技術(shù)科普】從同步軌道到星鏈組網(wǎng)（下）：衛星通信測試方案概述

空早已成為人類(lèi)探索的終極目標之一。

在這片廣袤的宇宙中，

一場(chǎng)無(wú)聲的太空競爭早已悄然進(jìn)行。

當我們仰望星空時(shí)，

可曾想過(guò)在我們深邃的天空中，

有著(zhù)成千上萬(wàn)的 人造地球衛星

從頭頂上掠過(guò) 。

從1957年前蘇聯(lián)發(fā)射世界第一顆人造衛星斯普特尼克1號（Sputnik-1），到2014年實(shí)現人造衛星千顆（1261顆）在軌，用了整整57年。而到2024年的近萬(wàn)顆在軌衛星（截止2024年5月全球在軌衛星數量為9770顆）卻僅僅只用了10年時(shí)間。這其中有72%是通信衛星，而在這近萬(wàn)顆衛星中，低軌衛星占了91.5%。

本文分為上下兩篇，上一篇簡(jiǎn)述了衛星通信的演進(jìn)趨勢， 本期 「下篇」， 將為小伙伴們匯總近年來(lái)的衛星通信測量方案 。

衛星通信系統的發(fā)展面臨一系列的挑戰與測試，如巨型低軌星座的組網(wǎng)、高吞吐量、高工作頻段（Ka波段、Q波段、 V波段）、高帶寬、多波束控制（采用相控陣天線(xiàn)）、低成本（要求衛星生產(chǎn)和發(fā)射成本更低）等。地面接收終端和衛星之間距離遙遠，因而會(huì )影響鏈路預算或造成高路徑損耗。此外，這種超遠距離也是造成較大時(shí)間延遲 (RTT) 的原因，該值因時(shí)間和仰角而異。相較于地面網(wǎng)絡(luò )這是一種范式變化，而低軌衛星以非?？斓乃俣冗\行，由此將導致頻率載波偏差，也稱(chēng)多普勒頻移。最后，電離層的無(wú)線(xiàn)電波傳播會(huì )造成波形極化旋轉，學(xué)術(shù)界稱(chēng)之為法拉第旋轉。面對這些技術(shù)挑戰，羅德與施瓦茨公司將提供創(chuàng )新的非地面測試的測量解決方案，可幫助客戶(hù)在衛星的研發(fā)、生產(chǎn)、發(fā)射、維護及運營(yíng)過(guò)程中，更好的進(jìn)行設計、開(kāi)發(fā)和測試，以滿(mǎn)足客戶(hù)對性能、成本和時(shí)間的要求。

衛星通信網(wǎng)絡(luò )主要包括衛星有效載荷、地面站和終端三個(gè)部分，據此可將衛星測試分為衛星有效載荷測試、地面站測試和終端測試。下圖顯示了典型的衛星生產(chǎn)流程，測試驗證工作涵蓋了整個(gè)流程，說(shuō)明充分有效的測試對于衛星研發(fā)、制造及運行有著(zhù)非常重要的作用。在不同階段衛星測試的對象不同，包括元件及組件測試、分系統測試、系統性能驗證測試、在軌測試等。

衛星主要測試項目包括 增益轉移、互調失真、噪聲系數、噪聲功率比、相位噪聲、雜散、群時(shí)延、矢量信號分析、OFDM信號分析 等，如下圖所示。

衛星增益轉移測試是對衛星轉發(fā)器或組件中功率放大器、變頻器等器件特性進(jìn)行傳輸參數測量的一種測試。其目的是確定這些器件在不同輸入信號條件下的增益變化情況，以評估它們在衛星通信系統中的性能。具體測試內容有：

1

增益壓縮測量

觀(guān)察器件在輸入功率增加時(shí)，輸出功率是否按比例增加，以及在何種輸入功率水平下開(kāi)始出現增益壓縮現象，即輸出功率不再隨輸入功率線(xiàn)性增加，這有助于確定器件的最大功率處理能力和線(xiàn)性工作范圍。

2

AM/AM 和 AM/PM 測量

AM/AM 測量用于得到器件的增益轉移曲線(xiàn)，即輸入信號幅度變化與輸出信號幅度變化之間的關(guān)系。AM/PM 測量則是考察輸入信號幅度變化對輸出信號相位的影響。通過(guò)這兩項測量，可以了解器件對信號幅度和相位的調制特性，評估其線(xiàn)性度和對信號質(zhì)量的影響。

