JP2004260588A

JP2004260588A - Array antenna communication device

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Publication number: JP2004260588A
Application number: JP2003049556A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Takeuchi; 嘉彦竹内; Hirotoku Sakamoto; 廣徳坂本; Yasumasa Kamei; 恭正亀井; Toshiro Iijima; 敏郎飯島; Tatsukatsu Mizobe; 達克溝部
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP4025219B2

Abstract

【課題】アレイアンテナ通信装置において、送信／受信についてほぼ同じアンテナ・パターンがより容易に形成されるようにする。
【解決手段】通信装置１０は、ＲＦ段において、アンテナ（単位アンテナ）１２毎に、送受信で共用される双方向ベクトル変調器２２と、送受信で共用されない非共用回路部２４と、を備える。非共用回路部２４では、その送信系回路と受信系回路とで位相特性・振幅特性がアンテナ間で定めた定数倍となるように調整されており、またアダプティブ処理部３０は、複数の双方向ベクトル変調器２２に対して制御を実行する。すなわち、かかる構成によれば、送信／受信で信号の経路をできるだけ共用化しているので、送受信で同一のパラメータによるアダプティブ動作が可能となり、より容易に、送信／受信についてほぼ同じアンテナ・パターンを得ることができる。
【選択図】図１In an array antenna communication apparatus, almost the same antenna pattern for transmission / reception is formed more easily.
A communication apparatus includes, for each antenna (unit antenna), at a RF stage, a bidirectional vector modulator shared for transmission and reception and a non-shared circuit unit not shared for transmission and reception. In the non-shared circuit unit 24, the phase characteristic and the amplitude characteristic of the transmission system circuit and the reception system circuit are adjusted so as to be a constant multiple determined between the antennas, and the adaptive processing unit 30 includes a plurality of bidirectional circuits. Control is performed on the vector modulator 22. In other words, according to this configuration, since the signal path is shared as much as possible in transmission / reception, an adaptive operation using the same parameters can be performed in transmission / reception, and almost the same antenna pattern can be obtained for transmission / reception more easily. be able to.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のアンテナを用いて送受信アンテナ・パターンを制御する通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空間的に離間させて配置された複数のアンテナで受信された各信号を適切に加算合成することにより、希望波の到来方向にビームを有し、かつ干渉波の到来方向にヌルを有する受信アンテナ・パターンを形成して、希望信号を選択的に受信するアダプティブ・アレイ・アンテナを備えた通信装置が知られている。そして、この通信装置で送信を行う場合には、希望局の方向にビームを有し、かつ干渉局の方向にヌルを有する送信アンテナ・パターンを形成するのが望ましい。これにより、希望局の方向にビームを形成することで希望局方向に選択的に送信電力を振り向けることができ、また干渉局方向にヌルを向けることで干渉局にとっては本通信装置からの干渉を受けないこととなり、本通信装置と希望局の組と独立して通信を行っている干渉局に影響を与えにくくなる意味で有効である。
【０００３】
ここで、図２を参照して、従来のアダプティブ・アレイ・アンテナを備えた通信装置５０について説明する。なお、ここでは、一例として、送受周波数は同一で、時分割で送受通信を行い、また４本のアンテナ５２を空間的に離間させて配置したアダプティブ・アレイ・アンテナを用いる場合について説明する。
【０００４】
まずは、受信時の処理について説明する。アンテナ５２で受信された信号は、送信／受信を切り替える送受切り替え器５４（図２では受信時の接続状態を示している）を経由して、低雑音増幅器（ＬＮＡ）５６で増幅された後、ミキサ５８に入力され、ここでローカル発信器６０からのローカル周波数と掛け合わされることにより中間周波数（ＩＦ）に変換される。次に、信号は、ＩＦフィルタ６２により受信周波数付近の周波数信号とされた後、ＩＦ増幅器６４にて増幅され、ミキサ６６に入力され、ここでローカル発信器６８からのローカル周波数とミキシングされてベースバンド信号に変換される。次に、信号は、ローパスフィルタ７０によって必要帯域幅に弁別され、アナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ）７２にてデジタル信号に変換される。４つのアンテナ５２における受信信号はそれぞれこのようにしてベースバンド信号に変換される。これらの信号は受信側処理部７４に入力され、ここで振幅及び位相により特徴付けられる重み付け（係数：ｗ１〜ｗ４）が行われた後に加算され、受信信号として処理される。アンテナで受信された信号には、希望局信号のみならず干渉局信号も含まれるが、アダプティブ・アレイ処理部７６において参照信号および受信信号に基づいて適切に重みづけ係数（受信重みづけ値）を決定することで、受信信号から干渉局信号を除去して希望局信号のみを受信することができる。この処理に関しては非特許文献１に詳しい。
【０００５】
