JP7382017B2 - 通信装置、通信方法 - Google Patents

Description

本発明は通信装置及び通信方法に関する。

電波が物体の検出や情報通信に用いられる。物体を検出するためにはレーダが用いられる。例えば、送信波が対象物に反射して生じる反射波を到来波としてアレーアンテナによって受信するレーダがある。そのようなレーダとして、ＦＭＣＷ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーダがある。ＦＭＣＷレーダのように電子走査を行うレーダでは、到来波の到来方向を検知する技術として、種々の到来方向推定手法が用いられる。また、情報通信においても、通信の効率化のために通信装置への到来波の到来方向を推定することが行われる。

到来波の数である到来波数を推定し、推定した到来波数を到来方向の推定に用いる手法がある。このような到来方向推定手法の一例として、ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ ＳＩｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法がある。ＭＵＳＩＣ法は到来方向推定手法のうち超分解能アルゴリズムとして分類される手法である。特許文献１に記載の電波到来方向推定装置は、線形予測法によって到来方向候補を推定し、Ｃａｐｏｎ法によって到来方向候補に対するアレーアンテナの出力電力を計算し、出力電力をもとに到来波数を推定する。特許文献１に記載の電波到来方向推定装置は、到来波数と到来方向候補から到来方向を推定する。

特開２００２－１４８３２４号公報

特許文献１に示されるように、線形予測法を用いて到来方向を推定する場合、到来波が相関波であり、アレーアンテナによる受信信号の相関性が高いと、到来方向の推定精度が大きく低下する。そのため、到来波数の推定精度も低下するという問題があった。

そこで本発明は、高精度に到来波数を推定可能とする通信装置を提供することを目的とする。

本発明の通信装置は、アンテナと、アンテナから受信した受信信号と所定の到来波数とに基づいて、所定の到来波数の場合の受信信号の到来方向を算出する到来方向算出部と、到来波数と到来方向とに基づいて、到来波数の場合の到来方向ごとの到来信号を算出する到来信号算出部と、複数の到来方向における到来信号のレベルに基づいて受信信号の到来波数を推定する到来波数推定部と、を備える。

本発明の他の一態様に係る通信方法は、通信装置が、アンテナから受信した受信信号と所定の到来波数とに基づいて、所定の到来波数の場合の受信信号の到来方向を算出することと、到来波数と到来方向とに基づいて、到来波数の場合の到来方向ごとの到来信号を算出することと、複数の到来方向における到来信号のレベルに基づいて受信信号の到来波数を推定することと、を含む。

本発明によれば、高精度に到来波数を推定可能とする通信装置を提供することができる。

第１実施形態に係る通信装置のブロック図である。 第１実施形態に係る通信装置における処理のフローチャートである。 第１実施形態に係る通信装置における到来信号の複素表現を示す図である。 第１実施形態に係る通信装置における波数と到来方向の一例を示すグラフである。 第２実施形態に係る通信装置のブロック図である。 第３実施形態に係る通信装置を有する通信システムの概略図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を極力省略する。

第１実施形態に係る通信装置１０について説明する。第１実施形態に係る通信装置１０は、アンテナ１０１、Ａ／Ｄ変換部１０２、到来方向算出部１０３、到来信号算出部１０４、平均算出部１０５及び到来波数推定部１０６を有する。

アンテナ１０１は、複数のアンテナ素子が所定の方向に沿って配置されたアレーアンテナである。アンテナ１０１に外部から信号が入力され、アンテナ１０１からＡ／Ｄ変換部１０２へと受信信号が出力される。受信信号は各アンテナ素子について出力される。アンテナ１０１は、信号の受信と送信の両方が可能であってもよい。

Ａ／Ｄ変換部１０２は、アンテナ１０１からのアナログ信号である受信信号をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換部１０２には一般的なアナログ－デジタル変換回路を用いることができる。例えば、アナログ－デジタル変換回路としては、フラッシュ形、パイプライン形、逐次比較形、デルタシグマ形、二重積分形等の種々の方式が挙げられる。

