基于在線監(jiān)測技術(shù)的短波通信監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

陳 衍，胡昌海，潘爭輝

（常州國光數(shù)據(jù)通信有限公司，江蘇 常州 213000）

0 引 言

短波通信在現(xiàn)代通信領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色，廣泛應(yīng)用于應(yīng)急救援、遠(yuǎn)程通信以及遙感等領(lǐng)域[1]。然而，由于其特殊的傳播特性和廣泛的使用范圍，短波通信也面臨著各種挑戰(zhàn)，包括頻譜擁塞、無線干擾以及通信內(nèi)容的保密性和安全性問題。為了有效監(jiān)控和管理短波通信，文章基于在線監(jiān)測技術(shù)研究一種新的短波通信監(jiān)控系統(tǒng)，利用傳感器和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實時監(jiān)測短波信號的頻譜利用情況、干擾源的位置和強度，以及通信內(nèi)容的特征，從而全面監(jiān)控和分析短波通信環(huán)境。

1 基于在線監(jiān)測技術(shù)的短波通信監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 在線監(jiān)測設(shè)備

文章設(shè)計的在線監(jiān)測設(shè)備主要由發(fā)信臺在線監(jiān)測設(shè)備和收信臺在線監(jiān)測設(shè)備2 個部分組成。發(fā)信臺在線監(jiān)測設(shè)備內(nèi)部包含多信道接收機，利用天線接收短波信號。天線具有較高的增益和指向性，能夠提高信號接收的靈敏度和定位精度。在天線和接收機之間添加前置放大器，提高接收靈敏度并降低系統(tǒng)的噪聲水平，從而增強對微弱信號的檢測能力。通過網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）承載網(wǎng)控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，多臺發(fā)信機利用IP 鏈路與交換機連接，數(shù)據(jù)綜合處理設(shè)備和接入節(jié)點共同處理在線監(jiān)測設(shè)備中的信號。收信臺在線監(jiān)測設(shè)備由多信道接收機等硬件設(shè)備組成，利用全頻段接收機和多信道接收機完成射頻。收信機通過IP 鏈路將信息實時上報至數(shù)據(jù)綜合處理軟件，完成收信機工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集。利用信號轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)0 ～30 MHz 射頻信號的直接模擬/數(shù)字（Analog/Digtial，A/D）轉(zhuǎn)換，以現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）硬件模塊F1exRI07965R 為解調(diào)算法的處理核心，完成降采樣、濾波等。利用一個擁有4 核處理器的系統(tǒng)PXIe-8133 作為控制中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)控制工作[2]。

1.2 信號測試儀

信號測試儀包括發(fā)信臺綜合測試儀和收信臺綜合測試儀。發(fā)信臺綜合測試儀主要由功率監(jiān)測模塊、衰減器、發(fā)信臺綜合測試儀、發(fā)信機、交換機以及數(shù)據(jù)綜合處理設(shè)備組成，設(shè)備內(nèi)部包含射頻輸入口和天饋線輸入口。信號測試儀采用TFN CH-905 型短波便攜式監(jiān)測接收機，電路如圖1 所示。

圖1 接收機電路

接收機的最大處理帶寬為4 MHz，可同時解調(diào)其中3 個頻率的信號。3 個獨立信道的參數(shù)可分別設(shè)置，并允許同時或分別記錄。數(shù)字下變頻器的輸出端也提供記錄和回放，整個4 MHz 的譜帶都可以記錄供以后解調(diào)，預(yù)緩存可防止信號在傳輸時丟失。接收機采用16 位100 MSPS 模/數(shù)轉(zhuǎn)換，IP3 指標(biāo)為+31 dBm，靈敏度為0.20μV SSB、0.109μV CW，動態(tài)范圍為107 dB。

采用TFN CHA-9030 型全向監(jiān)測天線，頻率范圍為2～300 MHz，帶寬最大298 MHz，極化方式為垂直，輻射方向為全向，增益范圍為0 ～3 dBi，駐波比≤2.5，最大輸入功率為50 W，輸入阻抗為50 Ω。通過連接天線口，分析發(fā)信臺輸出的射頻信號，檢測信號頻率、幅度以及頻譜特性，從而評估發(fā)信機的工作狀態(tài)和信號質(zhì)量。利用功率檢測模塊，測量發(fā)信機輸出信號的功率水平和頻率穩(wěn)定性，確保信號在規(guī)定的功率和頻率范圍內(nèi)。測試儀配備了自動化、信息化的快速檢測軟件，實現(xiàn)對發(fā)信機、天線以及饋線的全自動綜合離線檢測和判斷，將檢測結(jié)果和趨勢分析結(jié)果自動上報到數(shù)據(jù)處理中心，集中管理和分析測試數(shù)據(jù)，為用戶提供及時準(zhǔn)確的測試報告和分析結(jié)果。通過不同接口與發(fā)信機連接，包括天線口、音頻控制口、數(shù)據(jù)口以及網(wǎng)絡(luò)口等，實現(xiàn)對發(fā)信機的控制和信號輸入輸出[3]。

