CN205510064U - 一种基于快速调谐的频谱监测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于快速调谐的频谱监测设备，包括：全向天线、射频接收机、数字处理单元、人机交互模块、远程通信模块以及电源；采用实时捕获分析技术，利用宽带采样、频率触发功能和高速处理特性，实时保留信号信息，在时域、频域内对已捕获信号进行实时分析。通过实施本实用新型可以有效降低用户成本，提高可靠性。

Description

一种基于快速调谐的频谱监测设备

技术领域

本实用新型属于频谱监测技术领域，具体涉及一种基于快速调谐的频谱监测设备。

背景技术

频谱监测设备在无线电管理行业起到了重要作用，通过对电磁环境进行监测，可以为系统频率规划和管理提供依据。

由于空中信号样式多种，如跳频信号、脉冲信号、突发信号和常规信号等。不同的信号占据的频谱资源和带宽也不尽一致。为了提高抗干扰能力，现代雷达和通信系统的跳频带宽高达上百兆赫兹，并且跳变速率也达到每秒千跳以上。对这种高速跳变信号的捕获与分析在通讯及电子对抗中具有重要的意义。如何发现宽带跳频信号是较大的技术难点。传统的跳频信号捕获采用多通道方式进行监测，能满足捕获率指标要求，实现方案简单。但由于前端天线分路，降低了系统灵敏度和信号的信噪比；且实现方式成本过高，给用户增加了数倍的负担。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于快速调谐的频谱监测设备，包括：全向天线、射频接收机、数字处理单元、人机交互模块、远程通信模块以及电源；

所述全向天线，用于接收无线电射频信号。

所述射频接收机，用于将全向天线接收的无线电射频信号转化为中频信号，并传送给数字处理单元；

所述数字处理单元，用于对频谱进行监测；

所述人机交互模块，用于提供人机交互功能；

所述远程通信模块，用于与控制中心站或其他站之间通信；

所述电源，用于供电。

优选地，所述数字处理单元进一步包括时钟管理模块，A/D转换模块以及数字信号处理模块；

所述时钟管理模块，用于从射频接收机接收参考时钟信号，并将参考时钟信号提供给A/D转换模块；

所述A/D转换模块，用于使用时钟管理模块提供的参考时钟信号，将所述射频接收机提供的中频信号转换为数字信号。

优选地，所述数字信号处理模块进一步包括数字下变频(DDC)模块，数字滤波模块，FFT模块，频率触发检测模块以及跳频信号测量模块；

所述DDC模块，用于对经过A/D转换后输入的中频信号乘以本地载波,然后通过一个低通滤波器,得到下变频后的正交I、Q两路信号；

其中，所述输入中频信号频率f0和采样速率fs满足f0/fs＝(2m+1)/4；将输入数据流每隔2个求其负数，即取2的补码，形成一个新的数据流，再将新数据流每隔一个置0，所得的输出数据流就是下变频后的信号；

经过正交数字下变频之后，得到了零中频的基带信号，对下变频后的I、Q信号进行奇偶抽取，把为0的样点舍弃后再滤波；采用移相滤波器来校正I/Q路信号在时域上相差1/4个采样点；对正交数字下变频之后的I/Q路信号进行滤波；

所述FFT模块，用于对滤波后的I/Q路信号进行FFT变换；

所述频率触发检测模块，用于将连续FFT后的频域信号与频率触发模板进行实时比较，判断信号是否满足触发条件；

所述跳频信号测量模块，用于当出现满足触发条件的触发信号后，对跳频信号参数进行实时测量；所述跳频信号参数包括但不限于：跳频速率、跳频驻留时间。

优选地，所述射频接收机，通过两次变频将射频信号处理为中频信号，将天线捕捉到得信号进行滤波、下变频、放大。其中射频信号经过预选滤波以及低噪声放大后，与第一本振模块产生的第一本振信号相乘得到第一中频信号，所述第一中频信号经由第一中频滤波以及第一中频放大后，与第二本振模块产生的第二本振信号相乘得到第二中频信号；所述第二中频信号被送往数字处理单元；

