受信装置およびそれを備えた無線システム
【課題】 出力信号を複数の給電素子から出力するアレーアンテナに適したアルゴリズムを用いて受信信号を処理可能な受信装置を提供する。
【解決手段】 アレーアンテナ１０は、所定の指向性を設定してまたは複数の指向性に切換えて電波を受信し、その受信した受信信号ｙを１本のアンテナ素子（給電素子）７から信号変換手段３０へ出力する。信号変換手段３０は、受信信号ｙを７本のアンテナ素子１〜７から出力される受信信号ｘに変換して信号処理手段４０へ出力する。信号処理手段４０は、７本のアンテナ素子１〜７から出力される出力信号の処理に適したアルゴリズムを用いて受信信号ｘを処理する。
【解決手段】 アレーアンテナ１０は、所定の指向性を設定してまたは複数の指向性に切換えて電波を受信し、その受信した受信信号ｙを１本のアンテナ素子（給電素子）７から信号変換手段３０へ出力する。信号変換手段３０は、受信信号ｙを７本のアンテナ素子１〜７から出力される受信信号ｘに変換して信号処理手段４０へ出力する。信号処理手段４０は、７本のアンテナ素子１〜７から出力される出力信号の処理に適したアルゴリズムを用いて受信信号ｘを処理する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電波を受信する受信装置に関し、特に、インピーダンス制御により指向性を切換え可能なアレーアンテナにより電波を受信する受信装置およびそれを備えた無線システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１は、電気的に指向性を切換可能なアレーアンテナを開示する。このアレーアンテナは、１本の給電素子と、６本の無給電素子とからなり、６本の無給電素子は、給電素子の回りに円形配列される。より具体的には、６本の無給電素子は、給電素子を中心にして正六角形に配置される。また、６本の無給電素子には、可変容量素子であるバラクタダイオードが装荷されており、バラクタダイオードのリアクタンス値（容量）を変えることによってアレーアンテナの指向性が切換えられる。
【０００３】
アレーアンテナは、６本の無給電素子に装荷されるバラクタダイオードのリアクタンス値が変えられることによって指向性を変えられ、各方向から到来する電波を受信する。そして、アレーアンテナは、受信した受信信号を１本の給電素子から出力する。
【０００４】
このようなアレーアンテナを備える受信装置は、アレーアンテナの１本の給電素子から出力された受信信号をアレーアンテナに適したアルゴリズムを用いて処理する。
【非特許文献１】平田 明史、タユフェールエディ、青野 智之、山田 寛喜、大平 孝、「エスパアンテナを用いたリアクタンスドメインＭＵＳＩＣ法によるコヒーレント２波の到来方向推定実験」，信学技報，ＡＰ２００３−２４，ｐｐ．５９−６４，Ｍａｙ ２００３．
【非特許文献２】Prentice Hall, Simon Haykin, ”Adaptive Filter Theory”, ISBN 0-13-397985-7, p341-343.
【非特許文献３】H. Krim and M. Viberg, “Two decades of array signal processing research: The parametric approach”, IEEE Signal Processing Magazine, vol. 13, pp. 67-94, July 1996.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、非特許文献１に記載されたアレーアンテナを用いた場合、受信装置は、受信信号を１本のアンテナ素子から出力するアレーアンテナに適したアルゴリズムを用いて受信信号を処理する必要があるため、このアレーアンテナを備えた受信装置を用いて電波の到来方向を推定するとき、各種の到来方向推定方法毎にアルゴリズムを開発する必要があり、各種の到来方向推定方法を用いて電波の到来方向を推定することが困難である。
【０００６】
また、非特許文献１に記載されたアレーアンテナを備える受信装置を電波の到来方向を推定する目的以外の目的に用いる場合にも、同様な問題がある。
【０００７】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、出力信号を複数の給電素子から出力するアレーアンテナに適したアルゴリズムを用いて受信信号を処理可能な受信装置を提供することである。
【０００８】
また、この発明の別の目的は、出力信号を複数の給電素子から出力するアレーアンテナに適したアルゴリズムを用いて受信信号を処理可能な受信装置を備えた無線システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によれば、受信装置は、アレーアンテナと、信号変換手段と、信号処理手段とを備える。アレーアンテナは、Ｍ（Ｍは、正の整数）本の無給電素子と１本の給電素子とからなるＭ＋１本のアンテナ素子を含み、１本の給電素子から受信信号を出力する。信号変換手段は、アレーアンテナの指向性が所定の指向性に設定されまたは複数の指向性に切換えられたときにアレーアンテナによって受信され、かつ、１本の給電素子から出力される第１の受信信号をＭ＋１本の給電素子から出力される第２の受信信号に変換する。信号処理手段は、Ｍ＋１本の給電素子から出力される出力信号の処理に適した所定のアルゴリズムを用いて第２の受信信号を処理する。
【００１０】
好ましくは、受信装置は、指向性切換手段をさらに備える。指向性切換手段は、Ｍ本の無給電素子に装荷されたＭ個の可変インピーダンス素子の少なくとも１つのインピーダンスを変化させてアレーアンテナの指向性を切換える。
【００１１】
好ましくは、アレーアンテナは、各々が同じデータからなるＮ（ＮはＭ＋１以上の整数）個の基準信号の到来方向をＰ（Ｐは、Ｐ≧２Ｎを満たす整数）個の到来方向に順次設定し、その設定した各到来方向において指向性をＮ個の指向性に順次変えてＮ個の基準信号を順次受信する。信号変換手段は、アレーアンテナによって受信されたＮ×Ｐ個の基準信号に基づいて、第１の受信信号を第２の受信信号に変換するための変換手段を決定し、その決定した変換手段を用いて第１の受信信号を第２の受信信号に変換する。
【００１２】
好ましくは、信号変換手段は、Ｎ×Ｐ個の基準信号に基づいて、変換手段として第１の受信信号を第２の受信信号に変換するための変換行列を演算し、その演算した変換行列を第１の受信信号に乗算して第１の受信信号を第２の受信信号に変換する。
【００１３】
好ましくは、信号変換手段は、Ｎ個の基準信号の到来方向が１つの到来方向に設定されたときにアレーアンテナによって順次受信されたＮ個の基準信号に基づいて１つの到来方向からアレーアンテナに到来するＮ個の基準信号に対する相関行列を演算し、その演算した相関行列に固有値分解を施して最大の固有値に対応する固有ベクトルを演算する固有ベクトル演算処理をＰ個の到来方向に対して実行し、Ｐ個の固有ベクトルからなる固有行列を演算し、さらに、Ｐ個の到来方向に基づいて到来方向行列を演算し、その演算した固有行列および到来方向行列に基づいて変換行列を演算する。
【００１４】
また、この発明によれば、無線システムは、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の受信装置と、受信装置へ無線信号を送信する送信装置とを備える。
【発明の効果】
【００１５】
この発明においては、受信装置は、アレーアンテナによって受信され、１本の給電素子から出力された第１の受信信号をＭ＋１本の給電素子から出力される第２の受信信号に変換し、Ｍ＋１本の給電素子から出力される出力信号の処理に適した所定のアルゴリズムを用いて第２の受信信号を処理する。
【００１６】
従って、この発明によれば、出力信号を複数の給電素子から出力するアレーアンテナに適したアルゴリズムを用いて受信信号を処理できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１８】
図１は、この発明の実施の形態による受信装置の概略図である。図１を参照して、この発明の実施の形態による受信装置１００は、アレーアンテナ１０と、指向性切換手段２０と、信号変換手段３０と、信号処理手段４０とを備える。
【００１９】
アレーアンテナ１０は、アンテナ素子１〜７と、信号受信手段８と、バラクタダイオード１１〜１６とを含む。アンテナ素子１〜７は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸からなるｘｙｚ直交座標におけるｚ軸に沿ってｘ−ｙ平面（所定平面）に配置される。
【００２０】
図２は、図１に示すｘ−ｙ平面におけるアンテナ素子１〜７の平面配置図である。図２を参照して、アンテナ素子１〜７は、アンテナ素子７を中心にして円形に配置される。そして、アンテナ素子１〜６は、アンテナ素子７から半径λ／４（λ：受信電波の波長）の位置に等間隔に配置される。
【００２１】
再び、図１を参照して、アンテナ素子１〜６の各々は、無給電素子であり、アンテナ素子７は、給電素子である。信号受信手段８は、アンテナ素子７（給電素子）に接続される。そして、信号受信手段８は、アンテナ素子７からの電流を受けてアレーアンテナ１０の受信信号ｙを信号変換手段３０へ出力する。バラクタダイオード１１〜１６は、それぞれ、アンテナ素子１〜６と接地ノードとの間に接続される。これによって、無給電素子であるアンテナ素子１〜６には、可変容量素子であるバラクタダイオード１１〜１６がそれぞれ装荷される。
【００２２】
このように、アレーアンテナ１０は、１本の給電素子（アンテナ素子７）と、６本の無給電素子（アンテナ素子１〜６）とからなる７本のアンテナ素子が給電素子を中心にして円形に配列された構造からなり、受信信号ｙを１本の給電素子（アンテナ素子７）から出力する。
【００２３】
指向性切換手段２０は、バラクタダイオード１１〜１６に制御電圧セットＣＶＬ１〜ＣＶＬ６を供給し、アレーアンテナ１０の指向性を切換える。バラクタダイオード１１〜１６は、それぞれ、制御電圧ＣＶＬ１〜ＣＶＬ６によって容量（リアクタンス値）が変化する。指向性切換手段２０は、各バラクタダイオード１１〜１６におけるリアクタンス値が“ｈｉ”（最大値）または“ｌｏ”（最小値）になるように各制御電圧ＣＶＬ１〜ＣＶＬ６の電圧値を決定し、制御電圧セットＣＶＬ１〜ＣＶＬ６をバラクタダイオード１１〜１６へ供給する。
【００２４】
この場合、指向性切換手段２０は、バラクタダイオード１１〜１６におけるリアクタンス値ｘｍ１〜ｘｍ６のリアクタンスセットｘｍが表１に示すように変化するように制御電圧セットＣＶＬ１〜ＣＶＬ６をバラクタダイオード１１〜１６へ供給する。
【００２５】
【表１】
【００２６】
リアクタンス値ｘｍ１〜ｘｍ６の全てが“ｈｉ”であるとき（ｍ＝０）、アレーアンテナ１０は、全方位に感度があるオムニパターンに近いパターンからなるビームパターンＢＰＭ０を有する。また、リアクタンス値ｘｍ１が“ｌｏ”であり、リアクタンス値ｘｍ２〜ｘｍ６が“ｈｉ”であるとき（ｍ＝１）、アレーアンテナ１０は、０度の方向に指向性があるビームパターンＢＰＭ１を有する。なお、アンテナ素子７からアンテナ素子１への方向を０度の方向とする（図２参照）。
【００２７】
更に、リアクタンス値ｘｍ２が“ｌｏ”であり、リアクタンス値ｘｍ１，ｘｍ３〜ｘｍ６が“ｈｉ”であるとき（ｍ＝２）、アレーアンテナ１０は、６０度の方向に指向性があるビームパターンＢＰＭ２を有する。
【００２８】
以下、同様にして、各リアクタンス値ｘｍ３〜ｘｍ６が“ｌｏ”であり、それ以外のリアクタンス値が“ｈｉ”であるとき（ｍ＝３〜６）、アレーアンテナ１０は、それぞれ、１２０度、１８０度、２４０度および３００度の方向に指向性があるビームパターンＢＰＭ３〜ＢＰＭ６を有する（図２参照）。
【００２９】
このように、指向性切換手段２０は、無給電素子であるアンテナ素子１〜６に装荷されたバラクタダイオード１１〜１６のリアクタンス値ｘｍ１〜ｘｍ６を変えることによってアレーアンテナ１０の指向性を切換える。
【００３０】
信号変換手段３０は、アレーアンテナ１０の信号受信手段８を介して給電素子であるアンテナ素子７と接続され、１本のアンテナ素子７（給電素子）からアレーアンテナ１０が受信した受信信号ｙを受ける。そして、信号変換手段３０は、後述する方法によって、１本のアンテナ素子７から出力された受信信号ｙを７本の給電素子から出力された受信信号ｘに変換するための変換手段を求め、その求めた変換手段によって受信信号ｙを受信信号ｘへ変換する。
【００３１】
