(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子アンテナの重み係数を適応的に制御するアレーアンテナの制御装置であって、受信信号を周波数軸上で分割するＦＦＴによる帯域分割フィルタ手段と、該手段によって分割されたそれぞれの周波数帯域の信号に、ＲＬＳ法によって適応的に制御された重み係数を乗算した後、時間軸上の信号に復元する帯域復元フィルタ手段とを有するアレーアンテナの制御装置において、
前記周波数帯域分割フィルタ手段が、ＦＦＴのウィンドウの時間軸上の移動におけるオーバーラップを変化させるように構成されていることを特徴とするアレーアンテナの制御装置。
【請求項２】
素子アンテナ出力をアナログ信号からディジタル信号に変換するアナログ／ディジタル信号変換手段と、
前記アナログ／ディジタル信号変換手段から出力された信号を直交信号に分離する信号直交化手段と、
前記空間アナログ／ディジタル信号変換手段で得られた各素子アンテナ受信信号を、後段の帯域分割ＦＦＴに供給するためのウィンドウを可変オーバーラップでかける信号ベクトル化手段と、
前記信号ベクトル化手段で得られた各素子アンテナ出力がベクトル化された信号を周波数領域でサブバンドに周波数分割を行う帯域分割フィルタと、
前記ＦＦＴ計算手段により選択された所定の数のビーム出力に、後述する重み係数計算手段から供給される重み係数を乗算する重み係数乗算手段と、
前記重み係数乗算手段により重み係数を乗算された各ビーム出力を、同じサブバンド毎に合計する加算器と、
前記加算器により合計された各サブバンド毎の出力を処理してもとの帯域を復元する信号再構成フィルタと、
前記の構成のうちの任意の点における信号を用いて適応的に重み係数を計算して重み係数を前記重み係数乗算器に供給する重み係数計算手段と
を有することを特徴とするアレーアンテナの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種無線通信に使用される、素子アンテナの重み係数を適応的に制御するアレーアンテナの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
適応型アレーアンテナは、各素子アンテナで受信した信号に、適当な重み係数を掛け合わせて合成することにより、ある方向に強い指向性を持たせたり、逆にある方向から到来する信号に対してのみ、感度を０にして受信しないようにすることを可能とする。このようなアンテナは、電波環境の変化に応じて適切な重み係数を用いることにより、最適なビーム形成を行って空間フィルタリングを実現し、他の無線通信システムとの干渉を避けるために利用される。
【０００３】
近年のディジタル信号処理技術の発展、及びそれによる装置の小型化に伴い、ディジタル信号処理を用いた適応型アレーアンテナの移動体通信への応用が注目を集めている。移動体通信システムへにおいて問題となるマルチパスフェージング環境では、無数の反射波、即ち希望信号の遅延信号が到来する。このような環境に適応型アレーアンテナを適用することにより、理想的には希望信号と無相関な干渉信号は空間的にキャンセルする一方、希望信号の遅延信号は取り込んで希望信号に同相合成し、出力信号のＳ／（Ｎ＋Ｉ）  を改善に貢献させることが可能となる。
【０００４】
遅延信号の同相合成に、遅延素子（ＴＤＬ  ；  Ｔａｐｐｅｄ  Ｄｅｌａｙ  Ｌｉｎｅ）  を用いた時間軸上の信号処理を行う構成と、完全再構成フィルタを用いた周波数軸上の信号処理を行う構成とが有効であることは公知である。それぞれ図１及び図２ａに表されている。図１は、ＴＤＬ  に基づく時間領域信号処理を行う適応型アレーアンテナの構成図である。また、図２ａは、ＦＦＴを帯域分割フィルタとして用いる周波数領域信号処理を行う適応型アレーアンテナの構成図である。
【０００５】
