Çokyollu kanal parametre kestirimi için yeni bir dizilim sinyal işleme tekniği

(1)

Cokyollu

Kanal Parametre Kestirimi

iqin

Yeni Bir

Dizilim

Sinyal

IEleme Teknigi

A Novel

Arrany

Signal

Processing

Technique fbr Mutltipath

Channel Parameter Estimation

Mehmet

Biralk

Gatldgan,

Orhan Arikan

Elektrik

ve

Elektronik

Muhendisligi

Boliumd

Bilkent

Universitesi,

Ankara

fguldogan,

oari:kan ee.bilkent.edL&.tr

OzetSe

Biubildiride, yarpraz belirsiz.likL

iWlevinin

kullanldigi yeni bir dizilim sinyal i6leme

tekuigi

t-neilmektedir. Geli&tirilen

teknik bir alglayici dizilimine gelen

sinyallerden

herbirinin

geli ynii (GY), zaman gecikkmesini Doppler

karyasim

ve

genlifini

dtriinl:iL

bir sekild kestifir.

Onerilen

QarpTaz

Belirsizlik IdeVi Ydon Bulna (QBI-YB)

tekniig

ile

Qoklu

Sinyal Siniflandinimasi (MUSi

IC)

algoitmasirn

performaslan sentetik

sinyaler

kullanilarak kok Ortalama

Karesel Hata(kOKEH) cinsinden deg4Flk

I§aret

GtirlttiOram (IGO) egerieri igin

kar;ialtnhilmi$flr.

Ohnerlen tekhigin bdaanmi

kayit

edilmij yokyollu yksek-enlem iyonosfer

verileri tizeninde irdelenmitir. Elde edilen sonuylar, dtik

IGOdegerrlendde dabi yokybliu

sinyal

k4ynaklanni

ayirmada tnerilen QBI-YB tekuiginin ciddi bamanm arftiI sagladigmi gtstermektedir.

Abstract

Inthispaper, a new

array signal

processing

techniqu,

which

make use of the cross ambig ty function

calcuation,

is

proposed.

Developed techique estirmates direction of arrval

(DOA),

time

delay,

Doppler

shift and amplitude

corresponrding

to

each

impinging

sigal

onto a sensorarray

in

aniterativemarer. Perfofrmances of theproposed

techique

Cross Ambiguity Fction-DirecfionFinding(CAF-DE)add

MUltiple SIgnal Classification(MUSIC) are omnparedusing

shtic

signalsin terms of root MeanSquaredError(rMSE) fordiffirent

Signal-to-Noise

Ratio

(SNP)

values. Successof the proposed

technique

is studied onthe recordedmultipath

highlatitude

ionosphere daa. Results show that proposed

CAF-DFtechniqueincreasestie success rateconsiderablyin

separatingsignalsourcesevenfbrlowSNR values.

1. GiriE

Algilayci

dizilliileni

kuillanlarak

gel~ydnti

kestinrmi biryok

1nemili

nygudamalarda

girtilm&ektedir

[1].

Dizilimler

kullanilarak

GY

kestinfini

igin

i'one

stlen

ilk

yak1lfam

dar

bantlihtizrne

oluturima

tzkuiklcrine

dayanmatadir

[2]. Daha

soura

gelihtirilen

MUSIC taban-i altuzay

met0odan

ylkse

performans

ve dtbk

hesaplama

maliyetleriyle,

yok

genP§

kullanmt

alari

bulmu§lardir

[3]. En

B1)yOk

Olabilirlik (EBO) teknikleriyflksek hassasiyet

saglamalanna

ragmen

hesaplama

maiyetleti

yok

yksektir [4].

YAkin

zamanda

yikan, Sinyal

Altuzay

Olu§turma

(SA0O ve

Gtrdtti

Altuzay Olutturma

(AO))

metodlan EBC) ile ayn istatiksel performansa

sabptfler Vy he1saplamrndaliyetleri daha d4bktir [5,6]. Bu bildinrde sunulan

yeni

dizilim

sinyal

i*1erne

tekliii, yokyollu

sinyallerin

herbirinin GY'sd, zarnaii gecikmesini,

Doppler

kayrasinr ve

genliini

CB1

hesalamasina

dayanA

blmaktadir. IGO'nu

dtii*0k oldlu

durumlarda,

gerlikte yakii parametrelere sabip

sinyalleri

baianih bir

~eIlde

ayirabimek&tedir.

