JP3722003B2 - アダプティブアレーアンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アダプィブアレイアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、直交マルチキャリア方式の受信信号を受信するＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）方式のアダプティブアレーアンテナが各種提案されている。
【０００３】
先ず、直交マルチキャリア方式の信号は、データ信号とこのデータ信号に先立つプリアンブル信号とから構成されている。データ信号は、時間多重された複数のＯＦＤＭシンボルからなり、プリアンブル信号としては、例えば、図４に示すように、時間軸上の既知信号ｘ（ｉ）を繰り返し配列した繰り返し信号が、採用されている。但し、ｉは、既知信号の受信個数を示す。
【０００４】
次に、図５において、ＭＭＳＥ方式のアダプティブアレーアンテナの概略構成を示して、プリアンブル信号の受信時の作動について説明する。
【０００５】
先ず、ＭＭＳＥ方式のアダプティブアレーアンテナは、アンテナ素子１１…１Ｍ、乗算器２１…２Ｍ、加算器（Σ）３０、発生器４０、内積器５０、加算器６０、及び、ＭＭＳＥ演算器７０を有している。なお、Ｍは、アンテナ素子の個数を示す。
【０００６】
アンテナ素子１１…１Ｍは、電波を媒体として既知信号Ｘ（ｉ）を繰り返し受信すると、受信既知信号Ｘ（ｉ）を繰り返し出力する。具体的には、アンテナ素子１１は、受信既知信号ｘ₁（ｉ）を繰り返し出力し、アンテナ素子１２は、受信既知信号ｘ₂（ｉ）を繰り返し出力し、アンテナ素子１Ｍは、受信既知信号ｘ_M（ｉ）を繰り返し出力する。
【０００７】
なお、受信既知信号Ｘ（ｉ）と受信既知信号ｘ₁（ｉ）…ｘ_M（ｉ）との関係を数式１で表すことができる。Ｔは転置を示す。
【０００８】
【数１】
Ｘ（ｉ）＝［ｘ₁（ｉ） ｘ₂（ｉ） … ｘ_M（ｉ）］^T
乗算器２１、２２…２Ｍは、受信既知信号Ｘ（ｉ）にアンテナウエイトＷ^H を乗算する。アンテナウエイトＷ^Hは、数式２で表すように、アンテナ素子毎に個別に採用されている。Ｈは複素共役転置を示す。
【０００９】
【数２】
Ｗ＝［ｗ₁ ｗ₂ … ｗ_M］^T
具体的には、乗算器２１は、アンテナウエイトｗ₁ ^*に受信既知信号ｘ₁（ｉ）を乗算して乗算信号｛ｗ₁ ^*ｘ₁（ｉ）｝を出力し、乗算器２２は、アンテナウエイトｗ₂ ^*に受信既知信号ｘ₂（ｉ）を乗算して乗算信号｛ｗ₂ ^*ｘ₂（ｉ）｝を出力する。乗算器２Ｍは、アンテナウエイトｗ_M ^*に受信既知信号Ｘ_M（ｉ）を乗算して乗算信号｛ｗ_M ^*ｘ_M（ｉ）｝を出力する。なお、アスタリスク「＊」は、複素共役数を示す。
【００１０】
さらに、加算器（Σ）３０は、乗算信号｛ｗ₁ ^*ｘ₁（ｉ）｝、｛ｗ₂ ^*ｘ₂（ｉ）｝…｛ｗ_M ^*ｘ_M（ｉ）｝のそれぞれを加算することにより、アンテナウエイトＷと受信既知信号Ｘ（ｉ）との内積を示す内積信号Ｗ^HＸ（ｉ）を求める。
【００１１】
発生器４０は、参照信号ｒを予め記憶してこの参照信号ｒを、繰り返し、出力する。参照信号ｒは、プリアンブル信号の既知信号のレプリカであるレプリカ信号である。
【００１２】
内積器５０は、アンテナウエイトＷ^Hと受信既知信号Ｘ（ｉ）との内積信号Ｗ^HＸ（ｉ）を求め、加算器６０は、参照信号ｒと内積信号Ｗ^HＸ（ｉ）との誤差ｅ（ｉ）を求める｛ｅ（ｉ）＝ｒ−Ｗ^HＸ（ｉ）｝。ＭＭＳＥ演算器７０には、受信既知信号Ｘ（ｉ）及び誤差ｅ（ｉ）が入力されて、ＭＭＳＥ演算器７０は、誤差ｅ（ｉ）を小さくするようにアンテナウエイトＷ ^H を更新する。
