（信号与信息处理专业论文）无线电监测测向与定位技术研究.pdf

摘要 摘要 本文以无线电监测技术为背景，分别研究了基于软件无线电的无线电监测技 术、基于m u s i c 算法的测向技术以及基于t d o a 的定位技术。 本文以无线电监测的相关技术为主要研究方向，对其中的几个关键技术进行 了深入的研究。这里的无线电监测主要包含三个层次，第一是对调制信号本身参 数的监测与测量，这主要包括已调信号的相关参数测量，调制信号的解调，信号 调制方式的自动识别等。第二是对无线电信号来波方向的测量，即是要对无线电 信号能量在空间的分布进行监测，这就是所谓的空间谱估计技术。第三是对无线 电信号发射源位置的监测，即是要得到信号源的具体位置，以便更好的把握该地 区的无线电信号环境，尽快地排除干扰，恢复正常的通信业务。 基于以上的论述，本文的主要的研究内容如下： 1 、基于软件无线电的无线电监测技术。这部分的工作目标是为公司的小型无 线电监测系统开发相关算法，以增强该系统的数字化监测功能，充分利用系统已 有的资源，为系统的升级奠定基础。研究了以下的关键技术：无线电信号的参数 测量技术、正交解调技术、自动调制识别技术以及同步技术。给出了算法的流程 以及相应的仿真结果。其中参数测量功能成功地实现于该系统上，而正交解调与 自动调制识别部分则编制了仿真软件。 2 、基于m u s i c 算法的无线电测向技术。在这方面主要研究了m u s i c 算法在均 匀线阵和均匀圆阵中的应用，并针对多径的信号环境，研究了m u s i c 算法对相干 和相关信号的处理。m u s i c 算法需要预先知道来波的个数，因此研究了a i c 准则 和m d l 准则对来波个数的估计。 3 、基于t d o a 架构的无线电定位技术。主要研究了t d o a 架构的定位算法，分 析了其定位的基本原理，并对目前出现的几种算法进行了比较性的研究，给出了 几种算法的仿真结果以及性能。仿真结果表明c h a n 法有比较优势，适合目前无线 电监测站的布站要求。 本文的主要创新之处为： 1 在自动调制识别中，针对d s b 信号的相位特性，提出一个新的特征参数， 该参数能够很好地实现识别，在s n r = 5 d b 时，正确识别率大于9 7 ，并且 该参数对载波相位不敏感。 摘要 2 在解调部分，针对f s k 信号的相位线性特性，提出用线性拟合的方法对f s k 信号进行解调，仿真结果证明该算法切实可行。 3 在t d o a 定位部分，针对t h a n 法固有的模糊特性，提出一个目标函数，仿 真结果证明该目标函数能较好的解决该算法的模糊问题。 关键词：无线电监测，软件无线电，无线电测向，到达时间差，无线电定位 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h eb a c k g r o u n do fr a d i om o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , s t u d i e dt h er a d i o m o n i t o r i n gt e c h n i q u e sb a s e do ns o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ( s d r ) ，r a d i od i r e c t i o nf i n d i n g t e c h n o l o g yb a s e do nm u s i ca l g o r i t h m ，a n dt h er a d i op o s i t i o nl o c a t i o nt e c h n o l o g y b a s e do nt d o a ( t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ) a r c h i t e c t u r e t 0 0 kt h er a d i om o n i t o r i n gr e l a t e dt e c h n o l o g i e sa si t sm a i nr e s e a r c hd i r e c t i o n , t h i s p a p e r t o o ka ni n - d e p t hs t u d yo ns o m eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e s h e r e , r a d i om o n i t o r i n g m a i n l yi n c l u d e st h r e el e v e l s t h ef i r s ti st h em o n i t o r i n ga n dm e a s u r e m e n to f m o d u l a t e d s i g n a l si t s e l f , i n c l u d i n gm e a s u r e m e n to fr e l a t e dp a r a m e t e r so