JP3672830B2

JP3672830B2 - Array antenna control apparatus and control method

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Publication number: JP3672830B2
Application number: JP2001036862A
Authority: JP
Inventors: 幸宏神谷; 孝大平
Original assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Current assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2021-02-14
Also published as: JP2002246826A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線信号を送受信するための励振素子と、励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを備え、各可変リアクタンス素子のアクタンス値を変化させることによりアレーアンテナの指向特性を変化させる電子制御導波器アレーアンテナ装置（Electronically Steerable Passive Array Radiator (ESPAR) Antenna；以下、エスパアンテナという。）などのアレーアンテナ装置のための制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術のエスパアンテナ（以下、第１の従来例という。）の基本構成は、例えば、従来技術文献１「T. Ohira et al., "Electronically steerable passive array radiator antennas for low-cost analog adaptive beamforming," 2000 IEEE International Conference on Phased Array System & Technology pp. 101-104, Dana point, California, May 21-25, 2000」や特願平１１−１９４４８７号の特許出願において提案されている。このエスパアンテナは、無線信号が送受信される励振素子と、この励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が送受信されない少なくとも１個の非励振素子と、この非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とから成るアレーアンテナを備え、上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記アレーアンテナの指向特性を変化させることができる。
【０００３】
また、従来技術である複数のアンテナ素子を備えた適応型アレーアンテナ（以下、第２の従来例という。）において、適応的なビーム形成によって実現される空間領域信号処理と、等化器による時間領域信号処理を組み合わせた時空間信号処理（以下、時空間信号処理という。）が、高速無線通信で問題となるマルチパスフェージングに対する対策として有効であることが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
第１の従来例のエスパアンテナは、第２の従来例の適応型アレーアンテナに比較して、単一の励振素子のみから構成されているので、経済性の面から非常に有利である。一方、第２の従来例においては、複数のアンテナ素子毎に時空間信号処理を行うハードウェア回路を設けなければならず、その回路構成は複雑であり、高価であるという問題点があった。
【０００５】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、第２の従来例に比較して回路構成が簡単であって、エスパアンテナで受信された受信信号に対して時空間信号処理を行うことができるアレーアンテナの制御装置を提供することにある。
【０００６】
【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、無線信号を送受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることによりアレーアンテナの指向特性を変化させるアレーアンテナの制御装置において、
上記励振素子によって受信された受信信号に基づいて、主ビームの方向が実質的に所望波の方向に向くように上記受信信号に対して時間領域の信号処理を実行して処理信号を出力する第１の処理手段と、
上記第１の処理手段から出力される処理信号に基づいて、所定の評価基準を用いて評価値を演算して、評価値を示す評価値信号を出力する演算手段と、
上記演算手段から出力される評価値信号に基づいて、実質的に所望値の評価値信号を得るように空間領域の信号処理を実行することにより、上記所望値の評価値信号が得られた、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値に対応する信号を発生して上記各可変リアクタンス素子に出力する第２の処理手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
上記アレーアンテナの制御装置において、上記第２の処理手段は、好ましくは、遺伝的アルゴリズム、又は差分ベクトルの簡易探索法を用いて空間領域の信号処理を実行することを特徴とする。また、上記アレーアンテナの制御装置において、上記第１の処理手段は、好ましくは、ＣＭアルゴリズム、ＲＬＳアルゴリズム又はＬＭＳアルゴリズムに基づく線形等化器を用いて時間領域の信号処理を実行することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るアレーアンテナの制御方法は、無線信号を送受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記複数の非励振素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることによりアレーアンテナの指向特性を変化させるアレーアンテナの制御方法において、
上記励振素子によって受信された受信信号に基づいて、主ビームの方向が実質的に所望波の方向に向くように上記受信信号に対して時間領域の信号処理を実行して処理信号を出力するステップと、
上記処理信号に基づいて、所定の評価基準を用いて評価値を演算して、評価値を示す評価値信号を出力するステップと、
上記評価値信号に基づいて、実質的に所望値の評価値信号を得るように空間領域の信号処理を実行することにより、上記所望値の評価値信号が得られた、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値に対応する信号を発生して上記各可変リアクタンス素子に出力するステップとを含むことを特徴とする。
【０００９】
上記アレーアンテナの制御方法において、上記空間領域の信号処理を実行するステップは、好ましくは、遺伝的アルゴリズム、又は差分ベクトルの簡易探索法を用いて空間領域の信号処理を実行することを特徴とする。また、アレーアンテナの制御方法において、上記時間領域の信号処理を実行するステップは、好ましくは、ＣＭアルゴリズム、ＲＬＳアルゴリズム又はＬＭＳアルゴリズムに基づく線形等化器を用いて時間領域の信号処理を実行することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態について説明する。
【００１１】
＜実施形態＞
図１は、本発明に係る実施形態である、エスパアンテナと呼ばれるアレーアンテナ装置１００のための制御装置の構成を示すブロック図である。この制御装置の特徴は、アレーアンテナ装置１００に対して、時間領域信号処理部４と、評価値計算部５と、空間領域信号処理部６とを備えたことを特徴としている。
【００１２】
