Article

Measurement of direction-of-arrival of coherent signals using five-port reflectometers and quasi-Yagi antennas

l'Ecole Nat. Superieure des Telecommun., Paris, France
IEEE Microwave and Wireless Components Letters (Impact Factor: 2.24). 10/2005; DOI: 10.1109/LMWC.2005.855391
Source: IEEE Xplore

ABSTRACT The measurement results of detection-of-arrival (DoA) of coherent signals using five-port reflectometers and quasi Yagi antennas are presented. The receiver operating at 2.4GHz consists of eight five-port reflectometers and a uniform linear array (ULA) of eight 2.4GHz quasi-Yagi antennas. The DoA is estimated by measuring the phase difference of signals pitched by the antenna array and by using the MUSIC algorithm associated with Spatial Smoothing Pre-processing (SSP). The phase difference is determined using the five-port technique. The measurement results show that the DoA of coherent signals are well estimated with a maximum error of 2°. In addition, we also show that it is capable of estimating the time delay and direction of arrival simultaneously using the five-port technique.

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    ABSTRACT: An interesting and promising architecture has been studied in this paper: the six-port network. In the last years, this structure has been used in many applications, and it is nowadays emerging as the best candidate to implement a Software Defined Radio. A new six-port autocalibration method based on real-time sub-band division is presented. Simulation results show a large BER improvement, two orders of magnitude above conventional autocalibration method levels. I. INTRODUCCIÓN Originariamente, en la década de los setenta, la red de seis puertos surgió como una alternativa a los analizadores de redes [1]. No fue hasta 1994 cuando, por primera vez, se usó como receptor de comunicaciones [2]. Desde entonces, esta prometedora arquitectura se ha empleado en numerosas aplicaciones: sistemas radar [3]-[4], estimación del ángulo de llegada (DoA) [5], UWB (ultra-wide-band) [6], sistemas MIMO (Multiple Input Multiple Output) [7], etc. Pero especialmente interesante es su uso en una de las soluciones actualmente más atractivas para los futuros sistemas de radiocomunicaciones: la Radio Definida por Software (SDR, Software Defined Radio) [8]-[9]. Un receptor basado en la red de seis puertos es una arquitectura de conversión directa de frecuencia, también conocida como zero-IF. Ésta es una de las estructuras más empleadas en SDR, ya que posee muchas de las características que requieren este tipo de sistemas [10]: bajo coste, nivel de integración elevado, flexibilidad, operación multimodo y multibanda, y capacidad de reconfiguración. Además, en una estructura zero-IF no existe frecuencia imagen y, por tanto, se prescinde de los componentes de frecuencia intermedia (FI), voluminosos en muchas ocasiones, como es el caso de los filtros de FI. Cabe destacar que, en el caso del receptor de seis puertos, la conversión de frecuencia no se lleva a cabo mediante un demodulador I-Q, por lo que no existen los problemas asociados a estos dispositivos. Asimismo, el nivel de potencia de oscilador local (OL) necesario es menor, lo que se traduce en mejores aislamientos y menos problemas de self-mixing. No obstante, la principal ventaja de la red de seis puertos radica en su gran ancho de banda, que le proporciona capacidad de operar en múltiples bandas con diversos estándares. Además de en las tecnologías convencionales de microondas, la red de seis puertos se puede implementar en tecnología MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) o LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic), consiguiendo tamaños reducidos y producciones de bajo coste para terminales móviles. Uno de los inconvenientes del receptor de seis puertos es que requiere una calibración del sistema para recuperar la señal original. Éste es, sin duda, uno de los puntos clave en los receptores de seis puertos. En este artículo se van a estudiar los conceptos teóricos del receptor de seis puertos y se va a proponer un nuevo y eficiente método de autocalibración basado en canalización, que mejora las prestaciones del sistema con respecto al método convencional de autocalibración.
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    ABSTRACT: Le corrélateur cinq-port en technologie micro ruban composé d'un anneau à cinq branches et de trois détecteurs de puissance permet de calculer précisément le rapport complexe entre deux signaux hyperfréquences à partir des tensions mesurées aux trois sorties et d'un traitement numérique associé. Le cinq-port a un faible coût de réalisation et s'avère être moins sensible aux désappariements de phase et d'amplitude. De plus, il peut fonctionner dans une bande de fréquence large. Nous proposons dans ce travail un sondeur de canal multi-capteur utilisant les corrélateurs cinq-ports pour la mesure de propagation à l'intérieur des bâtiments. Ce sondeur; composé d'un réseau de 8 antennes quasi-Yagi et d'un réseau de 8 cinq-port en réception; permet de mesurer à la fois les retards de propagation et les directions d'arrivée (DDAs) en azimut et en élévation des trajets multiples. La différence de phase des signaux captés par les antennes permet de calculer les DDAs et les retards de propagation sont estimés à partir de la différence de phase des signaux mesurés à deux fréquences consécutives dans chaque cinq-port dans la bande 2.3 GHz à 2.5 GHz avec un pas de 4 MHz. L'algorithme MUSIC (Multiple Signal Classification) associé à un lissage spatial est utilisé pour l'estimation des directions d'arrivée et des retards de propagation. Les résultats de simulation et de mesure montrent que nous pouvons estimer un nombre de sources supérieur au nombre d'antennes. Ce sondeur de canal a un faible coût de réalisation et permet d'effectuer l'acquisition à un instant donné et en une seule fois de l'ensemble des mesures dans un plan donné.
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    ABSTRACT: The five-port wave correlator in microstrip technology consists of a ring with 5 arms and three diode power detectors. The ratio of two waves (radio frequency and local oscillator) is determined as a linear combination of the power levels measured at the five -port's outputs. The advantages of using five-port are its low-cost, its less sensibility to phase and amplitude imbalances and its operation in a wide frequency band. We present in this paper a system based on five-port wave correlators, which measure the detection of arrival (DOA) in azimuth and in elevation plan of radio frequency signals. The parallel receivers operating at 2.4 GHz consist of 8 five-ports and a planar antenna array of 8 quasi-Yagi antenna elements. The DOA is estimated by measuring the phase difference of the signals picked up by the elements in the array and by using the MUSIC (multiple signal classification) algorithm. The phase difference is determined using the five-port technique. The simulation and measurement results show that the signals are accurately estimated with one error of 2deg.
    Communications and Electronics, 2006. ICCE '06. First International Conference on; 01/2006
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