アレイアンテナを用いた無線通信装置、及びアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法
【課題】遅延キャリブレーションと位相振幅キャリブレーションの間に一時的に生じる位相ずれによるアレイアンテナの特性劣化を抑制する。
【解決手段】アレイアンテナを用いた無線通信装置は、複数のアンテナからなるアレイアンテナと、アレイアンテナに対して、各アンテナを含む伝送経路の遅延量及び位相振幅変化を一致させて各アンテナ間の特性を揃えるキャリブレーション手段と、キャリブレーション手段によって求められた、各アンテナの伝送経路の遅延補正量の変化による位相回転量を求めて位相補正量を計算し、遅延補正と同時に位相補正量を用いた位相振幅補正を行う処理部とを有する。
【解決手段】アレイアンテナを用いた無線通信装置は、複数のアンテナからなるアレイアンテナと、アレイアンテナに対して、各アンテナを含む伝送経路の遅延量及び位相振幅変化を一致させて各アンテナ間の特性を揃えるキャリブレーション手段と、キャリブレーション手段によって求められた、各アンテナの伝送経路の遅延補正量の変化による位相回転量を求めて位相補正量を計算し、遅延補正と同時に位相補正量を用いた位相振幅補正を行う処理部とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレイアンテナを用いた無線通信装置、及びアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法に係り、特に複数のアンテナを協調させて送受信を行うアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信の需要増大に伴い、限られた無線資源の中で更なる大容量化、高速化が求められている。アレイ（マルチ）アンテナは、そのような要求に応えるために用いられるアンテナであり、ビームフォーミングやＭＩＭＯ（Multi Input Multi Output）を実現し、大容量化、高速化を行うことが可能である。
【０００３】
図５に、関連技術のアレイアンテナを用いた無線通信装置のビームフォーミングの例を示す。図５において、８はアレイアンテナを構成する各アンテナ、１０１は送受信処理部、１０２はビームフォーミング部、アンテナ（チャネル）校正部を示す。この例では、各アンテナ８からの送受信信号の特性（遅延／位相振幅）を調整することにより、干渉を用いて電波に指向性を持たせている。この技術により、別方向にいるユーザを分離して取り扱うことができ、干渉を抑えて高速大容量通信が可能となる。
【０００４】
図５の例で示したように、アレイアンテナを用いてビームフォーミングやＭＩＭＯを行うためには、各アンテナ８間の特性が揃っている必要がある。しかし、実際には、製造における誤差、回路やケーブルの特性差によるバラツキがあり、さらには温度などの影響によっても変化していく。そのため、ビームフォーミングやＭＩＭＯを用いるためには、アンテナ８間のキャリブレーションが必須であり、各アンテナ８間、正確には、アンテナ８を含む伝送経路における遅延量や位相振幅変化を一致させて、アンテナ８で送受信される信号の特性を揃える必要がある。さらに、このようなキャリブレーションは、アレイアンテナを製造したときに一度だけ行えばよいというものではなく、ある程度の間隔を置いて（温度変化などに応じて）何度も行う必要がある。
【０００５】
そのために、アレイアンテナを有する無線通信装置は、キャリブレーション機能や回路（位相振幅補正、遅延補正回路）を実装しなければならない。そのようにして特性を一致させたアレイアンテナに対して、ユーザ毎に到来方向を制御することにより、高速大容量な通信を実現する。図５の例では、図中の点線で囲まれたアンテナ校正部１０３で遅延／振幅位相補正を行い、各アンテナ８（送受信チャネル１〜ｋ）の特性を一致させている。その上で、ビームフォーミング部１０２の到来方向制御により各チャネル１〜ｋのアンテナ８（アンテナ間隔：ｄ１〜ｄｋ）の到来方向θにより生じている伝送路差（チャネル１：ｄ１・ｓｉｎθ、チャネルｋ：ｄｋ・ｓｉｎθ）を打ち消すように信号を制御することにより、ビームフォーミングを行っている。
【０００６】
図６に、関連技術のアレイアンテナを用いた無線通信装置の具体的なキャリブレーション機能（手段）の例を示す。図６において、１は送信信号処理部、２は受信信号処理部、３はキャリブレーション信号送受信回路、４−ｉはチャネルｉ（ｉ＝１、２、…、ｎ：ｎは正の整数）の送受信回路（ｉ−ｃｈ）、５はアンテナユニット、６はキャリブレーション信号分配／合成器、７−ｉはカップラ、８−ｉはチャネルｉのアンテナ素子をそれぞれ示す。また、９は複素乗算器、１０は遅延素子、１１はＤ／Ａ（Digital to Analog）コンバータ、１２はＡ／Ｄ（Analog to Digital）コンバータ、１３は送受信制御回路（ＳＷ：Switch）、１９は対向アンテナをそれぞれ示す。さらに、１１１はデジタル部、１１２はアナログ部、１１３は無線伝送部をそれぞれ示す。
【０００７】
図６の例では、アンテナユニット５のｎ個のチャネルｉ（ｉ＝１、２、…、ｎ）の各アンテナ８−ｉ（ｉ−ｃｈ）間（チャネル間）のキャリブレーションは、送信と受信についてそれぞれ行う必要がある。
【０００８】
送信キャリブレーションにおいては、各チャネルｉの送受信回路４−ｉ（ｉ−ｃｈ）からの校正信号をアンテナユニット５のカップラ７−ｉ（ｉ−ｃｈ）で折り返し、アンテナユニット５の分配／合成器６を通して、キャリブレーション用送受信処理回路３で受信する。受信された信号の経路は、カップラ７−ｉ（ｉ−ｃｈ）と分配／合成器６間を除いた各チャネルｉの送信経路のみが異なっているため、送信チャネル毎の受信信号を比較することによって、位相、振幅、遅延差を求めることができる。
【０００９】
受信キャリブレーションでは、逆に、キャリブレーション用の信号処理回路３から校正信号を出力し、分配／合成器６を通して各アンテナ８−ｉ（ｉ−ｃｈ）に信号を入力し、各チャネルｉの送受信回路４−ｉで受信する。この場合、受信された信号経路は、各チャネルｉの受信経路のみが異なっているため、受信チャネル毎の受信信号を比較することにより、位相、振幅、遅延差を求めることができる。
【００１０】
このようにして求めた位相、振幅、遅延差は、補正係数を用いて校正し、チャネルｉ間の特性を揃える。下記の式１１、１２に具体的な校正方法を示す。
【００１１】
【数９】
【００１２】
【数１０】
ここでは、全チャネル特性を第１チャネル１に合せている。遅延補正における定数Ｃは、遅延方向がプラス方向しか制御できないため、正数化するために用いている。位相振幅補正は、Ｉ、Ｑ平面（複素数）として計算している。
【００１３】
キャリブレーション用の信号は、遅延差の測定と、位相振幅差の測定では異なるパターンが用いられる。遅延差測定においては、タイミングが一致したときのみ最大相関値となり、少しでもタイミングがずれると、ほとんどゼロとなるＭ系列が用いられる。
【００１４】
図７及び図８は、図６に示す関連技術の無線通信装置によるアレイアンテナの送信及び受信遅延キャリブレーションを行うキャリブレーション処理部１００の構成を示す。図７及び図８に示すキャリブレーション処理部１００は、基準パターン発生器２０、相関計算回路２１、ピーク検出器２２、遅延補正量計算回路２３、遅延補正量レジスタ２４、位相補正量レジスタ２７、振幅補正量レジスタ２８、複素変換器２９、遅延補正用キャリブレーション送信信号発生器３０、送信制御回路３１、受信制御回路３２を有し、送信遅延キャリブレーション（図７参照）および受信遅延キャリブレーション（図８参照）を行う。
【００１５】
図７の送信遅延キャリブレーションでは、１つの受信チャネルのみを使用するため、各送信チャネルに対して個別に遅延測定を行う必要があり、同時測定はできない。これは、Ｍ系列信号の場合、複数の信号を合成して受信すると、信号を分離することができないためである。
【００１６】
図８の受信キャリブレーションでは、１つの送信信号を分配しているので複数チャネルの同時受信が可能である。この受信信号に対してタイミングをずらしながら相関値を計算し、相関値がピークとなるタイミングを検出する。この方法は、移動通信（Ｗ−ＣＤＭＡなど）における移動局の伝送路測定（パスサーチ）などに用いられている方法と基本的に同じである。
【００１７】
一方、位相振幅差測定では、遅延補正によって遅延を一致させた複数アンテナにおいて同時測定を行う必要がある。受信キャリブレーションでは、同じ信号を複数のチャネルで同時に受信することが可能であるが、送信キャリブレーションでは、１つの受信器での同時受信を行う必要がある。そのために直交符号を用いる。直交符号はコード分離可能であるため、各送信チャネルからの信号に異なるコードを割り振ることにより信号を分離して、位相振幅を求めることができる。
【００１８】
遅延補正により生じる遅延差は、信号の位相にも影響する。そのため、遅延補正量が変更されれば位相回転を生じることになり、チャネル間の位相ずれを生じる可能性がある。ゆえに、アレイアンテナの特性を劣化させないためには遅延補正時に何らかの位相補正を同時に行う必要がある。従来は、遅延についての補正自身を行っていないか、または、位相振幅補正時間を短くすることにより位相回転の影響を極力小さくしている。
【００１９】
なお、上記アレイアンテナに関連する技術文献として、特許文献１には、フェーズドアレイアンテナのビーム方向を位相器で制御する場合の位相誤差を修正する方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−０７６７４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
アレイアンテナのキャリブレーションは、遅延補正と位相振幅補正に分けることができる。それぞれを独立に行う場合、まず遅延補正を行い、各チャネルの遅延量を一致させてから位相振幅補正を行う。ただし、遅延補正により各チャネルの遅延補正量が変更されると、遅延差による位相回転を生じる。そのため、引き続いて行われる位相振幅補正が完了するまでの時間（数秒に及ぶこともある）、チャネル間の位相がずれた状態となり、アレイアンテナとしての特性が著しく劣化する可能性がある。
【００２１】
キャリブレーションは、通常通信を停止させることなく通常信号の合間（空きスロットやスロット間のギャップ）などを利用し、工程を細分化して処理していくため、キャリブレーション処理中に位相ずれによる特性劣化が起これば、最悪の場合通信断を生じる。対策として、キャリブレーション信号の送受信を行う期間だけ、変更された遅延補正量を用いる方法があるが、通常通信とキャリブレーション信号とで遅延補正量の切替えが必要となり、回路や制御が非常に複雑になる。また、遅延量の経時変化は比較的小さいので遅延補正を敢えて行わない方法もあるが、さらなる高速大容量化に対応するためアレイアンテナの特性向上や安定性が求められており、今後は遅延補正が必要となる。
【００２２】
上記のように、携帯電話基地局などで用いられるアレイ（マルチ）アンテナは、複数のアンテナを用いてビームフォーミングやＭＩＭＯ（Multi Input Multi Output）などの技術により高速大容量通信を可能とするアンテナである。しかし、それらの技術を利用するためには、使用する各アンテナのアナログ経路を含めた特性が一致している必要がある。アンテナ特性（位相、振幅、遅延特性。以後、チャネル特性と記す）は、各チャネルで異なり、温度などの影響により時間と共に変化する。そのため、出荷時だけでなく、運用においても定期的に校正（キャリブレーション）を行うことが望ましい。
【００２３】
アレイアンテナのキャリブレーションは、遅延補正と位相振幅補正に分けることができる。まず、遅延補正を行い、各チャネルの遅延量を一致させてから位相振幅補正を行う。ただし、遅延補正によりチャネルの遅延補正量が変更されると、遅延差による位相回転を生じてしまう。そのため、引き続いて行われる位相振幅補正が完了するまでの時間（数秒に及ぶこともある）、チャネル間の位相がずれた状態となり、アレイアンテナとしての特性が著しく劣化する可能性がある。最悪の場合は、通信断を生じる可能性もある。
