CN110110683A - 一种便携式频谱监测设备及其预处理信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式频谱监测设备及其预处理信号检测方法，属于卫星通信和信号处理技术领域，包含信号接收处理单元、结构支撑单元和设备供电单元和上层应用软件模块；接收天线接收天通一号卫星信号通过射频电缆输入信号低噪声放大滤波模块对信号进行放大滤波，通过射频电缆将已被放大滤波信号输入信号处理模块，对输入信号进行阻抗匹配、放大、滤波、模数转换等处理，然后进入信号处理模块。利用核心算法对接收到的监测数据进行处理和分析。通过有线网络或无线网络推送至上层应用软件。能实现对天通一号卫星频谱资源的实时监测，显示和保存卫星的频谱图，自动识别信号参数，发现干扰或异常能及时告警。

Description

一种便携式频谱监测设备及其预处理信号检测方法

技术领域

本发明属于卫星通信和信号处理技术领域，尤其涉及一种便携式频谱监测设备及其预处理信号检测方法。

背景技术

天通一号卫星移动通信系统是我国自主研制建设的第一个卫星移动通信系统。作为天通一号卫星移动通信系统核心的天通一号通信卫星，拥有109个国土点波束，实现了对我国领土、领海、一岛链以内区域的连续覆盖；同时，还有两个海域波束，能够覆盖太平洋西部(二岛链内)和印度洋北部(孟加拉湾、安达曼海)。

由于通信卫星的功率和频率资源十分珍贵，必须要充分利用各种手段提高卫星资源的利用率。卫星频谱监测设备可以实时监测通信卫星的运行状态，获取卫星功率和频谱资源的使用情况，发现干扰及时告警，对于提高通信卫星的资源利用率，提升系统运行管理水平具有重要意义。由于天通一号通信卫星采用点波束覆盖，对于不能设置固定式卫星频谱监测设备的偏远和海上波束，需要一种便携式监测手段，能够在需要时对指定区域实施现场监测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种便携式频谱监测设备及其预处理信号检测方法，能实现对天通一号卫星频谱资源的实时监测，显示和保存卫星的频谱图，自动识别信号参数，发现干扰或异常能及时告警。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种便携式频谱监测设备，包含信号接收处理单元、结构支撑单元和设备供电单元和上层应用软件模块；

