CN102843750A - 短波频率搜索设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种短波频率搜索设备，包括：宽带接收单元，其中包括天线隔离器和短波宽带接收模块；数字下变频模块，用于对宽带接收单元提供的中频信号进行采集,并转换为基带信号提供给主控模块及数字信号处理模块；数字信号处理模块，用于完成可用频率搜索与频率优选；通过对设定频段内的频谱感知，选择空闲信道作为本地的优选频率，并通过对天波信道的最低及最高可用频率进行估计，选择天波可用频段；主控模块，用于监控短波频率搜索设备的工作状态、可用频段、优选频率和频谱能量；预设通信频段或预设通信频率；实现人机交互以及对外部设备控制；接口模块，用于提供音频接口、遥控接口、数据通信接口、GPS接口及网络接口；电源模块，用于为设备内各模块、装置和单元提供直流电源。

Description

短波频率搜索设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体地，涉及一种短波频率搜索设备及其控制方法。

背景技术

长期以来，短波频段的通信频率选择存在着较大的困难，一方面短波信道存在着由于太阳活动的变化而造成的时变性，另一方面，由于短波信道全球共用而造成的用户拥挤，可用频率资源日益减小。实时地跟踪短波信道的变化、为通信组织提供最佳可用频率以保障短波通信的畅通一直缺少较为有效的监测与控制手段。未来短波可用信道的发展需要解决的重点问题是短波信道快速搜索与建链，尤其是在短波天波通信方面。

本发明的目的在于通过短波信道空闲分析、非线性可用频段快速搜索技术，为人防系统的短波通信提供可靠的频率优选手段。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种短波频率搜索设备，其特征在于包含以下组成部分：

宽带接收单元，其包括天线隔离器和短波宽带接收模块；天线隔离器用于实现天线到电台与天线到短波宽带接收模块的切换，以及在短波电台发射信号时，实现短波宽带接收模块与短波电台发射信号的隔离；

数字下变频模块，用于对宽带接收单元提供的中频信号进行采集；

数字信号处理模块，用于完成可用频率搜索与频率优选；通过对设定频段内的频谱感知，选择空闲信道作为本地的优选频率，并通过对天波信道的最低及最高可用频率进行估计，选择天波可用频段；

主控模块，用于对系统进行控制，并显示短波频率搜索设备的工作状态、可用频段、优选频率和频谱能量；预设通信频段或预设通信频率；实现人机交互以及对外部设备控制；

接口模块，用于提供音频接口、遥控接口、数据通信接口、GPS接口及网络接口；

电源模块，用于为设备内各模块、装置和单元提供直流电源；

所述主控模块进一步包含主板、显示装置、输入控制装置、存储装置、内部通信装置和外部通信装置；其中

显示装置用于显示工作状态、可用频段、优选频率和频谱能量；

输入控制装置用于实现通信频段或通信频率的预设、设备自检、对宽带接收单元的控制；

内部通信装置用于实现主控模块与数字信号处理模块的数据通信及与GPS模块的时间、地理位置信息交互；

外部通信模块用于进行数据通信及协议传输；

所述数字信号处理模块进一步包含内部通信装置，空闲分析装置以及频率搜索装置以及自动增益控制（AGC）模块和GPS模块；其中

内部通信装置用于通过主控模块的内部通信装置与主控模块进行通信，以及与GPS模块进行时间信息交互；

AGC模块按照有源探测要求控制前端接收机工作于自动或人工AGC方式；

GPS模块完成精确的授时和定位功能；GPS模块提供的高精度时钟，为频率搜索提供时间基准； GPS 模块提供的地理位置数据为频率搜索和对天波信道的最低及最高可用频率进行估计提供辅助信息；

空闲分析装置，用于完成本地频谱的搜索与频率优选，通过对设定频段内的频谱感知，选择空闲信道作为本地的优选频率；

频率搜索装置，用于对天波信道的最低及最高可用频率进行估计，选择天波可用频段。

优选地，短波频率搜索设备与短波电台之间通过遥控接口、数据通信接口以及音频接口相连接，所述短波频率搜索设备还通过网络接口与人防多网系融合系统相连，以及进一步通过人防多网系融合系统与公共互联网相通信。

