CN103576124B - 实时rf信号可视化装置 - Google Patents

Abstract

一种装置提供位点信息以有助于识别RF源的位点。耦合于对应接收器的天线阵列向到达方向计算块供应信号，并且方向信息用于提供显示，其示出RF源的位点。

Description

实时RF信号可视化装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年8月6日提交的题为“实时RF信号可视化装置”的美国临时专利申请61/680, 216的优先权益。

技术领域

本发明涉及RF源的位点，并且更具体地，涉及用于在场景上显示RF位点的仪器。

背景技术

在多种情形中，确定RF源的位点并且提供该位点的显示，这可是可期望的。该位点信息可以在例如无线装置无线局域网（WLAN）计算机通信装置（仅举几例，其定位蜂窝电话源、蓝牙源）的故障诊断安装中是有益的。

具有将易于使用并且提供这些和其他RF源的实时位点信息的装置，这将是有益的。

发明内容

根据本公开，系统和方法提供电子读天线阵列、接收器、处理硬件和软件，并且捕获和示出视频或静态图片，其中信号源在它们在该视频或图片上的位点位置中被标记。系统可以是便携式或固定安装。显示可以在装置上，或被远程定位。

因此，本公开提供用于定位RF源并且提供具有在其上指示的源位点的显示的改进的系统和方法。

在该说明书的结论部分中具体指出本技术的主题并且清楚地要求保护。然而，操作的组织和方法连同其另外的实施例可参考下面的描述结合附图（其中类似的标号指代类似的元件）来看而最大程度地理解。

附图说明

图1A和1B包括根据本公开的装置的框图；

图2是由装置提供的显示数据的示范性视图；

图3是由装置执行的操作步骤的流程图；

图4是天线阵列的视图；

图5是单独天线的视图；

图6是手持式装置的屏幕侧视图；以及

图7是该手持式装置的摄像机侧视图。

具体实施方式

根据本公开的实施例的系统包括具有协调接收器的天线阵列，用于从一个或多个RF源接收RF信号。来自天线阵列的输入信号被处理来确定RF源的位点，并且显示位点信息。系统可作为手持式或便携式装置而提供，其具有用于在可见场景上示出源的位点的显示器。

参考图1A和1B（实时RF信号可视化装置10的框图），该装置作为包括信号接收段12的手持式仪器而适当地提供，该信号接收段12包括N×M阵列中的复数个天线14、16、18等，每个天线与对应的接收器20、22、24等关联。接收器每个包括，例如RF放大器和增益控制26、混频器28、A/D采样器30和数字解码器32。接收段12进一步包括向接收器的混频器提供信号的本地振荡器34，和用于控制接收器的RF放大器级的增益控制器36。

接收器块12将来自各种接收器的解码数据38和相位/幅度数据40提供给到达方向处理块42，该到达方向处理块42进一步向通用计算块46供应解码数据38和一组到达方向坐标44。

该通用计算块接收来自视频摄像机48、滚动/俯仰/横摆传感器50和/或其他位置/位点传感器和用户输入装置52的另外的输入，同时向显示器54提供输出，并且与网络连接56和大容量存储装置58通信。

在操作中，天线元件和接收器检测RF信号并且对其解码并且向到达方向处理块提供解码数据和/或相位/幅度数据，该到达方向处理块确定正到达的特定RF信号所来自的所述方向或多个方向（反射可导致多个方向），从而向通用计算块提供到达方向坐标。这些坐标包括，例如相对于天线阵列的中心线的方位角和仰角。

当接收段正检测RF信号时，视频摄像机48提供装置的“观察方向”的视图，并且通用计算块使该视频摄像机的视图与到达方向信息相关，并且向显示器54提供观察场景的视图，其中指示符示出视频摄像机（一个或多个RF源正从其处传输）的视场中的位点，从而使用方位角和仰角信息来相对于摄像机视图的中心线定位RF源。如果RF源包括它传输信号中的识别信息，该识别信息中的一些或全部可以进一步在显示器上提供。

滚动/俯仰/横摆传感器提供输入来感测装置的移动，使得当由视频摄像机提供的视图变化时，因为装置的视图的位点和方向以及RF源的确定位点信息是已知的，RF源位点的指示可在显示器上移动来追踪它们随装置移动的视觉位点。

