基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線頻譜監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

成 京 呂曉麗 呼立文

(長春工程學院電氣與信息工程學院,吉林 長春130000)

近年來, 無線電技術(shù)的蓬勃發(fā)展已經(jīng)影響了人類生活的方方面面,然而,科技的進步是把雙刃劍,無線電犯罪給人們帶來的危害也不容小覷,它不僅擾亂社會秩序,干擾空管頻率,甚至危害人體健康。因此,我們必須加強對無線頻譜的監(jiān)測力度,嚴厲打擊搗毀黑廣播,但由于黑廣播信號分布散亂,且探測黑廣播的設(shè)備體積大、價格昂貴,逐一擊破難度較大,所以對新的無線電監(jiān)測設(shè)備的研究就顯得尤為重要。本設(shè)備實現(xiàn)了自動對80MHz-115MHz 廣播信號的接收與監(jiān)測, 還可顯示出頻譜波形圖、具體信號頻率和幅值。該設(shè)計還可設(shè)置掃描頻率步長,掃描時間間隔,且功耗低、經(jīng)濟輕便,大大推動了我國對無線電頻譜監(jiān)測系統(tǒng)領(lǐng)域的研究。

圖1 方案整體設(shè)計流程系統(tǒng)框圖

圖2 簡化R820T 芯片結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)備利用R820T 射頻芯片和RTL2832U 主控芯片相結(jié)合的硬件電路設(shè)計,再通過上位機軟件對無線電頻譜進行監(jiān)測,以下分析了該設(shè)計的優(yōu)點以及總結(jié)了設(shè)備測評數(shù)據(jù),得出了本設(shè)計具有無線電監(jiān)測的基本功能的結(jié)論。

1 接收機的硬件結(jié)構(gòu)及功能

1.1 硬件整體框架

依據(jù)實際監(jiān)測需求,本設(shè)計需對無線電信號進行實時監(jiān)控,所以根據(jù)設(shè)計要求,對射頻前端和主處理芯片的選取慎重選擇。系統(tǒng)的掃頻覆蓋范圍約為30MHz-2.4GHz,具有步進式掃描方式,搜索掃描通道可達799 通道/s,使用二極管濾波電路,將收集到的信號進行濾波處理,最后由射頻芯片R820T 處理。射頻芯片控制掃頻頻率是通過晶振時鐘,晶振電路由兩個電容和晶振構(gòu)成。處理后的信號,再傳輸給RTL2832U 芯片進行進一步的信號處理,將信號通過USB 串口與電腦的上位機相連,由上位機對進號進行處理,最后顯示出界面,具體設(shè)計框圖如圖1 所示。

1.2 基于R820T 射頻電路設(shè)計

R820T 射頻芯片有低功耗和體積小的優(yōu)點,滿足設(shè)計需求, 且此芯片可為DVB-T、ATSC、DMB-T、ISDB-T 等所有數(shù)字廣播電視提供不同的射頻信號,所以其性能十分優(yōu)越,同時,它還嵌入了智能功率檢測器,可優(yōu)化多種功率場景的動態(tài)范圍,其簡化芯片結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

整個設(shè)計的核心部分為射頻電路,射頻前端主要采用的是通過R820T 芯片搭構(gòu)的射頻電路,信號通過天線RFin 端,經(jīng)過二極管檢波電路將信號接收到芯片RF_IN 端。其一共有32 個寄存器可編程設(shè)置其主要功能,同時該芯片通過外搭晶振電路來控制掃頻頻率,晶振為28.86MHZ,它可通過3.3v 小電壓驅(qū)動,將選擇、變頻、混頻集于一身,功能強大。

1.3 基于RTL2382U 主控芯片電路設(shè)計

RTL2832U 是一款性能很高的DVB-T COFDM解調(diào)器, 同時支持USB 2.0 的接口及2K或者8K 模式,它的帶寬為6,7 和8MHZ,可進行自動檢測調(diào)制參最先進的RTL2832U 芯片,有自己專門的算法,可為多種算法提供理想合理的解決方案。

該電路通過IF+,IF- 引腳將R820T 芯片處理后的信號接收過來,同時通過XTAL_1 接收28.8MHZ 頻率的晶振作為時鐘,自帶一個電源指示LED 作為接通電源的外接電路。通過USB接通上位機,進行圖形的顯示和控制。

