JP2010514311A - ビーム形成システム及び方法 - Google Patents

Abstract

受信ビーム形成と送信ビーム形成との両方に使用可能なビーム形成システムが提供される。本システムは、複数の信号のサンプルを受信し、同一のビーム形成された周波数帯域に関連したすべてのサンプル信号を所定の処理ブロックに送る。ここで、各サンプルには複数の周波数のうちの１つの帯域が含まれる。所定数の送られたサンプル信号は、所定の基準に従って順序的に選択され、重み付け及び累算されて、合成信号を形成する。次いで、合成信号から個々の信号が選択され、適切な出力に送られる。本システムは、従来の要求量よりも少ない数の重み付け機能を使用して、１つの周波数に対する処理を同一の処理ブロックで実行する。これは、ビーム形成処理の計算量を実質的に減らすとともに、周波数の再利用を簡素化する。さらに、送信ビーム形成と受信ビーム形成との両方の機能を有する単一のＤＳＰ設計が実現できる。

Description

本発明は、ビーム形成技術、特に、衛星通信システムで用いられるビーム形成技術に関する。

さまざまな通信システム、例えば、移動電話、ケーブルＴＶ、インターネット、及び軍事通信などは、地球を周回する人工衛星を使用して信号を転送する。衛星アップリンク通信信号は、１つ以上の地上局から衛星に送信され、次いで、衛星によって、ダウンリンク通信信号として別の衛星に又は地球に再送信される。これによって、特定の用途に応じた所望の受信エリアをカバーする。典型的に、アップリンク及びダウンリンク信号は、異なる周波数で送信される。

衛星通信システムは、ビーム形成技術を用いるマルチビームアレイアンテナを組み込むことができる。そのようなアレイアンテナは、広角をカバーする多重同時式ビームの形成に非常に有用である。受信ビーム形成は、所望の信号を増強し、かつ望ましくない信号を減衰又は低減させるように、いくつかの異なるアンテナ素子から受信した信号が合成されることによるプロセスである。図１ａに示すように、アンテナ素子１〜ｎ（図示せず）から受信ビーム形成部への複数の入力信号は、一連の重み付け係数ｗ１〜ｗｎを適用することによって合成された連続する値をそれぞれ有する。その結果、各ビーム形成部出力は、入力信号を合成した潜在的に異なるベクトルを表す信号を生成する。入力信号に適用される一連の重み付け係数ｗ１〜ｗｎを調整することによって、ビーム形成部は、アンテナアレイによって生成されるビームの一部又はすべてに対して、その方向及び内容を動的に変更できる。出力ビームの指向特性により、一連の受信アンテナ素子からの空間個別的なビームの大部分が、同一の周波数スペクトルを再使用できる。故に、ビーム形成技術によれば、所与の衛星による所与のサービスエリア全体でサポートされるユーザの数の実質的な増加が可能となる。

同様に、図１ｂに示すように、送信ビーム形成は、アンテナアレイによって送信されるビームの一部又はすべての方向及び内容を制御するために、アンテナアレイの各素子１〜ｎに対する送信信号への重み付け係数ｗ１〜ｗｎの適用を伴う。

重み付け係数は、ビーム形成に用いられるさまざまな既知の技術のうちのいずれかに基づいていてよく、任意の適切なアナログ又はデジタル手段を用いて、入ってくる信号に適用できる。アナログＲＦビーム形成システムは、アンテナに関連した送信機及び／又は受信機チェインのＲＦ又は中間周波数（ＩＦ）段において、信号の位相及び／又は振幅を調整する。一方、デジタルビーム形成システムは、信号の位相及び／又は振幅をデジタル的に調整する。デジタルビーム形成受信機では、信号は、アナログ−デジタル変換の後に処理される。デジタルビーム形成送信機では、信号は、デジタル−アナログ変換の前に処理される。特に、デジタルビーム形成は、デジタル信号及び処理が再現可能であることと、ビーム形成信号重み付け演算のデジタル処理系のありふれたかつ安定した性質とのために、有利である。

衛星通信システムにおいては、システム全体の計算量を減らすため、かつ効率を上げるために、絶え間ない努力が続けられている。典型的に、そのようなシステムで用いられるアンテナアレイは、無数の個々のアレイ素子から成る。従来のビーム形成技術がアレイのあらゆる素子に送られる又はあらゆる素子から受け取る信号への異なる重み付け機能の適用を必要とするため、生じた処理要件の計算量は、アレイのサイズに比例して増大する。

多くのアレイシステムにおいて、形成されたビームの大部分は、アンテナシステムの性質に起因して、アンテナアレイの複数の素子のうちの一部分しか使用しない。アレイ給電反射鏡（ＡＦＲ）アンテナでは、給電アレイが目標ビーム位置に向けられていなくても、ビームは、大型アンテナからの信号を反射した後で形成される。大型反射鏡の効果は、給電アレイの見かけ上のサイズを拡大して、ビーム形成プロセスの空間的分解能を向上させることにある。ある構成においては、このことは、アレイ内の個々の素子のそれぞれがアンテナシステムのカバーエリア全体のうちの一部分を受け持つことを意味する。そのようなシステムでは、使用していないアレイ素子は、典型的に、ビーム形成処理において重み付け機能０を割り当てられているとはいえ、システム構造は、アレイの個々の素子ビームのそれぞれからの入力を受信して処理するように構成されている。故に、多くのアレイ素子の冗長性の問題を別としても、そのようなシステムには、不必要な複雑さが残存する。

デジタルプロセッサへの入力の数を削減できるように、アレイを予め定義されたサブアレイに分割して、アナログ方式を用いる複数の物理的アンテナ素子を組み合わせることが知られている。これには、同数のデジタルプロセッサ入力に対してアンテナ素子の数を増加させるという利点、又は同数の素子に対してデジタルプロセッサ入力の数を減少させるという利点がある。

典型的に、受信及び送信ビーム形成は別々に実行される。通常、これは、同一の機能ブロックを逆向きに動作させることによって（すなわち、すべての信号の流れに双方向性をもたせ、モードに応じて一方向又は他方向を選択することによって）実行される。当然のことながら、本質的に単方向性であるビーム形成ブロックを提供することにも利点があるが、それでは、要求された最低限の適合度での受信又は送信ビーム形成のいずれか一方しか実行できない。

