CN104330625A - 一种基于Labview和第三方驱动程序的自动化无线电环境测试平台 - Google Patents

Abstract

一种基于Labview和第三方驱动程序的自动化无线电环境测试平台，分别由天线控制转台、总控电脑、频谱仪三部分组成，其中总控电脑分别与天线转动平台、频谱仪相连；而集成于总控电脑中的控制程序包括实时天线转动平台控制和频谱仪控制两个子模块，其中实时天线转动平台控制模块通过串口向天线转台下发当前的方位、俯仰值，频谱仪控制模块通过网线将总控电脑与频谱仪相连，具有设置控制频谱仪的观测参数，读取观测数据的功能。本发明具有操作可视化，数据记录方便，操作简单以及易于野外操作的优点。

Description

一种基于Labview和第三方驱动程序的自动化无线电环境测试平台

技术领域

本发明涉及无线电频谱监测领域，适用于野外自动化无线电环境测量以及大型射电天文望远镜台址堪选等领域。

技术背景

随着电子技术的发展，射电天文设备逐步由数字化终端取代了原有的模拟终端。这样大大提升射电天文观测的效率，射电窗口以上几乎整个无线电频段都纳入了射电天文观测范畴。但随着全社会信息化的飞速发展，越来越多的无线电频段被使用，因此，无线电干扰(RadioFrequency Interference,RFI)越来越成为严重困扰射电天文观测的因素，甚至对射电天文观测带来致命影响。无线电干扰主要在以下几个方面影响射电天文观测：

1.造成接收机饱和，如果RFI在观测频段上过强，超过模拟接收机任何一级元件的最大输入电平就会造成接收机饱和。在该种情况下，射电接收机无法接收到任何天文信号；

2.由于模数转换器(Analog to digital converter,ADC)的无杂散动态范围(SpuriousFree Dynamic Range,SFDR)参数的存在，RFI过强时会导致假谱出现；

3.由于FFT算法自身的一些缺陷，RFI信号的频谱会与通过窗函数和天文信号频谱发生谱间干涉现象，最终形成假谱；并且会导致噪底不平坦，从而影响射电天文信号的相对定标；

4.多RFI通过在传输介质中的相互作用产生令人无法确定频率的交调干扰，这种干扰非常难预料并很难通过传统的方法滤除！

5.在接收机内部，混频时(包括模拟和数字混频两种)RFI信号和本振信号产生的调制频率，也很容易落到感兴趣的射电天文观测频带中，影响到正常的天文信号的恢复与分析。

干扰消除已经成为刻不容缓解决的重要问题。目前采用规避RFI的方法主要有以下几种：

1.”弃”(blanking)，可以分为两种，一是放弃RFI过强的频段，带来的好处是从模拟接收机至数字处理器均无干扰信号注入，二是放弃干扰较强时刻的观测数据，特别是针对脉冲型的干扰(pulse-type signal)可以有效滤除；

2.“阻”(shielding)，通过在接收机链路上相应的无线电干扰频点设置陷波器(notchfilter)的办法可以”阻击”RFI，这样做的好处是观测带宽损失较少，并且价格低廉，如果陷波器设置合理则有可能获得“纯净”的频段；

3.采用空间波束形成方法(spatial beam forming techniques)：包括后处理旁瓣干扰消除技术(post processing techniques sidelobe-beam nulling)和主动空间波束形成技术(adaptive beam-forming techniques)避开无线电干扰；

4.数字匹配滤波技术(digital matched filter techniques)，利用数字滤波器良好的性能，使滤波器趋近于维纳解(wiener solution)可以达到很好的矩形系数，达到滤除无线电干扰的目的。

5.“躲”，选择良好无线电环境的台址。例如，FAST等一些大型的射电望远镜通过选择优良的台址并且采用无线电频段保护实现了干扰的规避。这样可以避开地面RFI；

综上，在论证建设新的大型射电望远镜时选择无线电干扰较少的地区，并对该地区进行长期的无线电环境考察是必不可少的手段。

为此，构建野外高效的无线电环境测试平台是测量无线电环境的关键部分。

发明内容

一种基于Labview图形化编程软件和第三方驱动程序的自动化无线电环境测试平台主要适用于野外无线电环境测量及大型射电望远镜台址勘察等领域，主要解决野外快速无线电环境测量平台搭建、快速开展工作、全自动化测量等问题，具有安装简易方便、全自动化测量、数据便于管理等优点。

本发明的技术方案如下：

一种基于Labview和第三方驱动程序的自动化无线电环境测试平台，本发明特征在于：分别由天线控制转台、总控电脑、频谱仪三部分组成，其中总控电脑分别与天线转动平台、频谱仪相连；而集成于总控电脑中的控制程序包括实时天线转动平台控制和频谱仪控制两个子模块，其中实时天线转动平台控制模块通过串口向天线转台下发当前的方位、俯仰值，频谱仪控制模块通过网线将总控电脑与频谱仪相连具有设置控制频谱仪的观测参数，读取观测数据的功能。

