便攜式無線電測向技術及其系統設計

孫雅彬

目前，大部分地區已經建立了無線電監測網，但隨著城市的不斷發展，各個城市的電磁環境也隨之復雜起來，出現了各種各樣的問題。主要問題有：建站數量少覆蓋范圍有限、建設成本高、維護手續比較復雜。因為當前城市建設的不斷發展使城市內的電磁環境十分復雜，已經在局部區域內影響了正常的無線電通信業務，正是因為小功率電器的隨意建立，導致大型檢測站在有些情況下檢測不到，且小型功率設備發射信號經不住復雜的電磁環境干擾。

當前已經有了解決這一問題的方法，即建設小型的無線電監測系統。對比大型檢測設備這種監測裝置，在局部地區發揮著巨大作用。其效率更高、更實用，成本也相對較低。便攜式無線電監測系統的功能比較具有針對性，且檢測范圍有限，只能針對服務于某種任務或特殊任務，且適合在偏遠的山區移動，達到無線電檢測網絡全覆蓋的目的。

1 世界便攜式無線電測向系統發展趨勢

測向技術可以大概分為“有源測向”和“無源測向”兩種方向。二者的區別主要在于是否需要主動發射電磁波來探尋所需尋找目標的位置，就目前的發展來說，世界上主要的測向算法有以下幾種類型。

一是幅度比較式。這種方式主要是通過測向技術來從各個方向接收信號來測定方向。這種方式原理簡單、成本低廉，但極容易受到間距誤差的影響。

二是沃森-瓦特式。這種測向方式主要是采取計算求解的方式達到測向目的。其測向效率高，但體制測向天線較小，這就對靈敏度造成了限制。

三是干涉儀測向體制。這一類型主要是通過接受不同的相位測定來波方向，靈敏度高，有一定的抗波前失真能力。

四是多普勒測向體制。利用電波在傳播過程中所產生的多普勒效應測定來波方向。

無線電的輸送方式主要是通過標準化、模塊化硬件平臺做依托來實現。無線電的輸送模式應是一種可變制式的無線電調制模式，而無線電測向視圖本身也是一個接收機模式。現如今，越來越多基于數字信號處理層次的算法被研究者提出來，只是降低了市場對模擬通道的要求，同時增強了測向系統的靈活性。這種空間模擬通道的估計測向體制可以通過接收各個單元的電波，極大便利了系統對于無線電信號的檢測。這種檢測方式測試準確度高、對環境工作環境要求低。所以，這種方式是在繼承傳統方式優點的基礎上對現在這種情況進行了一些改造，已經成為當前情況下最適合進行對電波信號檢測的形式。本文所要研究的便攜式測向系統，從重量上來說不能過重，且掃描范圍一定要在合適的區間之內、掃描速度也不能很慢，必須有較強的靈敏度。

2 便攜式無線電測向系統方案設計

在進行系統設計時，需要采用從頭至尾、從大到小的一種策劃思想，細致、細膩的對于這個系統方案進行設計和分析。學術界對于測向方法有很多種評價指標，如果要滿足便攜式測向系統的要求這就需要結合實際需求，根據對于檢測系統靈敏度的要求對于測向系統準確性的要求，對于最小測向時間和工作頻率范圍以及實現復雜程度等等方面的要求，來進行方案設計與方案選擇。

在確定測向系統所需要使用的算法之后，可以根據系統所需要的設備和電路的要求來設計整體的方案。由于側向系統所采用的干涉設施和幅度比較方法，作為系統的基本算法，所以系統的軟件方案設計就不需要在滿足這兩個算法的基礎上進行。對于干涉算法來說，則需要通過在于測量數據相位差的計算來獲得想要獲得的數據，但在干涉式算法進行運算時，需要一個類似羅盤的設備來指示方向，所以如果要使用干涉式算法，就必須使用電子羅盤獲取電波方向和頻率大小。

現在的測量系統所采用的測試通道更加簡便易操作，只需要一個接收機的通道，就能滿足干涉式算法對系統資源的需求。

對發射源頭的電波進行定位時，一定要確定好測向機械所在的位置，再經過嚴密的數字計算來完成信息定位。對于測向機械的定位，可以通過GPS定位系統來進行探查。通過GPS定位系統和計算機的運算就可以很輕易找到測向機械的準確位置。除此之外，GIS系統里的一些常規地圖操作也可以找到計算測向機械所在的位置。不過利用GIS測量的前提是硬件配置里必須存在這一配件，將GIS作為系統配置雖然成本較高，但其能夠提高系統整體的靈活性敏感性，也是值得投資的。

整體測向系統一般都分為天線和硬件系統軟件系統三部分。

天線部分一般包括干涉式測向的天線陣列和定向天線，這兩種天線同時連接，才能夠完成對開關陣列的同時傳送。

硬件系統對測向機械來說是最主要的組成部分，包括較多的硬件設施，接口電路能夠完成各個組成部分的連接。

軟件系統是標準的PC系統，對計算機的要求不是很高，只需與硬件系統相結合即可。根據當成方案能夠設置出支持單機定位和聯機的兩種定位模式，利用不同地點的不同測量結果，每臺測向機都能通過不同地點的測量，結果會在AI、GIS上形成交匯區域。在這種模式上要找長的測量時間對這些頻率進行測量，測量結果將會以短信方式進行輸送，通過GIS計算最終在測向機上形成最后的測量結果，或是在進行聯機定位上十多臺測向機可以在不同工作地點對同一個電波頻率進行測量，這樣就大大提高了檢測結果效率。

