CN107395296B - 一种短波收信天馈系统智能监测模块及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短波收信天馈系统智能监测模块及监测方法，其特征在于，该监测模块包括射频通道切换单元、射频信号产生单元、射频信号测试单元、嵌入式单元、接口单元和电源管理单元，由射频通道切换单元根据不同的测试需求切换天线接口、馈线接口、射频信号产生单元以及射频信号测试单元之间的射频通道，射频信号产生单元可以产生多种类型的射频信号经射频通道切换单元送至收信天线、馈线及收信机上作为激励信号，天线或馈线反射的射频信号由射频通道切换单元统一送至射频测试单元进行采样和处理。按照本发明实现的智能监测模块，能够实现为短波天馈系统进行效率极高的监测和检测功能。

Description

一种短波收信天馈系统智能监测模块及监测方法

技术领域

本发明属于短波智能监测领域，特别是涉及一种短波收信天馈系统智能监测模块及监测方法。

背景技术

在智能化技术高速发展的今天，越来越多的行业和领域都在向着这一方向快速推进。在无线通信领域也不例外，许多复杂的电子设备和系统的运行、维护和监测管理方式都在进行着信息化与智能化的改进，不仅有效的提高了设备的工作效率，也给系统的维护和监测管理带来了极大的便利。但在某些通信领域，还存在智能化发展不均衡的问题。如在短波收信方面，由于系统涵盖了收信设备、天线与馈电系统等部分，设备种类较多且分布范围广，日常检测和维护的任务重、难度较大，尤其对天馈线在使用中出现的情况和问题无法及时发现和处理，缺少智能化的自动监测技术与手段。在野外环境下对收信天馈系统进行检测时，主要采用的仪器设备是便携式检测仪器，通过人工的方式将天馈线从通信线路中断开后手动进行测试。这种方式不仅检测效率低，对检修维护人员来说会造成时间和精力的浪费，而且对短波通信的日常业务也有一定的影响。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于短波收信天馈系统智能监测模块，可以提供一种基于收信设备功能完备性的检测模块和监测方法，摆脱操作人员需要进行人工的端口切换和测量的问题，从而实现测量的自动化和实时性。

为实现上述目的，按照本发明，提供一种短波收信天馈系统智能监测模块，其特征在于，所述监测模块包括设置于天线接口与馈线接口之间的射频通道切换单元；

所述射频通道切换单元还分别与射频信号产生单元、射频信号测试单元电连接，

所述射频通道切换单元接收嵌入式控制单元的控制根据不同的测试需求切换所述天线接口、所述馈线接口、所述射频信号产生单元以及所述射频信号采集与测试单元之间的射频通道；

所述射频信号产生单元产生的射频信号经所述射频通道切换单元传送至收信天线、馈线及收信机上作为激励信号；

所述收信天线和/或馈线反射的射频信号经所述射频通道切换单元传送至所述射频信号采集与测试单元执行处理；

所述嵌入式控制单元还分别与所述射频信号产生单元、所述射频信号采集与测试单元电连接；

所述射频通道切换单元包括若干接收所述嵌入式控制单元的3个屏蔽型射频继电器，所述嵌入式控制单元完成所述监测模块的整体控制、数据采集、计算处理以及传输。

进一步地，所述射频信号产生单元包括用于实现所述单元总控制的可编程逻辑芯片，以及用于产生射频信号的晶振，所述可编程逻辑芯片还控制射频幅度控制电压，当接收到所述嵌入式控制单元发出产生调幅信号的命令时，所述可编程逻辑芯片完成调幅信号控制参数的计算，控制所述射频信号产生单元中的DA转换器产生正弦调制信号，输出到所述射频信号产生单元中包含的幅度控制电路。

