智能健康诊断射频光纤转复用发系统及方法、装置与流程

1.本发明涉及通信装置技术领域，具体地，涉及一种智能健康诊断射频光纤转复用发系统及方法、装置。


背景技术：

2.卫星安置发射塔架之后与测试间，指挥大厅形成异地部署，需要进行远距离通信，同时对通信系统的可靠性要求极高，在发射过程中通信的正常与否直接影响到卫星发射时机、指令和口令，遥测是否正常传输直接关系卫星发射任务的成败。因此，需要对通信系统进行高可靠性设计，同时由于发射基地任务较多对光缆需求大，通过波分复用技术实现同向信号在一个光缆上传输，大幅度降低了对光缆数量的需求。目前，射频光纤转发装置，主要存下以下不足：
3.(1)射频光纤转发系统采用射频传输链路与光缆一一对应，光缆的数量限制了通信路数，同时限制备份光缆的数量，降低了冗余、可靠性；
4.(2)缺少自动对整个系统进行健康诊断，长期信号质量跟踪的手段，无法量化评估系统性能下降；
5.(3)缺少自动对信号突变的捕获，记录，易丢失长期工作状态下信号跳变事件；
6.(4)缺少对通信链路的心跳监听，无法判断通信链路的状态，对于突发意外情况无自动切换手段；
7.(5)缺少对通信链路的光源电压、电流的反馈控制，缺少对光源的温度负补充控制。
8.经过检索，专利文献cn204836178u公开了一种无线对讲应急通信的射频放大组件及光纤传输系统，所述光纤传输射频放大组件包括收发模块、耦合模块、放大处理模块以及光电转化模块；所述光纤传输系统包括耦合器、具有第一光纤传输射频放大组件的近端机以及具有第二光纤传输射频放大组件的远端机，用以对输入至所述远端机的信号做放大并输出。该现有技术为实现近端与远端机无线对讲使用，通过将射频信号耦合成电信号，通过放大器实现信号增强，利用光电模块实现信号传输。但是未涉及对入口射频信号匹配调节，未涉及对光波信号复用，未涉及对光纤链路的监听与自动切换，未涉及对传输信号链路长期健康诊断。
9.专利文献cn208063212u公开了一种基于压控光衰减器的射频光纤通信系统接收端，光接收机配有光探测器，在光接收机之前增加一个压控光衰减器。到达光接收机的光信号大部分直接输出为接收信号，小部分送入光探测器，其转换所得电信号经模数转换器接入计算机，计算机的衰减控制量信号，经数模转换器接入压控光衰减器。计算机检测当前光探测器的输出电流，得到当前接收光功率，与存储的光探测器的输出功率设定值比较，得到压控光衰减器的衰减控制量，经数模转换器送入压控光衰减器，实时调节其光衰减量。该现有技术压控光衰减器安装于射频光纤通信系统接收端，光发射机发出光信号，经过光缆传输到光接收机，但是未涉及对入口射频信号匹配调节，未涉及对光波信号复用，未涉及对光
纤链路的监听与自动切换，未涉及对传输信号链路长期健康诊断。
10.专利文献cn105450307a公开了一种用于光纤射频通信网络的射频放大电路、光接收机，包括射频输入端in、射频输出端out、放大器和电源，它还包括信号分流器c、射频监控器以及控制器mcu，所述射频输入端in、放大器、射频输出端out依次连接，所述电源与放大器连接向放大器提供电源，所述信号分流器c连接在放大器的输出端，将放大器放大后的输出信号分路成两路，主路接射频输入端out，从路接射频监控器，射频监控器与控制器mcu连接，控制器mcu还与电源控制端连接。该现有技术用于根据射频监控器检测到的射频信号强度来调整电源电压输出；未涉及对入口射频信号匹配调节，未涉及对光波信号复用，未涉及对光纤链路的监听与自动切换，未涉及对传输信号链路长期健康诊断。