本発明の１つの目的は、衛星通信システムで用いられるビーム形成技術に関連した複雑さ及び処理要件を低減することにある。

本発明の別の目的は、アクティブアンテナシステムで用いられるビーム形成構造の効率向上を図ることにあり、この場合、アンテナ素子のすべてが各ビームを受け持つとは限らない。

本発明のさらに別の目的は、送信及び受信の両方のビーム形成機能を有する単一のＤＳＰ設計を提供することにある。

第１態様では、本発明は、ビーム形成システムに属し、該システムは、アップリンク信号チャネリゼーション手段と、送信と受信との両方のアップリンクチャネル信号を処理するように構成されたビーム形成手段と、複数のダウンリンクチャネル信号を再合成するための手段とを具備する。同一のビーム形成システムが受信ビーム形成と送信ビーム形成との両方に使用できるので、それによって、送信ビーム形成と受信ビーム形成との両方の機能を有する単一のＤＳＰ設計を実現できる。このとき、同一の入力及び出力インタフェースが存在し、かつ同一のデータフローが存在する。入力及び出力の数は、ビーム形成のタイプ（受信又は送信）によって決まるが、ＤＳＰの構造は同一である。故に、１台のＤＳＰ機器が、入力及び出力の数だけを変えることによって、（又は、より多数のセットから必要な数の入力及び出力を有効化させることによって、）どちらのタイプのビーム形成にも使用できる。

第２態様に基づき、本発明は、ビーム形成システムに属し、該システムは、複数の信号のサンプルを受信するための入力手段と、同一のビーム形成された周波数帯域に関連したすべてのサンプル信号を所定の処理ブロックに送るためのスイッチング手段と、所定の基準に従って、所定数の送られたサンプル信号を順序的に選択するための手段と、所定の決められた数の重み付け係数を選択された信号に適用するための重み付け手段と、複数の重み付けされた信号を累算し、合成信号を形成するための手段と、合成信号から複数の信号を選択して適切な出力に送るための手段とを具備する。各サンプルには複数の周波数のうちの１つの帯域が含まれる。

上記システムは、受信ビーム形成に使用でき、この場合、受信したサンプルは、複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した複数のビームからの合成信号であり、かつ送られたサンプル信号は、該信号の元となったビームに従って選択される。あるいは、上記システムは、送信ビーム形成に使用でき、この場合、受信したサンプルは、複数のアンテナ素子のそれぞれで送信される複数のビームからの信号であり、かつ送られたサンプル信号は、該信号が送信されるアンテナ素子に従って選択される。

本発明のビーム形成技術は、従来はアンテナアレイの個々の素子毎に必要とされた別個の異なる重み付け機能を、各ビームに又は各素子で送信される信号に関係する信号だけを選択するように構成されたスイッチング機能によって置き換える。そして、より小さい決められた数の重み付け機能が、選択された信号に適用され、素子のすべてに対し、単一の周波数のための処理が、同一の処理ブロックで実行される。これは、ビーム形成処理の計算量を実質的に減少させるとともに、周波数の再利用を容易化する。また、より多くの効果的なアルゴリズムの使用が容易となる。さらに、スイッチング機能の組合せは、後続のビーム形成処理について、アレイのアンテナ素子の任意の部分の選択に対する最大限の弾力化を容易にする。

また、本発明は、ビーム形成方法に属し、該方法は、（ａ）複数の信号のサンプルを受信する段階と、（ｂ）同一のビーム形成された周波数帯域に関連したすべてのサンプル信号を所定の処理ブロックに送る段階と、（ｃ）所定の基準に従って、所定数の送られたサンプル信号を順序的に選択する段階と、（ｄ）所定の決められた数の重み付け係数を選択された信号に適用する段階と、（ｅ）複数の重み付けされた信号を累算し、合成信号を形成する段階と、段階（ｃ）から（ｅ）を所定回数繰り返す段階と、（ｆ）合成信号から信号を選択して適切な出力へ送る段階とを有する。各サンプルには複数の周波数のうちの１つの帯域が含まれる。本方法は、受信ビーム形成に使用でき、この場合、段階（ａ）は、複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した複数の信号から合成信号のサンプルを受信する段階を有し、かつ段階（ｃ）は、送られたサンプル信号の元となったビームに従って信号を選択する段階を有する。あるいは、本方法は、送信ビーム形成に使用でき、この場合、段階（ａ）は、複数のアンテナ素子のそれぞれで送信される複数のビームから信号のサンプルを受信する段階を有し、かつ段階（ｃ）は、送られたサンプル信号が送信されるアンテナ素子に従って信号を選択する段階を有する。

また、本発明は、受信ビーム形成システムに属し、該システムは、複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した複数のビームから合成信号のサンプルを受信するための入力手段と、同一のビーム形成された周波数帯域に関連したすべてのサンプル信号を所定の処理ブロックに送るためのスイッチング手段と、所定数の送られたサンプル信号を、該信号の元となったビームに従って順序的に選択するための手段と、所定の決められた数の重み付け係数を選択された信号に適用するための重み付け手段と、複数の重み付けされた信号を累算し、合成信号を形成するための手段と、合成信号から信号を選択して適切な出力へ送るための手段とを具備する。各サンプルには複数の周波数のうちの１つの帯域が含まれる。

別の態様に基づき、本発明は、送信ビーム形成システムに属し、該システムは、複数のアンテナ素子のそれぞれで送信される複数のビームから信号のサンプルを受信するための入力手段と、同一のビーム形成された周波数帯域に関連したすべてのサンプル信号を所定の処理ブロックに送るためのスイッチング手段と、所定数の送られたサンプル信号を、該信号が送信されるアンテナ素子に従って順序的に選択するための手段と、所定の決められた数の重み付け係数を選択された信号に適用するための重み付け手段と、複数の重み付けされた信号を累算し、合成信号を形成するための手段と、合成信号から信号を選択して適切な出力に送るための手段とを具備する。各サンプルには複数の周波数のうちの１つの帯域が含まれる。

