(57)【要約】【課題】拘束数に依存することなく、より良い性能で信号を受信できるようにする。【解決手段】アレイアンテナにより得られる受信信号ベクトルに擬似雑音量を付加した擬似雑音付加相関行列を相関行列生成部２にて生成し、端子１４を介して入力される拘束角により、複数の拘束数を定義する拘束行列を拘束行列生成部１４にて生成して、擬似雑音付加相関行列を用いてウェイトを求め、このウェイトと相関行列とに基づいて求められ出力パワーと、全受信信号による出力パワーとの比を出力パワー比計算部１１にて計算し、この出力パワー比に対応して決定される閾値と、ウェイトノルム計算部１０で計算されるウェイトノルムとを比較判定部１３で比較してノルムが閾値以下であるか否かを判定し、閾値以下である場合に、ウェイトをウェイト乗算部に出力し、閾値より大きい場合に、擬似雑音付加部７を制御して擬似雑音量を変化させて再度擬似雑音付加相関行列を生成させる。【選択図】      図３
2011199642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ（Ｎは２以上の整数）本の素子アンテナより構成されるアレイアンテナを有し、これらＮ本の素子アンテナにより信号を受信し、当該Ｎ本の素子アンテナそれぞれの受信信号にアンテナウェイトを乗算し、各乗算出力を加算してビーム形成を行う装置に用いられる信号処理装置において、
前記アレイアンテナによる受信信号ベクトルから相関行列を生成し、この相関行列に擬似雑音量を付加して擬似雑音付加相関行列を生成する相関行列生成部と、
前記ビームの振幅を一定値に保持する拘束角が入力されるとき、この拘束角に対応する拘束行列を生成する拘束行列生成部と、
前記擬似雑音付加相関行列と、前記拘束行列とを用いて、方向拘束付き出力電力最小化法により前記アンテナウェイトを計算するウェイト計算部と、
前記アンテナウェイトと前記相関行列とに基づいて求められ前記ビーム形成によって出力される出力電力と、前記Ｎ本の素子アンテナにより得られる全受信信号による出力電力との比を計算する出力電力比計算部と、
前記出力電力比に対応して決定される閾値と、前記アンテナウェイトのノルムとを比較することで、前記ノルムが前記閾値以下であるか否かを判定する判定部と、
この判定部により前記閾値以下であると判定した場合に、前記アンテナウェイトを出力し、前記閾値より大きいと判定した場合に、前記擬似雑音量を変化させるように前記相関行列生成部を制御する制御部とを具備したことを特徴とする信号処理装置。
【請求項２】
前記判定部は、前記出力電力比の減少に対応して単調に増加するように閾値を決定することを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
【請求項３】
前記判定部は、前記出力電力比の最大値から所定の出力電力比まで、出力電力比の減少に対して単調に増加し、前記所定の出力電力比以下の出力電力比で一定となる閾値を決定することを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
【請求項４】
前記拘束行列生成部は、２以上の拘束ベクトルを含む拘束行列を生成することを特徴とする請求項１乃至３の少なくとも１つに記載の信号処理装置。
【請求項５】
前記拘束行列生成部は、前記拘束角に対応するステアリングベクトルからなる拘束ベクトルと、前記拘束角に対応するステアリングベクトルを前記拘束角の近傍で角度に対して微分したベクトルからなる微分拘束ベクトルを含む拘束行列を生成することを特徴とする請求項４記載の信号処理装置。
【請求項６】
前記受信信号ベクトルは、円形アレイアンテナによって受信された信号ベクトルであることを特徴とする請求項１乃至５の少なくとも１つに記載の信号処理装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記判定部による判定結果が閾値より大きい場合に、擬似雑音量を増加させるように前記相関行列生成部に指示することを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
【請求項８】
Ｎ（Ｎは２以上の整数）本の素子アンテナより構成されるアレイアンテナを有し、これらＮ本の素子アンテナにより信号を受信し、当該Ｎ本の素子アンテナそれぞれの受信信号にアンテナウェイトを乗算し、各乗算出力を加算してビーム形成を行う装置に用いられる信号処理方法において、
前記アレイアンテナによる受信信号ベクトルから相関行列を生成し、この相関行列に擬似雑音を付加して擬似雑音付加相関行列を生成し、
前記ビームの振幅を一定値に保持する拘束角が入力されるとき、この拘束角に対応する拘束行列を生成し、
前記擬似雑音付加相関行列と、前記拘束行列とを用いて、方向拘束付き出力電力最小化法により前記アンテナウェイトを計算し、
前記アンテナウェイトと前記相関行列とに基づいて求められる前記ビーム形成によって出力される出力電力と、前記Ｎ本の素子アンテナにより得られる全受信信号による出力電力との比を計算し、
前記出力電力比に対応して決定される閾値と、前記アンテナウェイトのノルムとを比較することで、前記ノルムが前記閾値以下であるか否かを判定し、