fm o d u l a t e ds i g n a l s ， d e m o d u l a t i o n , a n da u t o m a t i cm o d u l a t i o nr e c o g n i t i o n , e t c t h es e c o n di st h e m e a s u r e m e n to fa r r i v a ld i r e c t i o nf o rr a d i os i g n a l s ，w h i c hi st om o n i t o rt h es p a t i a l d i s t r i b u t i o no fr a d i oe n e r g y , w h i c hi so f t e nc a l l e ds p a t i a ls p e c t r u me s t i m a t i o n t h e 仕l i r di st om o n i t o rt h es o u r c el o c a t i o no fr a d i os i g n a l s ，a n dg e tt h es p e c i f i cl o c a t i o no f t h es i g n a ls o u r c e ，i no r d e rt ob e t t e rg r a s pt h er a d i oe n v i r o n m e n to fo n er e g i o n , a n d e l i m i n a t i n gt h ei n t e r f e r e n c e , t h u st h e n o r m a lc o m m u n i c a t i o nb u s i n e s sc a nb e r e c o n s t r u c t e da ss o o na sp o s s i b l e b a s e do nt h ed e s c r i p t i o na b o v e ，t h ep r i m a r yc o n t e n to f t h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 r a d i om o n i t o r i n gt e c h n o l o g i e sb a s e do ns d r t h eo b j e c t i v eo ft h i sp a r ti st o d e v e l o pr e l e v a n ta l g o r i t h m sf o ro n ec o m p a n y sm i n it y p er a d i om o n i t o r i n gs y s t e m , s o t h a tt os t r e n g t h e ni t sd i j g i t a lm o n i t o r i n gf u n c t i o n , m a k ef u l lu s eo ft h er e s o u r c ea l r e a d y e x i s t , a n dl a yt h ef o u n d a t i o nf o rs y s t e mu p g r a d e s s t u d i e dt h ef o l l o w i n gk e y t e c h n o l o g i e s ：t h ep a r a m e t e rm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yo fr a d i os i g n a l s ，o r t h o g o n a l d e m o d u l a t i o n , a u t o m a t i cm o d u l a t i o nr e c o g n i t i o n ，a n ds y n c h r o n i z a t i o n , t h ef l o w i n g c _ h a r ta n d c o r r e s p o n d i n g s i m u l a t i o nr e s u l t sw e r es h o w n w h e r e ，p a r a m e t e r m e a s u r e m e n th a sb e e ni m p l e m e n t e do nt h es y s t e ms u c c e s s f u l l y , w h i l ed e v e l o p e d s i m u l a t i o ns o f t w a r ef o ro r t h o g o n a ld e m o d u l a t i o na n da m r t e c h n o l o g y 2 r a d i od i r e c t i o nf i n d i n gp f ) t e c h n o l o g i e sb a s