所述信号接收处理单元包含接收天线、信号低噪声放大滤波模块、信号处理模块；

其中，接收天线，用于接收卫星信号；

信号低噪声放大滤波模块，用于对接收的卫星信号进行放大滤波处理；

信号处理模块，用于对输入信号进行滤波放大，正交下变频，模数转换；

结构支撑单元，用于保证设备整体支撑结构的气密性、电磁兼容性和环境适应性；

设备供电单元包含锂电池模块和电源管理模块；

其中，锂电池模块，用于设备无外接电源时为设备工作提供电力；

电源管理模块，用于为设备工作提供稳定的电压，并为锂电池模块提供充电通路，使设备工作时优先使用外部电源，在外部供电和锂电池供电之间实现无缝切换；

上层应用软件模块，用于完成信号的可视化显示、存储及参数识别。

作为本发明一种便携式频谱监测设备的进一步优选方案，所述接收天线的灵敏度为-110dBm。

作为本发明一种便携式频谱监测设备的进一步优选方案，所述信号低噪声放大滤波模块型号为LNA-2185-30，增益50dB。

作为本发明一种便携式频谱监测设备的进一步优选方案，所述信号处理模块采用赛灵思Zynq-7000系列All Programmable SoC处理芯片。

一种基于便携式频谱监测设备的预处理信号检测方法，具体包含如下两部分：

1)基于分段扫描的双通道联合频谱数据获取方法，用于负责获取宽带信号的频谱；具体如下：

2)基于时频分析和形态学预处理的非合作通信信号检测方法：在变换域中处理信号，用于消除或减轻噪声、干扰对信号检测和识别的影响。

作为本发明一种便携式频谱监测设备的预处理信号检测方法的进一步优选方案，基于分段扫描的双通道联合频谱数据获取方法，具体如下：

扫描通道工作在扫描状态：通过频率扫描和频谱拼接的方式快速获取信号的频谱轮廓，分析的信号带宽较宽，并能识别出强干扰；

驻留通道工作在驻留状态：对异常信号频段进行连续监测，获取较精确的信号频谱数据，分析的信号带宽较窄，谱分析的分辨率较高，能更准确地识别信号参数，检测出异常信号；

作为本发明一种便携式频谱监测设备的预处理信号检测方法的进一步优选方案，基于时频分析和形态学预处理的非合作通信信号检测方法，具体如下：

步骤1，采用基于形态学的频谱数据滤波技术对频谱数据进行滤波处理：

步骤2，时频图生成：

步骤2.1，设接收到的信号x(t)长度为L，将x(t)分为长度相同的n帧，对每一帧做2m点FFT运算，计算出每一帧的频谱数据，由于对称性，取每帧频谱数据的一半即可，得到n帧m点的频谱数据；

步骤2.2，对于第一帧频谱，幅度越大的点对应越接近红色的像素点；幅度越小的点对应越接近蓝色的像素点，即可得到m个不同RGB值的像素点；将第一帧的像素点按顺序排列成m行1列，这m行1列像素点即对应时频图中第一列的像素点；

步骤2.3，重复步骤22，确定剩下的n-1帧的像素点的色度值，按照时间顺序，第二帧到第n帧像素点分别对应时频图的第二列到第n列像素点，则得到了有m行n列像素点的时频图；

步骤2.3，时频图预处理：

根据形态学理论，利用信号与噪声、干扰在时频图上的形状差异，对消除底噪起伏影响后生成的时频图进行非线性处理，保持所需图形的基本特性，去除不相干的结构，以克服各种噪声和干扰对检测的影响，可将时频图看作二维图像来处理；

步骤2.4，完成信号检测和多址方式识别。

作为本发明一种便携式频谱监测设备的预处理信号检测方法的进一步优选方案，所述步骤2.3具体步骤如下：

步骤2.31，将时频图黑白化；

步骤2.32，进行二值化处理实现图像分割，以简化数据处理，便于后续的信号检测，图像的二值化处理就是将图像上的点的灰度置为0或255，即使整个图像呈现出明显的黑白效果；即将256个亮度等级的灰度图像通过适当的阀值选取而获得仍然可反映图像整体和局部特征的二值化图像；阈值的选取原则是在保留目标信号时频分布集中的时频点前提下，并尽量去除噪声的分散时频点；

步骤2.33，对二值化后的时频图进行闭运算处理，根据信道环境和信号特征等先验知识，设置相应的预处理参数。

作为本发明一种便携式频谱监测设备的预处理信号检测方法的进一步优选方案，所述步骤2.4具体如下：

经过二值化和形态学与预处理后的时频图去除了大部分的噪声，只留下有用信号，且谱图中的空洞被填满，谱图中只存在灰度值为0和灰度值为255的像素点；可通过对时频图的黑色像素进行搜索，并对黑色像素的分布情况进行分析，即可判断有无信号存在；通过对黑色像素的连续性进行分析，则可识别信号的多址方式。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

发明了一款适合天通一号卫星移动通信系统的便携式频谱监测设备。设备可监测频段为2.17GHz～2.2GHz，覆盖了整个天通一号卫星移动通信系统前向链路的工作频段，可对天通一号卫星移动通信系统前向链路的频谱使用情况进行实时监测，分析频段内信号功率、带宽、中心频率等参数，能够统计卫星频谱资源的利用情况，以及信号在时间、频率和能量上的分布规律，为有效利用天通一号卫星移动通信系统的频谱资源提供了有力的支持。同时上层应用软件可运行于安卓手机和平板电脑，方便携带和操作

附图说明

图1-1是本发明信号接收处理单元工作流程图；

图1-2是本发明供电单元工作原理图；

图1-3是本发明支撑结构单元简图；

图2-1是本发明基于分段扫描的双通道联合频谱获取架构图；

图2-2是本发明宽带信号接收与处理模块实现框图；

图2-3是本发明基于时频分析和形态学预处理的非合作通信信号检测算法流程图；

图2-4是本发明时频图生成方法原理图；

图2-5是本发明时频检测及多址方式识别正确率；

图3-1是本发明嵌入式核心服务软件逻辑模块结构图；

图3-2是本发明客户端软件逻辑模块结构设计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明设备实现了对天通一号移动通信系统的频谱资源实时监视，频谱数据处理。

