一種數字頻譜系統的設計與實現

王芳

摘 要：通過分析數字頻譜分析儀的工作原理，設計并開發實現了一套數字頻譜系統，可以實現對監測頻譜的實時顯示，量化指標，具備監測頻譜的回放功能。通過對數字頻譜儀的實際使用效果分析，對該系統的優缺點進行了論述，并對系統的優化及深度開發提出了建議，使該系統在衛星傳輸發射領域具備廣闊的應用前景。

關鍵詞：數字頻譜；顯示；回放；衛星傳輸

0 引言

隨著我國衛星廣播傳輸發射事業的飛速發展，頻譜監測在衛星傳輸發射領域發揮著及其重要的作用。準確靈敏的頻譜監測可以對在整個衛星傳輸通路中出現的異態及時展現，特別是遇到非法惡意干擾時，可以及時提供正確的頻譜判斷信息，為確保衛星傳輸發射的質量提供有力保障。

傳統的頻譜監測通常采用連接頻譜分析儀進行。使用頻譜分析儀可以進行載波頻譜的監測，但也存在很大的弊端。首先價格昂貴，使用成本高；其次一臺頻譜分析儀只能監測一個射頻信號，對于多載波上行的衛星地球站或需要進行多業務監測的單位存在監測盲點，播出異態稍縱即逝，很難達到實時監測的目的；而頻譜分析儀具有實時監測功能，但無法對歷史頻譜數據進行查詢，對實時頻譜缺乏快速提取和數據處理能力等，嚴重影響了頻譜監測應有的監測功能。

為了更好地發揮數字頻譜的監測作用，結合實際應用，設計開發出了數字頻譜系統，可實現在普通服務器或電腦上實時顯示發射載波或數字頻譜監測功能。

1 系統組成及原理

1.1 數字頻譜儀的原理

頻譜是一組正弦波，經適當組合后，形成被考察的時域信號。時域中的任何電信號都可以由一個或多個具有適當頻率、幅度和相位的正弦波疊加而成。也就是說，任何時域信號都可以變換成相應的頻域信號，通過頻域測量可以得到信號在某個特定頻率上的能量值。通過適當的濾波，我們能將波形分解成若干個獨立的正弦波或頻譜分量，然后就可以對它們進行單獨分析。因此，我們可以把頻譜分析儀理解為一種頻率選擇、峰值檢測的電壓表，它經過校準之后顯示正弦波的有效值。

如圖1所示，頻譜分析儀的工作原理是，輸入信號先經過一個衰減器，再經低通濾波器（稍后會看到為何在此處放置濾波器）到達混頻器，然后與來自本振的信號相混頻。由于混頻器是非線性器件，其輸出除了包含兩個原始信號之外，還包含它們的諧波以及原始信號與其諧波的和信號與差信號。若任何一個混頻信號落在中頻濾波器的通帶內，它都會被進一步處理（被放大或按對數壓縮）。重要的處理過程可以理解為包絡檢波、數字化以及顯示。

1.2 系統組成及工作原理

系統的硬件部分主要由信號采集裝置及服務器組成，兩者之間通過網絡連接，進行數據交換與通信。信號或載波的采集裝置，我們稱之為頻譜卡。其射頻信號輸入端口（也可以選擇ASI接收端口），可以進行DVB-C解調、解擾功能，網絡管理模塊、網絡交換模塊，可以將接收到的信號轉換為TCP協議的IP信號發送出去。

服務器的配置要求不高，普通的服務器或PC機就可以滿足使用需求。通過組網，可以對頻譜卡進行相關參數設置，使其鎖定所要監測的載波信號。在網絡中，利用開發的軟件程序可以將頻譜卡中識別的載波信息實時顯示出來，以完成監測功能。

系統的軟件由顯示程序和數據庫組成。顯示程序為可執行文件，可以直接運行，從頻譜卡獲取數據將頻譜實時顯示；數據庫采用MySQL數據庫，主要作用是進行系統參數設置和頻譜數據存儲及歷史數據調取的數據索引。

與頻譜分析儀的顯示窗口類似，系統顯示界面的橫坐標為頻率，縱坐標為絕對電平值。顯示的處理流程：從頻譜卡讀取的數據點數為501個浮點數，每個點的值代表頻譜數據的絕對電平值（即該點的縱坐標值），該點的橫坐標的計算公式為起始頻率+第幾個點×（頻譜窗口的寬度/點數），如頻點的起始頻率為1070MHz，測量帶寬為60MHz，那么第30個點的橫坐標值為1070.00+30×（60.00/501）。計算出每個點的橫縱坐標后，可以顯示出每個點在頻譜窗口中的位置，然后將這些點連接成曲線即為測試載波的實時頻譜。

1.3 系統設置

系統設置主要用于設置頻譜顯示軟件的顯示界面，主要包括設置頻譜窗口縱坐標的起始值和范圍、坐標的行數和列數、字體的大小和顯示窗口內各個部分的顏色，用于調整頻譜曲線的顯示位置和高度，可以根據需要及使用習慣在頻譜窗口的相應菜單內進行調整，如圖2所示。

系統設置支持多個顯示窗口分別設置，當設置完畢點擊確定后，軟件將設置的信息同步更新到設置的窗口，并存入數據庫的graphinfo表內，當下次重啟軟件時，軟件會從該表內讀取相應的設置，以此做到設置的保存與更新。

