频谱仪在卫星通信系统中的应用研究＊

孙 瑜 宋志强

（92941部队96分队 葫芦岛 125001）

1 引言

在低频和数字电路中，万用表和示波器能满足大多数工程测试要求，而在微波、毫米波频段由于存在阻抗匹配、信号串扰等问题，这两种仪器无法使用，取而代之的是微波、毫米波六大测试仪器，即信号源、网络分析仪、噪声系数测试仪、功率计、频率计和频谱分析仪，其中以频谱分析仪复杂程度最高，技术难度最大，在微波仪器的市场上占主导地位。

早期人们在开发微波产品时，由于时域取样技术的限制，缺少性能指标能满足实际要求的宽带取样示波器产品，因此人们开始开发和使用技术难度相对较小的频域测试仪器，从而研发了频谱分析仪，久而久之，在微波、毫米波频段人们更习惯于用频域的概念来思考问题，用频域的技术参数来定义产品的性能指标。现代频谱分析仪的本振信号源已从自由震荡式发展到频率合成式，频率分辨率也从1kHz减少到1Hz。又由于采用了平坦度补偿技术，频谱分析仪的幅度测试准确度也在不断地提高。因此在观察信号频谱特性的同时，还可以测量信号各频谱分量的幅度和中心频率，其测试精度也能满足一般工程项目的测试要求，在要求不高的情况下，部分地替代了频率计和功率计职能。

在信号处理的许多应用中，常常需要进行频谱分析，以便对信号基本参数进行估计。频谱分析仪已广泛地应用于微波通信、卫星通信和雷达领域，使用它对频段进行监控，比如：对卫星信标进行搜索，在雷达系统中获取目标速度信息，在声纳系统中分析带噪信息，在语音处理系统中分析声谱等。

2 频谱分析仪原理研究

2.1 频谱分析仪的种类

频谱分析仪有多种分类方法，按照分析处理方法的不同，可分为模拟式频谱分析仪、数字式频谱分析仪和模拟／数字混合式频谱分析仪；按照基本工作原理，可分为扫频调谐式（扫描式）频谱分析仪和非扫描式频谱分析仪；按照发展历史，可分为传统频谱分析仪和基于快速傅立叶变换（FFT）的现代频谱分析仪等。

目前，频谱分析仪产品多是将外差式扫描频谱分析技术与FFT数字信号处理技术相结合起来，前端采用传统的外差式结构，中频处理部分采用数字结构，中频信号由模数转换器（ADC，Analog-to-Digital Converter）量化，输出的数字信号由通用微处理器或专用数字逻辑实现FFT运算，最后分析结果在CRT上显示出来。这种频谱分析仪的原理框图如图1所示。

图1 基于扫频外差和FFT原理的模拟／数字混合式频谱分析仪原理框图

2.2 频谱分析仪算法研究

描述信号时域和频域间相互关系的理论通常称为傅氏理论，它包括傅立叶级数和傅立叶变换。傅立叶级数应用于周期信号的频域变换，周期信号通过傅立叶级数变换，在频域中表现为离散的谱线；非周期信号通过傅立叶变换，在频域中表现为一条连续的谱线。频谱分析仪就是利用离散傅立叶变换来得到频域测量参数的。

通过对信号进行傅立叶变换，我们知道信号可以分解为许多不同频率、幅度和相位的正弦波。以一个周期函数f（t）作为输入信号函数举例说明：

如以f（t）为输入信号函数，由式（1）可知，信号被分解为不同的频率nΩ，不同的幅度An，不同的相位φn。我们把频率作为水平轴进行研究，这种以频率为水平轴分析信号的方法称为信号的频域（Frequency Domain）分析或频谱分析。无论是确定的还是随机的信号，对其进行谱分析或谱估计的核心工具都是离散傅立叶变换（Discrete Fourier Transform），数字频谱分析的基本实现方法就是有效地进行傅立叶变换。通过信号的频谱分析能够获得频域中特有的参数，例如，谐波分量、寄生、交调、噪声边带等。

图2 时域和频域关系图

图2描述了时域和频域的关系，简单的说频谱分析仪就是把频域波形表现出来，并且量化的测试仪器。从图2可以看出如果用频谱分析仪来测量，显示的是不同频率和不同幅度的分立谱线，可以很明显的获得信号电平，频谱纯度、信号失真等各种参数。

