CN112881798A - 一种手持式频谱监测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手持式频谱监测设备，包括主控模块、射频接收模块、信号转换模块、信号处理模块和监测天线模块；所述主控模块分别与射频接收单元和信号处理模块连接，所述射频接收模块与监测天线模块、信号转换模块和信号处理模块连接，所述信号转换模块与信号处理模块连接。本发明集成多种工作模式和信号解析识别功能，改善了目前无线电监测的现状，解决了现有频谱监测设备测试功能单一、截获概率低、信号识别判决能力弱的难题。

Description

一种手持式频谱监测设备

技术领域

本发明涉及复杂信号和瞬态信号技术领域，具体涉及一种手持式频谱监测设备。

背景技术

随着电子信息和软件无线电技术的飞速发展，空间信号的种类呈爆炸式增长，无线电频谱正变得越来越拥挤，拥挤的频谱中隐藏着大量的干扰信号，影响着各种无线电系统的正常工作，全球相关部门正面临日益复杂的电磁频谱监测与频率管理问题。

频谱监测是频谱管理的重要环节，频谱占用度测量是未来频率分配规划、各种发射监测及其技术特性测量、利用测向机查找信源必不可少的手段，而全天候宽范围监测常规频段是一项庞大而复杂的任务。现有的监测手段和监测能力测试效率低，测试精度差。

在现代空间无线电信号监测中，无论是对稳态信号、瞬态信号还是有用信号或干扰信号的监测，存在以下困难：

a)信号类型复杂：表现为复杂的调制方式，如数字调制、跳频技术和分址技术等，造成信号的频谱复杂；

b)被测的信号频率未知、功率未知、出现的时间未知、持续的时间未知；

c)频谱拥挤，宽带、窄带信号同时存在，成百上千个信号中只有几个信号是关注的；

d)干扰类型复杂；一类干扰是有用信号引起的，如谐波干扰、交调干扰、互调干扰、邻信道干扰、邻系统干扰以及不规范操作误发干扰等；另外一类是由于电路的缺陷、设计原理的不完善以及不可控制因素或自然界产生的，比如毛刺、电网中的冲击、浪涌、火花放电、闪电、核磁脉冲、宇宙射电等；

e)快速精确测向技术。

因此复杂信号和瞬态信号的高概率搜索截获、判决识别、精确测向和支持远程控制的频谱监测设备或监测系统在现代信息战和电子对抗应用的需求日益迫切。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种手持式频谱监测设备解决了现有频谱监测设备测试功能单一、截获概率低、信号识别判决能力弱的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种手持式频谱监测设备，包括主控模块、射频接收模块、信号转换模块、信号处理模块和监测天线模块；

所述主控模块用于接收用户监测指令，解析并设置工作参数和工作模式；

所述信号转换模块用于完成对空间监测信号的数据转换处理；

所述信号处理模块用于完成空间监测信号的解析、识别和判决；

所述监测天线模块用于完成空间信号的接收；

所述主控模块分别与射频接收单元和信号处理模块连接，所述射频接收模块与监测天线模块、信号转换模块和信号处理模块连接，所述信号转换模块与信号处理模块连接。

进一步地：所述射频接收模块包括频率源单元和射频信道单元；

所述频率源单元用于产生所需的时钟信号和接收本振信号；

所述射频信号单元用于完成空间监测信号参数的衰减、滤波放大处理。

进一步地：所述信号处理模块包括信号处理单元和现场可编程门阵列。

进一步地：所述手持式频谱监测设备可进行频点/组搜索、频段/组搜索、信号调节识别和瞬态信号获取。

进一步地：所述信号处理模块对空间监测信号的识别和判决方法包括能量判决法、信号判决法、时域判决法和综合判决法。

进一步地：所述能量判决法包括电平判决法、电磁背景判决法和噪声自适应判决法；

所述电平判决法具体为：在频域上设置一个功率门限，搜索全频段信号，超过功率门限的信号作为截获的结果；

所述电磁背景判决法具体为：将测量的电磁频谱环境作为判据条件，用当前的电磁环境数据或累计一段时间后的电磁环境作为判决条件，将测量的频谱数据与电磁环境数据比较，发现电磁环境之外的信号和干扰；

所述噪声自适应判决法具体为：实时估计电磁谱的噪声基底，产生一个可以随时间变化的噪声基底，将随时间变化的噪声基底计算门限电平作为判决条件，超过门限电平的测量结果都作为截获的能量记录在能量历史数据库中。

