JP3405156B2 - Array antenna control method and device - Google Patents
Array antenna control method and deviceInfo
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、各種無線通信に使
用されるアレーアンテナの制御方法及び装置に関し、特
に、カルマンフィルタを用い、かつビームスペース方式
を導入し、収束が高速で計算量の増大を避け得るアレー
アンテナの制御方法及び装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for controlling an array antenna used in various wireless communications, and more particularly, it uses a Kalman filter and introduces a beam space method to achieve fast convergence and increase the amount of calculation. The present invention relates to an avoidable array antenna control method and apparatus.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、移動体通信システムなどへの応用
を目的としてアレーアンテナが注目されている。このア
レーアンテナとは、所定の位置に配置した複数のアンテ
ナ素子から成るアンテナであり、それぞれのアンテナ素
子の励振を制御することによって、ある方向にのみ強い
指向性を持たせたり、逆にある方向からの信号に対して
感度を０とさせることができるアンテナである。また、
このような制御について、アレーアンテナの電波環境の
変化に対する適応的に行うため方法が従来から種々検討
されている。2. Description of the Related Art In recent years, array antennas have attracted attention for the purpose of application to mobile communication systems and the like. This array antenna is an antenna composed of a plurality of antenna elements arranged at predetermined positions, and by controlling the excitation of each antenna element, a strong directivity is given only in a certain direction, or in the opposite direction. It is an antenna that can reduce the sensitivity to the signal from. Also,
Various methods have been studied in the past for adaptively performing such control in response to changes in the radio environment of the array antenna.
【０００３】このような従来のアレーアンテナの適応制
御方法の一つとして、受信信号中の既知信号系列、例え
ばＴＤＭＡバーストの各々の先頭又は一部に同期などを
目的として付加された同期用プリアンブル信号のような
既知信号を参照信号としてアレーアンテナ制御装置内部
に保持し、その信号と相関の高い信号を選択的に受信す
るようにアンテナ素子の励振を制御する方法がある。As one of such conventional adaptive control methods for array antennas, a known signal sequence in a received signal, for example, a synchronization preamble signal added to the beginning or a part of each TDMA burst for the purpose of synchronization or the like. There is a method of holding such a known signal as a reference signal inside the array antenna control device and controlling the excitation of the antenna element so as to selectively receive a signal having a high correlation with the reference signal.
【０００４】このような方法を実現するためのアルゴリ
ズムは、最急降下法等の漸近的な最適化によるものや、
信号の相関行列を求めてそこから理論的最適解を求める
方法などがある。その他の中でもカルマンフィルタを用
いた制御装置は収束が高速であることや安定性が非常に
よいこと等の利点がある。この方法は、例えば「カルマ
ンフィルタを用いたアダプティブアンテナの検討」、Ji
nkuan Wang，高野 忠、電子情報通信学会論文誌、Ｂ−
II Ｖｏｌ．Ｊ７５−Ｂ−II Ｎｏ．１１，ｐｐ．８３
５−８４２ １９９２年１１月に詳しく説明されてい
る。An algorithm for realizing such a method is based on asymptotic optimization such as the steepest descent method,
For example, there is a method of obtaining a correlation matrix of signals and obtaining a theoretical optimum solution therefrom. Among others, the control device using the Kalman filter has advantages such as fast convergence and excellent stability. This method is described, for example, in "Study of Adaptive Antenna Using Kalman Filter", Ji
nkuan Wang, Tadashi Takano, Transactions of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, B-
II Vol. J75-B-II No. 11, pp. 83
5-842, detailed in November 1992.
【０００５】信号モデルとして、ｍ番目の素子の受信信
号を等価低域系で次のように表示する。As a signal model, the received signal of the m-th element is displayed in the equivalent low frequency system as follows.
【０００６】[0006]
【数１】 [Equation 1]
【０００７】ここで、s(t)：希望波の振幅、θs ：希望
波の到来方向、i(t)：干渉波（遅延波）振幅、θi ：干
渉波（遅延波）到来方向、Ｎ：白色雑音、λ：波長であ
る。Where s (t): amplitude of desired wave, θ s : arrival direction of desired wave, i (t): amplitude of interference wave (delayed wave), θ i : arrival direction of interference wave (delayed wave), N: white noise, λ: wavelength.
【０００８】[0008]
【数２】 [Equation 2]
【０００９】ここで、ｋは繰り返し回数である。また、
ｄ(k) は参照信号であり、通信信号中の既知信号系列、
例えばＴＤＭＡ方式においてバーストの先頭に付加され
る同期用プリアンブル等である。更に、σ2 は雑音相関
行列である。Here, k is the number of repetitions. Also,
d (k) is a reference signal, a known signal sequence in the communication signal,
For example, it is a synchronization preamble added to the beginning of the burst in the TDMA method. Further, σ 2 is a noise correlation matrix.
【外１】 と[Outer 1] When
【外２】 を設定する必要がある。通常、[Outside 2] Need to be set. Normal,
【外３】 は零行列、[Outside 3] Is the zero matrix,
【外４】
は単位行列にできるだけ大きい数を掛けたものが選ばれ
る。[Outside 4] Is chosen as the identity matrix multiplied by the largest possible number.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、カルマ
ンフィルタを用い、かつビームスペース方式を単に導入
した上記従来例では、式(6) に示したようにカルマンフ
ィルタによる重み係数の推定は高速な収束が得られる反
面、逆行列計算を含むために、次数が高くなり計算機へ
の負荷がかなり大きくなっていた。また、カルマンフィ
ルタにアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の
各出力を直接入力しているために、信号相関行列の逆行
列をリアルタイムで計算するカルマンフィルタは、アレ
ーアンテナの素子数が増大するに従ってその計算量が指
数関数的に増大するという問題点を有していた。However, in the above-mentioned conventional example in which the Kalman filter is used and the beam space method is simply introduced, the estimation of the weighting coefficient by the Kalman filter can obtain a fast convergence as shown in the equation (6). On the other hand, since the inverse matrix calculation is included, the order is high and the load on the computer is considerably large. In addition, since the outputs of multiple antenna elements that make up the array antenna are directly input to the Kalman filter, the Kalman filter that calculates the inverse matrix of the signal correlation matrix in real time is calculated as the number of elements of the array antenna increases. There was a problem that the amount increased exponentially.