射频接收机还可生成采样时钟，供A/D转换模块及数字处理单元使用该时钟信号进行A/D采样。

优选地，所述数字处理单元进一步包括快速调谐模块，用于将射频接收单元按预定时间间隔依次调谐至不同频段以接收不同频段的无线电射频信号。

优选地，快速调谐模块用于提供预留内本振及外参考信号，所述预留内本振通过第一锁相环模块PLL1和第二锁相环PLL2分别接入第一混频器和第二混频器；

所述快速调谐模块通过内外选择器按预定时间间隔依次调节预留内本振及外参考信号，为第一混频器及第二混频器分别提供一本振信号和二本振信号以实现不同频率调谐。

优选地，所述跳频信号测量模块使用峰值搜索法来计算跳频速率和驻留时间，在连续的每帧中搜索峰值信号，当搜索到有效峰值后，记录峰值出现的时间点，当峰值转移或未捕捉到有效峰值时，再次记录时间点，计算出跳频驻留时间以及跳频速率。

优选地，所述基于快速调谐的频谱监测设备进一步包括调度模块，用于对命令和结果进行方向判别；

所述调度模块如果判断命令是来自远程的命令，则将监测结果发送到远程通信模块，如果命令是来自本地人机交互接口的命令，则将结果发送到本地人接交互接口。

优选地，所述基于快速调谐的频谱监测设备进一步包括系统恢复模块，用于提供数据恢复功能；

所述系统恢复模块以两种方式进行恢复：

a)全系统恢复：启动系统恢复后，系统恢复到出厂状态，所有的操作日志也被清除；或者

b)部分系统恢复：启动系统恢复后，系统恢复到出厂状态；所有的操作日志被保留。

优选地，不能同时运行远程控制和本地控制，远程控制级别优于本地控制，远程控制可以强制终止本地控制，本地控制不能终止远程控制。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1示出了根据本实用新型的一个实施例的频谱监测系统示意图；

图2示出了根据本实用新型的一个实施例的频谱监测设备组成框图；

图3示出了根据本实用新型的一个实施例的射频接收机框图；

图4示出了根据本实用新型的一个实施例的数字处理单元框图；

图5示出了根据本实用新型的一个实施例的数字滤波示意图；

图6示出了根据本实用新型的一个实施例的快速调谐射频接收机框图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的单通道高效频谱监测设备其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

如图1所示，基于快速调谐的频谱监测设备是频谱监测系统的重要组成部分，频谱监测系统中包括n个控制中心站，m个站；基于快速调谐的频谱监测设备作为一个设备单元位于站中；整个组网系统使用TCP/IP协议，站和控制中心站利用TCP/IP协议联网。基于快速调谐的频谱监测设备接收来自控制中心站的服务请求，即基于快速调谐的频谱监测设备可以作为TCP/IP服务端，控制中心站执行可以作为TCP/IP客户端。两者的应用层通信协议使用RMTP协议。为了所述频谱监测系统的安全，可采用内网IP，即整个频谱监测系统不与外网连接。

如图2所示，基于快速调谐的频谱监测设备包括全向天线、射频接收机、数字处理单元、人机交互模块、调度模块、远程通信模块，系统恢复模块以及电源。

所述全向天线，用于接收无线电射频信号。

所述射频接收机，用于将全向天线接收的无线电射频信号转化为中频信号，并传送给数字处理单元。如图3所示，根据实用新型的一个具体实施方式，所述射频接收机，通过两次变频将射频信号处理为中频信号，将天线捕捉到得信号进行滤波、下变频、放大。其中射频信号经过预选滤波以及低噪声放大后，与第一本振模块产生的第一本振信号相乘得到第一中频信号，所述第一中频信号经由第一中频滤波以及第一中频放大后，与第二本振模块产生的第二本振信号相乘得到第二中频信号；所述第二中频信号被送往数字处理单元。