既知の受信及び送信ビーム形成システムを単純化して表した図である。 既知の受信及び送信ビーム形成システムを単純化して表した図である。 本発明による、衛星で用いられる受信機システムを表した構成図である。 図２に示されたデジタル受信ビーム形成システムの好適な実施形態を表した構成図である。 衛星で用いられる、図３に示されたタイプのビーム形成システムを備えた送信システムを表した構成図である。 受信システムと送信システムとの両方に使用できる、図３に示されたタイプのビーム形成システムを表した構成図である。 本発明の変形実施形態を表した構成図であり、ビーム形成システムへの入力のそれぞれが２つのアンテナ素子からもたらされる受信ビーム形成システムを示す。 複数の受信ビーム形成システムから成る本発明の別の実施形態を表した構成図であり、その各部は図３に示されたものであるが、同一の入力及び出力フレームスイッチに組み合わせられていない一揃いのコアプロセッサ機能を備える。 複数の受信ビーム形成システムから成る本発明の別の実施形態を表した構成図であり、各ビーム形成システムは、複数のアンテナ素子のサブセットに関連した信号を処理するために用いられる。

これより、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を例示の目的で記載する。

衛星アンテナシステムを対象とした本発明の実施形態の以下の記載は、発明の限定を意図したものではなく、その応用例又は使用例を示すものである。

図２は、本発明の好適な実施形態による衛星の受信機システム２０の構成図を示す。構成図は衛星について説明したものであるが、本システムは、基地局又はレーダーシステムの受信機にも適用できる。図２に示す通り、ＲＦフロントエンドは、Ｎ個のアンテナ素子２２_１〜２２_Ｎから成り、送信された複数のＲＦ信号を受信する。各素子は、既知のように、低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）（図示せず）に接続されており、受信したＲＦ信号が増幅される。増幅された各素子信号は、ダウンコンバージョンミキサ２４に送られる。中間周波数（ＩＦ）への変換は、局部発振器（図示せず）からのそれぞれの信号を用いて実行される。次いで、ＩＦ信号は、Ａ／Ｄ変換器２６によってデジタル信号へ変換されるとともに、デジタルチャネライザ２８に送られる。

デジタルチャネライザ２８は、チャネルフィルタバンクを実行して、アンテナアレイの各素子からの個々の信号を含むダウンコンバートされた合成デジタル信号を所定数Ｎ個のデジタルチャネル信号へと分割する。デジタルチャネライザ２８は、所定の帯域幅を有する各フィルタを備えた解析デジタルフィルタバンクと見なすことができる。デジタルチャネライザ２８は、一連の畳み込みデジタルフィルタと、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）プロセッサとを具備する。畳み込みデジタルフィルタは、多重化及び加算、又は多相化などのマルチレートデジタルフィルタ技術を使用して、ダウンコンバートされた信号の複数のサンプルを互いにグループ化し、サンプルグループに畳み込み関数を掛け合わせ、次いで、Ｎ個の個々のチャネル信号への変換のためにサンプルをＦＦＴに送ることによって、デジタルフィルタバンクを効率良く実行する。しかしながら、当然、フィルタバンクは、いくつかの異なる技術のうちのいずれかを用いて実行されてよい。

故に、チャネライザ２８は、周波数、位相、及び電気的振幅において互いに独立した個々のＩＦ信号を含む入力帯域幅を、複数の時間−並列周波数出力チャネルに分割する機能を有する。換言すれば、チャネライザは、合成ＩＦ帯域幅内のさまざまな周波数を、周波数の中の１〜Ｎの番号が付けられた固定チャネル幅又は値域へと、周波数分割又はソート選択する。当然のことながら、このプロセスにＩＦへの変換は必須ではなく、チャネライザは、ＲＦ入力帯域幅上で直接動作してもよい。

この実施形態では、チャネライザ２８からビーム形成部３０へのＮ個の入力は、複数のサンプルの時間分割多重（ＴＤＭ）であると見なすことができる。ＴＤＭとは、１つの信号経路が複数の信号間で共有できるように、個々のデータ信号が同一の信号経路を辿って時間内に連続して送信されるということを意味する。故に、複数の周波数に対して、各ＴＤＭは、アンテナ素子２２_１〜２２_Ｎのうちの１つからのサンプルを含み、かつ入力上のさまざまなＴＤＭにおけるサンプルのタイミングは、同一の周波数帯又は同一の素子２２_１〜２２_Ｎが同一時間において２つ以上の入力に現れることがないように選択される。しかしながら、当然、ＴＤＭの実行は必須ではなく、他のさまざまな送信スキームを想定できる。

これより、図３を参照して、図２のビーム形成部３０の構成及び動作を説明する。ビーム形成部３０は、入力フレームスイッチ３２を具備する。入力フレームスイッチ３２は、Ｎ個の異なるアンテナ素子２２_１〜２２_Ｎに対応するＮ個の入力信号を受信する。受信した素子信号内の異なる複数の周波数は、一揃いの入力に亘るＴＤＭフレーム期間Ｌ_ＴＤＭの間で、異なる時間において、単一時間におけるすべての信号が異なる周波数を有することを表す。入力フレームスイッチ３２は、すべてのアンテナ素子２２_１〜２２_Ｎからの同一のビーム形成された周波数の信号がＦ個のコア処理ブロック３４_１〜３４_Ｆのうちの特定の１つに向かうように、アレイアンテナ２２_１〜２２_Ｎからの信号のルートを決める。当然のことながら、この場合の周波数は、チャネライザ２８からの単一の周波数帯域を意味する。入力フレームスイッチに入力された各ＴＤＭサンプルは、異なるスイッチング機能を適用され、かつＮ個の入力のうちの最大Ｆ個の信号が、各サンプル時間において、異なるコアプロセッサ３４_１〜３４_Ｆにそれぞれ送られる。あるサンプル時間において、ルーティングされる入力の数は、Ｆ個よりも少ないことはあるが、Ｆ個を越えることはけっしてない。Ｆ＜Ｎである場合、ビーム形成のためにすべての周波数が使用されるわけではないので、一部のチャネルしかスイッチされない。すべての周波数がビーム形成に使用される場合には、Ｆの値は、少なくともＮと等しくなければならない。スイッチング動作は、同一のスイッチング機能がすべてのフレーム中の同一タイムスロットに適用されるように、各フレームで繰り返される。ＴＤＭフレーム中のタイムスロット毎に、各出力信号は、Ｎ個の入力のうちの１つに存在する複数の信号のうちの１つの複製である。