本发明在天线控制转台前连接有测试天线，天线控制转台与主控计算机之间依序连接有宽带低噪声放大器、转台控制电缆、射频信号电缆；其中测试天线、天线控制转台、转台控制电缆及主控计算机构成了天线转动控制单元，起到控制测试方向的目的；宽带低噪声放大器、射频信号电缆、频谱分析仪及主控计算机构成了频谱测量及记录单元。

本发明天线转动平台控制模块设定精确到1°的天线指向角度，以及精确到秒级的每指向角度的驻留时间；频谱仪控制模块采用了第三方提供的频谱仪底层驱动程序，同时可以精确到秒级远程读取频谱仪数据的能力。

本发明记录监测数据的文件名由几个关键的测量参数依次组成，包括天线的俯仰角、方位角，第几测试频段，以及测试年月日，提供给了其他用户详细的信息。

本发明采用天线自动化控制系统+频谱仪自动测量记录系统模式，可以自动设置测试方向、每测试方向驻留时间、测试频道、测试精度等。

其具体实施方案如下：

1.测试天线射频输出口直接与宽带低噪声放大器输入端相连，其优势在于：减少了之间的连接电缆，可以降低测试系统的噪声；

2.通过金属卡座将测试天线固定于转台上，主控电脑通过RS232协议经长串口线控制转台；

3.低噪声放大器输出端通过长射频电缆与频谱分析仪相连，主控电脑通过TCP/IP协议经网线与频谱分析仪相连；

4.在天线控制软件方面，通过软件可以设置天线观测方向角，每个观察方向角的驻留时间等参数；

5.在频谱仪控制软件方面，通过软件可以设置分辨率带宽(RBW)、观测带宽(span)、中心频点(centre frequency)、扫描时间(sweep time)、平均次数(integrate time)、扫描点数(points)等参数；实时显示当前频谱仪抓图；切换方向后自动更新；显示图包括两条测试线：最大保持+实时均值；

6.在程序启动后，天线自动归位到初始测试方向角，频谱分析仪自动从第一测试频段开始测量。

本发明的效果：

本发明具有操作可视化，数据记录方便，操作简单以及易于野外操作等优点：

1.采用模块化设计，分为天线控制单元和射频测量单元两部分，两部分可以作为单独的控制、测量模块，不相互影响，提高了系统的稳定性，同时也便于野外操作；

2.程序开发采用了NI提供的底层仪器驱动模块，在程序开发上大大降低了难度；

3.频谱仪参数设置、天线控制界面均在主控计算机界面上实现，数字化控制和输入；

4.数据文件采用了清晰的文件名记录方式，可以获知测量文件的各项相关参数。

附图说明

图1本发明整体结构示意图；

图2频谱仪控制程序流程图；

图3天线转台控制程序流程图；

图4本发明控制界面图；

图5本发明测量记录文件名构成示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于Labview和第三方驱动程序的自动化无线电环境测试平台，本发明特征在于：分别由天线控制转台、总控电脑、频谱仪三部分组成，其中总控电脑分别与天线转动平台、频谱仪相连；而集成于总控电脑中的控制程序包括实时天线转动平台控制和频谱仪控制两个子模块，其中实时天线转动平台控制模块通过串口向天线转台下发当前的方位、俯仰值，频谱仪控制模块通过网线将总控电脑与频谱仪相连具有设置控制频谱仪的观测参数，读取观测数据的功能。

本发明在天线控制转台前连接有测试天线，天线控制转台与主控计算机之间依序连接有宽带低噪声放大器、转台控制电缆、射频信号电缆；其中测试天线、天线控制转台、转台控制电缆及主控计算机构成了天线转动控制单元，起到控制测试方向的目的；宽带低噪声放大器、射频信号电缆、频谱分析仪及主控计算机构成了频谱测量及记录单元。

本发明天线转动平台控制模块设定精确到1°的天线指向角度，以及精确到秒级的每指向角度的驻留时间；频谱仪控制模块采用了第三方提供的频谱仪底层驱动程序，同时可以精确到秒级远程读取频谱仪数据的能力。

