计算机频谱监测系统在卫星通信的应用

　　这篇计算机核心期刊论文发表了计算机频谱监测系统在卫星通信的应用，计算机频谱监测系统可以测量和显示频域内的电平、频率和功率，实现24小时持续检测，实现数据的采集和处理，可实现24小时不间断检测载波，实现故障实时监测。

　　关键词：计算机核心期刊论文,卫星通信,计算机,频谱分析仪

　　万用表、示波器一般应用于低频和数字电路中，辅助一些工程测试工作，但是在毫米、微波段会出现受到信号串扰等情况，所以这两种仪器无法使用，进而产生了毫米波、微波六大测试仪器，包括：网络分析仪、信号源、噪声系数检测仪、频谱分析仪、功率计、频率计。由于频谱分析仪制作技术比较复杂，所以在该市场领域占据主导地位。现代频谱分析仪逐渐从本振信号发展到自由震荡式的频率合成方式，频率分辨率逐渐从1kHz减少到1Hz。通过与平坦度技术相结合，频谱分析仪的检测精确度逐渐提高。

　　1计算机辅助频谱检测系统介绍

　　CAMS就是利用计算机来完成频谱分析仪在射频(中频)信号中的信息分析和显示、采集和处理、储存和查询等功能，并能够实现24小时持续检测，这样能够及时发现频谱干扰、发射和接收信号出现的异常情况，然后保存这些信息。之后远程计算机可以利用网络等无线登录计算机检测系统中，实现查询和操作。如图1所示。软件功能包含：频谱图、计算机远程状态再现和告警、异常事件的重现和储存、打印和查询模块、在线帮助模块、查询系统模块。主要实现的功能如下。

　　(1)在信号出现异常时，监控系统就会发出声光告警，并在主界面上给出提示，同时将出现异常的频谱图保存到计算机的硬盘中，系统日志也会将这些异常出现的时间、原因和信号明名称等记录下来。

　　(2)取点功能。鼠标点击位置会显示电平值和频率，如果信号数据保存在数据库中，那么鼠标位置处会显示信号的名称。

　　(3)利用局域网把系统相关信息显示在各个终端计算机中。

　　(4)记录功能。能够实现定时记录、记录各种干扰和异常情况，并查看保存的频谱图，实现打印操作和数据传输、共享等。(5)通过电话线或是网络等实现远程连接，对频谱仪进行远程控制。

　　2频谱分析仪的工作原理分析

　　2.1频谱分析仪的种类

　　频谱分析仪有很多种类，根据处理方法的不同可分为：数字式频谱分析仪、模拟式频谱分析仪、模拟/数字混合式频谱分析仪。根据工作原理进行分类可分为：非扫描式频谱分析仪、扫频调谐式频谱分析仪等。根据发展历史进行分类可分为：传统频谱分析仪、快速傅立叶变换(FFT)频谱分析仪。目前，使用最多的频谱分析仪基本都是将外差式扫描技术结合FFT数字信号处理技术进行使用，前端部分使用外差式结构，中频部分使用数字结构，中频信号是由模数转换器(ADC)进行量化，利用微处理器或是专门的数字逻辑对输出的信号进行FFT运算，最后将计算出的结果显示在CRT上。该频谱分析仪工作的原理框架如图2所示。

　　2.2频谱分析仪相关算法

　　通常使用博氏理论可以描述信号时域和频域之间的关系，该原理包括傅立叶变换和傅立叶级数。傅立叶级数在周期信号变换频域应用，周期信号利用傅里叶级数实现变换，在频域中处于离散状态的谱线;非周期信号是用傅里叶变换，在频域中呈现的是一条连续的谱线。频谱分析仪是通过离散傅立叶变换而获取频域检测的相关数据。由于利用DFT进行计算比较繁琐且速度慢，所以不能应用在实际中。FFT是DFT算法中一种快速而有效的计算方法，而且它也具有DFT中的奇和偶、虚和实等特征，它是在离散傅里叶变换算法的基础上改进获得的，在计算速度上比DFT具有很大的优势，比如可以将DFT计算出的次数约为N2(N是取样数)，FFT完成的计算次数是Nlog2N。所以，在频谱分析仪中比较常用快速傅立叶变换(FFT)完成计算。对于频带有限的信号可以利用采样的定律，对其进行时域采样，这样也不会出现信息丢失情况，FFT变换就是可以对时间有限的信号实施频域采样，可防止信息丢失，而且FFT也可以实现连续信号的频谱分析。

