基于微波系統(tǒng)分析儀的衛(wèi)星通信系統(tǒng)端到端測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

就像幾乎所有電信系統(tǒng)一樣，對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)的帶寬要求也越來越高，原因是在這些鏈路上承載的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、數(shù)字電視和其它數(shù)字業(yè)務(wù)量在不斷攀升。結(jié)果衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商被迫徹底地使用直到頻帶邊緣的所有可用帶寬，而頻帶邊緣的信號(hào)質(zhì)量由于傳輸路徑上的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和地面系統(tǒng)中使用的濾波器等元件而有所下降。

現(xiàn)有衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器典型配置下的信道帶寬在36MHz至72MHz范圍內(nèi)——取決于具體的衛(wèi)星系統(tǒng)——雖然更新系統(tǒng)配置的帶寬達(dá)幾百M(fèi)Hz也并不少見。由于在這些信道的頻帶邊緣時(shí)延變化幅度會(huì)增加，因此很可能導(dǎo)致信號(hào)失真或信號(hào)惡化。為了確定信號(hào)失真或惡化的總量，測(cè)量這些轉(zhuǎn)發(fā)器信道帶寬內(nèi)的相對(duì)群時(shí)延就顯得非常重要。為了采取精確的補(bǔ)償措施從而避免可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)混亂，這種時(shí)延測(cè)試是必須的。

為了無差錯(cuò)的傳輸信息，要求在感興趣帶寬內(nèi)有平坦的幅度響應(yīng)和線性的相位響應(yīng)。群時(shí)延平坦度指標(biāo)可以用來衡量相位線性度，該指標(biāo)的測(cè)量有多種方法。兩種最常用的方法是直接相位和包絡(luò)時(shí)延（調(diào)制時(shí)延）。大多數(shù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通常使用直接相位方法，雖然這些儀器可以提供很高的精度，但在表征頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備時(shí)非常復(fù)雜。成熟的微波系統(tǒng)分析儀可以克服這些問題。這種儀器將頻譜分析儀中的接收機(jī)用作已調(diào)諧的標(biāo)量輸入，并采用包絡(luò)時(shí)延測(cè)量技術(shù)。

微波系統(tǒng)分析儀（MSA）

微波系統(tǒng)分析儀（MSA）通常是整合了一臺(tái)頻譜分析儀與一臺(tái)源和標(biāo)量綜合分析儀的儀器，并且增加了頻率調(diào)制和包絡(luò)群時(shí)延選件。因此這種微波系統(tǒng)分析儀可以測(cè)量頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，還能對(duì)元件和子系統(tǒng)進(jìn)行群時(shí)延測(cè)量。

微波系統(tǒng)分析儀中的源和接收機(jī)可以相互獨(dú)立，這樣激勵(lì)源可以工作在一個(gè)頻率，而接收機(jī)在另一個(gè)不同的頻率接收。由于群時(shí)延測(cè)量來源于調(diào)制包絡(luò)，調(diào)制又能通過頻率轉(zhuǎn)換得以保留，因此可以實(shí)現(xiàn)直接表征，不需要訪問本地振蕩器，也不需要在測(cè)試裝置中使用外部混頻器和振蕩器。

圖1：為了獲得最佳的衛(wèi)星鏈路性能，有必要測(cè)量和精確補(bǔ)償在頻段邊緣由群時(shí)延引起的失真。

使用MSA進(jìn)行群時(shí)延測(cè)量和校準(zhǔn)

為了測(cè)量群時(shí)延，先要用一個(gè)已知的低頻信號(hào)對(duì)源進(jìn)行頻率調(diào)制，然后將結(jié)果應(yīng)用到待測(cè)設(shè)備（DUT）。在通過DUT后，信號(hào)被解調(diào)，將恢復(fù)出的低頻信號(hào)的相位與原始調(diào)制信號(hào)的相位進(jìn)行比較就可以得到群時(shí)延結(jié)果。包絡(luò)時(shí)延是調(diào)制信號(hào)帶寬內(nèi)群時(shí)延的平均值。調(diào)制信號(hào)的帶寬被稱為測(cè)量孔徑，需要小于群時(shí)延的變化才能獲得精確的測(cè)量結(jié)果。絕對(duì)群時(shí)延測(cè)量的上限等于正負(fù)調(diào)制頻率周期的一半。

校準(zhǔn)MSA內(nèi)的固有時(shí)延可以用簡(jiǎn)單的直通連接非常快速的完成，如圖2所示。這對(duì)頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備的測(cè)試精度可能有些影響，但在大多數(shù)情況下這種精度的少許下降不是問題。使用“黃金標(biāo)準(zhǔn)”技術(shù)可以達(dá)到更高的精度，這種方法先要測(cè)量一個(gè)完美表征過的元件，然后再與DUT進(jìn)行比較，這將在下一部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖2：微波系統(tǒng)分析儀的直通線校準(zhǔn)。

圖3顯示了用MSA測(cè)量2.2GHz至500MHz下變頻器的幅度和時(shí)延響應(yīng)的屏幕快照，這時(shí)的MSA是用直通連接方法校準(zhǔn)的。在某些情況下，上述直通連接校準(zhǔn)可能無法提供足夠的精度。取代方法是使用具有已知或設(shè)定時(shí)延性能的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”設(shè)備校準(zhǔn)儀器。合適的黃金標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備可以是帶外部本振的匹配良好的寬帶混頻器。另外一個(gè)選項(xiàng)是使用改進(jìn)的DUT，其群時(shí)延關(guān)鍵元件（通常是濾波器）需要被旁路掉。

圖3：下變頻器的幅度和時(shí)延響應(yīng)。

轉(zhuǎn)換器本振的精度和漂移

Aeroflex 6840 MSA使用的調(diào)頻包絡(luò)時(shí)延方法具有很大的優(yōu)勢(shì)。與一些VNA方法不同，它不需要訪問頻率轉(zhuǎn)換器的本振，不過對(duì)本振精度有一定的要求。

6840頻譜分析儀的最大分辨率（孔徑）帶寬在群時(shí)延測(cè)量時(shí)固定為3MHz。在考慮到這種分辨率帶寬和調(diào)制解調(diào)器因素后，這意味著在實(shí)際測(cè)量中MSA頻率偏移必須設(shè)在實(shí)際頻率的±500kHz范圍內(nèi)。

頻譜誤差會(huì)造成頻譜分析儀濾波器的群延時(shí)響應(yīng)出現(xiàn)一定的偏移，如果只對(duì)平坦度感興趣，這沒什么問題。然而，如果轉(zhuǎn)換器本振的頻率穩(wěn)定性很差，那么這種偏移將上下漂移，造成更大的解決難度。雖然這種情況下自動(dòng)調(diào)整有一定的幫助，但唯一實(shí)用的解決方案是穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器的本振。這種效應(yīng)的幅度經(jīng)測(cè)量一般為每1kHz頻率誤差產(chǎn)生0.1ns的群時(shí)延變化。

衛(wèi)星的在軌群時(shí)延