JP4028420B2

JP4028420B2 - Adaptive array antenna system and calibration method

Info

Publication number: JP4028420B2
Application number: JP2003090524A
Authority: JP
Inventors: 嵩石; 浩袁
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP2004297694A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アダプティブアレーアンテナシステムおよびキャリブレーション方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アダプティブアレーアンテナシステムでは、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナを備え、各アンテナ素子の受信信号をアレーアンテナの指向性を制御するための重み係数を用いて重み付けした後に合成し出力している。また、その重み係数の算出方法としては、最小２乗誤差法（ＭＭＳＥ；Minimum Mean Square Error）に基づく適応アルゴリズムにより、各アンテナ素子の受信信号と参照信号との二乗誤差が最小になるように適応制御して重み係数を算出するものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。上記したＭＭＳＥベースの適応アルゴリズムとしては、ＬＭＳ（Least Mean Square）やＲＬＳ（Recursive Least-Squares）などが使用される。
【０００３】
ところで、上記したアダプティブアレーアンテナシステムは、無線信号の受信回路等を具備する無線部の回路がアンテナ素子の各々に対応して設けられている、しかし、通常、各アンテナ素子に対応する回路間では回路素子の特性のばらつきが内在するために、各アンテナ素子に対応する無線部間で動作特性が異なる。例えば、各アンテナ素子で受信された無線信号が無線部で受信処理された後に、各無線部から出力される受信信号において、その位相特性にばらつきが生じる。このような動作特性の不具合を校正するためのキャリブレーション方法として、少なくとも３つのアレーアンテナを用いて補正値を測定するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
菊間信良著，「アレーアンテナによる適応信号処理」，株式会社科学技術出版，１９９８年１１月，ｐ．１３−６６
【特許文献１】
特開２００２−７６７４６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の技術では、少なくとも３つのアレーアンテナシステムが必要となるので、校正時のシステム規模が大きくなり複雑であるという問題がある。
【０００６】
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、アダプティブアレーアンテナシステム単体で校正することができ、校正時のシステム規模の縮小を図ることができるアダプティブアレーアンテナシステムおよびキャリブレーション方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載のアダプティブアレーアンテナシステムは、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、前記アンテナ素子の各々に対応して設けられ、無線信号の受信処理を行う無線受信手段とを備えたアダプティブアレーアンテナシステムにおいて、参照信号を発生する参照信号発生手段と、前記参照信号に対応する校正信号を発生する校正信号発生手段と、通常動作時には前記各アンテナ素子で受信された無線信号を前記無線受信手段へ出力し、一方、校正動作時には前記校正信号発生手段からの校正信号を前記無線受信手段へ出力するスイッチと、前記無線受信手段からの出力信号を補正用重み係数により重み付けする補正手段と、前記補正手段からの出力信号を前記アレーアンテナの指向性を制御するための指向性制御用重み係数により重み付けし、この重み付け後の信号を合成して出力する出力信号生成手段と、通常動作時には、前記補正手段からの出力信号と前記参照信号と前記出力信号生成手段からの出力信号に基づいて、最小２乗誤差法に基づく適応アルゴリズムにより、前記参照信号と前記出力信号生成手段からの出力信号との二乗誤差が最小となるように適応制御して前記指向性制御用重み係数を算出し、一方、校正動作時には、前記無線受信手段からの出力信号と前記参照信号と前記補正手段からの出力信号に基づいて、前記通常動作時と同じ最小２乗誤差法に基づく適応アルゴリズムにより、前記参照信号と前記補正手段からの出力信号との二乗誤差が最小となるように適応制御して前記補正用重み係数を算出するアダプティブ制御手段と、を備え、前記各アンテナ素子別に校正動作を行うことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載のキャリブレーション方法は、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、前記アンテナ素子の各々に対応して設けられ、無線信号の受信処理を行う無線受信手段とを備えたアダプティブアレーアンテナシステムにおけるキャリブレーション方法であって、参照信号を発生する参照信号発生過程と、前記参照信号に対応する校正信号を発生する校正信号発生過程と、通常動作時には前記各アンテナ素子で受信