(57)【要約】【課題】干渉信号の抑圧に信号伝送に使用していない帯域のサブキャリア信号により干渉抑制を可能にするアダプティブアンテナを得る。【解決手段】アレーアンテナ１と、それぞれの受信信号をサブキャリア信号に分離するサブキャリア抽出手段（２−３）と、複数のアンテナ素子のサブキャリア信号ごとに一定の重み付けを行って振幅位相を調整した後に、同一周波数を有するサブキャリア信号同士を合成して合成サブキャリア信号を生成する合成手段（４−５）と、サブキャリア信号と合成サブキャリア信号とに基づいて合成手段により振幅位相を調整するための重み付けを決定する重み係数演算部８と、サブキャリア信号のうち信号伝送に使用していない帯域に該当するサブキャリア信号から干渉信号を検出する干渉信号検出部９とを備え、重み係数演算部８は、干渉信号検出部９からの情報をもとに重み付けを決定する。【選択図】図１
2008312188.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチキャリア伝送システムに適用されるアダプティブアンテナであって、
複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、
前記複数のアンテナ素子で受信されたそれぞれの受信信号をサブキャリア信号に分離するサブキャリア抽出手段と、
前記複数のアンテナ素子ごとに分離されたそれぞれのサブキャリア信号に対して、前記複数のアンテナ素子の前記サブキャリア信号ごとに一定の重み付けを行って振幅位相を調整した後に、同一周波数を有するサブキャリア信号同士を合成して合成サブキャリア信号を生成する合成手段と、
前記サブキャリア抽出手段により分離されたサブキャリア信号と前記合成手段により生成された合成サブキャリア信号とに基づいて前記合成手段により振幅位相を調整するための重み付けを決定する重み係数演算手段と、
前記サブキャリア抽出手段により分離されたサブキャリア信号のうち、信号伝送に使用していない帯域に該当するサブキャリア信号から干渉信号を検出する干渉信号検出手段と  を備え、
前記重み係数演算手段は、前記干渉信号検出手段からの情報をもとに前記重み付けを決定する
ことを特徴とするアダプティブアンテナ。
【請求項２】
請求項１に記載のアダプティブアンテナにおいて、
前記干渉信号検出部は、干渉信号の存在を判定し、干渉信号が検出された場合に、検出に用いた前記複数のアンテナ素子のサブキャリア信号から相関行列を計算し、前記相関行列の固有値および固有ベクトルを計算し、前記固有値の大きさから干渉信号の波数を推定し、前記固有ベクトルを用いて干渉信号を除去するための変換行列を演算し、
前記重み係数演算手段は、前記干渉信号検出手段からの変換行列に基づいて前記合成手段により振幅位相を調整するための重み付けを決定する
ことを特徴とするアダプティブアンテナ。
【請求項３】
請求項２に記載のアダプティブアンテナにおいて、
前記干渉信号検出部は、変換行列として、前記相関行列の固有値および固有ベクトルに関して、大きさが上位の前記固有値にそれぞれに対応する前記固有ベクトルから得られる行列を前記推定波数の分だけ加算した行列を単位行列より減算して演算する
ことを特徴とするアダプティブアンテナ。
【請求項４】
請求項３に記載のアダプティブアンテナにおいて、
前記重み係数演算手段は、送信データに周期的に挿入される参照信号とあらかじめ受信側で用意する参照信号を用いて得られる伝送路推定ベクトルを、前記複数のアンテナ素子の前記サブキャリア信号に対してすべて演算し、この伝送路推定ベクトルを前記変換行列に乗算することにより前記合成手段により振幅位相を調整するための重み付けを決定する
ことを特徴とするアダプティブアンテナ。
【請求項５】
請求項３に記載のアダプティブアンテナにおいて、
前記変換行列により前記複数のアンテナ素子の全サブキャリア信号に対して振幅位相変換を行う射影変換手段をさらに備え、
前記重み係数演算手段は、前記射影変換手段の出力を最大比合成する重み係数を決定する
ことを特徴とするアダプティブアンテナ。
【請求項６】
請求項２に記載のアダプティブアンテナにおいて、
