計算機頻譜監(jiān)測系統(tǒng)在衛(wèi)星通信的應(yīng)用

　　這篇計算機核心期刊論文發(fā)表了計算機頻譜監(jiān)測系統(tǒng)在衛(wèi)星通信的應(yīng)用，計算機頻譜監(jiān)測系統(tǒng)可以測量和顯示頻域內(nèi)的電平、頻率和功率，實現(xiàn)24小時持續(xù)檢測，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理，可實現(xiàn)24小時不間斷檢測載波，實現(xiàn)故障實時監(jiān)測。

　　關(guān)鍵詞：計算機核心期刊論文,衛(wèi)星通信,計算機,頻譜分析儀

　　萬用表、示波器一般應(yīng)用于低頻和數(shù)字電路中，輔助一些工程測試工作，但是在毫米、微波段會出現(xiàn)受到信號串?dāng)_等情況，所以這兩種儀器無法使用，進而產(chǎn)生了毫米波、微波六大測試儀器，包括：網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號源、噪聲系數(shù)檢測儀、頻譜分析儀、功率計、頻率計。由于頻譜分析儀制作技術(shù)比較復(fù)雜，所以在該市場領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。現(xiàn)代頻譜分析儀逐漸從本振信號發(fā)展到自由震蕩式的頻率合成方式，頻率分辨率逐漸從1kHz減少到1Hz。通過與平坦度技術(shù)相結(jié)合，頻譜分析儀的檢測精確度逐漸提高。

　　1計算機輔助頻譜檢測系統(tǒng)介紹

　　CAMS就是利用計算機來完成頻譜分析儀在射頻(中頻)信號中的信息分析和顯示、采集和處理、儲存和查詢等功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)24小時持續(xù)檢測，這樣能夠及時發(fā)現(xiàn)頻譜干擾、發(fā)射和接收信號出現(xiàn)的異常情況，然后保存這些信息。之后遠程計算機可以利用網(wǎng)絡(luò)等無線登錄計算機檢測系統(tǒng)中，實現(xiàn)查詢和操作。如圖1所示。軟件功能包含：頻譜圖、計算機遠程狀態(tài)再現(xiàn)和告警、異常事件的重現(xiàn)和儲存、打印和查詢模塊、在線幫助模塊、查詢系統(tǒng)模塊。主要實現(xiàn)的功能如下。

　　(1)在信號出現(xiàn)異常時，監(jiān)控系統(tǒng)就會發(fā)出聲光告警，并在主界面上給出提示，同時將出現(xiàn)異常的頻譜圖保存到計算機的硬盤中，系統(tǒng)日志也會將這些異常出現(xiàn)的時間、原因和信號明名稱等記錄下來。

　　(2)取點功能。鼠標(biāo)點擊位置會顯示電平值和頻率，如果信號數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，那么鼠標(biāo)位置處會顯示信號的名稱。

　　(3)利用局域網(wǎng)把系統(tǒng)相關(guān)信息顯示在各個終端計算機中。

　　(4)記錄功能。能夠?qū)崿F(xiàn)定時記錄、記錄各種干擾和異常情況，并查看保存的頻譜圖，實現(xiàn)打印操作和數(shù)據(jù)傳輸、共享等。(5)通過電話線或是網(wǎng)絡(luò)等實現(xiàn)遠程連接，對頻譜儀進行遠程控制。

　　2頻譜分析儀的工作原理分析

　　2.1頻譜分析儀的種類

　　頻譜分析儀有很多種類，根據(jù)處理方法的不同可分為：數(shù)字式頻譜分析儀、模擬式頻譜分析儀、模擬/數(shù)字混合式頻譜分析儀。根據(jù)工作原理進行分類可分為：非掃描式頻譜分析儀、掃頻調(diào)諧式頻譜分析儀等。根據(jù)發(fā)展歷史進行分類可分為：傳統(tǒng)頻譜分析儀、快速傅立葉變換(FFT)頻譜分析儀。目前，使用最多的頻譜分析儀基本都是將外差式掃描技術(shù)結(jié)合FFT數(shù)字信號處理技術(shù)進行使用，前端部分使用外差式結(jié)構(gòu)，中頻部分使用數(shù)字結(jié)構(gòu)，中頻信號是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進行量化，利用微處理器或是專門的數(shù)字邏輯對輸出的信號進行FFT運算，最后將計算出的結(jié)果顯示在CRT上。該頻譜分析儀工作的原理框架如圖2所示。

　　2.2頻譜分析儀相關(guān)算法

　　通常使用博氏理論可以描述信號時域和頻域之間的關(guān)系，該原理包括傅立葉變換和傅立葉級數(shù)。傅立葉級數(shù)在周期信號變換頻域應(yīng)用，周期信號利用傅里葉級數(shù)實現(xiàn)變換，在頻域中處于離散狀態(tài)的譜線;非周期信號是用傅里葉變換，在頻域中呈現(xiàn)的是一條連續(xù)的譜線。頻譜分析儀是通過離散傅立葉變換而獲取頻域檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)。由于利用DFT進行計算比較繁瑣且速度慢，所以不能應(yīng)用在實際中。FFT是DFT算法中一種快速而有效的計算方法，而且它也具有DFT中的奇和偶、虛和實等特征，它是在離散傅里葉變換算法的基礎(chǔ)上改進獲得的，在計算速度上比DFT具有很大的優(yōu)勢，比如可以將DFT計算出的次數(shù)約為N2(N是取樣數(shù))，F(xiàn)FT完成的計算次數(shù)是Nlog2N。所以，在頻譜分析儀中比較常用快速傅立葉變換(FFT)完成計算。對于頻帶有限的信號可以利用采樣的定律，對其進行時域采樣，這樣也不會出現(xiàn)信息丟失情況，F(xiàn)FT變換就是可以對時間有限的信號實施頻域采樣，可防止信息丟失，而且FFT也可以實現(xiàn)連續(xù)信號的頻譜分析。

