双极化天线的通信信号检测方法

胡珺珺，张 宇，刘 艳

（1.重庆邮电大学移通学院，重庆 401571；2.重庆川仪自动化股份有限公司，重庆 401121；3.中国移动通信集团设计院有限公司重庆分公司，重庆 401121）

双极化天线的通信信号检测方法

胡珺珺1，张 宇2，刘 艳3

（1.重庆邮电大学移通学院，重庆 401571；2.重庆川仪自动化股份有限公司，重庆 401121；3.中国移动通信集团设计院有限公司重庆分公司，重庆 401121）

在详细分析与探讨信号防御性能的基础上,对利用边界扫描的大区域通信信号电路体系进行了探讨,提出以TD-SCDMA网络为基础的双极化天线通信信号检测系统。通信信号检测过程中，用嵌入式处理器LPC2148结合四阶累积量的切片检测出TD-SCDMA信号，并通过估计获得TD-SCDMA信号的采样率,经过二次谱算法的运算，获得谱峰间的距离来估计出OVSE码的周期参数。以标准验证芯片为中心，针对相同类型的混合信号电路组建验证电路,最终完成对验证模块DOT4MBST及验证电路的检测验证。测试结果表明,提出的双极化天线的通信信号检测系统能够在错综复杂环境中，对通信信号进行精确的采集,且鲁棒性强。

二次谱，双极化天线，信号检测

0 引言

在海量数据通信过程中，对天线通信信号的采集是一个尤为关键的环节。现今，对通信信号的检测几乎都依附于信号检测系统，这样的检测系统主要是通过通信信号扩散的超低频电波形成的电场来搜索到“信号”的方位完成检测［1～2］。主流的通信信号检测方法可以提供不同电波过滤器，能够将完全不同于通信信号的频率有效地消除，能够促使信号检测设备完全感受到通信信号散发频率形成的电场。主流的通信信号检测设备提供两个不同类型的侦测杆，长距离侦测杆侦测面积最远可至500 m，短距离侦测杆侦测面积可至20 m。通信信号传播的超低频电场可以渗透过钢筋混凝墙、钢板［3］。在这种情况下，通信信号侦测会缩小范围，但如果操控者靠近侦测地点，还是可以找到要搜索的信号目标［4～6］。即便移动检测，同样可以渗透过混凝土，砖，雪，冰和泥浆的检测信号的范围，且具有适应性强，方法简单，不耗费成本，节能，噪音小等诸多优势［7～8］。可是，当前的天线信号检测设备存有一个缺陷，即不能完成障碍物遮挡下的信号检测。此外，因为处理能力有限，也无法判断信号检测的范围［9～10］。

1 基于双极化天线的通信信号检测系统

1.1 目前系统中信号干扰成因分析

和其他的信号不同，目前系统在具有障碍物的环境下通信信号会变得特别渺小，通信信号源所形成的信号特征没有规律性，所以这就是判断检测范围面临的一个巨大困难。此外，最重要的是检测的环境较为恶劣，存在多种噪声，由于人员晃动，风吹等外界因素影响，还会产生一定的电磁干扰，这些都会损害到通信信号的稳定性。在周边的范围中，由于人员晃动形成的电磁干扰会对大面积通信信号检测造成一定的危害性，形成这种电磁干扰的因素是由于外部环境中人员带有的静电与地面产生了电磁差，设备与地面间存有部分的电压，这些电压通过信号电缆的外屏蔽网产生了干扰电流，对信号检测产生了危害性。地电流的基本组成部分是50 Hz交流电和电器设备形成的干扰脉冲，显示在通信信号检测图谱上是水平条纹、扭曲，掺杂有水平杂波等状态，且还会按照90°的直角方位逐渐移动。不同干扰情况下检测的通信信号图谱如图1、图2所示。

图1 不受干扰的通信信号

图2 受到干扰的通信信号

1.2 检测系统的相关硬件模块设计

双极化天线的通信信号检测系统射频发射器终端结构中安装了弱通信信号传感器，属于线性的回波检测设备,能够运行在-18℃～300℃的区域间，完全能够适应各种恶劣环境。双极化天线通信信号的回波传感器采样信号通过无限放大后，输出的电压始终控制在0～3.25 V的范围内，送入A/D转换器后，选取通道0输入，搜寻2点进行标定，当标定之后，线性拟合，计算实时的回波信号。信号强度范围表示为0～100 Hz，精度表示为±1 Hz。通信信号检测电路的流程框图如图3所示。

