衛(wèi)星寬帶中頻調(diào)制解調(diào)器測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

呂國(guó)成，周 益，金 野

(1.北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100871; 2.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094)

衛(wèi)星寬帶中頻調(diào)制解調(diào)器測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

呂國(guó)成1，周 益2，金 野1

(1.北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100871; 2.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094)

為實(shí)現(xiàn)寬帶衛(wèi)星中頻調(diào)制解調(diào)器性能的快速驗(yàn)證及性能提升，基于EVM(Error Vector Magnitude)誤差矢量分析，結(jié)合安捷倫的大型精密儀器(如E4438C信號(hào)源、E4440A PSA 頻譜分析儀、16803A數(shù)字邏輯分析儀等)，設(shè)計(jì)了基于EVM檢測(cè)的衛(wèi)星寬帶中頻調(diào)制解調(diào)器測(cè)試平臺(tái)。通過(guò)該平臺(tái)，能直觀、實(shí)時(shí)分析調(diào)制、解調(diào)器的EVM值。通過(guò)EVM分析，給出中頻調(diào)制、解調(diào)器的優(yōu)化方向，為寬帶調(diào)制、解調(diào)器的研究提供了有力的支撐，促進(jìn)了寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的科研及教學(xué)發(fā)展，提高了大型儀器的使用效率。

衛(wèi)星通信； 中頻調(diào)制解調(diào)器； 誤差矢量； 大型儀器

0 引 言

大型精密測(cè)試儀器設(shè)備是實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)，特別是在通信領(lǐng)域，大型儀器的使用為信號(hào)的產(chǎn)生、標(biāo)定、測(cè)量提供了可靠有效手段，為科研、教學(xué)活動(dòng)的順利開(kāi)展提供了強(qiáng)有力的支撐。北京大學(xué)電子工程實(shí)驗(yàn)室在“211”經(jīng)費(fèi)的支持下，購(gòu)買了Agilent(安捷倫)公司生產(chǎn)的E4438C信號(hào)源、E4440A PSA 頻譜分析儀、16803A數(shù)字邏輯分析儀等大型儀器。這些儀器被廣泛應(yīng)用于地面無(wú)線信號(hào)的產(chǎn)生及測(cè)量。但是在衛(wèi)星信號(hào)處理領(lǐng)域?qū)Υ笮驮O(shè)備儀器的使用提出新的需求，提高大型儀器設(shè)備在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的使用效率，使得大型設(shè)備儀器發(fā)揮更大的效益成了亟待解決的問(wèn)題[1-5]。

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信在軍事通信、應(yīng)急通信、數(shù)字電視廣播等重要領(lǐng)域得到越來(lái)越深入的應(yīng)用，衛(wèi)星通信朝著高速、寬帶、移動(dòng)衛(wèi)星通信方向發(fā)展[6-9]。衛(wèi)星通信從傳統(tǒng)的L/C頻段延伸至Ku、Ka頻段，占用越來(lái)越寬的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬(36、54、72 MHz等)，使用更高階調(diào)制方式(8PSK、16APSK、32APSK等)進(jìn)一步提高頻譜使用效率及傳輸速率[10-12]。寬帶信號(hào)、高階調(diào)制方式的應(yīng)用對(duì)衛(wèi)星中頻調(diào)制、解調(diào)器性能提出了更高要求，研究寬帶、高性能中頻調(diào)制解調(diào)器成為衛(wèi)星通信核心。因此，對(duì)衛(wèi)星中頻調(diào)制、解調(diào)器性能的快速測(cè)試驗(yàn)證成為另外一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)基于誤碼分析，測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，能夠比較準(zhǔn)確地分析調(diào)制解調(diào)器性能，但是不能指導(dǎo)調(diào)制解調(diào)器改進(jìn)。

