基于IP的短波組網(wǎng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李海龍 陳月 胡曉彥

摘要：傳統(tǒng)的短波通信系統(tǒng)多為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，即發(fā)信控制器通過數(shù)據(jù)控制線獨(dú)立控制某一臺(tái)發(fā)射機(jī)，通過發(fā)射機(jī)將信號(hào)通過發(fā)射天線發(fā)射出去，如果某一臺(tái)發(fā)信控制器產(chǎn)生故障，必須人工將控制線纜切換到另一臺(tái)發(fā)射機(jī)，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制單元和發(fā)射機(jī)的任意組網(wǎng)。通過一種基于IP的短波發(fā)射機(jī)，發(fā)信控制器和發(fā)射機(jī)之間通過建立IP通信、串口通信等不同通信模式，實(shí)現(xiàn)發(fā)信控制器之間、發(fā)信控制器和發(fā)射機(jī)之間自組網(wǎng)，并通過遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)信控制器、發(fā)射機(jī)的操作和監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)、組網(wǎng)鏈接和歷史數(shù)據(jù)的查詢，大大增強(qiáng)了短波通信系統(tǒng)的自適應(yīng)工作能力。

關(guān)鍵詞：短波通信系統(tǒng)；發(fā)信控制器；發(fā)射機(jī)；串口；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2019）16-59-3

0引言

短波（3～30 MHz）電臺(tái)是一種數(shù)字化抗干擾極強(qiáng)的通信系統(tǒng)，短波通信技術(shù)以電離層為傳播介質(zhì)，通過電離層反射進(jìn)行傳輸，其傳輸距離遠(yuǎn)，可以方便實(shí)現(xiàn)短波電臺(tái)互聯(lián)。同時(shí)，由于短波受天氣因素影響（如陰雨天）則傳輸效果變差；受現(xiàn)在物理環(huán)境因素影響越來(lái)越嚴(yán)重，如摩天大樓，影響信號(hào)的傳輸，造成信號(hào)中斷；現(xiàn)代電磁環(huán)境的惡劣，大大降低了短波通信的通信質(zhì)量。如何保證短波通信的暢通和高質(zhì)量的通信頻率，是很多無(wú)線電和短波控制系統(tǒng)研究人員不停研究和探索的方向。通過構(gòu)建基于IP通信的傳輸控制短波通信系統(tǒng)，降低受距離的影響、減少物理環(huán)境因素和電磁環(huán)境對(duì)傳輸信號(hào)的影響，實(shí)現(xiàn)通過遠(yuǎn)程控制發(fā)信控制器、發(fā)射機(jī)進(jìn)行工作，通過發(fā)信控制器對(duì)前端發(fā)射機(jī)的全面狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)和發(fā)信控制器之間的自動(dòng)適應(yīng)鏈接，保障短波通信網(wǎng)的正常建立，實(shí)現(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)的異地控制和全網(wǎng)的監(jiān)測(cè)。

1傳統(tǒng)短波發(fā)信系統(tǒng)

傳統(tǒng)短波發(fā)信系統(tǒng)由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成，通過電離層發(fā)射到達(dá)接收系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)由發(fā)射控制器、發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線及大電源模塊組成，發(fā)射機(jī)主要由電路控制模塊、控制電路及激勵(lì)器等組成；接收部分由接收機(jī)和接收天線組成。

發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射控制器具有信道存儲(chǔ)功能，工作方式包含了單呼、網(wǎng)呼和組呼的功能；發(fā)信工作模式分為單邊帶（SSB）、雙邊帶、等幅報(bào)、調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、單載波、白噪聲以及語(yǔ)音通話等各種模式；發(fā)信控制器與接收機(jī)之間可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)建鏈（ALE），完全可以滿足軍用、航空和救災(zāi)等不同場(chǎng)合的應(yīng)用，400 W以下的發(fā)射機(jī)可以實(shí)現(xiàn)船載、車載等移動(dòng)應(yīng)用。