优选地，所述显示装置为液晶显示屏，所述输入控制装置为触摸屏，所述存储装置为硬盘。

优选地，所述触摸屏为4线或5线类型，与所述主板通过USB接口相连；或者

采用带有触摸屏的工业平板电脑或通用笔记本电脑作为主控模块；或者

采用嵌入式工业计算机集成液晶屏和触摸屏构成主控模块。

根据本发明的另一个方面，提供一种短波频率搜索设备的控制方法，其特征在于：

主控模块按如下步骤工作：

步骤401，开机初始化；

步骤402，设备进行自检；

步骤403，判断是否存在故障；如果是，则执行步骤404，将判断出的存在故障的模块在显示装置上显示，继续执行步骤405，结束当前操作；如果否，则执行步骤406；

步骤406，判断是否设置设备参数；如果是，则执行步骤407，设置设备参数，继续执行步骤408，完成对数字信号处理模块及宽带接收单元的控制，回到步骤406，判断是否设置设备参数；如果否，则执行步骤409，判断是否收到数字信号处理模块的数据，如果是，则执行步骤410，对数据类型进行分析及处理，回到步骤406，判断是否设置设备参数；如果否，则执行步骤411；

步骤411，判断是否接收到GPS时间信息；如果否，则返回继续执行步骤406；如果是，则执行步骤412，执行时间校准；并重复回到步骤406，判断是否设置设备参数。

优选地，数字信号处理模块按如下步骤工作：

步骤501，初始化；

步骤502，设备参数设置；

步骤503，判断电台是否在通信；如果是，则继续执行步骤503；如果否，则执行步骤505，判断是否估计可用频率；如果是，则执行步骤506，对天波可用频率进行估计，并且继续执行步骤507，对本地频谱进行搜索，并生成本地优选频率；如果步骤505中判断结果为否，则也执行步骤507，对本地频谱进行搜索，并生成本地优选频率；继续执行步骤508；

步骤508，生成可用频率；步骤509，在显示装置上显示本地可用频率以及信道状况；继续执行步骤504，判断是否收到主控模块命令，如果否，则继续执行步骤503；如果是，则继续执行步骤502。

优选地，在主控模块和/或数字信号处理模块执行上述方法流程期间，主控模块和/或数字信号处理模块能够随时根据指令退出执行当前步骤，从而关机。

优选地，空闲分析装置按如下步骤工作：

步骤601，分析开始；

步骤602，根据设置的频段及分析的位置更改分析的频率；

步骤603,判断是否达到预定次数，该预定次数能够根据周围环境预先配置；如果否，则继续执行步骤604，如果是，则执行步骤606；

步骤604，接收数字下变频数据进行N点FFT运算；继续执行步骤605，计算该频段内的能量并进行累加，转而继续执行步骤603；

步骤606，对该频段内的能量进行平均计算；继续执行步骤607，判断分析是否完成，如果否，则执行步骤602；如果是，则执行步骤608，根据平均功率对各频段的信道质量评估，进行信道质量分级；继续执行步骤609，寻找信道质量等级最高的多个频段作为可用频段或频率；继续执行步骤610，分析结束。

优选地，频率搜索装置按如下步骤工作：

步骤701，搜索开始；

步骤702，根据GPS时钟设置/更改发送、接收频率；

步骤703，判断当前短波电台是否为主站；如果否，则执行步骤708，如果是，则执行步骤704；步骤704，向从站发送特定的波形；步骤705，对于从从站接收的特定波形进行相关检测以及进行误码率分析，执行步骤706；步骤708，从站对波形进行相关检测以及进行误码率分析；继续执行步骤709；步骤709，向主站发送特定的波形；转而执行步骤706；步骤706，判断搜索是否完成；如果是，则执行步骤707，确定天波可用频率以及信道质量，继续执行步骤710，搜索结束；如果否，则执行步骤702；

优选地，步骤410中对数据类型进行分析及处理，是指根据数据的类型判断是传送给显示装置显示或者是传送给短波电台供发送。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的短波频率搜索设备的结构示意图。

