九信道空間譜估計超解析度監測測向固定站系統的製作方法
2023-07-27 18:22:56 1
專利名稱：九信道空間譜估計超解析度監測測向固定站系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種九信道空間譜估計超解析度監測測向固定站系統，屬於無線電監測技術領域。
背景技術：
隨著無線電事業的迅速發展，無線電頻譜資源日趨緊張，無線電幹擾事件也日趨增多，通過無線電測向查找幹擾源也越來越重要。在實踐中我們發現多信號同時監測測向對無線電監測測向提出了新的挑戰。例如，在無線電管理中我們經常遇到受幹擾的用戶通信不允許中斷(如機場的通信導航頻率、公眾通信)，以及使用多基站發射設備(如尋呼、蜂窩公眾通信網)的情況，以及在同一頻率同時出現多點發射信號時，常規的測向技術難以分辨。
發明內容本實用新型的目的在於針對上述問題，提出九信道無線電監測和超解析度測向固定站系統。提出採用九單元的寬孔徑測向天線系統、九信道同頻/異頻接收機，運用先進的空間譜估計超解析度測向技術和DSP數位訊號處理技術，通過先進的統計算法(MUSIC多信號分類法)來實現對垂直極化波的無線電通信信號和水平極化波的無線電信號的高解析度測向。本實用新型的技術解決方案其特徵是小雙錐全向監測天線的信號輸出端與兩功能放大器的信號輸入端相接，兩功能放大器的信號輸出端與濾波合路器的第一信號輸入端相接，濾波合路器的第二信號輸入端與單極子監測天線的信號輸出端相接，濾波合路器的信號輸出端與九通道信號切換模塊的監測信號輸入端相接，九通道信號切換模塊的測向信號輸入端與九單元測向天線陣的測向信號輸出端對應相接，九通道信號切換模塊的控制端與監測測向控制器的第一信號輸出端相接，九通道信號切換模塊的自校信號輸入端與九通道接收機的自校信號輸出端相接，九通道信號切換模塊的信號輸出端與放大器模塊的第一信號輸入端相接，放大器模塊的信號輸出端接九通道接收機的信號輸入端，放大器模塊的控制端與監測測向控制器的第二信號輸出端相接，九通道接收機的信號輸出端與DSP處理模塊的信號輸入端相接，DSP處理模塊的信號輸入/輸出端與嵌入式工控機的第一信號輸出/輸入端對應相接，嵌入式工控機的信號輸出端與監測測向控制器的信號輸入端相接， 嵌入式工控機的第二信號輸出/輸入端與交換機的第一信號輸入/輸出端對應相接，交換機的第二信號輸入/輸出端與3G路由器的信號輸出/輸入端對應相接，交換機的第三信號輸入/輸出端與遙控單元的信號輸出/輸入端對應相接，電源模塊的信號輸出與不間斷供電電源模塊的信號輸入端相接，不間斷供電電源模塊的信號輸出端與遙控單元的信號輸入端相接，遙控單元的信號輸出端與嵌入式工控機的第一信號輸入端相接，嵌入式工控機的第二信號輸入端與GPS模塊的信號輸出端相接，GPS模塊的信號輸入端與GPS天線的信號輸出端相接，3G路由器的信號輸入端與3G天線的信號輸出端相接。[0005]本實用新型優點系統實現了對無線電信號的遠程化和自動化監測測向；該系統採用空間譜估計測向體制，該體制可以實現對幾個相干波同時測向；可以實現對同信道中、 同時存在的多個信號，同時測向；可以實現超分辨測向；僅需要很少的信號採樣，就能精確測向，因而適用於對跳頻信號測向；可以實現高測向靈敏度和高測向準確度，因此可以更準確的查找幹擾源；該系統硬體組成部分採用綜合一體化設計、中頻信號DSP技術和模塊化組合，配置簡潔實用；內置嵌入式計算機系統，結構緊湊輕便；測向天線陣很好地解決了各天線陣元間的互耦問題，排除了單元天線間耦合和相位模糊；監測天線將兩功能放大器、濾波合路合路器、小雙錐全向監測天線集成在一個天線罩內，結構緊湊輕便，架設維護方便; 採用了具有放大、直通、衰減三種功能的放大器，擴大了接收信號的動態應用範圍；組網靈活，可支持多種有線/無線網絡數據安全傳輸；可實現無線電信號的採集、壓縮編碼、自動任務監測、統計分析、異態報警等功能。可解決同頻多點發射信號的分辨和截獲。在一定的條件下可區分由於多徑引起的相干信號，可廣泛用於複雜電磁環境下的無線電測向。空間譜系統抗多徑效應能力強、靈敏度高、監測測向速度快、精度高，可快速捕獲各種數字跳頻、 擴頻、跳擴頻信號。