进一步地，所述射频信号产生单元送出的激励信号依次经过程控衰减器和定向耦合器后发送至所述射频通道切换单元。

进一步地，所述嵌入式控制单元包括嵌入式微处理芯片，外围电路包括SDRAM、NANDFLASH、SD卡存储器、以太网芯片、电源与复位电路、时钟电路及散热风扇控制电路，所述嵌入式微处理芯片通过总线接口的方式与其它受控制的模块通信。

本发明还公开了一种短波收信天馈系统智能监测模块的监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

模块开机自检，完成状态初始化；

判定是否接收到唤醒指令，如果没接收到则进入待机状态等待被唤醒；

如果接收到，则判定是否接收到测试指令，如果接收到测试指令，则判定是否测试天线驻波比，

如果判定为是，则需要控制所述射频通道切换单元连通至天线端口；

如果判定为否，则判定是否测试馈线驻波比，如果判定为是，则需要控制所述射频通道切换单元连通至馈线端口；

在上述连接的状态之下，产生射频信号，并且测试接收所述射频信号激励之后的射频耦合信号；发送测试数据至所述嵌入式控制单元执行检测；

若为接收到射频信号产生指令，则判定是否控制射频信号产生，若判定为是，则产生射频激励信号，若判定为否，则判定是否执行所述监测模块的内部校准，如果判定为是则执行内部校准，如果判定为否，则依据所述嵌入式控制单元执行检测的情况判断此次测试指令是否执行完毕，如果是，则进入待机等待唤醒，如果否，则重新跳转至是否接收到测试指令的判定，直至所有监测任务完成。

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：用于对短波天馈系统进行在线监测的智能模块，通过采用嵌入式控制和射频传感器采集等技术为短波收信的智能监测提供一种新的技术手段。

附图说明

图1为按照本发明实现的短波收信智能监测模块的模块组成结构示意图；

图2为按照本发明实现的射频通道切换单元的原理框图；

图3为按照本发明实现的射频信号产生单元的原理框图；

图4为按照本发明实现的射频信号采集与测量单元的原理框图；

图5为按照本发明实现的嵌入式控制单元设计的模块组成原理框图；

图6为按照本发明实现的嵌入式控制单元的工作流程示意框图。

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。

短波收信智能监测模块主要由射频通道切换单元、射频信号产生单元、射频信号测试单元、嵌入式单元、接口单元和电源管理单元等组成，其结构框图如图1所示：

在设备加电后，首先由自检与校准单元控制监测模块内部进行单元自检和测试数据检测校准，所有单元工作正常后监测模块开始自动工作。在没有监测任务唤醒时，监测模块自动处于低功耗待机状态，收信天线接口与馈线接口通过射频通道切换单元连通。

当需要进行测试时，由射频通道切换单元根据不同的测试需求切换天线接口、馈线接口、射频信号产生单元以及射频信号测试单元之间的射频通道，通常情况下，为了不影响收信链路的正常工作，在不需要进行测试或者模块不加电工作时收信天线接口与馈线接口之间是直通的状态。根据测试任务的不同，射频信号产生单元可以产生多种类型的射频信号经射频通道切换单元送至收信天线、馈线及收信机上作为激励信号。天线或馈线反射的射频信号由射频通道切换单元统一送至射频测试单元进行采样和处理。所有的测试操作和切换控制均由嵌入式控制单元完成，通过有线网络将测试数据实时传送给监测服务器进行建模计算与处理。

监测模块主要完成的功能有以下几点：

1)短波收信业务智能保护：对天馈系统实施监测的基本前提是对短波收信业务的正常展开不能造成任何影响，因此在设计时首要考虑的是对短波收信业务的智能保护。在硬件及软件设计上都要确保监测模块不管是在关机状态、监测全过程中以及内部单元损坏或故障时，都不能影响到天馈线通信链路的畅通。

2)监测功能自检和监测数据自校准：监测模块每次加电开机时，都要完成功能自检，检测自身的各个组成单元工作是否正常。模块内部自带校准单元，可根据需要定期或手动进行测量数据准确性的自动校准。

