JP3959357B2

JP3959357B2 - 受信システム

Info

Publication number: JP3959357B2
Application number: JP2003044445A
Authority: JP
Inventors: 鎮男秋山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-02-21
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2023-02-21
Also published as: JP2004251837A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のセンサで同時に観測された複数の信号を処理することにより所望の情報を得る受信システムに関し、特にその校正を行う技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数のセンサを備えた受信システムとして、各センサからのアナログ信号をアンプで増幅し、増幅された信号をサンプリング部でサンプリングすることによりデジタル信号に変換し、変換されたデジタル信号をデジタル信号処理部で処理することにより、信号の到来方向を測定するアレイ方向探知装置や、アダプティブな受信、つまり指向性を有する受信ビームパターンを形成しながら所望の信号を受信するアレイ受信システムが知られている。
【０００３】
このような受信システムにおいては、信号の到来方向を測定したり、アダプティブな受信を行う原理上、複数のセンサからそれぞれアンプ及びサンプリング部を経由してデジタル信号処理部に至る複数の信号経路は、電気的な特性が均一であることが要求される。この特性が均一でないと、方向探知においては方位誤差が生じ、アダプティブな受信においては干渉波抑圧性能の低下や所望信号の感度低下につながる。
【０００４】
そこで、従来の受信システムでは、その性能を維持するために、複数の信号経路間の電気的な特性の偏差を校正する手段を備えている。例えば、５基のアンテナを備えたアレイアンテナシステムにおいては、各信号経路の入力端に例えば正弦波信号からなる校正用信号を供給し、デジタル信号処理部において校正用信号の振幅と位相を検出する。これにより、５つの信号経路の相互間の偏差が求められるので、求められた偏差を偏差値として記録しておく。そして、実際の運用において信号が捕捉された際に、捕捉された信号を偏差値に相当する分だけ補正する。
【０００５】
この従来の受信システムでは、校正用信号を信号経路に供給する方法として、例えば、図１０に示すように、センサ１０からの信号と校正用信号発生部１６０からの校正用信号とをスイッチ１２０で切り替えて信号経路に供給して信号処理回路１５０で処理する方法がある。また、図１１に示すように、センサ１０からの信号に校正用信号発生部１６０からの校正用信号を方向性結合器１２１により重畳させて信号経路に供給して信号処理回路１５０で処理する方法がある。
【０００６】
また、校正用信号を信号経路に供給する従来の技術として、例えば特許文献１がある。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１２１７１４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した受信システムにおいて、センサからの信号と校正用信号とをスイッチで切り替える方法を採用する場合には、校正作業が行われている間は、センサからの信号が遮断されるので、受信システムの運用を停止する必要がある。
【０００９】
一方、センサからの信号に校正用信号を方向性結合器により重畳させる方法を採用する場合には、校正用信号とセンサからの信号とが干渉し合い、校正及び運用にそれぞれ悪影響を及ぼす可能性がある。
【００１０】
さらに、校正すべき周波数範囲が広い場合には、校正用信号の周波数を順次変更しながら校正作業を繰り返す必要があり、その校正作業に多大の時間が必要となる。
【００１１】
そこで、本発明の第１の課題は、運用を停止することなく校正作業を行うことができる受信システムを提供することにある。
【００１２】
また、本発明の第２の課題は、校正及び運用に悪影響を及ぼすことなく校正作業を行うことができる受信システムを提供することにある。
【００１３】
