JP6211226B2 - 受信装置及び受信方法 - Google Patents
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Description
《1−1》実施の形態1の構成
図1は、本発明の実施の形態1による受信装置1の構成を概略的に示すブロック図である。受信装置1は、送信機から発せられる電波(到来波)を受信する。図1に示されるように、実施の形態1による受信装置1は、アレイアンテナを構成するN本(Nは2以上の整数)のアンテナ素子10_1,…,10_Nに接続されたN個の無線受信部11_1,…,11_Nと、アレイ処理部12と、アレイ制御部13と、(N+1)個の遅延プロファイル推定部14_1,…,14_N+1と、(N+1)個の電力算出部15_1,…,15_N+1と、合成部16と、差分部17と、2次元マップ部18と、到来角推定部19とを備えている。遅延プロファイル推定部14_nと電力算出部15_nとは、電力遅延プロファイル推定部20_nを構成する。電力遅延プロファイル推定部20_1,…,20_Nは、第1電力遅延プロファイル推定部とも言う。電力遅延プロファイル推定部20_N+1は、第2電力遅延プロファイル推定部とも言う。また、受信装置1は、無線受信部11_1,…,11_Nと、アレイ処理部12と、アレイ制御部13と、遅延プロファイル推定部14_1,…,14_N+1と、電力算出部15_1,…,15_N+1と、合成部16と、差分部17と、2次元マップ部18と、到来角推定部19とを制御する制御部を備えても良い。
無線受信部11_1,…,11_Nは、アンテナ素子10_1,…,10_Nを介して受信されたN個の受信信号に、それぞれ周波数変換処理を施して、N個のベースバンド信号を生成する。無線受信部11_1,…,11_Nは、N個のベースバンド信号をアナログデジタル(AD)変換して得られたN個のデジタル信号を出力する。N個のデジタル信号は、遅延プロファイル推定部14_1,…,14_Nにそれぞれ与えられる。また、N個のデジタル信号は、アレイ処理部12に与えられる。
遅延時間分解能Δτ[s]は、OFDM伝送方式の場合、帯域幅をWOFDM[Hz]とすると、Δτ=1/WOFDMである。
また、遅延時間分解能Δτ[s]は、DSSS伝送方式の場合、チップレートをWDSSS[Hz]とすると、Δτ=1/WDSSSである。
また、遅延プロファイルの長さLは、L×Δτが通信システムで考え得る最大遅延時間より長いものとなるように、設定される。
pn(m,l)=|hn(m,l)|2
また、電力算出部15_1,…,15_N+1は、遅延プロファイルの電力の代わりに、遅延プロファイルの振幅を出力しても良い。以降、電力算出部15_1,…,15_N+1から出力される遅延プロファイルの電力pn(m,l)を、電力遅延プロファイルとも呼ぶ。
d(m,l)=q(m,l)−pN+1(m,l)
ここで、図4(a)及び(b)に示されるような直接波と遅延波を受信する場合を考える。直接波と遅延波の到来角はそれぞれθ1と−θ2とし、直接波と遅延波の遅延時間の差をτとする。このような環境下で、アレイ処理部12のヌル点の方向θNULLがθ1と等しい場合、合成部16から出力される合成電力遅延プロファイルq(m,l)、電力算出部15_N+1から出力されるアレイ処理後の電力遅延プロファイルpN+1(m,l)、及び差分部17から出力される差分電力遅延プロファイルd(m,l)は、図5の欄Aのようになる。図5の欄Aにおいて、合成部16の出力q(m,l)は全到来波の成分が含まれており、電力算出部15_n+1の出力pN+1(m,l)は遅延波成分のみが含まれるため、差分部17の出力(差分電力遅延プロファイル)d(m,l)には直接波の成分が含まれることになる。つまり、差分電力遅延プロファイルd(m,l)には、ヌル点の方向から到来する到来波が含まれることになる。
θNULL=−π+a×Δθ (a=0,1,…,2π/Δθ−1)