図１において、このアレーアンテナの制御装置は、１つの励振素子Ａ０と、６個の非励振素子Ａ１乃至Ａ６と、接地導体１１とを備えてなる従来技術のエスパアンテナで構成されたアレーアンテナ装置１００のための制御装置である。アレーアンテナ装置１００においては、１つの励振素子Ａ０と、６個の非励振素子Ａ１乃至Ａ６とは、図１に示すように、励振素子Ａ０を中心とする半径ｄの円周上に非励振素子Ａ１乃至Ａ６が等間隔となるように配置される。ここで、非励振素子Ａ１乃至Ａ６の各一端はそれぞれ、各可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６を介して接地されている。また、非励振素子Ａ１乃至Ａ６は、図２に示すように、各素子Ａ０乃至Ａ６の長さに対して十分に大きい広さを有する導体板にてなる接地導体１１とは電気的に絶縁されるように支持され、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６の接地導体１１側の他端はそれぞれ、可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６を介して接地されている。また、各可変リアクタンス素子１２は例えば可変容量ダイオードにてなる。なお、各素子Ａ０乃至Ａ６は例えば１／４波長の長さを有するモノポール型アンテナ素子である。また、半径ｄは１／４波長である。ここで、１波長は送受信する無線信号の波長である。
【００１３】
アレーアンテナ装置１００の励振素子Ａ０で受信された受信信号は、低雑音増幅器１により増幅された後、ダウンコンバータ２により例えば中間周波信号にダウンコンバートされ、さらにはＡ／Ｄ変換器３によりディジタル形式の受信信号ｘ（ｋ）にＡ／Ｄ変換されて時間領域信号処理部４に入力される。次いで、時間領域信号処理部４は、入力される受信信号ｘ（ｋ）に基づいて、主ビームの方向が実質的に所望波の方向に向くように上記受信信号ｘ（ｋ）に対して時間領域の信号処理を実行して処理信号ｙ（ｋ）を評価値計算部５及び復調器７に出力する。時間領域信号処理部４における具体的な時間領域の処理は、詳細後述するように、図３に示すようなトランスバーサルフィルタ回路２０及びＣＭＡ処理コントローラ２１からなる時間領域信号処理部４−１により実行される第１の実施形態に係る処理、もしくは、図５に示すようなトランスバーサルフィルタ回路２０及びＬＭＳ処理コントローラ２１ａからなる時間領域信号処理部４−２により実行される第２の実施形態に係る処理などである。一方、復調器７は、入力される処理信号ｙ（ｋ）に対して、送信側の変調方式に対応した復調処理を施し、復調後の復調信号を外部装置に出力する。
【００１４】
次いで、評価値計算部５は、一時記憶メモリを有する例えばＤＳＰ（ディジタル・シグナル・プロセッサ）などのＭＰＵで構成され、入力される処理信号ｙ（ｋ）に基づいて、所定の評価基準を用いて評価値を演算して、評価値を示す評価値信号を空間領域信号処理部６に出力する。さらに、空間領域信号処理部６は、一時記憶メモリを有する例えばＤＳＰなどのＭＰＵで構成され、入力される評価値信号に基づいて、実質的に所望値の評価値信号を得るように空間領域の信号処理を実行することにより、上記所望値の評価値信号が得られた、各可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６のリアクタンス値に対応する印加電圧信号を発生して各可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に出力する。ここで、各可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６がそれぞれ可変容量ダイオードで構成される場合は、上記印加電圧信号は、印加バイアス電圧である。すなわち、各印加バイアス電圧を変化することにより、各可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６のリアクタンス値を変化させることにより、所望の指向性パターンを得るように制御できる。ここで、空間領域信号処理部６における具体的な空間領域の処理は、詳細後述するように、図４に示す遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を用いた空間領域信号処理（第１の実施形態）、もしくは、図６に示す差分ベクトルの簡易探索法を用いた空間領域信号処理（第２の実施形態）などの処理である。なお、上記評価値は、評価関数の関数値であり、その所望値は第１及び第２の実施形態の場合のように最小値である場合であってもよいし、その評価関数に依存して最大値であってもよい。
【００１５】
以上説明したように、本実施形態によれば、アレーアンテナ装置１００に対して、時間領域信号処理部４と、評価値計算部５と、空間領域信号処理部６とを備えたことにより、アレーアンテナ装置１００で受信された受信信号に対して、主ビームの方向が実質的に所望波の方向に向くようにかつ実質的に所望値の評価値信号を得るように、時間領域信号処理と、空間領域信号処理とを組み合わせた時空間信号処理を実行することができる。本実施形態の回路構成は、１つの励振素子Ａ０に対する１系統の受信回路のみからなっているので、第２の従来例に比較して簡単化できるとともに、高速無線通信で問題となるマルチパスフェージングの影響を軽減するのに有効である。
【００１６】
なお、アレーアンテナ装置１００は、可逆回路であって、送信アンテナとして用いるときは、励振素子Ａ０のみに無線信号が給電される一方、受信アンテナとして用いるときは、相手先の送信機からの無線信号が励振素子Ａ０により受信信号として受信される。
【００１７】
＜第１の実施形態＞
図３は、図１の時間領域信号処理部４の第１の実施形態である時間領域信号処理部４−１及び評価値計算部５−１の内部構成を示すブロック図である。
【００１８】
図３において、時間領域信号処理部４−１は、線形等化器であるトランスバーサルフィルタ回路２０と、ＣＭＡ処理コントローラ２１とを備えて構成される。Ａ／Ｄ変換器３から出力される受信信号ｘ（ｋ）は、トランスバーサルフィルタ２０に入力され、ここで、ＣＭＡ処理コントローラ２１に出力されるとともに、乗算器１４−１を介して加算器１５に出力され、また、受信信号ｘ（ｋ）は、それぞれ例えば１シンボルの１／４ないし１／２の遅延時間を有し互いに縦続接続された複数（Ｍ−１）個の遅延回路１３−１乃至１３−（Ｍ−１）を介して乗算器１４−Ｍ及びＣＭＡ処理コントローラ２１に出力される。遅延回路１３−１から出力される受信信号はＣＭＡ処理コントローラ２１に出力されるとともに、乗算器１４−２を介して加算器１５に出力される。また、遅延回路１３−ｍ（ｍ＝２，３，…，Ｍ−１）から出力される受信信号はＣＭＡ処理コントローラ２１に出力されるとともに、乗算器１４−（ｍ＋１）を介して加算器１５に出力される。ここで、各乗算器１４−ｍの重み係数ｗ_ｋ，ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）は後述するＣＭＡ処理コントローラ２１により演算されて各乗算器１４−ｍにセットされ、各乗算器１４−ｍは入力される信号に対して重み係数ｗ_ｋ，ｍを乗算した後加算器１５に出力する。さらに、加算器１５は入力される複数Ｍ個の信号を加算して加算結果の信号を処理信号ｙ（ｋ）としてＣＭＡ処理コントローラ２１及び評価値計算部５−１に出力する。
【００１９】
ＣＭＡ処理コントローラ２１は、以下に示すように、加算器１５からの処理信号ｙ（ｋ）と、各遅延回路１３−１乃至１３−（Ｍ−１）からの信号とに基づいて、公知のコンスタント・モジュラス・アルゴリズム（以下、ＣＭＡ又はＣＭアルゴリズムという。）を用いて、加算器１５からの信号が一定値の信号となるように、すなわち、主ビームの方向が実質的に所望波の方向に向くように上記受信信号ｘ（ｋ）に対して時間領域の信号処理を実行することにより、各乗算器１４−ｍの重み係数ｗ_ｋ，ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）を演算して出力する。ここで、遅延回路１３−１乃至１３−（Ｍ−１）からＣＭＡ処理コントローラ２１に入力される時刻ｋにおける受信信号ベクトルＸ（ｋ）は次式で表される。
【数１】
Ｘ（ｋ）＝［ｘ_１（ｋ）ｘ_２（ｋ） … ｘ_Ｍ−１（ｋ）］^Ｔ
【００２０】
ここで、添字Ｔは行列の転置を表す。また、受信信号ベクトルＸ（ｋ）に乗算される重み係数ベクトルＷ（ｋ）を次式で表される。
【数２】
Ｗ（ｋ）＝［ｗ_ｋ，１ｗ_ｋ，２ … ｗ_{ｋ，Ｍ−１}］^Ｔ
【００２１】
このとき、加算器１５からの処理信号ｙ（ｋ）は次式で表される。
【数３】
ｙ（ｋ）＝Ｗ（ｋ）^ＴＸ（ｋ）
【００２２】
本実施形態に係るＣＭＡ処理コントローラ２１は、ＣＭアルゴリズムに係る次式の更新式を用いて重み係数ベクトルＷ（ｋ）を更新する。
【００２３】
【数４】
Ｗ（ｋ＋１）←Ｗ（ｋ）−μ［４・Ｘ（ｋ）ｙ^＊（ｋ）（｜ｙ（ｋ）｜^２−σ^２）］
【００２４】
ここで、σは予め決められた定数であり、本実施形態では１に設定される。また、添字＊は複素共役を表す。さらに、μは予め決められたステップサイズであり、本実施形態では、好ましくは０．０１に設定される。
【００２５】
