JP2005354322A

JP2005354322A - アレイアンテナ通信装置

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Publication number: JP2005354322A
Application number: JP2004171830A
Authority: JP
Inventors: Toru Haneda; 亨羽田; Yoshihiko Takeuchi; 嘉彦竹内; Hirohisa Hirayama; 浩久平山; Koji Fukino; 幸治吹野; Yoshio Miyazawa; 良男宮沢
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2024-06-09
Also published as: JP4728597B2

Abstract

【課題】単一のアダプティブアルゴリズムのみで参照信号を得るためのフレーム同期確立を可能にした、アダプティブアレイアンテナ通信装置を提供する。
【解決手段】フレーム同期タイミング決定部４０は、副受信部３４が出力する副受信合成信号に含まれる参照信号と、参照信号生成部４２が記憶する参照信号との誤差を求める。アダプティブアルゴリズム実行部３８は現在のウェイト係数と、当該誤差と、受信信号Ｓ_Aとに基づいてウェイト係数を更新するアルゴリズムを実行し、ウェイト係数を計算する。フレーム同期タイミング決定部４０は、副受信合成信号に含まれる参照信号と参照信号生成部４２が記憶する参照信号とのタイミングを変化させ、上記誤差の収束性を評価し、当該評価に基づいてフレーム同期タイミングを決定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のアンテナによってアンテナ指向性が決定されるアレイアンテナを用いた通信装置に関するものである。

無線通信においては、電波状況に応じて適応的に指向性を変化させるアダプティブアレイアンテナ受信装置が広く用いられている。この受信装置では、互いに異なる方向から所望波と妨害波が到来したときに、所望波の方向に指向性を形成し、妨害波の方向にヌルを形成するようアンテナ指向性が制御されるため、受信信号の所望波対妨害波比を最良値に維持することができる。また、アンテナは送受信で同一の指向性を呈するので、当該受信装置で形成された指向性を送信装置においても利用することで、アダプティブアレイアンテナ送受信装置を構成することもできる。

図１０に、アダプティブアレイアンテナ受信装置３の一般的な従来構成を示す。それぞれのアンテナ１０で受信された信号は、受信機１２によって増幅され中間周波数帯に変換された後、受信部６４に入力される。受信部６４はウェイト係数乗算器１８、加算器２０および直交復調器２２を備える。受信部６４に入力された信号は、ウェイト係数計算部６６によって計算されたウェイト係数に基づいて、ウェイト係数乗算器１８において振幅と位相の調整を受け、加算器２０によって合成される。加算器２０はその合成された信号である受信合成信号を出力する。受信合成信号は直交復調器２２によってベースバンド信号に変換され受信部６４から出力される。一般に、ベースバンド信号は複数のチャンネルから構成されるが、説明の便宜上、図１０では１系統の信号線で表記しており、以下の説明においても同様とする。受信部６４から出力された受信合成信号は、データ復調部７０に入力される。データ復調部７０は受信合成信号から受信データ信号とフレーム同期信号を抽出し出力する。

データ復調部７０はシンボル同期部２８とデータ抽出部２６を備えており、シンボル同期部２８は受信合成信号からシンボル周期を検出し、データ抽出部２６は検出されたシンボル周期に基づいてデータを抽出する。ここで、シンボル周期とは、例えばＱＰＳＫ信号であれば、Ｉチャンネル信号およびＱチャンネル信号のとりうる値の組が現れる周期であり、システムで予め定められたディジタル情報、すなわちシンボルが得られる周期をいう。

データ復調部７０には、さらにフレーム周期検出部６２が備えられており、復調データ信号に基づいてフレーム同期信号を生成する。ここで、フレーム周期とは、システムで予め定められた数の複数のシンボルで構成されるデータ列、すなわちフレームが現れる周期をいう。受信合成信号の各フレームの冒頭あるいは所定のシンボル位置には、アダプティブアレイアンテナの適応動作を可能にするための信号である参照信号が付されており、参照信号はフレーム周期毎に現れる。この様子を表したものが、図１１（ａ）である。

ウェイト係数計算部６６は、上述の受信合成信号のフレーム内所定位置に付された参照信号と、予めウェイト係数計算部６６の参照信号生成部６８で記憶されている参照信号との差分である誤差信号を減算器４８によって算出し、当該誤差と複数のアンテナ１０から別途受信された受信信号Ｓ_Aに基づいてウェイト係数を計算する。このようなウェイト係数を計算するアルゴリズムとしては、ＲＬＳアルゴリズムやＬＭＳアルゴリズムなどがあり、アダプティブアルゴリズム実行部３８において実行される。また、一般的に受信信号Ｓ_Aは、直交復調器２２によってベースバンド信号に変換された後にアダプティブアルゴリズムに供されることが多い。

