短波通信信號質量分析系統設計

孟祥磊

短波通信是指使用波長范圍在10-100米之間，頻率介于3-30兆赫茲之內的電磁波進行信號傳輸，是最早出現并得到廣泛應用的一種無線通信方式，是無線電通信的鼻祖。目前在無線電技術領域，使用通信信號己擴展至超短波，微波甚至更高的頻段，不過短波依然占據著舉足輕重的地位，目前依舊是中遠距離無線通信的重要途徑。

一、系統設計的意義

短波通信在無線通信領域的地位更是舉足輕重，如何提高其通信質量、發揮出設備最佳性能，是各國研究短波通信的主要內容之一。短波通信信號經電離層的反射進行傳播，電離層反射無線電波猶如玻璃之于光會被透射出去、反射回來亦或是吸收，具體如何取決于電離層的厚度、溫度及無線電波的頻率。中長波會被吸收；超短波則會透射出去；僅有短波才會被反射，當然，短波到達地面后也可能被大地再次反射進入電離層從而產生更多次的反射。

此外，電離層本身在不同時間、不同氣象條件下也會有所不同，所以短波通信表現出明顯的方向性，即接收天線指向不同，接收效果就會不同。因此，在短波通信過程中，為保證通信效果、提高通信質量、發揮各通信設備最佳性能，接收天線首先要調整位置以尋找最佳采樣點。為了使天線找到最佳接收位置，必須對其在各個位置指向時接收信號的質量進行分析。

二、系統總體設計

本系統的主要構成單元是數據采集模塊、工控機、遠程客戶端。數據采集模塊和工控機通過usb接口相連；信號質量分析軟件集成于工控機，對采集到的信號數據進行分析處理、數據存儲、波形顯示并能實時上傳至遠程監控設備；遠程客戶端與工控機通過TCP/IP實現遠程通信，可實現對信號質量分析系統的遠程監控。圖1為信號質量分析系統總體設計圖。

此測試設備具有很強的工程項目需求，所以在對本課題研究系統進行框架設計時，除了考慮信號質量分析需求，還應充分考慮設備的硬件需求、工作環境等。這些需求共同決定了系統的框架設計。

三、各部分功能

本文研究的最終目的是為天線指向提供依據，因此系統首先要對天線不同位置時接收到的信號進行采集，故而首先要設計數據采集模塊；然后應用數字信號處理技術對采集到的短波信號進行質量分析，在界面上顯示處理結果，并能實時保存波形數據實現數據存儲功能；考慮到天線工作環境惡劣，而且需要實現遠程監控的功能所以設計了工控機。

1.硬件采集設備

本論文所設計硬件采集設備，采用HanTek DS03064采集卡實現信號采集的功能，對外提供多達8路通道接口。運用此采集模塊采集天線接收的短波信號，把得到的模擬信號轉變為數字信號實現AD轉換，并傳輸離散化的數據至信號質量分析軟件。

2.工控機

工控機是有特殊功能的計算機，相比普通計算機更能適應天線工作的復雜環境。本系統不僅要完成信號質量分析的功能，還要對信號進行采集并提供基于TCP/IP的網絡接口，接受來自遠程客戶端的訪問實現遠程通信的功能。綜合考慮實際需求與系統的工作環境，我們將這些功能集成到工控機中來實現。

信號質量分析軟件通過調用采集模塊提供的動態連接庫，根據項目需要進行二次開發，獲取采集數據。該軟件具有數據分析處理、數據存儲、波形顯示、遠程通信等功能以及良好的人機交互界面。軟件分析可基于保存的信號文件，降低了實時測試的必要，且不受應用環境的限制，具有可重復、可控制的優點。

3.遠程客戶端

客戶端軟件實現了對信號質量分析系統的遠程監控功能。用戶可實時請求連接信號質量分析系統，連接成功后即可下發指令實現對分析系統的遠程操控。

四、系統設計指標

表1所示是本系統的主要技術指標要求。本系統分析對象是3-30MHz的短波信號，根據采樣定義及工程設計需求系統采樣速率必須大于100MS/s；由于系統采集模塊與工控機通過USB連接且采集模塊含有兩個采集卡，故而USB接口至少要有2個，而且要實現遠程通信的功能，因此以太網口應至少有一個；供電方式為常規交流電源；設備提供最大通道數為8，可擴展性強。

五、總結

本章介紹了短波通信信號分析系統的總體結構、各部分功能及系統指標。通過上述分析可知，對天線在不同時刻、不同位置時接收的信號質量進行準確的分析具有非常重要的意義。因信號質量分析產生的最終結果會直接決定天線的接收位置，若對信號質量分析不到位就找不準天線的最佳接受位置，這會降低整個系統的性能。鑒于短波通信信號接收效果和天線指向的重大關系，為了實現更好的接收效果，因此開發出一套具有“短波通信信號質量分析”功能的系統，具有十分重要的意義。endprint