设备由三部分组成：硬件平台，数据处理算法，上层应用软件。

通过改变设备的天线俯仰与方位实现设备接收天通一号卫星信号，天线灵敏度为-110dBm。信号由射频线传输至低噪声放大模块进行信号放大，该模块型号为LNA-2185-30，增益50dB。放大后信号通过射频线传输至信号处理硬件平台，该处理开发平台采用GPPA(通用处理平台架构)技术，采用赛灵思Zynq-7000系列All Programmable SoC(基于双核ARM+FPGA架构)处理芯片，完成系统控制与基带信号处理功能；采用ADI公司高性能收发器AD9361芯片实现射频及基带前端处理功能；对外数据交互通过千兆网口。该平台拥有超宽带射频处理能力。

信号在硬件平台完成以下处理：阻抗匹配-低噪声放大、滤波、调幅、幅度平衡-正交下变频至基带信号。

数据处理算法对硬件处理平台所产生的基带信号进行频谱获取，干扰识别。

上层应用软件将数据处理算法的数据进行整理并显示。

核心算法有：基于分段扫描的双通道联合频谱数据获取算法、基于时频分析和形态学预处理的非合作通信信号检测算法。

上层应用软件：软件可运行于安卓系统手机终端及具备Java环境的计算机主机，实现当前监视频段频谱图与信号分析结果的呈现、提供相应操作接口，可根据用户操作完成监视计划的变更、回放模式切换等功能。运行上层应用软件的手机或电脑通过WiFi或网线与硬件平台实现信息交互。

设备工作流程：接收天线接收天通一号卫星信号通过射频电缆输入信号低噪声放大滤波模块对信号进行放大滤波，通过射频电缆将已被放大滤波信号输入信号处理模块，通过设备内的嵌入式系统配置系统参数对输入信号进行阻抗匹配、放大、滤波、模数转换等处理，然后进入信号处理模块。在信号处理模块中，利用核心算法对接收到的监测数据进行处理和分析。完成处理的数据，通过有线网络或无线网络推送至上层应用软件。上层应用软件是运行在手机、电脑上的JAVA程序，完成数据可视化显示、存储及参数识别等任务。

一、硬件平台实施方式

如图1-1所示信号接收处理单元工作流程图。2.17～2.20GHz频率范围内的天通一号卫星信号先由平板天线接收，经过射频放大滤波，输入到信号处理模块，然后进行模数转换和数字信号处理，获得频谱数据，再通过无线或有线连接方式发送至上层应用软件，在客户端完成卫星信号的显示、存储和参数识别。

如图1-2所示供电单元工作原理图。当外部输入+9～+15V直流电压时，在电源管理模块中实现同时给锂电池模块充电和向设备提供+12V直流工作电压的功能。当无外部供电时，由锂电池模块向设备提供+12V直流工作电压。

