CN111106881B - 一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统，该系统包括发信射频监测终端、电功率监测终端、宽带监测天线和综合监测平台，设置发信射频监测终端实现采集短波发信机射频传输线缆和天馈系统的发射功率、频率、调制度以及驻波比数据；设置电功率监测终端采集短波发信机的交流电压和电流数据；设置宽带监测天线模块测量短波发信机发射天线辐射出来的空间电磁信号并计算发射天线的实际输出功率数据；综合监测平台依据接收的发信射频监测终端、电功率监测终端和宽带监测天线模块的采集数据进行分析计算与评估，从而实现短波发信系统的发射天线工作状态、短波发信机到发射天线间的射频损耗衰减情况、发射天线匹配状态和发射天线场的辐射状态的实时监控。

Description

一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统

技术领域

本发明属于短波发信领域，具体涉及利用一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统。

背景技术

短波发信系统是指承担短波通信发射任务的电子系统，一般由发信机、机房、中央控制室、发信天线、馈线系统(包括天线交换设备)、信号线路设备以及高频接地装置等组成。长期以来，许多短波通信台站都分布在山区或远郊，地域偏远，交通十分不便利，而且台站内短波通信设备种类多、数量大、安装固定，因此为了确保短波通信业务的正常开展，无论短波通信系统是否发生了故障，通常都需要对其进行定期的巡查检修，这就是早期的预防性维护理念。但这种巡检工作主要依靠单台设备逐个检测，往往需要组织大量的人力和物力，任务非常繁重，而且效率低、耗时长，难以发现各种潜在的隐患问题，很显然是无法满足短波通信系统日常运行维护要求的。

短波通信从发信端到收信端的业务传输是一种信号逐级传递的链式流程，短波通信系统只有在所有组成设备与设施构成一个相互匹配、功能完备和性能可靠的有机整体后才能有效的发挥出最佳通信效果。影响短波通信综合效能的因素主要有：构成系统的各通信设备自身的完好性与完备性、设备与设备之间连接的线缆损耗与匹配度、设备与馈线之间的损耗与匹配度、设备自身的衰减状态等。对复杂短波发信系统而言，从功能完备性的角度来进行分析，影响发信系统工作状态最重要的因素主要包括了发信机的功耗、输出功率、频谱特性、天馈线匹配状态、发射天线效率等参数。在台站短波发信系统长期使用的过程中，随着设备的老化和配件线缆的损耗，通信系统的相关性能指标总是在逐步降低的。一旦发信系统的执行效能出现较大程度的变化，将可能导致通信业务的无法达成。而当前针对短波发信系统的维修检测等都还是以技术人员的人工参与为主，所采用的定期巡检和周期性维护保养等传统手段，往往耗费大量的人力物力却只能掌握单个设备的基本状态能否可用。

在对短波发信系统使用与维护的过程中，逐渐发现了不少隐患与问题，主要体现在：一旦台站短波发信系统完成装配后，在日常使用中对系统内部各组成设备的相互匹配性、功能设备自身状态的可靠性等与通信系统业务能力密切相关的因素缺乏相应的监测与分析手段，对短波发信设备的工作状态、设备相互之间的连接特性、信号衰减损耗情况等指标数据无法做到自动采集和记录，不能对系统整体的运行质量和工作效能进行建模计算和分析预测；对于设备在经过长期使用后性能状态的衰减情况、剩余使用寿命以及可靠性状态等通信效能情况缺乏有效的掌控与预测。

