KR101126712B1 - 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법 - Google Patents

방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법에 관한 것으로, 세개의 배열 안테나를 3차원으로 구성한 안테나로부터 협대역 신호를 수신하면 수신한 신호를 이용하여 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 계산하는 과정, 상기 데이터 행렬 또는 상기 상호 스팩트럼 행렬을 분해하는 과정, 분해한 상기 데이터 행렬 또는 상기 상호 스팩트럼 행렬을 이용하여 프로퍼게이터 추정행렬을 계산하는 과정, 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 분해하는 과정, 분해한 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 이용하여 위상(Phase) 행렬을 추정하는 과정 및, 추정한 상기 위상 행렬을 이용하여 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정하는 과정을 포함하는 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법에 관한 것이다.
방향도래각, 도착주파수, 안테나, 데이터 행렬, 상호 스팩트럼 행렬, 프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬, 위상(Phase) 행렬

Description

방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법{APPRATUS AND METHOD FOR ANTENNA WHICH ESTIMATES DIRECTION OF ARRIVAL AND FREQUENCY OF ARRIVAL}
도 1은 일반적인 2차원 배열을 가지는 안테나의 배열을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 구성한 3차원 배열 안테나의 구조를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 구성한 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치의 구성을 도시한 도면 및,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 구성한 안테나 장치에서 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 흐름을 도시한 흐름도이다.
본 발명은 3차원의 배열 안테나에서 수신한 신호의 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법에 관한 것이다.
배열 안테나에 도착하는 다중 신호들로부터 방향도래각(DOA:direction-of-Arrival)의 추정과 도착 주파수(FOA:Frequency-of-Arrival)의 추정은 많은 관심들을 받았다. 이러한 안테나로 수신한 신호의 방향도래각과 도착 주파수의 추정은 레이더, 수중 음파탐지기, 전파 천문학, 지진 데이터 처리, 그리고 이동통신시스템들과 같은 영역에서 중요한 역할을 한다.
상기 방향도래각은 크게 방향각과 상하각으로 나눌 수 있는데 기존의 2차원 안타나 배열을 이용하면 방향각, 상하각 및, 도착 주파수 중에 두 가지만 추정이 가능하다. 그러면 일반적으로 사용하는 2차원 안타나 배열을 아래에서 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 일반적인 2차원 배열을 가지는 안테나의 배열을 도시한 도면이다.
상기 도 1을 참조하면 일반적인 방향도래각 및 도착 주파수 추정 장치는 다수개의 안테나(100~114)를 가지며 안테나의 간격이 d인 3개의 선형 배열 안테나를 사용하며, 각 배열의 안테나 개수는 N 또는, N+1개 이다. 하나의 안테나 배열은 x-y평면에, 하나의 안테나 배열은 x축에 위치하며, 상기 안테나 배열을 이용하여 N개의 안테나로 이루어지는 X(100~104),Y(102~106),Z(110~114)의 부배열안테나로 구성하고 부배열안테나로 수신되는 신호를 이용하여 방향각, 상하각, 도착주파주 중에 2가지를 추정한다.
상기 방향도래각 및 도착 주파수를 추정하는 대표적인 방법은 데이터 행렬의 SVD(singular value decomposition)와 EVD(cross spectral matrix eigenvalue decomposition) 방법이 있으나 상기 SVD와 EVD는 수신 신호의 공분산행렬의 특이치 분해를 해야 하기 때문에 광대한 계산을 필요로 한다. SVD와 EVD에 대한 내용은 논문 "S. Wang, J. Caffery, and X. Zhou, “Analysis of a joint space time DOA/FOA estimator using MUSIC,” IEEE Internation Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, pp. B138-B142, Sept. 2001."를 참조하며 상세한 설명은 생략한다.
따라서 방향각 상하각 및 도착 주파수를 모두 추정하고, 계산 복잡도가 낮은 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법이 요구된다.