如图1-3所示支撑结构单元简图。当天线未展开时，设备包络尺寸为206*206*57mm，重量≤2kg。做到既便于携带，又能便于天线展开和提供丰富的对外接口。

上层应用软件具备以下功能：

a)具备天通一号卫星前向链路信号分析能力，分析频率范围2.17-2.2GHz；

b)信号分辨率优于1kHz；

c)频谱刷新时间不大于1秒；

d)具备信号参数自动识别功能，针对当前监视频段内的信号给出信号类型、功率、信噪比、中心频率及带宽等参数；

e)具备监视计划配置能力，通过更改监视波束确定监视计划的监视范围；

f)具备监视数据存储功能，存储能力大于100天；

g)具备频谱监视数据回放能力，回放具备快进、倒退及暂停功能；

具备向上级管理中心上传频谱数据的能力。

二、设备核心算法具体实施方式

2.1一种基于分段扫描的双通道联合频谱数据获取算法

宽带信号频谱获取算法是卫星移动通信系统频谱监测设备的关键技术。实际应用中，通常采用快速傅立叶变换(FFT)算法来获取信号的频谱。信号的频谱分析精度受FFT点数的影响。受硬件实现复杂度的限制，实际应用中能够实现的FFT点数是有限的，导致在实际的宽带信号频谱分析中难以获得足够高的分辨率。为解决硬件受限条件下宽带信号频谱获取和高分辨率频谱分析之间的矛盾，本设备设计采用了一种基于分段扫描的双通道(即扫描通道和驻留通道)联合频谱获取方法，其架构如图2-1所示。

其中扫描通道工作在扫描状态，通过频率扫描和频谱拼接的方式快速获取信号的频谱轮廓，分析的信号带宽较宽，并能识别出强干扰；驻留通道工作在驻留状态，对异常信号频段进行连续监测，获取比较精确的信号频谱数据，分析的信号带宽较窄，谱分析的分辨率较高，能更准确地识别信号参数，检测出异常信号。

为确保信号接收处理模块的功能可扩展性和软件可升级性，采用了DSP+FPGA的硬件设计架构。其中，FPGA主要完成信号的高速并行处理，包括信号的预处理、FFT算法、时频分析算法等，而DSP主要完成灵活度较高的信号参数实时估计和调制识别等算法。其硬件实现框图如图2-2所示。

2.2一种基于时频分析和形态学预处理的非合作通信信号检测算法

信号预处理的目的是通过对信号原始数据的变换，消除或减轻噪声、干扰对信号检测和识别的影响，以利于准确检测异常并识别信号参数。由于卫星通信应用环境的多样性和复杂性，导致信号持续时间不一，噪声基底起伏较大，对信号检测带来不利影响。因此，本设备设计了一种基于时频分析和形态学预处理信号检测算法，其流程图如图2-3所示，关键步骤是时频图生成和形态学预处理。

1.频谱数据滤波处理

由于卫星通信频带范围内噪声基底的不同会对信号的判决造成偏差，尤其可能对噪底较高的有用小信号造成误判，因此需要在进行判决前对信号频域数据进行预处理，以消除噪底起伏的影响，本设备采用了基于形态学的频谱数据滤波技术。

2.时频图生成

1)设接收到的信号x(t)长度为L，将x(t)分为长度相同的n帧，对每一帧做2m点FFT运算，计算出每一帧的频谱数据，由于对称性，取每帧频谱数据的一半即可，得到n帧m点的频谱数据。

2)对于第一帧频谱，幅度越大的点对应越接近红色的像素点；幅度越小的点对应越接近蓝色的像素点，即可得到m个不同RGB值的像素点。将第一帧的像素点按顺序排列成m行1列，这m行1列像素点即对应时频图中第一列的像素点。

3)重复步骤2)的画法，确定剩下的n-1帧的像素点的色度值，按照时间顺序，第二帧到第n帧像素点分别对应时频图的第二列到第n列像素点。这样就得到了有m行n列像素点的时频图，如图2-4所示。

用此方法画出的时频图，聚集性好，对噪声不敏感且没有交叉干扰，且对信号的强弱及带宽显示清晰。

3.时频图预处理

根据形态学理论，利用信号与噪声、干扰在时频图上的形状差异，对消除底噪起伏影响后生成的时频图进行非线性处理，保持所需图形的基本特性，去除不相干的结构，以克服各种噪声和干扰对检测的影响。

可将时频图看作二维图像来处理。具体步骤如下：

1)将时频图黑白化；

2)进行二值化处理实现图像分割，以简化数据处理，便于后续的信号检测。图像的二值化处理就是将图像上的点的灰度置为0或255，也就是使整个图像呈现出明显的黑白效果。即将256个亮度等级的灰度图像通过适当的阀值选取而获得仍然可以反映图像整体和局部特征的二值化图像。阈值的选取原则是在保留目标信号时频分布集中的时频点前提下，并尽量去除噪声的分散时频点；

