CN113900060A - 一种基于软件无线电设备的doa估计系统及估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于技术领域，具体地说，涉及一种基于软件无线电设备的DOA估计系统及估计方法，该系统包括：时钟源、至少一个信号源、至少四个软件无线电设备、均匀线阵和处理器；均匀线阵包括至少四个阵元；每个阵元设置在软件无线电设备上的接收端，并与对应的软件无线电设备通过等长的射频线进行通信连接；每个信号源对应至少四个软件无线电设备，信号源位于至少四个软件无线电设备的一侧，时钟源位于至少四个软件无线电设备的另一侧，且分别与每个软件无线电设备通过时钟同步线进行通信连接，提供同一个时钟脉冲信号；至少四个软件无线电设备均与处理器通信连接；所述处理器，用于采用MUSIC算法，对经过校准的接收数据矩阵进行波达方向估计。
Description
技术领域
本发明属于辐射源定位和波达方向估计技术领域，具体地说，涉及一种基于软件无线电设备的DOA估计系统及估计方法。
背景技术
DOA(direction of arrival，简写DOA)估计也叫信号的来波方向估计，主要是对空间传感器阵接收到的含有噪声的信号数据进行处理，获取目标的方向信息。目前，DOA估计已经被应用到了无线通信、导航、语音处理、声呐、雷达以及射电天文学等很多领域。
作为阵列信号处理的重要部分，信号的波达方向估计出现了许多高精度、低计算复杂度的算法，例如，多重信号分类(MUSIC)算法、旋转不变子空间(ESPRIT)算法、传播算子(PM)算法等。
但是，能够实现射频通道间，时间同步和相位相干的信号接收设备制作过程非常复杂且成本高昂，因此，上述这些算法在实际应用中受到一定的成本限制。
基于传统同源接收机的DOA估计系统复杂，现有的估计系统中，基于数字信号处理系统(Digital Signal Process，DSP)的实时波达方向估计器，该估计器可以有效估计水下声源的方向，在信噪比为4.4dB的条件下，估计偏差约为4°。该估计系统估计精度较差，且该估计系统中的信号接收器通道间都是相位一致的。
基于软件无线电(Software Defined Radio，SDR)的非同源接收机的DOA估计方法成本相对较高且精度受限。软件无线电是以硬件作为无线通信的平台，用软件来实现各种通信功能，使通信系统尽可能摆脱硬件结构的束缚。这种软件化的特点使其便于进行调试和维护，可以减少开发成本，缩短开发周期。软件无线电的平台的硬件和软件大部分是开源且可调式的，非常适合用于采集天线阵列接收到的信号，并实现信号时间和频率上的同步。目前大部分基于SDR的测向都是采用NI-USRP实现的。例如Alawsh S A等人在“2019 IEEE10th GCC Conference&Exhibition(GCC).IEEE,2019”上发表的“Range and AngleMeasurements based on Software Defined Radio Platform”，以及Tugrel H B等人在“Signal Processing&Communication Application Conference.IEEE,2016”上发表的“Angle of arrival(AoA)estimation by using software defined radios”。这两篇文献中的DOA估计系统均使用了两个NI-USRP来估计单一的辐射源，其角度估计误差在3°左右，估计精度有限。
目前，现有的主流DOA系统是基于NI-USRP等高成本SDR搭建的硬件系统，系统成本高，计算量变大，对计算机处理器有较高要求，且移动性不强。
发明内容
为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种基于软件无线电设备的DOA估计系统，该系统包括：时钟源、至少一个信号源、至少四个软件无线电设备、均匀线阵和处理器；
均匀线阵包括至少四个阵元；每个阵元设置在软件无线电设备上的接收端，并与对应的软件无线电设备通过等长的射频线进行通信连接；
每个信号源对应至少四个软件无线电设备，信号源位于至少四个软件无线电设备的一侧，时钟源位于至少四个软件无线电设备的另一侧，且分别与每个软件无线电设备通过时钟同步线进行通信连接，提供同一个时钟脉冲信号，完成频率的同步；将其中一个软件无线电设备的SYNC_CMD引脚分别连接至剩余的每个软件无线电设备的SYNC_IN引脚，提供同一个脉冲信号，完成时间的同步；至少四个软件无线电设备均与处理器通信连接；软件无线电设备之间是等间隔放置的；
所述时钟源，用于提供一个时钟脉冲信号，同时控制至少四个软件无线电设备进行待测信号的同步采集；
所述信号源，用于发射具有某一特定的入射角的待测信号；
所述至少四个软件无线电设备，用于在同一个时钟信号下，分别对接收的具有某一特定的入射角的待测信号进行放大、变频、下变频和模数转换处理，得到至少四路处理后的信号，并将其发送至处理器；
所述处理器，用于对每个处理后的信号进行相位差校准，得到由多个校准后的信号组成的经过校准的接收数据矩阵；
还用于采用MUSIC算法，对经过校准的接收数据矩阵进行波达方向估计，得到均匀线阵的空间谱估计，并根据预先设定的信号搜索范围，确定其谱峰，则根据该谱峰，获得待测信号的估计入射角度。
作为上述技术方案的改进之一，所述阵元为天线。
作为上述技术方案的改进之一，所述软件无线电设备为HackRF One信号采集设备；其工作频率范围为1MHz至6GHz，支持8位采样，采样率最高可达20Msps，工作于半双工模式；其上增设SMA时钟输入输出口以及多个具有不同功能的扩展接口；
所述时钟源为HackRF One信号采集设备，其上增设SMA时钟输入输出口以及多个具有不同功能的扩展接口；
将每个软件无线电设备上设置的CLK_IN扩展接口，通过时钟同步线与时钟源上设置的CLK_OUT扩展接口连接，从该CLK_OUT扩展接口输出一个时钟脉冲信号，并同时输入至每个软件无线电设备上设置的CLK_IN扩展接口，作为每个软件无线电设备的时钟输入，作为频率同步的信号；
针对至少四个软件无线电设备，将其中一个软件无线电设备上设置的扩展接口P28的Pin15，作为同步脉冲SYNC_CMD的输出端；
将剩余的软件无线电设备中的每个软件无线电设备上设置的扩展接口P28的Pin16，作为同步脉冲SYNC_IN输入端；
