CN116405137A - 一种机载频谱监测与信道质量评估系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种机载频谱监测与信道质量评估系统及方法，所述系统包括：超短波天线、超短波天线接口单元、L波段天线、L波段天线接口单元、射频开关矩阵模块、频率变换模块、中频开关矩阵模块、信号处理模块和系统控制管理模块；频率变换模块和信号处理模块均配置有多个通道；信号处理模块部署有频谱监测功能软件；系统控制管理模块中部署有系统控制管理软件进行资源调度，从而实现V/UHF频段和/或L波段的频谱监测与信道质量评估。本发明在机载综合射频架构下，在不改变系统原有射频硬件资源的前提下，通过软件化的资源动态调度和配置，即可实现V/UHF频段或L波段的频谱监测功能。
Description
技术领域
本发明涉及无线电技术领域，具体而言，涉及一种机载频谱监测与信道质量评估系统及方法。
背景技术
随着无线电技术的飞速发展和应用，各种无线电设备广泛地渗透到生产生活的各个领域，例如航空通信、移动通信、无人机测控等等，这些无线电设备的使用为我们的生活带来了极大的便利，但剧增的无线电设备也导致了电磁频谱资源的日益紧张，相互干扰的情况日益凸显。
面对复杂的电磁环境和日益稀缺的频谱资源，一方面是发展频谱利用率更高的波形，另一方面是采取必要的频谱管理措施。传统的静态频率管理模式通过频率划分、频率分配和频率指配的方式授权无线电设备在规定条件下使用某段频谱资源。但是当前的电磁频谱呈现动态性、密集性、复杂性和对抗性的特点，传统的静态管理方式已经不能满足时效性的要求。
为了实现动态的频谱管理，就需要实现频谱的实时监测，频谱监测是频谱管理的基础和前提。针对频谱监测的需求，国内外众多厂商均设计开发了专用的频谱监测设备，实现实时频谱的测量和显示。实际上，机载射频传感器系统已从早期的专用设备构成，不断朝着综合化和一体化的方向发展，通过提高射频传感器孔径、频段、处理的综合程度，实现模块化的架构设计以及射频和数字资源的高度共享，从而减轻系统体积、重量和功耗，降低系统成本。因此，受限于机载平台对体积、重量和功耗的约束，这些专用频谱监测设备无法直接集成应用到机载平台。
此外，机载平台通常部署了超短波(V/UHF)和L频段的通信功能，实现话音和数传通信，通过互为备份的方式来保证本身与其他平台节点间的通信，但是仍难以避免受到干扰的影响。一方面平台内各电子系统间由于频率使用可能发生碰撞而相互产生有害干扰，致使通信功能失灵；另一方面也面临着其他平台电子设备的电磁干扰，导致影响本平台的正常通信。因此，机载平台在缺乏频谱监测手段的情况下，无法有效获取频谱信息，从而难以实现通信频率或波道的调整。
发明内容
本发明旨在提供一种机载频谱监测与信道质量评估系统及方法，基于机载综合射频系统架构，采用统一的软硬件平台，并通过软件配置各个功能模块或单元，实现对V/UHF和L频段的频谱监测，并根据获取的频谱信息实现信道质量评估，生成波道质量列表，为后续通信波道的切换调整提供支撑。
本发明提供的一种机载频谱监测与信道质量评估系统，包括：
超短波天线、超短波天线接口单元、L波段天线和L波段天线接口单元，以及依次连接的射频开关矩阵模块、频率变换模块、中频开关矩阵模块、信号处理模块和系统控制管理模块；所述超短波天线经超短波天线接口单元连接射频开关矩阵模块；所述L波段天线经L波段天线接口单元连接射频开关矩阵模块；所述频率变换模块中具有M个频率变换通道；所述信号处理模块中具有N个信号处理通道，并部署有频谱监测功能软件；
所述系统控制管理模块中部署有系统控制管理软件，用于对整个系统进行资源调度，从而实现V/UHF频段和/或L波段的频谱监测与信道质量评估。
进一步的，所述信号处理通道采用DSP+FPGA或者ARM+FPGA的通用硬件架构，频谱监测功能软件部署在信号处理模块的一个信号处理通道的硬件处理资源中；其中：
频谱监测功能软件在FPGA中的部分用于对接收的中频数字信号进行快速傅里叶变换得到信号的功率谱数据；
频谱监测功能软件在DSP或ARM的部分用于控制命令的解析和下发，以及根据功率谱数据完成信道质量评估。
本发明还提供一种机载频谱监测与信道质量评估方法，所述机载频谱监测与信道质量评估方法基于上述的机载频谱监测与信道质量评估系统实现；
所述机载频谱监测与信道质量评估方法包括：
