胡珺珺，張 宇，劉 艷

（1.重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院，重慶 401571；2.重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司，重慶 401121；3.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司重慶分公司，重慶 401121）

雙極化天線的通信信號(hào)檢測(cè)方法

胡珺珺1，張 宇2，劉 艷3

（1.重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院，重慶 401571；2.重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司，重慶 401121；3.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司重慶分公司，重慶 401121）

在詳細(xì)分析與探討信號(hào)防御性能的基礎(chǔ)上,對(duì)利用邊界掃描的大區(qū)域通信信號(hào)電路體系進(jìn)行了探討,提出以TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的雙極化天線通信信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。通信信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中，用嵌入式處理器LPC2148結(jié)合四階累積量的切片檢測(cè)出TD-SCDMA信號(hào)，并通過(guò)估計(jì)獲得TD-SCDMA信號(hào)的采樣率,經(jīng)過(guò)二次譜算法的運(yùn)算，獲得譜峰間的距離來(lái)估計(jì)出OVSE碼的周期參數(shù)。以標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證芯片為中心，針對(duì)相同類型的混合信號(hào)電路組建驗(yàn)證電路,最終完成對(duì)驗(yàn)證模塊DOT4MBST及驗(yàn)證電路的檢測(cè)驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明,提出的雙極化天線的通信信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)能夠在錯(cuò)綜復(fù)雜環(huán)境中，對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行精確的采集,且魯棒性強(qiáng)。

二次譜，雙極化天線，信號(hào)檢測(cè)

0 引言

在海量數(shù)據(jù)通信過(guò)程中，對(duì)天線通信信號(hào)的采集是一個(gè)尤為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)?，F(xiàn)今，對(duì)通信信號(hào)的檢測(cè)幾乎都依附于信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，這樣的檢測(cè)系統(tǒng)主要是通過(guò)通信信號(hào)擴(kuò)散的超低頻電波形成的電場(chǎng)來(lái)搜索到“信號(hào)”的方位完成檢測(cè)［1～2］。主流的通信信號(hào)檢測(cè)方法可以提供不同電波過(guò)濾器，能夠?qū)⑼耆煌谕ㄐ判盘?hào)的頻率有效地消除，能夠促使信號(hào)檢測(cè)設(shè)備完全感受到通信信號(hào)散發(fā)頻率形成的電場(chǎng)。主流的通信信號(hào)檢測(cè)設(shè)備提供兩個(gè)不同類型的偵測(cè)桿，長(zhǎng)距離偵測(cè)桿偵測(cè)面積最遠(yuǎn)可至500 m，短距離偵測(cè)桿偵測(cè)面積可至20 m。通信信號(hào)傳播的超低頻電場(chǎng)可以滲透過(guò)鋼筋混凝墻、鋼板［3］。在這種情況下，通信信號(hào)偵測(cè)會(huì)縮小范圍，但如果操控者靠近偵測(cè)地點(diǎn)，還是可以找到要搜索的信號(hào)目標(biāo)［4～6］。即便移動(dòng)檢測(cè)，同樣可以滲透過(guò)混凝土，磚，雪，冰和泥漿的檢測(cè)信號(hào)的范圍，且具有適應(yīng)性強(qiáng)，方法簡(jiǎn)單，不耗費(fèi)成本，節(jié)能，噪音小等諸多優(yōu)勢(shì)［7～8］?？墒牵?dāng)前的天線信號(hào)檢測(cè)設(shè)備存有一個(gè)缺陷，即不能完成障礙物遮擋下的信號(hào)檢測(cè)。此外，因?yàn)樘幚砟芰τ邢?，也無(wú)法判斷信號(hào)檢測(cè)的范圍［9～10］。

1 基于雙極化天線的通信信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 目前系統(tǒng)中信號(hào)干擾成因分析

