新颖场强测试仪的分析与设计

刘泽群，黄乘顺，李 男

(邵阳学院信息工程系，湖南邵阳422000)

0 引言

近年来，随着无线通信事业的迅猛发展，无线频谱资源的有效利用已成为通信与信息业研究的焦点问题，与此同时，对无线环境的监测与安全防护也是一个日益重要的课题.场强仪可用来计量空间电磁波场强的大小，因此，场强仪融入了越来越多的新设计，功能也越来越强大，朝着高精度、智能化和小型化发展.国家质量技术监督局对用于环境监测和安全防护的场强仪的测量精度提出了更高要求［1］.同时，对各种场强仪的研究与应用，具有广阔的应用范围和良好的社会经济效益.

1 无线信号的传播与测量

论文研究的条件是自由空间条件，在自由空间中不存在折射、反射、衍射、色散和吸收损耗等现象，电磁波在自由空间中的传播速度与真空相同.自由空间为无限大的无损耗空间，电导率为零，磁导率值与真空中相同.在此条件下，计算无线信号接收端信号的大小，可以用Friis自由空间传播方程描述，如公式(1)所示.

其中Pr为接收机接收信号的功率，Pt为发射机发射信号的功率，L为系统的损耗因子它与传播无关，λ为工作波长;d为收发天线之间的距离;接收天线与发射天线的增益为Gr、Gt，在实际传播空间中，接收端的无线信号功率Pt近似为:

由此可知实际空间与理想空间的差异比较大，上面的模型只适合于一种特殊传播的情况，即要求d≥d0，式中d≥2D2/λ和ht、hr分别为发射天线与接收天线的高度参数;n为路径损耗.实际应用中自由空间各点的接收功率可以用公式(3)来描述:

在实际应用中，一般用dBm来作为无线场强功率的单位.通过参考位置距离的大小以及对应的接收功率，可以求出距离为d时的接收功率pr(d)与距离为d0是接收功率的比值.

2 系统的分析与设计

该系统硬件结构如图1所示，以芯片MSP430g2553为核心，将采集的无线信号分别经过高放、检波、低放电路等电路后传给单片机，经过单片机内部的AD转换器将采集的信号转化为数字信号，最后将检测到的信号的大小显示到LCD12864上.天线角度及高度的调整对无线场强测试的精度有一定的影响.实际测试中，可以通过标准的频谱分析仪进行测试与修正.MSP430g2553是TI公司的一款单片机［2］，具有超强的抗干扰性、加密性强，且具有很低的功耗.

图1 场强测试仪系统硬件结构Fig.1 The hardware structure of the system to field strength tester

2.1 无线信号采集与处理

无线信号的采集及处理电路如图2所示，E1为环形天线［3］将接收到的信号分别经过高放、选频、检波和低放等处理最后传给单片机，R1为可调电阻，用于调节三极管的静态工作点及放大倍数，L1和C1组成谐振回路，调节L1和C1的值可以选择相应频率的信号，采用二极管包络检波的方法进行检波，低放电路主要由集成芯片LM386构成.

图2 无线信号采集与处理模块Fig.2 Wireless signal acquisition and processing module

2.2 算法分析与去噪滤波

该系统软件主要实现以下功能:显示、AD采样、数据处理与滤波等功能.其中，显示功能通过LCD12864来实现，AD采样功能可通过编写单片机AD采样程序实现.通过单片机内部的AD10及相应的代码将接收到的信号进行AD转换，通过中断［4］的方式对转换的数据进行相关处理.

根据滤波算法，编写滤波子程序对得到的数据进行滤波.单片机的采样频率为10ms/次，将处理的数据进行中值滤波处理［5］，同时显示到 LCD12864 上.

为了滤除数字噪声影响，得到更精确的数据，系统编程采用了中值滤波方法，即:把N个连续采样值相加，然后取其算术平均值作为本次测量的滤波值，即

其中Xi=Si+ni

在式中，Si为采样值ni为随机误差.则有:

而按统计规律，随机噪声的统计平均值为0，则有:

从公式中可以知道N的取值对滤波的效果有很大的影响，N越大滤波的效果越好，消除数字噪音的能力越大，理论上证明采用均值滤波法可有效地消除随机干扰，提高系统的测试精度.

3 结果分析

对所设计的系统，采用高频信号发生器与频谱分析仪进行测试.使用无线信号发生器发射不同频率的无线信号，观察液晶显示器上显示的数值，与发射信号相比并算出误差，实验测试数据如表1所示.

表1 测试数据Tab.1 Testing data

4 总结

本系统是一种新型的场强测试系统，具有精度高、便携带、稳定性好等特点.软件设计中采用均值滤波算法有效提高了系统的测试精度，测试数据表明系统误差范围小于10%，具有良好的测试精度.

［1］杨良官.场强测试仪的检定［J］.工业计量，2000，3(56):1-2.

［2］沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［3］C.A.Balanis.天线理论—分析与设计［M］.于志远译.北京:电子工业出版社，1988.

［4］万明.RFID天线仿真与测试研究［J］.华南理工大学，2009，12:399-402.

［5］贾永红.数字图像处理(第二版)［M］.武汉:武汉大学出版社，2010.