KR101414574B1 - A Spatially Smoothed Auto-convolution based DOA Estimating Method for Correlated Signals in the Presence of Correlated Antenna Noises - Google Patents

A Spatially Smoothed Auto-convolution based DOA Estimating Method for Correlated Signals in the Presence of Correlated Antenna Noises Download PDF

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Abstract

다수의 신호원로부터 신호를 안테나 어레이를 통해 수신하는 수신기에서 신호 도래방향각(DOA)을 예측하는 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법에 관한 것으로서, (a) 안테나 수신신호를 복소 엔벨롭(Complex envelope) 표현법을 적용하여 선형벡터로 표현하는 단계; (b) 상기 수신신호에 자동 콘볼루션 동작(auto convolution)을 수행하여 새로운 신호를 얻는 단계; (c) 상기 제1 신호를 선형벡터로 표현한 것(이하 신호 벡터)을 푸리에 변환을 통해 주파수 영역의 데이터로 변환하는 단계; (d) 새로운 신호 벡터를 푸리에 변환을 통해 주파수 영역으로 표현하는 단계; (e) 두 개의 행렬 간에 요소 대 요소의 곱셈을 수행하는 연산자(이하 델타 적)를 이용하여 제1 스펙트럼 밀도 행렬을 추출하는 단계; 및, (f) 상기 제1 스펙트럼 밀도 행렬을 공간적으로 평활화하여 제2 스펙트럼 밀도 행렬을 구하는 단계를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 신호 도래방향각 예측 방법에 의하여, 상관된 잡음 영역의 환경에서 추가적인 상관된 잡음을 가지고 안테나 어레이에 도달하는 상관된 다수의 신호라도 신호 도래방향각(DOA)을 효과적으로 예측할 수 있다.
A method for predicting a signal arrival direction angle (DOA) in a receiver that receives a signal from a plurality of signal sources via an antenna array, the method comprising: (a) Expressing a complex envelope expression as a linear vector; (b) performing an auto convolution on the received signal to obtain a new signal; (c) transforming the first signal represented by a linear vector (hereinafter, signal vector) into frequency domain data through Fourier transform; (d) expressing a new signal vector in a frequency domain through Fourier transform; (e) extracting a first spectral density matrix using an operator for performing an element-by-element multiplication between two matrices (hereinafter referred to as a delta element); And (f) spatially smoothing the first spectral density matrix to obtain a second spectral density matrix.
According to the above-described signal arrival direction angle predicting method, it is possible to effectively predict the signal arrival direction angle (DOA) even when a plurality of correlated signals arriving at the antenna array with the additional correlated noise in the environment of the correlated noise region.

Description

상관된 안테나 잡음이 존재하는 상황에서 상관된 신호들에 대한 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법 { A Spatially Smoothed Auto-convolution based DOA Estimating Method for Correlated Signals in the Presence of Correlated Antenna Noises }[0001] The present invention relates to a spatially smoothed self-convolution based DOA Estimating Method for Correlated Signals in Correlated Antenna Noises for Correlated Signals in the Presence of Correlated Antenna Noise,

본 발명은 다수의 신호원으로부터 얻어진 상호 상관된 신호를 서로 상관된 안테나 잡음을 가지는 안테나 어레이를 통해 수신하는 수신기에서 수행되는 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for predicting a spatially smoothed self-convolutional direction-of-arrival angle in a receiver that receives cross-correlated signals obtained from a plurality of signal sources via an antenna array having correlated antenna noise.

어레이 신호 처리는 잡음의 존재에서 공간적으로 분산된 안테나 어레이로부터 수신된 데이터의 구조를 분석하고 처리하는 분야로 정의될 수 있다. 어레이 신호 처리를 사용하여 신호의 도래방향각(DOA, direction of arrival)을 추정하는 것은 레이더, 수중 음파 탐지, 이동 통신 분야 등에서 매우 중요한 연구 논제로 다루어져 왔다[비특허문헌 1-3].Array signal processing can be defined as the field of analyzing and processing the structure of data received from an antenna array that is spatially dispersed in the presence of noise. Estimation of the direction of arrival (DOA) of a signal using array signal processing has been dealt with as a very important research topic in radar, sonar detection, and mobile communication fields [Non-Patent Documents 1-3].

다중 신호 분류(MUSIC, Multiple Signal Classification) 방법은 고유 구조 알고리즘에 기초하고 어레이 신호 처리를 사용한 것으로서, 이후 개발되는 DOA 추정 방법을 위한 벤치마크로 간주되고 있는 방법이다. MUSIC 방법은 스펙트럼 추정 방법[비특허문헌 6,7]에 비해 DOA 추정[비특허문헌 4,5]에 더 적은 복잡도를 가지고 우수한 해상도를 제공한다.The MUSIC (Multiple Signal Classification) method is based on a proprietary structure algorithm and uses array signal processing, which is considered as a benchmark for DOA estimation methods to be developed later. The MUSIC method provides better resolution with less complexity in the DOA estimation [Non-Patent Documents 4 and 5] than the spectral estimation method [Non-Patent Document 6,7].

그러나, MUSIC은 실제 상황에서 응용하는데 있어서 일부 결정적인 제한 요소를 가지고 있다. 즉, 안테나 어레이로 도래하는 다수의 신호들이 서로 상관되거나 부가되는 안테나 잡음들이 상관되어 있을 때 MUSIC은 DOA 예측 성능을 열화 시킨다.However, MUSIC has some crucial limitations in application in real situations. That is, the MUSIC degrades the DOA prediction performance when a plurality of signals arriving at the antenna array are correlated or added to each other and the antenna noise is correlated.

코히어런트(coherent) 또는 부분 상관된 신호들의 DOA 예측을 위하여, 공간 평활화(SS, spatial smoothing) 전처리 구조가 제안되었다[비특허문헌 8]. 이 구조는 공간적으로 중복하여 분산된 안테나 서브 어레이를 사용하여 코히어런트(coherent)한 신호를 처리함으로써 신호들 사이의 상관을 제거할 수 있다는 아이디어에 기초를 두고 있다. For DOA prediction of coherent or partially correlated signals, a spatial smoothing (SS) pre-processing structure has been proposed [Non-Patent Document 8]. This structure is based on the idea that correlation between signals can be eliminated by processing coherent signals using spatially overlapping and dispersed antenna sub-arrays.

한편, MUSIC과 공간 평활화(SS)를 포함하는 DOA 추정 알고리즘의 대부분은 부가되는 어레이 안테나 잡음이 일반적으로 서로 상관되어 있지 않다고 가정한다. 이러한 알고리즘들이 어레이 안테나 잡음이 서로 상관되어 있는 환경에서 DOA를 예측하는데 사용되는 경우, 얻어지는 DOA 예측 결과가 불량할 것이라는 것은 자명하다.On the other hand, most of the DOA estimation algorithms including MUSIC and spatial smoothing (SS) assume that the added array antenna noise is not correlated with each other in general. Obviously, if these algorithms are used to predict the DOA in environments where the array antenna noise is correlated, the DOA prediction results obtained will be poor.

[비특허문헌 9]에서 본 발명인은 알려진 또는 추정된 잡음 상관 계수를 가지고 상관된 안테나 부가 잡음간의 상관을 없애주는 알고리즘을 제안하였다. "제 2 차(SO, second order)"알고리즘이라고 불리는 이 알고리즘은, 주어진 안테나에 도달하는 다중 신호들과 잡음으로 구성된 원래의 데이터들의 자기 콘벌루션을 수행하는 과정을 거친 후 새로운 샘플 데이터를 만들어서 사용한다. 이러한 새로운 자기 콘벌루션된 데이터는 일정한 지연을 가지고 다른 모든 데이터 포인트에 대한 정보를 유지할 수 있기 때문에, 이러한 새로운 샘플 데이터를 활용하는 SO 알고리즘은 상관된 잡음 환경과 낮은 S/N(신호대잡음비) 환경에서도 개선된 DOA 예측 해상도를 제공한다.In the non-patent document 9, the present invention proposes an algorithm for eliminating correlation between correlated antenna additive noise with known or estimated noise correlation coefficients. This algorithm, called "SO (second order)" algorithm, performs the self-convolution of the original data composed of multiple signals and noise arriving at a given antenna, do. Because these new magnetized data can retain information for all other data points with a constant delay, the SO algorithm that utilizes these new sample data can be used in both correlated noise environments and low S / N (signal to noise ratio) environments And provides improved DOA prediction resolution.