图2为主控模块的结构示意图。

图3为数字信号处理模块组成示意图。

图4为主控模块的基本工作流程图。

图5为数字信号处理模块的基本工作流程图。

图6为空闲分析装置的基本工作流程图。

图7为频率搜索装置的基本工作流程图。

具体实施方式

图1为根据本发明一个实施例的短波频率搜索设备的结构示意图。如图所示，根据本发明的短波频率搜索设备包括以下几个主要组成部分：

a）宽带接收单元，其包括天线隔离器和短波宽带接收模块。天线隔离器用于实现天线到电台与天线到短波宽带接收模块的切换，以及在短波电台发射信号时，实现短波宽带接收模块与短波电台发射信号的隔离；

b）数字下变频模块，用于对宽带接收单元提供的中频信号进行采集；

c）数字信号处理模块，用于完成可用频率搜索与频率优选。通过对设定频段内的频谱感知，选择空闲信道作为本地的优选频率，并通过对天波信道的最低及最高可用频率进行估计，选择天波可用频段；

d）主控模块，用于对系统进行控制，并显示系统的多种状态，如短波频率搜索设备的工作状态、可用频段、优选频率和频谱能量；预设通信频段或预设通信频率等；实现人机交互以及对外部设备控制；

e）接口模块，用于提供电台接口（如图中所示的音频接口、遥控接口、数据通信接口）、GPS接口及网络接口等；

f）电源模块，用于为设备内各模块、装置和单元提供直流电源。

短波频率搜索设备与短波电台之间通过遥控接口、数据通信接口以及音频接口相连接，所述短波频率搜索设备还通过网络接口与人防多网系融合系统相连，以及进一步通过人防多网系融合系统与公共互联网相通信。

如图2所示的主控模块组成示意图，主控模块包含主板、显示装置、输入控制装置、存储装置、内部通信装置和外部通信装置。其中，显示装置用于显示工作状态、可用频段、优选频率和频谱能量。输入控制装置用于实现通信频段或通信频率的预设、设备自检、对宽带接收单元的控制。内部通信装置用于实现主控模块与数字信号处理模块的数据通信及与GPS模块的时间、地理位置信息交互。外部通信模块用于进行数据通信及协议传输。在本发明的一个实施例中，所述显示装置为液晶显示屏，所述输入控制装置为触摸屏，所述存储装置为硬盘。在本发明的另一个实施例中，所述触摸屏为4线或5线类型，与所述主板通过USB接口相连。在本发明的一个实施例中，采用带有触摸屏的工业平板电脑或通用笔记本电脑作为主控模块，其优点在于带触摸屏的平板电脑或笔记本主板、液晶屏、触摸屏自成一体。在本发明的另一个实施例中，采用嵌入式工业计算机集成液晶屏和触摸屏构成主控模块。

如图3所示的数字信号处理模块组成示意图，数字信号处理模块进一步包含内部通信装置，空闲分析装置以及频率搜索装置以及AGC（自动增益控制）模块和GPS模块。其中的内部通信装置用于通过主控模块的内部通信装置与主控模块进行通信，以及与GPS模块进行时间信息交互。

其中AGC模块可以按照有源探测要求控制前端接收机工作于自动或人工AGC方式；GPS模块则完成精确的授时和定位功能。GPS模块提供的高精度时钟，可以为频率搜索提供时间基准；同时，GPS 模块提供的地理位置数据可为频率搜索和对天波信道的最低及最高可用频率进行估计提供辅助信息等。空闲分析装置，用于完成本地频谱的搜索与频率优选。通过对设定频段内的频谱感知，选择空闲信道作为本地的优选频率。频率搜索装置，用于对天波信道的最低及最高可用频率进行估计，选择天波可用频段。频谱感知是指通过信号检测和处理来获取无线网络中频谱使用的信息。

图4示出了主控模块的基本工作流程图。如图4所示，401，开机初始化；402，设备进行自检；403，判断是否存在故障；如果是，则执行404，将判断出的存在故障的模块在显示装置上显示，继续执行405，结束当前操作；如果否，则执行406，判断是否设置设备参数；如果是，则执行407，设置设备参数，继续执行408，完成对数字信号处理模块及宽带接收单元的控制，回到406，判断是否设置设备参数；如果否，则执行409，判断是否收到数字信号处理模块的数据；如果是，则执行410，对数据类型进行分析及处理；例如根据数据的类型判断是传送给显示装置显示或者是传送给短波电台供发送等；如果否，则执行411，判断是否接收到GPS时间信息；如果否，则返回继续执行406；如果是，则执行412，执行时间校准；并重复回到406，判断是否设置设备参数。在主控模块执行上述方法流程期间，主控模块可以随时根据指令退出执行当前步骤，从而关机，为简便起见在图中未示出。

