徐桂敏，楊正祥

（1.湖北第二師范學(xué)院 物理與機電工程學(xué)院，湖北 武漢430205；2.武漢交通職業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院，湖北 武漢430065）

0 引言

隨著通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，內(nèi)部數(shù)據(jù)信息越來越復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)日漸龐大，接收捕獲微弱信號變得更加困難。捕獲微弱信號是電子通信網(wǎng)絡(luò)的第一步，能夠很好地確認(rèn)通信網(wǎng)絡(luò)信息，并實現(xiàn)接收信號碼相位和載波頻率的估算，進而更好地確定初始值[1]。近年來，科學(xué)家在微弱信號捕獲這一課題上進行了大量的研究，并研發(fā)出了幾種典型的捕獲方法，主要有基于時域的串行捕獲方法、基于頻域的并行頻率搜索捕獲方法和基于頻域的并行碼相位搜索捕獲方法。雖然這些方法都具備一定的優(yōu)勢，成為了當(dāng)前的常用方法，但是也存在著各種不同的問題。時域串行捕獲方法雖然硬件設(shè)備簡單，但是運行過程較長，需要涉及大量的計算，很容易出現(xiàn)誤差；基于頻域的并行頻率搜索捕獲方法僅能在載波頻率這一方向上實現(xiàn)并行搜索；基于頻域的并行碼相位搜索捕獲方法是目前最常用的方法，該方法引入了快速傅里葉變換技術(shù)，通過并行搜索加快對通信微弱信號的捕獲速度[2]。

本文在基于頻域的并行碼相位搜索捕獲方法設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用稀疏傅里葉變換這一手段設(shè)計了一種針對電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號的捕獲系統(tǒng)。稀疏傅里葉變換是由MIT的相關(guān)學(xué)者提出，在分析信號在頻域中的稀疏特性后，分別利用加窗、混疊、重構(gòu)三個步驟完成亞線性處理。本文研究的捕獲系統(tǒng)在選取采樣因子上進行了強化設(shè)計，并通過實驗驗證了該系統(tǒng)的捕獲能力，實驗結(jié)果表明，該方法不僅可以降低捕獲過程的復(fù)雜程度，同時可以提高捕獲效率。

1 電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號捕獲系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于稀疏傅里葉變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號捕獲系統(tǒng)內(nèi)部接收機通過采樣和變頻將信號轉(zhuǎn)換成中頻信號，根據(jù)確定的多普勒搜索頻點對通信網(wǎng)絡(luò)進行捕獲，去載波處理后得到輸出結(jié)果，積分器在系統(tǒng)運行中發(fā)揮著低通濾波的作用[3-4]。基于稀疏傅里葉變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號捕獲系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號捕獲系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1可知，系統(tǒng)硬件主要由信號采集器、控制器、處理器、積分器和低通濾波器組成[5]。采集器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

觀察圖2，本文研究的采集器為雙通道載波采集器，該采集器在采集數(shù)據(jù)時，由于雙路永遠實時在線，所以一旦發(fā)生故障，采集器可以立刻上報，通過切換電源，防止故障帶來的狀態(tài)變化，保證能夠時刻采集到電子通信網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部信號，通過智能運維及時預(yù)測到故障，從而確定線路運行的安全性[6]。

圖2 采集器結(jié)構(gòu)

ARM主控單元、載波總控網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)平臺同時控制采集接口和前端設(shè)備，利用數(shù)據(jù)采集接口將前端的各個設(shè)備與主控單元連接到一起，載波單元設(shè)定為2個，在連接ARM主控單元后，獲得兩路RISC載波處理通道，在與PLC電力線相連接后，在載波通道上接收來自通信網(wǎng)絡(luò)電力線OFDM調(diào)制的信號，在與電能信號耦合后，得到確定的數(shù)據(jù)信號[7]。采集器除了負(fù)責(zé)采集通信網(wǎng)絡(luò)信號之外，還負(fù)責(zé)記錄通信網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)、電壓、電流、功率等各項主要參數(shù)。