傳統(tǒng)短波發(fā)信系統(tǒng)中，發(fā)信控制器和發(fā)射機(jī)通過RS485或RS232進(jìn)行通信控制，所以要求二者距離較近，無(wú)法實(shí)現(xiàn)異地控制和任意組網(wǎng)，給臺(tái)站發(fā)射業(yè)務(wù)帶來(lái)很多不便，也缺少統(tǒng)一的應(yīng)用指揮系統(tǒng)。傳統(tǒng)短波發(fā)射系統(tǒng)模型如圖1所示。

2基于IP的短波發(fā)信系統(tǒng)

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)短波發(fā)射機(jī)組網(wǎng)的缺陷，通過對(duì)發(fā)信控制器和發(fā)射機(jī)中控制電路增加網(wǎng)絡(luò)通信模塊，包含以太網(wǎng)、E1及光纖等通信傳輸模塊，將模塊部分集成到基于ARM的控制器，通過移植嵌入式WinCE、嵌入式Linux或uClinux操作系統(tǒng)，加入Audio聲卡模塊、以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)模塊、NorFLASH、NandFlash、I2C模塊、串口通信模塊和SD卡模塊等，通過編寫相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)與ARM CPU的信息交互。

在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，發(fā)信控制器中基于ARM的控制模塊通過TCP控制發(fā)射機(jī)中的ARM控制接收模塊，TCP協(xié)議通過設(shè)定響應(yīng)命令，可以設(shè)置發(fā)射機(jī)工作頻率和工作方式，如單呼、雙呼和組呼，以及工作模式如單邊帶、雙邊帶和單載波等，ARM控制接收模塊接收到指令后，通過RS232接口發(fā)送控制指令到激勵(lì)器部分，進(jìn)而將信號(hào)通過天線發(fā)射出去。增加以太網(wǎng)、E1、光纖后的短波發(fā)信系統(tǒng)如圖2所示。

3基于IP的短波組網(wǎng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

基于IP的短波發(fā)信系統(tǒng)組網(wǎng)邏輯圖，以帶IP通信模塊的4個(gè)發(fā)射機(jī)在同一場(chǎng)地，通過分頻器共享發(fā)射天線；帶有IP的發(fā)信控制器2臺(tái)，可以部署在不同地理位置，通過應(yīng)用指揮系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制作為模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3所示。

該短波組網(wǎng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)分為3層。

①上層應(yīng)用指揮系統(tǒng)：主要由上位機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)組成，具有最高權(quán)限，可以通過IP直接下發(fā)指令到發(fā)信機(jī)控制系統(tǒng)、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。同時(shí)，通過該系統(tǒng)可以直接查看所有發(fā)信機(jī)控制系統(tǒng)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的在線狀態(tài)、工作狀態(tài)和所處位置，以及歷史工作狀態(tài)和最佳工作頻率等。但是，上位機(jī)無(wú)權(quán)控制發(fā)信控制系統(tǒng)與發(fā)射機(jī)、接收機(jī)建立自適應(yīng)鏈路通信[1]。

②發(fā)射系統(tǒng)：有2種工作模式：第1種是本控模式，為通過IP協(xié)議直接發(fā)送控制指令到發(fā)射機(jī)，通過發(fā)射機(jī)中ARM控制模塊的RS232接口控制激勵(lì)器模塊實(shí)現(xiàn)頻率設(shè)置及工作模式和工作狀態(tài)的設(shè)置；第2種模式設(shè)置為遙控模式，本地發(fā)信控制器不能進(jìn)行人工操作，由第1層應(yīng)用指揮系統(tǒng)發(fā)送IP控制指令，到達(dá)發(fā)信控制模塊，進(jìn)而控制發(fā)射機(jī)狀態(tài)。

