CN102710353A - 宽频无线电频谱监测站 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线电与数字信号处理领域，具体公开了一种宽频无线电频谱监测站。它包括短波天线、宽频超短波天线、1.5～20Mhz短波波段射频前端、20～3000Mhz的超短波射频前端、微波开关、以及基于复信号多相数字滤波器组的信号处理板卡(含高速模数转换器)。在信号处理板卡通过多相数字滤波器组实现多个信道的并行处理，以实现高速、宽带无线电信号的全概率信号截获和快速搜索。

Description

宽频无线电频谱监测站

技术领域

本发明属于无线电与数字信号处理领域，具体涉及一种应用于无线电信号监测和频谱管理的宽带无线电频谱监测站。

背景技术

现有的无线电频谱监测站包括接收机、信号处理单元和天线。无线电频谱监测中除了要对常规的定频信号监测外，还要实现高速、宽带信号的监测和分析，典型的如跳、扩频电台信号，由于这些电台采用了宽频带实时频率跳变技术，使得这些线号具有良好的抗干扰、抗截获能力。因此，对未知的宽带、突发高速信号的监测和分析一直是研究的热点问题。

传统的无线电频谱监测站经过天线、接收机之后，一般要经过数字下变频处理，即通常所说的数字下变频器(Digital Down Converter or DDC)，DDC的主要解决的问题包括：1是进行频谱的搬移，解决了前端模数转换器ADC采样率过高造成的数据量过大的问题；2是可以通过改变抽取的倍数来灵活的选择信号带宽，以利于后续基带信号的解调。

这种基于DDC***的无线电频谱监测站可以改变中心频率和带宽，但并不适合并行信号的实时监测和处理，对宽频段范围内的信号，特别是跳、扩频信号不能完全覆盖，用作搜索和监视则速度不够快，会遗漏或丢失信号而产生漏警，不易实现高速、宽带信号的全概率信号截获。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种处理速度更快、宽带信号全概率信号截获的宽频无线电频谱监测站。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种宽频无线电频谱监测站，包括短波天线、宽频超短波天线、1.5～20Mhz短波波段射频前端、20～3000Mhz的超短波射频前端、微波开关、以及信号处理板卡；所述短波天线用于接收1.5～20Mhz的短波；所述宽频超短波天线用于接收20～3000Mhz的超短波；所述1.5～20Mhz短波波段射频前端，其射频输入端与所述短波天线连接，用于将短波天线接收到的1.5～20Mhz的短波信号分段滤波后直接输出；所述20～3000Mhz的超短波射频前端，其射频输入端与所述宽频超短波天线连接，用于将宽频超短波天线接收到的20～3000Mhz的超短波信号转换为70±7.5Mhz的中频信号输出；所述微波开关，其包括两个输入端、一个输出端、以及一个控制输入输出切换的控制端，两个输入端分别连接1.5～20Mhz短波波段射频前端和20～3000Mhz的超短波射频前端的输出，其输出端连接在信号处理板卡的信号输入端，其控制端连接在信号处理板卡的控制信号输出端，用于根据信号处理板卡的指令分时将1.5～20Mhz短波、20～3000Mhz的超短波传输至信号处理板卡；所述信号处理板卡，包括高速模数转换器、由大规模现场可编程逻辑控制器件构成的复信号多相数字滤波器组，输入的1.5～20Mhz短波、或者20～3000Mhz的超短波信号经所述高速模数转换器采样后、通过所述复信号多相数字滤波器组实现多信道的并行处理。

进一步的，所述1.5～20Mhz短波波段射频前端包括第一可变衰减器、连接在所述第一可变衰减器后的第一二选一切开关、连接在所述第一二选一切开关后的第二二选一切开关、串联在第一二选一切开关和第二二选一切开关其中一条线路上的放大器、连接在所述第二二选一切开关输出端的第三多路切换开关、串接在第三多路切换开关和第四多路切换开关之间的10组带通滤波器、以及第四多路切换开关。