のように順次走査する。0≦a<2π/Δθについて、−πからπの全方向の走査が完了するが、引き続き、走査を続けても良い。なお、インデックスaは、Mシンボル毎にインクリメントされるものとする。このヌル点の走査方向θNULLは、アレイ処理部12の他に、2次元マップ部18でも使用される。
θNULL=−π+aΔθ (a=0,1,…,2π/Δθ−1)
に向けられている期間中に出力されるMシンボル分の差分電力遅延プロファルの平均da(l)を、次式(4)で計算する。差分電力遅延プロファルの平均da(l)を、平均差分電力遅延プロファイルとも呼ぶ。
特許文献1に記載の装置は、遅延時間が遅延プロファイルの遅延時間分解能より短い遅延波が存在する環境下で、直接波と遅延波を分離することができず、直接波の到来角の推定精度が劣化する。これに対して、実施の形態1による受信装置1及び受信方法によれば、図5及び図8に示された原理により、アレイアンテナのヌル点を利用して直接波と遅延波とを分離することが可能であり、精度よく直接波の到来角θ1を推定することができるという効果がある。
《2−1》実施の形態2の構成
実施の形態1による受信装置1は、図1のアレイ処理部12のアンテナ利得が、ヌル点で急峻に落ちることを利用している。しかし、実際には、アレイアンテナを構成するアンテナ素子の本数が少なくなるほど、ヌル点周辺におけるアンテナ利得の減衰が緩やかになり、その結果、ヌル点の幅が広くなる。メインローブに比べるとヌル点の幅は狭いため、アンテナ素子の本数が同数の場合、実施の形態1による受信装置の方が特許文献2及び3に記載の装置及び方法よりも、直接波の到来角の推定精度は高い。しかし、アレイアンテナを構成するアンテナ素子の本数が少なくなると、ヌル点の幅が広がり、この広がりに応じて、直接波の到来角θ1の推定精度が劣化する。そこで、実施の形態2に係る受信装置2では、ヌル点の幅の広がりを2次元マップ上で補正し、直接波の到来角θ1の推定精度の劣化を抑圧する。
図11(a)及び(b)は、実施の形態2における遅延時間が長い場合の遅延時間と到来角との関係を示す2次元マップを示す図である。ここで、図4に示される電波環境を考える。アンテナ素子の本数が少なく、ヌル点の幅が広い場合、遅延時間と到来角との関係を示す2次元マップは、図11(a)のようになり、直接波の成分を到来角方向に切り出したfa(θ)を図11(b)に示す。図11(b)の到来角方向の広がりの形状は、アレイアンテナの指向性の形状から一意に決まるため既知である。この既知の到来角の広がりをg(θ)とすると、図11(b)は次式で表される。
以上に説明したように、実施の形態2による受信装置2及び受信方法によれば、アンテナ素子の本数Nが比較的少ない本数であり、アレイアンテナ利得のヌル点周辺の落ち込みが緩やかになってヌル点の幅が広くなるときに、アレイアンテナの指向性の形状から一意に決まるヌル点の広がりの形状を利用して2次元マップを補正する。このため、直接波の到来角θ1の推定精度が向上するという効果がある。
《3−1》実施の形態3の構成
実施の形態1及び2による受信装置1及び2は、アレイアンテナで受信した信号に対して、ヌル点の方向を順次変えながら、直接波の到来角θ1を推定している。このような処理手順は、送信機が電波を連続的に送信している場合に有効である。しかし、送信機が所定のフレーム長の信号を送信する場合に、ヌル点の走査(すなわち、ヌル点の方向を順次変えながら、直接波の到来角θ1を推定する処理)が、前記信号のフレーム期間に完了しない場合も考えられる。
実施の形態3においては、所定の期間T秒分の受信信号を用いる。ここで、Tは送信信号のフレーム長以下の時間である。
以上に説明したように、実施の形態3による受信装置3によれば、所定期間T秒の受信信号に対応する信号をメモリに格納し、繰り返し読み出しながら2次元マップを作成することで、フレーム長が限られている場合でも、直接波の到来角θ1を正確に推定することができるという効果がある。
《4−1》実施の形態4による処理
実施の形態4による受信方法は、実施の形態1による受信装置1による処理と同じである。したがって、実施の形態4の説明においては、図1をも参照する。
