基于安卓終端的多模信號頻域分析及裝置研發(fā)

王 鵬 傅子明 洪訓(xùn)山 韋景康

（廣東電網(wǎng)有限責任公司佛山供電局，廣東佛山528000）

0 引言

移動通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了十幾年的建設(shè)和發(fā)展，基站數(shù)量不斷增加，通信覆蓋面日益擴大，而且隨著城市化建設(shè)的推進，高樓和地下建筑林立，無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境更加復(fù)雜多變。移動通信基站是發(fā)送和接收信號的基本設(shè)施，傳遞的一般是電信號，而傳統(tǒng)的示波器等儀器只能測量模擬信號，了解信號的時域特性，在對移動基站信號進行監(jiān)測時往往又需要從頻域的角度對信號進行分析[1]，所以有必要自行設(shè)計一款便攜的信號檢測裝置。

1 蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)原理

整個蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)大體上可以分為兩大方向：BSS（基站子系統(tǒng)）和NSS（移動網(wǎng)子系統(tǒng)）。網(wǎng)路子系統(tǒng)主要的功能是，可以為移動通信用戶提供數(shù)據(jù)交互、移動性管理和安全性管理所需要的數(shù)據(jù)庫。而基站子系統(tǒng)是蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，與無線通信網(wǎng)絡(luò)最直接關(guān)系的一個部分，它主要的功能是通過空中MS和BTS之間的接口與蜂窩終端設(shè)備相連接，并負責整個蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號的發(fā)送、接收，包括對無線通信資源的管理。整個基站子系統(tǒng)是由基站和基站控制器兩大部分組成。其中基站控制器（Base Station Controller）是基站子系統(tǒng)（BSS）的控制部分，管理各種無線資源和通信參數(shù)。基站收發(fā)信臺（Base Transceiver Station）屬于基站子系統(tǒng)的無線部分，由基站控制器所控制，通過空中接口來完成無線信號的收發(fā)功能[2]。從上述分析我們可以得出：影響無線基站信號覆蓋的主要原因，集中在基站系統(tǒng)、基站與手機之間的無線通信環(huán)境。

2 現(xiàn)場信號檢測系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)字信號處理技術(shù)的出現(xiàn)，F(xiàn)FT算法的提出，藍牙無線技術(shù)、安卓移動終端的廣泛應(yīng)用，給數(shù)字信號處理領(lǐng)域帶來了革命性的進步，極大地提高了信號檢測的精度和速度，也促使蜂窩信號檢測系統(tǒng)設(shè)計向微型化和輕型化發(fā)展[3]。如圖1所示，便攜式的現(xiàn)場蜂窩信號檢測裝置將現(xiàn)場采集的通信信號經(jīng)過信號調(diào)理和濾波后進行A/D采樣，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后對采樣信號進行時域和頻域分析，最后將數(shù)據(jù)通過UART轉(zhuǎn)藍牙接口電路，由藍牙無線信號上傳到安卓移動終端，APP軟件完成對數(shù)據(jù)的進一步分析處理、展示及存儲。

信號檢測性能設(shè)計要求：能檢測目前國內(nèi)在商用運行的各種制式和頻段的公網(wǎng)無線信號，一共是7種網(wǎng)絡(luò)模式和13個頻段[4]，具體包括GSM：900/1800MHz、CDMA20001x/EVDO：BC0、WCDMA：B1、TDSCDMA：B34/B39、TDD-LTE：B38/B39/B40/B41、FDDLTE：B1/B3，信號強度測量范圍-60～-110dBm。

圖1 現(xiàn)場信號檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其他性能要求，內(nèi)置20 000 mAh備用電源，可滿足設(shè)備獨立在線運行5天；充電輸入電壓4.5～6 V；充電電流2 A；外置天線接口設(shè)計，可方便接入各種類型的天線。

3 現(xiàn)場信號檢測模塊設(shè)計

利用DSP+ARM SoC芯片組成可行的最小系統(tǒng)是整個蜂窩信號檢測裝置設(shè)備的核心，由DSP+ARM SoC芯片和人機交互模塊、電池充放電管理模塊和藍牙通信模塊等一些輔助電路構(gòu)成，如圖2所示，檢測裝置完成信號監(jiān)測和數(shù)據(jù)通信功能。設(shè)備采用美國TI公司面向高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用推出的一款新的SoC DSP芯片66AK2H12，內(nèi)核構(gòu)成如圖3所示。這是一款較為完整的高性能高速數(shù)據(jù)采集與控制單片系統(tǒng)，讓模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器以及模擬前端實現(xiàn)更簡便的連接，擁有8個DSP核+4個ARM內(nèi)核，將DSP的快速處理和ARM的可擴展性相結(jié)合。該器件具有處理速度快、精度高、成本低、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲量大、內(nèi)置信號模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等特點，不僅適用于數(shù)字信號處理，而且在圖像處理、語音處理、通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，已成為通信、計算機、消費類電子產(chǎn)品以及控制等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件，更是那些需要進行定點運算的便攜式產(chǎn)品的理想選擇[5]。為了便于采購和批量化生產(chǎn)，采用了Quectel生產(chǎn)的集成66AK2H12核心的信號處理模塊，具體型號為EC20-CD。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

