频谱监测系统在全球卫星广播系统的应用

赵庆锁，王建勇，王京南

（1.新华通讯社，北京 100803；2.北京鑫诺世纪通信系统技术有限公司，北京 100143）

频谱监测系统在全球卫星广播系统的应用

赵庆锁1，王建勇2，王京南2

（1.新华通讯社，北京 100803；2.北京鑫诺世纪通信系统技术有限公司，北京 100143）

本文首先对频谱监控系统进行了简单概括，然后对系统的结构、技术特征和主要功能进行了详细描述，重点阐述了频谱监控系统在全球卫星广播系统中的主要应用，最后介绍了其他类型频谱仪在全球卫星广播系统中的应用情况。

频谱监测；卫星业务监控；手持式频谱仪

1 引言

“全球卫星广播网”是新华社目前正在使用的、为其全球媒体用户提供新闻信息稿件的数据广播系统，是新华社对外发布新闻信息的重要渠道。该网基于卫星传输平台，具有传输距离远、覆盖面广、通信频带宽、容量大、不受地域限制等优势，但是卫星通信受自身特点的限制和环境的影响，不可避免的存在各种干扰，兼之卫星广播系统的复杂性（卫星和卫星传输设备）也会带来一定的故障率，可能对全球广播业务造成严重影响，甚至造成实时业务的中断。因此，如何有效地对卫星信号进行监测是保障安全播出及安全通信的首要任务。目前使用的广播和通信卫星绝大多数都是透明转发器卫星，这类卫星转发器和信道基本都是以按照频率划分，星上业务之间采用频分复用方式，因此，卫星业务信号监测主要以频域分析为主。在此基础上，使用卫星频谱监测仪器可以有效地完成对卫星频谱信号的监测工作，保障卫星传输的稳定性和可靠性。

传统的频谱分析仪，一般只对一路信号进行监测和分析，精确度高、功能多种多样，在对信号的详细状态分析中作用较大。但是全球多媒体卫星广播网的卫星覆盖范围广泛，包括国内地区、非洲地区、中东地区、亚太地区四个区域，根据覆盖范围的不同使用多个卫星才能实现全球广播业务，将来还会对更多的地区进行业务覆盖。多地区业务并行使得单个频谱监测功能无法满足多路业务发展的需要，不利于同时监测多路信号，设备和人员利用效率不高。所以，为满足全球网业务监测功能的需求，全球网卫星综合监测系统应用了多路频谱监测设备，从而实现八路信号的频谱监测功能，在降低成本的同时，方便监测人员综合监控业务，提高工作效率。图1为单路下行业务频谱监控。

图1 单路下行业务频谱监控

2 频谱监测系统概述

多路频谱监测系统，即板卡式频谱仪，采用先进的集中分布式设计，可提供多路（单机最多八路）业务运行状态的频谱监测功能，可将从卫星等接收到的信号进行系统的实时频谱监测，并可实现频谱及数据的保存和重现，可根据频谱的状况提够声光报警等，帮助监测人员了解实时信号状况，及时发现信号干扰，为监控数据提供依据，并为排查故障提够参考。预留了二次开发接口服务，可以提供相应功能的定制服务。

3 系统构成

频谱监测系统共计使用八路信号输入，分别用于各个业务的下行频谱监测，主要由板卡式频谱仪（八路）、IBM服务器（数据存储设备）、控制终端（电脑）、监视设备（无线和有线终端，这里主要指电脑和监控大屏）以及交换设备组成。

图2 系统构成示意图

如图2所示，本检测系统采用一台板卡式频谱仪，机箱板卡八块，这样配置为将来的业务扩容和冗余备份提供可能。八路频谱数据传送至服务器进行存储，以备将来调用。我们可通过控制台对每路数据进行控制、参数配备等，所有数据可连接到电脑终端进行导出。当有频谱数据不符合设置的合格限要求时，系统会给出一个报警开关量并且在监控画面上有相关的报警提示。

