求一种低轨宽带通信卫星信号监测系统的设计方案

随着全球低轨宽带卫星的大规模部署，越来越多的卫星挤占了有限的轨道、频率资源。低轨宽带卫星不管是卫星数量，轨道高度，以及与地球的相对速度，都与传统的静止轨道有很大的区别。
低轨宽带卫星的轨道高度多为1000多公里，几十分钟绕地球一圈，卫星相对地球处于高速移动中，每颗卫星的过顶时间也很短，一般只有几分钟，这对卫星地面站的信号监测提出了极大的挑战。同时，地面上潜在的干扰源数量也逐步增多，5g nr基站的进一步铺开，多种频段雷达的并存等，都对卫星信号的监测提出了极高的要求。为了保障卫星信号的服务质量，维护服务设备的正常运转，需要对卫星信号进行7/24小时的信号监测。
keysight的卫星信号监测方案使用高性能的硬件平台和强大的信号监测软件以及矢量解调软件，可以实现全自动的卫星信号监测，识别当前的能量信息，对长时间的监测数据进行分析，对卫星信号的解调，干扰识别等，实现全方面、多个维度的卫星信号监测。
keysight的低轨宽带通信卫星信号监测系统有硬件和软件两部分构成：
硬件部分有两种仪表可选，模块化频谱分析仪m9391a/m9393a 和便携式手持表fieldfox。
软件部分有n6820es signal surveyor 4d信号监测软件以及89600 vsa矢量信号分析软件。
n6820es signal surveyor 4d软件可以实现自动的信号监测，能量筛选，调制识别等。89600 vsa矢量信号分析软件，通过时域、频域、调制域的分析，可以对可疑卫星信号进行干扰分析，识别干扰信号以及卫星信号里面常见掩藏在主信号下的干扰信号(signal under carrier)，判断干扰信号对主信号的影响。 n6820es signal surveyor 4d和89600 vsa软件均可以支持上面提到的两种硬件，不同的组合具有不同的特色。
两种不同硬件的平台的测试方案如下
基于pxie频谱分析仪的多通道卫星信号监测解决方案
基于pxie频谱分析仪的卫星信号监测方案。此方案的硬件部分为模块化的频谱分析仪，可选两款：m9391a和m9393a。软件部分采用n6820es signal surveyor 4d和89600 vsa。
基于fieldfox手持表卫星信号监测解决方案
fieldfox手持表是一款多功能的便携式仪表。fieldfox单表支持的频率最高为50 ghz，和n6820es signal surveyor 4d、89600 vsa软件配合使用，非常适用于卫星地面站的信号监测。
看完方案，您会注意到两套方案种都有信号监测软件，为什么需要信号监测软件呢？n6820es信号监测软件能完成哪些常规仪表没有办法完成的任务？常规的仪表只能通过查看频谱、实时频谱来进行手动的信号监测。
使用n6820es signal surveyor软件可以完成全自动的7/24卫星信号监测。signal surveyor 4d是目前非常全面且灵活的频谱监测软件，它具有强大的能量检测算法，可以支持先进的频谱监测，通过设置能量门限和监测条件，自动的监测并汇报当前频率范围存在的能量及其详细信息。
软件还支持自动的告警任务，可以自动的触发iq数据、频谱数据记录，调制识别等任务。surveyor 4d还包含有内置的sql数据库，支持长时间的记录频谱的统计信息。可长时间记录的信息包括来自能量检测的所有结果，信号的频点，带宽，功率，截获次数，占用度能详细信息。sql数据库可以用于信号趋势的监测。软件还支持多种搜索模式，支持单频段和多频段的信号监测，设置灵活，支持手动或者自动的记录iq数据以及频谱数据。
简单来说，通过使用n6820es signal surveyor软件，结合前面提到的pxie频谱分析仪或者fieldfox手持表，可以自动提取感兴趣的频谱环境中的各种能量信息，筛选出感兴趣的卫星信号以及干扰信号，自动触发一系列的任务，存储iq数据，对信号进行调制识别等。
来看一下这两套方案能解决什么样的问题。
案例一: 针对快速过顶的低轨卫星信号使用内置sql数据库