到来方向算出部１０３は、ある到来波数に基づいて、例えばＡＦ（Ａｎｎｉｈｉｌａｔｉｎｇ Ｆｉｌｔｅｒ）法等の超分解能アルゴリズムに含まれる手法によって、到来方向を算出する。

到来信号算出部１０４は、到来方向算出部１０３が算出した到来方向に基づいて、到来信号を算出する。受信信号と到来方向ごとの到来信号の関係は数式（１）によって表される。

ここで、ｚ₁からｚ_kはＡＦ法により算出されたアンテナ１０１のＭ個のアンテナ素子のアンテナ間の信号の到来方向に対応する位相差である。左辺のベクトルの行数は到来波数ｋである。左辺の行列はＭ行ｋ列の行列である。右辺のベクトルの行数はＭ行である。右辺のＸ（１）からＸ（Ｍ）の成分ベクトルはＭ個のアンテナそれぞれの受信信号である。
左辺のベクトルは各到来波数の振幅Ａ及び複素表現された位相αの積によって到来信号を表すベクトルである。

到来信号算出部１０４は数式（１）の左辺の行列の逆行列を用いた行列演算を行い、到来信号を算出する。次に、到来信号算出部１０４は、アンテナ１０１の複数のアンテナ素子ごとに、各到来方向に応じた受信信号を算出する。

平均算出部１０５は、到来方向ごとの到来信号を、到来信号の推定に使用した到来波数の個数によって平均した平均到来信号を算出する。平均の算出過程については後述する。

到来波数推定部１０６は各到来方向における到来信号のレベルに基づいて受信信号の到来波数を推定する。到来波数推定部１０６による到来波数の推定処理については後述する。

図２から４を参照して、通信装置１０による、到来波数の推定過程について説明する。図２は、通信装置１０における処理のフローチャートである。ステップＳ２０１において、アンテナ１０１は受信信号を取得する。取得された受信信号は、Ａ／Ｄ変換部１０２によってデジタル信号に変換される。

ステップＳ２０２において、到来方向算出部１０３は、到来波数ｋをｋ＝１とする。ステップＳ２０３において、到来方向算出部１０３は、到来波数ｋに基づいて、到来方向を算出する。

ステップＳ２０４において、到来信号算出部１０４は、受信信号と算出された到来方向から、到来方向ごとの到来信号を算出する。

ステップＳ２０５において、到来信号算出部１０４は、算出された到来方向ごとの到来信号を、到来信号の算出に用いた到来波数ｋに関連付けて記憶する。

ステップＳ２０６において、平均算出部１０５は、ｋがＭ－１であるかを判断する。

ステップＳ２０６にて否定判断された場合、ステップＳ２０７において、平均算出部１０５はｋを１つインクリメントする。インクリメントされたｋに基づいて、ｋ＝Ｍ－１となるまで、ステップＳ２０３からステップＳ２０７までの処理が繰り返される。すなわち、複数の仮定された到来波数に基づいて、到来方向の算出及び到来方向毎の到来信号の算出が行われて、平均算出部１０５に記憶される。

ステップＳ２０６において肯定判断された場合、平均算出部１０５は、ステップＳ２０８において到来方向ごとの到来信号を平均して平均到来信号を算出する。

図３、４を参照して到来方向ごとの到来信号の平均処理について説明する。図３は、到来波数ｋごとの到来信号の電力が到来信号算出部１０４によって算出され、その電力を複素表示したグラフが複数連なって示されている。ここでは、２つの到来波がアンテナ１０１によって受信されるものとする。到来波数ｋ＝１である場合、到来信号は１つであり、１つのベクトルＳＧ１ａが表示される。ｋ＝２である場合、到来信号は２つであり、２つのベクトルが表示される。