各コア処理ブロック３４_１〜３４_Ｆ内で、その処理ブロックによって処理される特定の周波数においてルーティングされた各信号サンプルは、タイムスイッチ３６_１〜３６_Ｍにルーティングされる複数のＴＤＭ信号へと複製される。ここで、スイッチの数Ｍは、ビーム形成される素子２２_１〜２２_Ｎの数と、各ビームに使用される素子の数との平均に応じて予め定められたパラメータである。タイムスイッチ３６_１〜３６_Ｍの機能によって、フレームスイッチ３２の出力した信号を後続の処理に必要な任意のタイムスロット順に再整列でき、かつ異なる時間における複数の入力サンプルの重複が可能となる。タイムスイッチ３６_１〜３６_Ｍのそれぞれは、入力ＴＤＭフレームの全内容をテーブルに格納する。次いで、データは、プログラム時にテーブルから読み出されて、必要とされる時間順序付けが実行される。

ビーム形成は、以下に記載されるように、周波数帯域のそれぞれで個々に実行されるとともに、プログラム可能な順序でこの表からアイテムを順序的に選択することによって達成される。それによって、特定のビームに関係した個々の素子２２_１〜２２_Ｎのすべてが、記載したように選択及び処理される。単一周波数のために形成された一揃いのビームは、おそらくは、アンテナ素子２２_１〜２２_Ｎのすべてを使用するので、この単一周波数のための素子信号のすべては、複数の素子の要求された全組合せを形成可能なように、互いに処理される必要がある。

最初に、第１ビームのための素子信号のすべてが、第１ビームを形成するために充分なデータを提供するように、各ＴＤＭフレームスロットＬ_ＴＤＭ上で、同時にＭ個が順序的に選択される。第１ビームのためのタイムスイッチ３６_１〜３６_Ｍの出力は、一連の乗算器３８_１〜３８_Ｍに送られ、プログラム可能な重み付け係数が各信号に適用される。第１ビームのためのタイムスイッチ３６_１〜３６_Ｍは、サンプルを独立して選択するので、特定時間における各乗算器３８_１〜３８_Ｍ上の信号は複製されない。先の記載の通り、各重み付け係数は、適切な位相及び振幅の重みを信号に適用する。Ｍ個の各入力信号に適用される一連の重み付け係数を調整することによって、出力ビームの方向及び内容を動的に変更できる。そして、コアプロセッサ３４_１〜３４_Ｆ内の乗算器３８_１〜３８_Ｍの出力は、加算器４０で互いに足し合わされて、ＴＤＭのサンプル毎に単一の値を形成する。

次に、第２ビームに対する素子信号のすべてが、タイムスイッチ３６_１〜３６_Ｍによって順序的に選択され、それらが選択された通りに重み付けがなされる。第２ビームの計算結果は、互いに足し合わされて、ビームに関係する最後の素子２２に対する信号が加算された後に出力される。このプロセスは、形成されるビームの総数分だけ繰り返される。

ビームを形成するために必要な素子信号の数が各ＴＤＭフレームスロットＬ_ＴＤＭ上で実行される多重化動作の数Ｍよりも多い場合、累算器４２において、さらなる累算段が実行される。この累算は、合計Ｍ×Ａ個の信号サンプルが選択され、かつ重み付けされた複数の素子信号が累算されるように、各フレームのタイムスロットＡの連続した帰還に亘って起こる。このＡの値は、プログラム可能であるとともに、ビームを形成するために必要な素子信号の数によって決まる。このＡの値は、ある程度はトラフィックに従って動的に決定できる。総ＴＤＭフレーム長が固定されるので、サンプルの大部分は、形成可能な異なる出力の数を減らすことができる。Ａの値の変化は、必要とされるハードウェア量を変更しない。一方で、Ｍの値の変化は、必要とされるタイムスイッチ及び乗算器の数を変更する。

所望の特性を有するビームを形成するためのＭ×Ａ個の充分な素子信号サンプルが重み付けされた場合、加算結果は、出力タイムスイッチ４４に渡される。出力タイムスイッチ４４は、ＴＤＭ内の複数のビーム信号を整列し直すように構成されている。出力タイムスイッチ４４の主な目的は、乗算／加算機能によって有用な信号だけを選択すること、及びそれらの信号を同時に出力することにある。それによって、それらの信号が、必要とされる送信先へ届けられることができる。出力タイムスイッチ４４からの複数の出力信号は、出力フレームスイッチ４６に送られる。そしてそこで、それらは、適切なチャネルコンバイナ４４（図に示す）に送られて、ビーム形成プロセッサからの出力信号を形成する。

図３に示す通り、ビーム形成部は、Ｆ個のコアプロセッサを具備し、そのそれぞれは、特定の周波数の一連のビームを生成する。Ｍの値は処理ブロック毎に固定であるが、Ｆ個のコアプロセッサのすべてにおいて同じ値をとる必要はない。さらに、Ａは、プログラム可能であるとともに、すべてのコアプロセッサで異なっていてもよい。例えば、グローバルビームは、衛星の運用者が呼の開始及び終了のための端末へのシグナリングに典型的に用いる衛星カバレージエリア全域をカバーする。ビームがカバレージエリアのすべてをカバーするということは、すなわち、それらの間に重複及び干渉が生じるので、そのビームに用いられた周波数を他の複数のビームに再利用できないということを意味する。典型的に、このことは、少数の素子毎に、又は、多数又はすべての素子を使用する少数の（ときには、ただ１つの）ビーム毎に、多くのビームに同一の周波数を用いることとなる。そのような場合に、ＴＤＭ長が素子の数よりも小さい値であれば、Ｍ＝１を満足する。しかしながら、Ａの値は、グローバルビームを形成する処理ブロックに対しては、より多くの素子が使用されるので、はるかに大きくなければならない。大量の周波数再利用は、ビーム毎にわずかな素子を使用する傾向にあり、従って、Ａは、同一のＭに対して小さくなる。少量の周波数再利用のためには、より多くの素子が使用され、Ａが大きくなければならない。

単一の周波数に対する決められた数の重み付け機能の使用は、２つ以上の周波数間でのリソースの共有（多重動作）に関連する複雑さが回避されるように、処理を相当に容易にする。当然のことながら、少数の周波数間で固定数の重み付け機能を共有すること、又は単一の周波数に対して複数の固定数を用いることができる。固定された数を維持することによって、必要とされる相互接続なしで、そのような多くの機能を実行でき、複雑さを回避する。

