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JP3565041B2 - Array antenna control device - Google Patents
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JP3565041B2 - Array antenna control device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種無線通信に使用される、素子アンテナの重み係数を適応的に制御するアレーアンテナの制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
適応型アレーアンテナは、各素子アンテナで受信した信号に、適当な重み係数を掛け合わせて合成することにより、ある方向に強い指向性を持たせたり、逆にある方向から到来する信号に対してのみ、感度を0にして受信しないようにすることを可能とする。このようなアンテナは、電波環境の変化に応じて適切な重み係数を用いることにより、最適なビーム形成を行って空間フィルタリングを実現し、他の無線通信システムとの干渉を避けるために利用される。
【0003】
近年のディジタル信号処理技術の発展、及びそれによる装置の小型化に伴い、ディジタル信号処理を用いた適応型アレーアンテナの移動体通信への応用が注目を集めている。移動体通信システムへにおいて問題となるマルチパスフェージング環境では、無数の反射波、即ち希望信号の遅延信号が到来する。このような環境に適応型アレーアンテナを適用することにより、理想的には希望信号と無相関な干渉信号は空間的にキャンセルする一方、希望信号の遅延信号は取り込んで希望信号に同相合成し、出力信号のS/(N+I) を改善に貢献させることが可能となる。
【0004】
遅延信号の同相合成に、遅延素子(TDL ; Tapped Delay Line) を用いた時間軸上の信号処理を行う構成と、完全再構成フィルタを用いた周波数軸上の信号処理を行う構成とが有効であることは公知である。それぞれ図1及び図2aに表されている。図1は、TDL に基づく時間領域信号処理を行う適応型アレーアンテナの構成図である。また、図2aは、FFTを帯域分割フィルタとして用いる周波数領域信号処理を行う適応型アレーアンテナの構成図である。
【0005】
前述の構成を公知とする文献として、R.T. Compton, Jr, ”The Relationship Between Tapped Delay−Line FFT Processing in Adaptive Array”, IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol. 36 No. 1, January 1988 がある。該文献によれば、両構成の性能に本質的な違いはない。
【0006】
図2aの周波数領域信号処理を行う適応型アレーアンテナは、帯域分割フィルタにFFTを採用するが、FFTを施すウィンドウとしてバッファを用いている。このバッファは、時間軸上の信号サンプルに対して1サンプルづつシフトしていくように信号を取り込んでいく。図2bは、この様子を、時間軸上のサンプルに対するバッファの動作として表した説明図である。
【0007】
しかし、特に帯域分割フィルタにFFTを用いる周波数領域信号処理を行う適応型アレーアンテナには、図2aに示す基本構成から派生する複数の構成が考えられ、それぞれの性能の特徴が調査されている。このような文献として、神谷、唐沢「アダプティブアレーにおける時間領域信号処理と周波数領域信号処理の収束特性に関する特徴比較」, 信学技報 AP98−19 (1998−06)がある。該文献に述べられている周波数領域信号処理を行う適応型アレーアンテナの構成には、分割した周波数帯域(サブバンド)毎に信号処理を並列に行うことにより、重み係数更新速度を低減する構成が紹介されている。図3aは、このような、FFTを帯域分割フィルタとして用いる周波数領域信号処理を行う適応型アレーアンテナの構成図であり、重み係数更新速度を低減するものである。図3bは、図3aの構成に基づいて、時間軸上のサンプルに対するバッファの動作を表す説明図である。
【0008】
図3aの構成は、帯域分割を行うFFTのウィンドウを、信号がオーバーラップしないようにかけていくことにより、各サブバンドにおいては入力信号の速度がFFTの次数分の1に低減されることになる。重み係数制御アルゴリズムは、各サブバンドで独立に動作し、帯域分割された参照信号とサブバンド信号との2乗誤差を最小にする重み係数を逐次的に求めていく。
【0009】
図3aの構成では、時間領域の信号を復元するために逆FFTの計算を必要とする。該構成では、重み係数更新速度を低減できることから、重み係数の適応制御アルゴリズムが計算機に与える計算負荷を大幅に低減することができ、装置化にあたって有利な構成となることが期待される。また、このことに伴って、計算負荷が大きい高機能適応制御アルゴリズムを採用することが可能となる。
【0010】
前述のような周波数帯域分割信号処理を行うアレーアンテナにおいて、受信信号を周波数軸上に分割する帯域分割フィルタと、この分割した信号をもとのスペクトルに復元する帯域復元フィルタとの組み合わせが必要となるが、このようなフィルタの対は完全再構成フィルタと呼ばれている。FFT/逆FFTの組み合わせは、完全再構成フィルタの一つである。ディジタル信号処理を行う際には、計算負荷の問題からも、FFT/逆FFTの組み合わせによる完全再構成フィルタを採用するのが有効である。
【0011】
一方、アレーアンテナの適応制御アルゴリズムは、従来から種々検討されている。このうち、RLS (Recursive Least Squares)法は、高い安定性及び高速収束性を持つアルゴリズムとして公知である。RLS法は、例えばSimon Haykin, ”Adaptive Filter Theory”, Prentice−Hall Inc. 1996 に詳しく記載されている。RLS法は、過去のすべてのデータを用い、アレーアンテナ出力と参照信号との誤差の2乗値を最小とするような重み係数を漸近的に求めるアルゴリズムであり、カルマンフィルタの一形態であると解釈することもできる。RLS法は、安定性及び収束速度の点で優れいている一方、計算負荷が非常に大きいアルゴリズムであるため、DSP (Digital Signal Processor) を用いる装置化を行うにあたって、プロセッサへの計算負荷が問題となる。
