基于电磁频谱检测的无线电测量技术实验实训教学方法研究

陈真佳， 褚松坤， 苏 婷

（海南大学 信息与通信工程学院， 海南 海口 570228）

0 引 言

电磁频谱资源是十分重要的国家战略资源。电磁频谱资源的合理利用和电磁干扰检测已经成为无线电测量技术中的关键问题。近年来，国家持续提出了“海洋强国”等重大战略部署。国家海洋局信息化办公室编制出台了《国家海洋局关于进一步加强海洋信息化工作的若干意见》，推动“智慧海洋”工程立项论证与实施。我国对海洋特别是南海地区的开发力度逐渐加大，海洋探勘、渔业作业、公安边防等活动日渐频繁。南海海域军事活动日趋正常化，海洋经济迅速发展，作为“海上丝绸之路”的咽喉要道，海上交通运输作业日益繁忙。电磁频谱检测方法作为海南省自由贸易港建设过程中无线电业务安全的重要保障技术，也是无线电测量技术课程的重要理论支撑。基于软件无线电设备的电磁频谱监测平台已经作为无线电信号监测、信号频率捕获、射频数据存储与监听等功能的重要解决方案[1-2]。“十五”期间，无线电监测技术设施建设投资进一步增加，目前已经实现各大城市地区的无线电监测站点联网[3]。随着无线电业务的剧增，不同频段出现了各式各样的用频设备，比如飞行器、无线通信系统、传感器网络等，其中也涌现出大量的黑基站、黑广播等违法无线电设备，严重干扰了电磁频谱资源环境[4-5]。无线电测量技术作为一门专业选修课，可以让学生快速结合现实生活中的真实场景，基于无线电技术理论知识掌握相关的无线电信号监测方法。

电磁频谱检测是无线电测量技术的重要手段。结合辅助参数检测，复杂环境中无线电信号的监测成为研究人员的重要课题[6]。通过将信号从时间域变换到频率域，实现对无线电信号的频谱分析与研究[7]。中国人民解放军某部队分析了海上方向受到的外军威胁，以及威胁对装备的影响，从加强建设、采取灵活的反干扰手段和加强训练等三个方面提出了面对威胁、提高电子防御能力的思路。某研究所逐渐形成通信抗干扰、电磁频谱管理、装备数据工程、通信装备模块化、通信装备技术保障等特色技术研究领域[8]，近些年开展了基于人工智能技术的频谱预测技术研究，包括电磁频谱管理、电磁环境认知、信源估计方法、辐射源用频状态识别、智能频谱决策等。

开源的软件无线电平台GNURadio 已经成为学者们常用的无线电信号分析平台[9]。结合软件无线电硬件设备可以快速实现电磁频谱分析仪，完成无线电测量功能[10]。但是依托平台的电磁频谱检测系统有较高的系统配置要求，难以实现轻便、多检测节点的无线电测量业务。虽然无线电监督管理局搭建了许多固定监测站，但是仍然需要多次派遣技术人员手持昂贵的频谱分析仪进行移动测试。为了提高无线电测量效率，本文基于电磁频谱检测技术，结合嵌入式智能系统与软件无线电构建移动无线电检测终端。基于电磁频谱数据库与频谱可视化的需求，提出移动电磁频谱检测终端-频谱数据组播通信-电磁频谱数据库与可视化三位一体的无线电测量模式。无线电测量技术作为通信类专业的基础理论和工程实践背景，有必要结合前沿的技术来进一步提高学生对理论知识的掌握程度。结合实验与实训，支撑工程教育认证大背景的要求，实现理论教学和实践教学的共同发展，培养学生的工程实践能力，为提升通信类专业人才的培养质量来研究专业课程建设方案。

1 总体方案

无线电测量技术是无线通信技术发展的产物。当前无线电技术已成为人们生活中非常重要的组成部分，而且在众多领域都已得到普遍应用。随着无线电技术的发展，无线电测量技术同样也得到了关注。无线电测量技术课程是高等院校中电子信息工程、通信工程等电子信息类专业教学规定选修的一门专业课程。通过本课程的教学向学生介绍无线电测量技术的基本概念、基本原理和主要技术，使学生能够理解和掌握无线电测量技术的基本原理和主要应用，了解当前无线电测量技术的最新技术和最新发展动态，掌握无线电测量技术的基本工具使用。面向实际工程实践应用，培养学生根据理论教学向实际工程实践转化的能力，增强学生对专业仪器设备的使用能力。结合计算机网络技术，基于电磁频谱检测算法提出一种无线电测量技术实验教学方法，其系统结构如图1 所示。

