衛星頻譜監控系統研究＊

（海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

1 引言

隨著衛星通信信道容量需求的增加，衛星轉發器的數量越來越多，轉發器監控管理的任務也越來越重。衛星通信可靠性依賴于穩定暢通的傳輸信道，在實際中常常會出現各種意外情況［1～3］。如工作人員操作不當上行功率過大或受到外來干擾，可能將衛星轉發器的功放推向飽和，產生嚴重的非線性，信噪比急劇惡化，將影響用戶的正常傳輸。長期工作在飽和狀態的轉發器本身將受到損壞，影響到其工作壽命，造成極大的危害和經濟損失。所以現實生活當中需要一個保障衛星通信高穩定性、高可靠性的衛星頻譜資源監控系統，能對衛星轉發器的各項性能指標進行一個長期的監控，及時發現轉發其運行過程中出現的問題，避免通信中斷和對轉發器的損壞。

2 頻譜監控系統所應具備的主要功能

2.1 頻譜監視

能對在用的衛星頻譜資源進行監視。可通過調整中心頻率、掃寬、分辨率帶寬、視頻帶寬等參數的設置，進行整個轉發器或部分頻帶的監視。

2.2 頻譜數據管理

可以將轉發器狀態數據寫入數據庫，在數據出現異常時生成告警日志，將數據標識為異常。數據庫中告警信息和應急處理方案查詢可供匯總查詢，對所需監控數據進行打印。

2.3 頻譜分析

對衛星轉發器性能指標進行分析，如本底噪聲、信號功率、邊帶功率、載噪比、飽和通量密度、全向輻射功率等；

對主要衛星通信系統的地球站發射的載波進行頻譜分析，得到它的調制方式、編碼方式、載噪波、帶寬、信噪比、Eb／N0等參數值［4～5］。

2.4 雨衰因子測試

降雨引起的大氣衰減會使轉發器的全向輻射功率EIRP直接受到影響，當EIRP的測量值超出其額定限度時，系統會對信標信號進行測量，計算并存儲大氣衰減，當信標電平低于預定值時，系統會發出雨衰告警，并錄入數據庫［6］。

2.5 干擾定位

當衛星鏈路受到外來干擾時，對干擾信號進行特殊參數分析，對干擾源進行快速定位，并提出抗干擾的相應解決方案［7］。

3 相關參數計算

建立衛星信號監控系統之前首先要建立用戶在正常傳輸情況下的基礎數據庫。在進行實時監控時，將測量的數據與基礎數據庫進行比對，及時發現出傳輸過程中出現的各種問題。

3.1 掃頻寬帶、分辨帶寬及掃描時間的設置問題

在對測量參數設置過程中，掃頻帶寬、分辨帶寬及掃描時間的組合非常重要。在測量同一信號的幅度時，當使用不同的組合時常常會有不同的測量結果。當參數設置不合理時，可能會使測量結果比實際信號要小。只有當掃頻寬度分辨帶寬和掃面時間配置合理時才能對信號進行精確的測量［8］。

測量的最佳配置按以下公式計算：

式中，RBW為分辨帶寬、SPAN為掃頻寬度、Ts為掃描時間。

3.2 主要性能指標的參數指標

1）下行信號載噪比C／ND

當接收信號時，載噪比必須要大于某一數值，如果小于這一數值誤碼率就會很高，當載躁比小于一定成程度時，信號就不能被鎖定，該參數是界定在通信過程中是否收到干擾的重要指標［9］。

其計算公式為

式中，EⅠRPS載波的下行全向輻射功率，和轉發器的LD為下行傳輸損耗，BWN為載波的噪聲帶寬。單位為dB。

2）誤碼率pb

當受到干擾時，誤碼率肯定會發生相應的變化，我們可以根據誤碼率來監測系統受到干擾的程度。衛星通信當中通常采用數字調制方式是BPSK 和QPSK。就BPSK 和QPSK 調制器而言，誤碼率pb可以表示為

式中，Eb／N0是每比特能量對噪聲密度的比值。

3）品質因數G／T

G／T被稱為接收系統品質因數，其關系著轉發器接收性能的好壞。G／T是接收天線增益G與接收系統噪聲溫度T之比值，單位為dB／k，

其計算公式為

式中，GR為衛星天線的接收增益，TS為衛星接收系統的噪聲溫度。

飽和通量密度SPFD 表示當衛星轉發器達到飽和工作點時，上行載波在接收天線口面所達到的通量密度，單位為dBW／m2

SPFD 反映了衛星轉發器對上行功率的需求量，它的計算公式為

式中的constant為反映轉發器增益的計算常數，其數值多在-100 與-90 之間。constant越小，轉發器的增益就越高；attn為轉發器的增益調整量，它可被地面遙控改變，用于調整SPFD 的靈敏度。

