音乐频谱范文

音乐频谱范文（精选7篇）

音乐频谱 第1篇

下面我们将讲解与制作有关的基础理论知识,我将力求使音乐频谱显示的原理通俗易懂。当然,你如果实在等不及了,或者暂时没时间弄明白也可以快速跳过本节,在制作篇直接跟我动手开始做。

1.理论基础概述

你可能会问,制作这么神奇的东西,它到底是什么原理,需要用到些什么理论吗?我能明白其中的原理吗?

Q:什么是频谱?什么是频谱显示?

A:说到“频谱”这个词,它好像是一种很神秘的东西,究竟什么是“频谱”?这便要从波形本身的来源说起。我们知道,一切声音都是由振动产生的。声音之所以千变万化各不相同,是因为它们的振动各不相同。看看琵琶,吉他或者其他的弦类乐器,可以发现它的每一根琴弦的直径都是不一样的。琴弦越细,音调也就越高。反之则越低。显然粗的弦就不如细的弦振动得快或者说是振动的频率高。产生音调高低的不同,就是由于振动的频率不同。很显然频率越高,音高也就越高。

频率的单位是赫兹(简写为Hz),赫兹(1857-1894),是德国物理学家,他发现了电磁波,为了纪念他,人们用它的名字来做为频率的单位。所谓的一赫兹,就是一秒钟振动一次。那么440Hz呢,当然就是每秒振动440次,这个声音就是音乐中的标准A音,是乐器定音的标准。而钢琴中央C的频率则是262Hz。

我们人的耳朵能够听到的频率范围,是20Hz～20kHz。低于这个频率范围的声音叫次声波,而高于这个频率范围的声音叫做超声波。所以我们能听到的音乐的频率,即都在人耳可听到的这个范围之内,约从20Hz～20kHz。

比如,下面是我们常见的一些人声的基频范围。

●男低音82～392Hz

●男中音123～493Hz

●男高音164～698Hz

●女低音123～493Hz

●女高音229Hz～1.1 kHz

根据傅立叶分析,任何声音可以分解为数个甚至无限个正弦波,而它们往往又包含有无数多的谐波分量。它们又往往是时刻在变化着。所以一个声音的构成其实是很复杂的。将声音的频率分量绘制成曲线,就形成了频谱。

对频谱进行分析的仪器就是频谱分析仪,早期频谱仪都是模拟分析的。频谱仪的原理就是将声音信号通过一系列不同中心频率的模拟带通滤波器。每个带通滤波器相当于一个共振电路,其特性由中心频率(步进的)、频带宽度及响应时间表示。在声音信号通过滤波器后,经过平方检波器,并进行平均之后,在每个频率上测定所传输的功率,从而得到信号的频谱。然而,传统的频谱仪受到滤波器性能的制约,因为模拟电路本身的特性所局限,滤波器的带宽和响应时间成反比,也就是说模拟滤波器的频率分辨力与时间分解能力之间存在矛盾。因为频谱仪所测量的往往都是非稳态声,一般来说,都是使用若干个滤波器来覆盖整个频率范围,并将信号同时并联地输入到这些滤波器。或者使用中心频率能够从低到高连续变化的滤波器。

随着科学技术的不断进步,现在我们所使用的基本不再是那些笨重而不准确的模拟仪器的频谱仪,取而代之的是基于处理器的软件分析法。它分析的数据来源其实是经过了ADC(模数转换器件)转换后得出的数字信号,所以频谱仪软件所测量的信号准确度,很大程度取决于数模转换电路的性能。比起模拟滤波器,数字滤波器应该要更加迅速和精确。

Q:那什么是均衡器和音乐频谱显示?在我们欣赏音乐的过程中有什么样的作用?

A:对于录音棚等专业级别的音乐制作来说,通常都需要对录制的音频信号进行频谱分析来辅助音频的加工制作。当然对于我们普通的爱好者来说,不需要那么精确的频谱分析,我们更多的是用来略显音乐节奏,美化环境,增添气氛。于是,大多数的音乐播放软件(如图1),手机,mp3,高档的音箱设备等,都有了音乐频谱显示。

当高级组合音响在工作时,你可以看到其中有一个部件上有一排一、二十个高高低低的推式调纽按频率高低自左而右排列,显示一种频率分布图;或者是还有一、二十个高高低低的光柱在不断地上下跳,时而中间起一个高峰,时而并排突起两、三个高峰,而且与音乐的高低和强度同步,高音越是强,高峰就偏右边;低音越是强,高峰就偏左边,这就是均衡器及其联结的频谱显示。有时,也用一排色彩不同的条纹来显示,条纹的色彩亮度随声音的强弱而同步地改变。

我们知道,实际上每一种音乐声,包括哪怕是一个人的独唱,一件乐器的独奏,都包括了一系列从低到高不同频率的声波,更不要说是乐队演奏了。如果声音中低频成分多,听起来就较厚实;如果是高音成分多,听起来就比较明亮。有的人喜欢听低音成分多些,有些人喜欢听高音成分多些,各不相同。因此,以前的收录机上就有一个调节高低音的旋钮。把旋钮指向高音部位,高音就比较强;把旋钮指向低音部位,低音就比较强,这就是一个简单的均衡器。

好的声音效果,其各段频率成分应该有一定的比例,录音的时候,录音师操作调音台就可以使各段频率的成分得到调整。由于各种乐器的基频高低是不同的,所以,也可以使各种乐器之间的声音比例得到调整,常见的是把频率由低至高分成5段或7段、10段或15段,有经验的录音师或音乐家能听出哪里(哪个频率段)“空”了,即这个频段弱。哪里“鼓了个包”,即这个频段过强。通过均衡器可以把这些予以弥补。又因为每个人对音乐中频率分布的欣赏标准是不同的,因此,各位录音师掌握的尺度也不同,显示出各自的风格。

录音师也可以在录音时做些“手脚”,例如,有的录音机低音部分不太好,于是在录音时就把低音部分加强,这样,在这台录音机上播放时,低音就得到了补偿,因此,你播放购买收录机随机奉送的“试机带”时,听起来常常总是非常动人的,但在播放正常的磁带时,往往就不行了。所以在正式试验整机和评比设备、磁带、唱片时,是不准用均衡器而且要用标准试机带的。由于每个人的欣赏和爱好的不同,有人喜欢低音“浓”些,有人则崇尚自然,也有人有时要强调某种乐器。因此在高级的放音设备上也有均衡器,可以根据每人不同的爱好去随心所欲地调整频率响应。同时,这也可以弥补录音带质量上的某些缺陷,例如,除了频响不平衡外,可以抑制某个频段上突出的噪声等。

Q:我们制作音乐频谱显示需要用到什么基础知识吗?

