基于空間譜估計(jì)的短波測(cè)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

甄雪嬌

(國家新聞出版廣電總局哈爾濱監(jiān)測(cè)臺(tái)，哈爾濱 150089)

1 引言

測(cè)向系統(tǒng)在廣播電視信號(hào)監(jiān)測(cè)工作中具有非常重要的作用，通過對(duì)給定頻率進(jìn)行測(cè)向定位，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)不明電臺(tái)、違規(guī)電臺(tái)和非正常輻射，并及時(shí)排查和解決。設(shè)計(jì)一套短波測(cè)向定位系統(tǒng)，需要綜合考慮各方面的因素，包括根據(jù)測(cè)向精度和靈敏度等指標(biāo)選取無線電測(cè)向體制及其硬件實(shí)現(xiàn)途徑，根據(jù)測(cè)向定位流程設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體方案等。本文設(shè)計(jì)的短波信號(hào)測(cè)向定位系統(tǒng)采用了空間譜估計(jì)測(cè)向技術(shù)和數(shù)字波束合成技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用中具有測(cè)向靈敏度高、測(cè)向定位準(zhǔn)確度高、可對(duì)同頻多信號(hào)和弱信號(hào)進(jìn)行測(cè)向等優(yōu)點(diǎn)。

2 測(cè)向方案選擇

傳統(tǒng)的短波測(cè)向技術(shù)有方向圖測(cè)向(利用強(qiáng)方向性天線或者天線陣進(jìn)行全方向掃描，利用接收到的信號(hào)的最強(qiáng)點(diǎn)或者最弱點(diǎn)搜索出入射波方向)、振幅法測(cè)向(測(cè)向時(shí)不采用直接或間接旋轉(zhuǎn)天線方向圖的方式，而是采用計(jì)算求解的方法獲得來波方向)、比相法測(cè)向(通過測(cè)定各測(cè)向天線單元上來波的相位和相位差來確定來波方向)和多普勒測(cè)向(通過測(cè)定被接收的電波信號(hào)由于多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻移來確定來波的方向)等幾種方法，由于測(cè)向原理簡單且易于實(shí)現(xiàn)，因此仍然有著廣泛的應(yīng)用［1］。

作為新的測(cè)向體制，空間譜估計(jì)測(cè)向主要根據(jù)無線電波信號(hào)為時(shí)域函數(shù)，以功率譜密度為頻域函數(shù)，采用無線電技術(shù)和譜估計(jì)方法來確定空間入射波來的方向，被稱為高精度、高分辨力的測(cè)向。該方法充分用了各天線陣元接收到的所有信息，因此可以用于多波環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多相干波，或者對(duì)同頻信號(hào)中的多個(gè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)向［2］?？臻g譜估計(jì)測(cè)向算法高效精準(zhǔn)，但是要求線陣元為寬帶天線，且各天線和通道之間有極好的一致性。幾種常用短波測(cè)向技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的比較［3］見表1。

表1 幾種常用短波測(cè)向技術(shù)比較

隨著智能天線技術(shù)的日漸成熟，智能天線也開始應(yīng)用到無線測(cè)向領(lǐng)域中?；诳臻g譜估計(jì)和數(shù)字波束合成技術(shù)的新型測(cè)向體制無論是從理論角度還是工程角度來說，都克服了傳統(tǒng)測(cè)向方法的弊端，還延伸了傳統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn)。新的測(cè)向體制下的短波測(cè)向技術(shù)對(duì)于提高測(cè)向靈敏度和定位準(zhǔn)確度，提高對(duì)同頻多信號(hào)和弱信號(hào)的測(cè)向效果，提高抗干擾能力等，都有著十分重要的意義［4］。

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，越來越多的信號(hào)處理算法被提出來，原來只用于基帶處理的算法也逐漸被移植到中頻甚至射頻頻段上，不但降低了系統(tǒng)對(duì)模擬通道的要求，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器是設(shè)置在多通道接收機(jī)的中頻處。接收機(jī)的工作波段為短波，但無論接收哪一頻道信號(hào)，中頻頻率總是固定不變的，這樣便于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集器并方便完成數(shù)據(jù)采集工作。接收信號(hào)的帶寬相對(duì)于中頻頻率仍是很窄的，因此中頻輸出仍可視為高頻窄帶信號(hào)，無論用模擬電路還是用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)獲得復(fù)包絡(luò)中的正交分量都是比較容易的。整個(gè)空間譜估計(jì)系統(tǒng)組成部分如圖1所示。