チャネライザ２８及びビーム形成部３０に続いて、復調部がデジタル信号を復調し、次いで、復調された信号ビットが、データパケットへと変換されて、適切な送信先へ送られる。送信先は、別の加入者リンク、クロスリンク、又はフィーダリンクであってよい。データパケットは、ルートを定められ、次いで、上記のダウンリンクプロセスが生じる。ダウンリンクプロセスは、どのようなタイプのリンク（例えば、加入者、クロス、又はフィーダリンク）が使用されるかに応じて変化する。

先に説明した通り、本発明は、周波数毎に決められた数の重み付け機能の使用を可能にする。これは、各ビームに関連した少数の素子で多数のビームを使用すること、又は、各ビームに関連した多数の又はすべての素子で少数のビームを使用することができる。すべての素子がすべてのビームカバレージエリアに寄与する訳ではないが、多くの場合に、１つのビームがすべての素子を使用する状態となっている。また、先に記載した通り、グローバルビームはカバレーエリアのすべてをカバーするので、それら間の重複及び干渉のために、ビームに使用された周波数を別の複数のビームに再利用できない。典型的に、これは、少数の素子毎に、多数のビームが同一周波数を用いるか、又は、少数の（ときには、１つだけの）ビームが多数の又はすべての素子を用いるという結果となる。

本発明のシステムによって達成された計算量の低減を示すために、以下に一実施例を挙げる。

衛星は、１２０個（Ｎ個）の素子を備えたアンテナを具備し、２０個の周波数帯のそれぞれに合計３０個のビームを形成する。ビームの重み付けがあらゆる素子に適用される従来のデジタルビーム形成部では、重み付け動作の総数は、以下の式の通りになる。
１２０×３０×２０＝７２，０００

本発明のビーム形成部では、各ビームがわずか２４個の素子で形成されるとすれば、重み付け動作の数は、次の式で与えられる。
２４×３０×２０＝１４，４４０

これは、ビーム毎の２４（Ａ×Ｍ）個の素子、２０本（Ｆ本）の周波数チャネル（周波数毎に１本）、及び１８０（ビーム３０本×Ａ＝ＴＤＭ長）のＴＤＭ長Ｌ_ＴＤＭが存在するように、各フレームのＡ＝６の第１タイムスロットにわたってサンプルを選択するＭ＝４のタイムスイッチを備えたビーム形成部によって実行できる。

図４は、本発明の好適な実施形態による加入者ユニットの送信機システム５０の構成図を示す。送信機システムは、ダウンコンバージョンミキサ５２を具備する。ここで、ＲＦ送信信号の中間周波数（ＩＦ）への変換は、ローカル発振器（図示せず）からのそれぞれの信号を用いて実行される。そして、ＩＦ信号は、Ａ／Ｄ変換器５４によってデジタル信号へと変換されてチャネライザコンバイナ５６に送られ、次いで、ビーム形成部５８へ送られる。ビーム形成後、ビームは、それぞれのデジタルチャネルコンバイナに送られ、そこで、アンテナアレイの各素子によって送信される個々の信号を含む合成デジタル信号が、所定の数Ｎのデジタルチャネル信号へと分割される。これらのチャネル信号は、Ｄ／Ａ変換器でアナログ信号に変換されるとともに、アンテナ６０のそれぞれの素子６０_１〜６０_Ｎによって送信される前に、ＲＦにアップコンバートされる。

これより、再び図３を参照して、本発明の好適な実施形態による送信ビーム形成を説明する。先に記載した通り、送信ビーム形成は、アレイの各素子のための送信信号への重み付け係数の適用を伴う。ビーム形成部３０への入力は、送信されるさまざまなチャネル信号であり、アレイ素子出力６０_１〜６０_Ｎにおいて単一の周波数帯となる全チャネル信号が、入力フレームスイッチ３２を介して所定のコア処理ブロック３４_１〜３４_Ｆへ送られる。

適切な処理ブロック３４_１〜３４_Ｆ内で、届けられた信号は、受信ビーム形成部３０に関して先に記載したのと同様の方法で、多数のタイムスイッチ３６_１〜３６_Ｍで複製される。この場合、スイッチＭの数は、各素子からの単一の周波数上で形成されるビームの数に応じたパラメータである。さらに、受信ビーム形成に関して先に記載したように、信号は再度並べ替えられる。

ＴＤＭのサンプル毎に、第１アンテナ素子６０_１に関係するタイムスイッチ３６_１〜３６_Ｍからの全信号は、連続的に選択されるとともに、一連の乗算器３８_１〜３８_Ｍへ送られる。そして、信号は、そこで重み付けされ、次いで、加算器４０で互いに足し合わされる。そして、これは、個々のアンテナ素子６０_２〜６０_Ｎのそれぞれに関係する信号に対して繰り返される。この場合、素子毎の重み付けされた信号の加算が、先に記載した受信ビーム形成の場合のような素子の組合せよりも、周波数の再利用を容易とする。

各素子６０_１〜６０_Ｎに送信するためのものである１つの周波数上のビーム数が各ＴＤＭフレームスロットＬ_ＴＤＭ上で実行される乗算演算Ｍの数を超える場合、合計Ａ×Ｍの重み付けされた素子信号が累算されるように、Ａ個のサンプル期間に亘る累算が要求される。Ａの値は、プログラム可能であるとともに、各素子６０_１〜６０_Ｎによって送信されるビームの数によって決まる。この第２段の累算の出力は、アレイ素子６０_１〜６０_Ｎのすべてに対する送信信号を含むＴＤＭである。合成ＴＤＭは、ＴＤＭ内でビーム信号を再度並べ替えるように構成された出力タイムスイッチ４４に送られる。この場合、信号の再度の並べ替えは、いかなるＴＤＭフレームスロット内でも、各素子及び各周波数が反復しないようにして、周波数信号が適切な素子６０_１〜６０_Ｎへ届けられることを確実とする。出力タイムスイッチ段４４からの出力信号は、出力フレームスイッチ４６に送られる。そしてそこで、信号は、適切なチャネル合成部に届けられて、ビーム形成プロセッサからの出力信号を形成する。

