JP2017041792A

JP2017041792A - アレーアンテナ装置および遅延補償方法

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Publication number: JP2017041792A
Application number: JP2015163038A
Authority: JP
Inventors: 皓平須崎; Kohei Suzaki; 秀哉宗; Hideya So; 勝也中平; Katsuya Nakahira
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2035-08-20
Also published as: JP6422834B2

Abstract

【課題】
アンテナ間隔が大きいアレーアンテナ装置は、アンテナ間で大きな伝搬遅延が発生し、通信品質が劣化するという問題があった。
【解決手段】
複数のアンテナで送受信する信号を予め決められたサンプリング周期でサンプリングしてデジタル処理によりアンテナ間の遅延時間差を補正して合成するアレーアンテナ装置において、複数のアンテナのうち基準アンテナで送受信する基準信号と、他のアンテナで送受信する参照信号との間のサンプリング間隔単位のずれを補正した第１参照信号を生成する第１補正部と、第１参照信号を予め決められた所定のサンプリング周期だけずらした第２参照信号を生成し、第１参照信号と第２参照信号とを所定の比率で加算した補間信号を生成し、第１参照信号と基準信号との間のサンプリング間隔未満のずれを補正する第２補正部とを有することを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、アレーアンテナ装置における遅延を補償する技術に関する。

地上回線の使用が困難なディジタルディバイド地域、船舶および航空機、災害時における通信の確保などに対応するために、ＦＷＡ(Fixed Wireless Access)や衛星通信などの無線通信システムが活用されている。一方、近年のスマートフォンの普及により複数のユーザが大量のデータを送受信する機会が増えており、上述のような地上回線の使用が困難な領域において広帯域・大容量の信号の伝送が求められる場合、ＥＩＲＰ(Equivalent Isotropically Radiated Power)やＧ／Ｔ(Gain to noise Temperature ratio)などの通信性能の高い無線通信装置が必要となる。このような無線通信装置を低コストで実現する技術として、複数のアンテナ装置で構成される分散アレーアンテナ装置の検討がなされている(例えば非特許文献１参照)。

鈴木，須崎，廣瀬，小林，"分散アレーアンテナシステムの固定局適用に関する検討，"信学技報，SAT2011-36，Aug 2011.

分散アレーアンテナ装置は、通常のアレーアンテナと異なり、アンテナ間隔が大きいために伝搬経路長に差が生じ、アンテナ間で大きな伝搬遅延が発生する。この伝搬遅延を補正せずに通信を行った場合、通信品質が劣化するという問題がある。

例えば２本のアンテナで考えた場合、アンテナ間の伝搬遅延により、アンテナ間で受信信号の到達時間が異なる。このため、位相変調や位相振幅変調の変調シンボルが切り替わるタイミングに時間差が生じ、この区間における２本のアンテナの合成電力が減少して通信品質が劣化するという問題が生じる。そこで、伝搬遅延を補償する必要があるが、分散アレーアンテナ装置ではアンテナ間の距離が離れているため、アナログの遅延線などの遅延素子を多段接続して伝搬遅延を補償する方法は、非現実的であり適用が難しい。

上記課題に鑑み、本発明に係るアレーアンテナ装置および遅延補償方法は、アンテナ間隔が大きい場合であっても、アンテナ間の遅延時間差を高精度に補償することができる技術を提供することを目的とする。

第１の発明は、複数のアンテナで送受信する信号を予め決められたサンプリング周期でサンプリングしてデジタル処理によりアンテナ間の遅延時間差を補正して合成するアレーアンテナ装置において、複数のアンテナのうち基準アンテナで送受信する基準信号と、他のアンテナで送受信する参照信号との間のサンプリング間隔単位のずれを補正した第１参照信号を生成する第１補正部と、第１参照信号を予め決められた所定のサンプリング周期だけずらした第２参照信号を生成し、第１参照信号と第２参照信号とを所定の比率で加算した補間信号を生成し、第１参照信号と基準信号との間のサンプリング間隔未満のずれを補正する第２補正部とを有することを特徴とする。

