L波段卫星信道监测仪技术简介

1 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 2 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 3 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 0 b EN 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 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 MFC图形界面 算法接口函数 库 板间通信协议 接口函数库 PCI芯片驱动 接口函数库 数 据 传 输 协 议 解 析 矩 阵 运 算 信 号 处 理 特 定 算 法 设 备 管 理 图 1 软件组成 3 2 2硬件组成硬件组成 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 5 上位机 PCI9054 晶振 时钟 管理 FPGA 配置存储器 SDRAM EEPROM PCI 接口 电源管理 双口RAM 功率 控制 增益 控制 滤波 放大 滤波 A D 信号处理模块 核心控制模块 存储控制模块 本地总线控制模块 模拟控制模块 L波段信号 数字处理板 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 硬件体系结构如图所示 RFADC 外部 存储 PCI 控制 缓冲 控制 频谱 分析 参数 估计 频谱 显示 FPGA 应用软件 NCO FIR可变抽取 FIR可变抽取 sinn cosn I Q PCI 芯片 PCI总线 图 2 硬件体系结构 6 3 3 1 1射频模拟前端射频模拟前端 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 7 MFC图形界面显示 信号分析处理板卡驱动程序 PCI驱动程序 Windows OS 图 3 软件结构 3 3 2 1MFC 图形显示图形显示 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 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 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 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 8 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 PCI插槽 挡板固定螺钉 外部连接的SMA接头射频电缆线 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 9 4 4操作使用 1 按照连接示意图进行系统连接 LNB 分 路 器 板卡PC 主机显示器 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 频谱显示模块 功 能 显 示 模 块 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 10 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