(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個（Ｋ個）のアンテナ素子からの信号を入力とする各アンテナ素子毎に接続されたタップ付遅延線、タップ重みを掛け算するための掛算器、掛算器出力を加算するための加算器、加算器出力と参照信号との差を取り誤差信号を作成するための加算器及び該タップ付遅延線の各タップ重みを制御する重み付け制御回路から構成され、自乗誤差が最小になるように制御を行う空間域・時間域の２次元制御型アダプティブ・アレイ・アンテナにおいて、
タップ重みを与える各掛算器出力を空間方向にのみ加算し、参照信号と比較して得られる複数個（Ｎ個）の誤差信号に基づきタップ重みの修正量を決定し、該修正されたタップ重みを新たな上記タップ重みとして該計算を繰り返すことにより、自乗誤差を逓減させながら受信感度のヌルを妨害波方向に形成する制御を行うことを特徴とする２次元制御型アダプティブ・アレイ・アンテナ。
【請求項２】
各アンテナ素子に対応するタップ付遅延線のＮ個のタップ出力を加重重みとする前記Ｎ個の誤差信号の加重平均を取ることにより、前記タップ重みの修正量を各タップ付遅延線毎に時間平均的に決定することを特徴とする前記請求項１記載の２次元制御型アダプティブ・アレイ・アンテナ。
【請求項３】
前記誤差信号を求める計算過程において、時間方向のサンプル値（遅延出力，タップ出力）をいくつかおきに採り、残りのサンプル値を間引いて計算することを特徴とする前記請求項１または２記載の２次元制御型アダプティブ・アレイ・アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マルチパス環境下で妨害波（非着目信号）を抑圧する指向性制御と波形等化を行うアダプティブ・アレイ・アンテナ（適応型アレイ・アンテナ）に関する。
【０００２】
特に、Ｋ（Ｋ＞１）個のアンテナとＮ（Ｎ＞１）個のタップを持つタップ付遅延線またはシフトレジスタを備えたアダプティブ・アレイ・アンテナにおいて、タップ重みを逐次的に制御するＬＭＳアルゴリズム（以下ＬＭＳという。）とＣＭアルゴリズム（以下ＣＭＡという。）に関するものである。なお、ＬＭＳとはＬｅａｓｔ  Ｍｅａｎ−Ｓｑｕａｒｅ  の略であり、ＣＭとはＣｏｎｓｔａｎｔ  Ｍｏｄｕｌｕｓの略である。
【０００３】
【従来の技術】
従来、複数のアンテナ素子出力に重みを付けて合成し、妨害波方向に指向性のヌル点を，また希望波方向に受信強度に比例したピークを形成する（最大比合成をする）アダプティブ・アレイ・アンテナが公知である。また時間域フィルタとして、１つのアンテナからの出力をタップ付遅延線に入力し、各遅延出力に重みを付けて合成加算するトランスバーサルフィルタ型適応等化器も公知である。
【０００４】
タップ重みを制御する最も一般的な基準としてＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ｍｅａｎ−Ｓｑｕａｒｅ  Ｅｒｒｏｒ  ：最小自乗平均誤差）基準がある。ＭＭＳＥ基準は誤差信号の自乗平均を最小にするものであり、特に着目信号と相関がない干渉波（妨害波）の除去に効果を発揮する。ＭＭＳＥ基準を具体化するアルゴリズムとして、タップ重みを逐次的に制御するＬＭＳ及び着目信号が定包絡線信号のときに適用できるＣＭＡが広く知られている。
【０００５】
また、最近空間域処理と時間域処理を併せて用いるアルゴリズムも提案されている。図２は従来のＬＭＳまたはＣＭＡを実施するための構成図である。Ｋ個のアンテナ素子１１からの出力をそれぞれＮ個のタップを持つタップ付遅延線７に導き、妨害波及び雑音ができる限り抑圧され且つ着目信号出力が最大になるようにＫＮ個のタップ重みＷｋ  ，ｎを逐次的に制御しながら、掛算器８と加算器９により重み付け合成出力を得る受信装置において、従来のアルゴリズムは空間方向（アレイ方向）に重み付けした出力と時間方向（遅延線方向）に重み付けした出力両者の総和（全タップ出力ＫＮ個の総和）と参照信号ｄとの差１０から、誤差信号を１つのスカラー値εとして求める。
【０００６】
