JP4223315B2 - 干渉抑圧装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、アレーアンテナを用いて電力の大きい干渉信号を抑圧し、所望の信号成分を良好に受信する干渉抑圧装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、受信信号ベクトルの相関行列に固有値展開を施し、干渉信号の部分空間に直交する射影変換行列を到来方向推定に利用する（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
Tim J. Nohara, Peter Weber and Al Premji著「Adaptive Mainbeam Jamming Suppression for Multi-function Radars」IEEE National Radar Conference, Dallas, Tx、12-13 May 1998、第２０７頁−第２１２頁
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来例は、干渉信号の部分空間に直交する射影変換行列を利用するが、それにより得られる各出力信号ベクトルを再合成しておらず、単に到来方向推定に利用するだけであるので、干渉抑圧効果あまり期待できないという問題点があった。
【０００５】
この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、その目的は、何らかの予備知識を必要とせずに、電力の大きい干渉信号を抑圧し、所望信号を良好に受信することを実現することができるアレーアンテナを用いた干渉抑圧装置を得ることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る干渉抑圧装置は、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナと、前記アレーアンテナの各受信信号を用いて相関行列を計算し、この相関行列に対して固有値展開を施し固有値及び固有ベクトルを計算し、前記固有値の大きさに基づいて干渉信号の波数を推定する波数推定手段と、前記推定した波数に基づき、前記固有ベクトルを用いて干渉信号を除去するための変換行列を計算する変換行列計算手段と、前記変換行列を用いて前記アレーアンテナの各受信信号を変換する入力信号変換手段と、前記入力信号変換手段の各出力信号を用いて相関行列を計算し、この相関行列の最大固有値に対応する固有ベクトルを合成のための重み係数として計算する重み係数計算手段と、前記重み係数に基づいて前記入力信号変換手段の各出力信号を合成する合成手段とを設けたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る干渉抑圧装置について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【０００８】
図１において、この実施の形態１に係る干渉抑圧装置は、アレーアンテナ１と、波数推定手段２と、変換行列計算手段３と、入力信号変換手段４と、重み係数計算手段５と、合成手段６とを備える。なお、アレーアンテナ１は、Ａ１からＡＫのＫ（自然数）個のアンテナ素子から構成される。
【０００９】
つぎに、この実施の形態１に係る干渉抑圧装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００１０】
アレーアンテナ１において、ｋ番目のアンテナ素子の受信信号をｘＫ、受信機雑音をｎＫとし、ｌ番目の到来信号波形をｓｌ、到来方向をθｌとする。このとき、アレーアンテナ１の受信信号列ベクトルは、式（１）のように表される。なお、Ｋ＞Ｌと仮定する。
【００１１】
【数１】
【００１２】
上記の式（１）のａ（θｌ）は到来方向θｌに対応したアレーアンテナの方向ベクトルである。ここで、ｓｌを所望信号とし、その他を干渉信号とする。式（１）の左辺の受信信号ベクトルをＸ、方向ベクトルからなる行列をＡ、到来信号波形ベクトルをＳ、雑音ベクトルをＮとすると、式（２）のようなベクトル表記となる。
【００１３】
【数２】
【００１４】
波数推定手段２においては、この受信信号ベクトルを用いて式（３）に定義される相関行列を求める。なお、受信信号ベクトルに所望信号ｓｌが含まれていないサンプルを用いて以下の処理を行うことも可能である。
【００１５】
【数３】
【００１６】
Ｈは複素共役転置を表す。また、Ｅ［］は期待値を表すが、実際の処理では時間サンプルの平均化操作で代用される。式（３）の相関行列に対して固有値展開を施し、固有値、固有ベクトルを求める。干渉信号電力が所望信号電力より十分に大きいとすると、求めた各固有値λｉの大きさの関係は式（４）のようになる。
【００１７】
【数４】
【００１８】
このように、上位Ｌ−１個の固有値は、熱雑音電力σ２を表すλＬ＋１〜λＫと比較して十分に大きい。従って、これら固有値を比較することで、干渉信号の波数が比較的容易に推定可能となる。
【００１９】
次に、変換行列計算手段３においては、推定された波数を元に、干渉信号が存在する信号部分空間を構成する固有ベクトルｅｊ（ｊ＝１、…、Ｌ−１）を用いて干渉信号を除去するための変換行列を計算する。干渉波がＬ−１波の場合、式（５）で求まる行列Ｊを求める。
