CN114978374A - 铁路无线电监测系统 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种铁路无线电监测系统，包括：射频模块、卫星定位模块、A/D、FPGA、ARM、存储模块、通信模块、电源模块，其中，所述FPGA包括FFT算法、信号触发算法、信号截取算法和解调解码模块的实现，所述ARM用于实现核心功能逻辑控制和射频控制。本申请能够通过卫星定位模块实时获取当前接收机位置和运动速度，通过快速扫描获取空间无线电频谱数据，通过信号截取和解调解码算法对铁路沿线的GSM‑R、LTE‑R等无线通信系统信令进行解调解码，从而获取铁路通信网络质量数据。

Description

铁路无线电监测系统
技术领域
本申请涉及无线电监测技术领域，具体涉及一种铁路无线电监测系统。
背景技术
铁路网是我国重要的交通运输网络，铁路的调度依赖铁路无线通信的有序进行。然而，铁路调度频段受到不明信号干扰的现象屡有发生，严重影响铁路车组的车次号注册，以及车辆与调度核心网之间的数据传输。目前，尚没有针对铁路无线通信进行监测和保障的无线电监测系统和网络。
目前市面上的无线电监测接收机型号很多，功能性能各异，但还没有针对铁路无线通信进行无线电监测的设备。列车运行过程中，尤其是高铁的高速运行过程中的无线电监测要求接收机具备较高的频谱扫描速度，卫星定位能力和列车调度通信网络的解调解码能力。目前市场上的接收机设备主要面向固定监测站部署，远远满足不了铁路通信网络的监测要求。
由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种铁路无线电监测系统，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
针对现有技术中的问题，本申请提供一种铁路无线电监测系统，能够通过卫星定位模块实时获取当前接收机位置和运动速度，通过快速扫描获取空间无线电频谱数据，通过信号截取和解调解码算法对铁路沿线的GSM-R、LTE-R等无线通信系统信令进行解调解码，从而获取铁路通信网络质量数据。
为解决上述至少一个技术问题，本申请提供以下技术方案：
第一方面，本申请提供一种铁路无线电监测系统，包括：射频模块、卫星定位模块、A/D、FPGA、ARM、存储模块、通信模块、电源模块，其中，所述FPGA包括FFT算法、信号触发算法、信号截取算法和解调解码模块的实现，所述ARM用于实现核心功能逻辑控制和射频控制，其特征在于，包括以下实施步骤：
上位机下发监测任务，具体参数包括监测频段[fs，fe]、RBW、ts、Ts，其中，fs为起始频率，fe为结束频率，RBW为分辨率带宽，ts为任务开始时间，Ts为监测任务持续时间；
设备接收到上位机发送的监测任务后，根据任务参数中的[fs，fe]配置信号采集行为列表，设备中频带宽为BIF，采样率为fsamp，若监测任务带宽大于中频带宽，即fe-fs＞BIF，则生成信号采集行为列表；
设备ARM射频控制模块根据生成的信号采集行为列表对射频模块本振频率进行设置，对进入设备的信号进行混频和中频滤波，输出模拟基带信号SI(t)与SQ(t)，或复基带信号SI(t)+jSQ(t)；
通过A/D，对模拟基带信号进行采样量化，得到数字基带信号SIn与SQn，或数字复基带信号SIn+jSQn；
FPGA中对A/D采样量化后的数字基带信号进行FFT变换，得到第i段接收信号的频谱数据Pi＝{pi1，pi2，...，pij，...}；
根据Pi对噪声电平估计，根据信号触发阈值触发信号，结合铁路无线通信系统信道分布规则，生成信号列表，信号截取功能模块根据信号列表逐一对A/D输入的数字基带信号进行截取，解调解码模块对信号截取模块截取的各信号段数字基带信号进行解调解码，得到铁路无线通信网络质量数据，包括：Cell PCI、Cell ID、频点、RSRP、SINR；
将各段信号的频谱数据进行拼接，生成监测任务频段的完整频谱数据；
核心功能逻辑控制模块触发卫星定位模块，获取设备当前位置信息；
核心功能逻辑控制模块将各模块生成的数据生成数据包上报给上位机，数据包中数据可采用Json格式。
进一步地，所述上位机下发监测任务还包括：
[fs，fe]为必选项，ts为可选项，若没有设置ts，则下位机接收到任务立即执行，否则按照设定的时间ts启动执行；
Ts为可选项，若没有设置Ts，则为设备启动后保持信号监测模式，直到上位机下达结束指令，否则监测任务持续Ts时间后，自动结束。
进一步地，生成信号采集行为列表为：
Figure BDA0003649926820000031
其中，Tsamp为每个基带信号采集频段的采样时间，为
