基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無(wú)線頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

成 京 呂曉麗 呼立文

(長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春130000)

近年來(lái), 無(wú)線電技術(shù)的蓬勃發(fā)展已經(jīng)影響了人類生活的方方面面,然而,科技的進(jìn)步是把雙刃劍,無(wú)線電犯罪給人們帶來(lái)的危害也不容小覷,它不僅擾亂社會(huì)秩序,干擾空管頻率,甚至危害人體健康。因此,我們必須加強(qiáng)對(duì)無(wú)線頻譜的監(jiān)測(cè)力度,嚴(yán)厲打擊搗毀黑廣播,但由于黑廣播信號(hào)分布散亂,且探測(cè)黑廣播的設(shè)備體積大、價(jià)格昂貴,逐一擊破難度較大,所以對(duì)新的無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備的研究就顯得尤為重要。本設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)對(duì)80MHz-115MHz 廣播信號(hào)的接收與監(jiān)測(cè), 還可顯示出頻譜波形圖、具體信號(hào)頻率和幅值。該設(shè)計(jì)還可設(shè)置掃描頻率步長(zhǎng),掃描時(shí)間間隔,且功耗低、經(jīng)濟(jì)輕便,大大推動(dòng)了我國(guó)對(duì)無(wú)線電頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)領(lǐng)域的研究。

圖1 方案整體設(shè)計(jì)流程系統(tǒng)框圖

圖2 簡(jiǎn)化R820T 芯片結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)備利用R820T 射頻芯片和RTL2832U 主控芯片相結(jié)合的硬件電路設(shè)計(jì),再通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)無(wú)線電頻譜進(jìn)行監(jiān)測(cè),以下分析了該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)以及總結(jié)了設(shè)備測(cè)評(píng)數(shù)據(jù),得出了本設(shè)計(jì)具有無(wú)線電監(jiān)測(cè)的基本功能的結(jié)論。

1 接收機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)及功能

1.1 硬件整體框架

依據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)需求,本設(shè)計(jì)需對(duì)無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,所以根據(jù)設(shè)計(jì)要求,對(duì)射頻前端和主處理芯片的選取慎重選擇。系統(tǒng)的掃頻覆蓋范圍約為30MHz-2.4GHz,具有步進(jìn)式掃描方式,搜索掃描通道可達(dá)799 通道/s,使用二極管濾波電路,將收集到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理,最后由射頻芯片R820T 處理。射頻芯片控制掃頻頻率是通過(guò)晶振時(shí)鐘,晶振電路由兩個(gè)電容和晶振構(gòu)成。處理后的信號(hào),再傳輸給RTL2832U 芯片進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理,將信號(hào)通過(guò)USB 串口與電腦的上位機(jī)相連,由上位機(jī)對(duì)進(jìn)號(hào)進(jìn)行處理,最后顯示出界面,具體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

1.2 基于R820T 射頻電路設(shè)計(jì)

R820T 射頻芯片有低功耗和體積小的優(yōu)點(diǎn),滿足設(shè)計(jì)需求, 且此芯片可為DVB-T、ATSC、DMB-T、ISDB-T 等所有數(shù)字廣播電視提供不同的射頻信號(hào),所以其性能十分優(yōu)越,同時(shí),它還嵌入了智能功率檢測(cè)器,可優(yōu)化多種功率場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍,其簡(jiǎn)化芯片結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分為射頻電路,射頻前端主要采用的是通過(guò)R820T 芯片搭構(gòu)的射頻電路,信號(hào)通過(guò)天線RFin 端,經(jīng)過(guò)二極管檢波電路將信號(hào)接收到芯片RF_IN 端。其一共有32 個(gè)寄存器可編程設(shè)置其主要功能,同時(shí)該芯片通過(guò)外搭晶振電路來(lái)控制掃頻頻率,晶振為28.86MHZ,它可通過(guò)3.3v 小電壓驅(qū)動(dòng),將選擇、變頻、混頻集于一身,功能強(qiáng)大。

1.3 基于RTL2382U 主控芯片電路設(shè)計(jì)

RTL2832U 是一款性能很高的DVB-T COFDM解調(diào)器, 同時(shí)支持USB 2.0 的接口及2K或者8K 模式,它的帶寬為6,7 和8MHZ,可進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)調(diào)制參最先進(jìn)的RTL2832U 芯片,有自己專門(mén)的算法,可為多種算法提供理想合理的解決方案。

該電路通過(guò)IF+,IF- 引腳將R820T 芯片處理后的信號(hào)接收過(guò)來(lái),同時(shí)通過(guò)XTAL_1 接收28.8MHZ 頻率的晶振作為時(shí)鐘,自帶一個(gè)電源指示LED 作為接通電源的外接電路。通過(guò)USB接通上位機(jī),進(jìn)行圖形的顯示和控制。

