摘 要： 結(jié)合GIS技術(shù)，利用軟件算法完成對數(shù)傳電臺信號的中頻及基帶處理，通過解析電臺地址碼完成對數(shù)傳電臺頻點使用情況的監(jiān)測，分析電臺經(jīng)緯度信息、統(tǒng)計電臺數(shù)量，并在電子地圖上實時顯示已定位電臺位置。
關(guān)鍵詞： 數(shù)傳電臺；監(jiān)測；經(jīng)緯度；GIS
近年來隨著我國無線電業(yè)務(wù)發(fā)展，頻率資源使用極為緊張。為有效利用無線電資源，通過對無線數(shù)傳電臺的使用情況進行監(jiān)測分析，本文提出一種基于軟件無線電和GIS系統(tǒng)的數(shù)傳電臺監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，利用Visual C++6.0與MapX在Windows XP操作系統(tǒng)進行軟件開發(fā)，結(jié)合硬件實現(xiàn)對數(shù)傳電臺占用頻率、使用數(shù)量的實時監(jiān)測，并建立組網(wǎng)數(shù)傳電臺數(shù)據(jù)庫。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
數(shù)傳電臺監(jiān)測系統(tǒng)在Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境下利用MFC進行程序開發(fā)，在此環(huán)境中編寫事件代碼對硬件進行控制，并對MapInfo公司的MapX工具進行二次開發(fā)，提供了良好的人機交互界面。
本數(shù)傳電臺監(jiān)測系統(tǒng)主要由7個模塊組成：數(shù)據(jù)收集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)庫交互模塊、解碼模塊、地址碼分析模塊、電臺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，對數(shù)據(jù)進行二次處理。然后把經(jīng)緯度、信號強度等數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，由數(shù)據(jù)庫交互模塊對其進行管理。而電壓數(shù)據(jù)由解碼模塊進行解析，解析后得到的碼元信息通過地址碼分析模塊得到電臺地址碼。通過電臺定位模塊對其分析后，將得到的電臺經(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位置，同時電子地圖還可顯示監(jiān)測系統(tǒng)所在位置。
2 硬件設(shè)計
我國數(shù)傳電臺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)傳電臺無線信號的高頻、隨機特點，擬驅(qū)車采集分析信號。本系統(tǒng)采用工控計算機對各硬件進行控制，由無線接收機[1-2]獲取高頻信號，將信號通過選頻電路進行放大濾波后，由采集卡對其進行采樣以進行下一步處理。另外，利用GPS接收機來定位車輛行駛位置及經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，硬件模塊組成如圖2所示。
3 數(shù)據(jù)接收采集
本系統(tǒng)設(shè)計需要收集的數(shù)據(jù)包括無線信號數(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，通過串口控件指令操作計算機即可實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的接收存儲。
無線信號的接收存儲相對復(fù)雜，包括接收、采樣2個步驟。(1)接收方面，選用萬瑞公司的WR-G315寬頻段接收模塊來接收無線信號。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。該接收機的頻率范圍可滿足對數(shù)傳電臺230 MHz頻段信號的接收，且其10.7 MHz中頻輸出使信號已實現(xiàn)了1次降頻，其PCI接口使工控計算機可通過軟件語言調(diào)用動態(tài)鏈接庫函數(shù)來控制接收機的工作。(2)采樣方面，本設(shè)計選用阿爾泰公司基于PCI總線結(jié)構(gòu)的PCI8001高性能數(shù)據(jù)采集卡對中頻信號進行采樣存儲。其基本技術(shù)指標(biāo)為：32 bit PCI總線接口，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接口使工控計算機可方便地通過軟件命令直接對其工作方式進行操作，而且高采樣頻率充分滿足了對中頻信號的采樣，從采集卡得到的數(shù)據(jù)需進行二次加工、轉(zhuǎn)換，才可供程序使用。
對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，這樣的采樣率會造成數(shù)據(jù)處理的工作量非常巨大，考慮到數(shù)傳電臺工作帶寬僅為25 kHz，由欠采樣理論[4]可知：
其中fs為采樣頻率，f0是信號的載波，B為信號的帶寬，m=1，2，3…。欠采樣方式以大于2倍信號帶寬的速率對帶通信號進行采樣，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。對于載波頻率為10.7 MHz的信號，可取m=15，采樣頻率fs=1.38 MHz。
4 信號選頻濾波電路