目前对这些问题的解决还缺乏相应的方法与手段，缺少对短波通信系统整体的功能完备性状况与降级趋势的实时监测评估手段与故障预警能力，系统执行业务的可靠性得不到保证。传统的人工检测与维护手段已无法解决短波通信系统面临的实际问题，亟需一种新的监测维护手段来确保短波发信业务的顺利开展。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统，该系统针对短波发信系统不同的数据特征设计了专用的发信射频监测终端、电功率监测终端和宽带监测终端，通过将这些高精度的监测传感器终端设备分布式安装在短波发信系统的各个关键组成设备中，并采用并联组网的方式实现所有监测点设备的自动控制与信息交互，从而达到对短波发信系统整体的实时监测。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统，该系统包括发信射频监测终端、电功率监测终端、宽带监测天线和综合监测平台，综合监测平台分别连接发信射频监测终端、电功率监测终端和宽带监测天线，电功率监测终端连接短波发信机，宽带监测天线模块连接短波发信机发射天线，

发信射频监测终端为多个，发信射频监测终端安装在短波发信机发射天线场的天线堡内或连接短波发信机射频传输线缆，发信射频监测终端用于采集短波发信机射频传输线缆和天馈系统的发射功率、频率、调制度以及驻波比数据并发送给综合监测平台；

电功率监测终端用于采集短波发信机的交流电压和电流数据并发送给综合监测平台；

宽带监测天线模块用于测量短波发信机发射天线辐射出来的空间电磁信号并计算发射天线的实际输出功率数据发送给综合监测平台；

综合监测平台用于依据接收的发信射频监测终端、电功率监测终端和宽带监测天线模块的采集数据进行分析计算与评估，从而实现短波发信系统的发射天线工作状态、短波发信机到发射天线间的射频损耗衰减情况、发射天线匹配状态和发射天线场的辐射状态的实时监控。

作为本发明的进一步改进，该系统还包括监测音频产生模块，监测音频产生模块用于依据综合监测平台的指令周期性地发送标准音频测试信号给短波发信机。从而实现短波发信系统在不执行值班业务时，通过在短波发信系统内部形成闭环检测的方式实现对短波发信系统指标特性全面精确的监测诊断。

作为本发明的进一步改进，监测音频产生设备的频率输出范围为0.1kHz～10kHz。

作为本发明的进一步改进，发信射频监测终端还包括射频传感器模块，射频传感器模块用于依据控制模块的指令获取短波发信机射频传输线缆和或天馈系统的射频信号。

作为本发明的进一步改进，发信射频监测终端还包括大功率定向耦合器，射频传感器模块利用大功率定向耦合器采集短波发信机输出信号和天馈系统反射的回波信号并进行前向耦合和反向耦合后分两路输出。

作为本发明的进一步改进，发信射频监测终端还包括测量模块，测量模块用于利用所述射频传感器模块输出的前向耦合信号和反向耦合信号得到短波发信机射频传输线缆和天馈系统的发射功率、频率、调制度以及驻波比数据。

作为本发明的进一步改进，发信射频监测终端还包括变频模块，变频模块用于依据控制模块的指令对测试射频传感器模块获取的射频信号进行调制。

作为本发明的进一步改进，发信机电功率监测终端包括供电电流传感器模块，供电电流传感器模块采用闭环霍尔电流传感器采集短波发射机供电电流。从而实现在短波发信系统执行收信业务值班工作时，以尽可能不影响其工作的方式实现对发信特性的实时监测评估。

作为本发明的进一步改进，发信机电功率监测终端包括供电电压传感器模块，供电电压传感器模块采用闭环霍尔电流传感器采集短波发射机供电电压。从而实现在短波发信系统执行收信业务值班工作时，以尽可能不影响其工作的方式实现对发信特性的实时监测评估。

作为本发明的进一步改进，宽带监测天线模块包括相互连接的监测天线和监测接收机，监测天线用于接收短波发信机发射天线信号，监测接收机用于依据空间电磁辐射模型和监测天线的接收信号测算发射天线的实际输出功率。

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：

本发明的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统，该系统针对短波发信系统不同的数据特征设计了专用的发信射频监测终端、电功率监测终端和宽带监测终端，通过将这些高精度的监测传感器终端设备分布式安装在短波发信系统的各个关键组成设备中，并采用并联组网的方式实现对发射天线外场、馈线系统和发信机等发信系统设备的联合监测，从而达到对短波发信系统整体的实时监测。