본 발명의 목적은 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 3차원의 안테나 배열구조를 가지고 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 방향도래각과 도착주파수를 추정이 기존의 SVD(singular value decomposition)와 EVD(cross spectral matrix eigenvalue decomposition) 방법보다 상대적으로 계산복잡도가 낮은 안테나 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치에 있어서, 세개의 배열 안테나를 3차원으로 구성하는 안 테나부, 상기 안테나부로부터 협대역 신호를 수신하여 행렬 계산부로 제공하는 신호 수신부, 수신한 신호를 이용하여 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 계산하여 행렬 분해부로 제공하는 상기 행렬 계산부, 상기 데이터 행렬 또는 상기 상호 스팩트럼 행렬을 분해하여 프로퍼게이터(Propagator) 행렬 계산부로 제공하는 상기 행렬 분해부, 분해한 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 이용하여 프로퍼게이터 추정행렬을 계산하여 프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬 분해부로 제공하는 상기 프로퍼게이터 추정행렬 계산부, 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 분해하여 위상(Phase) 행렬 추정부로 제공하는 상기 프로퍼게이터 추정행렬 분해부, 상기 분해한 프로퍼게이터 추정행렬을 이용하여 위상 행렬을 추정하여 추정부에 제공하는 위상 행렬 추정부 및, 상기 위상 행렬 추정부에서 추정한 상기 위상 행렬을 이용하여 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정하는 상기 추정부를 포함하는 장치를 제공한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 방법에 있어서, 안테나로부터 협대역 신호를 수신하면 수신한 신호를 이용하여 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 계산하는 과정, 상기 데이터 행렬 또는 상기 상호 스팩트럼 행렬을 분해하는 과정, 분해한 상기 데이터 행렬 또는 상기 상호 스팩트럼 행렬을 이용하여 프로퍼게이터 추정행렬을 계산하는 과정, 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 분해하는 과정, 분해한 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 이용하여 위상(Phase) 행렬을 추정하는 과정 및, 추정한 상기 위상 행렬을 이용하 여 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정하는 과정을 포함하는 방법을 제공한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 배열 안테나에서 수신한 신호의 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 모두 추정하는 안테나 장치 및 방법에 관한 것으로, 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 모두 추정하기 위해 3차원의 배열 안테나 구조를 가지며 아래에서 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 구성한 3차원 배열 안테나의 구조를 도시한 도면이다.
상기 도 2를 살펴보면 다수개의 안테나(200~224)를 미리 정한 일정간격(d)으로 3개의 선형 배열 안테나를 사용하며, 각 배열 안테나 개수는 N, N+1, N개가 된다. 하나의 안테나 배열은 x-y평면에, 하나의 안테나 배열은 y축에, 나머지 하나의 안테나 배열은 y-z평면에 위치한다. X(200~204), Y(202~206), Z(220~224) ,W(210~214)는 배열 안테나 구조의 부배열안테나(Subarray)이며, 각각의 부배열안테나는 N개의 안테나로 구성한다.
상기 도 2는 방향각, 상하각, 도착주파수를 동시에 추정할 수 있는 배열 안 테나 구조의 한 가지 예이며, 일반적으로는 x-y평면에서 부배열안테나 X,Y,W를 배치하고 Z 부배열안테나를 이에 평행하게 등간격을 유지한 채 배치하면 방향각, 상하각, 도착주파수를 모두 측정이 가능하다.
본 발명에서 방향각, 상하각, 도착주파수를 모두 추정하기 위한 유도과정을 수학식을 이용하여 설명하면, 상기 도 2의 각 부배열안테나에 포함된 안테나가 수신하는 K개의 협대역 신호를 아래 <수학식 1>과 같이 표현한다.
본 발명의 설명에 앞서 본 발명의 수학식들의 매개변수(parameter)의 서로 통일하여 설명하며 앞선 수학식에서 설명한 매개변수의 설명은 생략한다.
Figure 112006000388313-pat00001
여기서, K는 안테나를 통해 수신되는 협대역 신호의 갯수이고, θk는 신호의 방향도래각중 상승각이고, φk는 수신한 신호의 방향도래각중 방향각이고, fk는 수신한 신호의 도착 주파수이다.