された無線信号を前記無線受信手段へ出力し、一方、校正動作時には前記校正信号を前記無線受信手段へ出力するスイッチ過程と、前記無線受信手段からの出力信号を補正用重み係数により重み付けする補正過程と、前記補正過程からの出力信号を前記アレーアンテナの指向性を制御するための指向性制御用重み係数により重み付けし、この重み付け後の信号を合成して出力する出力信号生成過程と、通常動作時には、前記補正過程からの出力信号と前記参照信号と前記出力信号生成過程からの出力信号に基づいて、最小２乗誤差法に基づく適応アルゴリズムにより、前記参照信号と前記出力信号生成過程からの出力信号との二乗誤差が最小となるように適応制御して前記指向性制御用重み係数を算出し、一方、校正動作時には、前記無線受信手段からの出力信号と前記参照信号と前記補正過程からの出力信号に基づいて、前記通常動作時と同じ最小２乗誤差法に基づく適応アルゴリズムにより、前記参照信号と前記補正過程からの出力信号との二乗誤差が最小となるように適応制御して前記補正用重み係数を算出するアダプティブ制御過程と、を含み、前記各アンテナ素子別に校正動作を行うことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるアダプティブアレーアンテナシステムの構成を示すブロック図である。図１に示すアダプティブアレーアンテナシステムは、例えば、無線通信システムの無線基地局に具備されるものであり、移動局（例えば携帯電話機）から送信された無線信号を複数（図１の例では４個）のアンテナ素子Ａｎｔ１〜Ａｎｔ４からなるアレーアンテナを用いて受信し、この受信信号を適応受信処理するものである。
【００１２】
図１において、アダプティブアレーアンテナシステムは、４個のアンテナ素子Ａｎｔ１〜Ａｎｔ４からなるアレーアンテナとスイッチＳＷとアレー無線受信部２とタイミング検出部４と乗算器６，８と加算器１０とアダプティブ制御部１２と参照信号記憶部１４と校正信号記憶部１６とを備える。スイッチＳＷとアレー無線受信部２とタイミング検出部４と乗算器６，８とは、アンテナ素子Ａｎｔ１〜Ａｎｔ４の各々に対応して設けられている。
【００１３】
各スイッチＳＷは、それぞれ該当する無線受信部２へ出力する信号を切替えるものである。スイッチＳＷは、校正動作時には校正信号記憶部１６からの校正信号をアレー無線受信部２へ出力し、通常動作時にはアンテナ素子からの無線信号をアレー無線受信部２へ出力する。
【００１４】
各アレー無線受信部２は、それぞれ該当するスイッチＳＷからの入力信号Ｘ₁〜Ｘ₄を増幅してベースバンド信号へ変換後、Ａ／Ｄ変換器（Analog to Digital Converter）によりデジタル信号に変換して出力する。この各出力信号は、それぞれ対応するタイミング検出部４に入力され、適応制御に用いるタイミング（参照区間のタイミング等）が検出された後、それぞれ対応する乗算器６とアダプティブ制御部１２とに入力される。
【００１５】
乗算器６（補正手段）は、校正動作時に得られた補正用の重み係数を該当するアンテナ素子からの受信信号に乗ずることにより、アンテナ素子からの受信信号を補正するためのものである。各乗算器６には、該当するアンテナ素子に対応する補正用の重み係数Ｗ₀₁〜Ｗ₀₄がアダプティブ制御部１２から入力される。各乗算器６は、それぞれ該当するタイミング検出部４からの出力信号と補正用の重み係数とを乗算し、この乗算結果の信号を出力する。この各出力信号Ｘ₀₁〜Ｘ₀₄は、それぞれ対応する乗算器８とアダプティブ制御部１２とへ入力される。
【００１６】
乗算器８は、通常動作時に得られた重み係数を該当するアンテナ素子からの受信信号に乗ずることにより、受信信号に対する重み付けを行うためのものである。各乗算器８には、該当するアンテナ素子に対応する重み係数Ｗ₁〜Ｗ₄がアダプティブ制御部１２から入力される。各乗算器６は、それぞれ該当する乗算器６からの出力信号とアダプティブ制御部１２からの重み係数とを乗算し、この乗算結果、すなわち重み付け後の受信信号を出力する。この各重み付け後の受信信号は、加算器１０に入力される。加算器１０は、各乗算器８から入力された重み付け後の受信信号を加算することにより合成して出力信号ｙを生成し出力する。また、この出力信号ｙはアダプティブ制御部１２に入力される。
なお、乗算器８と加算器１０が出力信号生成手段に対応する。
【００１７】
アダプティブ制御部１２は、通常動作時には、ＭＭＳＥベースの適応アルゴリズムにより、アンテナ素子Ａｎｔ１〜４からなるアレーアンテナの指向性を制御するための重み係数Ｗ₁〜Ｗ₄（指向性制御用重み係数）を算出する。一方、校正動作時には、同じＭＭＳＥベースの適応アルゴリズムにより、各アンテナ素子Ａｎｔ１〜４に対応する回路間の動作特性を整合するための補正用の重み係数Ｗ₀₁〜Ｗ₀₄を算出する。上記適応アルゴリズムとしては、ＬＭＳ（Least Mean Square）やＲＬＳ（Recursive Least-Squares）などが利用可能である。
【００１８】
アダプティブ制御部１２には、参照信号記憶部１２からの参照信号ｒとタイミング検出部４からの出力信号と各乗算器６からの出力信号Ｘ₀₁〜Ｘ₀₄と出力信号ｙとが入力される。参照信号記憶部１２（参照信号発生手段）は、送信側から送信される既知のパイロット信号に対応する参照信号ｒを予め記憶している。
【００１９】
校正信号記憶部１６（校正信号発生手段）は、参照信号記憶部１２に記憶されている参照信号ｒに対応する校正信号を予め記憶している。この校正信号は、各アンテナ素子Ａｎｔ１〜４で受信される無線信号に対応する４つの信号として構成される。
【００２０】
次に、上記した図１のアダプティブアレーアンテナシステムの校正時の動作を説明する。