A:首先,我们采用是基于微处理器的软件分析法,微处理器是本制作的核心部分,因此,选择一个合适的性能与配置的微处理器是关键,我选择增强型的8051单片机便能够满足本次制作的要求。

软件上的分析法核心是快速傅立叶算法,简称FFT。

Q:什么是FFT?

A:FFT (Fast Fourier Transform)即离散傅立叶变换的快速算法。在数字信号处理中常常需要用到离散傅立叶变换(OFT),以获取信号的频域特征。尽管传统的DFT算法能够获取信号频域特征,但是算法计算量大,耗时长,且要求相当大的内存,不利于计算机实时对信号进行处理,限制了DFT的应用。直到Cooley&Tukey在1965年提出的快速离散傅立叶计算方法被发现,快速傅立叶变换算法才在实际的工程中得到广泛应用。需要强调的是,FFT并不是一种新的频域特征获取方式,而是DFT的一种快速实现算法,可用来将一个信号从时域变换到频域。多数的复杂信号在进行频域变换之后,变换的目的实际上是从频域里来看同一个信号,从而容易分析出其信号的特性。这也是很多信号分析采用FFT变换的一个重要原因。另外,FFT能将一个信号的频谱提取出来,这在频谱分析方面也是经常使用的。

Q:我们的制作中如何使用FFT?

A:很简单,首先,我们用ADC去采样一个模拟信号之后,使之变为数字信号。根据采样定理,因音频信号的最高频率约为20kHz,若ADC的采样频率设置为40kHz,既有采样频率大于信号频率的两倍,就能基本满足要求。其次,将采样得到的数字信号,送入FFT进行变换处理。通常,若我们取N个采样点,经过FFT运算之后,就可以得到N个点的FFT结果。但通常为了方便进行FFT运算,通常N取2的整数次方。设Fs为ADC的采样频率,N为傅立叶变换的点数。则有最小分辨频率f=Fs/N,因此频谱显示的最低频率就是fHz,以后每向右移一个点,频率值将增加fHz。由于FFT结果的对称性,通常只使用前N/2个采样点的结果。

简而言之,使用A/D转换器对输入的音频信号进行采样以后,经过FFT变换,然后取某些频率项的幅值,量化显示,驱动LED点阵,点亮相应的LED灯。

限于篇幅,我们暂且不对FFT的数学原理进行过深的原理分析,以免打消大家的积极性,即使不很清楚FFT原理,按照我的步骤也可以做出漂亮动感的音乐频谱显示来。

小贴士1

根据STC12A32S2单片机的资源情况,最多只有1280B RAM,我们取64点的FFT就可以满足要求,还达到更好的视觉效果,更高的刷新频率,以及为以后软件扩展留下余地。

2.电路原理图

我们制作这个音乐频谱显示只是用来娱乐,所以没必要追求很高的精确度和工业级别稳定性,所以,我对电路进行了一系列的简化处理,这样既可以节省元器件,也可以减少DIY的难度,提高我们的兴趣。在不影响正常使用的情况下,我对电路进行了如下精简设计,但也相应的加入了不少亮点,见图2、图3。

(a)采用USB接口供电,并且对USB接口进行了扩展。在没有额外占用电脑主机USB接口情况下,随时随地给系统供电;

(b)加入了触摸键设计,以及震动反馈。当触摸键响应时有震动反馈,及声光提示,如今很多触屏手机也有这种时尚设计;

(c)加入ThinkPad笔记本上的经典呼吸灯指示设计。如夏日里的萤火虫,一闪一闪亮晶晶,不仅有趣还能指示系统工作状态;

(d)省去了MCU的复位电路,以及晶振上的2个起振瓷片电容,但一般不影响系统正常工作:

(e)双音频插孔设计。不影响正常的音频输出,省去了音频分线器;

(f)去掉音频输入处理的电平移动电路,简化电路,并加入软自动增益控制,实现自动根据音乐的声音大小调节显示幅度;

(g)采用食人鱼LED来显示,不仅特别的亮,而且比用普通的草帽状LED效果更美,耐电流也更大,还省去了部分限流电阻,食人鱼LED有四个引脚,便于手工焊接,大量减少跳线。

3.编程思路

在主函数中,单片机通过AD对音频数据采样,然后存放到数据缓存区进行预处理,完成AD滤波处理,自动增益控制信息扫描以及其他信息处理。接着,将缓存区数据送入快速傅立叶变换(FFT)处理子函数进行运算。处理完后,从缓存区取出运算结果,根据得到幅值计算出点阵的显示数据,并存储到显示缓存区。

在中断函数中,根据显示缓冲区的内容对点阵显示屏进行实时刷新点亮。

程序流程图见图4所示。

4.程序摘讲

(a)我们使用函数“IOINIT():”对输入输出口进行初始化,及设定好IO模式寄存器,我们需要把相应的IO配置成所需的引脚模式。根据STC12A系列的Datasheet,IO口可以设置成如表1所示的四种模式。

特别需要注意的是要将P1.0,P1.1口设置成输入高阻态,用作ADC,语句“P1ASF=B(00000011);”将P1.0,P1.1的IO设置为)模拟输入功能;

(b)函数“InitADC():”用来初始化单片机内部集成的模数转换器。在使用ADC转换时,要记得提前上电,待ADC的电源稳定后才使能转换。

小贴士2

这里有个特别的宏用法,把这段语句加到你程序的第一行即可:

#define BinToHex(n)

(((n>>21)&080)|((n>>18)&0x40)|((n>>15)&020)|(n>>12)&010)|((n>>9)&008)|((n>>6)&004)|((n>>3)&002)|((n)&001))//请把这条宏语句写在同一行。

#define B(n) BinToHex(0##n##l)

举个例子:

原本给单片机IO赋值的语句“P0=037”;我们现在就可以写成“P0=B(00110111);”这样,很大程度上方便我们修改IO口的状态。

(c) Timer_INT();//定时器初始化设定,定时器用于LED屏的刷新及频谱数据显示;

小贴士3

自动增益是什么?

