一種數(shù)字頻譜系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

王芳

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

關鍵詞：數(shù)字頻譜；顯示；回放；衛(wèi)星傳輸

0 引言

隨著我國衛(wèi)星廣播傳輸發(fā)射事業(yè)的飛速發(fā)展，頻譜監(jiān)測在衛(wèi)星傳輸發(fā)射領域發(fā)揮著及其重要的作用。準確靈敏的頻譜監(jiān)測可以對在整個衛(wèi)星傳輸通路中出現(xiàn)的異態(tài)及時展現(xiàn)，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(wèi)星傳輸發(fā)射的質量提供有力保障。

傳統(tǒng)的頻譜監(jiān)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(jiān)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(jiān)測一個射頻信號，對于多載波上行的衛(wèi)星地球站或需要進行多業(yè)務監(jiān)測的單位存在監(jiān)測盲點，播出異態(tài)稍縱即逝，很難達到實時監(jiān)測的目的；而頻譜分析儀具有實時監(jiān)測功能，但無法對歷史頻譜數(shù)據進行查詢，對實時頻譜缺乏快速提取和數(shù)據處理能力等，嚴重影響了頻譜監(jiān)測應有的監(jiān)測功能。

為了更好地發(fā)揮數(shù)字頻譜的監(jiān)測作用，結合實際應用，設計開發(fā)出了數(shù)字頻譜系統(tǒng)，可實現(xiàn)在普通服務器或電腦上實時顯示發(fā)射載波或數(shù)字頻譜監(jiān)測功能。

1 系統(tǒng)組成及原理

1.1 數(shù)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?shù)臑V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(shù)壓縮）。重要的處理過程可以理解為包絡檢波、數(shù)字化以及顯示。

1.2 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)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(shù)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(xié)議的IP信號發(fā)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(shù)設置，使其鎖定所要監(jiān)測的載波信號。在網絡中，利用開發(fā)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(jiān)測功能。

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

與頻譜分析儀的顯示窗口類似，系統(tǒng)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(shù)據點數(shù)為501個浮點數(shù)，每個點的值代表頻譜數(shù)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(shù)），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(tǒng)設置

系統(tǒng)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(shù)和列數(shù)、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(tǒng)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(shù)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(shù)，支持多種畫面模板顯示，可根據需要顯示的頻點個數(shù)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(shù)字時鐘。選擇畫面模板后，軟件將選擇的畫面模板存儲到數(shù)據庫的systemconf表內，表內存儲了模板ID。軟件從數(shù)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?zhèn)€數(shù)以及每個窗口的位置，用于顯示頻譜窗口。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

2.1 實時頻譜數(shù)據顯示功能

實時頻譜數(shù)據顯示功能主要用于從頻譜卡讀取數(shù)據實時繪制頻譜圖，并將讀取的數(shù)據存入數(shù)據庫?？梢酝瑫r支持多塊頻譜卡的數(shù)據讀取，分別獨立地讀取數(shù)據、顯示數(shù)據和存入數(shù)據庫。從頻譜卡獲取的頻譜數(shù)據存入到MySQL數(shù)據庫的spectrum表內，該表用存儲過程建立了分區(qū)，并對頻譜數(shù)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(qū)，并將超過時間的分區(qū)刪除，可以保留3個月的數(shù)據。建立分區(qū)和索引可以提升數(shù)據庫的訪問速率，在歷史數(shù)據查詢時能夠迅速從數(shù)據庫獲取查詢結果。

將相關參數(shù)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(shù)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(shù)據回放功能

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

頻譜數(shù)據回放是顯示歷史的頻譜數(shù)據，在顯示實時頻譜數(shù)據時，軟件將所有從頻譜卡讀取的數(shù)據都存儲到了數(shù)據庫表內，因此，頻譜數(shù)據回放時只需要將頻譜數(shù)據從數(shù)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(shù)據回放的軟件流程如圖4所示。

此外，該系統(tǒng)還支持頻譜數(shù)據的導出及回放功能，在回放參數(shù)界面可以選擇導出數(shù)據，按照相應選項進行參數(shù)選擇，可以導出頻譜數(shù)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(shù)據，方便對監(jiān)測數(shù)據進行分析比較，而且實時監(jiān)測系統(tǒng)不會受到影響。

2.3 系統(tǒng)的特點

數(shù)字頻譜系統(tǒng)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(jiān)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(tǒng)支持最大600 MHz帶寬的頻譜顯示，可以實現(xiàn)目前衛(wèi)星通信單個極化的全帶寬監(jiān)測，也就是說，使用兩塊頻譜卡就能實現(xiàn)整個通信衛(wèi)星的頻譜監(jiān)測。

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

根據實際運行效果來看，該系統(tǒng)功能還可以從以下方面逐步完善。

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

（2）對顯示程序進行再開發(fā)，使其能夠捕捉異態(tài)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(fā)現(xiàn)異態(tài)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(wèi)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(fā)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(shù)字化于電腦終端上。也就是增加各種測試計算功能，在監(jiān)測頻譜上直接實現(xiàn)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(xiàn)完全替代頻譜分析儀就成為可能。

3 結論

本文介紹的數(shù)字頻譜系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對監(jiān)測信號的實時顯示及頻譜數(shù)據回放功能，在很大程度上解決了頻譜分析儀監(jiān)測的瓶頸，在衛(wèi)星廣播傳輸發(fā)射中應用靈活，極大地滿足了頻譜監(jiān)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(fā)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(guī)劃院）