JP6980157B2 - アレーアンテナ装置およびビーム合成方法 - Google Patents

Description

本発明は、アレーアンテナ装置およびビーム合成方法に関する。

ディジタルビームフォーミング（以下、ＤＢＦと記載する）は、ディジタル信号処理を用いて、複数のアンテナ素子の信号を合成する方式である。ＤＢＦは、アナログ信号処理を用いて、複数のアンテナ素子の信号を合成する場合に比べてアナログ給電回路を簡素化することができ、低損失化も期待できる。一般的なＤＢＦ方式のアレーアンテナ装置は、アンテナ素子ごとにＡ／Ｄ変換器またはＤ／Ａ変換器が必要であるので、データ量が膨大になってディジタル演算の回路規模が増大する。

この問題に対処する従来の技術が、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された受信装置は、ＤＢＦ方式のアレーアンテナ装置であり、ビーム合成に必要な重み係数を算出するウエイト演算を、低速なＡ／Ｄ変換器および低速な処理回路で行い、主信号系の信号処理を、アナログのベースバンド移相器および高速なＡ／Ｄ変換器で行うことで、ディジタル演算の回路規模の削減を図っている。

特開２０１４−１９２８０７号公報

アレーアンテナ装置が、無線システムから要求される装置としてのダイナミックレンジに対応するためには、十数ビット程度の分解能のディジタル信号と同等の分解能を有する重み係数の積和演算をリアルタイムに行う必要があり、ディジタル演算の有効ビット数に比例した回路規模が必要である。これは、特許文献１に記載の受信装置においても同様である。特に、アンテナ素子数の多い大規模なアレーアンテナにおいては、ディジタル演算の回路規模の増大が顕在化する。

本発明は上記課題を解決するものであり、ディジタル演算の回路規模を削減することができるアレーアンテナ装置およびビーム合成方法を得ることを目的とする。

本発明に係るアレーアンテナ装置は、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にそれぞれ対応したディジタル信号を生成する変換部と、ディジタル信号を直交検波する直交検波部と、直交検波されたディジタル信号に基づいてビーム合成信号を生成するビーム形成部を備えており、ビーム形成部は、時系列な数値の数値列データである重み係数から、乗算対象の数値を逐次切り替えて、乗算対象の数値を、直交検波されたディジタル信号に乗算する切り替え部と、乗算対象の数値が乗算された各アンテナ素子のディジタル信号を加算する加算部と、加算されたディジタル信号を、乗算対象の数値が切り替えられる時間長ごとに積分してビーム合成信号を生成する積分部を備える。

本発明によれば、時系列な数値の数値列データである重み係数から、乗算対象の数値を逐次切り替えて、乗算対象の数値を、直交検波されたディジタル信号に乗算し、乗算対象の数値が乗算された各アンテナ素子のディジタル信号を加算し、加算したディジタル信号を、乗算対象の数値が切り替えられる時間長ごとに積分してビーム合成信号を生成する。時系列な数値ごとの重み係数を各アンテナ素子のディジタル信号に乗算することにより、当該ディジタル信号に乗算される重み係数のビット数が削減されるので、ディジタル演算の回路規模を削減することができる。

実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 図１の切り替え部の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係るビーム合成方法を示すフローチャートである。 実施の形態１における重み係数、同相成分および直交成分の概要を示す図である。 図５Ａは、従来のアレーアンテナ装置におけるＡ／Ｄ変換される前の受信信号の時間波形を示す図である。図５Ｂは、従来のアレーアンテナ装置によってＡ／Ｄ変換された受信信号を示す図である。図５Ｃは、従来のアレーアンテナ装置における重み係数を示す図である。図５Ｄは、従来のアレーアンテナ装置の出力信号を示す図である。 図６Ａは、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置におけるＡ／Ｄ変換される前のアナログの受信信号の時間波形を示す図である。図６Ｂは、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置によってＡ／Ｄ変換された受信信号を示す図である。図６Ｃは、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置における重み係数を示す図である。図６Ｄは、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の出力信号を示す図である。 実施の形態１における重み係数、同相成分および直交成分の別の概要を示す図である。 図８Ａは、実施の形態１におけるＤＢＦ部の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。図８Ｂは、実施の形態１におけるＤＢＦ部の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１に示すアレーアンテナ装置は、例えば、受信用のＤＢＦアンテナ装置であって、アンテナ素子１−ｋ、増幅部２−ｋ、ＤＣ部３−ｋ、ＡＤ変換部４−ｋ、ＤＤＣ部５−ｋ、切り替え部６−ｋ、加算部７、積分部８、同期部９、ビット変換部１０、励振分布設定部１１、数値制御発振部１２、９０度移相部１３および局部発振部１４を備えている。ｋは、正の自然数であり、ｋ＝１，２，・・・，Ｋである。以下、数値制御発振部１２はＮＣＯ１２と記載し、局部発振部１４はＬＯ部１４と記載する。

