JP3668420B2 - アレーアンテナの制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のアンテナ素子を備えたアレーアンテナを制御するための制御装置及び制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図2は、従来例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。図2において、複数N個のアンテナ素子1−1乃至1−Nが互いに所定の間隔で1直線上に並置されてなるアレーアンテナ100によって無線信号が受信され、各アンテナ素子1−1乃至1−Nで受信された無線信号はそれぞれ、低雑音増幅器(LNA)2−1乃至2−N、所定の中間周波数の中間周波信号に周波数変換するダウンコンバータ5−1乃至5−N、中間周波信号をベースバンド信号に復調する復調器7−1乃至7−N及びアナログ/ディジタル変換を行うA/D変換器9−1乃至9−Nを介してビーム制御回路93及び可変移相器91−1乃至91−Nに出力される。可変移相器91−1乃至91−Nはそれぞれ、入力されるベースバンド信号を、ビーム制御回路93から指示される移相量だけ移相した後、合成器92に出力する。合成器92は入力される複数N個のベースバンド信号を電力合成して、合成後のベースバンド信号をビーム制御回路93に出力するとともに、外部装置に出力する。
【0003】
ここで、ビーム制御回路93は、A/D変換器9−1乃至9−Nから入力される各ベースバンド信号と、合成後のベースバンド信号とに基づいて、例えば公知のLMS(Least Mean Square)法等のMMSE(Minimizing Mean Square Error)の基準に基づく手法などの適応ビーム制御アルゴリズムを用いて、合成後のベースバンド信号が最大となりかつアレーアンテナ100が所定の方向に主ビームを向けるような可変移相器91−1乃至91−Nの各移相量を計算して各可変移相器91−1乃至91−Nを制御するために出力する。
【0004】
以上のように構成された、いわゆる適応型アレーアンテナの制御装置は、複数のアンテナ素子1−1乃至1−N及び無線受信機回路に、デジタル信号処理回路である可変移相器91−1乃至91−N、合成器92及びビーム制御回路93を組み合わせることにより、受信電波環境に適応した指向性パターンを得ることができる高機能なアンテナ制御装置である。図2の従来例では、ディジタルビーム形成回路(DBF)を用いた構成であり、アレーアンテナの主ビームを所望到来波の方向に形成したり、干渉波の方向にヌル点を形成してこれを除去するという機能を有する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アンテナ素子1−1乃至1−N毎に受信回路(低雑音増幅器2−1乃至2−N、ダウンコンバータ5−1乃至5−N、及び復調器7−1乃至7−N)並びにA/D変換器9−1乃至9−Nを用いる必要があるので、ハードウエア規模や消費電力が大きくなるという問題点があった。特に、アンテナ素子の素子数が多い高利得アンテナの場合に特にこの問題は深刻なものとなる。さらに、アンテナ素子毎に受信するので信号レベルが低下した環境下では動作が困難となるという欠点もある。
【0006】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来例に比較して構成が簡単であって消費電力が少なく、しかも劣悪な環境であっても安定に適応動作を行うことができるアレーアンテナの制御装置及び制御方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るアレーアンテナの制御装置は、複数N個のアンテナ素子が互いに所定の間隔で並置されてなるアレーアンテナを制御するためのアレーアンテナの制御装置において、
上記各アンテナ素子で受信された複数N個の無線信号をそれぞれ所定の移相量だけ移相させて出力する複数N個の移相手段と、
上記各移相手段から出力される複数N個の無線信号を合成して、合成後の無線信号を出力する合成手段と、
上記合成手段から出力される無線信号をベースバンド信号に復調して出力する復調手段と、
上記復調手段から出力されるベースバンド信号を所定の利得で利得制御して出力する利得制御手段と、
上記利得制御手段から出力されるベースバンド信号の符号を判別して符号判別値を示す符号判別値信号を出力する符号判別手段と、
上記符号判別手段から出力される符号判別値信号と、上記利得制御手段から出力されるベースバンド信号との間の誤差信号を発生して出力する減算手段と、
