孫雅彬

目前，大部分地區(qū)已經(jīng)建立了無線電監(jiān)測網(wǎng)，但隨著城市的不斷發(fā)展，各個城市的電磁環(huán)境也隨之復(fù)雜起來，出現(xiàn)了各種各樣的問題。主要問題有：建站數(shù)量少覆蓋范圍有限、建設(shè)成本高、維護(hù)手續(xù)比較復(fù)雜。因?yàn)楫?dāng)前城市建設(shè)的不斷發(fā)展使城市內(nèi)的電磁環(huán)境十分復(fù)雜，已經(jīng)在局部區(qū)域內(nèi)影響了正常的無線電通信業(yè)務(wù)，正是因?yàn)樾」β孰娖鞯碾S意建立，導(dǎo)致大型檢測站在有些情況下檢測不到，且小型功率設(shè)備發(fā)射信號經(jīng)不住復(fù)雜的電磁環(huán)境干擾。

當(dāng)前已經(jīng)有了解決這一問題的方法，即建設(shè)小型的無線電監(jiān)測系統(tǒng)。對比大型檢測設(shè)備這種監(jiān)測裝置，在局部地區(qū)發(fā)揮著巨大作用。其效率更高、更實(shí)用，成本也相對較低。便攜式無線電監(jiān)測系統(tǒng)的功能比較具有針對性，且檢測范圍有限，只能針對服務(wù)于某種任務(wù)或特殊任務(wù)，且適合在偏遠(yuǎn)的山區(qū)移動，達(dá)到無線電檢測網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的目的。

1 世界便攜式無線電測向系統(tǒng)發(fā)展趨勢

測向技術(shù)可以大概分為“有源測向”和“無源測向”兩種方向。二者的區(qū)別主要在于是否需要主動發(fā)射電磁波來探尋所需尋找目標(biāo)的位置，就目前的發(fā)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(shù)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(jì)算求解的方式達(dá)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(chǎn)生的多普勒效應(yīng)測定來波方向。

無線電的輸送方式主要是通過標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化硬件平臺做依托來實(shí)現(xiàn)。無線電的輸送模式應(yīng)是一種可變制式的無線電調(diào)制模式，而無線電測向視圖本身也是一個接收機(jī)模式。現(xiàn)如今，越來越多基于數(shù)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(qiáng)了測向系統(tǒng)的靈活性。這種空間模擬通道的估計(jì)測向體制可以通過接收各個單元的電波，極大便利了系統(tǒng)對于無線電信號的檢測。這種檢測方式測試準(zhǔn)確度高、對環(huán)境工作環(huán)境要求低。所以，這種方式是在繼承傳統(tǒng)方式優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上對現(xiàn)在這種情況進(jìn)行了一些改造，已經(jīng)成為當(dāng)前情況下最適合進(jìn)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(tǒng)，從重量上來說不能過重，且掃描范圍一定要在合適的區(qū)間之內(nèi)、掃描速度也不能很慢，必須有較強(qiáng)的靈敏度。

2 便攜式無線電測向系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，需要采用從頭至尾、從大到小的一種策劃思想，細(xì)致、細(xì)膩的對于這個系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。學(xué)術(shù)界對于測向方法有很多種評價指標(biāo)，如果要滿足便攜式測向系統(tǒng)的要求這就需要結(jié)合實(shí)際需求，根據(jù)對于檢測系統(tǒng)靈敏度的要求對于測向系統(tǒng)準(zhǔn)確性的要求，對于最小測向時間和工作頻率范圍以及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度等等方面的要求，來進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與方案選擇。

在確定測向系統(tǒng)所需要使用的算法之后，可以根據(jù)系統(tǒng)所需要的設(shè)備和電路的要求來設(shè)計(jì)整體的方案。由于側(cè)向系統(tǒng)所采用的干涉設(shè)施和幅度比較方法，作為系統(tǒng)的基本算法，所以系統(tǒng)的軟件方案設(shè)計(jì)就不需要在滿足這兩個算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行。對于干涉算法來說，則需要通過在于測量數(shù)據(jù)相位差的計(jì)算來獲得想要獲得的數(shù)據(jù)，但在干涉式算法進(jìn)行運(yùn)算時，需要一個類似羅盤的設(shè)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(xiàn)在的測量系統(tǒng)所采用的測試通道更加簡便易操作，只需要一個接收機(jī)的通道，就能滿足干涉式算法對系統(tǒng)資源的需求。

對發(fā)射源頭的電波進(jìn)行定位時，一定要確定好測向機(jī)械所在的位置，再經(jīng)過嚴(yán)密的數(shù)字計(jì)算來完成信息定位。對于測向機(jī)械的定位，可以通過GPS定位系統(tǒng)來進(jìn)行探查。通過GPS定位系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)的運(yùn)算就可以很輕易找到測向機(jī)械的準(zhǔn)確位置。除此之外，GIS系統(tǒng)里的一些常規(guī)地圖操作也可以找到計(jì)算測向機(jī)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(tǒng)配置雖然成本較高，但其能夠提高系統(tǒng)整體的靈活性敏感性，也是值得投資的。

整體測向系統(tǒng)一般都分為天線和硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)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(guān)陣列的同時傳送。