以下、図２を説明すると、図２の従来のアダプティブ・アレイ・アンテナにおいて、第（ｋ，ｎ）番のタップ重みＷｋ  ，ｎは、初め適当な初期値に設定されていて、ＫＮ個の加重和から出力ｙ  が求められる。参照信号との差を取ることにより、誤差信号εが求められる。誤差信号ε＊  と第（ｋ，ｎ）番のタップ重みへの入力Ｘｋ  ，ｎとの積のステップサイズパラメータμ倍から、第（ｋ，ｎ）番のタップ重みに対する重み修正量ΔＷｋ  ，ｎが求められる。設定したタップ重みＷｋ  ，ｎから修正量ΔＷｋ  ，ｎを減じて、新たなタップ重みが決定される。次のサンプル値が入力され、新たなタップ重みを用いて、ＫＮ個の加重和から新たな出力ｙ  が求められる。参照信号として、予め決められた信号を用いればＬＭＳとなり、出力ｙ  から決められるものを用いれば、所謂ブラインド等化になり、その１つがＣＭＡである。なおε＊  はεの共役複素数を意味する。
【０００７】
ステップサイズパラメータμは一般に小さすぎると自乗誤差（誤差信号εの絶対値の自乗）の収束が遅くなり、大きすぎると残留誤差（繰返し回数を十分大きくして自乗誤差が定常値に達した以降の自乗誤差）が増大し、更にμを大きくすると発散するようになる。ここで発散とは、ステップ幅が大きすぎて、求めた値が上下に振られ、その振れ幅が次第に増大して行くことをいう。
【０００８】
理論的に求められた収束のための充分条件は、入力の相関行列をＲとするとき
０＜μ＜２／ｔｒａｃｅ（Ｒ）                            （１）
であることが知られている。
【０００９】
なお、上記ＬＭＳとＣＭＡについては、「適応フィルタ理論」（Ｓｉｍｏｎ  Ｈａｙｋｉｎ著、鈴木博ほか訳、（株）科学技術出版、２００１年１月１０日発行）他に詳述されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＬＭＳあるいはＣＭＡを実際に適用するには、ステップサイズパラメータμをいくらに設定すべきかの問題がある。
【００１１】
μ＝ａ／（ＫＮ）                                （２）
と置くとき、従来のＬＭＳではａ＝０．６〜０．８、ＣＭＡではａ＝０．２〜０．３程度が限界（最適）であり、これ以下では収束速度が遅くなり、これを超えると、残留誤差が増大し始め、発散の危険が生ずるようになる。このように従来のＬＭＳ及びＣＭＡでは、μを理論上の限界よりもかなり小さく設定せざるを得なかった。
【００１２】
本願発明は、μを理論上の限界に近い値に設定できるアルゴリズムを提供し、したがって自乗誤差の収束が速くなる、すなわち精度を劣化させることなく収束速度の速いアダプティブ・アレイ・アンテナを実現することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本願発明のアルゴリズムは、ＫＮ個のタップ出力のうち、空間方向のみのＫ個のタップ出力の加重和Ｎ個から、Ｎ個の誤差信号を求め、タップ重みの修正量ΔＷｋ  （ｋ＝１，・・・  ，ｋ）を決定することを特徴とする。
【００１４】
またＮが数１０ないし数１００に及ぶときは、時間方向のサンプル値をいくつかおきに採り、残りのサンプル値を間引いて誤差信号を求めることも有効である（時間方向の間引き）。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本願発明をより詳細に説明するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
図１は本願発明のＬＭＳまたはＣＭＡを実施するための構成図である。本願発明のアダプティブ・アレイ・アンテナは、Ｋ個のアンテナ素子１からの信号を入力とする各アンテナ素子毎に接続されたタップ付遅延線２，タップ重みを掛け算するための掛算器３，掛算器出力を加算するための加算器４，加算器出力と参照信号との差を取り誤差信号を作成するための加算器５及び該タップ付遅延線の各タップ重みを制御する重み付け制御回路６から構成される。
【００１６】
本願発明のアルゴリズムは、ＫＮ個（Ｋ；アンテナ素子数、Ｎ；タップ数）の掛算器３の出力のうち、空間方向のみのＫ個の掛算器出力の和、すなわち加算器４の出力Ｎ個からＮ個の誤差信号を求め、タップ重みの修正量ΔＷk（ｋ＝１，・・・，Ｋ）を決定することを特徴とする。
すなわち、図１の重み付け制御回路６の枠内に記述されている式
0003621984.tif 000002
を説明すると、
