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aoa-commissionings/music_estimator.py
T

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11 KiB
Python

"""
music_estimator.py
Eigene 2D-MUSIC-Implementierung (Azimut + Elevation) fuer ein 4x4 URA
(Uniform Rectangular Array), passend zu den Daten aus bg22_iq_logger.py
(Datei iq_samples.jsonl).
Diese Implementierung basiert auf der allgemeinen, oeffentlich bekannten
MUSIC-Theorie (Schmidt, 1986) und wurde von Grund auf fuer dieses Projekt
geschrieben - keine Uebernahme aus einem bestehenden Repository, da die
gefundenen Beispiele im Netz auf andere Array-Geometrien/Datenformate
(Radar, 1D-Array) zugeschnitten sind.
Voraussetzungen:
pip install numpy --break-system-packages
Kalibrierung (Phasenoffsets pro Antenne):
1. Tag bei bekanntem Winkel (Standard: 0°/0°, direkt vor dem Array)
platzieren und mit bg22_iq_logger.py eine eigene Datei aufnehmen,
z. B. "iq_samples_0deg.jsonl".
2. Kalibrierung berechnen und speichern:
python music_estimator.py calibrate iq_samples_0deg.jsonl
Das schreibt "calibration.json" mit den Phasenoffsets pro Antenne.
3. Normale Auswertung (nutzt calibration.json automatisch, falls
vorhanden):
python music_estimator.py
"""
import sys
import json
import numpy as np
# --- Einstellungen ---
INPUT_FILE = "iq_samples.jsonl"
CALIBRATION_FILE = "calibration.json"
FREQUENCY_HZ = 2.44e9 # Bluetooth-Mittenfrequenz (Kanal ~19, ca. 2.44 GHz)
SPEED_OF_LIGHT = 3e8
WAVELENGTH = SPEED_OF_LIGHT / FREQUENCY_HZ
# WICHTIG: Der reale Antennenabstand des BRD4191A ist NICHT lambda/2!
# Laut AN1195 (Antenna Array Design Guidelines): Patch-Antennen 27,9 x 27,9 mm,
# mit 12,1 mm Abstand zueinander platziert -> Mitte-zu-Mitte-Abstand = 40,0 mm.
# (lambda/2 waere hier ca. 61,5 mm gewesen - deutlich zu groß!)
ANTENNA_SPACING = 0.0400 # Meter, aus AN1195 (27.9mm Patch + 12.1mm Abstand)
ARRAY_ROWS = 4
ARRAY_COLS = 4
NUM_ANTENNAS = ARRAY_ROWS * ARRAY_COLS # 16, entspricht SWITCHING_PATTERN
# Vorzeichen-Konvention testen/anpassen, falls sich beim Vergleich mit der
# RTL-Bibliothek ein systematisches Vorzeichen-Muster zeigt (siehe Chat-
# Diskussion: (-37,-65) eigener Algo. vs (50,58) RTL-Referenz -> Verdacht
# auf umgekehrte Vorzeichen-Konvention).
AZIMUTH_SIGN = -1 # auf -1 setzen, um das Vorzeichen zu testen/korrigieren
ELEVATION_SIGN = -1 # auf -1 setzen, um das Vorzeichen zu testen/korrigieren
REFERENCE_SAMPLES = 8 # feste Referenzperiode, siehe Chat-Diskussion
NUM_SOURCES = 1 # nur ein Tag sendet gleichzeitig
# Suchraster fuer die Winkelsuche (Grad)
AZIMUTH_RANGE = np.arange(-90, 91, 1)
ELEVATION_RANGE = np.arange(-90, 91, 1)
def antenna_positions():
"""Liefert die (x, y)-Position jeder Antenne im 4x4-Raster,
in der Reihenfolge des SWITCHING_PATTERN (0..15)."""
positions = []
for row in range(ARRAY_ROWS):
for col in range(ARRAY_COLS):
x = col * ANTENNA_SPACING
y = row * ANTENNA_SPACING
positions.append((x, y))
return np.array(positions) # Form: (16, 2)
def steering_vector(azimuth_deg, elevation_deg, positions):
"""Berechnet den theoretischen Steering-Vector fuer einen Winkel.