Figure BDA0003649926820000032
N为基带信号采集段数，
Figure BDA0003649926820000033
若上位机下发的监测任务配置中包含ts设置，则任务进入等待状态，在ts时刻进入射频混频；若上位机下发的监测任务配置中未包含ts设置，则进入射频混频。
进一步地，所述根据Pi对噪声电平估计，包括：
取前K帧频谱数据，及Pi-K+1到Pi的频谱数据求平均，即
Figure BDA0003649926820000034
设
Figure BDA0003649926820000035
中最小值为Pi，min，[Pi，min，Pi，min+10dB]区间的所有点，统计这些数据点的统计分布，取累计概率分布函数等于90％的点作为噪声功率上位值Pi，max，取比Pi，max大6dB作为信号触发阈值判定是否存在信号。
由上述技术方案可知，本申请提供一种铁路无线电监测系统，能够通过卫星定位模块实时获取当前接收机位置和运动速度，通过快速扫描获取空间无线电频谱数据，通过信号截取和解调解码算法对铁路沿线的GSM-R、LTE-R等无线通信系统信令进行解调解码，从而获取铁路通信网络质量数据。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
图1为本申请所述铁路无线电监测系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
为了能够通过卫星定位模块实时获取当前接收机位置和运动速度，通过快速扫描获取空间无线电频谱数据，通过信号截取和解调解码算法对铁路沿线的GSM-R、LTE-R等铁路通信系统信令进行解调解码，从而获取铁路通信网络质量数据，本申请提供一种铁路无线电监测系统的实施例，参见图1，本实施例中，所述铁路无线电监测系统具体包含射频模块、卫星定位模块、A/D、FPGA、ARM、存储模块、通信模块、电源模块，其中，所述FPGA包括FFT算法、信号触发算法、信号截取算法和解调解码模块的实现，所述ARM用于实现核心功能逻辑控制和射频控制，其特征在于，包括以下实施步骤：
上位机下发监测任务，具体参数包括监测频段[fs，fe]、RBW、ts、Ts，其中，fs为起始频率，fe为结束频率，RBW为分辨率带宽，ts为任务开始时间，Ts为监测任务持续时间；
设备接收到上位机发送的监测任务后，根据任务参数中的[fs，fe]配置信号采集行为列表，设备中频带宽为BIF，采样率为fsamp，若监测任务带宽大于中频带宽，即fe-fs＞BIF，则生成信号采集行为列表；
设备ARM射频控制模块根据生成的信号采集行为列表对射频模块本振频率进行设置，对进入设备的信号进行混频和中频滤波，输出模拟基带信号SI(t)与SQ(t)，或复基带信号SI(t)+jSQ(t)；
通过A/D，对模拟基带信号进行采样量化，得到数值基带信号SIn与SQn，或数字复基带信号SIn+jSQn；
FPGA中对A/D采样量化后的数字基带信号进行FFT变换，得到第i段接收信号的频谱数据Pi＝{pi1，pi2，...，pij，...}；
根据Pi对噪声电平估计，根据信号触发阈值触发信号，结合铁路无线通信系统信道分布规则，生成信号列表，信号截取功能模块根据信号列表逐一对A/D输入的数字基带信号进行截取，解调解码模块对信号截取模块截取的各信号段数字基带信号进行解调解码，得到铁路无线通信网络质量数据，包括：Cell PCI、Cell ID、频点、RSRP、SINR；
将各段信号的频谱数据进行拼接，生成监测任务频段的完整频谱数据；
核心功能逻辑控制模块触发卫星定位模块，获取设备当前位置信息；
核心功能逻辑控制模块将各模块生成的数据生成数据包上报给上位机，数据包中数据可采用Json格式。
从上述描述可知，根据本申请实施例提供的铁路无线电监测系统，通过卫星定位模块实时获取当前接收机位置和运动速度，通过快速扫描获取空间无线电频谱数据，通过信号截取和解调解码算法对铁路沿线的GSM-R、LTE-R等铁路通信系统信令进行解调解码，从而获取铁路通信网络质量数据。
作为一种可选的实施方式，所述上位机下发监测任务还包括：
[fs，fe]为必选项，ts为可选项，若没有设置ts，则下位机接收到任务立即执行，否则按照设定的时间ts启动执行；
Ts为可选项，若没有设置Ts，则为设备启动后保持信号监测模式，直到上位机下达结束指令，否则监测任务持续Ts时间后，自动结束。
作为一种可选的实施方式，生成信号采集行为列表为：
Figure BDA0003649926820000061
其中，Tsamp为每个基带信号采集频段的采样时间，为
Figure BDA0003649926820000062
N为基带信号采集段数，
