一种电磁频谱虚拟仿真实验与数据处理平台

本专利提及一种电磁频谱虚拟仿真实验与数据处理平台，用于频谱数据采集和频谱数据处理，将“不可见”的无线电信号可视化，使用户更加直观的观察到无线电信号的基本特性。同时，通过计算机网络技术和专业接口，将电磁频谱仿真实验平台与虚拟仿真实验共享平台对接，基于此实现电磁频谱信号检测、电磁频谱数据处理、用户测试报告和测试评分的功能。

背景技术：

1、随着无线通信业务的快速发展，对频谱资源的需求愈加增多，越来越多的人也参与到此热门领域中来。电磁频谱检测是频谱管理的前提，通过电磁频谱检测能够发现测量环境中的无线电信号。目前，国内外的专业频谱检测设备，价格从几万到几十万不等，硬件成本较高，无法做到“一人一机” 的需求； 对于频谱数据的处理，大多数设备只能实时显示采集到的频谱信号的波形和随时间刷新的瀑布图。专业的测量设备由于存储空间有限只能保存采集到的原始频谱数据，不会存储可视化处理后的效果图，测试完成后需要用户移植数据到pc端去处理。基于此，将专业频谱分析仪、天线和其它所需专业仪器设备通过网络接口与电磁频谱仿真实验平台对接。通过电磁频谱仿真实验平台实现对硬件系统的控制，实现电磁频谱检测的同时，也加入数据可视化处理系统，并存储可视化处理效果图。

2、针对电磁频谱方面的研究，往往需要大量的频谱数据。对于研究人员来说工作量是极为庞大的，需要花费大量的时间去建立电磁频谱数据库。从“十三五”规划开始，国家就号召各大高校、重点实验室开放大型仪器使用权限，借助网络技术，搭建线上共享平台，面向大众用户开放。因此结合虚拟仿真实验平台，将搭建的电磁频谱仿真实验共享平台按照《虚拟仿真实验技术接口规范》进行数据接口联通，实现实验入口页面、实验数据采集、实验步骤成绩采集、实验数据可视化分析、实验报告生成和自动判分等功能。

3、目前的电磁频谱检测实验平台，大多数采用完全的虚拟仿真技术，不能真正采集环境中的无线电信号，虽然能够应用于一些实验指导和技能培训，但是采集到的数据不能应用于研究。本平台基于专业的频谱分析仪设备进行真实环境的电磁频谱信号检测，因此所采集的数据具有真实性，能够应用于电磁频谱方面的研究。

技术实现思路

1、本专利的目的在于将本地搭建的电磁频谱检测硬件系统，通过专业接口和计算机网络技术将电磁频谱仿真实验平台与虚拟仿真实验共享平台对接。本地的电磁频谱仿真实验平台能够进行测试参数的设置，通过指令控制天线旋转。从而进行无线电信号的采集，将采集的频谱数据通过可视化页面实时显示出来。虚拟仿真实验共享平台，一是面向各大高校、科研机构和社会群体开放入口页面；二是基于此平台加入测试报告生成系统和评分系统。最后将频谱数据和用户测试数据通过网络传送到服务器中进行分类存储，形成电磁频谱数据库和用户测试数据测试库。

2、所述电磁频谱检测系统即通过专业频谱仪与天线、天线控制仪进行连接，通过电磁频谱仿真实验平台发送指令，控制设备采集环境中的电磁频谱信号。专业的电磁频谱检测设备能够依据现有的硬件资源去更换，因此系统灵活性较强。

3、所述电磁频谱仿真实验平台，是本系统的核心，基于此平台实现硬件资源的线上共享功能。电磁频谱仿真实验平台控制着硬件设备，用户通过此平台能够设置具体的采集参数包括：频段范围、采集时间、天线步进角度、天线俯仰角度。开始测试时，天线按照参数设置进行旋转，采集的频谱数据通过可视化页面实时显示出来包括：天线朝向、波形图、瀑布图和三维电磁环境信息图。三维电磁环境信息图是描述特定区域的电磁环境情况的图示化工具，通过收集、分析和显示有关的电磁信号强度、频率分布等信息，帮助用户更好的了解电磁环境。

4、所述电磁频谱数据可视化处理，即将采集到的“不可见”的无线电信号可视化。通过读取频谱数据，生成各个方向的瞬时频谱图、瀑布图、频谱占用度图和三维电磁环境信息图。各个方向的瞬时频谱图通过读取测试采集设置的天线旋转步进角度进行绘制；瀑布图则是将所有的频谱数据按照时间进行生成，横坐标是频率，纵坐标为时间，通过颜色的深浅反应采集到的无线电信号的强弱，使用户更好的了解到电磁频谱的特征和变化情况；频谱占用度图则是根据阈值生成，通过占用百分比能够更好的反映频段的使用情况；三维电磁环境信息图是一种将电磁信号在空间中的分布情况进行可视化展示的图表，用户可以更好的理解与分析信号在空间中的相关性。

5、所述虚拟仿真实验共享平台是一个资源共享和交流学习的平台，通过接口和网络将本地电磁频谱仿真实验平台进行对接，实现面向大规模人群使用。 基于虚拟仿真实验共享平台，加入测试报告生成系统。测试报告中含有测试概述、电磁检测原理、数据处理介绍、测试结果及可视化生成的图片。