通过杜邦线和面包板将同步脉冲SYNC_CMD输出端接入同步脉冲SYNC_IN输入端，作为时间同步的脉冲信号；并将每个软件无线电设备上的扩展接口P28的Pin2接口均连接在一起共地，控制多个软件无线电设备同时开始采样或采集待测信号。
作为上述技术方案的改进之一，所述HackRF One信号采集设备具有多个采集通道，每个采集通道包括依次顺序连接的低噪声放大器、混频器、收发器、模数转换器、复杂可编程逻辑器和MCU主控器；
所述低噪声放大器，用于将每个阵元接收的待测信号进行一级放大，得到放大后的信号；
所述混频器，用于对放大后的信号进行混频处理，得到中频信号；
所述收发器，用于对中频信号下变频为基带信号；
所述模数转换器，用于将基带信号进行模数转换，得到数字信号，并将其作为处理后的信号；
所述复杂可编程逻辑器，用于控制将处理后的信号传输至MCU主控器；
所述MCU主控器，用于控制对应的采集通道中的处理后的信号通过该采集通道上设置的USB接口传输至处理器。
作为上述技术方案的改进之一，所述每个信号源与均匀线阵中的阵元之间的距离满足远场条件，该远场条件为至少大于3-4个待测信号的波长。
作为上述技术方案的改进之一，所述处理器包括校准模块和估计模块；
所述校准模块，用于对每个软件无线电设备中的每个采集通道所接收的处理后的信号进行相位差校准，得到由多个校准后的信号组成的经过校准的接收数据矩阵；
所述估计模块，用于采用MUSIC算法，对经过校准的接收数据矩阵进行波达方向估计，得到均匀线阵的空间谱估计，并根据预先设定的信号搜索范围，确定其谱峰，根据该谱峰，获得待测信号的估计入射角度。
作为上述技术方案的改进之一，所述校准模块的具体实现过程为：
假设共有D个通道，以通道1为参考通道，则参考通道的相位记为Φ1，计算剩余的采集通道中的每个采集通道与参考通道之间的固定相位差ΔΦ：
其中，Φi表示剩余的采集通道中的通道i的相位；Ii为第i个通道的I路信号；Qi为第i个通道的Q路信号；I1为参考通道的I路信号；Q1为参考通道的Q路信号；
根据计算得到的固定相差ΔΦ，对每个采集通道的相位均消掉该固定相位差，使各个采集通道间的固定相位差为0，得到由多个校准后的信号组成的经过校准的接收数据矩阵。
作为上述技术方案的改进之一，所述估计模块的具体实现过程为：
根据MUSIC算法，在快拍数为P，待估计的信号源数目为L，阵元数为M，每个阵元对应一个采样通道的情况下，计算接收数据矩阵的协方差矩阵：
R＝E[XXH]
其中，R为M×M维的阵列数据的协方差矩阵；E为期望；X为M×P维的接收数据矩阵；XH为M×P维的接收数据矩阵X的共轭转置；其中，接收数据矩阵是由多个阵元采集的待测信号组成的矩阵；
通过经过校准的接收数据矩阵
对协方差矩阵R＝E[XXH]进行最大似然估计：
其中，
为协方差矩阵的最大似然估计；P为快拍数；
为经过校准后的接收数据矩阵；
为经过校准后的接收数据矩阵
的共轭转置；经过校准的接收数据矩阵是由多个校准后的信号组成的矩阵；
根据下式，计算对角矩阵Σ：
其中，I为单位阵；
得到对角矩阵Σ后，其对角线上的元素为M个线性无关的特征值m1,m2,...mM；
随后根据
进行矩阵运算，得到每个特征值对应的特征向量x1,x2,...xM；
其中，
为协方差矩阵的最大似然估计，mi为M个线性无关的特征值中的第i个特征值；xi为mi对应的特征向量；
解出特征值及对应的特征向量后，对上述M个线性无关的特征值m1,m2,...mM进行从大到小的顺序排序，较大的L个特征值排成的对角矩阵记为ΣS，将其对应的特征向量构成一个子空间，记为信号子空间US；下标S表示该矩阵对应于待测信号；L小于M，且L和M均为正整数；
较小的M-L个特征值排成的对角矩阵记为ΣN，将其对应的特征向量构成一个子空间，记为噪声子空间UN；下标N表示该矩阵对应于噪声；
则将
特征分解为：
其中，
为US的共轭转置；
为UN的共轭转置；
计算均匀线阵的空间谱估计，并将其作为谱函数：
其中，PMUSIC为均匀线阵的空间谱估计；aH(θ)为a(θ)的共轭转置；
表示信号子空间中的导向矢量；
其中，λ为待测信号的波长；j为虚数单位；d为阵元间距；θ为扫描角度；
在预先设定的信号搜索范围内，根据预先设定的搜索步长，逐个扫描角度θ，计算每个扫描角度θ对应的PMUSIC，绘制横坐标为入射角度，纵坐标为空间谱估计的曲线图，从该图中搜索出谱峰最大值，进而确定该谱峰最大值处对应的入射角度，将其确定为待测信号的估计入射角度。
作为上述技术方案的改进之一，所述处理器还包括：误差估计模块，用于根据估计入射角度与实际的待测信号的入射角度，进行误差估计。
本发明还提供了一种基于软件无线电设备的DOA估计方法，该方法包括：
信号源发射具有某一特定的入射角的待测信号；
时钟源提供一个时钟脉冲信号，同时控制至少四个软件无线电设备进行待测信号的同步采集；
在同一个时钟脉冲信号下，至少四个软件无线电设备分别对接收的具有某一特定的入射角的待测信号进行放大、变频、下变频和模数转换处理，得到至少四路处理后的信号，并将其发送至处理器；
处理器对每个处理后的信号进行相位差校准，得到由多个校准后的信号组成的经过校准的接收数据矩阵；
处理器采用MUSIC算法，对经过校准的接收数据矩阵进行波达方向估计，得到均匀线阵的空间谱估计，并根据预先设定的信号搜索范围，确定其谱峰，根据该谱峰，获得待测信号的估计入射角度。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、本发明的系统中采用多个非同源的软件无线电设备，实现时间和频率的稳定、高精度同步；
2、对于每个非同源的软件无线电设备，在单通道相位不稳定的情况下，实现高精度、高稳定的DOA估计；
3、本发明的系统具有低成本、结构简单、估计精度高、稳定性高、操作难度低、便携性强和多信源识别。
附图说明
图1是本发明的一种基于软件无线电设备的DOA估计系统的采用一个信号源和四个软件无线电设备的结构示意图；
图2是本发明的一种基于软件无线电设备的DOA估计系统中的软件无线电设备采用HackRF One信号采集设备的结构示意图；
图3是本发明的一种基于软件无线电设备的DOA估计系统中的软件无线电设备采用HackRF One信号采集设备实现时间和频率同步的结构示意图；
图4(a)是本发明的一种基于软件无线电设备的DOA估计系统中的软件无线电设备采用HackRF One信号采集设备内的各个通道之间在采样率为20MHz和10MHz的同步误差的统计图；
