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【摘要】 针对当前基于比幅式测向对扩频移动通信信号定位慢、精度低的问题，提出了一种新型的基于相关干涉仪技术的测向方法，该方法先通过解扩扩频信号，实现目标信号与无关信号的分离及原始信号的还原，再通过相关干涉仪测向技术快速精确地对目标信号进行测向。基于本文提出的测向总体技术，理论上可以实现对扩频手机信号进行快速精确测向定位，通过模拟仿真，验证了该技术的优势和可行性。
【关键词】 相关干涉仪 扩频通信 解扩 测向
一、研究背景
随着近年来移动通信的快速发展，移动电话的应用已经渗透到人们生活的方方面面，人们一刻也离不开手机，因此通过定位手机终端位置来查找人员已成为某些部门的一种重要手段。
当前对GSM手机测向定位所采用的原理是比幅测向法，该方式测向误差大，定位时间长，容易被机主发现。
对于CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-
SCDMA等制式的手机信号，采用“驱赶”到GSM在目标手机锁定模式下，是无法测向定位的，存在缺陷。另一种方法是直接比幅测向，但是上述手机信号均采用扩频信号体制。一旦遇到多用户信号重叠在同一段频谱中的情况时，比幅测向法是无法测得目标手机方位的。这就是目前市面上该类测向定位系统表现欠佳的最主要原因。
二、扩频手机信号特点
CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等手机信号都是基于码分多址扩频信号体制，具有信号频谱宽的特点，其中TD-SCDMA信号还具有时分多址的特点。
图1 CDMA/CDMA2000频谱信号
基于CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等信号的特点，以及目前多数对手机测向定位系统存在的性能缺陷，考虑采用基于高速相关干涉仪测向体制，结合扩频信号截获/分离/解扩技术，设计一种手机信号测向定位系统。该系统可对各类手机信号，尤其是扩频手机信号进行近实时测向，达到测向快速，定位准确的系统性能。
三、主要研究内容
3.1 对扩频信号截获技术研究
表1 T网、W网、C网频段分配表
运营商 手机制式 频谱分配
中国移动 TD-SCDMA 2010～2025MHz
中国联通 WCDMA 1940～1955MHz
2130～2145MHz
中国电信 CDMA/CDMA2000 825～835MHz
870～880MHz
各扩频制式信号工作频段从800MHz～2200MHz均有分布（詳见表1）。测向设备必须具备扫描速度快，处理频段宽的信号探测能力。
CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA通信信号中，最大信号载波带宽为W=20MHz（以此为瞬时处理带宽），假设搜索分辨率为25kHz，最短信号持续时间为Td=0.5ms，为使系统具备Pint=100%信号截获能力，需满足扫描速率指标为：
Rs=Pint*W/Td=100%*20MHz/0.5ms=40GHz/s@25kHz
3.2 对扩频信号解扩技术研究
CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等信号均基于码分多址扩频信号体制，存在多用户同频通信的情况。需先将目标信号从扩频信号中提取出来，目标信号扰码、扩频码可通过移动通信数据采集分析协议层及其他途径获取。
解扩算法利用相关器在多个CDMA信号中选出使用预定PN码的信号，把目标信号展开的能量从宽带上回收还原成原来的窄带信号，而其他使用不同PN码的信号不能被解调[1]仍维持宽带，经窄带滤波后，将其从多个CDMA信号中提取出来。
当接收机的本地PN码与接收到的PN码在结构、频率和相位上完全一致，才能成功解扩，否则无法准确可靠地获取所发送的信息数据，PN码同步过程分为PN码捕获（精同步）和PN码跟踪（细同步）两部分。
图2 双积分滑动相关精同步捕获系统
由于不同制式的解扩技术是不同的，因此需要对多种制式手机信号的解扩技术进行深入研究。
3.3 相关干涉仪测向算法研究
当扩频信号被解扩处理后，目标信号便还原成为窄带信号，此时可利用相关干涉仪体制对信号进行来波方位的计算。