図１において、校正はアンテナ素子別に行われる。例えば、アンテナ素子Ａｎｔ１、Ａｎｔ２、Ａｎｔ３、Ａｎｔ４の順番で行われる。これにより、校正に係る構成が簡略化される。なお、ここでは、アンテナ素子Ａｎｔ１についての校正動作を例に挙げて説明するが、他のアンテナ素子Ａｎｔ２〜４についての校正動作も同様である。
【００２１】
先ず、校正対象のアンテナ素子Ａｎｔ１に対応するスイッチＳＷが校正信号記憶部１６とアレー無線受信部２を接続するように閉じられ、校正対象以外のアンテナ素子Ａｎｔ２〜４に対応するスイッチＳＷは開放される。次いで、校正信号記憶部１６から校正信号が読み出されてアレー無線受信部２へ入力される。そして、該入力信号Ｘ₁（校正信号）はアレー無線受信部２及びタイミング検出部４を介して乗算器６とアダプティブ制御部１２へ入力される。そして、乗算器６の出力信号Ｘ₀₁がアダプティブ制御部１２へ入力される。
【００２２】
次いで、アダプティブ制御部１２は、（１）式で表される２乗誤差Ｅ₀₁が最小となるように適応制御して重み係数Ｗ₀₁を算出する。
Ｅ₀₁(t)＝(ｒ(t)−Ｗ₀₁ ^*Ｘ₁(t))²＝(ｒ(t)−Ｘ₀₁(t))² ・・・（１）
但し、ｔはサンプリング時刻、^*は複素共役の表記である。
【００２３】
上記した校正動作が各アンテナ素子Ａｎｔ１〜４に対してそれぞれ行われることにより、各アンテナ素子Ａｎｔ１〜４に対応するアレー無線受信部２の位相特性のばらつきを補正するための重み係数Ｗ₀₁〜Ｗ₀₄が得られる。これらの重み係数Ｗ₀₁〜Ｗ₀₄が各乗算器６に設定されると、校正動作は終了する。
【００２４】
次に、上記校正後の図１のアダプティブアレーアンテナシステムの通常時の動作を説明する。
先ず、各スイッチＳＷは、それぞれアンテナ素子とアレー無線受信部２を接続するように閉じられる。これにより、各アンテナ素子Ａｎｔ１〜４で受信された無線信号が入力信号Ｘ₁〜Ｘ₄として各アレー無線受信部２へ入力される。そして、該入力信号Ｘ₁〜Ｘ₄（受信信号）は各アレー無線受信部２及び各タイミング検出部４を介して各乗算器６へ入力される。そして、各乗算器６の出力信号Ｘ₀₁〜Ｘ₀₄は各乗算器８とアダプティブ制御部１２へ入力される。そして、各乗算器８の出力信号は加算器１０へ入力されて加算され、この加算結果の出力信号ｙが加算器１０から出力される。該出力信号ｙはアダプティブ制御部１２へ入力される。
【００２５】
次いで、アダプティブ制御部１２は、参照信号ｒと各乗算器６の出力信号Ｘ₀₁〜Ｘ₀₄と出力信号ｙを使用して、参照信号ｒと出力信号ｙの二乗誤差が最小となるように適応制御して重み係数Ｗ₁〜Ｗ₄を算出する。これにより、アレーアンテナの指向性が制御される。そして、校正後の出力信号ｙは（２）式で表される。
ｙ(t)＝Ｗ^HＸ₀(t) ・・・（２）
但し、
Ｘ₀(t)＝[Ｘ₀₁(t)，Ｘ₀₂(t)，Ｘ₀₃(t)，Ｘ₀₄(t)]^T、
Ｘ₀₁(t)＝Ｗ₀₁ ^*Ｘ₁(t)、
Ｘ₀₂(t)＝Ｗ₀₂ ^*Ｘ₂(t)、
Ｘ₀₃(t)＝Ｗ₀₃ ^*Ｘ₃(t)、
Ｘ₀₄(t)＝Ｗ₀₄ ^*Ｘ₄(t)、
Ｗ＝[Ｗ₁，Ｗ₂，Ｗ₃，Ｗ₄]^T、
^Tは転置の表記、
^Hは複素共役転置の表記、
である。
【００２６】
図２〜図５に、本実施形態による校正前後の振幅特性と位相特性のシミュレーション結果を示す。図２，図３は校正前のシミュレーション結果であり、図２には振幅特性が示され、図３には位相特性が示されている。図４，図５は校正後のシミュレーション結果であり、図４には振幅特性が示され、図５には位相特性が示されている。
図３に示すように、校正前においては、各アンテナ素子Ａｎｔ１〜４に対応する位相特性（図３ではＸ₁〜Ｘ₄で示している）にはばらつきがある。しかし、図５に示すように、校正後では、各アンテナ素子Ａｎｔ１〜４に対応する位相特性にはばらつきはなく、校正が良好に行われたことが示されている。
【００２７】
なお、本発明のアダプティブアレーアンテナシステムは、移動局、例えば携帯電話機等の携帯端末にも同様に適用することができる。また、アレーアンテナを使用してＭＭＳＥベースの適応アルゴリズムにより適応受信するシステムであれば、例えば「cdma2000 lxEV-DO」と呼ばれる符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）方式など、各種の無線通信方式に適用可能である。
【００２８】
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。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、通常動作時には、最小２乗誤差法に基づく適応アルゴリズムにより、アレーアンテナの指向性を制御するための指向性制御用重み係数が算出されてアレーアンテナの指向性が制御される。一方、校正動作時には、同じ最小２乗誤差法に基づく適応アルゴリズムにより、各アンテナ素子に対応する回路間の動作特性を整合するための補正用重み係数が算出される。これにより、アダプティブアレーアンテナシステム単体で校正することができ、校正時のシステム規模の縮小を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるアダプティブアレーアンテナシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態による校正前の振幅特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図３】本実施形態による校正前の位相特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】本実施形態による校正後の振幅特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】本実施形態による校正後の位相特性のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
