JP4439280B2

JP4439280B2 - Ｄｂｆ空中線装置

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Publication number: JP4439280B2
Application number: JP2004031936A
Authority: JP
Inventors: 英俊古川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2024-02-09
Also published as: JP2005223817A

Description

本発明は、レーダ装置やセンサ装置に適用可能であり、特に、捜索データレートの向上や、特殊ビーム走査等のために、周波数ダイバーシティ方式によるマルチビームを形成するＤＢＦ（Digital Beam Forming：デジタル・ビーム・形成）空中線装置や、通信等のために周波数ダイバーシティ方式によるマルチビームを形成するＤＢＦ空中線装置に関する。

周波数ダイバーシティ方式を採用するＤＢＦ空中線装置においては、マルチビームを形成するために、通常、アナログ回路で構成された受信機によりダイバーシティ周波数の分離・変換を実施し、周波数分離・変換した信号をそれぞれアナログ・デジタル変換し、デジタル回路によりビームを形成することによりマルチビームを形成している。

このようなＤＢＦ空中線装置では、一般に、１つのビームを形成するために複数のデジタル化された素子信号を用いるが、周波数ダイバーシティ方式によるマルチビームとしてＮ周波数のビームを形成するためには、受信機の構成が複雑化すると共に、アナログ・デジタル変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器）以降の構成がＮ系統必要となり、装置規模が大きく、コストが大幅に増加していた。

図９は、周波数ダイバーシティ方式を採用し、２つの周波数に対して、ビーム形成を行うＤＢＦ空中線装置の従来例の系統図である。

ここで、図９に示すＤＢＦ空中線装置の処理内容について説明する。

まず、空間に放射されている電波をアンテナ素子１−１〜１−ｎにより受信し、アレー受信機２−１〜２−ｎで低雑音増幅された後に、受信ＲＦ信号が出力される。このとき、ｉ番目の素子の受信ＲＦ信号は、以下の式で表される。

図１０に示す受信機３−１の詳細な構成のように、受信機３−１では、ミキサ２１−1を用いて、周波数ｆ_ＬＯ＋ｆ_ＩＦ１と周波数ｆ_ＬＯ＋ｆ_ＩＦ２をそれぞれ周波数ｆ_ＩＦ３に変換する。すなわち、ミキサ２１−1では、ローカル信号１（周波数ｆ_ＬＯ１）及びローカル信号２（周波数ｆ_ＬＯ２）により周波数変換を行う。ミキサ２１−１，２２−１からの第１ビームと第２ビームの出力信号は、それぞれ以下の式で表される。

周波数ｆ_ＩＦ３を通過させる帯域通過フィルタ２３−１，２３−ｎ＋１を通すことにより、ｆ_ＩＦ３の成分を抽出する。帯域通過フィルタ２３−１，２３−ｎ＋１からの第１ビームと第２ビームの受信ＩＦ（Intermediate Frequency：中間周波数）信号は、以下の式で表される。

それぞれのＡ／Ｄ変換器４−１，４−ｎ＋１では、上記の受信ＩＦ信号をデジタル信号に変換する。

図１１に示すデジタルフィルタ５−１，５−ｎ＋１の詳細構成のように、デジタルフィルタ５−１では、遅延回路３１−１によりヒルベルト変換器３３−１での処理時間と同等の遅延を受信ＩＦデータに与え、ヒルベルト変換器３３−１により９０°の位相差を有する複素化された受信ＩＦデータにヒルベルト変換し、デシメータ３２−１，３４−１により周波数変換及びサンプリングレートの低減を行う。なお、デジタルフィルタ５の処理内容については、特許文献１及び特許文献２に詳しく記述されている。

ここで、それぞれのデジタルフィルタ５から出力されるベースバンド信号は、以下の式で表される。

デジタルビーム形成回路６−１，６−２では、デジタルフィルタ５−１〜５−ｎ，５−ｎ＋１〜５−２ｎから出力されるベースバンド信号に対して、所望のビーム指向特性やサイドローブ特性を得るための複素係数ｗを乗算して重み付けを行い、合成した信号ｙ_BEAM1（ｔ），ｙ_BEAM2（ｔ）がＤＢＦ空中線装置の出力となる。

特許第２６５９９６３号特開平８−１８６４４７号公報特開２００２−９０４４５号公報吉田孝監修、改訂レーダ技術

しかしながら、従来のＤＢＦ空中線装置においては、ｎ個のアンテナ素子に対して、ｎ個のアレー受信機、ｎ個の受信機が構成上必要であり、これらに加えて、２ｎ個のＡ／Ｄ変換器、２ｎ個のデジタルフィルタ、２個のデジタルビーム形成回路が構成上必要であった。