图4(b)是本发明的一种基于软件无线电设备的DOA估计系统中的软件无线电设备采用HackRF One信号采集设备内的各个通道之间在采样率为2MHz和5MHz的同步误差的统计图；
图5是本发明的一种基于软件无线电设备的DOA估计系统中的矫正相位差的实验示意图；
图6是本发明的一种基于软件无线电设备的DOA估计系统中的软件无线电设备采用HackRF One信号采集设备内的各个通道校正前的相位差示意图；
图7是本发明的一种基于软件无线电设备的DOA估计系统中的软件无线电设备采用HackRF One信号采集设备内的各个通道校正后的相位差示意图；
图8是本发明的一种基于软件无线电设备的DOA估计系统中的单信号源进行DOA估计的示意图；
图9是图8的估计系统的单信号源单载波DOA估计实验结果示意图；
图10是图8的估计系统的单信号源扩频信号DOA估计验证实验示意图；
图11是图8的估计系统的单信号源扩频信号时域接收信号波形示意图；
图12是图8的估计系统的单信号源扩频信号DOA估计实验结果示意图；
图13是图8的本发明的一种基于软件无线电设备的DOA估计系统中的双信号源进行DOA估计的示意图；
图14是图13的估计系统的双信号源系统接收信号的示意图；
图15是图13的估计系统的双信号源单载波DOA估计实验结果示意图。
具体实施方式
现结合附图和实例对本发明作进一步的描述。
本发明提供了一种基于软件无线电设备的DOA估计系统，该系统解决了多路非同源信号接收设备间的同步问题，极大降低了成本，并具有高精度、高稳定性、可移动性强等适用于实际各个场景DOA的特点。
在本实施例中，本发明的系统所采用的软件无线电设备为HackRF One无线设备，并将其作为信号采集设备，可以在1MHz至6GHz的频率范围内工作，支持8位采样，采样率最高可达20Msps，工作于半双工模式下。HackRF One无线设备具有SMA时钟输入输出口以及许多扩展接口，便于实现本发明的系统中的同步接收。DOA估计系统的本质是基于阵元间的相位差估计出信号的方位。所以在采集信号时，能够保证不同阵元间接收到的信号的相位差是准确的。
该系统包括：时钟源、至少一个信号源、至少四个软件无线电设备、均匀线阵和处理器；
均匀线阵包括至少四个阵元；每个阵元设置在软件无线电设备上的接收端，并与对应的软件无线电设备通过等长的射频线进行通信连接；在本实施例中，所述阵元为天线；
每个信号源对应至少四个软件无线电设备，信号源位于至少四个软件无线电设备的一侧，时钟源位于至少四个软件无线电设备的另一侧，且分别与每个软件无线电设备通过时钟同步线进行通信连接，提供同一个时钟脉冲信号，完成频率同步；将其中一个软件无线电设备的SYNC_CMD引脚分别连接至剩余的每个软件无线电设备的SYNC_IN引脚，提供同一个脉冲信号，完成时间的同步；至少四个软件无线电设备均与处理器通信连接；软件无线电设备之间是等间隔放置的；
所述时钟源，用于提供一个时钟脉冲信号，同时控制至少四个软件无线电设备进行待测信号的同步采集；
所述信号源，用于发射具有某一特定的入射角的待测信号；
所述至少四个软件无线电设备，用于在同一个时钟信号下，分别对接收的具有某一特定的入射角的待测信号进行放大、变频、下变频和模数转换处理，得到至少四个处理后的信号，并将其发送至处理器；
所述处理器，用于对每个处理后的信号进行相位差校准，得到由多个校准后的信号组成的经过校准的接收数据矩阵；
还用于采用MUSIC算法，对经过校准的接收数据矩阵进行波达方向估计，即DOA估计，得到均匀线阵的空间谱估计，并根据预先设定的信号搜索范围，确定其谱峰，则根据该谱峰，获得待测信号的估计入射角度。
其中，基于HackRF One的信号同步采集主要可分为两部分：频率同步和时间同步。即首先保证不同采样通道在采样时间内的时钟频率保持一致和稳定；另外，控制不同的接收设备在同一个时刻开始采样，最终可以达到通道间相位差稳定的效果。
其中，所述软件无线电设备为HackRF One信号采集设备；其工作频率范围为1MHz至6GHz，支持8位采样，采样率最高可达20Msps，工作于半双工模式；其上增设SMA时钟输入输出口以及多个具有不同功能的扩展接口；
所述时钟源为HackRF One信号采集设备，其上增设SMA时钟输入输出口以及多个具有不同功能的扩展接口；
将每个软件无线电设备上设置的CLK_IN扩展接口，通过时钟同步线与时钟源上设置的CLK_OUT扩展接口连接，从该CLK_OUT扩展接口输出一个时钟脉冲信号，并同时输入至每个软件无线电设备上设置的CLK_IN扩展接口，作为每个软件无线电设备的时钟输入，作为频率同步的信号。
针对至少四个软件无线电设备，将其中一个软件无线电设备上设置的扩展接口P28的Pin15，作为同步脉冲SYNC_CMD的输出端；
将每个软件无线电设备上设置的扩展接口P28的Pin16，作为同步脉冲SYNC_IN输入端；
通过杜邦线和面包板将同步脉冲SYNC_CMD输出端接入同步脉冲SYNC_IN输入端，作为时间同步的脉冲信号；并将每个软件无线电设备上的扩展接口P28的Pin2接口均连接在一起共地；控制多个软件无线电设备同时开始采样或采集待测信号。
其中，所述HackRF One信号采集设备具有多个采集通道，每个采集通道包括依次顺序连接的低噪声放大器、混频器、收发器、模数转换器、复杂可编程逻辑器(ComplexProgrammable logic device，CPLD)和MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)主控器；
所述低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)，用于将每个阵元接收的待测信号进行一级放大，得到放大后的信号；
所述混频器，用于对放大后的信号进行混频处理，得到中频信号；其中，在本实施例中，所述混频器的型号为RFFC5072；
所述收发器，用于对中频信号下变频为基带信号；在本实施例中，所述收发器的型号为MAX2837；
所述模数转换器，用于将基带信号进行模数转换，得到数字信号，并将其作为处理后的信号；在本实施例中，所述模数转换器的型号为MAX5864；
所述复杂可编程逻辑器，用于控制将处理后的信号传输至MCU主控器；其中，在本实施例中，所述CPLD的型号为Xilinx XC2C64；