アンテナ素子１−ｋは、アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子である。アレーアンテナに到来した高周波信号は、アンテナ素子１−ｋによって受信される。増幅部２−ｋは、アンテナ素子１−ｋによって受信された信号を増幅し、増幅した受信信号をＤＣ部３−ｋに出力する。

ＤＣ（ダウンコンバータ）部３−ｋは、ＬＯ部１４によって生成された局部発振信号を用いて、増幅部２−ｋによって増幅された信号を、低周波数帯あるいはベースバンド帯の信号に周波数変換する。ＡＤ変換部４−ｋは、アンテナ素子１−ｋに対応したディジタル信号を生成する変換部であって、ＤＣ部３−ｋから出力されたアナログの受信信号をディジタル信号にＡ／Ｄ変換する。

ＤＤＣ（デジタルダウンコンバータ）部５−ｋは、ＡＤ変換部４−ｋによって生成されたディジタル信号を同相成分と直交成分に分離する直交検波部である。例えば、ＤＤＣ部５−ｋは、同相用の検波器と直交用の検波器とを備える。同相用の検波器は、ＮＣＯ１２によって生成された発振信号を用いて、ＡＤ変換部４−ｋによって生成されたディジタル信号から同相成分（Ｉチャネル、実部）を分離する。９０度移相部１３は、ＮＣＯ１２によって生成された発振信号を９０度移相する。直交用の検波器は、９０度移相された発振信号を用いて、ＡＤ変換部４−ｋによって生成されたディジタル信号から直交成分（Ｑチャネル、虚部）を分離する。同相成分Ｘｉおよび直交成分Ｘｑは、各ＤＤＣ部５−ｋからＤＢＦ部１５に出力される。

ＤＢＦ部１５は、アンテナ素子１−１〜１−Ｋに対応し、ＤＤＣ部５−１〜５−Ｋによって直交検波されたディジタル信号に基づいて、ビーム合成信号を生成するビーム形成部である。図１に示すように、ＤＢＦ部１５は、切り替え部６−ｋ、加算部７、積分部８、同期部９、ビット変換部１０および励振分布設定部１１を備える。なお、ＤＢＦ部１５とは別に設けられた信号処理部が、同期部９、ビット変換部１０および励振分布設定部１１を備え、この信号処理部と信号のやり取りが可能なＤＢＦ部１５が、切り替え部６−ｋ、加算部７および積分部８のみを備えてもよい。

切り替え部６−ｋは、重み係数Ｗから乗算対象の数値を逐次切り替えて、乗算対象の数値を、直交検波されたディジタル信号Ｘに乗算する。ここで、重み係数Ｗは、各アンテナ素子１−ｋのディジタル信号Ｘに与える振幅位相データを、時系列な数値の数値列データに変換したものである。

また、重み係数Ｗは、振幅および位相からなる数値ベクトル（複素重み係数）であり、同相成分（実部）Ｗｉと直交成分（虚部）Ｗｑがある。例えば、重み係数Ｗは、ビーム合成信号の複素振幅位相レベルが既定値と一致するように数値が設定された数値列データである。既定値は、ビーム合成信号の目標の複素振幅位相レベルに相当する値である。数値列データを構成する数値には、例えば、−１，０，＋１の３値がある。

例えば、切り替え部６−ｋは、ＤＤＣ部５−ｋから出力されたディジタル信号Ｘの同相成分Ｘｉおよび直交成分Ｘｑに対し、重み係数Ｗの同相成分Ｗｉおよび直交成分Ｗｑから乗算対象の数値を逐次切り替えて複素乗算を実行する。同相成分Ｗｉが時系列な数値の数値列データ［１，０，・・・，０］であり、直交成分Ｗｑが時系列な数値の数値列データ［０，１，・・・，１］である場合、切り替え部６−ｋは、同相成分Ｗｉの最初の時刻の数値“１”を乗算対象の数値に切り替え、直交成分Ｗｑの最初の時刻の数値“０”を乗算対象の数値に切り替えて、同相成分Ｘｉおよび直交成分Ｘｑに乗算する。次に、同相成分Ｗｉの次の時刻の数値“０”が乗算対象の数値に切り替えられ、直交成分Ｗｑの次の時刻の数値“１”が乗算対象の数値に切り替えられて、同相成分Ｘｉおよび直交成分Ｘｑに乗算される。同様な処理が、同相成分Ｗｉの最終時刻の数値“０”が乗算対象の数値に切り替えられ、直交成分Ｗｑの最終時刻の数値“１”が乗算対象の数値に切り替えられるまで繰り返される。切り替え部６−ｋによって乗算対象の数値ごとの重み係数Ｗが乗算された各アンテナ素子１−ｋのディジタル信号は、加算部７に出力される。

