擴(kuò)頻手機(jī)信號(hào)測向技術(shù)及其應(yīng)用研究

吳一帆　熊振偉

【摘要】 針對(duì)當(dāng)前基于比幅式測向?qū)U(kuò)頻移動(dòng)通信信號(hào)定位慢、精度低的問題，提出了一種新型的基于相關(guān)干涉儀技術(shù)的測向方法，該方法先通過解擴(kuò)擴(kuò)頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)與無關(guān)信號(hào)的分離及原始信號(hào)的還原，再通過相關(guān)干涉儀測向技術(shù)快速精確地對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行測向?；诒疚奶岢龅臏y向總體技術(shù)，理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)頻手機(jī)信號(hào)進(jìn)行快速精確測向定位，通過模擬仿真，驗(yàn)證了該技術(shù)的優(yōu)勢和可行性。

【關(guān)鍵詞】 相關(guān)干涉儀 擴(kuò)頻通信 解擴(kuò) 測向

一、研究背景

隨著近年來移動(dòng)通信的快速發(fā)展，移動(dòng)電話的應(yīng)用已經(jīng)滲透到人們生活的方方面面，人們一刻也離不開手機(jī)，因此通過定位手機(jī)終端位置來查找人員已成為某些部門的一種重要手段。

當(dāng)前對(duì)GSM手機(jī)測向定位所采用的原理是比幅測向法，該方式測向誤差大，定位時(shí)間長，容易被機(jī)主發(fā)現(xiàn)。

對(duì)于CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-

SCDMA等制式的手機(jī)信號(hào)，采用“驅(qū)趕”到GSM在目標(biāo)手機(jī)鎖定模式下，是無法測向定位的，存在缺陷。另一種方法是直接比幅測向，但是上述手機(jī)信號(hào)均采用擴(kuò)頻信號(hào)體制。一旦遇到多用戶信號(hào)重疊在同一段頻譜中的情況時(shí)，比幅測向法是無法測得目標(biāo)手機(jī)方位的。這就是目前市面上該類測向定位系統(tǒng)表現(xiàn)欠佳的最主要原因。

二、擴(kuò)頻手機(jī)信號(hào)特點(diǎn)

CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等手機(jī)信號(hào)都是基于碼分多址擴(kuò)頻信號(hào)體制，具有信號(hào)頻譜寬的特點(diǎn)，其中TD-SCDMA信號(hào)還具有時(shí)分多址的特點(diǎn)。

圖1 CDMA/CDMA2000頻譜信號(hào)

基于CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等信號(hào)的特點(diǎn)，以及目前多數(shù)對(duì)手機(jī)測向定位系統(tǒng)存在的性能缺陷，考慮采用基于高速相關(guān)干涉儀測向體制，結(jié)合擴(kuò)頻信號(hào)截獲/分離/解擴(kuò)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種手機(jī)信號(hào)測向定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)各類手機(jī)信號(hào)，尤其是擴(kuò)頻手機(jī)信號(hào)進(jìn)行近實(shí)時(shí)測向，達(dá)到測向快速，定位準(zhǔn)確的系統(tǒng)性能。

三、主要研究內(nèi)容

3.1 對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)截獲技術(shù)研究

表1 T網(wǎng)、W網(wǎng)、C網(wǎng)頻段分配表

運(yùn)營商 手機(jī)制式 頻譜分配

中國移動(dòng) TD-SCDMA 2010～2025MHz

中國聯(lián)通 WCDMA 1940～1955MHz

2130～2145MHz

中國電信 CDMA/CDMA2000 825～835MHz

870～880MHz

各擴(kuò)頻制式信號(hào)工作頻段從800MHz～2200MHz均有分布（詳見表1）。測向設(shè)備必須具備掃描速度快，處理頻段寬的信號(hào)探測能力。

CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA通信信號(hào)中，最大信號(hào)載波帶寬為W=20MHz（以此為瞬時(shí)處理帶寬），假設(shè)搜索分辨率為25kHz，最短信號(hào)持續(xù)時(shí)間為Td=0.5ms，為使系統(tǒng)具備Pint=100%信號(hào)截獲能力，需滿足掃描速率指標(biāo)為：

Rs=Pint*W/Td=100%*20MHz/0.5ms=40GHz/s@25kHz

3.2 對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)技術(shù)研究

CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等信號(hào)均基于碼分多址擴(kuò)頻信號(hào)體制，存在多用戶同頻通信的情況。需先將目標(biāo)信號(hào)從擴(kuò)頻信號(hào)中提取出來，目標(biāo)信號(hào)擾碼、擴(kuò)頻碼可通過移動(dòng)通信數(shù)據(jù)采集分析協(xié)議層及其他途徑獲取。