图5示出了数字信号处理模块的基本工作流程图。如图5所示，501，初始化；502，设备参数设置；503，判断电台是否在通信；如果是，则继续执行503；如果否，则执行505，判断是否估计可用频率；如果是，则执行506，对天波可用频率进行估计，并且继续执行507，对本地频谱进行搜索，并生成本地优选频率；如果505中判断结果为否，则也执行507，对本地频谱进行搜索，并生成本地优选频率；继续执行508；508，生成可用频率；509，在显示装置上显示本地可用频率以及信道状况；继续执行504，判断是否收到主控模块命令，如果否，则继续执行503；如果是，则继续执行502。在数字信号处理模块执行上述方法流程期间，数字信号处理模块可以随时根据指令退出执行当前步骤，从而关机，为简便起见在图中未示出。

空闲分析装置通过对所设带宽内的所有可分辨的频率进行实时的傅里叶变换方法（FFT）计算，估算接收机的噪声基底、判断带宽内信道的空闲情况，实现对短波信道的本地空闲分析。空闲分析装置分析的基本原理如下：

傅里叶变换F与其反变换F^-1建立了时域信号（x(t)）和频域信号（X(f)）之间的一对一映射关系。频谱X(f)显示任意频率f包含在信号x(t)内的总强度，但它通常不能提供有关谱分量的时间局域化的信息。如果需要获得谱的时间局域化的信息，则需要在傅里叶分析中引入时间相关性同时又保持线性不变。因此通过一个窗口来观察信号，对信号进行傅里叶变换从而获得在窗口时间内的信号频谱成分，该信号频谱就包含了信号的时间信息。

短时傅里叶变换可由下式表示：

${\mathrm{STFT}}_x^{\left(\mathrm{\γ}\right)}(t,f)={\∫}_{-\∞}^{\∞}x\left(\mathrm{\τ}\right)w(\mathrm{\τ}-t)e^{-j2\mathrm{\πf\τ}}\mathrm{d\τ}...\left(1\right)$

式中：x(τ)为时域信号；

w(τ-t)为以t为中心的分析窗函数。

通常，窗函数w(τ-t)的时窗相当短，等价于取出信号在分析点τ＝t附近的一个切片，所以短时傅里叶变换直接是信号x(τ)在“分析时间”t附近的局部谱。由于在时间t的STFT是时窗函数w(τ-t)预加窗后的信号x(τ)的乘积，所以位于以时间t为中心的局部窗内的所有信号特性都会在时间t的STFT显示出来。因此，STFT的高时间分辨率要求一个较短的窗函数w(t)。另一方面，在频率f处的STFT基本上是信号x(τ)通过带通滤波器的结果。故在STFT过程中，高的频率分辨率要求一个窄带滤波器，即一个长的分析时窗。用Δt表示STFT的时间分辨率，用Δf表示STFT的频率分辨率，由海森堡（Heisenberg）不等式：

由不等式（2）可知，不存在既有任意小的时间间隔又有任意小的带宽的窗函数存在。因此只能牺牲时间分辨率以换取更高的频率分辨率，或反过来用频率分辨率的牺牲换取时间分辨率的提高。

在实际采用STFT对信道的空闲情况进行估计时，重点考虑其频率分辨率。根据要求，设备的频率分辨率为1.25kHz。根据式（2）可以得出最小的时间窗长度为：

$\mathrm{\Δt}\≥\frac{1}{4\mathrm{\π}\·\mathrm{\Δf}}=\frac{1}{4\·3.14159\·1250}\≈6.4\×{10}^{-5}...\left(3\right)$

在通过对所设置带宽内的所有可分辨的频率进行实时STFT计算。由于考虑窗口的复杂度和运算速率，选用采用矩形窗。由于矩形窗对频谱主瓣的扩展及对旁瓣的抑制不高，STFT的频率分辨率会进一步牺牲。为了提高频率分辨率，窗函数的时长应加长。采用矩形窗进行STFT时，频率分辨率一般认为是时窗长度的倒数。但是，如果时窗长度太长，对于相同带宽内的信号要进行识别，其采样点数就会增加，会造成傅里叶变换时复杂度增加。如果时窗长度太短，信息量太少，就不能更准确计算出具有突发性的短波信道的空闲情况。

