基于时空二维MUSIC算法的DOA估计及其硬件实现方法研究

摘要

本文采用14个阵元组成的均匀线阵作为天线阵列模型，以时空二维 MUSIC算法以及测距原理为理论，对测频测向设备的实现进行了研究。
　　首先，使用 Matlab进行了仿真。从仿真结果中得到了时空二维 MUSIC算法在均匀线阵模型下的角度分辨率，确定了影响测距和测向精度的参数。验证了此方案在给定模型、参数下理论上的可行性。
　　其次，为了进行硬件实现，对时空二维MUSIC算法进行了降维处理。首先对得到的差频信号做1024点FFT变换，得到1024个频点，接着对需要的频点用一维MUSIC算法进行处理。在对一维MUSIC算法的实现过程中，将它分成了协方差矩阵的估计、特征值分解、目标信号个数估计和谱峰搜索四个模块。
　　降维处理后的时空二维MUSIC算法虽然避免了在频率、方向上同时进行搜索，但是计算量仍然很大，算法实现复杂。针对此问题，本文最终选择FPGA和DSP协作作为硬件实现方案。FFT变换、协方差矩阵的估计数据量大，且很规则，因此由 FPGA完成。而协方差矩阵的特征值分解、目标信号个数估计、谱峰搜索的实现过程复杂，因此在DSP中完成。为了满足实时性的要求，同时也基于芯片资源和处理速度的考虑，本设计的FPGA芯片选用了Altera的Arria V，DSP芯片采用了TI的TMS320C6455芯片。DSP与FPGA之间主要通过EMIFA接口进行通信。
　　FPGA部分采用了乒乓操作、流水线、状态机等方法来进行控制和提高算法的处理速度，并且考虑到该设计对实时性要求很高，多数情况下牺牲面积来换取速度。由于特征值的分解、信号源个数的估计方法很多，因此，对各处理算法进行了分析，在保证能达到要求的精度和分辨率的前提下，DSP部分选出了最适合的方案。比如，信号源个数这一参数的获得采用MDL准则完成，协方差矩阵的分解采用QR算法完成。
　　各部分算法、硬件之间相互配合，FPGA部分给出了 FFT变换和得到的协方差矩阵部分的SigtapII的测试结果，DSP部分给出了实现算法的流程图。所有算法的实现都在器件上做了测试，能够成功运行。基本上完成了基于时空二维MUSIC算法的障碍物的测距测向的分辨率、精度和实时性的要求。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 本课题研究的意义

1.3国内外研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第二章 时空二维MUSIC算法测距测向原理

2.1二维MUSIC算法发展概述

2.2 LFM-CW天线阵列测距基本原理

2.3 时空二维MUSIC算法原理

2.4 本章小结

第三章 时空二维MUSIC算法的Matlab实现

3.1 FFT算法原理及仿真

3.2一维MUSIC算法原理

3.3 一维MUSIC算法的模块分解

3.4 算法仿真

3.5 降维处理后的二维MUSIC算法仿真

3.6本章小结

第四章 硬件实现方案研究

4.1 FPGA简介

4.2 DSP简介

4.3 FPGA部分实现

4.4 FPGA与DSP的接口

4.5 DSP部分实现

4.6 硬件实现方案的实时性分析

4.7 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

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