CN113162701A - 一种天馈线系统监测设备及提高监测精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天馈线系统监测设备及提高监测精度的方法，包括第一端口、隔直电路、S参数监测模块、天线倾斜角监测电路、ARM处理器、调制解调电路、信号电源转换电路、温度监测电路、声光告警器和第二端口；天馈线系统的射频馈线与第一端口连接，通过复用天馈线系统的射频馈线，直接串联接入天馈线系统任何位置，灵活布置，充分满足不同用户的不同需求，不需增加电缆等附件来完成各个天馈线系统监测设备间直流馈电、数据通信等，对天馈线系统内部任意点位的功率值、驻波比，以及天线倾斜角等重要性能参数进行实时监测。

Description

一种天馈线系统监测设备及提高监测精度的方法

技术领域

本发明涉及甚高频地空通信领域，具体涉及一种天馈线系统监测设备及提高监测精度的方法。

背景技术

在无线电通信系统中，天馈线系统性能指标的优劣，直接影响通信系统的通信距离、通信效果等。在甚高频地空通信领域，天馈线系统由射频馈线、射频避雷器、转接电缆、天线等部件组成，其连接方式为：一端连接在通信设备的射频接口，延伸数十米后，另一端为加装在安装杆(或铁塔)上的天线。

日常工作中，有如下棘手问题：无论风吹摇动作用，导致天线振子等零部件连接松动、天线倾斜角度异常，还是老鼠等咬坏高频电缆、任一连接部位进水、部件老化等原因，都会导致天馈线系统性能指标下降，甚至严重超差。从系统保障出发，非常有必要实时监测天馈线系统任意点位的功率值、任意点位的驻波比、天线倾斜角度等性能指标，在性能指标异常时自动告警，并辅助工作人员快速判断出故障件。

目前，甚高频地空通信领域，对天馈线系统性能指标的监测，仅在通信设备的射频接口端进行粗略的驻波比监测，对天线倾斜角等系统的重要性能指标缺乏考虑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是甚高频地空通信领域缺乏一套专门为天馈线系统的性能指标进行监测的设备，目的在于提供一种天馈线系统监测设备及提高监测精度的方法，复用天馈线系统的射频馈线，除正常传输通信设备的接收/发射信号外，还同时完成布置在不同位置的天馈线系统监测设备间直流馈电、数据通信，在指标异常时辅助工作人员判断出天馈线系统的故障件，实现了天线倾斜角实时监测。

本发明通过下述技术方案实现：

一种天馈线系统监测设备，包括第一端口、隔直电路、S参数监测模块、天线倾斜角监测电路、ARM处理器、调制解调电路、信号电源转换电路、温度监测电路、声光告警器和第二端口；

其中，天馈线系统的射频馈线与第一端口连接；隔直电路的输入端连接第一端口、输出端连接S参数监测模块的输入端，S参数监测模块的输出端连接第二端口，S参数监测模块、天线倾斜角监测电路、调制解调电路、信号电源转换电路、温度监测电路和声光告警器分别与ARM处理器连接，信号电源转换电路和调制解调电路分别通过第一端口连接射频馈线，调制解调电路和天线倾斜角监测电路分别与信号电源转换电路连接。

进一步地，还包括开关，开关与隔直电路并联，S参数监测模块通过开关、第一端口与射频馈线连接。

进一步地，所述S参数监测模块包括S参数监测电路和信号采样电路，所述S参数监测电路与第二端口连接，所述信号采样电路与ARM处理器连接。

进一步地，所述信号电源转换电路包括电源管理模块、9芯连接器和串口转换电路，9芯连接器通过串口转换电路与ARM处理器连接，串口转换电路用于TTL信号与RS-422信号的相互转换；所述9芯连接器通过RS-422信号线与外部设备和24V电源连接，并将24V电源信号馈送到射频馈线和电源管理模块；电源管理模块用于将接收到的9芯连接器和射频馈线的24V电源信号进行滤波，并转换为调制解调电路、ARM处理器和串口转换电路所需的电压值。

进一步地，所述调制解调电路包括ASK调制电路和ASK解调电路，所述ASK调制电路用于将ARM处理器输出的方波信号和2.176MHz载波信号进行ASK调制，并将经过ASK调制后的信号通过第一端口向射频馈线输出；所述ASK解调电路用于对从射频馈线上收到的已调2.176MHz信号进行解调，还原成方波信号传输至ARM处理器。