第ｋ番アンテナ素子の出力を入力とする第ｋ番遅延線のタップ重みはタップ位置ｎに関わらず同じ値ｗk で表され、その修正量は上式（３）で示される。式（３）はＮ個のタップ出力
0003621984.tif 000003
とＮ個の誤差信号
0003621984.tif 000004
との積和のμ倍が第ｋ番遅延線のタップ重み修正量であることを示している。ここでε* はεの共役複素数を示す。また、この積和はタップ付遅延線のＮ個のタップ出力を加重重みとするＮ個の誤差信号の加重平均と見なすことができる。
なお加算器４のＮ個の出力のうちの１つ、例えば第１番加算器の出力を受信出力ｙとする。
【００１７】
また、時間方向の間引きを実施するときは、全ての遅延出力を利用するのではなく、いくつかおきにタップ出力を採り、それらの空間方向の加重和を求める。
従来のアルゴリズムと本願発明のアルゴリズムの異なる点を要約すると以下のとおりである。
（１）従来のアルゴリズムは図２の各掛算器の出力を全て加算した総和に対して１つの誤差信号を算出し、該誤差信号と各掛算器入力（タップ出力，遅延出力）との積から重み修正量を瞬時的に決定し、この繰り返しを行って自乗誤差を収束させていくものである。したがって各遅延出力に対する重み付け係数（タップ重み）は個々に計算され、異なる値の最適値に設定されている。
（２）一方、本願発明においては、上記重み修正量は、時間方向のＮ個の誤差信号の遅延出力による加重平均として、各アンテナ素子毎に求められる。したがって各アンテナ素子毎に、より誤差の少ない安定した重み付け係数の修正が行われ、その分収束が速くなる。ただし、各遅延出力に対する重み付け係数は、従来のように個々に設定されるのではなく、各アンテナ素子毎に一定値とされる。したがってトランスバ−サルフィルタ型適応等化器の機能は有さないと見られる。
（３）上記アルゴリズムの相違により、前者より後者の方がヌル特性がよく、収束も速いことがシミュレーション実験により確認された。
【００１８】
【実施例】
以下、従来のアルゴリズムと対比しながら、アダプティブ・アレイ・アンテナに用いた場合の、本願発明のアルゴリズムの計算機シミュレーションによる典型的な実施例を示す。アンテナに入射する電波は、直接波（振幅１，入射方向５０°）、その第１遅延波（振幅０．７１，入射方向１５０°）、その第２遅延波  （振幅０．５，入射方向７５°）及び妨害波（入射方向１００°）とする。妨害波の振幅はＬＭＳのときは７、ＣＭＡのときは１．２とする。なお、上記第１及び第２遅延波はマルチパスにより生じる反射波，屈折波などを想定している。アンテナは素子数Ｋ＝８の直線アレイとし、各素子での信号対雑音比は３０ｄＢとしている。
【００１９】
以下図３乃至図８の上図（ａ）は繰返し回数（横軸）に対する自乗誤差と出力の振幅をデシベル（ｄＢ）表示したものである。下図（ｂ）は繰返し回数が右端に達したとき、及びその直前（例えば右端が１００回のときは９８回と９５回）のときの重み付け係数で決定されるアンテナの放射パターンを示している。直線アレイとしているため、入射方向の正負に対して同一の利得（左右対称）になっている。図中の２１，２４，３１，３４，４１，４４は振幅、２２，２５，３２，３５，４２，４５は自乗誤差、２３，２６，３３，３６，４３，４６は妨害波到来方向のヌル形成状況である。
【００２０】
従来のＬＭＳと本願発明のＬＭＳによる計算機シミュレーション結果が図３と図４で対比される。図３は従来のＬＭＳによる結果を示し、図４は本願発明のＬＭＳによる結果を示す。両者とも繰返し回数は１００回、タップ数はＮ＝５としている。ステップサイズパラメータμは、式（２）におけるａを図３ではａ＝０．８、図４ではａ＝１．６に設定しているため、それぞれμ＝０．０２，μ＝０．０４となっている。これを超えると残留誤差が増大し始めるため、両者ともほぼ最適な設定といえる。
【００２１】
図３においては、１００回の繰返しでは未だ充分に自乗誤差２２が収束しておらす、１００°方向のヌル形成２３も全く不充分である状況が見られる。図３と図４を比較すると、両者の収束度合いは明らかに後者の方がよく、また妨害波方向のヌル形成も後者（２６）の方がよいことは歴然としている。従来のＬＭＳで図４と同程度の収束を得るには２００回以上の繰返し回数を要する。
【００２２】
