CN107241151A - 一种特定区域无线电信号探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特定区域无线电信号探测装置及方法，其信号探测单元，用于对特定区域内的无线信号进行探测；所述信号探测单元包括主机、副机以及与主机和副机分别连接进行信号控制、运算，通过两路信号强弱对比，区分区域内外的控制器，所述的主机与副机之间由控制器同步控制并进行数据传输；所述主天线通过对各方向信号进行感应接收并通过耦合器与主机连接，所述主天线是设于检测区域内且均匀分布在检测区域内的一条以上的天线合路。所述副天线通过对各方向信号进行感应接收并通过耦合器与副机连接，所述副天线是设于检测区域外且均匀分布在检测区域外的一条以上的天线合路。

Description

一种特定区域无线电信号探测装置及方法

技术领域

本发明涉及无线电技术领域，尤其涉及一种特定区域无线电信号探测装置及方法。

背景技术

无线电信号的普及满足了人们生活中对信息通信的要求，但随之而来的安全和保密要求就显得特定区域的无线电信号探测尤为重要，比如保密场所、考场等。如何准确的确定区域边界是本发明需要解决的技术问题。

现有技术方案中，有采取GPS卫星定位技术，利用三个以上卫星的已知空间位置，用空间距离交会法，求得地面待定点，但考虑到各种误差的影响，为了达到定位精度要求，至少需要同步观测4颗以上的卫星，这个方案适合室外，在室内基本无卫星信号，特别是一些有特殊要求的会议室和场合，不适用。

有采取TDOA定位技术，利用时间差进行定位的方法。通过测量信号到达监测站的时间，可以确定信号源的距离。利用信号源到各个监测站的距离(以监测站为中心，距离为半径作圆)，就能确定信号的位置。但是绝对时间一般比较难测量，通过比较信号到达各个监测站的时间差，就能作出以监测站为焦点，距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是信号的位置。但是，无线电信号传输速度过快，信源与监测站距离近，定位精度差，不适用。

可见，现有技术中存在精度差，对特定区域不适用的技术问题。

发明内容

本发明提供一种特定区域无线电信号探测装置及方法，用以解决现有技术中存在精度差，对特定区域不适用的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种特定区域无线电信号探测装置，其特征在于，包括以下部件：

信号探测单元，用于对特定区域内的无线电信号进行探测；所述信号探测单元包括主机、副机以及与主机和副机分别连接进行信号控制、运算，通过两路信号强弱对比，区分区域内外的控制器，所述的主机与副机之间由控制器同步控制并进行数据传输；

主天线通过对各方向信号进行感应接收并通过耦合器与主机连接，所述主天线是设于检测区域内且均匀分布在检测区域内的一条以上的天线合路；

副天线通过对各方向信号进行感应接收并通过耦合器与主机连接，所述副天线是设于检测区域外且均匀分布在检测区域外的一条以上的天线合路。

可选地，所述主机和副机，包含有射频接收模块以及基带处理及控制辅助模块，完成信道处理，包括同步、解括、解调、译码、去交织、去扰以及协议分析、网络交换控制分析，以及对分析出来的信号进行测向算法的处理。

可选地，所述射频接收模块包括依次连接的射频预选器、射频放大器、第一混频器、中频带通滤波器、第一中频放大器、第二混频器和选频滤波器，其中第一混频器和第二混频器之间连接有扫频本振源，且所述射频接收模块作为独立的功能模块，内建高速微控制器，通过高速串行总线和基带处理及控制辅助模块进行通信。