11.专利文献cn101389148b公开了一种射频光纤传输系统的上、下行链路系统及为上行链路提供光载波方法，在下行链路结构中设有一个光载波滤波器。在中心站中通过马赫-贞德尔调制器产生带有光载波的双边带信号，利用光载波滤波器对其光载波进行抑制，从而提高信号的调制度。同时利用sbs产生的低于输入光载波频率11ghz的光信号为上行链路提供光载波。该现有技术同时利用sbs产生的低于输入光载波频率11ghz的光信号为上行链路提供光载波；未涉及对入口射频信号匹配调节，未涉及对光波信号复用，未涉及对光纤链路的监听与自动切换，未涉及对传输信号链路长期健康诊断。
12.因此，亟需研发设计一种高可靠性的用于远距离无线通信的智能健康诊断射频光纤转复用发装置及方法。


技术实现要素：

13.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种智能健康诊断射频光纤转复用发系统及方法、装置，提高了卫星发射基地对远距离无线通信的可靠性，自适应性以及防止由于系统性能衰退导致通信异常情况的发生。
14.根据本发明提供的一种智能健康诊断射频光纤转复用发系统，包括：
15.光调制模块：根据输入射频信号的频段特点，将其调制到相匹配的itu-t标准波长的光波上并输出进行电光信号转换；
16.光解调模块：根据入口端信号特点，将光信号还原为入口端射频信号；
17.波分复用模块：将光调制模块调制后的光信号汇聚到一起或将光缆上的复合光信号传输至光解调模块，使复合光信号可以在同一根光缆上传输，光解调模块接收传输后的光信号并还原为射频信号发送至后端；
18.自动功率控制模块：根据对激光器、光调制器和解调器工作电压、电流的采集，通过微分-积分-电路对工作模块的电压、电流进行补偿；
19.自动温度控制模块：根据对激光器，光调制、解调模块所处环境温度进行采样分析，根据温度的变化进行反向补偿，实现对温度的控制；
20.射频匹配增益控制模块：完成对射频输入介质的阻抗匹配，并对信号进行幅度调节，支持本地调节和接收总控中心指令调节；
21.信号测量模块：对信号进行实时测量，并将测量数据反馈至总控中心；
22.总控中心：为本系统的信息处理中枢，对各个环节传输的信息进行处理，对测量结果进行分析并根据阈值等判决条件下发动作指令。
23.优选地，射频匹配增益控制模块在接收射频信号同时分流小信号用于对信号进行分析，在射频段完成对信号幅度等进行前位控制，完成信号幅度调整后将射频信号传输至光调制模块。
24.优选地，信号测量模块在传输信号的同时对信号进行检波测量，并将测量结果通过网络发送至总控中心，总控中心分析当前状态指标，结合历史指标给出性能变化值，预测系统寿命；
25.总控中心：通过网络控制仪表测量信号质量，对测量结果进行分析与处理，自动进行故障、健康诊断，前段接收后端信号发送增益的调节，链路切换以及接受并执行人工干预指令。
26.优选地，系统需要对信号进行长期监测包括对信号的功率变化趋势，频率漂移趋势和频谱变化趋势的信号指标，对趋势进行分析，按照指标元素分类给出趋势变化的量化值，对系统进行健康评估，当信号恶化低于预警值之后自动切换通道并上报状态。
27.优选地，通过信号测量模块，总控中心完成对瞬时突变信号进行捕获、分析及处理，包括信号突变的时间、突变参数、突变量并结合系统设置动作自主判决信号突变引发原因，对于突变量大于预警值，则自主切换通信链路。
28.优选地，通过信号测量模块和总控中心完成对整个链路系统进行心跳监听，每间隔相应时间对信号质量进行评估，对全部通信链路进行轮询，根据评估结果自主切换通道。
29.优选地，根据射频频段不同，将信号调制到不同波长的光波上，间隔的最小距离为不产生焦调等信号间才干扰；将调制后不同波长光波汇聚到波分复用模块，异地两端部署的波分复用模块通过一根光纤实现对全部信号的传输。
30.优选地，光解调模块对经过波分复用的符合信号进行解调，还原射频信号并传输至对应的通道，完成射频信号至光信号再到射频信号转换的的全过程。
31.根据本发明提供的一种智能健康诊断射频光纤转复用发方法，包括如下步骤：