【００１１】本発明の目的は、以上の問題点を解決する
ために、ビームスペース方式を導入した上でアンテナの
素子数が増大しても、カルマンフィルタで構成される重
み係数計算手段の次数を縮小し、かつ低Ｓ／Ｎ比の下に
おいてもカルマンフィルタの収束を高速化できるアレー
アンテナの制御方法及び装置を提供することにある。ま
た、重み係数を計算する手段が必要とする既知系列のタ
イミング捕捉を、ビームスペース方式で行うことにより
容易にでき、収束が高速で計算量の増大を避けることが
できるカルマンフィルタに基づくアレーアンテナ制御方
法及び装置を提供することにある。In order to solve the above problems, an object of the present invention is to reduce the order of the weighting coefficient calculation means composed of a Kalman filter even if the number of antenna elements increases after introducing the beam space method. In addition, it is an object of the present invention to provide an array antenna control method and device capable of accelerating the convergence of a Kalman filter even under a low S / N ratio. An array antenna control method based on a Kalman filter that can easily perform timing acquisition of a known sequence required by a means for calculating a weighting factor by using a beam space method, can converge quickly, and can avoid an increase in calculation amount And to provide a device.
【００１２】[0012]
【発明の原理】一般的に、アレーアンテナの制御装置へ
のアレーアンテナ受信信号の入力方法として、エレメン
トスペースとビームスペースという概念が存在する。前
者のエレメントスペース方式とは、アレーアンテナを構
成する各アンテナ素子の出力がアレーアンテナの制御装
置に直接入力される方式である。一方、後者のビームス
ペース方式とは、各アンテナ素子の受信信号が一度ビー
ム形成回路に入力されてビームを形成され、そのビーム
の出力として制御装置に入力する方式である。このよう
にビームを形成することは、各アンテナ素子の受信信号
を様々な位相関係で合成することであり、このような操
作によりある方向から来る信号に対してのみ受信利得を
高めることができる。よって、その結果としてＳ／Ｎ比
を改善していることになる。[Principle of the Invention] Generally, the concept of an element space and a beam space exists as a method of inputting an array antenna reception signal to an array antenna control device. The former element space method is a method in which the output of each antenna element forming the array antenna is directly input to the control device of the array antenna. On the other hand, the latter beam space method is a method in which a received signal of each antenna element is once input to a beam forming circuit to form a beam, and the beam is input to a control device as an output of the beam. Forming the beam in this way is to combine the received signals of the respective antenna elements with various phase relationships, and by such an operation, the receiving gain can be increased only for signals coming from a certain direction. Therefore, as a result, the S / N ratio is improved.
【００１３】図３は４つアンテナ素子からなる線形アレ
ーアンテナに空間ＦＦＴを施して得られる直交マルチビ
ームのビームパターンを示す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing a beam pattern of orthogonal multi-beams obtained by performing spatial FFT on a linear array antenna composed of four antenna elements.
【００１４】同図からわかるように、ビームスペース方
式でアレーアンテナの適応制御を行なうとき、ビーム形
成回路を使ってアンテナ素子の数に等しい数のビームを
形成することができる。しかし、実際のアレーアンテナ
の使用環境においては、同図に示すように、いくつかの
ビームに受信電力が集中しているのが普通であるため、
全てのビームを選択する必要はなく、例えば出力の大き
いものから１本又は複数本のビームを選ぶというような
所定の数のビーム選択を行なってもエレメントスペース
方式において全ての素子出力を制御装置の入力とするこ
ととほぼ同等の性能が得られる。例えば、４本のアンテ
ナからなる４素子線形アレーアンテナにおいて受信電力
の大きい方から２本のビームを選択することは全てのビ
ームを選択した場合の８５％の性能が得られる。このよ
うにマルチビームの一部のみを選択することにより一部
の受信電力を取り込めないことも事実であるが結果とし
てビームの一部だけを採用することにより、ハードウェ
ア構成を縮小することができる。また、特にＳ／Ｎ比環
境下ではビームを形成してから制御装置に受信信号を入
力するためにＳ／Ｎ比が改善されており、結果として収
束速度を改善することができる。As can be seen from the figure, when performing adaptive control of the array antenna by the beam space method, a beam forming circuit can be used to form a number of beams equal to the number of antenna elements. However, in the actual use environment of the array antenna, as shown in the figure, the received power is usually concentrated in several beams,
It is not necessary to select all the beams, and even if a predetermined number of beams are selected, for example, one or a plurality of beams are selected from the one having a large output, all element outputs are controlled by the controller in the element space method. Performance almost equivalent to inputting is obtained. For example, in a four-element linear array antenna including four antennas, selecting two beams from the one having the largest received power can provide 85% performance in the case of selecting all beams. In this way, it is also true that some received power cannot be captured by selecting only part of the multi-beam, but as a result, by adopting only part of the beam, the hardware configuration can be reduced. . Further, particularly in an S / N ratio environment, the S / N ratio is improved because the received signal is input to the control device after forming the beam, and as a result, the convergence speed can be improved.
【００１５】また、カルマンフィルタを用いたアレーア
ンテナ制御装置は、受信信号中の既知系列を内部に保持
し、その信号と相関の高い信号を取り込むような重み係
数制御を行なうが、そのためには受信信号中における既
知系列のタイミング検出を行なう必要がある。このと
き、予めビームを形成してＳ／Ｎ比を改善しているビー
ムスペース方式を用いれば、最大出力のビームの出力か
らタイミング検出を行なうことによってタイミングの初
期捕捉を容易にできるという利点がある。An array antenna control device using a Kalman filter holds a known sequence in a received signal internally and performs weighting factor control so as to take in a signal having a high correlation with that signal. It is necessary to detect the timing of a known sequence in the inside. At this time, if a beam space method in which a beam is formed in advance and the S / N ratio is improved is used, there is an advantage that the timing initial detection can be easily performed by performing the timing detection from the output of the beam having the maximum output. .