3

失真測量

如噪聲功率比（NPR）、鄰道泄漏功率比（ACLR）等指標的測量，用于評估器件在放大或變頻過(guò)程中產(chǎn)生的失真程度，確保衛星通信系統中信號的質(zhì)量和頻譜純度，避免對相鄰信道產(chǎn)生干擾。

測試方法有兩種，基于矢量信號發(fā)生器與矢量信號分析儀的測試和基于網(wǎng)絡(luò )分析儀的測試。

基于矢量信號發(fā)生器與矢量信號分析儀的測試將兩者結合使用，如 R&S?SMW200A 矢量信號發(fā)生器及R&S?FSW矢量信號分析儀（配備R&S?FSW-K18選件）。R&S?FSW-K18可控制R&S?SMW200A，使參考信號與被測設備（DUT）發(fā)射信號同步，以獲得準確測量結果。這種測量方法可使用連續波功率掃描或數字調制信號作為參考信號來(lái)測試設備，能分析高帶寬的放大信號，還可通過(guò)直接數字預失真補償記憶效應，借助參數掃描提供三維圖表，用于快速查找 DUT 的最佳工作點(diǎn)。

增益轉移測試

在測試傳輸特性時(shí)也可使用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀，支持變頻和非變頻元件及組件在連續波或脈沖調制下的測試，支持有源器件的非線(xiàn)性測試。變頻增益或插入損耗的測試方法連接簡(jiǎn)單，設置靈活，多個(gè)內置源配置條件下，支持一級、二級變頻模式。當DUT的本振信號無(wú)法接入時(shí)，測量時(shí)會(huì )存在一定的頻偏，而羅德與施瓦茨公司的矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀ZNA配置本振頻率跟蹤功能，可以自動(dòng)糾正信號頻偏保證測量結果的準確性。

傳輸特性測試

衛星的群時(shí)延測試是用于衡量衛星通信系統中信號傳輸相位失真的一種重要測試。群時(shí)延是信號的每個(gè)頻率分量的時(shí)延相對于頻率的對應關(guān)系，一段寬帶信號的所有頻率分量需要保持彼此相同的時(shí)延關(guān)系即相對相位關(guān)系，否則會(huì )導致寬帶信號的相位失真。

羅德與施瓦茨公司的 R&S?SMW200A 信號發(fā)生器和 R&S?FSW 頻譜分析儀可用于測量衛星轉發(fā)器、變頻器和其他組件的絕對和相對群時(shí)延。使用SMW200A發(fā)射多載波連續波信號作為激勵信號，可設置多載波信號的數量，信號之間的頻率間隔，以滿(mǎn)足被測設備的要求。使用FSW - K17 選件群時(shí)延測試選件可進(jìn)行測量，在FSW 上設置測量參數，包括測量帶寬、頻率范圍、分辨率帶寬等。根據測試需求，選擇合適的測量模式，如絕對群時(shí)延測量或相對群時(shí)延測量。

使用矢量信號源SMW200A和信號分析儀FSW進(jìn)行多載波群時(shí)延測量

衛星的噪聲功率比（Noise Power Ratio，NPR）測試是一種用于評估衛星通信系統中載荷非線(xiàn)性特性的重要測試方法，主要用于反映衛星轉發(fā)器中放大器件在大帶寬多通道條件下的幅度線(xiàn)性情況。在實(shí)際通信系統中，放大器件的非線(xiàn)性會(huì )導致互調失真，影響收發(fā)鏈路性能。當信號為寬帶調制信號時(shí)，會(huì )產(chǎn)生豐富的互調產(chǎn)物，帶內互調產(chǎn)物會(huì )干擾信號本身，惡化信噪比。通過(guò) NPR 測試，可以表征這種非線(xiàn)性形成的帶內干擾，真實(shí)反映功率放大器在實(shí)際使用場(chǎng)景下的非線(xiàn)性特性。