アダプティブアルゴリズムが実行される際には、参照信号生成部６８はデータ復調部７０からフレーム同期信号の供給を受け、これに従うタイミングで自ら記憶する参照信号を出力している。したがって、ウェイト係数が計算される前においては、データ復調部７０においてフレーム周期の検出が完了し、フレーム同期が確立していなければならない。なお、フレーム同期が確立されるまでの間は、ウェイト係数計算部６６からは予め固定定数として定められた初期ウェイト係数が出力されている。図１１（ｂ）から図１１（ｄ）は、シンボル同期を確立し、フレーム同期を確立した後にウェイト係数計算が行われ、アレイアンテナにおけるウェイト係数が決定されるという動作過程を示す。

このように、フレーム周期毎にウェイト係数が計算がされ適応的にアンテナ指向性が決定されるというアダプティブアレイアンテナの定常動作に収束するためには、フレーム同期を確立し、フレーム内所定位置に付されている参照信号を取り出し、自ら記憶する参照信号と比較するという動作が可能でなければならない。しかしながら、アダプティブアレイアンテナ受信装置の起動時や、受信状況が悪化して定常動作を逸脱したときにはフレーム同期は確立されておらず、アダプティブアレイアンテナ通信装置は初期ウェイト係数で決定される指向性を以て動作する。このときにレベルの高い妨害波が存在する等、受信状況によっては、所望波のシンボル周期およびフレーム周期の検出が困難となり、定常動作に収束することが不可能となる。このような問題を回避するためには、迅速かつ確実に同期確立を行い、アダプティブアレイアンテナ受信装置を定常動作に導くことを可能とする手段が別途必要となる。

特許第３０７５９８３号公報には、同期確立を必要としない第１のアダプティブアルゴリズムと、受信信号から参照信号を得るための同期確立が要されるがフェージングやマルチパスの抑圧効果が比較的大きい第２のアダプティブアルゴリズムとを組み合わせることで、同期確立が困難な状態においてもアダプティブ処理を行うことを可能にしたアダプティブアンテナ付き受信装置が開示されている。

特許第３０７５９８３号公報

特許第３０７５９８３号公報に開示されているアダプティブアンテナ付き受信装置は、同期確立を必要としない第１のアダプティブアルゴリズムを実行することで同期確立を行い、参照信号を得て、この参照信号に基づいて第２のアダプティブアルゴリズムを実行する構成となっている。これによって、フェージングやマルチパスの影響で同期確立が困難な状況においても、安定したアダプティブアレイアンテナの定常動作が可能となる。しかしながら、この構成では２種類のアダプティブ処理系が必要とされるため、構成および動作が複雑となり、設計コストおよび製造コストの面で不利である。

受信信号から参照信号を得て、これと自らが記憶する参照信号とを比較するアダプティブアルゴリズムは、定常動作においては、参照信号の比較を行わないアダプティブアルゴリズムに比して妨害波抑圧効果が大きい。したがって、一度定常動作に収束してしまえば、他のアダプティブアルゴリズムを用いなくとも十分な受信性能は確保されるはずである。

そこで、同期確立を行い、参照信号を得て、定常状態へ導くことを可能にする簡単な手段がありさえすれば、さらにもう１系統のアダプティブ処理系を備えなくとも、十分な受信性能を確保することが可能なアダプティブアレイアンテナ受信装置を実現することが可能である。

本発明は、このような課題に対してなされたものであり、単一のアダプティブアルゴリズムのみで参照信号を得るためのフレーム同期確立を可能にした、アダプティブアレイアンテナ通信装置を提供する。

本発明は、複数のアンテナと、前記複数のアンテナの各々で受信される信号の振幅と位相を変化させるための係数であるウェイト係数を計算するウェイト係数計算部と、前記複数のアンテナの各々で受信された信号の振幅と位相を、前記ウェイト係数計算部が算出したウェイト係数に基づいて変化させ、振幅と位相を変化させた当該信号を合成して受信する合成受信部と、前記複数のアンテナから信号を受信する傍系受信部とを含み、前記ウェイト係数計算部は、前記合成受信部が受信し出力する受信合成信号に含まれる参照信号と前記ウェイト係数計算部が記憶している参照信号との誤差を求め、前記傍系受信部が受信した信号と前記誤差とに基づいてウェイト係数を計算する、前記複数のアンテナによる指向性が前記ウェイト係数計算部が算出したウェイト係数に基づいて決定されるアレイアンテナ通信装置において、前記アレイアンテナ通信装置は、前記受信合成信号に含まれる参照信号と前記ウェイト係数計算部が記憶している参照信号との参照タイミングを変化させて前記誤差の評価を行い、前記参照タイミングと前記評価とに基づいて、前記受信合成信号のデータ抽出タイミングを決定し、前記ウェイト係数計算部は、当該決定されたデータ抽出タイミングに基づいて前記受信合成信号から参照信号を抽出し、当該参照信号と前記ウェイト係数計算部が記憶している参照信号との誤差を求め、前記傍系受信部が受信した信号と前記誤差とに基づいてウェイト係数を計算することを特徴とする。

