擴頻手機信號測向技術及其應用研究

吳一帆　熊振偉

【摘要】 針對當前基于比幅式測向對擴頻移動通信信號定位慢、精度低的問題，提出了一種新型的基于相關干涉儀技術的測向方法，該方法先通過解擴擴頻信號，實現目標信號與無關信號的分離及原始信號的還原，再通過相關干涉儀測向技術快速精確地對目標信號進行測向?；诒疚奶岢龅臏y向總體技術，理論上可以實現對擴頻手機信號進行快速精確測向定位，通過模擬仿真，驗證了該技術的優勢和可行性。

【關鍵詞】 相關干涉儀 擴頻通信 解擴 測向

一、研究背景

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

當前對GSM手機測向定位所采用的原理是比幅測向法，該方式測向誤差大，定位時間長，容易被機主發現。

對于CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-

SCDMA等制式的手機信號，采用“驅趕”到GSM在目標手機鎖定模式下，是無法測向定位的，存在缺陷。另一種方法是直接比幅測向，但是上述手機信號均采用擴頻信號體制。一旦遇到多用戶信號重疊在同一段頻譜中的情況時，比幅測向法是無法測得目標手機方位的。這就是目前市面上該類測向定位系統表現欠佳的最主要原因。

二、擴頻手機信號特點

CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等手機信號都是基于碼分多址擴頻信號體制，具有信號頻譜寬的特點，其中TD-SCDMA信號還具有時分多址的特點。

圖1 CDMA/CDMA2000頻譜信號

基于CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等信號的特點，以及目前多數對手機測向定位系統存在的性能缺陷，考慮采用基于高速相關干涉儀測向體制，結合擴頻信號截獲/分離/解擴技術，設計一種手機信號測向定位系統。該系統可對各類手機信號，尤其是擴頻手機信號進行近實時測向，達到測向快速，定位準確的系統性能。

三、主要研究內容

3.1 對擴頻信號截獲技術研究

表1 T網、W網、C網頻段分配表

運營商 手機制式 頻譜分配

中國移動 TD-SCDMA 2010～2025MHz

中國聯通 WCDMA 1940～1955MHz

2130～2145MHz

中國電信 CDMA/CDMA2000 825～835MHz

870～880MHz

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

CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA通信信號中，最大信號載波帶寬為W=20MHz（以此為瞬時處理帶寬），假設搜索分辨率為25kHz，最短信號持續時間為Td=0.5ms，為使系統具備Pint=100%信號截獲能力，需滿足掃描速率指標為：

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

3.2 對擴頻信號解擴技術研究

CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等信號均基于碼分多址擴頻信號體制，存在多用戶同頻通信的情況。需先將目標信號從擴頻信號中提取出來，目標信號擾碼、擴頻碼可通過移動通信數據采集分析協議層及其他途徑獲取。

解擴算法利用相關器在多個CDMA信號中選出使用預定PN碼的信號，把目標信號展開的能量從寬帶上回收還原成原來的窄帶信號，而其他使用不同PN碼的信號不能被解調[1]仍維持寬帶，經窄帶濾波后，將其從多個CDMA信號中提取出來。

當接收機的本地PN碼與接收到的PN碼在結構、頻率和相位上完全一致，才能成功解擴，否則無法準確可靠地獲取所發送的信息數據，PN碼同步過程分為PN碼捕獲（精同步）和PN碼跟蹤（細同步）兩部分。

圖2 雙積分滑動相關精同步捕獲系統

由于不同制式的解擴技術是不同的，因此需要對多種制式手機信號的解擴技術進行深入研究。

3.3 相關干涉儀測向算法研究

當擴頻信號被解擴處理后，目標信號便還原成為窄帶信號，此時可利用相關干涉儀體制對信號進行來波方位的計算。

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的樣本進行相關運算，求出相關數最大的樣本所映射的方向即為入射波方向[3-4]。

考慮到對天線外觀隱蔽性的要求，假設天線陣采用口徑為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頻段內的測向精度的理論分析結果。假設相位誤差為20°，頻率分別為850MHz和2025MHz，圖4 為來波方位對測向精度的影響分析。

圖3 800～900MHz測向精度理論分析

由理論分析結果可知，該圓陣對擴頻手機信號測向精度可控制在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

由理論分析結果可知，該圓陣對擴頻手機信號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 擴頻信號解擴算法和相關干涉儀測向體制融合技術研究

在對CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等擴頻信號進行測向時，需要將擴頻信號解擴與相關干涉儀測向兩者的軟件算法進行優化、改進、融合，同時對硬件進行整合，從而在系統的整體處理速度、集成度上有一定的提升。（圖5）

將解擴算法以模塊形式嵌入在相關干涉儀測向系統相關硬件中。在DDC處理、數字濾波后，根據不同網絡制式進行數據重采樣適配該信號碼速率，然后解擴處理將同步的五通道擴頻信號還原成為五路同步窄帶信號，在實現解擴的同時，應考慮保持五通道信號相位一致性，滿足后續相關干涉儀測向對相位同步的要求。

四、仿真驗證

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

圖6 800-900MHz測向精度仿真結果

圖7 1880-2170MHz測向精度仿真結果

五、結論

本文針對市面上常用比幅式移動通信測向產品的應用弊端，提出了基于相關干涉儀擴頻信號測向的方法，理論上基于該方法的寬帶測向機可以高測向靈敏度、高測向精度、快速的對CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等制式的手機上行信號進行測向定位，為解決手機終端技術定位難的問題提供了一套解決方案。