大功率短波发射机天线故障远程监测系统设计

杜宏文

（国家广播电视总局二〇二二台，新疆 喀什 844000）

0 引 言

大功率短波发射机在应用中具有广播距离远、信号传输稳定等优势，因此此种类型的发射机常被用于国际广播领域与市场核心产业。天线是支撑大功率短波发射机稳定运行的关键构件，天线的综合运行能力可直接影响到发射机的稳定运行水平。结合广播技术研究领域反馈的不完全统计数据可知，超过80.0%的短波发射机运行异常均是天线故障导致的[1]。天线常见的故障形式包括两种，即馈线与天线幕打火。当发射机的下引线未完全固定时，对接的馈电点出现松绑，针对此种问题倘若不及时进行有效的检测与处理，会引发发射器中金属零部件氧化、支架被锈蚀等问题。当天线局部受到高压电的冲击与影响时，行波的传播出现异常，此时发射器的下引线将出现配线结构异常。天线馈线杆倾斜、支撑结构调节不当等问题也是发射机天线的故障形式之一，尽管现如今技术单位已针对不同的故障表达方式提出了对应的故障解决措施，但大部分故障处理均为事后处理，即发射机已出现异常后进行的故障处理，在很大程度上影响或干预了大功率短波发射机的常态化运行。

1 硬件设计

为了满足在实际应用中对发射机天线故障的有效监测，需要在开展相关研究前对系统进行硬件结构的设计与开发。为了确保设计的结构具有稳定性，使用B/S模式作为支撑，即将远程监测终端与计算机软件建立对接关系，并集成嵌入式服务器，将服务器与发射机进行连通通信[2]。在此种状态下，即可实现将发射机天线运行的实时状态数据传输到控制终端，根据反馈的信息在终端上实现对发射机天线在运行中多种技术指标的有效监测与行为控制。综合上述分析与系统运行时对功能的需求，进行系统硬件结构图的绘制，如图1所示。

图1 发射机天线故障远程监测系统硬件结构

由图1可知，发射机天线故障远程监测系统中集成的硬件设备包括本地终端、远程服务器、控制器以及监测终端等，这些硬件结构以嵌入式的方式集成在系统中，并在Internet的支撑下相互连通。其中，嵌入式远程服务器是本文系统的主要硬件，也是系统的核心部分。为了确保此服务器在应用中具有较高的性能，此次系统设计选择的服务器由美国Lantronix公司开发，服务器型号为UAD1100-B10-1。此型号的服务器具有较低的开发成本，可实现高速接入网络[3]。应用此设备可实现对接入网络的多种类型设备进行实时监测，在接入系统时，此设备可支持的网络通信协议包括ARP协议、TCP协议、TFTP协议以及AutoIP协议等。UAD1100-B10-1型号的嵌入式远程服务器中含有48.0 bit的全球唯一硬件地址，因此在进行系统的对接时，需要为此硬件分配一个独立的网络IP地址。在本文开发的远程监控系统中，UAD1100-B10-1服务器的主要作用是为嵌入式网络提供同一个串口信息转换渠道，并将前端发射机发送的天线运行数据以串口数据的方式进行封装，封装后的串口信息在TCP/IP网络协议下进行打包，并通过发射机控制器进行天线运行数据的识别。

通常情况下，发射机天线故障识别系统在运行中将以太网作为支撑，因此每个接入的设备服务器均需要通过嵌入式安装的方式与系统内网进行对接。为了确保系统在运行时多个硬件设备可发挥其既定效果，需要在接入时根据硬件设备的型号为其匹配不同的IP地址[4]。此时，本地监测终端可以采用直接登录系统内网的方式对嵌入式服务器反馈的数据进行提取，而其中的远程监控端则可以通过定位服务器IP地址的方式进行远程数据的调用。通过此种方式，可以确保系统管理员在任意条件下进行发射机天线故障的监测，从而更好地实现对发射机天线异常的维护。

2 软件设计

2.1 基于小波转换技术提取发射机天线故障特征信息

在完成对系统硬件结构设计的基础上，引进小波转换技术进行发射机天线故障特征信息的提取。考虑到发射机在运行时会产生振动，此种振动会使前端收集的故障信息中携带大量噪声，噪声可能会将故障特征信息的背景淹没。因此，在进行故障信息获取时，需要选择前端发射机天线振动信号中的功率频谱波形最大值位置。在选定的故障提取点，噪声是无法得到此位置的，在通过此点完成对专用数据语言的处理后，使用LabView为故障特征分析提供语言程序接口进行最高点故障文件的调用。

在完成故障峰值的提取后，提取携带噪声的故障信息，并在信号处理领域内进行小波的时域局部转换。在此过程中，小波处理可将信号转换为高频信号与低频信号。通常情况下，低频信号中携带大量天线故障与异常信息[5-7]。在完成对高频信号的筛查后，需要对分解得到的低频信号进行继续分解，分解后得到一个频率相对较高的信号与更低频信号。提取其中呈现连续性特征的低频信号，将此信号作为发射机天线故障信号的连续表达方式。综合上述分析对分解的过程进行描述，即：