本发明记录监测数据的文件名由几个关键的测量参数依次组成，包括天线的俯仰角、方位角，第几测试频段，以及测试年月日，提供给了其他用户详细的信息。

本发明采用天线自动化控制系统+频谱仪自动测量记录系统模式，可以自动设置测试方向、每测试方向驻留时间、测试频道、测试精度等。

本发明具体实施方案如下：

1.测试天线射频输出口直接与宽带低噪声放大器输入端相连，其优势在于：减少了之间的连接电缆，可以降低测试系统的噪声；

2.通过金属卡座将测试天线固定于转台上，主控电脑通过RS232协议经长串口线控制转台；

3.低噪声放大器输出端通过长射频电缆与频谱分析仪相连，主控电脑通过TCP/IP协议经网线与频谱分析仪相连；

4.在天线控制软件方面，通过软件可以设置天线观测方向角，每个观察方向角的驻留时间等参数；

5.在频谱仪控制软件方面，通过软件可以设置分辨率带宽(RBW)、观测带宽(span)、中心频点(centre frequency)、扫描时间(sweep time)、平均次数(integrate time)、扫描点数(points)等参数；实时显示当前频谱仪抓图；切换方向后自动更新；显示图包括两条测试线：最大保持+实时均值；

6.在程序启动后，天线自动归位到初始测试方向角，频谱分析仪自动从第一测试频段开始测量。

如图1所示，本发明的硬件部分连接方式在于：测试天线经卡座固定于可控天线转台上，主控计算机通过RS232串口线与之相连实现控制；测试天线的射频输出口于低噪声宽带放大器的输入端相连，低噪声宽带放大器的输出端经长同轴电缆于频谱分析仪相连实现频谱测量；主控计算机通过TCP/IP协议经网线与频谱分析仪相连，达到控制与数据读取的目的；

如图2所示，一种基于Labview图形化编程软件和第三方驱动程序的自动化无线电环境测试平台的频谱分析仪控制部分的程序流程在于：程序开始后首先进行频谱分析仪的初始化配置——包括设置初始化的中心频点、观测频宽及其步进增量、扫描方式(连续扫描还是单次扫描)、分辨率带宽(Resolution Bandwidth,RBW)、视频带宽(Video Bandwidth,VBW)、扫描时间、参考电平值、量化单位，其中分别在观测频宽及其步进增量和扫描方式设置、扫描时间和参考电平值设置之间插入5秒延迟以便频谱分析仪有充裕的时间进行响应；然后设置三条测量显示、记录线分别表示测量的实时值、平均值及最大值；以上设置完成后开始进行测量。测量流程如下：在测量中采用循环测量模式，设置一个计时模块计时、程序询问是否达到测量时间，如没有达到继续测量；如果达到记录三条测量线的数据，然后跳出循环，根据观测频宽的步进增量设置下一观测频段的中心频点，设置完成后继续进入测量循环。在全部测量频段测量完后，通知天线控制程序转换测量角度。

如图3所示，一种基于Labview图形化编程软件和第三方驱动程序的自动化无线电环境测试平台的天线转台控制部分的程序流程在于：程序开始后首先进行天线转台的初始化配置——设置串口参数，设置天线检查角度测试转台是否正常工作，在确认天线正常工作后设置天线初始监测角度并在天线指向该角度后向频谱分析仪控制软件发出天线就位指令，然后等待频谱分析仪控制程序发来的频道测量结束指令，该指令到达后读取下一测量方向的天线方位、俯仰值，待天线就位后向频谱分析仪控制软件发送就位指令。

Claims (4)

1.一种基于Labview和第三方驱动程序的自动化无线电环境测试平台，其特征在于：分别由天线控制转台、总控电脑、频谱仪三部分组成，其中总控电脑分别与天线转动平台、频谱仪相连；而集成于总控电脑中的控制程序包括实时天线转动平台控制和频谱仪控制两个子模块，其中实时天线转动平台控制模块通过串口向天线转台下发当前的方位、俯仰值，频谱仪控制模块通过网线将总控电脑与频谱仪相连，具有设置控制频谱仪的观测参数，读取观测数据的功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于Labview和第三方驱动程序的自动化无线电环境测试平台，其特征在于：在天线控制转台前连接有测试天线，天线控制转台与主控计算机之间依序连接有宽带低噪声放大器、转台控制电缆、射频信号电缆；其中测试天线、天线控制转台、转台控制电缆及主控计算机构成了天线转动控制单元，起到控制测试方向的目的；宽带低噪声放大器、射频信号电缆、频谱分析仪及主控计算机构成了频谱测量及记录单元。

3.根据权利要求1所述的一种基于Labview和第三方驱动程序的自动化无线电环境测试平台，其特征在于：天线转动平台控制模块设定精确到1°的天线指向角度，以及精确到秒级的每指向角度的驻留时间；频谱仪控制模块采用了第三方提供的频谱仪底层驱动程序，同时具有精确到秒级远程读取频谱仪数据的能力。

4.根据权利要求1所述的一种基于Labview和第三方驱动程序的自动化无线电环境测试平台，其特征在于：记录观测数据的文件名由几个关键的测量参数依次组成，包括天线的俯仰角、方位角、第几测试频段以及测试年月日，提供给了其他用户详细的信息。