前記干渉信号検出部は、変換行列として、前記相関行列の固有値および固有ベクトルに関して、（前記相関行列の次元−前記推定波数）の数に対応する大きさが下位の前記固有値にそれぞれに対応する前記固有ベクトルを要素とする行列を演算する
ことを特徴とするアダプティブアンテナ。
【請求項７】
請求項６に記載のアダプティブアンテナにおいて、
前記変換行列により前記複数のアンテナ素子の全サブキャリア信号に対して振幅位相変換を行う固有ベクトルビーム形成手段をさらに備え、
前記重み係数演算手段は、前記固有ベクトルビーム形成手段の出力を最大比合成する重み係数を決定する
ことを特徴とするアダプティブアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アダプティブアンテナに関し、特にマルチキャリア伝送方式に適用するアダプティブアンテナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高速データ伝送方式としてマルチキャリア伝送がある。特に各サブキャリアが直交する周波数間隔に配置されたＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）は無線ＬＡＮや地上ディジタル放送など多くの無線システムに採用されている。ＯＦＤＭではガードインターバルの挿入により遅延波による波形歪みを低減できることが良く知られているが、ガードインターバルを越えるような遅延波に対しては特性が著しく劣化する。そこで、アレーアンテナを用いて空間的にこれらを除去するアダプティブアンテナの適用が検討されている。ＯＦＤＭ向けのアダプティブアンテナの実現方法として、例えば、非特許文献１や特許文献１または特許文献２がある。
【０００３】
【非特許文献１】今井、小川、大鐘、“ＯＦＤＭ通信系におけるアダプティブアレーに関する検討、” 信学技報AP2001-115、2001．
【特許文献１】特開平１１−２８９２１３号公報
【特許文献２】特開平１０−２１００９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来の技術において、非特許文献１の方法は、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）により分離したサブキャリア毎の合成処理によりガードインターバル内の遅延波をうまく取り込めるものの、サブキャリア数の増加に比例して演算量が増加するという課題があった。
【０００５】
一方、特許文献１や特許文献２は、ＦＦＴ後のサブキャリアを利用するものの、各サブキャリアに同一の重み係数（振幅位相調整）を与える構成となっている。これは、各サブキャリアに周期的に挿入された参照信号を利用して、いわば周波数方向に制御を行うことにより演算量を削減するものである。しかしながら、全サブキャリアに対して同一の重み係数を使用するため、所望信号の周波数特性の違いを考慮して合成することが困難であった。
【０００６】
この発明は前述した問題点を解決するためになされたもので、サブキャリア信号を利用して重み係数を決定する際、干渉信号の抑圧に信号伝送に使用していない帯域のサブキャリア信号により干渉抑制を可能にするアダプティブアンテナを得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るアダプティブアンテナは、マルチキャリア伝送システムに適用されるアダプティブアンテナであって、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、前記複数のアンテナ素子で受信されたそれぞれの受信信号をサブキャリア信号に分離するサブキャリア抽出手段と、前記複数のアンテナ素子ごとに分離されたそれぞれのサブキャリア信号に対して、前記複数のアンテナ素子の前記サブキャリア信号ごとに一定の重み付けを行って振幅位相を調整した後に、同一周波数を有するサブキャリア信号同士を合成して合成サブキャリア信号を生成する合成手段と、前記サブキャリア抽出手段により分離されたサブキャリア信号と前記合成手段により生成された合成サブキャリア信号とに基づいて前記合成手段により振幅位相を調整するための重み付けを決定する重み係数演算手段と、前記サブキャリア抽出手段により分離されたサブキャリア信号のうち、信号伝送に使用していない帯域に該当するサブキャリア信号