吳一帆　熊振偉

【摘要】 針對(duì)當(dāng)前基于比幅式測(cè)向?qū)U(kuò)頻移動(dòng)通信信號(hào)定位慢、精度低的問(wèn)題，提出了一種新型的基于相關(guān)干涉儀技術(shù)的測(cè)向方法，該方法先通過(guò)解擴(kuò)擴(kuò)頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)與無(wú)關(guān)信號(hào)的分離及原始信號(hào)的還原，再通過(guò)相關(guān)干涉儀測(cè)向技術(shù)快速精確地對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行測(cè)向。基于本文提出的測(cè)向總體技術(shù)，理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)頻手機(jī)信號(hào)進(jìn)行快速精確測(cè)向定位，通過(guò)模擬仿真，驗(yàn)證了該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和可行性。

【關(guān)鍵詞】 相關(guān)干涉儀 擴(kuò)頻通信 解擴(kuò) 測(cè)向

一、研究背景

隨著近年來(lái)移動(dòng)通信的快速發(fā)展，移動(dòng)電話的應(yīng)用已經(jīng)滲透到人們生活的方方面面，人們一刻也離不開(kāi)手機(jī)，因此通過(guò)定位手機(jī)終端位置來(lái)查找人員已成為某些部門的一種重要手段。

當(dāng)前對(duì)GSM手機(jī)測(cè)向定位所采用的原理是比幅測(cè)向法，該方式測(cè)向誤差大，定位時(shí)間長(zhǎng)，容易被機(jī)主發(fā)現(xiàn)。

對(duì)于CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-

SCDMA等制式的手機(jī)信號(hào)，采用“驅(qū)趕”到GSM在目標(biāo)手機(jī)鎖定模式下，是無(wú)法測(cè)向定位的，存在缺陷。另一種方法是直接比幅測(cè)向，但是上述手機(jī)信號(hào)均采用擴(kuò)頻信號(hào)體制。一旦遇到多用戶信號(hào)重疊在同一段頻譜中的情況時(shí)，比幅測(cè)向法是無(wú)法測(cè)得目標(biāo)手機(jī)方位的。這就是目前市面上該類測(cè)向定位系統(tǒng)表現(xiàn)欠佳的最主要原因。

二、擴(kuò)頻手機(jī)信號(hào)特點(diǎn)

CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等手機(jī)信號(hào)都是基于碼分多址擴(kuò)頻信號(hào)體制，具有信號(hào)頻譜寬的特點(diǎn)，其中TD-SCDMA信號(hào)還具有時(shí)分多址的特點(diǎn)。

圖1 CDMA/CDMA2000頻譜信號(hào)

基于CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等信號(hào)的特點(diǎn)，以及目前多數(shù)對(duì)手機(jī)測(cè)向定位系統(tǒng)存在的性能缺陷，考慮采用基于高速相關(guān)干涉儀測(cè)向體制，結(jié)合擴(kuò)頻信號(hào)截獲/分離/解擴(kuò)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種手機(jī)信號(hào)測(cè)向定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)各類手機(jī)信號(hào)，尤其是擴(kuò)頻手機(jī)信號(hào)進(jìn)行近實(shí)時(shí)測(cè)向，達(dá)到測(cè)向快速，定位準(zhǔn)確的系統(tǒng)性能。

三、主要研究?jī)?nèi)容

3.1 對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)截獲技術(shù)研究

表1 T網(wǎng)、W網(wǎng)、C網(wǎng)頻段分配表

運(yùn)營(yíng)商 手機(jī)制式 頻譜分配

中國(guó)移動(dòng) TD-SCDMA 2010～2025MHz

中國(guó)聯(lián)通 WCDMA 1940～1955MHz

2130～2145MHz

中國(guó)電信 CDMA/CDMA2000 825～835MHz

870～880MHz

各擴(kuò)頻制式信號(hào)工作頻段從800MHz～2200MHz均有分布（詳見(jiàn)表1）。測(cè)向設(shè)備必須具備掃描速度快，處理頻段寬的信號(hào)探測(cè)能力。

CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA通信信號(hào)中，最大信號(hào)載波帶寬為W=20MHz（以此為瞬時(shí)處理帶寬），假設(shè)搜索分辨率為25kHz，最短信號(hào)持續(xù)時(shí)間為Td=0.5ms，為使系統(tǒng)具備Pint=100%信號(hào)截獲能力，需滿足掃描速率指標(biāo)為：

Rs=Pint*W/Td=100%*20MHz/0.5ms=40GHz/s@25kHz

3.2 對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)技術(shù)研究

CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等信號(hào)均基于碼分多址擴(kuò)頻信號(hào)體制，存在多用戶同頻通信的情況。需先將目標(biāo)信號(hào)從擴(kuò)頻信號(hào)中提取出來(lái)，目標(biāo)信號(hào)擾碼、擴(kuò)頻碼可通過(guò)移動(dòng)通信數(shù)據(jù)采集分析協(xié)議層及其他途徑獲取。