【００１３】
ここで、アンテナウエイトＷ^Hの更新タイミングとしては、受信既知信号ｘ_n（ｉ）（１≦ｎ≦Ｍ）毎にその１周期内の複数のタイミングが採用されている（特開平２０００−１０６５０５号公報参照）。これにより、アンテナウエイトＷ^Hの更新は、受信既知信号ｘ_n（ｉ）毎に複数回行われることにより、複数の受信既知信号ｘ_n（ｉ）の影響を加味してアンテナウエイトＷ^Hを更新できるため、その更新は良好なものになる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＭＭＳＥ演算器７０は、上述の如く、既知信号毎にその一周期内の数多くのタイミングでアンテナウエイトＷ ^H を更新すると、高速な処理速度を必要とする。
【００１５】
本発明は、上記点に鑑み、アンテナウエイトの更新精度を保ちつつ、アンテナウエイトの更新のタイミングを減らし得るアダプティブアレーアンテナを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、既知信号が繰り返されて構成される繰り返し信号を、それぞれ受信する複数のアンテナ素子（１１…１Ｍ）と、受信された繰り返し信号にアンテナウエイトをそれぞれ乗算する乗算手段（２１…２Ｍ）と、受信された繰り返し信号の既知信号をアンテナ素子毎に複数個分保持するとともに、この保持された各既知信号をアンテナ素子毎に平均化して平均化信号を求める平均化手段（８０）と、受信された既知信号のレプリカであるレプリカ信号を発生する信号発生手段（４０）と、アンテナ素子毎の平均化信号とレプリカ信号とに応じて、アンテナウエイトをアンテナ素子毎に更新する更新手段（５０Ａ〜７０Ａ）とを備えることを特徴とする。
【００１７】
これにより、アンテナウエイトの更新は、アンテナ素子毎の平均化信号とレプリカ信号とに応じて行われるため、既知信号毎にその１周期内の複数のタイミングでアンテナウエイトを更新する場合に比べて、アンテナウエイトを更新するタイミングを減らすことができる。これに加えて、平均化信号を採用することにより、アンテナウエイトの更新に先だって受信された各既知信号の影響を加味してアンテナウエイトを更新することになるため、アンテナウエイトの更新精度を保ちつつ、アンテナウエイトの更新のタイミングを減らし得る。
【００１８】
具体的には、平均化手段は、平均化信号において所定タイミングの信号値をアンテナ素子毎に求め、更新手段は、平均化信号の信号値にアンテナウエイトをアンテナ素子毎に乗算して乗算信号を求めるとともに、アンテナ素子毎の乗算信号を加算して加算信号を求める手段（５０Ａ）と、求められた加算信号とレプリカ信号との信号値の差を求める手段（６０Ａ）と、信号値の差を小さくするようにアンテナウエイトをアンテナ素子毎に更新する手段（７０Ａ）とを有する。
【００１９】
また、請求項２に記載の発明のように、更新手段は、所定タイミングを平均化信号毎に分散化するように設定することにより、アンテナウエイトの更新にあたり、その更新に先だって受信された各既知信号の影響を均衡に受けることができるため、精度の良く、アンテナウエイトを更新できる。
【００２０】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係るＭＭＳＥ方式のアダプティブアレーアンテナを示す。本第１実施形態において、ＭＭＳＥ方式のアダプティブアレーアンテナが、ＯＦＤＭ信号を受信する例を示す。図１は、ＭＭＳＥ方式のアダプティブアレーアンテナの概略構成をブロック図である。
【００２２】
