一款基于嵌入式的頻譜監測軟件設計及實現

馮 莉

一款基于嵌入式的頻譜監測軟件設計及實現

馮 莉

（國家新聞出版廣電總局五七三臺，北京 102209）

針對無線電管理部門大規模的頻譜監測的應用需求，本文給出了一種便攜式、智能化、監測范圍寬的頻譜監測軟件系統設計與實現的方法，系統不僅能夠完成一般頻譜儀的頻譜采集，顯示等功能，并且可以對采集的數據分析處理，利用數據庫、特征值匹配將信號分類存儲，最后自動生成監測報告并報警。

頻譜監測、數據庫特征值匹配、自動

1 引言

無線電通信技術的快速發展和普及應用，使得電磁環境越來越復雜，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揮更大的價值，開發頻譜利用率更高的應用系統、加強頻譜科學管理成為必然要求。電磁頻譜監測是無線電管理的重要技術手段，能夠為頻譜管理提供技術支持和科學依據。但目前市場上沒有成熟的產品，能夠將測量、監測、分析、存儲、報警和監測報告生成有機的結合起來，進行智能化的電磁環境監測。

本文介紹基于ARM-LINUX嵌入式頻譜監測軟件系統設計的一些重要方法,通過ARM+DSP+ FPGA組合的方式來實現頻譜監測。摒棄以往微機與監測儀表相結合的方式，通過對功能的深度開發使系統能夠實現電磁環境的自動化監測，從根本上解決了目前手動測試過程中出現的問題和缺陷。

2 頻譜監測軟件設計

2.1 頻譜監測軟件工作原理

軟件系統可以在兩種模式下運行：自動工作模式和手動工作模式。

在自動工作模式下，用戶根據需要輸入想要監測信號的起始頻率、截止頻率，和監測的起始時間、截止時間等信號特征值信息。系統軟件則在預先設置好的時間自動計算硬件配置參數進行頻譜監測。監測任務完成后或監測時間已達到則自動生成監測報告，如發現監測信號則會立刻報警。

在手動監測模式下，軟件系統的工作原理與自動模式下的基本類似，只是不能自動的開始檢測和計算硬件參數，而是一種交互式的測試環境，完全由用戶手動輸入來執行，此時用戶可以根據數字光譜圖來觀察信號變化，以及是否有異常信號。

2.2 軟件系統總體設計

為了使軟件系統高內聚低耦合，使數據、顯示、處理分離，采用MVC架構并將整個軟件可以分為以下幾個功能模塊：一是GUI控制模塊，完成與用戶之間的交互界面，能夠根據用戶發出的命令來協調各個模塊之間的工作。二是數據庫模塊，建立多種數據庫表，將每個數據庫表設置濾波器，經過處理之后的信號將會存入可以通過濾波器的相應數據庫表內。三是GUI數據顯示模塊,實現頻譜基本顯示功能，包括放大縮小、峰值搜索、Marker以及光譜圖等功能。四是搜索系統模塊，也可以說信號處理模塊，根據接收的頻譜數據，計算信號個數、帶寬、頻率等參數。針對自定義的信號進行監測，發現被監測信號，觸發警報。整體軟件系統框圖如圖1所示。

圖1 軟件系統框圖

2.3 系統軟件詳細設計

搜索系統模塊的主要目的是在噪聲環境下可以辨別出信號，并能把用戶關心的信號隔離出來，同時根據信號的特性完成分類和警報工作。圖2是搜索系統模塊整體框圖。

圖2 搜索系統模塊整體框圖

能量檢測部分利用頻譜數據隔離出候選信號，并根據信號特性進行分類，分別存放在不同的實時更新數據庫里面。具體可以分為四個步驟：一是閾值：即能量幅度值，根據用戶需要可以自己手動設置，也可系統設置，目的是從噪聲環境中識別信號，也是能量檢測的第一步。二是能量檢測：軟件中有峰值檢測參數，根據所設的參數來識別我們具體關心的信號，同時這一步值可選的，如果不選擇則不做能量檢測。三是估計帶寬：計算滿足要求的信號帶寬。四是特征值提取：特征值包括頻率、能量、截獲時間、當前持續時間等。

前向后向濾波器：針對歷史數據庫設置，判斷什么信號可以進入以及何時移除。

后面的任務部分則是觸發警報是需要完成的任務，可以針對監測到的信號做進一步處理，調制識別，信號處理以及定位。

3 圖形用戶界面

圖3所示是軟件系統應用程序窗口的一個例子。

圖3 軟件系統應用程序窗口

在監測頻譜時，有時需要針對整體的某個信號進行細致的觀察，需要從總體中抽取并與總體中其他信號進行對比，此時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，通過鼠標在顯示波形區域的任意一個位置圈出一個區域，就可以針對區域里面的圖案進行放大，這樣可以更加清晰直觀地觀察信號的頻譜細節。

圖5 新能量數據庫顯示窗口

圖5是新能量數據庫的顯示窗口，新能量數據庫的信息是從歷史數據庫中傳過來的，因此歷史數據庫不僅需要記錄信號的截獲時間還需要記錄持續時間并不斷更新此信號，而新能量數據庫只需記錄信號第一次被截獲的狀態。圖中，①是信號第一次被截獲的時間；②是截獲信號的中心頻率和帶寬；③是截獲信號的起始和截止頻率。

4 結束語

基于嵌入式的頻譜監測軟件是根據實際工作需要來設計的，其實現的目的是為了解決當前監測系統的不足，滿足便攜、智能、靈活以及較寬的工作范圍的需要，系統在設計過程中充分考慮了可擴充性、實時性和智能化，通過軟件的工作原理和設計可以看出系統的功能比較全面，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文獻標示碼：A

1672-7274（2017）07-0009-03