【００２４】
すなわち、アレイアンテナのキャリブレーションを行うための送受信器を有し、キャリブレーション用の送信信号をアンテナ部で折り返して、自分自身で受信することにより校正を行う方法では、遅延補正と位相振幅補正を独立して行う場合に、初めに行われる遅延補正による位相ずれにより、次の位相振幅補正が完了するまでの間、一時的にアレイアンテナの特性劣化が生じ、通信断などを生じる可能性がある。
【００２５】
これに関し、特許文献１に記載されている方法は、サブアレイ単位に設けられた遅延位相器に遅延誤差がある場合に、その誤差に対応する位相誤差をアンテナ素子に設けられた別の位相器を制御することで補償するもので、上記アレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正を意図するものではない。
【００２６】
本発明の目的は、上記の課題を解決し、遅延キャリブレーションと位相振幅キャリブレーションの間に一時的に生じる位相ずれによるアレイアンテナの特性劣化を抑制する、アレイアンテナを用いた無線通信装置及びそのキャリブレーションにおける位相補正方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記目的を達成するため、本発明に係るアレイアンテナを用いた無線通信装置は、複数のアンテナからなるアレイアンテナと、前記アレイアンテナに対して、各アンテナを含む伝送経路の遅延量及び位相振幅変化を一致させて各アンテナ間の特性を揃えるキャリブレーション手段と、前記キャリブレーション手段によって求められた、前記各アンテナの伝送経路の遅延補正量の変化による位相回転量を求めて位相補正量を計算し、遅延補正と同時に前記位相補正量を用いた位相振幅補正を行う処理部とを有することを特徴とする。
【００２８】
また、本発明に係るアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法は、複数のアンテナからなるアレイアンテナに対して、各アンテナを含む伝送経路の遅延量及び位相振幅変化を一致させて各アンテナ間の特性を揃えるキャリブレーションを行い、前記キャリブレーションによって求められた、前記各アンテナの伝送経路の遅延補正量の変化による位相回転量を求めて位相補正量を計算し、遅延補正と同時に前記位相補正量を用いた位相振幅補正を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、遅延補正と同時に遅延補正に伴う位相回転を補正する位相回転補正を行うことによって、遅延キャリブレーションと位相振幅キャリブレーションの間に一時的に生じる位相ずれによるアレイアンテナの特性劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
次に、本発明に係るアレイアンテナを用いた無線通信装置、及びアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
本実施の形態は、アレイアンテナのキャリブレーションを行うための送受信器を有し、キャリブレーション用の送信信号をアンテナ部で折り返して、自分自身で受信することにより校正を行うアレイアンテナを用いた無線通信装置において、遅延キャリブレーションと位相振幅キャリブレーションの間に生じる信号劣化を補償するものである。すなわち、この無線通信装置では、アレイアンテナのキャリブレーションにおける遅延補正量の変更による位相回転量を、予め計算または測定することによりテーブル化または関数化する。そして、それらのテーブルや関数を用いて、遅延補正量の変化による位相回転量の差を求め、遅延補正量の更新と同時に位相回転補正量も更新する。これにより、アレイアンテナの一時的特性劣化を防ぐ。その後、改めて位相振幅補正を行ってキャリブレーション処理を完了する。これにより、アレイアンテナのキャリブレーションを通常の通信と並行して安定的に行うことができる。
【００３２】
以下、実施例を用いて本実施の形態の詳細について説明する。
【実施例１】
【００３３】
まず、本発明の実施例１について説明する。本実施例は、上記の位相回転量をテーブル化した場合に適用したものである。なお、前述した関連技術（図６〜図８）と同様の構成要素については、同一符号を付して説明する。
【００３４】
本実施例に係るアレイアンテナを用いた無線通信装置は、図６に示すように、送信信号処理部１、受信信号処理部２、キャリブレーション信号送受信回路３、複数（ｎ）個のチャネルｉ（ｉ＝１、２、…、ｎ：ｎは正の整数）の送受信回路４−ｉ、アンテナユニット５、チャネルｉのアンテナ素子８−ｉを有する。なお、符号１９は対向アンテナを示している。
【００３５】
このうち、アンテナユニット５は、図６に示すように、キャリブレーション信号分配／合成器６と、チャネルｉのカップラ７−ｉとを備え、キャリブレーション信号の合成、分配、折返し機能を有する。また、送受信回路４−ｉは、位相振幅補正を行うための複素乗算器９と、遅延補正を行うための遅延素子１０と、送信デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータ１１と、受信アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１２と、送受信制御回路（ＳＷ）１３とを有する。さらに、キャリブレーション信号送受信回路３は、Ｄ／Ａコンバータ１１、Ａ／Ｄコンバータ１２、送受信制御回路（ＳＷ）１３を有する。送受信制御回路（ＳＷ）１３は、図７及び図８に示すように、無線送受信信号の送受信切り替えを行う送受信信号切替器（ＳＷ：切替スイッチ）１４と、周波数変換を行う周波数変換器１５を有する。
【００３６】
上記構成において、Ｄ／Ａコンバータ１１及びＡ／Ｄコンバータ１２を基準にして、デジタル信号側がデジタル部１１１、アナログ信号側がアナログ部１１２にそれぞれ対応している。また、アンテナ素子８−ｉと対向アンテナ１９との間は、無線伝送部１１３に対応している。
【００３７】
次に、本実施例に係る無線通信装置によるアレイアンテナの送信及び受信遅延キャリブレーションを行うキャリブレーション処理部（本発明の処理部に対応する。）の構成を、図１、図２を用いて説明する。図１は、送信遅延キャリブレーションを行う場合、図２は、受信遅延キャリブレーションを行う場合をそれぞれ示している。
【００３８】
図１及び図２に示すキャリブレーション処理部１００は、基準パターン発生器２０、相関計算回路２１、ピーク検出器２２、遅延補正量計算回路２３、遅延補正量レジスタ２４、位相回転補正量計算回路２５、位相回転量テーブル２６、位相補正量レジスタ２７、振幅補正量レジスタ２８、複素変換器２９、遅延補正用キャリブレーション送信信号発生器３０、送信制御回路３１、受信制御回路３２を有し、送信遅延キャリブレーション（図１参照）および受信遅延キャリブレーション（図２参照）を行う。
【００３９】
このうち、遅延補正用キャリブレーション信号発生器３０は、送信および受信補正用キャリブレーション信号を発生する。送信制御回路３１は、送信キャリブレーション信号を送受信回路４−ｉや、キャリブレーション信号送受信回路３に割り振る。受信制御回路３２は、キャリブレーション受信信号を選択する。
【００４０】
相関計算回路２１は、タイミングを変化させながら、キャリブレーション基準信号と受信キャリブレーション信号の相関値を計算し、遅延分布を求める。基準パターン発生器２０は、相関計算回路２１へキャリブレーション基準信号を出力する。ピーク検出器２２は、相関計算回路２１で求めた遅延分布からピーク検出により各チャネルの遅延量を求める。遅延補正量計算回路２３は、各チャネルの遅延量から各チャネルの遅延補正量を求める。位相回転量テーブル２６は、遅延補正量と位相回転量の関係を示す。位相回転補正量計算回路２５は、各チャネルｉの位相回転量から各チャネルｉの位相回転補正量を換算する。遅延補正量レジスタ２４は、遅延補正量を格納する。位相補正量レジスタ２７は、位相補正量を格納する。振幅補正量レジスタ２８は、振幅補正量を格納する。複素変換器２９は、位相振幅量のレジスタ値を複素数（Ｉ，Ｑ）に変換する。
【００４１】
図１の送信遅延キャリブレーションでは、各チャネルｉの送受信回路４−ｉを経由し、キャリブレーション信号送受信回路３で受信したキャリブレーション信号から、各チャネルｉの送信遅延補正量を求めている。送信の位相回転補正量は、送信遅延補正量と位相回転量の関係を示す位相回転量テーブル２６を用いて、各チャネルｉの遅延補正量の変化から位相回転量差を求めて計算している。
【００４２】
図２の受信遅延キャリブレーションでは、キャリブレーション信号送受信回路３から送信され、各チャネルｉの送受信回路４−ｉを経由して受信されたキャリブレーション信号から、各チャネルｉの受信遅延補正量を求めている。受信の位相回転補正量は、受信遅延補正量と位相回転量の関係を示す位相回転量テーブル２６を用いて、各チャネルｉの遅延補正量の変化から位相回転量差を求めて計算している。
【００４３】
図３（ａ）及び（ｂ）に遅延補正量と位相回転量の関係を示すテーブルの例を示す。このテーブルは、全アンテナ共通であり、遅延補正量（レジスタ設定値、０〜ｍ−１）と位相回転量（０〜３６０度）の関係を示している。また、アップリンク用（ＵＬ）（図３（ｂ）参照）とダウンリンク用（ＤＬ）（図３（ａ）参照）でそれぞれ別々に必要となる。位相回転量は、レジスタ値が０の場合を基準としている。遅延補正量の変更による位相回転量差は、現在の遅延補正量での位相回転量と、新しい遅延補正量での位相回転量の差から求める。同様にして各チャネルｉの位相回転量差を求める。このテーブルは、変調方式や中間周波数設定方法、遅延位相振幅補正位置などに依存している。さらに、無線周波数が異なればテーブルも異なる可能性がある。無線周波数に依存する場合は、使用する無線周波数それぞれに対してテーブルを用意する。
【００４４】
次に、本実施例の動作について説明する。
【００４５】
まず、図１を参照して、送信遅延キャリブレーションの動作について説明する。
【００４６】
図１において、遅延補正用キャリブレーション信号発生器３０から送信された送信遅延キャリブレーション用の信号は、送信制御回路３１において測定すべきチャネルｉの送受信回路４−ｉに入力される。
【００４７】
送受信回路４−ｉ内では、現在のパラメータによる遅延位相振幅補正が行われた後、Ｄ／Ａコンバータ１１によってアナログ信号に変換される。変換されたアナログ信号は、周波数変換器１５で無線送信周波数への変換が行われ、アンテナユニット５へ出力される。
【００４８】
アンテナユニット５では、図６に示すように、カップラ７で折り返されて合成器６を経由してＣＡＬ端子から出力される。ＣＡＬ端子から出力されたキャリブレーション信号は、キャリブレーション送受信回路３に入力される。
【００４９】
キャリブレーション送受信回路３内では、周波数変換器１５でベースバンド信号へ変換された後、Ａ／Ｄコンバータ１２によってデジタル信号に変換され、受信制御回路３２に入力される。
【００５０】
受信制御回路３２から出力されたキャリブレーション信号は、相関計算回路２１において、基準パターン発生器２０からの信号との間で、タイミングをずらしながら相関計算され遅延分布が求められる。計算された各チャネルｉの遅延分布は、ピーク検出回路２２において各チャネルｉのピーク位置（同期タイミング）が求められる。求められたピーク位置は、遅延量補正計算回路２３に送られ、各チャネルｉの送信の遅延補正量が求められる。
【００５１】
位相回転補正量計算回路２５では、位相回転テーブル２６を参照して遅延補正量の変化量（現在値と変更値の差）から各チャネルｉの送信の位相回転補正量が求められる。
【００５２】
次に、図２を参照して、受信遅延キャリブレーションの動作について説明する。
【００５３】
図２において、遅延補正用キャリブレーション信号発生器３０から送信された受信遅延キャリブレーション用の信号は、送信制御回路３１においてキャリブレーション送受信回路３に入力される。
【００５４】
キャリブレーション送受信回路３内では、Ｄ／Ａコンバータ１１によってアナログ信号に変換される。変換されたアナログ信号は、周波数変換器１５で無線送信周波数への変換が行われ、アンテナユニット５のＣＡＬ端子に入力される。
