KR100282643B1 - Apparatus and method for adaptive array antenna adaptive control - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 적응 배열 안테나를 탑재한 이동체에서 MUSIC 알고리즘을 이용하여 빔 성형을 수행할 때 수신 각도를 근사 방향정보로 변환하고, 위상 지연값을 기설정 저장하여 사용함으로써 수치 계산의 복잡성과 메모리 증가를 감소시키고, 또한 이동체에 탑재하여 실시간 신호처리가 가능한 적응 배열 안테나의 적응 제어 장치와 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 적응 제어 장치의 구성은, 소정 배열 안테나 소자에 의해 수신된 신호들은 디지털 신호로 추출하는 신호처리 채널(30); 수신된 신호들의 상관 관계를 계산하여 상관값을 구하고, MUSIC 알고리즘을 적용하여 수신 각도를 탐지하는 중앙처리 장치(50); 탐지된 수신 각도에 상응하여 안테나 소자의 빔을 일정 각도 이격시켜서 근사 방향정보로 변환하는 각도 변환 및 양자화 수단(60); 근사 방향정보에 상응하여 기설정 저장된 가중치를 출력하는 룩업 테이블 롬(70); 및 각각의 안테나 소자에 수신된 신호와 가중치로부터 빔 성형 패턴을 형성하여 출력하는 출력 수단(80)으로 구성되며, 본 발명은 채널 소자의 수를 줄일 수 있기 때문에 저가격으로 시스템을 구현할 수 있고, 또한 간섭 신호를 제거하는 가중치들의 값들을 미리 룩업 테이블에 저장하여 독출함으로써 계산의 복잡성과 메모리를 감소시킬 수 있으며, 또한 이동체에서 실시간으로 간섭 신호를 제거할 수 있는 유용한 발명인 것이다.In the present invention, when a beamforming is performed using a MUSIC algorithm in a moving object equipped with an adaptive array antenna, the reception angle is converted into approximate direction information, and the phase delay value is preliminarily stored and used. The present invention relates to an adaptive control device and adaptive control method for an adaptive array antenna capable of real-time signal processing by reducing the number of signals received by a predetermined array antenna element, A signal processing channel (30) for extracting a signal; A central processing unit 50 for calculating a correlation value of received signals to obtain a correlation value, and detecting a reception angle by applying a MUSIC algorithm; Angle conversion and quantization means (60) for converting the beam of the antenna element into a near-direction information by separating the beam of the antenna element at a predetermined angle corresponding to the detected reception angle; A lookup table ROM 70 for outputting a preset weight value corresponding to the approximate direction information; And output means 80 for forming and outputting a beam forming pattern from the signals and weights received by the respective antenna elements. The present invention can realize a system at a low cost because the number of channel elements can be reduced, The values of the weights for eliminating the interference signal are stored in advance in the lookup table and read out, thereby reducing computational complexity and memory, and it is also a useful invention capable of removing interference signals in real time from a moving object.
Description
본 발명은 적응 배열 안테나의 적응 제어 장치와 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 적응 배열 안테나(Adaptive Array Antenna)를 탑재한 이동체에서 MUSIC(Multiple Signal Classification) 알고리즘을 이용하여 빔 성형을 수행할 때 수신 각도를 근사 방향정보로 변환하고, 위상 지연값을 기설정 저장하여 사용함으로써, 수치 계산의 복잡성과 메모리 증가를 감소시키고, 그리고 낮은 신호대 잡음비(SNR) 환경에서도 오차를 보완하여 수신 각도를 탐지하며, 또한 이동체에 탑재하여 실시간 신호처리가 가능한 적응 배열 안테나의 적응 제어 장치와 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus and method for adaptive control of an adaptive array antenna, and more particularly, to a method and apparatus for adaptive control of an adaptive array antenna in a mobile body equipped with an Adaptive Array Antenna By converting angles into approximate direction information and storing and using phase delay values in advance, it is possible to reduce the complexity of numerical calculation and memory increase, and to compensate for errors even in a low SNR environment, The present invention also relates to an adaptive control apparatus and method of an adaptive array antenna capable of real-time signal processing mounted on a moving object.
