(57)【要約】【課題】アレーアンテナを採用していない既存の無線機にアレーアンテナを取り付けるための周波数変換の削減、各アンテナ素子の受信信号の合成における加算器に複素演算を用いないなどの削減を図る。【解決手段】アンテナ素子１１の受信信号をサンプリングするＡ／Ｄコンバーター１３と、該サンプリング結果の信号に対してアレー重みの実部を用いて重み付けする第１の重み付け手段と、該サンプリング結果の信号に対してアレー重みの虚部を用いて重み付けする第２の重み付け手段と、該第１及び第２の重み付け手段の各重み付け後の信号を加算する加算手段とを有する複素数重み付け部１５と、アンテナ素子１１毎に重み付け合成された信号を加算する加算器１６とを備え、第１及び第２の重み付け手段は、サンプリング周波数に基づいた異なるタイミングで、それぞれの重み付けを行うことを特徴とする。【選択図】図１
2007228496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の各々で受信された受信信号をアレー重みで重み付けするアレーアンテナ装置において、
信号を遅延させる遅延手段と、
前記受信信号を少なくとも第１の受信信号と第２の受信信号にし、前記第１又は第２の受信信号のいずれか一方の信号を前記遅延手段で遅延させることにより、前記第１の受信信号と前記第２の受信信号をそれぞれ異なるタイミングで重み付けする重み付け手段と、
前記重み付けされた第１の受信信号と第２の受信信号を加算する第１の加算手段と、を備え、
前記重み付け手段は、前記第１又は第２の受信信号のいずれか一方の信号を前記アレー重みの実部で重み付けし、もう一方の信号を前記アレー重みの虚部で重み付けする、
ことを特徴とするアレーアンテナ装置。
【請求項２】
前記アンテナ素子毎に重み付けされた信号を加算する第２の加算手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項３】
前記受信信号をサンプリングするサンプリング手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項４】
前記遅延手段は、
前記サンプリングの周波数ｆｓを、
ｆｓ＝４×ｆ０／（２ｍ＋１）
但し、ｍは自然数、ｆ０は前記受信信号の中心周波数
なる式で規定したときの、１サンプル分の時間だけ信号を遅延させる、
ことを特徴とする請求項３に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項５】
アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の各々で受信された受信信号をアレー重みで重み付けする信号処理方法であって、
前記受信信号を少なくとも第１の受信信号と第１の受信信号より遅らせた第２の受信信号にし、前記第１の受信信号と前記第２の受信信号をそれぞれ異なるタイミングで重み付けするステップと、
前記重み付けされた第１の受信信号と第２の受信信号を加算するステップと、を含み、
前記第１又は第２の受信信号のいずれか一方の信号を前記アレー重みの実部で重み付けし、もう一方の信号を前記アレー重みの虚部で重み付けする、
ことを特徴とする信号処理方法。
【請求項６】
前記アンテナ素子毎に重み付けされた信号を加算するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の信号処理方法。
【請求項７】
前記受信信号をサンプリングするステップをさらに含むことを特徴とする請求項５又は６に記載の信号処理方法。
【請求項８】
前記異なるタイミングは、
前記サンプリングの周波数ｆｓを、
ｆｓ＝４×ｆ０／（２ｍ＋１）
但し、ｍは自然数、ｆ０は前記受信信号の中心周波数
なる式で規定したときの、１サンプル分の時間のずれを持ったタイミングである、
ことを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレーアンテナ装置及び信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アダプティブアレーアンテナ装置においては、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナを備え、各アンテナ素子で受信された受信信号及び既知の参照信号に基づいてアンテナ素子毎の複素数のアレー重みを適応的に算出し、該複素数のアレー重みを用いて各アンテナ素子の受信信号を重み付け合成することにより、アレーアンテナの指向性を形成している。例えば特許文献１記載の従来技術では、アダプティブアレーアンテナを採用していない既存の無線機にアダプティブアレーアンテナを取り付けるために、各アンテナ素子の無線周波数（ＲＦ）の受信信号を一旦低い周波数（例えばベースバンド）の信号に変換してから、振幅と位相の重み付けを行って各アンテナ素子の受信信号を合成し、その合成後の信号の周波数をＲＦにまで引き上げてから既存の無線機に供給している。
