KR20070077228A - Appratus and method for antenna which estimates direction of arrival and frequency of arrival - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 일반적인 2차원 배열을 가지는 안테나의 배열을 도시한 도면,1 is a diagram illustrating an array of antennas having a general two-dimensional array;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 구성한 3차원 배열 안테나의 구조를 도시한 도면,2 is a view showing the structure of a three-dimensional array antenna constructed in accordance with an embodiment of the present invention,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 구성한 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치의 구성을 도시한 도면 및,3 is a diagram illustrating a configuration of an antenna device for estimating a direction angle of arrival and an arrival frequency configured according to an embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 구성한 안테나 장치에서 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 흐름을 도시한 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a flow of estimating a direction arrival angle and an arrival frequency in an antenna device constructed according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 3차원의 배열 안테나에서 수신한 신호의 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an antenna device and method for estimating the direction angle, the vertical angle and the arrival frequency of a signal received by a three-dimensional array antenna.
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.Estimation of direction-of-arrival (DOA) and arrival frequency (FOA) of multiple signals arriving at the array antenna received a lot of attention. Estimation of the direction and angle of arrival of the signal received by these antennas plays an important role in areas such as radar, sonar, radio astronomy, seismic data processing, and mobile communication systems.
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.The direction angle of arrival can be divided into two directions: the direction angle and the vertical angle. By using the existing two-dimensional hitter arrangement, only two of the direction angle, the vertical angle, and the arrival frequency can be estimated. Next, a commonly used two-dimensional hit or array will be described with reference to FIG. 1 below.
도 1은 일반적인 2차원 배열을 가지는 안테나의 배열을 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating an array of antennas having a general two-dimensional array.
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.Referring to FIG. 1, a general direction angle of arrival and arrival frequency estimating apparatus uses three linear array antennas having a plurality of
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.Representative methods for estimating the direction of arrival angle and arrival frequency include a single value decomposition (SVD) method and a cross spectral matrix eigenvalue decomposition (EVD) method of a data matrix, but the SVD and EVD must perform singular value decomposition of a covariance matrix of a received signal. Because it requires extensive calculations. For a discussion of SVD and EVD, see the article "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. ", and detailed description thereof is omitted.
따라서 방향각 상하각 및 도착 주파수를 모두 추정하고, 계산 복잡도가 낮은 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법이 요구된다.Therefore, there is a need for an antenna apparatus and method for estimating both directional angles of up and down angles and arrival frequencies, and estimating directional arrival angles and arrival frequencies with low computational complexity.
본 발명의 목적은 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an antenna device and method for estimating a direction angle, a vertical angle, and an arrival frequency.
본 발명의 다른 목적은 3차원의 안테나 배열구조를 가지고 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치 및 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide an antenna apparatus and method for estimating the direction of arrival angle and arrival frequency with a three-dimensional antenna array structure.
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.It is still another object of the present invention to provide an antenna device and a method in which the estimation of the direction of arrival angle and the arrival frequency has a relatively lower computational complexity than the conventional single value decomposition (SVD) and cross spectral matrix eigenvalue decomposition (EVD) methods.
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.An apparatus of the present invention for achieving the above object, in the antenna device for estimating the direction of arrival angle and the arrival frequency, an antenna unit consisting of three array antennas in three dimensions, by receiving a narrowband signal from the antenna unit A signal receiver provided to a matrix calculator, a matrix calculator to calculate a data matrix or a mutual spectrum matrix by using the received signal, and decompose the matrix calculator, a data matrix or the mutual spectrum matrix to a matrix resolver, and a propagator The propagator estimation matrix calculation unit calculating a propagator estimation matrix using the matrix decomposition unit, a decomposed data matrix, or a mutual spectrum matrix, and providing the propagator estimation matrix decomposition unit to a propagator estimation matrix decomposition unit; The propagator estimation matrix is decomposed and fed to a phase matrix estimator. A phase matrix estimator for estimating a phase matrix using the decomposed propagator estimation matrix and providing it to an estimator, and the phase matrix estimated by the phase matrix estimator. The present invention provides an apparatus including the estimator for estimating a direction angle, a vertical angle, and an arrival frequency.
