(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の到来信号を受信するアンテナ素子を複数含むアレーアンテナと、
前記到来信号ごとの到来方向を推定する方向推定手段と、
前記到来信号ごとの電力を推定する電力推定手段と、
前記アレーアンテナを複数のアンテナ素子からなる到来信号数よりも多いサブアレーに分割し、複数の前記サブアレーのビーム方向を、前記電力推定手段で推定された複数の全ての電力のうちの最も大きな電力を有する到来信号、または、前記電力推定手段で推定された複数の全ての電力のうちの最も大きな電力を有する到来信号が複数存在する場合にはそのうちの１つの到来信号の、前記方向推定手段で推定された全ての前記サブアレーで同一である到来方向に向けて、前記アレーアンテナで複数の受信信号を取得する取得手段と、
前記複数の受信信号に固有ベクトルビームスペース法を適用して固有ベクトルを求め比較することにより、前記複数の到来信号を分離する分離手段と、を具備し、
前記複数の到来信号の電力差がない場合においても信号分離を可能とす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】
前記電力推定手段は、
前記取得手段を使用して、前記アレーアンテナを複数のアンテナ素子からなるサブアレーに分割し、
前記取得手段を使用して、複数の前記サブアレーのビーム方向を、前記方向推定手段が推定した複数の到来方向のうちのある到来方向に向けた状態で複数の受信信号を取得し、
複数の前記サブアレーの複数の受信信号から相関行列を計算し、
前記相関行列の複数の固有値を計算し、
前記複数の固有値の比を計算し、
前記方向推定手段が推定した複数の到来方向のうちの他の到来方向について固有値の比を計算し、
複数の固有値比を用いて到来信号の電力の順番を推定す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装置。
【請求項３】
複数の到来信号を受信しビーム方向を可変できるアンテナ素子を複数含むアレーアンテナと、
前記到来信号ごとの到来方向を推定する方向推定手段と、
前記到来信号ごとの電力を推定する電力推定手段と、
前記電力推定手段で推定された複数の全ての電力のうちの最も大きな電力を有する到来信号、または、前記電力推定手段で推定された複数の全ての電力のうちの最も大きな電力を有する到来信号が複数存在する場合にはそのうちの１つの到来信号の、前記方向推定手段で推定された全ての前記アンテナ素子で同一である到来方向にビームを向けるように複数のアンテナ素子を制御する制御手段と、
前記制御手段が前記複数のアンテナ素子を制御した場合に、前記複数の到来信号の受信信号に固有ベクトルビームスペース法を適用して固有ベクトルを求め比較することにより、前記複数の到来信号を分離する分離手段と、を具備し、
前記複数の到来信号の電力差がない場合においても信号分離を可能とす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４】
前記分離手段で分離された前記複数の到来信号から、所望の信号を選択する選択手段をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のアダプティブアレーアンテナ装置。
【請求項５】
前記選択手段は、複数の前記到来方向のうちの所望の到来方向に対応する信号を選択することを特徴とする請求項４に記載のアダプティブアレーアンテナ装置。
【請求項６】
前記選択手段は、前記分離手段で分離された前記複数の到来信号の変調方式を推定する変調方式推定手段を含み、
前記選択手段は、複数の変調方式のうちの所望の変調方式に対応する信号を選択することを特徴とする請求項４に記載のアダプティブアレーアンテナ装置。
【請求項７】
前記分離手段は、
前記アレーアンテナの複数の受信信号から相関行列を計算する相関行列計算手段と、
前記相関行列の複数の固有ベクトルを計算する固有ベクトル計算手段と、
前記複数の固有ベクトルをアレーアンテナの重みとして用いて、前記取得手段が取得した受信信号の重み付け和を計算する計算手段と、を具備することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のアダプティブアレーアンテナ装置。
【請求項８】
前記方向推定手段は、
前記相関行列計算手段を使用して、前記アレーアンテナの複数の受信信号から相関行列を計算し、
前記固有ベクトル計算手段を使用して、前記相関行列の固有ベクトルを計算し、
前記複数の固有ベクトルをアレーアンテナの重みとして用いて、ビームパターンを計算するビームパターン計算手段と、
前記ビームパターンの最大方向を到来方向と設定する設定手段と、を具備することを特徴とする請求項７に記載のアダプティブアレーアンテナ装置。
【請求項９】
複数の到来信号を受信するアンテナ素子を複数含むアレーアンテナを具備するアダプティブアレーアンテナ装置で使用されるプログラムであって、
コンピュータを、
前記到来信号ごとの到来方向を推定する方向推定手段と、
前記到来信号ごとの電力を推定する電力推定手段と、
前記アレーアンテナを複数のアンテナ素子からなる到来信号数よりも多いサブアレーに分割し、複数の前記サブアレーのビーム方向を、前記電力推定手段で推定された複数の全ての電力のうちの最も大きな電力を有する到来信号、または、前記電力推定手段で推定された複数の全ての電力のうちの最も大きな電力を有する到来信号が複数存在する場合にはそのうちの１つの到来信号の、前記方向推定手段で推定された全ての前記サブアレーで同一である到来方向に向けて、前記アレーアンテナで複数の受信信号を取得する取得手段と、
