JP6017942B2

JP6017942B2 - 時分割多重アレーアンテナ装置

Info

Publication number: JP6017942B2
Application number: JP2012264259A
Authority: JP
Inventors: 竜也古池
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2032-12-03
Also published as: JP2014110549A

Description

本発明は、アレー状に配列された複数のアンテナを用いて時分割多重により通信する時分割多重アレーアンテナ装置に関する。

近年、無線ＬＡＮ（Local Area Network）、携帯電話、地上デジタル放送のモバイル受信機等、アダプティブアレーアンテナを応用した無線機器の使用が日常化してきている傾向にあり、結果、これら無線機器の低コスト化の必要性が益々高まってきている。しかし、アダプティブアレーアンテナは、原理的に、フィルタ、アンプ、ダウンコンバータ、Ａ／Ｄコンバータ等のアナログ回路がアンテナ数分必要となるので、例えば単一アンテナの無線機器と比較すると、高コストになるという問題があった。

そこで、これを解決する方法として、例えばスイッチによる時分割多重を用いて、アナログ回路を削減する方式（C-TDM-AAA：Conventional Time-Division Multiplexing Adaptive Array Antenna）のアダプティブアレーアンテナが過去に提案されている（非特許文献１参照）。非特許文献１では、無線機器が使用する帯域幅とスイッチ切換速度、フィルタ帯域幅、サンプリング速度が満たすべき条件に関して詳細に検討がなされ、適切なタイミングでスイッチ切り換え、サンプリングを行った場合、各アンテナの受信信号が完全に再生可能であることが示されている。

A CMA Adaptive Array Antenna System with a Single Receiver Using Time-Division Multiplexing,（IEICE Trans. Commun., vol. E84-B, no. 6, pp. 1637-1646, June 2001.）

ところで、時分割多重アレーアンテナにおいては、スイッチを順に選択的に切り換えていく制御が必要となるが、受信電波を読み取るためには、スイッチを高速で切り換える必要がある。しかし、スイッチを高速で切り換えるには電力を大きく消費してしまう現状があるので、この種の時分割多重アレーアンテナにおいては動作にかかる電力の省電力化が大きな課題であった。

本発明の目的は、動作に要する消費電力を低く抑えることができる時分割多重アレーアンテナ装置を提供することにある。

前記問題点を解決する時分割多重アレーアンテナ装置は、複数のアンテナの特定の１つをスイッチによって選択的に内部の信号処理回路に接続することにより、当該信号処理回路を複数の前記アンテナで共用し、当該スイッチによる時分割多重によって通信する構成において、前記アンテナにおける電波の受信状態を検出する電波受信状態検出部と、当該電波受信状態検出部の検出結果を基に、前記スイッチの切換速度を制御するスイッチ切換速度制御部とを備え、前記スイッチ切換速度制御部は、電波を受信しているか否かを監視するモニタリング時、前記スイッチの切換速度を低速に設定し、前記電波受信状態検出部の検出結果を基に前記電波の受信を検出すると、前記スイッチの切換速度を高速に切り換える。

本発明の構成によれば、スイッチの切換速度を、電波受信状態を基に適宜変更可能としたので、スイッチの切換速度を自由に切り換えることが可能となる。よって、時分割多重アレーアンテナ装置において、例えば通信が必要のないときには、スイッチの切換速度を低く設定しておくことが可能となるので、その分、時分割多重アレーアンテナ装置にかかる電力を低く抑えることが可能となる。
また、モニタリング時は電波が到来したか否かを監視するだけでよいので、省電力化を優先するためにスイッチの切換速度を低速にして電波に含まれる情報を復調できなくても、スイッチを低速に切り換えるのがモニタリング時であれば何ら問題はない。よって、電波受信に影響を及ぼすことなく、時分割多重アレーアンテナの省電力化が可能となる。

前記時分割多重アレーアンテナ装置において、前記電波受信状態検出部は、受信電波の強度を検出する受信信号強度検出回路であり、前記スイッチ切換速度制御部は、前記受信信号強度検出回路の検出結果を基に、前記スイッチの切換速度を制御することが好ましい。この構成によれば、受信信号強度（受信電波の強度）を基にスイッチの切換速度を変更するので、例えば電波を受信したときなどの最適なタイミングでスイッチの切換速度を他の値に切り換えることが可能となる。

