一种数字频谱系统的设计与实现

王芳

摘 要：通过分析数字频谱分析仪的工作原理，设计并开发实现了一套数字频谱系统，可以实现对监测频谱的实时显示，量化指标，具备监测频谱的回放功能。通过对数字频谱仪的实际使用效果分析，对该系统的优缺点进行了论述，并对系统的优化及深度开发提出了建议，使该系统在卫星传输发射领域具备广阔的应用前景。

关键词：数字频谱；显示；回放；卫星传输

0 引言

随着我国卫星广播传输发射事业的飞速发展，频谱监测在卫星传输发射领域发挥着及其重要的作用。准确灵敏的频谱监测可以对在整个卫星传输通路中出现的异态及时展现，特别是遇到非法恶意干扰时，可以及时提供正确的频谱判断信息，为确保卫星传输发射的质量提供有力保障。

传统的频谱监测通常采用连接频谱分析仪进行。使用频谱分析仪可以进行载波频谱的监测，但也存在很大的弊端。首先价格昂贵，使用成本高；其次一台频谱分析仪只能监测一个射频信号，对于多载波上行的卫星地球站或需要进行多业务监测的单位存在监测盲点，播出异态稍纵即逝，很难达到实时监测的目的；而频谱分析仪具有实时监测功能，但无法对历史频谱数据进行查询，对实时频谱缺乏快速提取和数据处理能力等，严重影响了频谱监测应有的监测功能。

为了更好地发挥数字频谱的监测作用，结合实际应用，设计开发出了数字频谱系统，可实现在普通服务器或电脑上实时显示发射载波或数字频谱监测功能。

1 系统组成及原理

1.1 数字频谱仪的原理

频谱是一组正弦波，经适当组合后，形成被考察的时域信号。时域中的任何电信号都可以由一个或多个具有适当频率、幅度和相位的正弦波叠加而成。也就是说，任何时域信号都可以变换成相应的频域信号，通过频域测量可以得到信号在某个特定频率上的能量值。通过适当的滤波，我们能将波形分解成若干个独立的正弦波或频谱分量，然后就可以对它们进行单独分析。因此，我们可以把频谱分析仪理解为一种频率选择、峰值检测的电压表，它经过校准之后显示正弦波的有效值。

如图1所示，频谱分析仪的工作原理是，输入信号先经过一个衰减器，再经低通滤波器（稍后会看到为何在此处放置滤波器）到达混频器，然后与来自本振的信号相混频。由于混频器是非线性器件，其输出除了包含两个原始信号之外，还包含它们的谐波以及原始信号与其谐波的和信号与差信号。若任何一个混频信号落在中频滤波器的通带内，它都会被进一步处理（被放大或按对数压缩）。重要的处理过程可以理解为包络检波、数字化以及显示。

1.2 系统组成及工作原理

系统的硬件部分主要由信号采集装置及服务器组成，两者之间通过网络连接，进行数据交换与通信。信号或载波的采集装置，我们称之为频谱卡。其射频信号输入端口（也可以选择ASI接收端口），可以进行DVB-C解调、解扰功能，网络管理模块、网络交换模块，可以将接收到的信号转换为TCP协议的IP信号发送出去。

服务器的配置要求不高，普通的服务器或PC机就可以满足使用需求。通过组网，可以对频谱卡进行相关参数设置，使其锁定所要监测的载波信号。在网络中，利用开发的软件程序可以将频谱卡中识别的载波信息实时显示出来，以完成监测功能。

系统的软件由显示程序和数据库组成。显示程序为可执行文件，可以直接运行，从频谱卡获取数据将频谱实时显示；数据库采用MySQL数据库，主要作用是进行系统参数设置和频谱数据存储及历史数据调取的数据索引。

与频谱分析仪的显示窗口类似，系统显示界面的横坐标为频率，纵坐标为绝对电平值。显示的处理流程：从频谱卡读取的数据点数为501个浮点数，每个点的值代表频谱数据的绝对电平值（即该点的纵坐标值），该点的横坐标的计算公式为起始频率+第几个点×（频谱窗口的宽度/点数），如频点的起始频率为1070MHz，测量带宽为60MHz，那么第30个点的横坐标值为1070.00+30×（60.00/501）。计算出每个点的横纵坐标后，可以显示出每个点在频谱窗口中的位置，然后将这些点连接成曲线即为测试载波的实时频谱。

1.3 系统设置

系统设置主要用于设置频谱显示软件的显示界面，主要包括设置频谱窗口纵坐标的起始值和范围、坐标的行数和列数、字体的大小和显示窗口内各个部分的颜色，用于调整频谱曲线的显示位置和高度，可以根据需要及使用习惯在频谱窗口的相应菜单内进行调整，如图2所示。

系统设置支持多个显示窗口分别设置，当设置完毕点击确定后，软件将设置的信息同步更新到设置的窗口，并存入数据库的graphinfo表内，当下次重启软件时，软件会从该表内读取相应的设置，以此做到设置的保存与更新。