式中，p表示经过小波分解处理后得到的发射机天线故障信号；i表示分解次数；n表示信号连续性；c表示低频信号；t表示一个信号分解处理周期。通过此种方式，可将一个连续且完整的信号分解成若干个频带不重复的信号，并在持续分解的过程中将隐藏在高频段信号中的异常信号进行针对性提取，从而达到去噪的目的。

2.2 基于RS485总线的异常信息通信传输

在完成对大功率短波发射机天线故障特征信息的获取后，为了实现远程端对异常信息的有效分析，需要进行异常通信的抗干扰传输。在此设计阶段，引进RS485总线技术进行通信信道的规划。由于异常信息是由前端主机发出，当前端主机处于信息发送状态时，可以认为接收端此时处于一种信息的被动接收状态[8-10]。

为了实现接收端对异常信息的主动接收，设计如下异常信息通信传输方式。在两端实现异常信息对接与通信前应先进行串口设备对象的创建（创建的对象为发射机天线结构）→将串口信息进行初始化处理→对接前端与后端、连接物理设备，使两端在网络支撑下保持良好的通信状态→发送从机在网络覆盖下对应的IP地址→接收从机发送的应答帧→当接收后系统远程端操作界面显示“响应正确”后，跳转下一步骤，等待串口的中断处理→当接收后系统远程端操作界面显示“响应错误”后，跳转上一步骤，重新发送对应的IP地址→直到操作界面显示“响应正确”→调用instrcallback（）函数→将识别到的连续故障信号存储在终端。

2.3 大功率短波发射机天线故障在线分析

在确保接收端与发送端保持良好通信后，使用MATLAB软件对获取信息进行在线分析。完成分析后，将分析结果以data.txt文件的方式进行存储，输出结果即可认为实现对远程端的故障在线分析，流程如图2所示。

图2 大功率短波发射机天线故障在线分析流程

按照图2所示的流程，在远程端进行发射机天线故障的在线分析，以此种方式实现对故障的远程监测，完成对大功率短波发射机天线故障远程监测系统的开发与设计。

3 对比实验

为了进一步验证该系统在实际运行环境中能否有效提高监测精度与监测效率，将本文设计的监测系统应用到真实的运行环境中，并针对大功率短波发射机天线的故障问题进行远程监测。已知选择的发射机天线工作频率在70～100 MHz，增益≥2.6 dB，带宽≥3 MHz，同轴线长为12 m，驻波比为1.2。在应用过程中，选择5台计算机配合本文提出的远程监测系统。其中，一台用于对发射机天线产生的故障信号进行采集；一台用于本文系统向服务器发送数据请求；一台用于为系统数据库提供运行服务；一台用于实现对各类数据信息的应用；一台用于实现对发射机在运行过程中对其天线的状态进行远程终端监测。完成5台计算机的配备后，将5台计算机通过无线连接的方式实现网络连接。完成上述准备工作后，观察监测系统上位机显示内容，并将其记录下来，如表1所示。

表1 远程监测系统监测内容记录表

由表1可知，在运行时间为13:10:01时，系统能监测到发射机天线的带宽、增益以及工作频率都出现了异常现象，说明此时发射机天线存在故障，而且这一监测结果与该发射机天线实际出现故障问题的时间相吻合。通过上述应用初步证明，本文提出的监测系统在实际应用中能够实现对发射机天线故障的远程监测。为了进一步验证监测系统的运行稳定性与抗外界干扰能力，在上述监测的基础上对发射机天线状态进行监测，在监测过程中人为引入一组信息干扰电波。在上述运行环境下，观察本文监测系统的运行情况，并将系统的信号传输情况记录下来，如图3所示。其中，3个箭头指向位置为3次人为引入的信号干扰。

图3 本文远程监测系统信号传输频率记录图

从图3可以看出，本文监测系统在运行过程中不会受到人为信号干扰的影响，能够始终将信号的传输频率控制在650～750 MHz。通过上述得出的实验结果能够进一步证明本文提出的监测系统在实际运行过程中不仅能够实现对发射机天线故障的高精度监测，而且还具有更强的抗干扰能力，能够保障信号的稳定传输，进一步提高监测系统的运行精度，确保实现对发射机天线故障监测的有效性和实效性，为后续发射机天线故障的快速维修提供更有利的监测基础。

4 结 论

为了实现对发射机天线故障的事前处理，本文提出了一种针对天线结构故障的远程监测系统，此系统由软件与硬件两个部分构成。为了确保系统在使用中对于故障具有较好的监测效果，在完成设计后通过实验进行了系统在远程监测中抗干扰性能的检测，检测发现本文提出的监测系统在实际运行过程中不仅能够实现对发射机天线故障的高精度监测，而且还具有更强的抗干扰能力，能够保障信号的稳定传输，具有较好的应用价值。