CN105911516A - 一种无线信号多路并行比幅测量方法 - Google Patents

Abstract

一种无线信号多路并行比幅测量方法，该测量方法的步骤是先关闭天线信号，设置系统的频率为边界频率，增益控制衰减最大，使得系统的输出信号为最小噪声后进行校零操作，然后打开天线信号，ADC采集外界信号，将采集到的外界信号存储在外扩的SRAM中，接着通过FSMC接口去读取SRAM中的IQ信号，并对读取的各路连续IQ信号分别做窄带滤波处理，计算滤波后的每路IQ幅度均值A，并找到最大幅度均值MaxA，判断MaxA是否在目标范围之内，若MaxA不满足目标范围，调整MGC，重新采集做计算，直到MaxA满足目标范围，若MaxA满足目标范围，计算各路信号强度值rssi，最后根据信号强度值rssi测量出无线信号的方位。本发明的优点是能够准确、快速地测量出无线信号的方位。

Description

一种无线信号多路并行比幅测量方法

技术领域：

本发明属于无线电通信技术领域，具体讲是涉及一种准确、快速的多路并行比幅测量方法。

背景技术：

随着电子与通信技术的飞速发展，各种电磁信号比如电视信号、通信信号、雷达信号等围绕在我们的生活里。在如此复杂的电磁环境中，需要确定电磁波的方向，这些需求促进了无线电测向技术的产生。比如，在民用方面，无线电管理部门需要通过无线电测向探测干扰源的方位；在军用方面，各种反辐射导弹、电子侦察机等均需要准确确定辐射源的方向。

目前，测向方法主要分为三种：幅度比较测向法、相位比较测向法、幅度相位比较测向法，其中比幅测向系统是通过对两个信道或者两个以上信道所接收到的同一外界信号的幅度进行比幅来完成测向的功能。比幅测向由于其结构简单，性能稳定等特点被广泛的应用于无线电测向领域，但其缺点是测量信号方位的准确性及速度方面均不够理想。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是，提供一种准确、快速的无线信号多路并行比幅测量方法。

本发明的技术解决方案是，提供一种无线信号多路并行比幅测量方法，该测量包括以下步骤：

(a)关闭天线信号，设置系统的频率为边界频率，增益控制衰减最大，使得系统的输出信号为最小噪声后，进行校零操作；

(b)打开天线信号，ADC采集外界信号，将采集到的外界信号存储在外扩的SRAM中；

(c)通过FSMC接口去读取SRAM中的IQ信号；

(d)对读取的各路连续IQ信号分别做窄带滤波处理；

(e)计算滤波后的每路IQ幅度均值A，并找到最大幅度均值MaxA；

(f)判断MaxA是否在目标范围之内，若MaxA不满足目标范围，调整MGC，重复以上(b)-(e)步骤，直到MaxA满足目标范围，若MaxA满足目标范围，计算各路的信号强度值rssi，根据信号强度值rssi进行排序测量出无线信号的方位。

其中，步骤(a)和(b)中所述天线的数量为多个，多个天线同时采集空中信号，且多个天线将360度方位平均分成N个方向。

本发明所述的一种无线信号多路并行比幅测量方法，其中，步骤(a)中的校零操作具体包括以下步骤：

(a.1)、ADC进行一次多路IQ采样外界信号；

(b.1)、将采集到的各路I、Q数据分别进行相加求平均，保存下来作为零偏数据，以后每次进行标准信号数据采集流程得到的数据减掉这个零偏数据即得到校零后的IQ数据。

本发明所述的一种无线信号多路并行比幅测量方法，其中，为了能够保证每次采集任务中的每个通道的数据是连续无丢失的，不影响后续滤波，在系统中设置一个计数器，计数每次采样经历的ADC采样时钟，通过采集到的数据量可以核对有没有明显的数据丢失情况，若有则报警提示数据无效。

本发明所述的一种无线信号多路并行比幅测量方法，其中，SRAM采用FSMC接口扩展NORFlash。

本发明所述的一种无线信号多路并行比幅测量方法，其中，步骤(d)中的窄带滤波处理的具体步骤如下：

(d.1)、先使用公式(1)计算滤波后得到的I或Q数据点数MBDS

MBDS＝((LYDS-JS)/CQ)+1 (1)

(d.2)、然后使用公式(2)计算滤波后得到的I或者Q数据MBSJ[j]

