JP2002148324A - 電波到来方向推定装置 - Google Patents
電波到来方向推定装置Info
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Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】複数のアンテナから構成されるアレーアンテナ
で受信した信号から高い精度、かつ小さい計算負荷で到
来波の数と各到来波の方向を推定することが可能な電波
到来方向推定装置を提供する。 【解決手段】方向推定精度が高く計算負荷が小さい線形
予測法により到来方向候補を推定し(35)，電力推定精度
の高いCapon法により到来方向候補のアレーアンテナ出
力電力を算出して(36)，アレーアンテナ出力電力値(37)
を到来波数判定規範(38)に適用して到来波数推定を行い
(39)，到来波数推定後に到来方向候補の中から真の到来
方向を推定する(40)。 【効果】MUSICで行われる固有値分解を必要とせずに高
い精度かつ一定の小さい計算負荷で到来波数と到来方向
を推定することが可能であるため，信号処理装置を簡略
化することができる。
で受信した信号から高い精度、かつ小さい計算負荷で到
来波の数と各到来波の方向を推定することが可能な電波
到来方向推定装置を提供する。 【解決手段】方向推定精度が高く計算負荷が小さい線形
予測法により到来方向候補を推定し(35)，電力推定精度
の高いCapon法により到来方向候補のアレーアンテナ出
力電力を算出して(36)，アレーアンテナ出力電力値(37)
を到来波数判定規範(38)に適用して到来波数推定を行い
(39)，到来波数推定後に到来方向候補の中から真の到来
方向を推定する(40)。 【効果】MUSICで行われる固有値分解を必要とせずに高
い精度かつ一定の小さい計算負荷で到来波数と到来方向
を推定することが可能であるため，信号処理装置を簡略
化することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、無線基地局を有す
る無線通信システムに関し、特に、複数のアンテナから
構成されるアレーアンテナで受信された信号から到来波
の数及び各到来波の方向を推定する電波到来方向推定装
置に関するものである。
る無線通信システムに関し、特に、複数のアンテナから
構成されるアレーアンテナで受信された信号から到来波
の数及び各到来波の方向を推定する電波到来方向推定装
置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電波到来方向推定技術は，複数のアンテ
ナから構成されるアレーアンテナを利用して様々な電波
伝搬環境における到来波分布を把握する技術である。電
波到来方向推定手法としては，beamformer法やCapon
法，線形予測法，最尤推定法といった古典的な手法，さ
らには高分解能到来方向推定手法と言われているMUSIC
（Multiple Signal Classification）やESPRIT（Estima
tion of Signal Parametersvia Rotational Invariance
Techniques）など，すでに多くの手法が提案されてお
り，これらは，例えばH.Krim and M.Viberg : "Two Dec
ades of Array Signal Processing Research," IEEE Si
gnal Processing Magazine, vol.13, No.4,pp.67-94（J
uly 1996）や，菊間信良 : "アレーアンテナによる適応
信号処理"科学技術出版（1999）などに詳しく紹介され
ている。この中でも近年特に注目を集めているのがMUSI
Cである。以下，MUSICを搭載した電波到来方向推定装置
の構成とその動作について，図１を用いて説明する。
ナから構成されるアレーアンテナを利用して様々な電波
伝搬環境における到来波分布を把握する技術である。電
波到来方向推定手法としては，beamformer法やCapon
法，線形予測法，最尤推定法といった古典的な手法，さ
らには高分解能到来方向推定手法と言われているMUSIC
（Multiple Signal Classification）やESPRIT（Estima
tion of Signal Parametersvia Rotational Invariance
Techniques）など，すでに多くの手法が提案されてお
り，これらは，例えばH.Krim and M.Viberg : "Two Dec
ades of Array Signal Processing Research," IEEE Si
gnal Processing Magazine, vol.13, No.4,pp.67-94（J
uly 1996）や，菊間信良 : "アレーアンテナによる適応
信号処理"科学技術出版（1999）などに詳しく紹介され
ている。この中でも近年特に注目を集めているのがMUSI
Cである。以下，MUSICを搭載した電波到来方向推定装置
の構成とその動作について，図１を用いて説明する。
【０００３】なお本説明で取り上げる電波伝搬環境は，
次のようなものとする。到来波がＮ個存在するとし，到
来波の方向はアレーアンテナから見た正面方向を０度と
してθi(i=1,2,‥‥,N)の方向であるとする。ただし各
到来波の方向θiはすべて異なり，−９０°≦θi≦９０
°を満足するものとする。また到来波数Ｎはアレーアン
テナを構成するアンテナの数Ｍよりも小さい（Ｎ＜Ｍ）
とする。各到来波ｓi(t) (i=1,2,‥‥,N)は時間ｔに応
じて変化するが，これらは互いに無相関であるとする。
また各到来波の占有帯域幅はアレーアンテナの開口長に
対して十分狭帯域であるとする。
次のようなものとする。到来波がＮ個存在するとし，到
来波の方向はアレーアンテナから見た正面方向を０度と
してθi(i=1,2,‥‥,N)の方向であるとする。ただし各
到来波の方向θiはすべて異なり，−９０°≦θi≦９０
°を満足するものとする。また到来波数Ｎはアレーアン
テナを構成するアンテナの数Ｍよりも小さい（Ｎ＜Ｍ）
とする。各到来波ｓi(t) (i=1,2,‥‥,N)は時間ｔに応
じて変化するが，これらは互いに無相関であるとする。
また各到来波の占有帯域幅はアレーアンテナの開口長に
対して十分狭帯域であるとする。
【０００４】図１はMUSICを搭載した電波到来方向推定
装置の構成図である。電波到来方向推定装置は，到来波
を受信する受信アンテナ部８と，受信信号から到来波の
数及び各到来波の方向を推定する到来波数・到来方向推
定部９と，推定された到来波数と到来方向を表示する到
来波数・到来方向推定結果表示部１０に大別できる。
装置の構成図である。電波到来方向推定装置は，到来波
を受信する受信アンテナ部８と，受信信号から到来波の
数及び各到来波の方向を推定する到来波数・到来方向推
定部９と，推定された到来波数と到来方向を表示する到
来波数・到来方向推定結果表示部１０に大別できる。
【０００５】受信アンテナ部８は，到来波を受信する複
数のアンテナから構成されるアレーアンテナ８１と，ア
レーアンテナ８１で受信された信号に対して到来波数と
到来方向を推定するために必要な前処理を行う受信機８
２から構成されている。
数のアンテナから構成されるアレーアンテナ８１と，ア
レーアンテナ８１で受信された信号に対して到来波数と
到来方向を推定するために必要な前処理を行う受信機８
２から構成されている。
【０００６】到来方向・到来波数推定部９は，各受信機
からのベースバンド信号をまとめた入力信号ベクトルの
相関行列を算出する相関行列算出器９１と，相関行列を
固有値分解することによって固有値と固有ベクトルを算
出する固有値・固有ベクトル算出器９２と，固有値を利
用して到来波数判定規範を算出する到来波数判定規範算
出器９３と，到来波数判定規範の最小値を検出して到来
波数を推定する到来波数推定器９４と，到来波数推定結
果から固有ベクトルのうち雑音部分空間固有ベクトルを
抽出する雑音部分空間固有ベクトル抽出器９５と，雑音
部分空間固有ベクトルを利用して到来波の角度分布（MU
SICスペクトラム）を算出するMUSICスペクトラム算出器
９６と，MUSICスペクトラムの極大値を検出して到来方
向を推定する到来方向推定器９７から構成されている。
からのベースバンド信号をまとめた入力信号ベクトルの
相関行列を算出する相関行列算出器９１と，相関行列を
固有値分解することによって固有値と固有ベクトルを算
出する固有値・固有ベクトル算出器９２と，固有値を利
用して到来波数判定規範を算出する到来波数判定規範算
出器９３と，到来波数判定規範の最小値を検出して到来
波数を推定する到来波数推定器９４と，到来波数推定結
果から固有ベクトルのうち雑音部分空間固有ベクトルを
抽出する雑音部分空間固有ベクトル抽出器９５と，雑音