測試方法： 采用帶陷波的寬帶調制、寬帶白噪聲信號或者等間隔多音信號作為激勵信號。待測器件輸入該調制信號后，由于被測器件的非線(xiàn)性特性，會(huì )在被測器件的輸出端產(chǎn)生互調失真，進(jìn)而落入陷波內。通過(guò)測試通帶內總功率譜密度與陷波中所有互調產(chǎn)物功率譜密度的比值，即可得到 NPR。

羅德與施瓦茨矢量信號源SMW200A通過(guò)不同的選件配置，可支持以上三種激勵信號方式，配置 SMW-K61 選件生成多載波連續波 (MCCW) 信號，用于模擬寬帶信號。減少一組CW單音信號，生成帶陷陡邊且開(kāi)關(guān)比最大值達 50 dB 的帶陷信號。用戶(hù)可以使用控制菜單調節信號陷入的位置和寬度。配置SMW-K811 選件生成帶陷陡邊且開(kāi)關(guān)比最大值達 50 dB 的帶陷寬帶信號，信號類(lèi)型包括ARB, DVB, LTE, OFDM, AWGN等。使用配備R&S?FSW-19選件的R&S?FSW 信號與頻譜分析儀可以輕松的測量經(jīng)過(guò) DUT后信號陷波位置的陷入深度。

噪聲功率比NPR測試

在衛星通信中，接收機需要接收非常微弱的信號，而接收機內部的各種元件，如放大器、濾波器等，都會(huì )產(chǎn)生噪聲。噪聲系數測試是評估信號通過(guò)衛星系統組件時(shí)，由于組件內部噪聲的引入而導致的信噪比惡化程度。噪聲系數是衡量衛星接收機性能的重要指標之一。通過(guò)測試噪聲系數，可以了解接收機在不同工作條件下對噪聲的抑制能力，評估其是否滿(mǎn)足衛星通信系統的要求。例如，對于高靈敏度的衛星接收機，要求其噪聲系數較低，以保證能夠接收到微弱的衛星信號并還原出高質(zhì)量的信息。

衛星通信中的噪聲系數測試常用的兩種方法，即基于頻譜儀噪聲系數測量選件的Y因子法和基于網(wǎng)絡(luò )分析儀的噪聲系數測量法。

1

基于頻譜儀噪聲系數測量選件的Y因子法

使用羅德與施瓦茨公司的信號與頻譜分析儀、噪聲系數測試選件K30以及噪聲源，可以方便、快捷的對變頻、非變頻器件或模塊進(jìn)行噪聲系數測試。該測試方法基于Y因子理論基礎，操作簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)校準后可以達到較高的測量精度，可同時(shí)測量噪聲系數和增益等指標。

2

基于網(wǎng)絡(luò )分析儀的噪聲系數測量法

羅德與施瓦茨公司的矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀ZNA，配備噪聲系數測量選件K30而無(wú)需外置噪聲源配合即可完成變頻、非變頻器件的噪聲系數測試。支持一次連接完成增益、噪聲系數、駐波等所有指標測試，提高測試效率，特別適合，元器件測量、芯片級在片測試等。

衛星系統的雜散測試是防止衛星通信系統包括衛星天線(xiàn)、衛星TR組件、太陽(yáng)能電池板、控制系統等各種電子設備等部件向外輻射的雜散電磁波對其他衛星、地面通信系統、雷達系統等造成干擾，確保衛星自身的通信、導航、控制等系統不受內部雜散信號的影響，保證衛星系統的穩定性和可靠性。例如，衛星通信系統中的雜散信號如果落入其他衛星的接收頻段，可能會(huì )導致其他衛星接收信號錯誤或丟失。如雜散信號可能會(huì )竄入衛星的敏感接收電路，降低接收機的靈敏度，影響通信質(zhì)量。

頻譜儀是衛星雜散測試的核心儀器，用于測量雜散信號的頻率、幅度等參數。這就意味著(zhù)要在寬頻率范圍內檢測極低電平的雜散。一般情況下，需要使用窄分辨率帶寬 (RBW) 以便在高靈敏度下進(jìn)行測量，但這樣一來(lái)，測量時(shí)間要長(cháng)得多。即使采用配備 FFT 濾波器的快速頻譜分析儀，雜散檢測也可能花費數小時(shí)甚至數天。羅德與施瓦茨公司提供一種新型雜散檢測算法，可自動(dòng)執行雜散測量并提高測量速度。羅德與施瓦茨公司超寬帶頻譜與信號分析儀R&S?FSW具有專(zhuān)門(mén)的寬帶雜散測量選件K50，可通過(guò)三步法檢測并確定雜散。首先通過(guò)快速掃描測定最佳RBW；然后進(jìn)行二次掃描檢測可能的雜散，每個(gè)已知雜散頻率的最終高速搜索可確定峰值是實(shí)際雜散、噪聲還是分析儀內部雜散；最后一步，進(jìn)一步降低RBW以滿(mǎn)足信噪比要求。

