(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
到来波を受信するアレーアンテナと、
前記アレーアンテナによって受信された受信信号を基に、前記到来波の到来信号数を推定及び設定する到来信号数設定手段と、
少なくとも前記受信信号を基に前記到来波の到来方向を推定及び設定する到来方向設定手段と、
前記設定された前記到来波の到来方向の中から、所望の到来波の到来方向を所望波方向として選択及び設定する所望波方向設定手段と、
それぞれ異なる複数の前記到来信号数を用いて、前記アレーアンテナにおける前記所望波方向の方向ベクトルを補正することにより、複数の補正方向ベクトルを生成し、前記複数の補正方向ベクトルを用いて複数のウエイトをそれぞれ算出し、前記複数のウエイトを用いて、前記アレーアンテナにおける前記所望波方向の利得を前記到来信号数毎に算出し、前記算出された複数の前記所望波方向の利得のうち所定の閾値より大きい前記所望波方向の利得に対応する前記到来信号数の中から、最大の前記到来信号数を選択し、前記選択された前記到来信号数に対応するウエイトを所望のウエイトとして設定するウエイト設定手段と、
前記アレーアンテナによって受信された前記受信信号と、前記ウエイト設定手段によって設定された前記所望のウエイトとを用いて、前記受信信号を合成して出力する受信信号出力手段と
を備えることを特徴とするアダプティブアレーアンテナ装置。
【請求項２】
前記ウエイト設定手段は、
連続するようにしてそれぞれ異なる前記到来信号数を設定する複数のウエイト設定用到来信号数設定手段と、
前記複数のウエイト設定用到来信号数設定手段によって設定された前記到来信号数を用いて、前記アレーアンテナにおける前記所望波方向の方向ベクトルを補正することにより、前記複数の補正方向ベクトルをそれぞれ生成する複数の方向ベクトル補正手段と、
前記複数の方向ベクトル補正手段によって生成された前記複数の補正方向ベクトルを用いて前記複数のウエイトをそれぞれ算出する複数のウエイト算出手段と、
前記複数のウエイト算出手段によって算出された前記複数のウエイトを用いて、前記アレーアンテナにおける前記所望波方向の利得を前記到来信号数毎に算出する複数の利得算出手段と、
前記複数の利得算出手段によって前記到来信号数毎に算出された前記アレーアンテナにおける前記所望波方向の利得のうち、前記所定の閾値より大きい前記所望波方向の利得に対応する前記到来信号数の中から、最大の前記到来信号数を選択し、前記選択された前記到来信号数に対応するウエイトを前記所望のウエイトとして設定するウエイト選択手段と
を備えることを特徴とする請求項１記載のアダプティブアレーアンテナ装置。
【請求項３】
前記ウエイト設定手段は、
前記閾値として、前記アレーアンテナにおける最大利得から所定の値を減算した値を設定する
ことを特徴とする請求項１記載のアダプティブアレーアンテナ装置。
【請求項４】
前記ウエイト設定手段は、
前記閾値として、前記受信信号出力手段から出力される出力信号に必要とされるだけの電力に応じた利得を設定する
ことを特徴とする請求項１記載のアダプティブアレーアンテナ装置。
【請求項５】
前記ウエイト設定手段は、
前記アレーアンテナの座標と、前記アレーアンテナを形成する各アンテナのビームパターンと、前記複数のウエイトとを基に、全方位の合成ビームパターンを算出し、前記全方位の合成ビームパターン用いて前記所望波方向の利得を指向性利得として算出する
ことを特徴とする請求項１記載のアダプティブアレーアンテナ装置。
【請求項６】
前記ウエイト設定手段は、
前記アレーアンテナを形成する各アンテナのビームパターンと前記複数のウエイトとを基に、前記各アンテナの電界を算出し、前記算出された前記各アンテナの電界を前記所望波方向で同位相合成することにより、前記アレーアンテナにおける前記最大利得を算出し、前記各アンテナの電界を前記所望波方向で複素合成することにより、前記アレーアンテナにおける前記所望波方向の利得を算出する
ことを特徴とする請求項３記載のアダプティブアレーアンテナ装置。
【請求項７】
前記到来信号数設定手段において設定された前記到来信号数と、前記ウエイト設定手段によって設定された前記所望のウエイトに対応する前記到来信号数とを比較し、これらが一致しない場合は、前記ウエイト設定手段によって設定された前記所望のウエイトに対応する前記到来信号数を用いて、前記到来方向設定手段に前記到来方向の推定及び設定を行わせる到来信号数比較手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項１記載のアダプティブアレーアンテナ装置。
【請求項８】
前記到来信号数設定手段及び前記到来方向設定手段において所定時間前に設定された前記到来信号数及び前記到来方向と、現在設定されている前記到来信号数及び前記到来方向とを比較し、これらのうち少なくとも一方が一致する場合には、前記所定時間前に設定された前記所望のウエイトを前記ウエイト設定手段に再設定する伝搬状態監視手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項１記載のアダプティブアレーアンテナ装置。
【請求項９】
アレーアンテナによって受信された受信信号を基に、到来波の到来信号数を推定及び設定するステップと、
少なくとも前記受信信号を基に前記到来波の到来方向を推定及び設定するステップと、
前記設定された前記到来波の到来方向の中から、所望の到来波の到来方向を所望波方向として選択及び設定するステップと、
それぞれ異なる複数の前記到来信号数を用いて、前記アレーアンテナにおける前記所望波方向の方向ベクトルを補正することにより、複数の補正方向ベクトルを生成し、前記複数の補正方向ベクトルを用いて複数のウエイトをそれぞれ算出し、前記複数のウエイトを用いて、前記アレーアンテナにおける前記所望波方向の利得を前記到来信号数毎に算出し、前記算出された複数の前記所望波方向の利得のうち所定の閾値より大きい前記所望波方向の利得に対応する前記到来信号数の中から、最大の前記到来信号数を選択し、前記選択された前記到来信号数に対応するウエイトを所望のウエイトとして設定するステップと、
