基于空間譜估計的短波測向系統設計

甄雪嬌

(國家新聞出版廣電總局哈爾濱監測臺，哈爾濱 150089)

1 引言

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

2 測向方案選擇

傳統的短波測向技術有方向圖測向(利用強方向性天線或者天線陣進行全方向掃描，利用接收到的信號的最強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產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，因此仍然有著廣泛的應用［1］。

作為新的測向體制，空間譜估計測向主要根據無線電波信號為時域函數，以功率譜密度為頻域函數，采用無線電技術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境下，實現同時對多相干波，或者對同頻信號中的多個信號進行測向［2］?？臻g譜估計測向算法高效精準，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優缺點的比較［3］見表1。

表1 幾種常用短波測向技術比較

隨著智能天線技術的日漸成熟，智能天線也開始應用到無線測向領域中?；诳臻g譜估計和數字波束合成技術的新型測向體制無論是從理論角度還是工程角度來說，都克服了傳統測向方法的弊端，還延伸了傳統方法的優點。新的測向體制下的短波測向技術對于提高測向靈敏度和定位準確度，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］。

隨著數字信號處理技術的發展，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，不但降低了系統對模擬通道的要求，也增強了系統的靈活性。本系統的數據采集器是設置在多通道接收機的中頻處。接收機的工作波段為短波，但無論接收哪一頻道信號，中頻頻率總是固定不變的，這樣便于設計數據采集器并方便完成數據采集工作。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字信號處理技術獲得復包絡中的正交分量都是比較容易的。整個空間譜估計系統組成部分如圖1所示。

圖1 短波測向站系統組成

3 系統設計方案

一般來說，無線電測向系統由測向天線陣、監測天線、計算機、接收機、控制驅動設備、遙控設備以及電源系統等組成。無線電信號經監測或測向天線接收并送入接收機處理。接收機將1.5 MHz－30MHz的短波信號進行放大、變頻、濾波、數字化等處理后輸出測量結果數據。計算機通過網絡讀取接收機的測量結果，并通過無線電綜合監測軟件系統進行分析統計等處理后提供給用戶使用。本文設計的短波測向監測系統組成如圖2所示。

圖2 系統總體結構圖

總的來說，整個測向系統分為三大部分:天線、下位機(即硬件系統)和上位機(即軟件系統)。因此，對于短波測向系統的設計可以從以下三個方面進行:

天線陣設計:根據進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模糊，并且對短波頻段進行全覆蓋測向等要求，對天線陣系統設計進行精確計算，確定天線陣類型及結構參數。

下位機設計:包括地井內信號處理柜設計和遠程控制臺設計等。

一般來說，由測向天線陣接收空間的電磁信號，經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。經過相應的阻抗匹配后，天線接收的信號送入接收機。接收機將短波信號變換到模擬中頻信號，再分別送入數字處理器進行高速A/D采樣，把模擬信號轉化為對應的數字信號。A/D采樣模塊完成模擬中頻信號的采樣后進行變頻，變換到零中頻的數字中頻信號送到信號處理模塊進行數字處理，數字處理器中的信號處理模塊單元把采集的數字信號進行相應的處理和計算，經過空間譜估計算法以及數字波束合成算法的實現，生成相應的處理數據通過光纜傳輸給遠程控制臺的主控制器。主控制器再通過對應的數據采集處理，計算出天線陣接收信號的方位信息和角度信息。

上位機設計:包括系統總體控制、數據處理方法、網絡設置方法、頻率接收與調制、頻率測向與頻道測向方法與校正、數字波束形成及空間譜估計算法及實現等。

3.1 測向系統的硬件組成

基于系統整體設計方案，針對實際的短波測向定位系統，對硬件組成進行詳細設計。主要包括測向天線陣、信號處理柜、遠程控制臺等。

3.1.1 測向天線陣

系統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。系統測向天線位置分布如圖3所示。

測向天線陣為室外設備，負責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的測向指標。因此天線陣地的建設是否符合系統技術要求直接關系到整個系統的成敗。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電性能良好，并且具有一致性;圓心處有一放置設備的地井，地井高度低于1.5米。

圖3 天線位置圖

2.每個天線底部鋪設地網線，地網的鋪設按桿子中心16個方位均布，地網線的接地好壞直接影響示向的清晰穩定。

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備距離天線陣的最小距離滿足設計要求。

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、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。

2.九信道接收機:采用九信道接收機，接收頻率為1.5MHz－30MHz的短波信號。信號經一混、濾波后輸出中頻為41.4MHz。九信道接收機由高頻單元(9個)、頻率合成器單元、接口單元和電源單元組成。

3.數字處理器:數字處理器由DSP模塊、AD采樣模塊、時鐘模塊、接收機控制模塊、電源模塊等組成，為空間譜估計算法計算提供硬件環境。

數字處理器為整個系統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的信號采集計算和控制，與遠程控制臺進行控制命令和數據的交換;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境。

4.光纖終端盒:信號處理柜中的光纖終端盒是系統通信光纜經過戶外光纜進入天線地井中的光纜轉接單元。轉接后的光纜送至信號處理器的信號處理單元，實現和機房內遠程控制臺的數據通信。

3.1.3 遠程控制臺

遠程控制臺放置于監測機房內，通過光纜與測向天線陣相連接并進行數據傳輸和控制。遠程控制臺由主控制器、多媒體音響系統、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行數據通信，接收處理數據和發送控制命令。主控制器配備顯示器、PCI光通信接口卡、外接式光盤驅動器、鍵盤、鼠標。

2.多媒體音響系統:多媒體音響系統在遠程控制臺里為操作員提供接收信號的監聽控制。

3.光纖終端盒:遠程控制臺中的光纖終端盒是系統通信光纜經過戶外光纜進入工作機房的光纜轉接單元。轉接后的光纜送至主控制器的PCI光通信接口卡，實現和天線陣地井里信號處理柜的數據通信。

3.2 測向系統的軟件功能

3.2.1 系統操作控制功能

短波測向定位系統的功能集中實現于系統遠程控制臺界面。遠程操作控制臺向上通過網絡通信實現站間協作，向下對本站測向系統實施完全控制，主要包括測控操作、底層通信、數據處理與存儲、網絡聯接等模塊。實現的主要功能有:提供對測向系統的總體控制;對測向天線、接收機等硬件設備進行監測和遙控操作;實現完整的對目標信號測向、定位功能;提供智能天線的控制功能;提供測向網通信單元;提供測向數據查詢，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，測得結果也會有所不同。為提高測向準確度，采用連續多次測向結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果的空間二維方向坐標。一個方向點的坐標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

短波信道特性復雜多變，信號衰落嚴重，且其方位角和仰角隨季節、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，在接收頻帶內往往存在其它的干擾信號［5］。本系統采用數字波束合成技術，使天線陣的主瓣始終對準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，改善監聽效果。當存在同頻干擾時，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字處理器實現。系統進行空間譜測向，根據測到的信號自動形成合成波束。

4 結束語

采用空間譜估計測向技術和數字波束合成技術的短波信號測向定位系統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、測向定位準確度高、可對同頻多信號和弱信號進行測向、操作簡單等優點，突破和解決了傳統測向系統的技術難題，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］.吉林大學學報(工學版)，2014(2):490－496.

［2］Y J Zhang，Y P Zhou.An iterative approach to MVDR beamforming with multicycleoptimization［J］.International Journal of Electronics，2013，100(5):616－625.

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

［4］霍云波.基于空間譜估計測向技術的無線廣播電視監測系統設計［J］.廣播與電視技術，2013(5):100－103.

［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.