(A) study on Nested Arrays for Direction-of-Arrival (DOA) Estimation

신종우 부산대학교 대학원 2016 국내박사

Amplitude Approach를 이용한 도래각 탐지 안테나 시스템 구현

申淨錄 淸州大學校 2000 국내박사

본 논문에서는 선도차량(Lead Vehicle; LV)과 단거리(short-range)를 유지하면서 무선위치 추적을 통하여 따라가는 자진차량(Autonomous Vehicle; AV)의 실시간 유도시스템을 구현하였으며, 그 결과를 이론치와 비교하였다. 기존의 도래각 추정 알고리즘인 MUSIC과 ESPRIT 방식은 도래각 추정에 필요한 연산시간이 길고, 장거리(long-range)에 적용하기 위한 것이다. 구현된 시스템은 지상에서 단거리(2∼50m)내를 이동하고 있는 선도차량으로부터 방사된 전자파를 감지하여 실시간으로 자진차량(AV)을 유도하기 위한 도래각 탐지 시스템이다. 시스템의 안테나 배열구조는 서로 인접한 안테나로부터 수신전력패턴의 변화를 크게 하여 도래각을 효율적으로 탐지할 수 있는 원형배열 구조를 사용하였다. 단거리내에서 이동하고 있는 신호원의 도래각 변화를 크게 하고, 정확한 측정을 위해 반-전력빔폭(HPBW)은 26˚, 개구의 크기는 64.3x82.5㎟인 피라미드 혼 안테나 7개를 반경 45㎝의 반-원형 구조로 배열하였을 뿐만 아니라 지향성 안테나는 90.0˚를 중심으로 좌-우 15.0˚의 간격으로 배치하였다. 각각의 수신안테나로부터 수신전력패턴을 1ms이내에 16개의 채널을 읽어들여 이동좌표를 추적할 수 있도록 하였다. 신뢰도를 높이기 위해서 각각의 수신전력을 입력받아 각 채널별 평균값을 구하여, 이동 신호원의 이동 좌표를 실시간(60ms이내)으로 표시하였다. 신호원의 도래각을 찾기 위한 방법으로 각각의 수신안테나에 들어오는 전력패턴의 비를 비교하여 최대값을 수신한 안테나 방향으로 도래파가 존재한다고 가정하고, 인접한 수신안테나의 전력패턴이 동일하게 나타나는 경우 정확한 도래각 추정을 위해 3차 spline 알고리즘을 적용하여 정확한 도래각을 탐지하고 이동좌표를 표시하였다. 제안한 방법의 타당성을 검증하기 위하여 이동 신호원 주파수가 X-대역의 10.30GHz, 송신출력을 9.7dBm, 이동신호원의 중심좌표는 (0cm, 461cm), 측정거리는 461cm로 하여 (-120cm, 461cm)에서 (+120cm, 461cm)까지 0.5cm 간격으로 수평 이동하면서 측정한 결과 최소 99.6%로 이동 신호원의 위치좌표를 탐지하였다. 구현된 시스템은 선도차량(LV)으로부터 단거리내에서 유도되고 있는 자진차량(AV)의 실시간 유도 시스템으로 사용 가능하였다. In this papaer, we have proposed new method to apply at the real time system of autonomous vehicle which is moving in the short range and implemented system using the proposed method. The Music and ESPRIT which is the angle of arrival estimation algorithm of past tense have log processing time to need for the angle of arrival estimation, and have been applied with long range. The implemented system is the angle of arrival detection system to autonomous vehicle with real time to detect electromagnetic wave from the lead vehicle which is moving in the short range(2∼50m) on the earth. The antenna array structure of measurement system is circular array structure which can efficiently detect the angle of arrival to large variation of received power pattern from the adjacent antenna mutually. In order to large the angle of arrival variance of signal source which is moving in short range and measure with accuracy, 7 pyramidal home antenna which HPBW is 26˚, size of aperture 64.3x82.5㎟ have been arranged with semicircular structure of 45cm radius, and also directional antenna have been arranged with which distance between left and right is 15˚and center is 90.0˚. In order to arise the reliability, we have displayed with real time moving coordinate of moving signal source to obtain mean value for receiving input power of each channel. In order to certification of the proposed method, for frequency of moving signal source is 10.30GHz of X-band, transmitted power is 9.7dBm, and center coordination of moving signal source is (0cm, 461cm), we have detected position coordination of moving signal source to 99.6% in the result of measurement on horizontally moving from (-120, 461) to (120, 461) with 0.5cm distance. The implemented system have been available for real time system of autonomous vehicle which derived in the short range from lead vehicle.

