太空早已成為人類探索的終極目標之一。在這片廣袤的宇宙中，一場無聲的太空競爭早已悄然進行。當(dāng)我們仰望星空時，可曾想過在我們深邃的天空中，有著成千上萬的人造地球衛(wèi)星從頭頂上掠過。

從1957年前蘇聯(lián)發(fā)射世界第一顆人造衛(wèi)星斯普特尼克1號(Sputnik-1)，到2014年實現(xiàn)人造衛(wèi)星千顆(1261顆)在軌，用了整整57年。而到2024年的近萬顆在軌衛(wèi)星(截止2024年5月全球在軌衛(wèi)星數(shù)量為9770顆)卻僅僅只用了10年時間。這其中有72%是通信衛(wèi)星，而在這近萬顆衛(wèi)星中，低軌衛(wèi)星占了91.5%。

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

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展面臨一系列的挑戰(zhàn)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)、低成本(要求衛(wèi)星生產(chǎn)和發(fā)射成本更低)等。地面接收終端和衛(wèi)星之間距離遙遠，因而會影響鏈路預(yù)算或造成高路徑損耗。此外，這種超遠距離也是造成較大時間延遲 (RTT) 的原因，該值因時間和仰角而異。相較于地面網(wǎng)絡(luò)這是一種范式變化，而低軌衛(wèi)星以非常快的速度運行，由此將導(dǎo)致頻率載波偏差，也稱多普勒頻移。最后，電離層的無線電波傳播會造成波形極化旋轉(zhuǎn)，學(xué)術(shù)界稱之為法拉第旋轉(zhuǎn)。面對這些技術(shù)挑戰(zhàn)，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，可幫助客戶在衛(wèi)星的研發(fā)、生產(chǎn)、發(fā)射、維護及運營過程中，更好的進行設(shè)計、開發(fā)和測試，以滿足客戶對性能、成本和時間的要求。

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)主要包括衛(wèi)星有效載荷、地面站和終端三個部分，據(jù)此可將衛(wèi)星測試分為衛(wèi)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(wèi)星生產(chǎn)流程，測試驗證工作涵蓋了整個流程，說明充分有效的測試對于衛(wèi)星研發(fā)、制造及運行有著非常重要的作用。在不同階段衛(wèi)星測試的對象不同，包括元件及組件測試、分系統(tǒng)測試、系統(tǒng)性能驗證測試、在軌測試等。

衛(wèi)星主要測試項目包括增益轉(zhuǎn)移、互調(diào)失真、噪聲系數(shù)、噪聲功率比、相位噪聲、雜散、群時延、矢量信號分析、OFDM信號分析等，如下圖所示。

01衛(wèi)星增益轉(zhuǎn)移測試

衛(wèi)星增益轉(zhuǎn)移測試是對衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器或組件中功率放大器、變頻器等器件特性進行傳輸參數(shù)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(wèi)星通信系統(tǒng)中的性能。具體測試內(nèi)容有：

1增益壓縮測量

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

2AM/AM 和 AM/PM 測量

AM/AM 測量用于得到器件的增益轉(zhuǎn)移曲線，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。通過這兩項測量，可以了解器件對信號幅度和相位的調(diào)制特性，評估其線性度和對信號質(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程中產(chǎn)生的失真程度，確保衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(jié)合使用，如 R&SSMW200A 矢量信號發(fā)生器及R&SFSW矢量信號分析儀(配備R&SFSW-K18選件)。R&SFSW-K18可控制R&SSMW200A，使參考信號與被測設(shè)備(DUT)發(fā)射信號同步，以獲得準確測量結(jié)果。這種測量方法可使用連續(xù)波功率掃描或數(shù)字調(diào)制信號作為參考信號來測試設(shè)備，能分析高帶寬的放大信號，還可通過直接數(shù)字預(yù)失真補償記憶效應(yīng)，借助參數(shù)掃描提供三維圖表，用于快速查找 DUT 的最佳工作點。