更に、本発明の第３の課題は、校正作業を短時間で行うことができる受信システムを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る受信システムは、第１の課題を達成するために、複数のセンサを含むセンサ部と、校正用信号を発生する校正用信号発生部と、前記センサ部の中からセンサを順次選択し、選択されたセンサからの信号が流れる信号経路に前記校正用信号発生部で発生された校正用信号を供給する校正用信号供給部と、前記校正用信号供給部によって前記校正用信号が供給された前記信号経路の特性を所定の特性を基準として求める校正処理部と、前記センサ部の中から選択されたセンサ以外のセンサの信号経路から送られてくる信号を前記校正処理部で求めた特性に基づいて補正した後に処理するデジタル信号処理部とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る受信システムは、複数のセンサを備えていることを利用し、全てのセンサの信号経路を同時に校正するのではなく、各センサを順次選択しながらその信号経路を校正し、或るセンサの校正中は残りのセンサからの信号を処理することにより、例えば方向探知や受信等を行う。より具体的には、校正は、所定の特性、例えば設計時に計算された信号経路の特性を基準にして、順次選択されたセンサの信号経路の特性を求めることにより行われる。そして、あるセンサの信号経路の校正中は、他のセンサの信号経路から送られてくる信号を既に求めた特性に基づいて補正した後に処理することにより運用を行う。これにより、受信システムの運用を停止することなく校正作業を行うことができる。
【００１６】
また、本発明に係る受信システムにおいて、前記校正用信号供給部は、前記センサ部の中から一対のセンサの一方を固定的に他方を順次選択し、選択された一対のセンサからの信号が流れる一対の信号経路に前記校正用信号発生部で発生された校正用信号を供給し、前記校正処理部は、前記校正用信号供給部によって前記校正用信号が供給された前記一対の信号経路の一方の信号経路の特性を基準として他方の信号経路の特性を求め、前記デジタル信号処理部は、前記センサ部の中から選択された一対のセンサ以外のセンサの信号経路から送られてくる信号を前記校正処理部で求めた特性に基づいて補正した後に処理するように構成できる。
【００１７】
この構成によれば、１つのセンサの信号経路の特性を基準として他のセンサの特性を求めることができるので、例えば設計時に計算された信号経路の特性が不知であっても、運用中の受信システムだけを用いて校正を行うことができる。この場合、２つのセンサを用いて校正が行われ、これと並行して、残りのセンサを用いた運用が行われることになる。
【００１８】
また、本発明に係る受信システムは、第２の課題を達成するために、前記校正用信号供給部は、前記センサ部に含まれる各センサからの信号及び前記校正用信号発生部からの前記校正用信号の何れかを選択するスイッチから構成することができる。
【００１９】
この構成によれば、センサの信号経路には、センサからの信号又は校正用信号発生部からの校正用信号の何れか一方しか流れないので、センサからの信号と校正用信号とが干渉し合うことはないので、校正及び運用にそれぞれ悪影響を及ぼすことを防止できる。
【００２０】
また、本発明に係る受信信号は、第３の課題を達成するために、前記校正用信号発生部で発生される校正用信号は、所定の周波数帯域の複数の周波数成分を含み、前記校正処理部は、前記校正用信号供給部から供給される前記校正用信号に含まれる周波数成分を抽出し、各周波数成分について前記特性を求めるように校正できる。
【００２１】
この構成によれば、校正すべき周波数範囲が広い場合であっても、校正用信号の周波数を順次変更しながら校正作業を繰り返す必要はなく、１つの校正用信号を与えるだけで済むので、校正作業を短時間で行うことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。本発明の実施の形態に係る受信システムでは、センサとしてアンテナが使用される。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る受信システムの構成を示すブロック図である。この受信システムは、アンテナ部１０、校正用信号供給部２０、アナログ回路３０、サンプリング部４０、デジタル信号処理部５０、校正用信号発生部６０及び時分割制御部７０から構成されている。
【００２４】
アンテナ部１０は、第１アンテナ１０₁、第２アンテナ１０₂、第３アンテナ１０₃、・・・、第ｎアンテナ１０_nといったｎ個のアンテナから構成されている。校正用信号供給部２０は、第１スイッチ２０₁、第２スイッチ２０₂、第３スイッチ２０₃、・・・、第ｎスイッチ２０_nといったｎ個のスイッチから構成されている。
【００２５】
アナログ回路３０は、第１アナログ回路３０₁、第２アナログ回路３０₂、第３アナログ回路３０₃、・・・、第ｎアナログ回路３０_nといったｎ個のアナログ回路から構成されている。サンプリング部４０は、第１サンプリング部４０₁、第２サンプリング部４０₂、第３サンプリング部４０₃、・・・、第ｎサンプリング部４０_nといったｎ個のサンプリング部から構成されている。