【0012】
このため、従来から種々のRLS法の計算量削減方法が提案され、高速RLS法などが提案されているが、これらの計算量低減手法はアレーアンテナには適用が不可能である。これは、高速RLS法が等化器のような、タップ内部の信号が時間的に1タップづつシフトしていく性質を利用して構成されているためであり、アレーアンテナのように、すべてのタップの内部の値が同時に変化していくシステムには適用が不可能である。
【0013】
図4aは、高速RLS法が、適用可能な実施形態であり、図4bは、適用不可能な実施形態を表す説明図である。このように計算量が大きい高機能アルゴリズムは、低速動作をさせることができる周波数分割信号処理型アダプティブアレーと非常に相性が良いといえる。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
図3aに示した周波数帯域分割信号処理型アダプティブアレーにRLS法を適用した場合、分割した帯域毎に並列処理を行うことによりRLS法の動作を減速することができるため、このアレーアンテナの構成とアルゴリズムの組み合わせは装置化に当たって有効であるといえる。しかし、その一方で、RLS法を適用したアレーアンテナの構成では、以下のような問題が生じる。
【0015】
図5は、S/N=10dBにおける、周波数領域信号処理を行う適応型アレーアンテナの出力信号と参照信号との相関係数グラフである。アレーアンテナの構成は、図3aの構成にRLS法を重み係数制御アルゴリズムとして適用したものとなっている。また、アレーアンテナは1次元アレーで8素子のエレメントアンテナからなる。受信信号はそれぞれ32帯域に分割される。従って、必要となる重み係数は256個となる。
【0016】
図5では、横軸はステップ数、即ちRLS法の繰り返し数を示している。該図5から、重み係数の探索をスタートし、一度相関係数が改善された後、250ステップ前後で大きく劣化することがわかる。このような現象は、RLS法特有の現象であるものと考えられ、その原因は以下のように説明できる。
【0017】
RLS法は、過去のすべての入力を参照し、その時点における最適な重み係数を求めるが、この操作は各ステップで1つ得られる方程式を連立方程式として逐次的に解を求めていることに等しい。従って、連立方程式の数が求める重み係数の数以上になるステップまでは連立方程式の自由度が満たされないので、条件を満たす解が無数に存在するので、最適重み係数の探索が開始されない。このため、一度は適当な解へ収束に向かうが、自由度が満たされるにつれ、その解では条件が満たされない状態となり、一度誤差が増大したあと、自由度が満たされた状態で最適重み係数の探索が開始される。結果として、最適重み係数の計算が、制御される重み係数の数と同じステップが過ぎないと開始されない状態となるため、特に帯域分割信号処理を適用した適応型アレーアンテナでは収束が大幅に遅くなる原因となる。
【0018】
図3aの構成では、サブバンド毎に独立にRLS法を適用できるので、自由度が満たされるまでに必要なサンプル数は素子数に等しい8である。しかし、重み係数更新速度を低減しているために、サンプルが帯域分割数である32サンプリング時間に1サンプルしか入らないため、8×32=256サンプリング時間まで自由度が満たされないことになっている。図2に示した周波数領域信号処理を行うアレーアンテナの構成において、相関係数の収束を調べると、やはり同様に256サンプリング時間で一度相関係数が劣化する。このケースでは、サンプルの入力はサンプリング周波数に等しい速度で入力されるが、すべての重み係数を一つのRLS法で求めようとしているために、自由度が満たされるまでに256サンプルを必要とし、結果として図3aのケースと同じ時間において相関係数が劣化することとなる。
【0019】
そこで、本発明は、帯域分割信号処理に基づく適応型アレーアンテナに、重み係数制御法としてRLS法を用いた場合、帯域分割による信号処理の低レート化が原因になって生じる収束の遅れを改善するアレーアンテナの制御装置を提供する。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明によるアレーアンテナ制御装置は、受信信号を周波数軸上で分割するFFTによる帯域分割フィルタ手段と、該手段によって分割されたそれぞれの周波数帯域の信号に、RLS法によって適応的に制御された重み係数を乗算した後、時間軸上の信号に復元する帯域復元フィルタ手段とを有しており、周波数帯域分割フィルタ手段が、FFTのウィンドウの時間軸上の移動におけるオーバーラップを変化させるように構成されているものである。
【0021】
重み係数制御アルゴリズムにRLS法を用い、FFT及び逆FFTの完全再構成フィルタに基づいて帯域分割信号処理を行うアレーアンテナの構成では、重み係数更新速度をFFTの適用によって低減することができる。しかし、低減できることによって自由度が満たされるまでに時間がかかるので、自由度を満たすまでの時間は重み係数を低減せず、早期に自由度を満たし、その後、重み係数更新速度を低減する構成とする。
【0022】
具体的には、自由度が満たされるまではバッファの動作を図2bに示したようにオーバーラップしてサンプル信号を取り込んで高速にサンプルをRLSプロセッサに供給し、自由度を満たす。こうして自由度を満たした時点で、バッファの動作を図3bに示したオーバーラップしないようにウィンドウをかけてFFTに供給する動作に切り替え、RLSプロセッサの動作速度をFFTの次数(サブバンドの数)分の1に低減する。
【0023】