利用网络连接和大容量存储装置，数据可以被保存和传输/接收来记录观察。

图2图示将在显示器上提供的对于定位办公室中的无线局域网信号的情况的示范性视图。在图2的视图中，由手持式壳体携带的显示框60提供如由视频摄像机48看到的办公室的实时视图，其中装置的横摆、俯仰和滚动坐标62在右上角图示为可选地显示的参数。如期望的话，可以在视图上施加网格图样64。在图示中检测四个无线局域网源：66、68、70和72处的装置0、装置1、装置2和装置3。用户从该显示获悉，例如装置0、装置1和装置2似乎安置在顶棚中（在顶棚板之上），而装置3似乎定位在办公室隔间中。显示的RF源信息可以是相对透明或不透明的。在屏幕的左下方处提供图标74，来选择视频记录模式以记录视图和覆盖的RF源信息，从而实现例如房间扫图的记录来记录所有观察的源，而图标76选择“快照”模式，其对具有覆盖源信息的视频流视图拍摄静态图片。选择图标78访问记录控制选项来提供记录视频流的选项。记录的视频流或快照可以本地存储在例如大容量存储装置58上，或经由网络连接56而远程存储用于以后的重放或文件编制目的。图标80提供对设置控制的访问来允许装置操作的用户配置。

视频摄像机48在一个实施例中是固定焦距的，但在其他实施例中具有可变焦距和变焦功能。

再次参考图1A和1B连同图3（由装置执行的操作步骤的流程图），解释装置的功能。在天线14、16、18等处接收的信号在对应的接收器20、22、24等中缩混到较低的频率，并且然后由A/D采样器采样。典型地，作为示例，对在典型地1至20毫秒时期期间接收的所有信号采样。这时，根据调制，可可选地应用数字处理步骤并且可对数据解码来提取信号上携带的任何数据。（框82）备选地，采用的时间时期可以是除20毫秒以外的，涉及用于传输/接收包的时间的量或将包括识别信息来允许确定传输ID（在信号具有这样的数据的情况下）的其他时间片。获得识别信息的时间还可小于整个数据捕获时间，例如，其中较长的接收时间可以用于获得额外的位点信息。而且，定时可以涉及获得视图中的场景的图像的视频捕获时间。对于由装置进一步使用而可视为重要的解码数据的部分例如在无线局域网的情况下可包括传输装置的SSID或MAC id、IP地址、订户身份信息、独特订户识别，等。在蜂窝电话信号的情况下，该数据可包括移动识别号码（MIN）、国际移动设备身份（IMEI）、国际移动订户身份（IMSI）等。对于蓝牙，信息可包括例如装置名称。

每个天线、接收器和处理系统将解码数据流馈送（框84）到通用计算块46（图示为穿过到达方向处理块42，但数据不必如此供应给到达方向块而相反可直接供应给通用计算块）。另外，每个接收器将代表接收的RF信号的相位和幅度的相位和幅度样本流馈送（框86）到到达方向（DOA）处理块42，其聚集来自天线的所有数据并且将它馈送到若干现有的“超分辨”到达方向（DOA）算法中的一个内。这些算法采取聚集的阵列信号并且产生可变数据流。该数据流包含一组坐标，来自其的信号以适当的方位角和仰角到达天线阵列。（框88）可选步骤（框90）现在将该流馈送回到处理块来估计来自每个坐标的信号强度。

在示例实施例中，适合的超分辨处理步骤是如在1996年2月出版物IEEE Trans. On Signal Processing卷44、页316-328中的Michael D. Zoltowski, Martin Haardt和 Cherian P. Mathews的“Closed-Form 2D Angle Estimation with Rectangular Arrays in Element Space or Beamspace via Unitary Esprit”中描述的那样。“酉ESPRIT”变化在特定实施例中使用。

对于使用从4×4矩形天线阵列收集的数据的酉ESPRIT计算步骤的示例，首先形成稀疏酉矩阵Q_M。Q_M与等于天线阵列的第一维（即4）的每个维度成平方关系：

（等式1）

另一个稀疏酉矩阵Q_N对应于天线矩阵的第二维。因为该第二维也是4，Q_N与Q_M相同：

（等式2）

16×16酉矩阵Q_MN形成为Q_M与Q_N的Kronecker矩阵乘积：

（等式3）

同时测量16个天线处的幅度和相位并且将复杂的测量组合成具有长度16的列向量x_i。每个这样的列向量叫作“快照”。拍摄数字P个这样的快照作为RF信号许可的持续时间。将列向量快照组合到称为X的16×P阵列内：

