基于FPGA的DOA估计技术的研究

发布时间：2020-04-10 16:43

【摘要】：信号的来波方向(Direction of arrival,DOA)估计,即对感兴趣的空域信号进行处理、计算、实现对信号到达方向的估计;然而超分辨测向算法包含非常大的计算量,硬件实现复杂,且实时性难以满足实际的需求。同时,准确的信源数估计是很多空间谱估计算法的前提,且当辐射源数目估计出现误差时对算法性能影响严重。因此,研究在未知辐射源数条件下的波达方向估计、降低算法计算量和复杂度以及硬件实时实现仍有很大的意义。未知信源数的波达方向估计、快速子空间测向算法以及FPGA实现MUSIC算法是本文的研究重点。本文的工作如下:(1)首先研究了MUSIC算法和求根MUSIC算法,对均匀直线阵、圆阵和L型阵列模型导向矢量做了分析;对不同的信源数估计算法性能进行了仿真对比;研究了两种解相干算法,空间平滑算法以及Toeplitz算法。(2)本文提出了两种改进的传播算子估计算法,其一是对传播算子算法进行实值处理,使得算法的复数运算转变为实数运算,并在算法中引入前后向空间平滑,最后利用求根估计出辐射源方向;改进后的算法进一步降低了算法的复杂度,并且能应用于多径传播环境中。其二是通过小波去噪对接收信号进行预处理,利用适用于低信噪比条件下的Toeplitz算法对小波去噪后重新组成的矩阵进行变换,最后同样利用求根估计出来波方向;该算法提高了输出信噪比,同时能够提高多径传播环境中低信噪比条件下传播算子的估计性能。(3)研究了在辐射源数目未知情况下的波达方向估计。针对MUSIC-like算法计算量大、不具备解相干能力且易出现伪峰的问题,本文在MUSIC-like算法基础上提出了一种适用于相干信号的实值测向算法。算法的思想源于MUSIC算法和波束形成算法,通过约束条件求得最优权值矢量,使得权值矢量落在噪声子空间,由权值矢量与导向矢量的正交关系构造空间谱。基于实数域的特征分解以及求根代替搜索,降低了算法的复杂度和计算量;改进的算法无需预先获知辐射源数目,在信噪比较低或者快拍数较小等较差的估计条件下仍能保持一定的测向性能,降低了出现伪峰的概率,同时具备解相干能力,在多径传播环境中能够准确估计出辐射源方向。(4)最后,MUSIC算法的硬件实现。基于ZYNQ开发平台,在硬件实现中,PL端实现MUSIC算法模块和底层模块的配置管理,PS端进行数据统计分析以及系统级的通信处理功能;FPGA和ARM的结合应用,扩大了超分辨测向算法的应用范围。通过FPGA设计MUSIC算法的协方差矩阵、特征分解和谱峰搜索三个模块,并给出了Vivado软件平台的仿真输出结果,验证了设计方案的可行性。
【图文】：

第 2 章 DOA 估计算法概述第 2 章 DOA 估计算法概述线阵列线阵列的选择，必须适应相应的工作环境，需要考虑的参数包括形状、度范围和阵元数等。因为部分超分辨测向算法只适用于特定的天线阵列线阵形的确定也是超分辨测向算法的选择的前提。同时，由于超分辨算题，为了算法功能的实时实现，必须限制阵元的数量；还要求天线阵列与俯仰角的能力。匀直线阵接收模型

1 21 21 221 22 2 2sin sin sin2 2 2( 1) sin ( 1) sin ( 1) sin( ) ( ) ( )1 1 1LLLi LL M Lj d j d j dj M d j M d j M dM LA a a ae e ee e e 阵列接收信号矩阵为：X (t ) AS (t) N(t)1 2(t) [ (t), (t) (t)]TLS s s s为辐射源构成的矩阵， N (t )为噪声矩阵。直线阵的阵列流形 A 具有范德蒙结构。因此，，均匀线阵具备许多优良均可以在均匀直线阵上实现，然后扩展到其他阵列，这是其他阵列匀圆阵接收模型
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN911.7;TN791

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