e do nm u s i ca l g o r i t h m m a i n l y s t u d i e dt h e a p p l i c a t i o no fm u s i ca l g o r i t h mi nu n i f o r ml i n e a ra r r a y ( u l a ) a n d u n i f o r mc i r c u l a ra r r a y ( u c a ) ，a g a i n s tt h em u l t i p a t hs i g n a le n v i r o n m e n t ，a l s os t u d i e d t h ep r o c e s so fc o h e r e n ta n dc o r r e l a t e da r r i v i n gs i g n a l s m u s i ca l g o r i t h mn o e a i 8t o i i i a b s 瞰( 誓 f o r e k n o wt h en u m b e ro fa r r i v a l s , s os t u d i e da l ca n dm d lc r i t e r i o n st oe s t i m a t et h e n u m b e ro fa r r i v a l s 3 r a d i op o s i t i o nl o c a t i o n ( p l ) t e c h n o l o g i e sb a s e do nt d o a a r c h i t e c t u r e m a i n l y s t u d i e dt h el o c a l i z a t i o na l g o r i t h m so ft d o aa r c h i t e c t u r ea n di t sb a s i cp l p r i n c i p l e s w e r ea n a l y z e d c o n d u c t e dac o m p a r a t i v es t u d yo l ls o m eo ft h ep la l g o r i t h m sa l r e a d y p r o p o s e d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dp e r f o r m a n c eo ft h e s ea l g o r i t h m sw e r es h o w n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc h a n sm e t h o dh a ss o m ec o m p a r a t i v ea d v a n t a g e s ，a n di s m o r es u i t a b l ef o rt h ec u r r e n ts i t el a y o u to f t h em o n i t o r i n gs t a t i o n s t h ec r e a t i v ew o r k so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： l 、i nt h ea m r p a r t ，i nv i e wo ft h ep h a s ec h a r a c t e r i s t i co fd s bs i g n a l s ，an e w f e a t u r ep a r a m e t e rw a sp r o p o s e d , w h i c h 啪a c h i e v eg o o dr e c o g n i t i o ne f f e c t w h e n s n r = 5 d b ，t h e 辨c c e s sr a t ei sl a r g e rt h a n9 7 ，a n dm o r e o v e r , t h i sp a r a m e t e ri s i n s e n s i t i v et oc a r r i e rp h a s e 2 、i nd e m o d u l a t i o np a r t , i nv i e wo ft h el i n e a rc h a r a c t e r i s t i co ft h ep h a s eo ff s k s i g n a l s ，p r o p o s e dt od e m o d u l a t ef s ks i g n a l sv i al i n e a rf i t t i n ga l g o r i t h m s i m u l a t i o n r e s u l t sh a v es h o w nt h ef e a s i b i l i t yo f t h i sa l g o r i t h m 。 