因此，采用STFT对信道空闲情况进行估计时需要对折衷选择时间与频率的分辨率，方法是：对信号在一个时长满足频率分辨率的较短的时窗内作多次STFT，然后进行多次平均，由平均值估算接收机的噪声基底、判断带宽内信道的空闲情况，实现对短波信道的本地空闲分析。

图6是空闲分析装置的基本工作流程图。如图6所示，601，分析开始；602，根据设置的频段及分析的位置更改分析的频率；603,判断是否达到预定次数，该预定次数能够根据周围环境预先配置；如果否，则继续执行604，如果是，则执行606；604，接收数字下变频数据进行N点FFT运算；继续执行605，计算该频段内的能量并进行累加，转而继续执行603；606，对该频段内的能量进行平均计算；继续执行607，判断分析是否完成，如果否，则执行602；如果是，则执行608，根据平均功率对各频段的信道质量评估，进行信道质量分级；继续执行609，寻找信道质量等级最高的多个频段作为可用频段或频率。

频率搜索装置对天波信道的最低及最高可用频率进行估计，选择天波可用频段及天波链路质量评估；天波信道具有明显的时变特性，其次在某些情况下，还具有强烈的频率选择性，因此，链路质量分析与本地链路质量分析方法有所不同。针对天波的特点，采用由主站主动发送信号的方式，从站在本地噪声分析的基础上，同时结合接收信号的误码率分析，给出链路质量的评价。信道可用性包括最低可用频率与最高可用频率。链路质量评价根据设定的时间段可以在电台不进行通信时周期性更新或者人工强制更新。

短波天波信道存在窗口效应，在进行频率搜索时要对天波信道的最低可用频率及最高可用频率进行估计。优选地，需要采用有源探测的方式对天波信道进行扫描，根据接收到的误码率分析评估天波信道的可用频率，找到实际的可能频率。

采用有源探测的方式对天波信道进行扫描时，要提高扫描的精确性，就需要对指定的短波频段按固定的频率间隔线性地从最低频率扫描到最高频率，同时扫描的频率间隔应尽可能地小。

假设扫描一个频点的时间为Δt，扫描频率间隔为Δf，指定的短波频段为ΔB，则完全扫描该频段所需时间T为：

$T=\frac{\mathrm{\ΔB}}{\mathrm{\Δf}}\×\mathrm{\Δt}...\left(4\right)$

采用电台本身的数据传输方式进行误码率统计。电台数据分帧传输，每帧最少600比特，采用600比特每秒的数据传输速率，则Δt=1。如果扫描频率间隔为1.25kHz，通过上式可以计算出扫描一个带宽为10MHz的短波频段所需的时间T为：

因此，必须采用有效的搜索方式。

采用基于非线性扫描对可用频率的估计，所用的时间T可由（6）式求得。

式中：表示向上取整；

式中常数因子2是因为对于最高可用频率与最高可能频率要分别进行，要完成两个相同的过程。

对于上述同样条件下的扫描时间T为：

由式（6）和式（7）可以看出，采用非线性扫描的时间比采用线性扫描的时间有显著减小。

频率搜索装置进行搜索的主要原理如下：首先，分处异地的两部电台分为主从站；其次，按照GPS定时，每次均由主站发送特定的波形，从站在随后的时隙里回应答，每次使用的频率由GPS定时基准控制来保证主从站之间的频率保持一致；在主站发送的时候，从站对波形进行相关检测以及进行误码率分析；在从站回应答时，主站进行相同的操作。每次收发双方使用的频率是通过以GPS的定时为参考时钟按非线性运算后获得的。

图7是频率搜索装置的基本工作流程图。如图7所示，701，搜索开始；702，根据GPS时钟设置/更改发送、接收频率；703，判断当前短波电台是否为主站；如果否，则执行708，如果是，则执行704；704，向从站发送特定的波形；705，对于从从站接收的特定波形进行相关检测以及进行误码率分析，执行706；708，从站对波形进行相关检测以及进行误码率分析；继续执行709；709，向主站发送特定的波形；转而执行706；706，判断搜索是否完成；如果是，则执行707，如果否，则执行702； 707，确定天波可用频率以及信道质量，继续执行710，搜索结束。