部分空間固有ベクトルを利用して到来波の角度分布（MU
SICスペクトラム）を算出するMUSICスペクトラム算出器
９６と，MUSICスペクトラムの極大値を検出して到来方
向を推定する到来方向推定器９７から構成されている。
【０００７】到来波数・到来方向推定結果表示部１０
は，到来波数・到来方向推定部９から送られる到来波数
と到来方向の推定結果を表示する到来波数・到来方向推
定結果表示器１０１のみで構成されている。
は，到来波数・到来方向推定部９から送られる到来波数
と到来方向の推定結果を表示する到来波数・到来方向推
定結果表示器１０１のみで構成されている。
【０００８】次にMUSICを搭載した電波到来方向推定装
置の動作について説明する。θi(i=1,2,‥‥,N)の方向
から到来するＮ個の到来波ｓi(t) (i=1,2,‥‥,N)をＭ
個のアンテナから構成されるアレーアンテナ８１で受信
した場合の各アンテナでの受信信号をｘi(t)(i=1,2,‥
‥,M)とする。このときｘi(t)をまとめてベクトル表示
したものをｘ(t)=[ｘ1(t), ｘ2(t),‥‥, ｘM(t)]T（T
は転置を表す）とすると，ｘ(t)は次のように表すこと
ができる。 ｘ(t)=ａ(θ1)ｓ1(t)＋ａ(θ2)ｓ2(t)＋‥‥＋ａ(θN)
ｓN(t) ａ(θi)=[１，exp(jkd2sinθi)，‥‥，exp(jkdMsinθ
i)]T (i=1,2,‥‥,N)k=2π/λ ここでａ(θi)はθi方向の方向ベクトル，ｋは位相定
数，λは到来波の波長，ｄi(i=1,2,‥‥,M)は任意に設
定した基準位置から測定したｉ番目のアンテナの位置，
すなわち基準位置とｉ番目のアンテナとの間の距離であ
る。ここでは最も左側にあるアンテナの位置を基準位置
としている（ｄ1＝０）。なおｄiは次の条件を満足して
いるものとする。 ｄi+1−ｄi≦λ／２ i=1,2,‥‥,M-1
置の動作について説明する。θi(i=1,2,‥‥,N)の方向
から到来するＮ個の到来波ｓi(t) (i=1,2,‥‥,N)をＭ
個のアンテナから構成されるアレーアンテナ８１で受信
した場合の各アンテナでの受信信号をｘi(t)(i=1,2,‥
‥,M)とする。このときｘi(t)をまとめてベクトル表示
したものをｘ(t)=[ｘ1(t), ｘ2(t),‥‥, ｘM(t)]T（T
は転置を表す）とすると，ｘ(t)は次のように表すこと
ができる。 ｘ(t)=ａ(θ1)ｓ1(t)＋ａ(θ2)ｓ2(t)＋‥‥＋ａ(θN)
ｓN(t) ａ(θi)=[１，exp(jkd2sinθi)，‥‥，exp(jkdMsinθ
i)]T (i=1,2,‥‥,N)k=2π/λ ここでａ(θi)はθi方向の方向ベクトル，ｋは位相定
数，λは到来波の波長，ｄi(i=1,2,‥‥,M)は任意に設
定した基準位置から測定したｉ番目のアンテナの位置，
すなわち基準位置とｉ番目のアンテナとの間の距離であ
る。ここでは最も左側にあるアンテナの位置を基準位置
としている（ｄ1＝０）。なおｄiは次の条件を満足して
いるものとする。 ｄi+1−ｄi≦λ／２ i=1,2,‥‥,M-1
【０００９】Ｎ個の方向ベクトルをまとめて行列表示し
たものを Ａ＝［ａ(θ1)，ａ(θ2)，‥‥，ａ(θN)］ とし，Ｎ個の到来波をまとめてベクトル表示したものを ｓ(t)＝[ｓ1(t), ｓ2(t),‥‥, ｓN(t)]T とすれば，ｘ(t)は次のように簡潔に表すことができ
る。 ｘ(t)＝Ａｓ(t)
たものを Ａ＝［ａ(θ1)，ａ(θ2)，‥‥，ａ(θN)］ とし，Ｎ個の到来波をまとめてベクトル表示したものを ｓ(t)＝[ｓ1(t), ｓ2(t),‥‥, ｓN(t)]T とすれば，ｘ(t)は次のように簡潔に表すことができ
る。 ｘ(t)＝Ａｓ(t)
【００１０】各アンテナでの受信信号ｘi(t)(i=1,2,‥
‥,M)はそれぞれ各受信機８２に送られた後，到来波数
と到来方向を推定するために必要な前処理（周波数変
換，信号増幅，フィルタリング，アナログディジタル変
換等）によりベースバンド信号に変換される。その際，
受信機の内部で熱雑音が発生するため，そのベースバン
ド信号には熱雑音信号ｎi(t) (i=1,2,‥‥,M)が加わ
る。これより，最終的に各受信機から出力されるベース
バンド信号ｙi(t) (i=1,2,‥‥,M)は次のように表すこ
とができる。 ｙi(t)＝ｘi(t)＋ｎi(t) (i=1,2,‥‥,M)
‥,M)はそれぞれ各受信機８２に送られた後，到来波数
と到来方向を推定するために必要な前処理（周波数変
換，信号増幅，フィルタリング，アナログディジタル変
換等）によりベースバンド信号に変換される。その際，
受信機の内部で熱雑音が発生するため，そのベースバン
ド信号には熱雑音信号ｎi(t) (i=1,2,‥‥,M)が加わ
る。これより，最終的に各受信機から出力されるベース
バンド信号ｙi(t) (i=1,2,‥‥,M)は次のように表すこ
とができる。 ｙi(t)＝ｘi(t)＋ｎi(t) (i=1,2,‥‥,M)
【００１１】熱雑音信号をまとめてベクトル表示したも
のを ｎ(t)＝［ｎ1(t)，ｎ2(t)，‥‥，ｎM(t)］T とし，ベースバンド信号をまとめてベクトル表示したも
のを入力信号ベクトルｙ (t)＝［ｙ1(t)，ｙ2(t)，‥‥，ｙM(t)］T とすれば，ｙ(t)は次のように表すことができる。 ｙ(t)＝ｘ(t)＋ｎ(t)＝Ａｓ(t)＋ｎ(t) ただし熱雑音はすべての受信機において等電力であり，
ｎi(t)は互いに無相関であるとする。またすべての到来
波ｓi(t)とも無相関であるとする。
のを ｎ(t)＝［ｎ1(t)，ｎ2(t)，‥‥，ｎM(t)］T とし，ベースバンド信号をまとめてベクトル表示したも
のを入力信号ベクトルｙ (t)＝［ｙ1(t)，ｙ2(t)，‥‥，ｙM(t)］T とすれば，ｙ(t)は次のように表すことができる。 ｙ(t)＝ｘ(t)＋ｎ(t)＝Ａｓ(t)＋ｎ(t) ただし熱雑音はすべての受信機において等電力であり，
ｎi(t)は互いに無相関であるとする。またすべての到来
波ｓi(t)とも無相関であるとする。
【００１２】入力信号ベクトルｙ(t)に対し，相関行列
算出器９１ではｙ(t)の相関行列Ｒyyが計算される。Ｒy
yはベースバンド信号ｙi(t) (i=1,2,‥‥,M)の相関特性
を示す行列であり，次式で表される。 Ｒyy＝Ｅ［ｙ(t)ｙH(t)］＝ＡＥ［ｓ(t)ｓH(t)］ＡH＋
σ2ＩM ここでＥ［・］は期待値（アンサンブル平均）を求める
操作を表し，σ2は熱雑音電力を表す。またＩMはＭ次の
単位行列である。ｙ(t)のスナップショット数をＬとす
ると，Ｌが十分に大きければＲyyはエルゴード性を満足
するため時間平均により求めることができ，次のように
表すことができる。
算出器９１ではｙ(t)の相関行列Ｒyyが計算される。Ｒy
yはベースバンド信号ｙi(t) (i=1,2,‥‥,M)の相関特性
を示す行列であり，次式で表される。 Ｒyy＝Ｅ［ｙ(t)ｙH(t)］＝ＡＥ［ｓ(t)ｓH(t)］ＡH＋
σ2ＩM ここでＥ［・］は期待値（アンサンブル平均）を求める
操作を表し，σ2は熱雑音電力を表す。またＩMはＭ次の
単位行列である。ｙ(t)のスナップショット数をＬとす
ると，Ｌが十分に大きければＲyyはエルゴード性を満足
するため時間平均により求めることができ，次のように
表すことができる。
【数１】
【００１３】相関行列Ｒyyは固有値・固有ベクトル算出
器９２へ送られ，次のような関係を満足するλi(i=1,2,
‥‥,M)とｅi (i=1,2,‥‥,M)が求められる。 Ｒyyｅi＝λiｅi i=1,2,‥‥,M λiは固有値，ｅiは固有ベクトルと呼ばれる。また行列
の固有値と固有ベクトルを求める演算を固有値分解とい
う。
器９２へ送られ，次のような関係を満足するλi(i=1,2,
‥‥,M)とｅi (i=1,2,‥‥,M)が求められる。 Ｒyyｅi＝λiｅi i=1,2,‥‥,M λiは固有値，ｅiは固有ベクトルと呼ばれる。また行列
の固有値と固有ベクトルを求める演算を固有値分解とい
う。
【００１４】λi(i=1,2,‥‥,M)は到来波数判定規範算
出器９３へ送られる。もし入力信号ベクトルｙ(t)のス
ナップショット数Ｌが無限大であれば，固有値分解によ
り求められた固有値には次のような関係がある。 λ1≧λ2≧‥‥≧λN＞λN+1＝‥‥＝λM＝σ2 これより，熱雑音電力σ2より大きい固有値の数から到
来波数Ｎを推定することができる。しかし実際はＬを無
限大として扱うことができないため，何らかの到来波数
判定規範（IC: Information Criteria）を利用してＮを
正確に推定する必要がある。到来波数判定規範として
は，最尤法に基づくAIC（Akaike Information Criteri
a）やMDL（Minimum Description Length）などが既に報
告されている（M.Wax and T.Kailath : "Detection of