次いで、図３の評価値計算部５−１の構成及び動作について説明する。図３において、評価値計算部５−１は、絶対値計算器２２と、減算器２３と、定数信号発生器２４と、時間積分器２５とを備えて構成される。加算器１５から出力される処理信号ｙ（ｋ）は、評価値計算部５−１の絶対値計算器２１に入力され、絶対値計算器２１は処理信号ｙ（ｋ）の絶対値を計算し、計算結果を示す信号を減算器２３に出力する。次いで、減算器２３は、絶対値計算器２２からの信号から、定数信号発生器２４により発生された所定の一定値を有する定数信号を減算し、減算結果の値を示す信号を時間積分器２５に出力する。さらに、時間積分器２５は、入力される信号に対して所定の時間間隔で時間積分し、時間積分後の信号であって上記定数信号との誤差を示す評価値信号を空間領域信号処理部６に出力する。
【００２６】
図４は、図１の空間領域信号処理部６の第１の実施形態である空間領域信号処理部６−１によって実行される、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を用いた空間領域信号処理を示すフローチャートである。
【００２７】
図４に示すように、まず、ステップＳ１において第１世代の複数Ｎｐセットの印加電圧ベクトルＶＶ_１乃至ＶＶ_Ｎｐを公知の一様乱数発生法を用いて発生する。ここで、Ｎｐは母集団に含まれる印加電圧ベクトルＶＶのセット数を表し、印加電圧ベクトルＶＶは、次式で表される。
【００２８】
【数５】
ＶＶ＝［ｖ_１，ｖ_２，…，ｖ_６］
【００２９】
次いで、ステップＳ２において、評価前の最小評価値として初期値１０^１０を設定した後、ステップＳ３において現在の母集団の各印加電圧ベクトルに対応する印加電圧信号を発生して可変リアクタンス素子１２−１乃至１２乃至６に出力しかつ時間領域信号処理部４−１及び評価値計算部５−１を動作させ、評価値計算部５−１から評価値を示す評価値信号を得ることにより、各印加電圧ベクトルの性能を評価する。そして、ステップＳ４において評価前後の最小評価値の差の絶対値が所定の評価しきい値ε_１（例えば、１０^−３である。）以下であるか否かが判断され、ＮＯのときはステップＳ５に進む一方、ＹＥＳのときはステップＳ９に進む。
【００３０】
ステップＳ５において評価された各印加電圧ベクトルの評価値を昇順でソートし、より高いＮｐａ（＜Ｎｐ）セットの印加電圧ベクトルを取捨選択した後、ステップＳ６において各２つの印加電圧ベクトルの対の前半部（各ベクトルの前半に位置する要素）と後半部（各ベクトルの後半に位置する要素）とを交換することにより、交叉を行う。そして、ステップＳ７において一様乱数法により発生された乱数によってランダムに選択された各２つの印加電圧ベクトルの対で、先頭の要素（例えば３つ）を交換することにより、突然変異を行った後、ステップＳ８において、上述のステップＳ３の処理と同様に、現在の母集団の各印加電圧ベクトルに対応する印加電圧信号を発生して可変リアクタンス素子１２−１乃至１２乃至６に出力しかつ時間領域信号処理部４−１及び評価値計算部５−１を動作させ、評価値計算部５−１から評価値を示す評価値信号を得ることにより、各印加電圧ベクトルの性能を評価した後、ステップＳ４の判断ステップに戻る。ここで、ＹＥＳであれば、ステップＳ９において評価後の印加電圧ベクトルの母集団のうち、最小の評価値を有する印加電圧ベクトルを選択して印加電圧信号を発生して可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に出力して当該アレーアンテナの制御装置を運用し、当該空間領域信号処理を終了する。
【００３１】
以上のように実行される空間領域信号処理においては、入力される評価値信号に基づいて、実質的に所望値の評価値信号を得るように空間領域の信号処理を実行することにより、上記所望値の評価値信号が得られた、各可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６のリアクタンス値に対応する印加電圧信号を発生して各可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に出力している。
【００３２】
＜第２の実施形態＞
次いで、第２の実施形態に係る時間領域信号処理及び空間領域信号処理について以下に説明する。
【００３３】
図５は、図１の時間領域信号処理部４の第２の実施形態である時間領域信号処理部４−２及び評価値計算部５−２の内部構成を示すブロック図であり、図５において、図３と同様の処理部については同様の符号を付している。
【００３４】
図５において、時間領域信号処理部４−２は、トランスバーサルフィルタ回路２０と、ＬＭＳ処理コントローラ２１ａと、学習シーケンス信号発生器２６とを備えて構成される。Ａ／Ｄ変換器３から出力される受信信号ｘ（ｋ）は、図３と同様の構成を有するトランスバーサルフィルタ２０に入力され、当該トランスバーサルフィルタ回路２０内の遅延回路１３−１乃至１３−（Ｍ−１）の入出力端子から出力される信号は、図３の第１の実施形態と同様に、ＬＭＳ処理コントローラ２１ａに出力される。また、トランスバーサルフィルタ回路２０の加算器１５から出力される処理信号ｙ（ｋ）はＬＭＳ処理コントローラ２１ａ及び評価値計算部５−２内の減算器２７に出力される。学習シーケンス信号発生器２６は、ディジタルデータ無線通信の通信前の学習処理において、送信機側で発生される学習シーケンス信号の信号パターンと同一の信号パターンを有する学習シーケンス信号ｒ（ｋ）を繰り返し発生してＬＭＳ処理コントローラ２１ａ及び減算器２７に出力する。
【００３５】
また、評価値計算部５−２は、減算器２７と、絶対二乗値計算器２８と、時間積分器２９とを備えて構成される。減算器２７は、学習シーケンス信号発生器２６により発生される学習シーケンス信号ｒ（ｋ）から、トランスバーサルフィルタ回路２０の加算器１５から出力される処理信号ｙ（ｋ）を減算し、減算結果の信号を絶対二乗値計算器２８に出力する。次いで、絶対二乗値計算器２８は、入力される信号の絶対値の二乗値を演算し、その演算値を有する信号を時間積分器２９に出力する。さらに、時間積分器２９は、入力される信号に対して所定の時間間隔で時間積分し、時間積分後の信号であって上記処理信号ｙ（ｋ）と学習シーケンス信号ｒ（ｋ）との間の誤差を示す評価値信号を空間領域信号処理部６に出力する。
【００３６】
ＬＭＳ処理コントローラ２１ａは、以下に示すように、加算器１５からの処理信号ｙ（ｋ）と、各遅延回路１３−１乃至１３−（Ｍ−１）からの信号と、学習シーケンス信号とに基づいて、公知のＬＭＳ（最小二乗平均誤差法）アルゴリズムを用いて、評価値計算部５−２の絶対二乗値計算器２８の出力が最小となるように、言いかえれば、処理信号ｙ（ｋ）と学習シーケンス信号との間の二乗平均値誤差が最小となるように、すなわち、主ビームの方向が実質的に所望波の方向に向くように上記受信信号ｘ（ｋ）に対して時間領域の信号処理を実行することにより、各乗算器１４−ｍの重み係数ｗ_ｋ，ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）を演算して出力する。ここで、本実施形態に係るＬＭＳ処理コントローラ２１ａは、ＬＭＳアルゴリズムに係る次式の更新式を用いて重み係数ベクトルＷ（ｋ）を更新する。
【００３７】
【数６】
Ｗ（ｋ＋１）←Ｗ（ｋ）＋μ・Ｘ（ｋ）・ｅ^＊（ｋ）
ここで、
【数７】
ｅ（ｋ）＝ｒ（ｋ）−ｙ（ｋ）
【００３８】
ここで、μは予め決められたステップサイズであり、本実施形態では、好ましくは０．０１に設定される。
【００３９】
図６は、図１の空間領域信号処理部６の第２の実施形態である空間領域信号処理部６−２によって実行される、差分ベクトルの簡易探索法を用いた空間領域信号処理を示すフローチャートである。図６のステップＳ１１における初期化処理において、所定の初期値ベクトルＶＶ_０＝［ｖ_１０，ｖ_２０，…，ｖ_６０］をセットし、評価前の印加電圧ベクトルの初期値ＶＶ_２の評価値を１０^５にセットした後、評価前の印加電圧ベクトルＶＶ_２に初期値ベクトルＶＶ_０をセットする。次いで、ステップＳ１２において印加電圧ベクトルＶＶ_２と各差分ベクトルΔＶＶ_１乃至ΔＶＶ_２ ^６（ここで、下付き添字は２^６である。）との和のベクトル（２^６通り）を発生し、それに対応する印加電圧信号を発生して可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に出力して、時間領域信号処理部５−２及び評価値計算部５−２を動作させ、評価値計算部５からの評価値信号の評価値を得ることにより、各印加電圧ベクトルの性能を評価する。ここで、上記差分ベクトルΔＶＶ_１乃至ΔＶＶ_２ ^６とは、本実施形態におけるシンボルを０とαの２つのシンボルとし、２の６乗個存在する２進法６桁のすべての組み合わせを並べたものであり、次式で表される。
【００４０】
【数８】

【００４１】
