JP2721203B2 - アダプティブアンテナ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、時分割多重方式を用いた無線通信系におい
て、アンテナの指向性を周囲の電波環境の学習によって
制御することにより、不要干渉波を抑圧し高S/N比を得
ることを目的とするアダプティブアンテナ装置に関す
る。

（従来の技術） 一般的に時分割多重方式（以下、TDMと略す。）と
は、多数の信号が時間的に重ならないように、TDMフレ
ーム内に割り当てられたタイムスロットを用いて通信を
行う多重方式である。TDMは、周波数分割方式（FDM）に
比べて、種々の速度からなるディジタル信号伝送との親
和性が良い、周波数の利用効率も高い、また基地局の小
形化も可能である等の利点を有しており、衛星通信では
現在、TDMを用いた時分割多元接続方式（TDMA）がその
主流となりつつある。また、多値変調技術を用いた地上
のディジタルマイクロ波通信系においてもTDMが採用さ
れている。さらに、将来のルーラル無線通信や陸上移動
通信においてもTDMA方式が有望であろうとその適用が検
討されている。

この様なTDM方式を用いた種々の通信系において大き
な問題となるのは、他通信系からの干渉波による通信品
質の劣化である。例えば、衛星通信においては、同一周
波数帯を使用する地上無線システムからの干渉や静止衛
星軌道に多くの衛星が打ち上げられることにより発生す
る他衛星からのシステム干渉が、また地上のディジタル
マイクロ波通信系においては、既存のFDM/FM方式の通信
系との共存が大きな問題である。

この様な干渉波の影響を軽減する方法としては、回線
設計に十分な考慮を施す、通信する局の設置場所を限定
する、干渉に対する障壁を物理的に構築する、アンテナ
を低サイドローブにする等が行われている。

アンテナの低サイドローブ化の一つの方法として、ア
ンテナの指向性を自動的に制御し干渉波の到来方向に指
向性の零点を形成することにより空間領域で干渉波を抑
圧するアダプティブアンテナの適用が考えられる。アダ
プティブアンテナとは、第３図に示すように、複数個の
アンテナ11、各アンテナ11に接続され、受信した信号に
重み付けを行うウェイト回路12、重み付けされた信号を
合成する合成器13、合成器13の出力信号と各アンテナ11
で受信した信号からウェイト回路12の重みをある所定の
アルゴリズムを用いて決定する信号処理回路14から構成
されている。アダプティブアンテナのアルゴリズムとし
ては、MSN（Aaximum S/N）法、PI（Power Inversion）
法、SLC（Sideiobe Can celler）法等がある。これらに
関しては、以下の文献がある。IEEE Transaction,Anten
na and Popagation,AP−24,1976年９月これらアルゴリ
ズムにおいて共通するところは、第３図の合成器13の出
力信号電力を最少にするように重み付けを決定すること
にある。以下、SLCを例に取り、その動作原理を詳細に
説明する。SLCにおいては、アンテナ11の一つを所望信
号の到来方向に利得を有する主アンテナとし、他のアン
テナは主アンテナのサイドローブレベル程度の利得を有
する補助アンテナとする。さらに、前記主アンテナに接
続されているウェイト回路12は常に固定とし、その他の
ウェイト回路は信号処理回路14によって制御される。信
号処理回路14は、補助アンテナで受信した信号と合成器
13の出力信号との乗算を行い、その結果を積分すること
によりアンテナの重み付けを決定する。第３図より明ら
かなように、SLCは、ウェィト回路12、合成器13、信号
処理回路14からなるフィードバックループで構成されて
いるため、アンテナの重み付けは、結局、合成器13の出
力電力が最少になるようにある時定数を持ちながら最適
な重みに収束していく。この事をアンテナの指向性とい
う観点から考えてみると、信号の到来方向が未知であろ
うとも、自動的にその信号方向に指向性の零点を形成し
ていることを対応する。これがアダプティブアンテナが
周囲の電波環境に追従して学習しながら指向性を制御し
ていると言う所以である。

