便携式无线电测向技术及其系统设计

孙雅彬

目前，大部分地区已经建立了无线电监测网，但随着城市的不断发展，各个城市的电磁环境也随之复杂起来，出现了各种各样的问题。主要问题有：建站数量少覆盖范围有限、建设成本高、维护手续比较复杂。因为当前城市建设的不断发展使城市内的电磁环境十分复杂，已经在局部区域内影响了正常的无线电通信业务，正是因为小功率电器的随意建立，导致大型检测站在有些情况下检测不到，且小型功率设备发射信号经不住复杂的电磁环境干扰。

当前已经有了解决这一问题的方法，即建设小型的无线电监测系统。对比大型检测设备这种监测装置，在局部地区发挥着巨大作用。其效率更高、更实用，成本也相对较低。便携式无线电监测系统的功能比较具有针对性，且检测范围有限，只能针对服务于某种任务或特殊任务，且适合在偏远的山区移动，达到无线电检测网络全覆盖的目的。

1 世界便携式无线电测向系统发展趋势

测向技术可以大概分为“有源测向”和“无源测向”两种方向。二者的区别主要在于是否需要主动发射电磁波来探寻所需寻找目标的位置，就目前的发展来说，世界上主要的测向算法有以下几种类型。

一是幅度比较式。这种方式主要是通过测向技术来从各个方向接收信号来测定方向。这种方式原理简单、成本低廉，但极容易受到间距误差的影响。

二是沃森-瓦特式。这种测向方式主要是采取计算求解的方式达到测向目的。其测向效率高，但体制测向天线较小，这就对灵敏度造成了限制。

三是干涉仪测向体制。这一类型主要是通过接受不同的相位测定来波方向，灵敏度高，有一定的抗波前失真能力。

四是多普勒测向体制。利用电波在传播过程中所产生的多普勒效应测定来波方向。

无线电的输送方式主要是通过标准化、模块化硬件平台做依托来实现。无线电的输送模式应是一种可变制式的无线电调制模式，而无线电测向视图本身也是一个接收机模式。现如今，越来越多基于数字信号处理层次的算法被研究者提出来，只是降低了市场对模拟通道的要求，同时增强了测向系统的灵活性。这种空间模拟通道的估计测向体制可以通过接收各个单元的电波，极大便利了系统对于无线电信号的检测。这种检测方式测试准确度高、对环境工作环境要求低。所以，这种方式是在继承传统方式优点的基础上对现在这种情况进行了一些改造，已经成为当前情况下最适合进行对电波信号检测的形式。本文所要研究的便携式测向系统，从重量上来说不能过重，且扫描范围一定要在合适的区间之内、扫描速度也不能很慢，必须有较强的灵敏度。

2 便携式无线电测向系统方案设计

在进行系统设计时，需要采用从头至尾、从大到小的一种策划思想，细致、细腻的对于这个系统方案进行设计和分析。学术界对于测向方法有很多种评价指标，如果要满足便携式测向系统的要求这就需要结合实际需求，根据对于检测系统灵敏度的要求对于测向系统准确性的要求，对于最小测向时间和工作频率范围以及实现复杂程度等等方面的要求，来进行方案设计与方案选择。

在确定测向系统所需要使用的算法之后，可以根据系统所需要的设备和电路的要求来设计整体的方案。由于侧向系统所采用的干涉设施和幅度比较方法，作为系统的基本算法，所以系统的软件方案设计就不需要在满足这两个算法的基础上进行。对于干涉算法来说，则需要通过在于测量数据相位差的计算来获得想要获得的数据，但在干涉式算法进行运算时，需要一个类似罗盘的设备来指示方向，所以如果要使用干涉式算法，就必须使用电子罗盘获取电波方向和频率大小。

现在的测量系统所采用的测试通道更加简便易操作，只需要一个接收机的通道，就能满足干涉式算法对系统资源的需求。

对发射源头的电波进行定位时，一定要确定好测向机械所在的位置，再经过严密的数字计算来完成信息定位。对于测向机械的定位，可以通过GPS定位系统来进行探查。通过GPS定位系统和计算机的运算就可以很轻易找到测向机械的准确位置。除此之外，GIS系统里的一些常规地图操作也可以找到计算测向机械所在的位置。不过利用GIS测量的前提是硬件配置里必须存在这一配件，将GIS作为系统配置虽然成本较高，但其能够提高系统整体的灵活性敏感性，也是值得投资的。

整体测向系统一般都分为天线和硬件系统软件系统三部分。

天线部分一般包括干涉式测向的天线阵列和定向天线，这两种天线同时连接，才能够完成对开关阵列的同时传送。

硬件系统对测向机械来说是最主要的组成部分，包括较多的硬件设施，接口电路能够完成各个组成部分的连接。

软件系统是标准的PC系统，对计算机的要求不是很高，只需与硬件系统相结合即可。根据当成方案能够设置出支持单机定位和联机的两种定位模式，利用不同地点的不同测量结果，每台测向机都能通过不同地点的测量，结果会在AI、GIS上形成交汇区域。在这种模式上要找长的测量时间对这些频率进行测量，测量结果将会以短信方式进行输送，通过GIS计算最终在测向机上形成最后的测量结果，或是在进行联机定位上十多台测向机可以在不同工作地点对同一个电波频率进行测量，这样就大大提高了检测结果效率。