第２の発明は、第２補正部は、第１参照信号と第２参照信号とを線形補間して補間信号を生成し、補間信号と基準信号との遅延時間および振幅が一致するように第１参照信号および第２参照信号の振幅をそれぞれ制御することを特徴とする。

第３の発明は、第２補正部は、第１参照信号と第２参照信号とにそれぞれ係数を加算した補間信号と基準信号との誤差に対して、最急降下法により誤差が最小になるように各係数を算出することを特徴とする。

第４の発明は、複数のアンテナで送受信する信号を予め決められたサンプリング周期でサンプリングしてデジタル処理によりアンテナ間の遅延時間差を補正して合成するアレーアンテナ装置における遅延補償方法であって、複数のアンテナのうち基準アンテナで送受信する基準信号と、他のアンテナで送受信する参照信号との間のサンプリング間隔単位のずれを補正した第１参照信号を生成する第１処理と、第１参照信号を予め決められた所定のサンプリング周期だけずらした第２参照信号を生成し、第１参照信号と第２参照信号とを所定の比率で加算した補間信号を生成し、第１参照信号と基準信号との間のサンプリング間隔未満のずれを補正する第２処理とを実行することを特徴とする。

第５の発明は、第２処理では、第１参照信号と第２参照信号とを線形補間して補間信号を生成し、補間信号と基準信号との遅延時間および振幅が一致するように第１参照信号および第２参照信号の振幅をそれぞれ制御することを特徴とする。

第６の発明は、第２処理では、第１参照信号と第２参照信号とにそれぞれ係数を加算した補間信号と基準信号との誤差に対して、最急降下法により誤差が最小になるように各係数を算出することを特徴とする。

本発明に係るアレーアンテナ装置および遅延補償方法は、アンテナ間隔が大きい場合であっても、アンテナ間の遅延時間差を高精度に補償することができる。

本実施形態に係るアレーアンテナ装置の一例を示す図である。伝搬遅延がある場合の合成電力の劣化の一例を示す図である。遅延プロファイルの一例を示す図である。サンプリング間隔未満の誤差の一例を示す図である。位相制御装置の一例を示す図である。補間信号生成の一例を示す図である。信号処理手順の一例を示す図である。シミュレーション結果の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係るアレーアンテナ装置の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係るアレーアンテナ装置１００の一例を示す。アレーアンテナ装置１００は、アンテナ１０１（１）、アンテナ１０１（２）、・・・、アンテナ１０１（Ｍ）のＭ台(Ｍは正の整数)のアンテナと、送受信装置１０２（１）、送受信装置１０２（２）、・・・、送受信装置１０２（Ｍ）のＭ台の送受信装置と、位相制御装置１０３と、変復調装置１０４とを有する。

ここで、アンテナ１０１（１）、アンテナ１０１（２）およびアンテナ１０１（Ｍ）に共通の事項を説明する場合は、符号末尾の（番号）を省略してアンテナ１０１と表記する。送受信装置１０２（１）、送受信装置１０２（２）および送受信装置１０２（Ｍ）についても同様に表記する。

図１において、アンテナ１０１は、パラボラアンテナであってもよいし、平面アンテナなど他のアンテナであってもよい。

送受信装置１０２は、通信先の通信装置１５１に送信する送信信号をアンテナ１０１に出力し、送受信装置１０２には、アンテナ１０１が受信する通信装置１５１からの受信信号が入力される。本実施形態に係るアレーアンテナ装置１００は、各アンテナ１０１毎に送受信装置１０２を有する独立したアンテナ装置が分散して配置された分散アレーアンテナであり、同一装置に複数のアンテナを有する通常のアレーアンテナに比べてアンテナ１０１の間隔が大きく、アンテナ１０１間の遅延時間差も大きくなる。