요약하면, 어레이 신호 처리 방법은 신호 대 잡음비(S/N)의 개념적 증가로 인해 신호의 DOA를 예측하는데 높은 해상도를 제공할 수 있다. MUSIC, Root MUSIC 등과 같은 고유 구조 기반의 어레이 신호처리 알고리즘들은 다중 신호들이 코히어런트(완전 상관)하지 않을 때 효과적인 DOA 결과를 제공한다. 공간 평활화(SS: Spatial Smoothing) 알고리즘의 등급은 공간으로 분산된 중복하는 서브 어레이를 사용하여 코히어런트한 신호들의 상관 관계를 공간적으로 제거한다. 한편, 제 2 차(SO: Second Order) 알고리즘은 알려진 또는 추정된 잡음 상관 계수를 가지고 상관된 안테나 잡음을 비상관화(de-correlate)하는 것으로 밝혀졌다.In summary, the array signal processing method can provide a high resolution for predicting the DOA of a signal due to the conceptual increase of the signal-to-noise ratio (S / N). Unique structure based array signal processing algorithms such as MUSIC and Root MUSIC provide effective DOA results when multiple signals are not coherent. The class of the spatial smoothing (SS) algorithm spatially removes the correlation of coherent signals using redundant sub-arrays distributed in space. On the other hand, the second order (SO) algorithm has been found to de-correlate correlated antenna noise with known or estimated noise correlation coefficients.

실제적 관점에서 안테나 어레이에 도래하는 다중 신호들이 서로 상관되어 있고 아울러 어레이 안테나에서의 부가 잡음들이 서로 상관되어 있는 상황을 고려할 수 있다.From a practical point of view, it is possible to consider a situation in which multiple signals arriving at the antenna array are correlated with each other, and additional noises in the array antenna are correlated with each other.

따라서 부가적인 상관 잡음들을 가지는 안테나 어레이에 도래하는 상관된 다중 신호를 효과적으로 분석할 수 있는 방법이 필요하다.
Therefore, there is a need for a method that can effectively analyze correlated multiple signals arriving at an antenna array with additional correlation noise.

D.G. Manolakis, et al.: Statistical and Adaptive Signal Processing, Artech House, Inc., Norwood, (2005)D.G. Manolakis, et al .: Statistical and Adaptive Signal Processing, Artech House, Inc., Norwood, (2005) [비특허문헌 2] X. Zhang, et al.: Digital Processing System for Digital Beam Forming Antenna, IEEE International Symposium on Microwave, Antenna Propagation and EMC Technologies (2005)[Non-Patent Document 2] X. Zhang, et al .: Digital Processing System for Digital Beam Forming Antenna, IEEE International Symposium on Microwave, Antenna Propagation and EMC Technologies (2005) [비특허문헌 3] T.B. Lavate, et al.: Performance Analysis of MUSIC and ESPIT DOA Estimation Algorithms for Adaptive Array Smart Antenna in Mobile Communication: International Journal of Computer Networks (IJCN), Vol. 2, Issue 3, pp. 152-158 (2009)[Non-Patent Document 3] T.B. Lavate, et al .: Performance Analysis of MUSIC and ESPIT DOA Estimation Algorithms for Adaptive Array Smart Antenna in Mobile Communication: International Journal of Computer Networks (IJCN), Vol. 2, Issue 3, pp. 152-158 (2009) [비특허문헌 4] R.O. Schmidt: A Signal Subspace Approach to Multiple Source Location and Spectral Estimation: Ph.D. Dissertation, Stanford University, Stanford (1981)[Non-patent Document 4] R.O. Schmidt: A Signal Subspace Approach to Multiple Source Location and Spectral Estimation: Ph.D. Dissertation, Stanford University, Stanford (1981) [비특허문헌 5] R.O. Schmidt: Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation: IEEE Trans. on Antennas and Propagation, Vol. AP-34, pp. 276-280 (1986)[Non-Patent Document 5] R.O. Schmidt: Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation: IEEE Trans. on Antennas and Propagation, Vol. AP-34, pp. 276-280 (1986) [비특허문헌 6] E.H. Satorius, et al.: Maximum Entropy spectral Analysis of Multiple Sinusoids in Noise: Geophysics, Vol. 43, pp.1111-1118 (1978)[Non-Patent Document 6] E.H. Satorius, et al .: Maximum Entropy Spectral Analysis of Multiple Sinusoids in Noise: Geophysics, Vol. 43, pp. 1111-1118 (1978) [비특허문헌 7] T. Thorvldsen, Maximum Entropy Spectral analysis in Antenna Spatial Filtering: IEEE Trans. on Antennas and Propagation, Vol. AP-28, pp. 552-560 (1980)[Non-Patent Document 7] T. Thorvldsen, Maximum Entropy Spectral analysis in Antenna Spatial Filtering: IEEE Trans. on Antennas and Propagation, Vol. AP-28, pp. 552-560 (1980) [비특허문헌 8] T. Shan, et al.: On Spatial Smoothing for Direction-of-Arrival Estimation of Coherent Signals: IEEE Trans. on Acoust., Speech, and Signal Processing, Vol-ASSP-33, No.4, pp.801-811 (1985)[Non-Patent Document 8] T. Shan, et al .: On Spatial Smoothing for Direction-of-Arrival Estimation of Coherent Signals: IEEE Trans. on Acoust., Speech, and Signal Processing, Vol-ASSP-33, No. 4, pp.801-811 (1985) [비특허문헌 9] Ill-Keun Rhee: Performance Analysis of Highly Effective Proposed Direction Finding Method: The Journal of the Acoustical Society of Korea, Vol. 14, No. 1E, pp. 88-97 (1995).[Non-Patent Document 9] Ill-Keun Rhee: Performance Analysis of Highly Effective Proposed Direction Finding Method: The Journal of the Acoustical Society of Korea, Vol. 14, No. 1E, pp. 88-97 (1995). [비특허문헌 10] Ill-Keun Rhee: Highly Effective Direction Finding Method under the Particular Circumstances: The Journal of the Korean Institute of Communication Sciences, Vol. 18, No. 3, pp. 439-448 (1993).[Non-Patent Document 10] Ill-Keun Rhee: Highly Effective Direction Finding Method under the Particular Circumstances: The Journal of the Korean Institute of Communication Sciences, Vol. 18, No. 3, pp. 439-448 (1993).