Noch OHNE Phasenkalibrierung der einzelnen Antennen."""
az = np.radians(azimuth_deg) * AZIMUTH_SIGN
el = np.radians(elevation_deg) * ELEVATION_SIGN
# Richtungsvektor der ankommenden Welle
u = np.cos(el) * np.sin(az)
v = np.sin(el)
phase = (2 * np.pi / WAVELENGTH) * (positions[:, 0] * u + positions[:, 1] * v)
return np.exp(1j * phase) # Form: (16,)
def extract_snapshots(i_values, q_values):
"""Wandelt die IQ-Rohwerte eines Pakets in mehrere Antennen-Snapshots um.
Die Referenzperiode wird uebersprungen; danach wird zyklisch durch die
16 Antennen des Switching-Patterns gegangen. Jeder volle Durchlauf durch
alle 16 Antennen ergibt einen Snapshot (eine Spalte der Datenmatrix)."""
complex_samples = np.array(i_values) + 1j * np.array(q_values)
switching_samples = complex_samples[REFERENCE_SAMPLES:]
num_full_cycles = len(switching_samples) // NUM_ANTENNAS
if num_full_cycles == 0:
return None # zu wenige Samples fuer einen vollen Durchlauf
usable = switching_samples[: num_full_cycles * NUM_ANTENNAS]
snapshots = usable.reshape(num_full_cycles, NUM_ANTENNAS).T
return snapshots # Form: (16, num_full_cycles)
def circular_mean(angles):
"""Mittelwert von Winkeln (Radiant), robust gegen den Sprung bei ±π."""
return np.angle(np.mean(np.exp(1j * angles)))
def compute_calibration_from_samples(samples, known_azimuth, known_elevation, positions=None):
"""Wie compute_calibration(), aber nimmt eine Liste von (i_values, q_values)
Tupeln direkt entgegen, statt eine Datei zu lesen. Nützlich für eine
LIVE-Kalibrierung waehrend das Skript laeuft (siehe bg22_iq_logger.py)."""
if positions is None:
positions = antenna_positions()
theoretical = steering_vector(known_azimuth, known_elevation, positions)
theoretical_phase = np.angle(theoretical / theoretical[0])
offsets_per_antenna = [[] for _ in range(NUM_ANTENNAS)]
for i_values, q_values in samples:
snapshots = extract_snapshots(i_values, q_values)
if snapshots is None:
continue
for snapshot in snapshots.T:
observed_phase = np.angle(snapshot / snapshot[0])
error = observed_phase - theoretical_phase
for antenna in range(NUM_ANTENNAS):
offsets_per_antenna[antenna].append(error[antenna])
offsets = [circular_mean(np.array(values)) if values else 0.0
for values in offsets_per_antenna]
with open(CALIBRATION_FILE, "w", encoding="utf-8") as f:
json.dump({
"referenz_azimut": known_azimuth,
"referenz_elevation": known_elevation,
"phasenoffsets_rad": offsets,
}, f, indent=2)
print(f"Kalibrierung gespeichert in {CALIBRATION_FILE}")
print(f"Phasenoffsets (Grad): {np.degrees(offsets).round(1).tolist()}")
return offsets
def compute_calibration(input_file, known_azimuth, known_elevation, positions):
"""Berechnet den Phasenoffset jeder Antenne relativ zu Antenne 0, aus
einer Aufnahme bei bekanntem Winkel (Standard: 0°/0°), gelesen aus
einer JSON-Lines-Datei."""
samples = []
with open(input_file, "r", encoding="utf-8") as f:
for line in f:
record = json.loads(line)
samples.append((record["i"], record["q"]))
return compute_calibration_from_samples(samples, known_azimuth, known_elevation, positions)
def reset_calibration_cache():
"""Erzwingt, dass estimate_angle() die Kalibrierungsdatei beim naechsten
Aufruf neu einliest (z. B. nachdem gerade eine neue Kalibrierung
gespeichert wurde)."""
