頻譜儀在衛星通信系統中的應用研究＊

孫 瑜 宋志強

（92941部隊96分隊 葫蘆島 125001）

1 引言

在低頻和數字電路中，萬用表和示波器能滿足大多數工程測試要求，而在微波、毫米波頻段由于存在阻抗匹配、信號串擾等問題，這兩種儀器無法使用，取而代之的是微波、毫米波六大測試儀器，即信號源、網絡分析儀、噪聲系數測試儀、功率計、頻率計和頻譜分析儀，其中以頻譜分析儀復雜程度最高，技術難度最大，在微波儀器的市場上占主導地位。

早期人們在開發微波產品時，由于時域取樣技術的限制，缺少性能指標能滿足實際要求的寬帶取樣示波器產品，因此人們開始開發和使用技術難度相對較小的頻域測試儀器，從而研發了頻譜分析儀，久而久之，在微波、毫米波頻段人們更習慣于用頻域的概念來思考問題，用頻域的技術參數來定義產品的性能指標。現代頻譜分析儀的本振信號源已從自由震蕩式發展到頻率合成式，頻率分辨率也從1kHz減少到1Hz。又由于采用了平坦度補償技術，頻譜分析儀的幅度測試準確度也在不斷地提高。因此在觀察信號頻譜特性的同時，還可以測量信號各頻譜分量的幅度和中心頻率，其測試精度也能滿足一般工程項目的測試要求，在要求不高的情況下，部分地替代了頻率計和功率計職能。

在信號處理的許多應用中，常常需要進行頻譜分析，以便對信號基本參數進行估計。頻譜分析儀已廣泛地應用于微波通信、衛星通信和雷達領域，使用它對頻段進行監控，比如：對衛星信標進行搜索，在雷達系統中獲取目標速度信息，在聲納系統中分析帶噪信息，在語音處理系統中分析聲譜等。

2 頻譜分析儀原理研究

2.1 頻譜分析儀的種類

頻譜分析儀有多種分類方法，按照分析處理方法的不同，可分為模擬式頻譜分析儀、數字式頻譜分析儀和模擬／數字混合式頻譜分析儀；按照基本工作原理，可分為掃頻調諧式（掃描式）頻譜分析儀和非掃描式頻譜分析儀；按照發展歷史，可分為傳統頻譜分析儀和基于快速傅立葉變換（FFT）的現代頻譜分析儀等。

目前，頻譜分析儀產品多是將外差式掃描頻譜分析技術與FFT數字信號處理技術相結合起來，前端采用傳統的外差式結構，中頻處理部分采用數字結構，中頻信號由模數轉換器（ADC，Analog-to-Digital Converter）量化，輸出的數字信號由通用微處理器或專用數字邏輯實現FFT運算，最后分析結果在CRT上顯示出來。這種頻譜分析儀的原理框圖如圖1所示。

圖1 基于掃頻外差和FFT原理的模擬／數字混合式頻譜分析儀原理框圖

2.2 頻譜分析儀算法研究

描述信號時域和頻域間相互關系的理論通常稱為傅氏理論，它包括傅立葉級數和傅立葉變換。傅立葉級數應用于周期信號的頻域變換，周期信號通過傅立葉級數變換，在頻域中表現為離散的譜線；非周期信號通過傅立葉變換，在頻域中表現為一條連續的譜線。頻譜分析儀就是利用離散傅立葉變換來得到頻域測量參數的。

通過對信號進行傅立葉變換，我們知道信號可以分解為許多不同頻率、幅度和相位的正弦波。以一個周期函數f（t）作為輸入信號函數舉例說明：

如以f（t）為輸入信號函數，由式（1）可知，信號被分解為不同的頻率nΩ，不同的幅度An，不同的相位φn。我們把頻率作為水平軸進行研究，這種以頻率為水平軸分析信號的方法稱為信號的頻域（Frequency Domain）分析或頻譜分析。無論是確定的還是隨機的信號，對其進行譜分析或譜估計的核心工具都是離散傅立葉變換（Discrete Fourier Transform），數字頻譜分析的基本實現方法就是有效地進行傅立葉變換。通過信號的頻譜分析能夠獲得頻域中特有的參數，例如，諧波分量、寄生、交調、噪聲邊帶等。

圖2 時域和頻域關系圖

圖2描述了時域和頻域的關系，簡單的說頻譜分析儀就是把頻域波形表現出來，并且量化的測試儀器。從圖2可以看出如果用頻譜分析儀來測量，顯示的是不同頻率和不同幅度的分立譜線，可以很明顯的獲得信號電平，頻譜純度、信號失真等各種參數。

由于離散傅立葉變換（DFT）的計算繁瑣、速度太慢，所以無法應用于實際。快速傅立葉變換（FFT）是離散傅立葉變換的一種迅速而有效的算法，它是根據離散傅立葉變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的，在運算速度上較離散傅立葉變換有明顯的優勢，比如：實施離散傅立葉變換所需計算次數約為N2（N為取樣數），而與之相對應的FFT所需的計算次數為Nlog2N。因此，在頻譜分析儀中普遍采用快速傅立葉變換（FFT）算法。

