JP2013507080A - 計算によるビームフォーミングに基づく再構成可能なアクティブアンテナ - Google Patents

Abstract

本発明は、複数の合成器（５０１、５０２、５０３、５１１、５１２、５１３）を使用する計算によって少なくとも１本のビーム（９８）を形成することが可能な、アクティブアンテナＲＦ信号の送信および／または受信のためのシステム用の、複数のデジタル信号（７１）からデータを処理するための装置に関する。装置は、複数の計算平面にわたって、並行して（５０１〜５０３および５１１〜５１３）、それぞれの計算平面間では別々に、デジタル信号データを処理するための手段を備える。本発明は、任意のタイプの計算によるビームフォーミングアンテナ、好ましくは、衛星に使用するための搭載用アンテナに使用することができる。

Description

本発明の分野は、計算によるビームフォーミングに基づく再構成可能なアクティブアンテナに関し、特に、広帯域要件に対する搭載用としてのアンテナに関する。

一般に、デジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）に基づくアクティブアンテナは、大多数のビーム（一般に「スポット」とも呼ばれる）が形成されなければならない場合にミッション柔軟性の必要性に応じるため、デジタルビームフォーマからなる。ミッション柔軟性は、特に、サービスエリア、各ビームの帯域幅および中心周波数、各ビームに対する電力、ビーム数ならびに使用される放射素子の選択に関する。これらのアンテナは、特に、プラットホームの特異的な動作のために動的なアンテナ指向性制御が必要とされる、例えば、衛星、航空機または船舶搭載用によく適している。デジタル処理を使用することで、これらのＤＢＦアンテナは、ミッション全体を通じて、指向性の再調整作業（ある程度まで）を行うことを可能にするばかりではなく、較正したり、アンテナシステムの物理的不完全性を補正したりすることも可能にする。デジタル処理演算は、ベースバンドまたは中間周波数（ＩＦ）においてデジタル化された信号、または直接的に無線周波数（ＲＦ）搬送波に対しても行うことができる。通信衛星応用のためのＤＢＦアンテナの利点を、例として示すことができる。概して、後者のミッションは、複数の隣接する狭ビームを用いて広大な地理的エリアをカバーし、セルラーサービスエリアを生成することである。特定のビームに対して、高帯域幅を割り当てることができ、それにより、例えば、高解像度ビデオサービスを提供することが可能になる。また、衛星の寿命期間中に、例えば新しい言語スポットを組み込むための周波数計画を変更することができるように、サービスエリアを変更することもできる。ＤＢＦアンテナの柔軟性により、同じハードウェアアーキテクチャを保持しながら、サービス傾向に沿うようにすることが可能になる。別の例では、特に、軍事通信衛星応用のため、取り組むべき意図的なスクランブラが存在し得る。考慮された信号の信号対雑音比を向上させるため、ＤＢＦアンテナは、一方で、スクランブラの命令を特定することを可能にし、他方で、これらの命令をマスクする（強制的にゼロ利得にすることによって）ことを可能にする。同様の軍事応用のため、サービスエリアは、衛星の寿命期間中、異なる戦域（ｔｈｅａｔｅｒ）に対処するため、当然ながら変化しやすい。

処理帯域幅に関する必要性の増加のため、各ビーム用の帯域幅（数十〜数百ＭＨｚ）とビーム数（典型的には、数十〜百本超ほどのビーム）の両方を増大することが必要となっている。ＤＢＦアンテナの使用には、大多数の放射素子が必要とされ、典型的には、アンテナタイプ（例えば、ＤＲＡ：「直接放射アレイ」、ＡＦＲ：「アレイ給電反射鏡」）に応じて数十〜数百程度である。ビームフォーミングのためのデジタル処理は、入力信号、または受信側では放射素子から得られた信号および送信側では送信されるべきビームから得られた信号それぞれに対して線形結合を実行する。送信側と受信側は類似しており、同じ処理演算を必要とする。ビームフォーミングのための計算機能は、複素重み係数代入演算、すなわち、各ビーム、各放射素子および各データサンプルに対する複素乗算演算、ならびに、正当に計算された部分項を合成するための複素加算を含む。より具体的には、図３によって示されるように、ビームフォーミング機能は、重み係数１１０１１、１１０２１、１１０３１を代入して、複素乗算１１０１、１１０２、１１０３演算および部分項に対する複素加算１２０１、１２０２、１２０３演算を実行する合成器を用いて実行される。これらの合成器は、ビームフォーミングに応じて異なる線形結合を実行するよう組み立てられる。図１（受信側）および図２（送信側）によって示されるように、ＤＢＦアンテナは、回路基板と電子機器部品のセット７０１および７０２、７１１および７１２を備え、これらの処理演算を行うデジタルコンポーネントを組み込む。このようなアンテナの設計は、その論理的複雑性および電力消費量のため、搭載用としては問題がある。

形成されるべきビームの量および結集される複数の放射素子と関連する処理帯域幅は、デジタルコンポーネントのインターフェースにおいて計算ユニット（集積回路）と高スループットの必要性との間で非常に密な連結性をもたらす。これらのコンポーネントは、通常ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）またはＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）である。これらのコンポーネントの入出力インターフェースはすぐに飽和状態になるが、ＤＢＦ処理演算を組み込むための論理ゲートに関する容量は現在開発中である。この結果、ハードウェアの複雑性が増し、大多数のコンポーネントが十分に活用されていない状態ではこれは最適ではない。この結果、システムの重量、バルク、消費量およびコストが増加し、搭載用に対する制約を考慮すると、実現可能性の問題が提起される。ＤＢＦタイプのアンテナは公知であり、２００３年１２月２４日に出願された仏国特許出願公開第２８６４７１０Ａ１号明細書で説明されている。本文献は、この種のアンテナのアレイアーキテクチャについて説明する。