ＭＭＳＥ方式のアダプティブアレーアンテナは、図１に示すように、アンテナ素子１１…１Ｍ、乗算器２１…２Ｍ、加算器（Σ）３０、発生器４０、内積器５０Ａ、加算器６０Ａ、ＭＭＳＥ演算器７０Ａ、及び、平均器８０から構成されている。図１において、図５中の符号と同一符号は、同一物、或いは、実質的同一物を示す。
【００２３】
先ず、平均器８０は、アンテナ素子１１…１Ｍから受信既知信号Ｘ（ｉ）が繰り返し入力されて、複数の受信既知信号Ｘ（ｉ）を保持して、複数の受信既知信号Ｘ（ｉ）を平均化して平均化信号Ｕ_iを求める。
【００２４】
具体的には、平均器８０は、アンテナ素子１１からの受信既知信号ｘ₁（１）、ｘ₁（２）…ｘ₁（ｉ）を受けて、受信既知信号ｘ₁（１）、ｘ₁（２）…ｘ₁（ｉ）の平均化信号ｕ_1iを求める（ｕ_1i＝（１／ｉ）｛ｘ₁（１）＋ｘ₁（２）＋…＋ｘ₁（ｉ）｝。さらに、平均器８０は、平均化信号ｕ_1i の１周期内の複数のタイミングで平均化信号値ｕ_1i（ｔ）（ｔはタイミングの回数）を求める。
【００２５】
また、平均器８０は、アンテナ素子１１からの受信既知信号ｘ₂（１）、ｘ₂（２）…ｘ₂（ｉ）を受け、受信既知信号ｘ₂（１）、ｘ₂（２）…ｘ₂（ｉ）の平均化信号ｕ_2iを求める（ｕ_2i＝（１／ｉ）｛ｘ₂（１）＋ｘ₂（２）＋…＋ｘ₂（ｉ）｝。そして、平均器８０は、平均化信号ｕ_2iの１周期内の複数のタイミングで、タイミング毎に平均化信号値ｕ_2i（ｔ）を出力する。
【００２６】
さらに、平均器８０は、図２に示すように、アンテナ素子１Ｍからの受信既知信号ｘ_M（１）、ｘ_M（２）…ｘ_M（ｉ）を受け、受信既知信号ｘ_M（１）、ｘ_M（２）…ｘ_M（ｉ）の平均化信号ｕ_Miを求める（ｕ_M2i＝（１／ｉ）｛ｘ_M（１）＋ｘ_M（２）＋…＋ｘ_M（ｉ）｝。さらに、平均器８０は、平均化信号ｕ_Mi の１周期内の複数のタイミングで平均化信号値ｕ_Mi（ｔ）を求める。これにより、平均器８０は、タイミング毎に数式３に示す平均化信号値Ｕ_avei（ｔ）を出力することになる。すなわち、平均器８０は、アンテナ素子１０…１Ｍから受信既知信号Ｘ（ｉ）が繰り返し入力されて、平均化信号値Ｕ_avei（ｔ）を繰り返し出力することになる。
【００２７】
【数３】
Ｕ_avei（ｔ）＝［ｕ_1i（ｔ）、ｕ_2i（ｔ）、…ｕ_Mi（ｔ）］^T
【００２８】
内積器５０Ａは、平均化信号値Ｕ_avei（ｔ）とアンテナウエイトＷ^Hとの内積信号Ｗ^HＵ_avei（ｔ）を求める。すなわち、アンテナ素子毎の平均化信号値ｕ_ni（ｔ）（１≦ｎ≦Ｍ）にアンテナウエイトｗ_n ^*をそれぞれ乗算して乗算信号ｗ_n ^*ｕ_ni（ｉ）を求め、それぞれの乗算信号ｗ_n ^*ｕ_ni（ｉ）を加算して加算信号を内積信号Ｗ^HＵ_avei（ｔ）として出力する。
【００２９】
換言すれば、内積器５０Ａにおいて、アンテナウエイトｗ₁ ^*に平均化信号値ｕ_1i（ｔ）を乗算して乗算信号｛ｗ₁ ^*ｕ_1i（ｔ）｝を求め、アンテナウエイトｗ₂ ^*に平均化信号値ｕ_2i（ｔ）を乗算して乗算信号｛ｗ₂ ^*ｕ_2i（ｔ）｝を求める。アンテナウエイトｗ_M ^*に平均化信号値ｕ_Mi（ｔ）を乗算して乗算信号｛ｗ_M ^*ｕ_Mi（ｔ）｝を求める。さらに、乗算信号｛ｗ₁ ^*ｕ_1i（ｔ）｝、｛ｗ₂ ^*ｕ_2i（ｔ）｝、…｛ｗ_M ^*ｕ_Mi（ｔ）｝のそれぞれを加算することにより、内積信号Ｗ^HＵ_avei（ｔ）が求められる。
【００３０】
加算器６０Ａは、参照信号ｒと内積信号Ｗ^HＵ_avei（ｔ）との誤差ｅ（ｉ）’を求める｛ｅ（ｉ）’＝ｒ−Ｗ^HＵ_avei（ｔ）｝。
【００３１】