Signal by Information Theoretic Criteria," IEEE Tr
ans., vol.ASSP-33, No.2, pp.387-392（April 198
5））。例えばMDLを利用した場合，到来波数判定規範Ｉ
Ｃ（Ｎ’） (N'=1,2,‥‥,M-1)は次のようにして算出さ
れる。
出器９３へ送られる。もし入力信号ベクトルｙ(t)のス
ナップショット数Ｌが無限大であれば，固有値分解によ
り求められた固有値には次のような関係がある。 λ1≧λ2≧‥‥≧λN＞λN+1＝‥‥＝λM＝σ2 これより，熱雑音電力σ2より大きい固有値の数から到
来波数Ｎを推定することができる。しかし実際はＬを無
限大として扱うことができないため，何らかの到来波数
判定規範（IC: Information Criteria）を利用してＮを
正確に推定する必要がある。到来波数判定規範として
は，最尤法に基づくAIC（Akaike Information Criteri
a）やMDL（Minimum Description Length）などが既に報
告されている（M.Wax and T.Kailath : "Detection of
Signal by Information Theoretic Criteria," IEEE Tr
ans., vol.ASSP-33, No.2, pp.387-392（April 198
5））。例えばMDLを利用した場合，到来波数判定規範Ｉ
Ｃ（Ｎ’） (N'=1,2,‥‥,M-1)は次のようにして算出さ
れる。
【数２】 ここでＮ’は到来波数の候補値である。上式では、Ｎ’
の表記に代えて、Ｎに「＾」をつけた表記を使っている
が、意味は同じである。
の表記に代えて、Ｎに「＾」をつけた表記を使っている
が、意味は同じである。
【００１５】到来波数判定規範ＩＣ（Ｎ’）の算出結果
は到来波数推定器９４へ送られる。ＩＣ（Ｎ’）の性質
として，尤もらしいＮ’を代入したときにＩＣ（Ｎ’）
の値は最小となる。したがってＩＣ（Ｎ’）の値が最小
となったときのＮ’を到来波数Ｎとして出力する。
は到来波数推定器９４へ送られる。ＩＣ（Ｎ’）の性質
として，尤もらしいＮ’を代入したときにＩＣ（Ｎ’）
の値は最小となる。したがってＩＣ（Ｎ’）の値が最小
となったときのＮ’を到来波数Ｎとして出力する。
【００１６】固有値・固有ベクトル算出器９２で算出さ
れた固有ベクトルｅi (i=1,2,‥‥,M)と到来波数推定器
９４で推定された到来波数Ｎは，雑音部分空間固有ベク
トル抽出器９５へ送られる。到来波数がＮのとき，固有
値λ1〜λNに対応する固有ベクトルｅ1〜ｅNは信号部分
空間を張り，固有値λN+1〜λMに対応する固有ベクトル
eN+1〜ｅMは雑音部分空間を張る。MUSICスペクトラムの
算出では，到来方向の方向ベクトルａ(θi) (i=1,2,‥
‥,N)と雑音部分空間固有ベクトルeN+1〜ｅMの直交性を
利用するため，雑音部分空間固有ベクトル抽出器９５は
eN+1〜ｅMを出力する。ここで直交性とは，ａ(θi)とeN
+1〜ｅMにおいて次のような関係を満足する性質をい
う。 ａH（θi）ｅj＝０ i=1,2,‥‥,N；j=N+1,N+2,‥‥,M
れた固有ベクトルｅi (i=1,2,‥‥,M)と到来波数推定器
９４で推定された到来波数Ｎは，雑音部分空間固有ベク
トル抽出器９５へ送られる。到来波数がＮのとき，固有
値λ1〜λNに対応する固有ベクトルｅ1〜ｅNは信号部分
空間を張り，固有値λN+1〜λMに対応する固有ベクトル
eN+1〜ｅMは雑音部分空間を張る。MUSICスペクトラムの
算出では，到来方向の方向ベクトルａ(θi) (i=1,2,‥
‥,N)と雑音部分空間固有ベクトルeN+1〜ｅMの直交性を
利用するため，雑音部分空間固有ベクトル抽出器９５は
eN+1〜ｅMを出力する。ここで直交性とは，ａ(θi)とeN
+1〜ｅMにおいて次のような関係を満足する性質をい
う。 ａH（θi）ｅj＝０ i=1,2,‥‥,N；j=N+1,N+2,‥‥,M
【００１７】MUSICスペクトラム算出器９６では，雑音
部分空間固有ベクトルをまとめた行列 ＥN＝［ｅN+
1，ｅN+2，‥‥，ｅM］とモードベクトルａ(θ)を用い
て，θに対する次のようなMUSICスペクトラムＰM(θ)を
算出する。このときθの刻み幅は，所要推定精度に応じ
て，例えば1度，0.01度というように設定される。
部分空間固有ベクトルをまとめた行列 ＥN＝［ｅN+
1，ｅN+2，‥‥，ｅM］とモードベクトルａ(θ)を用い
て，θに対する次のようなMUSICスペクトラムＰM(θ)を
算出する。このときθの刻み幅は，所要推定精度に応じ
て，例えば1度，0.01度というように設定される。
【数３】
【００１８】ＰM(θ)の性質として，θ＝θi(i=1,2,‥
‥,N)のときＰM(θ)の分母が０となる。したがって，Ｐ
M(θ)はＮ（到来波数）個の極大値をもつ形状となる。
なおＰM(θ)の計算負荷はＥNのサイズ，すなわちＮの値
によって変化する。
‥,N)のときＰM(θ)の分母が０となる。したがって，Ｐ
M(θ)はＮ（到来波数）個の極大値をもつ形状となる。
なおＰM(θ)の計算負荷はＥNのサイズ，すなわちＮの値
によって変化する。
【００１９】到来方向推定器９７では，MUSICスペクト
ラムＰM(θ)のＮ（到来波数）個の極大値に対応する方
向θi(i=1,2,‥‥,N)を検出して到来方向として出力す
る。
ラムＰM(θ)のＮ（到来波数）個の極大値に対応する方
向θi(i=1,2,‥‥,N)を検出して到来方向として出力す
る。
【００２０】到来波数・到来方向推定結果表示器１０１
では，推定された到来波数Ｎと到来方向θi(i=1,2,‥
‥,N)が表示される。
では，推定された到来波数Ｎと到来方向θi(i=1,2,‥
‥,N)が表示される。
【００２１】以上がMUSICを搭載した電波到来方向推定
装置の動作であるが，特開2000-121716号 「電波到来方
向推定装置」では，固有値分解においてすべての固有値
・固有ベクトルを計算するのではなく，最小固有値λM
と最小固有値に対応する固有ベクトルｅMのみを求め，M
USICスペクトラムＰM(θ)の計算にｅMのみを使用するこ
とにより計算負荷を軽減している。その際ＰM(θ)には
到来波の方向以外の方向にも極大値が現れるため，その
ままでは到来波数推定に誤差を生じる。そこで極大値が
現れた方向に対するアレーアンテナ出力電力値を別途計
算し，それがある規定値以上を示せばその方向を到来方
向と推定している。アレーアンテナ出力電力値の計算負
荷は固有値分解と比較すると格段に小さいため，従来の
MUSICを搭載した電波到来方向推定装置と比較して高速
な処理を可能にしている。
装置の動作であるが，特開2000-121716号 「電波到来方
向推定装置」では，固有値分解においてすべての固有値
・固有ベクトルを計算するのではなく，最小固有値λM
と最小固有値に対応する固有ベクトルｅMのみを求め，M
USICスペクトラムＰM(θ)の計算にｅMのみを使用するこ
とにより計算負荷を軽減している。その際ＰM(θ)には
到来波の方向以外の方向にも極大値が現れるため，その
ままでは到来波数推定に誤差を生じる。そこで極大値が
現れた方向に対するアレーアンテナ出力電力値を別途計
算し，それがある規定値以上を示せばその方向を到来方
向と推定している。アレーアンテナ出力電力値の計算負
荷は固有値分解と比較すると格段に小さいため，従来の
MUSICを搭載した電波到来方向推定装置と比較して高速
な処理を可能にしている。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】従来のMUSICを搭載し
た電波到来方向推定装置では，固有値・固有ベクトル算
出器９２での固有値分解とMUSICスペクトラム算出器９
６でのMUSICスペクトラムＰM(θ)の計算負荷が大きく，
特にアンテナ数が多い場合はその影響が顕著に現れる。
そのため高性能な信号処理機能が必要となり，結果的に
装置の製作コストが高くなる。また到来波数Ｎによって
ＰM(θ)の計算負荷に差が生じるため，信号処理部の有
効利用率が劣化する。また特開2000-121716号「電波到
来方向推定装置」では，ＰM(θ)の極大値が現れた方向
のアレーアンテナ出力電力値を別途計算して到来波数を
推定する際にアレーアンテナ出力電力規定値を設定しな
ければならないが，このとき実際の電波伝搬環境に応じ
て適宜設定する必要がある。そのため電波到来方向推定
装置を実際に設置する場所での電力プロファイルを十分
に調査した後でないとアレーアンテナ出力電力規定値を
精度よく設定できない。
た電波到来方向推定装置では，固有値・固有ベクトル算
出器９２での固有値分解とMUSICスペクトラム算出器９
６でのMUSICスペクトラムＰM(θ)の計算負荷が大きく，
特にアンテナ数が多い場合はその影響が顕著に現れる。
そのため高性能な信号処理機能が必要となり，結果的に
