論述了在地面監(jiān)測(cè)和查找衛(wèi)星頻段干擾源工作中采用頻譜儀進(jìn)行檢測(cè)信號(hào)的常規(guī)方法，介紹了一種利用DSP自相關(guān)算法研制的高靈敏度數(shù)字接收機(jī)代替頻譜儀檢測(cè)微弱信號(hào)的新設(shè)備，并將其與頻譜分析儀檢測(cè)微弱信號(hào)的能力進(jìn)行了比較。

1? 引言

隨著無(wú)線電技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，電磁環(huán)境日益復(fù)雜，各種頻段、各種類型的干擾事件時(shí)有發(fā)生，也凸顯了無(wú)線電管理和監(jiān)測(cè)工作的重要性。對(duì)于衛(wèi)星頻段地面干擾源信號(hào)的監(jiān)測(cè)、查找和定位，傳統(tǒng)的設(shè)備配置是頻譜分析儀和相應(yīng)頻段的天線，如果監(jiān)測(cè)對(duì)象為微弱信號(hào)，則對(duì)頻譜儀的靈敏度提出了極高的要求。筆者經(jīng)過(guò)多年的理論分析和實(shí)際測(cè)試，實(shí)踐了一種利用DSP相關(guān)算法代替頻譜分析儀來(lái)檢測(cè)衛(wèi)星地面干擾源微弱信號(hào)的新方法，即只對(duì)地面接收到的衛(wèi)星地球站天線旁瓣信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)提取信號(hào)，并通過(guò)DSP處理設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)對(duì)象的分析和定位。

利用自相關(guān)算法并結(jié)合DSP處理模塊實(shí)現(xiàn)的高靈敏度數(shù)字接收機(jī)的主要功能是：在10.7MHz，21.4MHz和70MHz 3個(gè)中頻頻率上，可以檢測(cè)到低于噪聲30dB的微弱信號(hào)，并將檢測(cè)結(jié)果在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示，為無(wú)線電監(jiān)測(cè)部門查找衛(wèi)星地面干擾源微弱信號(hào)提供有力的技術(shù)手段。

2? 傳統(tǒng)頻譜分析儀監(jiān)測(cè)衛(wèi)星地面干擾源信號(hào)原理

地面監(jiān)測(cè)和查找衛(wèi)星干擾源的理論基礎(chǔ)是衛(wèi)星發(fā)射天線方向圖，即衛(wèi)星發(fā)射天線除了主瓣對(duì)準(zhǔn)通信衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)以外，還有旁瓣信號(hào)通過(guò)地面開場(chǎng)進(jìn)行傳播，微弱的旁瓣信號(hào)會(huì)被地面監(jiān)測(cè)設(shè)備捕獲，進(jìn)而定位發(fā)射天線的所在位置。

典型的利用標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線+低噪聲放大器LNA+頻譜分析儀設(shè)備配置方案監(jiān)測(cè)衛(wèi)星地面干擾源信號(hào)的原理圖參見圖1。

圖1? 利用頻譜儀監(jiān)測(cè)衛(wèi)星地面干擾源原理圖

圖1所示的監(jiān)測(cè)方法中，衛(wèi)星干擾源天線旁瓣泄漏的發(fā)射信號(hào)由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的頻譜儀接收到，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈敏度很大程度上依賴于頻譜儀的靈敏度。

根據(jù)國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心多年的衛(wèi)星地面干擾源查找經(jīng)驗(yàn)，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(cuò)也很實(shí)用的頻譜分析儀。

3? 高靈敏度數(shù)字接收機(jī)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星地面干擾源信號(hào)原理及應(yīng)用

本文提出的一種利用DSP自相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)的高靈敏度數(shù)字接收機(jī)來(lái)代替頻譜儀檢測(cè)微弱信號(hào)，能夠識(shí)別出在頻譜儀噪聲以下30dB的微弱信號(hào)，從而提高了整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈敏度。
3.1? 高靈敏度數(shù)字接收機(jī)的功能

高靈敏度數(shù)字接收機(jī)主要功能是：在10.7MHz，21.4MHz和70MHz 3個(gè)中頻頻率上，接收并放大不同帶寬、微弱的連續(xù)波信號(hào)，把模擬中頻信號(hào)變換為數(shù)字中頻信號(hào)，通過(guò)數(shù)字下變頻把數(shù)字中頻信號(hào)變換為零中頻信號(hào)，對(duì)零中頻信號(hào)進(jìn)行功率譜分析，分析結(jié)果通過(guò)USB接口傳到計(jì)算機(jī)，并在計(jì)算機(jī)上顯示功率譜曲線。