进行V/UHF频段的频谱监测与信道质量评估时：超短波天线接收到的射频信号经过超短波天线接口单元的接收匹配、频段滤波和功率放大后，经过射频开关矩阵路由到频率变换模块的一个频率变换通道中进行下变频、滤波、放大与A/D采样，采样得到的中频数字信号经中频开关矩阵路由到信号处理模块，在信号处理模块的一个信号处理通道中部署的频谱监测功能软件进行V/UHF频段的频率扫描控制、频谱分析和信道质量评估，频谱监测功能软件将V/UHF频段的频谱分析获取的功率谱数据和信道质量评估结果上报给系统控制管理软件；
进行L波段的频谱监测与信道质量评估时：L波段天线接收到的射频信号经过L波段天线接口单元的接收匹配、频段滤波和功率放大后，经过射频开关矩阵路由到频率变换模块的一个频率变换通道中进行下变频、滤波、放大与A/D采样，采样得到的中频数字信号经中频开关矩阵路由到信号处理模块，在信号处理模块的一个信号处理通道中部署的频谱监测功能软件进行L波段的频率扫描控制、频谱分析和信道质量评估，频谱监测功能软件将L波段的频谱分析获取的功率谱数据和信道质量评估结果上报给系统控制管理软件。
进一步的，当同时进行V/UHF频段和L波段的频谱监测与信道质量评估时：
V/UHF频段的频谱监测与信道质量评估占用一路频率变换通道和一路信号处理通道；
L波段的频谱监测与信道质量评估占用另一路频率变换通道和另一路信号处理通道。
进一步的，频谱监测功能软件进行V/UHF频段和/或L频段频谱的频率扫描控制的方法包括：
接收系统控制管理软件的频谱监测控制指令，通过控制频率变换模块的本振频率，从而实现V/UHF频段和/或L波段的频率扫描，获得中频数字信号。
进一步的，频谱监测功能软件进行V/UHF频段和/或L频段频谱的频率分析的方法包括：
对于中频数字信号，利用快速傅里叶变换计算得到信号的功率谱，经过多次频率扫描和快速傅里叶变换后，得到起始频率fbegin和终止频率fend范围内的功率谱数据P(f)，其中，频率变量f∈[fbegin,fend]。
进一步的，频谱监测功能软件进行V/UHF频段和/或L频段频谱的信道质量评估的方法包括：
依据通信距离计算每个信道工作模式下的名义接收功率；
根据获取的功率谱数据，计算得到每个信道工作模式下的干扰功率；
根据每个信道工作模式下的名义接收功率和干扰功率，计算出每个信道的名义接收信噪比；
通过比较名义接收信噪比相对该信道工作波形接收信噪比门限的余量大小，排列得到信道质量列表作为信道质量评估结果。
进一步的，频谱监测功能软件将功率谱数据和信道质量评估结果上报给系统控制管理软件的方式采用周期上报或事件触发上报；默认为周期上报。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明在机载综合射频架构下，在不改变系统原有射频硬件资源的前提下，通过软件化的资源动态调度和配置，即可实现V/UHF频段或L波段的频谱监测功能。这种方式无需增加额外的专用频谱监测设备，实现了系统资源的重用，降低了系统成本和重量。
2、本发明利用V/UHF频段和L波段的实时频谱监测数据，实现了工作波道质量的在线分析和评估，生成得到了波道质量列表，可以用于辅助形成波道使用建议，为后续的波道切换和频谱实时管理奠定了基础。
3、本发明为机载平台的频谱监测提供了一种基于综合射频系统架构的通用化解决方案，具备较强的工程应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例中机载频谱监测与信道质量评估系统的原理框图。
图2为本发明实施例中频谱监测功能软件的工作流程示意图。
图3为本发明实施例中频谱监测功能软件实现信道质量评估的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例
设计思路：面向机载综合射频系统架构，利用综合射频系统通用的天线孔径、天线接口单元、射频开关矩阵、频率变换、中频开关矩阵、信号处理、系统控制管理等通模块或单元，通过系统控制管理软件按照任务需求，为V/UHF频段和L波段的频谱监测功能分配频率变换通道和信号处理通道，从而构建完整的频谱监测信号接收处理功能链路。基于此设计思路，图1给出了在机载综合射频系统架构下，本实施例实现的一种机载频谱监测与信道质量评估系统，包括：