装置の製作コストが高くなる。また到来波数Ｎによって
ＰM(θ)の計算負荷に差が生じるため，信号処理部の有
効利用率が劣化する。また特開2000-121716号「電波到
来方向推定装置」では，ＰM(θ)の極大値が現れた方向
のアレーアンテナ出力電力値を別途計算して到来波数を
推定する際にアレーアンテナ出力電力規定値を設定しな
ければならないが，このとき実際の電波伝搬環境に応じ
て適宜設定する必要がある。そのため電波到来方向推定
装置を実際に設置する場所での電力プロファイルを十分
に調査した後でないとアレーアンテナ出力電力規定値を
精度よく設定できない。
【００２３】本発明は上記のような課題を解決するもの
であり，複数のアンテナから構成されるアレーアンテナ
で受信した信号から高い精度、かつ小さい計算負荷で到
来波の数と各到来波の方向を推定することが可能な電波
到来方向推定装置を提供することを目的とする。
であり，複数のアンテナから構成されるアレーアンテナ
で受信した信号から高い精度、かつ小さい計算負荷で到
来波の数と各到来波の方向を推定することが可能な電波
到来方向推定装置を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】本発明の
電波到来方向推定装置は、到来波を受信する複数のアン
テナから構成されるアレーアンテナと，アレーアンテナ
で受信された信号に対して到来波数と到来方向を推定す
るために必要な前処理を行う受信機と，各受信機からの
ベースバンド信号をまとめた入力信号ベクトルの相関行
列を算出する相関行列算出手段と，相関行列の逆行列を
算出する相関行列逆行列算出手段と，相関行列逆行列か
ら線形予測法によりウェイトベクトルを算出するウェイ
トベクトル算出手段と，ウェイトベクトルを利用して線
形予測法により到来波の角度分布を算出する角度分布算
出手段と，角度分布の極大値を検出して到来方向候補を
推定する到来方向候補推定手段と，Capon法により到来
方向候補のアレーアンテナ出力電力を算出するアレーア
ンテナ出力電力算出手段と，到来波数推定を行うために
アレーアンテナ出力電力値を補充するアレーアンテナ出
力電力値補充手段と，アレーアンテナ出力電力値を利用
して到来波数判定規範を算出する到来波数判定規範算出
手段と，到来波数判定規範の最小値を検出して到来波数
を推定する到来波数推定手段と，到来波数と到来方向候
補から到来方向を推定する到来方向推定手段とを備える
ものである（請求項１）。
電波到来方向推定装置は、到来波を受信する複数のアン
テナから構成されるアレーアンテナと，アレーアンテナ
で受信された信号に対して到来波数と到来方向を推定す
るために必要な前処理を行う受信機と，各受信機からの
ベースバンド信号をまとめた入力信号ベクトルの相関行
列を算出する相関行列算出手段と，相関行列の逆行列を
算出する相関行列逆行列算出手段と，相関行列逆行列か
ら線形予測法によりウェイトベクトルを算出するウェイ
トベクトル算出手段と，ウェイトベクトルを利用して線
形予測法により到来波の角度分布を算出する角度分布算
出手段と，角度分布の極大値を検出して到来方向候補を
推定する到来方向候補推定手段と，Capon法により到来
方向候補のアレーアンテナ出力電力を算出するアレーア
ンテナ出力電力算出手段と，到来波数推定を行うために
アレーアンテナ出力電力値を補充するアレーアンテナ出
力電力値補充手段と，アレーアンテナ出力電力値を利用
して到来波数判定規範を算出する到来波数判定規範算出
手段と，到来波数判定規範の最小値を検出して到来波数
を推定する到来波数推定手段と，到来波数と到来方向候
補から到来方向を推定する到来方向推定手段とを備える
ものである（請求項１）。
【００２５】前記の構成によれば、 方向推定精度が高
く計算負荷が小さい線形予測法により到来方向候補を推
定し，電力推定精度の高いCapon法により到来方向候補
のアレーアンテナ出力電力を算出して，アレーアンテナ
出力電力値を到来波数判定規範に適用して到来波数推定
を行い，到来波数推定後に到来方向候補の中から真の到
来方向を推定することができる。
く計算負荷が小さい線形予測法により到来方向候補を推
定し，電力推定精度の高いCapon法により到来方向候補
のアレーアンテナ出力電力を算出して，アレーアンテナ
出力電力値を到来波数判定規範に適用して到来波数推定
を行い，到来波数推定後に到来方向候補の中から真の到
来方向を推定することができる。
【００２６】これによりMUSICで行われる固有値分解を
必要とせずに高い精度かつ一定の小さい計算負荷で到来
波数と到来方向を推定することが可能であるため，従来
のMUSICを搭載した電波到来方向推定装置に比べて信号
処理装置を簡略化することができる。さらに，アレーア
ンテナ出力電力の規定値を別途設定する必要がないた
め，様々な電波伝搬環境においても適用可能である。
必要とせずに高い精度かつ一定の小さい計算負荷で到来
波数と到来方向を推定することが可能であるため，従来
のMUSICを搭載した電波到来方向推定装置に比べて信号
処理装置を簡略化することができる。さらに，アレーア
ンテナ出力電力の規定値を別途設定する必要がないた
め，様々な電波伝搬環境においても適用可能である。
【００２７】また、 本発明の電波到来方向推定装置
は、到来波を受信する複数のアンテナを直線上に等間隔
で配列して構成される等間隔線形アレーアンテナと，等
間隔線形アレーアンテナで受信された信号に対して到来
波数と到来方向を推定するために必要な前処理を行う受
信機と，各受信機からのベースバンド信号をまとめた入
力信号ベクトルの相関行列を算出する相関行列算出手段
と，相関行列の逆行列を算出する相関行列逆行列算出手
段と，相関行列逆行列から線形予測法によりウェイトベ
クトルを算出するウェイトベクトル算出手段と，ウェイ
トベクトルを利用して到来方向候補を算出する到来方向
候補算出手段と，Capon法により到来方向候補のアレー
アンテナ出力電力を算出するアレーアンテナ出力電力算
出手段と，到来波数推定を行うためにアレーアンテナ出
力電力値を補充するアレーアンテナ出力電力値補充手段
と，アレーアンテナ出力電力値を利用して到来波数判定
規範を算出する到来波数判定規範算出手段と，到来波数
判定規範の最小値を検出して到来波数を推定する到来波
数推定手段と，到来波数と到来方向候補から到来方向を
推定する到来方向推定手段とを備えるものである（請求
項３）。
は、到来波を受信する複数のアンテナを直線上に等間隔
で配列して構成される等間隔線形アレーアンテナと，等
間隔線形アレーアンテナで受信された信号に対して到来
波数と到来方向を推定するために必要な前処理を行う受
信機と，各受信機からのベースバンド信号をまとめた入
力信号ベクトルの相関行列を算出する相関行列算出手段
と，相関行列の逆行列を算出する相関行列逆行列算出手
段と，相関行列逆行列から線形予測法によりウェイトベ
クトルを算出するウェイトベクトル算出手段と，ウェイ
トベクトルを利用して到来方向候補を算出する到来方向
候補算出手段と，Capon法により到来方向候補のアレー
アンテナ出力電力を算出するアレーアンテナ出力電力算
出手段と，到来波数推定を行うためにアレーアンテナ出
力電力値を補充するアレーアンテナ出力電力値補充手段
と，アレーアンテナ出力電力値を利用して到来波数判定
規範を算出する到来波数判定規範算出手段と，到来波数
判定規範の最小値を検出して到来波数を推定する到来波
数推定手段と，到来波数と到来方向候補から到来方向を
推定する到来方向推定手段とを備えるものである（請求
項３）。
【００２８】この構成により，ウェイトベクトルを係数
とする高次方程式を解いて到来方向候補を直接算出す
る。等間隔線形アレーアンテナを設置しているので、角
度スペクトラムＰL(θ)を求める際のθの刻み幅を設定
する必要がないため，より精度の高い到来方向推定が可
能となる。またＰL(θ)の計算負荷よりも小さい計算負
荷で到来方向候補を算出できるため，信号処理装置をさ
らに簡略化することができる。
とする高次方程式を解いて到来方向候補を直接算出す
る。等間隔線形アレーアンテナを設置しているので、角
度スペクトラムＰL(θ)を求める際のθの刻み幅を設定
する必要がないため，より精度の高い到来方向推定が可
能となる。またＰL(θ)の計算負荷よりも小さい計算負
荷で到来方向候補を算出できるため，信号処理装置をさ
らに簡略化することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付図面を参照しながら詳細に説明する。 −実施の形態１− 電波到来方向推定装置を図２に示す。本形態による電波
到来方向推定装置は，到来波を受信する受信アンテナ部
２と，受信信号から到来波の数及び各到来波の方向を推
定する到来波数・到来方向推定部３と，推定された到来
波数と到来方向を表示する到来波数・到来方向推定結果
表示部４に大別できる。