进一步地，所述天线倾斜角监测电路采用型号为MPU-6050的传感器。

进一步地，所述调制解调电路采用型号为MAX9947的模拟芯片。

现有技术中对天馈线系统性能指标的监测，大多仅在通信设备的射频接口端进行粗略的驻波比监测，对天线倾斜角等系统的重要性能指标没有进行考虑，本方案为了能对天馈线系统性能指标进行灵活的监测，独立研发了一种天馈线系统监测设备，能灵活地在天馈线系统天线的接口端(简称天线端)、射频馈线中间任意位置(简称中间端)和通信设备的射频接口端(简称地面端)等部位各串联接入一台天馈线系统监测设备，实时监测天馈线系统各个部位的功率值、驻波比，以及天线倾斜角等重要性能指标，进而在指标异常时辅助工作人员判断出天馈线系统的故障件。并且本发明天馈线系统监测设备通过复用天馈线系统的射频馈线，直接串联接入天馈线系统中，不需增加电缆等附件来完成各个天馈线系统监测设备间直流馈电、数据通信等，天馈线系统监测设备根据馈电路径(9芯连接器/射频馈线)、安装方式(地面端为水平安装/中间端为垂直安装/天线端为垂直安装)、外部设备通过RS-422对本设备的配置，自动将本设备配置为天线端、中间端、地面端对应的工作模式。

如果在上述监测设备中直接使用S参数监测模块中的正/反向功率监测信号的幅度值计算功率值和驻波比，会因为部分信号分量丢失，带来方法误差；同时，在不同环境温度、不同工作频点，会因为每个天馈线监测设备自身性能指标存在一定的离散性，形成固有误差，因此为了提高功率值和驻波比的监测精度，本发明提供一种提高天馈线系统监测设备监测精度的方法，包括以下步骤：

步骤S1、获取正向功率监测信号和反向功率监测信号；

步骤S2、对正向功率监测信号和反向功率监测信号分别进行采样，得到正向功率和反向功率监测信号的离散采样信号序列；

步骤S3、分别对正向功率和反向功率监测信号的离散采样信号序列进行FFT运算，得到正向功率和反向功率监测信号的频谱，并获得正向功率和反向功率监测信号频谱的能量值；

步骤S4、根据得到的正向功率和反向功率监测信号频谱的能量值计算功率值和驻波比；

步骤S5、采用查表法，根据温度监测电路获取的实际环境温度和工作频率，查找相应的修正表，对功率值和驻波比进行修正。

步骤S5中获得修正表的具体过程为：

将射频信号源产生的标准射频信号接入已连接标准负载的天馈线系统监测设备，在不同环境温度下进行监测测试，在每个环境温度条件下获得一组以固定频率为间隔的监测数据；计算每组监测数据的每个数据与实际值的固有误差，得到修正表。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、一种天馈线系统监测设备及提高监测精度的方法，通过复用天馈线系统的射频馈线，直接串联接入到天馈线系统任意位置，灵活布置，充分满足不同用户的不同需求，不需增加电缆等附件来完成各个天馈线系统监测设备间直流馈电、数据通信等，对天馈线系统内部任意点位的功率值、驻波比，以及天线倾斜角等重要性能参数进行实时监测；

2、一种天馈线系统监测设备及提高监测精度的方法，本天馈线系统监测设备串联接入到天馈线系统任意部位，设备自动进入相应工作模式，构成天馈线系统监测系统，无需工作人员监视，本设备能设置正常功率值、驻波比告警门限和天线倾斜角告警门限，一旦实际监测值超越告警门限，本设备自动进行声光告警，同时，通过RS-422串口对外发送告警信息；实时监测天馈线系统各个部位的性能指标，在工作异常时辅助判断出天馈线系统的故障件；

3、一种天馈线系统监测设备及提高监测精度的方法，采用FFT计算法和查表法，分别处理影响监测精度的方法误差、固有误差，提高了不同环境温度、不同工作频点的监测精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明监测设备内部结构示意图；

图2为天馈线系统中本发明设备使用连接示意图；

图3为天馈线系统中本发明设备之间连接示意图；

图4为天馈线系统监测设备标校测试框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1所示，本发明一种天馈线系统监测设备，包括第一端口、隔直电路、S参数监测模块、天线倾斜角监测电路、ARM处理器、调制解调电路、信号电源转换电路、温度监测电路、声光告警器和第二端口；天馈线系统的射频馈线与第一端口连接；隔直电路的输入端连接第一端口、输出端连接S参数监测模块的输入端，S参数监测模块的输出端连接第二端口，S参数监测模块、天线倾斜角监测电路、调制解调电路、信号电源转换电路、温度监测电路和声光告警器分别与ARM处理器连接，信号电源转换电路和调制解调电路分别通过第一端口连接射频馈线，调制解调电路和天线倾斜角监测电路分别与信号电源转换电路连接，天馈线监测设备还包括开关，开关与隔直电路并联，S参数监测模块通过开关、第一端口与射频馈线连接。