次に、送信時の処理について説明する。送信側処理部７８は、入力される送信信号を４分割して、それぞれに重み付けを行う。ここで、送信時の重み付け値として、受信時の重み付けの値を用いる場合がある。これは、送信信号と受信信号の相反性を利用して、受信アンテナ・パターンと同様のビーム、ヌルを有する送信アンテナ・パターンを形成するという考えに基づくものである。さて、分割され重みづけされた各信号は、デジタル・アナログ変換器（Ｄ／Ａ）８０、ローパスフィルタ８２を経由してミキサ８４に入力され、ここでローカル周波数によるミキシングによってＩＦ周波数に変換される。次に、信号は、ＩＦフィルタ８６によってフィルタリングされ、ＩＦ増幅器８８によって増幅された後、ミキサ９０に入力され、ここで、ローカル周波数によるミキシングによってＲＦ周波数に変換される。そして、信号は、送信電力増幅器（ＰＡ）９２、および送受切り替え器５４を経由してアンテナ５２から送信される。
【０００６】
さて、上述した従来技術では、送信時の重み付けパターンと受信時の重み付けパターンとを同じにした。これは、アンテナ５２以降の空間での信号の相反性に基づくことによりなされるが、無線部では、送信信号の通過する送信部（ＴＸ）と受信信号の通過する受信部（ＲＸ）とは異なるため、相反性が成立しない。したがって、上記従来技術のように、送信側処理部７８で受信側処理部７４で用いたのと同一の重み付け値を用いても、受信時と同一の送信指向性を得ることはできなかった。すなわち、ＴＸ側を通過する送信信号の位相回転量および振幅変化量は、ＲＸ側を通過する受信信号の位相回転量および振幅変化量と異なるため、送受信で同一の重み付けを行っても、送信信号がＴＸを通過してアンテナに達したときの信号の振幅および位相は、受信信号が受信される場合の振幅および位相と異なるものとなってしまう。つまり、送受信で同じ重み付けを行うと、送信アンテナ・パターンは受信アンテナ・パターンと異なるものとなり、受信信号のビーム方向とヌル方向は、送信時のビーム方向とヌル方向とは異なるものとなる。
【０００７】
したがって、この種のアダプティブ・アレイ・アンテナを備える通信装置では、４系統のそれぞれについて、送信部（ＴＸ）における送信信号の位相回転量が受信部（ＲＸ）における受信信号の位相回転量と同一となり、かつ、送信部（ＴＸ）における送信信号の振幅変化量が受信部（ＲＸ）における受信信号の振幅変化量とアンテナ間で共通の一定倍率となるように、適切な調整を行う必要がある。
【０００８】
このような場合、通常、４系統の全ての受信部（ＲＸ）について振幅変化量と位相回転量とが相互で一定値となるように調整され（受信側キャリブレーション）、また４系統の全ての送信部（ＴＸ）について振幅変化量と位相回転量とが相互で一定値となるように調整される（送信側キャリブレーション）。かかる調整は、受信側処理部７４において各系統（各受信部）に対して設けられた振幅・位相補正部９４、および送信側処理部７８において各系統（各送信部）に対して設けられた振幅・位相補正部９６にて行われる。このキャリブレーション（校正）は、具体的には、特許文献１や特許文献２に開示されるように、各系統で受信側または送信側に切り替え、受信信号が受信部（ＲＸ）を通過する際の振幅と位相と、送信信号が送信部（ＴＸ）を通過する際の振幅と位相とを順次測定して行うものである。
【０００９】
【特許文献１】
特許第３３３２９１１号公報
【特許文献２】
特表２００３−５０１９７１号公報
【特許文献３】
特開２００１−５３６６３号公報
【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」，初版，株式会社科学技術出版，１９９８年１１月
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１あるいは特許文献２に開示される方法では、複数系統のそれぞれについて順次送信及び受信に切り替えて通過する際の振幅と位相を順次測定するため、キャリブレーションが完了するまでに時間を要するという問題があった。さらに、キャリブレーションの実施中に、新たに振幅変化、位相回転が生じ、精度良くキャリブレーションを行うのが難しいという問題があった。そして、一般的には、キャリブレーション実施中に送信部および受信部を特性変化の無い状況に保つことは極めて難しく、その対策として特許文献３に開示されるような運用時に常時キャリブレーションを並行して継続するという非常に手間を要するキャリブレーションを実施せざるを得ない場合も多かった。
【００１１】
加えて、希望局、干渉局からの信号のレベルは希望局、干渉局までの距離などによって大きく変動するため、受信部には一般に自動利得調整機構（ＡＧＣ）が設けられているが、この自動利得調整機構を設けたことで、受信レベルの変化により受信部相互間で振幅変化量と位相回転量に差が生じることがあり、折角行ったキャリブレーション補正値が実際には有効に利用できない場合も多かった。
【００１２】
さらに、受信側の振幅・位相補正部に何らかの異常が生じ、正常な補正を行えない状態となった場合、それによる誤差は受信側処理部の重み付け値に上乗せされる。そして、さらにその誤差の上乗せされた重み付け値が送信側に用いられるから、送信アンテナ・パターンと受信アンテナ・パターンとが大きく異なることになってしまうという問題があった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるアレイアンテナ通信装置は、複数の単位アンテナを含むアダプティブ・アレイ・アンテナを用いる通信装置であって、前記単位アンテナ毎に設けられ少なくとも送信電力増幅器を含むＲＦ送信系回路と、前記単位アンテナ毎に上記ＲＦ送信系回路と並列に設けられるＲＦ受信系回路であって少なくとも低雑音増幅器を含むＲＦ受信系回路と、上記ＲＦ送信系回路およびＲＦ受信系回路に単位アンテナの他方側で共通に接続される双方向ベクトル変調器と、複数の双方向ベクトル変調器に接続される分配・合成部と、上記分配・合成部に接続される送受信部（ＴＲＸ）と、上記双方向ベクトル変調器を制御して複数の単位アンテナをアダプティブ・アレイ・アンテナとして機能させるアダプティブ処理部と、を備え、各単位アンテナに対応する上記ＲＦ送信系回路およびＲＦ受信系回路について、それらを信号が通過する際の振幅変化量相互の差および位相回転量相互の差が各単位アンテナ間でほぼ等しい。
【００１４】
また、上記本発明にかかるアレイアンテナ通信装置では、さらに、各単位アンテナに対応する上記ＲＦ送信系回路およびＲＦ受信系回路について、それらを信号が通過する際の遅延時間がほぼ等しいのが好適である。
【００１５】
また、上記本発明にかかるアレイアンテナ通信装置では、各単位アンテナに対応する上記ＲＦ送信系回路およびＲＦ受信系回路のうち少なくともいずれか一方には、上記振幅変化量、位相回転量、および遅延時間のうち少なくとも一つを調整するための調整部が設けられるのが好適である。
【００１６】
また、上記本発明にかかるアレイアンテナ通信装置では、同一の通信相手に対し同一周波数で送受信を行う時分割双方向通信装置であるのが好適である。
【００１７】
また、上記本発明にかかるアレイアンテナ通信装置では、さらに、上記ＲＦ受信系回路のそれぞれと上記アダプティブ処理部との間に受信部（ＲＸ）を備えるのが好適である。
