CN117826071A - 基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于信号技术领域，具体涉及基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统及方法，首先实现采样时钟偏差数有限化；再进行校准数据采集，通过将开关矩阵切换到校准源通道，校准源发送信号，并通知中频采集模块接收信号，进行频率采样校准；再进行频率采样间隔的计算；然后得到校准值，并通过反离散傅里叶变换求冲击响应；再进行空中样本采集，将开关矩阵切换到阵元通道，采集空中信号，得到样本数据并校准；最后通过多通道同步的空间谱测向算法计算D来波方向。此过程数据采集模块除了中频输入外，无需其他触发输入口来实现模块间同步，用多个支持同样频率的中频输入的数据采集模块组合成多通道的实时采集系统，测向校准的准确性高。
Description
技术领域
本发明属于信号技术领域，尤其涉及基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统及方法。
背景技术
电磁频谱监测及定位是无线电管理的主要技术手段。当前我国无线电业务快速发展，无线通信系统中信号调制带宽越来越大、调制方式也变得更加复杂，现有的监测系统无法有效应对复杂高速宽带无线电信号的检测需求，开展宽带无线电实时监测技术研究，研制开发新体制宽带信号监测测向设备及系，提升电磁频谱监管能力，保障信息化、数字化社会正常秩序显得尤为紧迫。宽带实时监测与测向定位系统基于软件无线电架构，以多信道接收相关干涉测向体制实现宽带信号测向，频率范围覆盖短波、超短波以及常规无线通信波段，可以实现宽频带、大动态范围的快速测量。
在空间谱测向的准确度依赖于相位测量的精度。因此，测向过程中，需要进行相位校准。频域的相位和时域的延时的对应关系为：延时会导致相位随着频率发生改变，理论上，对延时τ的线性系统，等价为在对任意频点带来/>的相位改变。因此，测向过程中，延时未充分校准，将使得最终测向系统的准确性降低。在ADC采集过程中，如果采样点出现偏移，设采样周期/>，假设偏差的N个周期，则等价为插入一个延时/>的线性系统，等价于在各个频点/>带来相位改变/>。
为了保证各通道经ADC后进行延时校准，一种技术方案是选择一个数据采集模块具有多路中频采集能力。该方案的一个重要缺点是，扩展性较差，要增加一个中频采集通道，就需要重新进行数据采集模块开发；随着ADC通道数的增加，采集模块的设计难度也会显著增加。
另一种方案是，采用多个数据采集模块组合成多通道的实时采集系统。这些数据采集模块，除了中频输入外，还需要通过IO触发输入口来实现模块间同步，这样其对延时的校准性能，将依赖于触发输入口的高速响应性能，而不具有IO触发输入口的数据采集模块，也无法用于此方案。
针对上述测向系统不足，本发明提出了基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统及方法。
发明内容
为了解决上述测向系统存在的技术问题，本发明的目的在于提供基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
第一方面，提供基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统，包括：
测向天线阵，用于获取电磁波信号；
开关矩阵模块，用于将电磁波信号转化为多路射频信号；
多通道射频接收模块，用于对样本信号进行滤波、变频与增益控制操作，得到中频信号，各个通道之间为共混频时钟设计；
开关矩阵，切换到校准源时，用于链路校准；切换到天线元时，用于接收各阵元空中信号；
时钟驱动模块，用于实现一路输入时钟多路输出时钟，各输出时钟相干；
校准源，用于产生射频信号，以进行链路校准；
中频采集模块，设有多个，用于实现对中频信号的采集，将模拟信号转变为AD数据，同时通过内部处理变为IQ数据；
主控模块，用于对校准源、开关矩阵、中频采集模块进行控制，根据多个模拟数据采集模块，进行同步运算以及空间谱测向算法运算，得到信号测向结果；
交换机，用于实现数据采集模块之间、外部计算机互联；
计算机，用于对主控模块运算结果进行展示；
所述测向天线阵与所述开关矩阵模块连接；所述开关矩阵模块与所述多通道射频接收模块连接；所述多通道射频接收模块与所述中频采集模块连接；所述中频采集模块与所述交换机连接；所述时钟驱动模块和与所述中频采集模块连接；所述交换机与所述主控模块连接；所述主控模块与所述校准源、所述开关矩阵连接。
