8论著
基于物联网超短波频谱监测接收机设计
周玉锋吴青萍
(1．常州无线电厂有限公司，江苏常州213025；2．常州信息职业技术学院电子与电气工程学院，江苏常州213164)
摘要：随着物联网和通信技术的迅速发展，频谱变得越来越拥挤，且其中隐藏着大量的干扰信号。为了监测宽带无线接入、
物联网等新业务用频的背景噪声和频率使用情况，设计了一种超短波频谱监测网络化接收机。该接收机监测的频率范围为
20MHz到3GHz，采用数字信号处理技术，实现多种工作方式的信号解调，多种带宽的数字中频滤波。实际使用表明该接收
机具有较高的接收灵敏度和抗干扰性能，能适应较宽动态范围的监测需要，可以作为物联网之分布式无线频谱监测系统的主
要接收设备。‘
关键词：超短波；频谱；变频；滤波；数字信号处理
DOI：10．3969／j．issn．1671—6396．2012．11．003
随着无线电技术快速发展，物联网、3G、LTE等蓬勃兴
起，各行各业对无线电的依赖度不断增大，频率资源供需矛
盾日益突出，电磁环境日益复杂，无线电波多径和阴影效应
严重。如何保证各种无线电通信网和各种无线电台能够经
济、有效的在复杂无线电环境下不受干扰地正常工作，已成
为各国无线电管理部门面临的最主要课题，无线电频谱监测
和监督检查也成为无线电管理活动中一个非常重要的环节。
本文设计的超短波频谱监测网络化接收机，所有输入、
输出线中都将采用过滤和筛选设计…，从而极大地降低杂散
辐射，提高对干扰信号的抑制能力，以较高的灵敏度监测
20MHz-3GHz频率范围内的超短波信号，该接收机可以作为
物联网之分布式无线频谱监测系统的主要接收设备。
1整机总体设计
该接收机由输入高频放大器、第一混器器、第一中频放
大器、第二混频器、第二中频放大器、标准频率产生器、第
一本地振荡器、第二本地振荡器、DSP单元、控制接El以及
网络控制单元等部分组成l2J。
1．1整机基本原理
高放、第一混频器把天线输入信号进行前端滤波及变频
后产生一中频信号，经过一中放后提供给第二混频器进行第
二次变频、滤波、放大和增益控制等工作，产生相对应一中
频频点；第一中频频率为F1和F2，二次混频后产生70MHz
二中频，提供给DSP工作和模拟中频输出。标频通过功分
器分成三路，分别提供给一本振、二本振和DSP单元使用。
一本振主要负责产生3l15--4885MHz频率范围内的本振信
号，二本振负责产生对应于一中频频点的本振信号。70MHz
二中频输入到DSP部分进行采样及相应的数字化处理，实
现音频输出、AGC控制等功能，同时把处理后的数据传送
给网络控制单元。网络控制单元负责控制整机各个单元部
分，并通过RJ45接口把DSP传来的频谱数据传送到后端计
算机。-
1．2一、二中频频率点的选择
这是一款宽带的超短波宽带接收机，接收频率为20～
3000MHz，输出70MHz中频，最大带宽为8MHz，把第一
中频选在3085MHz和1577．5MHz两个频点上，显然增加了
一中放电路的复杂程度，如果仅选一个高中频频点的话，将
带来许多技术上的难点，首先选用高中频这样的频点必需比
最高的接收频率要高出一些，也就是说一中频的频点必需在
3600MHz以上，在这样高的频率上选择合适的一中频滤波
器将会非常困难，同样，一本振的频率也很高，还要满足
3GHz的覆盖范围，这样对于整机的稳定性、一中频滤波器
的选择性，以及提高的一本振频率相应带来的本振相位噪声
的下降来讲都是不合算的。因此选用一高一低的两个一中频
的方案，可以侔低一本振的最高频率和频率覆盖范围，同时
也有利于一中频滤波器的选择，按照这个原则，确定的接收
频率与本振频率的关系。
2前端信道设计
整机前端信道部分可以划分为以下几个主要部分，分别
由天线输入衰减器、前端输入开关滤波器组、第一本振的滤
波与放大电路、第一混频器、第一中频的滤波与放大电路、
第二混频器、第二中频的滤波与放大电路、可变衰减器等组
成【J(见图1)。
因为输入信号强弱不同，同时考虑到输入强信号的抗干
扰问题，前级输入端采用衰减与直通串联两种工作模式，采
用可控衰减器进行控制，衰减范围0~30dB。除要求尽可能
小的插入损耗指标，还要有一定的带外衰减能力，因此，开
关滤波器组在全频段内采用4个电调滤波器和4个带通滤波
器组成，950MHz以下频段采用电调滤波器，950MHz以上频
段采用带通滤波器。在滤波之后，为保证整机灵敏度不受影
响设计一级输入高放；为确保本振相位噪声和本振泄漏指标
达到设计要求，在放大后先进行1800MHz低通、高通滤波，
然后再进行一混频。对于一本振信号来说其频率范围应在接
收信号覆盖的范围之外，在此选在3l15~4885MHz之间。为
抑制本振带入的干扰及噪声影响一混频电路，对一本振信号
进行高通滤波和放大后再混频。一混频后，分别是一中频的
滤波、放大、增益控制，二混频，二中频的滤波、放大和增
益控制及70MHz中频输出电路。其中，一中频滤波采用两级
滤波、一级增益控制，控制量为31．5dB；二中频滤波采用带
宽分别为1MHz、8MHz的2档开关滤波器组、一级增益控制，
控制量为31．5dB。这样中频控制量为63dB，另外再加上30dB
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射频控制量以及DSP的数字增益控制，信道可达到120dB的
总增益控制量。
3DSP单元设计
DSP单元，为了提高“D扫描”(即数字扫描)的速度，