可选地，所述基带处理及控制辅助模块由两张电路板卡组合而成，该模块主要包含：负责对模拟基带信号进行采样及处理的基带信号处理单元；负责与上位机通信、完成设备监控管理的控制管理单元；负责整个平台供电的电源单元，基带信号处理单元包括依次连接的高速模数转换电路、大规模可编程逻辑电路及高速数字信号处理器；高速模数转换电路完成对射频接收模块输出的基带信号进行抗混叠滤波和数字化采样；其包括依次连接的抗混叠滤波电路、模数转换电路，模数转换电路上连接有采样频率发生器，在高速数字信号处理器上连接有控制辅助单元微控制器其运行嵌入式Linux系统，用于管理平台的外部通信接口和设备状态的监控，通过以太网口与上位机的通信交互，对外部控制命令或消息进行解析或转发给数字信号处理器，实现上位机对射频硬件的控制、模块硬件状态的查询、信号处理结果的上报，电源单元负责外部输入电源的调理、隔离及滤波，产生适于各个功能单元的低噪声直流电源，完成模拟基带或中频信号的数字化采样，根据特定算法进行相应的实时或非实时信号分析处理，并将结果上传至主控站或者在系统存储。

可选地，所述控制器对基带处理及控制辅助模块发出的指令进行解析，将其转化为相应的硬件控制动作，实现信号处理单元对射频硬件的控制，同时对于快速扫频应用，控制器还负责直接控制宽带频率综合器完成自主扫频设置。

基于同样的发明构思，本发明第二方面提供了一种特定区域无线电信号探测方法，其特征在于，所述方法包括：

控制器同时接收主机和副机的无线电信号，通过同步分析后，对比信号强弱，区分区域内外。

可选地，所述同步分析主机和估计的同步采集方法包括：主机需等待副机准备完成后，统一下达“开始扫描”指令，然后主、副机同时完成一帧采样，并停止，待双方均完成处理并准备完毕后，继续“扫描”。

可选地，所述方法包括：主机信号强度大于副机信号强度，确定无线电信号在区域内；主机信号强度小于副机信号强度，确定无线电信号在区域外。如果无线电信号在区域内，报警；如果无线电信号在区域外，自动排除对该信号的探测。

基于同样的发明构思，本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现以下步骤：

主机信号强度大于副机信号强度，确定无线电信号在区域内；主机信号强度小于副机信号强度，确定无线电信号在区域外，如果无线电信号在区域内，报警；如果无线电信号在区域外，自动排除对该信号的探测。

基于同样的发明构思，本发明第四方面提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

主机信号强度大于副机信号强度，确定无线电信号在区域内；主机信号强度小于副机信号强度，确定无线电信号在区域外，如果无线电信号在区域内，报警；如果无线电信号在区域外，自动排除对该信号的探测。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本实施例中结构简单，能够快速区分出无线电信号在区域内还是区域外，捕获成功率高，漏报虚报少；同时采用高精度区域内外同步、高速采样、多阈值实时对比分析；采用全带宽扫描、大数据存储、历史数据分析的模式，操作复杂性低，软件和数据处理人性化设计，结合上述优点，本实施例还具有以下优点：

1.可快速完成无线电信号的探测捕获。

2.可通过选择探测距离实现监管范围的控制，有效防止误报。

3.监测方式灵活，支持全频段监测(20MHz-3.6GHz)、重点频段监测以及重点业务监测等多种监测方式；可有选择的对其它无线电信号进行探测捕获，如无线对讲装置、窃听器、专用通信电台等。

4.支持多种信号采集和报警触发模式，如能量、时间、占用度等。

5.支持信号库功能，可对场所的已知信号频点进行标定，方便重复检测。

6.可实现FM、AM信号的解调，具有音频还原功能。

7.支持《中华人民共和国无线电频率划分规定》，可对各个频段功能进行显示，方便场所首次检测时的未知信号排查。

8.支持网络分布式布设方式，通过监测终端计算机对所有监测站点的数据进行实时采集和分析，扩展无线电信号的监管范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实施例中一种特定区域无线电信号探测装置及方法结构示意图；

