一款基于嵌入式的頻譜監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

馮 莉

一款基于嵌入式的頻譜監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

馮 莉

（國(guó)家新聞出版廣電總局五七三臺(tái)，北京 102209）

針對(duì)無線電管理部門大規(guī)模的頻譜監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求，本文給出了一種便攜式、智能化、監(jiān)測(cè)范圍寬的頻譜監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方法，系統(tǒng)不僅能夠完成一般頻譜儀的頻譜采集，顯示等功能，并且可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)分析處理，利用數(shù)據(jù)庫(kù)、特征值匹配將信號(hào)分類存儲(chǔ)，最后自動(dòng)生成監(jiān)測(cè)報(bào)告并報(bào)警。

頻譜監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)庫(kù)特征值匹配、自動(dòng)

1 引言

無線電通信技術(shù)的快速發(fā)展和普及應(yīng)用，使得電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，頻譜的使用越來越廣泛，頻譜資源日益緊張。為使有限的頻譜資源發(fā)揮更大的價(jià)值，開發(fā)頻譜利用率更高的應(yīng)用系統(tǒng)、加強(qiáng)頻譜科學(xué)管理成為必然要求。電磁頻譜監(jiān)測(cè)是無線電管理的重要技術(shù)手段，能夠?yàn)轭l譜管理提供技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù)。但目前市場(chǎng)上沒有成熟的產(chǎn)品，能夠?qū)y(cè)量、監(jiān)測(cè)、分析、存儲(chǔ)、報(bào)警和監(jiān)測(cè)報(bào)告生成有機(jī)的結(jié)合起來，進(jìn)行智能化的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)。

本文介紹基于ARM-LINUX嵌入式頻譜監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些重要方法,通過ARM+DSP+ FPGA組合的方式來實(shí)現(xiàn)頻譜監(jiān)測(cè)。摒棄以往微機(jī)與監(jiān)測(cè)儀表相結(jié)合的方式，通過對(duì)功能的深度開發(fā)使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電磁環(huán)境的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，從根本上解決了目前手動(dòng)測(cè)試過程中出現(xiàn)的問題和缺陷。

2 頻譜監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

2.1 頻譜監(jiān)測(cè)軟件工作原理

軟件系統(tǒng)可以在兩種模式下運(yùn)行：自動(dòng)工作模式和手動(dòng)工作模式。

在自動(dòng)工作模式下，用戶根據(jù)需要輸入想要監(jiān)測(cè)信號(hào)的起始頻率、截止頻率，和監(jiān)測(cè)的起始時(shí)間、截止時(shí)間等信號(hào)特征值信息。系統(tǒng)軟件則在預(yù)先設(shè)置好的時(shí)間自動(dòng)計(jì)算硬件配置參數(shù)進(jìn)行頻譜監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)任務(wù)完成后或監(jiān)測(cè)時(shí)間已達(dá)到則自動(dòng)生成監(jiān)測(cè)報(bào)告，如發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信號(hào)則會(huì)立刻報(bào)警。

在手動(dòng)監(jiān)測(cè)模式下，軟件系統(tǒng)的工作原理與自動(dòng)模式下的基本類似，只是不能自動(dòng)的開始檢測(cè)和計(jì)算硬件參數(shù)，而是一種交互式的測(cè)試環(huán)境，完全由用戶手動(dòng)輸入來執(zhí)行，此時(shí)用戶可以根據(jù)數(shù)字光譜圖來觀察信號(hào)變化，以及是否有異常信號(hào)。

2.2 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了使軟件系統(tǒng)高內(nèi)聚低耦合，使數(shù)據(jù)、顯示、處理分離，采用MVC架構(gòu)并將整個(gè)軟件可以分為以下幾個(gè)功能模塊：一是GUI控制模塊，完成與用戶之間的交互界面，能夠根據(jù)用戶發(fā)出的命令來協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的工作。二是數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，建立多種數(shù)據(jù)庫(kù)表，將每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表設(shè)置濾波器，經(jīng)過處理之后的信號(hào)將會(huì)存入可以通過濾波器的相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)表內(nèi)。三是GUI數(shù)據(jù)顯示模塊,實(shí)現(xiàn)頻譜基本顯示功能，包括放大縮小、峰值搜索、Marker以及光譜圖等功能。四是搜索系統(tǒng)模塊，也可以說信號(hào)處理模塊，根據(jù)接收的頻譜數(shù)據(jù)，計(jì)算信號(hào)個(gè)數(shù)、帶寬、頻率等參數(shù)。針對(duì)自定義的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測(cè)信號(hào)，觸發(fā)警報(bào)。整體軟件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 軟件系統(tǒng)框圖