상기 <수학식 1>의 방정식들은 수신 출력 백터로 표현하면, 아래 <수학식 2>와 같이 행렬 형태로 표현이 가능하다.
Figure 112006000388313-pat00002
여기서, X(t)=[x1(t), x2(t), …, xN(t)]T 이고, Y(t)=[y1(t), y2(t), …, yN+1(t)]T 이고, Z(t)=[z1(t), z2(t), …, zN(t)]T 이고, W(t)=[w1(t), w2(t), …, wN(t)]T 이고, A(θ,φ,f)=[a(θ1,φ1,f1), a(θ2,φ2,f2), …,a(θk,φk,fk)] 이고, a(θ2,φ2,f2)=[1, uk, …, uk N -1] , k=1,…,K,
Figure 112006000388313-pat00003
이고, S(t)=[s1(t), s2(t), …, sK(t)]T 이고, θ=[θ1,…θK]T 이고, φ=[φ1,…φK]T 이고, f=[f1,…fK]T 이고, nx, ny, nz, nw는 시간 t에서 N×1의 평균이 0이고 분산이 σ2인 부가성 백색 가우시안 잡음 벡터이고, c는 전파 전송속도이고, 윗첨자 T는 전치행렬을 의미한다.
상기 <수학식 2>에서 Φ1(θ,φ,f), Φ2(θ,f), Φ3(θ,φ,f)는 각각 K×K의 대각선(Diagonal) 행렬로, θk,φk,fk에 대한 정보를 포함하며 아래에서 <수학식 3>과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112006000388313-pat00004
여기서 diag[xi]는 대각선(Diagonal) 행렬에서 각 원소가 xi임을 의미한다.
본 발명의 설명에 있어서 상기 Φ1(θ,φ,f), Φ2(θ,f), Φ3(θ,φ,f)는 각각 Φ1, Φ2, Φ3로 표기하고, 배열 응답 행열(array response matrix)인 A(θ,φ,f)는 A로 표기한다.
그러면, 논문 "S. Marcos, A. Marsal, M. Benidir, “The propagator method for source bearing estimation,” Signal Processing42 (1995), pp. 121-138."의 PM(Propagator Method)기법을 참조하면 배열 응답 행열(array response matrix) A는 아래 <수학식 4>와 같이 표현 가능하다.
Figure 112006000388313-pat00005
여기서, A1은 K×K의 부행렬이고, A2는 (N-K)×K의 부행렬이다.
그러면 K×(4N-K)의 프로퍼게이터(Propagator) 행렬 P를 상기 <수학식 2>의 각 수신 출력 벡터, X, Y, Z, W에 각각 적용하고, D를 아래 <수학식 5>와 같이 정의하고,
Figure 112006000388313-pat00006
상기 <수학식 5>를 상기 <수학식 4>와 같이 표현하면 아래 <수학식 6>과 같이 표현이 가능하다.
Figure 112006000388313-pat00007
여기서,
Figure 112006000388313-pat00008
이다.
N≥2K일때, A1이 K×K 단수가아닌(non-singular) 행렬이라고 가정하면, K×(4N-K)의 프로퍼게이터(Propagator) 행렬 P는 아래 <수학식 7>을 만족하는 유일한 선형 연산자이다.
Figure 112006000388313-pat00009
여기서, H는 허미션(Hermitian) 연산이다.
한편, 4N×1의 데이터 벡터(Data vector) Q(t)은 아래 <수학식 8>과 같이 표현하고,
Figure 112006000388313-pat00010
L개의 데이터 벡터(Data vector)들의 4N×L의 데이터(data) 행렬을 F라고 하면 F는 아래 <수학식 9>과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112006000388313-pat00011
그리고, 4N×4N의 상호 스팩트럼(spectral) 행렬
Figure 112006000388313-pat00012
은 아래 <수학식 10>과 같이 표기할 수 있다.
