一种自动化多通道多频率场强测量装置及测量方法与流程

本发明属于轨道交通测量技术领域，主要针对磁悬浮轨道交通车地通信系统场强测量问题，特别涉及一种自动化多通道多频率场强测量装置及测量方法。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，无线通信技术应用在生活的方方面面，为了保证通信的可靠性，我们需要用一些指标来量化信号的质量以确认无线通信的安全性与可靠性。场强是其中最重要的指标之一，它所度量的是天线在空间某点处感应电信号的大小，以表征该点的电场强度，一定程度上可以反映信号的质量。

场强测量的基本方法是通过天线接收空间中的信号，然后将信号进行一系列的处理后转换为电信号，以各种指标呈现给用户。

目前，常见商用场强仪主要的测量方式为静态定点测量，主要应用领域为公共安全规定所限制的电磁场测量、界定电磁安全区域、测量和监测广播、雷达等设备周边的场强等，针对这些场景主要采用手持式的方式，测量某一固定位置处的场强。

但是随着无线通信技术快速发展，无线通信技术在各种场景中开展应用，很多场景使用手持式场强仪测量已经不符合需求了。例如在600Km/h高速磁浮轨道交通系统中，鉴于速度高达600Km/h，人力操控列车是一件不现实的事情，中央控制中心需要通过车地无线通信系统来实时监控列车状态，调整列车速度与姿态。要做到这一点则需要列车在整条轨道上具有良好的通信质量。在设计中，磁悬浮列车的车地通信系统本身是可以测量场强的，但是在未确认整条轨道已经覆盖信号的情况下列车不能够运行。这就产生了矛盾，列车可以监测场强信号，但是在不能确认信号覆盖的情况下列车不可以运行，故需要一套装置在列车运行之前对轨道的场强进行测量，以确认复杂环境产生的多径问题的影响以及天线主瓣是否覆盖轨道，确认列车在轨道的任何位置都可以正常实现车地通信。

测试高速磁浮车地通信系统的信号质量主要面临两个问题：场强与轨道位置关联问题；多通道多频率场强高效测量问题。

目前，场强与轨道位置关联问题一般有两种处理方法：

(1)在商用场强仪上增加GPS模块，实现自动化测量，但是GPS定位无法满足高精度的要求。

(2)定点采样测量，在轨道上每隔一段距离测量该位置场强，将这些位置的数据记录下来，这种测量方式效率极差，尤其当轨道的距离较长时，所需的时间和人力成本极高。

对于多通道多频率场强高效测量问题，目前场强测试一般都是采用单天线测量，不能实现多通道多频率同时测量。如图1所示高速磁浮车地通信系统为保证通信可靠性，采用了MIMO制式，利用多通道多频率收发来解决复杂环境下信号的快速衰落问题，若采用传统的单频率单通道场强测试方式进行多次切换测试，所需时间和人力成本将进一步提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计有多个接收通道，可自由配置模拟信号处理单元中的本振源，实现地面基站不同发射通道、不同发射频率的接收，适配车地通信系统所采用的MIMO制式，在距离触发模式与时间触发模式下自由切换，能够实现轨道线路的高效测量的自动化多通道多频率场强测量装置，并提供一种场强测量方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种自动化多通道多频率场强测量装置，包括多个接收天线以及分别与接收天线相连的模拟信号处理单元，距离测量模块、数字信号处理单元和上位机；所有模拟信号处理单元与距离测量模块均接入数字信号处理单元，数字信号处理单元与上位机相连。

进一步地，所述模拟信号处理单元包括低噪放电路、锁相环、混频器、功分器、滤波器、放大器、检波器、A/D采样电路；接收天线接收地面基站发出的场强信号f1、f2，并将场强信号f1、f2经低噪放电路放大，之后低噪放电路输出的信号与锁相环发出的本振信号LO在混频器中下变频得到中频信号IF1、IF2；中频信号IF1、IF2经过功分器和滤波器后被分离为两路独立的中频信号，两路中频信号分别通过放大器、检波器后转换为电平信号，电平信号进入A/D采样电路转换为数字信号，数字信号分别输入数字信号处理单元，锁相环与数字信号处理单元相连。

进一步地，所述距离测量模块采用旋转编码器，旋转编码器通过联轴器与滚轮连接，滚轮与旋转编码器联动，将滚轮旋转的距离转化旋转编码器输出的数字信号，并将数字信号传输至数字信号处理单元。