当输入的音频信号的音量变大或变小时,采样的AD值幅度也会有相应趋势的变化,于是根据这个值自动调节AD值放大的倍数,维持在一定的范围内,从而使显示的效果最好,不会出现满屏或者空屏的现象。

小贴士4

不要忘记在主函数中初始化PWM寄存器噢,即“PWM_init();”!

你也许会问“<

我们知道,如“x=0x11<<1:”即将011乘以2,再赋给x,“x=011<<4;”就是将0x11乘以2的四次方,再赋给x,我想你已经明白了吧。在很多场合,我们用左移(<<)或右移(>>)来代替积商的运算,能够提高程序的执行速度。那么在此处,“<

代码1是自动增益的控制块。

(e)如何制作呼吸灯呢?想让你的LED像夏日里的萤火虫般一闪一闪的吗?快把代码2的这段语句加到你的中断程序中去吧。

制作篇

(1)请根据表2的元器件清单来准备好原材料。元件材料见图5所示。

(2)当然,你还得有电烙铁,焊锡丝,助焊剂,镊子,钳子,万用表等常用工具。

单片机可选择STC12A系列的其他型号,不过建议选ROM空间稍大点的,以便以后续升级程序功能,但提供的程序ROM资源消耗量不到5K。另外,若读者一时没法找到食人鱼LED,也可以用普通的草帽型LED代替,此时就可以省略9013了。因为食人鱼LED封装是正方形的,且相邻的LED之间不会有空隙,而且亮度很好,故强烈推荐大家用食人鱼LED来制作。

(3)准备焊接,在2850孔的万能板上插好食人鱼LED,请大家一定要注意不要把正负极装反了,有时间的话尽量先测试下LED灯,不同颜色的LED正负极可能是不同的!在万能板上铺上一张白纸和一张透明薄膜,可以用万能表笔打孔,白纸可以提高光的反射程度,薄膜也可以防尘防水。过程见图6、图7所示。

(4)插好LED后,在万能板上焊接好贴片9013,如果没有贴片的也没关系,就用普通的也可以,注意不要短路了,再按从左到右的顺序依次接上16根行和8根列的排线,把24根排线分别接到三极管的基极(引脚如图11所示),并把电源线,地线接到三极管上并引出。贴片类的三极管器件耐热性能不够好,如果长时间加热可能会让贴片元器件性能降低甚至损坏,所以烙铁温度不能太高,焊接时间不能过长。见图8所示。

(5)把LED点阵屏装到外壳里(见图9、图10),我是用的一个日历的外壳,这个外壳可以自己就地取材,大小合适就好。然后用笔做好需要钻孔的标记,不要画偏了,拿一个闲置不用的电烙铁,加热钻好孔,并用小刀整平。取几个铜柱,拧好螺丝,装上初步做好的LED点阵屏,并固定好。当然你也可根据自己的爱好加装些别的元器件。

需要注意的是这种音频插孔有五个引脚,我们只用外围的三个引脚,如图12所示:标号为1的引脚是GND,2与3分别为左右声道。

音乐频谱 第2篇

2013年11月12日，在广州市礼顿阳光大厦，举办了骏丰频谱科研项目“骏丰‘内喝外照’生物频谱技术对运动员高负荷训练后消除疲劳促进体能恢复实验研究”的科技成果鉴定会。此次鉴定会是由广东省体育局科教宣传与交流处组织，广东骏丰频谱股份有限公司（以下简称骏丰频谱公司）协助召开。鉴定会除了项目组织开展单位广东省体育局科教宣传与交流处以及广东省体育局重竞技中心的相关领导和研究人员参加外，还邀请了运动医学、运动生理学、运动生物化学、运动营养和生物化学、中医临床等领域的权威专家组成专家鉴定组，进行成果评审鉴定。

会上，重竞技中心的研究负责人对项目研究方法及研究成果做了详细的报告。该研究项目应用骏丰“内喝外照”生物频谱技术，对高水平运动员训练后消除疲劳和体能恢复进行实验研究。结果显示，骏丰“内喝外照”生物频谱技术能有效提高运动员训练负荷能力，促进高强度比赛前、中、后的体能恢复，对提高运动比赛和训练成绩有积极的作用。

专家鉴定组审阅了项目研究资料，听取了课题汇报，进行了审核质询，对此次研究课题的开展、成果及意义表示了肯定与赞许，认为该项目具有创新性和实用性，达到国内领先水平。同时，也对项目研究的继续深化拓展提出了相关建议。

