彭玉玲 劉元安 劉凱明

北京郵電大學(xué) 100876

便攜式無線電測向系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

彭玉玲 劉元安 劉凱明

北京郵電大學(xué) 100876

引言

無線頻譜是非可再生資源，對無線頻譜資源的合理利用和有效監(jiān)管一直是各國無線電管理部門的首要工作。調(diào)頻廣播承載著各省交通信息和氣象預(yù)報等多種公眾服務(wù)信息的廣播業(yè)務(wù)，在人民的日常生活和工作中具有不可替代的作用。但是部分組織或個人出于各種目的，在未經(jīng)允許的情況下，私自發(fā)射調(diào)頻信號，嚴(yán)重擾亂了調(diào)頻廣播的正常運(yùn)行。

1、用戶需求分析

設(shè)計一個界面友好、操作方便的便攜式測向系統(tǒng)軟件，配合相應(yīng)的硬件設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)以下功能：

系統(tǒng)分為向?qū)胶推胀ú僮髂Ｊ?，方便用戶進(jìn)行操作；

向?qū)綄τ脩舻牟僮鞑襟E進(jìn)行詳細(xì)的指導(dǎo)；

普通式則是熟練使用的用戶的另外一種使用方式，更加靈活；

系統(tǒng)能實(shí)時在地圖上面顯示本系統(tǒng)的位置；

接收用戶輸入，執(zhí)行掃描測向的操作，并向用戶顯示處理結(jié)果；

測向結(jié)果將會繪制到地圖上，信號強(qiáng)度將會以可視的形式進(jìn)行實(shí)時顯示。

系統(tǒng)支持聯(lián)機(jī)測向，即系統(tǒng)可以把自己的測向結(jié)果發(fā)送給其他的系統(tǒng)。

2、開發(fā)環(huán)境及測向方案選擇

要設(shè)計簡單友好的界面系統(tǒng)，可以在Visual Studio系列里面進(jìn)行開發(fā)工作，本系統(tǒng)由于要使用GIS地圖信息管理庫里面的接口，采用了Visual Studio 2005開發(fā)環(huán)境。由于本系統(tǒng)不僅要界面設(shè)計，底層也要通過串口和硬件系統(tǒng)進(jìn)行交互，因此選用的C++語言，并基于MFC類庫來編寫程序。

對于測向算法的選擇，根據(jù)用戶需求及對現(xiàn)有幾種典型算法的分析[1]，可以發(fā)現(xiàn)，雖然干涉儀式測向的實(shí)現(xiàn)難度較大，但是它同時具有很高的測向靈敏度和準(zhǔn)確度，對設(shè)備的要求也不高，可以考慮作為首選算法。

與其他測向方法相比，幅度比較式測向?qū)ο到y(tǒng)要求最低，但也具有最低的性能，可作為備用算法。

干涉儀測向的結(jié)果是一條指向電臺的方向線，由于存在測向精度的問題，多點(diǎn)測向后，不會總是交到一個點(diǎn)上，但是可以根據(jù)這些測向線，得出電臺的初步搜索范圍，其原理如圖1所示：

圖 1 測向原理圖

然后在這個搜索區(qū)域，利用幅度比較式算法，最終定位電臺的位置。

3、軟件設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計

整個測向機(jī)系統(tǒng)分為三大部分：上位機(jī)（即軟件系統(tǒng)）、下位機(jī)（即硬件系統(tǒng)）和天線部分。圖2是系統(tǒng)的總體設(shè)計。本文主要關(guān)注上位機(jī)，即軟件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。軟件系統(tǒng)主要由用戶圖形界面、綜合控制模塊、工程管理模塊、GPS定位管理模塊、掃描測向模塊、聯(lián)機(jī)測向模塊和地圖信息管理模塊六大部分組成。

圖 2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

3.2 詳細(xì)設(shè)計

3.2.1 用戶圖形界面

界面上面是標(biāo)題欄和菜單欄，左邊區(qū)域初始空白，幅度比較式測向時用來顯示信號強(qiáng)度，右側(cè)為地圖操作和顯示區(qū)域。

根據(jù)測向系統(tǒng)的需求，對于向?qū)綔y向的界面設(shè)計應(yīng)該是系統(tǒng)啟動時自動彈出向?qū)Ы缑?，提示用戶新建一個工程測向或者繼續(xù)上次測向。然后是掃描界面，提示用戶進(jìn)行自動掃描或手動掃描。最后是給出掃描結(jié)果，針對非法電臺進(jìn)行測向操作。