上記複数の移相手段の各移相量をそれぞれ所定のシフト量だけ摂動させ、各移相量に対する、上記利得制御手段から出力されるベースバンド信号の摂動前後の変化量を計算し、計算された変化量と、上記復調手段から出力されるベースバンド信号と、上記利得制御手段から出力されるベースバンド信号と、上記減算手段から出力される誤差信号とに基づいて、上記誤差信号の自乗平均が最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所定の方向に向けるための上記各移相量及び上記利得を計算してそれぞれ上記各移相手段及び上記利得制御手段に出力する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【0008】
また、上記アレーアンテナの制御装置において、好ましくは、上記復調手段と上記利得制御手段及び上記制御手段との間に挿入して設けられ、上記復調手段から出力されるベースバンド信号に対してアナログ・ディジタル変換して、変換後のディジタルのベースバンド信号を上記利得制御手段及び上記制御手段に出力する変換手段をさらに備えたことを特徴とする。
【0009】
本発明に係るアレーアンテナの制御方法は、複数N個のアンテナ素子が互いに所定の間隔で並置されてなるアレーアンテナを制御するためのアレーアンテナの制御方法において、
上記各アンテナ素子で受信された複数N個の無線信号を、複数N個の移動手段を用いて、それぞれ所定の移相量だけ移相させて出力するステップと、
上記移相された複数N個の無線信号を合成して、合成後の無線信号を出力するステップと、
上記合成後の無線信号をベースバンド信号に復調するステップと、
上記復調されたベースバンド信号を、利得制御手段を用いて所定の利得で利得制御するステップと、
上記利得制御されたベースバンド信号の符号を判別して符号判別値を示す符号判別値信号を出力するステップと、
上記符号判別値信号と、上記利得制御されたベースバンド信号との間の誤差信号を発生するステップと、
上記複数の移相手段の各移相量をそれぞれ所定のシフト量だけ摂動させ、各移相量に対する、上記利得制御手段から出力されるベースバンド信号の摂動前後の変化量を計算し、計算された変化量と、上記復調手段から出力されるベースバンド信号と、上記利得制御手段から出力されるベースバンド信号と、上記減算手段から出力される誤差信号とに基づいて、上記誤差信号の自乗平均が最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所定の方向に向けるための上記各移相量及び上記利得を計算してそれぞれ上記各移相手段及び上記利得制御手段に出力する制御ステップとを含むことを特徴とする。
【0010】
また、上記アレーアンテナの制御方法において、好ましくは、上記復調するステップの後であって上記利得制御するステップ及び上記制御ステップの前に、上記復調されたベースバンド信号に対してアナログ・ディジタル変換して、変換後のディジタルのベースバンド信号を出力するステップをさらに含むことを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る一実施形態について説明する。
【0012】
図1は、本発明に係る一実施形態である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り、図2と同様のものについては同一の符号を付している。
【0013】
本発明に係る実施形態では、アレーアンテナ100の各アンテナ素子1−1乃至1−Nで受信した信号を、可変移相器3−1乃至3−Nと加算器である合成器4によって構成されたRF帯のBFN(Beam Forming Network)回路で合成する構成を採用する。この構成では、合成後の信号のみをベースバンド帯に変換するため、アレーアンテナ100のアンテナ素子数が増大してもほとんど回路規模が変わらないという利点がある。本発明に係る実施形態はこの構成における、適応的なビーム制御するためのアルゴリズム手法を提供するものである。
【0014】
本実施形態のアレーアンテナの制御装置は、複数N個のアンテナ素子1−1乃至1−Nが互いに所定の間隔で配置されてなるアレーアンテナ100(例えば、リニアアレーであり、2次元形状又は3次元形状で配置されてもよい。)のビームを制御するための適応制御型制御装置であって、ビーム制御回路80を備えたことを特徴としている。ここで、ビーム制御回路80は、復調器7を介してA/D変換器9からの出力信号であるベースバンド信号Ψkのみに基づいて、詳細後述する変形された最小平均二乗法(以下、M−LMS法という。)を用いて、可変移相器3−1乃至3−Nの各移相量をそれぞれ所定のシフト量だけ摂動させ、各移相量に対する、可変増幅器82から出力されるベースバンド信号ykの摂動前後の変化量Δykを計算し、計算された変化量Δykと、A/D変換器9から出力されるベースバンド信号Ψkと、可変増幅器82から出力されるベースバンド信号ykと、ベースバンド信号Ψkを可変増幅器82により利得制御されたベースバンド信号ykとそれの符号判別値dk(符号判別器83の出力である。)との間の誤差信号ekとに基づいて、当該誤差信号ekの自乗平均が最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所定の方向に向けるための上記各移相量及び上記利得を計算してそれぞれ各可変移相器3−1乃至3−N及び可変増幅器82に出力することを特徴としている。
