一种快速宽带动态智能频谱监测的实验装置的制作方法

1.本发明涉及微波/毫米波无线通信技术领域，特别是涉及一种快速宽带动态智能频谱监测的实验装置。


背景技术：

2.随着电子信息技术和信息通信系统的迅猛发展，目前中国已经步入了5g大规模商用的起步阶段。伴随其技术及业务不断成熟，在可预见的未来，5g将掀起新一轮的无线通信行业浪潮。尽管5g在系统指标及性能方面有了很大的提升，应用场景也愈发多元化，但是仍然存在其局限性。面向未来，b5g/6g的相关概念和标准已经在全世界进行大范围讨论。学术界广泛展望，未来b5g/6g的发展方向应该包括但不仅限于毫米波高频段/太赫兹技术、大规模天线、天地空海一体化、感知融合、泛在智能等，这对面向下一代的无线通信系统提出了低成本、智能化、宽频带、低延迟、实时性和灵活性等新的要求。
3.考虑到b5g/6g将会工作在较高的频段，这也意味着其基站将有更小的覆盖范围和更高昂的网络基建成本，同时考虑到现行较低频段的无线通信仍将存在很长一段时间，在面对未来电磁频谱愈加丰富、电磁环境愈加复杂的情况，频谱的合理分配问题愈加尖锐，所以基于动态频谱接入的共建共享技术将成为未来该领域的热点问题之一。
4.频谱监测技术作为无线系统中的重要监测技术之一，是实现对闲置频谱资源的高效配置中的重要一环，是实现动态频谱接入的前提条件。其实时性和准确性对频谱资源的高效利用有着极其重要的作用。传统频谱监测设备由于信号频段、编码方式的多样性，其频谱监测设备往往只能检测单一信号且需要使用独立硬件，导致成本的上升、设备的冗杂、识别时间长、研发周期长等问题。
5.随着b5g/6g频谱向毫米波和太赫兹频段纵深演进，对频谱监测的频段提出了更高的要求。同时伴随着软件无线电逐渐走向成熟和人工智能和机器学习的快速发展，使得利用pc直接通过通用sdr设备监测和识别宽带信号成为了可能，也给频谱监测技术带来了新的机遇。
6.目前的通用sdr设备直接采样频率较低，无法直接处理较高频段信号，因此，业内需要一种具有低成本、低延迟、宽频带，且更为智能化的装置来解决该问题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种快速宽带动态智能频谱监测的实验装置，用以解决在下一代无线通信系统中的动态频谱监测技术领域中，通用sdr设备直接采样频率较低，无法直接处理较高频段信号的技术问题。本发明提出使用分频段和下变频处理实现对sdr设备可处理频带的扩展。具有低成本、低延迟、宽频带、智能化、实时性和灵活配置等优势，同时实现了一套硬件完成对多种信号的高效监测和识别。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.一种快速宽带动态智能频谱监测的实验装置，包括：
10.宽带天线(1)，其用于接受外部宽带信号并且传输至宽带信号功率调整模块中(2)；
11.宽带信号功率调整模块(2)，其首先对所述外部宽带信号进行低噪声放大，然后再将放大后的信号分成多路信号传输至分段变频模块(3)中；
12.分段变频模块(3)，其包括依次连接的分段滤波模块(301)、定向耦合模块(302)以及分段混频模块，所述分段滤波模块(301)包括多组并联的滤波器，相应的，所述定向耦合模块(302)包括多组并联的定向耦合器，其中，首先所述分段变频模块(3)对所述多路信号进行分频段处理，针对不同频段，分别进行滤波处理，然后将滤波后的多路信号分别传输到对应的定向耦合器中，接着所述定向耦合器将其输出的耦合信号传输至联合检波模块(4)，同时将其输出的直通信号传输至所述分段混频模块中，最后所述分段混频模块将直通信号进行分频段下变频处理生成中频信号，再将中频信号传输至开关/合路选择模块(5)中；
13.联合检波模块(4)，其对所述耦合信号进行快速检波处理，判断各分频段内是否有信号，将检波结果传输至基于ai的sdr处理模块(8)中，其中，所述基于ai的sdr处理模块(8)根据该检波结果生成所述开关/合路选择模块(5)的逻辑控制信号；
14.梳状谱本振模块(6)，其根据低频参考信号生成高频本振信号，再对该高频本振信号进行放大，为所述分段混频模块提供本振驱动信号；
15.开关/合路选择模块(5)，其根据所述基于ai的sdr处理模块(8)发出的逻辑控制信号来对所述中频信号进行处理，其中，若在分段滤波中只检测出某一个频段有信号，则该频段信号经合路直接输出至中频处理模块(7)进行处理；若在分段滤波中检测出两个或两个以上频段内有信号，则有信号的频段经开关采用切换的模式进行分段处理；