图2是本实施例中射频接收模块的结构示意图；

图3是本实施例中基带处理及控制辅助模块的结构示意图；

图4是本实施例中同步技术原理示意图；

图5是本实施例中计算机设备的结构图；

图6是本实施例中天线具体布线结构图。

附图标记中：1.信号探测单元；2.主机；3.副机；4.控制器；5.耦合器；6.耦合器；7.主天线；8.副天线；9.计算机；10.射频接收模块；11.基带处理及控制辅助模块；12.射频预选器；13.射频放大器；14.第一混频器；15.中频带通滤波器；16.第一中频放大器；17.第二混频器；18.扫频本振源；19.高速微控制器；20.选频滤波器；21.基带信号处理单元；22高速模数转换电路；23.大规模可编程逻辑电路；24.高速数字信号处理器；25.抗混叠滤波电路；26.模数转换电路；27.采样频率发生器；28.控制辅助单元微控制器；29.电源单元；601.存储器；602.处理器；603.计算机程序。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供了一种特定区域无线电信号探测装置，请参考图1-3，所述装置包括：

信号探测单元，用于对特定区域内的无线电信号进行探测；所述信号探测单元包括主机、副机以及与主机和副机分别连接进行信号控制、运算，通过两路信号强弱对比，区分区域内外的控制器，所述的主机与副机之间由控制器同步控制并进行数据传输；

主天线通过对各方向信号进行感应接收并通过耦合器与主机连接，所述主天线是设于检测区域内且均匀分布在检测区域内的一条以上的天线合路；

副天线通过对各方向信号进行感应接收并通过耦合器与主机连接，所述副天线是设于检测区域外且均匀分布在检测区域外的一条以上的天线合路。

所述主机和副机，包含有射频接收模块以及基带处理及控制辅助模块，完成信道处理，包括同步、解括、解调、译码、去交织、去扰以及协议分析、网络交换控制分析，以及对分析出来的信号进行测向算法的处理。

所述射频接收模块包括依次连接的射频预选器、射频放大器、第一混频器、中频带通滤波器、第一中频放大器、第二混频器和选频滤波器，其中第一混频器和第二混频器之间连接有扫频本振源，且所述射频接收模块作为独立的功能模块，内建高速微控制器，通过高速串行总线和基带处理及控制辅助模块进行通信。

本实施例采用了软件无线电技术体系中宽带中频处理方案，对射频进行多次下变频并经过带通滤波器形成一个20MHz带宽的中频信号，对其进行A/D变换后，结合软件无线电技术，在DSP进行数字中频处理，包括FFT变换以及解调等工作。这样可以较大幅度地提高监测设备的性能指标并扩展了其监测功能，同时也降低了成本，最终可以实现低成本的接收机完成高档监测设备才具备的功能。

如图2所示，射频接收模块说明

外部射频信号经平台“射频输入(RFInput)”端口进入接收机，首先要经过射频预选器，进行滤波，滤除掉接收频带以外的高功率阻塞信号和镜像干扰信号，防止在后级射频放大器中出现饱和“阻塞”现象，在混频处理中出现镜像干扰现象。作为基本配置，各个频带档位的射频预选器默认都为低通滤波器。在电子对抗等复杂电磁环境下，带内的高功率信号值得关注。这些信号会导致接收机阻塞，影响正常接收。为了解决上述问题，该本实施例提供射频射频预选器定制化设计服务。可根据客户需求，提供符合指标的“可调带通滤波器阵列”替代低通预选器，以实现带内高功率阻塞信号的抑制。

射频预选器的输出信号，会进入射频可变增益放大器，完成必要的信号幅度调理。由于，射频接收机整体噪声性能主要由前级放大器的噪声系数所决定。此处的可变增益放大器将主要决定接收机的噪声性能。此放大器可设置为高增益低噪声放大模式，以获得最佳噪声性能，完成对极微弱射频信号的最佳接收；同时，该级增益调整，还保证信号在进入第一混频器时具有最佳的混频电平。