图3 双极化通信信号检测流程框图

图4 PWM控制框图

可是，在存有干扰的状况下，天线通信信号检测电路会受到很大程度的影响,通信信号传感器的首端放大的电路会产生电子波,在对弱通信信号适当放大的时候，连带噪声也会被放大。此外，数/模转换与显示、控制等软件非线性校对也会产生一部分噪声。利用处理器LPC2148的PWM输出通道引入射频发生模块的控制位，可以操控射频发生信号的频率和周期。为了快速消除噪声，处理器依据采集的实时检测通信信号波谱特征值和设置通信信号波谱特征值进行运算，将获取的结果对PWM进行编码输出，射频是可以通（ON）或断（OFF）的迭代脉冲序列，被附加到射频发射器中。使用的时候射频被附加到负载上，射频发射器终端通信信号可以使强度攀升，停止发送射频的时候，射频发射器终端通信信号检测就会结束。

2 TD-SCDMA信号检测过程分析

为了弥补传统通信信号检测抗干扰能力不强的缺陷，用基于四阶累积量的方法来检测TD-SCDMA信号，此项检测方法优势在于无需先验信息，计算范围小。因为信号的类型不同，基于四阶累积量检测TD-SCDMA信号,也会有所不同。对接收到的信号经过检测二次谱上出现的谱峰脉冲间的间隔,达到对TD-SCDMA信号的OVSF码周期进行有效估计的目的。

根据随机过程理论能够说明，高斯白噪声的高阶累积量恒为零，但是其二阶统计量没有这部分特殊性，采用高阶统计量能够提升对高斯白噪声的控制性能。具体步骤如下：

根据二元假设检验问题：

其中，y（t）可以表示TD-SCDMA信号,n（t）表述均值为零且方差为高斯白噪声，且与y（t）完全独立。

依据高阶统计量的特殊性能，均值为零的高斯白噪声的高阶统计量恒为零。用下述公式表述：

获得接收信号r（t）的四阶累积量为：

其中：

在信号r（t）的自相关函数上标的“*”可以表述为信号的共轭运算，代表了接收信号r（t）的四阶矩。

获得的接收信号r（t）的四阶累积量为：

由上式可知，高斯白噪声的四阶累积量恒等于零，TD-SCDMA信号的四阶累积量不为零，因此，能够运用四阶累积量当作统计检测量，对TD-SCDMA信号完成检测。如果直接对四阶累积量进行估计，工作量巨大，会消耗大量的成本。因此，为了缩小四阶累积量估计的复杂程度，可以将四阶累积量的几种切片当作检测量来使用，这样能够使检测更加符合实际应用要求。

将实际检测信号进行处理后，能够采用下述公式对四阶累积量进行有效估计：

3 双极化通信信号检测系统设计原理

3.1 参数的设置

双极化通信信号检测系统的工作流程开始于信号的采集,目前采集到的通信特征设置值与实际通信特征值有所差异，因此，需要提升采集的速度，可以通过输出功率来调节通信信号特征采集时间。通信信号传递参数的选取十分关键，它可以确定通信信号检测的精度。不同参数和系统性能间的关系如下。

频率系数和系统性能的关系：如果频率系数增大，会促使系统射频的频率增多，速度会相应提升，系统实时误差会缩小，振荡次数就会频繁。存在的不足是检测耗时长，因为系统的频率系数过大，会连带系统运行迟滞。频率系数一定要大于零，因为要满足执行机构、传感器和控制对象的需求。假设频率系数与系统的实际操作情况不匹配，则通信信号特征的设定值与频率系数会存在较大的差异。

3.2 双极化通信信号检测系统工作流程

图5 射频通信检测系统工作流程图

通信信号系统工作流程图如5所示。开启设备，射频发射器终端的通信信号可以作为实际检测对象，扫描频率可以为10次/s，将通信信号特征值输入系统处理器并数字化，将检测的实时与设定的通信信号特征值的差值进行运算，且融入TD-SCDMA双极化网络，开始发送射频完成通信信号的最后检测。通常从预定到设定信号强度的运算时间为6 s～8 s，在满足于通信信号特征后进行计时，通过对PWM的比率计算不断调节射频发送，达到检测射频发射器终端通信信号的目的。计时时间上升到设定的计算强度后，停止设备运行，检测通信信号的精准位置。

4 实验应用分析

实验对象是在混乱的初始环境下的18个通信信号源，搭建模拟环境平台，采集不同范围通信信号的回波信息。实验以中心矩特征提取结果校验通信信号特征，融入模拟双极性网络中的特点，实验的测试硬件是校验模块DOT4MBST及验证电路，如下详述：