ｋ＝３である場合、到来波数は実際には２つであるのに、３つの到来波があるとして電力を算出するため、不正確な到来波数であることによる電力が算出される。ここでは、不正確な到来波数であることにより生じた電力ベクトルを偽像とよぶ。このとき、ｋ＝３の電力の複素表示においては、ベクトルＳＧ３ａ、ＳＧ３ｂに加えて、偽像としてベクトルＳＧ３ｃが算出される。

ｋ＝４の場合は、偽像が２つ現れる。ｋ＝Ｍ－１の時は到来波の実際の個数がｋから除かれた個数の偽像が生じる。到来波に対応するベクトルは、到来波数ｋが変化しても一定の位相及び振幅を有するのに対し、偽像では位相はランダムとなり、振幅は到来波の場合よりも小さな値となる。

図４は、到来波を生じさせる２つの物体からの受信信号に基づいて、到来波数ｋを変化させた場合の、アンテナ１０１に対する到来波の到来方向θをプロットした図である。
図３の各電力ベクトルの位相に対応する位置に点が表示される。

例えばｋ＝１である場合、θ＝１５°の近くに点がプロットされる。ｋ＝１の場合は、アンテナに近い方の対象物からの到来波の到来方向が算出される。ｋ＝２である場合、θ＝１５°とθ＝－１５°の近くに点がプロットされる。ｋ＝２の場合で到来波に対応する信号の到来方向の検出は終了している。ｋ＝３から１１までの場合は、対象物からの到来波に加えて偽像がプロットされる。

平均算出部１０５は、ある到来方向θにおける、到来信号を各到来波数ｋにわたって取得する。すなわち、到来方向ごとの到来信号を取得する。到来方向は一定の角度幅をゆうしており、その範囲内に含まれる到来信号を取得する。

到来信号は例えば電力値として取得される。図４では、θ＝１５°の場合は、ｋ＝１からｋ＝１１までの各到来波数において、到来信号の電力値が取得される。θ＝４０°の場合は、ｋ＝５～７、ｋ＝１０，１１の到来波数において、ゼロでない到来信号の電力値が取得される。残りの到来波数ｋにおいては、電力値は０として取得される。θ＝４０°の到来信号は偽像の電力値が取得される。θ＝７０°の場合のように、ゼロでない到来信号の電力値が取得されない場合もある。

平均算出部１０５は、取得した到来信号の平均をとり、平均到来信号を算出する。θ＝１５°の場合には、取得した電力値の合計を到来波数の個数１１で割った値が平均となる。θ＝４０°の場合にも取得した電力値の合計を到来波数の個数１１で割った値を平均として算出する。

算出された平均到来信号は、偽像でない場合、すなわち正しい到来波である場合は、到来信号の値が到来波数に関わらず安定した値をとるので、一定の大きさを持つ値となる。
一方、偽像に対応する平均到来信号は、到来信号の値はランダムであるため、到来波数にわたって平均すると、小さな値となる。

ステップＳ２０９において、到来波数推定部１０６は、到来方向毎に算出された平均到来信号から、所定の閾値を満たすような平均到来信号の個数を算出する。すなわち、平均到来信号が所定の閾値より大きい信号の個数を算出する。

ステップＳ２１０において、到来波数推定部１０６は、閾値を満たす到来角度の個数を到来波の到来波数として推定する。図４の例では到来波数は２となる。

通信装置１０では、到来波数を仮定して到来信号の算出を繰り返し行い、算出された到来信号の平均をとることで、偽像を含まない到来方向の個数を算出することができ、到来波数をより正確に推定することが可能となる。

なお、到来方向の算出に用いる到来波数ｋは必ずしも１からＭ－１まで変化させずともよく、到来波数の推定に十分な数だけ変化させればよい。

また、到来方向算出部１０３は、ＡＦ法による方法とは異なる到来方向算出手法を用いてもよい。例えば、到来方向算出部１０３はＭＯＤＥ（Ｍｅｔｈｏｄ Ｏｆ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ）法を用いてもよい。

