JP3719949B2 - アレーアンテナ用フェージング・シミュレータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動通信のマルチパス伝搬環境における受信装置の性能や特性の評価などに利用されるアレーアンテナに対応した模擬フェージング信号を発生するフェージング・シミュレータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、移動通信のマルチパス伝搬環境における受信装置の性能や特性を評価するために、フェージング・シミュレータを用いた試験が行われてきた。また、最近、アレーアンテナを用いた電波の到来方向の推定などを目的としたアレー信号処理が注目されている。そして、このアレー信号処理を行う受信装置を評価する場合には、アレーアンテナに対応したシミュレータが必要になる。従来、アンテナ信号処理装置単体の評価にはベースバンドにおけるシミュレータの利用が報告されてきた。また、アンテナ系を含めた装置全体の評価には屋外での試験が行われてきた。しかしながら、受信系と信号処理系とを含む受信装置のリアルタイム性能や特性を評価するために、アレーアンテナから出力される受信信号を模擬するための模擬受信信号を発生するシミュレータを使用した例は少ない。
【0003】
一般に、信号の帯域幅がアレーアンテナの開口長よりも十分に狭帯域ならば、アレーアンテナのk番目のアンテナ素子で受信する信号は、このアレーアンテナの基準点における受信信号E0 (t) に対し、方位θからの到来波に対するアンテナ素子の応答を表す複素数Ak (θ)を乗算したEk (t) で次のように表すことができる。
Ek (t) =E0 (t) Ak (θ) ・・・ (1)
次に、信号s(t) を次のように表される変調信号とし、gk (t) を振幅bk と初期位相dk とを持つ信号とする。
s(t) =2C(t) cos(2πfs t +φ(t) ) ・・・(2)
gk (t)=bk cos(2πfg t +dk ) ・・・(3)
【0004】
これら二つの信号を乗算し、フィルタリングすると以下のような信号が得られる。
これを複素帯域信号として表せば、
となる。ただし、
E(t) =u(t) exp( j2πft ) 、A’k =bk exp( jdk ) である。
また、u (t) は、変調成分を表し、fは搬送波の周波数である。
【0005】
以上の説明により、(1) 式で表されるk番目のアンテナ素子の受信信号を模擬するためには、Ak (θ)に応じた振幅bk と位相dk を持つ信号gk (t)を発生させ、この信号g k (t )と送信信号に対応する変調信号s(t) とを乗算したのちフィルタリングすればよいことが判る。
【0006】
フェージング生成の基本原理は、W.C.Jakes," Microwave Mobile Communicat-ions " IEEE Press, 1993.に示されているWSSUS( Wide-Sense StationaryUncorrelated Scattering Channel ; 広義定常な無相関散乱波で構成される伝搬路) チャンネルを仮定したレイリーフェージング・モデルに基づいている。移動局から送信された信号は周囲の多数の散乱体により反射・回折され、それらの重ね合わせが基地局に到来すると考える。ここで、シンボル周期より十分に短い遅延時間差を持つN個の散乱波(素波)の集合をクラスタと考えると、時刻tにおける第m番目のクラスタの等価低域系におけるインパルス応答hm (t,τ)は次のように表すことができる。
hm (t,τ)
=δ (τ)( Am / √N) n=1ΣN r n exp[j( 2πfd t cos αn +φn )]・・・ (6)
ここで、δ ( τ ) はデルタ関数、Am はクラスタの複素振幅、Nはクラスタ内の素波の総数、fd は最大ドップラー周波数、r n は各素波の複素振幅、αn は移動局の進行方向に対する各素波の角度、φn は各素波の初期位相である。
【0007】
特開平11−177330号公報は、アレーアンテナの各アンテナ素子に入力される干渉波と、雑音を伴った到来波のシミュレータについて開示している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平11−177330号公報に開示されたシミュレータでは、到来波の到来角度の広がりについての考慮がなされていないため、実際のフェージングを模擬するための信号としては不十分であるという問題がある。また、この従来技術では、フェージング・シミュレータを到来波発生装置の前段に接続することによりフェージング信号とアレーレスポンス信号とを個別に発生させる構成となっている。このため、到来波の到来角度の広がりを考慮した信号を発生させようとしても、実現が困難である。さらに、フェージングを模擬する信号の発生に最適な具体的な回路構成を採用することも必要である。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決する本発明のアレーアンテナ用フェージング・シミュレータは、アレーアンテナの各素子から出力される複数の到来波によるフェージング信号を模擬する模擬フェージング信号を発生する。そして、模擬フェージング信号として、到来波の入射方向の角度広がりを持つ模擬フェージング信号を発生することにより、より実際に近い条件のもとで受信系と信号処理系とを含む受信装置の特性や機能の評価を実現可能とするように構成されている。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、角度広がりを持つ模擬フェージング信号を発生する手段は、アレーアンテナの素子と同数のDDS(ダイレクト・ディジタル・シンセサイザ)および、これらDDSのそれぞれに設定する位相と振幅とを更新する更新手段を備えることにより、簡易・安価な構成によりより実際に近い模擬フェージング信号を発生できるように構成されている。
