JP2017183881A - フェーズドアレイ送信装置及びキャリアリーク補正方法 - Google Patents

フェーズドアレイ送信装置及びキャリアリーク補正方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ビーム指向性の切り替えに応じて変動するキャリアリークを考慮したキャリアリーク補正を行うこと。【解決手段】フェーズドアレイ送信装置100は、ベースバンド信号に位相回転を与える移相部12と、移相部12の出力信号に第1補正値を加えるDCオフセット補正部13と、DCオフセット補正部13の出力信号を高周波帯へ周波数変換するミキサー14と、を各々が備える複数の送信ブランチ11と、位相回転に設定される位相回転量の複数の候補に対して、ミキサー14の出力信号に含まれるキャリアリーク成分を最小とする第2補正値をそれぞれ算出し、第2補正値に基づいて第1補正値を決定する補正制御部20と、を備える。【選択図】図2

Description

本開示は、フェーズドアレイアンテナにより無線信号を送信するフェーズドアレイ送信装置及びキャリアリーク補正方法に関する。
フェーズドアレイアンテナ技術は、無線通信装置又はレーダ装置において広範に用いられている技術であり、送信装置に本技術を適用することによって、指向性ビームの形成とビームの電子的走査とが可能となる。例えば、無線通信装置に適用すると、ビームを形成してアンテナ利得を向上させ、通信エリアを拡張する、あるいは、基地局において収容ユーザ数に応じてカバーエリアを動的に制御することができる。また、レーダ装置に適用すると、フェーズドアレイアンテナによって形成した指向性の高いビームを、送信装置から検知対象物に放射させることによって、非検知対象物からの反射(クラッタ反射)を抑制でき、対象物の検知精度を向上させることができる。
フェーズドアレイアンテナ技術を用いた送信装置は、複数のアンテナ素子をアレイ状に配置して、各アンテナ素子に給電する複数の並列送信系統(以下「送信ブランチ」という)の各位相と振幅を適切に制御することで、アンテナとして所望の指向性利得を得ることができる。
従来のフェーズドアレイ装置の一例として、例えば特許文献1に示された構成が知られている。図1は、特許文献1に開示されたフェーズドアレイ送信装置の構成を示すブロック図である。図1に示すフェーズドアレイ送信装置(送信機64)は、ローカル信号増幅器65と、複数のベースバンド信号用移相器66−1〜66−hと、複数の直交変調器(ミキサー)67−1〜67−hと、複数の送信増幅器68−1〜68−hと、複数の送信アンテナ69−1〜69−h、とを備える。複数のベースバンド信号用移相器66−1〜66−hは、入力されたベースバンド信号に対して、それぞれ適切な位相回転を与えることによってビーム指向性を制御する。
また、送信装置から送信される無線信号の品質を劣化させる要因として、キャリア信号の漏洩(キャリアリーク)がある。キャリアリークは、受信装置の受信処理における不要成分であるため、受信信号の検出精度が劣化してしまう。
従来のキャリアリーク補正を行う無線送信装置の一例として、特許文献2に示された構成が知られている。特許文献2に開示された無線送信装置は、一定の包絡線を有するテスト信号をミキサーに入力し、ミキサーからの出力信号に対して包絡線検波して包絡線信号を得る。キャリアリーク(=DCオフセット)が発生している状態では包絡線信号の振幅が変動し、キャリアリークの無い状態では包絡線信号の振幅変動が無くなる。そこで、無線送信装置は、包絡線信号の振幅変動が小さくなるようにキャリアリークの補正を行う。
特許第5252094号公報 特開平8−213846号公報
一般的に、キャリアリークの要因はミキサーのインバランスであり、キャリアリークを補正するための補正部はミキサーの前段に設けられる。しかしながら、図1のようなフェーズドアレイ送信装置では、移相部の前段の経路でもDCオフセット(つまり、キャリアリーク)が発生する場合があり、当該キャリアリークは、移相部によるビーム指向性の切り替えに応じて変動する。このため、特許文献1に記載のフェーズドアレイ送信装置に対して、特許文献2に記載のキャリアリーク補正技術を適用した場合、フェーズドアレイ送信装置は、ミキサーに起因して発生するキャリアリークに加え、ビーム指向性の切り替えに応じて変動するキャリアリークを考慮した補正を行う必要がある。
本開示の目的は、ビーム指向性の切り替えに応じて変動するキャリアリークを考慮したキャリアリーク補正を行うことができるフェーズドアレイ送信装置及びキャリアリーク補正方法を提供することである。
本開示の一態様に係るフェーズドアレイ送信装置は、ベースバンド信号に位相回転を与える移相部と、前記移相部の出力信号に第1補正値を加える第1DCオフセット補正部と、前記第1DCオフセット補正部の出力信号を高周波帯へ周波数変換するミキサーと、を各々が備える複数の送信ブランチと、前記位相回転に設定される位相回転量の複数の候補に対して、前記ミキサーの出力信号に含まれるキャリアリーク成分を最小とする第2補正値をそれぞれ算出し、前記第2補正値に基づいて前記第1補正値を決定する補正制御部と、を備える。
本開示の一態様に係るフェーズドアレイ送信装置は、ベースバンド信号に第1補正値を加える第1DCオフセット補正部と、前記第1DCオフセット補正部の出力信号に位相回転を与える移相部と、前記移相部の出力信号に第2補正値を加える第2DCオフセット補正部と、前記第2DCオフセット補正部の出力信号を高周波帯へ周波数変換するミキサーと、前記位相回転前のベースバンド信号を用いて、前記移相部の前段で発生する第1DCオフセットを検出する検出部と、を各々が備える複数の送信ブランチと、前記第1DCオフセットに基づいて前記第1補正値を決定する補正制御部と、を備える。
本開示の一態様に係るキャリアリーク補正方法は、ベースバンド信号に位相回転を与える移相工程と、前記移相工程の出力信号に第1補正値を加えるDCオフセット補正工程と、前記DCオフセット補正工程の出力信号を高周波帯へ周波数変換する変換工程と、前記位相回転に設定される位相回転量の複数の候補に対して、前記変換工程の出力信号に含まれるキャリアリーク成分を最小とする第2補正値をそれぞれ算出し、前記第2補正値に基づいて前記第1補正値を決定する補正制御工程と、を有する。