ビーム形成部は受信と送信との両方のビーム形成が同一であるので、例えば、図５に示したような送信と受信との両方のビーム形成機能を有した単一のＤＳＰ設計が実現可能である。入力及び出力の数は、ビーム形成のタイプ（受信又は送信）によって決まるが、ＤＳＰの構造は同一である。故に、ＤＳＰ装置の一部分は、入力及び出力の数の変更のみによって（又は、要求された数の入力及び出力をより多数の集合から有効化することよって）、どちらのタイプのビーム形成にも使用できる。しかしながら、この単一ＤＳＰは、ビーム形成部が同一の入力及び出力インタフェースを有するとともに、受信と送信との両方の場合について同一のデータフローで動作する場合にのみ、実現可能となる。

当然のことながら、ＤＳＰは、送信と受信との両方のビーム形成が同時に使用される可能性がある。ある入力は、アンテナアレイからのものであり、かつ、ある入力は、フィーダアップリンクからのものである。同時に、ある出力は、アンテナアレイへのものであり、かつ、ある出力は、フィーダダウンリンクへのものである。この場合、単一のビーム形成部は、アンテナアレイからフィーダリンクへの受信ビーム形成と、フィーダリンクからアンテナアレイへの送信ビーム形成とを同時に行うために使用できる。しかしながら、ビーム形成は、全入力及び全出力において発生するわけではなく、ビーム形成された入力からビーム形成された出力への接続は無い。Ｆ個のコア処理ブロックのうちのいくつかが、受信に使用され、かつ、いくつかが、送信に使用される。

これより、受信ビーム形成についての本発明の変形実施例を説明する。これは、ＴＤＭフレーム長がビームの数だけ増加したタイムスロットＡの数よりも大きい場合に使用される。各コア処理ブロックは、２つ以上の周波数帯についての信号を処理するように構成されている。先の例に対して、ＴＤＭフレーム長は１８０（Ａ×３０（同一周波数上のビーム数））であって、１つの周波数だけが使用可能であるとする。ＴＤＭフレーム長が３６０であって、２つの周波数帯が１つのコアプロセッサに共有されるとする。２つの周波数は、一方がＴＤＭフレームの第１部分に使用され、かつ、他方が第２部分に使用される。この場合、入力フレームスイッチ３２への多入力上の各タイムスロットは、同一のコアプロセッサに届けられるその他の入力のように、同一の周波数を含んではいけない。

送信ビーム形成について、等価条件は、ＴＤＭフレーム長が素子の数だけ増加したタイムスロットＡの数よりも大きいことである。そして、各コア処理ブロックは、２つ以上の周波数帯で素子信号を生成するために使用できる。当然のことながら、システムパラメータに応じた単一のコアプロセッサによって、適切な任意の数の周波数を処理できる。この場合、出力フレームスイッチ４６からの多出力上の各タイムスロットは、同一の周波数を含んではいけない。

また、受信ビーム形成について、ＴＤＭフレーム長が単一の周波数に要求されたタイムスロット数よりも小さく、例えば、１８０ではなく９０である場合、各ビームがＡ＝６個のＴＤＭタイムスロットを使用するので、フレーム内で合計３０本のビームを形成するには、時間が不足することとなる。同一の入力信号が２つのコアプロセッサに送られるとした場合、各プロセッサは、素子全体に対してビームの半分を形成できる。追加の重み付け演算は必要とされず、違いは、複数のコアプロセッサ間で演算の分担が行われることだけである。送信ビーム形成について、送信される一揃いのビーム信号は、２つのコアプロセッサに複製される。それぞれのプロセッサは、素子の半分に対してビーム全体を生成する。当然ながら、適切な任意の数のコアプロセッサが、システムパラメータに応じて、単一の周波数を処理するために使用できる。

本発明の別の実施形態を図６に示す。ここでは、単一のビーム形成部が使用される。受信ビーム形成について、入力フレームスイッチ３２へのＮ個の入力のそれぞれは、図２及び図３に示すように、単一の素子からではなく、２つの素子から入力される。２つの素子からの信号は、デュアルチャネライザに送られる。そこで、それらのＩＦ帯域幅内のさまざまな周波数が、１からＮの番号が付された周波数の固定チャネル幅又は容量に周波数区分される。この構成は、入力フレームスイッチにおける信号上のＴＤＭ条件を変更するが、ビーム形成部での処理は同一である。多入力上の各タイムスロットは、同一素子からの同一周波数を含まない代わりに、今度は、同一の入力に接続された素子グループのうちのいずれかからの同一の周波数を含んではいけない。これは、入力ソースと、コアプロセッサとの組合せであり、タイムスロット毎のＮ個の入力につきただ１度しか現れてはいけない。図示された実施形態では、入力フレームスイッチへの入力毎に２つの素子が使用されているが、当然のことながら、入力毎に適切な任意の数の素子を使用できる。送信ビーム形成について、ビーム形成部の出力は、単一の素子にではなく、素子のグループに届けられる。

図７を参照して、本発明の別の実施形態を説明する。この実施形態では、それぞれが図３に示されたタイプの多数のビーム形成部が提供されるが、一揃いのコアプロセッサ機能は、同一の入力及び出力フレームスイッチに組み合わされていない。受信ビーム形成について、各チャネライザは、その信号のうちのいくつかをビーム形成部のそれぞれに届けなければならないが、ビーム形成部の出力上では、それらは、いかなる相互接続も必要としない。送信ビーム形成について、ビーム形成部への入力は、個々のソースから入力できるが、出力は、同一のチャネルコンバイナに結合されなければならない。図７には２つのビーム形成部だけが示されているが、当然のことながら、一揃いのチャネルを処理するために、システムパラメータに応じて適切な任意の数のビーム形成部を使用できる。この実装は、単一の物理ブロック（１つの集積回路）内に、要求された計算量（乗算及び累算段）及び記憶量（タイムスイッチ段）を物理的に包含不可能な場合に使用される。故に、多数のＩＣを使用でき、各ＩＣは、ビーム形成された周波数の断片を処理する。

これより、図８を参照して、本発明の別の実施形態を説明する。ここでは、多数のビーム形成部が提供され、各ビーム形成部は、素子のサブセットに関連した信号を処理するために使用される。ビーム形成部の処理能力が（例えば、物理入力の不足によって）特定の数の素子を有したアレイを処理するためには不充分な場合、それらは、ビーム形成部の入力毎に複数の素子を充てる。