【００２０】
【数５】
【００２１】
式（５）をＫ次元の単位行列から減算した行列ＰＪを式（６）のように求める。
【００２２】
【数６】
【００２３】
このようにして得られた式（６）の変換行列は、受信信号ベクトルを干渉信号ベクトルの張る空間に直交する空間へ射影する行列であり、アレーアンテナの指向性の観点から述べると、干渉信号の方向にヌル点を形成することに等価となる。したがって、式（６）により得られた変換行列を重み係数として、入力信号変換手段４では受信信号ベクトルＸを式（７）のように変換する。
【００２４】
【数７】
【００２５】
次に、式（７）のようにして得られた変換後の各出力信号を合成して所望信号の受信レベルを改善する。合成のための重み係数は、重み係数計算手段５で求めるが、以下にその方法を述べる。入力信号変換手段４の出力信号ベクトルｂを用いて、相関行列を新たに計算する。
【００２６】
【数８】
【００２７】
先に述べたように、入力信号変換手段４によりその出力信号ベクトルｂからは干渉信号が除去されている。すなわち、式（８）の相関行列の固有値の関係は式（９）のようになる。
【００２８】
【数９】
【００２９】
したがって、最大固有値は所望信号電力に対応し、その固有ベクトルは射影変換後の所望信号の方向ベクトルを表す。従って、式（８）の相関行列の最大固有値に対応する固有ベクトルを重み係数とし、合成手段６において出力信号ベクトルｂを合成することで所望信号をうまく足し合わせることが可能となる。
【００３０】
以上のように構成された本実施の形態１に係る干渉抑圧装置を用いた場合の干渉抑圧特性を計算機シミュレーションにより確認する。ここで、シミュレーションのための条件を図２に示す。
【００３１】
ここで、ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）とは、所望信号電力対雑音電力の比を表し、ＳＩＲ（Signal to Interference Ratio）は、所望信号電力対干渉信号電力の比を表す。また、スナップショット数（１０〜１００００）とは、相関行列を求めるために用いるデータサンプル数を意味する。
【００３２】
図３に素子当りのＳＮＲが−５ｄＢの場合のＩＭＦ（Improvement Factor）特性を示す。これは１素子受信時に対するＳＩＮＲ（Signal to Interference plus Noise Ratio）改善度を表す。比較のため、出力電力最小化法の一種であるパワーインバージョン（Power Inversion）アルゴリズムとＤＣＭＰ（方向拘束付き出力電力最小化法）アルゴリズムの結果を示す。なお、ＤＣＭＰについては所望信号、干渉信号の到来方向が共に既知として、所望信号の到来方向に対するアレー応答値を１、干渉信号に対するそれを０とした拘束条件を課している。これを複拘束型ＤＣＭＰと呼ぶことにする。
【００３３】
発明法は、従来型の電力最小化方式であるパワーインバージョンアルゴリズムに比べて大幅に性能が向上している。さらには、到来方向の情報を必要とするＤＣＭＰアルゴリズムと同等の性能を発揮しており、むしろスナップショット数が少ない場合にはそれを上回る特性が得られている。
【００３４】
図４には、素子当りのＳＮＲが−２０ｄＢと非常に厳しい環境での特性を示す。この場合においても、発明法はパワーインバージョンアルゴリズムよりも大幅に性能が向上しており、スナップショット数を増やすことによりＤＣＭＰに迫る特性を実現していることがわかる。
【００３５】
以上説明したように、干渉信号電力が所望信号電力に比べて大きい環境において、本実施の形態１に示した干渉抑圧装置は、従来の出力電力最小化に基づく干渉抑圧アルゴリズムに比べて、大幅にその性能が向上する。また、ＤＣＭＰのような既知情報を必要とする最適化アルゴリズムと比べても、遜色のない性能が得られる。
【００３６】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る干渉抑圧装置について図面を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態２に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。
【００３７】
図５において、この実施の形態２に係る干渉抑圧装置は、アレーアンテナ１と、波数推定手段２と、変換行列計算手段３と、入力信号変換手段４と、重み係数計算手段５と、合成手段６と、逆拡散手段７（７−１、７−２、・・・、７−Ｋ）とを備える。なお、アレーアンテナ１は、Ａ１からＡＫのＫ個のアンテナ素子から構成される。
【００３８】
つぎに、この実施の形態２に係る干渉抑圧装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００３９】
入力信号変換手段４により受信信号ベクトルから干渉信号を除去するところまでは上記実施の形態１と同様である。
【００４０】
