基于软件无线电的频谱检测技术

黄小静

摘要：随着科学技术的发展，我国的频谱仪检测技术有了很大进展，本文设计了一种基于软件无线电的频谱检测平台，生成的数据格式完全自主可控，并且可以进一步地分析处理数据，为我国精细化、实时化、动态化的监测和频谱管控提供了平台和数据支撑，最后提出了该平台未来的研究方向。

关键词：软件无线电；频谱检测；FPGA

引言

当前，无线通信业务的迅猛发展使得对频谱资源的需求日益增加，但可用的频谱资源却越来越少。由此衍生的非法占用授权频段的事件频繁发生，已经严重损害到授权用户的正常通信。现如今的频谱检测设备虽然可以实时检测到某些频段有异常信号，但往往受限于有限的存储空间，不能将所有频谱数据实时保存下来，用于后续的数据分析和处理。

1频谱特性检测概念及方法

（1（）传导法。传导法是直接通过连接射频电缆进行用频系统频谱特性检测的方法，检测系统主要由定向耦合器、特定大功率衰减器和测量接收机（或频谱仪）组成。2）辐射法辐射法是通过空间电波传播途径进行用频系统频谱被测装备耦合器。衰减器测量接收机（2）发射天线。特性检测的方法，检测系统主要由高增益定向检测天线和测量接收机（或频谱仪）组成。

2系统优势

系统的整体架构以及各个模块设计，对比现有的频谱检测系统，具有下列几点优势：（1）现阶段使用的频谱检测设备价格较高，体积较大，本系统使用了灵活性强、开源程度高、性价比高的软件无线电作为通信系统的信号采集模块，频段、带宽、调制方式等参数可调，更便于应用拓展。（2）建立频谱数据库，可以存储大量历史数据，便于频谱数据有效信息的挖掘，实现对无线电信号的特性分析。（3）选用Android控制端作为上位机进行频谱数据的检测和处理，方便快捷。（4）采用TCP/IP协议作为主控模块和控制端的通信协议，使得主控模块控制脚本和上位机应用得以并行开发。使用软件工程思想提高主控模块和控制端的独立性，使用TCP/IP协议降低设备之间的通信壁垒。上位机不直接接触硬件结构，移植性较强；设备不区分网络硬件，拥有极高的可靠性，可以为用户提供可靠的服务。

3频谱检测技术

3.1规范用频系统频谱特性检测流程

严格按照检测规范和标准开展用频系统频谱特性检测，确保检测过程规范可控和检测数据可追溯。（1）充分调研，科学制定检测大纲。有规可依、有章可循是开展检测工作的关键，以这些纲领性文件为指导，以实际任务为牵引，通过调研，摸清系统工作原理、技术指标、检测地域等情况，制定科学合理的检测大纲，可以减少检测过程中不确定性因素的出现，提高检测结果的科学性和准确性。（2）持证上岗，定期组织检测业务培训。盘活现有资源，充分利用院校、地方科研院所的便利条件，定期组织检测业务培训，对完成规定培训内容和时长，且考试成绩合格的学员颁发结业合格证书，凭证书上岗开展工作。（3）注重积累，梳理总结检测经验做法。频谱特性检测工作实际并不复杂，上手容易、见效快，但想成为行家里手非一日之功。要养成良好的学习习惯，注意总结积累每一次检测工作的经验做法和存在不足，久久为功，提升检测能力。

3.2频谱数据库设计

系统中频谱数据库的设计至关重要，设计的好坏关系到后期数据查找和数据处理的难易程度。根据频谱数据的特征和后期处理的需求，将频谱数据库分为3个功能模块：数据管理、数据筛选和数据处理。为了方便后期数据的筛选和处理，数据库中创建两种类型的表：存储频谱检测任务的任务表和存储频谱检测数据的数据表。任务表存储每次上位机发送的频谱检测指令，包括时间、起始频率、采样间隔、终止频率，以及指令所对应的SDR的序列号。系统断电后，且上位机没有发送指令时，系统可以从数据库的任务表中读取上一次频谱检测的指令继续工作。

3.3基于软件无线电的频谱检测平台

通过对软件无线电平台的设计和频谱检测技术的分析，本文设计了基于软件无线电的频谱检测平台，人机交互界面用于数据输入输出的选择、系统参数的配置和结果的显示，该交互界面使用MATLAB的GUIDE实现，界面设计需要进一步地优化。硬件与PC通过网口和USB连接，USB用于供电，也可以利用电源插头供电；网口用于PC和硬件电路之间的通信，两个天线为单发单收天线，具有标准天线连接端口，可与多种类型天线连接，从而实现各频段信号的发射和接收功能。为了验证平台的有效性，利用该平台的发射端实现了BPSK调制信号的生成和发射，经过信道传输之后，接收端采集并对其进行频谱检测分析。

3.4上位机设计

系统选用Android设备作为上位机，采用Client/Server（C/S）架构，实现和主控模块之间的交互。C/S架构，即客户端和服务端的通信连接模式，充分利用客户端和服务器端的环境，在客户端进行具体的运算和数据的处理，服务器端任务较轻，为客户端提供筛选数据的接口，将任务合理分配到Client端和Server端，降低了系统的通信开销。套接字（Socket）是一个通用的网络编程接口，使用套接字通信协议进行通信的设备，均被划分为服务器端和客户端。本系统中主控模块作为服务器端首先通过组播发布自己的IP地址，本地开启端口进行监听，此时该监听进程从运行状态转换成阻塞状态，实时等待客户端发送连接请求。上位机作为客户端，向服务器端发出创建Socket连接请求。服务器端接收到请求，响应状态从阻塞状态转换成运行状态。服务器端反馈Socket描述，客户端接收到描述后发送确认信息，服务器端收到确认信息则标志创建连接成功。

3.5重视用频系统频谱特性检测能力训练

日常训练中，以实际任务为牵引，针对性地开展频谱特性检测能力训练，不断提升检测能力素质。（1）构建逼真的训练环境，练就过硬的能力素质。综合运用Agilent89601A、ADS等电磁环境采集编辑软件，通过采集地域的电磁环境数据，构建逼真的现场环境。针对性地开展实战化检测训练工作，提高用频系统检测人员的综合素质和环境适应能力。（2）运用先进的技术手段，丰富检测内容。通过实际检测、半实物模拟和计算机模拟等手段，努力使每一名检测人员都能够掌握不同类型用频系统的检测方法和技巧。（3）开展经常性的人员比对等竞赛活动，提升训练热情。以考促训、以训促进，通过在日常训练中穿插训练评比、训练小结等活动，调动参训人员的积极性，提高训练效果。

结束语

综上所述，本文设计实现了一种基于软件无线电的频谱检测平台，该平台的所有过程中生成的数据格式完全自主可控，并且可以用于进一步地分析处理，为我国精细化、实时化、动态化的监测和频谱管控提供平台和数据支撑。该系统采用通用的PC作为频谱数据分析平台，可与现有的频谱监测软件和频谱管理软件实现兼容。下一步研究工作：一是在该平台上扩展实现频谱监测功能；二是基于大数据和云计算技术的信号定位、分析和识别；三是精细化的动态频谱管理。

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作者简介：黄小静（1972-），男，汉族，广西南宁市人，大专，主要从事信息工程质量检验检测工作。