位相制御装置１０３は、複数の送受信装置１０２により送受信される信号の位相を制御して、通信先に対する送受信電力が最大になるように制御する。例えば、位相制御装置１０３は、各送受信装置１０２により送信される信号の位相を制御して、通信先方向に送信する電力が最大になるように制御する。また、位相制御装置１０３は、各送受信装置１０２の受信信号の位相を制御して、通信先から受信する受信信号の電力が最大になるように位相を制御して合成する。ここで、位相制御装置１０３は、送受信装置１０２が送受信する信号を所定のサンプリング周期でサンプリングしてデジタル値に変換し、デジタル処理により位相制御などを行う。また、本実施形態に係る位相制御装置１０３は、アンテナ１０１間の経路長差（遅延時間差）を高精度に補正する機能を有する。なお、位相制御装置１０３が行う遅延時間差の補正方法については後で詳しく説明する。ここで、例えばアンテナ１０１（１）の受信信号を基準とした場合、アンテナ１０１（２）の受信信号は、遅れている場合もあるし、進んでいる場合もあるが、本実施形態では、進み／遅れを区別する必要がある場合を除いて、進み／遅れの時間を含めて遅延時間と表記する。

変復調装置１０４は、アレーアンテナ装置１００に接続される基幹回線などから通信先の通信装置１５１に送信する送信データを予め決められた所定の変調方式(位相変調や位相振幅変調など)で変調して、変調した送信データを位相制御装置１０３に出力する。また、変復調装置１０４は、位相制御装置１０３から受け取る受信信号を通信先の変調方式に対応する復調方式で復調し、復調された受信データを基幹回線などに出力する。

このようにして、本実施形態に係るアレーアンテナ装置１００は、複数のアンテナ１０１により送受信する信号の位相を制御して、送受信電力が最大になるように制御して通信先の通信装置１５１との間で通信を行うことができる。

図２は、伝搬遅延がある場合の合成電力の劣化の一例を示す。図２において、横軸は時間(t)を示し、縦軸は振幅(amplitude)を示す。図２において、アンテナ１０１（１）とアンテナ１０１（２）との間には伝搬遅延があるので、例えばアンテナ１０１（１）とアンテナ１０１（２）との間で受信信号の到達時間が異なる。このため、位相変調や位相振幅変調の変調シンボルが切り替わるタイミングに時間差Ｔ１が生じ、このＴ１区間におけるアンテナ１０１（１）とアンテナ１０１（２）との合成電力が減少して通信品質が劣化する。

図３は、伝搬路の遅延特性を示す指標(遅延プロファイル)の一例を示す。図３において、横軸は遅延時間(Ｔ)を示し、縦軸は信号強度を示す。図３は、例えば、アンテナ１０１（１）を基準にして、アンテナ１０１（１）に対するアンテナ１０１（２）の遅延時間Ｔをサンプリング周期単位で示す。なお、サンプリング周期はＴｓとする。ここで、以降の説明において、アンテナ１０１（１）およびアンテナ１０１（２）の２本のアンテナを有するアレーアンテナ装置１００について説明するが、図１に示すように、Ｍ台のアンテナ１０１を有する場合でも同様に適用可能である。

図３の例では、アンテナ１０１（１）の受信タイミングを基準（遅延時間０）にして、アンテナ１０１（２）では、９サンプリング周期（９Ｔｓ）から１０サンプリング周期（１０Ｔｓ）程度、アンテナ１０１（１）より遅延して信号が受信されている。ここで、例えば、アンテナ１０１（１）とアンテナ１０１（２）との間の実際の遅延時間は、９Ｔｓと１０Ｔｓとの間にある可能性があり、サンプルタイミングのずれを補正するだけでは誤差が生じるという問題がある。そこで、本実施形態に係るアレーアンテナ装置１００では、先ず、サンプルタイミングのずれを補正し、次に、サンプルタイミング間隔未満のずれを補正する処理を行う。

図１の位相制御装置１０３は、図３に基づき説明したように、アンテナ１０１の受信信号から遅延プロファイルを求め、サンプルタイミングのずれ（Ｎ(Ｎは整数)サンプル時間の進み又は遅れ）を検出する。そして、位相制御装置１０３は、検出されたＮサンプルだけ受信タイミングを遅らせる又は受信タイミングを進ませることにより、アンテナ１０１間の受信タイミングが一致するように制御する。例えば図３の場合、アンテナ１０１（２）の受信タイミングがアンテナ１０１（１）の受信タイミングに対して９サンプル(９Ｔｓ)遅れているので、例えばアンテナ１０１（１）の受信タイミングを９サンプル遅らせる。

