卫星频谱（精选四篇）
卫星频谱 篇1
(2)GEO绕避应基于其与NGEO卫星之间的分离角。当地球上任意一点观察到GEO的弧线轨道与一个NGEO卫星系统角度间隔小于某一特定角度时,NGEO系统可以关闭其主波束,来使GEO完成其绕避策略。
(3)多颗卫星。这意味着为避免干扰,选择另一颗卫星进行切换。使用多颗卫星可以被视为一种抑制技术,一旦共线的情况发生,以切换至替代卫星的方式来避免主波束对主波束的干扰。
(4)不以切换卫星的方式进行避免。为了避免切换至另一个卫星,对于NGEO FSS卫星来说,另一个选项是关闭传输,这意味着当共线情形出现时,需要接受信号覆盖中断或损失的代价。
(5)卫星选择算法。通过已知的NGEO FSS系统设计的一种卫星选择算法,可能会提高该系统和其他NGEO,GEO系统的兼容能力。一般来说,地面站在与被观测卫星通信时仰角是最大的,如果一个系统选择了一颗相对于其他NGEO FSS卫星角度差最大的卫星,那么以增加复杂性和/或提高系统容量为代价,就可以改善系统的共享情况。
(6)卫星天线旁瓣。当NGEO卫星服务于不同的区域时,NGEO FSS卫星使用低旁瓣天线可能会降低共线时来回于GEO地面站天线的主波束的干扰。
(7)地面站天线旁瓣。在NGEO地面终端上行链路时使用低旁瓣天线会降低对GEO卫星系统的干扰,并且这也允许了更小的避让角。
(8)频率渠道化。频率渠道化是指将可用频带分为更小的频带的过程。在这个方案中,每个子信道可以被分配给不同的波束,以保证最近的同频波束在空间上是分离的,以提高载波干扰比(C/I)水平。
2 GEO与NGEO系统的频率共享研究
GEO卫星运行在地球赤道上方的圆形轨道上,它们与地球表面保持相对位置不变,然而NGEO卫星的高度和位置经常会有变化。通常来说,如果共频谱的两方中没有一方探索出一种抑制干扰的方法,这种共频谱在技术上是不能被接受的。因此,不同的频带被分配给不同的主要业务卫星。在这个背景下,ITU的WRC-95号规则将18.8-19.3GHz的下行频带和28.6-29.1GHz的上行频带分给了同等重要的GEO和NGEO FSS卫星网络。
在GEO卫星系统中,以地球表面为参考系,上行和下行的传输距离是相对固定的,这种情况下,GEO网络和另一个GEO网络的干扰路径是确定的。通常来说,GEO FSS网络是以如下的规则设计的:相距3°的卫星可以重复利用同一频率。根据ITU-R准则,与地球静止轨道圆形轨道倾角小于5°的可以被视为准静止轨道[20],在这条轨道,信号和他们之间的干扰路径的变化可能会很小,以至于当频率共用时对系统没有明显的影响。然而,LEO和MEO卫星相对于地球表面随时间变化很快。例如,高度1,000k m的卫星的角速度是3.42°/min,而GEO卫星的角速度和地球的自转速度一致,为0.25°/min。
在重复使用GEO和NGEO网络频谱时,可以考虑正向和逆向的[21]。正向的情况下,GEO和NGEO链路共享同频的上行和下行,而在逆向模式中是相反的(即一方上行频率与另一方下行频率重叠)。在正向中,如下干扰路径是存在的:
⊙NGEO站对GEO卫星的干扰。
⊙NGEO卫星对GEO地面站的干扰。
⊙GEO地面站对NGEO卫星的干扰。
⊙GEO卫星对NGEO站的干扰。
⊙NGEO站对另一个NGEO卫星的干扰。
⊙NGEO卫星对另一个NGEO站的干扰。
类似的,逆向干扰情境中,如下的干扰路径是存在的[21]:
⊙NGEO卫星对GEO卫星的干扰。
⊙NGEO站对GEO地面站的干扰。
⊙GEO卫星对NGEO卫星的干扰。
⊙GEO地面站对NGEO站的干扰。
⊙NGEO地面站对另一个NGEO地面站的干扰。
⊙NGEO卫星对另一个MGEO卫星的影响。