【００２６】
なお、以下では、第１アンテナ１０₁から第１スイッチ２０₁、第１アナログ回路３０₁及び第１サンプリング部４０₁を経由してデジタル信号処理部５０に至る経路を第１信号経路と呼ぶ。同様に、第２アンテナ１０₂〜第ｎアンテナ１０_nから第２スイッチ２０₂〜第ｎスイッチ２０_n、第２アナログ回路３０₂〜第ｎアナログ回路３０_n及び第２サンプリング部４０₂〜第ｎサンプリング部４０_nをそれぞれ経由してデジタル信号処理部５０に至る経路を第２信号経路〜第ｎ信号経路と呼ぶ。
【００２７】
アンテナ部１０に含まれる第１アンテナ１０₁〜第ｎアンテナ１０_nとしては、バーチカルアンテナ、ダイポールアンテナといった無指向性のアンテナ、及び任意の指向性を有するアンテナを用いることができ、種々の方向からの電波を受信する。これら第１アンテナ１０₁〜第ｎアンテナ１０_nの設置間隔や高さは任意である。
【００２８】
第１アンテナ１０₁は、空中からの複数の入射信号（電波）を受信し、これら入射信号が混合された信号をセンサ信号として第１スイッチ２０₁に送る。同様に、第２アンテナ１０₂〜第ｎアンテナ１０_nは、空中からの複数の入射信号（電波）を受信し、これら入射信号が混合された信号をセンサ信号として第２スイッチ２０₂〜第ｎスイッチ２０_nにそれぞれ送る。
【００２９】
校正用信号供給部２０に含まれる第１スイッチ２０₁〜第ｎスイッチ２０_nの各々は、図２に示すように、アンテナ部１０からのセンサ信号及び校正用信号発生部６０からの校正用信号の何れかを時分割制御部７０からの選択信号に従って選択して出力する。
【００３０】
具体的には、第１スイッチ２０₁は、第１アンテナ１０₁からのセンサ信号及び校正用信号発生部６０からの校正用信号の何れかを、時分割制御部７０からの第１選択信号Ｓ１に従って選択し、第１アナログ回路３０₁に送る。同様に、第２スイッチ２０₂〜第ｎスイッチ２０_nは、第２アンテナ１０₂〜第ｎアンテナ１０_nからのセンサ信号及び校正用信号発生部６０からの校正用信号の何れかを、時分割制御部７０からの第２選択信号Ｓ２〜第ｎ選択信号Ｓｎに従ってそれぞれ選択し、第２アナログ回路３０₂〜第ｎアナログ回路３０_nに送る。
【００３１】
第１アナログ回路３０₁〜第ｎアナログ回路３０_nは、図示しない増幅器（アンプ）等から構成され、第１スイッチ２０₁〜第ｎスイッチ２０_nからの信号をそれぞれ増幅して第１サンプリング部４０₁〜第ｎサンプリング４０_nに送る。
【００３２】
第１サンプリング部４０₁〜第ｎサンプリング４０_nは、Ａ／Ｄ変換器、デジタルフィルタ等から構成され、第１アナログ回路３０₁〜第ｎアナログ回路３０_nから送られてくるアナログ信号をサンプリングすることによりデジタル信号に変換して、デジタル信号処理部５０に送る。
【００３３】
デジタル信号処理部５０は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）から構成され、ソフトウェア処理によって実現される校正処理部５１、受信処理部５２及び方向探知処理部５３を備えている。
【００３４】
校正処理部５１は、受信システムを校正するための校正処理を行う。この校正処理では、第１信号経路〜第ｎ信号経路の特性を求める処理、具体的には、アンテナ部１０から第１信号経路〜第ｎ信号経路をそれぞれ経由して送られてきたセンサ信号の振幅及び位相の偏差を求める処理が行われる。この校正処理部５１で行われる処理は、後に詳細に説明する。
【００３５】
受信処理部５２は、アンテナ部１０から送られてくるセンサ信号を処理することにより、複数の入射信号が混合された信号から所望の入射信号を分離する処理を行う。受信処理部５２では、所望の入射信号を分離するために、例えばブラインド信号分離或いは独立成分分析（ＩＣＡ：Independent Component Analysis）と呼ばれるアルゴリズムが用られる。このアルゴリズムを用いることにより、アンテナの応答性や信号の性質、入射信号の予備知識なしでアンテナの数と同数までの入射信号を分離し、所望の入射信号を得ることができる。
【００３６】
方向探知処理部５３は、アンテナ部１０から送られてくるセンサ信号を処理することにより入射信号の到来方向を求める。この入射信号の到来方向を求める処理の詳細は後で説明する。
【００３７】