このようにして、本実施形態に係るアレーアンテナ装置１００は、アンテナ１０１（１）とアンテナ１０１（２）との間のサンプルタイミングのずれを補正することができる。なお、アンテナ１０１（１）とアンテナ１０１（２）との間にサンプリング間隔未満の遅延時間差がある場合、誤差が残っているため、位相変調や位相振幅変調などの変調シンボルが切り替わるタイミングにおいて、アンテナ１０１（１）とアンテナ１０１（２）との合成信号品質が劣化する。

図４は、サンプリング間隔未満の誤差の一例を示す。図４において、横軸は時間(ｔ)を示し、縦軸は振幅(amplitude)を示す。なお、白丸印はサンプリングタイミングを示す。

図４において、調整前のアンテナ１０１（２）は、アンテナ１０１（１）を基準として、約Ｎサンプル分だけサンプルタイミングが遅れており図２で説明したような問題が生じるため、アンテナ１０１（２）のサンプリングタイミングをＮサンプル分ずらす。ここで、アンテナ１０１（１）の信号とアンテナ１０１（２）の信号とを同じサンプル周期でサンプリングした場合でも、サンプリングする信号の位相は同じにはならない。この理由は、アンテナ１０１（１）とアンテナ１０１（２）との間の信号の遅延時間差が必ずしもサンプル周期の整数倍にはならないからである。このため、図４に示すように、アンテナ１０１（１）の信号とアンテナ１０１（２）の信号とを合成した場合、アンテナ１０１（１）の信号のサンプル点と、アンテナ１０１（２）の信号のサンプル点との間にはサンプルタイミングのずれｄＴが生じているので、シンボルの切替り目で誤差が残ってしまう。そこで、本実施形態に係る位相制御装置１０３は、アンテナ１０１（１）とアンテナ１０１（２）との間にサンプリング間隔未満の遅延時間差がある場合でも、位相変調や位相振幅変調などの変調シンボルが切り替わるタイミングにおいて、アンテナ１０１（１）とアンテナ１０１（２）との合成信号品質が劣化しないようにサンプリング間隔未満の遅延時間差を補正する。なお、具体的には、アンテナ１０１（１）とアンテナ１０１（２）との間の遅延時間だけでなく、振幅も一致するように制御される。

ここで、本実施形態では、例えば基準アンテナ(上記の例ではアンテナ１０１（１）)の受信信号を基準信号、他のアンテナ(上記の例ではアンテナ１０１（２）)の受信信号を参照信号とする。そして、基準信号と参照信号とのサンプリング間隔単位の遅延時間を補正した参照信号を第１参照信号とする。つまり、第１参照信号は、基準信号に対してサンプル間隔単位のずれは補正されているが、サンプル間隔未満の誤差を有している。そこで、本実施形態では、サンプル間隔未満の誤差を含むように、第１参照信号を進みまたは遅れの方向に１サンプルタイミングずらした第２参照信号を生成し、第１参照信号と第２参照信号とを補間(例えば線形補間)して基準信号との誤差が最小になるように補間信号を生成する。なお、補間信号の生成方法については、後で詳しく説明する。そして、受信側では、基準信号と補間信号とを合成することにより、分散アレーアンテナ装置１００が通信先から受信する電力を最大にすることができ、送信側では、基準信号を基準アンテナから送信し、補間信号を他のアンテナから送信することにより、分散アレーアンテナ装置１００が通信先方向へ送信する電力を最大にすることができる。

図５は、位相制御装置１０３の一例を示す。なお、図５において、図１と同符号のブロックは、図１と同一又は同様の機能を有する。

図５において、位相制御装置１０３は、受信側の処理として、Ａ／Ｄ(Analog /Digital)変換部２０１、Ａ／Ｄ変換部２０２、遅延推定/サンプル遅延部２０３、遅延部(delay/lead)２０４、乗算部２０５、乗算部２０６、加算部２０７、係数算出部２０８および合成部２０９を有する。また、送信側の処理として、サンプル遅延部３０１、遅延部(delay/lead)３０２、乗算部３０３、乗算部３０４、加算部３０５、Ｄ／Ａ(Digital/Analog)変換部３０６およびＤ／Ａ変換部３０７を有する。