前記アレーアンテナによって受信された前記受信信号と、前記所望のウエイトとを用いて、前記受信信号を合成して出力するステップと
を備えることを特徴とするアダプティブアレーアンテナ装置の受信信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アダプティブアレーアンテナ技術に関し、特に干渉波抑圧技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
アダプティブアレーアンテナの中には、複数の到来波電波の中から、所望波を高利得で受信し、干渉波を抑圧するビームパターン形成を実現するものがある。ここで所望波とは、アダプティブアンテナで受信したい到来波であり、干渉波とはアダプティブアンテナで受信したくない到来波である。所望波と干渉波を同時に受信した場合には、混信状態となるので信号の復元が出来ないが、干渉波を抑圧することで、所望波信号の復元が可能となる。このようなビームパターン形成を実現するアルゴリズムとして、所望波の到来方向を予備知識として利用する、方向拘束付き電力最小化法が良く知られている。
【０００３】
ところが、この方向拘束付き電力最小化法の問題点は、所望波方向の方向ベクトルが極めて正確に求められている場合に高精度なビームパターンを生成するが、方向ベクトルに誤差がある場合にビームパターンが劣化することである。
【０００４】
方向ベクトルに誤差がある場合としては、アレーアンテナの設置環境が不確定で、アレーアンテナの近傍にアンテナ素子と結合する散乱体が存在する場合や、アレーアンテナに接続する高周波ケーブルや受信機の特性が温度環境や経年変化で変化してしまう場合で、これを測定できない場合である。このような状況を、キャリブレーション（較正）が十分行えない場合と以降では呼ぶこととする。
【０００５】
このような問題に対して、キャリブレーションが十分行えない場合でも、方向ベクトルを補正し、所望のビームパターンを実現するアルゴリズムが報告されている（非特許文献１）。この補正計算は、アレーアンテナの受信信号と到来信号数の情報を利用して行うものである。
【０００６】
ところが、この補正を行うために必要な到来信号数は、一般的にアレーアンテナの受信信号から推定するものであり、熱雑音、外来雑音、有限時間のサンプル数などの影響で正確に求めることが出来ない場合がある。そして、到来信号数に誤りがある場合、上記補正計算にも誤りが生じ、所望のビームパターンを実現できない問題がある。所望のビームパターンが実現できないと、所望波の高利得受信が出来なかったり、干渉波抑圧が出来なかったりしてしまう。その結果、所望波信号の情報を得ることが出来なくなる。
【非特許文献１】Won Sik Youn and Chong Kwan Un,” Robust adaptive beamforming based on the eigenstructure method,” IEEE Trans. Signal Processing, vol. 42, no. 6, June 1994.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、到来方向情報を利用して方向ベクトルを補正し、所望波を高利得で受信し、干渉波を抑圧するビームパターン形成を目的とした従来技術のアダプティブアレーアンテナ装置では、到来信号数に誤りがある状態で方向ベクトルを補正すると、補正後の方向ベクトルに誤差が発生し、その結果、目的とするビームパターンを実現できなるという問題があった。その結果、所望波の高利得受信と干渉波抑圧を実現することが出来ない問題があった。
【０００８】
この発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、到来信号数に誤りがある場合にも、高精度に方向ベクトルの補正が可能であり、目的とするビームパターン形成が可能となるアダプティブアレーアンテナを提供することを目的とする。その結果、所望波の高利得受信と干渉波の抑圧を実現できるようになる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によるアダプティブアレーアンテナ装置は、
到来波を受信するアレーアンテナと、
前記アレーアンテナによって受信された受信信号を基に、前記到来波の到来信号数を推定及び設定する到来信号数設定手段と、
少なくとも前記受信信号を基に前記到来波の到来方向を推定及び設定する到来方向設定手段と、
前記設定された前記到来波の到来方向の中から、所望の到来波の到来方向を所望波方向として選択及び設定する所望波方向設定手段と、
それぞれ異なる複数の前記到来信号数を用いて、前記アレーアンテナにおける前記所望波方向の方向ベクトルを補正することにより、複数の補正方向ベクトルを生成し、前記複数の補正方向ベクトルを用いて複数のウエイトをそれぞれ算出し、前記複数のウエイトを用いて、前記アレーアンテナにおける前記所望波方向の利得を前記到来信号数毎に算出し、前記算出された複数の前記所望波方向の利得のうち所定の閾値より大きい前記所望波方向の利得に対応する前記到来信号数の中から、最大の前記到来信号数を選択し、前記選択された前記到来信号数に対応するウエイトを所望のウエイトとして設定するウエイト設定手段と、
前記アレーアンテナによって受信された前記受信信号と、前記ウエイト設定手段によって設定された前記所望のウエイトとを用いて、前記受信信号を合成して出力する受信信号出力手段と
を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のアダプティブアレーアンテナ装置によれば、所望波の高利得受信と干渉波の抑圧を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本実施の形態について詳細に説明する。
【００１２】
（１）第１の実施の形態
