L波段卫星信道监测仪技术简介.doc

1 概述
卫星通信是最具有平战结合功能的通信手段之一，平时在抢险救灾、应急调度等方面发挥重要作用，在紧急情况下保持通信联络畅通；战时传送军事信息，在信息获取、作战指挥、后勤保障等方面具备不可替代的作用。随着我国在高新技术领域的综合实力不断增强，在轨卫星数量越来越多，卫星转发器容量越来越大，卫星通信在军用和民用领域的应用范围越来越广，随之而来的问题是，由于存在大量的通信终端，对卫星转发器的有效利用提出了更高的要求，如果频谱资源分配使用不合理，通信终端之间容易形成相互干扰，降低通信的可靠性和稳定性。卫星通信用户需要一种有效的卫星频谱监测手段，掌握星上转发器频谱占用情况，精确地申请使用卫星转发器频率资源，提高卫星频率资源利用率。目前卫星通信领域测试仪表的绝大部分市场为安捷伦、泰克、安立等国外公司所垄断，产品主要是供实验室、生产线用高端产品，价格昂贵，参数设置复杂、操作步骤多，针对这种情况，打破国外产品垄断，提供一种价格便宜、操作简便、使用方便的卫星频率资源监测手段，满足一般卫星通信用户使用需求，具有重要的现实意义。SF-1207 L波段卫星信道监测卡是广州山锋测控技术有限公司基于软件无线电、数字信号处理和现代信号检测技术，完全自主研发的一种简单实用的卫星信道频谱监测装置。
2 国内外研究开发现状和发展趋势
SF-1207 L波段卫星信道监测卡作为一种通信测试仪器，技术上属于虚拟仪器技术和软件无线电技术相结合的产物。
虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统，“硬件软件化”可以说是虚拟仪器开发的核心思想，通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，在计算机中插入信号A/D、D/A功能模块，通过软件实现信号的产生采集、显示存储、分析处理和结果输出，从而把传统仪器的所有功能模块集成在一台计算机上，大大降低了仪器硬件成本。在此基础上，美国国家仪器公司（简称“NI公司”）提出了“软件就是仪器”的观点。
软件无线电，实际上就是在一个开放的，标准化的、模块化的通用硬件平台上，通过软件加载实现信号处理和信号变换，其核心是，集中使用宽带A/D、D/A转换器，尽可能地通过软件来实现各种无线电功能。随着计算机性能的不断提升，这个通用硬件平台同样可以通过在计算机中插入信号A/D、D/A功能模块实现。1992年5月美国电信系统会议上，Jeo Mitola首次提出了软件无线电的概念，由于软件无线电所具有的灵活性、开放性等特点，软件无线电这一概念一经提出，就得到了全世界无线电领域的广泛关注。
从上述描述不难看出，虚拟仪器技术与软件无线电技术虽然处于不同的技术研究领域，却有着“异曲同工”之妙，其共同点在于：
一是随着PC性能的不断提升，使得虚拟仪器技术和软件无线电技术更快速发展起来，并实现了更多的新应用；
二是高性能、低成本的A/D和D/A转换器的出现和发展，也推动了虚拟仪器技术和软件无线电技术的发展，可以利用大量生产的芯片作为前端硬件组件。
三是软件无线电理论的日益成熟，数字信号处理、数字正交变换技术的软件实现，也成为虚拟仪器技术提供了一个新的发展途径，为用户设计测试系统，定义硬件功能等提供了一个独立环境。
从国内外研究现状看，虚拟仪器技术、软件无线电技术都在围绕特定的功能需求和技术要求，在不同的领域进行着各自的技术研究，但总体上两者的技术路线都有着共同之处，必然会形成一种“殊途同归”的技术发展趋势。
SF-1207 L波段卫星信道监测卡,以虚拟仪器技术为基础，利用快速发展的PC架构，高性能的A/D转换器，以及引入了软件无线电中的数字信号处理、数字正交变换技术，使得在提升了技术性能的同时降低了成本。
3 技术方案
3.1 主要战技术指标
3.1.1 主要功能
SF-1207 L波段卫星信道监测卡特别适合于固定（机动、移动）卫星通信地球站、卫星侦听站长时间地对卫星信号进行实时监测与质量分析，可以直观显示信号频谱和分析计算信噪比或者值。
（1）频谱自适应显示：输入中心频率与扫描带宽即可自适应显示频谱。
（2）信号功率测量：输入信号带宽即可实现功率测量。
（3）信噪比估计：对于数字调制信号，输入信号带宽即可实现信噪比估计，进行信号质量分析。
3.1.2 主要技术指标
工作频率范围：950MHz-1750MHz，可通过中心频率间隔选择，进行大步距快速连续信号搜索和监测
最大输入承受电平：20dBm
最大输入工作电平：0dBm
扫描带宽：0.25MHz、0.5MHz、0.75MHz、1 MHz、2 MHz、3 MHz、4 MHz、5MHz、10MHz、20MHz、30MHz可选
最小分辨带宽：100Hz
功率检测灵敏度：≤-90 dBm
功率测量误差 1dB
信噪比估计误差 0.6dB。
3.2 系统组成和配置
SF-1207 L波段卫星信道监测卡采用开放式的软硬件体系结构，以及先进软件无线电体系结构，通过系统配置和参数配置，覆盖整个L波段的信道参数监测。
3.2.1 软件组成
软件主要包含四个部分：MFC图形界面、板间通信协议接口函数库、算法接口函数库，以及PCI芯片驱动接口函数库，其中PCI芯片驱动程序使用PLX公司提供的API接口函数。