付図面を参照しながら詳細に説明する。 −実施の形態１− 電波到来方向推定装置を図２に示す。本形態による電波
到来方向推定装置は，到来波を受信する受信アンテナ部
２と，受信信号から到来波の数及び各到来波の方向を推
定する到来波数・到来方向推定部３と，推定された到来
波数と到来方向を表示する到来波数・到来方向推定結果
表示部４に大別できる。
【００３０】受信アンテナ部２は，到来波を受信する複
数のアンテナから構成されるＭ個のアレーアンテナ２１
と，アレーアンテナ２１で受信された信号に対して到来
波数と到来方向を推定するために必要な前処理を行うＭ
個の受信機２２とから構成されている。
数のアンテナから構成されるＭ個のアレーアンテナ２１
と，アレーアンテナ２１で受信された信号に対して到来
波数と到来方向を推定するために必要な前処理を行うＭ
個の受信機２２とから構成されている。
【００３１】到来波数・到来方向推定部３は，各受信機
２２からのベースバンド信号をまとめた入力信号ベクト
ルの相関行列を算出する相関行列算出器３１と，相関行
列の逆行列を算出する相関行列逆行列算出器３２と，相
関行列逆行列から線形予測法によりウェイトベクトルを
算出するウェイトベクトル算出器３３と，ウェイトベク
トルを利用して線形予測法により到来波の角度分布（角
度スペクトラム）を算出する角度スペクトラム算出器３
４と，角度スペクトラムの極大値を検出して到来方向候
補を推定する到来方向候補推定器３５と，Capon法によ
り到来方向候補のアレーアンテナ出力電力を算出するア
レーアンテナ出力電力算出器３６と，到来波数推定を行
うためにアレーアンテナ出力電力値を補充するアレーア
ンテナ出力電力値補充器３７と，アレーアンテナ出力電
力値を利用して到来波数判定規範を算出する到来波数判
定規範算出器３８と，到来波数判定規範の最小値を検出
して到来波数を推定する到来波数推定器３９と，到来波
数と到来方向候補から真の到来方向を推定する到来方向
推定器４０とから構成されている。
２２からのベースバンド信号をまとめた入力信号ベクト
ルの相関行列を算出する相関行列算出器３１と，相関行
列の逆行列を算出する相関行列逆行列算出器３２と，相
関行列逆行列から線形予測法によりウェイトベクトルを
算出するウェイトベクトル算出器３３と，ウェイトベク
トルを利用して線形予測法により到来波の角度分布（角
度スペクトラム）を算出する角度スペクトラム算出器３
４と，角度スペクトラムの極大値を検出して到来方向候
補を推定する到来方向候補推定器３５と，Capon法によ
り到来方向候補のアレーアンテナ出力電力を算出するア
レーアンテナ出力電力算出器３６と，到来波数推定を行
うためにアレーアンテナ出力電力値を補充するアレーア
ンテナ出力電力値補充器３７と，アレーアンテナ出力電
力値を利用して到来波数判定規範を算出する到来波数判
定規範算出器３８と，到来波数判定規範の最小値を検出
して到来波数を推定する到来波数推定器３９と，到来波
数と到来方向候補から真の到来方向を推定する到来方向
推定器４０とから構成されている。
【００３２】到来波数・到来方向推定結果表示部４は，
到来波数・到来方向推定部から送られる到来波数と到来
方向の推定結果を表示する到来波数・到来方向推定結果
表示器４１のみで構成されている。
到来波数・到来方向推定部から送られる到来波数と到来
方向の推定結果を表示する到来波数・到来方向推定結果
表示器４１のみで構成されている。
【００３３】次に電波到来方向推定装置の動作について
説明する。受信アンテナ部２からの入力信号ベクトルｙ
(t)に対し，相関行列算出器３１でｙ(t)の相関行列Ｒyy
を算出するところまでは従来の技術と同じであるので省
略する。
説明する。受信アンテナ部２からの入力信号ベクトルｙ
(t)に対し，相関行列算出器３１でｙ(t)の相関行列Ｒyy
を算出するところまでは従来の技術と同じであるので省
略する。
【００３４】相関行列逆行列算出器３２では相関行列Ｒ
yyの逆行列Ｒyy-1を算出する。
yyの逆行列Ｒyy-1を算出する。
【００３５】ウェイトベクトル算出器３３では，相関行
列逆行列Ｒyy-1を用いてウェイトベクトルｗLを次のよ
うに算出する。
列逆行列Ｒyy-1を用いてウェイトベクトルｗLを次のよ
うに算出する。
【数４】 ここでｃ(1)（ ）は行列の1列目を表すとする。すなわ
ち，ｗLはＲyy-1の1列目を抜き出してその第1要素を1に
正規化したベクトルである。
ち，ｗLはＲyy-1の1列目を抜き出してその第1要素を1に
正規化したベクトルである。
【００３６】角度スペクトラム算出器３４では，方向ベ
クトルａ(θ)とウェイトベクトルｗ Lを用いて，θに対
する次のような角度スペクトラムＰL(θ)を算出する。
このときθの刻み幅は，所要推定精度に応じて，例えば
1度，0.01度というように設定される。
クトルａ(θ)とウェイトベクトルｗ Lを用いて，θに対
する次のような角度スペクトラムＰL(θ)を算出する。
このときθの刻み幅は，所要推定精度に応じて，例えば
1度，0.01度というように設定される。
【数５】
【００３７】これまでの過程は従来の古典的な線形予測
法と同じである。線形予測法の特徴は，方向推定精度が
高く計算負荷が小さいことである。MUSICスペクトラム
ＰM(θ)の算出に必要な演算はベクトル×行列×行列×
ベクトルの演算であるが，角度スペクトラムＰL(θ)の
算出に必要な演算はベクトル×ベクトルすなわち内積の
演算と絶対値の演算と2乗演算であり，計算負荷が少な
いことは明らかである。
法と同じである。線形予測法の特徴は，方向推定精度が
高く計算負荷が小さいことである。MUSICスペクトラム
ＰM(θ)の算出に必要な演算はベクトル×行列×行列×
ベクトルの演算であるが，角度スペクトラムＰL(θ)の
算出に必要な演算はベクトル×ベクトルすなわち内積の
演算と絶対値の演算と2乗演算であり，計算負荷が少な
いことは明らかである。
【００３８】またＰM(θ)の計算負荷は到来波数Ｎによ
り変化するが，ＰL(θ)の計算負荷はに無関係に一定で
ある。ＰL(θ)の性質として，θ＝θi(i=1,2,‥‥,K ;
N≦K≦M-1)のときＰL(θ)の分母が０となる。したがっ
て，ＰL(θ)はＫ個の極大値をもつ形状となる。
り変化するが，ＰL(θ)の計算負荷はに無関係に一定で
ある。ＰL(θ)の性質として，θ＝θi(i=1,2,‥‥,K ;
N≦K≦M-1)のときＰL(θ)の分母が０となる。したがっ
て，ＰL(θ)はＫ個の極大値をもつ形状となる。
【００３９】到来方向候補推定器３５では，角度スペク
トラムＰL(θ)のＫ個の極大値に対応する方向θi(i=1,
2,‥‥,K )を検出して到来方向候補として出力する。こ
のＫ個のθiの中には到来波の方向がＮ個含まれてお
り，残りの（Ｋ−Ｎ）個の方向は到来波の方向以外の方
向である。
トラムＰL(θ)のＫ個の極大値に対応する方向θi(i=1,
2,‥‥,K )を検出して到来方向候補として出力する。こ
のＫ個のθiの中には到来波の方向がＮ個含まれてお
り，残りの（Ｋ−Ｎ）個の方向は到来波の方向以外の方
向である。
【００４０】アレーアンテナ出力電力算出器３６では，
到来方向候補θi(i=1,2,‥‥,K )に対して，Capon法に
より次のようなアレーアンテナ出力電力値Ｐi(i=1,2,‥
‥,K)を算出する。
到来方向候補θi(i=1,2,‥‥,K )に対して，Capon法に
より次のようなアレーアンテナ出力電力値Ｐi(i=1,2,‥
‥,K)を算出する。
【数６】
【００４１】Capon法の特徴は，方向推定精度は線形予
測法に劣るがアレーアンテナ出力電力値が高精度で到来
波電力に比例することである。Ｋ個の到来方向候補θi
に対してＰiを計算して降順に並べ替えてＰiの最大値で
正規化したものをＰi (n)とすれば，Ｎ個の到来方向に
対するＰi (n) (i=1,2,‥‥,N)は各到来波電力に比例し
た値となり，到来波方向以外の（Ｋ−Ｎ）個の方向に対
するＰi (n) (i=N+1,N+2,‥‥,K)は到来波の搬送波電力
対雑音電力比（CNR: Carrier-to-Noise powerRatio）の
最大値とアンテナ数Ｍから決まる値となる。Ｐiは電力
の単位をもつが，従来のMUSICを搭載した電波到来方向
推定装置において固有値分解により算出される固有値λ
i(i=1,2,‥‥,M)も電力の単位をもつことから，λiを降
順に並べ替えて正規化したものとＰi (n)は非常によく
似た特性を示すと考えられる。これより，λiをＰi (n)
で代用し，到来波数判定規範を算出して到来波数推定を
行っても同等の結果が得られると考えられる。なおアレ
ーアンテナ出力電力算出器の出力はＰiを降順に並べ替
えたものであり，同時に到来方向候補θi(i=1,2,‥‥,K
)もＰiと対応して並べ替えられる。
測法に劣るがアレーアンテナ出力電力値が高精度で到来
波電力に比例することである。Ｋ個の到来方向候補θi