また、本発明に係るアレイアンテナ通信装置は、前記ウェイト係数計算部とは別に設けられたウェイト係数計算部であるサブウェイト係数計算部と、前記複数のアンテナの各々で受信される信号の振幅と位相を、前記ウェイト係数に基づいて変化させ、振幅と位相を変化させた当該信号を合成して受信し、当該受信した信号から受信データを抽出して出力する受信復調部とを含み、前記アレイアンテナ通信装置が前記受信合成信号のデータ抽出タイミングを決定するに至るまでの間は、前記受信復調部は、前記複数のアンテナの各々で受信される信号の振幅と位相を前記サブウェイト係数計算部が算出したウェイト係数に基づいて変化させ、振幅と位相を変化させた当該信号を合成して受信し、当該受信した信号であるタイミング決定時受信合成信号から受信データを抽出して出力し、前記受信合成信号のデータ抽出タイミングを決定した後は、前記受信復調部は、前記複数のアンテナの各々で受信される信号の振幅と位相を前記ウェイト係数計算部が算出したウェイト係数に基づいて変化させ、振幅と位相を変化させた当該信号を合成して受信し、当該受信した信号である受信合成信号から受信データを抽出して出力する構成とすることが好適である。

また、本発明に係るアレイアンテナ通信装置は、前記ウェイト係数計算部が記憶している参照信号の参照タイミングは、前記タイミング決定時受信合成信号に基づいて定められる構成とすることが好適である。

また、本発明に係るアレイアンテナ通信装置は、前記複数のアンテナから信号を受信するサブウェイト係数計算用受信部を含み、前記サブウェイト係数計算部は、前記サブウェイト係数計算用受信部が受信した信号に基づいて、前記タイミング決定時受信合成信号の信号対雑音比が最小となるようなウェイト係数を算出する構成とすることが好適である。

また、本発明に係るアレイアンテナ通信装置は、送信データを前記複数のアンテナから送信する送信部を含む構成とすることが好適である。

本発明によれば、単一のアダプティブアルゴリズムのみで参照信号を得るためのフレーム同期確立が可能であるアダプティブアレイアンテナ通信装置を構成することができる。また、同期確立がなされていない間は、最大比合成によってウェイト係数を計算し、このウェイト係数に基づいて指向性が形成されるアレイアンテナとして動作させることで、簡単な構成で、かつ、アンテナ指向性の適応制御性の優れたアダプティブアレイアンテナ通信装置を構成することができる。

本発明の第１の実施形態につき図面を参照して説明する。図１は単一のアダプティブアルゴリズムのみで参照信号を得るためのフレーム同期確立を可能にした、アダプティブアレイアンテナ受信装置１の構成を示す。このアダプティブアレイアンテナ受信装置１では、起動時の動作から定常動作に至るまで、あるいは受信状況が悪化し定常動作を逸脱した状態から定常動作に回復するまでの間は、フレーム同期を確立するためのモードである同期確立モードで動作する。同期確立モード時にはスイッチ４４はａ側に接続され、定常動作モード時にはスイッチ４４はｂ側に接続されている。

図２は同期確立モード時の接続状態を取り出して描いたものである。まず、主受信部１４およびデータ復調部２４の動作について説明する。それぞれのアンテナ１０で受信された信号は受信機１２によって増幅され中間周波数帯に変換された後、主受信部１４に入力される。主受信部１４は、ウェイト係数乗算器１８、加算器２０および直交復調器２２を備える。主受信部１４に入力された信号は、初期ウェイト係数計算部１６によって計算されたウェイト係数に基づいて、ウェイト係数乗算器１８において振幅と位相の調整を受け、加算器２０によって合成される。加算器２０はその合成された信号である主受信合成信号を出力する。主受信合成信号は直交復調器２２によってベースバンド信号に変換され主受信部１４から出力される。主受信部１４から出力された主受信合成信号は、データ復調部２４に入力される。データ復調部２４は主受信合成信号から受信データ信号とフレーム同期信号を抽出し出力する。同期確立モードでは、この受信データ信号がシステムの受信信号とされ、受信装置の信号処理部（図示せず）に入力される。

データ復調部２４はシンボル同期部２８とデータ抽出部２６を備えており、シンボル同期部２８は受信合成信号からシンボル周期を検出し、データ抽出部２６は検出されたシンボル周期に基づいてデータを抽出する。データ復調部２４には、さらにフレーム周期推定部３０が備えられており、受信データ信号に基づいてフレーム周期を推定し、フレーム同期信号を出力する。受信合成信号の各フレームの所定位置には、アダプティブアレイアンテナの適応動作を可能にするための信号である参照信号が付されており、参照信号はフレーム周期毎に現れる。

初期ウェイト係数計算部１６は、同期確立モードにおいて何らかのウェイト係数を主受信部１４に与えるものである。ここでは特に限定せず、システムで予め定められた任意のウェイト係数を出力するものとする。