ハードウェアの複雑性および消費量に関するこれらの問題を克服するため、一般に、２つの解決策の考察が構想される。第１の解決策は、集積密度、処理速度、消費量、およびインターフェースのスループットにおける利得から利益を得るため、最も高度なマイクロエレクトロニクス技術を使用することにある。しかし、これらの技術に付随するコストは、通常増加し、法外なものであることを証明し得る。また、マイクロエレクトロニクス技術の更新サイクルは、エッチングの精細度９０ｎｍ未満のため、遅くなる傾向がある。この解決策は、計算によるビームフォーミングに関する要件の傾向に沿うにはますます不適切となることを証明している。将来の広帯域ミッション（通信衛星）の実現可能性を評価するために行われるアーキテクチャ研究により、一定の重量および消費量を考慮の上、一方では、広帯域ＤＢＦ要件の傾向と、他方では、中期の技術傾向で何が可能となるかとの間のギャップが広がりつつあることが示されている。

構想できる第２の解決策は、オペランドが固定されている場合の計算の組込みを最適化する公知の技法にある。ＤＢＦ機能の場合、回路の定義との関連で固定された複素重み係数が与えられる。すべての重み係数の再プログラミングに固有の柔軟性は、回路レベルでの再プログラミングでのみ得ることができる。したがって、この解決策は、再構成可能なＦＰＧＡコンポーネントの使用を課す。しかし、これらのコンポーネントは、ＡＳＩＣコンポーネントよりはるかに低い集積容量を有する。そこで、ＤＢＦ機能に必要とされる再構成可能なＦＰＧＡコンポーネントの数が多くなりすぎて、ハードウェアの複雑性および消費量の実現可能性を妥協することになる。

ＡＦＲタイプのアクティブアンテナの場合に、送信および／または受信におけるＤＢＦ機能の組込みの複雑性を低減することを可能にする解決策を提案する、特許文献国際公開第２００８／０７５０９９号パンフレット「Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ」が知られている。この種のアンテナは、給電部のサブセットを使用してビームを形成し、提案された解決策は、すべての給電部に線形結合を組み込んで未使用の給電部に対しゼロ重みを強制することよりもむしろ、ＤＢＦの上流に給電部のセレクタ（「スイッチ」）を組み込むことである。それにもかかわらず、この解決策は、ＡＦＲアンテナの場合のみ対処し、広帯域の場合の大多数のビームに対する集積回路のインターフェースの混雑に関する問題を解決することはなく、複雑性および消費量が増す。

提案される本発明により、マルチビームアクティブアンテナに付随する上述の問題すべてを解決することが可能になる。

マルチビームの計算によるビームフォーミングに基づくアンテナタイプの送信および／または受信のためのシステムは、ＲＦ（無線周波数）信号の送信および／または受信が可能な放射素子のアレイを備える。計算によるビームフォーミング機能は、送信の場合および受信の場合に均等にうまく適用される。受信の場合、ビームは、放射素子群によって受信されたＲＦ信号から得られ、場合により、周波数変換およびフィルタリングの後に、ベースバンド、ＩＦ、または直接ＲＦにおいてデジタル化されたデータの複素線形結合によって形成される。送信の場合、ビームは、デジタル／アナログ変換の前、場合により、周波数変換の前に、生成されるべきビームの、ベースバンド、ＩＦ、または直接ＲＦにおけるデジタル信号の複素線形結合によって、放射素子のための励起信号を生成することによって形成される。

より具体的には、本発明は、アクティブアンテナタイプのＲＦ信号の送信および／または受信のためのシステム用の、少なくとも１つのデジタル信号からのデータを処理するための装置であって、複数の放射素子を備え、複数の合成器を使用する計算によって少なくとも１本のビームを形成することが可能な、装置に関する。このため、データ処理装置は、少なくとも２組の合成器アレイと、少なくとも１つのベクトル変換器と、１つの逆変換器とを備える。

ベクトル変換器は、入力チャネルと、少なくとも２つの出力チャネルとを備え、出力チャネル側の留数計算の少なくとも２つのコンポーネントによって、入力チャネル側に存在するデジタル信号からベクトル表示のデータへと、整数のデジタルデータを変換することが可能であり、１つの出力チャネルを、それぞれのコンポーネント専用にする。

逆変換器は、少なくとも２つの入力チャネルと、１つの出力チャネルとを備え、出力チャネル側の整数のデジタルデータへと、入力チャネル側に存在する留数計算の少なくとも２つのコンポーネントによって定義されるベクトル表示のデータを変換することが可能であり、１つの入力チャネルを、それぞれのコンポーネント専用とする。

ベクトル変換器および逆変換器は、合成器アレイの両側に片方ずつ配置され、合成器アレイは、留数計算において前記コンポーネントを並行して処理するよう配置され、受信モードではビームを形成し、または、送信モードではアンテナの放射素子の励起信号を生成する。合成器アレイごとに、留数計算の固有のコンポーネントに付随する処理演算を行う。

ベクトル表示のいずれか１つのモードによれば、留数計算の第１のコンポーネントは、第１のダイナミックに対する整数形式で表され、留数計算の第２のコンポーネントは、第２のダイナミックに対する整数形式で表される。ベクトル変換器の入力側に存在する整数デジタルデータは、ｍに等しいダイナミックに対する整数形式で表され、整数形式で表された留数計算のコンポーネントのダイナミックは、厳密にｍ未満である。