1.3 數(shù)據(jù)處理器

利用數(shù)據(jù)處理器完成數(shù)據(jù)解調(diào)任務(wù)，NIFex RI07965R 基于PXIExpress 的NIFlexRIOFPGA 模塊集成了針對數(shù)字信號處理應(yīng)用的高性能Xilinx Virtex-5 SXT FPGA 與高達(dá)512 MB 的板載動態(tài)隨機存取存儲器（Dynamic Random Access Memory，DRAM），同時其集成了NIFlexRI0 適配器模塊，為FPGA 提供靈活的輸入/輸出（Input/Output，I/O）。在處理過程中，利用FPGA 進(jìn)行9 路并行采樣，通過數(shù)據(jù)濾波和解調(diào)，實現(xiàn)多信道信號的同時處理，提高處理器的實時性。選用NI PXIe-8133RT 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過頻譜分析、指標(biāo)計算以及數(shù)據(jù)處理，完成信息分類。文章選用的數(shù)據(jù)處理器具有并行處理能力，能夠在短時間內(nèi)同時處理多項數(shù)據(jù)，提高處理實施效率，增強系統(tǒng)性能。

2 基于在線監(jiān)測技術(shù)的短波通信監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 通信狀態(tài)監(jiān)測

發(fā)信臺和收信臺同時進(jìn)行在線監(jiān)測，當(dāng)啟動監(jiān)測狀態(tài)時，發(fā)信臺會監(jiān)測發(fā)信機的運行數(shù)據(jù)，記錄工作狀態(tài)信息和駐波比信息，如果判斷工作狀態(tài)正常，則上報數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)異常，則發(fā)信機狀態(tài)就會出現(xiàn)異常聲光警告；計算駐波比，如果駐波比≤3，則證明運行狀態(tài)正常，如果駐波比＞3，則需要天線/天調(diào)顯示狀態(tài)異常聲光警告。在運行過程中，需要監(jiān)測天線輻射的運行狀態(tài)，與長期積累的天線輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從對比結(jié)果判斷天線輻射是否為正常狀態(tài)，如果為正常狀態(tài)，則繼續(xù)保持監(jiān)測，如果為異常狀態(tài)，則需要查詢發(fā)射機的運行狀態(tài)，并發(fā)出聲光警告[4]。發(fā)信臺的監(jiān)測流程如圖2 所示。

圖2 發(fā)信臺監(jiān)測流程

收信臺需要監(jiān)控收信機的運行狀態(tài)，同時監(jiān)測多信道接收機上報的頻譜信息。檢測多信道接收機的底噪，如果噪聲為正常噪聲，則需要對比全頻段接收機頻譜與多信道接收機的變化趨勢，如果趨勢一致，則證明收信機和多信道接收機收集到的信號都為有用信號，接收系統(tǒng)為正常系統(tǒng)，否則需要調(diào)試測試信號，進(jìn)行信號檢測，判斷信號接收的信號質(zhì)量[5]。

2.2 通信信號測試

在監(jiān)測通信狀態(tài)后，對通信信號進(jìn)行測試，針對發(fā)信臺和接收臺的測試任務(wù)，系統(tǒng)根據(jù)要求進(jìn)行連接，包括連接到發(fā)信機進(jìn)行發(fā)信機檢測，以及連接到天線和饋線進(jìn)行天線與饋線檢測[6]。這些連接操作可以通過預(yù)定義的接口和設(shè)置完成，也可以通過用戶界面進(jìn)行配置和確認(rèn)。系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的測試程序來執(zhí)行測試任務(wù)。通過控制口發(fā)送指令控制發(fā)信機的狀態(tài)，并利用數(shù)據(jù)口向其發(fā)送音頻或數(shù)字激勵信號，借助天線口接收發(fā)信機輸出射頻信號，利用功率頻率測試模塊分析和評估信號。對于天線和饋線的測試，系統(tǒng)會直接連接到測試口，然后調(diào)用測試程序執(zhí)行相應(yīng)的測試，包括測量駐波比、損耗、阻抗等指標(biāo)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷和評估。在測試過程中，系統(tǒng)可以實時監(jiān)測測試數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，通過預(yù)設(shè)的閾值和規(guī)則進(jìn)行判斷是否合格。如果測試結(jié)果符合要求，則將結(jié)果存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，并將測試任務(wù)的完成情況上報至監(jiān)控中心。如果測試結(jié)果不合格，則系統(tǒng)可能會觸發(fā)警報，并記錄相應(yīng)的異常信息以便后續(xù)分析和處理。為了提升系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，文章設(shè)計了異常處理機制和數(shù)據(jù)備份策略，確保系統(tǒng)在異常情況下能夠及時處理并保留相關(guān)數(shù)據(jù)。

通過連接管理、測試程序調(diào)用、數(shù)據(jù)分析與判斷、異常處理等功能，以確保對通信信號的全面測試和評估，并及時反饋測試結(jié)果至監(jiān)控中心，從而保障短波通信系統(tǒng)的正常運行。

