可攜式無線電測向裝置的製作方法
2023-05-12 03:18:51
專利名稱：可攜式無線電測向裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種監測電波的電子裝置，確切地說，涉及一種用於調頻(FM)頻 段的輔助大型無線電監測系統的可攜式無線電測向裝置，屬於無線電測向設備技術領域。
背景技術：
隨著無線通信技術的飛速發展和廣泛應用，無線頻譜已經成為一種不可再生的緊 缺資源，如何合理利用和監管無線頻譜資源成為各國無線電管理部門的首要工作。加強無 線電波管理，保障無線信息的高速、高效傳遞，對保障經濟的發展、人民生活的豐富、國防的 鞏固和軍事指揮的暢通都有極其重要的意義。調頻廣播(FM)作為無線廣播的主要業務，覆蓋了全國各地，各省的交通信息和氣 象預報等大眾服務信息均通過該頻段發送，因而該頻段的佔用率極高，已經接近飽和。儘管 無線監管部門對調頻廣播的制式、帶寬和頻率等都作了合理的分配，但是，仍然有部分單位 或個人出於各種目的，私自搭建調頻廣播電臺，未經允許就私自發射調頻無線信號，嚴重擾 亂了正常的調頻廣播的運行，甚至因此帶來嚴重後果。所以，急需一種能夠迅速、有效地定 位非法調頻發射源的設備或系統，對非法發射源進行定位和取證。目前，國內的大、中城市都已經基本建立了無線電監測網絡，但是，多數是大型監 測站，其建設成本高昂，維護手續繁瑣，因此建站數量少，覆蓋範圍有限，無法滿足當前無線 電監測任務的覆蓋需求。而且，隨著城市建設的不斷發展，市內高樓林立，導致城市內的電 磁環境日愈複雜化。然而，小功率無線電設備的不斷湧現，又經常在局部區域內影響正常的 無線電通信業務。這種小功率設備發射的信號經過複雜電磁環境的衰減和反射後，到達大 型監測站時，其信號強度和信號質量都已經明顯衰減，不足以用於對其進行監測，有時甚 至使得大型監測站無法對其進行有效的搜索、跟蹤和定位。為了解決這一瓶頸現象，小型或可攜式無線電監測設備就應運而生。與大型監測 站相比，小型或可攜式無線監測設備的功能相對簡單，只能夠完成某一種或幾種監測任務， 而且監測的頻率範圍也有限。但是，它便於移動，在局部地區的無線監測中，效率更高、更實 用；而且，建網成本低，特別適合大批量地分布在偏遠地區或局部熱點地區實現聯網監測， 如果再與大型監測站配合使用，就能夠達到更高的監測效率。現在，市場上偶爾看到的、正在使用的可攜式無線測向設備大都是基於抵近作業 設計生產的，在完成查找無線電幹擾源的作業中，往往需要固定站、車載移動站或便攜站等 設備能夠先行確定大致方位，然後再使用可攜式無線測向設備抵近幹擾源。因此，這些便攜 式無線測向設備在某種程度上還難以獨立使用。所以，研製一種能夠獨立使用的可攜式無 線測向裝置就成為業內科技人員關注的一項焦點課題。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種結構新穎、功能齊全，且集遠距離測向定位與近距 離精確抵近測向定位於一體的可攜式無線電測向裝置。該裝置既能夠在多機使用時實現聯機定位，同時，也能在無法聯機情況下單機獨立工作；採用相關幹涉式算法與幅度比較式算 法相配合的方式進行電波測向，並配合地理信息系統(GIS)將測向和定位結果以圖形化形 式顯示在計算機的地圖上。