CN115856428A

CN115856428A - 一种模块化的复杂电磁环境频谱态势感知采集装置

Info

Publication number: CN115856428A
Application number: CN202211482111.1A
Authority: CN
Inventors: 高翔; 姚秀娟; 李雪; 陈志敏; 付降寅
Original assignee: National Space Science Center of CAS
Current assignee: National Space Science Center of CAS
Priority date: 2022-11-24
Filing date: 2022-11-24
Publication date: 2023-03-28

Abstract

本发明公开了一种模块化的复杂电磁环境频谱态势感知采集装置，所述装置采用模块化整机结构设计，包括：频谱侦测模块、数据传输模块和一体化天线单元；其中，所述频谱侦测模块，采用超外差架构设计，用于完成电磁环境的频谱信号采集与分析处理；所述数据传输模块，用于对频谱侦测模块采集与分析处理后的数据进行存储，并发送至上位机；所述一体化天线单元，将多个频段的分体天线集成共型，用于提供监测天线、定位天线和数据传输天线。本发明的装置具有全面的信号采集、处理、传输、分析、存储及展示能力，信号带宽扩展为50M；采用整机模块化结构设计，具有供电方便灵活、应对恶劣气候适应性较强以及设备安装方便的优点。

Description

一种模块化的复杂电磁环境频谱态势感知采集装置

技术领域

本发明属于电磁环境信号采集技术领域，尤其涉及一种模块化的复杂电磁环境频谱态势感知采集装置。

背景技术

复杂电磁环境信号的采集对于无线电管理、电磁空间安全都十分重要。对于复杂电磁环境态势感知信号采集装置。需要具有较强的信号采集处理能力、较高的集成度、供电方便灵活、对恶劣气候适应性较强、设备安装方便、性价比较高的特征

当前复杂电磁环境信号的采集装置，采用的是多个分体装置实现信号采集、传输、分析。各装置通过电缆连接，系统较为复杂、体积较大。缺乏模块化、整体化系统设计。信号采集和处理大多采用分置的方式，集成度较低。尤其是针对复杂电磁环境信号采集大多在野外，环境较为恶劣这个现实场景，其采集处理的流程可靠性需要进一步提高。因此采用科学合理的系统架构设计，统筹设计信号采集、处理、传输、分析、存储及展示等功能的软硬件模块，综合考虑整机模块化结构设计服务与各功能模块，进一步提升复杂电磁环境信号的采集装置的采集适应性、结构合理性、信号处理的茁壮性是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种面向复杂电磁环境的频谱态势感知信号采集装置。

为了实现上述目的，本发明提出了一种模块化的复杂电磁环境频谱态势感知采集装置，所述装置采用模块化整机结构设计，包括：

频谱侦测模块，采用超外差架构设计，用于完成电磁环境的频谱信号采集与分析处理；

数据传输模块，用于对频谱侦测模块采集与分析处理后的数据进行存储，并发送至上位机；和

一体化天线单元，将多个频段的分体天线集成共型，用于提供监测天线、定位天线和数据传输天线。

作为上述装置的一种改进，所述频谱侦测模块覆盖VHF频段(30MHz～300MHz)～C频段(4-8GHz)，包括超外差接收机和综合处理及分析单元，其中，

所述超外差接收机，用于将接收的调制RF信号经过一个混频器后转换为中频信号，再将中频信号输入I/Q解调器，将调制的中频信号解调为基带信号；

所述综合处理及分析单元，用于对基带信号进行时域与频域分析并传输至数据传输模块。

作为上述装置的一种改进，所述超外差接收机的RF输入频率范围为20MHz～6GHz，扫频速度为60G/s。

作为上述装置的一种改进，所述综合处理及分析单元的处理包括：

对20MHz～6GHz频段内信号按设定的参数进行高速扫描监测，对指定频率信号及ITU-R建议的相关参数进行测量，并对指定频率的AM、FM模式信号解调监听；所述相关参数包括电平、场强、调制度、频偏和占用度带宽。