6、所述评分系统，即基于明确的测试目标和标准，从多个方面判断测试对象的表现。通过读取测试用户基本操作、数据采集量、可视化处理成效果图和测试报告4项内容，按照不同的权重比进行赋分，最终成绩满分100分。

7、本专利的创新点在于：

8、专业的频谱分析仪设备价格昂贵，硬件资源较少，仅仅面向少数人员。本电磁频谱仿真实验平台通过少数硬件设备，实现电磁频谱检测、频谱数据的存储和可视化处理。在用户完成电磁频谱测量后，可视化处理系统将频谱数据转化为各类图片进行存储。相较于目前直接使用专业频谱设备进行电磁频谱信号检测；平台将实验操作流程规范化，按照实验操作说明进行设置。基于电磁频谱仿真实验平台的规范流程，能够适用于初学者和无线电相关的培训指导。

9、通过与虚拟仿真实验共享平台对接，进一步推广本电磁频谱检测系统。基于此平台强大的功能和数据处理能力，加入测试报告生成系统和评分系统。传统的测量实验，一是需要用户携带设备去指定环境采集，测试结束后需要用户总结实验结果和数据分析；二是电脑完全虚拟仿真实验，通过一体化平台，模拟测量环境和测量设备。两种传统测量实验方式，各有利弊，不能同时满足服务大规模用户和测试数据的真实性。

10、通过测试报告生成系统和评分系统，用户在测量完成后能够通过评分，可以直接看到实验效果，进而查询自己的不足；测试报告则是根据真实的测试数据生成，内容较为丰富。用户在测试结束后，通过查阅报告，能够了解到采集原理和数据处理流程，通过报告中的图片可以看采集到无线电信号的信息。

技术特征：

1.一种基于电磁频谱检测的数据处理共享平台包括：电磁频谱检测系统、数据处理系统和共享平台。（1）专业频谱分析仪、（2）电磁频谱仿真实验平台和（3）其它所需专业仪器设备构成电磁频谱检测系统，通过（2）电磁频谱仿真实验平台设置采集参数，发送指令控制硬件设备，实现电磁频谱采集工作；同时将采集到的频谱数据进行可视化处理，通过可视化页面实时展示出来，采集完成后，通过wifi或是以太网口将数据上传服务器中，构建电磁频谱数据库。（4）虚拟仿真实验共享平台通过专业接口与（2）电磁频谱仿真实验平台对接，通过（4）虚拟仿真实验共享平台上的入口界面，就能够控制整个电磁频谱仿真实验平台，实现大规模用户的线上共享。用户通过此平台完成测试后，能够生成测试报告和测试评分，所产生的用户数据通过主干网络上传到本地服务器中进行存储。

2.根据权利要求1所述的电磁频谱检测的数据处理共享平台的电磁频谱检测系统，其特征在于：将专业的频谱分析仪、天线和天线控制仪等所需的专业设备通过网络接口与电磁频谱仿真实验平台连接。电磁频谱仿真实验平台，不仅能够进行测试任务设置，控制仪器设备进行电磁频谱信号的采集工作，也能够将频谱数据可视化处理，在可视化页面包含：天线朝向角度、波形图、瀑布图和三维电磁环境信息图，从多方面展示电磁频谱信号的特征。

3.根据权利要求1所述的电磁频谱检测的数据处理共享平台，其特征在于：基于功能较为完善的虚拟仿真实验共享平台，与电磁频谱仿真实验平台通过接口对接，将电磁频谱检测系统线上推广。在此平台上能够通过预约进行测试，除了电磁频谱仿真实验平台上功能，基于此平台加入测试报告生产系统和评分系统。

4.根据权利要求1所述的测试报告系统和评分系统，其特征在于：测试报告由基本内容和频谱数据可视化处理后的图片构成，将可视化处理后的内容通过测试报告进行存储，并反馈给测试用户，方便测试用户在测试完成，进行总结和分析。评分系统则是由多项参数共同构建，不同参数具有不同的权重比，更加准确的反映出测试的好坏度。

技术总结
本专利提供了一种基于电磁频谱检测的线上共享平台，该平台能够控制硬件设备采集真实环境中的电磁频谱信号，同时将采集到的频谱数据进行可视化处理，显示实时的波形图、瀑布图、随天线转动而刷新的三维电磁环境信息图。采集完成后将频谱数据上传服务器中进行存储，建立频谱数据库，同时通过可视化处理系统进行完整的频谱数据处理，生成图片。通过专业接口将电磁频谱仿真实验平台与虚拟仿真实验课程共享平台进行对接，生成入口页面，实现大规模用户的访问。用户通过虚拟仿真实验共享平台，能够进行电磁频谱检测，同时，在测量完成后，生成用户测试报告，测试报告根据用户的测试数据和基本内容组成。最后，根据用户多方面数据进行测试评分，直观反映出测试好坏程度，通过网络将用户操作数据和测试报告存储到服务器中。

技术研发人员：陈真佳,褚松坤
受保护的技术使用者：海南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15