一方、それぞれのアンテナ１０で受信され、受信機１２によって中間周波数帯に変換され増幅された信号は直交復調器２２にも入力されている。直交復調器２２によってベースバンド信号に変換された信号は副受信部３４に入力される。副受信部３４は、ウェイト係数乗算器１８および加算器２０を備える。副受信部３４に入力された信号は、ウェイト係数計算部３６によって計算されたウェイト係数に基づいて振幅と位相の調整を受け、加算器２０によって合成され、加算器２０は当該合成された信号である副受信合成信号を出力する。副受信部３４から出力された副受信合成信号は、ウェイト係数計算部３６に入力される。

なお、本実施形態では、主受信部１４においては主受信合成信号を生成した後に直交復調を施す構成としているが、主受信合成信号を生成する前に直交復調を施す構成とすることも可能である。この場合、直交復調器２２は主受信部１４のウェイト係数乗算器１８に前置あるいは加算器２０に前置される構成となる。同様に副受信部３４についても、副受信部３４に入力される信号は直交復調を施す前の信号とし、直交復調器２２を加算器２０に前置あるいは後置する構成とすることが可能である。

次に、本発明の特徴的な構成要素であるウェイト係数計算部３６の動作について説明する。ウェイト係数計算部３６は、フレーム同期タイミング決定部４０とアダプティブアルゴリズム実行部３８を備える。フレーム同期タイミング決定部４０は、副受信部３４から入力された副受信合成信号に含まれる参照信号と、フレーム同期タイミング決定部４０が参照信号生成部４２において予め記憶している参照信号との誤差ｅを求める。アダプティブアルゴリズム実行部３８は、現在出力しているウェイト係数と、誤差ｅおよびそれぞれのアンテナ１０で別途受信された信号Ｓ_Aに基づいて新たなウェイト係数を算出する。この際、アダプティブアルゴリズム実行部３８に副受信合成信号ｙをさらに入力し、副受信合成信号ｙの振幅に基づいて誤差ｅや受信信号Ｓ_Aの振幅規格化を行う構成とすることが好適である。アルゴリズムの１計算ステップは主受信合成信号からシンボルを抽出した場合における１シンボル周期毎に行われる。このため、アダプティブアルゴリズム実行部３８は、システムからシンボルをサンプルするためのサンプルクロック信号の供給を受け、サンプルクロック信号に基づいて１シンボル周期毎に計算ステップを遂行する。また、供給されたサンプルクロック信号は、後に述べるフレーム同期タイミング決定部４０と共に動作するために必要とされる。また、アダプティブアルゴリズムとしては、ＲＬＳアルゴリズムやＬＭＳアルゴリズムなどを用いることが好適である。

シンボル同期およびフレーム同期が共に確立されている場合、アダプティブアルゴリズムの遂行と共に誤差ｅは０に収束していく。しかしながら、シンボル同期およびフレーム同期が確立している場合を除いて、フレーム同期タイミング決定部４０は、副受信合成信号のフレーム周期を認識し得ないため、副受信部３４から入力された副受信合成信号に含まれる参照信号と、フレーム同期タイミング決定部４０が予め記憶している参照信号のタイミングは合致せず、誤差ｅは十分小さな値に収束しない。図３はその様子を示したものであり、フレーム同期タイミングずれがない場合、１フレーム＋１シンボルずれた場合および１フレーム−１シンボルずれた場合の収束状況を比較したものである。これより数シンボル程度の時間経過で、シンボル同期およびフレーム同期が確立している状態と確立していない状態とで収束状況に差異が現れることがわかる。本発明は、この収束状況の差異を積極的に利用し、フレーム同期タイミングを決定するものである。

図４にはフレーム同期タイミング決定部４０の構成を示す。フレーム同期タイミング決定部４０が誤差ｅを求める際には、所定のタイミングを以て参照信号生成部４２が記憶する参照信号が出力される。そのため、参照信号生成部４２はサンプルクロック信号の供給を受けている。参照信号生成部４２は、サンプルクロック信号に基づいて、複数のタイミングで自らが記憶する参照信号を出力する。図５はその様子を示したものである。ここでは参照信号は推定タイミングＡから推定タイミングＨの８種のタイミングで出力されるものとしている。また、シンボルは４倍オーバーサンプリングされており、推定タイミングＡから推定タイミングＨはそれぞれ互いに１サンプルのタイミングずれを以て出力される。また、フレームはＳ０からＳ７の８シンボル、すなわちＣ０からＣ３１の３２サンプルで構成され、参照信号はフレーム先頭からＳ０、Ｓ１およびＳ３の３シンボルで構成されるものとしている。

ウェイト係数計算部３６は、推定タイミングＡから推定タイミングＨまでのタイミングでアダプティブアルゴリズムを実行し、フレーム同期タイミング決定部４０は、それぞれの推定タイミングに対してアルゴリズムの１ステップ毎に誤差を求める。誤差は減算器４８によって副受信合成信号との差分をとることで求められ、いまの場合、Ｅ（ｅ_A、ｅ_B、ｅ_C、ｅ_D、ｅ_E、ｅ_F、ｅ_G、ｅ_H）のように表される。アルゴリズムの実行と共に、誤差収束判定部４６はｅ_Aからｅ_Hのそれぞれについて収束判定を行い、これらのうち収束がみられた誤差に対応する推定タイミングを示す信号を出力する。図５の例では８サンプル（２シンボル）で収束判定をするものとし、推定タイミングＨでアダプティブアルゴリズムを実行した際に誤差ｅ_Hが収束したものと判定している。

