CN107222272A - 基于收信功能完备性的短波收信智能监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于收信功能完备性的短波收信智能监测系统，其特征在于，监测系统包括安装在收信天线场外的监测发射机，待监测的收信天馈线上安装有收信监测终端，收信机及标准监测接收机通过天线交换器与收信监测终端连接；收信机音频输出端口安装有音频监测终端，监测服务器连接于标准监测接收机；音频监测终端与标准监测接收机的数据传输于监测服务器，收信机工作参数获取分系统从监测服务器中获取数据执行计算分析。按照本发明实现的监测系统，综合运用了射频传感器技术、网络自动控制技术，构建了一种功能完备性的监测系统模型。

Description

基于收信功能完备性的短波收信智能监测系统

技术领域

本发明属于短波通信监测领域，特别是涉及一种基于收信功能完备性的短波收信智能监测系统。

背景技术

在短波通信的使用中，由于发信设备的输出功率高，功耗大，出现故障和异常的可能性较大，因此用户通常对发信设备会比较重视，经常性的进行检修保养和性能检测；而收信设备由于功耗低，工作状态和稳定性比发信设备要好很多，从而导致了对其日常检测和维护的不够重视，随着使用时间的增长，收信设备不可避免的会出现一些性能下降或功能完备性欠缺的问题，这些同样也需要用户能够对其功能状态和性能特性有一个及时和准确的掌握。长期以来人们对收信系统一直缺乏有效的监测手段，对天馈线和收信机等的性能指标(如天线驻波比、天馈线衰减损耗和收信机接收灵敏度等)无法快速准确的获取，难以对设备的收信效果实现实时评估和预警。

接收灵敏度和频率准确度是收信机的两项关键技术指标，前者是衡量收信机对微弱信号捕捉能力的一项重要指标，其性能的好坏将直接影响到通信的有效距离；后者直接影响到收信机能否正确接收信号和有效恢复出有用信息。通常对这两项指标进行测试时，都是对一个独立的收信机进行检测，具体测量方式如图1所示：当需要测量收信机的接收灵敏度时，在测试的过程中主要通过不断调整低射频信号发生器的输出信号幅度，使得收信机保持额定的音频电压输出，同时收信机的输出音频信噪比随之降低，并最终达到规定的信噪比，在这种情况下收信机输入端所需的最小射频信号电压值即为收信机的灵敏度。当需要测量收信机的频率准确度时，使得收信机工作在单边带方式下，射频信号发生器送出标准频率的信号给收信机的输入端口，由音频信号分析仪直接测量收信机的输出音频频率，通过计算可获取收信机当前工作频率下的频率准确度。这些是通常情况下对收信机接收灵敏度和频率准确度的标准测量方法，主要用到的测量仪器是射频信号发生器和音频信号分析仪，设备连接和测试操作步骤都比较简单，具有较强的实用性。但这些方法都是建立在将收信机脱离系统单机进行检测的基础上，在日常的工作使用中，如果想实现定期对这些指标进行自动化监测和获取，就需要对这些方法进行一定的优化和改进。

在进行短波收信时，最理想的情况是将天线感应到的射频信号无差损的通过馈线传送到收信机，但在实际中是不可能的，因为天馈线之间在收信机的工作频段内无法实现阻抗的完全匹配。射频传输线路中的阻抗不匹配就会产生驻波，衡量阻抗匹配特性的一个重要指标就是驻波比。驻波比全称为电压驻波比。它是射频技术中最常用的一个参数或数值，用来衡量射频部件之间的匹配是否良好。通常可采用天馈线测试仪来对天馈系统的驻波比进行测试，如图2所示。

在收信机的天馈系统中，会造成阻抗不匹配的地方主要有两个，一是收信天线与传输馈线的接口处，二是传输馈线与收信机的接口处。在野外需要对收信天线驻波比进行检测时，主要采用便携手持式测试仪，将仪器直接连接在收信天线的根部，通常使用的是标量驻波比检测方法，直接对检测点的反射信号进行模拟采样，计算出待测点的入射能量和反射能量之比，从而得到对应的驻波比。这种方法的主要优点是操作方便简单，但还是要依靠操作人员来实现，每次测量都需要人工进行端口切换和测量，无法实现测量的自动化和实时性。

传输馈线是指连接在收信天线与收信机之间的射频线缆，在短波通信系统中通常使用特性阻抗为50Ω的同轴电缆作为馈线。收信天线上感应到的空间电磁波信号本来就很微弱，为了将这些微弱信号尽可能完整的送到收信机中，就需要馈线上的传输损耗尽可能的小。