（等式4）

形成X的样本协方差矩阵，其是R_XX：

（等式5）

其中上标H指示共轭转置。形成矩阵乘积C：

（等式6）

对C特征分解，这找到对以下等式求解的特征值λ和对应的特征向量ν：

（等式7）

将特征值按幅度归类同时维持它们与特征向量的配对。根据例如n（固定的小数字）的一些准则或通过使用例如Akaike信息准则（AIC）的模型阶估计方案而选择n个最大特征值。将对应于作为列向量的选择的特征值的续存特征向量组合成矩阵E_S：

（等式8）

形成3×4矩阵K₁和K₂：

等式（9）

等式（10）

形成12×16矩阵K_μ1、K_μ2 、K_ν1和K_ν2：

（等式11）

（等式12）

（等式13）

（等式14）

找到矩阵、和D：

（等式15）

（等式16）

（等式17）

计算D的特征值λ_D。则对于信号的到达方向到x轴测量的角度是：

（等式18）

其中k是波数并且是在x方向上天线阵列的元素间间距。同样，到y轴的角度是：

（等式19）

视频摄像机（其与天线阵列对齐）同时产生视频流。通用计算块46接收视频、坐标集以及可选的解码数据流，从而采用获得的方位角和仰角值来相对于视频摄像机的视图的中心线将RF定位在显示器中而将代表RF源的识别标记或标签在通过DOA算法确定的位点中添加到视频流（框92）。所得的视频流发送到装置上的显示器，或跨网络连接56而发送到远程位点用于远程显示（无论是实时还是记录用于以后重放）。可本地或远程记录视频流。还可从视频流拍摄静态图像“快照”并且将它们本地或远程存储。可打印记录的图像。

接收器配置成接收特定的感兴趣带并且其可在单个频率或带或多带配置中提供来定位一个或多个类型的RF信号。仅举几例，可被定位的示范性RF源包括，例如IEEE802.11无线局域网通信（当前2.4、3.6、4.9和5GHz频带，60GHz）、蓝牙（2400-2480 MHz）、蜂窝电话（当前698-806 MHz、806-849 MHz、851-894MHz、1392-1395 MHz、1432-1435MHz、1710-1755 MHz、2110-2155 MHz和2496-2690 MHz）。还可采用被调谐成接收紧急定位器信标频率的接收器、双向无线电系统频率（例如，公共安全通信系统、专用双向无线电频带…）、ZigBee等。

滚动、俯仰和横摆传感器50向通用计算块46提供输入，从而使装置能够在捕获数据时感测它指向的方向和取向。如此，因为可以对每个RF源保存位置信息，显示的RF源位点可以追踪装置的移动以在装置移动时跟随屏幕上的位点。可以提供其他方向或运动感测，例如罗盘方位、加速计输入、陀螺仪、像素运动处理（其中通过观察显示器中的像素变化来检测移动）。

因为在许多环境中，单个RF源可能在远离源的位点处产生许多反射信号，装置可显示给定源信号的多个情形，其代表每个检测的反射。

在另外的实施例中，检测的RF源随时间而聚集，因此可以显示在不同时间在相同通道上传输的多个装置，其中标记持续在显示器上，即使源已经停止传输也如此。

可以提供指示来通知操作者在视频屏幕上的当前视场外部检测到源，这在寻找一个或多个特定源时可是有益的。这可以包括，例如闪光图标或彩色带或其他适合的指示。

再另一个实施例采用跨多个频率的时间分片（在不同的时间分片期间观察不同的频率）来提供多带/服务检测器。

不同的实施例还包括GPS能力，使得可以确定装置的位点并且基于GPS而记录它。GPS信号可以来自内部GPS接收器或经由网络连接56（或其他可选的接口）而在外部接收。

图4是示范性天线阵列的视图，在该情况下是6×5阵列。复数个天线元件14’、16’、18’、18’’和18’’’等（在图示的实施例中适当地是偶极天线）在六个平面衬底94、96、98、100、102和104上采用线性布置而形成。这些衬底可包括相应的接口106，用于允许天线阵列到装置的物理和电连接。在图示的实施例中，衬底可以插入对应于接口106的接口。每个天线接收使用中的信号，并且将那些信号提供给天线的相应接收器用于检测和解码。可采用其他阵列大小，其包括但不限于5×5阵列、4×4阵列、3×3阵列、5×4阵列、4×3阵列和6×4阵列。