【０００３】
また、各アンテナ素子の受信信号を一つに合成する際には、ベースバンドにおいて、各アンテナ素子の受信信号をそれぞれ同相成分（Ｉチャネル）と直交成分（Ｑチャネル）に分離し、ＩチャネルとＱチャネルで別々に各アンテナ素子の信号の総和を計算している（例えば、特許文献２の図１参照）。
【特許文献１】特開２００１−６９０５３号公報
【特許文献２】特開２００５−３１８３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述した特許文献１記載の従来技術では、既存の無線機の入力周波数（例えばＲＦ）よりも低い周波数（例えばベースバンド）に変換してから信号の重み付け合成を行うので、再度、受信信号の周波数を既存の無線機の入力周波数にまで引き上げねばならない。従って、そのための周波数アップコンバータ（ローカル信号発生器、ミキサ等）が必要である。さらに、ミキサ等による周波数アップコンバータの処理は非線形処理であるので、その処理時に信号歪が生じる可能性がある。また、特許文献２記載の従来技術では、各アンテナ素子の受信信号の合成において、ＩチャネルとＱチャネルの別にそれぞれ加算器が必要である。上述したように従来技術では、装置構成の複雑化やコストアップ、受信品質劣化などの問題が生じる可能性がある。
【０００５】
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、アレーアンテナを採用していない既存の無線機にアレーアンテナを取り付けるための周波数変換の削減、各アンテナ素子の受信信号の合成における加算器に複素演算を用いないなどの削減を図ることのできるアレーアンテナ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】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明に係るアレーアンテナ装置は、アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の各々で受信された受信信号をアレー重みで重み付けするアレーアンテナ装置において、信号を遅延させる遅延手段と、前記受信信号を少なくとも第１の受信信号と第２の受信信号にし、前記第１又は第２の受信信号のいずれか一方の信号を前記遅延手段で遅延させることにより、前記第１の受信信号と前記第２の受信信号をそれぞれ異なるタイミングで重み付けする重み付け手段と、前記重み付けされた第１の受信信号と第２の受信信号を加算する第１の加算手段と、を備え、前記重み付け手段は、前記第１又は第２の受信信号のいずれか一方の信号を前記アレー重みの実部で重み付けし、もう一方の信号を前記アレー重みの虚部で重み付けすることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るアレーアンテナ装置においては、前記アンテナ素子毎に重み付けされた信号を加算する第２の加算手段をさらに備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るアレーアンテナ装置においては、前記受信信号をサンプリングするサンプリング手段をさらに備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係るアレーアンテナ装置においては、前記遅延手段は、前記サンプリングの周波数ｆｓを、
ｆｓ＝４×ｆ０／（２ｍ＋１）
但し、ｍは自然数、ｆ０は前記受信信号の中心周波数
なる式で規定したときの、１サンプル分の時間だけ信号を遅延させることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る信号処理方法は、アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の各々で受信された受信信号をアレー重みで重み付けする信号処理方法であって、前記受信信号を少なくとも第１の受信信号と第１の受信信号より遅らせた第２の受信信号にし、前記第１の受信信号と前記第２の受信信号をそれぞれ異なるタイミングで重み付けするステップと、前記重み付けされた第１の受信信号と第２の受信信号を加算するステップと、を含み、前記第１又は第２の受信信号のいずれか一方の信号を前記アレー重みの実部で重み付けし、もう一方の信号を前記アレー重みの虚部で重み付けすることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る信号処理方法においては、前記アンテナ素子毎に重み付けされた信号を加算するステップをさらに含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る信号処理方法においては、前記受信信号をサンプリングするステップをさらに含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る信号処理方法においては、前記異なるタイミングは、前記サンプリングの周波数ｆｓを、
