新穎場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試儀的分析與設(shè)計(jì)

劉澤群，黃乘順，李 男

(邵陽(yáng)學(xué)院信息工程系，湖南邵陽(yáng)422000)

0 引言

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信事業(yè)的迅猛發(fā)展，無(wú)線頻譜資源的有效利用已成為通信與信息業(yè)研究的焦點(diǎn)問(wèn)題，與此同時(shí)，對(duì)無(wú)線環(huán)境的監(jiān)測(cè)與安全防護(hù)也是一個(gè)日益重要的課題.場(chǎng)強(qiáng)儀可用來(lái)計(jì)量空間電磁波場(chǎng)強(qiáng)的大小，因此，場(chǎng)強(qiáng)儀融入了越來(lái)越多的新設(shè)計(jì)，功能也越來(lái)越強(qiáng)大，朝著高精度、智能化和小型化發(fā)展.國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局對(duì)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和安全防護(hù)的場(chǎng)強(qiáng)儀的測(cè)量精度提出了更高要求［1］.同時(shí)，對(duì)各種場(chǎng)強(qiáng)儀的研究與應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用范圍和良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益.

1 無(wú)線信號(hào)的傳播與測(cè)量

論文研究的條件是自由空間條件，在自由空間中不存在折射、反射、衍射、色散和吸收損耗等現(xiàn)象，電磁波在自由空間中的傳播速度與真空相同.自由空間為無(wú)限大的無(wú)損耗空間，電導(dǎo)率為零，磁導(dǎo)率值與真空中相同.在此條件下，計(jì)算無(wú)線信號(hào)接收端信號(hào)的大小，可以用Friis自由空間傳播方程描述，如公式(1)所示.

其中Pr為接收機(jī)接收信號(hào)的功率，Pt為發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)的功率，L為系統(tǒng)的損耗因子它與傳播無(wú)關(guān)，λ為工作波長(zhǎng);d為收發(fā)天線之間的距離;接收天線與發(fā)射天線的增益為Gr、Gt，在實(shí)際傳播空間中，接收端的無(wú)線信號(hào)功率Pt近似為:

由此可知實(shí)際空間與理想空間的差異比較大，上面的模型只適合于一種特殊傳播的情況，即要求d≥d0，式中d≥2D2/λ和ht、hr分別為發(fā)射天線與接收天線的高度參數(shù);n為路徑損耗.實(shí)際應(yīng)用中自由空間各點(diǎn)的接收功率可以用公式(3)來(lái)描述:

在實(shí)際應(yīng)用中，一般用dBm來(lái)作為無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)功率的單位.通過(guò)參考位置距離的大小以及對(duì)應(yīng)的接收功率，可以求出距離為d時(shí)的接收功率pr(d)與距離為d0是接收功率的比值.

2 系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，以芯片MSP430g2553為核心，將采集的無(wú)線信號(hào)分別經(jīng)過(guò)高放、檢波、低放電路等電路后傳給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，最后將檢測(cè)到的信號(hào)的大小顯示到LCD12864上.天線角度及高度的調(diào)整對(duì)無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試的精度有一定的影響.實(shí)際測(cè)試中，可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)試與修正.MSP430g2553是TI公司的一款單片機(jī)［2］，具有超強(qiáng)的抗干擾性、加密性強(qiáng)，且具有很低的功耗.

圖1 場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試儀系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 The hardware structure of the system to field strength tester

2.1 無(wú)線信號(hào)采集與處理

無(wú)線信號(hào)的采集及處理電路如圖2所示，E1為環(huán)形天線［3］將接收到的信號(hào)分別經(jīng)過(guò)高放、選頻、檢波和低放等處理最后傳給單片機(jī)，R1為可調(diào)電阻，用于調(diào)節(jié)三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)及放大倍數(shù)，L1和C1組成諧振回路，調(diào)節(jié)L1和C1的值可以選擇相應(yīng)頻率的信號(hào)，采用二極管包絡(luò)檢波的方法進(jìn)行檢波，低放電路主要由集成芯片LM386構(gòu)成.

圖2 無(wú)線信號(hào)采集與處理模塊Fig.2 Wireless signal acquisition and processing module

2.2 算法分析與去噪濾波

該系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能:顯示、AD采樣、數(shù)據(jù)處理與濾波等功能.其中，顯示功能通過(guò)LCD12864來(lái)實(shí)現(xiàn)，AD采樣功能可通過(guò)編寫單片機(jī)AD采樣程序?qū)崿F(xiàn).通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的AD10及相應(yīng)的代碼將接收到的信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，通過(guò)中斷［4］的方式對(duì)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理.

根據(jù)濾波算法，編寫濾波子程序?qū)Φ玫降臄?shù)據(jù)進(jìn)行濾波.單片機(jī)的采樣頻率為10ms/次，將處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波處理［5］，同時(shí)顯示到 LCD12864 上.

為了濾除數(shù)字噪聲影響，得到更精確的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)編程采用了中值濾波方法，即:把N個(gè)連續(xù)采樣值相加，然后取其算術(shù)平均值作為本次測(cè)量的濾波值，即

其中Xi=Si+ni

在式中，Si為采樣值ni為隨機(jī)誤差.則有:

而按統(tǒng)計(jì)規(guī)律，隨機(jī)噪聲的統(tǒng)計(jì)平均值為0，則有:

從公式中可以知道N的取值對(duì)濾波的效果有很大的影響，N越大濾波的效果越好，消除數(shù)字噪音的能力越大，理論上證明采用均值濾波法可有效地消除隨機(jī)干擾，提高系統(tǒng)的測(cè)試精度.

3 結(jié)果分析

對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，采用高頻信號(hào)發(fā)生器與頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)試.使用無(wú)線信號(hào)發(fā)生器發(fā)射不同頻率的無(wú)線信號(hào)，觀察液晶顯示器上顯示的數(shù)值，與發(fā)射信號(hào)相比并算出誤差，實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Testing data

4 總結(jié)

本系統(tǒng)是一種新型的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)，具有精度高、便攜帶、穩(wěn)定性好等特點(diǎn).軟件設(shè)計(jì)中采用均值濾波算法有效提高了系統(tǒng)的測(cè)試精度，測(cè)試數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)誤差范圍小于10%，具有良好的測(cè)試精度.

［1］楊良官.場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試儀的檢定［J］.工業(yè)計(jì)量，2000，3(56):1-2.

［2］沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)實(shí)踐與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［3］C.A.Balanis.天線理論—分析與設(shè)計(jì)［M］.于志遠(yuǎn)譯.北京:電子工業(yè)出版社，1988.

［4］萬(wàn)明.RFID天線仿真與測(cè)試研究［J］.華南理工大學(xué)，2009，12:399-402.

［5］賈永紅.數(shù)字圖像處理(第二版)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2010.