在發(fā)射系統(tǒng)中，發(fā)信控制器、發(fā)射機(jī)與第1層應(yīng)用指揮系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用指揮系統(tǒng)與發(fā)信控制器之間進(jìn)行間斷性握手，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用指揮系統(tǒng)對(duì)發(fā)信控制器的管理；發(fā)信控制器通過對(duì)加入網(wǎng)內(nèi)的發(fā)射機(jī)進(jìn)行管理，通過讀取sqlite或file中的記錄，獲知當(dāng)前管理發(fā)射機(jī)數(shù)量和IP地址，并與當(dāng)前連接活躍的發(fā)射機(jī)進(jìn)行通信，報(bào)告當(dāng)前發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)到應(yīng)用指揮系統(tǒng)。通過這種組網(wǎng)模式，只要發(fā)射機(jī)加入到發(fā)信控制器所在的網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)射機(jī)無(wú)論在何地，都可以直接控制發(fā)射機(jī)，無(wú)需發(fā)射機(jī)和發(fā)信控制器在同一位置，大大保證了發(fā)信人員的安全[2]。

③收信端系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要通過天線接收空中信號(hào)，接收機(jī)循環(huán)掃描頻率，實(shí)現(xiàn)鎖頻，并對(duì)接收的信號(hào)解調(diào)。

4系統(tǒng)測(cè)試

在模擬實(shí)戰(zhàn)測(cè)試中，將應(yīng)用指揮系統(tǒng)部署于一臺(tái)服務(wù)器上，一臺(tái)發(fā)信控制器部署于距離指揮中心20 km外的發(fā)射陣地機(jī)房，該發(fā)信控制器同時(shí)與該部下轄的的5臺(tái)發(fā)射機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，5臺(tái)發(fā)射機(jī)各自對(duì)應(yīng)不同的天線，進(jìn)行如下試驗(yàn)：

①應(yīng)用指揮系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取發(fā)信控制器狀態(tài)以及每個(gè)發(fā)射機(jī)狀態(tài)，包含各個(gè)功放的電流、電壓大小，以及各個(gè)天調(diào)狀態(tài)和通信狀態(tài)，所讀取數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)要求；

②發(fā)信控制器通過本控方式控制不同發(fā)射機(jī)，控制發(fā)射1/4功率、1/2功率和全功率，進(jìn)行等幅報(bào)、SSB和雙邊帶等的測(cè)試，接收端正常接收，并正常解調(diào)，應(yīng)用指揮系統(tǒng)正常顯示發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)和模式、工作時(shí)正向功率大小、反向功率大小等其他各個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，在遇到頻率匹配不適時(shí)，產(chǎn)生發(fā)射機(jī)保護(hù)，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求[3-6]；

③應(yīng)用指揮系統(tǒng)通過設(shè)置遙控模式，使發(fā)信控制器處于被動(dòng)接聽狀態(tài)，重復(fù)上述試驗(yàn)，各項(xiàng)功能和指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)傳統(tǒng)短波發(fā)信系統(tǒng)的控制邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)，增加響應(yīng)硬件設(shè)備，對(duì)設(shè)備進(jìn)行軟件編程，在發(fā)信控制器和接收控制器中增加以太網(wǎng)、E1、光纖等不同數(shù)據(jù)傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)短波系統(tǒng)的改造。通過IP對(duì)短波網(wǎng)的改造，突破了傳統(tǒng)的發(fā)射系統(tǒng)受天氣、物理因素和電磁環(huán)境的影響；通過系統(tǒng)地?fù)駜?yōu)匹配，保證發(fā)信控制器自動(dòng)或人工選擇最優(yōu)發(fā)射機(jī)和最優(yōu)發(fā)射頻率；通過監(jiān)測(cè)在線發(fā)信控制器和發(fā)射機(jī)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有發(fā)射系統(tǒng)中的物理設(shè)備全過程、全業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中故障設(shè)備，并精確定位故障所在，保證工作人員可以全面掌握整個(gè)短波網(wǎng)絡(luò)的工作情況，真正實(shí)現(xiàn)發(fā)射控制器之間、發(fā)射控制器和發(fā)射機(jī)之間的互相監(jiān)聽、在線自動(dòng)連接、故障自動(dòng)報(bào)警和遠(yuǎn)程在線控制切換，保證短波系統(tǒng)的全天候正常工作。

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