一种电力系统应急短波无线通信系统及方法与流程

本发明涉及一种短波无线通信系统及方法，特别涉及一种电力系统应急短波无线通信系统及方法，属于短波无线通信领域。

背景技术：

对于电力系统的应急通信系统，有其特殊的应用要求，在重大自然灾害情况下，电力基础设施受到重大破坏情况下，能够迅速而独立构建具有自组网能力的应急通信系统。电力系统的应急通信终端，需要满足以下主要要求：⑴低功耗，在无外接电源情况下，可以独立工作4小时以上；⑵设备应为一体化设备，体积和重量较小较轻，便于携带、组网；⑶设备操作简单，可以自动处理频率设定、调谐、输出功率控制；⑷设备需要很强的抗干扰能力；⑸设备需要很强的环境适应性，包括工作温度、防水、防振等有很高的要求；⑹单跳通信范围可达500km；⑺可以及时有效传送重要的电力系统数据，供后方及时制定有效灾害抢修和重建；⑻电力系统应急通讯需要传输的数据并不大，及时发送重要的关键数据即可，因此对应急通信的数据率和通信带宽的要求可以很低。现有的应急通信方式有移动通信系统，卫星通信系统等，利用移动通信网络或者卫星构建应急通信系统，设计相应的移动终端。现有的移动通信系统和卫星通信系统均利用传统的公共通信网络，在严重自然灾害或异常情况下导致大面积停电等情况下，移动通信系统将无法提供可靠的通信。卫星通信依赖卫星的中继器，存在卫星盲区导致无法有效通信的问题，并且卫星通讯对外依赖度很大，不能十分灵活、快速、独立进行自组网。短波应急通信成为了首选的电力系统应急通信方案。但目前商用的短波通信系统也存在设备复杂，参数设置繁琐，使用者需要专业的操作技能等众多问题，应急情况下无法及时建立有效的通信链路和自组网系统。

一个基本的短波通信站由电台、天线以及电源组成，两部及以上电台就可以构建一个短波通信系统。短波通信通常使用单边带调幅方式，窄带传输，带宽一般为3khz。通常短波电台根据功率大小分为大功率电台和小功率便携式电台。一部电台可选择多种天线进行不同距离的通信，选用哪种天线设备要根据电台的发信功率、通信功率、工作方式、输出阻抗、工作频率以及通信方向而定。使用短波电台进行组网，可以以某地为中心，进行单呼、选呼、组呼等方式通信，通信范围覆盖面积大。目前短波通信应用中使用以下两种方案：⑴固定台方案：固定基站的站址选择在开阔的地面或楼顶，100w以上的射频输出功率，其传播途径可以是天波，也可以是地波，有效通信距离会超过100km以上，甚至可以达到1000km以上；⑵背负式方案：背负式电台选配小于20w的小功率电台，由电池进行供电，配拉杆式鞭装天线，属全向性天线，没有多径效应，该方案适合短距离通信，其传播途径主要是地波，加之便携电台功率较小，因此有效通信距离一般在30km以内。上述电力系统的应急通信系统的诸多苛刻要求，对于目前的短波通信系统都无法同时满足，例如，背负式电台功率小且使用地波通讯，有效通信距离十分受限，难以满足500km的远距离通信要求，固定式电台输出功率大，体积较大，重量较重，设备功耗大，一般都需要外接电源，难以满足低功耗要求。这些电台一般都不具备自组网能力，而且需要外接专门的数字调制解调模块才能进行数据通信，不满足一体化便携产品形态要求。

技术实现要素：

本发明电力系统应急短波无线通信系统及方法公开了新的方案，采用基于移相键控31(psk31)通信方式的独立的应急短波无线通信系统，解决了现有方案无法有效满足电力系统应急通信要求的问题。

本发明电力系统应急短波无线通信系统包括psk31数据通信装置，psk31数据通信装置包括psk31调制解调微处理器、信号输入电路、信号输出电路、锁相回路、天线装置、电源装置，psk31调制解调微处理器包括输入/输出端口、信号输入端口、信号输出端口，信号输入端口通过模/数转换器与信号输入电路的信号输出端通信连接，信号输出端口通过数/模转换器与信号输出电路的信号输入端通信连接，信号输入电路的信号输入端、信号输出电路的信号输出端与天线装置通信连接。

进一步，本方案的信号输入电路包括沿信号传送方向依次通信连接的低噪放大器、低通滤波器a、射频放大器a、低通滤波器b，信号输出电路包括沿信号传送方向依次通信连接的低通滤波器c、射频放大器b、带通滤波器a、功率放大器，psk31调制解调微处理器通过锁相回路统一整合上述低噪放大器、射频放大器b的输出的时脉信号。