【0015】
以下、図1に示すアレーアンテナの制御装置の構成について説明する。図1において、複数N個のアンテナ素子1−1乃至1−Nが互いに所定の間隔で1直線上に並置されてなるアレーアンテナ100によって無線信号が受信され、各アンテナ素子1−1乃至1−Nで受信された無線信号はそれぞれ、低雑音増幅器(LNA)2−1乃至2−Nを介して可変移相器3−1乃至3−Nに入力される。各可変移相器3−1乃至3−Nはそれぞれ、入力される無線信号を、ビーム制御回路10から出力される各移相制御電圧vk,i(i=1,2,…,N)に対応した各移相量だけ移相した後、合成器4に出力する。合成器4は入力されるN個の無線信号を電力合成して、合成後の無線信号を、所定の中間周波数の中間周波信号に周波数変換するダウンコンバータ5及び中間周波信号の帯域成分のみを帯域ろ波する帯域通過フィルタ(BPF)6を介して復調器7に出力する。復調器7は、入力される無線信号を、送信機側の変調方法(例えば、QPSK、PSK、FSKなど)に対応した復調方法を用いてベースバンド信号に復調して、所望のベースバンド信号のみを取り出す低域通過フィルタ(LPF)8を介してA/D変換器9に出力する。A/D変換器9は、入力されるアナログのベースバンド信号をディジタルのベースバンド信号にA/D変換して、変換後のベースバンド信号信号Ψkを外部装置及びビーム制御回路80に出力する。
【0016】
なお、可変移相器3−1乃至3−Nと合成器4とは、例えば公知の大規模GaAsMMICにてなるマイクロ波シグナルプロセッサによって構成することができる。
【0017】
ビーム制御回路80は、ビーム制御部81と、可変増幅器82と、符号判別器83と、減算器84とを備えて構成される。ここで、可変増幅器82は、入力されるベースバンド信号Ψkを、ビーム制御部81により示される制御利得gkで増幅して、利得制御されたベースバンド信号ykを符号判別器83、減算器84及びビーム制御部81に出力する。次いで、符号判別器83は、後述するように、入力されるベースバンド信号ykの符号判別値dkを演算して減算器84に出力する。さらに、減算器84は、符号判別値dkからベースバンド信号ykを減算して減算結果の誤差信号ekをビーム制御部81に出力する。そして、ビーム制御部81は、入力されるベースバンド信号Ψk及びyk、並びに誤差信号ekに基づいてM−LMS法を用いて制御利得gkを演算して可変増幅器82に出力するとともに、可変制御電圧vk,i(i=1,2,…,N)を演算してそれぞれ可変移相器3−1乃至3−Nに出力する。
【0018】
このビーム制御回路80では、A/D変換後のベースバンド信号Ψkのみに基づいて、M−LMS法を用いて、例えば、データ伝送を行う前の所定のトレーニング期間において、各可変移相器3−1乃至3−Nに対する各移相制御電圧vk,iを所定のシフト量だけ摂動させることにより、各移相量に対する、可変増幅器82から出力されるベースバンド信号ykの摂動前後の変化量Δykを計算し、計算された変化量Δykと、A/D変換器9から出力されるベースバンド信号Ψkと、可変増幅器82から出力されるベースバンド信号ykと、ベースバンド信号ykの符号判別値dk(符号判別器83の出力である。)とベースバンド信号ykとの間の誤差信号ekとに基づいて、当該誤差信号ekの自乗平均が最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所定の方向に向けるための上記各移相量及び上記利得を計算してそれぞれ各可変移相器3−1乃至3−N及び可変増幅器82に出力する。
【0019】
以上のように構成されたアレーアンテナの制御装置においては、ビーム制御回路80は、ビーム制御回路80の減算器84で発生される誤差信号ekの自乗平均が最小となるように、アレーアンテナ100の主ビームを適応的に所定の方向に形成する。構成されたアレーアンテナの制御装置では、低雑音増幅器2−1乃至2−N及び可変移相器3−1乃至3−Nは、アンテナ素子1−1乃至1−Nの素子数Nに対応したN個を必要とするが、合成器4以降の回路では、各回路構成要素は1つのみで済む。従って、図2に示す従来例に比較して、ハードウエア構成が簡単であって、回路構成要素の数が少ないので消費電力が少ない。
【0020】
次いで、ビーム制御回路80における制御アルゴリズムについて説明する。まず、可変増幅器82から出力される利得制御されたベースバンド信号ykは次式で表される。
【0021】
【数1】
yk=gkΨk
【0022】
ここで、ΨkはA/D変換器9から出力され複素数で表されたベースバンド信号であり、gkは実数で表された可変増幅器82の利得であり、ykは複素数で表された可変増幅器82の出力信号を示している。このとき、誤差信号ekを次式のように定義される。