本開示の一態様に係るキャリアリーク補正方法は、ベースバンド信号に第1補正値を加える第1DCオフセット補正工程と、前記第1DCオフセット補正工程の出力信号に位相回転を与える移相工程と、前記移相工程の出力信号に第2補正値を加える第2DCオフセット補正工程と、前記第2DCオフセット補正工程の出力信号を高周波帯へ周波数変換する変換工程と、前記位相回転前のベースバンド信号を用いて、前記移相工程の前段で発生する第1DCオフセットを検出する検出工程と、前記第1DCオフセットに基づいて前記第1補正値を決定する補正制御工程と、を有する。
なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
本開示の一態様によれば、ビーム指向性の切り替えに応じて変動するキャリアリークを考慮したキャリアリーク補正を行うことができる。
本開示の一態様における更なる利点および効果は、明細書および図面から明らかにされる。かかる利点および/または効果は、いくつかの実施形態並びに明細書および図面に記載された特徴によってそれぞれ提供されるが、1つまたはそれ以上の同一の特徴を得るために必ずしも全てが提供される必要はない。
従来のフェーズドアレイ送信装置の構成を示すブロック図 本開示の実施の形態1に係るフェーズドアレイ送信装置の構成を示すブロック図 包絡線検波部の出力波形の一例を示す図 移相部出力のDCオフセットを示す図 ミキサー出力のDCオフセットを示す図 従来のキャリアリーク補正方法を適用した場合のDCオフセットを示す図 本開示の実施の形態1に係るキャリアリーク補正手順を示すフローチャート 本開示の実施の形態3に係るフェーズドアレイ送信装置の構成を示すブロック図 本開示の実施の形態3に係るキャリアリーク補正手順を示すフローチャート 本開示の実施の形態4に係るフェーズドアレイ送信装置の構成を示すブロック図 本開示の実施の形態4に係るキャリアリーク補正手順を示すフローチャート
<本開示に係る各実施の形態の内容に至る経緯>
まず、ビーム指向性を切り替えるとキャリアリークが変動するメカニズムについて説明する。
上述したように、一般的にキャリアリークが発生するのはミキサーのインバランスが原因であるため、DCオフセット補正部はミキサーの前段に設けられることが多い。
これに対して、本発明者らは、フェーズドアレイ送信装置の検討を進める中で、ミキサーのみでなく、DAC(デジタル−アナログ変換器)と移相部との間の経路においてもDCオフセットが発生し、このDCオフセットの影響でビーム指向性を切り替えるとキャリアリークが変動する現象を発見した。
図2は、本開示の一態様で対象とするフェーズドアレイ送信装置の構成例を示す。図2に示すフェーズドアレイ送信装置100は、DAC10と、複数の送信ブランチ11−1〜11−mと、振幅測定部19と、補正制御部20とを備える。各送信ブランチ11−1〜11−mは、移相部12−1〜12−mと、DCオフセット補正部13−1〜13−mと、ミキサー14−1〜14−mと、電力増幅器15−1〜15−mと、方向性結合器16−1〜16−mと、アンテナ17−1〜17−mと、包絡線検波部18−1〜18−mとを備える。
なお、送信ブランチ11−1〜11−mの内部構成及び動作は同一であるので、以下の説明では、送信ブランチ11−1の動作について説明する。
DAC10は、デジタル信号であるベースバンド信号をアナログ信号に変換し、アナログベースバンド信号として出力する。ベースバンド信号はI軸信号(実数成分)とQ軸信号(虚数成分)とで表現される複素信号である。
キャリアリーク補正時には、(式1)で表す一定包絡線を有するテスト信号sがベースバンド信号としてDAC10に入力される。
Figure 2017183881
ここで、Aは振幅を表し、ωは角周波数を表す。
DAC10から出力されたアナログベースバンド信号は分岐され、移相部12−1に入力される。このとき、DAC10と移相部12−1との間の経路においてDCオフセットが発生する。DAC10と移相部12−1との間の経路におけるDCオフセットの要因としては、配線長又は配線幅のばらつき、バッファ又はアンプ等(図示せず)の性能ばらつきなどが挙げられる。
DAC10と移相部12−1との間の経路で発生するDCオフセットをd(dは複素数)と表すと、移相部12−1に入力される信号sは、(式2)のように表される。
Figure 2017183881
移相部12−1は、所望のビーム指向性を得るために、入力される信号sに対して適切な位相回転を与える。移相部12−1から出力される信号sは、(式3)のように表される。
Figure 2017183881
ここで、θは移相部12−1で与える位相回転量を表し、補正制御部20から入力される。
DCオフセット補正部13−1は、入力される信号s(移相部12−1の出力信号)に対して補正値を加えて、DCオフセット補正を行う。補正値は、I軸信号及びQ軸信号に対して独立に設定される。DCオフセット補正部13−1から出力される信号sは、(式4)のように表される。
Figure 2017183881
ここで、d(dは複素数)は、DCオフセット補正部13−1で印加されるDCオフセットの補正値を表し、補正制御部20から入力される。
ミキサー14−1は、DCオフセット補正部13−1からの出力信号に対して直交変調を行い、高周波帯へアップコンバート(周波数変換)する。ミキサー14−1で発生するDCオフセットをd(dは複素数)と表すと、ミキサー14−1から出力される直交変調後の信号sは、(式5)のように表される。
Figure 2017183881
ここで、ωはキャリア周波数を表わす。(式5)の第1項が元のテスト信号成分を表し、第2項がDCオフセット(=キャリアリーク)成分を表す。(式5)の第2項のdallは(式6)のように表される。
Figure 2017183881
電力増幅器15−1は、ミキサー14−1でアップコンバートされた高周波信号を所定の電力に増幅する。増幅された高周波信号は送信アンテナ17−1から無線信号として送信される。
方向性結合器16−1は、電力増幅器15−1で増幅された高周波信号の一部を取り出して、包絡線検波部18−1へ出力する。
包絡線検波部18−1は、方向性結合器16−1で取り出された信号に対して包絡線検波を行う。