根据实用新型的一个具体实施方式，通过设置第一本振模块产生的第一本振信号的频率以及第二本振模块产生的第二本振信号的频率，可以将30MHz～3GHz频段的信号转换为76.8MHz(带宽小于等于500kHz时为70MHz)的中频信号。同时，射频接收机还可生成102.4MHz采样时钟，供A/D转换模块及数字处理单元使用该时钟信号进行A/D采样。

所述人机交互模块，用于提供人机交互功能。

所述远程通信模块，用于与控制中心站或其他站之间通信。

所述调度模块，用于对命令和结果进行方向判别。根据本实用新型的一个具体实施方式，所述调度模块如果判断命令是来自远程的命令，则将监测结果发送到远程通信模块，如果命令是来自本地人机交互接口的命令，则将结果发送到本地人接交互接口，例如图形用户界面(GUI)。

所述电源，用于供电。

所述系统恢复模块，用于提供数据恢复功能。

所述数字处理单元，用于对频谱进行监测。

根据实用新型的一个具体实施方式，所述数字处理单元进一步包括时钟管理模块，A/D转换模块以及数字信号处理模块。

根据实用新型的一个具体实施方式，所述时钟管理模块，用于从射频接收机接收参考时钟信号，并将参考时钟信号提供给A/D转换模块。

根据实用新型的一个具体实施方式，所述A/D转换模块，用于使用时钟管理模块提供的参考时钟信号，将所述射频接收机提供的中频信号转换为数字信号。

根据实用新型的一个具体实施方式，所述数字信号处理模块包括数字下变频(DDC)模块，数字滤波模块，FFT模块，频率触发检测模块，跳频信号测量模块。

所述DDC模块，用于对经过A/D转换后输入的中频信号乘以本地载波,然后通过一个低通滤波器,即可以得到下变频后的正交I、Q两路信号。这样就可以将信号从较高的频带变换到较低的频带，以降低后面的数字处理难度。

根据实用新型的一个具体实施方式，当输入中频信号频率f0和采样速率fs满足f0/fs＝(2m+1)/4时，数字控制振荡器(NCO)的I路输出为1,0，-1,0这四个特殊值，Q路输出为0,1,0，-1这四个特殊值。当采样率fs＝40MHz时，选取中频f0＝30MHz时，先将输入数据流每隔2个求其负数，即取2的补码，形成一个新的数据流，再将新数据流每隔一个置0，所得的输出数据流就是下变频后的信号。

根据实用新型的一个具体实施方式，经过正交数字下变频之后，得到了零中频的基带信号，此时基带信号的采样率仍然是A/D采样率。由于混频后的I路的偶数项和Q路的奇数项均为0，因此可以在滤波前对下变频后的I、Q信号进行奇偶抽取：即把为0的样点舍弃后再滤波。抽取后相当于采样速率降为原来的一半。但此时的I/Q路信号在时域上相差1/4个采样点，这个延时差显然是由于采用了奇偶抽取所引起的，这种时间上的“不对齐”采用两个移相滤波器来加以校正。

所述DDC模块，用于对正交数字下变频之后的I/Q路信号进行滤波。根据本实用新型的一个具体实施方式，经过下变频后，采样速率fs虽然降为原来的一半，但分成了两路正交的复信号，带宽仍然为20MHz，要实现更精细的捕获带宽和更高的频率分辨率，需要采用抽取方式来实现。半带滤波器(Half-Band Filter)适合实现N的幂次方倍的抽取，计算效率高，实时性强。信号经过每一级半带滤波器抽取后，速率和带宽均变为原来的一半。当抽取次数增大时，分析带宽降低，但最后进行FFT的点数维持不变,从而实现了更高的频率分辨率，此外,由于半带滤波器系数的对称性和近一半系数为0的特性，使得滤波运算的乘法次数比传统FIR滤波器减少了3/4，便于实现。