增益轉(zhuǎn)移測試

在測試傳輸特性時也可使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，支持變頻和非變頻元件及組件在連續(xù)波或脈沖調(diào)制下的測試，支持有源器件的非線性測試。變頻增益或插入損耗的測試方法連接簡單，設(shè)置靈活，多個內(nèi)置源配置條件下，支持一級、二級變頻模式。當(dāng)DUT的本振信號無法接入時，測量時會存在一定的頻偏，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，可以自動糾正信號頻偏保證測量結(jié)果的準確性。

傳輸特性測試

02衛(wèi)星的群時延測試

衛(wèi)星的群時延測試是用于衡量衛(wèi)星通信系統(tǒng)中信號傳輸相位失真的一種重要測試。群時延是信號的每個頻率分量的時延相對于頻率的對應(yīng)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延關(guān)系即相對相位關(guān)系，否則會導(dǎo)致寬帶信號的相位失真。

羅德與施瓦茨公司的 R&SSMW200A 信號發(fā)生器和 R&SFSW 頻譜分析儀可用于測量衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、變頻器和其他組件的絕對和相對群時延。使用SMW200A發(fā)射多載波連續(xù)波信號作為激勵信號，可設(shè)置多載波信號的數(shù)量，信號之間的頻率間隔，以滿足被測設(shè)備的要求。使用FSW - K17 選件群時延測試選件可進行測量，在FSW 上設(shè)置測量參數(shù)，包括測量帶寬、頻率范圍、分辨率帶寬等。根據(jù)測試需求，選擇合適的測量模式，如絕對群時延測量或相對群時延測量。

使用矢量信號源SMW200A和信號分析儀FSW進行多載波群時延測量

03衛(wèi)星的噪聲功率比(NPR)測試

衛(wèi)星的噪聲功率比(Noise Power Ratio，NPR)測試是一種用于評估衛(wèi)星通信系統(tǒng)中載荷非線性特性的重要測試方法，主要用于反映衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中放大器件在大帶寬多通道條件下的幅度線性情況。在實際通信系統(tǒng)中，放大器件的非線性會導(dǎo)致互調(diào)失真，影響收發(fā)鏈路性能。當(dāng)信號為寬帶調(diào)制信號時，會產(chǎn)生豐富的互調(diào)產(chǎn)物，帶內(nèi)互調(diào)產(chǎn)物會干擾信號本身，惡化信噪比。通過 NPR 測試，可以表征這種非線性形成的帶內(nèi)干擾，真實反映功率放大器在實際使用場景下的非線性特性。

測試方法：采用帶陷波的寬帶調(diào)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(diào)制信號后，由于被測器件的非線性特性，會在被測器件的輸出端產(chǎn)生互調(diào)失真，進而落入陷波內(nèi)。通過測試通帶內(nèi)總功率譜密度與陷波中所有互調(diào)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(xù)波 (MCCW) 信號，用于模擬寬帶信號。減少一組CW單音信號，生成帶陷陡邊且開關(guān)比最大值達 50 dB 的帶陷信號。用戶可以使用控制菜單調(diào)節(jié)信號陷入的位置和寬度。配置SMW-K811 選件生成帶陷陡邊且開關(guān)比最大值達 50 dB 的帶陷寬帶信號，信號類型包括ARB, DVB, LTE, OFDM, AWGN等。使用配備R&SFSW-19選件的R&SFSW 信號與頻譜分析儀可以輕松的測量經(jīng)過 DUT后信號陷波位置的陷入深度。

噪聲功率比NPR測試

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

04噪聲系數(shù)測試

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

1基于頻譜儀噪聲系數(shù)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(shù)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行噪聲系數(shù)測試。該測試方法基于Y因子理論基礎(chǔ)，操作簡單，經(jīng)過校準后可以達到較高的測量精度，可同時測量噪聲系數(shù)和增益等指標。

2基于網(wǎng)絡(luò)分析儀的噪聲系數(shù)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(shù)測量選件K30而無需外置噪聲源配合即可完成變頻、非變頻器件的噪聲系數(shù)測試。支持一次連接完成增益、噪聲系數(shù)、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。