為了達到上述目的，本實用新型提供了一種可攜式無線電測向裝置，其特徵在於 該裝置包括下述兩部分天線陣和由主控機、接口電路、上位機與為各部件供電的電源電路 構成的控制機，其中天線陣至少設有用作基準天線或逼近式定位的幅度比較式定向天線和 前端控制電路，主控機設有下述順序連接的控制電路將接收的天線陣輸出信號與數字式 合成器DDS提供的本振信號進行信號頻率轉換的混頻器，自動控制信號強度的可調增益控 制器AGC，將模擬信號轉換為數位訊號的模數轉換器ADC，以及作為該主控機控制中心的 現場可編程門陣列FGPA電路，該FGPA電路還分別連接數字式合成器DDS、可調增益控制器 AGC、全球移動通信系統GSM電路、收音機晶片電路與接口電路，以調控各電路以及交互、存 儲信息；用於監聽非法電臺信息和配合上位機執行FM全頻段電臺的掃描功能的收音機芯 片電路的輸入端和輸出端分別連接幅度比較式定向天線和揚聲器或耳機；接口電路負責完 成天線陣與主控機的信號和上位機的信號之間的通信接口的轉換功能作為該裝置控制中 心的上位機設有採用相關幹涉與幅度比較兩種算法相互配合進行測向，並在電子地圖上 顯示測向結果三條直線交互形成的三角型區域的地理信息系統GIS與測向算法模塊和數 據與通信處理模塊，分別連接該兩個模塊的人機互動界面和作業系統與驅動模塊。所述電源電路是線性穩壓電源LD0，其輸出的電壓有+5V，-5V，3. 7V，3. 3V，2. 5V, 1. 8V 和 1. 2V0所述前端控制電路設有在不運動或運動速度較低時能夠確定天線陣基準方位的 電子羅盤，用於給出精確定位信息的全球定位系統GPS電路，以及用於接收處理電子羅盤 與全球定位系統電路發送的數據並控制幹涉式天線陣列的電子開關電路操作的單片機。所述天線陣還設有用於遠距離快速定位的幹涉式天線陣列，該幹涉式天線陣列 設有四個或四個以上的測向天線，每個天線輸出端的信號處理電路，以及這些信號處理電 路都連接的天線陣列的電子開關電路。所述天線陣中的幹涉式天線陣列與主控機之間是雙通道連接，幅度比較式定向天 線與主控機之間是單通道連接，單片機採用串行口分別連接電子羅盤、全球定位系統GPS 電路、幹涉式天線陣列中的電子開關電路和接口電路。所述主控機中的FPGA電路採用串行口連接接口電路；該FPGA電路設有分別完成 下述功能的三個控制電路將上位機發送來的指令轉換成主控機中各功能電路能夠識別的 指令而完成相應操作的指令轉換電路；分別對DDS、AGC、ADC、GSM電路和收音機晶片電路執 行相應控制功能的控制電路；將接收到的來自ADC、收音機晶片和GSM電路的數據進行暫 存後，根據上位機的相應指令需求而轉發到上位機的數據存儲轉發電路。所述接口電路採用串口分別連接單片機、FPGA電路和GSM電路，再採用USB 口連 接上位機，負責完成串行通信口與USB通信口之間的信號轉換。本實用新型可攜式無線電測向裝置用於調頻(FM)頻段無線信號的測向，既能夠 實現多機聯機的測向定位，也能在無法聯機情況下單機獨立測向。該裝置採用相關幹涉式 與幅度比較式兩種算法相配合的方式進行測向，並配合地理信息系統GIS將測向和定位的 結果以圖形化形式顯示在電子地圖上，測向結果直觀、簡明。[0016]該裝置的有益效果是通過自身的幹涉式天線測向就可以獨立地快速測定非法發 射源的方位，並且在抵近非法發射源後，再採用幅度比較式天線測向就能快速精確地找到 目標；不再需要與固定站、車載移動站或便攜站等其他設備配合使用。另外，該裝置的電路 構造簡單、合理，操作使用方便、容易掌握。因採用FGPA電路實現了控制電路的集成，使得 該裝置的成本比較低廉，重量輕，這些特點都使得該測向裝置特別適合便攜使用和普及推 廣，尤其適宜在當今大型監測網絡難以覆蓋、電磁環境複雜和信號衰減反射頻繁的高樓林 立的城市環境中使用，填補了現有設備的空白。對於發射時間不固定，發射時間短的非法發 射源，還可以採用本實用新型的多機聯機定位方式，在短時間內就能快速抵達非法發射源。 因此，本實用新型有很好的推廣應用前景。
圖1是本實用新型可攜式無線電測向裝置控制電路的結構組成方框圖。圖2是本實用新型可攜式無線電測向裝置多機定位測向的工作原理圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，
