CN111628836B - 对讲机频段环境背景电磁频谱干扰分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对讲机频段环境背景电磁频谱干扰分析系统，包括实现多帧AD采样以及FFT计算的FPGA模块，以及与FPGA模块连接用于存放FPGA模块计算结果的外部存储器DDR，与FPGA模块连接，用于控制多帧AD采样频率的时钟管理芯片；通过QSPI总线与外部存储器DDR连接的ARM处理器，通过对环境背景电磁干扰频谱的分析，能提高IED干扰设备的功放模块的效率，增加干扰距离和干通比，在相同供电，体积及重量的前提下提高IED干扰设备的威力，延长电池工作时间。
Description
技术领域
本发明涉及电磁侦测和干扰领域，具体涉及一种对讲机频段环境背景电磁频谱干扰分析系统。
背景技术
在实现对讲机频段136～174MHz，350～530MHz的频点侦测和干扰中，不同的地方背景环境频率干扰不同，有的地方背景电磁频谱干扰干净，有的地方背景电磁频谱干扰严重。如果不对环境背景电磁干扰进行分析，IED侦测干扰设备在侦测压制对讲机信号时，就会对IED侦测干扰设备有以下4种不良后果：
1.当背景环境电磁干扰频谱严重，侦测功率门限设置过低，有可能阻塞接收机，接收机处理有效频点饱和，侦测到的都是干扰信号，真正需要侦测的小信号可能丢失。
2.把固定的干扰信号和真正的信号同时通过功放输出，降低了功放的效率，减小了设备的干扰威力。
3.只能手工输入侦测功率门限，一次次验证侦测功率门限值是否设置的合适。
4.侦测功率门限固定不变，只能设置通带内的所有频段的最大噪声功率门限，而通带内不同频段的最大噪声功率是不同的。
IED侦测干扰设备是为了对无线电遥控简易爆炸物(RCIED)的无线遥控信号实施干扰，阻断遥控引爆通信链路，使RCIED无法通过无线遥控方式引爆，保证重要目标不受RCIED的威胁。IED侦测干扰设备有3种频谱干扰模式：点频，扫频，白噪声。频率信号的调制方式有：CW、FM、BPSK、QPSK、16QAM。其中带宽，跳频时间，保护频段可设置。IED侦测干扰设备采用高速AD，DA及软件无线电原理，实现大带宽和射频信号直接采样，射频调制信号的数字直接合成。
现有的IED侦测干扰设备在对对讲机频段实时侦测干扰时，不同的使用地点和环境需要人为的重新设置侦测干扰门限，而且一次设置不一定准确，这样会把环境背景中固定的干扰频率和需要压制的信号同时侦测出来发送给功放(功放的最大输出功率是固定的)，这样功放的效率就会降低。如果固定的干扰频点数量增加1，则有效压制信号的功率降低3dB，固定干扰频点越多，有效压制信号的功率越低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种对讲机频段环境背景电磁频谱干扰分析系统，通过对环境背景电磁干扰频谱的分析，能提高IED干扰设备的功放模块的效率，增加干扰距离和干通比，在相同供电，体积及重量的前提下提高IED干扰设备的威力，延长电池工作时间。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种对讲机频段环境背景电磁频谱干扰分析系统，该系统包括：
实现多帧AD采样以及FFT计算的FPGA模块，以及与FPGA模块连接用于存放FPGA模块计算结果的外部存储器DDR；
与FPGA模块连接，用于控制多帧AD采样频率的时钟管理芯片；
通过QSPI总线与外部存储器DDR连接的ARM处理器，ARM处理器获取所述外部存储器DDR的数据，然后计算频带内不同区间的背景噪声信号功率值及判定带内的固定干扰频率，并通过QSPI接口把分析和计算的结果传递给FPGA模块，FPGA模块根据该分析和计算的结果自动设置侦测频率信号的功率门限；
与所述ARM处理器连接的网络接口，用于将背景电磁频谱数据和计算的结果发送给上位机供用户随时读取和分析。
进一步的，所述FPGA模块包括依次连接的AD采样模块、FIFO模块、FFT模块、功率查找模块和DDR控制模块，以及实现任务调度的控制模块；
所述AD采样模块完成多帧AD采样，采样数据依次经过FIFO模块和FFT模块完成数据计算，其计算结果通过所述功率查找模块和DDR控制模块存放至外部存储器DDR；
还包括一个与DDR控制模块和控制模块连接的数据通讯模块，所述数据通讯模块通过QSPI接口与ARM处理器连接。
进一步的，所述多帧AD采样的频率为210MHz，则一帧数据要在时域上采样16384个点来计算FFT，才能满足指标，其中，210000KHz/16384≈12.8KHz，12.8KHz小于15KHz，满足指标要求；
FFT的计算调用FPGA模块的IP核来实现，16384个点的计算公式如下：
其中x(n)表示采样的数据，ω表示数字频率，值为ω＝2πf/fs，f为实际频率，fs为采样频率。
