卫星频谱监控系统研究＊

（海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）

1 引言

随着卫星通信信道容量需求的增加，卫星转发器的数量越来越多，转发器监控管理的任务也越来越重。卫星通信可靠性依赖于稳定畅通的传输信道，在实际中常常会出现各种意外情况［1～3］。如工作人员操作不当上行功率过大或受到外来干扰，可能将卫星转发器的功放推向饱和，产生严重的非线性，信噪比急剧恶化，将影响用户的正常传输。长期工作在饱和状态的转发器本身将受到损坏，影响到其工作寿命，造成极大的危害和经济损失。所以现实生活当中需要一个保障卫星通信高稳定性、高可靠性的卫星频谱资源监控系统，能对卫星转发器的各项性能指标进行一个长期的监控，及时发现转发其运行过程中出现的问题，避免通信中断和对转发器的损坏。

2 频谱监控系统所应具备的主要功能

2.1 频谱监视

能对在用的卫星频谱资源进行监视。可通过调整中心频率、扫宽、分辨率带宽、视频带宽等参数的设置，进行整个转发器或部分频带的监视。

2.2 频谱数据管理

可以将转发器状态数据写入数据库，在数据出现异常时生成告警日志，将数据标识为异常。数据库中告警信息和应急处理方案查询可供汇总查询，对所需监控数据进行打印。

2.3 频谱分析

对卫星转发器性能指标进行分析，如本底噪声、信号功率、边带功率、载噪比、饱和通量密度、全向辐射功率等；

对主要卫星通信系统的地球站发射的载波进行频谱分析，得到它的调制方式、编码方式、载噪波、带宽、信噪比、Eb／N0等参数值［4～5］。

2.4 雨衰因子测试

降雨引起的大气衰减会使转发器的全向辐射功率EIRP直接受到影响，当EIRP的测量值超出其额定限度时，系统会对信标信号进行测量，计算并存储大气衰减，当信标电平低于预定值时，系统会发出雨衰告警，并录入数据库［6］。

2.5 干扰定位

当卫星链路受到外来干扰时，对干扰信号进行特殊参数分析，对干扰源进行快速定位，并提出抗干扰的相应解决方案［7］。

3 相关参数计算

建立卫星信号监控系统之前首先要建立用户在正常传输情况下的基础数据库。在进行实时监控时，将测量的数据与基础数据库进行比对，及时发现出传输过程中出现的各种问题。

3.1 扫频宽带、分辨带宽及扫描时间的设置问题

在对测量参数设置过程中，扫频带宽、分辨带宽及扫描时间的组合非常重要。在测量同一信号的幅度时，当使用不同的组合时常常会有不同的测量结果。当参数设置不合理时，可能会使测量结果比实际信号要小。只有当扫频宽度分辨带宽和扫面时间配置合理时才能对信号进行精确的测量［8］。

测量的最佳配置按以下公式计算：

式中，RBW为分辨带宽、SPAN为扫频宽度、Ts为扫描时间。

3.2 主要性能指标的参数指标

1）下行信号载噪比C／ND

当接收信号时，载噪比必须要大于某一数值，如果小于这一数值误码率就会很高，当载躁比小于一定成程度时，信号就不能被锁定，该参数是界定在通信过程中是否收到干扰的重要指标［9］。

其计算公式为

式中，EⅠRPS载波的下行全向辐射功率，和转发器的LD为下行传输损耗，BWN为载波的噪声带宽。单位为dB。

2）误码率pb

当受到干扰时，误码率肯定会发生相应的变化，我们可以根据误码率来监测系统受到干扰的程度。卫星通信当中通常采用数字调制方式是BPSK 和QPSK。就BPSK 和QPSK 调制器而言，误码率pb可以表示为

式中，Eb／N0是每比特能量对噪声密度的比值。

3）品质因数G／T

G／T被称为接收系统品质因数，其关系着转发器接收性能的好坏。G／T是接收天线增益G与接收系统噪声温度T之比值，单位为dB／k，

其计算公式为

式中，GR为卫星天线的接收增益，TS为卫星接收系统的噪声温度。

饱和通量密度SPFD 表示当卫星转发器达到饱和工作点时，上行载波在接收天线口面所达到的通量密度，单位为dBW／m2

SPFD 反映了卫星转发器对上行功率的需求量，它的计算公式为

式中的constant为反映转发器增益的计算常数，其数值多在-100 与-90 之间。constant越小，转发器的增益就越高；attn为转发器的增益调整量，它可被地面遥控改变，用于调整SPFD 的灵敏度。

5）全向辐射功率EⅠRP

EⅠRP定义为卫星转发器在指定方向上的辐射功率，单位为dBW。它为天线增益与功放输出功率之对数和，其计算公式为

式中，P为功率放大器的输出功率，Loss为功放输出端与天线馈源之间的馈线损耗，GT为卫星天线的发送增益。

G／T和SFD 反映了卫星接收系统的功能，这两个参数和卫星接收天线的增益线性相关。EIRP 与卫星发送天线的增益线性相关，反映转发器的下行功率。

基于以上四点分析可知，企业外宣翻译活动拥有与传播过程相似的要素、类似的过程、共同的任务，且作为对外宣传活动，带有明确的传播目的，因而它具备与传播相同的本质。

4 关键技术

4.1 软件体系结构

图1 软件体系结构图

软件主体由三部分组成：第一部分为用户界面部分，提供用户与系统友好访问。第二部分为应用逻辑部分，主要负责业务逻辑的实现。第三部分为数据库，用于对监测数据的存储、访问及优化，数据库采用分布式数据库，用SQL语言操纵。该软件可以在一台PC 机上实现，采用Windows2000或者XP操作系统，在C＃的环境下对频谱监测设备进行调用，完成计算机对频谱仪与频谱监测处理板的控制。