进一步，本方案的天线装置包括依次通信连接的天线部件、带通滤波器b、双工器，天线装置通过双工器与信号输入电路的信号输入端、信号输出电路的信号输出端通信连接。

更进一步，本方案的天线部件包括平衡-不平衡转换器、负载、振子天线。

进一步，本方案的输入/输出端口包括蓝牙端口、usb端口、rs-232端口、gps端口、键盘端口、视频输出端口。

进一步，本方案的psk31数据通信装置还包括压铸铝外壳，压铸铝外壳包括扣合的半壳体a、半壳体b，半壳体a的开口边沿设有内卡边环，半壳体b的开口边沿设有卡边环槽，内卡边环与卡边环槽形成密封防水卡接，半壳体a与半壳体b通过上述密封防水卡接形成压铸铝外壳整体。

更进一步，本方案的卡边环槽内设有防水密封圈。

更进一步，本方案的压铸铝外壳的外侧上设有多条散热翅片。

更进一步，本方案的半壳体a、半壳体b的侧面上设有屏蔽隔腔，屏蔽隔腔内设有屏蔽盖板，屏蔽盖板屏蔽射频电路信号。

本方案还公开了一种电力系统应急短波无线通信方法，电力系统应急短波无线通信方法基于电力系统应急短波无线通信系统，电力系统应急短波无线通信系统包括psk31数据通信装置，psk31数据通信装置包括psk31调制解调微处理器、信号输入电路、信号输出电路、锁相回路、天线装置、电源装置，psk31调制解调微处理器包括输入/输出端口、信号输入端口、信号输出端口，其特征是包括过程：系统上电，初始化硬件和驱动设置，打开接收通道，进入接收状态，系统检查psk31调制解调微处理器的输入/输出端口是否有信号输入，系统根据收到的输入信号判断是否需要修改配置参数、切换收发模式，系统根据修改配置指令、切换收发模式指令完成修改、切换后重新检查输入/输出端口是否有信号输入，系统根据输入/输出端口无指令信号状态进入并行的通信信号发送模式、通信信号接收模式，系统通过信号输入电路接收天线装置传送的数据后通过输入/输出端口显示接收的信息，系统进行数据处理后通过信号输出电路发送数据给天线装置完成通信信号发送处理。

本发明电力系统应急短波无线通信系统及方法采用基于移相键控31(psk31)通信方式的独立的应急短波无线通信系统，具有低功耗、通信距离远、可靠性高等特点。

附图说明

图1是电力系统应急短波无线通信系统的原理图。

图2是天线架设方式一的示意图。

图3是天线架设方式二的示意图。

图4是发明电力系统应急短波无线通信方法的流程简图。

具体实施方式

如图1所示，本发明电力系统应急短波无线通信系统包括psk31数据通信装置，psk31数据通信装置包括psk31调制解调微处理器、信号输入电路、信号输出电路、锁相回路、天线装置、电源装置，psk31调制解调微处理器包括输入/输出端口、信号输入端口、信号输出端口，信号输入端口通过模/数转换器与信号输入电路的信号输出端通信连接，信号输出端口通过数/模转换器与信号输出电路的信号输入端通信连接，信号输入电路的信号输入端、信号输出电路的信号输出端与天线装置通信连接。上述方案采用基于移相键控31(psk31)通信方式的独立的应急短波无线通信系统，能够完全独立于其他任何通信网络，功耗低，通信距离远，可以自组网，灵敏度高，有很强的抗干扰能力，环境适应性很强，可全天候工作，有效满足电力系统应急通信要求。

为了实现通信信号的输入和输出，本方案的信号输入电路包括沿信号传送方向依次通信连接的低噪放大器、低通滤波器a、射频放大器a、低通滤波器b，信号输出电路包括沿信号传送方向依次通信连接的低通滤波器c、射频放大器b、带通滤波器a、功率放大器，psk31调制解调微处理器通过锁相回路统一整合上述低噪放大器、射频放大器b的输出的时脉信号。同理，为了保证通信信号接收和发射都能同时正常工作，本方案的天线装置包括依次通信连接的天线部件、带通滤波器b、双工器，天线装置通过双工器与信号输入电路的信号输入端、信号输出电路的信号输出端通信连接。如图2、3所示，本方案的天线架设可以采用该两种方式，其中天线部件包括平衡-不平衡转换器、负载、振子天线。为了实现外部信息的输入以及内部信息的输出展示，本方案的输入/输出端口包括蓝牙端口、usb端口、rs-232端口、gps端口、键盘端口、视频输出端口。

