基于在線監測技術的短波通信監控系統設計

陳 衍，胡昌海，潘爭輝

（常州國光數據通信有限公司，江蘇 常州 213000）

0 引 言

短波通信在現代通信領域中扮演著至關重要的角色，廣泛應用于應急救援、遠程通信以及遙感等領域[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，包括頻譜擁塞、無線干擾以及通信內容的保密性和安全性問題。為了有效監控和管理短波通信，文章基于在線監測技術研究一種新的短波通信監控系統，利用傳感器和數據處理技術，實時監測短波信號的頻譜利用情況、干擾源的位置和強度，以及通信內容的特征，從而全面監控和分析短波通信環境。

1 基于在線監測技術的短波通信監控系統硬件設計

1.1 在線監測設備

文章設計的在線監測設備主要由發信臺在線監測設備和收信臺在線監測設備2 個部分組成。發信臺在線監測設備內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的噪聲水平，從而增強對微弱信號的檢測能力。通過網際互連協議（Internet Protocol，IP）承載網控制設備網絡，多臺發信機利用IP 鏈路與交換機連接，數據綜合處理設備和接入節點共同處理在線監測設備中的信號。收信臺在線監測設備由多信道接收機等硬件設備組成，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據綜合處理軟件，完成收信機工作狀態的數據采集。利用信號轉換器實現0 ～30 MHz 射頻信號的直接模擬/數字（Analog/Digtial，A/D）轉換，以現場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）硬件模塊F1exRI07965R 為解調算法的處理核心，完成降采樣、濾波等。利用一個擁有4 核處理器的系統PXIe-8133 作為控制中心，實現數據控制工作[2]。

1.2 信號測試儀

信號測試儀包括發信臺綜合測試儀和收信臺綜合測試儀。發信臺綜合測試儀主要由功率監測模塊、衰減器、發信臺綜合測試儀、發信機、交換機以及數據綜合處理設備組成，設備內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，可同時解調其中3 個頻率的信號。3 個獨立信道的參數可分別設置，并允許同時或分別記錄。數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，預緩存可防止信號在傳輸時丟失。接收機采用16 位100 MSPS 模/數轉換，IP3 指標為+31 dBm，靈敏度為0.20μV SSB、0.109μV CW，動態范圍為107 dB。

采用TFN CHA-9030 型全向監測天線，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，從而評估發信機的工作狀態和信號質量。利用功率檢測模塊，測量發信機輸出信號的功率水平和頻率穩定性，確保信號在規定的功率和頻率范圍內。測試儀配備了自動化、信息化的快速檢測軟件，實現對發信機、天線以及饋線的全自動綜合離線檢測和判斷，將檢測結果和趨勢分析結果自動上報到數據處理中心，集中管理和分析測試數據，為用戶提供及時準確的測試報告和分析結果。通過不同接口與發信機連接，包括天線口、音頻控制口、數據口以及網絡口等，實現對發信機的控制和信號輸入輸出[3]。

1.3 數據處理器

利用數據處理器完成數據解調任務，NIFex RI07965R 基于PXIExpress 的NIFlexRIOFPGA 模塊集成了針對數字信號處理應用的高性能Xilinx Virtex-5 SXT FPGA 與高達512 MB 的板載動態隨機存取存儲器（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 進行9 路并行采樣，通過數據濾波和解調，實現多信道信號的同時處理，提高處理器的實時性。選用NI PXIe-8133RT 進行數據處理，通過頻譜分析、指標計算以及數據處理，完成信息分類。文章選用的數據處理器具有并行處理能力，能夠在短時間內同時處理多項數據，提高處理實施效率，增強系統性能。

2 基于在線監測技術的短波通信監控系統軟件設計

2.1 通信狀態監測

發信臺和收信臺同時進行在線監測，當啟動監測狀態時，發信臺會監測發信機的運行數據，記錄工作狀態信息和駐波比信息，如果判斷工作狀態正常，則上報數據，如果出現異常，則發信機狀態就會出現異常聲光警告；計算駐波比，如果駐波比≤3，則證明運行狀態正常，如果駐波比＞3，則需要天線/天調顯示狀態異常聲光警告。在運行過程中，需要監測天線輻射的運行狀態，與長期積累的天線輻射數據進行對比，從對比結果判斷天線輻射是否為正常狀態，如果為正常狀態，則繼續保持監測，如果為異常狀態，則需要查詢發射機的運行狀態，并發出聲光警告[4]。發信臺的監測流程如圖2 所示。

圖2 發信臺監測流程

收信臺需要監控收信機的運行狀態，同時監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，接收系統為正常系統，否則需要調試測試信號，進行信號檢測，判斷信號接收的信號質量[5]。