$MBSJ\[j\]={\Σ}_{k=0}^{JS-1}LYSJ\[j*CQ+k\]*XS\[k\]---\left(2\right)$

(d.3)、当计算完第j个滤波后的I或者Q数据后使MBSJ[j]＝0。

其中，LYDS为每路每次采集到的I或Q数据点数；

JS为滤波器阶数；

CQ为抽取比例；

MBSJ[j]表示第j个滤波后的I或Q数据，j＝0,1,……，MBDS-1；

LYSJ[j*CQ+k]表示按照CQ比例抽取滤波前的I或Q数据；

XS[k]表示第k个滤波器系数，k＝0,1，……，JS-1。

本发明所述的一种无线信号多路并行比幅测量方法，其中，步骤(e)中通过计算得到滤波后的每路IQ幅度均值A后还需通过公式(3)进行优化。

$A_q=\left({\Σ}_{p=1}^{n}20\log \sqrt{I_{qp}^2+Q_{qp}^2}\right)/n\≈10\log \left({\Σ}_{i=1}^n\right(I_{qp}^2+Q_{qp}^2)/n)---\left(3\right)$

其中q表示第q个通道，p表示第q个通道中的第p个I或者Q数据，计算好各个通道的幅度标量A，求得最大的MaxA。

本发明所述的一种无线信号多路并行比幅测量方法，其中，步骤(f)中MGC调整的具体做法如下：

(f.1)、将不在目标范围内的最大幅度均值MaxA分为三区间，在三个区间内分别计算mgc值；

(f.2)、当最大幅度均值MaxA在XTMIN和MBFWMIN之间时，mgc＝mgc-(MaxA-P_-30)*2；

(f.3)、当最大幅度均值MaxA大于MBFWMAX时，如果连续两次都大于MBFWMAX，则发出信号过大的警报，否则mgc＝mgc-63；

(f.3)、当最大幅度均值MaxA小于MBFWMIN时，如果连续两次都小于MBFWMIN，则发出信号过小无法调整的警报，否则mgc＝mgc+63；

其中，XTMIN表示系统到达最小信号幅度值，MBFWMIN表示目标范围最小值，MBFWMAX表示目标范围最大值，P_-30表示-30dbm输入信号对应的幅度值。

采用上述方法后，本发明具有以下有益效果：

本发明一种无线信号多路并行比幅测量方法采用多个天线同时采集空中信号，而多个天线又将360度方位分成N个方向，如此，随着所分方向的增加，信号定位的速度和准确度相应提高。与此同时，ADC使用高采样率采集大量连续的数据，并进行窄带滤波处理避免临道信号干扰，以及针对最大幅度均值MaxA的MGC调整保证ADC采样得到的数据尽可能接近满幅电平而不溢出，这些方法都大大提高了信号方位测量的准确性。

附图说明：

图1是本发明一种无线信号多路并行比幅测量方法的流程图；

图2是本发明中MGC调整算法的流程图；

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明一种无线信号多路并行比幅测量方法做进一步详细说明：

在本发明中，ADC为模数转换器，SRAM为静态随机存取存储器，FSMC为可变静态存储控制器，IQ为正交信号，MaxA为最大幅度均值，MGC为手动增益控制，rssi为接收的信号强度指示，GSM为全球移动通信系统。

如图1所示，本发明一种无线信号多路并行比幅测量方法按照以下步骤实施：

步骤(a)、关闭天线信号，设置系统的频率为边界频率，增益控制衰减最大，使得系统的输出信号即正交信号为最小噪声后，进行校零操作。其中，校零操作是指：ADC进行一次八路IQ采样外界信号，将采集到的各路I、Q数据分别进行相加求平均，即指各路I数据相加求平均，各路Q数据相加求平均。保存下来作为零偏数据，以后每次进行标准信号数据采集流程得到的数据减掉这个零偏数据即得到校零后的IQ数据。

步骤(b)、打开天线信号，ADC采集外界信号，将采集到的外界信号存储在外扩的SRAM中。为了能够保证每次采集任务中的每个通道的数据是连续无丢失的，不影响后续滤波，无名需要在系统中设置一个计数器，计数每次采样经历的ADC采样时钟，通过采集到的数据量可以核对有没有明显的数据丢失情况，若有则报警提示数据无效。

步骤(c)、通过FSMC接口去读取SRAM中的IQ信号。因为本发明中ADC的采样率较大，且系统有滤波需求，所以采集的数据量较大，本发明中的SRAM采用FSMC接口扩展NOR Flash，FSMC接口扩展NOR Flash具有高度的灵活性，对于存储容量要求较高的嵌入式系统设计，能够在不增加外部分立器件的情况下，扩展多种不同类型和容量的存储芯片。

