一种观众使用电子设备偏好频谱特征监测终端及监测方法

技术领域

本发明创造属于电子设备频谱监测技术领域，尤其是涉及一种观众使用电子设备偏好频谱特征监测终端及监测方法。

背景技术

现有的频谱特征监测设备存在以下几点缺陷：

(1)传统的频谱扫描设备体积大，不方便嵌入式安装，也无法分布式部署；

(2)采集到的数据先保存在本地存储设备中，等回到实验室再做分析处理，受限于本地存储设备的容量，缺乏对大批量数据处理分析的能力

(3)监测结果不直观，不智能化，不可视化，缺少对监测结果的数据分析，数据利用率低；

(4)使用固定测量的方式测量频段占用度的方法，但该方法无法满足较大范围内检测频段占用度的需求

(5)检测设备和显示终端集成在一起，不方便远程监测、管理。

发明内容

有鉴于此，为克服上述缺陷，本发明创造旨在提出一种观众使用电子设备偏好频谱特征监测终端及监测方法。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一方面本发明创造提供了一种观众使用电子设备偏好频谱特征监测终端，包括依次连接的射频单元、射频收发器、模数转换单元、调制解调单元、主控单元；

所述射频收发器、模数转换单元、调制解调单元、主控单元还均连接于时钟产生器，所述时钟产生器通过混频器连接射频单元；

所述主控单元通过通讯接口连接PC机。

进一步的，所述主控单元通过USB接口连接PC机；

所述主控单元通过并行总线及GPIO模拟的JTAG接口与调制解调单元连接。

进一步的，所述射频单元通过射频开关与天线连接。

进一步的，所述射频单元包括射频单刀三掷开关U14，射频单刀三掷开关U14的公共端连接天线，射频单刀三掷开关U14的输出端连接射频单刀三掷开关U12的输入端，射频单刀三掷开关U14的输入端连接射频单刀三掷开关U12的输出端，射频单刀三掷开关U12的公共端连接射频单刀三掷开关U9的公共端，射频单刀三掷开关U9的一路输出端连接射频单刀双掷开关U11的输入端，射频单刀双掷开关U11的公共端连接射频单元的输出端口，所述射频单刀三掷开关U9的一路输入输出端连接射频单刀双掷开关U2的公共端，射频单刀双掷开关U2的输入端连接射频单刀双掷开关U10的输入端，射频单刀双掷开关U10的输出端连接射频单刀双掷开关U11的输入端，射频单刀双掷开关U10的公共端连接混频器的输出端，混频器的输入端连接射频单刀双掷开关U7的公共端，射频单刀双掷开关U7的一路输入端连接射频单刀双掷开关U2的输出端，射频单刀双掷开关U7的另一路输入端连接射频单刀双掷开关U1的输出端，射频单刀双掷开关U1的另一路输出端连接射频单刀三掷开关U9的一路输入端，所述射频单刀双掷开关U1的公共端连接射频单元的输入端口。

进一步的，所述射频单刀三掷开关U14的一路输出端还连接有放大器U13，所述射频单刀三掷开关U14的输入端也连接有放大器。

进一步的，所述射频单刀三掷开关U9的输入输出端与射频单刀双掷开关U2公共端之间还连接有镜像抑制滤波器。

另一方面本发明创造提供了一种观众使用电子设备偏好频谱特征监测方法，利用第一方面所述的观众使用电子设备偏好频谱特征监测终端接收和发射信号，监测方法具体包括：

基于能量监测的无线频谱探测方法，用于测量接收信号的能量，MAC地址抓取以及实现大范围的能量检测；

频谱显示，基于接收数据部分代码、数据处理部分代码、数据分析代码和页面显示部分代码，按一定的频率刷新信息；

人机交互，包括实时显示频谱和F F T点数\频率分辨率信息以及接收面板上的设置；

智慧化显示，用于以直观的图像信息显示观众携带电子设备的种类、区域电子设备热力图以及观众携带使用电子设备偏好信息。

进一步的，测量接收信号的能量的方法如下：对带宽为W的带通滤波器的输出信号进行平方运算并在观测时间段T内进行积分，并将积分器的输出Y与门限值进行比较，从而判定是否为合法用户。

