阅读说明：本技术 一种频谱监测及无线组网测试设备 (Spectrum monitoring and wireless networking test equipment ) 是由 甄红涛 牛刚 夏明飞 雷正伟 张东 袁祥波 王天 贾锋 李志伟 高婕 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种频谱监测及无线组网测试设备,包括天线、预选器模块、变频处理模块、频率合成器模块、数字处理模块和主控制器；所述主控制器通过总线分别与预选器模块、变频处理模块和数字处理模块相连；所述天线与预选器模块相连,预选器模块与变频处理模块相连,变频处理模块与数字处理模块；天线接收信号并将信号送入预选器模块,由预选器模块对其进行选择滤波放大处理；预选器模块将经过选择滤波放大处理后的信号送到变频处理模块进行变频处理,得到中频信号,中频信号经滤波后送入数字处理模块进行信号的识别与测量后送入主控制器；频率合成器模块用于为变频处理模块提供混频用本振信号。本发明能够对电磁辐射进行监测识别、判断、预测以及感知。(The invention discloses a frequency spectrum monitoring and wireless networking test device, which comprises an antenna, a preselector module, a frequency conversion processing module, a frequency synthesizer module, a digital processing module and a main controller, wherein the preselector module is arranged on the frequency synthesizer module; the main controller is respectively connected with the preselector module, the frequency conversion processing module and the digital processing module through buses; the antenna is connected with the preselector module, the preselector module is connected with the frequency conversion processing module, and the frequency conversion processing module is connected with the digital processing module; the antenna receives the signal and sends the signal to the preselector module, and the preselector module performs selective filtering and amplification processing on the signal; the preselector module sends the signals subjected to selective filtering amplification to the frequency conversion processing module for frequency conversion processing to obtain intermediate frequency signals, and the intermediate frequency signals are sent to the digital processing module after being filtered for signal identification and measurement and then sent to the main controller; and the frequency synthesizer module is used for providing local oscillation signals for frequency mixing for the frequency conversion processing module. The invention can monitor, identify, judge, predict and sense the electromagnetic radiation.)

一种频谱监测及无线组网测试设备

技术领域

本发明涉及无线组网信号测试技术领域，具体涉及一种频谱监测及无线组网测试设备。

背景技术

随着无线通信应用的发展，无线频谱资源日益紧张，其监测与管理就显得尤为重要；通过对空间无线信号的载波频率、发射功率、调制方式等信号参数的监测和分析，实现对现有无线资源的有效规划和管理，可极大的提高系统通信性能和频率资源利用率。目前，用于频谱规划和管理的关键设备监测接收机主要依赖进口，存在技术受制于国外等不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种能够对电磁辐射进行监测识别、判断、预测以及感知的频谱监测及无线组网测试设备。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种频谱监测及无线组网测试设备，包括天线、预选器模块、变频处理模块、频率合成器模块、数字处理模块和主控制器；所述主控制器通过总线分别与预选器模块、变频处理模块和数字处理模块相连；所述天线与预选器模块相连，预选器模块与变频处理模块相连，变频处理模块与数字处理模块；所述天线接收信号并将信号送入预选器模块，由预选器模块对其进行选择滤波放大处理；预选器模块将经过选择滤波放大处理后的信号送到变频处理模块进行变频处理，得到中频信号，中频信号经滤波后送入数字处理模块进行信号的识别与测量，并进行FFT变换后送入主控制器；频率合成器模块用于为变频处理模块提供混频用本振信号。

进一步的，所述主控制器、预选器模块、变频处理模块和数字处理模块均设有总线控制器。

进一步的，所述预选器模块包括保护电路和开关滤波放大电路，所述保护电路用于大信号保护，开关滤波放大电路用于选择滤波和低噪声放大；所述开关滤波放大电路包括第一四选一开关、四路第一选择滤波放大电路和第二四选一开关；所述天线的输出端经保护电路与第一四选一开关的公共端相连，第一四选一开关的四个输出端分别经四路第一选择滤波放大电路与第二四选一开关的四个输入端相连；所述四路第一选择滤波放大电路分别完成四个频段的滤波放大：频段1：100kHz～20MHz；频段2：20～1000MHz；频段3：1000～1500MHz；频段4：1500～3600MHz；所述第一四选一开关和第二四选一开关的控制端分别通过总线与主控制器相连。