全球网业务频谱监测系统采用的板卡式频谱仪，是由北京航天光华公司（航天时代电子公司二〇〇厂）和北京鑫诺世纪公司共同研发生产，在频谱基本分析的基础上，满足多路信号同时监测的功能，减少了设备成本，提高人员工作效率。而国外同类型多路频谱监测设备的价格是国产产品价格的近50倍，非常昂贵。

图3 CASC-200C频谱监测机箱

整机采用模块化设计，可扩展性强，密度高且可维护性强，其主要技术指标如表1所示，主要特点如下：

⊙ 采用标准4U机箱设计，方便安装。

⊙ 机箱外壳采用铝合金材质，重量轻而且硬度高。

⊙ 机箱上盖采用推拉式锁紧设计，保证了上盖和机箱的良好接触以及屏蔽效果。

⊙ 机箱下盖采用不对称式蜂窝状通风孔设计，保证了系统工作时的通风效果。

⊙ 机箱采用无轨金属滑道设计，保证每一块板卡的良好屏蔽效果。

⊙ 机箱最多支持8块板卡，自由组合。

⊙ 板卡采用弹簧式屏蔽设计，保证在插入板卡的同时又良好的接触。

⊙ 板卡采用兼容性设计，使用自由方便。

⊙ 机箱采用1+1热插拔高可靠性冗余电源设计，保证系统稳定可靠的运行。

表1 CASC-200C主要技术指标

4 系统的功能和应用

频谱监测系统采用Workbench管理软件，通过监视屏幕上对系统进行设置，可以实现频谱监测系统的具体功能。如图4所示。

⊙ 仪器管理：可以实现最多八路监控信号的添加，删除，修改，刷新四项功能。

⊙ 布局管理：对监控屏幕进行布局、轮询、保存、修改、删除和应用功能。

图4 频谱仪设置主菜单

⊙ 屏保设置：输入屏保时间即可启用屏保程序。屏保程序表现为一个黑色的条纹，在屏幕上从左到右走一圈。

⊙ 设计配色方案：对频率显示的各项参数及背景做出不同的配色方案，是显示效果更突出。不同的监测信号可配置多种颜色。

图5 配色方案设置

⊙ 仪器设置：对每路监控信号进行参数配置。仪器分为两个部分，远程控制和频标与参考线。

⊙ 单块板卡保存为位图：导出和保存单块板卡的显示状态图片（位图形式）。

⊙ 全部窗口保存为位图：导出和保存全部板卡的显示状态图片（位图形式）。

基于上述功能的设置和使用，频谱监测系统可实现以下应用：

（1）下行频谱监测

对输入的八路业务信号进行频谱监测，通过对频谱监测系统的基本设置，自由添加多路监控体系，对监控画面进行合理布局，而且通过服务器可对任一路频谱参数进行设置，从而实现业务的频谱监测和控制功能，如上行载波的正常，干扰信号的出现，信号接收异常等。该系统一旦发现业务载波出现异常，将即时发出声光报警信号，全方位角度提示监测人员，使监测人员能够及时发现异常所在，并及时上报解决，保障实时业务的稳定运行。

图6 监测参数图标说明

图6为频谱参数图标说明，可通过对每块板卡（系统管理中为仪器）进行相应的参数设置。频谱仪实现监测的过程很简单，将所需监测的信号（频率为9kHz～3000MHz）引入监测口，系统即可对所引入信号进行实时监测，在控制台可以对相关参数进行相应的设置调整。频谱监测系统提供多种监测布局模板，并提供屏幕轮循监视模式，可随时根据需要进行更换。

图7 布局方式任意组合

每一块板卡都有一个惟一的IP地址，在初始连接时按照模块的初始IP地址实现远程连接，而后根据实际需求对模块加以命名、参数设置等，实现正常监测。IP模块是实现远程控制和多路工作的基础。

