衛星寬帶中頻調制解調器測試平臺設計

呂國成，周 益，金 野

(1.北京大學 信息科學技術學院，北京 100871; 2.北京衛星導航中心，北京100094)

衛星寬帶中頻調制解調器測試平臺設計

呂國成1，周 益2，金 野1

(1.北京大學 信息科學技術學院，北京 100871; 2.北京衛星導航中心，北京100094)

為實現寬帶衛星中頻調制解調器性能的快速驗證及性能提升，基于EVM(Error Vector Magnitude)誤差矢量分析，結合安捷倫的大型精密儀器(如E4438C信號源、E4440A PSA 頻譜分析儀、16803A數字邏輯分析儀等)，設計了基于EVM檢測的衛星寬帶中頻調制解調器測試平臺。通過該平臺，能直觀、實時分析調制、解調器的EVM值。通過EVM分析，給出中頻調制、解調器的優化方向，為寬帶調制、解調器的研究提供了有力的支撐，促進了寬帶衛星通信系統的科研及教學發展，提高了大型儀器的使用效率。

衛星通信； 中頻調制解調器； 誤差矢量； 大型儀器

0 引 言

大型精密測試儀器設備是實驗室進行科學研究的重要基礎，特別是在通信領域，大型儀器的使用為信號的產生、標定、測量提供了可靠有效手段，為科研、教學活動的順利開展提供了強有力的支撐。北京大學電子工程實驗室在“211”經費的支持下，購買了Agilent(安捷倫)公司生產的E4438C信號源、E4440A PSA 頻譜分析儀、16803A數字邏輯分析儀等大型儀器。這些儀器被廣泛應用于地面無線信號的產生及測量。但是在衛星信號處理領域對大型設備儀器的使用提出新的需求，提高大型儀器設備在衛星通信領域的使用效率，使得大型設備儀器發揮更大的效益成了亟待解決的問題[1-5]。

隨著衛星通信技術的發展，衛星通信在軍事通信、應急通信、數字電視廣播等重要領域得到越來越深入的應用，衛星通信朝著高速、寬帶、移動衛星通信方向發展[6-9]。衛星通信從傳統的L/C頻段延伸至Ku、Ka頻段，占用越來越寬的轉發器帶寬(36、54、72 MHz等)，使用更高階調制方式(8PSK、16APSK、32APSK等)進一步提高頻譜使用效率及傳輸速率[10-12]。寬帶信號、高階調制方式的應用對衛星中頻調制、解調器性能提出了更高要求，研究寬帶、高性能中頻調制解調器成為衛星通信核心。因此，對衛星中頻調制、解調器性能的快速測試驗證成為另外一個亟待解決的問題。傳統的測試平臺基于誤碼分析，測試時間較長，能夠比較準確地分析調制解調器性能，但是不能指導調制解調器改進。

本文基于Agilent大型儀器，建立了一套以EVM為測試指標的實時寬帶中頻調制解調器測試平臺。通過測試調制解調器EVM值，快速、直觀地分析中頻調制解調的性能，同時為調制解調器的性能的優化提供了方向。該測試平臺的應用，有效地提高了對中頻調制解調器性能研究，顯著加快衛星通信科研進度，提高了大型儀器的使用效率。

1 測試平臺的方案設計及組成

在衛星通信系統中，中頻調制、解調器完成基帶信號至中頻信號(L/C)的變換，中頻調制解調器是衛星通信系統中重要的信道設備，其性能很大程度上決定了整個衛星鏈路的傳輸性能[10]。特別在高速寬帶衛星通信系統中，高階調制方式要求更高的信噪比[11-12]，對調制解調器的性能提出了更高的要求。研究和實現寬帶高性能中頻調制解調器是實現寬帶衛星通信的關鍵，而對調制解調器性能的快速測試及驗證是這一研究的基礎。因此，搭建對中頻模塊的性能快速驗證及測試平臺顯得尤為重要。

在衛星系統中，傳統的對中頻調制解調器性能的測試主要是對誤碼率的測試，需要標準的信源發送已知的序列，通過中頻調制解調設備后，接收端完成數據恢復，根據已知序列統計錯誤比特，完成誤碼率測試。如圖1、2所示。

圖1 中頻調制器性能測試

誤碼率的測試是對中頻調制解調器性能指標的定量測試，能夠準確定量反映調制解調性能，但是一般的誤碼率測試時間相對較長，不能直觀反映調制解調器的相關參數的影響。基于Agilent的測試驗證平臺，通過觀測EVM值，快速、直觀地分析調制解調器性能，并通過調整調制解調器相關參數，改善EVM值，進一步優化調制解調器性能。

圖2 中頻解調器性能測試

1.1測試原理

在衛星通信系統，為提高轉發器功放的使用效率，常用PSK調制方式(QPSK、8PSK、16APSK、32APSK等)，將待調制的信息比特映射成相應的星座符號。經過信道惡化后，接收到信號會偏移原來的發送信號，偏移量可以用誤差向量(Error Vector)表示[13-15]，如圖3所示。