控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制器結(jié)構(gòu)圖

控制器使用的總線為CAN總線，CAN總線的通信介質(zhì)為雙絞線，擁有靈活的通信方式，在CAN總線中集成CAN協(xié)議，確保物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，從而處理得到的通信網(wǎng)絡(luò)弱信號，完成幀處理[8]。

CAN控制器和總線之間加入了82C250驅(qū)動芯片，通過該驅(qū)動芯片實現(xiàn)差動、接收功能，利用F2407提供電量，電壓為3.5 V，該控制器的外設(shè)模塊為16位，通過8個字節(jié)的郵箱支持捕獲系統(tǒng)CAN2.OB協(xié)議，控制器同時具有自動恢復(fù)、自動重復(fù)和錯誤診斷功能，控制器內(nèi)部的ARM空間[9]為48×16位。

處理器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

監(jiān)測結(jié)束后,讀取數(shù)據(jù)庫,對固定周期(2 min)檢測器和變周期數(shù)據(jù)傳輸檢測器每次發(fā)送的數(shù)據(jù)分別進行提取,記錄并累加數(shù)據(jù)字符的長度,每天統(tǒng)計一次。兩種模式下,數(shù)據(jù)字符長度累加情況如圖11所示。

圖4 處理器結(jié)構(gòu)

由圖4可知，本文設(shè)計的捕獲系統(tǒng)是一塊超大規(guī)模集成電路，通過運算核心和控制核心控制處理器的工作狀態(tài)，處理器主要包括存儲單元、輸入單元、輸出單元三大核心單元。從存儲器中輸出各項指令，轉(zhuǎn)入到指令寄存器后生成指令譯碼，由指令譯碼完成不同的微操作，由此進一步控制整個系統(tǒng)的各項操作，每個指令都會有多個字節(jié)，根據(jù)操作碼字段分析不同地址的字段，對不同信號進行處理[10]。

低通濾波器如圖5所示。

圖5 低通濾波器

低通濾波器選取的電容為1 000 pF，利用電阻公式計算出電阻值，通過R1、R2消除運放過程由于失調(diào)電流產(chǎn)生的誤差，使運放同相輸入端和反向輸入端產(chǎn)生的直流電阻大致相同。低通濾波器的增益關(guān)系如表1所示。

表1 低通電路階數(shù)與增益之間的關(guān)系

2 基于稀疏傅里葉變換的系統(tǒng)軟件設(shè)計

電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號捕獲是一個三維搜索過程，需要搜索的信息包括通信碼、碼相位和載波頻率，當(dāng)通信碼和本地地址的碼數(shù)相位相同時，本地得到的載波頻率與通信網(wǎng)絡(luò)微弱信號的載波頻率相同，二者之間會產(chǎn)生很強的相關(guān)值[11]。捕獲結(jié)果如圖6所示。

圖6 電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號捕獲成功結(jié)果

分析圖6可知，在二維搜索過程中，信號會出現(xiàn)峰值，這一峰值具有顯著的特點，與其他各個搜索單元的積分值相比，微弱信號的積分值明顯偏高，這也可以證明該微弱信號被成功捕獲，所有捕獲的網(wǎng)絡(luò)弱信號輸出值都具有稀疏性[12]。

在碼相位中，軟件實現(xiàn)頻域的循環(huán)相關(guān)，進而實現(xiàn)捕獲功能，提高捕獲效率。稀疏傅里葉變換技術(shù)充分利用了信號在頻域中的稀疏特性，對快速傅里葉變換算法進行簡化，提高運算效率，稀疏傅里葉變換算法得到的頻譜分析效果圖相同，但是運算復(fù)雜程度很低。稀疏傅里葉變換算法利用頻域重排、窗函數(shù)濾波、哈希映射、頻域降采樣、定位、估值等步驟完成捕獲過程[13]。工作流程如圖7所示。

圖7 基于稀疏傅里葉變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號捕獲系統(tǒng)軟件工作流程