05雜散測試

衛(wèi)星系統(tǒng)的雜散測試是防止衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括衛(wèi)星天線、衛(wèi)星TR組件、太陽能電池板、控制系統(tǒng)等各種電子設(shè)備等部件向外輻射的雜散電磁波對其他衛(wèi)星、地面通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)等造成干擾，確保衛(wèi)星自身的通信、導(dǎo)航、控制等系統(tǒng)不受內(nèi)部雜散信號的影響，保證衛(wèi)星系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。例如，衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的雜散信號如果落入其他衛(wèi)星的接收頻段，可能會導(dǎo)致其他衛(wèi)星接收信號錯誤或丟失。如雜散信號可能會竄入衛(wèi)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(wèi)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(shù)。這就意味著要在寬頻率范圍內(nèi)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行測量，但這樣一來，測量時間要長得多。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(shù)小時甚至數(shù)天。羅德與施瓦茨公司提供一種新型雜散檢測算法，可自動執(zhí)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&SFSW具有專門的寬帶雜散測量選件K50，可通過三步法檢測并確定雜散。首先通過快速掃描測定最佳RBW;然后進行二次掃描檢測可能的雜散，每個已知雜散頻率的最終高速搜索可確定峰值是實際雜散、噪聲還是分析儀內(nèi)部雜散;最后一步，進一步降低RBW以滿足信噪比要求。

06互調(diào)測試

衛(wèi)星TR組件的互調(diào)測試通常采取通過向被測設(shè)備輸入兩個不同頻率的正弦波信號，這兩個信號經(jīng)過設(shè)備內(nèi)的非線性元件后會產(chǎn)生互調(diào)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來測試互調(diào)是很常用的一種測試方法。將雙端口信號源的兩個輸出端口分別通過合適的射頻電纜連接到被測設(shè)備的輸入端口。在信號源中設(shè)置兩個不同的頻率，這兩個頻率應(yīng)根據(jù)被測設(shè)備的工作頻段和測試要求進行選擇。被測設(shè)備內(nèi)部的非線性元件會對這兩個信號進行混頻，產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物。使用頻譜分析儀在被測設(shè)備的輸出端測量互調(diào)產(chǎn)物的頻率和功率。頻譜分析儀應(yīng)設(shè)置為合適的頻率范圍和分辨率帶寬，以準確測量互調(diào)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(diào)測試功能，也可以輕松測試三階、五階、七階等互調(diào)指標，使用內(nèi)置合路器，一個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，并提供專門的測試向?qū)В瑴y試更加方便。同時功率校準保證了互調(diào)點的測試精度。而且高端矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZNA獨特的內(nèi)部四源配置，還能夠支持變頻條件下的互調(diào)測試。

07相位噪聲測試

衛(wèi)星系統(tǒng)的相位噪聲是衡量衛(wèi)星信號純度的重要指標。低相位噪聲意味著信號的相位穩(wěn)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。相位噪聲會導(dǎo)致信號的相位抖動，進而影響解調(diào)的準確性，增加誤碼率。因此，在衛(wèi)星通信處理信號過程中，相位噪聲是及其重要的參數(shù)。轉(zhuǎn)發(fā)式或者數(shù)字中繼式衛(wèi)星對信號進行頻譜搬移，都會將本地振蕩器信號相位噪聲疊加到數(shù)字調(diào)制中，惡化數(shù)字信號的調(diào)制質(zhì)量進而影響系統(tǒng)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(nèi)部信號源和數(shù)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(shù)字解調(diào)的測量方式提供極優(yōu)的測量速度。FSWP通過配置相關(guān)選件，單表可完成連續(xù)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。

