摘要：頻譜分析儀廣泛應(yīng)用于微波技術(shù)領(lǐng)域，是在頻域內(nèi)對(duì)信號(hào)的電平、功率、頻率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量并顯示的儀器，文章從頻譜分析儀的原理出發(fā)探討了其作為測(cè)試儀器在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：頻譜分析儀；傅立葉變換；FFT；衛(wèi)星通信

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)16-21224-03

Research on Theory of Spectrum Analyzer and Application of Spectrum Analyzer to Satellite Communications

SONG Zhi-qiang，WU Yan-zheng

(Force 96 Unit 92941，Huludao 125001，China)

Abstract:Spectrum Analyzer is widely used in the domain of microwave technique，by which can measure the level、the power and the frequence of the signal，and also the result of the measurement can be displayed by it.After further investigating the theory of spectrum analyzer，the author proposes the application of spectrum analyzer to satellite communications.

Key words: Spectrum Analyzer; Fourier Transform; FFT; Satellite Communications

1 引言

在低頻和數(shù)字電路中，萬(wàn)用表和示波器能滿足大多數(shù)工程測(cè)試要求，而在微波、毫米波頻段由于存在阻抗匹配、信號(hào)串?dāng)_等問(wèn)題，這兩種儀器無(wú)法使用，取而代之的是微波、毫米波六大測(cè)試儀器，即信號(hào)源、網(wǎng)絡(luò)分析儀、噪聲系數(shù)測(cè)試儀、功率計(jì)、頻率計(jì)和頻譜分析儀，其中以頻譜分析儀復(fù)雜程度最高，技術(shù)難度最大，在微波儀器的市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位。

早期人們?cè)陂_發(fā)微波產(chǎn)品時(shí)，由于時(shí)域取樣技術(shù)的限制，缺少性能指標(biāo)能滿足實(shí)際要求的寬帶取樣示波器產(chǎn)品，因此人們開始開發(fā)和使用技術(shù)難度相對(duì)較小的頻域測(cè)試儀器，從而研發(fā)了頻譜分析儀，久而久之，在微波、毫米波頻段人們更習(xí)慣于用頻域的概念來(lái)思考問(wèn)題，用頻域的技術(shù)參數(shù)來(lái)定義產(chǎn)品的性能指標(biāo)?，F(xiàn)代頻譜分析儀的本振信號(hào)源已從自由震蕩式發(fā)展到頻率合成式，頻率分辨率也從1kHz減少到1Hz。又由于采用了平坦度補(bǔ)償技術(shù)，頻譜分析儀的幅度測(cè)試準(zhǔn)確度也在不斷地提高。因此在觀察信號(hào)頻譜特性的同時(shí)，還可以測(cè)量信號(hào)各頻譜分量的幅度和中心頻率，其測(cè)試精度也能滿足一般工程項(xiàng)目的測(cè)試要求，在要求不高的情況下，部分地替代了頻率計(jì)和功率計(jì)職能。

在信號(hào)處理的許多應(yīng)用中，常常需要進(jìn)行頻譜分析，以便對(duì)信號(hào)基本參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。頻譜分析儀已廣泛地應(yīng)用于微波通信、衛(wèi)星通信和雷達(dá)領(lǐng)域，使用它對(duì)頻段進(jìn)行監(jiān)控，比如：對(duì)衛(wèi)星信標(biāo)進(jìn)行搜索，在雷達(dá)系統(tǒng)中獲取目標(biāo)速度信息，在聲納系統(tǒng)中分析帶噪信息，在語(yǔ)音處理系統(tǒng)中分析聲譜等。

2 頻譜分析儀原理研究

2.1 頻譜分析儀的種類

頻譜分析儀有多種分類方法，按照分析處理方法的不同，可分為模擬式頻譜分析儀、數(shù)字式頻譜分析儀和模擬/數(shù)字混合式頻譜分析儀；按照基本工作原理，可分為掃頻調(diào)諧式（掃描式）頻譜分析儀和非掃描式頻譜分析儀；按照發(fā)展歷史，可分為傳統(tǒng)頻譜分析儀和基于快速傅立葉變換（FFT）的現(xiàn)代頻譜分析儀等。

目前，頻譜分析儀產(chǎn)品多是將外差式掃描頻譜分析技術(shù)與FFT數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合起來(lái)，前端采用傳統(tǒng)的外差式結(jié)構(gòu)，中頻處理部分采用數(shù)字結(jié)構(gòu)，中頻信號(hào)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC，Analog-to-Digital Converter）量化，輸出的數(shù)字信號(hào)由通用微處理器或?qū)Ｓ脭?shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)FFT運(yùn)算，最后分析結(jié)果在CRT上顯示出來(lái)。這種頻譜分析儀的原理框圖如圖1所示。

