CN110166152A - 星载宽频电磁频谱感知装置及电磁频谱感知算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载宽频电磁频谱感知装置及电磁频谱感知算法，该装置包括：射频信号处理板卡和基带信号处理板卡。射频信号处理板卡包括：宽频天线、低通滤波器、高通滤波器和低噪放大器，宽频天线分别与低通滤波器和高通滤波器连接，低通滤波器的输出端和高通滤波器的输出端分别连接有低噪放大器。基带信号处理板卡包括变压器、带宽放大器和现场可编程门阵列芯片，低噪放大器与变压器连接，变压器与带宽放大器连接，带宽放大器与现场可编程门阵列芯片连接，现场可编程门阵列芯片与星务计算机通信接口连接。本发明的星载电磁频谱感知装置及电磁频谱感知算法，能够进行宽频电磁频谱感知，适用范围较广，具有更为优异的频谱泄露抑制性。

Description

星载宽频电磁频谱感知装置及电磁频谱感知算法

技术领域

本发明涉及无线电技术领域，尤其涉及一种星载宽频电磁频谱感知装置及电磁频谱感知算法。

背景技术

电磁频谱感知作为认知无线电技术的重要环节，它使得感知用户能够实时监测周围的电磁环境寻找频谱空穴。对全球时空连续频谱进行检测分析，通过大数据时空关联处理，获得全球电磁频谱态势图，进行电磁频谱管理、干扰检测定位，以及开展电离层、平流层探测，为广域侦察提供基础电磁数据。

现有技术提供的电磁频谱感知装置包括无线电硬件处理平台和频谱识别判决算法，无线电硬件处理平台通过若干带通滤波器对100～3000MHz频段的无线电信号进行选通，然后进行滤波放大、模数转换以及采样信号缓存。频谱识别判决算法用于对采样数据进行时频转换，检测接入信号的频域特性，根据频域判决条件，实现电磁频谱感知。频谱识别判决算法包括匹配滤波器检测、能量检测和循环平稳特性检测。其中，能量检测依据信号有无的假设情况下根据接受无线电信号功率大小的不同对信号进行检测判决。

发明人发现现有技术至少存在以下问题：

无线电硬件处理平台通过若干带通滤波器对无线电信号的频段进行选通，无法对高频带范围内的各类无线电信号进行频率分析。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种星载宽频电磁频谱感知装置及电磁频谱感知算法。具体技术方案如下：

第一方面，提供了一种星载宽频电磁频谱感知装置，所述装置包括：射频信号处理板卡和基带信号处理板卡；所述射频信号处理板卡包括：宽频天线、低通滤波器、高通滤波器和低噪放大器，所述宽频天线的输出端分别与所述低通滤波器的输入端和所述高通滤波器的输入端连接，所述低通滤波器的输出端和所述高通滤波器的输出端分别连接有所述低噪放大器；所述基带信号处理板卡包括变压器、带宽放大器和现场可编程门阵列芯片，所述低噪放大器的输出端与所述变压器的输入端连接，所述变压器的输出端与所述带宽放大器的输入端连接，所述带宽放大器与所述现场可编程门阵列芯片连接，所述现场可编程门阵列芯片与星务计算机通信接口连接。

在一种可能的设计中，所述装置还包括开关器件，所述宽频天线通过所述开关器件与所述低通滤波器和所述高通滤波器连接。

在一种可能的设计中，所述宽频天线为200～6000MHz锥螺旋宽频天线，所述锥螺旋宽频天线在非工作态下处于压紧状态，在工作态下处于展开状态。

在一种可能的设计中，所述宽频天线包括天线展开机构，用于驱动所述宽频天线展开。

在一种可能的设计中，所述天线展开机构包括：热刀、束缚线缆和展开支臂，所述展开支臂为多重折叠结构，且通过所述束缚线缆约束，所述热刀受热时切开所述束缚线缆，所述支臂展开驱动所述宽频天线展开。