前記複数の受信信号に固有ベクトルビームスペース法を適用して固有ベクトルを求め比較することにより、前記複数の到来信号を分離する分離手段として機能させ、
前記複数の到来信号の電力差がない場合においても信号分離を可能とするためのプログラム。
【請求項１０】
複数の到来信号を受信しビーム方向を可変できるアンテナ素子を複数含むアレーアンテナを具備するアダプティブアレーアンテナ装置で使用されるプログラムであって、
コンピュータを、
前記到来信号ごとの到来方向を推定する方向推定手段と、
前記到来信号ごとの電力を推定する電力推定手段と、
前記電力推定手段で推定された複数の全ての電力のうちの最も大きな電力を有する到来信号、または、前記電力推定手段で推定された複数の全ての電力のうちの最も大きな電力を有する到来信号が複数存在する場合にはそのうちの１つの到来信号の、前記方向推定手段で推定された全ての前記アンテナ素子で同一である到来方向にビームを向けるように複数のアンテナ素子を制御する制御手段と、
前記制御手段が前記複数のアンテナ素子を制御した場合に、前記複数の到来信号の受信信号に固有ベクトルビームスペース法を適用して固有ベクトルを求め比較することにより、前記複数の到来信号を分離する分離手段として機能させ、
前記複数の到来信号の電力差がない場合においても信号分離を可能とするためのプログラム。
【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のうちの特に干渉波抑圧技術についてのアダプティブアレーアンテナ装置およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電波監視や無線通信の分野では、混信して受信されてしまった複数の到来信号を元々の信号へと分離する技術が望まれている。アダプティブアレーアンテナは、複数のアンテナのそれぞれの受信信号に重みを乗算してから、重みを乗算された複数の受信信号を加算する。この重みを適切に設定すると、特定の到来信号は同位相で合成され、残りの到来信号は打ち消しあうように合成される。その結果、混信している到来信号の中から、特定の到来信号のみが得られる。つまり、アダプティブアレーアンテナは、信号分離手段として用いることができる。
【０００３】
アダプティブアレーアンテナでは、重みの設定が重要である。混信している到来信号間の電力差が十分大きいとき、固有ベクトルビームスペース法によれば信号を分離できる重みの計算をおこなうことができる。そして、分離された信号が出力される。このときの電力差として、所望の信号と、非所望（干渉）の信号のどちらの電力が大きくてもかまわない。つまり、信号間の電力差が大きければよい。
【０００４】
ところが、信号間の電力差が小さいとき、この固有ベクトルビームスペース法は、信号の分離をおこなうことができないという問題がある。
【０００５】
この問題の解決方法として、信号を送信する送信機の電力を制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−６４３２３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の技術では、信号を送信する送信機の制御が必要とされるので、送信機とアダプティブアレーアンテナ装置との間で通信が必要とされる。したがって、通信できる送信機の到来信号のみしか制御できないといった問題がある。したがって、この技術は適用範囲が狭い。
【０００７】
このように従来のアダプティブアレーアンテナ装置においては、通信可能な到来信号のみしか制御できないので、適用範囲が狭い問題がある。また、このアダプティブアレーアンテナ装置は、通信をおこなうための送信機を必要とするので、コストが増大する問題がある。
【０００８】
この発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、任意の到来信号に対して、信号を分離できるアダプティブアレーアンテナ装置およびプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するため、本発明のアダプティブアレーアンテナ装置は、複数の到来信号を受信するアンテナ素子を複数含むアレーアンテナと、前記到来信号ごとの到来方向を推定する方向推定手段と、前記到来信号ごとの電力を推定する電力推定手段と、前記アレーアンテナを複数のアンテナ素子からなる到来信号数よりも多いサブアレーに分割し、複数の前記サブアレーのビーム方向を、前記電力推定手段で推定された複数の全ての電力のうちの最も大きな電力を有する到来信号、または、前記電力推定手段で推定された複数の全ての電力のうちの最も大きな電力を有する到来信号が複数存在する場合にはそのうちの１つの到来信号の、前記方向推定手段で推定された全ての前記サブアレーで同一である到来方向に向けて、前記アレーアンテナで複数の受信信号を取得する取得手段と、前記複数の受信信号に固有ベクトルビームスペース法を適用して固有ベクトルを求め比較することにより、前記複数の到来信号を分離する分離手段と、を具備し、前記複数の到来信号の電力差がない場合においても信号分離を可能とすることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のアダプティブアレーアンテナ装置は、複数の到来信号を受信しビーム方向を可変できるアンテナ素子を複数含むアレーアンテナと、前記到来信号ごとの到来方向を推定する方向