２…アレー無線受信部、４…タイミング検出部、６，８…乗算器、１０…加算器、１２…アダプティブ制御部、１４…参照信号記憶部、１６…校正信号記憶部、Ａｎｔ１〜Ａｎｔ４…アンテナ素子、ＳＷ…スイッチ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an adaptive array antenna system and a calibration method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an adaptive array antenna system is provided with an array antenna composed of a plurality of antenna elements, and the received signals of each antenna element are weighted using a weighting factor for controlling the directivity of the array antenna and then synthesized and output. . The weighting coefficient is calculated by an adaptive algorithm based on a minimum mean square error (MMSE) method so that the square error between the received signal of each antenna element and the reference signal is minimized. A device that calculates a weighting coefficient by controlling is known (for example, see Non-Patent Document 1). As the above MMSE-based adaptive algorithm, LMS (Least Mean Square), RLS (Recursive Least-Squares), or the like is used.
[0003]
By the way, in the above-described adaptive array antenna system, a circuit of a radio unit including a radio signal receiving circuit or the like is provided corresponding to each antenna element. However, normally, between the circuits corresponding to each antenna element, Since the variation in the characteristics of the circuit elements is inherent, the operation characteristics differ between the radio units corresponding to the respective antenna elements. For example, after the radio signal received by each antenna element is received and processed by the radio unit, the phase characteristics of the received signal output from each radio unit vary. As a calibration method for calibrating such a malfunction in operating characteristics, a method of measuring a correction value using at least three array antennas is known (for example, see Patent Document 1).
[0004]
[Non-Patent Document 1]
Nobuyoshi Kikuma, “Adaptive signal processing by array antenna”, Science and Technology Publishing Co., Ltd., November 1998, p. 13-66
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-76746
[Problems to be solved by the invention]
However, since the above-described conventional technique requires at least three array antenna systems, there is a problem that the system scale at the time of calibration is large and complicated.