前記閾値以下であると判定した場合に、前記アンテナウェイトを出力し、前記閾値より大きいと判定した場合に、前記擬似雑音量を変化させて、擬似雑音付加相関行列から再計算することを特徴とする信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレイアンテナ出力から所望の信号を抽出する信号処理装置および信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アレイアンテナによる信号抽出方法の一つにＤＣＭＰ(Derectionally Constrained Minimization of Power:方向拘束付き出力電力最小化法)がある(例えば、非特許文献1)。ＤＣＭＰは、受信信号にパイロット信号など既知の成分が含まれず、信号成分を利用したビーム形成ができない場合、ビームの振幅を一定値に保つ拘束角を指定した上で、出力パワーを最小化するビームを形成し、ＳＩＮＲ(信号対干渉雑音電力比)を確保する方法である。
【０００３】
ＤＣＭＰでは、出力パワーを最小化するため、拘束角と所望波の入力角に誤差があると、所望波を干渉波とみなして抑圧しようとする。これを改善する方法として、擬似雑音を付加する方法がしばしば用いられる。ＤＣＭＰは、出力パワーを最小化するため、ＳＮＲ(信号対雑音電力比)の小さい入力波は、あまり積極的に抑圧しない。そこで、ビームのウェイトを計算する際、信号に故意に雑音を付加してＳＮＲを下げることによって、所望波の抑圧を防ぐことができる。
【０００４】
擬似雑音付加では、擬似雑音が少なすぎると所望波を抑圧してしまい、擬似雑音が多すぎると、干渉波に対して深いヌルが作れないため、SINRが劣化する。従って擬似雑音量の決定方法が重要である。
【０００５】
擬似雑音量の決定方法の1つにノルム拘束と呼ばれる方法がある(例えば、非特許文献２)。拘束角と少しだけ異なる角度に所望波が存在する場合、ＤＣＭＰは所望波を干渉波とみなして抑圧しようとする。拘束角ではビームの振幅値が拘束値で拘束されているのに、所望波の入射角でビームの振幅を抑圧するために、ビームの振幅を急激に曲げようとする。その結果、ウェイトのノルムが非常に大きくなる。ウェイトノルムが大きいと雑音を増幅するため、出力信号のＳＩＮＲは劣化する。ここで、擬似雑音量を増加させると、ＤＣＭＰは干渉波とみなしている所望波のＳＮＲが低くなったと理解するので、あまり所望波を抑圧しようとしなくなり、その結果、ウェイトのノルムも小さくなる。このように、ウェイトノルム値と擬似雑音量には相関がみられるため、ウェイトのノルム値を上限値以内となるように擬似雑音量を解析的に求める方法がノルム拘束である。ノルム拘束は、1拘束のＤＣＭＰに適用される方法であり、具体的には、ウェイトの式を求める際の拘束条件に、ウェイトのノルム値制限を加えて、ラグランジュの未定乗数法によって最適な擬似雑音係数を計算するための式を得ている。
【０００６】
一方、ＤＣＭＰは必ずしも単拘束で無くて良い。例えば、一般化モードベクトルと呼ばれる方法は、拘束角のステアリングベクトルの他に、そのステアリングベクトルを角度について微分したベクトルを拘束ベクトルとして使用する(例えば、非特許文献3)。1次微分まで利用する場合、アンテナが1次元であれば、2拘束、2次元であれば3拘束のＤＣＭＰとなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】菊間信良著「アレーアンテナによる適応信号処理」(科学技術出版)  第5章
【非特許文献２】J.Li他、IEEE Trans. Sig.Proc. Vol.52, No.9, p.2407 (2004)
【非特許文献３】A.K.Steele, IEE Proc., Vol.130, Pts.F and H, No.1, p41 (1983)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記ノルム拘束の方法では、ノルムを一定値以下にすれば、特性を改善できることが分かっていたが、一定値をいくつにすれば良いかという点については、明確な指針が無い。また、ノルム拘束の方法は１拘束であれば解析的に解くことができるが、拘束数が増えたときは、解析的に解くことは困難である。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、拘束数に依存することなく、より良い性能で信号を受信し得る信号処理装置及び信号処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、この発明に係る信号処理装置は、Ｎ（Ｎは２以上の整数）本の素子アンテナより構成されるアレイアンテナを有し、これらＮ本の素子アンテナにより信号を受信し、当該Ｎ本の素子アンテナそれぞれの受信信号にアンテナウェイトを乗算し、各乗算出力を加算してビーム形成を行う装置に用いられる信号処理装置において、アレイアンテナによる受信信号ベクトルから相関行列を生成し、この相関行列に擬似雑音を付加して擬似雑音付加相関行列を生成する相関行列生成部と、ビームの振幅を一定値に保持する拘束角が入力されるとき、この拘束角に対応する拘束行列を生成する拘束行列生成部と、擬似雑音付加相関行列と、拘束行列とを用いて、方向拘束付き出力電力最小化法によりアンテナウェイトを計算するウェイト計算部と、アンテナウェイトと相関行列とに基づいて求められ前記ビーム形成によって出力される出力電力と、Ｎ本の素子アンテナにより得られる全受信信号による出力電力との比を計算する出力電力比計算部と、出力電力比に対応して決定される閾値と、アンテナウェイトのノルムとを比較することで、ノルムが閾値以下であるか否かを判定する判定部と、この判定部により閾値以下であると判定した場合に、アンテナウェイトを出力し、閾値より大きいと判定した場合に、擬似雑音量を変化させるように相関行列生成部を制御する制御部とを備えるようにしたものである。