なお、フレーム同期タイミング決定部４０は、後述するＤＳＰによって構成されるため、複数種の推定タイミングに対する誤差計算は並列計算処理によって行うものとすることができる。以下、この並列計算処理の具体的な動作について説明する。

ウェイト係数計算部３６は、まず、推定タイミングＡに基づいてアダプティブアルゴリズムを実行する。誤差収束判定部は収束性を判断するのに十分なステップ数の経過後、ｅ_Aが十分に小さい値に収束したか否かを判定する。次に、ウェイト係数計算部３６は、推定タイミングＡに基づくアダプティブアルゴリズムの実行が始まった１サンプル後に、推定タイミングＢに基づいてアダプティブアルゴリズムを実行する。このタイミングは、サンプルクロック信号に基づいて決定される。誤差収束判定部４６は収束性を判断するのに十分なステップ数の経過後、ｅ_Bが十分に小さい値に収束したか否かを判定する。ｅ_Aの収束性を判断するためのステップ数とｅ_Bの収束性を判断するためのステップ数が等しい場合、ｅ_Aの収束性判断が行われた１サンプル後にｅ_Bの収束性判断が終了する。すなわち、推定タイミングＢに基づくアダプティブアルゴリズムの実行が開始され、ｅ_Aの収束性判断が終了するまでの間は、ｅ_Aの収束性判断に係る処理とｅ_Bの収束性判断に係る処理とが並列に行われている。以下同様に、推定タイミングＣから推定タイミングＨの順に、それぞれの推定タイミングに基づくアダプティブアルゴリズムの実行を１サンプル経過する毎に開始していき、それぞれの計算処理時間が１サンプルに相当する時間ずれた並列計算処理を行う。誤差収束判定部は収束がみられた誤差に対応する推定タイミングを示す信号を出力する。図５の例ではｅ_A、ｅ_B、ｅ_C、ｅ_D、ｅ_E、ｅ_F、ｅ_Gの順に１サンプル経過する毎に収束性を判断し、ｅ_Hに収束がみられると判断し、推定タイミングＨを示す信号を出力している。

誤差が収束している状態においては、ウェイト係数計算部３６は、受信波到来方向に適応させたアンテナ指向性を形成するウェイト係数を出力しているはずである。したがって、収束以後は、誤差を収束させた推定タイミングに従ってフレーム周期を推定し、アダプティブアルゴリズムを実行し、ウェイト係数を更新していけばよい。

誤差収束判定部４６は、推定タイミングを示す信号をデータ復調部２４のフレーム周期推定部３０に入力し、フレーム周期推定部３０は受信データと当該信号に基づいて、アダプティブアルゴリズムを遂行するのに十分な精度を以てフレーム周期を推定し、フレーム同期信号を出力する。フレーム同期信号は、フレーム同期タイミング決定部４０の参照信号生成部４２に入力され、参照信号生成部４２は、誤差収束以後は入力されたフレーム同期信号に基づいて自ら記憶する参照信号を出力する。

なお、フレーム同期タイミング決定部４０におけるタイミング推定を並列計算処理によって行うこととした場合、ＤＳＰの計算速度やメモリ容量などの計算能力は、当該並列計算処理を行うのに十分なものでなければならない。しかしながら、計算能力に制約がある場合は、受信信号からデータを取り出して記憶装置に記憶し、その記憶したデータを用いてタイミング推定を単一計算処理で行う構成とすることも可能である。

その場合のアダプティブアレイアンテナ受信装置１の構成を図６に示す。ただし、この図は同期確立モード時の接続状態を取り出して描いたものである。図２の構成と異なる点は、副受信部３４に記憶部５０と切り出し部５２が前置されていることである。同期確立モード時の接続状態と定常動作モード時の接続状態をスイッチで選択する構成については、図１において副受信部３４に記憶部５０と切り出し部５２を前置するものとすればよい。この構成では、受信機１２から出力され直交復調器２２で直交復調された受信信号の２フレーム分のデータが記憶部５０に記憶される。ここで、２フレームとしたのは、フレーム同期タイミングとは無関係に２フレーム分のデータを取り出したとしても、その中には必ず参照信号を含む１フレーム分の連続データが含まれているからである。切り出し部５２は、記憶された受信データからタイミング推定に用いる８サンプル分の受信データを切り出してウェイト係数乗算器１８に入力する。ウェイト係数乗算器１８は、アダプティブアルゴリズムのステップ毎に出力されるウェイト係数に基づいて、切り出された受信データが表す信号の振幅と位相を調整する。加算器２０はウェイト乗算器１８が出力する受信データを合成して副受信合成信号を出力する。図７はその副受信合成信号を示したものであり、ここでは推定タイミングＡから推定タイミングＤまでのデータが１サンプルの間隔を以て切り出されるものとしている。