に対してＰiを計算して降順に並べ替えてＰiの最大値で
正規化したものをＰi (n)とすれば，Ｎ個の到来方向に
対するＰi (n) (i=1,2,‥‥,N)は各到来波電力に比例し
た値となり，到来波方向以外の（Ｋ−Ｎ）個の方向に対
するＰi (n) (i=N+1,N+2,‥‥,K)は到来波の搬送波電力
対雑音電力比（CNR: Carrier-to-Noise powerRatio）の
最大値とアンテナ数Ｍから決まる値となる。Ｐiは電力
の単位をもつが，従来のMUSICを搭載した電波到来方向
推定装置において固有値分解により算出される固有値λ
i(i=1,2,‥‥,M)も電力の単位をもつことから，λiを降
順に並べ替えて正規化したものとＰi (n)は非常によく
似た特性を示すと考えられる。これより，λiをＰi (n)
で代用し，到来波数判定規範を算出して到来波数推定を
行っても同等の結果が得られると考えられる。なおアレ
ーアンテナ出力電力算出器の出力はＰiを降順に並べ替
えたものであり，同時に到来方向候補θi(i=1,2,‥‥,K
)もＰiと対応して並べ替えられる。
【００４２】アレーアンテナ出力電力値Ｐi(i=1,2,‥
‥,K )はアレーアンテナ出力電力値補充器３７へ送られ
る。従来の電波到来方向推定装置において固有値分解に
より算出される固有値λi(i=1,2,‥‥,M)はＭ個あるの
に対して，ＰiはＫ個しかない。そのためλiを利用して
到来波数推定をするのと同様な方法でＰiを利用して到
来波数推定を行うにはＰK+1 〜ＰMを補充する必要があ
る。そこでＰi ＝ＰK(i=K+1,K+2,‥‥,M)としてＰiの個
数をＭ個とする。これによりＰiを利用して到来波数判
定規範を算出することにより到来波数推定が可能とな
る。
‥,K )はアレーアンテナ出力電力値補充器３７へ送られ
る。従来の電波到来方向推定装置において固有値分解に
より算出される固有値λi(i=1,2,‥‥,M)はＭ個あるの
に対して，ＰiはＫ個しかない。そのためλiを利用して
到来波数推定をするのと同様な方法でＰiを利用して到
来波数推定を行うにはＰK+1 〜ＰMを補充する必要があ
る。そこでＰi ＝ＰK(i=K+1,K+2,‥‥,M)としてＰiの個
数をＭ個とする。これによりＰiを利用して到来波数判
定規範を算出することにより到来波数推定が可能とな
る。
【００４３】アレーアンテナ出力電力値Ｐi(i=1,2,‥
‥,M)は到来波数判定規範算出器３８へ送られ，従来のM
USICを搭載した電波到来方向推定装置と同様にして到来
波数判定規範ＩＣ（Ｎ’）を算出する。
‥,M)は到来波数判定規範算出器３８へ送られ，従来のM
USICを搭載した電波到来方向推定装置と同様にして到来
波数判定規範ＩＣ（Ｎ’）を算出する。
【数７】
【００４４】到来波数判定規範ＩＣ（Ｎ’）は到来波数
推定器３９へ送られる。ＩＣ（Ｎ’）の値が最小となっ
たときのＮ’を到来波数Ｎとして出力する。
推定器３９へ送られる。ＩＣ（Ｎ’）の値が最小となっ
たときのＮ’を到来波数Ｎとして出力する。
【００４５】到来方向推定器４０では，推定された到来
波数Ｎに基づいて到来方向候補θi(i=1,2,‥‥,M-1)の
中から最初のＮ個が選択され，到来方向θi(i=1,2,‥
‥,N)として出力される。
波数Ｎに基づいて到来方向候補θi(i=1,2,‥‥,M-1)の
中から最初のＮ個が選択され，到来方向θi(i=1,2,‥
‥,N)として出力される。
【００４６】到来波数・到来方向推定結果表示器４１で
は，推定された到来波数Ｎと到来方向θi(i=1,2,‥‥,
N)が表示される。
は，推定された到来波数Ｎと到来方向θi(i=1,2,‥‥,
N)が表示される。
【００４７】−実施の形態２− 第２の形態による電波到来方向推定装置を図３に示す。
本形態による電波到来方向推定装置は，到来波を受信す
る受信アンテナ部５と，受信信号から到来波の数及び各
到来波の方向を推定する到来波数・到来方向推定部６
と，推定された到来波数と到来方向を表示する到来波数
・到来方向推定結果表示部７に大別できる。
本形態による電波到来方向推定装置は，到来波を受信す
る受信アンテナ部５と，受信信号から到来波の数及び各
到来波の方向を推定する到来波数・到来方向推定部６
と，推定された到来波数と到来方向を表示する到来波数
・到来方向推定結果表示部７に大別できる。
【００４８】受信アンテナ部５は，到来波を受信する複
数のアンテナを直線上に等間隔で配列して構成される等
間隔線形アレーアンテナ５１と，等間隔線形アレーアン
テナ５１で受信された信号に対して到来波数と到来方向
を推定するために必要な前処理を行う受信機５２から構
成されている。
数のアンテナを直線上に等間隔で配列して構成される等
間隔線形アレーアンテナ５１と，等間隔線形アレーアン
テナ５１で受信された信号に対して到来波数と到来方向
を推定するために必要な前処理を行う受信機５２から構
成されている。
【００４９】到来波数・到来方向推定部６は，各受信機
からのベースバンド信号をまとめた入力信号ベクトルの
相関行列を算出する相関行列算出器６１と，相関行列の
逆行列を算出する相関行列逆行列算出器６２と，相関行
列逆行列から線形予測法によりウェイトベクトルを算出
するウェイトベクトル算出器６３と，ウェイトベクトル
を利用して到来方向候補を算出する到来方向候補算出器
６４と，Capon法により到来方向候補のアレーアンテナ
出力電力を算出するアレーアンテナ出力電力算出器６５
と，到来波数推定を行うためにアレーアンテナ出力電力
値を補充するアレーアンテナ出力電力値補充器６６と，
アレーアンテナ出力電力値を利用して到来波数判定規範
を算出する到来波数判定規範算出器６７と，到来波数判
定規範の最小値を検出して到来波数を推定する到来波数
推定器６８と，到来波数と到来方向候補から真の到来方
向を推定する到来方向推定器６９から構成されている。
からのベースバンド信号をまとめた入力信号ベクトルの
相関行列を算出する相関行列算出器６１と，相関行列の
逆行列を算出する相関行列逆行列算出器６２と，相関行
列逆行列から線形予測法によりウェイトベクトルを算出
するウェイトベクトル算出器６３と，ウェイトベクトル
を利用して到来方向候補を算出する到来方向候補算出器
６４と，Capon法により到来方向候補のアレーアンテナ
出力電力を算出するアレーアンテナ出力電力算出器６５
と，到来波数推定を行うためにアレーアンテナ出力電力
値を補充するアレーアンテナ出力電力値補充器６６と，
アレーアンテナ出力電力値を利用して到来波数判定規範
を算出する到来波数判定規範算出器６７と，到来波数判
定規範の最小値を検出して到来波数を推定する到来波数
推定器６８と，到来波数と到来方向候補から真の到来方
向を推定する到来方向推定器６９から構成されている。
【００５０】到来波数・到来方向推定結果表示部７は，
到来波数・到来方向推定部６から送られる到来波数と到
来方向の推定結果を表示する到来波数・到来方向推定結
果表示器７１のみで構成されている。
到来波数・到来方向推定部６から送られる到来波数と到
来方向の推定結果を表示する到来波数・到来方向推定結
果表示器７１のみで構成されている。
【００５１】次に、電波到来方向推定装置の動作につい
て，図３を用いて説明する。受信アンテナ部５からの入
力信号ベクトルｙ(t)に対し，相関行列算出器６１でｙ
(t)の相関行列Ｒyyを算出し，相関行列逆行列算出器６
２でＲyyの逆行列Ｒyy-1を算出し，ウェイトベクトル算
出器６３でウェイトベクトルｗLを算出するところまで
は（実施の形態１）と同じであるので省略する。
て，図３を用いて説明する。受信アンテナ部５からの入
力信号ベクトルｙ(t)に対し，相関行列算出器６１でｙ
(t)の相関行列Ｒyyを算出し，相関行列逆行列算出器６
２でＲyyの逆行列Ｒyy-1を算出し，ウェイトベクトル算
出器６３でウェイトベクトルｗLを算出するところまで
は（実施の形態１）と同じであるので省略する。
【００５２】到来方向候補算出器６４では，実施の形態
１の角度スペクトラムＰL(θ)を算出する代わりに，ＰL
(θ)の分母に着目して次のような（Ｍ−１）次方程式を
解く。
１の角度スペクトラムＰL(θ)を算出する代わりに，ＰL
(θ)の分母に着目して次のような（Ｍ−１）次方程式を
解く。
【数８】
【００５３】受信アンテナはＭ個のアンテナを直線上に
等間隔ｄ（≦λ／２）で配列した等間隔線形アレーアン
テナ５１であるから，基準位置から測定した各アンテナ
の位置，すなわち基準位置とｉ番目のアンテナとの間の
距離ｄiは(i-1)ｄで表される。これより方向ベクトルａ
(θ)は次のように表すことができる。 ａ(θ)=[１，exp(jkdsinθ)，‥‥，exp(j(M-1)kdsin
θ)]T さらにｚ＝exp(jkdsinθ)とおくと，ａ(θ)は次のよう
に書き換えられる。 ａ(θ)=[１，ｚ，‥‥，ｚM-1]T＝ｆ(ｚ) これより上記の方程式はｚに関する（Ｍ−１）次方程式
として次のように表すことができる。