当NGEO卫星出现在GEO卫星和GEO地面站的连线上时,干扰较强[20]。一个地面站可能会在GEO和NGEO的连线上,地面站可能会通过其主波束接收或者产生干扰,这种干扰可能会被认为是共线干扰。如果它是一个GEO网络站的话,会受到NGEO卫星的干扰,并且干扰NGEO卫星;如果它是一个N G E O网络站,它会受到G E O卫星的干扰,并且干扰GEO卫星。对于其他GEO和NGEO卫星系统的地面站而言,干扰通过其地面站天线旁瓣进入或者发出。在这种情况下,地面站干扰或受干扰的程度取决于天线旁瓣的水平。尽管上文提到的共线干扰情况可能在正向共享的情况下产生,但是这种干扰对于逆向干扰的情况不会发生。在文献[20]的方法被用来保护GEO卫星不受共线干扰:
⊙设计一种NGEO馈线链路的模式,允许停止工作的百分比在合理的限制范围内。
⊙一旦NGEO卫星移动至其天线轴和GEO的夹角在一个给定范围内时,关闭其传输。
⊙在FSS专用频带内,为NGEO馈线链路划分专用频段。
⊙使用逆向模式。
3 GEO与MEO卫星的频率共存
根据ITU《无线电规则》No.5.23A规定,NGEO卫星系统可以在注意有效功率通量密度限制的情况下使用17.8-18.6GHz,19.7-20.2GHz,27.5-28.6GHz,以保护GEO系统。应该注意的是,相邻的18.8GHz-19.3GHz频段和28.6-29.1GHz已经被分配给GEO卫星,通过合理的频率共用技术,这些频带可以被GEO和NGEO卫星共享,来提高卫星系统的频谱利用率。
3.1下行共存分析
在这种情况下,我们考虑正向前向模式,如图1所示:有两条干扰路径,从GEO卫星到NGEO地面站和从NGEO卫星到GEO地面站,我们考虑GEO卫星正在工作,而NGEO卫星链路将要部署在相同的频率上。在这种情况下,在做NGEO链路的链路预算应该已经考虑了GEO对NGEO的干扰,因此,我们只需考虑NGEO对于GEO地面站的干扰,为了使问题变得简单,我们考虑一个单独的NGEO卫星,工作在与GEO卫星相同的频率上。
3.1.1问题提出
在下行链路,我们考虑解决如下问题:
⊙NGEO卫星的下行传输可能会对GEO接收机产生干扰,干扰与噪声的比值为I/N,该值不应该超过可以承受的I/N。
⊙NGEO卫星链路总速率应该足够满足Qo S,NGEO卫星提高发射功率会提高NGEO链路性能,但是它可能会干扰在相同频率的GEO链路。
⊙NGEO卫星的星载单元的功率是受限的,因此,在满足上两个条件的情况下有必要最小化传输功率。
3.1.2在下行链路提出功率控制
设NGEO卫星的传输功率为Ptns,传输带宽是W,θ1和θ2分别为发射端和接收端的离轴角,如图1所示。Gtns为NGEO的发射天线的增益,Grne是NGEO地面站的接收增益。应该指出的是,增益是关于离轴角的函数,其最大值在轴处。也就是说,Gt n s(0)是发射增益的最大值,Grne(0)是接收增益的最大值,dn n和dg n分别代表NGEO卫星和NGEO地面站的距离以及GEO卫星和NGEO地面站的距离。如图1所示。
卫星频谱 篇2
随着卫星电视广播电视业务和技术的蓬勃发展, 我国卫星广播电视系统和规模也不断扩大, 目前已达到8颗卫星、70多个载波、300多路卫星电视节目和300多路的卫星广播节目的规模。卫星广播电视在整个广播电视播出、传输工作中的地位和重要越来越突出, 确保卫星广播电视的安全播出已成为全国广播电视播出、传输工作的核心工作之一。但规模的扩大也带来了管理难度的增加, 空中的卫星传输信号越来越拥挤、复杂, 各种违规情况时有发生。特别是一些非法组织利用民用卫星转发器透明传输的特点, 对我国的卫星广播电视信号进行恶意干扰, 严重影响了我国卫星广播电视传输秩序, 对我国现有卫星监测系统智能搜索、快速识别非法频率、干扰信号的能力提出了严峻的考验。
目前, 我国现有卫星广播电视监测系统虽然已经能够对各卫星广播电视频谱进行监测, 并可选择性地直观监测某路卫星信号的强度、频率占用带宽、频率特性、滚降特性等指标, 也具有一定的分析相邻频道干扰或窄脉冲干扰能力。但多为在频谱仪的基础上做一些查询功能的拓展。即仅用一台或多台频谱仪作为集中监测, 一般作为事后分析的手段, 也就是当信道误码率报警后, 再将该信号通过射频切换矩阵送给频谱仪进行频谱波形的显示, 通过观察频谱波形的变化情况进一步判断信道劣化的原因, 由值班人员根据监测经验得出初步结论。这种监测只能反映卫星电视广播信号频率、幅度特性, 而对载波的频率、幅度变化不能进行自动报警, 只有依赖人眼去“盯”频谱波形。对大带宽、多信号实时频谱监测, 人工更是难以完成, 而且这种方法很难发现隐藏在正常节目载波里面的同频干扰。因此, 在现有卫星广播电视技术上进行智能化升级, 开发建设一套卫星频谱综合监测和抗干扰信号识别系统, 准确、快速地识别非法频率及正常频率上叠加的干扰信号, 是十分必要的。