所述MCU主控器，用于将对应的采集通道中的处理后的信号通过该采集通道上设置的USB接口传输至处理器。
所述每个信号源与均匀线阵中的阵元之间的距离满足远场条件，该远场条件为至少大于3-4个待测信号的波长。
所述处理器包括校准模块和估计模块；
所述校准模块，用于对每个软件无线电设备中的每个采集通道所接收的处理后的信号进行相位差校准，得到由多个校准后的信号组成的经过校准的接收数据矩阵；
具体地，假设共有D个通道，以通道1为参考通道，则参考通道的相位记为Φ1，计算剩余的采集通道中的每个采集通道与参考通道之间的固定相位差ΔΦ：
其中，Φi表示剩余的采集通道中的通道i的相位；Ii为第i个通道的I路信号；Qi为第i个通道的Q路信号；I1为参考通道的I路信号；Q1为参考通道的Q路信号；
根据计算得到的固定相差ΔΦ，对每个采集通道的相位均消掉该固定相位差，使各个采集通道间的固定相位差为0，得到由多个校准后的信号组成的经过校准的接收数据矩阵。
所述估计模块，用于采用MUSIC算法，对经过校准的接收数据矩阵进行波达方向估计，即DOA估计，得到均匀线阵的空间谱估计，并根据预先设定的信号搜索范围，确定其谱峰，根据该谱峰，获得待测信号的估计入射角度。
具体地，根据MUSIC算法，在快拍数为P，待估计的信号源数目为L，阵元数为M，每个阵元对应一个采样通道的情况下，计算接收数据矩阵的协方差矩阵：
R＝E[XXH]
其中，R为M×M维的阵列数据的协方差矩阵；E为期望；X为M×P维的接收数据矩阵；XH为M×P维的接收数据矩阵X的共轭转置；其中，接收数据矩阵是由多个阵元采集的待测信号组成的矩阵；
考虑到实际数据接收矩阵是有限长的，可以通过经过校准的接收数据矩阵
对协方差矩阵
进行最大似然估计：
其中，
为协方差矩阵的最大似然估计；P为快拍数；
为经过校准后的接收数据矩阵；
为经过校准后的接收数据矩阵
的共轭转置；经过校准的接收数据矩阵是由多个校准后的信号组成的矩阵；
根据下式，计算对角矩阵Σ：
其中，I为单位阵；
得到对角矩阵Σ后，其对角线上的元素为M个线性无关的特征值m1,m2,...mM；
随后根据
进行矩阵运算，得到每个特征值对应的特征向量x1,x2,...xM；
其中，
为协方差矩阵的最大似然估计，mi为M个线性无关的特征值中的第i个特征值；xi为mi对应的特征向量；
解出特征值及对应的特征向量后，对上述M个线性无关的特征值m1,m2,...mM进行从大到小的顺序排序，较大的L个特征值排成的对角矩阵记为ΣS，将其对应的特征向量构成一个子空间，记为信号子空间US；下标S表示该矩阵对应于待测信号；L小于M，且L和M均为正整数；
较小的M-L个特征值排成的对角矩阵记为ΣN，将其对应的特征向量构成一个子空间，记为噪声子空间UN；下标N表示该矩阵对应于噪声；
则将
特征分解为：
其中，
为US的共轭转置；
为UN的共轭转置；特征分解的目的是为了得到噪声子空间；
计算均匀线阵的空间谱估计，并将其作为谱函数：
其中，PMUSIC为均匀线阵的空间谱估计；aH(θ)为a(θ)的共轭转置；
表示信号子空间中的导向矢量；
其中，λ为待测信号的波长；j为虚数单位；d为阵元间距；θ为扫描角度；
在预先设定的信号搜索范围内，根据预先设定的搜索步长(本设计中为0.1°)，逐个扫描角度θ，计算每个扫描角度θ对应的PMUSIC，绘制横坐标为入射角度，纵坐标为空间谱估计的曲线图，从该图中搜索出谱峰最大值，进而确定该谱峰最大值处对应的入射角度，将其确定为待测信号的估计入射角度。
所述处理器还包括：误差估计模块，用于根据估计入射角度与实际的待测信号的入射角度，进行误差估计。
本发明还提供了一种基于软件无线电设备的DOA估计方法，该方法包括：
信号源发射具有某一特定的入射角的待测信号；
时钟源提供一个时钟脉冲信号，同时控制至少四个软件无线电设备进行待测信号的同步采集；
在同一个时钟脉冲信号下，至少四个软件无线电设备分别对接收的具有某一特定的入射角的待测信号进行放大、变频、下变频和模数转换处理，得到至少四路处理后的信号，并将其发送至处理器；
处理器对处理后的信号进行相位差校准，得到由多个校准后的信号组成的经过校准的接收数据矩阵；
处理器采用MUSIC算法，对经过校准的接收数据矩阵进行波达方向估计，得到均匀线阵的空间谱估计，并根据预先设定的信号搜索范围，确定其谱峰，根据该谱峰，获得待测信号的估计入射角度。
该方法的具体估计过程如下：
步骤一、信号接收设备频率同步
频率同步即首先保证不同采样通道在采样时间内的时钟频率保持一致和稳定。
将四台软件无线电设备上设置的CLK_IN扩展接口，通过时钟同步线与时钟源上设置的CLK_OUT扩展接口连接，从该CLK_OUT扩展接口输出一个时钟脉冲信号，并同时输入至每个软件无线电设备上设置的CLK_IN扩展接口，作为每个软件无线电设备的时钟输入，完成频率同步。
步骤二、信号接收设备时间同步
四台同步设备引入同一个外部脉冲信号作为同步脉冲。其中，通过硬件连接，将发射外部脉冲信号的设备作为时钟源，通过时钟同步线连至每台同步设备HackRF One的P28|Pin16引脚；另外，通过修改同步设备HackRF One中CPLD的程序使几台同步设备在接收到该引脚处的外部脉冲信号的瞬间同时开始采样，
针对四个软件无线电设备，将其中一个软件无线电设备上设置的扩展接口P28的Pin15，作为同步脉冲SYNC_CMD的输出端；
将四个软件无线电设备中的每个软件无线电设备上设置的扩展接口P28的Pin16，作为同步脉冲SYNC_IN输入端；
通过杜邦线和面包板将同步脉冲SYNC_CMD输出端接入同步脉冲SYNC_IN输入端，作为时间同步的脉冲信号；并将每个软件无线电设备上的扩展接口P28的Pin2接口均连接在一起共地，完成时间同步。
步骤三、建立信号采集系统
系统采用均匀线阵接收具有入射角度的待测信号，其中，该均匀线阵包括多个阵元；其中，阵元为接收天线；阵元数目应大于信号源数目。根据待测信号的频率f，计算出待测信号的波长：
为了避免模糊以及减少互耦的影响，假设接收天线间的距离，即阵元间距
采用等长的射频线连接接收天线和HackRF One信号采集设备。
步骤四、相位差校正
通道间的相位差由两部分组成：同步设备之间的固定相差以及由接收端位置造成的相差。首先，将信号源的发射端摆在入射角度为0°的位置处。虽然距离满足远场条件，但是，此时同步设备中的接收端位置的不同，仍然会造成一个较小的相位差，消除掉该由接收端位置造成的误差后，计算出其他通道与通道1之间设备本身的固定相差并校准。
