JP2015224898A - Radio wave arrival direction estimation device and radio wave arrival direction estimation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、無線タグが出す電波がどの方向から来るかを推定することで、無線タグが存在している方向を推定する電波到来方向推定装置、および、その装置と無線タグとを備える電波到来方向推定システムに関する。 The present invention relates to a radio wave arrival direction estimation device that estimates the direction in which a radio tag exists by estimating from which direction the radio wave emitted by the radio tag comes, and a radio wave arrival comprising the device and the radio tag The present invention relates to a direction estimation system.
電波到来方向を推定する方法の一つとしてPseudo-doppler法が知られている(たとえば非特許文献1)。Pseudo-doppler法では、回転する板等の上にアンテナを取り付け、アンテナを円運動させることで電波発信源から出される電波に対するドップラーシフトを作り出す。 The Pseudo-doppler method is known as one of the methods for estimating the radio wave arrival direction (for example, Non-Patent Document 1). In the Pseudo-doppler method, an antenna is mounted on a rotating plate or the like, and the antenna is circularly moved to create a Doppler shift for the radio wave emitted from the radio wave source.
作り出したドップラーシフトは、アンテナの速度ベクトルが電波発信源に向かう方向となるとき、および、アンテナの速度ベクトルが電波発信源とは反対方向となるときに、それぞれプラス側あるいはマイナス側に最大となる。このようなドップラーシフトの変化を利用して電波発信源の方位を推定する。したがって、Pseudo-doppler法では観測信号を周波数解析する。非特許文献1では、周波数解析にフーリエ変換を用いている。
The created Doppler shift is maximized on the plus side or the minus side when the antenna velocity vector is in the direction toward the radio wave source and when the antenna speed vector is in the direction opposite to the radio wave source. . The direction of the radio wave source is estimated using such a change in Doppler shift. Therefore, the Pseudo-doppler method analyzes the frequency of the observed signal. In
Pseudo-doppler法を利用するために回転盤にアンテナを固定した装置(以下、アンテナ回転装置)を屋内に設置する場合、直接波とマルチパスによって生じる反射波とを分離することが必要になる。 In order to use the Pseudo-doppler method, when a device having an antenna fixed on a turntable (hereinafter referred to as an antenna rotating device) is installed indoors, it is necessary to separate a direct wave and a reflected wave caused by multipath.
直接波とマルチパスによって生じる反射波は、電波の到来角度が異なる。つまり、直接波と反射波とでは、見かけ上、電波発信源の方位が相違する。そして、前述したように、回転しているアンテナ回転装置が受信する電波は、電波発信源の方位を反映したドップラーシフトが生じる。よって、周波数分解能を高くすることで、直接波と反射波の分離が可能となる。 The direct wave and the reflected wave generated by multipath have different radio wave arrival angles. That is, the direction of the radio wave source is apparently different between the direct wave and the reflected wave. As described above, the radio wave received by the rotating antenna rotating device undergoes a Doppler shift reflecting the direction of the radio wave transmission source. Therefore, the direct wave and the reflected wave can be separated by increasing the frequency resolution.
フーリエ変換では、周波数分解能Δfは窓幅の逆数で与えられる。すなわち、解析する窓幅が広くなれば、周波数分解能が高く(Δfが小さく)なり、逆に窓幅が狭くなると周波数分解能が低く(Δfが大きく)なる。 In the Fourier transform, the frequency resolution Δf is given by the reciprocal of the window width. That is, if the window width to be analyzed is widened, the frequency resolution is high (Δf is small), and conversely if the window width is narrowed, the frequency resolution is low (Δf is large).
また、もちろん、直接波と反射波の周波数差が大きいほど、直接波と反射波の分離は容易になる。そこで、ドップラーシフト量を大きくすることも必要となる。 Of course, the greater the frequency difference between the direct wave and the reflected wave, the easier the separation of the direct wave and the reflected wave. Therefore, it is necessary to increase the Doppler shift amount.
これらのことから、非特許文献1に記載されている装置は、大きな円盤を回転周期をゆっくりにして回転させている。回転周期がゆっくりであっても、円盤が大きければ、円盤の外周付近に設置されているアンテナの速度は高くなるため、ドップラーシフトは大きくなる。また、回転周期がゆっくりであるため、時間窓を広くすることができる。そのため、周波数分解能Δfを高くすることもできる。
For these reasons, the apparatus described in Non-Patent
しかし、大きな円盤を用いるため、屋内の様々な場所に容易に設置できるものではなくなってしまう。屋内の様々な場所に容易に設置できるようにするためには、小型であることが望まれる。 However, since a large disk is used, it cannot be easily installed in various indoor places. In order to be easily installed in various indoor places, it is desired to be small.
円盤を小型化しつつドップラーシフトを大きくするには、角速度を速くすればよい。しかしながら、角速度を速くすると周波数解析の窓を広くとることができなくなる。時間窓TはT=N/fs(Nはサンプリング点数、fsはサンプリング周波数)の関係があり、角速度を速くするとNが小さくなるからである。角速度を速くすると周波数解析の窓を広くとることができないため、周波数分解能が低下してしまう。 To increase the Doppler shift while reducing the size of the disk, the angular velocity should be increased. However, if the angular velocity is increased, the frequency analysis window cannot be widened. This is because the time window T has a relationship of T = N / fs (N is the number of sampling points, fs is the sampling frequency), and N is reduced when the angular velocity is increased. If the angular velocity is increased, the frequency analysis window cannot be widened, so that the frequency resolution is lowered.
本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、小型化が可能であり、周波数分解能が高く、しかも、演算量も少なくすることができる電波到来方向推定装置および電波到来方向推定システムを提供することにある。 The present invention has been made based on this circumstance, and the object of the present invention is a radio wave arrival direction estimating apparatus that can be downsized, has high frequency resolution, and can reduce the amount of calculation. And providing a radio wave arrival direction estimation system.