[0006]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an adaptive array antenna system that can be calibrated by a single adaptive array antenna system and can reduce the system scale during calibration. To provide a calibration method.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, an adaptive array antenna system according to claim 1 is provided corresponding to each of an array antenna composed of a plurality of antenna elements and the antenna elements, and performs a radio signal reception process. In an adaptive array antenna system comprising radio receiving means, reference signal generating means for generating a reference signal, calibration signal generating means for generating a calibration signal corresponding to the reference signal, and reception by each antenna element during normal operation A switch for outputting a calibration signal from the calibration signal generation means to the radio reception means during calibration operation, and a correction weight for the output signal from the radio reception means. Correction means weighted by a coefficient, and the output signal from the correction means controls the directivity of the array antenna Output signal generating means for weighting with a weighting factor for directivity control, and combining and outputting the weighted signals, and during normal operation, the output signal from the correcting means, the reference signal, and the output signal generation Based on an output signal from the means, an adaptive algorithm based on a least square error method is used to adaptively control the directivity so that a square error between the reference signal and the output signal from the output signal generating means is minimized. On the other hand, the control weight coefficient is calculated, and at the time of calibration operation, the same least square error method as that in the normal operation is applied based on the output signal from the wireless reception means, the reference signal and the output signal from the correction means An adaptive algorithm for calculating the correction weight coefficient by adaptive control so that a square error between the reference signal and the output signal from the correction means is minimized by an adaptive algorithm based on Comprising a revertive control means, the, and performs calibration operation the for each antenna element.
[0009]
The calibration method according to claim 2 is an adaptive array antenna comprising: an array antenna comprising a plurality of antenna elements; and a radio receiving means provided corresponding to each of the antenna elements and performing radio signal reception processing. A calibration method in a system, wherein a reference signal generating process for generating a reference signal, a calibration signal generating process for generating a calibration signal corresponding to the reference signal, and a radio signal received by each antenna element during normal operation On the other hand, a switching process of outputting the calibration signal to the wireless receiving means during a calibration operation, a correction process of weighting the output signal from the wireless receiving means by a correction weighting factor, A directivity control weighting unit for controlling the directivity of the array antenna from the output signal from the correction process In the normal operation, based on the output signal from the correction process, the reference signal, and the output signal from the output signal generation process, An adaptive algorithm based on the least square error method is used to adaptively control the square error between the reference signal and the output signal from the output signal generation process so as to minimize the directivity control weight coefficient, In the calibration operation, based on the output signal from the wireless reception means, the reference signal, and the output signal from the correction process, the reference signal and the reference signal are converted by the same adaptive algorithm based on the least square error method as in the normal operation. anda adaptive control step of calculating the correction weight coefficient by the adaptive control so as square error is minimized and the output signal from the correction process, Serial and performs calibration operation for each antenna element.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an adaptive array antenna system according to an embodiment of the present invention. The adaptive array antenna system shown in FIG. 1 is provided, for example, in a radio base station of a radio communication system, and includes a plurality of radio signals (four in the example of FIG. 1) transmitted from a mobile station (for example, a mobile phone). ) Of the antenna elements Ant1 to Ant4, and the received signal is subjected to adaptive reception processing.
[0012]
1, the adaptive array antenna system includes an array antenna including four antenna elements Ant1 to Ant4, a switch SW, an array radio reception unit 2, a timing detection unit 4, multipliers 6 and 8, an adder 10, and an adaptive control unit. 12, a reference signal storage unit 14, and a calibration signal storage unit 16. The switch SW, the array radio receiver 2, the timing detector 4, and the multipliers 6 and 8 are provided corresponding to the antenna elements Ant1 to Ant4.
[0013]
Each switch SW switches a signal to be output to the corresponding wireless receiver 2. The switch SW outputs the calibration signal from the calibration signal storage unit 16 to the array radio reception unit 2 during the calibration operation, and outputs the radio signal from the antenna element to the array radio reception unit 2 during the normal operation.
[0014]
Each array radio receiver 2 amplifies the input signals X _{1 to} X ₄ from the corresponding switches SW and converts them to baseband signals, and then converts them into digital signals by an A / D converter (Analog to Digital Converter). Output. Each output signal is input to the corresponding timing detection unit 4, and after the timing used for adaptive control (the timing of the reference interval, etc.) is detected, it is input to the corresponding multiplier 6 and adaptive control unit 12, respectively. The
[0015]
The multiplier 6 (correction means) is for correcting the reception signal from the antenna element by multiplying the reception signal from the corresponding antenna element by the correction weighting coefficient obtained during the calibration operation. The weighting factors W _{01 to} W ₀₄ for correction corresponding to the corresponding antenna element are input from the adaptive control unit 12 to each multiplier 6. Each multiplier 6 multiplies the output signal from the corresponding timing detector 4 and the correction weighting coefficient, and outputs a signal of the multiplication result. The output signals X _{01 to} X ₀₄ are input to the corresponding multipliers 8 and adaptive control units 12, respectively.
