卫星通信测试方案详解

太空早已成为人类探索的终极目标之一。在这片广袤的宇宙中，一场无声的太空竞争早已悄然进行。当我们仰望星空时，可曾想过在我们深邃的天空中，有着成千上万的人造地球卫星从头顶上掠过。

从1957年前苏联发射世界第一颗人造卫星斯普特尼克1号(Sputnik-1)，到2014年实现人造卫星千颗(1261颗)在轨，用了整整57年。而到2024年的近万颗在轨卫星(截止2024年5月全球在轨卫星数量为9770颗)却仅仅只用了10年时间。这其中有72%是通信卫星，而在这近万颗卫星中，低轨卫星占了91.5%。

本文分为上下两篇，上一篇简述了卫星通信的演进趋势，本期「下篇」，将为小伙伴们汇总近年来的卫星通信测量方案。

卫星通信系统的发展面临一系列的挑战与测试，如巨型低轨星座的组网、高吞吐量、高工作频段(Ka波段、Q波段、 V波段)、高带宽、多波束控制(采用相控阵天线)、低成本(要求卫星生产和发射成本更低)等。地面接收终端和卫星之间距离遥远，因而会影响链路预算或造成高路径损耗。此外，这种超远距离也是造成较大时间延迟 (RTT) 的原因，该值因时间和仰角而异。相较于地面网络这是一种范式变化，而低轨卫星以非常快的速度运行，由此将导致频率载波偏差，也称多普勒频移。最后，电离层的无线电波传播会造成波形极化旋转，学术界称之为法拉第旋转。面对这些技术挑战，罗德与施瓦茨公司将提供创新的非地面测试的测量解决方案，可帮助客户在卫星的研发、生产、发射、维护及运营过程中，更好的进行设计、开发和测试，以满足客户对性能、成本和时间的要求。

卫星通信网络主要包括卫星有效载荷、地面站和终端三个部分，据此可将卫星测试分为卫星有效载荷测试、地面站测试和终端测试。下图显示了典型的卫星生产流程，测试验证工作涵盖了整个流程，说明充分有效的测试对于卫星研发、制造及运行有着非常重要的作用。在不同阶段卫星测试的对象不同，包括元件及组件测试、分系统测试、系统性能验证测试、在轨测试等。

卫星主要测试项目包括增益转移、互调失真、噪声系数、噪声功率比、相位噪声、杂散、群时延、矢量信号分析、OFDM信号分析等，如下图所示。

01卫星增益转移测试

卫星增益转移测试是对卫星转发器或组件中功率放大器、变频器等器件特性进行传输参数测量的一种测试。其目的是确定这些器件在不同输入信号条件下的增益变化情况，以评估它们在卫星通信系统中的性能。具体测试内容有：

1增益压缩测量

观察器件在输入功率增加时，输出功率是否按比例增加，以及在何种输入功率水平下开始出现增益压缩现象，即输出功率不再随输入功率线性增加，这有助于确定器件的最大功率处理能力和线性工作范围。

2AM/AM 和 AM/PM 测量

AM/AM 测量用于得到器件的增益转移曲线，即输入信号幅度变化与输出信号幅度变化之间的关系。AM/PM 测量则是考察输入信号幅度变化对输出信号相位的影响。通过这两项测量，可以了解器件对信号幅度和相位的调制特性，评估其线性度和对信号质量的影响。

3失真测量

如噪声功率比(NPR)、邻道泄漏功率比(ACLR)等指标的测量，用于评估器件在放大或变频过程中产生的失真程度，确保卫星通信系统中信号的质量和频谱纯度，避免对相邻信道产生干扰。

测试方法有两种，基于矢量信号发生器与矢量信号分析仪的测试和基于网络分析仪的测试。

基于矢量信号发生器与矢量信号分析仪的测试将两者结合使用，如 R&SSMW200A 矢量信号发生器及R&SFSW矢量信号分析仪(配备R&SFSW-K18选件)。R&SFSW-K18可控制R&SSMW200A，使参考信号与被测设备(DUT)发射信号同步，以获得准确测量结果。这种测量方法可使用连续波功率扫描或数字调制信号作为参考信号来测试设备，能分析高带宽的放大信号，还可通过直接数字预失真补偿记忆效应，借助参数扫描提供三维图表，用于快速查找 DUT 的最佳工作点。