次いで、ステップＳ１３において最小の評価値を有する印加電圧ベクトルに対応する差分ベクトルΔＶＶ_ｂｅｓｔを検索し、ステップＳ１４において評価後の印加電圧ベクトルＶＶ_１にＶＶ_２＋ΔＶＶ_ｂｅｓｔをセットする。そして、ステップＳ１５において印加電圧ベクトルＶＶ_１に対応する印加電圧信号を発生して可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に出力して、時間領域信号処理部５−２及び評価値計算部５−２を動作させ、評価値計算部５からの評価値信号の評価値を得ることにより、各印加電圧ベクトルの性能を評価する。さらに、ステップＳ１６において印加電圧ベクトルＶ_１とＶ_２の評価値の差の絶対値が所定のしきい値ε_２（例えば１０^−３）であるか否かが判断され、ＮＯであれば、ステップＳ１７で現在の印加電圧ベクトルＶＶ_１を評価前の印加電圧ベクトルＶＶ_２とした後、ステップＳ１２に戻り、上述の処理を繰り返す。一方、ステップＳ１６でＹＥＳであるときは、ステップＳ１８において印加電圧ベクトルＶＶ_１に対応する印加電圧信号を発生して可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に出力して当該アレーアンテナの制御装置を運用して当該空間領域信号処理を終了する。
【００４２】
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、時空間信号処理を、低価格で実現できるエスパアンテナであるアレーアンテナの制御装置１００と等化器（トランスバーサルフィルタ回路２０）を組み合わせることにより実現し、両者を連動して制御することにより、励振素子Ａ０は１個のみなので、それ以降の回路は１系統のみでよく、従来高価だった時空間信号処理装置を低価格化でき、すなわち、回路構成を簡単化し、安価に製造できる。なお、従来技術において、エスパアンテナを利用した時空間信号処理装置はなく、エスパアンテナの指向性制御を行う空間領域信号処理部６は、時間領域信号処理部４及び評価値計算部５からの評価値信号の情報を得て、それに基づきエスパアンテナの指向性制御を行っている。
【００４３】
従って、本実施形態に係るアレーアンテナの制御装置によれば、時空間信号処理は、その名の通り、アンテナの指向性制御による空間領域の信号処理と、等化器等による時間領域の信号処理を組み合わせた信号処理であり、高速無線通信で問題となるマルチパスフェージングの影響を軽減するのに有効である。
【００４４】
＜変形例＞
以上の実施形態においては、非励振素子Ａ１乃至Ａ６の個数を６個としているが、本発明はこれに限らず、任意の複数個であってもよい。
【００４５】
以上の第２の実施形態においては、時間領域信号処理においてＬＭＳアルゴリズムを用いているが、本発明はこれに限らず、以下の更新式を用いるＲＬＳアルゴリズムを用いてもよい。
【００４６】
【数９】
Ｗ（ｋ＋１）←Ｗ（ｋ）＋ｋａ（ｋ＋１）［ｒ（ｋ＋１）−Ｗ^Ｔ（ｋ）Ｘ（ｋ＋１）］
【数１０】
ｋａ（ｋ＋１）
←Ｐ（ｋ）・Ｘ（ｋ＋１）・［１＋Ｘ^Ｔ（ｋ＋１）Ｐ（ｋ）Ｘ（ｋ＋１）］^−１
【数１１】
Ｐ（ｋ＋１）←［Ｉ−ｋ（ｋ＋１）Ｘ^Ｔ（ｋ＋１）］Ｐ（ｋ）
【００４７】
ここで、Ｉは（Ｍ−１）×（Ｍ−１）の単位行列であり、行列Ｐ（ｋ）は（Ｍ−１）×（Ｍ−１）の行列であり、その初期値Ｐ（０）は次式で表される。
【００４８】
【数１２】
Ｐ（０）＝１０００００・Ｉ
【００４９】
以上の第１の実施形態においては、時間領域信号処理においてＣＭアルゴリズムを用いかつ空間領域信号処理においては遺伝的アルゴリズムを用いている。また、第２の実施形態又はその変形例においては、時間領域信号処理においてＬＭＳアルゴリズム又はＲＬＳアルゴリズムを用いかつ空間領域信号処理においては差分ベクトルの簡易探索法を用いている。しかしながら、本発明はこれに限らず、時間領域信号処理においてＣＭアルゴリズムを用いかつ空間領域信号処理においては差分ベクトルの簡易探索法を用いてもよい。とって代わって、時間領域信号処理においてＬＭＳアルゴリズム又はＲＬＳアルゴリズムを用いかつ空間領域信号処理においては遺伝的アルゴリズムを用いてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、エスパアンテナと呼ばれるアレーアンテナ装置のための制御装置及び制御方法において、受信信号に対して時間領域の信号処理を実行する時間領域信号処理部と、処理信号に基づいて評価値を演算する評価値計算部と、評価値に基づいて空間領域の信号処理を実行する空間領域信号処理部とを備えたことを特徴としている。このアレーアンテナ装置の励振素子は１個のみなので、それ以降の回路は１系統のみでよく、従来高価だった時空間信号処理装置を低価格化でき、すなわち、回路構成を簡単化し、安価に製造できる。なお、従来技術において、エスパアンテナを利用した時空間信号処理装置はない。ここで、時空間信号処理は、その名の通り、アンテナの指向性制御による空間領域の信号処理と、等化器等による時間領域の信号処理を組み合わせた信号処理であり、高速無線通信で問題となるマルチパスフェージングの影響を軽減するのに有効であるという特有の効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態である、エスパアンテナと呼ばれるアレーアンテナ装置１００のための制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１のアレーアンテナの制御装置１００における励振素子Ａ０及び非励振素子Ａ１，Ａ４と接地導体板１１との関係を示す断面図である。
【図３】図１の時間領域信号処理部４の第１の実施形態である時間領域信号処理部４−１及び評価値計算部５−１の内部構成を示すブロック図である。
【図４】図１の空間領域信号処理部６の第１の実施形態である空間領域信号処理部６−１によって実行される、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を用いた空間領域信号処理を示すフローチャートである。
【図５】図１の時間領域信号処理部４の第２の実施形態である時間領域信号処理部４−２及び評価値計算部５−２の内部構成を示すブロック図である。
【図６】図１の空間領域信号処理部６の第２の実施形態である空間領域信号処理部６−２によって実行される、差分ベクトルの簡易探索法を用いた空間領域信号処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…低雑音増幅器、
２…ダウンコンバータ、
３…Ａ／Ｄ変換器、
４，４−１，４−２…時間領域信号処理部、
５，５−１，５−２…評価値計算部、
６…空間領域信号処理部、
７…復調器、
８…同軸ケーブル、
１１…接地導体、
１２−１乃至１２−６…可変リアクタンス素子、
１３−１乃至１３−（Ｍ−１）…遅延回路、
１４−１乃至１４−Ｍ…乗算器、
１５…加算器、
２０…トランスバーサルフィルタ回路、
２１…ＣＭＡ処理コントローラ、
２１ａ…ＬＭＳ処理コントローラ、
２２…絶対値計算器、
２３…減算器、
２４…定数信号発生器、
２５…時間積分器、
２６…学習シーケンス信号発生器、
２７…減算器、
２８…絶対二乗値計算器、
２９…時間積分器。
１００…アレーアンテナ装置、
Ａ０…励振素子、
Ａ１乃至Ａ６…非励振素子。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention includes an excitation element for transmitting and receiving a radio signal, a plurality of non-excitation elements provided at a predetermined interval from the excitation element, and a plurality of variable reactance elements respectively connected to the plurality of non-excitation elements. And an electronically controlled waveguide array antenna device (hereinafter referred to as ESPAR antenna) that changes the directivity characteristics of the array antenna by changing the actance value of each variable reactance element. The present invention relates to a control apparatus for an array antenna apparatus.