このとき、スペクトラム拡散通信方式を想定すると、所望信号のレベルが微弱であるためＳＮＲもあまり良い環境ではないことが予想される。この場合には、逆拡散手段７により、送信時の拡散処理に使用したものと同一の拡散符号により逆拡散処理を出力信号ベクトルｂのそれぞれに対して行う。すなわち、所望信号の電界強度レベルを上げる。このようなＳＮＲを改善するような処理を行うことも有効である。
【００４１】
このような所望信号抽出処理は、先の入力信号変換手段４により干渉信号成分が除去されていることによって、一層の効果が期待できる。
【００４２】
実施の形態３．
他の通信方式においても、上記の実施の形態２における逆拡散手段７と同様の効果が得られる手段を用いることが可能である。たとえば、レーダの分野であれば、パルス圧縮により同様の効果が実現できる。
【００４３】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る干渉抑圧装置について図面を参照しながら説明する。図６は、この発明の実施の形態４に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。
【００４４】
図６において、この実施の形態４に係る干渉抑圧装置は、アレーアンテナ１と、変換行列計算手段３と、入力信号変換手段４と、重み係数計算手段５と、合成手段６とを備える。なお、アレーアンテナ１は、Ａ１からＡＫのＫ個のアンテナ素子から構成される。
【００４５】
つぎに、この実施の形態４に係る干渉抑圧装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００４６】
上記の実施の形態１においては、干渉信号の到来波数を推定する必要があった。これにより、全固有値および固有ベクトルを計算する必要があるため、演算量が大きい場合がある。そこで、到来波数が予めわかっているようなシステムにおいては、波数推定手段２を省略し、必要な数の固有値および固有ベクトルを計算することで、演算量を低減する。
【００４７】
従って、本実施の形態４においては、変換行列計算手段３において受信信号ベクトルＸの相関行列から干渉信号個の上位の固有値に対応する固有ベクトルのみを計算し、変換行列を計算する構成としている。特に、電力の大きい干渉信号が１波であるならば、最大固有値に対応する固有ベクトルのみを計算すれば良く、計算効率が向上する。
【００４８】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る干渉抑圧装置について図面を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施の形態５に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。
【００４９】
図７において、この実施の形態５に係る干渉抑圧装置は、アレーアンテナ１と、波数推定手段２と、固有ベクトルビーム形成手段９と、重み係数計算手段５と、合成手段６とを備える。なお、アレーアンテナ１は、Ａ１からＡＫのＫ個のアンテナ素子から構成される。
【００５０】
つぎに、この実施の形態５に係る干渉抑圧装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００５１】
波数推定手段２により、干渉信号の到来波数を推定するところまでは上記の実施の形態１と同様である。
【００５２】
このとき求めた固有値のうち、到来波数以降の下位の固有値に対応する固有ベクトルは式（１０）の性質を有する。
【００５３】
【数１０】
【００５４】
すなわち、雑音部分空間を張る下位の固有ベクトルｅｊ（ｊ＝１、…、Ｌ−１）は各信号の方向ベクトルａｊ（ｉ＝１、…、Ｌ）に直交する。さらに、所望信号の電力が干渉信号のそれに比べて非常に微弱な環境や、上記実施の形態１で述べたように所望信号成分を含まない受信サンプルを利用してこの処理を行う場合においては式（１１）とできる。
【００５５】
【数１１】
【００５６】
従って、式（１２）で示すような固有ベクトルからなる重み係数行列により固有ベクトルビーム形成手段９で形成した各ビームは、式（１３）のように入力信号ベクトルＸを変換して干渉信号を抑圧する。
【００５７】
【数１２】
【００５８】
【数１３】
【００５９】
このようにして得られた出力信号ベクトルｂは、干渉信号が抑圧された状態であり、この後、上記実施の形態１と同様の処理によって合成処理を行うことで、実施の形態１と同等の性能を得ることが可能となる。なお、固有ベクトルビーム形成手段９の機能は、上記実施の形態１の変換行列計算手段３と入力信号変換手段４の機能と同様である。
【００６０】
さらには、固有ベクトルビーム形成手段９の出力数はＫ−Ｌ＋１個となるため、上記実施の形態１に比べて少なくすることができ、これにより後段での信号処理の際の演算量を低減できるため、より効率的な処理が可能となる。
【００６１】
実施の形態６．
以上の実施の形態においては、入力信号変換手段４、あるいは固有ベクトルビーム形成手段９の出力信号ベクトルの相関行列から再度、固有値展開を施していたが、既知シンボルを利用できるのであれば、ＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）アルゴリズムにより重み係数を求めても良い。
【００６２】