本发明的另一个目的在于提供一种自动化多通道多频率场强测量方法，包括以下步骤：

S1、初始化场强测量装置：数字信号处理单元配置锁相环，使其发出本振信号；开启被测基站，在轨道上的一个测量端点处启动巡检车；数字信号处理单元开始计时；

S2、判断是否选择距离测量模式，若是则执行步骤S3，否则执行步骤S7

S3、巡检车在轨道上运行，带动滚轮以及滚轮上的旋转编码器转动，旋转编码器将滚轮旋转的距离转化数字脉冲信号，数字信号处理单元读取数字脉冲信号，并计算巡检车移动距离，判定巡检车是否到达测量位置，若是则执行步骤S25，否则巡检车继续运行；

S4、数字信号处理单元记录巡检车在轨道上的位置，同时利用接收天线分别接收被测基站发出的场强信号；并将接收到的场强信号送入与接收天线相连的模拟信号处理单元中，模拟信号处理单元进行处理后将场强信号输入数字信号处理单元；

S5、数字信号处理单元将位置信息与场强信号进行关联；并将各个模拟信号处理单元处理后的场强数据进行编码，通过接口转发至上位机进行数据保存和显示；

S6、返回S3，直至巡检车移动到另一个测量端点处，完成对整个轨道上所有位置的场强测量；

S7、读取数字信号处理单元的计时数据，判断是否达到设定的时间间隔，若是则利用接收天线分别接收被测基站发出的场强信号，并将接收到的场强信号送入与接收天线相连的模拟信号处理单元中，模拟信号处理单元进行处理后将场强信号输入数字信号处理单元；否则继续计时；

S8、将各个模拟信号处理单元处理后的场强数据进行编码，通过接口转发至上位机，进行数据保存和显示。

所述模拟信号处理单元的数据处理流程为：

A、地面基站发出信号if1,if2，i＝1,…,m；n个接收天线接收基站发出的场强信号if1,if2；并将接收到的场强信号送入与接收天线相连的模拟信号处理单元中；

B、模拟信号处理单元中的低噪放电路对输入的场强信号进行放大，增强场强信号；每个模拟信号处理单元中的锁相环发出不同频率的本振信号LO，本振信号LO与低噪放电路输出的信号在混频器中混频，经下变频产生中频信号iIF1,iIF2；

C、中频信号iIF1,iIF2经由功分器和滤波器后分离为两路独立的中频信号，同时通过滤波器抑制杂散信号，实现iIF1与iIF2的分离；

D、将两路中频信号分别经放大器放大后送入检波器，将场强信号转化为电平信号；

E、对n个模拟信号处理单元的检波器输出的电平信号进行A/D采样，转化为数字信号，送入数字信号处理单元进行处理。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过距离测量模块与场强测量系统实现距离与场强的数字化，使用数字信号处理系统实现场强与轨道位置的关联，极大的提高了测量效率；

2、本发明设计多通道多频率场强采集方案，适应高速磁浮车地通信系统的MIMO制式，改善了传统的单通道单频率场强测试方案；

3、本发明拥有时间触发模式与距离触发模式两种工作方式，时间触发模式：数字信号处理单元读取A/D采样后的场强数据，根据设定的时间间隔记录场强数据；距离触发模式：数字信号处理单元读取距离测量模块的数字信号和A/D采样后的场强数据，在处理中实现轨道位置与场强的关联。兼容固定场景与移动场景的场强测量；

4、距离测量模块与场强测量系统分立，可灵活调整滚轮的大小，编码器的型号，实现测量精度的可调整与测试平台的易安装，极大的提高了适用性。

附图说明

图1为本发明针对的MIMO通信系统示意图；

图2为本发明的自动化多通道多频率场强测量装置示意图；

图3为本发明的模拟信号处理单元的示意图；

图4为本发明的距离测量模块示意图；

图5为本发明的一种自动化多通道多频率场强测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图2和图3所示，一种自动化多通道多频率场强测量装置，包括多个接收天线以及分别与接收天线相连的模拟信号处理单元，距离测量模块、数字信号处理单元和上位机；所有模拟信号处理单元与距离测量模块均接入数字信号处理单元，数字信号处理单元与上位机相连。所述接收天线、模拟信号处理单元、数字信号处理单元和上位机均安装在巡检车上，巡检车能够在轨道上沿轨道运行；距离测量模块安装在巡检车的滚轮上，用于测量巡检车的移动距离。数字信号处理单元中设置有计时器。