加算部７は、重み係数Ｗの乗算対象の数値が乗算された各アンテナ素子１−ｋのディジタル信号を加算する。例えば、同相成分Ｗｉが［１，０，・・・，０］であり、直交成分Ｗｑが［０，１，・・・，１］である場合に、加算部７は、同相成分Ｗｉの最初の時刻の数値“１”および直交成分Ｗｑの最初の時刻の数値“０”が乗算された各アンテナ素子１−ｋのディジタル信号を加算し、続いて、同相成分Ｗｉの次の時刻の数値“０”および直交成分Ｗｑの次の時刻の数値“１”が乗算された各アンテナ素子１−ｋのディジタル信号を加算する。この処理が、相成分Ｗｉの最終時刻の数値“０”および直交成分Ｗｑの最終時刻の数値“１”が乗算された各アンテナ素子１−ｋのディジタル信号が加算されるまで繰り返される。

積分部８は、加算部７によって算出されたディジタル信号を、重み係数Ｗの乗算対象の数値が切り替えられる時間長ごとに積分してビーム合成信号を生成する。例えば、積分部８は、切り替え部６−ｋによって重み係数Ｗから乗算対象の数値が今回の数値に切り替えられてから次の時刻の数値が乗算対象の数値に切り替えられるまでの時間長ごとに、加算信号を時間積分する。これにより、加算信号に対して、重み係数Ｗの数値列データを構成する数値の数に等しい回数の時間積分が実行される。ビーム合成信号は、出力信号として積分部８から図示しない後段の装置に出力される。

同期部９は、積分部８とビット変換部１０の各動作を時刻同期させる。なお、切り替え部６−ｋは、ビット変換部１０によって生成された重み係数Ｗを入力して動作するので、切り替え部６−ｋは、積分部８と時刻同期して動作している。

ビット変換部１０は、励振分布設定部１１に設定された振幅位相分布（複素重み係数）を、時系列な数値の数値列データに変換する。なお、振幅位相分布を当該数値列データに変換する処理を“ビット変換”と呼び、数値列データの各時刻の数値がビットの要素である。例えば、ビットの要素には、−１，０，＋１のいずれかの数値が割り当てられる。

励振分布設定部１１は、目標の放射パターンを実現するために、アンテナ素子１−１〜１−Ｋの励振分布を示す振幅位相データＡｎ（ｎ＝１，２，・・・，Ｋ）を設定する。励振分布には振幅分布および位相分布がある。例えば、振幅分布は、テイラー分布あるいはチェビシェフ分布に代表されるように、サイドローブレベルが低減されるように設定された振幅分布である。位相分布には、ビーム走査あるいはヌル点を形成するための分布がある。

振幅位相データＡｎは、目標の放射パターンを実現するために必要な開口分布、すなわち、振幅および位相からなる数値ベクトル（複素数）である。ＤＢＦにおいて、振幅位相データＡｎは、通常、１２ビットまたは１６ビットといったビット幅で離散化された情報として利用される。

図２は、図１の切り替え部６−ｋの構成を示すブロック図である。図２に示すように、切り替え部６−ｋは、複素乗算器６１−ｋおよびＳ／Ｐ変換器６２−ｋを備えている。
複素乗算器６１−ｋは、ディジタル信号Ｘの同相成分Ｘｉおよび直交成分Ｘｑに対し、Ｓ／Ｐ変換器６２−ｋから出力された重み係数Ｗの同相成分Ｗｉと直交成分Ｗｑを用いた複素乗算を実行する。これにより、アンテナ素子１−１〜１−Ｋの信号の振幅および位相が調整される。