对于低轨宽带通信卫星，由于过顶时间短，只有几分钟，需要在有限的时间内，将卫星所发射信号的详细信息及参数记录下来。surveyor 4d软件内置sql数据库功能，可以详细的记录低轨卫星过顶的整个过程，以及中间的详细信息，参数，包括所接收信号的频点，带宽，功率，持续时间，占用度等。
下图是使用sql数据库功能得到的18个小时卫星下行数据监测的情况。在图中，横轴是频率，纵轴是时间，颜色代表信号的功率，颜色越深，信号强度越强。通过这一图片，可以看到在不同的频点，有不同的强度的信号。在图片的左边，可以看到有一个卫星信号在在进入监测范围到离开监测范围之前持续了3个小时。
我们来进一步看一下这个信号，了解一些细节信息。可以看到，信号从0640开始出现，在信号接近噪底到由弱到强的阶段以及信号由强变弱的阶段，中心频点产生漂移，这可能是由于开关机的某种过渡阶段调制。中心频率不稳定的时间，均为30分钟。通过长期的频谱数据记录，可以直观的显示这一异常。
是从另外一个维度观察信号，其中横轴是时间，纵轴是信号强度，颜色的深浅代表信号带宽，可以看到卫星信号从出现到消失信号由弱变强再变弱的一个过程。可以看到在最高功率处，信号带宽最窄，随着信号变弱，信号带宽增加。
这里讨论了基于sql数据库观测卫星信号的趋势信息，非常适用于测试并记录快速过顶的低轨卫星信号。
surveyer4d 软件中还有其它的功能：
调制识别功能 (mr): signal surveyor 4d软件支持对信号进行调制识别。调制识别是了解信号内部参数的一个重要步骤。调制识别功能不需要任何先验信息，可以对信号进行盲识别，汇报出信号的调制方式，符号率，信噪比，带宽，对于fsk和msk信号还可以识别出信号的频偏。
usd (universal signal detector)功能：能提供独特的滤波功能，用户可以通过软件创建一个usd滤波器，自动的从海量的输入频谱能量中筛选感兴趣的信号。
这对surveyer 4d的其他功能介绍及应用包含在完整文档中，请点击文末“阅读原文”下载。
案例二: 使用89600 vsa对卫星干扰信号的监测。
89600 vsa矢量信号分析软件可以用于复杂的时域、频域、调制域的信号分析。89600 vsa用于卫星信号监测，可以通过频谱或者调制域分析，查找干扰信号，并查看干扰信号对主信号的影响。
在这个案例中，89600 vsa使用4个测量窗口，左上角为星座图，左下角为信号频谱，右上角的矢量误差谱，右下角为调制质量表。由于被测信号是卫星信号，符号率和调制方式都已知(如果未知，可以使用n6820es mr功能进行调制识别)，使用89600 vsa软件，对其进行解调和干扰分析。
干扰信号功率高于主信号功率：在这个案例中，干扰信号为跳频信号。
干扰信号位于主信号频谱边带的情况，可以看到干扰信号明显高于主信号，通过频谱显示可以断定干扰信号的存在。
由于干扰信号处于主信号的边带，信号依然可以被正确解调出来，只是由于干扰信号的影响，evm差了一些，只有25% (右下图读得)，没有干扰信号时，evm为22%。
干扰信号位于频谱中间的情况，同样可以看到干扰信号明显高于主信号，同样，从频谱上可以断定干扰信号的存在。由于干扰信号处于主信号的频段中间，信号无法被正确解调，星座图是乱的。此时的业务肯定已经很大的影响，甚至中断。
干扰信号功率低于主信号功率(signal under carrier)：在下面的这个例子里，干扰信号功率低于主信号功率，这也是卫星信号监测中常见的情况。
从左下图的频谱中，看不到干扰信号的存在，从evm的结果(右下角)来看，26%，比正常时候差一些。此时，查看右上图的矢量误差谱结果，可以很清晰的看到干扰信号的存在，右边的图是使用瀑布图的模式来查看此时的干扰信号，横轴是频率，纵轴是时间，可以很清晰的看到干扰信号，也就是红色的信号。
通过干扰信号在瀑布图上的形态，可以判断此干扰信号为雷达信号，使用89600 vsa上的marker功能进行测量，可以很得到雷达信号的频点，带宽，脉宽，chirp速率等特征信息。有了这些关键信息，查找干扰变的相对容易很多。