步骤(d)、对读取的各路连续IQ信号分别做窄带滤波处理。采集外界宽带信号时，由于GSM信道带宽约为200KHz，为了避免临道干扰，需要对采集到的每路连续IQ信号分别做窄带滤波，排除外界不相干信号对测向的干扰。由于在SRAM中的IQ数据的实际存储顺序是I₁Q₁I₂Q₂……I₈Q₈I₁Q₁……，所以在读取IQ数据后需要对其重新排列。

窄带滤波处理的具体步骤如下：

(d.1)、先使用公式(1)计算滤波后得到的I或Q数据点数MBDS

MBDS＝((LYDS-JS)/CQ)+1 (1)

(d.2)、然后使用公式(2)计算滤波后得到的I或者Q数据MBSJ[j]

$MBSJ\[j\]={\Σ}_{k=0}^{JS-1}LYSJ\[j*CQ+k\]*XS\[k\]---\left(2\right)$

(d.3)、当计算完第j个滤波后的I或者Q数据后使MBSJ[j]＝0。

在公式(1)和公式(2)中，其中，LYDS为每路每次采集到的I或Q数据点数；JS为滤波器阶数；CQ为抽取比例；MBSJ[j]表示第j个滤波后的I或Q数据，j＝0,1,……，MBDS-1；LYSJ[j*CQ+k]表示按照CQ比例抽取滤波前的I或Q数据；XS[k]表示第k个滤波器系数，k＝0,1，……，JS-1。

经过以上窄带滤波处理，IQ数据变成了低采样率的IQ数据，保留了带宽范围内中心频率的有用信号，抑制无用信号。

步骤(e)、计算滤波后的每路IQ幅度均值A，并找到最大幅度均值MaxA。在步骤(d)中得到低采样率IQ数据后，对每路IQ分别求幅度平均，可得到每路的幅度标量A。在实际测向过程中鉴于GSM信号的特点，实时性要求较高，这里就需要按照公式(3)对计算过程进行优化。

$A_q=\left({\Σ}_{p=1}^{n}20\log \sqrt{I_{qp}^2+Q_{qp}^2}\right)/n\≈10\log \left({\Σ}_{i=1}^n\right(I_{qp}^2+Q_{qp}^2)/n)---\left(3\right)$

在公式(3)中，其中q表示第q个通道，p表示第q个通道中的第p个I或者Q数据，计算好各个通道的幅度标量A，求得最大的MaxA。

步骤(f)、判断MaxA是否在目标范围之内，这里的目标范围是指标准信号的幅度值，目标范围的确定是按照1.7V峰峰值正弦信号的计算得出的幅度均值的上下浮动。若MaxA不满足目标范围，调整MGC，重复以上(b)-(e)步骤，直到MaxA满足目标范围，若MaxA满足目标范围，计算各路的信号强度值rssi，根据信号强度值rssi进行排序测量出无线信号的方位。MGC是指手动增益控制，调整的目的是为了是ADC采样得到的数据尽可能接近满幅电平而不溢出。

在步骤(f)中，如图2所示，MGC调整的具体做法如下：

(f.1)、将不在目标范围内的最大幅度均值MaxA分为三区间，在三个区间内分别计算mgc值；

(f.2)、当最大幅度均值MaxA在XTMIN和MBFWMIN之间时，mgc＝mgc-(MaxA-P_-30)*2；

(f.3)、当最大幅度均值MaxA大于MBFWMAX时，如果连续两次都大于MBFWMAX，则发出信号过大的警报，否则mgc＝mgc-63；

(f.3)、当最大幅度均值MaxA小于MBFWMIN时，如果连续两次都小于MBFWMIN，则发出信号过小无法调整的警报，否则mgc＝mgc+63；

其中，XTMIN表示系统到达最小信号幅度值，MBFWMIN表示目标范围最小值，MBFWMAX表示目标范围最大值，P_-30表示-30dbm输入信号对应的幅度值。

本发明中，步骤(a)和(b)中用到的天线的数量为N个，N个天线将360度方位分成N个方向，N个天线同时采集空中信号。

在本发明中，所提及的系统在硬件平台方面由ARM核心板、FPGA底板及信号采集控制板这三块板子组合。

多通道并行IQ信号数据采样的ARM核心板主要分成以下模块来实现，且每个模块的功能如下具体所示：

FSMC模块：读取AD采样的数据，并写入外扩SRAM；

滤波算法：对采集到的IQ数据进行窄带滤波。

MGC算法：增益控制算法；

SPI模块：控制信号采集控制板的增益和频率。

以上所述的实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无线信号多路并行比幅测量方法，其特征在于：该测量方法包括以下步骤：