実施の形態4による受信方法は、アレイ制御部13がヌル方向を初期化(予め決められた方向に設定)するステップ(S1)と、無線受信部11_1,…,11_Nが無線信号を受信する受信ステップ(S2)と、N個の第1電力遅延プロファイルp1(k),…,pN(k)を推定する第1推定ステップ(S3,S4)とを有する。また、実施の形態4による受信方法は、合成電力遅延プロファイルq(m,l)を生成する合成ステップ(ステップS5)と、アレイ処理信号y(k)を生成するアレイ処理ステップ(S6)と、アレイ処理信号y(k)から第2電力遅延プロファイルpN+1(m,l)を推定する第2推定ステップ(S7,S8)とを有する。さらに、実施の形態4による受信方法は、合成電力遅延プロファイルq(m,l)から第2電力遅延プロファイルpN+1(m,l)を減算して差分電力遅延プロファイルd(m,l)を生成する差分ステップ(S9)と、差分電力遅延プロファイルd(m,l)とアレイ制御部13で指定(変更)されるヌル点の方向とをもとにして、到来波の遅延時間と到来角との関係を示す2次元マップを作成する2次元マップステップ(S10)とを有する。さらにまた、実施の形態4による受信方法は、アレイ制御部13によるヌル点の走査によってヌル点の方向を変更して、受信ステップ(S2)、第1推定ステップ(S3,S4)、合成ステップ(S5)、アレイ処理ステップ(S6)、第2推定ステップ(S7,S8)、差分ステップ(S9)、及び2次元マップステップ(S10)を繰り返し実行するステップ(S11,S12)と、ヌル点走査が全ての方向について完了したときに、到来波の内の直接波の到来角θ1を推定して出力する到来角推定ステップ(S13)とを有する。到来角推定ステップ(S13)においては、2次元マップ上における搬送波の内の、遅延時間が最も短く且つ電力が最も大きい成分を直接波と判断して直接波の到来角θ1を推定する。
θNULL=−π+a×Δθ (a=0,1,…,2π/Δθ−1)
のように、Δθ間隔で順次走査する。0≦a<2π/Δθの期間中、受信ステップ(S2)からヌル方向更新ステップ(S11)までを繰り返し実行する。a=2π/Δθになったときに、ヌル方向が、−πからπまでの全方向の走査が完了するため、処理を次のステップに移す。なお、ヌル点の走査方向θNULLは、2次元マップステップ(S10)でも使用する。
特許文献1は、遅延時間が遅延プロファイルの遅延時間分解能より短い遅延波を分離が存在する環境下で、直接波と遅延波を分離することができず、直接波の到来角の推定精度が劣化するのに対して、実施の形態4によれば、実施の形態1と同様、アレイアンテナのヌル点を利用して直接波と遅延波を分離することが可能であり、精度よく直接波の到来角を推定することができるという効果がある。
図18は、上記実施の形態1から3による受信装置の構成例を示すハードウェア構成図である。図18に示される受信装置1は、ソフトウェアとしてのプログラムを格納する記憶装置としてのメモリ91と、メモリ91に格納されたプログラムを実行する情報処理部としてのプロセッサ92とを有する。図18に示される受信装置1は、実施の形態1から3による受信装置の構造の具体例を示している。図18に示される受信装置1の動作は、実施の形態1から3による受信装置の動作又は実施の形態4による受信方法と同じである。メモリ91に格納されているプログラムは、プロセッサ92を含むコンピュータで実行可能なプログラムであり、実施の形態4(図15)に示される処理をコンピュータに実行させることができる。
Claims (6)
- 複数本のアンテナ素子を含むアレイアンテナに到来する電波である到来波を受信する受信装置であって、
前記複数本のアンテナ素子を介して受信された複数の信号をもとにして、前記複数の信号に対応する複数のデジタル信号を生成する無線受信部と、
前記複数のデジタル信号をもとにして、前記複数のデジタル信号に対応する複数の第1電力遅延プロファイルを推定する第1電力遅延プロファイル推定部と、
前記複数の第1電力遅延プロファイルを合成して合成電力遅延プロファイルを生成する合成部と、
前記アレイアンテナのヌル点の方向を変更するアレイ制御部と、
