JP4327365B2 - 無線受信装置において歪みを低減する方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、無線通信方法および装置に関する。本発明は、特に、無線受信機、例えばレーダ・システムに用い、これらの種類の受信機における歪みを低減するように設計されている。
【０００２】
無線通信に関して、多くの場合に用いられている無線受信機の一種に、無線信号を受信し処理するためにアンテナ・アレイの回りに架設されたものがある。この種のアンテナは、通常、例えば、レーダ・システムと共に用いられる。確立された技術に基づいて、かかるアンテナ・アレイは、対応する数の増幅器に接続されている多数のアンテナ・エレメントから成る。受信され増幅された信号は、次に、通常ではミキサ、フィルタおよびＡ／Ｄ変換器という形状の電気回路を通じて供給される。このように、アンテナは多数の受信チャネルで形成され、その各々が関連する電気回路を有する１つ以上のアンテナ・エレメントに接続され、これによって各チャネルからの出力信号がディジタル信号処理回路において適正に処理され扱われるということができる。
【０００３】
アンテナ・アレイに基づく既知の無線受信機に関連して発生し得る問題の１つは、種々の受信チャネルが非線形性およびその他の欠陥、例えば、タイミング誤差、利得誤差および位相誤差を有するために、これらが様々な形で望ましくない歪みを発生させてしまうという事実に関係している。例えば、歪みは、隣接する周波数間における相互変調積(intermodulation product)、ミラー成分の不十分な抑制、および受信無線信号における望ましくない高調波の発生を招く虞れがある。これらの欠陥は、勿論、無線通信システムにおいて問題となる。
【０００４】
確立された技術に基づいて、前述の非線形という形状の歪みの問題は、受信信号を濾波することによって、ある程度解決することができる。例えば、バンドパス・フィルタを用い、それぞれの受信チャネルにおいて各増幅器の下流に配置する。このようにすると、例えば、対象の送信信号帯域の外側に位置する相互変調積を減衰させることができる。しかしながら、かかるフィルタは、望ましくない信号の抑制を連続的に行なえないという点で制約がある。この結果、対象の周波数帯域の外側に位置する信号は、ある程度、望ましい受信信号に漏れてしまい、これらの信号に負の影響を及ぼすことになる。例えば、Ａ／Ｄ変換器では、これら望ましくない信号成分は、混合されベースバンドに落とされると、後に受信信号の処理に用いられる周波数範囲に侵入する。
【０００５】
前述の問題に対する別の解決策として、非常に線形性が高い増幅器を含む励振アンテナ(active antenna)を用いることがあげられる。しかしながら、この解決策の欠点は、当該増幅器のために比較的高い電力消費が必要となることであり、この結果増幅器のランニング・コストが比較的高くなる。その上、ミラー周波数の問題は、この解決策自体では解決せず、混合してベースバンドに落とした後に歪みを発生する虞れがある。
【０００６】
アンテナ・アレイにおける歪みに関連する問題は、以下のように例示することができる。Ｍ個のアンテナ・エレメントおよび受信チャネルから成る受信システムの場合、以下のことが適用される。空間ビーム形成の間、アナログまたはディジタルのいずれでも可能であるが、それぞれのチャネルからの信号を加算することによって、以下の式にしたがって信号に重み付けすることができる。
【数１】