3)远程网络自动控制：通过有线方式与远程监测服务器相连，监测模块的运行受上位机远程控制，自动将监测数据采用TCP/IP的方式传送给监测服务器。

4)射频信号产生功能：可产生频率范围为3～30MHz，AM、USB、LSB和SSB等多种方式的调制信号，输出幅度最小为0.5μV，为收信机的性能检测提供激励。

5)监测功能：可独立实现对天线和馈线的驻波比指标的自动监测，配合标准监测接收机和音频监测模块等可实现对馈线的传输损耗、收信机的频率准确度、接收灵敏度等指标的自动监测。

6)低功耗自动控制功能：在不需要进行监测的时候自动低功耗运行，减少对收信机工作性能的影响。

射频通道切换单元的主要作用是根据需要实现收信天线的射频端口、馈线线缆的射频端口、射频产生单元、射频测试单元以及自检校准单元接口的相互切换。其原理框图如图2所示。

继电器K1、K2和K3采用的是屏蔽型射频继电器，默认状态下，天线接口直通馈线接口，保持信号接收状态。GDT为空气放电管，FUSE为自恢复保险丝，当天线引入雷电信号时，两器件瞬间导通，保护后续电路免受雷击损坏。

在需要进行天馈系统性能监测时，K2开关切至左侧，再通过K1开关选择天线端口或馈线端口与K3开关相连，用于射频信号馈入、驻波比测试以及模块自检与校准。内部校准单元采用了与射频通道切换单元相同的电路接口，配合不同的匹配电阻用以实现短路、开路和匹配负载。射频通道切换单元的继电器切换受嵌入式控制单元控制。

射频信号产生单元受嵌入式控制单元的控制，产生3MHz～30MHz的射频信号，用于进行扫频测试或信号源功能。原理框图如图3所示。

该单元采用FPGA+DDS的方式进行实现，利用DDS产生射频信号。DDS采用了AD9951芯片，外接20MHz的恒温晶振，在设计中对输入时钟进行了10倍频，使得系统时钟为200MHz，用于产生3～30MHz的频率。DDS输出后的滤波器为120MHz的低通滤波器，采用了截止特性陡峭的椭圆函数滤波器。FPGA芯片选用了Cyclone系列的EP3C25E144I7，使用同步串行方式与DDS芯片相连接，由FPGA控制DDS芯片产生定频或扫频信号。当需要改变频率时，嵌入式控制单元向FPGA发送控制指令，由FPGA根据控制指令所要求的频率计算出相应的频率控制字，然后将该频率控制字通过串口送入AD9951的频率控制寄存器(FTW0)，当AD9951的I/OUPDATE管脚由低变高时就可以送入AD9951内部的DDS核心进行频率合成，得到预设频率的单频信号。同时FPGA芯片还控制控制D/A转换器产生射频幅度控制电压VSET。当嵌入式控制单元发出产生调幅信号的命令时，FPGA计算调幅信号控制参数，写入相应的寄存器中，控制DA转换器产生正弦调制信号VSET，输出到幅度控制电路上。

射频信号采集与测量单元采用定向耦合器的方式对驻波反射信号进行采集，采集后的信号经过混频变为中频信号后再通过A/D采集进行测量，其原理框图如图4所示。

由射频信号产生单元送出的激励信号经过程控衰减器和定向耦合器后再送出至射频通道切换单元。其中，射频信号是否需要经过程控衰减器受两个射频继电器控制，用于产生需要的射频小信号。在需要进行天线的驻波比测试时，首先由嵌入式控制单元控制射频通道切换单元将收信天线与射线信号采集与测试单元的输出端口相连接，射频信号产生单元与其输入端口相连接。这样在射频信号产生单元与收信天线之间即形成了一条射频通道，由射频信号产生单元直接送出激励信号至天线端口，在天线端口处会由于阻抗不匹配而造成驻波反射，在射频通道上的定向耦合器1和2即可将前向信号和反向信号耦合感应至射频采集通道上。

