大功率短波發(fā)射機天線故障遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

杜宏文

（國家廣播電視總局二〇二二臺，新疆 喀什 844000）

0 引 言

大功率短波發(fā)射機在應(yīng)用中具有廣播距離遠、信號傳輸穩(wěn)定等優(yōu)勢，因此此種類型的發(fā)射機常被用于國際廣播領(lǐng)域與市場核心產(chǎn)業(yè)。天線是支撐大功率短波發(fā)射機穩(wěn)定運行的關(guān)鍵構(gòu)件，天線的綜合運行能力可直接影響到發(fā)射機的穩(wěn)定運行水平。結(jié)合廣播技術(shù)研究領(lǐng)域反饋的不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，超過80.0%的短波發(fā)射機運行異常均是天線故障導(dǎo)致的[1]。天線常見的故障形式包括兩種，即饋線與天線幕打火。當(dāng)發(fā)射機的下引線未完全固定時，對接的饋電點出現(xiàn)松綁，針對此種問題倘若不及時進行有效的檢測與處理，會引發(fā)發(fā)射器中金屬零部件氧化、支架被銹蝕等問題。當(dāng)天線局部受到高壓電的沖擊與影響時，行波的傳播出現(xiàn)異常，此時發(fā)射器的下引線將出現(xiàn)配線結(jié)構(gòu)異常。天線饋線桿傾斜、支撐結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)不當(dāng)?shù)葐栴}也是發(fā)射機天線的故障形式之一，盡管現(xiàn)如今技術(shù)單位已針對不同的故障表達方式提出了對應(yīng)的故障解決措施，但大部分故障處理均為事后處理，即發(fā)射機已出現(xiàn)異常后進行的故障處理，在很大程度上影響或干預(yù)了大功率短波發(fā)射機的常態(tài)化運行。

1 硬件設(shè)計

為了滿足在實際應(yīng)用中對發(fā)射機天線故障的有效監(jiān)測，需要在開展相關(guān)研究前對系統(tǒng)進行硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計與開發(fā)。為了確保設(shè)計的結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性，使用B/S模式作為支撐，即將遠程監(jiān)測終端與計算機軟件建立對接關(guān)系，并集成嵌入式服務(wù)器，將服務(wù)器與發(fā)射機進行連通通信[2]。在此種狀態(tài)下，即可實現(xiàn)將發(fā)射機天線運行的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂平K端，根據(jù)反饋的信息在終端上實現(xiàn)對發(fā)射機天線在運行中多種技術(shù)指標(biāo)的有效監(jiān)測與行為控制。綜合上述分析與系統(tǒng)運行時對功能的需求，進行系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖的繪制，如圖1所示。

圖1 發(fā)射機天線故障遠程監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖1可知，發(fā)射機天線故障遠程監(jiān)測系統(tǒng)中集成的硬件設(shè)備包括本地終端、遠程服務(wù)器、控制器以及監(jiān)測終端等，這些硬件結(jié)構(gòu)以嵌入式的方式集成在系統(tǒng)中，并在Internet的支撐下相互連通。其中，嵌入式遠程服務(wù)器是本文系統(tǒng)的主要硬件，也是系統(tǒng)的核心部分。為了確保此服務(wù)器在應(yīng)用中具有較高的性能，此次系統(tǒng)設(shè)計選擇的服務(wù)器由美國Lantronix公司開發(fā)，服務(wù)器型號為UAD1100-B10-1。此型號的服務(wù)器具有較低的開發(fā)成本，可實現(xiàn)高速接入網(wǎng)絡(luò)[3]。應(yīng)用此設(shè)備可實現(xiàn)對接入網(wǎng)絡(luò)的多種類型設(shè)備進行實時監(jiān)測，在接入系統(tǒng)時，此設(shè)備可支持的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議包括ARP協(xié)議、TCP協(xié)議、TFTP協(xié)議以及AutoIP協(xié)議等。UAD1100-B10-1型號的嵌入式遠程服務(wù)器中含有48.0 bit的全球唯一硬件地址，因此在進行系統(tǒng)的對接時，需要為此硬件分配一個獨立的網(wǎng)絡(luò)IP地址。在本文開發(fā)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，UAD1100-B10-1服務(wù)器的主要作用是為嵌入式網(wǎng)絡(luò)提供同一個串口信息轉(zhuǎn)換渠道，并將前端發(fā)射機發(fā)送的天線運行數(shù)據(jù)以串口數(shù)據(jù)的方式進行封裝，封裝后的串口信息在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下進行打包，并通過發(fā)射機控制器進行天線運行數(shù)據(jù)的識別。