このとき、干渉信号、特に電力の大きいものについては入力信号変換手段４により除去されているので、ＭＭＳＥの特性に大きく影響を及ぼす、参照信号（既知シンボル）との同期も取りやすくなる。
【００６３】
ＭＭＳＥの評価関数Ｑは、次の式（１４）で表される。
【００６４】
【数１４】
【００６５】
ここで、E［・］は期待値、ｒ（ｔ）、ｙ（ｔ）は参照信号およびアレー出力（出力信号ベクトルｂを合成したもの）をそれぞれ表す。評価関数Ｑを最小化するような重み係数を重み係数計算手段５で求める。こうすることで、合成手段６で得られる出力信号は、干渉信号が抑圧され、かつ所望信号をうまく合成したものとなる。
【００６６】
実施の形態７．
入力信号変換手段４、あるいは固有ベクトルビーム形成手段９の出力信号ベクトルにおいては、電力の大きい干渉信号成分は除去され、所望信号のみが含まれているので、重み係数の振幅成分を出力信号ベクトルｂの振幅に比例したものとし、同相合成することにより、所望信号成分を最大比合成することが可能となる。この場合、参照信号を必要とせず、演算量も低減可能となる。
【００６７】
実施の形態８．
この発明の実施の形態８に係る干渉抑圧装置について図面を参照しながら説明する。図８は、この発明の実施の形態８に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。
【００６８】
図８において、この実施の形態８に係る干渉抑圧装置は、アレーアンテナ１と、波数推定手段２と、変換行列計算手段３と、入力信号変換手段４と、到来方向推定手段８と、重み係数計算手段５と、合成手段６とを備える。なお、アレーアンテナ１は、Ａ１からＡＫのＫ個のアンテナ素子から構成される。
【００６９】
つぎに、この実施の形態８に係る干渉抑圧装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００７０】
各実施の形態で説明したように、入力信号変換手段４の各出力信号からは干渉信号が除去されている。したがって、この出力信号ベクトルを到来方向推定手段８に入力して、所望信号の到来方向のみを推定することが容易となる。
【００７１】
また、入力信号変換手段４の代わりに固有ベクトルビーム形成手段９を用いても良い。
【００７２】
到来方向の推定方法としては、既存のさまざまなアルゴリズムが使用可能であるが、出力信号ベクトルｂには所望信号のみが含まれているため簡易なものでも十分である。
【００７３】
また、到来方向推定手段８で得られた、所望信号の到来方向情報を重み係数計算手段５に転送することで、重み係数の計算に利用することが可能となる。例えば、ＤＣＭＰのように到来方向情報が必要なアルゴリズムも使用可能となる。このようにすることで、より効率的で柔軟な制御が可能となる。
【００７４】
【発明の効果】
この発明に係る干渉抑圧装置は、以上説明したとおり、干渉信号電力が所望信号電力に比べて大きい環境において、従来の出力電力最小化に基づく干渉抑圧アルゴリズムに比べて、大幅にその性能が向上する。また、ＤＣＭＰのような既知情報を必要とする最適化アルゴリズムと比べても、遜色のない性能が得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。
【図２】 この発明の実施の形態１に係る干渉抑圧装置のシミュレーションのための条件を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態１に係る干渉抑圧装置の特性を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態１に係る干渉抑圧装置の特性を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態２に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。
【図６】 この発明の実施の形態４に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。
【図７】 この発明の実施の形態５に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。
【図８】 この発明の実施の形態８に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ アレーアンテナ、２ 波数推定手段、３ 変換行列計算手段、４ 入力信号変換手段、５ 重み係数計算手段、６ 合成手段、７ 逆拡散手段、８ 到来方向推定手段、９ 固有ベクトルビーム形成手段。
【発明の属する技術分野】
この発明は、アレーアンテナを用いて電力の大きい干渉信号を抑圧し、所望の信号成分を良好に受信する干渉抑圧装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、受信信号ベクトルの相関行列に固有値展開を施し、干渉信号の部分空間に直交する射影変換行列を到来方向推定に利用する（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