进一步的，所述MAC地址抓取的方法如下：

包括winPcap的pcap_open函数和pcap_next_ex函数,pcap_open函数用于打开可用网卡,设定超时时间；pcap_next_ex函数用于抓取MAC包,FPGA连续发送数据,处理部分的FFT默认每次读取4096个点的数据,和发送方约定MAC包的包头有1 7个字节,包括原地址、目的地址、类型、发送接收标识、计数信息,主体有1 400个字节,I低I高Q低Q高共4个字节表示一个数据点,则每个包含有3 5 0个数据点,每次共读取1 2个包。

进一步的，实现大范围的能量检测的方法如下：

S1、USRP对步进频率范围内内的采样进行FFT处理；

S2、将FFT处理结果放入message；

S3、延时一段时间采样以及计算处理的时间t；

S4、调频步进；

S5、判断是否达到扫频范围最大值，是，则扫频结束，否则，范围步骤S1；

其中调频步进由gr.bin_statistics_f sink程序实现。

相对于现有技术，本发明创造所述的观众使用电子设备偏好频谱特征监测终端及监测方法具有以下优势：

(1)本发明创造所述的观众使用电子设备偏好频谱特征监测终端及监测方法为博物馆提供了一个通用的终端设备平台，从最终用户的角度看，基于软件无线电技术用户的设备，是为用户提供了一个通用的终端设备平台。它能支持超宽频率范围9KHz-6GHz频谱的扫描，而且可以通过空间加载软件技术达到用户设备升级的目的。只有这样，用户才不需要关心他馆里的观众携带的是何种频率的设备。

(2)本发明创造所述的观众使用电子设备偏好频谱特征监测终端及监测方法在无线检测技术的基础上，分析出区域内的无线热力图，进而可以掌握观众周围电磁环境，提升频谱利用效率，让观众在使用无线电设备时互不影响；分析区域观众密度、活动参与度等，为馆方合理布展提供大数据分析。

(3)本发明创造所述的观众使用电子设备偏好频谱特征监测终端及监测方法利用智能分析软件会自动识别出“差异”信息，并给出告警提示，由人工具体判别真伪，或启动测向定位进行快速定位。

(4)本发明创造所述的观众使用电子设备偏好频谱特征监测终端及监测方法可实现全天候24H不间断实时进行监测，系统采用高智能化设计，操作非常简便即使是非专业人员也可独立完成监测工作，同时系统完全符合国家无线电管理委员会发布的《VHF/UHF无线电监测规范和技术要求》。

(5)本发明创造所述的观众使用电子设备偏好频谱特征监测终端及监测方法博物馆管理人员提供了多种方便快捷的参看监测情况的手段，如通过显示大屏，平板，手机等设备都可以查看；结合数据分析软件,可根据需要调整中心频率、带宽、采样率等参数,并可对硬件上传的信号进行实时分析；可视化界面也保证了频谱监测数据能够以直观的形式展现在用频用户前,提高了数据的利用效率；搭建频谱感知信息数据库，为实现区域动态频谱接入与管理提供新思路。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造实施例所述的应用监测终端的系统结构图；

图2为本发明创造实施例所述的监测终端原理架构图；

图3为本发明创造实施例所述的射频单元结构图；

图4为本发明创造实施例所述的智能分析软件原理框图；

图5为本发明创造实施例所述的测量接收信号的能量的流程图；

图6为本发明创造实施例所述的宽范围能量扫频方法流程图；

图7为本发明创造实施例所述的FFT计算流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造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发明创造。

本实施例提供了一种观众使用电子设备偏好频谱特征监测终端，监测终端的系统应用架构，如图1所示，监控终端包括依次连接的射频单元、射频收发器、模数转换单元、调制解调单元、主控单元；