留数計算では、整数値はベクトルによって表され、算術処理演算はベクトル化され、コンポーネントまたは計算平面ごとに独立して実行される。従来の方法でｎビットの整数（暗黙的に、モジュロ２^ｎ）に対して演算を実行する代わりに、ｒ個の整数コンポーネント（それぞれ、モジュロｍ_１、ｍ_２.．ｍ_ｒ）に対して並行して計算を実行する。モジュラスベース｛ｍ_１、ｍ_２．．ｍ_ｒ｝の選択では、次の２つの条件を満たさなければならない。一方は、モジュライｍ_ｉは互いに素でなければならないという条件であり、他方は、ｎビットの整数ダイナミックを表すよう、すべてのモジュライの積は２^ｎより大きくなければならないという条件である。それぞれの計算平面（ｉ）では、モジュロｍ_ｉ（１つの整数）を用いて処理演算を実行し、固有のダイナミックｍ_ｉは２^ｎをはるかに下回るものである。留数計算の数値のベクトル化表示のためのシステムは、一般に「留数システム」（ＲＮＳ）とも呼ばれる。

有利には、合成器アレイは、第２のコンポーネントとは独立して、第１のコンポーネントを処理する。

有利には、装置は、ビームの形成のために、ベクトル変換器から得られる留数計算のコンポーネントの数と等しい数の独立した合成器アレイを備える。

ＤＢＦ機能は、留数計算の処理演算を実行するよう選択された、基部の次元ほど多くの各ビームに対する独立した合成器アレイ（少なくとも２組）を備える。したがって、ファンクショナル平面上において、受信の場合に、ｒ個のコンポーネントを備えた留数計算において、ｉ個の放射素子からＮ本のビームを生成するアンテナは、（（Ｎ×ｒ組のアレイ）×ｉ）個の合成器を組み込み、ｉ個のベクトル変換器（１：ｒ）およびＮ個の逆変換器（ｒ：１）を伴うことになる。各機能は、各ビームに必要な帯域幅に対応するスループットを処理するよう次元決定される。しかし、当業者は、物理資源の使用を機能上の必要性に適合させ、複雑性を最適化することができる。

本発明の第１の変形形態によれば、装置は、第１および第２のコンポーネントを処理することが可能なベクトル変換器、逆変換器ならびに合成器アレイを集積する、少なくとも１種の実装手段を備える。表記「〜種の実装手段」は、ＦＰＧＡもしくはＡＳＩＣ回路などの任意のタイプの電子コンポーネント、または、電子回路基板を形成する電子コンポーネントセットもしくは複数の回路基板を備えたサブ機器部品を意味することを理解すべきである。

本発明の第２の変形形態によれば、よりモジュール的で広帯域ＤＢＦ要件に適したものとして、装置は、少なくとも３種の実装手段を備える。第１の実装手段は、合成器アレイの集積専用のものであり、第２の実装手段は、ベクトル変換器の集積専用のものであり、第３の実装手段は、逆変換器の集積専用のものである。この実装により、複雑性および消費量を最適化することが可能になり、これらの３つの機能の次元決定は特異的である。そこで、異なる実装手段（回路基板／回路）のインターフェース（入力および／または出力）は、留数計算において、データの符号化および留数計算のコンポーネントの異なるダイナミクスによって特定することができる。

一変形形態によれば、ＤＢＦ機能は、全く同一の帯域幅にすべてのビームを形成するか、または、別の帯域幅にビームを形成する。後者の例として、より効果的な変形形態では、装置は、デジタル信号処理手段、特に、狭帯域デジタル信号を多重化するための手段および／または広帯域デジタル信号を逆多重化するための手段も備え、合成器アレイおよび前記処理手段によって形成されるデータ処理連鎖において、合成器アレイの上流または下流に配置することができる。

ベクトル変換器は、これらのデジタル信号処理手段の上流に配置することができ、逆変換器は、デジタル信号処理手段の下流に配置することができ、デジタル信号処理手段は、留数計算でもデータを処理する。しかし、ＤＢＦ機能は、ベクトル化表示でのデータを処理する唯一の手段でもあり得、ベクトル変換器は、ＤＢＦ機能の直上流に配置され、逆変換器は、ＤＢＦ機能の直下流に配置される。

こうして、ＤＢＦ機能は、受信側では周波数デマルチプレクサまたはフィルタバンクの下流、および、送信側では周波数マルチプレクサの上流それぞれの、異なる帯域幅でビームを形成することができる。有利には、ハードウェア資源および電力消費量は、唯一、考慮される信号を処理することを目的として結集される（方向と関連する周波数チャネル）。有利には、個別の合成器アレイは、周波数デマルチプレクサまたは周波数マルチプレクサの個別の周波数帯に対応するスループットを処理するよう次元決定され、複雑性および消費量を最適化する。こうして、合成器アレイは、ＲＮＳコンポーネントによる、ビームによる、放射素子による、個別の周波数帯による４つの次元に関して組み立てられる。

複数の放射素子を備え、ｎ個の放射素子から少なくとも２本のビームを形成することが可能なアンテナ用の装置の変形形態によれば、少なくとも１つの放射素子は、前記ビームの形成において共通であり、前記ビームにおいて共通な前記放射素子から得られたデジタル信号データの同じコンポーネントを処理する合成器は、全く同一の電子コンポーネントに実装される。

レンズまたは反射鏡を備えたＤＢＦアンテナ、例えば、ＡＦＲタイプのアンテナの場合は、ＤＲＡの場合とは異なり、すべての放射素子が必ずしも各ビームの形成に貢献しているわけではない。受信側では、一般に、任意の放射素子が隣接ビームセットの形成に貢献し、対称的に、送信側では、任意のビームが隣接放射素子セットの励起に貢献する。有利には、この種のアンテナの場合、インターフェースをプールすることによって、すなわち、入力として同じデータを共有する処理演算を合成することによって、留数計算におけるＤＢＦの組込みは、各計算平面に対する複雑性が低減されるため（表面積およびインターフェースにおけるスループットの観点から）、各ＡＳＩＣ／ＦＰＧＡ回路に対してより多くの処理演算を集積することを可能にし、その結果、消費量および全体的な複雑性が低減される。

