CN114221721A - 室内半空间无线电频谱监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种室内半空间无线电频谱监测系统及方法。该系统包括：控制单元、预处理单元、频谱接收单元、内置平面天线、天线罩、屏蔽机壳、安装单元和供电单元，所述控制单元与所述预处理单元、所述频谱接收单元无线连接；所述预处理单元、所述频谱接收单元和所述供电单元之间进行连接；所述频谱接收单元、所述预处理单元和所述供电单元设置在所述屏蔽机壳的内腔；所述天线罩设置在所述屏蔽机壳的一侧；所述内置平面天线设置在所述屏蔽机壳和所述天线罩之间，位于所述天线罩的包裹空腔内，并与所述预处理单元进行连接；所述安装单元设置在所述屏蔽机壳上。可满足室内无线电监测应用需求，提供稳定的半空间覆盖，同时实现强信号的接收保护。
Description
技术领域
本发明涉及室内无线电监测技术领域，尤其涉及一种室内半空间无线电频谱监测系统及方法。
背景技术
无线电监测用于对被测区域的空间无线电信号频谱信息进行监测并记录，检查是否存在异常信号、非法信号，为异常排查、非法信号查找提供数据支撑。随着移动通信、无线局域网、无线物联网和无线无人产品在室内场景的广泛应用，建筑物内无线电频率越来越丰富，室内空间的无线电频率监测需求越来越迫切。传统无线电监测系统主要有大型台站式系统、移动便携式系统、小型固定检测单元这3类系统，在应对室内空间的无线电频率监测需求方面还存在不足。
大型台站式系统由多台设备组成，功能全面，但结构复杂、占地空间大，不适用于建筑物内有限空间应用。移动系统有机载、船载、车载和手持便携形式，主要用于短时的监测和干扰定向查找，测试时需要测试人员参与，不适用于室内无线电监测需求。传统小型固定监测单元主要针对室外应用，将天线、接收机、射频开关、太阳能供电等进行一体化集成。例如，专利CN205105223U公开了一体化无线电监测测向装置，具体公开了顶置安装的户外一体化无线电监测单元；CN206490677U专利公开了一种频谱监测设备，具体公开了一种地面布置的野外一体化无线电监测单元；专利CN209913825U公开了一种高度集成的无线电频谱监测装置，具体公开了一种海域应用的一体化无线电监测单元。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种室内半空间无线电频谱监测系统及方法，可满足室内无线电监测应用需求，方便建筑物室内安装，提供稳定的半空间覆盖，同时实现强信号的接收保护。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
本发明提供一种室内半空间无线电频谱监测系统，包括：控制单元、预处理单元、频谱接收单元、内置平面天线、天线罩、屏蔽机壳、安装单元和供电单元，
所述控制单元与所述预处理单元、所述频谱接收单元无线连接；
所述预处理单元、所述频谱接收单元和所述供电单元之间进行连接；
所述频谱接收单元、所述预处理单元和所述供电单元设置在所述屏蔽机壳的内腔；
所述天线罩设置在所述屏蔽机壳的一侧；
所述内置平面天线设置在所述屏蔽机壳和所述天线罩之间，位于所述天线罩的包裹空腔内，并与所述预处理单元进行连接；
所述安装单元设置在所述屏蔽机壳上。
根据本发明的一个方面，所述频谱接收单元采用由通道1和通道2构成的双通道模式，两个通道并行工作。
根据本发明的一个方面，所述内置平面天线的平面与所述屏蔽机壳的平面平行，背瓣指向所述屏蔽机壳，主瓣指向所述天线罩；
所述内置平面天线采用半空间平面螺旋天线形式的单层印制板天线，天线巴伦和天线接头部分通过屏蔽管进入所述屏蔽机壳的内腔，所述内置平面天线以所述屏蔽机壳为反射面形成半空间接收覆盖。