干涉式测向利用无线电波在接收天线阵的不同阵元上形成的相位差来确定源信号的方向，建立入射波方向与相位差之间的映射样本集，将测量相位差与事先已存储的样本进行相关运算，求出相关数最大的样本所映射的方向即为入射波方向[3-4]。
考虑到对天线外观隐蔽性的要求，假设天线阵采用口径为0.45m的5单元圆阵，采用长短基线法。假设测向天线及信道间的固有相位均方根误差为20°，来波方位为90°，图3 为800～900MHz频段内的测向精度的理论分析结果。假设相位误差为20°，频率分别为850MHz和2025MHz，图4 为来波方位对测向精度的影响分析。
图3 800～900MHz测向精度理论分析
由理论分析结果可知，该圆阵对扩频手机信号测向精度可控制在1.5°以下，且精度随着频率增加而提高。
图4 不同来波方位测向精度理论分析
由理论分析结果可知，该圆阵对扩频手机信号的不同来波方位测向精度呈共轭分布，整频段测向精度可控制在3°以下。
3.5 扩频信号解扩算法和相关干涉仪测向体制融合技术研究
在对CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等扩频信号进行测向时，需要将扩频信号解扩与相关干涉仪测向两者的软件算法进行优化、改进、融合，同时对硬件进行整合，从而在系统的整体处理速度、集成度上有一定的提升。（图5）
将解扩算法以模块形式嵌入在相关干涉仪测向系统相关硬件中。在DDC处理、数字滤波后，根据不同网络制式进行数据重采样适配该信号码速率，然后解扩处理将同步的五通道扩频信号还原成为五路同步窄带信号，在实现解扩的同时，应考虑保持五通道信号相位一致性，满足后续相关干涉仪测向对相位同步的要求。
四、仿真验证
图6 ，图7 分别为800～900MHz、1880～2170MHz频段内的测向精度的模型仿真结果。假设固有相位误差仍为20°，入射角为0-360°全方位，仿真结果以等高线绘制。
图6 800-900MHz测向精度仿真结果
图7 1880-2170MHz测向精度仿真结果
五、结论
本文针对市面上常用比幅式移动通信测向产品的应用弊端，提出了基于相关干涉仪扩频信号测向的方法，理论上基于该方法的宽带测向机可以高测向灵敏度、高测向精度、快速的对CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等制式的手机上行信号进行测向定位，为解决手机终端技术定位难的问题提供了一套解决方案。
【关键词】 相关干涉仪 扩频通信 解扩 测向
一、研究背景
随着近年来移动通信的快速发展，移动电话的应用已经渗透到人们生活的方方面面，人们一刻也离不开手机，因此通过定位手机终端位置来查找人员已成为某些部门的一种重要手段。
当前对GSM手机测向定位所采用的原理是比幅测向法，该方式测向误差大，定位时间长，容易被机主发现。
对于CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-
SCDMA等制式的手机信号，采用“驱赶”到GSM在目标手机锁定模式下，是无法测向定位的，存在缺陷。另一种方法是直接比幅测向，但是上述手机信号均采用扩频信号体制。一旦遇到多用户信号重叠在同一段频谱中的情况时，比幅测向法是无法测得目标手机方位的。这就是目前市面上该类测向定位系统表现欠佳的最主要原因。
二、扩频手机信号特点
CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等手机信号都是基于码分多址扩频信号体制，具有信号频谱宽的特点，其中TD-SCDMA信号还具有时分多址的特点。
图1 CDMA/CDMA2000频谱信号
基于CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等信号的特点，以及目前多数对手机测向定位系统存在的性能缺陷，考虑采用基于高速相关干涉仪测向体制，结合扩频信号截获/分离/解扩技术，设计一种手机信号测向定位系统。该系统可对各类手机信号，尤其是扩频手机信号进行近实时测向，达到测向快速，定位准确的系统性能。
三、主要研究内容
3.1 对扩频信号截获技术研究
表1 T网、W网、C网频段分配表
运营商 手机制式 频谱分配
中国移动 TD-SCDMA 2010～2025MHz
中国联通 WCDMA 1940～1955MHz
2130～2145MHz