图8 IP设置与连接

（2）文件管理

频谱监测系统采用管理功能软件，对存储的数据文件进行统一的分类和管理，可以轻松查找所需文件，并实现测试文件、图形文件、配置文件和自动测试报表的下载和打印功能。

（3）远程控制

系统监控人员可以通过相关软件功能，在办公室得到和在卫星机房一样的进行有效监控，既可以同时监控整个系统，提高人员工作效率，也可以避免长期遭受机房噪音和辐射的污染。

对于每一个监测模块，在地面网络中输入已设置的IP地址，即可建立远程连接，随后即可通过控制台远程控制板卡，为板卡命名，修改参数设置，查看任意段频谱。例如，通过网络接口提供多台仪器的远程控制，适合无线网络信号的监测；可以通过远程实现对任意监测模块的独立设置，主要包括合格线设置、频率设置、幅度设置、RBW/VBW设置、扫描时间设置、检波方式设置等；可以导出所需历史记录，做状态分析。

（4）数据的录制、存储和回放

实时监测的同时，频谱监测系统会将监测的频谱特征数据保存在IBM服务器上，作为历史数据，当有需要的时候，可以访问服务器查看保存的频谱信息。服务器对所有的数据进行存盘处理，当硬盘存储空间用完时，前面的数据自动被后面的数据顶出。数据记录时间的长短依板卡的数量和记录时间而定，每块板卡每天的数据量约为1.6GB，4块板卡1个月的数据量大约为192GB。

图9 数据重现及打印

需要查找历史数据时，通过网络连接服务器，从而查看历史数据，重现频谱录像，提供判定依据。同时可以对历史频谱进行打印处理，为快速上报，提供便捷。

（5）实时报警

频谱监测系统可对每块板卡进行参数设定，并根据需求设定合格限，当系统监测到载波超出合格限位置时，即时给出一个报警开关量，通过外围设备进行声光报警等。这种报警设置，可以简单实现对监测业务载波异常和干扰信号的提示功能，使监控人员能够第一时间的发现问题，上报问题，处理并解决问题，降低系统故障发生率和处理时间，提高系统的稳定性和可靠性。以上这些功能非常适合全球广播网下行信号的长期定点监测，捕捉偶尔发生的干扰，监测载波状态。

5 其他功能频谱分析仪简述

手持式频谱仪一直是在工程现场测试使用的一种常用频谱监测仪器，常用于卫星天线对星调试、天线极化调整、临时频谱监测等。

图10 R&S手持式频谱仪

图10为德国R&S公司的手持式频谱仪，近二十年来，这款频谱仪占领了中国大部分的市场份额，其产品性能优越但价格相对昂贵，而同类型国产频谱仪在性能上又不占优势。CASC-200A手持频谱仪是一款由国内公司生产和研发的新产品，价格相对低廉、性能好，是一款性价比很高的产品，具有很大的优势。

CASC-200A手持式频谱仪主要特点：

⊙ 外观保护设计，防摔、防砸、防尘、轻度防雨。

⊙ 更好的抗干扰性能和机械可靠性。

⊙ 智能锂电池，方便拆装，连续工作时间大于3小时。

⊙ 具备高频头供电功能（选件）实现单机对星功能。

⊙ 支持GPS功能，随时记录测试文件的时间和经纬信息。

⊙ 具备寻星计算功能—可计算出任何地点可见卫星在当地的俯仰、方位、极化角等信息。

⊙ 扫描速度快：20uS～250S/场。

⊙ 动态范围大：＞75dB。

⊙ 平均噪底电平：-135dBm@RBW=1kHz。

⊙ 抗失真性能强：IP3＞15dBm @ATT=0。

⊙ 相位噪声低：＜-95dBc/Hz@10kHz。

⊙ 一键测试：通道功率、ACPR，OBW功能。

⊙ 具备LAN/USB端口和标准控制协议，提供文件输入输出和远程控制。

⊙ 具备USB接口，随时存储和调用相关参数和图像。

图12 CASC-200A系统的一键测试功能

在全球广播网业务监测系统中，还使用一类频谱仪，它们大多具有很强的分析能力，较高的技术指标，担任卫星信号的精密测量、频谱分析、功率测量、数字通信系统性能测量、标量网络分析、EMI辐射/传导干扰诊断等工作，可以进行矢量信号分析，支持多种GSM/EDGE，WCDMA/HSPA+，LTE，WIMAXTM，WLAN，CDMA2000，1XEVDO测量。