馈线传输损耗的大小与射频线缆的直径和长度有关，通常在传输相同频率的射频信号时，馈线直径越大，传输损耗越小；馈线的长度越长，传输损耗越大，因此初期在对天馈线的长度进行设计时，往往都是考虑到了损耗的最大范围，馈线的型号与长度是能够满足设计要求的。但在后期的日常使用与维护的过程中，往往会由于长期的使用磨损或是馈线与射频接插件焊接工艺的不达标造成接触不良等因素，引起天馈线的损耗偏大，超出设计与需求范围。这样就会使得天线上感应到的电磁信号在馈线的传输中受到较大的衰减影响，从而到达收信机时，无法满足收信灵敏度的需求而对收信效果造成恶劣影响。对馈线的衰减损耗同样可以用天馈线测试仪来进行测试，将图2中的天线去掉，即可测得衰减损耗，这种方法的优缺点与驻波比的测试方法类似。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种为实现对复杂短波收信设备功能完备性的实时有效监测，准确掌握收信系统的真实工作状态，研究设计了一种新型的智能监测系统。主要针对收信机的接收灵敏度和频率准确度指标、天馈系统驻波比以及馈线衰减损耗等特性进行监测，对传统检测方法进行了分析和改进，提出了监测系统的层次架构和系统结构模型，设计了一种基于远程网络控制的收信监测终端和音频监测终端设备，对系统的监测运行机制做了详细的描述。通过对收信系统监测状态的编码与分类，采用改进多分类BP-AdaBoost模型对监测数据进行训练和仿真，实现对监测状态的智能分析和可能故障信息的智能判别，有效提升了监测系统的有效性和实用性，为相关监测技术与手段的开发与研究提供了参考。

为实现上述目的，按照本发明，提供一种基于收信功能完备性的短波收信智能监测系统，其特征在于，所述监测系统包括安装在收信天线场外的监测发射机，所述收信天线连接收信监测终端，收信机及标准监测接收机通过天线交换器与所述收信监测终端连接；

收信机音频输出端口安装有音频监测终端，监测服务器连接于所述标准监测接收机；所述音频监测终端与所述标准监测接收机的数据传输于所述监测服务器，收信机工作参数获取分系统从所述监测服务器中获取数据执行计算分析；

所述收信监测终端包括射频切换开关，通过若干定向耦合器与射频信号源及驻波测试模块，所述收信监测终端包含的第一主控模块对所述射频信号源、驻波测试模块及接口模块执行控制；

所述射频切换开关切换至所述驻波测试模块工作时，所述收信监测终端执行扫频测量，获得反射系数和驻波比；

所述射频切换开关切换至所述射频信号源工作时，所述射频信号源产生射频信号馈入所述收信机，用于检测所述收信机的收信功能；

所述音频监测终端包括有第二主控模块、接口模块和测试模块，所述测试模块包括与FPGA相连的温补晶振，并且与所述FPGA相连的模数变换器，并且依次与所述模数变换器相连的低通滤波器及控制所述测试音频接入的模拟开关，所述第二主控模块控制所述FPGA与所述模块开关，并通过所述接口模块将测试数据送入所述远程监测服务器，所述音频监测终端工作时，检测所述收信机音频输出信号，通过调节所述射频信号源的输出幅度使得所述收信机的输出音频信噪比达到规定指标。

进一步地，所述收信监测终端产生3-30MHz的标准射频信号。

进一步地，所述收信监测终端具有3入3出共6个射频端口，3个输入端口分别连接一副所述收信天线，3个输出端口连接至所述天线交换器。

进一步地，所述收信监测终端及所述音频监测终端还包括有供电模块。

进一步地，所述收信机工作参数获取分系统包括：

数据采集与获取层、管理与计算处理层以及应用层；

所述数据采集与获取层依据设置的射频与音频信号采集单元执行数据的采集、存储；

管理与计算处理层主要完成对所述数据采集与获取层传输的数据的计算处理、建模分析与管理；

应用层根据任务需求执行对各监测链路的设备控制与任务管理的用户交互以及监测数据分析与处理结果的显示。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明综合运用了射频传感器技术、网络自动控制技术与人工智能相结合的方式，构建了一种基于收信设备功能完备性的监测系统模型。