信号処理手段４０は、信号変換手段３０から出力された受信信号ｘを７本の給電素子から出力された受信信号ｘの処理に適したアルゴリズムを用いて処理する。
【００３２】
受信信号ｙを受信信号ｘに変換するための変換手段を求める方法について説明する。Ｑ（Ｑは正の整数）個のコヒーレント波がアレーアンテナ１０に到来している環境を考える。アレーアンテナ１０のリアクタンスセットｘｍ（＝ｘｍ１〜ｘｍ６）をＮ個に変化させてＱ個のコヒーレント波を受信したときの受信信号ベクトル＜ｙ＞は、次式によって表わされる。
【００３３】
【数１】
【００３４】
ただし、ベクトル＜Ｗ＞は、等価ウエイト行列であり、行列＜Ａ＞は、Ｑ個のコヒーレント波の各到来方向からなるステアリング行列であり、ベクトル＜ｕ（ｔ）＞は、到来信号ベクトルであり、ベクトル＜ｎ（ｔ）＞は、熱雑音である。また、Ｔは、転置を表わす。なお、式（１）において、θ１，・・・，θＱは、アンテナ素子７からアンテナ素子１への方向を０度とするＱ個のコヒーレント波の到来方向であり、φ１，・・・，φＭは、アンテナ素子７からアンテナ素子１への方向を０度とするＭ（Ｍは正の整数）本の無給電素子の方位角である。
【００３５】
なお、この明細書においては、表記＜Ｘ＞は、行列ＸまたはベクトルＸを意味する。したがって、表記＜ｙ＞は、式（１）におけるベクトルｙを表わす。
【００３６】
そして、式（１）により決定される受信信号ベクトル＜ｙ＞の相関行列＜Ｒｙｙ＞を演算すると、次式のようになる。
【００３７】
【数２】
【００３８】
なお、式（２）におけるＨは、エルミート転置を表わす。
【００３９】
そして、相関行列＜Ｒｙｙ＞に固有値分解を施すと、次式のようになる。
【００４０】
【数３】
【００４１】
そうすると、式（２）の右辺第１項は、式（３）の右辺第１項と等しくなるので、２つの式が得られる。
【００４２】
【数４】
【００４３】
【数５】
【００４４】
式（４）の右辺＜ｖ１＞は、最大の固有値λ１に対応する固有ベクトルを表わす。そして、式（４）は、アレーアンテナ１０に到来するＱ個のコヒーレント波の１つの到来方向に対して成立する式であり、Ｐ（Ｐは、Ｐ≧２Ｎを満たす整数）個の到来方向に対しては、ステアリングベクトル＜ａ（θ）＞および固有ベクトル＜ｖ１＞をそれぞれＰ個の到来方向に対して表したステアリング行列＜ＡＣ＞および固有行列＜ＥＳ＞に代えた式が成立する。
【００４５】
固有行列＜ＥＳ＞は、次式によって表される。
【００４６】
【数６】
【００４７】
また、ステアリング行列＜ＡＣ＞は、次式によって表される。
【００４８】
【数７】
【００４９】
従って、式（４）の固有ベクトル＜ｖ１＞の代わりに式（６）の固有行列＜ＥＳ＞を用い、式（４）のステアリングベクトル＜ａ（θ）＞の代わりに式（７）を用いると、Ｐ個の到来方向に対して次式が成立する。
【００５０】
【数８】
【００５１】
一方、Ｍ＋１本の給電素子から出力される受信信号ベクトル＜ｘ＞は、式（１）におけるステアリング行列＜Ａ＞と、アレーアンテナ１０に到来する信号ｕ（ｔ）との積に等しいので、式（１）を用いると次式が得られる。
【００５２】
【数９】
【００５３】
式（９）において、行列＜Ｔ＞は、Ｎ×（Ｍ＋１）の要素からなる行列＜ＷＴ＞の擬似逆行列であり、次式により表わされる。
【００５４】
【数１０】
【００５５】
式（１０）において、＋は、擬似逆行列を表わし、＊は、複素共役を表わす。
【００５６】
また、次式が成立する。
【００５７】
【数１１】
【００５８】
なお、式（１１）の右辺は、（Ｍ＋１）×（Ｍ＋１）の単位行列である。
【００５９】
式（１０）および（１１）から次式が成立する。
【００６０】
【数１２】
【００６１】
そして、式（８）および式（１２）を行列＜Ｔ＞について解くと次式が得られる。
【００６２】
【数１３】
【００６３】
アレーアンテナ１０においては、近似的に＜ｘ＞＝＜Ｔ＞×＜ｙ＞が成立するので、式（１３）は、ステアリング行列＜ＡＣ＞および固有行列＜ＥＳ＞を求めることができれば、受信信号ベクトル＜ｙ＞を受信信号ベクトル＜ｘ＞へ変換するための変換行列＜Ｔ＞を演算できることを意味する。
【００６４】
そこで、この発明においては、次の方法によってステアリング行列＜ＡＣ＞および固有行列＜ＥＳ＞を求め、その求めたステアリング行列＜ＡＣ＞および固有行列＜ＥＳ＞を式（１３）へ代入して変換行列＜Ｔ＞を演算する。
【００６５】
受信信号ベクトル＜ｙ＞を受信信号ベクトル＜ｘ＞に変換するための変換行列＜Ｔ＞を求める場合、送信源から到来するＮ個の同じ基準信号の到来方向として０〜３６０度の中からＰ個の方向が任意に選択され、その選択されたＰ個の到来方向の１つの到来方向にＮ個の基準信号の到来方向が設定される。また、指向性切換手段２０は、アレーアンテナ１０のリアクタンスセットｘｍ（＝ｘｍ１〜ｘｍ６）をＮ個に順次変える。そして、アレーアンテナ１０は、その設定された各到来方向において、リアクタンスセットｘｍ（＝ｘｍ１〜ｘｍ６）をＮ個に変えてＮ個の基準信号を受信する。
【００６６】
即ち、アレーアンテナ１０の信号受信手段８は、Ｎ個の基準信号の到来方向を到来方向ＤＩＲ１（到来角θ１）に設定し（図２参照）、指向性切換手段２０は、アレーアンテナ１０のリアクタンスセットｘｍ（＝ｘｍ１〜ｘｍ６）をＮ個に順次変え、アレーアンテナ１０は、Ｎ個の基準信号を受信する。
【００６７】
そして、アレーアンテナ１０は、式（１）によって演算される受信信号ベクトル＜ｙ１＞＝［ｙ１１，ｙ２１，・・・，ｙＮ１］Ｔを信号変換手段３０へ出力し、信号変換手段３０は、アレーアンテナ１０から受けた受信信号ベクトル＜ｙ１＞＝［ｙ１１，ｙ２１，・・・，ｙＮ１］Ｔを式（２）に代入して到来方向θ１における相関行列＜Ｒｙｙ＞｜θ１を演算する。引続いて、信号変換手段３０は、相関行列＜Ｒｙｙ＞｜θ１に固有値分解を施して最大の固有値に対応する固有ベクトル＜ｖ１１＞を求める。
【００６８】
その後、アレーアンテナ１０の信号受信手段８は、Ｎ個の基準信号の到来方向を到来方向ＤＩＲ２（到来角θ２）に設定し（図２参照）、指向性切換手段２０は、アレーアンテナ１０のリアクタンスセットｘｍ（＝ｘｍ１〜ｘｍ６）をＮ個に順次変え、アレーアンテナ１０は、Ｎ個の基準信号を受信する。
【００６９】
そして、アレーアンテナ１０は、式（１）によって演算される受信信号ベクトル＜ｙ２＞＝［ｙ１２，ｙ２２，・・・，ｙＮ２］Ｔを信号変換手段３０へ出力し、信号変換手段３０は、アレーアンテナ１０から受けた受信信号ベクトル＜ｙ２＞＝［ｙ１２，ｙ２２，・・・，ｙＮ２］Ｔを式（２）に代入して到来方向θ２における相関行列＜Ｒｙｙ＞｜θ２を演算する。引続いて、信号変換手段３０は、相関行列＜Ｒｙｙ＞｜θ２に固有値分解を施して最大の固有値に対応する固有ベクトル＜ｖ２１＞を求める。
【００７０】
以下、同様にして、アレーアンテナ１０の信号受信手段８は、Ｎ個の基準信号の到来方向を到来方向ＤＩＲｊ（ｊ＝３〜Ｐ）（到来角θｊ）に設定し（図２参照）、指向性切換手段２０は、アレーアンテナ１０のリアクタンスセットｘｍ（＝ｘｍ１〜ｘｍ６）をＮ個に順次変え、アレーアンテナ１０は、Ｎ個の基準信号を受信する。
【００７１】
そして、アレーアンテナ１０は、式（１）によって演算される受信信号ベクトル＜ｙｊ＞＝［ｙ１ｊ，ｙ２ｊ，・・・，ｙＮｊ］Ｔ（ｊ＝３〜Ｐ）を信号変換手段３０へ出力し、信号変換手段３０は、アレーアンテナ１０から受けた受信信号ベクトル＜ｙｊ＞＝［ｙ１ｊ，ｙ２ｊ，・・・，ｙＮｊ］Ｔを式（２）に代入して到来方向θｊにおける相関行列＜Ｒｙｙ＞｜θｊを演算する。引続いて、信号変換手段３０は、相関行列＜Ｒｙｙ＞｜θｊに固有値分解を施して最大の固有値に対応する固有ベクトル＜ｖｊ１＞を求める。
【００７２】
Ｐ個の固有ベクトル＜ｖ１１＞，＜ｖ２１＞，・・・，＜ｖＰ１＞が求まると、信号変換手段３０は、Ｐ個の固有ベクトル＜ｖ１１＞，＜ｖ２１＞，・・・，＜ｖＰ１＞を要素とする固有行列＜ＥＳ＞を式（６）により演算する。また、信号変換手段３０は、Ｐ個の角度θ１，θ２，・・・，θＰを式（７）に代入してステアリング行列＜ＡＣ＞を演算する。
【００７３】
そして、信号変換手段３０は、演算したステアリング行列＜ＥＳ＞およびステアリング行列＜ＡＣ＞を式（１３）に代入して受信信号ベクトル＜ｙ＞を受信信号ベクトル＜ｘ＞に変換するための変換行列＜Ｔ＞を演算する。
【００７４】
図３は、図１に示す受信装置１００における動作を説明するためのフローチャートである。一連の動作が開始されると、信号受信手段８は、０〜３６０度の範囲から任意のＰ個の角度θｐ（ｐ＝１〜Ｐ）を選択する（ステップＳ１）。即ち、Ｎ個の基準信号の到来方向がＰ個の到来方向ＤＩＲ１〜ＤＩＲＰ（到来角度θｐ（ｐ＝１〜Ｐ））に設定される。
【００７５】
そして、信号受信手段８は、ｐ＝１を設定する（ステップＳ２）。これにより、Ｎ個の基準信号の到来方向が到来方向ＤＩＲ１（到来角度θ１）に設定される。その後、指向性切換手段２０は、ｎ＝１を設定し（ステップＳ３）、リアクタンスセットｘ（ｎ）をバラクタダイオード１１〜１６へ出力する（ステップＳ４）。そして、アレーアンテナ１０は、基準信号Ｓｓｔｄを受信し（ステップＳ５）、基準信号Ｓｓｔｄに対する受信信号ベクトル＜ｙｎ＞＝［ｙ１ｎ，ｙ２ｎ，・・・，ｙＮｎ］Ｔを取得する（ステップＳ６）。
【００７６】
なお、基準信号Ｓｓｔｄは、例えば、Ｋ（Ｋは正の整数）ビットの信号［０１１１・・・０１］からなる。
【００７７】
その後、指向性切換手段２０は、ｎ＝Ｎであるか否かを判定する（ステップＳ７）。ｎ＝Ｎでないとき、指向性切換手段２０は、ｎ＝ｎ＋１を設定する（ステップＳ８）。
【００７８】
そして、ステップＳ７において、ｎ＝Ｎであると判定されるまで、ステップＳ４〜ステップＳ８が繰返し実行される。
【００７９】
即ち、ステップＳ４〜ステップＳ８の経路がＮ回繰返し実行される。そして、ステップＳ４〜ステップＳ８の経路をＮ回繰返し実行することは、アレーアンテナ１０のリアクタンスセットをＮ個のリアクタンスセットに順次切換えて基準信号ＳｓｔｄをＮ回受信することに相当する。
【００８０】
ステップＳ７において、ｎ＝Ｎであると判定されると、アレーアンテナ１０は、式（１）によって演算される受信信号ベクトル＜ｙｐ＞｜θｐ（到来角度θｐにおける受信信号ベクトルを表す）を信号変換手段３０へ出力し、信号変換手段３０は、受信信号ベクトル＜ｙｐ＞｜θｐを式（２）に代入して相関行列＜Ｒｙｙ＞｜θｐを演算する（ステップＳ９）。
【００８１】
そして、信号変換手段３０は、相関行列＜Ｒｙｙ＞｜θｐに固有値分解を施し、最大の固有値に対する固有ベクトル＜ｖｐ１＞を求める（ステップＳ１０）。その後、信号受信手段８は、ｐ＝Ｐであるか否かを判定し（ステップＳ１１）、ｐ＝Ｐでないとき、ｐ＝ｐ＋１を設定する（ステップＳ１２）。そして、ステップＳ１１においてｐ＝Ｐになるまで、上述したステップＳ３〜ステップＳ１２が繰返し実行される。
【００８２】
ステップＳ１１において、ｐ＝Ｐであると判定されると、信号変換手段３０は、Ｐ個の固有ベクトル＜ｖ１１＞，＜ｖ２１＞，・・・，＜ｖＰ１＞を取得し、式（６）により固有行列＜ＥＳ＞を生成する（ステップＳ１３）。また、信号変換手段３０は、角度θｐ（ｐ＝１〜Ｐ）に基づいて、ステアリング行列＜ＡＣ＞を式（７）により生成する（ステップＳ１４）。
【００８３】
そして、信号変換手段３０は、固有行列＜ＥＳ＞およびステアリング行列＜ＡＣ＞を式（１３）に代入して変換行列＜Ｔ＞を演算し（ステップＳ１５）、その演算した変換行列＜Ｔ＞をメモリ（図示せず）に記憶する（ステップＳ１６）。なお、演算した変換行列＜Ｔ＞をメモリに記憶するのは、それ以降の受信信号ベクトル＜ｙ＞から受信信号ベクトル＜ｘ＞への変換においてメモリから変換行列＜Ｔ＞を読み出して受信信号ベクトル＜ｙ＞から受信信号ベクトル＜ｘ＞への変換を行なうようにするためである。
【００８４】
その後、アレーアンテナ１０は、送信源から無線信号を受け、受信信号ベクトル＜ｙ＞を信号変換手段３０へ出力する。信号変換手段３０は、アレーアンテナ１０からの受信信号ベクトル＜ｙ＞に変換行列＜Ｔ＞を乗算して受信信号ベクトル＜ｘ＞を演算し（ステップＳ１７）、その演算した受信信号ベクトル＜ｘ＞を信号処理手段４０へ出力する。
【００８５】
信号処理手段４０は、通常のアレーアンテナ用のアルゴリズム、即ち、７本の給電素子から出力される出力信号の処理に適したアルゴリズムを受信信号ベクトル＜ｘ＞に適用して各種の信号処理を行なう（ステップＳ１８）。これにより、一連の動作が終了する。
【００８６】
このように、固有行列＜ＥＳ＞およびステアリング行列＜ＡＣ＞を求めることにより変換行列＜Ｔ＞を演算できるが、変換行列＜Ｔ＞の演算を可能とする条件として次の２つが存在する。
【００８７】
条件１：Ｎが大きいこと