在对天波信道的最低可用频率及最高可用频率进行估计时，可以采用短波天波频率中长期预报告技术。其中，E层最高可用频率的计算如下：

E层的高度除临近日出日落的短暂时间内略高外，其层底高度常位于地面以上约110km处，最大电子密度的高度约为130km。其临界频率f_OE随太阳周期变化。在白天f_OE与cosχ成比例（χ为太阳天顶角）。由于夜间E层电子密度稀薄，因此在E层最高可用频率的预测中，只计算白天的MUF，夜间不予考虑。

对于E层MUF的预测，通常采用逼近f_OE实际值的半经验公式

$f_{\mathrm{OE}}=K(1+m{\stackrel{\‾}{R}}_{12}){\cos }^n\left(0.881\mathrm{\χ}\right)...\left(8\right)$

式中0≤

≤150；K=3.4；n=0.49；m=0.00167。

由于E层高度比较稳定，因此E层一跳的最远距离为2000km，此时

MUF(2000)_e=4.78f_OE.................(9)

根据（8）和（9）式即可求出大圆距离D=2000km时的E层最高可用频率。其中，太阳黑子数

和太阳天顶角χ是主要的参变量，

可以通过专用图表查得。

F层最高可用频率的计算：

最高可用频率的预测要根据预报的基础传输参数，包括垂直投射时F2层的最高可用频率

，大圆距离为4000 km时 F2层的最高可用频率

及大圆距离为2000 km E层的最高可用频率

。

$f_{\mathrm{MUF}\left(0\right)F_2}=f_{0F_2}+f_H/2...\left(10\right)$

式中 

为 F2层垂直投射的寻常波临界频率。

$f_{\mathrm{MUF}\left(4000\right)F_2}=f_{0F_2}\×M_{\left(3000\right)F_2}\×1.1...\left(11\right)$

式中

是距离为3000 km的 M因数。

对于太阳黑子数R₁₂在110~160之间的最高可用频率值，利用线性关系式内插求出，即

$f_{{\mathrm{MUF}}_R}=f_{{\mathrm{MUF}}_{110}}+0.02(f_{{\mathrm{MUF}}_{160}}-f_{{\mathrm{MUF}}_{110}})(R_{12}-110)...\left(12\right)$

对于太阳黑子数R₁₂≤110时，

$f_{{\mathrm{MUF}}_R}=f_{{\mathrm{MUF}}_{110}}+0.01(f_{{\mathrm{MUF}}_{110}}-f_{{\mathrm{MUF}}_{10}})(R_{12}-10)...\left(13\right)$

所需要的参数是太阳黑子数分别是10、110、160时的最高可用频率值

、

、

、、

。

太阳天顶角χ的计算：

某地某时刻的太阳天顶角是指太阳射线（光线)直射在地球经纬度上，再继续延伸到地心，此延伸线（即太阳直射线）与电台所在地理经纬度到地心的直线之间的夹角。由于地球的自转，一天内不同的时间，太阳天顶角是不同的。地球除自转外，还不停地绕着太阳公转，地球绕太阳公转时的姿势，对地球轨道来说不是直立的，它的自转轴总是倾斜而且方向保持不变。这样在地球公转一圈过程中，某地的太阳天顶角随月份的变化而变化。由此可见，某地的太阳天顶角的大小和该地的地理位置、月份、钟点有关，经常在频率预测资料中需提供 12张太阳天顶角图表。

最低可用频率的计算：

短波通信最低可用频率是指接收机的输入电平大于接收机灵敏度，且接收信噪比满足接收机要求时的可选用的最低通信频率。在自由空间条件下，接收机的输入电平为：

P_R=P_r+(G_r+G_R)-(L_ft+L_fr)-L_b.................(14)

式中：P_R为接收机的输入电平；P_r为发射机的发射电平；G_r和G_R分别为发射和接收天线的增益；L_ft和L_fr分别为发端和收端馈线损耗；L_b为基本传输损耗。

基本传输损耗L_b通常是指电波在实际媒质中传播时，由于能量扩散和媒质对电波的吸收、反射、散射等作用而引起的电波能量衰减。

基本传输损耗L_b可分为4部分，其中最主要的1项是自由空间基本传输损耗L₀，第2项是电离层吸收损耗L_a，第3项损耗是多条传输在地面反射所产生的大地反射损耗L_g，除此之外还有一些额外系统损耗L_p。各项损耗均用dB表示，天波传播的基本传输损耗

