JP3638785B2 - 信号受信装置及び信号受信方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、所望信号波にビームを形成するとともに、所望信号波の歪みを抑制する信号受信装置及び信号受信方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図3は例えば「多重波抑圧用アダプティブアレイ(信学技報のCS87−12)」1987年5月発行に示された従来の信号受信装置を示す構成図であり、図において、A1 〜Ak はアダプティブアンテナを構成する素子アンテナ、B1 〜Bk は素子アンテナA1 〜Ak により受信された受信信号X1 〜Xk (以下、受信信号X1 〜Xk をX(n)を用いて表現するが、X(n)は受信信号のベクトル表現であって、時刻nの受信信号を示すものである)をそれぞれアナログ・ディジタル変換するA/D変換器、C1 〜Ck はA/D変換器B1 〜Bk によりディジタル信号に変換された受信信号X(n)にそれぞれウェイトW1 〜Wk (以下、ウェイトW1 〜Wk をW(n)を用いて表現するが、W(n)はウェイトのベクトル表現であって、時刻nのウェイトを示すものである)を乗算する重み付け部、1は重み付け部C1 〜Ck の乗算結果を合成してアレー出力信号Y(n)を出力する加算器、2は加算器1から出力されたアレー出力信号Y(n)と包絡線値σから受信信号X(n)の振幅の歪みを評価する評価関数Q(n)を求め、その評価関数Q(n)に基づいて素子アンテナA1 〜Ak のウェイトW(n)を更新する信号処理部である。
【0003】
次に動作について説明する。
まず、素子アンテナA1 〜Ak は、図4(a)に示すように、包絡線値が一定の変調信号波(例えば、FMやPSK等による変調信号波)にビームを形成して所望信号波を受信するものであるが、例えば同一の発振源から送信される変調信号波であっても、図5に示すように、伝搬路が異なるために、変調信号波f2 が変調信号波f1 より時間的に遅れてアダプティブアンテナに受信されることがある。
【0004】
この場合、変調信号波f1 と変調信号波f2 の位相が異なるため(図4(a),図4(b)を参照)、変調信号波f1 と変調信号波f2 の合成波の包絡線値が変化し(図4(c)を参照)、包絡線値が一定の変調信号波の受信精度が劣化することになる。
【0005】
そこで、受信精度の劣化を防止するため、信号処理部2は、まず、素子アンテナA1 〜Ak により受信された受信信号X(n)の振幅の歪みを評価する評価関数Q(n)を求める。
具体的には、加算器1から出力されたアレー出力信号Y(n)と包絡線値σを下記の演算式に代入して、評価関数Q(n)を求める。
なお、電力が最大の到来波が所望信号波であるとして、その電力に合わせて包絡線値σが設定される。
Q(n)=(||Y(n)|p −σp q
ただし、p,qは、通常、1又は2の整数である。
【0006】
そして、信号処理部2は、評価関数Q(n)を求めると、受信信号X(n)の振幅の歪みを最小化するため、その評価関数Q(n)に基づいて受信信号X(n)のウェイトW(n)を更新する。
具体的には、下記に示すように、評価関数Q(n)をウェイトW(n)により遍微分し、その微分結果▽W Q(n)を用いて次回のウェイトW(n+1)を決定する。
W(n+1)=W(n)−μ・▽W Q(n)
ただし、μはステップサイズ(評価の刻み幅)
【0007】
なお、ウェイトW(n)は、時間nのときのウェイトW1 〜Wk を示すベクトルであるが、初期段階では、規格化された定数が設定され、その一例を下記に示す。
1 =1
2 =0
3 =0



k =0
【0008】
これにより、重み付け部C1 〜Ck が、次回実施する重み付けは、更新されたウェイトW(n+1)を用いて実施することになり、受信信号X(n)の振幅の歪みが最小化されることになる。
また、所望信号波より電力が小さい干渉信号波が到来しても、その干渉信号波は抑圧されることになる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従来の信号受信装置は以上のように構成されているので、受信信号X(n)の振幅の歪みを最小化するウェイトW(n)を逐次更新するが、初期段階のウェイトW(1)は規格化された定数に設定されるため、最適なウェイトW(n)を得るまでに長時間を要する課題があった。
また、最適なウェイトW(n)を速やかに得ることができないため、所望信号波より電力が大きい干渉信号波が到来すると、所望信号波が抑圧され、干渉信号波にビームが形成される場合がある課題があった。
【0010】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、最適なウェイトを速やかに得ることができるとともに、所望信号波より電力が大きい干渉信号波が到来しても、干渉信号波にビームが形成される確率を低下させることができる信号受信装置及び信号受信方法を得ることを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る信号受信装置は、複数のアンテナにより受信された受信信号と参照信号から各アンテナの初期段階のウェイトを決定する決定手段を設け、また、更新手段が評価関数を求める際、アレー出力信号と包絡線値をアンテナの素子数で規格化するようにしたものである。
