專利名稱：多天線單元信號(hào)分析處理及測(cè)向系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及信號(hào)分析處理和無(wú)線信號(hào)測(cè)向領(lǐng)域，具體說(shuō)涉及一種實(shí)現(xiàn)該分析處理方法和/或信號(hào)源測(cè)向方法的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，主要是利用單一全向天線對(duì)各頻點(diǎn)處信號(hào)的幅度、場(chǎng)強(qiáng)、電平大小等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁環(huán)境的信號(hào)分析，這樣測(cè)到的值是各個(gè)信號(hào)疊加的結(jié)果，無(wú)法分清信號(hào)的組成與結(jié)構(gòu)，也就很難確定是否存在同頻干擾和多徑干擾，以及干擾的頻率范圍和干擾的強(qiáng)度。目前的測(cè)向方法根據(jù)體制的不同，性能差異較大。其中一些測(cè)向方法只能給出單一示向度，如相位測(cè)向、大音點(diǎn)測(cè)向等，另一些方法能給出多個(gè)示向度，如單天線旋轉(zhuǎn)測(cè)向、 空間譜估計(jì)。但是電磁空間信號(hào)存在很大的復(fù)雜性，同頻信號(hào)、多徑信號(hào)的存在，以及信號(hào)本身的頻譜變化和傳播衰落使得現(xiàn)有測(cè)向技術(shù)體制面臨巨大困境，其測(cè)向精度及可靠性隨著電磁環(huán)境的復(fù)雜程度急速下降?，F(xiàn)有測(cè)向技術(shù)體制中空間譜估計(jì)的方法雖然能在一定程度上解決這些問(wèn)題，但由于其對(duì)于模型的敏感性及處理能力受天線單元數(shù)量限制，在較復(fù)雜電磁環(huán)境下的應(yīng)用也受到很大限制，而且空間譜估計(jì)的天線陣列體積較大，不利于實(shí)現(xiàn)便攜式測(cè)向。幅度測(cè)向中有一種雙信道比幅測(cè)向方法，利用兩副正交的艾德考克天線接收電勢(shì)的比值確定來(lái)波方向，并利用信道均衡技術(shù)消除信道增益不一致的影響。但是，這種實(shí)現(xiàn)方式不論從實(shí)現(xiàn)成本還是實(shí)際效果來(lái)看都是不可取的。首先，實(shí)現(xiàn)多信道均衡將付出很高的成本代價(jià)，另外，在技術(shù)效果上存在很多缺陷，一方面，利用接收電勢(shì)做比值很容易因受到噪聲和多徑信號(hào)的影響而很不穩(wěn)定，另一方面，利用該比值估算方位將由于多徑信號(hào)的存在而出現(xiàn)固有的偏差。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于解決現(xiàn)有測(cè)向方法無(wú)預(yù)先分析處理而出現(xiàn)測(cè)向不準(zhǔn)確的技術(shù)問(wèn)題，提供一種能夠分析信號(hào)的組成和干擾強(qiáng)度的多天線單元信號(hào)分析處理及測(cè)向系統(tǒng)。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下一種多天線單元信號(hào)分析處理及測(cè)向系統(tǒng)，包括天線單元、接收單元和數(shù)據(jù)處理單元，所述天線單元包括至少二副天線，所有天線中至少有一副是定向天線，各定向天線的指向可相對(duì)獨(dú)立調(diào)整；所述數(shù)據(jù)處理單元包括第一、第二統(tǒng)計(jì)分析單元、比值計(jì)算單元和分析測(cè)向單元，一定向天線接收到的信號(hào)通過(guò)所述接收單元輸入至第一統(tǒng)計(jì)分析單元，進(jìn)行在一定長(zhǎng)度時(shí)間窗口內(nèi)的短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析，另一天線同步接收到的信號(hào)通過(guò)所述接收單元輸入至第二統(tǒng)計(jì)分析單元，進(jìn)行在一定長(zhǎng)度時(shí)間窗口內(nèi)的短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析；第一和第二統(tǒng)計(jì)分析單元得到的短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析值輸入至比值計(jì)算單元，比值計(jì)算單元得到的比值輸入至分析測(cè)向單元。[0007]優(yōu)選地，所述天線單元包括由一副定向天線和一副全向天線構(gòu)成的雙天線組合。優(yōu)選地，所述天線單元還包括用于安裝其一雙天線組合中定向天線的支架，以及用于保持雙天線組合中兩幅天線在不同的水平面上、并使二者之間保持一定的距離的防耦合支架。優(yōu)選地，所述接收單元還包括混頻電路和受控于所述數(shù)據(jù)處理單元的鎖相環(huán)路， 輸入至接收單元的各信號(hào)先輸入至所述混頻電路進(jìn)行逐級(jí)下變頻，形成與各自相對(duì)應(yīng)的基帶信號(hào)，各基帶信號(hào)再輸入至數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析。本實(shí)用新型的有益效果為通過(guò)分析信號(hào)的組成和結(jié)構(gòu)，為信號(hào)處理和信號(hào)測(cè)向提供可靠依據(jù)；通過(guò)對(duì)信號(hào)源準(zhǔn)確可信的測(cè)向定位促進(jìn)對(duì)電磁環(huán)境的更好認(rèn)識(shí)。