また、到来波数推定部１０６は、各到来波数に対する信号を平均することとは異なる所為によって、到来波数の推定を行ってもよい。例えば、到来方向ごとの到来信号の個数のみによって、個数が多いものを到来波による信号として、個数の閾値によって、到来波数を推定してもよい。

また、到来波数推定部１０６は、平均到来信号の閾値として電力ではなく振幅を用いてもよい。

また、到来波数推定部１０６は、一定誤警報確率処理（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｆａｌｓｅ Ａｌａｒｍ Ｒａｔｅ）によって算出される閾値を用いて、到来波数の推定を行ってもよい。

第２実施形態について説明する。第２実施形態以降では第１実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態ごとには逐次言及しない。

図５には第２実施形態に係る通信装置５０のブロック図が示される。通信装置５０は、通信装置１０の各部に加えて、送信アンテナ５０１、送信信号生成部５０２、中間周波数信号変換部５０３、距離・速度算出部５０４及び位置算出部５０５を有する。また、アンテナ１０１は、到来波を受信する受信アンテナの一例である。

通信装置５０では、到来波数推定部１０６によって推定された到来波数に基づいて、到来方向算出部１０３が到来方向を算出し、後述する位置算出部５０５に出力する。

送信アンテナ５０１は、複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナである。送信アンテナ５０１は、通信装置５０の外部に向けて送信波を送信する。送信波は時間経過につれて周波数が直線的に増加する波である。すなわち、通信装置５０はＦＭＣＷ方式によるレーダの一例である。

送信信号生成部５０２は、送信アンテナ５０１が送信する送信波を生成するための送信信号を生成する。送信信号は送信波の周波数を直線的に増加させるようなチャープ信号である。送信信号は、同じの周波数の増加をするチャープ信号が、複数個含まれる信号である。

中間周波数信号変換部５０３は、アンテナ１０１からの受信信号と送信信号生成部からの送信信号とに基づいて、受信信号と送信信号との中間周波数信号を算出する。受信信号は送信信号であるチャープ信号が時間遅延をした波形となる。中間周波数信号はある時刻における送信信号の周波数と受信信号の周波数との差分である。すなわち、算出された中間周波数信号は、ある一定の周波数がある時間にわたって続く信号である。中間周波数信号は、Ａ／Ｄ変換部１０２によってデジタル信号に変換されて距離・速度算出部５０４に出力される。

距離・速度算出部５０４は、中間周波数信号に基づいて、送信波を反射した対象物の通信装置５０からの距離及び速度を算出する。距離を算出する場合、送信信号と送信信号に対応する受信信号との周波数差すなわち中間周波数信号の周波数が、送信波が対象物に反射されてアンテナ１０１に到来波として入力されるまでの時間に対応するとして、対象物までの距離を算出する。対象物が複数である場合、距離・速度算出部５０４は中間周波数信号をフーリエ変換等により周波数領域に変換し、中間周波数別に距離を算出することで、各対象物までの距離を算出する。

また、距離・速度算出部５０４が速度を算出する場合、ある１つのチャープ信号による中間周波数信号ともう１つのチャープ信号による中間周波数信号との位相差に基づいて、対象物の速度を算出する。対象物が複数である場合、ある対象物に対してなされた中間周波数信号のフーリエ変換（距離ＦＦＴ）の結果に対してさらにフーリエ変換（ドップラーＦＦＴ）を行うことで、各対象物の速度を算出する。

位置算出部５０５は、距離・速度算出部５０４により算出された対象物の距離及び速度と到来方向算出部１０３により算出された対象物の方向とに基づいて、対象物の位置を算出する。