【００１８】
また、上記本発明にかかるアレイアンテナ通信装置では、上記アダプティブ処理部は、上記受信部（ＲＸ）から入力された信号と、上記送受信部（ＴＲＸ）から入力された信号と、に基づいて、上記双方向ベクトル変調器を制御するのが好適である。
【００１９】
また、上記本発明にかかるアレイアンテナ通信装置では、上記受信部（ＲＸ）から入力された信号と、上記送受信部（ＴＲＸ）から入力された信号との間で、上記双方向ベクトル変調器の移相量を零としたときの相互の位相差を±９０°以下とする手段を有するのが好適である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について図１を参照して説明する。図１は、本実施形態にかかる通信装置１０の要部の一例を示すブロック図である。なお、本実施形態では、４つのアンテナ（単位アンテナ）１２によってアダプティブ・アレイ・アンテナが構成される場合の例について説明する。
【００２１】
各アンテナ１２に入力された信号は、送受切り替え器１４，２０が受信側に接続されている状態で、バンドパス・フィルタ（ＢＰＦ）１６および低雑音増幅器（ＬＮＡ）１８を通過し、さらに送受切り替え器２０を通って、双方向ベクトル変調器２２に入力される。ここで、送受切り替え器１４と送受切り替え器２０との間では、送信系と受信系とでそれぞれ別個独立した回路（すなわちＲＦ送信系回路およびＲＦ受信系回路）を有しており、本実施形態では、この部分を非共用回路部２４と称する。そして、双方向ベクトル変調器２２においてそれぞれ重み付けされた複数系統の信号が分配・合成部２６で加算され、送受信部（ＴＲＸ）２８を通って受信される（受信信号）。この受信信号の一部はアダプティブ処理部（ＡＰＵ）３０に入力される。
【００２２】
また、低雑音増幅器（ＬＮＡ）１８から出力された信号は、各系統毎に設けられた受信部（ＲＸ）３２を通ってアダプティブ処理部３０に入力される。
【００２３】
アダプティブ処理部３０は、入力される参照信号およびＴＲＸ２８からの信号を基にして、干渉波、雑音等から分離して希望波信号を取り出すための重み付け値（各双方向ベクトル変調器２２における重み付け値）を取得し、これを各双方向ベクトル変調器２２に設定する。これにより、希望局方向にビームを、また干渉局方向にヌルを有する受信アンテナ・パターンを形成することができる。また、希望局からの信号のＳＮ比を改善することもできる。
【００２４】
一方、ベースバンド送信信号は送受信部（ＴＲＸ）２８を通過し、分配・合成部２６にて各系統に分配される。分配された信号は、それぞれ双方向ベクトル変調器２２に入力され、送受切り替え器２０、調整器（主として位相調整器として機能するが振幅調整器としての機能を含めてもよい）３４を通過し、送信電力増幅器（ＰＡ）３６にて電力増幅された後、送受切り替え器１４を通ってアンテナ１２から出力される。なお、送信時は、送受切り替え器１４，２０はいずれも送信側に接続されている。
【００２５】
さて、かかる構成においてＲＦ段で送信／受信で信号の経路が異なるのは、送受切り替え器１４と送受切り替え器２０との間の回路構成部分、すなわち非共用回路部２４である。ところが、本実施形態では、非共用回路部２４には、調整器３４が設けられており、各系統について、送信経路（ＲＦ送信系回路）と受信経路（ＲＦ受信系回路）とで、振幅変化量相互の差および位相回転量相互の差がそれぞれ各アンテナ（単位アンテナ）１２間でほぼ同じ値となるように構成し（または調整し）ている。また、本実施形態では、各系統に対する重み付け値は、送信／受信で共用される双方向ベクトル変調器２２に対するものである。すなわち、本実施形態にかかる通信装置１０によれば、調整器３４を用いて各系統で送信経路／受信経路における信号の特性変化を定数倍とすることで、各系統に対し送信／受信で共通の重み付け値を用いて、送信アンテナ・パターンと受信アンテナ・パターンとを、同じパターン（すなわち同じビーム、ヌルを有するもの）として形成することができる。
【００２６】
なお、本実施形態では、非共用回路部２４については、さらに、送信系と受信系とで通過遅延時間が等しくなるように構成する（あるいは調整可能な構成要素を備える）のが好適である。これは、遅延時間（より詳しくは群遅延時間）の等しい回路間では、通過位相の周波数傾斜が等しいという群遅延時間の定義に基づく。すなわち、ある特定の周波数で送信系と受信系との位相差を一定としても、別の周波数においては一定値からの位相差が生じてしまうことを防ぐためである。すなわち、かかる構成は、より広い周波数帯域について送信経路と受信経路との間の位相差をほぼ同一とすることができるから、複数の周波数を利用するような通信装置について特に有効となる。
【００２７】
さらに、本実施形態にかかる通信装置１０では、受信系において、双方向ベクトル変調器２２、分配・合成部２６、ＴＲＸ２８を通ってアダプティブ処理部３０に入力される信号と、双方向ベクトル変調器２２の前段（アンテナ１２側）から分配され、各系統の受信部（ＲＸ）３２を通ってアダプティブ処理部に入力される信号と、の間の振幅差および位相差を検出し、かつそれを補正する手段（本実施形態ではアダプティブ処理部３０がこの手段に相当する）を設けるのが好適である。通信自体には関与しないがアダプティブ制御の収束性を向上するために設けた受信部（ＲＸ）３２のアダプティブ処理部３０への出力に対して、この手段により、アダプティブ制御の収束性の更なる向上、ひいてはＳＮ比の更なる改善を図ることができる。なお、この手段は、受信時に重み付け合成する前の信号を各系統についてそれぞれ独立に取得し、また、重み付け合成後の信号（すなわちＴＲＸ２８から出力された信号）から希望信号を選択的に取得して、重み付け制御の収束性を向上しようとするものであるが、かかる制御を実行するには、双方向ベクトル変調器２２において重み付け移相量を零とした場合におけるＴＲＸ２８の出力信号の位相差に対し、ＲＸ３２を通過した信号の位相差を、少なくとも０°±９０°以下とする必要がある。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、送信／受信で信号の経路をできるだけ共用化することで、送受信で同一のパラメータによるアダプティブ動作が可能となり、より容易にかつより精度良く送信／受信間でのアンテナ・パターンの差を小さくすることができるという効果が得られる。
【００２９】
ここで、本方式のアダプティブ・アレイ動作の一例として、ＬＭＳアルゴリズムを用いた場合を例にとり説明しておく。なお、ＬＭＳアルゴリズムに関しては上記非特許文献１に詳しく説明されているので、ここでは省略する。まず、図３を参照して従来装置について説明する。図２のアダプティブ・アレイ処理部７６が図３の点線枠内（７６）に相当する。受信合成信号をＡ、受信信号に挿入される既知信号である参照信号をＤ、受信合成信号Ａから参照信号Ｄを引いた誤差信号をεとすると（すなわちε＝Ａ−Ｄ）、ＬＭＳアルゴリズムにしたがうアダプティブ・アレイ処理部７６は、受信合成信号Ａが参照信号Ｄに近づくように、すなわち、εが零となるように、受信合成信号を決定する重み付け値Ｗｉを調整する。この重み付け値Ｗｉは式（１）により示された漸化式で表される。
【数１】