[0002]
[Prior art]
A basic configuration of a conventional ESPAR antenna (hereinafter referred to as a first conventional example) is, for example, “T. Ohira et al.,” “Electronically steerable passive array radiator antennas for low-cost analog adaptive beamforming,” "2000 IEEE International Conference on Phased Array System & Technology pp. 101-104, Dana point, California, May 21-25, 2000" and Japanese Patent Application No. 11-194487. The ESPAR antenna is connected to the excitation element that transmits and receives a radio signal, at least one non-excitation element that is provided at a predetermined interval from the excitation element and that does not transmit and receive the radio signal, and the non-excitation element. A directivity characteristic of the array antenna can be changed by providing an array antenna including a variable reactance element and changing a reactance value of the variable reactance element.
[0003]
Further, in an adaptive array antenna having a plurality of antenna elements according to the prior art (hereinafter referred to as a second conventional example), spatial domain signal processing realized by adaptive beam forming and time by an equalizer. It is known that spatio-temporal signal processing combined with region signal processing (hereinafter referred to as spatio-temporal signal processing) is effective as a countermeasure against multipath fading that is a problem in high-speed wireless communication.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Since the ESPAR antenna of the first conventional example is composed of only a single excitation element as compared with the adaptive array antenna of the second conventional example, it is very advantageous in terms of economy. On the other hand, in the second conventional example, a hardware circuit for performing spatio-temporal signal processing must be provided for each of a plurality of antenna elements, and the circuit configuration is complicated and expensive.
[0005]
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, have a simpler circuit configuration than the second conventional example, and can perform spatio-temporal signal processing on a received signal received by an ESPAR antenna. An object of the present invention is to provide an array antenna control apparatus.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
An array antenna control apparatus according to the present invention includes an excitation element for transmitting and receiving a radio signal, a plurality of non-excitation elements provided at a predetermined distance from the excitation element, and a plurality of non-excitation elements, respectively. In the array antenna control device, comprising a plurality of connected variable reactance elements, and changing the directivity of the array antenna by changing the reactance value of each of the variable reactance elements.
Based on the received signal received by the excitation element, time domain signal processing is performed on the received signal so that the direction of the main beam is substantially directed to the desired wave, and a processed signal is output. 1 processing means;
An arithmetic unit that calculates an evaluation value using a predetermined evaluation criterion based on the processing signal output from the first processing unit, and outputs an evaluation value signal indicating the evaluation value;
Based on the evaluation value signal output from the computing means, the evaluation value signal of the desired value was obtained by executing the signal processing of the spatial domain so as to obtain the evaluation value signal of the desired value substantially, And a second processing means for generating a signal corresponding to the reactance value of each variable reactance element and outputting the signal to each variable reactance element.
[0007]
In the array antenna control apparatus, the second processing means preferably performs spatial domain signal processing using a genetic algorithm or a simple differential vector search method. In the array antenna control apparatus, the first processing means preferably performs time-domain signal processing using a linear equalizer based on a CM algorithm, an RLS algorithm, or an LMS algorithm. To do.
[0008]
The array antenna control method according to the present invention includes an excitation element for transmitting and receiving a radio signal, a plurality of non-excitation elements provided at a predetermined interval from the excitation element, and a plurality of non-excitation elements, respectively. In the array antenna control method, comprising a plurality of connected variable reactance elements, and changing the directivity of the array antenna by changing the reactance value of each variable reactance element.
A step of performing time-domain signal processing on the received signal and outputting a processed signal so that the direction of the main beam is substantially directed to the direction of the desired wave based on the received signal received by the excitation element When,
Calculating an evaluation value using a predetermined evaluation criterion based on the processing signal, and outputting an evaluation value signal indicating the evaluation value;
Based on the evaluation value signal, by executing the signal processing of the spatial domain so as to obtain the evaluation value signal of the desired value substantially, the evaluation value signal of the desired value is obtained. Generating a signal corresponding to the reactance value and outputting the signal to each of the variable reactance elements.
[0009]
In the array antenna control method, the step of performing the spatial domain signal processing preferably performs the spatial domain signal processing using a genetic algorithm or a differential vector simple search method. . Further, in the array antenna control method, the step of executing the time domain signal processing preferably performs time domain signal processing using a linear equalizer based on a CM algorithm, an RLS algorithm, or an LMS algorithm. It is characterized by.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0011]
<Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a control apparatus for an array antenna apparatus 100 called an ESPAR antenna, which is an embodiment according to the present invention. The control device is characterized in that the array antenna device 100 includes a time domain signal processing unit 4, an evaluation value calculation unit 5, and a spatial domain signal processing unit 6.
[0012]
In FIG. 1, this array antenna control device is an array antenna device constituted by a conventional ESPAR antenna comprising one excitation element A0, six non-excitation elements A1 to A6, and a ground conductor 11. 100 is a control device. In the array antenna device 100, one excitation element A0 and six non-excitation elements A1 to A6 are arranged on a circumference of a radius d centered on the excitation element A0 as shown in FIG. A1 to A6 are arranged at equal intervals. Here, each one end of the non-excitation elements A1 to A6 is grounded via each variable reactance element 12-1 to 12-6. Further, as shown in FIG. 2, the non-exciting elements A1 to A6 are electrically insulated from the ground conductor 11 made of a conductor plate having a sufficiently large area with respect to the length of each element A0 to A6. The other ends of the non-excitation elements A1 to A6 on the ground conductor 11 side are grounded via variable reactance elements 12-1 to 12-6, respectively. Each variable reactance element 12 is formed of a variable capacitance diode, for example. Each of the elements A0 to A6 is a monopole antenna element having a length of ¼ wavelength, for example. The radius d is a quarter wavelength. Here, one wavelength is a wavelength of a radio signal to be transmitted / received.
[0013]
The received signal received by the excitation element A0 of the array antenna apparatus 100 is amplified by the low noise amplifier 1 and then down-converted to, for example, an intermediate frequency signal by the down converter 2, and further in a digital format by the A / D converter 3. The received signal x (k) is A / D converted and input to the time domain signal processing unit 4. Next, the time domain signal processing unit 4 performs time with respect to the reception signal x (k) based on the input reception signal x (k) so that the direction of the main beam is substantially directed to the direction of the desired wave. The signal processing of the area is executed and the processed signal y (k) is output to the evaluation value calculator 5 and the demodulator 7. The specific time domain processing in the time domain signal processing unit 4 is executed by a time domain signal processing unit 4-1 including a transversal filter circuit 20 and a CMA processing controller 21 as shown in FIG. Or a second embodiment executed by the time domain signal processing unit 4-2 including the transversal filter circuit 20 and the LMS processing controller 21a as shown in FIG. Processing. On the other hand, the demodulator 7 performs a demodulation process corresponding to the transmission-side modulation scheme on the input processed signal y (k), and outputs the demodulated demodulated signal to an external device.
[0014]
Next, the evaluation value calculation unit 5 is configured by an MPU such as a DSP (digital signal processor) having a temporary storage memory, and uses a predetermined evaluation criterion based on the input processing signal y (k). The evaluation value is calculated and an evaluation value signal indicating the evaluation value is output to the spatial domain signal processing unit 6. Further, the spatial domain signal processing unit 6 is composed of an MPU such as a DSP having a temporary storage memory, and based on the inputted evaluation value signal, substantially obtains an evaluation value signal having a desired value. By executing the signal processing, an applied voltage signal corresponding to the reactance value of each of the variable reactance elements 12-1 to 12-6 from which the evaluation value signal of the desired value is obtained is generated, and each variable reactance element 12- 1 to 12-6. Here, when each of the variable reactance elements 12-1 to 12-6 is configured by a variable capacitance diode, the applied voltage signal is an applied bias voltage. That is, by changing each applied bias voltage, the reactance values of the variable reactance elements 12-1 to 12-6 can be changed to obtain a desired directivity pattern. Here, the specific spatial domain processing in the spatial domain signal processing unit 6 is spatial domain signal processing (first embodiment) using the genetic algorithm (GA) shown in FIG. Alternatively, processing such as spatial domain signal processing (second embodiment) using the simple search method for the difference vector shown in FIG. The evaluation value is a function value of the evaluation function, and the desired value may be a minimum value as in the first and second embodiments, and depends on the evaluation function. May be the maximum value.
