基于I/Q數(shù)據(jù)采集的便攜式無線電檢測(cè)終端

摘" 要： 為了進(jìn)一步提高電磁頻譜檢測(cè)的效率和測(cè)量數(shù)據(jù)的處理能力，設(shè)計(jì)一種便攜式電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備，并提出了一種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在測(cè)量時(shí)，電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備能夠?qū)⒉杉瘞瑪?shù)、采集頻段、能量值、I/Q距離等實(shí)時(shí)顯示，通過將信號(hào)檢測(cè)算法部署于系統(tǒng)，該設(shè)備還可以實(shí)時(shí)地從采集的頻段中發(fā)現(xiàn)并標(biāo)記信號(hào)，將噪聲信號(hào)和有效信號(hào)進(jìn)行區(qū)分。在測(cè)量結(jié)束后，系統(tǒng)能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)立刻在設(shè)備中進(jìn)行可視化處理，得到所采集的電磁頻譜信號(hào)的基本特征。為保證數(shù)據(jù)安全和便攜式設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，在系統(tǒng)中增加了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，使得測(cè)量數(shù)據(jù)和處理結(jié)果能夠自動(dòng)上傳至服務(wù)器中并存儲(chǔ)。通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，設(shè)備可以及時(shí)清理本地?cái)?shù)據(jù)，釋放本地設(shè)備的存儲(chǔ)空間，增強(qiáng)了設(shè)備的魯棒性。實(shí)例驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的設(shè)備和系統(tǒng)的可行性及數(shù)據(jù)處理效果，為電磁頻譜檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理提供了一個(gè)新方向。

關(guān)鍵詞： 電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備； I/Q數(shù)據(jù)采集； 頻譜信號(hào)； 傳輸系統(tǒng)； 可視化處理； 服務(wù)器

中圖分類號(hào)： TN98?34" " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2024）20?0039?07

Portable radio detection terminal based on I/Q data acquisition

CHU Songkun1， 2， CHEN Zhenjia1， 2， HE Yufei1， 2

（1. School of Information and Communication Engineering， Hainan University， Haikou 570228， China;

2. Hainan Engineering Research Center of Marine Electromagnetic Spectrum， Haikou 570228， China）

Abstract： In order to further improve the efficiency of electromagnetic spectrum detection and the capability of measurement data processing， a portable electromagnetic spectrum detection equipment is designed， and a data processing system is proposed. During the measurement， the electromagnetic spectrum detection equipment can display the number of acquisition frames， acquisition frequency band， energy value， I/Q distance， etc. in real time. By deploying the signal detection algorithm in the system， the equipment can also find and mark signals from the collected frequency band in real time， and distinguish the noisy signal from the effective signal. At the end of the measurement， the system can visualize the collected data immediately in the device， and get the basic features of the collected electromagnetic spectrum signals. In order to ensure data security and stable operation of the portable device， a data transmission system is added to the system， so that the measurement data and processing results can be uploaded automatically to the server for the storage. The data transmission system can enable the device to clean up local data in a timely manner， release the storage space of the local device， and enhance the robustness of the device. The feasibility and data processing effect of the designed equipment and system are verified by examples， which can provide a new direction for electromagnetic spectrum detection and data processing.

Keywords： electromagnetic spectrum testing equipment; I/Q data acquisition; spectrum signal; transmission system; visual processing; server