进一步的，所述10组带通滤波器的分别的滤波频段是：

1.5～2Mhz、2～4Mhz、4～6Mhz、6～8Mhz、8～10Mhz、10～12Mhz、12～14Mhz、14～16Mhz、16～18Mhz、18～20Mhz。

进一步的，所述20～3000Mhz的超短波射频前端包括第二可变衰减器、连接在所述第二可变衰减器后的第五多路切换开关、串接在第五多路切换开关和第六多路切换开关之间的8组带通滤波器、第六多路切换开关、连接在所述第六多路切换开关输出端的第一步进放大器、连接在所述第一步进放大器后的第一混频器、连接在所述第一混频器后的第三可变衰减器、以及连接在所述第三可变衰减器后的第二混频器。

进一步的，所述第一混频器输出的第一中频信号频率设定为980Mhz、带宽为20Mhz，所述第二混频器输出的第二中频信号频率设定为70Mhz、带宽为15Mhz。

进一步的，所述通过所述复信号多相数字滤波器组实现多信道的并行处理，具体是通过下式将高速模数转换器采样后的采样值y(n)分割成并行的D路：

$y_k\left(m\right)=\underset{p=0}{\overset{D-1}{\mathrm{\Σ}}}\{y_p\left(m\right){(-1)}^m*h_p\left(m\right)]\·e^{-j\frac{(D-1)\mathrm{\π}}{D}p}\}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{D}\mathrm{kp}}$

$=\mathrm{DFT}\{y_p\left(m\right){(-1)}^m*h_p\left(m\right)]\·e^{-j\frac{(D-1)\mathrm{\π}}{D}p}\},p=\mathrm{0,1},\mathrm{\Λ},D-1.$

本发明将输入分为短波和超短波两个连续的波段采集，分别利用一个射频前端进行不同的处理，最后通过信号处理板卡中的多相数字滤波器组，将高速模数转换器采样后的采样值y(n)分割成并行的D路，从而大大减小了后续处理器的负担，进而使得本发明处理速度更快，还可实现宽带信号全概率信号截获。

附图说明

此附图说明所提供的图片用来辅助对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明的***结构框图；

图2为1.5～20Mhz短波波段射频前端结构框图；

图3为20～3000Mhz超短波射频前端结构框图；

图4为本发明的复信号多相数字滤波器组结构模型。

1、短波天线       2、宽频超短波天线

3、1.5～20Mhz短波波段射频前端

4、20～3000Mhz的超短波射频前端

5、微波开关       6、信号处理板卡

7、输出电源

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方法来详细说明本发明，在本发明的示意性实施及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开了一种宽频无线电频谱监测站，包括短波天线1、宽频超短波天线2、1.5～20Mhz短波波段射频前端3、20～3000Mhz的超短波射频前端4、微波开关5、以及信号处理板卡6，当然还包括通常所需的提供各部分工作所需电能的输出电压7；其中，短波天线1用于接收1.5～20Mhz的短波；其中，宽频超短波天线2用于接收20～3000Mhz的超短波；其中，1.5～20Mhz短波波段射频前端3的射频输入端与短波天线1连接，用于将短波天线接收到的1.5～20Mhz的短波信号分段滤波后直接输出；其中，20～3000Mhz的超短波射频前端4的射频输入端与宽频超短波天线2连接，用于将宽频超短波天线2接收到的20～3000Mhz的超短波信号转换为70±7.5Mhz的中频信号输出；其中，微波开关5包括两个输入端、一个输出端、以及一个控制输入输出切换的控制端，两个输入端分别连接1.5～20Mhz短波波段射频前端3和20～3000Mhz的超短波射频前端4的输出，其输出端连接在信号处理板卡6的信号输入端，其控制端连接在信号处理板卡6的控制信号输出端，用于根据信号处理板卡的指令分时将1.5～20Mhz短波、20～3000Mhz的超短波传输至信号处理板卡；其中，信号处理板卡6包括高速模数转换器、由大规模现场可编程逻辑控制器件构成的复信号多相数字滤波器组，输入的1.5～20Mhz短波、或者20～3000Mhz的超短波信号经所述高速模数转换器采样后、通过所述复信号多相数字滤波器组实现多信道的并行处理。其中，所述通过所述复信号多相数字滤波器组实现多信道的并行处理，具体是通过下式将高速模数转换器采样后的采样值y(n)分割成并行的D路：