[0015]
As described above, according to the present embodiment, the array antenna apparatus 100 includes the time domain signal processing unit 4, the evaluation value calculation unit 5, and the spatial domain signal processing unit 6. Time-domain signal processing so that an evaluation value signal of a desired value is obtained so that the direction of the main beam is substantially directed to the direction of the desired wave with respect to the reception signal received by the antenna device 100; Spatio-temporal signal processing combined with spatial domain signal processing can be executed. Since the circuit configuration of the present embodiment is composed of only one receiving circuit for one excitation element A0, the circuit configuration can be simplified as compared with the second conventional example, and multipath fading which is a problem in high-speed wireless communication can be achieved. It is effective in reducing the influence of
[0016]
The array antenna device 100 is a reversible circuit, and when used as a transmission antenna, a radio signal is fed only to the excitation element A0, while when used as a reception antenna, a radio signal from a partner transmitter is used. Is received as a received signal by the excitation element A0.
[0017]
<First Embodiment>
FIG. 3 is a block diagram showing an internal configuration of the time domain signal processing unit 4-1 and the evaluation value calculating unit 5-1, which are the first embodiment of the time domain signal processing unit 4 of FIG.
[0018]
In FIG. 3, the time domain signal processing unit 4-1 includes a transversal filter circuit 20 that is a linear equalizer and a CMA processing controller 21. The reception signal x (k) output from the A / D converter 3 is input to the transversal filter 20, where it is output to the CMA processing controller 21 and added to the adder 15 via the multiplier 14-1. In addition, the received signal x (k) is, for example, a plurality of (M−1) delay circuits 13-1 each having a delay time of ¼ to ½ of one symbol and connected in cascade. To 13- (M−1) and output to the multiplier 14 -M and the CMA processing controller 21. The reception signal output from the delay circuit 13-1 is output to the CMA processing controller 21 and also output to the adder 15 via the multiplier 14-2. Further, the reception signal output from the delay circuit 13-m (m = 2, 3,..., M−1) is output to the CMA processing controller 21 and the adder 15 via the multiplier 14- (m + 1). Is output. Here, the weighting factor w of each multiplier 14-m_{k, m}(M = 1, 2,..., M) are calculated by the CMA processing controller 21 described later and set in each multiplier 14-m. Each multiplier 14-m applies a weighting factor w to the input signal._{k, m}Is output to the adder 15. Further, the adder 15 adds a plurality of M signals input thereto, and outputs a signal resulting from the addition as a processed signal y (k) to the CMA processing controller 21 and the evaluation value calculation unit 5-1.
[0019]
As shown below, the CMA processing controller 21 performs a known constant based on the processing signal y (k) from the adder 15 and the signals from the delay circuits 13-1 to 13- (M-1). Using a modulus algorithm (hereinafter referred to as CMA or CM algorithm) so that the signal from the adder 15 becomes a constant value signal, that is, the direction of the main beam is substantially directed to the direction of the desired wave. Thus, the weighting factor w of each multiplier 14-m is obtained by performing time domain signal processing on the received signal x (k)._{k, m}(M = 1, 2,..., M) is calculated and output. Here, the received signal vector X (k) at time k inputted from the delay circuits 13-1 to 13- (M-1) to the CMA processing controller 21 is expressed by the following equation.
[Expression 1]
X (k) = [x₁(K) x₂(K) ... x_M-1(K)]^T
[0020]
Here, the subscript T represents transposition of the matrix. Further, the weighting coefficient vector W (k) multiplied by the received signal vector X (k) is expressed by the following equation.
[Expression 2]
W (k) = [w_{k, 1} w_{k, 2} … W_{k, M-1}]^T
[0021]
At this time, the processing signal y (k) from the adder 15 is expressed by the following equation.
[Equation 3]
y (k) = W (k)^TX (k)
[0022]
The CMA processing controller 21 according to the present embodiment updates the weight coefficient vector W (k) using the following update formula related to the CM algorithm.
[0023]
[Expression 4]
W (k + 1) ← W (k) −μ [4 · X (k) y^*(K) (| y (k) |²−σ²]]
[0024]
Here, σ is a predetermined constant, and is set to 1 in the present embodiment. The subscript * represents a complex conjugate. Further, μ is a predetermined step size, and is preferably set to 0.01 in the present embodiment.
[0025]
Next, the configuration and operation of the evaluation value calculation unit 5-1 in FIG. 3 will be described. In FIG. 3, the evaluation value calculation unit 5-1 includes an absolute value calculator 22, a subtracter 23, a constant signal generator 24, and a time integrator 25. The processed signal y (k) output from the adder 15 is input to the absolute value calculator 21 of the evaluation value calculation unit 5-1, and the absolute value calculator 21 calculates the absolute value of the processed signal y (k). Then, a signal indicating the calculation result is output to the subtracter 23. Next, the subtracter 23 subtracts a constant signal having a predetermined constant value generated by the constant signal generator 24 from the signal from the absolute value calculator 22, and a signal indicating the value of the subtraction result is a time integrator 25. Output to. Further, the time integrator 25 performs time integration on the input signal at a predetermined time interval, and outputs an evaluation value signal indicating an error from the constant signal after the time integration to the spatial domain signal processing unit 6. Output to.
[0026]
FIG. 4 is a flowchart showing spatial domain signal processing using a genetic algorithm (GA) executed by the spatial domain signal processing unit 6-1 which is the first embodiment of the spatial domain signal processing unit 6 of FIG. It is.
[0027]
As shown in FIG. 4, first, in step S1, the applied voltage vector VV of the first generation plural Np sets is set.₁To VV_NpAre generated using a known uniform random number generation method. Here, Np represents the number of sets of the applied voltage vector VV included in the population, and the applied voltage vector VV is represented by the following equation.
[0028]
[Equation 5]
VV = [v₁, V₂, ..., v₆]
[0029]
Next, in step S2, the initial value 10 is set as the minimum evaluation value before evaluation.¹⁰In step S3, an applied voltage signal corresponding to each applied voltage vector of the current population is generated and output to the variable reactance elements 12-1 to 12 to 6 and the time domain signal processing unit 4-1 and The performance of each applied voltage vector is evaluated by operating the evaluation value calculator 5-1 and obtaining an evaluation value signal indicating the evaluation value from the evaluation value calculator 5-1. In step S4, the absolute value of the difference between the minimum evaluation values before and after the evaluation is a predetermined evaluation threshold value ε.₁(For example, 10^-3It is. ) It is determined whether or not the following is true. If NO, the process proceeds to step S5. If YES, the process proceeds to step S9.
[0030]
The evaluation values of the applied voltage vectors evaluated in step S5 are sorted in ascending order, and the applied voltage vectors of the higher Npa (<Np) set are selected, and then in the first half of each pair of applied voltage vectors in step S6. Crossover is performed by exchanging the part (element located in the first half of each vector) and the latter part (element located in the second half of each vector). After the mutation is performed by exchanging the leading element (for example, three) with each pair of two applied voltage vectors randomly selected by the random number generated by the uniform random number method in step S7 In step S8, similar to the processing in step S3 described above, an applied voltage signal corresponding to each applied voltage vector of the current population is generated and output to the variable reactance elements 12-1 to 12 to 6 and in the time domain. After evaluating the performance of each applied voltage vector by operating the signal processing unit 4-1 and the evaluation value calculation unit 5-1 and obtaining the evaluation value signal indicating the evaluation value from the evaluation value calculation unit 5-1, the step The process returns to the determination step of S4. If “YES” is determined here, an applied voltage vector having the smallest evaluation value is selected from the population of the applied voltage vectors after evaluation in step S9 to generate an applied voltage signal and the variable reactance elements 12-1 to 12-1 to 12-3. 12-6, the array antenna control apparatus is operated, and the spatial domain signal processing ends.