一変形形態によれば、デジタル装置／回路基板／合成器アレイタイプの回路は、計算平面のサブセット用に合成器を組み込む。有利には、このオプションにより、装置、電子回路基板およびＡＳＩＣ／ＦＰＧＡコンポーネントレベルで、インターフェースにおけるスループットに関する制約を緩和することが可能になる。

一変形形態によれば、装置／回路基板／合成器アレイタイプのデジタル回路は、すべての計算平面上に合成器を組み込む。有利には、ＤＢＦのすべての合成器アレイは、全く同一種の装置（全く同一種のＡＳＩＣ／ＦＰＧＡにさえ）に組み込み、開発および生産コストを最適化することができる。

ベクトル変換器および逆変換器によって引き起こされるさらなる複雑性にもかかわらず、このベクトル化表示は、広帯域ＤＢＦ機能に対して特に有利であり、大多数の乗算器を伴い、高スループットで演算する。実際には、並列処理により、各計算平面のダイナミックを低減した状態で、複雑性が低減された複数の計算平面に対する算術処理演算を加速することが可能になり、各計算平面の処理機能のインターフェースにおけるスループットもまた低減される。インターフェース（ダイナミックとともに低減されたファンクショナルスループット）の平面上の組込み粒度は、個別の処理演算（低減されたダイナミクスでの演算）の論理的複雑性の平面上の組込み粒度と同程度に大幅に強化され、これにより、ＡＳＩＣおよび／またはＦＰＧＡコンポーネントの集積容量のより良い開発が可能になり、その結果、ＤＢＦ機能の組込みの複雑性が低減する。また、ＤＢＦ機能の消費量および処理速度も、個別の演算子（加算器、乗算器）のダイナミックの低減により強化される。

一変形形態によれば、ベクトル変換器、逆変換器および合成器は、ＦＰＧＡタイプのコンポーネントを用いて設計される。実際には、個別の計算機能の組込み粒度の縮小により、ＡＳＩＣよりも低い集積容量を示すＦＰＧＡの使用が可能になる。

本発明によるＤＢＦ機能の実装は、ビーム、放射素子および広帯域の観点から要求される要件の場合、従来の技法と比較して、多くの利点を提供する。

独立した計算平面によって処理演算を細分化する際の第１の利点は、個別の合成器機能それぞれのインターフェースにおけるスループットの大幅な低減であり、これは一般に、ハードウェアアーキテクチャの有効性を制限する要因となる。

第２の利点は、第１の利点を拡大したものであり、表面積の観点から、および、消費量の観点から、ならびに、インターフェースの観点から、個別の合成器機能の組込み粒度の縮小であり、ハードウェア資源のより有効な利用、複雑性および全体的な消費量の低減が可能になる。

第３の利点は、第２の利点と関連付けられ、計算平面による新たなモジュール性次元の導入であり、より優れた設計の柔軟性およびモジュール性のため、ビームによる、放射素子による、個別の周波数帯による次元を補足する。例えば、特定の計算平面（モジュロ１３など）上でＤＢＦ処理演算を実行するＡＳＩＣは、全体的な計算ダイナミックを別のＤＢＦアンテナ用に変更しなければならない場合は再利用することができる。

第４の利点もまた、第２の利点から得られるもので、コストを削減するため、それほど高性能ではないマイクロエレクトロニクス技術、集積容量の低いＦＰＧＡもしくはＡＳＩＣ、処理速度の低いＦＰＧＡもしくはＡＳＩＣを使用する可能性である。

第５の利点は、計算平面によるダイナミックの低減および算術演算子の簡素化に固有のもので、重要な動作周波数の増強と関連する消費量の低減である。

第６の利点は、第１の利点と関連付けられ、ＤＢＦ ＡＦＲアンテナまたはレンズを備えたアンテナの場合に、全く同一セットの入力に関する処理演算用のインターフェースをプールすることによって、各集積回路に対して、より多くのＤＢＦ処理演算を集積することを可能にする。

したがって、本発明により、搭載用に対して求められた目的を達成することが可能になる。

本発明は、非限定的な例として提供される以下の説明を読み進め、添付図面を参照することによって、より良く理解され、他の利点が明らかとなろう。

受信モードでのＤＢＦアンテナのデータ処理連鎖を示すブロック図である。 送信モードでのＤＢＦアンテナのデータ処理連鎖を示すブロック図である。 送信モードと受信モードの両方に共通のデジタルチャネル形成処理を示すブロック図である。 ＡＦＲタイプのＤＢＦアンテナを示し、焦点による給電部の照射を示す図である。 ＤＢＦ計算の部分項を計算して蓄積する個別の合成器を示すブロック図である。 全く同一セットの入力からチャネルセットを形成するための合成器のマトリクス集合の例を示す図である。 ＲＮＳにおけるデジタル処理を示すブロック図である。 ＲＮＳにおけるＤＢＦ処理の実装を示すブロック図である。 効果的に隣接するビームを形成するためのインターフェース（受信側では、放射素子）のプーリングを示す図である。