Tim J. Nohara, Peter Weber and Al Premji著「Adaptive Mainbeam Jamming Suppression for Multi-function Radars」IEEE National Radar Conference, Dallas, Tx、12-13 May 1998、第２０７頁−第２１２頁
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来例は、干渉信号の部分空間に直交する射影変換行列を利用するが、それにより得られる各出力信号ベクトルを再合成しておらず、単に到来方向推定に利用するだけであるので、干渉抑圧効果あまり期待できないという問題点があった。
【０００５】
この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、その目的は、何らかの予備知識を必要とせずに、電力の大きい干渉信号を抑圧し、所望信号を良好に受信することを実現することができるアレーアンテナを用いた干渉抑圧装置を得ることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る干渉抑圧装置は、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナと、前記アレーアンテナの各受信信号を用いて相関行列を計算し、この相関行列に対して固有値展開を施し固有値及び固有ベクトルを計算し、前記固有値の大きさに基づいて干渉信号の波数を推定する波数推定手段と、前記推定した波数に基づき、前記固有ベクトルを用いて干渉信号を除去するための変換行列を計算する変換行列計算手段と、前記変換行列を用いて前記アレーアンテナの各受信信号を変換する入力信号変換手段と、前記入力信号変換手段の各出力信号を用いて相関行列を計算し、この相関行列の最大固有値に対応する固有ベクトルを合成のための重み係数として計算する重み係数計算手段と、前記重み係数に基づいて前記入力信号変換手段の各出力信号を合成する合成手段とを設けたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る干渉抑圧装置について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【０００８】
図１において、この実施の形態１に係る干渉抑圧装置は、アレーアンテナ１と、波数推定手段２と、変換行列計算手段３と、入力信号変換手段４と、重み係数計算手段５と、合成手段６とを備える。なお、アレーアンテナ１は、Ａ１からＡＫのＫ（自然数）個のアンテナ素子から構成される。
【０００９】
つぎに、この実施の形態１に係る干渉抑圧装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００１０】
アレーアンテナ１において、ｋ番目のアンテナ素子の受信信号をｘＫ、受信機雑音をｎＫとし、ｌ番目の到来信号波形をｓｌ、到来方向をθｌとする。このとき、アレーアンテナ１の受信信号列ベクトルは、式（１）のように表される。なお、Ｋ＞Ｌと仮定する。
【００１１】
【数１】
上記の式（１）のａ（θｌ）は到来方向θｌに対応したアレーアンテナの方向ベクトルである。ここで、ｓｌを所望信号とし、その他を干渉信号とする。式（１）の左辺の受信信号ベクトルをＸ、方向ベクトルからなる行列をＡ、到来信号波形ベクトルをＳ、雑音ベクトルをＮとすると、式（２）のようなベクトル表記となる。
【００１３】
【数２】
波数推定手段２においては、この受信信号ベクトルを用いて式（３）に定義される相関行列を求める。なお、受信信号ベクトルに所望信号ｓｌが含まれていないサンプルを用いて以下の処理を行うことも可能である。
【００１５】
【数３】
Ｈは複素共役転置を表す。また、Ｅ［］は期待値を表すが、実際の処理では時間サンプルの平均化操作で代用される。式（３）の相関行列に対して固有値展開を施し、固有値、固有ベクトルを求める。干渉信号電力が所望信号電力より十分に大きいとすると、求めた各固有値λｉの大きさの関係は式（４）のようになる。
【００１７】
【数４】
このように、上位Ｌ−１個の固有値は、熱雑音電力σ２を表すλＬ＋１〜λＫと比較して十分に大きい。従って、これら固有値を比較することで、干渉信号の波数が比較的容易に推定可能となる。
【００１９】
次に、変換行列計算手段３においては、推定された波数を元に、干渉信号が存在する信号部分空間を構成する固有ベクトルｅｊ（ｊ＝１、…、Ｌ−１）を用いて干渉信号を除去するための変換行列を計算する。干渉波がＬ−１波の場合、式（５）で求まる行列Ｊを求める。
【００２０】
【数５】
式（５）をＫ次元の単位行列から減算した行列ＰＪを式（６）のように求める。
【００２２】
【数６】
このようにして得られた式（６）の変換行列は、受信信号ベクトルを干渉信号ベクトルの張る空間に直交する空間へ射影する行列であり、アレーアンテナの指向性の観点から述べると、干渉信号の方向にヌル点を形成することに等価となる。したがって、式（６）により得られた変換行列を重み係数として、入力信号変換手段４では受信信号ベクトルＸを式（７）のように変換する。
【００２４】
【数７】
次に、式（７）のようにして得られた変換後の各出力信号を合成して所望信号の受信レベルを改善する。合成のための重み係数は、重み係数計算手段５で求めるが、以下にその方法を述べる。入力信号変換手段４の出力信号ベクトルｂを用いて、相関行列を新たに計算する。
