CN105703853A - 一种用于变电站现场的宽频段无线信道衰减测试系统 - Google Patents

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陆阳
李建岐
刘伟麟
安春燕
褚广斌
翟伟杰
林树
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    • H04B17/30—Monitoring; Testing of propagation channels
    • H04B17/309—Measuring or estimating channel quality parameters
    • H04B17/318—Received signal strength

Abstract

本发明涉及一种用于变电站现场的宽频段无线信道衰减测试系统，包括发射端和接收端。发射端的宽频段信号源模块可产生在所配置频率范围内的扫频信号，经功率调节模块调整至合适的发射功率，再经发射天线组中与所述扫频信号频率范围适配的发射天线发送到无线信道，功率调节模块输出信号由高速信号采集卡Ⅰ采集，并传输给上位机Ⅰ。信号经无线信道后，由接收端接收天线组中对应的接收天线接收，经高速信号采集卡Ⅱ采集，并传输给上位机Ⅱ。将上位机Ⅰ记录的发送信号功率谱与上位机Ⅱ记录的接收信号功率谱求差，计算无线信道衰减。本发明具有实现简单，使用灵活，便于在变电站现场开展宽频段无线信道衰减测试的优点。

Description

一种用于变电站现场的宽频段无线信道衰减测试系统
技术领域
本发明属于电力通信领域，具体涉及一种用于变电站现场的宽频段无线信道衰减测试系统。
背景技术
无线电信号在传播过程中，由于传播媒介及传播途径随时间的变化而引起的接收信号强弱变化的现象称为衰减。无线信道的特征可以从大尺度衰减和小尺度衰减两个方面来表征。大尺度衰减，是由于电磁波在传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡造成的阴影效应而产生的损耗，它描述了无线信号经长距离(上百米到几十公里)传播后场强的变化，一般服从对数正态分布。小尺度衰减，主要是由于多径传播而引起的，包括多径的强度、多径的时延、以及不同多径上的多普勒频移，它描述了电磁波传播过程中从微观上看信号场强在短距(如几个信号波长)或短时(秒级)上呈现出的快速波动的状况，一般服从瑞利或莱斯分布。
目前，随着智能电网、电力物联网研究的兴起，无线通信作为一种高效、灵活的通信方式，在电力系统中的应用逐步受到关注。然而，在诸如高压变电站等由众多电力一、二次设备构成的复杂电磁环境下，无线设备或系统尚未得到大规模应用，主要原因在于电力生产现场无线通信设备的电磁兼容特性尚未充分论证，即在变电站现场部署无线设备时，要求信号经传播到达敏感设备(如继电保护装置)后不应对敏感设备构成不能承受的电磁骚扰。因此，预先测试并合理评估变电站现场的无线信道大尺度衰减情况，对于实际在站内部署无线设备时的发射功率、通信频段、组网规模选择具有重要意义。
现有的无线信道衰减测试方法是：发射端通过射频信号源产生信号，经发射天线发送到无线信道，在接收端由接收天线接收，将发射端信号功率和接收端信号功率做差运算就得到了无线信道的大尺度衰减。测量收发两端信号的功率值通常采用频谱分析仪进行。该测试方法有以下几点不足：
(1)测试过程中用到的射频信号源、频谱分析仪等属于无线电专业高精密测试仪器，价格高、体积大、易损坏，适用于实验室测试，在变电站现场环境下携带不便。
(2)测试系统不支持对从几百兆赫兹到上吉赫兹宽频段无线信道衰减的测量。
(3)测试过程专业化要求高，需要同时操作几台仪器，参数设置繁琐，容易出错。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种用于变电站现场的宽频段无线信道衰减测试系统，方便测试及评估变电站现场宽频段无线信道的大尺度衰减情况，为实际在站内部署无线设备时的发射功率、通信频段、组网规模选择提供依据。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种用于变电站现场的宽频段无线信道衰减测试系统，其改进之处在于，所述系统包括发射端和接收端，所述发射端发送的宽频段扫频信号经无线信道传输后由接收端接收。