有資料顯示, 可以通過調(diào)幅波和載波相乘再通過一個濾波器來實現(xiàn)解調(diào),解調(diào)后檢波有兩種方法：分別為整流檢波和相敏檢波,可通過包絡(luò)分析恢復最初的調(diào)制信號。本設(shè)計采用二極管檢波電路,其工作原理是二極管具有單向?qū)щ娦?檢波信號的負向信號會被二極管截掉,只留下正信號,將此時的信號周期取平均值,所獲得的檢波信號波包即為低頻信號,即實現(xiàn)了檢波功能。本設(shè)計還采用28.8MHZ 的晶振, 該晶振電路需要提供一個3.3V 電壓來維持工作。之后通過USB 接口與電腦的USB 相連接,傳輸數(shù)據(jù),便可通過上位機軟件進行仿真以便觀察系統(tǒng)工作是否正常。

2 基于HDR 上位機仿真

2.1 上位機軟件功能描述

開始前,需提前下載完成Zadig 驅(qū)動,下載完成后,首先需要對采樣頻率進行初始設(shè)置,將輸出頻率的采樣頻率設(shè)置為192000HZ。通過這樣的調(diào)制方法,低頻信號幅度將會不斷變化,導致調(diào)頻后得到的信號頻率也將隨之變化。

在本設(shè)計中我們采用FM(調(diào)頻)的調(diào)制方式,同時接收無線電信號,通過電腦的虛擬聲卡播放聲音,而達到一個接收到信號的反饋。由于收集的信號存在一定的噪聲,所以需要通過HDSDR 自帶的軟件降噪功能進行降噪。若接收頻率仍不穩(wěn)定,則可手動開啟AFC 功能,他可自動獲取采集頻率范圍內(nèi)的信號,并自動找到中心頻率,將采集頻率帶寬固定在中心頻率上。

2.2 仿真結(jié)果

仿真后可看出顯示的信道在這段頻率范圍內(nèi),存在信號的信道頻率將會用紅色標記出來,本次仿真所收集到的是雙遼市廣播,其中心頻率為99893821HZ,可以看到其具體的頻率信號大小和噪聲系數(shù)。

本次仿真我們掃頻的范圍為90Mhz-110Mhz,掃頻間隔為100ms,通過仿真顯示的頻率波形我們可以發(fā)現(xiàn),在100MHz 附近的幅值明顯出現(xiàn)波動,這就是HDSDR 仿真軟件所收集到的雙遼市廣播的無線電信號,可以看出掃頻儀的仿真結(jié)果成功。

3 系統(tǒng)測評及性能分析

3.1 系統(tǒng)測試

本測試選擇在0-40GHz 的室內(nèi)進行對無線頻譜監(jiān)測系統(tǒng)進行測試。首先將外圍硬件電路連接好,然后通過USB 將硬件電路與上位機相連接。

根據(jù)當?shù)氐臒o線電廣播作為信號源進行測試,本地的無線電廣播信號源分別為97MHz、100MHz、103MHz。

3.2 系統(tǒng)性能分析

通過對市廣播的頻率分別對97MHz,100MHz,103MHz 頻率的無線電進行測試。具體測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 無線頻譜監(jiān)測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

其次每次掃描的頻率帶寬為固定,掃描間隔時間為100ms,掃描步長固定,由表1 數(shù)據(jù)可以看出,實測頻率與上位機頻率基本相符合,實測幅值和上位機幅值存在部分誤差。可能由于傳輸過程中存在信號的干擾,基本可以確定本設(shè)計的基本功能可以實現(xiàn)。

4 總結(jié)及展望

時代的進步往往是把雙刃劍,無線電飛速發(fā)展的同時,加強對無線電的監(jiān)測也該日漸重要。本設(shè)計采用的是RTL2382U 和R820T 芯片的硬件電路設(shè)計,通過上位機軟件進行實時監(jiān)測,切實設(shè)計了一款可以對無線電實時監(jiān)測的硬件設(shè)備,為無線電監(jiān)測提供了新思路。經(jīng)過實時測評,方案可行。