Analysis and Implementation of a Novel Single Channel Direction Finding Algorithm on a Software Defined Radio Platform
John Joseph Keaveny
Capter1
A radio direction finding (DF) system is an antenna array and a receiver arranged in a combination to determine the azimuth angle of a distant emitter. Basically, all DF systems derive the emitter location from an initial determination of the angle-of-arrival (AOA).
Radio direction finding techniques have classically been based on multiple-antenna systems employing multiple receivers. Classic techniques such as MUSIC [1][2] and ESPRIT use simultaneous phase information from each antenna to estimate the angle-of-arrival of the signal of interest. In many scenarios (e.g., hand-held systems), however, multiple receivers are impractical. Thus, single channel techniques are of interest, particularly in mobile scenarios. Although the amount of existing research for single channel DF is considerably less than for multi-channel direction finding, single channel direction finding techniques have been previously investigated.
When considering single channel direction finding systems, we find that there are two distinct types of DF systems. The first type of DF system is the amplitude-based DF system. Amplitude-based systems determine the bearing of the signal (or the AOA) by analyzing the amplitudes of the output voltages from each antenna element. Amplitude DF systems include the Watson-Watt technique using an Adcock antenna array .
The second type of DF system is the phase-based DF system. Phase-based systems use three or more antenna elements that are configured in a way so that the relative phases of their output voltages are unique for every wavefront angle-of-arrival. Phase-based DF systems include the Pseudo-Doppler technique with a commutative switch based antenna array .
Since both of the above techniques are primarily analog techniques and have been analyzed in previous work, we will investigate a new single channel direction finding technique that takes specific advantage of digital capabilities. Specifically, we propose a phase-based method that uses a bank of Phase-Locked Loops (PLLs) in combination with an eight-element circular array. Our method is similar to the Pseudo-Doppler method in that it samples antennas in a circular array using a commutative switch. In the proposed approach the sampled data is fed to a bank of PLLs which tracks the phase on each element. The parallel PLLs are implemented
in software and their outputs are fed to a signal processing block that estimates the AOA.
This thesis presents the details of the new algorithm and compares its performance to existing single channel DF techniques such as the Watson-Watt and the Pseudo-Doppler techniques. We also describe the implementation of the algorithm on a DRS Signal Solutions Incorporated (DRS-SS), WJ-8629A Software Definable Receiver with Sunrise . Technology and present measured performance results. Simulations on a signal with 10dB SNR have shown that the Watson-Watt algorithm and the Pseudo-Doppler algorithm have an accuracy that is worse than the proposed technique by approximately an order of magnitude.
The algorithm was implemented on a single-channel DSP-based software radio with a homemade eight-element circular antenna array. The WJ-8629A software defined radio receiver was provided by DRS-SS in order to implement our algorithm. The implementation was tested using a CW signal at ~1.57068 GHz in a low multipath laboratory environment and outdoors. The performance of the prototype is compared to the data provided by the simulations in Matlab.
Implementation results focus on CW measurements in a relatively benign laboratory environment for proof-of-concept testing. This document will show that the basic version of the algorithm can result in a significant computational burden, thus we investigate a low-complexity approach and demonstrate its performance. It will be shown that a significant computational reduction can be achieved with minimal performance penalty.
1.1 Software Introduction
During our research, all of the single-channel direction finding simulations were performed using the MATLAB 6.1 software. After the simulations were completed, the MATLAB code was then ported to hardware for implementation using the C programming language. The initial C programs were written and tested to prove that the algorithms could be implemented on the TI based software radio. After the C programs were tested and compared to their Matlab counterparts, they were then optimized for the Texas Instruments TMS320C67x Digital Signal Processor.
