哈工大无线定位原理与技术试验报告讲解

1、 无线电定位原理与技术 实验报告 课程名称：无线电定位原理与应用 院系：电子工程系 班级： 1305203 姓名：黄晓明、大头光 学号：指导教师：张云 实验时间： 12周周二， 13周周二 实验成绩： 电信学院 实验一 调频法测距实验 2.1 实验要求 1.掌握调频法测距原理 2.利用给定的仿真信号通过 MA TLAB 编程计算线性调频信号的参数 （带宽， 中心频率， 时宽，调频斜率）并计算目标的距离。 2.2 线性调频脉冲测距实验 雷达发射的连续线性调频信号与目标反射回波如图 2-2 所示 图 2-1 线性调频信号与反射回波 反射回波相对于发射的线性调频信号产生了固定时延或固定频差 F 。假

2、设目标处于静 止状态，总的频偏 F 为 F 2R 根据该式可以反推出距离 R。 图 1 线性调频信号与反射回波时域图 G 伽 12 一 歹 z3砂teK丄田 一口冏一Q O 03 蒲燉/Hz 02 01L 幅度 归一化幅度 x岂 O O LM OO 0 0 S/H 村 根据公式 cF R c F (2.2) 2 解得 R=750m，与 5us 延迟一致。 积化和差公式： 1 cos cos cos( ) cos( ) (2.3) 2 实验二 连续波雷达测速实验 3.1 实验要求 1. 掌握雷达测速原理。 2. 了解连续波雷达测速实验仪器原理及使用。 3. 采集运动物体回波数据，并在 PC机使用

3、 Matlab 对实验数据进行分析 4. 使用 Matlab 对实验数据进行分析，得到回波多普勒频率和目标速度。 3.2 雷达测速原理 图 3-1 多普勒效应 c v0c2v f0 (如果 3.2 连续波雷达测速实验仪器 图 3-2 连续波雷达测速实验仪器原理框图 PC机 图 3-3 连续波雷达内部原理图 图 3-4 测速雷达与采集板 3.3 I Q 正交双通道 图 3-5 IQ 正交双通道处理 积化和差公式如下： 1 cos sin sin( ) sin( ) 12(3.1) cos cos cos( ) cos( ) 2 所以信号格式 signal signal (I) j signal

4、(Q)(3.2) I 路信号相位领先 Q 路信号 /。2 测速雷达给出的数据为混频后的多普勒频率 I，Q 双通道数据。利用复信号 傅里叶变换可以得到单边的频谱。 并通过多普勒频率的计算公式逆推出物体的运 动速度。 3.4 实验过程 1.采集了一组数据，采样频率为 2048Hz。 2.从数据中选取波形较好的 512 点，做出时域波形与频谱， 并求出目标速度 其中，雷达发射波频率为 24.15GHz。 信号采集界面如下： 图 3-6 雷达数据采集界面 选取一段回波进行 matlab 数据分析： 图1 图2 8 图3 图4 9 3.5 实验代码 a=importdata( HXM.txt ); I=

5、a(1:512,1); Q=a(1:512,2); figure(1); plot(0:1/2048:511/2048,I); title( I 路信号 ); xlabel( 时间 /s ); ylabel( 幅度 ); figure(2); plot(0:1/2048:511/2048,Q); title( Q 路信号 ); xlabel( 时间 /s ); ylabel( 幅度 ); S=I-j*Q; b=fft(S); b(1)=0; c=abs(fftshift(b); value,position=max(c) d=c/value; figure(3); plot(-1024:204

6、8/512:1024-4,d); title( 雷达测速数据处理结果 ); xlabel( 频率 /Hz ); ylabel( 归一化幅度 ); f=-52 lan=3*108/(24.15*109) v=f*lan/2 3.5 实验结果 %分别从 a 中取出第一列和第二列数据 %采样频率为 2048Hz, 取 512 个点 %由此确定横轴坐标以及间隔 %因为存在直流分量，所以要将零频处的 %值置零 %进行归一化 %由归一化幅度图中得到多普勒频率，利 %用公式求解速度，速度为负说明采用 %的数据段是手离开雷达时测得的数据 雷达载波波长： 多普勒频率： 速度： 10 利用雷达测得的数据共有两列，

7、 一列作为 I 路数据， 见图 2，一列 作为 Q路数据，见图 1。对这两列数据表示成的复信号做傅里叶变换， 所得的结果在零频处有一个冲激，如图 3。因为信号的均值不为零， 存在直流分量。因此要去掉直流分量， 令信号的频谱在该处为零即可。 然后进行归一化，得到归一化幅度图，见图 4。利用光标取得多普勒 频率为 -52Hz，由相关公式求解得到速度为 0.3230m/s，负号代表测速 时手正在离开雷达。 11 实验三 线调频信号及匹配滤波仿真实验 3.1 实验要求 自己设计系统函数对给定的信号进行匹配滤波 信号频率： 0-10Mhz ； 信号时长： 10us 采样率： 40Mhz 复线性调频信号格