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.In the method of the present invention for achieving the above object, in the method of estimating the direction of arrival angle and the arrival frequency, when receiving a narrowband signal from the antenna, calculating a data matrix or a mutual spectrum matrix using the received signal, Decomposing the data matrix or the mutual spectrum matrix, calculating a propagator estimation matrix using the decomposed data matrix or the mutual spectrum matrix, decomposing the propagator estimation matrix, and decomposing the decomposed matrix. The method includes estimating a phase matrix using a propagator estimation matrix, and estimating a direction angle, an upper and lower angle, and an arrival frequency using the estimated phase matrix.
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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
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.The present invention relates to an antenna device and a method for estimating the direction angle, the vertical angle, and the arrival frequency of the signal received by the array antenna, and the three-dimensional array antenna for estimating all the direction angle, the vertical angle, and the arrival frequency. It has a structure and will be described with reference to FIG. 2 below.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 구성한 3차원 배열 안테나의 구조를 도시한 도면이다.2 is a view showing the structure of a three-dimensional array antenna configured in accordance with an embodiment of the present invention.
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.Referring to FIG. 2, three linear array antennas are used at predetermined intervals d for a plurality of
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.FIG. 2 is an example of an array antenna structure capable of simultaneously estimating a direction angle, an up-down angle, and an arrival frequency. Generally, the sub-array antennas X, Y, and W are arranged in the xy plane, and the Z sub-array antenna is disposed. When placed in parallel with equal intervals, the direction angle, vertical angle, and arrival frequency can all be measured.
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.In the present invention, a derivation process for estimating all directions, up and down angles, and arrival frequencies will be described by using equations. The K narrowband signals received by the antennas included in the sub-array antennas of FIG. It is expressed as
본 발명의 설명에 앞서 본 발명의 수학식들의 매개변수(parameter)의 서로 통일하여 설명하며 앞선 수학식에서 설명한 매개변수의 설명은 생략한다.Prior to the description of the present invention, the parameters of the equations of the present invention will be described in unified manner, and the description of the parameters described in the above equations will be omitted.
여기서, K는 안테나를 통해 수신되는 협대역 신호의 갯수이고, θk는 신호의 방향도래각중 상승각이고, φk는 수신한 신호의 방향도래각중 방향각이고, fk는 수신한 신호의 도착 주파수이다.Here, K is the number of narrowband signals received through the antenna, θ k is the rising angle of the direction of arrival of the signal, φ k is the direction of the angle of arrival of the received signal, f k is the received signal Is the arrival frequency.
상기 <수학식 1>의 방정식들은 수신 출력 백터로 표현하면, 아래 <수학식 2>와 같이 행렬 형태로 표현이 가능하다.The equations of
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, 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.Where X (t) = [x 1 (t), x 2 (t),... , x N (t)] T , Y (t) = [y 1 (t), y 2 (t),... , y N + 1 (t)] T , and Z (t) = [z 1 (t), z 2 (t),... , z N (t)] T , W (t) = [w 1 (t), w 2 (t),... , w N (t)] T , and A ( θ , φ , f ) = [ a (θ 1 , φ 1 , f 1 ), a (θ 2 , φ 2 , f 2 ),. , a (θ k , φ k , f k )] and a (θ 2 , φ 2 , f 2 ) = [1, u k ,. , u k N -1 ], k = 1,... , K, And S (t) = [s 1 (t), s 2 (t),... , s K (t)] T , and θ = [θ 1 ,. θ K ] T and φ = [φ 1 ,. φ K ] T and f = [f 1 ,... f K ] T , n x , n y , n z , n w are additive white Gaussian noise vectors with an average of N × 1 and variance σ 2 at time t, c is the propagation rate, and The subscript T stands for transpose.