Sentetik sinller

klulanlaak,

degihik IGO'iar iyin CBI-YB ve MUSIC ggoiitmalann

performanslan

karila*trilm1itr.

Gergek

blyzm verileri

tzerindeki badariniu incelernek amaciyla iyonsfsr kayitlan

kullmahnimti.

Isveg'in Uppsaa

~ehriideki

venciden

yarinlanan Barker-1 3 kodlu 1667 baud ile

kiplemi~

darbe

sensirmn

iyoiiosfer

ynkilan ai lkede

yer

lan Kina ehrindeldi antendizilirii k llamlarakkaydedilmintir. Iki~ehr

arasindakimesafeyAklaki 1000km.'dir. Bu

k4avtlar

izerinde

dtayli bir inceleme

[7]d&

sunulmu trr Bu bildirid gelititlen tekuigin baEanmm i5meklemek amaciyla 2002

yiiuin

mays aina ait gece yansinda alinan kyllar

CBI ile

GY,

Doppler,

zaman

geciKmesi

ve

genlik

kestirimi

Bu

b6ihimde,

degiik yollardan zamn gecikmesim ve

Doppler

kaymasina

ugrrmi5

olarak

algilai

dizilimine

ulaan sinyallerin hefbiniruin GY'leiirii kestiren yemi bir

teknigin

detaylan

HF-DE (Ytiksek frekans yt5n

bulma)