具体地，隔直电路用于隔断直流24V进入通信设备/天线端；开关用于在中间端工作模式时闭合接通直流24V；天线倾斜角监测电路用于天线的倾斜角数据监测，天线倾斜角监测电路采用型号为MPU-6050的传感器；ARM处理器用于管理设备、计算功率值、计算驻波比值、计算天线倾斜角、与外设通信等；温度监测电路用于监测本设备环境温度；声光告警电路用于功率值、驻波比、天线倾斜角等重要性能指标的实际监测值超越设置的告警门限时，发出声光告警。

S参数监测模块包括S参数监测电路和信号采样电路，所述S参数监测电路与第二端口连接，所述信号采样电路与ARM处理器连接，S参数监测电路用于监测通过该电路的正/反向功率P_F/P_R；所述信号采样电路用于对正/反向功率P_F/P_R进行ADC转换等。

信号电源转换电路包括电源管理模块、9芯连接器和串口转换电路，9芯连接器通过串口转换电路与ARM处理器连接，串口转换电路用于TTL信号与RS-422信号的相互转换；所述9芯连接器通过RS-422信号线与外部设备和24V电源连接，并将24V电源信号馈送到射频馈线和电源管理模块；电源管理模块用于将接收到的9芯连接器和射频馈线的24V电源信号进行滤波，并转换为调制解调电路、ARM处理器和串口转换电路所需的电压值。

调制解调电路包括ASK调制电路和ASK解调电路，所述ASK调制电路用于将ARM处理器输出的方波信号和2.176MHz载波信号进行ASK调制，并将经过ASK调制后的信号通过第一端口向射频馈线输出；所述ASK解调电路用于对从射频馈线上收到的已调2.176MHz信号进行解调，还原成方波信号传输至ARM处理器，具体地，ASK调制解调电路采用型号为MAX9947的模拟芯片。

如图2所示，天馈线系统监测设备接入天馈线系统的典型连接方式为：在天线的接口端(简称天线端)、射频馈线中间任意位置(简称中间端)和通信设备的射频接口端(简称地面端)等位置各串联接入一台天馈线系统监测设备，为具有互换性，各天馈线系统监测设备的软硬件技术状态完全一致。天馈线系统的射频馈线除正常传输通信设备的接收/发射信号外，还同时完成各监测设备间直流馈电、数据通信。

如图3所示，天馈线系统监测设备通过复用射频馈线，将各个设备通过射频馈线串联，并且设备根据馈电路径(9芯连接器/射频馈线)、外部设备通过RS-422对设备的配置和设备的安装方式(在地面端为水平安装方式，中间端为垂直安装方式，天线端为垂直安装方式)，自动配置为天线端、中间端和地面端工作模式，且不同工作模式的具体工作过程如下：

天线端工作模式：当有超过监测设备最低监测值的射频信号进入设备时，S参数监测电路输出可用的正/反向功率监测值(P_F/P_R)；所述信号采样电路用于对正/反向功率P_F/P_R进行ADC转换等；ARM处理器计算出天线接口端的功率值和驻波比；ARM处理器通过I²C总线获取倾斜角监测电路输出的天线倾斜角数据；ARM处理器将以上监测值打包后形成方波信号，并将方波信号和2.176MHz载波信号均送给ASK调制电路；ASK调制电路将上述方波信号与2.176MHz载波信号进行ASK调制，形成ASK_2M信号，通过射频馈线将天线接口端的功率值、驻波比和天线倾斜角等参数发送给地面端，此工作模式下，由地面端通过射频馈线给设备供电；

中间端工作模式：与天线端工作模式基本一致，区别为本模式下开关为闭合状态，不隔断直流24V，同时，不监测天线倾斜角数据，此模式下，由地面端通过射频馈线给设备供电；

地面端工作模式：监测通信设备射频接口端的功率值及驻波比，监测方法与天线端一致；同时，对天线端、中间端通过射频馈线传输下来的ASK_2M信号，采用ASK解调电路进行解调，解调出方波信号送给ARM处理器，ARM处理器解算出天线端和中间端的功率值、驻波比和天线端的天线倾斜角；ARM处理器将天线端的功率值、驻波比和天线倾斜角、中间端和地面端的功率值及驻波比汇总后形成TTL电平信号，串口转换电路完成TTL信号与RS-422信号转换，最终通过RS-422串口与外部设备实时通信；此模式下，通过9芯连接器从外部输入的+24V电源为设备供电，同时，地面端监测设备通过射频馈线给天线端、中间端的监测设备馈电。