更に、本発明によるアレーアンテナ制御装置は、素子アンテナ出力をアナログ信号からディジタル信号に変換するアナログ/ディジタル信号変換手段と、該アナログ/ディジタル信号変換手段から出力された信号を直交信号に分離する信号直交化手段と、該空間アナログ/ディジタル信号変換手段で得られた各素子アンテナ受信信号を、後段の帯域分割FFTに供給するためのウィンドウを可変オーバーラップでかける信号ベクトル化手段と、該信号ベクトル化手段で得られた各素子アンテナ出力がベクトル化された信号を周波数領域でサブバンドに周波数分割を行う帯域分割フィルタと、該FFT計算手段により選択された所定の数のビーム出力に、後述する重み係数計算手段から供給される重み係数を乗算する重み係数乗算手段と、重み係数乗算手段により重み係数を乗算された各ビーム出力を、同じサブバンド毎に合計する加算器と、該加算器により合計された各サブバンド毎の出力を処理してもとの帯域を復元する信号再構成フィルタと、前記の構成のうちの任意の点における信号を用いて適応的に重み係数を計算して重み係数を前記重み係数乗算器に供給する重み係数計算手段とを有するものである。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【0025】
図6は、本発明によるアレーアンテナ制御装置の一実施形態を表す構成図である。該図6には、複数のアンテナ素子1−1 〜1−n からなるアレーアンテナと、これを制御するための制御装置とが記載されている。
【0026】
アンテナ素子1−1 〜1−n で受信された信号は、A/D 変換及び直交化手段2により所定のサンプリング周波数でディジタル信号に変換され、I/Q 直交チャネルに分離された後、入力信号制御手段3−1 〜3−n に入力される。入力信号制御手段3−1 〜3−n では、後述の入出力制御手段9から得た情報に基づいて、RLS法における自由度を満たすまでの時間においては、後段のFFT計算手段4−1 〜4−n のウィンドウを、時間軸上でサンプルがオーバーラップするように信号をバッファリングしてFFT計算手段に信号を供給する。
【0027】
図7a及び図7bは、図6の実施形態における入力信号制御手段の動作を表す説明図である。該図は、入力信号制御手段の動作を、帯域分割数4の場合を例として説明している。
【0028】
図7aは、動作を開始してから入出力制御手段9から命令を受信するまでの、入力信号制御手段3−1 〜3−n の動作を表す説明図である。即ち、毎サンプルタイミングでバッファリングしているサンプルを後段のFFT計算手段4−1 〜4−n に引き渡す。
【0029】
一方、図7bは、入出力制御手段9から命令を受信した後の、入力信号制御手段3−1 〜3−n の動作を表す説明図である。即ち、入力サンプルが完全に入れ替わったタイミングにおいてのみ、FFT計算手段4−1 〜4−n にサンプル値を引き渡す。結果として、値をFFT計算手段4−1 〜4−n に引き渡す頻度は、1/帯域分割数に低減される。
【0030】
入力信号制御手段3−1 〜3−n から前述のようなタイミングでサンプル値を供給されるFFT計算手段4−1 〜4−n は、値を受け取るとFFTの演算を実行して出力する。ここで、FFTの次数、即ち帯域分割数はm とする。FFT計算手段4−1 〜4−n の出力は、乗算器5−1−1 〜5−m−n に供給され、後述するRLS法に基づく重み係数計算手段10から供給される重み係数を信号に乗算され、後段の加算器6−1 〜6−m において同じサブバンドの乗算結果毎に加算される。各加算器の出力は、IFFT(逆FFT)計算手段7に供給される。該IFFT計算手段7 の結果は、出力信号制御手段8に入力され、後述の入出力制御手段9からの命令を受けて、前述の入力信号制御手段3−1 〜3−n の動作と同期して2種類の動作を行う。即ち、入力信号制御手段の動作が、毎サンプルタイミングでFFTを行っている間は、出力信号制御手段はIFFTの第1のポートの出力を毎サンプルタイミングで取り込んで出力信号とする。従って、IFFTの他のポートの出力は無視する。次に、入力信号制御手段の動作が、サンプリング時間のサブバンド数倍でFFT計算手段にサンプル値を供給している状態では、出力信号制御手段はIFFTの全出力を採用し、それを時間軸上の信号として出力信号に採用する。
【0031】
このように、入力信号制御手段3−1 〜3−n と出力信号制御手段8のそれぞれの2種類の動作は、入出力制御手段9によって同期して動作するよう制御される。基本的には2種類の動作が切り替わるのは、RLS法の自由度が満たされるタイミングにおいてであるが、それより遅いタイミングで切り替えることもあり得る。
【0032】
重み係数計算手段(RLS法)10は、前述の加算器6−1 〜6−m の出力と、対応するサブバンドに帯域分割された参照信号11とを受信し、2乗誤差が最小となる重み係数をRLS法に基づいて計算して乗算器5−1−1 〜5−m−n に供給する。重み係数計算手段10も、入出力計算手段9から命令を受信し、FFT計算手段の動作速度と等しい速度でRLS法を実行する。また、帯域分割された参照信号11も、入出力制御装置9から命令を受信し、帯域分割するFFTの適用の方法を、FFT計算手段3−1 〜3−n と同じ動作をさせて参照信号を帯域分割する。
【0033】
以上詳細に説明した実施形態について、本発明の技術思想及び見地の範囲の種々の変更、修正及び省略は、当業者によれば容易に行うことができる。従って、前述した実施形態では、あくまで例であって、何等制約しようとするものではない。本発明は、特許請求の範囲及びその均等物として限定するものだけに制約される。
【0034】
【発明の効果】
図8aから図8dは、本発明の実施形態において、各シミュレーションステップで得られる重み係数から計算される出力信号と参照信号との相関係数グラフである。RLS法の自由度が満たされる32ステップの1倍から4倍までのサンプルを図7aの動作でFFTに供給し、その後、図7bの動作に切り替えた場合の、各ステップにおいて得られた重み係数を用いて計算したアレーアンテナの出力信号と、参照信号の相関係数の推移を示す。
【0035】
本発明によれば、図8aから図8dからも明らかなように、図5に表されたように256ステップにおける相関係数の劣化が見られなくなっており、収束特性が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図1】TDL を用いる時間領域信号処理を行う適応型アレーアンテナの構成図である。