画面模板设置，主要用于选择软件要显示的频谱窗口的个数，支持多种画面模板显示，可根据需要显示的频点个数选择合适的模板，同时支持在不需要显示频谱曲线的频谱窗口内显示模拟时钟和数字时钟。选择画面模板后，软件将选择的画面模板存储到数据库的systemconf表内，表内存储了模板ID。软件从数据库表内获取到模板ID后，从template表内查詢出该ID对应的画面个数以及每个窗口的位置，用于显示频谱窗口。

2 系统实现的功能

2.1 实时频谱数据显示功能

实时频谱数据显示功能主要用于从频谱卡读取数据实时绘制频谱图，并将读取的数据存入数据库。可以同时支持多块频谱卡的数据读取，分别独立地读取数据、显示数据和存入数据库。从频谱卡获取的频谱数据存入到MySQL数据库的spectrum表内，该表用存储过程建立了分区，并对频谱数据建立了索引。存储时间会在每个月的月初调用存储过程脚本建立新的分区，并将超过时间的分区删除，可以保留3个月的数据。建立分区和索引可以提升数据库的访问速率，在历史数据查询时能够迅速从数据库获取查询结果。

将相关参数设置给频谱卡后，软件启动时从配置文件获取到频谱卡的信息，并读取数据库的frequency表从而获取要测量信号的频点信息，包括中心频率、带宽、极化方式等。实时频谱显示功能的流程如图3所示。

2.2 频谱数据回放功能

系统支持频谱数据回放功能，在显示界面点击频谱回放，想查看哪个频谱数据，右键单击弹出频谱数据回放的参数，选择频谱的起始与停止时间就会将历史频谱数据显示出来。

频谱数据回放是显示历史的频谱数据，在显示实时频谱数据时，软件将所有从频谱卡读取的数据都存储到了数据库表内，因此，频谱数据回放时只需要将频谱数据从数据库表内读取出来，然后显示频谱曲线即可。频谱曲线的显示方法和实时频谱相同。频谱数据回放的软件流程如图4所示。

此外，该系统还支持频谱数据的导出及回放功能，在回放参数界面可以选择导出数据，按照相应选项进行参数选择，可以导出频谱数据的csv文件。将csv文件进行拷貝，在别的终端安装一个频谱显示软件即可显示历史频谱数据，方便对监测数据进行分析比较，而且实时监测系统不会受到影响。

2.3 系统的特点

数字频谱系统在实际运行中得到了很好的验证，显示程序占用内存小，人机界面灵活实用，网络资源占用亦很小，同时监测两个载波信号，其网络占用率不足1%，具有很大的扩容余量，系统支持最大600 MHz带宽的频谱显示，可以实现目前卫星通信单个极化的全带宽监测，也就是说，使用两块频谱卡就能实现整个通信卫星的频谱监测。

频谱卡的机箱可同时安装4块频谱卡，若需要监测的卫星载波数量增多，扩容频谱卡机箱就可实现，系统无须调整，只须设置监测的参数就可实现相应频谱的监测，比频谱分析仪要更为灵活。同时，系统同样支持频谱分析仪的实时监测频谱的数字显示，只要将频谱分析仪接入系统网络内即可，兼容性高。

根据实际运行效果来看，该系统功能还可以从以下方面逐步完善。

（1）增加对异态频谱的监测告警功能。频谱监测为实时监测，一些非法或恶意干扰往往转瞬即逝，在对频谱信号监测的同时对整个载波信道层面进行监测，信道的功率发生明显变化时，能够进行报警提示，并自动将记录异态频谱的数据进行导出，第一时间捕捉异态信息，最大程度上发挥频谱监测的作用。

（2）对显示程序进行再开发，使其能够捕捉异态载波信号的频谱（即通常说的频谱分离技术），这样可以直观地发现异态信号的实时信息，第一时间判断是否为干扰信号，分析得出干扰的厉害程度，这对于有卫星通信上星任务的播出单位来说，为安全播出提供强有力的保障。

（3）深度开发频谱计算功能。考虑到服务器的性能因素，在频谱显示的基础上，模拟频谱分析仪的测试功能，将频谱分析仪的操作界面数字化于电脑终端上。也就是增加各种测试计算功能，在监测频谱上直接实现测试载波的相应指标测试功能，可以起到替代频谱分析仪的作用。当然，目前的频谱卡主要支持下行信号的接收，想要完全替代频谱分析仪，需要频谱卡在接收频率上能够进行升级，支持更高的频率，那么实现完全替代频谱分析仪就成为可能。

3 结论

本文介绍的数字频谱系统，可以实现对监测信号的实时显示及频谱数据回放功能，在很大程度上解决了频谱分析仪监测的瓶颈，在卫星广播传输发射中应用灵活，极大地满足了频谱监测需求；通过在实际应用中的不断完善与改良，具有广阔的应用与开发前景。

参考文献

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（作者单位：国家新闻出版广电总局广播电视规划院）