Figure 112006000388313-pat00013
그러면 상기 <수학식 9>의 데이터 행렬과 <수학식 10>의 상호 스팩트럼 행렬을 분해하면 각각 아래 <수학식 11>과 <수학식 12>로 각각 표현할 수 있다.
Figure 112006000388313-pat00014
여기서, F1은 K×L의 부행렬이고, F2는 (4N-K)×L의 부행렬이다.
Figure 112006000388313-pat00015
여기서, E는 4N×K의 부행렬이고, J는 4N×(4N-K)의 부행렬이다.
그러면, K×(4N-K) 크기의 데이터 행렬 F의 프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬을
Figure 112006000388313-pat00016
이라고 하고, K×(4N-K) 크기의 상호 스팩트럼(spectral) 행렬
Figure 112006000388313-pat00017
의 프로퍼게이터 추정행렬을
Figure 112006000388313-pat00018
라고 하면, 상기 프로퍼게이터 추정행렬
Figure 112006000388313-pat00019
와
Figure 112006000388313-pat00020
는 아래 <수학식 13>의 비용함수가 최소화 되도록 정한다.
Figure 112006000388313-pat00021
여기서,
Figure 112006000388313-pat00022
는 프로베니우스 기준(Frobenius norm)이다.
상기 <수학식 13>에 최소자승방법(least square method)을 적용하면, 상기 프로퍼게이터 추정행렬
Figure 112006000388313-pat00023
와
Figure 112006000388313-pat00024
를 아래 <수학식 14>과 같이 구할 수 있다.
Figure 112006000388313-pat00025
상기 <수학식 14>의 상기 프로퍼게이터 추정행렬
Figure 112006000388313-pat00026
또는
Figure 112006000388313-pat00027
는 각각 아래 <수학식 15>와 같이 분해할 수 있다.
Figure 112006000388313-pat00028
여기서
Figure 112006000388313-pat00029
의 차원은 각각
Figure 112006000388313-pat00030
Figure 112006000388313-pat00031
Figure 112006000388313-pat00032
의 차원과 일치한다. 그러면, 상기 <수학식 6>, <수학식 7>, <수학식 15>에 의하면 아래 <수학식 16>와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112006000388313-pat00033
상기 <수학식 16>는 아래 <수학식 17>과 같이 표현 가능하다.
Figure 112006000388313-pat00034
여기서, #은 의사역행렬이다.
상기 <수학식 17>을 이용하여 위상(phase) 행렬 Φ1, Φ2, Φ3 는 아래 <수학식 18>과 같이 표현된다.
Figure 112006000388313-pat00035
상기 <수학식 18>에서 구한 위상(phase) 행렬 Φ1, Φ2, Φ3 를 상하각, 방향각 및, 도착주파수를 추정하는 아래 <수학식 19>에 적용하여 상하각, 방향각 및, 도착주파수를 추정한다.
Figure 112006000388313-pat00036
상기 <수학식 19>을 참조하면 상하각
Figure 112006000388313-pat00037
의 추정은
Figure 112006000388313-pat00038
의 추정식을 이용하여 얻은 값을 이용하여 추정하고, 주파수
Figure 112006000388313-pat00039
의 추정은
Figure 112006000388313-pat00040
의 추정식을 이용하여 추정한다.
본 발명의 상하각과 방향각의 추정은 arc-tangent 연산을 통해 추정함으로 arc-tangent 연산의 특징인 y=tan-1(x)가 실수영역(R)에 존재하면, 모든 x∈R에 대하여
Figure 112006000388313-pat00041
영역에 1대 1함수 임으로, arc-tangent 연산은 x가 실수 영역에 존재하면 추정에 실패하지 않는다.
그러면 상기 도 2의 배열 안테나를 가지고 상향각, 상하각 및 도착주파수를 추정하는 본 발명의 안테나 장치를 아래에서 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 구성한 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이다.
상기 도 3을 참조하면 본 발명의 안테나 장치는 다수개의 안테나(200~224), 신호 수신부(300), 행렬 계산부(302), 행렬 분해부(304), 프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬 계산부(306), 프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬 분해부(308), 위상(Phase) 행렬 추정부(310) 및, 추정부(312)를 포함하여 구성한다.