Beamspace MUSIC 알고리즘을 적용한 Time Modulated Arrays 시스템의 도래각 추정 기법 연구

노혜민 부산대학교 대학원 2020 국내석사

입사 신호의 도래각 추정 기술은 신호원의 위치 탐지를 위한 소나(sonar) 및 레이더(radar) 등의 국방 분야, 스마트 안테나 및 통신 분야 등 다양한 분야에서 활발히 연구되고 있다. 특히 이동 통신 분야에서 스마트 안테나 기술을 탑재한 5G의 상용화가 시작됨에 따라, 5G 기지 구축을 위한 장비 소형화 및 경량화 기술 개발 등이 활발하게 진행되고 있다. 다수의 협대역 신호에 대한 도래각 추정 기술 중에서 MUSIC(MUltiple Signal Classification) 알고리즘은 근접한 신호의 도래각 추정 성능이 뛰어난 고해상도 기법으로 가장 널리 사용되고 있다. MUSIC 알고리즘은 배열 안테나에서 획득한 수신신호의 공분산 행렬을 고유치 분해하여 수신신호를 신호 부공간과 잡음 부공간으로 분리하고, 잡음 부공간이 신호의 입사각에 대한 정보를 담고 있는 조향 벡터와 직교한다는 사실을 이용하여 도래각을 추정한다. 하지만 이러한 방법은 계산 복잡도가 높고, 수신기의 고비용 및 대형화 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 수신신호의 형태를 간소화하여 계산 복잡도를 줄일 수 있는 beamspace MUSIC 알고리즘을 단일 RF chain 사용으로 구조가 간단하고 구현이 유연한 TMA(Time Modulated Arrays)에 적용한 시스템을 제안한다. 제안한 시스템을 통해서 소프트웨어와 하드웨어에서 모두 경량화를 이룬 도래각 추정 장치를 설계할 수 있는 방안을 제시한다.

신호부각법을 이용한 인코히어런트 신호의 고분해능 도래각 추정

이성윤 경희대학교 대학원 2000 국내석사

In this thesis, direction finding algorithms based on the signal enhancement approach are proposed for estimating direction of arrival (DOA) of multiple plane waves incident on the uniform linear array. The new algorithms based on the signal enhancement approach to improve the performances of LPM and MUSIC are called Signal Enhanced Linear Prediction Method(SE-LPM) and Signal Enhanced MUltiple SIgnal Classification (SE-MUSIC), respectively. In the proposed algorithms repetitive mapping of matrix property has the effect of improving the signal-to-noise ratio (SNR). This proposed algorithms have been compared with several direction finding algorithms such as conventional Beamforming, Maximum Likelihood Method (MLM), LPM, MUSIC. The proposed SE-LPM and SE-MUSIC algorithms have the following main two procedures. First, the proposed algorithms find the signal enhanced matrix that possesses the prescribed properties and lies closest to a given covariance matrix estimate in the Frobenius norm sense. Second, DOA is estimated by applying the LPM and MUSIC to the enhanced matrix. Computer simulations have been done to obtain statics data and spatial spectrum estimation. It is shown that the proposed algorithms achieve higher resolution and more stable statistics than the LPM and MUSIC. It is noticeable that the proposed algorithms have superior resolution under low SNR conditions.