衛星TR組件的互調測試通常采取通過(guò)向被測設備輸入兩個(gè)不同頻率的正弦波信號，這兩個(gè)信號經(jīng)過(guò)設備內的非線(xiàn)性元件后會(huì )產(chǎn)生互調產(chǎn)物。

使用羅德與施瓦茨的雙端口信號源SMW200A配合頻譜分析儀FSW來(lái)測試互調是很常用的一種測試方法。將雙端口信號源的兩個(gè)輸出端口分別通過(guò)合適的射頻電纜連接到被測設備的輸入端口。在信號源中設置兩個(gè)不同的頻率，這兩個(gè)頻率應根據被測設備的工作頻段和測試要求進(jìn)行選擇。被測設備內部的非線(xiàn)性元件會(huì )對這兩個(gè)信號進(jìn)行混頻，產(chǎn)生互調產(chǎn)物。使用頻譜分析儀在被測設備的輸出端測量互調產(chǎn)物的頻率和功率。頻譜分析儀應設置為合適的頻率范圍和分辨率帶寬，以準確測量互調產(chǎn)物的頻譜。

另外，使用羅德與施瓦茨公司高端矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀ZNA集成的互調測試功能，也可以輕松測試三階、五階、七階等互調指標，使用內置合路器，一個(gè)端口就可以輸出雙音信號，支持頻率、功率和雙音間隔多種掃描方式，并提供專(zhuān)門(mén)的測試向導，測試更加方便。同時(shí)功率校準保證了互調點(diǎn)的測試精度。而且高端矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀ZNA獨特的內部四源配置，還能夠支持變頻條件下的互調測試。

衛星系統的相位噪聲是衡量衛星信號純度的重要指標。低相位噪聲意味著(zhù)信號的相位穩定性高，信號的頻譜更加純凈，能夠更準確地傳輸和接收信息。相位噪聲會(huì )導致信號的相位抖動(dòng)，進(jìn)而影響解調的準確性，增加誤碼率。因此，在衛星通信處理信號過(guò)程中，相位噪聲是及其重要的參數。轉發(fā)式或者數字中繼式衛星對信號進(jìn)行頻譜搬移，都會(huì )將本地振蕩器信號相位噪聲疊加到數字調制中，惡化數字信號的調制質(zhì)量進(jìn)而影響系統的誤碼率性能。

羅德與施瓦茨公司的FSWP、FSPN相位噪聲分析儀采用極低相位噪聲的內部信號源和數字互相關(guān)技術(shù)，可提供極高的相位噪聲測試靈敏度，創(chuàng )新的基于數字解調的測量方式提供極優(yōu)的測量速度。FSWP通過(guò)配置相關(guān)選件，單表可完成連續波相位噪聲測量、脈沖相位噪聲測量以及附加相位噪聲測量。

衛星信號的格式豐富多樣。常見(jiàn)的有基于單載波調制的格式，其在信號傳輸過(guò)程中僅依靠單個(gè)載波來(lái)承載信息，具有結構相對簡(jiǎn)單、功率利用效率較高等優(yōu)勢，在早期衛星通信以及部分對信號處理復雜度要求較低的場(chǎng)景中應用廣泛。同時(shí)，DVB（數字視頻廣播）格式也是衛星信號常見(jiàn)格式之一，它專(zhuān)門(mén)為數字視頻廣播業(yè)務(wù)設計，涵蓋了 DVB - S、DVB - S2 等多種標準，具備出色的視頻傳輸性能和靈活的系統配置能力，在全球范圍內的衛星電視廣播等業(yè)務(wù)中得到了極為廣泛的應用。另外，基于正交頻分復用（OFDM）的衛星信號格式近年來(lái)愈發(fā)受到青睞，它將高速數據流分割成多個(gè)低速子數據流，并分別調制到多個(gè)相互正交的子載波上進(jìn)行傳輸，能有效抵抗多徑衰落和頻率選擇性衰落，顯著(zhù)提升頻譜利用率，在衛星寬帶通信等需要高數據速率傳輸的領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要作用。這些格式的信號產(chǎn)生和分析都可以利用羅德與施瓦茨公司的超寬帶信號源SMW200A和頻譜與信號分析儀FSW來(lái)進(jìn)行。