本文基于Agilent大型儀器，建立了一套以EVM為測(cè)試指標(biāo)的實(shí)時(shí)寬帶中頻調(diào)制解調(diào)器測(cè)試平臺(tái)。通過(guò)測(cè)試調(diào)制解調(diào)器EVM值，快速、直觀地分析中頻調(diào)制解調(diào)的性能，同時(shí)為調(diào)制解調(diào)器的性能的優(yōu)化提供了方向。該測(cè)試平臺(tái)的應(yīng)用，有效地提高了對(duì)中頻調(diào)制解調(diào)器性能研究，顯著加快衛(wèi)星通信科研進(jìn)度，提高了大型儀器的使用效率。

1 測(cè)試平臺(tái)的方案設(shè)計(jì)及組成

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，中頻調(diào)制、解調(diào)器完成基帶信號(hào)至中頻信號(hào)(L/C)的變換，中頻調(diào)制解調(diào)器是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中重要的信道設(shè)備，其性能很大程度上決定了整個(gè)衛(wèi)星鏈路的傳輸性能[10]。特別在高速寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，高階調(diào)制方式要求更高的信噪比[11-12]，對(duì)調(diào)制解調(diào)器的性能提出了更高的要求。研究和實(shí)現(xiàn)寬帶高性能中頻調(diào)制解調(diào)器是實(shí)現(xiàn)寬帶衛(wèi)星通信的關(guān)鍵，而對(duì)調(diào)制解調(diào)器性能的快速測(cè)試及驗(yàn)證是這一研究的基礎(chǔ)。因此，搭建對(duì)中頻模塊的性能快速驗(yàn)證及測(cè)試平臺(tái)顯得尤為重要。

在衛(wèi)星系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的對(duì)中頻調(diào)制解調(diào)器性能的測(cè)試主要是對(duì)誤碼率的測(cè)試，需要標(biāo)準(zhǔn)的信源發(fā)送已知的序列，通過(guò)中頻調(diào)制解調(diào)設(shè)備后，接收端完成數(shù)據(jù)恢復(fù)，根據(jù)已知序列統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤比特，完成誤碼率測(cè)試。如圖1、2所示。

圖1 中頻調(diào)制器性能測(cè)試

誤碼率的測(cè)試是對(duì)中頻調(diào)制解調(diào)器性能指標(biāo)的定量測(cè)試，能夠準(zhǔn)確定量反映調(diào)制解調(diào)性能，但是一般的誤碼率測(cè)試時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，不能直觀反映調(diào)制解調(diào)器的相關(guān)參數(shù)的影響?；贏gilent的測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)，通過(guò)觀測(cè)EVM值，快速、直觀地分析調(diào)制解調(diào)器性能，并通過(guò)調(diào)整調(diào)制解調(diào)器相關(guān)參數(shù)，改善EVM值，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)制解調(diào)器性能。

圖2 中頻解調(diào)器性能測(cè)試

1.1測(cè)試原理

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)，為提高轉(zhuǎn)發(fā)器功放的使用效率，常用PSK調(diào)制方式(QPSK、8PSK、16APSK、32APSK等)，將待調(diào)制的信息比特映射成相應(yīng)的星座符號(hào)。經(jīng)過(guò)信道惡化后，接收到信號(hào)會(huì)偏移原來(lái)的發(fā)送信號(hào)，偏移量可以用誤差向量(Error Vector)表示[13-15]，如圖3所示。

圖3 信號(hào)受干擾示意圖

誤差向量(包括幅度和相位的矢量)是在一個(gè)給定時(shí)刻理想無(wú)誤差基準(zhǔn)信號(hào)與實(shí)際發(fā)射信號(hào)的向量差，能全面衡量調(diào)制信號(hào)的幅度誤差和相位誤差，也即能夠全面反映信道傳輸質(zhì)量。通常EVM定義如下：

EVM=10lg(Perr/Pref)