圖1 短波測(cè)向站系統(tǒng)組成

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

一般來說，無線電測(cè)向系統(tǒng)由測(cè)向天線陣、監(jiān)測(cè)天線、計(jì)算機(jī)、接收機(jī)、控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備、遙控設(shè)備以及電源系統(tǒng)等組成。無線電信號(hào)經(jīng)監(jiān)測(cè)或測(cè)向天線接收并送入接收機(jī)處理。接收機(jī)將1.5 MHz－30MHz的短波信號(hào)進(jìn)行放大、變頻、濾波、數(shù)字化等處理后輸出測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)讀取接收機(jī)的測(cè)量結(jié)果，并通過無線電綜合監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)等處理后提供給用戶使用。本文設(shè)計(jì)的短波測(cè)向監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

總的來說，整個(gè)測(cè)向系統(tǒng)分為三大部分:天線、下位機(jī)(即硬件系統(tǒng))和上位機(jī)(即軟件系統(tǒng))。因此，對(duì)于短波測(cè)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行:

天線陣設(shè)計(jì):根據(jù)進(jìn)行空間譜估計(jì)計(jì)算時(shí)需要利用模式空間變換，保證空間譜不在除了信號(hào)源方向外出現(xiàn)模糊，并且對(duì)短波頻段進(jìn)行全覆蓋測(cè)向等要求，對(duì)天線陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行精確計(jì)算，確定天線陣類型及結(jié)構(gòu)參數(shù)。

下位機(jī)設(shè)計(jì):包括地井內(nèi)信號(hào)處理柜設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程控制臺(tái)設(shè)計(jì)等。

一般來說，由測(cè)向天線陣接收空間的電磁信號(hào)，經(jīng)天線饋線接至地井工作站中信號(hào)處理柜的天饋匹配避雷器輸入端口。經(jīng)過相應(yīng)的阻抗匹配后，天線接收的信號(hào)送入接收機(jī)。接收機(jī)將短波信號(hào)變換到模擬中頻信號(hào)，再分別送入數(shù)字處理器進(jìn)行高速A/D采樣，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。A/D采樣模塊完成模擬中頻信號(hào)的采樣后進(jìn)行變頻，變換到零中頻的數(shù)字中頻信號(hào)送到信號(hào)處理模塊進(jìn)行數(shù)字處理，數(shù)字處理器中的信號(hào)處理模塊單元把采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理和計(jì)算，經(jīng)過空間譜估計(jì)算法以及數(shù)字波束合成算法的實(shí)現(xiàn)，生成相應(yīng)的處理數(shù)據(jù)通過光纜傳輸給遠(yuǎn)程控制臺(tái)的主控制器。主控制器再通過對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集處理，計(jì)算出天線陣接收信號(hào)的方位信息和角度信息。

上位機(jī)設(shè)計(jì):包括系統(tǒng)總體控制、數(shù)據(jù)處理方法、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置方法、頻率接收與調(diào)制、頻率測(cè)向與頻道測(cè)向方法與校正、數(shù)字波束形成及空間譜估計(jì)算法及實(shí)現(xiàn)等。

3.1 測(cè)向系統(tǒng)的硬件組成

基于系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，針對(duì)實(shí)際的短波測(cè)向定位系統(tǒng)，對(duì)硬件組成進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。主要包括測(cè)向天線陣、信號(hào)處理柜、遠(yuǎn)程控制臺(tái)等。

3.1.1 測(cè)向天線陣

系統(tǒng)的測(cè)向天線采用專用于短波測(cè)向接收的一種寬頻帶無源天線。這種天線安裝方便，接收效果良好。采用的測(cè)向天線陣為9元非均勻圓陣，半徑為40米，陣元為全向直立天線。短波測(cè)向天線由短波天線桿和高頻電纜二部分組成。頻率范圍為1.5 MHz－30MHz。系統(tǒng)測(cè)向天線位置分布如圖3所示。