条件２：式（１４）が成立すること
【００８８】
【数１４】
【００８９】
式（１４）において、‖・‖Ｆは、フロベニウスノルムを示す。
【００９０】
条件２は、有限値Ｎに対して適当なリアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘＮ］が存在することである。そして、有限値Ｎに対して適当なリアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘＮ］が存在するか否かは、最急勾配法（非特許文献２）を用いて決定される。
【００９１】
Ｎ＝∞であれば、条件２は必要ではない。しかし、Ｎ＝∞は、実現不可能であるので、上記の条件１，２が必要となる。従って、条件１，２を満たす場合に変換行列＜Ｔ＞を演算可能である。
【００９２】
そして、信号変換手段３０が変換行列＜Ｔ＞を演算する場合、受信装置１００は、各到来方向θｐ（ｐ＝１〜Ｐ）においてＮ個の同じ基準信号Ｓｓｔｄを受信するが（ステップＳ４〜ステップＳ８の経路がＮ回繰返し実行される）、これは、次の理由による。
【００９３】
図３に示すステップＳ４〜ステップＳ８がＮ回繰返し実行された後、ステップＳ９において、各到来方向θｐ（ｐ＝１〜Ｐ）における相関行列Ｒｙｙ｜θｐが演算され、ステップＳ１０において、相関行列Ｒｙｙ｜θｐに固有値分解を施して最大の固有値に対応する固有ベクトル＜ｖｐ１＞が演算される。この固有ベクトル＜ｖｐ１＞は、無給電素子であるアンテナ素子１〜６に装荷されたバラクタダイオード１１〜１６のリアクタンスセット［ｘｍ１，ｘｍ２，・・・，ｘｍ６］をＮ個に順次変えて受信した受信信号ベクトル＜ｙｐ＞｜θｐに基づいて演算され、式（４）に示す関係から明らかなように、Ｎ個の基準信号Ｓｓｔｄが到来角θｐの方向からアレーアンテナ１０に到来したときの各アンテナ素子１〜７の重み（ウエイト）を示すものである。従って、アレーアンテナ１０が基準信号Ｓｓｔｄを受信するときの各アンテナ素子１〜７の重み（ウエイト）を正確に求めるためには、Ｎ個のリアクタンスセット［ｘｍ１，ｘｍ２，・・・，ｘｍ６］の各々が設定されたときにアレーアンテナ１０に到来する信号を同じにする必要があるからである。つまり、Ｎ個のリアクタンスセット［ｘｍ１，ｘｍ２，・・・，ｘｍ６］の各々が設定されたときにアレーアンテナ１０に到来する信号が異なっていれば、最大の固有値が得られても、それは、信号に起因しているのか、各アンテナ素子１〜７の重み（ウエイト）に起因しているのかが明らかではないので、各アンテナ素子１〜７の重み（ウエイト）に起因していることを明確にするためにアレーアンテナ１０がＮ個の同じ基準信号Ｓｓｔｄを受信することにしたのである。
【００９４】
このように、この発明においては、受信装置１００は、Ｎ個の同じ基準信号Ｓｓｔｄを受信してアレーアンテナ１０が信号を受信するときの各アンテナ素子１〜７の重み（ウエイト）を正確に演算する。
【００９５】
次に、式（１３）によって演算される行列＜Ｔ＞が受信信号ベクトル＜ｙ＞を受信信号ベクトル＜ｘ＞に変換するときの変換行列になることを説明する。上述した固有ベクトル＜ｖ１１＞，＜ｖ２１＞，・・・，＜ｖＰ１＞の各々は、各到来方向において、アレーアンテナ１０のリアクタンスセットをＮ個に変えたときの最大の固有値λ１に対応する固有ベクトルであるので、各到来方向θｐ（ｐ＝１〜Ｐ）において、アレーアンテナ１０が基準信号Ｓｓｔｄを受信するときの各アンテナ素子１〜７の重みを示すベクトルである。最大の固有値λ１は、受信信号強度が最大となる直接波、即ち、基準信号Ｓｓｔｄに対して得られるからである。
【００９６】
従って、式（１３）に示す行列＜ＥＳ＞は、Ｐ個の到来方向θｐ（ｐ＝１〜Ｐ）において、アレーアンテナ１０が基準信号Ｓｓｔｄを受信するときの各アンテナ素子１〜７の重みを示す行列となる。つまり、行列＜ＥＳ＞は、アンテナ素子１〜７の全てを給電素子とした場合に、アレーアンテナ１０がＰ個の到来方向θｐ（ｐ＝１〜Ｐ）において基準信号Ｓｓｔｄを受信するときの各アンテナ素子１〜７の重みを示す行列となる。
【００９７】
また、式（１３）の右辺の＜ＥＳＨ＞・（＜ＥＳ＞＜ＥＳＨ＞）−１は、行列＜ＥＳ＞の逆行列に相当する。
【００９８】
その結果、式（１３）によって演算される変換行列＜Ｔ＞は、アレーアンテナ１０の受信信号ベクトル＜ｙ＞をアンテナ素子１〜７の全てを給電素子とするアンテナの受信信号ベクトル＜ｘ＞に変換するための行列になる。
【００９９】
図４は、受信信号ベクトル＜ｙ＞を受信信号ベクトル＜ｘ＞へ変換する概念を示す概念図である。アンテナ素子１〜７の全てが給電素子であるアレーアンテナをアレーアンテナ１０Ａで示す。
【０１００】
受信信号ベクトル＜ｙ＞は、１本の給電素子（アンテナ素子７）を備えるアレーアンテナ１０の出力信号であり（図４の（ａ）参照）、受信信号ベクトル＜ｘ＞は、７本の給電素子（アンテナ素子１〜７）を備えるアレーアンテナ１０Ａの出力信号である（図４の（ｂ）参照）。そして、上述した変換行列＜Ｔ＞を受信信号ベクトル＜ｙ＞に乗算することにより、受信信号ベクトル＜ｘ＞に変換される。即ち、受信信号ベクトル＜ｙ＞に変換行列＜Ｔ＞を乗算することによって、１本の給電素子（アンテナ素子７）から出力される受信信号ベクトル＜ｙ＞が７本の給電素子（アンテナ素子１〜７）から出力される受信信号ベクトル＜ｘ＞に変換される。
【０１０１】
図５は、受信信号ベクトル＜ｙ＞から受信信号ベクトル＜ｘ＞への変換を示す模式図である。なお、図５においては、アレーアンテナ１０は、１本の給電素子Ａ０と、Ｍ本の無給電素子Ａ１〜ＡＭとを備えるものとして示されている。
【０１０２】
受信器２１は、図１に示す信号受信手段８と指向性切換手段２０との機能を果たす。
【０１０３】
ブロックＢＬＫ＿１〜ＢＬＫ＿Ｎの各々は、Ｋビットのデータ［０１１１・・・０１］からなり、基準信号Ｓｓｔｄを構成する。そして、アレーアンテナ１０は、変換行列＜Ｔ＞を決定する場合、受信器２１によって、基準信号Ｓｓｔｄの到来方向を到来方向ＤＩＲｊ（到来角θｊ（ｊ＝１〜Ｐ））に順次設定し、各到来方向ＤＩＲｊ（到来角θｊ（ｊ＝１〜Ｐ））において指向性をＮ個の指向性に変えて（即ち、リアクタンスセットｘ１，ｘ２，・・・，ｘＭをＮ個に変化させて）ブロックＢＬＫ＿１〜ＢＬＫ＿Ｎを順次受信する。即ち、アレーアンテナ１０は、変換行列＜Ｔ＞を決定する場合、Ｎ×Ｐ個の基準信号Ｓｓｔｄを順次受信する。
【０１０４】
Ａ／Ｄ変換器２２は、アレーアンテナ１０から出力されたＮ×Ｐ個の基準信号Ｓｓｔｄをアナログ信号からデジタル信号へ変換して変換手段２３へ出力する。変換手段２３は、Ｎ×Ｐ個の基準信号Ｓｓｔｄに基づいて、上述した方法によって変換行列＜Ｔ＞を演算し、Ａ／Ｄ変換器２２から受けた受信信号ベクトル＜ｙ＞に変換行列＜Ｔ＞を乗算して受信信号ベクトル＜ｘ＞を処理アルゴリズム２４へ出力する。この場合、Ｎ×Ｐ個の基準信号Ｓｓｔｄは、変換手段２３によって（Ｍ＋１）×Ｐ個の基準信号Ｓｓｔｄへ変換され、（Ｍ＋１）×Ｐ個の基準信号Ｓｓｔｄにそれぞれ重みｗ０，ｗ１，・・・，ｗＭが乗算されて処理アルゴリズム２４へ出力される。
【０１０５】
処理アルゴリズム２４は、Ｍ＋１本の給電素子から出力される受信信号に適したアルゴリズムを用いて電波の到来方向の推定等を行なう。
【０１０６】
上述した変換行列＜Ｔ＞を用いて受信信号ベクトル＜ｙ＞を受信信号ベクトル＜ｘ＞へ変換し、その変換した受信信号ベクトル＜ｘ＞に７本の給電素子から出力される出力信号に適したアルゴリズムを適用して受信信号を処理した場合の結果について説明する。
【０１０７】
図６は、リアクタンスセット数Ｎによるビットエラーレートの変化を示す図である。図６において、縦軸は、ビットエラーレートを表し、横軸は、リアクタンスセット数Ｎを表す。また、曲線ｋ１〜ｋ５は、それぞれ、ノイズ対信号比ＳＮＲが０，５，１０，１５，２０である。図６の結果からＮ＝７以上のリアクタンスセット数において、リアクタンスセット数Ｎの増加に伴ってビットエラーレートが大きく低下することが解る。また、同じリアクタンスセット数Ｎにおいては、信号強度が大きくなるに従ってビットエラーレートが低下する。そして、ノイズ対信号比ＳＮＲが５以上においては、リアクタンスセット数Ｎの“７”からの増加がビットエラーレートの急激な低下に効果的である。
【０１０８】
図７は、アレーアンテナ１０に到来する２つの信号の到来角度差によるビットエラーレートの変化を示す図である。図７において、縦軸は、ビットエラーレートを表し、横軸は、２つの信号の到来角度差を表す。また、曲線ｋ６，ｋ７は、それぞれ、リアクタンスセット数Ｎ＝２０，１００の場合を示す。
【０１０９】
２つの信号の到来角度差Δθが小さくなると、ビットエラーレートが大きくなる。２つの信号が干渉するためである。そして、到来角度差Δθが１０度以上に大きくなると、ビットエラーレートが急激に低下する。また、各到来角度差Δθにおいて、リアクタンスセット数Ｎの増加に伴いビットエラーレートが低下し、その低下度合は、到来角度差Δθが大きくなるに伴って大きくなる。
【０１１０】
次に、受信信号ベクトル＜ｘ＞を用いてBlind digital beamforming法によってビームパターンを形成した結果について説明する。図８は、Blind digital beamforming法によってビームパターンを形成した結果を示す図である。図８において、縦軸は、受信信号強度を表し、横軸は、到来角度を表す。
【０１１１】
図８において、所望波（ＳＯＩ：Ｓｉｇｎａｌ Ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）は、２４０度の方向から到来し、干渉波は、０度、６０度、１２０度、１８０度および３００度の方向から到来する。
【０１１２】
図８から明らかなように、リアクタンスセット数Ｎが増加するに従って、所望波の到来方向（２４０度）および干渉波の到来方向（０度、６０度、１２０度、１８０度および３００度）に一致したビームパターンを形成できる。
【０１１３】
最後に、変換行列＜Ｔ＞によって変換された受信信号ベクトル＜ｘ＞を用いて到来方向を推定した結果について説明する。
【０１１４】
表２は、到来方向の推定に用いたアルゴリズムと、その特徴を示す。
【０１１５】
【表２】
【０１１６】
表２に示すBeamforming法、Capon’s beamforming法、MUSIC法、Deterministic ML法、Stochastic ML法およびESPRIT法は、公知の到来方向推定方法である（非特許文献３）。
【０１１７】
図９は、到来角度に対する規格化到来方向スペクトラムを示す図である。図９において、縦軸は、規格化到来方向スペクトラムを表し、横軸は、到来角度を表す。また、曲線ｋ８〜ｋ１０は、それぞれ、Beamforming法、Capon’s beamforming法および部分空間MUSIC法による到来角度の推定結果を示す。
【０１１８】
いずれの方法を用いて到来方向を推定しても、７０度および３００度の信号の到来方向を推定できることが解った。この場合、ノイズ対信号比ＳＮＲは、１０［ｄＢ］であり、リアクタンスセット数Ｎは、“２０”である。
【０１１９】
図１０は、到来角度に対する他の規格化到来方向スペクトラムを示す図である。図１０において、縦軸は、規格化到来方向スペクトラムを表し、横軸は、到来角度を表す。また、曲線ｋ１１〜ｋ１３は、それぞれ、Beamforming法、Capon’s beamforming法および部分空間MUSIC（MUltiple SIgnal Classification）法による到来角度の推定結果を示す。
【０１２０】
図１０から明らかなように、MUSIC法を用いることにより６個の到来波まで、その到来方向を推定可能である（曲線ｋ１３）。この場合、ノイズ対信号比ＳＮＲは、１０［ｄＢ］であり、リアクタンスセット数Ｎは、“２０”である。
【０１２１】
図１１は、推定エラーとリアクタンスセット数との関係図である。図１１において、縦軸は、推定エラーを表し、横軸は、リアクタンスセット数Ｎを表す。また、曲線ｋ１４，ｋ１５は、それぞれ、ESPRIT（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique）法およびMUSIC法を用いた場合を示し、曲線ｋ１６は、従来のＣＲＢ（ＣＲＡＭＥＲ−ＲＡＯ ｌｏｗｅｒＢｏｕｎｄ）を示す。
【０１２２】
ESPRIT法およびMUSIC法の両方において、リアクタンスセット数Ｎが増加するに伴って、推定エラーが大きく低下することが解る。
【０１２３】