안테나(200~224)는 상기 도 2의 설명과 동일하며 K개의 협대역 신호를 수신하여 신호 수신부(300)로 제공한다.
신호 수신부(300)는 안테나(200~224)로부터 K개의 협대역 신호를 수신하여 부배열안테나 단위로 행렬 계산부(302)로 제공한다.
행렬 계산부(302)는 상기 신호 수신부(300)로부터 수신한 신호를 이용하여 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 계산하여 행렬 분해부(304)로 제공한다.
상기 데이터 행렬 F는 상기 <수학식 9>을 통해 계산할 수 있고, 상기 상호 스팩트럼 행렬
Figure 112006000388313-pat00042
은 상기 <수학식 10>을 통해 계산할 수 있다.
행렬 분해부(304)는 상기 행렬 계산부(302)로부터 수신한 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 분해하여 프로퍼게이터(Propagator) 행렬 계산부(306)로 제공한다.
상기 데이터 행렬의 분해는 상기 <수학식 11>을 통해 분해하고, 상기 상호 스팩트럼 행렬의 분해는 상기 <수학식 12>을 통해 분해한다.
프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬 계산부(306)는 분해한 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 이용하여 프로퍼게이터 추정행렬
Figure 112006000388313-pat00043
또는
Figure 112006000388313-pat00044
를 계산하여 상기 프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬 분해부(308)로 제공한다.
상기 프로퍼게이터 추정행렬
Figure 112006000388313-pat00045
또는
Figure 112006000388313-pat00046
는 상기 <수학식 14>과 같다.
프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬 분해부(308)는 상기 프로퍼게이터 추정행렬
Figure 112006000388313-pat00047
또는
Figure 112006000388313-pat00048
를 상기 <수학식 15>와 같이 분해여 위상(Phase) 행렬 추정부(310)로 제공한다.
위상(Phase) 행렬 추정부(310)는 분해된 프로퍼게이터 추정행렬을 이용하여 위상 행렬을 추정하여 추정부에 제공한다.
상기 위상 행렬 추정은 상기 <수학식 18>을 이용하여 추정한다.
추정부(312)는 상기 위상(Phase) 행렬 추정부(310)에서 추정한 위상 행렬을 이용하여 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정한다.
상기 방향각, 상하각 및, 도착주파수의 추정은 상기 <수학식 19>을 이용하여 추정한다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따라 구성한 안테나 장치를 이용하여 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 방법을 아래에서 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 구성한 안테나 장치에서 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 흐름을 도시한 흐름도이다.
상기 도 4를 참조하면 본 발명의 안테나 장치는 400단계로 진행하여 배열 안테나로부터 K개의 협대역 신호의 수신 여부를 검사한다.
상기 400단계의 검사결과 신호를 수신하면, 402단계로 진행하여 수신한 신호를 이용하여 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 계산하고, 404단계로 진행하여 수신한 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 분해하고, 406단계로 진행하여 분해한 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 이용하여 프로퍼게이터 추정행렬을 계산하고, 408단계로 진행하여 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 분해하고, 410단계로 진행하여 분해한 프로퍼게이터 추정행렬을 이용하여 위상(Phase) 행렬을 추정하고, 412단계로 진행하여 추정한 위상 행렬을 이용하여 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정한다.
상기 402단계에서 상기 데이터 행렬 F는 상기 <수학식 9>을 통해 계산할 수 있고, 상기 상호 스팩트럼 행렬
Figure 112006000388313-pat00049
은 상기 <수학식 10>을 통해 계산할 수 있다.
상기 404단계에서 상기 데이터 행렬의 분해는 상기 <수학식 11>을 통해 분해하고, 상기 상호 스팩트럼 행렬의 분해는 상기 <수학식 12>을 통해 분해한다.
상기 406단계의 상기 프로퍼게이터 추정행렬
Figure 112006000388313-pat00050
또는
Figure 112006000388313-pat00051
는 상기 <수학식 14>과 같다.
