CN104635062B - 一种环境电磁辐射监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环境电磁辐射监测系统，包括：本振模块，用于产生本振扫频信号；信号接收模块，用于接收监测的环境中电磁辐射的射频信号；下变频混频器，用于将本振模块产生的本振扫频信号和信号接收模块接收的射频信号进行混频实现下变频后输出中频信号；第一低通滤波器，用于对下变频混频器输出的中频信号进行滤波；中频信号检测模块，用于接收滤波后的中频信号，以及将中频信号的功率大小转换成模拟电平值；控制模块，用于获取模拟电平值，并将该模拟电平值转换成数字信号电平值。本发明的监测系统具有可编程，多功能，能耗低，操作简单等特点，能有效测量空间环境射频辐射信号，并有效定量分析信号功率，可应用于环境电磁辐射测量与监测。

Description

一种环境电磁辐射监测系统

技术领域

本发明涉及环境监测领域，特别是涉及一种环境电磁辐射监测系统。

背景技术

目前，较好实现环境电磁监测的仪器主要是由R&S以及Tektronix、Anritsu、Agilent等公司生产，这些环境电磁监测仪器主要是针对专业用户和高端客户，不仅功能复杂、操作繁琐，而且价格昂贵、体积庞大，很难在家庭化环境电磁监测中推广应用。

具体地，这些环境电磁监测仪器应用于家庭化环境电磁监测具有如下缺点：

1.其射频性能往往高于家庭化环境电磁监测要求，因此其成本高，同时其处理器往往性能很高，造成了不必要的浪费；

2.信号处理过程复杂，其中包括大量AD采样和数字信号处理过程，需要消耗大量资源来完成该工作；

3.体积庞大，不适合家庭普及化；

4.价格昂贵，通常一台设备几万至几十万不等；

5.功耗大，为了实现其射频性能及数字信号处理性能，该过程需要消耗大量电能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种环境电磁辐射监测系统，用以实现环境中的电磁辐射监测问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种环境电磁辐射监测系统，包括：

本振模块，用于产生本振扫频信号；

信号接收模块，用于接收监测的环境中电磁辐射的射频信号；

下变频混频器，用于将本振模块产生的本振扫频信号和信号接收模块接收的射频信号进行混频，下变频后输出中频信号；

第一低通滤波器，用于对下变频混频器输出的中频信号进行滤波；

中频信号检测模块，用于接收滤波后的中频信号，以及将中频信号的功率大小转换成模拟电平值；

控制模块，用于获取模拟电平值，并将该模拟电平值转换成数字信号电平值。

进一步，监测的环境中电磁辐射的射频信号的最小频率带宽为第一低通滤波器的带宽的二倍。进一步，第一低通滤波器的3带宽为本振信号从一个的扫频频率变化到另一个的扫频频率f₀，所述系统监测的环境中电磁辐射的射频信号的频率范围为之间，其中△f也为本振模块产生的相邻本振信号的频率差。

进一步，当本振信号以△f为步进扫频输出时，环境中电磁辐射的射频信号也以△f为步进依次被监测。

进一步，本振模块包括：

本振信号产生单元，用于产生本振信号；

本振信号滤波单元，用于对本振信号进行滤波。

进一步，信号接收模块包括：

天线，用于接收监测的环境中电磁辐射的射频信号；

第二低通滤波器，用于将接收的射频信号进行滤波；

低噪声放大器模块，用于放大滤波后的射频信号。

进一步，控制模块，还用于获取数字信号电平值对应的频率值，以及根据数字信号频率值和电平值计算出环境中电磁辐射的射频信号的频率和功率值，及控制本振模块产生的本振扫频信号的频率范围和扫频频段。

进一步，所述系统还包括：

中频信号放大模块，用于放大第一低通滤波器滤波后的中频信号，并将滤波放大后的中频信号输出到中频信号检测模块；

中频信号检测模块，用于接收滤波放大后的中频信号，以及将中频信号的功率大小转换成模拟电平值。

进一步，所述系统还包括：

通信模块，用于将控制模块转换的数字信号电平值传送给上位机，以及用于将上位机发送的控制指令传送给控制模块。

进一步，所述系统还包括：

上位机，用于获取数字信号电平值对应的频率值，以及根据数字信号频率值和电平值计算出环境中电磁辐射的射频信号的频率和功率值，还用于控制本振模块产生的本振扫频信号的频率范围和扫频频段。

本发明有益效果如下：本发明的监测系统具有可编程，多功能，能耗低，操作简单等特点，能有效测量空间环境射频辐射信号，并有效定量分析信号功率，可应用于环境电磁辐射测量与监测。

附图说明

图1是本发明实施例中一种环境电磁辐射监测系统的结构示意图。

具体实施方式

为了实现环境中的电磁辐射监测问题，本发明提供了一种环境电磁辐射监测系统，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