본 발명의 목적은 상술한 바와 같이, 다중 신호원으로부터의 신호들을 안테나 어레이를 통해 수신하는 수신기에서 신호 도래방향각(DOA)을 예측하는 과정에서, 신호들 간에 상관이 존재하며 안테나 어레이 상의 부가 잡음들 간에 상관이 존재하는 경우 해상도가 저하되는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 공간적으로 평활화된 자기 컨벌루션을 기반으로 SO 기법과 SS 알고리즘을 결합한 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for estimating a signal arrival direction angle (DOA) in a receiver that receives signals from multiple signal sources via an antenna array, The present invention provides a space-smoothed self-convolution-based direction-of-arrival estimation method that combines an SO algorithm and an SS algorithm based on spatially smoothed self-convolution.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은다수의 신호원으로부터 신호를 안테나 어레이를 통해 수신하는 수신기에서 도래방향각(DOA)을 예측하는 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법 에 관한 것으로서, (a) 다중 신호원으로부터의 송신 신호들이 안테나 어레이를 통해 수신될 때의 수신신호(이하 제1 신호)를 얻는 단계; (b) 상기 제1 신호에 자기 컨벌루션(auto convolution)을 수행하여 새로운 신호(이하 제2 신호)를 얻는 단계; (c) 상기 제1 신호를 선형벡터로 표현한 것(이하 제1 신호 벡터)을 푸리에 변환을 통해 주파수 영역의 데이터로 변환하는 단계; (d) 상기 제2 신호를 선형벡터로 표현한 것(이하 제2 신호 벡터)을 푸리에 변환을 통해 주파수 영역으로 표현하는 단계; (e) 두 개의 행렬 간에 요소 대 요소의 곱셈을 수행하는 연산자(이하 델타 적)를 이용하여 제1 스펙트럼 밀도 행렬을 추출하는 단계; (f) 상기 제1 스펙트럼 밀도 행렬을 공간적으로 평활화하여 제2 스펙트럼 밀도 행렬을 구하는 단계; 및, (g) 상기 제2 스펙트럼 밀도 행렬을 고유치 분해하여, 최소 고유치에 대응하는 고유벡터를 이용하여 도래방향각을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention relates to a spatial smoothing self-convolutional approach angle predicting method for predicting an incoming direction angle (DOA) in a receiver which receives a signal from a plurality of signal sources through an antenna array, Obtaining a received signal (hereinafter referred to as a first signal) when transmission signals from multiple signal sources are received through an antenna array; (b) performing a self-convolution on the first signal to obtain a new signal (hereinafter referred to as a second signal); (c) transforming the first signal represented by a linear vector (hereinafter referred to as a first signal vector) into frequency domain data through Fourier transform; (d) expressing the second signal as a linear vector (hereinafter referred to as a second signal vector) in a frequency domain through Fourier transform; (e) extracting a first spectral density matrix using an operator for performing an element-by-element multiplication between two matrices (hereinafter referred to as a delta element); (f) spatially smoothing the first spectral density matrix to obtain a second spectral density matrix; And (g) decomposing the second spectral density matrix by eigenvalness, and extracting an incoming direction angle using an eigenvector corresponding to the minimum eigenvalue.

또, 본 발명은 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법에 있어서, 상기 제1 스펙트럼 밀도 행렬은 상기 제1 및 제2 신호벡터의 주파수 영역의 데이터로부터 구해지는 스펙트럼 밀도 행렬을 이용하여 구하는 것을 특징으로 한다.The present invention also provides a spatial smoothing magnetic-convolution-based direction-of-gaze estimation method, wherein the first spectral density matrix is obtained by using a spectral density matrix obtained from data in the frequency domain of the first and second signal vectors .

또, 본 발명은 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법에 있어서, 상기 제1 스펙트럼 밀도 행렬 L(2)R은 [수식 1]에 의해 정의되는 것을 특징으로 한다.Further, the present invention is characterized in that, in the spatially smoothed self-convolutionary direction-of-arrival-angle predicting method, the first spectral density matrix L (2) R is defined by [Expression 1].

[수식 1][Equation 1]

Figure 112012090602543-pat00001
Figure 112012090602543-pat00001

단, L(1) 및 L(2) 은 각각 상기 제1 및 제2 신호벡터의 주파수 영역의 데이터로부터 구해지는 스펙트럼 밀도 행렬이고, △는 델타적임.Here, L (1) and L (2) are spectral density matrices obtained from data in the frequency domain of the first and second signal vectors, respectively, and? Is delta-specific.

또, 본 발명은 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법에 있어서, 상기 안테나 어레이는 사이즈 L의 P (= Q - L + 1)개의 중복하는 서브 어레이로 분할된 Q개의 동일한 안테나를 가지는 균일한 선형 어레이(ULA)인 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for predicting a direction-of-arrival angular deviation based on a spatially smoothed self-convolution, the antenna array comprising a plurality of antennas, And is a linear array (ULA).

또, 본 발명은 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법에 있어서, 상기 제2 스펙트럼 밀도 행렬은 [수식 2]에 의해 구해지는 것을 특징으로 한다.Further, the present invention is characterized in that, in the spatially smoothed self-convolution-based direction-of-arrival-angle predicting method, the second spectral density matrix is obtained by [Expression 2].

[수식 2][Equation 2]

Figure 112012090602543-pat00002
Figure 112012090602543-pat00002

단, (L (2)R)p은 p번째 서브 어레이의 제1 스펙트럼 밀도 행렬이고,Where ( L (2) R ) p is the first spectral density matrix of the pth subarray,

P는 서브 어레이의 개수임.P is the number of sub-arrays.

또, 본 발명은 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법에 있어서, 상기 도래방향각은 상기 고유벡터와 스티어링 벡터의 직교성을 이용하여 구하는 것을 특징으로 한다.Further, the present invention is characterized in that, in the spatially smoothed self-convolution-based direction-of-arrival-angle predicting method, the arrival direction angle is obtained by using the orthogonality of the eigenvector and the steering vector.

또, 본 발명은 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법에 있어서, 상기 도래방향각은 다음 [수식 3]에 의해 구하되, θ를 0도부터 360도까지 변화시키는 과정 중 Pssso 값이 무한대가 될 때의 θ으로서 구하는 것을 특징으로 한다.In the method of predicting the arrival direction angle based on the spatially smoothed magnetic convolution, the arrival direction angle is obtained by the following [Expression 3], and the Ps sso value in the course of changing θ from 0 to 360 degrees Is obtained as &thetas; when it becomes infinite.

[수식 3][Equation 3]

Figure 112012090602543-pat00003
Figure 112012090602543-pat00003

단, vM +1, vM +2, ..., vL은 최소 고유치에 대응되는 고유벡터이고, as(θ)는 스티어링 벡터임.V M + 1 , v M +2 , ..., v L are the eigenvectors corresponding to the minimum eigenvalues, and a s (θ) is the steering vector.

또, 본 발명은 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법에 있어서, 상기 스티어링 벡터 as(θ)은 다음 [수식 4]에 의해 구하는 것을 특징으로 한다.Further, the present invention is characterized in that, in the spatially smoothed self-convolution-based direction-of-arrival-angle predicting method, the steering vector a s (θ) is obtained by the following [Expression 4].

[수식 4][Equation 4]

Figure 112012090602543-pat00004
Figure 112012090602543-pat00004

단, D는 안테나들 사이의 거리, λ= 송신 신호의 파장임.
Where D is the distance between the antennas, and [lambda] is the wavelength of the transmitted signal.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법에 의하면, 추가적인 상관된 잡음을 가지고 안테나 어레이에 도달하는 상관된 다수의 신호라도 신호 도래방향각(DOA)을 효과적으로 예측할 수 있는 효과가 얻어진다.
As described above, according to the spatially smoothed self-convolutionary directional angle estimation method of the present invention, even if a plurality of correlated signals arriving at the antenna array with additional correlated noise effectively predict the DOA The effect can be obtained.

도 1은 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 ULA 안테나 구성을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 델타 적의 특성을 나타낸 수식이다.
도 5는 본 발명에 따라 공간적으로 평활화하기 위한 서브 어레이 구성을 도시한 것이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실험에 따른 SS 방법과 본 발명의 방법에 대하여 DOA를 평가한 그래프이다.
도 8과 도 9는 본 발명의 실험에 따른 SS 방법과 본 발명의 성능을 나타낸 표이다.
1 is an overall system configuration diagram for implementing the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a spatial smoothed self-convolution based approach angle prediction method according to an embodiment of the present invention.
3 shows a ULA antenna configuration according to the present invention.
Fig. 4 is a diagram showing the delta characteristic according to the present invention.
Figure 5 illustrates a subarray configuration for spatial smoothing according to the present invention.
FIGS. 6 and 7 are graphs showing DOA evaluation for the SS method according to the experiment of the present invention and the method of the present invention. FIG.
FIGS. 8 and 9 are tables showing the SS method according to the experiment of the present invention and the performance of the present invention.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
In the description of the present invention, the same parts are denoted by the same reference numerals, and repetitive description thereof will be omitted.

먼저, 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템의 구성에 대하여 도 1을 참조하여 설명한다.First, the overall system configuration for carrying out the present invention will be described with reference to Fig.