[0016]
The multiplier 8 is for weighting the received signal by multiplying the received signal from the corresponding antenna element by the weighting coefficient obtained during normal operation. Weighting factors W _{1 to} W ₄ corresponding to the corresponding antenna elements are input from the adaptive control unit 12 to each multiplier 8. Each multiplier 6 multiplies the output signal from the corresponding multiplier 6 and the weighting factor from the adaptive control unit 12, and outputs the multiplication result, that is, the weighted reception signal. The weighted received signals are input to the adder 10. The adder 10 combines the weighted reception signals input from the multipliers 8 to generate and output an output signal y. The output signal y is input to the adaptive control unit 12.
Note that the multiplier 8 and the adder 10 correspond to output signal generation means.
[0017]
During normal operation, the adaptive control unit 12 uses weighting factors W _{1 to} W ₄ (directivity control weighting factors) for controlling the directivity of the array antenna composed of the antenna elements Ant1 to Ant4 using an adaptive algorithm based on MMSE. calculate. On the other hand, during the calibration operation, correction weighting factors W _{01 to} W ₀₄ for matching operation characteristics between circuits corresponding to the antenna elements Ant ₁ to 4 are calculated by the same MMSE-based adaptive algorithm. As the adaptive algorithm, LMS (Least Mean Square), RLS (Recursive Least-Squares), or the like can be used.
[0018]
The adaptive control unit 12 receives the reference signal r from the reference signal storage unit 12, the output signal from the timing detection unit 4, the output signals X _{01 to} X ₀₄ from each multiplier 6, and the output signal y. The reference signal storage unit 12 (reference signal generating means) stores in advance a reference signal r corresponding to a known pilot signal transmitted from the transmission side.
[0019]
The calibration signal storage unit 16 (calibration signal generation means) stores a calibration signal corresponding to the reference signal r stored in the reference signal storage unit 12 in advance. This calibration signal is configured as four signals corresponding to radio signals received by the antenna elements Ant1 to Ant4.
[0020]
Next, the operation at the time of calibration of the above-described adaptive array antenna system of FIG. 1 will be described.
In FIG. 1, calibration is performed for each antenna element. For example, the antenna elements Ant1, Ant2, Ant3, and Ant4 are performed in this order. Thereby, the structure which concerns on calibration is simplified. Here, the calibration operation for the antenna element Ant1 will be described as an example, but the calibration operations for the other antenna elements Ant2 to 4 are also the same.
[0021]
First, the switch SW corresponding to the antenna element Ant1 to be calibrated is closed so as to connect the calibration signal storage unit 16 and the array radio receiving unit 2, and the switches SW corresponding to the antenna elements Ant2 to 4 other than the calibration target are opened. The Next, the calibration signal is read from the calibration signal storage unit 16 and input to the array radio reception unit 2. The input signal X ₁ (calibration signal) is input to the multiplier 6 and the adaptive control unit 12 via the array radio reception unit 2 and the timing detection unit 4. Then, the output signal X ₀₁ of the multiplier 6 is input to the adaptive control unit 12.
[0022]
Next, the adaptive control unit 12 performs adaptive control so as to minimize the square error E ₀₁ expressed by the equation (1), and calculates the weight coefficient W ₀₁ .
E ₀₁ (t) = (r (t) −W ₀₁ ^* X ₁ (t)) ² = (r (t) −X ₀₁ (t)) ² (1)
Where t is the sampling time and ^* is a complex conjugate notation.
[0023]
By calibration operation described above is performed respectively for each antenna element Ant1～4, the weight coefficient W ₀₁ to W-for correcting the variation of the phase characteristic of the array radio receiving unit 2 corresponding to each antenna element Ant1～4 ₀₄ is obtained. When these weighting factors W _{01 to} W ₀₄ are set in each multiplier 6, the calibration operation ends.
[0024]
Next, the normal operation of the adaptive array antenna system of FIG. 1 after the calibration will be described.
First, each switch SW is closed so as to connect the antenna element and the array radio receiver 2. Thus, radio signals received by each antenna element Ant1~4 as the input signal X ₁ to X ₄ each array radio receiving section 2. The input signals X _{1 to} X ₄ (reception signals) are input to each multiplier 6 via each array radio reception unit 2 and each timing detection unit 4. The output signals X _{01 to} X ₀₄ of each multiplier 6 are input to each multiplier 8 and the adaptive control unit 12. The output signals of the multipliers 8 are input to the adder 10 and added, and an output signal y as a result of the addition is output from the adder 10. The output signal y is input to the adaptive control unit 12.
