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 - 全文

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?？焖俚耐瓿桑鐖D2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

對(duì)于比較便攜的元器件來說在測(cè)試平臺(tái)上測(cè)試群時(shí)延平坦度是很好的一種方法，但也有許多情況下待測(cè)試設(shè)備無法適用這種方法。一個(gè)特殊的例子就是DUT是一條完整的衛(wèi)星鏈路，這很明顯無法用測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中的單臺(tái)儀器進(jìn)行測(cè)量。開展在軌衛(wèi)星測(cè)試有許多原因。一般在衛(wèi)星發(fā)射之后、向用戶發(fā)布衛(wèi)星之前要進(jìn)行測(cè)量，目的是驗(yàn)證通信負(fù)荷和天線平臺(tái)的完整性。在日常運(yùn)行中還需要執(zhí)行定期的檢測(cè)，以便驗(yàn)證性能或解決異常問題。

對(duì)衛(wèi)星鏈路來說，相對(duì)于頻率的群時(shí)延，特別是通過頻率轉(zhuǎn)換后的群時(shí)延，被證實(shí)是測(cè)量特別困難的參數(shù)。圖4顯示了線性和拋物形群時(shí)延，這是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中常見的時(shí)延類型。拋物型時(shí)延通常與衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和通信設(shè)備中使用的帶通濾波器有關(guān)。

圖4：群時(shí)延和發(fā)送頻譜。

正弦形時(shí)延通常是由系統(tǒng)中的阻抗失配引起的。理想情況下，群時(shí)延曲線應(yīng)是平坦的——沒有斜率的一條直線——載頻帶寬內(nèi)所有頻率通過鏈路時(shí)有相同的延時(shí)。如果達(dá)不到這種情況，那么恢復(fù)出的數(shù)碼之間就會(huì)出現(xiàn)干擾，使得相互間難以分辨，進(jìn)而產(chǎn)生誤碼。

測(cè)量系統(tǒng)

Aeroflex衛(wèi)星群時(shí)延測(cè)試系統(tǒng)使用兩臺(tái)裝備有群時(shí)延選件22的微波系統(tǒng)分析儀，再加上運(yùn)行專用軟件的控制PC機(jī)和串行調(diào)制解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)整條鏈路的相對(duì)群時(shí)延測(cè)量。先由測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)并應(yīng)用于上行鏈路，然后分析在下行鏈路接收到的轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，從而獲得群時(shí)延變化，并執(zhí)行帶內(nèi)增益平坦度測(cè)量。兩個(gè)系統(tǒng)在頻率掃描時(shí)保持同步。

該系統(tǒng)可以用來測(cè)量從多個(gè)地面站（位于同一位置或遠(yuǎn)端）直到在軌轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星鏈路的群時(shí)延和其它傳輸特性。設(shè)置屏幕上可以選擇輸入、輸出和/或轉(zhuǎn)換頻率及電平。

傳輸時(shí)間

來去衛(wèi)星的傳輸時(shí)間相當(dāng)可觀，即使是處于低地球軌道的衛(wèi)星。對(duì)地靜止同步衛(wèi)星的典型傳輸時(shí)間約為250ms。因?yàn)樵春徒邮諜C(jī)頻率是同步的，這意味著在實(shí)際應(yīng)用中，孔徑約為1MHz的接收機(jī)有可能移動(dòng)到接收信號(hào)范圍之外，從而有必要進(jìn)一步偏移源和接收機(jī)的頻率，以補(bǔ)償傳輸時(shí)間。

這種偏移的計(jì)算公式是：

Foffset （MHz）＝掃描速度 （MHz/ms） * 傳輸時(shí)間 （ms）

作為一個(gè)例子，假設(shè)上行鏈路（源）的頻率是14GHz至14.5GHz，下行鏈路（接收）頻率是11.2GHz至11.7GHz，衛(wèi)星處于對(duì)地靜止軌道，MSA的掃描時(shí)間設(shè)為10秒，孔徑（分辨率帶寬）設(shè)為1MHz或3MHz。