【0023】
【数2】
ek=dk−yk
【0024】
ここで、dkは符号判別器83からの、符号判別値を示す出力信号であり、次式のように求められる。
【0025】
【数3】
dk=sgn[Re(yk)]+j・sgn[Im(yk)]
【0026】
ここで、Re[・]は引数の実数を示す関数であり、Im[・]は引数の虚数を示す関数である。また、sgn[x]は符号判別関数であり、以下のように定義される。
【0027】
【数4】
【0028】
この時、可変増幅器82の利得は次式のように更新される。
【0029】
【数5】
gk=gk-1+μRe[Ψkek *]
【0030】
ここで、μはステップサイズパラメータと呼ばれ、0<μ<1での適当な定数である。また、*は複素共役を示す。一方、可変位相器3−iの制御電圧は次式のように更新される。
【0031】
【数6】
vk,i=vk-1,i+μRe(ek *Δyk,i)
【0032】
このとき、変化量Δyk,iは次式のように求められる。
【0033】
【数7】
Δyk,i=yk(vk-1,1,…,vk-1,i+Δv,…,vk-1,N)−yk(vk-1,1,…,vk-1,i,…,vk-1,N)
【0034】
数7の右辺の第2項は、摂動電圧を付加しないときの時刻k−1の移相制御電圧vk-1,1,…,vk-1,i,…,vk-1,Nを各可変移相器3−1乃至3−Nに印加したときの利得制御されたベースバンド信号ykを示す。また、数7の右辺の第1項は、時刻k−1の移相制御電圧vk-1,1,…,vk-1,i,…,vk-1,Nに加えて、第i番目のアンテナ素子1−iに対応する可変移相器3−iのみに摂動電圧Δvを余分にかけたときの利得制御されたベースバンド信号ykを示す。そして、数7で表されるΔyk,iはこれら2つの信号の変化量、すなわち、摂動前後のベースバンド信号ykの変化量である。
【0035】
従って、数6から明らかなように、計算した摂動前後のベースバンド信号ykの変化量Δyk,iと、誤差信号ekとに基づいて移相制御電圧vk,iを演算して設定する。そして、数5から明らかなように、誤差信号ekの自乗平均が最小となるように、可変増幅器82の利得gkを決定して設定する。このようにビーム制御することにより、当該アレーアンテナの主ビームを所定の方向に向けることができ、特に、TDMA等で利用されるプリアンブルやCDMA等で利用されるパイロット信号を所望信号として用いることで、搬送波対干渉波電力比(CIR)がマイナス、すなわち、所望信号が干渉波よりもレベルが低い場合にも、所望波方向にビームを向け、干渉波方向にヌルを形成できる。
【0036】
本実施形態においては、振幅制御は、A/D変換器9からの出力ベースバンド信号ykに対してディジタル信号処理により行い、マイクロ波帯(RF帯)の可変移相器制御では、移相器入力信号を観測できないため、摂動により係数の更新量を求める。また、振幅制御では、出力ベースバンド信号ykがディジタル信号として得られるため、数5の形式で、振幅推定アルゴリズムが得られる。また、発明したアルゴリズムは誤差信号ekの二乗平均の最小化という公知のLMS法と同様の規範を用いているため、発明したアルゴリズムを「M−LMS法」と呼んでいる。
【0037】
以上説明したように、本実施形態によれば、M−LMS法を用いてビーム制御するので、DBF回路で実現されたアダプティブアレーと同様に、ビーム、ヌル制御が可能で有ることに加えて、RF帯でビーム形成が行えるため、従来例に比較して回路規模やコストの削減が可能になるという利点がある。従って、構成が簡単であって消費電力が少ない。また、TDMA等で利用されるプリアンブルやCDMA等で利用されるパイロット信号を所望信号として用いることで、搬送波対干渉波電力比(CIR)がマイナス、すなわち、所望信号が干渉波よりもレベルが低い場合にも、所望波方向にビームを向け、干渉波方向にヌルを形成できる。従って、劣悪な環境であっても安定に適応動作を行うことができる。
【0038】
以上の実施形態においては、A/D変換器9を用いてベースバンド信号をA/D変換した後、ビーム制御回路80においてディジタル信号処理を行っているが、A/D変換器9を挿入せず、ビーム制御回路80においてアナログで信号処理を実行してもよい。
【0039】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、M−LMS法を用いてビーム制御するので、DBF回路で実現されたアダプティブアレーと同様に、ビーム、ヌル制御が可能で有ることに加えて、RF帯でビーム形成が行えるため、従来例に比較して回路規模やコストの削減が可能になるという利点がある。従って、構成が簡単であって消費電力が少ない。また、TDMA等で利用されるプリアンブルやCDMA等で利用されるパイロット信号を所望信号として用いることで、搬送波対干渉波電力比(CIR)がマイナス、すなわち、所望信号が干渉波よりもレベルが低い場合にも、所望波方向にビームを向け、干渉波方向にヌルを形成できる。従って、劣悪な環境であっても安定に適応動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る一実施形態である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。