校正用信号発生部６０は、デジタル信号処理部５０からの制御信号に応答して校正用信号を発生する。時分割制御部７０は、デジタル信号処理部５０からの校正開始を表す制御信号に応答して、図３に示すような第１選択信号Ｓ１〜第ｎ選択信号Ｓｎを発生し、第１スイッチ２０₁〜第ｎスイッチ２０_nにそれぞれ供給する。第１選択信号Ｓ１は、校正の開始から終了までの間はオンにされる信号である。従って、校正が行われている間は、第１スイッチ２０₁は、校正用信号発生部６０からの校正用信号を出力し続ける。第２選択信号Ｓ２〜第ｎ選択信号Ｓｎは、区間Ｔ１〜区間Ｔｎ−１の間でそれぞれオンにされる信号である。第２選択信号Ｓ２〜第ｎ選択信号Ｓｎにより、第２スイッチ２０₂〜第ｎスイッチ〜２０_nは、時分割で校正用信号を順次選択して出力する。
【００３８】
次に、このように構成される本発明の第１の実施の形態に係る受信システムの動作を、図３に示したタイミングチャートを参照しながら説明する。
【００３９】
通常の運用状態では、デジタル信号処理部５０は、時分割制御部７０を駆動しない。従って、時分割制御部７０は、インアクティブな第１選択信号Ｓ１〜第ｎ選択信号Ｓｎを校正用信号供給部２０に供給するので、校正用信号供給部２０に含まれる第１スイッチ２０₁〜第ｎスイッチ２０_nの全ては、第１アンテナ１０₁〜第ｎアンテナ１０_nからのセンサ信号を第１信号経路〜第ｎ信号経路をそれぞれ経由してデジタル信号処理部５０に供給するように設定される。
【００４０】
これにより、デジタル信号処理部５０の受信処理部５２は、アンテナ部１０から送られてくるｎ個のセンサ信号を図示しない偏差値メモリに格納された偏差値に基づいて補正した後に処理し、複数の入射信号が混合された信号から所望の入射信号を分離する処理を行う。また、デジタル信号処理部５０の方向探知処理部５３は、アンテナ部１０から送られてくるｎ個のセンサ信号を偏差値メモリに格納された偏差値に基づいて補正した後に処理し、入射信号の到来方向を求める。
【００４１】
このような通常の運用状態において、図示しない操作パネル等から校正開始が指示されると、デジタル信号処理部５０は、校正処理部５１を起動する。起動された校正処理部５１は、まず、校正開始を指示する制御信号を時分割制御部７０に送る。
【００４２】
制御信号を受け取った時分割制御部７０は、まず区間Ｔ１において、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、第１選択信号Ｓ１及び第２選択信号Ｓ２をアクティブにする。これにより、第１スイッチ２０₁及び第２スイッチ２０₂からなる一対のスイッチは、校正用信号発生部６０からの校正用信号を出力するように設定され、その他のスイッチ、即ち第３スイッチ２０₃〜第ｎスイッチ２０_nは、第３アンテナ１０₃〜第ｎアンテナ１０_nからのセンサ信号をそれぞれ出力するように設定される。
【００４３】
校正用信号発生部６０からの校正用信号は、第１スイッチ２０₁、第１アナログ回路３０₁及び第１サンプリング部４０₁からなる第１信号経路、並びに第２スイッチ２０₂、第２アナログ回路３０₂及び第２サンプリング部４０₂からなる第２信号経路を、それぞれ経由してデジタル信号処理部５０の校正処理部５１に送られる。
【００４４】
校正処理部５１は、第１スイッチ２０₁からの校正用信号を基準にして第２スイッチ２０₂からの校正用信号の偏差を求め、これを第２信号経路の偏差値として偏差値メモリに格納する。具体的には、第１スイッチ２０₁からの信号の振幅及び位相を基準にして第２スイッチ２０₂からの信号の振幅及び位相の偏差が求められ、偏差値として偏差値メモリに格納される。
【００４５】
一方、上記動作と並行して、第３アンテナ１０₃〜第ｎアンテナ１０_nからのｎ−２個のセンサ信号は、第３スイッチ２０₃〜第ｎスイッチ２０_n、第３アナログ回路３０₃〜第ｎアナログ回路３０_n及び第３サンプリング部４０₃〜第ｎサンプリング部４０_nをそれぞれ経由してデジタル信号処理部５０の受信処理部５２及び方向探知処理部５３に送られる。
【００４６】
受信処理部５２は、第３アンテナ１０₃〜第ｎアンテナ１０_nからのｎ−２個のセンサ信号を、偏差値メモリに格納されている偏差値に基づいて補正し、その後、ｎ−２個の補正されたセンサ信号を処理することにより、複数の入射信号が混合された信号から所望の入射信号を分離する。
【００４７】
また、方向探知処理部５３は、第３アンテナ１０₃〜第ｎアンテナ１０_nからのｎ−２個のセンサ信号を、偏差値メモリに格納されている偏差値に基づいて補正し、その後、ｎ−２個の補正されたセンサ信号を処理することにより、入射信号の到来方向を求める。
【００４８】
上述したようにして区間Ｔ１が経過すると、次に、時分割制御部７０は、区間Ｔ２において、図３（Ａ）及び図３（Ｃ）に示すように、第１選択信号Ｓ１及び第３選択信号Ｓ３をアクティブにする。これにより、第１スイッチ２０₁及び第３スイッチ２０₃から成る一対のスイッチは、校正用信号発生部６０からの校正用信号を出力するように設定され、その他のスイッチ、即ち第２スイッチ２０₂、第４スイッチ２０₄〜第ｎスイッチ２０_nは、第２アンテナ１０₂、第４アンテナ１０₄〜第ｎアンテナ１０_nからのセンサ信号をそれぞれ出力するように設定される。