적응 배열 안테나란 동작 중인 안테나의 빔 성형(Beamforming) 패턴을 제어할 수 있는 배열 안테나를 말한다. 즉 적응 배열 안테나는 시간의 변화에 따라서 자주 변하는 신호의 환경에 따라 안테나의 빔 성형 패턴이 자동적으로 바뀌는 안테나로서, 배열 안테나의 출력에서 SNIR(Signal-to-Noise plus Interference Ratio)을 최적화시키는 방법을 사용한다. 따라서 적응 배열 안테나는 간섭 신호의 방향을 알지 못할 때에도, 간섭 신호로부터 통신 시스템을 보호할 수 있는데, 이러한 적응 배열 안테나를 사용하기 위해서는 올바른 신호방향의 탐지가 필요하다.An adaptive array antenna is an array antenna that can control the beamforming pattern of an active antenna. That is, the adaptive array antenna is an antenna in which the beamforming pattern of the antenna is automatically changed according to the environment of the signal which changes frequently according to the change of time, and a method of optimizing SNIR (Signal-to-Noise plus Interference Ratio) use. Therefore, the adaptive array antenna can protect the communication system from the interference signal even when the direction of the interference signal is not known. In order to use the adaptive array antenna, it is necessary to detect the correct signal direction.
따라서 잡음이 부가된 수신 신호로부터 신호의 수신 방향을 탐지해내기 위한 연구가 레이더, 소나, 무선신호 프로세싱 등의 응용 분야에서 계속되어져 왔고, 또한 서브페이스(Subface)를 이용하는 연구 분야는 높은 효율과 낮은 계산적 복잡성을 가지는 방법으로 발전시켜 왔는데, MUSIC 알고리즘이 그에 해당된다.Therefore, research for detecting the direction of receiving signals from a received signal with noises has been continued in applications such as radar, sonar, and radio signal processing, and research fields using a subframe have been studied for a high efficiency and low We have developed a method with computational complexity, which is the MUSIC algorithm.
다시 말해서, 상기 적응 배열 안테나 시스템은 간섭 신호 제거 능력이 우수하기 때문에 시스템 용량을 증가시켜 줄 수 있다. 따라서 적응 배열 안테나 시스템은 폭증하는 이동 통신 수요를 충족시켜 줄 수 있으며, 정보량이 큰 멀티미디어 서비스를 제공하는 IMT 2000 시스템에서는 적응 배열 안테나의 사용이 불가피한 실정이다.In other words, the adaptive array antenna system can increase the capacity of the system because of its excellent interference cancellation capability. Therefore, the adaptive array antenna system can meet the demand of the mobile communication, and it is inevitable to use the adaptive array antenna in the IMT 2000 system providing the multimedia service having a large amount of information.
한편, 적응 빔 성형 기술은 통신 또는 방송위성과의 양방향 통신을 위해 사용되며, 군사분야에서는 그 실용범위가 상당한 수준에 도달해 있는데 이를 민간통신 분야에 활용하는데는 기술적인 문제보다 기술 외적인 문제, 즉 구현하는데 소용되는 가격 문제가 가장 큰 난관으로 지적되고 있다. 따라서 양방향 위성통신을 위한 적응 빔 성형 기법은 최소의 부품을 사용하되 우수한 통신성능을 유지할 수 있는 빔 패턴을 어떻게 생성할 것인가의 문제로 귀착된다. 또한 위성을 이용한 이동 통신뿐만 아니라 IMT-2000에서 추구되는 차세대 이동통신 환경에서 필수 불가결한 적응 배열 안테나 기술은 사용자의 저변확대 및 기술개발을 통해 가격 및 신뢰도 상의 문제를 조만간에 해결해야 할 것이다.On the other hand, the adaptive beamforming technology is used for two-way communication of communication or broadcasting performance. In the military field, its practical range has reached a considerable level. However, in utilizing it in the field of civil communication, The price problem that is used to solve this problem is the biggest problem. Therefore, the adaptive beamforming scheme for bidirectional satellite communication results in a problem of how to generate a beam pattern that uses the minimum number of components but maintains excellent communication performance. In addition, the adaptive array antenna technology, which is indispensable in the next generation mobile communication environment pursued by IMT-2000 as well as satellite-based mobile communication, needs to solve the problem of price and reliability soon by enlarging the user base and developing the technology.
그리고, 이동체 탑재 적응 배열 안테나는 아직도 전세계적으로 상용 시스템이 개발되어 있지 않는 실정이고, 이동체 탑재 적응 빔 성형 기술은 우선 요구되는 빔의 정확도 및 신뢰도를 위하여 디지털 신호처리가 요구된다.In addition, a commercially available adaptive array antenna for a mobile object has not yet been developed in the world, and adaptive beam forming technology for a mobile object requires digital signal processing for the accuracy and reliability of a required beam.
종래의 적응 배열 안테나 시스템은 의도된 신호의 방향을 탐지하는 부분, 그리고 의도된 방향과 간섭 제거 알고리즘에 의해 가중치를 구하는 적응 프로세서부로 크게 구성되며, 각각의 안테나 소자(Antenna Element)에 수신된 신호와 가중치들의 곱의 합으로 안테나 출력신호를 얻게 되어 있다.The conventional adaptive array antenna system consists largely of a part for detecting the direction of an intended signal and an adaptive processor part for obtaining a weight by an intended direction and an interference cancellation algorithm. And the antenna output signal is obtained as the sum of the products of the weights.