図3は、包絡線検波部18−1の出力波形の一例を示す図である。
一定振幅の正弦波(角周波数をωとする)がベースバンド信号としてDAC10に入力された場合、キャリアリーク成分が含まれていない理想的な状態では包絡線検波部18−1の出力波形は一定となる(図3の破線)。一方、キャリアリーク成分が含まれる状態では、包絡線検波部18−1の出力波形は角周波数ω、つまり、周期=2π/ωで変動する信号となる(図3の実線)。
振幅測定部19は、包絡線検波部18−1〜18−mの出力信号から角周波数ωの成分を抽出し、キャリアリーク成分を検出する。例えば、振幅測定部19は、包絡線検波部18−1〜18−mの出力信号の最大値と最小値とを検出することでキャリアリーク成分の検出を行ってもよい。または、振幅測定部19は、FFT(Fast Fourier Transform:高速フーリエ変換)又はフィルタなどを用いてキャリアリーク成分に相当するω成分を抽出してもよい。
補正制御部20は、移相部12−1〜12−mの位相回転量θを設定する。また、補正制御部20は、振幅測定部19で検出されるキャリアリーク成分に基づいて、DCオフセット補正部13−1〜13−mに設定する補正値dを調整する。
(式6)より、ミキサー14−1の出力に含まれるDCオフセット成分dallは、移相部12−1での位相回転量θによって変化することが分かる。以下、(式6)で表わされる現象を図4及び図5を用いて詳細に説明する。
図4は、移相部12−1から出力される信号sに含まれるDCオフセットを示す図である。移相部12−1に入力されるDCオフセットをdで表す。図4に示すように、移相部12−1で与えられる位相回転量θによってDCオフセットdも位相回転を受け、円周C上を移動する。例えば、位相回転を受けない場合(θ=0)にはdの状態となり、位相回転θを受けた場合にはdjθの状態となる。
図5は、ミキサー14−1から出力される信号sに含まれるDCオフセットを示す図である。なお、図5では、DCオフセット補正部13−1で印加されるDCオフセットの補正値をd=0(つまり、DCオフセット補正が行われない状態)としている。図5に示すように、信号sに含まれるDCオフセットは、移相部12−1に入力されるDCオフセットdと、ミキサー14−1で発生するDCオフセットdとが合成された状態となっている。
図5に示す原点Oと円周C上の点との距離は、ミキサー14−1から出力される信号sに含まれるDCオフセットの大きさを表す。ここで、図5に示す円周Cの中心は、DCオフセットdの分、原点Oからシフトする。よって、図5に示すように、位相回転量θが変化すると、円周C上を移動するDCオフセットの大きさ(原点Oからの距離)も変化する。例えば、位相回転を受けない場合(θ=0)には、DCオフセットはd+dで表わされ、位相回転θを受けた場合には、DCオフセットはdjθ+dで表わされる。
このように、移相部12−1でベースバンド信号に与えられる位相回転量θによってDCオフセット(つまり、キャリアリーク成分)の大きさが変動するので、従来のキャリアリーク補正方法では、位相回転量θが考慮されず、キャリアリーク成分の変動により受信装置での受信性能が劣化してしまう。
図6は、従来のキャリアリーク補正方法において、θ=0の状態でキャリアリーク補正をした場合のDCオフセットの一例を示す図である。
θ=0の状態(つまり、図5のd+dで表わされるDCオフセット)に対してキャリアリーク補正(例えば、補正値d=−(d+d))を行うと、dが原点Oに移動する。これにより、θ=0の状態では、キャリアリーク成分はゼロになる。
しかしながら、図6に示すように、θ=0以外の位相回転量ではキャリアリーク成分(djθ−d)が発生してしまう。すなわち、従来のキャリアリーク補正方法では、移相部12−1の位相回転量θが特定の条件(図6ではθ=0)ではキャリアリーク成分を除去できるが、ビーム指向性の切り替えによって移相部12−1の位相回転量θが変更されるとキャリアリークが発生してしまう。つまり、位相回転量θに応じたキャリアリーク成分の変動に起因して、例えば図3に示すキャリアリーク有り(実線)の場合の包絡線検波部18−1の出力波形の大きさ(正弦波の振幅)が変動してしまう。
以上のように、従来のキャリアリーク補正方法では、移相部12−1の前段で発生するDCオフセットd(つまり、位相回転を受けたDCオフセット)の影響により、ビーム指向性を切り替えるとフェーズドアレイ送信装置から送信される信号に含まれるキャリアリーク成分が変動してしまうという問題がある。よって、従来のキャリアリーク補正方法では、キャリアリークを十分に除去できず、受信装置での受信信号の検出精度が劣化してしまう。
また、位相回転量θを上記のようにθ=0と異なる他の値に変更してキャリアリーク補正を行ったとしても、位相回転量θの変化に応じてキャリアリーク量が変動してしまうという問題は解決しない。
そこで、本開示では、ビーム指向性を切り替えた場合でも、キャリアリーク成分の変動を抑えること、又は、キャリアリーク成分を抑圧することを目的とする。
<本開示に係る実施の形態の説明>
以下、本開示に係るフェーズドアレイ送信装置の実施の形態について説明する。なお、以下の各実施の形態において、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。以下では、フェーズドアレイアンテナ技術を用いた無線送信装置(フェーズドアレイアンテナによる無線送信装置)を、フェーズドアレイ送信装置と記載する。
(実施の形態1)
本実施の形態に係るフェーズドアレイ送信装置の構成は、図2に示すフェーズドアレイ送信装置100と基本構成が共通するので、図2を援用して説明する。
本実施の形態では、フェーズドアレイ送信装置100の補正制御部20は、移相部12−1における位相回転に設定される位相回転量θの複数の候補(以下位相設定θ(n=0,1,…,N−1。Nは2以上の整数)と表す)に対して、ミキサー14−1の出力信号sに含まれるキャリアリーク成分を最小とする補正値(後述するd2n)をそれぞれ算出し、算出した補正値d2nに基づいて、DCオフセット補正部13−1に与える補正値dを決定する。
なお、以下では、送信ブランチ11−1〜11−mの内部構成及び動作は同一であるので、送信ブランチ11−1の動作について説明する。