ここに、
【数２】

、ｎ：（単位）アンテナの数、μ：正の実数、Δｔ：処理の時間ステップ、＊：複素共役を意味する。式（１）においてＳｉが用いられるのは、誤差εの二乗を評価関数として、Ｗｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）の関数としたとき、この評価関数のＷｉ方向の傾斜がＳｉに比例することによる。即ち、式（１）の右辺第２項は、誤差εが生じた場合、Ｗｉを評価関数の低減できる方向へ傾斜Ｓｉに比例して移動させることを意味する。
【００３０】
ここで重要な点は、Ｓｉはあくまで評価関数のＷｉ方向の傾斜を表すために用いられこの傾斜に誤りがあっても重み付け値Ｗｉが収束しないわけではない点である。この傾斜に誤差があっても次のステップでεの値がこの誤差を含んだ値となり、最終的にはεが零となるように収束する。
【００３１】
次に、図４を参照して本発明について説明する。図中点線枠内（３０）は、図１のアダプティブ処理部３０に対応する。図３と比較して異なる点は、受信合成信号に共通送受信部（ＴＲＸ）の利得（複素値、Ｒｏと表す）が新たに掛かる点と、Ｓｉに個別受信部（ＲＸ）の利得Ｒｉが掛かる点である。この点を考慮して、次の式（２）、式（３）、式（４）が導出される。
【数３】