(a)关闭天线信号，设置系统的频率为边界频率，增益控制衰减最大，使得系统的输出信号为最小噪声后，进行校零操作；

(b)打开天线信号，ADC采集外界信号，将采集到的外界信号存储在外扩的SRAM中；

(c)通过FSMC接口去读取SRAM中的IQ信号；

(d)对读取的各路连续IQ信号分别做窄带滤波处理；

(e)计算滤波后的每路IQ幅度均值A，并找到最大幅度均值MaxA；

(f)判断MaxA是否在目标范围之内，若MaxA不满足目标范围，调整MGC，重复以上(b)-(e)步骤，直到MaxA满足目标范围，若MaxA满足目标范围，计算各路的信号强度值rssi，根据信号强度值rssi进行排序测量出无线信号的方位。

其中，步骤(a)和(b)中所述天线的数量为多个，多个天线同时采集空中信号，且多个天线将360度方位平均分成N个方向。

2.根据权利要求1所述的一种无线信号多路并行比幅测量方法，其特征在于：步骤(b)中的校零操作具体包括以下步骤：

(a.1)、ADC进行一次多路IQ采样外界信号；

(b.1)、将采集到的各路I、Q数据分别进行相加求平均，保存下来作为零偏数据，以后每次进行标准信号数据采集流程得到的数据减掉这个零偏数据即得到校零后的IQ数据。

3.根据权利要求1所述的一种无线信号多路并行比幅测量方法，其特征在于：为了能够保证每次采集任务中的每个通道的数据是连续无丢失的，不影响后续滤波，在系统中设置一个计数器，计数每次采样经历的ADC采样时钟，通过采集到的数据量可以核对有没有明显的数据丢失情况，若有则报警提示数据无效。

4.根据权利要求1所述的一种无线信号多路并行比幅测量方法，其特征在于：SRAM采用FSMC接口扩展NOR Flash。

5.根据权利要求1所述的一种无线信号多路并行比幅测量方法，其特征在于：步骤(d)中的窄带滤波处理的具体步骤如下：

(d.1)、先使用公式(1)计算滤波后得到的I或Q数据点数MBDS

MBDS＝((LYDS-JS)/CQ)+1 (1)

(d.2)、然后使用公式(2)计算滤波后得到的I或者Q数据MBSJ[j]

$MBSJ\[j\]={\mathrm{\Σ}}_{k=0}^{JS-1}LYSJ\[j*CQ+k\]*XS\[k\]---\left(2\right)$

(d.3)、当计算完第j个滤波后的I或者Q数据后使MBSJ[j]＝0。

其中，LYDS为每路每次采集到的I或Q数据点数；

JS为滤波器阶数；

CQ为抽取比例；

MBSJ[j]表示第j个滤波后的I或Q数据，j＝0,1,……，MBDS-1；

LYSJ[j*CQ+k]表示按照CQ比例抽取滤波前的I或Q数据；

XS[k]表示第k个滤波器系数，k＝0,1，……，JS-1。

6.根据权利要求1所述的一种无线信号多路并行比幅测量方法，其特征在于：步骤(e)中通过计算得到滤波后的每路IQ幅度均值A后还需通过公式(3)进行优化。

$A_q=\left({\mathrm{\Σ}}_{p=1}^{n}20\log \sqrt{I_{qp}^2+Q_{qp}^2}\right)/n\≈10\log \left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\left(I_{qp}^2+Q_{qp}^2\right)/n\right)---\left(3\right)$

其中q表示第q个通道，p表示第q个通道中的第p个I或者Q数据，计算好各个通道的幅度标量A，求得最大的MaxA。

7.根据权利要求1所述的一种多通道同时比幅测向方法，其特征在于：步骤(f)中MGC调整的具体做法如下：

(f.1)、将不在目标范围内的最大幅度均值MaxA分为三区间，在三个区间内分别计算mgc值；

(f.2)、当最大幅度均值MaxA在XTMIN和MBFWMIN之间时，mgc＝mgc-(MaxA-P_-30)*2；

(f.3)、当最大幅度均值MaxA大于MBFWMAX时，如果连续两次都大于MBFWMAX，则发出信号过大的警报，否则mgc＝mgc-63；

(f.3)、当最大幅度均值MaxA小于MBFWMIN时，如果连续两次都小于MBFWMIN，则发出信号过小无法调整的警报，否则mgc＝mgc+63；

其中，XTMIN表示系统到达最小信号幅度值，MBFWMIN表示目标范围最小值，MBFWMAX表示目标范围最大值，P_-30表示-30dbm输入信号对应的幅度值。