步骤五、估计来波方向
校准通道间的相位差后，采用MUSIC算法估计波达方向，即DOA估计。
具体地，根据MUSIC算法，在快拍数为P，待估计的信号源数目为L，阵元数为M，每个阵元对应一个采样通道的情况下，计算接收数据矩阵的协方差矩阵：
R＝E[XXH]
其中，R为M×M维的阵列数据的协方差矩阵；E为期望；X为M×P维的接收数据矩阵；XH为M×P维的接收数据矩阵X的共轭转置；其中，接收数据矩阵是由多个阵元采集的待测信号组成的矩阵；
考虑到实际数据接收矩阵是有限长的，可以通过经过校准的接收数据矩阵
对协方差矩阵R＝E[XXH]进行最大似然估计：
其中，
为协方差矩阵的最大似然估计；P为快拍数；
为经过校准后的接收数据矩阵；
为经过校准后的接收数据矩阵
的共轭转置；经过校准的接收数据矩阵是由多个校准后的信号组成的矩阵；
根据下式，计算对角矩阵Σ：
其中，I为单位阵；
得到对角矩阵Σ后，其对角线上的元素为M个线性无关的特征值m1,m2,...mM；
随后根据
进行矩阵运算，得到每个特征值对应的特征向量x1,x2,...xM；
其中，
为协方差矩阵的最大似然估计，mi为M个线性无关的特征值中的第i个特征值；xi为mi对应的特征向量；
解出特征值及对应的特征向量后，对上述M个线性无关的特征值m1,m2,...mM进行从大到小的顺序排序，较大的L个特征值排成的对角矩阵记为ΣS，将其对应的特征向量构成一个子空间，记为信号子空间US；下标S表示该矩阵对应于待测信号；L小于M，且L和M均为正整数；
较小的M-L个特征值排成的对角矩阵记为ΣN，将其对应的特征向量构成一个子空间，记为噪声子空间UN；下标N表示该矩阵对应于噪声；
则将
特征分解为：
其中，
为US的共轭转置；
为UN的共轭转置；特征分解的目的是为了得到噪声子空间；
计算均匀线阵的空间谱估计，并将其作为谱函数：
其中，PMUSIC为均匀线阵的空间谱估计；aH(θ)为a(θ)的共轭转置；
表示信号子空间中的导向矢量；
其中，λ为待测信号的波长；j为虚数单位；d为阵元间距；θ为扫描角度；
在预先设定的信号搜索范围内，根据预先设定的搜索步长(本设计中为0.1°)，逐个扫描角度θ，计算每个扫描角度θ对应的PMUSIC，绘制横坐标为入射角度，纵坐标为空间谱估计的曲线图，从该图中搜索出谱峰最大值，进而确定该谱峰最大值处对应的入射角度，将其确定为待测信号的估计入射角度。
实施例1.
如图1所示，本发明的系统包括：一个信号源、四个软件无线电设备、时钟源、均匀线阵和处理器；所示均匀线阵包括：4个阵元，所述阵元为接收天线；
信号源的发射端位于四个呈等间隔、并行放置的软件无线电设备的左侧，时钟源位于其右侧；每个接收天线设置在对应的软件无线电设备的接收端上，四个软件无线电设备分别为HackRF One#1、HackRF One#2、HackRF One#3、HackRF One#4；时钟源为HackRFOne#0；四个软件无线电设备和时钟源均为HackRF One信号采集设备；而HackRF One具有可以在1MHz至6GHz的频率范围内工作，支持8位采样，采样率最高可达20Msps，工作于半双工模式下。HackRF One具有SMA时钟输入输出口以及许多扩展接口，便于实现本文中的同步接收；
根据待测信号频率计算出信号波长
接收天线间的距离，即阵元间距
采用等长的射频线，将连接天线和设置在对应的HackRF One上，使二者进行通信连接，即接收天线RX1与HackRF One#1通过等长的射频线连接，接收天线RX2与HackRF One#2通过等长的射频线连接，接收天线RX3与HackRF One#3通过等长的射频线连接，接收天线RX4与HackRF One#4通过等长的射频线连接；
时钟源HackRF One#0的时钟输出接口通过时钟同步线与并行、等间隔设置的四个软件无线电设备的时钟输入接口进行连接；
具体地，HackRF One#0为时钟源，记为参考时钟信号输出设备，该设备上设置的CLK_OUT扩展接口在上电后会产生10MHz，0V-3V的方波信号，用时钟同步线将该CLK_OUT扩展接口处的时钟信号连接至四个同步设备HackRF One#1、HackRF One#2、HackRF One#3、HackRF One#4的CLK_IN扩展接口处以同步频率。以HackRF One#1的扩展接口P28的Pin15为同步脉冲SYNC_CMD的输出端，HackRF One#1、HackRF One#2、HackRF One#3、HackRF One#4的扩展接口P28的Pin16为四台同步设备的同步脉冲SYNC_IN输入端，通过杜邦线和面包板，将HackRF One#1的SYNC_CMD信号通过同步脉冲SYNC_CMD的输出端分别接入四个同步设备HackRF One#1、HackRF One#2、HackRF One#3、HackRF One#4的SYNC_IN输入端作为同步脉冲；最后，将HackRF One#1、HackRF One#2、HackRF One#3、HackRF One#4四台设备的P28的Pin2引脚均连接在一起共地；
如图2所示，信号源发射具有入射角度的待测信号，每个接收天线将接收的待测信号在对应的HackRF One的LNA放大器进行射频前端放大一级LNA放大，随后经过宽带混频器RFFC5072使其频率变至中频，得到中频信号，再由收发器MAX2837将中频信号下变频为基带信号，再将基带信号在模数转换器MAX5864处被离散化，进行模数转换，得到数字信号，该数字信号在经过CPLD(Xilinx XC2C64)处理后通过并行总线传输给微控制器NXP LP4330，并最终通过USB接口，将处理后的信号与处理器通信，将多个处理后的信号送入处理器进行显示和后续DOA估计处理。其中，处理器为PC。
其中，如图3所示，对于HackRF One#0与HackRF One#1、HackRF One#2、HackRFOne#3、HackRF One#4四台设备进行频率和时间同步的具体过程：
如图3所示，为了实现四台同步设备HackRF One#1、HackRF One#2、HackRF One#3、HackRF One#4的时钟频率同步，我们引入第五台设备HackRF One#0，作为时钟源，并以HackRF One#0的时钟输出作为另外四台同步设备HackRF One#1、HackRF One#2、HackRFOne#3、HackRF One#4的时钟输入。另外，通过修改HackRF One的源程序，使HackRF One#1的CPLD的扩展引脚输出一个脉冲信号，并同时接入四台同步设备HackRF One#1、HackRF One#2、HackRF One#3、HackRF One#4中，作为时间同步的信号，控制四台设备同时开始采样。