本发明的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统，通过巧妙设计在线和离线两种监测方式能够实现对短波发信系统全时段的状态监测，在短波发信系统执行收信业务值班工作时，以尽可能不影响其工作的方式实现对发信特性的实时监测评估，在不执行值班业务时，通过在发信系统内部形成闭环检测的方式实现对系统指标特性全面精确的监测诊断。

本发明的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统，其发信射频监测终端利用大功率双定向耦合器通过信号分析通道将来自前向或反向的射频信号依次通过相应的信号调制分析，保证频率测量精度达到指标要求。

本发明的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统，其利用闭环霍尔电流传感器和闭环霍尔电压传感器实现完全电隔离下短波发射机的非接触式监测和短波发射机供电电流和电压的采集，通过两种传感器的隔离作用，使得监测模块与短波发信机各自正常工作，互不影响。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统的结构示意图；

图2为本发明优选实施例的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统的发信射频监测终端的结构示意图；

图3为本发明优选实施例的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统的发信射频监测终端的电路示意图；

图4为本发明优选实施例的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统的发信机电功率监测终端的结构示意图；

图5为本发明优选实施例的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统的监测音频产生设备的结构示意图。

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。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

图1为本发明实施例的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统的结构示意图。如图1所示，该系统包括发信射频监测终端、电功率监测终端、监测音频产生设备、宽带监测天线和综合监测平台，其中，发信射频监测终端安装在短波发信机发射天线场的天线堡内或连接短波发信机射频传输线缆，采用低插损通过式功率传感器对射频传输线缆中的射频发射功率、频率、调制度以及天馈系统的驻波比进行实时监测，并将信息通过光纤回传给发信机房的综合监测平台。电功率监测终端安装在发信机旁，位于供电系统和发信机之间，经过电源线与发信机直接连接，通过对供电系统提供发信机的交流电压和电流进行监测，获得发信机实时功耗。监测音频产生设备安装在发信机房内，与综合传输交换设备相连，为发信机测试提供音频激励源。宽带监测天线放置安装在发信机房上方，宽带频谱监测接收机放在发信机房内与宽带监测天线相连接，用于对发射天线辐射出来的空间电磁信号进行测量，通过空间电磁辐射模型测算发射天线的实际输出功率。综合监测平台可装配在一个标准机柜内，通过有线网络与监测诊断服务中心相连接，实现对机房内发信机的离线闭环监测，并对监测短波发信机的技术状态进行完全校准和计量。各监测终端设备均通过有线网络的方式与交换机相连，在网络上与监测诊断服务中心交换数据信息，并受后台服务器配套软件控制，根据用户业务需求执行相应的任务，综合监测平台用于依据接收的发信射频监测终端、电功率监测终端和宽带监测天线模块的采集数据进行分析计算与评估，从而实现短波发信系统的发射天线工作状态、短波发信机到发射天线间的射频损耗衰减情况、发射天线匹配状态和发射天线场的辐射状态的实时监控。该系统的工作流程如下：

1)在机房内所有短波发信机在执行工作任务时，发信射频监测终端与电功率监测终端实时工作，对短波发信机的实时功耗、输出的射频信号、天馈线以及天调传输的射频信号进行监测，将监测数据送至综合监测平台进行分析计算与评估，实时掌握评估短波发信机的工作状态以及短波发信机到天线间的射频损耗衰减情况和匹配状态。另外监测接收机通过监测天线对发射天线场的辐射状态进行监测，并将获取到的监测数据送至监测诊断服务中心进行分析计算，从而评估发射天线的辐射效率以及技术状态。

2)在机房内短波发信机不执行任务的时间段，周期性的由综合监测平台送出标准音频测试信号给各发信机，发信射频监测终端将监测到的射频信息通过有线网络送至综合监测平台进行精确测量分析与评估，从而精确掌握发信机的技术状态，以及天馈线之间的匹配与衰减损耗情况。