global _calibration_loaded
_calibration_loaded = False
def load_calibration():
"""Laedt gespeicherte Phasenoffsets, falls vorhanden. Sonst None."""
try:
with open(CALIBRATION_FILE, "r", encoding="utf-8") as f:
data = json.load(f)
return np.array(data["phasenoffsets_rad"])
except FileNotFoundError:
return None
def apply_calibration(snapshots, offsets):
"""Entfernt die bekannten Phasenoffsets aus den Rohdaten, bevor MUSIC
darauf angewendet wird."""
correction = np.exp(-1j * offsets).reshape(-1, 1)
return snapshots * correction
def music_spectrum(snapshots, positions):
"""Berechnet das MUSIC-Pseudospektrum ueber das Winkelraster und gibt
den Winkel mit dem staerksten Peak zurueck."""
# Kovarianzmatrix des Signals (16x16)
covariance = snapshots @ snapshots.conj().T / snapshots.shape[1]
eigenvalues, eigenvectors = np.linalg.eigh(covariance)
# Sortierung: groesster Eigenwert zuletzt -> Rauschraum sind die ersten
noise_subspace = eigenvectors[:, : NUM_ANTENNAS - NUM_SOURCES]
best_azimuth, best_elevation, best_power = 0.0, 0.0, -np.inf
for az in AZIMUTH_RANGE:
for el in ELEVATION_RANGE:
a = steering_vector(az, el, positions)
denom = a.conj().T @ noise_subspace @ noise_subspace.conj().T @ a
power = 1.0 / np.abs(denom)
if power > best_power:
best_power = power
best_azimuth, best_elevation = az, el
return int(best_azimuth), int(best_elevation)
# --- Öffentliche Funktion zum direkten Aufruf aus anderem Code ---
_cached_positions = None
_cached_offsets = None
_calibration_loaded = False
def estimate_angle(i_values, q_values):
"""Nimmt die dekodierten I- und Q-Werte EINES IQ-Reports entgegen
(genau das, was decode_samples() in bg22_iq_logger.py liefert) und
gibt (azimuth, elevation) in Grad zurück, oder (None, None), falls
zu wenige Samples für einen vollen Antennen-Durchlauf vorliegen.
Kalibrierung wird beim ersten Aufruf automatisch geladen (falls
calibration.json existiert) und danach zwischengespeichert.
"""
global _cached_positions, _cached_offsets, _calibration_loaded
if _cached_positions is None:
_cached_positions = antenna_positions()
if not _calibration_loaded:
_cached_offsets = load_calibration()
_calibration_loaded = True
snapshots = extract_snapshots(i_values, q_values)
if snapshots is None or snapshots.shape[1] < 2:
return None, None
if _cached_offsets is not None:
snapshots = apply_calibration(snapshots, _cached_offsets)
return music_spectrum(snapshots, _cached_positions)
def main():
positions = antenna_positions()
if len(sys.argv) >= 2 and sys.argv[1] == "calibrate":
calibration_file = sys.argv[2] if len(sys.argv) >= 3 else INPUT_FILE
compute_calibration(calibration_file, known_azimuth=0, known_elevation=0,
positions=positions)
return
offsets = load_calibration()
if offsets is None:
print("Keine Kalibrierung gefunden (calibration.json fehlt). "
"Ergebnisse sind unkalibriert und möglicherweise verzerrt.\n"
"Kalibrierung erstellen mit: python music_estimator.py calibrate <datei>\n")
else:
print("Kalibrierung geladen, wird angewendet.\n")
with open(INPUT_FILE, "r", encoding="utf-8") as f:
for line_number, line in enumerate(f, start=1):
record = json.loads(line)
snapshots = extract_snapshots(record["i"], record["q"])
if snapshots is None or snapshots.shape[1] < 2:
print(f"Zeile {line_number}: zu wenige Snapshots, übersprungen.")
continue
if offsets is not None:
snapshots = apply_calibration(snapshots, offsets)
azimuth, elevation = music_spectrum(snapshots, positions)
print(f"Zeile {line_number} (counter={record['counter']}): "
f"Azimut={azimuth:.0f}° Elevation={elevation:.0f}°")
if __name__ == "__main__":
main()