基于IP的短波组网监测控制系统设计

李海龙 陈月 胡晓彦

摘要：传统的短波通信系统多为点对点通信，即发信控制器通过数据控制线独立控制某一台发射机，通过发射机将信号通过发射天线发射出去，如果某一台发信控制器产生故障，必须人工将控制线缆切换到另一台发射机，且无法实现控制单元和发射机的任意组网。通过一种基于IP的短波发射机，发信控制器和发射机之间通过建立IP通信、串口通信等不同通信模式，实现发信控制器之间、发信控制器和发射机之间自组网，并通过远程监测和控制系统，实现对发信控制器、发射机的操作和监测设备的工作状态、组网链接和历史数据的查询，大大增强了短波通信系统的自适应工作能力。

关键词：短波通信系统；发信控制器；发射机；串口；控制系统

中图分类号：TP39文献标志码：A文章编号：1008-1739（2019）16-59-3

0引言

短波（3～30 MHz）电台是一种数字化抗干扰极强的通信系统，短波通信技术以电离层为传播介质，通过电离层反射进行传输，其传输距离远，可以方便实现短波电台互联。同时，由于短波受天气因素影响（如阴雨天）则传输效果变差；受现在物理环境因素影响越来越严重，如摩天大楼，影响信号的传输，造成信号中断；现代电磁环境的恶劣，大大降低了短波通信的通信质量。如何保证短波通信的畅通和高质量的通信频率，是很多无线电和短波控制系统研究人员不停研究和探索的方向。通过构建基于IP通信的传输控制短波通信系统，降低受距离的影响、减少物理环境因素和电磁环境对传输信号的影响，实现通过远程控制发信控制器、发射机进行工作，通过发信控制器对前端发射机的全面状态监测，实现发射机和发信控制器之间的自动适应链接，保障短波通信网的正常建立，实现发射系统的异地控制和全网的监测。

1传统短波发信系统

传统短波发信系统由发射系统和接收系统组成，通过电离层发射到达接收系统。发射系统由发射控制器、发射机和发射天线及大电源模块组成，发射机主要由电路控制模块、控制电路及激励器等组成；接收部分由接收机和接收天线组成。

发射系统的发射控制器具有信道存储功能，工作方式包含了单呼、网呼和组呼的功能；发信工作模式分为单边带（SSB）、双边带、等幅报、调幅（AM）、调频（FM）、单载波、白噪声以及语音通话等各种模式；发信控制器与接收机之间可以实现自适应建链（ALE），完全可以满足军用、航空和救灾等不同场合的应用，400 W以下的发射机可以实现船载、车载等移动应用。

传统短波发信系统中，发信控制器和发射机通过RS485或RS232进行通信控制，所以要求二者距离较近，无法实现异地控制和任意组网，给台站发射业务带来很多不便，也缺少统一的应用指挥系统。传统短波发射系统模型如图1所示。

2基于IP的短波发信系统

为了弥补传统短波发射机组网的缺陷，通过对发信控制器和发射机中控制电路增加网络通信模块，包含以太网、E1及光纤等通信传输模块，将模块部分集成到基于ARM的控制器，通过移植嵌入式WinCE、嵌入式Linux或uClinux操作系统，加入Audio声卡模块、以太网驱动模块、NorFLASH、NandFlash、I2C模块、串口通信模块和SD卡模块等，通过编写相应驱动程序，实现与ARM CPU的信息交互。

在应用设计中，发信控制器中基于ARM的控制模块通过TCP控制發射机中的ARM控制接收模块，TCP协议通过设定响应命令，可以设置发射机工作频率和工作方式，如单呼、双呼和组呼，以及工作模式如单边带、双边带和单载波等，ARM控制接收模块接收到指令后，通过RS232接口发送控制指令到激励器部分，进而将信号通过天线发射出去。增加以太网、E1、光纤后的短波发信系统如图2所示。

3基于IP的短波组网监测控制系统

基于IP的短波发信系统组网逻辑图，以带IP通信模块的4个发射机在同一场地，通过分频器共享发射天线；带有IP的发信控制器2台，可以部署在不同地理位置，通过应用指挥系统监测和控制作为模型进行设计，如图3所示。