【００１６】[0016]
【課題を解決するための手段】これらの原理に基づく本
発明の制御方法によれば、ｍ（ｍは正の整数）本のアン
テナ素子で受信した受信信号からｍ個の直交マルチビー
ム出力を形成し、ｎ個の直交マルチビーム出力から所定
の数ｎ（ｎ＜ｍ、ｎは正の整数）個の直交マルチビーム
出力のみを選択してカルマンフィルタに供給し、受信信
号の中の既知信号を参照してタイミング検出を行なって
カルマンフィルタにより重み係数を算出し、算出した重
み係数を受信信号にそれぞれ乗算し、乗算結果を合成す
ることによって受信出力を得る。よって、本発明は、ア
ンテナの素子数が増大しても、重み係数計算手段の次数
を縮小し、かつ低Ｓ／Ｎ比の下においても重み係数計算
を行なう際の収束を高速化できる。According to the control method of the present invention based on these principles, m orthogonal multi-beam outputs are formed from received signals received by m (m is a positive integer) antenna elements. Then, from the n orthogonal multi-beam outputs, only a predetermined number n (n <m, n is a positive integer) orthogonal multi-beam outputs are selected and supplied to the Kalman filter, and the known signal in the received signal is referred to. Then, timing detection is performed, weighting coefficients are calculated by the Kalman filter, received signals are multiplied by the calculated weighting coefficients, and the multiplication results are combined to obtain a reception output. Therefore, according to the present invention, even if the number of elements of the antenna increases, the order of the weighting factor calculation means can be reduced, and the convergence at the time of weighting factor calculation can be speeded up even under a low S / N ratio.
【００１７】また、本発明の制御方法によれば、ｍ（ｍ
は正の整数）本のアンテナ素子で受信したＴＤＭＡ方式
によるバースト信号からｍ個の直交マルチビーム出力を
形成し、ｍ個の直交マルチビーム出力から所定の数ｎ
（ｎ＜ｍ、ｎは正の整数）個の直交マルチビーム出力の
みを選択してカルマンフィルタに供給し、ＴＤＭＡバー
スト信号の中に同期のために付加された同期用プリアン
ブルを参照してタイミング検出を行なってカルマンフィ
ルタにより重み係数を算出し、算出した重み係数を受信
信号にそれぞれ乗算し、該乗算結果を合成することによ
って受信出力を得る。よって、本発明は、ＴＤＭＡ方式
によるバースト信号を複数のアンテナ素子で受信した場
合においてアンテナの素子数が増大しても、重み係数計
算を行なう際の次数を縮小し、かつ低Ｓ／Ｎ比の下にお
いても重み係数計算の収束を高速化できる。According to the control method of the present invention, m (m
Is a positive integer) m orthogonal multi-beam outputs are formed from burst signals by the TDMA method received by the antenna elements, and a predetermined number n is output from the m orthogonal multi-beam outputs.
Only (n <m, n is a positive integer) orthogonal multi-beam outputs are selected and supplied to the Kalman filter, and timing detection is performed by referring to the synchronization preamble added for synchronization in the TDMA burst signal. Then, the weight coefficient is calculated by the Kalman filter, the received signals are respectively multiplied by the calculated weight coefficients, and the multiplication results are combined to obtain the reception output. Therefore, according to the present invention, when a burst signal by the TDMA method is received by a plurality of antenna elements, even if the number of antenna elements increases, the order for weighting factor calculation is reduced and the S / N ratio is low. Even under the condition, the convergence of the weight coefficient calculation can be speeded up.
【００１８】更に、本発明の制御方法によれば、複数の
アンテナ素子で受信して得たアンテナ出力から直交マル
チビームを形成し、アレーアンテナの指向性制御を行な
うための受信信号中の既知信号系列の受信のためのタイ
ミング検出を、初期捕捉の際は最大出力マルチビームの
出力を用いて行ない、アレーアンテナの重み係数の推定
の完了後はアレーアンテナの出力を用いてタイミング検
出を行なう。よって、本発明はタイミングの初期捕捉を
容易にできる。Further, according to the control method of the present invention, a known signal in the received signal for forming the orthogonal multi-beams from the antenna outputs received by the plurality of antenna elements and controlling the directivity of the array antenna is obtained. Timing detection for sequence reception is performed using the maximum output multi-beam output in the initial acquisition, and after completion of estimation of the array antenna weighting coefficient, timing detection is performed using the array antenna output. Therefore, the present invention facilitates the initial capture of timing.
【００１９】本発明の制御装置によれば、ｍ（ｍは正の
整数）本のアンテナ素子からなるアレーアンテナの各ア
ンテナ素子の各出力信号を所定のサンプリング周波数で
サンプリングするアナログ／ディジタル信号変換手段
と、該アナログ／ディジタル信号変換手段によって得ら
れた各ディジタル信号を直交信号に変換する信号直交化
手段と、該信号直交化手段の出力である各直交信号に空
間ＦＦＴを施す空間ＦＦＴ計算手段と、該空間ＦＦＴ計
算手段の各出力から、所定の数ｎ（ｎ＜ｍ、ｎは正の整
数）の出力ビームを選択する出力ビーム選択手段と、該
出力ビーム選択手段によって選択された各出力ビームの
所定の重み係数を乗算する重み係数乗算手段と、該重み
係数乗算手段の各出力を加算する加算手段と、各アンテ
ナ素子の各出力信号の中の既知信号を参照してタイミン
グ検出を行なうタイミング検出手段と、該タイミング検
出手段によるタイミングにより前記出力ビーム選択手段
によって選択された各出力ビームと前記加算手段の出力
とに基づいて重み係数を算出する、カルマンフィルタを
用いた重み係数計算手段とを含んでいるアレーアンテナ
の制御装置が提供される。よって、このような構成を有
する発明によれば、出力ビーム選択手段により所定の数
のビームを選択することで受信信号の数を減らすことが
でき、その結果計算量を減少させて高速に収束できる。According to the control device of the present invention, the analog / digital signal conversion means for sampling each output signal of each antenna element of the array antenna composed of m (m is a positive integer) antenna elements at a predetermined sampling frequency. A signal orthogonalization means for converting each digital signal obtained by the analog / digital signal conversion means into an orthogonal signal; and a spatial FFT calculation means for applying a spatial FFT to each orthogonal signal output from the signal orthogonalization means. An output beam selecting means for selecting a predetermined number n (n <m, n is a positive integer) of output beams from each output of the spatial FFT calculating means, and each output beam selected by the output beam selecting means Weighting coefficient multiplying means for multiplying the predetermined weighting coefficient, adding means for adding each output of the weighting coefficient multiplying means, and each output signal of each antenna element Timing detection means for performing timing detection with reference to a known signal therein, and a weighting coefficient is calculated based on each output beam selected by the output beam selection means at the timing of the timing detection means and the output of the addition means. And a weighting factor calculation means using a Kalman filter. Therefore, according to the invention having such a configuration, it is possible to reduce the number of received signals by selecting a predetermined number of beams by the output beam selection means, and as a result, it is possible to reduce the calculation amount and converge at high speed. .