通信装置５０では、到来波数推定部１０６による精度の高い波数推定が行われるので、レーダとしての分解能及び精度が向上する。

第３実施形態について説明する。図６には、通信システム６０の模式図が示される。通信システム６０は、通信装置１０Ａ及び通信装置６０３を有する。通信装置１０Ａは第１実施形態に係る通信装置１０の各部に加えて、送信アンテナ６０１及び制御部６０２を有する。通信装置１０Ａのアンテナ（不図示）は、到来波を受信する受信アンテナの一例である。通信装置１０Ａは通信装置６０３から信号を受信する場合に、到来波数推定部１０６によって推定された到来波数に基づく到来方向を推定する。制御部６０２は、推定された到来方向にアンテナの指向性のピークが向かうようにすることができる。これにより、通信装置６０３からの信号を効率よく受信することが可能となり、通信効率が向上する。また、制御部６０２は通信装置６０３に対して強い送信波を向けるように送信アンテナ６０１の指向性を制御することもできる。

なお、通信装置１０Ａが受信する到来波は、通信装置６０３から直接届く直達波に加え、反射物６０４によって反射されて生じるマルチパス波や干渉波を含めてもよい。この場合も通信装置１０Ａは、到来波数を精度よく推定することができる。

通信システム６０の一例としては、通信装置１０Ａはスマートフォン等の携帯可能な通信装置であり、通信装置６０３は通信装置１０Ａがネットワークに接続するための基地局として電波を送信する装置であるようなシステムがある。

以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。通信装置１０は、アンテナ１０１と、アンテナ１０１から受信した受信信号と所定の到来波数とに基づいて、所定の到来波数の場合の受信信号の到来方向を算出する到来方向算出部１０３と、到来波数と到来方向とに基づいて、ある到来波数の場合の到来方向ごとの到来信号を算出する到来信号算出部１０４と、複数の到来方向における到来信号のレベルに基づいて受信信号の到来波数を推定する到来波数推定部１０６と、を備える。これにより、到来波数の推定精度が向上する。

また、通信装置１０は、到来方向ごとの到来信号を所定の到来波数によって平均した平均到来信号を算出する平均算出部１０５をさらに有し、到来波数推定部１０６は、平均到来信号と平均到来信号の所定の閾値とに基づいて、受信信号の到来波数を推定する。これにより、不正確な到来波数が仮定された場合に生じるノイズを除去が可能となり、到来波数の推定精度が向上する。

通信装置１０では、到来方向算出部１０３は、ＡＦ法によって到来方向を算出する。これにより、複数の到来信号間の相関性が高い場合であっても、精度の良い到来方向の算出が可能となり、到来波数の推定精度が向上する。

通信装置１０では、到来方向算出部１０３は、ＭＯＤＥ法によって到来方向を算出してもよい。これにより、複数の到来信号間の相関性が高い場合であって精度の良い到来方向の算出が可能となり、到来波数の推定精度が向上する。

通信装置１０では、所定の閾値は、一定誤警報確率処理によって算出される。これにより、信号の誤検出とならないような閾値を設定できるので、到来波数の推定がより正確になる。

第２実施形態に係る通信装置５０は、送信信号を生成する送信信号生成部５０２と、送信信号を送信波として対象物に送信する送信アンテナ５０１と、送信信号と受信信号とを混合して中間周波数を有する中間周波数信号に変換する中間周波数信号変換部５０３と、中間周波数信号に基づいて、対象物までの距離を算出する距離・速度算出部５０４と、距離と到来方向とに基づいて対象物の位置を算出する位置算出部５０５と、をさらに備える。

これにより、到来波数推定部１０６によってより正確に推定された到来波数に基づいて、対象物の位置を推定できるので、通信装置５０のレーダとしての分解能及び精度が向上する。

通信装置１０Ａは、到来方向に基づいて、受信波の受信方向又は送信波の送信方向を制御するような制御信号を生成する制御部６０２をさらに備える。これにより、アンテナ１０１の指向性を制御することが可能となり、通信効率が向上する。また、送信アンテナ６０１の指向性を制御することも可能となり、通信効率が向上する。