圖1為本實(shí)用新型所述分析處理及測(cè)向系統(tǒng)采用雙通道接收模式的原理框圖；圖2為本實(shí)用新型所述分析處理及測(cè)向系統(tǒng)采用單通道快速切換接收模式的原理框圖；圖3為圖1所示天線單元的一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖4示出了根據(jù)本實(shí)用新型所述分析處理方法的一次信號(hào)分析數(shù)據(jù)；圖5示出了根據(jù)本實(shí)用新型所述分析處理方法的另一次信號(hào)分析數(shù)據(jù)；圖6示出了根據(jù)本實(shí)用新型所述測(cè)向方法的一次信號(hào)源測(cè)向數(shù)據(jù)，其中，該次信號(hào)測(cè)向采用了方向性較弱的天線；圖7示出了根據(jù)本實(shí)用新型所述測(cè)向方法的另一次信號(hào)源測(cè)向數(shù)據(jù)，其中，該次信號(hào)測(cè)向采用了方向性較強(qiáng)的天線。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的分析處理方法和測(cè)向方法主要根據(jù)定向天線的方向圖以及多天線的組合運(yùn)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)描述。如圖1和2所示，本實(shí)用新型的分析處理及測(cè)向系統(tǒng)包括天線單元1，接收單元2， 數(shù)據(jù)處理單元3和顯示單元4，所述天線單元1包括至少二副天線，分別為第一天線11和第二天線12，所述天線中至少有一副是定向天線，在本實(shí)施例中，至少該第一天線11為定向天線，該定向天線的指向可相對(duì)獨(dú)立調(diào)整，即可以使其指向固定，也可以使其旋轉(zhuǎn)(以一定速度改變其指向)；所述數(shù)據(jù)處理單元3對(duì)天線單元的至少包含一個(gè)定向天線的雙天線組合各自測(cè)得的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步分析處理；所述顯示單元4用于顯示數(shù)據(jù)處理單元分析處理的結(jié)果。該天線單元1較典型的配置為(1) 一副全向天線和一副定向天線，這種組合的特點(diǎn)是既能用于信號(hào)分析這種靜態(tài)的應(yīng)用，即單次分析中不需要旋轉(zhuǎn)天線的應(yīng)用，又能用于信號(hào)測(cè)向的動(dòng)態(tài)應(yīng)用，即需要旋轉(zhuǎn)天線的應(yīng)用；同時(shí)，該種配置并不會(huì)過(guò)多增加天線單元1 的體積和重量，因此可采用便攜式應(yīng)用形式，當(dāng)然也可用于車(chē)載和固定站等形式；( 兩副可旋轉(zhuǎn)的定向天線，其中，一副定向天線為主旋轉(zhuǎn)天線，用于實(shí)現(xiàn)各種角速度的旋轉(zhuǎn)，另一副為輔助旋轉(zhuǎn)天線，用于輔助測(cè)量，這種組合也可以再添加一副全向天線，主要用于車(chē)載或固定站。[0021]為了能更好地實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析處理與測(cè)向功能，該天線單元1中每個(gè)定向天線的指向應(yīng)該可以相對(duì)獨(dú)立調(diào)整，且可以由數(shù)據(jù)處理單元3計(jì)算出定向天線的最佳指向。定向天線旋轉(zhuǎn)時(shí)，要盡量圍繞天線的中心進(jìn)行，這樣可以減小旋轉(zhuǎn)引起的信號(hào)相移，從而避免給信號(hào)分析和測(cè)向帶來(lái)模型偏差。由于一般的天線形狀都具有對(duì)稱性，所以天線的中心一般指天線的對(duì)稱中心線。該接收單元2如圖1所示，一般有兩個(gè)以上接收通道，并包含一個(gè)同步控制電路， 使得可以同步測(cè)量各天線單元的信號(hào)參數(shù)，在本實(shí)施例中采用二副天線，可以對(duì)應(yīng)配置二個(gè)接收通道，分寫(xiě)為對(duì)應(yīng)第一天線11的第一接收通道21和對(duì)應(yīng)第二天線12的第二接收通道22，當(dāng)然，也可以采用如圖2所示的單通道，通過(guò)單通道的快速切換，在同步電路控制下實(shí)現(xiàn)兩天線信號(hào)的近似同步接收。