ここで、参照信号生成部４２が記憶する参照信号は、図２の構成を用いた場合とは異なり、必ずしもサンプルクロックに基づいて出力される必要はない。なぜなら、切り出して合成された副受信合成信号の２フレームデータ中の参照信号と参照信号生成部４２が記憶する参照信号との相対的なタイミングは、記憶部５０がデータを記憶した時間と、切り出されたデータの２フレーム分のデータ中における位置とから把握されるからである。

ウェイト係数計算部３６は、切り出された推定タイミングＡから推定タイミングＤまでのデータと、参照信号生成部４２が記憶する参照信号を用いてアダプティブアルゴリズムを実行する。切り出し部５２によって切り出された受信データは、振幅および位相の調整を受けているものではないが、副受信合成信号はアルゴリズムのステップ毎に更新されるウェイト係数に基づいて生成されるので、ステップを遂行するにしたがって誤差ｅの収束性を判定することができる。

フレーム同期タイミング決定部４０は、各推定タイミング毎に誤差Ｅ（ｅ_A、ｅ_B、ｅ_C、ｅ_D）の収束判定を行う。誤差の収束性を判定する動作は、図４の構成を用いた場合と同様である。誤差収束判定部４６は、収束した誤差に対応する推定タイミングを示す信号を出力する。推定タイミングは、記憶部５０が２フレーム分のデータを記憶した時間と、推定タイミングデータの２フレーム分のデータ中における位置とから算出される。図７の例では８サンプルで収束判定をするものとし、推定タイミングＤでアダプティブアルゴリズムを実行した際に誤差が収束したと判定されている。

フレーム同期タイミング決定部４２が備える誤差収束判定部４６は、推定タイミングを示す信号をデータ復調部２４のフレーム周期推定部３０に入力し、フレーム周期推定部３０は、受信データと当該信号に基づいて、アダプティブアルゴリズムを遂行するのに十分な精度を以てフレーム周期を推定し、フレーム同期信号を出力する。以後の動作については、図２の構成を用いた場合と同様である。

以上が、同期確立モードの動作である。同期確立モードは、推定タイミングを示す信号がフレーム周期タイミング決定部４０からデータ復調部２４のフレーム周期推定部３０に入力され、フレーム周期推定部３０がフレーム同期信号を出力すると同時に終了する。それと共に図１のスイッチ４４はｂ側に接続され、定常動作モードに切り換わる。すなわち、ウェイト係数計算部３６の出力するウェイト係数は、主受信部１４に供給され、主受信合成信号はフレーム同期タイミング決定部４０に供給される。定常動作モードでは、主受信合成信号に含まれる参照信号と、フレーム同期タイミング決定部４０が備える参照信号生成部４２が記憶する参照信号とから誤差ｅが求められ、現在出力しているウェイト係数と、誤差ｅおよびそれぞれのアンテナ１０で別途受信された信号Ｓ_Aに基づいて新たなウェイト係数が算出される。参照信号生成部４２は、フレーム周期推定部３０が出力するフレーム同期信号に基づいたタイミングで自ら記憶する参照信号を出力する。なお、定常動作モードにおいては副受信部３４と初期ウェイト係数計算部１６は不稼働の状態にあり、ＤＳＰの動作負担は図１０の従来構成と同程度となる。

以上では、定常動作モードで動作する前には、原則として同期確立モードを経て同期確立を行うものとした。しかしながら、妨害波が存在しないときには同期確立モードによらなくとも十分短時間でフレーム周期推定部３０の単独動作のみで同期確立が可能な場合がある。このような場合においても同期確立モードを経ることは処理の無駄であり、これを回避するための動作手段を設けることが好ましい。そこで、同期確立モードにおける動作に入る前に、あるいは同期確立モードとの並列計算処理によって、フレーム周期推定部３０の単独動作による同期確立を優先するか否かを判定する単独動作優先判定を行う構成とすることが好適である。

単独動作優先判定では、同期確立モードの接続状態においてフレーム同期タイミング決定部４０が、フレーム周期推定部３０が出力する初期状態におけるフレーム同期信号の供給を受ける。フレーム同期タイミング決定部４０はそのフレーム同期信号に基づいて、参照信号生成部４２が記憶する参照信号を生成し、副受信合成信号との誤差ｅを算出する。ウェイト係数計算部３６は当該誤差ｅと初期状態におけるフレーム同期信号に基づいてアダプティブアルゴリズムを実行し、その誤差ｅに収束がみられた場合にはフレーム周期推定部３０の単独動作による同期確立を優先する。

単独動作優先判定によってフレーム周期推定部３０の単独動作による同期確立を優先するものと判定された場合は、判定以後、フレーム周期推定部３０が出力するフレーム同期信号に従ってアダプティブアルゴリズムを実行し、ウェイト係数が更新されることとなる。