解擴(kuò)算法利用相關(guān)器在多個(gè)CDMA信號(hào)中選出使用預(yù)定PN碼的信號(hào)，把目標(biāo)信號(hào)展開的能量從寬帶上回收還原成原來的窄帶信號(hào)，而其他使用不同PN碼的信號(hào)不能被解調(diào)[1]仍維持寬帶，經(jīng)窄帶濾波后，將其從多個(gè)CDMA信號(hào)中提取出來。

當(dāng)接收機(jī)的本地PN碼與接收到的PN碼在結(jié)構(gòu)、頻率和相位上完全一致，才能成功解擴(kuò)，否則無法準(zhǔn)確可靠地獲取所發(fā)送的信息數(shù)據(jù)，PN碼同步過程分為PN碼捕獲（精同步）和PN碼跟蹤（細(xì)同步）兩部分。

圖2 雙積分滑動(dòng)相關(guān)精同步捕獲系統(tǒng)

由于不同制式的解擴(kuò)技術(shù)是不同的，因此需要對(duì)多種制式手機(jī)信號(hào)的解擴(kuò)技術(shù)進(jìn)行深入研究。

3.3 相關(guān)干涉儀測向算法研究

當(dāng)擴(kuò)頻信號(hào)被解擴(kuò)處理后，目標(biāo)信號(hào)便還原成為窄帶信號(hào)，此時(shí)可利用相關(guān)干涉儀體制對(duì)信號(hào)進(jìn)行來波方位的計(jì)算。

干涉式測向利用無線電波在接收天線陣的不同陣元上形成的相位差來確定源信號(hào)的方向，建立入射波方向與相位差之間的映射樣本集，將測量相位差與事先已存儲(chǔ)的樣本進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，求出相關(guān)數(shù)最大的樣本所映射的方向即為入射波方向[3-4]。

考慮到對(duì)天線外觀隱蔽性的要求，假設(shè)天線陣采用口徑為0.45m的5單元圓陣，采用長短基線法。假設(shè)測向天線及信道間的固有相位均方根誤差為20°，來波方位為90°，圖3 為800～900MHz頻段內(nèi)的測向精度的理論分析結(jié)果。假設(shè)相位誤差為20°，頻率分別為850MHz和2025MHz，圖4 為來波方位對(duì)測向精度的影響分析。

圖3 800～900MHz測向精度理論分析

由理論分析結(jié)果可知，該圓陣對(duì)擴(kuò)頻手機(jī)信號(hào)測向精度可控制在1.5°以下，且精度隨著頻率增加而提高。

圖4 不同來波方位測向精度理論分析

由理論分析結(jié)果可知，該圓陣對(duì)擴(kuò)頻手機(jī)信號(hào)的不同來波方位測向精度呈共軛分布，整頻段測向精度可控制在3°以下。

3.5 擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)算法和相關(guān)干涉儀測向體制融合技術(shù)研究

在對(duì)CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行測向時(shí)，需要將擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)與相關(guān)干涉儀測向兩者的軟件算法進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)、融合，同時(shí)對(duì)硬件進(jìn)行整合，從而在系統(tǒng)的整體處理速度、集成度上有一定的提升。（圖5）

將解擴(kuò)算法以模塊形式嵌入在相關(guān)干涉儀測向系統(tǒng)相關(guān)硬件中。在DDC處理、數(shù)字濾波后，根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)制式進(jìn)行數(shù)據(jù)重采樣適配該信號(hào)碼速率，然后解擴(kuò)處理將同步的五通道擴(kuò)頻信號(hào)還原成為五路同步窄帶信號(hào)，在實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)的同時(shí)，應(yīng)考慮保持五通道信號(hào)相位一致性，滿足后續(xù)相關(guān)干涉儀測向?qū)ο辔煌降囊蟆?/p>

四、仿真驗(yàn)證

圖6 ，圖7 分別為800～900MHz、1880～2170MHz頻段內(nèi)的測向精度的模型仿真結(jié)果。假設(shè)固有相位誤差仍為20°，入射角為0-360°全方位，仿真結(jié)果以等高線繪制。

圖6 800-900MHz測向精度仿真結(jié)果

圖7 1880-2170MHz測向精度仿真結(jié)果

五、結(jié)論

本文針對(duì)市面上常用比幅式移動(dòng)通信測向產(chǎn)品的應(yīng)用弊端，提出了基于相關(guān)干涉儀擴(kuò)頻信號(hào)測向的方法，理論上基于該方法的寬帶測向機(jī)可以高測向靈敏度、高測向精度、快速的對(duì)CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等制式的手機(jī)上行信號(hào)進(jìn)行測向定位，為解決手機(jī)終端技術(shù)定位難的問題提供了一套解決方案。