Development and characterization of a 2D, 700–2600 MHz receiver array, for the estimation of direction of arrival (DoA) in the frequency domain

Abstract

This thesis presents the design, construction, and testing of RadioVision, a $4\times 4$ antenna array receiver for the real-time direction of arrival (DoA) estimation of radiofrequency (RF) sources within the 700--2600~MHz range. The system features a novel implementation of the 2D U-ESPRIT algorithm in the frequency domain, leveraging a heterodyne receiver with a 70~MHz intermediate frequency bandwidth and a digital back-end with 16 ADCs operating at 140~MSPS. Processing is handled by an FPGA, enabling Fast Fourier Transforms (FFTs) and DoA estimations, reducing ADC requirements, and allowing frequency band filtering to suppress unwanted interference.

RadioVision also integrates an augmented reality display that overlays markers on detected RF sources using a video camera, giving real-time visual feedback. Tested in both rural and urban environments, the system achieved a mean squared DoA error of 3.12$^\circ$ at 80--180 meters in rural settings, and 4.63$^\circ$ and 5.76$^\circ$ at 10--60 meters in urban areas. These results validate the effectiveness of the frequency-domain U-ESPRIT 2D algorithm and demonstrate the feasibility of real-time RF source localization in complex environments.

Esta tesis presenta el desarrollo de RadioVision, un sistema receptor de 4×4 antenas para la estimaci´on en tiempo real de direcciones de arribo (DoAs) de fuentes de radiofrecuencia (RF) en el rango de 700–2600 MHz, con una implementaci´on novedosa del algoritmo UESPRIT 2D en el dominio de frecuencias. RadioVision combina un front-end anal´ogico con un receptor heterodino de 70 MHz de ancho de banda de frecuencia intermedia, y un back-end digital con 16 ADCs operando a 140 MSPS y una FPGA para el procesamiento de se˜nales en tiempo real, incluyendo transformadas r´apidas de Fourier (FFTs) y la estimaci´on de DoAs. Este enfoque reduce la cantidad de ADCs necesarios y permite el filtrado de bandas para suprimir interferencias indeseadas. RadioVision incorpora una c´amara de video para crear una pantalla de realidad aumentada, superponiendo marcadores en las fuentes de RF detectadas, lo que proporciona una visualizaci´on en tiempo real. Las pruebas realizadas arrojaron un error cuadr´atico medio de DoA de 3.12◦ en zonas rurales, y de 4.63◦ y 5.76◦ en zonas urbanas complejas, validando la efectividad del algoritmo U-ESPRIT 2D y demostrando la viabilidad de la localizaci´on de fuentes RF en condiciones reales.