도 1은 종래의 기술에 따른 적응 배열 안테나의 적응 제어 장치의 구성도로서, M×M 안테나 소자(2)를 가진 적응 배열 안테나(1); 상기 각 안테나 소자로부터 수신된 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호처리 채널(3); 상기 신호처리 채널(3)로부터 수신되는 M×M개의 각각의 수신 신호에 해당 알고리즘을 적용하여 가중치인 위상 지연값을 출력하는 적응 프로세서(4); 상기 M×M 안테나 소자의 수신신호와 각각의 가중치를 곱하는 M×M개의 승산기(5); 및 상기 승산기(5)의 출력을 모두 더해서 안테나 출력신호를 출력하는 가산기(6)로 이루어져 있고, 상기 적응 프로세서(4)는 MUSIC 알고리즘을 사용하여 M×M개의 가중치를 각각 구하게 되어 있다.FIG. 1 is a configuration diagram of an adaptive control apparatus of an adaptive array antenna according to the prior art, which includes an adaptive array antenna 1 having an M × M antenna element 2; A signal processing channel 3 for converting a signal received from each antenna element into a digital signal; An adaptive processor 4 for applying a corresponding algorithm to each of M × M received signals received from the signal processing channel 3 and outputting a weighted phase delay value; M × M multipliers (5) multiplying the received signals of the M × M antenna elements by respective weights; And an adder 6 for adding the output of the multiplier 5 and outputting an antenna output signal. The adaptive processor 4 obtains M × M weights by using a MUSIC algorithm.
도 2는 상기 도 1의 디지털 신호처리 채널(3)의 상세 구성도로서, 다운 컨버터(D/C)(31), 대역 통과 필터(BFP)(32), 및 아날로그/디지털 변환기(ADC)(33)로 구성되어, 무선 주파수인 수신신호를 적절한 주파수 대역의 디지털 신호로 변환하게 된다. 그리고 도 3은 상기 도 1의 적응 프로세서(4)의 상세 구성도로서, 수신 신호(
한편, 상기 MUSIC 알고리즘에 관해 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 여기에서 상기 MUSIC 알고리즘은 수신되는 신호의 방향을 탐지하기 위해 사용되는 알고리즘으로서 이를 이용해 도출된 신호의 방향을 이용해 빔 성형을 수행할 수 있다.The MUSIC algorithm will be described in detail as follows. Here, the MUSIC algorithm is an algorithm used to detect a direction of a received signal, and can perform beamforming using the direction of the derived signal.
먼저, MUSIC 알고리즘의 신호 모델은 다음과 같다.First, the signal model of the MUSIC algorithm is as follows.
즉, M 배열 소자에 수신된 신호들이 D개의 신호들과 잡음들로 선형적인 조합을 이룬다면, 각 배열 안테나의 수신 신호들은 다음과 같이 표현된다.That is, if the signals received by the M array elements are linearly combined with the D signals and the noise, the received signals of the respective array antennas are expressed as follows.
즉, 이는That is,
로 표시될 수 있고, 이때
의 형태를 갖는다..
신호들은 크기와 위상을 갖는 복소수 량인
로 나타내어진다.Lt; / RTI >
다음에, 상기 MUSIC 알고리즘의 원리는 다음과 같다.Next, the principle of the MUSIC algorithm is as follows.
먼저, 벡터 X의 M*M 상관 행렬(Correlation Matrix)은,First, the M * M correlation matrix of the vector X,
이고, 이는 다음과 같이 나타낼 수 있다., Which can be expressed as follows.
이때,
라고 쓸 수 있다.Can be written.
상기 R의 M 고유벡터(eigenvector)는
만일
로 정의된다..
만일
한편, 도 4는 3개의 1차원 배열 소자를 가지는 안테나를 도시하고 있으며, 여기에서 수신 신호는
이때,
상기
또한 소자간의 간격은 반파장으로 정의하였으므로,Also, since the interval between elements is defined as half wavelength,
이다.to be.
여기서 상관 행렬의 계산을 위해 행렬들을 정리해 보면,Here, when the matrices are summarized for the calculation of the correlation matrix,
이 되고, 이들을 이용하여 상관 행렬을 구하면,And a correlation matrix is obtained by using these,
이 되고, 각 항의 계산은, And the calculation of each term is
이 된다..
따라서, 상관 행렬
이를 이용하여 고유벡터(eigenvector)를 계산할 수 있고, 상기 식 8을 이용할 수 있게 된다.Using this, an eigenvector can be calculated, and Equation (8) can be used.