1.2 Hardware Introduction
1.2.1 DRS Signal Solutions, Incorporated WJ-8629A Software Definable Receiver with Sunrise. Technology
The implementation was performed on a Texas Instruments DSP-based WJ-8629A software defined radio provided by DRS-SS. It has a frequency range from 20 to 2700 MHz with 10-Hz resolution, receiver filtering with 22 filter slots (200 Hz to 1.23 MHz), and 5 reserved slots for user-downloadable custom filters The main processing unit is the Texas Instruments TMS320C6701 DSP processor with a maximum computational rate of nearly 1GFlops. T
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在无线电通信软件平台实现算法分析与寻找的新方向
第1章
一个无线电测向（DF）的天线阵列系统，是以一个组合安排，来确定一个遥远的发射方位角的接收器。基本上，所有的测向系统，以此原理来推导出从该角的落地（AOA）来初步测定发射器的位置。
无线电测向技术是基于经典的多天线系统采用多个接收器。如音乐[1] [2]和ESPRIT经典技术，使用每个天线同步相位信息估计角。但是在很多情况下，例如手游系统，多个接收器是不切实际的。因此，单声道技术开始兴起，尤其是在移动的情况，蓬勃发展。虽然现有的研究单通道所投入的金额大大低于多通道测向，但单通道测向技术此前已在进行研究和发展。
当考虑单通道测向系统时，我们发现有两种不同类型的测向系统。第一种DF系统是基于振幅的DF系统。基于振幅的DF系统通过分析每个天线元件输出电压的振幅来确定信号(或AOA)的方位。振幅DF系统使用包括Adcock天线阵列的沃森-瓦特技术。
第二种DF系统是基于相位的DF系统。基于相位的DF系统使用三个或更多的天线元件，它们的配置方式使得每个波前到达角的输出电压的相对相位是唯一的。基于相位的DF系统包括伪多普勒技术和基于交换开关的天线阵列。
由于上述两种技术主要是模拟技术，并在对以往的工作分析中，我们将探讨新的单通道测向技术，它利用数字功能的特定优势。具体来说，我们提出了一个基础阶段的方法，它使用一八元的锁相环（PLL）合并圆阵。我们的方法是类似的伪多普勒方法，在一个圆阵天线进行采样用一个交换开关。在新方法中的采样数据送入一个锁相环储备，跟踪每个元素的阶段。实施平行锁相环在软件和它们的输出输入到信号处理块，估计到达角。
本文详细介绍了新算法，并将其性能与现有的单通道DF技术如瓦特逊-瓦特技术和伪多普勒技术进行了比较。我们还描述了该算法在DRS信号解决方案公司(DRS- ss)的 WJ-8629A软件定义的日出接收机上的实现。该技术符合当前测量的性能结果。对一个具有10dB信噪比的信号的仿真表明，沃森-瓦特算法和伪多普勒算法的精度比所提出的方法大约差一个数量级。
该算法已在自制八元环形天线阵的单通道dsp软件无线电上实现。为了实现我们的算法，DRS-SS提供了WJ-8629A软件定义的无线电接收机。该接收机在低多径实验室环境和室外使用1~1.57068 GHz的连续波信号进行了测试，并与Matlab仿真结果进行了比较。 执行结果侧重于在相对良好的实验室环境中进行连续波测量，以进行概念验证测试。本文将证明基本版本的算法会带来很大的计算负担，因此我们研究了一种低复杂度的方法并展示了它的性能。它表明一个重要的计算可以实现最小的性能损失。
1.1 软件简介
在我们的研究中，所有的单通道测向仿真都是使用MATLAB 6.1软件进行的。仿真完成后，将MATLAB代码移植到硬件上，使用C语言进行实现。编写并测试了初始C语言程序，证明该算法可以在基于TI的软件无线电上实现。对C语言程序进行测试，并与Matlab程序进行比较，然后针对德州仪器TMS320C67x数字信号处理器进行优化。