1系统设计思路
1.1功能需求分析
卫星频谱综合监测和干扰识别系统主要用于卫星广播电视信号的实时监测和告警, 并在监测过程中自动检测未知干扰信号, 进而采用先进的信号处理算法对干扰信号进行识别和分析, 以有效、可靠地满足卫星广播电视安全播出的要求。系统在功能设计上主要考虑以下四个方面需求:
1.实现对国内4颗卫星共6个极化的所有广播电视卫星节目载波频谱的日常监测管理;
2.实现卫星节目载波状态异常的告警及监测中心联动告警处理功能;
3.实现干扰信号的快速识别和深度分析功能;
4.实现频谱监测、干扰识别和设备运行等功能的集中控制和操作管理, 并与监测中心软件系统实现信息交换。
1.2系统设计思路
卫星频谱综合监测和干扰识别系统设计基于软件无线电技术, 主要包括硬件和软件部分, 硬件部分实现前端输入信号的采集、预处理, 后端软件主要对采集信号进行载波的检测、分析和告警处理。不同于以往的卫星电视广播频谱监测中仅用一台或多台频谱仪进行集中监测的方式, 卫星频谱综合监测和干扰识别系统不仅可以对大带宽、多信号进行实时监测, 监测载波的频率和幅度变化告警。同时对于隐藏在正常节目载波里面的同频干扰, 也可以进行及时地发现和预警, 以保证节目的安全播出。
2系统架构
根据以上设计思路, 卫星频谱综合监测和干扰识别系统包括硬件设备和应用软件两个部分, 系统架构如图1所示。
系统架构中支撑设备层主要实现前端输入信号的采集, 多路极化输入首先通过12×2开关矩阵进行任意两路的输出分配, 然后将两路极化信号输入到信号采集设备实现信号的采集, 矩阵和信号采集设备在服务器中通过网络进行控制。支撑软件层主要包含载波信号检测 (CSI, Carrier&Signal Inspecto, ) 软件和载波信号分析 (CSA, Carrier&Signal Analyzer) 软件, CSI软件和CSA软件均在服务器后台运行, 主要实现输入信号采集后的载波检测和分析。载波信号监视 (CSM, Carrier&Signal Monitoring) 应用层为面向用户的载波综合监测和告警管理软件, 为了实现信号频谱的回放和告警信息的查询, 系统使用了统一的SQL Server数据库进行数据的存储。为了更好地发挥卫星频谱综合监测和干扰识别系统的作用, 系统关联了外部告警, 即可以接收外部系统提供的告警信息进而触发本地的告警响应。
2.1硬件组成
卫星频谱综合监测和干扰识别系统支撑设备为系统建设所需要的配套设备, 包括12×2射频信号开关矩阵、信号采集设备和服务器。
12×2开关矩阵主要实现12路L频段输入信号到2路输出端口的任意切换和分配。信道切换独立进行, 互不影响。信号频率覆盖950MHz到2150MHz。采用标准3U机箱, 便于机柜安装。在卫星频谱综合监测和干扰识别系统中, 通过在CSM软件中进行轮巡设置可对开关矩阵进行输入输出控制, 实现监测信号的选择。
信号采集设备主要实现对输入L频段信号的采样处理, 4U机箱内部包括2块变频器卡和1块信号处理卡, 及配套电源、千兆以太网交换机等。
变频器卡主要功能是将L波段输入信号转换为140MHz中频信号。频率变换功能是通过一个频率合成器和一个变频器完成。对预置波段的输入信号进行了两次变频, 以获得最佳的频率设计和低的杂散噪声。
信号处理卡可以配置为2路中频140MHz输入, 每一路输入都可以对来自卫星的卫视节目信号进行采样, 采样之后的数据流通过千兆以太网接口路由寻址发送到服务器端并实现节目载波的监控。
2.2软件体系结构
卫星频谱综合监测和干扰识别系统的软件体系结构如图2所示。