【００５５】
アンテナユニット５では、図６に示すように、分配器６で分配され、カップラ７から各アンテナへ入力される（図６参照）。アンテナユニット５の各チャネル端子から出力されたキャリブレーション信号は、測定すべきチャネルｉの送受信回路４−ｉに入力される。
【００５６】
送受信回路４−ｉ内では、周波数変換器１５でベースバンド信号へ変換された後、Ａ／Ｄコンバータ１２によってデジタル信号に変換される。さらに、現在のパラメータによる遅延位相振幅補正が行われた後に受信制御回路３２に入力される。
【００５７】
受信制御回路３２から出力されたキャリブレーション信号は、相関計算回路２１において、基準パターン発生器２０からの信号との間で、タイミングをずらしながら相関計算が行われ遅延分布が求められる。計算された各チャネルｉの遅延分布は、ピーク検出回路２２において各チャネルｉのピーク位置（同期タイミング）が求められる。求められたピーク位置は、その後、遅延量補正計算回路２３に送られ、各チャネルｉの受信遅延補正量が求められる。
【００５８】
位相回転補正量計算回路２５では、位相回転テーブル２６を参照して遅延補正量の変化量（現在値と変更値の差）から各チャネルｉの受信の位相回転補正量が求められる。
【００５９】
ここで、位相回転補正量の具体的計算方法について、図３（ａ）の送信用テーブルを参照して説明する。
【００６０】
現在の遅延補正レジスタ値が１、変更後のレジスタ値が３となる場合、図３（ａ）より、それぞれの位相回転量は、２１度と６５度である。ゆえに、位相回転量差は、６５−２１＝４４度となり、位相回転補正量は符号を反転した−４４度となる。この値を、現在の位相補正量レジスタ値に加えることにより位相回転補正を行う。補正量レジスタの更新は、遅延と位相を同時に行う。それにより、位相ずれの発生によるアレイアンテナの特性劣化を防ぐ。以上の補正を行ったうえで改めて位相振幅補正を行い、温度などによる位相振幅の時間変化を補正する。
【００６１】
以上説明したように、本実施例によれば、次の効果が得られる。
【００６２】
本実施例は、アレイアンテナのキャリブレーションを行うための送受信器（送信信号処理部１、受信信号処理部２、キャリブレーション信号送受信回路３、送受信回路４−ｉ（ｉ−ｃｈ）を含む。）を有し、キャリブレーション用の送信信号をアンテナ部（アンテナユニット５）で折り返して、自分自身で受信することにより校正を行う装置及び方法に関する。
【００６３】
これに関し、前述した図７、図８のように、遅延補正と位相振幅補正を独立して行う場合は、初めに行われる遅延補正による位相ずれにより、次の位相振幅補正が完了するまでの間、一時的にアレイアンテナの特性劣化が生じ、通信断などを生じる可能性がある。すなわち、アレイアンテナのキャリブレーションにおいて、従来は、遅延補正により位相回転が生じ、位相振幅補正を行うまでのわずかな間、アレイアンテナの特性が劣化する可能性について具体的対応は行われていなかった。
【００６４】
これに対し、本実施例は、遅延補正量の変化による位相回転量を求めて位相補正量を計算し、遅延補正と同時に位相振幅補正も行うことにより、位相振幅補正が行われるまでの特性劣化を防ぐものである。これにより、アレイアンテナにおけるキャリブレーションの安定性が向上する。
【００６５】
具体的には、本実施例では、キャリブレーションにおける遅延補正量の変更による位相回転量を、測定や計算により予め求めておくことによりテーブル化する。このテーブルにより、遅延補正量の変化による位相回転量を求め、遅延補正量の更新と同時に位相回転補正量も更新することによって一時的なアレイアンテナの特性劣化を防ぐ。その後改めて位相振幅補正を行ってキャリブレーション処理を完了する。本実施例により、アレイアンテナのキャリブレーションを通常の通信と並行して安定的に行うことができる。
【００６６】
したがって、本実施例に示したキャリブレーションにおいて、遅延補正と同時に遅延補正に伴う位相回転を同時に補正する位相回転補正を行うことによって、一時的に生じる位相ずれによるアレイアンテナの特性劣化を防ぐことができる。
【実施例２】
【００６７】
次に、本発明の実施例２について説明する。本実施例は、上記実施例１のテーブルの代わりに関数を用いる場合に適用したものである。
【００６８】
上記実施例１に係る無線通信装置において、データ転送速度、周波数変換方法、中間周波数の設定、変復調方式、遅延位相振幅補正位置などの装置としての送受信系が決定されれば、遅延補正に伴う位相回転量は、計算で求めることが可能となる。ゆえに、遅延補正量（レジスタ値）と無線周波数などをパラメータとする関数として理論的に導出できる。本実施例では、この関数やその近似関数を用いて位相回転量を計算し、補正する。
【００６９】
本実施例の構成は、図１、図２における位相回転量テーブル２６の代わりに関数を用いており、位相回転補正計算回路２５内において、この関数によって位相回転量を計算によって求めている。すなわち、本実施例では、図１、図２における位相回転量テーブル２６の代わりに、遅延補正量と無線周波数などをパラメータとする関数を用いる。位相補正量計算回路２５では、この関数により、実施例１と同様に遅延補正量変更前後の位相回転量を求め、位相回転補正量を計算している。
【００７０】
本実施例では、キャリブレーションにおける遅延補正量の変更による位相回転量を上記のように関数化する。この関数により、遅延補正量の変化による位相回転量を求め、遅延補正量の更新と同時に位相回転補正量も更新することによって一時的なアレイアンテナの特性劣化を防ぐ。その後改めて位相振幅補正を行ってキャリブレーション処理を完了する。本実施例により、アレイアンテナのキャリブレーションを通常の通信と並行して安定的に行うことができる。
【００７１】
したがって、本実施例に示したキャリブレーションにおいても、実施例１と同様に、遅延補正と同時に遅延補正に伴う位相回転を同時に補正する位相回転補正を行うことによって、一時的に生じる位相ずれによるアレイアンテナの特性劣化を防ぐことができる。
【実施例３】
【００７２】
次に、本発明の実施例３について説明する。本実施例は、上記実施例２の関数として、下記の式１に示した周波数変換により送信信号を生成する場合に適用したものである。
【００７３】
【数１１】
上記の式１は、ベースバンド信号に搬送波（周波数ｆｃ）を乗算することにより、無線送信信号を生成している。その後、フィルタによって例えば右辺第１項のみをアンテナから送信する。
【００７４】
この周波数変換における遅延補正量と位相回転量の関係を下記の式２に示す。
【００７５】
【数１２】
また、遅延補正量の変更による遅延差Δｔによって生じるベースバンド信号の位相回転θを下記の式３に示す。
【００７６】
【数１３】
上記の式２により、搬送波周波数ｆｃに関係なく、ベースバンド信号（周波数ｆｂ）における遅延差による位相回転θが、そのまま無線送信信号における位相回転となる。
【００７７】
次に、受信遅延キャリブレーションにおいては、下記の式４の周波数変換が行われる。
【００７８】
【数１４】
上記の式４の右辺第２項が、復調されたベースバンド信号である。ここで、遅延補正がベースバンド部で行われるとすると、遅延差と位相回転の関係は、上記の式３で示される。また、上記の式４は、φｔをφｔ＋θに置き換えることにより、下記の式５のように変形できる。
【００７９】
【数１５】
ゆえに、送信と同様に搬送波周波数ｆｃに関係なく、ベースバンド信号（周波数ｆｂ）における遅延差による位相回転θがそのまま無線受信波における位相回転となる。
【００８０】
以上のように、本実施例では、上記の実施例２の位相回転量を求める関数として、上記の式３を用いている。すなわち、各アンテナについて、遅延補正量の変化量（現在値と変更値の差Δｔ）から位相回転θを求めている。位相回転補正量は−θとなり、実施例１と同様に遅延補正と同時に位相補正を行う。
【００８１】
本実施例によれば、実施例２と同様に、キャリブレーションにおける遅延補正量の変更による位相回転量を上記のように関数化する。この関数により、遅延補正量の変化による位相回転量を求め、遅延補正量の更新と同時に位相回転補正量も更新することによって一時的なアレイアンテナの特性劣化を防ぐ。その後改めて位相振幅補正を行ってキャリブレーション処理を完了する。本実施例により、アレイアンテナのキャリブレーションを通常の通信と並行して安定的に行うことができる。
【００８２】
したがって、本実施例に示したキャリブレーションにおいても、実施例１、２と同様に、遅延補正と同時に遅延補正に伴う位相回転を同時に補正する位相回転補正を行うことによって、一時的に生じる位相ずれによるアレイアンテナの特性劣化を防ぐことができる。
【実施例４】
【００８３】
次に、本発明の実施例４について説明する。本実施例では、上記の実施例３で用いた式１で示された周波数変換を２回行い、ベースバンド信号ではなく中間周波数処理において遅延補正を行っている。
【００８４】
本実施例では、２回の周波数変換（上記の式１参照）を行い、中間周波数を経由して無線送受信を行う場合において、中間周波数処理で遅延補正を行う例を図４、および下記の式６、式７、式８に示す。
【００８５】
図４に、本実施例に係るアレイアンテナを用いた無線通信装置で用いるｉチャネルの送受信回路４−ｉの例を示す。図４において、１２１はベースバンド部、１２２は中間周波数部、１２３が無線周波数部をそれぞれ示す。図４に示すｉチャネルの送受信回路４−ｉ内において、送受信経路それぞれに２つの周波数変換器（複素乗算器９）を有し、その間の中間周波数部１２２での中間周波数処理において遅延補正と位相振幅補正を行っている。
【００８６】
まず、送信遅延キャリブレーションについて説明する。
【００８７】
送信遅延キャリブレーションにおいては、送受信回路４−ｉに送られたキャリブレーション信号（ベースバンド）は、送信経路上のベースバンド部１２１と中間周波数部１２２との間の周波数変換器（複素乗算器９）において、下記の式６に従い、中間周波数に変換される。下記の式６は、中間周波数ｆｍへの変換を示している。
【００８８】
【数１６】
上記の中間周波数ｆｍで、遅延および位相振幅補正が行われる。現在のパラメータによって遅延および位相振幅補正が行われたキャリブレーション信号は、Ｄ／Ａコンバータ１１においてアナログ信号に変換され、送信経路上の中間周波数部１２２と無線周波数部１２３との間の第２の周波数変換器（複素乗算器９）において無線送信信号に変換される。
【００８９】
その後、アンテナユニットに送られて、実施例２と同様にして関数を用いて、送信の遅延補正量と位相回転補正量が求められる。ただし、遅延位相振幅補正は中間周波数で行われているため、遅延補正に伴う位相回転量を決定する関数は、下記の式７、式８に従って中間周波数の関数として与えられる。
【００９０】
下記の式７は、中間周波数部１２２での中間周波数処理において遅延補正を行う場合の遅延補正量と位相回転量の関係を示す。
【００９１】
【数１７】
上記の位相回転θｍは、下記の式８より、中間周波数の関数として示される。
【００９２】
【数１８】
ここで、中間周波数信号から無線信号に変換するためには、もう一度周波数変換を行う必要があるが、前述の式１、式２、式３で示されたように搬送波の周波数ｆｃには依存しない。
【００９３】
次に、送信遅延キャリブレーションについて説明する。
【００９４】
受信遅延キャリブレーションにおいては、実施例２と同様にしてアンテナユニットの各アンテナ端子から出力されたキャリブレーション信号（無線周波数信号）が送受信回路４−ｉに送られる。送受信回路４−ｉに送られた受信信号は、まず受信経路上の無線周波数部１２３と中間周波数部１２２との間の周波数変換器（複素乗算器９）において中間周波数に変換された後、Ａ／Ｄコンバータ１２によってデジタル信号に変換される。
【００９５】
遅延および位相振幅補正は、中間周波数部１２２で行われる。現在のパラメータによって遅延および位相振幅補正が行われたキャリブレーション信号は、受信経路上の中間周波数部１２２とベースバンド部１２１との間の第２の周波数変換器（複素乗算器９）によってベースバンド信号に変換され、実施例２と同様にして関数を用いて、受信の遅延補正量と位相回転補正量が求められる。ただし、遅延位相振幅補正は中間周波数で行われているため、遅延補正に伴う位相回転量を決定する関数は、上記の式８に従って中間周波数の関数として与えられる。