前述の構成を公知とする文献として、Ｒ．Ｔ．  Ｃｏｍｐｔｏｎ，  Ｊｒ，  ”Ｔｈｅ  Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ  Ｂｅｔｗｅｅｎ  Ｔａｐｐｅｄ  Ｄｅｌａｙ−Ｌｉｎｅ  ＦＦＴ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｉｎ  Ａｄａｐｔｉｖｅ  Ａｒｒａｙ”，  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ  ｏｎ  Ａｎｔｅｎｎａｓ  ａｎｄ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，  ｖｏｌ．  ３６  Ｎｏ．  １，  Ｊａｎｕａｒｙ  １９８８  がある。該文献によれば、両構成の性能に本質的な違いはない。
【０００６】
図２ａの周波数領域信号処理を行う適応型アレーアンテナは、帯域分割フィルタにＦＦＴを採用するが、ＦＦＴを施すウィンドウとしてバッファを用いている。このバッファは、時間軸上の信号サンプルに対して１サンプルづつシフトしていくように信号を取り込んでいく。図２ｂは、この様子を、時間軸上のサンプルに対するバッファの動作として表した説明図である。
【０００７】
しかし、特に帯域分割フィルタにＦＦＴを用いる周波数領域信号処理を行う適応型アレーアンテナには、図２ａに示す基本構成から派生する複数の構成が考えられ、それぞれの性能の特徴が調査されている。このような文献として、神谷、唐沢「アダプティブアレーにおける時間領域信号処理と周波数領域信号処理の収束特性に関する特徴比較」，  信学技報  ＡＰ９８−１９  （１９９８−０６）がある。該文献に述べられている周波数領域信号処理を行う適応型アレーアンテナの構成には、分割した周波数帯域（サブバンド）毎に信号処理を並列に行うことにより、重み係数更新速度を低減する構成が紹介されている。図３ａは、このような、ＦＦＴを帯域分割フィルタとして用いる周波数領域信号処理を行う適応型アレーアンテナの構成図であり、重み係数更新速度を低減するものである。図３ｂは、図３ａの構成に基づいて、時間軸上のサンプルに対するバッファの動作を表す説明図である。
【０００８】
図３ａの構成は、帯域分割を行うＦＦＴのウィンドウを、信号がオーバーラップしないようにかけていくことにより、各サブバンドにおいては入力信号の速度がＦＦＴの次数分の１に低減されることになる。重み係数制御アルゴリズムは、各サブバンドで独立に動作し、帯域分割された参照信号とサブバンド信号との２乗誤差を最小にする重み係数を逐次的に求めていく。
【０００９】
図３ａの構成では、時間領域の信号を復元するために逆ＦＦＴの計算を必要とする。該構成では、重み係数更新速度を低減できることから、重み係数の適応制御アルゴリズムが計算機に与える計算負荷を大幅に低減することができ、装置化にあたって有利な構成となることが期待される。また、このことに伴って、計算負荷が大きい高機能適応制御アルゴリズムを採用することが可能となる。
【００１０】
前述のような周波数帯域分割信号処理を行うアレーアンテナにおいて、受信信号を周波数軸上に分割する帯域分割フィルタと、この分割した信号をもとのスペクトルに復元する帯域復元フィルタとの組み合わせが必要となるが、このようなフィルタの対は完全再構成フィルタと呼ばれている。ＦＦＴ／逆ＦＦＴの組み合わせは、完全再構成フィルタの一つである。ディジタル信号処理を行う際には、計算負荷の問題からも、ＦＦＴ／逆ＦＦＴの組み合わせによる完全再構成フィルタを採用するのが有効である。
【００１１】
一方、アレーアンテナの適応制御アルゴリズムは、従来から種々検討されている。このうち、ＲＬＳ  （Ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ  Ｌｅａｓｔ  Ｓｑｕａｒｅｓ）法は、高い安定性及び高速収束性を持つアルゴリズムとして公知である。ＲＬＳ法は、例えばＳｉｍｏｎ  Ｈａｙｋｉｎ，  ”Ａｄａｐｔｉｖｅ  Ｆｉｌｔｅｒ  Ｔｈｅｏｒｙ”，  Ｐｒｅｎｔｉｃｅ−Ｈａｌｌ  Ｉｎｃ．  １９９６  に詳しく記載されている。ＲＬＳ法は、過去のすべてのデータを用い、アレーアンテナ出力と参照信号との誤差の２乗値を最小とするような重み係数を漸近的に求めるアルゴリズムであり、カルマンフィルタの一形態であると解釈することもできる。ＲＬＳ法は、安定性及び収束速度の点で優れいている一方、計算負荷が非常に大きいアルゴリズムであるため、ＤＳＰ  （Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）  を用いる装置化を行うにあたって、プロセッサへの計算負荷が問題となる。