其中：Perr，Pref分別為誤差向量及參考向量的能量。

1.2測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

測(cè)試平臺(tái)主要由Agilent測(cè)試儀器設(shè)備及自研高速采樣板組成。中頻調(diào)制解調(diào)模塊的調(diào)制、解調(diào)性能均通過(guò)EVM值來(lái)表征。調(diào)制器、解調(diào)器的性能分開(kāi)測(cè)量。

(1) 調(diào)制性能測(cè)試平臺(tái)如圖4所示。

圖4 調(diào)制器性能測(cè)試平臺(tái)

調(diào)制器性能測(cè)試平臺(tái)主要包括：

① 數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)源由Agilent E4438C生成，通過(guò)設(shè)置相關(guān)參數(shù)(調(diào)制方式、符號(hào)速率、濾波器等)發(fā)送基帶I/Q信號(hào)，送到調(diào)制器進(jìn)行正交調(diào)制。

② 調(diào)制器。調(diào)制器屬于待測(cè)設(shè)備，將基帶I/Q輸入信號(hào)進(jìn)行正交調(diào)制至L/C中頻。

③ 頻譜分析。頻譜分析由Agilent E4440A完成，調(diào)制器調(diào)制后的中頻信號(hào)，送入到頻譜儀，進(jìn)行頻譜分析，測(cè)量其頻帶內(nèi)平坦度、相位噪聲等指標(biāo)。

④ EVM分析。Agilent 數(shù)字邏輯分析儀16803A通過(guò)網(wǎng)線與E4440A相連，啟動(dòng)VSA分析軟件，將數(shù)據(jù)輸入連接至E4440A，設(shè)置VSA解調(diào)的相關(guān)參數(shù)(調(diào)制方式、濾波器等)，進(jìn)行EVM分析。通過(guò)EVM值，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，使EVM值最小，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)制器的性能。

(2) 解調(diào)性能測(cè)試平臺(tái)如圖5所示。

圖5 解調(diào)器性能測(cè)試平臺(tái)

調(diào)制器性能測(cè)試平臺(tái)主要包括：

① 數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)源由Agilent E4438C生成，通過(guò)設(shè)置相關(guān)參數(shù)(調(diào)制方式、符號(hào)速率、濾波器等)發(fā)送L/C中頻信號(hào)，送到解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)。

② 解調(diào)器。解調(diào)器將輸入的L/C中頻信號(hào)正交解調(diào)至基帶。

③ EVM分析。經(jīng)過(guò)解調(diào)器的基帶信號(hào)，經(jīng)過(guò)自行研制的數(shù)字版，經(jīng)過(guò)高速AD采樣后送到Agilent 16803A數(shù)字邏輯分析儀，設(shè)置16903A上VSA解調(diào)的相關(guān)參數(shù)(調(diào)制方式、濾波器等)，進(jìn)行EVM分析。根據(jù)EVM測(cè)試結(jié)果，不斷優(yōu)化解調(diào)器參數(shù)，進(jìn)行反復(fù)迭代測(cè)試，使EVM值最小，解調(diào)器性能最好。

2 測(cè)試平臺(tái)應(yīng)用分析

2.1調(diào)制器性能測(cè)試

按照?qǐng)D4調(diào)制器性能測(cè)試平臺(tái) 連接方式連接，在Agilent 數(shù)字邏輯分析儀中打開(kāi)VSA軟件，進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，如圖6、7所示。設(shè)置相關(guān)參數(shù)后，測(cè)試調(diào)制器EVM，如圖8所示。圖中，信號(hào)帶寬36 MHz，滾降因子0.35，調(diào)制方式8PSK，測(cè)到的EVM=2.183 5%(EVM=-33 dB)。設(shè)調(diào)制方式8PSK的EsN0門限為12 dB，調(diào)制器帶來(lái)的損失為0.04 dB。因此，調(diào)制器能夠提供較好的調(diào)制性能。上述EVM分析的結(jié)果中提供了正交信號(hào)的幅度誤差、相位誤差、I/Q偏移等參數(shù)，通過(guò)具體調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，使EVM值越小，達(dá)到較好的調(diào)制性能。