图6 测试硬件电路

实验1：将不同种类的2个检测面积回波数据，组成通信信号训练样本。将待分类目标回波数据作为实时测量数据。

对各检测目标都分别进行179次测试，获取不同方法的实验结果。如图7～图8所示：

图7 改进算法检测结果

图8 传统算法检测结果

经过比较能够说明，本文提出的双极化天线的通信信号检测方法得到的信号噪声较小，检测精确度高。

将上述实验结果进行整理分析，如表1所示。

从表1能够说明，本文提出的双极化天线的通信信号检测方法能够顺利地完成通信信号的检测，在检测范围与时间上都明显优于传统算法。

表1 实验结果数据表

实验2：以18个通信信号为代表。18个通信信号的检测半径表示为R0=110 km。实测将回波数据作为标准训练样本，组建通信信号特征可以流畅训练样本模板库。本文提出的双极化天线的通信信号检测系统有效检测面积通常在120 km～140 km之间，能够满足通信需求，充分展示了改进算法的优越性。

5 结束语

本文提出一种以TD-SCDMA网络为基础的双极化天线通信信号检测系统的设计方法，从系统的测试结果能够说明：

（1）如果检测范围不断加宽，在利用传统算法进行检测的情况下，误差也会加大，而利用改进算法搭建的检测平台，检测误差没有显著变化，误差范围控制在5%以内，满足应用需求，优势较为显著。

（2）在不同算法的采集面积比对的过程中，随着采集面积的拓宽，传统算法的信息逐渐下滑，下滑的速度较快，但是改进算法的电路可以顺利地完成信号采集，信号没有下滑趋势。

［1］周德新，樊智勇.环境泄漏监测与控制技术的研究［J］.计算机测量与控制，2005，25（13）：237-240.

［2］柳长源，杨龙，卢迪.降雨衰减对移动卫星通信的影响及补偿［J］.信息技术，2004，28（6）：19-20.

［3］张九龙.毫米波卫星通信及抗雨衰技术［J］.中国有线电视，2002（22）：55-56.

［4］张璐，罗军舟，杨明，等．基于时隙质心流水印的匿名通信追踪技术［J］.软件学报，2011，22（10）：2358-2371．

［5］袁亮，刘基南，温志津.一种低信噪比直扩信号的检测方法［J］.现代电子技术，2005，28（5）：50-51.

［6］赵知劲，邬佳，徐春云，等.基于四阶累积量的DSSS/QPSK信号检测方法研究［J］.电子学报，2007，35（6）：1046-1049.

［7］沈振惠，唐斌，吕燕，等.基于四阶统计2-D切片的直扩信号多参数估计［J］.信号处理，2005，21（3）：304-306.

［8］张天骐，周正中.直扩信号伪码周期的谱检测［J］.电波科学学报，2001，16（4）：518-521.

［9］孟晓峰，周龙骤，王珊.数据库技术发展趋势［J］.软件学报,2004，15（12）：1822-1836.

［10］周黔，吴铁军.一种动态数据流的实时趋势分析算法［J］.控制与决策，2008，23（10）：1182-1185.

Research of Dual Polarized Antenna Signal Detection Method of Communication

HU Jun-jun1，ZHANG Yu2，LIU Yan3
（1.College Mobile Telecommunications ChongQing University of Posts and Telecom，Chongqing 401571，China；
2.Chongqing ChuanYi Automation Co.，LTD，ChongQing 401121，China；
3.China Mobile Group Design Institute Co.，LTD.Chongqing Branch，Chongqing 401121，China）

To analys and discuss the signal in the defensive performance,on the basis of large area for using boundary scan signal circuit system has carried on the exploration,based on TDSCDMAnetwork dualpolarized antenna communication signaldetection system is proposed. Communication signal detection process,using embedded LPC2148 processor combines the fourthorder cumulant slice TD-SCDMAsignal detection and estimation for TD-SCDMAsignal sampling rate, through the operation of secondary spectrum algorithm,the distance between the spectral peak to estimate the size OVSE cycle parameters is obtained.In a standard authentication chip as the center,in view of the same type of mixed signal circuit form validation，the validation module DOT4MBST verification and validation circuit are finished.Test results show that the proposed dual polarized antenna communication signal detection system can be in a complex environment,collection of communication signals accurately,and strong robustness.

secondary spectrum，dual polarized antenna，signal detection

TP 144

A

1002-0640（2015）07-0160-04

2014-05-08

2014-07-10

胡珺珺（1981-），女，重庆人，硕士，讲师。研究方向：移动通信技术、信号处理，无线网络等。