도 1은 어레이 안테나를 가지고 다수의 신호원(20)들과 통신하는 수신기(10)의 예를 도시한 것이다. 예를 들어, 신호원(Source)은 다수의 사용자 단말들이고 수신기는 기지국 등이 될 수 있다.1 shows an example of a receiver 10 that communicates with a plurality of signal sources 20 with an array antenna. For example, the source may be a plurality of user terminals and the receiver may be a base station.

도 1을 참조하면, 수신기(10)는 M개(예를 들어, 4개)의 안테나 소자 r1, r2, r3, r4 들로 구성된 어레이 안테나(40)를 가진다. 수신기(10)의 서비스영역에는 Q개(예를 들어, 5개)의 신호원들 s1, s2, ..., s5 가 존재한다. 수신기(10)는 신호원(20)들로부터 신호를 M개(또는 4개)의 안테나 채널로부터 수신한다.Referring to Fig. 1, the receiver 10 has an array antenna 40 composed of M (for example, four) antenna elements r1, r2, r3, r4. There are Q (for example, five) signal sources s1, s2, ..., s5 in the service area of the receiver 10. [ Receiver 10 receives signals from signal sources 20 from M (or four) antenna channels.

신호 도래방향각 예측 장치(30)는 안테나(40)로부터 들어오는 신호들을 수신하여, 수신된 신호를 분석하여 신호 도래방향각(DOA)을 예측한다.The signal arrival direction angle predicting device 30 receives the signals coming from the antenna 40 and analyzes the received signals to predict the signal arrival direction angle (DOA).

신호 도래방향각 예측 장치(30)를 실시하기 위한 예로서, 컴퓨터 장치에 설치되는 프로그램 시스템 장치로 구성될 수 있다. 즉, 신호 도래방향각 예측 장치(30)의 각 기능들은 컴퓨터 프로그램으로 구현되어 컴퓨터 장치에 설치되어, 수신된 신호를 컴퓨터 장치의 입력장치를 통해 입력받아 처리되고, 처리된 결과를 출력장치를 통해 출력한다. 신호 도래방향각 예측 장치(30)에서 필요한 데이터들은 컴퓨터 단말의 하드디스크 등 저장공간에 저장되어 이용될 수 있다.As an example for implementing the signal arrival direction angle predicting device 30, a program system device installed in a computer device. That is, each function of the signal arrival direction angle predicting device 30 is implemented by a computer program and installed in the computer device, receives the received signal through the input device of the computer device, processes the processed result, Output. Data required by the signal arrival direction angle predicting device 30 can be stored in a storage space such as a hard disk of a computer terminal.

다른 실시예로서, 수신기(10) 내에 컴퓨팅 기능이 구비되고, 수신기(10) 내 컴퓨팅 기능을 통해 신호 도래방향각 예측 장치(30)가 작동되어 수행될 수 있다. 또 다른 실시예로서, 신호 도래방향각 예측 장치(30)는 마이크로 프로그램으로 구성되어 마이크로프로세서에 의해 구동되는 하나의 전용 IC칩으로 실시되거나, ASIC(주문형 반도체) 등 하나의 전자회로로 구성되어 실시될 수 있다. 즉, 소프트웨어 형태, FPGA 칩이나 여러 개의 회로소자로 구성된 전자회로의 형태로 구성될 수도 있다. 그 외 가능한 다른 형태도 실시될 수 있다. 그러나 이하에서 설명의 편의를 위해 컴퓨팅 장치에 구현된 신호 도래방향각 예측 장치(30)로 설명하기로 한다.
As another embodiment, a computing function is provided in the receiver 10, and the signal arrival direction angle predicting device 30 can be operated and operated through the computing function in the receiver 10. [ As another embodiment, the signal arrival direction angle predicting device 30 may be implemented by a dedicated IC chip formed by a microprogram and driven by a microprocessor, or by an electronic circuit such as an ASIC (application-specific semiconductor) . In other words, it may be configured in the form of software, an electronic circuit composed of an FPGA chip or a plurality of circuit elements. Other possible forms may also be practiced. However, for convenience of explanation, the signal arrival direction angle predicting device 30 implemented in the computing apparatus will be described below.

다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법을 도 2를 참조하여 설명한다.Next, a spatially smoothed self-convolution based approach angle prediction method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

먼저, 다중 신호원으로부터의 송신 신호들이 부가 잡음이 섞여있는 안테나 어레이를 통해 수신될 때의 수신신호(이하 제1 신호)를 얻는다(S10).First, a reception signal (hereinafter referred to as a first signal) when transmission signals from multiple signal sources are received through an antenna array with additional noise is obtained (S10).

도 1에 도시된 바와 같이, M개의 원격 신호원 신호들이 방향{θ1, θ2, … θM}으로부터 Q개의 안테나를 가지는 균일한 선형 어레이(ULA)에 도달하는 경우를 설명한다. 이때, i번째 안테나에서 수신된 신호는 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.As shown in Fig. 1, M remote signal source signals are transmitted in directions {&thetas; 1 , &thetas; 2 , ... θ M } to a uniform linear array ULA having Q antennas. At this time, the signal received from the i-th antenna can be expressed as Equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112012090602543-pat00005
Figure 112012090602543-pat00005

여기서, sm(t) = m번째 신호원으로부터 방사된 신호,Here, s m (t) = signal radiated from the m-th signal source,

D = 안테나들 사이의 거리,D = distance between antennas,

λ= 송신 신호의 파장,lambda = wavelength of transmitted signal,

θm = m번째 신호원으로 부터의 DOA,θ m = DOA from the mth signal source,

xi(t) = i번째 안테나에서의 부가 잡음(additive noise)이다.
x i (t) = additive noise at the ith antenna.

m번째 송신 신호 sm(t)에 복소 포락선(Complex envelope) 표현법을 적용하면[비특허문헌 9], [수학식 1]에서 수신된 신호는 [수학식 2]로 표현될 수 있다.When a complex envelope expression is applied to the m-th transmission signal s m (t), the signal received in [Non-Patent Document 9] and [Equation 1] can be expressed by Equation (2).

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112012090602543-pat00006
Figure 112012090602543-pat00006

Q개의 안테나에서 수신된 신호들은 [수학식 3] 또는 [수학식 4]의 벡터 형식으로 기술될 수 있다. 이를 제1 신호벡터라 부르기로 한다.The signals received from the Q antennas can be described in the vector form of (3) or (4). This is called a first signal vector.

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112012090602543-pat00007
Figure 112012090602543-pat00007

또는,or,

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112012090602543-pat00008
Figure 112012090602543-pat00008

여기서,here,

r T(t) = [r1(t), r2(t), ..., rQ(t)] r T (t) = [r 1 (t), r 2 (t), ..., r Q (t)

s T(t) = [s1(t), s2(t), ..., sM(t)] s t (t) = s 1 (t), s 2 (t), ..., s M (t)

x T(t) = [x1(t), x2(t), ..., xQ(t)], x T (t) = [x 1 (t), x 2 (t), ..., x Q (t)],

그리고 Q × M 스티어링 행렬(steering matrix) A(θ)의 열은 다음 [수학식 5]로 표현될 수 있는 스티어링 벡터로 구성된다.And the column of the QxM steering matrix A ([theta]) is composed of a steering vector which can be expressed by the following equation (5).

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure 112012090602543-pat00009

Figure 112012090602543-pat00009

다음으로, 수신 신호(또는 제1 신호)에 자기 컨벌루션(auto convolution)을 수행하여 새로운 신호(이하 제2 신호)를 얻는다(S20).Next, a new signal (hereinafter referred to as a second signal) is obtained by performing an auto convolution on the received signal (or the first signal) (S20).

즉, [수학식 6]에서와 같이 i번째 안테나에서 수신된 신호(또는 제1 신호)에 자기 콘볼루션 동작을 수행하여 새로운 신호(또는 제2 신호) r(2)i(t)를 얻는다.That is, a new signal (or a second signal) r (2) i (t) is obtained by performing a magnetic convolution operation on the signal (or the first signal) received by the i-th antenna as in Equation (6).