等間隔ｄ（≦λ／２）で配列した等間隔線形アレーアン
テナ５１であるから，基準位置から測定した各アンテナ
の位置，すなわち基準位置とｉ番目のアンテナとの間の
距離ｄiは(i-1)ｄで表される。これより方向ベクトルａ
(θ)は次のように表すことができる。 ａ(θ)=[１，exp(jkdsinθ)，‥‥，exp(j(M-1)kdsin
θ)]T さらにｚ＝exp(jkdsinθ)とおくと，ａ(θ)は次のよう
に書き換えられる。 ａ(θ)=[１，ｚ，‥‥，ｚM-1]T＝ｆ(ｚ) これより上記の方程式はｚに関する（Ｍ−１）次方程式
として次のように表すことができる。
【数９】 ただしウェイトベクトルｗLはｗL ＝[ｗL1,ｗL2,‥‥,
ｗLM]Tである。この方程式の解は（Ｍ−１）個の複素数
ｚi(i=1,2,‥‥,M-1)となる。ｚ＝exp(jkdsinθ)の関係
より，到来方向候補θi(i=1,2,‥‥,M-1)は次のように
して算出される。
ｗLM]Tである。この方程式の解は（Ｍ−１）個の複素数
ｚi(i=1,2,‥‥,M-1)となる。ｚ＝exp(jkdsinθ)の関係
より，到来方向候補θi(i=1,2,‥‥,M-1)は次のように
して算出される。
【数１０】 ただしarg( )は偏角を表す。
【００５４】到来方向候補θi(i=1,2,‥‥,M-1)はアレ
ーアンテナ出力電力算出器６５へ送られる。これ以降は
（実施の形態１）と同様にしてアレーアンテナ出力電力
値Ｐi(i=1,2,‥‥,M-1)を算出し，アレーアンテナ出力
電力値補充器６６でＰMを補充し，到来波数判定規範算
出器６７で到来波数判定規範ＩＣ（Ｎ’）を算出し，到
来波数推定器６８で到来波数Ｎを推定し，到来方向推定
器６９で到来方向θi(i=1,2,‥‥,N)を推定し，到来波
数・到来方向推定結果表示器７１で推定された到来波数
Ｎと到来方向θi(i=1,2,‥‥,N)を表示する。
ーアンテナ出力電力算出器６５へ送られる。これ以降は
（実施の形態１）と同様にしてアレーアンテナ出力電力
値Ｐi(i=1,2,‥‥,M-1)を算出し，アレーアンテナ出力
電力値補充器６６でＰMを補充し，到来波数判定規範算
出器６７で到来波数判定規範ＩＣ（Ｎ’）を算出し，到
来波数推定器６８で到来波数Ｎを推定し，到来方向推定
器６９で到来方向θi(i=1,2,‥‥,N)を推定し，到来波
数・到来方向推定結果表示器７１で推定された到来波数
Ｎと到来方向θi(i=1,2,‥‥,N)を表示する。
【００５５】
・受信アンテナ ： 等間隔線形アレーアンテナ ・受信アンテナを構成するアンテナの数Ｍ ： ８ ・隣り合うアンテナ間の距離ｄ ： 半波長（λ／２） ・到来波数Ｎ ： ３ ・到来波方向 ： θ1＝−３０度，θ2＝１０度，θ3
＝４０度 ・到来波電力 ： Ｐ1＝0.1（-10dB），Ｐ2＝1（0d
B），Ｐ3＝0.5（-3dB） ・熱雑音電力 ： 0.01（-20dB） ・信号ベクトルのスナップショット数Ｌ ： 100 ・MUSICスペクトラムＰM(θ)を算出する際のθの刻み幅
： 0.1度 ・角度スペクトラムＰL(θ)を算出する際のの刻み幅
： 0.1度
＝４０度 ・到来波電力 ： Ｐ1＝0.1（-10dB），Ｐ2＝1（0d
B），Ｐ3＝0.5（-3dB） ・熱雑音電力 ： 0.01（-20dB） ・信号ベクトルのスナップショット数Ｌ ： 100 ・MUSICスペクトラムＰM(θ)を算出する際のθの刻み幅
： 0.1度 ・角度スペクトラムＰL(θ)を算出する際のの刻み幅
： 0.1度
【００５６】(1)MUSICを搭載した電波到来方向推定装置
による到来波数と到来方向の推定 相関行列算出器で相関行列Ｒyyを算出後，固有値・固有
ベクトル算出器で固有値分解により固有値λi(i=1,2,‥
‥,8)と固有ベクトルｅi(i=1,2,‥‥,8)を算出する。固
有値の最大値を1に正規化して降順に並べたものを図６
（λ，○印）に示す。また到来波数判定規範算出でλi
を利用して到来波数判定規範ＩＣ（Ｎ）を算出した結果
を図７（λ，○印）に示す。到来波数の候補値Ｎ’が３
のときにＩＣ（Ｎ’）が最も小さい値であるので，到来
波数推定器において到来波数Ｎは３と推定される。雑音
部分空間固有ベクトル抽出器は到来波数が３であるので
ｅ4〜ｅ8を出力する。MUSICスペクトラム算出器におい
てMUSICスペクトラムを算出した結果を図４に示す。明
らかに3つの極大値が現れていることが分かる。到来方
向推定器では極大値に対応する方向を調べ，結局到来波
の方向は-30度，10度，40度と推定される。
による到来波数と到来方向の推定 相関行列算出器で相関行列Ｒyyを算出後，固有値・固有
ベクトル算出器で固有値分解により固有値λi(i=1,2,‥
‥,8)と固有ベクトルｅi(i=1,2,‥‥,8)を算出する。固
有値の最大値を1に正規化して降順に並べたものを図６
（λ，○印）に示す。また到来波数判定規範算出でλi
を利用して到来波数判定規範ＩＣ（Ｎ）を算出した結果
を図７（λ，○印）に示す。到来波数の候補値Ｎ’が３
のときにＩＣ（Ｎ’）が最も小さい値であるので，到来
波数推定器において到来波数Ｎは３と推定される。雑音
部分空間固有ベクトル抽出器は到来波数が３であるので
ｅ4〜ｅ8を出力する。MUSICスペクトラム算出器におい
てMUSICスペクトラムを算出した結果を図４に示す。明
らかに3つの極大値が現れていることが分かる。到来方
向推定器では極大値に対応する方向を調べ，結局到来波
の方向は-30度，10度，40度と推定される。
【００５７】(2)本発明の（実施の形態１）の電波到来
方向推定装置による到来波数と到来方向の推定 相関行列算出器で相関行列Ｒyyを算出後，相関行列逆行
列算出器で相関行列Ｒyyの逆行列Ｒyy -1を算出し，さ
らに相関行列逆行列Ｒyy -1を用いてウェイトベクトル
算出器でウェイトベクトルｗLを算出し，角度スペクト
ラム算出器で線形予測法による角度スペクトラムＰL
(θ)を算出する。その結果を図５（線形予測法）に示
す。到来波の方向である-30度，10度，40.1度の方向に
極大値が現れているが，到来波以外の方向（-50.1度，-
10.6度，71.3度）にも極大値が現れている。到来方向候
補推定器では極大値に対応する方向を調べ，これら6つ
を到来方向候補として出力する。アレーアンテナ出力電
力算出器では6つの到来方向候補に対してアレーアンテ
ナ出力電力値Ｐiを算出する。その結果も併せて●印で
図５に示している。到来波方向に対するＰiは各到来波
電力に比例した値となり，到来波方向以外の3方向に対
するＰiは非常に小さい値となっている。アレーアンテ
ナ出力電力算出器ではＰiを大きい順に並べたものを出
力すると同時に，θiもＰiに対応して並べ替えられる。
アレーアンテナ出力電力補充器ではＰ7＝Ｐ8＝Ｐ6とし
て出力電力値が補充される。このＰiを図６（Ｐ，△
印）に示す。固有値と同じような傾向を示していること
が分かる。到来波数判定規範算出器でＰiを利用して到
来波数判定規範ＩＣ（Ｎ’）を算出した結果を図７
（Ｐ，△印）に示す。固有値の場合と同じような変化を
示していることが確認できる。到来波数の候補値Ｎ’が
3のときにＩＣ（Ｎ’）が最も小さい値であるので，到
来波数推定器において到来波数Ｎは3と推定される。到
来波数推定器ではＰiの大きいものから3つが選択され，
それに対応する方向である-30度，10度，40.1度が到来
方向として推定される。
方向推定装置による到来波数と到来方向の推定 相関行列算出器で相関行列Ｒyyを算出後，相関行列逆行
列算出器で相関行列Ｒyyの逆行列Ｒyy -1を算出し，さ
らに相関行列逆行列Ｒyy -1を用いてウェイトベクトル
算出器でウェイトベクトルｗLを算出し，角度スペクト
ラム算出器で線形予測法による角度スペクトラムＰL
(θ)を算出する。その結果を図５（線形予測法）に示
す。到来波の方向である-30度，10度，40.1度の方向に
極大値が現れているが，到来波以外の方向（-50.1度，-
10.6度，71.3度）にも極大値が現れている。到来方向候
補推定器では極大値に対応する方向を調べ，これら6つ
を到来方向候補として出力する。アレーアンテナ出力電
力算出器では6つの到来方向候補に対してアレーアンテ
ナ出力電力値Ｐiを算出する。その結果も併せて●印で
図５に示している。到来波方向に対するＰiは各到来波
電力に比例した値となり，到来波方向以外の3方向に対
するＰiは非常に小さい値となっている。アレーアンテ
ナ出力電力算出器ではＰiを大きい順に並べたものを出
力すると同時に，θiもＰiに対応して並べ替えられる。
アレーアンテナ出力電力補充器ではＰ7＝Ｐ8＝Ｐ6とし
て出力電力値が補充される。このＰiを図６（Ｐ，△
印）に示す。固有値と同じような傾向を示していること
が分かる。到来波数判定規範算出器でＰiを利用して到
来波数判定規範ＩＣ（Ｎ’）を算出した結果を図７
（Ｐ，△印）に示す。固有値の場合と同じような変化を
