楊博 楊冬雪 謝華 馬強 劉煥生 高鵬

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

?

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

楊博1楊冬雪1謝華1馬強1劉煥生1高鵬2

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

針對現(xiàn)有Y因子法無法精確測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，提出一種測量的修正方法。通過對轉(zhuǎn)發(fā)器鏡像抑制度的測量，修正Y因子法的測量結果，得出更為精確可信的噪聲系數(shù)測量結果，從而為星地通信鏈路設計及衛(wèi)星通信性能的評估提供更加可靠的參考依據(jù)。理論推導、仿真分析及實測結果均表明：修正方法在一定程度上規(guī)避了Y因子法的測量局限性，能大幅提升轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)測量的正確性和精確度；而且，被測轉(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進行變頻、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)器的關鍵技術指標，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)務信息的能力。在工程應用中，地面發(fā)射系統(tǒng)的等效全向輻射功率(EIRP)設計、地面接收系統(tǒng)的靈敏度設計、衛(wèi)星在軌工作時的增益控制選擇，以及實際業(yè)務信息的調(diào)制方式選取，都與轉(zhuǎn)發(fā)器的噪聲系數(shù)密切相關。因此，在衛(wèi)星研制過程中對轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)的精確測量，對后續(xù)的星地系統(tǒng)工程設計與評估都至關重要，具有重要意義[1]。

目前，綜合考慮測量成本、方法成熟度及實施便捷性，國內(nèi)外通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的噪聲系數(shù)測量大多采用Y因子法完成。文獻[2]中詳細介紹了Y因子法的理論及測量原理，從建立的模型可以看出，Y因子法理論上僅能精確測量理想單邊帶變頻系統(tǒng)。而實際中，轉(zhuǎn)發(fā)器的鏡像抑制能力無法達到理想狀態(tài)，甚至可能較差，此時Y因子法在工程中具有一定局限性，測量結果存在不同程度的失真[3]。為了突破這種局限性，且進一步提高轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)測量的可信度和精確度，本文基于現(xiàn)有的Y因子法，提出一種對測量結果的修正方法，通過測量轉(zhuǎn)發(fā)器鏡像抑制度，修正Y因子法的測量結果，使得最終的測量結果更加真實準確，可為轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)的精確工程測量提供新的解決思路，也為星地大系統(tǒng)的綜合設計與性能評估提供參考。

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)絡在輸入端阻抗匹配時，輸入與輸出信噪比的比值定義為噪聲因子，即

(1)

式中：Si為輸入信號功率；Ni為輸入噪聲功率；So為輸出信號功率；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)絡自身附加噪聲Na=GkTeBs，其中，Te為網(wǎng)絡的等效噪聲溫度。

式(1)可進一步表示為

F=1+Te/T0

(2)

噪聲系數(shù)定義為噪聲因子F的對數(shù)表達形式[4]，即NF=10lgF?？梢钥闯觯D(zhuǎn)發(fā)器的噪聲系數(shù)表征了信號經(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)器在理論上屬于標準變頻單邊帶工作系統(tǒng)。但在實際工程中，由于微帶鏡像抑制濾波器調(diào)試困難，且設計人員往往更關注其工作頻帶內(nèi)的插損、群時延和增益平坦度等，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)級轉(zhuǎn)發(fā)器的下行輸出噪聲中既包含來自射頻工作頻段的噪聲，也包含來自鏡像頻段的噪聲，總的輸出噪聲功率會加大，對轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)值產(chǎn)生影響。此時，單路轉(zhuǎn)發(fā)器的實際噪聲因子表達式應該考慮鏡像抑制能力不理想帶來的影響，其噪聲因子表達式修正為

(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)測量

3.1Y因子法的測量局限性

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)的測量，其測量原理如圖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為噪聲源加電時的等效噪聲溫度,Tc為噪聲源斷電時的等效噪聲溫度，假設測量時處于室溫，即Tc=T0=290 K。Y因子法利用頻譜儀測出Y因子，并結合噪聲源固有超噪比，計算得出被測轉(zhuǎn)發(fā)器的噪聲因子與噪聲系數(shù)[5]。

(5)

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

(6)

針對實際工程中鏡像抑制非理想的轉(zhuǎn)發(fā)器，當用Y因子法測量時，由式(6)可知，測量結果取決于測得的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因子法測量噪聲因子的結果為

(8)

通常在室溫下測量時，有Tc=Ti=T0=290 K。 對比式(8)和式(3)可以看出，Y因子法的測量結果與轉(zhuǎn)發(fā)器實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)器實際噪聲系數(shù)與Y因子法測量結果之間存在偏差，且此偏差與轉(zhuǎn)發(fā)器鏡像抑制度滿足一定數(shù)學關系，鏡像抑制度越差(即α絕對值越小)，偏差越大，Y因子法測量結果失真越嚴重[7]。

