(57)【要約】【課題】アダプティブアレーアンテナシステム単体で校正することができ、校正時のシステム規模の縮小を図る。【解決手段】校正信号記憶部１６から読み出された校正信号は、アレー無線受信部２及びタイミング検出部４を介して乗算器６とアダプティブ制御部１２へ入力される。乗算器６は、タイミング検出部４からの出力信号を補正用重み係数により重み付けする。アダプティブ制御部１２は、タイミング検出部４からの出力信号と参照信号と乗算器６からの出力信号に基づいて、最小２乗誤差法に基づく適応アルゴリズムにより、補正用重み係数を算出する。【選択図】    図１
2004297694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、前記アンテナ素子の各々に対応して設けられ、無線信号の受信処理を行う無線受信手段とを備えたアダプティブアレーアンテナシステムにおいて、
所定の校正信号を発生する校正信号発生手段と、
通常動作時には前記各アンテナ素子で受信された無線信号を前記無線受信手段へ出力し、一方、校正動作時には前記校正信号発生手段からの校正信号を前記無線受信手段へ出力するスイッチと、
前記無線受信手段からの出力信号を補正用重み係数により重み付けする補正手段と、
前記補正手段からの出力信号を前記アレーアンテナの指向性を制御するための指向性制御用重み係数により重み付けし、この重み付け後の信号を合成して出力する出力信号生成手段と、
前記校正信号に対応する参照信号を発生する参照信号発生手段と、
通常動作時には、前記補正手段からの出力信号と前記参照信号と前記出力信号生成手段からの出力信号に基づいて、最小２乗誤差法に基づく適応アルゴリズムにより、前記指向性制御用重み係数を算出し、一方、校正動作時には、前記無線受信手段からの出力信号と前記参照信号と前記補正手段からの出力信号に基づいて、前記適応アルゴリズムにより、前記補正用重み係数を算出するアダプティブ制御手段と、
を備えたことを特徴とするアダプティブアレーアンテナシステム。
【請求項２】
前記各アンテナ素子別に校正が行われることを特徴とする請求項１に記載のアダプティブアレーアンテナシステム。
【請求項３】
複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、前記アンテナ素子の各々に対応して設けられ、無線信号の受信処理を行う無線受信手段とを備えたアダプティブアレーアンテナシステムにおけるキャリブレーション方法であって、
所定の校正信号を発生する校正信号発生過程と、
前記校正信号を前記無線受信手段へ出力する校正信号出力過程と、
前記無線受信手段からの出力信号を補正用重み係数により重み付けする補正過程と、
前記校正信号に対応する参照信号を発生する参照信号発生過程と、
前記無線受信手段からの出力信号と前記参照信号と前記補正過程からの出力信号に基づいて、最小２乗誤差法に基づく適応アルゴリズムにより、前記補正用重み係数を算出するアダプティブ制御過程と、
を含むことを特徴とするキャリブレーション方法。
【請求項４】
前記各アンテナ素子別に校正を行うことを特徴とする請求項３に記載のキャリブレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アダプティブアレーアンテナシステムおよびキャリブレーション方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アダプティブアレーアンテナシステムでは、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを備え、各アンテナ素子の受信信号をアレーアンテナの指向性を制御するための重み係数を用いて重み付けした後に合成し出力している。また、その重み係数の算出方法としては、最小２乗誤差法（ＭＭＳＥ；Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ  Ｅｒｒｏｒ）に基づく適応アルゴリズムにより、各アンテナ素子の受信信号と参照信号との二乗誤差が最小になるように適応制御して重み係数を算出するものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。上記したＭＭＳＥベースの適応アルゴリズムとしては、ＬＭＳ（Ｌｅａｓｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ）やＲＬＳ（Ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ  Ｌｅａｓｔ−Ｓｑｕａｒｅｓ）などが使用される。
【０００３】