그레이팅 로브 문제 해결을 위한 배열 안테나 구조 연구

김기환 서울대학교 대학원 2020 국내석사

In order to protect humans from threats that are difficult to detect while driving or sailing, information on the surrounding situations must be secured in advance to prevent accidents. In addition, autonomous vehicles or intelligent robots that are still under study today must be able to detect them in advance in order to judge and move according to their surroundings. Accordingly, research has been conducted on the technique of estimating the position of objects using sensors such as radars. One of the values required for positioning is the direction of arrival(DOA) information of the radar signal reflected on the target. This information is estimated based on the phase difference that occurs in the received signals due to the interval between the antennas. To estimate not only azimuth angle but also elevation angle, a two-dimensional array antenna is required. However, in the beam pattern of the array antenna, there is a grating lobe having the same size as the main lobe. This lobe can cause to capture the ghost targets that are not the actual targets, thereby causing troubles in estimating the target’s DOA. Although there is one method using minimum redundancy array antenna structure for solving these grating lobe problems, few studies have applied the method in two dimensions. Therefore, a new two-dimensional array antenna structure applying the minimum redundancy array method is presented in this study, and its performance is compared and analyzed with the cases of other two-dimensional array antenna. 운전이나 항해 중 발견하기 힘든 위험 요소로부터 인간을 보호하기 위해 미리 주변 상황에 대한 정보를 확보하여야 사고를 사전에 방지할 수 있다. 또한, 오늘날에도 연구 중인 자율 주행 자동차나 지능형 로봇이 주변 환경에 따라 스스로 판단하여 움직이기 위해서는 이를 미리 탐지할 수 있어야 한다. 이에 따라 레이더 등의 센서를 이용하여 물체의 위치를 추정하는 기술에 대해서 연구가 계속되고 있다. 여기서 위치 추정에 필요한 값 중 하나로 타겟에 반사된 레이더 신호의 도래각 정보가 있다. 이 도래각 정보는 안테나 간의 간격으로 인해 수신 신호에 발생하는 위상차를 토대로 추정하게 된다. 이 때 방위각뿐만 아니라 고도각까지 추정하기 위해서는 2차원 배열 안테나가 필요하다. 그러나 배열 안테나의 빔 패턴 중에서는 메인 로브와 크기가 동일한 그레이팅 로브가 존재하며 이에 의해 실제 타겟이 아닌 고스트 타겟을 추가로 잡게 되어 목표물의 도래각을 추정하는 데 지장이 생긴다. 이러한 그레이팅 로브 문제를 해결하기 위한 방법 중 minimum redundancy array 안테나 구조가 있지만, 해당 방법을 2차원에서 적용한 연구는 많지 않다. 따라서 본 연구에서는 minimum redundancy array를 기반으로 한 새로운 2차원 배열 안테나 구조를 제시하고 이에 대한 성능을 다른 2차원 배열 안테나 구조의 경우들과 비교 및 분석한다.

Lens antenna for next generation communications : design, analysis, and evaluation