【００１２】
このため、従来から種々のＲＬＳ法の計算量削減方法が提案され、高速ＲＬＳ法などが提案されているが、これらの計算量低減手法はアレーアンテナには適用が不可能である。これは、高速ＲＬＳ法が等化器のような、タップ内部の信号が時間的に１タップづつシフトしていく性質を利用して構成されているためであり、アレーアンテナのように、すべてのタップの内部の値が同時に変化していくシステムには適用が不可能である。
【００１３】
図４ａは、高速ＲＬＳ法が、適用可能な実施形態であり、図４ｂは、適用不可能な実施形態を表す説明図である。このように計算量が大きい高機能アルゴリズムは、低速動作をさせることができる周波数分割信号処理型アダプティブアレーと非常に相性が良いといえる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
図３ａに示した周波数帯域分割信号処理型アダプティブアレーにＲＬＳ法を適用した場合、分割した帯域毎に並列処理を行うことによりＲＬＳ法の動作を減速することができるため、このアレーアンテナの構成とアルゴリズムの組み合わせは装置化に当たって有効であるといえる。しかし、その一方で、ＲＬＳ法を適用したアレーアンテナの構成では、以下のような問題が生じる。
【００１５】
図５は、Ｓ／Ｎ＝１０ｄＢにおける、周波数領域信号処理を行う適応型アレーアンテナの出力信号と参照信号との相関係数グラフである。アレーアンテナの構成は、図３ａの構成にＲＬＳ法を重み係数制御アルゴリズムとして適用したものとなっている。また、アレーアンテナは１次元アレーで８素子のエレメントアンテナからなる。受信信号はそれぞれ３２帯域に分割される。従って、必要となる重み係数は２５６個となる。
【００１６】
図５では、横軸はステップ数、即ちＲＬＳ法の繰り返し数を示している。該図５から、重み係数の探索をスタートし、一度相関係数が改善された後、２５０ステップ前後で大きく劣化することがわかる。このような現象は、ＲＬＳ法特有の現象であるものと考えられ、その原因は以下のように説明できる。
【００１７】
ＲＬＳ法は、過去のすべての入力を参照し、その時点における最適な重み係数を求めるが、この操作は各ステップで１つ得られる方程式を連立方程式として逐次的に解を求めていることに等しい。従って、連立方程式の数が求める重み係数の数以上になるステップまでは連立方程式の自由度が満たされないので、条件を満たす解が無数に存在するので、最適重み係数の探索が開始されない。このため、一度は適当な解へ収束に向かうが、自由度が満たされるにつれ、その解では条件が満たされない状態となり、一度誤差が増大したあと、自由度が満たされた状態で最適重み係数の探索が開始される。結果として、最適重み係数の計算が、制御される重み係数の数と同じステップが過ぎないと開始されない状態となるため、特に帯域分割信号処理を適用した適応型アレーアンテナでは収束が大幅に遅くなる原因となる。
【００１８】
図３ａの構成では、サブバンド毎に独立にＲＬＳ法を適用できるので、自由度が満たされるまでに必要なサンプル数は素子数に等しい８である。しかし、重み係数更新速度を低減しているために、サンプルが帯域分割数である３２サンプリング時間に１サンプルしか入らないため、８×３２＝２５６サンプリング時間まで自由度が満たされないことになっている。図２に示した周波数領域信号処理を行うアレーアンテナの構成において、相関係数の収束を調べると、やはり同様に２５６サンプリング時間で一度相関係数が劣化する。このケースでは、サンプルの入力はサンプリング周波数に等しい速度で入力されるが、すべての重み係数を一つのＲＬＳ法で求めようとしているために、自由度が満たされるまでに２５６サンプルを必要とし、結果として図３ａのケースと同じ時間において相関係数が劣化することとなる。