前記時分割多重アレーアンテナ装置において、電波を前記アンテナで受信した際、前記信号処理回路の１構成要素であるデジタル回路を待機状態から起動状態に切り換える起動実行部を備えることが好ましい。この構成によれば、例えばモニタリング時、デジタル回路を待機状態としておくことが可能となるので、消費電力の抑制に一層効果が高くなる。

本発明によれば、時分割多重アレーアンテナ装置において、動作に要する消費電力を低く抑えることができる。

一実施形態の時分割多重アレーアンテナ装置の構成図。スイッチ制御信号の時間波形図。スイッチ制御信号のｒ番目の時間波形図。第２バンドパスフィルタ通過後の出力信号の振幅スペクトル図。サンプリング信号の時間波形図。受信動作制御回路の構成図。モニタリング時の受信動作制御回路の動作説明図。電波受信時の受信動作制御回路の動作説明図。

以下、時分割多重アレーアンテナ装置の一実施形態を図１〜図８に従って説明する。
図１に示すように、アレーアンテナ装置１は、複数のアンテナ（アンテナ素子）２を備え、各アンテナ２の重み付けを伝播環境に応じてアダプティブ制御することにより、指向性を電気的に切り替え可能となっている。このように、アレーアンテナ装置１は、希望波の到来方向にビームを向けたり、不要な電波の到来方向にヌルを向けて除去したりすることが可能である。また、本例のアレーアンテナ装置１は、信号を時間単位で区切り、１つの伝送路で電波を通信する時分割多重式でもある。

時分割多重アレーアンテナ装置１において、アンテナ２の個数をＫ（Ｋは任意の奇数）とすると、ｋ番目のアンテナ２の受信信号は、次式(1)のように表される。

ここで、f_ｋ(t)は、ｋ番目のアンテナ２におけるベースバンド信号である。また、cos(ω_ｃt)は、搬送波を表し、ω_ｃは、搬送波の角周波数を表す。

アレーアンテナ装置１の受信回路３には、アンテナ２の受信電波をアナログ処理するアナログ回路４と、アナログ回路４から出力された信号をデジタル処理するデジタル回路５とが設けられている。アナログ回路４には、通過帯域幅がＷの第１バンドパスフィルタ６がアンテナ２ごとに設けられている。これら第１バンドパスフィルタ６は、アンテナ２で受信した受信信号f_ｋ(t) cos(ω_ｃt)を通過帯域幅Ｗでフィルタし、Ｗに準じた周波数のみ通過させる。本例の時分割多重アレーアンテナ装置１において、アンテナ２ごとに個別に必要となるのは第１バンドパスフィルタ６のみであり、その後段の回路ブロックは複数のアンテナ２の間で共用されている。なお、受信回路３が信号処理回路の一例である。

受信ベースバンド信号f_ｋ(t)の周波数帯域幅Ｗ”は、第１バンドパスフィルタ６の通過帯域幅Ｗよりも小さい。よって、受信信号f_ｋ(t) cos(ω_ｃt)は、第１バンドパスフィルタ６をそのまま通過する。

複数のこれら第１バンドパスフィルタ６には、第１バンドパスフィルタ６の接続を選択的に切り換えるスイッチ回路７が接続されている。スイッチ回路７は、受信回路３の１構成要素であって、第１バンドパスフィルタ６ごとにスイッチ８を複数有する。これらスイッチ８は、クロック回路９から入力するスイッチ制御信号g_ｋ(t)によってスイッチ制御される。

ここで、図２及び図３に示すように、スイッチ８のｋ番目を、矩形波状のＯＮ時間τ、周期Ｔ_ｓで切り換えを行うとすると、スイッチ制御信号g_ｋ(t)は、次式(2)により表される。なお、次式のｒは、任意の整数である。

ここで、スイッチ切換周波数をＷ’（Ｗ’＝１／Ｔ_ｓ）とすると、スイッチ切換周波数Ｗ’は、Ｗ’＞Ｗを満たすように適切に設定する必要がある。式(2)は、フーリエ級数展開の形式により、次式(3)〜(5)のように表すことが可能である。なお、次式のｎは、スイッチ切換周波数Ｗ’のｎ倍高調波成分を表す整数であり、Ψは、スイッチ８のＯＮ時間比率である。