　　3衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的頻譜分析儀應(yīng)用

　　3.1頻譜分析儀在衛(wèi)星通信中測試的方法

　　目前很多國際通信衛(wèi)星特別是商業(yè)衛(wèi)星都是使用上行/下行頻率是4/6GHz的C波段或是下行/上行頻率是12/14GHz的Ku波段，頻譜分析儀的頻率據(jù)測試在40～50GHz，該頻譜分析儀可以直接測量衛(wèi)星地球站射頻信號，或是測量射頻信號的下變頻。總之頻譜分析儀是開展衛(wèi)星地球站系統(tǒng)工作必須有的測試儀器。衛(wèi)星地球站使用頻譜分析儀進行測試包含兩種方法：首先，就是把頻譜分析儀安放在LNB，然后利用頻譜分析儀檢測LNB接收的信號以及下變頻中的L波段信號，如果是無源的LNB，就需要和供電單元進行連接實現(xiàn)供電;其次，在衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器前安裝頻譜分析儀，然后通過分路器將地球站獲取到的中頻信號分一路進入頻譜分析儀完成測試。這兩種接收路徑就是衛(wèi)星地球站接收信號的方法，就是將頻點不同的信號利用頻譜進行測試，從而得到想要的測試參數(shù)。這兩種方法的測試結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　3.2頻譜分析儀在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用

　　(1)檢測轉(zhuǎn)發(fā)器頻率資源。檢測衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的頻率資源可以更好了解轉(zhuǎn)發(fā)器和租星頻段所占用的資源情況，這些是衛(wèi)通中心完成頻段分配和劃分的基礎(chǔ)。在進行測試時，根據(jù)LNB寬帶來調(diào)整衛(wèi)通接收機(ODU)的信號接收頻率，從而完成頻段的觀測。(2)在地球站進行天線手動對星時使用。關(guān)于衛(wèi)星地球站的自動伺服設(shè)備，通常天線對星是通過接收特定極化方式的衛(wèi)星信標(biāo)，然后比對獲得的信標(biāo)電平值，之后就可以調(diào)整天線的俯視、方位、極化角度，該過程被稱為粗調(diào)衛(wèi)星天線。然后就可以利用頻譜分析儀來觀察對星情況，包括兩個步驟：一是合理調(diào)整衛(wèi)星方位和俯仰，之后在更大范圍內(nèi)觀測頻譜分析儀，直到接收最大的載波;二是調(diào)整地球站接收的頻率和信標(biāo)頻率，稍微調(diào)整天線的方位、俯仰、極化角度，使電平值是最大的，這樣才能完成天線和目標(biāo)衛(wèi)星的對接。(3)測試衛(wèi)星通信設(shè)備性能。頻譜分析儀能夠精確測量非調(diào)制和調(diào)制的各種信號頻率和功率。功率測試包括的內(nèi)容有：峰值功率、平均功率、功率的變換以及完成概率的統(tǒng)計等;頻率的測試內(nèi)容包括：頻帶寬度、中心頻率等。這些測試和最終分析結(jié)果是衛(wèi)星通信設(shè)備性能的直接體現(xiàn)。比如，調(diào)制解調(diào)器信號的分析質(zhì)量，頻譜分析儀要先解調(diào)信號，再合成標(biāo)準(zhǔn)的信號，然后通過比對獲得調(diào)制解調(diào)器相關(guān)的誤差值;測試LNA和LNB的互調(diào)、頻響、頻率等，可以判斷運行設(shè)備的頻偏和性能等。

　　4結(jié)語

　　綜上所述，頻譜儀以前只是一個粗略掃描中頻頻譜的監(jiān)視器，隨著科技的不斷發(fā)展，目前頻譜分析儀是具有很高的分辨率、靈敏度、寬帶、高精度、動態(tài)范圍大的儀器，而且它的功能也在不斷增強，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越深入，主要功能是實現(xiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的信號檢測、頻率管理、設(shè)備性能分析等。

　　參考文獻

　　[1]汪宏武,鄂志東.計算機輔助頻譜監(jiān)測系統(tǒng)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò),2006(4):50-51.

　　[2]劉明波,昌紀(jì)師,汪中,等.衛(wèi)星通信信號頻譜自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].國外電子測量技術(shù),2012,31(8):31-34.

　　[3]孫瑜,宋志強.頻譜儀在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].艦船電子工程,2012,32(10):60-61.

　　[4]宋志強.頻譜儀在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用探討[J].信息通信,2012(5):180-181.

　　作者：韓中良 單位：中國電子科技集團公司第五十四研究所

　　推薦閱讀：《微電子學(xué)與計算機》 是北大圖書館評選的核心刊物，是我國微電子技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合的唯一專業(yè)性國家中文核心期刊，同時也是中國計算機學(xué)會會刊(2010年12期止)。