进一步的，信号做FFT计算后，时域信号转换成频域信号，对FFT模块的实部Re(n)和虚部Im(n)输出值平方和后再开方取正数，求出各个频点所对应的幅度值；幅度值越大，表明所对应频点在此段信号中的功率值越大，频点幅度值计算公式为：AMP(n)＝|Square(Re(n)*Re(n)+Im(n)*Im(n))|。
进一步的，所述多帧AD采样数据做FFT计算结果并做平均值处理，采样次数在线配置。
进一步的，所述ARM处理器接收完多帧频点幅度值后，计算多帧相同频点幅度值的平均值，最后把计算的频点幅度值通过查表方式得到频点的功率。
进一步的，所述ARM处理器的处理流程为：
步骤1：判断QSPI接口接受的数据帧数是否与系统配置次数一致，如果一致则开始接收帧数据并进入下一步；
步骤2：判断帧数据是否准确正确，并进入下一步，否则控制FPGA模块重新发送帧数据，并重复步骤1；
步骤3：判断帧数据是否发送完成，如果是则进入下一步，反之则重复步骤1；
步骤4：计算幅度平均值并按平均值查表求功率。
进一步的，还包括一个为系统供电的DC-DC电源，以及与FPGA模块连接的射频前端。
进一步的，所述网络接口是RJ45网络接口。
本发明的有益效果是：通过对环境背景电磁干扰频谱的分析，能提高IED干扰设备的功放模块的效率，增加干扰距离和干通比，在相同供电，体积及重量的前提下提高IED干扰设备的威力，延长电池工作时间。
附图说明
图1是IED侦测干扰设备环境背景电磁频谱干扰分析硬件原理框图；
图2是FPGA模块内部功能框图；
图3是QSPI总线时序图；
图4是ARM处理器的主要算法流程图；
图5是第1次环境背景频谱图；
图6是第2次环境背景频谱图；
图7是第3次环境背景频谱图；
图8是幅度平均后对应频谱的功率值图；
图9是频段内分段的噪声功率示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下。
IED侦测干扰设备对讲机频段环境背景电磁频谱干扰分析通过对136～174MHz,350～530MHz这2个频段多次AD采样和FFT计算，然后把多次FFT计算的结果进行算法平均处理，分析频带内的最大噪声门限及背景的固定电磁频率干扰。
参考图1所示，一种对讲机频段环境背景电磁频谱干扰分析系统，该系统包括：
实现多帧AD采样以及FFT计算的FPGA模块，以及与FPGA模块连接用于存放FPGA模块计算结果的外部存储器DDR；
与FPGA模块连接，用于控制多帧AD采样频率的时钟管理芯片；
通过QSPI总线与外部存储器DDR连接的ARM处理器，ARM处理器获取外部存储器DDR的数据，然后计算频带内不同区间的背景噪声信号功率值及判定带内的固定干扰频率，并通过QSPI接口把分析和计算的结果传递给FPGA模块，FPGA模块根据该分析和计算的结果自动设置侦测频率信号的功率门限；
与ARM处理器连接的网络接口，用于将背景电磁频谱数据和计算的结果发送给上位机供用户随时读取和分析。
一方面，系统在FPGA模块中实现多帧AD采样，FFT计算，并把计算的结果存到外部外部存储器DDR中，然后通过QSPI总线把外部存储器DDR中的数据发送给ARM处理器做算法分析处理。
参考图2所示，FPGA模块包括依次连接的AD采样模块、FIFO模块、FFT模块、功率查找模块和DDR控制模块，以及实现任务调度的控制模块；
AD采样模块完成多帧AD采样，采样数据依次经过FIFO模块和FFT模块完成数据计算，其计算结果通过功率查找模块和DDR控制模块存放至外部存储器DDR；
ARM处理器通过QSPI接口接收到FPGA模块端计算得到的多帧背景电磁频谱功率数据，然后计算频带内不同区间的背景噪声信号功率值及判定带内的固定干扰频率，并通过QSPI接口把分析和计算的结果传递给FPGA模块，这样就可以自动的设置侦测频率信号的功率门限。ARM处理器通过网络接口把背景电磁频谱数据和计算的结果发送给上位机供用户随时读取和分析。
本实施例还提供一个与DDR控制模块和控制模块连接的数据通讯模块，数据通讯模块通过QSPI接口与ARM处理器连接。
进一步的，多帧AD采样的频率为210MHz，则一帧数据要在时域上采样16384个点来计算FFT，才能满足指标，其中，210000KHz/16384≈12.8KHz，12.8KHz小于15KHz，满足指标要求；
FFT的计算调用FPGA模块的IP核来实现，16384个点的计算公式如下：
其中x(n)表示采样的数据，ω表示数字频率，值为ω＝2πf/fs，f为实际频率，fs为采样频率。
进一步的，信号做FFT计算后，时域信号转换成频域信号，对FFT模块的实部Re(n)和虚部Im(n)输出值平方和后再开方取正数，求出各个频点所对应的幅度值；幅度值越大，表明所对应频点在此段信号中的功率值越大，频点幅度值计算公式为：AMP(n)＝|Square(Re(n)*Re(n)+Im(n)*Im(n))|。