2.3 通信數(shù)據(jù)處理

利用數(shù)據(jù)處理器從監(jiān)測設(shè)備中獲取實時的短波通信數(shù)據(jù)，主要采集頻譜數(shù)據(jù)、信號強度、干擾源位置等信息，獲取到的數(shù)據(jù)將被存儲在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫中，以備后續(xù)處理和分析。在進(jìn)行進(jìn)一步的分析之前，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，通過數(shù)據(jù)清洗、去噪、歸一化等操作提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，減少噪聲對后續(xù)分析的影響。對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的需求，提取信號頻譜特征、干擾源特征、通信模式特征等，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有代表性的特征向量，以便進(jìn)行后續(xù)的分類、識別或分析。利用提取的特征向量，進(jìn)行頻譜利用率分析、干擾源定位、通信模式識別，同時利用機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘或信號處理算法實現(xiàn)這些分析任務(wù)，以發(fā)現(xiàn)隱藏在數(shù)據(jù)背后的模式和規(guī)律。根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行決策，并將相關(guān)信息反饋給監(jiān)控系統(tǒng)的用戶或其他相關(guān)系統(tǒng)。

2.4 監(jiān)測結(jié)果顯示

利用實時監(jiān)控界面，顯示當(dāng)前短波通信系統(tǒng)的運行狀態(tài)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括頻譜圖、信號強度圖、干擾源位置圖等。用戶可以通過該界面實時觀察通信情況，快速發(fā)現(xiàn)異常情況。例如，可以按時間段篩選和檢索查看歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)查看系統(tǒng)的運行趨勢和歷史異常情況，以便進(jìn)行長期分析和評估。設(shè)定監(jiān)測數(shù)據(jù)的閾值，并在監(jiān)測到異常情況時觸發(fā)報警或事件提示，以彈窗、聲音或郵件等形式提醒用戶及時處理異常情況。針對干擾源或通信設(shè)備的位置信息，系統(tǒng)在地圖上標(biāo)注相應(yīng)的位置，并顯示相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，幫助用戶可以直觀了解不同位置的通信情況，更好地進(jìn)行定位和處理。

3 實驗研究

為了驗證本文設(shè)計的基于在線監(jiān)測技術(shù)的短波通信監(jiān)控系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果，設(shè)定對比實驗，設(shè)置實驗場景，模擬不同的通信環(huán)境和干擾情況，分別使用基于在線監(jiān)測技術(shù)的短波通信監(jiān)控系統(tǒng)和傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測與分析。在實驗中，采集兩種監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，記錄實驗過程的實際運行頻率，分別使用傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)和本文系統(tǒng)進(jìn)行記錄，與真實的實際運行頻率進(jìn)行對比，得到的實驗結(jié)果如圖3 所示。

圖3 監(jiān)控準(zhǔn)確率實驗結(jié)果

通過對比實驗可知，基于在線監(jiān)測技術(shù)的短波通信監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測頻率與實際運行頻率基本一致，而傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測頻率與實際運行頻率存在較大出入。由此證明，本文設(shè)計的系統(tǒng)具有較強的監(jiān)測能力，能夠?qū)崟r監(jiān)測短波信號的頻譜利用情況和干擾源的位置，準(zhǔn)確判斷通信環(huán)境的穩(wěn)定性和安全性，同時采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能夠?qū)νㄐ艃?nèi)容進(jìn)行隱私保護(hù)和安全加密，有效防止信息泄露和竊聽風(fēng)險。相比之下，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)在監(jiān)測準(zhǔn)確率和監(jiān)測安全性方面存在一定局限性。傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)受限于傳感器的精度和數(shù)據(jù)處理能力，難以實時監(jiān)測復(fù)雜的通信環(huán)境和多樣化的干擾情況。同時，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)缺乏針對通信內(nèi)容的安全保障機制，容易受到信息泄露和竊聽的威脅。

綜上所述，基于在線監(jiān)測技術(shù)的短波通信監(jiān)控系統(tǒng)在實際應(yīng)用中表現(xiàn)出較高的監(jiān)測準(zhǔn)確率和監(jiān)測安全性，具有較好的應(yīng)用前景和市場潛力。通過本文設(shè)計的系統(tǒng)，可以有效提升短波通信系統(tǒng)的可靠性、安全性和效率，為用戶提供更加穩(wěn)定和安全的通信服務(wù)。

4 結(jié) 論

文章基于在線監(jiān)測技術(shù)構(gòu)建短波通信監(jiān)控系統(tǒng)，為提升通信系統(tǒng)的可靠性、安全性以及效率提供了有力支持。通過利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)處理算法，實現(xiàn)對短波通信環(huán)境的全面監(jiān)測和分析。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測通信信號的頻譜利用情況、定位干擾源位置，并對通信內(nèi)容進(jìn)行安全保護(hù)。在未來的發(fā)展中將優(yōu)化監(jiān)測算法，積極探索新的應(yīng)用場景，為通信領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。