通常情況下，發(fā)射機天線故障識別系統(tǒng)在運行中將以太網(wǎng)作為支撐，因此每個接入的設(shè)備服務(wù)器均需要通過嵌入式安裝的方式與系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)進行對接。為了確保系統(tǒng)在運行時多個硬件設(shè)備可發(fā)揮其既定效果，需要在接入時根據(jù)硬件設(shè)備的型號為其匹配不同的IP地址[4]。此時，本地監(jiān)測終端可以采用直接登錄系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)的方式對嵌入式服務(wù)器反饋的數(shù)據(jù)進行提取，而其中的遠程監(jiān)控端則可以通過定位服務(wù)器IP地址的方式進行遠程數(shù)據(jù)的調(diào)用。通過此種方式，可以確保系統(tǒng)管理員在任意條件下進行發(fā)射機天線故障的監(jiān)測，從而更好地實現(xiàn)對發(fā)射機天線異常的維護。

2 軟件設(shè)計

2.1 基于小波轉(zhuǎn)換技術(shù)提取發(fā)射機天線故障特征信息

在完成對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，引進小波轉(zhuǎn)換技術(shù)進行發(fā)射機天線故障特征信息的提取。考慮到發(fā)射機在運行時會產(chǎn)生振動，此種振動會使前端收集的故障信息中攜帶大量噪聲，噪聲可能會將故障特征信息的背景淹沒。因此，在進行故障信息獲取時，需要選擇前端發(fā)射機天線振動信號中的功率頻譜波形最大值位置。在選定的故障提取點，噪聲是無法得到此位置的，在通過此點完成對專用數(shù)據(jù)語言的處理后，使用LabView為故障特征分析提供語言程序接口進行最高點故障文件的調(diào)用。

在完成故障峰值的提取后，提取攜帶噪聲的故障信息，并在信號處理領(lǐng)域內(nèi)進行小波的時域局部轉(zhuǎn)換。在此過程中，小波處理可將信號轉(zhuǎn)換為高頻信號與低頻信號。通常情況下，低頻信號中攜帶大量天線故障與異常信息[5-7]。在完成對高頻信號的篩查后，需要對分解得到的低頻信號進行繼續(xù)分解，分解后得到一個頻率相對較高的信號與更低頻信號。提取其中呈現(xiàn)連續(xù)性特征的低頻信號，將此信號作為發(fā)射機天線故障信號的連續(xù)表達方式。綜合上述分析對分解的過程進行描述，即：

式中，p表示經(jīng)過小波分解處理后得到的發(fā)射機天線故障信號；i表示分解次數(shù)；n表示信號連續(xù)性；c表示低頻信號；t表示一個信號分解處理周期。通過此種方式，可將一個連續(xù)且完整的信號分解成若干個頻帶不重復(fù)的信號，并在持續(xù)分解的過程中將隱藏在高頻段信號中的異常信號進行針對性提取，從而達到去噪的目的。

2.2 基于RS485總線的異常信息通信傳輸

在完成對大功率短波發(fā)射機天線故障特征信息的獲取后，為了實現(xiàn)遠程端對異常信息的有效分析，需要進行異常通信的抗干擾傳輸。在此設(shè)計階段，引進RS485總線技術(shù)進行通信信道的規(guī)劃。由于異常信息是由前端主機發(fā)出，當(dāng)前端主機處于信息發(fā)送狀態(tài)時，可以認(rèn)為接收端此時處于一種信息的被動接收狀態(tài)[8-10]。

為了實現(xiàn)接收端對異常信息的主動接收，設(shè)計如下異常信息通信傳輸方式。在兩端實現(xiàn)異常信息對接與通信前應(yīng)先進行串口設(shè)備對象的創(chuàng)建（創(chuàng)建的對象為發(fā)射機天線結(jié)構(gòu)）→將串口信息進行初始化處理→對接前端與后端、連接物理設(shè)備，使兩端在網(wǎng)絡(luò)支撐下保持良好的通信狀態(tài)→發(fā)送從機在網(wǎng)絡(luò)覆蓋下對應(yīng)的IP地址→接收從機發(fā)送的應(yīng)答幀→當(dāng)接收后系統(tǒng)遠程端操作界面顯示“響應(yīng)正確”后，跳轉(zhuǎn)下一步驟，等待串口的中斷處理→當(dāng)接收后系統(tǒng)遠程端操作界面顯示“響應(yīng)錯誤”后，跳轉(zhuǎn)上一步驟，重新發(fā)送對應(yīng)的IP地址→直到操作界面顯示“響應(yīng)正確”→調(diào)用instrcallback（）函數(shù)→將識別到的連續(xù)故障信號存儲在終端。

