基于安卓终端的多模信号频域分析及装置研发

王 鹏 傅子明 洪训山 韦景康

（广东电网有限责任公司佛山供电局，广东佛山528000）

0 引言

移动通信网络经历了十几年的建设和发展，基站数量不断增加，通信覆盖面日益扩大，而且随着城市化建设的推进，高楼和地下建筑林立，无线网络环境更加复杂多变。移动通信基站是发送和接收信号的基本设施，传递的一般是电信号，而传统的示波器等仪器只能测量模拟信号，了解信号的时域特性，在对移动基站信号进行监测时往往又需要从频域的角度对信号进行分析[1]，所以有必要自行设计一款便携的信号检测装置。

1 蜂窝通信网络原理

整个蜂窝通信网络大体上可以分为两大方向：BSS（基站子系统）和NSS（移动网子系统）。网路子系统主要的功能是，可以为移动通信用户提供数据交互、移动性管理和安全性管理所需要的数据库。而基站子系统是蜂窝网络通信系统中，与无线通信网络最直接关系的一个部分，它主要的功能是通过空中MS和BTS之间的接口与蜂窝终端设备相连接，并负责整个蜂窝网络信号的发送、接收，包括对无线通信资源的管理。整个基站子系统是由基站和基站控制器两大部分组成。其中基站控制器（Base Station Controller）是基站子系统（BSS）的控制部分，管理各种无线资源和通信参数。基站收发信台（Base Transceiver Station）属于基站子系统的无线部分，由基站控制器所控制，通过空中接口来完成无线信号的收发功能[2]。从上述分析我们可以得出：影响无线基站信号覆盖的主要原因，集中在基站系统、基站与手机之间的无线通信环境。

2 现场信号检测系统设计

数字信号处理技术的出现，FFT算法的提出，蓝牙无线技术、安卓移动终端的广泛应用，给数字信号处理领域带来了革命性的进步，极大地提高了信号检测的精度和速度，也促使蜂窝信号检测系统设计向微型化和轻型化发展[3]。如图1所示，便携式的现场蜂窝信号检测装置将现场采集的通信信号经过信号调理和滤波后进行A/D采样，并转换为数字信号，然后对采样信号进行时域和频域分析，最后将数据通过UART转蓝牙接口电路，由蓝牙无线信号上传到安卓移动终端，APP软件完成对数据的进一步分析处理、展示及存储。

信号检测性能设计要求：能检测目前国内在商用运行的各种制式和频段的公网无线信号，一共是7种网络模式和13个频段[4]，具体包括GSM：900/1800MHz、CDMA20001x/EVDO：BC0、WCDMA：B1、TDSCDMA：B34/B39、TDD-LTE：B38/B39/B40/B41、FDDLTE：B1/B3，信号强度测量范围-60～-110dBm。

图1 现场信号检测系统结构图

其他性能要求，内置20 000 mAh备用电源，可满足设备独立在线运行5天；充电输入电压4.5～6 V；充电电流2 A；外置天线接口设计，可方便接入各种类型的天线。

3 现场信号检测模块设计

利用DSP+ARM SoC芯片组成可行的最小系统是整个蜂窝信号检测装置设备的核心，由DSP+ARM SoC芯片和人机交互模块、电池充放电管理模块和蓝牙通信模块等一些辅助电路构成，如图2所示，检测装置完成信号监测和数据通信功能。设备采用美国TI公司面向高速数据采集应用推出的一款新的SoC DSP芯片66AK2H12，内核构成如图3所示。这是一款较为完整的高性能高速数据采集与控制单片系统，让模/数转换器、数/模转换器以及模拟前端实现更简便的连接，拥有8个DSP核+4个ARM内核，将DSP的快速处理和ARM的可扩展性相结合。该器件具有处理速度快、精度高、成本低、功耗小、性能高、外设集成度高、数据以及程序存储量大、内置信号模数转换器（ADC）、A/D转换更精确快速等特点，不仅适用于数字信号处理，而且在图像处理、语音处理、通信等领域得到了广泛应用，已成为通信、计算机、消费类电子产品以及控制等领域的基础器件，更是那些需要进行定点运算的便携式产品的理想选择[5]。为了便于采购和批量化生产，采用了Quectel生产的集成66AK2H12核心的信号处理模块，具体型号为EC20-CD。

4 系统软件设计

上一节我们已经通过运用66AK2H12芯片结合适当的外围接口电路为整个蜂窝信号检测装置设计了一个高效的硬件平台，接下来需要应用FFT算法来对数据做相应的运算，主要分为初始化模块和运行模块，其中包括数据采集程序、数据处理程序、串口通信程序等关键程序。

图2 系统架构图

图3 主芯片架构主要功能示意图

本系统软件部分最核心的FFT算法的实质是将长序列的DFT运算逐级分解为较短序列的DFT运算，如果该DFT/IDFT处理器的运算性能不佳，将成为整个系统的瓶颈，所以在算法上使DFT的计算量减少了两个数量级，这样可以很大程度上减少系统的运算时间。如果输入数据是完全的实数，复数DFT算法也依然可以使用，其中一个简单的方法就是将数据虚部分填零，实部部分是采样点，复数傅里叶变换便可以直接地被使用[6]。

假设g（n）为56点实数序列，则令：

定义x（n）=x（en）+jx（0n）则对x（n）进行傅里叶变换，结果如下式所示：

5 现场应用

通过在电力系统运行现场安装现场信号检测模块进行实地验证，如图4所示，该设备能正常采集到周边公网运营商各个基站的信息，并分析出基站所属的运营商、基站频率和基站信号强度，并生成如图5所示的报告。通过与中国移动、中国联通和中国电信三家运营商的基站GIS信息系统中查询到的基站信息进行比对，基于安卓终端的APP程序上展示的信息与运营商记录的信息相一致；通过与运营商现场使用的专用信号强度检测设备进行比对，运营商的检测设备采集到的测试地点基站实际信号强度与基于安卓终端的APP程序上展示的信号强度数据基本一致，误差小于5%。通过以上方式进行实地测试，本系统满足既定的设计目标。

图4 现场安装照片

图5 安卓终端APP报告展示

6 结语

目前在电力系统中，大量使用基于运营商SIM的终端类设备将现场数据发送到后台主站，然而在现场实施和设备运行过程中，经常遇到由于现场信号无法可视和各个运营商信号覆盖率问题，而选择了错误的运营商的SIM卡，导致设备无法上线传送数据，造成数据完整率低的情况发生。

通过研制和应用基于安卓终端的现场信号检测装置，工作人员可以方便地查看现场各个运营商的信号覆盖率和信号质量。整个信号检测系统经过现场的试运行，效果显著，降低了返工率，减少了运行维护人员的工作量，提高了电力系统的数据完整性和稳定性，为企业运营带来了显著的经济效益。

[1]王刚.基于目前我国移动通信室内分布系统的现状[J].数字化用户，2013（18）：23.

[2]张羽.基于移动通信室内分布系统的一些设计研究[J].硅谷，2013（20）：80.

[3]李鑫.浅谈数字信号处理器DSP的发展和应用[J].硅谷，2008（14）：28.

[4]李建东，郭梯云，邬国扬.移动通信[M].4版.西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[5]骆敏，黎亚元，张景明，等.基于DSP的现场总线测控仪开发研究[J].中国设备工程，2008（1）：45-47.

[6]陈恒亮，蒋勇.基于DSP的实数FFT算法研究与实现[J].动力学与控制学报，2005，3（2）：50-53.