このように、従来のＤＢＦ空中線装置にあっては、周波数ダイバーシティ方式によりマルチビームを形成するのに、大規模かつ高価な装置構成を必要としていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、小規模かつ安価な装置構成で周波数ダイバーシティ方式によるマルチビームを形成することができるＤＢＦ空中線装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、周波数ダイバーシティ方式によりマルチビームを形成するＤＢＦ空中線装置であって、複数の素子を有するアレーアンテナと、アレーアンテナの各素子から出力される複数の異なる周波数を含む入力信号を受信して複数の異なる周波数を含む中間周波数の信号に変換する複数の受信機と、各受信機からの複数の異なる周波数を含む受信中間周波数信号を量子化して複数の異なる周波数を含む受信中間周波数データに変換する複数のアナログ／デジタル変換器と、各アナログ／デジタル変換器から出力された複数の異なる周波数を含む前記受信中間周波数データを周波数毎に分離し、０°と９０°の位相差を有する複素データに直交変換してベースバンドデータを出力する複数のデジタルフィルタと、各デジタルフィルタから出力されるベースバンドデータに対して、所望のビーム指向特性やサイドローブ特性を得るための複素係数を乗算して重み付けし、周波数の異なる所望の受信ビームを形成するデジタルビーム形成回路と、を備えたことを要旨とする。

請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記デジタルフィルタは、複数の異なる周波数を含む前記受信中間周波数データに対し、処理時間をｍ分割し、第１の処理期間で第１の周波数の第１のベースバンドデータを生成し、第ｍの処理期間で第１の周波数とは異なる第ｍの周波数の第ｍのベースバンドデータを生成し、前記デジタルビーム形成回路は、処理時間をｎ分割し、各々のベースバンドデータから第１の処理期間で第１の受信ビームを形成し、第ｎ処理期間で第ｎの受信ビームを形成することを要旨とする。

請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、前記デジタルフィルタと前記デジタルビーム形成回路は、前記アナログ／デジタル変換器から出力された複数の異なる周波数を含む前記受信中間周波数データを記憶するメモリと、メモリから複数の異なる周波数を含む前記受信中間周波数データを入力し、第１から第ｍの処理期間で異なる帯域通過フィルタ処理、直交変換処理、及び受信ビーム形成処理を行い周波数の異なる受信ビームを形成するようにプログラムされたプロセッサから構成されていることを要旨とする。

本発明によれば、受信機においてＮ周波数分の周波数分離・変換を実施しないため、受信機の構成が簡素化できる。また、Ｎ周波数分の信号を含む中間周波数信号をアナログ・デジタル変換するため、Ａ／Ｄ変換器がＮ系統ではなく１系統分で済むため、Ａ／Ｄ変換器の数量を少なくできる。この結果、小規模かつ安価な装置構成で周波数ダイバーシティ方式によるマルチビームを形成することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下においては、背景技術の欄で説明した構成部分に相当する部分には、背景技術の欄で使用した符号と同じ符号を用いて説明する。

［実施例１］
図１は、本発明の実施例１に係るＤＢＦ空中線装置の構成を示す図であり、従来のＤＢＦ空中線装置と構成上の相違を明確にするため、実施例１では、周波数ダイバーシティ方式を採用し、２つの周波数に対して、ビーム形成を行うものである。

図１において、アンテナ素子１−１〜１−ｎは、空間に放射されている電波を受信してそれぞれアレー受信機２−１〜２−ｎに出力する。アレー受信機２−１〜２−ｎは、低雑音増幅して受信ＲＦ信号をそれぞれ受信機７−１〜７−ｎに出力する。受信機７−１〜７−ｎは、ローカル信号（周波数ｆ_ＬＯ）と帯域通過フィルタにより受信ＩＦ信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器４−１〜４−ｎは、受信ＩＦ信号をデジタル信号に変換する。デジタルフィルタ８−１〜８−ｎ，９−１〜９−ｎは、帯域通過フィルタ処理、ミキサ処理及び低域通過フィルタ処理及び間引き処理を実施する。

デジタルビーム形成回路６−１，６−２では、デジタルフィルタ８−１〜８−ｎ，９−１〜９−ｎから出力されるベースバンド信号に対して、所望のビーム指向特性やサイドローブ特性を得るための複素係数ｗを乗算して重み付けを行い、合成した信号ｙ_BEAM1（ｔ），ｙ_BEAM2（ｔ）がＤＢＦ空中線装置の出力となる。

実施例１では、アレー受信機と受信機とが１対１に対応する場合を示すが、複数のアレー受信機からの受信信号を合成したサブアレーに対しても受信機が複数対１に対応することで適用することは言うまでもない。また、アレー受信機がアレー送受信機に変わっても、アレー送受信機がアレー受信機に対応することで適用することは言うまでもない。