1

單載波衛星數字調制信號

SMW Custom Digital Modulation功能能夠生成各種自定義的數字調制信號，允許用戶(hù)根據特定需求設計和實(shí)現自己的調制格式。這種靈活性使得SMW能夠支持多種自定義數字調制，用戶(hù)可以通過(guò)圖形界面或編程接口定義調制參數，包括調制類(lèi)型、符號率、濾波器類(lèi)型等，從而滿(mǎn)足不同應用場(chǎng)景的需求。FSW K70選件是對常見(jiàn)的自定義數字調制信號進(jìn)行分析，可以進(jìn)行信號符號速率、調制方式、均衡等各項參數的設置，可輕松讀解調信號，實(shí)現EVM、BER、相位誤差、幅度誤差、載波頻偏等測量，實(shí)現星座圖的顯示。

2

DVB衛星信號

羅德與施瓦茨矢量信號源SMW200A支持DVB-S/S2/S2X/RCS2等多種數字視頻廣播衛星調制標準信號的產(chǎn)生。而DVB-S2X 信號針對有效載荷和幀頭部分使用不同的調制方案?？梢允笷SW-K70 數字調制分析選件和K70M多調制標準分析擴展功能分析同一幀信號中不同調制方式信號。根據此配置，R&S?FSW 會(huì )根據同樣的 I/Q 數據解調 DVB-S2X 信號幀頭和有效載荷數據，并在不同的窗口中分別顯示性能參數和星座圖等。

FSW-K70M進(jìn)行DVB-S2X 信號的解調分析

3

OFDM衛星信號的解調

OFDM調制信號體制常見(jiàn)于近年來(lái)低軌衛星信號，是一種區別于單載波調制技術(shù)的特殊的多載波調制技術(shù)。羅德與施瓦茨公司針對自定義的OFDM信號調制與分析，推出了SMW-K114、FSW-K96 OFDM信號調制分析選件。為了最大限度的支持自定義ODFM信號結構，K96選件提供一組Matlab編程環(huán)境下的功能函數，根據提供的定義和格式要求，用戶(hù)需要按照自定義的OFDM信號產(chǎn)生一個(gè)OFDM信號結構描述文件，通過(guò)導入此文件，完成對應OFDM信號的解調分析。而產(chǎn)生的OFDM信號結構描述文件，也可以用于產(chǎn)生適用于羅德與施瓦茨公司的矢量信號源SMW200A的波形文件，產(chǎn)生相應的OFDM調制射頻信號。

利用FSW K96進(jìn)行自定義OFDM信號分析

總結與展望

衛星通信和相應的測試技術(shù)在過(guò)去幾十年中經(jīng)歷了顯著(zhù)的發(fā)展。最初的5G NR最初被設計為基于地面的公共陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )。3GPP Rel-17在5G中引入NTN，從而實(shí)現了移動(dòng)通信技術(shù)從地面到太空的飛躍?；谛l星的通信。從長(cháng)遠來(lái)看，在通往未來(lái)的6G演進(jìn)之路上，我們也許將涵蓋從室內小基站、城市宏基站和大功率高塔傘形基站到低空/高空平臺，最后到太空中的LEO和GEO星座的各種系統模型。

綜上所述，我們正在經(jīng)歷衛星通信由高軌到低軌的蓬勃式發(fā)展時(shí)代，挑戰與機遇并存。羅德與施瓦茨愿與從業(yè)者一起迎接新的測試挑戰。

參考文獻：

1，R&S衛星測試方案白皮書(shū)_V2.1

2，3GPP Release 17

3，R&S 5G NTN啟航 5G非地面網(wǎng)絡(luò )技術(shù)概論 白皮書(shū)

4，互聯(lián)網(wǎng)資料