16.中频处理模块(7)，其对经过所述开关/合路选择模块(5)开关处理后的中频信号进行调节，其中，对大于sdr处理器模块(8)最大可接收功率的信号进行可控衰减，对于小于sdr处理器模(8)块最小可检测功率的信号进行信号放大处理，再将调节后的信号传输至sdr处理器模块(8)中；
17.基于ai的sdr处理模块(8)，其对所述中频处理模块(7)输出的信号进行采样和预处理，获得基带处理数字信号，再通过pc机对数据进行ai处理，实现对信号的识别。
18.进一步的，所述宽带信号功率调整模块，其包括低噪声放大器(201)和一分多功分器(202)，其中，
19.所述低噪声放大器(201)将从宽带天线(1)接收到的信号进行放大，然后一分多功分器(202)将放大后的宽带接收信号分成多路信号并行传输到分段变频模块(3)。
20.进一步的，所述分段混频模块，其包括混频器(303)和功分器(304)，其中，
21.所述混频器(303)根据所述梳状谱本振模块(6)输入的本振驱动信号，对直通信号进行下变频生成中频信号，再将中频信号通过功分器(304)进行功分处理，分别传输到所述开关/合路选择模块(5)中的单刀多掷开关(501)和合路器(502)。
22.进一步的，所述梳状谱本振模块，其包括依次连接的梳状谱发生器(601)和放大器(602)，所述梳状谱发生器(601)包括本振参考激励源a、偏置电路b、输入匹配电路c、阶跃恢复二极管脉冲发生器d、谐振回路e和窄带带通滤波器f，其中，
23.本振参考激励源a的输入信号依次经过偏置电路b、输入匹配电路c和阶跃恢复二极管脉冲发生器d后，再经过谐振回路e产生梳状谱，然后通过一个窄带带通滤波器f，得到
各频段所需要的本振信号，最后通过放大器(602)对梳状谱本振信号进行放大以达到混频器(303)驱动要求。
24.进一步的，所述联合检波模块(4)，其包括多组检波二极管(401)，所述的多组检波二极管(401)，对定向耦合器传输的耦合信号进行快速检波处理。
25.进一步的，所述开关/合路选择模块(5)还包括：单刀双掷开关(503)，其中，该开关/合路选择模块(5)的具体控制逻辑为：
26.当检测到单路信号时，单刀双掷开关(503)选择合路器(502)，将单路信号传输到中频处理模块(7)，然后再传输到sdr处理模块(8)中进行数据采集；
27.当检测到多路信号时，单刀双掷开关(503)选择单刀多掷开关(501)，逐个将单路有效信号传输到中频处理模块(7)进行处理，然后传输到sdr处理模块(8)中进行数据采集，直至采集完所有有效信号为止。
28.进一步的，所述中频处理模块(7)，其包括依次连接的中频放大器(701)、中频滤波器(702)、中频放大器(703)以及数控衰减器(704)；其对经过开关选择后的中频信号进行放大和滤波处理，并对输入信号功率进行有效控制。
29.进一步的，所述基于ai的sdr处理模块(8)，其工作频率范围为0.07ghz～6ghz，并且其配置有经过预训练的深度学习网络，具体包括：
30.搭建卷积神经网络，该网络由六个卷积层和一个全连接层组成；
31.采集信号数据构建数据集，再按照9:1的比例，将数据集划分为训练集和测试集；
32.使用所述训练集对所述卷积神经网络进行迭代训练，以改变网络的模型结构和模型参数；
33.当所述卷积神经网络通过了所述测试集的测试后，固定其模型结构和模型参数，得到所述经过预训练的深度学习网络。
34.进一步的，所述一分多等分功分器(202)与合路器(502)，其工作频率范围达到5ghz～18ghz。
35.本发明的有益效果是：
36.现有技术当中，sdr处理器能高效便捷地完成对低频信号的收发处理，但是其直接采样频率通常较低，无法满足较高频段内的信号处理需求。本发明通过将较高频段的宽带信号并行处理、分段下变频处理等预处理实现了sdr处理器可检测频段的扩展，克服了传统sdr处理器直接采样频率较低的问题，支持5g/6g场景下的多种调制信号的频谱监测，适合应用于较高频段的宽带信号的快速智能频谱检测。
附图说明
37.图1为实施例1中提供的一种快速宽带动态智能频谱监测的实验装置的各个模块的结构框图；
38.图2为实施例1中提供的一种快速宽带动态智能频谱监测的实验装置的具体结构示意图；