示していることが確認できる。到来波数の候補値Ｎ’が
3のときにＩＣ（Ｎ’）が最も小さい値であるので，到
来波数推定器において到来波数Ｎは3と推定される。到
来波数推定器ではＰiの大きいものから3つが選択され，
それに対応する方向である-30度，10度，40.1度が到来
方向として推定される。
【００５８】(3)本発明の（実施の形態２）の電波到来
方向推定装置による到来波数と到来方向の推定 相関行列算出器で相関行列Ｒyyを算出後，相関行列逆行
列算出器で相関行列Ｒyyの逆行列Ｒyy -1を算出し，さ
らに相関行列逆行列Ｒyy -1を用いてウェイトベクトル
算出器でウェイトベクトルｗLを算出し，到来方向候補
算出器でウェイトベクトルを係数とする高次方程式を解
いて到来方向候補を直接算出する。その結果，-29.997
1，-50.1105，71.3195，40.0512，-10.6359，9.9803，2
0.7519の7つの解すなわち到来方向候補が求まる。アレ
ーアンテナ出力電力算出器では7つの到来方向候補に対
してアレーアンテナ出力電力値Ｐiを算出する。その後
の処理は（実施の形態１）と同じである。最終的な推定
結果は，到来波数3，到来方向9.9803度，40.0512度，-2
9.9971度となる。
方向推定装置による到来波数と到来方向の推定 相関行列算出器で相関行列Ｒyyを算出後，相関行列逆行
列算出器で相関行列Ｒyyの逆行列Ｒyy -1を算出し，さ
らに相関行列逆行列Ｒyy -1を用いてウェイトベクトル
算出器でウェイトベクトルｗLを算出し，到来方向候補
算出器でウェイトベクトルを係数とする高次方程式を解
いて到来方向候補を直接算出する。その結果，-29.997
1，-50.1105，71.3195，40.0512，-10.6359，9.9803，2
0.7519の7つの解すなわち到来方向候補が求まる。アレ
ーアンテナ出力電力算出器では7つの到来方向候補に対
してアレーアンテナ出力電力値Ｐiを算出する。その後
の処理は（実施の形態１）と同じである。最終的な推定
結果は，到来波数3，到来方向9.9803度，40.0512度，-2
9.9971度となる。
【図１】従来のMUSICを搭載した電波到来方向推定装置
の構成図である。
の構成図である。
【図２】本発明の（実施の形態１）に係る電波到来方向
推定装置の構成図である。
推定装置の構成図である。
【図３】本発明の（実施の形態２）に係る電波到来方向
推定装置の構成図である。
推定装置の構成図である。
【図４】一定条件を仮定して、MUSICスペクトラム算出
器で算出したMUSICスペクトラムを示すグラフである。
器で算出したMUSICスペクトラムを示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態１により、角度スペクトラ
ムＰL(θ)を算出した結果を示すグラフである。
ムＰL(θ)を算出した結果を示すグラフである。
【図６】固有値とアレーアンテナ出力電圧値を最大１に
正規化して並べたグラフである。
正規化して並べたグラフである。
【図７】到来波数判定規範ＩＣ（Ｎ’）を算出した結果
を示すグラフである。
を示すグラフである。
２ 受信アンテナ部 ３ 到来波数・到来方向推定部 ４ 到来波数・到来方向推定結果表示部 ５ 受信アンテナ部 ６ 到来波数・到来方向推定部 ７ 到来波数・到来方向推定結果表示部 ８ 受信アンテナ部 ９ 到来波数・到来方向推定部 １０ 到来波数・到来方向推定結果表示部 ２１ アレーアンテナ ２２ 受信機 ３１ 相関行列算出器 ３２ 相関行列逆行列算出器 ３３ ウェイトベクトル算出器 ３４ 角度スペクトラム算出器 ３５ 到来方向候補推定器 ３６ アレーアンテナ出力電力算出器 ３７ アレーアンテナ出力電力値補充器 ３８ 到来波数判定規範算出器 ３９ 到来波数推定器 ４０ 到来方向推定器 ４１ 到来波数・到来方向推定結果表示器 ５１ 等間隔線形アレーアンテナ ５２ 受信機 ６１ 相関行列算出器 ６２ 相関行列逆行列算出器 ６３ ウェイトベクトル算出器 ６４ 到来方向候補算出器 ６５ アレーアンテナ出力電力算出器 ６６ アレーアンテナ出力電力値補充器 ６７ 到来波数判定規範算出器 ６８ 到来波数推定器 ６９ 到来方向推定器 ７１ 到来波数・到来方向推定結果表示器 ８１ アレーアンテナ ８２ 受信機 ９１ 相関行列算出器 ９２ 固有値・固有ベクトル算出器 ９３ 到来波数判定規範算出器 ９４ 到来波数推定器 ９５ 雑音部分空間固有ベクトル抽出器 ９６ ＭＵＳＩＣスペクトラム算出器 ９７ 到来方向推定器 １０１ 到来波数・到来方向推定結果表示器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 辻 宏之 神奈川県横須賀市光の丘３番４号 郵政省 通信総合研究所横須賀無線通信研究センタ ー内 Ｆターム(参考） 5J021 AA05 AA07 EA04 FA13 HA05
Claims (4)
- 【請求項１】到来波を受信する複数のアンテナから構成
されるアレーアンテナと，アレーアンテナで受信された
信号に対して到来波数と到来方向を推定するために必要
な前処理を行う受信機と，各受信機からのベースバンド
信号をまとめた入力信号ベクトルの相関行列を算出する
相関行列算出手段と，相関行列の逆行列を算出する相関
行列逆行列算出手段と，相関行列逆行列から線形予測法
によりウェイトベクトルを算出するウェイトベクトル算
出手段と，ウェイトベクトルを利用して線形予測法によ
り到来波の角度分布を算出する角度分布算出手段と，角
度分布の極大値を検出して到来方向候補を推定する到来
方向候補推定手段と，Capon法により到来方向候補のア
レーアンテナ出力電力を算出するアレーアンテナ出力電
力算出手段と，到来波数推定を行うためにアレーアンテ
ナ出力電力値を補充するアレーアンテナ出力電力値補充
手段と，アレーアンテナ出力電力値を利用して到来波数
判定規範を算出する到来波数判定規範算出手段と，到来
波数判定規範の最小値を検出して到来波数を推定する到
来波数推定手段と，到来波数と到来方向候補から到来方
向を推定する到来方向推定手段とを備えることを特徴と
する電波到来方向推定装置。 - 【請求項２】到来波数と到来方向の推定結果を表示する
到来波数・到来方向推定結果表示手段をさらに備えるこ
とを特徴とする請求項１記載の電波到来方向推定装置。 - 【請求項３】到来波を受信する複数のアンテナを直線上
に等間隔で配列して構成される等間隔線形アレーアンテ
ナと，等間隔線形アレーアンテナで受信された信号に対
して到来波数と到来方向を推定するために必要な前処理
を行う受信機と，各受信機からのベースバンド信号をま
とめた入力信号ベクトルの相関行列を算出する相関行列
算出手段と，相関行列の逆行列を算出する相関行列逆行
列算出手段と，相関行列逆行列から線形予測法によりウ
ェイトベクトルを算出するウェイトベクトル算出手段
と，ウェイトベクトルを利用して到来方向候補を算出す
る到来方向候補算出手段と，Capon法により到来方向候
補のアレーアンテナ出力電力を算出するアレーアンテナ
出力電力算出手段と，到来波数推定を行うためにアレー
アンテナ出力電力値を補充するアレーアンテナ出力電力
値補充手段と，アレーアンテナ出力電力値を利用して到
来波数判定規範を算出する到来波数判定規範算出手段
と，到来波数判定規範の最小値を検出して到来波数を推
定する到来波数推定手段と，到来波数と到来方向候補か
ら到来方向を推定する到来方向推定手段とを備えること
を特徴とする電波到来方向推定装置。 - 【請求項４】到来波数と到来方向の推定結果を表示する
到来波数・到来方向推定結果表示手段をさらに備えるこ
とを特徴とする請求項３記載の電波到来方向推定装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000347089A JP4577742B2 (ja) | 2000-11-14 | 2000-11-14 | 電波到来方向推定装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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|---|---|
| JP2002148324A true JP2002148324A (ja) | 2002-05-22 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005121581A (ja) * | 2003-10-20 | 2005-05-12 | Mitsubishi Electric Corp | レーダ装置 |
| JP2007040806A (ja) * | 2005-08-02 | 2007-02-15 | Denso Corp | レーダ装置 |
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