进一步的，所述频段2对应的第一选择滤波放大电路又包括第三四选一开关、四路第二选择滤波放大电路、第一二选一开关、第二二选一开关和第三二选一开关；每路第二选择滤波放大电路均包括一个滤波器；所述第一四选一开关的一个输出端与第三四选一开关的公共端相连，第三四选一开关的两个输出端分别经两路第二选择滤波放大电路的滤波器与第一二选一开关的两个输入端相连，第三四选一开关的另两个输出端分别经两路第二选择滤波放大电路的滤波器与第二二选一开关的两个输入端相连，第一二选一开关和第二二选一开关的公共端分别经一个放大器与第三二选一开关的两个输入端相连，第三二选一开关的公共端与第二四选一开关的一个输入端相连；所述四路第二选择滤波放大电路的滤波器分别完成四个子频段的滤波：1)20～70MHz，2)70～200MHz，3)200～560MHz，4)560～1000MHz；所述第三四选一开关、第一至第三二选一开关的控制端分别通过总线与主控制器相连。

进一步的，所述频段4对应的第一选择滤波放大电路又包括第四二选一开关、两路第三选择滤波放大电路和第五二选一开关，每路第三选择滤波放大电路均包括一个滤波器；所述第一四选一开关的一个输出端与第四二选一开关的公共端相连，第四二选一开关的两个输出端分别经两路第三选择滤波放大电路的滤波器与第五二选一开关的两个输入端相连，第五二选一开关的公共端经一个放大器与第二四选一开关的一个输入端相连；所述两路第三选择滤波放大电路的滤波器分别完成两个子频段的滤波：1)1500～2300MHz，2)2300～3600MHz；所述第四和第五二选一开关的控制端分别通过总线与主控制器相连。

进一步的，所述变频处理模块包括依次相连的第一变频处理电路、第二变频处理电路、中频AGC电路和第三变频处理电路；每个变频处理电路均包括依次相连的放大器、混频器和滤波器；中频AGC电路由检波器和数字衰减器组成；所述三个变频处理电路依次对经过选择滤波放大处理后的信号进行高中频、三次变频处理，一中频为4329.7MHz、二中频为229.7MHz、三中频为10.7MHz，最后得到10.7MHz中频信号。

进一步的，所述频率合成器模块包括一本振、二本振和三本振，分别为三个变频处理电路的混频器提供混频用本振信号；所述一本振由DDS电路、滤波放大电路、PLL锁相环路和后级放大器电路组成，所述二本振由ADF4156、环路滤波器、VCO、放大器和滤波器组成，所述三本振由ADF4156、环路滤波器、VCO、除二分频器、放大器和滤波器组成。

进一步的，所述数字处理模块包括VGA模块、A/D转换模块、DDC模块、FFT模块和解调模块；10.7MHz中频信号和10MHz参考信号经由二选一开关进入所述VGA模块，VGA模块、A/D转换模块和DDC模块依次相连，FFT模块和解调模块均与DDC模块相连。

进一步的，所述主控制器包括处理器、功能面板和音频及接口；所述功能面板和音频及接口均与处理器相连。

进一步的，所述测试设备还包括电源模块和人机交互模块；所述电源模块为测试设备提供直流电源；所述人机交互模块包括用于输入控制命令的按键模块以及用于显示输出的数据的显示模块；所述按键模块与主控制器的输入端连接，所述显示模块与主控制器的输出端连接。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明能够对电磁辐射进行监测识别、判断、预测、感知和电磁环境态势掌握，为战时和训练时的野战维修保障提供实时战场电磁环境的基本数据与使用通信装备的实时工作情况，保证实时高效的开展维修保障和训练活动，并帮助维修保障人员在各种电磁干扰条件下采取适当技术应对措施和保障自身的安全。

在发生通信故障时候，本发明能帮助保障维修人员快速区分通信设备是受到干扰还是自身故障，不必要盲目的去检查设备或者替换通信模块，使得通信保障维修更具有针对性，即降低了通信装备的保障成本，也提高了装备完好率和作战通信水平。