1.CSM (综合监测) 应用软件层:实现所有卫星节目载波的轮巡监测、告警和干扰信号的分析以及数据和用户管理等功能。
2.支撑软件层:包括CSI (信号采集) 软件和CSA (频谱分析) 软件, 提供对应用系统的辅助和支撑等。
3.数据库:基于SQL Server数据库, 实现节目管理、告警查询、频谱回放等数据库管理功能。
CSI和CSA软件后台应用软件, 在卫星频谱综合监测和干扰识别系统中属于支撑软件。CSI软件主要实现对前端信号采集设备的控制, 获取信号采样数据, 进行频谱的显示并检测显示带宽内的所有信号载波, 分析出载波的中心频率、带宽、3dB带宽、信号电平、噪声电平等射频参数。CSA软件采用先进的信号处理算法, 实现对干扰信号载波的深度分析功能, 分析结果除了基本的射频参数外还包括调制方式、纠错码方式码、通信标准、符号率等参数。
CSM软件为面向用户的顶层应用管理软件, 它基于CSI和CSA软件提供的xml-rpc接口函数分别获取CSI的频谱数据和CSA的分析结果, 实现卫星频谱综合监测和干扰识别系统的设计目标。
CSM软件的定位为卫星频谱综合监测和干扰识别系统中直接面向用户的顶层应用和管理软件, 因此整个系统的操作基本上是在CSM中进行, 它的功能设计如下。
1.频谱显示和载波检测
1) 四级频谱界面显示
(1) 全景界面:显示全部卫星极化的频谱;
(2) 二级界面:显示某一选定极化的全部信号频谱和转发器信息;
(3) 三级界面:显示选定转发器的全部节目载波频谱;
(4) 四级节目载波界面:显示选定节目载波的频谱。
2) 轮巡设置
(1) 以转发器为单位, 任意定制轮巡监测任务;
(2) 一键恢复应急前状态, 一键恢复默认状态。
2.异态监测和告警
1) 门限设置
(1) 载波参数:fc (载波中心频率) , bw (带宽) , c/n (载噪比) 门限设置;
(2) 载波叠加干扰检测告警参数:snr容限和cuc容限门限设置。
2) 告警响应
(1) 日常监测状态下, 两个CSI通道平分所有极化信号的监测任务;
(2) 当有卫星极化出现异常状态时 (监测中心告警或外部联动告警) , 系统会进行告警触发。系统将自动跳转至三级界面, 显示出现异常的卫星频谱。同时, 两个通道的监测任务自动进行调整, 第一监测通道重点监测当前告警信号所在转发器频谱, 第二通道轮巡监测所有极化的信号, 若在此期间旧告警消失且未出现新告警则自动恢复应急前通道配置, 否则始终于第一通道重点轮巡监测旧告警。
3.干扰分析
1) 带外干扰分析
(1) 检测到带外干扰时, 给出带外干扰告警提示信息;
(2) 调用CSA进行深度分析, 分析结果包括:中心频率、带宽、信噪比、调制方式、纠错码、符号率等参数。
2) 带内干扰分析
(1) 检测到带内干扰时, 给出带内干扰告警提示信息;
(2) 调用CSA对叠加干扰的载波进行初步分析, 然后提示用户进入到CSA软件中手动完成干扰信号的的分离及分析。
4.系统管理
1) 节目管理
(1) 支持本地数据库中的卫星信息添加、修改和删除操作;
(2) 支持本地数据库中的转发器信息添加、修改和删除操作;
(3) 支持本地数据库中的节目信息添加、修改和删除操作。
2) 频谱存储数据管理
(1) 频谱数据存储:正常频谱数据存储3周, 异态数据长期存储;
(2) 数据清除:清除某段时间内的频谱数据、载波参数数据和告警信息记录。
5.告警查询
告警查询功能主要包括回放查询、组合查询、模糊查询、统计查询、参数趋势查询和报表打印。
3关键技术
卫星频谱综合监测和干扰识别系统主要基于软件无线电技术, 采用先进的信号处理算法进行数据采样后的处理, 以实现系统的建设目标。
在该系统中, 主要的关键技术如下。
3.1叠加信号的频谱显示
基于先进的信号处理算法, 用户可以很直观地看到正常节目载波下面是否隐藏有干扰信号, 并可以进行监测和告警, 为正常的节目监测和调度提供有效、可靠的手段。图3所示为叠加信号的频谱显示图。
3.2叠加信号的分离和分析