uglamasi uizeinde altilacatir. Bir lHF vericisinin

iyonosfere

dogra-edl i'deki gibi g6nderdigi sinyal, hefbir

antenden

0_

~~~~~~~~~~~~~~y

V

A

C o:

4

(<aren di&z

&kil

1: HF vericisinden yilka sinyalin

lyonosferden

yasidikta

soura anten

dizilirine

yarasi.

(2)

zayiflamri,

geciknih Ve Doppler

kayrasna

ugrarni bir Ueld1de almir. Bir sensor

qiki§rndali

ana bant

sinyalini

a§agidakd

§eldlde

ifadeedebiliriz:

d

buadal; in anten inidekini, d vokd1uo1

sayismi,

i. yoldan geqerek M. antene

u1la§an

sinalin

topaim

faz kaymasi ye

ugradigi zayiflamayt,

in

sensor merkezine

gore

l.yoldan gelen

snWyalin

zaman

gecikmesni

t i. yodan gelen

sinyalin

Doppler

kamasin,

v

taywci

frekanst, 0Ve

6 sirasryla

yiiksei§

ye aziut ailarmil, X! t g)arpan

sinyin sensorlerde olu4urdugu

bail

faz ve

nj(t)

kompeks g.

fiiyti'

ifadeetmektedir. 2.1. GYKesdrini

Dizilime uilaan

sinyaller

gecilkme Ve

Dopper

kaymasina

uqyayabilir. Radar sinyal

4oemede

yapildigi

'bi,

Dopple

kayniasma

ugrami§

sinyallerin

gelis anlarinm

kestitini

amacWla

91I kullanilailir. Onterilen yeni

tekuikte,

bu

amnailaa4aidaverilen9B1hebir antenqikijmai

hesaplanir.

*eil

2'deki

genlik

topIami

smucunda,

gllU

kaynagin

be1irgin1e9gi, zayif kaynaldarm

ve

g!tiriltu

seviyesimn

bastirildigi

dolaswile

IGO'nm

artt§ii

gdriilmektedir.

Herbir

7B1'nin kesfirilen gecikme ve Dopper

indeklernine

kanilik

geen

niktalari

kullanilarak

aagidalki

az bilgisimi

iqeren

v&tor

olutrlE urt.

Pnp7 (4)A

PYbilgisi

nn el6manlannm

i

ifazarmdla

gizlidr.

(5)eki

arama vektoru,

s(

9 , ise

antenlerin

refr6:ans

noktasma

gOrefazfirkmi

iqermektedir.

()

zt5r,v i=

[K+ts*Ktr% 2Hv6tZ

Anitenler birbirlermne yakin oldiklari iqin

9tBIlerin

t

niokalari yaklaplk orak

ayni

yer& gortilecekfi. He:

sinyalin anteiler izetinideki flari bilinmedig

duini

anitet qitilarmdaki BI'lier (3)'dki wbi

genlilke

toplayarak

giurllti

seyesinin itstfindei

ger ek

siny

kaynagmin

geclkmeVeDopplerindisleri

kestirili

lir.

%S %i4

s

+

I+

+----(2)

(4) ve

(5)dceki vekitOlr kuilaniarak

a§agidali

mtalyet

fonksiyonu

yazlabilir.

tepe

rtbir

.ida,

-aiim

(6) (& ) argm 1 1

Pl

(3)

EnyEiiksk

teWpey kaugdik

gelen

dsiyalin GY'siim kestirmek

ig.n,

(i4)

uzayimd

bir tarama

yaLpilr

Ve

(0)'daki

e-itligi

slayan

aAmt

veyQsli:

ailari

seilir.

2.2.

Zinman Gecikanesi

ve

Doppler

Kestiimi

kestirinilerne

gOre dizilim

iktilarmm

orijine

gore

fanii

kaydlrak nynlm

entegrasyon

yaplir.

Bu

sayede

sm%yal

tespit

yetenei

artaridar,

girfiltti

ve diger

snyallerden

kaynakianan

enterferans

bastirili.

$eldl

3'de,

darbe

tekrar

freknsi

ile

6irnel

erni ,yava -zamaniyoiOder

sinyallerinin

"~~~~~~~~~s : |X A

nn

2

=S

*,X

X~~~~~~~A

a -4 .

T _X

,v'

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~.

_

4325 _

(b)

2: l g ah 3: Dizilimviktisinyallerininyava-zamangosterimleri.

ai i I i i I

(3)

2.4.

Sinyal

Eleme

Herbir anten ilktismda, tiin paramedreleri kestinilmh oham

sinyalin

kjopyasi

dizilimn qiktismdan ikarillff. Blu basit qikarma hjleri sayesinde biiinnc sinyalin tOirn etkileii yok edilmii olulnur.

Dolayisyle,

birinci sinalin yikanlmasmdan sonra, 9:BI tizeinde ikinci sinylin etileri daha gilvenli bir &ekilde tespit edilebilir.

$ekil

5'te senttik olarak yartlilmil dlan

kopya

sinyal iegewek iyonosfr veris go-rnmektedir.

Giirltisiiz ohlm