32.步骤s1：所述总控中心根据信号特征设置射频匹配增益控制模块完成对信号幅度调节，将完成调制后的信号传输至光调制模块，进行电光信号转换；
33.步骤s2：所述光解调模块根据光信号特征，将光信号解调还原为原射频信号进行光电信号转换；
34.步骤s3：全过程对通道信号进行监听，对监听结果上报，发现异常节点自动切换备份链路通道。
35.根据本发明提供的一种智能健康诊断射频光纤转复用发装置，包括上述的智能健康诊断射频光纤转复用发系统。
36.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
37.1、本发明通过对射频信号与光信号互相转换的全链路心跳监听并根据监听结果自主切换通道，对整个通信链路性能长期跟踪，智能分析量化性能衰退趋势，自动捕捉信号跳变，远程下发指令控制系统，对电光转换部分采用电压反馈控制，温度负补充控制手段保障光源的稳定性输出，从而实现对射频信号的高保真还原，同时具备防误操作措施、冗余设计手段，提供了系统的安全性、可靠性和容错性。
38.2、本发明通过差分电路将反馈信号与设定值进行比较，进而补偿驱动电流，实现激光器输出功率的稳定，最终实现功率驱动控制。
39.3、本发明根据对激光器，光调制模块所处环境温度进行采样分析，对温度进行反向补偿，保障激光器等器件工作在高效率放大区，避免其出现工作波长漂移。
附图说明
40.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
41.图1为本发明中智能健康诊断射频光纤转复用发系统的整体示意图；
42.图2为本发明中智能健康诊断射频光纤转复用发系统的工作原理图；
43.图3为本发明中自动功率控制模块的工作原理图；
44.图4为本发明中自动温度控制模块的工作原理图；
45.图5为本发明中的下行信号转换控制监听流程图；
46.图6为本发明中的上行信号转换控制监听流程图。
具体实施方式
47.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
48.如图1至图6所示，本发明提供了一种智能健康诊断射频光纤转复用发系统，提高了卫星发射基地对远距离无线通信的可靠性和自适应性，以及防止由于系统性能衰退导致通信异常的情况发生，实现了对射频信号与光信号互相转换的全链路心跳监听并根据监听结果自主切换通道，对整个通信链路性能长期跟踪，智能分析量化性能衰退趋势，自动捕捉信号跳变，远程下发指令控制系统，对电光转换部分采用电压反馈控制，温度负补充控制手段保障光源的稳定性输出，从而实现对射频信号的高保真还原，同时具备防误操作措施、冗余设计手段，提供了系统的安全性、可靠性和容错性。
49.具体包括以下组成部分：
50.光调制模块：根据输入射频信号的频段特点，将其调制到相匹配的itu-t标准波长的光波上并输出进行电光信号转换。
51.光解调模块：根据入口端信号特点，将光信号还原为入口端射频信号；根据不同光波长，将其还原为射频信号，与入口端射频信号一一对应。光解调模块对经过波分复用的符合信号进行解调，还原射频信号并传输至对应的通道，完成射频信号至光信号再到射频信号转换的的全过程。
52.波分复用模块：将光调制模块调制后的光信号汇聚到一起或将光缆上的复合光信号传输至光解调模块，使复合光信号可以在同一根光缆上传输，光解调模块接收传输后的光信号并还原为射频信号发送至后端。具体地，将光调制器调制后的光信号汇聚到一起，并通过光缆传输至后端的波分复用模块，后端的波分复用模块将不同波长的光信号传输至相应的射频传输通道，实现不同波长，同向传输的光信号的在同一根光缆传输，减少对光缆的需求；
53.自动功率控制模块：根据对激光器、光调制器和解调器工作电压、电流的采集，通