附圖1是本發明實施例電原理框圖。附圖2是濾波合路器電原理圖。附圖3是不間斷供電電源模塊電原理框圖。附圖4是遙控單元電原理框圖。附圖5是九單元測向天線陣示意圖。附圖6是DSP處理模塊電原理框圖。附圖7是九通道信號切換模塊電原理圖。圖中的1是小雙錐全向監測天線(300_3000M)、2是九單元測向天線陣、3是兩功能放大器、4是單極子監測天線(30-300M)、5是九通道信號切換模塊、6是濾波合路器、7是放大器模塊、8是九通道接收機、9是監測測向控制器、10是DSP處理模塊、11是嵌入式工控機、12是GPS天線、13是GPS模塊、14是3G天線、15是3G路由、16是電源模塊、17是不間斷供電電源模塊、18是遙控單元、19是交換機。
具體實施方式
對照附圖1，其結構是小雙錐全向監測天線1的信號輸出端與兩功能放大器3的信號輸入端相接，兩功能放大器3的信號輸出端與濾波合路器6的第一信號輸入端相接，濾波合路器6的第二信號輸入端與單極子監測天線4的信號輸出端相接，濾波合路器6的信號輸出端與九通道信號切換模塊5的監測信號輸入端相接，九通道信號切換模塊5的測向信號輸入端與九單元測向天線陣2的測向信號輸出端對應相接，九通道信號切換模塊5的控制端與監測測向控制器9的第一信號輸出端相接，九通道信號切換模塊5的自校信號輸入端與九通道接收機8的自校信號輸出端相接，九通道信號切換模塊5的信號輸出端與放大器模塊7的第一信號輸入端相接，放大器模塊7的信號輸出端接九通道接收機8的信號輸入端，放大器模塊7的控制端與監測測向控制9器的第二信號輸出端相接，九通道接收機8
4的信號輸出端與DSP處理模塊10的信號輸入端相接，DSP處理模塊10的信號輸入/輸出端與嵌入式工控機11的第一信號輸出/輸入端對應相接，嵌入式工控機11的信號輸出端與監測測向控制器9的信號輸入端相接，嵌入式工控機11的第二信號輸出/輸入端與交換機19的第一信號輸入/輸出端對應相接，交換機19的第二信號輸入/輸出端與3G路由器 15的信號輸出/輸入端對應相接，交換機19的第三信號輸入/輸出端與遙控單元18的信號輸出/輸入端對應相接，電源模塊16的信號輸出與不間斷供電電源模塊17的信號輸入端相接，不間斷供電電源模塊17的信號輸出端與遙控單元18的信號輸入端相接，遙控單元 18的信號輸出端與嵌入式工控機11的第一信號輸入端相接，嵌入式工控機11的第二信號輸入端與GPS模塊13的信號輸出端相接，GPS模塊13的信號輸入端與GPS天線12的信號輸出端相接，3G路由器15的信號輸入端與3G天線14的信號輸出端相接。小雙錐全向監測天線1，工作頻率為300MHz 3000MHz，為一種在水平面內無方向性的有源雙錐全向天線。尺寸為底部直徑MSmm ；高度318mm。輸入阻抗50 Ω，接口型式為N型插座。九單元測向天線陣2共分三層排列(對應三個頻段)，沿高度方向排列，每層均由九單元有源垂直偶極子天線組成圓型陣列，整個垂直極化幹涉儀測向天線陣共有27根天線振子，用於接收信號。最下層為A波段(20MHz 200MHz)，陣列最大直徑3.0米，單元偶極子最長1. 8米；在其上是B波段OOOMHz 1000MHz)，陣列直徑和偶極子長度都有所縮小；最上層是C波段(1000MHz 3000MHz)，陣列直徑和偶極子長度再一次縮小。天線阻抗為50 Ω，總高度(含避雷針)為4. Sm。如圖5所示。兩功能放大器3的工作頻率為30MHz 1300MHz，具有放大、直通兩種功能。對來自小雙錐全向監測天線的信號進行處理。它有1個控制/供電端、1個輸入端、1個輸出端。