混频主要完成将宽频带内的射频信号下变频搬移到较低频率的中频(基带)信号。具体过程因各频带档位不同而稍有差异，但均采样两级混频结构。第一级混频器在宽频率跨度本振的配合下，将射频信号搬移到固定的第一中频通道。在该通道会进行信道滤波和放大，完成超外差的窄带接收过程。第一中频所处频带较高(>3.6GHz)，无法在保证足够性能的前提下做数字化采样处理，需要进一步下变频。第二级混频器会重复与第一混频器类似的处理过程，负责将第一中频信号下变频。第二中频通道输出信号的中心频率小于35MHz，可作为基带信号直接送入基带信号处理单元，完成数字化采样。为了便于搭接第三方基带处理设备，第二中频通道配置了信道化滤波和用户可设的增益调整能力。滤波主要针对混频杂散产物、本振泄露等不必要信号；增益调整目的在于为后继模数转换器提供足够的采样信号幅度，保证转换过程有足够的信噪比。

射频接收作为独立的功能模块，内建高速微控制器，通过高速串行总线和基带信号处理单元进行通信。微控制器对基带信号处理单元发出的指令进行解析，将其转化为相应的硬件控制动作，实现信号处理单元对射频硬件的控制。对于快速扫频应用，微控制器还负责直接控制宽带频率综合器完成自主扫频设置。

高速模数转换电路完成对射频接收模块输出的基带(中频)信号进行抗混叠滤波和数字化采样。原始采样数据的最高采样速率可达100MHz，精度高达14bit。为了配合特定的用户需求，采样频率发生电路能在一定范围内以1Hz的精度进行调节，经FPGA做数字下变频后输出基带矢量(I/Q)信号，以简化后级数字信号处理过程。

出于实时性的考虑，模数转换电路28输出的数字采样数据将由大规模可编程逻辑(FPGA)电路直接完成收集，采样频率发生器和采样收集的过程受高速数字信号处理器(DSP)控制，可以通过对DSP的编程，完成特定采样率、特定时刻、特定点数的采样。对于最终收集到的采样数据，DSP通过与FPGA之间的高速本地总线，以DMA方式读取到DSP的片外大容量内存，以便进行更进一步的处理。

图3

所述基带处理及控制辅助模块由两张电路板卡组合而成，该模块主要包含：负责对模拟基带信号进行采样及处理的基带信号处理单元；负责与上位机通信、完成设备监控管理的控制管理单元；负责整个平台供电的电源单元，基带信号处理单元包括依次连接的高速模数转换电路、大规模可编程逻辑电路及高速数字信号处理器；高速模数转换电路完成对射频接收模块输出的基带信号进行抗混叠滤波和数字化采样；其包括依次连接的抗混叠滤波电路、模数转换电路，模数转换电路上连接有采样频率发生器，在高速数字信号处理器上连接有控制辅助单元微控制器其运行嵌入式Linux系统，用于管理平台的外部通信接口和设备状态的监控，通过以太网口与上位机的通信交互，对外部控制命令或消息进行解析或转发给数字信号处理器，实现上位机对射频硬件的控制、模块硬件状态的查询、信号处理结果的上报，电源单元负责外部输入电源的调理、隔离及滤波，产生适于各个功能单元的低噪声直流电源。完成模拟基带或中频信号的数字化采样，根据特定算法进行相应的实时或非实时信号分析处理，并将结果上传至主控站或者在系统存储。

基带处理及控制辅助模块11由两张电路板卡组合而成，板卡放置于金属屏蔽盒中构成独立的功能单元。其核心电路是高性能的宽带超外差接收机，如下图。根据接收能力分为两个档位：20MHz-1.5GHz、20MHz-3.6GHz。

可选地，所述控制器对基带处理及控制辅助模块发出的指令进行解析，将其转化为相应的硬件控制动作，实现信号处理单元对射频硬件的控制，同时对于快速扫频应用，控制器还负责直接控制宽带频率综合器完成自主扫频设置。实现全频带(20MHz-3000MHz)的快速扫描，扫描速度可达10GHz/s(@RBW＝25kHz),满足了对瞬态信号进行无缝捕获的需求。