图 1 软件组成
3.2.2 硬件组成
硬件组成主要包括模拟前端以及数字处理板两个部分。模拟前端主要对卫星信号进行变频调理，数字处理板主要对模拟前端调理后的信号进行采样处理并传输至PC机后进行进一步的分析。

图2 硬件组成
3.3 系统体系结构
3.3.1 硬件体系结构
硬件体系结构如图所示

图 2 硬件体系结构

3.3.1.1 射频模拟前端
RF模块主要进行模拟信号低噪声放大和滤波等处理，实现模拟域信号接收。
3.3.1.2 信号采集
通过ADC进行模拟信号/数字信号转换，实现信号的采集。
3.3.1.3 信号处理
（1）数字正交变换和数字下变频
主要进行数字信号正交变换和下变频、数字抽取和滤波，通过FPGA编程实现数字信号的提取，
（2）数据缓存
主要进行数字信号缓冲存贮，实现PCI接口的数据传输速率适配。
（3）PCI总线接口
主要通过FPGA控制PCI接口数据传输，实现本地总线和PCI总线之间的存储访问。
3.3.2 软件体系结构
系统软件需要实现如下3个功能：
（1）与数字处理板卡进行通信，设置处理参数，读取处理后的数据。
（2）对处理后数据进行处理，进行频谱分析与显示以及信噪比估计。
（3）对通道的增益进行自动控制。
根据上述功能实现要求，软件体系结构划分如下：

图 3 软件结构
3.3.2.1 MFC图形显示
MFC图形界面采用VC++6.0进行编写，具有比较友好的界面，可扩展可移植性强。系统软件主要对当前信号的频谱以及信道参数进行显示。同时，接受用户的设置，将监测参数传递给板卡进行实时调整。
3.3.2.2 信号分析
信号分析主要包括频谱分析以及信噪比分析两个部分，频谱分析主要采用经典的FFT算法对采集到的数据进行频谱分析，并对信号的电平大小进行估计，最后根据电平的大小调整通道增益。信噪比分析主要，采用奇异值分解算法对采集到的数据对特定信道进行信噪比估计。
3.3.2.3 板卡驱动程序
板卡驱动程序完成板卡与应用程序之间的协议的解析与打包，并调用PCI驱动程序实现应用程序与板卡的通信。
4 操作使用
4.1 设备安装
SF-1207 L波段卫星信道监测卡可方便地安装到具有PCI扩展槽的工控机中，将PCI扩展卡插入到安装有WINDOWS操作系统的电脑主机，安装相应信号处理和显示软件，即可监测处理来自固定（机动、移动）卫星通信地球站、卫星侦听站射频信道接收单元（LNB）的L波段信号。

4.2 功能用途
（1）捕捉监视卫星信标信号，辅助调整卫星天线准确对星。
（2）实时监测卫星信道信号，分析卫星链路质量和系统工作状态。
（3）掌握卫星信道占用情况，发现卫星信道干扰和非法占用情况。
4.3 应用方式
（1）一机一卡
对于PCI扩展槽有限（至少2个槽）的电脑主机，可安装使用一个插卡，进行一个频段信号的监测。如需同时进行不同频段信号的监视，需要在多台电脑主机上安装插卡。
（2）一机多卡
对于PCI扩展槽充足（4个、6个、8个槽）的电脑主机，可安装使用一个或多个插卡，按需要同时进行不同频段信号的监视。
（3）远程监测
通过将插有信道监测卡的电脑主机进行联网，可实施远程登录,进行网络化监测。
4.4 操作使用
（1）按照连接示意图进行系统连接；

（2）运行应用软件
（3）按照显示界面提示，输入“扫描宽度”、“中心频率”；
（4）点击“确认”，即进行信道频谱监测；
（5）按照显示界面提示，输入“信号带宽”，即自动进行信噪比测量。
整个软件界面分为频谱显示模块、功能显示模块以及按钮控制模块。

（1）频谱显示模块：用户根据需要开始或暂停频谱分析，坐标轴中间区域显示所采集的信号频谱，纵坐标轴表示dB/DIV，根据信号功率自适应调整，横坐标轴表示信号频率。
单击鼠标左键不放即可显示对应点的十字坐标，双击鼠标右键一下即可将十字坐标留在频谱显示区域，再双击鼠标右键即可取消显示在频谱区域的十字坐标。
（2）功能显示模块：用户可以根据需要选择扫描带宽和扫描间隔。
扫描带宽有11种数值可选择，分别为30、20、10、5、4、3、2、1、0.75、0.5、0.25MHz。
扫描间隔有3种数值可选择，分别为30、20、10MHz。
中心频率的范围为950MHz到1750MHz，输入或调整中心频率时，需要点击 “确认”按钮，中心频率也可以根据扫描间隔来调整。
信号带宽可以根据频谱显示区域的信号自行设置（要求小于扫描带宽），同时用户可以通过功能显示模块观察到采集到信号功率、信噪比。
点击“复位”按钮来复位整个系统。
（3）控制模块：用户可以根据需要选择暂停、工作模式和峰值显示。
点选“暂停”复选框来暂停信号监测。
点选“测试模式”复选框来选择工作模式。正常使用时，此项必选。
点选“Peak”复选框来显示信号最大功率点。在频谱显示区域右上角显示当前频谱的最大功率点和对应的频率数值。
5 六、突出优势
信号检测快速灵敏。只要正确地输入中心频率，选择合适的扫描带宽，就能快速准确地捕捉和显示信号；
操作使用简单方便。对于没有频谱分析仪使用经验的一般技术维护人员，3分钟内就能学会并掌握操作方法；
产品价格优势明显。适用于卫星通信开通运行过程中的信号频谱监测和信噪比测量，性能好，价格低。

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