过微分-积分-电路对工作模块的电压、电流进行补偿；其中，自动功率控制模块驱动电流控制单元根据激光器输出功率需要，使主控板给出控制信号至激光器驱动单元，为激光器提供稳定的驱动电流。此外，驱动电流反馈补偿单元将接收的微分-积分-反馈电流转换为电压并进行适当放大，通过差分电路将反馈信号与设定值进行比较，进而补偿驱动电流，实现激光器输出功率的稳定，最终实现功率驱动控制。
54.自动温度控制模块：根据对激光器，光调制、解调模块所处环境温度进行采样分析，根据温度的变化进行反向补偿，实现对温度的控制。具体地，根据对激光器，光调制模块所处环境温度进行采样分析，对温度进行反向补偿，保障激光器等器件工作在高效率放大区，避免其出现工作波长漂移。
55.射频匹配增益控制模块：完成对射频输入介质的阻抗匹配，并对信号进行幅度调节，支持本地调节和接收总控中心指令调节；射频匹配增益控制模块在接收射频信号同时分流小信号用于对信号进行分析，在射频段完成对信号幅度等进行前位控制，完成信号幅度调整后将射频信号传输至光调制模块。
56.信号测量模块：对信号进行实时测量，并将测量数据反馈至总控中心。信号测量模块在传输信号的同时对信号进行检波测量，并将测量结果通过网络发送至总控中心，总控中心分析当前状态指标，结合历史指标给出性能变化值，预测系统寿命。
57.总控中心：为本系统的信息处理中枢，对各个环节传输的信息进行处理，对测量结果进行分析并根据阈值等判决条件下发动作指令。通过网络控制仪表测量信号质量，对测量结果进行分析与处理，自动进行故障、健康诊断，前段接收后端信号发送增益的调节，链路切换以及接受并执行人工干预指令。
58.系统需要对信号进行长期监测包括对信号的功率变化趋势，频率漂移趋势和频谱变化趋势的信号指标，对趋势进行分析，按照指标元素分类给出趋势变化的量化值，对系统进行健康评估，当信号恶化低于预警值之后自动切换通道并上报状态。
59.通过信号测量模块，总控中心完成对瞬时突变信号进行捕获、分析及处理，包括信号突变的时间、突变参数、突变量并结合系统设置动作自主判决信号突变引发原因，对于突变量大于预警值，则自主切换通信链路。
60.通过信号测量模块和总控中心完成对整个链路系统进行心跳监听，每间隔相应时间对信号质量进行评估，对全部通信链路进行轮询，根据评估结果自主切换通道。
61.根据射频频段不同，将信号调制到不同波长的光波上，间隔的最小距离为不产生焦调等信号间才干扰；将调制后不同波长光波汇聚到波分复用模块，异地两端部署的波分复用模块通过一根光纤实现对全部信号的传输。
62.本发明还提供了一种智能健康诊断射频光纤转复用发方法，包括如下步骤：
63.步骤s1：所述总控中心根据信号特征设置射频匹配增益控制模块完成对信号幅度调节，将完成调制后的信号传输至光调制模块，进行电光信号转换。具体地：
64.步骤s1.1：接收传输射频信号由信号测量模块同时完成测量，总控中心根据信号特征设置射频匹配增益控制模块完成对信号幅度调节，将完成调制后的信号传输至光调制模块；同时总控终端在整个工作周期内对实时信号进行心跳监听，并上报结果。
65.步骤s1.2：完成幅度调节的射频信号被传送到电光调制模块进行调制，按照频段对应特征，不同频段射频信号被调制到不同波长的光波上，并汇聚到光波复用模块上完成
光信号的汇拢，汇拢后信号通过光介质传输。
66.步骤s2：所述光解调模块根据光信号特征，将光信号解调还原为原射频信号进行光电信号转换；具体地：
67.步骤s2.1：光解调模块根据光信号特征，将光信号解调还原为原射频信号，并将不同射频信号发送至对应的射频解调通道。
68.步骤s2.2：在将光信号还原为射频信号并发送至用户端的同时，对射频信号进行同步测量、分析，并通过总控中心处理分析结果，下发指令或本地调节射频信号幅度。