本発明は、ＤＲＡタイプのアクティブＤＢＦアンテナおよび反射鏡を備えるアンテナ（例えば、「焦点アレイ給電反射鏡」を表すＦＡＦＲ、「アレイ給電反射鏡」を表すＡＦＲ）に適用される。本発明は、任意のアクティブＤＢＦアンテナに適用されるが、好ましくは、大多数の、すなわち、表示目的では最大で百個ほどの給電部からなる放射素子のアレイを備え、約１００〜５００ＭＨｚの周波数帯にわたって、複数の広帯域ビーム、すなわち、表示目的では最大で百本超ほどのビームを形成することを意図するアンテナに適用される。しかし、後者の表示は、決して本発明の範囲を制限するものではない。本発明は、有利には、より多くの放射素子を備えることができ、より広い周波数帯域にわたってより多くのビームを送信および／または受信することができる、より複雑なアンテナに適用される。以下で説明される実施形態は、特に、衛星搭載用のアンテナに関する。

図１に示されるように、本発明による受信モードのアンテナは、放射素子１０、１１、１２を備え、これらの放射素子は、フィルタリング２１０、増幅３１０、場合により、中間周波数またはベースバンドへの周波数変換４１０、アナログ／デジタル変換器５１０、場合により、周波数逆多重化機能６１０、および計算によるビームフォーミング機能７０１、７０２の操作を実行するためのアナログ入力連鎖に接続される。ＡＤＣの出力におけるデジタル信号は広帯域である。周波数逆多重化６１０によるチャネリングは、ＤＢＦ前後で実行することができる。有利な実施形態では、チャネリングはＤＢＦ前に実行され、次いで、複数の狭帯域信号６１１、６１２、６１３を処理する。各周波数デマルチプレクサ６１０の出力６１１、６１４は、ビームフォーマのセット７０１、７０２の入力に接続され、所望の方向におけるアンテナ利得を生成する空間フィルタリングから得られるデジタル信号８０１、８０２を生成する。

対称的に、図２に示されるように、本発明による送信モードのアンテナは、放射素子６０、６１を備え、これらの放射素子は、フィルタリング２６０、増幅３６０、周波数変換４６０、デジタル／アナログ変換器５６０、場合により、周波数多重化機能６６０、および計算によるビームフォーミング機能７１１、７１２の操作を実行するためのアナログ出力連鎖に接続される。ＤＡＣの入力におけるデジタル信号は広帯域である。周波数多重化６６０は、ＤＢＦ前後で実行することができる。有利な実施形態では、周波数多重化はＤＢＦ後に実行され、次いで、複数の狭帯域信号８５２、８５７、８６２、８６７を処理する。各周波数マルチプレクサ６６０の入力は、ビームフォーマのセット７１１、７１２の出力６５２、６５１に接続され、個別の周波数帯において放射素子のための励起信号を構成する。

チャネル形成とも呼ばれるＤＢＦデジタル処理は、送信側と受信側では同一であり、入力における複素線形結合に相当する。３つの入力に対して図３によって示されるように、入力信号１００１、１００２および１００３は、複素乗算器１１０１、１１０２および１１０３によって、割り当てられた複素係数１１０１１、１１０２１、１１０３１で重み付けされる。複素乗算器１１０１、１１０２および１１０３の出力１１１１、１１１２および１１１３は、加算器１２０１、１２０２、１２０３で加算され、部分項１２１１、１２１２、１２１３を生成する。そこで、加算連鎖の最後の部分項１２１３は、ＤＢＦ機能の出力に相当する。有利な実施形態では、合成器のこの規則的なアセンブリにより、全く同一の個別のモジュールごとに複雑性が異なる、ＤＢＦ処理演算を実行することが可能になる。個別の合成器は、複素乗算器と、複素加算器とを備え、１つの入力および１つのチャネルに対して部分項を計算する。

図５は、１つのファンクショナル入力および１つのチャネルに対して部分項の計算を実行する合成器５０２を示す。この個別の回路は、２つの入力と、１つまたは２つの出力とを備え、２つの入力はそれぞれ、考慮される信号５０２２および部分項上流５０２１の部分加算であり、１つまたは２つの出力はそれぞれ、新しく凝集された部分項５０２３、場合により出力５０２４として考慮される信号５０２２を他の合成器へ伝播するものである。有利には、合成器間でのこの考慮される信号５０２２／５０２４の伝播により、特に、合成器の数が多い場合、信号の分配を管理することが可能になり、ＤＢＦ機能用のモジュールアーキテクチャを実現する。個別の合成器は、複素乗算器５０２６を備え、ここでは、入力信号５０２２を係数５０２５で重み付けし、次いで、その結果５０２８が加算器５０２７を介して加算され、部分項５０２１を用いて、凝集された部分項を出力５０２３において生成する。

図６によって示されるように、合成器２２、２３は、入力セット２０、２１からチャネルセット２６、２７、２８を形成するため、マトリクスとして組み立てられる。このモジュールアーキテクチャによれば、それぞれの入力２０、２１の考慮される信号は、隣接する合成器間で段階的に伝播される。図６は、規則的なアセンブリの特定の例を提示する。これによれば、各入力は、ＤＲＡアンテナまたは特定のＡＦＲアンテナの例のように、すべてのチャネルの形成に貢献する。

図４によって示されるように、ＡＦＲアンテナは反射鏡２３２からなり、この反射鏡２３２は、方向２３０に応じて、入射光２３１を、焦点２４０に合わせて、給電部セットまたは放射素子に反射する。次いで、方向２３０に応じて、焦点によって照射された放射素子２５１、２５２、２５３、２５４は、結集され、その方向にビームを形成する。他の放射素子２６１、２６２は、他のビーム用の他の焦点２４１に対応する。隣接するビームは、共通の放射素子２５２を伴う、隣接する焦点または重なり合った焦点に対応する。有利な実施形態では、隣接するビームのＤＢＦ処理は、インターフェースのプーリングによる、異なる回路の外部入力／出力に関するデータの複製を制限するため、全く同一の回路または回路セットで実施される。これは、複雑性および消費量を最適化するために行われる。