【００４９】
校正用信号発生部６０からの校正用信号は、第１スイッチ２０₁、第１アナログ回路３０₁及び第１サンプリング部４０₁からなる第１信号経路、並びに第３スイッチ２０₃、第３アナログ回路３０₃及び第３サンプリング部４０₃からなる第３信号経路をそれぞれ経由してデジタル信号処理部５０の校正処理部５１に送られる。
【００５０】
校正処理部５１は、第１スイッチ２０₁からの校正用信号を基準にして第３スイッチ２０₃からの校正用信号の偏差を求め、これを第３信号経路の偏差値として偏差値メモリに格納する。具体的には、第１スイッチ２０₁からの信号の振幅及び位相を基準にして第３スイッチ２０₃からの信号の振幅及び位相の偏差が求められ、偏差値として偏差値メモリに格納される。
【００５１】
一方、上記動作と並行して、第２アンテナ１０₂、第４アンテナ１０₄〜第ｎアンテナ１０_nからのｎ−２個のセンサ信号は、第２スイッチ２０₂、第４スイッチ２０₄〜第ｎスイッチ２０_n、第２アナログ回路３０₂、第４アナログ回路３０₄〜第ｎアナログ回路３０_n及び第２サンプリング部４０₂、第４サンプリング部４０₄〜第ｎサンプリング部４０_nをそれぞれ経由してデジタル信号処理部５０の受信処理部５２及び方向探知処理部５３に送られる。
【００５２】
受信処理部５２は、第２アンテナ１０₂、第４アンテナ１０₄〜第ｎアンテナ１０_nからのｎ−２個のセンサ信号を、偏差値メモリに格納されている偏差値に基づいて補正し、その後、ｎ−２個の補正されたセンサ信号を処理することにより、複数の入射信号が混合された信号から所望の入射信号を分離する。
【００５３】
また、方向探知処理部５３は、第２アンテナ１０₂、第４アンテナ１０₄〜第ｎアンテナ１０_nからのｎ−２個のセンサ信号を、偏差値メモリに格納されている偏差値に基づいて補正し、その後、ｎ−２個の補正されたセンサ信号を処理することにより、入射信号の到来方向を求める。
【００５４】
デジタル信号処理部５０は、区間Ｔ３〜区間Ｔｎ−１についても順次同様の処理を実行し、第４アンテナ１０₄〜第ｎアンテナ１０_nからのセンサ信号に基づいて第４信号経路〜第ｎ信号経路の偏差値を求めて偏差値メモリに格納する。そして、区間Ｔｎ−１における処理が完了することにより、第ｎ信号経路の偏差値を求めて偏差値メモリに格納すると校正処理を終了する。
【００５５】
なお、第１アンテナ１０₁の出力の振幅及び位相をａ１∠φ１、第２アンテナ１０₂の出力の振幅及び位相をａ２∠φ２、・・・第ｎアンテナ１０_nの出力の振幅及び位相をａｎ∠φｎとすると、第１アンテナ１０₁と第２アンテナ１０₂との振幅比及び位相比である偏差値は、（ａ２／ａ１）×ｅ^{（φ２−φ１）}となる。第１アンテナ１０₁と第３アンテナ１０_３との振幅比及び位相比である偏差値は、（ａ３／ａ１）×ｅ^{（φ３−φ１）}となる。同様に、第１アンテナ１０₁と第ｎアンテナ１０_ｎとの振幅比及び位相比である偏差値は、（ａｎ／ａ１）×ｅ^{（φｎ−φ１）}となる。
【００５６】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る受信システムによれば、校正は、第１アンテナ１０₁からデジタル信号処理部５０に至る第１信号経路の特性を基準にして、他のアンテナ、即ち第２アンテナ１０₂〜第ｎアンテナ１０_nの信号経路の特性を時分割で順次求めて偏差値メモリに格納すると共に、第２アンテナ１０₂〜第ｎアンテナ１０_nの何れかのアンテナの信号経路を校正中（特性を求めている時）は、それ以外のアンテナからのｎ−２個のセンサ信号を、偏差値メモリに格納されている既に求めた特性に基づいて補正した後に処理することにより運用を行う。
【００５７】
即ち、或る瞬間を見た場合、ｎ個のアンテナの中の２個のみが校正処理に使用され、残りのｎ−２個のアンテナは、受信システムの本来の機能である受信処理及び方向探知処理に使用される。この構成により、受信システムの運用を停止することなく校正作業を行うことができる。
【００５８】
なお、受信システムの運用において、校正のために２つのアンテナが使用できない状態になると、一般的には、受信性能が低下するが、ある程度以上のアンテナの数を有する受信システムでは、その影響は軽微なものであり、実用上の問題はない。
【００５９】
また、本発明の第１の実施の形態に係る受信システムによれば、第１アンテナ１０₁〜第ｎアンテナ１０_nからのセンサ信号と校正用信号発生部６０からの校正用信号とを第１スイッチ２０₁〜第ｎスイッチ２０_nでそれぞれ切り替えて信号経路に供給するように構成したので、センサ信号に校正用信号を重畳させる場合のように、センサ信号と校正用信号とが干渉し合うことがない。従って、校正及び運用に悪影響を及ぼすことがない。