上述したように、受信信号ベクトル＜ｙ＞を変換行列＜Ｔ＞によって変換した受信信号ベクトル＜ｘ＞を用いて到来波の到来方向を推定する場合に各種のアルゴリズムを用いて到来方向を推定できることが解った。そして、好ましくは、リアクタンスセット数Ｎを増加させることによって、より正確に到来方向を推定できる。
【０１２４】
また、受信信号ベクトル＜ｘ＞を用いて信号処理を行なってもビットエラーレートが低くなることも解った。
【０１２５】
従って、変換行列＜Ｔ＞により受信信号ベクトル＜ｙ＞を受信信号ベクトル＜ｘ＞へ変換することによって、複数のアンテナ素子の全てから出力された受信信号の処理に適したアルゴリズムを用いて受信信号を処理できる。
【０１２６】
なお、上記においては、リアクタンスセット数Ｎは、アレーアンテナ１０のアンテナ素子数Ｍ＋１に等しいとして説明したが、この発明においては、Ｎ≧Ｍ＋１であればよい。アレーアンテナ１０のオムニパターン（ｍ＝０）を含めると、リアクタンスセット数Ｎは、Ｍ＋１＝６＋１＝７となり、リアクタンスセットＮをＭ＋１以上に切換え可能である。
【０１２７】
そして、リアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］をＮ個、即ち、Ｍ＋１個に切換える場合、次のように切換えてもよい。図１２は、図１に示すｘ−ｙ平面におけるアンテナ素子の他の平面配置図である。
【０１２８】
Ｎ＝Ｍ＋１になるように、リアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］をＮ個に切換える場合、上記においては、アレーアンテナ１０のビームパターンがＢＰＭ０〜ＢＰＭ６になるようにリアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］を切換える（図２参照）と説明したが、この発明においては、これに限らず、アレーアンテナ１０のビームパターンが図１２に示すビームパターンＢＰＭ０，ＢＰＭ７〜ＢＰＭ１２になるようにリアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］を切換えてもよい。
【０１２９】
ビームパターンＢＰＭ７〜ＢＰＭ１２は、表３に示すリアクタンスセットｘｍ１〜ｘｍ６に従って形成される。
【０１３０】
【表３】
【０１３１】
即ち、ビームパターンＢＰＭ７は、ｘｍ１＝ｘｍ２＝”ｌｏ”であり、かつ、ｘｍ３〜ｘｍ６＝”ｈｉ”であるときに形成される。また、ビームパターンＢＰＭ８は、ｘｍ２＝ｘｍ３＝”ｌｏ”であり、かつ、ｘｍ１，ｘｍ４〜ｘｍ６＝”ｈｉ”であるときに形成される。更に、ビームパターンＢＰＭ９は、ｘｍ３＝ｘｍ４＝”ｌｏ”であり、かつ、ｘｍ１，ｘｍ２，ｘｍ５，ｘｍ６＝”ｈｉ”であるときに形成され、ビームパターンＢＰＭ１０は、ｘｍ４＝ｘｍ５＝”ｌｏ”であり、かつ、ｘｍ１〜ｘｍ３，ｘｍ６＝”ｈｉ”であるときに形成され、ビームパターンＢＰＭ１１は、ｘｍ５＝ｘｍ６＝”ｌｏ”であり、かつ、ｘｍ１〜ｘｍ４＝”ｈｉ”であるときに形成され、ビームパターンＢＰＭ１２は、ｘｍ１＝ｘｍ６＝”ｌｏ”であり、かつ、ｘｍ２〜ｘｍ５＝”ｈｉ”であるときに形成される。
【０１３２】
従って、指向性切換手段２０は、ビームパターンＢＰＭ０，ＢＰＭ７〜ＢＰＭ１２を形成するとき、表３に従ってバラクタダイオード１１〜１６のリアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］を順次切換える。
【０１３３】
Ｎ＞Ｍ＋１になるように、リアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］をＮ個に切換える場合、ビームパターンＢＰＭ０〜ＢＰＭ１２の中からＮ個に相当するビームパターンを選択し、その選択したビームパターンが形成されるようにリアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］が切換えられる。
【０１３４】
更に、この発明においては、図１２に示したビームパターンＢＰＭ０〜ＢＰＭ１２以外のビームパターンがアレーアンテナ１０に形成されるようにリアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］をＮ個に切換えてもよい。この場合、バラクタダイオード１１〜１６に供給される制御電圧の値をアナログ的に変化させる。例えば、バラクタダイオード１１〜１６に供給される制御電圧が０Ｖ〜２０Ｖの範囲である場合、この０Ｖ〜２０Ｖの範囲で制御電圧をアナログ的に変えてリアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］をＮ個に切換える。
【０１３５】
また、上記においては、リアクタンス値を変えることによって指向性を切換え可能なアレーアンテナ１０を対象としたが、この発明は、これに限られず、抵抗を変えることによって指向性を切換え可能なアレーアンテナ等、一般的には、インピーダンスを変えることによって指向性を切換え可能なアレーアンテナを対象としてもよい。
【０１３６】
リアクタンス値を変えることは、インピーダンスの虚部を変えることであり、抵抗を変えることは、インピーダンスの実部を変えることであるので、一般的には、インピーダンスを変えることによって指向性を切換えることが可能である。
【０１３７】
従って、この発明は、このようなインピーダンスを変えることによって指向性を切換え可能なアレーアンテナを用いて受信した受信信号を変換行列＜Ｔ＞を用いてＭ＋１本の給電素子から出力される受信信号に変換し、その変換した受信信号に従来のアルゴリズム（＝Ｍ＋１本の給電素子から出力される受信信号に適したアルゴリズム）を適用して信号処理を行なう受信装置に適用される。この場合、Ｍ本の無給電素子の各々には、可変インピーダンス素子が装荷される。
【０１３８】
更に、上記においては、無給電素子の本数Ｍは、６本であるとして説明したが、この発明においては、無給電素子の本数Ｍは、１本以上であればよい。無給電素子の本数が１本以上であれば、アレーアンテナ１０のビームパターンをオムニパターンを含めて２以上に切換え可能であり、式（２）により相関行列＜Ｒｙｙ＞を演算し、Ｐ個の到来方向θｐ（ｐ＝１〜Ｐ）に対するＰ個の固有ベクトル＜ｖ１１＞，＜ｖ２１＞，・・・，＜ｖＰ１＞を求めることができるからである。なお、無給電素子が１本である場合、その１本の無給電素子に装荷されたバラクタダイオードに供給される直流電圧は、例えば、０〜２０Ｖの範囲でアナログ的にＮ個に切換えられ、リアクタンス値ｘｍ１がアナログ的にＮ個に切換えられる。
【０１３９】
図１３は、図１に示す受信装置１００を用いた無線システムの概略図である。無線システム３００は、受信装置１００と、送信装置２００とからなる。送信装置２００は、アンテナ２１０を備える。無線システム３００においては、受信装置１００は、送信装置２００から送信された電波の到来方向を推定する。
【０１４０】
この場合、送信装置２００は、アンテナ２１０を介して電波を送信する。受信装置１００は、アレーアンテナ１０によって送信装置２００からの電波を受信し、その受信した受信信号ｙを上述した方法によって受信信号ｘに変換する。そして、受信装置１００は、受信信号ｘに表２に示す各種の到来方向推定アルゴリズムを適用して送信装置２００からの電波の到来方向を推定する。
【０１４１】
無線システム３００は、このような送信源からの電波の到来方向を推定する無線システムに限らず、それ以外の無線システムであってもよい。例えば、無線システム３００は、複数の無線装置が自律的、かつ、即時的に無線ネットワークを構成するアドホックネットワークシステムであってもよい。無線システム３００がアドホックネットワークシステムである場合、アドホックネットワークシステムを構成する各無線装置は、図１に示す受信装置１００からなる。上記においては、受信装置１００が電波を受信する場合について説明したが、受信装置１００が電波を送信する場合、受信装置１００は、リアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］によって所定のビームパターンをアレーアンテナ１０に形成して電波を他の無線装置へ送信する。従って、受信装置１００は、電波を送受信する無線装置として使用でき、受信装置１００からなる無線装置を用いてアドホックネットワークを構成可能である。
【０１４２】
アドホックネットワークシステムにおいては、各無線装置は、移動するので、受信装置１００は、移動体通信を行なう無線装置としても使用可能である。例えば、受信装置１００は、携帯電話機として使用可能であり、自動車等の移動体に搭載されてもよい。
【０１４３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
この発明は、出力信号を複数の給電素子から出力するアレーアンテナに適したアルゴリズムを用いて受信信号を処理可能な受信装置に適用される。また、この発明は、出力信号を複数の給電素子から出力するアレーアンテナに適したアルゴリズムを用いて受信信号を処理可能な受信装置を備えた無線システムに適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】この発明の実施の形態による受信装置の概略図である。
【図２】図１に示すｘ−ｙ平面におけるアンテナ素子の平面配置図である。
【図３】図１に示す受信装置における動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】受信信号ベクトル＜ｙ＞を受信信号ベクトル＜ｘ＞へ変換する概念を示す概念図である。
【図５】受信信号ベクトル＜ｙ＞から受信信号ベクトル＜ｘ＞への変換を示す模式図である。
【図６】リアクタンスセットの数によるビットエラーレートの変化を示す図である。
【図７】アレーアンテナに到来する２つの信号の到来角度差によるビットエラーレートの変化を示す図である。
【図８】Blind digital beamforming法によってビームパターンを形成した結果を示す図である。
【図９】到来角度に対する規格化到来方向スペクトラムを示す図である。
【図１０】到来角度に対する他の規格化到来方向スペクトラムを示す図である。
【図１１】推定エラーとリアクタンスセット数との関係図である。
【図１２】図１に示すｘ−ｙ平面におけるアンテナ素子の他の平面配置図である。
【図１３】図１に示す受信装置を用いた無線システムの概略図である。
【符号の説明】
【０１４６】
１〜７ アンテナ素子、８ 信号受信手段、１０，１０Ａ アレーアンテナ、１１〜１６ バラクタダイオード、２０ 指向性切換手段、２１ 受信器、２２ Ａ／Ｄ変換器、２３ 変換手段、２４ 処理アルゴリズム、３０ 信号変換手段、４０ 信号処理手段、１００ 受信装置、２００ 送信装置、２１０ アンテナ、３００ 無線システム、ＢＰＭ０〜ＢＰＭ１２ ビームパターン。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電波を受信する受信装置に関し、特に、インピーダンス制御により指向性を切換え可能なアレーアンテナにより電波を受信する受信装置およびそれを備えた無線システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１は、電気的に指向性を切換可能なアレーアンテナを開示する。このアレーアンテナは、１本の給電素子と、６本の無給電素子とからなり、６本の無給電素子は、給電素子の回りに円形配列される。より具体的には、６本の無給電素子は、給電素子を中心にして正六角形に配置される。また、６本の無給電素子には、可変容量素子であるバラクタダイオードが装荷されており、バラクタダイオードのリアクタンス値（容量）を変えることによってアレーアンテナの指向性が切換えられる。
【０００３】
アレーアンテナは、６本の無給電素子に装荷されるバラクタダイオードのリアクタンス値が変えられることによって指向性を変えられ、各方向から到来する電波を受信する。そして、アレーアンテナは、受信した受信信号を１本の給電素子から出力する。
【０００４】
このようなアレーアンテナを備える受信装置は、アレーアンテナの１本の給電素子から出力された受信信号をアレーアンテナに適したアルゴリズムを用いて処理する。
【非特許文献１】平田 明史、タユフェールエディ、青野 智之、山田 寛喜、大平 孝、「エスパアンテナを用いたリアクタンスドメインＭＵＳＩＣ法によるコヒーレント２波の到来方向推定実験」，信学技報，ＡＰ２００３−２４，ｐｐ．５９−６４，Ｍａｙ ２００３．
【非特許文献２】Prentice Hall, Simon Haykin, ”Adaptive Filter Theory”, ISBN 0-13-397985-7, p341-343.