図７は、整数信号に関する、加算および乗算に基づく線形デジタル処理演算のための、留数計算（ＲＮＳ）における組込みを示すブロック図を示す。入力信号１００は、まず、ＲＮＳ基部（必要なダイナミックをサポートするために選択される）で変換されるが、これは、ベクトル変換器３を使用して行われ、このベクトル変換器３は、考慮される信号１００のＲＮＳコンポーネント１０１、１０２、１０３を生成する。次いで、ファンクショナル処理演算が、異なる計算平面５０、５１、５２に対して、すなわち、ＲＮＳ基部のそれぞれのモジュライであるモジュロに対して、並行して、独立して行われる。異なる計算平面ごとに得られた結果である、留数計算におけるコンポーネント１０４、１０５、１０６は、最終的に、逆変換器４を使用して、所望の表示に応じて、整数信号１０７に変換される。図７において、保持されたＲＮＳ基部は、３つのコンポーネント、すなわち計算されたモジュロ｛１１、１３、１７｝を備え、最大ダイナミック１１×１３×１７＝２４３１が可能となり、これは、１２ビットでの従来の２進演算（２^１２＝２０４８＜２４３１）に適合する。モジュロ１１およびモジュロ１３の計算平面は、４ビットでの整数表示を必要とするが、モジュロ１７の計算平面は、５ビットを必要とする。有利には、算術処理演算は、３つの平面に対して、１２ビットの単一の計算チャネルに代わって４ビットまたは５ビットに対応する部分的なダイナミクスで、並行して、独立して、実行される。それぞれの計算平面は、その特定の明確なダイナミックによって区別され、出力インターフェースで観察することができる。

図８は、入力セット７１、７２、７３（受信側の放射素子からの信号、送信側の生成されるべきビームに付随する信号）に対する、チャネルセット９３、９４（受信の場合に形成されるビーム、送信の場合に形成される放射素子のための励起信号）を形成する、ＲＮＳにおけるＤＢＦ機能の組込みについて説明する。ベクトル変換器３０、３１、３２は、ファンクショナル入力７１、７２、７３と、合成器アレイ（５０１、５０２、５０３、．．）、（５１１、５１２、５１３、．．）を集積する複数の計算平面との間で接続される。各ベクトル変換器は、整数表示での入力チャネル７１と、コンポーネント７２２、７２１に対する留数表示での複数の出力チャネルとを備える。ファンクショナル入力７１はベクトル変換器３０の入力に接続され、合成器５０１はベクトル変換器の第１の出力チャネル７２２に連結され、合成器５１１はベクトル変換器の第２の出力チャネル７２１に連結される。合成器５０１は、第１の合成器アレイ（５０１、５０２、５０３、．．．）の一部を形成し、留数表示での第１のデータ形式でのデータ処理を可能にする。合成器５１１は、第２の合成器アレイ（５１１、５１２、５１３、．．．）の一部を形成し、留数表示での第２のデータ形式でのデータ処理を可能にする。

第１の合成器アレイは、次の通り接続される。合成器５０１の入力チャネルは、変換器３０の出力チャネルに連結され、出力チャネルは、合成器５０２の入力チャネルに接続される。合成器５０２の入力チャネルは、変換器３１の出力チャネルに連結され、合成器５０２の出力チャネルは、合成器５０３の入力チャネルに連結される。合成器５０３の入力チャネルは、変換器３２の出力チャネルに連結され、合成器５０３の出力チャネル９１は、逆変換器４０の入力チャネルに連結される。別の合成器アレイは、変換器３０、３１および３２ならびに逆変換器４０を用いて同様に配置される。逆変換器４０から得られたＤＢＦ機能によって生成されるチャネル１は、上述の合成器アレイを用いて形成され、各アレイは、独立して、異なる形式でデータを処理する。

他のビームは、チャネル１の形成に貢献する同じファンクショナル入力７１、７２、７３から生成することができる。このため、各チャネルに対して、複数の合成器アレイが実装され、全く同一の計算平面に属する他の合成器アレイに連結される。例えば、３つの他のチャネルは、逆変換器４１、４２および４３から得られ、各チャネルに対して、異なる計算平面に対応する異なる形式のデータを処理する複数の合成器アレイが、チャネル１を形成するアレイと同様に配置される。図８で示されるように、異なるチャネルに貢献し、全く同一の計算平面に属する合成器アレイは、ベクトル変換器のそれぞれのＲＮＳコンポーネントからすべての付随合成器への直接分配によって、あるいは、隣接する合成器間での各コンポーネントの段階的伝播によって相互接続される。このため、合成器５０１の出力チャネル７２３は、チャネル２の形成に貢献する合成器５０４の入力チャネルに連結され、さらに、次々と、隣接する合成器アレイに対しても同様に連結される。合成器５０２、５０３、５１１、５１２、５１３もまた、同じファンクショナル入力７１、７２、７３から他のチャネルを形成することを意図する合成器アレイに属する他の合成器に接続される。

より一般には、ファンクショナル入力セットを備えた、全く同一の計算平面に付随し、全く同一のチャネルを形成するための合成器は、部分項を蓄積するよう相互接続され、合成器アレイを構成する。異なる計算平面に属する合成器は、相互接続を共有しない。同じ形式のデータを処理し、同じファンクショナル入力から異なるチャネル形成することに貢献する合成器は、ファンクショナル入力信号のＲＮＳコンポーネントを伝播するよう相互接続される。