推定手段と、前記到来信号ごとの電力を推定する電力推定手段と、前記電力推定手段で推定された複数の全ての電力のうちの最も大きな電力を有する到来信号、または、前記電力推定手段で推定された複数の全ての電力のうちの最も大きな電力を有する到来信号が複数存在する場合にはそのうちの１つの到来信号の、前記方向推定手段で推定された全ての前記アンテナ素子で同一である到来方向にビームを向けるように複数のアンテナ素子を制御する制御手段と、前記制御手段が前記複数のアンテナ素子を制御した場合に、前記複数の到来信号の受信信号に固有ベクトルビームスペース法を適用して固有ベクトルを求め比較することにより、前記複数の到来信号を分離する分離手段と、を具備し、前記複数の到来信号の電力差がない場合においても信号分離を可能とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のアダプティブアレーアンテナ装置およびプログラムによれば、任意の到来信号に対して信号を分離することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係るアダプティブアレーアンテナ装置およびプログラムについて詳細に説明する。なお、以下の実施形態中では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。  
（第１の実施形態）  
本実施形態のアダプティブアレーアンテナ装置について図１を参照して説明する。  
本実施形態のアダプティブアレーアンテナ装置は、アレーアンテナ部１０６、デジタル信号処理回路１１０、信号分離部１１１、信号選択部１１２を含む。
【００１３】
アレーアンテナ部１０６は、複数のアンテナ素子１０１によって複数の到来信号を受信し、各受信信号をデジタル信号に変換して、各アンテナ素子１０１の到来信号が変換された受信信号をデジタル信号処理回路１１０に渡す。すなわち、アンテナ素子１０１の数と同数のデジタル信号がデジタル信号処理回路１１０に入力される。
【００１４】
デジタル信号処理回路１１０は、アレーアンテナ部１０６からの複数のデジタル信号に基づいて、到来信号の到来方向、到来信号数、および到来信号の電力を推定し、電力の大きな到来信号の方向にビームを向けて複数の受信信号を得て、これら複数の受信信号を信号分離部１１１に渡す。
【００１５】
信号分離部１１１は、デジタル信号処理回路１１０からの複数の受信信号に、固有ベクトルビームスペース法を適用して受信信号を分離し、分離された複数の受信信号を信号選択部１１２に渡す。信号分離部１１１の詳細については後に図３を参照して説明する。
【００１６】
信号選択部１１２は、信号分離部１１１で分離された複数の受信信号から所望の信号を含む出力を選択する。信号選択部１１２の詳細については後に図３を参照して説明する信号分離部１１１の後に説明する。
【００１７】
また、アレーアンテナ部１０６は、複数のアンテナ素子１０１、アンテナ素子１０１ごとに、アンテナ素子が受け取った信号を増幅する利得増幅器１０２、増幅された信号の周波数帯域を所望の帯域にフィルタリングするフィルタ１０３、周波数を変換する周波数変換部１０４、アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）１０５を含む。アンテナ素子１０１は、到来信号を受信することが可能である。アンテナ素子の種類についての制限はない。既存のアンテナ素子を利用すればよい。例えば、広い角度範囲からの到来信号を受信したいときには、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を用いればよい。逆に、狭い範囲の到来信号のみを受信したいときには、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を用いればよい。このように、要求に応じて用いるアンテナを使い分ければよい。
【００１８】
デジタル信号処理回路１１０は、到来方向・到来信号数推定部１０７、到来信号電力推定部１０８、ビーム受信部１０９を含む。  
到来方向・到来信号数推定部１０７は、アレーアンテナ部１０６の複数のアンテナ素子１０１（以下、アレーアンテナと称す）へ入射してくる到来信号の到来方向、到来信号の数を推定する。到来方向推定アルゴリズム、到来信号数推定アルゴリズムについての制限はない。既存のアルゴリズムを利用すればよい。到来方向推定アルゴリズムでは、例えば、アルゴリズムの演算量を少なくしたい場合にはビームフォーマー法を用いればよい。近接した角度の到来信号を精度よく推定したい場合には、MUSIC法やESPRIT法を用いればよい。このように、到来信号の状況に応じて用いるアルゴリズムを使い分ければよい。
【００１９】
到来信号数推定アルゴリズムでは、既存のアルゴリズムを用いればよい。例えば、AIC法、MDL法を用いるとよい。受信したデータをAIC法、または、MDL法の評価関数に入力すれば、到来信号数が推定される。これらの方法では、あらかじめ閾値などを設定することなく求めることができる。あるいは、アンテナの受信信号から相関行列を計算して、この固有値を求める。この固有値は、アンテナ素子数と同数求められる。これらの固有値と閾値を比較して、閾値以上の大きさとなる固有値の数を到来信号数とする方法を用いればよい。この方法では、あらかじめ閾値を決める必要があるが、評価関数を計算する必要がなくなる。状況に応じて使い分ければよい。
【００２０】