最后，专家鉴定组经过认真的讨论，一致同意通过该项目科技成果鉴定，并希望骏丰频谱“内喝外照”产品可以不断深入研究和推广，让不同领域的人们都能够受益于生物频谱技术。

电磁频谱的军事应用 第3篇

频谱同矿山、森林等自然资源的区别在于：它可以被人们所利用，但不会被消耗掉。不使用它是一种浪费，但如果使用不当，同样也是一种浪费。由于频谱不受地域、空域、时域限制，也不受行政区域、国家边界的限制，所以开发和利用这些资源国际上均有严格管理规定，任何部门、地区和个人，包括任何国家都不得随意使用无线电频谱，以避免造成相互干扰。频谱作为国家的公共资源，除有一部分划分给军队专用外，大部分都是军民共用，所以各国都十分重视并加以珍惜和充分利用。目前，国际范围的电磁频谱管理主要是通过建立国际组织、签订国际协议、统一划分频谱来解决。在军事领域，举例来说，美军一个步兵师约有70部雷达、2800部电台，俄罗斯一个摩托化步兵师约有60部雷达和2040部电台，如此众多的电子设备要在整个作战空间中有条不紊地工作，没有统一的管理和协调一致的行动，其局面将不堪设想。在伊拉克战争中，美军正是凭借完善的频谱管理机制和强大的频谱管理力量，每天处理数万个频率，确保了美英联军不同体制电子设备相互兼容，使超过1.5万部电台构成的无线电网保持正常运作，为战争的顺利取胜发挥了关键作用。据外刊报道，海湾战争中，无线电频率管理的无线网络为7500多个高频网、1200多个甚高频网和7000个特高频网。这些都从不同方面说明，没有有序的电磁频谱管理为基础，信息化作战将受到极大的制约和影响。目前，美军从统帅部到野战师都设有专门的频谱管理机构和人员，从国防部、联合参谋部到诸军兵种，都建立了一套完整的联合战役频谱管理体系，形成了成熟的管理机制。面对未来战争对无线电管理的挑战，美国、俄罗斯等国军队正在建立新的频谱观念，即从以前静态的、单一频谱观念，向动态的、多面特征的频谱观念转变，以求在设计、指配和频谱使用上符合未来系统特性。为提高电子战能力，俄军把转变频谱管理观念、加强频谱管理研究作为电磁频谱管理建设的“优先任务”，并已取得了明显成效。

随着科学技术的发展，无线电设备的种类、数量激增，卫星、广播电视、民用移动通信、航空等无线电业务使无线电信号几乎覆盖了世界各个角落。如何解决有限的频谱资源与高速增长的军用、民用需求之间的矛盾，已成为各国共同关注的时代课题。在军事领域，各国把无线电管理作为信息化建设的重头戏。美军的无线电管理起步较早，目前已形成了较完善的管理体系和管理机制：在参联会领导下，通信电子委员会和联合频率小组共同负责美军频谱管理方面的事宜。联合频率小组是国防部频谱管理的主要协调机构，它审查、部署、协调和执行国防部为军事通信电子委员会制定的各项指令、专题研究、报告以及建议。设在国防部信息系统局的联合频谱中心是美军无线电频谱使用的技术保障单位，负责频谱规划和电磁环境、系统兼容性与抗干扰性等方面的研究，为无线电系统的采办及作战支援提供技术服务，以确保美军有效地使用频谱。美军认为，频谱是军队作战电子体系中的关键因素。频谱研究必须是战场通信、情报和测向体系机构的一个完整部分。因此，美军正在考虑把频谱需求评估的管理、战略以及作战支持融入整个作战信息体系。

英阿马岛战争中，英军“谢菲尔德”号驱逐舰被“飞鱼”导弹击中而葬身海底。战后，人们在总结分析这场战争交战双方的得失时惊诧地发现，电子系统间的电磁兼容问题竟成为影响战争胜负的一个重要因素，英军因为对它的忽视，付出了惨痛的代价。据有关资料介绍，在那次战争中，英国与阿根廷在争夺马岛时，英军“谢菲尔德”号驱逐舰担负航母群攻击阿军某机场时的警戒任务，没想到却被阿军一架战机发现。阿机当即发射一枚飞鱼反舰导弹，配有先进雷达警戒系统的“谢菲尔德”号驱逐舰竟毫无反应。事后的调查分析表明，“谢菲尔德”号驱逐舰被击沉的主要原因是该舰研制之初，忽视了舰载雷达警戒系统与舰载卫星通信系统的电磁兼容性，导致两个系统同时工作时相互干扰，无法及时发现来袭导弹而采取相应对策。1990年海湾战争时，美军等多国部队对伊拉克军队实施了大量的电磁干扰，使整个海湾战场形成了极为复杂的电磁战环境。海湾战争一开始，美军电磁兼容分析中心即提供了多国部队用于频率指配的数据库、海湾地区电磁环境资料等，并专门抽调专家到一线，组成多国部队的频谱管理机构，实施及时有效的频谱管理和无线电管制，从而为多国部队制定作战计划、实施指挥控制和协同作战提供了可靠的保证。伊拉克在多国部队的电磁干扰和精确制导武器打击下，无线电通信中断、雷达迷失目标、武器装备性能难以正常发挥，使其军队失去指挥并被分割，处处被动挨打。

音乐频谱 第4篇

关键词：HFC网络,容量限制频谱管理,频谱再利用

1 概述

目前广电网络基本完成了从模拟电视向数字电视的转换, 正在向互动和高清方向发展。网络中传输的节目从模拟电视时代的50-60套节目发展到100-200多套节目, 随着高清电视节目越来越多, 互动节目对带宽有了更多的需求, 而HFC网络的带宽只有50-1000MHz, 势必存在带宽紧缺, 怎么办呢?更多的情况是, 相关的频道资源已经被占用了, 怎么重新利用呢?