3 、i nt d o a p a r t ，a g a i n s tt h ei n h e r e n ta m b i g u i t yp r o p e r t yo fc h a n sm e t h o dp r o p o s e d a l lo b j e c tf u n c t i o n , s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w nt h a ti tc a ns 0 1 v et h i sa m b i g u i t y p r o b l e mf a i r l y k e y w o r d s ：r a d i om o n i t o r i n gs o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ( s d r ) ，r a d i od i r e c t i o n f i n d i n gt i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ( t d o a ) ，r a d i op o s i t i o nl o c a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所妣除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：日期：熠年多月2 i 旧 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：新弥，燃 日期必撂年如厂日 第一章引言 第一章引言 本文题目为无线电监测测向与定位技术研究，课题来源为深圳市嵘兴实 业发展有限公司。本文主要关注无线电监测领域的相关问题，研究无线电信号的 监测、测向和定位等问题，为无线电监测系统设计与实现提供一些参考。 本文的工作主要分为以下三个部分： 1 在公司无线电小型监测系统( p c i 一9 8 2 0 版本) 原有功能的基础上开发相关 算法，以增强该系统的监测功能。 2 研究了基于n s i c 算法的空间谱估计技术，为公司在阵列测向技术方面的 研究打下基础。 3 研究了t d o a 无线电定位技术，重点研究了定位中方程组的几种解算方法。 1 1 本课题的背景和意义 当前，无线电监测网络基本形成，监测网的建设基本都是大型监测站的建设。 而大型监测站的建设成本高昂，因此建设数量是有限的。随着无线电频谱使用密 度的逐渐提高，无线电监测任务不断增加，大型固定站和移动监测站的作用范围 有限。由于城市电磁环境复杂，小功率无线电设备不断涌现，并且常常在局部区 域内影响正常的无线电通信业务，它们可能在距离大型监测站较远的区域使用， 其信号由于传播衰减无法到达大型监测站的位置。因此，对这类信号的监测仅仅 依靠大型监测站是无能为力的。 由于覆盖问题，所有的监测工作只依靠大型监测站，则无法得到良好的监测 效果，致使大型监测站的性价比变低，监测设备得不到应有的充分利用。因此， 只建设大型监测站无法适应城市的发展，无法掌握监测区域内的无线电电磁环境 状况。 以上的原因，使得小型无线电监测系统在局部地区的无线电监测任务中被大 量的使用。小型系统的应用范围包括： 1 可用于电磁环境比较复杂的重要区域，如机场、港口等。 2 在国境线上布设，以利于国际间协调。 3 可以大规模多点布站，扩大无线电监测范围。 电子科技人学硕士学位论文 4 可以作为移动站使用，具有很强的机动性能。 以上就是小型系统产生和应用背景。目前，国内小型监测系统主要有以下四 种： 1 台式接收机+ 计算机( e b 2 2 0 、a r o n e 等) 2 v x i 接收机+ 计算机( h p 公司) 3 p x i 接收机+ 计算机( n i 公司) 4 p c 总线卡式接收机+ 计算机( w i n r a i o 公司) 本文所提到的p c i 一9 8 2 0 属于第一种类型，使用的是a r o n e 通信接收机。本文 的第一部分工作就是利用软件无线电技术的相关理论，为该系统开发相关算法， 具体将在后面介绍。 由于目前复杂的电磁环境，只利用信号的频域和时域特性远远不能完成对信 号的监测、识别和分选等工作。这里对无线电信号的监测可以分为三个层次，第 一是对信号本身调制信息的处理，这部分包括参数测量、解调、自动调制识别等； 第二是对信号来波方向的监测，主要是把握无线电信号能量在空间的分布情况， 一般称为空间谱估计；第三是对信号源的具体发射位置的监测，即为定位。 因此，信号发射源的空间信息( 发射源所在的方位、地理坐标等) 也是目前无 线电监测的重要信号参数。许多信号尽管其性质相同，但是其发射位置往往不一 样，并且发射源的位置和方向等不可能突变，因此利用空间上的分离可以分选出 大量无关信号。这对减轻系统的工作量具有很重要的意义。这也是目前测向和定 位技术在无线电监测、雷达、通信以及电子对抗等领域都受到较大关注的原因。 1 2 国内外的研究现状 本文的第一部分内容即利用软件无线电的相关理论，将已有的技术应用到实 际无线电监测系统中，提高系统数字化水平，为公司以后的产品升级换代打好基 础。 