$y_k\left(m\right)=\underset{p=0}{\overset{D-1}{\mathrm{\Σ}}}\{y_p\left(m\right){(-1)}^m*h_p\left(m\right)]\·e^{-j\frac{(D-1)\mathrm{\π}}{D}p}\}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{D}\mathrm{kp}}$

$=\mathrm{DFT}\{y_p\left(m\right){(-1)}^m*h_p\left(m\right)]\·e^{-j\frac{(D-1)\mathrm{\π}}{D}p}\},p=\mathrm{0,1},\mathrm{\Λ},D-1.$

如图2所示，1.5～20Mhz短波波段射频前端3包括第一可变衰减器L1、连接在第一可变衰减器L1后的第一二选一切开关SW1、连接在第一二选一切开关SW1后的第二二选一切开关SW2、串联在第一二选一切开关SW1和第二二选一切开关SW2其中一条线路上的放大器G1、连接在第二二选一切开关SW2输出端的第三多路切换开关SW3、串接在第三多路切换开关SW3和第四多路切换开关SW4之间的10组带通滤波器BRF1-10、以及第四多路切换开关SW4。其中，10组带通滤波器BRF1-10的分别的滤波频段是：1.5～2Mhz、2～4Mhz、4～6Mhz、6～8Mhz、8～10Mhz、10～12Mhz、12～14Mhz、14～16Mhz、16～18Mhz、18～20Mhz。

如图2所示，本实施例采用了分段滤波器直接采样方式。1.5～20Mhz的射频信号经RF IN接入，由第一可变衰减器L1衰减，衰减最大为30dB。SW1和SW2为两个1选2切换开关，可以选择直通或者40dB的放大器G1。SW3和SW4为两个多路切换开关，用于选择10组带通滤波器组BRF1-10的任意一组，之后由RF OUT输出。

如图3所示，20～3000Mhz的超短波射频前端包括第二可变衰减器L2、连接在第二可变衰减器L2后的第五多路切换开关SW5、串接在第五多路切换开关SW5和第六多路切换开关SW6之间的8组带通滤波器BRF1-8、第六多路切换开关SW6、连接在第六多路切换开关SW6输出端的第一步进放大器G2、连接在第一步进放大器G2后的第一混频器H1、连接在所述第一混频器H1后的第三可变衰减器L3、以及连接在第三可变衰减器L3后的第二混频器H2。其中，第一混频器H1输出的第一中频信号频率设定为980Mhz、带宽为20Mhz，第二混频器H2输出的第二中频信号频率设定为70Mhz、带宽为15Mhz。

如图3所示，20～3000Mhz超短波射频前端4采用了典型的宽带中频方式。20～3000Mhz的射频信号经RFIN接入，由第二可变衰减器L2衰减，衰减变化范围为1～30dB。SW5和SW6为两个多路切换开关，用于选择8组带通滤波器组BRF1-8的任意一组。射频信号经滤波器组输出之后经30dB的可步进放大器G2放大后经第一混频器H1后输出第一中频信号，第一中频信号频率设定为980Mhz，带宽20Mhz。然后由第三可变衰减器L3衰减，衰减变化范围为1～10dB。再经第二混频器H2后输出第二中频信号，第二中频信号频率设定为70Mhz，带宽为15Mhz，最后经IF OUT输出中频信号。

本实施例是一种基于多项数字滤波器组实现的宽带无线电频谱监测站，它包括1.5～3000Mhz宽带接收机(1.5～30Mhz短波波段射频前端和30Mhz～3000Mhz超短波射频前端两部分)、基于复信号多相数字滤波器组的信号处理板卡(含高速模数转换器)以及相应的外设和接口，调整该复信号多相数字滤波器组的抽取因子以实现多个信道的并行处理，以实现高速、宽带信号的全概率信号截获。