【００１１】
この構成によれば、方向拘束付き出力電力最小化法を利用してアンテナウェイトを計算する場合に、アレイアンテナにより得られる受信信号ベクトルから擬似雑音量を付加した擬似雑音付加相関行列を生成し、ビームの振幅を一定値に保持する拘束角が入力されるとき、複数の拘束数の拘束行列を生成して、擬似雑音付加相関行列とを用いて、アンテナウェイトを求めるようにし、このアンテナウェイトと相関行列とに基づいて求められビーム形成によって出力される出力電力と、Ｎ本の素子アンテナにより得られる全受信信号による出力電力との比を計算して、この出力電力比に対応して決定される閾値と、アンテナウェイトのノルムとを比較することで、ノルムが閾値以下であるか否かが判定される。そして、閾値以下である場合に、アンテナウェイトを出力し、閾値より大きい場合に、擬似雑音量を変化させて再度擬似雑音付加相関行列を生成させるようにしている。
【００１２】
従って、拘束数に依存することなく、出力電力比により閾値を決定することで、より信号の状態に即した擬似雑音量を選択することができ、より良い性能で信号を受信することができる。
【００１３】
上記判定部は、出力電力比の減少に対応して単調に増加するように閾値を決定する。
【００１４】
このようにすることで、閾値を決定する際の判定部の処理負荷を軽減できる。
【００１５】
上記判定部は、出力電力比の最大値から所定の出力電力比まで、出力電力比の減少に対して単調に増加し、所定の出力電力比以下の出力電力比で一定となる閾値を決定する。
【００１６】
このようにすることで、出力電力比ごとに最適な閾値を決定できる。
【００１７】
上記拘束行列生成部は、拘束角に対応するステアリングベクトルからなる拘束ベクトルと、拘束角に対応するステアリングベクトルを拘束角の近傍で角度に対して微分したベクトルからなる微分拘束ベクトルを含む拘束行列を生成する。
【００１８】
この構成によれば、拘束角近傍でやや幅のあるビームを、擬似雑音量を増加させずに形成でき、これにより拘束角とは離れた角度にある干渉波のヌルを深いままにすることができる。
【発明の効果】
【００１９】
上記発明によれば、拘束数に依存することなく、より良い性能で信号を受信し得る信号処理装置及び信号処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明に係る信号処理装置が適用されるアンテナ装置の一実施形態を示すブロック図。
【図２】上記図１に示した円形アレイアンテナを説明するための図
【図３】上記図１に示した信号処理装置１の構成を示すブロック図。
【図４】同実施形態における閾値決定方法を説明するための図である。
【図５】同実施形態における閾値決定方法の具体例を説明するための図。
【図６】同実施形態における閾値決定方法の他の具体例を説明するための図
【図７】同実施形態における原理を説明するための特性図。
【図８】同実施形態における原理を説明するための特性図。
【図９】同実施形態におけるシミュレーションにより実施した結果を示す特性図。
【図１０】同実施形態におけるシミュレーションを比較するための特性図。
【図１１】同実施形態における動作を説明するための図。
【図１２】同実施形態における擬似雑音量の変化のさせ方を説明するための一例を示す図。
【図１３】同実施形態における擬似雑音量の変化のさせ方を説明するための他の例を示す図。
【図１４】この発明の他の実施形態における信号処理装置の制御処理手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、この発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。  
図１は、この発明に係る信号処理装置が適用されるアンテナ装置の一実施形態を示すブロック図である。
【００２２】
このアンテナ装置は、図２に示すように、互いに等間隔となるようにＫ（Ｋは自然数）個の素子アンテナ１００−１〜１００−Ｋを配置した円形アレイアンテナを有する。このアンテナ装置は、素子アンテナ１００−１〜１００−Ｋで第１乃至第Ｋチャンネルの信号を受信しているものとする。素子アンテナ１００−１〜１００−Ｋで得られた受信信号は、それぞれダウンコンバータ１１０−１〜１１０−Ｋにより周波数変換されてベースバンド信号となる。これらベースバンド信号は、Ａ／Ｄコンバータ１２０−１〜１２０−Ｋによりデジタル信号に変換される。得られたデジタル信号は、ウェイト乗算部１３０−１〜１３０−Ｋに供給されるとともに、アンテナ方向のベクトルとして信号処理装置１に供給される。
【００２３】
信号処理装置１は入力されたアンテナ方向のベクトルからアンテナウェイトを求め、このアンテナウェイトを各ウェイト乗算部１３０−１〜１３０−Ｋに出力する。ウェイト乗算部１３０−１〜１３０−Ｋは、入力されたデジタル信号とアンテナウェイトとを乗算し、この乗算結果を加算部１４０に出力する。加算部１４０は、ウェイト乗算部１３０−１〜１３０−Ｋの乗算結果を加算して、任意の信号を抽出する。
【００２４】
図３は、上記信号処理装置１の構成を示すブロック図である。  
信号処理装置１は、相関行列生成部２と、ウェイト計算部３と、判定部４と、制御部５とに大別される。
【００２５】
信号処理装置１に入力された受信信号ベクトルは、相関行列生成部２に供給される。相関行列生成部２内では、受信信号ベクトルが一定のスナップショット数TNだけ入力されたら、相関行列計算部６において、受信信号ベクトルから相関行列Rxxを生成する。なお、受信信号ベクトルは、下式で表される。
