具备数据压缩功能的无线电监测系统的制作方法

1.本技术涉及无线电监测技术领域，具体涉及一种具备数据压缩功能的无线电监测系统。


背景技术：

2.无线电监测是管理无线电频谱使用的重要手段，国家无线电监测中心和各地方无线电监测站长期进行空中无线电监测工作，对空中频谱使用情况进行监视，及时发现非法用频，并测向定位技术对非法台站进行查处，包含空中电波秩序，保障无线电安全。
3.随着无线电技术的飞速发展，无线通信体制和设备类型迅速增多，频谱日益拥挤，干扰屡有发生，对无线电监测工作提出了很大的挑战。为了更好地进行空中频谱管理，无线电监测部门往往不仅需要通过接收机采集空中频谱信号，往往还需要采集iq信号，长时间监测和iq信号采集将产生极大的数据存储要求和传输压力。市面上现有的无线电接收机设备还没有能够支持数据压缩功能的设备，不能够满足无线电监测行业对高效数据存储和传输的需求。
4.由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种具备数据压缩功能的无线电监测系统，以克服现有技术的缺陷。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的问题，本技术提供一种具备数据压缩功能的无线电监测系统，能够以零中频的架构进行信号接收与采集，通过fpga中进行fft变换得到频谱，通过噪声估计对所测试频段中信号参数进行估计，通过数据压缩方法对变换得到的频谱以及原始iq信号数据进行压缩和存储，并通过通信模块发送到上位机，并在上位机通过解压缩实现信号还原，从而支持进一步的频谱观察、数据处理和挖掘。
6.为解决上述至少一个技术问题，本技术提供以下技术方案：
7.第一方面，本技术提供一种具备数据压缩功能的无线电监测系统，包括：下位机和上位机，其中所述下位机包括：射频模块、a/d、fpga、arm、存储模块、通信模块、电源模块，其中所述fpga包括fft算法、噪声估计算法、信号截取算法以及数据压缩算法的实现，所述arm用于实现核心功能逻辑控制和射频控制，所述上位机包括面向应用的应用逻辑、数据解压以及业务控制逻辑的实现，其特征在于，还包括以下实施步骤：
8.上位机下发监测任务，具体参数包括监测频段[fs，fe]、rbw、ts、ts，其中， fs为起始频率，fe为结束频率，rbw为分辨率带宽，ts为任务开始时间，ts为监测任务持续时间；
[0009]
设备接收到上位机发送的监测任务后，根据任务参数中的[fs，fe]配置信号采集行为列表，设备中频带宽为b
if
，采样率为f
samp
，若监测任务带宽大于中频带宽，即f
e-fs＞b
if
，则生成信号采集行为列表；
[0010]
设备arm射频控制模块根据生成的信号采集行为列表对射频模块本振频率进行设置，对进入设备的信号进行混频和中频滤波，输出模拟基带信号si(t)与 sq(t)，或复基带信
号si(t)+jsq(t)；
[0011]
通过a/d，对模拟基带信号进行采样量化，得到数字基带信号s
in
与s
qn
，或数字复基带信号s
in
+js
qn
；
[0012]
fpga中对a/d采样量化后的数字基带信号进行fft变换，得到第i段接收信号的频谱数据pi＝{p
i1
，p
i2
，...，p
ij
，...}；
[0013]
根据pi对噪声电平估计；
[0014]
根据噪声功率p
i，max
，设定特定的触发阈值p
th
，记录pi中向上和向下穿越p
th
的位置该区间即为信号存在区间，若该时段内采集的数据中不存在信号，则标记为无信号时段；
[0015]
将步各区间信号的频谱数据进行拼接，生成监测任务频段的完整频谱数据；
[0016]
将拼接的频谱数据和原始iq数据存入存储器；
[0017]
根据上位机配置，调用内置压缩算法，可支持各种有损压缩和无损压缩算法，对存储器中特定数据文件进行压缩后替换原始数据文件存储；
[0018]
读取存储器中的特定数据文件上传给上位机；上位机接收接收机上传的压缩数据文件后，采用对应的解压缩算法对其进行解压还原。
[0019]
进一步地，所述上位机下发监测任务还包括：
[0020]
[fs，fe]为必选项，ts为可选项，若没有设置ts，则下位机接收到任务立即执行，否则按照设定的时间ts启动执行；
[0021]
ts为可选项，若没有设置ts，则为设备启动后保持信号监测模式，直到上位机下达结束指令，否则监测任务持续ts时间后，自动结束。
[0022]
进一步地，生成信号采集行为列表为：
[0023][0024]
其中，t
samp
为每个基带信号采集频段的采样时间，为n为基带信号采集段数，若上位机下发的监测任务配置中包含ts设置，则任务进入等待状态，在ts时刻进入射频混频；若上位机下发的监测任务配置中未包含ts设置，则进入射频混频。
[0025]
进一步地，所述根据pi对噪声电平估计，包括：
[0026]
取前k帧频谱数据，及p
i-k+1
到pi的频谱数据求平均，即
[0027][0028]
设中最小值为p
i，min
，[p
i，min
，p
i，min
+10db]区间的所有点，统计这些数据点的统计分布，取累计概率分布函数等于90％的点作为噪声功率上位值p
i，max
。
[0029]
由上述技术方案可知，本技术提供一种具备数据压缩功能的无线电监测系统，能
够以零中频的架构进行信号接收与采集，通过fpga中进行eft变换得到频谱，通过噪声估计对所测试频段中信号参数进行估计，通过数据压缩方法对变换得到的频谱以及原始iq信号数据进行压缩和存储，并通过通信模块发送到上位机，并在上位机通过解压缩实现信号还原，从而支持进一步的频谱观察、数据处理和挖掘。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
图1为本技术所述具备数据压缩功能的无线电监测系统的结构示意图。
具体实施方式