0" 引" 言

隨著信息化時(shí)代的到來，電磁空間已成為人們活動(dòng)的主要空間之一。各種樣式、各類系統(tǒng)的用頻設(shè)備涌現(xiàn)出來，使得電磁環(huán)境變得復(fù)雜，管理難度急劇上升。由于電磁頻譜資源變得愈發(fā)重要，電磁頻譜檢測(cè)系統(tǒng)也在不斷完善。電磁頻譜信號(hào)的檢測(cè)方式主要分為移動(dòng)檢測(cè)和固定檢測(cè)兩種。文獻(xiàn)[1]提出一種在特定施工區(qū)域設(shè)置固定檢測(cè)和移動(dòng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，相互協(xié)同聯(lián)合的檢測(cè)方法，大大提高了背景噪聲包絡(luò)估計(jì)效果。文獻(xiàn)[2]介紹了一種具有電磁頻譜監(jiān)測(cè)能力的軟件定義無線電傳感器，根據(jù)主控設(shè)備的不同，提出固定檢測(cè)和移動(dòng)檢測(cè)兩種方式。由此可見，移動(dòng)檢測(cè)和固定檢測(cè)的測(cè)量方式由測(cè)量設(shè)備的便攜性、測(cè)試目的和系統(tǒng)架構(gòu)決定。系統(tǒng)集成化較高的專業(yè)性便攜式設(shè)備適用于移動(dòng)檢測(cè)，能夠進(jìn)行隨機(jī)地點(diǎn)檢測(cè)，空間限制較小，但是價(jià)格較為昂貴；大型儀器設(shè)備適用于固定檢測(cè)，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地進(jìn)行特定區(qū)域的電磁頻譜信號(hào)數(shù)據(jù)采集，但是成本較高，數(shù)據(jù)不具有實(shí)時(shí)性。為達(dá)到對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的電磁環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，分析頻譜利用率和占用度等頻譜信號(hào)特征，合理分配和管理頻譜資源這一目的，本文設(shè)計(jì)了一款輕巧便攜、成本低且能夠滿足用戶在不同場(chǎng)景需要的電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備，確保檢測(cè)區(qū)域內(nèi)電磁頻譜空間安全；并對(duì)區(qū)域內(nèi)的頻譜信號(hào)進(jìn)行識(shí)別分析，獲取信號(hào)的中心頻率、帶寬和能量等信息。

現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外專業(yè)頻譜分析儀主要是固偉（GWINSTEK）、安捷倫（Agilent）和羅德與施瓦茨公司等[3]。這些儀器共有特點(diǎn)是集成化程度較高、檢測(cè)頻段范圍廣，但是系統(tǒng)不開源，用戶無法根據(jù)使用需要修改系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)外的便攜式頻譜儀只能將采集的頻譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地，數(shù)據(jù)處理都需要用戶轉(zhuǎn)移到PC端進(jìn)行處理；且設(shè)備本身沒有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，設(shè)備存儲(chǔ)空間有限，需要及時(shí)清理設(shè)備中的數(shù)據(jù)，保障設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。文獻(xiàn)[4?7]中對(duì)頻譜檢測(cè)的算法進(jìn)行了分析和研究，主要有能量檢測(cè)、匹配濾波檢測(cè)和循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)等算法。這些方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)頻譜信號(hào)的檢測(cè)，但是復(fù)雜度和適用范圍不同。結(jié)合本文便攜式電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備使用場(chǎng)景，可以選擇能量檢測(cè)方法。該方法是一種盲檢算法，不需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行假設(shè)，算法復(fù)雜度較低，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，通過設(shè)定閾值就可以判定信號(hào)是否存在。王玉婷等人探討了頻譜管理的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)[8]，其一是頻譜感知，對(duì)天、地、海立體空間進(jìn)行全方位布局并采集數(shù)據(jù)，最終可以預(yù)測(cè)無線電信號(hào)；其二是動(dòng)態(tài)頻譜共享，能夠提高頻譜利用率。

基于上述研究，本文提出一種面向大眾用戶的基于I/Q數(shù)據(jù)采集的便攜式無線電檢測(cè)終端設(shè)備。該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了電磁頻譜信號(hào)的檢測(cè)、數(shù)據(jù)可視化處理和數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器功能的一體化。數(shù)據(jù)的分析和處理不依賴于PC端，檢測(cè)完成后就可以進(jìn)行頻譜數(shù)據(jù)可視化；采用服務(wù)器即可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，后期更容易挖掘出頻譜數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)頻譜管理。

1" 總體設(shè)計(jì)

基于I/Q數(shù)據(jù)采集的便攜式電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)電磁頻譜信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)、數(shù)據(jù)可視化處理與分析、數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器等功能。用戶通過便攜式電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備測(cè)量環(huán)境中某一頻段的無線電信號(hào)；測(cè)量完成后，通過運(yùn)行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，生成測(cè)試報(bào)告；最后，將不同設(shè)備數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)到服務(wù)器端，保障數(shù)據(jù)安全和設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

1.1" 系統(tǒng)架構(gòu)