【００１９】
そこで、本発明は、帯域分割信号処理に基づく適応型アレーアンテナに、重み係数制御法としてＲＬＳ法を用いた場合、帯域分割による信号処理の低レート化が原因になって生じる収束の遅れを改善するアレーアンテナの制御装置を提供する。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明によるアレーアンテナ制御装置は、受信信号を周波数軸上で分割するＦＦＴによる帯域分割フィルタ手段と、該手段によって分割されたそれぞれの周波数帯域の信号に、ＲＬＳ法によって適応的に制御された重み係数を乗算した後、時間軸上の信号に復元する帯域復元フィルタ手段とを有しており、周波数帯域分割フィルタ手段が、ＦＦＴのウィンドウの時間軸上の移動におけるオーバーラップを変化させるように構成されているものである。
【００２１】
重み係数制御アルゴリズムにＲＬＳ法を用い、ＦＦＴ及び逆ＦＦＴの完全再構成フィルタに基づいて帯域分割信号処理を行うアレーアンテナの構成では、重み係数更新速度をＦＦＴの適用によって低減することができる。しかし、低減できることによって自由度が満たされるまでに時間がかかるので、自由度を満たすまでの時間は重み係数を低減せず、早期に自由度を満たし、その後、重み係数更新速度を低減する構成とする。
【００２２】
具体的には、自由度が満たされるまではバッファの動作を図２ｂに示したようにオーバーラップしてサンプル信号を取り込んで高速にサンプルをＲＬＳプロセッサに供給し、自由度を満たす。こうして自由度を満たした時点で、バッファの動作を図３ｂに示したオーバーラップしないようにウィンドウをかけてＦＦＴに供給する動作に切り替え、ＲＬＳプロセッサの動作速度をＦＦＴの次数（サブバンドの数）分の１に低減する。
【００２３】
更に、本発明によるアレーアンテナ制御装置は、素子アンテナ出力をアナログ信号からディジタル信号に変換するアナログ／ディジタル信号変換手段と、該アナログ／ディジタル信号変換手段から出力された信号を直交信号に分離する信号直交化手段と、該空間アナログ／ディジタル信号変換手段で得られた各素子アンテナ受信信号を、後段の帯域分割ＦＦＴに供給するためのウィンドウを可変オーバーラップでかける信号ベクトル化手段と、該信号ベクトル化手段で得られた各素子アンテナ出力がベクトル化された信号を周波数領域でサブバンドに周波数分割を行う帯域分割フィルタと、該ＦＦＴ計算手段により選択された所定の数のビーム出力に、後述する重み係数計算手段から供給される重み係数を乗算する重み係数乗算手段と、重み係数乗算手段により重み係数を乗算された各ビーム出力を、同じサブバンド毎に合計する加算器と、該加算器により合計された各サブバンド毎の出力を処理してもとの帯域を復元する信号再構成フィルタと、前記の構成のうちの任意の点における信号を用いて適応的に重み係数を計算して重み係数を前記重み係数乗算器に供給する重み係数計算手段とを有するものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２５】
図６は、本発明によるアレーアンテナ制御装置の一実施形態を表す構成図である。該図６には、複数のアンテナ素子１−１  〜１−ｎ  からなるアレーアンテナと、これを制御するための制御装置とが記載されている。
【００２６】
アンテナ素子１−１  〜１−ｎ  で受信された信号は、Ａ／Ｄ  変換及び直交化手段２により所定のサンプリング周波数でディジタル信号に変換され、Ｉ／Ｑ  直交チャネルに分離された後、入力信号制御手段３−１  〜３−ｎ  に入力される。入力信号制御手段３−１  〜３−ｎ  では、後述の入出力制御手段９から得た情報に基づいて、ＲＬＳ法における自由度を満たすまでの時間においては、後段のＦＦＴ計算手段４−１  〜４−ｎ  のウィンドウを、時間軸上でサンプルがオーバーラップするように信号をバッファリングしてＦＦＴ計算手段に信号を供給する。
