Doğrusal frekans modülasyonlu sürekli dalgaformu sinyallerinin tespiti ve parametrelerinin çıkarımı için bir gömülü sistem tasarımı
An embedded system design for detection and parameter extraction of linear frequency modulated continuous waveform signals
Yazar: KANİ KERİM GÜNER
Danışman: DOÇ. DR. BURCU ERKMEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Yakalanma Olasılığı Düşük (YOD) radarların düşman tarafından tespit edilebilmelerinin zor olmasından dolayı askeri harekât alanında kullanımı oldukça yaygınlaşmıştır. Doğrusal Frekans Modülasyonlu Sürekli Dalgaformu (DFMSD), YOD radarlarda sıklıkla kullanılmaktadır. Zaman-Frekans (ZF) sinyal analizinde Wigner-Ville Dağılımı (WVD) başarılı bir tekniktir. WVD'nin bir görüntü işleme tekniği olan Hough Dönüşümü (HD) ile beraber kullanılmasıyla tanımlanan Wigner-Hough Dönüşümüyle (WHD) sinyal bileşenlerinin otomatik olarak tespit edilmesi mümkün olabilmektedir. Bu tez çalışmasında; WHD'ye yönelik bazı teknikler önerilerek, donanım ortamında tasarıma uygun olacak şekilde karmaşıklık seviyesi düşürülmüş, gerçek fiziksel veriyi işleyebilen bir yapı geliştirilmiştir. Bu amaçla; Kısa Süreli Wigner Dağılımı (KSWD) tanımlanmış, örnekle-tut ara örnekleme ile sütunsal eşikleme teknikleri kullanılmıştır. Önerilen sistemin tespit olasılığı (Pd) ve cıvıltı oranı tahmin olasılığı (PCRE) üzerindeki başarımını değerlendirmek için farklı Sinyal Gürültü Oranı (Signal to Noise Ratio, SNR) seviyelerini içeren bir sinyal veritabanı oluşturulmuştur. Önerilen tekniklerin yazılım ve donanım ortamındaki başarımları Matlab ve Modelsim programlarıyla yapılan benzetimler ile doğrulanmış ve daha sonra tasarlanan sistem Alanda Programlanabilir Kapı Dizisi (Field Programmable Gate Array, FPGA) içerisine yüklenmiştir. Virtex-7 FPGA, FMC150 Analog-Sayısal Dönüştürücü kartı ve Rastgele Fonksiyon Üretecinin kullanıldığı bir deney düzeneği ile fiziksel ortamdaki sonuçlar elde edilmiştir. Sonuç olarak; geliştirilen FPGA tabanlı sistemle, –6dB SNR seviyesine kadar tüm sinyaller tespit edilip parametreleri çıkarılabilmekte ve –8dB SNR seviyesindeki sinyallerin ise %94'ünün parametrelerinin çıkarımı yapılabilmektedir.

Abstract:
Low Probability of Intercept (LPI) radars are emerging in the military domain because it is hard for the enemy to detect them. Linear Frequency Modulated Continuous Waveforms (LFMCW) are widely used in LPI radars. Wigner-Ville Distribution (WVD) is a promising Time-Frequency (TF) signal analysis technique, and combined with Hough Transform (HT), Wigner-Hough Transform (WHT) is defined which can be used to autonomously detect signal components. In this work; by proposing some techniques for WHT, its complexity is decreased to be suitable for a hardware design and an architecture is developed that is complaint with the real physical world. For this purpose, Short Time Wigner Distribution (STWD) is defined, sample and hold intermediate type sampling and column-based thresholding techniques are used. To evaluate the performance of the proposed system on the probability of detection and probability of chirp rate estimation, a signal database consisting of different Signal to Noise Ratio (SNR) levels is created. The software and hardware performances of the proposed techniques are verified by MATLAB and ModelSim simulations and then the system is embedded into the Field Programmable Gate Array (FPGA). The results in physical environment are obtained with an experimental setup utilizing Virtex-7 FPGA, FMC150 Analog-Digital Converter (ADC) card and Arbitrary Function Generator. As a result, performance evaluations show that detection and parameter extraction of all signals down to –6dB SNR level can be achieved by the designed FPGA based system and parameter extraction for 94% of the signals at –8dB SNR level can be done too.