Figure BDA0003649926820000063
若上位机下发的监测任务配置中包含ts设置，则任务进入等待状态，在ts时刻进入射频混频；若上位机下发的监测任务配置中未包含ts设置，则进入射频混频。
作为一种可选的实施方式，所述根据Pi对噪声电平估计，包括：
取前K帧频谱数据，及Pi-K+1到Pi的频谱数据求平均，即
Figure BDA0003649926820000064
设
Figure BDA0003649926820000065
中最小值为Pi，min，[Pi，min，Pi，min+10dB]区间的所有点，统计这些数据点的统计分布，取累计概率分布函数等于90％的点作为噪声功率上位值Pi，max，取比Pi，max大6dB作为信号触发阈值判定是否存在信号。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种铁路无线电监测系统，包括射频模块、卫星定位模块、A/D、FPGA、ARM、存储模块、通信模块、电源模块，其中，所述FPGA包括FFT算法、信号触发算法、信号截取算法和解调解码模块的实现，所述ARM用于实现核心功能逻辑控制和射频控制，其特征在于，包括以下实施步骤：
上位机下发监测任务，具体参数包括监测频段[fs，fe]、RBW、ts、Ts，其中，fs为起始频率，fe为结束频率，RBW为分辨率带宽，ts为任务开始时间，Ts为监测任务持续时间；
设备接收到上位机发送的监测任务后，根据任务参数中的[fs，fe]配置信号采集行为列表，设备中频带宽为BIF，采样率为fsamp，若监测任务带宽大于中频带宽，即fe-fs>BIF，则生成信号采集行为列表；
设备ARM射频控制模块根据生成的信号采集行为列表对射频模块本振频率进行设置，对进入设备的信号进行混频和中频滤波，输出模拟基带信号SI(t)与SQ(t)，或复基带信号SI(t)+jSQ(t)；
通过A/D，对模拟基带信号进行采样量化，得到数字基带信号SIn与SQn，或数字复基带信号SIn+jSQn；
FPGA中对A/D采样量化后的数字基带信号进行FFT变换，得到第i段接收信号的频谱数据Pi＝{pi1，pi2，...，pij，...}；
根据Pi对噪声电平估计，根据信号触发阈值触发信号，结合铁路无线通信系统信道分布规则，生成信号列表，信号截取功能模块根据信号列表逐一对A/D输入的数字基带信号进行截取，解调解码模块对信号截取模块截取的各信号段数字基带信号进行解调解码，得到铁路无线通信网络质量数据，包括：Cell PCI、Cell ID、频点、RSRP、SINR；
将各段信号的频谱数据进行拼接，生成监测任务频段的完整频谱数据；
核心功能逻辑控制模块触发卫星定位模块，获取设备当前位置信息；
核心功能逻辑控制模块将各模块生成的数据生成数据包上报给上位机，数据包中数据可采用Json格式。
2.根据权利要求1所述的铁路无线电监测系统，其特征在于，所述上位机下发监测任务还包括：
[fs，fe]为必选项，ts为可选项，若没有设置ts，则下位机接收到任务立即执行，否则按照设定的时间ts启动执行；
Ts为可选项，若没有设置Ts，则为设备启动后保持信号监测模式，直到上位机下达结束指令，否则监测任务持续Ts时间后，自动结束。
3.根据权利要求1所述的铁路无线电监测系统，其特征在于，生成信号采集行为列表为：
Figure FDA0003649926810000021
其中，Tsamp为每个基带信号采集频段的采样时间，为
Figure FDA0003649926810000022
N为基带信号采集段数，
Figure FDA0003649926810000023
若上位机下发的监测任务配置中包含ts设置，则任务进入等待状态，在ts时刻进入射频混频；若上位机下发的监测任务配置中未包含ts设置，则进入射频混频。
4.根据权利要求1所述的铁路无线电监测系统，其特征在于，所述根据Pi对噪声电平估计，包括：
取前K帧频谱数据，及Pi-K+1到Pi的频谱数据求平均，即
Figure FDA0003649926810000024
设
Figure FDA0003649926810000025
中最小值为Pi，min，[Pi，min,Pi，min+10dB]区间的所有点，统计这些数据点的统计分布，取累计概率分布函数等于90％的点作为噪声功率上位值Pi，max，取比Pi，max大6dB作为信号触发阈值判定是否存在信号。
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GR01 Patent grant
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