1.2 硬件介绍
1.2.1 DRS的信号解决方案，使用WJ-8629A软件可定义接收机技术
该实验在基于德州仪器的WJ-8629A软件无线电上执行，该软件无线电由DRS-SS提供。它有一个频率范围从20到2700 MHz 和10-Hz决议,接收机与22过滤器过滤槽(200 Hz -1.23 MHz),和5预留槽定制过滤器，主要处理单元是德州仪器TMS320C6701 DSP处理器，浮点运算次数最大计算率接近1。无线电允许用C语言或TMS320C67x汇编语言为某些信号处理模块开发算法。
1.2.2 MPRG天线阵列
天线基线是天线单元间互连的几何线。天线孔径定义为大部分辐射通过的天线附近的平面表面积。天线单元之间的间距通常决定了阵列的孔径，由于我们使用的是圆形阵列，所以整个圆形阵列的直径决定了阵列的孔径，为：
当圆形天线阵的半径为R,仰角theta;是到达角(AOA)，入射平面波的eta;m第m个天线元素的角度在方位平面,计算其中心频率的波长。为了简单起见，只考虑方位角，将仰角设置为90°。在本研究中，我们没有考虑不同海拔的影响。
第2章 单通道测向介绍
迄今为止，两种主要的单通道测向方法是使用Adcock天线阵列的瓦特森瓦法和使用圆形天线阵列的交换开关的伪多普勒法。虽然关于这两种技术的公开文献中很少有可用的，但假设一个模拟接收器，并在相对较低的频率下工作，仍是可行的。具体来说，Adcock/Watson-Watt算法通常用于大约1000 MHz的频率，而伪多普勒算法通常具有2-2000 MHz的操作带宽。在这一章中，我们将讨论基于振幅的瓦特森瓦特技术，基于相位的伪多普勒方法，以及作为当前研究的一部分开发的基于振幅的伪多普勒技术。我们将讨论他们的长处和短处，并激发了对新技术的研究。
2.1 沃森瓦法
沃森瓦DF是一种基于振幅的方法，它使用的是根据Adcock设计的两个天线阵列输出的相对振幅。Adcock设计由4个天线元件组成，构成一个垂直的、交叉的基线配置。
这种方法可用于高达1000兆赫的频率。一个Adcock对包含垂直配置的两个天线阵列(四个天线单元)，在最高工作频率下，单元间距小于波长的一半。每个天线阵列的方位角增益模式是通过计算两个天线的信号矢量差得到的。
四根天线上的信号以复杂基带表示法表示为:：
其中为接收信号，为半径的圆形天线阵，是波长频率的利益中心，米（t）是一个线性调频信号和信息是攻角[6]。东方向天线代表我们0o。
N和S天线对产生y轴电压，该电压沿y轴具有最大增益。换句话说，当东西方向信号相等时，x(t) =re(t)-rw(t) = 0，而y(t) = rn(t)-rs(t) = 2m(t)。E和W天线对产生x轴电压，x轴上有最大的增益。换句话说，当南北方向信号相等时，x(t) = re(t)-rw(t) = 2m(t)，而y(t) = rn(t)-rs(t) = 0。
图2.1阿德科克天线阵列用于沃森瓦算法
为了将AOA数据传递给单个接收端，每个X轴和Y轴的电压必须组合成一个复合信号。在我们第四章的例子中，这两个信号被线性组合，形成一个双音调调制的调幅信号，以便将数据传递给单接收器。
After 线性 组合 AM 信号 到达 接收机 , AM 解调 performed, 估计 AOA 计算，通过 N-S不同参数的反正切值相除。
如果我们使用图2.1中描述的天线阵，我们将会遇到180o相位不确定性，因为一个负的比率可能对应于象限2或象限4，而一个正的比率可能对应于象限1或象限3。
如果包含一个中心位置的全向天线，那么它可以提供基本的方向感知来帮助消除180°相位不确定性。在第四章中，我们将通过仿真来检验在各种条件下使用Adcock阵列的沃森-瓦特算法的准确性。
2.2寻找方向系统的优势与劣势
2.2.1 沃森瓦DF
2.2.1.1 优势
随着低成本、宽频率接收器的出现，许多制造商意识到这一点。DF轴承处理器可以使用最小的成本与新的低成本接收器接口。设计良好的沃森-瓦特测向阵列几乎可以与任何接收机接口，具有良好的效果。Adcock天线阵列。它的直径很小。因此，该阵列有利于移动和可运输的DF应用。
由于DF天线调音技术是调幅的，大多数接收机调频限幅器/鉴频器具有高的调幅抑制能力，所以调频通过能力是很好的。由于DF天线调制的音频频率远低于语音频谱的低端，因此在音频输出通道[8]中很容易衰减，所以允许收听能力对AM信号也有好处。