から干渉信号を検出する干渉信号検出手段とを備え、前記重み係数演算手段は、前記干渉信号検出手段からの情報をもとに前記重み付けを決定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、サブキャリア信号を利用して重み係数を決定する際、干渉信号の抑圧に信号伝送に使用していない帯域のサブキャリア信号により干渉抑制を可能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るアダプティブアンテナの構成を示すブロック図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。図１に示すアダプティブアンテナは、＃１から＃Ｋの複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナ１と、直並列変換器２とＦＦＴ変換器３とを有し、複数のアンテナ素子で受信されたそれぞれの受信信号をサブキャリア信号に分離するサブキャリア抽出手段と、乗算器４と合成器５とを有し、各サブキャリア信号に対して、複数のアンテナ素子のサブキャリア信号ごとに一定の重み付けを行って振幅位相を調整した後に、同一周波数を有するサブキャリア信号同士を合成して合成サブキャリア信号を生成する合成手段と、合成器５からの出力に基づいて各サブキャリアデータを復調する復調器６と、復調器６からの出力に基づいて元の情報列を並び替える並直列変換器７と、サブキャリア抽出手段により分離されたサブキャリア信号と合成手段により生成された合成サブキャリア信号とに基づいて合成手段により振幅位相を調整するための重み付けを決定する重み係数演算部８、サブキャリア抽出手段により分離されたサブキャリア信号のうち、信号伝送に使用していない帯域に該当するサブキャリア信号から干渉信号を検出する干渉信号検出部９を備え、重み係数演算部８は、干渉信号検出部９からの情報をもとに前記重み付けを決定するようになされている。
【００１０】
マルチキャリア伝送であるＯＦＤＭでは、周波数の異なるサブキャリア毎に異なるデータを割り当てることで高速伝送を可能にしている。したがって、受信機ではサブキャリア毎に分離する分波器の機能が必要であり、図１においては直並列変換器２とＦＦＴ変換器３とでなるサブキャリア抽出手段により実現している。直並列変換器２は、一定の長さのデータを切り出す機能があり、すなわちＦＦＴの窓位置制御も行う。次に切り出したデータに対してＦＦＴ変換器３によりＦＦＴを施すことで周波数変換して、直交する周波数配置にある各サブキャリア信号に切り分ける。なお、各ＦＦＴ変換器３の出力は、実際のシステムでは数十から数千のサイズの出力となる。
【００１１】
これら各サブキャリアに対して振幅位相を調整するのが乗算器４であり、合成器５により各アンテナ素子の信号を合成する。その後、各サブキャリアデータは、復調器６により復調され、並直列変換器７により元の情報列に並び替えられる。乗算器４における振幅位相調整のための重み係数は、重み係数演算部８により算出されるが、この際に以下で述べる干渉信号の存在を検出し、それらを抑圧するための情報を算出する干渉信号検出部９を利用して演算を行う。
【００１２】
次に、この実施の形態１に係るアダプティブアンテナの動作について図面を参照しながら説明する。アレーアンテナ１により受信されるＲＦ（Radio Frequency）帯の信号Ｘ（ｔ）は、低雑音増幅器、フィルタ、周波数変換器やＡ／Ｄ変換器などの各種受信デバイスによりベースバンドのディジタル信号に変換される。ただし、これらの受信デバイスは説明を簡単化するため図１では省略している。
【００１３】
その後、直並列変換器２では、ＦＦＴサイズ分のデータを抽出し、ＦＦＴ変換器３に入力する。ＦＦＴ変換器３により各サブキャリアに分離された信号のうち、情報が伝送されているサブキャリア信号に対しては乗算器４によって素子毎に振幅位相を調整され、合成器５により合成される。このとき、ある素子における各サブキャリア信号にはそれぞれ独立の振幅位相調整を施す構成とする。その後、復調器６および並直列変換器７により元のデータ列に復元される。
【００１４】