【図2a】FFTを帯域分割フィルタとして用いる周波数領域信号処理を行う適応型アレーアンテナの構成図である。
【図2b】図2aの構成図における、時間軸上のサンプルに対するバッファ動作を表す説明図である。
【図3a】FFTを帯域分割フィルタとして用いる周波数領域信号処理を行う適応型アレーアンテナにおいて重み係数更新速度を低減する構成図である。
【図3b】図3aの構成図における、時間軸上のサンプルに対するバッファ動作を表す説明図である。
【図4a】高速RLS法が適用可能な実施形態の説明図であって、タップの中を信号がシフトする構成の図である。
【図4b】高速RLS法が適用不可能な実施形態の説明図であって、タップの中を信号が同時に変化する構成の図である。
【図5】周波数領域信号処理を行う適応型アレーアンテナの出力信号と参照信号との相関係数グラフである。
【図6】本発明によるアレーアンテナ制御装置の実施形態を表す構成図である。
【図7a】図6の構成において、入力信号制御手段の自由度が満たされるまでの、毎サンプルタイミングで値をFFT計算手段に引き渡し(帯域4分割の例)ている動作を表す説明図である。
【図7b】図6の構成において、入力信号制御手段の自由度が満たされた後の、サンプルタイミングの数倍のタイミングで値をFFT計算手段に引き渡し(帯域4分割の例)ている動作を表す説明図である。
【図8a】本発明による実施形態について、各シミュレーションステップで得られる重み係数から計算される出力信号と参照信号との相関係数グラフであって、8サンプルでバッファ動作を切り替えたグラフである。
【図8b】本発明による実施形態について、各シミュレーションステップで得られる重み係数から計算される出力信号と参照信号との相関係数グラフであって、16サンプルでバッファ動作を切り替えたグラフである。
【図8c】本発明による実施形態について、各シミュレーションステップで得られる重み係数から計算される出力信号と参照信号との相関係数グラフであって、32サンプルでバッファ動作を切り替えたグラフである。
【図8d】本発明による実施形態について、各シミュレーションステップで得られる重み係数から計算される出力信号と参照信号との相関係数グラフであって、64サンプルでバッファ動作を切り替えたグラフである。
【符号の説明】
1−m アレーアンテナ
2 A/D 及び信号直交化手段
3−n 入力信号制御手段
4−n FFT計算手段(m次)
5−m−n 乗算器
6−m 加算器
7 逆FFT計算手段
8 出力信号制御手段
9 入出力信号制御手段
10 重み係数計算手段(RLS法)
11 帯域分割された参照信号
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an array antenna control device that adaptively controls a weight coefficient of an element antenna used for various wireless communication.
[0002]
[Prior art]
Adaptive array antennas provide signals with strong directivity in a certain direction by combining signals received by each element antenna with an appropriate weighting factor, and conversely for signals arriving from a certain direction. Only the sensitivity can be set to 0 so as not to receive. Such an antenna is used to perform optimal beamforming and realize spatial filtering by using an appropriate weighting coefficient according to a change in a radio wave environment, and to avoid interference with other wireless communication systems. .
[0003]
2. Description of the Related Art With the development of digital signal processing technology in recent years and the resulting miniaturization of devices, application of adaptive array antennas using digital signal processing to mobile communication has attracted attention. In a multipath fading environment which is a problem in a mobile communication system, countless reflected waves, that is, delayed signals of desired signals arrive. By applying the adaptive array antenna to such an environment, ideally, the desired signal and the uncorrelated interference signal are spatially canceled, while the delayed signal of the desired signal is captured and in-phase synthesized with the desired signal. It is possible to contribute to the improvement of S / (N + I) of the output signal.