39.图3为实施例1中提供的梳状谱发生器的结构示意图；
40.图4为实施例1中提供的基于ai的sdr处理模块的结构示意图；
41.附图中：
42.1-宽带天线、2-宽带信号功率调整模块、201-低噪声放大器、202-一分多功分器、3-分段变频模块、301-分段滤波模块、302-定向耦合模块、303-混频器、304-功分器、4-联合检波模块、401-检波二极管、5-开关/合路选择模块、501-单刀多掷开关、502-合路器、6-梳状谱本振模块、601-梳状谱发生器、602-放大器、7-中频处理模块、701-中频放大器、702-中频滤波器、703-中频放大器、704-以及数控衰减器、8-基于ai的sdr处理模块、a-本振参考激励源、b-偏置电路、c-输入匹配电路、d-阶跃恢复二极管脉冲发生器、e-谐振回路、f-窄带带通滤波器。
具体实施方式
43.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.实施例1
45.参见图1-图4，本实施例提供一种快速宽带动态智能频谱监测的实验装置，该实验装置包括：
46.宽带天线1，其用于接受外部宽带信号并且传输至宽带信号功率调整模块中2；
47.宽带信号功率调整模块2，其首先对外部宽带信号进行低噪声放大，然后再将放大后的信号分成多路信号传输至分段变频模块3中。
48.具体的说，在本实施例中，宽带信号功率调整模块2，其包括低噪声放大器201和一分多功分器202，其中，低噪声放大器201将从宽带天线1接收到的信号进行放大，然后一分多功分器202将放大后的宽带接收信号分成多路信号并行传输到分段变频模块3，该一分多功分器202的工作频率为6ghz～18ghz。
49.分段变频模块3，其包括依次连接的分段滤波模块301、定向耦合模块302以及分段混频模块，分段滤波模块301包括多组并联的滤波器，相应的，定向耦合模块302包括多组并联的定向耦合器，其中，首先分段变频模块3对多路信号进行分频段处理，针对不同频段，分别进行滤波处理，然后将滤波后的多路信号分别传输到对应的定向耦合器中，接着定向耦合器将其输出的耦合信号传输至联合检波模块4，同时将其输出的直通信号传输至分段混频模块中，最后分段混频模块将直通信号进行分频段下变频处理生成中频信号，再将中频信号传输至开关/合路选择模块5中。
50.具体的说，在本实施例中，分段混频模块，其包括混频器303和功分器304，其中，混频器303根据梳状谱本振模块6输入的本振驱动信号，对直通信号进行下变频生成中频信号，再将中频信号通过功分器304进行功分处理，分别传输到开关/合路选择模块5中的单刀多掷开关501和合路器502。
51.更具体的说，在本实施例中，对输入的6ghz～18ghz宽带信号进行分段滤波处理，具体而言，将6ghz～18ghz宽带信号分为6ghz～10ghz、10ghz～14ghz和14ghz～18ghz三路信号进行分别滤波，然后将滤波后的多路信号分别传输到三个定向耦合器，将定向耦合器耦合输出信号传输到联合检波模块4进行检波处理，定向耦合器直通输出信号直接传输到分段混频模块，分段混频模块对滤波后的多路信号分别与本振信号通过混频器303下变频
生成2ghz～6ghz中频信号。
52.具体的实现方法为，6ghz～10ghz信号采用高本振方案，与12ghz本振信号下变频处理得到中频信号；10ghz～14ghz信号采用高本振方案，与16ghz本振信号下变频处理得到中频信号；14ghz～18ghz信号采用低本振方案，与12ghz本振信号下变频处理得到中频信号。这样的设计方法减少了一路本振信号的冗余，且混频之后得到的高频分量、本振信号和中频信号频段易于分离，减少了后续滤波和采样的困难。最后将得到的中频信号通过一分二功分器进行功分处理，分别传输到单刀多掷开关501的一路和合路器502。
53.联合检波模块4，其对耦合信号进行快速检波处理，判断各分频段内是否有信号，将检波结果传输至基于ai的sdr处理模块8中，其中，基于ai的sdr处理模块8根据该检波结果生成开关/合路选择模块5的逻辑控制信号。
54.具体的说，在本实施例中，联合检波模块4，其包括多组检波二极管401，对定向耦合器传输的耦合信号进行快速检波处理。
55.梳状谱本振模块6，其根据低频参考信号生成高频本振信号，再对该高频本振信号进行放大，为分段混频模块提供本振驱动信号。