測(cè)向天線陣為室外設(shè)備，負(fù)責(zé)對(duì)空間電磁信號(hào)的接收，測(cè)向天線陣地各天線單元的相對(duì)距離和相對(duì)角度的誤差直接影響到測(cè)向站系統(tǒng)的測(cè)向指標(biāo)。因此天線陣地的建設(shè)是否符合系統(tǒng)技術(shù)要求直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的成敗。因此對(duì)天線陣提出了以下幾點(diǎn)要求:

1.天線場(chǎng)地為直徑大于80米的圓形空地;要求天線陣地面的導(dǎo)電性能良好，并且具有一致性;圓心處有一放置設(shè)備的地井，地井高度低于1.5米。

圖3 天線位置圖

2.每個(gè)天線底部鋪設(shè)地網(wǎng)線，地網(wǎng)的鋪設(shè)按桿子中心16個(gè)方位均布，地網(wǎng)線的接地好壞直接影響示向的清晰穩(wěn)定。

3.電源線、電纜線必須深埋到地面以下，每根天線饋線必須加套塑料套管后埋于地面下，通往天線中心處的地井中。每根天線周圍需要埋入三根接地柱以保證天線的接地良好。

4.200 米以內(nèi)垂直金屬體的高度不得超過10米，其它所有對(duì)測(cè)向會(huì)造成干擾的設(shè)備距離天線陣的最小距離滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 信號(hào)處理柜

信號(hào)處理柜安置于天線陣中心的地井工作房里，信號(hào)處理柜由天饋匹配避雷器、九信道接收機(jī)、信號(hào)處理器、光纖終端盒組成。

1.天饋匹配避雷器:天饋匹配避雷器完成50Ω的阻抗變換，內(nèi)含防雷器。避雷器兩端分別為九路天線饋線接入端和避雷器輸出端，接至九信道接收機(jī)。

2.九信道接收機(jī):采用九信道接收機(jī)，接收頻率為1.5MHz－30MHz的短波信號(hào)。信號(hào)經(jīng)一混、濾波后輸出中頻為41.4MHz。九信道接收機(jī)由高頻單元(9個(gè))、頻率合成器單元、接口單元和電源單元組成。

3.數(shù)字處理器:數(shù)字處理器由DSP模塊、AD采樣模塊、時(shí)鐘模塊、接收機(jī)控制模塊、電源模塊等組成，為空間譜估計(jì)算法計(jì)算提供硬件環(huán)境。

數(shù)字處理器為整個(gè)系統(tǒng)的主要控制處理單元，它采用多DSP處理器完成對(duì)九信道接收機(jī)的信號(hào)采集計(jì)算和控制，與遠(yuǎn)程控制臺(tái)進(jìn)行控制命令和數(shù)據(jù)的交換;同時(shí)為空間譜估計(jì)算法和波束合成算法提供可靠的硬件環(huán)境。

4.光纖終端盒:信號(hào)處理柜中的光纖終端盒是系統(tǒng)通信光纜經(jīng)過戶外光纜進(jìn)入天線地井中的光纜轉(zhuǎn)接單元。轉(zhuǎn)接后的光纜送至信號(hào)處理器的信號(hào)處理單元，實(shí)現(xiàn)和機(jī)房內(nèi)遠(yuǎn)程控制臺(tái)的數(shù)據(jù)通信。

3.1.3 遠(yuǎn)程控制臺(tái)

遠(yuǎn)程控制臺(tái)放置于監(jiān)測(cè)機(jī)房內(nèi)，通過光纜與測(cè)向天線陣相連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制。遠(yuǎn)程控制臺(tái)由主控制器、多媒體音響系統(tǒng)、光纖終端盒組成。

1.主控制器:主控制器通過光纜和地井里的信號(hào)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，接收處理數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。主控制器配備顯示器、PCI光通信接口卡、外接式光盤驅(qū)動(dòng)器、鍵盤、鼠標(biāo)。

