中短波频谱智能监测分析系统的设计与实现
吝磊 张鲁宁 侯伟斌
（国家新闻出版广电总局西安监测台）
摘要：射频信号流盘与重现技术是电子信息行业近年发展起来的一种全新科技，目前正不断被应用于实际工作当中，本文基于射频信号流盘与重现技术提出了中短波频谱智能监测分析系统的设计实现方法，所设计的系统能实现射频信号存储、离线解调、多路并行等突破性功能，能极大改善中短波广播监测效率，甚至可以对传统的监测模式进行重大革新。关键词：射频信号 流盘 监测0 引言
随着近年来微电子行业的迅猛发展，A/D转换器、DSP、CPU等器件的处理能力大大增强，尤其是可编程门阵列（FPGA）技术的成熟，为软件无线电“软件化”程度的提高奠定了硬件基础，射频信号流盘与重现技术是软件无线电迅猛发展的产物。以此为基础设计的中短波频谱智能监测分析系统利用中短波频段射频流盘技术，可将0-30MHz的射频信号存储在大容量磁盘里，并根据需要随时取出进行射频文件的离线解调，完全还原射频信号的历史信息，能进行音频监听、宽带信号频谱观测、窄带分析与解调、计算频点电平、功率、场强值及调制度分析，同时支持在线解调，利用软件无线电技术，对中短波信号可直接进行数字化，广播信号以数字化形式被各设备进行处理，增强了数据的保真性及处理速度，完成监听及信号分析。1 中短波频谱智能监测分析系统的关键技术
1.1 射频采集及信号处理射频信号在数字化之前做模拟处理越少越好，这样就要求A\D转换要尽可能的接近射频前端，直接对射频信号进行数字化。图1 理想射频数字化系统组成
根据Nyquist定律，在进行A/D转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>=2fmax)，采样之后的数字信号才能完整地保留原始信号中的信息。通过时域采样定理表述为：频带为F的连续信号 f(t)可用一系列离散的采样值f(t1),f(t1±Δt)，f(t1±2Δt)，...来表示,只要这些采样点的时间间隔Δt≤1/2F，便可根据各采样值完全恢复原来的信号f(t)。图2 模拟信号采样示意图
通过频域采样定理表述为：对于时间上受限制的连续信号f(t)（即当│t│>T 时,f(t)=0,这里T =T2-T1是信号的持续时间），若其频谱为F（ω）,则可在频域上用一系列离散的采样值来表示。理想软件无线电要求对整个射频信号进行采样，根据Nyquist低通采样和带通信号采样理论，其对A/D的转换速度、工作带宽、动态范围的要求极高。本系统采用采样率为150MS/s的ADC，完成0-30MHz中短波频段的射频信号数字化处理。1.2 宽带数字信号处理宽带数字信号具有可重复、灵活性及稳定性，由于正交四相相移键控（QPSK）性能优越而被广泛使用，在解调过程中需将QPSK宽带数字信号解调成数字基带信号再进行数字信号处理。本系统设计采用现场可编程门阵列FPGA实现数字调制解调及基带信号处理，经高速总线输出的宽带数字信号为QPSK信号，其表达式为：Tb是信号的码元 ωc是载波功率
1.3 窄带数字信号处理窄带数字信号主要用来进行信号的参数测量分析，包括信号电平、误差矢量幅值（EVM）、调制误码率（MER）、噪声余量、信噪比（S\N）、调制度等。1.4 高速总线由于高速采集设备及数据处理的存在，普通计算机PCI总线不能满足大数据量的传输，本系统设计采用PXIe高速总线，为高速采集板卡的应用提供了硬件平台。2 中短波频谱智能监测分析系统核心硬件设计
系统从技术实现上分为应用层和设备层。应用层是和系统操作人员直接相关的部分，包括：Web服务器、数据服务器、文件服务器及语音检索、语音对比系统。设备层是指与信号的接收处理密切相关的部分，包括：宽带流盘、多通道实时解调、频率筛选、指标计算、多通道离线解调、频率筛选、指标计算。设备层是整个系统的核心，是实现中短波频谱智能监测分析系统功能的关键。图3 中短波频谱智能监测分析系统结构图
2.1 设备层的硬件组成设备层按硬件构架来讲是由射频采集、宽带解调、窄带解调、窄带分析、数据传输等部分组成。硬件采用美国国家仪器公司（NI）PXIe5622实现0-30MHz射频信号的直接A/D转换；以FPGA硬件模块FlexRIO7965R为解调算法的处理核心，完成降采样、滤波等算法，从宽带数据文件中解调得到各个频点的窄带数据，对多路信号实时解调；运用拥有4核处理器的PXIe-8133作为系统的控制中心，完成人机交互、外部控制、窄带数据的分析及解调；各设备的协调通过基于拥有PXIe高速总线的PIXe1075机箱实现。图4 中短波频谱智能监测分析系统设备层构架