3.2 轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)測量修正方法與實現(xiàn)方案

基于第3.1節(jié)中的分析，本節(jié)對Y因子法進行修正，通過精確測量轉(zhuǎn)發(fā)器的鏡像抑制度，對Y因子法的測量結果進行補償，最終得到更為精確有效的轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)。本文測量修正方法的實現(xiàn)方案如圖3所示，具體測量步驟為：①利用信號源與頻譜儀精確測量轉(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)測量結果修正提供參考數(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，進行測量系統(tǒng)自校準，得出測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因子法進行級聯(lián)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)測量，并結合步驟②中校準結果，通過頻譜儀內(nèi)置算法得出轉(zhuǎn)發(fā)器自身的Y因子法測量結果；④利用步驟①中得出的鏡像抑制度計算補償因子，并對步驟③中得出的Y因子法測量結果進行修正，計算得出該路轉(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)測量修正方法實現(xiàn)框圖Fig.3 Implementation diagram of transponder noise figure correction test method

4 仿真分析及工程驗證

4.1 仿真分析

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

表1 噪聲系數(shù)仿真條件

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

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

4.2 工程驗證

本節(jié)對一路C頻段模擬轉(zhuǎn)發(fā)器進行工程實測，以驗證前文理論及仿真分析結果。通過對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其噪聲系數(shù)進行測量，并與理論值進行對比。

由于鏡像抑制濾波器包含多項性能參數(shù)，調(diào)試難度較大，因此本節(jié)只對3種鏡像抑制度下的噪聲系數(shù)進行實測，測量結果如表2所示。

表2 不同方法下噪聲系數(shù)測量結果對比

由表2可以看出，當轉(zhuǎn)發(fā)器鏡像抑制度較好時(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；當鏡像抑制度較差時(大于-6.0 dB)，Y因子法失真較為嚴重(超過1.0 dB)，且鏡像抑制度越差，Y因子法測量結果失真越嚴重。修正方法對Y因子法測量結果的失真進行了有效補償，使其更為接近理論值。工程驗證結果與前文理論與仿真分析結果一致。

綜上所述，針對鏡像抑制非理想的轉(zhuǎn)發(fā)器，Y因子法測量具有局限性，通過對其測量結果進行修正后，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)星通信鏈路設計提供更為可靠的參考依據(jù)，對于星地大系統(tǒng)的設計研制以及后續(xù)在軌工作時的業(yè)務質(zhì)量評估，具有重要意義。

5 結束語

通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的噪聲系數(shù)性能通常利用Y因子法測量，但當轉(zhuǎn)發(fā)器鏡像抑制不理想時，Y因子法測量結果會存在不同程度的失真。針對這一問題，本文提出了對Y因子法測量結果進行修正的方法。該修正方法通過精確測量轉(zhuǎn)發(fā)器的鏡像抑制度，對Y因子法測量結果進行修正補償，得出精確度和可信度更高的轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲系數(shù)。仿真與實測結果均表明，轉(zhuǎn)發(fā)器鏡像抑制越差，Y因子法測量結果失真越嚴重，修正方法修正效果越明顯，測量結果越精確。本文提出的修正方法，對衛(wèi)星有效載荷的整體設計、地面應用系統(tǒng)的設計、星地通信鏈路的設計，以及在軌實際業(yè)務的設計都具有參考價值，同時也可為其他非航天射頻系統(tǒng)噪聲性能評估及噪聲系數(shù)測量方案設計提供技術參考。

References)

[1]陳道明.通信衛(wèi)星有效載荷技術[M].北京：中國宇航出版社，2001：66-84

Chen Daoming. Technology of communication satellite payload [M].Beijing: China Astronautics Press, 2001：66-84 (in Chinese)

[2]Agilent Technologies. Application note 57-1. Fundamentals of RF and microwave noise figure measurements [EB/OL]. [2017-02-20]. http://www.agilent.com.2006

[3]Agilent Technologies. Application note 1487. Noise figure measurement of frequency converting devices [EB/OL]. [2017-02-20]. http://www.agilent.com.2004

[4]黃成,蒲璞,文忠鋒.噪聲系數(shù)測試方法研究[J].微電子學，2013，43(6)：867-870

Huang Cheng, Pu Pu, Wen Zhongfeng. Study on noise figure measurement methods [J]. Microelectronics, 2013，43(6):867-870 (in Chinese)

[5]Agilent Technologies. Application note 57-2. Noise figure measurement accuracy—theY-factor method [EB/OL].[2017-02-20].http://www.agilent.com.2014

[6]可欣.變頻設備噪聲系數(shù)測量方法分析[J].計算機與網(wǎng)絡，2010，36(14)：35-37

Ke Xin. Analysis on noise figure measurement methods of frequency conversion devices [J]. Computer & Network, 2010, 36(14): 35-37 (in Chinese)

[7]袁國靖，馬美霞，鄭飛騰.二次變頻系統(tǒng)噪聲系數(shù)研究[J].空間電子技術，2015，12(5)：63-66

Yuan Guojing, Ma Meixia, Zheng Feiteng. Study on noise figure of two-stages frequency conversion system [J]. Space Electronic Technology, 2015，12(5)：63-66 (in Chinese)

[8]郭海帆，陳建華，陳鑫友，等.基于矢量網(wǎng)絡分析儀功率測量的噪聲系數(shù)測試方法[J].中國測試，2014，40(6)：35-37

Guo Haifan, Chen Jianhua, Chen Xinyou, et al. Noise figure measurement based on power measurement from vector network analyzer [J]. China Measurement & Test, 2014，40(6)： 35-37 (in Chinese)

(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試工作。Email：yb4326010@sina.com。

V416

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.018