定向耦合器用于耦合前向和反向两个方向的信号，射频开关选择两个方向的信号并通过下变频电路得到中频信号。采用2个定向耦合器的目的是提高前向信号和反向信号的隔离度，通过定向耦合器1的前向耦合端采样出射信号；通过定向耦合器2的反向耦合端采样反射信号。这两个信号通过下变频电路得到相同频率的中频信号，再利用数字信号处理计算幅度差和相位差。中频电路将来自RF前端混频电路得到的中频信号(IF)先进行低通滤波，然后高精度采样，得到数字化中频。在FPGA内实现IF信号的幅度和相位的计算。嵌入式控制单元完成对整个测量系统的控制，以及最后的测量数据运算。

嵌入式控制单元主要实现对各单元模块的控制、数据采集、计算处理以及监测数据的传输，其组成结构框图如图5所示。

嵌入式控制单元是整个智能监测模块的控制核心，需要完成的任务主要包括以下3个方面：

1)通过以太网接收监测服务器发送过来的各类控制指令，解析控制指令内容，转换为相应的内部指令通过RS485总线的方式发送到各个内部单元，实现对不同单元的控制或数据传输，从而完成对各类控制指令的响应；

2)控制射频信号采集与测量单元，实现对监测数据的实时采集与计算处理；

3)将监测数据实时的传输给监测服务器，并对监测数据进行判决分析，超出预警门限时发出预警和预报信号。

如图5所示，在嵌入式控制单元设计上综合考虑了嵌入式微处理器的处理能力和接口资源等方面的性能，选择了以三星的S3C6410芯片为核心，该芯片具有较强的处理能力，能够满足多方面的性能需求。外围器件主要包括了SDRAM、NANDFLASH、SD卡、以太网芯片、电源与复位电路、时钟电路、散热风扇控制电路等。整体的设计以简化电路、压缩体积和降低功耗为出发点。

嵌入式控制单元软件上要实现的功能主要有：

1)模块加电开机后完成各单元的状态初始化设置，控制各单元完成功能自检，并将自检信息进行汇总；

2)实现与监测服务器的以太网通信，能接收监测服务器发送的命令，并将监测数据回送给服务器；

3)完成天线与馈线驻波比的测试；

4)完成射频信号源的设置与控制；

5)完成射频通道的智能切换与控制；

6)完成测试单元的校准；

7)完成测试数据的计算分析与预警。

其中如图6所示，展示了按照本发明的监测模块执行监测方法的其中一种实施例，其中，上述实施例包括如下步骤：

模块开机自检，完成状态初始化；

判定是否接收到唤醒指令，如果没接收到则进入待机状态等待被唤醒；

如果接收到，则判定是否接收到测试指令，如果接收到测试指令，则判定是否测试天线驻波比，

如果判定为是，则则需要控制所述射频通道切换单元连通至天线端口；

如果判定为否，则判定是否测试馈线驻波比，如果判定为是，则需要控制所述射频通道切换单元连通至馈线端口；

在上述连接的状态之下，产生射频信号，并且测试接收所述射频信号激励之后的射频耦合信号；发送测试数据至所述嵌入式控制单元执行检测；

若为接收到射频信号产生指令，则判定是否控制射频信号产生，若判定为是，则产生射频激励信号，若判定为否，则判定是否执行所述监测模块的内部校准，如果判定为是则执行内部校准，如果判定为否，则依据所述嵌入式控制单元执行检测的情况判断此次测试指令是否执行完毕，如果是，则进入待机等待唤醒，如果否，则重新跳转至是否接收到测试指令的判定，直至所有监测任务完成。

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)