kopya

sinalin

geqek

data ile uumu,

kestirile parametrelerin

dogrulugunu

g6stertnetedir.

bik 4:EUfai toplam ile elde edilen

sinyalin

9B1'si. faz kydurma aiamaari go6rlmekedir. Eger faz

kaycdina,

dor ElY aqilari ile yapilirsa

$ekil

3-b'dekd tam 6rtOi meelde edilir. Yiksek

IGOya

sahip, faz ieren

toplama

ile elde edilen

sinyalin

(71si hesaplnarak. tepe noktasma karsglik

gelen zamangecikmnesi ve Dopler

kaymasi

bulunur. Genlik

toplamiil eyapilankestiinmlere goredaha kesinsonuqlarelde edilir. ~&il 4'de. fa iqeren toplam sonucWnda dde edilen

siin 9BI' si g6 Olmektedir. edl 2'deki yBrlerIle

kyasldandigi

zaman, burada yan tepeciklerin daha d

basifrildiigigrtimektedir.

2.3. GenlikveFazKestlini

Dizilime qarpan

sinyallerdetn

birine ait

aAziut-yokseli§

aqiari,

zaman gecikmesi ve Doppler

kaymasi

kestirinileri

ktulanilarak,

herbirantendeldyktia agidakigibi yazilabilir.

Bui

denlde,

p 'id tespt edilen

kaynagi

ternl

ederken,

tiOm

kayiplar

ve faz

kaymalarm:i

iqeren

kompleks

bir saidir. Dizilimii

kalibrasyon yetenegine

gore,

4Mherbir

anten icin ayn

6ofiilecef

gibi faikli da olbilir. in. antenin ~ikti

siyaliniin

be6inci pararnetres aagidaldk

mialiyetfonksiyonukIllanlarakbuluiabilimnr.

Budenklemi, ''ya

gore

minimum

yapan

dgeei;

I ~L JsXt t_ frJU7Ie 2f '4 ( d i 7

(9)

E§er

antenler faz ve

genlik

yOnuiinden uyumlu kalibre

edilmi4e

ise. 4

dgeri

her bir

anten

iin aynidir ve

a4agi&dd oeldlde kesfinrilbilir.

M

sTt

N

['9it

>

J

(X' 7E tr

)m-10 1015 T U >)( sJ -.t Pi ir

3. Smillansyodn

Sonuijari

Bni

boltimde,

B1-YB

ile MUSIC

tabani

t&eigin senteik

sinyaller

kllanlaraklde edilen barjarun

kWiaslamasi

sunulmuiur. Aralarlaida yarim-dilga

boyu

mesafeoafcak

§ekilde

diresel olarak- dizilmhi alti almaqtan

olu§an

bir dizilim kularilrni4n'i. 4. bOluiide kullanilacak

iyonosfer

kayitlan,

Barker-13 kodlu darbe

serisinden olu4ugu hin

benzetim sirasme:dad ani sinal

yapisi

se6ilmii4ir. Bir adt

siyal

kaydnagmdin

sensor diziliniine, (191.20 , 313 ) aqilarmdan 0.4 ms geciklme ve 0.67 HzDoppler kaymasma

4Wam§

&eilde, tek yoldan

snyal

ula§maktadr.

e&kil 6da,

qetifli

iC(r

degerleri

iqini 300 adet Monte-Carlo denemesi sonucmda elde edilen kOKH

degerklei

g6rfilmektedif.

Ozellikie d.iik1O

degerleride,

91I-YBMUSICtekrigine

gorevokdaha

iyi

sonularverme&tedir.

4.

Ger&k

Kayitlar

Uzerind&ki

Soluolar

BirbirlerinLe

yakla§ik

1000 km uzaklikta konr4anmut bir

yonosfer vericisirn sialleri dairesd olarak dizilris 6

antenden olhuan alhc dizlimi tarafidan kayit edilmi4tir.

Vetici olarak kullanilan DAMSON

(Dopper

andMulfipffi

Sounding

Network

Baiker-13 kodlu darbe

serilerini,

wonoferden

sektirere alhcya

ula§imasmi

saglamaktadir.

Tablo 1 Vetao 2'de 9B1-YB ile MUSIC tabanli

tekigin,

wi

osfer

kayitlanni

kullanarak kestirdikleri

parametreler

gdrtlmektedir.

Tekritlenin azimut kestirimnleihemenhemten

ayny

olimakla

beraber

yik

seli kesititnlerinde

fakhilk

vardir.

91I-YB,

ikinci ile

uqnci sinyal kaynaklarl

arasmdaki

Dopplerfarkadani yararlanarark zamangecikdmeleri aniolan bu iki kayna4i baaili bir ~eldlde

aytrabilmektedir.

MUSIC

tabania metod bukaynaklari airammaktaldr.

(10)

Genlik ve faam kesfirilmesi ile bu sinyal yoluna ait thim

parametelder

bulutmu$

dolnur.

46rd S..Birinci

sinyalin

sntefik olarakyartihimu

kopyasmmi

119

aniten

ktisi lizerinde

gosterimii.