2.2 射频采集处理方案设备采用了NI-PXIe5622数字化仪，内置采样率为150MS/s、16位分辨率的高速ADC，支持在所有采样率下的抗混叠抽取，配备60MHzIF带宽的正交数字下变频（DDC），结合高速DSP实现对75MHz以下射频信号的数字处理，利用PXIe总线接口输出数字宽带数据便于进行下一步数字处理。图5 PXIe5622对射频信号处理过程
2.3 宽带数字信号处理方案设备采用NI FlexRIO7965R 完成数字解调任务，NI FlexRIO7965R基于PXI Express的NI FlexRIO FPGA模块集成了针对数字信号处理应用的高性能Xilinx Virtex-5 SXT FPGA与高达512 MB的板载DRAM，同时其集成了NI FlexRIO适配器模块，为FPGA提供灵活的I/O。每块NI FlexRIO FPGA最高可支持8路全并行降采样、滤波及解调，可实现8路信号的实时同步解调。经过可编程门阵列（FPGA）的处理，多路窄带数字信号，通过PXIe接口在PXIe高速总线上传输；拥有高速总线的PIXe1075机箱最多可以支持16块NI FlexRIO7965R，最多同时可以实现8×16路信号实时解调。2.4 窄带数字信号处理方案设备采用NI PXIe-8133RT来独立处理窄带信号，作为独立的计算模块，其核心任务是完成频谱分析、指标计算、音频数据处理等，之所以使用独立的模块完成各类分析计算而不使用FGPA模块直接完成，一方面是为了节省FPGA硬件资源，另一方面是为了更迅速的完成各类分析计算。3 中短波频谱智能监测分析系统软件架构
3.1 系统应用层3.1.1 Web服务器Web服务器作为用户直接访问的服务器，包括：①录音任务管理界面，频谱收测界面及历史数据回放界面；②广播任务监测界面。3.1.2 数据库服务器数据库服务器主要用来存储系统各项操作及处理结果。主要包括以下表单数据：录音任务管理表、射频流盘管理表、射频存储管理表、离线解调管理表、音频存储表、音频文件管理表、指标分析管理表、指标存储管理表、运行图、频谱收测任务表、频谱收测结果表、收测打分表、测向任务表、场强测量结果表。3.1.3文件服务器文件服务器用来对设备层采集的射频文件解调后获得的音频文件及信号指标信息进行存储。将文件按照一定命名规则进行存储，达到各席位之间的无延迟调用。3.1.4语音检索系统语音检索系统即是对语音关键词进行检索的系统。根据关键字或者语音特点，完成语音识别，自动判断电台、语言、节目和播出时间。3.1.5语音对比系统可通过动态链接库将独立运行的语音智能评估系统融合在一起，实现广播效果监测系统对广播效果的智能评估。3.2 系统设备层设备层是指直接与设备相关的部分，具有中短波射频信号的接收、射频信号流盘（存储）、多路实时解调、离线解调及窄带信号实时\离线分析等功能，其软件架构设计如下。图6 中短波频谱智能监测分析系统设备层软件架构图
3.2.1主控引擎流程①启动接收机引擎、解调引擎、通信引擎；②工作模式切换；③从数据服务器更新录音任务列表，生成录音任务实例，由接收机引擎实施；④据已经执行过的录音任务实例，生成一个解调任务清单，由解调引擎实施；⑤向接收机引擎索要IQ Data，收到后进行宽带频谱、窄带频谱、单频点频谱的三部分频谱显示；⑥控制音频的播放，由解调引擎实时；⑦显示接收机引擎的状态信息：接收机设置、录音任务执行状态；⑧显示解调引擎的状态信息；⑨记录设备的运行日志；⑩自动更新相应盘符的容量、百分比。3.2.2通信引擎流程①通过TCP接收天线选择设置信息，通过设备控制器串口发送出去；②通过TCP接收接收机设置信息，通过主控引擎转发给接收机引擎；③通过TCP接收解调引擎设置信息，通过主控引擎转发给解调引擎；④支持多客户端连接，当有多个客户端连接的时候，只响应最新的指令⑤向所有的连接定时、交互地反馈信息（哪些信息，待定义）；⑥接受连接的音频发送请求，连续返回音频数据。