JPH0541607A - アダプテイブアレイアンテナ制御方式 - Google Patents

アダプテイブアレイアンテナ制御方式

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JPH0541607A
JPH0541607A JP3219348A JP21934891A JPH0541607A JP H0541607 A JPH0541607 A JP H0541607A JP 3219348 A JP3219348 A JP 3219348A JP 21934891 A JP21934891 A JP 21934891A JP H0541607 A JPH0541607 A JP H0541607A
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adaptive array
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    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/14—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/28—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using amplitude comparison of signals derived simultaneously from receiving antennas or antenna systems having differently-oriented directivity characteristics
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】相対遅延時間の少ない信号成分のみを選択して
受信することにより、マルチパス干渉の影響を軽減する
とともに、少ない素子数のアダプティブアレイアンテナ
で等価的な利得を向上させ、マルチパス環境下でも高速
データの通信を可能とすることを目的とする。 【構成】複数のアンテナ素子１−１〜１−Ｎを持つアダ
プティブアレイアンテナにおいて、各アンテナ素子で受
信した信号を用いて、その中に含まれている到来方向お
よび遅延時間の異なるそれぞれの信号成分の到来方向と
それらの相対遅延時間を推定し、あらかじめ定めた所定
の時間幅内に含まれる信号成分の全電力が最も高い相対
遅延時間区間と、その区間に含まれる信号成分を選択
し、選択された信号成分を同位相で合成するようにアレ
イアンテナの指向性を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、マルチパス干渉軽減機
能を有するアダプティブアレイアンテナの指向性制御方
式に関する。
【０００２】
【従来の技術】アダプティブアレイアンテナは、適応的
に指向性を制御することにより、アンテナで受信してい
る複数の信号成分のうち、送信点より直接到達している
信号成分（以下、直接波という）、あるいは遅延時間の
最も短い信号成分（以下、先行波という）、あるいは最
も信号レベルの高い信号成分など、複数到来している信
号成分のうちの１つを受信し、他の信号成分の影響を除
去することにより、マルチパス干渉の影響を軽減してい
る。
【０００３】まず、アダプティブアレイアンテナの動作
について簡単に説明する。図２は、従来使用されている
アダプティブアレイアンテナの構成の一例を示したもの
である。図において、１はアンテナ素子、４は可変複素
荷重器、５は混合器、６は誤差検出回路、７は複素荷重
制御回路である。ｎ番目のアンテナ素子1−n で受信さ
れた信号ｘn(t)は、その振幅と位相を制御するため、可
変複素荷重器４において複素荷重ｗn と掛け合わされ
る。振幅と位相を制御された信号は、混合器５において
他のアンテナ素子で受信された信号と混合され、アダプ
ティブアレインテナの出力信号 y(t) となる。誤差検出
回路６では、出力信号 y(t) を用いて計算した評価関数
e(y) の値と、所望の値との誤差を検出する。検出した
誤差情報は複素荷重制御回路７に送られ、誤差が少なく
なるように可変複素荷重器に与える荷重ｗn を制御す
る。このようなフィードバックループにより、アダプテ
ィブアレイアンテナは所望の信号を出力するように動作
する。
【０００４】次に、図３から図５を用いて、従来のアダ
プティブアレイアンテナがマルチパス干渉を軽減する様