[0004]
For in-phase synthesis of a delayed signal, a configuration for performing signal processing on the time axis using a delay element (TDL; Tapered Delay Line) and a configuration for performing signal processing on the frequency axis using a perfect reconstruction filter are effective. Some are known. 1 and 2a, respectively. FIG. 1 is a configuration diagram of an adaptive array antenna that performs time domain signal processing based on TDL. FIG. 2A is a configuration diagram of an adaptive array antenna that performs frequency domain signal processing using FFT as a band division filter.
[0005]
As a document that discloses the above-described configuration, R. T. Compton, Jr., "The Relationship Between Tapered Delay-Line FFT Processing in Adaptive Array", IEEE Transaction on Antennas and Propagation. 36 No. 1, January 1988. According to the document, there is no essential difference in the performance of both configurations.
[0006]
The adaptive array antenna that performs the frequency domain signal processing of FIG. 2A employs an FFT as a band division filter, but uses a buffer as a window for performing the FFT. This buffer takes in the signal so as to shift by one sample with respect to the signal sample on the time axis. FIG. 2B is an explanatory diagram showing this state as the operation of the buffer for the samples on the time axis.
[0007]
However, a plurality of configurations derived from the basic configuration shown in FIG. 2A are conceivable especially for an adaptive array antenna that performs frequency domain signal processing using FFT for a band division filter, and the characteristics of each performance are being investigated. Such documents include Kamiya and Karasawa, "Characteristic comparison of convergence characteristics between time-domain signal processing and frequency-domain signal processing in adaptive array", IEICE Technical Report, AP98-19 (1998-06). The configuration of the adaptive array antenna that performs the frequency domain signal processing described in the document includes a configuration in which signal processing is performed in parallel for each divided frequency band (subband), thereby reducing the weight coefficient update speed. Has been introduced. FIG. 3A is a configuration diagram of such an adaptive array antenna that performs frequency domain signal processing using an FFT as a band division filter, and reduces the weight coefficient update speed. FIG. 3B is an explanatory diagram showing the operation of the buffer for the samples on the time axis based on the configuration of FIG. 3A.
[0008]
In the configuration of FIG. 3A, the speed of the input signal in each subband is reduced to one order of the FFT by applying the FFT window for performing the band division so that the signals do not overlap. The weight coefficient control algorithm operates independently for each subband, and sequentially obtains a weight coefficient that minimizes the square error between the band-divided reference signal and the subband signal.
[0009]
The configuration of FIG. 3a requires the calculation of an inverse FFT to recover the signal in the time domain. In this configuration, since the weight coefficient update speed can be reduced, the calculation load imposed on the computer by the adaptive control algorithm of the weight coefficient can be greatly reduced, and it is expected that the configuration is advantageous in realizing a device. Accordingly, it is possible to employ a high-performance adaptive control algorithm having a large calculation load.
[0010]
In an array antenna that performs frequency band division signal processing as described above, it is necessary to combine a band division filter that divides a received signal on the frequency axis and a band restoration filter that restores the divided signal to its original spectrum. Again, such a filter pair is called a perfect reconstruction filter. The combination of FFT / inverse FFT is one of perfect reconstruction filters. When performing digital signal processing, it is effective to employ a complete reconstruction filter based on a combination of FFT / inverse FFT from the viewpoint of computational load.
[0011]
On the other hand, various adaptive control algorithms for array antennas have been conventionally studied. Among them, the RLS (Recursive Least Squares) method is known as an algorithm having high stability and high speed convergence. The RLS method is described in, for example, Simon Haykin, "Adaptive Filter Theory", Prentice-Hall Inc. 1996. The RLS method is an algorithm that asymptotically obtains a weight coefficient that minimizes the square value of the error between the array antenna output and the reference signal using all past data, and is interpreted as a form of the Kalman filter. You can also. The RLS method is an algorithm that is excellent in terms of stability and convergence speed, but has a very large computational load. Therefore, when implementing a device using a DSP (Digital Signal Processor), the computational load on the processor is a problem. Become.
[0012]
For this reason, various methods of reducing the amount of calculation of the RLS method have been conventionally proposed, and a high-speed RLS method and the like have been proposed. However, these methods of reducing the amount of calculation cannot be applied to the array antenna. This is because the high-speed RLS method is configured using the property that a signal inside a tap shifts by one tap at a time, such as an equalizer, and all the elements are arranged like an array antenna. It cannot be applied to a system in which the value inside the tap changes simultaneously.
[0013]
FIG. 4A is an embodiment to which the fast RLS method can be applied, and FIG. 4B is an explanatory diagram showing an embodiment to which the fast RLS method cannot be applied. It can be said that such a high-performance algorithm having a large calculation amount is very compatible with a frequency-division signal processing type adaptive array capable of operating at a low speed.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
When the RLS method is applied to the frequency band division signal processing type adaptive array shown in FIG. 3A, the operation of the RLS method can be decelerated by performing parallel processing for each divided band. It can be said that the combination of the algorithms is effective in realizing the device. However, on the other hand, the following problems occur in the configuration of the array antenna to which the RLS method is applied.
[0015]
FIG. 5 is a graph of a correlation coefficient between an output signal of an adaptive array antenna that performs frequency domain signal processing and a reference signal at S / N = 10 dB. The configuration of the array antenna is obtained by applying the RLS method to the configuration of FIG. 3A as a weight coefficient control algorithm. The array antenna is a one-dimensional array consisting of eight element antennas. Each received signal is divided into 32 bands. Therefore, the required weighting coefficients are 256.
