論述了在地面監測和查找衛星頻段干擾源工作中采用頻譜儀進行檢測信號的常規方法，介紹了一種利用DSP自相關算法研制的高靈敏度數字接收機代替頻譜儀檢測微弱信號的新設備，并將其與頻譜分析儀檢測微弱信號的能力進行了比較。

1? 引言

隨著無線電技術的迅速發展和廣泛應用，電磁環境日益復雜，各種頻段、各種類型的干擾事件時有發生，也凸顯了無線電管理和監測工作的重要性。對于衛星頻段地面干擾源信號的監測、查找和定位，傳統的設備配置是頻譜分析儀和相應頻段的天線，如果監測對象為微弱信號，則對頻譜儀的靈敏度提出了極高的要求。筆者經過多年的理論分析和實際測試，實踐了一種利用DSP相關算法代替頻譜分析儀來檢測衛星地面干擾源微弱信號的新方法，即只對地面接收到的衛星地球站天線旁瓣信號進行自相關提取信號，并通過DSP處理設備實現監測對象的分析和定位。

利用自相關算法并結合DSP處理模塊實現的高靈敏度數字接收機的主要功能是：在10.7MHz，21.4MHz和70MHz 3個中頻頻率上，可以檢測到低于噪聲30dB的微弱信號，并將檢測結果在計算機上進行顯示，為無線電監測部門查找衛星地面干擾源微弱信號提供有力的技術手段。

2? 傳統頻譜分析儀監測衛星地面干擾源信號原理

地面監測和查找衛星干擾源的理論基礎是衛星發射天線方向圖，即衛星發射天線除了主瓣對準通信衛星發射信號以外，還有旁瓣信號通過地面開場進行傳播，微弱的旁瓣信號會被地面監測設備捕獲，進而定位發射天線的所在位置。

典型的利用標準喇叭天線+低噪聲放大器LNA+頻譜分析儀設備配置方案監測衛星地面干擾源信號的原理圖參見圖1。

圖1? 利用頻譜儀監測衛星地面干擾源原理圖

圖1所示的監測方法中，衛星干擾源天線旁瓣泄漏的發射信號由監測系統的頻譜儀接收到，監測系統靈敏度很大程度上依賴于頻譜儀的靈敏度。

根據國家無線電監測中心多年的衛星地面干擾源查找經驗，安捷倫公司的ESA系列E4407B（9kHz～26.5GHz）和安立公司新推出的MS2724B（9kHz～20GHz）是兩款性能非常不錯也很實用的頻譜分析儀。

3? 高靈敏度數字接收機監測衛星地面干擾源信號原理及應用

本文提出的一種利用DSP自相關算法實現的高靈敏度數字接收機來代替頻譜儀檢測微弱信號，能夠識別出在頻譜儀噪聲以下30dB的微弱信號，從而提高了整個監測系統的靈敏度。
3.1? 高靈敏度數字接收機的功能

高靈敏度數字接收機主要功能是：在10.7MHz，21.4MHz和70MHz 3個中頻頻率上，接收并放大不同帶寬、微弱的連續波信號，把模擬中頻信號變換為數字中頻信號，通過數字下變頻把數字中頻信號變換為零中頻信號，對零中頻信號進行功率譜分析，分析結果通過USB接口傳到計算機，并在計算機上顯示功率譜曲線。

3.2? 高靈敏度數字接收機的實現原理

隨機信號x（n）的相關函數是在時間域內描述隨機過程的重要特征，自相關函數是隨機信號在不同時刻值之間依賴性的量度。在隨機信號處理中，自相關函數可以用來檢測淹沒在隨機噪聲干擾中的信號，隨機信號的自功率譜等于它的自相關函數的傅立葉變換，因此通過自相關估計可以求得信號的功率譜。本接收機采用ADC+FPGA+DSP的硬件結構，對數字濾波器的輸出進行功率譜分析，隨機信號自相關函數的傅立葉變換就是其功率譜，功率譜分析借助于快速傅立葉變換（FFT）實現，利用FFT做相關（或功率譜分析）的原理框圖（見圖2）。

圖2? 利用FFT做相關（或功率譜分析）的原理框圖

從2圖可以看出，如果對一路隨機信號進行功率譜分析，則x（n）與h（n）相同，隨機信號的功率譜可簡化為對隨機信號做FFT，并對FFT結果取模平方即可。

FFT點數和采樣率共同決定了功率譜的分辨帶寬。分辨帶寬決定對隨機噪聲的抑制能力，換言之，決定處理增益（或輸出信噪比相對于輸入信噪比的提高）。對多次功率譜分析結果進行平均處理可進一步降低隨機噪聲的影響。在本系統中，FFT點數可以取512，1024，2048，4096，8192和16384，功率譜平均次數可以取5，10，15，20次。

　　FFT點數和采樣率共同決定了功率譜的分辨帶寬。分辨帶寬決定對隨機噪聲的抑制能力，換言之，決定處理增益（或輸出信噪比相對于輸入信噪比的提高）。對多次功率譜分析結果進行平均處理可進一步降低隨機噪聲的影響。在本系統中，FFT點數可以取512，1024，2048，4096，8192和16384，功率譜平均次數可以取5，10，15，20次。

　　高靈敏度數字接收機的系統框圖參見圖3。

　　圖3 高靈敏度數字接收機系統框圖

　　3.3 高靈敏度數字接收機與頻譜分析儀檢測微弱信號比較

　　筆者對高靈敏度數字接收機與頻譜分析儀檢測微弱信號的能力進行了簡單比較，所用的主要測試設備為安捷倫矢量信號發生器E8267D，高靈敏度數字接收機，安捷倫ESA系統頻譜分析儀E4407B（可以開啟預放功能），功分器，直流電源等。

　　測試連接圖參見圖4。

　　圖4 高靈敏度數字接收機與頻譜儀比較測試圖

　　測試結果比較：對于單載波信號和窄帶信號（QPSK調制，10kbit/s速率），如果頻譜分析儀不開啟預放功能，則高靈敏度數字接收機能檢測到比頻譜儀低30dB的微弱信號；如果頻譜分析儀開啟預放功能，則高靈敏度數字接收機能檢測到比頻譜儀低10dB的微弱信號。

　　具體的檢測結果顯示如圖5和圖6所示。其中，圖5（a）高靈敏度數字接收機：20kHz/16384點FFT/20次平均/21.402MHz/-160dBm；圖5（b）頻譜分析儀：21.402MHz/-150dBm/加預放；圖5（c）頻譜分析儀：21.402MHz/-130dBm/不加預放。

　　圖5

　　圖6（a）高靈敏度數字接收機：20kHz/16384點FFT/20次平均/21.402MHz/-130dBm；圖6（b）頻譜分析儀：21.402MHz/-120dBm/加預放；圖6（c）頻譜分析儀：21.402MHz/-100dBm/不加預放。

　　圖6

　　4 結束語

　　筆者從長期利用衛星干擾源雙星定位系統監測和定位衛星地面干擾的經驗出發，結合多起地面逼近監測和查找衛星干擾源的實際情況，介紹了利用傳統的頻譜分析儀檢測微弱衛星地球站天線旁瓣信號的常規監測方法，并著重介紹了一款利用DSP自相關算法實現的高靈敏度數字接收機，該接收機可以檢測到比頻譜分析儀低30dB的微弱信號，因此將來可以考慮代替頻譜分析儀來檢測微弱的衛星上行站信號。