如图3所示，所述模拟信号处理单元包括低噪放电路、锁相环、混频器、功分器、滤波器、放大器、检波器、A/D采样电路；接收天线接收地面基站发出的场强信号f1、f2，并将场强信号f1、f2经低噪放电路放大，之后低噪放电路输出的信号与锁相环发出的本振信号LO在混频器中下变频得到中频信号IF1、IF2；中频信号IF1、IF2经过功分器和滤波器后被分离为两路独立的中频信号，两路中频信号分别通过放大器、检波器后转换为电平信号，电平信号进入A/D采样电路转换为数字信号，数字信号分别输入数字信号处理单元，锁相环与数字信号处理单元相连。数字信号处理单元还用于把A/D采样后多通道的场强数据按照顺序排列和轨道位置匹配，并将每一组数据加上标志位通过串口传输到上位机中。

如图4所示，所述距离测量模块采用旋转编码器，旋转编码器通过联轴器与滚轮连接，滚轮与旋转编码器联动，将滚轮旋转的距离转化旋转编码器输出的数字信号，并将数字信号传输至数字信号处理单元。

如图5所示，本发明的一种自动化多通道多频率场强测量方法，包括以下步骤：

S1、初始化场强测量装置：数字信号处理单元配置锁相环，使其发出本振信号；开启被测基站，在轨道上的一个测量端点处启动巡检车；数字信号处理单元开始计时；

S2、判断是否选择距离测量模式，若是则执行步骤S3，否则采用时间触发模式，执行步骤S7；距离触发模式适用于移动场景的场强测量，数字信号处理单元、模拟信号处理单元和接收天线均位于移动巡检车上，旋转编码器通过联轴器安装在巡检车的滚轮上，移动巡检车在轨道上运行；数字信号处理单元读取距离测量模块的数字信号和模拟信号处理单元的场强数据，将轨道位置与场强相关联，根据设定的距离间隔记录轨道位置和场强数据，记录轨道上各位置的场强；

时间触发模式适用于固定场景的场强测量，数字信号处理单元读取模拟信号处理单元的场强数据，根据设定的时间间隔记录场强数据，记录固定场景下一段时间内场强的变化情况；

S3、巡检车在轨道上运行，带动滚轮以及滚轮上的旋转编码器转动，旋转编码器将滚轮旋转的距离转化数字脉冲信号，数字信号处理单元读取数字脉冲信号，并计算巡检车移动距离，判定巡检车是否到达测量位置，若是则执行步骤S25，否则巡检车继续运行；

S4、数字信号处理单元记录巡检车在轨道上的位置，同时利用接收天线分别接收被测基站发出的场强信号；并将接收到的场强信号送入与接收天线相连的模拟信号处理单元中，模拟信号处理单元进行处理后将场强信号输入数字信号处理单元；

S5、数字信号处理单元将位置信息与场强信号进行关联；并将各个模拟信号处理单元处理后的场强数据进行编码，通过接口转发至上位机进行数据保存和显示；

S6、返回S3，直至巡检车移动到另一个测量端点处，完成对整个轨道上所有位置的场强测量；

S7、读取数字信号处理单元的计时数据，判断是否达到设定的时间间隔，若是则利用接收天线分别接收被测基站发出的场强信号，并将接收到的场强信号送入与接收天线相连的模拟信号处理单元中，模拟信号处理单元进行处理后将场强信号输入数字信号处理单元；否则继续计时；

S8、将各个模拟信号处理单元处理后的场强数据进行编码，通过接口转发至上位机，进行数据保存和显示。

所述模拟信号处理单元的数据处理流程为：

A、每个地面基站设有两个发射天线，分别发出信号if1,if2，i＝1,…,m；n个接收天线接收基站发出的场强信号if1,if2；并将接收到的场强信号送入与接收天线相连的模拟信号处理单元中；接收天线的接受范围可以根据需要进行调整，一般情况下，设置为能够同时接收前后两个基站发出的信号，然后通过对锁相环的控制，实现对所有频率信号的接收；

B、模拟信号处理单元中的低噪放电路对输入的场强信号进行放大，增强场强信号；每个模拟信号处理单元中的锁相环发出不同频率的本振信号LO，本振信号LO与低噪放电路输出的信号在混频器中混频，经下变频产生中频信号iIF1,iIF2；将基站的场强信号分配到n个信号处理单元中；

C、中频信号iIF1,iIF2经由功分器和滤波器后分离为两路独立的中频信号，同时通过滤波器抑制杂散信号，实现iIF1与iIF2的分离；如图3所示，利用两个滤波器分别设置不同的滤波频率将两路信号进行分离；

D、将两路中频信号分别经放大器放大后送入检波器，将场强信号转化为电平信号；

E、对n个模拟信号处理单元的检波器输出的电平信号进行A/D采样，转化为数字信号，送入数字信号处理单元进行处理。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。