【００２０】また、本発明の制御装置によれば、ｍ（ｍ
は正の整数）本のアンテナ素子からなるアレーアンテナ
の各アンテナ素子の各出力信号からアナログマルチビー
ム受信信号を生成するアナログマルチビーム生成手段
と、該アナログマルチビーム生成手段によって得られた
各出力信号から、所定の数ｎ（ｎ＜ｍ、ｎは正の整数）
の出力ビームを選択する出力ビーム選択手段と、該出力
ビーム選択手段の出力ビームを所定のサンプリング周波
数でサンプリングするアナログ／ディジタル信号変換手
段と、該アナログ／ディジタル信号変換手段によって得
られた各ディジタル信号を直交信号に変換する信号直交
化手段と、該出力ビーム選択手段により選択された各出
力ビームの所定の重み係数を乗算する重み係数乗算手段
と、該重み係数乗算手段の各出力を加算する加算手段
と、各アンテナ素子の各出力信号の中の既知信号を参照
してタイミング検出を行なうタイミング検出手段と、該
タイミング検出手段によるタイミングにより前記出力ビ
ーム選択手段によって選択された各出力ビームと前記加
算手段の出力とに基づいて重み係数を算出する、カルマ
ンフィルタを用いた重み係数計算手段とを含んでいるア
レーアンテナの制御装置も提供される。よって、このよ
うな構成を有する発明によれば、上記発明の制御装置に
比べてアナログ／ディジタル信号変換手段においてアナ
ログ／ディジタル信号変換する信号の数が減ることによ
り更に計算量を減少させて高速に収束できる重み係数計
算手段に基づくアレーアンテナ制御装置を提供できると
いう効果を有する。According to the control device of the present invention, m (m
Is a positive integer) An analog multi-beam generation means for generating an analog multi-beam reception signal from each output signal of each antenna element of an array antenna composed of a plurality of antenna elements, and each output signal obtained by the analog multi-beam generation means To a predetermined number n (n <m, n is a positive integer)
Output beam selecting means for selecting the output beam of, the analog / digital signal converting means for sampling the output beam of the output beam selecting means at a predetermined sampling frequency, and the digital signals obtained by the analog / digital signal converting means. To an orthogonal signal, a weight coefficient multiplying means for multiplying a predetermined weight coefficient of each output beam selected by the output beam selecting means, and an addition for adding each output of the weight coefficient multiplying means. Means, timing detecting means for performing timing detection by referring to a known signal in each output signal of each antenna element, each output beam selected by the output beam selecting means by the timing by the timing detecting means, and the addition Using a Kalman filter, which calculates the weighting factor based on the output of the means Control apparatus for an array antenna and a saw coefficient calculating means is also provided. Therefore, according to the invention having such a configuration, the number of signals to be converted into analog / digital signals in the analog / digital signal converting means is reduced as compared with the control device of the above invention, thereby further reducing the calculation amount and speeding up. This has the effect of providing an array antenna control device based on weighting factor calculation means that can converge.
【００２１】受信信号がＴＤＭＡ方式によるバースト信
号であった場合、既知信号はバースト信号の中に同期の
ために付加された同期用プリアンブルである。When the received signal is a TDMA burst signal, the known signal is a synchronization preamble added for synchronization in the burst signal.
【００２２】タイミング検出手段は、初期捕捉の際最大
の前記直交マルチビーム出力を用いて行ない、アレーア
ンテナの重み係数の推定の完了後はアレーアンテナの出
力を用いてタイミング検出を行なう。The timing detecting means uses the maximum orthogonal multi-beam output at the time of initial acquisition, and after the estimation of the weighting factor of the array antenna is completed, the timing detecting means performs the timing detection using the output of the array antenna.
【００２３】アナログマルチビーム生成手段はバトラー
マトリクス給電回路であることが好ましい。The analog multi-beam generating means is preferably a Butler matrix feeding circuit.
【００２４】[0024]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態の構成に
ついて詳細に説明する。なお、本発明によるアレーアン
テナの制御装置は、２次元アレーアンテナにも適用可能
であるが、以下に示す実施形態においては説明を簡単に
するため、１次元アレーアンテナ（等間隔線形アレーア
ンテナ）へ適用した場合を示す。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The structure of an embodiment of the present invention will be described in detail below. Although the array antenna control apparatus according to the present invention can be applied to a two-dimensional array antenna, in order to simplify the description in the following embodiments, a one-dimensional array antenna (equal-spaced linear array antenna) is used. The case where it is applied is shown.