放大器由第一高頻繼電器、第二高頻繼電器、放大電路和電源組成，高頻繼電器(型號 RF303-12)、放大器中的放大管(型號ERA-51SM)。+12V電源分別加到第一高頻繼電器和第二高頻繼電器上。當第一高頻繼電器加電，而第二高頻繼電器不加電時，輸入信號經放大電路後得到線性放大，再經第二高頻繼電器的直通部分輸出。即為「放大」。當第一高頻繼電器和第二高頻繼電器都不加電時，輸入信號經第一高頻繼電器和第二高頻繼電器的直通部分輸出。即為「直通」。故該放大器具有「直通、放大兩功能。有源單極子監測天線4，工作頻率為20MHz 300MHz，輸入阻抗50Ω，接口型式為
N型插座。九通道信號切換模塊5的工作頻率為30MHz 3000MHz，對來自九單元測向天線陣的測向信號、濾波合路器的監測信號進行處理。由自校功分電路、切換電路組成。它有3組測向信號輸入端，每組有9個接口，分別九單元測向天線陣2的3層天線對應相接；有9個輸出接口，與九通道接收機8的九個輸入接口對應相接；有1個自校信號輸入接口，與九通道接收機8的自校信號輸出接口對應相接；有1個監測信號輸入接口，與濾波合路器的輸出端對應相接；有1個控制接口，與監測測向控制器的9的第二輸出端相接，用來進行各路信號的切換。對照圖6，其工作原理是測向時，V1、V4上電，二極體Dl D3、D7 D9導通，自校信號從信號輸出端輸出，V2、V4上電時。二極體D4 D9導通，測向信號從信號輸出端輸出；監測時，V3、V4上電，二極體D7 D12導通，監測信號從信號輸出端輸出。如附圖7所
7J\ ο[0020]濾波合路器6的工作頻率為30MHz 3000MHz，對來自放大器和單極子監測天線的信號進行處理，它有兩個接口，分別接放大器的輸出端和單極子天線的輸出端，所處理的信號範圍為300MHz 3000MHz和30MHz 300MHz兩段信號，每段信號分別加上低通和高通濾波器，使其兩段信號互不影響，之後從合路器的輸出端輸出，如圖2所示。放大器模塊7，包括九個寬頻帶低噪聲三功能放大器，工作頻率為30MHz 3000MHz，具有放大、直通、衰減三種功能，在使用中根據實際需要由軟體設定。分別對來自相位處理器模塊9路信號進行處理。它們各有1個控制/供電端、1個輸入端、1個輸出端。 放大器由A高頻繼電器、B高頻繼電器、放大電路、衰減電路和電源組成，高頻繼電器(型號 RF303-12)、放大器中的放大管(型號ERA-51SM)。+12V電源受軟體控制分別加到A高頻繼電器和B高頻繼電器上。當A高頻繼電器加電，而B高頻繼電器不加電時，輸入信號經放大電路後得到線性放大，再經B高頻繼電器的直通部分輸出。即為「放大」。當A高頻繼電器不加電，而B高頻繼電器加電時，輸入信號經A高頻繼電器的直通部分後到達B高頻繼電器的衰減電路，經衰減後輸出。即為「衰減」。當A高頻繼電器和B高頻繼電器都不加電時，輸入信號經A高頻繼電器和B高頻繼電器的直通部分輸出。即為「直通」。故該放大器具有 「直通、放大、衰減」三功能。九通道接收機8，對測向天線陣所接收到的空中無線電信號進行變頻輸出數字中頻信號，再送到DSP模塊10處理。它由九個板卡式接收機組成，採用PCI總線結構和模塊化設計，一塊板卡就是一個接收信道，板卡插在PCI插槽的標準機箱內，用壓條固定。當系統在測向時，九信道接收機同時工作，共用同一本振源，相位一致性好，保證了空間譜估計超解析度測向系統的高精度。而當系統不測向時，又可通過軟體自動切換到監測測量，用作對來自監測測向天線陣的信號進行多信道分別處理，適應不同頻域、調製域、時域的監測測量，真正做到一機兩用，充分利用資源。監測測向控制9，(型號為DFC 050L)是系統各部分控制驅動單元和直流供電單元。處理模塊通過並口與計算機系統通訊，接受計算機系統的控制指令，實施對有關單元的控制，使系統按著軟體程序對無線電信號進行監測和測向。