【０００７】
ここで、Ｘ_m（ｔ）は、時点ｔでのｍ番目のチャネルにおける信号で構成され、望ましい受信信号および歪みを含む。加重値Ｗ_mは複素数であり、最終信号ｚ（ｔ）において求められる特性、例えば、サイドローブの形成やある方向におけるアンテナの望ましい感度に基づいて選択される。それ自体における歪みが小さくても、前述の式による加算の結果、目標を検出したときにレーダ・システムにおいて設定されるしきい値を超過するエネルギ・レベルに達する可能性がある。このため、例えば、この技術を用いたレーダ・システムは偽目標を検出する可能性がある。勿論、これは問題となる。
【０００８】
特許文書ＥＰ０５４５７４２号では、励振アンテナの増幅器における非線形性によって発生するオーバートーン(overtone)を低減する装置が示されている。この装置では、それぞれ関連する増幅器を有するアンテナ・エレメントを少なくとも２つのグループに分割する。増幅器グループの各々に、共通位相シフトφを加算する。２つのグループの一方では、位相シフトを信号に加算するのは各増幅器の前段であり、第２のグループでは、位相シフトを加算するのは各増幅器の後段である。このようにして、オーバートーンのレベル低下を達成する。
【０００９】
特許文書ＳＥ４６８０２９号は、電気信号のサンプルのアナログ−ディジタル変換用信号処理システムにおける歪み効果を低減する方法を記載している。この方法によれば、変換前に、２つの直交信号を形成することによって、これらの信号を変換前に位相変調し、更に変換後に位相変調する。このようにして、信号における基本周波数を正しく復調するが、高調波や相互変調積が少しでもあると、位相復調後に残留位相変調が生ずる。このプロセスでは、望ましくない信号成分は、濾波手段によって抑制することができる。
【００１０】
（発明の説明）
本発明の目的は、無線通信のために、特に、数個の受信チャネルを有するアンテナ・アレイに生ずる歪みを低減するのに効果的な方法を提供することである。この目的は、特許請求の範囲の請求項１に記載されている格別の特徴を有する方法および装置によって達成される。
【００１１】
本発明は、無線通信システムにおいて歪みを低減するために設計された。本無線通信システムは、アンテナ・アレイによるキャリア周波数無線信号の受信を含み、アンテナ・エレメントならびに各信号を増幅および処理する構成要素を備えた少なくとも２つの受信チャネルを含む。本発明によれば、各受信チャネルにおける受信信号の増幅も行なう。加えて、本発明によれば、各チャネルにおける前記信号の受信直後に行われる所定値の第１位相シフトと、前記第１位相シフトに対応するが、方向が逆の値を用いた第２位相シフトとが行われる。
【００１２】
本発明によれば、各受信チャネルにおける実キャリア周波数信号に、位相シフトβｍが与えられる。ここで、ｍ＝１，…，Ｍであり、これを以下では「空間位相符号化」と呼ぶ。複素信号の形成後、各受信チャネルにおいて、主にｅｘｐ（−ｊβｍ）の複素乗算によって、位相をシフト・バックする。
【００１３】
本発明による方法のために、元々ω_oを中心とする所望の周波数帯域内にある周波数成分のみが、完全に復元される。他の周波数成分は、最初に加算された位相シフトから残っている、可変「残留」値（即ち、残留位相シフト）を有する。この残留分のために、対象の受信機においてチャネルを追加するとき、歪みを低減することが可能となる。
【００１４】
位相シフトβｍの選択は、要件に応じて変更することができ、以下で本発明の実施形態を参照すれば明らかとなろう。
【００１５】
（図面の説明）
以下、添付図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。この図は、本発明を使用可能な無線通信システムの原理を示す。
【００１６】
（好適な実施形態）
本発明は、例えば、レーダ・システムと共に、無線通信用システムにおいて用いることを目的とする。添付図面に示す好適な実施形態によれば、本発明は、アンテナ・アレイ１周囲に設置される形式の無線受信機と共に用いる。アレイ１は、それ自体公知のアンテナの一種である。アンテナ・アレイ１自体は、所定数のアンテナ・エレメント２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈによって形成され、その各々は受信機３ａ，３ｂに接続されている。受信機３ａ，３ｂは、アンテナ・エレメント２ａ〜２ｈから受信した無線信号を増幅し処理するように設計されている。この種の無線信号の受信および処理は、例えば、レーダ・システムにおいては既に確立されており、ここでは詳しく説明しない。それぞれの受信機３ａ，３ｂからの出力信号は、加算点４に供給され、ここで加算される。このように加算された信号は、続いて信号処理システム（図示せず）によって処理される。信号処理システムはディジタルであることが好ましい。
【００１７】
図に示すアンテナ・エレメント２ａ〜２ｈは８本のみであるが、本発明は、この数のアンテナ・エレメントを有するアンテナに限定される訳ではない。尚、アンテナ・アレイは通常これよりもかなり多い数のアンテナ・エレメントを含むことがわかるであろう。更に、本実施形態によれば、アンテナ・エレメント２ａ〜２ｈは、２つのアンテナ部５ａ，５ｂに分割され、その各々が４本ずつのアンテナ・エレメントのグループから成る。しかしながら、本発明はこの構成に限定される訳ではなく、例えば、異なる数のアンテナ部を含むことができる。
【００１８】
以下では、本発明は、各々１つまたは数個のアンテナ・エレメント２から成るＭ個の受信チャネルと、適正な信号処理回路を含む受信機とを備えた、無線受信局と共に実現可能であると仮定する。特に、ここでは、各受信チャネルにおいて望ましくない信号抑制のためにある量の濾波を行うが、各チャネルにおいて大体均一であると仮定する。
【００１９】
本発明は、各受信チャネルｍ（ここで、ｍ＝１，…，Ｍ）において所定のキャリア周波数ωｏで受信した信号に、当該信号が各受信機３ａ，３ｂに達する前に、所定の位相シフトβｍを加算するという基本原理に基づいている。このために、各受信チャネルは、着信信号を位相シフトする回路６ａ，６ｂを含む。これら位相シフタは、好ましくは、それぞれのアンテナ部５ａ，５ｂおよびそれぞれの受信機３ａ，３ｂの間に配置する。つまり、これが意味するのは、それぞれの受信機３ａ，３ｂの一部をなす増幅器に供給する前に、位相シフトβｍを各信号に加算するということである。この位相シフトを、ここでは、「空間位相符号化」と呼ぶ。
【００２０】
また、本発明は、それぞれのアンテナ・エレメントが、着信信号を位相シフトするように適合化された一体化モジュールを含む形式の整相アンテナにおいても用いることができる。この場合、本発明による位相シフトは、公称位相シフトに対する加算という形で行われる。公称位相シフトは、それぞれのアンテナ部に既に存在する一種の位相シフタによって生成され、これによって、例えば、アンテナを電気的に制御し、所定の方向において特定の感度が得られるように公称位相シフトを与える。また、本発明は、それぞれのアンテナ部において別個であるが既に存在する位相シフタを備えたアンテナと共に用い、対応する加算を公称位相シフトに重畳することも可能である。
【００２１】
本発明の動作を説明するために、対象の受信機への入力信号は、一般的に、以下の式で表すことができると仮定する。
【数２】