和其他的信號(hào)不同，目前系統(tǒng)在具有障礙物的環(huán)境下通信信號(hào)會(huì)變得特別渺小，通信信號(hào)源所形成的信號(hào)特征沒(méi)有規(guī)律性，所以這就是判斷檢測(cè)范圍面臨的一個(gè)巨大困難。此外，最重要的是檢測(cè)的環(huán)境較為惡劣，存在多種噪聲，由于人員晃動(dòng)，風(fēng)吹等外界因素影響，還會(huì)產(chǎn)生一定的電磁干擾，這些都會(huì)損害到通信信號(hào)的穩(wěn)定性。在周邊的范圍中，由于人員晃動(dòng)形成的電磁干擾會(huì)對(duì)大面積通信信號(hào)檢測(cè)造成一定的危害性，形成這種電磁干擾的因素是由于外部環(huán)境中人員帶有的靜電與地面產(chǎn)生了電磁差，設(shè)備與地面間存有部分的電壓，這些電壓通過(guò)信號(hào)電纜的外屏蔽網(wǎng)產(chǎn)生了干擾電流，對(duì)信號(hào)檢測(cè)產(chǎn)生了危害性。地電流的基本組成部分是50 Hz交流電和電器設(shè)備形成的干擾脈沖，顯示在通信信號(hào)檢測(cè)圖譜上是水平條紋、扭曲，摻雜有水平雜波等狀態(tài)，且還會(huì)按照90°的直角方位逐漸移動(dòng)。不同干擾情況下檢測(cè)的通信信號(hào)圖譜如圖1、圖2所示。

圖1 不受干擾的通信信號(hào)

圖2 受到干擾的通信信號(hào)

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)硬件模塊設(shè)計(jì)

雙極化天線的通信信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)射頻發(fā)射器終端結(jié)構(gòu)中安裝了弱通信信號(hào)傳感器，屬于線性的回波檢測(cè)設(shè)備,能夠運(yùn)行在-18℃～300℃的區(qū)域間，完全能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。雙極化天線通信信號(hào)的回波傳感器采樣信號(hào)通過(guò)無(wú)限放大后，輸出的電壓始終控制在0～3.25 V的范圍內(nèi)，送入A/D轉(zhuǎn)換器后，選取通道0輸入，搜尋2點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，當(dāng)標(biāo)定之后，線性擬合，計(jì)算實(shí)時(shí)的回波信號(hào)。信號(hào)強(qiáng)度范圍表示為0～100 Hz，精度表示為±1 Hz。通信信號(hào)檢測(cè)電路的流程框圖如圖3所示。

圖3 雙極化通信信號(hào)檢測(cè)流程框圖

圖4 PWM控制框圖

可是，在存有干擾的狀況下，天線通信信號(hào)檢測(cè)電路會(huì)受到很大程度的影響,通信信號(hào)傳感器的首端放大的電路會(huì)產(chǎn)生電子波,在對(duì)弱通信信號(hào)適當(dāng)放大的時(shí)候，連帶噪聲也會(huì)被放大。此外，數(shù)/模轉(zhuǎn)換與顯示、控制等軟件非線性校對(duì)也會(huì)產(chǎn)生一部分噪聲。利用處理器LPC2148的PWM輸出通道引入射頻發(fā)生模塊的控制位，可以操控射頻發(fā)生信號(hào)的頻率和周期。為了快速消除噪聲，處理器依據(jù)采集的實(shí)時(shí)檢測(cè)通信信號(hào)波譜特征值和設(shè)置通信信號(hào)波譜特征值進(jìn)行運(yùn)算，將獲取的結(jié)果對(duì)PWM進(jìn)行編碼輸出，射頻是可以通（ON）或斷（OFF）的迭代脈沖序列，被附加到射頻發(fā)射器中。使用的時(shí)候射頻被附加到負(fù)載上，射頻發(fā)射器終端通信信號(hào)可以使強(qiáng)度攀升，停止發(fā)送射頻的時(shí)候，射頻發(fā)射器終端通信信號(hào)檢測(cè)就會(huì)結(jié)束。

2 TD-SCDMA信號(hào)檢測(cè)過(guò)程分析

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)通信信號(hào)檢測(cè)抗干擾能力不強(qiáng)的缺陷，用基于四階累積量的方法來(lái)檢測(cè)TD-SCDMA信號(hào)，此項(xiàng)檢測(cè)方法優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需先驗(yàn)信息，計(jì)算范圍小。因?yàn)樾盘?hào)的類型不同，基于四階累積量檢測(cè)TD-SCDMA信號(hào),也會(huì)有所不同。對(duì)接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)檢測(cè)二次譜上出現(xiàn)的譜峰脈沖間的間隔,達(dá)到對(duì)TD-SCDMA信號(hào)的OVSF碼周期進(jìn)行有效估計(jì)的目的。

根據(jù)隨機(jī)過(guò)程理論能夠說(shuō)明，高斯白噪聲的高階累積量恒為零，但是其二階統(tǒng)計(jì)量沒(méi)有這部分特殊性，采用高階統(tǒng)計(jì)量能夠提升對(duì)高斯白噪聲的控制性能。具體步驟如下：