DSP處理模塊10，對來自九通道接收機8的數字中頻信號進行處理，包括採樣、解調、解碼以及A/D變換等，輸出包括信號頻率、幅度、頻偏、調製度、帶寬、電平等信息至嵌入式工控機11進行處理。其主要是由通道數位化處理部分、同步採樣時鐘信號發生單板、背板組成。其中通道數位化處理部分包括9個通道處理單板及一個同步採樣時鐘發生板，主要功能是提供9通道的同步採樣時鐘、數據預處理及數據的存儲發送；背板是通信數位化處理部分各單板的母板，負責對各個通道數據進行幀處理、與計算機進行數據交換。如附圖 6所示。嵌入式工控機11，為工業控制計算機(ADVANTECH IPC-610)，它具有運行速度快、 容量大、穩定可靠、可擴展、抗震性能好等特點。其作為應用軟體的載體，除了執行程序(包括存儲、列印)外，還對大量的數據、音頻、視頻等進行處理，它通過對從天線陣元接收到的大量數據信息進行處理，採用先進的統計算法——多重信號分類(MUSIC)算法，從而得出信號的方位。在空間譜估計超解析度測向中，測量所有可能天線陣元接收到的信號電壓，生產測量協方差矩陣R，該矩陣用於分辨接收信號中的同信道分量。MUSIC算法的過程為先計算協方差矩陣R，對R進行特徵分解求出其特徵值和特徵向量。根據特徵值可以確定信號源的數量，利用由特徵向量組成的信號子空間和噪聲子空間的正交關係，對兩個子空間進行適當的處理，確定無線電信號的來波方向。超解析度測向使用內插方位值來計算多個方位角， 該值根據與測量協方差矩陣R生產的信號子空間最匹配的方位校準矢量生成。電源模塊16，將AC220V市電輸入轉為DC28V輸出，為系統提供電源。對照附圖3，不間斷供電電源模塊17，由不間斷供電電源板、鋰電池組成，其主要功能是當220V市電斷電的情況下，進行市電和鋰電池供電的無隙切換；另外，在鋰電池電量不足的情況下自動充電。它有一個輸入端，一個輸出端。如圖3所示。遙控單元18，其功能包括遠程控制設備電源的通斷、設備工作狀態監控、工作環境的監測、電源電壓的監測、計算機重啟等功能。對照附圖1，遙控單元由控制模塊、反饋模塊、 通訊模塊、監測模塊、數據採集模塊、電源模塊及MCU單元幾部分組成。MCU單元選用89C51 單片機和I/O擴展晶片8255組成；控制模塊由光耦、三極體、繼電器組成，MCU單元的相應管腳輸出高低電平來控制控制模塊中的光耦、三極體使繼電器工作在接通和斷開的狀態， 實現控制功能。反饋模塊與控制模塊相接，由繼電器、光耦、二極體組成，反饋模塊中的繼電器控的輸出迴路接MCU單元的對應管腳及地，輸入迴路接控制模塊的繼電器，其工作狀態隨控制模塊中的繼電器的工作狀態變化而變化，MCU單元隨著反饋模塊中的繼電器工作狀態的不同，向上位機軟體發送不同的數據，從而達到數據及工作狀態監控的目的。通訊模塊由周立功串口轉網口模塊組成，型號為ZNE-100PT，主要功能是將單片機串口轉為網口，以供單片機和上位機操作軟體進行通信。監測模塊由SHTll溫溼度監測探頭和89C2051單片機組成，主要用來對溫度、溼度進行監測。數據採集模塊由AD採集晶片AD1674及外圍電路， 主要功能是在MCU的控制下，進行工作電壓的採集。電源模塊採用DC28V轉DC12V、DC-12V、 DC5V的開關電源組成，提供遙控單元所需的電源。如附圖4所示。
權利要求1.九信道空間譜估計超解析度監測測向固定站系統，其特徵是小雙錐全向監測天線的信號輸出端與兩功能放大器的信號輸入端相接，兩功能放大器的信號輸出端與濾波合路器的第一信號輸入端相接，濾波合路器的第二信號輸入端與單極子監測天線的信號輸出端相接，濾波合路器的信號輸出端與九通道信號切換模塊的監測信號輸入端相接，九通道信號切換模塊的測向信號輸入端與九單元測向天線陣的測向信號輸出端對應相接，九通道信號切換模塊的控制端與監測測向控制器的第一信號輸出端相接，九通道信號切換模塊的自校信號輸入端與九通道接收機的自校信號輸出端相接，九通道信號切換模塊的信號輸出端與放大器模塊的第一信號輸入