基于空間譜估計的短波測向系統(tǒng)設(shè)計

甄雪嬌

(國家新聞出版廣電總局哈爾濱監(jiān)測臺，哈爾濱 150089)

1 引言

測向系統(tǒng)在廣播電視信號監(jiān)測工作中具有非常重要的作用，通過對給定頻率進(jìn)行測向定位，可以及時發(fā)現(xiàn)不明電臺、違規(guī)電臺和非正常輻射，并及時排查和解決。設(shè)計一套短波測向定位系統(tǒng)，需要綜合考慮各方面的因素，包括根據(jù)測向精度和靈敏度等指標(biāo)選取無線電測向體制及其硬件實現(xiàn)途徑，根據(jù)測向定位流程設(shè)計系統(tǒng)整體方案等。本文設(shè)計的短波信號測向定位系統(tǒng)采用了空間譜估計測向技術(shù)和數(shù)字波束合成技術(shù)，實際應(yīng)用中具有測向靈敏度高、測向定位準(zhǔn)確度高、可對同頻多信號和弱信號進(jìn)行測向等優(yōu)點。

2 測向方案選擇

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

作為新的測向體制，空間譜估計測向主要根據(jù)無線電波信號為時域函數(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，實現(xiàn)同時對多相干波，或者對同頻信號中的多個信號進(jìn)行測向［2］。空間譜估計測向算法高效精準(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。幾種常用短波測向技術(shù)優(yōu)缺點的比較［3］見表1。

表1 幾種常用短波測向技術(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)用到無線測向領(lǐng)域中。基于空間譜估計和數(shù)字波束合成技術(shù)的新型測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)測向方法的弊端，還延伸了傳統(tǒng)方法的優(yōu)點。新的測向體制下的短波測向技術(shù)對于提高測向靈敏度和定位準(zhǔn)確度，提高對同頻多信號和弱信號的測向效果，提高抗干擾能力等，都有著十分重要的意義［4］。

隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，越來越多的信號處理算法被提出來，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，中頻頻率總是固定不變的，這樣便于設(shè)計數(shù)據(jù)采集器并方便完成數(shù)據(jù)采集工作。接收信號的帶寬相對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，無論用模擬電路還是用數(shù)字信號處理技術(shù)獲得復(fù)包絡(luò)中的正交分量都是比較容易的。整個空間譜估計系統(tǒng)組成部分如圖1所示。

圖1 短波測向站系統(tǒng)組成

3 系統(tǒng)設(shè)計方案

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

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

總的來說，整個測向系統(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，對于短波測向系統(tǒng)的設(shè)計可以從以下三個方面進(jìn)行:

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

下位機(jī)設(shè)計:包括地井內(nèi)信號處理柜設(shè)計和遠(yuǎn)程控制臺設(shè)計等。

一般來說，由測向天線陣接收空間的電磁信號，經(jīng)天線饋線接至地井工作站中信號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，天線接收的信號送入接收機(jī)。接收機(jī)將短波信號變換到模擬中頻信號，再分別送入數(shù)字處理器進(jìn)行高速A/D采樣，把模擬信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的數(shù)字信號。A/D采樣模塊完成模擬中頻信號的采樣后進(jìn)行變頻，變換到零中頻的數(shù)字中頻信號送到信號處理模塊進(jìn)行數(shù)字處理，數(shù)字處理器中的信號處理模塊單元把采集的數(shù)字信號進(jìn)行相應(yīng)的處理和計算，經(jīng)過空間譜估計算法以及數(shù)字波束合成算法的實現(xiàn)，生成相應(yīng)的處理數(shù)據(jù)通過光纜傳輸給遠(yuǎn)程控制臺的主控制器。主控制器再通過對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集處理，計算出天線陣接收信號的方位信息和角度信息。

上位機(jī)設(shè)計: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、頻率測向與頻道測向方法與校正、數(shù)字波束形成及空間譜估計算法及實現(xiàn)等。

3.1 測向系統(tǒng)的硬件組成

基于系統(tǒng)整體設(shè)計方案，針對實際的短波測向定位系統(tǒng)，對硬件組成進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。主要包括測向天線陣、信號處理柜、遠(yuǎn)程控制臺等。

3.1.1 測向天線陣

系統(tǒng)的測向天線采用專用于短波測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)測向天線位置分布如圖3所示。

測向天線陣為室外設(shè)備，負(fù)責(zé)對空間電磁信號的接收，測向天線陣地各天線單元的相對距離和相對角度的誤差直接影響到測向站系統(tǒng)的測向指標(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)系到整個系統(tǒng)的成敗。因此對天線陣提出了以下幾點要求:

1.天線場地為直徑大于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，其它所有對測向會造成干擾的設(shè)備距離天線陣的最小距離滿足設(shè)計要求。

3.1.2 信號處理柜

信號處理柜安置于天線陣中心的地井工作房里，信號處理柜由天饋匹配避雷器、九信道接收機(jī)、信號處理器、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。信號經(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)、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、時鐘模塊、接收機(jī)控制模塊、電源模塊等組成，為空間譜估計算法計算提供硬件環(huán)境。

數(shù)字處理器為整個系統(tǒng)的主要控制處理單元，它采用多DSP處理器完成對九信道接收機(jī)的信號采集計算和控制，與遠(yuǎn)程控制臺進(jìn)行控制命令和數(shù)據(jù)的交換;同時為空間譜估計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處理器的信號處理單元，實現(xiàn)和機(jī)房內(nèi)遠(yuǎn)程控制臺的數(shù)據(jù)通信。

3.1.3 遠(yuǎn)程控制臺

遠(yuǎn)程控制臺放置于監(jiān)測機(jī)房內(nèi)，通過光纜與測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)程控制臺里為操作員提供接收信號的監(jiān)聽控制。

3.光纖終端盒:遠(yuǎn)程控制臺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，實現(xiàn)和天線陣地井里信號處理柜的數(shù)據(jù)通信。

3.2 測向系統(tǒng)的軟件功能

3.2.1 系統(tǒng)操作控制功能

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

3.2.2 測向定位功能

由于短波信道性能存在快變化，即使每次測向之間時間相隔很短，測得結(jié)果也會有所不同。為提高測向準(zhǔn)確度，采用連續(xù)多次測向結(jié)果求平均值的辦法確定信號方向，合起來稱為一個測向過程。測向的結(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信號測向結(jié)果的空間二維方向坐標(biāo)。一個方向點的坐標(biāo)由方位角和仰角組成，視圖以圓周表示信號的方位角，以正北方向為方位0度;以半徑表示信號的仰角，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信號的3D空間譜圖，空間譜圖反映了最近一次測向時信號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［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準(zhǔn)期望信號而在干擾方向上形成零點，可以增加單個信號的信噪比，改善監(jiān)聽效果。當(dāng)存在同頻干擾時，該功能可以抑制干擾，分離出待測信號。波束合成的算法由數(shù)字處理器實現(xiàn)。系統(tǒng)進(jìn)行空間譜測向，根據(jù)測到的信號自動形成合成波束。

4 結(jié)束語

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

［1］司偉建，吳迪，陳濤.基于部分重合信號的空間譜估計新方法［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2014(2):490－496.

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［3］鄢恒聰.淺析主流無線電測向技術(shù)體制［J］.中國無線電，2006(4):27 －29.

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［5］R C de Lamare，L Wang，R Fa.Adaptive reduced－rank LCMV beamforming algorithms based on joint iterative optimization of filters:Design and analysis［J］.Signal Processing，2010，90(2):640 －652.