2.2 通信信號測試

在監測通信狀態后，對通信信號進行測試，針對發信臺和接收臺的測試任務，系統根據要求進行連接，包括連接到發信機進行發信機檢測，以及連接到天線和饋線進行天線與饋線檢測[6]。這些連接操作可以通過預定義的接口和設置完成，也可以通過用戶界面進行配置和確認。系統調用相應的測試程序來執行測試任務。通過控制口發送指令控制發信機的狀態，并利用數據口向其發送音頻或數字激勵信號，借助天線口接收發信機輸出射頻信號，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，系統會直接連接到測試口，然后調用測試程序執行相應的測試，包括測量駐波比、損耗、阻抗等指標，并根據預設的標準進行判斷和評估。在測試過程中，系統可以實時監測測試數據并進行分析，通過預設的閾值和規則進行判斷是否合格。如果測試結果符合要求，則將結果存儲在系統數據庫中，并將測試任務的完成情況上報至監控中心。如果測試結果不合格，則系統可能會觸發警報，并記錄相應的異常信息以便后續分析和處理。為了提升系統的可靠性和穩定性，文章設計了異常處理機制和數據備份策略，確保系統在異常情況下能夠及時處理并保留相關數據。

通過連接管理、測試程序調用、數據分析與判斷、異常處理等功能，以確保對通信信號的全面測試和評估，并及時反饋測試結果至監控中心，從而保障短波通信系統的正常運行。

2.3 通信數據處理

利用數據處理器從監測設備中獲取實時的短波通信數據，主要采集頻譜數據、信號強度、干擾源位置等信息，獲取到的數據將被存儲在系統的數據庫或數據倉庫中，以備后續處理和分析。在進行進一步的分析之前，進行數據預處理，通過數據清洗、去噪、歸一化等操作提升數據質量，減少噪聲對后續分析的影響。對預處理后的數據進行特征提取，根據監測系統的需求，提取信號頻譜特征、干擾源特征、通信模式特征等，將原始數據轉換為具有代表性的特征向量，以便進行后續的分類、識別或分析。利用提取的特征向量，進行頻譜利用率分析、干擾源定位、通信模式識別，同時利用機器學習、數據挖掘或信號處理算法實現這些分析任務，以發現隱藏在數據背后的模式和規律。根據分析結果進行決策，并將相關信息反饋給監控系統的用戶或其他相關系統。

2.4 監測結果顯示

利用實時監控界面，顯示當前短波通信系統的運行狀態和監測數據，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，快速發現異常情況。例如，可以按時間段篩選和檢索查看歷史監測數據，根據歷史數據查看系統的運行趨勢和歷史異常情況，以便進行長期分析和評估。設定監測數據的閾值，并在監測到異常情況時觸發報警或事件提示，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備的位置信息，系統在地圖上標注相應的位置，并顯示相關的監測數據，幫助用戶可以直觀了解不同位置的通信情況，更好地進行定位和處理。

3 實驗研究

為了驗證本文設計的基于在線監測技術的短波通信監控系統的實際應用效果，設定對比實驗，設置實驗場景，模擬不同的通信環境和干擾情況，分別使用基于在線監測技術的短波通信監控系統和傳統監控系統進行監測與分析。在實驗中，采集兩種監控系統的監測數據，記錄實驗過程的實際運行頻率，分別使用傳統監控系統和本文系統進行記錄，與真實的實際運行頻率進行對比，得到的實驗結果如圖3 所示。

圖3 監控準確率實驗結果

通過對比實驗可知，基于在線監測技術的短波通信監控系統的監測頻率與實際運行頻率基本一致，而傳統監測系統的監測頻率與實際運行頻率存在較大出入。由此證明，本文設計的系統具有較強的監測能力，能夠實時監測短波信號的頻譜利用情況和干擾源的位置，準確判斷通信環境的穩定性和安全性，同時采用先進的數據處理技術，能夠對通信內容進行隱私保護和安全加密，有效防止信息泄露和竊聽風險。相比之下，傳統監控系統在監測準確率和監測安全性方面存在一定局限性。傳統監控系統受限于傳感器的精度和數據處理能力，難以實時監測復雜的通信環境和多樣化的干擾情況。同時，傳統監控系統缺乏針對通信內容的安全保障機制，容易受到信息泄露和竊聽的威脅。

綜上所述，基于在線監測技術的短波通信監控系統在實際應用中表現出較高的監測準確率和監測安全性，具有較好的應用前景和市場潛力。通過本文設計的系統，可以有效提升短波通信系統的可靠性、安全性和效率，為用戶提供更加穩定和安全的通信服務。

4 結 論

文章基于在線監測技術構建短波通信監控系統，為提升通信系統的可靠性、安全性以及效率提供了有力支持。通過利用先進的傳感器技術和數據處理算法，實現對短波通信環境的全面監測和分析。實驗結果表明，該系統能夠準確監測通信信號的頻譜利用情況、定位干擾源位置，并對通信內容進行安全保護。在未來的發展中將優化監測算法，積極探索新的應用場景，為通信領域的創新和發展做出更大的貢獻。