增益转移测试

在测试传输特性时也可使用矢量网络分析仪，支持变频和非变频元件及组件在连续波或脉冲调制下的测试，支持有源器件的非线性测试。变频增益或插入损耗的测试方法连接简单，设置灵活，多个内置源配置条件下，支持一级、二级变频模式。当DUT的本振信号无法接入时，测量时会存在一定的频偏，而罗德与施瓦茨公司的矢量网络分析仪ZNA配置本振频率跟踪功能，可以自动纠正信号频偏保证测量结果的准确性。

传输特性测试

02卫星的群时延测试

卫星的群时延测试是用于衡量卫星通信系统中信号传输相位失真的一种重要测试。群时延是信号的每个频率分量的时延相对于频率的对应关系，一段宽带信号的所有频率分量需要保持彼此相同的时延关系即相对相位关系，否则会导致宽带信号的相位失真。

罗德与施瓦茨公司的 R&SSMW200A 信号发生器和 R&SFSW 频谱分析仪可用于测量卫星转发器、变频器和其他组件的绝对和相对群时延。使用SMW200A发射多载波连续波信号作为激励信号，可设置多载波信号的数量，信号之间的频率间隔，以满足被测设备的要求。使用FSW - K17 选件群时延测试选件可进行测量，在FSW 上设置测量参数，包括测量带宽、频率范围、分辨率带宽等。根据测试需求，选择合适的测量模式，如绝对群时延测量或相对群时延测量。

使用矢量信号源SMW200A和信号分析仪FSW进行多载波群时延测量

03卫星的噪声功率比(NPR)测试

卫星的噪声功率比(Noise Power Ratio，NPR)测试是一种用于评估卫星通信系统中载荷非线性特性的重要测试方法，主要用于反映卫星转发器中放大器件在大带宽多通道条件下的幅度线性情况。在实际通信系统中，放大器件的非线性会导致互调失真，影响收发链路性能。当信号为宽带调制信号时，会产生丰富的互调产物，带内互调产物会干扰信号本身，恶化信噪比。通过 NPR 测试，可以表征这种非线性形成的带内干扰，真实反映功率放大器在实际使用场景下的非线性特性。

测试方法：采用带陷波的宽带调制、宽带白噪声信号或者等间隔多音信号作为激励信号。待测器件输入该调制信号后，由于被测器件的非线性特性，会在被测器件的输出端产生互调失真，进而落入陷波内。通过测试通带内总功率谱密度与陷波中所有互调产物功率谱密度的比值，即可得到 NPR。

罗德与施瓦茨矢量信号源SMW200A通过不同的选件配置，可支持以上三种激励信号方式，配置 SMW-K61 选件生成多载波连续波 (MCCW) 信号，用于模拟宽带信号。减少一组CW单音信号，生成带陷陡边且开关比最大值达 50 dB 的带陷信号。用户可以使用控制菜单调节信号陷入的位置和宽度。配置SMW-K811 选件生成带陷陡边且开关比最大值达 50 dB 的带陷宽带信号，信号类型包括ARB, DVB, LTE, OFDM, AWGN等。使用配备R&SFSW-19选件的R&SFSW 信号与频谱分析仪可以轻松的测量经过 DUT后信号陷波位置的陷入深度。

噪声功率比NPR测试

在卫星通信中，接收机需要接收非常微弱的信号，而接收机内部的各种元件，如放大器、滤波器等，都会产生噪声。噪声系数测试是评估信号通过卫星系统组件时，由于组件内部噪声的引入而导致的信噪比恶化程度。噪声系数是衡量卫星接收机性能的重要指标之一。通过测试噪声系数，可以了解接收机在不同工作条件下对噪声的抑制能力，评估其是否满足卫星通信系统的要求。例如，对于高灵敏度的卫星接收机，要求其噪声系数较低，以保证能够接收到微弱的卫星信号并还原出高质量的信息。

04噪声系数测试

卫星通信中的噪声系数测试常用的两种方法，即基于频谱仪噪声系数测量选件的Y因子法和基于网络分析仪的噪声系数测量法。

1基于频谱仪噪声系数测量选件的Y因子法

使用罗德与施瓦茨公司的信号与频谱分析仪、噪声系数测试选件K30以及噪声源，可以方便、快捷的对变频、非变频器件或模块进行噪声系数测试。该测试方法基于Y因子理论基础，操作简单，经过校准后可以达到较高的测量精度，可同时测量噪声系数和增益等指标。

