FPGA kullanılarak dizi anten performansının iyileştirilmesi
Improving of array antenna performance using FPGA
Yazar: MUHAMMED FAHRİ ÜNLERŞEN
Danışman: DOÇ. DR. ERCAN YALDIZ ; DOÇ. DR. ŞEHABEDDİN TAHA İMECİ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Adaptif antenler = Adaptive antennas ; Elektromanyetik = Electromagnetic ; FPGA = FPGA

Özet:
Anten dizisi, üzerine gelen sinyalin doğrultusunun belirlenebilmesi ve istenilen ışıma deseninin oluşturulabilmesi gibi yetenekleri sayesinde birçok uygulamada avantajlar sunmaktadır. Radar, sonar ve yere nüfus eden radar (ground penetrating radar, GPR) gibi uygulamalarda anten dizileri kullanımı sayesinde sabit antenlerle tarama yapmak mümkün olmaktadır. Uzay bölmeli çoklu erişim (space division multiple access, SDMA), anten dizilerinin ışıma deseni şekillendirme yeteneğine dayanır. Bu tez çalışmasında gelen sinyal yönü (direction of arrival, DOA) kestirimi algoritmaları ve dijital ışıma deseni şekillendirme (digital beam forming, DBF) metotları incelenmiştir. DOA kestirim algoritmalarının simülasyonları yapılmıştır. Melez bir algoritma geliştirilmiş ve performansı kendisini oluşturan algoritmalarla karşılaştırılmıştır. Çalışma frekansı 50 MHz olan 4 kanallı bir alıcı tasarlanmıştır. 2 MHz olan ara frekans sinyalleri 40 Msps hızında dijitale çevrilmektedir. Dijitale çevrilen sinyaller bir Alanda Programlanabilir Kapı Dizisi'ne (field programmable gate array, FPGA) gönderilmektedir. Bartlett, MVDR ve FOFP algoritmalarının her biri ile FPGA'da düzgün doğrusal anten dizisi için DOA kestirimi yapılmaktadır. Sonuçlar seri haberleşme ile PC'ye gönderilmektedir. Ayrıca ışıma deseni şekillendirme algoritmaları simülasyonlarla incelenerek 10 elemanlı bir düzgün doğrusal anten dizisi için ışıma deseni şekillendirme işlemi genetik algoritma (Genetic algorithm, GA) ve yapay arı kolonisi (artificial bee colony, ABC) algoritması ile gerçekleştirilmiştir. Bu algoritmalardan ABC algoritması FPGA üzerinde yürütülmüştür. Bu tez çalışması sonuçları, hesaplamalar için PC yerine FPGA kullanmanın işlemlerin hızını önemli ölçüde artırdığını göstermektedir.

Abstract:
In many applications, using antenna arrays has a lot of advantages thanks to their abilities such as determining direction of arrival and forming radiation pattern. By using antenna arrays, it is possible to use non-rotating antennas for scanning a sector in radar, sonar and ground penetrating radar (GPR) applications. The space division multiple access (SDMA) method bases on the radiation pattern forming ability of antenna arrays. In these studies, direction of arrival (DOA) estimation techniques and digital beam forming (DBF) techniques are investigated. Some simulations are fulfilled for DOA estimation algorithms. A hybrid estimation algorithm is developed and its performance is compared with the algorithms which compose it. A receiver which has 4 channels with 50 MHz operating frequency is designed. The intermediate frequency (IF) at 2 MHz is digitized at speed of 40 Msps. A field programmable gate array (FPGA) is fed with the digitized IF signals. For a uniform linear array (ULA) antenna, Bartlett, minimum variance distortionless response (MVDR) and first order forward prediction (FOFP) algorithms are executed on FPGA for DOA estimation. The results are sent to a PC via serial communication. Additionally, the digital beam forming methods are reviewed with some simulations. Genetic algorithm (GA) and artificial bee colony (ABC) algorithm are employed for a ULA which consists of 10 antenna elements. The ABC is also executed on FPGA. From the results of this thesis studies, it is shown that the speed of the process increases significantly by using an FPGA instead of a PC for the calculations.