接收單元包括混頻電路和受控于該數(shù)據(jù)處理單元3的鎖相環(huán)路，該數(shù)據(jù)處理單元3在開(kāi)始分析時(shí)向鎖相環(huán)路發(fā)出本振信號(hào)相位鎖定信號(hào)，以便在數(shù)據(jù)分析開(kāi)始后，使本振信號(hào)的頻率和相位保持不變。在此，由于本振信號(hào)是用于對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行下變頻的，如果信號(hào)采集時(shí)鎖相環(huán)路繼續(xù)工作，本振信號(hào)頻率和相位可能發(fā)生漂移， 導(dǎo)致信號(hào)接收特性隨時(shí)間變化從而影響信號(hào)分析的穩(wěn)定性以及信號(hào)源測(cè)向的數(shù)值模型求解。以下就兩副可旋轉(zhuǎn)定向天線的配置進(jìn)行說(shuō)明。利用上述分析處理、測(cè)向系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)源測(cè)向之前，先對(duì)相應(yīng)頻段信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理分析，初步判斷同頻異源信號(hào)的有無(wú)及大概數(shù)量，本實(shí)用新型的對(duì)信號(hào)分析處理的過(guò)程如下首先，旋轉(zhuǎn)第一天線11，紀(jì)錄一頻點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度采樣值等指標(biāo)，初步判斷來(lái)波的可能方向，并從中篩選出兩個(gè)可能的同頻異源信號(hào)的來(lái)波方向；然后，將第一和第二天線朝向這兩個(gè)信號(hào)的來(lái)波方向，并盡量避免相互影響；最后，通過(guò)數(shù)據(jù)處理單元3對(duì)兩路天線信號(hào)的分析處理，判斷是否存在多徑信號(hào)和同頻異源信號(hào)，并利用頻譜結(jié)構(gòu)差異和信號(hào)幅度的變化差異對(duì)多徑信號(hào)和同頻異源信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，利用信號(hào)幅度的差異對(duì)直達(dá)信號(hào)和多徑信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，初步判定信號(hào)的組成和結(jié)構(gòu)。如果對(duì)各個(gè)可能來(lái)波方向逐一進(jìn)行判別都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)同頻異源信號(hào)時(shí)，可判斷空間中此處無(wú)同頻異源信號(hào)或同頻異源的干擾信號(hào)極小。 數(shù)據(jù)處理單元3主要是根據(jù)到達(dá)定向天線的不同來(lái)波方向信號(hào)的增益由定向天線的方向性函數(shù)決定這一特性進(jìn)行分析處理。下面對(duì)數(shù)據(jù)處理單元3的分析處理方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。同頻異源信號(hào)的差異主要表現(xiàn)在頻譜結(jié)構(gòu)和頻譜變化規(guī)律，其中，該頻譜結(jié)構(gòu)包括中心頻率、頻帶寬度和頻譜形狀等；該頻譜變化規(guī)律主要指信號(hào)各頻率分量幅度和相位隨時(shí)間的變化。在分析處理時(shí)，設(shè)定信號(hào)都采用基帶或基帶調(diào)制信號(hào)，不分析其高頻調(diào)制及解調(diào)過(guò)程。針對(duì)每次篩選出兩個(gè)可能的同頻異源信號(hào)的來(lái)波方向的方式，設(shè)空間中存在兩個(gè)同頻異源信號(hào)f\(t) *f2(t)，并且這兩個(gè)信號(hào)到達(dá)本實(shí)用新型所述系統(tǒng)都存在多徑信號(hào)。信號(hào)1(0的直達(dá)信號(hào)、各多徑信號(hào)到達(dá)主旋轉(zhuǎn)天線(第一天線11)的衰減因子分別為κη、 ‘...!^，時(shí)延分別為！^^！^…！^，入射角分別為θη、θ12... θ lm，到達(dá)輔助旋轉(zhuǎn)天線(第二天線12)的衰減因子分別為K' n、K' 12...K' lm，時(shí)延分別為T(mén)' n、T' 12...T' lm，入射角分別為θ ‘ η、θ ‘ 12. . . θ ‘ lm。信號(hào)f2(t)的直達(dá)信號(hào)、各多徑信號(hào)到達(dá)主旋轉(zhuǎn)天線的衰減因子分別為K21、K22... Kai，時(shí)延分別為T(mén)21、T22... T2n，入射角分別為θ21、θ22... θ2η，到達(dá)輔助旋轉(zhuǎn)天線的衰減因子分別為K' 21、Κ' 22...Κ' 2η，時(shí)延分別為T(mén)' 21、Τ' 22...Τ' 2η， 入射角分別為θ' 21、θ' 22. . . θ ' 2η。這里信號(hào)f\(t)、f2(t)的多徑信號(hào)數(shù)量分別為m-1、 n-1, m, η均為大于等于1的自然數(shù)。