2.多媒體音響系統(tǒng):多媒體音響系統(tǒng)在遠(yuǎn)程控制臺(tái)里為操作員提供接收信號(hào)的監(jiān)聽控制。

3.光纖終端盒:遠(yuǎn)程控制臺(tái)中的光纖終端盒是系統(tǒng)通信光纜經(jīng)過戶外光纜進(jìn)入工作機(jī)房的光纜轉(zhuǎn)接單元。轉(zhuǎn)接后的光纜送至主控制器的PCI光通信接口卡，實(shí)現(xiàn)和天線陣地井里信號(hào)處理柜的數(shù)據(jù)通信。

3.2 測(cè)向系統(tǒng)的軟件功能

3.2.1 系統(tǒng)操作控制功能

短波測(cè)向定位系統(tǒng)的功能集中實(shí)現(xiàn)于系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制臺(tái)界面。遠(yuǎn)程操作控制臺(tái)向上通過網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)站間協(xié)作，向下對(duì)本站測(cè)向系統(tǒng)實(shí)施完全控制，主要包括測(cè)控操作、底層通信、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接等模塊。實(shí)現(xiàn)的主要功能有:提供對(duì)測(cè)向系統(tǒng)的總體控制;對(duì)測(cè)向天線、接收機(jī)等硬件設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和遙控操作;實(shí)現(xiàn)完整的對(duì)目標(biāo)信號(hào)測(cè)向、定位功能;提供智能天線的控制功能;提供測(cè)向網(wǎng)通信單元;提供測(cè)向數(shù)據(jù)查詢，回放功能。

3.2.2 測(cè)向定位功能

由于短波信道性能存在快變化，即使每次測(cè)向之間時(shí)間相隔很短，測(cè)得結(jié)果也會(huì)有所不同。為提高測(cè)向準(zhǔn)確度，采用連續(xù)多次測(cè)向結(jié)果求平均值的辦法確定信號(hào)方向，合起來稱為一個(gè)測(cè)向過程。測(cè)向的結(jié)果可以通過方向圓盤視圖和空間譜圖的方式直觀表示:

1.方向圓盤視圖可以顯示被測(cè)信號(hào)測(cè)向結(jié)果的空間二維方向坐標(biāo)。一個(gè)方向點(diǎn)的坐標(biāo)由方位角和仰角組成，視圖以圓周表示信號(hào)的方位角，以正北方向?yàn)榉轿?度;以半徑表示信號(hào)的仰角，越靠近圓盤中心其仰角越大，如圖4所示。

2.空間譜圖可以顯示被測(cè)信號(hào)的3D空間譜圖，空間譜圖反映了最近一次測(cè)向時(shí)信號(hào)在空域上的能量分布，如圖5所示。

圖4 方向圓盤視圖

圖5 三維空間譜圖

3.2.3 智能天線功能

短波信道特性復(fù)雜多變，信號(hào)衰落嚴(yán)重，且其方位角和仰角隨季節(jié)、晝夜的不同即使在同頻同信道條件下也有較大變化。另一方面，在接收頻帶內(nèi)往往存在其它的干擾信號(hào)［5］。本系統(tǒng)采用數(shù)字波束合成技術(shù)，使天線陣的主瓣始終對(duì)準(zhǔn)期望信號(hào)而在干擾方向上形成零點(diǎn)，可以增加單個(gè)信號(hào)的信噪比，改善監(jiān)聽效果。當(dāng)存在同頻干擾時(shí)，該功能可以抑制干擾，分離出待測(cè)信號(hào)。波束合成的算法由數(shù)字處理器實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)進(jìn)行空間譜測(cè)向，根據(jù)測(cè)到的信號(hào)自動(dòng)形成合成波束。

4 結(jié)束語

采用空間譜估計(jì)測(cè)向技術(shù)和數(shù)字波束合成技術(shù)的短波信號(hào)測(cè)向定位系統(tǒng)具有高分辨率的信號(hào)測(cè)向功能和智能天線功能，集信號(hào)偵察、信號(hào)管理、信號(hào)測(cè)向、信號(hào)定位于一體，具有測(cè)向靈敏度高、測(cè)向定位準(zhǔn)確度高、可對(duì)同頻多信號(hào)和弱信號(hào)進(jìn)行測(cè)向、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，突破和解決了傳統(tǒng)測(cè)向系統(tǒng)的技術(shù)難題，適合于對(duì)短波信號(hào)的精確測(cè)向和定位。

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