上記目的を達成するための本発明は、無線タグ(100)が送信する予め設定された一定周波数の電波の到来方向を、180°よりも広い角度範囲に渡って推定する電波到来方向推定装置であって、回転盤(12)と、その回転盤を予め設定した一定周期で回転させる駆動部(13)と、その回転盤の上の回転中心以外の位置に固定されて無線タグが送信する電波を受信するアンテナ(11)とを備えた受信部(10)と、アンテナが受信した電波を表す受信信号から、中心周波数を0Hzとし、互いに直交するI成分信号およびQ成分信号を生成する直交信号生成部(20)と、受信信号のI成分信号およびQ成分信号のいずれか一方である第1成分信号を表現した式であって、無線タグからの電波到来方向を示すベースバンド信号位相を含む複数の未知パラメータを持つ第1成分信号モデル、および、受信信号のI成分信号およびQ成分信号のうち、第1成分信号ではない側である第2成分信号を表現した式であって、ベースバンド信号位相を含む複数の未知パラメータを持つ第2成分信号モデルを記憶している記憶部(32)と、直交信号生成部が生成したI成分信号およびQ成分信号のうちの第1成分信号となる側と、未知パラメータに数値を代入した第1成分信号モデルとの一致度を決定しつつ、未知パラメータを変化させる数値探索を、ベースバンド信号位相について180°の範囲で行って、直交信号生成部が生成したI成分信号およびQ成分信号のうちの第1成分信号となる側と最も一致する第1成分信号モデルになる未知パラメータの組み合わせを複数組決定する候補決定部(33)と、直交信号生成部が生成したI成分信号およびQ成分信号のうちの第2成分信号となる側と、未知パラメータに数値を代入した第2成分信号モデルとの一致度を、候補決定部が決定した複数組の未知パラメータの組み合わせに限定して決定し、直交信号生成部が生成したI成分信号およびQ成分信号のうちの第2成分信号となる側と最も一致する第2成分信号モデルになるベースバンド信号位相を、直交信号生成部が生成したI成分信号およびQ成分信号のベースバンド信号位相とする位相確定部(34)と、を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a radio wave arrival direction estimation device that estimates the arrival direction of a predetermined frequency radio wave transmitted by the wireless tag (100) over an angular range wider than 180 °. There is a rotating disk (12), a driving unit (13) for rotating the rotating disk at a predetermined period, and a radio wave transmitted by the wireless tag fixed at a position other than the center of rotation on the rotating disk. A quadrature signal that generates an I component signal and a Q component signal that are orthogonal to each other with a center frequency of 0 Hz from a reception signal (10) that includes an antenna (11) that receives the signal and a reception signal that represents a radio wave received by the antenna A generation unit (20) and an expression representing a first component signal that is one of an I component signal and a Q component signal of a received signal, and a baseband signal phase indicating a radio wave arrival direction from a wireless tag A first component signal model having a plurality of unknown parameters, and an expression representing a second component signal that is not the first component signal among the I component signal and the Q component signal of the received signal, A storage unit (32) storing a second component signal model having a plurality of unknown parameters including a band signal phase; a first component signal of the I component signal and the Q component signal generated by the orthogonal signal generation unit; A quadrature signal is generated by performing a numerical search for changing the unknown parameter in a range of 180 ° with respect to the baseband signal phase while determining the degree of coincidence between the first component signal model obtained by substituting the numerical value for the unknown parameter and the first component signal model. Determine a plurality of combinations of unknown parameters that become the first component signal model that most closely matches the first component signal side of the I component signal and the Q component signal generated by the unit The degree of coincidence between the complementary determination unit (33), the side that becomes the second component signal of the I component signal and the Q component signal generated by the orthogonal signal generation unit, and the second component signal model in which a numerical value is substituted for the unknown parameter Is determined only by the combination of a plurality of unknown parameters determined by the candidate determining unit, and is most consistent with the second component signal side of the I component signal and the Q component signal generated by the orthogonal signal generating unit. And a phase determination unit (34) that sets the baseband signal phase serving as the second component signal model as the baseband signal phase of the I component signal and the Q component signal generated by the quadrature signal generation unit.
本発明では、回転盤の上に固定されたアンテナで、無線タグが送信する一定周波数の電波を受信する。アンテナは、回転盤の回転により、無線タグに対して接近離隔を繰り返すことから、アンテナが受信する電波を表す受信信号は、正弦波が周波数変調された波形となる。 In the present invention, radio waves with a constant frequency transmitted by the wireless tag are received by an antenna fixed on the rotating disk. Since the antenna repeats approaching and separating from the wireless tag by the rotation of the turntable, the reception signal representing the radio wave received by the antenna has a waveform in which a sine wave is frequency-modulated.
直交信号生成部は、その受信信号から、中心周波数を0Hzとし、互いに直交するI成分信号およびQ成分信号を生成する。受信信号が、正弦波が周波数変調された波形であることから、I成分信号、Q成分信号も、正弦波が周波数変調された波形となる。 The orthogonal signal generation unit generates an I component signal and a Q component signal that are orthogonal to each other with a center frequency of 0 Hz from the received signal. Since the received signal is a waveform obtained by frequency-modulating a sine wave, the I component signal and the Q component signal are also waveforms obtained by frequency-modulating the sine wave.
正弦波が周波数変調された信号であり、中心周波数を0HzとしたI成分信号、Q成分信号は、無線タグからの電波到来方向を示すベースバンド信号位相が互いに180°異なっていても、無線タグとアンテナとの距離によっては、互いに同じ波形になる。 A sine wave is a frequency-modulated signal, and an I component signal and a Q component signal with a center frequency of 0 Hz can be used even if the baseband signal phases indicating the direction of arrival of radio waves from the wireless tag are 180 ° different from each other. Depending on the distance between the antenna and the antenna.