【００２６】
【数８】
先に述べたように、入力信号変換手段４によりその出力信号ベクトルｂからは干渉信号が除去されている。すなわち、式（８）の相関行列の固有値の関係は式（９）のようになる。
【００２８】
【数９】
したがって、最大固有値は所望信号電力に対応し、その固有ベクトルは射影変換後の所望信号の方向ベクトルを表す。従って、式（８）の相関行列の最大固有値に対応する固有ベクトルを重み係数とし、合成手段６において出力信号ベクトルｂを合成することで所望信号をうまく足し合わせることが可能となる。
【００３０】
以上のように構成された本実施の形態１に係る干渉抑圧装置を用いた場合の干渉抑圧特性を計算機シミュレーションにより確認する。ここで、シミュレーションのための条件を図２に示す。
【００３１】
ここで、ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）とは、所望信号電力対雑音電力の比を表し、ＳＩＲ（Signal to Interference Ratio）は、所望信号電力対干渉信号電力の比を表す。また、スナップショット数（１０〜１００００）とは、相関行列を求めるために用いるデータサンプル数を意味する。
【００３２】
図３に素子当りのＳＮＲが−５ｄＢの場合のＩＭＦ（Improvement Factor）特性を示す。これは１素子受信時に対するＳＩＮＲ（Signal to Interference plus Noise Ratio）改善度を表す。比較のため、出力電力最小化法の一種であるパワーインバージョン（Power Inversion）アルゴリズムとＤＣＭＰ（方向拘束付き出力電力最小化法）アルゴリズムの結果を示す。なお、ＤＣＭＰについては所望信号、干渉信号の到来方向が共に既知として、所望信号の到来方向に対するアレー応答値を１、干渉信号に対するそれを０とした拘束条件を課している。これを複拘束型ＤＣＭＰと呼ぶことにする。
【００３３】
発明法は、従来型の電力最小化方式であるパワーインバージョンアルゴリズムに比べて大幅に性能が向上している。さらには、到来方向の情報を必要とするＤＣＭＰアルゴリズムと同等の性能を発揮しており、むしろスナップショット数が少ない場合にはそれを上回る特性が得られている。
【００３４】
図４には、素子当りのＳＮＲが−２０ｄＢと非常に厳しい環境での特性を示す。この場合においても、発明法はパワーインバージョンアルゴリズムよりも大幅に性能が向上しており、スナップショット数を増やすことによりＤＣＭＰに迫る特性を実現していることがわかる。
【００３５】
以上説明したように、干渉信号電力が所望信号電力に比べて大きい環境において、本実施の形態１に示した干渉抑圧装置は、従来の出力電力最小化に基づく干渉抑圧アルゴリズムに比べて、大幅にその性能が向上する。また、ＤＣＭＰのような既知情報を必要とする最適化アルゴリズムと比べても、遜色のない性能が得られる。
【００３６】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る干渉抑圧装置について図面を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態２に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。
【００３７】
図５において、この実施の形態２に係る干渉抑圧装置は、アレーアンテナ１と、波数推定手段２と、変換行列計算手段３と、入力信号変換手段４と、重み係数計算手段５と、合成手段６と、逆拡散手段７（７−１、７−２、・・・、７−Ｋ）とを備える。なお、アレーアンテナ１は、Ａ１からＡＫのＫ個のアンテナ素子から構成される。
【００３８】
つぎに、この実施の形態２に係る干渉抑圧装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００３９】
入力信号変換手段４により受信信号ベクトルから干渉信号を除去するところまでは上記実施の形態１と同様である。
【００４０】
このとき、スペクトラム拡散通信方式を想定すると、所望信号のレベルが微弱であるためＳＮＲもあまり良い環境ではないことが予想される。この場合には、逆拡散手段７により、送信時の拡散処理に使用したものと同一の拡散符号により逆拡散処理を出力信号ベクトルｂのそれぞれに対して行う。すなわち、所望信号の電界強度レベルを上げる。このようなＳＮＲを改善するような処理を行うことも有効である。
【００４１】
このような所望信号抽出処理は、先の入力信号変換手段４により干渉信号成分が除去されていることによって、一層の効果が期待できる。
【００４２】
実施の形態３．
他の通信方式においても、上記の実施の形態２における逆拡散手段７と同様の効果が得られる手段を用いることが可能である。たとえば、レーダの分野であれば、パルス圧縮により同様の効果が実現できる。
【００４３】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る干渉抑圧装置について図面を参照しながら説明する。図６は、この発明の実施の形態４に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。