図２は、受信機７及びデジタルフィルタ８，９の詳細な構成を示す図である。

図２において、ミキサ２１では、アレー受信機からのアレー受信信号に対してローカル信号（周波数ｆ_ＬＯ）２６により周波数変換を行い帯域通過フィルタ２７に受信ＩＦ信号を出力する。帯域通過フィルタ２７では、ミキサ２１から入力される受信ＩＦ信号から高周波成分を除去してＩＦアンプ２４に出力する。ＩＦアンプ２４では、帯域通過フィルタ２７から入力される受信ＩＦ信号を増幅してＡ／Ｄ変換器４に出力する。Ａ／Ｄ変換器４では、ＩＦアンプ２４から入力される受信ＩＦ信号をデジタル信号に変換する。

図２において、Ａ／Ｄ変換器４から出力された受信ＩＦデータは帯域通過フィルタ４１，５１に入力されＩＦ帯域の受信ＩＦデータが通過してミキサ４２，４７に入力される。

デジタルフィルタ８，９は、同様の構成を有するので、ここではデジタルフィルタ８の構成について説明し、デジタルフィルタ９の構成についての説明を省略する。

位相発生回路４６は、入力されるローカル信号（１）（周波数ｆ_ＬＯ１）４３に対して、０°（同相成分）と９０°（直交成分）の位相差を有するローカル信号を発生してミキサ４２，４７にそれぞれ出力する。

ミキサ４２では、０°の位相を有するローカル信号（周波数ｆ_ＬＯ１）により、帯域通過フィルタ４１からの受信ＩＦデータに対して０°のローカル信号により周波数変換を行い低域通過フィルタ４４に実成分のベースバンド信号を出力する。低域通過フィルタ４４は、このベースバンド信号から高周波成分を除去して間引き回路４５に出力する。間引き回路４５では、低域通過フィルタ４４により高周波成分が除去されたベースバンド信号のデータに対して、データを間引いて抽出される実部のベースバンド信号（Ｉ）を出力する。

ミキサ４７では、９０°の位相を有するローカル信号（周波数ｆ_ＬＯ１）により、帯域通過フィルタ４１からの受信ＩＦデータに対して９０°のローカル信号により周波数変換を行い低域通過フィルタ４８に虚成分のベースバンド信号を出力する。低域通過フィルタ４８は、このベースバンド信号から高周波成分を除去して間引き回路４９に出力する。間引き回路４９では、帯域通過フィルタ４８により高周波成分が除去されたベースバンド信号のデータに対して、データを間引いて抽出される虚部のベースバンド信号（Ｑ）を出力する。

図１を参照して、実施例１に係るＤＢＦ空中線装置の各部での処理内容を説明する。

アンテナ素子１−１〜１−ｎにより、空間に放射された電波を受信し、アレー受信機２−１〜２−ｎで低雑音増幅された後、受信ＲＦ信号が出力される。

このとき、ｉ番目の素子の受信ＲＦ信号は、以下の式で表される。

図２の受信機の詳細構成に示すように、受信機７では、受信ＲＦ信号をローカル信号２６（周波数ｆ_ＬＯ）と帯域通過フィルタ２７により受信ＩＦ信号に変換する。

受信ＩＦ信号は、以下の式で表される。

次いで、Ａ／Ｄ変換器４では、ＩＦアンプ２４から入力される受信ＩＦ信号をデジタル信号に変換する。

（デジタルフィルタ８の動作）
次に、デジタルフィルタ８の処理内容である帯域通過フィルタ処理、ミキサ処理、低域通過フィルタ処理及び間引き処理について詳しく説明する。

まず、デジタルフィルタ８では、Ａ／Ｄ変換器４によりデジタル化された受信ＩＦ信号に対して、第１ビーム用ＩＦ信号に対応した帯域通過フィルタ処理を施す。ここで、図３を参照して、実線により帯域通過フィルタ４１の特性（一例）を示す。

この帯域通過フィルタ４１は、サンプリング周波数で正規化した周波数の０．１０から０．１５の帯域を通過させるフィルタであり、以下の伝達関数により実現することができる。

この帯域通過フィルタ処理により、第１ビームの受信ＩＦ信号が得られる。この受信ＩＦ信号は、以下の式で表される。

この受信ＩＦ信号に対してミキサ４２では、第１ビームの周波数に対応した複素演算のミキサ処理を施すことにより、高周波数成分を含むベースバンド信号が得られる。

上式の処理を実部と虚部に分けると、以下のように書ける。

低域通過フィルタ４４では、上記のような高周波数成分を含むベースバンド信号に対して、更に低域通過フィルタ処理を施す。図４は、低域通過フィルタ４４の特性（一例）を示す図である。