Ｓ／Ｐ変換器６２−ｋは、ビット変換部１０から出力された重み係数Ｗの数値列データを、複素乗算器６１−ｋに入力されたディジタル信号Ｘの同相成分Ｘｉと直交成分Ｘｑにそれぞれ対応する重み係数Ｗの同相成分Ｗｉと直交成分Ｗｑの数値列データに変換する、いわゆるシリアル（Ｓ）−パラレル（Ｐ）変換を実行する。
例えば、同相成分Ｗｉが［１，０，・・・，０］であり、直交成分Ｗｑが［０，１，・・・，１］である場合、Ｓ／Ｐ変換器６２−ｋは、同相成分Ｗｉである［１，０，・・・，０］から乗算対象の数値を最初の数値“１”に切り替え、直交成分Ｗｑの最初の数値“０”を複素乗算器６１−ｋに出力する。複素乗算器６１−ｋは、同相成分Ｗｉの数値“１”と直交成分Ｗｑの数値“０”を用いて、同相成分Ｘｉおよび直交成分Ｘｑを複素乗算する。

次に、実施の形態１に係るビーム合成方法について説明する。
図３は、実施の形態１に係るビーム合成方法を示すフローチャートであり、図１に示すアレーアンテナ装置からビーム合成信号が出力されるまでの一連の処理を示している。
まず、励振分布設定部１１が、ビーム合成に関する励振分布を設定する（ステップＳＴ１）。励振分布は、アンテナ素子１−ｋのそれぞれに対応した信号に付与される振幅位相データである。例えば、Ｋ＝８である場合、アンテナ素子ごとに、８つの振幅位相データが設定される。

ビット変換部１０が、励振分布設定部１１によって設定された振幅位相データをビット変換する（ステップＳＴ２）。例えば、ビット変換部１０は、振幅位相データを、時系列な数値の数値列データに変換する。当該数値列データは、例えば、ビーム合成信号の複素振幅レベルが既定値と一致するように設定された数値の時系列データである。なお、既定値とは、ビーム合成信号の複素振幅レベルの目標値である。

図４は、実施の形態１における重み係数Ｗ、同相成分Ｗｉおよび直交成分Ｗｑの概要を示す図である。例えば、ビット変換部１０は、振幅位相データを時間軸方向に分割して、各時刻のビットの要素として０または１を割り当てる。図４に示す重み係数Ｗ、同相成分Ｗｉおよび直交成分Ｗｑは、時間軸方向に５分割された振幅位相データから生成される。ビット変換部１０によって、例えば、同相成分Ｗｉの数値列データである［１，０，１，０，１］と直交成分Ｗｑの数値列データである［１，１，１，１，１］が生成される。

また、重み係数Ｗは、同相成分Ｗｉと直交成分Ｗｑからなる複素数であり、Ｗ＝Ｗｉ＋ｊ×Ｗｑで表される。ｊは虚数単位である。例えば、同相成分Ｗｉが［１，０，１，０，１］であり、直交成分Ｗｑが［１，１，１，１，１］である場合に、Ｗｉの最初の数値“１”とＷｑの最初の数値“１”から、このときの重み係数Ｗは、Ｗ＝１＋ｊ×１という複素数となる。続いて、Ｗｉの次の数値“０”とＷｑの次の数値“１”から、重み係数Ｗが、Ｗ＝０＋ｊ×１という複素数となる。同様に、Ｗｉのさらに次の数値“１”とＷｑのさらに次の数値“１”から、重み係数Ｗが、Ｗ＝１＋ｊ×１という複素数となり、Ｗｉの次の数値“０”とＷｑの次の数値“１”から、重み係数Ｗが、Ｗ＝０＋ｊ×１という複素数となり、最後に、Ｗｉの次の数値“１”とＷｑの次の数値“１”から、重み係数Ｗが、Ｗ＝１＋ｊ×１という複素数となる。従って、ＷｉおよびＷｑから乗算対象の数値が切り替えられる時間長ごとの積分で、重み係数Ｗは、Ｗ＝３＋ｊ×５となる。

積分回数は、重み係数Ｗを時間軸方向に分割する数と等しい。
実施の形態１に係るアレーアンテナ装置では、積分回数を可能な限り多くとり、重み係数Ｗである数値列データのビット当たりの電圧分解能を小さくすることで、精緻なビーム合成を、簡単な積和演算と積分処理によって実現することができる。

アンテナ素子１−ｋは、アレーアンテナに到来した高周波信号を受信する。増幅部２−ｋは、アンテナ素子１−ｋによって受信された信号を増幅してＤＣ部３−ｋに出力する。ＤＣ部３−ｋは、ＬＯ部１４からの局部発振信号を用いて、増幅部２−ｋによって増幅された信号の周波数を周波数変換する。

