一种通信卫星频谱监测设备及其频谱获取与特征识别方法技术

本发明专利技术公开一种通信卫星频谱监测设备及其频谱获取与特征识别方法，属于卫星通信和频谱监测技术领域；该设备实现对GEO通信卫星信号的长期式监视，实时获取并自动保存各卫星信号频谱图，完成各卫星信号有关资源利用和载波分布的统计分析，为卫星通信系统的资源调度和网络优化提供依据；实现对卫星载波信号参数的有效识别，完成载波信号的合法性检验，发现异常及时告警，为系统的自主运行和故障排查提供支撑；实现对卫星信号的干扰监测，完成干扰参数的准确识别和自动告警，为系统的抗干扰决策提供参考。可同时接收两路70～6000MHz频率范围的卫星下行链路信号，并对接收信号完成频谱生成、参数识别、干扰监测等功能。

A communication satellite spectrum monitoring equipment and its spectrum acquisition and feature recognition method

【技术实现步骤摘要】
一种通信卫星频谱监测设备及其频谱获取与特征识别方法
本专利技术属于卫星通信和频谱监测
，特别是一种适合应用于GEO通信卫星频谱监测场景的设备。
技术介绍
在现今的通信环境中特别是卫星通信环境中，实时监测卫星信号获取卫星转发器频谱样式及信号参数，从而分析卫星转发器工作状态，判断有无干扰，掌握通信卫星当前可用资源情况显得十分重要。现有的解决方案主要依靠频谱仪来获取卫星转发器的频谱样式及信号参数，其实时性难以满足一些特殊应用场景的需要，并且无法完成干扰的自动检测和告警，对转发器资源利用情况也不能做到长期实时地统计，更多地是依靠使用人员进行二次分析和判断。且设备较为笨重，成本也比较高。本专利技术能够有效解决传统解决方案的上述不足。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
的不足提供了一种通信卫星频谱监测设备及其频谱获取与特征识别方法，实时获取并自动保存各卫星信号频谱图，完成各卫星信号有关资源利用和载波分布的统计分析，为卫星通信系统的资源调度和网络优化提供依据；实现对卫星载波信号参数的有效识别，完成载波信号的合法性检验，发现异常及时告警，为系统的自主运行和故障排查提供支撑；实现对卫星信号的干扰监测，完成干扰参数的准确识别和自动告警，为系统的抗干扰决策提供参考。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种通信卫星频谱监测设备，包含机箱、信号处理硬件平台和上层应用软件；其中，机箱，用于为机箱式频谱监测设备提供硬件支撑；信号处理硬件平台，用于完成输入信号的放大滤波，变频，模数转换从而将模拟信号转化为基带信号；上层应用软件，用于将频谱数据图形化显示并显示其特征参数包含频点和功率，同时对频谱数据进行二次分析统计判别。作为本专利技术一种通信卫星频谱监测设备的进一步优选方案，所述机箱采用1U标准机箱。作为本专利技术一种通信卫星频谱监测设备的进一步优选方案，机箱整体结构采用框架式设计，机箱后面设有多个对外接口，包括2组收发接口、1个外部参考时钟输入接口、1组备用收发接口、对外数据交互用的RJ45网口、DB9调试接口和电源接口；机箱内还设置一个模块化电源模块，用于向信号处理硬件平台提供需要的多种电压。作为本专利技术一种通信卫星频谱监测设备的进一步优选方案，所述信号处理硬件平台采用赛灵思Zynq-7000系列全可编程SoC芯片完成机箱式频谱监测设备的控制；外加资源丰富的Kintex-7系列高性能FPGA完成基带信号及接口处理功能；采用ADI公司高性能收发器AD9361芯片实现射频及基带前端处理功能。作为本专利技术一种通信卫星频谱监测设备的进一步优选方案，所述上层应用软件包括嵌入式核心服务软件和客户端软件；其中，嵌入式核心服务软件，用于完成通道参数配置、计划调度、通道调度功能，获取FPGA上报的频谱数据与信号分析数据、实现网络通信接口与客户端软件完成信息交互；客户端软件，用于实现当前监视频段频谱图与信号分析结果的呈现、提供相应操作接口，根据用户操作完成监视计划的变更、通道选择、回放模式切换功能，利用以太网接口与嵌入式核心服务软件实现信息交互。