そこで、候補決定部は、I成分信号およびQ成分信号のいずれか一方である第1成分信号を表現した第1成分信号モデルのベースバンド信号位相を180°の範囲にわたり変化させる。そして、直交信号生成部が生成した第1成分信号に最も一致する第1成分信号モデルとなる未知パラメータの組み合わせを決定する。ただし、第1成分信号のベースバンド信号位相が互いに180°異なっていても、無線タグとアンテナとの距離によっては、互いに同じ波形になることから、ここで決定する未知パラメータの組み合わせは複数組となる。 Therefore, the candidate determination unit changes the baseband signal phase of the first component signal model representing the first component signal that is one of the I component signal and the Q component signal over a range of 180 °. And the combination of the unknown parameter used as the 1st component signal model which most closely matches the 1st component signal which the orthogonal signal generation part produced | generated is determined. However, even if the baseband signal phases of the first component signal are 180 ° different from each other, depending on the distance between the wireless tag and the antenna, the same waveform is obtained. Become.
位相確定部は、候補決定部が決定した複数組の未知パラメータの組み合わせに限定して、直交信号生成部が生成した第2成分信号との一致度を決定して、未知パラメータの組み合わせを決定する。そして、決定した未知パラメータの組み合わせに含まれているベースバンド信号位相を、直交信号生成部が生成したI成分信号およびQ成分信号のベースバンド信号位相とする。 The phase determination unit determines the degree of coincidence with the second component signal generated by the orthogonal signal generation unit by limiting to the combination of the plurality of unknown parameters determined by the candidate determination unit, and determines the combination of unknown parameters . Then, the baseband signal phase included in the determined combination of unknown parameters is set as the baseband signal phase of the I component signal and the Q component signal generated by the orthogonal signal generation unit.
このように、本発明では、無線タグが送信する電波の到来方向を、180°よりも広い角度範囲に渡って推定するにも関わらず、候補決定部が数値探索を行うベースバンド信号位相の範囲は、180°の範囲である。また、位相確定部が一致度を決定する未知パラメータの組み合わせは、候補決定部が決定した複数組の未知パラメータの組み合わせに限定している。したがって、演算量が少なくなる。 As described above, in the present invention, the range of the baseband signal phase in which the candidate determination unit performs a numerical search even though the arrival direction of the radio wave transmitted by the wireless tag is estimated over an angular range wider than 180 °. Is in the range of 180 °. Further, the combinations of unknown parameters for which the phase determination unit determines the degree of coincidence are limited to combinations of a plurality of unknown parameters determined by the candidate determination unit. Therefore, the calculation amount is reduced.
また、次の理由により、回転盤の小型化も可能である。無線タグが送信する周波数は一定周波数に設定されているが、実機では当然、送信する周波数にある程度の変動が生じる。アンテナの回転により生じるドップラーシフトの大きさが無線タグの送信する周波数の変動幅と同程度では、ドップラーシフトによる周波数変動を、無線タグが送信する周波数の変動と区別することができない。よって、周波数解析手法によらず、Pseudo-doppler法では、ある程度の大きさのドップラーシフトが生じる速度でアンテナを回転させる必要がある。 Further, the rotating disk can be downsized for the following reason. The frequency transmitted by the wireless tag is set to a constant frequency, but naturally, a certain amount of fluctuation occurs in the transmitted frequency in the actual device. If the magnitude of the Doppler shift caused by the rotation of the antenna is about the same as the fluctuation range of the frequency transmitted by the wireless tag, the frequency fluctuation caused by the Doppler shift cannot be distinguished from the fluctuation of the frequency transmitted by the wireless tag. Therefore, regardless of the frequency analysis method, the Pseudo-doppler method needs to rotate the antenna at a speed at which a certain amount of Doppler shift occurs.
回転盤を高速に回転させてしまうと窓幅が狭くなる。しかし、本発明では、フーリエ変換ではなく、直交信号生成部が生成した第1成分信号や第2成分信号と信号モデルとの一致度を用いて、直交信号生成部が生成した第1成分信号や第2成分信号を表す信号モデルの未知パラメータを決定している。そのため、回転盤を高速に回転させてドップラーシフトを大きくすることができる。つまり、回転盤に固定したアンテナの速度を速くするために回転盤を大きくする必要がない。したがって、回転盤の小型化が可能である。また、周波数分解能を高くするためには、数値探索するピッチを狭くすればよいことから、周波数分解能を高くすることも容易である。 If the turntable is rotated at high speed, the window width becomes narrow. However, in the present invention, the first component signal generated by the quadrature signal generation unit or the first component signal generated by the quadrature signal generation unit using the degree of coincidence between the first component signal or the second component signal generated by the quadrature signal generation unit and the signal model, An unknown parameter of the signal model representing the second component signal is determined. Therefore, it is possible to increase the Doppler shift by rotating the rotating disk at high speed. That is, it is not necessary to enlarge the rotating disk in order to increase the speed of the antenna fixed to the rotating disk. Therefore, it is possible to reduce the size of the turntable. Further, in order to increase the frequency resolution, it is only necessary to narrow the pitch for numerical search. Therefore, it is easy to increase the frequency resolution.