进一步地：所述信号判决法包括频谱相关判决法、调制识别判决法、频谱模板判决法和频谱峰值判决法；

所述频谱相关判决法具体为：生成一个目标信号的频谱，把每次扫描截获的能量数据与目标信号进行互相关运算，根据频谱形状的相关性进行判决；

所述调制识别判决法具体为：预置好要捕获的信号的条件，如调制类型、符号率、带宽以及频率间隔，对截获的能量进行调制识别，识别出信号的调制类型、符号率、带宽以及频率间隔参数，与预置的信号条件进行比较，判决是否为要捕获的信号；

所述频谱模板判决法具体为：定义上限模板和下限模板，在信号功率超过上限模板进行触发判决，或在信号功率低于下限模板进行触发判决，或在信号功率在上限模板和下限模板范围内进行触发判决；

所述频谱峰值判决法具体为：定义在搜索的频率范围内的信号频谱的峰值数量、峰值之间的距离、峰值的幅度，在每次扫描搜索是，将测量的频谱结果与定义的参数进行比较，判定信号是否为要搜索的信号。

进一步地：所述时域判决法包括匹配滤波判决法；

所述匹配滤波判决法具体为：根据瞬态脉冲信号的时域波形设计检测模板，通过检测模板进行判决。

本发明的有益效果为：本发明接收到工作参数后，射频接收模块将监测天线接收回来150kHz-18GHz的射频信号进行预选滤波、低噪声放大、频率转换等调理至70MHz的中频信号输出给信号转换模块进行模/数转换，转换后输出的信号数据输给信号处理单元进行处理、解析、识别和判决。

本发明集成多种工作模式和信号解析识别功能，改善了目前无线电监测的现状，解决了现有频谱监测设备测试功能单一、截获概率低、信号识别判决能力弱的难题。

本发明具有高测量速度、高分辨率、宽搜索范围等特点，以及多种能量判决和信号判决的方法，可以单独指定对单音和二十余种调制信号进行截获，也可以同时截获二十余种调制信号。基本满足现代无线电工程中无论是军事领域、移动通信领域还是频谱监测领域、电磁兼容领域对信号的侦测要求。

附图说明

图1为本发明原理框图；

图2为本发明中噪声自适应判决法原理图；

图3为本发明中匹配滤波时域定义事件图；

图4为本发明中匹配滤波事后滤波流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种手持式频谱监测设备，包括主控模块、射频接收模块、信号转换模块、信号处理模块和监测天线模块；

所述主控模块用于接收用户监测指令，解析并设置工作参数和工作模式；

所述信号转换模块用于完成对空间监测信号的数据转换处理；

所述信号处理模块用于完成空间监测信号的解析、识别和判决；

所述监测天线模块用于完成空间信号的接收；

所述主控模块分别与射频接收单元和信号处理模块连接，所述射频接收模块与监测天线模块、信号转换模块和信号处理模块连接，所述信号转换模块与信号处理模块连接。

所述射频接收模块包括频率源单元和射频信道单元；

所述频率源单元用于产生所需的时钟信号和接收本振信号；

所述射频信号单元用于完成空间监测信号参数的衰减、滤波放大处理。

所述信号处理模块包括信号处理单元和现场可编程门阵列。

手持式频谱监测设备的工作模式包括：

频点(组)搜索：设备上电后，默认工作在频点搜索模式，可根据用户需求，对用户感兴趣的频点(组)进行搜索监测；

频段(组)搜索：设备可根据用户需求，对用户设置的频段(组)进行搜索监测；

信号解调识别：设备可对多种模拟调制和数字调制进行解调识别；

瞬态信号截获：设备可提供多种信号的截获判决算法，对瞬态有用信号和瞬态干扰信号的截获与测量；

对监测信号进行数据转换处理并向用户显示监测结果。

手持式频谱监测设备上电后，用户可在指令输入模块输入工作参数，用户指令输入模块通过操控面板键入，操控面板键入模块包括但不限于由数字、功能、方向等按钮组成的键盘。用户可通过操控面板键入工作参数，主控模块可根据用户输入的工作参数解析出控制指令并将参数分配到相关模块。

