の位相はそろっているので、ディジタル処理部にて位相を整理しなくてもサンプリングされメモリに格納された値をそのまま位相の比較に使用することができる。 In the example of FIG. 8, every time the switch is switched, the rising edge of ch1 is used as a trigger timing, and sampling is performed with a sampling time of two periods of the beat signal. By using the rising edge of ch1 as a trigger, the phase of ch1 is the same in all sampling results. Therefore, even if the phase is not arranged in the digital processing unit, the values stored in the memory are compared as they are. Can be used for
つまり、切り替え信号と同時に、トリガ信号を基準受信機121に送信してサンプリングする基準信号の特定のタイミングをトリガとしてサンプリングを開始させる。さらに、基準受信機121のサンプリング開始をトリガとして切換受信機122のサンプリングを開始させることにより、ディジタル処理部にて位相を整理しなくてもサンプリングされメモリに格納された値をそのまま位相の比較に使用することができる。
That is, simultaneously with the switching signal, the trigger signal is transmitted to the
11 スイッチ
13 局部発信器
14 アンプ
15 フィルタ
16 ミキサ
17 AD変換部
18 ディジタル処理部
19 切り替え制御部
101〜10n アンテナ素子
110,111 スイッチ
121 基準受信機
122,123 切換受信機
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記複数のアンテナ素子の内の所定の基準アンテナ素子と、
前記基準アンテナ素子からの基準信号を順次サンプリングするための第1の受信部と、
前記複数のアンテナ素子の内、前記基準アンテナ素子以外の他の複数のアンテナ素子からの信号をサンプリングするための第2の受信部と、
前記他の複数のアンテナ素子と前記第2の受信部との間に設けられ、前記他の複数のアンテナ素子からの信号を順次前記第2の受信部に入力させるスイッチと、
前記スイッチの切り替えを制御する切り替え制御部と、
前記複数のアンテナ素子の信号を保存するディジタル処理部と、を備えた、
ことを特徴とするアレイアンテナ装置。 In an array antenna apparatus comprising an array antenna composed of a plurality of antenna elements, and estimating the arrival direction of radio waves from the phase difference of each signal from the plurality of antenna elements,
A predetermined reference antenna element of the plurality of antenna elements;
A first receiver for sequentially sampling a reference signal from the reference antenna element;
A second receiver for sampling signals from a plurality of antenna elements other than the reference antenna element among the plurality of antenna elements;
A switch provided between the other plurality of antenna elements and the second receiving unit, and sequentially inputting signals from the other plurality of antenna elements to the second receiving unit;
A switching control unit for controlling switching of the switch;
A digital processing unit for storing the signals of the plurality of antenna elements,
An array antenna apparatus characterized by that.
ことを特徴とする請求項2に記載のアレイアンテナ装置。 Storing the reference signal and the signals of the plurality of other antenna elements each time the switch is switched, obtaining a phase difference between the reference signals generated at different sampling times due to the switch switching, and the storing Correcting the phase difference of the signals from the plurality of other antenna elements by correcting the phase of the signal of the second receiving unit being performed based on the phase difference between the reference signals,
The array antenna apparatus according to claim 2.
ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載のアレイアンテナ装置。 Investigate all reception states of the plurality of antenna elements in advance, and set the antenna element with the best reception state as the reference antenna element.
The array antenna apparatus according to claim 1, wherein the array antenna apparatus is any one of claims 1 to 3.
前記切り替え制御部は、前記判別手段によるサンプリング信号の特徴判別に要する時間より長い間隔で前記スイッチに切替信号を送信する、
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のアレイアンテナ装置。 A determination means for determining characteristics of signals from the plurality of other antenna elements to be sampled;
The switching control unit transmits the switching signal to the switch at an interval longer than the time required for the characteristic determination of the sampling signal by the determination unit;
The array antenna apparatus according to claim 1, wherein the array antenna apparatus is any one of claims 1 to 4.
前記他の複数のアンテナ素子のアンテナ素子当たりのサンプリング時間を可変とし、前記切り替え制御部は、前記判別手段によるサンプリング信号の特徴判別が終了した時点で前記スイッチに切替信号を送信する、
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のアレイアンテナ装置。 Determining means for determining characteristics of signals from the plurality of other antenna elements to be sampled;
The sampling time per antenna element of the other plurality of antenna elements is variable, and the switching control unit transmits a switching signal to the switch at the time when the characteristic determination of the sampling signal by the determination unit is completed.
The array antenna apparatus according to claim 1, wherein the array antenna apparatus is any one of claims 1 to 4.
ことを特徴とする請求項1、4乃至6のいずれか1項に記載のアレイアンテナ装置。
At the same time as the switching signal, the switching control unit causes the first receiving unit to start sampling using a specific timing of the reference signal to be sampled as a trigger, and to start sampling of the first receiving unit as a trigger. Transmitting a trigger signal for starting sampling of the second receiving unit;
The array antenna apparatus according to claim 1, wherein the array antenna apparatus is any one of claims 1 to 4.
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