【数１】
2011199642.tif 000003
【００２６】
相関行列は、下式によって計算される。
【数２】
2011199642.tif 000004
【００２７】
Kはアンテナ数、Tは転置、Hは複素共役転置を示す。相関行列が生成されると、擬似雑音付加部７において、擬似雑音が付加される。擬似雑音量を与える擬似雑音係数は予め決定されている初期値であり、処理上で変化する値の内の最小値である。なお、擬似雑音の付加方法には幾つか種類があるので、詳細は後述する。
【００２８】
擬似雑音が付加された相関行列は、ウェイト計算部３に入力される。ウェイト計算部３では、拘束行列生成部９にＤＣＭＰの拘束角が端子１４から入力され、拘束角に対応するステアリングベクトルを含む拘束行列Ｃが生成される。例えば、等間隔円形アレイアンテナの場合では、拘束角のステアリングベクトルは、拘束角の仰角をθ、方位をφとすると、下記の式となる。
【数３】
2011199642.tif 000005
【００２９】
ただし、rは円形アレイアンテナの半径、λは受信信号の波長である。生成された拘束行列ＣはＤＣＭＰ部８に供給される。ＤＣＭＰ部８には、拘束行列の各列ベクトルに対応する拘束値からなる拘束応答ベクトルＨが端子１５より入力される。例えば、拘束角の振幅を０ｄＢ、位相を０度で拘束するなら、拘束値は１となる。ＤＣＭＰ部８は、拘束行列、拘束応答ベクトルと、擬似雑音を付加した相関行列から、下式に従ってアンテナのウェイトＷを計算する。
【数４】
2011199642.tif 000006
【００３０】
計算されたウェイトは、制御部５と判定部４に送られる。判定部４では、ウェイトノルム計算部１０において、ウェイトのノルムが計算される。ノルムはウェイトの各要素の絶対値の二乗を加算し、平方根を取った値である。
【００３１】
また、判定部４の出力パワー比計算部１１にはウェイトと、相関行列計算部６で生成された相関行列が入力され、出力パワー比が計算される。出力パワー比は下式に従って計算する。
【数５】
2011199642.tif 000007
【００３２】
trace()は対角成分の和である。もちろん、出力パワー比として、これに一定値、例えばアンテナ数などを乗算するなど加工した値を利用してもかまわない。
【００３３】
計算された出力パワー比は閾値決定部１２に入力され、出力パワー比に対応してノルムの閾値が決定される。決定した閾値と、ウェイトノルム計算部１０で計算されたノルムは比較判定部１３に供給され、比較される。比較の結果、ノルムが閾値を越えているか否かを示す情報が制御部５に通知される。ノルムが閾値以下である場合には、制御部５はウェイトを計算結果として各ウェイト乗算部１３０−１〜１３０−Ｋに出力する。ノルムが閾値よりも大きい場合は、擬似雑音量を現在の量より多くするよう、端子１６を介して擬似雑音付加部７に指示し、再度、ウェイトの計算、比較判定までの処理を行い、ノルムが閾値以下となるまで繰り返す。
【００３４】
このように最適な擬似雑音量をウェイトノルムを指標として決定する際、閾値を信号のパワーによって変化させると、より信号の状態に即した擬似雑音量を選択することができ、より良い性能での所望信号の受信が可能となる。また、サーチによって擬似雑音量を決定しているため、拘束数が２以上であっても動作する。
【００３５】
なお、拘束角に対応するステアリングベクトルのみの単拘束であったとしても、閾値を信号のパワーによって変化させる場合には、従来例のノルム拘束は適用できない。したがって、本発明の実施形態においては、サーチは必須である。
【００３６】
なお、円形アレイアンテナは、２次元のアンテナであるため、上半面のどの方位から信号が入力しても抽出特性が方位に依存しない信号抽出が可能である。
【００３７】
本実施形態は、単拘束のみでなく拘束行列Ｃが複数の列ベクトルからなる複数拘束にも適用できる。円形アレイアンテナでは、前述のように、特性が方位に依存しない信号抽出が可能である一方、コヒーレント多重波の無相関化が難しい。少しずつ角度と位相が異なって入力されるマルチパス信号が入力された場合、その合成ベクトルでしか信号を扱えない。このようなコヒーレント多重波は位相差によっては、互いに打ち消し合ってしまうことがあり、これを安定的に受信できる方法として一般化モードベクトルがある。
【００３８】
一般化モードベクトルは、拘束行列Ｃとして、拘束角のステアリングベクトルaの他に、aの拘束角近傍での角度に対する微分を拘束ベクトルとして使用する。例えば、円形アレイアンテナの例では、拘束行列Ｃは下式で表される。
【数６】
2011199642.tif 000008
【００３９】
(６)式は１次微分の例であるが、高次の微分まで含んでもかまわない。一般化モードベクトルを適用した場合、拘束応答ベクトルＨは、例えば、次のような値となる。
【数７】
2011199642.tif 000009
【００４０】
この例では、ステアリングベクトルの微分が０で拘束されているため、生成されたビームパターンの方位、仰角方向の変化、すなわち微係数は、拘束角近傍については、振幅、位相、ともに０となる。
【００４１】
従って、拘束角近傍でやや幅のあるビームを、擬似雑音量を増加させずに形成できる。擬似雑音量を増加させずに拘束角近傍で幅のあるビームを形成できるので、拘束角とは離れた角度にある干渉波のヌルを深いままにすることができる。そのため、入力信号がコヒーレント多重波であって、互いに打ち消し合うのに近い位相であっても、干渉波を非常に強く抑圧できるため、ある程度のSINRが確保できる。もちろん、効果が得られる範囲で、位相や振幅が傾きを持つような拘束値にしてもかまわない。
