通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)測(cè)量的修正方法

楊博 楊冬雪 謝華 馬強(qiáng) 劉煥生 高鵬

(1 中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094) (2 中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710100)

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通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)測(cè)量的修正方法

楊博1楊冬雪1謝華1馬強(qiáng)1劉煥生1高鵬2

(1 中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094) (2 中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710100)

針對(duì)現(xiàn)有Y因子法無(wú)法精確測(cè)量鏡像抑制非理想通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)的問題，提出一種測(cè)量的修正方法。通過對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器鏡像抑制度的測(cè)量，修正Y因子法的測(cè)量結(jié)果，得出更為精確可信的噪聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果，從而為星地通信鏈路設(shè)計(jì)及衛(wèi)星通信性能的評(píng)估提供更加可靠的參考依據(jù)。理論推導(dǎo)、仿真分析及實(shí)測(cè)結(jié)果均表明：修正方法在一定程度上規(guī)避了Y因子法的測(cè)量局限性，能大幅提升轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)測(cè)量的正確性和精確度；而且，被測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)器的鏡像抑制度越差，修正方法改善效果越明顯，這為整星噪聲系數(shù)的精確測(cè)量提供了一種新的解決思路。

通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器；噪聲系數(shù)；鏡像抑制；Y因子法；修正方法

1 引言

轉(zhuǎn)發(fā)器是通信衛(wèi)星的重要分系統(tǒng)之一，也是衛(wèi)星通信鏈路中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)發(fā)器的主要功能是將天線接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行變頻、濾波、放大等處理，再經(jīng)由發(fā)射天線轉(zhuǎn)發(fā)至地面接收站或者中繼衛(wèi)星。噪聲系數(shù)是通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，其影響著衛(wèi)星接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)(G/T)，決定了有效載荷處理和轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)信息的能力。在工程應(yīng)用中，地面發(fā)射系統(tǒng)的等效全向輻射功率(EIRP)設(shè)計(jì)、地面接收系統(tǒng)的靈敏度設(shè)計(jì)、衛(wèi)星在軌工作時(shí)的增益控制選擇，以及實(shí)際業(yè)務(wù)信息的調(diào)制方式選取，都與轉(zhuǎn)發(fā)器的噪聲系數(shù)密切相關(guān)。因此，在衛(wèi)星研制過程中對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)的精確測(cè)量，對(duì)后續(xù)的星地系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與評(píng)估都至關(guān)重要，具有重要意義[1]。

目前，綜合考慮測(cè)量成本、方法成熟度及實(shí)施便捷性，國(guó)內(nèi)外通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的噪聲系數(shù)測(cè)量大多采用Y因子法完成。文獻(xiàn)[2]中詳細(xì)介紹了Y因子法的理論及測(cè)量原理，從建立的模型可以看出，Y因子法理論上僅能精確測(cè)量理想單邊帶變頻系統(tǒng)。而實(shí)際中，轉(zhuǎn)發(fā)器的鏡像抑制能力無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)，甚至可能較差，此時(shí)Y因子法在工程中具有一定局限性，測(cè)量結(jié)果存在不同程度的失真[3]。為了突破這種局限性，且進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)測(cè)量的可信度和精確度，本文基于現(xiàn)有的Y因子法，提出一種對(duì)測(cè)量結(jié)果的修正方法，通過測(cè)量轉(zhuǎn)發(fā)器鏡像抑制度，修正Y因子法的測(cè)量結(jié)果，使得最終的測(cè)量結(jié)果更加真實(shí)準(zhǔn)確，可為轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)的精確工程測(cè)量提供新的解決思路，也為星地大系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)與性能評(píng)估提供參考。

2 噪聲系數(shù)基本概念

2.1 噪聲系數(shù)定義

線性二端口網(wǎng)絡(luò)在輸入端阻抗匹配時(shí)，輸入與輸出信噪比的比值定義為噪聲因子，即

(1)

式中：Si為輸入信號(hào)功率；Ni為輸入噪聲功率；So為輸出信號(hào)功率；No為輸出噪聲功率；G為系統(tǒng)增益；波爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K；T0為室溫290K；Bs為系統(tǒng)帶寬；網(wǎng)絡(luò)自身附加噪聲Na=GkTeBs，其中，Te為網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度。