3.2.2 綜合控制模塊

這個模塊具有神經(jīng)中樞的作用，它將上層的界面顯示與底層的功能實(shí)現(xiàn)聯(lián)系起來，并協(xié)調(diào)各模塊的工作，使整個系統(tǒng)能很好地完成測向任務(wù)。在系統(tǒng)初始化的時候，這個模塊負(fù)責(zé)初始化各模塊。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，接收從用戶圖形界面?zhèn)鬟^來的操作指令，解析并調(diào)用相關(guān)的底層模塊來執(zhí)行命令，對于底層模塊的處理結(jié)果，也及時的讀取并反饋給用戶圖形界面顯示出來。

3.2.3 工程管理模塊

工程管理模塊的核心作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，當(dāng)用戶建立一個新的測向工程，用戶繼續(xù)上次的測向操作，用戶測向得到結(jié)果時，這個模塊負(fù)責(zé)從工程文件里面讀出相應(yīng)的測向數(shù)據(jù)，并及時更新這些數(shù)據(jù)。它能使用戶后期對所測的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢分析，有利于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計工作。

3.2.4 GPS定位管理模塊

由于本系統(tǒng)同時需要利用移動通信網(wǎng)絡(luò)收發(fā)短信進(jìn)行聯(lián)機(jī)測向的功能，通過分析及比較，在芯片選擇上選定了上海SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM508模塊[2]。該模塊同時集成了GSM和GPS兩種模塊，且具有非常小的體積和重量，性價比較高，非常適合應(yīng)用于本系統(tǒng)。

定位管理模塊在程序運(yùn)行期間，一直在后臺執(zhí)行并更新位置信息。模塊通過計算機(jī)的串口與GPS模塊進(jìn)行交互來讀取位置信息。

3.2.5 掃描測向模塊

1）掃描

在具體的掃描線程的執(zhí)行中，如果是自動掃描，則將起止頻率和步長轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)，加上命令開始識別符和結(jié)束符，一起寫入相應(yīng)的串口，最終被硬件設(shè)備接收到，然后反饋這個范圍的以步長為間隔的頻點(diǎn)的信號強(qiáng)度。程序收集完這些強(qiáng)度信息后，開始分析可能存在電臺的頻點(diǎn)。

從掃描結(jié)果分析，電臺所在頻點(diǎn)位置會出現(xiàn)一個凹形的突起，而突起的第一個峰所在的頻率就是電臺的頻點(diǎn)。掃描模塊針對這個特點(diǎn)就可以設(shè)計相應(yīng)的算法，找到凹形突起后，就可以確定電臺頻點(diǎn)。

2）干涉儀算法測向[3]

本設(shè)計采用的是四單元、雙通道的測向方法，測向原理圖如圖3所示，其中d為陣元之間的距離，θ為信號到達(dá)的方向，λ是載波波長。由于相位干涉儀測向的角度只能在±180°范圍內(nèi)，由式(1)可知，當(dāng)d<λ/2時，對于信號入射角θ在±90內(nèi)取值時，其對應(yīng)相位差在±180以內(nèi)，相位值與入射角度值一一對應(yīng)；當(dāng)d>λ/2時，對于信號入射角θ在±90內(nèi)取值時，其實(shí)際相位差可能超過±180的范圍，此時同一個相位值可能對應(yīng)多個入射角度值，這就是“相位模糊”。所以d必須小于λ/2，否則不能保證實(shí)際的方向角與測量的方向角一一對應(yīng)，即一個測定的φ可以計算出兩個或兩個以上的θ，這當(dāng)然是不允許的。為了克服相位模糊問題，本系統(tǒng)采用的天線基線之間間距為λ/4。

圖 3 干涉儀算法原理

若有一平面波從與天線視軸夾角為θ的方向到達(dá)間距為d的兩個測向天線，則在知道信號頻率f的情況下（波長λ＝c/f，c為光速），兩個天線1、2接收到的相位差為

因此，只要測量出ψ12就能算出信號到達(dá)方向角θ。

如果兩個信道的響應(yīng)完全一致，接收機(jī)輸出的相位差仍為φ，則由接收機(jī)采樣接收到的信號

干涉測向線程函數(shù)負(fù)責(zé)從串口讀入兩個天線陣1、2采樣數(shù)據(jù)，然后求其希爾伯特變換，得到正弦相關(guān)的表達(dá)式，就可以利用三角函數(shù)公式來求得相位差。

由公式(6)

(4)

可以求得兩個天線陣元之間信號的相位差的正弦值及相位

(7)

然后根據(jù)公式(1)可以得出方向角。為了克服鏡像模糊問題，系統(tǒng)還同時收集了3、4天線陣元的信號進(jìn)行分析，使計算出的來的角度更加準(zhǔn)確。