进一步地，所述发射端由宽频段信号源模块、功率调节模块、发射天线组、电源模块、高速信号采集卡Ⅰ和上位机Ⅰ构成；
所述电源模块、宽频段信号源模块和功率调节模块依次连接；所述功率调节模块分别与发射天线组和高速信号采集卡Ⅰ连接；所述高速信号采集卡Ⅰ与上位机Ⅰ连接。
进一步地，在所述发射端，所述宽频段信号源模块产生在所配置频率范围内的扫频信号，经功率调节模块调整至0dBm-20dBm的发射功率，再经发射天线组中与所述扫频信号频率范围适配的发射天线发送到无线信道，功率调节模块输出信号由高速信号采集卡Ⅰ采集，并传输给上位机Ⅰ，宽频段信号源模块由电源模块供电。
进一步地，所述宽频段信号源模块工作在扫频模式，产生的扫频信号频率范围为200MHz-3GHz，扫频信号频率间隔在1kHz-10MHz之间调节；
所述功率调节模块用于对宽频段信号源模块产生的扫频信号进行无线信道功率衰减，衰减范围为0dB-30dB；
所述发射天线组由低频天线和高频天线组成，所述低频天线适用频率范围为200MHz-1GHz，所述高频天线适用频率范围为1GHz-3GHz，所述发射天线组根据扫频信号的频率范围选择与之适配的发射天线将信号发送到无线信道；
所述电源模块为220V交流不间断供电的供电电源，为宽频段信号源模块供电；
所述高速信号采集卡Ⅰ的采样率为400MHz-6GHz可调，工作在时域模式或频域模式；所述时域模式为实时示波器模式，单次采样时长为1ms-1s，所述频域模式为最大值保持模式，频率分辨率为1kHz-100kHz；
所述上位机Ⅰ安装有数据处理模块，对从高速信号采集卡Ⅰ传输来的信号进行显示、存储和处理。
进一步地，所述接收端由依次连接的接收天线组、高速信号采集卡Ⅱ和上位机Ⅱ构成。
进一步地，在所述接收端，发射端发送的扫频信号经无线信道后，由接收天线组中对应的接收天线接收，经高速信号采集卡Ⅱ采集并传输给上位机Ⅱ。
进一步地，所述接收天线组由低频天线和高频天线组成，所述低频天线适用频率范围为200MHz-1GHz，所述高频天线适用频率范围为1GHz-3GHz，所述接收天线组根据扫频信号的频率范围选择与之适配的接收天线接收无线信道发送到的信号；
所述高速信号采集卡Ⅱ的采样率为400MHz-6GHz可调，工作在时域模式或频域模式；所述时域模式为实时示波器模式，单次采样时长为1ms-1s，所述频域模式为最大值保持模式，频率分辨率为1kHz-100kHz；
所述上位机Ⅱ安装有数据处理模块，对从高速信号采集卡Ⅱ传输来的信号进行显示、存储和处理。
进一步地，变电站现场宽频段无线信道衰减的计算包括：上位机Ⅰ记录的发送信号功率谱为Pt，单位为dBm，发射天线增益为Gt，单位为dB，发射端天馈损耗为Lt，单位为dB，接收天线增益为Gr，单位为dB，接收端天馈损耗为Lr，单位为dB，上位机Ⅱ记录的接收信号功率谱为Pr，单位为dBm，则所述无线信道衰减为LM(dB)＝Pt+Gt-Lt+Gr-Lr-Pr。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
(1)本发明提出的方法及系统基于先进的计算机信号处理技术，整体具有实现简单，使用灵活，便于在变电站现场开展宽频段无线信道衰减测试的优点。
(2)本发明采用的宽频段信号源模块，可以覆盖变电站中可能用到的多个频段，且宽频段信号源模块的扫频间隔动态可调，在测试高频频段衰减时可增大扫频间隔，测试低频频段衰减时可减小扫频间隔，从而显著提高了测试效率。
(3)本发明在发射端和接收端分别配置了由低频天线和高频天线组成的发射天线组和接收天线组，能够依据宽频段无线信道衰减的测试要求，灵活选择适配的发射、接收天线，系统简单实用。
(4)本发明采用高精度的高速信号采集卡采集无线信号，以替代频谱分析仪等无线电专业高精密测试仪器，成本低、体积小，适用于在变电站现场环境下测试携带。
(5)本发明将复杂的数据处理、存储和显示等功能放在了上位机上，不仅减轻了测试仪器处理数据的负担，还利用了便携式电脑卓越的信号处理性能，并可配合专用软件算法进行数据在线分析，如拟合和绘制扫频信号的峰值包络曲线等。