3)对二值化后的时频图进行闭运算处理，根据信道环境和信号特征等先验知识，设置相应的预处理参数。经过闭运算后的频谱图中空洞被填补，大大降低了对频谱图的分析难度。

4.信号检测和多址方式识别

经过二值化和形态学与预处理后的时频图去除了大部分的噪声，只留下有用信号，且谱图中的空洞被填满，谱图中只存在灰度值为0(黑色，代表信号存在)和灰度值为255(白色，代表无信号)的像素点。可通过对时频图的黑色像素进行搜索，并对黑色像素的分布情况进行分析，即可判断有无信号存在。通过对黑色像素的连续性进行分析，则可识别信号的多址方式。本设备只完成FDMA信号和TDMA信号的识别，FDMA信号在时间上连续，而TDMA信号在时间上是不连续的，因此，黑色像素在时间上不间断的识别为FDMA信号，在时间上有规律间断的识别为TDMA信号。

仿真参数如下：载波频率f_c＝1000kHz，比特速率f_b＝100kbps，在信噪比为1-10dB条件下对算法检测精度及多址方式识别正确率分别进行500次独立仿真测试，其中频谱图生成参数m取2048。

由图2-5可知，当信噪比大于2dB时，检测的正确率大于99％，当信噪比大于3dB时，多址方式识别正确率大于99％，仿真证明了该方法的有效性。

三、设备上层应用软件具体实施方式

设备上层应用软件的设计实现主要有两大部分构成。

1.嵌入式核心服务软件

嵌入式核心服务软件使用C/C++语言编写，交叉编译后部署于ARM中，运行于Linux环境下，完成通道参数配置、计划调度、实现频谱数据与信号分析数据的获取、实现网络通信接口与客户端软件完成信息交互。

如图3-1所示。嵌入式核心服务软件的流程为：参数配置模块初始化所有参数后与通道控制模块共同等待接受线程调度模块指令，用户操作客户端软件后，指令通过网络通信模块经由调度模块控制参数配置与通道控制模块完成对数据通道的配置，数据处理模块根据相关指令，完成数据通道上报的频谱数据与信号分析数据的处理，交由网络通信模块发送至客户端软件。

2.客户端软件

手机客户端软件可运行于安卓系统手机终端，计算机客户端软件运行于具备Java环境的主机，实现当前监测频段内信号频谱图与分析结果的呈现、存储并提供相应操作接口，可根据用户操作完成监测计划的变更、回放模式切换等功能。利用WiFi或网线方式实现与嵌入式核心服务软件的信息交互。

如图3-2所示。客户端软件运行流程为：客户端软件网络通信模块使用UDP协议与嵌入式核心服务软件实现信息交互，通过线程调度模块完成各项子模块功能，频谱数据处理模块根据频谱数据完成谱线整形、底噪校正等功能。信号分析及告警处理模块完成信号分析结果的二次筛选，数据库服务负责存储频谱数据与信号分析结果，并为回放频谱监测数据与上报数据提供数据库服务支持，操作指令响应模块在界面上呈现为用户操作接口，将用户操作指令通过网络通信模块下发至嵌入式核心服务软件。

Claims (9)