まず、受信側の動作について説明する。

図５において、Ａ／Ｄ変換部２０１は、アンテナ１０１（１）から送受信装置１０２（１）を介して受信する信号をデジタル値f_r1(T₀)に変換する。

Ａ／Ｄ変換部２０２は、アンテナ１０１（２）から送受信装置１０２（２）を介して受信する信号をデジタル値f_r2(T₀)に変換する。

遅延推定/サンプル遅延部２０３は、図３で説明した遅延プロファイルの算出により、時間T₀におけるアンテナ１０１（１）（基準）の受信信号 f_r1(T₀) に対して、アンテナ１０１（２）の受信信号f_r2(T₀)の進み／遅れ時間NT_s(N：正の整数，T_s：サンプリング周期)を推定する。そして、遅延推定/サンプル遅延部２０３は、進み／遅れ時間NT_sの調整を行った信号を出力する（信号(1)）。なお、アンテナ１０１（１）の受信信号 f_r1(T₀) は、遅延推定/サンプル遅延部２０３からそのまま出力される。

これにより、アンテナ１０１（１）とアンテナ１０１（２）との間の進み／遅れ時間のうち、サンプル周期分のずれが補正される。なお、この時点では、図４で説明したように、サンプリング間隔未満の進み／遅れ時間は残っており、以降の処理でサンプリング間隔未満の進み／遅れ時間を補正する必要がある。

遅延部２０４は、遅延推定/サンプル遅延部２０３が出力する信号(1)に対して１サンプル時間遅れ／進みの調整を行った信号を出力する。例えば、遅延推定/サンプル遅延部２０３が出力する信号(1)がNT_sだけ進んでいる場合は、１サンプル進ませて-(N+1)T_sに調整し、遅延推定/サンプル遅延部２０３が出力する信号(1)がNT_sだけ遅れている場合は、１サンプル遅らせて(N+1)T_sに調整する（信号(2)）。

乗算部２０５は、遅延推定/サンプル遅延部２０３が出力する信号(1)に係数w₁を乗算する（信号(3)）。なお、係数w₁については後で詳しく説明する。

乗算部２０６は、遅延部２０４が出力する信号(2)に係数w₂を乗算する（信号(4)）。なお、係数w₂については後で詳しく説明する。

加算部２０７は、乗算部２０５が出力する信号(3)および乗算部２０６が出力する信号(4)を加算する（信号(5)）。なお、加算部２０７から出力される信号(5)を補間信号とも称する。

係数算出部２０８は、遅延推定/サンプル遅延部２０３が出力するアンテナ１０１（１）の受信信号f_r1(T₀)と、加算部２０７が出力する補間信号(信号(5))とに基づいて、係数w₁および係数w₂を算出する。係数算出部２０８は、ＭＭＳＥ(Minimum Mean Square Error)アルゴリズム(例えばＬＭＳ(Least Mean Square)などの最急降下法)を用いて、基準との誤差が最小となる信号波形を生成する。

例えば、係数算出部２０８は、サンプル間隔単位での遅れ／進みを補正した信号(第１参照信号)と、第１参照信号の遅れ／進みを１サンプル分だけずらした信号(第２参照信号)とにそれぞれ係数を乗算して加算した補間信号(信号(5))に対する基準アンテナの基準信号f_r1(T₀)との誤差が最小となるように、係数(w₁,w₂)を更新する処理を繰り返して誤差を低減する。このようにして、位相制御装置１０３は、アンテナ１０１（１）の受信信号f_r1(T₀)と、加算部２０７が出力する補間信号との間の誤差が最小となる係数(w₁,w₂)を求めることができる。ここで、係数w₁の情報は、係数算出部２０８から乗算部２０５および乗算部３０３にそれぞれ入力され、係数w₂の情報は、係数算出部２０８から乗算部２０６および乗算部３０４にそれぞれ入力される。