상기 408단계의 프로퍼게이터 추정행렬 분해는 상기 <수학식 15>와 같이 분해한다.
상기 410단계의 상기 위상 행렬 추정은 상기 <수학식 18>을 이용하여 추정한다.
상기 412단계의 상기 방향각, 상하각 및, 도착주파수의 추정은 상기 <수학식 19>을 이용하여 추정한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상기 상술한 바와 같이 본 발명은, 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법에 관한 것으로 방향각, 상하각 및, 도착 주파수를 모두 추정하고, 기존의 일반적인 방법인 SVD(singular value decomposition)와 EVD(cross spectral matrix eigenvalue decomposition) 방법에 비해 계산 복잡도가 상대적으로 낮은 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법을 제공한다.

Claims (22)

  1. 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치에 있어서,
    세개의 배열 안테나를 3차원으로 구성하는 안테나부;
    상기 안테나부로부터 협대역 신호를 수신하여 행렬 계산부로 제공하는 신호 수신부;
    수신한 신호를 이용하여 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 계산하여 행렬 분해부로 제공하는 상기 행렬 계산부;
    상기 데이터 행렬 또는 상기 상호 스팩트럼 행렬을 분해하여 프로퍼게이터(Propagator) 행렬 계산부로 제공하는 상기 행렬 분해부;
    분해한 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 이용하여 프로퍼게이터 추정행렬을 계산하여 프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬 분해부로 제공하는 상기 프로퍼게이터 추정행렬 계산부;
    상기 프로퍼게이터 추정행렬을 분해하여 위상(Phase) 행렬 추정부로 제공하는 상기 프로퍼게이터 추정행렬 분해부;
    상기 분해한 프로퍼게이터 추정행렬을 이용하여 위상 행렬을 추정하여 추정부에 제공하는 위상 행렬 추정부; 및
    상기 위상 행렬 추정부에서 추정한 상기 위상 행렬을 이용하여 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정하는 상기 추정부를 포함하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 안테나부는,
    3개의 선형 배열 안테나를 사용하며, 각 배열 안테나 개수는 N, N+1, N개로 구성하고, 그중 N개로 구성하는 배열 안테나 하나는 x-y평면에, N+1개로 구성하는 다른 하나의 배열 안테나 y축에, N개로 구성하는 나머지 하나의 배열 안테나는 y-z평면에 위치하여 구성함을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    N개의 안테나로 구성한 상기 배열 안테나를 각각 하나의 부배열안테나로 구성하고, N+1개의 안테나로 구성한 상기 배열 안테나에서 처음 안테나를 제외한 N개를 다른 부배열안테나로 구성하고, N+1개의 안테나로 구성한 상기 배열 안테나에서 마지막 안테나를 제외한 N개를 또 다른 부배열안테나로 구성하여 총 4개의 부배열 안테나로 구성함을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 행렬 계산부는.
    상기 데이터 행렬 F를 아래에서 <수학식 20>를 통해 계산함을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112006000388313-pat00052
    여기서 Q(t)는 시간 t가 1에서 L까지일 때의 데이터 벡터이다.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 행렬 계산부는.
    상기 상호 스팩트럼 행렬
    Figure 112006000388313-pat00053
    를 아래에서 <수학식 21>를 통해 계산함을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112006000388313-pat00054
    여기서, F는 데이터 행렬이고, L은 데이터 벡터 Q(t)의 갯수이고, H는 허미션(Hermitian) 연산이다.
  6. 제 4항 또는 수학식 5항에 있어서,
    상기 <수학식 20>와 상기 <수학식 21>의 상기 데이터 벡터 Q(t)는 아래어서 <수학식 22>로 표현함을 특징으로 하는 장치.