本発明の第１の実施形態では、同期確立モードにおいて初期ウェイト係数計算部１６が出力するウェイト係数に基づいて主受信部１４を動作させる構成となっている。また、初期ウェイト係数としてはシステムで予め定められた任意のウェイト係数であるものとし、特に値を限定していない。しかしながら、同期確立モード時においてもできる限り妨害波の影響を低減するようなウェイト係数が求められることが好ましい。そこで、初期ウェイト係数計算部１６として、最大比合成によるウェイト係数計算を適用した最大比合成ウェイト係数計算部５４を用いたものが第２の実施形態であり、その構成を図８に示す。最大比合成ウェイト係数計算部５４がウェイト係数を計算するに際しては、複数のアンテナ１０で受信された信号が別途必要とされる。図８ではこの信号をＳ_Bと表記している。最大比合成は、受信信号Ｓ_Bに基づいて主受信部１４が出力する合成信号の信号対雑音比が最大となるようにウェイト係数を算出するものであり、周知のアルゴリズムで実現することができる。

次に、第３の実施形態について図９を参照して説明する。これは、第２の実施形態におけるアダプティブアレイアンテナ受信装置１に、送信データを変調する変調器や増幅器を備えた送信部５８を加え、アダプティブアレイアンテナ送受信装置２を構成したものである。アンテナ特性の相反性により、アンテナは送受信で同一の指向性を呈する。したがって、アダプティブアレイアンテナ受信装置として動作させて決定されたウェイト係数を、アダプティブアレイアンテナ送信装置として動作させたときにおいてもそのまま利用することができる。

図９においてアンテナ１０は送受信機５６に接続されている。送受信機５６は受信機と送信機とを備えており、送信受信に応じていずれかの動作が選択される。受信機としての動作が選択されているときには、アンテナ１０から受信され送受信機５６に入力された信号は、増幅され中間周波数帯に変換された後、ウェイト係数乗算器１８に入力される。また、送信機としての動作が選択されているときには、ウェイト係数乗算器１８から出力され送受信機５６に入力された信号は無線周波数帯に変換され増幅された後、アンテナ１０から送信される。ここで用いられるウェイト係数乗算器１８は、送受信双方向の信号に対してウェイト係数乗算を施すことが可能なものである。送受信部との接続は送受切り換えスイッチ６０によって行われる。

本発明に係るアダプティブアレイアンテナ受信装置１およびアダプティブアレイアンテナ送受信装置２の各回路は、ディジタル回路で構成することができる。ディジタル回路は入力されたディジタル信号を、それによって表された２進数に対する演算処理を施した上でディジタル信号として出力するものであり、演算処理は２進数の加算、減算、桁のシフト等に帰着される。２進数の演算処理は、各計算ステップ毎に論理回路を対応付けて構成することも理論的には可能であるが、回路規模が大きくなるため、ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって構成することが好適である。ＤＳＰはあらかじめ作成されたプログラムによって動作する基本的な演算処理を行う回路を備えたものである。乗算器と加減算器で構成される高速な積和演算器を有しており、各種の命令を計算ステップ毎に実行できるように構成されている。ＤＳＰを動作させるためにはプログラムが必要であり、各回路の動作に応じたプログラムは周知の技術によって作成される。

ＤＳＰによって各回路を構成する場合は、例えば、推定タイミングを示す信号、誤差などが実際の信号として生成される構成とする必要はない。ただし、実際に論理回路を構成し、これらの信号が実際に生成された場合に得られるであろう信号のタイミングを示した観念図は、ＤＳＰによる設計において動作タイミングチャートとして用いられる。そして、ＤＳＰによって構成された各回路は、仮に論理回路を構成してこれがタイミングチャートに基づいて動作したならば遂行されるであろう動作と全く同一の動作が実現されるよう演算処理を行う。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではない。例えば、図５および図７に示す信号のオーバーサンプル数、フレーム長などは実施可能な範囲であれば任意のものとすることができる。また、アダプティブアルゴリズム実行部３８において用いられるアルゴリズムとしては、ＲＬＳアルゴリズム、ＬＭＳアルゴリズムなどに限らず、受信信号に含まれる参照信号と、アダプティブアレイアンテナ受信装置が記憶する参照信号との誤差を求めるものであれば如何なるものであっても適用可能であることはもちろんである。

アダプティブアレイアンテナ受信装置の構成を示す図である。アダプティブアレイアンテナ受信装置の同期確立モード時の接続状態を示す図である。アダプティブアルゴリズムの誤差の収束性を示す図である。並列計算処理を行うフレーム同期タイミング決定部の構成を示す図である。フレーム同期タイミング決定部が複数のタイミングで自らが記憶する参照信号を出力する様子を示す図である。単一計算処理を行うアダプティブアレイアンテナ受信装置の同期確立モード時の接続状態を示す図である。フレーム同期タイミング決定部が記憶部に記憶された副受信合成信号から推定タイミングデータを切り出す様子を示す図である。初期ウェイト係数の計算に最大比合成によるウェイト係数計算を適用したアダプティブアレイアンテナ受信装置の構成を示す図である。アダプティブアレイアンテナ送受信装置の構成を示す図である。アダプティブアレイアンテナ受信装置の一般的な従来構成を示す図である。アダプティブアレイアンテナ受信装置の動作過程を示す図である。

