关于对准微波天线自动对准体系设计与实现

论文导读：微波通信作为重要的现代化通信方式，因其传输速率高、信息容量大、保密性好和抗干扰性强的特点，被广泛的应用于通信领域。目前。国际上的微波通信装备为了提高通信距离和传输保密性能。常设计出较窄波束的天线，这些天线具有较强的方向性，只有在波束以一定的精度相互对准时，双方才能实现通信链路的闭合。因此，通信双方往往
摘要：提出了一种微波通信系统中通信双方无需利用罗盘定位，计算初始对准角度的天线自动对准设计方法，介绍了微波天线自动对准系统的软硬件设计，实现了微波天线自动对准。这种方法大大简化了人工操作步骤，使用简单，操作方便。
关键词：天线对准 微波通信 Bootloader 嵌入式系统
1007-9416（2013）06-0150-02
微波通信作为重要的现代化通信方式，因其传输速率高、信息容量大、保密性好和抗干扰性强的特点，被广泛的应用于通信领域。目前。国际上的微波通信装备为了提高通信距离和传输保密性能。常设计出较窄波束的天线，这些天线具有较强的方向性，只有在波束以一定的精度相互对准时，双方才能实现通信链路的闭合。因此，通信双方往往需要经过较长时间的搜索调整才能将两天线对准，实现正常通讯。显然，单凭操作人员的感官手动操作会使得天线指向调整时间长。难以实现精确对准。为了保证通信链路建立的快速性与可靠性，研究自动化程度高、对准速度快、精度高的微波天线自动对准系统具有非常重要的意义。
1 系统设计
微波天线自动对准系统包括低频设备、高频设备、定向天线、全向天线和全方位直流变速云台等。其中全向天线、云台用于辅助自动天线对准，定向天线在天线对准完成后系统正常工作时使用。
天线对准软件分为低频控制软件和高频控制软件两个部分，分别工作在低频设备硬件平台和高频设备硬件平台上。低频控制软件主要完成对信道及系统内设备的工作参数和工作状态进行设置和监控，以及天线自动对准过程控制。高频控制软件主要完成对高频设备工作状态的采集和设置、天线控制、云台控制和对准信号采样。
通过低频设备发出指令控摘自：毕业论文 格式www.7ctime.com
制其它设备及接收其它设备数据，协同完成天线对准功能。

1.1 处理器选择

低频设备内部控制单元选用的是ATMEL公司的一款基于ARM7TDMI内核的ARM微控制器，具有高性能32位RISC架构与高密度的16位指令集和优良的性能功耗比，是实时控制应用的理想选择处理能力强，满足系统需求。
ARM微控制器提供2个串口，一个用于低频设备和高频设备间的信息交互，另一个用于与对端通信设备传递对控信息。
高频设备内部控制单元采用WINBOND公司的单片机W77E058为核心，W77E058内置8位处理器单元、256字节内部数据存储器、32K片内程序存储器、1KRAM、2个全双工串行通信口。其中串口0采用直接方式与室内监控相连，串口1使用Maxim 公司生产的MAX3082完成电平转换与云台相连。

1.2 天线的设计

在微波点对点通信中通常使用的都是高增益的定向天线，这种天线发出的微波信号波束窄，副瓣低，必须在两束波的主瓣基本重合时才能稳定通信。微波天线对准非常困难。若发射端采用固定安装的全向天线，则可先调节接收端的定向通信天线找到发射端的大概位置。这种设计可以使对准难度大大降低。微波天线自动对准系统配置了全向天线和定向天线，通过云台一起转动。全向天线只能用于发射，不能用于接收，定向天线可同时发射与接收。