各アンテナ２の受信信号f_ｋ(t) cos(jω_ｃt)は、スイッチ８の通過時にスイッチ制御信号g_ｋ(t)を乗算された後、Ｋ個のアンテナ２からの信号が合成される。この合成信号h(t)は、次式(6)のように表される。

アナログ回路４には、周波数帯域幅がＫＷ’の第２バンドパスフィルタ１０が設けられている。第２バンドパスフィルタ１０は、１つのみ設けられ、複数のアンテナ２（スイッチ８）において共用されている。本例の場合、第２バンドパスフィルタ１０は、図４に示すように、理想的な周波数特性B(ω)を有するフィルタとする。

合成信号h(t)は、第２バンドパスフィルタ１０を通過すると、出力信号h’(t)として出力される。出力信号h’(t)は、次式(7)，(8)のように表される。

アナログ回路４には、出力信号h’(t)を増幅するアンプ１１と、増幅後の出力信号h’(t)をＩＦ（Intermediate Frequency）周波数にダウンコンバートするコンバータ１２と、ＩＦ周波数の信号を通過させるＩＦバンドパスフィルタ１３と、ＩＦ周波数を直交ダウンコンバートする直交コンバータ部１４とが設けられている。第２バンドパスフィルタ１０とアンプ１１との間には、電波受信状況に基づきスイッチ８の切換速度やデジタル回路５の動作状態を制御する受信動作制御回路１５が接続されている。直交コンバータ部１４には、直交コンバータ部１４から出力される位相が互いに９０度ずつずれた信号において、低い周波数のみ通過させる一対のローパスフィルタ１６が接続されている。

デジタル回路５には、ローパスフィルタ１６から出力された信号をＡ／Ｄ変換する一対のＡ／Ｄコンバータ１７が設けられている。Ａ／Ｄコンバータ１７が入力するベースバンド信号h”(t)は、アンプの増幅やフィルタの損失を無視すれば、次式(9)のように表される。

ベースバンド信号h”(t)は、Ａ／Ｄコンバータ１７において、周期Ｔ_ｓでサンプリングされる。このサンプリング信号z_i(t)は、次式(10)のように表される。

図５に示すように、サンプリング信号z_i(t)は、それぞれＴ_ｓ／Ｋずつタイミングのずれた信号である。実際のところ、Ａ／Ｄコンバータ１７は、次式(11)で表されるz(t)でサンプリングを行う。

さて、ベースバンド信号h”(t)が並び替え部１８においてサンプリング信号z_i(t)でサンプルされることで生成されるサンプル信号x_i(t)は、次式(12)，(13)のように表される。

サンプル信号x_i(t)は、式(13)からも分かる通り、各アンテナ２の受信ベースバンド信号f_k(t)が混在した形で得られる。ここで、一見、スイッチ８のＯＮ時間τを、τ＜（Ｔ_ｓ／Ｋ）とすれば、スイッチ８が２つ同時に接続されることはなく、受信ベースバンド信号f_k(t)の混合は生じないように思われるが、実際にはフィルタを通過する際の波形なまりにより、受信ベースバンド信号f_k(t)の混合が生じてしまう。通常のアダプティブアレーアンテナでは、受信ベースバンド信号f_k(t)は、それぞれ別々に得られる信号のはずである。

そこで、本例のデジタル回路５には、サンプル信号x_i(t)から受信ベースバンド信号f_k(t)を演算によって分離抽出する演算処理部１９が、各アンテナ２に対応して複数設けられている。本例の演算処理部１９は、次式(14)〜(16)を用いて演算を行うこと、つまりx_i(t)を要素とするベクトルＸ(t)に対して行列Φを乗算することにより、アンテナ２ごとにＩ送信号及びＱ相信号を出力する。

なお、式(14)〜(16)は、次式(17)〜(26)により定義される。なお、Ｘ_i(ω)は、x_i(t)のフーリエ変換であり、f_k(Δt)は、各アンテナ２の受信ベースバンド信号f_k(t)を周期Ｔ_ｓでサンプリングした信号である。また、式(18)は、式(17)を行列形式で表現した式である。