图1是本发明实施例中一种环境电磁辐射监测系统的结构示意图；如图1 所示，该系统采用零中频的方式，包括：

本振模块，用于产生并输出本振扫频信号。

信号接收模块，用于接收并输出环境中电磁辐射的射频信号。

下变频混频器，用于将本振模块输出的本振扫频信号和信号接收模块输出的射频信号混频实现下变频，产生并输出中频信号。

第一低通滤波器，用于对下变频混频器输出的中频信号进行滤波并输出。

中频信号放大模块，用于对第一低通滤波器输出的中频信号进行放大并输出；经过第一低通滤波器滤波后的中频信号，在中频信号放大模块中放大，提高了本环境电磁辐射监测系统的监测灵敏度。

中频信号检测模块，用于检测中频信号放大模块输出的中频信号强度，将其转化并输出相应模拟电平值，也就是说中频信号检测模块将该中频信号的功率转为相应模拟电平值并输出。中频信号检测模块中的检波器的动态范围以及最小监测信号的功率决定了本监测系统的动态范围和灵敏度。

控制模块，用于将中频信号检测模块输出的模拟电平值转换成相应数字信号电平值，以及用于控制本振模块产生的扫频信号的频率范围和扫频频段，还可以用于获取数字信号电平值对应的频率值，以及分析该数字信号频率值和电平值并计算出其相应检测到的环境中电磁辐射的射频信号的频率和功率值及显示该频率和功率值。控制模块可以为MCU、ARM等具有采样功能(ADC) 的控制模块。

本监测系统的体积小巧，携带方便，可以制备成可穿戴设备形式推广，也可以跟上位机配合使用，非常方便。

当本监测系统与上位机配合使用时，本监测系统还包括通信模块，同时可以将控制模块中用于分析该数字信号(包括频率值和电平值)并计算出其相应检测到的环境中电磁辐射的射频信号的频率和功率值及显示该频率和功率值的功能，通过上位机实现，也就是在上位机中预先安装根据数字信号电平值分析和计算出相应的射频信号的频率和功率值的程序(例如APP)即可实现该功能。上位机可以是手机、平板电脑、笔记本电脑等各类具有蓝牙或者其他无线及有线通信功能的终端。通信模块用于将控制模块转换的数字信号电平值传送给上位机，以及用于将上位机发送的控制指令传送给控制模块，控制指令包括控制本振扫频的频率范围，使该本环境电磁辐射监测系统实现不同的功能，如单点测量，全频段测量，系统休眠(除控制模块和通信模块，其他模块均处断电状态)等。通信模块可以为有线传输模式(串口等)或无线传输模式(如蓝牙模块等)等。

本发明具体实现过程中，本振模块包括本振信号产生单元和本振信号滤波单元，本振信号产生单元产生并输出一个在该系统工作频段内扫频的本振信号；本振信号滤波单元用于对输出的本振信号进行滤波。

本振信号产生单元在产生本振信号的同时，也会伴随产生大量的谐波信号，谐波信号将对混频后本环境电磁辐射监测系统的监测产生干扰，因此本振信号滤波单元可以滤除谐波信号，使得本振模块最终输出一个频率单一的本振信号，也就是说使得 本振 模块获得纯净本振信号。例如这些谐波信号可看作为“伪本振信号”，当本振信号频率为290MHz时，其三次谐波信号频率为870MHz即为“伪本振信号”；如果环境中存在860MHz的环境射频信号，则其会与该“伪本振信号”混频并产生频率为10MHz的中频信号，该中频信号可以被检测到，因此监测系统会误认为此种环境中存在频率处于290MHz附近的射频信号，而实际上该信号频率为860MHz，从而造成误检；而本振信号通过本振信号滤波单元，则可滤除产生的谐波信号，产生单一频率纯净本振，进一步防止谐波干扰。

信号接收模块包括天线、第二低通滤波器和低噪声放大器模块，天线用于接收环境中电磁辐射的射频信号，第二低通滤波器用于将接收的射频信号进行滤波，滤除高频信号，得到本环境电磁辐射监测系统监测频段范围内的环境中电磁辐射的射频信号。由低通滤波器滤波后得到的环境中射频信号，通过低噪声放大器模块，对微弱信号功率进行适当的放大，从而提高了本环境电磁辐射监测系统的监测灵敏度。低噪声放大器模块中低噪声放大器可根据本环境电磁辐射监测系统监测环境中射频信号的频段宽度，选择合适数量的具有不同频段的低噪放大器，分别对不同频段的信号进行放大，使增益保持一致。

第一低通滤波器的带宽为第一低通滤波器的带宽可以为1、2或3dB 带宽，以下以3dB带宽为例，下变频混频器经过混频后产生的中频信号通过第一低通滤波器得到频率小于的有用中频信号，△f为本振信号产生单元产生的相邻本振信号的频率差。也就是说第一低通滤波器的带宽决定该系统监测的最小频率宽度(监测分辨率)，若低通滤波器的带宽为BW₀，则检测系统的监测分辨率为2BW₀。