도 5는 두 개의 각 축에 대해 세 개의 배열 소자를 가지는 안테나를 도시하고 있으며, 다섯 개의 안테나 소자는 각 축에 대해 반파장만큼 떨어져 있는 상태이다. 여기에서, 수신되는 신호는 각각 고도각(
상기 수신 신호는 X축 소자에 대해 u의 각도로 수신되고, Y축 소자에 대해서는
한편, 도 6은 10×10 평면 배열 안테나(Planar Array Antenna)를 도시하고 있으며, 이를 이용하여 빔 성형을 수행할 경우, 기준 소자는 X축과 Y축이 시작되는 지점의 소자로 가정하고, 여기에서, 최적 가중치
로 주어지고, 여기에서, 상기
로 주어지며, 각각의 가중치와 수신 신호의 곱의 합의 형태로 출력되게 된다.And is output in the form of a sum of products of the weights and the received signals.
한편, 상기 MUSIC 알고리즘을 이용하여 신호의 수신 방향을 탐지하고, 이를 기반으로 빔 성형을 수행할 때, 모델로 사용된 신호는 모두 25[dB]을 가지도록 가정하였고, 시뮬레이션의 결과는 각각의
신호 방향의 탐지는 3×3 적응 배열 안테나를 사용하였고, 그리고 빔 성형의 수행은 10×10 적응 배열 안테나를 사용하였다.The signal direction was detected using a 3 × 3 adaptive array antenna, and the beamforming was performed using a 10 × 10 adaptive array antenna.
도 7은 기본적인 신호 방향 탐지 모델로서 수신각 (
도 8은 기본적인 빔 성형을 표시하며, 수신각 (
도 9는 1차원 3개의 소자에 의한 (
도 10은 종래의 2차원 3 소자 신호방향 탐지(
도 11은 종래의 2차원 10×10 소자 빔 성형(
그러나, 종래의 적응 배열 안테나 시스템에서는 원하는 신호의 방향을 탐지하기 위해서 각 안테나 소자당 다운컨버터, 밴드패스 필터, 아날로그/디지털 변환기로 이루어지는 많은 채널 소자를 필요로 하기 때문에 시스템이 복잡할 뿐만 아니라 상용화하기에 가격의 높고, 시간에 따라 변하는 신호에 대해 간섭을 억제하는 가중값과 방향을 탐지하기에 수치 계산상의 복잡성과 메모리의 증가하며, 또한 실시간 신호처리가 불가능하다는 문제점이 있다.However, in the conventional adaptive array antenna system, many channel elements including a down-converter, a band-pass filter, and an analog-to-digital converter are required for each antenna element in order to detect the direction of a desired signal. There is a problem that numerical calculation complexity and memory increase in detecting a weight value and a direction that suppress interference with respect to a high-priced, time-varying signal in the real-time signal processing, and real-time signal processing is impossible.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 적응 배열 안테나의 적응 제어 장치와 방법에 있어서, 최소한의 채널 소자를 사용하여 적응 시스템을 구현함으로써, 간단하고 비용 효율적으로 의도된 신호의 방향을 탐지하고, 또한 간섭 신호를 제거하는 알고리즘을 실시간으로 처리하는데 그 목적이 있는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide an adaptive control apparatus and method for an adaptive array antenna, which realizes an adaptive system using a minimum number of channel elements, And to process an algorithm for eliminating interference signals in real time.
도 1은 종래의 기술에 따른 적응 배열 안테나의 적응 제어 장치 구성도이고,1 is a configuration diagram of an adaptive control apparatus of an adaptive array antenna according to a conventional technique,
도 2는 도 1의 디지털 신호처리 채널의 상세 구성도이고,2 is a detailed configuration diagram of the digital signal processing channel of FIG. 1,
도 3은 도 1의 적응 프로세서의 상세 구성도이고,FIG. 3 is a detailed configuration diagram of the adaptive processor of FIG. 1,
도 4는 1차원 선형 배열 안테나를 도시하고 있고,Figure 4 shows a one-dimensional linear array antenna,
도 5는 2차원 평면 배열 안테나의 입체도이고,5 is a three-dimensional diagram of a two-dimensional planar array antenna,
도 6은 10×10 평면 배열 안테나를 도시하고 있고,Figure 6 shows a 10x10 planar array antenna,
도 7은 3×3 평면 배열 안테나를 사용한 기본 신호방향 탐지 다이어그램을 도시하고 있고,Figure 7 shows a basic signal direction detection diagram using a 3x3 planar array antenna,
도 8은 도 6의 10×10 평면 배열 안테나를 사용한 기본적인 빔 성형 다이어그램을 도시하고 있고,Figure 8 shows a basic beamforming diagram using the 10x10 planar array antenna of Figure 6,
도 9는 종래의 기술에 따른 1차원 신호방향 탐지 다이어그램의 일례를 도시하고 있고,Figure 9 shows an example of a one-dimensional signal direction detection diagram according to the prior art,
도 10은 종래의 기술에 따른 평면 신호방향 탐지 다이어그램의 일례를 도시하고 있고,10 shows an example of a planar signal direction detection diagram according to the prior art,
도 11은 종래의 기술에 따른 평면 빔 성형 다이어그램의 일례를 도시하고 있고,Fig. 11 shows an example of a planar beam forming diagram according to the prior art,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 적응 배열 안테나의 적응 제어 장치 구성도이고,12 is a configuration diagram of an adaptive controller of an adaptive array antenna according to an embodiment of the present invention,