到来信号電力推定部１０８は、アレーアンテナへ入射してくる到来信号の電力を推定する。到来信号電力推定アルゴリズムについての制限はない。既存のアルゴリズムを利用すればよい。例えば、到来方向・到来信号数推定部１０７と同様に、ビームフォーマー法、MUSIC法、ESPRIT法を用いればよい。演算量の削減を目的として、到来方向推定アルゴリズムと同一のアルゴリズムを用いてもよい。逆に、電力の推定精度の向上を目的として、到来方向推定アルゴリズムと異なるアルゴリズムを用いてもよい。このように、状況に応じて、用いるアルゴリズムを使い分ければよい。
【００２１】
ビーム受信部１０９は、電力の大きな到来信号の方向にビームを向けて複数の受信信号を得る。ビーム受信部１０９は、電力の大きな到来信号は利得の高いメインビームで受信され、電力の小さなほうの到来信号は利得の小さなサイドローブで受信するように、アレーアンテナで受信された複数の受信信号に重み付けをして、到来信号の方向にビームを向ける。「ビームを向ける」とは、本実施形態では、実際にアレーアンテナの向きを動かしてビームを調整するのではなく、アレーアンテナの向きは最初の設定のままで複数のアンテナ素子１０１のそれぞれの受信信号に重みを乗算して、重みを乗算された複数の受信信号を加算することにより、実際にアレーアンテナの向きを動かしてビームを向けるのと同様の効果を得ることを示す。このようにビームを向けた後の受信後のデータでは、到来信号間の電力差がより大きくなっている。
【００２２】
なお、ビーム受信部１０９で向けるビームの方向は、電力の大きな到来信号の方向である。この方向の信号は、到来信号間の電力差を大きくすればよいので、最終的に望んでいる所望信号であっても、最終的に望まれていない干渉信号であってもよい。
【００２３】
ビーム受信部１０９は、例えば、図２に示すように、隣接して設置されている３つのアンテナ素子１０１で１つのグループ（以下、サブアレーと称す）を形成させて、到来信号の方向にビームを向け、受信信号を得る。サブアレー２０１では、ビーム受信部１０９はサブアレーに含まれているアンテナ素子１０１から得たデジタル信号に対して重み付け和を行う。すなわち、アレーアンテナが複数のサブアレー２０１に分割され、それぞれのサブアレー２０１でビーム２０２をつくり、これらのビーム２０２を電力の大きなほうの到来信号に向ける。これらのビーム２０２を用いて複数の受信データを得る。この結果、ビーム受信信号が複数得られる。以下は、ビーム受信部１０９がサブアレー２０１から得た信号をビーム受信信号と称す。
【００２４】
なお、アレーアンテナ部１０６に含まれるサブアレーの数は、到来信号数よりも多くする必要がある。したがって、ビーム受信部１０９は、到来方向・到来信号数推定部１０７で得た到来信号数に応じてこの数よりもサブアレー数が多くなるように設定してから、重み付け和を計算する。また、ビーム受信部１０９は、図２に示した方法以外の方法でおこなってもよい。図２の例では、ビーム受信部１０９がビーム方向を調整して各サブアレー２０１から複数のビーム受信信号を得る。
【００２５】
次に、図１の信号分離部１１１について図３を参照して説明する。  
信号分離部１１１は、複数のビーム受信信号に対して固有ベクトルビームスペース法を適用し、分離した信号を出力する。信号分離部１１１は、図３に示すように、相関行列計算部３０１、固有ベクトル計算部３０２、固有ベクトルビームスペース出力計算部３０３を含む。
【００２６】
相関行列計算部３０１は、複数のビーム受信信号を要素に持つベクトル化された受信信号を用いて相関行列を計算する。以下に数式を用いて説明をおこなう。  
ベクトル化された受信信号は次の式（１）であらわされる。
【００２７】
Ｙ（ｔ）＝［ｙ１（ｔ）、ｙ２（ｔ）、・・・、ｙＭ（ｔ）］Ｔ   式（１）
ここで、ｙｍ（ｔ）（ｍ＝１，・・・、Ｍ；Ｍはサブアレー数）はｍ番目のビーム受信信号であり、ｔは時間を意味する。Ｔは転置を表す記号である。相関行列計算部３０１は、式（１）のＹ（ｔ）を用いて相関行列Ｒを式（２）によって計算する。
【００２８】
Ｒ＝Ｅ［Ｙ（ｔ）Ｙ（ｔ）Ｈ］   式（２）
ここで、Ｅ［  ］は期待値演算を意味する。Ｈは複素共役転置を表す記号である。具体的には、次の式（３）の時間平均の演算がおこなわれる。
【数１】
0004901643.tif 000002
【００２９】
ここでＴｓは平均化に用いられるサンプル数である。相関行列計算部３０１は、式（３）から相関行列を計算する。
【００３０】
固有ベクトル計算部３０２は、式（３）で計算された相関行列Ｒの固有ベクトルを計算する。固有ベクトル計算部３０２は、既存の行列計算アルゴリズムを用いて、固有ベクトル、固有値を算出する。
【００３１】
固有ベクトルビームスペース出力計算部３０３は、固有ベクトル計算部３０２で得られた固有値を重みに用いて、ビーム受信信号を積和演算する。以下に数式を用いて説明をおこなう。  
固有ベクトルビームスペース出力計算部３０３は、固有ベクトル計算部３０２で得られた固有ベクトルをｅｍ（ｍ＝１、・・・、Ｍ）とする。ここで、大きい順番に並べ替えてｍ番目の固有値に対応する固有ベクトルがｅｍである。固有ベクトルビームスペース出力計算部３０３は、ビーム受信信号Ｙ（ｔ）とｅｍを用いて、ｍ番目の固有ベクトルビーム出力Ｚｍ（ｔ）を式（４）によって計算する。
【００３２】
Ｚｍ（ｔ）＝ｅｍＨＹ（ｔ）   式（４）
式（４）を用いてＭ種類の固有ベクトルビームスペース出力が計算される。本実施形態の信号分離部１１１は、以上説明した３つの装置部分から構成されるが、式（４）と同一の演算がおこなえる別の装置部分による手順によって構成されても良い。
【００３３】
次に、信号選択部１１２の詳細について説明する。  