以下結合附圖和實施例對本 實用新型作進一步的詳細描述。參見圖1，介紹本實用新型的結構組成其控制電路設有天線陣和由主控機、接口 電路、上位機與為各部件供電的電源電路構成的控制機。其中的天線陣至少設有用作基準 天線或逼近式定位的幅度比較式定向天線及其前端控制電路，還可以拓展配置用於遠距離 快速定位的幹涉式天線陣列。幹涉式天線陣列設有四個或四個以上的測向天線，每個天線 輸出端的信號處理電路，以及各個信號處理電路都連接的電子開關電路。前端控制電路包 括在不運動或運動速度較低時，用於測定方位信息的電子羅盤；用於給出精確定位信息 的全球定位系統GPS電路；用於接收處理電子羅盤信息與GPS電路信息並控制幹涉式天線 陣列中的電子開關電路操作的單片機。主控機設有下述順序連接的控制電路將接收到的天線陣的輸出信號與數字式合 成器DDS提供的本振信號進行信號頻率轉換的混頻器，自動控制信號強度的可調增益控制 器AGC，完成模數信號轉換的模數轉換器ADC，以及作為主控機控制中心的現場可編程門陣 列FGPA電路。該FGPA電路還分別連接數字式合成器DDS、可調增益控制器AGC、全球移動通 信系統GSM電路、收音機晶片電路與接口電路，用於調控各電路和實現信息的交互與緩存。 用於監聽非法電臺信息和配合上位機執行FM全頻段電臺的掃描功能的收音機晶片電路的 輸入端和輸出端分別連接幅度比較式定向天線和揚聲器或耳機，其中GSM電路用於多機聯 合測向定位時實現簡訊交互。接口電路採用串口分別連接單片機、FPGA電路和GSM電路， 再採用USB 口連接上位機，負責完成串行通信口與USB通信口之間的信號轉換；也就是負責 完成天線陣與主控機的信號和上位機的信號之間的通信接口的信號轉換功能。上位機是該 測向裝置的控制中樞，機內設置有採用相關幹涉與幅度比較兩種算法相互配合進行測向， 並在電子地圖上顯示測向結果GIS與測向算法模塊和數據與通信處理模塊，電子地圖上顯 示的測向結果是三條直線交互形成的三角型區域。分別連接上述兩個模塊的人機互動界 面和作業系統與驅動模塊。[0022]該裝置的天線陣中幹涉式天線陣列與主控機之間是雙通道連接，幅度比較式定向 天線與主控機之間是單通道連接，單片機的串行口分別連接電子羅盤、GPS電路、幹涉式天 線陣列中的電子開關陣列電路和接口電路。主控機中的FPGA電路也是採用串行口連接接口電路。該FPGA電路設有分別完成 下述功能的三個控制電路將上位機發送來的指令轉換成主控機中各功能電路能夠識別的 指令而執行相應操作的指令轉換電路，分別對DDS、AGC、ADC、GSM和收音機晶片各個電路執 行相應控制功能的控制電路；將接收到的來自ADC、收音機晶片和GSM電路的數據進行暫存 後，再根據上位機指令而轉發給上位機的數據存儲轉發電路。本實用新型裝置的電源電路是線性穩壓電源LD0，可輸出提供該裝置工作時所需 的各個電壓值，包括+5V，-5V，3. 7V，3. 3V，2. 5V，1.8V 和 1.2V。本實用新型的測向工作可以選用兩種方法單機測向定位與聯機測向定位。單 機測向定位是由測試人員使用該可攜式無線電測向裝置在三個地點(相互之間要有設定 距離)分別進行三次獨立測向，就可以得到一個標註無線信號發射源所在位置的三角形區 域。聯機測向定位是由三個測試人員分別使用該裝置同時進行測向(參見圖2)，得到的三 條方向線會交匯形成一個三角形區域。所監測的無線信號發射源很可能位於該三角形區域 內，而且，位於該三角形的外接圓區域內的可能性更大。得到三角形區域後，本實用新型通 過機內配置的設定算法模塊的運算處理，就能主動尋找發射源所在位置，並顯示在人機交 互界面。下面簡要說明本實用新型的工作機理和操作過程(1)本實用新型裝置上電後，先使用天線陣中的比幅式天線進行無線電波的監測， 該天線監測範圍內的FM信號被比幅式天線接收並經過處理後，送入主控機中的收音機芯 片，收音機晶片外接有揚聲器或耳機，人工可通過揚聲器或耳機進行監聽，判斷FM電波是 否合法。