請求項2記載の発明は、請求項1に記載の電波到来方向推定装置と、予め設定された一定周波数の電波を送信する無線タグとを備えた電波到来方向推定システムである。
The invention described in claim 2 is a radio wave arrival direction estimation system including the radio wave arrival direction estimation device according to
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の電波到来方向推定システムは、図1に構成図を示す無線タグリーダ1と無線タグ100(図2参照)とを含んで構成される。無線タグリーダ1は、請求項の電波到来方向推定装置として機能する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The radio wave arrival direction estimation system of the present embodiment includes a
無線タグ100は、予め設定された一定の搬送波周波数f0の無変調波を送信する。この無線タグ100はアクティブ型であり、電波は連続的に送信してもよいが、電池寿命の点で、断続的に電波を送信することが好ましい。無線タグ100は人に携帯されるものであり、衣服のポケットに容易に収容可能な大きさである。
The
無線タグリーダ1は、受信部10と、直交信号生成部20と、信号処理部30とを備える。
The
<受信部10の説明>
受信部10は、アンテナ11、回転盤12、駆動部13を備える。アンテナ11は、回転盤12の外周縁に固定される。アンテナ11の形状および大きさは、無線タグ100が送信する無変調波を受信でき、回転盤12において回転中心以外の場所に固定できる大きさであれば、それ以外に制限はない。
<Description of Receiving
The receiving
回転盤12は、駆動部13によって回転させられる。回転盤12の形状は円盤形状に限らないが、駆動部13に対して偏心していないことが望ましい。回転盤12は、室内にも容易に設定できる大きさになっている。たとえば、直径15cmの円盤である。回転盤12が回転すると、その上に固定されているアンテナ11も同時に回転する。
The
駆動部13は、モーターを備えた構成であり、一定周期で回転盤12を回転させる。この一定周期は、確保したいドップラーシフトから定まるアンテナ11の回転速度と、アンテナ11の回転半径から定める。
The
<受信信号の特性>
ここで、アンテナ11が受信する信号(以下、受信信号)について説明する。図2は、回転盤12に固定されたアンテナ11が回転しているときのアンテナ11の速度ベクトルVを示している。アンテナ11が同図のaの位置では、アンテナ11は無線タグ100に対して直線的に接近しており、cの位置では、アンテナ11は無線タグ100に対して直線的に遠ざかっている。また、b、dの位置ではアンテナ11の速度ベクトルVb、Vdは、無線タグ100の方向の成分がゼロである。つまり、アンテナ11の速度ベクトルVの無線タグ100の方向成分は、回転盤12の回転により大小を周期的に繰り返す。
<Received signal characteristics>
Here, a signal (hereinafter, a received signal) received by the
よって、受信信号は、図3に示すように、時間変化に伴い周波数が正弦波状に変化する周波数変動信号である。なお、以下、周波数変動信号をFM信号という。また、受信信号の周波数変動幅は、アンテナ11の回転速度により定まる。
Therefore, as shown in FIG. 3, the received signal is a frequency fluctuation signal whose frequency changes in a sine wave shape with time. Hereinafter, the frequency variation signal is referred to as an FM signal. Further, the frequency fluctuation width of the received signal is determined by the rotation speed of the
<直交信号生成部20の説明>
直交信号生成部20は、バンドパスフィルタ21、局部発振器22、ミキサ23、ローパスフィルタ24、A/D変換器25、位相シフト器26、ミキサ27、ローパスフィルタ28、A/D変換器29を備えている。
<Description of Orthogonal
The orthogonal
バンドパスフィルタ21は、無線タグ100が送信する電波の周波数を中心として、アンテナ11が回転することにより生じるドップラーシフトから定まる周波数域を通過周波数帯域としている。このバンドパスフィルタ21は、アンテナ11が受信した受信信号から、ノイズを除去する。局部発振器22は、無線タグ100が送信する搬送波周波数f0と同じ周波数の局部発振信号を生成する。
The
ミキサ23は、局部発振信号と、バンドパスフィルタ21が出力した信号を混合して、局部発振信号の周波数とバンドパスフィルタ21が出力した周波数との和の周波数および差の周波数の信号を出力する。
The
ローパスフィルタ24は、ミキサ23が出力した信号から、局部発振信号の周波数とバンドパスフィルタ21が出力した周波数の差の周波数の信号を抽出する。局部発振信号の周波数が、無線タグ100が送信する搬送波周波数f0と同じ周波数であることから、バンドパスフィルタ21が抽出する信号は、0Hzを中心として変動する。このローパスフィルタ24が出力する信号を、以下、I成分信号という。A/D変換器25は、ローパスフィルタ24が抽出したアナログ信号であるI成分信号をデジタル信号に変換する。
The low-
位相シフト器26は、局部発振信号の位相を90°シフトさせる。ミキサ27は、位相シフト器26により90°位相がシフトされた局部発振信号と、バンドパスフィルタ21が出力した信号とを混合する。ローパスフィルタ28は、ミキサ27が出力した信号から、局部発振信号の周波数とバンドパスフィルタ21が出力した周波数の差の周波数の信号を抽出する。ただし、ローパスフィルタ28が出力する信号は、I成分信号に対して90°位相がずれている。ローパスフィルタ28が出力する信号を、以下、Q成分信号という。A/D変換器29は、ローパスフィルタ28が抽出したアナログ信号であるQ成分信号をデジタル信号に変換する。
The
<信号処理部30の説明>
信号処理部30は、信号取得部31、記憶部32、候補決定部33、位相確定部34を備える。信号取得部31は、A/D変換器25、29から信号を取得して、取得した信号を記憶部32あるいは図示しないRAMなどの所定の記憶部に格納する。
<Description of Signal Processing Unit 30>
The signal processing unit 30 includes a
前述したように、受信信号はFM信号である。したがって、受信信号の中心周波数を0Hzに変換し、かつ、I成分、Q成分に分けた信号であるI成分信号、Q成分信号も、FM信号である。 As described above, the received signal is an FM signal. Therefore, the I component signal and the Q component signal, which are signals obtained by converting the center frequency of the received signal to 0 Hz and divided into the I component and the Q component, are also FM signals.