符号の説明

１，３アダプティブアレイアンテナ受信装置、２アダプティブアレイアンテナ送受信装置、１０アンテナ、１２受信機、１４主受信部、１６初期ウェイト係数計算部、１８ウェイト係数乗算器、２０加算器、２２直交復調器、２４，７０データ復調部、２６データ抽出部、２８シンボル同期部、３０フレーム周期推定部、３４副受信部、３６，６６ウェイト係数計算部、３８アダプティブアルゴリズム実行部、４０フレーム同期タイミング決定部、４２，６８参照信号生成部、４４スイッチ、４６誤差収束判定部、４８減算器、５０記憶部、５４最大比合成ウェイト係数計算部、５６送受信機、５８送信部、６０送受切り換えスイッチ、６２フレーム周期検出部、６４受信部。

Claims

複数のアンテナと、
前記複数のアンテナの各々で受信される信号の振幅と位相を変化させるための係数であるウェイト係数を計算するウェイト係数計算部と、
前記複数のアンテナの各々で受信された信号の振幅と位相を、前記ウェイト係数計算部が算出したウェイト係数に基づいて変化させ、振幅と位相を変化させた当該信号を合成して受信する合成受信部と、
前記複数のアンテナから信号を受信する傍系受信部とを含み、
前記ウェイト係数計算部は、前記合成受信部が受信し出力する受信合成信号に含まれる参照信号と前記ウェイト係数計算部が記憶している参照信号との誤差を求め、前記傍系受信部が受信した信号と前記誤差とに基づいてウェイト係数を計算する、
前記複数のアンテナによる指向性が前記ウェイト係数計算部が算出したウェイト係数に基づいて決定されるアレイアンテナ通信装置において、
前記アレイアンテナ通信装置は、
前記受信合成信号に含まれる参照信号と前記ウェイト係数計算部が記憶している参照信号との参照タイミングを変化させて前記誤差の評価を行い、
前記参照タイミングと前記評価とに基づいて、前記受信合成信号のデータ抽出タイミングを決定し、
前記ウェイト係数計算部は、
当該決定されたデータ抽出タイミングに基づいて前記受信合成信号から参照信号を抽出し、当該参照信号と前記ウェイト係数計算部が記憶している参照信号との誤差を求め、前記傍系受信部が受信した信号と前記誤差とに基づいてウェイト係数を計算することを特徴とするアレイアンテナ通信装置。
請求項１に記載のアレイアンテナ通信装置であって、
前記ウェイト係数計算部とは別に設けられたウェイト係数計算部であるサブウェイト係数計算部と、
前記複数のアンテナの各々で受信される信号の振幅と位相を、前記ウェイト係数に基づいて変化させ、振幅と位相を変化させた当該信号を合成して受信し、当該受信した信号から受信データを抽出して出力する受信復調部とを含み、
前記アレイアンテナ通信装置が前記受信合成信号のデータ抽出タイミングを決定するに至るまでの間は、
前記受信復調部は、
前記複数のアンテナの各々で受信される信号の振幅と位相を前記サブウェイト係数計算部が算出したウェイト係数に基づいて変化させ、振幅と位相を変化させた当該信号を合成して受信し、当該受信した信号であるタイミング決定時受信合成信号から受信データを抽出して出力し、
前記受信合成信号のデータ抽出タイミングを決定した後は、
前記受信復調部は、
前記複数のアンテナの各々で受信される信号の振幅と位相を前記ウェイト係数計算部が算出したウェイト係数に基づいて変化させ、振幅と位相を変化させた当該信号を合成して受信し、当該受信した信号である受信合成信号から受信データを抽出して出力することを特徴とするアレイアンテナ通信装置。
請求項２に記載のアレイアンテナ通信装置であって、
前記ウェイト係数計算部が記憶している参照信号の参照タイミングは、前記タイミング決定時受信合成信号に基づいて定められることを特徴とするアレイアンテナ通信装置。
請求項２または請求項３に記載のアレイアンテナ通信装置であって、
前記複数のアンテナから信号を受信するサブウェイト係数計算用受信部を含み、
前記サブウェイト係数計算部は、
前記サブウェイト係数計算用受信部が受信した信号に基づいて、前記タイミング決定時受信合成信号の信号対雑音比が最小となるようなウェイト係数を算出することを特徴とするアレイアンテナ通信装置。
請求項１から請求項４に記載のアレイアンテナ通信装置であって、
送信データを前記複数のアンテナから送信する送信部を含むことを特徴とするアレイアンテナ通信装置。