図１は第1の実施の形態に係わるアダプティブアレーアンテナ装置１００の構成図である。到来波を受信するアレーアンテナ１０１と、到来信号数設定手段１０２と、到来方向設定手段１０３と、所望波方向設定手段１０４と、ウエイト設定手段１０５と、受信信号出力手段１０６から構成されるアダプティブアレーアンテナ装置１００であり、ウエイト設定手段１０５では、異なる到来信号数の条件で所望波方向の方向ベクトルを補正し、複数の補正された方向ベクトルを用いて複数のウエイトを算出し、複数のウエイトの中から１つのウエイトを選択し、選択されたウエイトを設定することを特徴とする。以下、各構成要素の説明を順番に行う。
【００１３】
到来波を受信するアレーアンテナ１０１は、到来波を受信可能なアンテナである。アンテナ各素子の種類は、到来波を受信できるアンテナであれば制限は無いが、広い角度範囲の到来波を受信したい場合には、マイクロストリップアンテナやモノポールアンテナのようなビーム幅の広いアンテナ素子が適しており、狭い範囲の到来波を受信したい場合には、ホーンアンテナや八木宇田アンテナのようなビーム幅の狭いアンテナが適している。
【００１４】
また、アンテナ各素子の配置方法やアンテナ各素子の間隔は、想定する到来波の方向や、実現したいアレーアンテナの利得から求めればよく、特に制限はない。
【００１５】
アレーアンテナ１０１で受信した受信信号は、以下のアダプティブアレーアンテナ装置１００の各手段（到来信号数設定手段１０２、到来方向設定手段１０３、ウエイト設定手段１０５、受信信号出力手段１０６）に送出され演算される。従って、図示していないが、受信信号は、増幅、周波数変換、フィルタリング、アナログ信号からデジタル信号への変換などが行われるが、各手段で受信信号を取り扱いやすいような処理がされればよく、これらの適用に関しては、制限は無い。
【００１６】
ここでアレーアンテナ１０１の時刻ｔにおける受信信号を以下の式（１）で定義する。
【数１】
0004469812.tif 000002
【００１７】
Ｎはアンテナの素子数、ｘｉ（ｔ）はｉ番目素子の時刻ｔの受信信号である。
【００１８】
到来信号数設定手段１０２では、アレーアンテナ１０１で受信した到来信号数の設定を行うための手段である。ここでは、１つ或いは複数の到来波がアレーアンテナ１０１で受信されていることを想定しており、到来信号数を受信信号から推定演算することが必要となる。
【００１９】
到来信号数推定方法としては、従来用いられている任意のアルゴリズムに従って行えばよい。例えば、受信信号の周波数スペクトルから推定する方法や、相関行列の固有値を用いてAIC法やMDL法で推定する方法などを用いることが出来る。
【００２０】
因みに、この到来信号数は、例えば、送信元が複数存在する場合における送信元の数に対応するが、送信元の数に対応しなくても良い。
【００２１】
到来方向設定手段１０３では、アレーアンテナ１０１で受信した到来波の空間的な到来方向の設定を行うための手段である。ここでは、１つ或いは複数の到来波が所定の角度内で到来しアレーアンテナ１０１で受信していることを想定しており、到来方向を受信信号から推定演算することが必要となる。
【００２２】
到来方向推定方法としては、従来用いられている任意のアルゴリズムに従って行えばよい。例えば、フェーズドアレーアンテナのようにビーム方向を変えたときの受信電力から推定する方法や、MUSIC法やESPRIT法といった高分解能な到来方向推定アルゴリズムを用いて推定する方法などを用いることが出来る。なお、到来方向推定においては、到来信号数を必要とする場合や、到来信号数を用いた場合のほうが推定精度の向上が見込めるアルゴリズムがあるので、この場合には、到来信号数設定手段１０２で設定された到来信号数を用いることが有効となる。
【００２３】
所望波方向設定手段１０４では、受信したい到来波の方向を設定するための手段である。ここで受信したい到来波の選択は、例えばオペレータによって任意に行うことが可能であり、到来方向設定手段１０３で設定された到来波の中から選択する。以下では、到来方向θｄを選択したとして説明を行う。なお、一般的には到来方向は２つのパラメータで表され、例えば仰角と方位角（θとφ）を用いる。ここでは、簡単のため１次元の場合で説明を行う。なお、２次元の場合も同様に拡張することが可能である。
【００２４】
なお、ここで設定された所望波方向以外の到来波は、受信したくない到来波であるので、干渉波と呼ぶこととする。なお、所望波方向設定手段１０４の結果、到来波が所望波になったり、干渉波になったりする。
【００２５】
ウエイトを設定するウエイト設定手段１０５では、所望波方向設定手段１０４で設定された所望波方向に利得の高いビームを向け、それ以外の干渉波の方向にヌルを向け抑圧するビームパターンを実現するためのウエイトを設定する手段である。ウエイトは各アンテナに対して設定される。なお、ウエイト設定手段１０５に関しては、後に詳細に説明を行う。
【００２６】
受信信号出力手段１０６では、アレーアンテナ１０１で受信した受信信号とウエイト設定手段１０５で設定されたウエイトを用いて受信信号の合成を行い、合成後の信号を出力する手段である。受信信号の合成は、各アンテナの受信信号にそれぞれのアンテナに設定されるウエイトを乗算し、それらの和を求める演算で実現される。
【００２７】
この結果、各アンテナで受信した信号の中には全ての到来信号が含まれるが、合成後の受信信号の中には、所望波方向の信号のみが含まれることとなる。従って、混信して受信信号の復調を行うことができないなどの問題を解決することが可能となる。なお、厳密には、干渉波は１００％抑圧されるわけではなく、非常に利得の小さな状態で受信されることとなり、所望波に比べて非常に小さいレベルであるが存在している。
【００２８】
次に、ウエイト設定手段１０５に関して詳細に説明を行う。図２はウエイト設定手段１０５の構成図を示している。複数の方向ベクトル補正用に用いられる到来信号数設定手段２０１と、複数の方向ベクトル補正手段２０２と、複数のウエイト算出手段２０３と、複数の所望波方向の利得算出手段２０４と、ウエイト選択手段２０５から構成されている。
【００２９】