　　3卫星通信系统中的频谱分析仪应用

　　3.1频谱分析仪在卫星通信中测试的方法

　　目前很多国际通信卫星特别是商业卫星都是使用上行/下行频率是4/6GHz的C波段或是下行/上行频率是12/14GHz的Ku波段，频谱分析仪的频率据测试在40～50GHz，该频谱分析仪可以直接测量卫星地球站射频信号，或是测量射频信号的下变频。总之频谱分析仪是开展卫星地球站系统工作必须有的测试仪器。卫星地球站使用频谱分析仪进行测试包含两种方法：首先，就是把频谱分析仪安放在LNB，然后利用频谱分析仪检测LNB接收的信号以及下变频中的L波段信号，如果是无源的LNB，就需要和供电单元进行连接实现供电;其次，在卫星调制解调器前安装频谱分析仪，然后通过分路器将地球站获取到的中频信号分一路进入频谱分析仪完成测试。这两种接收路径就是卫星地球站接收信号的方法，就是将频点不同的信号利用频谱进行测试，从而得到想要的测试参数。这两种方法的测试结构如图4所示。

　　3.2频谱分析仪在卫星通信中的应用

　　(1)检测转发器频率资源。检测卫星转发器的频率资源可以更好了解转发器和租星频段所占用的资源情况，这些是卫通中心完成频段分配和划分的基础。在进行测试时，根据LNB宽带来调整卫通接收机(ODU)的信号接收频率，从而完成频段的观测。(2)在地球站进行天线手动对星时使用。关于卫星地球站的自动伺服设备，通常天线对星是通过接收特定极化方式的卫星信标，然后比对获得的信标电平值，之后就可以调整天线的俯视、方位、极化角度，该过程被称为粗调卫星天线。然后就可以利用频谱分析仪来观察对星情况，包括两个步骤：一是合理调整卫星方位和俯仰，之后在更大范围内观测频谱分析仪，直到接收最大的载波;二是调整地球站接收的频率和信标频率，稍微调整天线的方位、俯仰、极化角度，使电平值是最大的，这样才能完成天线和目标卫星的对接。(3)测试卫星通信设备性能。频谱分析仪能够精确测量非调制和调制的各种信号频率和功率。功率测试包括的内容有：峰值功率、平均功率、功率的变换以及完成概率的统计等;频率的测试内容包括：频带宽度、中心频率等。这些测试和最终分析结果是卫星通信设备性能的直接体现。比如，调制解调器信号的分析质量，频谱分析仪要先解调信号，再合成标准的信号，然后通过比对获得调制解调器相关的误差值;测试LNA和LNB的互调、频响、频率等，可以判断运行设备的频偏和性能等。

　　4结语

　　综上所述，频谱仪以前只是一个粗略扫描中频频谱的监视器，随着科技的不断发展，目前频谱分析仪是具有很高的分辨率、灵敏度、宽带、高精度、动态范围大的仪器，而且它的功能也在不断增强，在卫星通信系统中的应用越来越深入，主要功能是实现卫星通信系统中的信号检测、频率管理、设备性能分析等。

　　参考文献

　　[1]汪宏武,鄂志东.计算机辅助频谱监测系统在卫星通信系统中的应用[J].卫星与网络,2006(4):50-51.

　　[2]刘明波,昌纪师,汪中,等.卫星通信信号频谱自动化监测系统设计与实现[J].国外电子测量技术,2012,31(8):31-34.

　　[3]孙瑜,宋志强.频谱仪在卫星通信系统中的应用研究[J].舰船电子工程,2012,32(10):60-61.

　　[4]宋志强.频谱仪在卫星通信系统中的应用探讨[J].信息通信,2012(5):180-181.

　　作者：韩中良 单位：中国电子科技集团公司第五十四研究所

　　推荐阅读：《微电子学与计算机》 是北大图书馆评选的核心刊物，是我国微电子技术与计算机技术相结合的唯一专业性国家中文核心期刊，同时也是中国计算机学会会刊(2010年12期止)。