软件无线电的概念是1 9 9 2 年由j o em i l t o r a 首次提出【m 】，其中心思想就是： 构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能用软件完成， 并且使得宽带a d c 、d a c 尽量靠近天线，以研制出具有高度灵活性和开放性的新一 代无线通信系统。 概念提出后，引起国内外学者极大的关注，相关的理论渐趋成熟。美国已经 有了实际的系统，典型的如s p e a k e a s y 2 , 3 等。国内的t d s c d m a 系统中也明确地 2 第一章引言 使用软件无线电的概念，并且将其作为五大关键技术之一。但是，国内的研究始 终受到硬件的困扰，如高速的a d c 、d a c 、宽带天线、超高速d s p 、f p g a 等可编程 器件等限制，研究和系统方面始终要滞后。但是也取得了一些研究成果，如清华 大学提出了一种基于交换的硬件平台结构【4 】。 在这方面本文的研究内容包括无线电信号的软件解调、自动调制识别以及同 步技术等。 通信信号具有不同的调制方式，无论在军事领域或者民用领域，都通常需要 对这些信号进行监测。在军事应用中，如监视，电子对抗以及威胁分析等。在民用 方面，主要应用于信号确认、干扰识别、监测、频谱管理等。调制识别在智能通 信中尤为重要，一方面是因为错误的解调方式会使得信号的信息内容损坏甚至丢 失，另一方面是对信号正确识别后，可以选择最佳的干扰波形对敌方信号进行干 扰f 5 1 。 从大类上来分，目前的自动调制识别技术可以分为两类【5 , 6 1 。一类是基于决策 理论( d e c i s i o nt h e o r e t i c ) 的方法，主要是利用概率和假设测试变量来实现识别。 另一类是基于统计模式识别的方法。后者一般分为两个步骤来实现。首先是设计 信号的特征参数，并根据各种算法来计算其数值。第二步就是根据统计模式识别 算法，设计识别器，给出识别结果。基于统计模式识别的方法又分为多种，如基 于统计矩( s t a t is t i c a lm o m e n t ) 的方法【7 8 】、基于支撑矢量( s u p p o r t i n gv e c t o r ) 的方法、人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 【9 ，1 0 】等。 基于统计矩的方法主要是提取信号的幅度、相位、频率等几个参数形成的特 征( f e a t u r e ) 变量来对信号进行区分。这里主要使用信号的幅度、相位、频谱等几 个量的特征来实现。特征提取方法主要有：基于小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m ) 的方法、基于正交变换【l l 】( o r t h o g o n a lt r a n s f o r m ) 、h il b e r t 变换( h i l b e r t t r a n s f o r m ) 1 1 2 】等。 同步技术一般包括载波同步和位同步等。载波同步即是要获得载波的初始相 位，为信号的相干解调提供相干载波。信号的载波恢复算法主要有：平方法、锁 相环法等。平方法要经过平方运算、滤波及分频等，实现复杂并且精度不高。数 字锁相环具有实现简单、可靠并具有正交双通道等优剧1 3 以4 1 。 位同步中最重要的就是定时误差检测。常用的几种算法，如：e a r l y l a t eg a t e ， m u e l l e r - m u l l e r 以及g a r d n e r 算法等。e a r l y - l a t eg a t e 法每个符号需要3 个点， 而m u e l l e r - m u l l e r 法每个符号只需要1 个点，但是它对载波相位敏感，即该法必 须先进行载波同步【1 5 1 。g a r d n e r 算法每个符号需要两个点进行计算，而且该法对 电子科技大学硕士学位论文 载波相位不敏感，因此使用比较广泛【幡1 8 1 。 空间谱估计技术是随着阵列信号处理技术而发展起来的，目前有关基础理论 已经成熟。s c h m i d t 和b i e n v e n u 以及k o p p 于1 9 7 9 年独立提出了m u s i c 算法，后 来s c h m i d t 于1 9 8 6 年重新发表了其论文【1 9 1 。r o y 等人于1 9 8 6 年提出了e s p r i t 算 法【捌。这两篇论文是该领域里程碑式的经典论文，目前的许多文献都在研究特殊 的条件下算法的使用，已经提出了许多改进的算法。在国内外的研究都相当的多 而且比较深入，相关的文献相当丰富，而且目前还是阵列处理领域的热点之一。 然而该领域还有许多实现方面的问题需要加以深入研究。如阵列校准、多通 道一致性、远场与近场问题、杂波与干扰的处理问题、相关信号的处理问题、来 波个数估计问题、阵列流形的变换问题等。这些领域的问题都有相当多的文献来 报道和研究，但目前都只是在理论探讨和算法仿真阶段。因此，现在的国内外的 研究热点之一是如何把这些已有的算法真正的实现到硬件系统上去。 国内经过努力，也取得了一些研究成果，在国际重要的期刊发表了一系列的 高水平论文【2 1 1 。