ここに、
【数４】

、Ｒｏ：共通ＴＲＸの利得（複素値）、Ｒｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）：個別ＲＸの利得（複素値）、Δｔ：処理時間のステップ、＊：複素共役を意味する。ここで、式（２）から、ＡにＲｏが掛けられても参照信号Ｄとの差を誤差εとしているため、Ｗｉはそれぞれ１／Ｒｏされた値に収束し、Ａ・ＲｏがＤとなるよう、誤差εが零とするように動作し、アダプティブ・アレイ動作に支障はない。一方、評価関数のＷｉ方向の傾斜はＳｉからＳｉ’に変化する。ここで、前述したようにこの傾斜が真値でなくともεを零とする漸化式は動作し、アダプティブ・アレイ動作は行われるのであるが、このＳｉ’＝Ｒｉ・Ｓｉが、受信合成信号Ａ・Ｒｏに対して、９０°以上ずれた場合、評価関数の真の傾斜に対して逆方向の補正がかかるため、漸化式は収束せず、アダプティブ・アレイとして動作しない。一例として、Ｒｉの値がＲｏと比較して±３ｄｂ、位相差として±３０°以内であれば良い。ここでは、ＬＭＳについて述べたが、ＲＬＳアルゴリズム他のアダプティブ処理においても合成結果と参照信号との間の誤差を最小にする意味で同様に動作する。
【００３２】
一方、比較のために述べれば、従来技術（図２）の場合は、各受信経路、送信経路に誤差を含めばこの誤差は送受信アンテナ・パターンの差となり直接送信時の特性劣化につながる。従来例においては送信、受信キャリブレーションをそれぞれ±０．３ｄｂ、位相差±３°程度に合わせなければ、干渉局方向に充分な深さのヌルを形成できない。
【００３３】
以上、ＲＦ段の非共用回路部において、送信系、受信系の振幅・位相特性をアンテナ間で共通な定数倍とすれば、一つの通信装置に用いる複数の非共用回路部間で振幅・位相特性を揃える必要はなく、より容易に通信装置を構成することができる。
【００３４】
また、各受信部（ＲＸ）の振幅・位相特性（振幅変化量および位相回転量）も同一とする必要が無い。すなわち、振幅・位相特性の同じ受信部（ＲＸ）を揃える必要がなく、より容易に通信装置を構成することができる。
【００３５】
また、送受信部（ＴＲＸ）の受信部利得は、受信部（ＲＸ）の利得と連動させればよい。かかる構成により、例えば、一つの送受信部（ＴＲＸ）内の受信回路４系統の受信部の振幅差は、固定値±３ｄＢ程度、また位相差は±３０°程度の精度で十分なものとなる。同性能の従来装置では、振幅差：固定値±０．３ｄＢ、位相差±３°が必要であったことからすると、極めて簡素に構成可能であるのが理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる通信装置の回路構成の一例を示す図である。
【図２】従来の通信装置の回路構成を示す図である。
【図３】従来の通信装置のアダプティブアレイ処理部にかかる回路構成を示す図である。
【図４】本発明の実施形態にかかる通信装置のアダプティブ処理部（ＡＰＵ）にかかる回路構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０通信装置、１２アンテナ（単位アンテナ）、１４，２０送受切り替え器、１６バンドパス・フィルタ（ＢＰＦ）、１８低雑音増幅器、２２双方向ベクトル変調器、２４非共用回路部、２６分配・合成部、２８送受信部（ＴＲＸ）、３０アダプティブ処理部（ＡＰＵ）、３２受信部（ＲＸ）、３４調整器、３６送信電力増幅器（ＰＡ）。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a communication device that controls a transmission / reception antenna pattern using a plurality of antennas.
[0002]
[Prior art]
A receiving antenna having a beam in the arrival direction of a desired wave and a null in the arrival direction of an interference wave by appropriately adding and combining signals received by a plurality of antennas arranged spatially separated from each other. Communication devices having an adaptive array antenna for forming a pattern and selectively receiving a desired signal are known. When transmission is performed by this communication device, it is desirable to form a transmission antenna pattern having a beam in the direction of the desired station and having a null in the direction of the interference station. Thus, by forming a beam in the direction of the desired station, transmission power can be selectively directed to the desired station, and by pointing null to the direction of the interfering station, interference from the communication apparatus for the interfering station can be prevented. This is effective in the sense that it hardly affects the interfering station that is performing communication independently of the set of the communication apparatus and the desired station.
[0003]
Here, a communication device 50 including a conventional adaptive array antenna will be described with reference to FIG. Here, as an example, a case will be described in which transmission and reception frequencies are the same, transmission and reception are performed in a time-division manner, and an adaptive array antenna in which four antennas 52 are spatially separated is used.
[0004]
First, the processing at the time of reception will be described. A signal received by the antenna 52 is amplified by a low noise amplifier (LNA) 56 via a transmission / reception switch 54 for switching between transmission and reception (FIG. 2 shows a connection state at the time of reception). The signal is input to the mixer 58, where it is multiplied by the local frequency from the local oscillator 60 to be converted to an intermediate frequency (IF). Next, the signal is converted into a frequency signal near the reception frequency by the IF filter 62, amplified by the IF amplifier 64, input to the mixer 66, where it is mixed with the local frequency from the local oscillator 68 and It is converted to a band signal. Next, the signal is discriminated by a low-pass filter 70 into a required bandwidth, and is converted into a digital signal by an analog / digital converter (A / D) 72. The received signals at the four antennas 52 are each converted into baseband signals in this manner. These signals are input to the reception-side processing unit 74, where they are weighted (coefficients: w1 to w4) characterized by amplitude and phase, added, and processed as a reception signal. The signal received by the antenna includes not only the desired station signal but also the interfering station signal. The adaptive array processing unit 76 appropriately assigns a weighting coefficient (reception weighting value) based on the reference signal and the received signal. With this determination, it is possible to remove the interference station signal from the received signal and receive only the desired station signal. This processing is described in detail in Non-Patent Document 1.
[0005]
Next, processing at the time of transmission will be described. The transmission-side processing unit 78 divides the input transmission signal into four parts and weights each of them. Here, the weight value at the time of reception may be used as the weight value at the time of transmission. This is based on the idea that a reciprocity between a transmission signal and a reception signal is used to form a transmission antenna pattern having the same beam and null as the reception antenna pattern. Each of the divided and weighted signals is input to a mixer 84 via a digital-to-analog converter (D / A) 80 and a low-pass filter 82, where it is converted to an IF frequency by mixing with a local frequency. . Next, the signal is filtered by an IF filter 86 and amplified by an IF amplifier 88 and then input to a mixer 90 where it is converted to an RF frequency by mixing with a local frequency. Then, the signal is transmitted from the antenna 52 via the transmission power amplifier (PA) 92 and the transmission / reception switch 54.
[0006]
In the above-described related art, the weighting pattern at the time of transmission and the weighting pattern at the time of reception are the same. This is performed based on the reciprocity of the signal in the space after the antenna 52. However, in the wireless unit, the transmitting unit (TX) through which the transmission signal passes and the receiving unit (RX) through which the reception signal passes are different. Therefore, reciprocity is not established. Therefore, even if the same weighting value as used in the receiving-side processing unit 74 is used in the transmitting-side processing unit 78 as in the related art, it is not possible to obtain the same transmission directivity as in the reception. In other words, the phase rotation amount and the amplitude change amount of the transmission signal passing through the TX side are different from the phase rotation amount and the amplitude change amount of the reception signal passing through the RX side. The amplitude and the phase of the signal when the signal passes through the TX and reaches the antenna are different from the amplitude and the phase when the received signal is received. That is, if the same weighting is performed in transmission and reception, the transmission antenna pattern is different from the reception antenna pattern, and the beam direction and null direction of the received signal are different from the beam direction during transmission and the null direction.
[0007]