一种基带信号频谱数据获取及特征识别方法，具体包含如下两部分：1)宽带自适应快速分离扫频算法，用于准确地获取基带信号频谱特征，优化双通道频谱数据采集工作模式，其中，双通道包含扫描通道和驻留通道；2)基于信号子空间的短突发信号信噪比估计算法，用于提高卫星通信环境下频谱检测设备的基带信号认知能力。作为本专利技术一种基带信号频谱数据获取及特征识别方法的进一步优选方案，所述宽带自适应快速分离扫频算法具体如下：步骤1.1利用扫描通道，采用一个较大分辨率带宽进行粗扫，获取一个转发器上的信号总体轮廓特征；步骤1.2根据步骤1.1获取的信号总体轮廓特征，将整个需要扫描的频带分割成几个相对独立的群；对于每个群采用驻留通道，获取精细的频谱数据，并根据其频谱考虑是否进一步划分为更小的群，若需要，则调整驻留通道的频率分辨率，再次进行分析，依此类推，最终分析清楚每一个信号；步骤1.3基于步骤1.1和步骤1.2将频谱自适应区域划分为三个区域，具体为信号或干扰区、噪声区域、疑似区域；其中，信号区域内的频点一定是信号，噪声区域内的频点一定是噪声，疑似区域内的频点待定。作为本专利技术一种基带信号频谱数据获取及特征识别方法的进一步优选方案，步骤1.3具体如下：自适应区域划分算法主要分为三个步骤：频谱均值滤波、直方图生成和噪声线信号线划定，具体为：步骤1.31，频谱均值滤波，均值滤波采用长度为奇数的均值窗口卷积原频谱，从而获得均值谱；步骤1.32，使用均值谱数据生成直方图；步骤1.33，采用均值谱直方图划定噪声线和信号线。作为本专利技术一种基带信号频谱数据获取及特征识别方法的进一步优选方案，基于信号子空间的短突发信号信噪比估计算法，具体如下：通过信号协方差矩阵的特征值分解，将信号与噪声从接收信号中分离出来估计信噪比的算法，能够适应信道特性；具体如下：步骤2.1，将接收基带信号向量空间分解为信号子空间和噪声子空间；步骤2.2，通过搜索将协方差矩阵的秩进行分解；步骤2.3，协方差矩阵利用滑动平均的方法，采用最近N次收到的信号形成；其实现方程式，具体如下：其中Y(k)＝[y(k),y(k+1),…,y(k+L-1)]H为第k次接收基带信号序列，长度为L，H代表取复共轭，N为总接收次数。将协方差矩阵Ryy进行特征值分解得Ryy＝U∑U(2)其中∑＝diag{λ1,λ2,…,λL}为协方差矩阵的秩(λ1,λ2,…,λL)组成的对角矩阵，满足λ1≥λ2…≥λL，U为标准正交化的特征向量构成，为协方差矩阵的阶数，取40～100之间；采用两种信息量准则来估计协方差矩阵的秩：其中，log表示取对数，为似然函数，为参数向量的最大似然估计，∏代表乘积，∑代表求和；AIC和MDL准则的可分别写成则秩p的估计值为其中，min代表取最小值；由此可根据下列式子可估计噪声功率信号功率和接收信噪比在MATLAB环境下对SB信噪比估计算法的性能进行仿真分析，进行100次仿真实验，选择卫星通信中常用的数字调制方式来测试算法的估计性能；协方差矩阵的阶数采用L＝40；信噪比估计算法的准确性以估计值偏离真实值的程度来衡量，选择能够很好地反映这一标准的数学准则—标准偏差：其中，为真实信噪比SNR的估计值，E表示求均值。本专利技术与现有技术相比，其显著优点：1.本专利技术实现对卫星信号的长期分布式监视，实时获取并自动保存各卫星信号频谱图，完成各卫星信号有关资源利用和载波分布的统计分析，为卫星通信系统的资源调度和网络优化提供依据；2.本专利技术实现对卫星载波信号参数的有效识别，完成载波信号的合法性检本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通信卫星频谱监测设备，其特征在于：包含机箱、信号处理硬件平台和上层应用软件；/n其中，机箱，用于为机箱式频谱监测设备提供硬件支撑；/n信号处理硬件平台，用于完成输入信号的放大滤波，变频，模数转换从而将模拟信号转化为基带信号；/n上层应用软件，用于将频谱数据图形化显示并显示其特征参数包含频点和功率，同时对频谱数据进行二次分析统计判别。/n