附图说明

图1是本发明的设备组成功能框图；

图2是本发明预选器模块的组成框图；

图3是本发明变频处理模块的组成功能框图；

图4是本发明的硬件组成及基本功能框图；

图5是本发明主控制器的基本功能框图；

图6是本发明单频测量功能执行流程图；

图7是本发明数字扫描功能执行流程图；

图8是本发明频率扫描功能执行流程图；

图9是本发明无线组网监测功能执行流程图。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

如图1所示，本发明公开了一种频谱监测及无线组网测试设备，包括天线、预选器模块、变频处理模块、频率合成器模块、数字处理模块和主控制器；主控制器、预选器模块、变频处理模块和数字处理模块均设有总线控制器、主控制器通过总线分别与预选器模块、变频处理模块和数字处理模块相连；天线与预选器模块相连，预选器模块与变频处理模块相连，变频处理模块与数字处理模块；天线接收信号并将信号送入预选器模块，由预选器模块对其进行选择滤波放大处理，提高输入信号的选择性；预选器模块将经过选择滤波放大处理后的信号送到变频处理模块进行高中频、三次变频处理处理，得到10.7MHz中频信号，10.7MHz中频信号经滤波后送入数字处理模块进行信号的识别与测量，并进行FFT变换后送入主控制器，最后由主控制器将处理后的数据进行显示；频率合成器模块用于为变频处理模块提供混频用本振信号。

预选器模块用于对弱信号提供增益以提高监测接收机的灵敏度，对强信号提供衰减以免超出监测接收机的线性范围，对全频段的输入信号提供足够高的选择性滤波能力，以滤除无用信号，提取出监测者感兴趣的信号。变频处理模块作为设备的接收前端电路，主要完成接收信号的变频与放大功能。考虑到对镜像频率的抑制，以及控制本振相对工作带宽，本设备采用高中频、三次变频的方案，提供50dB的动态范围，一中频为4329.7MHz、二中频229.7MHz、三中频10.7MHz。

如图2所示，预选器模块包括保护电路和开关滤波放大电路，保护电路用于大信号保护，开关滤波放大电路用于选择滤波和低噪声放大；开关滤波放大电路包括第一四选一开关、四路第一选择滤波放大电路和第二四选一开关；天线的输出端经保护电路与第一四选一开关的公共端相连，第一四选一开关的四个输出端分别经四路第一选择滤波放大电路与第二四选一开关的四个输入端相连；四路第一选择滤波放大电路分别完成四个频段的滤波放大：频段1：100kHz～20MHz；频段2：20～1000MHz；频段3：1000～1500MHz；频段4：1500～3600MHz；第一四选一开关和第二四选一开关的控制端分别通过总线与主控制器相连。

如图2所示，频段2对应的第一选择滤波放大电路又包括第三四选一开关、四路第二选择滤波放大电路、第一二选一开关、第二二选一开关和第三二选一开关；每路第二选择滤波放大电路均包括一个滤波器；第一四选一开关的一个输出端与第三四选一开关的公共端相连，第三四选一开关的两个输出端分别经两路第二选择滤波放大电路的滤波器与第一二选一开关的两个输入端相连，第三四选一开关的另两个输出端分别经两路第二选择滤波放大电路的滤波器与第二二选一开关的两个输入端相连，第一二选一开关和第二二选一开关的公共端分别经一个放大器与第三二选一开关的两个输入端相连，第三二选一开关的公共端与第二四选一开关的一个输入端相连；四路第二选择滤波放大电路的滤波器分别完成四个子频段的滤波：1)20～70MHz，2)70～200MHz，3)200～560MHz，4)560～1000MHz。第三四选一开关、第一至第三二选一开关的控制端分别通过总线与主控制器相连。

如图2所示，频段4对应的第一选择滤波放大电路又包括第四二选一开关、两路第三选择滤波放大电路和第五二选一开关，每路第三选择滤波放大电路均包括一个滤波器；第一四选一开关的一个输出端与第四二选一开关的公共端相连，第四二选一开关的两个输出端分别经两路第三选择滤波放大电路的滤波器与第五二选一开关的两个输入端相连，第五二选一开关的公共端经一个放大器与第二四选一开关的一个输入端相连；两路第三选择滤波放大电路的滤波器分别完成两个子频段的滤波：1)1500～2300MHz，2)2300～3600MHz；第四和第五二选一开关的控制端分别通过总线与主控制器相连。