2基于网络分析仪的噪声系数测量法

罗德与施瓦茨公司的矢量网络分析仪ZNA，配备噪声系数测量选件K30而无需外置噪声源配合即可完成变频、非变频器件的噪声系数测试。支持一次连接完成增益、噪声系数、驻波等所有指标测试，提高测试效率，特别适合，元器件测量、芯片级在片测试等。

05杂散测试

卫星系统的杂散测试是防止卫星通信系统包括卫星天线、卫星TR组件、太阳能电池板、控制系统等各种电子设备等部件向外辐射的杂散电磁波对其他卫星、地面通信系统、雷达系统等造成干扰，确保卫星自身的通信、导航、控制等系统不受内部杂散信号的影响，保证卫星系统的稳定性和可靠性。例如，卫星通信系统中的杂散信号如果落入其他卫星的接收频段，可能会导致其他卫星接收信号错误或丢失。如杂散信号可能会窜入卫星的敏感接收电路，降低接收机的灵敏度，影响通信质量。

频谱仪是卫星杂散测试的核心仪器，用于测量杂散信号的频率、幅度等参数。这就意味着要在宽频率范围内检测极低电平的杂散。一般情况下，需要使用窄分辨率带宽 (RBW) 以便在高灵敏度下进行测量，但这样一来，测量时间要长得多。即使采用配备 FFT 滤波器的快速频谱分析仪，杂散检测也可能花费数小时甚至数天。罗德与施瓦茨公司提供一种新型杂散检测算法，可自动执行杂散测量并提高测量速度。罗德与施瓦茨公司超宽带频谱与信号分析仪R&SFSW具有专门的宽带杂散测量选件K50，可通过三步法检测并确定杂散。首先通过快速扫描测定最佳RBW;然后进行二次扫描检测可能的杂散，每个已知杂散频率的最终高速搜索可确定峰值是实际杂散、噪声还是分析仪内部杂散;最后一步，进一步降低RBW以满足信噪比要求。

06互调测试

卫星TR组件的互调测试通常采取通过向被测设备输入两个不同频率的正弦波信号，这两个信号经过设备内的非线性元件后会产生互调产物。

使用罗德与施瓦茨的双端口信号源SMW200A配合频谱分析仪FSW来测试互调是很常用的一种测试方法。将双端口信号源的两个输出端口分别通过合适的射频电缆连接到被测设备的输入端口。在信号源中设置两个不同的频率，这两个频率应根据被测设备的工作频段和测试要求进行选择。被测设备内部的非线性元件会对这两个信号进行混频，产生互调产物。使用频谱分析仪在被测设备的输出端测量互调产物的频率和功率。频谱分析仪应设置为合适的频率范围和分辨率带宽，以准确测量互调产物的频谱。

另外，使用罗德与施瓦茨公司高端矢量网络分析仪ZNA集成的互调测试功能，也可以轻松测试三阶、五阶、七阶等互调指标，使用内置合路器，一个端口就可以输出双音信号，支持频率、功率和双音间隔多种扫描方式，并提供专门的测试向导，测试更加方便。同时功率校准保证了互调点的测试精度。而且高端矢量网络分析仪ZNA独特的内部四源配置，还能够支持变频条件下的互调测试。

07相位噪声测试

卫星系统的相位噪声是衡量卫星信号纯度的重要指标。低相位噪声意味着信号的相位稳定性高，信号的频谱更加纯净，能够更准确地传输和接收信息。相位噪声会导致信号的相位抖动，进而影响解调的准确性，增加误码率。因此，在卫星通信处理信号过程中，相位噪声是及其重要的参数。转发式或者数字中继式卫星对信号进行频谱搬移，都会将本地振荡器信号相位噪声叠加到数字调制中，恶化数字信号的调制质量进而影响系统的误码率性能。

罗德与施瓦茨公司的FSWP、FSPN相位噪声分析仪采用极低相位噪声的内部信号源和数字互相关技术，可提供极高的相位噪声测试灵敏度，创新的基于数字解调的测量方式提供极优的测量速度。FSWP通过配置相关选件，单表可完成连续波相位噪声测量、脉冲相位噪声测量以及附加相位噪声测量。