0012
この発明に係る信号受信方法は、複数のアンテナにより受信された受信信号と参照信号から各アンテナの初期段階のウェイトを決定し、また、評価関数を求める際、アレー出力信号と包絡線値をアンテナの素子数で規格化するようにしたものである。
0013
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による信号受信装置を示す構成図であり、図において、A1 〜Ak はアダプティブアンテナを構成する素子アンテナ(アンテナ)、B1 〜Bk は素子アンテナA1 〜Ak により受信された受信信号X1 〜Xk (以下、受信信号X1 〜Xk をX(n)のように表現するが、例えば、X(n)は受信信号のベクトル表現であって、時刻nの受信信号を示すものである)をそれぞれアナログ・ディジタル変換するA/D変換器、C1 〜Ck はA/D変換器B1 〜Bk によりディジタル信号に変換された受信信号X(n)にそれぞれウェイトW1 〜Wk (以下、ウェイトW1 〜Wk をW(n)のように表現するが、例えば、W(n)はウェイトのベクトル表現であって、時刻nのウェイトを示すものである)を乗算する重み付け部(合成手段)、11は重み付け部C1 〜Ck の乗算結果を合成してアレー出力信号Y(n)を出力する加算器(合成手段)である。
0014
また、12は素子アンテナA1 〜Ak により受信された受信信号X(i)から相関行列Rxx(m)を算出する相関行列算出器(決定手段)、13は素子アンテナA1 〜Ak により受信された受信信号X(i)と、所望信号波と相関関係のある参照信号d(i)とから、相関ベクトルrxd(m)を算出する相関ベクトル算出器(決定手段)、14は相関行列Rxx(m)の逆行列R-1 xx(m)に相関ベクトルrxd(m)を乗算して、初期段階のウェイトW(1)を算出する初期ウェイト算出器(決定手段)、15は加算器11から出力されたアレー出力信号Y(n)と包絡線値σから受信信号X(n)の振幅の歪みを評価する評価関数Q(n)を求め、その評価関数Q(n)に基づいて素子アンテナA1 〜Ak のウェイトW(n)を更新するウェイト設定器(更新手段)である。
なお、図2はこの発明の実施の形態1による信号受信方法を示すフローチャートである。
0015
次に動作について説明する。
実際に受信信号X(n)を受信して、アレー出力信号Y(n)を出力する前に、受信開始当初から最適なウェイトW(n)を得ることができるようにするため、以下に示すような前処理を実施して、初期段階のウェイトW(1)を算出する。
0016
まず、相関行列算出器12が、素子アンテナA1 〜Ak により受信された受信信号X(i)を下記に示す演算式に代入して、相関行列Rxx(m)を算出する(ステップST1)。
ただし、式(1)におけるmの値は任意の整数である。
0017
【数1】
Figure 0003638785
0018
また、相関ベクトル算出器13は、素子アンテナA1 〜Ak により受信された受信信号X(i)と、所望信号波と相関関係のある参照信号d(i)とを下記に示す演算式に代入して、相関ベクトルrxd(m)を算出する(ステップST2)。
ただし、式(2)におけるmの値は任意の整数である。
0019
【数2】
Figure 0003638785
0020
そして、初期ウェイト算出器14は、相関行列算出器12が相関行列Rxx(m)を算出し、相関ベクトル算出器13が相関ベクトルrxd(m)を算出すると、相関行列Rxx(m)の逆行列R-1 xx(m)を算出したのち、相関行列Rxx(m)の逆行列R-1 xx(m)と、相関ベクトルrxd(m)とを下記に示す演算式に代入して、初期段階のウェイトW(1)を算出する(ステップST3)。
ただし、式(3)におけるmの値は任意の整数である。
0021
W(m)=R-1 xx(m)rxd(m) …(3)
0022
このようにして、初期段階のウェイトW(1)が決定すると前処理を完了し、実際に受信信号X(n)を受信して、アレー出力信号Y(n)を生成する受信処理を開始するが(ステップST4)、上述したように、同一発振源から送信された所望信号波であっても、異なる伝搬路を通過することによる時間的なずれによって、アレー出力信号Y(n)の包絡線値が変化することがある。
ただし、一番最初の受信処理においては、先の前処理で算出したウェイトW(1)を用いて重み付けを実施する。
0023
そこで、包絡線値の変化に伴う受信精度の劣化を防止するため、ウェイト設定器15は、まず、素子アンテナA1 〜Ak により受信された受信信号X(n)の振幅の歪みを評価する評価関数Q(n)を求める(ステップST5)。
具体的には、加算器11から出力されたアレー出力信号Y(n)と、包絡線値σを下記の演算式に代入して、評価関数Q(n)を求める。
なお、電力が最大の到来波が所望信号波であるとして、その電力に合わせて包絡線値σが設定される。
Q(n)=(||Y(n)|p −σp q ) …(4)