如图3所示，HackRF One#0为时钟源，记为参考时钟信号输出设备，该设备上设置的CLK_OUT扩展接口在上电后会产生10MHz，0V-3V的方波信号，用时钟同步线将该CLK_OUT扩展接口处的时钟信号连接至四个同步设备HackRF One#1、HackRF One#2、HackRF One#3、HackRF One#4的CLK_IN扩展接口处以同步频率。以HackRF One#1的扩展接口P28的Pin15为同步脉冲SYNC_CMD的输出端，HackRF One#1、HackRF One#2、HackRF One#3、HackRF One#4的扩展接口P28的Pin16为四台同步设备的同步脉冲SYNC_IN输入端，通过杜邦线和面包板，将HackRF One#1的SYNC_CMD信号通过同步脉冲SYNC_CMD的输出端分别接入四个同步设备HackRF One#1、HackRF One#2、HackRF One#3、HackRF One#4的SYNC_IN输入端作为同步脉冲；最后，将HackRF One#1、HackRF One#2、HackRF One#3、HackRF One#4四台设备的P28的Pin2引脚均连接在一起共地。
为了实现不同设备间的采样时间同步，HackRF One#1发射脉冲触发信号SYNC_IN。当SYNC_IN信号上升沿来临时，将该信号存入锁存器以保证该信号在整个数据传输期间均保持为高电平。当SYNC_IN的锁存信号为1且HOST_DISABLE信号为0时，将HOST_CAPTURE信号拉低，开始记录数据。CPLD的部分VHDL代码如下表所示，即多台设备间通过引入同一个外部触发脉冲信号实现开始时间的一致：
在开启同步模式前，采用hackrf_debug -d series number --si5351 -n 0 -r命令判断HackRF One#1的CLK_IN端口有无输入时钟信号,若输出0x01则表示CLK_IN端口检测到时钟信号输入。随后采用hackrf_transfer的-H命令开启HackRF One同步模式。其中，频率同步信号是外部的HackRF One#0给HackRF One#0与HackRF One#1、HackRF One#2、HackRF One#3、HackRF One#4四台同步设备的，时间同步信号是HackRF One#1设备给包括自己在内的HackRF One#1、HackRF One#2、HackRF One#3、HackRF One#4四台设备同步设备。
不同采样率条件下两通道间同步误差如图4(a)和4(b)所示。由该四个图可以看出，当采样率为2MHz、5MHz、10MHz和20MHz时，对应的同步误差分别在500ns、200ns、100ns、50ns以内，即同步误差被控制在在一个采样周期以内。
另外，对于每个同步设备HackRF One其中的各个采集通道间的相位差由两部分组成：同步设备之间的固定相差以及由接收端位置造成的相差。如图5所示，首先将信号源的发射端摆在入射角度为0°的位置处。虽然距离满足远场条件，但是此时同步设备上的接收端位置的不同仍然会造成一个较小的相位差。以通道1为参考，通道2、3、4与通道1之间的该相位差分别为-2.3°、-2.3°、0°。消除掉该由接收端位置造成的误差后，计算出其他通道与通道1之间设备本身的固定相差并校准。校准前后通道间的相位差分别如图6、7所示。由两图对比可以看出，经过校准后，入射角度为0°的位置处通道间的相位差变为0。
选择较为空旷，视距内无遮挡，测试频率附近噪声较小的环境进行测向实验。接收端采用实施例1中的DOA估计系统，设置4台HackRF One为同步接收状态，频率f＝2500MHz，采样率fs＝2M。接收端与发射端间的距离需满足远场条件(至少大于3～4个波长λ)，
接收天线间的距离
令信号源与接收设备间的垂直距离r＝470cm，可满足距离要求。首先在入射角为0°的位置进行相位差校准，之后分别将发射端摆在如图8所示的4个位置处，设置4台同步设备同步采集发射的待测信号，对接收到的待测信号进行相位差校准后，采用MUSIC算法估计出的空间谱如图9所示。由图8和图9对比可以看出，当实际入射角度分别为0°、7.03°、20.96°、28.68°时，MUSIC估计出的角度分别为-0.5°、7.5°、21.5°、28°，估计误差在1°以内。
在其他实施例中，对DOA估计系统进行LoRa信号测向，用一台同步设备HackRF One采集一段待测信号，记为LoRa信号，将该信号频率上变频至2500MHz作为发射信源。采用与实施例一中相同的实验装置，将发射信源摆放位置如图10所示，此时入射角度为17.1°，因此，信号源发射入射角度为17.1°的LoRa信号，四台同步设备接收到的LoRa信号，如图11所示。采用MUSIC算法，估计出的空间谱图如图12所示，根据预先设定的信号搜索范围，确定该空间谱的峰值，则根据图12所示，该空间谱的谱峰出现在入射角为16.3°的位置，进而得到信号源的入射方向，与入射角度17.1°相比，其角度误差在4％。
在其他具体实施例中，本发明的DOA估计系统包括：两个信号源，四个软件无线电设备，时钟源，均匀线阵和处理器；利用本发明的系统同时测试两个信号源的信号入射角度；为了减少信号源间的相干性，我们将两个信号源的待测信号频率分别设置为f1＝2500.023MHz、f2＝2500.095MHz。如图13所示，它们分别摆放在入射角度为-36.1°、18.6°的位置。采用本发明的DOA估计系统的四个采集通道接收到的待测信号如图14所示，进行放大、变频、下变频和模数转换处理，得到至少四路处理后的信号，并将其发送至处理器；所述处理器中，采用MUSIC算法，对每四路校准后的信号进行波达方向估计，即DOA估计，得到均匀线阵的空间谱估计，估计出的空间谱如图15所示，该空间谱的峰值分别出现在入射角为-35.7°、18.0°的位置，则信号源的入射方向分别为-35.7°、18.0°，与入射角度-36.1°、18.6°相比，其角度误差分别在1％，3％。
