基于寬帶調(diào)制信號的無源互調(diào)測試研究

李硯平，黃浩，賀捷

中國空間技術(shù)研究院 西安分院 制造中心，西安 710000

微波無源部件中具有非線性電壓-電流關(guān)系，當(dāng)輸入兩個或更多的大功率發(fā)射載波時，由于非線性作用，就會出現(xiàn)基本信號頻率的線性組合產(chǎn)物落入接收頻帶內(nèi)形成互調(diào)產(chǎn)物。將這種非線性效應(yīng)稱作無源互調(diào)(PIM)現(xiàn)象[1]。

隨著通信、氣象、導(dǎo)航、地球資源勘測等衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展，一些新的問題出現(xiàn)在大功率多載波通信、導(dǎo)航、直播衛(wèi)星的預(yù)研和研制過程中，其中PIM就是關(guān)系到衛(wèi)星成敗的一個新的重要問題。衛(wèi)星大功率發(fā)射系統(tǒng)中，由于PIM產(chǎn)物的幅度遠(yuǎn)小于發(fā)射信號幅度，不會影響發(fā)射系統(tǒng)信號的質(zhì)量。如果互調(diào)產(chǎn)物的頻率位于接收頻率范圍內(nèi)，互調(diào)產(chǎn)物就會進(jìn)入高靈敏度的衛(wèi)星接收機(jī)，互調(diào)產(chǎn)物幅度高于接收機(jī)門限時，極可能超過接收機(jī)的熱噪聲，干擾衛(wèi)星通信系統(tǒng)正常工作，甚至造成接收機(jī)堵塞，導(dǎo)致衛(wèi)星通信系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)[2]。有源互調(diào)可以通過合理配置濾波器，消除有源互調(diào)影響，而無源互調(diào)與有源互調(diào)不同，無源互調(diào)產(chǎn)物是一種出現(xiàn)在輸出濾波器或其他后端系統(tǒng)的微弱干擾信號，并且與接收信號具有相同或接近的頻率，很難通過濾波消除[3]。這個問題引起了通信衛(wèi)星系統(tǒng)研制產(chǎn)業(yè)鏈的高度關(guān)注。

國內(nèi)外許多衛(wèi)星用戶和研制廠家都非常重視PIM問題的研究工作，而且將PIM作為收發(fā)共用有效載荷的一項(xiàng)重要考核指標(biāo)，其關(guān)乎到衛(wèi)星的成敗，越來越受到重視。國外如歐空局(ESTEC)，美國航天局(NASA)、洛克希德·馬丁公司、休斯公司、加拿大的COM DEV公司、SPAR公司及美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)等都投入了大量的資金、人員和設(shè)備研究PIM問題，并且取得了一定的研究成果[4]。雖然有一些應(yīng)用軟件誕生，但是由于PIM問題的復(fù)雜性，通過地面測試驗(yàn)證是目前最有效的控制措施。這些公司都建立了相對完備的測試系統(tǒng)，覆蓋了目前國際上的通信衛(wèi)星系統(tǒng)(L、C、Ku頻段)[5]。無論是地面移動通信系統(tǒng)，還是衛(wèi)星通信系統(tǒng)，目前參考的國際標(biāo)準(zhǔn)均為IEC 62037-1:2012[6]。此標(biāo)準(zhǔn)推薦的測試方法是采用2個CW信號通過雙工器將合成的大功率信號發(fā)射到測試件，測試件產(chǎn)生的PIM信號通過雙工器和濾波器濾除發(fā)射信號后，用低噪聲放大器放大，再用頻譜儀監(jiān)測PIM信號。實(shí)際上，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器很少傳送未調(diào)制載波信號，考慮載波調(diào)制后，PIM產(chǎn)物的帶寬擴(kuò)大了，擴(kuò)展后的PIM產(chǎn)物將整體作為隨機(jī)噪聲出現(xiàn)，引起衛(wèi)星系統(tǒng)噪聲溫度整體提高[7]。