(6)本发明计算宽频段无线信道衰减时充分考虑了各种影响因素，包括发射天线增益、发射端天馈损耗、接收天线增益、接收端天馈损耗，测试前上述参数可通过预先校准获得，从而使计算结果更加准确可靠。
附图说明
图1是本发明提供的一种用于变电站现场的宽频段无线信道衰减测试系统示意图；
图2是本发明提供的某高压变电站平面示意及无线信道衰减测试布点图；
图3是本发明提供的变电站内470MHz附近测试得到的无线信道幅度-频率衰减特性图；
图4是本发明提供的变电站内2.4GHz附近测试得到的无线信道幅度-频率衰减特性图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
如图1所示，是本发明提供的一种用于变电站现场的宽频段无线信道衰减测试系统示意图。所述系统包括发射端和接收端，发射端发送的宽频段扫频信号经无线信道传输后由接收端接收，将发送信号功率谱与接收信号功率谱求差，计算无线信道衰减。所述发射端由宽频段信号源模块、功率调节模块、发射天线组、电源模块、高速信号采集卡Ⅰ和上位机Ⅰ构成；所述接收端由接收天线组、高速信号采集卡Ⅱ和上位机Ⅱ构成。在所述发射端，宽频段信号源模块可产生在所配置频率范围内的扫频信号，经功率调节模块调整至合适的发射功率，再经发射天线组中与所述扫频信号频率范围适配的发射天线发送到无线信道，同时，功率调节模块输出信号由高速信号采集卡Ⅰ采集，并传输给上位机Ⅰ，宽频段信号源模块由电源模块供电。在所述接收端，信号经无线信道后，由接收天线组中对应的接收天线接收，经高速信号采集卡Ⅱ采集，并传输给上位机Ⅱ。
实施例一
如图2所示，是本发明提供的某高压变电站平面示意及无线信道衰减测试布点图。该变电站大小为150m×100m，主要由电容区、变压器区(1号变压器，2号变压器，3号变压器)、开关区、主控室、通信机房构成。在本实施例中，测试宽频段无线信道衰减的发射端布置在2号变压器与开关区之间的位置，接收端布置在通信机房内。
如图3所示，是本发明提供的变电站内470MHz附近测试得到的无线信道幅度-频率衰减特性图。在本实施例中：
(1)所述宽频段信号源模块工作在扫频模式，产生的扫频信号频率范围为455MHz-475MHz，扫频信号频率间隔为100kHz；
(2)所述功率调节模块对宽频段信号源模块产生的扫频信号进行功率衰减，衰减为10dB；
(3)所述发射天线组选择低频天线将信号发送到无线信道，其中，所述低频天线为适用频率范围为200MHz-1GHz的对数周期天线；
(4)所述电源模块为220V交流不间断供电电源，为宽频段信号源模块供电；
(5)所述高速信号采集卡Ⅰ的采样率为1GHz，工作在频域最大值保持模式，频率分辨率为1kHz；
(6)所述上位机Ⅰ安装了数据处理软件，对从高速信号采集卡Ⅰ传输来的信号进行显示、存储和处理；
(7)所述接收天线组、高速信号采集卡Ⅱ和上位机Ⅱ与所述发射天线组、高速信号采集卡Ⅰ和上位机Ⅰ的配置相同；
(8)所述无线信道衰减的计算方法为：上位机Ⅰ记录的发送信号功率谱为Pt(dBm)，发射天线增益为Gt(dB)，发射端天馈损耗为Lt(dB)，接收天线增益为Gr(dB)，接收端天馈损耗为Lr(dB)，上位机Ⅱ记录的接收信号功率谱为Pr(dBm)，则所述无线信道衰减为LM(dB)＝Pt+Gt-Lt+Gr-Lr-Pr。
实施例二
如图4所示，是本发明提供的变电站内2.4GHz附近测试得到的无线信道幅度-频率衰减特性图。在本实施例中：
(1)所述宽频段信号源模块工作在扫频模式，产生的扫频信号频率范围为2.4GHz-2.48GHz，扫频信号频率间隔为5MHz；
(2)所述功率调节模块对宽频段信号源模块产生的扫频信号进行功率衰减，衰减为10dB；
(3)所述发射天线组选择高频天线将信号发送到无线信道，其中，所述高频天线为适用频率范围为1GHz-3GHz的双脊喇叭天线；
(4)所述电源模块为220V交流不间断供电电源，为宽频段信号源模块供电；
(5)所述高速信号采集卡Ⅰ的采样率为5GHz，工作在频域最大值保持模式，频率分辨率为10kHz；
(6)所述上位机Ⅰ安装了数据处理软件，对从高速信号采集卡Ⅰ传输来的信号进行显示、存储和处理；
(7)所述接收天线组、高速信号采集卡Ⅱ和上位机Ⅱ与所述发射天线组、高速信号采集卡Ⅰ和上位机Ⅰ的配置相同；