单独偶极天线在图5中图示，其中左和右导体108、110对共面条112、114馈电。在地平面116上安装的天线和耦合电容器118、120在导体的末端处提供来耦合于天线阵列中的相邻偶极子，在右边图示相邻偶极子的左连接器108’并且在左边图示相邻偶极子的右连接器110’。

天线阵列可以适当地在另一个实施例中作为可拆分模块而提供，该可拆分模块可移动地与装置的剩余部分接口，从而使不同的天线阵列能够换入并且用于提供不同的频带覆盖。

参考图6和7（示例手持式装置10’的前后视图），在装置22的壳体内部包含天线阵列，该壳体提供要由用户的一只手或两只手握紧的适合大小，支承显示屏124。在装置的背面，可观察摄像机镜头126，从而提供到摄像机48的视觉输入。

为了使用装置，操作者抓紧壳体、对摄像机指出方向并且观察显示器上的任何RF源位点。使装置移动来观察场景的不同部分在RF源进入视野时提供关于它们的信息。

尽管上文图示的实施例采用视频摄像机，备选的版本是可用的。一个这样的替换不采用任何摄像机，并且在远程观看屏幕处提供任何位点信息，其可以已经包括代表装置位点处的场景的先前存储的场景信息。

另外的实施例采用静态摄像机，用于提供定位的RF源的快照视图，而不是视频。

再另外的实施例（代替摄像机）具有透明视觉显示屏，由此操作者可以在持有装置时通过简单地透过透明屏幕而观察场景。因为屏幕是透明的并且在屏幕上指示任何定位的RF源，通过屏幕的查看向操作者提供源和它的位点的指示。

再另一个实施例提供IR摄像机/视频系统或夜视传感器，以实现在低光条件下的使用或夜间使用。还可采用3D摄像机。

显示器54/124可以是触摸屏类型的显示器，用于装置操作的用户接口由此实现为触摸屏装置。

在另一个实施例中提供的另外的特征是装置过滤或过滤视图，其中操作者可以规定某些类型的RF源或感兴趣的RF源的特定识别，并且通用计算块46滤除不感兴趣的RF源并且因此不显示不满足过滤准则的RF源。这在在给定位点中存在大量的RF源的情形中可能特别有用，从而允许抑制可使视图杂乱或用别的方式掩盖感兴趣源的RF源的显示。或者，满足过滤准则的特定感兴趣源可以被加亮显示或闪光或用别的方式比显示器上的其他源标签更突出。

装置可以提供有全方向无线局域网（或其他技术）传感器来检测并且识别RF源识别信息，其可以被保存以结合方向信息一起使用。

在另一个实施例中提供音频指示器，以例如在定位特定感兴趣源时宣告是否寻找特定标识符或是否满足（或不满足）过滤条件，或提供其他音频反馈。

尽管上文图示的实施例涉及定位代表传输站或诸如此类的RF传输源，装置对于定位RF噪声也可是有用的。例如，过滤器可以设置成不显示包括数据传输的任何源，或代表以噪声源为例的某一类型的信号行为的源。

图1A和1B的图示的实施例示出每个接收器上的解码器32，但备选版本不需要与每个接收器关联的解码器。在最低限度，在装置中提供一个解码器使得对至少一个天线的输入信号解码来提取包含在RF信号中的信息。

多个装置可以彼此结合使用，其中单元之间的通信用于协调和共享数据。该通信可以用对装置添加无线通信模块或经由网络接口56实现。

尽管在图6和7中图示的实施例采用包含在装置壳体内部的天线阵列，另一个实施例提供可拆分天线阵列，其可以作为安装到装置背面的模块（其具有用于从天线传递信号的适合的连接）而提供，或提供通过电缆或无线通信而附连到处理单元的分离持有或安装的天线阵列。

因此，装置适应于将RF源定位在视图框内。装置对RF源的全场景视图提供单个“快照”视图，而不必在数据捕获期间移动装置。可以记住定位的源连同每个源在视场中的方向。

描述的装置可以是便携式或固定式安装，并能应用于很多种RF信号。典型地，装置提供有电池作为电源，但AC干线也可提供电力。

适当地在不同实施例中提供装置用于接收802.11标准（无线局域网）信号、蜂窝电话信号、紧急定位器信标、蓝牙或任何其他特定的感兴趣频带，从而提供传输装置的快速定位并且进一步有助于理解信号传播到位点内、离开位点或通过位点的路线。