畫面模板設置，主要用于選擇軟件要顯示的頻譜窗口的個數，支持多種畫面模板顯示，可根據需要顯示的頻點個數選擇合適的模板，同時支持在不需要顯示頻譜曲線的頻譜窗口內顯示模擬時鐘和數字時鐘。選擇畫面模板后，軟件將選擇的畫面模板存儲到數據庫的systemconf表內，表內存儲了模板ID。軟件從數據庫表內獲取到模板ID后，從template表內查詢出該ID對應的畫面個數以及每個窗口的位置，用于顯示頻譜窗口。

2 系統實現的功能

2.1 實時頻譜數據顯示功能

實時頻譜數據顯示功能主要用于從頻譜卡讀取數據實時繪制頻譜圖，并將讀取的數據存入數據庫。可以同時支持多塊頻譜卡的數據讀取，分別獨立地讀取數據、顯示數據和存入數據庫。從頻譜卡獲取的頻譜數據存入到MySQL數據庫的spectrum表內，該表用存儲過程建立了分區，并對頻譜數據建立了索引。存儲時間會在每個月的月初調用存儲過程腳本建立新的分區，并將超過時間的分區刪除，可以保留3個月的數據。建立分區和索引可以提升數據庫的訪問速率，在歷史數據查詢時能夠迅速從數據庫獲取查詢結果。

將相關參數設置給頻譜卡后，軟件啟動時從配置文件獲取到頻譜卡的信息，并讀取數據庫的frequency表從而獲取要測量信號的頻點信息，包括中心頻率、帶寬、極化方式等。實時頻譜顯示功能的流程如圖3所示。

2.2 頻譜數據回放功能

系統支持頻譜數據回放功能，在顯示界面點擊頻譜回放，想查看哪個頻譜數據，右鍵單擊彈出頻譜數據回放的參數，選擇頻譜的起始與停止時間就會將歷史頻譜數據顯示出來。

頻譜數據回放是顯示歷史的頻譜數據，在顯示實時頻譜數據時，軟件將所有從頻譜卡讀取的數據都存儲到了數據庫表內，因此，頻譜數據回放時只需要將頻譜數據從數據庫表內讀取出來，然后顯示頻譜曲線即可。頻譜曲線的顯示方法和實時頻譜相同。頻譜數據回放的軟件流程如圖4所示。

此外，該系統還支持頻譜數據的導出及回放功能，在回放參數界面可以選擇導出數據，按照相應選項進行參數選擇，可以導出頻譜數據的csv文件。將csv文件進行拷貝，在別的終端安裝一個頻譜顯示軟件即可顯示歷史頻譜數據，方便對監測數據進行分析比較，而且實時監測系統不會受到影響。

2.3 系統的特點

數字頻譜系統在實際運行中得到了很好的驗證，顯示程序占用內存小，人機界面靈活實用，網絡資源占用亦很小，同時監測兩個載波信號，其網絡占用率不足1%，具有很大的擴容余量，系統支持最大600 MHz帶寬的頻譜顯示，可以實現目前衛星通信單個極化的全帶寬監測，也就是說，使用兩塊頻譜卡就能實現整個通信衛星的頻譜監測。

頻譜卡的機箱可同時安裝4塊頻譜卡，若需要監測的衛星載波數量增多，擴容頻譜卡機箱就可實現，系統無須調整，只須設置監測的參數就可實現相應頻譜的監測，比頻譜分析儀要更為靈活。同時，系統同樣支持頻譜分析儀的實時監測頻譜的數字顯示，只要將頻譜分析儀接入系統網絡內即可，兼容性高。

根據實際運行效果來看，該系統功能還可以從以下方面逐步完善。

（1）增加對異態頻譜的監測告警功能。頻譜監測為實時監測，一些非法或惡意干擾往往轉瞬即逝，在對頻譜信號監測的同時對整個載波信道層面進行監測，信道的功率發生明顯變化時，能夠進行報警提示，并自動將記錄異態頻譜的數據進行導出，第一時間捕捉異態信息，最大程度上發揮頻譜監測的作用。

（2）對顯示程序進行再開發，使其能夠捕捉異態載波信號的頻譜（即通常說的頻譜分離技術），這樣可以直觀地發現異態信號的實時信息，第一時間判斷是否為干擾信號，分析得出干擾的厲害程度，這對于有衛星通信上星任務的播出單位來說，為安全播出提供強有力的保障。

（3）深度開發頻譜計算功能。考慮到服務器的性能因素，在頻譜顯示的基礎上，模擬頻譜分析儀的測試功能，將頻譜分析儀的操作界面數字化于電腦終端上。也就是增加各種測試計算功能，在監測頻譜上直接實現測試載波的相應指標測試功能，可以起到替代頻譜分析儀的作用。當然，目前的頻譜卡主要支持下行信號的接收，想要完全替代頻譜分析儀，需要頻譜卡在接收頻率上能夠進行升級，支持更高的頻率，那么實現完全替代頻譜分析儀就成為可能。

3 結論

本文介紹的數字頻譜系統，可以實現對監測信號的實時顯示及頻譜數據回放功能，在很大程度上解決了頻譜分析儀監測的瓶頸，在衛星廣播傳輸發射中應用靈活，極大地滿足了頻譜監測需求；通過在實際應用中的不斷完善與改良，具有廣闊的應用與開發前景。

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（作者單位：國家新聞出版廣電總局廣播電視規劃院）