所設(shè)計(jì)的便攜式電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備總體由信號(hào)接收模塊、主控模塊、服務(wù)器、GPS和觸摸顯示屏等組成。該設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，主控模塊使用嵌入式系統(tǒng)，接收模塊采集環(huán)境中的頻譜信號(hào)來獲得原始I/Q數(shù)據(jù)，GPS模塊獲取測(cè)量地點(diǎn)的精確位置信息。系統(tǒng)通過主控模塊進(jìn)行分析處理，得到頻譜能量數(shù)據(jù)和經(jīng)緯度信息，完成電磁頻譜信號(hào)的采集；再將服務(wù)器與設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)建立連接，將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上傳至服務(wù)器中進(jìn)行存儲(chǔ)。設(shè)備總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.2" 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

本文便攜式電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備不但能夠完成電磁頻譜信號(hào)的檢測(cè)，而且相比于當(dāng)下的頻譜檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)系統(tǒng)具有下列優(yōu)勢(shì)。

1） 該設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，相對(duì)于專業(yè)的頻譜測(cè)量?jī)x器具有體積小、價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)。其能夠根據(jù)使用場(chǎng)景和用途去量身定制，滿足電磁頻譜檢測(cè)和數(shù)據(jù)可視化處理的需求。

2） 有完整的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。完成測(cè)量后，不需要將測(cè)量數(shù)據(jù)提取到計(jì)算機(jī)中，可以在本地設(shè)備進(jìn)行可視化處理，得到環(huán)境中電磁頻譜信號(hào)特征。

3） 建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器，能夠存儲(chǔ)測(cè)量的所有數(shù)據(jù)，保障數(shù)據(jù)安全。本地的測(cè)量數(shù)據(jù)和處理結(jié)果會(huì)被自動(dòng)刪除，釋放存儲(chǔ)空間。

2" 硬件設(shè)計(jì)

2.1" 主控模塊

主控模塊選用嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備作為便攜式電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備的核心。主控模塊通過指令向信號(hào)接收設(shè)備發(fā)送采集頻譜信號(hào)命令，進(jìn)行電磁頻譜信號(hào)的采集工作。GPS模塊將測(cè)量環(huán)境的經(jīng)緯度信息發(fā)送給主控模塊。主控模塊將信號(hào)接收模塊采集到的電磁頻譜原始I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到頻譜信號(hào)的頻譜能量數(shù)據(jù)。最后，將頻譜能量數(shù)據(jù)和經(jīng)緯度信息按照設(shè)定的格式進(jìn)行存儲(chǔ)，完成電磁頻譜信號(hào)的檢測(cè)。主控模塊工作示意圖如圖2所示。

此嵌入式系統(tǒng)設(shè)備能夠構(gòu)建出更加靈活的自組織通信網(wǎng)絡(luò)，按照實(shí)際需要調(diào)整和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)更加高效的數(shù)據(jù)傳輸和資源共享。便攜式電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器建立連接，遠(yuǎn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，實(shí)現(xiàn)資源共享。

為了提高檢測(cè)效率和處理能力，主控模塊提供多進(jìn)程驅(qū)動(dòng)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和GPS位置獲取、完成檢測(cè)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和反饋。多線程驅(qū)動(dòng)保證了測(cè)量到的頻譜信號(hào)的實(shí)時(shí)性，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量與處理，并通過屏幕實(shí)時(shí)顯示頻譜能量數(shù)據(jù)和經(jīng)緯度信息。基于射頻I/Q數(shù)據(jù)采集的便攜式無線電檢測(cè)終端實(shí)物圖如圖3所示。

2.2" 信號(hào)接收模塊

信號(hào)接收模塊使用開源硬件平臺(tái)HackRF One。該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)較寬頻段的頻譜信號(hào)采集，同時(shí)具備較高的軟件可編程性和靈活性。該模塊主要由天線、收發(fā)開關(guān)、射頻發(fā)射器、模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、微控制器等組成，通過USB與主控設(shè)備相連接[9]。HackRF One結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

HackRF One通過天線接收指定頻段內(nèi)的無線電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。通過應(yīng)用程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行解碼、解調(diào)和分析，得到頻譜信號(hào)原始I/Q數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無線電信號(hào)的采集。I/Q數(shù)據(jù)是將模擬信號(hào)分為正交實(shí)部（I）和虛部（Q），相位相差90°，表達(dá)形式為：