図５Ａは、従来のアレーアンテナ装置におけるＡ／Ｄ変換前の受信信号（アナログ値）の時間波形を示す図であり、図６Ａは、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置におけるＡ／Ｄ変換前の受信信号（アナログ値）の時間波形を示す図である。図５Ａおよび図６Ａに示す受信信号は同一であるものとする。

従来のアレーアンテナ装置は、例えば、切り替え部６−ｋと積分部８を備えておらず、その代わりに各アンテナ素子の信号に対応する重み係数を乗算する乗算器をアンテナ素子ごとに備える点で、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置と異なる。

ＡＤ変換部４−ｋは、ＤＣ部３−ｋから出力されたアナログの入力信号（受信信号）をサンプリングすることにより、アナログの入力信号を、ディジタル信号にＡ／Ｄ変換する（ステップＳＴ３）。

図５Ｂは、従来のアレーアンテナ装置によってＡ／Ｄ変換された受信信号を示す図であり、図５Ａの受信信号からサンプリングされたディジタル信号を示している。Ａ／Ｄ変換による入力信号のサンプリングは、通常、ある信号状態（シンボル）に対して数サンプルである。図５Ｂの例では、従来のアレーアンテナ装置が、図５Ａに示した受信信号（入力信号）から時間間隔を空けて１サンプルずつサンプリングしている。

図６Ｂは、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置によってＡ／Ｄ変換された受信信号を示す図であり、図６Ａの受信信号からサンプリングされた信号を示している。ＡＤ変換部４−ｋは、アナログの受信信号から、重み係数Ｗにおける数値の数分（数値列データのビット数）の入力信号をサンプリングする。例えば、ＡＤ変換部４−ｋは、図６Ｂに示すように、図６Ａに示した受信信号（入力信号）の振幅が高い信号状態である時間間隔で、１０サンプルの信号をサンプリングしている。なお、振幅が高い信号状態である時間間隔は、同一の信号情報が受信される時間間隔に相当する。

なお、振幅が低い信号状態である時間間隔においても１０サンプルの信号がサンプリングされるが、サンプリング点が図６Ｂに示す時間範囲から外れるため、図６Ｂにおいて、全てのサンプリング点の記載を省略している。また、振幅が低い信号状態である時間間隔は、同一の信号情報が受信される時間間隔に相当する。
さらに、図４を用いて説明したように、重み係数Ｗが時間軸方向に５分割される場合、ＡＤ変換部４−ｋによって入力信号から５サンプルの信号がサンプリングされる。

ＤＤＣ部５−ｋは、ＡＤ変換部４−ｋによって生成されたディジタル信号Ｘを同相成分Ｗｉと直交成分Ｗｑに分離する。例えば、ＤＤＣ部５−ｋは、ＡＤ変換部４−ｋによって生成されたディジタル信号Ｘから、同相成分（Ｉチャネル、実部）Ｘｉと、直交成分（Ｑチャネル、虚部）Ｗｑを分離する。ディジタル信号Ｘの同相成分Ｘｉと直交成分Ｘｑは、ＤＢＦ部１５に出力される。

図５Ｃは、従来のアレーアンテナ装置における重み係数Ｗを示す図であって、図５Ｂに示したディジタル信号に対応する重み係数Ｗを示している。例えば、図５Ａに示した受信信号からサンプリングされた２つのディジタル信号のそれぞれに対応する重み係数が設定される。

ＤＢＦ１５において、切り替え部６−ｋは、重み係数Ｗから乗算対象の数値を逐次切り替えて、ＤＤＣ部５−ｋから出力された信号Ｘと乗算対象の数値の乗算処理を行う（ステップＳＴ４）。図６Ｃは、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の重み係数Ｗを示す図である。重み係数Ｗの数値列データは、図６Ｃに示すように、ＡＤ変換部４−ｋによって入力信号がサンプリングされた時間間隔に設定された数値から構成されている。図６Ｃの例では、重み係数Ｗとして０または１の数値が割り当てられている。

例えば、Ｓ／Ｐ変換器６２−ｋが、ビット変換部１０から入力した重み係数Ｗのうち、同相成分Ｗｉから乗算対象の数値を選択し、これに対応する数値を直交成分Ｗｑから乗算対象の数値として選択して複素乗算器６１−ｋに出力する。複素乗算器６１−ｋは、ディジタル信号Ｘの同相成分Ｘｉおよび直交成分Ｘｑと、同相成分Ｗｉおよび直交成分Ｗｑの乗算対象の数値とを複素乗算する。重み係数Ｗは、同相成分Ｗｉおよび直交成分Ｗｑからなる複素数（Ｗ＝Ｗｉ＋ｊ×Ｗｑ）であるので、重み係数Ｗと信号Ｘが複素乗算された値Ｙは、Ｙ＝Ｗ^＊×Ｘ＝（Ｗｉ＋ｊ×Ｗｑ）^＊×（Ｘｉ＋ｊ×Ｘｑ）で表される。＊は複素共役である。