L_b=L₀+L_a+L_g+L_p.............(15)

传输损耗是工作频率、传输模式、通信距离和时间的函数。

满足远距离短波通信，一方面要求信噪比大于系统规定值；另一方面，P_R大于接收机灵敏度。在这里根据系统性能指标P_r、G_r、G_R、L_ft和L_fr均为已知条件，L_b为发射频率f的函数，其它参数均可通过计算或查表得到。f是唯一的变量，因此，可以求出远距离两点间短波通信的最低可用频率。

本发明的数字信号处理模块可以采用高速模数转换器件、FPGA以及数字信号处理器件(DSP)，其借助短波电台和宽带接收单元完成短波信道的探测交互控制，并进一步对采集信号进行分析。

根据本发明的短波频率搜索设备需要外连的设备包括短波电台、人防多网系融合系统以及外部存储装置。优选地，与短波电台采用直接连接，即通过专用的数据通信接口与短波电台直接相连，典型的接口标准为RS232C，其具有连通迅速、控制简单的优点。可替换地，还可以采用间接连接方式，即通过网络接口与人防多网系融合系统相连，人防多网系融合系统上的数据通信接口与电台相连，其采用IP协议传送频率设置等命令，并进行收发切换控制。

本发明的详细说明中虽然对具体实施例进行了说明，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围不可限定于所说明的实施例，应该以权利要求书及权利要求书等同的内容确定。

Claims (10)

1.一种短波频率搜索设备，其特征在于包含以下组成部分：

宽带接收单元，其包括天线隔离器和短波宽带接收模块；天线隔离器用于实现天线到电台与天线到短波宽带接收模块的切换，以及在短波电台发射信号时，实现短波宽带接收模块与短波电台发射信号的隔离；

数字下变频模块，用于对宽带接收单元提供的中频信号进行采集,并转换为基带信号提供给主控模块及数字信号处理模块；

数字信号处理模块，用于完成可用频率搜索与频率优选；通过对设定频段内的频谱感知，选择空闲信道作为本地的优选频率，并通过对天波信道的最低及最高可用频率进行估计，选择天波可用频段；

主控模块，用于监控短波频率搜索设备的工作状态、可用频段、优选频率和频谱能量；预设通信频段或预设通信频率；实现人机交互以及对外部设备控制；

接口模块，用于提供音频接口、遥控接口、数据通信接口、GPS接口及网络接口；

电源模块，用于为设备内各模块、装置和单元提供直流电源；

所述主控模块进一步包含主板、显示装置、输入控制装置、存储装置、内部通信装置和外部通信装置；其中

显示装置用于显示工作状态、可用频段、优选频率和频谱能量；

输入控制装置用于实现通信频段或通信频率的预设、设备自检、对宽带接收单元的控制；

内部通信装置用于实现主控模块与数字信号处理模块的数据通信及与GPS模块的时间、地理位置信息交互；

外部通信模块用于进行数据通信及协议传输；

所述数字信号处理模块进一步包含内部通信装置，空闲分析装置以及频率搜索装置以及自动增益控制（AGC）模块和GPS模块；其中

内部通信装置用于通过主控模块的内部通信装置与主控模块进行通信，以及与GPS模块进行时间信息交互；

AGC模块控制前端接收机工作于自动或人工AGC方式；

GPS模块完成授时和定位功能；GPS模块提供的高精度时钟，为频率搜索提供时间基准； GPS 模块提供的地理位置数据为频率搜索和对天波信道的最低及最高可用频率进行估计提供辅助信息；

空闲分析装置，用于完成本地频谱的搜索与频率优选，通过对设定频段内的频谱感知，选择空闲信道作为本地的优选频率；

频率搜索装置，用于对天波信道的最低及最高可用频率进行估计，选择天波可用频段。

2.一种如权利要求1的短波频率搜索设备，其特征在于短波频率搜索设备与短波电台之间通过遥控接口、数据通信接口以及音频接口相连接，所述短波频率搜索设备还通过网络接口与人防多网系融合系统相连，以及进一步通过人防多网系融合系统与公共互联网相通信。

