劉澤群，黃乘順，李 男

(邵陽學院信息工程系，湖南邵陽422000)

0 引言

近年來，隨著無線通信事業(yè)的迅猛發(fā)展，無線頻譜資源的有效利用已成為通信與信息業(yè)研究的焦點問題，與此同時，對無線環(huán)境的監(jiān)測與安全防護也是一個日益重要的課題.場強儀可用來計量空間電磁波場強的大小，因此，場強儀融入了越來越多的新設計，功能也越來越強大，朝著高精度、智能化和小型化發(fā)展.國家質(zhì)量技術監(jiān)督局對用于環(huán)境監(jiān)測和安全防護的場強儀的測量精度提出了更高要求［1］.同時，對各種場強儀的研究與應用，具有廣闊的應用范圍和良好的社會經(jīng)濟效益.

1 無線信號的傳播與測量

論文研究的條件是自由空間條件，在自由空間中不存在折射、反射、衍射、色散和吸收損耗等現(xiàn)象，電磁波在自由空間中的傳播速度與真空相同.自由空間為無限大的無損耗空間，電導率為零，磁導率值與真空中相同.在此條件下，計算無線信號接收端信號的大小，可以用Friis自由空間傳播方程描述，如公式(1)所示.

其中Pr為接收機接收信號的功率，Pt為發(fā)射機發(fā)射信號的功率，L為系統(tǒng)的損耗因子它與傳播無關，λ為工作波長;d為收發(fā)天線之間的距離;接收天線與發(fā)射天線的增益為Gr、Gt，在實際傳播空間中，接收端的無線信號功率Pt近似為:

由此可知實際空間與理想空間的差異比較大，上面的模型只適合于一種特殊傳播的情況，即要求d≥d0，式中d≥2D2/λ和ht、hr分別為發(fā)射天線與接收天線的高度參數(shù);n為路徑損耗.實際應用中自由空間各點的接收功率可以用公式(3)來描述:

在實際應用中，一般用dBm來作為無線場強功率的單位.通過參考位置距離的大小以及對應的接收功率，可以求出距離為d時的接收功率pr(d)與距離為d0是接收功率的比值.

2 系統(tǒng)的分析與設計

該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，以芯片MSP430g2553為核心，將采集的無線信號分別經(jīng)過高放、檢波、低放電路等電路后傳給單片機，經(jīng)過單片機內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器將采集的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最后將檢測到的信號的大小顯示到LCD12864上.天線角度及高度的調(diào)整對無線場強測試的精度有一定的影響.實際測試中，可以通過標準的頻譜分析儀進行測試與修正.MSP430g2553是TI公司的一款單片機［2］，具有超強的抗干擾性、加密性強，且具有很低的功耗.

圖1 場強測試儀系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 The hardware structure of the system to field strength tester

2.1 無線信號采集與處理

無線信號的采集及處理電路如圖2所示，E1為環(huán)形天線［3］將接收到的信號分別經(jīng)過高放、選頻、檢波和低放等處理最后傳給單片機，R1為可調(diào)電阻，用于調(diào)節(jié)三極管的靜態(tài)工作點及放大倍數(shù)，L1和C1組成諧振回路，調(diào)節(jié)L1和C1的值可以選擇相應頻率的信號，采用二極管包絡檢波的方法進行檢波，低放電路主要由集成芯片LM386構(gòu)成.

圖2 無線信號采集與處理模塊Fig.2 Wireless signal acquisition and processing module

2.2 算法分析與去噪濾波

該系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)以下功能:顯示、AD采樣、數(shù)據(jù)處理與濾波等功能.其中，顯示功能通過LCD12864來實現(xiàn)，AD采樣功能可通過編寫單片機AD采樣程序?qū)崿F(xiàn).通過單片機內(nèi)部的AD10及相應的代碼將接收到的信號進行AD轉(zhuǎn)換，通過中斷［4］的方式對轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行相關處理.

根據(jù)濾波算法，編寫濾波子程序?qū)Φ玫降臄?shù)據(jù)進行濾波.單片機的采樣頻率為10ms/次，將處理的數(shù)據(jù)進行中值濾波處理［5］，同時顯示到 LCD12864 上.

為了濾除數(shù)字噪聲影響，得到更精確的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)編程采用了中值濾波方法，即:把N個連續(xù)采樣值相加，然后取其算術平均值作為本次測量的濾波值，即

其中Xi=Si+ni

在式中，Si為采樣值ni為隨機誤差.則有:

而按統(tǒng)計規(guī)律，隨機噪聲的統(tǒng)計平均值為0，則有:

從公式中可以知道N的取值對濾波的效果有很大的影響，N越大濾波的效果越好，消除數(shù)字噪音的能力越大，理論上證明采用均值濾波法可有效地消除隨機干擾，提高系統(tǒng)的測試精度.

3 結(jié)果分析

對所設計的系統(tǒng)，采用高頻信號發(fā)生器與頻譜分析儀進行測試.使用無線信號發(fā)生器發(fā)射不同頻率的無線信號，觀察液晶顯示器上顯示的數(shù)值，與發(fā)射信號相比并算出誤差，實驗測試數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 測試數(shù)據(jù)Tab.1 Testing data

4 總結(jié)

本系統(tǒng)是一種新型的場強測試系統(tǒng)，具有精度高、便攜帶、穩(wěn)定性好等特點.軟件設計中采用均值濾波算法有效提高了系統(tǒng)的測試精度，測試數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)誤差范圍小于10%，具有良好的測試精度.

［1］楊良官.場強測試儀的檢定［J］.工業(yè)計量，2000，3(56):1-2.

［2］沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機實踐與系統(tǒng)設計［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［3］C.A.Balanis.天線理論—分析與設計［M］.于志遠譯.北京:電子工業(yè)出版社，1988.

［4］萬明.RFID天線仿真與測試研究［J］.華南理工大學，2009，12:399-402.

［5］賈永紅.數(shù)字圖像處理(第二版)［M］.武漢:武漢大學出版社，2010.