附图说明

图1为现有技术中的接收灵敏度与频率准确度测试标准连接图；

图2为现有技术中的天馈系统驻波比测试标准连接图；

图3为按照本发明实现的短波收信智能监测系统的整体组成框图；

图4为按照本发明实现的短波收信智能监测系统的软件层的系统层次结构图；

图5为按照本发明实现的收信监测终端模块组成框图；

图6为按照本发明实现的音频监测终端模块原理组成框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

针对通常的短波收信系统关键指标检测方法中的一些不便因素，如图3所示，改进后的监测系统主要包括了监测发射机、收信监测终端、音频监测终端、标准监测接收机、监测服务器以及收信机工作参数获取分系统等设备。监测发射机安装在收信天线场外，根据监测需要通过小型发射天线辐射标准的射频信号。

收信监测终端安装在收信天线与天线交换器之间，实现对天线和馈线的驻波比、阻抗匹配等关键参数指标的数据采集。收信监测终端具有3个输入和输出射频端口，3个输入端口分别连接一副收信天线，3个输出端口连接至天线交换器。音频监测终端安装在收信机音频输出端口，实现对被测收信机的输出音频信纳比和频率等的监测采集。

标准监测接收机安装在天线交换器附近，实现对从天馈线系统传送过来的射频信号特性的分析与处理。监测服务器通过对外分系统的专用接口获取收信机正常工作时的具体频率和通信方式等参数，通过有线网络与各监测设备相连接，将所有监测数据进行存储、计算处理和建模分析，其中，音频监测终端和标准监测接收机的数据都送往监测服务器，通过有线网络收信机工作参数获取分系统通过构建的计算模型实现对收信系统状态的智能分析和故障诊断。

在不实施监测时，收信机正常与收信天线相连接，执行接收任务。在需要实施监测时，可分为以下两种模式进行：

1)定期自动监测，可根据需要设置监测周期，每隔一段时间进行一次监测，在实时监测时，由收信监测终端内的主控单元控制射频切换开关将收信机与监测模块相连，监测模块产生3-30MHz的标准射频信号通过射频线缆送给收信机，从音频监测终端获取收信机音频输出信号，通过自动调节射频信号的输出幅度使得收信机的输出音频信噪比降低，并最终达到规定的信噪比，从而得到收信机的接收灵敏度指标数据。通过标准监测接收机可直接监测送到监测接收机射频端口上的信号强度，从而获取馈线线路上的射频损耗情况。监测服务器对比历史记录和预警门限，发现异常状态时，即可进行报警。

2)遥控监测，将监测模块通过光纤与机房内的服务器相连接，可人工根据需要远程遥控监测模块对收信系统的关键指标进行测试。

根据监测系统各组成部分功能与业务的不同以及监测数据获取与处理的流程，可以将系统划分为3层结构，即数据采集与获取层、管理与计算处理层和应用层，如图4所示。数据采集与获取层是整个系统的基础和数据来源，通过有线网络受管理与计算处理层的控制并实时的向该层提供各种采集数据。在管理与数据处理层完成采集数据的建模分析与计算处理，并将结果交互给应用层。应用层直接面向用户，将监测的态势完整呈现给用户并接受用户的管理与控制。

数据采集与获取层主要包括分布在天馈线和收信机上的射频与音频信号采集单元，以及连接在收信控制系统上的工作信息获取分系统用于获取收信机工作参数与数据。数据采集与获取层的设立，实现了管理与计算处理层与底层硬件的逻辑隔离，当监测系统中的某一个数据采集的硬件设备发生改变时，只需更改数据采集与获取层的相关软件，对上层的运行与处理不会造成影响。数据采集与获取层与管理与计算处理层之间通过有线网络采用TCP/IP协议进行通信。通信的数据类型包括设备描述数据、传感器数据以及设备状态数据。管理与计算处理层通过向数据采集与获取层发送标准化的采集命令，来获取数据采集与获取层中各种类型的数据。

管理与计算处理层主要完成对监测获取数据的计算处理、建模分析与管理。数据采集与获取层的实时数据通过有线网络的方式送到该层完成存储和计算处理，实时的计算仿真可以对收信系统的当前状态进行判断与分析，历史数据的积累有助于对收信系统的运行状况进行建模预测。同时，该层还要完成对应用层用户指令的响应，根据用户的需求完成相应的监测任务和计算处理后的数据交互。