    여기서, X(t), Y(t), Z(t), W(t)는 시간 t에서 각각의 부배열안테나를 통해 수신한 신호의 행렬이고, 윗첨자 T는 전치행렬이다.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 행렬 분해부는,
    상기 데이터 행렬 F의 분해 또는 상기 상호 스팩트럼 행렬
    Figure 112006000388313-pat00056
    의 분해를 아래에서 <수학식 23>를 통해 분해함을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112006000388313-pat00057
    Figure 112006000388313-pat00058
    여기서, F1은 K(협대역신호의 갯수)×L(협대역신호 수신횟수)의 부행렬이고, F2는 (4N(부배열안테나의 갯수)-K)×L의 부행렬이고, E는 4N×K의 부행렬이고, J는 4N×(4N-K)의 부행렬이다.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 프로퍼게이터 추정행렬 계산부는,
    상기 프로퍼게이터 추정행렬
    Figure 112006000388313-pat00059
    또는
    Figure 112006000388313-pat00060
    는 아래에서 <수학식 24>을 통해 추정함을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112006000388313-pat00061
    여기서,
    Figure 112006000388313-pat00062
    는 상기 데이터 행렬의 프로퍼게이터 추정행렬이고,
    Figure 112006000388313-pat00063
    상기 상호 스팩트럼 행렬의 프로퍼게이터 추정행렬이고, H는 허미션(Hermitian) 연산이고, F1은 K(협대역신호의 갯수)×L(협대역신호 수신횟수)의 부행렬이고, F2는 (4N(부배열안테나의 갯수)-K)×L의 부행렬이고, E는 4N×K의 부행렬이고, J는 4N×(4N-K)의 부행렬이다.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 프로퍼게이터 추정행렬 분해부는,
    상기 프로퍼게이터 추정행렬
    Figure 112006000388313-pat00064
    또는
    Figure 112006000388313-pat00065
    를 아래에서 <수학식 25>과 같이 분해함을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112006000388313-pat00066
    여기서, H는 허미션(Hermitian) 연산이고, 윗첨자 T는 전치행렬이다.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 위상 행렬 추정부는,
    상기 위상 행렬 Φ1, Φ2 및, Φ3의 추정을 아래에서 <수학식 26>를 이용하여 추정함을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112006000388313-pat00067
    여기서, 상기
    Figure 112006000388313-pat00068
    은 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 분해하여 구한 상기 프로퍼게이터 추정행렬의 고유값(eigenbalue)이고, #은 의사역행렬이다.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 추정부는,
    k번째 협대역 신호의 상기 방향각(
    Figure 112006000388313-pat00069
    ), 상하각(
    Figure 112006000388313-pat00070
    ) 및, 도착주파수(
    Figure 112006000388313-pat00071
    )의 추정을 아래에서 <수학식 27>을 이용하여 추정함을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112006000388313-pat00072
    여기서 Φ1, Φ2, Φ3 위상 행렬이다.
  12. 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 방법에 있어서,
    안테나로부터 협대역 신호를 수신하면 수신한 신호를 이용하여 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 계산하는 과정;
    상기 데이터 행렬 또는 상기 상호 스팩트럼 행렬을 분해하는 과정;
    분해한 상기 데이터 행렬 또는 상기 상호 스팩트럼 행렬을 이용하여 프로퍼게이터 추정행렬을 계산하는 과정;
    상기 프로퍼게이터 추정행렬을 분해하는 과정;
    분해한 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 이용하여 위상(Phase) 행렬을 추정하는 과정; 및
    추정한 상기 위상 행렬을 이용하여 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정하는 과정을 포함하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 안테나는,
    3개의 선형 배열 안테나를 사용하며, 각 배열 안테나 개수는 N, N+1, N개로 구성하고, 그중 N개로 구성하는 배열 안테나 하나는 x-y평면에, N+1개로 구성하는 다른 하나의 배열 안테나 y축에, N개로 구성하는 나머지 하나의 배열 안테나는 y-z평면에 위치하여 구성함을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    N개의 안테나로 구성한 상기 배열 안테나를 각각 하나의 부배열안테나로 구성하고, N+1개의 안테나로 구성한 상기 배열 안테나에서 처음 안테나를 제외한 N개를 다른 부배열안테나로 구성하고, N+1개의 안테나로 구성한 상기 배열 안테나에서 마지막 안테나를 제외한 N개를 또 다른 부배열안테나로 구성하여 총 4개의 부배열 안테나로 구성함을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 데이터 행렬 F는 아래에서 <수학식 28>를 통해 계산함을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112006000388313-pat00073
    여기서 Q(t)는 시간 t가 1에서 L까지일 때의 데이터 벡터이다.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 상호 스팩트럼 행렬
    Figure 112006000388313-pat00074
    는 아래에서 <수학식 29>를 통해 계산함을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112006000388313-pat00075
    여기서, F는 데이터 행렬이고, L은 데이터 벡터 Q(t)의 갯수이고, H는 허미션(Hermitian) 연산이다.
