短波通信信號質(zhì)量分析系統(tǒng)設(shè)計

孟祥磊

短波通信是指使用波長范圍在10-100米之間，頻率介于3-30兆赫茲之內(nèi)的電磁波進行信號傳輸，是最早出現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用的一種無線通信方式，是無線電通信的鼻祖。目前在無線電技術(shù)領(lǐng)域，使用通信信號己擴展至超短波，微波甚至更高的頻段，不過短波依然占據(jù)著舉足輕重的地位，目前依舊是中遠距離無線通信的重要途徑。

一、系統(tǒng)設(shè)計的意義

短波通信在無線通信領(lǐng)域的地位更是舉足輕重，如何提高其通信質(zhì)量、發(fā)揮出設(shè)備最佳性能，是各國研究短波通信的主要內(nèi)容之一。短波通信信號經(jīng)電離層的反射進行傳播，電離層反射無線電波猶如玻璃之于光會被透射出去、反射回來亦或是吸收，具體如何取決于電離層的厚度、溫度及無線電波的頻率。中長波會被吸收；超短波則會透射出去；僅有短波才會被反射，當(dāng)然，短波到達地面后也可能被大地再次反射進入電離層從而產(chǎn)生更多次的反射。

此外，電離層本身在不同時間、不同氣象條件下也會有所不同，所以短波通信表現(xiàn)出明顯的方向性，即接收天線指向不同，接收效果就會不同。因此，在短波通信過程中，為保證通信效果、提高通信質(zhì)量、發(fā)揮各通信設(shè)備最佳性能，接收天線首先要調(diào)整位置以尋找最佳采樣點。為了使天線找到最佳接收位置，必須對其在各個位置指向時接收信號的質(zhì)量進行分析。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)的主要構(gòu)成單元是數(shù)據(jù)采集模塊、工控機、遠程客戶端。數(shù)據(jù)采集模塊和工控機通過usb接口相連；信號質(zhì)量分析軟件集成于工控機，對采集到的信號數(shù)據(jù)進行分析處理、數(shù)據(jù)存儲、波形顯示并能實時上傳至遠程監(jiān)控設(shè)備；遠程客戶端與工控機通過TCP/IP實現(xiàn)遠程通信，可實現(xiàn)對信號質(zhì)量分析系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。圖1為信號質(zhì)量分析系統(tǒng)總體設(shè)計圖。

此測試設(shè)備具有很強的工程項目需求，所以在對本課題研究系統(tǒng)進行框架設(shè)計時，除了考慮信號質(zhì)量分析需求，還應(yīng)充分考慮設(shè)備的硬件需求、工作環(huán)境等。這些需求共同決定了系統(tǒng)的框架設(shè)計。

三、各部分功能

本文研究的最終目的是為天線指向提供依據(jù)，因此系統(tǒng)首先要對天線不同位置時接收到的信號進行采集，故而首先要設(shè)計數(shù)據(jù)采集模塊；然后應(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù)對采集到的短波信號進行質(zhì)量分析，在界面上顯示處理結(jié)果，并能實時保存波形數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲功能；考慮到天線工作環(huán)境惡劣，而且需要實現(xiàn)遠程監(jiān)控的功能所以設(shè)計了工控機。

1.硬件采集設(shè)備

本論文所設(shè)計硬件采集設(shè)備，采用HanTek DS03064采集卡實現(xiàn)信號采集的功能，對外提供多達8路通道接口。運用此采集模塊采集天線接收的短波信號，把得到的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換，并傳輸離散化的數(shù)據(jù)至信號質(zhì)量分析軟件。

2.工控機

工控機是有特殊功能的計算機，相比普通計算機更能適應(yīng)天線工作的復(fù)雜環(huán)境。本系統(tǒng)不僅要完成信號質(zhì)量分析的功能，還要對信號進行采集并提供基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)接口，接受來自遠程客戶端的訪問實現(xiàn)遠程通信的功能。綜合考慮實際需求與系統(tǒng)的工作環(huán)境，我們將這些功能集成到工控機中來實現(xiàn)。

信號質(zhì)量分析軟件通過調(diào)用采集模塊提供的動態(tài)連接庫，根據(jù)項目需要進行二次開發(fā)，獲取采集數(shù)據(jù)。該軟件具有數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)存儲、波形顯示、遠程通信等功能以及良好的人機交互界面。軟件分析可基于保存的信號文件，降低了實時測試的必要，且不受應(yīng)用環(huán)境的限制，具有可重復(fù)、可控制的優(yōu)點。

3.遠程客戶端

客戶端軟件實現(xiàn)了對信號質(zhì)量分析系統(tǒng)的遠程監(jiān)控功能。用戶可實時請求連接信號質(zhì)量分析系統(tǒng)，連接成功后即可下發(fā)指令實現(xiàn)對分析系統(tǒng)的遠程操控。

四、系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)

表1所示是本系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)要求。本系統(tǒng)分析對象是3-30MHz的短波信號，根據(jù)采樣定義及工程設(shè)計需求系統(tǒng)采樣速率必須大于100MS/s；由于系統(tǒng)采集模塊與工控機通過USB連接且采集模塊含有兩個采集卡，故而USB接口至少要有2個，而且要實現(xiàn)遠程通信的功能，因此以太網(wǎng)口應(yīng)至少有一個；供電方式為常規(guī)交流電源；設(shè)備提供最大通道數(shù)為8，可擴展性強。

五、總結(jié)

本章介紹了短波通信信號分析系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、各部分功能及系統(tǒng)指標(biāo)。通過上述分析可知，對天線在不同時刻、不同位置時接收的信號質(zhì)量進行準(zhǔn)確的分析具有非常重要的意義。因信號質(zhì)量分析產(chǎn)生的最終結(jié)果會直接決定天線的接收位置，若對信號質(zhì)量分析不到位就找不準(zhǔn)天線的最佳接受位置，這會降低整個系統(tǒng)的性能。鑒于短波通信信號接收效果和天線指向的重大關(guān)系，為了實現(xiàn)更好的接收效果，因此開發(fā)出一套具有“短波通信信號質(zhì)量分析”功能的系統(tǒng)，具有十分重要的意義。endprint