圖1 基于掃頻外差和FFT原理的模擬/數(shù)字混合式頻譜分析儀原理框圖

2.2 頻譜分析儀算法研究

描述信號(hào)時(shí)域和頻域間相互關(guān)系的理論通常稱為傅氏理論，它包括傅立葉級(jí)數(shù)和傅立葉變換。傅立葉級(jí)數(shù)應(yīng)用于周期信號(hào)的頻域變換，周期信號(hào)通過(guò)傅立葉級(jí)數(shù)變換，在頻域中表現(xiàn)為離散的譜線；非周期信號(hào)通過(guò)傅立葉變換，在頻域中表現(xiàn)為一條連續(xù)的譜線。頻譜分析儀就是利用離散傅立葉變換來(lái)得到頻域測(cè)量參數(shù)的。

通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，我們知道信號(hào)可以分解為許多不同頻率、幅度和相位的正弦波。以一個(gè)周期函數(shù)f(t)作為輸入信號(hào)函數(shù)舉例說(shuō)明：

■(公式2-1)

其中：Ω為角頻率Ω=2?F=2?/T

■（n=1，2，3，……）

■ (n=1，2，3，……)

■

■

如以f(t)為輸入信號(hào)函數(shù)，由公式2-1可知，信號(hào)被分解為不同的頻率nΩ，不同的幅度An，不同的相位φn。我們把頻率作為水平軸進(jìn)行研究，這種以頻率為水平軸分析信號(hào)的方法稱為信號(hào)的頻域（Frequency Domain）分析或頻譜分析。無(wú)論是確定的還是隨機(jī)的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行譜分析或譜估計(jì)的核心工具都是離散傅立葉變換（Discrete Fourier Transform），數(shù)字頻譜分析的基本實(shí)現(xiàn)方法就是有效地進(jìn)行傅立葉變換。通過(guò)信號(hào)的頻譜分析能夠獲得頻域中特有的參數(shù)，例如，諧波分量、寄生、交調(diào)、噪聲邊帶等。

圖2 時(shí)域和頻域關(guān)系圖

圖2描述了時(shí)域和頻域的關(guān)系，簡(jiǎn)單的說(shuō)頻譜分析儀就是把頻域波形表現(xiàn)出來(lái)，并且量化的測(cè)試儀器。從圖2-2可以看出如果用頻譜分析儀來(lái)測(cè)量，顯示的是不同頻率和不同幅度的分立譜線，可以很明顯的獲得信號(hào)電平，頻譜純度、信號(hào)失真等各種參數(shù)。

由于離散傅立葉變換（DFT）的計(jì)算繁瑣、速度太慢，所以無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際。快速傅立葉變換（FFT）是離散傅立葉變換的一種迅速而有效的算法，它是根據(jù)離散傅立葉變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的，在運(yùn)算速度上較離散傅立葉變換有明顯的優(yōu)勢(shì)，比如：實(shí)施離散傅立葉變換所需計(jì)算次數(shù)約為N2（N為取樣數(shù)），而與之相對(duì)應(yīng)的FFT所需的計(jì)算次數(shù)為Nlog2N。因此，在頻譜分析儀中普遍采用快速傅立葉變換（FFT）算法。

根據(jù)采樣定律，一個(gè)頻帶有限的信號(hào)，可以對(duì)它進(jìn)行時(shí)域采樣而不丟失任何信息，F(xiàn)FT變換則說(shuō)明對(duì)于時(shí)間有限的信號(hào)，也可以對(duì)其進(jìn)行頻域采樣，而不丟失任何信息。所以只要時(shí)間序列足夠長(zhǎng)，采樣足夠密，頻域采樣也就能較好地反映信號(hào)的頻譜特性，因此FFT可以用來(lái)進(jìn)行連續(xù)信號(hào)的頻譜分析。

3 頻譜分析儀在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用

3.1頻譜分析儀在衛(wèi)星通信中的測(cè)試方法

目前，大部分國(guó)際通信衛(wèi)星尤其是商業(yè)衛(wèi)星使用C波段（下行/上行頻率為4/6GHz）或Ku波段（下行/上行頻率為12/14GHz），頻譜分析儀公司產(chǎn)品的頻率測(cè)試范圍可達(dá)40-50GHz，可以利用頻譜分析儀對(duì)衛(wèi)星地球站射頻信號(hào)直接測(cè)量或者對(duì)射頻信號(hào)下變頻后進(jìn)行測(cè)量分析?？梢哉f(shuō)頻譜分析儀是衛(wèi)星地球站不可缺少的測(cè)試儀器。

