基于微波系統(tǒng)分析儀的衛(wèi)星端到端群時延測量

就像幾乎所有電信系統(tǒng)一樣，對衛(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(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延變化幅度會增加，因此很可能導(dǎo)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(zhuǎn)發(fā)器信道帶寬內(nèi)的相對群時延就顯得非常重要。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，這種時延測試是必須的。

為了無差錯的傳輸信息，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)。群時延平坦度指標(biāo)可以用來衡量相位線性度，該指標(biāo)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)時延(調(diào)制時延)。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)時延測量技術(shù)。

微波系統(tǒng)分析儀(MSA)

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

微波系統(tǒng)分析儀中的源和接收機(jī)可以相互獨立，這樣激勵源可以工作在一個頻率，而接收機(jī)在另一個不同的頻率接收。由于群時延測量來源于調(diào)制包絡(luò)，調(diào)制又能通過頻率轉(zhuǎn)換得以保留，因此可以實現(xiàn)直接表征，不需要訪問本地振蕩器，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(wèi)星鏈路性能，有必要測量和精確補(bǔ)償在頻段邊緣由群時延引起的失真。

使用MSA進(jìn)行群時延測量和校準(zhǔn)

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

校準(zhǔn)MSA內(nèi)的固有時延可以用簡單的直通連接非常快速的完成，如圖2所示。這對頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備的測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，這種方法先要測量一個完美表征過的元件，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測量2.2GHz至500MHz下變頻器的幅度和時延響應(yīng)的屏幕快照，這時的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。另外一個選項是使用改進(jìn)的DUT，其群時延關(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)時延方法具有很大的優(yōu)勢。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)帶寬在群時延測量時固定為3MHz。在考慮到這種分辨率帶寬和調(diào)制解調(diào)器因素后，這意味著在實際測量中MSA頻率偏移必須設(shè)在實際頻率的±500kHz范圍內(nèi)。

頻譜誤差會造成頻譜分析儀濾波器的群延時響應(yīng)出現(xiàn)一定的偏移，如果只對平坦度感興趣，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調(diào)整有一定的幫助，但唯一實用的解決方案是穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器的本振。這種效應(yīng)的幅度經(jīng)測量一般為每 1kHz頻率誤差產(chǎn)生0.1ns的群時延變化。

衛(wèi)星的在軌群時延

對于比較便攜的元器件來說在測試平臺上測試群時延平坦度是很好的一種方法，但也有許多情況下待測試設(shè)備無法適用這種方法。一個特殊的例子就是DUT 是一條完整的衛(wèi)星鏈路，這很明顯無法用測試實驗室中的單臺儀器進(jìn)行測量。開展在軌衛(wèi)星測試有許多原因。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)行測量，目的是驗證通信負(fù)荷和天線平臺的完整性。在日常運(yùn)行中還需要執(zhí)行定期的檢測，以便驗證性能或解決異常問題。

對衛(wèi)星鏈路來說，相對于頻率的群時延，特別是通過頻率轉(zhuǎn)換后的群時延，被證實是測量特別困難的參數(shù)。圖4顯示了線性和拋物形群時延，這是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中常見的時延類型。拋物型時延通常與衛(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：群時延和發(fā)送頻譜。

正弦形時延通常是由系統(tǒng)中的阻抗失配引起的。理想情況下，群時延曲線應(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有相同的延時。如果達(dá)不到這種情況，那么恢復(fù)出的數(shù)碼之間就會出現(xiàn)干擾，使得相互間難以分辨，進(jìn)而產(chǎn)生誤碼。

測量系統(tǒng)

Aeroflex衛(wèi)星群時延測試系統(tǒng)使用兩臺裝備有群時延選件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，實現(xiàn)對整條鏈路的相對群時延測量。先由測試系統(tǒng)產(chǎn)生測試信號并應(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，從而獲得群時延變化，并執(zhí)行帶內(nèi)增益平坦度測量。兩個系統(tǒng)在頻率掃描時保持同步。

該系統(tǒng)可以用來測量從多個地面站(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。

傳輸時間

來去衛(wèi)星的傳輸時間相當(dāng)可觀，即使是處于低地球軌道的衛(wèi)星。對地靜止同步衛(wèi)星的典型傳輸時間約為250ms。因為源和接收機(jī)頻率是同步的，這意味著在實際應(yīng)用中，孔徑約為1MHz的接收機(jī)有可能移動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(jī)的頻率，以補(bǔ)償傳輸時間。

這種偏移的計算公式是：

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

作為一個例子，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)星處于對地靜止軌道，MSA的掃描時間設(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)測的偏移可能不夠，因為對地靜止衛(wèi)星實際上不是靜止的，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，周期是每天都會重復(fù)，一天兩次歸零。多普勒頻率很容易測量，因此必須應(yīng)用額外的偏移。不考慮多普勒頻移可能會在群時延特性上產(chǎn)生斜率。

在軌測量

圖5顯示了通過單個地面站對地球同步軌道衛(wèi)星的群時延特性測量結(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)部的時延變化。

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

圖5：測量得到的地球靜止軌道同步衛(wèi)星的群時延特性。

遠(yuǎn)端地面站

也可以對地面站不在同一位置的鏈路進(jìn)行這種群時延測試。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MSA 安裝在接收端，這個接收端可以位于衛(wèi)星信號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，儀器就能對要被分析的鏈路段進(jìn)行相對群時延測量。

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)，兩臺儀器在頻率掃描時可以保持精確同步。測量數(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。任何一臺MSA都可以被配置為源或接收機(jī)，因為無需移動設(shè)備就能實現(xiàn)對傳輸路徑的雙向測試。如果有多個接收站，可以在每個站安裝一臺遠(yuǎn)端MSA，實現(xiàn)在一個地方對所有遠(yuǎn)端站的測量。

本文小結(jié)

本文介紹了用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)端到端測量的一種測試系統(tǒng)。這種測試系統(tǒng)采用兩臺裝備有專用群時延測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。同樣這個系統(tǒng)還能用于地面系統(tǒng)評估和安裝。群時延測量能讓頻帶內(nèi)的失真得到及時補(bǔ)償，從而確保鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的完整性。