[S（i）=I+jQ，" " I，Q∈[-1，1]]" （1）

I/Q數(shù)據(jù)常用于無線通信和雷達(dá)領(lǐng)域中[10]。通過對(duì)原始的I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能夠?qū)Ω鞣N信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)。通過快速傅里葉變換（FFT）可以得到信號(hào)的頻譜分布，以及信號(hào)的帶寬、中心頻譜等特征。FFT的離散形式如下：

[Xk=xn*exp-j2πNkn] （2）

式中：exp是自然指數(shù)函數(shù)；j表示虛數(shù)單位，j2=-1。

2.3" 服務(wù)器

頻譜信號(hào)的檢測(cè)工作至關(guān)重要，而數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)工作更是重中之重。對(duì)于大多數(shù)無線電測(cè)量設(shè)備，只能進(jìn)行少量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)工作，但是隨著存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的增多，數(shù)據(jù)不易區(qū)分，設(shè)備也會(huì)出現(xiàn)不同程度的卡頓或是死機(jī)，嚴(yán)重情況下甚至?xí)绊憸y(cè)量工作。另外，用戶需要使用測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間去查找數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到PC端中進(jìn)行分析處理。針對(duì)以上問題，本文引入數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)[11?12]。服務(wù)器采用模塊化劃分管理，一是用于存儲(chǔ)便攜式電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)，且考慮到設(shè)備較多，為防止數(shù)據(jù)存儲(chǔ)出現(xiàn)問題，將設(shè)備的序列號(hào)作為文件夾名，用于區(qū)分不同設(shè)備；二是用于存儲(chǔ)其他檢測(cè)設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)。基于此，后續(xù)就可以建立頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)，用于頻譜的檢測(cè)和管理工作。

3" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文的便攜式電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備由電磁頻譜信號(hào)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)組成。采集系統(tǒng)完成電磁頻譜信號(hào)的檢測(cè)，得到頻譜能量數(shù)據(jù)；通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成頻譜數(shù)據(jù)的可視化，得到瞬時(shí)頻譜圖、瀑布圖、頻譜占用度圖和頻譜軌跡圖，測(cè)試報(bào)告生成系統(tǒng)讀取存放圖像的文件夾，放到測(cè)試模版中，生成用戶的測(cè)試報(bào)告；最后，通過數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器系統(tǒng)將頻譜數(shù)據(jù)和測(cè)試報(bào)告上傳到服務(wù)器中。該電磁頻譜檢測(cè)系統(tǒng)相比于目前的電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)上傳一體化，提高了設(shè)備的實(shí)用性和測(cè)試的效率。

3.1" 采集系統(tǒng)

頻譜信號(hào)的采集是便攜式電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)，采集的頻段范圍為1 MHz～6 GHz。根據(jù)無線電信號(hào)采集的基本需求，包括起始頻段、終止頻段、采樣帶寬和采樣間隔，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)頻段信號(hào)的精確采集。采集系統(tǒng)采用多線程，每個(gè)子任務(wù)由一個(gè)單獨(dú)的線程來處理，從而實(shí)現(xiàn)并發(fā)運(yùn)行，提高數(shù)據(jù)采集的效率。頻譜信號(hào)的采集過程如下。

1） 初始化接收模塊，讀取SDR設(shè)備的序列號(hào)，確保正常工作，獲取原始I/Q數(shù)據(jù)。

2） 計(jì)算I/Q距離。通過分析I/Q數(shù)據(jù)樣本在I/Q權(quán)值分布坐標(biāo)系中的分布特征，對(duì)其進(jìn)行處理從而得到I/Q累計(jì)距離。將每個(gè)I/Q分量位置處累計(jì)起來的I/Q分量與其離坐標(biāo)原點(diǎn)的距離進(jìn)行累加，得到I/Q累計(jì)距離。I/Q累計(jì)距離的計(jì)算公式如下：

[D=x2+y2+z2] （3）

3） 數(shù)據(jù)預(yù)處理。將I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理，得到頻譜能量數(shù)據(jù)，便于后續(xù)的可視化處理。

4） 獲取傳感器參數(shù)。獲取測(cè)量地點(diǎn)的經(jīng)緯度、天線姿態(tài)等傳感器信息。

5） 可視化采集頁面。為了便于用戶實(shí)時(shí)觀看采集的頻譜信息，顯示采集幀數(shù)、起始/終止頻段、設(shè)備序列號(hào)和采集的能量大小及經(jīng)緯度等信息。