しかし、従来のアダプティブアンテナには、以下に示
す二つの大きな欠点がある。一般にアダプティブアンテ
ナは、干渉波の電子が所望信号の電力に比して十分大き
い場合に用いられる。これは、前述したSLCの動作原理
の例からも明らかである。つまり、干渉波電力が大きけ
れば、合成器13の出力も干渉波が支配的であるので、出
力電力を最小にすると言うことはとりもなおさず干渉波
を抑圧することに対応している。しかし、逆に、所望信
号が干渉波に比して大きい場合には、アンテナ重みは所
望信号を抑圧するように決定されるため所望信号損失が
大きくなり、アダプティブアンテナを用いた事が逆効果
になってしまう。つまり、従来のアダプティブアンテナ
では、電力が大きい信号ほど良好に抑圧すると言う性質
があるため、干渉波レベルが小さいような状況において
は、アダプティブアンテナの適用が困難であると言うこ
とである。

第二の欠点としては、ウェィトジッタにより受信した
所望信号が微少ではあるが不要の変調を被ってしまうと
言うことである。アダプティブアンテナは、前述したよ
うに信号の乗算と積分を、つまり信号の相関を用いてア
ンテナ重みを決定してる。収束した状態でのアンテナ重
みは、平均値的にみれば合成器出力電力を最少にする最
適重みとなっているが、瞬時的には、所望信号や干渉波
の変調、また熱雑音成分により変動している。これがウ
ェィトジッタと言われるものである。このようなウェィ
トジッタが存在すると、瞬時的にウェィト回路12が動作
し、それが微少ではあるが所望信号を振幅及び位相変調
している。結局、ウェィトジッタは、所望信号に位相誤
差及び振幅歪みを引起し誤り率を悪化させていることに
なる。

TDM方式を用いた通信系においては、従来のFDM方式等
に比して高いC/N比が要求されており、さらに搬送波の
位相誤差や受信システムの振幅歪みに対しても厳しい要
求となっている。この様な状況を踏まえると、TDM方式
の通信系に従来のアダプティブアンテナを適用すること
は困難である。

（発明が解決しようとする課題） このように高C/N比、低位相誤差、低振幅歪みが要求
されるTDM方式の通信系に従来のアダプティブアンテナ
を干渉波抑圧のために適用すると以下の欠点が生ずる。

（１） 干渉波の電力が所望信号に比較して小さい場合
に干渉波抑圧効果が落ち、逆に所望信号損失が増大し
て、C/N比が悪化する。

（２） ウェィトジッタにより所望信号に不要な変調が
加わり、位相誤差、振幅歪みが発生し誤り率の劣化を引
き起す。

本発明は、前記従来例に鑑みて成されたもので、その
目的とするところは、干渉波のレベルが所望信号に比較
して小さい場合に十分な干渉波抑圧効果を発揮し、所望
信号損失を軽減すると共に、ウェィトジッタによる所望
信号への影響を回避する事により、C/N比を改善し、位
相誤差及び振幅歪みを回避できるTDM通信方式用アダプ
ティブアンテナを提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、上記問題点を解決するために、TDMを用い
た無線通信系において、TDMフレーム内に通信を行わな
い空きタイムスロットを設定し、このタイムスロット期
間内を周囲の電波環境を観測する学習期間とする。アダ
プティブアンテナは、この学習期間内のみでの周囲の電
波環境の情報を用いて、アンテナ重みを決定する。その
他のタイムスロット期間においては、前記決定されたア
ンテナ重みを固定するものとする。つまり、アダプティ
ブアンテナは、上記空きタイムスロット期間内で従来と
同様の干渉波抑圧動作を行い、他のタイムスロット期間
では、固定重みを用いるものとする。更に、前記空きタ
イムスロット期間内の学習によって決定されるアンテナ
重みの初期値を、前記空きタイムスロット開始直前まで
固定されていたアンテナ重めを採用することとする。