[0016]
In FIG. 5, the horizontal axis indicates the number of steps, that is, the number of repetitions of the RLS method. From FIG. 5, it can be seen that the search for the weighting coefficient is started, and once the correlation coefficient has been improved, it significantly deteriorates around 250 steps. Such a phenomenon is considered to be a phenomenon peculiar to the RLS method, and the cause thereof can be explained as follows.
[0017]
The RLS method refers to all past inputs and finds an optimum weighting coefficient at that time. This operation is equivalent to sequentially solving as one simultaneous equation obtained in each step. . Therefore, since the degree of freedom of the simultaneous equations is not satisfied until the number of simultaneous equations becomes equal to or greater than the number of weight coefficients to be obtained, the search for the optimum weight coefficient is not started because there are innumerable solutions that satisfy the conditions. For this reason, the solution once converges to an appropriate solution, but as the degree of freedom is satisfied, the condition is not satisfied with the solution, and once the error increases, the optimal weighting factor of the optimal weighting factor is satisfied with the degree of freedom satisfied. The search starts. As a result, since the calculation of the optimal weighting factor is not started until the same number of steps as the number of weighting factors to be controlled, the convergence is significantly slowed, especially in the adaptive array antenna to which the band division signal processing is applied. Cause.
[0018]
In the configuration of FIG. 3A, since the RLS method can be applied independently for each subband, the number of samples required until the degree of freedom is satisfied is eight, which is equal to the number of elements. However, since the weight coefficient update rate is reduced, only one sample is included in 32 sampling times, which is the number of band divisions, so that the degree of freedom is not satisfied up to 8 × 32 = 256 sampling times. . In the configuration of the array antenna for performing the frequency domain signal processing shown in FIG. 2, when the convergence of the correlation coefficient is examined, the correlation coefficient is once again degraded once in 256 sampling times. In this case, the input of the sample is input at a rate equal to the sampling frequency, but since all the weighting factors are to be obtained by one RLS method, 256 samples are required until the degree of freedom is satisfied, and the result is as follows. As a result, the correlation coefficient deteriorates at the same time as the case of FIG.
[0019]
Therefore, the present invention improves the convergence delay caused by the lower rate of the signal processing due to the band division when the RLS method is used as the weight coefficient control method for the adaptive array antenna based on the band division signal processing. An array antenna control device is provided.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
An array antenna control apparatus according to the present invention comprises a band division filter means by FFT for dividing a received signal on a frequency axis, and a weight adaptively controlled by an RLS method to a signal of each frequency band divided by the means. Band restoration filter means for restoring to a signal on the time axis after multiplying by a coefficient, wherein the frequency band division filter means is configured to change the overlap in the movement of the FFT window on the time axis. Is what is being done.
[0021]
In the configuration of an array antenna that performs band division signal processing based on FFT and inverse FFT perfect reconstruction filters using the RLS method as the weight coefficient control algorithm, the weight coefficient update speed can be reduced by applying the FFT. However, since it takes time until the degree of freedom is satisfied by being able to reduce, the time until the degree of freedom is satisfied does not reduce the weight coefficient, the degree of freedom is satisfied early, and then the weight coefficient update speed is reduced. I do.
[0022]
Specifically, until the degree of freedom is satisfied, the operation of the buffer is overlapped as shown in FIG. 2B to acquire a sample signal, supply the sample to the RLS processor at high speed, and satisfy the degree of freedom. When the degree of freedom is satisfied in this manner, the operation of the buffer is switched to the operation of supplying to the FFT by windowing so as not to overlap as shown in FIG. Reduce by a factor of one.
[0023]
Further, the array antenna control apparatus according to the present invention comprises an analog / digital signal converting means for converting an element antenna output from an analog signal to a digital signal, and a signal for separating a signal output from the analog / digital signal converting means into a quadrature signal. Orthogonalization means, signal vectorization means for applying a variable overlap window for supplying each element antenna reception signal obtained by the spatial analog / digital signal conversion means to a subsequent band division FFT, and signal vectorization means A band division filter for frequency-dividing a signal obtained by vectorizing the output of each element antenna into sub-bands in the frequency domain, and a predetermined number of beam outputs selected by the FFT calculation means, Weight coefficient multiplying means for multiplying the weight coefficient supplied from the coefficient calculating means, Each beam output which is multiplied by the weighting factor by the number multiplying means, an adder for summing each same sub-band, to restore the original band by processing the output of each subband sum by the adder A signal reconstruction filter, and weighting factor calculation means for adaptively calculating a weighting factor using a signal at an arbitrary point in the configuration and supplying the weighting factor to the weighting factor multiplier. .
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0025]
FIG. 6 is a configuration diagram illustrating an embodiment of an array antenna control device according to the present invention. FIG. 6 shows an array antenna including a plurality of antenna elements 1-1 to 1-n and a control device for controlling the array antenna.