所述FFT模块，用于对滤波后的I/Q路信号进行FFT变换。根据本实用新型的一个具体实施方式，需要对I/Q路信号进行加窗和帧重叠处理，然后进行FFT时频变换并完成触发。对于一个M(M为2的幂)点的时频变换，如果直接计算DFT(离散傅里叶变换)需要M2次复数乘法和M*(M-1)次复数加法。而FFT(快速傅里叶变换)可以使运算量大大降低，它所需的复数乘和复数加大约为(M-1)*log₂M次。

根据本实用新型的一个具体实施方式，需要进行FFT的I/Q两路信号数据速率最高为20MHz，采用基-2的蝶形运算方法。每个蝶形运算由一次乘法运算和两次加减运算组成。M点的FFT需要用log₂M级蝶形运算来实现。每级需要M/2次蝶形运算。每级的蝶形运算采用频率抽取算法，且按照Streaming I/Q流水线结构设计，以进行连续的数据处理。在进行当前帧的M点数据时，可加载下一帧的M点数据，同时输出前一帧的M点数据。每个基-2的蝶形运算单元都有自己的存储单元，用来存储输入和中间处理的数据。

所述跳频信号测量模块，用于当出现满足触发条件的触发信号后，对跳频信号参数进行实时测量。所述跳频信号参数包括但不限于：跳频速率、跳频驻留时间。根据本实用新型的一个具体实施方式，使用峰值搜索法来计算跳频速率和驻留时间，在连续的每帧中搜索峰值信号，当搜索到有效峰值后，记录峰值出现的间点，当峰值转移或未捕捉到有效峰值时，再次记录时间点，就可以计算出跳频驻留时间，同理可以计算出跳频速率。

通过上述方式，可以实现带宽为20M跳频信号捕获。当需要捕获1000跳/s(175MHz带宽)的跳频信号时，还需进行进一步处理。

对于跳频信号1000跳/s(175MHz)，即1ms跳频一次，如果信号持续时间900μs，需保证捕获概率大于90％，可采用20MHz带宽调谐9次覆盖。

对于20MHz带宽，I/Q抽取后采样率按2.5倍计算：

fsIQ＝20MHz*2.5＝50MHz

分辨率25kHz，采样fsIQ/25kHz＝2048点，采样持续时间Tsmp约41μs。

观察某一带宽内的某一个跳频信号，其持续时间Tsg＝900μs(相位任意)，周期1ms。

捕获模块9次切换，一次周期是T，那么落到一个20MHz带宽内的采样周期Ts＝9*T，那么，只要Ts小于Tsg，总会捕捉到信号的。考虑采样持续时间Tsmp，能够至少捕捉一次完整的Tsmp，取

Ts＝Tsg-Tsmp＝818μs

则T＝Ts/9＝90μs，则接收机调谐时间

TurnTime＝T-Tsmp＝50μs

可见，基于目前已能实现调谐时间优于50μs的技术，在只进行跳频信号的存在性分析要求的前提下，可使用一个通道(接收机调谐优于50μs)进行跳频捕获，从而降低设备成本。

根据实用新型的一个具体实施方式，所述数字处理单元进一步包括快速调谐模块，用于将射频接收单元按预定时间间隔依次调谐至不同频段以接收不同频段的无线电射频信号。

所述数字处理单元的处理逻辑时序如表1所示：

表1数字处理单元的处理逻辑时序

其中运算时间可以和“命令”、“调谐”、“A/D”时间并行，在时序设计上要实现这点，从而可以不计入时序占用中。

在175MHz带宽内，调谐控制模块通过并行总线，采用同步控制方式实现射频接收机的9次调谐。射频接收机每次调谐加上数字采样保持时间，小于70微秒。这样就保证了100％的捕获概率。