手持式频谱监测设备接收到工作参数后，射频接收模块将监测天线接收回来150kHz-18GHz的射频信号进行预选滤波、低噪声放大、频率转换等调理至70MHz的中频信号输出给信号转换模块进行模/数转换，转换后输出的信号数据输给信号处理单元进行处理、解析、识别和判决，最后将判决结果回传给主控模块提供给用户。核心算法采用了软件无线电技术，通过能量判决、信号判决、匹配滤波判决和综合判决等方法实现。

手持式频谱监测设备基于软件无线电架构实现，硬件采用超外差结构接收机将监测天线接收到的空间信号下变频经模数转换后输出给信号处理单元，通过核心算法完成信号处理、识别和判决。

手持式频谱监测设备对空间复杂信号的识别和判决方法包括：

1、电平判决法

电平判决法是在频域上设置一个功率门限，搜索全频段信号，超过门限的信号作为截获的结果，属于能量判决。

2、电磁背景判决法

电磁背景判决法是将测量的电磁频谱环境作为判据条件，可以用当前的电磁环境数据也可以用累计一段时间后的电磁环境作为判决条件，然后将测量的频谱数据与电磁环境数据做比较，发现电磁环境之外的信号和干扰，属于能量判决。

3、噪声自适应判决法

噪声自适应判决法是实时地估计电磁谱的噪声基底，产生一个可以随时间变化的噪声基底，将这个随时间变化的噪声基底计算出一个门限电平作为判决条件，超过门限电平的测量结果都作为截获的能量记录在能量历史数据库中，属于能量判决。在信号侦测判决技术中是最理想也是最难实现的一种方法。原理框图如图2所示。

4、频谱相关判决法

频谱相关判决是通过互相关的算法来检测信号的，先生成一个目标信号的频谱，可以是已有的信号频谱，或是用户定义的信号频谱，然后把每次扫描截获的能量数据与目标信号进行互相关运算，根据频谱形状的相关性进行判决。该判决法适用于在复杂拥挤的频谱中对特定信号的截获，属于信号判决。

5、调制识别判决法

调制识别判决法是先预置好要捕获的信号的条件，如调制类型、符号率、带宽以及频率间隔，然后对截获的能量进行调制识别，识别出信号的调制类型、符号率、带宽以及频率间隔参数，再与事先预置的参数进行比较，判决是否为要捕获的信号，属于信号判决。

调制识别判决法和能量判决方法配合使用，可以对指定信号进行捕获，也可以捕获调制类型变化的信号。可以单独指定对单音、AM、FM、MSK、XFSK、XQAM、XPSK、SSBLSB、SSBUSB、OOK等二十余种调制信号进行截获，也可以同时截获多种调制信号。

6、频谱模板判决法

频谱模板判决法可以同时定义上限模板和下限模板。信号功率超过模板进行触发判决，或信号功率低于模板进行触发判决，或信号功率在模板范围内进行触发判决，属于信号判决。

7、频谱峰值判决法

频谱峰值判决法是通过定义在搜索的频率范围内的信号频谱的峰值数量、峰值之间的距离、峰值的幅度等参数，在每次扫描搜索时，将测量的频谱结果与定义的参数进行比较，判定信号是否为要搜索的信号。这种方法非常适用于FSK类的信号截获，属于信号判决。

8、匹配滤波判决法

匹配滤波判决法属于时域判决，是根据瞬态脉冲信号的时域波形特征来设计检测模板，时域模板可以通过定义事件的age、duration和observation来定义模板，如图3所示。

由于匹配滤波是时域判决方法，因此是通过事后滤波(post filter)定义的方式添加在采样数据处理之后，如图4所示。

9、综合判决法

在未知信号截获理论中，只要高于接收机噪声基底的能量都有可能是干扰信号，而接收机的噪声基底在出现新的能量时会发生变化，这就要求截获条件需要自适应变化。当截获到高于噪声基底的能量时，需要判定新的能量是否就是干扰信号或是哪类干扰信号，这就要求监测设备具备识别信号的能力以及多种判决方法综合应用的能力。而手持式频谱监测设备正好具备了多种判决方法的综合能力。

本发明应用环境为：

(1)包括但是不限于空间电磁环境频谱监测，矢量信号分析依然适用；

(2)不限于军事领域，在移动通信领域、电磁兼容领域依然适用。

现代无线电信号的种类繁多，存在形式也是多种多样，特别是瞬态信号具有频率未知、幅度未知、出现的时间未知以及持续时间短等特点。另一方面数字中频类的矢量信号分析仪和实时频谱仪在搜索范围、测量分辨率、显示分辨率、触发门限的设置以及触发模板的选取和判决方法上都存在致命的缺陷，虽然增加了最大保持功能以及瀑布图功能、捕获回放时的触发及门功能等，都不能完成现代无线电工程中存在的信号的侦测。