图13 安捷伦高性能频谱分析仪

6 结束语

随着全球网业务的快速持续发展，卫星信号覆盖范围的稳定扩展，无线频谱环境日益复杂，造成卫星信道的干扰增多，故障率提高。近年来，C波段地面干扰的频繁出现和不法份子违规占用卫星通信信道的事件时有发生，如何在第一时间发现并解决问题也是我们必须要关心的重点。频谱监测系统可以实现多路信号频谱监测功能，及时发现并报警各种频谱干扰和信号的异常情况，对频谱进行实时记录、存储和回放，为之后的细致干扰分析提供原始资料，帮助监测人员快速找到故障原因并解决，是保障全球网广播系统的稳定运行的有力手段。

中心为北斗卫星导航系统可持续发展保驾护航

11月17～21日，国际海事组织海上安全委员会第94次会议在英国伦敦召开。会上，国际海事组织海上安全委员会审议通过了对北斗卫星导航系统认可的航行安全通函,这标志着北斗卫星导航系统正式成为继全球定位系统（GPS）、格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）后第三个全球卫星导航系统，取得面向海事应用的国际合法地位。

据了解，国家无线电监测中心、国家无线电频谱管理中心（以下简称“中心”）长期参与北斗导航系统的频率协调与监测保障工作，为获取北斗卫星导航系统频率轨道资源以及为北斗卫星导航系统用频安全提供了强有力的技术支撑。“自2009年开始，中心开展了北斗卫星导航系统空间监测工作，主要包括卫星发射前后的空间频谱轨道资源监测、对全球其它典型卫星导航系统进行普查性监测等。”国家无线电监测中心北京监测站高级工程师李晨说,“2011年以来，中心还积极开展北斗卫星导航系统地面终端的干扰排查及电磁环境测试工作，为北斗卫星导航系统地面终端的建设提供了数据支撑。”

此次北斗卫星导航系统认可的航行安全通函通过审议，是我国北斗卫星导航系统标准首次获得国际组织的系统认可，将为全面推动北斗卫星导航系统海事国际应用和建成北斗卫星导航系统海事国际标准化体系奠定良好的基础。此后，我国将继续全面推进国际技术组织的标准、规范、指南文件的制定和修订，以实现北斗系统进一步在国际海事领域的全方位应用。

中心副主任陈进星表示，卫星频率轨道资源是一个国家空间业务发展所必需的重要战略资源，当前，国际争夺日益激烈，卫星干扰事件时有发生，北斗卫星导航系统也将面对这方面的挑战。“中心将进一步加强卫星频率轨道资源管理支撑工作，努力为北斗卫星导航系统的可持续发展提供有力的资源与安全保障。”陈进星说。

Application of Spectrum Monitoring in Global Satellite Broadcast System

Zhao Qingsuo1, Wang Jianyong2, Wang Jingnan2
(1.Xinhua News Agency, Beijing, 100803; 2.Beijing Sinocentury Communications Co., Ltd, Beijing, 100143)

This article introduces Spectrum monitoring system, especially the structure, technical features and the main functions of the system. Expound the main application of spectrum monitoring system in the global satellite broadcast system. Other types of spectrum analyzers which are in use are also introduced.

Spectrum monitoring system; Satellite service monitoring; Handheld spectrum analyzer

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.12.007

TN92文献标示码：B

1672-7274（2014）12-0034-06