由于WR-G315寬頻段接收模塊輸出的中頻信號比較微弱，幅值范圍為-40 mV~+40 mV，信號帶寬為2 MHz。這樣微弱的信號很容易與噪聲混淆在一起，而且其帶寬遠(yuǎn)大于數(shù)傳電臺工作帶寬，若按照1.38 MHz采樣則會出現(xiàn)嚴(yán)重的混頻?；谶@樣的考慮，在無線接收機中頻輸出端與數(shù)據(jù)采集卡通道之間添加1個信號選頻濾波電路[5]，對無線接收機中頻輸出信號進行放大濾波，其電路如圖3所示。經(jīng)LeCroy Wave Sufer 434示波器測量：從選頻濾波電路輸出的信號幅值范圍為：-1.2 V~+1.2 V，而其帶寬降至500 kHz。
5 軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件采用VC++6.0在Windows XP環(huán)境下進行開發(fā)，用MFC開發(fā)用戶操作軟件界面，利用C++語言編寫主程序。為了直觀地觀察電臺監(jiān)測情況，在界面中調(diào)用MapX軟件實時顯示信號采集車及數(shù)傳電臺的地理位置，并采用ADO技術(shù)結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)信息。軟件由主程序及3條線程組成，如圖4所示。
程序啟動后，首先進行硬件初始化。對于WRG315接收機可通過顯示連接的方式實現(xiàn)：
typedef int(__stdcall *FNCOpenRadioDevice)(int iDeviceNum)；//聲明
HMODULE dll=LoadLibrary(“wrg315api.dll”)；
//裝載動態(tài)連接庫
FNCOpenRadioDevice OpenRadioDevice=(FNCOpenRadioDevice)
GetProcAddress(dll，“OpenRadioDevice”)；
//鏈接API函數(shù)
int hRadio=OpenRadioDevice(0)；//打開 WRG315
PCI8001采集卡則由隱式連接方式實現(xiàn)硬件管理，在StdAfx.h全局頭文件中用包含語句：#include “PCI8001.H”來實現(xiàn)。
由如下語句進行初始化：
hDevice=PCI8001_CreateDevice(DeviceID)；
//創(chuàng)建設(shè)備對象
PCI8001_InitDeviceAD(hDevice，&ADPara)；
//初始化設(shè)備對象
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個窗口：view類型和form類型。在view窗口中利用菜單調(diào)入MapX工具[6]，通過接收經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，在地圖上描繪信號采集車及數(shù)傳電臺地理位置；在form版面上設(shè)置各種按鈕控件，并編寫數(shù)據(jù)采集過程及參數(shù)設(shè)置的控制代碼，添加MSCOMM控件，通過控制串口接收GPS的經(jīng)緯度信息。
單擊界面中的“開始監(jiān)測”按鈕，將啟動3條線程。線程1負(fù)責(zé)將GPS接收到的監(jiān)測車經(jīng)緯度數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，以供其他線程計算調(diào)用；線程2負(fù)責(zé)每隔一段時間從數(shù)據(jù)庫中讀取監(jiān)測車經(jīng)緯度數(shù)據(jù)及電臺經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，由MapX工具繪制行車采集軌跡及監(jiān)測得到的電臺位置；線程3為程序設(shè)計的重點，其流程圖如圖5所示。
啟動線程3后，監(jiān)測流程如下：(1)首先通過軟件語言設(shè)置硬件參數(shù)，依據(jù)對信號強度的判斷，將有效數(shù)據(jù)存入程序全局?jǐn)?shù)組中；(2)通過對采樣數(shù)據(jù)周期長度的方差計算，可判定信號的波特率；(3)解調(diào)模塊根據(jù)波特率的大小對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理；(4)參照數(shù)傳電臺傳輸P協(xié)議中的選址模式數(shù)據(jù)格式，對解調(diào)后的數(shù)據(jù)信息進行數(shù)據(jù)幀分析，解碼得到數(shù)傳電臺地址碼；(5)由電臺定位模塊根據(jù)相同地址碼的若干組對信號強度和監(jiān)測車經(jīng)緯度數(shù)據(jù)分析得到電臺地理位置經(jīng)緯度，并存入電臺經(jīng)緯度全局變量中，以供線程2讀取數(shù)據(jù)。
3條線程的數(shù)據(jù)通信由數(shù)據(jù)庫交互模塊進行控制，并配合使用SetTimer、OnTimer函數(shù)[7]滿足程序中各線程對數(shù)據(jù)資源的讀寫，實現(xiàn)電臺信號和經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的存儲、查詢，以及電臺和監(jiān)測車經(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)測車系統(tǒng)和電臺地理位置。
通過研究實驗，本系統(tǒng)能夠在信號速率為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MSK信號的速率、電臺地址碼、電臺位置等進行監(jiān)測識別。而對于GMSK、QPSK等調(diào)制方式數(shù)傳電臺信號的識別有待進一步深入的研究。
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