performance analysis of direction-of-arrival estimation algorithms in the presence of array ...

124 Pages·2014·0.91 MB·English

PERFORMANCEANALYSISOFDIRECTION-OF-ARRIVALESTIMATION
ALGORITHMSINTHEPRESENCEOFARRAYIMPERFECTIONSAND
MULTIPATHFORDIFFERENTANTENNAARRAYGEOMETRIES
ATHESISSUBMITTEDTO
THEGRADUATESCHOOLOFNATURALANDAPPLIEDSCIENCES
OF
MIDDLEEASTTECHNICALUNIVERSITY
BY
MUSTAFAÇALIS¸KAN
INPARTIALFULFILLMENTOFTHEREQUIREMENTS
FOR
THEDEGREEOFMASTEROFSCIENCE
IN
ELECTRICALANDELECTRONICSENGINEERING
AUGUST2014

Approvalofthethesis:
PERFORMANCEANALYSISOFDIRECTION-OF-ARRIVALESTIMATION
ALGORITHMSINTHEPRESENCEOFARRAYIMPERFECTIONSAND
MULTIPATHFORDIFFERENTANTENNAARRAYGEOMETRIES
submitted by MUSTAFA ÇALIS¸KAN in partial fulfillment of the requirements for
the degree of Master of Science in Electrical and Electronics Engineering De-
partment,MiddleEastTechnicalUniversityby,
Prof. Dr. CananÖzgen
Dean,GraduateSchoolofNaturalandAppliedSciences
Prof. Dr. GönülTurhanSayan
HeadofDepartment,ElectricalandElectronicsEngineering
Prof. Dr. T.EnginTuncer
Supervisor, Electrical and Electronics Engineering Dept.,
METU
ExaminingCommitteeMembers:
Prof. Dr. KemalLeblebiciog˘lu
ElectricalandElectronicsEngineeringDept.,METU
Prof. Dr. T.EnginTuncer
ElectricalandElectronicsEngineeringDept.,METU
Prof. Dr. BuyurmanBaykal
ElectricalandElectronicsEngineeringDept.,METU
Assoc. Prof. Dr. Çag˘atayCandan
ElectricalandElectronicsEngineeringDept.,METU
M.Sc. OnurÇulha
TÜB˙ITAKSAGE
Date:
I hereby declare that all information in this document has been obtained and
presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also declare
that,asrequiredbytheserulesandconduct,Ihavefullycitedandreferencedall
materialandresultsthatarenotoriginaltothiswork.
Name,LastName: MUSTAFAÇALIS¸KAN
Signature :
iv
ABSTRACT
PERFORMANCEANALYSISOFDIRECTION-OF-ARRIVALESTIMATION
ALGORITHMSINTHEPRESENCEOFARRAYIMPERFECTIONSAND
MULTIPATHFORDIFFERENTANTENNAARRAYGEOMETRIES
Çalıs¸kan,Mustafa
M.S.,DepartmentofElectricalandElectronicsEngineering
Supervisor : Prof. Dr. T.EnginTuncer
August2014,104pages
Direction of Arrival (DOA) Estimation is an important topic in signal processing.
In this thesis, DOA estimation is considered when there are gain/phase mismatches,
mutualcouplingfortheantennasandmultipathsignalsareobserved. Inthefirstpart,
DOA estimation for uniform linear array (ULA) in the presence of mutual coupling
is considered. Different methods in the literature are investigated and a promising
solution for this case [1] is implemented. Auxiliary sensors are used and MUSIC al-
gorithm is employed for both DOA and mutual coupling coefficient estimation. This
method has extensions for two dimensional case and hence the same problem is con-
sidered for uniform rectangular (URA) array. The simulation results show that DOA
estimation in 2D array can be effectively done in case of mutual coupling. In case
of both gain/phase mismatch and mutual coupling, a self-calibration method is im-
plemented where gain/phase mismatch and mutual coupling are estimated iteratively
for DOA estimation. Different array geometries are considered for the performance