本发明的DOA估计系统，采用均匀线阵中的阵元接收到待测信号，并通过HackRFOne对待测信号进行处理，解决了各个采集通道间的频率和时间同步问题。经过实验验证，该系统的同步误差可以控制到一个采样周期内，DOA估计的平均角度误差在1°以内，且能够实现双信源、调制信号的高精度DOA估计。该系统具有成本低、可调试性强、对计算机性能要求低等优势，可广泛应用于实际波达方向估计中。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于软件无线电设备的DOA估计系统，其特征在于，该系统包括：时钟源、至少一个信号源、至少四个软件无线电设备、均匀线阵和处理器；
均匀线阵包括至少四个阵元；每个阵元设置在软件无线电设备上的接收端，并与对应的软件无线电设备通过等长的射频线进行通信连接；
每个信号源对应至少四个软件无线电设备，信号源位于至少四个软件无线电设备的一侧，时钟源位于至少四个软件无线电设备的另一侧，且分别与每个软件无线电设备通过时钟同步线进行通信连接，提供同一个时钟脉冲信号，完成频率的同步；将其中一个软件无线电设备的SYNC_CMD引脚分别连接至剩余的每个软件无线电设备的SYNC_IN引脚，提供同一个脉冲信号，完成时间的同步；至少四个软件无线电设备均与处理器通信连接；软件无线电设备之间是等间隔放置的；
所述时钟源，用于提供一个时钟脉冲信号，同时控制至少四个软件无线电设备进行待测信号的同步采集；
所述信号源，用于发射具有某一特定的入射角的待测信号；
所述至少四个软件无线电设备，用于在同一个时钟信号下，分别对接收的具有某一特定的入射角的待测信号进行放大、变频、下变频和模数转换处理，得到至少四路处理后的信号，并将其发送至处理器；
所述处理器，用于对每个处理后的信号进行相位差校准，得到由多个校准后的信号组成的经过校准的接收数据矩阵；
还用于采用MUSIC算法，对经过校准的接收数据矩阵进行波达方向估计，得到均匀线阵的空间谱估计，并根据预先设定的信号搜索范围，确定其谱峰，则根据该谱峰，获得待测信号的估计入射角度。
2.根据权利要求1所述的基于软件无线电设备的DOA估计系统，其特征在于，所述阵元为天线。
3.根据权利要求1所述的基于软件无线电设备的DOA估计系统，其特征在于，所述软件无线电设备为HackRF One信号采集设备；其工作频率范围为1MHz至6GHz，支持8位采样，采样率最高可达20Msps，工作于半双工模式；其上增设SMA时钟输入输出口以及多个具有不同功能的扩展接口；
所述时钟源为HackRF One信号采集设备，其上增设SMA时钟输入输出口以及多个具有不同功能的扩展接口；
将每个软件无线电设备上设置的CLK_IN扩展接口，通过时钟同步线与时钟源上设置的CLK_OUT扩展接口连接，从该CLK_OUT扩展接口输出一个时钟脉冲信号，并同时输入至每个软件无线电设备上设置的CLK_IN扩展接口，作为每个软件无线电设备的时钟输入，作为频率同步的信号；
针对至少四个软件无线电设备，将其中一个软件无线电设备上设置的扩展接口P28的Pin15，作为同步脉冲SYNC_CMD的输出端；
将剩余的软件无线电设备中的每个软件无线电设备上设置的扩展接口P28的Pin16，作为同步脉冲SYNC_IN输入端；
通过杜邦线和面包板将同步脉冲SYNC_CMD输出端接入同步脉冲SYNC_IN输入端，作为时间同步的脉冲信号；并将每个软件无线电设备上的扩展接口P28的Pin2接口均连接在一起共地，控制多个软件无线电设备同时开始采样或采集待测信号。
4.根据权利要求1所述的基于软件无线电设备的DOA估计系统，其特征在于，所述HackRF One信号采集设备具有多个采集通道，每个采集通道包括依次顺序连接的低噪声放大器、混频器、收发器、模数转换器、复杂可编程逻辑器和MCU主控器；
所述低噪声放大器，用于将每个阵元接收的待测信号进行一级放大，得到放大后的信号；
所述混频器，用于对放大后的信号进行混频处理，得到中频信号；
所述收发器，用于对中频信号下变频为基带信号；
所述模数转换器，用于将基带信号进行模数转换，得到数字信号，并将其作为处理后的信号；
所述复杂可编程逻辑器，用于控制将处理后的信号传输至MCU主控器；
所述MCU主控器，用于控制对应的采集通道中的处理后的信号通过该采集通道上设置的USB接口传输至处理器。
5.根据权利要求1所述的基于软件无线电设备的DOA估计系统，其特征在于，所述每个信号源与均匀线阵中的阵元之间的距离满足远场条件，该远场条件为至少大于3-4个待测信号的波长。
6.根据权利要求1所述的基于软件无线电设备的DOA估计系统，其特征在于，所述处理器包括校准模块和估计模块；
所述校准模块，用于对每个软件无线电设备中的每个采集通道所接收的处理后的信号进行相位差校准，得到由多个校准后的信号组成的经过校准的接收数据矩阵；
所述估计模块，用于采用MUSIC算法，对经过校准的接收数据矩阵进行波达方向估计，得到均匀线阵的空间谱估计，并根据预先设定的信号搜索范围，确定其谱峰，根据该谱峰，获得待测信号的估计入射角度。
7.根据权利要求6所述的基于软件无线电设备的DOA估计系统，其特征在于，所述校准模块的具体实现过程为：
假设共有D个通道，以通道1为参考通道，则参考通道的相位记为Φ1，计算剩余的采集通道中的每个采集通道与参考通道之间的固定相位差ΔΦ：
其中，Φi表示剩余的采集通道中的通道i的相位；Ii为第i个通道的I路信号；Qi为第i个通道的Q路信号；I1为参考通道的I路信号；Q1为参考通道的Q路信号；
根据计算得到的固定相差ΔΦ，对每个采集通道的相位均消掉该固定相位差，使各个采集通道间的固定相位差为0，得到由多个校准后的信号组成的经过校准的接收数据矩阵。
8.根据权利要求6所述的基于软件无线电设备的DOA估计系统，其特征在于，所述估计模块的具体实现过程为：
根据MUSIC算法，在快拍数为P，待估计的信号源数目为L，阵元数为M，每个阵元对应一个采样通道的情况下，计算接收数据矩阵的协方差矩阵：
R＝E[XXH]
其中，R为M×M维的阵列数据的协方差矩阵；E为期望；X为M×P维的接收数据矩阵；XH为M×P维的接收数据矩阵X的共轭转置；其中，接收数据矩阵是由多个阵元采集的待测信号组成的矩阵；
通过经过校准的接收数据矩阵
对协方差矩阵R＝E[XXH]进行最大似然估计：
其中，
为协方差矩阵的最大似然估计；P为快拍数；
为经过校准后的接收数据矩阵；
为经过校准后的接收数据矩阵