[0026]
The signals received by the antenna elements 1-1 to 1-n are converted into digital signals at a predetermined sampling frequency by A / D conversion and orthogonalization means 2 and separated into I / Q orthogonal channels. Input to the control means 3-1 to 3-n. In the input signal control means 3-1 to 3-n, based on the information obtained from the input / output control means 9 described later, in the time until the degree of freedom in the RLS method is satisfied, the FFT calculation means 4-1 to In the 4-n window, the signal is buffered so that the samples overlap on the time axis, and the signal is supplied to the FFT calculation means.
[0027]
7A and 7B are explanatory diagrams illustrating the operation of the input signal control means in the embodiment of FIG. This figure illustrates the operation of the input signal control means by taking the case of four band divisions as an example.
[0028]
FIG. 7A is an explanatory diagram illustrating the operation of the input signal control units 3-1 to 3-n from the start of the operation to the reception of an instruction from the input / output control unit 9. That is, the samples buffered at each sample timing are transferred to the FFT calculation means 4-1 to 4-n at the subsequent stage.
[0029]
On the other hand, FIG. 7B is an explanatory diagram showing the operation of the input signal control means 3-1 to 3-n after receiving the command from the input / output control means 9. That is, the sample values are delivered to the FFT calculation means 4-1 to 4-n only at the timing when the input samples are completely replaced. As a result, the frequency of passing values to the FFT calculation means 4-1 to 4-n is reduced to 1 / band division number.
[0030]
The FFT calculators 4-1 to 4-n, to which the sample values are supplied at the above-described timing from the input signal control units 3-1 to 3-n, receive the values, execute the FFT operation, and output the results. Here, the order of the FFT, that is, the number of band divisions is m 2. The outputs of the FFT calculation means 4-1 to 4-n are supplied to multipliers 5-1-1 to 5-mn, and the weight coefficients supplied from the weight coefficient calculation means 10 based on the RLS method described later are signaled. , And added at the subsequent adders 6-1 to 6-m for each multiplication result of the same subband. The output of each adder is supplied to IFFT (inverse FFT) calculation means 7. The result of the IFFT calculation means 7 is input to the output signal control means 8 and, in response to a command from the input / output control means 9 described later, is synchronized with the operation of the input signal control means 3-1 to 3-n. To perform two types of operations. That is, while the operation of the input signal control means is performing the FFT at each sample timing, the output signal control means takes in the output of the first port of the IFFT at each sample timing and makes it an output signal. Therefore, the outputs of the other ports of the IFFT are ignored. Next, in a state where the operation of the input signal control means supplies a sample value to the FFT calculation means at the number of sub-bands times the sampling time, the output signal control means adopts all the outputs of the IFFT and uses the time axis as the time axis. The upper signal is used for the output signal.
[0031]
In this way, the two types of operations of the input signal control means 3-1 to 3-n and the output signal control means 8 are controlled by the input / output control means 9 to operate in synchronization. Basically, the two types of operations are switched at a timing when the degree of freedom of the RLS method is satisfied, but may be switched at a later timing.
[0032]
The weight coefficient calculating means (RLS method) 10 receives the outputs of the adders 6-1 to 6-m and the reference signal 11 divided into the corresponding subbands, and minimizes the square error. The weight coefficient is calculated based on the RLS method and supplied to the multipliers 5-1-1 to 5-mn. The weight coefficient calculating means 10 also receives the command from the input / output calculating means 9 and executes the RLS method at a speed equal to the operation speed of the FFT calculating means. The band-divided reference signal 11 also receives an instruction from the input / output control device 9 and performs the same operation as that of the FFT calculation means 3-1 to 3-n on the method of applying the FFT to perform band division. Is divided into bands.
[0033]
For the embodiment described in detail above, various changes, modifications, and omissions of the scope of the technical idea and viewpoint of the present invention can be easily performed by those skilled in the art. Therefore, the above-described embodiment is merely an example, and does not intend to restrict the configuration at all. The invention is limited only as defined by the appended claims and equivalents thereof.
[0034]
【The invention's effect】
8A to 8D are graphs of correlation coefficients between an output signal calculated from weighting coefficients obtained in each simulation step and a reference signal in the embodiment of the present invention. The weighting factor obtained in each step when 1 to 4 times the sample of 32 steps satisfying the degree of freedom of the RLS method is supplied to the FFT in the operation of FIG. 7A and then switched to the operation of FIG. 7B. 5 shows the transition of the correlation signal between the output signal of the array antenna and the reference signal calculated by using FIG.
[0035]
According to the present invention, as is clear from FIGS. 8A to 8D, the deterioration of the correlation coefficient in 256 steps is not seen as shown in FIG. 5, and the convergence characteristics are improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an adaptive array antenna that performs time domain signal processing using TDL.
FIG. 2a is a configuration diagram of an adaptive array antenna that performs frequency domain signal processing using an FFT as a band division filter.
FIG. 2B is an explanatory diagram showing a buffer operation for a sample on a time axis in the configuration diagram of FIG. 2A.
FIG. 3A is a configuration diagram for reducing a weight coefficient update speed in an adaptive array antenna that performs frequency domain signal processing using an FFT as a band division filter.
FIG. 3B is an explanatory diagram showing a buffer operation for a sample on a time axis in the configuration diagram of FIG. 3A.
FIG. 4a is an explanatory diagram of an embodiment to which a high-speed RLS method can be applied, in which a signal is shifted in a tap;
FIG. 4b is an explanatory diagram of an embodiment in which the high-speed RLS method cannot be applied, and is a diagram of a configuration in which a signal changes simultaneously in a tap.