该短波发信自动检测系统以分布式组网的方式实现了对发射天线外场、馈线系统和发信机等发信系统设备的联合监测，通过巧妙设计在线和离线两种监测方式能够实现对短波发信系统全时段的状态监测。在短波发信系统执行收信业务值班工作时，以尽可能不影响其工作的方式实现对发信特性的实时监测评估。在不执行值班业务时，通过在发信系统内部形成闭环检测的方式实现对系统指标特性全面精确的监测诊断。

图2为本发明优选实施例的基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统的发信射频监测终端的结构示意图。如图2所示，发信射频监测终端包括射频传感器模块、测量模块、变频模块和控制模块，其中，控制模块分别连接射频传感器模块、测量模块和变频模块，射频传感器模块分别连接测量模块和变频模块，其中，射频传感器模块用于依据控制模块的指令获取发信机信号或天馈系统的射频信号；测量模块用于测试射频传感器模块获取的射频信号频率，变频模块用于依据控制模块的指令对测试射频传感器模块获取的射频信号进行调制。

具体为：射频传感器模块利用大功率定向耦合器获得发信机输出的大功率信号和天馈系统反射的回波信号并将采集的耦合射频信号分两路输出，一路送测量模块完成对传输馈线中的正向与反向射频功率以及发信机输出的射频信号频率测试，一路送至变频模块，通过乘法混频得到低中频信号，再经数字采集后采用FPGA进行中频解析，用以实现对射频信号精确的幅度和调制度测量，为了保护测量电路不被大功率射频信号损坏，耦合系数设计为-40dB。控制模块依据预设任务对各功能模块进行有效控制，同时接收测量模块的测量值并打包后通过有线网络输出给监测服务器集中进行处理。

发信射频监测终端需要达到的主要技术指标要求为：

①频率测量范围：1MHz～30MHz；误差：优于5ppb。

②功率测量范围：50W～2500W；误差：优于10％。

③调幅度分析范围：1％～100％；误差：优于5％×标称值+1％。

④驻波比测量范围：1～20；误差：优于5％×标称值。

⑤插入损耗：<0.3dB。

大功率双定向耦合器将来自发信机的正向功率信号和馈线上的反向功率信号耦合到测量电路。图3为本发明优选实施例的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统的发信射频监测终端的测量电路示意图。如图3所示，短波发信机依次射频接头、大功率双定向耦合器、防雷保护电路、射频接头和发射天线，其中，大功率双定向耦合器通过信号分析通道将来自前向或反向的射频信号依次通过功分器、超外差混频电路，得到中频信号IF1，然后数字化采样进行功率测量和调幅度分析，通过计算前向和反向信号的功率差，得到电压驻波比；前向信号通过整形电路2进入FPGA进行频率粗测，同时经过乘法混频电路，得到中频信号IF2，采用等精度测量法进行频率细测，其中，频率粗略测量的周期优选为0.1秒，频率精准测量的周期优选为1秒；内部参考源用于对频率和信号分析通道的自检，频率校准接口用于对设备内恒温晶振的快速校准，保证频率精度达到指标要求。

图4为本发明优选实施例的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统的发信机电功率监测终端的结构示意图。如图4所示，发信机电功率监测终端包括供电电流传感器模块、供电电压传感器模块、A/D采集模块和主控模块，供电电流传感器模块利用闭环霍尔电流传感器实现完全电隔离下短波发射机的非接触式监测和短波发射机供电电流的采集，供电电压传感器模块利用闭环霍尔电压传感器实现在不影响供电电压情况下的短波发射机隔离监测和短波发射机供电电压的采集，通过两种传感器的隔离作用，使得监测模块与短波发信机各自正常工作，互不影响。供电电流传感器模块和供电电压传感器模块将获取的信息以电压形式送给A/D采集模块，在主控模块的控制下将数据通过网络接口传送给服务器，由服务器完成数据的后台分析与处理。