これらの異なる合成器アレイは、低減された部分的なダイナミクスに対して、独立して、並行して、処理演算を実行する。これらの合成器アレイは、集積回路または異なる電子機器部品に組み込むことができ、全く同一のファンクショナル入力に付随するデジタル処理演算は、異なる機器部品全体にわたって分配され得る。別のハードウェア構成によれば、モジュール性を犠牲にすることなく開発コストを削減する目的で、処理演算は、すべてのＲＮＳコンポーネントを全く同一の集積回路または電子機器部品に集積するため、チャネルおよび／またはファンクショナル入力セットによって分割される。特定の機器部品は、特に、広帯域モードにおける大多数のビームのための大多数の放射素子を備えた複雑なＤＢＦアンテナの場合、ベクトル変換器および逆変換器を集積する。そこで、これらのすべての電子機器部品（ベクトル変換器、逆変換器およびＤＢＦ処理演算）は、互いに素なモジュールに相当する、特定のダイナミクスのコンポーネントを伴う、留数表示でのデータのインターフェース特性を備える。

図３で示されるように、従来のＤＢＦアンテナは、各チャネル（１１０１、１２０１）、（１１０２、１２０２）、（１１０３、１２０３）に対して、単一の合成器アレイを備え、このアレイは、１０〜１６ビットまたはそれ以上のダイナミクスに対する従来の整数算術においてデータを処理する。本発明による実施形態を使用すると、ＤＢＦ処理演算の実装は、部分的なダイナミクスが数ビットまで低減された状態で、複数の独立した計算平面にわたって分配され、これにより、論理演算子レベルで相互接続部の密集度を大幅に軽減することが可能になる。この結果、有利に、表面の複雑性が低減され、配置および集積回路のルーティングが簡素化され、消費量が低減され、動作周波数が高くなる。

部分的なダイナミクスが大幅に低減された状態での計算平面上での処理演算の分割から得られる別の重要な利点は、表面の複雑性、消費量およびインターフェースにおけるスループットの観点から、合成器のより細かな組込み粒度に関する。組込み粒度における利得は、ハードウェア資源のより有効な利用が可能になり、ＤＢＦ機能の複雑性と消費量をともに低減することができる。

反射鏡またはレンズを備えるアンテナの場合は、この利点は、共有のファンクショナル入力（受信の場合は放射素子、送信の場合はビーム）から形成されたチャネルセット（受信の場合はビーム、送信の場合は放射素子）に関連する処理演算を、回路ごとに一緒に分類することによって増幅される。実際には、こうしてインターフェースをプールすることによって、ファンクショナル入力信号の分配は、回路基板レベルで、処理集積回路内で分配される。これにより、回路のインターフェースにおけるスループット制限をよりさらに緩和することが可能になる。図９は、本発明の実施形態による放射素子のプーリングの例を示す。２９個の放射素子１３、１４、１５、．．．のアレイにより、焦点６０、６１、６２、６３、６４に対応する５本のビームを形成することが可能になる。１つまたは複数の計算平面に対して、全く同一のＡＳＩＣ／ＦＰＧＡ回路に、これらの５本の隣接するビームに付随する合成器を集積することによって、これは、各ビームに対して５．８個の放射素子に相当する（それぞれの独立したビームに対して７個の放射素子と仮定する）、入力におけるデータの平均スループットを表す。したがって、このハードウェア構成により、全体的な複雑性および消費量の低減のために、インターフェースにおけるスループット制限を考慮の上、それぞれの集積回路に対して、より多くの合成器を集積することが可能になる。

ビーム量、放射素子および処理帯域幅の観点から、満たされるべき必要性に応じて、ならびに、選択されたＡＳＩＣ／ＦＰＧＡ技術の集積容量に応じて、本発明によるＤＢＦ機能の実装により、単一のＡＳＩＣ／ＦＰＧＡ内に、形成されるべきすべてのチャネルに対して、少なくとも１つの完全な計算平面の処理演算を集積することが可能になり得る。これは、少なくとも１つのファンクショナル入力に対してならびにこのファンクショナル入力を用いて形成されたすべてのチャネルに対して、回路がＲＮＳコンポーネントに対して処理演算を実行することができることを意味する。この場合、出力にファンクショナル入力信号を伝播するために、回路の外部インターフェースを割り当てることはもはや必要ではなく、したがって、合成器機能のより一層の集積が可能になる。この集積は、一般に、インターフェースの観点から、容量によって制限される。

ＤＢＦ機能が全く同一の帯域幅にビームを形成する本発明の変形形態によれば、ＤＢＦアンテナの受信の場合、放射素子からのデジタル信号は、ベクトル変換器の入力チャネルに接続され、前記変換器の出力チャネルは、合成器アレイセットの入力チャネルに接続され、前記合成器アレイの出力チャネルは、逆変換器の入力チャネルに接続され、その出力はビームを生成する。

ＤＢＦ機能が全く同一の帯域幅にビームを形成する本発明の変形形態によれば、ＤＢＦアンテナの送信の場合、送信されるべきビームに相当するデジタル信号は、ベクトル変換器の入力チャネルに接続され、前記変換器の出力チャネルは、合成器アレイセットの入力チャネルに接続され、前記合成器アレイの出力チャネルは、逆変換器の入力チャネルに接続され、その出力は放射素子のための励起信号を生成する。

図１および２によって示されるような一実施形態によれば、データ処理機器は、ＤＢＦ機能に加えて、データ処理手段６１０および６６０も備え、それぞれ周波数逆多重化および多重化機能を実行する。ベクトル変換器および逆変換器機能は、ＤＢＦ機能、周波数逆多重化および多重化機能の周りのさまざまな構成に応じて配置することができ、その結果、後者の２つの機能は、ベクトル化表示または従来の表示のデータに対して実行される。周波数逆多重化および多重化機能がベクトル化表示のデータに対して実行される第１の構成によれば、後者の機能を実行するデータ処理手段は、ベクトル変換器とそれに付随する逆変換器の間に配置される。周波数逆多重化および多重化機能が従来の表示のデータに対して実行される第２の構成によれば、後者の機能を実行するデータ処理手段は、ベクトル変換器とそれに付随する逆変換器の間に位置するデータ処理連鎖の一部の周りに配置される。

