球面共形阵列天线DOA估计的研究及实现

摘要

高空平台无线通信系统覆盖范围广、传播时延小，部署方便灵活，是地面通信系统和卫星通信的有效补充。阵列信号处理技术是提高高空平台通信系统性能的关键技术之一，考虑高空平台的气动特性，一般采用共形阵列天线。本文针对高空平台无线通信系统特点，采用半球形共形天线阵列，研究了高空平台的半球面共形阵列天线波达方向（DOA）估计算法及其实现技术。主要工作和贡献有：
　　（1）提出了一种K-temporal-capon信源数未知的高精度DOA估计算法。针对实际场景中信源数估计错误导致DOA估计方法失效以及现有未知信源数算法分辨率不高或者计算量大的问题，在传统Capon算法和高精度未知信源数K-spatio-temporal算法的基础上，提出了一种信源数未知的高精度DOA估计算法K-temporal-capon，该算法不需要预估信源数，不需要进行特征分解，秉承了K-spatio-temporal高分辨率特点和Capon计算量低的特点，仿真结果表明，在信源数未知条件下，该算法估计精度非常接近高分辨MUSIC算法，具有很强的可行性和实用性。
　　（2）设计了一种半球面共形阵列DOA估计算法的实现方案。考虑到共形球面阵列天线DOA估计运算的复杂性，信号处理部分采用FPGA+DSP的硬件平台，为了降低信号采样率，选择带通采样定理对中频信号进行采样，为了减少逻辑资源消耗并提高吞吐量，设计采用CORDIC算法对各路进行数字下变频，针对DOA估计算法实现中涉及到的矩阵求逆和特征分解关键步骤，设计分别采用矩阵LU分解求逆法和Jacobi特征分解方法，并进行了详细的说明。这样的方案设计，更加便于球面共形阵DOA估计的实现。
　　（3）针对共形球面5阵元子阵，在 FPGA+DSP硬件平台上实现了K-temporal-capon算法和经典MUSIC算法。5个接收通道通过AD9233以35MHZ采样率对中频信号进行采样，然后，在EP3C120F780 Cyclone III FPGA中进行数字下变频和构建自相关矩阵，最后在 TMS320C6713B浮点 DSP处理器中进行K-temporal-capon算法和MUSIC算法的实现。硬件仿真测试结果表明，两种算法均在硬件平台实现了球面阵DOA估计，本文提出的未知信源数K-temporal-capon算法在实时性和估计精度方面都达到了比较好的效果，完全可以应用到高空平台通信系统中。

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第一章 绪论

§1.1 研究背景与意义

§1.2 历史与发展现状

§1.3 本文主要研究内容和安排

第二章 球面共形阵列理论基础

§2.1 阵列接收信号模型

§2.2 Capon算法基本原理

§2.3 MUSIC算法基本原理

§2.4 本章小结

第三章 一种未知信源数高精度DOA估计方法

§3.1 引言

§3.2 K-temporal-capon算法原理

§3.3 仿真结果

§3.4 本章小结

第四章 DOA估计实现方案及关键技术

§4.1 DOA估计信号处理流程

§4.2 DOA估计的硬件平台

§4.3 采样模块的设计

§4.4 数字下变频模块的设计

§4.5 MUSIC算法实现的关键技术

§4.6 K-temporal-capon算法实现的关键技术

§4.7 DSP与FPGA通信接口的设计

§4.8 本章小结

第五章 基于FPGA+DSP的球面共形阵列DOA估计实现

§5.1 DOA估计具体实现整体框图

§5.2 DOA估计各模块的具体实现

§5.3 硬件资源使用与运行时间统计

§5.4 仿真与实测

§5.5 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果