本文主要探討的是便攜式無線監測系統硬件的設計和實現，對于測量方向系統硬件系統的設計，首先要了解測向系統對硬件系統的需求分析。然后根據所得到的數據分析來設計測向系統的框架，并進行逐一調解和設計。

硬件系統包括GPS短信、電子羅盤接收機接口電路等方面。GPS能夠獲得機械的位置然后為相機進行計算打下基礎。這一步驟對GPS的要求并不是很高，只要滿足機械功能需求就可以。

短信模塊功能主要是為了在進行聯機檢測時能夠準確接收信息。在進行軟件裝配時，電子羅盤是最重要的。所以對于電子羅盤的選擇一定要十分謹慎，電子羅盤的質量和測量范圍的挑選都是一個極為重要。工作人員一定要提前做好功課。

3 硬件系統的實現

對于硬件系統框架，要在確定各個模塊的電路接口后，給各個模塊分配任務，保證各模塊的接口是準確的。除此之外，在進行車廂系統硬件的建設時一定要采取質量優良的零件，這樣才能保證機械的工作性能。

3.1 電子開關

首先是對電子開關的選用，對于電子開關的選用所選的開關芯片一定要質量過關，能夠運用于電子板。其次是選用直接數字式頻率合成器，這樣能夠利用較多專業技能進行工作。所選用的直接數字式頻率合成器主要有兩個同步輸出通道。這樣隔離頻率較高，不需要進行濾波就可以直接使用。另外，為使系統的信號功率固定在一個穩定的信號范圍內，系統則需要承擔一些濾波，而VGA芯片則可以滿足系統的這一需求，增加該器件的增益性限度。

3.2 電子羅盤

系統在工作過程中，對于電子羅盤的需求是很難把握的，羅盤的成本和精密度成正比，羅盤對于精準度和靈敏度的高要求則決定了羅盤的性能不能太低。相對地，電子羅盤所需成本較高。所以，最適合的羅盤型號是三線式接口與控制器進行通訊的型號。

3.3 接口

測向系統對于計算機通訊接口的要求不高，對于計算機的通訊數量要求也較少，只需要較低的數據率就能夠滿足。為了簡化FPGA與計算機的通訊過程，降低便攜式測向系統的開發過程難度，工作人員可以在計算機上直接選用系統提供的函數格式編程。現在，隨著計算機技術的不斷發展，計算機上的USB接口可以直接通過轉換器實現。所以，根據以上原因，采用232接口芯片進行配置是最合適的。

4 電路的測試

4.1 射頻通道測試

射頻通道是硬件的核心系統，所以一個多通道接收機是十分重要的。可以根據各個通道之間的聯系，把射頻通道分為不同的類型進行調換，對開關前端的解調電路分別進行測試。最后進行連接，組成一個完整的射頻通道。這樣就能強化設計速度。

4.2 開關陣列

開關陣列需要滿足轉向雙通道功能，因為每個開關的芯片都可以雙向使用，所以，整個陣列只需要三片開關陣列。

4.3 射頻前端

射頻前端電路包括的部分較多，接收的信息也不同。濾波器需要滿足防止LNA因信號過強而飽和、過濾DDS的諧波、提高本振號的SFDR。由于這一部分工作量太大，可以分為四個不同的小組來對該部分進行調試，最后合并到一起進行組接。

4.4 解調電路

解調電路需要對信號進行調解和音頻信號放大，所以，在解調輸出過程中增加耳機的電路，不同的信號源會產生不同頻率的單音頻信號。

4.5 控制邏輯

控制邏輯系統既能夠完成銳RSSIU信號的采集，還能與MCU進行通信，同時還能通過接口電路完成與上級位的通信。PFGA、MCU則需要同步時鐘運行時序邏輯，所以，這一部分的主要工作是運行代碼和設計時序邏輯，避免產生數據方面的歧義。

5 結語

本文主要是對針對便攜式無線電監測軟硬件測向系統的設計進行一系列分析和探究，首先分析當前社會對便攜式無線電硬件運用的現狀和其發展前景。其次介紹了關于這個項目的開設背景和研究便攜式測向系統的意義，最后著重介紹了便攜式系統的設計過程以及在這一過程中用到的計算機算法。其中，干涉式算法和幅度算法在設計測向系統時起到了很大作用。

對于演算和系統調試過程中所發生的問題，應記錄下來并積極探討解決方案和解決方法。雖然對于測向系統的研究我國已經有了一定的成果，但在實際使用過程中還會遇到諸多問題。所以，希望本文所提出的一些方案和做法能夠為我國便攜式測向系統做出貢獻，促進便攜式測向系統進一步發展，使系統精度更加準確、便利。

[1]劉滿超.無線電測向方法研究[D].蘭州:蘭州大學,2013.

[2]包敦峰.無線電測向運動在江蘇省高職院校的推介研究[D].蘇州:蘇州大學,2010.

[3]王棟.無線電測向監測站場地測試及分析[D].天津:天津大學,2009.

[4]吳帥君.基于機載平臺的無線電測向技術研究與應用[D].蘭州:蘭州交通大學2017.

[5]劉利軍.淺論無線電測向技術及其應用[J].中國高新技術企業,2009(7).

[6]李鵬.雙通道相關干涉儀測向系統研究[D].西安:西安電子科技大學,2009.