方向ベクトル補正用に用いる複数の到来信号数設定手段２０１について説明を行う。到来信号数設定手段２０１では、複数の連続する到来信号数を設定する。すなわち、各到来信号数設定手段２０１は、それぞれ異なる固有の到来信号数を設定する。例えば、Ｎ素子アレーアンテナでは最大Ｎ−１波の到来信号数を扱うことが可能であるので、１〜Ｎ−１までの到来信号数を設定する。この結果、全ての到来信号数を一度に取り扱うことが可能となる。あるいは、予め最大の到来波信号数が分かっている場合は、１〜予め定められた最大の到来信号数までの到来信号数を設定する。あるいは、予め最小の到来信号数が分かっている場合は、最小の到来信号数〜Ｎ−１波までを設定する。あるいは、あらかじめ最大の到来信号数と最小の到来信号数が分かっている場合には、最小の到来信号数〜最大の到来信号数を設定する。状況に応じて到来信号数の設定範囲を選ぶことで、各手段で行う演算で使用するハードウエア資源を削減し、低コスト化が可能となる。
【００３０】
つぎに、複数の方向ベクトル補正手段２０２について説明する。複数の方向ベクトル補正手段２０２では、異なる到来信号数の条件で所望波方向θｄの方向ベクトルの補正演算を行う。ここで、アレーアンテナ１０１はキャリブレーションが不十分であると仮定し、方向ベクトルに誤差を有することを前提としている。
【００３１】
ここでは、到来信号数がｋと設定されている補正ベクトルの計算方法に関して説明する。はじめに所望波方向θｄの方向ベクトルを以下の式（２）で表す。
【数２】
0004469812.tif 000003
【００３２】
方向ベクトルは、モードベクトルやステアリングベクトルと呼ばれることもあり、アンテナ素子の座標と、各アンテナの放射パターンによって決定されるベクトルである。ここでは、キャリブレーションが不十分であるので、方向ベクトルとしては、設計値や電磁界シミュレーションで算出した値や電波暗室内で測定した値であって、実際に設置された場所での方向ベクトルと異なっていることが問題となる。
【００３３】
補正演算は次の式（３）で求める。
【数３】
0004469812.tif 000004
【００３４】
ここで、ｂ（θｄ）は補正後の方向ベクトルである。また、IはＮ×Ｎの単位行列、ＶＮはＮ×（Ｎ−ｋ）の雑音部分空間行列、Ｈは共役複素転置である。雑音部分空間ＶＮは次のように求める。
【００３５】
はじめに受信信号を用いてＮ×Ｎの相関行列Ｒｘｘを次の式（４）で算出する。
【数４】
0004469812.tif 000005
【００３６】
ここでＥ［  ］は期待値演算である。期待値演算の方法はどのような方法でも構わないが、例えばＴ個の異なる時間の受信信号を用いて以下の式（５）で算出できる。
【数５】
0004469812.tif 000006
【００３７】
つぎに、相関行列Ｒｘｘの固有値展開を行い、固有値、固有ベクトルを次の式（６）のように表す。
【数６】
0004469812.tif 000007
【００３８】
ここで、Ｖは固有ベクトルｖｉから構成されるＮ×Ｎの行列で式（７）で表される。
【数７】
0004469812.tif 000008
【００３９】
また、Λは固有値から構成されるＮ×Ｎの対角行列で式（８）で表される。
【数８】
0004469812.tif 000009
【００４０】
そして、式（９）のように固有値は大きい順に並んでいる。
【数９】
0004469812.tif 000010
【００４１】
雑音部分空間ＶＮは式（７）と到来信号数ｋを用いて式（１０）で定義される。
【数１０】
0004469812.tif 000011
【００４２】
以上の計算を用いて、補正された方向ベクトルｂ（θｄ）が計算される。
【００４３】
複数の方向ベクトル補正手段２０２では、それぞれに対応する到来信号数を用いて、式（１０）を用いて方向ベクトルの補正計算を行う。
【００４４】
次に、複数のウエイト算出手段２０３について説明を行う。各ウエイト算出手段２０３では、補正された方向ベクトルを用いて以下の式（１１）でＮ×１のウエイトベクトルを算出する
【数１１】
0004469812.tif 000012
【数１２】
0004469812.tif 000013
【００４５】
ここでＲｘｘ−１は式（５）で与ええられる相関行列の逆行列を表している。このように複数のウエイト算出手段２０３では、それぞれウエイトを算出する。
【００４６】
次に、複数の所望波方向利得算出手段２０４について説明する。所望波方向は所望波方向設定手段１０４で設定されたθｄの方向を選択する。そして、算出されたウエイトを用いてアダプティブアレーアンテナ１０１の放射パターン計算を行い、所望波方向の利得を計算する。所望波方向の利得の計算は、一般的に用いられるアダプティブアレーアンテナの利得計算方法を用いればよい。
【００４７】
次に、ウエイト選択手段２０５について説明する。ウエイト選択手段２０５では、あらかじめ設定された閾値利得を用いて、閾値を超える所望波方向の利得が得られる場合に対応する１つ或いは複数の到来信号数の中から、最大の到来信号数を選択し、この選択された到来信号数に対応するウエイトを選択する。
【００４８】
このように、ウエイト設定手段１０５では、方向ベクトル補正用に用いられる到来信号数設定手段２０１と、方向ベクトル補正手段２０２と、ウエイト算出手段２０３と、所望波方向の利得算出手段２０４とを並列に構成し、ウエイト選択手段２０５で選択されたウエイトを設定する。
【００４９】
以上のように、本実施の形態のアダプティブアレーアンテナ装置１００は構成されている。以下では、本実施の形態によってキャリブレーションが不十分で、かつ、到来信号数推定に誤りが発生してしまうような場合にも、所望波を高利得で受信し、干渉波を抑圧することが出来る効果に関して説明する。特に、本実施の形態においては、到来信号数に誤りがあっても、方向ベクトルの補正を精度良く実施することができることに関して説明する。
【００５０】
アレーアンテナ１０１で受信した受信信号を用いて、到来信号数を設定し、到来方向を設定し、所望波方向を設定する部分の動作は、説明を省略する。
【００５１】
