基于物联网技术的无线频谱监测系统硬件部分设计

成 京 吕晓丽 呼立文

(长春工程学院电气与信息工程学院,吉林 长春130000)

近年来, 无线电技术的蓬勃发展已经影响了人类生活的方方面面,然而,科技的进步是把双刃剑,无线电犯罪给人们带来的危害也不容小觑,它不仅扰乱社会秩序,干扰空管频率,甚至危害人体健康。因此,我们必须加强对无线频谱的监测力度,严厉打击捣毁黑广播,但由于黑广播信号分布散乱,且探测黑广播的设备体积大、价格昂贵,逐一击破难度较大,所以对新的无线电监测设备的研究就显得尤为重要。本设备实现了自动对80MHz-115MHz 广播信号的接收与监测, 还可显示出频谱波形图、具体信号频率和幅值。该设计还可设置扫描频率步长,扫描时间间隔,且功耗低、经济轻便,大大推动了我国对无线电频谱监测系统领域的研究。

图1 方案整体设计流程系统框图

图2 简化R820T 芯片结构框图

本设备利用R820T 射频芯片和RTL2832U 主控芯片相结合的硬件电路设计,再通过上位机软件对无线电频谱进行监测,以下分析了该设计的优点以及总结了设备测评数据,得出了本设计具有无线电监测的基本功能的结论。

1 接收机的硬件结构及功能

1.1 硬件整体框架

依据实际监测需求,本设计需对无线电信号进行实时监控,所以根据设计要求,对射频前端和主处理芯片的选取慎重选择。系统的扫频覆盖范围约为30MHz-2.4GHz,具有步进式扫描方式,搜索扫描通道可达799 通道/s,使用二极管滤波电路,将收集到的信号进行滤波处理,最后由射频芯片R820T 处理。射频芯片控制扫频频率是通过晶振时钟,晶振电路由两个电容和晶振构成。处理后的信号,再传输给RTL2832U 芯片进行进一步的信号处理,将信号通过USB 串口与电脑的上位机相连,由上位机对进号进行处理,最后显示出界面,具体设计框图如图1 所示。

1.2 基于R820T 射频电路设计

R820T 射频芯片有低功耗和体积小的优点,满足设计需求, 且此芯片可为DVB-T、ATSC、DMB-T、ISDB-T 等所有数字广播电视提供不同的射频信号,所以其性能十分优越,同时,它还嵌入了智能功率检测器,可优化多种功率场景的动态范围,其简化芯片结构框图如图2 所示。

整个设计的核心部分为射频电路,射频前端主要采用的是通过R820T 芯片搭构的射频电路,信号通过天线RFin 端,经过二极管检波电路将信号接收到芯片RF_IN 端。其一共有32 个寄存器可编程设置其主要功能,同时该芯片通过外搭晶振电路来控制扫频频率,晶振为28.86MHZ,它可通过3.3v 小电压驱动,将选择、变频、混频集于一身,功能强大。

1.3 基于RTL2382U 主控芯片电路设计

RTL2832U 是一款性能很高的DVB-T COFDM解调器, 同时支持USB 2.0 的接口及2K或者8K 模式,它的带宽为6,7 和8MHZ,可进行自动检测调制参最先进的RTL2832U 芯片,有自己专门的算法,可为多种算法提供理想合理的解决方案。

该电路通过IF+,IF- 引脚将R820T 芯片处理后的信号接收过来,同时通过XTAL_1 接收28.8MHZ 频率的晶振作为时钟,自带一个电源指示LED 作为接通电源的外接电路。通过USB接通上位机,进行图形的显示和控制。

有资料显示, 可以通过调幅波和载波相乘再通过一个滤波器来实现解调,解调后检波有两种方法：分别为整流检波和相敏检波,可通过包络分析恢复最初的调制信号。本设计采用二极管检波电路,其工作原理是二极管具有单向导电性,检波信号的负向信号会被二极管截掉,只留下正信号,将此时的信号周期取平均值,所获得的检波信号波包即为低频信号,即实现了检波功能。本设计还采用28.8MHZ 的晶振, 该晶振电路需要提供一个3.3V 电压来维持工作。之后通过USB 接口与电脑的USB 相连接,传输数据,便可通过上位机软件进行仿真以便观察系统工作是否正常。

2 基于HDR 上位机仿真

2.1 上位机软件功能描述

开始前,需提前下载完成Zadig 驱动,下载完成后,首先需要对采样频率进行初始设置,将输出频率的采样频率设置为192000HZ。通过这样的调制方法,低频信号幅度将会不断变化,导致调频后得到的信号频率也将随之变化。

在本设计中我们采用FM(调频)的调制方式,同时接收无线电信号,通过电脑的虚拟声卡播放声音,而达到一个接收到信号的反馈。由于收集的信号存在一定的噪声,所以需要通过HDSDR 自带的软件降噪功能进行降噪。若接收频率仍不稳定,则可手动开启AFC 功能,他可自动获取采集频率范围内的信号,并自动找到中心频率,将采集频率带宽固定在中心频率上。

2.2 仿真结果

仿真后可看出显示的信道在这段频率范围内,存在信号的信道频率将会用红色标记出来,本次仿真所收集到的是双辽市广播,其中心频率为99893821HZ,可以看到其具体的频率信号大小和噪声系数。

本次仿真我们扫频的范围为90Mhz-110Mhz,扫频间隔为100ms,通过仿真显示的频率波形我们可以发现,在100MHz 附近的幅值明显出现波动,这就是HDSDR 仿真软件所收集到的双辽市广播的无线电信号,可以看出扫频仪的仿真结果成功。

3 系统测评及性能分析

3.1 系统测试

本测试选择在0-40GHz 的室内进行对无线频谱监测系统进行测试。首先将外围硬件电路连接好,然后通过USB 将硬件电路与上位机相连接。

根据当地的无线电广播作为信号源进行测试,本地的无线电广播信号源分别为97MHz、100MHz、103MHz。

3.2 系统性能分析

通过对市广播的频率分别对97MHz,100MHz,103MHz 频率的无线电进行测试。具体测试数据如表1 所示。

表1 无线频谱监测系统测试数据

其次每次扫描的频率带宽为固定,扫描间隔时间为100ms,扫描步长固定,由表1 数据可以看出,实测频率与上位机频率基本相符合,实测幅值和上位机幅值存在部分误差。可能由于传输过程中存在信号的干扰,基本可以确定本设计的基本功能可以实现。

4 总结及展望

时代的进步往往是把双刃剑,无线电飞速发展的同时,加强对无线电的监测也该日渐重要。本设计采用的是RTL2382U 和R820T 芯片的硬件电路设计,通过上位机软件进行实时监测,切实设计了一款可以对无线电实时监测的硬件设备,为无线电监测提供了新思路。经过实时测评,方案可行。