この低域通過フィルタ４４は、サンプリング周波数で正規化した周波数の０．００から０．０５の帯域を通過させるフィルタであり、以下の伝達関数により実現できる。

この低域通過フィルタ４４では、低域通過フィルタ処理により所望のベースバンド信号が得られる。

間引き回路４５では、帯域通過フィルタ４４により高周波成分が除去されたベースバンド信号のデータに対して、データを間引いて抽出される実部のベースバンド信号（Ｉ）を出力する。

なお、ミキサ４２では０°のローカル信号を用いるのに対して、ミキサ４７では９０°のローカル信号を用いており、低域通過フィルタ４８及び間引き回路４９のそれぞれの処理内容は、低域通過フィルタ４４及び間引き回路４５のそれぞれの処理内容と同様であるので、その説明を省略する。

（デジタルフィルタ９の動作）
次に、デジタルフィルタ９の処理内容である帯域通過フィルタ処理、ミキサ処理、低域通過フィルタ処理及び間引き処理について詳しく説明する。

まず、デジタル化された受信ＩＦ信号に対して、第１ビーム用ＩＦ信号に対応した帯域通過フィルタ処理を施す。ここで、図３を参照して、破線により帯域通過フィルタ５１の特性（一例）を示す。

この帯域通過フィルタ５１は、サンプリング周波数で正規化した周波数の０．３５から０．４０の帯域を通過させるフィルタであり、以下の伝達関数により実現することができる。

帯域通過フィルタ処理により第２ビームの受信ＩＦ信号が得られる。この受信ＩＦ信号は、以下の式で表される。

この受信ＩＦ信号に対してミキサ５２では、第２ビームの周波数に対応した複素演算のミキサ処理を施すことにより高周波数成分を含むベースバンド信号が得られる。

上記信号に対して、更に低域通過フィルタ処理を施す。図４は、低域通過フィルタ５４の特性（一例）を示す図である。

この低域通過フィルタ５４は、サンプリング周波数で正規化した周波数の０．０から０．０５の帯域を通過させるフィルタであり、以下の伝達関数により実現できる。

この低域通過フィルタ５４では、低域通過フィルタ処理により所望のベースバンド信号が得られる。

間引き回路５５では、帯域通過フィルタ５４により高周波成分が除去されたベースバンド信号のデータに対して、データを間引いて抽出される実部のベースバンド信号（Ｉ）を出力する。

なお、ミキサ５２では０°のローカル信号を用いるのに対して、ミキサ５７では９０°のローカル信号を用いており、低域通過フィルタ５８及び間引き回路５９のそれぞれの処理内容は、低域通過フィルタ５４及び間引き回路５５のそれぞれの処理内容と同様であるので、その説明を省略する。

デジタルビーム形成回路６―１では、デジタルフィルタ（１）８−１〜８−ｎを通過した各素子からのベースバンド信号に対して、所望のビーム指向特性やサイドローブ特性を得るための複素係数ｗを乗算して重み付けを行い、合成した信号がＤＢＦ空中線装置の出力となる。

同様に、デジタルビーム形成回路６―２では、デジタルフィルタ（１）９−１〜９−ｎを通過した各素子からのベースバンド信号に対して、所望のビーム指向特性やサイドローブ特性を得るための複素係数ｗを乗算して重み付けを行い、合成した信号がＤＢＦ空中線装置の出力となる。

このように、アレーアンテナの各素子から出力される入力信号を受信して複数の受信機により中間周波数の信号に変換し、各受信機からの受信中間周波数信号を複数のアナログ／デジタル変換器により量子化して受信中間周波数データに変換し、各アナログ／デジタル変換器から出力された受信中間周波数データを複数のデジタルフィルタにより０°と９０°の位相差を有する複素データに直交変換してベースバンドデータを出力し、各デジタルフィルタから出力されるベースバンドデータに対して、デジタルビーム形成回路により所望のビーム指向特性やサイドローブ特性を得るための複素係数を乗算して重み付けし、周波数の異なる所望の受信データを形成することで、小規模かつ安価な装置構成で周波数ダイバーシティ方式によるマルチビームを形成することができる。

なお、従来のＤＢＦ空中線装置においては、ｎ個のアンテナ素子に対して、ｎ個のアレー受信機、ｎ個の受信機、２ｎ個のＡ／Ｄ変換器、２ｎ個のデジタルフィルタ、２個のデジタルビーム形成回路が構成上必要であったが、実施例１では、ｎ個のアレー受信機、ｎ個の受信機、ｎ個のＡ／Ｄ変換器、２ｎ個のデジタルフィルタ、２個のデジタルビーム形成回路が構成上必要であり、ｎ個のＡ／Ｄ変換器を省くことができる。

［実施例２］
図５は本発明の実施例２に係るＤＢＦ空中線装置の構成を示す図であり、図６は受信機７及びデジタルフィルタ１０の詳細な構成を示す図であり、図７は本発明の実施例２に係るＤＢＦ空中線装置の動作を示すタイムチャートである。