基于先进的信号处理算法, 通过CSA软件可以将正常节目载波带内隐藏的叠加干扰信号分离出来, 继而再进一步进行分析, 获得干扰信号的特征信息。图4为CSA分析检测到的叠加干扰信号显示。图5为采用载波对消算法处理后分离出来的干扰信号。图6为叠加干扰信号的分析结果。
3.3应急响应机制
考虑到系统的处理效率, 在系统设计过程中引进了轮巡处理的机制。日常状态下系统以转发器为单位分两路同时对所有极化信号进行异态的轮巡监测, 两个监测通道均分所有极化信号。当监测到有异态出现时, 系统则自动启动应急响应机制, 即利用一个监测通道重点监测出现异态的业务所在的转发器, 而另一个通道则轮巡监测其他的所有极化信号。图7为日常状态下的监测通道分配情况。图8为启动应急响应之后的通道配置情况。
4系统实现情况分析
4.1系统测试情况
系统建成后, 分别测试了系统的功能和性能。测试仪器包括频谱仪、矢量信号源和二合一合路器。根据系统的功能搭建了测试环境, 如图9所示。
矢量信号源用于产生调制载波, 与实际输入卫星信号进行合成, 模拟出带外干扰、带内干扰的情况, 验证系统的功能和性能。
系统的主要功能和性能测试包括:
1.系统的频谱扫描周期
1) 500MHz带宽的扫描周期小于5s, 符合设计要求;
2) 36MHz带宽的扫描周期小于200ms, 符合设计要求。
2.带外干扰信号的检测、告警、分析、查询
利用测试环境产生带外的调制载波, 系统可以快速检测并进行告警响应, 告警响应时间小于1s, 信号分析时间小于5s, 满足设计要求。
3.带内叠加干扰信号的检测、告警、分析、查询
利用测试环境产生调制载波, 分别模拟带内异构和同构干扰并叠加到已知节目载波, 测试表明干扰信号在低于正常载波3dB的情况下都可以进行快速检测并进行告警响应。
4.已知节目载波的异态检测、告警和查询
对于已知节目载波的频率、带宽、功率变化可以快速检测并告警, 告警响应时间小于1s。
经过测试, 系统功能和性能符合设计的要求。
4.2系统存在不足
在实际应用中, 系统还存在一些不足有待改进。如系统的告警响应机制还需进一步优化, 提高灵活性;系统应用软件相关操作功能需更加简捷, 增强软件的易用性。
5结束语
本文根据卫星广播电视频谱监测的实际需要, 设计了一套卫星频谱综合监测和干扰识别系统, 实现了卫星广播电视节目频谱数据的监测、分析、统计、管理和查询等功能。该系统自投入使用以来, 运行稳定, 维护便利, 切实提高了应对突发事件的快速反应能力, 为卫星广播电视安全播出管理和应急调度指挥起到了重要的技术支撑作用。
参考文献
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[2]李勇, 张燕娥, 孙谦.一种卫星频谱监测系统设计方案及实现[J].空间电子技术.2008 (3) :77-80.
卫星频谱 篇3
1. 频谱分析仪的在广播节目卫星传输中的具体应用
1.1 对广播节目卫星传输信号中载波信号估算
通过对广播节目中在卫星转发器的具体使用过程中是所使用的载波数, 每一个载波所占有的带宽、信号的功率电平, 是否有其他不明确的信号对其进行干扰, 并位于转发器位置的信号是否有互调这些, 都是可以来对广播节目卫星传输的具体应用进行确立, 可以对每个载波信号所占转发器总功率的比例予以估算, 从而让任何一个广播节目传输信号能够在转发器的功能发挥过程中正常运转, 以及EIRP冗余储备量, 估算在极端环境下的卫星传输安全阀值。
1.2 对卫星地球站天线的调整应用
利用频谱仪能够对卫星地球站天线进行非常精准的调整, 通过调整让天线的指向和极化角达到信号所需。在地球站卫星天线调整的过程中, 主要是通过频谱分析仪和卫星新标信号的作用发挥来对地球站天线在方向和角度上进行定位, 通过对卫星天线在需要的情况下进行不断的调整, 从频谱仪上找到信标信号最大点, 天线会因此而确立方向来找到卫星的最合适位置, 从而为广播节目卫星传输找到最佳的信号点。因此通过频谱分析仪通过对天线的指向和极化角进行准确的调整, 才能确立卫星信标信号, 并对馈源喇叭进行非常仔细的掉正, 将信标信号达到最小化, 这样就能有效调整最佳极化角。