本发明提出了一种手持式频谱监测设备，提供了测量速度、高分辨率、宽搜索范围等特点，以及多种能量判决和信号判决的方法，可以单独指定对单音和二十余种调制信号进行截获，也可以同时截获二十余种调制信号。基本现代无线电工程中无论是军事领域、移动通信领域还是频谱监测领域、电磁兼容领域对信号的侦测要求。

Claims (8)

1.一种手持式频谱监测设备，其特征在于，包括主控模块、射频接收模块、信号转换模块、信号处理模块和监测天线模块；

所述主控模块用于接收用户监测指令，解析并设置工作参数和工作模式；

所述信号转换模块用于完成对空间监测信号的数据转换处理；

所述信号处理模块用于完成空间监测信号的解析、识别和判决；

所述监测天线模块用于完成空间信号的接收；

所述主控模块分别与射频接收单元和信号处理模块连接，所述射频接收模块与监测天线模块、信号转换模块和信号处理模块连接，所述信号转换模块与信号处理模块连接。

2.根据权利要求1所述的手持式频谱监测设备，其特征在于，所述射频接收模块包括频率源单元和射频信道单元；

所述频率源单元用于产生所需的时钟信号和接收本振信号；

所述射频信号单元用于完成空间监测信号参数的衰减、滤波放大处理。

3.根据权利要求1所述的手持式频谱监测设备，其特征在于，所述信号处理模块包括信号处理单元和现场可编程门阵列。

4.根据权利要求1所述的手持式频谱监测设备，其特征在于，所述手持式频谱监测设备可进行频点/组搜索、频段/组搜索、信号调节识别和瞬态信号获取。

5.根据权利要求1所述的手持式频谱监测设备，其特征在于，所述信号处理模块对空间监测信号的识别和判决方法包括能量判决法、信号判决法、时域判决法和综合判决法。

6.根据权利要求5所述的手持式频谱监测设备，其特征在于，所述能量判决法包括电平判决法、电磁背景判决法和噪声自适应判决法；

所述电平判决法具体为：在频域上设置一个功率门限，搜索全频段信号，超过功率门限的信号作为截获的结果；

所述电磁背景判决法具体为：将测量的电磁频谱环境作为判据条件，用当前的电磁环境数据或累计一段时间后的电磁环境作为判决条件，将测量的频谱数据与电磁环境数据比较，发现电磁环境之外的信号和干扰；

所述噪声自适应判决法具体为：实时估计电磁谱的噪声基底，产生一个可以随时间变化的噪声基底，将随时间变化的噪声基底计算门限电平作为判决条件，超过门限电平的测量结果都作为截获的能量记录在能量历史数据库中。

7.根据权利要求5所述的手持式频谱监测设备，其特征在于，所述信号判决法包括频谱相关判决法、调制识别判决法、频谱模板判决法和频谱峰值判决法；

所述频谱相关判决法具体为：生成一个目标信号的频谱，把每次扫描截获的能量数据与目标信号进行互相关运算，根据频谱形状的相关性进行判决；

所述调制识别判决法具体为：预置好要捕获的信号的条件，如调制类型、符号率、带宽以及频率间隔，对截获的能量进行调制识别，识别出信号的调制类型、符号率、带宽以及频率间隔参数，与预置的信号条件进行比较，判决是否为要捕获的信号；

所述频谱模板判决法具体为：定义上限模板和下限模板，在信号功率超过上限模板进行触发判决，或在信号功率低于下限模板进行触发判决，或在信号功率在上限模板和下限模板范围内进行触发判决；

所述频谱峰值判决法具体为：定义在搜索的频率范围内的信号频谱的峰值数量、峰值之间的距离、峰值的幅度，在每次扫描搜索是，将测量的频谱结果与定义的参数进行比较，判定信号是否为要搜索的信号。

8.根据权利要求5所述的手持式频谱监测设备，其特征在于，所述时域判决法包括匹配滤波判决法；

所述匹配滤波判决法具体为：根据瞬态脉冲信号的时域波形设计检测模板，通过检测模板进行判决。

Images