実施例２の特徴は、ＤＢＦ空中線装置が、デジタル化された周波数分離・変換、ビーム形成などの信号処理を時分割多重処理により実現することにある。なお、デジタル化された処理内容は、第１ビームと第２ビームで異なるが、共通の入力信号ｘ_ＩＦに対する処理であるため、時分割多重処理が可能である。

具体的には、図１に示すデジタルフィルタ８，９と第１ビーム及び第２ビームを形成するデジタルビーム形成回路６に対して与えている処理クロック（図示しない）を多重化し、時分割多重処理により実施すればよい。

図５は、この時分割多重処理を実施するための構成であり、デジタルフィルタ（１／２）１０は、図１に示すデジタルフィルタ８とデジタルフィルタ９における処理を時分割多重処理により実施する。また、図５に示すデジタルビーム形成回路１１は、図１に示す第１ビーム及び第２ビームを形成するデジタルビーム形成回路６の処理を時分割多重処理により実施する。

図６において、Ａ／Ｄ変換器４には受信ＩＦ信号ｘ_ＩＦと同一周期で変位するデータクロックが入力されており、このデータクロックは帯域通過フィルタ６１とクロック発生回路６３に入力される。帯域通過フィルタ６１は、データクロックがハイレベルの時に実施例１に示す帯域通過フィルタ４１の処理を行い、データクロックがローレベルの時に実施例１に示す帯域通過フィルタ５１の処理を行う。

クロック発生回路６３は、データクロックに対して２倍の周期の処理クロック６５を発生し、帯域通過フィルタ６１、ミキサ４２，４７、低域通過フィルタ４４，４８、間引き回路４５，４９に出力する。さらに、図示しないデジタルビーム形成回路１１に出力される。

次に、図７を参照して、実施例２に係るＤＢＦ空中線装置の各部での処理内容を説明する。

タイミングｔ０〜ｔ２では、Ａ／Ｄ変換器４から出力されるデータクロックはハイレベルであるので、帯域通過フィルタ６１は実施例１に示す帯域通過フィルタ４１と同様の処理を行い、サンプリング周波数で正規化した周波数の０．１０から０．１５の帯域を通過させるフィルタとして動作し、式（８）に示す伝達関数のフィルタを実現する。また、このとき帯域通過フィルタ６１、ミキサ４２，４７、低域通過フィルタ４４，４８、間引き回路４５，４９も実施例１に示すフィルタ（１）と同様の処理を行い、さらに、このときデジタルビーム形成回路１１では第１ビームが形成される。

タイミングｔ２〜ｔ４では、Ａ／Ｄ変換器４から出力されるデータクロックはローレベルであるので、帯域通過フィルタ６１は実施例１に示す帯域通過フィルタ５１と同様の処理を行い、サンプリング周波数で正規化した周波数の０．３５から０．４０の帯域を通過させるフィルタとして動作し、式（１４）に示す伝達関数のフィルタを実現する。また、このとき帯域通過フィルタ６１、ミキサ４２，４７、低域通過フィルタ４４，４８、間引き回路４５，４９も実施例１に示すフィルタ（２）と同様の処理を行い、さらに、このときデジタルビーム形成回路１１では第２ビームが形成される。

このように、デジタルフィルタは、第１の処理期間で第１の周波数の第１のベースバンドデータを生成し、第２の処理期間で第１の周波数とは異なる第２の周波数の第２のベースバンドデータを生成し、デジタルビーム形成回路は、第１の処理期間で第１のベースバンドデータから第１の受信ビームを形成し、第２処理期間で第２のベースバンドデータから第２の受信ビームを形成するので、第１の処理期間と第２の処理期間とで交互に時分割多重処理を行うことができ、小規模かつ安価な装置構成で周波数ダイバーシティ方式によるマルチビームを形成することができる。

なお、従来のＤＢＦ空中線装置においては、ｎ個のアンテナ素子に対して、ｎ個のアレー受信機、ｎ個の受信機、２ｎ個のＡ／Ｄ変換器、２ｎ個のデジタルフィルタ、２個のデジタルビーム形成回路が構成上必要であったが、実施例２では、ｎ個のアレー受信機、ｎ個の受信機、ｎ個のＡ／Ｄ変換器、ｎ個のデジタルフィルタ、１個のデジタルビーム形成回路が構成上必要であり、ｎ個のＡ／Ｄ変換器とｎ個のデジタルフィルタと１個のデジタルビーム形成回路を省くことができる。

［実施例３］
図８は本発明の実施例３に係るＤＢＦ空中線装置の構成を示す図であり、図９は本発明の実施例３に係るＤＢＦ空中線装置の動作を示すタイムチャートであり、図１０は時分割多重処理部の動作を示すフローチャート（ａ），（ｂ）である。