2 广电HFC网络容量限制

我国电视采用的PAL-D标准, 每个电视频道占用8MHz带宽, HFC网络目前绝大多数为860MHz, 将来会发展到1000MHz带宽。

目前DVB-C一般采用RS (204, 188) 编码、64QAM调制、0.15的滚降频谱成形, 所以在一个8MHz的模拟频道内, 有效数据的比特率约为38.4Mbps, 如公式1所示。

DVB系统需要为EPG、ECM、EMM等预留约5Mbps, 所以用于传电视节目的码率也就剩下33.4Mbps左右。接下来是每套电视节目的信源编码问题, 现在一般都采用MPEG-2, 如果选择压缩码率为8Mbps, 则在一个8MHz频道内可传4套电视节目, 若选择6M, 则可传6套, 若选择5M, 则可传7套, 若选择4M, 则可传8套。当采用64QAM调制时, 一个8MHz有线电视频道能传输2套16Mbps的高清兼容3D电视节目, 图1展示了所示各种图像尺寸规格。更大的图像尺寸意味占用更多的带宽资源。

一个典型的HFC网络频道利用规划如图2所示, 模拟频道6个, 标清节目120套, 高清节目40套, 并发高清和标清节目分别为120套和200套, 其余为高速数据如CMTS等业务预留。

3 广电HFC网络频谱管理和频谱再利用可能性

目前, 已建成的市县骨干网络绝大多数1550光传输网络, 结构如图3所示。所有信号均从地区总前端向各个县级分前端广播发送, 即所用用户共享860MHz带宽资源, 同时在各个县市、乡镇机房必须要添加插入本地节目。

在各个县市、乡镇机房添加插入本地节目非常容易, 一般采用两种技术手段:采用光插播技术和光放大器直接传送, 先采用光接收机接收, 再采用电信号混合插入添加信号方式。

假如规划插入添加的频道已经被占用, 或者计划插入的频道存在干扰, 拟添加的频道无法插入时怎么办呢?

最新研究开发的频谱“删除”技术可以解决上述难题。频谱“删除”技术可以将整个8MHz带宽内的信号频率全部“删除”的比较干净, 达到-55dB以下, 完全可以重新使用这个频道。当然也可以删除两个、三个, 甚至一个较宽的频段, 如图4所示。

当然这里所说的频谱“删除”技术, 并不是真正意义上的彻底删除 (如电脑硬盘上删除文件那样) , 但是它可以将不需要的信号频谱功率抑制到足够、足够小, 以使我们再利用这个频谱资源成为现实。见图5。

频谱“删除”技术将为我们灵活使用我们的带宽资源, 重新使用以前不能使用的带宽提供了重要的技术手段。

4 广电HFC网络频谱管理和频谱再利用应用

在某些情况下, 光传输网络传输到某些光节点或者分前端时, 该分前端并不需要传输来的所有频道而是需要部分信号, 如其中的三个频点信号不需要, 这个分前端需要重新混入三个频点的信号, 见图6。

在其他的一些情况下, HFC网络的某些频道存在干扰, 或者由于在1550光信号超长距离传输过程中, 某些频点产生了某些非线性干扰, 以至于这些带宽资源无法再使用, 此时可以采用新的频谱“删除”技术将干扰抑制到最低, 这样我们就可以重新使用这些原本无法使用的频点, 如图7所示。

5 结论

以频谱资源促经济社会发展 第5篇

信息消费的生产要素作用

当前全球范围内信息技术创新不断加快，信息领域新产品、新服务、新业态大量涌现，不断激发新的消费需求，成为日益活跃的消费热点。我国市场规模庞大，正处于居民消费升级和信息化、工业化、城镇化、农业现代化加快融合发展的阶段，信息消费具有良好的发展基础和巨大发展潜力。2014年上半年，浙江省信息消费总规模达到1475亿元，同比增长22.92%，比全省经济增速高出15个百分点，并呈现加快发展态势，在全省保增长、调结构、扩内需、惠民生、打造浙江经济升级版中发挥了重要作用。预计到2015年，我国信息消费规模将超过3.2万亿元，年均增长20%以上，带动相关行业新增产出超过1.2万亿元。

无线通信技术有力地拓展了信息消费的空间，无线服务成为信息服务的亮点，以无线通信为基础的信息消费形式已经成为信息消费的主力军。而无线电频谱资源在信息消费中有着显著作用，无线电频谱资源是现代人类社会和经济发展的物质基础，构成了信息化时代人类生存发展的基本要素。早在1959年，诺贝尔经济学奖得主罗纳德·科斯（Ronald Coase）就提出无线电频谱必须看作为一种生产要素，并且它的价值应在自由市场上予以确定。工信部有关研究表明，预计到2020年，我国与无线电频谱相关的产业总产值将达到7.8万亿，占到同期GDP的4.39%。有关机构通过对我国1999年至2005年的数据进行分析后测算出无线电频谱资源的投入对我国GDP增长率的贡献高达6.3%，并且可以将单纯的劳动力投入贡献从2.80%提高到3.12%，无线电频谱资源投入对经济增长的贡献率则达到4.61%。

目前，我国无线电相关产业所创造的直接经济价值约占GDP总量的3.5%。尤其是通过信息消费的不断拓展，我们更加体会到无线电频谱资源对于扩大内需拉动经济建设所潜在的重要作用。加快促进信息消费，能够有效拉动需求，催生新的经济增长点，促进消费升级、产业转型和民生改善，是一项既利当前又利长远、既稳增长又调结构的重要举措。

经信工作的基础性作用

纵观近几年的三网融合、智慧城市、物联网技术、信息基础设施、两化融合、TD-LTE技术发展等经信工作，可以发现无线电频谱在其中都承担着基础性作用。

物联网技术的发展离不开无线电频谱：与无线电技术密切相关的物联网技术被称为信息产业的第三次浪潮，已成为世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一，发展物联网对于促进经济发展和社会进步具有重要的现实意义，因此一些国家将该产业的发展上升到国家战略的高度。物联网也被我国“十二五”规划列为七大战略性新兴产业之一，是引领中国经济华丽转身的主要力量。而物联网战略实施离不开无线电频谱资源，物联网的核心技术中的感知识别主要依靠射频识别、无线定位、无线传感等技术，这些技术都有赖于无线电频谱资源的传输支撑。

4G技术的发展离不开无线电频谱：我国是公众移动通信大国，拥有世界上最多的公众移动通信用户和最大的公众移动通信市场，这几年移动互联网技术不断发展，其最基础的信息传输媒介就是无线电频谱。无线电频谱资源为公众移动通信的发展提供了不可或缺的资源基础，更是创造了巨大的产业价值和社会效益。值得一提的是我国无线电管理部门从3G时代的TD-SCDMA到4G时代的TD-LTE，始终大力支持我国主导的TD技术，为其分配优质的频谱资源。