3.2.3接收机引擎流程①接收从主控引擎转发过来的接收机设置信息，设置接收机的参数，包括：中心频率，宽度，灵敏度；②接收从主控引擎转发过来的录音设置信息，由该引擎判断何时启动录音，并存储（注：在任务开始之前创建好文件头，打开文件，不断地从Queue中侦测有没有数据，有的话就开始存储。如果自动模式结束也没有存储数据，说明被手动模式打断了，需要将只有文件头的文件删除掉。无论任务是否完整执行都需要Main UI生成一个录音任务执行描述文件）；③响应主控引擎的IQ数据请求。3.2.4解调引擎流程①解调频点的选择a)手动模式实时解调和离线解调：可以从筛选出来的频率中添加、可以手动添加、可以接收TCP添加；b)自动模式录音状态：可以从筛选出来的频率中添加、可以手动添加、可以接收TCP添加；频率筛选：按照一定的规则筛选出要解调的频点，并给出所有广播频点的电平值、载噪比；离线解调状态：只从录音状态筛选出来的频率中自动挑一出。②解调数据源的选择a)手动模式实时解调：通过P2P的方式向FPGA传递数据；离线解调：将从宽带文件读取的数据通过DMA传给FPGA，FPGA之间都是通过P2P级联传递；b)自动模式录音状态：不一定进行解调，通过P2P的方式向FPGA传递数据；离线解调状态：将从宽带文件读取的数据通过DMA传给FPGA③音频文件的播放、存储a)如果解调结果源自于录音任务，按照录音任务要求存储到文件服务器；b)如果解调结果源自于手动模式、TCP指令，将解调得到音频数据通过TCP发送给相应的客户端；④指标参数的存储a)如果解调结果源自于录音任务，按照录音任务要求存储到文件服务器；b)如果解调结果源自于手动模式、TCP指令，将解调得到指标参数通过TCP发送给相应的客户端；⑤向主控引擎发送解调设备的工作状态4 中短波智能监测分析系统的功能实现
4.1 全频段频谱记录子系统本系统业务应用主要由软件部分完成，全频段频谱记录任务管理和查询界面分为频谱任务模式和自定义任务模式；用户通过选择任意广播频段（可以多选），并指定记录执行的日期、指定天线，确定记录的同时是否解调音频（默认为解调音频）、是否进行指标测量（默认为测量）后选择生成任务。任务生成后，显示在任务列表中，需要选择任务并下达任务，任务会进入数据库进入待执行状态；在任务下达后系统自动判别下发任务类别，其中频谱任务的优先级高于自定义模式任务。通过选择任务查询还可以查询已下达的任务以及执行情况。图7 全频段频谱记录子系统任务下达主界面
图8 全频段频谱记录主界面
4.2 软件无线电多通道数字回放子系统历史数据回放系统首先要通过指定起止时间和起至频率，可以查询到所执行的射频文件和音频文件。其中选择某个射频文件，能还原该频段在该时段的历史信息，并能将原始频谱图完全显示，通过选择频谱图上的左右两条切割线，可以详细显示任意宽度的频谱信息；同时可以指定单个频点进行窄带数据的分析，包括频谱图、电平、场强、调制度、频偏等；在指定频段频谱中通过算法计算，可以筛选有节目内容的播音频点。音频文件是该时段该频段经过算法筛选后有播音的频点音频，所有音频文件可实现单独监听。历史数据回放界面在对分析重要时期或广播播出质量的后续分析上有着至关重要的作用。图9 任意历史回放子系统主界面
图10 多通道音频回放系统主界面
4.3 中短波频段广播信号智能搜索子系统采用先进的频域、时域及通带信号的分析搜索算法模型，对实时采集的或前期在某地区某时段录制的全频谱信号进行分析搜索，结合语音识别系统自动发现新开频率、新开电台、及语种判别，为后续工作提供便利。图11 智能搜索子系统主界面
4.4 全频段频谱数据挖掘子系统全频段频谱数据挖掘子系统，需要用户在频谱任务设定中输入频谱的收测期或频谱记录任务的执行日期，选择后会跳入频谱任务的选择界面，其中里面的频谱任务是通过记录任务管理和查询界面所下达的任务，所以频谱记录任务下达的正确与否至关重要，选择某条任务确定过后页面就会弹入频谱收测分析列表。该子系统能根据记录的频谱数字化后的信息提取出各频道全天的信号强度分布情况、调制度等指标，并且结合语音识别技术对频道的全天的语音进行识别，对存在的敏感关键词检索。图12 全频段频谱数据挖掘子系统主界面
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