乗算器４で調整する振幅位相値（以下、重み係数）を演算するのが、重み係数演算部８であり、ＦＦＴ後の各サブキャリア信号や合成器５の出力信号を利用して決定される。さらに、ＦＦＴ後のサブキャリア信号のうち、情報伝送に使用していない帯域のサブキャリア信号（以下、ガードバンド信号）を用いて干渉信号の検出と抑圧のための演算を行う干渉信号検出部９があり、この情報も同時に利用して、重み係数演算部８では重み係数を算出する構成である。
【００１５】
図２に示すように、干渉信号検出部９は、判定器１０、相関行列演算器１１、固有値・固有ベクトル演算器１２、変換行列演算器１３からなる。判定器１０では、入力された各アンテナ素子のガードバンド信号の受信レベルを検出して干渉信号の有無を判定する。
【００１６】
干渉信号が存在する場合には、ガードバンド信号ベクトルＸＧＢを使って相関行列演算器１１において式（１）のように相関行列を求める。
【数１】
2008312188.tif 000003
【００１７】
ここで、Ｈは複素共役転置を表す。Ｎｔは平均化に用いるＯＦＤＭシンボル数、Ｎｆはガードバンドのサブキャリア数である。
【００１８】
次に、固有値・固有ベクトル演算器１２においては、式（１）の相関行列に対して固有値展開を施し、固有値、固有ベクトルをそれぞれ求める。このとき、求めた各固有値λｉの大きさの関係は式（２）のようになる。
【数２】
2008312188.tif 000004
【００１９】
このように、信号電力に対応する上位Ｌ個の固有値は、熱雑音電力σ２を表すλＬ〜λＫと比較して大きい。従って、これら固有値の大きさを比較することで、干渉波の数Ｌが推定可能となる。また、この上位Ｌ個の固有値に対応する固有ベクトルが干渉信号の信号部分空間に対応する。なお、干渉信号の検出処理をこの固有値演算および大小比較により実行することで、判定器１０を省略することも可能である。
【００２０】
変換行列演算器１３では、固有値・固有ベクトル演算器１２から入力された、干渉信号が存在する信号部分空間を構成する固有ベクトルｅｊ（ｊ＝１，・・・，Ｌ）を用いて干渉信号を除去するための変換行列を計算する。具体的には、式（３）で求まる変換行列Ｐｊを求める。
【数３】
2008312188.tif 000005
ここで、Ｉは素子数の次元の単位行列である。
【００２１】
すなわち、干渉信号検出部９は、変換行列として、相関行列の固有値および固有ベクトルに関して、大きさが上位の固有値にそれぞれに対応する固有ベクトルから得られる行列を、推定波数の分だけ加算した行列を単位行列より減算して演算している。
【００２２】
重み係数演算部８では、ＦＦＴ後の各素子のサブキャリア信号や合成器５からの出力信号を用いて、各素子における所望信号の振幅位相情報、つまりアレー応答ベクトルを求める。これは、送信信号に挿入される既知信号を利用するなどして容易に得ることができる。したがって、式（３）の変換行列Ｐｊから、式（４）のような各素子の各サブキャリア信号に与える振幅位相調整の重み係数を演算する。
【数４】
2008312188.tif 000006
ここで、ｖｎ＝［ｖｎ，１ ｖｎ，２ ・・・ ｖｎ，Ｋ］Ｔはn番目サブキャリア信号のアレー応答ベクトルであり、各素子における所望信号の振幅位相値を表す。Ｋは素子数である。
【００２３】
このように、すべてのサブキャリア信号に対して共通の変換行列Ｐｊを作用させる構成なので、従来から用いられるＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）アルゴリズムのようなサブキャリア毎に逆行列を求める必要がない。したがって、演算量を大幅に削減することができる。
【００２４】
次に、簡単な２波モデルを用いて干渉抑圧の原理を説明する。ガードバンド信号ベクトルＸＧＢを式（５）のように再定義する。なお、受信機雑音は熱雑音であり、すべての素子において等電力で、素子が異なれば相関が無いものとする。
【数５】
2008312188.tif 000007
ここで、ｕ（ｔ）は干渉信号、Ｖｕは干渉信号のアレー応答ベクトル、Ｎ（ｔ）は熱雑音ベクトルである。
【００２５】
干渉信号の信号部分空間からなる行列Ｊは式（６）のようになる。
【数６】
2008312188.tif 000008
ここで、この解析モデルにおいては干渉信号が１波であり、かつ固有ベクトルのノルムが１である。