隨著4G技術(shù)的應(yīng)用和5G技術(shù)研究的深入，地面通信行業(yè)開始質(zhì)疑采用CW信號測試PIM電平方法是否可以等效調(diào)制通信方式。貝爾實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合英國貝爾法斯特女王大學(xué)開展了此方向的研究工作，研究關(guān)于數(shù)字調(diào)制載波的PIM性能，大量的工作主要集中在理論計(jì)算和仿真方面[8-10]。北京泰爾實(shí)驗(yàn)室也意識到調(diào)制信號方式對PIM的不同影響，開展此方面研究，建立了寬帶調(diào)制信號測試系統(tǒng)，同時提出了測試面臨的問題[11]。

目前通信衛(wèi)星地面測試驗(yàn)證依舊采用的是CW信號測試PIM。寬帶調(diào)制和CW信號兩種PIM測試方法有何區(qū)別，CW信號測試方法是否可以等效寬帶調(diào)制信號測試？本文針對這些問題，利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)中常用調(diào)制信號(BPSK,QPSK)模式，提出了一種基于功率譜密度的PIM電平測試方法，采用CW信號和寬帶調(diào)制波開展了對無源部件PIM測試的對比研究，理論和測試數(shù)據(jù)結(jié)果可以供衛(wèi)星地面PIM驗(yàn)證參考。

1 數(shù)字調(diào)制信號和CW信號產(chǎn)生PIM產(chǎn)物的特征

在通信衛(wèi)星中，落入衛(wèi)星接收機(jī)的PIM產(chǎn)物可對接收機(jī)的品質(zhì)因數(shù)(即G/T特性，指天線端口處增益與系統(tǒng)等效噪聲溫度的比值)產(chǎn)生負(fù)面影響。對于兩個未調(diào)制的CW信號和寬帶調(diào)制信號產(chǎn)生的PIM，可以通過求落入接收通道內(nèi)的失真功率譜密度區(qū)別。

PIM產(chǎn)物從以下表達(dá)式開始：

式中：S為載波輸入功率；A,B為信號頻率信息；n為n階非線性，使用二項(xiàng)式展開，提取二載波失真輸出功率為：

(1)

對于寬帶高斯信號，它具有瞬時高斯振幅分布，對于非線性信道，總輸出功率為：

式中：S0為平均無失真功率；D0為平均失真功率。

可以推導(dǎo)出寬帶信號失真功率為：

其中G函數(shù)為：

(2)

寬帶PIM信號功率譜密度與連續(xù)二載波PIM信號功率譜密度的比值為式(2)與式(1)的比值：

(3)

假設(shè)2個載波的功率譜密度是均勻分布函數(shù)：

歸一化PIM分布表示為：

對式(3)提取因子Sn，剩余部分用N′(n)表示：

(1，3，5，…，2n-1)-(1,3,5,…,n)2

n階PIM噪聲的功率譜密度近似表示為：

(4)

用式(4)乘以式(3)，得寬帶PIM信號功率譜密度和二載波信號的比值：

(5)

根據(jù)以上推算可以計(jì)算出寬帶信號和CW信號產(chǎn)生的PIM信號功率譜密度的比值，通過式(5)計(jì)算3階寬帶和雙載波PIM信號功率譜密度相差4.6 dB。由于PIM影響因素較多，對于實(shí)際應(yīng)用中的差異，需要通過試驗(yàn)比對驗(yàn)證。

2 寬帶調(diào)制信號PIM測試方法

航天器無源射頻部件與設(shè)備的PIM測試可分為非輻射式、輻射式和再輻射式PIM測試3種。非輻射式PIM測試系統(tǒng)適用于非輻射型單端口、雙端口和多端口射頻部件，如大功率負(fù)載、濾波器、雙工器和多工器等；輻射式PIM測試系統(tǒng)適用于測試輻射型射頻部件與設(shè)備，如天線及饋源等；再輻射式PIM測試系統(tǒng)適用于測試暴露在發(fā)射射頻信號電磁場中的射頻部件與設(shè)備，如天線反射面、反射面測試樣品、天線支撐結(jié)構(gòu)、反射面支撐臂、天線熱控多層組件(MLI)和整星隔熱保護(hù)硬件等[12]。航天器部件工作在冷熱環(huán)境中，因此測試PIM需要在高低溫環(huán)境下。在本文研究的范疇內(nèi)，暫未考慮環(huán)境因素。傳統(tǒng)的典型雙端口部件PIM測試方法如圖1所示。