智慧城市建设离不开无线电频谱：当前的智慧城市建设正在全国快速开展，其中的通信、感知等技术都需依靠无线电频谱的传输。智能电网、智能交通、智能水务、智慧国土、智慧物流等工程无不需要无线电频谱作为传输载体。包括正在大力推进的高铁事业，同样需要无线电管理部门为其提供优质的无线电频谱资源，重新指配用于高铁GSM-R通信系统的使用频率。此外，在一些地区推进机场建设中，无线电管理部门进行电磁环境的监测，提供优质无线电频谱资源的各项工作，都能够推动当前经济建设的有力发展。

无线电管理的转型升级

当前，无线电管理工作的社会知晓度不高，在推动经济与社会发展中话语权不多，甚至有人形容无线电管理部门是个“三无”单位：无线、无声、无权。因此，无线电管理工作转型升级是当务之急。

事实上随着信息化的不断推进，社会各行业、各领域对频谱资源的需求将越来越多，新一代移动通信、无线城市、物联网、数字广播、三网融合等新一代信息技术和战略性新兴产业的发展，对无线电频谱资源的需求将大幅提升。无线电管理部门只有在服务经济社会大局，助推无线产业发展中方能展示自己、证明自己，体现无线电管理工作的价值。

因此，无线电管理部门应当认真研究无线电技术融入产业发展的新思路，积极探索为无线产业提供服务的新方法，创新理念、找准定位，突出主业、融合发展，把握信息时代新特点，提高无线电管理水平，更好地为信息化发展服务，为经济社会发展服务。

音乐频谱 第6篇

关键词：认知无线网络,Delaunay三角网,分布式频谱图,混合频谱共享

0引言

无线电频 谱已成为 一种宝贵 的资源 , 认知无线 电[1]用来提高 频谱利用 率 。 当前的认 知无线电 采用频谱 感知[2]来检测频 谱空洞 。 然而 , 在overlay/underlay混合认知 无线电中 , 次用户需 要检测主 发射机的 位置和发 射功率[3]。 但这对认 知无线电 是一个巨 大的挑战 , 为了支持 认知无线 电 , 无线环境 地图 (REM) [4]被提出 。 REM包含无线 电环境中 的若干信 息 , 如地形信 息 、无线电法 规等 。

频谱态势 图是REM当中的重 要部分 , 它能帮助 次用户在 空间上发 现和使用 频谱空洞 。 频谱态势 图能通过 不同实体 的测量获 得 , 比如终端 、基站和接 入点 。 但是要求 在每一个 点都测量 信号强度 是不现实 的 , 因此插值 技术被用 来制作频 谱态势图 。 文献 [5-6] 分别采用 克里金插 值和样条 插值建立 频谱态势 图 。 但是在这 些研究当 中都需要 感知节点 通过公共 控制信道 向融合中 心发送感 知信息 , 融合中心 执行插值 算法 , 然后融合 中心再向 各个次用 户发送控 制信息 。 这个过程 需要较长 的时间和 消耗较多 的能量 。 文献[7]采用分布 式方法 , 但是基于 最近邻的 方法 , 仅仅与最 近的节点 通信 , 有限的本 地数据导 致重建的 频谱图精 度较低 。 本文提出 一种次用 户自组织 的分布式 制图方案 。 该方案仅 仅需要邻 居节点之 间交换感 知信息 , 因此更适 合网络结 构灵活的 认知无线 网络 。

在获得分 布式频谱 态势图的 基础上 , 本文提出 一种次用 户分布式 混合频谱 共享方案 。 次用户根 据检测区 域内的信 号强度大 小 , 将区域划 分为主用 户非活跃 区域和活 跃区域 。 在非活跃 区域 , 次用户采 用overlay方式接入 。 在活跃区 域 , 为了避免 对主用户 产生严重 的干扰 , 次用户采 用underlay方式接入 。 采用分布 式混合频 谱接入方 案 , 无论主用 户是否工 作 , 信道是否 空闲 , 次用户都 可随时接 入授权频 段 。 在整个时 间段内进 行动态功 率发射 , 以较高的 效率实现 主次用户 的频谱共 享 。 与单一的 共享方式 相比 , 系统容量 有所提高 。 仿真实验 证明 , 该方案性 能明显优 于传统的 检测避让 方法 。

1模型

1.1网络模型

在一个区域上, M个主用户可以共用频带, 但是要求主用户 之间距离 比较远 , 避免互相 之间造成 干扰 。 认知无线 网络由N个在该区 域上均匀 随机分布 的可移动 次用户组 成 。 假设次用 户已经发 现邻居并 且基于Delaunay三角网生 长法与邻 居组成无 重叠的三 角网络 。 次用户通 过GPS定位并且 能够感知 特定频率 的信号强 度 , 然后次用 户将感知 到的信号 强度和位 置信息通 过公共控 制信道发 送给构成 三角网的 邻居 。 在获得邻 居节点的 信息后 , 执行插值 算法生成 自组织三 角区域的 频谱态势 图 。

1.2传播模型

假设传播 模型由路 径衰落和 瑞丽衰落 组成 。 第i个次用户 的接收信 号强度为 :

其中 , Pj是主用户j的发射功 率 , M是活跃的 主用户个 数 , α 是路径损 耗系数 , dji是主用户j到次用户i的距离 , g1是主次用 户之间链 路的功率 衰减系数 , NoB是零均值加性 高斯白噪 声功率 。是随机变量函 数g (x) 的数学期 望 , 而f (x) 是随机变 量x的概率密 度函数 。

2分布式频谱图

Delaunay三角剖分 广泛地应 用在有限 元分析 、 信息可视 化 、 计算机图 形学等领 域 。 Delaunay三角网具 有优良的 几何特性 , 如空外圆 性质 、最小角最 大的性质 等 , 是公认的 最优三角 网 。 构建三角 网的算法 可以分为 分治法 、逐点插入 法和三角 网生长法3类 。 由于次用 户自组织 通信是从 局部发起 的 , 所以选择 三角网生 长法更符 合实际情 况 。