根据本发明的一个方面，所述内置平面天线设置一个，所述半空间接收覆盖200MHz～5GHz的信号。
根据本发明的一个方面，所述预处理单元和所述频谱接收单元、所述内置平面天线之间的连接方式为射频固定式连接，所述屏蔽机壳和所述天线罩的外部无有线射频信号接口。
根据本发明的一个方面，所述天线罩由亚克力材质制成。
根据本发明的一个方面，所述安装单元包括：壁挂安装单元和立式安装单元，
所述壁挂安装单元设置于所述屏蔽机壳上与所述天线罩的安装面相对的另一面；
所述立式安装单元设置在所述屏蔽机壳的底部。
根据本发明的一个方面，所述预处理单元包括滤波模块、放大模块和衰减模块，
所述滤波模块为采用200MHz高通滤波器和5GHz低通滤波器串联实现的200MHz～5GHz的带通滤波器；
所述放大模块采用最大输入幅度为-40dBm的200MHz～5GHz、30dB低噪声放大器；
所述衰减模块采用最大输入幅度为35dBm的40dB步进5dB可调衰减器；
所述放大模块和所述衰减模块受控制单元控制。
本发明还提供一种利用上述室内半空间无线电频谱监测系统实现的室内半空间无线电频谱监测方法，包括：
a、将所述系统安装在被测区域处，所述天线罩的一面指向被测区域，所述供电单元通过220V两相电源线与220V电源连接；
b、设置工作模式，在200MHz～5GHz的频率范围内选取所需的监测频段，设置报警门限STH＝-10dBm；
c、启动扫描，之后所述控制单元首先设置所述预处理单元的衰减为-40dB，放大为0dB，所述通道1扫描200MHz～5GHz频谱，确定最大信号强度SMAX；
d、将每次扫描获得的数据存入所述控制单元的数据库，当存储空间不足时，自动将最新记录覆盖最早存储的记录，所述控制单元根据用户指令形成频谱数据报告。
根据本发明的另一个方面，所述步骤c还包括：
当SMAX＞30dBm时，所述预处理单元的衰减设置为-40dB，放大为0dB，所述系统的报警提示信号超出接收范围，所述通道1进入循环检测，所述通道2暂停工作；
当SMAX≤30dBm时，所述控制单元控制所述预处理单元设置衰减和放大值，确保所述频谱接收单元的入口处信号幅度在-60dBm～+5dBm范围内，所述通道2开展扫描起始点fL至扫描终止点fH的扫描，每从扫描起始点fL至扫描终止点fH扫描完一次后，所述控制单元记录所述通道2监测得到的扫描起始点fL至扫描终止点fH的空间信号频谱信息，然后继续扫描fL至fH频谱，直到用户发出停止指令；
所述通道2扫描的同时，所述通道1一直循环监测200MHz～5GHz的最大信号强度SMAX，所述控制单元一直根据所述最大信号强度SMAX进行反馈，并控制所述预处理单元设置衰减和放大值，确保所述频谱接收单元的入口处信号幅度在-60dBm～+5dBm范围内接收安全。
有益效果：
根据本发明的方案，通过控制单元、双通道频谱接收单元、预处理单元的设计，实现在进行指定频率无线电频谱监测的同时对全频段接收信号最大幅度进行监测及反馈保护控制，并依据信号强度进行衰减和放大，解决了室内应用强信号条件下的频谱接收系统保护问题。
通过内置平面天线以屏蔽机壳为反射面组合形成半空间接收覆盖，弥补了传统户外单元全向或定向天线在室内应用的缺陷，满足建筑物室内半空间覆盖需求，同时降低了系统安装到建筑物墙面后、墙面对系统天线接收的影响。
通过壁挂安装单元和立式安装单元支持建筑物室内侧墙、天花板、地面的安装，解决了传统无线电监测系统顶置、报杆安装方式在室内应用的不足。
附图说明
图1示意性表示本发明的一种实施方式的室内半空间无线电频谱监测系统组成示意图；
图2示意性表示本发明的一种实施方式的室内半空间无线电频谱监测系统的墙壁安装示意图；
图3示意性表示本发明的一种实施方式的室内半空间无线电频谱监测系统的天花板安装示意图；
图4示意性表示本发明的一种实施方式的室内半空间无线电频谱监测系统的地面安装示意图；