記憶部32は、I成分信号を表現した式であるI成分信号モデル、およびQ成分信号を表現した式であるQ成分信号モデルを記憶している。
The
<I成分信号モデル、Q成分信号モデルの説明>
図4は正弦波をFM変調したFM信号を示している。そして、図4から分かるように、正弦波をFM変調した信号は式1で表現できる。この式1において、f0は搬送波周波数、Δfは最大周波数変位、φは初期位相(以下、ベースバンド信号位相)、f1は、ベースバンド信号周波数である。
FIG. 4 shows an FM signal obtained by FM-modulating a sine wave. As can be seen from FIG. 4, a signal obtained by FM-modulating a sine wave can be expressed by
式1の両辺に2πを乗じて角周波数ωに変換すると式2が得られる。
位相ψは角周波数ωを積分すればよいことから、式2を積分して、式3により位相ψを表すことができる。この式3において、θは搬送波位相である。
位相ψが式3で表わされるので、式1のFM信号を、時間に対する電圧Vの変化で表現すると、下記の式4になる。この式4において、αは振幅である。
受信信号はFM信号であることから、受信信号は上記式4で表される。受信信号においては、ベースバンド信号周波数f1は、回転盤12の回転周期の逆数であり、ベースバンド信号位相φは、無線タグリーダ1に対する無線タグ100の方位角、すなわち、無線タグ100からの電波到来方向である。
Since the received signal is an FM signal, the received signal is expressed by Equation 4 above. In the received signal, the baseband signal frequency f 1 is the reciprocal of the rotation period of the
受信信号が上記式4で表されるので、周波数が搬送波周波数f0である局部発振信号を混合して中心周波数を0Hzまで低下させたI成分信号、Q成分信号は、それぞれ、式5、式6で表すことができる。これら式5、式6がそれぞれ、I成分信号モデル、Q成分信号モデルである。 Since the received signal is expressed by Equation 4, the I component signal and the Q component signal obtained by mixing the local oscillation signal having the carrier frequency f 0 and reducing the center frequency to 0 Hz are expressed by Equation 5 and Equation 5, respectively. 6 can be expressed. These expressions 5 and 6 are an I component signal model and a Q component signal model, respectively.
この式5、6において、位相θIFは、搬送波位相θと局部発振信号の位相との差である。この位相θIFは、無線タグ100と無線タグリーダ1との距離により変化するので、未知パラメータである。また、ベースバンド信号位相φも未知パラメータである。一方、f1、Δfは既知パラメータである。
式6のQ成分信号モデルは、ベースバンド信号位相φを180°ずらしても、合わせて、位相θIFの符号も反転させると、元の式になってしまう。また、式5のQ成分信号モデルは、ベースバンド信号位相φを180°ずらしても、合わせて、位相θIFを−θIF+πに変えると、元の式になってしまう。すなわち、式5のI成分信号モデルも式6のQ成分信号モデルも、ベースバンド信号位相φが180°異なっているのに、同じ波形となるθIFが存在する。 Even if the baseband signal phase φ is shifted by 180 °, the Q component signal model of Equation 6 becomes the original equation if the sign of the phase θ IF is also inverted. In addition, the Q component signal model of Equation 5 becomes the original equation when the phase θ IF is changed to −θ IF + π even if the baseband signal phase φ is shifted by 180 °. That is, both the I component signal model of Equation 5 and the Q component signal model of Equation 6 have θ IF having the same waveform even though the baseband signal phase φ is 180 ° different.
このことを式変形を行って詳しく説明する。式5、式6において、φにφ+πを代入し、θIFに−θIFを代入すると、式7、式8になる。
sin(a+π)=−sin(a)であるから、式7、式8は、式9、式10に変形できる。
sin(−a)=−sin(a)、cos(−a)=cos(a)であるから、式9、式10は、式11、式12に変形できる。
式12は式6と同じである。つまり、Q成分信号は、ベースバンド信号位相φが180°異なっていても、合わせて、位相θIFが逆符号になると、それらを互いに区別することができない。しかし、式11と式5は異なることから、I成分信号により、(φ、θIF)と(φ+π、−θIF)とを区別できることが分かる。
しかし、I信号成分は(φ、θIF)と(φ+π、−θIF+π)を区別することができない。このことを次に説明する。式5、式6において、φにφ+πを代入し、θIFに−θIF+πを代入すると、式13、式14になる。
sin(a+π)=−sin(a)、cos(a+π)=−cos(a)であるから、式13、式14は、式15、式16に変形できる。
sin(−a)=−sin(a)、cos(−a)=cos(a)であるから、式15、式16は、式17、式18に変形できる。
式17は式5と同じである。つまり、I成分信号は、(φ、θIF)と(φ+π、−θIF+π)とを区別することができない。しかし、式18と式6が異なることから、Q成分信号により、(φ、θIF)と(φ+π、−θIF+π)とを区別できる。 Equation 17 is the same as Equation 5. That is, the I component signal cannot distinguish between (φ, θ IF ) and (φ + π, −θ IF + π). However, since Expression 18 and Expression 6 are different, (φ, θ IF ) and (φ + π, −θ IF + π) can be distinguished by the Q component signal.
このように、式5のI成分信号、式6のQ成分信号は、それぞれ、単独では、ベースバンド信号位相φを180°ずらした場合との区別ができないので、ベースバンド信号位相φを確定させるためには、I成分信号、Q成分信号の両方が必要である。 Thus, the I component signal of Equation 5 and the Q component signal of Equation 6 cannot be distinguished from the case where the baseband signal phase φ is shifted by 180 °, respectively, so that the baseband signal phase φ is determined. For this purpose, both an I component signal and a Q component signal are required.
ここで、仮に、受信信号を0Hzまで低下させるのではなく、中間周波数fmまで低下させる場合、I成分信号、Q成分信号ともに、ベースバンド信号位相φを180°ずらした信号と同じにはならない。 Here, if the received signal is not reduced to 0 Hz but is reduced to the intermediate frequency f m , neither the I component signal nor the Q component signal is the same as the signal obtained by shifting the baseband signal phase φ by 180 °. .
具体的に説明すると、式4のFM信号を中間周波数fmまで低下させた信号のQ成分信号は、下記式19になる。
この式19の(φ、θ)に、それぞれ、(φ+π、−θIF)を代入して、式6〜式12と同じように式変形すると、式20になる。
式20には、中間周波数fmの項が式19とは逆符号で残っていることから、式20と式19は同一ではない。つまり、受信信号を中間周波数fmまで低下させる場合には、I信号成分のみでも、ベースバンド信号位相φを確定させることができる。
The
以上の説明から分かるように、I成分信号、Q成分信号いずれか一方では、ベースバンド信号位相φを確定させることができなくなるのは、中心周波数を0Hzまで低下させた場合である。 As can be seen from the above description, the baseband signal phase φ cannot be determined for either the I component signal or the Q component signal when the center frequency is lowered to 0 Hz.