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 평면 근사 방향 탐지 다이어그램을 도시하고 있고,13 illustrates a planar approximation direction detection diagram according to an embodiment of the present invention,
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 평면 근사 빔 성형 다이어그램을 도시하고 있고,Figure 14 shows a planar approximate beamforming diagram according to an embodiment of the present invention,
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 적응 배열 안테나의 적응 제어 방법의 동작흐름도이다.15 is a flowchart of an adaptive control method of an adaptive array antenna according to an embodiment of the present invention.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명[Description of Drawings]
1,10 : 적응 배열 안테나 2,20 : 안테나 소자(ANT)1, 10: Adaptive array antenna 2, 20: Antenna element (ANT)
3,30 : 신호처리 채널 31 : 다운 컨버터(D/C)3, 30: signal processing channel 31: down converter (D / C)
32 : 대역통과 필터(BFP) 33 : 아날로그/디지털 컨버터(ADC)32: band-pass filter (BFP) 33: analog-to-digital converter (ADC)
4 : 적응 프로세서(Adaptive Processor) 5, 40 : 승산기4: Adaptive Processor 5, 40: Multiplier
50 : 중앙처리장치(CPU) 60 : 각도 변환 및 양자화 수단50: central processing unit (CPU) 60: angle conversion and quantization means
70 : 룩업 테이블(ROM) 6, 80 : 가산기70: lookup table (ROM) 6, 80: adder
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적응 배열 안테나의 적응 제어 장치는, 적응 배열 안테나에 있어서, 전체 배열 안테나 소자에서 선택된, 단일축 상에 존재하지 않는 소정 수의 배열 안테나 소자에 의해 수신된 신호들은 디지털 신호로 각각 추출하는 신호처리 수단; 상기 추출된 신호들의 상관 관계를 계산하여 상관값을 구하고, 해당 알고리즘을 적용하여 수신 각도를 탐지하는 제어 수단; 상기 탐지된 수신 각도로부터 각 배열 안테나 소자에 대한 가중치를 추출하는 추출 수단; 및 각각의 안테나 소자에 수신된 신호와 상기 가중치로부터 빔 성형 패턴을 형성하여 출력하는 출력 수단을 포함하여 구성되는 것에 특징이 있는 것이며,According to another aspect of the present invention, there is provided an adaptive array antenna, comprising: a plurality of array antenna elements selected from a plurality of array antenna elements, Signal processing means for extracting each of the received signals as a digital signal; Control means for calculating a correlation value of the extracted signals to obtain a correlation value, and detecting a reception angle by applying a corresponding algorithm; Extracting means for extracting a weight for each array antenna element from the detected reception angle; And an output means for forming a beamforming pattern from the received signals and the weights and outputting the beamforming patterns to the respective antenna elements,
본 발명에 따른 적응 배열 안테나의 적응 제어 방법은, 적응 배열 안테나의 적응 제어 방법에 있어서, 전체 배열 안테나 소자에서 선택된, 단일축 상에 존재하지 않는 소정 수의 배열 안테나 소자에 의해 수신된 신호들은 디지털 신호로 각각 추출하는 제1 단계; 상기 추출된 신호들의 상관 관계를 계산하여 상관값을 구하고, 해당 알고리즘을 적용하여 수신 각도를 탐지하는 제2 단계; 상기 탐지된 수신 각도로부터 각 배열 안테나 소자에 대한 가중치를 추출하는 제3 단계; 및 각각의 안테나 소자에 수신된 신호와 상기 가중치 값으로부터 빔 성형 패턴을 형성하여 출력하는 제4 단계를 포함하여 이루어지는 것에 다른 특징이 있는 것이다.The adaptive control method of an adaptive array antenna according to the present invention is an adaptive control method of an adaptive array antenna, in which signals received by a predetermined number of array antenna elements, which are selected from all array antenna elements, A first step of extracting each of the signals by a signal; A second step of calculating a correlation value of the extracted signals to obtain a correlation value and detecting a reception angle by applying a corresponding algorithm; A third step of extracting a weight for each array antenna element from the detected reception angle; And a fourth step of forming and outputting a beamforming pattern from the received signals and weight values of the respective antenna elements.