综上所述，天馈线监测设备通过复用天馈线系统的射频馈线，直接串联接入天馈线系统任意位置，灵活布置，充分满足不同用户的不同需求，不需增加电缆等附件来完成各个天馈线系统监测设备间直流馈电、数据通信等，对天馈线系统内部任意点位的功率值、驻波比，以及天线倾斜角等重要性能参数进行实时监测；设备根据安装位置自动进入相应工作模式，无需工作人员监视，并且能设置正常功率值、驻波比告警门限和天线倾斜角告警门限，一旦实际监测值超越告警门限，自动进行声光告警，同时，通过RS-422串口对外发送告警信息；实时监测天馈线系统各个部位的性能指标，在工作异常时辅助判断出天馈线系统的故障件。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，如果在上述监测设备中直接使用S参数监测模块中的正/反向功率监测信号的幅度值计算功率值和驻波比，会因为部分信号分量丢失，带来方法误差；同时，在不同环境温度、不同工作频点，会因为每个天馈线监测设备自身性能指标存在一定的离散性，形成固有误差，因此为了提高功率值和驻波比的监测精度，本实施例提供一种提高天馈线系统监测设备监测精度的方法，先采用FFT运算得到正/反向功率监测信号的频谱，然后将频谱的能量值代入公式计算功率值、驻波比，降低方法误差；然后，使用查表法修正固有误差，具体包括以下步骤：

步骤S1、获取正向功率监测信号和反向功率监测信号；

步骤S2、对正向功率监测信号和反向功率监测信号分别进行采样，得到正向功率和反向功率监测信号的离散采样信号序列；

步骤S3、分别对正向功率和反向功率监测信号的离散采样信号序列进行FFT运算，得到正向功率和反向功率监测信号的频谱，并获得正向功率和反向功率监测信号频谱的能量值；

步骤S4、根据得到的正向功率和反向功率监测信号频谱的能量值计算功率值和驻波比；

步骤S5、采用查表法，根据温度监测电路获取的实际环境温度和工作频率，查找相应的修正表，对功率值和驻波比进行修正。

具体地，由于功率值和驻波比的计算公式为：

功率值P：P＝10⁵*P_F，其中P、P_F、P_R的单位为毫瓦；

驻波比VSWR：

其中，P_F为正向功率监测值，P_R为反向功率监测值，V_F为正向监测电压，V_R为反向监测电压，从上述计算公式可以看出，只要提高了P_F/P_R(或者V_F/V_R)的监测精度，就可以提高功率值、驻波比的监测精度。

首先降低方法误差，具体过程为：

已知，非周期性连续时间信号x(t)的傅立叶变换表达式如下：

上式中x(t)为t的连续信号，对x(t)进行采样，得到离散采样信号序列x(nT),n＝0，1，…，N-1，N为序列长度；接着对离散信号x(nT)进行DFT运算：

其中，k＝0，1，…，N-1，

从上式看，需计算大约N₂次乘法、N₂次加法，当N比较大时，计算工作量相当大。

因此，应用快速傅立叶变换(FFT),对正/反向功率监测信号的离散采样信号序列进行FFT变换，得到P_F和P_R的频谱，并获得频谱的能量值；接着将P_F和P_R频谱的能量值代入上述功率值和驻波比的计算公式中，计算出功率值和驻波比；

然后，采用查表法修正上述功率值和驻波比的固有误差，具体方法为：

将射频信号源产生的标准射频信号接入已连接标准负载的天馈线系统监测设备，在不同环境温度下进行监测测试，在每个环境温度条件下获得一组以固定频率为间隔的(覆盖全工作频段)监测数据；

采用下列误差计算公式：

功率值误差：P_ESS＝100*(P_监－P_实)/P_实

驻波比误差：VSWR_ESS＝100*(VSWR_监－VSWR_实)/VSWR_实

计算不同温度下每个数据与实际值的固有误差，得到每个温度条件下的修正表；

天馈线系统监测设备实际工作时，经过上述步骤获得功率值和驻波比后，以设备温度监测电路获取的实际环境温度和工作频率为地址，在修正表中查找相应的固有误差；补偿已计算出的功率值和驻波比，从而实现固有误差的修正。