进一步的，多帧AD采样数据做FFT计算结果并做平均值处理，采样次数在线配置。ARM处理器接收完多帧频点幅度值后，计算多帧相同频点幅度值的平均值，最后把计算的频点幅度值通过查表方式得到频点的功率。
在另一方面，根据指标要求频谱的最小分辨率为15KHz,AD的采样频率为210MHz,则一帧数据要在时域上采样16384个点来计算FFT，才能满足指标。210000KHz/16384≈12.8KHz，12.8KHz小于15KHz，满足指标要求。为了精确测量环境背景频谱，需要采样多帧数据做FFT计算结果并做平均值处理，采样次数越多，计算后的环境背景频谱功率值也越准确。采样次数可以在线配置。比如采样10帧数据时，则AD在时域上共要采样16384*10＝163840点的数据，每采样一帧数据做一次FFT计算，得到16384个频点的幅度值，并存储到FPGA模块的外部外部存储器DDR中，并把16384个频点幅度值通过QSPI总线从外部存储器DDR发送给ARM处理器芯片。频点幅度值用14位来表示，而QSPI总线的数据位为8位，因此需要2个字节才能表示一个频点的幅度值。QSPI的时序图参考图3所示。
从上的QSPI总线接口可以看出，数据在时钟的上升沿有效，2个字节表示一个频点的幅度值。
当ARM处理器接收完10帧频点幅度值后,计算10帧相同频点幅度值的平均值。计算公式如下：
AMP(n)＝(AMP1(n)+AMP2(n)+…+AMP10(n))/10(n对应频率)
最后把计算的频点幅度值通过查表方式得到频点的功率。单位为dBm。例如某个频点的幅度值AMP(n)为54，查表后对应这个频点的功率值为-54dBm。这张功率查找表是事先校准得到的。
ARM处理器中的主要算法处理流程如图4所示：
步骤1：判断QSPI接口接受的数据帧数是否与系统配置次数一致，如果一致则开始接收帧数据并进入下一步；
步骤2：判断帧数据是否准确正确则按频点排序并进入下一步，否则控制FPGA模块重新发送帧数据，并重复步骤1；
步骤3：判断帧数据是否发送完成，如果是则进入下一步，反之则重复步骤1；
步骤4：计算幅度平均值并按平均值查表求功率。
现以136～174MHz这个频段的3次侦测环境背景频谱来说明其分析方法。设备开机后，3次环境背景频谱幅度如图5-7所示。把这3次频率幅度对应点求平均后，通过查表的方式计算出频点的功率，如图8所示。通过频点功率图可以看出，通带内噪声信号的最大功率为-76dBm。因此可以设置136～174MHz这个频段的侦测功率门限值为-75dBm,这样就可以避免侦测到噪声信号；如果侦测门限设置小于环境背景噪声门限-75dBm，则会侦测到噪声频率，白白消耗电能和降低功放效率。
通过上面的频点功率图，通过ARM处理器计算和判断分析，可以得到频段内分段的噪声功率，如图9所示：
通过对136～174MHz这个频段的背景噪声分析，可以形成分段的功率门限设定而不仅仅是水平的功率门限设定。
如果是水平的功率门限设定，136～174MHz这个频段的侦测功率门限值就只能设置为大于-76dBm，这样就降低了设备的侦测灵敏度。
在136～159MHz这个频段，侦测灵敏度高，信号功率只要超过-100dBm就可以被侦测识别。而在160～174MHz这个频段，侦测灵敏度低，信号功率只要超过-76dBm才可以被侦测识别。这样平均下来就相应的提高了设备的效能和侦测灵敏度。
环境背景频谱侦测的帧次数越多，最后计算平均值后侦测功率门限值也越准确和稳定。
进一步的，还包括一个为系统供电的DC-DC电源，以及与FPGA模块连接的射频前端。
进一步的，网络接口是RJ45网络接口。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种对讲机频段环境背景电磁频谱干扰分析系统，其特征在于，该系统包括：
实现多帧AD采样以及FFT计算的FPGA模块，以及与FPGA模块连接用于存放FPGA模块计算结果的外部存储器DDR；
与FPGA模块连接，用于控制多帧AD采样频率的时钟管理芯片；
通过QSPI总线与外部存储器DDR连接的ARM处理器，ARM处理器获取所述外部存储器DDR的数据，然后计算频带内不同区间的背景噪声信号功率值及判定带内的固定干扰频率，并通过QSPI接口把分析和计算的结果传递给FPGA模块，FPGA模块根据该分析和计算的结果自动设置侦测频率信号的功率门限；
与所述ARM处理器连接的网络接口，用于将背景电磁频谱数据和计算的结果发送给上位机供用户随时读取和分析；
所述FPGA模块包括依次连接的AD采样模块、FIFO模块、FFT模块、功率查找模块和DDR控制模块，以及实现任务调度的控制模块；