【００４４】
図６において、この実施の形態４に係る干渉抑圧装置は、アレーアンテナ１と、変換行列計算手段３と、入力信号変換手段４と、重み係数計算手段５と、合成手段６とを備える。なお、アレーアンテナ１は、Ａ１からＡＫのＫ個のアンテナ素子から構成される。
【００４５】
つぎに、この実施の形態４に係る干渉抑圧装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００４６】
上記の実施の形態１においては、干渉信号の到来波数を推定する必要があった。これにより、全固有値および固有ベクトルを計算する必要があるため、演算量が大きい場合がある。そこで、到来波数が予めわかっているようなシステムにおいては、波数推定手段２を省略し、必要な数の固有値および固有ベクトルを計算することで、演算量を低減する。
【００４７】
従って、本実施の形態４においては、変換行列計算手段３において受信信号ベクトルＸの相関行列から干渉信号個の上位の固有値に対応する固有ベクトルのみを計算し、変換行列を計算する構成としている。特に、電力の大きい干渉信号が１波であるならば、最大固有値に対応する固有ベクトルのみを計算すれば良く、計算効率が向上する。
【００４８】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る干渉抑圧装置について図面を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施の形態５に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。
【００４９】
図７において、この実施の形態５に係る干渉抑圧装置は、アレーアンテナ１と、波数推定手段２と、固有ベクトルビーム形成手段９と、重み係数計算手段５と、合成手段６とを備える。なお、アレーアンテナ１は、Ａ１からＡＫのＫ個のアンテナ素子から構成される。
【００５０】
つぎに、この実施の形態５に係る干渉抑圧装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００５１】
波数推定手段２により、干渉信号の到来波数を推定するところまでは上記の実施の形態１と同様である。
【００５２】
このとき求めた固有値のうち、到来波数以降の下位の固有値に対応する固有ベクトルは式（１０）の性質を有する。
【００５３】
【数１０】
すなわち、雑音部分空間を張る下位の固有ベクトルｅｊ（ｊ＝１、…、Ｌ−１）は各信号の方向ベクトルａｊ（ｉ＝１、…、Ｌ）に直交する。さらに、所望信号の電力が干渉信号のそれに比べて非常に微弱な環境や、上記実施の形態１で述べたように所望信号成分を含まない受信サンプルを利用してこの処理を行う場合においては式（１１）とできる。
【００５５】
【数１１】
従って、式（１２）で示すような固有ベクトルからなる重み係数行列により固有ベクトルビーム形成手段９で形成した各ビームは、式（１３）のように入力信号ベクトルＸを変換して干渉信号を抑圧する。
【００５７】
【数１２】
【数１３】
このようにして得られた出力信号ベクトルｂは、干渉信号が抑圧された状態であり、この後、上記実施の形態１と同様の処理によって合成処理を行うことで、実施の形態１と同等の性能を得ることが可能となる。なお、固有ベクトルビーム形成手段９の機能は、上記実施の形態１の変換行列計算手段３と入力信号変換手段４の機能と同様である。
【００６０】
さらには、固有ベクトルビーム形成手段９の出力数はＫ−Ｌ＋１個となるため、上記実施の形態１に比べて少なくすることができ、これにより後段での信号処理の際の演算量を低減できるため、より効率的な処理が可能となる。
【００６１】
実施の形態６．
以上の実施の形態においては、入力信号変換手段４、あるいは固有ベクトルビーム形成手段９の出力信号ベクトルの相関行列から再度、固有値展開を施していたが、既知シンボルを利用できるのであれば、ＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）アルゴリズムにより重み係数を求めても良い。
【００６２】
このとき、干渉信号、特に電力の大きいものについては入力信号変換手段４により除去されているので、ＭＭＳＥの特性に大きく影響を及ぼす、参照信号（既知シンボル）との同期も取りやすくなる。
【００６３】
ＭＭＳＥの評価関数Ｑは、次の式（１４）で表される。
【００６４】
【数１４】
ここで、E［・］は期待値、ｒ（ｔ）、ｙ（ｔ）は参照信号およびアレー出力（出力信号ベクトルｂを合成したもの）をそれぞれ表す。評価関数Ｑを最小化するような重み係数を重み係数計算手段５で求める。こうすることで、合成手段６で得られる出力信号は、干渉信号が抑圧され、かつ所望信号をうまく合成したものとなる。
【００６６】
実施の形態７．
入力信号変換手段４、あるいは固有ベクトルビーム形成手段９の出力信号ベクトルにおいては、電力の大きい干渉信号成分は除去され、所望信号のみが含まれているので、重み係数の振幅成分を出力信号ベクトルｂの振幅に比例したものとし、同相合成することにより、所望信号成分を最大比合成することが可能となる。この場合、参照信号を必要とせず、演算量も低減可能となる。