56.具体的说，在本实施例中，梳状谱本振模块6，其包括依次连接的梳状谱发生器601和放大器602，梳状谱发生器601包括100mhz的本振参考激励源a、偏置电路b、输入匹配电路c、阶跃恢复二极管脉冲发生器d、谐振回路e和窄带带通滤波器f，其中，
57.本振参考激励源a的输入信号依次经过偏置电路b、输入匹配电路c和阶跃恢复二极管脉冲发生器d后，再经过谐振回路e产生梳状谱，然后通过一个窄带带通滤波器f，得到各频段所需要的本振信号，最后通过放大器602对梳状谱本振信号进行放大以达到混频器303驱动要求。
58.开关/合路选择模块5，其根据基于ai的sdr处理模块8发出的逻辑控制信号来对中频信号进行处理，其中，若在分段滤波中只检测出某一个频段有信号，则该频段信号经合路直接输出至中频处理模块7进行处理；若在分段滤波中检测出两个或两个以上频段内有信号，则有信号的频段经开关采用切换的模式进行分段处理。
59.具体的说，在本实施例中，开关/合路选择模块5还包括：单刀双掷开关503，其中，该开关/合路选择模块5的具体控制逻辑为：
60.当检测到单路信号时，单刀双掷开关503选择合路器502，将单路信号传输到中频处理模块7，然后再传输到sdr处理模块8中进行数据采集；
61.当检测到多路信号时，单刀双掷开关503选择单刀多掷开关501，逐个将单路有效信号传输到中频处理模块7进行处理，然后传输到sdr处理模块8中进行数据采集，直至采集完所有有效信号为止。
62.中频处理模块7，其对经过开关/合路选择模块5开关处理后的中频信号进行调节，其中，对大于sdr处理器模块8最大可接收功率的信号进行可控衰减，对于小于sdr处理器模8块最小可检测功率的信号进行信号放大处理，再将调节后的信号传输至sdr处理器模块8中。
63.具体的说，在本实施例中，中频处理模块7，其包括依次连接的中频放大器701、中频滤波器702、中频放大器703以及数控衰减器704；其对经过开关选择后的中频信号进行放大和滤波处理，并对输入信号功率进行有效控制，该中频放大器701的工作频率范围为2ghz
～6ghz。
64.基于ai的sdr处理模块8，其对中频处理模块7输出的信号进行采样和预处理，获得基带处理数字信号，再通过pc机对数据进行ai处理，实现对信号的识别。
65.sdr处理器模块8采用sdr设备对信号进行采集并进行预处理，工作频率范围为0.07ghz～6ghz，基于深度学习算法进行网络训练与预测，使用采集到的信号数据在gpu上搭建卷积神经网络(cnn)，该网络由六个卷积层和一个全连接层组成,并用接收处理后的数据对网络进行训练、测试，并且通过改变网络模型的结构和参数，可使网络模型应用于不同调制模式的信号，最后使用该网络模型对从输入信号进行监测、识别处理。
66.更具体的说，sdr设备从开关/合路选择模块5接收到信号并得到信号数据，接着将信号数据进行预处理，为接收到的每种调制信号生成1000帧，每帧的长度为1024个样本，其中90％用于训练，10％用于测试。然后搭建六层卷积神经网络(cnn)并使用处理完成的数据在gpu上对网络进行训练，得到一个训练完成的网络模型。且该网络具有可存储保存、随时调用的特点，最后使用该网络模型对从开关/合路选择模块5接收到的信号进行监测、识别处理。
67.更具体的说，本实施例中采用的一分多功分器202与合路器502结构通用且可扩展，其工作频率范围达到5ghz～18ghz，具有高隔离度、宽频带、较小插入损耗和较好的幅度相位平衡性等优点，可以根据电路需要实现多路信号的功分或合成，并且可以通过适当的级联实现更多路径信号的功分与合成。
68.更具体的说，本实施例中，使用了较少的滤波器，采用并行结构进行滤波、检波、放大和采集，选取反应时间较快的检波二极管快速选择所需采集的信号，采用预先训练的网络进行频谱识别，大大加速了快速宽带智能频谱的反应时间，实现了频谱监测的实时性和低延迟性。
69.综上，本发明具有宽频带、低功耗、集成度高、智能化、实时性和灵活性等特点，支持b5g/6g场景下的多种调制信号的频谱监测，适合应用于宽带信号的快速智能频谱检测。
70.本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
71.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。