其中，1.5～30Mhz短波波段射频前端3和30Mhz～3000Mhz超短波射频前端4两部分，其技术路线以软件无线电SDR为基础，考虑采用两种技术体制。由于短波信道频率范围在2～30Hhz之间，可以采用直接射频采样架构；至于30Mhz～3000Mhz超短波射频前端，可以采用宽带中频带通采样方式。这种基于软件无线电的采样架构与后续高速模数转换器A/D的转换速率和工作频率相关。

其中，信号处理板卡6包括高速模数转换器，通过大规模现场可编程逻辑控制器件FPGA实现的复信号多相数字滤波器组，所述高速模数转换器采用了100MSps转换速率、16位分辨率的芯片，以尽可能的提高***的动态范围。MSps即是：每秒模数转换器转换的百万次数。

如图1所示，不同频段的信号经不同的射频前端处理后经2选1微波开关切换后(切换命令信号处理板卡发出)进入信号处理板卡进行信号处理，在处理板卡内部通过大规模现场可编程逻辑控制器件FPGA实现的多相数字滤波器组的功能。多相数字滤波器组具体算法结构为图4，具体如下：

高速ADC采样后的采样值y(n)分解为正交的两路信号，即：

y₀(n)＝I(n)+iQ(n)

再经D项复数多相滤波后得到的各个信道的数据为：

$y_k\left(m\right)=[y\left(n\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{k}n}*h\left(n\right)]\·\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}(n-\mathrm{mD})=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}y(n-i)e^{j{\mathrm{\ω}}_{k}n}h\left(i\right)\·\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}(n-\mathrm{mD})$

$=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}y(\mathrm{mD}-i)e^{j{\mathrm{\ω}}_k\mathrm{mD}}h\left(i\right)$

并将y_k(m)分割成并行的D路：

$y_k\left(m\right)=\underset{p=0}{\overset{D-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}y(\mathrm{mD}-\mathrm{iD}-p)e^{j{\mathrm{\ω}}_k(\mathrm{mD}-\mathrm{iD}-p)}h(\mathrm{iD}+p)=\underset{p=0}{\overset{D-1}{\mathrm{\Σ}}}[y_p\left(m\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_k\mathrm{mD}}*h_p\left(m\right)]e^{-j{\mathrm{\ω}}_{k}p}$

由于复数序列实部和虚部相差半个采样点，即实部和虚部的相位没有对齐，要解决这个问题，须加入一组延迟校正滤波器，可以采用以下一组：

令延迟校正滤波器的单位冲激响应分别为h₁(n)和h_Q(n)，则：I(n)＝[x(2n)·(-1)ⁿ]*h_I(n)，Q(n)＝[x(2n)·(-1)ⁿ]*h_Q(n)，将左式代入

$y_k\left(m\right)=\underset{p=0}{\overset{D-1}{\mathrm{\Σ}}}\{y_p\left(m\right){(-1)}^m*h_p\left(m\right)]\·e^{-j\frac{(D-1)\mathrm{\π}}{D}p}\}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{D}\mathrm{kp}}$

$=\mathrm{DFT}\{y_p\left(m\right){(-1)}^m*h_p\left(m\right)]\·e^{-j\frac{(D-1)\mathrm{\π}}{D}p}\},p=\mathrm{0,1},\mathrm{\Λ},D-1$

$y_k\left(m\right)=\underset{p=0}{\overset{D-1}{\mathrm{\Σ}}}\{y_p\left(l\right){(-1)}^{\mathrm{lD}}{e}^{\frac{\mathrm{j\πl}}{2}}*h_p\left(l\right)]\·\underset{l}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}(l-2m)\·e^{-j\frac{(2D-1)\mathrm{\π}}{2D}p}\}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{D}\mathrm{kp}}$

$=\mathrm{DFT}\{y_p\left(l\right){(-1)}^{\mathrm{lD}}{e}^{\frac{\mathrm{j\πl}}{2}}*h_p\left(l\right)]\·\underset{l}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}(l-2m)\·e^{-j\frac{(2D-1)\mathrm{\π}}{2D}p}\},p=\mathrm{0,1},\mathrm{\Λ},D-1$

