基于稀疏傅里葉變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)捕獲系統(tǒng)

徐桂敏，楊正祥

（1.湖北第二師范學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢430205；2.武漢交通職業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院，湖北 武漢430065）

0 引言

隨著通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，內(nèi)部數(shù)據(jù)信息越來(lái)越復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)日漸龐大，接收捕獲微弱信號(hào)變得更加困難。捕獲微弱信號(hào)是電子通信網(wǎng)絡(luò)的第一步，能夠很好地確認(rèn)通信網(wǎng)絡(luò)信息，并實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)碼相位和載波頻率的估算，進(jìn)而更好地確定初始值[1]。近年來(lái)，科學(xué)家在微弱信號(hào)捕獲這一課題上進(jìn)行了大量的研究，并研發(fā)出了幾種典型的捕獲方法，主要有基于時(shí)域的串行捕獲方法、基于頻域的并行頻率搜索捕獲方法和基于頻域的并行碼相位搜索捕獲方法。雖然這些方法都具備一定的優(yōu)勢(shì)，成為了當(dāng)前的常用方法，但是也存在著各種不同的問(wèn)題。時(shí)域串行捕獲方法雖然硬件設(shè)備簡(jiǎn)單，但是運(yùn)行過(guò)程較長(zhǎng)，需要涉及大量的計(jì)算，很容易出現(xiàn)誤差；基于頻域的并行頻率搜索捕獲方法僅能在載波頻率這一方向上實(shí)現(xiàn)并行搜索；基于頻域的并行碼相位搜索捕獲方法是目前最常用的方法，該方法引入了快速傅里葉變換技術(shù)，通過(guò)并行搜索加快對(duì)通信微弱信號(hào)的捕獲速度[2]。

本文在基于頻域的并行碼相位搜索捕獲方法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用稀疏傅里葉變換這一手段設(shè)計(jì)了一種針對(duì)電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)的捕獲系統(tǒng)。稀疏傅里葉變換是由MIT的相關(guān)學(xué)者提出，在分析信號(hào)在頻域中的稀疏特性后，分別利用加窗、混疊、重構(gòu)三個(gè)步驟完成亞線性處理。本文研究的捕獲系統(tǒng)在選取采樣因子上進(jìn)行了強(qiáng)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的捕獲能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不僅可以降低捕獲過(guò)程的復(fù)雜程度，同時(shí)可以提高捕獲效率。

1 電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)捕獲系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于稀疏傅里葉變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)捕獲系統(tǒng)內(nèi)部接收機(jī)通過(guò)采樣和變頻將信號(hào)轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)，根據(jù)確定的多普勒搜索頻點(diǎn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行捕獲，去載波處理后得到輸出結(jié)果，積分器在系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)揮著低通濾波的作用[3-4]?；谙∈韪道锶~變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)捕獲系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)捕獲系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1可知，系統(tǒng)硬件主要由信號(hào)采集器、控制器、處理器、積分器和低通濾波器組成[5]。采集器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

觀察圖2，本文研究的采集器為雙通道載波采集器，該采集器在采集數(shù)據(jù)時(shí)，由于雙路永遠(yuǎn)實(shí)時(shí)在線，所以一旦發(fā)生故障，采集器可以立刻上報(bào)，通過(guò)切換電源，防止故障帶來(lái)的狀態(tài)變化，保證能夠時(shí)刻采集到電子通信網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部信號(hào)，通過(guò)智能運(yùn)維及時(shí)預(yù)測(cè)到故障，從而確定線路運(yùn)行的安全性[6]。

圖2 采集器結(jié)構(gòu)

ARM主控單元、載波總控網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)平臺(tái)同時(shí)控制采集接口和前端設(shè)備，利用數(shù)據(jù)采集接口將前端的各個(gè)設(shè)備與主控單元連接到一起，載波單元設(shè)定為2個(gè)，在連接ARM主控單元后，獲得兩路RISC載波處理通道，在與PLC電力線相連接后，在載波通道上接收來(lái)自通信網(wǎng)絡(luò)電力線OFDM調(diào)制的信號(hào)，在與電能信號(hào)耦合后，得到確定的數(shù)據(jù)信號(hào)[7]。采集器除了負(fù)責(zé)采集通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)之外，還負(fù)責(zé)記錄通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)、電壓、電流、功率等各項(xiàng)主要參數(shù)。