【００４２】
しかし、一般化モードベクトルでは、１次微分であっても円形アレイアンテナでは拘束数が３となり、公知例であるノルム拘束の方法は利用できない。従って、本実施形態のようにサーチによって擬似雑音量の最適値を決定する方法が適している。
【００４３】
また、一般化モードベクトルを利用すると、擬似雑音量が少ない、すなわち、所望波のＳＮＲが高いとＤＣＭＰ部８が認識しているにも拘わらず、微係数拘束によるビーム広がりが発生するため、ＤＣＭＰ部８は、拘束角から少しずれた角度で入射する所望波を抑圧することができなくなる。しかし、拘束角近傍の微係数拘束は、信号入射角を正しく拘束している訳ではないため、ＤＣＭＰ部８としては、ウェイトノルムを非常に大きくしてでも、ＳＮＲの強い所望波を抑圧しようとする。その結果、一般化モードベクトルを利用すると、通常の単拘束のＤＣＭＰより、ウェイトノルムが非常に大きくなりがちである。従って、一般化モードベクトルを利用する場合に本実施形態の方法は非常に有効に働く。
【００４４】
次に、出力パワー比に対応して変化するウェイトノルムの閾値の設定方法と効果について説明する。図４は閾値設定方法を説明するための図である。
【００４５】
(５)式の出力パワー比は、最大値は1/Kとなる。これは、素子アンテナ１３０−１〜１３０−Ｋで受信された全信号が出力されるような場合であり、例えば、拘束角の近傍の所望波が他の波と比較して著しく大きく、他波のパワーが無視できるような場合である。
【００４６】
次に、ウェイトノルムの値について説明する。拘束角に対応するステアリングベクトルａを拘束ベクトルとし、その拘束値を１とした場合は、次のような拘束条件となる。
【数８】
2011199642.tif 000010
【００４７】
aのノルムが√Kであるため、ウェイトノルムの最小値は1/√Kとなる。ウェイトノルムが最小となっている状態では、単位長さに正規化したaとＷは全く同一のベクトルとなっている。この場合、Ｗによって作られるビームは通常のビームフォーマーのビームとなる。Ｗのノルムが1/√Kより大きくなるほどＷとaは形状のかけ離れたベクトルとなる。
【００４８】
Ｗのノルムの大きさは受信信号の増幅率となるが、（８）式で表される拘束条件があるため、拘束角近傍にいる所望波は増幅されず、熱雑音や外来雑音を増幅する。従って、Ｗが大きくなると受信信号の雑音パワーが増幅される。一方で、前述のように、擬似雑音量が小さいときにノルムが大きくなる傾向があり、Ｗが大きいほど干渉波に対するヌルが深くなっていることが多い。
【００４９】
ここで、仮に、入力信号パワーのほとんどを占めるような非常に強い信号を抽出する場合を考える。この場合、その信号以外の干渉波はパワーが非常に小さい。従って、干渉波に無理にヌルを作らなくても、十分に高いＳＩＮＲが期待できる。逆に、干渉波にヌルを作るために擬似雑音量を少なくしてもウェイトノルムが増加して雑音が増えるだけである。さらに、ＤＣＭＰ部８は所望波と干渉波を区別しないため、擬似雑音量が少ないと、出力パワーを最小化するために最も抑圧して有効である非常にパワーの強い所望波を最優先で抑圧しようとする。従って、所望波の角度が拘束角と少しでもずれていると、所望波の角度のビームの振幅を下げてしまう。
【００５０】
従って、このような場合では、擬似雑音量を非常に大きくして、Ｗをａに近いベクトルにする、すなわち、ウェイトノルムを1/√Kに近い値にして、雑音を増幅させたり、所望波を抑圧させたりしないようにすると最もSINRが高くなる。
【００５１】
逆に、全入力信号パワーより非常にパワーの小さい信号を所望波として受信する場合を考える。この場合でも、Ｗがあまり大きければ、雑音や外来雑音を増幅してしまうことは同様である。しかし、全入力信号パワーより非常にパワーの小さい信号を所望波とする際には、所望波以外に、干渉波として、パワーの強い信号が必ず存在する。そのため、Ｗを小さくする、すなわち、擬似雑音量を増加させて、ヌルを浅くすると、強い干渉波に対して作るヌルが浅くなって出力における干渉波パワーが増大し、ＳＩＮＲが劣化する。従って、パワーの小さい信号に対しては、1/√Kより大きいノルムでよりＳＩＮＲが改善する。
【００５２】
そこで、図４のようにウェイトノルム1/√Kと出力パワー比1/Kを起点として、出力パワー比が下がるに伴って、ウェイトノルム値が増加していく点線で示したような閾値が書ける。これに若干のマージンを持たせるためオフセットを加えて、実線のような値を閾値とし、これより小さいウェイトノルムとなる擬似雑音量をサーチによって決定する。
【００５３】
なお、図の横軸はウェイトノルムをリニアで表示したものであり、縦軸の出力パワー比は、指数的なスケールである。
【００５４】
次に、斜めの線の傾きについて図５を用いて説明する。まず、サーチする際の擬似雑音係数の最小値を決定する。擬似雑音の付加方法は後述するように複数あるが、ここでは、Diagonal Loadingと呼ばれる、相関行列の対角成分に雑音を付加する方法を考える。Diagonal Loadingでは、擬似雑音量をα0とおき、下式のように相関行列に擬似雑音を付加する。
【数９】
2011199642.tif 000011
【００５５】
IはK×Kの単位行列である。擬似雑音は、相関行列の対角成分の平均値に対して係数αを掛ける形で定義される。本実施形態では、αを擬似雑音係数と呼ぶ。対角成分の平均値は、全信号のパワーに対応する。すなわち、図５の出力パワー比1/Kの点に対応する。これに対してαを掛けることで擬似雑音量が決定する。