作为上述装置的一种改进，所述数据传输模块采用Linux系统架构，包括存储单元和传输单元，其中，

所述存储单元，用于将频谱侦测模块采集与分析处理后的数据以文件形式进行存储，数据包括频谱数据和I/Q数据；

所述传输单元，用于根据设定的数据包格式向上位机传输。

作为上述装置的一种改进，所述存储单元的处理过程具体包括：

按照记录存储数据，每个记录对应设定的天线极化方式、测量步长、起止频率，一个文件连续存储多个记录，当文件大小超过预设的阈值，开启新文件继续存储；

对于频谱数据，文件名通过不同字段记录文件创建日期、文件创建时间、起止频率、测量步长、极化方式和测试标志；记录包括：记录头校验、监测设备编号、设备参数设置和天线信息、监测时间、扫描速度、经纬度、天线挂高、步进、频率点数量和测试数据；

对于I/Q数据，记录包括：文件头信息和数据体，其中文件头包括中心频率、采样率、单个记录样本数和数据记录条数；数据体包括若干条数据记录，每个数据记录包括若干个I分量和Q分量。

作为上述装置的一种改进，所述天线单元包括监测天线、GPS或北斗天线和WIFI天线。

作为上述装置的一种改进，所述装置还包括电源模块，用于为装置中的各模块提供工作所需电压和电流，所述电源模块为可充电电池组件。

作为上述装置的一种改进，所述装置采用铝合金整机防水外壳

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明的装置具有全面的信号采集、处理、传输、分析、存储及展示能力，信号带宽扩展为50M；

2、本发明采用整机模块化结构设计，具有供电方便灵活、对恶劣气候适应性较强以及设备安装方便的优点。

附图说明

图1是本发明的装置框图；

图2是本发明的装置组成示意图；

图3是I/Q文件存储结构；

图4是超外差接收机工作原理图；

图5是数据协议。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例

如图1所示，本发明的实施例提供了一种面向复杂电磁环境的频谱态势感知信号采集装置。装置采用模块化整机结构设计，包括：频谱侦测模块，数据传输模块、一体化天线、电源模块及铝合金整机外壳结构件组成。频谱侦测模块采用超外差架构设计，完成频谱信号采集功能。数据传输模块采用Linux系统架构，具备接口数据组织与调理功能。电源模块提供各模块正常工作所需电压、电流。铝合金整机外壳作为整机结构主要部分，完成单元防护、防水、防尘、散热功能。同时实现信号、电气物理接口功能、天线安装定位接口功能。

如图2所示，是本装置组成示意图。综合态势监显与可视化软件通过Wifi或RJ45接口与数字信号综合分析单元连接，实现电磁环境数据的采集、分析和展示。

一、总体设计

系统单元功能包括频段扫描、信号分析、信号解调及监听三大部分。可以对20MHz～6000MHz频段内信号按设定的参数进行高速扫描监测，提供瀑布图、实时谱等谱图，信号可以进行各种信号标记。信号分析可以实现对指定频率信号监听、ITU-R建议的相关参数(电平、场强、调制度、频偏、占用度带宽等)进行测量。信号解调及监听功能能够对指定频率的AM、FM模式信号解调监听。具体功能如下：

