短波通信信号质量分析系统设计

孟祥磊

短波通信是指使用波长范围在10-100米之间，频率介于3-30兆赫兹之内的电磁波进行信号传输，是最早出现并得到广泛应用的一种无线通信方式，是无线电通信的鼻祖。目前在无线电技术领域，使用通信信号己扩展至超短波，微波甚至更高的频段，不过短波依然占据着举足轻重的地位，目前依旧是中远距离无线通信的重要途径。

一、系统设计的意义

短波通信在无线通信领域的地位更是举足轻重，如何提高其通信质量、发挥出设备最佳性能，是各国研究短波通信的主要内容之一。短波通信信号经电离层的反射进行传播，电离层反射无线电波犹如玻璃之于光会被透射出去、反射回来亦或是吸收，具体如何取决于电离层的厚度、温度及无线电波的频率。中长波会被吸收；超短波则会透射出去；仅有短波才会被反射，当然，短波到达地面后也可能被大地再次反射进入电离层从而产生更多次的反射。

此外，电离层本身在不同时间、不同气象条件下也会有所不同，所以短波通信表现出明显的方向性，即接收天线指向不同，接收效果就会不同。因此，在短波通信过程中，为保证通信效果、提高通信质量、发挥各通信设备最佳性能，接收天线首先要调整位置以寻找最佳采样点。为了使天线找到最佳接收位置，必须对其在各个位置指向时接收信号的质量进行分析。

二、系统总体设计

本系统的主要构成单元是数据采集模块、工控机、远程客户端。数据采集模块和工控机通过usb接口相连；信号质量分析软件集成于工控机，对采集到的信号数据进行分析处理、数据存储、波形显示并能实时上传至远程监控设备；远程客户端与工控机通过TCP/IP实现远程通信，可实现对信号质量分析系统的远程监控。图1为信号质量分析系统总体设计图。

此测试设备具有很强的工程项目需求，所以在对本课题研究系统进行框架设计时，除了考虑信号质量分析需求，还应充分考虑设备的硬件需求、工作环境等。这些需求共同決定了系统的框架设计。

三、各部分功能

本文研究的最终目的是为天线指向提供依据，因此系统首先要对天线不同位置时接收到的信号进行采集，故而首先要设计数据采集模块；然后应用数字信号处理技术对采集到的短波信号进行质量分析，在界面上显示处理结果，并能实时保存波形数据实现数据存储功能；考虑到天线工作环境恶劣，而且需要实现远程监控的功能所以设计了工控机。

1.硬件采集设备

本论文所设计硬件采集设备，采用HanTek DS03064采集卡实现信号采集的功能，对外提供多达8路通道接口。运用此采集模块采集天线接收的短波信号，把得到的模拟信号转变为数字信号实现AD转换，并传输离散化的数据至信号质量分析软件。

2.工控机

工控机是有特殊功能的计算机，相比普通计算机更能适应天线工作的复杂环境。本系统不仅要完成信号质量分析的功能，还要对信号进行采集并提供基于TCP/IP的网络接口，接受来自远程客户端的访问实现远程通信的功能。综合考虑实际需求与系统的工作环境，我们将这些功能集成到工控机中来实现。

信号质量分析软件通过调用采集模块提供的动态连接库，根据项目需要进行二次开发，获取采集数据。该软件具有数据分析处理、数据存储、波形显示、远程通信等功能以及良好的人机交互界面。软件分析可基于保存的信号文件，降低了实时测试的必要，且不受应用环境的限制，具有可重复、可控制的优点。

3.远程客户端

客户端软件实现了对信号质量分析系统的远程监控功能。用户可实时请求连接信号质量分析系统，连接成功后即可下发指令实现对分析系统的远程操控。

四、系统设计指标

表1所示是本系统的主要技术指标要求。本系统分析对象是3-30MHz的短波信号，根据采样定义及工程设计需求系统采样速率必须大于100MS/s；由于系统采集模块与工控机通过USB连接且采集模块含有两个采集卡，故而USB接口至少要有2个，而且要实现远程通信的功能，因此以太网口应至少有一个；供电方式为常规交流电源；设备提供最大通道数为8，可扩展性强。

五、总结

本章介绍了短波通信信号分析系统的总体结构、各部分功能及系统指标。通过上述分析可知，对天线在不同时刻、不同位置时接收的信号质量进行准确的分析具有非常重要的意义。因信号质量分析产生的最终结果会直接决定天线的接收位置，若对信号质量分析不到位就找不准天线的最佳接受位置，这会降低整个系统的性能。鉴于短波通信信号接收效果和天线指向的重大关系，为了实现更好的接收效果，因此开发出一套具有“短波通信信号质量分析”功能的系统，具有十分重要的意义。endprint