【００９６】
以上のように、本実施例では、実施例３で用いた周波数変換の式１を用いて２回の周波数変換を行い、ベースバンド部１２１でのベースバンド信号ではなく、中間周波数部１２２での中間周波数処理において遅延補正を行っている。
【００９７】
本実施例によれば、実施例２、３と同様に、キャリブレーションにおける遅延補正量の変更による位相回転量を上記のように関数化する。この関数により、遅延補正量の変化による位相回転量を求め、遅延補正量の更新と同時に位相回転補正量も更新することによって一時的なアレイアンテナの特性劣化を防ぐ。その後改めて位相振幅補正を行ってキャリブレーション処理を完了する。本実施例により、アレイアンテナのキャリブレーションを通常の通信と並行して安定的に行うことができる。
【００９８】
したがって、本実施例に示したキャリブレーションにおいても、実施例１〜３と同様に、遅延補正と同時に遅延補正に伴う位相回転を同時に補正する位相回転補正を行うことによって、一時的に生じる位相ずれによるアレイアンテナの特性劣化を防ぐことができる。
【００９９】
なお、本実施例では、上記の式８の関数を用いて実施例２と同様に位相回転遅延量を求めているが、この関数を予め計算し、実施例１に示したテーブル化しても構わない。
【０１００】
（その他の実施例）
・遅延補正位置や位相振幅補正位置、周波数変換の回数などは任意に設定することができる。中間周波数も複数設定できる。例えば、遅延補正位置が、ベースバンド処理部ではなく、中間周波数や無線送受信周波数の処理部であった場合、位相回転量は中間周波数や無線送受信周波数を基にして求める（実施例４参照）。
【０１０１】
・実施例１においても、遅延補正位置や位相振幅補正位置、周波数変換の回数などは任意に設定することができる。中間周波数も複数設定できる。位相回転テーブル２６は、それらを考慮して、計算や測定によって求める。
【０１０２】
・実施例４において、中間周波数が固定値ではなく、無線周波数に依存して決定されている場合は、位相回転量を求める関数も無線周波数に依存する。つまり、無線周波数も関数のパラメータとなる。実施例１に適応した場合（関数を予め計算してテーブル化した場合）は、使用する無線周波数それぞれに対して位相回転量テーブル２６を用意する。
【０１０３】
・位相回転量テーブル２６は、固定値だけではなく、使用周波数についての関数として示しても良い。つまり、遅延補正量レジスタ２４の各値に対して、それぞれ別々の関数を定義しても良い（関数とテーブルの折衷案）。また、使用キャリア周波数ごとに関数を用意する方法もある。
【０１０４】
・図１、図２に示された遅延補正量計算方法は、これらの図に示した構成に限定されない。どのような構成を用いても構わない。
【０１０５】
・図１、図２では、キャリブレーション送受信回路３を独立構成としたが、この構成には限定されない。通常の送受信回路４−ｉを兼用した構成としても良い。例えば、信号経路切替により、送信キャリブレーションでは、特定チャネルの受信部をキャリブレーション送受信回路３として流用し、受信キャリブレーションでは、特定チャネルの送信部を流用する構成としても良い。
【０１０６】
以上説明したように各実施例の特徴についてまとめると、次の通りである。
【０１０７】
・アレイアンテナのキャリブレーションにおいて、遅延補正によって生じる位相回転を、テーブルまたは関数によって求め、補正する（実施例１、２、３、４参照）。
【０１０８】
・式１に示した周波数変換を用い、ベースバンド部で補正を行う場合は、式３によって位相回転量を求めることができる（実施例３参照）。
【０１０９】
・式１に示した周波数変換を２回行い、中間周波数処理部で補正を行う場合は、式８によって位相回転量を求めることができる（実施例４参照）。
【０１１０】
・式１に示した周波数変換を用いた場合、遅延補正に伴う位相回転量は、遅延補正を行う位置（ベースバンド部、中間周波数部、無線周波数部など）の周波数に大きく依存しており、その周波数の関数として位相回転量を求めることができる（実施例４参照）。
【０１１１】
・送受信回路４内の、遅延補正位置や位相振幅補正位置、周波数変換回数などは、図１、図２に示された構成に限定されない。順番を前後させたり、複数回の周波数変換を行って中間周波数を複数利用したり、共に複素乗算器を利用する位相振幅補正と周波数変換を1つに纏めて、１回の演算で行うなどとしても良い。
【０１１２】
以上、実施形態及び実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
以上説明したように、本発明は、アレイアンテナのキャリブレーション（校正）を行う装置及び方法に利用可能である。特に、本発明は、複数のアンテナを協調させて送受信を行うアレイアンテナを用いた無線通信装置、及びアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法の用途に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の実施例１に係るアレイアンテナを用いた無線通信装置による送信遅延キャリブレーションを説明する概略ブロック図である。
【図２】本発明の実施例１に係るアレイアンテナを用いた無線通信装置による受信遅延キャリブレーションを説明する概略ブロック図である。
【図３】図１及び図２に示すアレイアンテナを用いた無線通信装置の遅延補正による位相回転量を示すテーブルの例を示す図である。
【図４】本発明の実施例４に係るアレイアンテナを用いた無線通信装置によるキャリブレーションを説明する概略ブロック図である。
【図５】関連技術におけるアレイアンテナを用いた無線通信装置によるビームフォーミングを説明する図である。
【図６】関連技術におけるアレイアンテナを用いた無線通信装置によるキャリブレーション機能を説明する概略ブロック図である。
【図７】関連技術におけるアレイアンテナを用いた無線通信装置による送信遅延キャリブレーションを説明する概略ブロック図である。
【図８】関連技術におけるアレイアンテナを用いた無線通信装置による受信遅延キャリブレーションを説明する概略ブロック図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１ 送信信号処理部
２ 受信信号処理部
３ キャリブレーション信号送受信回路
４−ｉ 送受信回路（ｉ−ｃｈ）
５ アンテナユニット
６ キャリブレーション信号分配／合成器
７−ｉ カップラ
８−ｉ アンテナ素子
９ 複素乗算器
１０ 遅延素子
１１ Ｄ／Ａコンバータ
１２ Ａ／Ｄコンバータ
１３ 送受信制御回路（ＳＷ）
１４ 送受信信号切替器
１５ 周波数変換器
１９ 対向アンテナ
２０ 基準パターン発生器
２１ 相関計算回路
２２ ピーク検出器
２３ 遅延補正量計算回路
２４ 遅延補正量レジスタ
２５ 位相回転補正量計算回路
２６ 位相回転量テーブル
２７ 位相補正量レジスタ
２８ 振幅補正量レジスタ
２９ 複素変換器
３０ 遅延補正用キャリブレーション送信信号発生器
３１ 送信制御回路
３２ 受信制御回路
１００ キャリブレーション処理部
１０１ 送受信処理部
１０２ アンテナ校正部
１０３ ビームフォーミング部
１１１ デジタル部
１１２ アナログ部
１１３ 無線伝送部
１２１ ベースバンド部
１２２ 中間周波数部
１２３ 無線周波数部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレイアンテナを用いた無線通信装置、及びアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法に係り、特に複数のアンテナを協調させて送受信を行うアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信の需要増大に伴い、限られた無線資源の中で更なる大容量化、高速化が求められている。アレイ（マルチ）アンテナは、そのような要求に応えるために用いられるアンテナであり、ビームフォーミングやＭＩＭＯ（Multi Input Multi Output）を実現し、大容量化、高速化を行うことが可能である。
【０００３】
図５に、関連技術のアレイアンテナを用いた無線通信装置のビームフォーミングの例を示す。図５において、８はアレイアンテナを構成する各アンテナ、１０１は送受信処理部、１０２はビームフォーミング部、アンテナ（チャネル）校正部を示す。この例では、各アンテナ８からの送受信信号の特性（遅延／位相振幅）を調整することにより、干渉を用いて電波に指向性を持たせている。この技術により、別方向にいるユーザを分離して取り扱うことができ、干渉を抑えて高速大容量通信が可能となる。
【０００４】
図５の例で示したように、アレイアンテナを用いてビームフォーミングやＭＩＭＯを行うためには、各アンテナ８間の特性が揃っている必要がある。しかし、実際には、製造における誤差、回路やケーブルの特性差によるバラツキがあり、さらには温度などの影響によっても変化していく。そのため、ビームフォーミングやＭＩＭＯを用いるためには、アンテナ８間のキャリブレーションが必須であり、各アンテナ８間、正確には、アンテナ８を含む伝送経路における遅延量や位相振幅変化を一致させて、アンテナ８で送受信される信号の特性を揃える必要がある。さらに、このようなキャリブレーションは、アレイアンテナを製造したときに一度だけ行えばよいというものではなく、ある程度の間隔を置いて（温度変化などに応じて）何度も行う必要がある。
【０００５】
そのために、アレイアンテナを有する無線通信装置は、キャリブレーション機能や回路（位相振幅補正、遅延補正回路）を実装しなければならない。そのようにして特性を一致させたアレイアンテナに対して、ユーザ毎に到来方向を制御することにより、高速大容量な通信を実現する。図５の例では、図中の点線で囲まれたアンテナ校正部１０３で遅延／振幅位相補正を行い、各アンテナ８（送受信チャネル１〜ｋ）の特性を一致させている。その上で、ビームフォーミング部１０２の到来方向制御により各チャネル１〜ｋのアンテナ８（アンテナ間隔：ｄ１〜ｄｋ）の到来方向θにより生じている伝送路差（チャネル１：ｄ１・ｓｉｎθ、チャネルｋ：ｄｋ・ｓｉｎθ）を打ち消すように信号を制御することにより、ビームフォーミングを行っている。
【０００６】
図６に、関連技術のアレイアンテナを用いた無線通信装置の具体的なキャリブレーション機能（手段）の例を示す。図６において、１は送信信号処理部、２は受信信号処理部、３はキャリブレーション信号送受信回路、４−ｉはチャネルｉ（ｉ＝１、２、…、ｎ：ｎは正の整数）の送受信回路（ｉ−ｃｈ）、５はアンテナユニット、６はキャリブレーション信号分配／合成器、７−ｉはカップラ、８−ｉはチャネルｉのアンテナ素子をそれぞれ示す。また、９は複素乗算器、１０は遅延素子、１１はＤ／Ａ（Digital to Analog）コンバータ、１２はＡ／Ｄ（Analog to Digital）コンバータ、１３は送受信制御回路（ＳＷ：Switch）、１９は対向アンテナをそれぞれ示す。さらに、１１１はデジタル部、１１２はアナログ部、１１３は無線伝送部をそれぞれ示す。
【０００７】
図６の例では、アンテナユニット５のｎ個のチャネルｉ（ｉ＝１、２、…、ｎ）の各アンテナ８−ｉ（ｉ−ｃｈ）間（チャネル間）のキャリブレーションは、送信と受信についてそれぞれ行う必要がある。
【０００８】
送信キャリブレーションにおいては、各チャネルｉの送受信回路４−ｉ（ｉ−ｃｈ）からの校正信号をアンテナユニット５のカップラ７−ｉ（ｉ−ｃｈ）で折り返し、アンテナユニット５の分配／合成器６を通して、キャリブレーション用送受信処理回路３で受信する。受信された信号の経路は、カップラ７−ｉ（ｉ−ｃｈ）と分配／合成器６間を除いた各チャネルｉの送信経路のみが異なっているため、送信チャネル毎の受信信号を比較することによって、位相、振幅、遅延差を求めることができる。
【０００９】