FIG. 5 is a graph showing a correlation coefficient between an output signal of an adaptive array antenna that performs frequency domain signal processing and a reference signal.
FIG. 6 is a configuration diagram illustrating an embodiment of an array antenna control device according to the present invention.
FIG. 7A is an explanatory diagram showing an operation of transferring a value to the FFT calculating means at each sample timing (an example of band division into four) until the degree of freedom of the input signal control means is satisfied in the configuration of FIG. .
FIG. 7B shows an operation in which, after the degree of freedom of the input signal control means is satisfied, a value is transferred to the FFT calculation means at a timing several times the sample timing in the configuration of FIG. 6 (an example of dividing into four bands). FIG.
FIG. 8A is a graph showing a correlation coefficient between an output signal calculated from weighting coefficients obtained in each simulation step and a reference signal in the embodiment according to the present invention, in which a buffer operation is switched by eight samples.
FIG. 8B is a graph showing a correlation coefficient between the output signal and the reference signal calculated from the weighting factor obtained in each simulation step in the embodiment according to the present invention, wherein the buffer operation is switched by 16 samples.
FIG. 8c is a graph showing a correlation coefficient between an output signal and a reference signal calculated from a weight coefficient obtained in each simulation step in the embodiment according to the present invention, in which a buffer operation is switched by 32 samples.
FIG. 8D is a graph showing a correlation coefficient between the output signal and the reference signal calculated from the weighting coefficients obtained in each simulation step in the embodiment according to the present invention, wherein the buffer operation is switched at 64 samples.
[Explanation of symbols]
1-m array antenna 2 A / D and signal orthogonalization means 3-n input signal control means 4-n FFT calculation means (m-th order)
5-mn multiplier 6-m adder 7 inverse FFT calculation means 8 output signal control means 9 input / output signal control means 10 weight coefficient calculation means (RLS method)
11 band-divided reference signal

Claims (2)

素子アンテナの重み係数を適応的に制御するアレーアンテナの制御装置であって、受信信号を周波数軸上で分割するFFTによる帯域分割フィルタ手段と、該手段によって分割されたそれぞれの周波数帯域の信号に、RLS法によって適応的に制御された重み係数を乗算した後、時間軸上の信号に復元する帯域復元フィルタ手段とを有するアレーアンテナの制御装置において、
前記周波数帯域分割フィルタ手段が、FFTのウィンドウの時間軸上の移動におけるオーバーラップを変化させるように構成されていることを特徴とするアレーアンテナの制御装置。
An array antenna control device that adaptively controls a weight coefficient of an element antenna, comprising: a band division filter unit by FFT for dividing a received signal on a frequency axis; and a signal of each frequency band divided by the unit. , A band restoration filter means for multiplying by a weighting coefficient adaptively controlled by the RLS method and then restoring the signal on the time axis.
The control apparatus for an array antenna, wherein the frequency band division filter means is configured to change an overlap in a movement of an FFT window on a time axis.
素子アンテナ出力をアナログ信号からディジタル信号に変換するアナログ/ディジタル信号変換手段と、
前記アナログ/ディジタル信号変換手段から出力された信号を直交信号に分離する信号直交化手段と、
前記空間アナログ/ディジタル信号変換手段で得られた各素子アンテナ受信信号を、後段の帯域分割FFTに供給するためのウィンドウを可変オーバーラップでかける信号ベクトル化手段と、
前記信号ベクトル化手段で得られた各素子アンテナ出力がベクトル化された信号を周波数領域でサブバンドに周波数分割を行う帯域分割フィルタと、
前記FFT計算手段により選択された所定の数のビーム出力に、後述する重み係数計算手段から供給される重み係数を乗算する重み係数乗算手段と、
前記重み係数乗算手段により重み係数を乗算された各ビーム出力を、同じサブバンド毎に合計する加算器と、
前記加算器により合計された各サブバンド毎の出力を処理してもとの帯域を復元する信号再構成フィルタと、
前記の構成のうちの任意の点における信号を用いて適応的に重み係数を計算して重み係数を前記重み係数乗算器に供給する重み係数計算手段と
を有することを特徴とするアレーアンテナの制御装置。
Analog / digital signal conversion means for converting an element antenna output from an analog signal to a digital signal;
Signal orthogonalization means for separating a signal output from the analog / digital signal conversion means into orthogonal signals;
Signal vectoring means for variably overlapping a window for supplying each element antenna reception signal obtained by the spatial analog / digital signal conversion means to a subsequent band division FFT;
A band division filter that performs frequency division of a signal obtained by vectorizing each element antenna output obtained by the signal vectorization unit into subbands in a frequency domain,
Weight coefficient multiplying means for multiplying a predetermined number of beam outputs selected by the FFT calculating means by a weight coefficient supplied from a weight coefficient calculating means described later;
An adder for summing each beam output multiplied by the weight coefficient by the weight coefficient multiplying means for each same subband;
A signal reconstruction filter that restores the original band by processing the output for each sub-band summed by the adder;
Weighting factor calculating means for adaptively calculating a weighting factor using a signal at an arbitrary point in the configuration and supplying the weighting factor to the weighting factor multiplier. apparatus.
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