有資料顯示, 可以通過(guò)調(diào)幅波和載波相乘再通過(guò)一個(gè)濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)解調(diào),解調(diào)后檢波有兩種方法：分別為整流檢波和相敏檢波,可通過(guò)包絡(luò)分析恢復(fù)最初的調(diào)制信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用二極管檢波電路,其工作原理是二極管具有單向?qū)щ娦?檢波信號(hào)的負(fù)向信號(hào)會(huì)被二極管截掉,只留下正信號(hào),將此時(shí)的信號(hào)周期取平均值,所獲得的檢波信號(hào)波包即為低頻信號(hào),即實(shí)現(xiàn)了檢波功能。本設(shè)計(jì)還采用28.8MHZ 的晶振, 該晶振電路需要提供一個(gè)3.3V 電壓來(lái)維持工作。之后通過(guò)USB 接口與電腦的USB 相連接,傳輸數(shù)據(jù),便可通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行仿真以便觀察系統(tǒng)工作是否正常。

2 基于HDR 上位機(jī)仿真

2.1 上位機(jī)軟件功能描述

開(kāi)始前,需提前下載完成Zadig 驅(qū)動(dòng),下載完成后,首先需要對(duì)采樣頻率進(jìn)行初始設(shè)置,將輸出頻率的采樣頻率設(shè)置為192000HZ。通過(guò)這樣的調(diào)制方法,低頻信號(hào)幅度將會(huì)不斷變化,導(dǎo)致調(diào)頻后得到的信號(hào)頻率也將隨之變化。

在本設(shè)計(jì)中我們采用FM(調(diào)頻)的調(diào)制方式,同時(shí)接收無(wú)線電信號(hào),通過(guò)電腦的虛擬聲卡播放聲音,而達(dá)到一個(gè)接收到信號(hào)的反饋。由于收集的信號(hào)存在一定的噪聲,所以需要通過(guò)HDSDR 自帶的軟件降噪功能進(jìn)行降噪。若接收頻率仍不穩(wěn)定,則可手動(dòng)開(kāi)啟AFC 功能,他可自動(dòng)獲取采集頻率范圍內(nèi)的信號(hào),并自動(dòng)找到中心頻率,將采集頻率帶寬固定在中心頻率上。

2.2 仿真結(jié)果

仿真后可看出顯示的信道在這段頻率范圍內(nèi),存在信號(hào)的信道頻率將會(huì)用紅色標(biāo)記出來(lái),本次仿真所收集到的是雙遼市廣播,其中心頻率為99893821HZ,可以看到其具體的頻率信號(hào)大小和噪聲系數(shù)。

本次仿真我們掃頻的范圍為90Mhz-110Mhz,掃頻間隔為100ms,通過(guò)仿真顯示的頻率波形我們可以發(fā)現(xiàn),在100MHz 附近的幅值明顯出現(xiàn)波動(dòng),這就是HDSDR 仿真軟件所收集到的雙遼市廣播的無(wú)線電信號(hào),可以看出掃頻儀的仿真結(jié)果成功。

3 系統(tǒng)測(cè)評(píng)及性能分析

3.1 系統(tǒng)測(cè)試

本測(cè)試選擇在0-40GHz 的室內(nèi)進(jìn)行對(duì)無(wú)線頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。首先將外圍硬件電路連接好,然后通過(guò)USB 將硬件電路與上位機(jī)相連接。

根據(jù)當(dāng)?shù)氐臒o(wú)線電廣播作為信號(hào)源進(jìn)行測(cè)試,本地的無(wú)線電廣播信號(hào)源分別為97MHz、100MHz、103MHz。

3.2 系統(tǒng)性能分析

通過(guò)對(duì)市廣播的頻率分別對(duì)97MHz,100MHz,103MHz 頻率的無(wú)線電進(jìn)行測(cè)試。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 無(wú)線頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

其次每次掃描的頻率帶寬為固定,掃描間隔時(shí)間為100ms,掃描步長(zhǎng)固定,由表1 數(shù)據(jù)可以看出,實(shí)測(cè)頻率與上位機(jī)頻率基本相符合,實(shí)測(cè)幅值和上位機(jī)幅值存在部分誤差。可能由于傳輸過(guò)程中存在信號(hào)的干擾,基本可以確定本設(shè)計(jì)的基本功能可以實(shí)現(xiàn)。

4 總結(jié)及展望

時(shí)代的進(jìn)步往往是把雙刃劍,無(wú)線電飛速發(fā)展的同時(shí),加強(qiáng)對(duì)無(wú)線電的監(jiān)測(cè)也該日漸重要。本設(shè)計(jì)采用的是RTL2382U 和R820T 芯片的硬件電路設(shè)計(jì),通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),切實(shí)設(shè)計(jì)了一款可以對(duì)無(wú)線電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的硬件設(shè)備,為無(wú)線電監(jiān)測(cè)提供了新思路。經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)評(píng),方案可行。