受信キャリブレーションでは、逆に、キャリブレーション用の信号処理回路３から校正信号を出力し、分配／合成器６を通して各アンテナ８−ｉ（ｉ−ｃｈ）に信号を入力し、各チャネルｉの送受信回路４−ｉで受信する。この場合、受信された信号経路は、各チャネルｉの受信経路のみが異なっているため、受信チャネル毎の受信信号を比較することにより、位相、振幅、遅延差を求めることができる。
【００１０】
このようにして求めた位相、振幅、遅延差は、補正係数を用いて校正し、チャネルｉ間の特性を揃える。下記の式１１、１２に具体的な校正方法を示す。
【００１１】
【数９】
【００１２】
【数１０】
ここでは、全チャネル特性を第１チャネル１に合せている。遅延補正における定数Ｃは、遅延方向がプラス方向しか制御できないため、正数化するために用いている。位相振幅補正は、Ｉ、Ｑ平面（複素数）として計算している。
【００１３】
キャリブレーション用の信号は、遅延差の測定と、位相振幅差の測定では異なるパターンが用いられる。遅延差測定においては、タイミングが一致したときのみ最大相関値となり、少しでもタイミングがずれると、ほとんどゼロとなるＭ系列が用いられる。
【００１４】
図７及び図８は、図６に示す関連技術の無線通信装置によるアレイアンテナの送信及び受信遅延キャリブレーションを行うキャリブレーション処理部１００の構成を示す。図７及び図８に示すキャリブレーション処理部１００は、基準パターン発生器２０、相関計算回路２１、ピーク検出器２２、遅延補正量計算回路２３、遅延補正量レジスタ２４、位相補正量レジスタ２７、振幅補正量レジスタ２８、複素変換器２９、遅延補正用キャリブレーション送信信号発生器３０、送信制御回路３１、受信制御回路３２を有し、送信遅延キャリブレーション（図７参照）および受信遅延キャリブレーション（図８参照）を行う。
【００１５】
図７の送信遅延キャリブレーションでは、１つの受信チャネルのみを使用するため、各送信チャネルに対して個別に遅延測定を行う必要があり、同時測定はできない。これは、Ｍ系列信号の場合、複数の信号を合成して受信すると、信号を分離することができないためである。
【００１６】
図８の受信キャリブレーションでは、１つの送信信号を分配しているので複数チャネルの同時受信が可能である。この受信信号に対してタイミングをずらしながら相関値を計算し、相関値がピークとなるタイミングを検出する。この方法は、移動通信（Ｗ−ＣＤＭＡなど）における移動局の伝送路測定（パスサーチ）などに用いられている方法と基本的に同じである。
【００１７】
一方、位相振幅差測定では、遅延補正によって遅延を一致させた複数アンテナにおいて同時測定を行う必要がある。受信キャリブレーションでは、同じ信号を複数のチャネルで同時に受信することが可能であるが、送信キャリブレーションでは、１つの受信器での同時受信を行う必要がある。そのために直交符号を用いる。直交符号はコード分離可能であるため、各送信チャネルからの信号に異なるコードを割り振ることにより信号を分離して、位相振幅を求めることができる。
【００１８】
遅延補正により生じる遅延差は、信号の位相にも影響する。そのため、遅延補正量が変更されれば位相回転を生じることになり、チャネル間の位相ずれを生じる可能性がある。ゆえに、アレイアンテナの特性を劣化させないためには遅延補正時に何らかの位相補正を同時に行う必要がある。従来は、遅延についての補正自身を行っていないか、または、位相振幅補正時間を短くすることにより位相回転の影響を極力小さくしている。
【００１９】
なお、上記アレイアンテナに関連する技術文献として、特許文献１には、フェーズドアレイアンテナのビーム方向を位相器で制御する場合の位相誤差を修正する方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００２−０７６７４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
アレイアンテナのキャリブレーションは、遅延補正と位相振幅補正に分けることができる。それぞれを独立に行う場合、まず遅延補正を行い、各チャネルの遅延量を一致させてから位相振幅補正を行う。ただし、遅延補正により各チャネルの遅延補正量が変更されると、遅延差による位相回転を生じる。そのため、引き続いて行われる位相振幅補正が完了するまでの時間（数秒に及ぶこともある）、チャネル間の位相がずれた状態となり、アレイアンテナとしての特性が著しく劣化する可能性がある。
【００２１】
キャリブレーションは、通常通信を停止させることなく通常信号の合間（空きスロットやスロット間のギャップ）などを利用し、工程を細分化して処理していくため、キャリブレーション処理中に位相ずれによる特性劣化が起これば、最悪の場合通信断を生じる。対策として、キャリブレーション信号の送受信を行う期間だけ、変更された遅延補正量を用いる方法があるが、通常通信とキャリブレーション信号とで遅延補正量の切替えが必要となり、回路や制御が非常に複雑になる。また、遅延量の経時変化は比較的小さいので遅延補正を敢えて行わない方法もあるが、さらなる高速大容量化に対応するためアレイアンテナの特性向上や安定性が求められており、今後は遅延補正が必要となる。
【００２２】
上記のように、携帯電話基地局などで用いられるアレイ（マルチ）アンテナは、複数のアンテナを用いてビームフォーミングやＭＩＭＯ（Multi Input Multi Output）などの技術により高速大容量通信を可能とするアンテナである。しかし、それらの技術を利用するためには、使用する各アンテナのアナログ経路を含めた特性が一致している必要がある。アンテナ特性（位相、振幅、遅延特性。以後、チャネル特性と記す）は、各チャネルで異なり、温度などの影響により時間と共に変化する。そのため、出荷時だけでなく、運用においても定期的に校正（キャリブレーション）を行うことが望ましい。
【００２３】
アレイアンテナのキャリブレーションは、遅延補正と位相振幅補正に分けることができる。まず、遅延補正を行い、各チャネルの遅延量を一致させてから位相振幅補正を行う。ただし、遅延補正によりチャネルの遅延補正量が変更されると、遅延差による位相回転を生じてしまう。そのため、引き続いて行われる位相振幅補正が完了するまでの時間（数秒に及ぶこともある）、チャネル間の位相がずれた状態となり、アレイアンテナとしての特性が著しく劣化する可能性がある。最悪の場合は、通信断を生じる可能性もある。
【００２４】
すなわち、アレイアンテナのキャリブレーションを行うための送受信器を有し、キャリブレーション用の送信信号をアンテナ部で折り返して、自分自身で受信することにより校正を行う方法では、遅延補正と位相振幅補正を独立して行う場合に、初めに行われる遅延補正による位相ずれにより、次の位相振幅補正が完了するまでの間、一時的にアレイアンテナの特性劣化が生じ、通信断などを生じる可能性がある。
【００２５】
これに関し、特許文献１に記載されている方法は、サブアレイ単位に設けられた遅延位相器に遅延誤差がある場合に、その誤差に対応する位相誤差をアンテナ素子に設けられた別の位相器を制御することで補償するもので、上記アレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正を意図するものではない。
【００２６】
本発明の目的は、上記の課題を解決し、遅延キャリブレーションと位相振幅キャリブレーションの間に一時的に生じる位相ずれによるアレイアンテナの特性劣化を抑制する、アレイアンテナを用いた無線通信装置及びそのキャリブレーションにおける位相補正方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記目的を達成するため、本発明に係るアレイアンテナを用いた無線通信装置は、複数のアンテナからなるアレイアンテナと、前記アレイアンテナに対して、各アンテナを含む伝送経路の遅延量及び位相振幅変化を一致させて各アンテナ間の特性を揃えるキャリブレーション手段と、前記キャリブレーション手段によって求められた、前記各アンテナの伝送経路の遅延補正量の変化による位相回転量を求めて位相補正量を計算し、遅延補正と同時に前記位相補正量を用いた位相振幅補正を行う処理部とを有することを特徴とする。
【００２８】
また、本発明に係るアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法は、複数のアンテナからなるアレイアンテナに対して、各アンテナを含む伝送経路の遅延量及び位相振幅変化を一致させて各アンテナ間の特性を揃えるキャリブレーションを行い、前記キャリブレーションによって求められた、前記各アンテナの伝送経路の遅延補正量の変化による位相回転量を求めて位相補正量を計算し、遅延補正と同時に前記位相補正量を用いた位相振幅補正を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、遅延補正と同時に遅延補正に伴う位相回転を補正する位相回転補正を行うことによって、遅延キャリブレーションと位相振幅キャリブレーションの間に一時的に生じる位相ずれによるアレイアンテナの特性劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
次に、本発明に係るアレイアンテナを用いた無線通信装置、及びアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
本実施の形態は、アレイアンテナのキャリブレーションを行うための送受信器を有し、キャリブレーション用の送信信号をアンテナ部で折り返して、自分自身で受信することにより校正を行うアレイアンテナを用いた無線通信装置において、遅延キャリブレーションと位相振幅キャリブレーションの間に生じる信号劣化を補償するものである。すなわち、この無線通信装置では、アレイアンテナのキャリブレーションにおける遅延補正量の変更による位相回転量を、予め計算または測定することによりテーブル化または関数化する。そして、それらのテーブルや関数を用いて、遅延補正量の変化による位相回転量の差を求め、遅延補正量の更新と同時に位相回転補正量も更新する。これにより、アレイアンテナの一時的特性劣化を防ぐ。その後、改めて位相振幅補正を行ってキャリブレーション処理を完了する。これにより、アレイアンテナのキャリブレーションを通常の通信と並行して安定的に行うことができる。
【００３２】
以下、実施例を用いて本実施の形態の詳細について説明する。
【実施例１】
【００３３】
まず、本発明の実施例１について説明する。本実施例は、上記の位相回転量をテーブル化した場合に適用したものである。なお、前述した関連技術（図６〜図８）と同様の構成要素については、同一符号を付して説明する。
【００３４】
本実施例に係るアレイアンテナを用いた無線通信装置は、図６に示すように、送信信号処理部１、受信信号処理部２、キャリブレーション信号送受信回路３、複数（ｎ）個のチャネルｉ（ｉ＝１、２、…、ｎ：ｎは正の整数）の送受信回路４−ｉ、アンテナユニット５、チャネルｉのアンテナ素子８−ｉを有する。なお、符号１９は対向アンテナを示している。
【００３５】
このうち、アンテナユニット５は、図６に示すように、キャリブレーション信号分配／合成器６と、チャネルｉのカップラ７−ｉとを備え、キャリブレーション信号の合成、分配、折返し機能を有する。また、送受信回路４−ｉは、位相振幅補正を行うための複素乗算器９と、遅延補正を行うための遅延素子１０と、送信デジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータ１１と、受信アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１２と、送受信制御回路（ＳＷ）１３とを有する。さらに、キャリブレーション信号送受信回路３は、Ｄ／Ａコンバータ１１、Ａ／Ｄコンバータ１２、送受信制御回路（ＳＷ）１３を有する。送受信制御回路（ＳＷ）１３は、図７及び図８に示すように、無線送受信信号の送受信切り替えを行う送受信信号切替器（ＳＷ：切替スイッチ）１４と、周波数変換を行う周波数変換器１５を有する。
【００３６】
上記構成において、Ｄ／Ａコンバータ１１及びＡ／Ｄコンバータ１２を基準にして、デジタル信号側がデジタル部１１１、アナログ信号側がアナログ部１１２にそれぞれ対応している。また、アンテナ素子８−ｉと対向アンテナ１９との間は、無線伝送部１１３に対応している。