なお、以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素及びその配置、条件などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これらも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０，１０Ａ，５０…通信装置、１０１…アンテナ、１０２…Ａ／Ｄ変換部、１０３…到来方向算出部、１０４…到来信号算出部、１０５…平均算出部、１０６…到来波数推定部、５０１…送信アンテナ、５０２…送信信号生成部、５０３…中間周波数信号変換部、５０４…距離・速度算出部、５０５…位置算出部、６０…通信システム、６０２…制御部

Claims (7)

1. 複数のアンテナ素子を有し、到来波を受信信号として受信するアレーアンテナと、
   前記受信信号と所定の波数とに基づいて、前記所定の波数の場合の前記受信信号の到来方向を算出する到来方向算出部と、
   前記所定の波数と前記到来方向とに基づいて、前記複数のアンテナ素子間の信号の到来方向に対応する位相差を示す行列の逆行列を用いた行列演算を行い、前記所定の波数の場合の前記到来方向ごとの到来信号を算出する到来信号算出部と、
   前記到来方向ごとの前記到来信号を前記所定の波数によって平均した平均到来信号を算出する平均算出部と、
   前記平均到来信号と前記平均到来信号の所定の閾値とに基づいて、前記到来波の到来波数を推定する到来波数推定部と、を備える、通信装置。
2. 請求項１に記載の通信装置であって、
   前記到来方向算出部は、ＡＦ（Ａｎｎｉｈｉｌａｔｉｎｇ Ｆｉｌｔｅｒ）法によって前記到来方向を算出する、通信装置。
3. 請求項１に記載の通信装置であって、
   前記到来方向算出部は、ＭＯＤＥ（Ｍｅｔｈｏｄ Ｏｆ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ）法によって前記到来方向を算出する、通信装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の通信装置であって、
   前記所定の閾値は、一定誤警報確率処理によって算出される、通信装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の通信装置であって、
   前記アレーアンテナは、送信波が対象物に反射して生じる到来波を前記受信信号として受信する受信アンテナであり、
   送信信号を生成する送信信号生成部と、
   前記送信信号を前記送信波として対象物に送信する送信アンテナと、
   前記送信信号と前記受信信号とを混合して中間周波数を有する中間周波数信号に変換する中間周波数信号変換部と、
   前記中間周波数信号に基づいて、前記対象物までの距離を算出する距離算出部と、
   前記距離と前記到来方向とに基づいて前記対象物の位置を算出する位置算出部と、をさらに備える、通信装置。
6. 請求項１から４のいずれか一項に記載の通信装置であって、
   前記アレーアンテナは、送信波が対象物に反射して生じる前記到来波を前記受信信号として受信する受信アンテナであり、
   送信信号を生成する送信信号生成部と、
   前記送信信号を前記送信波として対象物に送信する送信アンテナと、
   前記到来方向に基づいて、前記送信波が対象物に反射して生じる到来波を含む受信波の受信方向又は前記送信波の送信方向を制御するような前記送信信号を生成する制御部と、
   をさらに備える、通信装置。
7. 通信装置が、
   複数のアンテナ素子を有し、到来波を受信信号として受信するアレーアンテナから受信した前記受信信号と所定の波数とに基づいて、前記所定の波数の場合の前記受信信号の到来方向を算出することと、
   前記所定の波数と前記到来方向とに基づいて、前記複数のアンテナ素子間の信号の到来方向に対応する位相差を示す行列の逆行列を用いた行列演算を行い、前記所定の波数の場合の前記到来方向ごとの到来信号を算出することと、
   前記到来方向ごとの前記到来信号を前記所定の波数によって平均した平均到来信号を算出することと、
   前記平均到来信号と前記平均到来信号の所定の閾値とに基づいて、前記到来波の到来波数を推定することと、を含む、通信方法。

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