以下、本実施の形態においてDCオフセット補正部13−1に与える補正値を決定する原理について説明する。
ここでは、一例として、N=2の場合について説明する。2つの位相設定をそれぞれθ、θとする。θとθは互いに異なる値である。
移相部12−1の位相設定をθとした時のミキサー14−1から出力される信号sに含まれるDCオフセットは(式6)より、(式7)のように表される。
Figure 2017183881
補正制御部20は、この状態でキャリアリーク成分が最小となるように(つまり、dall=0となるように)、DCオフセット補正部13−1に入力される補正値dを調整する。位相設定θにおいて調整後に得られる補正値d20は、(式7)においてdall=0と代入することで、(式8)のように表わされる。
Figure 2017183881
同様に、移相部12−1の位相設定をθとした時のミキサー14−1から出力される信号sに含まれるDCオフセットは(式6)より、(式9)のように表される。
Figure 2017183881
補正制御部20は、この状態でキャリアリーク成分が最小となるように(つまり、dall=0となるように)、DCオフセット補正部13−1に入力される補正値dを調整する。位相設定θにおいて調整後に得られる補正値d21は、(式9)においてdall=0と代入することで、(式10)のように表わされる。
Figure 2017183881
そして、補正制御部20は、(式8)及び(式10)に示す補正値d20及び補正値d21に基づいて、DCオフセットdを打ち消すように(式11)の演算を行う。
Figure 2017183881
これより、ミキサー14−1で発生するDCオフセットdは、(式12)のように求まる。
Figure 2017183881
そこで、補正制御部20は、(式12)で表されるDCオフセットdを除去するように、DCオフセット補正部13−1に与える補正値dを、d=−dに決定する。DCオフセット補正部13−1は、補正値dを用いてDCオフセット補正を行う。これにより、(式6)に示すDCオフセット(=キャリアリーク)は(式13)のように表される。
Figure 2017183881
このDCオフセット補正部13−1による補正処理は、図5に示す状態(DCオフセットd、dを含む状態)から、図4に示す状態(DCオフセットdが除去され、DCオフセットdのみが含まれる状態)にすることに相当する。こうすることで、DCオフセット補正後に、ミキサー14−1から出力される信号sに含まれるDCオフセット成分dallは、ミキサー14−1に起因するDCオフセットdが除去され、振幅|d|の正弦波となる。
これにより、移相部12−1でビーム指向性(位相回転量θ)が切り替わっても、DCオフセット成分dallの振幅は|d|で一定であるので、キャリアリーク量は変化せずに一定となる。例えば、図3に示すキャリアリーク有り(実線)の場合の包絡線検波部18−1の出力波形の大きさ(正弦波の振幅)は、位相回転量θが変化しても一定である。こうすることで、フェーズドアレイ送信装置100では、ビーム指向性を切り替えても、キャリアリーク成分が変動することが無いので、キャリアリーク成分の変動による受信信号の検出精度への影響を低減することができる。
なお、N=2の場合を一例として説明したが、Nが3以上の場合についても本実施の形態は適用可能である。
具体的には、補正制御部20は、複数の位相設定θ(n=0,1,…,N−1)の各々について、キャリアリーク成分が最小となるように、DCオフセット補正部13−1に入力される補正値dを調整する。位相設定θにおいて調整後に得られる補正値d2n(補正候補値)は、(式14)のように表わされる。
Figure 2017183881
これにより、2つの未知数d、dに対して、N個の(式14)が得られるので、Nが2以上であれば、2つの未知数d、dに対する連立方程式を解くことができる。従って、Nが3以上の場合についても、補正制御部20は、N個の(式14)から選択した任意の2つの式を解くことでDCオフセットdの値を求めることができる。
例えば、N=3の場合、位相設定θ,θ,θにそれぞれ対応する調整後の補正値d20、d21、d22に関する3つの(式14)が得られる。そこで、補正制御部20は、d20とd21、d21とd22、d22とd20の3つの組み合わせを解くことによって、3つのdの値が得られる。補正制御部20は、3つのdの値のうち何れか1つの値を用いて、DCオフセット補正部13−1に与える補正値d(=−d)を決定してもよい。
又は、補正制御部20は、複数のdの平均値を求めてDCオフセット補正部13−1に与える補正値d(=−d)を決定してもよい。理想的には、得られた複数のdの値は一致するが、現実的には、ノイズ又は回路の特性ばらつきによって、得られるdの値もばらつくことが予想される。よって、補正制御部20は、複数のdの値を平均化することによって、ばらつきの影響を軽減することができる。
以上、本実施の形態における補正値dを決定する原理について説明した。
次に、本実施の形態におけるフェーズドアレイ送信装置100のキャリアリーク補正方法について説明する。図7は、本実施の形態におけるフェーズドアレイ送信装置100のキャリアリーク補正方法を示すフローチャートである。
まず、DAC10にテスト信号が入力される(ステップS100)。
次に、補正制御部20は、位相設定θについてn=0(初期値)に設定する(ステップS101)。
次に、補正制御部20は、移相部12−1の位相回転量をθに設定する(ステップS102)。
次に、補正制御部20は、キャリアリーク成分が最小となるようにDCオフセット補正部13−1に入力される補正値dを調整し、位相設定θにおいて得られた調整後の補正値をd2nとする(ステップS103)。
次に、補正制御部20は、n=N−1であるか否かを判定する(ステップS104)。n=N−1ではない場合(ステップS104:No)、補正制御部20は、n=n+1として(ステップS105)、ステップS102の処理に戻る。
一方、n=N−1である場合(ステップS104:Yes)、補正制御部20は、補正値d2n(n=0、1、…N−1)に基づいてDCオフセットdを算出し、算出したDCオフセットdを用いてDCオフセット補正部13−1に与える補正値d(=−d)を求める(ステップS106)。