应用层主要根据不同的任务需求实现对各监测链路的设备控制与任务管理的用户交互以及监测数据分析与处理结果的态势呈现。应用层主要包括了单线路监测应用、系统整体监测应用和用户交互呈现功能。单线路监测应用负责提供固定接收链路上监测对象的监测信息，通过管理与计算处理层的交互接口实现设备的控制管理与数据信息的获取。系统整体监测应用可提供全局范围内的监测对象信息。

按照本发明实现的短波智能收信监测设备主要由射频切换开关、若干定向耦合器、射频信号源、驻波测试模块、供电模块、接口模块以及主控模块组成，组成框图如图5所示：

在收信天线与收信机之间的收信监测终端中包括射频切换开关，默认状态是收信天线与收信机相连，射频切换开关为低损耗无源部件，对收信机的正常接收不造成任何负面影响。天线驻波比测试时，监测终端对各路天线进行扫频测量，得到反射系数和驻波比。

监测终端也可以对合路器端的三个射频接口进行扫频测量，得到其驻波比特性。监测终端作为信号源使用时，射频信号通过射频切换开关端口馈入，用以检测收信机的收信功能。监测终端与上位机采用TCP/IP方式进行通信，所有测试功能受上位机控制。图5是收信监测设备的内部设计框图。其中，供电模块将220V交流电压转换为15V直流电压供电。射频切换开关可以同时对3路天线进行切换控制，在需要进行监测时将天线或者馈线线路连接至定向耦合器其内部为射频交换电路，将射频端口连接到驻波测试模块。其中，主控模块主要用于对射频信号源的工作以及驻波测试模块的

驻波比测量的基本原理是在射频通道上产生一个点频信号，通过定向耦合器馈出到被测负载；然后利用定向耦合器耦合端输出的前向信号和反向信号的电压计算反射系数；最后利用反射系数计算电压驻波比。

所以，驻波比测量的步骤为：

1)产生激励；

2)测量前向信号的电压Vf；

3)测量反向信号的电压Vr；

4)计算反射系数F；

5)计算VSWR。

信号的电压和反射系数都是有相位特性的，用复数表示。

音频监测终端，如图6所示，音频监测终端主要由主控模块、接口模块、供电模块和测试模块等组成。其中测试模块主要采用了ADC+FPGA的方案进行设计，用以完成音频信号分析功能。

收信机送出的测试音频直接送至测试模块的模拟开关中，经600Ω阻抗匹配后，送20kHz低通滤波器，低通滤波器的0.1dB带宽为18kHz，能有效滤除高频信号，同时保证较好的带内平坦度。低通滤波后使用差分放大器AD8132，输出正负两路信号，差分放大器将单端信号(非平衡信号)转成差分信号(平衡信号)送至ADC进行采样，ADC使用的是ADS1271芯片完成对测试音频的A/D采样。ADS1271利用差分信号在采样时通过差值可以减小噪声的影响。A/D采样值送FPGA进行分析处理。信号处理模块以高性能FPGA芯片为处理平台，采用数字信号处理算法，完成各项音频指标的测量。主控模块负责完成对各单元模块的整体控制以及采样数据的传输，通过接口模块与远程监测服务器相连。接口模块提供了以太网接口和电力猫传输接口等多种方式供用户灵活选择。音频监测终端内部还提供了自检和校准功能，通过温补晶振为FPGA提供标准参考频率，当需要进行自检或校准功能时，由主控模块产生标准音频测试信号送至模拟开关内，在终端内部形成测试闭环，再控制FPGA对标准音频测试信号进行分析和处理，从而完成内部自检或校准功能。

按照本发明获取的短波收信智能监测模块所采集的数据，主要包括有：收信天线驻波比X1、馈线驻波比X2、收信频率准确度X3、监测发射机工作时监测接收机接收信号强度X4、监测单元内信号源输出标准射频信号时监测接收机接收信号强度X5以及收信机音频输出信纳比X6等，根据收信系统的实际使用情况，可以将收信系统的具体工作状态大致分为优秀、良好和差三种情况。

根据各监测终端获取的数据与收信系统状态间的对应关系，为了有效提高监测系统智能识别的准确率和收敛速率，在传统BP神经网络多分类算法的基础上，采用AdaBoost方法对多个弱分类器进行了优化组合，实现了一种识别准确率更高的多分类BP-AdaBoost算法。

上述算法的作用是通过对监测数据进行分类判别，能够正确的识别出短波收信系统的具体工作状态情况。每次监测系统工作时，对每项特性指标都会选择10个典型频率采集稳态值，这样就会获取一组长度为60的典型数据来描述收信系统的20种具体状态，每一状态各取100组监测数据构成训练样本，典型训练样本如下表所示：