【００５６】
ＤＣＭＰ部８では、擬似雑音を含めた雑音の量でヌルの深さが決定する。簡単な説明では、雑音よりも深いヌルは作れないという理解ができる。従って、擬似雑音係数の最小値をαminとすると、全パワーにαminを掛けた程度の出力パワーの小さい信号は、抽出しても、干渉波のパワーとその信号のパワーが似たような値となってしまう。従って、この程度が、このシステムで抽出できる信号パワーの下限となる。信号と雑音が同等である場合、その合計は、雑音レベルより約３ｄＢ上昇している。従って、このような小さい信号パワーに対して許容できるノルム増加の範囲は約３ｄＢ程度であると言える。もちろん、実際には、ノルムを増加させることによって、ヌルが深くなりＳＩＮＲが改善する。前述のように出力パワー比の最大値は1/Kであり、この点が全パワーに相当するので、1/√K、1/Kの点から、下に1/αminだけ下がった点、αminが例えば0.001であるならば３０ｄＢだけ下がった点から、ウェイトノルムを大きくする方に３ｄＢ、リニアで表現するならば下式で表される程度移動した点を定義する。
【数１０】
2011199642.tif 000012
【００５７】
この点と1/√K, 1/Kの点を直線でつなぎ、それに若干のオフセットを加えた線を閾値とするとよい。
【００５８】
実際の円形アレイアンテナでの受信信号やシミュレーション信号によって、動作を検証した結果を以下に示す。図６は実際に円形アレイアンテナで受信された信号に対して、一般化モードベクトルを用いてビームフォーミングを行い、擬似雑音係数を0.001〜10程度まで対数スケールのステップで変化させて、受信信号のＳＩＮＲが最大となったウェイトノルムとその時の出力パワー比の散布図である。
【００５９】
上述の方法で定義した閾値上限線を直線でプロットした。オフセットは上方向に１５ｄＢである。ＳＩＮＲが最大となる点はほぼ閾値上限線より左にあることが分かる。
【００６０】
図７は円形アレイアンテナシステムについてシミュレーションを行った結果であり、入力波として、所望波がコヒーレント多重波で２多重波、その他に相関がない干渉波が３波有って、全５波であり、所望波の位相差と、干渉波の所望波に対するパワーを種々変えた結果の同様の散布図である。右上に流れていく点があるが、これは所望波の多重数が２と少ないためであり、多くすると右上に流れる割合は減っていく。また、右上に流れた点は、擬似雑音係数を若干大きくしてノルムを小さくしても、ＳＩＮＲはあまり劣化しない。従って、ここでも、同様の閾値上限線を引くことができる。図内の直線は、前述と同様の傾きでオフセットが5dBの例であるが、おおよその点はこの内側に入っていることが分かる。
【００６１】
なお、図６と図７は横軸としてウェイトノルム×√K、縦軸として出力パワー比×Kを用いている。
【００６２】
実働状況では、リアルタイムでＳＩＮＲを測定することは難しいため、ＳＩＮＲを測定して最適な擬似雑音係数を選択することは難しい。本実施形態を適用して、ウェイトノルムの値を指標にして、擬似雑音係数を選択することにより、ＳＩＮＲが最適となる擬似雑音係数を選択した場合に近い特性が得られる。
【００６３】
図８は、上述と同様のシミュレーションで生成した信号に本実施形態を適用した場合のＳＩＮＲ特性である。所望波・干渉波全５波は全て等パワーとした。２波の所望波の位相差を乱数で振り、一般化モードベクトルでビームフォーミングする際、本発明の構成で擬似雑音係数を自動決定した。図８(ａ)は、２波の所望波の位相差に対するＳＩＮＲの散布図である。
【００６４】
図９は、本発明の擬似雑音係数自動決定法を適用せずに、普通に一般化モードベクトルでビームフォーミングした場合の位相差対ＳＩＮＲの散布図であり、パラメータとして擬似雑音係数αを種々変更している。図９では擬似雑音係数αの値が小さすぎると位相差０度近傍でＳＩＮＲが劣化し、αが大きすぎると位相差１８０度近傍でＳＩＮＲが劣化する。従って、位相差０度近傍で擬似雑音係数を大きくし、位相差１８０度近傍で擬似雑音係数を小さくできれば、最適となる。
【００６５】
本実施形態の擬似雑音係数自動決定法を適用した結果のＳＩＮＲ散布図である図８(ａ)では、ほぼ全ての位相に渡って安定して高いＳＩＮＲが得られている。このときの擬似雑音係数とウェイトノルムが図８(ｂ)であるが、位相差０度近傍では、擬似雑音係数が大きく、位相差１８０度近傍では擬似雑音係数が小さくなっていることが分かる。なお、ウェイトノルムとしては、ウェイトノルム×√Kをプロットしている。ウェイトノルムは、位相差１８０度近傍でやや大きくなっており、これが位相差１８０度近傍でより小さい擬似雑音係数を選択させていることが分かる。
【００６６】
図６と図７をよく見ると、出力パワー比×Kが０ｄＢに近い点では、最適ノルム値×√Kはほぼ１に近い値になっているが、出力パワー比×Kが−１０ｄＢ近傍で、最適ノルム値の下限が若干大きいウェイトノルムで止まっていて、それ以下の点は少ないことが分かる。また、この状態では、閾値上限線ぎりぎりまで届いている点はあまり多くないことが分かる。従って、実際のデータやシミュレーションによって得られた結果から、閾値上限線として、単純に斜め下に直線で下がっていく線のみでなく、図１０に示すような線も可能であることが分かる。
【００６７】