【００３７】
次に、本実施例に係る無線通信装置によるアレイアンテナの送信及び受信遅延キャリブレーションを行うキャリブレーション処理部（本発明の処理部に対応する。）の構成を、図１、図２を用いて説明する。図１は、送信遅延キャリブレーションを行う場合、図２は、受信遅延キャリブレーションを行う場合をそれぞれ示している。
【００３８】
図１及び図２に示すキャリブレーション処理部１００は、基準パターン発生器２０、相関計算回路２１、ピーク検出器２２、遅延補正量計算回路２３、遅延補正量レジスタ２４、位相回転補正量計算回路２５、位相回転量テーブル２６、位相補正量レジスタ２７、振幅補正量レジスタ２８、複素変換器２９、遅延補正用キャリブレーション送信信号発生器３０、送信制御回路３１、受信制御回路３２を有し、送信遅延キャリブレーション（図１参照）および受信遅延キャリブレーション（図２参照）を行う。
【００３９】
このうち、遅延補正用キャリブレーション信号発生器３０は、送信および受信補正用キャリブレーション信号を発生する。送信制御回路３１は、送信キャリブレーション信号を送受信回路４−ｉや、キャリブレーション信号送受信回路３に割り振る。受信制御回路３２は、キャリブレーション受信信号を選択する。
【００４０】
相関計算回路２１は、タイミングを変化させながら、キャリブレーション基準信号と受信キャリブレーション信号の相関値を計算し、遅延分布を求める。基準パターン発生器２０は、相関計算回路２１へキャリブレーション基準信号を出力する。ピーク検出器２２は、相関計算回路２１で求めた遅延分布からピーク検出により各チャネルの遅延量を求める。遅延補正量計算回路２３は、各チャネルの遅延量から各チャネルの遅延補正量を求める。位相回転量テーブル２６は、遅延補正量と位相回転量の関係を示す。位相回転補正量計算回路２５は、各チャネルｉの位相回転量から各チャネルｉの位相回転補正量を換算する。遅延補正量レジスタ２４は、遅延補正量を格納する。位相補正量レジスタ２７は、位相補正量を格納する。振幅補正量レジスタ２８は、振幅補正量を格納する。複素変換器２９は、位相振幅量のレジスタ値を複素数（Ｉ，Ｑ）に変換する。
【００４１】
図１の送信遅延キャリブレーションでは、各チャネルｉの送受信回路４−ｉを経由し、キャリブレーション信号送受信回路３で受信したキャリブレーション信号から、各チャネルｉの送信遅延補正量を求めている。送信の位相回転補正量は、送信遅延補正量と位相回転量の関係を示す位相回転量テーブル２６を用いて、各チャネルｉの遅延補正量の変化から位相回転量差を求めて計算している。
【００４２】
図２の受信遅延キャリブレーションでは、キャリブレーション信号送受信回路３から送信され、各チャネルｉの送受信回路４−ｉを経由して受信されたキャリブレーション信号から、各チャネルｉの受信遅延補正量を求めている。受信の位相回転補正量は、受信遅延補正量と位相回転量の関係を示す位相回転量テーブル２６を用いて、各チャネルｉの遅延補正量の変化から位相回転量差を求めて計算している。
【００４３】
図３（ａ）及び（ｂ）に遅延補正量と位相回転量の関係を示すテーブルの例を示す。このテーブルは、全アンテナ共通であり、遅延補正量（レジスタ設定値、０〜ｍ−１）と位相回転量（０〜３６０度）の関係を示している。また、アップリンク用（ＵＬ）（図３（ｂ）参照）とダウンリンク用（ＤＬ）（図３（ａ）参照）でそれぞれ別々に必要となる。位相回転量は、レジスタ値が０の場合を基準としている。遅延補正量の変更による位相回転量差は、現在の遅延補正量での位相回転量と、新しい遅延補正量での位相回転量の差から求める。同様にして各チャネルｉの位相回転量差を求める。このテーブルは、変調方式や中間周波数設定方法、遅延位相振幅補正位置などに依存している。さらに、無線周波数が異なればテーブルも異なる可能性がある。無線周波数に依存する場合は、使用する無線周波数それぞれに対してテーブルを用意する。
【００４４】
次に、本実施例の動作について説明する。
【００４５】
まず、図１を参照して、送信遅延キャリブレーションの動作について説明する。
【００４６】
図１において、遅延補正用キャリブレーション信号発生器３０から送信された送信遅延キャリブレーション用の信号は、送信制御回路３１において測定すべきチャネルｉの送受信回路４−ｉに入力される。
【００４７】
送受信回路４−ｉ内では、現在のパラメータによる遅延位相振幅補正が行われた後、Ｄ／Ａコンバータ１１によってアナログ信号に変換される。変換されたアナログ信号は、周波数変換器１５で無線送信周波数への変換が行われ、アンテナユニット５へ出力される。
【００４８】
アンテナユニット５では、図６に示すように、カップラ７で折り返されて合成器６を経由してＣＡＬ端子から出力される。ＣＡＬ端子から出力されたキャリブレーション信号は、キャリブレーション送受信回路３に入力される。
【００４９】
キャリブレーション送受信回路３内では、周波数変換器１５でベースバンド信号へ変換された後、Ａ／Ｄコンバータ１２によってデジタル信号に変換され、受信制御回路３２に入力される。
【００５０】
受信制御回路３２から出力されたキャリブレーション信号は、相関計算回路２１において、基準パターン発生器２０からの信号との間で、タイミングをずらしながら相関計算され遅延分布が求められる。計算された各チャネルｉの遅延分布は、ピーク検出回路２２において各チャネルｉのピーク位置（同期タイミング）が求められる。求められたピーク位置は、遅延量補正計算回路２３に送られ、各チャネルｉの送信の遅延補正量が求められる。
【００５１】
位相回転補正量計算回路２５では、位相回転テーブル２６を参照して遅延補正量の変化量（現在値と変更値の差）から各チャネルｉの送信の位相回転補正量が求められる。
【００５２】
次に、図２を参照して、受信遅延キャリブレーションの動作について説明する。
【００５３】
図２において、遅延補正用キャリブレーション信号発生器３０から送信された受信遅延キャリブレーション用の信号は、送信制御回路３１においてキャリブレーション送受信回路３に入力される。
【００５４】
キャリブレーション送受信回路３内では、Ｄ／Ａコンバータ１１によってアナログ信号に変換される。変換されたアナログ信号は、周波数変換器１５で無線送信周波数への変換が行われ、アンテナユニット５のＣＡＬ端子に入力される。
【００５５】
アンテナユニット５では、図６に示すように、分配器６で分配され、カップラ７から各アンテナへ入力される（図６参照）。アンテナユニット５の各チャネル端子から出力されたキャリブレーション信号は、測定すべきチャネルｉの送受信回路４−ｉに入力される。
【００５６】
送受信回路４−ｉ内では、周波数変換器１５でベースバンド信号へ変換された後、Ａ／Ｄコンバータ１２によってデジタル信号に変換される。さらに、現在のパラメータによる遅延位相振幅補正が行われた後に受信制御回路３２に入力される。
【００５７】
受信制御回路３２から出力されたキャリブレーション信号は、相関計算回路２１において、基準パターン発生器２０からの信号との間で、タイミングをずらしながら相関計算が行われ遅延分布が求められる。計算された各チャネルｉの遅延分布は、ピーク検出回路２２において各チャネルｉのピーク位置（同期タイミング）が求められる。求められたピーク位置は、その後、遅延量補正計算回路２３に送られ、各チャネルｉの受信遅延補正量が求められる。
【００５８】
位相回転補正量計算回路２５では、位相回転テーブル２６を参照して遅延補正量の変化量（現在値と変更値の差）から各チャネルｉの受信の位相回転補正量が求められる。
【００５９】
ここで、位相回転補正量の具体的計算方法について、図３（ａ）の送信用テーブルを参照して説明する。
【００６０】
現在の遅延補正レジスタ値が１、変更後のレジスタ値が３となる場合、図３（ａ）より、それぞれの位相回転量は、２１度と６５度である。ゆえに、位相回転量差は、６５−２１＝４４度となり、位相回転補正量は符号を反転した−４４度となる。この値を、現在の位相補正量レジスタ値に加えることにより位相回転補正を行う。補正量レジスタの更新は、遅延と位相を同時に行う。それにより、位相ずれの発生によるアレイアンテナの特性劣化を防ぐ。以上の補正を行ったうえで改めて位相振幅補正を行い、温度などによる位相振幅の時間変化を補正する。
【００６１】
以上説明したように、本実施例によれば、次の効果が得られる。
【００６２】
本実施例は、アレイアンテナのキャリブレーションを行うための送受信器（送信信号処理部１、受信信号処理部２、キャリブレーション信号送受信回路３、送受信回路４−ｉ（ｉ−ｃｈ）を含む。）を有し、キャリブレーション用の送信信号をアンテナ部（アンテナユニット５）で折り返して、自分自身で受信することにより校正を行う装置及び方法に関する。
【００６３】
これに関し、前述した図７、図８のように、遅延補正と位相振幅補正を独立して行う場合は、初めに行われる遅延補正による位相ずれにより、次の位相振幅補正が完了するまでの間、一時的にアレイアンテナの特性劣化が生じ、通信断などを生じる可能性がある。すなわち、アレイアンテナのキャリブレーションにおいて、従来は、遅延補正により位相回転が生じ、位相振幅補正を行うまでのわずかな間、アレイアンテナの特性が劣化する可能性について具体的対応は行われていなかった。
【００６４】
これに対し、本実施例は、遅延補正量の変化による位相回転量を求めて位相補正量を計算し、遅延補正と同時に位相振幅補正も行うことにより、位相振幅補正が行われるまでの特性劣化を防ぐものである。これにより、アレイアンテナにおけるキャリブレーションの安定性が向上する。
【００６５】
具体的には、本実施例では、キャリブレーションにおける遅延補正量の変更による位相回転量を、測定や計算により予め求めておくことによりテーブル化する。このテーブルにより、遅延補正量の変化による位相回転量を求め、遅延補正量の更新と同時に位相回転補正量も更新することによって一時的なアレイアンテナの特性劣化を防ぐ。その後改めて位相振幅補正を行ってキャリブレーション処理を完了する。本実施例により、アレイアンテナのキャリブレーションを通常の通信と並行して安定的に行うことができる。
【００６６】
したがって、本実施例に示したキャリブレーションにおいて、遅延補正と同時に遅延補正に伴う位相回転を同時に補正する位相回転補正を行うことによって、一時的に生じる位相ずれによるアレイアンテナの特性劣化を防ぐことができる。
【実施例２】
【００６７】
次に、本発明の実施例２について説明する。本実施例は、上記実施例１のテーブルの代わりに関数を用いる場合に適用したものである。
【００６８】
上記実施例１に係る無線通信装置において、データ転送速度、周波数変換方法、中間周波数の設定、変復調方式、遅延位相振幅補正位置などの装置としての送受信系が決定されれば、遅延補正に伴う位相回転量は、計算で求めることが可能となる。ゆえに、遅延補正量（レジスタ値）と無線周波数などをパラメータとする関数として理論的に導出できる。本実施例では、この関数やその近似関数を用いて位相回転量を計算し、補正する。
【００６９】
本実施例の構成は、図１、図２における位相回転量テーブル２６の代わりに関数を用いており、位相回転補正計算回路２５内において、この関数によって位相回転量を計算によって求めている。すなわち、本実施例では、図１、図２における位相回転量テーブル２６の代わりに、遅延補正量と無線周波数などをパラメータとする関数を用いる。位相補正量計算回路２５では、この関数により、実施例１と同様に遅延補正量変更前後の位相回転量を求め、位相回転補正量を計算している。
【００７０】
本実施例では、キャリブレーションにおける遅延補正量の変更による位相回転量を上記のように関数化する。この関数により、遅延補正量の変化による位相回転量を求め、遅延補正量の更新と同時に位相回転補正量も更新することによって一時的なアレイアンテナの特性劣化を防ぐ。その後改めて位相振幅補正を行ってキャリブレーション処理を完了する。本実施例により、アレイアンテナのキャリブレーションを通常の通信と並行して安定的に行うことができる。
【００７１】
したがって、本実施例に示したキャリブレーションにおいても、実施例１と同様に、遅延補正と同時に遅延補正に伴う位相回転を同時に補正する位相回転補正を行うことによって、一時的に生じる位相ずれによるアレイアンテナの特性劣化を防ぐことができる。