3）幅度比較式算法

幅度比較式測向[4]比較簡單，就是從硬件設(shè)備不斷讀取某特定頻點(diǎn)的信號強(qiáng)度值，并實(shí)時刷新，這樣在上層界面會根據(jù)這個強(qiáng)度值來顯示當(dāng)前天線所在方向的接收到的信號質(zhì)量。

3.2.6 聯(lián)機(jī)測向模塊

這個模塊處理本測向機(jī)和其他聯(lián)合測向的機(jī)器之間通信的模塊。系統(tǒng)采用的是發(fā)送短消息的模式。

如果是要進(jìn)行聯(lián)機(jī)測向，應(yīng)該是一個小組三個人，每人持一臺測向機(jī)去到不同的地方。三臺機(jī)器掃描可能會確定出不同的非法頻點(diǎn)，然后對各自掃描出的這個頻點(diǎn)進(jìn)行干涉式測向，這樣就會造成無法協(xié)作完成一個測向的任務(wù)。因此，系統(tǒng)設(shè)計為，最快測完一次干涉式測向，并把結(jié)果發(fā)給其他兩臺機(jī)器的測向機(jī)自動成為主測向機(jī)，另外兩臺從測向機(jī)在收到主測向機(jī)的測向請求和測向結(jié)果后，馬上停止自己的測向任務(wù)，轉(zhuǎn)而保存主測向機(jī)的測試結(jié)果，并根據(jù)接收到的頻點(diǎn)信息，開始自己的測向。從測向機(jī)測出結(jié)果后，立即把結(jié)果發(fā)給其他兩臺測向機(jī)，這樣三臺測向機(jī)同時擁有了三次干涉式測向結(jié)果，如果條件滿足，一個圓形的搜索范圍將會自動繪制在地圖上。

3.2.7 地圖信息管理模塊

這個模塊主要是管理界面上面對地圖部分的操作，包括顯示測向系統(tǒng)所在地地圖，顯示測向機(jī)的具體位置、顯示干涉式測向的結(jié)果、提供地圖的縮放、拖動等簡單操作。

4、實(shí)地測試

以單機(jī)測試為例，三次干涉儀測試結(jié)果如下圖4右側(cè)地圖區(qū)域所示所示。

其中的紅色圓點(diǎn)為當(dāng)前測向機(jī)所在位置，紅色圓圈為三次測向結(jié)果出來后自動繪制出來的搜索區(qū)域。進(jìn)入搜索區(qū)域后，使用幅度比較式算法，可以實(shí)時觀察信號強(qiáng)度，如圖4左側(cè)柱形圖區(qū)域所示。

圖 4 幅度比較式測向界面

5、總結(jié)

本文給出了一種綜合多功能的測向系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案及實(shí)現(xiàn)方法。單機(jī)測向可以采取多點(diǎn)測試的方法，而多機(jī)可以聯(lián)合測試。在綜合運(yùn)用相關(guān)干涉儀算法和幅度比較式算法的基礎(chǔ)上，使用戶能很方便地使用并找到要尋找的電臺發(fā)射地。

[1]李鵬.雙通道相關(guān)干涉儀測向系統(tǒng)研究[學(xué)位論文].西安:西安電子科技大學(xué).2009

[2]SIM508_HD_V2.08 [Datasheet], SIM TECHNOLOGY, http://www.sim.com.

[3]梁雙港.基于相位干涉儀測向算法的定位技術(shù)研究[D]. 中國優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 (碩士).2006,(08) .

[4]劉利軍.淺論無線電測向技術(shù)及其應(yīng)用.中國高新技術(shù)企業(yè).2009.7：7～8

國家自然科學(xué)基金資助項目 60802033以及60873190

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.041

彭玉玲，籍貫湖南，北京郵電大學(xué)在讀碩士，研究方向：無線通信。

調(diào)頻廣播承載著各省交通信息和氣象預(yù)報等多種公眾服務(wù)信息的廣播業(yè)務(wù)，在人民的日常生活和工作中具有不可替代的作用。但是部分組織或個人出于各種目的，在未經(jīng)允許的情況下，私自發(fā)射調(diào)頻信號，嚴(yán)重擾亂了調(diào)頻廣播的正常運(yùn)行。本文介紹了一種適用于調(diào)頻頻段的便攜式無線電監(jiān)測設(shè)備的軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，主要介紹了無線測向的基本原理，采用相關(guān)干涉式算法與幅度比較式算法相配合的方式進(jìn)行測向，以及單機(jī)測向和聯(lián)機(jī)測向的方法，并詳細(xì)分析了測向程序的基本流程和具體實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞

測向；相關(guān)干涉儀；幅度比較式；軟件設(shè)計