상기와 같이 구성되고 이루어지는 본 발명에 따른 적응 배열 안테나의 적응 제어 장치와 방법은, 전체 배열 안테나 소자에서 선택된, 단일축 상에 존재하지 않는 소정 수의 배열 안테나 소자에 의해 수신된 신호들을 디지털 신호로 각각 추출하고, 제어 수단이 상기 수신된 신호들의 상관 관계를 계산하여 상관값을 구하고, 해당 알고리즘을 적용하여 수신 각도를 탐지하면, 추출 수단이 상기 탐지된 수신 각도로부터 각 배열 안테나 소자에 대한 가중치를 추출하게 되고, 결국, 각각의 안테나 소자에 수신된 신호와 상기 가중치로부터 빔 성형 패턴을 형성하여 출력하며, 이때 상기 일정 각도 이격된 근사 방향정보를 사용하고, 의도된 신호의 수신 각도에 대한 가중치를 미리 계산하여 저장된 값을 읽어서 안테나 소자에 곱해서 출력하기 때문에 실시간 처리가 가능하게 된다.The apparatus and method for adaptive control of an adaptive array antenna according to the present invention configured as described above are characterized in that signals received by a predetermined number of array antenna elements not present on a single axis selected from all array antenna elements are converted into digital signals The control means calculates the correlation between the received signals to obtain a correlation value, and when the reception angle is detected by applying the corresponding algorithm, the extraction means calculates the weight for each array antenna element from the detected reception angle And a beamforming pattern is formed from the received signal and the weight to obtain a weighting for the reception angle of the intended signal, Because the previously calculated value is read and the antenna element is multiplied and output, .
이하, 본 발명에 따른 적응 배열 안테나의 적응 제어 장치와 방법의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하겠다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of an adaptive control apparatus and method of an adaptive array antenna according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 12는 본 발명에 따른 적응 배열 안테나의 적응 제어 장치의 구성도로서, 소정 배열 안테나 소자에 의해 수신된 신호들은 디지털 신호로 추출하는 신호처리 채널(30); 수신된 신호들의 상관 관계를 계산하여 상관값을 구하고, MUSIC 알고리즘을 적용하여 수신 각도를 탐지하는 중앙처리 장치(50); 탐지된 수신 각도에 상응하여 안테나 소자의 빔을 고도각과 방위각을 각각 4도 이격시켜서 근사 방향정보로 변환하는 각도 변환 및 양자화 수단(60); 근사 방향정보에 상응하여 기설정 저장된 가중치를 출력하는 룩업 테이블 롬(70); 및 각각의 안테나 소자에 수신된 신호와 가중치로부터 빔 성형 패턴을 형성하여 출력하는 출력 수단으로 구성되고, 여기에서, 상기 신호처리 채널(30)은 다운 컨버터(31), 대역 통과 필터(32), 아날로그/디지털 컨버터(33)를 포함하고, 상기 출력 수단은 다수의 승산기(40)와 가산기(80)를 포함하며, 본 발명의 실시예는 MUSIC 알고리즘을 이용하여 수신 신호의 방향 탐지와 빔 성형 방법을 구현함으로써, 가중치 수를 줄이면서도 성능의 저하를 유발하지 않게 하고, 의도된 신호의 수신 각도에 대한 가중치를 계산하여 저장된 롬 룩업 테이블에서 그 값을 읽어서 안테나 소자에 곱해서 출력하기 때문에 실시간 처리가 가능하게 된다.FIG. 12 is a block diagram of an adaptive control apparatus of an adaptive array antenna according to the present invention, in which a signal processing channel 30 for extracting signals received by a predetermined array antenna element by a digital signal; A central processing unit 50 for calculating a correlation value of received signals to obtain a correlation value, and detecting a reception angle by applying a MUSIC algorithm; Angle converting and quantizing means (60) for converting the beam of the antenna element into the approximate direction information by separating the altitude angle and the azimuth angle by 4 degrees, respectively, corresponding to the detected receiving angle; A lookup table ROM 70 for outputting a preset weight value corresponding to the approximate direction information; And an output means for forming and outputting a beamforming pattern from the signals and weights received by the respective antenna elements. Here, the signal processing channel 30 includes a down converter 31, a band pass filter 32, And the output means includes a plurality of multipliers 40 and an adder 80 and the embodiment of the present invention uses an MUSIC algorithm to detect the direction of a received signal and to perform a beam forming method , It is possible to reduce the number of weights and to prevent the performance from being degraded, to calculate the weight for the reception angle of the intended signal, to read the value from the stored ROM lookup table, .