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.In Equation 2, Φ 1 ( θ , φ , f ), Φ 2 ( θ , f ), and Φ 3 ( θ , φ , f ) are K × K diagonal matrices, θ k , It includes information about φ k and f k and can be expressed as Equation 3 below.
여기서 diag[xi]는 대각선(Diagonal) 행렬에서 각 원소가 xi임을 의미한다.Where diag [xi] means that each element in the diagonal matrix is xi.
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.In the description of the present invention, the Φ 1 ( θ , φ , f ), Φ 2 ( θ , f ), Φ 3 ( θ , φ , f ) are denoted by Φ 1 , Φ 2 , Φ 3 , respectively, and the arrangement response The array response matrix A ( θ , φ , f ) is denoted by A.
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.Then, referring to the article "S. Marcos, A. Marsal, M. Benidir," The propagator method for source bearing estimation, "Signal Processing 42 (1995), pp. 121-138." The response response matrix A can be expressed as Equation 4 below.
여기서, A1은 K×K의 부행렬이고, A2는 (N-K)×K의 부행렬이다.Here, A 1 is a sub-matrix of K × K, and A 2 is a sub-matrix of (NK) × K.
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,Then, the propagator matrix P of K × (4N-K) is applied to each of the received output vectors, X, Y, Z, and W of Equation 2, and D is represented by Equation 5 below. Define as
상기 <수학식 5>를 상기 <수학식 4>와 같이 표현하면 아래 <수학식 6>과 같이 표현이 가능하다.If Equation 5 is expressed as Equation 4, Equation 6 below may be expressed.
여기서, 이다.here, to be.
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.When N≥2K, assuming that A 1 is a non-K × K non-singular matrix, then the propagator matrix P of K × (4N-K) satisfies Equation 7 below. It is the only linear operator.
여기서, H는 허미션(Hermitian) 연산이다.Where H is a Hermitian operation.
한편, 4N×1의 데이터 벡터(Data vector) Q(t)은 아래 <수학식 8>과 같이 표현하고,Meanwhile, the data vector Q (t) of 4N × 1 is expressed as in Equation 8 below.
L개의 데이터 벡터(Data vector)들의 4N×L의 데이터(data) 행렬을 F라고 하면 F는 아래 <수학식 9>과 같이 표현할 수 있다.If a 4N × L data matrix of L data vectors is F, F can be expressed as Equation 9 below.
그리고, 4N×4N의 상호 스팩트럼(spectral) 행렬 은 아래 <수학식 10>과 같이 표기할 수 있다.And a 4N × 4N mutual spectral matrix Can be written as in Equation 10 below.
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.Then, when the data matrix of Equation 9 and the mutual spectrum matrix of Equation 10 are decomposed, Equation 11 and Equation 12 may be expressed, respectively.
여기서, F1은 K×L의 부행렬이고, F2는 (4N-K)×L의 부행렬이다.Here, F 1 is a sub-matrix of K × L, and F 2 is a sub-matrix of (4N-K) × L.
여기서, E는 4N×K의 부행렬이고, J는 4N×(4N-K)의 부행렬이다.Here, E is a submatrix of 4N × K, and J is a submatrix of 4N × (4N-K).
그러면, K×(4N-K) 크기의 데이터 행렬 F의 프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬을 이라고 하고, K×(4N-K) 크기의 상호 스팩트럼(spectral) 행렬 의 프로퍼게이터 추정행렬을 라고 하면, 상기 프로퍼게이터 추정행렬 와 는 아래 <수학식 13>의 비용함수가 최소화 되도록 정한다.Then, the propagator estimation matrix of the data matrix F of size K × (4N-K) And a spectral matrix of size K × (4N-K) The estimator matrix of the Speaking, the estimator matrix Wow Is set to minimize the cost function in Equation 13 below.
여기서, 는 프로베니우스 기준(Frobenius norm)이다.here, Is the Frobenius norm.