從圖1可以看出，兩路不同頻率的大功率測試信號f1、f2由射頻合路器合成，經(jīng)過低PIM雙工器1送至被測件，其輸出信號被大功率負(fù)載吸收。兩路不同頻率的大功率信號功率值分別在功率計(jì)1和功率計(jì)2上監(jiān)測，被測件產(chǎn)生的PIM信號可在頻譜分析儀1上測得(反射法)或在頻譜分析儀2上測得(傳輸法)。

如果只考慮反射鏈路PIM分量，改進(jìn)后的寬帶測試方法是在發(fā)射信號端，將原測試鏈路中的標(biāo)量信號源更換為矢量信號源。在接收信號端，考慮接收信號互調(diào)產(chǎn)物變?yōu)閿?shù)字寬帶信號，采用矢量信號分析儀代替普通頻譜儀。矢量信號分析儀設(shè)置信號帶寬通常約等于原激勵信號帶寬與PIM階數(shù)的乘積，或者至少是發(fā)射信號帶寬的2倍以上?？紤]要和兩路連續(xù)單載波測試的互調(diào)產(chǎn)物比對，基于互調(diào)產(chǎn)物對接收機(jī)的影響是使接收通帶內(nèi)的噪聲整體提高，可采用矢量分析儀具備的帶內(nèi)積分功率功能和通道功率測量功能進(jìn)行連續(xù)單載波和寬帶調(diào)制對應(yīng)通帶內(nèi)互調(diào)產(chǎn)物的測量，測試框圖如圖2所示。兩路不同頻率的大功率調(diào)制信號f1和f2由雙工器合成，送至被測件，其輸出信號被大功率負(fù)載吸收。兩路不同頻率的大功率信號功率值分別在功率計(jì)1和功率計(jì)2上監(jiān)測，被測件產(chǎn)生的PIM信號電平可在是矢量信號分析儀上測得。

圖2 雙端口部件調(diào)制模式寬帶PIM測試系統(tǒng)框圖Fig.2 Schematic diagram of broadband modulation signal PIM test system for dual-port components

3 寬帶信號與連續(xù)載波測試結(jié)果

為了驗(yàn)證不同的信號工作模式對測試結(jié)果的影響，保證測試方法的有效性，同時消除測試的偶然偏差性，選取電纜組件22件，測試頻段是S頻段，3階PIM。選用的測試信號模式是兩路CW信號、BPSK和QPSK調(diào)制信號，其中BPSK和QPSK調(diào)制信號帶寬依次是：50 Hz,200 Hz,500 Hz,50 KHz,200 KHz，500 KHz,5 MHz,10 MHz。PIM測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 數(shù)字調(diào)制信號和CW模式PIM結(jié)果比對Fig.3 Comparison of PIM test values generated by digital modulation signal and CW mode

從圖3中可以看出，整體數(shù)字調(diào)制信號模式PIM值高于CW信號2～9 dB,無論是BPSK信號還是QPSK信號產(chǎn)生的PIM信號都高于CW信號，BPSK信號產(chǎn)生的PIM信號普遍高于QPSK信號1～2 dB。通過分析和測試結(jié)果表明，原有的選用CW信號測試代替數(shù)字調(diào)制信號工作模式測試PIM性能具有局限性，隨著測試技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)盡量選用使用的信號模式測試驗(yàn)證PIM性能。

在測試驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)以下技術(shù)難點(diǎn):