次に、加算部７は、アンテナ素子１−ｋに対応して重み係数Ｗが乗算されたディジタル信号を加算する（ステップＳＴ５）。例えば、加算部７は、切り替え部６−１〜６−Ｋによって重み係数Ｗから乗算対象の数値が切り替えられる度に、乗算対象の数値が複素乗算された各アンテナ素子１−ｋのディジタル信号Ｘを加算する。加算部７によって算出されたディジタル信号は、積分部８に出力される。

積分部８は、加算部７によって加算されたディジタル信号を、重み係数Ｗの乗算対象の数値が切り替えられる時間長ごとに積分する（ステップＳＴ６）。例えば、積分部８は、図６Ａに示した受信信号の振幅が高い信号状態の時間間隔、すなわち、同一の信号情報が受信される時間間隔に同期して、加算されたディジタル信号を積分する。この積分処理によってアンテナ素子１−ｋのビーム合成信号が生成される。積分部８によって生成されたビーム合成信号は、出力信号として出力される（ステップＳＴ７）。

この後、ＤＢＦ部１５が、前述の処理を全ての入力信号（受信信号）に行ったか否かを確認する（ステップＳＴ８）。全ての入力信号を処理していた場合（ステップＳＴ８；ＹＥＳ）は、図３の処理が終了する。一方、未処理の入力信号があった場合（ステップＳＴ８；ＮＯ）、ステップＳＴ３の処理に戻り、前述の処理が繰り返される。

図５Ｄは、従来のアレーアンテナ装置の出力信号を示す図である。従来のアレーアンテナ装置が備えるＤＢＦ部は、直交検波されたディジタル信号に重み係数を乗算してから、各アンテナ素子のディジタル信号を加算することで、図５Ｄに示す出力信号（ビーム合成信号）を生成していた。すなわち、従来のアレーアンテナ装置では、アンテナ素子ごとに入力信号と重み係数の乗算が必要であり、重み係数の乗算回数×アンテナ素子数の次元でビット幅が増大する。このため、ディジタル演算の回路規模の増大を回避できなかった。例えば、固定小数点演算では１６ビットの入力信号に対して１６ビットの重み係数を乗算すると、これらのビット数が合わさった３２ビットが必要となる。

図６Ｄは、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の出力信号を示す図である。積分部８が、図６Ｃに示した積分区間にわたって加算信号を時間積分することで、図６Ｄに示す出力信号（ビーム合成信号）が生成される。この出力信号は、図５Ｄに示した出力信号と同一である。実施の形態１に係るアレーアンテナ装置においては、時系列な数値ごとの重み係数Ｗを各アンテナ素子１−ｋのディジタル信号に乗算することにより、重み係数Ｗの乗算処理が実質的に加算処理に置き換えられる。このため、１６ビットの入力信号に対して１６ビットの重み係数を乗算する場合であっても、１６ビットで瞬時に乗算処理を行うことが可能である。また、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置では、加算信号の積分に必要なダイナミックレンジを確保すればよく、ディジタル演算の回路規模を大幅に削減することができる。

重み係数Ｗの数値列データの数値として０か１の値を取る数値を割り当てた場合、図４に示した第１象限のベクトルで重み係数Ｗを表現することはできるが、それ以外の象限のベクトルを表現できない。そこで、第２象限から第４象限までのいずれかのベクトルで重み係数Ｗを表現するために、重み係数Ｗの数値列データの数値に−１，０および１の３値のいずれかを割り当ててもよい。

また、図６Ｂでは、１つのシンボル内（ある信号状態の時間間隔）で複数の入力信号をオーバーサンプリング、すなわち高速サンプリングする場合を示したが、同一シンボル（同一の信号）を複数回受信した結果をディジタル信号としてサンプリングしてもよい。

さらに、重み係数Ｗの数値列データを構成する数値として−１か＋１の１ビットで表現が可能な数値を割り当ててもよい。
図７は、実施の形態１における重み係数、同相成分および直交成分の別の概要を示す図である。例えば、ビット変換部１０は、振幅位相データを時間軸方向に分割して、各時刻のビットの要素として、−１または＋１を割り当てる。図７に示すように、重み係数Ｗ、同相成分Ｗｉおよび直交成分Ｗｑは、時間軸方向に５分割された振幅位相データから生成されている。ビット変換部１０によって、例えば、同相成分Ｗｉの数値列データである［１，−１，１，−１，１］と直交成分Ｗｑの数値列データである［１，１，−１，１，１］とが、瞬時的に生成される。