总的来说，装置在一个或多个频率范围内定位短（或长）和/或罕见的RF源，并且提供增强的真实显示，其示出RF源在观察的场景上的位点并且进一步识别具有通过传输包括的一些标识符信息的那些传输。

除定位有源RF传输源外，装置对于查明RF噪声源的位点也适当地有用。

尽管已经示出并且描述技术的复数个实施例，可做出许多改变和修改而不偏离更广泛的方面，这对于本领域内技术人员将是明显的。附上的权利要求因此意在涵盖所有这样的改变和修改，它们落入技术的真正精神和范围内。

Claims (20)

1.一种手持仪器，用于检测RF能量源相对于所述手持仪器的方向并且向用户指示所述方向，其包括：

天线；

接收器，其耦合于所述天线，生成指示来自所述RF能量源的接收的RF能量的信号；

成像器，用于从物理对象的场景聚集图像数据并且产生指示其的信号；

处理器，其接收指示接收的RF能量的信号、基于所述信号对预定的时间时期确定所述RF源的方向并且将接收的RF能量的方向与从所述成像器接收的代表所述预定的时间时期的图像数据组合，所述预定的时间时期代表与产生的图像数据信号有关的时间；

传感器，用于确定所述手持仪器的滚动、俯仰和横摆坐标；以及

显示器，其耦合于所述处理器，用于显示方向参数，所述方向参数指示关于对应于所述预定的时间时期的场景的图像的RF方向以及所确定的滚动、俯仰和横摆坐标，

所述处理器进一步接收所确定的所述手持仪器的滚动、俯仰和横摆坐标并且基于所确定的所述手持仪器的滚动、俯仰和横摆坐标表示所述手持仪器的移动，使得所显示的RF源位点能够跟踪所述手持仪器的移动，以便当所述手持仪器移动时跟随所述显示器上的位点。

2.如权利要求1所述的手持仪器，其中，所述天线包括复数个天线元件以用于形成天线阵列，每个天线元件接收RF能量。

3.如权利要求2所述的手持仪器，其中，所述天线阵列包括在位置上彼此偏移的天线元件。

4.如权利要求3所述的手持仪器，其中，所述天线元件被调谐到处于近似2.4GHz频率的RF能量。

5.如权利要求3所述的手持仪器，其中，所述天线元件被调谐到处于近似5GHz频率的RF能量。

6.如权利要求3所述的手持仪器，其中，所述天线元件被调谐到处于近似2.4GHz至5GHz或60GHz的频率范围的RF能量。

7.如权利要求3所述的手持仪器，其中，所述天线元件被调谐到从由698-806MHz、806-849MHz、851-894MHz、1392-1395MHz、1432-1435MHz、1710-1755MHz、2110-2155 MHz和2496-2690MHz组成的组选择的一个或多个频率。

8.如权利要求2所述的手持仪器，其中，所述接收器包括耦合以从相应的天线元件接收信号的多个通道，每个天线元件一个通道。

9.如权利要求1所述的手持仪器，其中，所述成像器包括摄像机。

10.如权利要求9所述的手持仪器，其中，所述摄像机从由可视图像摄像机或红外成像器组成的组选择。

11.如权利要求9所述的手持仪器，其中，所述摄像机是视频摄像机。

12.如权利要求1所述的手持仪器，其中，指示所述RF方向的所述方向参数被覆盖在对应于所述预定的时间时期的场景的图像上。

13.如权利要求1所述的手持仪器，其中，所述处理器使指示来自所述接收器通道的RF能量的信号的处理同步。

14.如权利要求1所述的手持仪器，其中，所述处理器使指示接收的RF能量的方向的信号的处理与指示从所述成像器接收的图像数据的信号的处理同步。

15.如权利要求1所述的手持仪器，其中，所述处理器包括解码器，其配置成识别所述RF源。

16.如权利要求15所述的手持仪器，其中，所述显示器进一步显示指示所述RF源的身份的识别参数。

17.如权利要求1所述的手持仪器，其中，所述预定的时间对应于所述RF源的标识符信息的定时。

18.如权利要求1所述的手持仪器，其中，所述预定的时间对应于用于显示所述图像数据的视频图像帧的定时。

19.如权利要求1所述的手持仪器，其中，所述仪器是手持的。

20.如权利要求19所述的手持仪器，进一步包括运动感测。