实施例二

本发明提供了一种特定区域无线电信号探测方法，其特征在于，所述方法包括：

控制器同时接收主机和副机的无线电信号，通过同步分析后，对比信号强弱，区分区域内外。

可选地，所述同步分析主机和估计的同步采集方法包括：主机需等待副机准备完成后，统一下达“开始扫描”指令，然后主、副机同时完成一帧采样，并停止，待双方均完成处理并准备完毕后，继续“扫描”。

可选地，所述方法包括：主机信号强度大于副机信号强度，确定无线电信号在区域内；主机信号强度小于副机信号强度，确定无线电信号在区域外。如果无线电信号在区域内，报警；如果无线电信号在区域外，自动排除对该信号的探测。

本实施例还公开了一种特定区域无线电信号探测的方法，其特征在于，基于上述宽中频软件无线电接收机技术，为达到小间隔全频段快速扫描的目标，故采用如下方法进一步提高速度：

(1)快速频谱评估算法

按照多门限设定、等时间间隔抽样、保存中间计算结果、同步分析计算、实时上报结果的流程，在此流程中使用了抽样原理、概率统计、回归分析、极小覆盖法等数理算法，可以极大的提高频谱评估分析的速度，满足实时测量系统的需要，在硬件运算、结果上报中利用FPGA以及DSP对原始数据进行相应业务逻辑计算，让硬件处理单元根据指定方案完成预处理工作，处理参数可由上位机下发修改，最后将处理结果数据上报给上位机，在同步分析计算时首先要选取一高稳时钟源作为同步触发信号，通过长距离屏蔽线连接，为减少连接线中的干扰，采取比较可靠的电平同步方式。设置主、从接收机，同步流程结构是：主接收机收到同步准备指令后处理等待状态，循环检测从接收机的触发脉冲；从接收机收到同步扫描指令后，在扫描的同时传给主接收机触发脉冲，主机收到后完成一次扫描，并等待下一次触发信号；在完成同一次触发后，两接收机各自上报加入时间戳的数据，主机会将传输延时扣除。

实施例三

为了便于说明，图5仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参照本发明实施例方法部分。一种计算机设备，包括存储器601、处理器602及存储在存储器601上并能够在处理器602上运行的计算机程序603，所述处理器602执行所述程序时实现以下步骤其中，存储器601用于存储软件程序以及模块，处理器602通过运行执行存储在存储器601的软件程序以及模块，从而执行移动终端的各种功能应用以及数据处理。存储器601可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据计算机设备的使用所创建的数据等。处理器602移动通信终端的控制中心，利用各种接口和线路连接整个移动通信终端的各个部分，通过运行或执行存储在存储器601内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器601内的数据，执行移动终端机的各种功能和处理数据，从而对移动终端机进行整体监控。可选的，处理器602可包括一个或多个处理单元。

实施例四

如图6所示，在具体工作时，将区域内实心三角形天线合路，组成主天线，将区域外空心三角形天线合路，组成副天线，分别接到主、副机，由控制器进行信号控制、运算，通过两路信号强弱对比，区分区域内外。

实施例二中的特定区域无线电信号探测的方法的各种变化方式和具体实例同样适用于本实施例的计算机设备，通过前述对特定区域无线电信号探测的方法的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中的计算机设备，所以为了说明书的简洁，在此不再详述。

Claims (9)

1.一种特定区域无线电信号探测装置，其特征在于，包括以下部件：

信号探测单元(1)，用于对特定区域内的无线电信号进行探测；所述信号探测单元(1)包括主机(2)、副机(3)以及与主机(2)和副机(3)分别连接进行信号控制、运算，通过两路信号强弱对比，区分区域内外的控制器(4)，所述的主机(2)与副机(3)之间由控制器(4)同步控制并进行数据传输；