【実施例３】
【００７２】
次に、本発明の実施例３について説明する。本実施例は、上記実施例２の関数として、下記の式１に示した周波数変換により送信信号を生成する場合に適用したものである。
【００７３】
【数１１】
上記の式１は、ベースバンド信号に搬送波（周波数ｆｃ）を乗算することにより、無線送信信号を生成している。その後、フィルタによって例えば右辺第１項のみをアンテナから送信する。
【００７４】
この周波数変換における遅延補正量と位相回転量の関係を下記の式２に示す。
【００７５】
【数１２】
また、遅延補正量の変更による遅延差Δｔによって生じるベースバンド信号の位相回転θを下記の式３に示す。
【００７６】
【数１３】
上記の式２により、搬送波周波数ｆｃに関係なく、ベースバンド信号（周波数ｆｂ）における遅延差による位相回転θが、そのまま無線送信信号における位相回転となる。
【００７７】
次に、受信遅延キャリブレーションにおいては、下記の式４の周波数変換が行われる。
【００７８】
【数１４】
上記の式４の右辺第２項が、復調されたベースバンド信号である。ここで、遅延補正がベースバンド部で行われるとすると、遅延差と位相回転の関係は、上記の式３で示される。また、上記の式４は、φｔをφｔ＋θに置き換えることにより、下記の式５のように変形できる。
【００７９】
【数１５】
ゆえに、送信と同様に搬送波周波数ｆｃに関係なく、ベースバンド信号（周波数ｆｂ）における遅延差による位相回転θがそのまま無線受信波における位相回転となる。
【００８０】
以上のように、本実施例では、上記の実施例２の位相回転量を求める関数として、上記の式３を用いている。すなわち、各アンテナについて、遅延補正量の変化量（現在値と変更値の差Δｔ）から位相回転θを求めている。位相回転補正量は−θとなり、実施例１と同様に遅延補正と同時に位相補正を行う。
【００８１】
本実施例によれば、実施例２と同様に、キャリブレーションにおける遅延補正量の変更による位相回転量を上記のように関数化する。この関数により、遅延補正量の変化による位相回転量を求め、遅延補正量の更新と同時に位相回転補正量も更新することによって一時的なアレイアンテナの特性劣化を防ぐ。その後改めて位相振幅補正を行ってキャリブレーション処理を完了する。本実施例により、アレイアンテナのキャリブレーションを通常の通信と並行して安定的に行うことができる。
【００８２】
したがって、本実施例に示したキャリブレーションにおいても、実施例１、２と同様に、遅延補正と同時に遅延補正に伴う位相回転を同時に補正する位相回転補正を行うことによって、一時的に生じる位相ずれによるアレイアンテナの特性劣化を防ぐことができる。
【実施例４】
【００８３】
次に、本発明の実施例４について説明する。本実施例では、上記の実施例３で用いた式１で示された周波数変換を２回行い、ベースバンド信号ではなく中間周波数処理において遅延補正を行っている。
【００８４】
本実施例では、２回の周波数変換（上記の式１参照）を行い、中間周波数を経由して無線送受信を行う場合において、中間周波数処理で遅延補正を行う例を図４、および下記の式６、式７、式８に示す。
【００８５】
図４に、本実施例に係るアレイアンテナを用いた無線通信装置で用いるｉチャネルの送受信回路４−ｉの例を示す。図４において、１２１はベースバンド部、１２２は中間周波数部、１２３が無線周波数部をそれぞれ示す。図４に示すｉチャネルの送受信回路４−ｉ内において、送受信経路それぞれに２つの周波数変換器（複素乗算器９）を有し、その間の中間周波数部１２２での中間周波数処理において遅延補正と位相振幅補正を行っている。
【００８６】
まず、送信遅延キャリブレーションについて説明する。
【００８７】
送信遅延キャリブレーションにおいては、送受信回路４−ｉに送られたキャリブレーション信号（ベースバンド）は、送信経路上のベースバンド部１２１と中間周波数部１２２との間の周波数変換器（複素乗算器９）において、下記の式６に従い、中間周波数に変換される。下記の式６は、中間周波数ｆｍへの変換を示している。
【００８８】
【数１６】
上記の中間周波数ｆｍで、遅延および位相振幅補正が行われる。現在のパラメータによって遅延および位相振幅補正が行われたキャリブレーション信号は、Ｄ／Ａコンバータ１１においてアナログ信号に変換され、送信経路上の中間周波数部１２２と無線周波数部１２３との間の第２の周波数変換器（複素乗算器９）において無線送信信号に変換される。
【００８９】
その後、アンテナユニットに送られて、実施例２と同様にして関数を用いて、送信の遅延補正量と位相回転補正量が求められる。ただし、遅延位相振幅補正は中間周波数で行われているため、遅延補正に伴う位相回転量を決定する関数は、下記の式７、式８に従って中間周波数の関数として与えられる。
【００９０】
下記の式７は、中間周波数部１２２での中間周波数処理において遅延補正を行う場合の遅延補正量と位相回転量の関係を示す。
【００９１】
【数１７】
上記の位相回転θｍは、下記の式８より、中間周波数の関数として示される。
【００９２】
【数１８】
ここで、中間周波数信号から無線信号に変換するためには、もう一度周波数変換を行う必要があるが、前述の式１、式２、式３で示されたように搬送波の周波数ｆｃには依存しない。
【００９３】
次に、送信遅延キャリブレーションについて説明する。
【００９４】
受信遅延キャリブレーションにおいては、実施例２と同様にしてアンテナユニットの各アンテナ端子から出力されたキャリブレーション信号（無線周波数信号）が送受信回路４−ｉに送られる。送受信回路４−ｉに送られた受信信号は、まず受信経路上の無線周波数部１２３と中間周波数部１２２との間の周波数変換器（複素乗算器９）において中間周波数に変換された後、Ａ／Ｄコンバータ１２によってデジタル信号に変換される。
【００９５】
遅延および位相振幅補正は、中間周波数部１２２で行われる。現在のパラメータによって遅延および位相振幅補正が行われたキャリブレーション信号は、受信経路上の中間周波数部１２２とベースバンド部１２１との間の第２の周波数変換器（複素乗算器９）によってベースバンド信号に変換され、実施例２と同様にして関数を用いて、受信の遅延補正量と位相回転補正量が求められる。ただし、遅延位相振幅補正は中間周波数で行われているため、遅延補正に伴う位相回転量を決定する関数は、上記の式８に従って中間周波数の関数として与えられる。
【００９６】
以上のように、本実施例では、実施例３で用いた周波数変換の式１を用いて２回の周波数変換を行い、ベースバンド部１２１でのベースバンド信号ではなく、中間周波数部１２２での中間周波数処理において遅延補正を行っている。
【００９７】
本実施例によれば、実施例２、３と同様に、キャリブレーションにおける遅延補正量の変更による位相回転量を上記のように関数化する。この関数により、遅延補正量の変化による位相回転量を求め、遅延補正量の更新と同時に位相回転補正量も更新することによって一時的なアレイアンテナの特性劣化を防ぐ。その後改めて位相振幅補正を行ってキャリブレーション処理を完了する。本実施例により、アレイアンテナのキャリブレーションを通常の通信と並行して安定的に行うことができる。
【００９８】
したがって、本実施例に示したキャリブレーションにおいても、実施例１〜３と同様に、遅延補正と同時に遅延補正に伴う位相回転を同時に補正する位相回転補正を行うことによって、一時的に生じる位相ずれによるアレイアンテナの特性劣化を防ぐことができる。
【００９９】
なお、本実施例では、上記の式８の関数を用いて実施例２と同様に位相回転遅延量を求めているが、この関数を予め計算し、実施例１に示したテーブル化しても構わない。
【０１００】
（その他の実施例）
・遅延補正位置や位相振幅補正位置、周波数変換の回数などは任意に設定することができる。中間周波数も複数設定できる。例えば、遅延補正位置が、ベースバンド処理部ではなく、中間周波数や無線送受信周波数の処理部であった場合、位相回転量は中間周波数や無線送受信周波数を基にして求める（実施例４参照）。
【０１０１】
・実施例１においても、遅延補正位置や位相振幅補正位置、周波数変換の回数などは任意に設定することができる。中間周波数も複数設定できる。位相回転テーブル２６は、それらを考慮して、計算や測定によって求める。
【０１０２】
・実施例４において、中間周波数が固定値ではなく、無線周波数に依存して決定されている場合は、位相回転量を求める関数も無線周波数に依存する。つまり、無線周波数も関数のパラメータとなる。実施例１に適応した場合（関数を予め計算してテーブル化した場合）は、使用する無線周波数それぞれに対して位相回転量テーブル２６を用意する。
【０１０３】
・位相回転量テーブル２６は、固定値だけではなく、使用周波数についての関数として示しても良い。つまり、遅延補正量レジスタ２４の各値に対して、それぞれ別々の関数を定義しても良い（関数とテーブルの折衷案）。また、使用キャリア周波数ごとに関数を用意する方法もある。
【０１０４】
・図１、図２に示された遅延補正量計算方法は、これらの図に示した構成に限定されない。どのような構成を用いても構わない。
【０１０５】
・図１、図２では、キャリブレーション送受信回路３を独立構成としたが、この構成には限定されない。通常の送受信回路４−ｉを兼用した構成としても良い。例えば、信号経路切替により、送信キャリブレーションでは、特定チャネルの受信部をキャリブレーション送受信回路３として流用し、受信キャリブレーションでは、特定チャネルの送信部を流用する構成としても良い。
【０１０６】
以上説明したように各実施例の特徴についてまとめると、次の通りである。
【０１０７】
・アレイアンテナのキャリブレーションにおいて、遅延補正によって生じる位相回転を、テーブルまたは関数によって求め、補正する（実施例１、２、３、４参照）。
【０１０８】
・式１に示した周波数変換を用い、ベースバンド部で補正を行う場合は、式３によって位相回転量を求めることができる（実施例３参照）。
【０１０９】
・式１に示した周波数変換を２回行い、中間周波数処理部で補正を行う場合は、式８によって位相回転量を求めることができる（実施例４参照）。
【０１１０】
・式１に示した周波数変換を用いた場合、遅延補正に伴う位相回転量は、遅延補正を行う位置（ベースバンド部、中間周波数部、無線周波数部など）の周波数に大きく依存しており、その周波数の関数として位相回転量を求めることができる（実施例４参照）。
【０１１１】
・送受信回路４内の、遅延補正位置や位相振幅補正位置、周波数変換回数などは、図１、図２に示された構成に限定されない。順番を前後させたり、複数回の周波数変換を行って中間周波数を複数利用したり、共に複素乗算器を利用する位相振幅補正と周波数変換を1つに纏めて、１回の演算で行うなどとしても良い。
【０１１２】
以上、実施形態及び実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
以上説明したように、本発明は、アレイアンテナのキャリブレーション（校正）を行う装置及び方法に利用可能である。特に、本発明は、複数のアンテナを協調させて送受信を行うアレイアンテナを用いた無線通信装置、及びアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法の用途に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の実施例１に係るアレイアンテナを用いた無線通信装置による送信遅延キャリブレーションを説明する概略ブロック図である。
【図２】本発明の実施例１に係るアレイアンテナを用いた無線通信装置による受信遅延キャリブレーションを説明する概略ブロック図である。
【図３】図１及び図２に示すアレイアンテナを用いた無線通信装置の遅延補正による位相回転量を示すテーブルの例を示す図である。
【図４】本発明の実施例４に係るアレイアンテナを用いた無線通信装置によるキャリブレーションを説明する概略ブロック図である。
【図５】関連技術におけるアレイアンテナを用いた無線通信装置によるビームフォーミングを説明する図である。
【図６】関連技術におけるアレイアンテナを用いた無線通信装置によるキャリブレーション機能を説明する概略ブロック図である。