在一种可能的设计中，所述低噪放大器的放大倍数大于50dB。

在一种可能的设计中，所述低通滤波器和所述高通滤波器的并联支路上分别串联有两个所述低噪放大器。

第二方面，提供了一种电磁频谱感知算法，包括：

以中心采样点为中心选取2N-1个数据进行缓存排序，获取采样数据序列；

利用卷积窗函数对所述采样数据序列进行加权相加，形成截断数据序列；

对所述截断数据序列进行N阶快速傅里叶变换，获取输入信号的离散傅里叶变换值；

根据设置的判决门限对所述离散傅里叶变换值进行判定，若所述离散傅里叶变换值大于判决门限，上报频谱事件报文；

根据全频段扫描检测和特定频段扫描两种频谱感知策略，对带宽放大器的中心采样点进行配置。

在一种可能的设计中，所述卷积窗函数为：

其中，x′(n)为截断数据，x(n)为采样数据，N为快速傅里叶变换点数，w_N(n)为N阶矩形窗函数。

在一种可能的设计中，所述N阶快速傅里叶变换公式为：

其中，X(k)为输入信号的离散傅里叶变换值，x′(r)为截断数据。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的星载电磁频谱感知装置及电磁频谱感知算法，通过设置宽频天线以及分别与宽频天线连接的低通滤波器和高通滤波器，对无线电信号的接收范围以及可处理范围较大，能够进行宽频电磁频谱感知，适用范围较广。且通过采用全相位校正技术对采样数据进行预处理，并结合快速傅里叶变换进行频谱分析，能够降低旁谱线对频谱判决的影响，具有更为优异的频谱泄露抑制性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一个实施例提供的星载宽频电磁频谱感知装置的结构示意图；

图2为本发明一个实施例提供的星载宽频电磁频谱感知装置的一种具体结构示意图；

图3为本发明一个实施例提供的星载宽频电磁频谱感知装置中宽频天线处于压紧状态的结构示意图；

图4为本发明一个实施例提供的星载宽频电磁频谱感知装置中宽频天线处于展开状态的结构示意图；

图5为本发明一个实施例提供的电磁频谱感知算法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

第一方面，本发明实施例提供了一种星载宽频电磁频谱感知装置，如附图1所示，该装置包括：射频信号处理板卡和基带信号处理板卡。射频信号处理板卡包括：宽频天线、低通滤波器、高通滤波器和低噪放大器，宽频天线的输出端分别与低通滤波器的输入端和高通滤波器的输入端连接，低通滤波器的输出端和高通滤波器的输出端分别连接有低噪放大器。基带信号处理板卡包括变压器、带宽放大器和现场可编程门阵列芯片(Field－Programmable Gate Array，FPGA)，低噪放大器的输出端与变压器的输入端连接，变压器的输出端与带宽放大器的输入端连接，带宽放大器与现场可编程门阵列芯片连接，现场可编程门阵列芯片与星务计算机通信接口连接。

以下对本发明实施例提供的星载宽频电磁频谱感知装置的工作原理进行说明：

使用时，宽频天线接受无线电信号，无线电信号根据频段大小，分别通过高通滤波器和低通滤波器进行滤波处理。滤波后的无线电信号经低噪放大器放大、变压器变压后达到带宽放大器的接收范围。带宽放大器对无线电信号进行分段混频，完成正交解调，获取采样数据。采样数据进入现场可编程门阵列芯片中进行频谱分析，分析数据上传至星务计算机，完成电磁频谱感知。

可见，本发明实施例提供的星载电磁频谱感知装置，通过设置宽频天线以及分别与宽频天线连接的低通滤波器和高通滤波器，对无线电信号的接收范围以及可处理范围较大，能够进行宽频电磁频谱感知，适用范围较广。

进一步地，本发明实施例提供的星载电磁频谱感知装置中，现场可编程门阵列芯片的预设程序中，可以有预留接口，能够接收地面上传的能量判决门限值，可以实时地重新设置判决门限，能够动态调节信道带宽和工作频点，灵活地进行多种模式的信号接收与检测。

其中，如附图3和附图4所示，宽频天线可以为200～6000MHz锥螺旋宽频天线，锥螺旋宽频天线在非工作态下处于压紧状态，在工作态下处于展开状态。如此设置，宽频天线在非工作态下处于压紧状态，螺旋线粘贴在柔性布上呈自然压缩状态，占用空间较小，对其它设备的工作干扰较小。在工作态下展开，便于接收无线电信号。