控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制器結(jié)構(gòu)圖

控制器使用的總線為CAN總線，CAN總線的通信介質(zhì)為雙絞線，擁有靈活的通信方式，在CAN總線中集成CAN協(xié)議，確保物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，從而處理得到的通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)，完成幀處理[8]。

CAN控制器和總線之間加入了82C250驅(qū)動(dòng)芯片，通過(guò)該驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)差動(dòng)、接收功能，利用F2407提供電量，電壓為3.5 V，該控制器的外設(shè)模塊為16位，通過(guò)8個(gè)字節(jié)的郵箱支持捕獲系統(tǒng)CAN2.OB協(xié)議，控制器同時(shí)具有自動(dòng)恢復(fù)、自動(dòng)重復(fù)和錯(cuò)誤診斷功能，控制器內(nèi)部的ARM空間[9]為48×16位。

處理器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

監(jiān)測(cè)結(jié)束后,讀取數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)固定周期(2 min)檢測(cè)器和變周期數(shù)據(jù)傳輸檢測(cè)器每次發(fā)送的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行提取,記錄并累加數(shù)據(jù)字符的長(zhǎng)度,每天統(tǒng)計(jì)一次。兩種模式下,數(shù)據(jù)字符長(zhǎng)度累加情況如圖11所示。

圖4 處理器結(jié)構(gòu)

由圖4可知，本文設(shè)計(jì)的捕獲系統(tǒng)是一塊超大規(guī)模集成電路，通過(guò)運(yùn)算核心和控制核心控制處理器的工作狀態(tài)，處理器主要包括存儲(chǔ)單元、輸入單元、輸出單元三大核心單元。從存儲(chǔ)器中輸出各項(xiàng)指令，轉(zhuǎn)入到指令寄存器后生成指令譯碼，由指令譯碼完成不同的微操作，由此進(jìn)一步控制整個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)操作，每個(gè)指令都會(huì)有多個(gè)字節(jié)，根據(jù)操作碼字段分析不同地址的字段，對(duì)不同信號(hào)進(jìn)行處理[10]。

低通濾波器如圖5所示。

圖5 低通濾波器

低通濾波器選取的電容為1 000 pF，利用電阻公式計(jì)算出電阻值，通過(guò)R1、R2消除運(yùn)放過(guò)程由于失調(diào)電流產(chǎn)生的誤差，使運(yùn)放同相輸入端和反向輸入端產(chǎn)生的直流電阻大致相同。低通濾波器的增益關(guān)系如表1所示。

表1 低通電路階數(shù)與增益之間的關(guān)系

2 基于稀疏傅里葉變換的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)捕獲是一個(gè)三維搜索過(guò)程，需要搜索的信息包括通信碼、碼相位和載波頻率，當(dāng)通信碼和本地地址的碼數(shù)相位相同時(shí)，本地得到的載波頻率與通信網(wǎng)絡(luò)微弱信號(hào)的載波頻率相同，二者之間會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的相關(guān)值[11]。捕獲結(jié)果如圖6所示。

圖6 電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)捕獲成功結(jié)果

分析圖6可知，在二維搜索過(guò)程中，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)峰值，這一峰值具有顯著的特點(diǎn)，與其他各個(gè)搜索單元的積分值相比，微弱信號(hào)的積分值明顯偏高，這也可以證明該微弱信號(hào)被成功捕獲，所有捕獲的網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)輸出值都具有稀疏性[12]。

在碼相位中，軟件實(shí)現(xiàn)頻域的循環(huán)相關(guān)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)捕獲功能，提高捕獲效率。稀疏傅里葉變換技術(shù)充分利用了信號(hào)在頻域中的稀疏特性，對(duì)快速傅里葉變換算法進(jìn)行簡(jiǎn)化，提高運(yùn)算效率，稀疏傅里葉變換算法得到的頻譜分析效果圖相同，但是運(yùn)算復(fù)雜程度很低。稀疏傅里葉變換算法利用頻域重排、窗函數(shù)濾波、哈希映射、頻域降采樣、定位、估值等步驟完成捕獲過(guò)程[13]。工作流程如圖7所示。