08衛(wèi)星信號產(chǎn)生與分析

衛(wèi)星信號的格式豐富多樣。常見的有基于單載波調(diào)制的格式，其在信號傳輸過程中僅依靠單個載波來承載信息，具有結(jié)構(gòu)相對簡單、功率利用效率較高等優(yōu)勢，在早期衛(wèi)星通信以及部分對信號處理復(fù)雜度要求較低的場景中應(yīng)用廣泛。同時，DVB(數(shù)字視頻廣播)格式也是衛(wèi)星信號常見格式之一，它專門為數(shù)字視頻廣播業(yè)務(wù)設(shè)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(tǒng)配置能力，在全球范圍內(nèi)的衛(wèi)星電視廣播等業(yè)務(wù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。另外，基于正交頻分復(fù)用(OFDM)的衛(wèi)星信號格式近年來愈發(fā)受到青睞，它將高速數(shù)據(jù)流分割成多個低速子數(shù)據(jù)流，并分別調(diào)制到多個相互正交的子載波上進行傳輸，能有效抵抗多徑衰落和頻率選擇性衰落，顯著提升頻譜利用率，在衛(wèi)星寬帶通信等需要高數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)念I(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。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來進行。

1單載波衛(wèi)星數(shù)字調(diào)制信號

SMW Custom Digital Modulation功能能夠生成各種自定義的數(shù)字調(diào)制信號，允許用戶根據(jù)特定需求設(shè)計和實現(xiàn)自己的調(diào)制格式。這種靈活性使得SMW能夠支持多種自定義數(shù)字調(diào)制，用戶可以通過圖形界面或編程接口定義調(diào)制參數(shù)，包括調(diào)制類型、符號率、濾波器類型等，從而滿足不同應(yīng)用場景的需求。FSW K70選件是對常見的自定義數(shù)字調(diào)制信號進行分析，可以進行信號符號速率、調(diào)制方式、均衡等各項參數(shù)的設(shè)置，可輕松讀解調(diào)信號，實現(xiàn)EVM、BER、相位誤差、幅度誤差、載波頻偏等測量，實現(xiàn)星座圖的顯示。

2DVB衛(wèi)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(shù)字視頻廣播衛(wèi)星調(diào)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(diào)制方案。可以使FSW-K70 數(shù)字調(diào)制分析選件和K70M多調(diào)制標準分析擴展功能分析同一幀信號中不同調(diào)制方式信號。根據(jù)此配置，R&SFSW 會根據(jù)同樣的 I/Q 數(shù)據(jù)解調(diào) DVB-S2X 信號幀頭和有效載荷數(shù)據(jù)，并在不同的窗口中分別顯示性能參數(shù)和星座圖等。

FSW-K70M進行DVB-S2X 信號的解調(diào)分析

3OFDM衛(wèi)星信號的解調(diào)

OFDM調(diào)制信號體制常見于近年來低軌衛(wèi)星信號，是一種區(qū)別于單載波調(diào)制技術(shù)的特殊的多載波調(diào)制技術(shù)。羅德與施瓦茨公司針對自定義的OFDM信號調(diào)制與分析，推出了SMW-K114、FSW-K96 OFDM信號調(diào)制分析選件。為了最大限度的支持自定義ODFM信號結(jié)構(gòu)，K96選件提供一組Matlab編程環(huán)境下的功能函數(shù)，根據(jù)提供的定義和格式要求，用戶需要按照自定義的OFDM信號產(chǎn)生一個OFDM信號結(jié)構(gòu)描述文件，通過導(dǎo)入此文件，完成對應(yīng)OFDM信號的解調(diào)分析。而產(chǎn)生的OFDM信號結(jié)構(gòu)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(yīng)的OFDM調(diào)制射頻信號。

利用FSW K96進行自定義OFDM信號分析

總結(jié)與展望

衛(wèi)星通信和相應(yīng)的測試技術(shù)在過去幾十年中經(jīng)歷了顯著的發(fā)展。最初的5G NR最初被設(shè)計為基于地面的公共陸地移動網(wǎng)絡(luò)。3GPP Rel-17在5G中引入NTN，從而實現(xiàn)了移動通信技術(shù)從地面到太空的飛躍。基于衛(wèi)星的通信。從長遠來看，在通往未來的6G演進之路上，我們也許將涵蓋從室內(nèi)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(tǒng)模型。

綜上所述，我們正在經(jīng)歷衛(wèi)星通信由高軌到低軌的蓬勃式發(fā)展時代，挑戰(zhàn)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(zhàn)。

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測試測量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個更加安全、互聯(lián)的世界。 成立90 年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團，通過發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨立、長期、可持續(xù)地開展業(yè)務(wù)。