在短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析方法采用短時(shí)傅里葉變換時(shí)，本實(shí)用新型的分析處理方法的具體步驟如下步驟1 保持主旋轉(zhuǎn)天線和輔助旋轉(zhuǎn)天線各自固定指向一定的角度，并大致指向可能的來(lái)波方向；其中，二副天線具有不同的方向性，所謂不同方向性可能是兩副天線的方向性函數(shù)不同(這樣任何時(shí)候下其方向性都不同)，也可能是兩副天線的方向性函數(shù)相同， 但是天線的指向不同；步驟2 對(duì)二副固定天線同步接收的信號(hào)分別作短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析，得到二者的短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析值在一頻點(diǎn)處的幅度譜比值，在此，可以根據(jù)兩副固定天線單元同步接收的信號(hào)的短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析值的大小共同確定所述幅度譜比值的有效性。下面分析采用的短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析方法是時(shí)間窗口內(nèi)的短時(shí)傅立葉頻譜計(jì)算值，當(dāng)然對(duì)某些應(yīng)用也可以采用其他統(tǒng)計(jì)值， 如時(shí)間窗口內(nèi)電壓隨時(shí)間的積分測(cè)量值，小波變換等。對(duì)信號(hào)做短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析的時(shí)間窗口需要有一定的長(zhǎng)度，這個(gè)長(zhǎng)度要大于所有主要多徑信號(hào)中最長(zhǎng)的時(shí)延，對(duì)于如圖2所示的單信道時(shí)間切換的實(shí)現(xiàn)方式，所述時(shí)間窗口的長(zhǎng)度還要大于信道切換的時(shí)間間隔。如果時(shí)間窗口的長(zhǎng)度不能滿足上述要求，所述信號(hào)短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析值的比值在沒(méi)有同頻異源信號(hào)干擾的情況下也可能發(fā)生急劇的波動(dòng)。以多徑信號(hào)的影響為例說(shuō)明，對(duì)天線信號(hào)進(jìn)行加窗處理時(shí)，時(shí)延不同的信號(hào)數(shù)據(jù)之間除了存在不同時(shí)延以外，在邊緣處信號(hào)也有差異，例如，對(duì)于時(shí)間窗口(t1; t2)，直達(dá)信號(hào)的數(shù)據(jù)為Ψια) U1 < t < t2)，則延時(shí)為T(mén)tl的多徑信號(hào)數(shù)據(jù)為Vl(t) U^TciCtCt2+τ。)。因此，實(shí)際上存在且只存在多徑信號(hào)時(shí)，由于時(shí)間窗口內(nèi)存在相異數(shù)據(jù)，所述幅度譜比值隨時(shí)間也會(huì)有一定的波動(dòng)，這也說(shuō)明現(xiàn)有技術(shù)的雙信道比幅測(cè)向方法利用兩副天線測(cè)得的實(shí)時(shí)電壓值 (相當(dāng)于時(shí)間窗口長(zhǎng)度為0)做比值是不可取的，因?yàn)榭赡苁芏鄰叫盘?hào)的影響而劇烈波動(dòng)。 根據(jù)多徑時(shí)延的一般分布，我們認(rèn)為時(shí)間窗口長(zhǎng)度一般要大于等于3微秒，否則信號(hào)短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析值比值的穩(wěn)定性會(huì)受到嚴(yán)重影響。時(shí)間窗口長(zhǎng)度越大，越有利于減小多徑信號(hào)對(duì)所述比值穩(wěn)定性的影響。但是，時(shí)間窗口太長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，從而增大后續(xù)數(shù)據(jù)處理的難度，因此一方面時(shí)間窗口不能太長(zhǎng)，另一方面，應(yīng)該對(duì)信號(hào)進(jìn)行充分的降頻之后再進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，最好能在采樣率最低的基帶進(jìn)行。例如對(duì)于頻帶寬度為300kHz的已調(diào)信號(hào)，可以通過(guò)模擬或數(shù)字的濾波、混頻方法先將信號(hào)頻帶搬移到OHz至300kHz的位置，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。