1)频谱侦测传感器射频信号采集功能：覆盖VHF～C频段(70MHz～6GHz)，具备IQ数据进机存储能力。

2)频谱侦测传感器信号综合处理及分析功能：具备信号时域与频域分析能力，实时分析带宽50MHz。

3)传输模块GPS或北斗信息定位功能：能够输出GPS或北斗时间码、卫星信息及位置信息。

4)传输模块采集参数配置交互功能：可由上位机进行目标频段参数定制化配置。

5)传输模块接口数据组织与调理功能。

频谱侦测模块

将设备平放，正对接口方向视角，从左至右一次为：

·N-KF视频信号输入接口：最大功率+20dBm，电压范围为±40V；

·SMA外部参考时钟接口：频率10MHz，最大功率+10dBm；

·SMA外部触发/同步输入接口：5V TTL电平，阻抗10K ohm；

·Micro-B型USB3.0母座：USB3.0上位机接口，供电传输数据；

·SMA外部接口：连接WIFI天线、GPS天线。

数据传输模块接口包括：

●电源接口：Micro-USB电源接口，直流5V/3A；

·数据接口：数据传输供电接口，和频谱侦测模块数据传输及供电；

●音频接口：音频信号输出；

·USB接口：外接设备接口；

·网络接口：LAN以太网。

二、数据接口设计

频谱数据

频谱数据使用文件进行存储，文件名分为七字段，使用下连字符连接，扩展名为bin。文件命名规范如下，各字段的含义如下表所示。

字段1_字段2_字段3_字段4_字段5_字段6_字段7.bin

表1各字段的含义

文件大小限制：不超过200MB，超过的数据使用新的文件进行记录。

存储时间：测量过程中每次扫描完整个需要监测的频段后立即缓存。

本地数据存储方式：数据按记录存储，一个文件可以连续存储多个记录，不要超过文件大小限制。

本地记录数据项要求如下表所示。

表2本地记录数据项

/>

I/Q数据

主要记录I分量和Q分量，本地数据存储方式：数据按记录存储，一个文件可以连续存储多个记录。

本地记录数据项要求如图3所示。

三、复杂电磁环境频谱态势感知采集装置

1、传输模块结构设计

传输模块结构壳体采用铝合金材质+双风扇设计，黑色高硬度、金属光泽、不易锈化铝合金材质搭配双风扇更利于散热。

2、供电设计

表3物理参数列表

3、采用超外差接收机设计：

在超外差接收机中，调制的RF信号经过一个混频器将射频信号转换为中频信号，然后中频信号进入I/Q解调器，将调制的中频信号解调为基带信号。

在超外差接收机中，一般需要两级混频才能将调制的RF信号转换到中频。第一级混频将RF信号转换为高中频信号，第二级混频将高中频信号转换为低中频信号，然后该信号进入I/Q解调器，将调制的中频信号解调为基带信号。图4为超外差接收机工作原理图。

超外差接收机的优势：

(1)它将高频信号转换为低频信号，因此所有处理都在低频下进行，在较低频率进行信号处理的成本会低。与RF信号相比，很容易对中频信号进行滤波。

(2)与零差接收器架构相比，它具有更高的灵敏度。在信号监测及仪器测试领域，是较为主流技术方案。

(3)外差使用了单级转换，而超外差使用了双级转换，这种方式解决了使用单级转换时可能出现的中频信号混叠现象。

3、板卡设计

接收机板卡采用数模一体化设计方案，保证的系统的稳定性、可靠性。

4、数据流及接口协议设计

展现端与监测终端的信息交互数据包格式为：数据包头+业务数据+数据包尾，数据包以字节(Byte)为单位，数据包按帧格式分帧，通过TCP/IP网络协议传输。具体数据协议见图5。

1)频谱数据包头结构

表4频谱数据包头列表

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说明：在包传输时，在应用层采用应答机制。接收包正常时，发接收正常应答包；接收不正常时，发请求重发包。发送方在收到应答后，根据应答包类型，决定下一包发送的类型。在应答包中，只含数据包头和包尾，不含业务数据。包头结构共有81个字节，包尾为32个字节的0。

2)帧结构

帧格式：帧头+帧数据

表5网络数据帧头结构列表

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说明：(1)在帧传输时，在数据通信层采用应答机制。接收正常时，发接收正常应答帧；接收不正常时，发请求重发帧。发送方在收到应答后，根据应答帧类型，决定下一帧发送的类型。在应答帧中，只含帧头，不含帧数据。