超短波天线、超短波天线接口单元、L波段天线和L波段天线接口单元，以及依次连接的射频开关矩阵模块、频率变换模块、中频开关矩阵模块、信号处理模块和系统控制管理模块；所述超短波天线经超短波天线接口单元连接射频开关矩阵模块；所述L波段天线经L波段天线接口单元连接射频开关矩阵模块；所述频率变换模块中具有M个频率变换通道；所述信号处理模块中具有N个信号处理通道，并部署有频谱监测功能软件；其中，超短波天线及超短波天线接口单元，L波段天线及L波段天线接口单元，用于接收射频信号并完成接收匹配、频段滤波和功率放大。射频开关矩阵是射频信号的路由交换单元，用于将射频信号路由到对应的频率变换模块的频率变换通道进行处理。中频开关矩阵是中频数字信号的路由交换单元，用于将中频数字信号路由到对应的信号处理模块的信号处理通道中进行处理。
所述系统控制管理模块中部署有系统控制管理软件，用于对整个系统进行资源调度，从而实现V/UHF频段和/或L波段的频谱监测与信道质量评估，包括：为频谱监测功能配置频率变换通道和信号处理通道，并根据要求对频谱监测功能软件下发工作参数，包括开启/关闭指令、起始频率、终止频率以及分辨率带宽等，从而控制频谱监测功能软件的工作状态。系统控制管理软件可以根据任务需求，结合当前频率变换模块和信号处理模块的通道空闲状态，可以设置V/UHF频段和L波段的频谱监测与信道质量评估同时工作，或者是V/UHF频段和L波段的频谱监测与信道质量评估单独工作。系统控制管理软件接收频谱监测功能软件上报的V/UHF频段和/或L波段的功率谱数据和信道质量评估结果，进行后续的应用和数据存储。
进一步的，所述频率变换模块用于接收频谱监测功能软件的控制命令，对本振频率进行控制实现频谱扫描，获得中频数字信号。频率变换模块一般可采取多通道配置，如本实施例中配置的M个频率变换通道，当V/UHF频段和L波段的频谱监测与信道质量评估同时工作时，分别占用一路频率变换通道。
进一步的，信号处理模块用于部署频谱监测功能软件，通过频谱监测功能软件实现频率扫描控制、对接收的中频数字信号进行频谱分析获取功率谱数据，以及根据功率谱数据完成信道质量评估。所述信号处理模块一般可采取多通道配置方式，如本实施例中配置的N个信号处理通道，当V/UHF频段和L波段的频谱监测与信道质量评估同时工作时，分别占用一个信号处理通道。此外，所述信号处理通道采用DSP+FPGA或者ARM+FPGA等通用硬件架构，频谱监测功能软件部署在信号处理模块的一个信号处理通道的硬件处理资源中；其中：
频谱监测功能软件在FPGA中的部分用于对接收的中频数字信号进行快速傅里叶变换得到信号的功率谱数据；
频谱监测功能软件在DSP或ARM的部分用于控制命令的解析和下发，以及根据功率谱数据完成信道质量评估。
基于上述的机载频谱监测与信道质量评估系统，实现一种机载频谱监测与信道质量评估方法，包括：
进行V/UHF频段的频谱监测与信道质量评估时：超短波天线接收到的射频信号经过超短波天线接口单元的接收匹配、频段滤波和功率放大后，经过射频开关矩阵路由到频率变换模块的一个频率变换通道中进行下变频、滤波、放大与A/D采样，采样得到的中频数字信号经中频开关矩阵路由到信号处理模块，在信号处理模块的一个信号处理通道中部署的频谱监测功能软件进行V/UHF频段的频率扫描控制、频谱分析和信道质量评估，频谱监测功能软件将V/UHF频段的频谱分析获取的功率谱数据和信道质量评估结果上报给系统控制管理软件；
进行L波段的频谱监测与信道质量评估时：L波段天线接收到的射频信号经过L波段天线接口单元的接收匹配、频段滤波和功率放大后，经过射频开关矩阵路由到频率变换模块的一个频率变换通道中进行下变频、滤波、放大与A/D采样，采样得到的中频数字信号经中频开关矩阵路由到信号处理模块，在信号处理模块的一个信号处理通道中部署的频谱监测功能软件进行L波段的频率扫描控制、频谱分析和信道质量评估，频谱监测功能软件将L波段的频谱分析获取的功率谱数据和信道质量评估结果上报给系统控制管理软件。
频谱监测功能软件在系统控制管理软件的控制下工作，主要工作流程如图2所示。频谱监测功能软件首先接收系统控制管理软件下发的频谱监测控制工作参数，包括起始频率、终止频率、频率分辨率等，经过解析处理后向频率变换模块下发频率控制参数实现频率从起始频率到终止频率的整个频段的扫描，经过对接收信号的频谱分析和信道质量评估，将功率谱数据和信道质量评估结果上报给系统控制管理软件。数据结果上报可以采取周期上报或事件触发上报，默认为周期上报方式，以便系统控制管理软件可以实时刷新频谱监测结果。