Therefore, in the communication device including the adaptive array antenna of this type, the phase rotation amount of the transmission signal in the transmission unit (TX) is the same as the phase rotation amount of the reception signal in the reception unit (RX) for each of the four systems. In addition, it is necessary to perform appropriate adjustment so that the amplitude change amount of the transmission signal in the transmission unit (TX) becomes a constant constant common to the amplitude change amount of the reception signal in the reception unit (RX) and the antenna.
[0008]
In such a case, usually, the amplitude change amount and the phase rotation amount are adjusted so as to be mutually constant with respect to all of the four receiving units (RX) (reception side calibration), and all of the four systems are received. The transmission unit (TX) is adjusted so that the amplitude change amount and the phase rotation amount are mutually constant (transmission-side calibration). Such adjustment is provided for the amplitude / phase correction unit 94 provided for each system (each reception unit) in the reception processing unit 74 and for each system (each transmission unit) in the transmission processing unit 78. This is performed by the amplitude / phase correction unit 96. Specifically, this calibration (calibration) is performed as described in Patent Literature 1 and Patent Literature 2, when each system is switched to a receiving side or a transmitting side, and a reception signal passes through a reception unit (RX). And the amplitude and phase of the transmission signal passing through the transmission section (TX) are sequentially measured.
[0009]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3332911 [Patent Document 2]
JP-T-2003-501971 [Patent Document 3]
JP 2001-53663 A [Non-Patent Document 1]
Nobuyoshi Kikuma, "Adaptive Signal Processing by Array Antenna", First Edition, Science and Technology Publishing Co., Ltd., November 1998 [0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method disclosed in Patent Literature 1 or Patent Literature 2, since the amplitude and the phase when sequentially switching to transmission and reception for each of a plurality of systems and passing therethrough are sequentially measured, time is required until calibration is completed. There was a problem of cost. In addition, during the execution of the calibration, a new amplitude change and phase rotation occur, and there is a problem that it is difficult to perform the calibration with high accuracy. In general, it is extremely difficult to keep the transmission unit and the reception unit in a state where there is no characteristic change during the execution of the calibration. As a countermeasure, calibration is always performed in parallel during operation as disclosed in Patent Document 3. In many cases, it has been necessary to carry out a very laborious calibration of continuing.
[0011]
In addition, since the levels of signals from the desired station and the interfering station greatly vary depending on the distance to the desired station and the interfering station, the receiving unit is generally provided with an automatic gain adjustment mechanism (AGC). When the gain adjustment mechanism is provided, the amplitude change amount and the phase rotation amount may be different between the receiving units due to the change in the reception level, and the calibration correction value that has been performed cannot be used effectively. There were many.
[0012]
Further, when some abnormality occurs in the amplitude / phase correction unit on the receiving side and a normal correction cannot be performed, an error due to the abnormality is added to the weight value of the receiving processing unit. Further, since the added weight value of the error is used on the transmitting side, there is a problem that the transmitting antenna pattern and the receiving antenna pattern are greatly different.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
An array antenna communication device according to the present invention is a communication device using an adaptive array antenna including a plurality of unit antennas, wherein an RF transmission system circuit provided at least for each unit antenna and including at least a transmission power amplifier; An RF receiving system circuit provided in parallel with the RF transmitting system circuit for each antenna, the RF receiving system circuit including at least a low-noise amplifier, and the RF transmitting system circuit and the RF receiving system circuit being shared on the other side of the unit antenna A bidirectional vector modulator connected to a plurality of bidirectional vector modulators, a transmission / reception unit (TRX) connected to the distribution / combination unit, and a bidirectional vector modulator And an adaptive processing unit for controlling the plurality of unit antennas to function as an adaptive array antenna. For the RF transmitting circuit and the RF receiving circuit corresponding to Na, difference and difference in phase rotation amount mutual amplitude variation mutual when they signal passes is substantially equal between each unit antennas.
[0014]
In the array antenna communication apparatus according to the present invention, it is preferable that the RF transmission system circuit and the RF reception system circuit corresponding to each unit antenna have substantially the same delay time when a signal passes therethrough. is there.
[0015]
Further, in the array antenna communication apparatus according to the present invention, at least one of the RF transmission system circuit and the RF reception system circuit corresponding to each unit antenna includes the amplitude change amount, the phase rotation amount, and the delay time. It is preferable that an adjusting unit for adjusting at least one of them is provided.
[0016]
In the array antenna communication apparatus according to the present invention, it is preferable that the array antenna communication apparatus is a time-division bidirectional communication apparatus that performs transmission and reception at the same frequency with the same communication partner.
[0017]
Further, in the array antenna communication device according to the present invention, it is preferable that a reception unit (RX) is further provided between each of the RF reception circuits and the adaptive processing unit.
[0018]
Further, in the array antenna communication device according to the present invention, the adaptive processing unit performs the above-described processing based on the signal input from the reception unit (RX) and the signal input from the transmission / reception unit (TRX). Preferably, a bidirectional vector modulator is controlled.
[0019]
Further, in the array antenna communication apparatus according to the present invention, the bidirectional vector modulator is shifted between a signal input from the reception unit (RX) and a signal input from the transmission / reception unit (TRX). It is preferable to have means for reducing the mutual phase difference when the phase amount is set to zero to ± 90 ° or less.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a main part of a communication device 10 according to the present embodiment. In the present embodiment, an example in which an adaptive array antenna is configured by four antennas (unit antennas) 12 will be described.
[0021]
The signal input to each antenna 12 passes through a band-pass filter (BPF) 16 and a low-noise amplifier (LNA) 18 with the transmission /

