卫星下行频谱自动监测系统的设计与实现
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【摘要】 本文介绍了利用频谱分析仪和计算机技术，实现对卫星下行频谱全过程的自动分析、监测、告警和记录，并利用网络技术实现异地远程监控，不仅确保了卫星传输链路的安全，而且大大降低了值班员工的劳动强度。本文主要通过SCPI对频谱仪进行控制操作编程以及数据分析的方法，对异常情况做出及时准确的判断和告警，并对异常频谱包络进行数据保存，为事后异态排查和故障分析提供数据依据。
【关键词】 SCPI DSA800 VISA 频谱 视频带宽 扫描时间 中心频率
一.引言
广播电视卫星节目传输系统是一个开放的链路（如图1），信号很容易受空间气象和电磁环境的影响产生衰耗影响传输信号质量，甚至因受非法信号的恶意干扰造成中断。因此必须建立一套完善可靠的监测系统已确保信号传输安全。
卫星下行信号的频谱可直接反映出卫星传输链路正常与否（如图2），因此对下行频谱的监测成为确保卫星信号可靠性和安全性的关键。
当卫星传输链路出现异常或受到干扰时，下行接收到的频谱形状会根据不同的干扰类型而发生不同的变化。当地球站设备出现故障如发射功率降低或载波跌落，频谱的幅度会降低或丢失；当受到干扰时，会出现频谱低噪声升高、波形异常、误码率恶化等现象。监测系统对卫星下行信号的频谱监测，就是根据这些异常变化进行分析处理并告警。
一般情况下，监测系统的建设比较昂贵复杂，我们使用计算机技术加频谱仪构建的监测系统，找到了一种廉价简单的方法，其造价在万元左右。系统构建如图3，数据分析计算机通过USB接口（或TCP/IP网络）访问控制DSA800频谱分析仪，并分析处理采集到的频谱数据，根据分析结果，进行异常告警，并将异常情况下的频谱数据进行保存，以供查找分析干扰源或故障点。
普源DSA800频谱分析仪采用全数字中频技术，其性能卓越和稳定，支持丰富的接口：LAN、USB Host、USB Device和GPIB，频率范围9 kHz至1.5 GHz，带前置放大器，带跟踪源。更为重要的是频谱仪支持SCPI，这为计算机分析频谱数据提供了强大的编程接口。
二、SCPI简介
SCPI，Standard Commands for Programmable Instruments的缩写，即程控仪器（可编程仪器）标准命令集。SCPI是一种建立在现有标准IEEE488.1和IEEE 488.2基础上，并遵循了IEEE754标准中浮点运算规则、ISO646信息交换7位编码符号（相当于ASCll编程）等多种标准的标准化仪器编程语言。它采用一套树状分层结构的命令集，提出了一个具有普遍性的通用仪器模型，采用面向信号的测量；它的助记符产生规则简单、明确，且易于记忆。
SCPI命令为树状层次结构，包括多个子系统，每个子系统由一个根关键字和一个或数个层次关键字构成。命令行通常以冒号“：”开始；关键字之间用冒号“：”分隔，关键字后面跟随可选的参数设置；命令行后面添加问号“？”，表示对此功能进行查询；命令和参数以“空格”分开。例如：
：CALCulate：BANDwidth：NDB
：CALCulate：BANDwidth：NDB？
CALCulate是命令的根关键字，BANDwidth和NDB分别是第二级、第三级关键字。命令行以冒号“：”开始，同时将各级关键字分开，表示可设置的参数；问号“？”表示查询；命令：CALCulate：BANDwidth：NDB和参数之间用“空格”分开。在一些带参数的命令中，通常用逗号“，”分隔多个参数，例如：：SYSTem：DATE ，，
常用频谱仪操作控制命令如表1：
三.程序调用
计算机发送SCPI命令可通过VISA库实现，VISA （virtual instrument software architecture）即虚拟仪器软件结构的实质就是一个标准的I/O函数库及其相关规范的总称，一般称这个I/O函数库为VISA库。这些库函数用于编写仪器的驱动程序，完成计算机与仪器间的命令和数据传输，以实现对仪器的程控。对VISA函数的调用一般可分为声明、开启、器件I/O和关闭4部分，下面以一段简单的C++语言程序为例进行说明。该程序是由计算机向频谱仪发出“：TRACe：DATA？ TRACE1＼n”读迹线1数据的命令，并从该频谱仪回读其响应的迹线1数据。
iUInt32 rcount；
unsigned char buffer[BufferSize]；
ViStatus status；
ViSession inst_DSA800；
status = viOpenDefaultRM（&defaultRM）；
spec_address=” USB0：：0x1AB1：：0x0960：：DSA8B142200229：：0：：INSTR”；
status = viOpen （defaultRM， spec_address.c_str（） ， VI_NULL，VI_NULL， &inst_DSA800）；
if （status = VI_SUCCESS）
{
str=”：TRACe：DATA？ TRACE1＼n”；
status = viWrite （inst_DSA800， str.c_str（） ， str.Length（） ， &rcount）；/
status = viRead （inst_DSA800， buffer， BufferSize， &rcount）；
}
上段程序中，viOpen函数功能是打开与频谱仪DSA800的对话通道，其返回的句柄inst_DSA800用于后面读写操作。viWrite函数功能是向频谱仪发送命令，参数str为命令字符串。viRead函数功能是读取频谱仪返回的迹线数据，将返回数据读取到buffer缓冲区中。
四.频谱数据分析
DSA800频谱仪返回的迹线数据是以中心频率为基点的600个数据，通过读取迹线数据，就能判读出卫星信号故障原因。
卫星下行信号不正常时，一般有两种情况：一种是空间环境变化或卫星链路设备故障使信号衰落或中断，另一种是干扰信号造成下行信号不正常。
如图4是正常信号频谱图。当传输链路设备故障或空间衰落造成频谱包络电平消失或严重下降时（如图5），卫星接收频谱载波显示就会出现下降，当低于事先设定好的迹线数据时（达到一定门限），监测系统就可以发出告警。
当受一尖端信号干扰时（如图6），可以通过计算载波是否尖刺异常，实现对载波信号的监测和告警。计算如下：
先计算载波平均值X，然后计算各点数据与平均值X的差值，找出最大的差值d，差值d超过预设的值，就可以判定有恶意干扰信号，监测系统触发告警。
由于干扰信号往往是瞬间的，所以很难捕捉，我们将DSA800频谱信号以时间帧的格式保存在计算机硬盘中，这样就可以为事后分析查找故障原因提供了数据分析的依据。
五.结束语
C波段卫星下行信号频谱监测系统，使用计算机技术加频谱仪进行构建，找到了一种廉价简单的方法，并可根据实际需求利用网络技术实现异地远程监控。经过实践检验，系统可靠稳定，造价低廉，不仅为地球站安全播出提供了强有力的保障，而且大大降低了值班员工的劳动强度，在同行业中亦具有一定的推广价值。B&P
参考文献
郭诠水 《卫星通讯设备操作维护手册》
王俊涛 《卫星信号监测技术的研究与实践》
刘武兵 《卫星特殊干扰信号监测方法的研究》2007年
胡红坡等《卫星干扰信号的检测研究》