（作用） 上記空きタイムスロット期間内においては、所望信号
は存在せず、干渉波のみが観測される。アダプティブア
ンテナは、この期間内のみでの周囲の電波環境の情報を
用いて動作するため、干渉波を抑圧するアンテナ重みが
決定される。つまり、決定されるアンテナ重みは、全く
所望信号の信号レベルには依存せず干渉波のみによるた
め、干渉波が所望信号に比較して小さい場合でも十分な
干渉波抑圧機能を実現することができる。また、所望信
号を抑圧しょうとは動作しないため、所望信号損失も軽
減される。その他のタイムスロット期間においては、前
記決定されたアンテナ重みを固定しているため、干渉波
抑圧機能は保持されていると同時に、ウェィジッタも無
い。

上述したように、アダプティブアンテナは空きタイム
スロット期間内のみで動作するため、例えば空きタイム
スロットの時間が短い等の理由により、最適重みまで十
分に収束しない場合が考えられる。このような場合に
は、連続する複数個のTDMフレームの空きタイムスロッ
ト期間を用いて、いままでの学習効果を有効に使う必要
がある。これは、アンテナ重みの初期値として、一つ前
の空きタイムスロット期間で学習した最終情報、つまり
今まで固定していたアンテナ重みを採用することによ
り、効果的に達成される。

（実施例） 本発明の一実施例を以下に示す。第１図（ａ）には本
発明のTDMフレームの構成例を示す。同図において、1TD
Mフレーム１は、ｍ個のタイムスロット２から構成され
ており、更にこのタイムスロット２のｉ番目を通信を行
わない空きタイムスロット３とする。その開始時間及び
終了時間をそれぞれt1及びt2とする。この空きタイムス
ロット３のTDMフレーム内での配置は、通信系全体にお
いて予め決定されているものとする。第１図（ｂ）は、
TDM方式の所望信号に干渉波が混入した場合のアダプテ
ィブアンテナ入力端での状況を示す。干渉波が印加され
た時間をtoとする。第１図（ｃ）は、アンテナ重みの収
束性を、第１図（ｄ）は、アダプティブアンテナ出力端
での信号波形をそれぞれ示す。

第２図は、本発明のアダプティブアンテナの一構成例
を示す。同図において、４はアンテナ、５はウェイト回
路、６は合成器、７は乗算器、８はスイッチ、９は積分
器、10は同期回路である。アンテナ４、ウェイト回路
５、合成器６、乗算器７及び積分器９は、前記従来例で
示したものと同等である。同期回路10は、TDMフレーム
内の空きタイムスロットを検出し、空きタイムスロット
期間であればON、他のタイムスロット期間であればOFF
の制御信号を発生し、スイッチ８を制御する。スイッチ
８は、同期回路10の制御信号により、乗算器７の出力信
号をON時は積分器９に供給し、OFF時は積分器９に供給
しないように動作する。

以下、第１図及び第２図を用いて、本発明の動作原理
を詳細に説明する。まず、干渉波が印加される以前（to
以前）を考える。この状態では、第１図（ａ）に示すよ
うに空きタイムスロット期間ではないため、スイッチ８
はOFF状態にある。このとき、積分器９に蓄積されてい
るアンテナ重みは固定されている。この状態でtoにおい
て、干渉波が印加されるとアンテナ重みは固定であるか
ら、第１図（ｄ）に示すように干渉波によるC/N劣化が
生ずる。次に、時間がt1になると、同期回路10は現時点
が空きタイムスロット期間の開始時点であることを検出
し、スイッチ８をONにする。これにより、乗算器７から
の出力信号は積分器９に供給されるため、第１図（ｃ）
に示すようにアンテナ重みが変化し始める。この変化
は、空きタイムスロット期間が終了するt2まで続く。t2
以降は、スイッチ８が同期回路10の制御によりOFFされ
るため、アンテナ重みはt2時点でのアンテナ重みに固定
されたままとなる。t1からt2までの空きタイムスロット
期間には、所望信号は存在せず干渉波のみとなるから、
この期間の合成器６の出力も干渉波のみである。アンテ
ナ重みは、合成器６の出力電力を最少にするように逐次
変化していくから、結果的に干渉波を抑圧するアンテナ
重みが求まる。このことから、アンテナ重みは、全く所
望信号のレベルに無関係であり、信号電力の小さい干渉
波に対しても十分に抑圧効果が発揮される。この空きタ
イムスロット期間のアンテナ重みと干渉波に対する抑圧
効果を第１図（ｃ）及び（ｄ）に示す。