(2)若經過監聽比對，發現某一頻率處的FM信號為非法無線信號，則開始定位非 法無線信號發射源的方位。定位方案可根據需要在單機定位與聯機定位中進行選擇。(3)選定定位方案後，每臺測向裝置中的上位機先向單片機發送指令，用於獲取天 線陣的位置及方位信息。天線陣的位置及方向信息由前端控制電路進行測量，其中GPS電 路測量天線陣位置，電子羅盤測量天線陣的基準方位，兩者測量結果匯總在單片機進行處 理，然後由單片機經由接口電路傳送到上位機進行後續處理。通常，先使用幹涉式天線進行遠距離測向，確定非法信號源的方位後，再使用比幅 式天線進行抵近作業，找到非法信號源所在地。幹涉式天線接收非法信號發射源的FM信號 後，進行濾波、放大等處理後，再送入電子開關電路，電子開關電路從4個幹涉式天線接收 到的4路信號中，選取2路信號送入主控機進行後續處理。(4)主控機接收到天線陣傳入的信號後，首先讓信號通過混頻器，混頻器所需的本 振信號由直接數字合成電路(DDS)提供。混頻後的信號依次通過自動增益控制電路(AGC)、 模數轉換器(ADC)、現場可編程門陣列電路(FPGA)，其中FPGA電路控制AGC將信號的增益 控制在最佳範圍內，還控制ADC將信號轉換成數位訊號。該數位訊號在FPGA電路內部進行 初步運算後，經過接口電路，送入上位機進行後續處理。(5)上位機是一臺PC機，它包括下述功能模塊人機互動界面、地理信息系統(GIS)與測向算法模塊、數據與通信處理模塊和作業系統及驅動模塊。其中作業系統及驅 動模塊用於支持整個上位機、即PC機系統的運行，GIS與測向算法模塊、數據與通信處理模 塊都是用於處理上述兩個信號，通過相應算法與計算，最終得出FM信號發射源的位置，並 在GIS人機互動界面上顯示。人機互動界面是用戶與上位機的操作接口，還具有許多傳統 的功能菜單可供用戶選擇新建工程、文件管理、掃描、黑名單、測向、聯機等各項操作。該上 位機的運行環境是windows XP。(6)當採用聯機定位方案時，則需用到全球移動通信(GSM)電路，各臺測向裝置藉 此電路通過發送簡訊的方式進行通訊。(7)當上位機在電子地圖上交匯顯示出非法發射源所在的大體區域時，切換到比 幅式測向，使用比幅式天線進行抵近作業，最終找出非法發射源所在地。參見圖2，介紹本實用新型的定位過程根據定位原理，先採用全球定位系統GPS 電路定位本實用新型測向裝置的自身位置，然後經過交匯計算，完成發射源的定位。此時， 因該裝置設有地理信息系統GIS與測向算法模塊，能夠直接在地圖上繪製和顯示測向結
^ ο本實用新型不但能夠實現單機測向定位，還能夠進行多機聯合測向定位，還能夠 通過主控機內的全球移動通信系統GSM電路的簡訊實時發送定位信息。總之，本實用新型適用於調頻FM頻段，能夠在多機並存的情況下進行聯機定位， 方便快捷，同時也能夠在無法聯機的情況下單機獨立工作。本實用新型能夠滿足大多數無 線電波的監測需求，能夠在複雜電磁環境下快速定位目標，且攜帶方便。該裝置採用的幹涉 式測向與比幅式測向相互結合的技術，使其能在遠距離定位與近距離抵近作業中都表現出 良好性能。本實用新型已經研製成功性能樣機，並進行了實施試驗，試驗結果是成功的，實現 了發明目的。