子を示す。図において、９は送信点、10は受信点、＃１
から＃５は受信点10に到来している信号成分を区別する
ための番号、θ1 からθ5 は、＃１から＃５の各信号成
分が受信点10に到来するときの到来角度方向、Ｔ1 から
Ｔ5 は、＃１から＃５の各信号成分の受信点での遅延時
間を表す。
【０００５】図３はマルチパス伝搬路の例であり、送信
点からの信号波が、構築物等で反射回折することによ
り、複数の角度方向から受信点に到来している例を示し
ている。
【０００６】図４は、図３をより詳細に表したものであ
り、受信点に到来している信号成分＃１から＃５の信号
到来角度方向と遅延時間を示している。従来のアダプテ
ィブアレイアンテナでは、送信点９からの直接波、ある
いは先行波、あるいは最もレベルの高い信号成分を受信
するように指向性が制御される。この例では信号成分＃
１が直接波であり、受信レベルが最も高いため、信号成
分１のみを受信するようにアンテナ指向性が制御され、
アダプティブアレイアンテナの指向性は図５のようにな
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】都市内において広帯域
ディジタル通信を実現しようとする場合、異なる遅延時
間を有する信号成分間の相対的な遅延時間の広がりが、
伝送している信号のシンボル間隔と比較して数倍ときわ
めて長くなることが予想される。また、送信点からの直
接波を受信できない場合も十分に想定される。広帯域通
信では受信G ／Tを高める必要があるが、遅延時間の広
がりが長い場合には、受信レベルを高めるために到来し
ている信号成分をそのまま合成すると、信号に歪みを生
じる。また、直接波が受信できない場合、受信している
複数の信号成分のうち先行波の電力が必ずしも強いとは
限らないため、先行波のみを受信すると所要の受信信号
レベルが得られない場合が生じると考えられる。また、
いくつかの信号成分はほぼ同一レベルで到来すると考え
られるが、これらの信号成分は同一の情報を有している
ため、一つの信号成分のみを選択すると、他の信号成分
の持つエネルギーは利用しないことになり、効率が悪
い。
【０００８】このような理由から、従来の技術では受信
しようとする特定の信号成分の到来角度方向に利得の高
い指向性を形成しなければならず、アダプティブアレイ
アンテナには多数のアンテナ素子が必要であるという欠
点を有していた。
【０００９】本発明は、上述した従来技術の問題点を解
決するためになされたもので、信号の到来状況に応じて
最適なアダプティブアレイアンテナの指向性を構成する
方式を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明の特徴は、空間内に置かれた複数のアンテナ素
子を有するアレイアンテナと、各アンテナ素子で受信し
た信号の振幅と位相あるいは振幅と遅延を任意に制御す
る回路と、該回路からの各アンテナ素子に関する出力信
号を合成する回路と、振幅と位相の制御量を決定するた
めの演算回路とを具備したアダプティブアレイアンテナ
において；各アンテナ素子で受信した伝搬経路あるいは
遅延時間の異なる複数の信号成分を含んだ信号を用い
て、受信している信号に含まれているそれぞれの信号成
分の到来方向を推定し；推定したそれぞれの到来方向か
ら到来している信号成分を抽出するとともに、そのうち
基準となるひとつの信号成分を決定し、基準信号成分と
その他の信号成分との相対遅延時間を求め；あらかじめ
定めた所定の時間幅内に含まれる信号成分の全電力が最
も高い相対遅延時間区間と、その区間に含まれる信号成
分を選択し；選択された信号成分を同位相で合成するた
め、それら信号成分の到来方向にアレイアンテナの指向
性を構成するように、振幅と位相の制御回路を制御する
アダプティブアレイアンテナ制御方式にある。
【００１１】
【作用】本発明によると、信号に歪みが生じない程度に
あらかじめ定められた相対遅延時間内に含まれる信号成
分のみを選択し、それらを同位相で合成してアダプティ
ブアレイアンテナの等価的な利得が増加するように、選
択された信号成分の到来角度方向にアダプティブアレイ
アンテナの指向性を構成する。
【００１２】まず到来する各信号成分について、その到
来角度方向およびそれらの相対遅延時間を推定する。そ
の後、一定の遅延時間幅内にある信号成分のみを選択し
て受信する。
【００１３】従って、ほぼ単一の遅延時間を有する信号
成分の和が出力されることになり、マルチパス干渉が軽
減される。さらに、ほぼ同一の遅延時間を有している信