最後に、補正制御部20は、ステップS106で求めた補正値dをDCオフセット補正部13−1に設定する(ステップS107)。
以上、説明したように、本実施の形態に係るフェーズドアレイ送信装置100は、複数の位相設定に対してDCオフセットを最小とする補正値を調整し、複数の位相設定について調整した複数の補正値に基づいて、DCオフセット補正部13−1に与える補正値を決定する。
よって、本実施の形態では、フェーズドアレイ送信装置100においてビーム指向性(位相回転量θ)を切り替える場合でも、ミキサー14−1で発生するDCオフセットdを除去しつつ、移相部12−1の前段で発生するDCオフセットdによるキャリアリーク成分の変動を抑えることができるので、受信装置での受信信号の検出精度の劣化を抑圧することができる。
(実施の形態2)
本実施の形態に係るフェーズドアレイ送信装置の構成は、図2に示すフェーズドアレイ送信装置100と基本構成が共通するので、図2を援用して説明する。
また、本実施の形態におけるフェーズドアレイ送信装置100のキャリアリーク補正方法は、図7に示すフローチャートと同じであるので説明を省略する。
本実施の形態では、フェーズドアレイ送信装置100(補正制御部20)は、(式15)で表わされる複数の位相設定θに対してDCオフセットを最小とする補正値d2nをそれぞれ調整し、調整後の各補正値d2nに基づいてDCオフセット補正部13−1に与える補正値dを決定する。
Figure 2017183881
(n=0、1、・・・N−1。Nは2以上の整数。θaは任意の位相)
つまり、本実施の形態では、複数の位相設定θには、1周期(2π)をN等分した値がそれぞれ設定される。
移相部12−1の位相設定をθとした時のミキサー14−1から出力される信号sに含まれるDCオフセットは、(式6)より、(式16)のように表される。
Figure 2017183881
補正制御部20は、この状態でキャリアリーク成分が最小となるように(つまり、dall=0となるように)、DCオフセット補正部13−1に入力される補正値dを調整する。位相設定θにおいて調整後に得られる補正値d2nは、(式16)においてdall=0と代入することで、(式17)のように表わされる。
Figure 2017183881
そして、補正制御部20は、(式18)のように、得られたN個の調整後の補正値d2nの平均値を求める。
Figure 2017183881
(式18)の第1項は、初項「−(d/N)ejθa」、公比「ej(2π/N)」の等比数列のN個の項の和となることからゼロとなる。従って、(式18)は(式19)で表される。
Figure 2017183881
つまり、補正制御部20は、補正値d2nの平均値に基づいて、ミキサー14−1で発生するDCオフセットdを求めることができる。
補正制御部20は、(式19)で表されるDCオフセットdを除去するように、DCオフセット補正部13−1に与える補正値dを、d=−dに設定する。DCオフセット補正部13−1は、補正値dを用いてDCオフセット補正を行う。
これにより、実施の形態1と同様、DCオフセット補正後に、ミキサー14−1から出力される信号sに含まれるDCオフセット成分は(式13)のように表される。つまり、DCオフセット補正部13−1でミキサー14−1に起因するDCオフセットdが除去されるので、DCオフセット成分dallは、振幅|d|の正弦波となる。よって、実施の形態1と同様、移相部12−1でビーム指向性(位相回転量θ)が切り替わってもキャリアリーク量を一定とすることができる。
これにより、フェーズドアレイ送信装置100においてビーム指向性(位相回転量θ)を切り替える場合でも、ミキサー14−1で発生するDCオフセットdを除去しつつ、移相部12−1の前段で発生するDCオフセットdによるキャリアリーク成分の変動を抑えることができるので、受信装置での受信信号の検出精度の劣化を抑圧することができる。
特に、N=2の場合(例えば、θ=0、θ=π)、(式19)は(式20)のように表される。
Figure 2017183881
この場合、DCオフセット補正部13−1に設定する補正値dは、(式21)のように表される。
Figure 2017183881
すなわち、本実施の形態では、DCオフセット補正部13−1に設定する補正値dは、補正値d20を求めるステップと、補正値d21を求めるステップと、d20及びd21の平均値を求めるステップと、から求められる。特に、d20及びd21からDCオフセットdを求める処理(図7のステップS106の処理)を平均値の算出処理で行うことができ、実施の形態1と比較して簡易に実現できる。よって、本実施の形態によれば、フェーズドアレイ送信装置100において、キャリアリークの補正に要する時間(処理量)を、実施の形態1よりも削減することができる。
(実施の形態3)
実施の形態1及び2では、ビーム指向性を切り替えてもキャリアリーク成分が変動することが無いようにDCオフセットを補正する場合について説明した。これに対して、本実施の形態では、さらに、移相部12−1の前段で発生するDCオフセットを除去できるように、DCオフセットを補正する方法について説明する。
図8は、本実施の形態に係るフェーズドアレイ送信装置200の構成を示すブロック図である。なお、図8において、図2と同様の構成部には同一の符号を付し、その説明を省略する。図8において、図2との違いは、各移相部12−1〜12−mの前段にDCオフセット補正部21−1〜21−mがそれぞれ追加された点である。
なお、送信ブランチ11−1〜11−mの内部構成及び動作は同一であるので、以下の説明では、送信ブランチ11−1の動作について説明する。
DCオフセット補正部21−1は、DAC10から分岐されたアナログベースバンド信号(つまり、位相回転前のベースバンド信号)に対して補正値を印加し、補正後の信号を移相部12−1へ出力する。
補正制御部20は、実施の形態1の動作に加え、DCオフセット補正部21−1〜21−mに設定する補正値を決定する。具体的には、補正制御部20は、複数の位相設定θの各々に対して得られる補正値d2nを用いて、移相部12−1の前段で発生するDCオフセットdを除去するように、補正値(つまり、−d)を決定する。
以下、DCオフセット補正部21−1に与える補正値を求める方法について説明する。