[0025]
Next, the adaptive control unit 12 uses the reference signal r, the output signals X _{01 to} X _{04 of} each multiplier 6 and the output signal y so that the square error between the reference signal r and the output signal y is minimized. Control to calculate weighting factors W _{1 to} W ₄ . Thereby, the directivity of the array antenna is controlled. The calibrated output signal y is expressed by equation (2).
y (t) = W ^H X ₀ (t) (2)
However,
X ₀ (t) = [X ₀₁ (t), X ₀₂ (t), X ₀₃ (t), X ₀₄ (t)] ^T ,
X ₀₁ (t) = W ₀₁ ^* X ₁ (t),
X ₀₂ (t) = W ₀₂ ^* X ₂ (t),
X ₀₃ (t) = W ₀₃ ^* X ₃ (t),
X ₀₄ (t) = W ₀₄ ^* X ₄ (t),
W = [W ₁ , W ₂ , W ₃ , W ₄ ] ^T ,
^T is the transposition notation,
^H is the notation of complex conjugate transpose,
It is.
[0026]
2 to 5 show simulation results of amplitude characteristics and phase characteristics before and after calibration according to the present embodiment. 2 and 3 show simulation results before calibration. FIG. 2 shows amplitude characteristics, and FIG. 3 shows phase characteristics. 4 and 5 show simulation results after calibration. FIG. 4 shows amplitude characteristics, and FIG. 5 shows phase characteristics.
As shown in FIG. 3, before the calibration, there are variations in the phase characteristics (indicated by X _{1 to} X ₄ in FIG. 3) corresponding to the antenna elements Ant1 to Ant4. However, as shown in FIG. 5, after the calibration, there is no variation in the phase characteristics corresponding to the antenna elements Ant1 to Ant4, indicating that the calibration was performed satisfactorily.
[0027]
Note that the adaptive array antenna system of the present invention can be similarly applied to a mobile station, for example, a mobile terminal such as a mobile phone. In addition, any system that uses an array antenna and performs adaptive reception using an adaptive algorithm based on MMSE can be applied to various wireless communication systems such as a code division multiple access (CDMA) system called “cdma2000 lxEV-DO”. is there.
[0028]
The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes design changes and the like within a scope not departing from the gist of the present invention.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, during normal operation, the directivity control weighting factor for controlling the directivity of the array antenna is calculated by the adaptive algorithm based on the least square error method, and the array antenna Directivity is controlled. On the other hand, during the calibration operation, a correction weighting coefficient for matching the operation characteristics between the circuits corresponding to each antenna element is calculated by an adaptive algorithm based on the same least square error method. As a result, the adaptive array antenna system can be calibrated alone, and the system scale at the time of calibration can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an adaptive array antenna system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a simulation result of amplitude characteristics before calibration according to the present embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a simulation result of phase characteristics before calibration according to the present embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a simulation result of amplitude characteristics after calibration according to the present embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a simulation result of phase characteristics after calibration according to the present embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Array radio | wireless receiving part, 4 ... Timing detection part, 6,8 ... Multiplier, 10 ... Adder, 12 ... Adaptive control part, 14 ... Reference signal memory | storage part, 16 ... Calibration signal memory | storage part, Ant1-Ant4 ... Antenna Element, SW ... switch

Claims

複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、前記アンテナ素子の各々に対応して設けられ、無線信号の受信処理を行う無線受信手段とを備えたアダプティブアレーアンテナシステムにおいて、
参照信号を発生する参照信号発生手段と、
前記参照信号に対応する校正信号を発生する校正信号発生手段と、
通常動作時には前記各アンテナ素子で受信された無線信号を前記無線受信手段へ出力し、一方、校正動作時には前記校正信号発生手段からの校正信号を前記無線受信手段へ出力するスイッチと、
前記無線受信手段からの出力信号を補正用重み係数により重み付けする補正手段と、
前記補正手段からの出力信号を前記アレーアンテナの指向性を制御するための指向性制御用重み係数により重み付けし、この重み付け後の信号を合成して出力する出力信号生成手段と、
通常動作時には、前記補正手段からの出力信号と前記参照信号と前記出力信号生成手段からの出力信号に基づいて、最小２乗誤差法に基づく適応アルゴリズムにより、前記参照信号と前記出力信号生成手段からの出力信号との二乗誤差が最小となるように適応制御して前記指向性制御用重み係数を算出し、一方、校正動作時には、前記無線受信手段からの出力信号と前記参照信号と前記補正手段からの出力信号に基づいて、前記通常動作時と同じ最小２乗誤差法に基づく適応アルゴリズムにより、前記参照信号と前記補正手段からの出力信号との二乗誤差が最小となるように適応制御して前記補正用重み係数を算出するアダプティブ制御手段と、を備え、
前記各アンテナ素子別に校正動作を行うことを特徴とするアダプティブアレーアンテナシステム。In an adaptive array antenna system comprising: an array antenna comprising a plurality of antenna elements; and a radio receiving means that is provided corresponding to each of the antenna elements and performs radio signal reception processing.