图1 基于电磁频谱检测的无线电测量技术实验教学系统结构

基于嵌入式系统架构与开源软件无线电硬件模块的便携式电磁频谱检测终端，使得学生可以快速开展无线电测量实验，得到电磁频谱实验数据，通过运营商网络、互联网、自组织网络等主干网络传输至后台服务器进行存储。针对无线电测量技术课程的特点，要求学生掌握无线电测量技术的基本概念、基本原理和主要技术；掌握无线通信系统的基本概念，了解无线通信系统组成与电波传播的基本关系；掌握在无线电测量过程中的基本测量参数和测量方法；了解无线电测量技术的最新技术和最新发展动态。在掌握软件无线电的基本工作流程、了解软件无线电技术在无线电测量中的应用、掌握软件无线电基本操作的基础上，熟悉使用基于嵌入式系统的移动电磁频谱检测终端设备。移动检测终端设备的系统结构如图2 所示。

为了让学生了解无线电测量技术在工程实践中的运用，掌握软件无线电模块和频谱分析仪专有设备的基本使用，本文提出开放专用无线电测量仪器硬件资源，结合虚拟仿真技术将硬件资源线上共享。后台服务器结合移动检测终端设备采集的电磁频谱数据，建立电磁频谱数据库，用于电磁频谱数据可视化，对比专用仪器设备优化算法[11]。教师则通过管理终端对实验数据进行管理，并通过后台电磁频谱数据可视化效果查看学生的实验情况。本文提出的基于电磁频谱检测方法的无线电测量实验教学方法目的是结合课程内容和实践培养学生运用无线电测量技术对目标空间中的无线电信号源进行实地监测与分析，最后根据所测得的电磁频谱数据撰写无线电测量报告的能力。结合理论课程，要求学生熟练使用设备对校园无线电环境进行测量，开展课程设计以实际测量、实训来提高学生的工程实践专业能力。

2 无线电测量实验实训教学

无线电测量技术课程是实践性较强的课程，强调实践和动手能力的培养应放在首位。课程教学的组织方式包括两大部分：理论课、实验课。以课堂教学为主，以实践课应用开发为辅，加强学生对基本概念、基本理论的理解和掌握，注重培养学生运用所学知识去分析问题、解决问题的能力。为了提高学生对无线电测量技术的体验，基于电磁频谱检测算法，提出了移动无线电测量实训以及实验数据分析与报告撰写的方式。结合专用仪器设备的操作接口规范，基于物联网技术将专用仪器设备的硬件资源线上发布分享，研究面向无线电测量技术课程的虚实结合的实验实训教学方案，构建并实现一体化实验平台原型[12]。结合无线电安全保障需求及电磁频谱资源管控策略来制定面向无线电测量技术的实验实训例程，构建无线电测量技术实验实训教学一体化平台。专业仪器设备，例如安捷伦手持频谱仪N9342C、安捷伦手持频谱仪N9912A 价格较为昂贵，无法满足学生一人一机的实验实训需求。基于嵌入式系统，结合软件无线电模块和环境辅助检测模块，构建了移动电磁频谱检测终端设备，实物图如图3 所示。该终端设备不仅降低了成本，而且能够充分发挥软件无线电的功能，基于电磁频谱检测方法能够获得目标无线电信号的原始射频I/Q数据，同时可以转换成为传统的频谱能量数据。嵌入式系统作为主控模块，在与软件无线电模块传输指令和获取频谱数据的基础上，能够构建网络结构更加灵活的自组织通信网络，将GPS、天线姿态（陀螺仪）、温湿度、光照度等测量数据回传至后台服务器，为全面分析复杂环境下无线电环境提供了技术支撑。

图3 移动检测终端设备实物图

2.1 电磁频谱监测数据采集与回传

移动检测终端设备实现了基本的电磁频谱分析功能，能够对目标区域进行电磁频谱能量检测，显示瞬时频谱与频谱瀑布图，如图4 所示。

图4 移动终端设备电磁频谱检测效果图

为了让学生掌握原始射频I/Q信号的记录与重放，掌握电磁频谱检测的数据分析方法，移动检测终端设备预留了原始射频I/Q数据采集功能，并能够将I/Q数据经过快速傅里叶变换（FFT）成为频谱能量数据[13]。由于嵌入式系统性能的限制，采集并存储原始射频I/Q数据存在一定的时间延迟，该功能作为可选选项供教学内容选择。射频I/Q数据包含无线信号源的所有信息。经过FFT 之后忽略了许多其他丰富的信号特征。与幅度/相位和FFT 相比，I/Q数据包含了更多的信号特征。软件无线电模块作为采集射频I/Q数据的射频前端模块，它的ADC/DAC 采样率可以达到8 位，即I/Q分量分布的范围为1～256（取值范围为[-1,1]）。在研究I/Q数据分布特性的过程中，基于开源脚本采集射频I/Q数据样本，以6 MHz 的采样率和6 MHz 的采样带宽采集目标频段的射频I/Q数据，每个样本的缓冲区包含131 072 个射频I/Q数据。以I为实部，以Q为虚部，射频I/Q数据样本的复数表示形式为：

