大功率短波發射機天線故障遠程監測系統設計

杜宏文

（國家廣播電視總局二〇二二臺，新疆 喀什 844000）

0 引 言

大功率短波發射機在應用中具有廣播距離遠、信號傳輸穩定等優勢，因此此種類型的發射機常被用于國際廣播領域與市場核心產業。天線是支撐大功率短波發射機穩定運行的關鍵構件，天線的綜合運行能力可直接影響到發射機的穩定運行水平。結合廣播技術研究領域反饋的不完全統計數據可知，超過80.0%的短波發射機運行異常均是天線故障導致的[1]。天線常見的故障形式包括兩種，即饋線與天線幕打火。當發射機的下引線未完全固定時，對接的饋電點出現松綁，針對此種問題倘若不及時進行有效的檢測與處理，會引發發射器中金屬零部件氧化、支架被銹蝕等問題。當天線局部受到高壓電的沖擊與影響時，行波的傳播出現異常，此時發射器的下引線將出現配線結構異常。天線饋線桿傾斜、支撐結構調節不當等問題也是發射機天線的故障形式之一，盡管現如今技術單位已針對不同的故障表達方式提出了對應的故障解決措施，但大部分故障處理均為事后處理，即發射機已出現異常后進行的故障處理，在很大程度上影響或干預了大功率短波發射機的常態化運行。

1 硬件設計

為了滿足在實際應用中對發射機天線故障的有效監測，需要在開展相關研究前對系統進行硬件結構的設計與開發。為了確保設計的結構具有穩定性，使用B/S模式作為支撐，即將遠程監測終端與計算機軟件建立對接關系，并集成嵌入式服務器，將服務器與發射機進行連通通信[2]。在此種狀態下，即可實現將發射機天線運行的實時狀態數據傳輸到控制終端，根據反饋的信息在終端上實現對發射機天線在運行中多種技術指標的有效監測與行為控制。綜合上述分析與系統運行時對功能的需求，進行系統硬件結構圖的繪制，如圖1所示。

圖1 發射機天線故障遠程監測系統硬件結構

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

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

2 軟件設計

2.1 基于小波轉換技術提取發射機天線故障特征信息

在完成對系統硬件結構設計的基礎上，引進小波轉換技術進行發射機天線故障特征信息的提取?？紤]到發射機在運行時會產生振動，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據語言的處理后，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，并在信號處理領域內進行小波的時域局部轉換。在此過程中，小波處理可將信號轉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。提取其中呈現連續性特征的低頻信號，將此信號作為發射機天線故障信號的連續表達方式。綜合上述分析對分解的過程進行描述，即：

式中，p表示經過小波分解處理后得到的發射機天線故障信號；i表示分解次數；n表示信號連續性；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，可將一個連續且完整的信號分解成若干個頻帶不重復的信號，并在持續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射機天線故障特征信息的獲取后，為了實現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。在此設計階段，引進RS485總線技術進行通信信道的規劃。由于異常信息是由前端主機發出，當前端主機處于信息發送狀態時，可以認為接收端此時處于一種信息的被動接收狀態[8-10]。

為了實現接收端對異常信息的主動接收，設計如下異常信息通信傳輸方式。在兩端實現異常信息對接與通信前應先進行串口設備對象的創建（創建的對象為發射機天線結構）→將串口信息進行初始化處理→對接前端與后端、連接物理設備，使兩端在網絡支撐下保持良好的通信狀態→發送從機在網絡覆蓋下對應的IP地址→接收從機發送的應答幀→當接收后系統遠程端操作界面顯示“響應正確”后，跳轉下一步驟，等待串口的中斷處理→當接收后系統遠程端操作界面顯示“響應錯誤”后，跳轉上一步驟，重新發送對應的IP地址→直到操作界面顯示“響應正確”→調用instrcallback（）函數→將識別到的連續故障信號存儲在終端。

2.3 大功率短波發射機天線故障在線分析

在確保接收端與發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，將分析結果以data.txt文件的方式進行存儲，輸出結果即可認為實現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，在遠程端進行發射機天線故障的在線分析，以此種方式實現對故障的遠程監測，完成對大功率短波發射機天線故障遠程監測系統的開發與設計。

3 對比實驗

為了進一步驗證該系統在實際運行環境中能否有效提高監測精度與監測效率，將本文設計的監測系統應用到真實的運行環境中，并針對大功率短波發射機天線的故障問題進行遠程監測。已知選擇的發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。在應用過程中，選擇5臺計算機配合本文提出的遠程監測系統。其中，一臺用于對發射機天線產生的故障信號進行采集；一臺用于本文系統向服務器發送數據請求；一臺用于為系統數據庫提供運行服務；一臺用于實現對各類數據信息的應用；一臺用于實現對發射機在運行過程中對其天線的狀態進行遠程終端監測。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網絡連接。完成上述準備工作后，觀察監測系統上位機顯示內容，并將其記錄下來，如表1所示。

表1 遠程監測系統監測內容記錄表

由表1可知，在運行時間為13:10:01時，系統能監測到發射機天線的帶寬、增益以及工作頻率都出現了異?，F象，說明此時發射機天線存在故障，而且這一監測結果與該發射機天線實際出現故障問題的時間相吻合。通過上述應用初步證明，本文提出的監測系統在實際應用中能夠實現對發射機天線故障的遠程監測。為了進一步驗證監測系統的運行穩定性與抗外界干擾能力，在上述監測的基礎上對發射機天線狀態進行監測，在監測過程中人為引入一組信息干擾電波。在上述運行環境下，觀察本文監測系統的運行情況，并將系統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 本文遠程監測系統信號傳輸頻率記錄圖

從圖3可以看出，本文監測系統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果能夠進一步證明本文提出的監測系統在實際運行過程中不僅能夠實現對發射機天線故障的高精度監測，而且還具有更強的抗干擾能力，能夠保障信號的穩定傳輸，進一步提高監測系統的運行精度，確保實現對發射機天線故障監測的有效性和實效性，為后續發射機天線故障的快速維修提供更有利的監測基礎。

4 結 論

為了實現對發射機天線故障的事前處理，本文提出了一種針對天線結構故障的遠程監測系統，此系統由軟件與硬件兩個部分構成。為了確保系統在使用中對于故障具有較好的監測效果，在完成設計后通過實驗進行了系統在遠程監測中抗干擾性能的檢測，檢測發現本文提出的監測系統在實際運行過程中不僅能夠實現對發射機天線故障的高精度監測，而且還具有更強的抗干擾能力，能夠保障信號的穩定傳輸，具有較好的應用價值。