実施例３の特徴は、ＤＢＦ空中線装置が、周波数分離・変換処理、ビーム形成処理などのデジタル信号処理を時分割多重処理部７１とＤＳＰ（Digital Signal Processor）８５により実現することにある。デジタル信号処理の内容は、第１ビームと第２ビームで異なるが、共通の受信ＩＦ信号ｘ_ＩＦに対する処理であるため、時分割多重処理が可能である。

図１に示すデジタルフィルタ８，９による処理を時分割多重処理部７１に設けられたバッファメモリとＤＳＰ（Digital Signal Processor）８３を用いて行い、第１ビーム及び第２ビームを形成するデジタルビーム形成回路６−１，６−２の処理をＤＳＰ８５を用いて行う。

図８において、セレクタ７３は、Ａ／Ｄ変換器４から出力される受信ＩＦ信号ｘ_ＩＦの出力先をＤＳＰ８３から出力されるセレクト信号に応じてバッファメモリ（１）７５またはバッファメモリ（２）７７に切り替える。バッファメモリ（１）７５及びバッファメモリ（２）７７は、Ａ／Ｄ変換器４から出力されるデータクロックに応じて受信ＩＦ信号ｘ_ＩＦを書き込み、ＤＳＰ８３から出力されるクロックＤＣＫ２に応じて読み出される。セレクタ８１は、バッファメモリ（１）７５又はバッファメモリ（２）７７から入力される受信ＩＦ信号ｘ_ＩＦの入力元をＤＳＰ８３から出力されるセレクト信号に応じて切り替える。

ＤＳＰ８３は、デジタル信号処理専用のマイクロプロセッサであり、汎用MPU（Microprocessing Unit）と比べて、積和演算を高速に処理できるため、リアルタイム処理に適している。このＤＳＰ８３は、内部に設けられたＲＯＭに記憶されている制御プログラムに従って帯域通過フィルタ処理、ミキサ処理、低域通過フィルタ処理及び間引き処理などの演算処理を行い順次に出力データをＤＳＰ８５に出力する。なお、ＤＳＰ８３は、内部に設けられたＲＡＭに記憶されているパラメータに基づいて固有の演算処理を行うことができる。

ＤＳＰ８５は、内部に設けられたＲＯＭに記憶されている制御プログラムに従ってデジタルビーム形成処理を行い順次に出力データを出力する。

次に、図９に示すタイミングチャート、図１０に示すフローチャートを参照して、実施例３に係るＤＢＦ空中線装置の動作を説明する。

まず、ステップＳ５では、ＤＳＰ８３の内部ＲＡＭに対してセレクトフラグとして「１」を設定する。

次いで、ステップＳ１０では、内部ＲＡＭに設定されているセレクトフラグを読み出し、セレクトフラグの状態を反転させた値をセレクトフラグとして内部ＲＡＭに設定する。同時に、このセレクトフラグをセレクト信号ＳＥＬとしてＤＳＰ８３から出力する。なお、タイミングｔ０〜ｔ１において、ローレベルのセレクト信号ＳＥＬがＤＳＰ８３から出力する。この結果、セレクタ７３，８１は図８に示すように接続され、Ａ／Ｄ変換器４から出力される受信ＩＦ信号ｘ_ＩＦはデータクロックの出力に応じて順番にバッファメモリ（１）７５に記憶される。このとき、Ａ／Ｄ変換器４から出力されるデータクロックはＤＳＰ８３のＤＣＫ１に入力されて所定量として例えば１０２４になるまで計数される。

次いで、ステップＳ２０では、実施例１に示す帯域通過フィルタ４１と同様の処理をステップＳ３００で行わせるため、サンプリング周波数で正規化した周波数の０．１０から０．１５の帯域を通過させるようにＤＳＰ８３の内部ＲＡＭにパラメータ設定を行う。同時に、ミキサ４２と同様の処理をステップＳ３１０で行わせるため、０°の位相を示すパラメータを内部ＲＡＭに設定する。

次いで、ステップＳ３０では、実成分Ｉに関するデジタルフィルタ処理を行うため、ステップＳ３００〜Ｓ３３０に記載したサブルーチン処理をコールする。

ここで、ステップＳ３００では、ＤＳＰ８３は、バッファメモリ（２）７７に記憶されている受信ＩＦ信号ｘ_ＩＦを順次に読み出して上述した式（８）に基づいて帯域通過フィルタ処理を行い、その処理結果を内部ＲＡＭに記憶する。次いで、ステップＳ３１０では、ステップＳ３００での処理結果を内部ＲＡＭから読み出して上述した式（１０）に基づいてミキサ処理を行い、その処理結果を内部ＲＡＭに記憶する。次いで、ステップＳ３２０では、ステップＳ３１０での処理結果を内部ＲＡＭから読み出して上述した式（１２）に基づいて低域通過フィルタ処理を行い、その処理結果を内部ＲＡＭに記憶する。次いで、ステップＳ３３０では、ステップＳ３２０での処理結果を内部ＲＡＭから読み出して間引き処理を行い、その処理結果を内部ＲＡＭに記憶する。次いで、メインルーチンのステップＳ４０に戻る。