  17. 제 15항 또는 제 16항에 있어서,
    상기 <수학식 28>와 상기 <수학식 29>의 상기 데이터 벡터 Q(t)는 아래어서 <수학식 30>로 표현함을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112006000388313-pat00076
    여기서, X(t), Y(t), Z(t), W(t)는 시간 t에서 각각의 부배열안테나를 통해 수신한 신호의 행렬이고, 윗첨자 T는 전치행렬이다.
  18. 제 12항에 있어서,
    상기 데이터 행렬 F의 분해 또는 상기 상호 스팩트럼 행렬
    Figure 112006000388313-pat00077
    의 분해는 아래에서 <수학식 31>를 통해 분해함을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112006000388313-pat00078
    Figure 112006000388313-pat00079
    여기서, F1은 K(협대역신호의 갯수)×L(협대역신호 수신횟수)의 부행렬이고, F2는 (4N(부배열안테나의 갯수)-K)×L의 부행렬이고, E는 4N×K의 부행렬이고, J는 4N×(4N-K)의 부행렬이다.
  19. 제 12항에 있어서,
    상기 프로퍼게이터 추정행렬
    Figure 112006000388313-pat00080
    또는
    Figure 112006000388313-pat00081
    의 추정은 아래에서 <수학식 32>을 통해 추정함을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112006000388313-pat00082
    여기서,
    Figure 112006000388313-pat00083
    는 상기 데이터 행렬의 프로퍼게이터 추정행렬이고,
    Figure 112006000388313-pat00084
    상기 상호 스팩트럼 행렬의 프로퍼게이터 추정행렬이고, H는 허미션(Hermitian) 연산이 고, F1은 K(협대역신호의 갯수)×L(협대역신호 수신횟수)의 부행렬이고, F2는 (4N(부배열안테나의 갯수)-K)×L의 부행렬이고, E는 4N×K의 부행렬이고, J는 4N×(4N-K)의 부행렬이다.
  20. 제 12항에 있어서,
    상기 프로퍼게이터 추정행렬
    Figure 112006000388313-pat00085
    또는
    Figure 112006000388313-pat00086
    의 분해는 아래에서 <수학식 33>과 같이 분해함을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112006000388313-pat00087
    여기서, H는 허미션(Hermitian) 연산이고, 윗첨자 T는 전치행렬이다.
  21. 제 12항에 있어서,
    상기 위상 행렬 Φ1, Φ2 및, Φ3의 추정은 아래에서 <수학식 34>를 이용하여 추정함을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112006000388313-pat00088
    여기서, 상기
    Figure 112006000388313-pat00089
    은 상기 프로퍼게이터 추정행렬을 분해하여 구한 상기 프로퍼게이터 추정행렬의 고유값(eigenbalue)이고, #은 의사역행렬이다.
  22. 제 12항에 있어서,
    k번째 협대역 신호의 상기 방향각(
    Figure 112006000388313-pat00090
    ), 상하각(
    Figure 112006000388313-pat00091
    ) 및, 도착주파수(
    Figure 112006000388313-pat00092
    )의 추정은 아래에서 <수학식 35>을 이용하여 추정함을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112006000388313-pat00093
    여기서 Φ1, Φ2, Φ3 위상 행렬이다.
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