1）頻域重排。確定電子通信網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)信號，在信號中選取隨機參數(shù)σ，τ（τ為奇數(shù)）重排信號，重排結(jié)果為：

在式（1）中引入傅里葉變換的根因子W N=e-j2πN，得到：

2）窗函數(shù)濾波。將得到的q(n)放入濾波器進行濾波處理，得到的結(jié)果如下：

本文選用的窗函數(shù)濾波器為多爾夫-切比雪夫濾波器，該濾波器具有過渡帶陡峭、計算過程簡單、大系數(shù)集中的特點[14-15]。

3）頻域降采樣。利用得到的因子p將y(n)混疊，處理混疊后的信號，得到的處理結(jié)果定義為B點：

4）哈希映射。哈希函數(shù)定義為：

偏移量定位公式為：

5）定位。記錄所有Z(k)中最大的譜峰值，并將所有記錄的值都放入到集合J中，定位集合J中的元素，獲得集合H，則集合H滿足的條件為：

6）估算。分別找到微弱信號的估算值，并在oσ′(k)中得到下平滑窗函數(shù)的譜，最后完成電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號捕獲。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

為了檢測本文研究的基于稀疏傅里葉變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號捕獲系統(tǒng)的工作效果，與傳統(tǒng)的基于快速傅里葉變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號捕獲系統(tǒng)進行對比，并分析實驗結(jié)果。

3.2 實驗參數(shù)

設(shè)定通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的頻率為10.125 MHz，采樣頻率設(shè)定成29.412 MHz，該系統(tǒng)的驗證過程在軟件接收機上完成，設(shè)定頻譜的搜索范圍在[-8，8]之間，頻譜搜索的步長則為800 Hz，電子通信網(wǎng)絡(luò)的長度為T，T的取值分別為1 ms，2 ms，5 ms，設(shè)定采樣因子P的取值為1，2，4，選取不同的捕獲系統(tǒng)對不同取值的采樣因子分別進行捕獲，計算捕獲結(jié)果。

3.3 實驗結(jié)果與分析

當(dāng)T的取值分別為1 ms，2 ms，5 ms時，得到傳統(tǒng)系統(tǒng)與本文系統(tǒng)捕獲結(jié)果如表2～表4所示。

表2 電子網(wǎng)絡(luò)通信弱信號捕獲結(jié)果（T=1 ms）

表3 電子網(wǎng)絡(luò)通信弱信號捕獲結(jié)果（T=2 ms）

表4 電子網(wǎng)絡(luò)通信弱信號捕獲結(jié)果（T=5 ms）

分析表2～表4可知：當(dāng)T=1 ms時，本文系統(tǒng)的運算效率約是傳統(tǒng)系統(tǒng)運算效率的1.64倍；當(dāng)T=2 ms時，本文系統(tǒng)的運算效率約是傳統(tǒng)系統(tǒng)運算效率的2.41倍；當(dāng)T=5 ms時，本文系統(tǒng)的運算效率約是傳統(tǒng)系統(tǒng)運算效率的2.52倍，說明隨著捕獲數(shù)據(jù)長度N的增加，基于稀疏傅里葉變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號捕獲系統(tǒng)的運行效率提升效果更加明顯。

4 結(jié)論

本文對電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號的“稀疏”特性進行了充分分析，將稀疏傅里葉變換算法引入到基于快速傅里葉變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號捕獲系統(tǒng)，設(shè)計了新的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號捕獲系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明：

1）基于稀疏傅里葉變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號捕獲系統(tǒng)能夠快速捕獲到電子通信網(wǎng)絡(luò)中的弱信號，相比傳統(tǒng)的基于快速傅里葉變換的電子通信網(wǎng)絡(luò)弱信號捕獲系統(tǒng)而言，本文系統(tǒng)的捕獲能力提升了2倍以上；

2）隨著運算信號長度的增大，系統(tǒng)的運算能力更強，運算效率更快；

3）由于運算效率的提高，本文研究的系統(tǒng)對降采樣因子的取值更小，捕獲的誤差更小。