ただし、p,qは、通常、1又は2の整数である。
0024
そして、ウェイト設定器15は、評価関数Q(n)を求めると、受信信号X(n)の振幅の歪みを最小化するため、その評価関数Q(n)に基づいて受信信号X(n)のウェイトW(n)を更新する(ステップST6)。
具体的には、下記に示すように、評価関数Q(n)をウェイトW(n)により遍微分し、その微分結果▽W Q(n)を用いて次回のウェイトW(n+1)を決定する。
W(n+1)=W(n)−μ・▽W Q(n) …(5)
ただし、μはステップサイズ(評価の刻み幅)
0025
これにより、重み付け部C1 〜Ck が、次回実施する重み付けは、更新されたウェイトW(n+1)を用いて実施することになり、受信信号X(n)の振幅の歪みが最小化されることになる。
また、所望信号波より電力が小さい干渉信号波が到来しても、その干渉信号波は抑圧されることになる。
0026
以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、素子アンテナA1 〜Ak により受信された受信信号X(i)と参照信号d(i)から素子アンテナA1 〜Ak の初期段階のウェイトW(1)を決定するように構成したので、初期段階から最適なウェイトW(1)が得られるようになり、その結果、初期段階から所望信号波にビームが形成されるため、その後、所望信号波より電力が大きい干渉信号波が到来しても、干渉信号波にビームが形成される確率を低下させることができる効果を奏する。
0027
実施の形態2.
上記実施の形態1では、加算器11から出力されたアレー出力信号Y(n)と、包絡線値σを用いて、評価関数Q(n)を求めるものについて示したが、評価関数を求める際、アレー出力信号(n)と包絡線値σを素子アンテナA1 〜Ak の素子数kで規格化するようにしてもよい。
0028
具体的には、下記に示すように、加算器11から出力されたアレー出力信号Y(n)と、包絡線値σをそれぞれ素子アンテナA1 〜Ak の素子数kで除算し、その除算結果を用いて、評価関数Q(n)を求める。
Q(n)=(||Y(n)/k|p −(σ/k)p q ) …(6)
ただし、p,qは、通常、1又は2の整数である。
0029
これにより、素子アンテナA1 〜Ak の素子数kに変更が生じても、ステップサイズμの調整が不要になる効果を奏する。
0030
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、複数のアンテナにより受信された受信信号と参照信号から各アンテナの初期段階のウェイトを決定する決定手段を設けるように構成したので、初期段階から最適なウェイトが得られるようになり、その結果、初期段階から所望信号波にビームが形成されるため、その後、所望信号波より電力が大きい干渉信号波が到来しても、干渉信号波にビームが形成される確率を低下させることができる効果がある。
また、更新手段が評価関数を求める際、アレー出力信号と包絡線値をアンテナの素子数で規格化するように構成したので、アンテナの素子数に変更が生じても、ステップサイズの調整が不要になる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1による信号受信装置を示す構成図である。
【図2】 この発明の実施の形態1による信号受信方法を示すフローチャートである。
【図3】 従来の信号受信装置を示す構成図である。
【図4】 合成波の包絡線値の変化を説明する説明図である。
【図5】 変調信号波の時間遅れを説明する説明図である。
【符号の説明】
1 〜Ak 素子アンテナ(アンテナ)、C1 〜Ck 重み付け部(合成手段)、11 加算器(合成手段)、12 相関行列算出器(決定手段)、13 相関ベクトル算出器(決定手段)、14 初期ウェイト算出器(決定手段)、15 ウェイト設定器(更新手段)。

Claims (2)

  1. 複数のアンテナにより受信された受信信号と参照信号から各アンテナの初期段階のウェイトを決定する決定手段と、各アンテナにより受信された受信信号にそれぞれウェイトを乗算するとともに、各乗算結果を合成してアレー出力信号を生成する合成手段と、上記合成手段により生成されたアレー出力信号と包絡線値から受信信号の振幅の歪みを評価する評価関数を求め、その評価関数に基づいて各アンテナのウェイトを更新する更新手段とを備えた信号受信装置において、上記更新手段が評価関数を求める際、アレー出力信号と包絡線値をアンテナの素子数で規格化することを特徴とする信号受信装置。
  2. 複数のアンテナにより受信された受信信号と参照信号から各アンテナの初期段階のウェイトを決定する一方、各アンテナにより受信された受信信号にそれぞれウェイトを乗算するとともに、各乗算結果を合成してアレー出力信号を生成し、そのアレー出力信号と包絡線値から受信信号の振幅の歪みを評価する評価関数を求め、その評価関数に基づいて各アンテナのウェイトを更新する信号受信方法において、その評価関数を求める際、アレー出力信号と包絡線値をアンテナの素子数で規格化することを特徴とする信号受信方法。
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