优选的，所述测向天线阵采用九阵元的九通道测向天线阵。
优选的，所述中频采集模块除了中频输入外，不需要其他触发输入口来实现模块间同步。
第二方面提供基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向方法，基于上述所述的任意基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统，包括以下步骤：
S1：通过脉冲信号，实现采样时钟偏差数有限化；
S2：进行校准数据采集。通过主控模块，将开关矩阵切换到校准源通道，通过校准源发送信号，并通知中频采集模块接收信号，进行频率采样校准；
S3：进行频率采样间隔的计算，/>，选取满足该公式的最大的校准频率间隔，/>；其中，所有通道的冲击响应非零时的时刻，最大值为/>，最小值为；/>为采样时钟周期。
S4：进行运算，然后得到一系列离散频率的校准值/>，并通过离散反傅里叶变换，求冲击响应/>；
S5：进行空中样本采集，将开关矩阵切换到阵元通道n，采集空中信号，得到通道n的样本数据；
S6：任意通道n的将样本，用校准值校准，得到/>，/>为卷积运算；
S7：进行依赖于多通道同步的空间谱测向算法计算来波方向，其中多通道同步的空间谱测向算法包括数字波束合成算法、空域滤波算法、空间谱估计算法。
优选的，步骤S1包括以下具体步骤：
S11：系统初始化，开关矩阵切换到校准源输入，校准源关闭；射频前端切换到待校准频段；
S12：主控模块控制各个中频采集进入脉冲触发采集模式，并控制中频采集模块的序列发生器等待循环计数；
S13：校准源发送脉冲触发信号触发；
S14：计算和优化的范围。
优选的，在每段IQ数据的头加一个序列发生器计数值。
优选的，在步骤S13中：
对N个待校准通道，其中通道n，设随时间t冲击响应，其中，/>为通道n冲击响应的起始时刻，/>为通道n冲击响应的总时长；
校准源发送一个带内脉冲信号，脉冲信号为近似方波单频信号或调制信号；各个共时钟的中频采集模块通道n，收到脉冲信号后，通过幅度门限触发，计算脉冲信号的近似起点，对应的一个采样点的时刻，同时，通过门限触发序列发生器开始由零开始循环计数，然后中频采集模块被脉冲下降沿触发，通知主控模块初始定时完成，进入校准等待阶段；
此时，通道n的冲击响应，/>；所有通道t的最大值为/>，最小值为/>；
；
为了不让序列发生器因为序列计时不足引起错乱，对于射频信号，整个测向天线阵到中频输出的时间；102.4MHz的AD时钟，整个中频输出、经过数据处理到网口发送的时间/>；网口发送、接收汇集到主控模块的时间/>；主控模块计算处理、反馈控制中频采集模块的时间/>，以保证/>；
序列发生器，取32位，最大计数4294967296≈4.3E9，此时102.4MHz的AD时钟情况下计数时间为：
。
优选的，所述空间谱测向算法采用最大似然空间谱测向体制算法，其数学表达式如下：
最大似然代价函数为：
；
其中，“tr”表示矩阵求迹运算。
其中，R为协方差矩阵，计算表达式：
；
其中为阵列流型矢量矩阵，假设远场窄带信号个数D，在/>这组来波方向下，在对应已知的阵列流型矢量/>时，/>表达式如下：
；
其中，为0~360°范围内的任意自变量。
通过同时搜索这些自变量在0~360°范围的D维定义域空间下，值域的最大峰值/>，该峰值/>对应的/>，就是来波方向。
本发明的有益效果包括：
本发明提供的基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统及方法，数据采集模块除了中频输入外，不需要其他触发输入口来实现模块间同步，可以用多个支持同样频率的中频输入的数据采集模块，组合成多通道的实时采集系统。除此以外，各数据采集模块的型号规格可以显著不同。
附图说明
图1为本发明的基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统的原理示意图。
图2为本发明的基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统的数据采集模块原理示意图。
图3为本发明的基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统的中频采集流程示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请将围绕可包括多个设备、组件、模块等的系统来呈现各个方面、实施例或特征。应当理解和明白的是，各个系统可以包括另外的设备、组件、模块等，并且/或者可以并不包括结合附图讨论的所有设备、组件、模块等。此外，还可以使用这些方案的组合。