式(1)可進(jìn)一步表示為

F=1+Te/T0

(2)

噪聲系數(shù)定義為噪聲因子F的對(duì)數(shù)表達(dá)形式[4]，即NF=10lgF?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)發(fā)器的噪聲系數(shù)表征了信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)之后信噪比的惡化程度。

2.2 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的噪聲系數(shù)

通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器主要由寬帶接收、輸入多工分路、通道控制、功率放大、多路輸出合成等部件組成，基本原理如圖1所示。

圖1 通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器原理框圖Fig.1 Schematic diagram of communications satellite transponder

由圖1可以看出，在寬帶接收機(jī)中，鏡像抑制濾波器置于混頻器之前，因此轉(zhuǎn)發(fā)器在理論上屬于標(biāo)準(zhǔn)變頻單邊帶工作系統(tǒng)。但在實(shí)際工程中，由于微帶鏡像抑制濾波器調(diào)試?yán)щy，且設(shè)計(jì)人員往往更關(guān)注其工作頻帶內(nèi)的插損、群時(shí)延和增益平坦度等，因此濾波器的鏡像抑制能力很難做到非常理想。這就將造成系統(tǒng)級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)器的下行輸出噪聲中既包含來(lái)自射頻工作頻段的噪聲，也包含來(lái)自鏡像頻段的噪聲，總的輸出噪聲功率會(huì)加大，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)值產(chǎn)生影響。此時(shí)，單路轉(zhuǎn)發(fā)器的實(shí)際噪聲因子表達(dá)式應(yīng)該考慮鏡像抑制能力不理想帶來(lái)的影響，其噪聲因子表達(dá)式修正為

(3)

式中：Gr為射頻鏈路增益；Nor為轉(zhuǎn)發(fā)器射頻頻段引入的輸出噪聲功率；Nom為鏡像頻段引入的輸出噪聲功率；Ti為轉(zhuǎn)發(fā)器輸入等效溫度，假定Ti=T0=290 K；Ter為射頻鏈路的等效噪聲溫度；B為該路轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬；Gm為鏡像鏈路增益；Tem為鏡像鏈路的等效噪聲溫度。

實(shí)際噪聲系數(shù)可表示為

NFactual=10lgFactual=

(4)

3 轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)測(cè)量

3.1Y因子法的測(cè)量局限性

目前，通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器大多利用Y因子法完成噪聲系數(shù)的測(cè)量，其測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 Y因子法原理框圖Fig.2 Schematic diagram of Y factor method

定義Y因子為噪聲源在加電、斷電兩種狀態(tài)下轉(zhuǎn)發(fā)器的輸出噪聲功率之比，即Y=Nh/Nc。通常噪聲源都給出某頻段的超噪比，定義為ENR=(Th-Tc)/Tc，其中，Th為噪聲源加電時(shí)的等效噪聲溫度,Tc為噪聲源斷電時(shí)的等效噪聲溫度，假設(shè)測(cè)量時(shí)處于室溫，即Tc=T0=290 K。Y因子法利用頻譜儀測(cè)出Y因子，并結(jié)合噪聲源固有超噪比，計(jì)算得出被測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)器的噪聲因子與噪聲系數(shù)[5]。

(5)

NF=10lgENR-10lg(Y-1)

(6)

針對(duì)實(shí)際工程中鏡像抑制非理想的轉(zhuǎn)發(fā)器，當(dāng)用Y因子法測(cè)量時(shí)，由式(6)可知，測(cè)量結(jié)果取決于測(cè)得的Y因子和噪聲源固有超噪比(噪聲源產(chǎn)品給出某頻段的ENR值)，其中測(cè)得的Y因子為

(7)

式中：Nhr與Nhm分別為噪聲源加電狀態(tài)下轉(zhuǎn)發(fā)器的射頻輸出噪聲功率和鏡像輸出噪聲功率；Ncr與Ncm分別為噪聲源斷電狀態(tài)下轉(zhuǎn)發(fā)器的射頻輸出噪聲功率和鏡像輸出噪聲功率[6]。

將式(7)代入式(5)可得Y因子法測(cè)量噪聲因子的結(jié)果為

(8)