2.1基于Delaunay三角网的组网方案

次用户通 过公共控 制信道寻 找邻近的 次用户 , 并且与最 近的次用 户连接成 为一条Delaunay边 , 然后按照Delaunay三角网的 判别法则 寻找包含 此Delaunay边的另一 端点 , 依次处理 所有生成 的边 , 直到最终 完成 。

基于Delaunay三角网生 长算法的 组网过程 如下 :

( 1 ) 需要接入 授权频带 的任意次 用户寻找 离自己最 近的次用 户 , 然后连接 起来作为 定向基线 。

( 2 ) 按照Delaunay三角网生 长法的法 则 , 找出第三 个次用户 创建Delaunay三角形 , 然后将新 生成的三 角形的两 个边作为 新的基线 。

(3) 重复第 (2) 、 (3) 步 , 直到所有的基线都被用过为止 。

2.2分布式插值算法

组成三角 形的三个 次用户接 收信号强 度为Ii, i = 1 、 2 、 3 。 三角形区 域内任意 点的信号 强度为 :

其中准фi ( xi, yi) 是插值基 函数 , 代表相应 节点的权 重 , ( x , y ) 是位置坐 标 。

对每一个 由次用户 组成的三 角形区域 , 都采用上 面的方法 求得三角 形内部信 号强度 , 从而获得 整个区域 的信号强 度 。

2.3评估分布式制图方案

通过计算 重建频谱 态势图的 均方误差 (MSE) 来评估分 布式制图 的性能 。 均方误差 越小说明 重建图和 原始图越 接近 , 重建的精 度越高 。

其中A是特定区 域的面积 。

3分布式混合频谱共享方案

传统的认 知无线电 采用检测 避让方法 , 无论主用 户在任何 位置被检 测到 , 整个次用 户网络为 了不干扰 主用户将 避免使用 授权频带 。 在所设场 景中 , 能量分布 是主网络 通信造成 的 , 信号强度 大的区域 可能是主 用户活跃 区域 。 定义一个 主用户能 量干扰阈 值Ith, 次用户检 测区域内时 , 该区域不 存在活跃 主用户 , 定义该区 域为主用户非 活跃区域 , 次用户在 该区域采 用overlay方式接入 。 检测区域时 , 该区域存 在活跃用 户 , 定义该区域为主用 户活跃区 域 。 次用户在 该区域采 用underlay方式接入 。

次用户所 在区域时 , 可以获得 的容量为 :

次用户所 在区域时 , 可以获得 的容量为 :

其中 , B是信道带 宽 , No为信道加 性噪声的 功率谱密 度 ; Po是次用户 在overlay状态下的 发射功率 , Pu是次用户 在underlay状态下的 发射功率 ; Pmax是次用户 最大发射 功率 , Qav是主用户 的干扰容 限 ;r是次用户 检测范围 半径 , d是活跃主 用户与次 用户之间 的距离 ; g0是次用户 之间链路 的功率衰 减系数 , g1是主次用 户之间链 路的功率 衰减系数 ;I是次用户 接收到的 信号强度 。

采用拉格朗日乘数法求解次用户在overlay和underlay状态下的 最优发射 功率 。 次用户在overlay状态下的 最优发射 功率为 :

其中 (x) +=max (0, x) , 将P*o代入式 (5) 并且取等 号的情况 下 , 可以求得 拉格朗日 系数 κ。 次用户在underlay状态下的 最优发射 功率为 :

将P*u代入式 (7) 和式 (8) 并且取等 号时 , 可求得拉 格朗日系 数 λ 和u。

根据构建 的频谱态 势图可以 计算出主 用户非活 跃区域所 占比例 β。 同时考虑 次用户在 整个网络 中的均匀 随机分布 , 因此对所 有次用户 求平均可 获得分布 式混合频 谱共享系 统的最大 平均容量 为 :

4仿真分析

假设若干 具有信号 强度传感 功能的次 用户均匀 随机分布 在100 m×100 m的区域上 。 次用户已 经发现邻 居并且与 邻居组成 无重叠的 三角网络 , 次用户与 邻居可以 互相通信。表1所示为仿真参数, 采用MATLAB进行仿真。

4.1重建频谱态势图

图1为本文分 布式制图 方案构建 的频谱态 势图 。 在100 m × 100 m区域上有3个活跃的 主用户 , 颜色的深 浅代表信 号强度的 大小 。 频谱态势 图重建误 差主要是 受插值节 点的密度 、阴影衰落 和噪声等 影响 。

根据式 (3) 计算重建 频谱图的 均方误差 。 图2比较了本 文方法和 文献 [7] 的方法 , 随着次用 户个数的 增加 , 均方误差 均下降 , 但本文方 法均方误 差明显低 于文献 [7]的方法 , 主要原因 是文献 [7] 虽然采用 分布式制 图 , 但仅仅与 最近的节 点通信 , 有限的本 地数据导 致重建的 频谱图精 度较低 。

4.2分布式混合频谱共享方案仿真

次用户20个 , 信道带宽B=64 k Hz, 在瑞利衰 落环境下 进行仿真 , g0、 g1是服从参 数 λ=1的指数分 布 。 仿真结果 如图3所示 。 随着主用 户非活跃 区域的增 加 , underlay系统的容 量逐渐下 降 , overlay系统的容 量逐渐上 升 , 系统总的 容量也在 逐渐上升 , 且一直保 持在较高 水平 。

5结论

分布式频 谱图能在 分布式网 络架构下 有效提高 频谱利用 率 。 与集中式 频谱制图 相比 , 分布式频 谱制图不 需要融合 中心 , 能更好地 适应无线 网络结构 的变化 。 在分布式 频谱图的 基础上 , 本文提出 了一种次 用户分布 式混合频 谱共享方 案 , 该方案性 能明显优 于传统的 检测避让 算法 。 本文创新 点主要表 现在 : (1) 提出次用 户自组织 分布式频 谱制图方 案 ; (2) 在分布式 频谱图的 基础上 , 提出混合 频谱共享 方案 。 次用户根 据周围环 境 , 动态选择overlay或者underlay接入方案 , 有效提高 了系统容 量 。