すでに説明したように、I成分信号、Q成分信号いずれか一方では、ベースバンド信号位相φを確定させることができない理由は、それらI成分信号、Q成分信号は、ベースバンド信号位相φを180°異ならせた信号と同じになるからである。 As described above, the reason why the baseband signal phase φ cannot be determined for either the I component signal or the Q component signal is that the baseband signal phase φ is 180 °. This is because it is the same as the different signal.
候補決定部33は、I成分信号およびQ成分信号のうち任意に定めた一方の信号である第1生成信号を、式5と式6の式のうち第1生成信号に対応する式を1つ用いて解析する。この解析により、無線タグ100からの電波到来方向を意味するベースバンド信号位相φの候補を決定する。以下の説明では、第1生成信号をI成分信号とする。
I成分信号の式を用いた解析は、具体的には、I成分信号の式の未知パラメータに数値を代入し、信号取得部31が取得したI成分信号との差(以下、残差エネルギーE)を算出する。残差エネルギーEは、信号モデルと信号取得部31が取得した信号との一致度を表している。
Specifically, the analysis using the expression of the I component signal is performed by substituting a numerical value into the unknown parameter of the expression of the I component signal, and the difference from the I component signal acquired by the signal acquisition unit 31 (hereinafter referred to as residual energy E). ) Is calculated. The residual energy E represents the degree of coincidence between the signal model and the signal acquired by the
この残差エネルギーEを、必要になる分解能(ここでは1°)から定まるピッチで未知パラメータに代入する数値を変化させるごとに算出する。未知パラメータに代入する数値を変化させつつ残差エネルギーEを算出する処理を、以下、数値探索と呼ぶ。 This residual energy E is calculated every time the numerical value to be substituted for the unknown parameter is changed at a pitch determined from the required resolution (here, 1 °). The process of calculating the residual energy E while changing the numerical value assigned to the unknown parameter is hereinafter referred to as a numerical search.
無線タグ100は360°の範囲に存在する可能性があるが、前述したように、I成分信号はベースバンド信号位相φを180°異ならせても、もとの波形と同じ波形になるθIFが存在する。このことを利用して、候補決定部33が数値探索する範囲は0°〜179°までとする。1°ごとの数値探索を行って、残差エネルギーEが最も小さくなったときの未知パラメータの組み合わせを決定する。
ベースバンド信号位相φが180°異なっているのに同じ波形となるθIFが存在することは、数値探索する範囲を狭めることができる点ではよいが、残差エネルギーEが最も小さくなる未知パラメータの組み合わせが、2組み存在することになる。そして、これら2組の未知パラメータの組み合わせにおける2つのベースバンド信号位相φは互いに異なる。この2つのベースバンド信号位相φを、ベースバンド信号位相φの候補に決定する。 The presence of θ IF having the same waveform even though the baseband signal phase φ is 180 ° is good in that the range of the numerical search can be narrowed, but the unknown parameter with the smallest residual energy E can be obtained. There will be two combinations. The two baseband signal phases φ in the combination of these two unknown parameters are different from each other. These two baseband signal phases φ are determined as candidates for the baseband signal phase φ.
位相確定部34は、候補決定部33が決定した2つのベースバンド信号位相φの候補のうち、いずれが無線タグ100からの電波到来方向を表しているかを第2成分信号を用いて決定する。第2成分信号は、I成分信号およびQ成分信号のうち、第1生成信号とはなっていない側の信号である。上述の説明では、第1成分信号をI成分信号として説明しているので、第2成分信号はQ成分信号であるとして説明する。
The
位相確定部34では、候補決定部33が決定した2組の未知パラメータの組み合わせに対して、信号取得部31が取得したQ成分信号と、式6のQ成分信号モデルとの間の残差エネルギーEを算出する。そして、2つの残差エネルギーEを比較して、小さい側の残差エネルギーEとなった未知パラメータの組み合わせに含まれているベースバンド信号位相φを、正しいベースバンド信号位相φとして確定する。この確定したベースバンド信号位相φが示す角度を、無線タグ100からの電波到来方向として推定する。
In the
以上、説明したように、本実施形態では、候補決定部33は、第1成分信号モデル(式5または式6)の未知パラメータの組み合わせを、ベースバンド信号位相φについて180°の範囲に渡って変化させ、未知パラメータの組み合わせを変化させるごとに残差エネルギーEを算出する。そして、残差エネルギーEが最小となった未知パラメータの組み合わせを、推定するベースバンド信号位相φを含む未知パラメータの組み合わせの候補とする。
As described above, in this embodiment, the
そして、位相確定部34により、候補決定部33が決定した候補に限定して数値探索し、無線タグ100からの電波到来方向を推定する。候補決定部33が決定する候補は2組であることから、位相確定部34は2つの候補に限定して数値探索することになる。
Then, the
第1成分信号モデルの未知パラメータの候補を決定するための数値探索が、ベースバンド信号位相φについて180°の範囲でよい理由は次の通りである。すなわち、式5、式6に示したI成分信号モデル、Q成分信号モデルが、ベースバンド信号位相φを180°ずらしても、ある位相θIFでは、ずらす前と同じ波形になるからである。換言すれば、式5のI成分信号モデル、式6のQ成分信号モデルは、波形が定まっても、ベースバンド信号位相φが定まらない不確定性があるからである。 The reason why the numerical search for determining the unknown parameter candidates of the first component signal model may be in the range of 180 ° with respect to the baseband signal phase φ is as follows. In other words, even if the I component signal model and the Q component signal model shown in Equations 5 and 6 shift the baseband signal phase φ by 180 °, a certain phase θ IF has the same waveform as before the shift. In other words, the I component signal model of Equation 5 and the Q component signal model of Equation 6 have uncertainty that the baseband signal phase φ is not determined even if the waveform is determined.