심재남 Graduate School, Yonsei University 2019 국내박사

이동통신 네트워크는 데이터 트래픽의 급격한 증가로 인해 주파수 대역의 고갈을 겪고 있으며 이에 따라 전반적인 성능 저하가 예상된다. 주파수 대역 고갈에 대한 가장 단순하고 효율적인 해결 방법은 밀리미터파 대역의 이용이며, 이는 다수의 연구자들에 의해 제안되었고 표준화가 논의 중에 있다. 밀리미터파 대역의 거리 감쇄 특성을 극복하기 위해서는 에너지 집중적인 협소한 빔포밍이 필수적이며 렌즈 안테나는 이를 저복잡도로 구현하는 데 적합하다. 렌즈의 이산 푸리에 변환 특성에 따라 협소한 빔포밍이 가능하며 이는 밀리미터파 통신의 전반적인 복잡도를 낮출 수 있다. 본 학위논문에서는 밀리미터파 대역의 렌즈 안테나를 고려한다. 첫째로 렌즈를 통과한 수신 신호의 모델을 정립하고 이를 기반으로 수신 도래각 추정의 크라메르-라오 하한을 유도한다. 하한은 유도된 수신 신호 모델을 기반으로 표현되었으며 이는 렌즈 안테나 배열의 본질적인 특성에 기인한다. 렌즈 안테나 수신 신호 모델은 도래각이 변함에 따라 수신 신호 진폭의 모양이 변화한다. 이것이 등간격 배열 안테나의 수신 신호와 렌즈를 통과한 수신 신호를 구분하는 차이점이다. 둘째로, 등간격 배열 안테나와 렌즈 안테나의 크라메르-라오 하한은 직접적으로 비교가 불가능하므로 일반성을 잃지 않는 근사화 기법을 제안했다. 이를 기반으로 렌즈 안테나와 등간격 배열 안테나의 성능을 직접적으로 비교하였고 렌즈 안테나가 우세한 성능을 보이는 조건을 유도했다. 단일 추정의 경우 가장 뛰어난 성능을 보이는 최대 우도 추정기의 성능을 통해 크라메르-라오 하한을 확인하고 렌즈 안테나의 성능을 입증했다. 마지막으로 저복잡도 임에도 등간격 배열 안테나에 비해 우세한 성능을 보이는 렌즈 안테나의 특성을 고려한 추정 방법을 제안하였다. 본 학위논문의 결과는 향후 5G의 렌즈 안테나 설계에 지표가 될 것으로 기대된다. Mobile networks are experiencing shortage of frequency bands due to the avalanche of data traffic, which bring about the possibility of overall performance degradation. The simplest way to overcome the limitation is exploiting additional frequency band, especially mmWave bands, which is proposed by majority of recent researchers and standards. However, sharp beamforming is essential due to the characteristics ofmmWave frequency band. Lens antenna is one of the promising technologies to overcome severe path loss by sharp beamforming with low complexity. Thanks to DFT property of lens antenna, sharp beamforming is easily accomplished, resulting in low complexity of mmWave channel communication. In this dissertation, we consider a lens antenna array for mmWave communication. We first investigate the received signal model of lens antenna and derive Cram´er-Rao lower bound (CRLB) on angle of arrival (AoA estimation of an RF lens-embedded antenna array. We derive an expression for the received signal, in terms of intrinsic lens characteristics, using an RF lens-embedded antenna array. As the AoA changes, the received signal through the RF lens changes in amplitude. This differentiates the RF lens-embedded antenna array from a conventional uniform linear array (ULA) without an RF lens. The CRLB between the ULA and the lens is not directly comparable, so we present an assumption that does not lose generality. Based on this, we directly compare and derive the conditions of the parameters that show the superior performance of the lens antenna compared to the ULA. Second, the CRLB between the ULA and the lens antenna array is not directly comparable, so we present an assumption that does not lose generality. Based on this, we directly compare and derive the conditions of the parameters that show the superior performance of the lens antenna compared to the ULA. The performance of AoA estimation using MLE, known for its best performance in the case of single estimation, is verified to confirm the CRLB and to demonstrate superiority of lens antenna array. Finally, the AoA estimation method of lens antenna is proposed with superior performance over ULA despite of low complexity. The results can be used as a guideline for designing RF lens-embedded antenna arrays in 5G.

Two-channel speech source localization with closed-loop linear phase shaping for a reverberant environment