【0011】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、上記更新手段は各DDSに設定する位相と振幅とを信号の最大ドップラー周波数のナイキスト条件を満足する周期で更新することにより、現実的な模擬フェージング信号を発生するように構成されている。
【0012】
本発明の更に他の好適な実施の形態によれば、各DDSの出力と変調信号とをアナログ乗算することにより前記模擬フェージング信号を発生する手段を備えることにより、広ダイナミックレンジの模擬フェージング信号を発生させるように構成されている。
【0013】
本発明の他のフェージング・シミュレータによれば、複数の到来波の入射方向の角度広がりを持つ模擬フェージング信号を発生する手段を複数備え、かつそれぞれから出力されるアレーアンテナの素子数と同数の出力信号を合成して対応の素子ごとに出力する信号合成手段を備えることにより、より実際的な模擬フェージング信号を発生可能なように構成されている。
【0014】
〔発明の原理〕
まず、本発明の原理について説明する。到来波は角度軸上において、到来角中心(平均値)θm 、角度広がり(標準偏差)σθm を持った正規分布に従うと近似する。このとき第m番目のクラスタからの到来波に対する等価低域系におけるインパルス応答hm は次のように表される。ただし、アレーアンテナの次数をk、クラスタ内の素波の数をNとした。
すなわち、a(θ) は方位θから平面波が到来した場合のアレーアンテナの各素子の応答を表し、各素波は到来角中心θm からΔθn だけ角度変動を有しているものとする。
【0015】
この等価低域系におけるインパルス応答hm (t,τ)で表される伝搬路に信号を入力し、この信号の等価低域系における表現をxm (t) とすると、k番目の素子の出力の等価低域系における表現ymk(t) は、
ymk(t)
=xm (t) (Am / √N)n=1 ΣN rn ak ( θm + Δθn )
・exp[j( 2πfd t cos αn +φn )]
=xm (t) Dmk(t) ・・・(8)
となる。これを(5) 式の同様の複素帯域信号として表せば、
Z mk(t) =Em (t) Dmk (t)
となる。
従って、Dmk (t) に応じた振幅 bmk (t)と位相 dmk (t)を持つ信号、すなわち、後述する (10) 式の信号g mk (t) を図4のアレー応答回路内のDDSで発生させ、(2) 式に示した変調信号s (t) (到来信号に対応し、図1,図2の信号発生器から出力される)と乗算することにより、空間的にはある到来方向からある角度広がりを持ち、かつ時間的にはレイリーフェージングに従うような模擬フェージング信号を生成することができる。
【0016】
m番目のクラスタの最大ドップラー周波数fdmのナイキスト条件を満足する周期Δt、すなわち、2f dm 以上の周波数、つまり、1/(2f dm )以下の周期Δt、ごとに上記(8)式で示されるDmk (t)を近似するものとする。m番目のクラスタの角度広がりΔθmnは角度軸上において確率密度関数の面積が一定となる間隔とした。αn とφn は0から2πの範囲にわたって一様に分布するものとする。その結果、m番目のクラスタからの到来波に対するk番目のアンテナ素子の応答Dmk (t)は次のようになる。
Dmk (t)
≒Dk ' ( θm , Δθmn ,fdm ,Δti )
=(Am / √N) n=1 ΣN 〔ak ( θm + Δθmn)
・exp[j( 2πfdm Δ ti cos αn +φn )]〕 ・・・(9)
【0017】
(9) 式のDk '(θm , Δθmn ,fdm ,Δti )を周期Δt ごとに計算し、得られる複素数により、振幅bmk(i) と位相dmk(i) とを算定し、搬送周波数式f gm で発振する信号の、時刻Δt i ごとの振幅と位相として設定すると、次式で示す、m番目のクラスタによるk番目のアンテナ素子の応答に対応するフェージング信号となる。
gmk(t)=bmk (i)cos[2πfgmt +dmk(i)] ・・・ (10)
(10) 式は、 (3) 式で表される信号と同じ形式の信号であるので、 (2)式で表されるm番目の送信信号sm (t) をk個に分配して、(10)式で表されるアンテナ素子ごとに生成される信号gmk(t)とそれぞれ乗算し、フィルタリングすることにより、アレーアンテナで受信するm番目のクラスタからの到来波に対するフェージング信号を発生することができる。乗算にはアナログ乗算器を用いる。
【0018】
上記本発明の原理に基づいて構成されるフェージング・シミュレータの使用例を図1に示す。この使用例においては、4個の各パスからの到来信号に対応する変調信号を発生する信号発生器からこのフェージング・シミュレータに信号を入力し、このフェージング・シミュレータで各アンテナ素子から出力される受信信号を模擬するための模擬受信信号を生成する。そして、このフェージング・シミュレータから、8本のアンテナ素子数に対応する8チャンネルの模擬受信信号が出力され、被試験装置に供給される。
【0019】