ところで、上記したアダプティブアレーアンテナシステムは、無線信号の受信回路等を具備する無線部の回路がアンテナ素子の各々に対応して設けられている、しかし、通常、各アンテナ素子に対応する回路間では回路素子の特性のばらつきが内在するために、各アンテナ素子に対応する無線部間で動作特性が異なる。例えば、各アンテナ素子で受信された無線信号が無線部で受信処理された後に、各無線部から出力される受信信号において、その位相特性にばらつきが生じる。このような動作特性の不具合を校正するためのキャリブレーション方法として、少なくとも３つのアレーアンテナを用いて補正値を測定するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【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」，株式会社科学技術出版，１９９８年１１月，ｐ．１３−６６
【特許文献１】
特開２００２−７６７４６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の技術では、少なくとも３つのアレーアンテナシステムが必要となるので、校正時のシステム規模が大きくなり複雑であるという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、アダプティブアレーアンテナシステム単体で校正することができ、校正時のシステム規模の縮小を図ることができるアダプティブアレーアンテナシステムおよびキャリブレーション方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載のアダプティブアレーアンテナシステムは、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、前記アンテナ素子の各々に対応して設けられ、無線信号の受信処理を行う無線受信手段とを備えたアダプティブアレーアンテナシステムにおいて、所定の校正信号を発生する校正信号発生手段と、通常動作時には前記各アンテナ素子で受信された無線信号を前記無線受信手段へ出力し、一方、校正動作時には前記校正信号発生手段からの校正信号を前記無線受信手段へ出力するスイッチと、前記無線受信手段からの出力信号を補正用重み係数により重み付けする補正手段と、前記補正手段からの出力信号を前記アレーアンテナの指向性を制御するための指向性制御用重み係数により重み付けし、この重み付け後の信号を合成して出力する出力信号生成手段と、前記校正信号に対応する参照信号を発生する参照信号発生手段と、通常動作時には、前記補正手段からの出力信号と前記参照信号と前記出力信号生成手段からの出力信号に基づいて、最小２乗誤差法に基づく適応アルゴリズムにより、前記指向性制御用重み係数を算出し、一方、校正動作時には、前記無線受信手段からの出力信号と前記参照信号と前記補正手段からの出力信号に基づいて、前記適応アルゴリズムにより、前記補正用重み係数を算出するアダプティブ制御手段とを備えたことを特徴としている。
【０００８】
請求項２に記載のアダプティブアレーアンテナシステムにおいては、前記各アンテナ素子別に校正が行われることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載のキャリブレーション方法は、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、前記アンテナ素子の各々に対応して設けられ、無線信号の受信処理を行う無線受信手段とを備えたアダプティブアレーアンテナシステムにおけるキャリブレーション方法であって、所定の校正信号を発生する校正信号発生過程と、前記校正信号を前記無線受信手段へ出力する校正信号出力過程と、前記無線受信手段からの出力信号を補正用重み係数により重み付けする補正過程と、前記校正信号に対応する参照信号を発生する参照信号発生過程と、前記無線受信手段からの出力信号と前記参照信号と前記補正過程からの出力信号に基づいて、最小２乗誤差法に基づく適応アルゴリズムにより、前記補正用重み係数を算出するアダプティブ制御過程とを含むことを特徴としている。
【００１０】
請求項４に記載のキャリブレーション方法においては、前記各アンテナ素子別に校正を行うことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるアダプティブアレーアンテナシステムの構成を示すブロック図である。図１に示すアダプティブアレーアンテナシステムは、例えば、無線通信システムの無線基地局に具備されるものであり、移動局（例えば携帯電話機）から送信された無線信号を複数（図１の例では４個）のアンテナ素子Ａｎｔ１〜Ａｎｔ４からなるアレーアンテナを用いて受信し、この受信信号を適応受信処理するものである。
【００１２】
図１において、アダプティブアレーアンテナシステムは、４個のアンテナ素子Ａｎｔ１〜Ａｎｔ４からなるアレーアンテナとスイッチＳＷとアレー無線受信部２とタイミング検出部４と乗算器６，８と加算器１０とアダプティブ制御部１２と参照信号記憶部１４と校正信号記憶部１６とを備える。スイッチＳＷとアレー無線受信部２とタイミング検出部４と乗算器６，８とは、アンテナ素子Ａｎｔ１〜Ａｎｔ４の各々に対応して設けられている。
【００１３】