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure 112012090602543-pat00010
Figure 112012090602543-pat00010

단,

Figure 112012090602543-pat00011
는 콘볼루션 연산자를 나타낸다.only,
Figure 112012090602543-pat00011
Represents a convolution operator.

이때, Q개의 안테나의 새로운 신호들을 앞서와 같이 벡터로 표시할 수 있다. 이를 새로운 신호 벡터(또는 제2 신호벡터)라 부르기로 한다.
At this time, new signals of Q antennas can be represented as vectors as described above. This is called a new signal vector (or a second signal vector).

다음으로, 상기 제1 신호를 선형벡터로 표현한 것(또는 제1 신호벡터)을 푸리에 변환을 통해 주파수 영역의 데이터로 변환한다(S30).Next, the first signal represented by a linear vector (or a first signal vector) is transformed into frequency domain data through Fourier transform (S30).

본 발명에서 사용되는 신호 도래방향각 예측을 위하여 필요한 스펙트럼 밀도 행렬을 구해야 한다. 이를 위해 먼저 [수학식 3] 또는 [수학식 4]에서와 같이 수신된 데이터에 푸리에 변환을 적용하여 주파수 영역에서 데이터를 사용하는 것이 편리하므로[비특허문헌 10], 신호 벡터를 푸리에 변환을 통해 주파수 영역의 데이터로 변환한다. 즉, [수학식 3] 또는 [수학식 4]에서 푸리에 변환된 수신된 신호 벡터(또는 제1 신호벡터)는 [수학식 7]의 형태를 가진다.The spectral density matrix required for predicting the signal arrival direction angle used in the present invention should be obtained. For this purpose, it is convenient to apply the Fourier transform to the received data and use the data in the frequency domain as in Equation (3) or (4), so that the signal vector is transformed through Fourier transform Into frequency domain data. That is, the Fourier-transformed received signal vector (or first signal vector) in [Equation 3] or [Equation 4] has the form of [Equation 7].

[수학식 7]&Quot; (7) "

F = F = ASAS + X  + X

여기서, F = F [r], S = F [s], X = F [x]이며, "F"는 푸리에 변환 연산자를 나타낸다.Here, F = F [ r ], S = F [ s ], X = F [ x ], and " F " denotes a Fourier transform operator.

따라서 F 의 스펙트럼 밀도 행렬(이하 제0-1 스펙트럼 밀도 행렬) L(1)은 다음과 같이 얻어진다.Therefore, the spectral density matrix of F (hereinafter 0-1 spectral density matrix) L (1) is obtained as follows.

[수학식 7-2][Equation 7-2]

Figure 112012090602543-pat00012

Figure 112012090602543-pat00012

다음으로, 상기 제2 신호를 선형벡터로 표현한 것(이하 제2 신호 벡터)을 푸리에 변환을 통해 주파수 영역으로 표현한다(S40). 즉, [수학식 6]의 새로운 신호(또는 제2 신호)들로 구성되는 새로운 신호 벡터(또는 제2 신호 벡터)는 푸리에 변환을 통해 다음과 같이 주파수 영역으로 표현될 수 있다.Next, the second signal represented by a linear vector (hereinafter referred to as a second signal vector) is expressed in the frequency domain through Fourier transform (S40). That is, a new signal vector (or a second signal vector) composed of the new signal (or the second signal) of Equation (6) can be expressed in the frequency domain as follows through Fourier transform.

[수학식 8]&Quot; (8) "

Figure 112012090602543-pat00013
Figure 112012090602543-pat00013

여기서, F(2)의 스펙트럼 밀도 행렬(이하 제0-2 스펙트럼 밀도 행렬) L(2)은 다음과 같이 표현된다.Here, the spectral density matrix of F (2) (hereinafter referred to as a 0-2 spectral density matrix) L (2) is expressed as follows.

[수학식 9]&Quot; (9) "

Figure 112012090602543-pat00014
Figure 112012090602543-pat00014

[수학식 9]에서의 스펙트럼 밀도 행렬을 효율적으로 다루기 위하여 행렬의 각 대응하는 원소들의 곱셈을 수행하는 "델타 적(delta product)"라 부르는 새로운 연산자 △를 도입한다.
Introduces a new operator? Called "delta product " that performs multiplication of each corresponding element of the matrix to efficiently handle the spectral density matrix in [Equation 9].

다음으로, 두 개의 행렬의 각 대응하는 원소들의 곱셈을 수행하는 연산자(이하 델타 적)를 이용하여 제1 스펙트럼 밀도 행렬을 추출한다(S50). 특히, 상기 제1 스펙트럼 밀도 행렬은 상기 제1 및 제2 신호벡터의 주파수 영역의 데이터로부터 구해지는 스펙트럼 밀도 행렬을 이용하여 구한다.Next, a first spectral density matrix is extracted using an operator (hereinafter referred to as a delta element) for performing multiplication of the corresponding elements of the two matrices (S50). In particular, the first spectral density matrix is obtained using a spectral density matrix obtained from data in the frequency domain of the first and second signal vectors.

델타 적(delta product) 연산은 다음과 같이 정의된다.The delta product operation is defined as:

[수학식 10]&Quot; (10) "

Figure 112012090602543-pat00015
Figure 112012090602543-pat00015

단, 행렬 A, B, C 들은 모두 동일 차원을 갖는다.However, the matrices A, B, and C all have the same dimension.

△의 특성을 살펴보면 도 4에 나타난 바와 같다.The characteristics of? Are as shown in FIG.

위의 정의에 의하여 새로운 신호에 대한 스펙트럼 밀도 행렬은 다음과 같이 표현된다.By the definition above, the spectral density matrix for the new signal is expressed as

[수학식 11]&Quot; (11) "

Figure 112012090602543-pat00016
Figure 112012090602543-pat00016

[수학식 11]에서 Expectation Bracket 내의 각 원소들은 대응하는 의 원소들의 자승과 같다. 일반적으로 신호원(Source Signal)과 잡음(Noise)들은 서로 무상관(Uncorrelated)되어 있으므로 [수학식 12]와 같다.In Equation (11), each element in the Expectation Bracket is equal to the square of the corresponding element. In general, since the source signal and the noise are uncorrelated to each other, they are expressed by Equation (12).

[수학식 12]&Quot; (12) "

Figure 112012090602543-pat00017
Figure 112012090602543-pat00017

Stationary 랜덤과정 Xq(t) = aq(t) + jbq(t), 여기서 aq(t) 와 bq(t) 는 서로 독립일 때, Xq(t) 의 푸리에 변환은 Xq = Xqr + jXqi 와 같이 얻어지는데, 복소 가우시안 랜덤과정에 대하여 다음과 같은 결과가 얻어진다.The Fourier transform of the Stationary random process X q (t) = a q (t) + jb q (t), where a q (t) and b q when (t) is independent of each other, X q (t) is X q = X qr + jX qi . The following results are obtained for the complex Gaussian random process.

[수학식 12-2][Equation 12-2]

Figure 112012090602543-pat00018
Figure 112012090602543-pat00018

따라서 위의 결과들을 이용하면 다음과 같이 된다.Therefore, using the above results,

[수학식 13]&Quot; (13) "

Figure 112012090602543-pat00019
Figure 112012090602543-pat00019

[수학식 14]&Quot; (14) "

Figure 112012090602543-pat00020
Figure 112012090602543-pat00020

이를 이용하여 [수학식 15]의 남아 있는 항을 쓰면 다음과 같다.Using this, we can write the remaining term in [15] as follows.

[수학식 15]&Quot; (15) "

Figure 112012090602543-pat00021
Figure 112012090602543-pat00021

신호원(Source Signal)들이 서로 독립적일 때 는 다음과 같은 과정을 거쳐 얻어질 수 있다.When the source signals are independent of each other, they can be obtained by the following process.

[수학식 16]&Quot; (16) "

Figure 112012090602543-pat00022

Figure 112012090602543-pat00022

다음은

Figure 112012090602543-pat00023
를 구한다.next
Figure 112012090602543-pat00023
.