【００２５】図１は、本発明の第１の実施形態として、
複数のアンテナ素子１０−１〜１０−ｍからなるアレー
アンテナ１０を制御するための制御装置の構成の概略を
示すブロック図である。同図において、１１はアンテナ
素子１０−１〜１０−ｍ（ｍは正の整数）からのアナロ
グ出力をディジタル信号に変換するｍチャネルのアナロ
グ／ディジタル信号変換手段、１２はアナログ／ディジ
タル信号変換手段１１の出力の各直交信号を生成する信
号直交化手段、１３は信号直交化手段１２の各出力から
直交マルチビーム出力を生成する空間ＦＦＴ計算手段、
１４は空間ＦＦＴ計算手段１３の各出力において例えば
出力の大きいものから１本又は複数本のビームを選ぶと
か、隣接するビームの出力差も考慮して出力の大きいも
のから選ぶとかというように、出力の大きいものから所
定の数ｎ（ｎ＜ｍ、ｎは正の整数）本のビームのみを選
択する出力ビーム選択手段、１５−１〜１５−ｎは出力
ビーム選択手段１４によって選択されたビームに、後述
する重み係数計算手段１８により計算算出された重み係
数を乗算する重み係数乗算器、１６は重み係数乗算器１
５−１〜１５−ｎの出力を合成する加算手段、１７は例
えばＴＤＭＡ方式の場合ＴＤＭＡバーストの同期用プリ
アンブル等のタイミングの検出を行うタイミング検出手
段、１８は入力としてタイミング検出手段１７からのタ
イミング情報の他と、出力ビーム選択手段１４で選択さ
れたビーム出力と、加算手段７の出力を供給され、上記
重み係数乗算器１５−１〜１５−ｎに重み係数計算結果
を供給し、例えばカルマンフィルタによって構成される
重み係数計算手段である。なお、タイミング検出手段１
７は、入力として、重み係数計算手段１８の出力である
重み係数が最適重み係数に収束する前、つまり初期捕捉
時において、上記出力ビーム選択手段１４において選択
されたビームのうち、出力が最大のビーム出力である最
大出力ビーム１９を入力として選択する。そして、重み
係数計算手段１８が最適重み係数に収束した後は加算手
段１６の出力であるタイミング検出用信号２０を入力と
して選択する。FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
It is a block diagram which shows the outline of a structure of the control apparatus for controlling the array antenna 10 which consists of a plurality of antenna elements 10-1 to 10-m. In the figure, 11 is an m-channel analog / digital signal converting means for converting an analog output from the antenna elements 10-1 to 10-m (m is a positive integer) into a digital signal, and 12 is an analog / digital signal converting means. A signal orthogonalizing means for generating each orthogonal signal of the output of 11, a spatial FFT calculation means for generating an orthogonal multi-beam output from each output of the signal orthogonalizing means 12,
In each output of the spatial FFT calculation means 14, for example, one or a plurality of beams are selected from the ones having a large output, or ones having a large output are selected in consideration of the output difference between adjacent beams. The output beam selecting means for selecting only a predetermined number n (n <m, n is a positive integer) of the beams from the largest one, and 15-1 to 15-n are the beams selected by the output beam selecting means 14. , A weighting coefficient multiplier for multiplying the weighting coefficient calculated by the weighting coefficient calculating means 18 which will be described later, and 16 is a weighting coefficient multiplier 1
Adder means for synthesizing outputs 5-1 to 15-n, 17 is timing detection means for detecting timing such as preamble for synchronization of TDMA burst in case of TDMA method, and 18 is timing from the timing detection means 17 as input In addition to the information, the beam output selected by the output beam selection means 14 and the output of the addition means 7 are supplied, and the weight coefficient calculation results are supplied to the weight coefficient multipliers 15-1 to 15-n, for example, a Kalman filter. Is a weighting factor calculation means. The timing detection means 1
Reference numeral 7 indicates the maximum output among the beams selected by the output beam selecting means 14 before the weighting coefficient output from the weighting coefficient calculating means 18 converges to the optimum weighting coefficient, that is, at the time of initial acquisition. The maximum output beam 19, which is the beam output, is selected as the input. After the weighting factor calculation means 18 converges to the optimum weighting factor, the timing detection signal 20 output from the addition means 16 is selected as an input.
【００２６】次に、本発明の第１の実施形態におけるア
レーアンテナの制御装置の動作について説明する。各ア
ンテナ素子１０−１〜１０−ｍからの出力は、素子毎の
ｍチャンネルのアナログ／ディジタル信号変換手段１１
により、アナログ信号からディジタル信号へ変換され
る。その出力は信号直交化手段１２に入力され、各々直
交信号が生成される。このようにして、直交化された各
素子受信信号は、次の空間ＦＦＴ計算手段１３に入力さ
れ、出力としてアンテナ素子数に等しいｍ本の直交マル
チビーム出力が得られる。そして、空間ＦＦＴ計算手段
１３の出力は、出力ビーム選択手段１４に入力され、例
えば出力の大きいものから１本又は複数本のビームを選
ぶとか、隣接するビームの出力差も考慮して出力の大き
いものから選ぶとかというように、出力の大きいものか
ら所定の数ｎ（ｎ＜ｍ、ｎは正の整数）本のビームのみ
を選択する。また、選択されたビームは重み係数乗算器
１５−１〜１５−ｎに供給され、重み係数計算手段１８
から供給される重み係数と出力ビーム選択手段１４の出
力の積を計算する。その計算結果は加算手段１６に供給
され、ｎ個の乗算器１５−１〜１５−ｎの出力が合計さ
れて出力される。Next, the operation of the array antenna control apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described. The output from each of the antenna elements 10-1 to 10-m is the m-channel analog / digital signal conversion means 11 for each element.
Thus, the analog signal is converted into a digital signal. The output is input to the signal orthogonalization means 12, and each orthogonal signal is generated. In this way, the received signals of the respective elements that have been orthogonalized are input to the next spatial FFT calculation means 13, and as outputs, m orthogonal multi-beam outputs equal to the number of antenna elements are obtained. Then, the output of the spatial FFT calculation means 13 is input to the output beam selection means 14 and, for example, one or a plurality of beams are selected from the ones having a large output, or the output is large in consideration of the output difference between adjacent beams. For example, a predetermined number n (n <m, n is a positive integer) number of beams having a large output are selected. Further, the selected beam is supplied to the weight coefficient multipliers 15-1 to 15-n, and the weight coefficient calculating means 18 is provided.
The product of the output of the output beam selection means 14 and the weighting coefficient supplied from The calculation result is supplied to the adding means 16, and the outputs of the n multipliers 15-1 to 15-n are summed and output.