圖3 信號受干擾示意圖

誤差向量(包括幅度和相位的矢量)是在一個給定時刻理想無誤差基準信號與實際發射信號的向量差，能全面衡量調制信號的幅度誤差和相位誤差，也即能夠全面反映信道傳輸質量。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測試平臺設計

測試平臺主要由Agilent測試儀器設備及自研高速采樣板組成。中頻調制解調模塊的調制、解調性能均通過EVM值來表征。調制器、解調器的性能分開測量。

(1) 調制性能測試平臺如圖4所示。

圖4 調制器性能測試平臺

調制器性能測試平臺主要包括：

① 數據源。數據源由Agilent E4438C生成，通過設置相關參數(調制方式、符號速率、濾波器等)發送基帶I/Q信號，送到調制器進行正交調制。

② 調制器。調制器屬于待測設備，將基帶I/Q輸入信號進行正交調制至L/C中頻。

③ 頻譜分析。頻譜分析由Agilent E4440A完成，調制器調制后的中頻信號，送入到頻譜儀，進行頻譜分析，測量其頻帶內平坦度、相位噪聲等指標。

④ EVM分析。Agilent 數字邏輯分析儀16803A通過網線與E4440A相連，啟動VSA分析軟件，將數據輸入連接至E4440A，設置VSA解調的相關參數(調制方式、濾波器等)，進行EVM分析。通過EVM值，調整相關參數，使EVM值最小，進一步優化調制器的性能。

(2) 解調性能測試平臺如圖5所示。

圖5 解調器性能測試平臺

調制器性能測試平臺主要包括：

① 數據源。數據源由Agilent E4438C生成，通過設置相關參數(調制方式、符號速率、濾波器等)發送L/C中頻信號，送到解調器進行解調。

② 解調器。解調器將輸入的L/C中頻信號正交解調至基帶。

③ EVM分析。經過解調器的基帶信號，經過自行研制的數字版，經過高速AD采樣后送到Agilent 16803A數字邏輯分析儀，設置16903A上VSA解調的相關參數(調制方式、濾波器等)，進行EVM分析。根據EVM測試結果，不斷優化解調器參數，進行反復迭代測試，使EVM值最小，解調器性能最好。

2 測試平臺應用分析

2.1調制器性能測試

按照圖4調制器性能測試平臺 連接方式連接，在Agilent 數字邏輯分析儀中打開VSA軟件，進行相應的設置，如圖6、7所示。設置相關參數后，測試調制器EVM，如圖8所示。圖中，信號帶寬36 MHz，滾降因子0.35，調制方式8PSK，測到的EVM=2.183 5%(EVM=-33 dB)。設調制方式8PSK的EsN0門限為12 dB，調制器帶來的損失為0.04 dB。因此，調制器能夠提供較好的調制性能。上述EVM分析的結果中提供了正交信號的幅度誤差、相位誤差、I/Q偏移等參數，通過具體調整相應參數，使EVM值越小，達到較好的調制性能。

圖6 VSA輸入源設置圖7 解調器參數設置

圖8 寬帶調制器EVM測試結果

2.2解調器性能測試

按圖5解調器性能測試平臺 連接方式連接，在Agilent 數字邏輯分析儀中打開VSA軟件，進行相應的設置，如圖9、10所示。測試結果如圖11、12所示。

圖9 邏輯分析儀輸入設置

圖10 VSA輸入源選擇圖11 未匹配的EVM

圖12 匹配后EVM值

當接收端I/Q支路沒有匹配時，EVM=11.7%；匹配時，EVM性能提高EVM=6.5%。當進行8PSK解調時，解調門限同上，解調器帶來的損失為0.29 dB，解調器帶來的損失小，提供較好的解調性能。與調制器EVM性能測試類型，VSA分析給出了幅度誤差、相位誤差，I/Q偏移等參數，通過對解調器的針對性的調整，使解調器得到的EVM值較小，達到最佳的解調性能。

3 結 語

基于Agilent大型儀器(如E4438C信號源、E4440A PSA 頻譜分析儀、16803A數字邏輯分析儀等)及自行設計的高速AD采樣板，設計了一套寬帶衛星中頻調制解調測試驗證平臺。該平臺能夠直觀地獲得調制解調器的EVM值，基于EVM分析能夠給出提高調制解調性能的參數調整方向，有效地促進了為寬帶調制解調器的研究，滿足寬帶衛星高階、調制解調性能要求，同時提高了大型儀器在衛星通信領域的運用。隨著衛星通信朝寬帶、高頻帶、移動方向發展，大型儀器在衛星通信相關科研及教學工作中將會得到越來越深入的應用，也將大力推動衛星相關研究的發展。

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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

呂國成(1984-)，男，云南宣威人，工程師，主要研究方向：衛星信號處理，FPGA。

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

TN 911.6

：A

1006-7167(2017)07-0053-03