(1)寬帶信號放大問題

通信衛(wèi)星數(shù)據(jù)速率飛速提升，信號帶寬不斷增大，隨之而來的是信號峰均比(信號峰值功率和平均功率的比值)的問題。信道鏈路中高峰均比需要更高的功放非線性范圍。如果寬帶互調(diào)測試系統(tǒng)中功放的標(biāo)稱輸出功率提升不足10 dB，且信號的峰值進(jìn)入功放的非線性工作區(qū)，就會導(dǎo)致產(chǎn)生信號畸變和內(nèi)部互調(diào)信號。對于測試而言，將很難確定互調(diào)產(chǎn)物的最終來源是待測件還是測試系統(tǒng)自身，要解決這個問題，就要面臨高額的成本升級功放以及測試成本的大幅度提高[13]。本文測試選用的寬帶信號帶寬在測試功率放大器測試線性范圍內(nèi)。為了測試的準(zhǔn)確性，每次測試無源互調(diào)性能前，首先對信號的EVM、ACLR等性能進(jìn)行測量。對于已經(jīng)超出帶寬的寬帶信號，需要針對具體的使用信號形式和帶寬，開展相應(yīng)的信號處理，處理的原則是保證信號質(zhì)量，同時信號EVM、ACLR等關(guān)鍵指標(biāo)要符合要求，可以做適當(dāng)?shù)膲嚎s處理。

(2)寬帶PIM信號測試問題

傳統(tǒng)互調(diào)測試系統(tǒng)中兩路信號源通常采用CW信號，接收相對應(yīng)的互調(diào)產(chǎn)物仍是CW信號，可以通過設(shè)置頻譜儀合理的分辨率帶寬和視頻帶寬直接進(jìn)行PIM信號頻率點(diǎn)對應(yīng)的功率值讀取。然而調(diào)制信號不同于CW信號，互調(diào)產(chǎn)物是與發(fā)射信號帶寬同量級的寬帶信號，其功率分布在整個頻帶內(nèi)，需要進(jìn)行積分求和?；フ{(diào)產(chǎn)物本身很弱，如果再分散到整個頻帶上，通常情況下將會淹沒在頻譜儀的噪聲中，影響觀測。本文測試使用的是目前測量模式頻譜儀具備的功率譜密度功能，將接收信號與噪聲混合在一起進(jìn)行多點(diǎn)FFT運(yùn)算，得到功率譜密度，選用相同通道帶寬的通道功率測試[14]。實(shí)際應(yīng)用時，PIM信號干擾接收機(jī)對接收通道帶寬內(nèi)產(chǎn)生噪聲抬高的影響，因此對于帶寬較窄的寬帶信號，能量主要集中在有限的帶寬內(nèi)，這是有效的測試方法。當(dāng)對應(yīng)的寬帶信號的能量分布比較寬時，此方法具有局限性，需要借助開展微弱信號信噪比估計(jì)。目前地面移動通信衛(wèi)星測試使用的方法為空間分解法。對于通信衛(wèi)星信號形式，需要探尋合適的方法開展弱信號信噪比估計(jì)。

4 結(jié)束語

衛(wèi)星通信大量傳輸數(shù)字調(diào)制信號，而采用兩路CW的方法開展PIM測試具有局限性，文中針對10 MHz以下的BPSK和QPSK信號設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方法開展測試，理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明對于帶寬較窄的調(diào)制信號可以使用本方法，測試結(jié)果表明BPSK和QPSK信號的PIM信號值均高于CW信號2～9 dB，這個測試結(jié)果和計(jì)算結(jié)果位于同一個范圍內(nèi)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)開展寬帶調(diào)制信號測試面臨的問題是寬帶信號放大時存在的峰均比壓縮帶來測試系統(tǒng)中對功放線性度要求較高的問題和接收的PIM信號在帶寬較寬時，淹沒在熱噪聲中提取困難問題。關(guān)于以上問題，可以借鑒泰爾實(shí)驗(yàn)室針對地面移動信號采用信噪比壓縮處理和空間分解法處理弱信號的方法，但該方法并不完全適用于衛(wèi)星通信，根據(jù)衛(wèi)星信號調(diào)制方式，需要探尋更好的方法解決上述兩個問題。