受信ビーム形成に対して、この場合、フレームスイッチ３２へのＮ個の入力は、共通の処理手段を共有する複数のアンテナ素子のＮ個の異なるグループに対応する。２０の周波数帯のそれぞれで合計３０本のビームを形成する１２０の素子を備えたアンテナを有した衛星の上記の実施例では、各ビームに対して素子の半分が第１ビーム形成部に送信され、同時に、残りの半分が第２ビーム形成部に送信される。各ビーム形成部は、各周波数に対して７２０回の重み付けを実行する代わりに、１２（ビーム毎の素子の最大数）×３０（ビームの数）回を実行する。次いで、２つのビーム形成部の出力が足し合わされ、同一数の重み付けと最小量の外部ハードウェアとを用いて、元のビーム形成部と数値的には同一の結果を得られる。これには、すべての素子を処理するために複数のビーム形成部機能を結合するためのさらなる処理段を必要とする。この実施形態は、コア処理ブロックだけでなく、全ビーム形成部構成要素の反復を必要とする。完全な各ビーム形成部は、複数のアンテナ素子のうちの半分に対する信号を処理するように構成されており、必要とされる結合は、実行がより複雑となる重み付けではなく、加算だけである。送信ビーム形成に対して、入力信号は、２つのビーム形成部に複製され、かつ各ビーム形成部は、複数の素子のうちの半分について、すべてのビームを処理する。出力での加算は、入力での複製によって補われる。

当然のことながら、形成されるビーム毎に素子信号を連続的に選択するために使用されるタイムスイッチ動作は残りの処理を補うが、この動作を実行可能な他の多数の方法が存在する。例えば、ＴＤＭ及びタイムスイッチの代わりとして、クロスバー（又はその他の）スイッチが、チャネルの再配置を実行できる。この場合、再配置は、同一出力中の複数の異なるタイムスロット間ではなく、複数の異なる出力間で行われる。この配置は、アナログでＴＤＭを形成する際の問題によって、アナログ実装に好適である。

上記の実施形態では、デジタルビーム形成システムが用いられたが、当然ながら、本発明は、アナログビーム形成システムにも同様に適用できる。さらに、本発明は、ＲＦ以外の周波数、例えば、オーディオ周波数を用いるソナーシステムにも適用できる。

２２_１，２２_Ｎ アンテナ素子
２４_１，２４_Ｎ ダウンコンバージョンミキサ
２６_１，２６_Ｎ Ａ／Ｄ変換器
２８_１，２８_Ｎ デジタルチャネライザ
３０ ビーム形成部
３２ 入力フレームスイッチ
３４_１，３４_Ｆ コア処理ブロック
３６_１，３６_Ｍ 入力タイムスイッチ
３８_１，３８_Ｍ 乗算器
４０ 加算器
４２ 累算器
４４ 出力タイムスイッチ
４６ 出力フレームスイッチ

Claims (30)

