天线控制器中含有 GPS定位系统用于获取监测 点的经纬度和海拔高度等信息 ,此外还有系统复位 、 电机复位以及电机控制和数据采集电路 。天线控制 器通过 RS - 232串口与主控机相连 ,接收来自主控机 的控制命令对监测天线进行控制 。其中控制方式分 为两种 ,一种是控制天线在 0°～360°范围内水平转 动 ,一种是控制天线在 - 10°～90°范围内的俯仰转动 。 两种控制方式可以单独选择 ,也可以同时选择 。控制 水平和俯仰转动的电机 ,采用德国生产电机 ,转动稳 定可靠且精度非常高 。
图 2 频谱图显示及典型点的位置
图 3 典型信号列表
捕获随机信号能力强 ,系统可以进行方位 360°的 粗测和选定范围的细测 ,并随时记录测试到的信息 , 两种方式结合使用非常灵活方便 ,能够方便地捕获到 随机信号的信息 。
测向误差能够满足无线电测试的需要 ,粗测的最 大误差为 5°,细测的最大误差为 2°,这个结果能满足 无线电测试的需要 。 参考文献 :
引言
技术的进步 ,使得通信事业得以迅猛的发展 ,随 之而来的是无线电信号之间的干扰越来越严重 ,无线 电监测人员的工作量也更加艰巨 ,由于无线电信号调 制方式的多样性 ,无线电信号分布的随机性 ,使得无 线电干扰信号的查处更加困难 。同时 ,在查处干扰的 过程中 ,需要对干扰信号进行必要的分析 ,以确定干 扰信号所占频谱的宽度和对干扰信号的识别 ,这样就 更加有利于确定干扰信号的位置 ,以及确定到底是那 个台站发射的无线电信号 。目前在无线电测向中存 在着许多不可调和的矛盾和缺点 ,主要体现在以下几 个方面 : ①测向手段和方法不少 ,但是所需要的设备 比较笨重 ,不便于携带 ,有的测向设备虽然简单便于 携带但是测向精度难以满足要求 ; ②目前的测向设备 主要是各种专用的测向仪器 ,测量的频谱范围受到限 制 ,而且进行信号分析的功能非常有限 ,不能满足要 求 ; ③目前的测向设备在捕获随机信号的过程中存在 很大的缺陷 ,使得干扰信号难以抓取 。
角度测量的方差为 :
D [θ^ ] = D [m ax (θ +Δθ) ] = D [Δθ]
设监测门限处的信号电平为 A (最大增益电平的
一半
)
,
噪声电压的均方根为
σ n
,
测向天线的波束宽度
为
θ r
,
天线波束的公称值为
A
/θr ,
将噪声电压换算成角
度误差的均方根值 ,则有 :
σθ
=
(D
[Δθ]
)
1 2
角度分辨力为
Δη
=
θ r
≈
70λ/ d ( °)
可以算出 ,当天线口径为 0. 6m ,频率为 1GH z时 ,
角度分辨力大约为 35°。
4 实验结果及结论
系统研制成功后进行了大量的试验测试和现场 测试 ,系统性能指标均能够达到满意的结果 。
测向的频谱范围宽 ,系统能够对 30MHz - 18GHz 范围内的任意一段频谱进行测向 。
在手动工作模式下 ,系统工作原理与自动工作模 式下基本类似 ,只是系统不进行循环监测 ,而是提供 一种交互式的测试环境 ,完成指定的监测任务后 ,等
待用户的进一步操作 。
2 测向原理
为了满足便携式测向设备的使用 ,为了使设备更 加简练 ,我们采用常用的需要硬件支持最少的测向方 法 ———最大信号法进行多信号的测向 ,最大信号测向 法的原理是 : 采用具有轮廓明显的幅度方向图的天 线 ,在使用过程中天线搜索扫描 ,当方向图的主波束 对准目标时 ,天线的这个主波束所指的方向也就是目 标的方向 。最大信号法就是利用单一窄波束定向天 线 ,如果只有一个辐射源信号落入其主波束内 ,则已 知的天线所处的方位和俯仰指向角度即为辐射源的 方位角和俯仰角 。最大信号法所用天线可以是抛物 面天线 ,也可以是相控阵天线等定向天线 ,天线波束 越窄精度越高 。其优点是在密集的信号环境下可以 从空域隔离较弱的有用信号 ,达到较高测向精度 。其 缺点是因为需要在空域内扫描 ,从而降低了对短持续 信号的截获概率 ,且对一般通信频段欲达到足够高的 精度需要较大的天线孔径 ,这些问题可以通过改进工 艺水平和测试方法来加以改善 。
σ
=
A
n
/θr
=
θ r S /N
A
σ
=
S /N
n
因此 ,可得到 :
θ2 D [θ^ ] = r
S /N
可见 ,最大信号法测角的方差与波束宽度的平方
成正比 ,与监测门限处的信噪比成反比 。
最大信号法测向的角度分辨力主要取决于测向
天线的波束宽度 ,而波束宽度又主要取决于天线口径
d。根据瑞利光学分辨力准则 , 当信噪比高于 10dB 时 ,
监测仪表通过 GP IB 口与主控机上的 GP IB488卡 相连实现频谱数据的采集 ,监测仪表接收来自主控机 的频谱监测命令后从监测天线处获取射频信号 ,并按 照主控机的要求向主控机反馈相应的数据 。系统可 以控制的监测仪表主要有安捷伦 (HP) 、RS、爱德万等 系列频谱仪 。