【００２７】
図７ａ及び図７ｂは、図６の実施形態における入力信号制御手段の動作を表す説明図である。該図は、入力信号制御手段の動作を、帯域分割数４の場合を例として説明している。
【００２８】
図７ａは、動作を開始してから入出力制御手段９から命令を受信するまでの、入力信号制御手段３−１  〜３−ｎ  の動作を表す説明図である。即ち、毎サンプルタイミングでバッファリングしているサンプルを後段のＦＦＴ計算手段４−１  〜４−ｎ  に引き渡す。
【００２９】
一方、図７ｂは、入出力制御手段９から命令を受信した後の、入力信号制御手段３−１  〜３−ｎ  の動作を表す説明図である。即ち、入力サンプルが完全に入れ替わったタイミングにおいてのみ、ＦＦＴ計算手段４−１  〜４−ｎ  にサンプル値を引き渡す。結果として、値をＦＦＴ計算手段４−１  〜４−ｎ  に引き渡す頻度は、１／帯域分割数に低減される。
【００３０】
入力信号制御手段３−１  〜３−ｎ  から前述のようなタイミングでサンプル値を供給されるＦＦＴ計算手段４−１  〜４−ｎ  は、値を受け取るとＦＦＴの演算を実行して出力する。ここで、ＦＦＴの次数、即ち帯域分割数はｍ  とする。ＦＦＴ計算手段４−１  〜４−ｎ  の出力は、乗算器５−１−１  〜５−ｍ−ｎ  に供給され、後述するＲＬＳ法に基づく重み係数計算手段１０から供給される重み係数を信号に乗算され、後段の加算器６−１  〜６−ｍ  において同じサブバンドの乗算結果毎に加算される。各加算器の出力は、ＩＦＦＴ（逆ＦＦＴ）計算手段７に供給される。該ＩＦＦＴ計算手段７  の結果は、出力信号制御手段８に入力され、後述の入出力制御手段９からの命令を受けて、前述の入力信号制御手段３−１  〜３−ｎ  の動作と同期して２種類の動作を行う。即ち、入力信号制御手段の動作が、毎サンプルタイミングでＦＦＴを行っている間は、出力信号制御手段はＩＦＦＴの第１のポートの出力を毎サンプルタイミングで取り込んで出力信号とする。従って、ＩＦＦＴの他のポートの出力は無視する。次に、入力信号制御手段の動作が、サンプリング時間のサブバンド数倍でＦＦＴ計算手段にサンプル値を供給している状態では、出力信号制御手段はＩＦＦＴの全出力を採用し、それを時間軸上の信号として出力信号に採用する。
【００３１】
このように、入力信号制御手段３−１  〜３−ｎ  と出力信号制御手段８のそれぞれの２種類の動作は、入出力制御手段９によって同期して動作するよう制御される。基本的には２種類の動作が切り替わるのは、ＲＬＳ法の自由度が満たされるタイミングにおいてであるが、それより遅いタイミングで切り替えることもあり得る。
【００３２】
重み係数計算手段（ＲＬＳ法）１０は、前述の加算器６−１  〜６−ｍ  の出力と、対応するサブバンドに帯域分割された参照信号１１とを受信し、２乗誤差が最小となる重み係数をＲＬＳ法に基づいて計算して乗算器５−１−１  〜５−ｍ−ｎ  に供給する。重み係数計算手段１０も、入出力計算手段９から命令を受信し、ＦＦＴ計算手段の動作速度と等しい速度でＲＬＳ法を実行する。また、帯域分割された参照信号１１も、入出力制御装置９から命令を受信し、帯域分割するＦＦＴの適用の方法を、ＦＦＴ計算手段３−１  〜３−ｎ  と同じ動作をさせて参照信号を帯域分割する。
【００３３】
以上詳細に説明した実施形態について、本発明の技術思想及び見地の範囲の種々の変更、修正及び省略は、当業者によれば容易に行うことができる。従って、前述した実施形態では、あくまで例であって、何等制約しようとするものではない。本発明は、特許請求の範囲及びその均等物として限定するものだけに制約される。
【００３４】
【発明の効果】
図８ａから図８ｄは、本発明の実施形態において、各シミュレーションステップで得られる重み係数から計算される出力信号と参照信号との相関係数グラフである。ＲＬＳ法の自由度が満たされる３２ステップの１倍から４倍までのサンプルを図７ａの動作でＦＦＴに供給し、その後、図７ｂの動作に切り替えた場合の、各ステップにおいて得られた重み係数を用いて計算したアレーアンテナの出力信号と、参照信号の相関係数の推移を示す。