69.步骤s3：全过程对通道信号进行监听，对监听结果上报，发现异常节点自动切换备份链路通道。
70.本发明又提供了一种智能健康诊断射频光纤转复用发装置，包括上述的智能健康诊断射频光纤转复用发系统。
71.本发明采取主控制板与各单元控制电路分开设计，主控制板主要实现通讯、控制以及电源转换功能。主控制板通过rs232和rs485与内部各个单元控制板进行通信和控制，并将模块内各种工作状态参数进行上报，电源转换部分实现内部所需电压的转换，并为各单元电路进行供电。
72.如图2所示，s波段和x波段射频光传输主要由两个分布于异地的两个对等电光调制解调设备组成，实现从uhf频段到x频段射频信号的双向光传输。根据卫星天线erip输出口功率，总控计算机进行接收端增益、衰减设置，将信号功率调整至合适范围；光调制模块根据射频信号对应的频段，采用itu-t标准波长，波长间隔200ghz，对应波长约为1.6nm，不同频段占用不同波长；波分复用模块将上述波长通过单根光纤进行同向信号传输，实现异地分布的站点的通信，系统通过主备链路实现冗余设计，提高可靠性，并上报异常状态，请求人工介入。
73.信号测量模块在传输信号的同时对信号进行检波测量，并将测量结果通过网络发送至总控中心，总控中心分析当前状态指标，结合历史指标给出性能变化值，预测系统寿命；对于正在通信链路进行心跳监听，监听内容包括信号功率强度，信号频谱特性等，发现信号异常自主切换备份链路，切换过程为毫秒级，保障卫星通信正常，并上报异常状态，请求人工介入。
74.根据卫星天线eirp输出口功率，空间衰减，总控中心通过入口端检波测量值，调节系统的增益、衰减调节，使信号进入光调制模块和光解调模块满足需求。
75.如图3所示，自动功率控制模块驱动电流控制单元根据激光器输出功率需要，使主控板给出控制信号至激光器驱动单元，为激光器提供稳定的驱动电流。此外，驱动电流反馈补偿单元将接收的mpd反馈电流转换为电压并进行适当放大，通过差分电路将反馈信号与设定值进行比较，进而补偿驱动电流，实现激光器输出功率的稳定，最终实现自动功率控制驱动。
76.如图4所示，姿控温度控制模块。当电流流过热电制冷器时，热量由热电制冷器的一侧传送到另一侧，表现为其一端制冷，另一端加热；如果电流的方向反向，则制冷与加热的两端也会反转。热敏电阻是由电阻温度系数大的半导体材料制成的电阻元件，通常激光器内置的热敏电阻为负温度系数电阻。通过对激光器的工作温度进行实时监测，并与设定的目标工作温度进行比较，比较结果经pid补偿网络反馈控制tec电压和电流，用以实现激
光器的加热或制冷，从而实现激光器工作温度和输出波长的稳定。选取不同的vt值可以设定不同的目标温度。热平衡时，制冷器控制热敏电阻的阻值，从而使得v1＝vt，比例－微分－积分(pid)电路输出恒定的电压值，使制冷器工作在恒定的电流，从而保持激光器芯片温度的恒定。当热敏电阻探测到激光器温度升高时，阻值下降，v1变小，得到误差信号(vt-v1)，该误差信号经放大后通过pid电路使制冷器两端电压稳定上升，制冷电流增大，从而使温度下降，热敏电阻阻值升高直至v1＝vt，激光器便恢复至原来设定的温度。同理，当温度下降时，控制电路会减小制冷电流以保持激光器工作于设定温度。tec控制拟采用激光器温控常用的adn8834芯片，该芯片驱动电流可达
±
1.5a，转换效率高，1a电流时转换效率可达85％以上，自身热耗较小。
77.本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
78.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
79.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。