的共轭转置；经过校准的接收数据矩阵是由多个校准后的信号组成的矩阵；
根据下式，计算对角矩阵Σ：
其中，I为单位阵；
得到对角矩阵Σ后，其对角线上的元素为M个线性无关的特征值m1,m2,...mM；
随后根据
进行矩阵运算，得到每个特征值对应的特征向量x1,x2,...xM；
其中，
为协方差矩阵的最大似然估计，mi为M个线性无关的特征值中的第i个特征值；xi为mi对应的特征向量；
解出特征值及对应的特征向量后，对上述M个线性无关的特征值m1,m2,...mM进行从大到小的顺序排序，较大的L个特征值排成的对角矩阵记为ΣS，将其对应的特征向量构成一个子空间，记为信号子空间US；下标S表示该矩阵对应于待测信号；L小于M，且L和M均为正整数；
较小的M-L个特征值排成的对角矩阵记为ΣN，将其对应的特征向量构成一个子空间，记为噪声子空间UN；下标N表示该矩阵对应于噪声；
则将
特征分解为：
其中，
为US的共轭转置；
为UN的共轭转置；
计算均匀线阵的空间谱估计，并将其作为谱函数：
其中，PMUSIC为均匀线阵的空间谱估计；aH(θ)为a(θ)的共轭转置；
表示信号子空间中的导向矢量；
其中，λ为待测信号的波长；j为虚数单位；d为阵元间距；θ为扫描角度；
在预先设定的信号搜索范围内，根据预先设定的搜索步长，逐个扫描角度θ，计算每个扫描角度θ对应的PMUSIC，绘制横坐标为入射角度，纵坐标为空间谱估计的曲线图，从该图中搜索出谱峰最大值，进而确定该谱峰最大值处对应的入射角度，将其确定为待测信号的估计入射角度。
9.根据权利要求6所述的基于软件无线电设备的DOA估计系统，其特征在于，所述处理器还包括：误差估计模块，用于根据估计入射角度与实际的待测信号的入射角度，进行误差估计。
10.一种基于软件无线电设备的DOA估计方法，其特征在于，该方法基于上述权利要求1-9中任一所述的基于软件无线电设备的DOA估计系统实现，该方法包括：
信号源发射具有某一特定的入射角的待测信号；
时钟源提供一个时钟脉冲信号，同时控制至少四个软件无线电设备进行待测信号的同步采集；
在同一个时钟脉冲信号下，至少四个软件无线电设备分别对接收的具有某一特定的入射角的待测信号进行放大、变频、下变频和模数转换处理，得到至少四路处理后的信号，并将其发送至处理器；
处理器对每个处理后的信号进行相位差校准，得到由多个校准后的信号组成的经过校准的接收数据矩阵；
处理器采用MUSIC算法，对经过校准的接收数据矩阵进行波达方向估计，得到均匀线阵的空间谱估计，并根据预先设定的信号搜索范围，确定其谱峰，根据该谱峰，获得待测信号的估计入射角度。
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| CN (1) | CN113900060B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116087890A (zh) * | 2023-04-10 | 2023-05-09 | 北京中科睿信科技有限公司 | 提升雷达电子对抗性能的环境信号采集分析系统和方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007101451A1 (en) * | 2006-03-09 | 2007-09-13 | Fundacio Privada Centre Tecnologic De Telecomunicacions De Catalunya | Method and system for estimating directions-of-arrival in low power or low sample size scenarios |
| CN111190136A (zh) * | 2020-01-08 | 2020-05-22 | 华南理工大学 | 一种基于特定频率组合信号的一维doa估计方法 |
-
2021
- 2021-09-15 CN CN202111080218.9A patent/CN113900060B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007101451A1 (en) * | 2006-03-09 | 2007-09-13 | Fundacio Privada Centre Tecnologic De Telecomunicacions De Catalunya | Method and system for estimating directions-of-arrival in low power or low sample size scenarios |
| CN111190136A (zh) * | 2020-01-08 | 2020-05-22 | 华南理工大学 | 一种基于特定频率组合信号的一维doa估计方法 |
| WO2021139208A1 (zh) * | 2020-01-08 | 2021-07-15 | 华南理工大学 | 一种基于特定频率组合信号的一维doa估计方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 朱进勇;王立冬;: "基于MUSIC算法的测向系统的SystemVue仿真设计", 雷达科学与技术, no. 04, 15 August 2016 (2016-08-15) * |
| 李声飞;: "一种改进MUSIC算法DOA估计的研究与FPGA实现", 信息技术与信息化, no. 06, 25 June 2017 (2017-06-25) * |
| 王威;杨露;宁国勇;庄杰;: "基于软件无线电的天线阵列研究", 电子测量技术, no. 19, 8 October 2018 (2018-10-08) * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116087890A (zh) * | 2023-04-10 | 2023-05-09 | 北京中科睿信科技有限公司 | 提升雷达电子对抗性能的环境信号采集分析系统和方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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