reception switchers

14 and 20 connected to the reception side, and further performs transmission / reception switching. The signal is input to the bidirectional vector modulator 22 through the modulator 20. Here, between the transmission / reception switch 14 and the transmission / reception switch 20, the transmission system and the reception system have independent circuits (that is, RF transmission system circuit and RF reception system circuit), respectively. In this case, this part is referred to as a non-shared circuit unit 24. Then, signals of a plurality of systems weighted by the bidirectional vector modulator 22 are added by the distribution / combination unit 26 and received through the transmission / reception unit (TRX) 28 (received signal). A part of the received signal is input to the adaptive processing unit (APU) 30.
[0022]
The signal output from the low noise amplifier (LNA) 18 is input to the adaptive processing unit 30 through a receiving unit (RX) 32 provided for each system.
[0023]
The adaptive processing unit 30 separates the weighted value (weighted value in each bidirectional vector modulator 22) for extracting a desired wave signal by separating it from an interference wave, noise, or the like based on the input reference signal and the signal from the TRX 28. ) Is obtained and set in each bidirectional vector modulator 22. As a result, it is possible to form a receiving antenna pattern having a beam in the direction of the desired station and a null in the direction of the interfering station. Further, the SN ratio of a signal from a desired station can be improved.
[0024]
On the other hand, the baseband transmission signal passes through a transmission / reception unit (TRX) 28 and is distributed to each system by a distribution / combination unit 26. The distributed signals are respectively input to the bidirectional vector modulator 22, pass through the transmission / reception switch 20, and the adjuster (which mainly functions as a phase adjuster but may include the function as an amplitude adjuster) 34, After the power is amplified by the transmission power amplifier (PA) 36, it is output from the antenna 12 through the transmission / reception switch 14. At the time of transmission, the transmission /

reception switchers

14 and 20 are both connected to the transmission side.
[0025]
Now, in this configuration, the signal path for transmission / reception in the RF stage differs between the transmission / reception switch 14 and the transmission / reception switch 20, that is, the non-shared circuit unit 24. However, in the present embodiment, the non-shared circuit unit 24 is provided with the adjuster 34, and for each system, the amplitude change between the transmission path (RF transmission system circuit) and the reception path (RF reception system circuit). The antennas are configured (or adjusted) such that the difference between the amounts and the difference between the phase rotation amounts are substantially the same between the respective antennas (unit antennas) 12. In the present embodiment, the weighting value for each system is for the bidirectional vector modulator 22 that is shared for transmission / reception. In other words, according to the communication apparatus 10 of the present embodiment, the characteristic change of the signal in the transmission path / reception path in each system is multiplied by a constant using the adjuster 34, so that transmission / reception is common to each system. , The transmit antenna pattern and the receive antenna pattern can be formed as the same pattern (ie, having the same beam, null).
[0026]
In the present embodiment, it is preferable that the non-shared circuit unit 24 is further configured (or provided with an adjustable component) so that the transmission delay time is equal between the transmission system and the reception system. This is based on the definition of the group delay time that the circuits having the same delay time (more specifically, the group delay time) have the same frequency slope of the passing phase. That is, even if the phase difference between the transmission system and the reception system is constant at a specific frequency, a phase difference from a constant value is prevented from occurring at another frequency. In other words, such a configuration can make the phase difference between the transmission path and the reception path substantially the same over a wider frequency band, and is particularly effective for a communication apparatus using a plurality of frequencies.
[0027]
Further, in the communication device 10 according to the present embodiment, in the receiving system, a signal input to the adaptive processing unit 30 through the bidirectional vector modulator 22, the distribution / combination unit 26, and the TRX 28, and the bidirectional vector modulator 22 Is detected from the preceding stage (antenna 12 side) and inputted to the adaptive processing unit through the receiving unit (RX) 32 of each system, and the amplitude difference and the phase difference are detected and corrected. It is preferable to provide means (in the present embodiment, the adaptive processing unit 30 corresponds to this means). With this means, the output to the adaptive processing unit 30 of the receiving unit (RX) 32, which is not involved in the communication itself but is provided for improving the convergence of the adaptive control, is further improved by this means. Further, the SN ratio can be further improved. In addition, this means independently obtains a signal before weighting and combining for each system at the time of reception, and selectively obtains a desired signal from a signal after weighting and combining (ie, a signal output from the TRX 28). In order to improve the convergence of the weighting control, such control is performed by controlling the phase difference of the output signal of the TRX 28 when the bidirectional vector modulator 22 sets the weighting phase shift amount to zero. , RX32 must be at least 0 ° ± 90 ° or less.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by sharing a signal path as much as possible in transmission / reception, an adaptive operation using the same parameter can be performed in transmission / reception, and transmission / reception between transmission / reception can be performed more easily and more accurately. Thus, the effect that the difference between the antenna patterns can be reduced.
[0029]
Here, as an example of the adaptive array operation of the present method, a case where an LMS algorithm is used will be described. Note that the LMS algorithm is described in detail in Non-Patent Document 1, and will not be described here. First, a conventional device will be described with reference to FIG. The adaptive array processing unit 76 in FIG. 2 corresponds to the area inside the dotted frame (76) in FIG. Assuming that the received combined signal is A, the reference signal which is a known signal inserted into the received signal is D, and the error signal obtained by subtracting the reference signal D from the received combined signal A is ε (that is, ε = A−D), the LMS algorithm Accordingly, adaptive array processing section 76 adjusts weighting value Wi for determining the received combined signal so that received combined signal A approaches reference signal D, that is, ε becomes zero. This weighting value Wi is represented by a recurrence formula shown by the formula (1).
(Equation 1)

here,
(Equation 2)

, N: (unit) number of antennas, μ: positive real number, Δt: processing time step, *: complex conjugate. In the equation (1), Si is used because when the square of the error ε is used as an evaluation function and a function of Wi (i = 1, 2,..., N) is used, the inclination of the evaluation function in the Wi direction is By being proportional to Si. That is, the second term on the right side of the equation (1) means that when the error ε occurs, Wi is moved in a direction in which the evaluation function can be reduced in proportion to the inclination Si.
[0030]
The important point here is that Si is used only to represent the inclination of the evaluation function in the Wi direction, and even if there is an error in the inclination, the weighting value Wi does not necessarily converge. Even if there is an error in the inclination, the value of ε becomes a value including this error in the next step, and finally converges so that ε becomes zero.
[0031]
Next, the present invention will be described with reference to FIG. In the figure, the area within the dotted frame (30) corresponds to the adaptive processing unit 30 in FIG. The difference from FIG. 3 is that the gain of the common transmitting / receiving unit (TRX) is newly applied to the received combined signal and that the Si is multiplied by the gain Ri of the individual receiving unit (RX). Is a point. In consideration of this point, the following equations (2), (3), and (4) are derived.
[Equation 3]

here,
(Equation 4)