衛(wèi)星地球站利用頻譜分析儀測(cè)試，總的來(lái)說(shuō)有兩種方法：一種是，將頻譜分析儀置于LNB后，將LNB接收并且下變頻產(chǎn)生的L波段信號(hào)送入頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)試，如果LNB是無(wú)源的，還需要連接供電單元給LNB供電；另一種是，將頻譜分析儀置于衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器前，并將地球站接收到的中頻信號(hào)通過(guò)分路器，分一路送入頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)試。上述兩種方法是在衛(wèi)星地球站接收鏈路側(cè)，對(duì)不同頻點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，以得到相關(guān)測(cè)試參數(shù)。兩種方法的測(cè)試框圖如圖3。

圖3 衛(wèi)星地球站頻譜分析儀測(cè)試框圖

3.2 頻譜分析儀在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用

3.2.1 轉(zhuǎn)發(fā)器頻率資源檢測(cè)

對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻率資源進(jìn)行檢測(cè)，掌握轉(zhuǎn)發(fā)器或租星頻段內(nèi)的資源占用情況，是衛(wèi)通中心站對(duì)頻段進(jìn)行劃分、分配的前提。測(cè)試時(shí)，根據(jù)LNB的帶寬，通過(guò)調(diào)整衛(wèi)通ODU（接收機(jī)）的接收頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻段的觀測(cè)。

3.2.2 地球站天線手動(dòng)對(duì)星過(guò)程中的使用

對(duì)于有自動(dòng)伺服設(shè)備的衛(wèi)星地球站，通常天線對(duì)星是通過(guò)接收特定極化方式的衛(wèi)星信標(biāo)，對(duì)接收到的信標(biāo)電平值進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)調(diào)整天線的方位、俯仰甚至極化角度，這樣的對(duì)星過(guò)程可以稱為衛(wèi)星天線的粗調(diào)，一般能滿足地球站對(duì)星要求。通過(guò)頻譜分析儀對(duì)接收信標(biāo)的測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星地球站天線的微調(diào)，以達(dá)到最佳的通信效果。對(duì)于某些衛(wèi)星，它的信標(biāo)電平值不高，或信標(biāo)電平值不穩(wěn)定，要使地球站天線對(duì)準(zhǔn)這樣的衛(wèi)星，采用伺服設(shè)備自動(dòng)對(duì)星的方法往往行不通。這時(shí)就需要通過(guò)頻譜分析儀的觀測(cè)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)星。這樣的對(duì)星過(guò)程可以分為兩步：第一步，調(diào)整衛(wèi)星天線的方位、俯仰，并且在一個(gè)大的頻率范圍內(nèi)觀測(cè)頻譜分析儀，直至頻譜分析儀顯示接收到的載波值最大（這些載波是別的地球站發(fā)射到目標(biāo)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上的）；第二步，調(diào)整地球站接收頻率至信標(biāo)頻率值，小范圍調(diào)整天線的方位、俯仰并且調(diào)整天線極化角度，使相應(yīng)極化方式的信標(biāo)電平值達(dá)到最大，此時(shí)天線完全對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。

3.2.3 測(cè)試衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)備性能

頻譜分析儀可以準(zhǔn)確測(cè)量各種調(diào)制和非調(diào)制信號(hào)的功率和頻率，功率測(cè)試內(nèi)容包括平均功率、峰值功率以及對(duì)功率變換并進(jìn)行的概率統(tǒng)計(jì)等，頻率測(cè)試包括中心頻率、頻帶寬度測(cè)試等。這些測(cè)試及分析結(jié)果體現(xiàn)了相應(yīng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)備的性能。比如，分析調(diào)制解調(diào)器調(diào)制信號(hào)的質(zhì)量，頻譜分析儀先對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，再合成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)對(duì)比得到調(diào)制解調(diào)器的誤差結(jié)果；對(duì)LNA、LNB的頻率、頻響、互調(diào)等進(jìn)行測(cè)試，判斷相應(yīng)設(shè)備的頻偏及其他性能好壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

頻譜儀從一個(gè)粗略掃描中頻的頻譜監(jiān)視器，發(fā)展至今成為寬帶、高分辨率、高靈敏度、高精度、大動(dòng)態(tài)范圍的頻譜分析儀，功能越來(lái)越強(qiáng)，在衛(wèi)星通信地球站的應(yīng)用也越來(lái)越深入，在地球站的頻率管理、信號(hào)檢測(cè)、設(shè)備性能分析等方面正發(fā)揮著巨大作用。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。