另外，在本申请实施例中，“示例地”、“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用示例的一词旨在以具体方法呈现概念。
本申请实施例中，“信息（information）”，“信号（signal）”，“消息（message）”，“信道（channel）”、“信令（singaling）”有时可以混用，应当指出的是，在不强调其区别时，其所要表达的含义是一致的。“的(of)”，“相应的（corresponding，relevant）”和“对应的(corresponding)”有时可以混用，应当指出的是，在不强调其区别时，其所要表达的含义是一致的。
下面结合附图1~图3对本发明作进一步的详细说明：
参见附图1-图3所示，基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统，包括：
测向天线阵，用于获取电磁波信号；
开关矩阵模块，用于将电磁波信号转化为多路射频信号；
多通道射频接收模块，用于对样本信号进行滤波、变频与增益控制操作，得到中频信号，各个通道之间为共混频时钟设计；
开关矩阵，切换到校准源时，用于链路校准；切换到天线元时，用于接收各阵元空中信号；
时钟驱动模块，用于实现一路输入时钟多路输出时钟，各输出时钟相干；
校准源，用于产生射频信号，以进行链路校准；
中频采集模块，设有多个，用于实现对中频信号的采集，将模拟信号转变为AD数据，同时通过内部处理变为IQ数据；
主控模块，用于对校准源、开关矩阵、中频采集模块进行控制，根据多个模拟数据采集模块，进行同步运算和空间谱测向算法运算，得到信号测向结果；
交换机，用于实现数据采集模块之间、外部计算机互联；
计算机，用于对主控模块运算结果进行展示。
其中，测向天线阵与开关矩阵模块连接；开关矩阵模块与射频接收模块连接；射频接收模块与中频采集模块连接；中频采集模块与交换机连接；时钟驱动模块和与中频采集模块连接；交换机与主控模块连接；主控模块与校准源、开关矩阵连接。
在该基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统的实际工作过程中，首先时钟驱动模块实现采样时钟偏差数有限化，主控模块控制开关矩阵模块切换到校准源通道，通过校准源产生射频信号并通知中频采集模块接收信号，以进行链路校准。通过测向天线阵获取电磁波信号，再通过开关矩阵模块将电磁波信号转化为多路射频信号，在这个过程中会通过多通道射频接收模块对样本信号进行滤波、变频与增益控制处理，通过中频采集模块实现对中频信号的采集，并将模拟信号转变为AD数据，同时通过内部处理变为IQ数据。最后用校准值对IQ数据进行校准，并借助多通道同步的空间谱算法对来波方向进行计算。
上述方案中，测向天线阵采用九阵元的九通道测向天线阵，并且所述中频采集模块除了中频输入外，不需要其他触发输入口来实现模块间同步。
本发明还提供基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向方法，基于上述所述的任意基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统，包括以下步骤：
S1：通过脉冲信号实现采样时钟偏差数有限化；
S2：进行校准数据采集。通过主控模块，将开关矩阵切换到校准源通道，通过校准源发送信号，并通知中频采集模块接收信号，进行频率采样校准；
S3：进行频率采样间隔的计算，/>，选取满足该公式的最大的校准频率间隔，/>。其中，所有通道的冲击响应非零时的时刻，最大值为/>，最小值为；/>为采样时钟周期。
S4：进行运算，然后得到校准值，并通过离散反傅里叶变换，求冲击响应/>；
S5：进行空中样本采集，将开关矩阵切换到阵元通道，采集空中信号，得到样本数据；
S6：将样本，用校准值校准，得到/>，/>为卷积运算；
S7：进行依赖于多通道同步的空间谱测向算法计算来波方向，其中多通道同步的空间谱测向算法包括数字波束合成算法、空域滤波算法、空间谱估计算法。
其中，步骤S1包括以下具体步骤：
S11：系统初始化，开关矩阵切换到校准源输入，校准源关闭；射频前端切换到待校准频段；
S12：主控模块控制各个中频采集模块进入脉冲触发采集模式，并控制中频采集模块的序列发生器等待循环计数；
S13：校准源发送脉冲触发信号触发；
S14：计算和优化的范围。
在步骤S12中，在每段IQ数据的头加一个序列发生器值。
在步骤S13中：对N个待校准通道，其中通道n，冲击响应；