[0031]
In the spatial domain signal processing executed as described above, the desired signal is obtained by executing the spatial domain signal processing so as to obtain a substantially desired evaluation value signal based on the input evaluation value signal. An applied voltage signal corresponding to the reactance value of each of the variable reactance elements 12-1 to 12-6 from which the evaluation value signal of the value is obtained is generated and output to each of the variable reactance elements 12-1 to 12-6. .
[0032]
<Second Embodiment>
Next, time domain signal processing and spatial domain signal processing according to the second embodiment will be described below.
[0033]
FIG. 5 is a block diagram showing an internal configuration of a time domain signal processing unit 4-2 and an evaluation value calculation unit 5-2, which are the second embodiment of the time domain signal processing unit 4 of FIG. 3 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
[0034]
In FIG. 5, the time domain signal processing unit 4-2 includes a transversal filter circuit 20, an LMS processing controller 21a, and a learning sequence signal generator 26. The reception signal x (k) output from the A / D converter 3 is input to the transversal filter 20 having the same configuration as that in FIG. 3, and the delay circuits 13-1 to 13- in the transversal filter circuit 20 are included. The signal output from the input / output terminal (M-1) is output to the LMS processing controller 21a as in the first embodiment of FIG. The processed signal y (k) output from the adder 15 of the transversal filter circuit 20 is output to the LMS processing controller 21a and the subtracter 27 in the evaluation value calculator 5-2. The learning sequence signal generator 26 repeatedly generates a learning sequence signal r (k) having the same signal pattern as that of the learning sequence signal generated on the transmitter side in learning processing before communication of digital data wireless communication. To the LMS processing controller 21a and the subtractor 27.
[0035]
The evaluation value calculator 5-2 includes a subtractor 27, an absolute square value calculator 28, and a time integrator 29. The subtractor 27 subtracts the processing signal y (k) output from the adder 15 of the transversal filter circuit 20 from the learning sequence signal r (k) generated by the learning sequence signal generator 26, and the subtraction result The signal is output to the absolute square value calculator 28. Next, the absolute square value calculator 28 calculates the square value of the absolute value of the input signal, and outputs a signal having the calculated value to the time integrator 29. Further, the time integrator 29 performs time integration on the input signal at a predetermined time interval, and is a signal after time integration between the processing signal y (k) and the learning sequence signal r (k). The evaluation value signal indicating the error is output to the spatial domain signal processing unit 6.
[0036]
As shown below, the LMS processing controller 21a is based on the processing signal y (k) from the adder 15, the signals from the delay circuits 13-1 to 13- (M-1), and the learning sequence signal. Then, using a known LMS (least mean square error) algorithm, the output of the absolute square value calculator 28 of the evaluation value calculation unit 5-2 is minimized, in other words, the processing signal y (k). For the received signal x (k) so that the mean square error between the signal and the learning sequence signal is minimized, that is, the direction of the main beam is substantially in the direction of the desired wave. By performing signal processing, the weighting factor w of each multiplier 14-m_{k, m}(M = 1, 2,..., M) is calculated and output. Here, the LMS processing controller 21a according to the present embodiment updates the weighting coefficient vector W (k) using the following update formula related to the LMS algorithm.
[0037]
[Formula 6]
W (k + 1) ← W (k) + μ · X (k) · e^*(K)
here,
[Expression 7]
e (k) = r (k) -y (k)
[0038]
Here, μ is a step size determined in advance, and is preferably set to 0.01 in the present embodiment.
[0039]
FIG. 6 is a flowchart showing spatial domain signal processing using a simple difference vector search method executed by the spatial domain signal processing unit 6-2, which is the second embodiment of the spatial domain signal processing unit 6 of FIG. It is. In the initialization process in step S11 of FIG. 6, a predetermined initial value vector VV₀= [V₁₀, V₂₀, ..., v₆₀], And the initial value VV of the applied voltage vector before evaluation₂An evaluation value of 10⁵Applied voltage vector VV before evaluation₂Initial value vector VV₀Set. Next, in step S12, the applied voltage vector VV₂And each difference vector ΔVV₁To ΔVV₂ ⁶(Where the subscript is 2⁶It is. ) And the sum vector (2⁶And an applied voltage signal corresponding thereto is generated and output to the variable reactance elements 12-1 to 12-6 to operate the time domain signal processing unit 5-2 and the evaluation value calculation unit 5-2. The performance of each applied voltage vector is evaluated by obtaining the evaluation value of the evaluation value signal from the evaluation value calculator 5. Where the difference vector ΔVV₁To ΔVV₂ ⁶Is a symbol in which two symbols of 0 and α are used in this embodiment, and all combinations of 6 6 binary digits existing in the power of 2 are arranged, and is expressed by the following equation.
[0040]
[Equation 8]

[0041]
Next, in step S13, the difference vector ΔVV corresponding to the applied voltage vector having the minimum evaluation value._bestAnd the applied voltage vector VV after evaluation in step S14₁VV₂+ ΔVV_bestSet. In step S15, the applied voltage vector VV₁Is applied to the variable reactance elements 12-1 to 12-6, and the time domain signal processing unit 5-2 and the evaluation value calculation unit 5-2 are operated to generate the evaluation value calculation unit 5 By obtaining the evaluation value of the evaluation value signal from, the performance of each applied voltage vector is evaluated. Further, in step S16, the applied voltage vector V₁And V₂The absolute value of the difference between the evaluation values of₂(For example, 10^-3), And if NO, in step S17, the current applied voltage vector VV₁Applied voltage vector VV before evaluation₂After that, the process returns to step S12 and the above-described processing is repeated. On the other hand, if YES in step S16, the applied voltage vector VV in step S18.₁Is applied to the variable reactance elements 12-1 to 12-6 and the array antenna control device is operated to complete the spatial domain signal processing.
[0042]
In the array antenna control apparatus configured as described above, the spatio-temporal signal processing is combined with the array antenna control apparatus 100, which is an ESPAR antenna that can be realized at low cost, and an equalizer (transversal filter circuit 20). By realizing the above and controlling them in conjunction with each other, since there is only one excitation element A0, only one system is required after that, and the cost-effective space-time signal processing apparatus can be reduced. The circuit configuration can be simplified and manufactured at low cost. In the prior art, there is no spatio-temporal signal processing device using the ESPAR antenna, and the space domain signal processing unit 6 that controls the directivity of the ESPAR antenna is evaluated by the time domain signal processing unit 4 and the evaluation value calculation unit 5. The value signal information is obtained and the directivity control of the ESPAR antenna is performed based on the information.
[0043]
Therefore, according to the array antenna control apparatus of this embodiment, the spatio-temporal signal processing is, as the name suggests, spatial domain signal processing by antenna directivity control and time domain signal processing by an equalizer or the like. Is effective in reducing the influence of multipath fading, which is a problem in high-speed wireless communication.
[0044]
<Modification>
In the above embodiment, the number of the non-excitation elements A1 to A6 is 6. However, the present invention is not limited to this, and an arbitrary plural number may be used.
[0045]
In the second embodiment described above, the LMS algorithm is used in the time domain signal processing. However, the present invention is not limited to this, and an RLS algorithm using the following update equation may be used.
[0046]
[Equation 9]
W (k + 1) ← W (k) + ka (k + 1) [r (k + 1) −W^T(K) X (k + 1)]
[Expression 10]
ka (k + 1)
← P (k) ・ X (k + 1) ・ [1 + X^T(K + 1) P (k) X (k + 1)]^-1
## EQU11 ##
P (k + 1) ← [I−k (k + 1) X^T(K + 1)] P (k)
[0047]
Here, I is a unit matrix of (M−1) × (M−1), matrix P (k) is a matrix of (M−1) × (M−1), and its initial value P (0 ) Is expressed by the following equation.