以下では、到来信号数推定が困難な状況において、最適なウエイトを選択できる原理について説明する。
【００５２】
方向ベクトルの補正は式（１０）で表される雑音部分空間行列を用いて計算される。ここで、雑音部分空間行列は、到来信号数ｋによって決まる行列である。従って、到来信号数ｋが異なると、補正後の方向ベクトルの値が変わる。つまり、到来信号数ｋでウエイトも変化し、その結果、アダプティブアレーアンテナ装置１００のビームパターンも変化することが予想される。
【００５３】
そこで、シミュレーションを行い、補正ベクトルの計算に用いる到来信号数を変えると、所望波方向の利得と、干渉波方向の利得がどのように変化するか示す。なお、ここで利得とは、受信感度を意味する。
【００５４】
図３は、横軸が方向ベクトルの補正計算に用いた到来信号数、縦軸が利得を表している。シミュレーション条件としては、到来信号数の数を２としている。因みに、ここでは、単一のアンテナによる無指向性の利得を基準すなわち０ｄＢとする。
【００５５】
補正計算に用いる到来信号数を２とした場合、所望波方向の利得は高く、干渉波方向の利得は−２０ｄＢ以下となり十分抑圧されている。
【００５６】
これに対して、補正計算に用いる到来信号数を１とした場合、所望波方向の利得は高く維持されているものの、干渉波方向の利得も高く、干渉波抑圧を行えないことがわかる。
【００５７】
また、補正計算に用いる到来信号数を３以上とした場合、干渉波方向の利得は低く干渉波抑圧されているものの、所望波方向の利得も劣化してしまい、所望波の高利得受信が出来なくなってしまっている。
【００５８】
このように、正確な到来信号数を用いて方向ベクトルの補正を行わないと、所望のビームパターンを実現できないことが確認できる。
【００５９】
またさらに、図３から、到来信号数を増加するごとに、所望波方向と干渉波方向の利得が単調的に減少することも明らかになった。
【００６０】
発明者らは図３に示す現象を明らかにし、従来技術での問題点を明確にした。そして、図３の到来信号数と利得の関係を用いて最適なウエイトを選択することが出来るウエイト設定手段１０５を実現している。ここでは、利得の閾値を導入し、到来信号数の選択を行う。
【００６１】
ウエイトを選択する方法は、閾値を超える所望波方向の利得が得られる場合に対応する１つ或いは複数の到来信号数の中から、最大の到来信号数を選択し、この選択された到来信号数に対応するウエイトを選択する。
【００６２】
このようにウエイトを選択することで、所望波方向の利得は閾値以上の値を維持することが可能となる。従って、所望波の高利得受信が可能となる。ここで、閾値として、高利得となる値を設定すればよい。また、干渉波方向の利得を最大限に小さくすることが可能となる。このことは、図３において、到来信号数を増やすと、干渉波方向の利得が単調減少することから説明される。
【００６３】
つまり、本実施の形態のウエイト選択方法を用いることによって、所望波を高利得受信し、干渉波を抑圧するビームパターン形成が、キャリブレーションが不十分であり、また、到来信号数の設定結果に誤りがある場合でも、精度良く実現できるようになる。
【００６４】
以上説明したように、本実施の形態においては、ウエイト設定手段１０５において、連続する複数の異なる到来信号数の条件で、方向ベクトルの補正と、ウエイトの計算と、所望波方向の利得計算を行い、所望波方向の利得のみを用いて、到来信号数の選択を行い、選択された到来信号数に対応するウエイトを選択する。そして、このウエイトを用いてアダプティブアレーアンテナ装置１００の受信信号を合成することは、所望波を高利得で受信し、干渉波を抑圧することとなるので、混信しない状態で、振幅の大きな所望波信号を得ることが可能となる。
【００６５】
また、本実施の形態においては、ウエイト設定手段１０５においては、異なる到来信号数の条件で並列にウエイトを算出している。その結果、到来信号数を変えながら順番にウエイトを計算する場合に比べて、高速にウエイトを算出することが可能となり、リアルタイム性が向上する。また、本実施の形態では、所望波方向のみの利得でウエイトを選択している。従って、到来信号数が０となる条件以外では、確実に到来波の存在する方向の利得を評価可能であり、到来信号数の推定が困難な場合でも、適用することが可能となる。なお、到来信号数が０の場合は、受信信号に雑音しか含まれないために、容易に判定することが可能となる。
【００６６】
このように本実施の形態によれば、到来信号数推定が困難な場合でも、異なる到来信号数の条件でウエイトを計算し、その中からウエイトを選択することが出来るので、高精度なウエイトの設定（所望波方向の高利得を維持したまま、干渉波を抑圧するビームパターンの実現）を行うことが可能となる。
【００６７】
また本実施の形態によれば、所望波方向の利得を閾値利得以上に維持したまま、干渉波抑圧可能なウエイト（ビームパターン）の選択が可能になる。
【００６８】
（２）第２の実施の形態
以下、図面を参照しながら第２の実施の形態を詳細に説明する。図４は第２の実施の形態に係わるウエイト設定手段４００の構成図を表している。ウエイト設定手段４００は、到来信号数設定手段４０１と、方向ベクトルの補正手段と４０２と、ウエイト算出手段４０３と、所望波方向利得算出手段４０４と,ウエイト選択手段４０５、到来信号数変更手段４０６から構成される。このようにウエイト設定手段４００を構成することで、第１の実施の形態に比べて、演算速度は低下するものの、低コストなウエイト設定手段４００を実現することが可能となる。以下に詳細に説明する。
【００６９】
以下では、本実施の形態の動作について説明する。なお、方向ベクトルの補正手段４０２、ウエイト算出手段４０３、所望波方向利得算出手段４０４の動作は、第１の実施の形態と同一であるので、詳細な説明を省略する。
【００７０】
はじめに、到来信号数設定手段４０１では、方向ベクトル補正手段４０２で使用する到来信号数を設定する。ここでは、任意の到来信号数を設定してよい。例えば、アダプティブアレーアンテナ装置の到来信号数推定結果を用いることが出来る。
