新角度配對法之二維訊號方位估計

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張議仁(Yi-jen Chang) 查詢紙本館藏

畢業系所

通訊工程學系

論文名稱

新角度配對法之二維訊號方位估計
(Two-Dimensional DOA Estimation with a New Angles Pairing Method)

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摘要(中)

本篇論文提出一種新穎的利用兩個均勻線性陣列(uniform linear arrays,ULAs)估計二維(two-dimensional,2-D)到達的角度(direction-of-arrival，DOA)的仰角角度(elevation angles)與方位角角度(azimuth angles)的配對方法，本篇論文提出利用最大概似估計(Maximum Likehood Estimation Pairing,MLP)的方法來配對入射到每一個均勻線性陣列的訊號，使得在估計多訊號源的到達角度時可以自動地配對仰角角度與方位角角度，在結果的分析與比較中，本篇論文所提出的方法有較過去的方法在較小的角度間隔與較多的訊號源個數能夠有比較好的性能，且與過去不需要額外加入配對演算法就能自動地配對仰角角度與方位角角度的演算法能夠有比較好的角度精準度與較低的計算複雜度。

摘要(英)

A novel method is presented in this paper for pair matching of
elevation and azimuth angles in a two-dimensional
direction-of-arrival estimation problem, employing the antenna
configuration of two uniform linear arrays. The proposed method
exploits maximum likelihood estimation to pair two individual DOA
angles in a 3-D space from the received signals impinging on each ULA,
and consequently, multiple sources′ DOAs can be identified
automatically. Simulation results show that the proposed method has
better performance in case of small angular separation among multiple
signal sources compared to the conventional methods.The proposed
method also has less computational complexity and higher estimation
accuracy than the previously published works.

關鍵字(中)

★ 陣列訊號處理
★ 關聯方法
★ 到達方向估計

關鍵字(英)

★ array signal processing
★ correlation methods
★ direction-of-arrival estimation

論文目次

目錄
中文摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
英文摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
圖目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
表目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
第 1 章序論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 前言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 章節架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
第 2 章方位估測模擬資料架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1 一維均勻線性陣列基本架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 接收訊號的模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 多重訊號分類演算法 (MUSIC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.1 MUSIC 基本概念 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.2 MUSIC 演算法說明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4 旋轉不變性子空間演算法 (ESPRIT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.1 ESPRIT 基本概念 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.2 ESPRIT 演算法說明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5 傳播算子演算法 (Propagator Method) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.1 Propagator Method 基本概念 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.2 Propagator Method 演算法說明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
第 3 章二維角度估計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1 二維角度估計系統模型與架構說明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2 估計二維角度的演算法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.1 基於 L 形天線陣列的二維 PM 演算法 . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.2 基於 L 形天線陣列的二維 ESPRIT 演算法 . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 二維角度估計的仰角角度與方位角角度的配對 . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.1 仰角角度與方位角角度的配對的基本觀念與過去的配對
方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.2 以最大概似估測 (Maximum Likelihood Estimation Pairing,MLP)
配對仰角角度與方位角角度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
第 4 章系統模擬與結果分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1 配對演算法的性能分析與比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.1 Case1 配對成功率與訊號源角度間隔的性能比較，在訊
號源數目 P= 2，訊雜比 SNR= 10dB . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.1.2 Case2 配對成功率與訊號源角度間隔的性能比較，在訊
號源數目 P= 3，訊雜比 SNR= 10dB . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1.3 Case3 配對成功率與訊雜比的性能比較，在訊號源數目
P= 2，角度間隔 ϵ = 10、ϵ = 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.4 Case4 配對成功率與訊雜比的性能比較，在訊號源數目
P= 3，角度間隔 ϵ = 10、ϵ = 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1.5 Case5 配對成功率與快照數 Snapshots 的性能比較 . . . . . . . 63
4.1.6 Case6 DOA 演算法 + 配對演算法的散射圖性能比較 . . . . . 64
4.1.7 Case7 配對成功率與訊號源數目 P 的性能比較，在訊雜
比 SNR= 10dB、SNR= 20dB，角度間隔 ϵ = 5、ϵ = 10 . . 68
4.1.8 配對演算法的計算複雜度比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
i4.2 在單一訊號源下的角度誤差 RMSE 與欲估計角度的性能比較
與分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.1 Case1 在不同仰角角度估計之 RMSE 性能比較 . . . . . . . . . 71
4.2.2 Case2 在不同仰角角度時方位角估計之 RMSE 性能比較 . 73
4.3 在多訊號源下的角度誤差 RMSE 與欲估計角度的性能比較與
分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3.1 Case1 性能較差的角度的 SNR 與 RMSE 的性能比較 . . . . 78
4.3.2 Case2 性能較好的角度的 SNR 與 RMSE 的性能比較, 在
訊號源數目 P= 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3.3 Case3 性能較好的角度的 SNR 與 RMSE 的性能比較, 在
訊號源數目 P= 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3.4 2-D DOA 演算法計算複雜度比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
第 5 章結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
參考文獻 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

參考文獻

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指導教授

張大中(Dah-chung Chang)

審核日期

2015-1-28

推文