基于在线监测技术的短波通信监控系统设计

陈 衍，胡昌海，潘争辉

（常州国光数据通信有限公司，江苏 常州 213000）

0 引 言

短波通信在现代通信领域中扮演着至关重要的角色，广泛应用于应急救援、远程通信以及遥感等领域[1]。然而，由于其特殊的传播特性和广泛的使用范围，短波通信也面临着各种挑战，包括频谱拥塞、无线干扰以及通信内容的保密性和安全性问题。为了有效监控和管理短波通信，文章基于在线监测技术研究一种新的短波通信监控系统，利用传感器和数据处理技术，实时监测短波信号的频谱利用情况、干扰源的位置和强度，以及通信内容的特征，从而全面监控和分析短波通信环境。

1 基于在线监测技术的短波通信监控系统硬件设计

1.1 在线监测设备

文章设计的在线监测设备主要由发信台在线监测设备和收信台在线监测设备2 个部分组成。发信台在线监测设备内部包含多信道接收机，利用天线接收短波信号。天线具有较高的增益和指向性，能够提高信号接收的灵敏度和定位精度。在天线和接收机之间添加前置放大器，提高接收灵敏度并降低系统的噪声水平，从而增强对微弱信号的检测能力。通过网际互连协议（Internet Protocol，IP）承载网控制设备网络，多台发信机利用IP 链路与交换机连接，数据综合处理设备和接入节点共同处理在线监测设备中的信号。收信台在线监测设备由多信道接收机等硬件设备组成，利用全频段接收机和多信道接收机完成射频。收信机通过IP 链路将信息实时上报至数据综合处理软件，完成收信机工作状态的数据采集。利用信号转换器实现0 ～30 MHz 射频信号的直接模拟/数字（Analog/Digtial，A/D）转换，以现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）硬件模块F1exRI07965R 为解调算法的处理核心，完成降采样、滤波等。利用一个拥有4 核处理器的系统PXIe-8133 作为控制中心，实现数据控制工作[2]。

1.2 信号测试仪

信号测试仪包括发信台综合测试仪和收信台综合测试仪。发信台综合测试仪主要由功率监测模块、衰减器、发信台综合测试仪、发信机、交换机以及数据综合处理设备组成，设备内部包含射频输入口和天馈线输入口。信号测试仪采用TFN CH-905 型短波便携式监测接收机，电路如图1 所示。

图1 接收机电路

接收机的最大处理带宽为4 MHz，可同时解调其中3 个频率的信号。3 个独立信道的参数可分别设置，并允许同时或分别记录。数字下变频器的输出端也提供记录和回放，整个4 MHz 的谱带都可以记录供以后解调，预缓存可防止信号在传输时丢失。接收机采用16 位100 MSPS 模/数转换，IP3 指标为+31 dBm，灵敏度为0.20μV SSB、0.109μV CW，动态范围为107 dB。

采用TFN CHA-9030 型全向监测天线，频率范围为2～300 MHz，带宽最大298 MHz，极化方式为垂直，辐射方向为全向，增益范围为0 ～3 dBi，驻波比≤2.5，最大输入功率为50 W，输入阻抗为50 Ω。通过连接天线口，分析发信台输出的射频信号，检测信号频率、幅度以及频谱特性，从而评估发信机的工作状态和信号质量。利用功率检测模块，测量发信机输出信号的功率水平和频率稳定性，确保信号在规定的功率和频率范围内。测试仪配备了自动化、信息化的快速检测软件，实现对发信机、天线以及馈线的全自动综合离线检测和判断，将检测结果和趋势分析结果自动上报到数据处理中心，集中管理和分析测试数据，为用户提供及时准确的测试报告和分析结果。通过不同接口与发信机连接，包括天线口、音频控制口、数据口以及网络口等，实现对发信机的控制和信号输入输出[3]。

1.3 数据处理器

利用数据处理器完成数据解调任务，NIFex RI07965R 基于PXIExpress 的NIFlexRIOFPGA 模块集成了针对数字信号处理应用的高性能Xilinx Virtex-5 SXT FPGA 与高达512 MB 的板载动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM），同时其集成了NIFlexRI0 适配器模块，为FPGA 提供灵活的输入/输出（Input/Output，I/O）。在处理过程中，利用FPGA 进行9 路并行采样，通过数据滤波和解调，实现多信道信号的同时处理，提高处理器的实时性。选用NI PXIe-8133RT 进行数据处理，通过频谱分析、指标计算以及数据处理，完成信息分类。文章选用的数据处理器具有并行处理能力，能够在短时间内同时处理多项数据，提高处理实施效率，增强系统性能。

2 基于在线监测技术的短波通信监控系统软件设计

2.1 通信状态监测

发信台和收信台同时进行在线监测，当启动监测状态时，发信台会监测发信机的运行数据，记录工作状态信息和驻波比信息，如果判断工作状态正常，则上报数据，如果出现异常，则发信机状态就会出现异常声光警告；计算驻波比，如果驻波比≤3，则证明运行状态正常，如果驻波比＞3，则需要天线/天调显示状态异常声光警告。在运行过程中，需要监测天线辐射的运行状态，与长期积累的天线辐射数据进行对比，从对比结果判断天线辐射是否为正常状态，如果为正常状态，则继续保持监测，如果为异常状态，则需要查询发射机的运行状态，并发出声光警告[4]。发信台的监测流程如图2 所示。