信号選択部１１２は、複数の固有ベクトルビームスペース出力のなかから、所望の信号を含む出力を選択する。所望の信号の選択基準は、到来方向や変調方式などを利用すればよい。以下に、到来方向と変調方式を用いる場合について、それぞれ説明をおこなう。
【００３４】
到来方向を選択基準に選ぶ場合には、ｍ番目の固有ベクトルビーム出力Ｚｍ（ｔ）を求めるときに使った重みｅｍＨをアレーアンテナの重みとして用いてビームパターンを計算する。得られたビームパターンの最大方向から、ｍ番目の固有ベクトルビーム出力Ｚｍ（ｔ）に含まれる到来信号の方向が推定される。このように推定された到来方向を利用して、所望の到来方向に対応する出力Ｚｍ（ｔ）を選択すればよい。
【００３５】
変調方式を選択基準に選ぶ場合には、ｍ番目の固有ベクトルビーム出力Ｚｍ（ｔ）の変調方式推定をおこなう。これにより、固有ベクトルビーム出力Ｚｍ（ｔ）の変調方式が推定される。このように推定された変調方式を利用して、所望の変調方式に対応する出力Ｚｍ（ｔ）を選択すればよい。
【００３６】
次に、本実施形態のアダプティブアレーアンテナ装置の有効性について図４のシミュレーション結果を参照して説明する。  
図４の横軸は、到来してくる到来信号Ａと到来信号Ｂの電力比（ｄＢ）をあらわす。縦軸はアダプティブアレーアンテナで処理した後の到来信号Ａと到来信号Ｂの電力比（ｄＢ）をあらわす。
【００３７】
横軸のプラスの値は、到来信号Ａのほうが到来信号Ｂに比べて大きい範囲をあらわし、横軸のマイナスの値は、到来信号Ａのほうが到来信号Ｂに比べて小さい範囲をあらわす。縦軸も同様に、プラスの値は、到来信号Ａのほうが到来信号Ｂに比べて大きい範囲をあらわし、マイナスの値は、到来信号Ａのほうが到来信号Ｂに比べて小さい範囲をあらわす。
【００３８】
図４の実線は、従来の固有ベクトルビームスペース法の結果を表す。図４の破線は、本実施形態のアダプティブアレーアンテナ装置で処理した結果を示している。なお、到来方向・到来信号数推定部１０７、到来信号電力推定部１０８、ビーム受信部１０９、信号選択部１１２において、誤り無く正しく推定できている場合の結果である。
【００３９】
従来の固有ベクトルビームスペース法の結果についてはじめに説明する。到来してくる到来信号Ａと到来信号Ｂの電力比が大きな時、出力においても、到来信号Ａと到来信号Ｂの電力比が大きくなる。ところが、到来してくる到来信号Ａと到来信号Ｂの電力比が小さくなるにつれて、出力における到来信号Ａと到来信号Ｂの電力比が小さくなっていく。つまり、信号の分離性能が劣化している。特に、到来してくる到来信号Ａと到来信号Ｂの電力比が０ｄＢとなるとき、出力は０ｄＢであり、まったく分離できていない。本実施形態のアダプティブアレーアンテナ装置は、この場合でも分離を可能にする。
【００４０】
次に、本実施形態のアダプティブアレーアンテナで処理した結果について説明する。到来してくる到来信号Ａと到来信号Ｂの電力比が大きな時、出力においても、到来信号Ａと到来信号Ｂの電力比が大きくなる。この性能は、従来の固有ベクトルビームスペース法と同等である。また、到来してくる到来信号Ａと到来信号Ｂの電力比が小さくなると、出力における到来信号Ａと到来信号Ｂの電力比が徐々に小さくなるが、従来の値に比べて大きな値になっている。特に、到来してくる到来信号Ａと到来信号Ｂの電力比が０ｄＢとなるときでさえも、出力は５ｄＢ以上になっている。つまり、本実施形態のアダプティブアレーアンテナ装置によれば、従来においては全く分離できなかった到来信号Ａと到来信号Ｂを分離することができることを示している。
【００４１】
以上の第１の実施形態によれば、本実施形態のアダプティブアレーアンテナ装置は、到来方向・到来信号数推定部１０７と、到来信号電力推定部１０８と、ビーム受信部１０９によって、混信している到来信号の電力差が小さくても、固有ベクトルビームスペース法で信号分離が可能となる。さらに、本実施形態によれば、従来まったく分離できなかった同一電力の２つの到来信号でさえも分離できる。また、信号選択部１１２を設けることにより、固有ベクトルビームスペース法の出力の中から、所望の出力を選択できる。
【００４２】
（第２の実施形態）  
本実施形態におけるアダプティブアレーアンテナ装置は、到来信号電力推定部に特徴を有する。他の構成要素は第１の実施形態と同一なので、説明を省略する。
【００４３】
本実施形態では、図５に示すように、到来信号電力推定部５０１とビーム受信部１０９で共用する関数、共用する関数の出力を記憶する共用関数・関数出力記憶部５０２を新たに備える。
【００４４】
到来信号電力推定部５０１は、到来信号の電力を推定するために、ビーム受信部１０９で使用する関数のいくつかと同一の関数を使用し、ビーム受信部１０９で使用する関数出力の一部と同一の関数を使用する。そこで、本実施形態では、これらの共用する関数と共用する関数出力の一部とを記憶させておく。
【００４５】
共用関数・関数出力記憶部５０２は、到来信号電力推定部５０１で使用する関数とビーム受信部１０９で使用する関数のうちのいくつかは同一な関数であるので、これらの関数を記憶しておく。また、共用関数・関数出力記憶部５０２は、到来信号電力推定部５０１で使用する関数の出力とビーム受信部１０９で使用する関数の出力が一部で同一であるので、これらの出力を記憶する。
【００４６】
次に、本実施形態の到来信号電力推定部５０１とビーム受信部１０９で行う動作の一例について図６を参照して説明する。  