ＭＭＳＥ演算器７０Ａには、平均化信号値Ｕ_avei（ｔ）及び誤差ｅ（ｉ）’が入力されて、ＭＭＳＥ演算器７０Ａは、例えば、ＭＭＳＥ方式のＳＭＩ（Ｓａｍｒｌｅ Ｍａｔｒｉｘ Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）法に基づいて誤差ｅ（ｉ）’を小さくするようにアンテナウエイトＷを更新して乗算器２１、２２…２Ｍに出力する。これにより、加算器３０の内積信号Ｗ^HＸ（ｉ）としては、既知信号Ｘ（ｉ）のうち、参照信号ｒを除く成分が抑圧された信号になる。
【００３２】
以下、本第１実施形態の特徴について述べる。平均器８０は、平均化信号ｕ_Mi毎に１周期内の複数のタイミングで平均化信号値ｕ_Mi（ｔ）を求めるため、ＭＭＳＥ演算器７０Ａは、平均化信号値ｕ_Mi（ｔ）毎にアンテナウエイトＷ^Hを更新する。従って、アンテナウエイトＷ^Hの更新タイミングとしては、平均化信号の１周期内の複数のタイミングが採用されていることになる。このため、受信既知信号毎にその１周期内の複数のタイミングを採用する場合に比べて、更新タイミングを減らすことができる。
【００３３】
これに加えて、平均化信号値ｕ_Mi（ｔ）を採用することにより、アンテナウエイトＷ^Hの更新に先だって受信された各既知信号Ｘ（ｉ）の影響を含んでアンテナウエイトＷ^Hを更新するため、アンテナウエイトの更新精度を保ちつつ、アンテナウエイトの更新のタイミングを減らし得る。
【００３４】
以下に、ＭＭＳＥ演算器７０Ａにおける、アンテナウエイトＷの更新の原理について述べる。
【００３５】
先ず、平均化信号値Ｕ_avei（ｔ）とその複素共役転置Ｕ_avei（ｔ）^Hとの乗算値［Ｕ_avei（ｔ）・Ｕ_avei（ｔ）^H］を求め、この乗算値の期待値を数式５に示すように、Ｒ_xxとする。平均化信号値Ｕ_avei（ｔ）と参照信号の複素共役ｒ^*との除算値［Ｕ_avei（ｔ）^-1・ｒ^*］を求め、この除算値の期待値を数式６に示すように、ｒ_xdとする。
【００３６】
さらに、乗算値の期待値Ｒ_xxと除算値の期待値ｒ _xd との乗算値（Ｒ_xx・ｒ_xd）が数式７に示すようにアンテナウエイトＷとなる。ここで、乗算値（Ｒ_xx・ｒ_xd）を求めることにより、誤差ｅ（ｉ）’を小さくするようにアンテナウエイトＷを求めることになる。
【００３７】
【数５】
Ｒｘｘ＝Ｅ［Ｕ_avei（ｔ）・Ｕ_avei（ｔ）^H］
【００３８】
【数６】
ｒ_xx＝Ｅ［Ｕ_avei（ｔ）^-1・ｒ^*］
【００３９】
【数７】
Ｗ＝Ｒｘｘ・ｒ_xd
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、アンテナウエイトＷの更新タイミングとしては、平均化信号ｕ_ni（１≦ｎ≦Ｍ）の１周期内の複数のタイミングを採用する例について説明したが、これに限らず、アンテナウエイトＷの更新タイミングとしては、平均化信号ｕ_ni毎の１周期内の、ある１つのタイミングを採用して、そのタイミング毎にアンテナウエイトＷを更新してもよい。
【００４０】
すなわち、平均器８０は、平均化信号ｕ_ni毎にその１周期内の、ある１つのタイミングで平均信号値ｕ_ni（ｔ）を求める。
【００４１】
この結果、図３に示すように、１番目の平均化信号ｕ_n1で１番目の平均信号値ｕ_n1（１）が求められて、２番目の平均化信号ｕ_n2で２番目の平均信号値ｕｎ₂（２）が求められて、ｉ番目の平均化信号ｕ_niでｉ番目の平均信号値ｕｎ_i（ｉ）が求められる。
【００４２】