時分割多重アレーアンテナ装置１には、演算処理部１９から入力するＩ相信号及びＱ相信号をアダプティブ処理するアダプティブプロセッサ２０が設けられている。アダプティブプロセッサ２０は、アダプティブ処理により、例えば受信電波の電波到来方向を推定したり、アンテナ２のビームを希望波の方向に向けたり、ヌルを目的の方向に向けたりする。

ここで、スイッチ制御信号g_k(t)のパルス幅であるτにより、Ａ／Ｄコンバータ１７でサンプリングされたサンプル信号x_i(t)に含まれるベースバンド信号f_k(Δt)がどのように変化するか考える。いま、スイッチ８のＯＮ時間τが非常に短い、つまりτ≒０の場合を考える。このとき、Ψ＝τ／Ｔ_ｓ≒０となるので、sinc{nπΨ}≒１により、行列Ｓ≒１が導かれる。よって、式(23)は、次式(27)のように表される。

よって、τが非常に小さい場合には、サンプル信号であるベクトルＸ(t)、つまりサンプル信号x_i(t)を要素とするベクトルは、各アンテナ２の受信ベースバンド信号f_k(t)のベクトルＦ(Δt)のスカラー倍となる。即ち、サンプル信号x_i(t)は、それぞれ１種類の受信ベースバンド信号f_k(Δt)のみを含み、混合された状態ではないことが分かる。背景技術で述べた非特許文献１では、スイッチ制御信号g_k(t)はデルタ関数であり、本例におけるτ≒０の場合に相当する。即ち、背景技術の非特許文献１では、サンプル信号のベクトルＸ(t)において、ベクトルＦ(Δt)が混合された状態にならないように、あえてτ≒０としていると考えられる。

しかし、式(27)を見てみると、ベクトルＸ(t)に含まれるベクトルＦ(Δt)の大きさはτに比例することが分かる。このことから、スイッチ８における電力損失を抑制するには、τをなるべく大きくすること、つまりスイッチ８が常にいずれかのアンテナ２に接続されていることが望ましいと予測される。このため、本例のアダプティブプロセッサ２０は、スイッチ制御信号g_k(t)のＯＮ時間τを、次信号のτと重複しない範囲で、なるべく長く設定している。このように、ＯＮ時間τ（或いはＯＮ時間比率Ψ）を任意に設定可能な点で、本例は有効と考えられる。

図６に示すように、受信動作制御回路１５には、アンテナ２で受信した電波の受信信号強度を測定する受信信号強度検出回路２１と、受信信号強度検出回路２１から出力される受信信号強度情報Ｄrssiを基に受信電波の有無を判定する受信有無判定部２２と、受信状況に基づきスイッチ制御信号（クロック信号）によってスイッチ８の切換速度を制御するスイッチ速度制御部２３と、待機状態のデジタル回路５の起動状態に切り換える起動実行部２４とが設けられている。なお、受信信号強度検出回路２１が電波受信状態検出部の一例であり、受信有無判定部２２及びスイッチ速度制御部２３がスイッチ切換速度制御部の一例である。

受信信号強度検出回路２１は、第２バンドパスフィルタ１０の出力信号h’(t)の受信信号強度を測定し、その測定結果を受信信号強度情報Ｄrssiとしてスイッチ速度制御部２３に出力する。受信有無判定部２２は、受信信号強度情報Ｄrssiの値が閾値以上となると、電波受信有りと判断する。スイッチ速度制御部２３は、電波の受信有無を監視するモニタリング時（電波受信待機中）、消費電力削減を目的にスイッチ８の切換速度を低速に設定しておき、電波受信を確認した際にスイッチ８の切換速度を高速に切り換える。起動実行部２４は、電波受信を確認した際、消費電力削減を目的に待機状態をとらせていたデジタル回路５を起動状態に切り換える。