2.3 大功率短波發(fā)射機天線故障在線分析

在確保接收端與發(fā)送端保持良好通信后，使用MATLAB軟件對獲取信息進行在線分析。完成分析后，將分析結(jié)果以data.txt文件的方式進行存儲，輸出結(jié)果即可認(rèn)為實現(xiàn)對遠程端的故障在線分析，流程如圖2所示。

圖2 大功率短波發(fā)射機天線故障在線分析流程

按照圖2所示的流程，在遠程端進行發(fā)射機天線故障的在線分析，以此種方式實現(xiàn)對故障的遠程監(jiān)測，完成對大功率短波發(fā)射機天線故障遠程監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計。

3 對比實驗

為了進一步驗證該系統(tǒng)在實際運行環(huán)境中能否有效提高監(jiān)測精度與監(jiān)測效率，將本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用到真實的運行環(huán)境中，并針對大功率短波發(fā)射機天線的故障問題進行遠程監(jiān)測。已知選擇的發(fā)射機天線工作頻率在70～100 MHz，增益≥2.6 dB，帶寬≥3 MHz，同軸線長為12 m，駐波比為1.2。在應(yīng)用過程中，選擇5臺計算機配合本文提出的遠程監(jiān)測系統(tǒng)。其中，一臺用于對發(fā)射機天線產(chǎn)生的故障信號進行采集；一臺用于本文系統(tǒng)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請求；一臺用于為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供運行服務(wù)；一臺用于實現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)信息的應(yīng)用；一臺用于實現(xiàn)對發(fā)射機在運行過程中對其天線的狀態(tài)進行遠程終端監(jiān)測。完成5臺計算機的配備后，將5臺計算機通過無線連接的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。完成上述準(zhǔn)備工作后，觀察監(jiān)測系統(tǒng)上位機顯示內(nèi)容，并將其記錄下來，如表1所示。

表1 遠程監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容記錄表

由表1可知，在運行時間為13:10:01時，系統(tǒng)能監(jiān)測到發(fā)射機天線的帶寬、增益以及工作頻率都出現(xiàn)了異常現(xiàn)象，說明此時發(fā)射機天線存在故障，而且這一監(jiān)測結(jié)果與該發(fā)射機天線實際出現(xiàn)故障問題的時間相吻合。通過上述應(yīng)用初步證明，本文提出的監(jiān)測系統(tǒng)在實際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)射機天線故障的遠程監(jiān)測。為了進一步驗證監(jiān)測系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性與抗外界干擾能力，在上述監(jiān)測的基礎(chǔ)上對發(fā)射機天線狀態(tài)進行監(jiān)測，在監(jiān)測過程中人為引入一組信息干擾電波。在上述運行環(huán)境下，觀察本文監(jiān)測系統(tǒng)的運行情況，并將系統(tǒng)的信號傳輸情況記錄下來，如圖3所示。其中，3個箭頭指向位置為3次人為引入的信號干擾。

圖3 本文遠程監(jiān)測系統(tǒng)信號傳輸頻率記錄圖

從圖3可以看出，本文監(jiān)測系統(tǒng)在運行過程中不會受到人為信號干擾的影響，能夠始終將信號的傳輸頻率控制在650～750 MHz。通過上述得出的實驗結(jié)果能夠進一步證明本文提出的監(jiān)測系統(tǒng)在實際運行過程中不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)射機天線故障的高精度監(jiān)測，而且還具有更強的抗干擾能力，能夠保障信號的穩(wěn)定傳輸，進一步提高監(jiān)測系統(tǒng)的運行精度，確保實現(xiàn)對發(fā)射機天線故障監(jiān)測的有效性和實效性，為后續(xù)發(fā)射機天線故障的快速維修提供更有利的監(jiān)測基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

為了實現(xiàn)對發(fā)射機天線故障的事前處理，本文提出了一種針對天線結(jié)構(gòu)故障的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，此系統(tǒng)由軟件與硬件兩個部分構(gòu)成。為了確保系統(tǒng)在使用中對于故障具有較好的監(jiān)測效果，在完成設(shè)計后通過實驗進行了系統(tǒng)在遠程監(jiān)測中抗干擾性能的檢測，檢測發(fā)現(xiàn)本文提出的監(jiān)測系統(tǒng)在實際運行過程中不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)射機天線故障的高精度監(jiān)測，而且還具有更強的抗干擾能力，能夠保障信號的穩(wěn)定傳輸，具有較好的應(yīng)用價值。