1.3 对准信号的设计

粗对准时采用全向天线发射，定向天线接收。因为定向天线的增益高，而全向天线的天线增益低，为了满足接收端的接收门限，如果保持系统的发射功率不变，就必须采用降低传输速率，以弥补天线增益的不足，即使用专用的对准信号。对准信号不同于正常的通信信号，它的主要作用是导引对站天线和进行简单通信。由于相同的发射功率下传输速率越低，信号传输损耗越小，传输距离越长，显然采用满足对准所需的最低传输速率最好。
精对准时改用定向天线发射，定向天线接收。传输速率改为正常工作速率。
2 Bootloader设计
启动程序（BootLoader）就是在操作系统内核运行之前运行的一段程序，相当于PC机的BIOS。对于PC机，其开机后的初始化处理器配置、硬件初始化等操作是由BIOS完成的，但对于嵌入式系统来说，出于经济性、方面的考虑一般不配置BIOS，因此我们必须自行编写完成这些工作的程序，这就是所需要的开机程序。启动时用于完成初始化操作的这段代码被称为BootLoader 程序，简单地说，通过这段程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的论文导读：颖琦.微波天线对准平台控制系统设计与实现.国防科学技术大学硕士士论文，2006.李海涛，李燕，张建忠.微波定向天线对准实现方法.电磁场与微波，2011，第3期，44-46.顾瑞龙，沈民意.微波技术与天线.国防工业出版社，1984.胡婧.基于ARM的微波天线自动对准控制系统的设计与实现.西安电子科技大学硕士士论文，2012.张宏财
软硬件环境设定在一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核、运行用户应用程序准备好正确的环境。
这里设计的BootLoader初始化程序，它主要完成以下的一些功能：
（1）设置入口指针：启动程序首先必须定义入口指针，而且整个应用程序只有一个入口指针。
（2）设置中断和异常向量：ARM7要求中断向量表必须设置在从0 地址开始，连续8×4字节的空间，分别是复位、未定义指令、软件中断、预取指令错误、数据存取错误、IRQ、FIQ和一个保留的中断向量。
（4）初始化堆栈和寄存器：堆栈设置在AT91R40807的片内RAM中，可以提高运行速度。系统堆栈初始化取决于用户使用了哪些中断，以及系统需要处理哪些错误类型。一般来说管理者堆栈必须设置，如果使用了IRQ中断，则IRQ堆栈也必须设置。进入相应的处理器模式，直接设置堆栈指针即可。
（5）改变处理器模式、状态：对于不带操作系统的用户程序，系统可以处在USER模式下；对于带操作系统的用户程序，系统应当工作在SVC模式下，否则无法完成任务的切换。
3 天线自动对准过程设计

3.1 粗对准过程

粗对准阶段采用全向天线发射信号定向天线接收信号的方式，采用这种方式对准双方可以同时进行对准。因为采用全向天线发射信号需要降低传输速率，获得低门限以弥补全向天线增益的降低。定向天线在水平和垂直方向进行全范围的扫描，寻找接收电平超过门限值的峰值点，将找到的峰值点的位置和接收电平值记录下来。分析记录下来的峰值点的信号强度，并将峰值点的位置按信号强度的大小进行排序。排序完成后，按照顺序先将天线转动到获得峰值点的位置，通过对控信道进行对准双方的握手，握手成功则开始进行精对准，如果粗对准不成功则返回等待开始自动对准界面。

3.2 精对准过程

关闭全向天线转为定向天线收发，传输速率改为为正常通信速率，此时因双方均采用定向天线收发，如果两端天线同时转动进行搜索，必然会导致双方接收信号电平的杂乱无章而无法进行分析找到正确方位，所以采用通信双方交替进行搜索的控制算法，接收信号电平和误码率都满足后，天线对准完成。
4 结语
提出了一种适用于机动微波通信的、完全摆脱其他通信辅助设备的全自动天线对准方案，通过试验验证了该方案的有效性和可行性。此设计方法操作简单、性能稳定、工作可靠，对其它类似的天线对准设计有一定的参考作用。
参考文献
谭颖琦.微波天线对准平台控制系统设计与实现.国防科学技术大学硕士士论文，2006.
李海涛，李燕，张建忠.微波定向天线对准实现方法.电磁场与微波，2011，第3期，44-46.
[3]顾瑞龙，沈民意.微波技术与天线.国防工业出版社，1984.
[4]胡婧.基于ARM的微波天线自动对准控制系统的设计与实现.西安电子科技大学硕士士论文，2012.
[5]张宏财，赵曾贻.基于ARM核的BootLoader代码的分析与设计.微计算机信息，2006，5：137～139.