宽带相干信号DOA算法实现研究

摘要

波达方向估计（DOA：direction of arrival）是阵列信号处理技术的重要组成部分。子空间类高分辨算法提出之后，窄带信号DOA估计理论已经比较完备，已存在比较成熟的实现方案。但随着各相关领域的技术发展，窄带信号系统难以满足更高的性能要求，宽带信号开始逐渐被应用于阵列信号处理系统中。由于宽带信号的复杂性，目前尚没有一种公认的优良测向算法能够权衡好算法硬件实现时计算量与估计精度之间的矛盾关系。本文工作是基于低阵元数的均匀线阵，进行宽带相干信号测向算法在FPGA平台上的实现研究。本文的主要研究工作体现如下。
　　首先，在窄带子空间类高分辨算法仿真分析的基础上，深入研究了针对窄带相干信号测向算法的几种实现方案；研究了均匀线阵接收数据实数化的方法及在算法实现中的意义。从算法硬件实现可行性的角度出发，结合理论仿真结果：对比了几种宽带相干信号子空间测向算法；为本文所提出的实现方案提供理论依据。
　　其次，根据上述方案对比，提出了适合于本次设计的宽带相干信号测向算法实现方案。方案是在宽带 ISM算法的基础上，结合阵列平滑算法对信号进行解相干处理。再通过对均匀线阵接收数据进行酉变换使数据协方差矩阵实数化，降低了后续数据处理的计算量，提高方案的可行性。
　　再次，主要陈述了子空间算法中计算结构最复杂同时也是计算量最大的特征值分解模块的实现方法。对比了特征值模块实现中所涉及的两种数值计算理论。通过对比，采用基于FPGA平台实现Jacobi方法对数据协方差矩阵进行特征值分解。
　　最后，对本次设计所实现的部分功能模块进行仿真测试，通过与理论计算结果的对比，验证各模块的实现效果。在仿真数据支持下，测试各模块功能正确实现的限定条件与实现性能。综合对未完成模块性能的理论推导，给出本次方案实现算法的性能参数。

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第1章 绪论

1.1 概述

1.2 历史发展与研究现状

1.3 论文工作及安排

第2章 子空间类高分辨DOA算法研究

2.1 窄带阵列信号数学模型

2.2 MUSIC算法原理

2.3 MUSIC算法对相干信号处理时的局限性

2.4 宽带信号模型

2.5 子空间类宽带信号DOA估计方法

2.6 本章小结

第3章 实现方案及涉及的数值计算理论

3.1 算法实现的功能划分

3.2 实对称矩阵特征值分解的主要方法

3.3 Cordic的原理与应用

3.4 本章小结

第4章 功能模块硬件描述性语言实现与性能分析

4.1 FFT算法实现

4.2 频域协方差矩阵构造

4.3 协方差矩阵的实数化

4.4 Jacobi算法实现与仿真结果

4.5 本章小结

结论

参考文献

论文附图

致谢