3.2" 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由個(gè)人信息收集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)可視化處理系統(tǒng)和測(cè)試報(bào)告生成系統(tǒng)組成。個(gè)人信息收集系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集用戶信息，為后續(xù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)做準(zhǔn)備；數(shù)據(jù)可視化處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電磁頻譜數(shù)據(jù)的分析與處理功能的本地化；測(cè)試報(bào)告生成系統(tǒng)則是針對(duì)教學(xué)場(chǎng)景，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果、測(cè)試原理、測(cè)試分析等內(nèi)容通過報(bào)告呈現(xiàn)給用戶，提高實(shí)驗(yàn)完整性。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)流程如圖5所示。完成頻譜信號(hào)的測(cè)量后，用戶點(diǎn)擊該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，若存在測(cè)量數(shù)據(jù)，就可以進(jìn)行處理，通過個(gè)人信息收集系統(tǒng)收集用戶信息，以用戶編號(hào)創(chuàng)建新的文件夾。通過運(yùn)行數(shù)據(jù)可視化處理系統(tǒng)，可以將頻譜能量數(shù)據(jù)和經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)頻譜圖、瀑布圖和頻譜運(yùn)動(dòng)軌跡圖，輸入底噪閾值，能夠得到頻譜占用度圖。最后，通過測(cè)試報(bào)告生成系統(tǒng)生成用戶的測(cè)試報(bào)告。

頻譜信號(hào)是看不見、摸不著而又真實(shí)存在的信號(hào)[13?14]，通過可視化處理，測(cè)試用戶能夠看到采集到的頻譜信號(hào)的真實(shí)波形、頻譜占用度等信息。該系統(tǒng)能夠在采集的同時(shí)顯示實(shí)時(shí)波形，且能夠更改閾值大小，標(biāo)記出有效信號(hào)，過濾掉噪聲信號(hào)，超過閾值的信號(hào)用矩形框進(jìn)行標(biāo)記。若輸入的頻譜能量數(shù)據(jù)為列表，索引從0～N-1，用x表示索引，對(duì)應(yīng)的數(shù)值為pow（x），定義閾值為t，并設(shè)定一個(gè)標(biāo)記狀態(tài)變量flag，初始值為1，左邊界點(diǎn)和右邊界點(diǎn)初始值為：xl=None，xr=None，通過遍歷列表中的元素pow（x）可得：

1） 如果pow（x）gt;t并且flag=1，將flag設(shè)為True，并記錄左邊界點(diǎn)xl=x；

2） 如果pow（x）≤t并且flag=True，將flag設(shè)為1，并記錄右邊界點(diǎn)xr=x-1。

通過該方法可以將滿足條件的有效信號(hào)標(biāo)記出來，過濾掉噪聲信號(hào)。

瞬時(shí)頻譜圖由頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）得到的頻譜能量數(shù)據(jù)生成，由頻率和能量?jī)蓚€(gè)維度組成，通過曲線反映出信號(hào)的波形和對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)能量的大小。瀑布圖則是由時(shí)間、頻率和能量三個(gè)維度組成，通過顏色的深淺反映能量的大小。通過讀取處理后的頻譜能量數(shù)據(jù)文件Xn=[x1，x2，…，xn]，其中每一幀的頻譜能量數(shù)據(jù)由列表x1，x2，…，xn表示，從而生成瀑布圖。頻譜占用度圖則通過設(shè)定閾值來計(jì)算大于閾值的信道數(shù)占整個(gè)頻段被測(cè)總信道數(shù)的百分比，得到該頻段采集到的頻譜信號(hào)的占用情況[15?16]。設(shè)超過閾值的測(cè)量樣本數(shù)量為X0，總的測(cè)量數(shù)為X，頻譜占用度（FBD）的公式如下：

[FBD=X0X] （4）

頻譜運(yùn)動(dòng)軌跡圖則是將經(jīng)緯度信息在地圖上進(jìn)行標(biāo)記，通過標(biāo)記顏色區(qū)分不同位置的頻譜能量大小。每一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)即為一幀數(shù)據(jù)，通過此圖能夠看出頻譜能量大小分區(qū)情況，確定信號(hào)源位置。