ビーム受信部１０９が、アレーアンテナを複数のサブアレーに分割する（ステップＳ６０１）。ビーム受信部１０９が、複数のサブアレーのビーム方向を到来方向に向けて、この状態で複数のビーム受信信号を得る（ステップＳ６０２）。これらのステップＳ６０１Ｓ６０２での手法は第１の実施形態で図２を参照して説明した場合と同様である。
【００４７】
次に、到来信号電力推定部５０１が、第１の実施形態の相関行列計算部３０１のようにサブアレーのビーム受信信号から相関行列を計算する（ステップＳ６０３）。到来信号電力推定部５０１が、第１の実施形態の固有ベクトル計算部３０２のように相関行列の複数の固有値を計算する（ステップＳ６０４）。固有値の数は、行列の次数と等しい。行列の次数は、ビーム受信信号の数と等しい。ビーム受信信号の数は、サブアレーの数と等しい。すなわち、サブアレーの数だけ、固有値が算出される。  
到来信号電力推定部５０１が、この複数の固有値の比を計算する（ステップＳ６０５）。到来信号電力推定部５０１が、全ての到来方向について固有値の比を計算する（ステップＳ６０６）。すなわち、全ての到来方向についてステップＳ６０２からステップＳ６０５を繰り返す。ここで、全ての到来方向とは、到来方向推定部１０７（図５参照）で推定した全ての方向を意味する。
【００４８】
そして、到来信号電力推定部５０１が、これらの固有値の比を用いて到来信号の電力の順番を推定する（ステップＳ６０７）。ビーム受信部１０９が、必要なデータを選択し、信号分離部１１１へ渡す（ステップＳ６０８）。
【００４９】
以降、固有値の値を使って到来信号の電力の順番を推定することができることを詳細に説明する。  
固有値は、到来信号の電力と深い関係があることが知られている。以下に、到来信号の数が２の場合、サブアレーの数が３の場合で固有値の性質について説明を続ける。  
この場合の固有値は３つ計算される。固有値を大きい順番にλ１、λ２、λ３とする（すなわち、λ１＞λ２＞λ３）。このとき、λ１は電力の大きい方の到来信号の電力に比例し、λ２は電力の小さい方の到来信号の電力に比例し、λ３は内部雑音電力に比例する。すなわち、λ１とλ２の比をとれば、到来信号１の電力と到来信号２の電力の比がわかる。このように固有値は到来信号の電力を表す性質をもっている。そこで、この性質を利用して到来信号電力の推定をおこなう。
【００５０】
以降では、到来信号Ａと到来信号Ｂの２つの信号を取り扱い、到来信号Ａの電力＞到来信号Ｂの電力とする。
【００５１】
ここで、到来信号Ａへサブアレーのビームを向けた状態を考える。このとき、到来信号Ａは利得の高いビームで受信され、到来信号Ｂは利得の低いサイドローブで受信されることになる。つまり、サブアレーのビームによって、異なる利得でそれぞれの信号は受信される。元々の到来信号Ａと到来信号Ｂの電力差に比べて、サブアレーのビームで受信することで、さらに電力差が大きくなる。
【００５２】
次に、到来信号Ｂへサブアレーのビームを向けた状態を考える。このとき、到来信号Ａは利得の低いサイドローブで受信され、到来信号Ｂは利得の高いビームで受信されることになる。つまり、サブアレービームによって、異なる利得でそれぞれの信号は受信される。元々の到来信号Ａと到来信号Ｂの電力差に比べて、サブアレーのビームで受信することで、電力差は小さくなる。
【００５３】
以上のことをまとめると、到来信号Ａへサブアレーのビームを向けたときの固有値λ１とλ２の比の方が、到来信号Ｂへサブアレーのビームを向けたときの固有値λ１とλ２の比に比べて大きくなる。以上のことから、λ１とλ２の比が大きくなるときに向いているビーム方向の到来信号の電力が大きいと判断される。
【００５４】
以上の第２の実施形態によれば、サブアレーのビーム出力を演算して到来信号の電力の大小を推定することができる。なお、この演算の一部は、第１の実施形態のアダプティブアレーアンテナ装置と同一の演算を含んでいる。同一の演算は、省略することが可能になるので、アダプティブアレーアンテナ装置全体の計算量を削減することが可能になる。また、演算時間の短縮化を目的とした場合には、同一の演算手段を２つ用意してもよい。この場合には、同一の装置となるので、開発コストの軽減に貢献することが可能になる。
【００５５】
以上の説明は、到来信号数が２の場合であった。一般に、到来信号数がＬ（＞２）波の時は次のようにおこなえばよい。λ１とλ２の比が最大となるときのビーム方向の到来信号が、１番目に電力の大きな到来信号になる。λ２とλ３の比が最大となるときのビーム方向の到来信号が、２番目に電力の大きな到来信号になる。つまり、λｋとλｋ＋１の比が最大となるときのビーム方向の到来信号が、ｋ番目に電力の大きな到来信号になる。
【００５６】
（第３の実施形態）  
本実施形態におけるアダプティブアレーアンテナ装置は、到来方向・到来信号数推定部７０１に特徴を有する。他の構成要素は第１の実施形態と同一なので、説明を省略する。
【００５７】
本実施形態では、図７に示すように、到来方向・到来信号数推定部７０１と信号分離部１１１で共用する関数を記憶する共用関数記憶部７０２を新たに備える。
【００５８】
到来方向・到来信号数推定部７０１は、到来信号の到来方向を推定するために、信号分離部１１１で使用する関数のいくつかと同一の関数を使用する。そこで、本実施形態では、これらの共用する関数を記憶させておく。
【００５９】
共用関数記憶部７０２は、到来方向・到来信号数推定部７０１で使用する関数と信号分離部１１１で使用する関数のうちのいくつかは同一な関数であるので、これらの関数を記憶しておく。
【００６０】
次に、到来方向・到来信号数推定部７０１について図８を参照して説明する。  