1.3 观察高频头本振的准确度
LNB在经过一段时间的使用以后, 本振频率会产生一定的位置移动, 所以在其使用的频谱分析仪能对此检测到。在频谱分析仪上, 通过标记来对所指出的信标进行准确对应, 就看清楚的看出具体的频率数, 而且这个信标所记录的频率与正常频率的差值可以作为是高频头本振的偏移量。如偏移量显示非常大, 就可能影响卫星信号正常传输。
1.4 分析高频头LNB的性能
用频谱分析仪能够从性能上来分析LNB。比如在具体的广播节目卫星传输中, 通过利用频谱分析仪就能对各种卫星接收站在信号接收上的幅度进行比较, 如果其比较之后的幅度相差很大, 并且信号波形也有较大出入。后来分析发现这主要是因为LNB的幅频特性不好而产生的互调产物, 严重时可影响信号的正常接收。通过使用频谱分析仪, 能够对可能发生的广播节目卫星传输存在的隐患进行及时的性能的检测。
2. 频谱仪的使用参数设置方法
在广播节目卫星传输过程中, 进行测试信号时, 首先要在菜单中对输入阻抗进行正确的设置, 以此来让其设置与被侧信号源输出阻抗匹配;其次, 对信号中心频率要进行非常准确的设置, 这就要求对测试的开始与结束的频率知悉;与此同时, 根据测试信号的电平大小设置相对电平值;为了让传输过程能够观察更加方便, 要在信号信噪比较大的条件下, 来对屏幕上的每一个刻度相应的电平值进行选择, 通常都是分为10d B/Div、5d B/Div、2d B/Div、ld B/Div。在依次通过以上设置完成之后, 就能通过频谱分析仪上看到广播节目卫星传输所需要的信号频道。但如果仅通过这样的设置所得到的信号频道是与实际所需要的频道信号是有一定的误差。因此这些都需要对频谱仪进行进一步的设置, 来完善所观察到的信号。
3. 频谱仪在使用中的注意事项
抗扰度提升到频谱分析仪输入端口的信号可能包括了无用频谱分量, 造成这些频谱分量的原因非常多, 而且并没有与输入信号非常直接的关联性。抗扰度其主要是指频谱分析仪仪对干扰性所具有的抵抗性能, 主要是通过具体参数作为标准来衡量。在给频谱仪加电之前, 要保证电源是按照标准和规范正确接通, 并把电源线插头插入标准的三相插座, 这样才能有效确保地线可靠接地。其次, 在进行信号的精准测量之前, 要先开机对机器进行预热骑马十分钟以上。然后频谱分析仪在输入端口会有一个允许输入的安全功率的最大值, 也即是最大输入电平。输入信号已经达到频谱分析仪所可能承受的最大输入电平值, 就会影响频谱分析仪的使用效果, 严重时可能造成仪器被损坏, 所以如果需要进行检测的信号没有非常确立的性质时, 就要采取能够让频谱分析仪在其正常作用发挥的范围内来解决:如果有射频功率计, 可对信号电平进行预先检测, 若没有那么信号信号电缆与频谱仪的输入端之间应接上一个外部衰减器。如果输入信号中含有直流成份, 那么也会在很大程度上造成频谱分析仪仪器的破坏。
结束语:
综上所述, 随着射频信号频率的不断提升, 以及广播节目的发展压力越来越来, 提供优良的传输信号成为当前最引人关注和重视的问题, 所以通过频谱分析仪组成原理在广播节目传输中的具体有效应用, 根据频谱仪性能的基础上来提升广播节目传输卫星的信号, 从而促进广播电视事业快速可持续发展, 也最大可能发挥了频谱分析仪在射频测试领域的最大效能。
摘要：频谱分析仪在功能上非常具有优势而且能够广泛应用在检测射频信号的一种仪器。在这种频谱分析仪的原理构造的基础上, 这种仪器在扫描时间、频率跨度以及视频带宽方面都是与射频衰减之间有着非常必然的联系, 并在这种仪器的应用中, 会存在噪声、最大输入电平以及抗扰度等对仪器造成一定的影响, 本文重点探讨的是这种频谱分析仪在广播节目卫星传输中的具体应用分析。
关键词：频谱分析仪,广播节目卫星传输,应用
参考文献
[1]班万荣.频谱分析仪的原理和发展[J].现代电子技术, 2005, 28 (7) :101-102.
[2]吴宏钢, 秦树人.基于DSP技术的虚拟式FFT频谱分析仪[J].重庆大学学报 (自然科学版) , 2004, 27 (7) :21-23.