【非特許文献３】H. Krim and M. Viberg, “Two decades of array signal processing research: The parametric approach”, IEEE Signal Processing Magazine, vol. 13, pp. 67-94, July 1996.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、非特許文献１に記載されたアレーアンテナを用いた場合、受信装置は、受信信号を１本のアンテナ素子から出力するアレーアンテナに適したアルゴリズムを用いて受信信号を処理する必要があるため、このアレーアンテナを備えた受信装置を用いて電波の到来方向を推定するとき、各種の到来方向推定方法毎にアルゴリズムを開発する必要があり、各種の到来方向推定方法を用いて電波の到来方向を推定することが困難である。
【０００６】
また、非特許文献１に記載されたアレーアンテナを備える受信装置を電波の到来方向を推定する目的以外の目的に用いる場合にも、同様な問題がある。
【０００７】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、出力信号を複数の給電素子から出力するアレーアンテナに適したアルゴリズムを用いて受信信号を処理可能な受信装置を提供することである。
【０００８】
また、この発明の別の目的は、出力信号を複数の給電素子から出力するアレーアンテナに適したアルゴリズムを用いて受信信号を処理可能な受信装置を備えた無線システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によれば、受信装置は、アレーアンテナと、信号変換手段と、信号処理手段とを備える。アレーアンテナは、Ｍ（Ｍは、正の整数）本の無給電素子と１本の給電素子とからなるＭ＋１本のアンテナ素子を含み、１本の給電素子から受信信号を出力する。信号変換手段は、アレーアンテナの指向性が所定の指向性に設定されまたは複数の指向性に切換えられたときにアレーアンテナによって受信され、かつ、１本の給電素子から出力される第１の受信信号をＭ＋１本の給電素子から出力される第２の受信信号に変換する。信号処理手段は、Ｍ＋１本の給電素子から出力される出力信号の処理に適した所定のアルゴリズムを用いて第２の受信信号を処理する。
【００１０】
好ましくは、受信装置は、指向性切換手段をさらに備える。指向性切換手段は、Ｍ本の無給電素子に装荷されたＭ個の可変インピーダンス素子の少なくとも１つのインピーダンスを変化させてアレーアンテナの指向性を切換える。
【００１１】
好ましくは、アレーアンテナは、各々が同じデータからなるＮ（ＮはＭ＋１以上の整数）個の基準信号の到来方向をＰ（Ｐは、Ｐ≧２Ｎを満たす整数）個の到来方向に順次設定し、その設定した各到来方向において指向性をＮ個の指向性に順次変えてＮ個の基準信号を順次受信する。信号変換手段は、アレーアンテナによって受信されたＮ×Ｐ個の基準信号に基づいて、第１の受信信号を第２の受信信号に変換するための変換手段を決定し、その決定した変換手段を用いて第１の受信信号を第２の受信信号に変換する。
【００１２】
好ましくは、信号変換手段は、Ｎ×Ｐ個の基準信号に基づいて、変換手段として第１の受信信号を第２の受信信号に変換するための変換行列を演算し、その演算した変換行列を第１の受信信号に乗算して第１の受信信号を第２の受信信号に変換する。
【００１３】
好ましくは、信号変換手段は、Ｎ個の基準信号の到来方向が１つの到来方向に設定されたときにアレーアンテナによって順次受信されたＮ個の基準信号に基づいて１つの到来方向からアレーアンテナに到来するＮ個の基準信号に対する相関行列を演算し、その演算した相関行列に固有値分解を施して最大の固有値に対応する固有ベクトルを演算する固有ベクトル演算処理をＰ個の到来方向に対して実行し、Ｐ個の固有ベクトルからなる固有行列を演算し、さらに、Ｐ個の到来方向に基づいて到来方向行列を演算し、その演算した固有行列および到来方向行列に基づいて変換行列を演算する。
【００１４】
また、この発明によれば、無線システムは、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の受信装置と、受信装置へ無線信号を送信する送信装置とを備える。
【発明の効果】
【００１５】
この発明においては、受信装置は、アレーアンテナによって受信され、１本の給電素子から出力された第１の受信信号をＭ＋１本の給電素子から出力される第２の受信信号に変換し、Ｍ＋１本の給電素子から出力される出力信号の処理に適した所定のアルゴリズムを用いて第２の受信信号を処理する。
【００１６】
従って、この発明によれば、出力信号を複数の給電素子から出力するアレーアンテナに適したアルゴリズムを用いて受信信号を処理できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１８】
図１は、この発明の実施の形態による受信装置の概略図である。図１を参照して、この発明の実施の形態による受信装置１００は、アレーアンテナ１０と、指向性切換手段２０と、信号変換手段３０と、信号処理手段４０とを備える。
【００１９】
アレーアンテナ１０は、アンテナ素子１〜７と、信号受信手段８と、バラクタダイオード１１〜１６とを含む。アンテナ素子１〜７は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸からなるｘｙｚ直交座標におけるｚ軸に沿ってｘ−ｙ平面（所定平面）に配置される。
【００２０】
図２は、図１に示すｘ−ｙ平面におけるアンテナ素子１〜７の平面配置図である。図２を参照して、アンテナ素子１〜７は、アンテナ素子７を中心にして円形に配置される。そして、アンテナ素子１〜６は、アンテナ素子７から半径λ／４（λ：受信電波の波長）の位置に等間隔に配置される。
【００２１】
再び、図１を参照して、アンテナ素子１〜６の各々は、無給電素子であり、アンテナ素子７は、給電素子である。信号受信手段８は、アンテナ素子７（給電素子）に接続される。そして、信号受信手段８は、アンテナ素子７からの電流を受けてアレーアンテナ１０の受信信号ｙを信号変換手段３０へ出力する。バラクタダイオード１１〜１６は、それぞれ、アンテナ素子１〜６と接地ノードとの間に接続される。これによって、無給電素子であるアンテナ素子１〜６には、可変容量素子であるバラクタダイオード１１〜１６がそれぞれ装荷される。
【００２２】
このように、アレーアンテナ１０は、１本の給電素子（アンテナ素子７）と、６本の無給電素子（アンテナ素子１〜６）とからなる７本のアンテナ素子が給電素子を中心にして円形に配列された構造からなり、受信信号ｙを１本の給電素子（アンテナ素子７）から出力する。
【００２３】
指向性切換手段２０は、バラクタダイオード１１〜１６に制御電圧セットＣＶＬ１〜ＣＶＬ６を供給し、アレーアンテナ１０の指向性を切換える。バラクタダイオード１１〜１６は、それぞれ、制御電圧ＣＶＬ１〜ＣＶＬ６によって容量（リアクタンス値）が変化する。指向性切換手段２０は、各バラクタダイオード１１〜１６におけるリアクタンス値が“ｈｉ”（最大値）または“ｌｏ”（最小値）になるように各制御電圧ＣＶＬ１〜ＣＶＬ６の電圧値を決定し、制御電圧セットＣＶＬ１〜ＣＶＬ６をバラクタダイオード１１〜１６へ供給する。
【００２４】
この場合、指向性切換手段２０は、バラクタダイオード１１〜１６におけるリアクタンス値ｘｍ１〜ｘｍ６のリアクタンスセットｘｍが表１に示すように変化するように制御電圧セットＣＶＬ１〜ＣＶＬ６をバラクタダイオード１１〜１６へ供給する。
【００２５】
【表１】
【００２６】
リアクタンス値ｘｍ１〜ｘｍ６の全てが“ｈｉ”であるとき（ｍ＝０）、アレーアンテナ１０は、全方位に感度があるオムニパターンに近いパターンからなるビームパターンＢＰＭ０を有する。また、リアクタンス値ｘｍ１が“ｌｏ”であり、リアクタンス値ｘｍ２〜ｘｍ６が“ｈｉ”であるとき（ｍ＝１）、アレーアンテナ１０は、０度の方向に指向性があるビームパターンＢＰＭ１を有する。なお、アンテナ素子７からアンテナ素子１への方向を０度の方向とする（図２参照）。
【００２７】
更に、リアクタンス値ｘｍ２が“ｌｏ”であり、リアクタンス値ｘｍ１，ｘｍ３〜ｘｍ６が“ｈｉ”であるとき（ｍ＝２）、アレーアンテナ１０は、６０度の方向に指向性があるビームパターンＢＰＭ２を有する。
【００２８】
以下、同様にして、各リアクタンス値ｘｍ３〜ｘｍ６が“ｌｏ”であり、それ以外のリアクタンス値が“ｈｉ”であるとき（ｍ＝３〜６）、アレーアンテナ１０は、それぞれ、１２０度、１８０度、２４０度および３００度の方向に指向性があるビームパターンＢＰＭ３〜ＢＰＭ６を有する（図２参照）。
【００２９】
このように、指向性切換手段２０は、無給電素子であるアンテナ素子１〜６に装荷されたバラクタダイオード１１〜１６のリアクタンス値ｘｍ１〜ｘｍ６を変えることによってアレーアンテナ１０の指向性を切換える。
【００３０】
信号変換手段３０は、アレーアンテナ１０の信号受信手段８を介して給電素子であるアンテナ素子７と接続され、１本のアンテナ素子７（給電素子）からアレーアンテナ１０が受信した受信信号ｙを受ける。そして、信号変換手段３０は、後述する方法によって、１本のアンテナ素子７から出力された受信信号ｙを７本の給電素子から出力された受信信号ｘに変換するための変換手段を求め、その求めた変換手段によって受信信号ｙを受信信号ｘへ変換する。
【００３１】
信号処理手段４０は、信号変換手段３０から出力された受信信号ｘを７本の給電素子から出力された受信信号ｘの処理に適したアルゴリズムを用いて処理する。
【００３２】
受信信号ｙを受信信号ｘに変換するための変換手段を求める方法について説明する。Ｑ（Ｑは正の整数）個のコヒーレント波がアレーアンテナ１０に到来している環境を考える。アレーアンテナ１０のリアクタンスセットｘｍ（＝ｘｍ１〜ｘｍ６）をＮ個に変化させてＱ個のコヒーレント波を受信したときの受信信号ベクトル＜ｙ＞は、次式によって表わされる。
【００３３】
【数１】
【００３４】
ただし、ベクトル＜Ｗ＞は、等価ウエイト行列であり、行列＜Ａ＞は、Ｑ個のコヒーレント波の各到来方向からなるステアリング行列であり、ベクトル＜ｕ（ｔ）＞は、到来信号ベクトルであり、ベクトル＜ｎ（ｔ）＞は、熱雑音である。また、Ｔは、転置を表わす。なお、式（１）において、θ１，・・・，θＱは、アンテナ素子７からアンテナ素子１への方向を０度とするＱ個のコヒーレント波の到来方向であり、φ１，・・・，φＭは、アンテナ素子７からアンテナ素子１への方向を０度とするＭ（Ｍは正の整数）本の無給電素子の方位角である。
【００３５】
なお、この明細書においては、表記＜Ｘ＞は、行列ＸまたはベクトルＸを意味する。したがって、表記＜ｙ＞は、式（１）におけるベクトルｙを表わす。
【００３６】
そして、式（１）により決定される受信信号ベクトル＜ｙ＞の相関行列＜Ｒｙｙ＞を演算すると、次式のようになる。
【００３７】
【数２】
【００３８】
なお、式（２）におけるＨは、エルミート転置を表わす。
【００３９】
そして、相関行列＜Ｒｙｙ＞に固有値分解を施すと、次式のようになる。
【００４０】
【数３】
【００４１】
そうすると、式（２）の右辺第１項は、式（３）の右辺第１項と等しくなるので、２つの式が得られる。
【００４２】
【数４】
【００４３】
【数５】
【００４４】
式（４）の右辺＜ｖ１＞は、最大の固有値λ１に対応する固有ベクトルを表わす。そして、式（４）は、アレーアンテナ１０に到来するＱ個のコヒーレント波の１つの到来方向に対して成立する式であり、Ｐ（Ｐは、Ｐ≧２Ｎを満たす整数）個の到来方向に対しては、ステアリングベクトル＜ａ（θ）＞および固有ベクトル＜ｖ１＞をそれぞれＰ個の到来方向に対して表したステアリング行列＜ＡＣ＞および固有行列＜ＥＳ＞に代えた式が成立する。
【００４５】
固有行列＜ＥＳ＞は、次式によって表される。
【００４６】
【数６】
【００４７】
また、ステアリング行列＜ＡＣ＞は、次式によって表される。
【００４８】
【数７】
【００４９】
従って、式（４）の固有ベクトル＜ｖ１＞の代わりに式（６）の固有行列＜ＥＳ＞を用い、式（４）のステアリングベクトル＜ａ（θ）＞の代わりに式（７）を用いると、Ｐ個の到来方向に対して次式が成立する。
【００５０】
【数８】
【００５１】
一方、Ｍ＋１本の給電素子から出力される受信信号ベクトル＜ｘ＞は、式（１）におけるステアリング行列＜Ａ＞と、アレーアンテナ１０に到来する信号ｕ（ｔ）との積に等しいので、式（１）を用いると次式が得られる。
【００５２】
【数９】
【００５３】
式（９）において、行列＜Ｔ＞は、Ｎ×（Ｍ＋１）の要素からなる行列＜ＷＴ＞の擬似逆行列であり、次式により表わされる。
【００５４】
【数１０】
【００５５】
式（１０）において、＋は、擬似逆行列を表わし、＊は、複素共役を表わす。
【００５６】
また、次式が成立する。
【００５７】
【数１１】
【００５８】
なお、式（１１）の右辺は、（Ｍ＋１）×（Ｍ＋１）の単位行列である。
【００５９】
式（１０）および（１１）から次式が成立する。