上式y_k(m)将模数转换后的离散序列y(n)分割成并行的D路，这样可以大大提高处理信息的能力。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种宽频无线电频谱监测站，其特征在于包括：

短波天线，用于接收1.5～20Mhz的短波；

宽频超短波天线，用于接收20～3000Mhz的超短波；

1.5～20Mhz短波波段射频前端，其射频输入端与所述短波天线连接，用于将短波天线接收到的1.5～20Mhz的短波信号分段滤波后直接输出；

20～3000Mhz的超短波射频前端，其射频输入端与所述宽频超短波天线连接，用于将宽频超短波天线接收到的20～3000Mhz的超短波信号转换为70±7.5Mhz的中频信号输出；

微波开关，其包括两个输入端、一个输出端、以及一个控制输入输出切换的控制端，两个输入端分别连接1.5～20Mhz短波波段射频前端和20～3000Mhz的超短波射频前端的输出，其输出端连接在信号处理板卡的信号输入端，其控制端连接在信号处理板卡的控制信号输出端，用于根据信号处理板卡的指令分时将1.5～20Mhz短波、20～3000Mhz的超短波传输至信号处理板卡；

信号处理板卡，包括高速模数转换器、由大规模现场可编程逻辑控制器件构成的复信号多相数字滤波器组，输入的1.5～20Mhz短波、或者20～3000Mhz的超短波信号经所述高速模数转换器采样后、通过所述复信号多相数字滤波器组实现多信道的并行处理。

2.根据权利要求1所述的宽频无线电频谱监测站，其特征在于：

所述1.5～20Mhz短波波段射频前端包括第一可变衰减器、连接在所述第一可变衰减器后的第一二选一切开关、连接在所述第一二选一切开关后的第二二选一切开关、串联在第一二选一切开关和第二二选一切开关其中一条线路上的放大器、连接在所述第二二选一切开关输出端的第三多路切换开关、串接在第三多路切换开关和第四多路切换开关之间的10组带通滤波器、以及第四多路切换开关。

3.根据权利要求2所述的宽频无线电频谱监测站，其特征在于所述10组带通滤波器的分别的滤波频段是：

1.5～2Mhz、2～4Mhz、4～6Mhz、6～8Mhz、8～10Mhz、10～12Mhz、12～14Mhz、14～16Mhz、16～18Mhz、18～20Mhz。

4.根据权利要求1所述的宽频无线电频谱监测站，其特征在于：

所述20～3000Mhz的超短波射频前端包括第二可变衰减器、连接在所述第二可变衰减器后的第五多路切换开关、串接在第五多路切换开关和第六多路切换开关之间的8组带通滤波器、第六多路切换开关、连接在所述第六多路切换开关输出端的第一步进放大器、连接在所述第一步进放大器后的第一混频器、连接在所述第一混频器后的第三可变衰减器、以及连接在所述第三可变衰减器后的第二混频器。

5.根据权利要求4所述的宽频无线电频谱监测站，其特征在于：

所述第一混频器输出的第一中频信号频率设定为980Mhz、带宽为20Mhz，所述第二混频器输出的第二中频信号频率设定为70Mhz、带宽为15Mhz。

6.根据权利要求1所述的宽频无线电频谱监测站，其特征在于所述通过所述复信号多相数字滤波器组实现多信道的并行处理，具体是通过下式将高速模数转换器采样后的采样值y(n)分割成并行的D路：

$y_k\left(m\right)=\underset{p=0}{\overset{D-1}{\mathrm{\Σ}}}\{y_p\left(m\right){(-1)}^m*h_p\left(m\right)]\·e^{-j\frac{(D-1)\mathrm{\π}}{D}p}\}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{D}\mathrm{kp}}$

$=\mathrm{DFT}\{y_p\left(m\right){(-1)}^m*h_p\left(m\right)]\·e^{-j\frac{(D-1)\mathrm{\π}}{D}p}\},p=\mathrm{0,1},\mathrm{\Λ},D-1.$

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