evaluation. The benefit of exploiting prior-knowledge for DOA estimation is consid-
ered. Inthiscase,therearesomeknownsourcesaswellasunknownones. Inaddition,
sourcesignalsarecorrelated. Constrained-MUSIC(C-MUSIC)[2],Prior-knowledge
based DOA estimation (PLEDGE) [3], Prior-Exploiting Orthogonally Weighted Di-
rectionEstimator(POWDER)[4],andForward-backwardspatialsmoothingandMU-
SIC (FBSS-MUSIC) [5] algorithms are implemented and compared. The scenario is
v
alsoextendedtoincludemutualcouplingandmultipath.
Keywords: direction-of-arrival estimation, mutual coupling, gain-phase mismatch,
multipath,antennaarrays,sensorarraysignalprocessing,
vi
ÖZ
GEL˙IS¸-AÇISIKEST˙IR˙IMALGOR˙ITMALARININFARKLIANTEND˙IZ˙IN˙I
GEOMETR˙ILER˙I,ÇOKYOLLULUKVE˙IDEALDENUZAKANTEND˙IZ˙ILER˙I
DURUMUNDAPERFORMANSANAL˙IZ˙I
Çalıs¸kan,Mustafa
YüksekLisans,ElektrikveElektronikMühendislig˘iBölümü
TezYöneticisi :Prof.Dr.T.EnginTuncer
Ag˘ustos2014,104sayfa
Gelis¸-açısı(GA) kestirimi sinyal is¸leme alanında önemli bir konudur. Bu tezde, an-
ten dizileri için kazanç/faz uyus¸mazlıg˘ı ve müs¸terek bag˘las¸ım varlıg˘ında çokyollu
sinyal kaynaklarının gelis¸ açısı kestirimi incelenmis¸tir. Birinci bölümde, müs¸terek
bag˘las¸ım durumunda düzenli dog˘rusal dizilim (ULA) için gelis¸ açısı kestirimi ele
alınmıs¸tır. Literatürdeki farklı yöntemler aras¸tırılmıs¸tır ve bu durum için iyi bir çö-
züm [1] uygulanmıs¸tır. Gelis¸ açılarının ve müs¸terek bag˘las¸ım katsayılarının kesti-
rimiiçinyardımcısensörlerileMUSICalgoritmasıçalıs¸tırılmıs¸tır.Buyöntemikibo-
yutlu durum için genis¸letilmis¸tir ve aynı problem düzenli dikdörtgen dizilimi(URA)
için ele alınmıs¸tır. Simülasyon sonuçları müs¸terek bag˘las¸ım durumunda iki boyutlu
dizilim için gelis¸ açısı kestiriminin etkin olarak yapılabildig˘ini göstermektedir. Ka-
zanç/faz uyumsuzlug˘u ve müs¸terek bag˘las¸ım durumunda, gelis¸ açılarının kestirimi
için müs¸terek bag˘las¸ım ve kazanç/faz uyumsuzlug˘u katsayılarını yinelemeli olarak
kestirenbirotomatikkalibrasyonmetoduuygulanmıs¸tır.Performansdeg˘erlendirmesi
içinfarklıdizigeometrilerielealınmıs¸tır.Gelis¸ açısıkestirimindeönbilgikullanımı-
nın yararı incelenmis¸tir. Bu durumda, bazı bilinen kaynakların yanı sıra bilinmeyen
kaynaklar vardır. Bu duruma ek olarak, sinyal kaynakları ilis¸kilidir. Kısıtlı-MUSIC
(Constrained-MUSIC) [2], Ön Bilgi Tabanlı Gelis¸ Açısı Kestirimi (PLEDGE) [3],
Ön-Bilgi Tabanlı Dik Ag˘ırlıklı Yön Kestirici(POWDER) [4] ve Ön-arka uzaysal dü-
vii
zeltme MUSIC(FBSS-MUSIC) [5] algoritmaları uygulanarak kars¸ılas¸tırılmıs¸tır. Se-
naryo ayrıca çokyolluluk ve müs¸terek bag˘las¸ım durumu içerecek s¸ekilde genis¸letil-
mis¸tir.
AnahtarKelimeler:gelis¸ açısıkestirimi,müs¸terekbag˘las¸ım,kazanç-fazuyus¸mazlıg˘ı,
çokyolluluk,antendizileri,sensördizilimisinyalis¸leme
viii
Tomyfamily
ix
ACKNOWLEDGMENTS
IwouldliketoexpressmysinceregratitudetomysupervisorProf. Dr. EnginTuncer
forhisguidance,adviceandinsightthatheprovidedthroughoutthisstudy.
IamgratefultoTÜB˙ITAKSAGEthroughouttheproductionofmythesis.
Finally, I want to thank to my family for their support and encouragement to finish
mythesiswork.
x