【図2】 従来例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。
【符号の説明】
1−1乃至1−N…アンテナ素子、
2−1乃至2−N…低雑音増幅器(LNA),
3−1乃至3−N…可変移相器、
4…合成器、
5…ダウンコンバータ、
6…帯域通過フィルタ(BPF)、
7…復調器、
8…低域通過フィルタ(LPF)、
9…A/D変換器、
80…ビーム制御回路、
81…ビーム制御部、
82…可変増幅器、
83…符号判別器、
84…減算器、
100…アレーアンテナ。
Claims (4)
- 複数N個のアンテナ素子が互いに所定の間隔で並置されてなるアレーアンテナを制御するためのアレーアンテナの制御装置において、
上記各アンテナ素子で受信された複数N個の無線信号をそれぞれ所定の移相量だけ移相させて出力する複数N個の移相手段と、
上記各移相手段から出力される複数N個の無線信号を合成して、合成後の無線信号を出力する合成手段と、
上記合成手段から出力される無線信号をベースバンド信号に復調して出力する復調手段と、
上記復調手段から出力されるベースバンド信号を所定の利得で利得制御して出力する利得制御手段と、
上記利得制御手段から出力されるベースバンド信号の符号を判別して符号判別値を示す符号判別値信号を出力する符号判別手段と、
上記符号判別手段から出力される符号判別値信号と、上記利得制御手段から出力されるベースバンド信号との間の誤差信号を発生して出力する減算手段と、
上記複数の移相手段の各移相量をそれぞれ所定のシフト量だけ摂動させ、各移相量に対する、上記利得制御手段から出力されるベースバンド信号の摂動前後の変化量を計算し、計算された変化量と、上記復調手段から出力されるベースバンド信号と、上記利得制御手段から出力されるベースバンド信号と、上記減算手段から出力される誤差信号とに基づいて、上記誤差信号の自乗平均が最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所定の方向に向けるための上記各移相量及び上記利得を計算してそれぞれ上記各移相手段及び上記利得制御手段に出力する制御手段とを備えたことを特徴とするアレーアンテナの制御装置。 - 請求項1記載のアレーアンテナの制御装置において、
上記復調手段と上記利得制御手段及び上記制御手段との間に挿入して設けられ、上記復調手段から出力されるベースバンド信号に対してアナログ・ディジタル変換して、変換後のディジタルのベースバンド信号を上記利得制御手段及び上記制御手段に出力する変換手段をさらに備えたことを特徴とするアレーアンテナの制御装置。 - 複数N個のアンテナ素子が互いに所定の間隔で並置されてなるアレーアンテナを制御するためのアレーアンテナの制御方法において、
上記各アンテナ素子で受信された複数N個の無線信号を、複数N個の移動手段を用いて、それぞれ所定の移相量だけ移相させて出力するステップと、
上記移相された複数N個の無線信号を合成して、合成後の無線信号を出力するステップと、
上記合成後の無線信号をベースバンド信号に復調するステップと、
上記復調されたベースバンド信号を、利得制御手段を用いて所定の利得で利得制御するステップと、
上記利得制御されたベースバンド信号の符号を判別して符号判別値を示す符号判別値信号を出力するステップと、
上記符号判別値信号と、上記利得制御されたベースバンド信号との間の誤差信号を発生するステップと、
上記複数の移相手段の各移相量をそれぞれ所定のシフト量だけ摂動させ、各移相量に対する、上記利得制御手段から出力されるベースバンド信号の摂動前後の変化量を計算し、計算された変化量と、上記復調手段から出力されるベースバンド信号と、上記利得制御手段から出力されるベースバンド信号と、上記減算手段から出力される誤差信号とに基づいて、上記誤差信号の自乗平均が最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所定の方向に向けるための上記各移相量及び上記利得を計算してそれぞれ上記各移相手段及び上記利得制御手段に出力する制御ステップとを含むことを特徴とするアレーアンテナの制御方法。 - 請求項3記載のアレーアンテナの制御方法において、
上記復調するステップの後であって上記利得制御するステップ及び上記制御ステップの前に、上記復調されたベースバンド信号に対してアナログ・ディジタル変換して、変換後のディジタルのベースバンド信号を出力するステップをさらに含むことを特徴とするアレーアンテナの制御方法。
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