通常在室溫下測(cè)量時(shí)，有Tc=Ti=T0=290 K。 對(duì)比式(8)和式(3)可以看出，Y因子法的測(cè)量結(jié)果與轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)際的噪聲因子并非完全相同，且有

(9)

其噪聲系數(shù)則為

(10)

定義某路轉(zhuǎn)發(fā)器的鏡像抑制度α(dB)為其鏡像鏈路增益與射頻鏈路增益之差，即α=10lgGm-10lgGr，則式(10)可表示為

NFactual=NFY+10lg(1+100.1α)

(11)

從式(11)可以看出，轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)際噪聲系數(shù)與Y因子法測(cè)量結(jié)果之間存在偏差，且此偏差與轉(zhuǎn)發(fā)器鏡像抑制度滿足一定數(shù)學(xué)關(guān)系，鏡像抑制度越差(即α絕對(duì)值越小)，偏差越大，Y因子法測(cè)量結(jié)果失真越嚴(yán)重[7]。

3.2 轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)測(cè)量修正方法與實(shí)現(xiàn)方案

基于第3.1節(jié)中的分析，本節(jié)對(duì)Y因子法進(jìn)行修正，通過精確測(cè)量轉(zhuǎn)發(fā)器的鏡像抑制度，對(duì)Y因子法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，最終得到更為精確有效的轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)。本文測(cè)量修正方法的實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示，具體測(cè)量步驟為：①利用信號(hào)源與頻譜儀精確測(cè)量轉(zhuǎn)發(fā)器的射頻鏈路增益與鏡像鏈路增益，算得轉(zhuǎn)發(fā)器鏡像抑制度，為后續(xù)測(cè)量結(jié)果修正提供參考數(shù)據(jù)；②將噪聲源通過圖3中電纜2直連頻譜儀的射頻輸入口，進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)自校準(zhǔn)，得出測(cè)量鏈路及頻譜儀自身的噪聲系數(shù)；③將噪聲源直連轉(zhuǎn)發(fā)器輸入口，同時(shí)將輸出口通過電纜2與頻譜儀射頻輸入口相連，利用Y因子法進(jìn)行級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)測(cè)量，并結(jié)合步驟②中校準(zhǔn)結(jié)果，通過頻譜儀內(nèi)置算法得出轉(zhuǎn)發(fā)器自身的Y因子法測(cè)量結(jié)果；④利用步驟①中得出的鏡像抑制度計(jì)算補(bǔ)償因子，并對(duì)步驟③中得出的Y因子法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，計(jì)算得出該路轉(zhuǎn)發(fā)器修正后的更為精確有效的噪聲系數(shù)(NFimproved)。

圖3 轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)測(cè)量修正方法實(shí)現(xiàn)框圖Fig.3 Implementation diagram of transponder noise figure correction test method

4 仿真分析及工程驗(yàn)證

4.1 仿真分析

根據(jù)圖1所示轉(zhuǎn)發(fā)器基本結(jié)構(gòu)，搭建仿真模型，對(duì)不同鏡像抑制度下轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)的Y因子法測(cè)量、修正方法測(cè)量及理論值分別進(jìn)行仿真分析。仿真條件如表1所示，仿真結(jié)果如圖4所示。

表1 噪聲系數(shù)仿真條件

圖4 噪聲系數(shù)仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of noise figure

從仿真結(jié)果可以看出，針對(duì)鏡像抑制非理想轉(zhuǎn)發(fā)器的噪聲系數(shù)，Y因子法測(cè)量結(jié)果存在不同程度的失真，鏡像抑制能力越差，Y因子法測(cè)量結(jié)果失真越嚴(yán)重，當(dāng)鏡像抑制度僅為-3.0 dB時(shí)，Y因子法測(cè)量結(jié)果失真達(dá)到1.5 dB。修正方法的仿真結(jié)果與噪聲系數(shù)理論值基本相同，誤差在0.1 dB以內(nèi)。因此，修正方法對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)的測(cè)量精度改善明顯[8]。