양재모 Graduate School, Yonsei University 2008 국내석사

This dissertation proposes a robust two-channel speech source localization (SSL) algorithm in a reverberant and noisy environment. In the two-channel approach, the solution of the localization problem is equivalent to finding a time difference of arrival (TDOA) to two channels since we can estimate only one direction of arrival (DOA), i.e. azimuth or elevation angle only.The proposed algorithm adopts a criterion of maximizing generalized cross correlation (GCC). Especially, it calculates the correlation in cross power spectrum (CPS) domain to enhance the resolution of time delay estimation (TDE). Considering the fact that the reliability of time delay information in each frequency bin is different, the proposed method first chooses limited number of CPS bins that might have more accurate phase information. In addition, the CPS bins located at the outside of the selected cluster region are thrown away by assuming that their phase information is also unreliable. The specific cluster region is determined by the proposed phase clustering algorithm, which uses the relative ratio of the candidate bins in each phase cluster. Compared with conventional approaches, the proposed method shows significant improvement even in white noise condition. However, it does not have any gain in a reverberant environment. Since the interference components caused by reverberation are directly proportional to the power of speech signal, the benefits are not sustained to the local maximum CPS bins on signal-to-noise ratio (SNR) in white noise environment. Simulation results show that a standard deviation of the TDE is remarkably reduced especially in low SNR conditions.To further enhance the performance in a reverberant environment, a novel recursive phase error estimation method is included in the system. The rationale behind the idea is that the ideal phase of CPS is shaped as a linear steep. Simulation results using the image method show that the average variance of CPS group delay is reduced more than 70%. It also remarkably improves TDE results whose average errors become nearly zero and standard deviations are bounded reduced below 5 degree. 본 논문은 잡음과 반향이 존재하는 환경에 강인한 2채널 화자 위치 예측 알고리즘을 제안한다. 제안된 알고리즘은 가장 일반적으로 이용되는 최대 교차 상관도 알고리즘을 주파수 축에서 적용함으로써, 샘플링 주파수가 낮은 상황에서 도래각의 해상도를 높였다. 또한 각 주파수 빈의 공간 정보에 대한 신뢰도에 따라 정확한 공간 정보를 포함하는 주파수 빈만을 선택적으로 이용하여, 연산량을 줄이는 동시에 위치 예측 알고리즘의 정확성을 높였다. 기존의 알고리즘과 비교해 볼 때, 제안된 알고리즘은 백색 잡음 환경에서 우수한 예측 성능을 보여주었다. 하지만 반향이 큰 환경에서는 성능차이가 없었다.제안된 알고리즘은 반향 환경에서 예측 성능을 높이기 위해 위상 오차 예측 알고리즘을 포함한다. 이 알고리즘은 이상적인 교차 스펙트럼이 선형 위상을 갖는 것을 이용하여, 재귀적 평균을 통해 위상 오차를 모델링 하였다. 제안된 알고리즘을 통해 교차 스펙트럼의 위상에 대한 분산이 70%이상 줄어드는 결과를 보여주었다. 최종적으로 제안된 알고리즘은 평균 예측 오차를 0으로 만들고, 분산을 5도 이하로 수렴시키는 성능을 보였다.