根据本实用新型的一个具体实施方式，如图6所示，快速调谐射频接收机组成如下：在一本振外接和二本振外接之外，进一步包括预留内本振及外参考信号，所述预留内本振通过第一锁相环模块PLL1和第二锁相环PLL2分别接入第一混频器和第二混频器；所述一本振外接预留内本振接入第一混频器时通过内外选择器进行选择；所述二本振外接预留内本振接入第二混频器时通过内外选择器进行选择；从而实现不同频率调谐。

在本实用新型中，预留内本振与一、二本振数值是一致的，外参考信号为50MHz。第一中频选择4.3GHz，第二中频选择76.8MHz。在信号中心频率2GHz，带宽175M时，我们通过上述描述的分段调谐进行接收。每段带宽为20MHz。我们以中心频率2GHz，带宽20M的中间一段信号接收为例，则第一本振为6.3G，第二本振为6.3768GHz。下一段信号中心频率为2.02GHz，带宽为20MHz，则第一本振为6.32G，第二本振为6.3968GHz。

根据本实用新型的一个具体实施方式，快速调谐模块用于提供预留内本振及外参考信号，所述预留内本振通过第一锁相环模块PLL1和第二锁相环PLL2分别接入第一混频器和第二混频器；所述快速调谐模块通过内外选择器按预定时间间隔依次调节预留内本振及外参考信号，为第一混频器及第二混频器分别提供一本振信号和二本振信号以实现不同频率调谐。

根据本实用新型的一个具体实施方式，根据控制方式的不同，分别处理监测结果；如果当前属于本地控制模式，通过人机交互接口，例如图形用户界面GUI实时显示监测结果；如果当前术语远程控制方式，则通过所述远程通信模块，将监测结果发往控制中心站或其他站。

所述监测数据包括，但不限于：FFT幅度谱数据，I/Q数据，监测到的跳频驻留时间，跳频速率。

根据本实用新型的一个具体实施方式，不能同时运行远程控制和本地控制，远程控制级别优于本地控制，远程控制可以强制终止本地控制，本地控制不能终止远程控制。

根据本实用新型的一个具体实施方式，同时只允许一个远程客户端通过所述远程通信模块接入并发送控制指令，如果有其他远程客户端想接入，必须等待当前接入的远程客户端退出控制。

根据本实用新型的一个具体实施方式，所述系统恢复模块接收到系统恢复指令后，点亮系统恢复指示灯，启动固态盘镜像恢复程序，通过GHOST机制自动进入镜像恢复，恢复完成后计算机重启进入工作状态，关闭系统恢复指示灯。

根据本实用新型的一个具体实施方式，系统恢复模块可进行两种方式的恢复：

a)全系统恢复：启动系统恢复后，系统恢复到出厂状态。所有的操作日志也被清除。

b)部分系统恢复：启动系统恢复后，系统的软件恢复到出厂状态。所有的操作日志被保留。

默认为以部分系统恢复方式进行恢复，用户可以根据实际需求进行默认恢复模式的调整。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于快速调谐的频谱监测设备，其特征在于，包括：全向天线、射频接收机、数字处理单元、人机交互模块、远程通信模块；

所述全向天线，用于接收无线电射频信号，

所述射频接收机，用于将全向天线接收的无线电射频信号转化为中频信号，并传送给数字处理单元；生成采样时钟，供A/D转换模块及数字处理单元使用该时钟信号进行A/D采样；