Reference signal generating means for generating a reference signal;
Calibration signal generating means for generating a calibration signal corresponding to the reference signal ;
A switch that outputs a radio signal received by each antenna element during normal operation to the radio reception unit, and a calibration signal that is output from the calibration signal generation unit to the radio reception unit during a calibration operation;
Correction means for weighting an output signal from the wireless reception means by a correction weighting factor;
An output signal generating means for weighting an output signal from the correcting means by a weighting factor for directivity control for controlling the directivity of the array antenna, and combining and outputting the weighted signals;
During normal operation, the reference signal and the output signal generating means are applied by an adaptive algorithm based on the least square error method based on the output signal from the correcting means, the reference signal, and the output signal from the output signal generating means. The directivity control weighting coefficient is calculated by adaptive control so that a square error with the output signal of the output signal is minimized, while the output signal from the wireless reception means, the reference signal, and the correction means are calculated during the calibration operation. The adaptive control based on the same least square error method as in the normal operation is used to adaptively control the square error between the reference signal and the output signal from the correction means based on the output signal from Adaptive control means for calculating the correction weighting coefficient,
An adaptive array antenna system, wherein a calibration operation is performed for each antenna element .

複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、前記アンテナ素子の各々に対応して設けられ、無線信号の受信処理を行う無線受信手段とを備えたアダプティブアレーアンテナシステムにおけるキャリブレーション方法であって、
参照信号を発生する参照信号発生過程と、
前記参照信号に対応する校正信号を発生する校正信号発生過程と、
通常動作時には前記各アンテナ素子で受信された無線信号を前記無線受信手段へ出力し、一方、校正動作時には前記校正信号を前記無線受信手段へ出力するスイッチ過程と、
前記無線受信手段からの出力信号を補正用重み係数により重み付けする補正過程と、
前記補正過程からの出力信号を前記アレーアンテナの指向性を制御するための指向性制御用重み係数により重み付けし、この重み付け後の信号を合成して出力する出力信号生成過程と、
通常動作時には、前記補正過程からの出力信号と前記参照信号と前記出力信号生成過程からの出力信号に基づいて、最小２乗誤差法に基づく適応アルゴリズムにより、前記参照信号と前記出力信号生成過程からの出力信号との二乗誤差が最小となるように適応制御して前記指向性制御用重み係数を算出し、一方、校正動作時には、前記無線受信手段からの出力信号と前記参照信号と前記補正過程からの出力信号に基づいて、前記通常動作時と同じ最小２乗誤差法に基づく適応アルゴリズムにより、前記参照信号と前記補正過程からの出力信号との二乗誤差が最小となるように適応制御して前記補正用重み係数を算出するアダプティブ制御過程と、を含み、
前記各アンテナ素子別に校正動作を行うことを特徴とするキャリブレーション方法。A calibration method in an adaptive array antenna system comprising: an array antenna comprising a plurality of antenna elements; and a radio reception means that is provided corresponding to each of the antenna elements and performs radio signal reception processing,
A reference signal generation process for generating a reference signal;
A calibration signal generating process for generating a calibration signal corresponding to the reference signal ;
A switch process of outputting a radio signal received by each antenna element to the radio receiving means during normal operation, while outputting the calibration signal to the radio receiving means during a calibration operation,
A correction process of weighting the output signal from the wireless reception means by a correction weighting factor;
An output signal generation process for weighting the output signal from the correction process with a weighting factor for directivity control for controlling the directivity of the array antenna, and combining and outputting the weighted signal;
During normal operation, based on the output signal from the correction process, the reference signal, and the output signal from the output signal generation process, the adaptive signal based on the least square error method is used to generate the reference signal and the output signal generation process. The weighting factor for directivity control is calculated by adaptive control so that the square error with the output signal is minimized, while the output signal from the wireless reception means, the reference signal, and the correction process are calculated during the calibration operation. The adaptive control based on the same least square error method as in the normal operation is used to adaptively control the square error between the reference signal and the output signal from the correction process based on the output signal from An adaptive control process for calculating the correction weighting factor,
A calibration method, wherein a calibration operation is performed for each antenna element .