そして、式5、式6でI成分信号モデル、Q成分信号モデルを表すことができる理由は、無線タグリーダ1が受信する信号が、正弦波で周波数が変化するFM信号であり、かつ、この信号の中心周波数を0Hzに低下させ、かつ、IQ成分信号に分けた信号を解析するからである。
The reason why the I component signal model and the Q component signal model can be expressed by Expressions 5 and 6 is that the signal received by the
また、無線タグリーダ1が受信する信号が正弦波で周波数が変化するFM信号となる理由は、無線タグ100が無変調波を送信しており、この無変調波を回転盤12に設置したアンテナ11で受信するからである。
The reason why the signal received by the
以上より、本実施形態によれば、無線タグ100が無変調波を送信しており、この無変調波を回転盤12に設置したアンテナ11で受信することにより、受信信号は正弦波で周波数が変化するFM信号となる。そして、この受信信号から中心周波数0HzのI成分信号、Q成分信号を生成することにより、I成分信号、Q成分信号は、あるθIFでは、ベースバンド信号位相φが180°異なっていても同じ波形となる。そのため、第1成分信号モデルの未知パラメータの候補を数値探索する範囲が、ベースバンド信号位相φについて180°分で済む。そして位相確定部34では、候補となった2組の未知パラメータの組み合わせに限定して数値探索し、無線タグ100からの電波到来方向を推定する。
As described above, according to the present embodiment, the
したがって、本実施形態では、無線タグ100が、無線タグリーダ1の周囲360°の範囲に存在する可能性があるとしても、その無線タグ100の存在方向を推定するための数値探索が、ベースバンド信号位相φについて182°分で済むので、演算量が少なくなる。
Therefore, in the present embodiment, even if the
また、本実施形態では、信号取得部31が取得したI成分信号、Q成分信号と、信号モデルとの一致度を表す残差エネルギーEを算出して、信号取得部31が取得したI成分信号、Q成分信号を表す信号モデルを表す未知パラメータを決定している。そのため、回転盤12を高速に回転させてドップラーシフトを大きくすることができる。つまり、回転盤12に固定したアンテナ11の速度を速くするために回転盤12を大きくする必要がない。したがって、回転盤12の小型化が可能である。また、周波数分解能を高くするためには、数値探索するピッチを狭くすればよいことから、周波数分解能を高くすることも容易である。
In this embodiment, the I component signal acquired by the
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の変形例も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, The following modification is also contained in the technical scope of this invention, Furthermore, the summary other than the following is also included. Various modifications can be made without departing from the scope.
たとえば、前述の実施形態では、I成分信号モデル、Q成分信号モデルはそれぞれ1つずつであったが、I成分信号モデル、Q成分信号モデルを2つ以上用いてもよい。I成分信号モデル、Q成分信号モデルを2つ以上用いれば、マルチパスにおける到来波をそれぞれ特定することができる。 For example, in the above-described embodiment, there is one I component signal model and one Q component signal model, but two or more I component signal models and Q component signal models may be used. If two or more I component signal models and two Q component signal models are used, the incoming waves in the multipath can be specified.
たとえば、到来波が2波であり、それら2波が到来する可能性がある範囲が360°であるとして説明する。また、第1成分信号がI成分信号であるとする。それら2波の到来方向を1°の分解能で推定する場合、到来波の到来方向の組み合わせは、360×360通り存在する。 For example, it is assumed that there are two arriving waves and the range where these two waves may arrive is 360 °. Further, it is assumed that the first component signal is an I component signal. When the arrival directions of these two waves are estimated with a resolution of 1 °, there are 360 × 360 combinations of arrival directions of the arrival waves.
しかし、前述の実施形態のようにして未知パラメータの候補を決定する場合、いずれの到来波も、180°の範囲で数値探索すればよい。すなわち、候補決定部33は、第1波に対するI成分信号モデルI1と第2波に対する第1成分信号モデルI2の和であるI1+I2に対して、ベースバンド信号位相φ1、φ2について180×180通りの数値探索をすればよい。なお、φ1、φ2は、ぞれぞれ、第1波のベースバンド信号位相、第2波のベースバンド信号位相である。したがって、360×360通りを数値探索する場合に比較して、演算量が1/4になる。
However, when unknown parameter candidates are determined as in the above-described embodiment, any incoming wave may be numerically searched within a range of 180 °. That is, the
到来波が2波であると仮定して第1成分信号モデルを2つ用いる場合、候補決定部33が決定するベースバンド信号位相φ1、φ2の組み合わせの数は4組となる。位相確定部34は、それら4通りのベースバンド信号位相φ1、φ2を含む未知パラメータの組み合わせに限定して、第2成分信号モデルと、信号取得部31が取得した第2成分信号を比較する。
When two first component signal models are used on the assumption that there are two incoming waves, the number of combinations of baseband signal phases φ 1 and φ 2 determined by the
候補決定部33と位相確定部34の演算量を比較すると、候補決定部33の演算量が圧倒的に多い。したがって、2波の到来波を推定する場合には、360×360通りを数値探索する場合に比較して、おおよそ、演算量を1/4にできる。
Comparing the calculation amount of the
到来波が何波であるかを推定する方法は、たとえば、次の方法がある。第1の方法は、第1成分信号モデルが1つであるとして算出した残差エネルギーEの大きさが、閾値以下にならない場合に、到来波がそれ以上であるとして、第1成分信号モデルの数を増やしていき、閾値以下になったときの第1成分モデルの数を到来波の数とする。第2の方法は、無線タグリーダ1を設置している周囲環境における電波反射物体の位置から、推定する方法がある。
For example, there are the following methods for estimating the number of incoming waves. In the first method, when the magnitude of the residual energy E calculated as one first component signal model is not less than or equal to the threshold value, it is assumed that the incoming wave is greater than or equal to the first component signal model. The number is increased, and the number of first component models when the number becomes equal to or less than the threshold is set as the number of incoming waves. The second method is a method of estimating from the position of a radio wave reflecting object in the surrounding environment where the
なお、マルチパス環境下であっても、必ずしも複数の第1成分信号モデル、第2成分信号モデルを用いる必要はない。マルチパス環境下で第1成分信号モデル、第2成分信号モデルをそれぞれ1つのみとしてもよい。マルチパス環境下において、第1成分信号モデル、第2成分信号モデルをそれぞれ1つ用いる場合には、最も信号レベルの高い1つの到来波の信号モデルを決定することができ、最も信号レベルの高い到来波は多くの場合、直接波だからである。 Even in a multipath environment, it is not always necessary to use a plurality of first component signal models and second component signal models. Only one first component signal model and one second component signal model may be used in a multipath environment. In a multipath environment, when one each of the first component signal model and the second component signal model is used, the signal model of one incoming wave with the highest signal level can be determined, and the signal level is highest. This is because incoming waves are often direct waves.