3.一种如权利要求1的短波频率搜索设备，其特征在于：

所述显示装置为液晶显示屏，所述输入控制装置为触摸屏，所述存储装置为硬盘。

4.一种如权利要求3的短波频率搜索设备，其特征在于：

所述触摸屏为4线或5线类型，与所述主板通过USB接口相连；或者

采用带有触摸屏的工业平板电脑或通用笔记本电脑作为主控模块；或者

采用嵌入式工业计算机集成液晶屏和触摸屏构成主控模块。

5.一种如权利要求1的短波频率搜索设备的控制方法，其特征在于：

主控模块按如下步骤工作：

步骤401，开机初始化；

步骤402，设备进行自检；

步骤403，判断是否存在故障；如果是，则执行步骤404，将判断出的存在故障的模块在显示装置上显示，继续执行步骤405，结束当前操作；如果否，则执行步骤406；

步骤406，判断是否设置设备参数；如果是，则执行步骤407，设置设备参数，继续执行步骤408，完成对数字信号处理模块及宽带接收单元的控制，回到步骤406，判断是否设置设备参数；如果否，则执行步骤409，判断是否收到数字信号处理模块的数据，如果是，则执行步骤410，对数据类型进行分析及处理，回到步骤406，判断是否设置设备参数；如果否，则执行步骤411；

步骤411，判断是否接收到GPS时间信息；如果否，则返回继续执行步骤406；如果是，则执行步骤412，执行时间校准；回到步骤406，判断是否设置设备参数。

6.如权利要求5的短波频率搜索设备的控制方法，其特征在于：

数字信号处理模块按如下步骤工作：

步骤501，初始化；

步骤502，设备参数设置；

步骤503，判断电台是否在通信；如果是，则继续执行步骤503；如果否，则执行步骤505，判断是否估计可用频率；如果是，则执行步骤506，对天波可用频率进行估计，并且继续执行步骤507，对本地频谱进行搜索，并生成本地优选频率；如果步骤505中判断结果为否，则也执行步骤507，对本地频谱进行搜索，并生成本地优选频率；继续执行步骤508；

步骤508，生成可用频率；步骤509，在显示装置上显示本地可用频率以及信道状况；继续执行步骤504，判断是否收到主控模块命令，如果否，则继续执行步骤503；如果是，则继续执行步骤502。

7.如权利要求5或6的短波频率搜索设备的控制方法，其中在主控模块和/或数字信号处理模块执行上述方法流程期间，主控模块和/或数字信号处理模块能够随时根据指令退出执行当前步骤。

8.如权利要求7的短波频率搜索设备的控制方法，其中空闲分析装置按如下步骤工作：

步骤601，分析开始；

步骤602，根据设置的频段及分析的位置更改分析的频率；

步骤603，判断是否达到预定次数，该预定次数能够根据周围环境预先配置；如果否，则继续执行步骤604，如果是，则执行步骤606；

步骤604，接收数字下变频数据进行N点FFT运算；继续执行步骤605，计算该频段内的能量并进行累加，转而继续执行步骤603；

步骤606，对该频段内的能量进行平均计算；继续执行步骤607，判断分析是否完成，如果否，则执行步骤602；如果是，则执行步骤608，根据平均功率对各频段的信道质量评估，进行信道质量分级；继续执行步骤609，寻找信道质量等级最高的多个频段作为可用频段或频率；继续执行步骤610，分析结束。

9.如权利要求8的短波频率搜索设备的控制方法，其中频率搜索装置按如下步骤工作：

步骤701，搜索开始；

步骤702，根据GPS时钟设置/更改发送、接收频率；

步骤703，判断当前短波电台是否为主站；如果否，则执行步骤708，如果是，则执行步骤704；

步骤704，向从站发送特定的波形，执行步骤705；

步骤705，对于从从站接收的特定波形进行相关检测以及进行误码率分析，执行步骤706；

步骤706，判断搜索是否完成；如果是，则执行步骤707，如果否，则执行步骤702；

步骤707，确定天波可用频率以及信道质量；继续执行步骤710；

步骤708，从站对波形进行相关检测以及进行误码率分析；继续执行步骤709；

步骤709，向主站发送特定的波形；转而执行步骤706；

步骤710，搜索结束。

10.如权利要求6-9任一的短波频率搜索设备的控制方法，其中：

步骤410中对数据类型进行分析及处理，是指根据数据的类型判断是传送给显示装置显示或者是传送给短波电台供发送。

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