神经网络样本输出与收信系统状态的对应关系如下表1所示：

表1 典型输入、输出样本

表2 样本输出与收信系统状态典型关系表

样本输出	状态描述	状态分析
			1	收信系统工作正常，状态优秀	各监测终端获取的性能参数优秀，系统整体状态优秀
2	收信系统工作正常，状态良好	X1良好，其他状态参数秀，系统整体状态良好
			8	收信系统工作正常，状态良好	监测终端获取的所有状态参数良好，系统整体状态良好
11	收信系统工作不正常，状态差	X3采集数据差，其他状态参数优秀，系统整体状态差
			15	收信系统工作不正常，状态差	X1差，X4差，其他状态良好，系统整体状态差

BP神经网络参数设置为：最大训练次数取1000，学习率取0.1，训练目标取0.0005；更新权值分布临界点0取0.5，选择10个BP神经网络弱预测器集成强预测器进行预测。在利用上述算法进行计算的一个实施例中，训练集样本的分类准确率为93.65％。

短波收信系统由于系统组成复杂、设备分布广、状态参数特殊等问题，长期以来一直缺乏有效的监测手段，对天馈线和收信机等的性能指标(如天线驻波比、天馈线衰减损耗和收信机接收灵敏度等)无法实现实时监测，对收信的效果也不能有效准确的进行评估。

本发明根据短波收信系统的特点，在尽可能不影响收信系统正常工作的前提下研究和设计了一套能够对其关键技术状态实现全面自动监测的系统，并采用基于改进BP-Adaboost算法的人工神经网络模型对监测数据进行了数学建模分析与状态识别评估，有效提升了监测设备的智能运行效率与能力，降低了整个监测系统设计的复杂性，增强了状态监测的智能性、准确性和可扩展型。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于收信功能完备性的短波收信智能监测系统，其特征在于，所述监测系统包括安装在收信天线场外的监测发射机，所述收信天馈线连接收信监测终端，收信机及标准监测接收机通过天线交换器与所述收信监测终端连接；

收信机音频输出端口安装有音频监测终端，监测服务器连接于所述标准监测接收机；所述音频监测终端与所述标准监测接收机的数据传输于所述监测服务器，收信机工作参数获取分系统从所述监测服务器中获取数据执行计算分析；

所述收信监测终端包括射频切换开关、若干定向耦合器、射频信号源、接口模块及驻波测试模块，所述收信监测终端包含的第一主控模块对所述射频信号源、驻波测试模块及接口模块执行控制；

所述射频切换开关切换至所述驻波测试模块工作时，所述收信监测终端执行扫频测量，获得反射系数和驻波比；

所述射频切换开关切换至所述射频信号源工作时，所述射频信号源产生射频信号馈入所述收信机，用于检测所述收信机的收信功能；

所述音频监测终端包括有第二主控模块、接口模块和测试模块，所述测试模块包括与FPGA相连的温补晶振，并且与所述FPGA相连的模数变换器，并且依次与所述模数变换器相连的低通滤波器及控制所述测试音频接入的模拟开关，所述第二主控模块控制所述FPGA与所述模块开关，并通过所述接口模块将测试数据送入所述远程监测服务器，所述音频监测终端工作时，检测所述收信机音频输出信号，通过调节所述射频信号源的输出幅度使得所述收信机的输出音频信噪比达到规定指标。

2.如权利要求1所述的基于收信功能完备性的短波收信智能监测系统，其特征在于，所述收信监测终端产生3-30MHz的标准射频信号。

3.如权利要求1或2所述的基于收信功能完备性的短波收信智能监测系统，其特征在于，所述收信监测终端具有3入3出共6个射频端口，3个输入端口分别连接一副所述收信天线，3个输出端口连接至所述天线交换器。

4.如权利要求3所述的基于收信设备功能完备性的短波收信智能监测系统，其特征在于，所述收信监测终端及所述音频监测终端还包括有供电模块。

5.如权利要求1所述的基于收信功能完备性的短波收信智能监测系统，其特征在于，所述收信机工作参数获取分系统包括：

数据采集与获取层、管理与计算处理层以及应用层；

所述数据采集与获取层依据设置的射频与音频信号采集单元执行数据的采集、存储；

管理与计算处理层主要完成对所述数据采集与获取层传输的数据的计算处理、建模分析与管理；

应用层根据任务需求执行对各监测链路的设备控制与任务管理的用户交互以及监测数据分析与处理结果的显示。