平均器８０は、平均化信号ｕ_ni毎にその１周期内の、ある１つのタイミングを、分散化するように設定する。これにより、図３に示すように、１番目の平均信号値ｕ_n1（１）のタイミングと２番目の平均信号値ｕ_n2（２）のタイミングとの間隔Ｔ１２、２番目の平均信号値ｕ_n2（２）のタイミングと３番目の平均信号値ｕ_n3（３）のタイミングとの間隔Ｔ２３、３番目の平均信号値ｕ_n3（３）のタイミングと４番目の平均信号値ｕ_n4（４）のタイミングとの間隔Ｔ３４が、それぞれ、ランダムになる。
【００４３】
以上により、このような平均信号値ｕ_n1（１）…ｕ_n4（４）…を用いてアンテナウエイトＷ^Hの更新すれば、先だって受信された各既知信号Ｘ（ｉ）の影響を均衡に加味してアンテナウエイトＷ^Hを更新できるため、平均信号値ｕ_ni（ｔ）の数を減らしても、アンテナウエイトＷ^Hを高精度に行うことができる。
【００４４】
なお、上記第２実施形態では、平均化信号ｕ_ni毎にその１周期内の、ある１つのタイミングで平均信号値ｕ_ni（ｔ）を求め、ある１つのタイミングを、平均化信号ｕ_ni毎に分散化した例について説明したが、これに限らず、平均信号値ｕ_ni（ｔ）を求めるタイミングを、平均化信号ｕ_ni毎にその１周期内で複数、採用してタイミングの間隔をその間隔毎にランダムに設定するようにしてもよい。
【００４５】
さらに、上記各実施形態では、ＭＭＳＥ方式のＳＭＩアルゴリズムを採用した例について説明したが、ＰＩアルゴリズム等の各種適応アルゴリズムを採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のＭＭＳＥ方式のアダプティブアレーアンテナの構成を示す図である。
【図２】図１に示す平均器の作動を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態のＭＭＳＥ方式のアダプティブアレーアンテナの作動を示す図である。
【図４】ＭＭＳＥ方式のアダプティブアレーアンテナの構成を示す図である。
【図５】図４に示すアダプティブアレーアンテナ作動を示す図である。
【符号の説明】
１０…１Ｍ…アンテナ素子、５０Ａ…内積器、６０Ａ…加算器、
７０Ａ…ＭＭＳＥ演算器、８０…平均器。

Claims (2)

1. 既知信号が繰り返されて構成される繰り返し信号を、それぞれ受信する複数のアンテナ素子（１１…１Ｍ）と、
   前記受信された繰り返し信号にアンテナウエイトをそれぞれ乗算する乗算手段（２１…２Ｍ）と、
   前記受信された繰り返し信号の既知信号をアンテナ素子毎に複数個分保持するとともに、この保持された各既知信号を前記アンテナ素子毎に平均化して平均化信号を求める平均化手段（８０）と、
   前記受信された既知信号のレプリカであるレプリカ信号を発生する信号発生手段（４０）と、
   前記アンテナ素子毎の平均化信号と前記レプリカ信号とに応じて、前記アンテナウエイトを前記アンテナ素子毎に更新する更新手段（５０Ａ〜７０Ａ）とを備え、
   前記平均化手段は、前記平均化信号において所定タイミングの信号値を前記アンテナ素子毎に求め、
   前記更新手段は、
   前記平均化信号の信号値に前記アンテナウエイトを前記アンテナ素子毎に乗算して乗算信号を求めるとともに、前記アンテナ素子毎の乗算信号を加算して加算信号を求める手段（５０Ａ）と、
   前記求められた加算信号と前記レプリカ信号との信号値の差を求める手段（６０Ａ）と、
   前記信号値の差を小さくするように前記アンテナウエイトを前記アンテナ素子毎に更新する手段（７０Ａ）とを有することを特徴とするアダプティブアレーアンテナ。
2. 前記更新手段は、前記所定タイミングを前記平均化信号毎に分散化するように設定すること特徴とする請求項１に記載のアダプティブアレーアンテナ。

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