【００２２】
ここで、ａ（ｔ）は実振幅変調、φ（ｔ）は位相変調である。加えて、ωｏ＝２πｆ０であり、ｆ₀は受信信号の対象キャリア周波数であり、θ₀は受信信号の未知の絶対位相角度（これも全ての受信チャネルに共通である）、θ₀は、基準チャネルに対するチャネルｍにおける別の位相シフトであり、βｍは本発明にしたがって加算される、チャネルｍにおける位相シフトである。項ｕ*（ｔ）は、共役複素項である。また、以下の式も適用される。
【数３】

【００２３】
上述の空間位相符号化を実行した後、複素信号への変換、およびベースバンドへのダウン・ミキシングを実行する。続いて、本発明にしたがって、

との複素乗算を各チャネルｍにおける信号に対して実行する。実際には、本発明によれば、これを行なうには、それぞれの受信チャネルに、それぞれの受信機３ａ，３ｂからのそれぞれの出力信号を位相シフトするための第２回路７ａ，７ｂを備える。この第２位相シフタ７ａ，７ｂは、それぞれの受信機３ａ，３ｂの後であるが加算点４よりも前に直接配置することが好ましい。
【００２４】
本発明の機能を説明するために、先の説明によれば、入力信号Ｖ_m（ｔ）は、例えば、受信チャネルの増幅器において、非線形性による影響を受けると仮定することができる。したがって、これらの非線形性は以下の式に基づく多項式によってモデル化することができる。
【数４】

【００２５】
ここで、ｂ₀はＤＣ成分、ｂ₁は所望の線形成分、一方ｂ₂およびその他の成分ｂ₃等は望ましくないオーバートーンの原因となる。したがって、位相シフトβｍを受けた前述の入力信号Ｖ_m（ｔ）について、以下の式が得られる（信号ｙ（ｔ）に応じた最初の４項、即ち、ｂ₀ないしｂ₃が含まれると仮定する）。
【数５】

【００２６】
複素信号の形成の後、それぞれの第２位相シフタ７ａ，７ｂによって、各受信チャネルにおいて信号の位相をシフト・バックする。本発明によれば、前述の原理にしたがって、