进一步的，频谱监测功能软件进行V/UHF频段和/或L频段频谱的频率分析的方法包括：
对于中频数字信号，利用快速傅里叶变换计算得到信号的功率谱，经过多次频率扫描和快速傅里叶变换后，得到起始频率fbegin和终止频率fend范围内的功率谱数据P(f)，其中，频率变量f∈[fbegin,fend]，单位为MHz，功率谱P(f)单位为dBm。根据获得的功率谱数据，频谱监测功能软件可以开展对应频段内的信道质量评估。
设频段[fbegin,fend]内有K个信道，每个信道对应了预设的调制方式或工作模式，设第k个信道的工作频点为fk，其单位为MHz，对应的工作带宽为Bk，单位为MHz，对应工作方式的信噪比门限是
单位是dB，k的取值范围为[1,K]。如图3所示，频谱监测功能软件进行V/UHF频段和/或L频段频谱的信道质量评估的方法包括如下步骤：
步骤1：根据系统控制管理软件提供的本机的位置信息，和与本机通信的通信节点的位置信息，计算本机与该通信节点的距离。计算方法如下：
系统控制管理软件以经度、纬度和高度为位置参数提供给频谱监测功能软件，在计算本机与其他通信节点的距离时，可将球面坐标系转换为直角坐标系，然后在直角坐标系下计算通信距离。设地球直角坐标系内的坐标为(x,y,z)，在地球球面坐标系内的坐标为(λ,L,h)，其中，λ是经度，L是纬度，h是高度，球面坐标系向直角坐标系的转换关系如下：
其中，RN＝Re(1+ηsin2L)。根据WGS-84参考旋转椭球体参数，Re＝6378.137km，扁率
因此，在直角坐标系下，通过球面坐标与直角坐标系变换公式，将本机的经纬高坐标(λ1,L1,h1)转换为直角坐标(x1,y1,z1)，将通信节点的经纬高坐标(λ2,L2,h2)转换为直角坐标(x2,y2,z2)，从而本机与该通信节点间的距离为：
步骤2：根据本机与其他通信节点的距离，计算第k个信道工作模式下的名义接收功率Pk。计算方法如下：
Pk＝Pt+Gt-32.44-20lgD-20lgfk+Gr
其中，Pt是与本机通信的通信节点的发射功率，单位是dBm；Gt是该通信节点的发射天线增益，单位是dBi；fk是第k个信道的工作频率，单位是MHz；Gr是本机接收天线增益，单位是dBi；D是本机与该通信节点的距离，单位为km。
步骤3：对第k个信道，根据其工作频点fk和工作带宽Bk，从频谱监测获取的功率谱数据P(f)计算得到频段[fk-Bk/2,fk+Bk/2]范围内的干扰信号功率之和，记为该信道工作模式下的干扰功率Nk；
步骤4：根据第k个信道的干扰功率和名义接收功率，计算得到的该信道的名义接收信号信噪比SNRk＝Pk-Nk；
步骤5：根据第k个信道工作波形接收信噪比门限
计算得到第k个工作信道在当前干扰情况下的信噪比余量/>
步骤6：重复步骤2到步骤5，计算得到所有K个信道的接收信噪比门限余量，根据余量的大小按降序方式排列，生成信道质量列表作为信道质量评估结果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种机载频谱监测与信道质量评估系统，其特征在于，包括：
超短波天线、超短波天线接口单元、L波段天线和L波段天线接口单元，以及依次连接的射频开关矩阵模块、频率变换模块、中频开关矩阵模块、信号处理模块和系统控制管理模块；所述超短波天线经超短波天线接口单元连接射频开关矩阵模块；所述L波段天线经L波段天线接口单元连接射频开关矩阵模块；所述频率变换模块中具有M个频率变换通道；所述信号处理模块中具有N个信号处理通道，并部署有频谱监测功能软件；
所述系统控制管理模块中部署有系统控制管理软件，用于对整个系统进行资源调度，从而实现V/UHF频段和/或L波段的频谱监测与信道质量评估。
2.根据权利要求1所述的机载频谱监测与信道质量评估系统，其特征在于，所述信号处理通道采用DSP+FPGA或者ARM+FPGA的通用硬件架构，频谱监测功能软件部署在信号处理模块的一个信号处理通道的硬件处理资源中；其中：
频谱监测功能软件在FPGA中的部分用于对接收的中频数字信号进行快速傅里叶变换得到信号的功率谱数据；
频谱监测功能软件在DSP或ARM的部分用于控制命令的解析和下发，以及根据功率谱数据完成信道质量评估。