08卫星信号产生与分析

卫星信号的格式丰富多样。常见的有基于单载波调制的格式，其在信号传输过程中仅依靠单个载波来承载信息，具有结构相对简单、功率利用效率较高等优势，在早期卫星通信以及部分对信号处理复杂度要求较低的场景中应用广泛。同时，DVB(数字视频广播)格式也是卫星信号常见格式之一，它专门为数字视频广播业务设计，涵盖了 DVB - S、DVB - S2 等多种标准，具备出色的视频传输性能和灵活的系统配置能力，在全球范围内的卫星电视广播等业务中得到了极为广泛的应用。另外，基于正交频分复用(OFDM)的卫星信号格式近年来愈发受到青睐，它将高速数据流分割成多个低速子数据流，并分别调制到多个相互正交的子载波上进行传输，能有效抵抗多径衰落和频率选择性衰落，显著提升频谱利用率，在卫星宽带通信等需要高数据速率传输的领域发挥着重要作用。这些格式的信号产生和分析都可以利用罗德与施瓦茨公司的超宽带信号源SMW200A和频谱与信号分析仪FSW来进行。

1单载波卫星数字调制信号

SMW Custom Digital Modulation功能能够生成各种自定义的数字调制信号，允许用户根据特定需求设计和实现自己的调制格式。这种灵活性使得SMW能够支持多种自定义数字调制，用户可以通过图形界面或编程接口定义调制参数，包括调制类型、符号率、滤波器类型等，从而满足不同应用场景的需求。FSW K70选件是对常见的自定义数字调制信号进行分析，可以进行信号符号速率、调制方式、均衡等各项参数的设置，可轻松读解调信号，实现EVM、BER、相位误差、幅度误差、载波频偏等测量，实现星座图的显示。

2DVB卫星信号

罗德与施瓦茨矢量信号源SMW200A支持DVB-S/S2/S2X/RCS2等多种数字视频广播卫星调制标准信号的产生。而DVB-S2X 信号针对有效载荷和帧头部分使用不同的调制方案。可以使FSW-K70 数字调制分析选件和K70M多调制标准分析扩展功能分析同一帧信号中不同调制方式信号。根据此配置，R&SFSW 会根据同样的 I/Q 数据解调 DVB-S2X 信号帧头和有效载荷数据，并在不同的窗口中分别显示性能参数和星座图等。

FSW-K70M进行DVB-S2X 信号的解调分析

3OFDM卫星信号的解调

OFDM调制信号体制常见于近年来低轨卫星信号，是一种区别于单载波调制技术的特殊的多载波调制技术。罗德与施瓦茨公司针对自定义的OFDM信号调制与分析，推出了SMW-K114、FSW-K96 OFDM信号调制分析选件。为了最大限度的支持自定义ODFM信号结构，K96选件提供一组Matlab编程环境下的功能函数，根据提供的定义和格式要求，用户需要按照自定义的OFDM信号产生一个OFDM信号结构描述文件，通过导入此文件，完成对应OFDM信号的解调分析。而产生的OFDM信号结构描述文件，也可以用于产生适用于罗德与施瓦茨公司的矢量信号源SMW200A的波形文件，产生相应的OFDM调制射频信号。

利用FSW K96进行自定义OFDM信号分析

总结与展望

卫星通信和相应的测试技术在过去几十年中经历了显著的发展。最初的5G NR最初被设计为基于地面的公共陆地移动网络。3GPP Rel-17在5G中引入NTN，从而实现了移动通信技术从地面到太空的飞跃。基于卫星的通信。从长远来看，在通往未来的6G演进之路上，我们也许将涵盖从室内小基站、城市宏基站和大功率高塔伞形基站到低空/高空平台，最后到太空中的LEO和GEO星座的各种系统模型。

综上所述，我们正在经历卫星通信由高轨到低轨的蓬勃式发展时代，挑战与机遇并存。罗德与施瓦茨愿与从业者一起迎接新的测试挑战。

罗德与施瓦茨业务涵盖测试测量、技术系统、网络与网络安全，致力于打造一个更加安全、互联的世界。 成立90 年来，罗德与施瓦茨作为全球科技集团，通过发展尖端技术，不断突破技术界限。公司领先的产品和解决方案赋能众多行业客户，助其获得数字技术领导力。罗德与施瓦茨总部位于德国慕尼黑，作为一家私有企业，公司在全球范围内独立、长期、可持续地开展业务。