ここでは、補正制御部20は、N=2の場合において、実施の形態1で説明した(式12)によって、DCオフセット補正部13−1に与える補正値d(=−d)を求めたものとする。
実施の形態1と同様、補正制御部20は、2つの位相設定θ、θの各々においてキャリアリーク成分が最小となるように、DCオフセット補正部13−1に入力される補正値dを調整する。位相設定θ、θの各々において調整後に得られる補正値d20、d21は(式8)、(式10)で表わされる。
ここで、補正制御部20は、(式8)及び(式10)に示す補正値d20及び補正値d21に基づいて、DCオフセットdを打ち消すように(式22)の演算を行う。
Figure 2017183881
これより、移相部12−1の前段で発生するDCオフセットdは、(式23)のように求まる。
Figure 2017183881
そこで、補正制御部20は、(式23)で表されるDCオフセットdを除去するように、DCオフセット補正部21−1に与える補正値を−dに決定する。DCオフセット補正部21−1は、補正値−dを用いてDCオフセット補正を行う。
これにより、DCオフセット補正部21−1では位相回転前にDCオフセットdが除去され、DCオフセット補正部13−1ではミキサー14−1に起因するDCオフセットdが除去されるので、(式6)で表されるDCオフセット成分dallはゼロとなる。
こうすることで、フェーズドアレイ送信装置200では、ビーム指向性を切り替えても、キャリアリーク成分が除去されるので、キャリアリーク成分の変動による受信信号の検出精度の劣化を防ぐことができる。
次に、本実施の形態におけるフェーズドアレイ送信装置200のキャリアリーク補正方法について説明する。
図9は、本実施の形態におけるフェーズドアレイ送信装置200のキャリアリーク補正方法を示すフローチャートである。なお、図9において、実施の形態1(図7)と同一の動作については同一の符号を付し、その説明を省略する。
補正制御部20は、ステップS103で求めた補正値d2n(n=0、1、・・・N−1)に基づいて、DCオフセット補正部21−1に与える補正値−dを求める(ステップS200)。そして、補正制御部20は、ステップS200で求めた補正値−dをDCオフセット補正部21−1に設定する(ステップS201)。
なお、図9において、ステップS106とステップS200とは、順番を入れ替えてもよく、ステップS107とステップS201とは、順番を入れ替えてもよい。
このように、本実施の形態では、フェーズドアレイ送信装置200において、DCオフセット補正部21−1を追加することによって、ミキサー14−1で発生するDCオフセットのみでなく、移相部12−1の前段で発生するDCオフセットも補正することが可能となる。これにより、本実施の形態によれば、フェーズドアレイ送信装置200においてビーム指向性(位相回転量θ)を切り替える場合でも、移相部12−1の前段で発生するDCオフセットd及びミキサー14−1で発生するDCオフセットdの双方を除去することができるので、受信装置での受信信号の検出精度の劣化を抑圧することができる。
(実施の形態3のバリエーション1)
特に、θとθとの位相差がπとなるようにθとθを選択した場合、例えば、θ=0、θ=πとした場合、(式23)は(式24)のようになる。
Figure 2017183881
これにより、補正制御部20は、DCオフセット補正部21−1に与える補正値−dを、(式23)よりも簡単な演算で求めることができる。
(実施の形態3のバリエーション2)
DCオフセットdを求める別の例として、次のような方法がある。
前述のように、複数の位相設定θに対して得られる補正値d2nは(式14)で表される。
ここで、(式14)を変形すると、(式25)のようになる。
Figure 2017183881
は、実施の形態1、および、実施の形態2で説明した方法で求められる。これより、補正制御部20は、或るn(例えば、n=1)に対して、d2n、dを代入することで、移相部12−1の前段で発生するDCオフセットdを求めることができる。
(実施の形態3のバリエーション3)
DCオフセットdを求める別の方法として、次のような方法がある。(式15)で表される複数の位相設定θを用いる場合、補正制御部20は、補正値d2n(n=0、1、・・・N−1)に対して(式26)の演算を行う。
Figure 2017183881
(式26)の第2項は、初項「−(d/N)e−jθa」、公比「e−j(2π/N)」の等比数列のN個の項の和となることからゼロとなる。従って、(式26)は、(式27)で表される。
Figure 2017183881
これにより、補正制御部20は、DCオフセット補正部21−1に与える補正値−dを求めることができる。バリエーション3のように、補正制御部20は、N個の補正値d2nを用いてDCオフセットdを求めることで、(式25)を用いる場合よりも補正値−dの精度を高めることができる。
特に、N=2の場合には、(式27)は(式24)となり、補正制御部20は、第1のDCオフセット補正部211に与える補正値を簡易な処理で求めることができる。
(実施の形態4)
図10は、本実施の形態に係るフェーズドアレイ送信装置300の構成を示すブロック図である。なお、図10において、図2又は図8と同様の構成部には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図10において、図8との違いは、移相部12−1〜12−mに入力される信号のDCオフセットを直接検出するための電圧測定部31−1〜31−mが追加された点である。
また、送信ブランチ11−1〜11−mの内部構成及び動作は同一であるので、以下の説明では、送信ブランチ11−1の動作について説明する。
電圧測定部31−1は、DCオフセット補正部21−1の出力電圧を測定することにより、移相部12−1の前段で発生するDCオフセットを検出する。つまり、電圧測定部31−1は、移相部12−1に入力されるI軸信号及びQ軸信号(すなわち、位相回転前のベースバンド信号)のそれぞれの電圧値を測定する。また、I軸信号及びQ軸信号がそれぞれ差動信号として構成される場合には、電圧測定部31−1は、差動信号の両方の電圧を測定する。