【図７】関連技術におけるアレイアンテナを用いた無線通信装置による送信遅延キャリブレーションを説明する概略ブロック図である。
【図８】関連技術におけるアレイアンテナを用いた無線通信装置による受信遅延キャリブレーションを説明する概略ブロック図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１ 送信信号処理部
２ 受信信号処理部
３ キャリブレーション信号送受信回路
４−ｉ 送受信回路（ｉ−ｃｈ）
５ アンテナユニット
６ キャリブレーション信号分配／合成器
７−ｉ カップラ
８−ｉ アンテナ素子
９ 複素乗算器
１０ 遅延素子
１１ Ｄ／Ａコンバータ
１２ Ａ／Ｄコンバータ
１３ 送受信制御回路（ＳＷ）
１４ 送受信信号切替器
１５ 周波数変換器
１９ 対向アンテナ
２０ 基準パターン発生器
２１ 相関計算回路
２２ ピーク検出器
２３ 遅延補正量計算回路
２４ 遅延補正量レジスタ
２５ 位相回転補正量計算回路
２６ 位相回転量テーブル
２７ 位相補正量レジスタ
２８ 振幅補正量レジスタ
２９ 複素変換器
３０ 遅延補正用キャリブレーション送信信号発生器
３１ 送信制御回路
３２ 受信制御回路
１００ キャリブレーション処理部
１０１ 送受信処理部
１０２ アンテナ校正部
１０３ ビームフォーミング部
１１１ デジタル部
１１２ アナログ部
１１３ 無線伝送部
１２１ ベースバンド部
１２２ 中間周波数部
１２３ 無線周波数部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナからなるアレイアンテナと、
前記アレイアンテナに対して、各アンテナを含む伝送経路の遅延量及び位相振幅変化を一致させて各アンテナ間の特性を揃えるキャリブレーション手段と、
前記キャリブレーション手段によって求められた、前記各アンテナの伝送経路の遅延補正量の変化による位相回転量を求めて位相補正量を計算し、遅延補正と同時に前記位相補正量を用いた位相振幅補正を行う処理部とを有することを特徴とするアレイアンテナを用いた無線通信装置。
【請求項２】
前記処理部は、予め設定された遅延補正量とその遅延補正量の変更に伴う位相回転量との関係を表すテーブルを用いて、前記遅延補正によって生じる位相回転量を求めることを特徴とする請求項１記載のアレイアンテナを用いた無線通信装置。
【請求項３】
前記処理部は、予め設定された遅延補正量とその遅延補正量の変更に伴う位相回転量との関係を表す関数を用いて、前記遅延補正によって生じる位相回転量を求めることを特徴とする請求項１記載のアレイアンテナを用いた無線通信装置。
【請求項４】
前記関数は、遅延補正される信号の周波数の関数で表されることを特徴とする請求項３記載のアレイアンテナを用いた無線通信装置。
【請求項５】
前記遅延補正される信号は、ベースバンド信号、中間周波数信号、及び無線周波数信号のいずれかであることを特徴とする請求項４記載のアレイアンテナを用いた無線通信装置。
【請求項６】
前記処理部は、下記の式１に示す周波数変換を用いて生成されたキャリブレーション用の信号における前記遅延補正によって生じる位相回転量として、下記の式３に示すベースバンド信号の周波数ｆｂの関数を用いて遅延補正量の変更による遅延差Δｔによって生じるベースバンド信号の位相回転量θを求めることことを特徴とする請求項５記載のアレイアンテナを用いた無線通信装置。
【数１】
【数２】
【請求項７】
前記処理部は、下記の式６に示す周波数変換を用いて生成されたキャリブレーション用の信号における前記遅延補正によって生じる位相回転量として、下記の式８に示す中間周波数信号の周波数ｆｍの関数を用いて遅延補正量の変更による遅延差Δｔによって生じる中間周波数信号の位相回転量θｍを求めることを特徴とする請求項５記載のアレイアンテナを用いた無線通信装置。
【数３】
【数４】
【請求項８】
複数のアンテナからなるアレイアンテナに対して、各アンテナを含む伝送経路の遅延量及び位相振幅変化を一致させて各アンテナ間の特性を揃えるキャリブレーションを行い、
前記キャリブレーションによって求められた、前記各アンテナの伝送経路の遅延補正量の変化による位相回転量を求めて位相補正量を計算し、遅延補正と同時に前記位相補正量を用いた位相振幅補正を行うことを特徴とするアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法。
【請求項９】
予め設定された遅延補正量とその遅延補正量の変更に伴う位相回転量との関係を表すテーブルを用いて、前記遅延補正によって生じる位相回転量を求めることを特徴とする請求項８記載のアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法。
【請求項１０】
予め設定された遅延補正量とその遅延補正量の変更に伴う位相回転量との関係を表す関数を用いて、前記遅延補正によって生じる位相回転量を求めることを特徴とする請求項８記載のアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法。
【請求項１１】
前記関数は、遅延補正される信号の周波数の関数で表されることを特徴とする請求項１０記載のアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法。
【請求項１２】
前記遅延補正される信号は、ベースバンド信号、中間周波数信号、及び無線周波数信号のいずれかであることを特徴とする請求項１１記載のアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法。
【請求項１３】
下記の式１に示す周波数変換を用いて生成されたキャリブレーション用の信号における前記遅延補正によって生じる位相回転量として、下記の式３に示すベースバンド信号の周波数ｆｂの関数を用いて遅延補正量の変更による遅延差Δｔによって生じるベースバンド信号の位相回転量θを求めることを特徴とする請求項１２記載のアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法。
【数５】
【数６】
【請求項１４】
下記の式６に示す周波数変換を用いて生成されたキャリブレーション用の信号における前記遅延補正によって生じる位相回転量として、下記の式８に示す中間周波数信号の周波数ｆｍの関数を用いて遅延補正量の変更による遅延差Δｔによって生じる中間周波数信号の位相回転量θｍを求めることを特徴とする請求項１２記載のアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法。
【数７】
【数８】
【請求項１】
複数のアンテナからなるアレイアンテナと、
前記アレイアンテナに対して、各アンテナを含む伝送経路の遅延量及び位相振幅変化を一致させて各アンテナ間の特性を揃えるキャリブレーション手段と、
前記キャリブレーション手段によって求められた、前記各アンテナの伝送経路の遅延補正量の変化による位相回転量を求めて位相補正量を計算し、遅延補正と同時に前記位相補正量を用いた位相振幅補正を行う処理部とを有することを特徴とするアレイアンテナを用いた無線通信装置。
【請求項２】
前記処理部は、予め設定された遅延補正量とその遅延補正量の変更に伴う位相回転量との関係を表すテーブルを用いて、前記遅延補正によって生じる位相回転量を求めることを特徴とする請求項１記載のアレイアンテナを用いた無線通信装置。
【請求項３】
前記処理部は、予め設定された遅延補正量とその遅延補正量の変更に伴う位相回転量との関係を表す関数を用いて、前記遅延補正によって生じる位相回転量を求めることを特徴とする請求項１記載のアレイアンテナを用いた無線通信装置。
【請求項４】
前記関数は、遅延補正される信号の周波数の関数で表されることを特徴とする請求項３記載のアレイアンテナを用いた無線通信装置。
【請求項５】
前記遅延補正される信号は、ベースバンド信号、中間周波数信号、及び無線周波数信号のいずれかであることを特徴とする請求項４記載のアレイアンテナを用いた無線通信装置。
【請求項６】
前記処理部は、下記の式１に示す周波数変換を用いて生成されたキャリブレーション用の信号における前記遅延補正によって生じる位相回転量として、下記の式３に示すベースバンド信号の周波数ｆｂの関数を用いて遅延補正量の変更による遅延差Δｔによって生じるベースバンド信号の位相回転量θを求めることことを特徴とする請求項５記載のアレイアンテナを用いた無線通信装置。
【数１】
【数２】
【請求項７】
前記処理部は、下記の式６に示す周波数変換を用いて生成されたキャリブレーション用の信号における前記遅延補正によって生じる位相回転量として、下記の式８に示す中間周波数信号の周波数ｆｍの関数を用いて遅延補正量の変更による遅延差Δｔによって生じる中間周波数信号の位相回転量θｍを求めることを特徴とする請求項５記載のアレイアンテナを用いた無線通信装置。
【数３】
【数４】
【請求項８】
複数のアンテナからなるアレイアンテナに対して、各アンテナを含む伝送経路の遅延量及び位相振幅変化を一致させて各アンテナ間の特性を揃えるキャリブレーションを行い、
前記キャリブレーションによって求められた、前記各アンテナの伝送経路の遅延補正量の変化による位相回転量を求めて位相補正量を計算し、遅延補正と同時に前記位相補正量を用いた位相振幅補正を行うことを特徴とするアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法。
【請求項９】
予め設定された遅延補正量とその遅延補正量の変更に伴う位相回転量との関係を表すテーブルを用いて、前記遅延補正によって生じる位相回転量を求めることを特徴とする請求項８記載のアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法。
【請求項１０】
予め設定された遅延補正量とその遅延補正量の変更に伴う位相回転量との関係を表す関数を用いて、前記遅延補正によって生じる位相回転量を求めることを特徴とする請求項８記載のアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法。
【請求項１１】
前記関数は、遅延補正される信号の周波数の関数で表されることを特徴とする請求項１０記載のアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法。
【請求項１２】
前記遅延補正される信号は、ベースバンド信号、中間周波数信号、及び無線周波数信号のいずれかであることを特徴とする請求項１１記載のアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法。
【請求項１３】
下記の式１に示す周波数変換を用いて生成されたキャリブレーション用の信号における前記遅延補正によって生じる位相回転量として、下記の式３に示すベースバンド信号の周波数ｆｂの関数を用いて遅延補正量の変更による遅延差Δｔによって生じるベースバンド信号の位相回転量θを求めることを特徴とする請求項１２記載のアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法。
【数５】
【数６】
【請求項１４】
下記の式６に示す周波数変換を用いて生成されたキャリブレーション用の信号における前記遅延補正によって生じる位相回転量として、下記の式８に示す中間周波数信号の周波数ｆｍの関数を用いて遅延補正量の変更による遅延差Δｔによって生じる中間周波数信号の位相回転量θｍを求めることを特徴とする請求項１２記載のアレイアンテナのキャリブレーションにおける位相補正方法。
【数７】
【数８】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１１４６５２（Ｐ２０１０−１１４６５２Ａ）
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８５４４２（Ｐ２００８−２８５４４２）
【出願日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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