端相接，放大器模塊的信號輸出端接九通道接收機的信號輸入端，放大器模塊的控制端與監測測向控制器的第二信號輸出端相接，九通道接收機的信號輸出端與DSP處理模塊的信號輸入端相接，DSP處理模塊的信號輸入/輸出端與嵌入式工控機的第一信號輸出/輸入端對應相接，嵌入式工控機的信號輸出端與監測測向控制器的信號輸入端相接，嵌入式工控機的第二信號輸出/輸入端與交換機的第一信號輸入/輸出端對應相接，交換機的第二信號輸入/輸出端與3G路由器的信號輸出/輸入端對應相接，交換機的第三信號輸入/輸出端與遙控單元的信號輸出/輸入端對應相接，電源模塊的信號輸出與不間斷供電電源模塊的信號輸入端相接，不間斷供電電源模塊的信號輸出端與遙控單元的信號輸入端相接，遙控單元的信號輸出端與嵌入式工控機的第一信號輸入端相接， 嵌入式工控機的第二信號輸入端與GPS模塊的信號輸出端相接，GPS模塊的信號輸入端與 GPS天線的信號輸出端相接，3G路由器的信號輸入端與3G天線的信號輸出端相接。
2.根據權利要求1所述的九信道空間譜估計超解析度監測測向固定站系統，其特徵是小雙錐全向監測天線工作頻率為300MHz 3000MHz，為一種在水平面內無方向性的有源雙錐全 向天線，尺寸為底部直徑MSmm ；高度318mm，輸入阻抗50 Ω，接口型式為N型插座。
3.根據權利要求1所述的九信道空間譜估計超解析度監測測向固定站系統，其特徵是九單元測向天線陣共分三層排列，對應三個頻段，沿高度方向排列，每層均由九單元有源垂直偶極子天線組成圓型陣列，整個垂直極化幹涉儀測向天線陣共有27根天線振子，用於接收信號，最下層為A波段為20MHz 200MHz，陣列最大直徑3. 0米，單元偶極子最長1. 8米； 在A波段上是B波段為200MHz 1000MHz，陣列直徑和偶極子長度都有所縮小；B波段上是 C波段為1000MHz 3000MHz，陣列直徑和偶極子長度再一次縮小，天線阻抗為50 Ω，總高度含避雷針為4. Sm。
4.根據權利要求1所述的九信道空間譜估計超解析度監測測向固定站系統，其特徵是有源單極子監測天線，工作頻率為20MHz 300MHz，輸入阻抗50 Ω，接口型式為N型插座。
5.根據權利要求1所述的九信道空間譜估計超解析度監測測向固定站系統，其特徵是九通道信號切換模塊的工作頻率為30MHz 3000MHz，它有3組測向信號輸入端，每組有9 個接口，分別九單元測向天線陣的3層天線對應相接；有9個輸出接口，與九通道接收機的九個輸入接口對應相接；有1個自校信號輸入接口，與九通道接收機的自校信號輸出接口對應相接；有1個監測信號輸入接口，與濾波合路器的輸出端對應相接；有1個控制接口， 與監測測向控制器的的第二輸出端相接。
6.根據權利要求1所述的九信道空間譜估計超解析度監測測向固定站系統，其特徵是濾波合路器的工作頻率為30MHz 3000MHz，它有兩個接口，一個接口接放大器的輸出端， 另一個接口接單極子天線的輸出端。
專利摘要本實用新型是九信道空間譜估計超解析度監測測向固定站系統，其特徵是包括圖中的小雙錐全向監測天線、九單元測向天線陣、兩功能放大器、單極子監測天線、九通道信號切換模塊、濾波合路器、放大器模塊、九通道接收機、監測測向控制器、DSP處理模塊、嵌入式工控機、GPS天線、GPS模塊、3G天線、3G路由、電源模塊、不間斷供電電源模塊、遙控單元、交換機。優點可解決同頻多點發射信號的分辨和截獲。在一定的條件下可區分由於多徑引起的相干信號，可廣泛用於複雜電磁環境下的無線電測向。空間譜系統抗多徑效應能力強、靈敏度高、監測測向速度快、精度高，可快速捕獲各種數字跳頻、擴頻、跳擴頻信號。
文檔編號H04B17/00GK202059419SQ20102068375
公開日2011年11月30日 申請日期2010年12月27日 優先權日2010年12月27日
發明者俞惟銓 申請人:南京新興電子系統有限公司