積分部８によって同相成分Ｗｉの数値列データ［１，−１，１，−１，１］が５回時間積分されると、１−１＋１−１＋１＝１となり、直交成分Ｗｑの数値列データ［１，１，−１，１，１］が５回時間積分されると、１＋１−１＋１＋１＝３となることから、重み係数Ｗとして、同相成分Ｗｉおよび直交成分Ｗｑを用いたＷ＝１＋ｊ×３という値が実現される。なお、重み係数Ｗの数値列データを構成する数値として０が設定されないため、重み係数Ｗの表現に制約がある。しかしながら、−１か＋１の２値、すなわち１ビットで重み係数Ｗを表現できるので、ディジタル信号に乗算される重み係数Ｗのビット数が削減されて、ディジタル演算の回路規模を削減することができる。

次に、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置のＤＢＦ部１５の機能を実現するハードウェア構成について説明する。
ＤＢＦ部１５における、切り替え部６−ｋ、加算部７、積分部８、同期部９、ビット変換部１０および励振分布設定部１１の機能は、処理回路により実現される。すなわち、ＤＢＦ部１５は、図３に示したステップＳＴ１からステップＳＴ８の処理を実行するための処理回路を備える。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行する、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）であってもよい。

図８Ａは、ＤＢＦ部１５の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。図８Ｂは、ＤＢＦ部１５の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。図８Ａおよび図８Ｂにおいて、入力インタフェース１００は、ＤＤＣ部５−ｋから切り替え部６−ｋに入力されるディジタル信号を中継するインタフェースであり、ＵＳＢ（Ｕｎｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）ポートまたはシリアルポートといった信号入力ポートである。出力インタフェース１０１は、積分部８から後段の装置へ出力される信号を中継するインタフェースであり、ＵＳＢポートまたはシリアルポートといった信号入力ポートである。

上記処理回路が図８Ａに示す専用のハードウェアである場合、処理回路１０２は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）またはこれらを組み合わせたものが該当する。なお、切り替え部６−ｋ、加算部７、積分部８、同期部９、ビット変換部１０および励振分布設定部１１の機能を別々の処理回路で実現してもよいし、これらの機能をまとめて１つの処理回路で実現してもよい。

上記処理回路が図８Ｂに示すプロセッサ１０３である場合、切り替え部６−ｋ、加算部７、積分部８、同期部９、ビット変換部１０および励振分布設定部１１の機能は、ソフトウェア、ファームウェアまたはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述されてメモリ１０４に記憶される。プロセッサ１０３は、メモリ１０４に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、切り替え部６−ｋ、加算部７、積分部８、同期部９、ビット変換部１０および励振分布設定部１１の機能を実現する。すなわち、ＤＢＦ部１５は、プロセッサ１０３により実行されるときに、図３に示したステップＳＴ１からステップＳＴ８の処理が結果的に実行されるプログラムを記憶するためのメモリ１０４を備える。これらのプログラムは、切り替え部６−ｋ、加算部７、積分部８、同期部９、ビット変換部１０および励振分布設定部１１の手順または方法をコンピュータに実行させるものである。メモリ１０４は、コンピュータを、切り替え部６−ｋ、加算部７、積分部８、同期部９、ビット変換部１０および励振分布設定部１１として機能させるためのプログラムが記憶されたコンピュータ可読記憶媒体であってもよい。

メモリ１０４には、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ−ＥＰＲＯＭ）などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤなどが該当する。

なお、切り替え部６−ｋ、加算部７、積分部８、同期部９、ビット変換部１０および励振分布設定部１１の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。例えば、切り替え部６−ｋ、加算部７および積分部８については、プロセッサ１０３が、メモリ１０４に記憶されたプログラムを読み出して実行することによってその機能を実現し、同期部９、ビット変換部１０および励振分布設定部１１については専用のハードウェアとしての処理回路でその機能を実現してもよい。このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせによって、上記機能のそれぞれを実現することができる。