【００２６】
このことから、式（６）は式（７）のようにできる。
【数７】
2008312188.tif 000009
【００２７】
従って、部分空間Ｊに直交する空間への変換行列ＰＪは式（８）のようになる。
【数８】
2008312188.tif 000010
【００２８】
次に、重み係数演算部８にて求めたアレー応答ベクトルＶｎは次式のように表される。
【数９】
2008312188.tif 000011
α、βは複素定数である。
【００２９】
本来は、所望信号のアレー応答ベクトルＶｓのみが得られることが理想であるが、実際には限られたサンプルでの演算のため、干渉信号に対しても多少の相関が残ることを想定する。従って、変換行列Ｐｊを作用させた重み係数ベクトルＷｎは式（１０）になる。
【数１０】
2008312188.tif 000012
【００３０】
この重み係数ベクトルは、干渉信号に直交した、つまり干渉信号の到来方向に指向性のヌルを形成するような成分から構成されていることがわかる。
【００３１】
すなわち、重み係数演算部８は、式（９）により、送信データに周期的に挿入される参照信号とあらかじめ受信側で用意する参照信号を用いて得られる伝送路推定ベクトルｈｎを、複数のアンテナ素子のサブキャリア信号に対してすべて演算し、式（１０）により、この伝送路推定ベクトルを変換行列に乗算することにより、振幅位相を調整するための重み付けを決定する。
【００３２】
所望信号および干渉信号のそれぞれの到来方向に対する応答を求めると、それぞれ式（１１）、式（１２）となる。
【数１１】
2008312188.tif 000013
【００３３】
このように、所望信号は同相合成されるが、干渉信号への応答はゼロ、すなわち除去されることがわかる。
【００３４】
以上、上記の実施の形態１では、干渉信号を抑圧するための変換行列を全てのサブキャリアで共通化でき、サブキャリア毎の最適合成が可能でありながら、従来の方法に比べて演算量の削減が可能である。また、アレー応答ベクトルを求める際に、干渉信号成分を十分に低減させられない場合でも、ガードバンド信号をもとに算出した変換行列Ｐｊにより確実に干渉信号を抑圧できる。
【００３５】
実施の形態２．
前述した実施の形態１では、干渉抑圧と信号合成を同時に実現する重み係数を演算していたが、別個に配置する形態について説明する。図３は、この発明の実施の形態２に係るアダプティブアンテナの構成を示す図であり、なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００３６】
図３において、射影変換部１５は、干渉信号検出部９の変換行列演算器１３にて求めた変換行列ＰｊをＦＦＴ出力後の情報伝送に用いているすべてのサブキャリア信号に対して一斉に作用させる。これにより、変換後の各出力信号からは干渉信号が除去されており、重み係数演算部８では、射影変換部１５の出力を最大比合成する重み係数を求めるだけでよい。
【００３７】
以上のように、本発明の実施の形態２では、干渉信号の抑圧と所望信号の合成を独立に行える。したがって、重み係数演算部８においては、入力信号の包絡線レベルに応じた最大比合成を行えばよいため、既知信号などを用いてのアレー応答ベクトルの推定が不要である形態での運用も可能である。
【００３８】
このため、干渉信号の抑圧には信号伝送に使用していない帯域のサブキャリア信号から求めた射影行列を共通的に利用しつつ、各サブキャリアの合成は個別に行い得るアダプティブアンテナを得ることができる。
【００３９】
実施の形態３．
この実施の形態３では、前述した実施の形態２とは異なる、干渉抑圧と信号合成を別個に配置する形態について説明する。図４は、この発明の実施の形態３に係るアダプティブアンテナの構成を示す図であり、図３に示す実施の形態２と同一符号は同一又は相当部分を示す。図４において、干渉信号検出部９は、変換行列として、相関行列の固有値および固有ベクトルに関して、（相関行列の次元−推定波数）の数に対応する大きさが下位の固有値にそれぞれに対応する固有ベクトルを要素とする行列を演算するようになされ、射影変換部１５の代わりに備えられる固有ベクトルビーム形成手段１６は、変換行列により複数のアンテナ素子の全サブキャリア信号に対して振幅位相変換を行うようになされ、重み係数演算部８は、固有ベクトルビーム形成手段１６の出力を最大比合成する重み係数を決定する。