校准源发送一个带内脉冲信号，脉冲信号为近似方波单频信号或调制信号；各个共时钟的中频采集模块通道n，收到脉冲信号后，通过幅度门限触发，计算脉冲信号的近似起点，对应的一个采样点的时刻，同时，通过门限触发序列发生器开始由零开始循环计数，然后中频采集模块被脉冲下降沿触发，通知主控模块初始定时完成，进入校准等待阶段；
此时，通道n的冲击响应，/>；所有通道t的最大值为/>，最小值为/>；
；
为了不让序列发生器因为序列计时不足引起错乱，对于射频信号，整个测向天线阵到中频输出的时间；102.4MHz的AD时钟，整个中频输出、经过数据处理到网口发送的时间/>；网口发送、接收汇集到主控模块的时间/>；主控模块计算处理、反馈控制中频采集模块的时间/>，以保证/>；
序列发生器，取32位，最大计数4294967296≈4.3E9，此时102.4MHz的AD时钟情况下计数时间为：
，
这样，循环计数不会因为序列计时不足引起错乱，必要时，还可增加序列发生器位宽。
在步骤S3中的计算过程如下：
延时τ的线性系统，等价为在对任意频点f带来的相位改变，在ADC采集过程中，如果采样点出现偏移，设采样周期/>，假设偏差的N个周期，则等价为插入一个延时的线性系统，等价于在各个频点带来相位改变/>。
假设通道n原始采集到的各路AD/IQ信号，因为采样时钟周期不同步，会引入额外的相位偏差，若采样点出现偏移外其他因素，如射频通道一致性，带来和频率有关的相位差/>。
这样，在中频模拟/数字带内频域的表达式为：
其中，为通道n在频率f处的幅度。
其中，为采样周期、/>为通道n的采样偏移周期数。
为了测试得到，需要频域采样，采样的频率间隔/>需要足够小，保证可插值性。
第m个频域采样点，总相位差：
；
第m+1个频域采样点，总相位差：
；
对于任意通道n的任意频率采样点m，这两个点总相位差的差值，总小于时，恢复的复相位就具有唯一性，不会出现相位的错误恢复。即：
对于任意m，；
若完全未知，特别的，/>，此时要求：
；
此时要求，这表明需要极小间隔的频域采样。
因此，为了让变为非零值，以保证/>能采样恢复，需要让/>变为一个有限值。
这样，得到新的充分条件为：
；
即：
。
在步骤S7中，上空间谱测向算法采用最大似然空间谱测向体制算法，其数学表达式如下：
最大似然代价函数为：
；
其中，“tr”表示矩阵求迹运算。
其中，R为协方差矩阵，计算表达式：
；
其中为阵列流型矢量矩阵，假设远场窄带信号个数D，在/>这组来波方向下，在对应已知的阵列流型矢量/>时，/>表达式如下：
；
其中，为0~360°范围内的任意自变量。
通过同时搜索这些自变量在0~360°范围的D维定义域空间下，值域的最大峰值/>，该峰值/>对应的/>，就是来波方向。
综上所述，本发明提供的基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统，数据采集模块除了中频输入外，不需要其他触发输入口来实现模块间同步，可以用多个支持同样频率的中频输入的数据采集模块，组合成多通道的实时采集系统。除此以外，各数据采集模块的型号规格等可以显著不同，并且有效提升了该测向系统的测向准确性。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方法，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (8)
1.基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统，其特征在于，包括：
测向天线阵，用于获取电磁波信号；
开关矩阵模块，用于将电磁波信号转化为多路射频信号；
多通道射频接收模块，用于对样本信号进行滤波、变频与增益控制操作，得到中频信号，各个通道之间为共混频时钟设计；
开关矩阵，切换到校准源时，用于链路校准；切换到天线元时，用于接收各阵元空中信号；
时钟驱动模块，用于实现一路输入时钟多路输出时钟，各输出时钟相干；
校准源，用于产生射频信号，以进行链路校准；
中频采集模块，设有多个，用于实现对中频信号的采集，将模拟信号转变为AD数据，同时通过内部处理变为IQ数据；
主控模块，用于对校准源、开关矩阵和中频采集模块进行控制，根据多个模拟数据采集模块，进行同步运算以及空间谱测向算法运算，得到信号测向结果；
交换机，用于实现数据采集模块之间、外部计算机之间互联；
计算机，用于对主控模块运算结果进行展示；
