通信衛星轉發器噪聲系數測量的修正方法

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星事業部，北京 100094) (2 中國空間技術研究院西安分院，西安 710100)

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通信衛星轉發器噪聲系數測量的修正方法

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星事業部，北京 100094) (2 中國空間技術研究院西安分院，西安 710100)

針對現有Y因子法無法精確測量鏡像抑制非理想通信衛星轉發器噪聲系數的問題，提出一種測量的修正方法。通過對轉發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測量結果，從而為星地通信鏈路設計及衛星通信性能的評估提供更加可靠的參考依據。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避了Y因子法的測量局限性，能大幅提升轉發器噪聲系數測量的正確性和精確度；而且，被測轉發器的鏡像抑制度越差，修正方法改善效果越明顯，這為整星噪聲系數的精確測量提供了一種新的解決思路。

通信衛星轉發器；噪聲系數；鏡像抑制；Y因子法；修正方法

1 引言

轉發器是通信衛星的重要分系統之一，也是衛星通信鏈路中最關鍵的環節。轉發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，再經由發射天線轉發至地面接收站或者中繼衛星。噪聲系數是通信衛星轉發器的關鍵技術指標，其影響著衛星接收系統的品質因數(G/T)，決定了有效載荷處理和轉發業務信息的能力。在工程應用中，地面發射系統的等效全向輻射功率(EIRP)設計、地面接收系統的靈敏度設計、衛星在軌工作時的增益控制選擇，以及實際業務信息的調制方式選取，都與轉發器的噪聲系數密切相關。因此，在衛星研制過程中對轉發器噪聲系數的精確測量，對后續的星地系統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，國內外通信衛星轉發器的噪聲系數測量大多采用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。而實際中，轉發器的鏡像抑制能力無法達到理想狀態，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，且進一步提高轉發器噪聲系數測量的可信度和精確度，本文基于現有的Y因子法，提出一種對測量結果的修正方法，通過測量轉發器鏡像抑制度，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，可為轉發器噪聲系數的精確工程測量提供新的解決思路，也為星地大系統的綜合設計與性能評估提供參考。

2 噪聲系數基本概念

2.1 噪聲系數定義

線性二端口網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為系統增益；波爾茲曼常數k=1.38×10-23J/K；T0為室溫290K；Bs為系統帶寬；網絡自身附加噪聲Na=GkTeBs，其中，Te為網絡的等效噪聲溫度。

式(1)可進一步表示為

F=1+Te/T0

(2)

噪聲系數定義為噪聲因子F的對數表達形式[4]，即NF=10lgF。可以看出，轉發器的噪聲系數表征了信號經過轉發之后信噪比的惡化程度。

2.2 衛星轉發器的噪聲系數

通信衛星轉發器主要由寬帶接收、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 通信衛星轉發器原理框圖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，因此轉發器在理論上屬于標準變頻單邊帶工作系統。但在實際工程中，由于微帶鏡像抑制濾波器調試困難，且設計人員往往更關注其工作頻帶內的插損、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。這就將造成系統級轉發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，對轉發器噪聲系數值產生影響。此時，單路轉發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為轉發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為轉發器輸入等效溫度，假定Ti=T0=290 K；Ter為射頻鏈路的等效噪聲溫度；B為該路轉發器帶寬；Gm為鏡像鏈路增益；Tem為鏡像鏈路的等效噪聲溫度。

實際噪聲系數可表示為

NFactual=10lgFactual=

(4)

3 轉發器噪聲系數測量

3.1Y因子法的測量局限性

目前，通信衛星轉發器大多利用Y因子法完成噪聲系數的測量，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、斷電兩種狀態下轉發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，計算得出被測轉發器的噪聲因子與噪聲系數[5]。

(5)

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

(6)

針對實際工程中鏡像抑制非理想的轉發器，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下轉發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下轉發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發器實際的噪聲因子并非完全相同，且有

(9)

其噪聲系數則為

(10)

定義某路轉發器的鏡像抑制度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，轉發器實際噪聲系數與Y因子法測量結果之間存在偏差，且此偏差與轉發器鏡像抑制度滿足一定數學關系，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 轉發器噪聲系數測量修正方法與實現方案

基于第3.1節中的分析，本節對Y因子法進行修正，通過精確測量轉發器的鏡像抑制度，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發器噪聲系數。本文測量修正方法的實現方案如圖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發器的射頻鏈路增益與鏡像鏈路增益，算得轉發器鏡像抑制度，為后續測量結果修正提供參考數據；②將噪聲源通過圖3中電纜2直連頻譜儀的射頻輸入口，進行測量系統自校準，得出測量鏈路及頻譜儀自身的噪聲系數；③將噪聲源直連轉發器輸入口，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因子法進行級聯系統的噪聲系數測量，并結合步驟②中校準結果，通過頻譜儀內置算法得出轉發器自身的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，計算得出該路轉發器修正后的更為精確有效的噪聲系數(NFimproved)。

圖3 轉發器噪聲系數測量修正方法實現框圖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

根據圖1所示轉發器基本結構，搭建仿真模型，對不同鏡像抑制度下轉發器噪聲系數的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 噪聲系數仿真條件

圖4 噪聲系數仿真結果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發器的噪聲系數，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理論值基本相同，誤差在0.1 dB以內。因此，修正方法對轉發器噪聲系數的測量精度改善明顯[8]。

4.2 工程驗證

本節對一路C頻段模擬轉發器進行工程實測，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試，改變轉發器鏡像抑制度，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，調試難度較大，因此本節只對3種鏡像抑制度下的噪聲系數進行實測，測量結果如表2所示。

表2 不同方法下噪聲系數測量結果對比

由表2可以看出，當轉發器鏡像抑制度較好時(優于-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發器，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發器噪聲系數，能更好地反映出衛星所需的飽和功率通量密度(SFD)性能及輸出的下行載噪比，也為衛星通信鏈路設計提供更為可靠的參考依據，對于星地大系統的設計研制以及后續在軌工作時的業務質量評估，具有重要意義。

5 結束語

通信衛星轉發器的噪聲系數性能通常利用Y因子法測量，但當轉發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發器的鏡像抑制度，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發器噪聲系數。仿真與實測結果均表明，轉發器鏡像抑制越差，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，對衛星有效載荷的整體設計、地面應用系統的設計、星地通信鏈路的設計，以及在軌實際業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噪聲性能評估及噪聲系數測量方案設計提供技術參考。

References)

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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