基于微波系統分析儀的衛星端到端群時(shí)延測量

就像幾乎所有電信系統一樣，對衛星系統的帶寬要求也越來(lái)越高，原因是在這些鏈路上承載的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、數字電視和其它數字業(yè)務(wù)量在不斷攀升。結果衛星運營(yíng)商被迫徹底地使用直到頻帶邊緣的所有可用帶寬，而頻帶邊緣的信號質(zhì)量由于傳輸路徑上的衛星轉發(fā)器和地面系統中使用的濾波器等元件而有所下降。

現有衛星轉發(fā)器典型配置下的信道帶寬在36MHz至72MHz范圍內——取決于具體的衛星系統——雖然更新系統配置的帶寬達幾百MHz也并不少見(jiàn)。由于在這些信道的頻帶邊緣時(shí)延變化幅度會(huì )增加，因此很可能導致信號失真或信號惡化。為了確定信號失真或惡化的總量，測量這些轉發(fā)器信道帶寬內的相對群時(shí)延就顯得非常重要。為了采取精確的補償措施從而避免可能出現的數據混亂，這種時(shí)延測試是必須的。

為了無(wú)差錯的傳輸信息，要求在感興趣帶寬內有平坦的幅度響應和線(xiàn)性的相位響應。群時(shí)延平坦度指標可以用來(lái)衡量相位線(xiàn)性度，該指標的測量有多種方法。兩種最常用的方法是直接相位和包絡(luò )時(shí)延(調制時(shí)延)。大多數矢量網(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，但在表征頻率轉換設備時(shí)非常復雜。成熟的微波系統分析儀可以克服這些問(wèn)題。這種儀器將頻譜分析儀中的接收機用作已調諧的標量輸入，并采用包絡(luò )時(shí)延測量技術(shù)。

微波系統分析儀(MSA)

微波系統分析儀(MSA)通常是整合了一臺頻譜分析儀與一臺源和標量綜合分析儀的儀器，并且增加了頻率調制和包絡(luò )群時(shí)延選件。因此這種微波系統分析儀可以測量頻率轉換設備和網(wǎng)絡(luò )，還能對元件和子系統進(jìn)行群時(shí)延測量。

微波系統分析儀中的源和接收機可以相互獨立，這樣激勵源可以工作在一個(gè)頻率，而接收機在另一個(gè)不同的頻率接收。由于群時(shí)延測量來(lái)源于調制包絡(luò )，調制又能通過(guò)頻率轉換得以保留，因此可以實(shí)現直接表征，不需要訪(fǎng)問(wèn)本地振蕩器，也不需要在測試裝置中使用外部混頻器和振蕩器。

圖1：為了獲得最佳的衛星鏈路性能，有必要測量和精確補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)延測量和校準

為了測量群時(shí)延，先要用一個(gè)已知的低頻信號對源進(jìn)行頻率調制，然后將結果應用到待測設備(DUT)。在通過(guò)DUT后，信號被解調，將恢復出的低頻信號的相位與原始調制信號的相位進(jìn)行比較就可以得到群時(shí)延結果。包絡(luò )時(shí)延是調制信號帶寬內群時(shí)延的平均值。調制信號的帶寬被稱(chēng)為測量孔徑，需要小于群時(shí)延的變化才能獲得精確的測量結果。絕對群時(shí)延測量的上限等于正負調制頻率周期的一半。

校準MSA內的固有時(shí)延可以用簡(jiǎn)單的直通連接非?？焖俚耐瓿?，如圖2所示。這對頻率轉換設備的測試精度可能有些影響，但在大多數情況下這種精度的少許下降不是問(wèn)題。使用“黃金標準”技術(shù)可以達到更高的精度，這種方法先要測量一個(gè)完美表征過(guò)的元件，然后再與DUT進(jìn)行比較，這將在下一部分進(jìn)行詳細介紹。

圖2：微波系統分析儀的直通線(xiàn)校準。

圖3顯示了用MSA測量2.2GHz至500MHz下變頻器的幅度和時(shí)延響應的屏幕快照，這時(shí)的MSA是用直通連接方法校準的。在某些情況下，上述直通連接校準可能無(wú)法提供足夠的精度。取代方法是使用具有已知或設定時(shí)延性能的“黃金標準”設備校準儀器。合適的黃金標準設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。

轉換器本振的精度和漂移

Aeroflex 6840 MSA使用的調頻包絡(luò )時(shí)延方法具有很大的優(yōu)勢。與一些VNA方法不同，它不需要訪(fǎng)問(wèn)頻率轉換器的本振，不過(guò)對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)延測量時(shí)固定為3MHz。在考慮到這種分辨率帶寬和調制解調器因素后，這意味著(zhù)在實(shí)際測量中MSA頻率偏移必須設在實(shí)際頻率的±500kHz范圍內。

頻譜誤差會(huì )造成頻譜分析儀濾波器的群延時(shí)響應出現一定的偏移，如果只對平坦度感興趣，這沒(méi)什么問(wèn)題。然而，如果轉換器本振的頻率穩定性很差，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)調整有一定的幫助，但唯一實(shí)用的解決方案是穩定轉換器的本振。這種效應的幅度經(jīng)測量一般為每 1kHz頻率誤差產(chǎn)生0.1ns的群時(shí)延變化。

