【《基于双天线时间调制阵列的测向系统实验分析案例》3300字】

基于双天线时间调制阵列的测向系统实验分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u2510基于双天线时间调制阵列的测向系统实验分析案例 1151971.1实验分析 1199461.2实验中的问题与解决方案 775561.2.1信号失真 7251251.2.2传输线感应信号 7241681.2.3测向控制器内部元件感应信号 876471.2.4SMA接口接触不良 9191091.2.5环境中的多径效应 91.1实验分析基于所构建的硬件系统和软件平台进行实验，验证时间调制阵列测向理论分析的正确性。首先分别对[0°,-20°,-40°,-60°]的来波信号进行测量以分析其谐波特性与来波方向的关系。信号源频率为430.1375MHz，射频开关的调制频率为20kHz，信号采样频率为300kHz，采样点数N取12000点。得到以下测量结果：图4-1入射角度为0°图4-2入射角度为-20°图4-3入射角度为-40°图4-4入射角度为-60°从以上四幅图中可以看出，随着入射角度从0°开始增加，接收信号的频谱图中基波分量与一次谐波分量的模的比值呈现出一种规律，即随着入射角度从0°到-90°变换，基波分量与一次谐波分量的模的比值逐渐减小。基于此规律，将入射信号角度以10°为步进，测量从-90°到+90°的基波与一次谐波的模的比值的关系，每次测量取10组数据作均值以减小噪声带来的随机误差，得到如下表格：表4-1入射角度与基波和一次谐波模的比值的关系入射角度基波与一次谐波的模的比值入射角度基波与一次谐波的模的比值-90°0.9017737+10°7.246889-80°1.091815+20°1.999825-70°1.102588+30°3.969685-60°1.389899+40°2.815169-50°1.798129+50°2.489855-40°2.480096+60°2.066931-30°3.383519+70°1.937604-20°1.811851+80°1.749993-10°7.168838+90°1.4902340°8.820170根据以上表格绘制出如下入射角度与基波和一次谐波模的比值的关系曲线：图4-5入射角度与基波和一次谐波模的比值的关系由上图可以得到如下结论，上图曲线近似关于0°对称，即可以根据基波与一次谐波模值的比值可以判断-90°到0°或者0°到90°的入射角度。于是可以根据表3-1绘制一张入射角度与谐波模值关系的索引表，将此索引表存储在计算机中，使用基于图3-6所示的界面测量接收信号的基波和一次谐波分量模值的比值，将此比值与索引表中的数据进行比较，取最接近的索引表中谐波模值的比值，那么该值所对应的入射角度即为估计的来波方向。当然，我们根据基波分量与一次谐波分量的模值特性只能够测量-90°到0°或者0°到90°的入射角度，根据理论分析，入射角度与基波和一次谐波的比值一一对应，当然这种对应关系应该在模值和相位中都得到体现。但是在实际测量过程中发现模值关系可以很好的测量出来，相位关系却相当紊乱，无法得到与入射角度相对应的准确的关系，分析其原因大概是环境中的多径效应和传输线的感应信号的影响。天线阵元与集成硬件盒之间的传输线会在一定程度上感应信号，这对于相位的影响要比模值的影响更大，会导致相位关系完全紊乱，以致无法得到有用的相位信息。因为本实验根据索引表进行来波方向的估计，所以建立索引表时的数据精度直接关系到测向的精度问题，考虑到环境多径与传输线感应信号的影响，所选精度不宜过大，选择10°作为角度间隔进行测量比较合适。对-90°到0°的入射角度进行50次测量已验证该测向方法的误差和可行性。表4-250次测向误差入射角度误差为0°的次数误差为10°的次数误差为20°的次数-90°29165-80°35123-70°30155-60°32126-50°35132-40°33125-30°37103-20°37112-10°41900°4280由上表可以看到该测向系统可以实现-90°到0°的测向功能，但测向精度并不高，一方面是由于该测向系统只是一个简易的版本，其构造原则是基于节约成本的思想，其目标是验证基于时间调制阵列的测向系统的可行性，并不对测向精度作过多要求，在这一点上，该测向系统已经达成了目标；另一方面，本实验的实验环境并没有采用吸收电磁波的材料将实验装置围绕起来，因此多径效应不能忽略，而多径效应势必会对实验结果的精度产生干扰。