【００６７】
実施の形態８．
この発明の実施の形態８に係る干渉抑圧装置について図面を参照しながら説明する。図８は、この発明の実施の形態８に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。
【００６８】
図８において、この実施の形態８に係る干渉抑圧装置は、アレーアンテナ１と、波数推定手段２と、変換行列計算手段３と、入力信号変換手段４と、到来方向推定手段８と、重み係数計算手段５と、合成手段６とを備える。なお、アレーアンテナ１は、Ａ１からＡＫのＫ個のアンテナ素子から構成される。
【００６９】
つぎに、この実施の形態８に係る干渉抑圧装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００７０】
各実施の形態で説明したように、入力信号変換手段４の各出力信号からは干渉信号が除去されている。したがって、この出力信号ベクトルを到来方向推定手段８に入力して、所望信号の到来方向のみを推定することが容易となる。
【００７１】
また、入力信号変換手段４の代わりに固有ベクトルビーム形成手段９を用いても良い。
【００７２】
到来方向の推定方法としては、既存のさまざまなアルゴリズムが使用可能であるが、出力信号ベクトルｂには所望信号のみが含まれているため簡易なものでも十分である。
【００７３】
また、到来方向推定手段８で得られた、所望信号の到来方向情報を重み係数計算手段５に転送することで、重み係数の計算に利用することが可能となる。例えば、ＤＣＭＰのように到来方向情報が必要なアルゴリズムも使用可能となる。このようにすることで、より効率的で柔軟な制御が可能となる。
【００７４】
【発明の効果】
この発明に係る干渉抑圧装置は、以上説明したとおり、干渉信号電力が所望信号電力に比べて大きい環境において、従来の出力電力最小化に基づく干渉抑圧アルゴリズムに比べて、大幅にその性能が向上する。また、ＤＣＭＰのような既知情報を必要とする最適化アルゴリズムと比べても、遜色のない性能が得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。
【図２】 この発明の実施の形態１に係る干渉抑圧装置のシミュレーションのための条件を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態１に係る干渉抑圧装置の特性を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態１に係る干渉抑圧装置の特性を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態２に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。
【図６】 この発明の実施の形態４に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。
【図７】 この発明の実施の形態５に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。
【図８】 この発明の実施の形態８に係る干渉抑圧装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ アレーアンテナ、２ 波数推定手段、３ 変換行列計算手段、４ 入力信号変換手段、５ 重み係数計算手段、６ 合成手段、７ 逆拡散手段、８ 到来方向推定手段、９ 固有ベクトルビーム形成手段。
Claims (2)
- 複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナと、
前記アレーアンテナの各受信信号として、所望信号が含まれていないデータサンプルを用いて相関行列を計算し、この相関行列に対して固有値展開を施し固有値及び固有ベクトルを計算し、前記固有値の大きさに基づいて干渉信号の波数を推定する波数推定手段と、
前記固有値のなかで、その大きさが下位から（素子数−前記推定した干渉波数）個分の固有値に対応する固有ベクトルを要素とする変換行列の複素共役転置行列に、前記アレーアンテナの各受信信号として、所望信号を含む入力信号ベクトルを乗算して出力信号ベクトルを得る固有ベクトルビーム形成手段と、
前記固有ベクトルビーム形成手段から得られる（素子数−前記推定した干渉波数）個の出力信号ベクトルを用いて相関行列を計算し、この相関行列の最大固有値に対応する固有ベクトルを合成のための重み係数として計算する重み係数計算手段と、
前記重み係数に基づいて前記固有ベクトルビーム形成手段の各出力信号を合成する合成手段と
を備えたことを特徴とする干渉抑圧装置。 - 前記重み係数計算手段は、前記固有ベクトルビーム形成手段の各出力信号を用いて相関行列を計算し、この相関行列の最大固有値に対応する固有ベクトルを合成のための重み係数として計算する代わりに、前記固有ベクトルビーム形成手段の各出力信号に対して最大比合成を実現する合成のための重み係数を計算する
ことを特徴とする請求項１記載の干渉抑圧装置。
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