補正制御部20は、電圧測定部31−1から入力される電圧値(DCオフセット)に応じて、当該DCオフセットを除去するように、DCオフセット補正部21−1に与える補正値を制御する。DCオフセット補正部21−1は、補正制御部20から入力される補正値を、アナログベースバンド信号に印加して、DCオフセット補正を行う。
また、補正制御部20は、DCオフセット補正部21−1が補正値dを用いてDCオフセット補正を行った後、ミキサー14−1で発生するDCオフセットを除去するように補正値dを決定する。換言すると、補正制御部20は、移相部12−1の前段で発生するDCオフセットが除去された状態で、ミキサー14−1で発生するDCオフセットを除去するための補正値dを決定する。
次に、本実施の形態におけるフェーズドアレイ送信装置300のキャリアリーク補正方法について説明する。
図11は、本実施の形態におけるフェーズドアレイ送信装置300のキャリアリーク補正方法を示すフローチャートである。
まず、DAC10に入力されるベースバンド信号を無信号状態とする(ステップS300)。これにより、無信号状態において電圧測定部22−1で測定される電圧値は、移相部12−1の前段で発生するDCオフセットを表す値となる。
次に、補正制御部20は、電圧測定部31−1で測定したDCオフセット(電圧値)に基づいて、移相部12−1の前段で発生するDCオフセットを除去するようにDCオフセット補正部21−1を調整する(ステップS301)。例えば、補正制御部20は、電圧測定部31−1で測定したDCオフセットdに基づいて、DCオフセット補正部21−1に補正値−dを決定してもよい。
次に、DAC10にテスト信号が入力される(ステップS302)。
最後に、補正制御部20は、キャリアリーク成分が最小となるようにDCオフセット補正部13−1を調整する(ステップS303)。
ここで、ステップS301の処理により、フェーズドアレイ送信装置300では、移相部12−1の前段で発生するDCオフセットが除去された状態となる。よって、ステップS303では、フェーズドアレイ送信装置300は、移相部12−1によるDCオフセットdの位相回転(例えば、図5を参照)を考慮せずに、ミキサー14−1で発生するDCオフセットdを除去することができる。
このように、本実施の形態では、フェーズドアレイ送信装置300において、電圧測定部31−1を設けることで、移相部12−1の前段で発生するDCオフセット(電圧値)を直接検出し、検出したDCオフセットを除去するように、DCオフセットを調整することができる。また、フェーズドアレイ送信装置300は、移相部12−1の前段で発生するDCオフセットを調整した後、DCオフセット補正部13−1でのDCオフセットの調整を行うことで、送信ブランチ全体のキャリアリークを十分抑圧することができる。
以上、本開示の各実施の形態について説明した。
なお、図7、図9、図11のフローチャートは1つの送信ブランチ11−1に対するDCオフセットの補正方法について示したものであり、残りの送信ブランチ11−2〜11−mについても同様の方法でDCオフセットを補正することができる。
また、フェーズドアレイ送信装置は、送信ブランチ11−1〜11−mのうち、何れかの送信ブランチ11においてDCオフセット補正が行われている間、DCオフセット補正を行っていない他の送信ブランチ11の電源をOFFの状態にしてもよく、ONの状態にしてもよい。補正を行っていない他の送信ブランチ11の電源をOFFの状態にすることで、補正中のフェーズドアレイ送信装置の消費電力を抑えることができる。一方、補正を行っていない他の送信ブランチ11の電源をONの状態にすることで、補正中のフェーズドアレイ送信装置の消費電力は増えるものの、フェーズドアレイ送信装置は、通常の動作時と同じ温度でDCオフセット補正を行うことができる。フェーズドアレイ送信装置は、キャリアリークが温度で変動する場合には全ての送信ブランチ11をON状態にして補正することで通常動作時でもキャリアリークを抑圧した状態を維持できる。
また、フェーズドアレイ送信装置は、送信ブランチ11−1〜11−mのうち、何れかの送信ブランチ11のDCオフセット補正が行われている間、DCオフセット補正を行っていない他の送信ブランチ11の電源をON状態にする場合、DCオフセット補正を行っていない送信ブランチ11の電力増幅器15−1〜15−mのみをOFF状態にしてもよい。又は、フェーズドアレイ送信装置は、電力増幅器15−1〜15−mと送信アンテナ17−1〜17−mとの間にアンテナスイッチ(図示せず)を設け、送信ブランチ11−1〜11−mのうち、DCオフセット補正を行っていない送信ブランチ11の電源をON状態にする場合、アンテナスイッチをOFFの状態にしてもよい。送信アンテナ17−1〜17−m間での回り込みが発生する場合には、補正をしていない送信ブランチ11の信号が補正をしている送信ブランチ11に回り込んで、干渉が発生して補正が正しく行えない可能性がある。これに対して、補正をしていない送信ブランチ11の電力増幅器15−1〜15−m、又は、アンテナスイッチをOFFにすることで、補正中の送信ブランチ11への干渉を抑圧することができる。
また、キャリアリーク補正を行うタイミングは、電源起動時でもよく、フェーズドアレイ送信装置の本来の機能に影響を与えないタイミングであれば、通常動作中に行ってもよい。また、これらを組み合わせて、電源起動時及び通常動作時の何れかにおいてキャリアリークの補正を行ってもよい。例えば、動作中に周辺温度が大きく変化した場合、キャリアリーク量も変化し、以前に求めた補正値が最適でなくなることも想定される。このような場合は、フェーズドアレイ送信装置内に温度センサを設け、温度センサによって検出される温度が一定以上変化した場合に、補正制御部20がキャリアリークの補正を再度行うようにすればよい。または、周期的にベースバンド信号にキャリアリーク補正を行うためのテスト信号を与えることでキャリアリーク量を周期的に確認し、キャリアリーク量が増大した場合に再度補正を行うようにしてもよい。
また、上記実施の形態では、本開示の一態様をハードウェアで構成する場合を例にとって説明したが、本開示はハードウェアとの連携においてソフトウェアで実現することも可能である。