【００６０】
【数１２】
【００６１】
そして、式（８）および式（１２）を行列＜Ｔ＞について解くと次式が得られる。
【００６２】
【数１３】
【００６３】
アレーアンテナ１０においては、近似的に＜ｘ＞＝＜Ｔ＞×＜ｙ＞が成立するので、式（１３）は、ステアリング行列＜ＡＣ＞および固有行列＜ＥＳ＞を求めることができれば、受信信号ベクトル＜ｙ＞を受信信号ベクトル＜ｘ＞へ変換するための変換行列＜Ｔ＞を演算できることを意味する。
【００６４】
そこで、この発明においては、次の方法によってステアリング行列＜ＡＣ＞および固有行列＜ＥＳ＞を求め、その求めたステアリング行列＜ＡＣ＞および固有行列＜ＥＳ＞を式（１３）へ代入して変換行列＜Ｔ＞を演算する。
【００６５】
受信信号ベクトル＜ｙ＞を受信信号ベクトル＜ｘ＞に変換するための変換行列＜Ｔ＞を求める場合、送信源から到来するＮ個の同じ基準信号の到来方向として０〜３６０度の中からＰ個の方向が任意に選択され、その選択されたＰ個の到来方向の１つの到来方向にＮ個の基準信号の到来方向が設定される。また、指向性切換手段２０は、アレーアンテナ１０のリアクタンスセットｘｍ（＝ｘｍ１〜ｘｍ６）をＮ個に順次変える。そして、アレーアンテナ１０は、その設定された各到来方向において、リアクタンスセットｘｍ（＝ｘｍ１〜ｘｍ６）をＮ個に変えてＮ個の基準信号を受信する。
【００６６】
即ち、アレーアンテナ１０の信号受信手段８は、Ｎ個の基準信号の到来方向を到来方向ＤＩＲ１（到来角θ１）に設定し（図２参照）、指向性切換手段２０は、アレーアンテナ１０のリアクタンスセットｘｍ（＝ｘｍ１〜ｘｍ６）をＮ個に順次変え、アレーアンテナ１０は、Ｎ個の基準信号を受信する。
【００６７】
そして、アレーアンテナ１０は、式（１）によって演算される受信信号ベクトル＜ｙ１＞＝［ｙ１１，ｙ２１，・・・，ｙＮ１］Ｔを信号変換手段３０へ出力し、信号変換手段３０は、アレーアンテナ１０から受けた受信信号ベクトル＜ｙ１＞＝［ｙ１１，ｙ２１，・・・，ｙＮ１］Ｔを式（２）に代入して到来方向θ１における相関行列＜Ｒｙｙ＞｜θ１を演算する。引続いて、信号変換手段３０は、相関行列＜Ｒｙｙ＞｜θ１に固有値分解を施して最大の固有値に対応する固有ベクトル＜ｖ１１＞を求める。
【００６８】
その後、アレーアンテナ１０の信号受信手段８は、Ｎ個の基準信号の到来方向を到来方向ＤＩＲ２（到来角θ２）に設定し（図２参照）、指向性切換手段２０は、アレーアンテナ１０のリアクタンスセットｘｍ（＝ｘｍ１〜ｘｍ６）をＮ個に順次変え、アレーアンテナ１０は、Ｎ個の基準信号を受信する。
【００６９】
そして、アレーアンテナ１０は、式（１）によって演算される受信信号ベクトル＜ｙ２＞＝［ｙ１２，ｙ２２，・・・，ｙＮ２］Ｔを信号変換手段３０へ出力し、信号変換手段３０は、アレーアンテナ１０から受けた受信信号ベクトル＜ｙ２＞＝［ｙ１２，ｙ２２，・・・，ｙＮ２］Ｔを式（２）に代入して到来方向θ２における相関行列＜Ｒｙｙ＞｜θ２を演算する。引続いて、信号変換手段３０は、相関行列＜Ｒｙｙ＞｜θ２に固有値分解を施して最大の固有値に対応する固有ベクトル＜ｖ２１＞を求める。
【００７０】
以下、同様にして、アレーアンテナ１０の信号受信手段８は、Ｎ個の基準信号の到来方向を到来方向ＤＩＲｊ（ｊ＝３〜Ｐ）（到来角θｊ）に設定し（図２参照）、指向性切換手段２０は、アレーアンテナ１０のリアクタンスセットｘｍ（＝ｘｍ１〜ｘｍ６）をＮ個に順次変え、アレーアンテナ１０は、Ｎ個の基準信号を受信する。
【００７１】
そして、アレーアンテナ１０は、式（１）によって演算される受信信号ベクトル＜ｙｊ＞＝［ｙ１ｊ，ｙ２ｊ，・・・，ｙＮｊ］Ｔ（ｊ＝３〜Ｐ）を信号変換手段３０へ出力し、信号変換手段３０は、アレーアンテナ１０から受けた受信信号ベクトル＜ｙｊ＞＝［ｙ１ｊ，ｙ２ｊ，・・・，ｙＮｊ］Ｔを式（２）に代入して到来方向θｊにおける相関行列＜Ｒｙｙ＞｜θｊを演算する。引続いて、信号変換手段３０は、相関行列＜Ｒｙｙ＞｜θｊに固有値分解を施して最大の固有値に対応する固有ベクトル＜ｖｊ１＞を求める。
【００７２】
Ｐ個の固有ベクトル＜ｖ１１＞，＜ｖ２１＞，・・・，＜ｖＰ１＞が求まると、信号変換手段３０は、Ｐ個の固有ベクトル＜ｖ１１＞，＜ｖ２１＞，・・・，＜ｖＰ１＞を要素とする固有行列＜ＥＳ＞を式（６）により演算する。また、信号変換手段３０は、Ｐ個の角度θ１，θ２，・・・，θＰを式（７）に代入してステアリング行列＜ＡＣ＞を演算する。
【００７３】
そして、信号変換手段３０は、演算したステアリング行列＜ＥＳ＞およびステアリング行列＜ＡＣ＞を式（１３）に代入して受信信号ベクトル＜ｙ＞を受信信号ベクトル＜ｘ＞に変換するための変換行列＜Ｔ＞を演算する。
【００７４】
図３は、図１に示す受信装置１００における動作を説明するためのフローチャートである。一連の動作が開始されると、信号受信手段８は、０〜３６０度の範囲から任意のＰ個の角度θｐ（ｐ＝１〜Ｐ）を選択する（ステップＳ１）。即ち、Ｎ個の基準信号の到来方向がＰ個の到来方向ＤＩＲ１〜ＤＩＲＰ（到来角度θｐ（ｐ＝１〜Ｐ））に設定される。
【００７５】
そして、信号受信手段８は、ｐ＝１を設定する（ステップＳ２）。これにより、Ｎ個の基準信号の到来方向が到来方向ＤＩＲ１（到来角度θ１）に設定される。その後、指向性切換手段２０は、ｎ＝１を設定し（ステップＳ３）、リアクタンスセットｘ（ｎ）をバラクタダイオード１１〜１６へ出力する（ステップＳ４）。そして、アレーアンテナ１０は、基準信号Ｓｓｔｄを受信し（ステップＳ５）、基準信号Ｓｓｔｄに対する受信信号ベクトル＜ｙｎ＞＝［ｙ１ｎ，ｙ２ｎ，・・・，ｙＮｎ］Ｔを取得する（ステップＳ６）。
【００７６】
なお、基準信号Ｓｓｔｄは、例えば、Ｋ（Ｋは正の整数）ビットの信号［０１１１・・・０１］からなる。
【００７７】
その後、指向性切換手段２０は、ｎ＝Ｎであるか否かを判定する（ステップＳ７）。ｎ＝Ｎでないとき、指向性切換手段２０は、ｎ＝ｎ＋１を設定する（ステップＳ８）。
【００７８】
そして、ステップＳ７において、ｎ＝Ｎであると判定されるまで、ステップＳ４〜ステップＳ８が繰返し実行される。
【００７９】
即ち、ステップＳ４〜ステップＳ８の経路がＮ回繰返し実行される。そして、ステップＳ４〜ステップＳ８の経路をＮ回繰返し実行することは、アレーアンテナ１０のリアクタンスセットをＮ個のリアクタンスセットに順次切換えて基準信号ＳｓｔｄをＮ回受信することに相当する。
【００８０】
ステップＳ７において、ｎ＝Ｎであると判定されると、アレーアンテナ１０は、式（１）によって演算される受信信号ベクトル＜ｙｐ＞｜θｐ（到来角度θｐにおける受信信号ベクトルを表す）を信号変換手段３０へ出力し、信号変換手段３０は、受信信号ベクトル＜ｙｐ＞｜θｐを式（２）に代入して相関行列＜Ｒｙｙ＞｜θｐを演算する（ステップＳ９）。
【００８１】
そして、信号変換手段３０は、相関行列＜Ｒｙｙ＞｜θｐに固有値分解を施し、最大の固有値に対する固有ベクトル＜ｖｐ１＞を求める（ステップＳ１０）。その後、信号受信手段８は、ｐ＝Ｐであるか否かを判定し（ステップＳ１１）、ｐ＝Ｐでないとき、ｐ＝ｐ＋１を設定する（ステップＳ１２）。そして、ステップＳ１１においてｐ＝Ｐになるまで、上述したステップＳ３〜ステップＳ１２が繰返し実行される。
【００８２】
ステップＳ１１において、ｐ＝Ｐであると判定されると、信号変換手段３０は、Ｐ個の固有ベクトル＜ｖ１１＞，＜ｖ２１＞，・・・，＜ｖＰ１＞を取得し、式（６）により固有行列＜ＥＳ＞を生成する（ステップＳ１３）。また、信号変換手段３０は、角度θｐ（ｐ＝１〜Ｐ）に基づいて、ステアリング行列＜ＡＣ＞を式（７）により生成する（ステップＳ１４）。
【００８３】
そして、信号変換手段３０は、固有行列＜ＥＳ＞およびステアリング行列＜ＡＣ＞を式（１３）に代入して変換行列＜Ｔ＞を演算し（ステップＳ１５）、その演算した変換行列＜Ｔ＞をメモリ（図示せず）に記憶する（ステップＳ１６）。なお、演算した変換行列＜Ｔ＞をメモリに記憶するのは、それ以降の受信信号ベクトル＜ｙ＞から受信信号ベクトル＜ｘ＞への変換においてメモリから変換行列＜Ｔ＞を読み出して受信信号ベクトル＜ｙ＞から受信信号ベクトル＜ｘ＞への変換を行なうようにするためである。
【００８４】
その後、アレーアンテナ１０は、送信源から無線信号を受け、受信信号ベクトル＜ｙ＞を信号変換手段３０へ出力する。信号変換手段３０は、アレーアンテナ１０からの受信信号ベクトル＜ｙ＞に変換行列＜Ｔ＞を乗算して受信信号ベクトル＜ｘ＞を演算し（ステップＳ１７）、その演算した受信信号ベクトル＜ｘ＞を信号処理手段４０へ出力する。
【００８５】
信号処理手段４０は、通常のアレーアンテナ用のアルゴリズム、即ち、７本の給電素子から出力される出力信号の処理に適したアルゴリズムを受信信号ベクトル＜ｘ＞に適用して各種の信号処理を行なう（ステップＳ１８）。これにより、一連の動作が終了する。
【００８６】
このように、固有行列＜ＥＳ＞およびステアリング行列＜ＡＣ＞を求めることにより変換行列＜Ｔ＞を演算できるが、変換行列＜Ｔ＞の演算を可能とする条件として次の２つが存在する。
【００８７】
条件１：Ｎが大きいこと
条件２：式（１４）が成立すること
【００８８】
【数１４】
【００８９】
式（１４）において、‖・‖Ｆは、フロベニウスノルムを示す。
【００９０】
条件２は、有限値Ｎに対して適当なリアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘＮ］が存在することである。そして、有限値Ｎに対して適当なリアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘＮ］が存在するか否かは、最急勾配法（非特許文献２）を用いて決定される。
【００９１】
Ｎ＝∞であれば、条件２は必要ではない。しかし、Ｎ＝∞は、実現不可能であるので、上記の条件１，２が必要となる。従って、条件１，２を満たす場合に変換行列＜Ｔ＞を演算可能である。
【００９２】
そして、信号変換手段３０が変換行列＜Ｔ＞を演算する場合、受信装置１００は、各到来方向θｐ（ｐ＝１〜Ｐ）においてＮ個の同じ基準信号Ｓｓｔｄを受信するが（ステップＳ４〜ステップＳ８の経路がＮ回繰返し実行される）、これは、次の理由による。
【００９３】
図３に示すステップＳ４〜ステップＳ８がＮ回繰返し実行された後、ステップＳ９において、各到来方向θｐ（ｐ＝１〜Ｐ）における相関行列Ｒｙｙ｜θｐが演算され、ステップＳ１０において、相関行列Ｒｙｙ｜θｐに固有値分解を施して最大の固有値に対応する固有ベクトル＜ｖｐ１＞が演算される。この固有ベクトル＜ｖｐ１＞は、無給電素子であるアンテナ素子１〜６に装荷されたバラクタダイオード１１〜１６のリアクタンスセット［ｘｍ１，ｘｍ２，・・・，ｘｍ６］をＮ個に順次変えて受信した受信信号ベクトル＜ｙｐ＞｜θｐに基づいて演算され、式（４）に示す関係から明らかなように、Ｎ個の基準信号Ｓｓｔｄが到来角θｐの方向からアレーアンテナ１０に到来したときの各アンテナ素子１〜７の重み（ウエイト）を示すものである。従って、アレーアンテナ１０が基準信号Ｓｓｔｄを受信するときの各アンテナ素子１〜７の重み（ウエイト）を正確に求めるためには、Ｎ個のリアクタンスセット［ｘｍ１，ｘｍ２，・・・，ｘｍ６］の各々が設定されたときにアレーアンテナ１０に到来する信号を同じにする必要があるからである。つまり、Ｎ個のリアクタンスセット［ｘｍ１，ｘｍ２，・・・，ｘｍ６］の各々が設定されたときにアレーアンテナ１０に到来する信号が異なっていれば、最大の固有値が得られても、それは、信号に起因しているのか、各アンテナ素子１〜７の重み（ウエイト）に起因しているのかが明らかではないので、各アンテナ素子１〜７の重み（ウエイト）に起因していることを明確にするためにアレーアンテナ１０がＮ個の同じ基準信号Ｓｓｔｄを受信することにしたのである。
【００９４】
このように、この発明においては、受信装置１００は、Ｎ個の同じ基準信号Ｓｓｔｄを受信してアレーアンテナ１０が信号を受信するときの各アンテナ素子１〜７の重み（ウエイト）を正確に演算する。
【００９５】
次に、式（１３）によって演算される行列＜Ｔ＞が受信信号ベクトル＜ｙ＞を受信信号ベクトル＜ｘ＞に変換するときの変換行列になることを説明する。上述した固有ベクトル＜ｖ１１＞，＜ｖ２１＞，・・・，＜ｖＰ１＞の各々は、各到来方向において、アレーアンテナ１０のリアクタンスセットをＮ個に変えたときの最大の固有値λ１に対応する固有ベクトルであるので、各到来方向θｐ（ｐ＝１〜Ｐ）において、アレーアンテナ１０が基準信号Ｓｓｔｄを受信するときの各アンテナ素子１〜７の重みを示すベクトルである。最大の固有値λ１は、受信信号強度が最大となる直接波、即ち、基準信号Ｓｓｔｄに対して得られるからである。
【００９６】
従って、式（１３）に示す行列＜ＥＳ＞は、Ｐ個の到来方向θｐ（ｐ＝１〜Ｐ）において、アレーアンテナ１０が基準信号Ｓｓｔｄを受信するときの各アンテナ素子１〜７の重みを示す行列となる。つまり、行列＜ＥＳ＞は、アンテナ素子１〜７の全てを給電素子とした場合に、アレーアンテナ１０がＰ個の到来方向θｐ（ｐ＝１〜Ｐ）において基準信号Ｓｓｔｄを受信するときの各アンテナ素子１〜７の重みを示す行列となる。
【００９７】