到来方向・到来信号数推定部７０１は、相関行列計算部８０１、固有ベクトル計算部８０２、ビームパターン計算部８０３、到来方向出力部８０４を含む。なお、到来信号数も第１の実施形態で示したように、以下と同様な計算を使用して求めることができる。
【００６１】
到来方向・到来信号数推定部７０１は、第１の実施形態で説明した信号分離部１１１と同一の演算を含んでいるので、この同一の関数を共用関数記憶部７０２に記憶しておき、到来方向・到来信号数推定部７０１と信号分離部１１１で関数を共用することができる。
【００６２】
相関行列計算部８０１は、アレーアンテナの受信信号から相関行列を計算する。固有ベクトル計算部８０２は、相関行列の固有ベクトルを計算する。
【００６３】
ビームパターン計算部８０３は、固有ベクトルをアレーアンテナのウエイトとして用いて、ビームパターンを計算する。ビームパターン計算部８０３は、ｍ番目の固有ベクトルビーム出力Ｚｍ（ｔ）を求めるときに使った重みｅｍＨをアレーアンテナの重みとして用いてビームパターンを計算する。
【００６４】
到来方向出力部８０４は、ビームパターンの最大方向を到来方向として出力する。到来方向出力部８０４は、得られたビームパターンの最大方向から、ｍ番目の固有ベクトルビーム出力Ｚｍ（ｔ）に含まれる到来信号の方向を推定する。
【００６５】
到来信号の数がＬの時、１番目の固有ベクトルからＬ番目の固有ベクトルまでを用いて到来方向推定をおこなえば、Ｌ個の到来信号の到来方向が推定されることになる。
【００６６】
以上の第３の実施形態によれば、到来方向・到来信号数推定部７０１と信号分離部１１１とで同一の演算を省略することができるようになるので、アダプティブアレーアンテナ装置全体の計算量を削減することが可能となる。また、演算時間の短縮化を目的とした場合には、同一の演算手段を２つ用意してもよい。この場合には、同一の装置となるので、開発コストの軽減に貢献することが可能になる。
【００６７】
（第４の実施形態）  
本実施形態のアダプティブアレーアンテナ装置について図９を参照して説明する。  
本実施形態のアダプティブアレーアンテナ装置は、他の実施形態とは異なり、機械的、あるいは、電気的にビーム方向を変えることが可能なアンテナ素子を使用している。
【００６８】
本実施形態のアダプティブアレーアンテナ装置は、アレーアンテナ部９０１、到来方向推定部９０３、到来信号電力推定部１０８、ビーム方向制御部９０２、信号分離部１１１、信号選択部１１２を含む。
【００６９】
アレーアンテナ部９０１は、複数のビーム方向を可変できるアンテナ素子から構成される。このビーム方向を可変できるアンテナ素子は、機械的、あるいは、電気的にビーム方向を変えることが可能なアンテナである。
【００７０】
機械的にビーム方向を変えることが可能なアンテナの一例を説明する。回転台の上に置かれたホーンアンテナがある。ホーンアンテナの向きが変われば、ビームの方向が変わる。電気的にビーム方向を変えることが可能なアンテナの一例を説明する。アンテナと、近傍に配置された無給電素子と、無給電素子に接続される可変容量から構成されるアンテナ系がある。この可変容量の値を変えると、アンテナと無給電素子との間の結合量が変化する。その結果、ビーム方向を可変することができる。代表的なアンテナとして、エスパーアンテナが上げられる。これらは代表的なアンテナであるので、これに限らず、ビーム方向を可変することができるアンテナを用いることが可能である。
【００７１】
到来方向推定部９０３は、第１の実施形態での到来方向・到来信号数推定部１０７での到来方向を推定するのと同様な手法を行う。到来方向推定部９０３では、他の実施形態とは異なり到来信号数の推定はしない。本実施形態では、サブアレー数を考慮する必要がないので、到来信号数の推定をする必要がない。他の実施形態では、到来信号数よりもサブアレー数が多くなるように設定する必要がある。
【００７２】
ビーム方向制御部９０２は、電力の大きな到来信号の方向にビームを向ける。ビーム方向制御部９０２は、到来方向推定部９０３と、到来信号電力推定部１０８の結果を用いて、アレーアンテナを構成するアンテナ素子のビーム方向を制御する。
【００７３】
本実施形態においては、分離することができる到来信号数の数を増加させることが可能となる。以下に詳細に説明する。  
他の実施形態においては、サブアレーを利用してビームを構成した。このようにして得られる受信信号の数は、サブアレー数と等しくなる。一方、本実施形態においては、アンテナ自体のビーム方向が可変となっているので、受信信号の数は、アンテナ素子数になる。
【００７４】
固有ベクトルビームスペース法では、相関行列の固有ベクトルを重みに用いる。固有ベクトルの数は、相関行列の次元に等しい。相関行列の次元は、受信信号の数に等しい。このことから、本実施形態では、アンテナ素子数分の固有ベクトルを計算することができるようになる。固有ベクトルの数は、分離できる到来信号数の数と同じである。よって、本実施形態は、他の実施形態に比較して分離できる到来信号数の数を多くすることができるようになっている。
【００７５】
以上の第４の実施形態によれば、アンテナ素子のビーム方向を可変できるようにしたので、アンテナ素子で受信する到来信号間の利得に差をつけることができるようになる。他の実施形態では、サブアレーを用いるビーム受信部では、アンテナ素子数に比べてサブアレー数は少なくなる、つまり、分離することが可能な到来信号数が減ってしまうが、本実施形態によれば、サブアレーを用いないので、分離することができる到来信号数は減らない。つまり、多くの到来信号数を分離することができるようになる。