また、上記実施の形態の説明に用いた各機能ブロックは、典型的には、入力端子および出力端子を有する集積回路であるLSIとして実現される。集積回路は、上記実施の形態の説明に用いた各機能ブロックを制御し、入力端子と出力端子を備えてもよい。これらは個別に1チップ化されてもよいし、一部または全てを含むように1チップ化されてもよい。ここでは、LSIとしたが、集積度の違いにより、IC、システムLSI、スーパーLSI、ウルトラLSIと呼称されることもある。
また、集積回路化の手法はLSIに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現してもよい。LSI製造後に、プログラムすることが可能なFPGA(Field Programmable Gate Array)や、LSI内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。
さらには、半導体技術の進歩または派生する別技術によりLSIに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行ってもよい。バイオ技術の適用等が可能性としてありえる。
本開示は、複数の送信ブランチを有するフェーズドアレイ送信装置に好適である。
100,200,300 フェーズドアレイ送信装置
10 DAC
11 送信ブランチ
12 移相部
13,21 DCオフセット補正部
14 ミキサー
15 電力増幅器
16 方向性結合部
17 送信アンテナ
18 包絡線検波部
19 振幅測定部
20 補正制御部
31 電圧測定部

Claims (12)

  1. ベースバンド信号に位相回転を与える移相部と、
    前記移相部の出力信号に第1補正値を加える第1DCオフセット補正部と、
    前記第1DCオフセット補正部の出力信号を高周波帯へ周波数変換するミキサーと、
    を各々が備える複数の送信ブランチと、
    前記位相回転に設定される位相回転量の複数の候補に対して、前記ミキサーの出力信号に含まれるキャリアリーク成分を最小とする第2補正値をそれぞれ算出し、前記第2補正値に基づいて前記第1補正値を決定する補正制御部と、
    を具備するフェーズドアレイ送信装置。
  2. 前記補正制御部は、前記ミキサーで発生するDCオフセットを除去するように前記第1補正値を決定する、
    請求項1に記載のフェーズドアレイ送信装置。
  3. 前記送信ブランチは、
    前記位相回転前のベースバンド信号に第3補正値を加える第2DCオフセット補正部、をさらに具備し、
    前記補正制御部は、前記複数の候補に基づいて前記第3補正値を決定する、
    請求項1に記載のフェーズドアレイ送信装置。
  4. 前記補正制御部は、前記移相部の前段で発生するDCオフセットを除去するように前記第3補正値を決定する、
    請求項3に記載のフェーズドアレイ送信装置。
  5. 前記位相回転量の複数の候補θは、次式で表される、
    請求項1から4の何れかに記載のフェーズドアレイ送信装置。
    Figure 2017183881

    (n=0、1、・・・N−1。Nは2以上の整数。θaは任意の位相)
  6. N=2である、
    請求項5に記載のフェーズドアレイ送信装置。
  7. ベースバンド信号に第1補正値を加える第1DCオフセット補正部と、
    前記第1DCオフセット補正部の出力信号に位相回転を与える移相部と、
    前記移相部の出力信号に第2補正値を加える第2DCオフセット補正部と、
    前記第2DCオフセット補正部の出力信号を高周波帯へ周波数変換するミキサーと、
    前記位相回転前のベースバンド信号を用いて、前記移相部の前段で発生する第1DCオフセットを検出する検出部と、
    を各々が備える複数の送信ブランチと、
    前記第1DCオフセットに基づいて前記第1補正値を決定する補正制御部と、
    を具備するフェーズドアレイ送信装置。
  8. 前記補正制御部は、前記第1DCオフセット補正部が前記第1補正値を用いてDCオフセット補正を行った後、前記ミキサーで発生する第2DCオフセットを除去するように前記第2補正値を決定する、
    請求項7に記載のフェーズドアレイ送信装置。
  9. 前記複数の送信ブランチのうち、何れかの送信ブランチにおいてDCオフセット補正が行われている間、DCオフセット補正を行っていない他の送信ブランチの電源をON状態にする、
    請求項1から8の何れかに記載のフェーズドアレイ送信装置。
  10. 前記送信ブランチは、
    前記ミキサーから出力された信号を所定の電力に増幅する電力増幅器と、
    前記電力増幅器から出力された信号を無線信号として送信する送信アンテナと、
    をさらに備え、
    前記複数の送信ブランチのうち、何れかの送信ブランチにおいてDCオフセット補正を行っている間、DCオフセット補正を行っていない他の送信ブランチの前記電力増幅器の電源のみをOFF状態にする、
    請求項1から8の何れかに記載のフェーズドアレイ送信装置。
  11. ベースバンド信号に位相回転を与える移相工程と、
    前記移相工程の出力信号に第1補正値を加えるDCオフセット補正工程と、
    前記DCオフセット補正工程の出力信号を高周波帯へ周波数変換する変換工程と、
    前記位相回転に設定される位相回転量の複数の候補に対して、前記変換工程の出力信号に含まれるキャリアリーク成分を最小とする第2補正値をそれぞれ算出し、前記第2補正値に基づいて前記第1補正値を決定する補正制御工程と、
    を有するキャリアリーク補正方法。
  12. ベースバンド信号に第1補正値を加える第1DCオフセット補正工程と、
    前記第1DCオフセット補正工程の出力信号に位相回転を与える移相工程と、
    前記移相工程の出力信号に第2補正値を加える第2DCオフセット補正工程と、
    前記第2DCオフセット補正工程の出力信号を高周波帯へ周波数変換する変換工程と、
    前記位相回転前のベースバンド信号を用いて、前記移相工程の前段で発生する第1DCオフセットを検出する検出工程と、
    前記第1DCオフセットに基づいて前記第1補正値を決定する補正制御工程と、
    を有するキャリアリーク補正方法。
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