[수학식 17]&Quot; (17) "

Figure 112012090602543-pat00024
Figure 112012090602543-pat00024

예로서, Uniformly Distributed Random Phase를 가지는 혹은 그렇지 않은 Sinusoidal Source에 대하여 다음이 성립한다.For example, for a Sinusoidal Source with or without a Uniformly Distributed Random Phase, the following holds:

[수학식 18]&Quot; (18) "

Figure 112012090602543-pat00025
Figure 112012090602543-pat00025

수학식 16, 17, 18을 수학식 15에 대입하면 다음을 얻는다.Substituting Equations (16), (17), and (18) into Equation (15) yields the following.

[수학식 19]&Quot; (19) "

Figure 112012090602543-pat00026
Figure 112012090602543-pat00026

또한, 수학식 17로부터From Equation 17,

[수학식 20]&Quot; (20) "

Figure 112012090602543-pat00027
Figure 112012090602543-pat00027

이제 수학식 20을 수학식 19에 대입하면 다음을 얻는다.Substituting equation (20) into equation (19) now yields:

[수학식 21]&Quot; (21) "

Figure 112012090602543-pat00028
Figure 112012090602543-pat00028

여기서, here,

[수학식 22]&Quot; (22) "

Figure 112012090602543-pat00029
Figure 112012090602543-pat00029

라고 정의하면, By definition,

[수학식 23]&Quot; (23) "

Figure 112012090602543-pat00030
Figure 112012090602543-pat00030

인 새로운 제1 스펙트럼 밀도 행렬 L(2)R이 얻어진다.A new first spectral density matrix L (2) R is obtained.

이론적으로 표현된 제 1 스펙트럼 밀도 행렬 L(2)R는 수학식 23과 같고, 현실적으로는 수학식 22를 이용하여 얻어진 제 1 스펙트럼 밀도 행렬 L(2)R을 다음에 설명하는 공간적 평활(SS, Spatial Smoothing) 기법에 적용하여 사용하게 된다.
The first spectral density matrix L (2) R expressed theoretically is as shown in Equation (23), and in reality, the first spectral density matrix L (2) R obtained using Equation (22 ) Spatial Smoothing) technique.

다음으로, 제1 스펙트럼 밀도 행렬을 공간적으로 평활화하여 제2 스펙트럼 밀도 행렬을 구한다(S60).Next, the first spectral density matrix is spatially smoothed to obtain a second spectral density matrix (S60).

SS 방법에 SO 알고리즘을 적용하는 방법에 의하면, 이제 도 5에 도시된 바와 같이 사이즈 L의 P (= Q - L + 1)개의 중복하는 서브 어레이로 분할된 Q개의 동일한 안테나를 가지는 ULA를 고려한다.According to the method of applying the SO algorithm to the SS method, a ULA having Q identical antennas divided into P (= Q - L + 1) overlapping sub-arrays of size L as shown in FIG. 5 is considered .

먼저, SS 기법[비특허문헌 8]을 간단히 설명하면 다음과 같다.First, the SS technique (non-patent document 8) will be briefly described as follows.

도 5에서와 같이 전체 안테나의 개수를 Q개로 하고, Sub-array당 안테나 개수를 L이라고 하면, Sub-array S1, S2, S3 ...의 총 개수 PQ - L + 1 가 된다. 각각의 Sub-array에 도래하는 M개의 신호원으로부터의 신호들과 안테나 잡음에 의한 샘플 배열 안테나 공분산 행렬을 Rk라고 하면 공간적 평활(SS, Spatial Smoothing) 공분산 행렬

Figure 112012090602543-pat00031
은 수학식 24와 같이 얻어진다.As shown in FIG. 5, when the total number of antennas is Q and the number of antennas per sub-array is L , sub-arrays S 1 , S 2 , and S 3 The total number P of ... becomes Q - L + 1. Suppose that the signals from the M signal sources coming into each sub-array and the sample array antenna covariance matrix by the antenna noise are R k , then a spatial smoothing (SS) covariance matrix
Figure 112012090602543-pat00031
Is obtained as shown in equation (24).

[수학식 24]&Quot; (24) "

Figure 112012090602543-pat00032
Figure 112012090602543-pat00032

이때 공간적 평활(Spatially Smoothed) 신호 공분산 행렬

Figure 112012090602543-pat00033
는 다중 신호의 상관관계에 무관하게 항상 rank가 M이 된다.
At this time, a spatially smoothed signal covariance matrix
Figure 112012090602543-pat00033
The rank is always M regardless of the correlation of the multiple signals.

본 발명에서는 배열 안테나 공분산 행렬을 구하는 대신에 배열 안테나 제 1 스펙트럼 밀도 행렬 L(2)R을 구하여 사용한다. 아울러 Spatially Smoothed 공분산 행렬

Figure 112012090602543-pat00034
대신에 [수학식 25]와 같은 제 2 스펙트럼 밀도 행렬을 구하여 MUSIC과 유사한 부공간 기법[비특허문헌 5]에 적용한다. In the present invention, instead of obtaining the array antenna covariance matrix, the array antenna first spectral density matrix L (2) R is obtained and used. In addition, a spatially smoothed covariance matrix
Figure 112012090602543-pat00034
Instead, a second spectral density matrix as shown in [Equation 25] is obtained and applied to a subspace method similar to MUSIC [Non-Patent Document 5].

[수학식 25]&Quot; (25) "

Figure 112012090602543-pat00035
Figure 112012090602543-pat00035

즉, 위의 [수학식 22]에서의 L(2)R는 2L(1) △2 와 L(2)의 차로서 계산되어 얻어진다.That is, L (2) R in the above equation (22 ) is obtained by calculating as a difference between 2L (1) ? 2 and L (2) .

이 SO(Second Order)기법을 SS(Spatial Smoothing) 기법과 접목시키기 위해서는 [수학식 7]의 F와 [수학식 8]의 F(2) 각각의 스펙트럼 밀도 행렬들에 대해 SS(Spatial Smoothing) 기법을 적용하여 [수학식 22]와 [수학식 25]와 같은 계산을 함으로서 SS-SO(Spatial Smoothed Second Order) 기법의 스펙트럼 밀도 행렬을 구할 수 있다.
In order to combine the SO (Second Order) technique with the SS (Spatial Smoothing) technique, the SS (Spatial Smoothing) technique is applied to the spectral density matrices of F (2) The spectral density matrix of the SS-SO (Spatial Smoothed Second Order) technique can be obtained by performing calculations such as Equations (22) and (25).

다음으로, 제2 스펙트럼 밀도 행렬을 고유치 분해하여, 최소 고유치에 대응하는 고유벡터를 이용하여 도래방향각을 추출한다(S70).Next, the second spectral density matrix is subjected to eigenvalue decomposition, and an incoming direction angle is extracted using an eigenvector corresponding to the minimum eigenvalue (S70).

여기서 얻어진 L x L 제2 스펙트럼 밀도 행렬

Figure 112012090602543-pat00036
을 고유치 분해(eigenvalue decomposition)한다. 즉, 고유치 분해를 통하여 L개의 고유치와 고유벡터를 얻을 수 있다.The obtained L x L second spectral density matrix
Figure 112012090602543-pat00036
Eigenvalue decomposition. That is, L eigenvalues and eigenvectors can be obtained through eigenvalue decomposition.

신호의 개수를 M개로 가정하고 고유치들을 크기순으로 배열하면 [수학식 26]과 같다. 여기서 M개의 고유치 성분은 신호 성분에 의한 것이며, L-M개의 최소 고유치들은

Figure 112012090602543-pat00037
이 된다.Assuming that the number of signals is M and the eigenvalues are arranged in the order of magnitude, Equation (26) is obtained. Where the M eigenvalue components are by signal components and the LM minimum eigenvalues are
Figure 112012090602543-pat00037
.

