摘 要
文章对针对卫星通信系统中卫星转发器与地面卫通节点间发生故障时存在排查定位故障时效性较差的现状，提出了一种卫星转发器上下行频谱监测系统设计方法。文章从系统架构、工作流程、软硬件设计及使用效果对比几方面进行了描述。从最终使用结果看，本文提出的卫星转发器上下行频谱监测系统设计合理、指标优异，与传统扫频式频谱仪相比具有更完善的功能和更高的时效性，特别是在突发信号捕获和故障告警、记录及回放等功能上充分发挥了专用系统的优点，能极大的提高卫星通信系统的故障排查效率，对于故障事件可追溯，为卫通系统的可靠工作提供了有力保障。
【关键词】卫星转发器 频谱监测
1 前言
随着军用和民用电子用频设备数量的急剧增长，电磁环境的复杂性呈指数上升，有限的频谱资源与无限的频谱需求之间的矛盾日趋激烈。卫星通信作为空地通信，若太空中卫星转发器与地面通信节点出现通信故障，干扰排查难度很大。实际任务过程中，卫星转发器与地面通信过程中遇到的干扰偶有发生，然而卫星通信地面节点配备的传统频谱仪只能对设备进行一些常规测量，因为不具备全套的实时监测手段，故障现象无法实时记录，故障排查效率低下，干扰事件过程很难归零。当前对卫星转发器上下行频谱情况进行监测和观察的手段不能对任务起到很好的保障作用。
为保证卫星转发器有效使用，本文提出一种卫星转发器上下行频谱监测系统，通过与卫星通信地面节点设备的对接，对卫星转发器正常运行的上下行频谱情况进行实时监测、记录，对频谱信号基本参数进行测量、统计、分析、识别和监控，获取频谱特征等数据，长期统计正常频谱模板，设置频谱异常预警门限，当有频谱异常发生时，同步监测射频上下行频谱，中频上下行频谱，依据监测结果进行联动分析。确认异常频谱发生原因，如果是设备故障，则可根据联动分析，确认故障位置。如果是非设备故障造成的频谱异常（譬如有害干扰），则将异常频谱的参数和测量情况形成反馈，供系统进行频谱规避等处理提供决策依据。
2 卫星转发器上下行频谱监测系统架构
卫星通信系统主要由卫星转发器和地面通信节点两大部分构成。卫星通信业务主要分为上行业务和下行业务，对应的地面节点由上行链路和下行链路两部分构成。
本文提出的卫星转发器上下行频谱监测系统由射频监测设备（含多通道切换开关）、中频监测设备、服务器三部分组成。射频监测设备通过多通道切换开关兼顾上行链路射频和下行链路射频频谱监测；中频监测设备兼顾多路上行链路中频和多路下行链路中频频谱监测；服务器完成监测数据的融合、联动分析及存储。
图1描述了卫星通信地面节点设备的组成及频谱关键监测点，卫星转发器上下行频谱监测系统的构成，以及系统间的对接关系。为保证上下行频谱的全面监测、记录和频谱异常时的故障排查，需要在中频和射频两个区域分别进行上下行频谱监测。主要的监测点分布在A～D 4个监测点，具体分布在图1中进行了标示。
图1中，A点为上行中频信号频谱监测点，位于中频监测单元上行信号输出端口，可监测所有调制解调器的输出信号；B点为下行中频信号频谱监测点，位于中频监测单元下行信号输出端口；C点为上行链路的射频信号频谱监测点，位于高功放输出耦合口，可监测经高功放放大后的上行载波状态；D点为下行链路的射频信号频谱监测点，位于低噪放大器输出端口，可监视经场放放大后的下行载波状态。
射频监测设备为单通道，通过多通道开关完成上下行射频切换、监测。中频监测设备设计为多通道，数量与卫星通信地面节点中频数对应。
3 上下行频谱监测系统设计
3.1 上下行频谱监测系统工作流程
上下行频谱监测系统的中频监测设备、射频监测设备和服务器通过交换机完成数据交互。卫通系统的控制设备也通过交换机与各设备相连，卫通系统按需调用上下行频谱监测系统监测结果，也可根据需要下达上下行频谱监测系统运行参数的修改命令，确保卫通系统及时知晓本系统的频谱特征，当出现故障时，能准确、及时的定位故障位置。
卫通地面设备中频监测点A、B的多路中频信号接入中频监测设备，中频监测设备完成信号频谱的采集（放大、滤波等）、处理（信号参数测量、模板比对、信号识别等）；处理后的数据进入中频监测设备控制单元，中频控制单元完成数据的筛选、统计分析、本地人机界面呈现以及与服务器等外部设备的数据交互。