【００２７】一方、重み係数計算手段１８が参照信号と
して受信信号中の既知信号系列、例えばＴＤＭＡ方式の
場合バースト信号の中に同期を目的として付加された同
期用プリアンブル等のタイミングの検出を行うタイミン
グ検出手段１７は、初期捕捉時出力ビーム選択手段１４
の出力ビームのうち最大のビーム出力である最大出力ビ
ーム１９を入力として選択し、重み係数計算手段１８が
最適重み係数に収束した後は加算手段１６の出力を入力
として選択する。検出したタイミング情報は重み係数計
算手段１８に供給される。そして、重み係数計算手段１
８は、入力されたタイミング情報の他、出力ビーム選択
手段１４で選択されたビーム出力と加算手段１６の出力
を供給され、これらによって計算した重み係数を重み係
数乗算器１５−１〜１５−ｎに供給する。On the other hand, the timing at which the weighting factor calculating means 18 detects the timing of the known signal sequence in the received signal as the reference signal, for example, the synchronization preamble added for the purpose of synchronization in the burst signal in the case of the TDMA method. The detection means 17 is the output beam selection means 14 at the time of initial acquisition.
The maximum output beam 19 which is the maximum beam output is selected as an input from among the output beams of 1), and after the weighting coefficient calculating means 18 converges to the optimum weighting coefficient, the output of the adding means 16 is selected as an input. The detected timing information is supplied to the weighting factor calculation means 18. Then, the weighting factor calculation means 1
8 is supplied with the beam information selected by the output beam selection means 14 and the output of the addition means 16 in addition to the input timing information, and the weighting coefficients calculated by these are weighted coefficient multipliers 15-1 to 15-n. Supply to.
【００２８】以上の第１の実施形態における構成及び動
作によれば、カルマンフィルタの収束を高速化し、重み
係数計算手段におけるカルマンフィルタの次数を縮小
し、重み係数乗算器の数、加算手段の入力数を減らすこ
とができる。According to the configuration and operation of the first embodiment described above, the Kalman filter convergence is speeded up, the Kalman filter order in the weighting coefficient calculation means is reduced, and the number of weighting coefficient multipliers and the number of inputs of addition means are reduced. Can be reduced.
【００２９】図２は、本発明の第２の実施形態として、
複数のアンテナ素子１０−１〜１０−ｍからなるアレー
アンテナ１０を制御するための制御装置の構成の概略を
示すブロック図である。同図において、図１と同じ参照
符号は同じ構成を示す。異なる構成として、２１はアレ
ーアンテナ１０を構成する各アンテナ素子１０−１〜１
０−ｍからのアナログ信号からマルチビーム出力を生成
するバトラーマトリクス給電手段を示している。なお、
このバトラーマトリクス給電手段２１はハイブリッドと
固定移相器を用いて構成される。FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention.
It is a block diagram which shows the outline of a structure of the control apparatus for controlling the array antenna 10 which consists of a plurality of antenna elements 10-1 to 10-m. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same components. As a different configuration, reference numeral 21 denotes each antenna element 10-1 to 1 to 1 that composes the array antenna 10.
2 shows a Butler matrix feed means for producing a multi-beam output from an analog signal from 0-m. In addition,
The Butler matrix power feeding means 21 is composed of a hybrid and a fixed phase shifter.
【００３０】次に、本発明の第２の実施形態におけるア
レーアンテナの制御装置の動作について説明する。アレ
ーアンテナ１０を構成する各アンテナ素子１０−１〜１
０−ｍの各受信信号は、アナログ信号のままバトラーマ
トリクス給電手段２１に入力され、マルチビーム出力を
生成する。そして、バトラーマトリクス給電手段２１の
出力は出力ビーム選択手段１４に入力され、上記所定の
数ｎ本のビームのみを選択してアナログ／ディジタル信
号変換手段１１に供給される。そして、ｎチャンネルの
アナログ／ディジタル信号変換手段１１は、出力ビーム
選択手段１４で選択されたｎ本のビームを所定のサンプ
リング周波数でサンプリングされることによりディジタ
ル信号に変換する。また、その出力は信号直交化手段１
２に入力され、直交化された信号は重み係数乗算器１５
−１〜１５−ｎに供給され、重み係数計算手段１８から
供給される重み係数と信号直交化手段１２の出力の積を
計算する。その計算結果は加算手段１６に供給され、ｎ
個の乗算器１５−１〜１５−ｎの出力が合計されて出力
される。Next, the operation of the array antenna control apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described. Each antenna element 10-1 to 1 constituting the array antenna 10
Each received signal of 0-m is input to the Butler matrix power feeding means 21 as it is as an analog signal to generate a multi-beam output. Then, the output of the Butler matrix feeding means 21 is inputted to the output beam selecting means 14, and only the predetermined number n of the beams are selected and supplied to the analog / digital signal converting means 11. Then, the n-channel analog / digital signal converting means 11 converts the n beams selected by the output beam selecting means 14 into digital signals by being sampled at a predetermined sampling frequency. The output is the signal orthogonalizing means 1.
The weighted coefficient multiplier 15
−1 to 15-n, and calculates the product of the weight coefficient supplied from the weight coefficient calculation means 18 and the output of the signal orthogonalization means 12. The calculation result is supplied to the adding means 16 and n
The outputs of the multipliers 15-1 to 15-n are summed and output.
【００３１】一方、重み係数計算手段１８が参照信号と
して受信信号中の既知信号系列、例えばＴＤＭＡ方式の
場合バースト信号の中に同期を目的として付加された同
期用プリアンブル等のタイミングの検出を行うタイミン
グ検出手段１７は、初期捕捉時に信号直交化手段１２の
出力ビームのうち最大のビーム出力である最大出力ビー
ム１９を入力として選択し、重み係数計算手段１８が最
適重み係数に収束した後は加算手段１６の出力を入力と
して選択する。検出したタイミング情報は重み係数計算
手段１８に供給される。そして、重み係数計算手段１８
は、このタイミング情報の他、出力ビーム選択手段１４
で選択されたビーム出力と加算手段１６の出力とを供給
され、これらによって計算した重み係数を重み係数乗算
器１５−１〜１５−ｎに供給する。On the other hand, the timing at which the weighting factor calculation means 18 detects the timing of the known signal sequence in the received signal as the reference signal, for example, the synchronization preamble added for synchronization in the burst signal in the case of the TDMA method. The detection means 17 selects the maximum output beam 19 which is the maximum beam output among the output beams of the signal orthogonalization means 12 as an input during the initial acquisition, and after the weighting coefficient calculation means 18 converges to the optimum weighting coefficient, the addition means is added. Select 16 outputs as inputs. The detected timing information is supplied to the weighting factor calculation means 18. Then, the weight coefficient calculation means 18
In addition to this timing information, the output beam selection means 14
The beam output selected in step 1 and the output of the adding means 16 are supplied, and the weight coefficients calculated by these are supplied to the weight coefficient multipliers 15-1 to 15-n.