卫星频谱 篇4
卫星通信作为无线通信的重要技术之一[1],其频谱分配策略目前主要采用固定分配的方式,但这种方式很大程度上限制了卫星通信的频谱资源利用效率。认知无线电是一种提升无线通信频谱资源利用率的新技术[2],研究该技术在卫星通信方面的应用有重要意义。
认知卫星通信系统是一个多重卫星网络覆盖的异构网络[3],由卫星(Satellite,S)、认知用户(Cognitive User,CU)、主用户(Primary User,PU)、各网络网管和全局网管构成。认知卫星通信系统的资源分配主要就是研究认知用户在多重卫星覆盖条件下合理利用网络资源,且对主用户不产生有害干扰的问题[4,5]。
近年来,学者们已经作了大量关于图论的频谱分配技术研究,文献[6]介绍了分布式网络在无干扰限制条件下追求网络分配数最大化的分配算法,称为列表着色算法。文献[7,8]分别在敏感着色法的基础上介绍了分组着色分配算法和着色删除算法。本文在借鉴前人研究成果的基础上,充分考虑卫星通信异构网络中网络负载,认知用户业务类型,网络总体收益等限制条件,改进了基于图论的认知卫星通信异构网络资源分配算法,实现了异构网络资源的有效分配。
1 基于图论的资源分配算法原理描述
基于图论的带宽资源分配模型把分配问题映射成对一个无向图G着色的问题[9]。无向图的每一个“顶点”代表一个认知用户,用户之间的连线代表两个认知用户之间存在干扰,称为“边”,表示两个认知用户不能同时使用某一网络或频段。每个顶点对应一个可选颜色集合,代表该认知用户的可用网络集合[10]。不同顶点的可用网络集合是不相同的,这由顶点的地理位置、网络覆盖范围及业务类型等决定。
图1是图论在认知卫星通信系统中应用的一般原理图,描述的是某个时刻的网络拓扑和干扰约束,图中3个圆代表3个覆盖范围不同的卫星网络N1、N2、N3,每个网络下覆盖自己的授权用户(图中未画出),数字代表认知用户编号,它们的可用网络分别为N1,N1、N2,N2,N1、N2、N3,N2、N3,N3。图中的边表示两个认知用户之间不能共用某些网络,比如认知用户1和2,由于网络资源申请量过大等原因,二者不能共用网络1,否则会产生干扰或者导致网络1负载过大而降低服务质量。
由于认知用户位置、卫星网络覆盖数量、主用户使用网络负载等情况时刻变化,所以认知卫星通信系统的网络拓扑、干扰约束条件等也时刻在变。网控中心综合网络覆盖信息和认知用户位置信息进行拓扑更新。一般为了简便,假设在一个分配周期内,授权用户的状态不变,即网络的可用性和资源量不发生变化。图论的基本问题就是在可用网络和干扰等限制条件下,如何为认知用户提供有效的资源[11]。常用的图论分配算法包括列表着色法、敏感着色法和分组着色分配算法。
列表着色算法是在无干扰限制条件下追求网络分配数最大化的分配算法。若用an,m表示网络m对认知用户n的分配结果(分配成功为1,否则为0),则其目标函数为:
列表着色算法是分布式网络拓扑结构,可以用贪婪算法[12]的方式实现,贪婪分配算法的基本流程如图2所示,其基本思想是根据节点的连接数进行分配。节点连接数表示与自己有相同可用网络的节点数量,如在图1中,认知用户CU1的可用网络为N1,与其有共用网络的用户为CU2和CU4,其连接数为2。网络分配时,首先计算各个节点的连接数,优先对连接数较小的节点进行分配,如果连接数相同,则对高优先级的节点进行分配,如果优先级相同则随机分配。优先级的衡量根据可用网络数量、资源申请量等确定。分配后,更新节点可用网络列表和节点颜色列表,如果所有节点无可用颜色,则退出分配,否则继续分配。
2 基于图论的资源分配改进算法及其仿真
2.1 算法描述
2.1.1 基于业务优先级的分组贪婪分配算法
对于单一网络覆盖的无差别认知用户资源分配问题,贪婪分配算法是一种简单有效的分配方式。根据不同认知用户的资源申请量,采取一次性满足的分配方式,能够充分利用现有网络资源,照顾大多数认知用户的服务要求[13]。但基于资源申请量的贪婪分配算法没有充分考虑业务优先级对于通信质量的影响,而只是单纯考虑资源申请量不同条件下的资源分配。这种分配算法无法满足所需资源少,但通信又非常重要的通信要求[14]。因此,充分考虑业务优先级对于分配的影响,能够提高系统在特殊环境下的通信可靠性,例如,满足进行军事指令通信的认知用户所需资源非常少而又非常紧急的通信需求。
分组贪婪算法是在首先考虑用户优先级的基础上进行的资源分配,首先对申请用户的业务进行分级,对于紧急实时业务定为优先级1,对于一般业务定为优先级2,不同优先级的用户编为一组,然后在首先满足高优先级用户的基础上在不同组内进行贪婪分配。算法流程如图3所示。
2.1.2 基于最大收益的资源分配算法
由于不同业务对于不同网络的偏好是不同的,所以成功接入不同类型的网络得到的收益也不同,比如高速多媒体业务更偏向于宽带网络,低速语音业务更偏向于窄带网,因此在基于优先级的基础上参考业务偏好进行资源分配,能够提高系统的总体效益。基于最大收益的资源分配算法的目标函数为式(2)。