また、式（１３）の右辺の＜ＥＳＨ＞・（＜ＥＳ＞＜ＥＳＨ＞）−１は、行列＜ＥＳ＞の逆行列に相当する。
【００９８】
その結果、式（１３）によって演算される変換行列＜Ｔ＞は、アレーアンテナ１０の受信信号ベクトル＜ｙ＞をアンテナ素子１〜７の全てを給電素子とするアンテナの受信信号ベクトル＜ｘ＞に変換するための行列になる。
【００９９】
図４は、受信信号ベクトル＜ｙ＞を受信信号ベクトル＜ｘ＞へ変換する概念を示す概念図である。アンテナ素子１〜７の全てが給電素子であるアレーアンテナをアレーアンテナ１０Ａで示す。
【０１００】
受信信号ベクトル＜ｙ＞は、１本の給電素子（アンテナ素子７）を備えるアレーアンテナ１０の出力信号であり（図４の（ａ）参照）、受信信号ベクトル＜ｘ＞は、７本の給電素子（アンテナ素子１〜７）を備えるアレーアンテナ１０Ａの出力信号である（図４の（ｂ）参照）。そして、上述した変換行列＜Ｔ＞を受信信号ベクトル＜ｙ＞に乗算することにより、受信信号ベクトル＜ｘ＞に変換される。即ち、受信信号ベクトル＜ｙ＞に変換行列＜Ｔ＞を乗算することによって、１本の給電素子（アンテナ素子７）から出力される受信信号ベクトル＜ｙ＞が７本の給電素子（アンテナ素子１〜７）から出力される受信信号ベクトル＜ｘ＞に変換される。
【０１０１】
図５は、受信信号ベクトル＜ｙ＞から受信信号ベクトル＜ｘ＞への変換を示す模式図である。なお、図５においては、アレーアンテナ１０は、１本の給電素子Ａ０と、Ｍ本の無給電素子Ａ１〜ＡＭとを備えるものとして示されている。
【０１０２】
受信器２１は、図１に示す信号受信手段８と指向性切換手段２０との機能を果たす。
【０１０３】
ブロックＢＬＫ＿１〜ＢＬＫ＿Ｎの各々は、Ｋビットのデータ［０１１１・・・０１］からなり、基準信号Ｓｓｔｄを構成する。そして、アレーアンテナ１０は、変換行列＜Ｔ＞を決定する場合、受信器２１によって、基準信号Ｓｓｔｄの到来方向を到来方向ＤＩＲｊ（到来角θｊ（ｊ＝１〜Ｐ））に順次設定し、各到来方向ＤＩＲｊ（到来角θｊ（ｊ＝１〜Ｐ））において指向性をＮ個の指向性に変えて（即ち、リアクタンスセットｘ１，ｘ２，・・・，ｘＭをＮ個に変化させて）ブロックＢＬＫ＿１〜ＢＬＫ＿Ｎを順次受信する。即ち、アレーアンテナ１０は、変換行列＜Ｔ＞を決定する場合、Ｎ×Ｐ個の基準信号Ｓｓｔｄを順次受信する。
【０１０４】
Ａ／Ｄ変換器２２は、アレーアンテナ１０から出力されたＮ×Ｐ個の基準信号Ｓｓｔｄをアナログ信号からデジタル信号へ変換して変換手段２３へ出力する。変換手段２３は、Ｎ×Ｐ個の基準信号Ｓｓｔｄに基づいて、上述した方法によって変換行列＜Ｔ＞を演算し、Ａ／Ｄ変換器２２から受けた受信信号ベクトル＜ｙ＞に変換行列＜Ｔ＞を乗算して受信信号ベクトル＜ｘ＞を処理アルゴリズム２４へ出力する。この場合、Ｎ×Ｐ個の基準信号Ｓｓｔｄは、変換手段２３によって（Ｍ＋１）×Ｐ個の基準信号Ｓｓｔｄへ変換され、（Ｍ＋１）×Ｐ個の基準信号Ｓｓｔｄにそれぞれ重みｗ０，ｗ１，・・・，ｗＭが乗算されて処理アルゴリズム２４へ出力される。
【０１０５】
処理アルゴリズム２４は、Ｍ＋１本の給電素子から出力される受信信号に適したアルゴリズムを用いて電波の到来方向の推定等を行なう。
【０１０６】
上述した変換行列＜Ｔ＞を用いて受信信号ベクトル＜ｙ＞を受信信号ベクトル＜ｘ＞へ変換し、その変換した受信信号ベクトル＜ｘ＞に７本の給電素子から出力される出力信号に適したアルゴリズムを適用して受信信号を処理した場合の結果について説明する。
【０１０７】
図６は、リアクタンスセット数Ｎによるビットエラーレートの変化を示す図である。図６において、縦軸は、ビットエラーレートを表し、横軸は、リアクタンスセット数Ｎを表す。また、曲線ｋ１〜ｋ５は、それぞれ、ノイズ対信号比ＳＮＲが０，５，１０，１５，２０である。図６の結果からＮ＝７以上のリアクタンスセット数において、リアクタンスセット数Ｎの増加に伴ってビットエラーレートが大きく低下することが解る。また、同じリアクタンスセット数Ｎにおいては、信号強度が大きくなるに従ってビットエラーレートが低下する。そして、ノイズ対信号比ＳＮＲが５以上においては、リアクタンスセット数Ｎの“７”からの増加がビットエラーレートの急激な低下に効果的である。
【０１０８】
図７は、アレーアンテナ１０に到来する２つの信号の到来角度差によるビットエラーレートの変化を示す図である。図７において、縦軸は、ビットエラーレートを表し、横軸は、２つの信号の到来角度差を表す。また、曲線ｋ６，ｋ７は、それぞれ、リアクタンスセット数Ｎ＝２０，１００の場合を示す。
【０１０９】
２つの信号の到来角度差Δθが小さくなると、ビットエラーレートが大きくなる。２つの信号が干渉するためである。そして、到来角度差Δθが１０度以上に大きくなると、ビットエラーレートが急激に低下する。また、各到来角度差Δθにおいて、リアクタンスセット数Ｎの増加に伴いビットエラーレートが低下し、その低下度合は、到来角度差Δθが大きくなるに伴って大きくなる。
【０１１０】
次に、受信信号ベクトル＜ｘ＞を用いてBlind digital beamforming法によってビームパターンを形成した結果について説明する。図８は、Blind digital beamforming法によってビームパターンを形成した結果を示す図である。図８において、縦軸は、受信信号強度を表し、横軸は、到来角度を表す。
【０１１１】
図８において、所望波（ＳＯＩ：Ｓｉｇｎａｌ Ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）は、２４０度の方向から到来し、干渉波は、０度、６０度、１２０度、１８０度および３００度の方向から到来する。
【０１１２】
図８から明らかなように、リアクタンスセット数Ｎが増加するに従って、所望波の到来方向（２４０度）および干渉波の到来方向（０度、６０度、１２０度、１８０度および３００度）に一致したビームパターンを形成できる。
【０１１３】
最後に、変換行列＜Ｔ＞によって変換された受信信号ベクトル＜ｘ＞を用いて到来方向を推定した結果について説明する。
【０１１４】
表２は、到来方向の推定に用いたアルゴリズムと、その特徴を示す。
【０１１５】
【表２】
【０１１６】
表２に示すBeamforming法、Capon’s beamforming法、MUSIC法、Deterministic ML法、Stochastic ML法およびESPRIT法は、公知の到来方向推定方法である（非特許文献３）。
【０１１７】
図９は、到来角度に対する規格化到来方向スペクトラムを示す図である。図９において、縦軸は、規格化到来方向スペクトラムを表し、横軸は、到来角度を表す。また、曲線ｋ８〜ｋ１０は、それぞれ、Beamforming法、Capon’s beamforming法および部分空間MUSIC法による到来角度の推定結果を示す。
【０１１８】
いずれの方法を用いて到来方向を推定しても、７０度および３００度の信号の到来方向を推定できることが解った。この場合、ノイズ対信号比ＳＮＲは、１０［ｄＢ］であり、リアクタンスセット数Ｎは、“２０”である。
【０１１９】
図１０は、到来角度に対する他の規格化到来方向スペクトラムを示す図である。図１０において、縦軸は、規格化到来方向スペクトラムを表し、横軸は、到来角度を表す。また、曲線ｋ１１〜ｋ１３は、それぞれ、Beamforming法、Capon’s beamforming法および部分空間MUSIC（MUltiple SIgnal Classification）法による到来角度の推定結果を示す。
【０１２０】
図１０から明らかなように、MUSIC法を用いることにより６個の到来波まで、その到来方向を推定可能である（曲線ｋ１３）。この場合、ノイズ対信号比ＳＮＲは、１０［ｄＢ］であり、リアクタンスセット数Ｎは、“２０”である。
【０１２１】
図１１は、推定エラーとリアクタンスセット数との関係図である。図１１において、縦軸は、推定エラーを表し、横軸は、リアクタンスセット数Ｎを表す。また、曲線ｋ１４，ｋ１５は、それぞれ、ESPRIT（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique）法およびMUSIC法を用いた場合を示し、曲線ｋ１６は、従来のＣＲＢ（ＣＲＡＭＥＲ−ＲＡＯ ｌｏｗｅｒＢｏｕｎｄ）を示す。
【０１２２】
ESPRIT法およびMUSIC法の両方において、リアクタンスセット数Ｎが増加するに伴って、推定エラーが大きく低下することが解る。
【０１２３】
上述したように、受信信号ベクトル＜ｙ＞を変換行列＜Ｔ＞によって変換した受信信号ベクトル＜ｘ＞を用いて到来波の到来方向を推定する場合に各種のアルゴリズムを用いて到来方向を推定できることが解った。そして、好ましくは、リアクタンスセット数Ｎを増加させることによって、より正確に到来方向を推定できる。
【０１２４】
また、受信信号ベクトル＜ｘ＞を用いて信号処理を行なってもビットエラーレートが低くなることも解った。
【０１２５】
従って、変換行列＜Ｔ＞により受信信号ベクトル＜ｙ＞を受信信号ベクトル＜ｘ＞へ変換することによって、複数のアンテナ素子の全てから出力された受信信号の処理に適したアルゴリズムを用いて受信信号を処理できる。
【０１２６】
なお、上記においては、リアクタンスセット数Ｎは、アレーアンテナ１０のアンテナ素子数Ｍ＋１に等しいとして説明したが、この発明においては、Ｎ≧Ｍ＋１であればよい。アレーアンテナ１０のオムニパターン（ｍ＝０）を含めると、リアクタンスセット数Ｎは、Ｍ＋１＝６＋１＝７となり、リアクタンスセットＮをＭ＋１以上に切換え可能である。
【０１２７】
そして、リアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］をＮ個、即ち、Ｍ＋１個に切換える場合、次のように切換えてもよい。図１２は、図１に示すｘ−ｙ平面におけるアンテナ素子の他の平面配置図である。
【０１２８】
Ｎ＝Ｍ＋１になるように、リアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］をＮ個に切換える場合、上記においては、アレーアンテナ１０のビームパターンがＢＰＭ０〜ＢＰＭ６になるようにリアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］を切換える（図２参照）と説明したが、この発明においては、これに限らず、アレーアンテナ１０のビームパターンが図１２に示すビームパターンＢＰＭ０，ＢＰＭ７〜ＢＰＭ１２になるようにリアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］を切換えてもよい。
【０１２９】
ビームパターンＢＰＭ７〜ＢＰＭ１２は、表３に示すリアクタンスセットｘｍ１〜ｘｍ６に従って形成される。
【０１３０】
【表３】
【０１３１】
即ち、ビームパターンＢＰＭ７は、ｘｍ１＝ｘｍ２＝”ｌｏ”であり、かつ、ｘｍ３〜ｘｍ６＝”ｈｉ”であるときに形成される。また、ビームパターンＢＰＭ８は、ｘｍ２＝ｘｍ３＝”ｌｏ”であり、かつ、ｘｍ１，ｘｍ４〜ｘｍ６＝”ｈｉ”であるときに形成される。更に、ビームパターンＢＰＭ９は、ｘｍ３＝ｘｍ４＝”ｌｏ”であり、かつ、ｘｍ１，ｘｍ２，ｘｍ５，ｘｍ６＝”ｈｉ”であるときに形成され、ビームパターンＢＰＭ１０は、ｘｍ４＝ｘｍ５＝”ｌｏ”であり、かつ、ｘｍ１〜ｘｍ３，ｘｍ６＝”ｈｉ”であるときに形成され、ビームパターンＢＰＭ１１は、ｘｍ５＝ｘｍ６＝”ｌｏ”であり、かつ、ｘｍ１〜ｘｍ４＝”ｈｉ”であるときに形成され、ビームパターンＢＰＭ１２は、ｘｍ１＝ｘｍ６＝”ｌｏ”であり、かつ、ｘｍ２〜ｘｍ５＝”ｈｉ”であるときに形成される。
【０１３２】
従って、指向性切換手段２０は、ビームパターンＢＰＭ０，ＢＰＭ７〜ＢＰＭ１２を形成するとき、表３に従ってバラクタダイオード１１〜１６のリアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］を順次切換える。
【０１３３】
Ｎ＞Ｍ＋１になるように、リアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］をＮ個に切換える場合、ビームパターンＢＰＭ０〜ＢＰＭ１２の中からＮ個に相当するビームパターンを選択し、その選択したビームパターンが形成されるようにリアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］が切換えられる。
【０１３４】
更に、この発明においては、図１２に示したビームパターンＢＰＭ０〜ＢＰＭ１２以外のビームパターンがアレーアンテナ１０に形成されるようにリアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］をＮ個に切換えてもよい。この場合、バラクタダイオード１１〜１６に供給される制御電圧の値をアナログ的に変化させる。例えば、バラクタダイオード１１〜１６に供給される制御電圧が０Ｖ〜２０Ｖの範囲である場合、この０Ｖ〜２０Ｖの範囲で制御電圧をアナログ的に変えてリアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］をＮ個に切換える。