도 15는 본 발명에 따른 적응 배열 안테나의 적응 제어 방법의 일실시예의 동작흐름도로서, 이하에서는 도 12의 실시예 구성도와 도 15의 동작흐름도를 참조하여, 본 발명에 따른 적응 배열 안테나의 적응 제어 장치와 방법을 병행하여 상세히 설명한다.FIG. 15 is a flowchart illustrating an adaptive control method of an adaptive array antenna according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 12 and FIG. 15, The apparatus and method will be described in detail in parallel.
도 12에서 보는바와 같이
즉, 상기 신호처리 채널(30)에는 수신되는 고주파 신호를 디지털 신호로 처리하기 위해서는 적절한 주파수대로 하향 변환하는데 필요한 다운컨버터(Down converter)(31)와 대역통과 필터(32)가 요구되고, 디지털 신호처리를 위한 고속의 아날로그/디지털 변환기(ADC)가 포함되게 된다.That is, in order to process the received high-frequency signal into a digital signal, a down-converter 31 and a band-pass filter 32 required for down-converting to a proper frequency band are required in the signal processing channel 30, Speed analog-to-digital converter (ADC) for processing.
그리고 상관 행렬에 근거한 알고리즘에서는 중앙처리장치(50)를 통해 신호의 상관관계가 계산되고, 이 상관값
중앙처리장치(50)는 방향정보인 고도각과 방위각(
상기 중앙처리 장치(50)는 중앙집중 및 실시간 처리 기법을 이용하여 요구되는 프로세서 수를 1, 2개로 국한할 수 있으나, 고속의 아날로그/디지털 변환과 하향 변환에 요구되는 신호처리 채널(30) 장치들은 신호처리가 요구되는 신호의 채널 수효만큼 필요하기 때문에 신호처리 요구 채널 수를 최소한으로 유지하는 것이 매우 중요하다.The central processing unit 50 can limit the number of processors required by the centralized and real time processing techniques to one or two, but the signal processing channel 30 required for high-speed analog-to- It is very important to keep the number of signal processing request channels to a minimum because the number of channels required for the signal processing is required.
물론 이때 상기 신호처리 채널(30)의 수를 감소시키면 정확도 및 신뢰도 역시 감소하게 된다. 상기 신호처리 채널수(30) 상의 요구조건은 신호의 DOA(Direction of Arrival)를 판정하는 알고리즘과 밀접한 관계가 있다, 따라서 최소한의 신호처리 채널 수에도 불구하고 정확도 및 신뢰도를 확보할 수 있는 알고리즘이 요구된다.Of course, decreasing the number of the signal processing channels 30 also reduces accuracy and reliability. The requirement on the signal processing channel number 30 is closely related to the algorithm for determining the DOA (Direction of Arrival) of the signal. Therefore, an algorithm that can ensure accuracy and reliability despite the minimum number of signal processing channels Is required.
따라서, 의도된 신호의 수신 방향은 중앙처리장치(50)에서 상관 및 MUSIC과 같은 알고리즘에 의해서 탐지되며, 본 발명에서는 수학적인 계산에 의해 단지 3개의 안테나의 소자에서 수신된 신호가 필요하기 때문에 신호처리 채널(30)의 소자를 줄일 수 있다. 즉, 도 5를 참조로 하여, 상기 3개의 안테나 소자에서 수신된 신호를 구하면, 모든 안테나 소자 사이의 위상차를 알 수 있기 때문이다.Therefore, the reception direction of the intended signal is detected by an algorithm such as correlation and MUSIC in the central processing unit 50, and because the present invention requires signals received from elements of only three antennas by mathematical calculation, The elements of the processing channel 30 can be reduced. That is, referring to FIG. 5, when the signals received from the three antenna elements are obtained, the phase difference between all the antenna elements can be known.