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

軟件系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)的PC系統(tǒng)，對計(jì)算機(jī)的要求不是很高，只需與硬件系統(tǒng)相結(jié)合即可。根據(jù)當(dāng)成方案能夠設(shè)置出支持單機(jī)定位和聯(lián)機(jī)的兩種定位模式，利用不同地點(diǎn)的不同測量結(jié)果，每臺測向機(jī)都能通過不同地點(diǎn)的測量，結(jié)果會在AI、GIS上形成交匯區(qū)域。在這種模式上要找長的測量時間對這些頻率進(jìn)行測量，測量結(jié)果將會以短信方式進(jìn)行輸送，通過GIS計(jì)算最終在測向機(jī)上形成最后的測量結(jié)果，或是在進(jìn)行聯(lián)機(jī)定位上十多臺測向機(jī)可以在不同工作地點(diǎn)對同一個電波頻率進(jìn)行測量，這樣就大大提高了檢測結(jié)果效率。

本文主要探討的是便攜式無線監(jiān)測系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，對于測量方向系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先要了解測向系統(tǒng)對硬件系統(tǒng)的需求分析。然后根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)分析來設(shè)計(jì)測向系統(tǒng)的框架，并進(jìn)行逐一調(diào)解和設(shè)計(jì)。

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

短信模塊功能主要是為了在進(jìn)行聯(lián)機(jī)檢測時能夠準(zhǔn)確接收信息。在進(jìn)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(jǐn)慎，電子羅盤的質(zhì)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(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

對于硬件系統(tǒng)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(wù)，保證各模塊的接口是準(zhǔn)確的。除此之外，在進(jìn)行車廂系統(tǒng)硬件的建設(shè)時一定要采取質(zhì)量優(yōu)良的零件，這樣才能保證機(jī)械的工作性能。

3.1 電子開關(guān)

首先是對電子開關(guān)的選用，對于電子開關(guān)的選用所選的開關(guān)芯片一定要質(zhì)量過關(guān)，能夠運(yùn)用于電子板。其次是選用直接數(shù)字式頻率合成器，這樣能夠利用較多專業(yè)技能進(jìn)行工作。所選用的直接數(shù)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(jìn)行濾波就可以直接使用。另外，為使系統(tǒng)的信號功率固定在一個穩(wěn)定的信號范圍內(nèi)，系統(tǒng)則需要承擔(dān)一些濾波，而VGA芯片則可以滿足系統(tǒng)的這一需求，增加該器件的增益性限度。

3.2 電子羅盤

系統(tǒng)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(zhǔn)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(jìn)行通訊的型號。

3.3 接口

測向系統(tǒng)對于計(jì)算機(jī)通訊接口的要求不高，對于計(jì)算機(jī)的通訊數(shù)量要求也較少，只需要較低的數(shù)據(jù)率就能夠滿足。為了簡化FPGA與計(jì)算機(jī)的通訊過程，降低便攜式測向系統(tǒng)的開發(fā)過程難度，工作人員可以在計(jì)算機(jī)上直接選用系統(tǒng)提供的函數(shù)格式編程?，F(xiàn)在，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)上的USB接口可以直接通過轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。所以，根據(jù)以上原因，采用232接口芯片進(jìn)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(tǒng)，所以一個多通道接收機(jī)是十分重要的?？梢愿鶕?jù)各個通道之間的聯(lián)系，把射頻通道分為不同的類型進(jìn)行調(diào)換，對開關(guān)前端的解調(diào)電路分別進(jìn)行測試。最后進(jìn)行連接，組成一個完整的射頻通道。這樣就能強(qiáng)化設(shè)計(jì)速度。

4.2 開關(guān)陣列

開關(guān)陣列需要滿足轉(zhuǎn)向雙通道功能，因?yàn)槊總€開關(guān)的芯片都可以雙向使用，所以，整個陣列只需要三片開關(guān)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(qiáng)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(jìn)行調(diào)試，最后合并到一起進(jìn)行組接。

4.4 解調(diào)電路

解調(diào)電路需要對信號進(jìn)行調(diào)解和音頻信號放大，所以，在解調(diào)輸出過程中增加耳機(jī)的電路，不同的信號源會產(chǎn)生不同頻率的單音頻信號。

4.5 控制邏輯

控制邏輯系統(tǒng)既能夠完成銳RSSIU信號的采集，還能與MCU進(jìn)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(yùn)行時序邏輯，所以，這一部分的主要工作是運(yùn)行代碼和設(shè)計(jì)時序邏輯，避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)方面的歧義。

5 結(jié)語

本文主要是對針對便攜式無線電監(jiān)測軟硬件測向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行一系列分析和探究，首先分析當(dāng)前社會對便攜式無線電硬件運(yùn)用的現(xiàn)狀和其發(fā)展前景。其次介紹了關(guān)于這個項(xiàng)目的開設(shè)背景和研究便攜式測向系統(tǒng)的意義，最后著重介紹了便攜式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程以及在這一過程中用到的計(jì)算機(jī)算法。其中，干涉式算法和幅度算法在設(shè)計(jì)測向系統(tǒng)時起到了很大作用。

對于演算和系統(tǒng)調(diào)試過程中所發(fā)生的問題，應(yīng)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(tǒng)的研究我國已經(jīng)有了一定的成果，但在實(shí)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?yàn)槲覈銛y式測向系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)，促進(jìn)便攜式測向系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展，使系統(tǒng)精度更加準(zhǔn)確、便利。

[1]劉滿超.無線電測向方法研究[D].蘭州:蘭州大學(xué),2013.

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

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

[4]吳帥君.基于機(jī)載平臺的無線電測向技術(shù)研究與應(yīng)用[D].蘭州:蘭州交通大學(xué)2017.

[5]劉利軍.淺論無線電測向技術(shù)及其應(yīng)用[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2009(7).

[6]李鵬.雙通道相關(guān)干涉儀測向系統(tǒng)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2009.