3.一种机载频谱监测与信道质量评估方法，其特征在于，所述机载频谱监测与信道质量评估方法基于权利要求1或2所述的机载频谱监测与信道质量评估系统实现；
所述机载频谱监测与信道质量评估方法包括：
进行V/UHF频段的频谱监测与信道质量评估时：超短波天线接收到的射频信号经过超短波天线接口单元的接收匹配、频段滤波和功率放大后，经过射频开关矩阵路由到频率变换模块的一个频率变换通道中进行下变频、滤波、放大与A/D采样，采样得到的中频数字信号经中频开关矩阵路由到信号处理模块，在信号处理模块的一个信号处理通道中部署的频谱监测功能软件进行V/UHF频段的频率扫描控制、频谱分析和信道质量评估，频谱监测功能软件将V/UHF频段的频谱分析获取的功率谱数据和信道质量评估结果上报给系统控制管理软件；
进行L波段的频谱监测与信道质量评估时：L波段天线接收到的射频信号经过L波段天线接口单元的接收匹配、频段滤波和功率放大后，经过射频开关矩阵路由到频率变换模块的一个频率变换通道中进行下变频、滤波、放大与A/D采样，采样得到的中频数字信号经中频开关矩阵路由到信号处理模块，在信号处理模块的一个信号处理通道中部署的频谱监测功能软件进行L波段的频率扫描控制、频谱分析和信道质量评估，频谱监测功能软件将L波段的频谱分析获取的功率谱数据和信道质量评估结果上报给系统控制管理软件。
4.根据权利要求3所述的机载频谱监测与信道质量评估方法，其特征在于，当同时进行V/UHF频段和L波段的频谱监测与信道质量评估时：
V/UHF频段的频谱监测与信道质量评估占用一路频率变换通道和一路信号处理通道；
L波段的频谱监测与信道质量评估占用另一路频率变换通道和另一路信号处理通道。
5.根据权利要求3所述的机载频谱监测与信道质量评估方法，其特征在于，频谱监测功能软件进行V/UHF频段和/或L频段频谱的频率扫描控制的方法包括：
接收系统控制管理软件的频谱监测控制指令，通过控制频率变换模块的本振频率，从而实现V/UHF频段和/或L波段的频率扫描，获得中频数字信号。
6.根据权利要求5所述的机载频谱监测与信道质量评估方法，其特征在于，频谱监测功能软件进行V/UHF频段和/或L频段频谱的频率分析的方法包括：
对于中频数字信号，利用快速傅里叶变换计算得到信号的功率谱，经过多次频率扫描和快速傅里叶变换后，得到起始频率fbegin和终止频率fend范围内的功率谱数据P(f)，其中，频率变量f∈[fbegin,fend]。
7.根据权利要求6所述的机载频谱监测与信道质量评估方法，其特征在于，频谱监测功能软件进行V/UHF频段和/或L频段频谱的信道质量评估的方法包括：
依据通信距离计算每个信道工作模式下的名义接收功率；
根据获取的功率谱数据，计算得到每个信道工作模式下的干扰功率；
根据每个信道工作模式下的名义接收功率和干扰功率，计算出每个信道的名义接收信噪比；
通过比较名义接收信噪比相对该信道工作波形接收信噪比门限的余量大小，排列得到信道质量列表作为信道质量评估结果。
8.根据权利要求3所述的机载频谱监测与信道质量评估方法，其特征在于，频谱监测功能软件将功率谱数据和信道质量评估结果上报给系统控制管理软件的方式采用周期上报或事件触发上报；默认为周期上报。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116760430A (zh) * | 2023-08-11 | 2023-09-15 | 国网信息通信产业集团有限公司 | 一种5g电力通信终端、方法以及检测方法 |
-
2023
- 2023-03-28 CN CN202310310800.2A patent/CN116405137A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN116760430A (zh) * | 2023-08-11 | 2023-09-15 | 国网信息通信产业集团有限公司 | 一种5g电力通信终端、方法以及检测方法 |
| CN116760430B (zh) * | 2023-08-11 | 2024-01-09 | 国网信息通信产业集团有限公司 | 一种5g电力通信终端、方法以及检测方法 |
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