基于軟件無(wú)線(xiàn)電和GIS的數(shù)傳電臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賽景波，楊善景，楊 元

(北京工業(yè)大學(xué) 電控學(xué)院，北京 100124)

近年來(lái)隨著我國(guó)無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)發(fā)展，頻率資源使用極為緊張。為有效利用無(wú)線(xiàn)電資源，通過(guò)對(duì)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電臺(tái)的使用情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，本文提出一種基于軟件無(wú)線(xiàn)電和GIS系統(tǒng)的數(shù)傳電臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用Visual C++6.0與MapX在Windows XP操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，結(jié)合硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)傳電臺(tái)占用頻率、使用數(shù)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并建立組網(wǎng)數(shù)傳電臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)傳電臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在Visual C++6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境下利用MFC進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，在此環(huán)境中編寫(xiě)事件代碼對(duì)硬件進(jìn)行控制，并對(duì)MapInfo公司的MapX工具進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，提供了良好的人機(jī)交互界面。

本數(shù)傳電臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由7個(gè)模塊組成：數(shù)據(jù)收集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)交互模塊、解碼模塊、地址碼分析模塊、電臺(tái)定位模塊及電子地圖繪圖模塊，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。首先通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊把設(shè)備上取到的數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)緩存，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理。然后把經(jīng)緯度、信號(hào)強(qiáng)度等數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，由數(shù)據(jù)庫(kù)交互模塊對(duì)其進(jìn)行管理。而電壓數(shù)據(jù)由解碼模塊進(jìn)行解析，解析后得到的碼元信息通過(guò)地址碼分析模塊得到電臺(tái)地址碼。通過(guò)電臺(tái)定位模塊對(duì)其分析后，將得到的電臺(tái)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)交付繪圖模塊，從而在電子地圖上直觀地顯示電臺(tái)位置，同時(shí)電子地圖還可顯示監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所在位置。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

我國(guó)數(shù)傳電臺(tái)工作頻率主要分布在230 MHz(223.025 MHz～235.000 MHz)頻段，采用的調(diào)制方式多為MSK方式?？紤]到數(shù)傳電臺(tái)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的高頻、隨機(jī)特點(diǎn)，擬驅(qū)車(chē)采集分析信號(hào)。本系統(tǒng)采用工控計(jì)算機(jī)對(duì)各硬件進(jìn)行控制，由無(wú)線(xiàn)接收機(jī)[1-2]獲取高頻信號(hào)，將信號(hào)通過(guò)選頻電路進(jìn)行放大濾波后，由采集卡對(duì)其進(jìn)行采樣以進(jìn)行下一步處理。另外，利用GPS接收機(jī)來(lái)定位車(chē)輛行駛位置及經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，硬件模塊組成如圖2所示。

圖2 硬件組成

3 數(shù)據(jù)接收采集

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要收集的數(shù)據(jù)包括無(wú)線(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)和經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的接收選用Holux GR213智慧衛(wèi)星接收機(jī)，通過(guò)串口控件指令操作計(jì)算機(jī)即可實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的接收存儲(chǔ)。

無(wú)線(xiàn)信號(hào)的接收存儲(chǔ)相對(duì)復(fù)雜，包括接收、采樣2個(gè)步驟。(1)接收方面，選用萬(wàn)瑞公司的WR-G315寬頻段接收模塊來(lái)接收無(wú)線(xiàn)信號(hào)。G315主要技術(shù)指標(biāo)為：軟件DSP解調(diào)，頻率接收范圍 9 kHz～1 800 MHz，接口兼容PCI及USB。該接收機(jī)的頻率范圍可滿(mǎn)足對(duì)數(shù)傳電臺(tái)230 MHz頻段信號(hào)的接收，且其10.7 MHz中頻輸出使信號(hào)已實(shí)現(xiàn)了1次降頻，其PCI接口使工控計(jì)算機(jī)可通過(guò)軟件語(yǔ)言調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)來(lái)控制接收機(jī)的工作。(2)采樣方面，本設(shè)計(jì)選用阿爾泰公司基于PCI總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的PCI8001高性能數(shù)據(jù)采集卡對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣存儲(chǔ)。其基本技術(shù)指標(biāo)為：32 bit PCI總線(xiàn)接口，最高40 MS/s采樣速率，12 bit AD分辨率，采樣頻率可編程設(shè)定。同樣，該采集卡的PCI接口使工控計(jì)算機(jī)可方便地通過(guò)軟件命令直接對(duì)其工作方式進(jìn)行操作，而且高采樣頻率充分滿(mǎn)足了對(duì)中頻信號(hào)的采樣，從采集卡得到的數(shù)據(jù)需進(jìn)行二次加工、轉(zhuǎn)換，才可供程序使用。

對(duì)采集卡采樣頻率的設(shè)置決定了后續(xù)程序處理數(shù)據(jù)的工作量大小，若按照奈奎斯特采樣定理[3]，采樣頻率至少為10.7 MHz×2=21.4 MHz，這樣的采樣率會(huì)造成數(shù)據(jù)處理的工作量非常巨大，考慮到數(shù)傳電臺(tái)工作帶寬僅為 25 kHz，由欠采樣理論[4]可知：

其中fs為采樣頻率，f0是信號(hào)的載波，B為信號(hào)的帶寬，m=1，2，3…。欠采樣方式以大于2倍信號(hào)帶寬的速率對(duì)帶通信號(hào)進(jìn)行采樣，與傳統(tǒng)的奈奎斯特采樣原理相比，在很大程度上降低了采樣后的數(shù)據(jù)量。對(duì)于載波頻率為10.7 MHz的信號(hào)，可取 m=15，采樣頻率fs=1.38 MHz。