【００７１】
そして、設定された到来信号数を用いて、所望波方向の方向ベクトルの補正、ウエイトの演算、所望波方向の利得の算出を行う。そして、所望波方向の利得が閾値よりも大きい場合と、小さい場合で次のように処理方法を変える。
【００７２】
はじめに、所望波方向の利得値が閾値よりも大きい場合の説明を行う。この場合には、所望波の高利得受信が可能であるが、干渉波の抑圧が不十分である可能性がある。そこで、到来信号数変更手段４０６で到来信号数を１つ増やす。そして、同様に、方向ベクトルの補正、ウエイトの算出、所望波方向の利得算出を行う。そして、所望波方向の利得が閾値よりも小さくなるまでこの計算を繰り返す。
【００７３】
このように計算することで、閾値よりも大きな所望波方向利得を有し、最大の干渉波抑圧効果のあるウエイトを選択することが可能となる。ここで、ウエイトの選択基準は、第１の実施の形態で説明したように、図３に示した知見に基づいて行う。
【００７４】
次に、所望波方向の利得値が閾値よりも小さい場合の説明を行う。この場合には、所望波の高利得受信が不十分である。従って、到来信号数変更手段４０６で到来信号数を１つ減らす。そして、同様に方向ベクトルの補正、ウエイトの算出、所望波方向の利得算出を行う。そして、所望波方向の利得が閾値よりも大きくなるまでこの計算を繰り返す。
【００７５】
このように計算することで、閾値よりも大きな所望波方向利得を有し、最大の干渉波抑圧効果のあるウエイトを選択することが可能となる。ここで、ウエイトの選択基準は、第１の実施の形態で説明したように、図３に示した知見に基づいて行う。
【００７６】
以上説明したように、第２の実施の形態においては、異なる到来信号数の条件で、順番に、方向ベクトルの補正、ウエイトの算出、所望波方向の利得の算出を行い、最適なウエイトを設定することが可能となる。また、順番に演算を行うために、ハードウエア構成を小さくすることが可能となり、装置の低コスト化を実現できる。
【００７７】
（３）第３の実施の形態
以下、第３の実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態では、ウエイトの選択基準に用いる閾値の設定方法に関する。閾値を、アダプティブアレーアンテナ装置１００で実現可能な最大利得から所定の値を差し引いた値とすることを特徴とする。以下に、このように閾値を設定する効果について説明をする。
【００７８】
本実施の形態では、干渉波抑圧を行わない場合の最大利得を基準に、干渉抑圧を行うための劣化量として所定の値を設定する。その結果、所望波方向の利得の劣化量を所定の値以内とすることが可能となる。
【００７９】
例えば、アレーアンテナ１０１で実現できる最大利得としては、到来波の周波数、アレーアンテナ１０１の各アンテナの種類と配置方法によって求めることが可能となる。なお、実際は、キャリブレーションが不十分であるために、厳密に実際のアダプティブアレーアンテナ装置１００で実現可能な最大利得とならないが、誤差のあるデータを用いて算出する。例えば、所定の値として３ｄＢを設定した場合、所望波方向の利得劣化量を最大３ｄＢとした状態で最大の干渉波抑圧効果を実現することが可能となる。
【００８０】
以上説明したように、本実施の形態では、閾値を、アダプティブアレーアンテナ装置１００で実現可能な最大利得から所定の値を差し引いた値とすることで、所望波方向の利得の劣化量を所定の値以内とすることが可能となる。
【００８１】
（４）第４の実施の形態
以下、第４の実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態では、ウエイトの選択基準に用いる閾値の設定方法に関する。閾値を、受信信号出力手段１０６から出力される到来信号電力に最低限必要な電力に対応する、アダプティブアレーアンテナ装置１００の絶対利得で設定する。以下に、このように閾値を設定する効果について説明をする。
【００８２】
本実施の形態では、所望波を受信するために必要な最低利得を閾値とする。図３に説明したように、所望波方向の利得が小さくなるに従って、干渉波方向の利得も小さくなる。この結果、本実施の形態のように閾値を設定することで、最低限必要な所望波受信利得を維持したまま、最大の干渉波抑圧効果を得ることが可能となる。
【００８３】
以上説明したように、本実施の形態では、閾値を、受信信号出力手段１０６から出力される到来信号電力に最低限必要な電力に対応する、アダプティブアレーアンテナ装置１００の絶対利得で設定することで、最低限必要な所望波受信利得を維持したまま、最大の干渉波抑圧効果を得ることが可能となる。本実施の形態は、干渉波を最大限抑圧したい場合に効果がある。
【００８４】
（５）第５の実施の形態
以下、第５の実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態では、所望波方向の利得の計算方法に関するが、利得を、アレーアンテナ１０１の座標とアレーアンテナ１０１の各アンテナのビームパターンとウエイトとから算出される全方位の合成ビームパターンを用いて指向性利得として算出することを特徴とする。
【００８５】
ウエイト選択手段２０５又は４０５で選択されたウエイトとアレーアンテナ１０１の座標とアレーアンテナ１０１の各アンテナのビームパターンを用いるとアレー指向性合成理論を用いてアダプティブアレーアンテナ装置１００のビームパターンを算出することが出来る。ここで用いる各素子の座標、各アンテナのビームパターンには、キャリブレーションが十分に行えていないので誤差が含まれているが、これを用いて算出する。
【００８６】
ビームパターンが計算されれば、指向性利得の計算が可能となる。指向性利得は、通常用いられる計算式で行い、所望波方向のビームパターンの値と、全方位のビームパターンの平均値との比で計算される。
【００８７】
このように利得の計算を行うことで、所望波方向の利得を比較的高精度に計算することが可能となる。このような方法は、アンテナ各素子の素子間隔が極めて狭く、アンテナ各素子が極めて近接している場合や、アンテナ各素子の素子間隔が極めて広く、ビームパターンにグレーティングローブが発生し、複数の方向に高利得なビームパターンが生じてしまう場合に利得を正しく評価できるので有効である。