图5为本发明优选实施例的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统的监测音频产生设备的结构示意图。如图5所示，监测音频产生设备包括主控模块和音频产生模块，监测音频产生设备的主要功能是在服务器的控制下为发信机测试提供特定频率和幅度的音频激励信号。监测音频产生设备还包括LAN接口，用于与服务器通信。

监测音频的主要技术指标要求为：

①频率范围：100Hz～10kHz；误差：优于0.001Hz。

②电平范围：1mV～1000mV；误差：优于5％×标称值+1mV。

③输出阻抗：<10Ω。

④差分和单端输出模式。

监测音频主控模块优选利用AVR单片机实现管理控制，同时结合外置RS232/TCP通信转换模块，实现整机设备的设置和通信功能。音频信号产生可利用DDS实现，优选AD9832芯片。

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 (10)

1.一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统，该系统包括发信射频监测终端、电功率监测终端、宽带监测天线和综合监测平台，所述综合监测平台分别连接发信射频监测终端、电功率监测终端和宽带监测天线，所述电功率监测终端连接短波发信机，宽带监测天线连接短波发信机发射天线，其特征在于，

所述发信射频监测终端为多个，所述发信射频监测终端安装在短波发信机发射天线场的天线堡内或连接短波发信机射频传输线缆，所述发信射频监测终端用于采集短波发信机射频传输线缆和天馈系统的发射功率、频率、调制度以及驻波比数据并发送给综合监测平台；

所述电功率监测终端用于采集短波发信机的交流电压和电流数据并发送给综合监测平台；

所述宽带监测天线用于测量短波发信机发射天线辐射出来的空间电磁信号并计算发射天线的实际输出功率数据发送给综合监测平台；

所述综合监测平台用于依据接收的发信射频监测终端、电功率监测终端和宽带监测天线的采集数据进行分析计算与评估，从而实现短波发信系统的发射天线工作状态、短波发信机到发射天线间的射频损耗衰减情况、发射天线匹配状态和发射天线场的辐射状态的实时监控。

2.根据权利要求1所述的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统，其特征在于，所述该系统还包括监测音频产生模块，所述监测音频产生模块用于依据综合监测平台的指令周期性地发送标准音频测试信号给短波发信机。

3.根据权利要求2所述的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统，其特征在于，所述监测音频产生模块的频率输出范围为0.1kHz～10kHz。

4.根据权利要求1所述的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统，其特征在于，所述发信射频监测终端还包括射频传感器模块，所述射频传感器模块用于依据控制模块的指令获取短波发信机射频传输线缆和或天馈系统的射频信号。

5.根据权利要求4所述的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统，其特征在于，所述发信射频监测终端还包括大功率定向耦合器，所述射频传感器模块利用大功率定向耦合器采集短波发信机输出信号和天馈系统反射的回波信号并进行前向耦合和反向耦合后分两路输出。

6.根据权利要求5所述的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统，其特征在于，所述发信射频监测终端还包括测量模块，所述测量模块用于利用所述射频传感器模块输出的前向耦合信号和反向耦合信号得到短波发信机射频传输线缆和天馈系统的发射功率、频率、调制度以及驻波比数据。

7.根据权利要求1所述的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统，其特征在于，所述发信射频监测终端还包括变频模块，所述变频模块用于依据控制模块的指令对测试射频传感器模块获取的射频信号进行调制。

8.根据权利要求1所述的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统，其特征在于，所述电功率监测终端包括供电电流传感器模块，所述供电电流传感器模块采用闭环霍尔电流传感器采集短波发信机供电电流。

9.根据权利要求1所述的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统，其特征在于，所述电功率监测终端包括供电电压传感器模块，所述供电电压传感器模块采用闭环霍尔电流传感器采集短波发信机供电电压。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种基于发信功能完备性的短波发信智能监测系统，其特征在于，所述宽带监测天线包括相互连接的监测天线和监测接收机，所述监测天线用于接收短波发信机发射天线信号，监测接收机用于依据空间电磁辐射模型和监测天线的接收信号测算发射天线的实际输出功率。

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