那么如果傳輸時(shí)間是285ms，掃描速度是0.05MHz/ms，

Foffset＝14.25MHz

為了避免產(chǎn)生發(fā)射機(jī)告警，源頻率最好保持不變（即14GHz至14.5GHz）。接收機(jī)也應(yīng)設(shè)在11.18575GHz和11.68575GHz之間掃描。儀器將顯示接收頻率范圍，而接收到的頻率本身將很好地落在分辨率帶寬內(nèi)。單單預(yù)測(cè)的偏移可能不夠，因?yàn)閷?duì)地靜止衛(wèi)星實(shí)際上不是靜止的，也需要考慮多普勒分量。多普勒頻移在一天內(nèi)是有變化的，周期是每天都會(huì)重復(fù)，一天兩次歸零。多普勒頻率很容易測(cè)量，因此必須應(yīng)用額外的偏移。不考慮多普勒頻移可能會(huì)在群時(shí)延特性上產(chǎn)生斜率。

在軌測(cè)量

圖5顯示了通過單個(gè)地面站對(duì)地球同步軌道衛(wèi)星的群時(shí)延特性測(cè)量結(jié)果。輸入（上行鏈路）頻率是14.47GHz至14.5GHz，輸出（下行鏈路）頻率是12.17GHz至12.2GHz。校準(zhǔn)在輸入頻率處完成——通常在源頻率而不是接收機(jī)頻率處完成校準(zhǔn)，目的是通過頻帶切換和頻率調(diào)制硬件消除儀器內(nèi)部的時(shí)延變化。

儀器校準(zhǔn)和群時(shí)延測(cè)量性能與前述單獨(dú)的測(cè)量相同。在本例中，掃描時(shí)間是10秒，掃描速度因此是3kHz/ms。傳輸時(shí)間偏移小于1MHz，因此在孔徑數(shù)據(jù)為3MHz的情況下可以忽略不計(jì)。

圖5：測(cè)量得到的地球靜止軌道同步衛(wèi)星的群時(shí)延特性。

遠(yuǎn)端地面站

也可以對(duì)地面站不在同一位置的鏈路進(jìn)行這種群時(shí)延測(cè)試。作為源的MSA與運(yùn)行專用軟件的控制PC機(jī)位于鏈路提供商的主站。用作接收機(jī)的第二個(gè)MSA安裝在接收端，這個(gè)接收端可以位于衛(wèi)星信號(hào)能夠覆蓋的地球任何角落。本地MSA使用控制接口，遠(yuǎn)端MSA使用通過調(diào)制解調(diào)器的串行連接，儀器就能對(duì)要被分析的鏈路段進(jìn)行相對(duì)群時(shí)延測(cè)量。

由于在系統(tǒng)任意一端使用了本地高穩(wěn)定的頻率基準(zhǔn)（一般是銣鐘），兩臺(tái)儀器在頻率掃描時(shí)可以保持精確同步。測(cè)量數(shù)據(jù)將從遠(yuǎn)端MSA返回到本地PC，用于結(jié)果的檢查和存儲(chǔ)。任何一臺(tái)MSA都可以被配置為源或接收機(jī)，因?yàn)闊o需移動(dòng)設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸路徑的雙向測(cè)試。如果有多個(gè)接收站，可以在每個(gè)站安裝一臺(tái)遠(yuǎn)端MSA，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)地方對(duì)所有遠(yuǎn)端站的測(cè)量。

本文小結(jié)

本文介紹了用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)端到端測(cè)量的一種測(cè)試系統(tǒng)。這種測(cè)試系統(tǒng)采用兩臺(tái)裝備有專用群時(shí)延測(cè)量功能和專用軟件的微波系統(tǒng)分析儀。Aeroflex 6840系列MSA覆蓋上至46GHz的所有目前和未來的衛(wèi)星頻段。同樣這個(gè)系統(tǒng)還能用于地面系統(tǒng)評(píng)估和安裝。群時(shí)延測(cè)量能讓頻帶內(nèi)的失真得到及時(shí)補(bǔ)償，從而確保鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的完整性。