圖7 基于稀疏傅里葉變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)捕獲系統(tǒng)軟件工作流程

1）頻域重排。確定電子通信網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，在信號(hào)中選取隨機(jī)參數(shù)σ，τ（τ為奇數(shù)）重排信號(hào)，重排結(jié)果為：

在式（1）中引入傅里葉變換的根因子W N=e-j2πN，得到：

2）窗函數(shù)濾波。將得到的q(n)放入濾波器進(jìn)行濾波處理，得到的結(jié)果如下：

本文選用的窗函數(shù)濾波器為多爾夫-切比雪夫?yàn)V波器，該濾波器具有過(guò)渡帶陡峭、計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單、大系數(shù)集中的特點(diǎn)[14-15]。

3）頻域降采樣。利用得到的因子p將y(n)混疊，處理混疊后的信號(hào)，得到的處理結(jié)果定義為B點(diǎn)：

4）哈希映射。哈希函數(shù)定義為：

偏移量定位公式為：

5）定位。記錄所有Z(k)中最大的譜峰值，并將所有記錄的值都放入到集合J中，定位集合J中的元素，獲得集合H，則集合H滿足的條件為：

6）估算。分別找到微弱信號(hào)的估算值，并在oσ′(k)中得到下平滑窗函數(shù)的譜，最后完成電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)捕獲。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了檢測(cè)本文研究的基于稀疏傅里葉變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)捕獲系統(tǒng)的工作效果，與傳統(tǒng)的基于快速傅里葉變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)捕獲系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

設(shè)定通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的頻率為10.125 MHz，采樣頻率設(shè)定成29.412 MHz，該系統(tǒng)的驗(yàn)證過(guò)程在軟件接收機(jī)上完成，設(shè)定頻譜的搜索范圍在[-8，8]之間，頻譜搜索的步長(zhǎng)則為800 Hz，電子通信網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度為T，T的取值分別為1 ms，2 ms，5 ms，設(shè)定采樣因子P的取值為1，2，4，選取不同的捕獲系統(tǒng)對(duì)不同取值的采樣因子分別進(jìn)行捕獲，計(jì)算捕獲結(jié)果。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

當(dāng)T的取值分別為1 ms，2 ms，5 ms時(shí)，得到傳統(tǒng)系統(tǒng)與本文系統(tǒng)捕獲結(jié)果如表2～表4所示。

表2 電子網(wǎng)絡(luò)通信弱信號(hào)捕獲結(jié)果（T=1 ms）

表3 電子網(wǎng)絡(luò)通信弱信號(hào)捕獲結(jié)果（T=2 ms）

表4 電子網(wǎng)絡(luò)通信弱信號(hào)捕獲結(jié)果（T=5 ms）

分析表2～表4可知：當(dāng)T=1 ms時(shí)，本文系統(tǒng)的運(yùn)算效率約是傳統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)算效率的1.64倍；當(dāng)T=2 ms時(shí)，本文系統(tǒng)的運(yùn)算效率約是傳統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)算效率的2.41倍；當(dāng)T=5 ms時(shí)，本文系統(tǒng)的運(yùn)算效率約是傳統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)算效率的2.52倍，說(shuō)明隨著捕獲數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N的增加，基于稀疏傅里葉變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)捕獲系統(tǒng)的運(yùn)行效率提升效果更加明顯。

4 結(jié)論

本文對(duì)電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)的“稀疏”特性進(jìn)行了充分分析，將稀疏傅里葉變換算法引入到基于快速傅里葉變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)捕獲系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了新的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)捕獲系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）基于稀疏傅里葉變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)捕獲系統(tǒng)能夠快速捕獲到電子通信網(wǎng)絡(luò)中的弱信號(hào)，相比傳統(tǒng)的基于快速傅里葉變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)捕獲系統(tǒng)而言，本文系統(tǒng)的捕獲能力提升了2倍以上；

2）隨著運(yùn)算信號(hào)長(zhǎng)度的增大，系統(tǒng)的運(yùn)算能力更強(qiáng)，運(yùn)算效率更快；

3）由于運(yùn)算效率的提高，本文研究的系統(tǒng)對(duì)降采樣因子的取值更小，捕獲的誤差更小。