【０１３５】
また、上記においては、リアクタンス値を変えることによって指向性を切換え可能なアレーアンテナ１０を対象としたが、この発明は、これに限られず、抵抗を変えることによって指向性を切換え可能なアレーアンテナ等、一般的には、インピーダンスを変えることによって指向性を切換え可能なアレーアンテナを対象としてもよい。
【０１３６】
リアクタンス値を変えることは、インピーダンスの虚部を変えることであり、抵抗を変えることは、インピーダンスの実部を変えることであるので、一般的には、インピーダンスを変えることによって指向性を切換えることが可能である。
【０１３７】
従って、この発明は、このようなインピーダンスを変えることによって指向性を切換え可能なアレーアンテナを用いて受信した受信信号を変換行列＜Ｔ＞を用いてＭ＋１本の給電素子から出力される受信信号に変換し、その変換した受信信号に従来のアルゴリズム（＝Ｍ＋１本の給電素子から出力される受信信号に適したアルゴリズム）を適用して信号処理を行なう受信装置に適用される。この場合、Ｍ本の無給電素子の各々には、可変インピーダンス素子が装荷される。
【０１３８】
更に、上記においては、無給電素子の本数Ｍは、６本であるとして説明したが、この発明においては、無給電素子の本数Ｍは、１本以上であればよい。無給電素子の本数が１本以上であれば、アレーアンテナ１０のビームパターンをオムニパターンを含めて２以上に切換え可能であり、式（２）により相関行列＜Ｒｙｙ＞を演算し、Ｐ個の到来方向θｐ（ｐ＝１〜Ｐ）に対するＰ個の固有ベクトル＜ｖ１１＞，＜ｖ２１＞，・・・，＜ｖＰ１＞を求めることができるからである。なお、無給電素子が１本である場合、その１本の無給電素子に装荷されたバラクタダイオードに供給される直流電圧は、例えば、０〜２０Ｖの範囲でアナログ的にＮ個に切換えられ、リアクタンス値ｘｍ１がアナログ的にＮ個に切換えられる。
【０１３９】
図１３は、図１に示す受信装置１００を用いた無線システムの概略図である。無線システム３００は、受信装置１００と、送信装置２００とからなる。送信装置２００は、アンテナ２１０を備える。無線システム３００においては、受信装置１００は、送信装置２００から送信された電波の到来方向を推定する。
【０１４０】
この場合、送信装置２００は、アンテナ２１０を介して電波を送信する。受信装置１００は、アレーアンテナ１０によって送信装置２００からの電波を受信し、その受信した受信信号ｙを上述した方法によって受信信号ｘに変換する。そして、受信装置１００は、受信信号ｘに表２に示す各種の到来方向推定アルゴリズムを適用して送信装置２００からの電波の到来方向を推定する。
【０１４１】
無線システム３００は、このような送信源からの電波の到来方向を推定する無線システムに限らず、それ以外の無線システムであってもよい。例えば、無線システム３００は、複数の無線装置が自律的、かつ、即時的に無線ネットワークを構成するアドホックネットワークシステムであってもよい。無線システム３００がアドホックネットワークシステムである場合、アドホックネットワークシステムを構成する各無線装置は、図１に示す受信装置１００からなる。上記においては、受信装置１００が電波を受信する場合について説明したが、受信装置１００が電波を送信する場合、受信装置１００は、リアクタンスセット［ｘ１，ｘ２，・・・，ｘ６］によって所定のビームパターンをアレーアンテナ１０に形成して電波を他の無線装置へ送信する。従って、受信装置１００は、電波を送受信する無線装置として使用でき、受信装置１００からなる無線装置を用いてアドホックネットワークを構成可能である。
【０１４２】
アドホックネットワークシステムにおいては、各無線装置は、移動するので、受信装置１００は、移動体通信を行なう無線装置としても使用可能である。例えば、受信装置１００は、携帯電話機として使用可能であり、自動車等の移動体に搭載されてもよい。
【０１４３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
この発明は、出力信号を複数の給電素子から出力するアレーアンテナに適したアルゴリズムを用いて受信信号を処理可能な受信装置に適用される。また、この発明は、出力信号を複数の給電素子から出力するアレーアンテナに適したアルゴリズムを用いて受信信号を処理可能な受信装置を備えた無線システムに適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】この発明の実施の形態による受信装置の概略図である。
【図２】図１に示すｘ−ｙ平面におけるアンテナ素子の平面配置図である。
【図３】図１に示す受信装置における動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】受信信号ベクトル＜ｙ＞を受信信号ベクトル＜ｘ＞へ変換する概念を示す概念図である。
【図５】受信信号ベクトル＜ｙ＞から受信信号ベクトル＜ｘ＞への変換を示す模式図である。
【図６】リアクタンスセットの数によるビットエラーレートの変化を示す図である。
【図７】アレーアンテナに到来する２つの信号の到来角度差によるビットエラーレートの変化を示す図である。
【図８】Blind digital beamforming法によってビームパターンを形成した結果を示す図である。
【図９】到来角度に対する規格化到来方向スペクトラムを示す図である。
【図１０】到来角度に対する他の規格化到来方向スペクトラムを示す図である。
【図１１】推定エラーとリアクタンスセット数との関係図である。
【図１２】図１に示すｘ−ｙ平面におけるアンテナ素子の他の平面配置図である。
【図１３】図１に示す受信装置を用いた無線システムの概略図である。
【符号の説明】
【０１４６】
１〜７ アンテナ素子、８ 信号受信手段、１０，１０Ａ アレーアンテナ、１１〜１６ バラクタダイオード、２０ 指向性切換手段、２１ 受信器、２２ Ａ／Ｄ変換器、２３ 変換手段、２４ 処理アルゴリズム、３０ 信号変換手段、４０ 信号処理手段、１００ 受信装置、２００ 送信装置、２１０ アンテナ、３００ 無線システム、ＢＰＭ０〜ＢＰＭ１２ ビームパターン。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍ（Ｍは、正の整数）本の無給電素子と１本の給電素子とからなるＭ＋１本のアンテナ素子を含み、前記１本の給電素子から受信信号を出力するアレーアンテナと、
前記アレーアンテナの指向性が所定の指向性に設定されまたは複数の指向性に切換えられたときに前記アレーアンテナによって受信され、かつ、前記１本の給電素子から出力される第１の受信信号をＭ＋１本の給電素子から出力される第２の受信信号に変換する信号変換手段と、
前記Ｍ＋１本の給電素子から出力される出力信号の処理に適した所定のアルゴリズムを用いて前記第２の受信信号を処理する信号処理手段とを備える受信装置。
【請求項２】
前記Ｍ本の無給電素子に装荷されたＭ個の可変インピーダンス素子の少なくとも１つのインピーダンスを変化させて前記アレーアンテナの指向性を切換える指向性切換手段をさらに備える、請求項１に記載の受信装置。
【請求項３】
前記アレーアンテナは、各々が同じデータからなるＮ（ＮはＭ＋１以上の整数）個の基準信号の到来方向をＰ（Ｐは、Ｐ≧２Ｎを満たす整数）個の到来方向に順次設定し、その設定した各到来方向において前記指向性をＮ個の指向性に順次変えて前記Ｎ個の基準信号を順次受信し、
前記信号変換手段は、前記アレーアンテナによって受信されたＮ×Ｐ個の基準信号に基づいて、前記第１の受信信号を前記第２の受信信号に変換するための変換手段を決定し、その決定した変換手段を用いて前記第１の受信信号を前記第２の受信信号に変換する、請求項１または請求項２に記載の受信装置。
【請求項４】
前記信号変換手段は、前記Ｎ×Ｐ個の基準信号に基づいて、前記変換手段として前記第１の受信信号を前記第２の受信信号に変換するための変換行列を演算し、その演算した変換行列を前記第１の受信信号に乗算して前記第１の受信信号を前記第２の受信信号に変換する、請求項３に記載の受信装置。
【請求項５】
前記信号変換手段は、前記Ｎ個の基準信号の到来方向が１つの到来方向に設定されたときに前記アレーアンテナによって順次受信されたＮ個の基準信号に基づいて前記１つの到来方向から前記アレーアンテナに到来する前記Ｎ個の基準信号に対する相関行列を演算し、その演算した相関行列に固有値分解を施して最大の固有値に対応する固有ベクトルを演算する固有ベクトル演算処理を前記Ｐ個の到来方向に対して実行し、Ｐ個の固有ベクトルからなる固有行列を演算し、さらに、前記Ｐ個の到来方向に基づいて到来方向行列を演算し、前記演算した固有行列および到来方向行列に基づいて前記変換行列を演算する、請求項４に記載の受信装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の受信装置と、
前記受信装置へ無線信号を送信する送信装置とを備える無線システム。
【請求項１】
Ｍ（Ｍは、正の整数）本の無給電素子と１本の給電素子とからなるＭ＋１本のアンテナ素子を含み、前記１本の給電素子から受信信号を出力するアレーアンテナと、
前記アレーアンテナの指向性が所定の指向性に設定されまたは複数の指向性に切換えられたときに前記アレーアンテナによって受信され、かつ、前記１本の給電素子から出力される第１の受信信号をＭ＋１本の給電素子から出力される第２の受信信号に変換する信号変換手段と、
前記Ｍ＋１本の給電素子から出力される出力信号の処理に適した所定のアルゴリズムを用いて前記第２の受信信号を処理する信号処理手段とを備える受信装置。
【請求項２】
前記Ｍ本の無給電素子に装荷されたＭ個の可変インピーダンス素子の少なくとも１つのインピーダンスを変化させて前記アレーアンテナの指向性を切換える指向性切換手段をさらに備える、請求項１に記載の受信装置。
【請求項３】
前記アレーアンテナは、各々が同じデータからなるＮ（ＮはＭ＋１以上の整数）個の基準信号の到来方向をＰ（Ｐは、Ｐ≧２Ｎを満たす整数）個の到来方向に順次設定し、その設定した各到来方向において前記指向性をＮ個の指向性に順次変えて前記Ｎ個の基準信号を順次受信し、
前記信号変換手段は、前記アレーアンテナによって受信されたＮ×Ｐ個の基準信号に基づいて、前記第１の受信信号を前記第２の受信信号に変換するための変換手段を決定し、その決定した変換手段を用いて前記第１の受信信号を前記第２の受信信号に変換する、請求項１または請求項２に記載の受信装置。
【請求項４】
前記信号変換手段は、前記Ｎ×Ｐ個の基準信号に基づいて、前記変換手段として前記第１の受信信号を前記第２の受信信号に変換するための変換行列を演算し、その演算した変換行列を前記第１の受信信号に乗算して前記第１の受信信号を前記第２の受信信号に変換する、請求項３に記載の受信装置。
【請求項５】
前記信号変換手段は、前記Ｎ個の基準信号の到来方向が１つの到来方向に設定されたときに前記アレーアンテナによって順次受信されたＮ個の基準信号に基づいて前記１つの到来方向から前記アレーアンテナに到来する前記Ｎ個の基準信号に対する相関行列を演算し、その演算した相関行列に固有値分解を施して最大の固有値に対応する固有ベクトルを演算する固有ベクトル演算処理を前記Ｐ個の到来方向に対して実行し、Ｐ個の固有ベクトルからなる固有行列を演算し、さらに、前記Ｐ個の到来方向に基づいて到来方向行列を演算し、前記演算した固有行列および到来方向行列に基づいて前記変換行列を演算する、請求項４に記載の受信装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の受信装置と、
前記受信装置へ無線信号を送信する送信装置とを備える無線システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−１２１４９９（Ｐ２００６−１２１４９９Ａ）
【公開日】平成１８年５月１１日（２００６．５．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３０８２４３（Ｐ２００４−３０８２４３）
【出願日】平成１６年１０月２２日（２００４．１０．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６年度独立行政法人情報通信研究機構、研究テーマ「自律分散型無線ネットワークの研究開発」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月１１日（２００６．５．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月２２日（２００４．１０．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６年度独立行政法人情報通信研究機構、研究テーマ「自律分散型無線ネットワークの研究開発」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【Ｆターム（参考）】
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