图5示意性表示本发明的一种实施方式的室内半空间无线电频谱监测方法流程图；
图6示意性表示本发明的一种实施方式的室内半空间无线电频谱监测方法的具体过程示意图。
附图标记说明：
| 标号 | 模块 |
| S101 | 控制单元 |
| S102 | 内置平面天线 |
| S103 | 天线罩 |
| S104 | 屏蔽机壳 |
| S105 | 壁挂安装单元 |
| S106 | 频谱接收单元 |
| S107 | 预处理单元 |
| S108 | 立式安装单元 |
| S109 | 供电单元 |
| B101 | 220V电源 |
| B102 | 墙壁 |
| B103 | 天花板 |
| B104 | 三角架 |
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，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。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
如图1所示，本实施方式的室内半空间无线电频谱监测系统，包括：控制单元S101、预处理单元S107、频谱接收单元S106、内置平面天线S102、天线罩S103、屏蔽机壳S104、安装单元和供电单元S109。控制单元S101与预处理单元S107、频谱接收单元S106无线连接，用于控制预处理单元S107和频谱接收单元S106工作，读取记录频谱接收单元S106输出的空间无线电信号频谱信息，并处理生成电磁频谱报告。预处理单元S107、频谱接收单元S106和供电单元S109之间进行连接，预处理单元S107用于接收内置平面天线S102输出的空间无线电信号，滤除接收带以外信号，并受控制单元S101控制对滤除后的信号进行放大和衰减处理。频谱接收单元S106用于接收预处理单元S107处理后的空间无线电信号，输出空间无线电信号频谱信息并传送给控制单元S101。频谱接收单元S106、预处理单元S107和供电单元S109设置在屏蔽机壳S104的内腔；天线罩S103设置在屏蔽机壳S104的一侧；内置平面天线S102设置在屏蔽机壳S104和天线罩S103之间，位于天线罩S103的包裹空腔内，并与预处理单元S107进行连接；安装单元设置在屏蔽机壳S104上。
控制单元S101通过上位机实现，通过屏蔽网线远程与频谱接收单元S106、预处理单元S107连接，控制其工作，读取其输出的空间无线电信号频谱信息，并处理生成电磁频谱报告，报告中室内环境电磁频谱通过在监测记录中选取某时刻频谱曲线，及时间段频谱瀑布图进行展示。控制预处理单元S107根据信号幅度进行衰减或放大。
内置平面天线S102安装在屏蔽机壳S104外侧，由天线罩S103进行保护，内置平面天线S102平面与屏蔽机壳S104平面平行，内置平面天线S102背瓣指向屏蔽机壳S104，主瓣指向天线罩S103。内置平面天线S102采用半空间阿基米德平面螺旋天线，天线巴伦馈电位于螺旋圆中心，天线接头形式为SMA(F)。天线巴伦和天线接头部分通过屏蔽管进入屏蔽机壳S104的内部，以降低整个系统高度。内置平面天线S102为单层印制板天线，以屏蔽机壳S104为反射面形成半空间接收覆盖。内置平面天线S102的数量为1个，形成的半空间接收覆盖200MHz～5GHz频段信号，避免了天线切换，简化了系统结构和操作。内置平面天线S102和与屏蔽机壳S104的组合，缩小了结构尺寸，同时降低了墙面对天线的影响。
天线罩S103采用亚克力材料制作，安装在屏蔽机壳S104上，保护内置平面天线S102免受外部环境伤害。天线罩S103平面与屏蔽机壳S104平面平行。