可以理解的是，宽频天线包括天线展开机构，用于驱动宽频天线展开。通过设置天线展开机构，以对宽频天线是否展开进行控制。

作为一种示例，天线展开机构包括：热刀、束缚线缆和展开支臂，展开支臂为多重折叠结构，且通过束缚线缆约束，热刀受热时切开束缚线缆，展开支臂展开驱动宽频天线展开。如此设置，非工作态时，展开支臂被束缚线缆约束为收起状态，宽频天线的双锥螺旋线呈自然压缩态。热刀受热后，切开束缚线缆，展开支臂展开，驱动宽频天线展开。宽频天线压紧状态如附图3所示，展开状态如附图4所示。

其中，宽频天线压紧状态时的高度可以在200mm以下，展开后自然伸展至750～850mm，举例来说，可以为750mm、800mm、850mm等。天线展开机构的运作可以在星务计算机的控制下进行，例如，卫星入轨后，在初始温度符合展开要求(例如，温度大于-40摄氏度)时，宽频天线的电缆在展开时不会受损，星务计算机发出指令对热刀进行加热。热刀的数量可以为两个，任一热刀切断束缚线缆后展开支臂即可展开。展开支臂的数量可以为3个，三个展开支臂间隔均匀分布，以使展开过程受力均匀，进而使展开过程较稳定。

可选地，本发明实施例提供的星载宽频电磁频谱感知装置还包括开关器件，宽频天线通过开关器件与低通滤波器和高通滤波器连接。如此设置，通过开关器件的启闭对该装置是否工作进行控制。

其中，开关器件可为SP6T，高通滤波器可以为HFCN-2700，现场可编程门阵列芯片可以为MPF300T。

本发明实施例中，低噪放大器用于对无线电信号进行放大使之达到带宽放大器的接收范围，可选地，低噪放大器的放大倍数大于50dB。

进一步地，低通滤波器和高通滤波器的并联支路上分别串联有两个低噪放大器，以使放大倍数达到预期要求。

其中，低噪放大器可以为LNA(WHM02AE)。

可选地，在一条并联支路上，通过低通滤波器的低频无线电信号顺次经过两个低噪放大器后，经变压器进入带宽放大器中。在另一并联支路上，通过高通滤波器的高频无线电信号顺次经过两个低噪放大器后，经变压器进入带宽放大器中。

其中，变压器可以为TCM1-63AX+。

本发明实施例中，基带信号处理板卡中的带宽放大器用于实现无线电信号的接收，带宽放大器可以为AD9361，AD9361工作频率范围为70MHz至6.0GHz，支持的通道带宽范围为200kHz至56MHz。调整AD9361的工作频率，对200～6000MHz的无线电信号进行分段混频，完成正交解调，获取采样数据。

本发明实施例中，现场可编程门阵列芯片对采样数据进行快速傅里叶变换，根据采样数据的离散傅里叶变换数值进行频谱分析，完成宽频电磁频谱感知。现场可编程门阵列芯片基于Flash构架，采用20nm工艺，安全性好，可靠性高，功耗低，可抗单粒子翻转，满足低轨微纳卫星的要求。

星载宽频电磁频谱感知装置的一种具体示例可以参见附图2，射频信号处理板卡和基带信号处理板卡中可以分别设置有电源管理模块，以对各设备进行供电。

第二方面，本发明实施例提供了一种电磁频谱感知算法，如附图5所示，包括：

步骤101，以中心采样点为中心选取2N-1个数据进行缓存排序，获取采样数据序列。

步骤102，利用卷积窗函数对采样数据序列进行加权相加，形成截断数据序列。

步骤103，对截断数据序列进行N阶快速傅里叶变换，获取输入信号的离散傅里叶变换值。

步骤104，根据设置的判决门限对离散傅里叶变换值进行判定，若离散傅里叶变换值大于判决门限，上报频谱事件报文。

步骤105，根据全频段扫描检测和特定频段扫描两种频谱感知策略，对带宽放大器的中心采样点进行配置。

本发明实施例提供的电磁频谱感知算法，采用N阶全相位校正数据预处理获取采样数据序列，利用卷积窗函数对采样数据进行处理获取截断数据序列，经N阶快速傅里叶变换后进行频谱能量检测以及频谱事件上报，并根据频谱事件实时更新带宽放大器中的中心采样点，以调节本振频率，能够动态调节信道带宽和工作频点，能够灵活地进行多种模式的信号接收与检测。且通过采用全相位校正技术对采样数据进行预处理，并结合快速傅里叶变换进行频谱分析，能够降低旁谱线对频谱判决的影响，具有更为优异的频谱泄露抑制性能。