圖6 VSA輸入源設(shè)置圖7 解調(diào)器參數(shù)設(shè)置

圖8 寬帶調(diào)制器EVM測(cè)試結(jié)果

2.2解調(diào)器性能測(cè)試

按圖5解調(diào)器性能測(cè)試平臺(tái) 連接方式連接，在Agilent 數(shù)字邏輯分析儀中打開(kāi)VSA軟件，進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，如圖9、10所示。測(cè)試結(jié)果如圖11、12所示。

圖9 邏輯分析儀輸入設(shè)置

圖10 VSA輸入源選擇圖11 未匹配的EVM

圖12 匹配后EVM值

當(dāng)接收端I/Q支路沒(méi)有匹配時(shí)，EVM=11.7%；匹配時(shí)，EVM性能提高EVM=6.5%。當(dāng)進(jìn)行8PSK解調(diào)時(shí)，解調(diào)門限同上，解調(diào)器帶來(lái)的損失為0.29 dB，解調(diào)器帶來(lái)的損失小，提供較好的解調(diào)性能。與調(diào)制器EVM性能測(cè)試類型，VSA分析給出了幅度誤差、相位誤差，I/Q偏移等參數(shù)，通過(guò)對(duì)解調(diào)器的針對(duì)性的調(diào)整，使解調(diào)器得到的EVM值較小，達(dá)到最佳的解調(diào)性能。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于Agilent大型儀器(如E4438C信號(hào)源、E4440A PSA 頻譜分析儀、16803A數(shù)字邏輯分析儀等)及自行設(shè)計(jì)的高速AD采樣板，設(shè)計(jì)了一套寬帶衛(wèi)星中頻調(diào)制解調(diào)測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)。該平臺(tái)能夠直觀地獲得調(diào)制解調(diào)器的EVM值，基于EVM分析能夠給出提高調(diào)制解調(diào)性能的參數(shù)調(diào)整方向，有效地促進(jìn)了為寬帶調(diào)制解調(diào)器的研究，滿足寬帶衛(wèi)星高階、調(diào)制解調(diào)性能要求，同時(shí)提高了大型儀器在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的運(yùn)用。隨著衛(wèi)星通信朝寬帶、高頻帶、移動(dòng)方向發(fā)展，大型儀器在衛(wèi)星通信相關(guān)科研及教學(xué)工作中將會(huì)得到越來(lái)越深入的應(yīng)用，也將大力推動(dòng)衛(wèi)星相關(guān)研究的發(fā)展。

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Design of Wide-band Satellite IF Mod-demodulator Performance Test Platform

LüGuocheng1,ZHOUYi2，JINYe1

(1.School of Electronics Engineering and Computer Science,Peking University,Beijing 100871,China; 2.Beijing Satellite Navigation Center,Beijing 100094,China)

In order to realize the fast measurement and improvement of the wide-band satellite IF mod-demodulator performance.Based on the EVM (Error Vector Magnitude) analysis,using the Agilent’s large-scale equipment (such as E4438C,E4440A SPA,16803A digital logic analyzer),a wide-band satellite IF mod-demodulator test platform based on EVM measurement is designed.The platform provides a way to get the real-time IF mod-demodulator’s EVM value.Even more,the adjustments for improving the IF mod-demodulator’s performance is obtained based on the EVM analysis.This platform is greatly helpful for the research on the wide-band IF mod-demodulator and facilitates the satellite communicate research project and education,and improves the service efficiency of the large-scale instruments at the same time.

satellite communication; IF mod-demodulator; error vector; large-scale instruments

2016-10-10

呂國(guó)成(1984-)，男，云南宣威人，工程師，主要研究方向：衛(wèi)星信號(hào)處理，F(xiàn)PGA。

Tel.:010-62752837；E-mail: lv.guocheng@pku.edu.cn

TN 911.6

：A

1006-7167(2017)07-0053-03