다음에, 각도 변환 및 양자화 수단(60)에서는 이동체에 적용하고 실시간으로 의도된 신호의 방향을 탐지하기 위해 수신된 신호의 안테나 빔을 탐지하기 위해 4도씩 이격으로 빔을 검색한다(S17). 즉, 실시간으로 방향을 탐지하기 위해 이격으로 안테나 빔을 검색한 방향 정보를 표본화하는 각도 변화 및 양자화 수단(60)을 통해 상기
그리고 룩업 테이블(70)에서는 의도된 신호의 수신 각도에 대한 간섭 신호를 제거하는 가중치를 구해서 저장해둔다(S18). 즉 가중치를 구하기 위해서 신호의 크기와 위상을 조절하게 되며, 롬(ROM)으로 구현된 도표(look-up table)에 의해 해당되는 방향의 위상 지연값
따라서 의도된 신호의 수신 방향만 알면 가중치를 계산하는 복잡한 과정이 필요 없어지며, 수신된 신호의 방향에 해당하는 가중치를 읽어서 안테나 각 소자에 곱해주기 때문에 이동체에서 실시간으로 간섭을 제거할 수 있다. 결국 각 안테나 소자에 수신되는 신호들과 이러한 과정에서 구한 가중치들과의 곱의 합으로 안테나 출력(y)을 얻게 된다. 즉, 상기 룩업 테이블(70)에서 출력되는 위상 지연값은 다수의 승산기(40)에 의해서 수신 신호와 곱해지고, 가산기(80)를 통해 상기 승산기들의 합을 구해서 빔 성형 패턴을 출력하게 된다(S19). 여기에서, 상기 빔 성형 패턴이 오차가 클 경우(S20)에는 상기 각도 변환 및 양자화 수단(60)에서 이격 간격을 좁힌 후에(S21), 다시 상기 근사 방향 정보를 산출할 수도 있다.Therefore, if we know only the reception direction of the intended signal, a complicated process of calculating the weight is unnecessary. Since the weight corresponding to the direction of the received signal is read and multiplied by each antenna element, interference can be removed in real time from the mobile. As a result, the antenna output (y) is obtained as the sum of the products of the signals received by the respective antenna elements and the weights obtained in this process. That is, the phase delay value output from the lookup table 70 is multiplied by a multiplier 40 to obtain a sum of the multipliers through an adder 80, and a beamforming pattern is output (S19 ). Here, if the beamforming pattern has a large error (S20), it is also possible to calculate the approximate direction information again after narrowing the separation interval by the angle conversion and quantization means 60 (S21).
한편, 도 6은 10×10 평면 배열 안테나를 도시하고 있으며, 이를 이용하여 빔 성형을 수행할 경우, 각 소자에 부가되는 가중치(weight)를 몇 가지 예에 대해 표1 내지 표 3에 작성하였다. 이때 기준 소자는 X축과 Y축이 시작되는 지점의 소자로 가정하였으며, 10×10 배열 안테나의 경우, 저장되는 룩업 테이블의 수는 720(8×90)이다.Meanwhile, FIG. 6 shows a 10 × 10-plane array antenna. Tables 1 to 3 illustrate some examples of weights added to each element when beam forming is performed using the antenna. In this case, the reference element is assumed to be the element at the starting point of the X axis and the Y axis. In the case of the 10 × 10 array antenna, the number of stored lookup tables is 720 (8 × 90).
도 13은 본 발명에 따른 적응 제어 장치 구현시 2차원 신호방향 탐지(
도 14는 본 발명에 따른 적응 제어 장치 구현시의 2차원 10×10 안테나 소자 빔 성형(
결국, 본 발명은 의도된 신호의 방향을 실시간으로 탐지하기 위해 4도씩 안테나의 빔을 이격시켜 스캔하고, 의도된 신호의 수신 각도에 따라서 가중치가 계산되어 저장된 룩업 테이블을 사용함으로써, 의도된 신호의 수신 방향만 알면 간섭 제거 알고리즘을 구동시킬 필요가 없어 곧바로 룩업 테이블의 가중치를 읽어서 안테나 소자에 곱해주면 되기 때문에 시간에 따라서 변하는 이동체에 적용 가능하고, 또한 의도된 신호의 수신 방향을 알기 위해서는 단지 3개의 안테나 소자만이 필요한 효율적인 적응 제어 장치와 방법이다.As a result, according to the present invention, by scanning the beam of the antenna at intervals of 4 degrees in order to detect the direction of the intended signal in real time, and using a lookup table in which weights are calculated and stored according to the reception angle of the intended signal, Since it is not necessary to drive the interference cancellation algorithm by knowing only the reception direction, the weights of the lookup table need to be immediately read and multiplied by the antenna element. Therefore, the present invention can be applied to a moving object that varies with time. This is an efficient adaptive control apparatus and method requiring only an antenna element.
상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 적응 배열 안테나의 적응 제어 장치 및 방법은, 방향 탐지에 요구되는 수학적인 계산을 간편화하여 채널 소자의 수를 줄일 수 있기 때문에 상용화에 있어서 저가격으로 시스템을 구현할 수 있고, 또한 간섭 신호를 제거하는 가중치들의 값들을 미리 룩업 테이블에 저장하여 독출함으로써 시간에 따라서 변하는 신호에 대한 가중치를 구할 필요가 없기 때문에 계산의 복잡성과 메모리를 감소시킬 수 있으며, 또한 이동체에서 실시간으로 간섭 신호를 제거할 수 있는 유용한 발명인 것이다.The apparatus and method for adaptive control of an adaptive array antenna according to the present invention can simplify the mathematical calculation required for direction detection and reduce the number of channel elements. Therefore, the system can be implemented at a low cost in commercialization, In addition, since the values of the weights for eliminating interference signals are stored in advance in the look-up table, it is not necessary to obtain the weights for the signals varying with time, so that the calculation complexity and memory can be reduced, It is a useful invention that can eliminate the problem.
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