상기 <수학식 13>에 최소자승방법(least square method)을 적용하면, 상기 프로퍼게이터 추정행렬 와 를 아래 <수학식 14>과 같이 구할 수 있다.When the least square method is applied to Equation 13, the estimator matrix Wow Can be obtained as shown in Equation 14 below.
상기 <수학식 14>의 상기 프로퍼게이터 추정행렬 또는 는 각각 아래 <수학식 15>와 같이 분해할 수 있다.Estimator Matrix of Equation 14 or Can be decomposed as shown in Equation 15 below.
여기서 의 차원은 각각 here Dimension of each
의 차원과 일치한다. 그러면, 상기 <수학식 6>, <수학식 7>, <수학식 15>에 의하면 아래 <수학식 16>와 같이 표현할 수 있다. Coincides with the dimension of. Then, according to Equation 6, Equation 7, and Equation 15, Equation 16 may be expressed.
상기 <수학식 16>는 아래 <수학식 17>과 같이 표현 가능하다.Equation 16 may be expressed as Equation 17 below.
여기서, #은 의사역행렬이다.Where # is a pseudo inverse.
상기 <수학식 17>을 이용하여 위상(phase) 행렬 Φ1, Φ2, Φ3 는 아래 <수학식 18>과 같이 표현된다.By using Equation 17, phase matrices Φ 1 , Φ 2 , and Φ 3 are expressed as in Equation 18 below.
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.The phase matrices Φ 1 , Φ 2 , and Φ 3 obtained in Equation 18 are applied to Eq. 19 below to estimate the up-down angle, the direction angle, and the arrival frequency. Estimate the arrival frequency.
상기 <수학식 19>을 참조하면 상하각 의 추정은 의 추정식을 이용하여 얻은 값을 이용하여 추정하고, 주파수 의 추정은 의 추정식을 이용하여 추정한다.Referring to Equation 19, the upper and lower angles Estimate of Estimate using the value obtained using the equation Estimate of Estimate using
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 영역에 1대 1함수 임으로, arc-tangent 연산은 x가 실수 영역에 존재하면 추정에 실패하지 않는다.Estimation of the upper and lower angles and the direction angle of the present invention is estimated through the arc-tangent operation, if y = tan -1 (x), which is a characteristic of the arc-tangent operation, exists in the real area (R), for all x∈R Because it is a one-to-one function in the domain, the arc-tangent operation does not fail to estimate if x is in the real domain.
그러면 상기 도 2의 배열 안테나를 가지고 상향각, 상하각 및 도착주파수를 추정하는 본 발명의 안테나 장치를 아래에서 도 3을 참조하여 설명한다.Next, the antenna device of the present invention for estimating an up angle, an up and down angle, and an arrival frequency using the array antenna of FIG. 2 will be described below with reference to FIG. 3.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 구성한 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이다.3 is a diagram illustrating a configuration of an antenna device for estimating a direction arrival angle and an arrival frequency configured according to an exemplary embodiment of the present invention.
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.Referring to FIG. 3, the antenna device of the present invention includes a plurality of
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.The
행렬 계산부(302)는 상기 신호 수신부(300)로부터 수신한 신호를 이용하여 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 계산하여 행렬 분해부(304)로 제공한다.The
상기 데이터 행렬 F는 상기 <수학식 9>을 통해 계산할 수 있고, 상기 상호 스팩트럼 행렬 은 상기 <수학식 10>을 통해 계산할 수 있다.The data matrix F may be calculated through Equation 9, and the mutual spectrum matrix May be calculated through Equation 10.
행렬 분해부(304)는 상기 행렬 계산부(302)로부터 수신한 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 분해하여 프로퍼게이터(Propagator) 행렬 계산부(306)로 제공한다.The
상기 데이터 행렬의 분해는 상기 <수학식 11>을 통해 분해하고, 상기 상호 스팩트럼 행렬의 분해는 상기 <수학식 12>을 통해 분해한다.The decomposition of the data matrix is decomposed through Equation 11, and the decomposition of the mutual spectrum matrix is decomposed through Equation 12.
