《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種用于DOA估計(jì)的高精度同步多天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電子技術(shù)應(yīng)用
戚勝宇1,，2,，武杰1,，2,，馬鈺博1，2
1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系,； 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核探測(cè)技術(shù)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
摘要： 信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)（DOA）是確定信源或目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一,，廣泛應(yīng)用于雷達(dá),、通信和導(dǎo)航等領(lǐng)域,。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于FPGA和多片AD9361的用于DOA估計(jì)的高精度同步多天線系統(tǒng),。該系統(tǒng)采用校準(zhǔn)源反饋到各接收通道的硬件設(shè)計(jì)，結(jié)合FFT精確估計(jì)相位差,，并利用迭代優(yōu)化校準(zhǔn)方式進(jìn)行補(bǔ)償,，從而實(shí)現(xiàn)高精度同步。該系統(tǒng)具有高精度,、高穩(wěn)定,、小型輕便的優(yōu)勢(shì),。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)在100 MHz至1.25 GHz頻帶內(nèi)能夠快速收斂到±0.2°多通道相位誤差,，并能夠在99.74%時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定在該區(qū)間,。相比于共用外部本振的同步方式，該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化本振系統(tǒng)設(shè)計(jì),，相位誤差從±5°減小到±0.2°,，且具有易實(shí)現(xiàn)、易拓展,、實(shí)時(shí)性的優(yōu)勢(shì)。
中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.244976
中文引用格式： 戚勝宇,，武杰,，馬鈺博. 一種用于DOA估計(jì)的高精度同步多天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2024,，50(9)：106-111.
英文引用格式： Qi Shengyu,，Wu Jie，Ma Yubo. Design of a high-precision synchronized multi-antenna system for DOA estimation[J]. Application of Electronic Technique,，2024,，50(9)：106-111.
Design of a high-precision synchronized multi-antenna system for DOA estimation
Qi Shengyu1，2,，Wu Jie1,，2，Ma Yubo1,，2
1.Department of Modern Physics,， University of Science and Technology of China； 2.State key Laboratory of Particle Detection and Electonics,， University of Science and Techology of China
Abstract： The Direction of Arrival (DOA) estimation, crucial for determining the source or target, finds wide applications in radar, communication, navigation, and various other fields. This paper presents the design and implementation of a high-precision synchronized multi-antenna system for DOA estimation based on FPGA and multiple AD9361 chips. The system employs hardware design with calibration sources feeding back to each receiving channel, utilizes FFT for precise phase difference estimation, and incorporates iterative optimization calibration to compensate, thus achieving high-precision synchronization. It offers advantages of high precision, stability, and portability. Testing results demonstrate that the system converges rapidly to an error of±0.2 degrees in multi-channel phase within the frequency band of 100 MHz to 1.25 GHz, maintaining stability for 99.74% of the time. Compared to synchronization methods using a shared external reference oscillator, this design simplifies the oscillator design, reduces phase errors from ±5 degrees to ±0.2 degrees, and has the advantages of easy implementation, scalability, and real-time performance.
Key words : DOA estimation,；phase error；high-precision synchronization,；antenna array

引言

信號(hào)波達(dá)方向（Direction of Arrival,DOA）估計(jì)是陣列信號(hào)處理領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向,，旨在通過天線陣列檢測(cè)信號(hào)到達(dá)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的追蹤和檢測(cè),，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)定位,、自動(dòng)駕駛和無線通信等領(lǐng)域。目前,，對(duì)于DOA估計(jì)的問題的研究已經(jīng)有了很多重要的研究成果,，但大都是基于仿真的算法研究[1-3]，對(duì)于DOA硬件系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)相對(duì)較少,。傳統(tǒng)的DOA估計(jì)系統(tǒng)通常體型龐大,，價(jià)格昂貴,，限制了其在車載等輕量化應(yīng)用場(chǎng)景中的適用性[4]。因此,，對(duì)于設(shè)計(jì)節(jié)省空間,、成本優(yōu)化、低功耗的DOA估計(jì)硬件系統(tǒng)具有重要意義,。

DOA估計(jì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于多天線陣列的同步,，不同天線陣元之間的相位誤差會(huì)直接影響到定位的精度。如圖1所示的遠(yuǎn)場(chǎng)信源模型,，設(shè)遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射信號(hào)為s(t),，信源的頻率為，兩個(gè)相距d的陣元接收到信號(hào)相位差為:

111.png（1）

其中,，即為信號(hào)波達(dá)方向,。當(dāng)天線陣元進(jìn)行擴(kuò)展到N個(gè)時(shí)，在同一時(shí)刻t對(duì)所有陣元接收到的信號(hào)進(jìn)行采樣得到的信號(hào)可表示為:

222.png（2）

其中,，為第個(gè)陣元在i時(shí)刻的噪聲,。DOA估計(jì)算法的工作主要集中在如何從噪聲和信號(hào)準(zhǔn)確地恢復(fù)出，從而計(jì)算對(duì)應(yīng)的值,。接著對(duì)式(1)進(jìn)行不確定度分析,，可以得到：

333.png（3）

從上式可以看出，在小型化,、集成度較高的DOA估計(jì)系統(tǒng)中,，當(dāng)陣元距離d為1.0 cm，信號(hào)頻率為1 GHz時(shí),，每1°的多天線通道相位誤差至少會(huì)帶來4.8°的DOA估計(jì)誤差,。這個(gè)誤差值當(dāng)然可以通過增加陣元之間的距離來減小，但是隨著陣元數(shù)量的增加和空間體積的限制,，帶來的改善是十分有限的,。


444.png

圖1　DOA遠(yuǎn)場(chǎng)信源模型

因此，改善陣元之間的同步精度,，優(yōu)化同步設(shè)計(jì)就變得至關(guān)重要,。通道之間的相位同步主要與通道之間的對(duì)稱性及本振信號(hào)的相位差有關(guān)，文獻(xiàn)中大多采用外部輸入多通道共用本振的方式來消除通道之間的相位誤差,。文獻(xiàn)[5]中王子樵等人設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種頻控陣?yán)走_(dá)多路相參信號(hào)源,，通過多通道共用外部輸入本振信號(hào)，并運(yùn)用1 bit量化檢測(cè)矯正相位模糊,，從而實(shí)現(xiàn)8路信號(hào)相參,；文獻(xiàn)[6]中設(shè)計(jì)一款多輸入多輸出無線收發(fā)器，將外部輸入時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過鎖相環(huán)倍頻后,，再經(jīng)過時(shí)鐘緩沖器分成多路提供給多個(gè)通道,，從而實(shí)現(xiàn)±5°的相位同步精度,。

但是這種方式實(shí)現(xiàn)起來并不容易，在精度方面也差強(qiáng)人意,。如果一個(gè)系統(tǒng)中使用多個(gè)射頻本振,，不僅要注意不同本振之間的相位一致，還需要注意本振相位漂移會(huì)隨著通道和時(shí)間的變化而變化,；如果本振信號(hào)由共同的本振產(chǎn)生,，然后分布到系統(tǒng)中，但由于本振信號(hào)較高的頻率,，不僅走線誤差和時(shí)鐘緩沖器通道之間的抖動(dòng)會(huì)帶來相位誤差,，而且射頻損耗和射頻耦合使其變得相當(dāng)困難[7]。

基于以上部分的考慮,，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種用于DOA估計(jì)的高精度同步多天線系統(tǒng),。本文采用多片射頻芯片AD9361組成射頻前端電路，將校準(zhǔn)源通過功分器反饋回多路需要同步的接收通道,，配合以Xilinx Zynq系列XC7Z045為核心的基帶處理模塊，對(duì)多通道相位誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)相位自校準(zhǔn),，并在校準(zhǔn)算法上進(jìn)行優(yōu)化,，通過迭代優(yōu)化校準(zhǔn)的方式使得相位誤差快速收斂到零。

相比共用外部本振的方式,，本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了本振系統(tǒng)的設(shè)計(jì),。通過在射頻前端加入額外的硬件校準(zhǔn)通路實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道誤差的校準(zhǔn)。這種設(shè)計(jì)不僅能夠解決本振信號(hào)引入的誤差,，還能處理多通道之間的不對(duì)稱性引入的誤差,，并能有效應(yīng)對(duì)溫度漂移和環(huán)境變化引入的相位漂移，最后在實(shí)時(shí)性,、穩(wěn)定性和精度上都有了很大的提高,，且具有自校準(zhǔn)的能力。該校準(zhǔn)方法還可以非常簡(jiǎn)單地拓展到更多的天線陣列,。


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http://forexkbc.com/resource/share/2000006151


作者信息：

戚勝宇1,，2，武杰1,，2,，馬鈺博1，2

（1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系,，安徽 合肥 230026,；

2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核探測(cè)技術(shù)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026）


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