4 信號(hào)選頻濾波電路

由于WR-G315寬頻段接收模塊輸出的中頻信號(hào)比較微弱，幅值范圍為-40 mV～+40 mV，信號(hào)帶寬為2 MHz。這樣微弱的信號(hào)很容易與噪聲混淆在一起，而且其帶寬遠(yuǎn)大于數(shù)傳電臺(tái)工作帶寬，若按照1.38 MHz采樣則會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的混頻。基于這樣的考慮，在無(wú)線(xiàn)接收機(jī)中頻輸出端與數(shù)據(jù)采集卡通道之間添加1個(gè)信號(hào)選頻濾波電路[5]，對(duì)無(wú)線(xiàn)接收機(jī)中頻輸出信號(hào)進(jìn)行放大濾波，其電路如圖3所示。經(jīng)LeCroy Wave Sufer 434示波器測(cè)量：從選頻濾波電路輸出的信號(hào)幅值范圍為：-1.2 V～+1.2 V，而其帶寬降至 500 kHz。

圖3 信號(hào)選頻濾波電路

5 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用VC++6.0在Windows XP環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)發(fā)，用MFC開(kāi)發(fā)用戶(hù)操作軟件界面，利用C++語(yǔ)言編寫(xiě)主程序。為了直觀地觀察電臺(tái)監(jiān)測(cè)情況，在界面中調(diào)用MapX軟件實(shí)時(shí)顯示信號(hào)采集車(chē)及數(shù)傳電臺(tái)的地理位置，并采用ADO技術(shù)結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息。軟件由主程序及3條線(xiàn)程組成，如圖4所示。

程序啟動(dòng)后，首先進(jìn)行硬件初始化。對(duì)于WRG315接收機(jī)可通過(guò)顯示連接的方式實(shí)現(xiàn)：

圖4 主程序流程圖

硬件準(zhǔn)備好后，程序配置軟件窗口界面，界面主要分割為2個(gè)窗口：view類(lèi)型和form類(lèi)型。在view窗口中利用菜單調(diào)入MapX工具[6]，通過(guò)接收經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，在地圖上描繪信號(hào)采集車(chē)及數(shù)傳電臺(tái)地理位置；在form版面上設(shè)置各種按鈕控件，并編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集過(guò)程及參數(shù)設(shè)置的控制代碼，添加MSCOMM控件，通過(guò)控制串口接收GPS的經(jīng)緯度信息。

單擊界面中的“開(kāi)始監(jiān)測(cè)”按鈕，將啟動(dòng)3條線(xiàn)程。線(xiàn)程1負(fù)責(zé)將GPS接收到的監(jiān)測(cè)車(chē)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，以供其他線(xiàn)程計(jì)算調(diào)用；線(xiàn)程2負(fù)責(zé)每隔一段時(shí)間從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取監(jiān)測(cè)車(chē)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)及電臺(tái)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，由MapX工具繪制行車(chē)采集軌跡及監(jiān)測(cè)得到的電臺(tái)位置；線(xiàn)程3為程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其流程圖如圖5所示。

啟動(dòng)線(xiàn)程3后，監(jiān)測(cè)流程如下：(1)首先通過(guò)軟件語(yǔ)言設(shè)置硬件參數(shù)，依據(jù)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的判斷，將有效數(shù)據(jù)存入程序全局?jǐn)?shù)組中；(2)通過(guò)對(duì)采樣數(shù)據(jù)周期長(zhǎng)度的方差計(jì)算，可判定信號(hào)的波特率；(3)解調(diào)模塊根據(jù)波特率的大小對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理；(4)參照數(shù)傳電臺(tái)傳輸P協(xié)議中的選址模式數(shù)據(jù)格式，對(duì)解調(diào)后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)幀分析，解碼得到數(shù)傳電臺(tái)地址碼；(5)由電臺(tái)定位模塊根據(jù)相同地址碼的若干組對(duì)信號(hào)強(qiáng)度和監(jiān)測(cè)車(chē)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)分析得到電臺(tái)地理位置經(jīng)緯度，并存入電臺(tái)經(jīng)緯度全局變量中，以供線(xiàn)程2讀取數(shù)據(jù)。

圖5 線(xiàn)程3流程圖

3條線(xiàn)程的數(shù)據(jù)通信由數(shù)據(jù)庫(kù)交互模塊進(jìn)行控制，并配合使用SetTimer、OnTimer函數(shù)[7]滿(mǎn)足程序中各線(xiàn)程對(duì)數(shù)據(jù)資源的讀寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)電臺(tái)信號(hào)和經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢(xún)，以及電臺(tái)和監(jiān)測(cè)車(chē)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)到電子地圖的調(diào)用輸出，從而直觀地在電子地圖上顯示監(jiān)測(cè)車(chē)系統(tǒng)和電臺(tái)地理位置。

通過(guò)研究實(shí)驗(yàn)，本系統(tǒng)能夠在信號(hào)速率為1 200/2 400 b/s，編碼方式為曼徹斯特、差分曼徹斯特情況下，成功地對(duì)MSK信號(hào)的速率、電臺(tái)地址碼、電臺(tái)位置等進(jìn)行監(jiān)測(cè)識(shí)別。而對(duì)于GMSK、QPSK等調(diào)制方式數(shù)傳電臺(tái)信號(hào)的識(shí)別有待進(jìn)一步深入的研究。

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