1.一种便携式频谱监测设备，其特征在于：包含信号接收处理单元、结构支撑单元和设备供电单元和上层应用软件模块；

所述信号接收处理单元包含接收天线、信号低噪声放大滤波模块、信号处理模块；

其中，接收天线，用于接收卫星信号；

信号低噪声放大滤波模块，用于对接收的卫星信号进行放大滤波处理；

信号处理模块，用于对输入信号进行滤波放大，正交下变频，模数转换；

结构支撑单元，用于保证设备整体支撑结构的气密性、电磁兼容性和环境适应性；

设备供电单元包含锂电池模块和电源管理模块；

其中，锂电池模块，用于设备无外接电源时为设备工作提供电力；

电源管理模块，用于为设备工作提供稳定的电压，并为锂电池模块提供充电通路，使设备工作时优先使用外部电源，在外部供电和锂电池供电之间实现无缝切换；

上层应用软件模块，用于完成信号的可视化显示、存储及参数识别。

2.根据权利要求1所述的一种便携式频谱监测设备，其特征在于：所述接收天线的灵敏度为-110dBm。

3.根据权利要求1所述的一种便携式频谱监测设备，其特征在于：所述信号低噪声放大滤波模块型号为LNA-2185-30，增益50dB。

4.根据权利要求1所述的一种便携式频谱监测设备，其特征在于：所述信号处理模块采用赛灵思Zynq-7000系列All Programmable SoC处理芯片。

5.一种基于权利要求1至4所述的便携式频谱监测设备的预处理信号检测方法，其特征在于，具体包含如下两部分：

1)基于分段扫描的双通道联合频谱数据获取方法，用于负责获取宽带信号的频谱；具体如下：

2)基于时频分析和形态学预处理的非合作通信信号检测方法：在变换域中处理信号，用于消除或减轻噪声、干扰对信号检测和识别的影响。

6.根据权利要求5所述的一种便携式频谱监测设备的预处理信号检测方法，其特征在于，基于分段扫描的双通道联合频谱数据获取方法，具体如下：

扫描通道工作在扫描状态：通过频率扫描和频谱拼接的方式快速获取信号的频谱轮廓，分析的信号带宽较宽，并能识别出强干扰；

驻留通道工作在驻留状态：对异常信号频段进行连续监测，获取较精确的信号频谱数据，分析的信号带宽较窄，谱分析的分辨率较高，能更准确地识别信号参数，检测出异常信号。

7.根据权利要求5所述的一种便携式频谱监测设备的预处理信号检测方法，基于时频分析和形态学预处理的非合作通信信号检测方法，具体如下：

步骤1，采用基于形态学的频谱数据滤波技术对频谱数据进行滤波处理：

步骤2，时频图生成：

步骤2.1，设接收到的信号x(t)长度为L，将x(t)分为长度相同的n帧，对每一帧做2m点FFT运算，计算出每一帧的频谱数据，由于对称性，取每帧频谱数据的一半即可，得到n帧m点的频谱数据；

步骤2.2，对于第一帧频谱，幅度越大的点对应越接近红色的像素点；幅度越小的点对应越接近蓝色的像素点，即可得到m个不同RGB值的像素点；将第一帧的像素点按顺序排列成m行1列，这m行1列像素点即对应时频图中第一列的像素点；

步骤2.3，重复步骤22，确定剩下的n-1帧的像素点的色度值，按照时间顺序，第二帧到第n帧像素点分别对应时频图的第二列到第n列像素点，则得到了有m行n列像素点的时频图；

步骤2.3，时频图预处理：

根据形态学理论，利用信号与噪声、干扰在时频图上的形状差异，对消除底噪起伏影响后生成的时频图进行非线性处理，保持所需图形的基本特性，去除不相干的结构，以克服各种噪声和干扰对检测的影响，可将时频图看作二维图像来处理；

步骤2.4，完成信号检测和多址方式识别。

8.根据权利要求7所述的一种便携式频谱监测设备的预处理信号检测方法，其特征在于，所述步骤2.3具体步骤如下：

步骤2.31，将时频图黑白化；

步骤2.32，进行二值化处理实现图像分割，以简化数据处理，便于后续的信号检测，图像的二值化处理就是将图像上的点的灰度置为0或255，即使整个图像呈现出明显的黑白效果；即将256个亮度等级的灰度图像通过适当的阀值选取而获得仍然可反映图像整体和局部特征的二值化图像；阈值的选取原则是在保留目标信号时频分布集中的时频点前提下，并尽量去除噪声的分散时频点；

步骤2.33，对二值化后的时频图进行闭运算处理，根据信道环境和信号特征等先验知识，设置相应的预处理参数。

9.根据权利要求7所述的一种便携式频谱监测设备的预处理信号检测方法，所述步骤2.4具体如下：经过二值化和形态学与预处理后的时频图去除了大部分的噪声，只留下有用信号，且谱

图中的空洞被填满，谱图中只存在灰度值为0和灰度值为255的像素点；可通过对时频图的黑色像素进行搜索，并对黑色像素的分布情况进行分析，即可判断有无信号存在；通过对黑色像素的连续性进行分析，则可识别信号的多址方式。