各スイッチＳＷは、それぞれ該当する無線受信部２へ出力する信号を切替えるものである。スイッチＳＷは、校正動作時には校正信号記憶部１６からの校正信号をアレー無線受信部２へ出力し、通常動作時にはアンテナ素子からの無線信号をアレー無線受信部２へ出力する。
【００１４】
各アレー無線受信部２は、それぞれ該当するスイッチＳＷからの入力信号Ｘ１〜Ｘ４を増幅してベースバンド信号へ変換後、Ａ／Ｄ変換器（Ａｎａｌｏｇ  ｔｏ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）によりデジタル信号に変換して出力する。この各出力信号は、それぞれ対応するタイミング検出部４に入力され、適応制御に用いるタイミング（参照区間のタイミング等）が検出された後、それぞれ対応する乗算器６とアダプティブ制御部１２とに入力される。
【００１５】
乗算器６（補正手段）は、校正動作時に得られた補正用の重み係数を該当するアンテナ素子からの受信信号に乗ずることにより、アンテナ素子からの受信信号を補正するためのものである。各乗算器６には、該当するアンテナ素子に対応する補正用の重み係数Ｗ０１〜Ｗ０４がアダプティブ制御部１２から入力される。各乗算器６は、それぞれ該当するタイミング検出部４からの出力信号と補正用の重み係数とを乗算し、この乗算結果の信号を出力する。この各出力信号Ｘ０１〜Ｘ０４は、それぞれ対応する乗算器８とアダプティブ制御部１２とへ入力される。
【００１６】
乗算器８は、通常動作時に得られた重み係数を該当するアンテナ素子からの受信信号に乗ずることにより、受信信号に対する重み付けを行うためのものである。各乗算器８には、該当するアンテナ素子に対応する重み係数Ｗ１〜Ｗ４がアダプティブ制御部１２から入力される。各乗算器６は、それぞれ該当する乗算器６からの出力信号とアダプティブ制御部１２からの重み係数とを乗算し、この乗算結果、すなわち重み付け後の受信信号を出力する。この各重み付け後の受信信号は、加算器１０に入力される。加算器１０は、各乗算器８から入力された重み付け後の受信信号を加算することにより合成して出力信号ｙを生成し出力する。また、この出力信号ｙはアダプティブ制御部１２に入力される。
なお、乗算器８と加算器１０が出力信号生成手段に対応する。
【００１７】
アダプティブ制御部１２は、通常動作時には、ＭＭＳＥベースの適応アルゴリズムにより、アンテナ素子Ａｎｔ１〜４からなるアレーアンテナの指向性を制御するための重み係数Ｗ１〜Ｗ４（指向性制御用重み係数）を算出する。一方、校正動作時には、同じＭＭＳＥベースの適応アルゴリズムにより、各アンテナ素子Ａｎｔ１〜４に対応する回路間の動作特性を整合するための補正用の重み係数Ｗ０１〜Ｗ０４を算出する。上記適応アルゴリズムとしては、ＬＭＳ（Ｌｅａｓｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ）やＲＬＳ（Ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ  Ｌｅａｓｔ−Ｓｑｕａｒｅｓ）などが利用可能である。
【００１８】
アダプティブ制御部１２には、参照信号記憶部１２からの参照信号ｒとタイミング検出部４からの出力信号と各乗算器６からの出力信号Ｘ０１〜Ｘ０４と出力信号ｙとが入力される。参照信号記憶部１２（参照信号発生手段）は、送信側から送信される既知のパイロット信号に対応する参照信号ｒを予め記憶している。
【００１９】
校正信号記憶部１６（校正信号発生手段）は、参照信号記憶部１２に記憶されている参照信号ｒに対応する校正信号を予め記憶している。この校正信号は、各アンテナ素子Ａｎｔ１〜４で受信される無線信号に対応する４つの信号として構成される。
【００２０】
次に、上記した図１のアダプティブアレーアンテナシステムの校正時の動作を説明する。
図１において、校正はアンテナ素子別に行われる。例えば、アンテナ素子Ａｎｔ１、Ａｎｔ２、Ａｎｔ３、Ａｎｔ４の順番で行われる。これにより、校正に係る構成が簡略化される。なお、ここでは、アンテナ素子Ａｎｔ１についての校正動作を例に挙げて説明するが、他のアンテナ素子Ａｎｔ２〜４についての校正動作も同様である。
【００２１】
先ず、校正対象のアンテナ素子Ａｎｔ１に対応するスイッチＳＷが校正信号記憶部１６とアレー無線受信部２を接続するように閉じられ、校正対象以外のアンテナ素子Ａｎｔ２〜４に対応するスイッチＳＷは開放される。次いで、校正信号記憶部１６から校正信号が読み出されてアレー無線受信部２へ入力される。そして、該入力信号Ｘ１（校正信号）はアレー無線受信部２及びタイミング検出部４を介して乗算器６とアダプティブ制御部１２へ入力される。そして、乗算器６の出力信号Ｘ０１がアダプティブ制御部１２へ入力される。
【００２２】
次いで、アダプティブ制御部１２は、（１）式で表される２乗誤差Ｅ０１が最小となるように適応制御して重み係数Ｗ０１を算出する。
Ｅ０１（ｔ）＝（ｒ（ｔ）−Ｗ０１＊Ｘ１（ｔ））２＝（ｒ（ｔ）−Ｘ０１（ｔ））２  ・・・（１）
但し、ｔはサンプリング時刻、＊は複素共役の表記である。
【００２３】