ｆｓ＝４×ｆ０／（２ｍ＋１）
但し、ｍは自然数、ｆ０は前記受信信号の中心周波数
なる式で規定したときの、１サンプル分の時間のずれを持ったタイミングであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、アレーアンテナを採用していない既存の無線機にアレーアンテナを取り付けるための周波数変換の削減、各アンテナ素子の受信信号の合成における加算器に複素演算を用いないなどの削減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。なお、本実施形態では、アレーアンテナ装置を用いたアダプティブアレーアンテナ装置を例に挙げて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るアダプティブアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１において、複数（Ｎ個）のアンテナ素子１１はアレーアンテナを構成している。各アンテナ素子１１で受信されたＲＦの受信信号は、低雑音増幅器（Low Noise Amplifier：ＬＮＡ）１２で増幅された後に、アナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄコンバーター）１３に入力される。
【００１６】
Ａ／Ｄコンバーター１３は、ＬＮＡ１２出力後のＲＦの受信信号をサンプリング周波数ｆｓでサンプリングし、デジタル信号に変換する。これにより、デジタル化されたＲＦの受信信号（以下、ＲＦデジタル受信信号と称する）が得られる。
【００１７】
アレー重み演算部１４は、各アンテナ素子１１のＲＦデジタル受信信号及び既知の参照信号に基づいて、アンテナ素子１１毎の複素数のアレー重み１〜Ｎを適応的に算出する。アレー重み１〜Ｎは、アンテナ素子１１の各々に対応して設けられた複素数重み付け部１５に、それぞれ実部と虚部に分けて入力される。
【００１８】
複素数重み付け部１５は、ＲＦデジタル受信信号に対して、アレー重みの実部と虚部に分けてそれぞれ重み付けし合成する。各複素数重み付け部１５で重み付け合成された信号は、加算器１６で加算される。その加算結果の信号は、データ受信復調部１７に入力される。これにより、データ受信復調部１７には、各アンテナ素子１１の受信信号がＲＦのままで重み付け合成された信号が、デジタル信号として入力される。データ受信復調部１７は、既存の無線受信機であり、入力された重み付け合成後のＲＦの受信信号から、ベースバンドの受信信号に変換して復調を行い、受信データを得る。
【００１９】
図２、図３は、図１に示す複素数重み付け部１５の第１、第２の実施例の構成を示すブロック図である。
図２及び図３において、複素数重み付け部１５は、１サンプルディレイ部２１と乗算器２２、２３と加算器２４とを有する。図２と図３の構成で異なる点は、乗算器２２で乗算に用いるアレー重みの虚部に付す符号のみである。
【００２０】
図２において、１サンプルディレイ部２１は、Ａ／Ｄコンバーター１３出力後のＲＦデジタル受信信号をサンプリング周波数ｆｓの１サンプル時間分だけ遅延させる。乗算器２２は、その遅延後のＲＦデジタル受信信号とアレー重みの虚部ＷＱとを乗算する。一方、乗算器２３は、Ａ／Ｄコンバーター１３出力後のＲＦデジタル受信信号（遅延なし）とアレー重みの実部ＷＩとを乗算する。加算器２４は、各乗算器２２、２３の乗算結果の信号を加算し出力する。
【００２１】
図３においては、図２と同様の構成であるが、乗算器２２では、１サンプル時間遅延後のＲＦデジタル受信信号と、符号反転したアレー重みの虚部ＷＱとを乗算する。なお、アレー重みの虚部ＷＱを符号反転するのではなく、乗算器２２に入力するＲＦデジタル受信信号の方を符号反転してもよい。
【００２２】
以下、本実施形態の特徴的な上記図２、図３の構成について、さらに詳細に説明する。
【００２３】
本実施形態において、Ａ／Ｄコンバーター１３のサンプリング周波数ｆｓは、（１）式で表される。
ｆｓ＝４×ｆ０／（２ｍ＋１）      ・・・（１）
但し、ｆ０はＬＮＡ１２出力後のＲＦの受信信号の中心周波数、ｍは整数である。
【００２４】
例えば、ｆ０＝１５０２．５ＭＨｚ、ｍ＝３００とすると、サンプリング周波数ｆｓは、（１）式より、
ｆｓ＝４×１５０２．５／（２×３００＋１）＝１０ＭＨｚ、
となる。
なお、サンプリング周波数ｆｓの選択、つまりｍの選択においては、サンプリング周波数ｆｓが受信信号帯域幅の２倍以上になることが必須条件である。
【００２５】