屏蔽机壳S104的外层为亚克力材质，可以减轻重量，内层贴导电铜箔进行屏蔽。屏蔽机壳S104用于提供内置平面天线S102、天线罩S103、壁挂安装单元S105、频谱接收单元S106、预处理单元S107、立式安装单元S108和供电单元S109的安装支撑，对频谱接收单元S106、预处理单元S107和供电单元S109的电磁信号进行屏蔽，避免对被测区域的无线电平频谱产生污染，并作为内置平面天线S102的扩展反射面，保持天线指向稳定。
安装单元包括壁挂安装单元S105和立式安装单元S108。对应地，如果采用壁挂安装方式，该系统可以通过壁挂安装单元S105安装在墙壁B102或天花板B103上，如图2或图3所示。如果采用立式安装方式，该系统可以通过立式安装单元S108设置在地面上，如图4所示。
壁挂安装单元S105通过设置在屏蔽机壳S104上与天线罩S103的安装面相对的另一面，并在靠近屏蔽机壳S104的外表面处设置多个两段式活动挂环实现。根据本发明的第一种实施方式，壁挂安装时，在需要监测区域的建筑物墙面上安装膨胀螺丝，将本系统通过2个活动挂环挂装在膨胀螺丝上，实现系统在建筑物表面的壁挂安装，如图2所示。根据本发明的第二种实施方式，在建筑物天花板B103上安装时，通过将本系统通过4个活动挂环挂在天花板B103的挂钩上，实现系统在建筑物天花板B103上的安装，如图3所示。根据本发明的第三种实施方式，立式安装单元S108设置在屏蔽机壳S104的底部，用于本系统的立式安装，可外接三角架B104实现室内落地布置，如图4所示。
频谱接收单元S106通过通用软件无线电平台实现，覆盖30MHz～6GHz，接收动态范围为-70dBm～+10dBm的信号。频谱接收单元S106采用由通道1和通道2构成的双通道模式接收信号，两个通道并行工作。通道1和通道2都接收来自预处理单元S107处理后的空间无线电信号，通道1一直持续监测全频段200MHz～5GHz内接收信号的最大幅度，为控制单元S101控制预处理单元S107进行幅度调整提供依据，为信号衰减放大作参考。通道1采用RBW1MHz，200MHz～5GHz内10001个点快速扫描获取接收信号最大强度。通道2负责对指定频率范围的频谱进行监测、扫描，输出所需的频谱监测信息。控制单元S101依据接收信号最大幅度控制预处理单元S107对接收信号进行衰减和放大，控制频谱接收单元S106输入的射频信号在安全范围内，确保频谱接收单元S106安全。频谱接收单元S106将两通道获得的空间无线电信号频谱信息传送给控制单元S101。
预处理单元S107包括滤波模块、放大模块和衰减模块。其中，滤波模块为采用200MHz高通滤波器和5GHz低通滤波器串联实现的200MHz～5GHz的带通滤波器，放大模块采用最大输入幅度为-40dBm的200MHz～5GHz、30dB低噪声放大器实现，衰减模块采用最大输入幅度为35dBm的40dB步进5dB可调衰减器实现，放大模块和衰减模块通过控制单元S101的控制工作。信号进入预处理单元S107后先通过滤波模块、再通过衰减模块、最后通过放大模块，然后将信号传输给频谱接收单元S106。依据频谱接收单元S106通道1的数据，当预处理单元S107的放大模块入口信号幅度存在超过-40dBm的风险时，控制单元S101控制预处理单元S107增大衰减或关闭放大模块以确保放大模块安全。
在控制单元S101的控制下，预处理单元S107和频谱接收单元S106配合工作，实现正常工作范围为-90dBm～+30dBm的信号采集，最大信号功率耐受能力为+35dBm。控制单元S101依据频谱接收单元S106的通道1获取的接收信号最大幅度，控制预处理单元S107进行放大或衰减，对大信号进行衰减，小信号进行放大，确保200MHz～5GHz频谱接收单元S106的入口处信号强度小于+5dBm，保护系统不会受到+35dBm以内信号的损伤，避免室内强信号对系统造成损坏。同时保障接收范围内的频谱接收单元S106的入口处信号强度在-60dBm～+5dBm范围内，确保频谱接收单元S106正常工作。