【００７６】
以上に示した実施形態によれば、任意の到来信号に対して、固有ベクトルビームスペース法を適用して、信号分離できるアダプティブアレーアンテナ装置を提供することができる。また、送信機を必要としない低コストなアダプティブアレーアンテナ装置を提供することができる。その他、キャリブレーション方法、到来信号数推定方法、到来方向推定方法、到来信号電力推定方法、装置の小形化、軽量化、低コスト化、演算の高速化などを達成することができる。
【００７７】
以上、アダプティブアレーアンテナ装置について説明をおこなってきたが、以下の分野に用いることが可能である。無線通信の分野に用いる場合には、２つの信号を分離することができるので、通信容量を増大することが可能になる。電波監視の分野に用いる場合には、混信してしまった信号を、分離できるようになる。コグニティブ無線のように、電波の監視を行ってから、通信をおこなう技術分野へも適用することが可能となる。
【００７８】
また、上述の実施形態の中で示した処理手順に示された指示は、ソフトウェアであるプログラムに基づいて実行されることが可能である。汎用の計算機システムが、このプログラムを予め記憶しておき、このプログラムを読み込むことにより、上述した実施形態のアダプティブアレーアンテナ装置による効果と同様な効果を得ることも可能である。上述の実施形態で記述された指示は、コンピュータに実行させることのできるプログラムとして、磁気ディスク（フレキシブルディスク、ハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ±Ｒ、ＤＶＤ±ＲＷなど）、半導体メモリ、又はこれに類する記録媒体に記録される。コンピュータまたは組み込みシステムが読み取り可能な記憶媒体であれば、その記憶形式は何れの形態であってもよい。コンピュータは、この記録媒体からプログラムを読み込み、このプログラムに基づいてプログラムに記述されている指示をＣＰＵで実行させれば、上述した実施形態のアダプティブアレーアンテナ装置と同様な動作を実現することができる。もちろん、コンピュータがプログラムを取得する場合又は読み込む場合はネットワークを通じて取得又は読み込んでもよい。  
また、記憶媒体からコンピュータや組み込みシステムにインストールされたプログラムの指示に基づきコンピュータ上で稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）や、データベース管理ソフト、ネットワーク等のＭＷ（ミドルウェア）等が本実施形態を実現するための各処理の一部を実行してもよい。  
さらに、本願発明における記憶媒体は、コンピュータあるいは組み込みシステムと独立した媒体に限らず、ＬＡＮやインターネット等により伝達されたプログラムをダウンロードして記憶または一時記憶した記憶媒体も含まれる。  
また、記憶媒体は１つに限られず、複数の媒体から本実施形態における処理が実行される場合も、本発明における記憶媒体に含まれ、媒体の構成は何れの構成であってもよい。
【００７９】
なお、本願発明におけるコンピュータまたは組み込みシステムは、記憶媒体に記憶されたプログラムに基づき、本実施形態における各処理を実行するためのものであって、パソコン、マイコン等の１つからなる装置、複数の装置がネットワーク接続されたシステム等の何れの構成であってもよい。  
また、本願発明の実施形態におけるコンピュータとは、パソコンに限らず、情報処理機器に含まれる演算処理装置、マイコン等も含み、プログラムによって本発明の実施形態における機能を実現することが可能な機器、装置を総称している。
【００８０】
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】
【００８１】
【図１】第１の実施形態のアダプティブアレーアンテナ装置のブロック図。
【図２】図１のビーム受信部で生成されるサブアレーごとのビームを向ける向きを説明するための図。
【図３】図１の信号分離部のブロック図。
【図４】第１の実施形態のアダプティブアレーアンテナ装置の性能を評価したシミュレーション結果を示す図。
【図５】第２の実施形態のアダプティブアレーアンテナ装置のブロック図。
【図６】図５の到来信号電力推定部と図５のビーム受信部で行う動作の一例を示すフローチャート。
【図７】第３の実施形態のアダプティブアレーアンテナ装置のブロック図。
【図８】図７の到来方向・到来信号数推定部のブロック図。
【図９】第４の実施形態のアダプティブアレーアンテナ装置のブロック図。
【符号の説明】
【００８２】
１０１・・・アンテナ素子、１０２・・・利得増幅器、１０３・・・フィルタ、１０４・・・周波数変換部、１０６、９０１・・・アレーアンテナ部、１０７、７０１・・・到来方向・到来信号数推定部、１０８、５０１・・・到来信号電力推定部、１０９・・・ビーム受信部、１１０・・・デジタル信号処理回路、１１１・・・信号分離部、１１２・・・信号選択部、２０１・・・サブアレー、２０２・・・ビーム、３０１、８０１・・・相関行列計算部、３０２、８０２・・・固有ベクトル計算部、３０３・・・固有ベクトルビームスペース出力計算部、５０２・・・共用関数・関数出力記憶部、７０２・・・共用関数記憶部、８０３・・・ビームパターン計算部、８０４・・・到来方向出力部、９０２・・・ビーム方向制御部、９０３・・・到来方向推定部。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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