基于安卓終端的多模信號頻域分析及裝置研發

王 鵬 傅子明 洪訓山 韋景康

（廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東佛山528000）

0 引言

移動通信網絡經歷了十幾年的建設和發展，基站數量不斷增加，通信覆蓋面日益擴大，而且隨著城市化建設的推進，高樓和地下建筑林立，無線網絡環境更加復雜多變。移動通信基站是發送和接收信號的基本設施，傳遞的一般是電信號，而傳統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]，所以有必要自行設計一款便攜的信號檢測裝置。

1 蜂窩通信網絡原理

整個蜂窩通信網絡大體上可以分為兩大方向：BSS（基站子系統）和NSS（移動網子系統）。網路子系統主要的功能是，可以為移動通信用戶提供數據交互、移動性管理和安全性管理所需要的數據庫。而基站子系統是蜂窩網絡通信系統中，與無線通信網絡最直接關系的一個部分，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備相連接，并負責整個蜂窩網絡信號的發送、接收，包括對無線通信資源的管理。整個基站子系統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（BSS）的控制部分，管理各種無線資源和通信參數。基站收發信臺（Base Transceiver Station）屬于基站子系統的無線部分，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、基站與手機之間的無線通信環境。

2 現場信號檢測系統設計

數字信號處理技術的出現，FFT算法的提出，藍牙無線技術、安卓移動終端的廣泛應用，給數字信號處理領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設計向微型化和輕型化發展[3]。如圖1所示，便攜式的現場蜂窩信號檢測裝置將現場采集的通信信號經過信號調理和濾波后進行A/D采樣，并轉換為數字信號，然后對采樣信號進行時域和頻域分析，最后將數據通過UART轉藍牙接口電路，由藍牙無線信號上傳到安卓移動終端，APP軟件完成對數據的進一步分析處理、展示及存儲。

信號檢測性能設計要求：能檢測目前國內在商用運行的各種制式和頻段的公網無線信號，一共是7種網絡模式和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 現場信號檢測系統結構圖

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

3 現場信號檢測模塊設計

利用DSP+ARM SoC芯片組成可行的最小系統是整個蜂窩信號檢測裝置設備的核心，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成，如圖2所示，檢測裝置完成信號監測和數據通信功能。設備采用美國TI公司面向高速數據采集應用推出的一款新的SoC DSP芯片66AK2H12，內核構成如圖3所示。這是一款較為完整的高性能高速數據采集與控制單片系統，讓模/數轉換器、數/模轉換器以及模擬前端實現更簡便的連接，擁有8個DSP核+4個ARM內核，將DSP的快速處理和ARM的可擴展性相結合。該器件具有處理速度快、精度高、成本低、功耗小、性能高、外設集成度高、數據以及程序存儲量大、內置信號模數轉換器（ADC）、A/D轉換更精確快速等特點，不僅適用于數字信號處理，而且在圖像處理、語音處理、通信等領域得到了廣泛應用，已成為通信、計算機、消費類電子產品以及控制等領域的基礎器件，更是那些需要進行定點運算的便攜式產品的理想選擇[5]。為了便于采購和批量化生產，采用了Quectel生產的集成66AK2H12核心的信號處理模塊，具體型號為EC20-CD。

4 系統軟件設計

上一節我們已經通過運用66AK2H12芯片結合適當的外圍接口電路為整個蜂窩信號檢測裝置設計了一個高效的硬件平臺，接下來需要應用FFT算法來對數據做相應的運算，主要分為初始化模塊和運行模塊，其中包括數據采集程序、數據處理程序、串口通信程序等關鍵程序。

圖2 系統架構圖

圖3 主芯片架構主要功能示意圖

本系統軟件部分最核心的FFT算法的實質是將長序列的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，將成為整個系統的瓶頸，所以在算法上使DFT的計算量減少了兩個數量級，這樣可以很大程度上減少系統的運算時間。如果輸入數據是完全的實數，復數DFT算法也依然可以使用，其中一個簡單的方法就是將數據虛部分填零，實部部分是采樣點，復數傅里葉變換便可以直接地被使用[6]。

假設g（n）為56點實數序列，則令：

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

5 現場應用

通過在電力系統運行現場安裝現場信號檢測模塊進行實地驗證，如圖4所示，該設備能正常采集到周邊公網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、中國聯通和中國電信三家運營商的基站GIS信息系統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；通過與運營商現場使用的專用信號強度檢測設備進行比對，運營商的檢測設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據基本一致，誤差小于5%。通過以上方式進行實地測試，本系統滿足既定的設計目標。

圖4 現場安裝照片

圖5 安卓終端APP報告展示

6 結語

目前在電力系統中，大量使用基于運營商SIM的終端類設備將現場數據發送到后臺主站，然而在現場實施和設備運行過程中，經常遇到由于現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，導致設備無法上線傳送數據，造成數據完整率低的情況發生。

通過研制和應用基于安卓終端的現場信號檢測裝置，工作人員可以方便地查看現場各個運營商的信號覆蓋率和信號質量。整個信號檢測系統經過現場的試運行，效果顯著，降低了返工率，減少了運行維護人員的工作量，提高了電力系統的數據完整性和穩定性，為企業運營帶來了顯著的經濟效益。

[1]王剛.基于目前我國移動通信室內分布系統的現狀[J].數字化用戶，2013（18）：23.

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

[3]李鑫.淺談數字信號處理器DSP的發展和應用[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：西安電子科技大學出版社，2006.

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

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