, Ro: gain (complex value) of common TRX, Ri (i = 1, 2,..., N): gain (complex value) of individual RX, Δt: processing time step, *: complex conjugate . Here, from the equation (2), even if A is multiplied by Ro, the difference from the reference signal D is set as the error ε. Therefore, Wi converges to 1 / Ro, respectively, and A · Ro becomes D. Thus, the operation is performed so that the error ε becomes zero, and there is no problem in the adaptive array operation. On the other hand, the inclination of the evaluation function in the Wi direction changes from Si to Si ′. Here, as described above, even if this slope is not a true value, the recurrence formula that makes ε zero operates and the adaptive array operation is performed. This Si ′ = Ri · Si If A · Ro deviates by more than 90 °, the true slope of the evaluation function is corrected in the opposite direction, so that the recurrence formula does not converge and does not operate as an adaptive array. As an example, the value of Ri may be ± 3 db compared to Ro and the phase difference may be within ± 30 °. Here, the LMS has been described, but the adaptive processing other than the RLS algorithm operates in the same way in the sense of minimizing the error between the synthesis result and the reference signal.
[0032]
On the other hand, for comparison, in the case of the prior art (FIG. 2), if an error is included in each reception path and transmission path, the error becomes a difference between the transmitting and receiving antenna patterns, which directly leads to the deterioration of characteristics at the time of transmission. In the conventional example, a null with a sufficient depth cannot be formed in the direction of the interference station unless the transmission and reception calibrations are adjusted to about ± 0.3 dB and the phase difference ± 3 °, respectively.
[0033]
As described above, in the non-shared circuit section of the RF stage, if the amplitude and phase characteristics of the transmission system and the reception system are multiplied by constants common to the antennas, the amplitude and phase between the plurality of non-shared circuit sections used in one communication device can be increased. There is no need to make the characteristics uniform, and the communication device can be configured more easily.
[0034]
Also, the amplitude / phase characteristics (amplitude change amount and phase rotation amount) of each receiving unit (RX) need not be the same. That is, there is no need to arrange the receiving units (RX) having the same amplitude / phase characteristics, and the communication device can be configured more easily.
[0035]
Further, the receiving unit gain of the transmitting / receiving unit (TRX) may be linked with the gain of the receiving unit (RX). With such a configuration, for example, the amplitude difference between the receiving units of the four receiving circuits in one transmitting / receiving unit (TRX) is a fixed value of about ± 3 dB, and the phase difference is about ± 30 ° with an accuracy of about ± 30 °. Given that the conventional apparatus having the same performance requires an amplitude difference: a fixed value of ± 0.3 dB and a phase difference of ± 3 °, it can be understood that the configuration can be extremely simplified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of a communication device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a circuit configuration of a conventional communication device.
FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit configuration related to an adaptive array processing unit of a conventional communication device.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of an adaptive processing unit (APU) of the communication device according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Communication apparatus, 12 antenna (unit antenna), 14, 20 transmission / reception switch, 16 band pass filter (BPF), 18 low noise amplifier, 22 bidirectional vector modulator, 24 non-shared circuit part, 26 distribution / combination part , 28 transmission / reception unit (TRX), 30 adaptive processing unit (APU), 32 reception unit (RX), 34 regulator, 36 transmission power amplifier (PA).

Claims

A communication device using an adaptive array antenna including a plurality of unit antennas,
An RF transmission system circuit including at least a transmission power amplifier provided for each unit antenna,
An RF reception system circuit provided in parallel with the RF transmission system circuit for each unit antenna, the RF reception system circuit including at least a low noise amplifier,
A bidirectional vector modulator commonly connected to the RF transmission system circuit and the RF reception system circuit on the other side of the unit antenna;
A distributing / combining unit connected to a plurality of bidirectional vector modulators;
A transmission / reception unit (TRX) connected to the distribution / combination unit;
An adaptive processing unit that controls the bidirectional vector modulator to cause a plurality of unit antennas to function as an adaptive array antenna,
With
Regarding the RF transmission system circuit and the RF reception system circuit corresponding to each unit antenna, a difference between amplitude change amounts and a difference between phase rotation amounts when signals pass through them are substantially equal between each unit antenna. An array antenna communication device.

2. The array antenna communication device according to claim 1, wherein the RF transmission system circuit and the RF reception system circuit corresponding to each unit antenna have substantially the same delay time when a signal passes therethrough.

At least one of the RF transmission system circuit and the RF reception system circuit corresponding to each unit antenna has an adjustment unit for adjusting at least one of the amplitude change amount, the phase rotation amount, and the delay time. The array antenna communication device according to claim 1, wherein the array antenna communication device is provided.

The array antenna communication device according to any one of claims 1 to 3, wherein the communication device is a time-division bidirectional communication device that performs transmission and reception with the same communication partner at the same frequency.

The array antenna communication device according to any one of claims 1 to 4, further comprising a reception unit (RX) between each of the RF reception circuits and the adaptive processing unit.

The adaptive processing unit controls the bidirectional vector modulator based on a signal input from the reception unit (RX) and a signal input from the transmission / reception unit (TRX). An array antenna communication device according to claim 5.

The phase difference between the signal input from the reception unit (RX) and the signal input from the transmission / reception unit (TRX) when the phase shift amount of the bidirectional vector modulator is set to zero is calculated. 7. The array antenna communication device according to claim 6, further comprising means for making the angle ± 90 ° or less.