供电模块S109通过220V两相电源线与外部220V电源B101连接，进行电压的转换后为频谱接收单元S106和预处理单元S107供电。
整个系统内置平面天线S102、预处理单元S107和频谱接收单元S106之间的连接方式为射频固定式连接，处于屏蔽机壳S104和天线罩S103的包裹空间内，屏蔽机壳S104及天线罩S103的外部无有线射频信号接口。
如图5和图6所示，下面结合监测实例流程，对室内半空间无线电频谱监测系统工作和频谱接收单元信号的保护进行进一步说明。
第一步(步骤a)：将系统安装在被测区域处，天线罩的一面指向被测区域，供电单元通过220V两相电源线与220V电源连接，通过屏蔽网线远程与控制单元连接。
第二步(步骤b)：设置工作模式，在200MHz～5GHz范为内选取所需的监测频段，本例选取扫描起始点fL为200MHz，扫描终止点fH为5GHz。设置报警门限STH为-10dBm，报警门限用于当扫描信号超出门限后报警，记录在异常日志中。
第三步(步骤c)：启动扫描，之后控制单元首先设置预处理单元衰减为-40dB，放大为0dB，通道1扫描200MHz～5GHz频谱，确认最大信号强度SMAX。
当SMAX＞30dBm时，预处理单元衰减设置为-40dB，放大为0dB，系统的报警提示信号超出接收范围，通道1进入循环检测，通道2暂停工作。
当SMAX≤30dBm时，控制单元控制预处理单元设置衰减和放大值，确保频谱接收单元S106入口处信号幅度在-60dBm～+5dBm范围内，通道2开展扫描起始点fL至扫描终止点fH的扫描，每扫描完一遍fL至fH后，控制单元记录通道2监测得到的fL至fH的空间信号频谱信息，然后继续扫描fL至fH频谱，直到用户发出停止指令。通道2扫描的同时，通道1一直循环监测200MHz～5GHz最大信号强度SMAX，控制单元S101一直根据SMAX进行反馈控制预处理单元设置衰减和放大值，确保频谱接收单元的入口处信号幅度在-60dBm～+5dBm范围内接收安全。
第四步(步骤d)：将每次扫描获得的数据存入控制单元的数据库，当存储空间不足时，系统自动将最新记录覆盖最早存储的记录。控制单元依据用户指令形成频谱数据报告。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种室内半空间无线电频谱监测系统，其特征在于，包括：控制单元(S101)、预处理单元(S107)、频谱接收单元(S106)、内置平面天线(S102)、天线罩(S103)、屏蔽机壳(S104)、安装单元和供电单元(S109)，
所述控制单元(S101)与所述预处理单元(S107)、所述频谱接收单元(S106)无线连接；
所述预处理单元(S107)、所述频谱接收单元(S106)和所述供电单元(S109)之间进行连接；
所述频谱接收单元(S106)、所述预处理单元(S107)和所述供电单元(S109)设置在所述屏蔽机壳(S104)的内腔；
所述天线罩(S103)设置在所述屏蔽机壳(S104)的一侧；
所述内置平面天线(S102)设置在所述屏蔽机壳(S104)和所述天线罩(S103)之间，位于所述天线罩(S103)的包裹空腔内，并与所述预处理单元(S107)进行连接；
所述安装单元设置在所述屏蔽机壳(S104)上。
2.根据权利要求1所述的室内半空间无线电频谱监测系统，其特征在于，所述频谱接收单元(S106)采用由通道1和通道2构成的双通道模式，两个通道并行工作。
3.根据权利要求1所述的室内半空间无线电频谱监测系统，其特征在于，所述内置平面天线(S102)的平面与所述屏蔽机壳(S104)的平面平行，背瓣指向所述屏蔽机壳(S104)，主瓣指向所述天线罩(S103)；