(8)所述无线信道衰减的计算方法为：上位机Ⅰ记录的发送信号功率谱为Pt(dBm)，发射天线增益为Gt(dB)，发射端天馈损耗为Lt(dB)，接收天线增益为Gr(dB)，接收端天馈损耗为Lr(dB)，上位机Ⅱ记录的接收信号功率谱为Pr(dBm)，则所述无线信道衰减为LM(dB)＝Pt+Gt-Lt+Gr-Lr-Pr。
本发明提供的用于变电站现场的宽频段无线信道衰减测试系统，方便测试及评估变电站现场宽频段无线信道的大尺度衰减情况，为实际在站内部署无线设备时的发射功率、通信频段、组网规模选择提供依据。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于变电站现场的宽频段无线信道衰减测试系统，其特征在于，所述系统包括发射端和接收端，所述发射端发送的宽频段扫频信号经无线信道传输后由接收端接收。
2.如权利要求1所述的宽频段无线信道衰减测试系统，其特征在于，所述发射端由宽频段信号源模块、功率调节模块、发射天线组、电源模块、高速信号采集卡Ⅰ和上位机Ⅰ构成；
所述电源模块、宽频段信号源模块和功率调节模块依次连接；所述功率调节模块分别与发射天线组和高速信号采集卡Ⅰ连接；所述高速信号采集卡Ⅰ与上位机Ⅰ连接。
3.如权利要求2所述的宽频段无线信道衰减测试系统，其特征在于，在所述发射端，所述宽频段信号源模块产生在所配置频率范围内的扫频信号，经功率调节模块调整至0dBm-20dBm的发射功率，再经发射天线组中与所述扫频信号频率范围适配的发射天线发送到无线信道，功率调节模块输出信号由高速信号采集卡Ⅰ采集，并传输给上位机Ⅰ，宽频段信号源模块由电源模块供电。
4.如权利要求2或3所述的宽频段无线信道衰减测试系统，其特征在于，所述宽频段信号源模块工作在扫频模式，产生的扫频信号频率范围为200MHz-3GHz，扫频信号频率间隔在1kHz-10MHz之间调节；
所述功率调节模块用于对宽频段信号源模块产生的扫频信号进行无线信道功率衰减，衰减范围为0dB-30dB；
所述发射天线组由低频天线和高频天线组成，所述低频天线适用频率范围为200MHz-1GHz，所述高频天线适用频率范围为1GHz-3GHz，所述发射天线组根据扫频信号的频率范围选择与之适配的发射天线将信号发送到无线信道；
所述电源模块为220V交流不间断供电的供电电源，为宽频段信号源模块供电；
所述高速信号采集卡Ⅰ的采样率为400MHz-6GHz可调，工作在时域模式或频域模式；所述时域模式为实时示波器模式，单次采样时长为1ms-1s，所述频域模式为最大值保持模式，频率分辨率为1kHz-100kHz；
所述上位机Ⅰ安装有数据处理模块，对从高速信号采集卡Ⅰ传输来的信号进行显示、存储和处理。
5.如权利要求1所述的宽频段无线信道衰减测试系统，其特征在于，所述接收端由依次连接的接收天线组、高速信号采集卡Ⅱ和上位机Ⅱ构成。
6.如权利要求5所述的宽频段无线信道衰减测试系统，其特征在于，在所述接收端，发射端发送的扫频信号经无线信道后，由接收天线组中对应的接收天线接收，经高速信号采集卡Ⅱ采集并传输给上位机Ⅱ。
7.如权利要求5所述的宽频段无线信道衰减测试系统，其特征在于，所述接收天线组由低频天线和高频天线组成，所述低频天线适用频率范围为200MHz-1GHz，所述高频天线适用频率范围为1GHz-3GHz，所述接收天线组根据扫频信号的频率范围选择与之适配的接收天线接收无线信道发送到的信号；
所述高速信号采集卡Ⅱ的采样率为400MHz-6GHz可调，工作在时域模式或频域模式；所述时域模式为实时示波器模式，单次采样时长为1ms-1s，所述频域模式为最大值保持模式，频率分辨率为1kHz-100kHz；
所述上位机Ⅱ安装有数据处理模块，对从高速信号采集卡Ⅱ传输来的信号进行显示、存储和处理。
8.如权利要求1所述的宽频段无线信道衰减测试系统，其特征在于，变电站现场宽频段无线信道衰减的计算包括：上位机Ⅰ记录的发送信号功率谱为Pt，单位为dBm，发射天线增益为Gt，单位为dB，发射端天馈损耗为Lt，单位为dB，接收天线增益为Gr，单位为dB，接收端天馈损耗为Lr，单位为dB，上位机Ⅱ记录的接收信号功率谱为Pr，单位为dBm，则所述无线信道衰减为LM(dB)＝Pt+Gt-Lt+Gr-Lr-Pr。
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