下面更换信号源，使用ADALM-PLUTO作为信号源发射频率为1GHz的信号，由于该信号源的发射功率比较小，且其发射天线增益也比较小，因此使用该信号源进行实验时不必在系统中接入射频衰减器。实验过程中发现，即便去掉了射频衰减器，接收到的信号仍然过小，难以分析其谐波特性，因此在接收程序中加入增益控制程序，人为增大接收增益，使接收信号处于合适的大小。表4-3更换信号源后入射角度与基波和一次谐波模的比值的关系入射角度基波与一次谐波的模的比值入射角度基波与一次谐波的模的比值-90°1.6135+10°6.8403-80°1.9384+20°5.3744-70°2.0405+30°3.9646-60°2.4024+40°3.0618-50°2.8356+50°2.6784-40°3.3641+60°2.0207-30°1.0387+70°1.8024-20°6.7601+80°1.6615-10°10.5246+90°1.54780°7.7547根据以上表格绘制如下入射角度与谐波模值关系的曲线：图4-6更换信号源后入射角度与谐波模值关系根据以上数据可以得到以下结论：更换信号源即改变发射信号频率后，所得到的入射角度与基波和一次谐波模值的比值的具体的索引表数据发生了变化，尽管如此，入射角度与谐波模值的关系依旧是一条-90°和+90°时最低，而0°左右时最高的曲线。因此更换信号源后，只需要重新测一组索引表数据存储进计算机中就能够进行测向。1.2实验中的问题与解决方案1.2.1信号失真最初的实验系统设计方案中，出于控制成本的考虑，并没有加入射频衰减器，天线阵元通过传输线直接接入集成硬件盒中，这样连接的测量结果如下图所示：图4-7无射频衰减器的时域波形可以看到时域波形出现失真，其原因在于小米对讲机Lite版作为信号源发射功率太强，以至于超过了SDR信号接收器所能接收的最大量程，所以在射频输入端口接入可调节射频衰减器以减小接收信号的大小，使其位于SDR信号接收器的量程范围之内。经过实验调节，最终选择射频衰减器的衰减大小为12dB。1.2.2传输线感应信号在实验过程中，移动天线阵元与集成硬件盒之间的连接传输线的位置会对接收信号的谐波特性产生影响。初步分析是由于传输线的屏蔽效果不理想，导致传输线感应了信号源发射的信号，以至于对实验结果产生了很大的干扰。初步的解决思路是将传输线固定于一个金属盒内，金属盒具有良好的屏蔽效果，会屏蔽掉信号源发射的信号，但这种解决方法的缺点在于金属盒的几何尺寸比较小，如果将传输线置于金属盒内，天线阵元就不能放置的太远，那么相对于天线阵元来说，信号源发射的信号就不能近似视为远场平面波，这会对实验结果产生一定的负面影响。经过市场调研发现有一种金属屏蔽铜网可以在不影响传输线长度的情况下起到屏蔽信号源信号的作用，于是最终选择这种方法来解决传输线感应信号的问题。经实验发现，该金属屏蔽铜网并不能完全消除传输线感应信号的影响，即其屏蔽效果存在一定限度，但对于本实验的测向精度而言，该屏蔽效果已经足够。图4-8金属屏蔽铜网1.2.3测向控制器内部元件感应信号实验过程中发现，在不连接天线阵元的的情况下打开信号源也可以接收到信号。此时的时频波形如下图所示：图4-9无天线阵元时的接收信号时域波形图4-10无天线阵元时的接收信号频谱可以看到，在不连接天线阵元的情况下，测向控制器本身也可以感应到信号源发射的信号，其原因可能在于测向控制器内部的某些连接线起到了天线的作用，感应了信号源发射的信号。针对这种现象，可以对该感应信号和天线阵元的接收信号的合并信号进行校准处理，因为两者本质上都是信号源发射的信号，是相关的。另一方面，观察该感应信号的时域波形可以发现该信号相对于天线阵元的接收信号而言非常小，实验发现，将信号源远离测向控制器会进一步减小该感应信号的大小，因此可以将信号源放置在距离测向控制器足够远的地方，使感应信号的大小相对于天线阵元的接收信号而言可以忽略不计，不会对实验结果产生较大的干扰。1.2.4SMA接口接触不良实验过程中发现偶尔会出现接收信号时域波形异常的现象，如下图所示：图4-11异常信号的时域波形可以看到，该接收信号是由一个大信号和一个小信号合并而成的，考虑到上面提到的集成硬件盒可以感应一个很小的信号源发射的信号，可以得出结论，该合成信号中的大信号是一路射频通道的接收信号，而小信号是集成硬件盒所感应的信号源信号，因此判断两路射频通道中的其中一个通道没有接收到信号，其原因可能在于传输线的SMA接口接触不良导致。进行仔细检查后发现连接射频通道2的传输线的SMA接口金属内针松动，导致其与对应接口的内孔之间接触不良，使用胶水将其重新固定后，接收信号恢复正常。1.2.5环境中的多径效应经实验验证，该测向系统在