本振信号产生单元产生的相邻本振信号的频率差△f和第一低通滤波器的 3dB带宽共同确定本环境电磁辐射监测系统可以监测的环境中电磁辐射的射频信号最小频率宽度为△f。本监测系统可以通过更改本振信号的频率差以及低通滤波器的3dB带宽，从而设置监测的环境中电磁辐射的射频信号最小频率宽度。例如第一低通滤波器的3dB带宽为MHz，本振信号每变化至一个新的频率f₀，与本振信号混频后能通过该低通滤波器(及能生成有效中频信号)的环境射频信号的频率范围处于之间，即本监测系统可以监测的环境射频信号频率范围为之间，共△f MHz频宽。当本振信号以△f为步进扫频输出时，环境射频信号也可以以△f为步进依次被检测出。

简述本发明实施例的工作原理：本振模块用于输出本振扫频信号，并且本振信号可以在监测频率范围内的任意频段上扫频；待监测的环境射频辐射信号经过低噪声放大器模块放大后与本振信号进行(下)混频并获得中频信号，混频输出信号通过低通滤波器滤除其他无用信号(本振、本振谐波、待检测环境射频信号)，得到纯净有效的中频信号；该中频信号经过中频信号放大模块放大后，由中频信号检测模块检测，并将中频信号功率大小转化为相应的模拟电平值并输出至控制模块，控制模块可以将该模拟电平转化为相应的数字电平值，最后通过通信模块将该数字电平值传给上位机；上位机可以分析该数字电平值并计算出其相应功率值及频率，同时上位机可以很好的控制本振模块扫频频段，因此可以很方便的实现不同频段的信号监测。

本发明实施例的监测系统具有如下优点：

1.射频部分采用廉价离散器件搭建，尽量去除冗余功能，在满足监测要求的情况下大大的降低了成本及能耗；

2.采用检波器检波的方式来实现环境电磁信号功率的提取，而不采用仪表中所采用的AD采样，因此省去了大量数字信号处理工作，不仅在硬件电路上降低了成本，而且大大的简化了数字信号处理过程；

3.上位机可以是手机、平板电脑、笔记本电脑等各类具有蓝牙或者其他无线及有线通信功能的终端，并通过上位机APP处理射频电路采集的环境电磁信号，可以使得该采集硬件模块可以像可穿戴设备一样极大的得到推广。

4.体积小巧，携带方便，可以跟手机这样的终端配合使用，即为方便

5.功耗很低，在APP的处理控制下，具有休眠功能。

6.成本低廉，因为不需要AD采样及数字处理电路，采用简单的检波器检波的方式实现环境电磁信号功率的提取，同时大量信号处理工作是在上位机 (如手机)上完成，因此不需要上位机成本，价格仅为几百元左右。

7.可编程，多功能，能耗低，操作简单等特点，能有效测量空间环境射频辐射信号，并有效定量分析信号功率，可应用于环境电磁辐射测量与监测。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (8)

1.一种环境电磁辐射监测系统，其特征在于，包括：

本振模块，用于产生本振扫频信号；

信号接收模块，用于接收监测的环境中电磁辐射的射频信号；

下变频混频器，用于将本振模块产生的本振扫频信号和信号接收模块接收的射频信号进行混频，下变频后输出零中频信号；

第一低通滤波器，用于对下变频混频器输出的零中频信号进行滤波；

中频信号检测模块，用于接收滤波后的零中频信号，以及将零中频信号的功率大小转换成模拟电平值；

控制模块，用于获取模拟电平值，并将该模拟电平值转换成数字信号电平值；

其中，第一低通滤波器的带宽为本振信号从一个的扫频频率变化到另一个的扫频频率f₀，所述系统监测的环境中电磁辐射的射频信号的频率范围为之间，其中△f也为本振模块产生的相邻本振信号的频率差；

当本振信号以△f为步进扫频输出时，环境中电磁辐射的射频信号也以△f为步进依次被监测。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，包括：

监测的环境中电磁辐射的射频信号的最小频率带宽为第一低通滤波器的带宽的二倍。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，本振模块包括：

本振信号产生单元，用于产生本振信号；

本振信号滤波单元，用于对本振信号进行滤波。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，信号接收模块包括：

天线，用于接收监测的环境中电磁辐射的射频信号；

第二低通滤波器，用于将接收的射频信号进行滤波；

低噪声放大器模块，用于放大滤波后的射频信号。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，包括：

控制模块，还用于获取数字信号电平值对应的频率值，以及根据数字信号频率值和电平值计算出环境中电磁辐射的射频信号的频率和功率值；还用于控制本振模块产生的本振扫频信号的频率范围和扫频频段。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

中频信号放大模块，用于放大第一低通滤波器滤波后的中频信号，并将滤波放大后的中频信号输出到中频信号检测模块；

中频信号检测模块，用于接收滤波放大后的中频信号，以及将中频信号的功率大小转换成模拟电平值。

7.如权利要求1-6任一所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

通信模块，用于将控制模块转换的数字信号电平值传送给上位机，以及用于将上位机发送的控制指令传送给控制模块。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

上位机，用于获取数字信号电平值对应的频率值，以及根据数字信号频率值和电平值计算出环境中电磁辐射的射频信号的频率和功率值，还用于控制本振模块产生的本振扫频信号的频率范围和扫频频段。