解擴(kuò)算法利用相關(guān)器在多個(gè)CDMA信號(hào)中選出使用預(yù)定PN碼的信號(hào)，把目標(biāo)信號(hào)展開(kāi)的能量從寬帶上回收還原成原來(lái)的窄帶信號(hào)，而其他使用不同PN碼的信號(hào)不能被解調(diào)[1]仍維持寬帶，經(jīng)窄帶濾波后，將其從多個(gè)CDMA信號(hào)中提取出來(lái)。

當(dāng)接收機(jī)的本地PN碼與接收到的PN碼在結(jié)構(gòu)、頻率和相位上完全一致，才能成功解擴(kuò)，否則無(wú)法準(zhǔn)確可靠地獲取所發(fā)送的信息數(shù)據(jù)，PN碼同步過(guò)程分為PN碼捕獲（精同步）和PN碼跟蹤（細(xì)同步）兩部分。

圖2 雙積分滑動(dòng)相關(guān)精同步捕獲系統(tǒng)

由于不同制式的解擴(kuò)技術(shù)是不同的，因此需要對(duì)多種制式手機(jī)信號(hào)的解擴(kuò)技術(shù)進(jìn)行深入研究。

3.3 相關(guān)干涉儀測(cè)向算法研究

當(dāng)擴(kuò)頻信號(hào)被解擴(kuò)處理后，目標(biāo)信號(hào)便還原成為窄帶信號(hào)，此時(shí)可利用相關(guān)干涉儀體制對(duì)信號(hào)進(jìn)行來(lái)波方位的計(jì)算。

干涉式測(cè)向利用無(wú)線電波在接收天線陣的不同陣元上形成的相位差來(lái)確定源信號(hào)的方向，建立入射波方向與相位差之間的映射樣本集，將測(cè)量相位差與事先已存儲(chǔ)的樣本進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，求出相關(guān)數(shù)最大的樣本所映射的方向即為入射波方向[3-4]。

考慮到對(duì)天線外觀隱蔽性的要求，假設(shè)天線陣采用口徑為0.45m的5單元圓陣，采用長(zhǎng)短基線法。假設(shè)測(cè)向天線及信道間的固有相位均方根誤差為20°，來(lái)波方位為90°，圖3 為800～900MHz頻段內(nèi)的測(cè)向精度的理論分析結(jié)果。假設(shè)相位誤差為20°，頻率分別為850MHz和2025MHz，圖4 為來(lái)波方位對(duì)測(cè)向精度的影響分析。

圖3 800～900MHz測(cè)向精度理論分析

由理論分析結(jié)果可知，該圓陣對(duì)擴(kuò)頻手機(jī)信號(hào)測(cè)向精度可控制在1.5°以下，且精度隨著頻率增加而提高。

圖4 不同來(lái)波方位測(cè)向精度理論分析

由理論分析結(jié)果可知，該圓陣對(duì)擴(kuò)頻手機(jī)信號(hào)的不同來(lái)波方位測(cè)向精度呈共軛分布，整頻段測(cè)向精度可控制在3°以下。

3.5 擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)算法和相關(guān)干涉儀測(cè)向體制融合技術(shù)研究

在對(duì)CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)向時(shí)，需要將擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)與相關(guān)干涉儀測(cè)向兩者的軟件算法進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)、融合，同時(shí)對(duì)硬件進(jìn)行整合，從而在系統(tǒng)的整體處理速度、集成度上有一定的提升。（圖5）

將解擴(kuò)算法以模塊形式嵌入在相關(guān)干涉儀測(cè)向系統(tǒng)相關(guān)硬件中。在DDC處理、數(shù)字濾波后，根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)制式進(jìn)行數(shù)據(jù)重采樣適配該信號(hào)碼速率，然后解擴(kuò)處理將同步的五通道擴(kuò)頻信號(hào)還原成為五路同步窄帶信號(hào)，在實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)的同時(shí)，應(yīng)考慮保持五通道信號(hào)相位一致性，滿足后續(xù)相關(guān)干涉儀測(cè)向?qū)ο辔煌降囊蟆?/p>

四、仿真驗(yàn)證

圖6 ，圖7 分別為800～900MHz、1880～2170MHz頻段內(nèi)的測(cè)向精度的模型仿真結(jié)果。假設(shè)固有相位誤差仍為20°，入射角為0-360°全方位，仿真結(jié)果以等高線繪制。

圖6 800-900MHz測(cè)向精度仿真結(jié)果

圖7 1880-2170MHz測(cè)向精度仿真結(jié)果

五、結(jié)論

本文針對(duì)市面上常用比幅式移動(dòng)通信測(cè)向產(chǎn)品的應(yīng)用弊端，提出了基于相關(guān)干涉儀擴(kuò)頻信號(hào)測(cè)向的方法，理論上基于該方法的寬帶測(cè)向機(jī)可以高測(cè)向靈敏度、高測(cè)向精度、快速的對(duì)CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等制式的手機(jī)上行信號(hào)進(jìn)行測(cè)向定位，為解決手機(jī)終端技術(shù)定位難的問(wèn)題提供了一套解決方案。