其中，判决门限可以通过下述方式进行设定：现场可编程门阵列芯片的预设程序中，可以有预留接口，能够接收地面上传的能量判决门限值，可以实时更新设置判决门限。

其中，以中心采样点为中心选取2N-1个数据时，在中心采样点的前后各取N-1个数据，举例来说，若中心采样点为x(0)，则获取的采样数据序列为：x(-N+1),…,x(0),x(1),…,x(N-1)。

上述卷积窗函数为：

其中，x′(n)为截断数据，x(n)为采样数据，N为快速傅里叶变换点数，w_N(n)为N阶矩形窗函数。通过该卷积窗函数，采样数据序列中的每个采样数据x(n)进行变换得到其对应的截断数据x′(n)，截断数据x′(n)组成的序列即为截断数据序列。

其中，上述N阶快速傅里叶变换公式为：

其中，X(k)为输入信号的离散傅里叶变换值，x′(r)为截断数据。

上述根据全频段扫描检测和特定频段扫描两种频谱感知策略，对带宽放大器的中心采样点进行配置包括：根据全频段扫描检测和特定频段扫描检测两种频谱感知策略，对AD9361的工作中心频点进行配置，关闭其它无线载荷，实现200～6000Mhz的宽频电磁频谱感知。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种星载宽频电磁频谱感知装置，其特征在于，所述装置包括：射频信号处理板卡和基带信号处理板卡；

所述射频信号处理板卡包括：宽频天线、低通滤波器、高通滤波器和低噪放大器，所述宽频天线的输出端分别与所述低通滤波器的输入端和所述高通滤波器的输入端连接，所述低通滤波器的输出端和所述高通滤波器的输出端分别连接有所述低噪放大器；

所述基带信号处理板卡包括变压器、带宽放大器和现场可编程门阵列芯片，所述低噪放大器的输出端与所述变压器的输入端连接，所述变压器的输出端与所述带宽放大器的输入端连接，所述带宽放大器与所述现场可编程门阵列芯片连接，所述现场可编程门阵列芯片与星务计算机通信接口连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括开关器件，所述宽频天线通过所述开关器件与所述低通滤波器和所述高通滤波器连接。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述宽频天线为200～6000MHz锥螺旋宽频天线，所述锥螺旋宽频天线在非工作态下处于压紧状态，在工作态下处于展开状态。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述宽频天线包括天线展开机构，用于驱动所述宽频天线展开。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述天线展开机构包括：热刀、束缚线缆和展开支臂，所述展开支臂为多重折叠结构，且通过所述束缚线缆约束，所述热刀受热时切开所述束缚线缆，所述支臂展开驱动所述宽频天线展开。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述低噪放大器的放大倍数大于50dB。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述低通滤波器和所述高通滤波器的并联支路上分别串联有两个所述低噪放大器。

8.一种电磁频谱感知算法，其特征在于，包括：

以中心采样点为中心选取2N-1个数据进行缓存排序，获取采样数据序列；

利用卷积窗函数对所述采样数据序列进行加权相加，形成截断数据序列；

对所述截断数据序列进行N阶快速傅里叶变换，获取输入信号的离散傅里叶变换值；

根据设置的判决门限对所述离散傅里叶变换值进行判定，若所述离散傅里叶变换值大于判决门限，上报频谱事件报文；

根据全频段扫描检测和特定频段扫描两种频谱感知策略，对带宽放大器的中心采样点进行配置。

9.根据权利要求8所述的电磁频谱感知算法，其特征在于，所述卷积窗函数为：

其中，x′(n)为截断数据，x(n)为采样数据，N为快速傅里叶变换点数，w_N(n)为N阶矩形窗函数。

10.根据权利要求9所述的电磁频谱感知算法，其特征在于，所述N阶快速傅里叶变换公式为：

其中，X(k)为输入信号的离散傅里叶变换值，x′(r)为截断数据。