根據采樣定律，一個頻帶有限的信號，可以對它進行時域采樣而不丟失任何信息，FFT變換則說明對于時間有限的信號，也可以對其進行頻域采樣，而不丟失任何信息。所以只要時間序列足夠長，采樣足夠密，頻域采樣也就能較好地反映信號的頻譜特性，因此FFT可以用來進行連續信號的頻譜分析。

3 頻譜分析儀在衛星通信中的應用

3.1 頻譜分析儀在衛星通信中的測試方法

目前，大部分國際通信衛星尤其是商業衛星使用C波段（下行／上行頻率為4／6GHz）或Ku波段（下行／上行頻率為12／14GHz），頻譜分析儀公司產品的頻率測試范圍可達40～50GHz，可以利用頻譜分析儀對衛星地球站射頻信號直接測量或者對射頻信號下變頻后進行測量分析。可以說頻譜分析儀是衛星地球站不可缺少的測試儀器。

衛星地球站利用頻譜分析儀測試，總的來說有兩種方法：一種是，將頻譜分析儀置于LNB后，將LNB接收并且下變頻產生的L波段信號送入頻譜分析儀進行測試，如果LNB是無源的，還需要連接供電單元給LNB供電；另一種是，將頻譜分析儀置于衛星調制解調器前，并將地球站接收到的中頻信號通過分路器，分一路送入頻譜分析儀進行測試。上述兩種方法是在衛星地球站接收鏈路側，對不同頻點的信號進行頻譜分析，以得到相關測試參數。兩種方法的測試框圖如圖3。

圖3 衛星地球站頻譜分析儀測試框圖

3.2 頻譜分析儀在衛星通信中的應用

3.2.1 轉發器頻率資源檢測

對衛星轉發器頻率資源進行檢測，掌握轉發器或租星頻段內的資源占用情況，是衛通中心站對頻段進行劃分、分配的前提。測試時，根據LNB的帶寬，通過調整衛通ODU（接收機）的接收頻率，實現對頻段的觀測。

3.2.2 地球站天線手動對星過程中的使用

對于有自動伺服設備的衛星地球站，通常天線對星是通過接收特定極化方式的衛星信標，對接收到的信標電平值進行比對，實現調整天線的方位、俯仰甚至極化角度，這樣的對星過程可以稱為衛星天線的粗調，一般能滿足地球站對星要求。通過頻譜分析儀對接收信標的測試，可以實現衛星地球站天線的微調，以達到最佳的通信效果。對于某些衛星，它的信標電平值不高，或信標電平值不穩定，要使地球站天線對準這樣的衛星，采用伺服設備自動對星的方法往往行不通。這時就需要通過頻譜分析儀的觀測，來實現對星。這樣的對星過程可以分為兩步：第一步，調整衛星天線的方位、俯仰，并且在一個大的頻率范圍內觀測頻譜分析儀，直至頻譜分析儀顯示接收到的載波值最大（這些載波是別的地球站發射到目標衛星轉發器上的）；第二步，調整地球站接收頻率至信標頻率值，小范圍調整天線的方位、俯仰并且調整天線極化角度，使相應極化方式的信標電平值達到最大，此時天線完全對準目標衛星。

3.2.3 測試衛星通信系統設備性能

頻譜分析儀可以準確測量各種調制和非調制信號的功率和頻率，功率測試內容包括平均功率、峰值功率以及對功率變換并進行的概率統計等，頻率測試包括中心頻率、頻帶寬度測試等。這些測試及分析結果體現了相應衛星通信系統設備的性能。比如，分析調制解調器調制信號的質量，頻譜分析儀先對信號進行解調，再合成標準信號，通過對比得到調制解調器的誤差結果；對LNA、LNB的頻率、頻響、互調等進行測試，判斷相應設備的頻偏及其他性能好壞。

4 結語

頻譜儀從一個粗略掃描中頻的頻譜監視器，發展至今成為寬帶、高分辨率、高靈敏度、高精度、大動態范圍的頻譜分析儀，功能越來越強，在衛星通信地球站的應用也越來越深入，在地球站的頻率管理、信號檢測、設備性能分析等方面正發揮著巨大作用。

［1］吳大正.信號與線性系統分析［M］.第三版.高等教育出版社，1998：120-130.

［2］吳利民.信號與系統結構精析［M］.電子工業出版社，2006：5-8.

［3］呂海寰.衛星通信系統［M］.（修訂本）.人民郵電出版社，1994.732-740.

［4］王兆允.使用頻譜分析儀應注意的問題［J］.微波與衛星通信，1995（3）：55-572.

［5］王夢勛.如何提高頻譜分析儀的測量靈敏度［J］.電子測試，1999（3）：23-25.

［6］王琦.頻譜分析儀的原理［J］.中國無線電管理，2000（2）：23-25.

［7］AgilentESAseries spectrum analyzers instrument messages and functionaltest，2002.

［8］ESA-E series spectrum analyzers specificationguide，2002.

［9］ESA series spectrum analyzers user's／programmer's reference，2002.

［10］Bernard Sklar，徐平平等譯.Digital Communications——Fundamentals and Ampplications［M］.北京：電子工業出版社，2002，（9）.