【００６０】
（到来方位測定）
次に、図４を参照して方向探知処理部５３による信号の到来方位測定を説明する。方向探知処理部５３は、第１〜第ｎサンプリング部４０₁〜４０_nからの信号でＭＵＳＩＣ等のアルゴリズムを用いて入射信号の到来方位を測定する。
【００６１】
ＭＵＳＩＣ法は相関行列の固有値と固有ベクトルとを用いた推定法である。図４のようにセンサ間隔ｄのＭ素子等間隔リニアアレーに平面波がＫ波到来していて、各到来波の信号波形と到来角がＦｋ（ｔ），θｋ（ｋ＝１，２…Ｋ）と表されるとき、各センサにおける各到来波の位相応答を表す方向ベクトルａ（θｋ）は、式（１）で与えられる。
【００６２】
【数１】

ここで、上添字Ｔは転置を表す。よって、入力ベクトルは式（２）〜式（６）で表される。
【００６３】
【数２】

上式においてＮ（ｔ）は熱雑音ベクトルであり、その成分は平均が０で分散（電力）がσ^２の独立な複素ガウス過程である。このとき、センサ間の相関特性を表す相関行列は式（７）〜式（８）で与えられる。
【００６４】
【数３】

ここで、上添字Ｈは複素共役転置を表す。到来波が互いに無関係であれば信号相関行列ＳのランクはＫとなる。また、方向行列ＡもランクはＫである。従って、この場合の相関行列ＲｘｘはランクＫの非負定値エルミート行列となる。この行列の固有値λｉ（ｉ＝１，２…，Ｍ）は実数となり、下記の式（９）の関係を有する。
【００６５】
【数４】

従って、相関行列の固有値を求め、熱雑音電力σ^２より大きい固有値の数から到来波数Ｋを推定することができる。また、固有値λｉ（ｉ＝１，２…，Ｍ）に対応する固有ベクトルをｅｉ（ｉ＝１，２…，Ｍ）とすると、Ｍ次元のエルミート空間の正規直交基底ベクトルとして扱われる。この空間は信号空間span{e1,…eK}と雑音空間span{eＫ＋1,…eＭ}との二つの部分空間にわけることができ、信号空間と雑音空間とは互いに直交補空間の関係にある。
【００６６】
span{e1,…eK}はベクトルｅｉ（ｉ＝１，２…，Ｍ）で張られる空間とする。また、信号空間は方向ベクトルを用いて、span{ａ（θ１），…，ａ（θｋ）}と表すことができる。従って、熱雑音電力に等しい固有値に対応する固有ベクトルは全て到来波の方向ベクトルと直交することになる。そこで、式（１０）のような評価関数を定義する。
【００６７】
【数５】

これはＭＵＳＩＣスペクトラムと呼ばれ、到来角θに対するスペクトラムのＫ個のピークが到来方位θｋ（ｋ＝１，２…Ｋ）となる。なお、式（９）からもわかるように、熱雑音電力に等しい最小固有値が少なくとも一つ必要なので、アレーのセンサ数はＭ≧Ｋ＋１が必要条件となる。
【００６８】
（第２の実施の形態）
図５は本発明の第２の実施の形態に係る受信システムの構成を示すブロック図である。図５は本発明の第２の実施の形態に係る受信システムの構成を示すブロック図である。この受信システムは、図１に示す第１の実施の形態に係る受信システムに対して、校正用信号発生部６０ａ及びデジタル信号処理部５０ａ内の校正処理部５１ａのみが異なるので、この異なる構成についてのみ説明する。
【００６９】
校正用信号発生部６０ａは、デジタル信号処理部５０からの制御信号に応答して校正用信号を発生する。ここで、校正用信号の性質について説明する。信号の振幅と位相の偏差を求めるためには、一般に、単一の周波数を有する正弦波信号が用いられる。従って、信号経路を流れる信号が広範囲の周波数成分を含み、且つ周波数成分毎に信号経路の特性が線形でない場合には、正弦波信号の周波数を順次変更しながら繰り返し校正処理（振幅及び位相の測定）を行う必要がある。
【００７０】
これに対し、本発明の第２の実施の形態に係る受信システムでは、図６の周波数スペクトラムに示すように、校正用信号として、下限周波数から上限周波数までの所定の周波数帯域Ｗの周波数成分を含む１つの信号が用いられる。所定の周波数帯域は、第１アンテナ１０₁〜第ｎアンテナ_nの特性等に従って決定することができる。このような校正用信号は、複数の正弦波信号を合成して生成することができる。或いは、校正用信号として、ホワイトノイズのような広帯域信号を用いることができる。
【００７１】
信号波形ｆ（ｔ）のフーリエ変換は、
ｆ（ｔ）＝Ａ_０＋Σ｛Ａ_ｎｃｏｓ（ｎω_０ｔ）＋Ｂ_ｎｓｏｓ（ｎω_０ｔ）｝と表される。但し、Ａ_０＝｛∫ｆ（ｔ）ｄｔ｝／Ｔ_０、Ａ_ｎ＝２｛∫ｆ（ｔ）ｃｏｓ（ｎω_０ｔ）｝／Ｔ_０、Ｂ_ｎ＝２｛∫ｆ（ｔ）ｓｏｓ（ｎω_０ｔ）｝／Ｔ_０である。ｎ＝１，２，３・・・であり、ω_０は２π／Ｔ_０＝２πｆ_０で表される。
【００７２】