如图3所示，变频处理模块包括依次相连的第一变频处理电路、第二变频处理电路、中频AGC电路和第三变频处理电路；每个变频处理电路均包括依次相连的放大器、混频器和滤波器；三个变频处理电路依次对经过选择滤波放大处理后的信号进行高中频、三次变频处理。一中频为4329.7MHz、二中频为229.7MHz、三中频为10.7MHz，最后得到10.7MHz中频信号。中频AGC电路由检波器和数字衰减器(ATT)组成，用于完成设备自动增益控制，以适应复杂多变的电磁辐射环境；10.7MHz中频信号分别经由四组模拟中频滤波器进行输出，以应对各种电磁辐射分析应用场景。中频AGC电路和中频输出滤波器切换开关控制端通过总线与主控制器连接。

如图1所示，频率合成器模块包括一本振、二本振和三本振，分别为三个变频处理电路的混频器提供混频用本振信号；一本振由DDS电路、滤波放大电路、PLL锁相环路和后级放大器电路组成，二本振由ADF4156、环路滤波器、VCO、放大器和滤波器组成，三本振由ADF4156、环路滤波器、VCO、除二分频器、放大器和滤波器组成。

如图4所示，数字处理模块包括VGA模块、A/D转换模块、DDC模块、FFT模块和解调模块；10.7MHz中频信号和10MHz参考信号经由二选一开关进入所述VGA模块，VGA模块、A/D转换模块和DDC模块依次相连，FFT模块和解调模块均与DDC模块相连。

数字处理模块用于完成AM、FM、USB、LSB、PULSE、CW、IQ信号的解调，同时对外提供将模拟中频转换为数字中频输出的功能。数字处理模块的解调灵敏度高，解调动态范围大，可以快速解调，具有较高的转换精度。

数字处理模块采用软件无线电技术，信号调制方式的识别等复杂算法由DSP软件完成，下变频和解调要求实时性处理的功能由FPGA完成；采用复数滤波器实现正交混频接收机中镜像信号的抑制，减轻前端射频电路对镜像信号衰减的压力，降低接收机的复杂度；接收信号大动态范围通过中频AGC电路、高位宽带ADC、FPGA内部的数字AGC来共同实现；对从FPGA解调出的话音信号，通过DSP或FPGA中的语音降噪增强算法对采样信息中人语音以外的外部噪音进行滤波和限幅，从而提高话音信号中的信噪比，再通过数/模转换形成话音模拟信号，从而达到提高语音质量的目的；同外部接口和控制信号的交流由DSP丰富的外设接口完成。

如图5所示，主控制器包括处理器、功能面板和音频及接口；所述功能面板和音频及接口均与处理器相连。主控制器选用ARM S3C2410X芯片作为主处理器，完成对内控制和对外联系。设备内部主要采用并行控制方式，设备与外部的数字连接采用串并结合的方式，还兼有存储转发控制命令的功能。主控制器采用总线方式对机内的各个模块进行控制，控制的对象包括：预选器模块、变频处理模块、频率合成模块和数字处理模块，对机内的温度、电池电压、各个模块的工作状态进行检测；主要实现的功能：全频段自动频段扫描、段内扫描、手动点频扫描、调制模式(FM、AM、PULSE、CW、USB、LSB、IQ)的设置、数据转存、与电脑之间的数据交互；对外接口：RS232接口、USB接口、100M以太网口、模拟音频接口、电源接口、数字信号处理数据接口和485总线接口。

本发明还包括人机交互模块；人机交互模块与主控制器双向连接，用于输入控制命令并显示输出的数据；预选器模块、变频处理模块和数字处理模块均受控于主控制器，数字处理模块处理后的数据经过主控制器处理后通过人机交互模块进行显示。人机交互模块包括用于输入控制命令的按键模块以及用于显示输出的数据的显示模块；按键模块与主控制器的输入端连接，显示模块与主控制器的输出端连接。