[0032]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
[0033]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0034]
在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
[0035]
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
[0036]
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0037]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0038]
为了能够以零中频的架构进行信号接收与采集，通过fpga中进行fft变换得到频谱，通过噪声估计对所测试频段中信号参数进行估计，通过数据压缩方法对变换得到的频
谱以及原始iq信号数据进行压缩和存储，并通过通信模块发送到上位机，并在上位机通过解压缩实现信号还原，从而支持进一步的频谱观察、数据处理和挖掘，本技术提供一种具备数据压缩功能的无线电监测系统的实施例，参见图1，本实施例中，所述具备数据压缩功能的无线电监测系统具体包含下位机和上位机，其中所述下位机包括：射频模块、a/d、fpga、arm、存储模块、通信模块、电源模块，其中所述fpga包括fft算法、噪声估计算法、信号截取算法以及数据压缩算法的实现，所述arm用于实现核心功能逻辑控制和射频控制，所述上位机包括面向应用的应用逻辑、数据解压以及业务控制逻辑的实现，其特征在于，还包括以下实施步骤：
[0039]
上位机下发监测任务，具体参数包括监测频段[fs，fe]、rbw、ts、ts，其中， fs为起始频率，fe为结束频率，rbw为分辨率带宽，ts为任务开始时间，ts为监测任务持续时间；
[0040]
设备接收到上位机发送的监测任务后，根据任务参数中的[fs，fe]配置信号采集行为列表，设备中频带宽为bif，采样率为f
samp
，若监测任务带宽大于中频带宽，即f
e-fs＞b
if
，则生成信号采集行为列表；
[0041]
设备arm射频控制模块根据生成的信号采集行为列表对射频模块本振频率进行设置，对进入设备的信号进行混频和中频滤波，输出模拟基带信号si(t)与 sq(t)，或复基带信号si(t)+jsq(t)；
[0042]
通过a/d，对模拟基带信号进行采样量化，得到数字基带信号s
in
与s
qn
，或数字复基带信号s
in
+js
qn
；
[0043]
fpga中对a/d采样量化后的数字基带信号进行fft变换，得到第i段接收信号的频谱数据pi＝{p
i1
，p
i2
，...，p
ij
，...}；
[0044]
根据pi对噪声电平估计；
[0045]
根据噪声功率p
i，max
，设定特定的触发阈值p
th
，记录pi中向上和向下穿越p
th
的位置该区间即为信号存在区间，若该时段内采集的数据中不存在信号，则标记为无信号时段；
[0046]
将步各区间信号的频谱数据进行拼接，生成监测任务频段的完整频谱数据；
[0047]
将拼接的频谱数据和原始iq数据存入存储器；
[0048]
根据上位机配置，调用内置压缩算法，可支持各种有损压缩和无损压缩算法，对存储器中特定数据文件进行压缩后替换原始数据文件存储；
[0049]
读取存储器中的特定数据文件上传给上位机；上位机接收接收机上传的压缩数据文件后，采用对应的解压缩算法对其进行解压还原。
[0050]
从上述描述可知，根据本技术实施例提供的具备数据压缩功能的无线电监测系统，能够以零中频的架构进行信号接收与采集，通过fpga中进行fft变换得到频谱，通过噪声估计对所测试频段中信号参数进行估计，通过数据压缩方法对变换得到的频谱以及原始iq信号数据进行压缩和存储，并通过通信模块发送到上位机，并在上位机通过解压缩实现信号还原，从而支持进一步的频谱观察、数据处理和挖掘。
[0051]
作为一种可选的实施方式，所述上位机下发监测任务还包括：
[0052]
[fs，fe]为必选项，ts为可选项，若没有设置ts，则下位机接收到任务立即执行，否则按照设定的时间ts启动执行；
[0053]
ts为可选项，若没有设置ts，则为设备启动后保持信号监测模式，直到上位机下达
结束指令，否则监测任务持续ts时间后，自动结束。
[0054]
作为一种可选的实施方式，生成信号采集行为列表为：
[0055][0056]
其中，t
samp
为每个基带信号采集频段的采样时间，为n为基带信号采集段数，若上位机下发的监测任务配置中包含ts设置，则任务进入等待状态，在ts时刻进入射频混频；若上位机下发的监测任务配置中未包含ts设置，则进入射频混频。
[0057]
作为一种可选的实施方式，所述根据pi对噪声电平估计，包括：
[0058]
取前k帧频谱数据，及p
i-k+1
到pi的频谱数据求平均，即
[0059][0060]
没中最小值为p
i，min
，[p
i，min
，p
i，min
+10db]区间的所有点，统计这些数据点的统计分布，取累计概率分布函数等于90％的点作为噪声功率上位值p
i，max
。
[0061]
有上述内容可知，本技术还可以实现以下技术效果：
[0062]
(1)基于fpga对监测任务频段进行分段基带信号采集和并行频谱变换，实现快速的频谱扫描和信号采集；
[0063]
(2)基于一种平均值滤波和分布区间统计的噪声功率估计方法，实现对有信号频段和无信号频段的区分，以及有信号时段和无信号时段的划分，实现了信号截取，可支持基于信号探测的有损信号压缩方法，也可直接对拼接后的频谱数据进行无损压缩；
[0064]
(3)可通过数据压缩算法实现基带iq信号的数据压缩，加大降低数据存储和传输压力。
[0065]
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。