上一節(jié)我們已經(jīng)通過運用66AK2H12芯片結(jié)合適當?shù)耐鈬涌陔娐窞檎麄€蜂窩信號檢測裝置設(shè)計了一個高效的硬件平臺，接下來需要應(yīng)用FFT算法來對數(shù)據(jù)做相應(yīng)的運算，主要分為初始化模塊和運行模塊，其中包括數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、串口通信程序等關(guān)鍵程序。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖3 主芯片架構(gòu)主要功能示意圖

本系統(tǒng)軟件部分最核心的FFT算法的實質(zhì)是將長序列的DFT運算逐級分解為較短序列的DFT運算，如果該DFT/IDFT處理器的運算性能不佳，將成為整個系統(tǒng)的瓶頸，所以在算法上使DFT的計算量減少了兩個數(shù)量級，這樣可以很大程度上減少系統(tǒng)的運算時間。如果輸入數(shù)據(jù)是完全的實數(shù)，復(fù)數(shù)DFT算法也依然可以使用，其中一個簡單的方法就是將數(shù)據(jù)虛部分填零，實部部分是采樣點，復(fù)數(shù)傅里葉變換便可以直接地被使用[6]。

假設(shè)g（n）為56點實數(shù)序列，則令：

定義x（n）=x（en）+jx（0n）則對x（n）進行傅里葉變換，結(jié)果如下式所示：

5 現(xiàn)場應(yīng)用

通過在電力系統(tǒng)運行現(xiàn)場安裝現(xiàn)場信號檢測模塊進行實地驗證，如圖4所示，該設(shè)備能正常采集到周邊公網(wǎng)運營商各個基站的信息，并分析出基站所屬的運營商、基站頻率和基站信號強度，并生成如圖5所示的報告。通過與中國移動、中國聯(lián)通和中國電信三家運營商的基站GIS信息系統(tǒng)中查詢到的基站信息進行比對，基于安卓終端的APP程序上展示的信息與運營商記錄的信息相一致；通過與運營商現(xiàn)場使用的專用信號強度檢測設(shè)備進行比對，運營商的檢測設(shè)備采集到的測試地點基站實際信號強度與基于安卓終端的APP程序上展示的信號強度數(shù)據(jù)基本一致，誤差小于5%。通過以上方式進行實地測試，本系統(tǒng)滿足既定的設(shè)計目標。

圖4 現(xiàn)場安裝照片

圖5 安卓終端APP報告展示

6 結(jié)語

目前在電力系統(tǒng)中，大量使用基于運營商SIM的終端類設(shè)備將現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺主站，然而在現(xiàn)場實施和設(shè)備運行過程中，經(jīng)常遇到由于現(xiàn)場信號無法可視和各個運營商信號覆蓋率問題，而選擇了錯誤的運營商的SIM卡，導(dǎo)致設(shè)備無法上線傳送數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)完整率低的情況發(fā)生。

通過研制和應(yīng)用基于安卓終端的現(xiàn)場信號檢測裝置，工作人員可以方便地查看現(xiàn)場各個運營商的信號覆蓋率和信號質(zhì)量。整個信號檢測系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場的試運行，效果顯著，降低了返工率，減少了運行維護人員的工作量，提高了電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整性和穩(wěn)定性，為企業(yè)運營帶來了顯著的經(jīng)濟效益。

[1]王剛.基于目前我國移動通信室內(nèi)分布系統(tǒng)的現(xiàn)狀[J].數(shù)字化用戶，2013（18）：23.

[2]張羽.基于移動通信室內(nèi)分布系統(tǒng)的一些設(shè)計研究[J].硅谷，2013（20）：80.

[3]李鑫.淺談數(shù)字信號處理器DSP的發(fā)展和應(yīng)用[J].硅谷，2008（14）：28.

[4]李建東，郭梯云，鄔國揚.移動通信[M].4版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

[5]駱敏，黎亞元，張景明，等.基于DSP的現(xiàn)場總線測控儀開發(fā)研究[J].中國設(shè)備工程，2008（1）：45-47.

[6]陳恒亮，蔣勇.基于DSP的實數(shù)FFT算法研究與實現(xiàn)[J].動力學(xué)與控制學(xué)報，2005，3（2）：50-53.