以下図１０を説明する。1/√K, 1/Kの点から、1/αminと３ｄＢ右下の点を結んだ線を点線で示した。これに対してこれまでと同様にオフセットを与えたものを一点鎖線で示した。これとは別にウェイトノルム×√Kが1.2〜1.4で縦の線を引く。縦の線と一点鎖線をその交点で結んだ太線を閾値上限線とするとよい。1.2〜1.4の内の具体的な値は、ウェイトノルム値で決定するより、出力パワー比が最大の点から約１０ｄＢ下がった点でそのまま下に直線を引くような形で良い。
【００６８】
なお，オフセットの値は設計事項であり、そのシステムで受信したい信号に併せて調整すると良いが、おおよそ、５ｄＢ〜１５ｄＢ程度上に移動させればよい。
【００６９】
なお、前記の代表的な実施形態では、擬似雑音量が小さいところから開始して、徐々に大きくなるようなサーチを行った。サーチを行っていく過程でのウェイトノルムや出力パワー比の変化のイメージは図１１に示す特性となる。右下の点が最も擬似雑音量が小さい場合のウェイトノルムと出力パワー比であり、ここから擬似雑音量を上げていくことにより、矢印１つ分ずつ進んでいく。擬似雑音量を上げることにより、出力パワー比も増加するが、その傾きは閾値上限線の傾きより緩いため、あるところで閾値上限線を越える。その点で終了となる。
【００７０】
なお、擬似雑音量の変化のさせ方としては、小さい方から大きくしていく方法が望ましい。擬似雑音量が小さいと、多くの場合ウェイトノルムは大きい値となるが、拘束角近傍のパワーが非常に小さい場合や、たまたまビームフォーマーに近いウェイトで干渉波を有効に抑圧できてしまう場合などは、あまり大きな値とならない。そのような場合は、擬似雑音量を増やさなくても閾値上限線の内側に入っていることがある。このように、何もしなくても閾値上限線の内側に入るような入射波の状態である場合には、閾値上限線近傍のウェイトノルムは必ずしも最適値ではない。何もしなくても閾値上限線の内側に入っているものは、そのままにしておくのが最も性能が高い。従って、閾値上限線よりも十分内側にいるウェイトを無理に閾値上限線に近くに持って行くよりも、閾値上限線の外側のものを内側に入れる方がよい。
【００７１】
なお、擬似雑音量を変化させるときのステップは、種々可能である。信号のパワーによって最適な擬似雑音係数はオーダーが異なることが多いため、例えば、0.001を初期値として、0.001, 0.002, 0.005, 0.01, 0.02, 0.05,...,10と対数的に変化させても良い。
【００７２】
あるいは、ステップを細かく計算していくと計算回数が増えてしまうので、図１２に示すように、ステップを大きく取って、閾値上限線を大きく行きすぎたら、少し戻るような方法をとっても良い。
【００７３】
また、常に同じ擬似雑音係数の増加のさせかたをしなくても良い。例えば、初期値の擬似雑音量0.001でウェイトノルム×√Kが10といったような非常に大きい値である場合に、次を0.002としても、閾値上限線の内側に入るとは思われない。そこで、図１３に示すように、ウェイトノルムの値が閾値から離れている場合には、ステップを大きく取り、閾値の値に近づくに従って、小さくしてもよい。この場合、比較判定部１３は、ノルムの値、出力パワー比と閾値を制御部５に出力し、制御部５が、ウェイトノルムの値と閾値の離れ具合を考慮して次の擬似雑音量を決定して擬似雑音付加部７に通知する。
【００７４】
なお、多くの場合、最適な擬似雑音係数の時間変化は速くないため、前回の値を参考にして、閾値上限線の内側に入るよう微調整する方法をとっても良い。
【００７５】
最後に、擬似雑音の付加法としては、前述のDiagonal Loadingの他に、相関行列に固有値の形で付加するEigenvalue Thresholdingと呼ばれる方法がある(R.G.Lorenz他、”Robust Minimum Variance Beamforming,” IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING, VOL. 53, NO. 5, MAY 2005, p.1684)。以下に簡単に説明する。相関行列を固有値分解するとアンテナ数と同じ数の固有値が得られる。アンテナ数より入力波数が少ない場合には、固有値を大きい順に並べ、大きい方から入力波数分を除いた残りは雑音の固有値となる。付加したい擬似雑音パワーに対応する擬似雑音固有値を決定し、それより小さい固有値を全てその擬似雑音固有値の値に置き換える。得られた固有値と、固有値分解によって生成された固有ベクトルによって、相関行列を再生性し、ＤＣＭＰ部８のウェイト計算に用いる。Eigenvalue Thresholdingでは、擬似雑音を固有値レベルで付加することができる。
【００７６】
以上のように上記実施形態では、信号処理装置１において、ＤＣＭＰを利用してウェイトを計算する場合に、素子アンテナ１００−１〜１００−Ｋにより得られる受信信号ベクトルから擬似雑音量を付加した擬似雑音付加相関行列を相関行列生成部２にて生成し、ビームの振幅を一定値に保持する拘束角が端子１４を介して入力されるとき、複数の拘束数の拘束行列を拘束行列生成部１４にて生成して、相関行列生成部２で生成された擬似雑音付加相関行列とを用いて、ウェイトを求めるようにしている。そして、このウェイトと相関行列計算部６で求められた相関行列とに基づいて求められるビームフォーミング出力パワーと、素子アンテナ１００−１〜１００−Ｋにより得られる全受信信号による出力電力との比を出力パワー比計算部１１にて計算し、この出力パワー比に対応して決定されるウェイトノルム閾値と、ウェイトノルム計算部１０で計算されるウェイトノルムとを比較判定部１３で比較することで、ノルムが閾値以下であるか否かを判定する。そして、閾値以下である場合に、ウェイトをウェイト乗算部１３０−１〜１３０−Ｋに出力し、閾値より大きい場合に、擬似雑音付加部７を制御して擬似雑音量を変化させて再度擬似雑音付加相関行列を生成させるようにしている。