次に、図７及び図８を用いて、時分割多重アレーアンテナ装置１の動作を説明する。
図７に示すように、時分割多重アレーアンテナ装置１は、電波受信待ち時、電波を受信したか否かを監視するモニタリング動作（受信待機動作）をとる。このとき、スイッチ速度制御部２３は、スイッチ８を低速で切り換えることにより、モニタリングを実行する。スイッチ８の低速切り換えとは、受信電波の復調等はできなくとも、いま電波が受信状態にあることを検知できる切り換え動作のことを言う。よって、スイッチ８の切り換えに必要な電力が少なく抑えられるので、モニタリング時の消費電力が抑制される。

また、デジタル回路５は、モニタリング動作中、待機状態（スリープ状態）をとっている。よって、消費電力の抑制に一層効果が高くなる。
図８に示すように、アンテナ２が電波を受信すると、受信信号強度検出回路２１は受信電波に準ずる値の受信信号強度情報Ｄrssiを受信有無判定部２２に出力する。受信有無判定部２２は、受信信号強度が閾値以上となることを確認すると、アンテナ２で電波を受信したと認識し、受信有り通知をスイッチ速度制御部２３及び起動実行部２４に出力する。スイッチ速度制御部２３は、受信有無判定部２２から受信有り通知を入力すると、スイッチ８の切換速度を高速に切り換える。スイッチ８の高速切り換えとは、受信電波を復調可能な程度に速くスイッチ８が切り換えられる動作のことを言う。よって、アンテナ２で受信した電波を復調可能となる。

また、起動実行部２４は、受信有無判定部２２から受信有り通知を入力すると、待機状態をとるデジタル回路５に電源を入れ、起動状態に切り換える。これにより、アンテナ２で受信した電波はデジタル回路５で処理することが可能となり、受信電波を復調することが可能となる。

アダプティブプロセッサ２０は、通信が終了すること（電波を受信しなくなること）を確認すると、受信終了通知をスイッチ速度制御部２３及び起動実行部２４に出力する。スイッチ速度制御部２３は、アダプティブプロセッサ２０から受信終了通知を入力すると、スイッチ８の切換速度を低速にし、消費電力の抑制を優先する。また、起動実行部２４は、アダプティブプロセッサ２０から受信終了通知を入力すると、デジタル回路５の電源を切り、デジタル回路５を待機状態にして、消費電力の抑制を優先する。そして、以上の動作が電波を受信する度に繰り返される。

本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）スイッチ速度制御部２３は、受信のモニタリング時、スイッチ８の切換速度を低速切り換えとし、受信信号強度検出回路２１の受信信号強度情報Ｄrssiで電波受信を確認すると、スイッチ８の切換速度を高速切り換えに切り換える。このように、電波受信有無のみ監視すればよいモニタリング時は消費電力の抑制を狙ってスイッチ８を低速切り換えとし、電波受信時は受信電波を読み込むためにスイッチ８を高速切り換えに変更する。よって、モニタリング時はスイッチ８の切換速度が低速で済むので、時分割多重アレーアンテナ装置１にかかる消費電力を低く抑えることができる。

（２）スイッチ８の速度切り換えは、アンテナ２で受信した電波の受信信号強度を基にして行う。よって、希望波や妨害波（ノイズ）等の諸電波を受信したという最適なタイミングにおいて、スイッチ８の切換速度を低速から高速に切り換えることができる。

（３）モニタリング時はスイッチ８の切換速度を低速に設定し、電波受信時はスイッチ８の切換速度を高速に設定する。ところで、モニタリング時は電波を受信できたか否か確認できればよいので、スイッチ８の切換速度を低速にして電波が読めなくなっても、スイッチ８を低速に切り換えるのがモニタリング時であれば何ら問題はない。よって、電波受信に影響を及ぼすことなく、効率的に時分割多重アレーアンテナ装置１の電源を省電力化することができる。

（４）デジタル回路５は、モニタリング時、待機状態に切り換えられる。よって、モニタリング時は、デジタル回路５で必要とされる電力が極力低く抑えられるので、時分割多重アレーアンテナ装置１の消費電力の抑制に一層効果が高くなる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・受信回路３は、ベースバンド信号をＡ／Ｄコンバータ１７でサンプルする構成に限らず、例えばＩＦ信号をサンプルする構成や、第２バンドパスフィルタ１０から出力されるＲＦ（Radio Frequency）信号をサンプルする構成でもよい。このように、受信回路３は、種々の回路構成が採用可能である。