合成部２０９は、アンテナ１０１（１）の受信信号f_r1(T₀)と、加算部２０７が出力する信号(5)とを合成した受信信号を変復調装置１０４に出力する。

このようにして、本実施形態に係るアレーアンテナ装置１００は、アンテナ１０１間におけるサンプリング間隔未満の誤差を補正して合成するので、位相変調や位相振幅変調などの変調シンボルが切り替わるタイミングにおいて合成信号品質が劣化しないようにすることができる。

次に、送信側の動作について説明する。

図５において、サンプル遅延部３０１には、送信信号と、受信側の遅延推定/サンプル遅延部２０３が受信信号の遅延プロファイルにより算出した±Nサンプルの進み／遅れ時間NT_sの遅延量情報とが入力される。そして、サンプル遅延部３０１は、時間T₀における送信信号をアンテナ１０１（１）の送信信号f_t1(T₀)と、アンテナ１０１（２）の送信信号f_t2(T₀)とに分割する。サンプル遅延部３０１は、分割された送信信号のうち、アンテナ１０１（２）の送信信号f_t2(T₀)に対して、受信側の進み／遅れ時間NT_sだけ調整する（信号(6)）。

遅延部３０２は、サンプル遅延部３０１が出力する信号(6)に対して１サンプル時間遅れ／進みの調整を行った信号を出力する。例えば、サンプル遅延部３０１が出力する信号(6)がNT_sだけ進んでいる場合は、１サンプル進ませて-(N+1)T_sに調整し、遅延推定/サンプル遅延部２０３が出力する信号(6)がNT_sだけ遅れている場合は、１サンプル遅らせて(N+1)T_sに調整する（信号(7)）。

乗算部３０３は、サンプル遅延部３０１が出力する信号(6)に係数算出部２０８が算出した係数w₁を乗算する（信号(8)）。

乗算部３０４は、遅延部３０２が出力する信号(7)に係数w₂を乗算する（信号(9)）。

加算部３０５は、乗算部３０３が出力する信号(8)と乗算部３０４が出力する信号(9)とを加算して次式により補間信号を生成する。

Ｄ／Ａ変換部３０６は、サンプル遅延部３０１が出力するアンテナ１０１（１）の送信信号f_t1(T₀)をアナログ信号に変換して送受信装置１０２（１）を介してアンテナ１０１（１）から送信する。

Ｄ／Ａ変換部３０７は、加算部３０５が出力する式(1)の信号をアナログ信号に変換して送受信装置１０２（２）を介してアンテナ１０１（２）から送信する。

このように、送信側では、サンプル遅延部３０１がアンテナ１０１（１）の送信信号f_t1(T₀)に対して遅れ（進み）の信号および進み（遅れ）の信号をそれぞれ生成し、それぞれの信号に受信側の係数算出部２０８が求めた振幅係数（w₁，w₂）を乗算後に加算して線形補間を行い、補間信号を式(1)により生成してアンテナ１０１（２）から送信する。これにより、アンテナ１０１（１）とアンテナ１０１（２）との間におけるサンプル間隔未満の遅延時間の誤差を補正することができる。なお、送信電力は基準アンテナのアンテナ１０１（１）と同一になるように正規化する。

このようにして、本実施形態に係るアレーアンテナ装置１００は、アンテナ１０１間におけるサンプリング間隔未満の誤差を含む遅延時間のずれを補正して合成するので、位相変調や位相振幅変調などの変調シンボルが切り替わるタイミングにおいて合成信号品質が劣化しないようにすることができる。

図６は、補間信号生成方法の一例を示す。図６（ａ）は、例えば送信信号を１サンプル遅延前の元の信号と、１サンプル遅延後の信号との一例を示す。なお、横軸は時間(t)、縦軸は振幅(amplitude)、白丸印はサンプリングタイミングをそれぞれ示し、振幅は１に正規化してある。図６（ｂ）は、１サンプル遅延前の信号に係数w₁、１サンプル遅延後の信号に係数w₂をそれぞれ乗算後の信号の一例を示し、１サンプル遅延前の信号の振幅は１からw₁になり、１サンプル遅延後の信号の振幅は１からw₂に調整される。図６（ｃ）は、振幅係数(w₁,w₂)の乗算後の１サンプル遅延前の信号４０１と、１サンプル遅延後の信号４０２とを加算して補間信号４０３を生成する例を示す。