[수학식 26]&Quot; (26) "

Figure 112012090602543-pat00038
Figure 112012090602543-pat00038

MUSIC 기법([비특허문헌 5] 참조)과 같은 원리에 의해, L-M개의 최소 고유치들에 대응하는 고유벡터들을 [수학식 27]과 같이 잡음 부공간(subspace)행렬 Vn이 된다. 그리고 [수학식 22]에 나타나 있는 선형적으로 독립인 A2 = A△2 행렬의 컬럼 벡터(이하 서치(searching)벡터라 부름)는 [수학식 28]과 같고, 이는 Vn 과 직교(orthogonal)되는 성질을 갖는다.The eigenvectors corresponding to the LM minimum eigenvalues become a noise subspace matrix V n as shown in Equation (27) by the same principle as the MUSIC technique (see Non-Patent Document 5). And [Equation 22] linearly column vector of independent A 2 = A 2 matrix shown in (the search (searching) vector la called) is equal to Equation (28), which is V n and a quadrature (orthogonal ).

[수학식 27]&Quot; (27) "

Figure 112012090602543-pat00039
Figure 112012090602543-pat00039

[수학식 28]&Quot; (28) "

Figure 112012090602543-pat00040
Figure 112012090602543-pat00040

위에 설명한 Vn 과 as T(θ)의 직교성을 이용하여 [수학식 29]의 식으로 표현되는 도래방향각의 함수 그래프 상에서 선택된 꼭지점들이 신호원으로부터의 예측된 도래방향각이 된다.Using the orthogonality of V n and a s T (?) Described above, the vertices selected on the function graph of the incoming directional angle expressed by the formula of (29) become the predicted incoming directional angles from the signal source.

[수학식 29]&Quot; (29) "

Figure 112012090602543-pat00041
Figure 112012090602543-pat00041

여기서 θ를 0도부터 360도까지 변화시키는 과정 중 실제 L-M 개의 도래방향각들 부근에서

Figure 112012090602543-pat00042
값들은 0이 되고 [수학식 29]의 식으로 표현되는 가상 함수값은 이론적으로 무한대가 된다. 이들 꼭지점들이 신호원으로부터의 예측된 도래방향각들이 된다.
Here, in the process of changing the angle θ from 0 ° to 360 °, in the vicinity of the actual LM arrival direction angles
Figure 112012090602543-pat00042
The values become 0 and the virtual function value expressed by the equation of (29) becomes theoretically infinite. These vertices are the predicted direction angles from the source.

본 발명의 효과를 도 6 내지 도 9를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.The effects of the present invention will be described in more detail with reference to Figs. 6 to 9. Fig.

다음 예는 SS-SO가 상관된 안테나 잡음이 존재하는 경우 상관된 신호들의 도래방향각을 예측하는데 있어서 SS에 비해 우수하다는 것을 보여준다.The following example shows that SS-SO is superior to SS in predicting the direction of arrival of correlated signals when correlated antenna noise is present.

5°및 12°의 방향으로부터 각각 오는 2개의 70% 상관된 신호들이 SS와 제안된 SS-SO 방법을 사용하여 분석된다. 사이즈 10의 3개의 중복하는 서브 어레이로 분할된 12개의 안테나 요소로 구성되는 ULA가 고려된다. 안테나 중에, 2개의 안테나는 완전히 상관된 안테나 잡음을 가지고 있고 안테나의 나머지는 상관되지 않은 잡음을 가지고 있다. 해상도 성능은 도 6에서 도시된 바와 같이 샘플 데이터의 수 N = 512이고 S/N = 5dB에서 테스트된다. 이 경우에, SS-SO 방법만이 에러 없이 2개의 피크값을 분석하고, SS 방법은 2개의 신호 방향을 검출하는데 실패했다.The two 70% correlated signals coming from the 5 ° and 12 ° directions respectively are analyzed using the SS and the proposed SS-SO method. A ULA consisting of twelve antenna elements divided into three overlapping subarrays of size 10 is considered. Of the antennas, the two antennas have fully correlated antenna noise and the rest of the antenna has uncorrelated noise. The resolution performance is tested with the number of sample data N = 512 and S / N = 5 dB as shown in FIG. In this case, only the SS-SO method analyzes two peak values without error, and the SS method fails to detect two signal directions.

다음으로, 도 7은 2개의 70% 상관된 신호들이 각각 5°와 10°의 방향으로 도달하는 경우 2개의 DOA 추정 방법이 DOA를 얼마나 잘 예측하는지를 결정하기 위해 수행된 테스트를 반영한다. 본 발명에 따른 방법은 이 경우에도 약 0.25°의 오차를 가지고 정확한 결과를 제공함을 확실히 보여준다.
Next, FIG. 7 reflects the tests performed to determine how well the two DOA estimation methods predict DOAs when the two 70% correlated signals arrive in directions of 5 and 10 degrees, respectively. The method according to the invention clearly shows that in this case it also gives an accurate result with an error of about 0.25 [deg.].

실험 결과의 보다 정확한 평가와 비교를 위해, 통계적 분석을 통해 상관된 다중신호의 DOA의 RMS 오차와 다중 신호 검출 확률을 조사하였다.For more accurate evaluation and comparison of the experimental results, the RMS error and the multiple signal detection probability of the DOAs of the correlated multiple signals were investigated through statistical analysis.

완전 상관된 안테나 잡음이 존재하는 상황에서 70% 상관된 다중 신호의 도래방향각의 예측의 정확도 분석을 위해 SS와 제안된 SS-SO 알고리즘사이의 비교가 통계적으로 이루어진다. ULA는 반파장인 안테나들 사이의 거리를 가지고 사이즈 8의 3개의 중복 서브 어레이로 분할된 10개의 안테나로 구성된다. 수행되는 독립적인 실험의 수는 100이고 사용되는 샘플 데이터의 수는 256이고, S/N은 5dB이다.A comparison between the SS and the proposed SS-SO algorithm is statistically performed to analyze the accuracy of the prediction of the direction angle of arrival of the 70% correlated multiple signals in the presence of fully correlated antenna noise. The ULA consists of 10 antennas divided into three redundant sub-arrays of size 8 with a distance between half-wave antennas. The number of independent experiments performed is 100, the number of sample data used is 256, and the S / N is 5 dB.

도 8에서 보이는 바와 같이 SS 알고리즘을 이용한 DOA 예측 시 다중 신호사이의 각도 이격이 증가함에 따라 RMS 오차들은 감소하지만, 두 신호사이의 이격이 17도로 넓어지더라도 검출 확률이 12%를 넘지 못한다. 하지만 도 8에서는 SS-SO 알고리즘을 이용한 DOA 예측 시 다중 신호사이의 각도 이격이 감소함에 따라 RMS 오차들은 증가하지만, 두 신호사이의 이격이 3°로 좁아지더라도 RMS오차가 0.2°를 넘지 않으며 고려되는 모든 경우에 있어서 100%의 검출 확률을 보임을 알 수 있다.As shown in FIG. 8, in the DOA prediction using the SS algorithm, the RMS errors decrease as the angular spacing between multiple signals increases, but the detection probability does not exceed 12% even if the separation between the two signals is extended to 17 degrees. However, in Fig. 8, the RMS errors increase as the angular separation between multiple signals decreases in the DOA prediction using the SS-SO algorithm, but the RMS error does not exceed 0.2 degrees even if the separation between the two signals is narrowed to 3 degrees The detection probability is 100% in all cases.

SS-SO 알고리즘은 완전 상관된 안테나 잡음 환경에서 매우 낮은 RMS 오차를 가지고 서로 상관된 다중 신호를 완전히 검출할 수 있다. 그러나 SS는 완전 상관된 안테나 잡음 환경에서 상관된 다중 신호를 제대로 예측해 낼 수 없다. 따라서 SS-SO 알고리즘이 상관된 안테나 잡음 환경 하에서 상관된 다중 신호들에 대한 DOA예측을 하는데 매우 우수한 해상도를 제공함을 알 수 있다.
The SS-SO algorithm can completely detect multiple correlated signals with very low RMS error in perfectly correlated antenna noise environments. However, SS can not predict correctly correlated multiple signals in fully correlated antenna noise environments. Thus, it can be seen that the SS-SO algorithm provides very good resolution for DOA prediction of correlated multiple signals under correlated antenna noise environments.