【００８８】
（６）第６の実施の形態
以下、第６の実施の形態を詳細に説明する。本実施の形態では、閾値の設定をアダプティブアレーアンテナ装置１００で実現可能な最大利得から所定の値を差し引いた値とする第３の実施の形態に対応する場合の最大利得と所望波方向の利得計算方法に関する。ここでは、実現可能な最大利得を、アレーアンテナ１０１の各アンテナのビームパターンとウエイトとから算出される各アンテナの電界を所望波方向で同位相合成する場合の電力とし、所望波方向の利得を、アレーアンテナ１０１の各アンテナのビームパターンとウエイトとから算出される各アンテナの電界を所望波方向で複素合成する場合の電力とすることを特徴とする。以下に詳細に説明を行う。
【００８９】
所望波方向の合成ビームパターンは以下の式（１３）のように、電界の複素合成で算出できる。
【数１３】
0004469812.tif 000014
【００９０】
式（１３）において、各アンテナ素子からの放射電界が、所望方向で同位相合成される場合の電界が最大利得となる場合の条件である。従って、最大利得を式（１４）で求めることが出来る。
【数１４】
0004469812.tif 000015
【００９１】
本実施の形態では、最大利得を式（１４）で計算し、所望波方向の利得を式（１３）で計算する。従って、指向性利得の計算で必要な全空間の積分が不必要であり、高速に利得評価を行うことが可能となる。
【００９２】
ここで式（１４）は、異なるウエイトを用いた場合、異なる値を有する。そこで、最大利得の設定方法に自由度がある。
【００９３】
所望波方向の利得を高く維持したい場合には、式（１４）で計算される最大利得の中で、最大値を選択すればよい。
【００９４】
干渉波の抑圧に重点を置く場合には、式（１４）で計算される最大利得の中の最小値を選択すればよい。
【００９５】
また、所望波方向の利得と干渉波抑圧のバランスを取りたい場合には、式（１４）で計算される最大利得の平均値を用いればよい。
【００９６】
以上説明したように、本実施の形態においては、実現可能な最大利得を、アレーアンテナ１０１の各アンテナのビームパターンとウエイトとから算出される各アンテナの電界を所望波方向で同位相合成する場合の電力とし、所望波方向の利得を、アレーアンテナ１０１の各アンテナのビームパターンとウエイトとから算出される各アンテナの電界を所望波方向で複素合成する場合の電力とすることで、利得の演算量を大幅に軽減することが可能であり、リアルタイム性の向上に貢献する。また、ハードウエアの縮小に伴うコストの削減、演算量の減少による消費電力の削減を実現できる。本実施の形態のように簡易的に利得値を算出することで、利得算出精度は劣化するが、大幅な演算時間の短縮が可能となる。
【００９７】
（７）第７の実施の形態
以下、第７の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。図５は本実施形態に係わるアダプティブアレーアンテナ装置５００の構成図であるが、到来信号数比較手段５０７を更に有することを特徴とする。この到来信号数比較手段５０７では、到来信号数設定手段５０２で設定された到来信号数と、ウエイト設定手段５０５で設定されたウエイトに対応する到来信号数を比較し、異なる場合は、ウエイト設定手段５０５で設定されたウエイトに対応する到来信号数を選択し、選択された到来信号数の情報を到来方向設定手段５０３へ入力することを特徴とする。このように構成することで、到来方向設定精度が向上し、その結果、所望波の高利得受信と、干渉波の抑圧をより高精度に実現できるようになる。以下に、詳細に説明する。
【００９８】
ウエイト設定手段５０５では、到来信号数を変えた演算を行い、所望のビームパターンとなる到来信号数を算出している。従って、ここでの演算を到来信号数推定のひとつの方法と考えることが出来る。
【００９９】
到来信号数設定手段５０２での設定値が実際の到来波に比べて少なかった場合、到来方向設定手段で５０３は、全ての到来波の方向を設定することが出来ない。逆に、実際の到来波に比べて多かった場合、到来方向設定手段５０３では、偽りの到来波の方向を設定してしまう。また、このように、到来信号数に誤りがあると、到来方向の誤差が大きくなる場合がある。
【０１００】
従って、ウエイト算出手段５０５で選択された到来信号数を用いて、到来方向推定を実施することで、設定されなかった到来波を所望波にしたり、偽りの到来波を無くしたり、到来方向推定精度を改善したりすることが可能である。
【０１０１】
この結果、設定されなかった到来波を所望波にすることで所望波の選択範囲の増加の効果がある。偽りの到来波を無くすことで、偽りの方向を所望波として計算する無駄な演算を無くす効果がある。到来方向推定精度が改善することで、方向ベクトルの設定に関して、より精度の良い方向ベクトルを設定することが可能となり、この結果、より高精度なビームパターン形成が実現される。
【０１０２】
以上説明したように、本実施形態におけるアダプティブアレーアンテナ装置５００では、到来信号数比較手段５０７を更に設け、ウエイト設定手段５０５で選択される到来信号数の条件で到来方向設定することが可能となるので、所望波設定到来波の増加、無駄な演算の削減、より高精度なビームパターン形成の実現が可能となる。
【０１０３】
このように本実施の形態によれば、推定到来信号数に大きな誤りがあった場合に推定できない到来方向を推定できるようになる。また、到来方向推定精度を向上することが可能となる。
【０１０４】
（８）第８の実施の形態
以下、第８の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。図６は本実施形態に係わるアダプティブアレーアンテナ装置６００の構成図である。伝搬状態監視手段６０７を設け、伝搬状態が所定時間一定となる場合、所定時間前のウエイトをウエイト設定手段６０５で設定することを特徴とする。この結果、無駄な演算を省略し、低消費電力化に貢献する。以下に詳細に説明する。