従来のＣＭＡと本願発明のＣＭＡによる計算機シミュレーション結果が図５と図６で対比される。図５は従来のＣＭＡによる結果を示し、図６は本願発明のＣＭＡによる結果を示す。両者とも繰返し回数は１００回、タップ数はＮ＝５としている。ステップサイズパラメータμは、式（２）におけるａを図５ではａ＝０．２、図６ではａ＝１．６に設定しているため、それぞれμ＝０．００５，μ＝０．０４となっている。これを超えると残留誤差が増大し始めるため、両者ともほぼ最適な設定といえる。
【００２３】
図６においては、４０回を下回る繰返し回数で自乗誤差３５は−３０ｄＢ以下になり、１００°方向のヌル形成３６も明瞭である。図５と図６を比較すると、この場合も両者の収束度合いは明らかに後者の方がよく、また妨害波方向のヌル形成も後者の方がよいことは歴然としている。従来のＣＭＡ（図５）で図６と同程度の収束を得るには２００回以上の繰返し回数を要する。
【００２４】
図７と図８により時間間引きの効果を示す。４サンプルおき、すなわち５サンプル毎にタップ出力を取り出し、取り出すタップの数はＮ＝５とする構成とする。サンプル間隔を遅延の単位とれば０遅延，５遅延，１０遅延，１５遅延，及び２０遅延の５個の遅延出力を用い、その他の遅延は使用しないとする。Ｎ＝５としているため、ステップサイズパラメータμに変更はない。図７は本願発明のＬＭＳによる結果を示し、図８は本願発明のＣＭＡによる結果を示す。
【００２５】
図７を図４に比較すると、自乗誤差４２の収束特性及び１００°方向のヌル形成状況４３ともに若干改善されていることが認められる。また図８を図６に比較すると、自乗誤差４５が−３０ｄＢ以下になる繰返し回数は３０回を下回り、図６よりも更に高速の収束特性を示している。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように、本願発明のアルゴリズムによれば、ＬＭＳ及びＣＭＡいずれに対してもａ＝１．２〜１．６程度，すなわち理論上の限界ａ＝２．０にかなり近い値に設定できる。これはＬＭＳでは従来よりもステップサイズパラメータを約２倍、またＣＭＡでは約８倍大きく設定することができることになり、したがって自乗誤差の収束が速くなる。すなわち、本願発明は従来よりヌル形成特性がよく、収束も速いことがシミュレーション実験により確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明のアダプティブ・アレイ・アンテナの回路構成及び計算過程を示す図である。
【図２】従来のアダプティブ・アレイ・アンテナの回路構成及び計算過程を示す図である。
【図３】従来のアダプティブ・アレイ・アンテナのＬＭＳシミュレーション計算結果を示す図である。
【図４】本願発明のアダプティブ・アレイ・アンテナのＬＭＳシミュレーション計算結果を示す図である。
【図５】従来のアダプティブ・アレイ・アンテナのＣＭＡシミュレーション計算結果を示す図である。
【図６】本願発明のアダプティブ・アレイ・アンテナのＣＭＡシミュレーション計算結果を示す図である。
【図７】本願発明のアダプティブ・アレイ・アンテナの他のＬＭＳシミュレーション計算結果を示す図である。
【図８】本願発明のアダプティブ・アレイ・アンテナの他のＣＭＡシミュレーション計算結果を示す図である。
【符号の説明】
１    アンテナ素子列
２    タップ付遅延線
３    タップ重みを掛け算するための掛算器
４    掛算器出力を加算するための加算器
５    誤差信号を作成するための加算器
６    重み付け制御回路
７    タップ付遅延線
８    タップ重みを掛け算するための掛算器
９    掛算器出力を加算するための加算器
１１  アンテナ素子列
【図１】
0003621984.tif 000005
【図２】
0003621984.tif 000006
【図３】
0003621984.tif 000007
【図４】
0003621984.tif 000008
【図５】
0003621984.tif 000009
【図６】
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【図７】
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【図８】
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