模拟前端采用8MHz中频带宽滤波器，扫描速度在12．5K分辨
率下为1G／1S，以减少本振调整次数。DSP有两种工作模式，
一种是ct解调模式”、一种是“中频全景模式”，解调和中频全
景频谱显示同时进行，可根据需要进行切换，接收频道处于
频谱显示中心。因此，设计成两路相对独立的通道，这里称
之为“解调模块’’和“频谱模块”，以分别实现解调和频谱两大
功能。DSP单元设计如图2所示【6Jc
图1前端信道结构图
图2DSP单元设计框图
两路通道的硬件设计方案基本相似，,VD采样的数字中
频信号分成两路进入两块数字下变频器，其输出的基带信号
通过FIFO缓冲后送入各自的DSP进行处理。根据对所有运
算量的评估及分工，“解调模块”实时性要求较高，重点完成
“解调”输出、AFC偏移量以及“数字AGC”的工作；“频谱模
块”除完成“FFT”频谱数据主要工作外，“模拟AGC控制”电
压输出和“信号电平强度检测”参数输出等工作也由其完成。
中频数字化单元主要输入、输出：
输入：70MHz中频输入、50MHzA／D采样时钟输入、
控制器接口命令参数输入。
输出：模拟视频数据输出、增益控制电压输出(MGC，
AGC)、控制器接口“FFT”频谱数据、AFC偏移量和信号电
平强度检测输出。
4总体功能设计
(1)扫描功能的实现：用户能按预定义的频率范围进
行频率扫描，可以存贮最多100段频带进行离散频段扫描，
可设置1000个频道、信号带宽、调制方式进行扫描监测。
(下转第3页)
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115．64dB，在2km处该基站的路径损耗为131．90dB，引起
场强变化范围为16．26dB。
而在同样条件下，该段路基若为一段坡度12％o、长度2km
的坡道，在上坡阶段，起点处路径损耗仍为l15．64dB，在2km
处移动台天线高度H为(10+12％o2000)=34m，则A=107．70，
B=34．07，路径损耗为123．96dB，引起场强变化范围为
8．32dB。
在该坡道上，若基站处于坡道顶点，为便于比较，假设
其他条件不变，在起点处路径损耗仍为115．64dB，在2km
处移动台天线高度H为(1O．12％o2000)=．2m(实际运用中，
若基站设在地势较高处，则其高度会调整，考虑计算的有效
性，取lm)，则A=125．69，B=34．07，路径损耗为141．95dB，
引起场强变化范围为26-3ldB。
6结论
根据以上推导，可以得出以下结论：
(1)路径损耗可由上述一组公式进行理论推导，据此
初步设定基站增益，提高调试效率；
(2)客运专线曲线对GSM．R场强影响不大；
(3)同一环境下，基站天线越高，路径损耗越小。因
此，应尽量提高基站天线的高度；
(4)越是靠近城市中心地区，路径损耗越大，因此，
应加大基站密度；
(5)基站天线与轨道面高度差对场强的影响较大，在
长大连续坡区段影响尤其严重，若基站处于坡道底端，在坡
道内，场强变化不大，反之，若基站处于坡道顶端，在坡道
内，场强变化很大，将会影响信号接收质量；
(6)采用单网交织覆盖的GSM．R系统，相邻基站小区
的重叠覆盖区应尽量避开长大坡道，减少越区切换时发生的
数据丢失错误。
参考文献：
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I作者简介1余柏华(1973．)，男，湖北孝感籍，大学本科
高级工程师，部长，研究方向为通信工程。
(上接第9页)
(2)解调功能的实现：采用数字信号处理(DSP)技
术，实现多种工作方式(AM、FM、USB、LsB和cw)的
信号解调，中频解调带宽从2001MHz范围内共22个中频滤
波器可选。
(3)远程控制功能：具有远程遥控功能，遥控接口采
用以太网口，网口速率达到100M。
5整机外形结构设计
根据市场需求和整体方案及整体布局的考虑，本机采用
小型化的结构，内部分开关电源和信道信号处理板两块，信
道信号处理板包括信道部分、DSP部分、控制部分，各部分
采用屏蔽隔窗进行有效隔离，以减少相互之间的影响。该接
收机外型及信道信号处理板如图3所示。
(a)接收机外型图(b)信道信号处理板
图3
6结束语
该接收机采用了超短波电调谐式滤波器，减少多信号进
入接收机的概率，提高了小信号的接收能力和抗干扰性能。
经测试该接收机的噪声系数≤15dB，中频抑制LL>／90dB，
镜频抑制比≥90dB，二阶互调≥45dBm，三阶互调≥
10dBm。在相关无线电管理部门应用表明，具备了20MHz~
3GHz频率范围内信号的接收、解调、频谱显示、信号特征
参数测量、网络数据传输等功能，具有抗干扰性好、动态范
围大、特征参数测量较为准确等优点。可以为无线电管理部
门全面掌握频谱资源使用情况，提高无线电监测、干扰排查
能力，保证物联网平稳快速的发展、保障我国国民经济建设
和国防建设具有重要意义。
参考文献：
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【6]张忠．现代信号处理理论与应用[M]．北京：电子工业出版社，2011．
【基金项目1常州市工业科技支持项目(CE200110088)。
I作者简介l周玉锋(1964．)，男，高级工程师，主要从事短
波、超短波通信机研制开发工作。
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