卫通地面设备射频监测点C、D装配射频耦合单元，耦合的小信号经过多通道开关进入射频监测设备。射频监测设备首先对射频信号进行采集，采集过程包括滤波、放大、变频，将射频信号搬移到中频并对中频信号进行高速A/D采样，完成信号频谱数据化；采集的信号进行测量及调制识别等处理；最后将信号处理结果输出到控制单元，射频控制单元完成数据的筛选、统计分析、本地人机界面呈现以及与服务器等外部设备的数据交互。其中C、D两路上下行射频信号由控制器控制多通道开关进行按需切换。
上下行频谱服务器接收中频监测设备和射频监测设备的上报数据，完成数据分类、存储、二次统计分析、告警识别、故障分析等功能，完成卫通系统上下行链路频谱特性的综合呈现和报文推送。支持系统内外的数据调用、回放。
综上所述，上下行频谱监测系统通过对A～D点实时监测，可掌握卫星转发器上下行链路载波频谱状态，出现频谱异常时，综合比对A、B、C、D的频谱信息，可快速实现故障点定位。
3.2 上下行频谱监测系统硬件平台
上下行频谱监测系统硬件核心部分是射频监测设备和中频监测设备。两类设备采用共平台开发，模块化设计。设备采用开放式开发平台，总线架构，机箱为19英寸标准机箱，所有板卡均为标准3U板卡，设备配备PC（3U）卡一块，具备灵活的组网能力。目前该设备已经量产，稳定可靠。设备机箱解剖图如图3所示。
中频监测设备和射频监测设备原理框图如图4、图5所示。射频监测设备在中频监测设备平台基础上增加射频预处理、射频接收、本振模块3个模块。19英寸机箱有18个槽位，满配时可配置不低于8路中频处理通道或者2路射频处理通道，具体配置数量可根据用户需要确定。
硬件平台主要指标：
（a）频率覆盖：射频监测设备1MHz～6GHz、1MHz～18GHz、1MHz～27GHz可选
中频监测设备50M～1GHz
（b）瞬时分析带宽：40MHz
（c）设备底部噪声：优于-140dBm/Hz
（d）处理能力：满配时，能同时处理8路中频信号或2路射频信号
3.3 上下行频谱监测系统软件设计
地面卫通系统的硬件布置一般分为射频机房、中频机房，与之对应，射频监测设备配置与射频机房，中频监测设备和服务器配置与中频机房。系统运行过程中，射频监测设备和中频监测设备有本地显示的需求，服务器段有综合管控、分析、呈现的需求。因此上下行频谱监测系统设计为分布式架构、数据分布存储，支持交叉访问。
监测系统软件分为3部分，射频监测设备软件、中频监测设备软件和综合处理软件。射频监测设备软件和中频设备监测处理本地数据，可接受综合处理软件的遥控，支持授权的交叉访问，输入对方IP地址进行远程浏览。综合处理软件运行于服务器上，可查看全网监测设备的拓扑结构、工作状态、上报数据，可以遥控射频监测设备或中频监测设备，对射频监测设备和中频监测设备上报的数据进行融合处理，当出现故障时，进行联动分析，确定故障位置，支持交叉访问的分布式架构能极大的提高故障排查的效率和精确度。软件关系图如图6所示。
监测软件功能主要包括频谱扫描、自动测量、告警分析、频谱记录、回放、统计分析、报表生成、查询等功能；综合处理软件主要包括组网、联动触发同步记录、故障定位、数据共享、综合呈现、链路信息查询、设备查询、告警信息查询等功能。软件功能框图如图7所示。
4 使用效果
本文设计的上下行频谱监测系统在卫星地面站进行了使用，效果与传统扫频式频谱仪进行了效果比具有以下特点：
（1）采用宽带数采技术，同等分辨率条件下具有，更快的扫描速度，可以看到更大的频谱细节，发现传统扫。频频谱仪不能发现的突发干扰，如图8所示。
（2）监测系统具备频谱记录、回放功能，对于信号异常支持即时告警和事后分析，如图9所示。
（3）监测系统具备组网联动分析功能，可快速定位故障。
（4）监测系统可根据用户需求自动生成各类统计报表。
5 结束语
卫星转发器上下行频谱监测系统对于保障卫通系统可靠运行具有重要意义，在卫星地面站的使用效果表明具有推广价值，本文设计的方案对于具体的工程建设具有一定的指导意义，在实践过程中，应结合用户具体需求进一步提升本监测系统的功能性能。
作者单位
中国电子科技集团公司第七研究所 广东省广州市 510310
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