所述射频收发器、模数转换单元、调制解调单元、主控单元还均连接于时钟产生器，所述时钟产生器通过混频器连接射频单元；

所述主控单元通过通讯接口连接PC机。

所述主控单元通过USB接口连接PC机；

所述主控单元通过并行总线及GPIO模拟的JTAG接口与调制解调单元连接。

所述射频单元通过射频开关与天线连接。

所述射频单元包括射频单刀三掷开关U14，射频单刀三掷开关U14的公共端连接天线，射频单刀三掷开关U14的输出端连接射频单刀三掷开关U12的输入端，射频单刀三掷开关U14的输入端连接射频单刀三掷开关U12的输出端，射频单刀三掷开关U12的公共端连接射频单刀三掷开关U9的公共端，射频单刀三掷开关U9的一路输出端连接射频单刀双掷开关U11的输入端，射频单刀双掷开关U11的公共端连接射频单元的输出端口，所述射频单刀三掷开关U9的一路输入输出端连接射频单刀双掷开关U2的公共端，射频单刀双掷开关U2的输入端连接射频单刀双掷开关U10的输入端，射频单刀双掷开关U10的输出端连接射频单刀双掷开关U11的输入端，射频单刀双掷开关U10的公共端连接混频器的输出端，混频器的输入端连接射频单刀双掷开关U7的公共端，射频单刀双掷开关U7的一路输入端连接射频单刀双掷开关U2的输出端，射频单刀双掷开关U7的另一路输入端连接射频单刀双掷开关U1的输出端，射频单刀双掷开关U1的另一路输出端连接射频单刀三掷开关U9的一路输入端，所述射频单刀双掷开关U1的公共端连接射频单元的输入端口。

所述射频单刀三掷开关U14的一路输出端还连接有放大器U13，所述射频单刀三掷开关U14的输入端也连接有放大器。

所述射频单刀三掷开关U9的输入输出端与射频单刀双掷开关U2公共端之间还连接有镜像抑制滤波器。

软件无线电设备集成了射频链路所需的所有关键模块，包括主控单元MCU、调制解调单元CPLD、模数转换单元ADC/DAC、射频收发器、混频器、时钟产生器和射频单元，完成射频信号到中频的频谱搬移、模数转换、调制解调和USB数据通信，其终端框图如图2所示。

PC机通过USB接口与NXP LP43xx微控制器通信，微控制器通过并行总线及GPIO模拟的JTAG接口与CPLD连接，MAX5864对发送的数据进行数模转换，对接收到的数据进行模数转换，MAX2837射频收发器实现上/下变频，并通过宽带混频器RFFC5072进行频率变换，射频单元采用一级LNA/PA进行放大，并最终通过射频开关与天线连接。

主控单元采用但不限于LPC4320：NXP ARM Cortex M4处理器，主频204MHz

调制解调单元采用但不限于XC2C64A：Xilinx，CoolRunner-II系列CPLD，1500门

射频收发器采用但不限于MAX2837：2.3GHz to 2.7GHz无线宽带射频收发器

混频器采用但不限于RFFC5072：混频器，提供80MHz到4200MHz的本振

模数转换单元采用但不限于MAX5864：ADC/DAC，8-bit，22MHz采样率

时钟生成器采用但不限于Si5351C：I2C可编程任意CMOS时钟生成器

放大器采用但不限于MGA81563：0.1–6GHz，14dBm放大器

射频单刀三掷开关采用但不限于SKY13317：20MHz-6.0GHz射频单刀三掷(SP3T)开关

射频单刀双掷开关采用但不限于SKY13350：0.01-6.0GHz射频单刀双掷(SPDT)开关。

射频单元详细框图如图3所示，其中U14、U12、U9为射频单刀三掷(SP3T)开关SKY13317，U13和U25为射频放大器MGA81563，U2、U7、U10、U11和U1为射频单刀双掷(SPDT)开关SKY13350，U4为混频器RFFC5072。镜像混频器由U5和U6两个射频单刀双掷(SPDT)开关SKY13350、U3低通滤波器和U8高通滤波器组成。

接收状态时，射频信号从天线ANT输入，经U14射频单刀三掷(SP3T)开关

SKY13350，根据是否旁路射频放大，射频信号经U13放大或直通到U12。U12输入到U9，射频输入信号分为两路，一路直接到U11，输出到RX_IF；另一路经镜像抑制滤波器到U2，经U7到U4混频器，混频后输出到U10，从U11输出到RX_IF。发射状态时，中频信号进入U1分为两路，一路直接送到U9；另一路经U7进入混频器U4，混频后经U10至U2，并送至镜像抑制滤波器，滤波后到U9。射频发射信号经U9和U12输入到射频放大器U25，放大后的射频信号送至U14，最终通过天线发射出去。

本实施例提供了一种观众使用电子设备偏好频谱特征监测方法，利用上述所述的观众使用电子设备偏好频谱特征监测终端接收和发射信号。

采用智能分析软件进行分析处理，智能分析软件基于QT 4进行开发,绘图部分采用QWT库函数实现,信号处理部分采用Intel IPP库函数实现。上位机软件的模块框图如图4所示,包括频谱显示、人机交互、智慧化显示等模块。

具体如下：

1、基于能量监测的无线频谱探测方法

在博物馆中，事前不知道观众携带电子设备信号的足够的信息，构建基于能量的探测方法。为了测量接收信号的能量，需要对带宽为W的带通滤波器的输出信号进行平方运算并在观测时间段T内进行积分，并将积分器的输出Y与门限值进行比较，从而判定合法用户是否出现，检测过程示意图如图5所示。