サンプリング周波数ｆｓにおいて、（１）式のｍが奇数である場合は、図２の構成を採用する。一方、ｍが偶数である場合は、図３の構成を採用する。
【００２６】
（２）式及び（３）式には、本実施形態に係るサンプリング周波数ｆｓと１サンプルディレイの関係が示されている。（２）式は、サンプリングされた受信信号を表している。（３）式は、（２）式で表される信号が１サンプルディレイされた信号を表している。
【００２７】
Ａ（ｎ×Ｔｓ）ｃｏｓ［２π×ｆ０×ｎ×Ｔｓ＋φ（ｎ×Ｔｓ）］      ・・・（２）
【００２８】
Ａ（ｎ×Ｔｓ−Ｔｓ）ｃｏｓ［２π×ｆ０×（ｎ−１）×Ｔｓ＋φ（ｎ×Ｔｓ−Ｔｓ）］
＝Ａ（ｎ×Ｔｓ−Ｔｓ）ｓｉｎ［２π×ｆ０×ｎ×Ｔｓ＋φ（ｎ×Ｔｓ−Ｔｓ）］  （ｍが偶数の場合）
＝−Ａ（ｎ×Ｔｓ−Ｔｓ）ｓｉｎ［２π×ｆ０×ｎ×Ｔｓ＋φ（ｎ×Ｔｓ−Ｔｓ）］  （ｍが奇数の場合）
・・・（３）
【００２９】
但し、Ｔｓはサンプリング間隔であり、Ｔｓ＝１／ｆｓ＝（２ｍ＋１）／（４×ｆ０）である。
【００３０】
受信信号の振幅成分Ａ（ｎ×Ｔｓ）及び位相成分φ（ｎ×Ｔｓ）がサンプリング間隔Ｔｓと期間内の変化が少ない場合には、Ａ（ｎ×Ｔｓ−Ｔｓ）はＡ（ｎ×Ｔｓ）に近似でき、且つ、φ（ｎ×Ｔｓ−Ｔｓ）はφ（ｎ×Ｔｓ）に近似できるので、（３）式で表される１サンプルディレイされた信号は、（２）式で表される信号の直交信号であることが分かる。
【００３１】
このように（１）式で規定されるサンプリング周波数ｆｓを用いることで、その１サンプル分の時間のずれにより、直交関係となる２つの信号を得る。これにより、図２及び図３の１サンプルディレイ部２１により１サンプル分の時間だけ遅延させた信号は、遅延なしの信号と直交関係を有する。そして、遅延なしの信号に対してはアレー重みの実部を用いて重み付けを行い、遅延ありの信号に対してはアレー重みの虚部を用いて重み付けを行う。ここで、ｍが奇数の場合には（図２参照）、１サンプル分の時間だけ遅延させた信号に対してアレー重みの虚部をそのまま用いて重み付けを行う。一方、ｍが偶数の場合には（図３参照）、１サンプル分の時間だけ遅延させた信号に対してアレー重みの虚部を符号反転したものを用いて重み付けを行う。これは、（３）式から分かるように、ｍの奇数、偶数の別により直交信号の符号が異なるためである。
【００３２】
上述した本実施形態によれば、ＲＦ帯やＩＦ帯等、少なくともベースバンドよりも高い周波数帯において受信信号の重み付け合成を行うことができる。また、図２、図３の複素数重み付け部１５からの出力信号は、実部と虚部に分離することなく、そのままでアンテナ毎の信号の加算を行うことができる。
【００３３】
これにより、アダプティブアレーアンテナを採用していない既存の無線機にアダプティブアレーアンテナを取り付ける場合に、既存の無線機の入力周波数で重み付け合成を行うことが可能になるので、重み付け合成した信号の周波数を既存の無線機の入力周波数にまで引き上げる周波数変換は不要となる。また、各アンテナ素子の受信信号の合成においては、実部と虚部に分離する必要がないので、信号合成用の加算器の削減が可能になる。
【００３４】
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。
例えば、上述の実施形態では、ＲＦ信号に対して本発明を適用したが、ＲＦ信号をＩＦ信号に変換してから本発明を適用することも可能である。例えば、ＩＦが６ＭＨｚである場合、ｍ＝１とすると、サンプリング周波数ｆｓは、（１）式より、
ｆｓ＝４×６／（２×１＋１）＝８ＭＨｚ、
となる。
【００３５】
また、上述の実施形態ではアダプティブアレーアンテナ装置を例に挙げて説明したが、アレー重みが固定されたアレーアンテナ装置にも同様に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態に係るアダプティブアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す複素数重み付け部１５の第１の実施例の構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す複素数重み付け部１５の第２の実施例の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３７】
１１…アンテナ素子、１２…低雑音増幅器（ＬＮＡ）、１３…アナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄコンバーター）、１４…アレー重み演算部、１５…複素数重み付け部、１６…加算器、１７…データ受信復調部、２１…１サンプルディレイ部、２２，２３…乗算器、２４…加算器
【図１】
2007228496.tif 000003
【図２】
2007228496.tif 000004
【図３】
2007228496.tif 000005