(2)在数据通信层双方，当需要对方断开连接时，发送断开连接命令(帧类型标志为0)，接收方主动断开TCP/IP连接。

(3)除最后帧外，帧数据长度为1400字节。最后帧数据长度按实际长度确定。

(4)帧头共18字节，帧尾为空。

3)性能指标设计

表6性能和指标参数列表

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4)供电设计

表7物理参数列表

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5)结构设计

A)整体结构防雨防尘设计

结构设计为可实现信号、电气功能接口、天线安装定位、内部分机模块防护、防水、防尘、散热功能。壳体采用防水防尘铸铝材质+散热栅设计+气孔设计，银色。

B)频谱侦测模块结构设计

C)传输模块结构设计

四、环境及适应性设计

由于频谱侦测模块运行环境较为复杂化，实际工作环境较为恶劣，因此在进行结构设计时应全面考虑各种因素对装备的影响，确保装备的性能得到充分、可靠的发挥。

本装备由频谱侦测模块、数据传输模块、电源模块、天线及铝合金整机外壳组成，以机械环境和气候环境适应性为出发点，在结构设计时综合振动、温度、三防及电磁兼容等方面采取针对性措施，提高了装备的质量可靠性。

本装备结构设计实现了信号、电气功能接口功能、天线安装定位功能、内部分机模块防护、防水、防尘、散热功能。整机外壳壳体采用防水防尘铸铝材质+散热栅设计+气孔设计，壳体为银色。

1.机械环境适应性设计

本装备中的电子设备必须适应野外的复杂环境条件要求，还需要控制整机重量。这就要求机载电子设备在轻量化的前提下注重刚度、强度及隔振设计，使电子设备在振动、冲击等方面具有良好的适应能力。

在本项目中对于振动冲击方面采取以下措施:(1)结构设计时在轻量化的前提下进行刚性化设计,提高系统固有频率，并进行振动分析，使分机的固有频率避开外部装置的振动频率的半频、基频及倍频。(2)结构避免直角过渡,采用倒圆角以减少应力集中，防止结构件疲劳而出现断裂。(3)元器件采用合理的安装方式，对强度、刚度薄弱的元器件,采用加固、封灌等措施，而对于振动敏感的射频部分采用微带结构及模块化设计。(4)电路板上质量体积较大的元器件点胶加固,电路板增加结构固定点以提高结构刚度。(5)长时间野外振动易引起沉头螺钉松动、脱落，对于重点应力点的螺钉用螺纹胶加固。

2.气候环境适应性设计

本装备不可避免地遭受气候环境单一或综合作用,其中温度、盐雾、湿热及电磁兼容是导致其失效或破坏的主要因素。

1)温度冲击适应性设计

本装备暴露于野外，直接受日晒雨淋,环境温度较为恶劣，装备承受着温度冲击的考验。温度冲击加速了装备内部电子设备潜在的缺陷、设计、制造工艺不足的暴露，且增加了物理损坏或性能下降的风险。为减弱温度冲击造成的影响，我们在设计时采用了以下设计原则：

(1)选择温度适应范围大的元器件，同时对关键元器件进行降额设计。

(2)对温度敏感的元器件采用合理的结构设计散热降温；

(3)在选择材料时选择温度适应范围大、膨胀系数相近的材料

(4)避免选用低温下易发生冷脆的材料，防止产生过大应力破坏结构件及元器件。

2)三防环境适应性设计

湿热、霉菌、盐雾会腐蚀装备的结构件及元器件,导致结构强度降低、电气性能下降甚至失效。对于电子设备三防环境适应性设计，我们从材料防护、结构防护、工艺防护三方面着手:

(1)选材时根据材料的使用部位及使用环境,在综合材料相容性、机械性能、工艺性的同时，考虑材料的耐腐蚀性，优先选用耐腐蚀的材料，

(2)通过对材料进行合理的工艺处理,以进一步提高材料的“三防”性能；结构设计应合理，形状力求简单。

3.电磁环境适应性设计

本装备中的电子设备必须适应较为复杂的电磁环境条件，在遭受干扰时可能会造成逻辑上的错误或信息的丢失，甚至会造成设备的失控、死机以及系统瘫痪，因此电磁环境适应性设计至关重要。

本项目中结构设计方面主要是通过屏蔽体的设计来进行电磁屏蔽:

(1)选用导电性良好的合金材料作为结构体，并对其表面进行化学导电氧化以提高导电性能。

(2)结构上必须开孔时优先开圆孔，其次开矩形孔，避免开长条形孔。

(3)模块内部各印制板或单元采用压条隔离或加工单独屏蔽体，减小信号串扰。

(4)模块壳体采用整体铣削加工，并采用内嵌式盖板、加装电磁密封条及缩短螺钉间距，确保良好的电连续性。

(5)减少电缆的转接,优先使用盲插射频同轴连接器，以减少差损、驻波反射和相移误差。

五、可靠性设计

系统满足7×24小时连续工作，为保证系统可靠性工作，采取以下策略：

数据切分策略

系统软件开始采集频谱数据后，频谱数据自动保存在指定附录下，并以200M大小保存为一个文件，避免文件太大出现加载慢的问题。

在硬件模块设计方面还考虑了以下因素：

热设计

电子设备的失效中大约有55％是由温度超过规定值引起的，而对于频谱侦测模块，其核射频器件工作状态下温度较高，在设计中需要要对所较大功耗的射频器件进行热分析，通过合理地设计腔体散热板、降低热阻等措施，使器件的工作温度满足要求。

频谱侦测模块结构较为紧凑，射频单元为主要热源，直接贴装在铝制加工的腔体板上：滤波器配器和衰减器器热耗小，可设计在上层。

力学设计

本装备必须要承受运输、使用等各阶段的振动和冲击。力学分析设计的主要目的是进行振动、冲击进行分析，包括装备中各组件通过支架传导至铝合金壳体加速度分析，确保装备结构的可靠性。

电子元件降额设计

降额设计是电子产品可靠性设计中的关键技术之一。当电子元器件在额定值以最大负荷状态工作时，会受到自身材料等因素的影响，导致性能加速退化，失效率明显上升。而在低于最大负荷状态下工作时，元器件发生故障的可能性明显降低(不考虑元器件本身缺陷引起的失效)。降额设计就是通过使元器件在使用中所承受的应力适当低于其额定值，从而降低元器件失效率、提高使用可靠性。

在本项目中，对于影响安全、实现关键功能的元器件应采用降额设计的方法，提高整机可靠性。

六、可维护性设计

采用以下措施确保系统可维护性：

(1)系统模块化设计，方便维护排查问题，系统软件具有运行日志文件，记录软件的运行日志，方便追溯问题。

(2)系统设计与编码规范，系统软件实现按规范进行，便于软件的理解和修改。

(3)系统具有完备、简便的系统安装工具，能够支持局部或全系统自动安装部署、快速修复、版本升级等功能。

(4)系统运行过程中关键操作和异常情况记录日志，在排查问题时，有助于软件运维人员快速定位、复现、解决问题。

对于本装备产品，由于受到元器件水平、设计水平等因素的限制。其可靠性不是无限的，要弥补这一缺陷我们在设计中非常重视可维修性设计。可维修性设计是指可以维修的产品在规定条件和规定时间内，按规定的程序和方法完成维修、保持或恢复到能完成规定功能状态的能力，甚至应考虑在未出故障之前，已采取有效措施来消除故障，从而提高装备可靠性工作的一种方法。

可维修性设计是确保装备有效性的重要途径。为此，在本项目中可维修性设计遵循以下原则:

(1)设计时尽量采用国内外先进技术，结构设计采用模块化技术，尽量做到标准化通用化、模块化和互换性。

(2)结构设计时考虑做到简单、合理、灵巧，符合“人机工程”关系，特别是在调整及更换维修时的可达性，工作空间和通道的畅通性。

(3)检测和装拆方便、快捷、可拆卸部分的独立性好，测试仪表及维修工具的可接触性好。

(4)维修保障的可行性好，即维修所需的条件、附件、工具、技术文件，特别是专用工具及夹具应完整、简便、易学。

(5)维修环境和人为因素的适用性好、完全性好。

七、扩展性设计

装备扩展性设计可以简化整机设计难度、提高产品设计效率、减少重复开发、缩短研制周期、便于整机测试与维修，并使设计经验能传递和继承，以利于进一步提高设计和生产水平。

本装备在复杂电磁环境侦测及态势感知领域，存在应用领域宽、频段划分方式多，不同带宽及信号体制对频谱侦测及态势感知功能与指标均有较大差异，因此在完成扩展性设计时，我们首先对整机的功能划分与指标分解。在设计中,我们重视扩展性设计，尽量做到避免搭烟囱方式的设计。

我们将设计大纲中的技术需求进行了全面细致的分析，在对通用性功能、指标分析和模块划分三个环节充分分析的基础上，建立装备扩展性设计。

(1)结构设计的扩展性设计

结构是承担装备功能的载体，设计不合理会导致模块间出现干涉或者不易互联等问题。结构设计时我们充分考虑模块的机械特性、在整机的结构布局、模块间的互联关系等因素,注重扩展性设计。保证模块同类型接口统一设计、性能可靠、标志清楚、模块间互联自如，为了增强模块的通用性和扩展性，还应预留调试和测试接口。

(2)接口设计

整机的扩展性设计会增加接口数量(预留和扩充原因)，射频电缆和控制电缆也会数量增多。这样带来的问题是接口间互联电缆占用了较多的空间,信号传输信号损耗增加.高频尤为显著。在设计中我们将射频互联模块紧挨布局，减小了射频互联电缆带来的损耗。同时本项目对于射频接口统一采用同厂家接头,连接器体积小，插拔方便，可以减小接头和高低频电缆带来占用整机空间的问题。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种模块化的复杂电磁环境频谱态势感知采集装置，其特征在于，所述装置采用模块化整机结构设计，包括：

2.根据权利要求1所述的模块化的复杂电磁环境频谱态势感知采集装置，其特征在于，所述频谱侦测模块覆盖VHF频段～C频段，包括超外差接收机和综合处理及分析单元，其中，

3.根据权利要求2所述的模块化的复杂电磁环境频谱态势感知采集装置，其特征在于，所述超外差接收机的RF输入频率范围为20MHz～6GHz，扫频速度为60G/s。

4.根据权利要求2所述的模块化的复杂电磁环境频谱态势感知采集装置，其特征在于，所述综合处理及分析单元的处理包括：

5.根据权利要求1所述的模块化的复杂电磁环境频谱态势感知采集装置，其特征在于，所述数据传输模块采用Linux系统架构，包括存储单元和传输单元，其中，

所述传输单元，用于根据设定的数据包格式向上位机传输。

6.根据权利要求5所述的模块化的复杂电磁环境频谱态势感知采集装置，其特征在于，所述存储单元的处理过程具体包括：

7.根据权利要求1所述的模块化的复杂电磁环境频谱态势感知采集装置，其特征在于，所述天线单元包括监测天线、GPS或北斗天线和WIFI天线。

8.根据权利要求1所述的模块化的复杂电磁环境频谱态势感知采集装置，其特征在于，所述装置还包括电源模块，用于为装置中的各模块提供工作所需电压和电流，所述电源模块为可充电电池组件。

9.根据权利要求8所述的模块化的复杂电磁环境频谱态势感知采集装置，其特征在于，所述装置采用铝合金整机防水外壳。