5）全向輻射功率EⅠRP

EⅠRP定義為衛星轉發器在指定方向上的輻射功率，單位為dBW。它為天線增益與功放輸出功率之對數和，其計算公式為

式中，P為功率放大器的輸出功率，Loss為功放輸出端與天線饋源之間的饋線損耗，GT為衛星天線的發送增益。

G／T和SFD 反映了衛星接收系統的功能，這兩個參數和衛星接收天線的增益線性相關。EIRP 與衛星發送天線的增益線性相關，反映轉發器的下行功率。

基于以上四點分析可知，企業外宣翻譯活動擁有與傳播過程相似的要素、類似的過程、共同的任務，且作為對外宣傳活動，帶有明確的傳播目的，因而它具備與傳播相同的本質。

4 關鍵技術

4.1 軟件體系結構

圖1 軟件體系結構圖

軟件主體由三部分組成：第一部分為用戶界面部分，提供用戶與系統友好訪問。第二部分為應用邏輯部分，主要負責業務邏輯的實現。第三部分為數據庫，用于對監測數據的存儲、訪問及優化，數據庫采用分布式數據庫，用SQL語言操縱。該軟件可以在一臺PC 機上實現，采用Windows2000或者XP操作系統，在C＃的環境下對頻譜監測設備進行調用，完成計算機對頻譜儀與頻譜監測處理板的控制。

4.2 監測的關鍵算法

在頻譜監測過程中最常用的有兩種算法，分別為寬帶自適應掃描法和逐層遍歷算法［10］。

4.2.1 寬帶自適應掃描法

寬帶自適應掃頻算法可以準確的獲取信號頻譜特征，同時也可以使掃頻時間盡可能的短。該算法通過對信號頻譜使用一個較大分辨率帶寬進行粗掃，獲取信號的總體形狀特征，根據其形狀特征將整個需要掃描的頻帶分成幾個相對獨立的部分。然后再分析每一個部分的特征，采用適當的分辨率與視頻帶寬對其進行細掃，再將當前部分為更小的部分，依次類推，最后對每一個信號進行識別，根據其特征分析其是否被干擾。

4.2.2 逐層遍歷算法

根據寬帶自適應掃描算法需要對信號進行劃分，先粗分幾個部分，然后再對每一個粗分的部分再進行細分，直到得出每一個單路信號。根據這一特點可以得出一個樹的關系。如圖2，逐層的遍歷算法是從樹的根節點到子節點的順序訪問樹中的元素。在同一層中，從左到右進行訪問，直到遍歷玩每一個子節點。

圖2 逐層遍歷算法示意圖

5 頻譜監控系統的設計

5.1 頻譜監控系統的硬件設計

圖3 監控系統硬件設計圖

系統通過若干Ku天線對載波信號進行接收，然后經過低噪聲放大器放大、下變頻器進行變頻后，經中頻交換矩陣將載波信號分流到頻譜監測處理板、頻譜分析儀和衛星信號監視識別系統，頻譜監測處理板通過處理機計算機的讀取進行衛星轉發器頻譜資源監視。衛星監視識別設備對調制方式、編碼方式進行識別，并對載波頻率、帶寬、載噪比等參數進行測量，通過實時數據與基礎數據庫的數據比對判斷是否異常，進行異常報警。頻譜分析儀可以將衛星資源更直觀的顯示出來。最后將運行狀態綜合顯示在監控大屏幕上。如圖3所示。

5.2 頻譜監控系統的軟件設計

軟件主要采用模塊化的設計思想，利用C＃將程序劃分為若干個模塊，主要包括用戶管理模塊、任務管理模塊、數據監測模塊和數據處理模塊。其具體功能框架圖如圖4所示。

圖4 監控系統控制軟件設計框架圖

圖5 頻譜監控系統軟件工作流程圖

1）用戶管理模塊

用戶管理模塊主要是用于建立用戶資料，并通過相應的用戶建立一個訪問權限，通過其相應的權限密碼才能對監控系統進行登錄。

2）任務管理模塊

任務管理模塊主要用于對所需要監測的任務進行設定，比如輸入對衛星的經緯度對衛星進行定位，設置對衛星鏈路掃描的頻率和參數。

3）天線模塊

天線模塊用于在對衛星頻譜監測前的天線對星，通過輸入衛星的方位信息計算出衛星的仰角和方位角，對天線的校零和對天線的狀態進行反饋，可以進行手動對星和自動對星的切換。

4）數據監測模塊

數據監測模塊是整個系統的核心，數據監測模塊通過對數據的預處理之后將衛星頻譜顯示出來，進行參數監測，通過對參數的盲分析進行調制識別和編碼識別，最后將監測到的實時數據傳輸給數據處理模塊。

5）數據處理模塊

數據處理模塊將檢測到的信息與數據庫里的正常模板信息進行比對，并將檢測到的頻譜信息和鏈路參數進行記錄，并對相應的環境信息記錄，當監測到的衛星鏈路數據出現異常時，數據處理模塊會發出信息報警，并將異常信息進行記錄并打印。圖5為軟件工作的流程圖。

6 結語

該文設計了一種地對衛星頻譜進行監控系統，該系統的設計可以有效地對現實生活中的衛星通信鏈路進行保障，提高衛星通信鏈路的可靠性和穩定性。使用戶能夠及時發現通信中出現的問題，得到正常的通信傳輸。及時了解轉發器的實時狀態，可以防止對轉發器的使用的壽命損害。

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［3］王激揚.衛星自動監測系統介紹［J］.電信工程技術與標準化，1998（12）：13-17.

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［6］王成元，徐慨.衛星鏈路降雨衰減的測量及頻率換算［J］.無線通信技術，2010（2）：37-40.

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［10］李勇，張艷娥，孫謙.一種衛星頻譜監測系統的設計方案及實現［J］.空間電子技術，2008（3）：77-96.