该短波组网监测控制系统分为3层。

①上层应用指挥系统：主要由上位机应用系统组成，具有最高权限，可以通过IP直接下发指令到发信机控制系统、发射机和接收机。同时，通过该系统可以直接查看所有发信机控制系统、发射机、接收机的在线状态、工作状态和所处位置，以及历史工作状态和最佳工作频率等。但是，上位机无权控制发信控制系统与发射机、接收机建立自适应链路通信[1]。

②发射系统：有2种工作模式：第1种是本控模式，为通过IP协议直接发送控制指令到发射机，通过发射机中ARM控制模块的RS232接口控制激励器模块实现频率设置及工作模式和工作状态的设置；第2种模式设置为遥控模式，本地发信控制器不能进行人工操作，由第1层应用指挥系统发送IP控制指令，到达发信控制模块，进而控制发射机状态。

在发射系统中，发信控制器、发射机与第1层应用指挥系统组成网络，应用指挥系统与发信控制器之间进行间断性握手，实现应用指挥系统对发信控制器的管理；发信控制器通过对加入网内的发射机进行管理，通过读取sqlite或file中的记录，获知当前管理发射机数量和IP地址，并与当前连接活跃的发射机进行通信，报告当前发射机工作状态到应用指挥系统。通过这种组网模式，只要发射机加入到发信控制器所在的网络中，发射机无论在何地，都可以直接控制发射机，无需发射机和发信控制器在同一位置，大大保证了发信人员的安全[2]。

③收信端系统：该系统主要通过天线接收空中信号，接收机循环扫描频率，实现锁频，并对接收的信号解调。

4系统测试

在模拟实战测试中，将应用指挥系统部署于一台服务器上，一台发信控制器部署于距离指挥中心20 km外的发射阵地机房，该发信控制器同时与该部下辖的的5台发射机进行网络连接，5台发射机各自对应不同的天线，进行如下试验：

①应用指挥系统实时读取发信控制器状态以及每个发射机状态，包含各个功放的电流、电压大小，以及各个天调状态和通信状态，所读取数据均符合设计要求；

②发信控制器通过本控方式控制不同发射机，控制发射1/4功率、1/2功率和全功率，进行等幅报、SSB和双边带等的测试，接收端正常接收，并正常解调，应用指挥系统正常显示发射机工作状态和模式、工作时正向功率大小、反向功率大小等其他各个关键指标，在遇到频率匹配不适时，产生发射机保护，均达到设计要求[3-6]；

③应用指挥系统通过设置遥控模式，使发信控制器处于被动接听状态，重复上述试验，各项功能和指标均符合设计要求。

5结束语

通过对传统短波发信系统的控制逻辑进行设计，增加响应硬件设备，对设备进行软件编程，在发信控制器和接收控制器中增加以太网、E1、光纤等不同数据传输模块，实现对传统短波系统的改造。通过IP对短波网的改造，突破了传统的发射系统受天气、物理因素和电磁环境的影响；通过系统地择优匹配，保证发信控制器自动或人工选择最优发射机和最优发射频率；通过监测在线发信控制器和发射机状态，实现对所有发射系统中的物理设备全過程、全业务监测，及时发现网络中故障设备，并精确定位故障所在，保证工作人员可以全面掌握整个短波网络的工作情况，真正实现发射控制器之间、发射控制器和发射机之间的互相监听、在线自动连接、故障自动报警和远程在线控制切换，保证短波系统的全天候正常工作。

参考文献

[1]王金龙.短波数字通信研究与实践[M].北京：科学出版社， 2019.

[2]王坦.短波通信系统[M].北京：电子工业出版社，2012.

[3]中国国家标准化管理委员会，短波单边带通信设备通用规范.GB/T 16946-2017[S].北京：中国标准出版社，2017.

[4]胡中豫.现代短波通信—现代通信网络技术系列[M].北京：国防工业出版，2005.

[5]李莉，彭隽.武汉船舶通信研究所基于软件无线电的短波通信系统设计[J].舰船电子工程，2013，33（8）：76-78.

[6]张尔扬.短波通信技术[M].长沙：国防工业出版社，2002.