프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬 계산부(306)는 분해한 데이터 행렬 또는 상호 스팩트럼 행렬을 이용하여 프로퍼게이터 추정행렬 또는 를 계산하여 상기 프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬 분해부(308)로 제공한다.The propagator
상기 프로퍼게이터 추정행렬 또는 는 상기 <수학식 14>과 같다.Proportional Estimation Matrix or Is as shown in Equation 14 above.
프로퍼게이터(Propagator) 추정행렬 분해부(308)는 상기 프로퍼게이터 추정행렬 또는 를 상기 <수학식 15>와 같이 분해여 위상(Phase) 행렬 추정부(310)로 제공한다.A propagator estimation
위상(Phase) 행렬 추정부(310)는 분해된 프로퍼게이터 추정행렬을 이용하여 위상 행렬을 추정하여 추정부에 제공한다.The
상기 위상 행렬 추정은 상기 <수학식 18>을 이용하여 추정한다.The phase matrix estimation is estimated using Equation 18.
추정부(312)는 상기 위상(Phase) 행렬 추정부(310)에서 추정한 위상 행렬을 이용하여 방향각, 상하각 및, 도착주파수를 추정한다.The
상기 방향각, 상하각 및, 도착주파수의 추정은 상기 <수학식 19>을 이용하여 추정한다.The direction angle, the vertical angle, and the estimation of the arrival frequency are estimated using Equation (19).
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따라 구성한 안테나 장치를 이용하여 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 방법을 아래에서 도 4를 참조하여 설명한다.Hereinafter, a method of estimating the direction of arrival angle and the arrival frequency using the antenna device constructed according to the present invention configured as described above will be described with reference to FIG. 4.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 구성한 안테나 장치에서 방향도래각과 도착주파수를 추정하는 흐름을 도시한 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a flow of estimating a direction arrival angle and an arrival frequency in an antenna device constructed according to an embodiment of the present invention.
상기 도 4를 참조하면 본 발명의 안테나 장치는 400단계로 진행하여 배열 안테나로부터 K개의 협대역 신호의 수신 여부를 검사한다.Referring to FIG. 4, the antenna device of the present invention proceeds to step 400 and checks whether K narrowband signals are received from an array antenna.
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.In
상기 402단계에서 상기 데이터 행렬 F는 상기 <수학식 9>을 통해 계산할 수 있고, 상기 상호 스팩트럼 행렬 은 상기 <수학식 10>을 통해 계산할 수 있다.In
상기 404단계에서 상기 데이터 행렬의 분해는 상기 <수학식 11>을 통해 분해하고, 상기 상호 스팩트럼 행렬의 분해는 상기 <수학식 12>을 통해 분해한다.In
상기 406단계의 상기 프로퍼게이터 추정행렬 또는 는 상기 <수학식 14>과 같다.The propagator estimation matrix in
상기 408단계의 프로퍼게이터 추정행렬 분해는 상기 <수학식 15>와 같이 분해한다.The propagator estimation matrix decomposition in
상기 410단계의 상기 위상 행렬 추정은 상기 <수학식 18>을 이용하여 추정한다.The phase matrix estimation in
상기 412단계의 상기 방향각, 상하각 및, 도착주파수의 추정은 상기 <수학식 19>을 이용하여 추정한다.The direction angle, the vertical angle, and the arrival frequency of
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.Meanwhile, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the scope of the following claims, but also by the equivalents of the claims.
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.As described above, the present invention relates to an antenna device and a method for estimating the direction of arrival angle and the arrival frequency, and estimates the direction angle, the upper and lower angles, and the arrival frequency. Provided are an antenna device and a method for estimating a direction of arrival angle and arrival frequency having a relatively low computational complexity compared to a cross spectral matrix eigenvalue decomposition (EVD) method.
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