该阿德科克/沃森瓦系统适合于移动应用，尤其是如果预算限制决定了只能使用低成本接收器时。
2.2.1.2 缺点
Adcock天线阵列本质上是一个窄口径。由于光圈较小，影响了DF的分辨率。如果不使用中心天线，那么算法就会出现180度相位模糊。窄口径天线易受多径和反射误差的影响。
Adcock阵列需要平衡的和差混合电路、平衡的调制器、相位匹配的电缆以及相位或增益不平衡的电路。所有这些组件都可能增加数组[7]的开销。该阿德科克/沃森瓦算法对最高频率的限制。由于更加复杂的电子电路由阿德科克天线需要，它无法生产超过1000兆赫宽带测向天线，不能拥有一贯良好的频率的性能。该阿德科克/沃森瓦算法也没有提供高程测量，很大程度上在较高的频率方位产生影响。
2.2.2 伪多普勒
2.2.2.1 优势
与Adcock/Watson-Watt DF系统相比，伪多普勒系统在抑制场址误差、节约DF天线、扩展高频性能等方面具有优势。
由于天线单元的圆形排列，阵列可以构造成一个大口径阵列。大口径阵列可以提高AOA的分辨率，降低定位误差，但是随着天线单元数量的增加，阵列的尺寸就成了一个问题。因为天线元素之间的间距为lambda;/ 2或更多,随着元素的数量增加,数组的大小增加。如果阵列的大小变得太大，移动性的可行性降低了。
实现伪多普勒系统所需的电子电路包括GaAs FET高频射频开关、必要的驱动电路和相位匹配电缆。与Adcock/Watson-Watt系统相比，伪多普勒DF天线阵更容易、更经济地进行设计和制造。请注意，伪多普勒系统的经济影响只适用于窄孔径设计。随着孔径的增大和天线元件的增加，设计的成本将会增加，但不会比Adcock阵列[8]更贵。。
与此相反的阿德科克/华信惠瓦系统，伪多普勒算法可工作频率高达2000 MHz，由于与伪多普勒测向天线制造的宽带相关的技术要求简单。这样就可以更大范围的应用，例如蜂窝应用。
2.2.2.2 缺点
由于大口径伪多普勒阵列可以抑制位置误差，因此大口径圆形阵列限制了迁移率和覆盖度。除了大的阵列，接收机的质量要求比Adcock/Watson-Watt更高，因为伪多普勒接收机需要比Adcock/Watson-Watt更高的灵敏度，还需要控制选择正确天线元件的开关电路。
伪多普勒系统的另一个缺点是，通过接收能力是一个问题。因为需要获得精确的AOA，所以需要高的交换效率。当有一个高的交换效率时，交换效率被放置在音频范围内。调频音频失真严重，由于高交换率，因此交换过程中产生的调频调制在交换方面要求更高。由于软件交换开关，AM也受到影响。
2.3 一个新的单通道DF方法的思考
在审查了上述算法之后，我们决定尝试开发一种松散的伪多普勒系统的算法。我们的算法和系统的目标是提供一个伪多普勒系统AOA的决议，同时保持移动圆形小孔径天线阵列。
我们的算法将通过实施软件定义无线电，并利用一个数字实现的优势。它能提供相同或更好的性能比上述算法或方法。系统的通道应允许选择通过功能，它应该不差于或更优于上述算法。而在去年，该算法和现有的算法不同。
该锁相环（PLL）算法，在第3条建议是松散的基础上，即伪多普勒系统，我们将使用一个类似的切换天线阵列系统。 PLL算法的优点是，我们能够在保持一个小孔径阵列的情况下，同时增加攻角分辨率。因此，锁相环算法是一种精确测向且拥有移动能力的系统，并拥有选择通过能力。
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AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能COMS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
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引脚功能说明：
·VCC：电源电压
·GND：地
·P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间即或内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
·P1口：P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P
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