S(i) =I+ jQ,I,Q∈[-1,1],i∈[1,131 072]

以I为x轴，以Q为y轴，以复数点的分量权重为z轴，可以得到目标频段射频I/Q样本数据分布情况，如图5 所示。如果将射频I/Q样本数据转换成为点向量数据，则每次电磁频谱检测活动所产生的数据量为十几KB，十分适合应用于网络传输。

图5 射频I/Q 样本数据分布效果图

移动检测终端设备首先将采集获得的射频I/Q样本数据保存至本地。终端设备定期检测与服务器的网络连接状态。终端设备通过运营商网络、互联网、自组织网络等方式接入，并能够与服务器建立物理网络连接，则终端设备上面的后台脚本会自动将本地的样本数据拷贝至服务器对应路径中。若终端设备始终无法与服务器建立连接，例如在海上或者郊区等网络覆盖不到的地区，终端设备则会将样本数据进行本地缓存。移动检测终端设备电磁频谱监测数据回传流程如图6 所示。

图6 移动检测终端设备电磁频谱监测数据回传流程

2.2 专业仪器设备接口规范与线上共享

专业仪器设备作为频谱检测数据的对标数据，为学生提供最直接的实验结果对比，但是它具有较高的技术壁垒，很多功能并未能根据课程所定制使用。因此，本文提出根据专业仪器设备接口规范搭建线上虚拟仿真平台。首先，研究实训过程中所需要的专用设备仪器的接口规范，结合物联网技术对专用设备的硬件资源进行网络接入并共享端口；然后，结合虚拟机架构和软件无线电平台的特点，研究基于无线电测量技术课程理论知识点的虚拟仿真实验实现方法及部署框架；最后，在无线电测量技术虚拟仿真实验一体化平台的基础上，结合理论课授课内容，制定对应的实训案例。电磁频谱仿真实验平台VISN-7003 或者软件无线电HackRF 具备射频原始I/Q信号采集功能，能够为学生提供无线通信调制解调实验的基础数据，也能够实现电磁频谱信息可视化效果，同时具备较为开放的二次开发接口。将专业仪器硬件资源共享，其电磁频谱检测数据可视化效果图如图7 所示。

图7 专业仪器设备电磁频谱检测效果图

2.3 电磁频谱数据库与空间频谱可视化

根据多个移动检测终端设备回传的电磁频谱监测数据，可以得到空间电磁频谱资源的分布情况。为了让学生能够直观地观测到无线电信号在空间中的分布情况，本文提出结合分布式电磁频谱能量分布数据，估计无线电信号源的位置以及传播损耗特征。将从时间、频率、空间三维度的传统电磁频谱检测方法转变为对目标无线电信号源的空间能量分布进行描述。结合无线电信号估计定位方法，根据多移动检测终端设备的空间电磁频谱检测数据对目标信号源进行位置定位，估计出在空间中的电波能量传播损耗分布特征。本文对无线电信号源参数进行数据存储的方法比传统离散的时间-频点-能量数据存储方法的数据冗余度更低。根据电磁频谱数据库的无线电信号源参数数据，可以快速描述目标区域中的无线电环境。空间电磁频谱数据可视化效果图如图8 所示。

3 结 论

无线电测量技术课程需要更多地结合实验实训教学模式，让学生将“不可见”的无线电信号可视化，提高学生对无线电测量技术的掌握程度。结合专用仪器设备的特点，实现实验室硬件资源的网络共享，基于物联网技术打通学生与设备之间的地理空间限制，降低学生在无线电测量技术课程学习过程中工程实践训练的时间成本。基于软件无线电硬件平台和专用仪器设备实现无线电测量技术虚实结合的一体化实训平台，提高学生对无线通信系统的快速搭建、无线电信号产生及空间分布特性、无线电信号采集等理论及工程实践内容的掌握程度。根据无线电测量技术课程的内容，完成虚拟仿真实验课程的内容制定，和虚拟仿真实验平台的流程设计及部署，探索研究基于电磁频谱检测的无线电技术实验实训教学方法。

注：本文通讯作者为苏婷。