1:無線タグリーダ、 10:受信部、 11:アンテナ、 12:回転盤、 13:駆動部、 20:直交信号生成部、 21:バンドパスフィルタ、 22:局部発振器、 23:ミキサ、 24:ローパスフィルタ、 25:A/D変換器、 26:位相シフト器、 27:ミキサ、 28:ローパスフィルタ、 29:A/D変換器、 30:信号処理部、 31:信号取得部、 32:記憶部、 33:候補決定部、 34:位相確定部、 100:無線タグ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Radio | wireless tag reader, 10: Receiving part, 11: Antenna, 12: Turntable, 13: Drive part, 20: Orthogonal signal generation part, 21: Band pass filter, 22: Local oscillator, 23: Mixer, 24: Low pass filter 25: A / D converter, 26: Phase shifter, 27: Mixer, 28: Low-pass filter, 29: A / D converter, 30: Signal processing unit, 31: Signal acquisition unit, 32: Storage unit, 33 : Candidate determination unit, 34: phase determination unit, 100: wireless tag
Claims (2)
回転盤(12)と、その回転盤を予め設定した一定周期で回転させる駆動部(13)と、その回転盤の上の回転中心以外の位置に固定されて前記無線タグが送信する電波を受信するアンテナ(11)とを備えた受信部(10)と、
前記アンテナが受信した電波を表す受信信号から、中心周波数を0Hzとし、互いに直交するI成分信号およびQ成分信号を生成する直交信号生成部(20)と、
前記受信信号のI成分信号およびQ成分信号のいずれか一方である第1成分信号を表現した式であって、前記無線タグからの電波到来方向を示すベースバンド信号位相を含む複数の未知パラメータを持つ第1成分信号モデル、および、前記受信信号のI成分信号およびQ成分信号のうち、前記第1成分信号ではない側である第2成分信号を表現した式であって、前記ベースバンド信号位相を含む複数の未知パラメータを持つ第2成分信号モデルを記憶している記憶部(32)と、
前記直交信号生成部が生成したI成分信号およびQ成分信号のうちの前記第1成分信号となる側と、前記未知パラメータに数値を代入した前記第1成分信号モデルとの一致度を決定しつつ、前記未知パラメータを変化させる数値探索を、前記ベースバンド信号位相について180°の範囲で行って、前記直交信号生成部が生成したI成分信号およびQ成分信号のうちの前記第1成分信号となる側と最も一致する前記第1成分信号モデルになる未知パラメータの組み合わせを複数組決定する候補決定部(33)と、
前記直交信号生成部が生成したI成分信号およびQ成分信号のうちの前記第2成分信号となる側と、前記未知パラメータに数値を代入した前記第2成分信号モデルとの一致度を、前記候補決定部が決定した複数組の未知パラメータの組み合わせに限定して決定し、前記直交信号生成部が生成したI成分信号およびQ成分信号のうちの前記第2成分信号となる側と最も一致する前記第2成分信号モデルになる前記ベースバンド信号位相を、前記直交信号生成部が生成したI成分信号およびQ成分信号の前記ベースバンド信号位相とする位相確定部(34)と、を備えることを特徴とする電波到来方向推定装置。 A radio wave arrival direction estimation device for estimating the arrival direction of a predetermined frequency radio wave transmitted by the wireless tag (100) over an angular range wider than 180 °,
A turntable (12), a drive unit (13) that rotates the turntable at a predetermined period, and a radio wave that is fixed at a position other than the center of rotation on the turntable and transmitted by the wireless tag A receiving unit (10) including an antenna (11) to perform,
An orthogonal signal generation unit (20) for generating an I component signal and a Q component signal orthogonal to each other with a center frequency of 0 Hz from a reception signal representing a radio wave received by the antenna;
A formula expressing a first component signal that is one of an I component signal and a Q component signal of the received signal, and a plurality of unknown parameters including a baseband signal phase indicating a radio wave arrival direction from the wireless tag. A first component signal model, and an expression representing a second component signal that is not the first component signal among the I component signal and the Q component signal of the received signal, and the baseband signal phase A storage unit (32) storing a second component signal model having a plurality of unknown parameters including:
While determining the degree of coincidence between the side of the I component signal and the Q component signal generated by the orthogonal signal generation unit that is the first component signal and the first component signal model in which a numerical value is substituted for the unknown parameter The numerical search for changing the unknown parameter is performed in a range of 180 ° with respect to the baseband signal phase, and becomes the first component signal of the I component signal and the Q component signal generated by the orthogonal signal generation unit. A candidate determination unit (33) for determining a plurality of combinations of unknown parameters that become the first component signal model that most closely matches the side,
The degree of coincidence between the I component signal and the Q component signal generated by the orthogonal signal generation unit and the second component signal model obtained by assigning a numerical value to the unknown parameter is determined as the candidate. Determining only a combination of a plurality of unknown parameters determined by the determination unit, and the best match with the side that becomes the second component signal of the I component signal and the Q component signal generated by the orthogonal signal generation unit A phase determination unit (34) that sets the baseband signal phase that becomes the second component signal model as the baseband signal phase of the I component signal and the Q component signal generated by the orthogonal signal generation unit. A radio wave arrival direction estimation device.
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