所述测向天线阵与所述开关矩阵模块连接；所述开关矩阵模块与所述多通道射频接收模块连接；所述多通道射频接收模块与所述中频采集模块连接；所述中频采集模块与所述交换机连接；所述时钟驱动模块和与所述中频采集模块连接；所述交换机与所述主控模块连接；所述主控模块与所述校准源和开关矩阵连接。
2.根据权利要求1所述的基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统，其特征在于，所述测向天线阵采用九阵元的九通道测向天线阵。
3.根据权利要求1所述的基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统，其特征在于，所述中频采集模块除了中频输入外，无需其他触发输入口来实现模块间同步。
4.基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向方法，基于权利要求1-3任意一项所述的基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过脉冲信号，实现任意通道n采样时钟偏差数有限化；
S2：进行校准数据采集，通过主控模块，将开关矩阵切换到校准源通道，通过校准源发送信号，并通知中频采集模块接收信号，进行频率采样校准；
S3：进行频率采样间隔的计算，/>，选取满足/>的最大的校准频率间隔，得到/>；其中，所有通道的冲击响应非零时的时刻，最大值为/>，最小值为/>；/>为采样时钟周期；
S4：进行运算，然后得到一系列离散频率校准值/>，并通过离散反傅里叶变换，求冲击响应/>；
S5：进行空中样本数据采集，将开关矩阵切换到阵元通道n，采集空中信号，得到通道n的样本IQ数据；
S6：将任意通道n的样本数据，用校准值校准，得到校准后的样本数据/>,，/> 为卷积运算；
S7：进行依赖于多通道同步的空间谱测向算法计算来波方向，其中多通道同步的空间谱测向算法包括数字波束合成算法或空域滤波算法或空间谱估计算法。
5.根据权利要求4所述的基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向方法，其特征在于，步骤S1包括以下具体步骤：
S11：系统初始化，开关矩阵切换到校准源输入，校准源关闭；射频前端切换到待校准频段；
S12：主控模块控制各个中频采集进入脉冲触发采集模式，并控制中频采集模块的序列发生器等待循环计数；
S13：校准源发送脉冲触发信号触发；
S14：计算和优化的范围。
6.根据权利要求5所述的基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向方法，其特征在于，在步骤S12中，在每段IQ数据的头加一个序列发生器计数值。
7.根据权利要求5所述的基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向方法，其特征在于，在步骤S14中：
对N个待校准通道，其中通道n，冲击响应；
校准源发送一个带内脉冲信号，脉冲信号为近似方波单频信号或调制信号；各个共时钟的中频采集模块通道n，收到脉冲信号后，通过幅度门限触发，计算脉冲信号的近似起点，对应的一个采样点的时刻，同时，通过门限触发序列发生器开始由零开始循环计数，然后中频采集模块被脉冲下降沿触发，通知主控模块初始定时完成，进入校准等待阶段；
此时，通道n的冲击响应；所有通道t的最大值为/>，最小值为；这样，
；
为了不让序列发生器因为序列计时不足引起错乱，对于射频信号，整个测向天线阵到中频输出的时间 ；102.4MHz的AD时钟，整个中频输出、经过数据处理到网口发送的时间/>；网口发送、接收汇集到主控模块的时间/> ；主控模块计算处理、反馈控制中频采集模块的时间/>，以保证/>；
序列发生器，取32位，最大计数4294967296≈4.3E9，此时102.4MHz的AD时钟情况下计数时间为：
。
8.根据权利要求4所述的基于中频触发实现多采集模块宽带校准的测向方法，其特征在于，所述空间谱测向算法采用最大似然空间谱测向体制算法，其数学表达式如下：
最大似然代价函数为：
；
其中，“tr”表示矩阵求迹运算；
R为协方差矩阵，计算表达式：
；
其中为阵列流型矢量矩阵，假设远场窄带信号个数D，在/>这组来波方向下，在对应已知的阵列流型矢量/>时，/>表达式如下：
；
其中，为0~360°范围内的任意自变量；
通过同时搜索这些自变量在0~360°范围的D维定义域空间下， />值域的最大峰值/>，该峰值/>对应的/>，就是D个来波方向。
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