图2 发信台监测流程

收信台需要监控收信机的运行状态，同时监测多信道接收机上报的频谱信息。检测多信道接收机的底噪，如果噪声为正常噪声，则需要对比全频段接收机频谱与多信道接收机的变化趋势，如果趋势一致，则证明收信机和多信道接收机收集到的信号都为有用信号，接收系统为正常系统，否则需要调试测试信号，进行信号检测，判断信号接收的信号质量[5]。

2.2 通信信号测试

在监测通信状态后，对通信信号进行测试，针对发信台和接收台的测试任务，系统根据要求进行连接，包括连接到发信机进行发信机检测，以及连接到天线和馈线进行天线与馈线检测[6]。这些连接操作可以通过预定义的接口和设置完成，也可以通过用户界面进行配置和确认。系统调用相应的测试程序来执行测试任务。通过控制口发送指令控制发信机的状态，并利用数据口向其发送音频或数字激励信号，借助天线口接收发信机输出射频信号，利用功率频率测试模块分析和评估信号。对于天线和馈线的测试，系统会直接连接到测试口，然后调用测试程序执行相应的测试，包括测量驻波比、损耗、阻抗等指标，并根据预设的标准进行判断和评估。在测试过程中，系统可以实时监测测试数据并进行分析，通过预设的阈值和规则进行判断是否合格。如果测试结果符合要求，则将结果存储在系统数据库中，并将测试任务的完成情况上报至监控中心。如果测试结果不合格，则系统可能会触发警报，并记录相应的异常信息以便后续分析和处理。为了提升系统的可靠性和稳定性，文章设计了异常处理机制和数据备份策略，确保系统在异常情况下能够及时处理并保留相关数据。

通过连接管理、测试程序调用、数据分析与判断、异常处理等功能，以确保对通信信号的全面测试和评估，并及时反馈测试结果至监控中心，从而保障短波通信系统的正常运行。

2.3 通信数据处理

利用数据处理器从监测设备中获取实时的短波通信数据，主要采集频谱数据、信号强度、干扰源位置等信息，获取到的数据将被存储在系统的数据库或数据仓库中，以备后续处理和分析。在进行进一步的分析之前，进行数据预处理，通过数据清洗、去噪、归一化等操作提升数据质量，减少噪声对后续分析的影响。对预处理后的数据进行特征提取，根据监测系统的需求，提取信号频谱特征、干扰源特征、通信模式特征等，将原始数据转换为具有代表性的特征向量，以便进行后续的分类、识别或分析。利用提取的特征向量，进行频谱利用率分析、干扰源定位、通信模式识别，同时利用机器学习、数据挖掘或信号处理算法实现这些分析任务，以发现隐藏在数据背后的模式和规律。根据分析结果进行决策，并将相关信息反馈给监控系统的用户或其他相关系统。

2.4 监测结果显示

利用实时监控界面，显示当前短波通信系统的运行状态和监测数据，包括频谱图、信号强度图、干扰源位置图等。用户可以通过该界面实时观察通信情况，快速发现异常情况。例如，可以按时间段筛选和检索查看历史监测数据，根据历史数据查看系统的运行趋势和历史异常情况，以便进行长期分析和评估。设定监测数据的阈值，并在监测到异常情况时触发报警或事件提示，以弹窗、声音或邮件等形式提醒用户及时处理异常情况。针对干扰源或通信设备的位置信息，系统在地图上标注相应的位置，并显示相关的监测数据，帮助用户可以直观了解不同位置的通信情况，更好地进行定位和处理。

3 实验研究

为了验证本文设计的基于在线监测技术的短波通信监控系统的实际应用效果，设定对比实验，设置实验场景，模拟不同的通信环境和干扰情况，分别使用基于在线监测技术的短波通信监控系统和传统监控系统进行监测与分析。在实验中，采集两种监控系统的监测数据，记录实验过程的实际运行频率，分别使用传统监控系统和本文系统进行记录，与真实的实际运行频率进行对比，得到的实验结果如图3 所示。

图3 监控准确率实验结果

通过对比实验可知，基于在线监测技术的短波通信监控系统的监测频率与实际运行频率基本一致，而传统监测系统的监测频率与实际运行频率存在较大出入。由此证明，本文设计的系统具有较强的监测能力，能够实时监测短波信号的频谱利用情况和干扰源的位置，准确判断通信环境的稳定性和安全性，同时采用先进的数据处理技术，能够对通信内容进行隐私保护和安全加密，有效防止信息泄露和窃听风险。相比之下，传统监控系统在监测准确率和监测安全性方面存在一定局限性。传统监控系统受限于传感器的精度和数据处理能力，难以实时监测复杂的通信环境和多样化的干扰情况。同时，传统监控系统缺乏针对通信内容的安全保障机制，容易受到信息泄露和窃听的威胁。

综上所述，基于在线监测技术的短波通信监控系统在实际应用中表现出较高的监测准确率和监测安全性，具有较好的应用前景和市场潜力。通过本文设计的系统，可以有效提升短波通信系统的可靠性、安全性和效率，为用户提供更加稳定和安全的通信服务。

4 结 论

文章基于在线监测技术构建短波通信监控系统，为提升通信系统的可靠性、安全性以及效率提供了有力支持。通过利用先进的传感器技术和数据处理算法，实现对短波通信环境的全面监测和分析。实验结果表明，该系统能够准确监测通信信号的频谱利用情况、定位干扰源位置，并对通信内容进行安全保护。在未来的发展中将优化监测算法，积极探索新的应用场景，为通信领域的创新和发展做出更大的贡献。