所述AD采样模块完成多帧AD采样，采样数据依次经过FIFO模块和FFT模块完成数据计算，其计算结果通过所述功率查找模块和DDR控制模块存放至外部存储器DDR；
还包括一个与DDR控制模块和控制模块连接的数据通讯模块，所述数据通讯模块通过QSPI接口与ARM处理器连接。
2.根据权利要求1所述的对讲机频段环境背景电磁频谱干扰分析系统，其特征在于，所述多帧AD采样的频率为210MHz，则一帧数据要在时域上采样16384个点来计算FFT，才能满足指标，其中，210000KHz/16384≈12.8KHz，12.8KHz小于15KHz，满足指标要求；
FFT的计算调用FPGA模块的IP核来实现，16384个点的计算公式如下：
其中x(n)表示采样的数据，ω表示数字频率，值为ω＝2πf/fs，f为实际频率，fs为采样频率。
3.根据权利要求2所述的对讲机频段环境背景电磁频谱干扰分析系统，其特征在于，信号做FFT计算后，时域信号转换成频域信号，对FFT模块的实部Re(n)和虚部Im(n)输出值平方和后再开方取正数，求出各个频点所对应的幅度值；幅度值越大，表明所对应频点在此段信号中的功率值越大，频点幅度值计算公式为：AMP(n)＝|Square(Re(n)*Re(n)+Im(n)*Im(n))|。
4.根据权利要求3所述的对讲机频段环境背景电磁频谱干扰分析系统，其特征在于，所述多帧AD采样数据做FFT计算结果并做平均值处理，采样次数在线配置。
5.根据权利要求4所述的对讲机频段环境背景电磁频谱干扰分析系统，其特征在于，所述ARM处理器接收完多帧频点幅度值后，计算多帧相同频点幅度值的平均值，最后把计算的频点幅度值通过查表方式得到频点的功率。
6.根据权利要求5所述的对讲机频段环境背景电磁频谱干扰分析系统，其特征在于，所述ARM处理器的处理流程为：
步骤1：判断QSPI接口接受的数据帧数是否与系统配置次数一致，如果一致则开始接收帧数据并进入下一步；
步骤2：判断帧数据是否准确，正确则按频点排序并进入下一步，否则控制FPGA模块重新发送帧数据，并重复步骤1；
步骤3：判断帧数据是否发送完成，如果是则进入下一步，反之则重复步骤1；
步骤4：计算幅度平均值并按平均值查表求功率。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的对讲机频段环境背景电磁频谱干扰分析系统，其特征在于，还包括一个为系统供电的DC-DC电源，以及与FPGA模块连接的射频前端。
8.根据权利要求7所述的对讲机频段环境背景电磁频谱干扰分析系统，其特征在于，所述网络接口是RJ45网络接口。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: An Analysis System for Electromagnetic Spectrum Interference of Interphone Frequency Band Environmental Background Effective date of registration: 20231018 Granted publication date: 20220405 Pledgee: Shanghai Pudong Development Bank Co.,Ltd. Chengdu Branch Pledgor: CHENGDU WAVETECH. CO.,LTD. Registration number: Y2023510000231 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Granted publication date: 20220405 Pledgee: Shanghai Pudong Development Bank Co.,Ltd. Chengdu Branch Pledgor: CHENGDU WAVETECH. CO.,LTD. Registration number: Y2023510000231 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Analysis system for electromagnetic spectrum interference in the background environment of walkie talkie frequency band Granted publication date: 20220405 Pledgee: Shanghai Pudong Development Bank Co.,Ltd. Chengdu Branch Pledgor: CHENGDU WAVETECH. CO.,LTD. Registration number: Y2024980025533 |