ステップＳ４０では、実施例１に示すミキサ４７と同様の処理をステップＳ３１０で行わせるため、９０°の位相を示すパラメータを内部ＲＡＭに設定する。

次いで、ステップＳ５０では、虚成分Ｑに関するデジタルフィルタ処理を行うため、ステップＳ３１０〜Ｓ３３０に記載したサブルーチン処理をコールする。なお、ステップＳ３１０〜Ｓ３３０に関するサブルーチン処理の内容は、上述したのでその説明を省略する。

次いで、タイミングｔ１〜ｔ２において、ステップＳ７０では、実施例１に示す帯域通過フィルタ５１と同様の処理をステップＳ３００で行わせるため、サンプリング周波数で正規化した周波数の０．３５から０．４０の帯域を通過させるようにＤＳＰ８３の内部ＲＡＭにパラメータ設定を行う。同時に、ミキサ５２と同様の処理をステップＳ３１０で行わせるため、０°の位相を示すパラメータを内部ＲＡＭに設定する。

次いで、ステップＳ８０では、実成分Ｉに関するデジタルフィルタ処理を行うため、ステップＳ３００〜Ｓ３３０に記載したサブルーチン処理をコールする。なお、ステップＳ３００〜Ｓ３３０に関するサブルーチン処理の内容は、上述したのでその説明を省略する。

次いで、ステップＳ９０では、実施例１に示すミキサ５７と同様の処理をステップＳ３１０で行わせるため、９０°の位相を示すパラメータを内部ＲＡＭに設定する。

次いで、ステップＳ１００では、虚成分Ｑに関するデジタルフィルタ処理を行うため、ステップＳ３１０〜Ｓ３３０に記載したサブルーチン処理をコールする。なお、ステップＳ３１０〜Ｓ３３０に関するサブルーチン処理の内容は、上述したのでその説明を省略する。次いで、ステップＳ１０に戻り、上述した処理を繰り返す。

なお、ステップＳ１０に示す処理を繰り返す毎に、ＤＳＰ８３の内部ＲＡＭに記憶されているセレクトフラグが「１」→「０」→「１」→「０」というように反転して設定されるので、
このため、タイミングｔ２〜ｔ４においては、ハイレベルのセレクト信号ＳＥＬがＤＳＰ８３から出力される。この結果、図８に示すセレクタ７３，８１は反転して接続され、Ａ／Ｄ変換器４から出力される受信ＩＦ信号ｘ_ＩＦはデータクロックの出力に応じて順番にバッファメモリ（２）７７に記憶される。

このようにして、アンテナ素子１−１、受信機７−１、Ａ／Ｄ変換器４−１、時分割多重処理部７１−１での一連の処理が行われ、同時に、アンテナ素子１−ｉ〜ｎ、受信機７−ｉ〜ｎ、Ａ／Ｄ変換器４−ｉ〜ｎ、時分割多重処理部７１−ｉ〜ｎでの一連の処理が行われる。図９に示すように、タイミングｔ０〜ｔ１では第１ビームを形成するための１〜ｎ系列のＩとＱのベースバンドデータの組がＤＳＰ８５に入力され、タイミングｔ１〜ｔ２では第２ビームを形成するための１〜ｎ系列のＩデータとＱデータの組がＤＳＰ８５に入力される。

ＤＳＰ８５では、１〜ｎ系列のＤＳＰ８３−１〜ｎから入力されたＩとＱのベースバンドデータの組に対して、所望のビーム指向特性やサイドローブ特性を得るための複素係数ｗを乗算して重み付けを行い、合成したデータが、タイミングｔ０〜ｔ１では第１ビームの受信出力となり、タイミングｔ１〜ｔ２では第２ビームの受信出力となる。

このように、デジタルフィルタは、第１のメモリと、第２のメモリと、デジタルシグナルプロセッサから構成され、アナログ／デジタル変換器から出力された受信中間周波数データを第１の処理期間で第１のメモリに記憶し、アナログ／デジタル変換器から出力された受信中間周波数データを第２の処理期間で第２のメモリに記憶しておき、第１の処理期間で第２のメモリから受信中間周波数データを入力し、第２の処理期間で第１のメモリから受信中間周波数データを入力して、デジタルシグナルプロセッサにより第１および第２の処理期間で異なる帯域通過フィルタ処理を行い異なるベースバンドデータを出力するので、第１の処理期間と第２の処理期間とで交互に時分割多重処理を行うことができ、小規模かつ安価な装置構成で周波数ダイバーシティ方式によるマルチビームを形成することができる。