【００４０】
次に、動作について説明する。干渉信号検出部９にて、干渉信号の到来波数を推定するところまでは実施の形態１および２と同様である。このとき求めた固有値のうち、到来波数以降の下位の固有値に対応する固有ベクトルは、式（１３）に示す性質を有する。
【００４１】
【数１２】
2008312188.tif 000014
すなわち、雑音部分空間を張る下位の固有ベクトルｅｊ（ｊ＝Ｌ＋１，・・・，Ｋ）は各信号の方向ベクトルａｉ（ｉ＝１，・・・，Ｌ）に直交する。
【００４２】
従って、式（１４）で示すような固有ベクトル群からなる変換行列により固有ベクトルビーム形成手段１６で形成した各ビームは、式（１５）のように入力信号ベクトルＸを変換して干渉信号を抑圧する。
【００４３】
【数１３】
2008312188.tif 000015
【数１４】
2008312188.tif 000016
【００４４】
図４において、固有ベクトルビーム形成部１６は、干渉信号検出部９の変換行列演算器１３にて求めた変換行列ＰｊをＦＦＴ出力後の情報伝送に用いているすべてのサブキャリア信号に対して一斉に作用させる。これにより、変換後の各出力信号からは干渉信号が除去されており、重み係数演算部８では、固有ベクトルビーム形成部１６の出力を最大比合成する重み係数を求めるだけでよい。
【００４５】
さらには、固有ベクトルビーム形成手段１６の出力の次元はＫ−Ｌとなるため、実施の形態２のＫに比べて少なくすることができ、これにより、後段でのサブキャリア毎の信号処理の際の演算量を低減できるため、より効率的な処理が可能となる。
【００４６】
以上のように、本発明の実施の形態３では、干渉信号の抑圧と所望信号の合成を独立に行える。したがって、重み係数演算部８においては、入力信号の包絡線レベルに応じた最大比合成を行えばよく、入力信号よりも少ない次元の出力信号ベクトルを処理すればよい。また、既知信号などを用いてのアレー応答ベクトルの推定が不要である形態での運用も可能である。
【００４７】
このため、干渉信号の抑圧には信号伝送に使用していない帯域のサブキャリア信号から求めた射影行列を共通的に利用しつつ、各サブキャリアの合成は個別に行い得るアダプティブアンテナを得ることができる。
【００４８】
以上で説明した実施の形態では、抑圧対象として干渉信号を想定していたが、遅延時間の大きい遅延波に対しても、ガードバンド信号において検出が可能であるため、同様に抑圧が可能である。また、一般にはＯＦＤＭ伝送は通信システムに適用されるが、これをレーダシステムで使用した場合には、妨害波との識別がガードバンド信号によって容易になるなど、干渉抑圧手段として様々な用途に利用が可能な特徴がある。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】この発明の実施の形態１に係るアダプティブアンテナの構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る干渉信号検出部９の内部構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係るアダプティブアンテナの構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係るアダプティブアンテナの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  アレーアンテナ、２  直並列変換器（サブキャリア抽出手段）、３  ＦＦＴ変換器（サブキャリア抽出手段）、４  乗算器（合成手段）、５  合成器（合成手段）、６  復調器、７  並直列変換器、８  重み係数演算部、９  干渉信号検出部、１０  判定器、１１  相関行列演算器、１２  固有値・固有ベクトル演算器、１３  変換行列演算器、１５  射影変換部、１６  固有ベクトルビーム形成部。
【図１】
2008312188.tif 000017
【図２】
2008312188.tif 000018
【図３】
2008312188.tif 000019
【図４】
2008312188.tif 000020