基于DSP的卫星干扰源频谱仪信号检测 卫星地面干扰源信号原理

论述了在地面监测和查找卫星频段干扰源工作中采用频谱仪进行检测信号的常规方法，介绍了一种利用DSP自相关算法研制的高灵敏度数字接收机代替频谱仪检测微弱信号的新设备，并将其与频谱分析仪检测微弱信号的能力进行了比较。

1  引言

随着无线电技术的迅速发展和广泛应用，电磁环境日益复杂，各种频段、各种类型的干扰事件时有发生，也凸显了无线电管理和监测工作的重要性。对于卫星频段地面干扰源信号的监测、查找和定位，传统的设备配置是频谱分析仪和相应频段的天线，如果监测对象为微弱信号，则对频谱仪的灵敏度提出了极高的要求。笔者经过多年的理论分析和实际测试，实践了一种利用DSP相关算法代替频谱分析仪来检测卫星地面干扰源微弱信号的新方法，即只对地面接收到的卫星地球站天线旁瓣信号进行自相关提取信号，并通过DSP处理设备实现监测对象的分析和定位。

利用自相关算法并结合DSP处理模块实现的高灵敏度数字接收机的主要功能是：在10.7MHz，21.4MHz和70MHz 3个中频频率上，可以检测到低于噪声30dB的微弱信号，并将检测结果在计算机上进行显示，为无线电监测部门查找卫星地面干扰源微弱信号提供有力的技术手段。

2  传统频谱分析仪监测卫星地面干扰源信号原理

地面监测和查找卫星干扰源的理论基础是卫星发射天线方向图，即卫星发射天线除了主瓣对准通信卫星发射信号以外，还有旁瓣信号通过地面开场进行传播，微弱的旁瓣信号会被地面监测设备捕获，进而定位发射天线的所在位置。

典型的利用标准喇叭天线+低噪声放大器LNA+频谱分析仪设备配置方案监测卫星地面干扰源信号的原理图参见图1。

图1  利用频谱仪监测卫星地面干扰源原理图

图1所示的监测方法中，卫星干扰源天线旁瓣泄漏的发射信号由监测系统的频谱仪接收到，监测系统灵敏度很大程度上依赖于频谱仪的灵敏度。

根据国家无线电监测中心多年的卫星地面干扰源查找经验，安捷伦公司的ESA系列E4407B（9kHz～26.5GHz）和安立公司新推出的MS2724B（9kHz～20GHz）是两款性能非常不错也很实用的频谱分析仪。

3  高灵敏度数字接收机监测卫星地面干扰源信号原理及应用

本文提出的一种利用DSP自相关算法实现的高灵敏度数字接收机来代替频谱仪检测微弱信号，能够识别出在频谱仪噪声以下30dB的微弱信号，从而提高了整个监测系统的灵敏度。
3.1  高灵敏度数字接收机的功能

高灵敏度数字接收机主要功能是：在10.7MHz，21.4MHz和70MHz 3个中频频率上，接收并放大不同带宽、微弱的连续波信号，把模拟中频信号变换为数字中频信号，通过数字下变频把数字中频信号变换为零中频信号，对零中频信号进行功率谱分析，分析结果通过USB接口传到计算机，并在计算机上显示功率谱曲线。

3.2  高灵敏度数字接收机的实现原理

随机信号x（n）的相关函数是在时间域内描述随机过程的重要特征，自相关函数是随机信号在不同时刻值之间依赖性的量度。在随机信号处理中，自相关函数可以用来检测淹没在随机噪声干扰中的信号，随机信号的自功率谱等于它的自相关函数的傅立叶变换，因此通过自相关估计可以求得信号的功率谱。本接收机采用ADC+FPGA+DSP的硬件结构，对数字滤波器的输出进行功率谱分析，随机信号自相关函数的傅立叶变换就是其功率谱，功率谱分析借助于快速傅立叶变换（FFT）实现，利用FFT做相关（或功率谱分析）的原理框图（见图2）。

图2  利用FFT做相关（或功率谱分析）的原理框图

从2图可以看出，如果对一路随机信号进行功率谱分析，则x（n）与h（n）相同，随机信号的功率谱可简化为对随机信号做FFT，并对FFT结果取模平方即可。

FFT点数和采样率共同决定了功率谱的分辨带宽。分辨带宽决定对随机噪声的抑制能力，换言之，决定处理增益（或输出信噪比相对于输入信噪比的提高）。对多次功率谱分析结果进行平均处理可进一步降低随机噪声的影响。在本系统中，FFT点数可以取512，1024，2048，4096，8192和16384，功率谱平均次数可以取5，10，15，20次。

　　FFT点数和采样率共同决定了功率谱的分辨带宽。分辨带宽决定对随机噪声的抑制能力，换言之，决定处理增益（或输出信噪比相对于输入信噪比的提高）。对多次功率谱分析结果进行平均处理可进一步降低随机噪声的影响。在本系统中，FFT点数可以取512，1024，2048，4096，8192和16384，功率谱平均次数可以取5，10，15，20次。

　　高灵敏度数字接收机的系统框图参见图3。

　　

　　图3 高灵敏度数字接收机系统框图

　　3.3 高灵敏度数字接收机与频谱分析仪检测微弱信号比较

　　笔者对高灵敏度数字接收机与频谱分析仪检测微弱信号的能力进行了简单比较，所用的主要测试设备为安捷伦矢量信号发生器E8267D，高灵敏度数字接收机，安捷伦ESA系统频谱分析仪E4407B（可以开启预放功能），功分器，直流电源等。

　　测试连接图参见图4。

　　

　　图4 高灵敏度数字接收机与频谱仪比较测试图

　　测试结果比较：对于单载波信号和窄带信号（QPSK调制，10kbit/s速率），如果频谱分析仪不开启预放功能，则高灵敏度数字接收机能检测到比频谱仪低30dB的微弱信号；如果频谱分析仪开启预放功能，则高灵敏度数字接收机能检测到比频谱仪低10dB的微弱信号。

　　具体的检测结果显示如图5和图6所示。其中，图5（a）高灵敏度数字接收机：20kHz/16384点FFT/20次平均/21.402MHz/-160dBm；图5（b）频谱分析仪：21.402MHz/-150dBm/加预放；图5（c）频谱分析仪：21.402MHz/-130dBm/不加预放。

　　

　　图5

　　图6（a）高灵敏度数字接收机：20kHz/16384点FFT/20次平均/21.402MHz/-130dBm；图6（b）频谱分析仪：21.402MHz/-120dBm/加预放；图6（c）频谱分析仪：21.402MHz/-100dBm/不加预放。

　　

　　图6

　　4 结束语

　　笔者从长期利用卫星干扰源双星定位系统监测和定位卫星地面干扰的经验出发，结合多起地面逼近监测和查找卫星干扰源的实际情况，介绍了利用传统的频谱分析仪检测微弱卫星地球站天线旁瓣信号的常规监测方法，并着重介绍了一款利用DSP自相关算法实现的高灵敏度数字接收机，该接收机可以检测到比频谱分析仪低30dB的微弱信号，因此将来可以考虑代替频谱分析仪来检测微弱的卫星上行站信号。