との複素乗算によってこれを実行する。この乗算に続いて、以下の式が得られる。
【数６】

【００２７】
ここで、

は所望の信号であり、したがって、本発明において本方法にしたがって得られたものである。残りの項は歪みから成る。ここでわかることは、

という形式の項は全て、望ましくない歪みを制限するために制御可能であるということである。
【００２８】
また、本発明は、望ましくない相互変調歪み、即ち、隣接する周波数間の相互変調の結果として発生する望ましくない信号成分を制御するためにも用いることができる。本発明をどのように使用することができるかを説明するために、以下の論述では、周波数ω₀および

という２つの類似入力信号が対象の受信機に到達すると仮定する。これが意味するのは、入力信号は以下のように表せるということである。
【数７】

【００２９】
非線形の事例で用いたモデルでは、前述の多項式ｙ（ｔ）によれば、入力信号Ｖ_m（ｔ）について以下の式が得られる。
【数８】

【００３０】
先の説明によれば、項

による複素乗算の後、以下の式が得られる。
【数９】

【００３１】
ここで、項

は所望の信号である。残りの項は歪みである。
【００３２】
以上の説明は、本発明を原則的にどのように用いて、非線形性およびその他の欠陥、例えば、望ましくない相互変調積によって発生する歪みを低減することができるかを示した。以下に、前述の空間位相符号化、即ち、位相シフトβｍによって、歪みをもたらす信号の選択部分をどのようにして低減することができるかという例を示す。
【００３３】
以下に、線形ミラー信号という形態のある種の望ましくない歪みの低減という例を参照しながら、更に本発明について説明する。以下で説明する同じ技法を、他の種類の歪み、例えば、ＤＣ成分、第１オーバートーン、第２オーバートーン、相互変調積等を低減するためにも用いることができる。
【００３４】
線形ミラー成分の低減のために、２つの異なる方法、即ち、相殺および「拡散」において本発明を用いることができる。前述の説明によれば、ｍ番目のチャネルに対して、線形ミラー成分は

位相シフトされていることになる。実信号がβｍだけ位相シフトされている場合、周波数成分

はβｍだけ位相シフトされ、一方そのミラー

は−βｍだけ位相シフトされる。したがって、ｅｘｐ（−βｍ）の乗算は、これらの成分双方が−βｍだけ位相シフトされることを示す。したがって、初期位相シフトが所望の信号のために復元され、一方線形ミラー成分はなおもシフトされるが、この場合−２βｍだけシフトされる。
【００３５】
相殺方法に関して、異なるチャネル間の位相関係θ_mがわかっているので、線形ミラー成分から導出された信号を加算することによって互いに相殺し合うように、各チャネルにおける余分な位相シフトβｍを選択できることがわかる。即ち、
【数１０】

【００３６】
２つのチャネル（ｍおよびｎ）のみを用いる場合、これは以下のことを意味する。
【数１１】

ここで、ｋは整数である。
【００３７】
「拡散」方法に関して、例えば、範囲［−π，π］以内の均一な分布からの選択によってβｍをランダムに選択し、線形ミラー信号のコヒーレント積分(coherent integration)を防止することも可能である。チャネル間の位相関係は対称的であると仮定すると、この方法は、チャネル内の線形ミラーの位相を角度範囲［−π，π］全域に拡散し、これによって信号は非コヒーレントに加算される。「ランダムな選択」を用いることにより（即ち、望ましくない成分の「ランダムな」分布または拡散を与えるようにβｍを選択することによって）、線形ミラー成分の形態の歪み成分を全て低減することができる。
【００３８】
非線形性から発生する歪み成分の殆どを同時に低減するためには、「拡散」原理の方が好ましいとすることができる。何故なら、歪みをもたらす成分、即ち、係数βｍを含む成分の殆どに有効であるからである。
【００３９】
本発明によれば、増幅中に歪みが発生する前に、このように所定の位相シフトβｍを、チャネルｍ（ｍ＝１，…，Ｍ）においてあるキャリア周波数θ₀で受信した信号に加算する。その後に、チャネルｍにおける信号の位相を逆にシフトし、基本的に同じ値に戻す。チャネルｍにおけるキャリア周波数の無歪み信号成分だけが、このシフトの結果として、完全に位相補償される。本発明によれば、種々のチャネルからの加算信号の総合的な歪みの低減が得られる。
【００４０】
効果的な歪み低減を確保するために、特定の間隔で空間位相符号化を変更することができる。このようにすれば、空間位相角度を選択したことにより、逆に、ある歪みが低減するのではなく増幅されてしまうという危険性はなくなる。
【００４１】
本発明は、これまでに説明し図面に示した実施形態の一例に限定されるのではなく、特許請求の範囲内において様々に変更可能である。例えば、本発明は、励振および非励振双方のアンテナ・アレイに用いることができる。また、本発明は、異なる数のアンテナ・レメントを有するアンテナにも用いることができる。更に、アンテナ・エレメントは、単一次元（即ち、ある数のアンテナ・エレメントが一列に配列されている場合）またはいくつかの次元（例えば、アンテナ・エレメントが二次元マトリクスとして配列されている場合）に配列することができる。
【００４２】
更に、本発明は、レーダ・システムと共に用いることに限定される訳ではなく、アンテナ・アレイを用いるその他の無線通信システム、例えば、信号傍受システムや移動電話システムにも使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を使用可能な使用可能な無線通信システムの原理を示す図。