上記した校正動作が各アンテナ素子Ａｎｔ１〜４に対してそれぞれ行われることにより、各アンテナ素子Ａｎｔ１〜４に対応するアレー無線受信部２の位相特性のばらつきを補正するための重み係数Ｗ０１〜Ｗ０４が得られる。これらの重み係数Ｗ０１〜Ｗ０４が各乗算器６に設定されると、校正動作は終了する。
【００２４】
次に、上記校正後の図１のアダプティブアレーアンテナシステムの通常時の動作を説明する。
先ず、各スイッチＳＷは、それぞれアンテナ素子とアレー無線受信部２を接続するように閉じられる。これにより、各アンテナ素子Ａｎｔ１〜４で受信された無線信号が入力信号Ｘ１〜Ｘ４として各アレー無線受信部２へ入力される。そして、該入力信号Ｘ１〜Ｘ４（受信信号）は各アレー無線受信部２及び各タイミング検出部４を介して各乗算器６へ入力される。そして、各乗算器６の出力信号Ｘ０１〜Ｘ０４は各乗算器８とアダプティブ制御部１２へ入力される。そして、各乗算器８の出力信号は加算器１０へ入力されて加算され、この加算結果の出力信号ｙが加算器１０から出力される。該出力信号ｙはアダプティブ制御部１２へ入力される。
【００２５】
次いで、アダプティブ制御部１２は、参照信号ｒと各乗算器６の出力信号Ｘ０１〜Ｘ０４と出力信号ｙを使用して、参照信号ｒと出力信号ｙの二乗誤差が最小となるように適応制御して重み係数Ｗ１〜Ｗ４を算出する。これにより、アレーアンテナの指向性が制御される。そして、校正後の出力信号ｙは（２）式で表される。
ｙ（ｔ）＝ＷＨＸ０（ｔ）  ・・・（２）
但し、
Ｘ０（ｔ）＝［Ｘ０１（ｔ），Ｘ０２（ｔ），Ｘ０３（ｔ），Ｘ０４（ｔ）］Ｔ、
Ｘ０１（ｔ）＝Ｗ０１＊Ｘ１（ｔ）、
Ｘ０２（ｔ）＝Ｗ０２＊Ｘ２（ｔ）、
Ｘ０３（ｔ）＝Ｗ０３＊Ｘ３（ｔ）、
Ｘ０４（ｔ）＝Ｗ０４＊Ｘ４（ｔ）、
Ｗ＝［Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４］Ｔ、
Ｔは転置の表記、
Ｈは複素共役転置の表記、
である。
【００２６】
図２〜図５に、本実施形態による校正前後の振幅特性と位相特性のシミュレーション結果を示す。図２，図３は校正前のシミュレーション結果であり、図２には振幅特性が示され、図３には位相特性が示されている。図４，図５は校正後のシミュレーション結果であり、図４には振幅特性が示され、図５には位相特性が示されている。
図３に示すように、校正前においては、各アンテナ素子Ａｎｔ１〜４に対応する位相特性（図３ではＸ１〜Ｘ４で示している）にはばらつきがある。しかし、図５に示すように、校正後では、各アンテナ素子Ａｎｔ１〜４に対応する位相特性にはばらつきはなく、校正が良好に行われたことが示されている。
【００２７】
なお、本発明のアダプティブアレーアンテナシステムは、移動局、例えば携帯電話機等の携帯端末にも同様に適用することができる。また、アレーアンテナを使用してＭＭＳＥベースの適応アルゴリズムにより適応受信するシステムであれば、例えば「ｃｄｍａ２０００  ｌｘＥＶ−ＤＯ」と呼ばれる符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）方式など、各種の無線通信方式に適用可能である。
【００２８】
以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、通常動作時には、最小２乗誤差法に基づく適応アルゴリズムにより、アレーアンテナの指向性を制御するための指向性制御用重み係数が算出されてアレーアンテナの指向性が制御される。一方、校正動作時には、同じ最小２乗誤差法に基づく適応アルゴリズムにより、各アンテナ素子に対応する回路間の動作特性を整合するための補正用重み係数が算出される。これにより、アダプティブアレーアンテナシステム単体で校正することができ、校正時のシステム規模の縮小を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるアダプティブアレーアンテナシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態による校正前の振幅特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図３】本実施形態による校正前の位相特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】本実施形態による校正後の振幅特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】本実施形態による校正後の位相特性のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
２…アレー無線受信部、４…タイミング検出部、６，８…乗算器、１０…加算器、１２…アダプティブ制御部、１４…参照信号記憶部、１６…校正信号記憶部、Ａｎｔ１〜Ａｎｔ４…アンテナ素子、ＳＷ…スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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