衛星的在軌群時(shí)延

對于比較便攜的元器件來(lái)說(shuō)在測試平臺上測試群時(shí)延平坦度是很好的一種方法，但也有許多情況下待測試設備無(wú)法適用這種方法。一個(gè)特殊的例子就是DUT 是一條完整的衛星鏈路，這很明顯無(wú)法用測試實(shí)驗室中的單臺儀器進(jìn)行測量。開(kāi)展在軌衛星測試有許多原因。一般在衛星發(fā)射之后、向用戶(hù)發(fā)布衛星之前要進(jìn)行測量，目的是驗證通信負荷和天線(xiàn)平臺的完整性。在日常運行中還需要執行定期的檢測，以便驗證性能或解決異常問(wèn)題。

對衛星鏈路來(lái)說(shuō)，相對于頻率的群時(shí)延，特別是通過(guò)頻率轉換后的群時(shí)延，被證實(shí)是測量特別困難的參數。圖4顯示了線(xiàn)性和拋物形群時(shí)延，這是衛星網(wǎng)絡(luò )中常見(jiàn)的時(shí)延類(lèi)型。拋物型時(shí)延通常與衛星轉發(fā)器和通信設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)延通常是由系統中的阻抗失配引起的。理想情況下，群時(shí)延曲線(xiàn)應是平坦的——沒(méi)有斜率的一條直線(xiàn)——載頻帶寬內所有頻率通過(guò)鏈路時(shí)有相同的延時(shí)。如果達不到這種情況，那么恢復出的數碼之間就會(huì )出現干擾，使得相互間難以分辨，進(jìn)而產(chǎn)生誤碼。

測量系統

Aeroflex衛星群時(shí)延測試系統使用兩臺裝備有群時(shí)延選件22的微波系統分析儀，再加上運行專(zhuān)用軟件的控制PC機和串行調制解調器，實(shí)現對整條鏈路的相對群時(shí)延測量。先由測試系統產(chǎn)生測試信號并應用于上行鏈路，然后分析在下行鏈路接收到的轉發(fā)信號，從而獲得群時(shí)延變化，并執行帶內增益平坦度測量。兩個(gè)系統在頻率掃描時(shí)保持同步。

該系統可以用來(lái)測量從多個(gè)地面站(位于同一位置或遠端)直到在軌轉發(fā)器的衛星鏈路的群時(shí)延和其它傳輸特性。設置屏幕上可以選擇輸入、輸出和/或轉換頻率及電平。

傳輸時(shí)間

來(lái)去衛星的傳輸時(shí)間相當可觀(guān)，即使是處于低地球軌道的衛星。對地靜止同步衛星的典型傳輸時(shí)間約為250ms。因為源和接收機頻率是同步的，這意味著(zhù)在實(shí)際應用中，孔徑約為1MHz的接收機有可能移動(dòng)到接收信號范圍之外，從而有必要進(jìn)一步偏移源和接收機的頻率，以補償傳輸時(shí)間。

這種偏移的計算公式是：

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，衛星處于對地靜止軌道，MSA的掃描時(shí)間設為10秒，孔徑(分辨率帶寬)設為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)射機告警，源頻率最好保持不變(即14GHz至14.5GHz)。接收機也應設在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。單單預測的偏移可能不夠，因為對地靜止衛星實(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是有變化的，周期是每天都會(huì )重復，一天兩次歸零。多普勒頻率很容易測量，因此必須應用額外的偏移。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。

在軌測量

圖5顯示了通過(guò)單個(gè)地面站對地球同步軌道衛星的群時(shí)延特性測量結果。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。校準在輸入頻率處完成——通常在源頻率而不是接收機頻率處完成校準，目的是通過(guò)頻帶切換和頻率調制硬件消除儀器內部的時(shí)延變化。

儀器校準和群時(shí)延測量性能與前述單獨的測量相同。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，因此在孔徑數據為3MHz的情況下可以忽略不計。

圖5：測量得到的地球靜止軌道同步衛星的群時(shí)延特性。

遠端地面站

也可以對地面站不在同一位置的鏈路進(jìn)行這種群時(shí)延測試。作為源的MSA與運行專(zhuān)用軟件的控制PC機位于鏈路提供商的主站。用作接收機的第二個(gè)MSA 安裝在接收端，這個(gè)接收端可以位于衛星信號能夠覆蓋的地球任何角落。本地MSA使用控制接口，遠端MSA使用通過(guò)調制解調器的串行連接，儀器就能對要被分析的鏈路段進(jìn)行相對群時(shí)延測量。

由于在系統任意一端使用了本地高穩定的頻率基準(一般是銣鐘)，兩臺儀器在頻率掃描時(shí)可以保持精確同步。測量數據將從遠端MSA返回到本地PC，用于結果的檢查和存儲。任何一臺MSA都可以被配置為源或接收機，因為無(wú)需移動(dòng)設備就能實(shí)現對傳輸路徑的雙向測試。如果有多個(gè)接收站，可以在每個(gè)站安裝一臺遠端MSA，實(shí)現在一個(gè)地方對所有遠端站的測量。

本文小結

本文介紹了用于衛星通信系統端到端測量的一種測試系統。這種測試系統采用兩臺裝備有專(zhuān)用群時(shí)延測量功能和專(zhuān)用軟件的微波系統分析儀。 Aeroflex 6840系列MSA覆蓋上至46GHz的所有目前和未來(lái)的衛星頻段。同樣這個(gè)系統還能用于地面系統評估和安裝。群時(shí)延測量能讓頻帶內的失真得到及時(shí)補償，從而確保鏈路上傳輸的數據的完整性。