ここで、係数Ａ_ｎと係数Ｂ_ｎとが全て０以外で同じ値の場合には、ホワイトノイズとなる。一方、上記係数の内、ある１つだけが値を持ち、他が０の場合には単一の正弦波となる。第２の実施の形態では、単一の正弦波ではなく複数の正弦波を用いるため、係数の内、複数が値を持ち、他は０である。
【００７３】
校正処理部５１ａは、校正用信号を受け取り、校正用信号をソフトウェア処理によって周波数成分毎の正弦波信号に分離し、各周波数の正弦波信号毎に振幅及び位相を計測する。
【００７４】
図７は本発明の第２の実施の形態に係る受信システムに設けられた校正処理部５１ａの構成を示す図である。校正処理部５１ａは、所定の周波数帯域Ｗの周波数成分を含む校正用信号を格納する偏差値メモリ５５と、偏差値メモリ５５からの所定の周波数帯域Ｗの周波数成分を含む校正用信号と中心周波数が指定された複素数正弦波信号とを複素乗算する複素乗算器５６と、複素乗算器５６からの複素乗算出力の低域周波数帯のみを通過させるローパスフィルタ５７とを有している。
【００７５】
このように構成された校正処理部５１ａによれば、複素乗算器５６が、所定の周波数帯域Ｗの周波数成分を含む校正用信号と中心周波数（例えばＷ／２）が指定された複素数正弦波信号とを複素乗算すると、複素乗算器５６の複素乗算出力は、図８に示すように、中心周波数を０とした両側にＷ／２の帯域を有する信号となる。そして、複素乗算器５６からの複素乗算出力が、ローパスフィルタ５７を通過すると、図９に示すように、中心周波数を０とした＋Ｗｆの帯域の信号となる。これにより、中心周波数の正弦波信号の振幅及び位相が得られる。
【００７６】
そして、複素数正弦波信号の中心周波数を、前記所定の周波数帯域Ｗの下限周波数から上限周波数までｆ１、ｆ２、ｆ３・・・と周波数成分毎に可変させていくと、周波数成分毎の正弦波信号に分離され、各周波数の正弦波信号毎に振幅及び位相を計測することができる。
【００７７】
より具体的には、第１スイッチ２０₁及び第２スイッチ２０₂からの校正用信号は、周波数成分毎の正弦波信号に分離され、各周波数の正弦波信号毎に第１スイッチ２０₁からの信号の振幅及び位相を基準にして第２スイッチ２０₂からの信号の振幅及び位相の偏差が求められ、偏差値として偏差値メモリに格納される。
【００７８】
第１スイッチ２０₁及び第３スイッチ２０₃からの校正用信号は、周波数成分毎の正弦波信号に分離され、各周波数の正弦波信号毎に第１スイッチ２０₁からの信号の振幅及び位相を基準にして第３スイッチ２０₃からの信号の振幅及び位相の偏差が求められ、偏差値として偏差値メモリに格納される。以下、同様にして処理が行われる。
【００７９】
このように、第２の実施の形態に係る受信システムによれば、校正用信号として所定範囲の周波数成分を含む信号が用いられるので、校正すべき周波数範囲が広い場合であっても校正用信号の周波数を順次変更しながら校正作業を繰り返す必要はなく、デジタル信号処理部５０が校正用信号を取り込む処理は１回で済むので、校正作業を短時間で行うことができる。
【００８０】
なお、本発明は上述した第1及び第２の実施の形態に係る受信システムに限定されるものではない。上述した本発明の第１及び第２の実施の形態に係る受信システムでは、第１アンテナ１０₁からのセンサ信号が流れる第１信号経路の特性を基準にして、他の第２アンテナ１０₂〜第ｎアンテナ１０_nからのセンサ信号が流れる第２信号経路〜第ｎ信号経路の特性の偏差を求めるように校正したが、基準にする信号経路の特性は、第１アンテナ１０₁からのセンサ信号が流れる第１信号経路の特性に限らず、例えば設計時に計算された信号経路の特性を基準にすることもできる。
【００８１】
この場合、時分割制御部７０は、校正用信号発生部６０からの校正用信号を、第１スイッチ２０₁〜第ｎスイッチ２０_nから順次出力するように制御する。この構成によれば、基準として使用する信号経路の特性が予め固定されているので、環境によって第１信号経路の特性が変化するような事態が発生するような場合であっても正確な偏差値を求めることができるので、正確な校正が可能になる。
【００８２】
また、上述した本発明の第１及び第２の実施の形態に係る受信システムでは、センサとして電波を電気信号に変換するアンテナが用いられる場合を例に挙げて説明したが、センサとしては、アンテナに限らず、例えば音波を電気信号に変換するマクロフォンや人の脳波のような生体信号を検知するセンサを用いることができる。
【００８３】
また、上述した本発明の第１及び第２の実施の形態に係る受信システムでは、アンテナの後段にスイッチを設け、アンテナからの信号又は校正用信号発生部からの校正用信号の何れかを選択して信号経路に供給するように構成したが、センサとして校正用信号を直接入力できるセンサが使用される場合は、センサ自体に校正用信号を供給するように構成できる。