8、式： exp(1j*2*pi*(f0*t+0.5*k*t.2); k 为调频斜率 f0 为起始频率。 a. 根据上文给定的信号参数自行构造和系统响应函数 b. 画出参考函数频谱。 c. 画出匹配滤波后时域图像，分析脉冲位置与系统函数t0 的关系 d. 标出时域图像的主旁瓣比。 3.1.1 实验原理 线调频信号谱分析 线调频( LFM )信号时域表达式： tkt2 s(t) Arect( )cos( 0t) 式中： rect( t ) 是矩形函数， k 是调频斜率，并且与调制频偏的关系是： T 2f k TT T 为时域波形宽度，简称时宽； B 2 f 为调频范围。简称频宽 D BT 为时宽带宽

9、积，是线性调频信号一个很重要的参数。 LFM 信号的频谱近似为： others 近似程度取决于时宽带宽积 D， D 越大，近似程度越高，即频谱越接近于矩形 线调频信号匹配滤波 雷达发射 LFM 脉冲信号，固定目标的回波时域表示： t t k(t t )2 si(t) Arect( t Ttr )cos( 0(t tr) k(t2tr) ) 对应的匹配滤波器的传输函数近似(大时宽带宽积下)为： H ( ) exp j 2k 4 12 匹配滤波器输出： 2 S0 Si ( )H( )exp( j td) A 2k e j td 代入相关参数， 2 B,k 2 B T, 0 2 f0 匹配滤波器时域

10、输出： 1 j t So(t)So( )ej td 2 A D sin B(t td) ei2 f0(t td) B(t td ) 4dB 时宽带宽积： D BT 匹配滤波器的包络输出如下图 4-3 所示，所示，通常规定顶点下降到 1T 处的宽度为输出脉冲的脉宽 T0 ，并且有 T0 1 ，所以脉冲压缩比： T BT D BT0 3.1.2 实验过程 根据实验原理编写频域系统函数，导入参考信号并进行离散傅里叶变换，利 用时域卷积定理将频域信号与系统函数相乘在进行傅里叶逆变换， 从而得到匹配 滤波之后的时域信号。代码如下： f1=load(C:UsersLenovoDesktopEXPERIME

11、NT_3_DATA.txt); f11=f1(:,1); f12=f1(:,2); f=f11+j*f12; B=10000000; T=0.00001; k=B/T; fs=40000000; N=fs*T; f0=0; n=0:N-1; t=n/fs; h=exp(1j*2*pi*(f0*t+0.5*k*t.2); H=abs(fftshift(fft(h); F=abs(fftshift(fft(f); F=F.; G=F.*H figure(1); plot(n*fs/N,G); title( 输出信号频谱 ); figure(2); 13 g=abs(ifftshift(ifft(G

12、,N); value=max(g); g=g/value; gx=20*log10(g); plot(t,gx); title( 输出时域波形 ); figure(3); subplot(211); plot(t,h); title( 系统函数时域波形 ); subplot(212); plot(n*fs,H); title( 系统函数频谱 ); 3.1.3 实验结果 图 3-1 14 LO 00H coo 3.1.4 实验分析 1、根据实验原理中给出的系统函数可以知道输出频谱函数如下 S0 Si( )H ( ) expj (td) 由此可知 错误！未找到引用源。 变化会引起输出信号脉冲位置的

13、平移 2、分析主旁瓣比： 图 3-4 主旁瓣比 =错误！未找到引用源 3.2 实验要求 a. 画出给定信号的时域图像，分析信号频谱。 b. 利用给定的信号数据得到系统响应函数，并画出参考函数频谱。 c. 画出匹配滤波后时域图像，分析脉冲位置与系统函数 t0 的关系 d. 标出时域图像的主旁瓣比。 3.2.1 实验原理 实际处理雷达系统中， 为了压低副瓣， 通常是将匹配函数加窗， 然后加零延 伸为 T Tp 的时间长度，作傅立叶变换后并作共轭，和接收信号的傅立叶变换 相乘后，作傅立叶逆变换，取前 T 时间段的有效数据段。为了便于采用快速傅 立叶变换， 可能对匹配函数要补更多的零， 对接收信号也要

14、补零。 脉压处理过程 16 的如图 3-4 所示，其中虚框部分可事先计算好，以减小运算量 接收信号 3.2.2 实验过程 导入回波信号， 对回波信号进行时域翻折得到参考信号。 由傅里叶变换性质 可知，频域共轭相乘等价于时域共轭卷积， 故对两时域信号进行共轭周期卷积 (离 散傅里叶变换对应循环卷积，截断之后即为单个周期的周期卷积) 。 代码如下： f1=load(C:UsersLenovoDesktopEXPERIMENT_3_DATA.txt); f11=f1(:,1).; f12=f1(:,2).; fa=f11+j*f12; for m=1:400 fb(400-m+1)=f11(m)-j

15、*f12(m); end fs=40000000; T=1/fs; N=400; fre=fs/N; n=1:799; fc=conv(fa,fb); value=max(fc); fc=fc/value; fcx=20*log10(fc); Fc=abs(fftshift(fft(fc); figure(1); plot(n*T,fcx); title( 输出时域波形 ); figure(2); plot(n*fre,Fc); title( 输出频域波形 ); 17 m=1:400 Fa=abs(fftshift(fft(fa); Fb=abs(fftshift(fft(fb); figure(3); subplot(211); plot(m*T,fa); title( 输入信号时域波形 ); subplot(212); plot(m*fre,Fa); title( 输入信号频域波形 ); figure(4); subplot(211); plot(m*T,fb); title( 参考信号时域波形 ); subplot(