本实施例提供一种获得修正表的具体示例，如图4所示，对天馈线系统监测设备进行标校测试的原理框图，按照图4搭建好测试环境，运行PC预装的、为本发明开发的自动标校程序，控制射频信号源逐一产生指定的频率、幅度的标准射频信号，标准射频信号送入天馈线系统监测设备后，天馈线系统监测设备进行实时监测，并将监测结果通过RS-422接口发送给PC，自动标校程序进行计算和记录，形成修正表。

采用本天馈线系统监测设备，在-25℃、+25℃和+75℃下，对标准待测信号、失配负载进行功率值和驻波比监测，并计算提高精度前和提高精度后的误差，如表1和表2所示。

表1功率值监测记录表

表2驻波比监测记录表

由表1和表2可以看出，通过本实施例中的方法修正后，降低了功率值和驻波比的误差，使得监测设备的监测精度显著提高。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种天馈线系统监测设备，其特征在于，包括第一端口、隔直电路、S参数监测模块、天线倾斜角监测电路、ARM处理器、调制解调电路、信号电源转换电路、温度监测电路、声光告警器和第二端口；

其中，天馈线系统的射频馈线与第一端口连接；隔直电路的输入端连接第一端口、输出端连接S参数监测模块的输入端，S参数监测模块的输出端连接第二端口，S参数监测模块、天线倾斜角监测电路、调制解调电路、信号电源转换电路、温度监测电路和声光告警器分别与ARM处理器连接，信号电源转换电路和调制解调电路分别通过第一端口连接射频馈线，调制解调电路和天线倾斜角监测电路分别与信号电源转换电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种天馈线系统监测设备，其特征在于，还包括开关，开关与隔直电路并联，S参数监测模块通过开关、第一端口与射频馈线连接。

3.根据权利要求1所述的一种天馈线系统监测设备，其特征在于，所述S参数监测模块包括S参数监测电路和信号采样电路，所述S参数监测电路与第二端口连接，所述信号采样电路与ARM处理器连接。

4.根据权利要求1所述的一种天馈线系统监测设备，其特征在于，所述信号电源转换电路包括电源管理模块、9芯连接器和串口转换电路，9芯连接器通过串口转换电路与ARM处理器连接，串口转换电路用于TTL信号与RS-422信号的相互转换；所述9芯连接器通过RS-422信号线与外部设备和24V电源连接，并将24V电源信号馈送到射频馈线和电源管理模块；电源管理模块用于将接收到的9芯连接器和射频馈线的24V电源信号进行滤波，并转换为调制解调电路、ARM处理器和串口转换电路所需的电压值。

5.根据权利要求1所述的一种天馈线系统监测设备，其特征在于，所述调制解调电路包括ASK调制电路和ASK解调电路，所述ASK调制电路用于将ARM处理器输出的方波信号和2.176MHz载波信号进行ASK调制，并将经过ASK调制后的信号通过第一端口向射频馈线输出；所述ASK解调电路用于对从射频馈线上收到的已调2.176MHz信号进行解调，还原成方波信号传输至ARM处理器。

6.根据权利要求1所述的一种天馈线系统监测设备，其特征在于，所述天线倾斜角监测电路采用型号为MPU-6050的传感器。

7.根据权利要求5所述的一种天馈线系统监测设备，其特征在于，所述调制解调电路采用型号为MAX9947的模拟芯片。

8.一种提高监测精度的方法，用于如权利要求1所述的天馈线系统监测设备中，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、获取正向功率监测信号和反向功率监测信号；

步骤S2、对正向功率监测信号和反向功率监测信号分别进行采样，得到正向功率和反向功率监测信号的离散采样信号序列；

步骤S3、分别对正向功率和反向功率监测信号的离散采样信号序列进行FFT运算，得到正向功率和反向功率监测信号的频谱，并获得正向功率和反向功率监测信号频谱的能量值；

步骤S4、根据得到的正向功率和反向功率监测信号频谱的能量值计算功率值和驻波比；

步骤S5、采用查表法，根据温度监测电路获取的实际环境温度和工作频率，查找相应的修正表，对功率值和驻波比进行修正。

9.根据权利要求8所述的一种提高监测精度的方法，其特征在于，步骤S5中获得修正表的具体过程为：

将射频信号源产生的标准射频信号接入已连接标准负载的天馈线系统监测设备，在不同环境温度下进行监测测试，在每个环境温度条件下获得一组以固定频率为间隔的监测数据；计算每组监测数据的每个数据与实际值的固有误差，得到修正表。

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