前記複数のデジタル信号に対し、前記アレイ制御部で変更された方向にヌル点を向けてアレイ処理を行って、アレイ処理信号を生成するアレイ処理部と、
前記アレイ処理信号から第2電力遅延プロファイルを推定する第2遅延プロファイル推定部と、
前記合成電力遅延プロファイルから前記第2電力遅延プロファイルを減算して得られる差分電力遅延プロファイルを生成する差分部と、
前記差分電力遅延プロファイルと前記アレイ制御部で変更される前記ヌル点の方向とをもとにして、前記到来波の遅延時間と到来角との関係を示す2次元マップを作成する2次元マップ部と、
前記2次元マップ上における到来波の内の、遅延時間が最も短く且つ電力が最も大きい成分の到来角を出力する到来角推定部と、
を備える受信装置。 - 前記2次元マップ部で作成された前記2次元マップを補正し、補正後の2次元マップを前記到来角推定部に与える補正部をさらに備え、
前記補正部は、
前記2次元マップ部で作成された前記2次元マップ上で遅延時間毎に到来角方向の成分をフーリエ変換するフーリエ変換部と、
前記フーリエ変換部から出力される信号を、補正係数で除算する除算部と、
前記除算部から出力される信号を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換部と、
を有し、
前記補正係数は、前記アレイアンテナの指向性の形状をもとにして算出される
ことを特徴とする請求項1に記載の受信装置。 - 前記複数の無線受信部で生成された前記複数のデジタル信号を格納する信号メモリ部と、
前記合成部で生成された前記合成電力遅延プロファイルを格納するプロファイルメモリ部と、
をさらに備え、
前記2次元マップ部は、前記信号メモリ部に格納されている前記複数のデジタル信号と前記プロファイルメモリ部に格納されている前記合成電力遅延プロファイルとをもとにして、前記2次元マップを作成する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の受信装置。 - 前記アレイアンテナをさらに備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の受信装置。
- 前記アレイ制御部による前記ヌル点の変更は、到来波の到来角が−πから+πまでの範囲内において行われることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の受信装置。
- 複数本のアンテナ素子を含むアレイアンテナに到来する電波である到来波を受信する受信方法であって、
前記複数本のアンテナ素子を介して受信された複数の信号をもとにして、前記複数の信号に対応する複数のデジタル信号を生成する受信ステップと、
前記複数のデジタル信号をもとにして、前記複数のデジタル信号に対応する複数の第1電力遅延プロファイルを推定する第1推定ステップと、
前記複数の第1電力遅延プロファイルを合成して合成電力遅延プロファイルを生成する合成ステップと、
前記アレイアンテナのヌル点の方向を変更し、前記複数のデジタル信号に対し、前記変更された方向にヌル点を向けてアレイ処理を行って、アレイ処理信号を生成するアレイ処理ステップと、
前記アレイ処理信号から第2電力遅延プロファイルを推定する第2推定ステップと、
前記合成電力遅延プロファイルから前記第2電力遅延プロファイルを減算して得られる差分電力遅延プロファイルを生成する差分ステップと、
前記差分電力遅延プロファイルと前記変更されたヌル点の方向とをもとにして、前記到来波の遅延時間と到来角との関係を示す2次元マップを作成する2次元マップステップと、
前記ヌル点の方向を変更して、前記受信ステップ、前記第1推定ステップ、前記合成ステップ、前記アレイ処理ステップ、前記第2推定ステップ、前記差分ステップ、及び前記2次元マップステップを実行するステップと、
前記2次元マップ上における前記到来波の内の、遅延時間が最も短く且つ電力が最も大きい成分の到来角を出力する到来角推定ステップと、
を有する受信方法。
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