监测天线是频谱监测中不可缺少的部件 ,它根据 天线控制系统的要求在水平 0°～360°范围和 (或 )俯 仰 - 10°～90°度范围内进行扫描 ,将扫描到的无线电 信号馈送到监测仪表 。天线主要由超短波天线和微 波天线组成 ,可以无缝隙地覆盖 30MHz～18GHz的频 谱范围 ,微波天线的工作需要有低噪声放大器进行配 合便于监测 。
收稿日期 : 2005204222 作者简介 :张清理 (1968 - ) ,男 ,陕西蒲城人 ,硕士研究生 ,主要研究方向为信息与通信工程 。
·118· 航 空 计 算 技 术 第 35卷 第 3期
GP IB488卡 ,如果是台式计算机需要配置 PC I或 ESIA 的 GP IB 插卡 ,如果是笔记本电脑就需要配置 PCMC IA 的 GP IB 插卡 。
1 系统构成及工作原理
1. 1 系统构成
无线电频谱测向系统主要由监测天线 、天线控制 器 、监测仪表以及主控机组成 。如图 1所示 。Байду номын сангаас
图 1 无线电频谱测向系统组成框图
主控机模块为一台台式计算机或为一台笔记本 电脑 ,用于提供图形化用户界面 ,完成对系统硬件的 配置 、天线控制状态的设置 、监测仪表的设置 ,提供界 面友好的实时频谱监测和天线状态显示并进行相应 的分析处理及数据保存 。同时主控机应配置有标准 RS - 232串口和频谱数据采集卡 ,频谱数据采集卡采 用美国国家仪器公司 (National Instrum ents, N I)生产的
第
35卷 第 3期 2005年 9月
航空
A e ronau tica l
计算技 Comp u te r
术
Techn ique
Vol135 No13 Sep12005
利用频谱仪实现多信号测向
张清理 ,李兵兵
(西安电子科技大学 通信工程学院 ,陕西 西安 710071)
1. 2 工作原理
无线电频谱测向系统可以在两种工作模式下运 行 :自动工作模式和手动工作模式 。
在自动工作模式下 ,主控机首先等待用户进行相 应的硬件配置 ,选择天线控制的通信端口以及监测仪 表 ,随后用户需要进行监测任务 、天线转动方式和频 谱数据采集时间间隔的配置 ,这些准备工作做完后可 进行自动监测 ,主控机将从指定的监测任务开始分别 根据用户的设置控制监测仪表 ,同时启动天线控制系 统控制天线转动 ,主控机下达完控制命令后将自动进 行频谱数据和天线状态数据的采集 ,根据采集的数据 进行分析处理 ,并将采集的结果以可视化的界面进行 显示同时也给出分析的结果 。一个监测任务执行完 毕 ,主控机自动进行下一个任务的监测 ,直到所选任 务全部结束或用户强制终止监测 。监测完毕系统自 动生成监测报告 。
摘 要 :随着通信技术的发展 ,无线电信号之间的干扰越来越严重 ,无线电信号的测向技术在无线 电监测系统中的地位也越来越重要 。本文针对目前无线电测向系统的不足 ,对比较常用的需要硬 件支持最少的测向方法 ———最大信号法进行了改进 ,设计了一套适用于便携式测向系统使用的测 向方法 ,借助频谱仪实现了多信号的测向 ,使得测向的频谱范围 、随机信号捕获和测向精度得以很 大的改进 。系统能够对 30MHz～18GHz范围内的任意一段频谱进行测向 ,可以获取测试频段内任 意 15个典型信号的频点及其方位角和俯仰角信息 ,测向的最大误差为 2°。 关键词 :测向 ;频谱仪 ;最大信号法 ;天线 中图分类号 : TN911 文献标识码 : A 文章编号 : 16712 654X (2005) 0320117203
测向系统的随机误差主要来自测向系统中的噪
声 。由于噪声的影响 , 使得最大幅度的方向出现偏差 Δθ,通常其均值为零 ,是无偏的 。
假设系统监测到信号的最大角度 (对于方位角和 俯仰角均适用 ) 为 θ,出现的偏差为Δθ,则可以认为Δθ 为独立同分布的 ,那么角度测量均值
E [θ^ ] = E [m ax (θ +Δθ) ] = m ax (θ) 是无偏的 。
可以进行多信号测向 ,系统能够自动保存每个测
试频段内的任意一点的方位角和俯仰角信息 ,系统最 多能够自动识别出 15个典型信号的方位角和俯仰角 信息 (如图 2) ,并给出详细列表 (如图 3) ,同时用户可 以根据需要在测试频段内任意调整 15 个典型信号的 频点 ,系统会自动获取已经保存的结果并替换相应的 方位角和俯仰角信息 。
2005年 9月 张清理 等 :利用频谱仪实现多信号测向
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号的最大来向 ,并进行比较记录 。这时所得到的角度 即为测试结果 。
3 误差分析
最大信号法测向的误差主要来自测向系统误差
和随机误差 。其中系统误差主要来源于测向天线的架
设误差 、波束畸变等 , 这些误差可以通过各种系统标 校减少 。这里主要分析随机误差 。