劉澤群,黃乘順,李 男
(邵陽學院信息工程系,湖南邵陽422000)
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.
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.
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
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
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.
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
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.