为了实现系统整体的防水、散热功能，本方案采用了铝制的防水壳体，具体是psk31数据通信装置还包括压铸铝外壳，压铸铝外壳包括扣合的半壳体a、半壳体b，半壳体a的开口边沿设有内卡边环，半壳体b的开口边沿设有卡边环槽，内卡边环与卡边环槽形成密封防水卡接，半壳体a与半壳体b通过上述密封防水卡接形成压铸铝外壳整体。为了进一步增强防水效果，本方案的卡边环槽内设有防水密封圈。为了增强壳体的散热能力，本方案的压铸铝外壳的外侧上设有多条散热翅片。为了增强壳体的屏蔽效果，本方案的半壳体a、半壳体b的侧面上设有屏蔽隔腔，屏蔽隔腔内设有屏蔽盖板，屏蔽盖板屏蔽射频电路信号。上述方案采用一体化设计，所有功能单元都集成在一起，体积小，重量轻，移动便捷，操作简单，开机即用，设备可靠性高，满足应急通信的要求。

本方案还公开了一种电力系统应急短波无线通信方法，电力系统应急短波无线通信方法基于电力系统应急短波无线通信系统，电力系统应急短波无线通信系统包括psk31数据通信装置，psk31数据通信装置包括psk31调制解调微处理器、信号输入电路、信号输出电路、锁相回路、天线装置、电源装置，psk31调制解调微处理器包括输入/输出端口、信号输入端口、信号输出端口。如图4所示，方法包括过程：系统上电，初始化硬件和驱动设置，打开接收通道，进入接收状态，系统检查psk31调制解调微处理器的输入/输出端口是否有信号输入，系统根据收到的输入信号判断是否需要修改配置参数、切换收发模式，系统根据修改配置指令、切换收发模式指令完成修改、切换后重新检查输入/输出端口是否有信号输入，系统根据输入/输出端口无指令信号状态进入并行的通信信号发送模式、通信信号接收模式，系统通过信号输入电路接收天线装置传送的数据后通过输入/输出端口显示接收的信息，系统进行数据处理后通过信号输出电路发送数据给天线装置完成通信信号发送处理。上述方案采用基于移相键控31(psk31)通信方式的独立的应急短波无线通信系统，能够完全独立于其他任何通信网络，功耗低，可以无外接电源独立进行4小时以上通信，通信距离远，可以满足单跳500公里的要求，可以自组网，灵敏度高，有很强的抗干扰能力，环境适应性很强，可全天候工作，有效改善了现有设备产生的诸多问题。

本方案公开了一种利用短波无线通信的应急通信终端系统方案，完全满足电力系统重大自然灾害情况下的电力系统应急通信需求。本方案可以完全独立于其他任何通信网络，实现了低功耗，可以在无外接电源时独立进行4小时以上通信，通信距离远，可以满足单跳500公里要求，可以自组网，灵敏度高，有很强的抗干扰能力，环境适应性很强，可全天候工作，采用一体化设计，所有功能单元都集成在一起，体积小，重量轻，移动便捷，操作简单，开机即用，设备可靠性高，满足应急通信的要求。

完整的移相键控31(psk31)短波应急通信终端系统包括：射频前端部分、数字处理部分、接口与电源部分、天线部分等。射频前端部分采用了多级变频的发射机和接收机架构，为系统提供了高灵敏度和很强的抗干扰能力。高精度的恒温晶振参考源提供了稳定的收发频率，可以使短波通信终端设备频率精度达到±0.05ppm，远优于常规短波电台。数字处理部分采用了性能优异的数模、模数转换芯片和基带信号处理模块，处理移相键控31(psk31)信号的调制解调。使用移相键控31(psk31)是本方案实现低功耗、远距离可靠通信的关键，在特定的低数据速率下，使用很低信号的带宽，可以使接收灵敏度得到很大提升，较大程度降低设备的无线输出功率，输出5w甚至更小的功率即可满足远距离通信需求，这就大大降低设备的功耗、体积以及重量，这对于传播状态极端恶劣的短波通信，更具实际意义。本部分还设计了频率的自适应功能，包括可用频道扫描、最优频点选择、日频夜频的自动切换等，提高了抗干扰能力，环境适应性得到增强。接口与电源部分包括了全功能键盘，超大lcd显示屏，还有蓝牙、usb、串口等多种接口，配置了高容量锂电池，做到了设备兼容性高、易用性好、续航时间长。天线采用了可收纳的偶极子天线，携带方便，架设简单。单人也可以操作。上述方案的关键器件和模块选型如下：⑴mcu:dspic33fj256mc710a，主频20mhz，30kbram，256kbflash；⑵时钟:o11f-2102-10.00mhz，ocxo恒温晶体振荡器，高稳定度；⑶gps模块：u-bloxmax-m8，支持gps和北斗系统。