【００７７】
従って、拘束数に依存することなく、出力パワー比により閾値を決定することで、より信号の状態に即した擬似雑音量を選択することができ、より良い性能で信号を受信することができる。
【００７８】
上記実施形態では、閾値決定部１２において、出力パワー比の減少に対応して単調に増加するように閾値を決定するようにしている。従って、閾値を決定する際の判定部の処理負荷を軽減できる。
【００７９】
また、上記実施形態では、閾値決定部１２において、出力パワー比の最大値から１０ｄＢ下がった値まで、出力パワー比の減少に対して単調に増加し、１０ｄＢ以下の出力パワー比で一定となる閾値を決定するようにもしている。この場合、出力パワー比ごとに最適な閾値を決定できる。
【００８０】
さらに、上記実施形態では、拘束行列生成部９において、拘束角に対応するステアリングベクトルからなる拘束ベクトルと、拘束角に対応するステアリングベクトルを拘束角の近傍で角度に対して微分したベクトルからなる微分拘束ベクトルを含む拘束行列を生成するようにしている。このようにすれば、拘束角近傍でやや幅のあるビームを、擬似雑音量を増加させずに形成でき、これにより拘束角とは離れた角度にある干渉波のヌルを深いままにすることができる。
【００８１】
なお、上記実施形態の信号処理装置１では、相関行列生成部２と、ウェイト計算部３と、判定部４と、制御部５といったハードウェア的に構成される例について説明したが、相関行列生成部２、ウェイト計算部３、判定部４、制御部５の処理を、コンピュータプログラムによってソフトウェア処理することも可能である。
【００８２】
図１４は、信号処理装置１の制御処理手順を示すフローチャートである。
【００８３】
まず、信号処理装置１は、受信信号ベクトルが入力されると（ステップＳＴ１４ａ）、受信信号ベクトルから相関行列Rxxを生成する（ステップＳＴ１４ｂ）。そして、信号処理装置１は、生成した相関行列に擬似雑音量を付加する（ステップＳＴ１４ｃ）。
【００８４】
続いて、信号処理装置１は、入力される拘束角に対応するステアリングベクトルを含む拘束行列Ｃを生成し、拘束行列、拘束応答ベクトル、擬似雑音を付加した相関行列から、アンテナのウェイトＷを計算する（ステップＳＴ１４ｄ）。
【００８５】
続いて、信号処理装置１は、計算されたウェイトのノルムを計算し（ステップＳＴ１４ｅ）、ウェイトと、相関行列とにより、出力パワー比を計算する（ステップＳＴ１４ｆ）。
【００８６】
そして、信号処理装置１は、計算した出力パワー比に対応する閾値を決定し（ステップＳＴ１４ｇ）、決定した閾値と、ノルムとを比較して、ノルムが閾値を越えているか否かを判定する（ステップＳＴ１４ｈ）。ここで、ノルムが閾値以下である場合には、信号処理装置１はウェイトを計算結果として各ウェイト乗算部１３０−１〜１３０−Ｋに出力する（ステップＳＴ１４ｉ）。
【００８７】
一方、ノルムが閾値よりも大きい場合は、信号処理装置１は擬似雑音量を現在の量より多くして（ステップＳＴ１４ｊ）、上記ステップＳＴ１４ｃ乃至ステップＳＴ１４ｈの処理を繰り返し実行する。
【００８８】
また、上記実施形態では、円形アレイアンテナを例として説明したが、円形アレイアンテナ以外のアレイアンテナであってもよい。
【００８９】
さらに、上記実施形態では、拘束角に対応するステアリングベクトルからなる拘束ベクトルと、拘束角に対応するステアリングベクトルを前記拘束角の近傍で角度に対して微分したベクトルからなる微分拘束ベクトルを含む拘束行列を生成する例に説明したが、これ以外の２以上の拘束ベクトルを含む拘束行列を生成するようにしてもよい。
【００９０】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００９１】
１…信号処理装置、２…相関行列生成部、３…ウェイト計算部、４…判定部、５…制御部、６…相関行列計算部、７…擬似雑音付加部、８…ＤＣＭＰ部、９…拘束行列生成部、１０…ウェイトノルム計算部、１１…出力パワー比計算部、１２…閾値決定部、１３…比較判定部、１４…拘束角入力端子、１５…拘束値入力端子、１６…擬似雑音量指示端子、１００−１〜１００−Ｋ…素子アンテナ、１３０−１〜１３０−Ｋ…ウェイト乗算部、１４０…加算部。
【図１】
2011199642.tif 000013
【図２】
2011199642.tif 000014
【図３】
2011199642.tif 000015
【図４】
2011199642.tif 000016
【図５】
2011199642.tif 000017
【図６】
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【図７】
2011199642.tif 000019
【図８】
2011199642.tif 000020
【図９】
2011199642.tif 000021
【図１０】
2011199642.tif 000022
【図１１】
2011199642.tif 000023
【図１２】
2011199642.tif 000024
【図１３】
2011199642.tif 000025
【図１４】
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