【００３５】
本発明によれば、図８ａから図８ｄからも明らかなように、図５に表されたように２５６ステップにおける相関係数の劣化が見られなくなっており、収束特性が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＴＤＬ  を用いる時間領域信号処理を行う適応型アレーアンテナの構成図である。
【図２ａ】ＦＦＴを帯域分割フィルタとして用いる周波数領域信号処理を行う適応型アレーアンテナの構成図である。
【図２ｂ】図２ａの構成図における、時間軸上のサンプルに対するバッファ動作を表す説明図である。
【図３ａ】ＦＦＴを帯域分割フィルタとして用いる周波数領域信号処理を行う適応型アレーアンテナにおいて重み係数更新速度を低減する構成図である。
【図３ｂ】図３ａの構成図における、時間軸上のサンプルに対するバッファ動作を表す説明図である。
【図４ａ】高速ＲＬＳ法が適用可能な実施形態の説明図であって、タップの中を信号がシフトする構成の図である。
【図４ｂ】高速ＲＬＳ法が適用不可能な実施形態の説明図であって、タップの中を信号が同時に変化する構成の図である。
【図５】周波数領域信号処理を行う適応型アレーアンテナの出力信号と参照信号との相関係数グラフである。
【図６】本発明によるアレーアンテナ制御装置の実施形態を表す構成図である。
【図７ａ】図６の構成において、入力信号制御手段の自由度が満たされるまでの、毎サンプルタイミングで値をＦＦＴ計算手段に引き渡し（帯域４分割の例）ている動作を表す説明図である。
【図７ｂ】図６の構成において、入力信号制御手段の自由度が満たされた後の、サンプルタイミングの数倍のタイミングで値をＦＦＴ計算手段に引き渡し（帯域４分割の例）ている動作を表す説明図である。
【図８ａ】本発明による実施形態について、各シミュレーションステップで得られる重み係数から計算される出力信号と参照信号との相関係数グラフであって、８サンプルでバッファ動作を切り替えたグラフである。
【図８ｂ】本発明による実施形態について、各シミュレーションステップで得られる重み係数から計算される出力信号と参照信号との相関係数グラフであって、１６サンプルでバッファ動作を切り替えたグラフである。
【図８ｃ】本発明による実施形態について、各シミュレーションステップで得られる重み係数から計算される出力信号と参照信号との相関係数グラフであって、３２サンプルでバッファ動作を切り替えたグラフである。
【図８ｄ】本発明による実施形態について、各シミュレーションステップで得られる重み係数から計算される出力信号と参照信号との相関係数グラフであって、６４サンプルでバッファ動作を切り替えたグラフである。
【符号の説明】
１−ｍ      アレーアンテナ
２    Ａ／Ｄ  及び信号直交化手段
３−ｎ      入力信号制御手段
４−ｎ      ＦＦＴ計算手段（ｍ次）
５−ｍ−ｎ      乗算器
６−ｍ      加算器
７    逆ＦＦＴ計算手段
８    出力信号制御手段
９    入出力信号制御手段
１０    重み係数計算手段（ＲＬＳ法）
１１    帯域分割された参照信号
【図１】
0003565041.tif 000002
【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
0003565041.tif 000008
【図５】
0003565041.tif 000009
【図６】
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【図７ａ】
0003565041.tif 000011
【図７ｂ】
0003565041.tif 000012
【図８ａ】
0003565041.tif 000013
【図８ｂ】
0003565041.tif 000014
【図８ｃ】
0003565041.tif 000015
【図８ｄ】
0003565041.tif 000016