号成分を同相で合成しているため、これらの信号成分に
含まれるエネルギーは全て利用しており、効率が良い。
結果として、アンテナとしての等価的な利得が向上する
ことになり、受信信号レベルを高く保つことができ、良
好な通信を提供することができる。
【００１４】
【実施例】図１、および図６から図９を用いて、本発明
によるアダプティブアレイアンテナの指向性が制御され
る様子を示す。図において、１はアンテナ素子、２はア
ナログ・ディジタル変換器、３は入力データを保存する
ためのメモリ、４は可変複素荷重器、５は混合器、６は
誤差検出回路、７は複素荷重制御回路、８は複素荷重値
を保存するためのメモリ、10は受信点の位置、＃１から
＃５は受信点10に到来している信号成分を区別するため
の番号、θ1 からθ5 は、＃1 から＃5 の各信号成分が
受信点10に到来するときの到来角度方向、Ｔ1 からＴ5
は、＃１から＃５の各信号成分の受信点での遅延時間を
表す。
【００１５】送信点より送信された信号ｓは、構築物等
によって反射・回折され、受信点には複数の角度方向
（この例ではθ1 〜θ5 ）から到来する。これらをｓm
（m ＝1,2,..,5）とする。受信点に設置されたアダプテ
ィブアレイアンテナのｎ番目のアンテナ素子1 −n で
は、これらの信号成分を同時に受信する。受信した信号
は、アナログ・ディジタル変換器２によりディジタル信
号に変換され、信号成分の到来角度方向推定と相対遅延
時間の計算に用いるため、一時的にメモリ３に保存され
る。
【００１６】以下では、ｎ番目のアンテナ素子で受信し
た信号をｘn（n ＝1,2,..,N： Nはアンテナ素子数）で
表し、ｘn を一定時間ΔＴこどにサンプリングした値を
ｘn( k) （K=0,1,..,K）で表す。
【００１７】ｘn(k)を用いて各信号成分の到来方向を推
定する最も簡単な方法は、角度空間を走査することであ
る。このためには、特定の角度方向のみに指向性をもた
せるために必要な振幅と位相の制御量をあらかじめ計算
しておき、保存した信号との積を計算してその角度方向
から到来する信号のレベルを推定し、レベルの強度で信
号の有無を判断すればよい。以下この方法の概略を示
す。ここではＮ個の無指向性アンテナ素子を円形に並べ
たアレイアンテナを想定している。アンテナ素子数がＮ
の場合、アンテナの指向性ビーム幅はおよそ360 ／2 π
N[deg]程度になる。そこで、図７に示すように、適当な
数のアンテナビームで全角度空間を覆い、それぞれのア
ンテナビームを構成するような複素荷重値ｗndを予め計
算しておく。ｄ番目の指向性ビーム方向から到来してい
る信号成分ｙd(k)は、ｄ番目の指向性ビームを作成する
ための複素荷重ｗndと入力信号ｘn(k)とを用いて ｙd(k)＝Σｗnd・ｘn(k) (1) を計算すれば求められる。ｙd(k)の信号レベルを計算
し、システムの雑音レベルと比較すれば、その角度方向
から信号成分が到来しているかどうかを判断できる。あ
るいは、T.J.Shan, M.Wax and T.Kailath "On Spatial
Smoothing for Direction-of-Arrival Estimation of C
oherent Signals", IEEE Trans. Acoustics,Speech, an
d Signal Processing, Vol ASSP-33, No.4, pp806-811
に示されているように、空間スムージングを用いて信号
成分の到来角度方向を推定することも可能である。
【００１８】信号成分の到来角度方向の推定が終了し、
到来角度方向に対応する信号成分ｙd(k)が得られると、
これを用いて信号の相対遅延時間を計算することができ
る。このためには、まず基準とする信号成分を選択する
必要がある。実際にはｙd(k)自身も遅延時間の異なるい
くつかの信号成分（マルチパス信号成分）の和となって
いる可能性も十分考えられるので、基準となる信号成分
としては、信号レベルが十分高く、しかもできるだけ単
一の信号成分からなるものを選択する。信号成分は送信
側においてランダムな信号で変調されていると考えられ
るので、それ自身に遅延信号成分を持たない（マルチパ
ス成分を含んでいない）場合には、自己相関係数は図８
（ａ）のような形状になる。一方、自分自身に遅延信号
成分をもつ（マルチパス成分を含む）場合には、図８
（ｂ）のように対応する相対遅延時間の位置にピークが
現れる。従って、自己相関関数を計算してその形を検査
することにより、この目的は達せられる。基準となる信