本文主要探讨的是便携式无线监测系统硬件的设计和实现，对于测量方向系统硬件系统的设计，首先要了解测向系统对硬件系统的需求分析。然后根据所得到的数据分析来设计测向系统的框架，并进行逐一调解和设计。

硬件系统包括GPS短信、电子罗盘接收机接口电路等方面。GPS能够获得机械的位置然后为相机进行计算打下基础。这一步骤对GPS的要求并不是很高，只要满足机械功能需求就可以。

短信模块功能主要是为了在进行联机检测时能够准确接收信息。在进行软件装配时，电子罗盘是最重要的。所以对于电子罗盘的选择一定要十分谨慎，电子罗盘的质量和测量范围的挑选都是一个极为重要。工作人员一定要提前做好功课。

3 硬件系统的实现

对于硬件系统框架，要在确定各个模块的电路接口后，给各个模块分配任务，保证各模块的接口是准确的。除此之外，在进行车厢系统硬件的建设时一定要采取质量优良的零件，这样才能保证机械的工作性能。

3.1 电子开关

首先是对电子开关的选用，对于电子开关的选用所选的开关芯片一定要质量过关，能够运用于电子板。其次是选用直接数字式频率合成器，这样能够利用较多专业技能进行工作。所选用的直接数字式频率合成器主要有两个同步输出通道。这样隔离频率较高，不需要进行滤波就可以直接使用。另外，为使系统的信号功率固定在一个稳定的信号范围内，系统则需要承担一些滤波，而VGA芯片则可以满足系统的这一需求，增加该器件的增益性限度。

3.2 电子罗盘

系统在工作过程中，对于电子罗盘的需求是很难把握的，罗盘的成本和精密度成正比，罗盘对于精准度和灵敏度的高要求则决定了罗盘的性能不能太低。相对地，电子罗盘所需成本较高。所以，最适合的罗盘型号是三线式接口与控制器进行通讯的型号。

3.3 接口

测向系统对于计算机通讯接口的要求不高，对于计算机的通讯数量要求也较少，只需要较低的数据率就能够满足。为了简化FPGA与计算机的通讯过程，降低便携式测向系统的开发过程难度，工作人员可以在计算机上直接选用系统提供的函数格式编程。现在，随着计算机技术的不断发展，计算机上的USB接口可以直接通过转换器实现。所以，根据以上原因，采用232接口芯片进行配置是最合适的。

4 电路的测试

4.1 射频通道测试

射频通道是硬件的核心系统，所以一个多通道接收机是十分重要的。可以根据各个通道之间的联系，把射频通道分为不同的类型进行调换，对开关前端的解调电路分别进行测试。最后进行连接，组成一个完整的射频通道。这样就能强化设计速度。

4.2 开关阵列

开关阵列需要满足转向双通道功能，因为每个开关的芯片都可以双向使用，所以，整个阵列只需要三片开关阵列。

4.3 射频前端

射频前端电路包括的部分较多，接收的信息也不同。滤波器需要满足防止LNA因信号过强而饱和、过滤DDS的谐波、提高本振号的SFDR。由于这一部分工作量太大，可以分为四个不同的小组来对该部分进行调试，最后合并到一起进行组接。

4.4 解调电路

解调电路需要对信号进行调解和音频信号放大，所以，在解调输出过程中增加耳机的电路，不同的信号源会产生不同频率的单音频信号。

4.5 控制逻辑

控制逻辑系统既能够完成锐RSSIU信号的采集，还能与MCU进行通信，同时还能通过接口电路完成与上级位的通信。PFGA、MCU则需要同步时钟运行时序逻辑，所以，这一部分的主要工作是运行代码和设计时序逻辑，避免产生数据方面的歧义。

5 结语

本文主要是对针对便携式无线电监测软硬件测向系统的设计进行一系列分析和探究，首先分析当前社会对便携式无线电硬件运用的现状和其发展前景。其次介绍了关于这个项目的开设背景和研究便携式测向系统的意义，最后着重介绍了便携式系统的设计过程以及在这一过程中用到的计算机算法。其中，干涉式算法和幅度算法在设计测向系统时起到了很大作用。

对于演算和系统调试过程中所发生的问题，应记录下来并积极探讨解决方案和解决方法。虽然对于测向系统的研究我国已经有了一定的成果，但在实际使用过程中还会遇到诸多问题。所以，希望本文所提出的一些方案和做法能够为我国便携式测向系统做出贡献，促进便携式测向系统进一步发展，使系统精度更加准确、便利。

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