【０１０５】
伝搬状態監視手段６０７では、所定時間前の到来信号数設定値及び到来方向設定値と、現在の到来信号数設定値及び到来方向設定値とを比較する。
【０１０６】
所定時間前と現在において異なる値となっている場合、到来波の伝搬環境が変化しているので、これまでの説明どおりにウエイト設定手段６０５にてウエイトを算出することとなる。
【０１０７】
所定時間前と現在において同一の値となっている場合は、到来波の伝搬環境に変化がないといえる。したがって、所定時間前のビームパターンで十分所望の特性を得ることが可能である。その結果、ウエイトの設定の為に複数の演算を再度行う必要はない。この場合には、所定時間前のウエイトをそのまま用いてこれを再度設定するものである。
【０１０８】
以上説明したように、本実施の形態では、伝搬状態が変わらない場合には、所定時間前と同一のウエイトを再度設定することによって、ウエイト設定手段６０５における演算量を削減し、低消費電力化に貢献することが可能となる。特に、伝搬状況が安定している場合や、小形端末でアダプティブアレーアンテナ装置６００を実現する場合に、有効である。
【０１０９】
なお、到来信号数と到来方向を比較しているが、これらの一方を用いても良いし、両者を用いても良い。
【０１１０】
（９）他の実施の形態
なお、以上の説明では、ウエイト設定手段１０５、５０５及び６０５の構成は、異なる到来信号数で並列に計算するか、あるいは、到来信号数を変えながら順番に計算するかの２通りであった。ここで、これらの中間の構成として、少数の異なる到来信号数で並列に計算し、これを、繰り返し計算する構成でもよい。この場合には、ハードウエアの小形化と演算速度の高速化の、バランスの取れた構成を実現することが可能となる。
【０１１１】
また、上述の実施の形態では、それぞれの手段における演算ハードウエアとして、パーソナルコンピュータに用いられる汎用的なＣＰＵや、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）と呼ばれる高速演算の可能なデバイスや、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｉｇｒａｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）と呼ばれるプログラミング可能なＬＳＩを用いて行うことが可能であり、これらを組み合わせて実現しても構わない。
【０１１２】
また、上述の実施の形態においては、高速にウエイト設定を行い、所望波の受信信号を得るために、各部分の演算に独立に演算ハードウエアを割り当てることが有効である。この場合には、例えば図４に示すような繰り返し演算では、図７に示すように到来信号数の値を変えながら次々に計算を行うことが有効となる。この場合には、ウエイトの設定に対して無駄な計算も発生してしまうが、高速に演算することが必要な場合に有効となる。
【０１１３】
また、上述の実施の形態においては、雑音部分空間ＶＮは式（１０）で計算される。ここで、雑音部分空間ＶＮは固有ベクトルｖｉから構成されるＶの一部分である。Ｖは到来信号数によらず一定の行列となるので、計算を一度行ってしまえば再計算する必要は無い。したがって、到来信号数を変えて、雑音部分空間ＶＮを設定する際には、あらかじめ計算されたＶのなかから、到来信号数に応じたデータを割り当てればよい。このようにすることで、演算の省略に伴う処理時間の短縮化、消費電力の低減が可能となる。
【０１１４】
また、上述の実施の形態は、複数の到来波の中から、所望波のみを受信するアダプティブアレーアンテナ装置に関し、移動体通信、固定通信、衛星通信などの通信用に用いることが可能である。また、電波の取締りなどの電波監視業務用アダプティブアレーアンテナ装置にも適用することができる。その他、車載の衝突防止用レーダにおいて、自車のレーダの反射波と別の車からのレーダ波を分離する場合も適用することが可能である。上記実施形態の応用技術分野は限定されること無く、広く適用することが可能である。
【０１１５】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるアダプティブアレーアンテナ装置の構成を説明するためのブロック図。
【図２】同アダプティブアレーアンテナ装置のウエイト設定手段の構成を説明するためのブロック図。
【図３】同ウエイト設定手段のウエイト選択手段に用いる選択原理を説明するためのグラフ。
【図４】本発明の第２の実施の形態によるウエイト設定手段の構成を説明するためのブロック図。
【図５】本発明の第７の実施の形態によるアダプティブアレーアンテナ装置の構成を説明するためのブロック図。
【図６】本発明の第８の実施の形態によるアダプティブアレーアンテナ装置の構成を説明するためのブロック図。
【図７】第２の実施の形態におけるウエイト設定手段での演算方法の説明図。
【符号の説明】
【０１１７】
１００、５００、６００  アダプティブアレーアンテナ装置
１０１、５０１、６０１  アレーアンテナ
１０２、２０１、４０１、５０２、６０２  到来信号数設定手段
１０３、５０３、６０３  到来方向設定手段
１０４、５０４、６０４  所望波方向設定手段
１０５、４００、５０５、６０５  ウエイト設定手段
１０６、５０６、６０６  受信信号出力手段
２０２、４０２  方向ベクトル補正手段
２０３、４０３  ウエイト算出手段
２０４、４０４  利得算出手段
２０５、４０５  ウエイト選択手段
４０６  信号数変更手段
５０７  到来信号数比較手段
６０７  伝搬状態監視手段
【図１】
0004469812.tif 000016
【図２】
0004469812.tif 000017
【図３】
0004469812.tif 000018
【図４】
0004469812.tif 000019
【図５】
0004469812.tif 000020
【図６】
0004469812.tif 000021
【図７】
0004469812.tif 000022