在这方面研究比较深入的单位有清华大学、电子科技大学、哈尔 滨工程大学、南京理工大学、南京1 4 所、西安电子科技大学等。 本文主要研究删s i c 算法。m u s i c 算法对阵列流型没有特殊要求，可以是线 阵或圆阵等，而e s p r i t 算法则要求有两个完全相同的子阵，这对圆阵来说是不能 满足的。一般，删s i c 算法要求几个来波信号是不相关的，即不存在所谓的多径 分量，而在实际的信号环境中，多径往往不可避免，因此相干或相关信号的处理 也是研究的热点。 目前相干信号源的处理方法一般有以下几类：一是空间平滑类算澍2 2 彩】，如 空间平滑算法、修正的空间平滑算法；二是重构算法，如矩阵分解算法、奇异值 分解算法；三是非降维处理算法，妞t o e p l i t z 法、子空间拟合法等。 空间平滑技术是目前一种有效的解相干算法。空间平滑技术及其改进方法对 相干信源的d o a 估计具有理想的性能，且计算量很小，便于实现。但是它是通过 牺牲有效阵元数来换取的，对阵列孔径有一定的损失，且在低信噪比时算法性能 较差。矩阵重构法是通过矩阵或者特征矢量的重构来实现解相干的，这类算法与 空间平滑类算法的差别在于重构的矩阵一般是长方阵，需要用奇异值分解来得到 信号子空间或噪声子空间，其去相干性能与空间平滑类算法类似，但运算量稍大。 t o e p l i t z 算法也是一类便于实现的解相干算法，而且比较适用于低信噪比的情 况，缺点在于估计偏差比较大。子空间拟合算法则是通过多维空间来实现解相干， 它可以直接对相干信号源进行参数估计，但运算量相当大【2 1 1 。 4 第一章引言 空间平滑需要阵列具有v a n d e r m o n d e 的形式，均匀线阵满足这一点，而均匀 圆阵则不满足。因此，针对这一点，提出了虚拟阵列的概念，将不满足平滑要求 的实阵列经过变换，变成能够进行平滑的虚拟阵列【2 5 。2 6 】。 另外，m u s i c 算法需要预先知道来波个数，以对相关矩阵做相应的分解，而 实际中，来波个数是未知的，因此，也有许多算法和准则来进行来波个数的估计。 这些算法各有优缺点【2 l 】，如平滑秩、矩阵分解算法在低信噪比情况下性能较差， 而在高信噪比的情况下算法相当稳定，在色噪声背景下它们也能估计信号源个数。 a i c 准则不是一致性估计【2 1 2 羽，即在大快拍数的场合，它仍然有较大的误差概率。 而m d l 准则是一致性估计 2 8 , 2 9 】，即在高信噪比的情况下该准则能够有准确的估计， 而在低信噪比的情况下，该准则比a i c 准则有高的误差概率。在低信噪比的情况 下，盖氏圆法的性能优于平滑秩算法，而且能用于色噪声背景下的信源数估计。 正则相关技术算法具有鲁棒性，在有色噪声环境下，可以设定不同的门限值，即 虚警概率，在噪声不同时可以调节，而信息论准则就无法在色噪声背景下准确估 计信号源数。 在无线电定位方面，本文研究了基于数据融合技术的定位法。数据融合即是 通过不同接收站对信号参数的估计来获得信号发射源的位置。目前这类算法主要 有四种类型 3 0 】： 1 到达时间算法( t o a ，t i m eo fa r r i v a l ) 2 到达时间差算法( t d o a ，t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l ) 3 到来角算法( a o a ，a n g l eo fa r r i v a l ) 4 复合技术 t o a 是利用信号源到若干个接收站的绝对时间信息来对信号源进行定位。这通 常需要信号源和接收站之间能够配合，在发射信号上附加时间信息，以便得到到 达的绝对时间。理论上，利用两个这样的接收站就可以解算出信号源的位置。 而t d o a 是利用信号源到达两个接收站的到达时间差，即相对时间来进行定位， 这种结构理论上要求至少有三个接收站。由于没有绝对时间，因此需要相关算法 来得到各个接收站之间所收集信号的时间差关系。 a o a 则是通过两个基站来测量信号源的方向( 到来角) ，然后通过两个直线方程 相交来得到信号源的位置信息。这种技术只要两个接收站就可以进行定位，多用 于雷达和电子对抗领域。复合技术则是至少同时使用以上的两种技术来得到信号 源的位置。 本文研究其中的t d o a 算法。t d o a 技术本是用于移动通信网络中对移动终端进 5 电子科技大学硕士学位论文 行定位的。也可以用于无线电信号定位，国外在军事和民航方面有一定应用。该 技术可以用于国家无线电管理部门、国家安全部门、民航以及军队等组织机构对 无线电信号进行监测和定位。 t d o a 通过测量信号到达两个接收站的时间差来对信号发射源进行定位。该算 法分为两个关键部分：时间延迟估计( t d e ，t i m ed e l a ye s t i m a t i o n ) 、双曲线方 程组( h y p e r b o l i ce q u a t i o n s ) 的解法。 时间延迟方面，有许多种算法提出【3 1 。4 1 ，并且已经有了多个实验被报道出来 3 5 - 3 7 】。目前的算法有相关算法、高阶统计法、盲信道识别法等。目前需要解决的 难题就是信号模型的设计问题。已经有的信号模型：单径模型、多径模型、反射 模型等。