所述数字处理单元，用于对频谱进行监测；

所述人机交互模块，用于提供人机交互功能；

所述远程通信模块，用于与控制中心站或其他站之间通信；

所述数字处理单元进一步包括时钟管理模块，A/D转换模块，数字信号处理模块以及快速调谐模块；

所述时钟管理模块，用于从射频接收机接收参考时钟信号，并将参考时钟信号提供给A/D转换模块；

所述A/D转换模块，用于使用时钟管理模块提供的参考时钟信号，将所述射频接收机提供的中频信号转换为数字信号；

快速调谐模块，用于将射频接收单元按预定时间间隔依次调谐至不同频段以接收不同频段的无线电射频信号。

2.根据权利要求1所述的基于快速调谐的频谱监测设备，其特征在于：

所述数字信号处理模块进一步包括数字下变频(DDC)模块，数字滤波模块，FFT模块，频率触发检测模块以及跳频信号测量模块；

所述DDC模块，用于对经过A/D转换后输入的中频信号乘以本地载波；

所述数字滤波模块，用于对I/Q两路信号进行滤波处理；

所述FFT模块，用于对滤波后的I/Q路信号进行FFT变换；

所述频率触发检测模块，用于检测跳频信号；

所述跳频信号测量模块，用于当出现满足触发条件的触发信号后，对跳频信号参数进行实时测量；所述跳频信号参数包括但不限于：跳频速率、跳频驻留时间。

3.根据权利要求2所述的基于快速调谐的频谱监测设备，其特征在于：所述FFT模块，用于对滤波后的I/Q路信号进行FFT变换；

所述频率触发检测模块，用于将连续FFT后的频域信号与频率触发模板进行实时比较，判断信号是否满足触发条件；

所述跳频信号测量模块，用于当出现满足触发条件的触发信号后，对跳频信号参数进行实时测量；所述跳频信号参数包括但不限于：跳频速率、跳频驻留时间。

4.根据权利要求3所述的基于快速调谐的频谱监测设备，其特征在于：

所述射频接收机，通过两次变频将射频信号处理为中频信号，将天线捕捉到得信号进行滤波、下变频、放大；其中射频信号经过预选滤波以及低噪声放大后，与第一本振模块产生的第一本振信号相乘得到第一中频信号，所述第一中频信号经由第一中频滤波以及第一中频放大后，与第二本振模块产生的第二本振信号相乘得到第二中频信号；所述第二中频信号被送往数字处理单元。

5.根据权利要求4所述的基于快速调谐的频谱监测设备，其特征在于：

所述数字处理单元进一步包括快速调谐模块，用于将射频接收单元按预定时间间隔依次调谐至不同频段以接收不同频段的无线电射频信号。

6.根据权利要求5所述的基于快速调谐的频谱监测设备，其特征在于：

快速调谐模块用于提供预留内本振及外参考信号，所述预留内本振通过第一锁相环模块PLL1和第二锁相环PLL2分别接入第一混频器和第二混频器。

7.根据权利要求6所述的基于快速调谐的频谱监测设备，其特征在于：

所述快速调谐模块通过内外选择器按预定时间间隔依次调节预留内本振及外参考信号，为第一混频器及第二混频器分别提供一本振信号和二本振信号以实现不同频率调谐。

8.根据权利要求7所述的基于快速调谐的频谱监测设备，其特征在于：

所述跳频信号测量模块使用峰值搜索法来计算跳频速率和驻留时间，在连续的每帧中搜索峰值信号，当搜索到有效峰值后，记录峰值出现的时间点，当峰值转移或未捕捉到有效峰值时，再次记录时间点，计算出跳频驻留时间以及跳频速率。

9.根据权利要求8所述的基于快速调谐的频谱监测设备，其特征在于：

所述基于快速调谐的频谱监测设备进一步包括调度模块，用于对命令和结果进行方向判别；

所述调度模块如果判断命令是来自远程的命令，则将监测结果发送到远程通信模块，如果命令是来自本地人机交互接口的命令，则将结果发送到本地人接交互接口。

10.根据权利要求9所述的基于快速调谐的频谱监测设备，其特征在于：

所述基于快速调谐的频谱监测设备进一步包括系统恢复模块，用于提供数据恢复功能；

所述系统恢复模块以两种方式进行恢复：

a)全系统恢复：启动系统恢复后，系统恢复到出厂状态，所有的操作日志也被清除；或者

b)部分系统恢复：启动系统恢复后，系统恢复到出厂状态；所有的操作日志被保留。