1. ビーム形成システムであって、
   アップリンク信号チャネリゼーション手段と、
   送信と受信との両方のアップリンクチャネル信号を単一のデジタル信号プロセッサで処理するように構成されたビーム形成手段と、
   複数のダウンリンクチャネル信号を再合成するための手段と
   を具備することを特徴とするビーム形成システム。
2. ビーム形成手段が、送信と受信との両方のアップリンクチャネル信号を同時に処理するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のビーム形成システム。
3. ビーム形成手段が、
   複数の信号のサンプルを受信するための入力手段と、
   同一のビーム形成された周波数帯域に関連したすべてのサンプル信号を所定の処理ブロックに送るためのスイッチング手段と、
   所定の基準に従って、所定数の送られたサンプル信号を順序的に選択するための手段と、
   所定の決められた数の重み付け係数を選択された信号に適用するための重み付け手段と、
   複数の重み付けされた信号を累算し、合成信号を形成するための手段と、
   合成信号から複数の信号を選択して適切な出力に送るための手段と
   を具備し、
   各サンプルには複数の周波数のうちの１つの帯域が含まれることを特徴とする請求項１又は２に記載のビーム形成システム。
4. 受信したサンプルが、複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した複数のビームからの合成信号であり、
   送られたサンプル信号が、該信号の元となったビームに従って選択されることを特徴とする請求項３に記載のビーム形成システム。
5. 受信したサンプルのそれぞれが、複数のアンテナ素子で受信した複数のビームからの合成信号であり、
   送られたサンプル信号が、該信号の元となったビームに従って選択されることを特徴とする請求項３に記載のビーム形成システム。
6. 受信したサンプルが、複数のアンテナ素子のそれぞれで送信される複数のビームからの信号であり、
   送られたサンプル信号が、該信号が送信されるアンテナ素子に従って選択されることを特徴とする請求項３に記載のビーム形成システム。
7. 受信したサンプルが、複数のアンテナ素子で送信される複数のビームからの信号であり、
   送られたサンプル信号が、該信号が送信されるアンテナ素子の数に従って選択されることを特徴とする請求項３に記載のビーム形成システム。
8. 信号を選択する際の前記所定数が、アンテナ素子の数とビーム毎の素子の平均数とによって決まることを特徴とする請求項４又は５に記載のビーム形成システム。
9. 信号を選択する際の前記所定数が、各アンテナ素子からの単一の周波数上で形成されるビームの数によって決まることを特徴とする請求項６又は７に記載のビーム形成システム。
10. 所定数Ｍの信号サンプルの選択が、所定回数Ａだけ繰り返され、
    Ｍ個の信号サンプルの異なるセットが、Ａ回の繰り返しのそれぞれで選択されることを特徴とする請求項４ないし９のいずれか１項に記載のビーム形成システム。
11. 信号の選択が繰り返される回数が、ビームを形成するために必要な基本信号の数によって決まることを特徴とする請求項１０に記載のビーム形成システム。
12. 信号の選択が繰り返される回数が、各素子６０_１ないし６０_Ｎで送信されるビームの数によって決まることを特徴とする請求項１０に記載のビーム形成システム。
13. 特定の周波数帯域に対して一連のビームをそれぞれ生成する複数の処理ブロックをさらに具備することを特徴とする請求項３、４、５、８、１０、又は１１に記載のビーム形成システム。
14. 特定の周波数帯域に対して一連のアンテナ素子信号をそれぞれ生成する複数の処理ブロックをさらに具備することを特徴とする請求項３、６、７、９、１０、又は１２に記載のビーム形成システム。
15. 送られたサンプル信号を選択する際の前記所定数が、複数の処理ブロックのうちの１つ以上で異なっていることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のビーム形成システム。
16. 選択された信号に適用される前記所定の決められた数の重み付け係数が、複数の処理ブロックのうちの１つ以上で異なっていることを特徴とする請求項１３、１４、又は１５に記載のビーム形成システム。
17. 入力手段が、信号サンプルのＴＤＭフレームのストリームを受信するように構成されており、
    スイッチング手段が、各ＴＤＭフレームの各タイムスロットに異なるスイッチング機能を適用するように構成されていることを特徴とする請求項３ないし１６のいずれか１項に記載のビーム形成システム。
18. スイッチング手段が、複数の周波数帯域に関連したすべてのサンプル信号を所定の処理ブロックに送るように構成されていることを特徴とする請求項３ないし１７のいずれか１項に記載のビーム形成システム。
19. スイッチング手段が、同一のビーム形成された周波数帯域に関連したすべてのサンプル信号を複数の処理ブロックに送るように構成されていることを特徴とする請求項３ないし１７のいずれか１項に記載のビーム形成システム。
20. 請求項３ないし１９のいずれか１項に記載のビーム形成システムを複数組み合わせたシステムであって、
    各ビーム形成システムが、一揃いのビーム形成された周波数帯域のうちの一部を処理し、
    結果的に、一揃いのビーム形成システムによって、ビーム形成された周波数帯域全体が処理されることを特徴とするシステム。
21. 請求項３、４、５、８、１０、１１、及び１３、並びに、１５ないし２０のいずれか１項に記載のビーム形成システムを複数組み合わせたシステムであって、
    各ビーム形成システムの入力手段が、複数のアンテナ素子のうちの所定数のアンテナ素子で受信した複数のビームからサンプル信号を受信するように構成されており、
    各ビーム形成システムの出力を合成するための手段をさらに具備することを特徴とするシステム。
22. 請求項３、６、７、９、１０、及び１２、並びに、１４ないし２０のいずれか１項に記載のビーム形成システムを複数組み合わせたシステムであって、
    各ビーム形成システムの入力手段が、複数のビームに対する複数の信号の同一のサンプルを受信するように構成されており、
    各ビーム形成システムが、複数の素子のうちの一部の素子で送信されるビームを処理するように構成されていることを特徴とするシステム。
23. ビーム形成方法であって、
    （ａ）複数の信号のサンプルを受信する段階と、
    （ｂ）同一のビーム形成された周波数帯域に関連したすべてのサンプル信号を所定の処理ブロックに送る段階と、
    （ｃ）所定の基準に従って、所定数の送られたサンプル信号を順序的に選択する段階と、
    （ｄ）所定の決められた数の重み付け係数を選択された信号に適用する段階と、
    （ｅ）複数の重み付けされた信号を累算し、合成信号を形成する段階と、
    段階（ｃ）から（ｅ）を所定回数繰り返す段階と、
    （ｆ）合成信号から信号を選択して適切な出力へ送る段階と
    を有し、
    各サンプルには複数の周波数のうちの１つの帯域が含まれることを特徴とするビーム形成方法。
24. 段階（ａ）が、複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した複数の信号から合成信号のサンプルを受信する段階を有し、
    段階（ｃ）が、送られたサンプル信号の元となったビームに従って信号を選択する段階を有することを特徴とする請求項２３に記載のビーム形成方法。
25. 段階（ａ）が、複数のアンテナ素子のそれぞれで送信される複数のビームから信号のサンプルを受信する段階を有し、
    段階（ｃ）が、送られたサンプル信号が送信されるアンテナ素子に従って信号を選択する段階を有することを特徴とする請求項２３に記載のビーム形成方法。
26. ビーム形成システムであって、
    複数の信号のサンプルを受信するための入力手段と、
    同一のビーム形成された周波数帯域に関連したすべてのサンプル信号を所定の処理ブロックに送るためのスイッチング手段と、
    所定の基準に従って、所定数の送られたサンプル信号を順序的に選択するための手段と、
    所定の決められた数の重み付け係数を選択された信号に適用するための重み付け手段と、
    複数の重み付けされた信号を累算し、合成信号を形成するための手段と、
    合成信号から信号を選択して適切な出力へ送るための手段と
    を具備し、
    各サンプルには複数の周波数のうちの１つの帯域が含まれることを特徴とするビーム形成システム。
27. 受信したサンプルが、複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した複数のビームからの合成信号であり、
    送られたサンプル信号が、該信号の元となったビームに従って選択されることを特徴とする請求項２６に記載のビーム形成システム。
28. 受信したサンプルが、複数のアンテナ素子のそれぞれで送信される複数のビームからの信号であり、
    送られたサンプル信号が、該信号が送信されるアンテナ素子に従って選択されることを特徴とする請求項２６に記載のビーム形成システム。
29. 受信ビーム形成システムであって、
    複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した複数のビームから合成信号のサンプルを受信するための入力手段と、
    同一のビーム形成された周波数帯域に関連したすべてのサンプル信号を所定の処理ブロックに送るためのスイッチング手段と、
    所定数の送られたサンプル信号を、該信号の元となったビームに従って順序的に選択するための手段と、
    所定の決められた数の重み付け係数を選択された信号に適用するための重み付け手段と、
    複数の重み付けされた信号を累算し、合成信号を形成するための手段と、
    合成信号から信号を選択して適切な出力へ送るための手段と
    を具備し、
    各サンプルには複数の周波数のうちの１つの帯域が含まれることを特徴とする受信ビーム形成システム。
30. 送信ビーム形成システムであって、
    複数のアンテナ素子のそれぞれで送信される複数のビームから信号のサンプルを受信するための入力手段と、
    同一のビーム形成された周波数帯域に関連したすべてのサンプル信号を所定の処理ブロックに送るためのスイッチング手段と、
    所定数の送られたサンプル信号を、該信号が送信されるアンテナ素子に従って順序的に選択するための手段と、
    所定の決められた数の重み付け係数を選択された信号に適用するための重み付け手段と、
    複数の重み付けされた信号を累算し、合成信号を形成するための手段と、
    合成信号から信号を選択して適切な出力に送るための手段と
    を具備し、
    各サンプルには複数の周波数のうちの１つの帯域が含まれることを特徴とする送信ビーム形成システム。

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