1.一种短波收信天馈系统智能监测模块，其特征在于，所述监测模块包括设置于天线接口与馈线接口之间的射频通道切换单元；

所述射频通道切换单元还分别与射频信号产生单元、射频信号采集与测试单元电连接，

所述射频通道切换单元接收嵌入式控制单元的控制根据不同的测试需求切换所述天线接口、所述馈线接口、所述射频信号产生单元以及所述射频信号采集与测试单元之间的射频通道；

所述射频信号产生单元产生的射频信号经所述射频通道切换单元传送至收信天线、馈线及收信机上作为激励信号；

所述收信天线和/或馈线反射的射频信号经所述射频通道切换单元传送至所述射频信号采集与测试单元执行处理；

所述嵌入式控制单元还分别与所述射频信号产生单元、所述射频信号采集与测试单元电连接；

所述射频通道切换单元包括若干接收所述嵌入式控制单元的3个屏蔽型射频继电器，所述屏蔽型射频继电器为第一屏蔽型射频继电器K1、第二屏蔽型射频继电器K2和第三屏蔽型射频继电器K3；

所述第二屏蔽型射频继电器K2与所述天线接口、馈线接口、第一屏蔽型射频继电器K1电连接；所述第一屏蔽型射频继电器K1在连接所述第三屏蔽型射频继电器K3的同时能对所述天线接口和馈线接口进行选择切换；所述第三屏蔽型射频继电器K3连接所述射频信号采集与测试单元、射频信号产生单元和自检与校准单元；

所述嵌入式控制单元完成所述监测模块的整体控制、数据采集、计算处理以及传输；

所述自检与校准单元对所述嵌入式控制单元、射频信号采集与测试单元和视频信号产生单元进行自检与校准。

2.如权利要求1所述的短波收信天馈系统智能监测模块，其特征在于，所述射频信号产生单元包括用于实现该射频信号产生单元总控制的可编程逻辑芯片，以及用于产生射频信号的晶振，所述可编程逻辑芯片还控制射频幅度控制电压，当接收到所述嵌入式控制单元发出产生调幅信号的命令时，所述可编程逻辑芯片完成调幅信号控制参数的计算，控制所述射频信号产生单元中的DA转换器产生正弦调制信号，输出到所述射频信号产生单元中包含的幅度控制电路。

3.如权利要求1或2所述的短波收信天馈系统智能监测模块，其特征在于，所述射频信号产生单元送出的激励信号依次经过程控衰减器和定向耦合器后发送至所述射频通道切换单元。

4.如权利要求3所述的短波收信天馈系统智能监测模块，其特征在于，所述嵌入式控制单元包括嵌入式微处理芯片，外围电路包括SDRAM、NANDFLASH、SD卡存储器、以太网芯片、电源与复位电路、时钟电路及散热风扇控制电路，所述嵌入式微处理芯片通过总线接口的方式与其它受控制的模块通信。

5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的短波收信天馈系统智能监测模块的监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

模块开机自检，完成状态初始化；

判定是否接收到唤醒指令，如果没接收到则进入待机状态等待被唤醒；

如果接收到，则判定是否接收到测试指令，如果接收到测试指令，则判定是否测试天线驻波比，

如果判定为是，则需要控制所述射频通道切换单元连通至天线端口；

如果判定为否，则判定是否测试馈线驻波比，如果判定为是，则需要控制所述射频通道切换单元连通至馈线端口；

在上述连接的状态之下，产生射频信号，并且测试接收所述射频信号激励之后的射频耦合信号；发送测试数据至所述嵌入式控制单元执行检测；

若为接收到射频信号产生指令，则判定是否控制射频信号产生，若判定为是，则产生射频激励信号，若判定为否，则判定是否执行所述监测模块的内部校准，如果判定为是则执行内部校准，如果判定为否，则依据所述嵌入式控制单元执行检测的情况判断此次测试指令是否执行完毕，如果是，则进入待机等待唤醒，如果否，则重新跳转至是否接收到测试指令的判定，直至所有监测任务完成。

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