以上のように、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置およびビーム合成方法では、時系列な数値の数値列データである重み係数Ｗから乗算対象の数値を逐次切り替えて、乗算対象の数値を、直交検波されたディジタル信号に乗算し、乗算対象の数値が乗算された各アンテナ素子１−ｋのディジタル信号を加算し、加算されたディジタル信号を、乗算対象の数値が切り替えられる時間長ごとに積分してビーム合成信号を生成する。時系列な数値ごとの重み係数Ｗを各アンテナ素子１−ｋのディジタル信号に乗算することにより、当該ディジタル信号に乗算される重み係数のビット数が削減されるので、ディジタル演算の回路規模を削減することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

本発明に係るアレーアンテナ装置は、ディジタル演算の回路規模を削減することができるので、様々な無線システムに利用可能である。

１−ｋ，１−１〜１−Ｋ アンテナ素子、２−ｋ，２−１〜２−Ｋ 増幅部、３−ｋ，３−１〜３−Ｋ ＤＣ部、４−ｋ，４−１〜４−Ｋ ＡＤ変換部、５−ｋ，５−１〜５−Ｋ ＤＤＣ部、６−ｋ，６−１〜６−Ｋ 切り替え部、７ 加算部、８ 積分部、９ 同期部、１０ ビット変換部、１１ 励振分布設定部、１２ 数値制御発振部（ＮＣＯ）、１３ ９０度移相部、１４ 局部発振部（ＬＯ部）、１５ ＤＢＦ部、６１−ｋ 複素乗算器、６２−ｋ Ｓ／Ｐ変換器、１００ 入力インタフェース、１０１ 出力インタフェース、１０２ 処理回路、１０３ プロセッサ、１０４ メモリ。

Claims (10)

1. 複数のアンテナ素子と、
   複数のアンテナ素子にそれぞれ対応したディジタル信号を生成する変換部と、
   前記ディジタル信号を直交検波する直交検波部と、
   直交検波された前記ディジタル信号に基づいてビーム合成信号を生成するビーム形成部と、
   を備えたアレーアンテナ装置であって、
   前記ビーム形成部は、
   時系列な数値の数値列データである重み係数から、乗算対象の数値を逐次切り替えて、前記乗算対象の数値を、直交検波された前記ディジタル信号に乗算する切り替え部と、
   前記乗算対象の数値が乗算された各アンテナ素子の前記ディジタル信号を加算する加算部と、
   加算された前記ディジタル信号を、前記乗算対象の数値が切り替えられる時間長ごとに積分して前記ビーム合成信号を生成する積分部と、
   を備えたことを特徴とするアレーアンテナ装置。
2. 前記重み係数は、−１、０および＋１のいずれかの値をとる数値の数値列データであること
   を特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
3. 前記重み係数を構成する数値は、−１または＋１のいずれかの値をとる数値の数値列データであること
   を特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
4. 前記重み係数は、前記ビーム合成信号の複素振幅位相レベルが既定値と一致するように数値が設定された数値列データであること
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項記載のアレーアンテナ装置。
5. 前記積分部は、同一の信号情報が受信される時間間隔に同期して積分を行うこと
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項記載のアレーアンテナ装置。
6. 複数のアンテナ素子が信号を受信するステップと、
   変換部が、複数のアンテナ素子のそれぞれに対応したディジタル信号を生成するステップと、
   直交検波部が、前記ディジタル信号を直交検波するステップと、
   ビーム形成部が、直交検波された前記ディジタル信号に基づいてビーム合成信号を生成するステップと、
   を備えたビーム合成方法であって、
   切り替え部が、時系列な数値の数値列データである重み係数から、乗算対象の数値を逐次切り替えて、前記乗算対象の数値を、直交検波された前記ディジタル信号に乗算するステップと、
   加算部が、前記乗算対象の数値が乗算された各アンテナ素子の前記ディジタル信号を加算するステップと、
   積分部が、加算された前記ディジタル信号を、前記乗算対象の数値が切り替えられる時間長ごとに積分して前記ビーム合成信号を生成するステップと、
   を備えたことを特徴とするビーム合成方法。
7. 前記重み係数は、−１、０および＋１のいずれかの値をとる数値の数値列データであること
   を特徴とする請求項６記載のビーム合成方法。
8. 前記重み係数を構成する数値は、−１または＋１のいずれかの値をとる数値の数値列データであること
   を特徴とする請求項６記載のビーム合成方法。
9. 前記重み係数は、前記ビーム合成信号の複素振幅位相レベルが既定値と一致するように数値が設定された数値列データであること
   を特徴とする請求項６から請求項８のいずれか１項記載のビーム合成方法。
10. 前記積分部は、同一の信号情報が受信される時間間隔に同期して積分を行うこと
    を特徴とする請求項６から請求項８のいずれか１項記載のビーム合成方法。

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