なお、従来のＤＢＦ空中線装置においては、ｎ個のアンテナ素子に対して、ｎ個のアレー受信機、ｎ個の受信機、２ｎ個のＡ／Ｄ変換器、２ｎ個のデジタルフィルタ、２個のデジタルビーム形成回路が構成上必要であったが、実施例３では、ｎ個のアレー受信機、ｎ個の受信機、ｎ個のＡ／Ｄ変換器、ｎ個のデジタルフィルタ、１個のデジタルビーム形成回路が構成上必要であり、ｎ個のＡ／Ｄ変換器とｎ個のデジタルフィルタと１個のデジタルビーム形成回路を省くことができる。

本発明は、周波数ダイバーシティ方式によりマルチビームを形成するＤＢＦ空中線装置を用いるレーダ装置、ソナー装置、方向探知装置及び通信装置などに適用可能である。

本発明の実施例１に係るＤＢＦ空中線装置の構成を示す図である。本発明の実施例１の受信機およびデジタルフィルタの詳細な構成を示す図である。帯域通過フィルタの特性の一例を示す図である。低域通過フィルタの特性の一例を示す図である。本発明に実施例２に係るＤＢＦ空中線装置の構成を示す図である。本発明の実施例２のデジタルフィルタの詳細構成を示す図である。本発明の実施例２のタイムチャートを示す図である。本発明に実施例３に係るＤＢＦ空中線装置の構成を示す図である。本発明の実施例３のタイムチャートを示す図である。本発明の実施例３のフローチャートを示す図（ａ），（ｂ）である。従来のＤＢＦ空中線装置の構成を示す図である。従来の受信機の詳細構成を示す図である。従来のデジタルフィルタの詳細構成を示す図である。

符号の説明

１アンテナ素子
２アレー受信機
４Ａ／Ｄ変換器
６デジタルビーム形成回路
７受信機
８デジタルフィルタ（１）
９デジタルフィルタ（２）
１０デジタルフィルタ（１／２）
１１デジタルビーム形成回路
２１ミキサ
２４ＩＦアンプ
２７帯域フィルタ
４１，５１帯域通過フィルタ
４２，４７，５２，５７ミキサ
４４，４８，５４，５８低域通過フィルタ
４５，４９，５５，５９間引き回路
４６，５６位相発生回路
６３クロック発生回路
７３，８１セレクタ
７５，７７バッファメモリ
８３，８５ＤＳＰ

Claims

周波数ダイバーシティ方式によりマルチビームを形成するＤＢＦ空中線装置であって、
複数の素子を有するアレーアンテナと、
アレーアンテナの各素子から出力される複数の異なる周波数を含む入力信号を受信して複数の異なる周波数を含む中間周波数の信号に変換する複数の受信機と、
各受信機からの複数の異なる周波数を含む受信中間周波数信号を量子化して複数の異なる周波数を含む受信中間周波数データに変換する複数のアナログ／デジタル変換器と、
各アナログ／デジタル変換器から出力された複数の異なる周波数を含む前記受信中間周波数データを周波数毎に分離し、０°と９０°の位相差を有する複素データに直交変換してベースバンドデータを出力する複数のデジタルフィルタと、
各デジタルフィルタから出力されるベースバンドデータに対して、所望のビーム指向特性やサイドローブ特性を得るための複素係数を乗算して重み付けし、周波数の異なる所望の受信ビームを形成するデジタルビーム形成回路と、
を備えたことを特徴とするＤＢＦ空中線装置。
前記デジタルフィルタは、
複数の異なる周波数を含む前記受信中間周波数データに対し、処理時間をｍ分割し、第１の処理期間で第１の周波数の第１のベースバンドデータを生成し、第ｍの処理期間で第１の周波数とは異なる第ｍの周波数の第ｍのベースバンドデータを生成し、
前記デジタルビーム形成回路は、
処理時間をｎ分割し、各々のベースバンドデータから第１の処理期間で第１の受信ビームを形成し、第ｎ処理期間で第ｎの受信ビームを形成することを特徴とする請求項１記載のＤＢＦ空中線装置。
前記デジタルフィルタと前記デジタルビーム形成回路は、
前記アナログ／デジタル変換器から出力された複数の異なる周波数を含む前記受信中間周波数データを記憶するメモリと、
メモリから複数の異なる周波数を含む前記受信中間周波数データを入力し、第１から第ｍの処理期間で異なる帯域通過フィルタ処理、直交変換処理、及び受信ビーム形成処理を行い周波数の異なる受信ビームを形成するようにプログラムされたプロセッサから構成されていることを特徴とする請求項１記載のＤＢＦ空中線装置。