3.3" 數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器系統(tǒng)

系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和便攜式電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備的遠(yuǎn)程連接，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本地設(shè)備有存儲(chǔ)頻譜能量數(shù)據(jù)文件夾和測(cè)試報(bào)告文件夾，服務(wù)器端創(chuàng)建共享文件夾，通過指令將本地設(shè)備文件夾掛載到服務(wù)器端的共享文件夾。其工作示意圖如圖6所示。

4" 系統(tǒng)性能測(cè)試

4.1" 數(shù)據(jù)處理測(cè)試

本部分的數(shù)據(jù)處理測(cè)試，信號(hào)源發(fā)射FM信號(hào)且中心頻率為726 MHz。便攜式采集設(shè)備參數(shù)設(shè)置如下：起始頻率為722 MHz，終止頻率為728 MHz，采樣帶寬為6 MHz，采樣間隔為0.1 MHz。測(cè)試過程中，頁面一為可視化處理頁面，如圖7所示，實(shí)時(shí)顯示采集的頻譜信號(hào)波形圖，設(shè)定閾值為-95.5 dBm，矩形框標(biāo)記處即為有效信號(hào)，低于閾值下的信號(hào)為噪聲信號(hào)；頁面二為采集頁面，如圖8所示，該頁面顯示采集幀數(shù)、采集頻段、能量值和GPS等信息。目前專業(yè)頻譜儀設(shè)備雖然能夠?qū)崟r(shí)顯示采集到的波形圖和刷新的瀑布圖，但是無法將噪聲信號(hào)和有效信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，這也是本文設(shè)備相較于其他頻譜儀的優(yōu)勢(shì)之一。

4.2" 數(shù)據(jù)可視化處理測(cè)試

基于便攜式電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備采集的頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。圖9a）為瀑布圖，在726 MHz背景顏色較深，能量值較大；圖9b）為瞬時(shí)頻譜圖，在726 MHz附近有較為明顯的波動(dòng)，且波形與FM信號(hào)相同。

圖10為專業(yè)頻譜儀瞬時(shí)頻譜圖對(duì)比圖，圖10a）為專業(yè)頻譜儀檢測(cè)頁面，圖10b）為處理后的瞬時(shí)頻譜圖。兩幅圖顯示的波形幾乎沒有明顯差別，可見數(shù)據(jù)可視化處理效果較好。由于兩個(gè)設(shè)備采集精度不同，因此圖9b）的瞬時(shí)頻譜圖與圖10b）稍有差異，但是顯示的波形趨勢(shì)和信號(hào)類型相同。相較于專業(yè)頻譜儀，本文設(shè)備有著相同的功能，但是更為小巧便攜，拓展性強(qiáng)，在教學(xué)、科研領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

頻譜占用度圖能夠反映信號(hào)在一段頻率范圍的使用情況。兩設(shè)備過濾噪聲的能力不同，因此閾值的選擇也不相同。圖11a）為便攜式電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備的頻譜占用度圖，設(shè)定閾值為-110.0 dBm。從圖中可以看到，在726 MHz附近，頻譜占用度較高，明顯高于其他頻段。若設(shè)定占用度超過8%為有效占用度，則圖中占用度超過8%的有效帶寬為0.9 MB，占總帶寬的15%。圖11b）為專業(yè)頻譜儀測(cè)試數(shù)據(jù)可視化處理得到的頻譜占用度圖，設(shè)定閾值為-102.0 dBm。從圖中可以看到，在726 MHz附近占用度超過90%。同樣設(shè)定占用度超過8%為有效占用度，圖中有效占用帶寬為1.2 MB，占總帶寬的20%。兩設(shè)備的頻譜占用度圖由于采樣間隔不同，劃分的頻點(diǎn)數(shù)不同，因此兩幅圖存在差異，但是趨勢(shì)相同。對(duì)于移動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，由于具有較小的體積、功耗和成本等限制，其硬件配置有限，采用大的采樣間隔能夠有效降低計(jì)算的復(fù)雜度，提高檢測(cè)效率。

通過將便攜式電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備與專業(yè)頻譜儀對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩設(shè)備都檢測(cè)到了中心頻率為726 MHz的FM信號(hào)。在數(shù)據(jù)可視化處理部分，便攜式電磁頻譜設(shè)備能夠根據(jù)閾值的大小標(biāo)記出有效信號(hào)，且能夠生成頻譜占用度圖，這是其他設(shè)備所不具有的。