国外在许多室内的声纳语音定位系统中，都采用反射模型，也取得了很 好的效果。 而双曲线方程组的解算方法中。对t d o a 中接收阵任意( 非线性) 排列的情况，已 经提出了许多算法，如f r i e d l a n d e r 法，s p h e r i c a li n t e r s e c t i o n ( s x ) 法，s p h e r i c a l i n t e r p o l a t i o n ( s i ) 法，d i v i d ea n dc o n q u e r ( d a c ) 法，t a y l o rs e r i e s 法，f a n g 法， c h a n 法等【3 8 - 3 9 1 。 f r i e d l a n d e r 法利用最小均方及加权最小均方误差准则来对双曲线方程组进 行解算已经证明该方法在距离误差不相关且服从零均值等方差分布时为最大似 然估计该算法假设目标到第一个接收站的距离与其坐标独立，因此通过矩阵变换 从方程组中消去该距离，这种方法运算量小，但只是准最优，因为它消去了一个基 本关系【矧。 s x 法假设目标到第一个接收站的距离已知，然后将目标的坐标用该距离来表 示，再利用最小均方误差准则求解。由于在第一步就假设距离已知，因此丢失了一 个自由度，该算法得到的解也是准最优的【4 1 1 。 s i 法首先将坐标表达为到第一个接收站的距离的函数，再将坐标值代入到方 程组中，得到一个只有一个未知数的方程组，最后用最小均方准则求解。该算法 的缺点是未知数个数与方程个数相等时无解。该算法忽略了坐标与距离的关系， 因此也是准最优的【4 2 1 。 d a c 算法首先将t d o a 测量的结果分组，每组的未知数个数与方程个数相等。对 每组分别求解，然后通过合适的组合来获得最后的解，该算法能达到最优，但是 由于每组的方程个数与未知数个数相等，因此其它组的测量不能用来提高计算精 彪4 3 1 。 t a y l o r s e r i e s 法将方程组利用t a y l o r - s e r i e s 法展开，成为线性方程组，然 6 第一章引言 后通过迭代方法进行求解。该算法需要一个初始的猜测点，当猜测点合适时，能 很快的收敛，当猜测点不合适时，算法不能收敛m 。 f a n g 法能提供精确的解，但是没有利用其它的测量来提高计算精度。而且， 该算法由于存在平方运算，因此使用时必须做特殊处理悯。 c h a n 法能达到最优性能，并对接收站的排布没有要求。该算法对远区和近区 目标同时有效。当t d o a 估计误差比较小时，该算法能接近最大似然估计。该算法 性能优于其它算法，但是也存在模糊问题【舶j 。 1 3 本文的具体内容与章节安排 下面介绍本文的具体工作内容。本文分为三个大部分：基于软件无线电的无 线电信号监测、基于空间谱估计的无线电测向、基于t d o a 架构的无线电定位，分 别放在第二、三和第四章讲述。 第二章是利用软件无线电技术的相关理论，实现对无线电信号参数的测量与 监测。包括： 1 、几种模拟调制信号和数字调制信号的正交解调算法。其中，给出了详细的 算法流程图和相应的m a t l a b 仿真结果，为便于算法移植，还用v c 设计了仿真 软件。 2 、在公司的小型系统上，成功实现了i t u 规定的正调幅度、调幅度、负调幅 度、正频偏、频偏、负频偏、相偏等参数的测量工作。将给出具体的算法流 程和相应的仿真结果，并给出实际的监测结果。 3 、研究了几种模拟调制信号的自动调制识别算法。在前人工作的基础上， 针对d s b 信号相位特性，提出了一个新的特征参数，较好的解决了噪声对d s b 信号相位的影响。将给出仿真结果，结果表明该特征参数的有效性。 4 、研究了载波恢复技术和定时恢复技术，主要以q p s k 信号为例，研究了解 调中的这两个关键技术。 第三章研究空间谱估计测向算法，主要研究m u s i c 算法。主要内容包括： 1 、均匀线性阵列对单个来波的克拉美一罗限( c r l b ，c r a m e r r a ol o w e rb o u n d ) 2 、传统基于阵列的d o a 估计技术 3 、m u s i c 算法，包括基于均匀线性阵列的基本算法，并且将m u s i c 算法应用于 均匀圆阵，给出了仿真结果。 4 、研究了均匀线阵和均匀圆阵条件下，m u s i c 算法对相关来波的处理，即 7 电子科技人学硕士学位论文 m m u s i c 算法。 5 、谱估计问题中来波个数的估计问题，研究了来波个数对测向的影响，研 究了a i c 和m d l 准则的应用。 第四章研究了t d o a 定位技术，主要内容包括： l 、时延估计信号模型与算法 2 、双曲线方程组的解法，主要研究y f r i e d l a n d e r 法和c h a n 法，针对c h a n 算 法的模糊问题，提出了一个目标函数，较好的解决了该算法的解的唯一性问 题。并且给出了相应的仿真结果。 第五章对全文工作进行总结。 8 第二章无线电信号参数监测与测量 第二章无线电信号参数监测与测量 随着通信技术从模拟向数字化转变，现代的无线电系统的许多重要的功能都 可以由软件来完成。