由于离散傅立叶变换（DFT）的计算繁琐、速度太慢，所以无法应用于实际。快速傅立叶变换（FFT）是离散傅立叶变换的一种迅速而有效的算法，它是根据离散傅立叶变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的，在运算速度上较离散傅立叶变换有明显的优势，比如：实施离散傅立叶变换所需计算次数约为N2（N为取样数），而与之相对应的FFT所需的计算次数为Nlog2N。因此，在频谱分析仪中普遍采用快速傅立叶变换（FFT）算法。

根据采样定律，一个频带有限的信号，可以对它进行时域采样而不丢失任何信息，FFT变换则说明对于时间有限的信号，也可以对其进行频域采样，而不丢失任何信息。所以只要时间序列足够长，采样足够密，频域采样也就能较好地反映信号的频谱特性，因此FFT可以用来进行连续信号的频谱分析。

3 频谱分析仪在卫星通信中的应用

3.1 频谱分析仪在卫星通信中的测试方法

目前，大部分国际通信卫星尤其是商业卫星使用C波段（下行／上行频率为4／6GHz）或Ku波段（下行／上行频率为12／14GHz），频谱分析仪公司产品的频率测试范围可达40～50GHz，可以利用频谱分析仪对卫星地球站射频信号直接测量或者对射频信号下变频后进行测量分析。可以说频谱分析仪是卫星地球站不可缺少的测试仪器。

卫星地球站利用频谱分析仪测试，总的来说有两种方法：一种是，将频谱分析仪置于LNB后，将LNB接收并且下变频产生的L波段信号送入频谱分析仪进行测试，如果LNB是无源的，还需要连接供电单元给LNB供电；另一种是，将频谱分析仪置于卫星调制解调器前，并将地球站接收到的中频信号通过分路器，分一路送入频谱分析仪进行测试。上述两种方法是在卫星地球站接收链路侧，对不同频点的信号进行频谱分析，以得到相关测试参数。两种方法的测试框图如图3。

图3 卫星地球站频谱分析仪测试框图

3.2 频谱分析仪在卫星通信中的应用

3.2.1 转发器频率资源检测

对卫星转发器频率资源进行检测，掌握转发器或租星频段内的资源占用情况，是卫通中心站对频段进行划分、分配的前提。测试时，根据LNB的带宽，通过调整卫通ODU（接收机）的接收频率，实现对频段的观测。

3.2.2 地球站天线手动对星过程中的使用

对于有自动伺服设备的卫星地球站，通常天线对星是通过接收特定极化方式的卫星信标，对接收到的信标电平值进行比对，实现调整天线的方位、俯仰甚至极化角度，这样的对星过程可以称为卫星天线的粗调，一般能满足地球站对星要求。通过频谱分析仪对接收信标的测试，可以实现卫星地球站天线的微调，以达到最佳的通信效果。对于某些卫星，它的信标电平值不高，或信标电平值不稳定，要使地球站天线对准这样的卫星，采用伺服设备自动对星的方法往往行不通。这时就需要通过频谱分析仪的观测，来实现对星。这样的对星过程可以分为两步：第一步，调整卫星天线的方位、俯仰，并且在一个大的频率范围内观测频谱分析仪，直至频谱分析仪显示接收到的载波值最大（这些载波是别的地球站发射到目标卫星转发器上的）；第二步，调整地球站接收频率至信标频率值，小范围调整天线的方位、俯仰并且调整天线极化角度，使相应极化方式的信标电平值达到最大，此时天线完全对准目标卫星。

3.2.3 测试卫星通信系统设备性能

频谱分析仪可以准确测量各种调制和非调制信号的功率和频率，功率测试内容包括平均功率、峰值功率以及对功率变换并进行的概率统计等，频率测试包括中心频率、频带宽度测试等。这些测试及分析结果体现了相应卫星通信系统设备的性能。比如，分析调制解调器调制信号的质量，频谱分析仪先对信号进行解调，再合成标准信号，通过对比得到调制解调器的误差结果；对LNA、LNB的频率、频响、互调等进行测试，判断相应设备的频偏及其他性能好坏。

4 结语

频谱仪从一个粗略扫描中频的频谱监视器，发展至今成为宽带、高分辨率、高灵敏度、高精度、大动态范围的频谱分析仪，功能越来越强，在卫星通信地球站的应用也越来越深入，在地球站的频率管理、信号检测、设备性能分析等方面正发挥着巨大作用。

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