式中,en,m=ln,m·bn,m表示认知用户n使用网络m的实际网络收益,ln,m=1表示网络m对于认知用户n是可用的,ln,m=0表示网络m对于认知用户n是不可用的;bn,m表示认知用户n使用网络m所带来的潜在收益;an,m=1表示网络m成功分配给认知用户n,an,m的取值受网络约束条件的限制,认知用户i和认知用户j具有相同的可用网络m时,必须满足式(3)。
基于最大收益的资源分配算法实现过程,就是在网络约束条件的限制下寻找满足目标函数最大化的认知用户的过程,其算法流程如图4所示。
2.2 仿真分析
2.2.1 2个异构网络的资源分配仿真分析
假设可用网络N1为窄带网,总带宽资源为40 Mbps,N2为宽带网,总带宽资源为200 Mb,有10个认知用户,认知用户的优先级分别为[2 2 2 2 1 12 2 2 2],认知用户1~5申请低速业务,申请网资源相对较小,认知用户6~10申请高速业务,申请网络资源较高,2个网络的负载为0.6~0.8,为了减少对授权用户的干扰,均预留10%的带宽资源。针对不同优先级用户的业务收益,假设在一个分配周期内,优先级高的低速业务认知用户选择窄带网的所获得的收益为1.5,选择宽带网络所获得的收益为1.2,优先级低的低速业务认知用户选择窄带网的所获得的收益为1,选择宽带网络的收益为0.5,优先级高的高速业务认知用户选择宽带网的所获得的收益为1.5,选择窄带网络所获得的收益为0.5,优先级低的低速业务认知用户选择宽带网的所获得的收益为1,选择窄带网络的收益为0.5,则bn,m构成的网络收益矩阵可定义为:
式中,第1列表示认知用户使用N1网络获得的网络收益,第2列表示认知用户使用N2网络所获得的收益。取认知用户在100个分配周期的网络总体收益均值进行衡量,仿真结果如图5所示。
图5是异构网络下3种分配算法的分配量比较。从图中可以看出,基于最大收益的分配算法和分组贪婪算法都能够优先考虑高优先级的用户,即照顾了申请业务量少而业务非常重要的认知用户类型,且基于最大收益的分配算法的分配量大于分组贪婪算法的分配量。从认知用户5和6两个用户可以看出,基于最大收益的分配算法更倾向于分配给申请高速业务的高优先级用户。图6是3种分配算法的总体收益比较。从图中可以看出,在不同网络负载条件下,基于最大收益的分配和分组贪婪算法所获得的总体收益均高于贪婪分配算法。在网络负载较低的情况下,基于最大收益的分配方法总收益要高于分组贪婪算法,但是随着负载的增大,二者的差距减小,基于最大收益的分配方法优势减弱,也可以说在网络资源充足时,基于最大收益分配的算法更好地兼顾了网络的总体收益。
2.2.2 多重异构网络的资源分配算法
在多重异构网络覆盖的条件下,多个认知用户的资源分配问题将更加复杂。在一段时间内,不同的认知用户覆盖不同的网络,且使用不同网络的收益差别较大。在多重异构网络覆盖条件下,既要考虑系统总收益,又要考虑负载均衡,即不能使过多的用户接入同一个网络。假设存在6个异构网络N1~N6,10个认知用户,认知用户的可用网络类似图2中所述,是由认知用户是否在网络覆盖范围内决定,假设10个认知用户在一段时间内的可用网络拓扑结构不变,网络控制中心根据认知用户的业务类型、资源申请量和要求的网络条件等因素,按照归一化原则计算出每个认知用户使用每个网络的收益,假设每个认知用户都有一个最佳网络,但是不一定在覆盖范围内。网络收益矩阵如式(5):
在仿真过程中,假设网络N1、N2、N3的总带宽资源均为40 Mb,网络N4、N5、N6的总带宽资源均为200 Mb,网络负载均处于0.5~0.9之间,为了减少对授权用户的干扰,均预留10%的带宽资源,不同认知用户的带宽需求不同,认知用户(组)1~5平均申请带宽为4 Mb,认知用户(组)6-10平均申请带宽为12 Mb。贪婪算法基于资源申请量和网络可用资源进行分配,原则是资源申请多的用户尽可能接入网络资源充足的网络;分组贪婪分配算法根据网络承载能力和业务申请能力进行分组再分配,原则是不同组之间不要交叉分配;基于最佳收益分配算法根据可用网络收益矩阵进行分配,原则是可用网络收益矩阵更新后对矩阵内可以产生最大收益的“用户-网络对”首先进行分配。
图7和图8表示不同负载条件下不同分配算法的负载利用率,负载利用率定义为所有认知用户利用某一网络带宽资源占该网络总带宽资源的比例,取100个分配周期。在图7中,N1~N6的网络平均负载为0.7,在图8中,N1~N3的平均负载为0.5,N4~N6的平均负载为0.7。从两幅图可以看出,分组贪婪算法对小组内的网络具有较好的均衡效果。当网络负载条件相同时,基于最大收益的分配算法对整个网络资源表现出更好的均衡效果,可以使各个网络的平均负载处在同一范围内;当网络条件不同时,基于最大收益的分配算法和分组贪婪分配算法都对低负载网络的负载利用率更高,对高负载网络的网络利用率低,这就更好地均衡了各个网络的利用率,且分组贪婪分配的趋势更加明显,效果更好。
3 结束语