(1)MAC地址抓取

主要由winPcap的pcap_open函数和pcap_next_ex函数完成,pcap_open打开可用网卡,设定超时时间,以免程序阻塞；pcap_next_ex用于抓MAC包,FPGA连续发送数据,处理部分的FFT点数有256,512,1024,2048,4096可选,默认每次读取4096个点的数据,和发送方约定MAC包的包头有1 7个字节,包括原地址、目的地址、类型、发送接收标识、计数等信息,主体有1 400个字节,I低I高Q低Q高共4个字节表示一个数据点,则每个包含有3 5 0个数据点,每次共读取1 2个包。

(2)宽范围能量扫频方法

GNU Radio自带库有FFT模块，在设置好USRP并正确的建立流图，然后将得到的结果通过计算途径处理，最终实现大范围的能量检测。

因为USRP带宽的限制，一个时间内前端只能检测到8MHz的射频信号如果要检测大于8MHz带宽的信号我们需要通过不断的RF前端步进调频以达到检测大范围频谱的目的，虽然检测到的频谱并不是实时的。USRP(或者程序)每个时刻对一段范围的频率进行检测，然后步进调频到下一段频率，这样就能扫频扫过大段的频率。要是频率调频已经完成步进调频，我们需要在每一个步进时刻结束时——即已获得这段频率的数值时，发送一个调频指令到USRP。调频控制由gr.bin_statistics_f sink程序实现，bin_statistics在以下的函数解释中有详细解释。

当我们命令USRP的RF子板改变中心频率时，我们必须等待ADC的采样到达FFT处理器并判断完是否属于需要的中心频率。在这个过程中需要经过很多重的延时比如从FPGA，USB，计算延时。这样我们必须在调节到下一步进频率时进行延时，以保证上一步进频率的采样能正确的被FFT处理器处理。

程序主要驱动部分由bin_statistics sink函数组成，整个流程如图6所示。

bin_statistics主要控制USRP的调频控制，并根据步进频率带宽的大小决定延时时间即FFT处理器忽略掉N个向量(向量长度由计算决定)这里也可以详细解释，当进行完FFT处理后，bin_statistics将处理后的信息组合成message，并将此message插入messagequeue。message的每个内容由FFT后的每个最大频率的向量组成。

每一步进的延时需要计算得出，延时包括调频延时和计算延时，其中调频延时是最主要的延时。调频延时由RF前端的PLL到主板的时间再加上管道中排队的时间，我们所用的RFX系列延时差不多是1ms。调频延时转化为FFT计算时忽略的向量个数的计算公式是

tune_delay_passed_to_bin_statistics＝

int(round(required_tune_delay_in_sec*usrp_rate/fft_size))

其中：

required_tune_delay_in_sec＝10e-3；usrp_rate＝1M(decimation＝64)；

fft_size＝256

可得出tune_delay_passed_to_bin_stats＝4(FFT Frames)

这表示，我们延时1ms我们将跳过4个输入的FFT向量个数，来获得真实的向量数据。延时时间还包括计算延时，我们需要收集处理N个FFT采样，如果DR＝8那将用时128us，还应该加上计算机处理这N个采样的时间，这个需要根据实际计算机的处理能力通过实验测得，以下是完成FFT运算流程如图7所示。

2、频谱显示部分

用QT+QWT实现,代码主要分为接收数据部分、数据处理部分、数据分析和页面显示部分,可以按一定的刷新频些基本信息,如：中心频率、采样率、带宽等参数外，还会显示频谱特征以及频谱占用度。

3、人机交互

主要包括实时显示频谱和F F T点数\频率分辨率等信息以及接收面板上的设置。

4、智慧化显示

以直观的图像信息显示观众携带电子设备的种类、区域电子设备热力图以及观众携带使用电子设备偏好等信息。

本申请的用途如下：

(1)博物馆文物保护

通过对重点保护文物前的软件无线电分析仪，监测是否有观众使用禁用的电子设备，进行发射源干扰定位，从而达到保护文物的目的。

(2)电子设备密度分析

结合智慧服务综合管理平台实现对各监控点位的无线电采集工作，通过射频分析技术，获取场馆展厅、出入口等大场景中电子设备的数量、密度、等随时间的变化趋势，并进行智能预警提醒，为博物馆内观众的安全使用电子设备提供保障，同时也可以为馆方节省人力。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。