3.2? 高靈敏度數(shù)字接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)原理

隨機(jī)信號(hào)x（n）的相關(guān)函數(shù)是在時(shí)間域內(nèi)描述隨機(jī)過(guò)程的重要特征，自相關(guān)函數(shù)是隨機(jī)信號(hào)在不同時(shí)刻值之間依賴性的量度。在隨機(jī)信號(hào)處理中，自相關(guān)函數(shù)可以用來(lái)檢測(cè)淹沒在隨機(jī)噪聲干擾中的信號(hào)，隨機(jī)信號(hào)的自功率譜等于它的自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換，因此通過(guò)自相關(guān)估計(jì)可以求得信號(hào)的功率譜。本接收機(jī)采用ADC+FPGA+DSP的硬件結(jié)構(gòu)，對(duì)數(shù)字濾波器的輸出進(jìn)行功率譜分析，隨機(jī)信號(hào)自相關(guān)函數(shù)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(shí)現(xiàn)，利用FFT做相關(guān)（或功率譜分析）的原理框圖（見圖2）。

圖2? 利用FFT做相關(guān)（或功率譜分析）的原理框圖

從2圖可以看出，如果對(duì)一路隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行功率譜分析，則x（n）與h（n）相同，隨機(jī)信號(hào)的功率譜可簡(jiǎn)化為對(duì)隨機(jī)信號(hào)做FFT，并對(duì)FFT結(jié)果取模平方即可。

FFT點(diǎn)數(shù)和采樣率共同決定了功率譜的分辨帶寬。分辨帶寬決定對(duì)隨機(jī)噪聲的抑制能力，換言之，決定處理增益（或輸出信噪比相對(duì)于輸入信噪比的提高）。對(duì)多次功率譜分析結(jié)果進(jìn)行平均處理可進(jìn)一步降低隨機(jī)噪聲的影響。在本系統(tǒng)中，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)可以取512，1024，2048，4096，8192和16384，功率譜平均次數(shù)可以取5，10，15，20次。

　　FFT點(diǎn)數(shù)和采樣率共同決定了功率譜的分辨帶寬。分辨帶寬決定對(duì)隨機(jī)噪聲的抑制能力，換言之，決定處理增益（或輸出信噪比相對(duì)于輸入信噪比的提高）。對(duì)多次功率譜分析結(jié)果進(jìn)行平均處理可進(jìn)一步降低隨機(jī)噪聲的影響。在本系統(tǒng)中，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)可以取512，1024，2048，4096，8192和16384，功率譜平均次數(shù)可以取5，10，15，20次。

　　高靈敏度數(shù)字接收機(jī)的系統(tǒng)框圖參見圖3。

　　圖3 高靈敏度數(shù)字接收機(jī)系統(tǒng)框圖

　　3.3 高靈敏度數(shù)字接收機(jī)與頻譜分析儀檢測(cè)微弱信號(hào)比較

　　筆者對(duì)高靈敏度數(shù)字接收機(jī)與頻譜分析儀檢測(cè)微弱信號(hào)的能力進(jìn)行了簡(jiǎn)單比較，所用的主要測(cè)試設(shè)備為安捷倫矢量信號(hào)發(fā)生器E8267D，高靈敏度數(shù)字接收機(jī)，安捷倫ESA系統(tǒng)頻譜分析儀E4407B（可以開啟預(yù)放功能），功分器，直流電源等。

　　測(cè)試連接圖參見圖4。

　　圖4 高靈敏度數(shù)字接收機(jī)與頻譜儀比較測(cè)試圖

　　測(cè)試結(jié)果比較：對(duì)于單載波信號(hào)和窄帶信號(hào)（QPSK調(diào)制，10kbit/s速率），如果頻譜分析儀不開啟預(yù)放功能，則高靈敏度數(shù)字接收機(jī)能檢測(cè)到比頻譜儀低30dB的微弱信號(hào)；如果頻譜分析儀開啟預(yù)放功能，則高靈敏度數(shù)字接收機(jī)能檢測(cè)到比頻譜儀低10dB的微弱信號(hào)。

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

　　圖5

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

　　圖6

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　筆者從長(zhǎng)期利用衛(wèi)星干擾源雙星定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和定位衛(wèi)星地面干擾的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，結(jié)合多起地面逼近監(jiān)測(cè)和查找衛(wèi)星干擾源的實(shí)際情況，介紹了利用傳統(tǒng)的頻譜分析儀檢測(cè)微弱衛(wèi)星地球站天線旁瓣信號(hào)的常規(guī)監(jiān)測(cè)方法，并著重介紹了一款利用DSP自相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)的高靈敏度數(shù)字接收機(jī)，該接收機(jī)可以檢測(cè)到比頻譜分析儀低30dB的微弱信號(hào)，因此將來(lái)可以考慮代替頻譜分析儀來(lái)檢測(cè)微弱的衛(wèi)星上行站信號(hào)。