【００３２】以上の第２の実施形態における構成及び動
作によれば、カルマンフィルタの収束を高速化し、重み
係数計算手段におけるカルマンフィルタの次数を縮小
し、特に上述の第１の実施形態例に比べてアナログ／デ
ィジタル信号変換手段のチャンネル数、信号直交化手段
のチャンネル数、重み係数乗算器の数、加算手段の入力
数を減らすことができる。According to the configuration and operation of the second embodiment, the Kalman filter converges faster and the order of the Kalman filter in the weighting factor calculation means is reduced. / The number of channels of the digital signal converting means, the number of channels of the signal orthogonalizing means, the number of weighting coefficient multipliers, and the number of inputs of the adding means can be reduced.
【００３３】以上述べた第１、第２の実施形態は本発明
の一例を示すものであって、これに限定されるものでは
ない。例えば上記述べた第１、第２の実施形態において
ＴＤＭＡ方式の受信信号を用いて説明したがこれ以外の
通信方式による受信信号にも適応できることは言うまで
もない。つまり、本発明は他の変更態様等で実施するこ
とができる。The first and second embodiments described above are examples of the present invention, and the present invention is not limited to these. For example, in the above-described first and second embodiments, the description has been made by using the received signal of the TDMA system, but it goes without saying that the present invention can be applied to the received signal of other communication systems. That is, the present invention can be implemented in other modified modes.
【００３４】[0034]
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、重み係数計算手段を構成するカルマンフィルタを
用い、かつビームスペース方式を導入し、アレーアンテ
ナのアンテナ素子数が増大しても、重み係数計算手段を
構成するカルマンフィルタの次数を縮小し、かつ低Ｓ／
Ｎ比の下においても重み係数計算手段を構成するカルマ
ンフィルタの収束を高速化できる。また、重み係数計算
手段が必要とする既知系列のタイミング捕捉を、ビーム
スペース方式で行なうことにより容易にできると共に、
計算量の増大を避けることができ、その結果として計算
機の負担を軽減できることにより高速なアレーアンテナ
の制御が行うことができる。As described in detail above, according to the present invention, even if the Kalman filter constituting the weighting factor calculation means is used and the beam space method is introduced to increase the number of antenna elements of the array antenna, The order of the Kalman filter that constitutes the weighting factor calculation means is reduced, and the low S /
It is possible to speed up the convergence of the Kalman filter that constitutes the weighting factor calculation means even under the N ratio. Further, the timing acquisition of the known sequence required by the weighting factor calculation means can be easily performed by performing the beam space method,
The increase in the amount of calculation can be avoided, and as a result, the load on the computer can be reduced, and thus the array antenna can be controlled at high speed.
【図１】本発明の第１の実施形態のアレーアンテナの制
御装置の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a control device for an array antenna according to a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第２の実施形態のアレーアンテナの制
御装置の構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of an array antenna control device according to a second embodiment of the present invention.
【図３】４素子線形アレーアンテナの直交マルチビーム
のビームパターンを示す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing a beam pattern of orthogonal multi-beams of a 4-element linear array antenna.
１０ アレーアンテナ １０−１〜１０−ｍ アンテナ素子 １１ アナログ／ディジタル信号変換手段 １２ 信号直交化手段 １３ 空間ＦＦＴ計算手段 １４ 出力ビーム選択手段 １５−１〜１５−ｎ 重み係数乗算器 １６ 加算手段 １７ タイミング検出手段 １８ 重み係数計算手段 １９ 最大出力ビーム ２０ タイミング検出用信号 ２１ バトラーマトリクス給電手段 10 array antenna 10-1 to 10-m antenna element 11 Analog / digital signal conversion means 12 Signal orthogonalization means 13 Spatial FFT calculation means 14 Output beam selection means 15-1 to 15-n Weighting coefficient multiplier 16 addition means 17 Timing detection means 18 Weighting factor calculation means 19 Maximum output beam 20 Timing detection signal 21 Butler Matrix Power Supply Means
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01Q 3/26 G06F 17/10 H01Q 3/36 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01Q 3/26 G06F 17/10 H01Q 3/36
Claims (8)
受信した受信信号からｍ個の直交マルチビーム出力を形
成し、 ｍ個の前記直交マルチビーム出力から所定の数ｎ（ｎ＜
ｍ、ｎは正の整数）個の前記直交マルチビーム出力のみ
を選択してカルマンフィルタに供給し、 前記受信信号の中の既知信号を参照してタイミング検出
を行なって前記カルマンフィルタにより重み係数を算出
し、 該算出した重み係数を前記受信信号にそれぞれ乗算し、 該乗算結果を合成することによって受信出力を得ること
を特徴とするアレーアンテナの制御方法。1. Forming m orthogonal multi-beam outputs from received signals received by m (m is a positive integer) antenna elements, and outputting a predetermined number n (n <n) from the m orthogonal multi-beam outputs.
(m and n are positive integers) only the orthogonal multi-beam outputs are selected and supplied to a Kalman filter, timing is detected by referring to a known signal in the received signal, and a weighting coefficient is calculated by the Kalman filter. A method of controlling an array antenna, wherein the received signals are respectively multiplied by the calculated weighting factors and the multiplication results are combined to obtain a reception output.