根據(jù)二元假設(shè)檢驗(yàn)問(wèn)題：

其中，y（t）可以表示TD-SCDMA信號(hào),n（t）表述均值為零且方差為高斯白噪聲，且與y（t）完全獨(dú)立。

依據(jù)高階統(tǒng)計(jì)量的特殊性能，均值為零的高斯白噪聲的高階統(tǒng)計(jì)量恒為零。用下述公式表述：

獲得接收信號(hào)r（t）的四階累積量為：

其中：

在信號(hào)r（t）的自相關(guān)函數(shù)上標(biāo)的“*”可以表述為信號(hào)的共軛運(yùn)算，代表了接收信號(hào)r（t）的四階矩。

獲得的接收信號(hào)r（t）的四階累積量為：

由上式可知，高斯白噪聲的四階累積量恒等于零，TD-SCDMA信號(hào)的四階累積量不為零，因此，能夠運(yùn)用四階累積量當(dāng)作統(tǒng)計(jì)檢測(cè)量，對(duì)TD-SCDMA信號(hào)完成檢測(cè)。如果直接對(duì)四階累積量進(jìn)行估計(jì)，工作量巨大，會(huì)消耗大量的成本。因此，為了縮小四階累積量估計(jì)的復(fù)雜程度，可以將四階累積量的幾種切片當(dāng)作檢測(cè)量來(lái)使用，這樣能夠使檢測(cè)更加符合實(shí)際應(yīng)用要求。

將實(shí)際檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理后，能夠采用下述公式對(duì)四階累積量進(jìn)行有效估計(jì)：

3 雙極化通信信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

3.1 參數(shù)的設(shè)置

雙極化通信信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程開(kāi)始于信號(hào)的采集,目前采集到的通信特征設(shè)置值與實(shí)際通信特征值有所差異，因此，需要提升采集的速度，可以通過(guò)輸出功率來(lái)調(diào)節(jié)通信信號(hào)特征采集時(shí)間。通信信號(hào)傳遞參數(shù)的選取十分關(guān)鍵，它可以確定通信信號(hào)檢測(cè)的精度。不同參數(shù)和系統(tǒng)性能間的關(guān)系如下。

頻率系數(shù)和系統(tǒng)性能的關(guān)系：如果頻率系數(shù)增大，會(huì)促使系統(tǒng)射頻的頻率增多，速度會(huì)相應(yīng)提升，系統(tǒng)實(shí)時(shí)誤差會(huì)縮小，振蕩次數(shù)就會(huì)頻繁。存在的不足是檢測(cè)耗時(shí)長(zhǎng)，因?yàn)橄到y(tǒng)的頻率系數(shù)過(guò)大，會(huì)連帶系統(tǒng)運(yùn)行遲滯。頻率系數(shù)一定要大于零，因?yàn)橐獫M足執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器和控制對(duì)象的需求。假設(shè)頻率系數(shù)與系統(tǒng)的實(shí)際操作情況不匹配，則通信信號(hào)特征的設(shè)定值與頻率系數(shù)會(huì)存在較大的差異。

3.2 雙極化通信信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)工作流程

圖5 射頻通信檢測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

通信信號(hào)系統(tǒng)工作流程圖如5所示。開(kāi)啟設(shè)備，射頻發(fā)射器終端的通信信號(hào)可以作為實(shí)際檢測(cè)對(duì)象，掃描頻率可以為10次/s，將通信信號(hào)特征值輸入系統(tǒng)處理器并數(shù)字化，將檢測(cè)的實(shí)時(shí)與設(shè)定的通信信號(hào)特征值的差值進(jìn)行運(yùn)算，且融入TD-SCDMA雙極化網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)始發(fā)送射頻完成通信信號(hào)的最后檢測(cè)。通常從預(yù)定到設(shè)定信號(hào)強(qiáng)度的運(yùn)算時(shí)間為6 s～8 s，在滿足于通信信號(hào)特征后進(jìn)行計(jì)時(shí)，通過(guò)對(duì)PWM的比率計(jì)算不斷調(diào)節(jié)射頻發(fā)送，達(dá)到檢測(cè)射頻發(fā)射器終端通信信號(hào)的目的。計(jì)時(shí)時(shí)間上升到設(shè)定的計(jì)算強(qiáng)度后，停止設(shè)備運(yùn)行，檢測(cè)通信信號(hào)的精準(zhǔn)位置。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)象是在混亂的初始環(huán)境下的18個(gè)通信信號(hào)源，搭建模擬環(huán)境平臺(tái)，采集不同范圍通信信號(hào)的回波信息。實(shí)驗(yàn)以中心矩特征提取結(jié)果校驗(yàn)通信信號(hào)特征，融入模擬雙極性網(wǎng)絡(luò)中的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)的測(cè)試硬件是校驗(yàn)?zāi)KDOT4MBST及驗(yàn)證電路，如下詳述：