스마트 카를 위한 FMCW 레이더 신호처리 및 응용 기술에 대한 연구

송희망 숭실대학교 대학원 2021 국내박사

본 학위 논문에서는 FMCW 레이더 신호처리를 이용하여 스마트 카를 위한 응용 기술을 개발하는 것을 목표로 한다. 차량용 레이더 측면으로 물체의 정확한 위치를 검출하기 위해 도래각 보정 기법을 제안한다. 실제 레이더 신호에서는 amplitude와 phase의 mismatch와 mutual coupling 문제로 인해 각도 추정 시 부정확성의 문제가 발생한다. 이는 하나의 물체를 두 개의 물체로 인식하는 target split 현상을 초래하여 큰 사고를 야기할 수 있다. 본 연구에서는 reference 데이터를 이용하여 방향 벡터 보정을 통해 도래각 보정을 진행한다. 3가지 도래각 추정 알고리즘에 적용하였으며, 추정 오차를 통해 제안하는 보정 방법의 효과를 확인하고 target split 현상이 사라지는 것도 확인하였다. 또한 정지 및 이동 물체를 구분하기 위해 스펙트럼 매핑 기법을 제안한다. 기존의 주파수 도메인이 아닌 시간-주파수 도메인에서 정지 및 이동 물체의 기울기 특성을 분석한다. Hough transform을 이용하여 물체의 기울기를 측정하며, 정지 및 이동 물체 구분을 위한 특징 인자를 제안한다. 정지 및 이동 물체의 특징 인자의 가우시안 분포를 비교하며, ROC curve 및 correlation을 통해 스펙트럼 매핑 성능을 평가한다. 성능 평가를 통해 제안하는 정지 및 이동 물체의 스펙트럼 매핑 기법이 ground-truth feature map과 유사한 것을 확인하였다. 다음으로는 차량 내 후석 승객 알림 및 위치 탐지 시스템을 제안한다. 실험 1은 1Tx/1Rx의 레이더를 사용하며, magnitude에 호흡 및 심박이 반영되는 것을 이용하여 특징 인자를 제안한다. 거리를 기반으로 좌석에 따른 특징 인자를 추출하고 이를 이용하여 LDA 또는 MLE로 분류한다. 실험 2는 2Tx/4Rx의 multi-channel 레이더를 통해 Bartlett 빔포밍을 이용하여 range-azimuth map을 생성한다. Range-azimuth map에서 zone을 설정하고 각 zone에서의 파워를 특징 인자로 하여 decision tree 기반의 분류를 진행한다. 이 때, decision tree의 각 노드에서는 LDA 또는 QDA를 이용하여 분류를 수행한다. 각 결과는 평균 96 % 이상의 인식 정확도를 나타내어, 제안하는 후석 승객 알림 시스템이 신뢰성 있게 동작하는 것을 확인하였다. 이렇게 개발한 후석 승객 알림 시스템을 실시간으로 구현하여, 이를 통해 후석 승객 유형(성인/아기), 승객 수, 위치 인식을 진행하였다. 이러한 응용을 통해 운전자에게 편의를 제공하고, 아기 방치로 인한 사고 예방에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. In this thesis, we develop applications for smart car using FMCW radar signal processing. In terms of vehicle radar, in order to detect the exact position of an object, we propose a compensation method for the direction of arrival (DOA). When estimating DOA using actual radar, there is an inaccuracy problem which occurs due to amplitude and phase mismatch between antennas and mutual coupling. These problem can cause accidents by a target split phenomenon which one target is misrecognized as two split objects. In this study, the DOA is compensated through compensation of direction vector using reference data. Applying the proposed method to the three DOA estimation algorithms, the effect of the compensation was confirmed through the estimation error and the target split phenomenon was overcome. In addition, we propose a spectral mapping to classify stationary and moving objects. The slope characteristics of stationary and moving objects are analyzed in time-frequency domain rather than conventional frequency domain. Using the Hough transform, we measure the slope of objects and proposed a feature for classifying stationary and moving objects. The distributions of the proposed feature of stationary and moving objects is represented using Gaussian model and compared. Performance of the spectral mapping is evaluated through ROC curve and correlation coefficient. Through performace evaluation, the proposed spectral mapping for stationary and moving objects is similar to the ground-truth feature map. We propose a rear occupant alert (ROA) system which detects the passenger and location. Experiment 1 uses a 1Tx/1Rx radar, and we propose features which reflects person’s vital signs. Based on the distance, the feature according to the seat is extracted and classified by LDA or MLE. Experiment 2 calculates a range- azimuth map using Bartlett beamforming through multi-channel radar of 2Tx/4Rx. We set the zone in the range-azimuth map and classify with decision tree using the power of each zone. Each result shows an average classification accuracy of 96 % or more, it confirmed that the proposed ROA system operates reliably. The ROA system was implemented in real-time, it detected the type of passengers (adult/baby), the number of passengers and location. Through this application, it is expected that this application will provide convenience to drivers and can be used to prevent children dying of heat stroke inside a vehicle.

실시간 도래각 추적을 위한 고속 부공간 기법에 관한 연구

서영광 부산대학교 대학원 2014 국내석사

This thesis presents a fast subspace tracking method, which is called GVFF (Gradient-based Variable Forgetting Factor) FAPI, based on FAPI (Fast Approximated Power Iteration) method and GVFF-RLS (Gradient-based Variable Forgetting Factor Recursive Least Squares). Since the conventional FAPI uses constant forgetting factor in estimating covariance matrix of source signals, it has difficulty in applying to non-stationary environments such as continuously changing DOA of source signals. To overcome the drawback of conventional FAPI method, the GVFF FAPI introduced the gradient-based variable forgetting factor derived from an improved means square error (MSE) analysis of RLS. In order to achieve the decreased subspace error in non-stationary environments, the GVFF-FAPI algorithm used an improved forgetting factor updating equation that can produce a fast decreasing forgetting factor when the gradient is positive and a slowly increasing forgetting factor when the gradient is negative. Our numerical simulations show that GVFF-FAPI algorithm offers lower subspace error and root mean square error (RMSE) of tracked DOA of source signals than conventional RLS based DOA tracking methods.

신호고유벡터를 이용한 도래각 추정 알고리즘의 성능분석

신승민 慶熙大學校 1998 국내석사