中国电信 CDMA/CDMA2000 825～835MHz
870～880MHz
各扩频制式信号工作频段从800MHz～2200MHz均有分布（詳见表1）。测向设备必须具备扫描速度快，处理频段宽的信号探测能力。
CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA通信信号中，最大信号载波带宽为W=20MHz（以此为瞬时处理带宽），假设搜索分辨率为25kHz，最短信号持续时间为Td=0.5ms，为使系统具备Pint=100%信号截获能力，需满足扫描速率指标为：
Rs=Pint*W/Td=100%*20MHz/0.5ms=40GHz/s@25kHz
3.2 对扩频信号解扩技术研究
CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等信号均基于码分多址扩频信号体制，存在多用户同频通信的情况。需先将目标信号从扩频信号中提取出来，目标信号扰码、扩频码可通过移动通信数据采集分析协议层及其他途径获取。
解扩算法利用相关器在多个CDMA信号中选出使用预定PN码的信号，把目标信号展开的能量从宽带上回收还原成原来的窄带信号，而其他使用不同PN码的信号不能被解调[1]仍维持宽带，经窄带滤波后，将其从多个CDMA信号中提取出来。
当接收机的本地PN码与接收到的PN码在结构、频率和相位上完全一致，才能成功解扩，否则无法准确可靠地获取所发送的信息数据，PN码同步过程分为PN码捕获（精同步）和PN码跟踪（细同步）两部分。
图2 双积分滑动相关精同步捕获系统
由于不同制式的解扩技术是不同的，因此需要对多种制式手机信号的解扩技术进行深入研究。
3.3 相关干涉仪测向算法研究
当扩频信号被解扩处理后，目标信号便还原成为窄带信号，此时可利用相关干涉仪体制对信号进行来波方位的计算。
干涉式测向利用无线电波在接收天线阵的不同阵元上形成的相位差来确定源信号的方向，建立入射波方向与相位差之间的映射样本集，将测量相位差与事先已存储的样本进行相关运算，求出相关数最大的样本所映射的方向即为入射波方向[3-4]。
考虑到对天线外观隐蔽性的要求，假设天线阵采用口径为0.45m的5单元圆阵，采用长短基线法。假设测向天线及信道间的固有相位均方根误差为20°，来波方位为90°，图3 为800～900MHz频段内的测向精度的理论分析结果。假设相位误差为20°，频率分别为850MHz和2025MHz，图4 为来波方位对测向精度的影响分析。
图3 800～900MHz测向精度理论分析
由理论分析结果可知，该圆阵对扩频手机信号测向精度可控制在1.5°以下，且精度随着频率增加而提高。
图4 不同来波方位测向精度理论分析
由理论分析结果可知，该圆阵对扩频手机信号的不同来波方位测向精度呈共轭分布，整频段测向精度可控制在3°以下。
3.5 扩频信号解扩算法和相关干涉仪测向体制融合技术研究
在对CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等扩频信号进行测向时，需要将扩频信号解扩与相关干涉仪测向两者的软件算法进行优化、改进、融合，同时对硬件进行整合，从而在系统的整体处理速度、集成度上有一定的提升。（图5）
将解扩算法以模块形式嵌入在相关干涉仪测向系统相关硬件中。在DDC处理、数字滤波后，根据不同网络制式进行数据重采样适配该信号码速率，然后解扩处理将同步的五通道扩频信号还原成为五路同步窄带信号，在实现解扩的同时，应考虑保持五通道信号相位一致性，满足后续相关干涉仪测向对相位同步的要求。
四、仿真验证
图6 ，图7 分别为800～900MHz、1880～2170MHz频段内的测向精度的模型仿真结果。假设固有相位误差仍为20°，入射角为0-360°全方位，仿真结果以等高线绘制。
图6 800-900MHz测向精度仿真结果
图7 1880-2170MHz测向精度仿真结果
五、结论
本文针对市面上常用比幅式移动通信测向产品的应用弊端，提出了基于相关干涉仪扩频信号测向的方法，理论上基于该方法的宽带测向机可以高测向灵敏度、高测向精度、快速的对CDMA/CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA等制式的手机上行信号进行测向定位，为解决手机终端技术定位难的问题提供了一套解决方案。