このように、本実施形態に係るアレーアンテナ装置１００は、１サンプル遅延前の信号と、１サンプル遅延後の信号とを用いて、振幅係数(w₁,w₂)により重み付けを行うことにより、サンプリング間隔未満の誤差を補正した補間信号を生成することができる。

例えば、f_r1(T0) に対して進み（遅れ）の信号は、次の信号(10)で表され、f_r1(T0) に対して１サンプル遅延後の進み（遅れ）の信号は、次の信号(11)で表される。

ここで、上記の場合、サンプリング間隔未満の補間値は、信号(10)と信号(11)との間に存在する。そこで、本実施形態では、信号(10)と信号(11)とにそれぞれ振幅係数(w₁,w₂)により重み付けを行って線形補間してサンプリング間隔未満の補間値を求める。なお、本実施形態では、最適な補間値を求めるために、信号(10)と信号(11)とにそれぞれ振幅係数(w₁,w₂)により重み付けを行って線形補間した補間値と、基準アンテナの受信信号f_r1(T0)との差が最小になるようにLMS法を用いているが、他の手法を用いて補間値を推定するようにしてもよい。

本実施形態では、送信側で使用する振幅係数（w₁，w₂）を受信信号から求めて、送信信号にも受信信号から求めた振幅係数（w₁，w₂）を適用する。また、図１に示した通信先の通信装置１５１への送信経路と、通信装置１５１からの受信経路とは、同一経路であるので、送信および受信における遅延時間は同じであり、送信と受信とで遅延時間の進み／遅れの関係が逆になる。

図７は、アレーアンテナ装置１００における信号処理手順の一例を示す。なお、図７のフローチャートは、図５に示した位相制御装置１０３の各部の処理に対応する。

ステップＳ１０１において、遅延推定/サンプル遅延部２０３は、基準アンテナに対するアンテナ間の受信信号の時間差を比較し、遅延プロファイルを作成する。

ステップＳ１０２において、遅延推定/サンプル遅延部２０３は、ステップＳ１０１で作成した遅延プロファイルに基づいて、アンテナ間の受信信号の時間差(NT_s)を推定する。

ステップＳ１０３において、遅延推定/サンプル遅延部２０３は、ステップＳ１０２で推定した時間差(NT_s)分だけサンプリング間隔単位の遅延時間(NT_s)を調整する。

ステップＳ１０４において、係数算出部２０８は、最小二乗誤差法(LMS)により、サンプリング間隔未満の遅延を補正するための最適化係数(w₁,w₂,・・)を算出する。

ステップＳ１０５において、遅延推定/サンプル遅延部２０３が推定したサンプルタイミングの時間差(NT_s)だけ信号を遅延させた後、さらに、１サンプルタイミングの進み/遅れを調整した信号を生成する。

ステップＳ１０６において、加算部２０７は、乗算部２０５，２０６で係数(w₁, w₂,・・)が乗算された信号を加算して補間信号を生成する。あるいは、加算部３０５は、乗算部３０３，３０４で係数(w₁, w₂,・・)が乗算された信号を加算して補間信号を生成する。

図８は、本実施形態を適用した場合のシミュレーション結果の一例を示す。図８において、横軸はビットエネルギー対雑音電力密度比Eb/N0(the energy per bit to noise power spectral density ratio)、縦軸は符号誤り率特性ＢＥＲ(Bit Error Rate)をそれぞれ示す。シミュレーションは、変調方式がＱＰＳＫ(Quadri-Phase Shift Keying)で誤り訂正なし、アンテナ１０１（１）の送信信号とアンテナ１０１（２）の送信信号とが0.48サンプル分遅延した信号を同相合成した場合を条件とした。図８において、(1)が遅延無しの場合の理論値、(2)がサンプリング間隔のみの補正を行った場合の結果、(3)が本実施形態で提案する方法(サンプリング間隔未満の補正を行った場合)の結果をそれぞれ示す。

サンプリング間隔未満の補正を行った場合の結果は、サンプリング間隔のみの補正を行った場合の結果に対して、ＢＥＲ＝10^-3において約0.4dBほど特性が改善していることが確認できる。