本发明还包括为测试设备提供稳定可靠的直流电源的电源模块。

针对本测试设备内部的二次电源，电源模块采用开关电源，可靠性高，效率高，并具备必要的保护和控制功能。电源模块的输入电压为24V。本开关电源主要作用是将外供直流电源进行变换隔离，产生设备所需的工作电压。本开关电源具有输入过压保护功能。工作原理：外供24V直流电压经XS1输入插座进入电源板，然后经过自恢复保险丝F和600W瞬压二级管V组成的输入过压保护电路，送达开关电源的输入端口，开关电源产生隔离的24V直流输出电压，经滤波处理后，供整机电路使用。输入过压保护电路工作原理如下：当外供直流电压超过32V时，瞬压二级管V被击穿呈短路状态，当输入电流值超过自恢复保险丝F的额定值时，自恢复保险丝F由原导通状态改变为高阻状态，使开关电源的输入端口得到保护。当外供直流电压低于32V时，电路自动延时恢复正常供电状态。

本发明采用模块化设计，利用通用数字化处理平台、高速串行总线和专用射频技术实现。为实现宽频率范围覆盖、大动态范围信号接收及尽可能的减少假响应，接收通道采用了预选放大、高中频、多中频技术，通过三次变频得到固定的中频，使得设备具备较大的线性动态范围与极少的虚假频率响应。利用基于软件无线电体系结构的通用数字化处理平台，以FPGA和DSP为数字处理核心，实现数字下变频、抽取滤波、实时FFT处理、AM、FM、CW、LSB等调制方式的数字解调与测量、高精度大动态范围的AGC控制和实时语音处理等功能；该平台具备开放性、通用性、可扩展性，可通过加载各种应用软件来适应不同的用户、不同应用环境的需求。

本发明测试设备能够对电磁辐射进行监测识别、判断、预测、感知和电磁环境态势掌握，为战时和训练时的野战维修保障提供实时战场电磁环境的基本数据与使用通信装备的实时工作情况，保证实时高效的开展维修保障和训练活动，并帮助维修保障人员在各种电磁干扰条件下采取适当技术应对措施和保障自身的安全。在发生通信故障时候，所述测试设备能帮助保障维修人员快速区分通信设备是受到干扰还是自身故障，不必要盲目的去检查设备或者替换通信模块，使得通信保障维修更具有针对性，即降低了通信装备的保障成本，也提高了装备完好率和作战通信水平。

如图1所示，空间中的电磁辐射从测试设备的天线接收下来后，首先经过一个保护电路对设备进行大信号保护；预选器模块主要采用低噪声放大器、低插损射频开关和低插损滤波器等微波器件，将从天线接收下来的信号进行选择性滤波和低噪声放大；变频处理模块主要采用宽带高线性混频器、线性放大器、高矩形系数中频滤波器等器件，主要完成对监测信号的线性变频、选择滤波、线性放大输出；经三次变频后的中频信号送数字处理模块进行数字采样，AD变换，数字下变频，经傅立叶变换、解调后输出频谱数据和解调信息；主控制器采用ARM架构，并通过通用485总线控制器完成对预选器模块和变频处理模块的控制和信息交互。

测试设备通过单频测量、数字扫描、频率扫描、无线组网监测四大功能完成对空中电磁辐射的监测识别、判断、预测、感知和电磁环境态势掌握，各功能模块执行流程如附图6～9所示。

(1)单频测量

单频测量功能的流程图如图6所示。对信号稳定性分析可采用系统中提供的单频测量，通过该扫描方式可测试信号源的信号强度，或打开“指标检测”功能监测信号源的中心频率、信号带宽。

(2)数字扫描

数字扫描功能的流程图如图7所示。系统为监测战时和训练时战场电磁辐射环境提供了以下操作方法：数字扫描。数字扫描可在频率范围内任意设定起止频率范围，按照选择的扫描带宽将该频率范围内实时的频谱数据上报给操作人员，为操作人员开展野外训练活动提供支持和保障。

(3)频率扫描

频率扫描功能的流程图如图8所示。频率扫描主要用于监测关心的频率段，操作人员根据需要设置频率间的间隔，实现快速、精准的信号查找。频率扫描方式下，在起始频率与终止频率之间，根据扫描方式，按频率步进进行向上、向下扫描，每个频点监测时间由预先设置的驻留时间决定。

(4)无线组网监测

无线组网监测功能的流程图如图9所示。为了有效地判断网络的稳健性，预测和诊断网络的故障状态，该设备提供的无线组网监测方法包括组网监测和跳频分析两种。其中组网监测主要用于定频的无线网络状态评估和故障预测。

显然，上述描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。