[0048]
[Expression 12]
P (0) = 100000 · I
[0049]
In the first embodiment described above, the CM algorithm is used in the time domain signal processing, and the genetic algorithm is used in the spatial domain signal processing. In the second embodiment or its modification, the LMS algorithm or the RLS algorithm is used in the time domain signal processing, and the simple search method for the difference vector is used in the spatial domain signal processing. However, the present invention is not limited to this, and a CM algorithm may be used in time domain signal processing, and a simple difference vector search method may be used in spatial domain signal processing. Alternatively, an LMS algorithm or RLS algorithm may be used in time domain signal processing and a genetic algorithm may be used in spatial domain signal processing.
[0050]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, in a control device and control method for an array antenna device called an ESPAR antenna, a time domain signal processing unit that performs time domain signal processing on a received signal, and processing An evaluation value calculation unit that calculates an evaluation value based on the signal and a spatial domain signal processing unit that executes signal processing of the spatial domain based on the evaluation value are provided. Since this array antenna apparatus has only one excitation element, only one system is required after that, and the cost-effective space-time signal processing apparatus can be reduced, that is, the circuit configuration is simplified and manufactured at low cost. it can. In the prior art, there is no spatio-temporal signal processing device using an ESPAR antenna. Here, spatio-temporal signal processing, as the name implies, is signal processing that combines signal processing in the spatial domain with antenna directivity control and signal processing in the time domain with an equalizer or the like. It has a unique effect that it is effective in reducing the influence of multipath fading.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a control device for an array antenna device 100 called an ESPAR antenna, which is an embodiment according to the present invention.
2 is a cross-sectional view showing a relationship between an excitation element A0 and non-excitation elements A1 and A4 and a ground conductor plate 11 in the array antenna control apparatus 100 of FIG.
FIG. 3 is a block diagram showing an internal configuration of a time domain signal processing unit 4-1 and an evaluation value calculating unit 5-1, which are the first embodiment of the time domain signal processing unit 4 of FIG. 1;
4 is a flowchart showing spatial domain signal processing using a genetic algorithm (GA), which is executed by the spatial domain signal processing unit 6-1 that is the first embodiment of the spatial domain signal processing unit 6 of FIG. It is.
FIG. 5 is a block diagram showing an internal configuration of a time domain signal processing unit 4-2 and an evaluation value calculating unit 5-2 that are a second embodiment of the time domain signal processing unit 4 of FIG. 1;
FIG. 6 is a flowchart showing spatial region signal processing using a simple difference vector search method, which is executed by the spatial region signal processing unit 6-2, which is the second embodiment of the spatial region signal processing unit 6 of FIG. 1; It is.
[Explanation of symbols]
1 ... Low noise amplifier,
2 ... down converter,
3 ... A / D converter,
4, 4-1, 4-2 ... time domain signal processing unit,
5,5-1,5-2 ... Evaluation value calculation unit,
6 ... Spatial domain signal processing unit,
7 ... demodulator,
8 ... Coaxial cable,
11: Ground conductor,
12-1 to 12-6 ... variable reactance element,
13-1 to 13- (M-1) ... delay circuit,
14-1 to 14-M ... multipliers,
15 ... adder,
20 ... transversal filter circuit,
21 ... CMA processing controller,
21a ... LMS processing controller,
22: Absolute value calculator,
23 ... subtractor,
24. Constant signal generator,
25 ... Time integrator,
26 ... Learning sequence signal generator,
27 ... Subtractor,
28: Absolute square value calculator,
29: Time integrator.
100: Array antenna device,
A0: Excitation element,
A1 to A6: non-exciting elements.

Claims

An excitation element for transmitting and receiving a radio signal, a plurality of non-excitation elements provided at a predetermined interval from the excitation element, and a plurality of variable reactance elements respectively connected to the plurality of non-excitation elements In the array antenna control apparatus for changing the directivity of the array antenna by changing the reactance value of each variable reactance element,
Based on the received signal received by the excitation element, time domain signal processing is performed on the received signal so that the direction of the main beam is substantially directed to the desired wave, and a processed signal is output. 1 processing means;
Based on the processing signal output from the first processing means , an evaluation value, which is the difference between the absolute value of the processing signal and a predetermined constant, is calculated, or the difference between the processing signal and a predetermined learning signal A calculation means for calculating an evaluation value that is an absolute square value of and outputting an evaluation value signal indicating the evaluation value;
Based on the evaluation value signal output from the computing means, the evaluation value signal of the desired value was obtained by executing the signal processing of the spatial domain so as to obtain the evaluation value signal of the desired value substantially, 2. An array antenna control apparatus comprising: a second processing unit that generates a signal corresponding to a reactance value of each variable reactance element and outputs the signal to each variable reactance element.

The second processing means includes
(A) When the reactance value of each variable reactance element is changed and output to each variable reactance element, the absolute difference between the two evaluation values before and after the change indicated by the evaluation value signal output from the calculation means Determine if the value is below a given threshold,
(B) When the absolute value of the calculated difference is less than a predetermined threshold value, a signal corresponding to the reactance value of each variable reactance element corresponding to the evaluation value after the change is generated and each variable When the absolute value of the calculated difference is not less than a predetermined threshold value while being output to the reactance element, the reactance value of each variable reactance element corresponding to the evaluation value after the change is further changed to change each variable It is determined whether or not the absolute value of the difference between the two evaluation values before and after the change indicated by the evaluation value signal output from the arithmetic means when output to the reactance element is less than a predetermined threshold value. 2. The array antenna control apparatus according to claim 1, wherein the processing after the determination is repeated until the absolute value of the calculated difference becomes less than a predetermined threshold value.

The second processing means includes
(A) When the reactance value of each variable reactance element is changed using a random number generation method and is output to each variable reactance element, two values before and after the change indicated by the evaluation value signal output from the calculation means Determine whether the absolute value of the difference between the evaluation values is less than a predetermined threshold,
(B) When the absolute value of the calculated difference is less than a predetermined threshold value, a signal corresponding to the reactance value of each variable reactance element corresponding to the evaluation value after the change is generated and each variable While outputting to the reactance element, when the absolute value of the calculated difference is not less than a predetermined threshold, the reactance value of each variable reactance element corresponding to the evaluation value after the change is sorted and selected, The absolute value of the difference between the two evaluation values before and after the change indicated by the evaluation value signal output from the arithmetic means when the change is further made by crossing and mutating and output to each variable reactance element is predetermined. The genetic algorithm is determined by repeating the process after the above determination until the absolute value of the calculated difference becomes less than a predetermined threshold. Control device according to claim 1, wherein the array antenna, characterized by performing signal processing in the spatial domain by using a rhythm.

The second processing means includes
(A) An evaluation value indicated by an evaluation value signal output from the arithmetic means when an initial value of a reactance value of each variable reactance element is set and output to each variable reactance element, and each variable reactance element The reactance value of The absolute value of the difference between the evaluation value having the minimum value of the difference between each evaluation value indicated by the evaluation value signal output from the arithmetic means when the variable reactance element is changed and output to the variable reactance element Determine whether is less than a predetermined threshold,
(B) When the absolute value of the calculated difference is less than a predetermined threshold value, a signal corresponding to the reactance value of each variable reactance element corresponding to the evaluation value after the change is generated and each variable When the absolute value of the calculated difference is not less than a predetermined threshold value while being output to the reactance element, the evaluation value having the previous minimum value and the reactance value of each of the variable reactance elements for all the predetermined combinations The absolute value of the difference between the evaluation value having the minimum value of the difference between each evaluation value indicated by the evaluation value signal output from the calculation means when the variable reactance element is changed and output to the variable reactance element is It is determined whether or not the difference is less than a predetermined threshold, and the processing after the determination is repeated until the absolute value of the calculated difference is less than the predetermined threshold. Control apparatus for an array antenna according to claim 1, wherein performing the signal processing in the spatial domain by using a simple search method Le.

5. The signal processing apparatus according to claim 1, wherein the first processing unit performs time-domain signal processing using a linear equalizer based on a CM algorithm, an RLS algorithm, or an LMS algorithm. control apparatus for an array antenna according to.