【技术特征摘要】
1.一种通信卫星频谱监测设备，其特征在于：包含机箱、信号处理硬件平台和上层应用软件；
其中，机箱，用于为机箱式频谱监测设备提供硬件支撑；
信号处理硬件平台，用于完成输入信号的放大滤波，变频，模数转换从而将模拟信号转化为基带信号；
上层应用软件，用于将频谱数据图形化显示并显示其特征参数包含频点和功率，同时对频谱数据进行二次分析统计判别。


2.根据权利要求1所述的一种通信卫星频谱监测设备，其特征在于：所述机箱采用1U标准机箱。


3.根据权利要求1所述的一种通信卫星频谱监测设备，其特征在于：机箱整体结构采用框架式设计，机箱后面设有多个对外接口，包括2组收发接口、1个外部参考时钟输入接口、1组备用收发接口、对外数据交互用的RJ45网口、DB9调试接口和电源接口；机箱内还设置一个模块化电源模块，用于向信号处理硬件平台提供需要的多种电压。


4.根据权利要求1所述的一种通信卫星频谱监测设备，其特征在于：所述信号处理硬件平台采用赛灵思Zynq-7000系列全可编程SoC芯片完成机箱式频谱监测设备的控制；外加资源丰富的Kintex-7系列高性能FPGA完成基带信号及接口处理功能；采用ADI公司高性能收发器AD9361芯片实现射频及基带前端处理功能。


5.根据权利要求1所述的一种通信卫星频谱监测设备，其特征在于：所述上层应用软件包括嵌入式核心服务软件和客户端软件；
其中，嵌入式核心服务软件，用于完成通道参数配置、计划调度、通道调度功能，获取FPGA上报的频谱数据与信号分析数据、实现网络通信接口与客户端软件完成信息交互；
客户端软件，用于实现当前监视频段频谱图与信号分析结果的呈现、提供相应操作接口，根据用户操作完成监视计划的变更、通道选择、回放模式切换功能，利用以太网接口与嵌入式核心服务软件实现信息交互。


6.一种基于权利要求1至4所述的频谱获取与特征识别方法，其特征在于，具体包含如下两部分：
1)宽带自适应快速分离扫频算法，用于准确地获取基带信号频谱特征，优化双通道频谱数据采集工作模式，其中，双通道包含扫描通道和驻留通道；
2)基于信号子空间的短突发信号信噪比估计算法，用于提高卫星通信环境下频谱检测设备的基带信号认知能力。


7.根据权利要求5所述的一种基带信号频谱数据获取及特征识别方法，其特征在于，所述宽带自适应快速分离扫频算法具体如下：
步骤1.1利用扫描通道，采用一个较大分辨率带宽进行粗扫，获取一个转发器上的信号总体轮廓特征；
步骤1.2根据步骤1.1获取的信号总体轮廓特征，将整个需要扫描的频带分割成几个相对独立的群；对于每个群采用驻留通道，获取精细的频谱数据，并根据其频谱考虑是否进一步划分为更小的群，若需要，则调整驻留通道的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张更新，边东明，张景浩，
申请(专利权)人：南京御通信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32