参考文献

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音乐频谱 第7篇

“无线电是信息化无处不在的唯一载体”，不仅如此，随着无线电技术的飞速发展，该唯一性不断凸显，正在向任何时间、任何地点扩展。而在区域无线电管理工作过程中，要管好资源、用好频率，确保发挥并进一步挖掘无线电频谱资源服务经济社会发展的作用，就必须拥有与该地区经济社会发展水平相适应的无线电监测手段。

值得强调的是，无线电技术设施建设周期较长，所以无线电监测网络的规划应适度超前于当前地区经济社会发展的要求。面对当前无线电管理部门管理资源普遍不足的现状，科学、合理、全面地分析地区经济社会发展趋势，不仅有助于管理目标分级，摸清不同区域无线电管理需求的轻重缓急，实现资源分配因地制宜，而且可以为监测网络布局提供宏观依据，实现管理核心区无线电监测的率先覆盖。

基于以上考量，宁波无线电管理机构围绕海洋经济发展，建立了全市无线电监测网络宏观布局。

海洋经济发展规划

宁波位于长三角地区经济发展两翼中的南翼，与上海跨杭州湾相望，地理区位优势明显，海洋产业经济发达。从2003年到2008年，海洋产业总产值由1040.3亿元增长到2309.15亿元，年均增长17.35%，占全市国民生产总值的比重也由50.1%上升到58.3%，海洋经济已成为宁波经济的支柱。

预测数据显示：到2015年，宁波海洋经济领域的三产比例为3.02：71.20：25.78。第一产业主要是海洋渔业，宁波辖区目前共有水上（渔业）船舶电台约12870台；第二产业以海洋油气业、海洋化工业、海洋电力业等临港工业为主，其中仅海洋油气业占海洋经济比例就高达36.05%，其台站频域密度非常高，龙头企业镇海炼化的台站频域密度更是高达38.9台/MHz，为宁波所有无线电用户之最；第三产业主要以海洋交通运输业为主，宁波海洋交通运输业占比为7.65%，是海洋经济无线电用户最多的产业，宁波港集团的台站频域密度为22.5台/MHz，2011年其专网设备每周利用总时间达到了262080小时，平均每台设备每天要使用19.2小时。

时至今日，宁波的海洋经济正面临着前所未有的战略发展机遇。党的十六大、十七大先后提出了实施海洋经济开发和发展海洋产业的重大战略；2010年5月，国务院批准实施《长江三角洲地区区域规划》；2011年2月，国务院批复同意《浙江海洋经济发展示范区规划》；2011年7月7日，国函〔2011〕77号文件批复同意建立浙江舟山群岛新区……这一系列发展规划为宁波海洋经济的腾飞提供了可靠的条件。

经济高地，就是信息高地。无线电技术应用的密集区正是经济发展的活跃区。通过进一步分析宁波地区已登记无线电台站的空间分布情况，宁波市无线电管理机构发现：首先，无线电台站集中分布在人口密集区和海洋经济产业带上，这些区域的无线电台站数量占到全市总数量的80%。

其次是“一核两带”区域——未来宁波海洋经济发展规划的重点区域——恰好囊括了所有的无线电台站分布密集区。因此，宁波的无线电监测网络应顺应地区经济发展规划趋势，优先实现这些区域的无缝覆盖。

宁波地区无线电固定台站分布和海洋经济发展规划布局

无线电监测网络布局

从“十五”计划至今，宁波地区已经建设完成“十站两车一搬移”的无线电监测网络。这样的监测网络规模在浙江省内名列前茅，但仍然无法满足海洋经济发展对无线电监测覆盖的要求。分析宁波经济社会发展趋势，其中期监测网络覆盖的目标应是实现海洋经济发展规划“一核两带”地区的无缝覆盖。

核心区、北部产业带和南部产业带无线电监测网络布局

宁波海洋经济发展规划布局总体可概括为“一核两带”，即核心区、北部产业带、南部产业带。

核心区包括海曙区、江东区、江北区、鄞州区部分地区。其中海曙区是所有县市区台站分布密度最高的区域，为28.3台/平方公里，是全市平均台站分布密度的9倍多；除鄞州外，其它区的台站分布密度也都显著高于全市平均数。目前该地区已建设完成4座A级固定监测站，基本实现了区域内20MHz～3000MHz的无缝覆盖。

实现北部产业带的无缝覆盖是宁波地区监测网络宏观布局的近期目标。北部产业带南起北仑港区，经过镇海石油化工区，北至慈溪杭州湾开发区，带内海洋经济产业布局已趋于成熟，带内的北仑区、镇海区、慈溪市、余姚市，其台站分布密度均高于或持平于全市平均数。

目前，北部产业带已建设完成1座A级高山站（具备9kHz～8000MHz监测能力，20MHz～8000MHz测向能力），2座A级固定监测站，3座C级小型监测站。计划近期再建设1座A级固定监测站，2座C级小型监测站，即可实现北部产业带的无缝覆盖。

南部产业带沿象山湾直至宁波与台州交界，包括奉化市、宁海县、象山县。带内山地丘陵众多，海岸绵长，地形复杂，目前是宁波经济发展相对落后的地区，各县市区台站分布密度均低于全市平均数。因此该地区的无缝覆盖是宁波地区监测网络宏观布局的中期目标。该地区目前规划建设3座A级固定监测站，从而实现县区中心城区的覆盖。

当前，宁波海洋经济发展迅猛。对于城市无线电管理者而言，无线电管理服务经济社会发展是目标，建设无线电监测网络是手段，将两者有机地联系起来，才是确保无线电管理工作落到实处的集中体现。