2.3 系統(tǒng)軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

搜索系統(tǒng)模塊的主要目的是在噪聲環(huán)境下可以辨別出信號(hào)，并能把用戶關(guān)心的信號(hào)隔離出來，同時(shí)根據(jù)信號(hào)的特性完成分類和警報(bào)工作。圖2是搜索系統(tǒng)模塊整體框圖。

圖2 搜索系統(tǒng)模塊整體框圖

能量檢測(cè)部分利用頻譜數(shù)據(jù)隔離出候選信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)特性進(jìn)行分類，分別存放在不同的實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)里面。具體可以分為四個(gè)步驟：一是閾值：即能量幅度值，根據(jù)用戶需要可以自己手動(dòng)設(shè)置，也可系統(tǒng)設(shè)置，目的是從噪聲環(huán)境中識(shí)別信號(hào)，也是能量檢測(cè)的第一步。二是能量檢測(cè)：軟件中有峰值檢測(cè)參數(shù)，根據(jù)所設(shè)的參數(shù)來識(shí)別我們具體關(guān)心的信號(hào)，同時(shí)這一步值可選的，如果不選擇則不做能量檢測(cè)。三是估計(jì)帶寬：計(jì)算滿足要求的信號(hào)帶寬。四是特征值提?。禾卣髦蛋l率、能量、截獲時(shí)間、當(dāng)前持續(xù)時(shí)間等。

前向后向?yàn)V波器：針對(duì)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置，判斷什么信號(hào)可以進(jìn)入以及何時(shí)移除。

后面的任務(wù)部分則是觸發(fā)警報(bào)是需要完成的任務(wù)，可以針對(duì)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)做進(jìn)一步處理，調(diào)制識(shí)別，信號(hào)處理以及定位。

3 圖形用戶界面

圖3所示是軟件系統(tǒng)應(yīng)用程序窗口的一個(gè)例子。

圖3 軟件系統(tǒng)應(yīng)用程序窗口

在監(jiān)測(cè)頻譜時(shí)，有時(shí)需要針對(duì)整體的某個(gè)信號(hào)進(jìn)行細(xì)致的觀察，需要從總體中抽取并與總體中其他信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，此時(shí)就需要雙窗口放大顯示功能，如圖4所示。

圖4 zoomer放大功能

圖4是zoomer放大功能，通過鼠標(biāo)在顯示波形區(qū)域的任意一個(gè)位置圈出一個(gè)區(qū)域，就可以針對(duì)區(qū)域里面的圖案進(jìn)行放大，這樣可以更加清晰直觀地觀察信號(hào)的頻譜細(xì)節(jié)。

圖5 新能量數(shù)據(jù)庫(kù)顯示窗口

圖5是新能量數(shù)據(jù)庫(kù)的顯示窗口，新能量數(shù)據(jù)庫(kù)的信息是從歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中傳過來的，因此歷史數(shù)據(jù)庫(kù)不僅需要記錄信號(hào)的截獲時(shí)間還需要記錄持續(xù)時(shí)間并不斷更新此信號(hào)，而新能量數(shù)據(jù)庫(kù)只需記錄信號(hào)第一次被截獲的狀態(tài)。圖中，①是信號(hào)第一次被截獲的時(shí)間；②是截獲信號(hào)的中心頻率和帶寬；③是截獲信號(hào)的起始和截止頻率。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于嵌入式的頻譜監(jiān)測(cè)軟件是根據(jù)實(shí)際工作需要來設(shè)計(jì)的，其實(shí)現(xiàn)的目的是為了解決當(dāng)前監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，滿足便攜、智能、靈活以及較寬的工作范圍的需要，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了可擴(kuò)充性、實(shí)時(shí)性和智能化，通過軟件的工作原理和設(shè)計(jì)可以看出系統(tǒng)的功能比較全面，能夠滿足無線電管理部門工作的需要。

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A Designing and Implementing Method of Monitoring Spectrum

Feng Li
(573 Station of SAPPRFT, Beijing, 102209)

To meet the needs of large-scale spectrum monitoring in radio management application, this paper presents a designing and implementing method which provides a portable, intelligent and mass monitoring spectrum monitoring software. The system can not only complete the general spectrum acquisition and other display function, but also analyze and process collected data. The signals are classified and stored by using the database eigenvalue matching. And finally, the monitoring report is generated automatically and the alarm is sent out.

Spectrum monitoring database; Eigenvalue matching; Automatic

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.07.004

TM935.21，TN92文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2017）07-0009-03