号成分を決定したら、基準信号成分との相互相関関数を
計算し、ピーク位置の現れる位置を求めれば、相対遅延
時間が得られる。以上で、受信している信号成分の到来
角度方向と、それらの相対遅延時間が推定できる。
【００１９】つぎに受信する信号成分の選択を行う。こ
の際、同相で合成できること、合成しても受信信号に歪
を生じないこと、十分な受信レベルが得られること等が
重要となる。そのため、 (1) 合成しても信号にさほど歪を生じない遅延時間幅Ｔ
を決定する。これは、例えば通信するシンボル間隔の50
％というように決定する。 (2) 相対遅延時間［t,t ＋T ］に含まれる信号電力が最
も高くなるｔを求める。このt を以下ではｔs で表す。 (3) 相対遅延時間［ts,ts ＋T ］にある信号成分を選出
し、相対遅延時間とＲＦ周波数とから、ＲＦ周波数にお
ける位相差を計算する。 このようにして、アダプティブアレイアンテナで構成す
べき指向性ビームの方向と、ビームの位相を決定し、こ
のようなビームを構成するための複素荷重値ｗn（n=1,
2,..,N）を計算すれば、所望するアダプティブアレイア
ンテナの指向性が得られる。図６のような場合には、図
９に示すように信号成分＃２、＃４および＃５を同相で
受信するような指向性が得られる。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いる
と、合成しても歪を生じない信号成分のみを選択して受
信し合成するので、マルチパス干渉の影響を軽減すると
ともに十分な受信信号レベルが得られるため、マルチパ
ス干渉が存在するような環境下でも広帯域な信号の通信
が可能となる。なお、到来している信号成分の到来角度
方向および遅延時間の推定と、アダプティブアレイアン
テナの指向性構成に用いるアンテナ素子数は同一である
ため、与えられたアンテナ素子数では最適な指向性を構
成している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するためのアダプティブアレイア
ンテナの構成例である。
【図２】従来のアダプティブアレイアンテナの構成例で
ある。
【図３】マルチパス伝搬路の例である。
【図４】マルチパス信号成分の到来角度方向と遅延時間
の一例である。
【図５】従来のアダプティブアレイアンテナを用いた場
合に得られる指向性の例である。
【図６】マルチパス信号成分の到来角度方向と遅延時間
の一例である。
【図７】信号成分の到来方向推定に用いる指向性パター
ンの一例である。
【図８】自己相関係数の形状を示した図である。
【図９】本発明によって得られるアダプティブアレイア
ンテナの指向性の一例である。
【符号の説明】
１−１〜１−Ｎ アダプティブアレイアンテナのアンテ
ナ素子 ２−１〜２−Ｎ アナログ・ディジタル変換器 ３ 入力データを保存するためのメモリ ４−１〜４−Ｎ 可変複素荷重器 ５ 混合器 ６ 誤差検出回路 ７ 荷重制御回路 ８ 複素荷重値を保存するためのメモリ ９ 送信点 １０ 受信点

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 空間内に置かれた複数のアンテナ素子を
    有するアレイアンテナと、各アンテナ素子で受信した信
    号の振幅と位相あるいは振幅と遅延を任意に制御する回
    路と、該回路からの各アンテナ素子に関する出力信号を
    合成する回路と、振幅と位相の制御量を決定するための
    演算回路とを具備したアダプティブアレイアンテナにお
    いて、 各アンテナ素子で受信した伝搬経路あるいは遅延時間の
    異なる複数の信号成分を含んだ信号を用いて、受信して
    いる信号に含まれているそれぞれの信号成分の到来方向
    を推定し、 推定したそれぞれの到来方向から到来している信号成分
    を抽出するとともに、そのうち基準となるひとつの信号
    成分を決定し、基準信号成分とその他の信号成分との相
    対遅延時間を求め、 あらかじめ定めた所定の時間幅内に含まれる信号成分の
    全電力が最も高い相対遅延時間区間と、その区間に含ま
    れる信号成分を選択し、 選択された信号成分を同位相で合成するため、それら信
    号成分の到来方向にアレイアンテナの指向性を構成する
    ように、振幅と位相の制御回路を制御することを特徴と
    するアダプティブアレイアンテナ制御方式。
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