スト信号であり、前記既知信号は前記バースト信号の中
に同期のために付加された同期用プリアンブルである請
求項１記載のアレーアンテナの制御方法。2. The array antenna control method according to claim 1, wherein the received signal is a burst signal according to a TDMA method, and the known signal is a synchronization preamble added for synchronization in the burst signal.
大の前記直交マルチビーム出力を用いて行ない、アレー
アンテナの重み係数の推定の完了後はアレーアンテナの
出力を用いて行なう請求項１又は２に記載のアレーアン
テナの制御方法。3. The timing detection is performed by using the maximum orthogonal multi-beam output at the time of initial acquisition, and is performed by using the output of the array antenna after the estimation of the weighting factor of the array antenna is completed. The control method of the array antenna according to.
らなるアレーアンテナの各アンテナ素子の各出力信号を
所定のサンプリング周波数でサンプリングするアナログ
／ディジタル信号変換手段と、 該アナログ／ディジタル信号変換手段によって得られた
各ディジタル信号を直交信号に変換する信号直交化手段
と、 該信号直交化手段の出力である各直交信号に空間ＦＦＴ
を施す空間ＦＦＴ計算手段と、 該空間ＦＦＴ計算手段の各出力から、所定の数ｎ（ｎ＜
ｍ、ｎは正の整数）の出力ビームを選択する出力ビーム
選択手段と、 該出力ビーム選択手段によって選択された各出力ビーム
の所定の重み係数を乗算する重み係数乗算手段と、 該重み係数乗算手段の各出力を加算する加算手段と、 各アンテナ素子の各出力信号の中の既知信号を参照して
タイミング検出を行なうタイミング検出手段と、 該タイミング検出手段によるタイミングにより前記出力
ビーム選択手段によって選択された各出力ビームと前記
加算手段の出力とに基づいて重み係数を算出する、カル
マンフィルタを用いた重み係数計算手段とを含むことを
特徴とするアレーアンテナの制御装置。4. An analog / digital signal converting means for sampling each output signal of each antenna element of an array antenna composed of m (m is a positive integer) antenna elements at a predetermined sampling frequency, and the analog / digital signal. Signal orthogonalization means for converting each digital signal obtained by the conversion means into an orthogonal signal, and spatial FFT for each orthogonal signal output from the signal orthogonalization means
From the spatial FFT calculation means for applying the above and each output of the spatial FFT calculation means, a predetermined number n (n <n
(m and n are positive integers), an output beam selecting means for selecting an output beam, a weighting coefficient multiplying means for multiplying a predetermined weighting coefficient of each output beam selected by the output beam selecting means, and a weighting coefficient multiplication Adding means for adding the respective outputs of the means, timing detecting means for detecting the timing by referring to a known signal among the output signals of the respective antenna elements, and selected by the output beam selecting means according to the timing of the timing detecting means An array antenna control device comprising: a weighting factor calculating unit using a Kalman filter, which calculates a weighting factor based on each output beam thus generated and the output of the adding unit.
らなるアレーアンテナの各アンテナ素子の各出力信号か
らアナログマルチビーム受信信号を生成するアナログマ
ルチビーム生成手段と、 該アナログマルチビーム生成手段によって得られた各出
力信号から、所定の数ｎ（ｎ＜ｍ、ｎは正の整数）の出
力ビームを選択する出力ビーム選択手段と、 該出力ビーム選択手段の出力ビームを所定のサンプリン
グ周波数でサンプリングするアナログ／ディジタル信号
変換手段と、 該アナログ／ディジタル信号変換手段によって得られた
各ディジタル信号を直交信号に変換する信号直交化手段
と、 該出力ビーム選択手段により選択された各出力ビームの
所定の重み係数を乗算する重み係数乗算手段と、 該重み係数乗算手段の各出力を加算する加算手段と、 各アンテナ素子の各出力信号の中の既知信号を参照して
タイミング検出を行なうタイミング検出手段と、 該タイミング検出手段によるタイミングにより前記出力
ビーム選択手段によって選択された各出力ビームと前記
加算手段の出力とに基づいて重み係数を算出する、カル
マンフィルタを用いた重み係数計算手段とを含むことを
特徴とするアレーアンテナの制御装置。5. An analog multi-beam generation means for generating an analog multi-beam reception signal from each output signal of each antenna element of an array antenna composed of m (m is a positive integer) antenna elements, and the analog multi-beam generation Output beam selecting means for selecting a predetermined number n (n <m, n is a positive integer) of output beams from each output signal obtained by the means, and an output beam of the output beam selecting means for a predetermined sampling frequency. An analog / digital signal converting means for sampling at, a signal orthogonalizing means for converting each digital signal obtained by the analog / digital signal converting means into an orthogonal signal, and an output beam selected by the output beam selecting means. Weight coefficient multiplication means for multiplying a predetermined weight coefficient, and an adder for adding each output of the weight coefficient multiplication means Timing detecting means for detecting timing by referring to a known signal among output signals of each antenna element, each output beam selected by the output beam selecting means at the timing of the timing detecting means, and the adding means. And a weighting factor calculating means using a Kalman filter for calculating a weighting factor based on the output of the array antenna.
スト信号であり、前記既知信号は前記バースト信号の中
に同期のために付加された同期用プリアンブルである請
求項４又は５に記載のアレーアンテナの制御装置。6. The array antenna according to claim 4, wherein the received signal is a burst signal according to a TDMA method, and the known signal is a synchronization preamble added for synchronization in the burst signal. Control device.
際最大の前記直交マルチビーム出力を用いて行ない、ア
レーアンテナの重み係数の推定の完了後はアレーアンテ
ナの出力を用いて行なう請求項４から６のいずれか１項
に記載のアレーアンテナの制御装置。7. The method according to claim 4, wherein the timing detecting means performs the maximum orthogonal power output in the initial acquisition and the output of the array antenna after the estimation of the weighting coefficient of the array antenna is completed. 6. The array antenna control device according to any one of 6 above.
ラーマトリクス給電回路である請求項５に記載のアレー
アンテナの制御装置。8. The array antenna control device according to claim 5, wherein the analog multi-beam generating means is a Butler matrix feeding circuit.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP31107797A JP3405156B2 (en) | 1997-10-28 | 1997-10-28 | Array antenna control method and device |
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