所述内置平面天线(S102)采用半空间平面螺旋天线形式的单层印制板天线，天线巴伦和天线接头部分通过屏蔽管进入所述屏蔽机壳(S104)的内腔，所述内置平面天线(S102)以所述屏蔽机壳(S104)为反射面形成半空间接收覆盖。
4.根据权利要求3所述的室内半空间无线电频谱监测系统，其特征在于，所述内置平面天线(S102)设置一个，所述半空间接收覆盖200MHz～5GHz的信号。
5.根据权利要求1所述的室内半空间无线电频谱监测系统，其特征在于，所述预处理单元(S107)和所述频谱接收单元(S106)、所述内置平面天线(S102)之间的连接方式为射频固定式连接，所述屏蔽机壳(S104)和所述天线罩(S103)的外部无有线射频信号接口。
6.根据权利要求1所述的室内半空间无线电频谱监测系统，其特征在于，所述天线罩(S103)由亚克力材质制成。
7.根据权利要求1所述的室内半空间无线电频谱监测系统，其特征在于，所述安装单元包括：壁挂安装单元(S105)和立式安装单元(S108)，
所述壁挂安装单元(S105)设置于所述屏蔽机壳(S104)上与所述天线罩(S103)的安装面相对的另一面；
所述立式安装单元(S108)设置在所述屏蔽机壳(S104)的底部。
8.根据权利要求1所述的室内半空间无线电频谱监测系统，其特征在于，所述预处理单元(S107)包括滤波模块、放大模块和衰减模块，
所述滤波模块为采用200MHz高通滤波器和5GHz低通滤波器串联实现的200MHz～5GHz的带通滤波器；
所述放大模块采用最大输入幅度为-40dBm的200MHz～5GHz、30dB低噪声放大器；
所述衰减模块采用最大输入幅度为35dBm的40dB步进5dB可调衰减器；
所述放大模块和所述衰减模块受控制单元(S101)控制。
9.一种利用如权利要求1至8任一项所述的室内半空间无线电频谱监测系统实现的室内半空间无线电频谱监测方法，包括：
a、将所述系统安装在被测区域处，所述天线罩的一面指向被测区域，所述供电单元通过220V两相电源线与220V电源连接；
b、设置工作模式，在200MHz～5GHz的频率范围内选取所需的监测频段，设置报警门限STH＝-10dBm；
c、启动扫描，之后所述控制单元首先设置所述预处理单元的衰减为-40dB，放大为0dB，所述通道1扫描200MHz～5GHz频谱，确定最大信号强度SMAX；
d、将每次扫描获得的数据存入所述控制单元的数据库，当存储空间不足时，自动将最新记录覆盖最早存储的记录，所述控制单元根据用户指令形成频谱数据报告。
10.根据权利要求9所述的室内半空间无线电频谱监测方法，其特征在于，所述步骤c还包括：
当SMAX＞30dBm时，所述预处理单元的衰减设置为-40dB，放大为0dB，所述系统的报警提示信号超出接收范围，所述通道1进入循环检测，所述通道2暂停工作；
当SMAX≤30dBm时，所述控制单元控制所述预处理单元设置衰减和放大值，确保所述频谱接收单元的入口处信号幅度在-60dBm～+5dBm范围内，所述通道2开展扫描起始点fL至扫描终止点fH的扫描，每从扫描起始点fL至扫描终止点fH扫描完一次后，所述控制单元记录所述通道2监测得到的扫描起始点fL至扫描终止点fH的空间信号频谱信息，然后继续扫描fL至fH频谱，直到用户发出停止指令；
所述通道2扫描的同时，所述通道1一直循环监测200MHz～5GHz的最大信号强度SMAX，所述控制单元一直根据所述最大信号强度SMAX进行反馈，并控制所述预处理单元设置衰减和放大值，确保所述频谱接收单元的入口处信号幅度在-60dBm～+5dBm范围内接收安全。
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