본 발명에서는, "공간적으로 평활화된 제 2 차(SS-SO)" 알고리즘이라고 불리는 매우 신뢰성 있는 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법 이 제안된다. 본 발명에 따른 예측 방법은 SO 기법과 SS 알고리즘을 결합하는 것에 의해 개발되었으며, 안테나 어레이에 도래하는 다중 신호들이 서로 상관된 부가 잡음의 존재 환경에서 서로 상관되어 있을 때에도 매우 효과적인 것으로 통계적 평가를 이용하여 검증되었다.In the present invention, a very reliable spatially smoothed self-convolution-based directional angle estimation method called "Spatially Smoothed Secondary (SS-SO)" algorithm is proposed. The prediction method according to the present invention has been developed by combining the SO and SS algorithms and is very effective even when the multiple signals arriving at the antenna array are correlated with each other in the presence of correlated additional noise, Respectively.

본 발명에서 제안된 방법은 상관된 신호와 상관된 안테나 잡음이 있는 공중 전파와 같은 환경에 쉽게 노출될 수 있는 안테나 어레이를 장착한 방향 탐지 시스템을 개발하는데 기여할 것이다.
The method proposed in the present invention will contribute to the development of a direction detection system equipped with an antenna array which can be easily exposed to an environment such as an airwave with an antenna noise correlated with a correlated signal.

이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
The invention made by the present inventors has been described concretely with reference to the embodiments. However, it is needless to say that the present invention is not limited to the embodiments, and that various changes can be made without departing from the gist of the present invention.

10 : 수신기 20 : 신호원
30 : DOA 예측 장치 40 : 안테나 어레이
10: receiver 20: signal source
30: DOA prediction device 40: Antenna array

Claims (8)

다수의 신호원으로부터 신호를 안테나 어레이를 통해 수신하는 수신기에서 도래방향각(DOA)을 예측하는 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법에 있어서,
(a) 다중 신호원으로부터의 송신 신호들이 안테나 어레이를 통해 수신될 때의 수신신호(이하 제1 신호)를 얻는 단계;
(b) 상기 제1 신호에 자기 컨벌루션(auto convolution)을 수행하여 새로운 신호(이하 제2 신호)를 얻는 단계;
(c) 상기 제1 신호를 선형벡터로 표현한 것(이하 제1 신호 벡터)을 푸리에 변환을 통해 주파수 영역의 데이터로 변환하는 단계;
(d) 상기 제2 신호를 선형벡터로 표현한 것(이하 제2 신호 벡터)을 푸리에 변환을 통해 주파수 영역으로 표현하는 단계;
(e) 두 개의 행렬 간에 요소 대 요소의 곱셈을 수행하는 연산자(이하 델타 적)를 이용하여 제1 스펙트럼 밀도 행렬을 추출하는 단계;
(f) 상기 제1 스펙트럼 밀도 행렬을 공간적으로 평활화하여 제2 스펙트럼 밀도 행렬을 구하는 단계; 및,
(g) 상기 제2 스펙트럼 밀도 행렬을 고유치 분해하여, 최소 고유치에 대응하는 고유벡터를 이용하여 도래방향각을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법.
A spatial smoothed self-convolutional approach angle predicting method for predicting an incoming direction angle (DOA) at a receiver that receives a signal from a plurality of signal sources via an antenna array,
(a) obtaining a reception signal (hereinafter referred to as a first signal) when transmission signals from multiple signal sources are received through an antenna array;
(b) performing a self-convolution on the first signal to obtain a new signal (hereinafter referred to as a second signal);
(c) transforming the first signal represented by a linear vector (hereinafter referred to as a first signal vector) into frequency domain data through Fourier transform;
(d) expressing the second signal as a linear vector (hereinafter referred to as a second signal vector) in a frequency domain through Fourier transform;
(e) extracting a first spectral density matrix using an operator for performing an element-by-element multiplication between two matrices (hereinafter referred to as a delta element);
(f) spatially smoothing the first spectral density matrix to obtain a second spectral density matrix; And
(g) decomposing the second spectral density matrix by eigenvalness, and extracting an arrival direction angle using an eigenvector corresponding to the minimum eigenvalue, and estimating an arrival direction angle based on the spatially smoothed self-convolution.
제1항에 있어서,
상기 제1 스펙트럼 밀도 행렬은 상기 제1 및 제2 신호벡터의 주파수 영역의 데이터로부터 구해지는 스펙트럼 밀도 행렬을 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first spectral density matrix is obtained using a spectral density matrix obtained from data of a frequency domain of the first and second signal vectors.
제2항에 있어서,
상기 제1 스펙트럼 밀도 행렬 L(2)R은 [수식 1]에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법.
[수식 1]
Figure 112012090602543-pat00043

단, L(1) 및 L(2) 은 각각 상기 제1 및 제2 신호벡터의 주파수 영역의 데이터로부터 구해지는 스펙트럼 밀도 행렬이고, △는 델타적임.
3. The method of claim 2,
Wherein the first spectral density matrix L (2) R is defined by < RTI ID = 0.0 > (1). & Lt ; / RTI >
[Equation 1]
Figure 112012090602543-pat00043

Here, L (1) and L (2) are spectral density matrices obtained from data in the frequency domain of the first and second signal vectors, respectively, and? Is delta-specific.
제1항에 있어서,
상기 안테나 어레이는 사이즈 L의 P (= Q - L + 1)개의 중복하는 서브 어레이로 분할된 Q개의 동일한 안테나를 가지는 균일한 선형 어레이(ULA)인 것을 특징으로 하는 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법.
The method according to claim 1,
Characterized in that the antenna array is a uniform linear array (ULA) having Q identical antennas divided into P (= Q - L + 1) overlapping sub-arrays of size L. The spatially smoothed self- Each prediction method.
제3항에 있어서,
상기 제2 스펙트럼 밀도 행렬은 [수식 2]에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법.
[수식 2]
Figure 112012090602543-pat00044

단, (L (2)R)p은 p번째 서브 어레이의 제1 스펙트럼 밀도 행렬이고,
P는 서브 어레이의 개수임.
The method of claim 3,
Wherein the second spectral density matrix is obtained by [Expression 2]. ≪ EMI ID = 2.0 >
[Equation 2]
Figure 112012090602543-pat00044

Where ( L (2) R ) p is the first spectral density matrix of the pth subarray,
P is the number of sub-arrays.
제3항에 있어서,
상기 도래방향각은 상기 고유벡터와 스티어링 벡터의 직교성을 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법.
The method of claim 3,
Wherein the arrival direction angle is obtained using the orthogonality of the eigenvector and the steering vector.
제6항에 있어서,
상기 도래방향각은 다음 [수식 3]에 의해 구하되, θ를 0도부터 360도까지 변화시키는 과정 중 Pssso 값이 무한대가 될 때의 θ으로서 구하는 것을 특징으로 하는 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법.
[수식 3]
Figure 112012090602543-pat00045

단, vM +1, vM +2, ..., vL은 최소 고유치에 대응되는 고유벡터이고, as(θ)는 스티어링 벡터임.
The method according to claim 6,
The arrival direction angle is obtained by the following equation 3 and is obtained as? When the value of Psso is infinite in the process of changing the angle of 0 from 0 to 360 degrees, based on the spatially smoothed self-convolution Direction angle prediction method.
[Equation 3]
Figure 112012090602543-pat00045

V M + 1 , v M +2 , ..., v L are the eigenvectors corresponding to the minimum eigenvalues, and a s (θ) is the steering vector.
제7항에 있어서,
상기 스티어링 벡터 as(θ)은 다음 [수식 4]에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 공간적 평활화된 자기 컨벌루션 기반 도래방향각 예측 방법.
[수식 4]
Figure 112014002020317-pat00046

단, D는 안테나들 사이의 거리, λ= 송신 신호의 파장임.
8. The method of claim 7,
Wherein the steering vector a s (&thetas;) is obtained by the following equation (4).
[Equation 4]
Figure 112014002020317-pat00046

Where D is the distance between the antennas, and [lambda] is the wavelength of the transmitted signal.
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