A Designing and Implementing Method of Monitoring Spectrum

2017-07-20 -

Feng Li

(573 Station of SAPPRFT, Beijing, 102209)

Abstract: 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.

Keywords: Spectrum monitoring database; Eigenvalue matching; Automatic

1 引言

无线电通信技术的快速发展和普及应用，使得电磁环境越来越复杂，频谱的使用越来越广泛，频谱资源日益紧张。为使有限的频谱资源发挥更大的价值，开发频谱利用率更高的应用系统、加强频谱科学管理成为必然要求。电磁频谱监测是无线电管理的重要技术手段，能够为频谱管理提供技术支持和科学依据。但目前市场上没有成熟的产品，能够将测量、监测、分析、存储、报警和监测报告生成有机的结合起来，进行智能化的电磁环境监测。

本文介绍基于ARM-LINUX嵌入式频谱监测软件系统设计的一些重要方法,通过ARM+DSP+ FPGA组合的方式来实现频谱监测。摒弃以往微机与监测仪表相结合的方式，通过对功能的深度开发使系统能够实现电磁环境的自动化监测，从根本上解决了目前手动测试过程中出现的问题和缺陷。

2 频谱监测软件设计 2.1 频谱监测软件工作原理

软件系统可以在两种模式下运行：自动工作模式和手动工作模式。

在自动工作模式下，用户根据需要输入想要监测信号的起始频率、截止频率，和监测的起始时间、截止时间等信号特征值信息。系统软件则在预先设置好的时间自动计算硬件配置参数进行频谱监测。监测任务完成后或监测时间已达到则自动生成监测报告，如发现监测信号则会立刻报警。

在手动监测模式下，软件系统的工作原理与自动模式下的基本类似，只是不能自动的开始检测和计算硬件参数，而是一种交互式的测试环境，完全由用户手动输入来执行，此时用户可以根据数字光谱图来观察信号变化，以及是否有异常信号。

2.2 软件系统总体设计

为了使软件系统高内聚低耦合，使数据、显示、

处理分离，采用MVC架构并将整个软件可以分为以下几个功能模块：一是GUI控制模块，完成与用户之

间的交互界面，能够根据用户发出的命令来协调各个模块之间的工作。二是数据库模块，建立多种数据库表，将每个数据库表设置滤波器，经过处理之后的信号将会存入可以通过滤波器的相应数据库表内。三是GUI数据显示模块,实现频谱基本显示功能，包括放大缩小、峰值搜索、Marker以及光谱图

等功能。四是搜索系统模块，也可以说信号处理模块，根据接收的频谱数据，计算信号个数、带宽、频率等参数。针对自定义的信号进行监测，发现被监

测信号，触发警报。整体软件系统框图如图1所示。

2.3 系统软件详细设计

搜索系统模块的主要目的是在噪声环境下可以辨别出信号，并能把用户关心的信号隔离出来，同时根据信号的特性完成分类和警报工作。图2是搜索系统模块整体框图。

能量检测部分利用频谱数据隔离出候选信号，并根据信号特性进行分类，分别存放在不同的实时更新数据库里面。具体可以分为四个步骤：一是阈值：即能量幅度值，根据用户需要可以自己手动设置，也可系统设置，目的是从噪声环境中识别信号，也是能量检测的第一步。二是能量检测：软件中有峰值检测参数，根据所设的参数来识别我们具体关心的信号，同时这一步值可选的，如果不选择则不做能量检测。三是估计带宽：计算满足要求的信号带宽。四是特征值提取：特征值包括频率、能量、截获时间、当前持续时间等。

前向后向滤波器：针对历史数据库设置，判断什么信号可以进入以及何时移除。

后面的任务部分则是触发警报是需要完成的任务，可以针对监测到的信号做进一步处理，调制识别，信号处理以及定位。

3 图形用户界面

图3所示是软件系统应用程序窗口的一个例子。

在监测频谱时，有时需要针对整体的某个信号进行细致的观察，需要从总体中抽取并与总体中其他信号进行对比，此时就需要双窗口放大显示功能，如图4所示。

图4是zoomer放大功能，通过鼠标在显示波形区域的任意一个位置圈出一个区域，就可以针对区域里面的图案进行放大，这样可以更加清晰直观地观察信号的频谱细节。

图5是新能量数据库的显示窗口，新能量数据库的信息是从历史数据库中传过来的，因此历史数据库不仅需要记录信号的截获时间还需要记录持续时间并不断更新此信号，而新能量数据库只需记录信号第一次被截获的状态。图中，①是信号第一次被截获的时间；②是截获信号的中心频率和带宽；③是截获信号的起始和截止频率。

4 结束语

基于嵌入式的频谱监测软件是根据实际工作需要来设计的，其实现的目的是为了解决当前监测系统的不足，满足便携、智能、灵活以及较宽的工作范围的需要，系统在设计过程中充分考虑了可扩充性、实时性和智能化，通过软件的工作原理和设计可以看出系统的功能比较全面，能够满足无线电管理部门工作的需要。■

参考文献

[1]张发启．现代测试技术及应用[M]．西安：西安电子科技大学出版

社，2005

[2]程绍成，张学俊，冯奇等．基于多DSP互联技术的频谱监测研究[J]．

现代电子技术，2013(11):79-81

[3]李勇，张艳娥，孙谦．一种卫星频谱监测系统设计方案及实现[J]．空

间电子技术，2008(3):77-80

[4]高远谋．基于射频传感器网络的无线信号监测与定位技术研究[D]．

北京交通大学，2011

[5]邢仁超．无线电监测系统的软件设计与实现[D]．河北师范大学，2011 [6] 潘宝凤．通信侦察系统总体设计技术[J]．电讯技术，2011,51(6):1-5

[8] Agilent.n6820es Signal Surveyor 4D Operator’s Reference[j/ol].

USA,2014

[9] 刘新宇，无线电频谱管理监测系统软件设计[D]．电子科技大学，

2013

[10] Hettu P,aromaa S.consecutive mean excision algorithm[c]//spread Techniques and Applications, 2002 IEEE Seventh International Symposium ON.IEEE,2002:450-454 vol.2.

[11] Lehtomaki J J,vartiainen J,juntti M,et al. Analysis of the LAD Methods[j].

IEEE Signal Processing Letters,2008,15:237-240.

[12] 兰佳卉，余鑫．Linux系统下的qt应用程序开发[j]．中国科技博览，

2012(30):291-291

[13] 张玲．基于嵌入式Linux的图形界面的开发与研究[d]．武汉理工大

学，2012

[14] 冯河．传感网电磁频谱监测系统中新信号捕获分析与日志管理模块

的设计与实现[D]．西安电子科技大学，2014

[15] 石俊．电磁频谱监测系统中数据采集与实时监控子系统设计与实现

[D]．西安电子科技大学，2012

[16] 胡健．基于软件无线电的实时频谱分析技术的研究与实现[D]．复旦

大学，2011