相較于專業(yè)頻譜儀，本文設(shè)備能夠提供設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡，并直觀地呈現(xiàn)采集的目標(biāo)區(qū)域和數(shù)據(jù)量，頻譜使用情況也能直觀展示和分析；后期能夠建立三維電磁環(huán)境模型，更加直觀、準(zhǔn)確地展現(xiàn)空間中頻譜分布情況。圖12為頻譜運(yùn)動(dòng)軌跡圖，從圖中可以看到采集時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，方框內(nèi)標(biāo)記點(diǎn)為能量較強(qiáng)點(diǎn)，因此可以確定該處為信號(hào)源位置。

4.3" 設(shè)備性能對(duì)比

相較于傳統(tǒng)的頻譜儀以及目前已知的無線電檢測(cè)設(shè)備，本文設(shè)備在價(jià)格以及性能上有著不同的優(yōu)勢(shì)，對(duì)比結(jié)果如表1所示。本文便攜式電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備采用嵌入式系統(tǒng)，體積和重量比眾多專業(yè)頻譜儀更為小巧和輕便，適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該設(shè)備能夠根據(jù)場(chǎng)景需要進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，面向教學(xué)任務(wù)能夠加入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和測(cè)試報(bào)告生成功能；針對(duì)海上復(fù)雜電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)，能夠構(gòu)建海上分布式檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，用于海上環(huán)境監(jiān)測(cè)。成本相較于專業(yè)設(shè)備較低，且能夠加入通信模塊、傳感器等進(jìn)行功能拓展。該設(shè)備具有無線電檢測(cè)功能的同時(shí)，還能夠通過信號(hào)接收模塊獲得原始I/Q數(shù)據(jù)。I/Q數(shù)據(jù)包含頻譜信號(hào)原始信息，能夠通過I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行較多的研究，例如射頻指紋、無線電定位、軟件定義無線電（SDR）開發(fā)等。該設(shè)備雖然具有實(shí)時(shí)的可視化處理系統(tǒng)，但是用戶UI界面還不夠完善，檢測(cè)精準(zhǔn)度和靈敏度仍然需要不斷改進(jìn)和優(yōu)化。

5" 結(jié)" 語

本文提出一種便攜式無線電監(jiān)測(cè)終端設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜信號(hào)的檢測(cè)和頻譜數(shù)據(jù)的可視化處理。便攜式電磁頻譜檢測(cè)設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)場(chǎng)景需要和用途去更改設(shè)計(jì)、優(yōu)化系統(tǒng)，靈活性較強(qiáng)。該設(shè)備能夠滿足用戶采集不同頻段的無線電信號(hào)的需求，且采集完成后就可以在本地終端進(jìn)行處理，得到電磁頻譜信號(hào)特征信息。同時(shí)，該設(shè)備結(jié)合服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，保障數(shù)據(jù)安全的同時(shí)，也優(yōu)化了本地存儲(chǔ)空間，使得設(shè)備能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。通過對(duì)存儲(chǔ)在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，后續(xù)能夠構(gòu)建頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)，更好地挖掘數(shù)據(jù)中有用的信號(hào)，為頻譜信號(hào)預(yù)測(cè)和態(tài)勢(shì)感知奠定基礎(chǔ)。

注：本文通訊作者為陳真佳。

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作者簡(jiǎn)介：褚松坤（1996—），男，河南周口人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姶蓬l譜檢測(cè)、電磁頻譜可視化處理。

陳真佳（1988—），男，海南海口人，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)殡姶蓬l譜檢測(cè)、嵌入式智能系統(tǒng)。

何雨霏（2001—），女，湖北恩施人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姶蓬l譜檢測(cè)。

收稿日期：2024?04?24" " " " " "修回日期：2024?05?27

基金項(xiàng)目：海南大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（hdjy2226）；海南省高等學(xué)校教育教學(xué)改革研究資助項(xiàng)目（Hnjg2022?3）

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.20.007

引用格式：褚松坤，陳真佳，何雨霏.基于I/Q數(shù)據(jù)采集的便攜式無線電檢測(cè)終端[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2024，47（20）：39?45.