另外，統(tǒng)計(jì)分析采用短時(shí)傅立葉變換時(shí)，多徑時(shí)延T對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的相移，這給模型分析帶來(lái)很多困難，同時(shí)也使所述信號(hào)短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析值的比值隨時(shí)間波動(dòng)增大，但是降頻到基帶處理時(shí)，若多徑時(shí)延也不太大，則該項(xiàng)通常都接近于1，從而簡(jiǎn)化了信號(hào)模型，同時(shí)能減小多徑時(shí)延對(duì)比值波動(dòng)的影響，這里所指基帶寬度不超過(guò)信號(hào)帶寬。設(shè)主旋轉(zhuǎn)天線和輔助旋轉(zhuǎn)天線的方向性函數(shù)分別為樹(shù)0)和ξ ( θ )，則主旋轉(zhuǎn)天線和輔助旋轉(zhuǎn)天線測(cè)得信號(hào)的短時(shí)傅立葉頻譜Gjjit，τ)和&(>4，τ)可以分別近似表
示為
權(quán)利要求1.一種多天線單元信號(hào)分析處理及測(cè)向系統(tǒng)，包括天線單元、接收單元和數(shù)據(jù)處理單元，其特征在于所述天線單元包括至少二副天線，所有天線中至少有一副是定向天線，各定向天線的指向可相對(duì)獨(dú)立調(diào)整；所述數(shù)據(jù)處理單元包括第一、第二統(tǒng)計(jì)分析單元、比值計(jì)算單元和分析測(cè)向單元，一定向天線接收到的信號(hào)通過(guò)所述接收單元輸入至第一統(tǒng)計(jì)分析單元，進(jìn)行在一定長(zhǎng)度時(shí)間窗口內(nèi)的短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析，另一天線同步接收到的信號(hào)通過(guò)所述接收單元輸入至第二統(tǒng)計(jì)分析單元，進(jìn)行在一定長(zhǎng)度時(shí)間窗口內(nèi)的短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析；第一和第二統(tǒng)計(jì)分析單元得到的短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析值輸入至比值計(jì)算單元，比值計(jì)算單元得到的比值輸入至分析測(cè)向單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多天線單元信號(hào)分析處理及測(cè)向系統(tǒng)，其特征在于所述天線單元包括由一副定向天線和一副全向天線構(gòu)成的雙天線組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多天線單元信號(hào)分析處理及測(cè)向系統(tǒng)，其特征在于所述天線單元還包括用于安裝其一雙天線組合中定向天線的支架，以及用于保持雙天線組合中兩幅天線在不同的水平面上、并使二者之間保持一定的距離的防耦合支架。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3中任一項(xiàng)所述的多天線單元信號(hào)分析處理及測(cè)向系統(tǒng)，其特征在于所述接收單元還包括混頻電路和受控于所述數(shù)據(jù)處理單元的鎖相環(huán)路，輸入至接收單元的各信號(hào)先輸入至所述混頻電路進(jìn)行逐級(jí)下變頻，形成與各自相對(duì)應(yīng)的基帶信號(hào)， 各基帶信號(hào)再輸入至數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種多天線單元信號(hào)分析處理及測(cè)向系統(tǒng)，涉及信號(hào)分析處理和無(wú)線信號(hào)測(cè)向領(lǐng)域，其包括天線單元，該天線單元至少有一副是定向天線，數(shù)據(jù)處理單元包括第一、第二統(tǒng)計(jì)分析單元、比值計(jì)算單元和分析測(cè)向單元，一定向天線和另一天線各自接收到的信號(hào)分別通過(guò)所述接收單元輸入至第一和第二統(tǒng)計(jì)分析單元，進(jìn)行在一定長(zhǎng)度時(shí)間窗口內(nèi)的短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析，二者得到的短時(shí)統(tǒng)計(jì)分析值輸入至比值計(jì)算單元，比值計(jì)算單元得到的比值輸入至分析測(cè)向單元，分析測(cè)向單元獲得的結(jié)果輸入至顯示單元進(jìn)行顯示。本實(shí)用新型的系統(tǒng)通過(guò)分析信號(hào)的組成和結(jié)構(gòu)，為信號(hào)處理和信號(hào)測(cè)向提供可靠依據(jù)；通過(guò)對(duì)信號(hào)源準(zhǔn)確可信的測(cè)向定位促進(jìn)對(duì)電磁環(huán)境的更好認(rèn)識(shí)。
文檔編號(hào)G01S3/14GK202066959SQ20102069268
公開(kāi)日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月18日
發(fā)明者周靖博, 張登科, 洪浩, 郭建光, 黃艷 申請(qǐng)人:張登科