4.2 监测的关键算法

在频谱监测过程中最常用的有两种算法，分别为宽带自适应扫描法和逐层遍历算法［10］。

4.2.1 宽带自适应扫描法

宽带自适应扫频算法可以准确的获取信号频谱特征，同时也可以使扫频时间尽可能的短。该算法通过对信号频谱使用一个较大分辨率带宽进行粗扫，获取信号的总体形状特征，根据其形状特征将整个需要扫描的频带分成几个相对独立的部分。然后再分析每一个部分的特征，采用适当的分辨率与视频带宽对其进行细扫，再将当前部分为更小的部分，依次类推，最后对每一个信号进行识别，根据其特征分析其是否被干扰。

4.2.2 逐层遍历算法

根据宽带自适应扫描算法需要对信号进行划分，先粗分几个部分，然后再对每一个粗分的部分再进行细分，直到得出每一个单路信号。根据这一特点可以得出一个树的关系。如图2，逐层的遍历算法是从树的根节点到子节点的顺序访问树中的元素。在同一层中，从左到右进行访问，直到遍历玩每一个子节点。

图2 逐层遍历算法示意图

5 频谱监控系统的设计

5.1 频谱监控系统的硬件设计

图3 监控系统硬件设计图

系统通过若干Ku天线对载波信号进行接收，然后经过低噪声放大器放大、下变频器进行变频后，经中频交换矩阵将载波信号分流到频谱监测处理板、频谱分析仪和卫星信号监视识别系统，频谱监测处理板通过处理机计算机的读取进行卫星转发器频谱资源监视。卫星监视识别设备对调制方式、编码方式进行识别，并对载波频率、带宽、载噪比等参数进行测量，通过实时数据与基础数据库的数据比对判断是否异常，进行异常报警。频谱分析仪可以将卫星资源更直观的显示出来。最后将运行状态综合显示在监控大屏幕上。如图3所示。

5.2 频谱监控系统的软件设计

软件主要采用模块化的设计思想，利用C＃将程序划分为若干个模块，主要包括用户管理模块、任务管理模块、数据监测模块和数据处理模块。其具体功能框架图如图4所示。

图4 监控系统控制软件设计框架图

图5 频谱监控系统软件工作流程图

1）用户管理模块

用户管理模块主要是用于建立用户资料，并通过相应的用户建立一个访问权限，通过其相应的权限密码才能对监控系统进行登录。

2）任务管理模块

任务管理模块主要用于对所需要监测的任务进行设定，比如输入对卫星的经纬度对卫星进行定位，设置对卫星链路扫描的频率和参数。

3）天线模块

天线模块用于在对卫星频谱监测前的天线对星，通过输入卫星的方位信息计算出卫星的仰角和方位角，对天线的校零和对天线的状态进行反馈，可以进行手动对星和自动对星的切换。

4）数据监测模块

数据监测模块是整个系统的核心，数据监测模块通过对数据的预处理之后将卫星频谱显示出来，进行参数监测，通过对参数的盲分析进行调制识别和编码识别，最后将监测到的实时数据传输给数据处理模块。

5）数据处理模块

数据处理模块将检测到的信息与数据库里的正常模板信息进行比对，并将检测到的频谱信息和链路参数进行记录，并对相应的环境信息记录，当监测到的卫星链路数据出现异常时，数据处理模块会发出信息报警，并将异常信息进行记录并打印。图5为软件工作的流程图。

6 结语

该文设计了一种地对卫星频谱进行监控系统，该系统的设计可以有效地对现实生活中的卫星通信链路进行保障，提高卫星通信链路的可靠性和稳定性。使用户能够及时发现通信中出现的问题，得到正常的通信传输。及时了解转发器的实时状态，可以防止对转发器的使用的寿命损害。

［1］王建忠，汪赛进，杨晨，等.卫星频谱自动监测系统的设计与实现［J］.电子测量与仪器学报，2008：96-100.

［2］Valeri K，Rafael B.Performance Analysis of The Enhanced PN Spread Spectrum System in The Presence of jamming by Modulated Retransmitted Signal［J］.IEEE T Transactions on communications，1998：809-811.

［3］王激扬.卫星自动监测系统介绍［J］.电信工程技术与标准化，1998（12）：13-17.

［4］莫晓俊，冯莉，陈彪.卫星电视广播频谱智能监测方案设计与系统实现［J］.无线技术，2011（9）：61-63.

［5］郝才勇，蔡鸿昀.卫星监测系统中链路的设计及使用效能评估分析［J］.监测检测2011（6）：65-67.

［6］王成元，徐慨.卫星链路降雨衰减的测量及频率换算［J］.无线通信技术，2010（2）：37-40.

［7］戴雪扬，徐辉.卫星干扰监测技术的研究［J］.计算机测量与控制，2005（12）：1305-1332.

［8］秦顺友，许德森.卫星通信地面站天线工程测量技术［M］.北京：人民邮电出版社，2006：26-27.

［9］卫星转发器的主要参数计算［J］.中国无线电，2005（5）：52-55.

［10］李勇，张艳娥，孙谦.一种卫星频谱监测系统的设计方案及实现［J］.空间电子技术，2008（3）：77-96.