Claims (8)

1. アンテナアレイを形成する複数のアンテナエレメントと、該アンテナアレイに対応する少なくとも２つの受信チャネルとを有した無線通信システムにおいて歪みを低減する方法であって、
   それぞれの前記受信チャネルは、受信信号を増幅する増幅器を含み、
   前記方法は、
   前記アンテナアレイにおいて、所定の搬送周波数の無線信号を受信する受信ステップと、
   前記アンテナアレイにおいて受信した無線信号を、対応する前記受信チャネルに供給する供給ステップと、
   前記受信チャネルのそれぞれにおいて、前記無線信号が前記増幅器に到達する前に、第１方向に所定角度だけ前記受信信号を位相シフトする第１位相シフトステップと、
   前記受信チャネルのそれぞれにおいて、前記第１位相シフトステップで位相がシフトされた信号を前記増幅器で増幅する増幅ステップと、
   前記受信チャネルのそれぞれにおいて、前記増幅ステップにおける信号増幅の後に、増幅された信号を、前記第１方向とは逆の第２方向に、前記所定角度だけ位相シフトし、出力信号を生成する第２位相シフトステップと、
   前記受信チャネルのそれぞれから出力された前記出力信号を、加算デバイスに供給するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記第１位相シフトステップでは、受信した前記無線信号における歪み成分から導かれる信号が互いに相殺し合うように選択された前記所定角度で、前記受信信号を位相シフトすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第１位相シフトステップでは、受信した前記無線信号における歪み成分がランダムに拡散するように選択された前記所定角度で、前記受信信号を位相シフトすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記アンテナエレメントは位相シフト手段を備え、前記第１位相シフトステップは、該位相シフト手段によって実行される位相シフトに対して追加的に行なわれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 所定の搬送周波数の無線信号を受信するためのアンテナアレイと、少なくとも２つの受信チャネルとを備えた無線通信システムにおいて歪みを低減する装置であって、
   前記アンテナアレイは、複数のアンテナエレメントを含み、
   それぞれの前記受信チャネルは、アンテナアレイで受信した受信信号を増幅する増幅器を含み、
   前記装置は、
   前記受信チャネルのそれぞれにおいて、前記アンテナアレイと前記増幅器との間に、第１方向に所定角度だけ前記受信信号を位相シフトする第１位相シフト部と、
   前記受信チャネルのそれぞれにおいて、前記アンテナアレイから見て前記増幅器の次に配置され、前記受信信号が前記増幅器によって増幅された後に、前記受信信号を、前記第１方向とは逆の第２方向に、前記所定角度だけ位相シフトし、出力信号を生成する第２位相シフト部と、
   前記受信チャネルのそれぞれから出力された前記出力信号を加算する加算デバイスと、
   を含むことを特徴とする装置。
6. 前記加算装置の出力は、デジタル信号処理回路に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記第１、第２位相シフトステップにおいては、以下の式で表わされるβｍだけ位相シフトが行われ、
   【式１】
   

   

   ここで、受信した前記無線信号における歪み成分から導かれる信号が互いに相殺し合うように、θｍは、所定チャネルと基準チャネルとの間の位相関係であり、Ｍは、所定チャネル数であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記第１、第２位相シフトステップは、受信した前記無線信号における歪み成分がランダムに拡散するように、所定範囲内において均一に分布した値からランダムに選択されたβｍだけ位相シフトが行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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