圖6 測(cè)試硬件電路

實(shí)驗(yàn)1：將不同種類的2個(gè)檢測(cè)面積回波數(shù)據(jù)，組成通信信號(hào)訓(xùn)練樣本。將待分類目標(biāo)回波數(shù)據(jù)作為實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。

對(duì)各檢測(cè)目標(biāo)都分別進(jìn)行179次測(cè)試，獲取不同方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如圖7～圖8所示：

圖7 改進(jìn)算法檢測(cè)結(jié)果

圖8 傳統(tǒng)算法檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)過(guò)比較能夠說(shuō)明，本文提出的雙極化天線的通信信號(hào)檢測(cè)方法得到的信號(hào)噪聲較小，檢測(cè)精確度高。

將上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理分析，如表1所示。

從表1能夠說(shuō)明，本文提出的雙極化天線的通信信號(hào)檢測(cè)方法能夠順利地完成通信信號(hào)的檢測(cè)，在檢測(cè)范圍與時(shí)間上都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)算法。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表

實(shí)驗(yàn)2：以18個(gè)通信信號(hào)為代表。18個(gè)通信信號(hào)的檢測(cè)半徑表示為R0=110 km。實(shí)測(cè)將回波數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)訓(xùn)練樣本，組建通信信號(hào)特征可以流暢訓(xùn)練樣本模板庫(kù)。本文提出的雙極化天線的通信信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)有效檢測(cè)面積通常在120 km～140 km之間，能夠滿足通信需求，充分展示了改進(jìn)算法的優(yōu)越性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種以TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的雙極化天線通信信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果能夠說(shuō)明：

（1）如果檢測(cè)范圍不斷加寬，在利用傳統(tǒng)算法進(jìn)行檢測(cè)的情況下，誤差也會(huì)加大，而利用改進(jìn)算法搭建的檢測(cè)平臺(tái)，檢測(cè)誤差沒(méi)有顯著變化，誤差范圍控制在5%以內(nèi)，滿足應(yīng)用需求，優(yōu)勢(shì)較為顯著。

（2）在不同算法的采集面積比對(duì)的過(guò)程中，隨著采集面積的拓寬，傳統(tǒng)算法的信息逐漸下滑，下滑的速度較快，但是改進(jìn)算法的電路可以順利地完成信號(hào)采集，信號(hào)沒(méi)有下滑趨勢(shì)。

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Research of Dual Polarized Antenna Signal Detection Method of Communication

HU Jun-jun1，ZHANG Yu2，LIU Yan3
（1.College Mobile Telecommunications ChongQing University of Posts and Telecom，Chongqing 401571，China；
2.Chongqing ChuanYi Automation Co.，LTD，ChongQing 401121，China；
3.China Mobile Group Design Institute Co.，LTD.Chongqing Branch，Chongqing 401121，China）

To analys and discuss the signal in the defensive performance,on the basis of large area for using boundary scan signal circuit system has carried on the exploration,based on TDSCDMAnetwork dualpolarized antenna communication signaldetection system is proposed. Communication signal detection process,using embedded LPC2148 processor combines the fourthorder cumulant slice TD-SCDMAsignal detection and estimation for TD-SCDMAsignal sampling rate, through the operation of secondary spectrum algorithm,the distance between the spectral peak to estimate the size OVSE cycle parameters is obtained.In a standard authentication chip as the center,in view of the same type of mixed signal circuit form validation，the validation module DOT4MBST verification and validation circuit are finished.Test results show that the proposed dual polarized antenna communication signal detection system can be in a complex environment,collection of communication signals accurately,and strong robustness.

secondary spectrum，dual polarized antenna，signal detection

TP 144

A

1002-0640（2015）07-0160-04

2014-05-08

2014-07-10

胡珺珺（1981-），女，重慶人，碩士，講師。研究方向：移動(dòng)通信技術(shù)、信號(hào)處理，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等。