・受信回路３は、直交コンバータ部１４ではなく、通常のコンバータによって信号をダウンコンバートする回路でもよい。
・アンテナ２の数は、任意の奇数に限らず、任意の偶数でもよい。

・スイッチ８のＯＮ時間τ（ＯＮ時間比率Ψ）は、実施形態で述べた値以外の他の時間幅に適宜変更してもよい。
・サンプル信号x_i(t)から受信信号f_k(t)cos(ω_ct)を再生（分離）する演算は、サンプル信号x_i(t)に行列Φを乗算する方法に限定されない。要は、サンプル信号x_i(t)から受信信号f_k(t)cos(ω_ct)を再生（分離）できれば、種々の演算方法に変更可能である。

・第２バンドパスフィルタ１０の周波数帯域幅は、例えば第１バンドパスフィルタ６の周波通帯域に係数のＫを乗算した値でもよい。
・時分割多重アレーアンテナ装置１は、受信機に限らず、送信機又は送受信機としてもよい。

・電波受信有無の判定は、受信信号強度を基に行うことに限らず、電波を受信できているかどうか判定できれば、種々の方式が採用可能である。
・スイッチ８の切換速度の変更は、モニタリング時／電波受信時で区分けすることに限定されない。例えば、電波受信中、信号を読み取ることができる第１速度でスイッチ８を切り換え、これでは足りない場合に、さらに高速の第２速度でスイッチ８を切り換えるようにしてもよい。

・受信動作制御回路１５の配置場所は、第２バンドパスフィルタ１０とアンプ１１との間に限定されない。例えば、ＩＦバンドパスフィルタ１３、ローパスフィルタ１６、Ａ／Ｄコンバータ１７等の後段に接続してもよい。

・低速／高速の定義は、２つの速度が異なる２値の速度関係をとっていればよい。
・デジタル回路５は、モニタリング時、待機状態をとることに限らず、常時起動していてもよい。

・時分割多重アレーアンテナ装置１は、車両や電子キーの受信機として使用されることに限らず、他の機器や装置に適宜応用可能である。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。

（イ）前記時分割多重アレーアンテナ装置において、前記スイッチのＯＮ時間を長くとることにより、前記スイッチの切り換えによる電力損失を抑制し、この処理によって各アンテナの受信信号が混ざり合ってしまっても、この重畳信号に演算を施すことによって、当該重畳信号を各アンテナの受信信号に分離すること。この構成によれば、重畳信号から各アンテナの受信信号を分離することができるので、信号を精度よく取得することができる。

１…時分割多重アレーアンテナ装置、２…アンテナ、３…信号処理回路としての受信回路、５…デジタル回路、８…スイッチ、２１…電波受信状態検出部を構成する受信信号強度検出回路、２２…スイッチ切換速度制御部を構成する受信有無判定部、２３…スイッチ切換速度制御部を構成するスイッチ速度制御部、２４…起動実行部。

Claims

複数のアンテナの特定の１つをスイッチによって選択的に内部の信号処理回路に接続することにより、当該信号処理回路を複数の前記アンテナで共用し、当該スイッチによる時分割多重によって通信する時分割多重アレーアンテナ装置において、
前記アンテナにおける電波の受信状態を検出する電波受信状態検出部と、
当該電波受信状態検出部の検出結果を基に、前記スイッチの切換速度を制御するスイッチ切換速度制御部とを備え、
前記スイッチ切換速度制御部は、電波を受信しているか否かを監視するモニタリング時、前記スイッチの切換速度を低速に設定し、前記電波受信状態検出部の検出結果を基に前記電波の受信を検出すると、前記スイッチの切換速度を高速に切り換えることを特徴とする時分割多重アレーアンテナ装置。
前記電波受信状態検出部は、受信電波の強度を検出する受信信号強度検出回路であり、
前記スイッチ切換速度制御部は、前記受信信号強度検出回路の検出結果を基に、前記スイッチの切換速度を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の時分割多重アレーアンテナ装置。
電波を前記アンテナで受信した際、前記信号処理回路の１構成要素であるデジタル回路を待機状態から起動状態に切り換える起動実行部を備えた
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の時分割多重アレーアンテナ装置。