図2に本発明のフェージング・シミュレータの他の使用例を示す。この使用例においては、外部に遅延発生器を設け同一の発射源の信号が異なるパスから遅延を持ちアンテナに到来する場合を模擬するための使用例を示す。また、図1、図2の場合ともに雑音発生器により任意の雑音を入力することができる。
【0020】
図3は、本発明の一実施例のアレーアンテナ用フェージング・シミュレータの全体の構成を示す機能ブロック図である。各アレー応答回路1〜4は、外部の信号発生器の出力信号を入力とし、各パスごとの到来信号によるアレーアンテナの出力信号を生成する。合成回路は4個の各アレー応答回路から出力される信号をアンテナ素子ごとに合成する。制御回路は合成回路からの出力信号のレベルを調整してこのフェージング・シミュレータからの出力とする。また、制御回路は、全体の制御と、外部との入出力を行う。さらに、拡張により8個のアレー応答回路を含む構成とすることが可能である。
【0021】
図4にアレー応答回路の構成を示す。アレー応答回路は1個の到来信号に対するアレーアンテナの出力に対応する模擬受信信号を出力する。8個のDDS(ダイレクト・ディジタル・シンセサイザ)は、200MHz の同一の基準信号により駆動され、各DDSは制御回路より制御バスを経由して周波数、位相および振幅が高速に設定される。また、DDSの出力信号はバンドパス・フィルタにより高周波成分が除去される。一方、外部より入力された信号が8分配される。この8分配された信号と8個のDDSの出力信号がそれぞれアナログ乗算器で乗算され、さらに、バンドパスフィルタを通過させることにより不要周波数成分を除去し出力される。
【0022】
DDSを利用することにより位相と振幅を高精度で設定することが可能になり、またフェージング信号における最大ドップラー周波数ナイキスト条件を満足する周期で位相と振幅とを更新することが可能になる。表1にシミュレータにおけるDDSの諸元を示す。また、乗算にミキサーを用いずアナログ乗算器を用いることにより、フェージングと多様な指向性のアンテナに対応している。
【0023】
入出力信号の性能・仕様を表2に示す。
【0024】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のアレーアンテナ用フェージング・シミュレータは、到来波の入射方向の角度広がりを持つフェージング信号を発生する手段を備える構成であるから、フェージングを模擬するための模擬信号としてより実際的な実験や評価を可能にするという効果が奏される。
【0025】
また、本発明のフェージング・シミュレータは、フェージング信号とアレーレスポンス信号とを同時に発生させるように構成されているので、到来波の到来角度の広がりを考慮した信号を容易に発生させることができるという利点がある。
【0026】
更に、本発明のフェージング・シミュレータの好適な実施例によれば、DDS(ダイレクト・ディジタル・シンセサイザ)を用いてフェージング信号を発生させる構成であるから、簡易・安価な構成のもとでより実際的かつ多様な模擬信号を発生させることが可能になるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のフェージング・シミュレータFSの使用の一例を示す機能ブロック図である。
【図2】本発明のフェージング・シミュレータFSの使用の他の一例を示す機能ブロック図である。
【図3】本発明の一実施例のフェージング・シミュレータFSの構成を示す機能ブロック図である。
【図4】図3のアレー応答回路の構成の一例を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
FS フェージング・シミュレータ
Claims (3)
- アレーアンテナの各素子から出力される複数の到来波によるフェージング信号を模擬する模擬フェージング信号を発生するシミュレータにおいて、
複数の到来波の到来信号に対応する変調信号を入力する手段と、
前記アレーアンテナの素子と同数設置されそれぞれが前記アレーアンテナで受信するm番目のクラスタからの到来波に対するk番目のアンテナ素子の応答を発生させるDDS(ダイレクト・ディジタル・シンセサイザ)と、
これらDDSのそれぞれに設定する前記m番目のクラスタからの到来波について、D k ’(θ m ,Δθ mn ,f dm ,Δt i )においてΔt i ごとに計算し、前記アレーアンテナの各素子から出力される到来波の振幅b mk (i) と位相d mk (i) を所定の周期Δt i で更新する更新手段と、
前記複数の到来波のそれぞれに対応する変調信号と前記DDSのうち対応のものの出力とを乗算して出力する乗算器と、
これら乗算器の出力を合成し、到来波の入射方向の角度広がりを持つ模擬フェージング信号として出力する合成手段とを備えたことを特徴とするアレーアンテナ用フェージング・シミュレータ。 - 前記更新手段による所定の更新周期Δt i は、最大ドップラー周波数f dm のナイキスト条件を満足する周期Δt i (≦1/(2f dm ))であることを特徴とする請求項2記載のアレーアンテナ用フェージング・シミュレータ。
- 前記発生される模擬フェージング信号は、無線周波数領域又は中間周波数領域の信号であることを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載のアレーアンテナ用フェージング・シミュレータ。
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