主天线(7)通过对各方向信号进行感应接收并通过耦合器(5)与主机(2)连接，所述主天线(7)是设于检测区域内且均匀分布在检测区域内的一条以上的天线合路；

副天线(8)通过对各方向信号进行感应接收并通过耦合器(6)与副机(3)连接，所述副天线(8)是设于检测区域外且均匀分布在检测区域外的一条以上的天线合路。

2.根据权利要求1所述的一种特定区域无线电信号探测装置，其特征在于，所述主机(2)和副机(3)，包含有射频接收模块(10)以及基带处理及控制辅助模块(11)，完成信道处理，包括同步、解括、解调、译码、去交织、去扰以及协议分析、网络交换控制分析，以及对分析出来的信号进行测向算法的处理。

3.根据权利要求2所述的一种特定区域无线电信号探测装置，其特征在于，所述射频接收模块(10)包括依次连接的射频预选器(12)、射频放大器(13)、第一混频器(14)、中频带通滤波器(15)、第一中频放大器(16)、第二混频器(17)和选频滤波器(20)，其中第一混频器(14)和第二混频器(17)之间连接有扫频本振源(18)，且所述射频接收模块(10)作为独立的功能模块，内建高速微控制器(19)，通过高速串行总线和基带处理及控制辅助模块(11)进行通信。

4.根据权利要求2所述的一种特定区域无线电信号探测装置，其特征在于，所述基带处理及控制辅助模块(11)由两张电路板卡组合而成，该模块主要包含：负责对模拟基带信号进行采样及处理的基带信号处理单元(21)；负责与上位机通信、完成设备监控管理的控制管理单元；负责整个平台供电的电源单元(29)，基带信号处理单元(21)包括依次连接的高速模数转换电路(22)、大规模可编程逻辑电路(23)及高速数字信号处理器(24)；高速模数转换电路(22)完成对射频接收模块(10)输出的基带信号进行抗混叠滤波和数字化采样；其包括依次连接的抗混叠滤波电路(25)、模数转换电路(26)，模数转换电路(26)上连接有采样频率发生器(27)，在高速数字信号处理器(24)上连接有控制辅助单元微控制器(28)其运行嵌入式Linux系统，用于管理平台的外部通信接口和设备状态的监控，通过以太网口与上位机的通信交互，对外部控制命令或消息进行解析或转发给数字信号处理器，实现上位机对射频硬件的控制、模块硬件状态的查询、信号处理结果的上报，电源单元(29)负责外部输入电源的调理、隔离及滤波，产生适于各个功能单元的低噪声直流电源。

5.根据权利要求2所述的一种特定区域无线电信号探测装置，其特征在于，所述控制器(4)对基带处理及控制辅助模块(11)发出的指令进行解析，将其转化为相应的硬件控制动作，实现信号处理单元对射频硬件的控制，同时对于快速扫频应用，控制器(4)还负责直接控制宽带频率综合器完成自主扫频设置。

6.一种特定区域无线电信号探测方法，其特征在于，所述方法包括：

控制器(4)同时接收主机(2)和副机(3)的无线电信号，通过同步分析后，对比信号强弱，区分区域内外。

7.根据权利要求6所述的一种特定区域无线电信号探测方法，其特征在于，所述方法包括：主机(2)信号强度大于副机(3)信号强度，确定无线电信号在区域内；主机(2)信号强度小于副机(3)信号强度，确定无线电信号在区域外，如果无线电信号在区域内，报警；如果无线电信号在区域外，自动排除对该信号的探测。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现以下步骤：

主机(2)信号强度大于副机(3)信号强度，确定无线电信号在区域内；主机信号强度小于副机信号强度，确定无线电信号在区域外，如果无线电信号在区域内，报警；如果无线电信号在区域外，自动排除对该信号的探测。

9.一种计算机设备，包括存储器(601)、处理器(602)及存储在存储器(601)上并能够在处理器(602)上运行的计算机程序(603)，其特征在于，所述处理器(602)执行所述程序时实现以下步骤：

主机(2)信号强度大于副机信号强度，确定无线电信号在区域内；主机信号强度小于副机(3)信号强度，确定无线电信号在区域外，如果无线电信号在区域内，报警；如果无线电信号在区域外，自动排除对该信号的探测。