4.2 工程驗(yàn)證

本節(jié)對(duì)一路C頻段模擬轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行工程實(shí)測(cè)，以驗(yàn)證前文理論及仿真分析結(jié)果。通過對(duì)鏡像抑制濾波器的調(diào)試，改變轉(zhuǎn)發(fā)器鏡像抑制度，并先后利用Y因子法和本文修正方法對(duì)其噪聲系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并與理論值進(jìn)行對(duì)比。

由于鏡像抑制濾波器包含多項(xiàng)性能參數(shù)，調(diào)試難度較大，因此本節(jié)只對(duì)3種鏡像抑制度下的噪聲系數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 不同方法下噪聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

由表2可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器鏡像抑制度較好時(shí)(優(yōu)于-15.0 dB)，Y因子法與修正方法的偏差不大，且均較為接近理論值；當(dāng)鏡像抑制度較差時(shí)(大于-6.0 dB)，Y因子法失真較為嚴(yán)重(超過1.0 dB)，且鏡像抑制度越差，Y因子法測(cè)量結(jié)果失真越嚴(yán)重。修正方法對(duì)Y因子法測(cè)量結(jié)果的失真進(jìn)行了有效補(bǔ)償，使其更為接近理論值。工程驗(yàn)證結(jié)果與前文理論與仿真分析結(jié)果一致。

綜上所述，針對(duì)鏡像抑制非理想的轉(zhuǎn)發(fā)器，Y因子法測(cè)量具有局限性，通過對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正后，可以得到更為精確的轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)，能更好地反映出衛(wèi)星所需的飽和功率通量密度(SFD)性能及輸出的下行載噪比，也為衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì)提供更為可靠的參考依據(jù)，對(duì)于星地大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制以及后續(xù)在軌工作時(shí)的業(yè)務(wù)質(zhì)量評(píng)估，具有重要意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的噪聲系數(shù)性能通常利用Y因子法測(cè)量，但當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器鏡像抑制不理想時(shí)，Y因子法測(cè)量結(jié)果會(huì)存在不同程度的失真。針對(duì)這一問題，本文提出了對(duì)Y因子法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正的方法。該修正方法通過精確測(cè)量轉(zhuǎn)發(fā)器的鏡像抑制度，對(duì)Y因子法測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正補(bǔ)償，得出精確度和可信度更高的轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)。仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果均表明，轉(zhuǎn)發(fā)器鏡像抑制越差，Y因子法測(cè)量結(jié)果失真越嚴(yán)重，修正方法修正效果越明顯，測(cè)量結(jié)果越精確。本文提出的修正方法，對(duì)衛(wèi)星有效載荷的整體設(shè)計(jì)、地面應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、星地通信鏈路的設(shè)計(jì)，以及在軌實(shí)際業(yè)務(wù)的設(shè)計(jì)都具有參考價(jià)值，同時(shí)也可為其他非航天射頻系統(tǒng)噪聲性能評(píng)估及噪聲系數(shù)測(cè)量方案設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

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(編輯：夏光)

Correction Method for Noise Figure Measurement of Communications Satellite Transponder

YANG Bo1YANG Dongxue1XIE Hua1MA Qiang1LIU Huansheng1GAO Peng2

(1 Institute of Telecommunication Satellite, China Academy of Space Technology, Beijing 100094， China) (2 China Academy of Space Technology (Xi’an), Xi’an 710100， China)

In order to solve the problem that the existingYfactor method can’t accurately mea-sure the noise figure of a transponder with unsatisfactory image rejection performance, a correction method is proposed. Based on the measurement of image rejection of the transponder, the measurement result of theYfactor is corrected, therefore the measurement result is more accurate and credible. This measurement result can provide a more reliable reference and basis for the design of the communications link between satellite and the earth as well as the estimate of the satellite communications performance. The theoretical, simulation and experimental results indicate that the correction method avoids the limitation of theYfactor method, and improves the accuracy of the noise figure measurement result. The worse the image rejection is, the more obvious the improvement is. This paper provides a new solution of the accurate measurement of satellite noise figure.

communications satellite transponder； noise figure； image rejection；Yfactor method； correction method

2017-03-21；

2017-05-22

國(guó)家重大航天工程

楊博，男，碩士，工程師，從事航天器有效載荷綜合測(cè)試工作。Email：yb4326010@sina.com。

V416

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.018