空きタイムスロット期間が短い等の理由により、アン
テナ重みが十分に収束せず干渉波が残留する場合があ
る。この様な場合には、いままでの空きタイムスロット
期間で学習してきた情報を有効に使うとにより、干渉波
を抑圧する最適重みを求めることができる。これは、ア
ンテナ重みの初期値として、一つ前の空きタイムスロッ
ト期間で学習した最終情報、つまり今まで固定していた
アンテナ重みを採用することにより達成される。この初
期値設定は、積分器９の入力をスイッチ８によりOFFに
することにより自動的に行われる。

更に、第１図及び第２図からも明らかなように、空き
タイムスロット期間以外ではアンテナ重みは固定されて
いる。故に、所望信号が存在する期間ではウェィトジッ
タは発生せず、所望信号に対して何等影響を与えない。
この結果、アダプティブアンテナを導入したことによる
新たな位相誤差や振幅歪みを回避することができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではない。例え
ば、空きタイムスロット期間を1TDMフレーム内に複数個
設定してもよい。また、上記実施例では、アダプティブ
アンテナの信号処理をハードウェア的に表現したが、ア
ンテナで受信した信号をA/D変換し計算機の中で同様の
処理をソフトウェア的に行ってもよい。更に、積分器６
をローパスフィルターで代用した場合には、スイッチ５
を抵抗とコンデンサの間に挿入してアンテナ重みを保持
する機能を実現してもよい。要するに、本発明はその要
旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、TDMフレーム内に空
きタイムスロットを設け、アダプティブアンテナをこの
タイムスロット期間内で動作させることにより、干渉波
の電力が所望信号に比較して小さい場合においても、所
望信号損失を増大させることなしに十分な干渉波抑圧機
能を発揮することができる。また、ウェィトジッタによ
る所望信号への不要な変調も回避することができる。更
に、学習によって求まるアンテナ重みの初期値を、学習
開始直前のアンテナ重みとすることにより、最適重みに
収束させることができる。このように、本発明のアダプ
ティブアンテナをTDM通信系に適用することにより、干
渉波を抑圧し高いC/N比を実現できると同時に、新たな
位相誤差や振幅歪みも発生することがなく安定に且つ高
品質な通信を提供することができる。また、本発明を用
いることにより、回線設計の自由度を増し、通信局の接
地場所制限を緩和することも可能となる。更に、大掛か
りな干渉波抑圧用の障壁も不要となり、十分な効果を発
揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかかわる時間と信号の関係を示すタ
イムチャート図、第２図は、本発明の一構成を示した
図、第３図は、従来例を示した図である。 ４……アンテナ、 ５……ウェイト回路、 ６……合成器、 ８……スイッチ、 10……同期回路。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】時分割多重方式を用いた無線通信に適用さ
   れるアダプティブアンテナ装置において、 フレーム内に通信を行わない空きスロットを設ける空き
   タイムスロット生成手段と、 この空きタイムスロット期間内で逐次変化する電波環境
   を記憶する電波環境記憶手段と、 この電波環境記憶手段の出力に基づいて前記空きタイム
   スロット期間中に干渉波を抑圧するように前記アダプテ
   ィブアンテナのアンテナ重みを決定する重み決定手段
   と、 前記空きタイムスロット期間外のタイムスロット期間中
   には、前記重み決定手段で決定された重みに固定して用
   いる重み固定手段とを具備したことを特徴とするアダプ
   ティブアンテナ装置。
2. 【請求項２】前記空きタイムスロット期間内に決定され
   るアンテナ重みの初期値を、前記空きタイムスロット開
   始直前まで固定されていたアンテナ重みとすることを特
   徴とする請求項１記載のアダプティブアンテナ装置。