本方案的移相键控31(psk31)通信终端系统在无盲区天线架设、移相键控31(psk31)短波数传技术、长距离通信、全天候使用等方面进行了试验和验证，实现了技术上的创新和改进。

无盲区天线与架设

由于应急通信的特殊性，要求短波天线应具备以下的特点：⑴天线结构要求轻巧，便于携带，能快速架设和收集；⑵不需天调，2～30mhz范围内均能良好配谐；⑶全向通信半径1000公里，在600公里范围内能进行可靠通信；⑷解决天线盲区问题。本方案的天线设计是一种多用途短波全段单线行波天线，结构简单，架设方便，辐射效率高，整个天线由一个巴伦，一个负载，三根振子组成，坚固并且轻巧，便于应急使用。如图2、3所示，是两种天线的架设方式。

移相键控31(psk31)短波数传技术

移相键控31(psk31)是优秀窄带数字方式，使用极窄的带宽，因为它的信号速率总保持在每秒31.25比特，所以把这种方式称为移相键控31(psk31)，这种方式可以使用极窄的带宽来实现高性能的数据传送，尤其在干扰很大的情况下也能建立可靠通信，这一特性在当今干扰严重的短波段有着重要意义。移相键控31(psk31)的信号速率虽然只有31.25波特，但由于使用了崭新的编码技术，其吞吐率可达每分钟50wpm左右，属于同步传送系统，但却没有使用其他同步方式的“start-stopbit”和arq，也没有相关的信息流向翻转协议，当发送方的发送缓冲区没有数据时它自动传送用于保持同步的零信号，即使中途加入也能很好同步而不需人工干预，由于使用psk(移相键控)，传送的信息对噪声不敏感，尤其对大的爆裂脉冲，发送方可以通过使用卷积码来分散噪声能量，在接收端通过与之相匹配的维特比译码器就可顺利解调。本方案采用microchip的dspic先进微处理器，借助软件的独有算法，实现了移相键控31(psk31)调制解调功能。

长距离通信

本方案采用两台移相键控31(psk31)通信终端在不同距离上做实际通信测试，可以达到数据误码率在5％以下。如下表所示，测试距离分别为：25公里、125公里、325公里、500公里测试时上下行数据误码率。

全天候使用

移相键控31(psk31)通信终端为保证全天候复杂环境使用，进行了结构和可靠性方面的相关设计，包含了以下几方面：

⑴材料选择

设备结构主体采用压铸铝壳的形态。铝合金材料具有密度低、导热率高的特点，在电子设备中常用。其中压铸铝合金的压铸性能优良，在设备定型量产时，采用开压铸模，压铸成型方式生产，降低成本并提高供货效率。

⑵热设计

设备工作环境温度范围是-40℃～+55℃。采用有限元分析软件，对设备功耗器件布局进行仿真，确保结构设计满足散热要求。对于大功耗器件，需单独进行散热考虑，如采用导热材料(导热衬垫、导热胶等)将热导到设备主体大铝壳上。铝壳外部设计散热齿片，提高设备的整体散热能力，保证设备长期不间断工作。

⑶电磁兼容设计

对于射频电路，在铝合金壳体上设计屏蔽隔腔，及设计屏蔽盖板，将其屏蔽。为保证屏蔽效果，可采用减小螺钉安装间距及点导电胶等措施。

⑷防水设计

设备主体为上下两边壳体，在接触面采用密封槽与相应密封圈配合的方式，达到密封防水要求。壳体上的外部连接器，选择防护等级不低于ip67的连接器。为提高设备的防水性能，可采用多层防水、优化防水槽，选择优质密封材料等措施，优化和简化结构防水设计。

⑸防火要求

按照阻燃等级要求选用合适的材料和元器件，并优化结构设计，达到减小引燃危险和火焰蔓延的要求。

⑹抗地震要求

内部单板等组件的安装，设计可靠，做好外部机械封装和内部电气组件的有效隔离。为提高设备的抗震能力，在结构设计时，考虑到各机构的强度，及内部单板组件的安装稳固性，做好防震设计。

基于以上特点，本方案的电力系统应急短波无线通信系统及方法相比现有同类方案具有突出的实质性特点和显著的进步。

本方案的电力系统应急短波无线通信系统及方法并不限于具体实施方式中公开的内容，实施例中出现的技术方案可以基于本领域技术人员的理解而延伸，本领域技术人员根据本方案结合公知常识作出的简单替换方案也属于本方案的范围。