以上説明したように、本実施形態に係るアレーアンテナ装置１００は、アンテナ１０１間におけるサンプリング間隔未満の誤差を補正して合成するので、位相変調や位相振幅変調などの変調シンボルが切り替わるタイミングにおいて合成信号品質が劣化しないようにすることができ、アンテナ間隔が大きい場合であっても、アンテナ間の遅延時間差を高精度に補正することができる。

１００・・・アレーアンテナ装置；１０１,１０１（１）,１０１（２）,１０１（Ｎ）・・・アンテナ；１０２,１０２（１）,１０２（２）,１０２（Ｎ）・・・送受信装置；１０３・・・位相制御装置；１０４・・・変復調装置；２０１・・・Ａ／Ｄ変換部；２０２・・・Ａ／Ｄ変換部；２０３・・・遅延推定/サンプル遅延部；２０４・・・遅延部；２０５・・・乗算部；２０６・・・乗算部；２０７・・・加算部；２０８・・・係数算出部；３０１・・・サンプル遅延部；３０２・・・遅延部；３０３・・・乗算部；３０４・・・乗算部；３０５・・・加算部；３０６・・・Ｄ／Ａ変換部；３０７・・・Ｄ／Ａ変換部

Claims

複数のアンテナで送受信する信号を予め決められたサンプリング周期でサンプリングしてデジタル処理によりアンテナ間の遅延時間差を補正して合成するアレーアンテナ装置において、
前記複数のアンテナのうち基準アンテナで送受信する基準信号と、他のアンテナで送受信する参照信号との間のサンプリング間隔単位のずれを補正した第１参照信号を生成する第１補正部と、
前記第１参照信号を予め決められた所定のサンプリング周期だけずらした第２参照信号を生成し、前記第１参照信号と前記第２参照信号とを所定の比率で加算した補間信号を生成し、前記第１参照信号と前記基準信号との間のサンプリング間隔未満のずれを補正する第２補正部と
を有することを特徴とするアレーアンテナ装置。
請求項１に記載のアレーアンテナ装置において、
前記第２補正部は、前記第１参照信号と前記第２参照信号とを線形補間して前記補間信号を生成し、前記補間信号と前記基準信号との遅延時間および振幅が一致するように前記第１参照信号および前記第２参照信号の振幅をそれぞれ制御する
ことを特徴とするアレーアンテナ装置。
請求項１または請求項２に記載のアレーアンテナ装置において、
前記第２補正部は、前記第１参照信号と前記第２参照信号とにそれぞれ係数を加算した補間信号と前記基準信号との誤差に対して、最急降下法により前記誤差が最小になるように前記各係数を算出する
ことを特徴とするアレーアンテナ装置。
複数のアンテナで送受信する信号を予め決められたサンプリング周期でサンプリングしてデジタル処理によりアンテナ間の遅延時間差を補正して合成するアレーアンテナ装置における遅延補償方法であって、
前記複数のアンテナのうち基準アンテナで送受信する基準信号と、他のアンテナで送受信する参照信号との間のサンプリング間隔単位のずれを補正した第１参照信号を生成する第１処理と、
前記第１参照信号を予め決められた所定のサンプリング周期だけずらした第２参照信号を生成し、前記第１参照信号と前記第２参照信号とを所定の比率で加算した補間信号を生成し、前記第１参照信号と前記基準信号との間のサンプリング間隔未満のずれを補正する第２処理と
を実行することを特徴とする遅延補償方法。
請求項４に記載の遅延補償方法において、
前記第２処理では、前記第１参照信号と前記第２参照信号とを線形補間して前記補間信号を生成し、前記補間信号と前記基準信号との遅延時間および振幅が一致するように前記第１参照信号および前記第２参照信号の振幅をそれぞれ制御する
ことを特徴とする遅延補償方法。
請求項４または請求項５に記載の遅延補償方法において、
前記第２処理では、前記第１参照信号と前記第２参照信号とにそれぞれ係数を加算した補間信号と前記基準信号との誤差に対して、最急降下法により前記誤差が最小になるように前記各係数を算出する
ことを特徴とする遅延補償方法。