因此产生了新一代的无线电通信技术一软件无线电技术。 软件无线电的概念最早应用于军事电台之间的通信。长期以来，军用无线电 台都是针对某些特殊应用而设计的，各种电台之间差别很大，往往无法实现互相 接口和通信。 正是由于软件无线电技术的开放性、灵活性等优势，使得软件无线电技术在 通信、电子战等领域得到了很大的应用。因此对软件无线电技术的研究具有很大 的应用前景。 本章主要是面向无线电监测领域的应用，主要是利用软件无线电的相关技术 理论，完成以下的工作：模拟调制信号与数字调制信号的正交解调算法仿真、i t u 规定的几种调制度的测量、模拟调制信号的自动调制识别算法仿真以及同步技术 等。 2 1 软件无线电的总体框架 一般的软件无线电系统的框架如图2 - 1 所示。 超高速 习 d s p 以 及相关 软件算 法 匝惜一一 图2 - 1 软件无线电系统的一般框架 图2 一l 是软件无线电系统的一般框架。对以上的处理流程简单叙述如下。首 9 电子科技大学硕士学位论文 先在接收信号状态中( 如侦察机或其它被动监测系统) ，天线接收到射频信号，通过 双工器，信号进入超宽带滤波器，将带宽限制在某些频点或者频段上，经过超宽 带放大器，射频信号通过下变频器，与本振混频，得到一个固定的中频信号和另 外一个射频信号。该信号经过超宽带滤波器滤波后被a d c ( a n a l o g u ed i g i t a l c o n v e r t e r ) 采样，成为数字信号，这时便可以使用d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 硬件和相关的数字信号处理算法来对该数字信号进行处理。最后一块则是相关的 用户界面和接口，主要是向使用者展示信号的相关参数或者波形等，同时使得用 户能够在必要的情况下，对系统的某些工作参数进行修改，以便能够更好的完成 任务。 相对于接收环节，发射环节要稍微简单。首先是用户通过接口来设置系统的 工作参数，如可以根据需要来设置某种调制形式的信号波形来发射等。通过d s p 硬件和相关的软件算法得到数字信号后，通过d a c ( d i g i t a la n a l o g u ec o n v e r t e r ) 将数字信号转换为模拟信号后与本振( l o c a lo s c i l l a t o r ) 混频，即上变频至一个 合适的发射频率。为了抑制信号的发射带宽，以免对其它电台或者发射设备的干 扰，还要在发射前，进行滤波，把带宽限制在一个给定的范围内。为了保证足够 的传播距离，在发射之前还要进行功率放大。此时将双工器状态设置为发射状态， 信号经过双工器经由天线发射出去。 2 2 信号的正交变换( o r t h o g o n a i t r a n s f o r m ) 本章将几种常见的模拟和数字调制信号的解调都用正交方式来处理。这样做 有利于实现模块化和标准化。所谓的信号正交变换，即是对模拟信号做模数转换 后，用两个相互正交的载波对信号做数字下变频处理( d d c ，d i g i t a ld o w n c o n v e r s i o n ) ，然后得到两路信掣4 7 】。两路信号分别经过低通滤波( l p f ，l o wp a s s f i l t e r ) 后即可以得到所谓的同相( i ，i np h a s e ) 分量和正交( q ，q u a d r a t u r e ) 分量。 进而可以通过相关的算法对信号做相应的处理，得到信号的各类参数或者对信号 进行解调等。信号正交变换的一般形式如图2 2 所示。 1 0 第二章无线电信号参数监测与测量 c o s ( x 艰n ；) - s i n ( 2 艰n 向 j ( 刀) = 4 ( 刀) c o s ( ( 以) )( 2 3 ) l q ( 甩) = a ( n ) s i n ( o ( n ) ) i口(刀)：坳)_l+cos(4rrf(n)n)一q(，z)tsin(4rrf(n)n) k m - i 以) 堂2 掣删唪 q 4 电子科技火学硕士学位论文 2 3 模拟调制信号的解调 2 3 1 调幅信号 一、解调算法 调幅信号( a m ，a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 的一般表达式为： s 埘o ) = m ( 1 + 虹( ，1 ) ) c o s ( h 向+ o ) ( 2 5 ) 其中m 为信号的幅度，k 为调制度，并且i 七i 。， 。 什( 器m 0 詈，( 刀) = 。，q ( 玎) 。 2 1 2 a r c t a n 、q ，( ( 刀n ) ) 。) 一1 ，j ( 以) 。，q ( 刀) 。 一 2 r r ，i ( 力) = o ，q ( 刀) o 使用a t a n 2 ( q ( n ) ，( ，z ) ) 函数是为了使得所得的相位限制在 一， 之内，而反正切 函数a r c t a i l 则由于其周期性，会将信号的相位限制在( 一姜，姜) 之内。 z z 另外，当x ( n ) + 0 的绝对值超过时，会发生相位卷绕( w r a pa r o u n d ) ，以 致发生相位模糊，使得信号不能正确解调。这也是由于a r c t