權利要求一種可攜式無線電測向裝置，其特徵在於該裝置包括下述兩部分天線陣和由主控機、接口電路、上位機與為各部件供電的電源電路構成的控制機，其中天線陣至少設有用作基準天線或逼近式定位的幅度比較式定向天線和前端控制電路，主控機設有下述順序連接的控制電路將接收的天線陣輸出信號與數字式合成器DDS提供的本振信號進行信號頻率轉換的混頻器，自動控制信號強度的可調增益控制器AGC，將模擬信號轉換為數位訊號的模數轉換器ADC，以及作為該主控機控制中心的現場可編程門陣列FGPA電路，該FGPA電路還分別連接數字式合成器DDS、可調增益控制器AGC、全球移動通信系統GSM電路、收音機晶片電路與接口電路，以調控各電路以及交互、存儲信息；用於監聽非法電臺信息和配合上位機執行FM全頻段電臺的掃描功能的收音機晶片電路的輸入端和輸出端分別連接幅度比較式定向天線和揚聲器或耳機；接口電路負責完成天線陣與主控機的信號和上位機的信號之間的通信接口的信號轉換功能作為該裝置控制中心的上位機設有採用相關幹涉與幅度比較兩種算法相互配合進行測向，並在電子地圖上顯示測向結果三條直線交互形成的三角型區域的地理信息系統GIS與測向算法模塊和數據與通信處理模塊，分別連接該兩個模塊的人機互動界面和作業系統與驅動模塊。
2.根據權利要求1所述的可攜式無線電測向裝置，其特徵在於所述電源電路是線性 穩壓電源 LD0,其輸出的電壓有:+5V, -5V，3. 7V，3. 3V，2. 5V，1. 8V 和 1. 2V。
3.根據權利要求1所述的可攜式無線電測向裝置，其特徵在於所述前端控制電路設 有在不運動或運動速度較低時能夠確定天線陣基準方位的電子羅盤，用於給出精確定位 信息的全球定位系統GPS電路，以及用於接收處理電子羅盤與全球定位系統電路發送的數 據，並控制幹涉式天線陣列的電子開關電路操作的單片機。
4.根據權利要求1所述的可攜式無線電測向裝置，其特徵在於所述天線陣還設有 用於遠距離快速定位的幹涉式天線陣列，該幹涉式天線陣列設有四個或四個以上的測向 天線，每個天線輸出端的信號處理電路，以及這些信號處理電路都連接的天線陣列的電子 開關電路。
5.根據權利要求1或4所述的可攜式無線電測向裝置，其特徵在於所述天線陣中的 幹涉式天線陣列與主控機之間是雙通道連接，幅度比較式定向天線與主控機之間是單通道 連接，單片機採用串行口分別連接電子羅盤、全球定位系統GPS電路、幹涉式天線陣列中的 電子開關電路和接口電路。
6.根據權利要求1所述的可攜式無線電測向裝置，其特徵在於所述主控機中的FPGA 電路採用串行口連接接口電路；該FPGA電路設有分別完成下述功能的三個控制電路將上 位機發送來的指令轉換成主控機中各功能電路能夠識別的指令而完成相應操作的指令轉 換電路；分別對DDS、AGC、ADC、GSM電路和收音機晶片電路執行相應控制功能的控制電路； 將接收到的來自ADC、收音機晶片的數據進行暫存後，根據上位機的相應指令需求而轉發到 上位機的數據存儲轉發電路。
7.根據權利要求1所述的可攜式無線電測向裝置，其特徵在於所述接口電路採用串 口分別連接單片機、FPGA電路和GSM電路，再採用USB 口連接上位機，負責完成串行通信口 與USB通信口之間的信號轉換。
專利摘要一種可攜式無線電測向裝置，包括幅度比較式定向天線和幹涉式天線陣列及前端控制電路的天線陣，以及由主控機、上位機、接口電路與電源電路組成的控制機。主控機設有將天線輸出信號與DDS提供的本振信號進行頻率轉換的混頻器，可調增益控制器AGC，模數轉換器ADC，GSM電路，收音機晶片，以及用於調控各電路和緩存信息的現場可編程門陣列FGPA；上位機設有GIS測向模塊和數據與通信處理模塊，以及分別連接該兩個模塊的人機互動界面和作業系統與驅動模塊。該裝置集遠距離定位與近距離精確抵近於一體，既能多機並用實現聯機測向，也能單機獨立工作；用相關幹涉式與幅度比較式兩種算法配合進行測向，並配合GIS將測向定位結果圖形化地顯示於電子地圖。
文檔編號G01S3/12GK201773183SQ201020188700
公開日2011年3月23日 申請日期2010年5月7日 優先權日2010年5月7日
發明者於翠屏, 劉元安, 劉鑫, 梁言, 蘇明, 魏添翼, 黎淑蘭 申請人:北京郵電大學