本発明の実装は、特定のデータ処理方法の使用を伴う。このため、ビームを形成するための計算方法は、送信および／または受信モードにおいて、以下の連続工程を含む。
− 整数形式で示されるデータを、留数表示でのデータ形式へ変換する。
− 受信モードではビームを形成し、送信モードではアンテナの放射素子の励起信号を形成するため、並行して、留数表示で、全く同一のベクトル変換器からデータを処理する。
− 留数表示の形式のデータを所望のデータ形式へ逆変換する。

本発明によるアンテナハードウェアアーキテクチャの詳細な研究により、既存の解決策と比較して、複雑性、必要な集積回路の数および全体的な消費量の著しい低減を実証することが可能になった。したがって、本発明によるＤＢＦ機能の実装により、ハードウェアの複雑性および消費量を最適化することによって、ビーム量、放射素子および処理帯域幅の観点から、需要要件を満たすことが可能になる。本発明は、好ましい実施形態で説明されたように、宇宙応用のための任意のＤＢＦアンテナばかりでなく、複雑性および消費量の制約を受ける、特に通信衛星などの搭載用の任意のＤＢＦアンテナにも適用される。

Claims (11)

1. アクティブアンテナタイプのＲＦ信号の送信および／または受信のためのシステム用の、少なくとも１つのデジタル信号からのデータを処理するための装置であって、複数の放射素子を備え、複数の合成器（５０１）を使用する計算によって少なくとも１本のビームを形成することが可能な、装置において、少なくとも２組の合成器アレイ（５０１〜５０３および５１１〜５１３）と、少なくとも１つのベクトル変換器（３０）と、１つの逆変換器（４０）とを備え、
   前記ベクトル変換器（３０）は、入力チャネル（７１）と、少なくとも２つの出力チャネル（７２１、７２２）とを備え、前記出力チャネル（７２１、７２２）側の留数計算の少なくとも２つのコンポーネントによって、ベクトル表示のデータへと、前記入力チャネル（７１）側に存在するデジタル信号の整数のデジタルデータを変換することが可能であり、１つの出力チャネルを、それぞれのコンポーネント専用とし、
   前記逆変換器（４０）は、少なくとも２つの入力チャネル（９１、９２）と、１つの出力チャネル（９３）とを備え、前記出力チャネル側の整数のデジタルデータへと、前記入力チャネル側に存在する留数計算の少なくとも２つのコンポーネントによって定義されるベクトル表示のデータを変換することが可能であり、１つの入力チャネルを、それぞれのコンポーネント専用とし、
   前記ベクトル変換器および前記逆変換器は、前記合成器アレイの両側に片方ずつ配置され、前記合成器アレイは、留数計算の前記コンポーネントを並行して処理するよう配置され、受信モードではビームを形成し、または、送信モードでは前記アンテナの放射素子の励起信号を生成し、合成器アレイごとに、留数計算の固有のコンポーネントに付随する処理演算を行うことを特徴とする、装置。
2. 留数計算の第１のコンポーネント（７２２）は、第１のダイナミックに対する整数形式で表され、留数計算の第２のコンポーネント（７２１）は、第２のダイナミックに対する整数形式で表されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. ベクトル変換器（３０）の入力（７１）側に存在する前記整数デジタルデータは、ｍに等しいダイナミックに対する整数形式で表され、整数形式で表された留数計算のコンポーネント（７２２）のダイナミックは、厳密にｍ未満であることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 合成器アレイは、前記第２のコンポーネント（７２２）とは独立して、前記第１のコンポーネント（７２１）を処理することを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. ビームの形成のために、ベクトル変換器から得られる留数計算のコンポーネントの数と等しい数の独立した合成器アレイを備えることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 少なくとも３種の実装手段を備え、第１の実装手段は、合成器アレイの集積専用のものであり、第２の実装手段は、前記ベクトル変換器の集積専用のものであり、第３の実装手段は、前記逆変換器の集積専用のものであることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記第１および前記第２のコンポーネントを処理することが可能な前記ベクトル変換器、前記逆変換器ならびに前記合成器アレイを集積する、少なくとも１種の実装手段を備えることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
8. ｎ個の放射素子から少なくとも２本のビームを形成することが可能なアンテナ用の装置であって、少なくとも１つの放射素子（２５２）は、前記ビームの形成において共通である、装置において、前記ビームにおいて共通な前記放射素子から得られた前記デジタル信号データの前記同じコンポーネント（７２２）を処理する前記合成器（５０１、５０４）は、全く同一の電子コンポーネントに実装されることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
9. デジタル信号処理手段（６１０）、特に、狭帯域デジタル信号を多重化するための手段および／または広帯域デジタル信号を逆多重化するための手段も備え、前記合成器アレイおよび前記処理手段によって形成されるデータ処理連鎖において、前記合成器アレイ（７０１、７０２）の上流または下流に配置することができる装置において、前記ベクトル変換器は、前記デジタル信号処理手段の上流に配置され、前記逆変換器は、前記デジタル信号処理手段の下流に配置され、前記デジタル信号処理手段は、前記留数計算でデータを処理することを特徴とする、請求項５に記載の装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置を備えることを特徴とする、マルチビームアクティブアンテナと呼ばれるＲＦ信号の送信および／または受信のためのシステム。
11. 請求項１０に記載のシステムを備えることを特徴とする、通信衛星。

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