Dtiz qizgiler

kopya

sinyalleri,

digefleri

iyonosfr

sinyalleinm beliifir.

(4)

iGO,dB a-) 102 101 10° io-1 2 1o-03 ₅ ₁₀ ₁₅ ₂₀ ₂₅ iGO,dB b-) 30 35 4 iGO,dB iGO,dB c-) d-)

Sekil6: CQ BI-YBveMUSICtekniklerinin

ye*itli

iGOdegerleriiyina-)azimuth, b-)

yOkseli*

ayilan, c-)zamangecikmesi, d-)Doppler

kestirimlerinin kOKH'larlverilniiUtir. Kesikli yizgiCramer-Raoaltsinunmifade eder.

0

00

rQnis) v(m)

I.Path 197.30 31.87 9.4 -0.5912

2.Path 198.48 54.79 11.5 -0.9417

3.Path 200.55 22.86 11.5 -0.5125

Tablo 1: QBJ-YB'nin, 3 adet sinyal kaynagi oldugu

durumdaki azimut ayisi, ykselil ayisi, zamangecikmesi ve Dopplerkestirinileri.

90

I

0r

I

(n)

v

(m)

I.Path 197.12 31.80 9.4 -0.5914

2.Path 198.41 57.49 11.5 -0.9586

3.Path 197.67 32.91 10.7 -0.5966

Tablo 2: MUSIC'in, 3 adetsinyal kaynagi oldugu dunumdaki

azimut ayisi, ytkseli ayisi, zaman gecikmesi ve Doppler kestirimleri.

5. Sonus

Bu bildiride 5nerilen Qarpraz Belirsizlik Fonksiyonu

-Yon Bulma adli yeni bir dizilim

i*leme

teknigi, anten

dizilimine

W1aan,

bilinen bir gtnderilniPj sinyale ait gelfr

yt5nf, zaman gecikmesi, Doppler kaymasi ve gendik

parametrelerini kestirir. Qokyolluluk dunimunda, herbir yola

aitparametreleri yinelemeli bir jekilde kestiren bu teknigin MUSIC tabarli altematiflerine gtore ftstQnhlVfr hem sentetik hem de geryek iyonosfer verileri iPzerindegtsterilniiUtir. Tek sinyalin mevcut oldugu duniularda, 5zellikle

dfi*k

IGO

degerlerinde, MUSIC algoritmasina gtre yok daha iyi

sonuylar elde edilmektedir. Qokyolluluk duniularinda bile, degigik yollardan gelen sinyaller eger yapraz-belirsizlik alandaayrilabiliniyorlarsa, QBI-YB

ba*anl

bir jekilde her bir yolu tespit edebilmektedir. Geryek veriler fizerindeki analzier degtstermektedirki,QBI-YB, MUSIC'insinyalleri

ayiramadigi duniniarda bile

ba*arlli

bir jekilde kestirim

yapabilmektedir.

Onerilen CBI-YB tekniginin kablosuz yok-girdili yok-ylktill (CQGCQQ)

haberle*me

kanallanna uyarlamasi planlanmaktadcr. Yapilmasi plalranandiger bir

yali*ma,

CBI-YBile SAOveGAOtekniklerinin[5,6] kiyaslanmasidir.

6. Te3ekkiir

Bubildiride kullamlan iyonosfer kayltlannubizimle

payla*an

Leicester Universitesi, Elektrik-Elektronik Muhendisligi BlOnimfinden Dr. Mike Warrington'a ve Haceftepe

Universitesi Elektrik-Elektronik Muhendisligi Bo5lumniden Prof Feza Ankanfate ekklrlerimizi sunanz.

7. Kaynak~a

[1] H. Krim and M. Viberg, -Two decades ofaray signal

processingresearch", IEEESignal Processing Magazine,

13(14):67-94, 1996.

[2] B. D. V. Veen and K. M. Buckley, - Beamforming: A

versatile approach to spatial filtering", IEEE ASSP

Magazine,

5(21:4-24,

1988.

[3] R. 0. Schmidt, -Multiple eniitter location and signal

parameter estimation:, IEEE Transactions onAntennas

andPropagation, 34(3):276-281, 1986.

[4] P. Stoica and K. C. Shanma, -Maximum likelihood methods for direction-of-arrival estimation,IEEE Trans. onA.S.S.P.,34:1132-1144, 1990.

[5] A. Jakobsson, A. L. Swindlehurst, and P. Stoica,

-Subspace-basedestimation of time delays anddoppler

sliifts"F IEEE Trans. on Signal Processing,

46(9):2472-2482,1998.

[6] M. Viberg and B. Ottersten, -Sensor aray processing

based on subspace fitting", IEEE Trans. on Signal

Processing, 39:1110-1121, 1991.

[7] M. B. GO1dogan A Novel Array Signal Processing

Technique for Multipath Channel ParameterEstimation, MSthesis,BilkentUniversity, 2006.

- MUSIC _

98___Bi-YB --3 ---CRB8

_-