【００８４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、校正作業には一部のセンサを用いて行い、他のセンサは本来の受信処理、方向探知処理等に使用されるので、運用を停止することなく校正作業を行うことができる受信システムを提供できる。
【００８５】
また、本発明によれば、アンテナからの信号と校正用信号とをスイッチを用いて選択的に信号経路に流すようにしたので、校正及び運用に悪影響を及ぼすことなく校正作業を行うことができる受信システムを提供できる。
【００８６】
更に、本発明によれば、校正用信号として複数の周波数成分を含む信号を用いたので、校正すべき周波数範囲が広い場合であっても校正用信号の周波数を順次変更しながら校正作業を繰り返す必要はなく、１つの校正用信号を与えるだけで済むので、校正作業を短時間で行うことができる受信システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る受信システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る受信システムで使用される校正用信号供給部で使用されるスイッチの構成を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る受信システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】ＭＵＳＩＣによる到来方位推定を説明するための図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る受信システムの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る受信システムで使用される校正用信号を説明するための図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る受信システムに設けられた校正処理部の構成を示す図である。
【図８】図７に示す校正処理部に設けられた複素乗算器の出力特性を示す図である。
【図９】図７に示す校正処理部に設けられたローパスフィルタの出力特性を示す図である。
【図１０】従来の複数の信号経路間の電気的な特性の偏差を校正する手段の一例を示す図である。
【図１１】従来の複数の信号経路間の電気的な特性の偏差を校正する手段の他の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０アンテナ部
１０₁〜１０_n 第１アンテナ〜第ｎアンテナ
２０校正用信号供給部
２０₁〜２０_n 第１スイッチ〜第ｎスイッチ
３０アナログ回路
４０サンプリング部
５０デジタル信号処理部
５１，５１ａ校正処理部
５２受信処理部
５３方向探知部
６０，６０ａ校正用信号発生部
７０時分割制御部

Claims

複数のセンサを含むセンサ部と、
校正用信号を発生する校正用信号発生部と、
前記センサ部の中からセンサを順次選択し、選択されたセンサからの信号が流れる信号経路に前記校正用信号発生部で発生された校正用信号を供給する校正用信号供給部と、
前記校正用信号供給部によって前記校正用信号が供給された前記信号経路の特性を所定の特性を基準として求める校正処理部と、
前記センサ部の中から選択されたセンサ以外のセンサの信号経路から送られてくる信号を前記校正処理部で求めた特性に基づいて補正した後に処理するデジタル信号処理部と、
を備えたことを特徴とする受信システム。
前記校正用信号供給部は、前記センサ部の中から一対のセンサの一方を固定的に他方を順次選択し、選択された一対のセンサからの信号が流れる一対の信号経路に前記校正用信号発生部で発生された校正用信号を供給し、
前記校正処理部は、前記校正用信号供給部によって前記校正用信号が供給された前記一対の信号経路の一方の信号経路の特性を基準として他方の信号経路の特性を求め、
前記デジタル信号処理部は、前記センサ部の中から選択された一対のセンサ以外のセンサの信号経路から送られてくる信号を前記校正処理部で求めた特性に基づいて補正した後に処理することを特徴とする請求項１記載の受信システム。
前記校正用信号供給部は、前記センサ部に含まれる各センサからの信号及び前記校正用信号発生部からの前記校正用信号の何れかを選択するスイッチからなることを特徴とする請求項２記載の受信システム。
前記校正用信号発生部で発生される校正用信号は、所定の周波数帯域の複数の周波数成分を含み、
前記校正処理部は、前記校正用信号供給部から供給される前記校正用信号に含まれる周波数成分を抽出し、各周波数成分について前記特性を求めることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の受信システム。