衛星通信地球站收發射頻設備技術性能指標淺釋（三）
—— 地球站接收設備性能指標淺釋

甘仲民（解放軍理工大學通信工程學院，南京 210007）

衛星通信地球站收發射頻設備技術性能指標淺釋（三）
—— 地球站接收設備性能指標淺釋

甘仲民
（解放軍理工大學通信工程學院，南京 210007）

射頻設備，包括天線、接收機、發射機，是衛星通信地球站的重要組成部分，決定了通信鏈路的傳輸性能，為了保證好的通信質量、可靠性和電磁兼容性，對RF設備給出了嚴格的規定，構成了一整套技術指標體系，本講座將闡明這些指標的定義和內涵，并給出案例。

衛星通信；地球站；射頻設備；技術性能指標

1　引言

地球站接收設備的任務是接收來自衛星的射頻信號，經放大后送到后置的解調器和譯碼器處理，還原為基帶信號。其特點是：

（1）低噪聲性能。來自大氣、地球等的熱噪聲和接收機內部的噪聲，是制約接收靈敏度的因素，當地球站接收天線尺寸一定時，應盡可能減少接收機的內部噪聲，以保證接收系統具有足夠高的靈敏度，即接收微弱信號的能力。

（2）高增益。從衛星發來的信號，經約40，000千米的距離傳送到達地球站時，因巨大的自由空間傳播衰減和其他衰減，變得極其微弱，要放大到足夠高的電平，除接收天線增益外，要求接收設備具有很高的增益。

（3）寬頻帶。通常每一地球站工作時僅接收衛星某一或某幾個轉發器的信號，但要求接收設備的前端（低噪聲放大器及變頻前）一般應覆蓋相應衛星的通信頻段帶寬，以便于放大所分配的衛星上任一轉發器內的頻率的信號。

（4）外差變頻體制。為了獲得高增益和高靈敏度、好的信號選擇性和電路的標準化，采用一次或二次變頻體制是合適的選擇。

如圖1所示，地球站射頻接收設備主要包括低噪聲前端（放大器）和下變頻器模塊，前者的主要功能是將微弱信號放大，后者的功能是將微波信號進行頻率變換，變成中頻信號，而保持原有的信息。下面分別介紹其主要的技術性能指標。

圖1　地球站射頻接收設備的基本組成

2　低噪聲前端技術指標

（1）頻率范圍

如前文所述，通常地球站接收低噪聲放大器的工作頻率范圍與衛星標準頻段是一致的，這已在第一講的總技術指標中明確。

（2）增益和增益平坦度

低噪聲放大器應能將信號放大到足夠高的電平，以滿足下變頻器接口的要求。增益即功率放大倍數，常用分貝數表示，地球站低噪聲放大器增益的典型值為50～60dB。在放大器的整個頻率（數百兆赫）范圍內，其增益-頻率特性不可能是理想平直，而是有起伏的，當放大寬帶信號時，可能因此而產生失真，故應對增益平坦度有一定的要求，即在全頻段或任意的某一頻段（如幾十兆赫）內，最大增益與最小增益之差不超過某一數值。如某C，Ku低噪聲放大器的全頻段的增益平坦度為±0.5dB；任一40MHz帶內的增益平坦度為±0.2dB。

（3）噪聲溫度

在物理學中，熱噪聲是傳導媒質中電子隨機運動時釋放的電磁能量，通常用絕對溫度來描述，其頻譜分布在極寬的頻率范圍內，對微波信號是一種干擾。在微波放大器中，除熱噪聲外，還有其他噪聲來源，如微波場效應晶體管中的谷間散射噪聲等。為方便，統統用等效噪聲溫度（T）來衡量其大小，此外，也常有用噪聲系數（F）來表示的，二者的關系是

式中，T0是室溫，通常取290K（絕對溫度）。

接收設備中，下變頻器也產生噪聲，但低噪聲放大器是起決定作用的。這是因為信號及放大器中的噪聲功率經高增益放大后，其電平遠高于下變頻器所產生的噪聲，后者的影響便可以忽略不計；當然，這是以下變頻器的噪聲性能在某些可接受的范圍內為前提的。

現回到第一講關于系統指標中接收系統（G/T）值的評估。接收設備中以低噪聲放大器為主導的噪聲稱為內部噪聲，與天線噪聲及饋線損耗所產生的噪聲組成了接收系統的噪聲（見圖2），以圖2中的A點為參考，其總噪聲溫度由式（3）求得

圖2　接收系統噪聲溫度的組成

接收系統的（G/T）值用分貝表示時，按式（4）計算

式中，［GR］（dB）為接收天線增益，其余已在圖1中注明。

［例］工作于C頻段的地球站，已知用于接收時天線增益［G ］=38.2dB，［L］=0.25dB，T=40K，T=35K

利用式（3）求得

TS=40+（1.059-1）290+35=92K

再利用式（4）求得

［G/T］=38.2-0.25-10og92=18.35（dB/K）

（4）波比（輸入、輸出）

低噪聲放大器的輸入、輸出口分別與天線雙工器和下變頻器相連接，良好的匹配對保證放大器低噪聲性能和增益平坦度是至關重要的；此外，反射將引起電路傳輸相位特性的失真，解調性能惡化，因此，其輸入、輸出口的駐波比都要有較嚴格的要求。

（5）出功率（1dB壓縮點）

這是與放大器動態范圍有關的一個參數。通常地球站低噪聲放大器接收并放大衛星所有轉發器的信號，與不同口徑天線組合時，所放大的信號功率電平是不同的，這就需要在一定電平范圍內的信號功率獲得有效的放大而不過載。如圖3所示，輸入功率增大到一定程度后，放大器將出現非線性，增益下降，當放大器的線性增益下降1dB時的輸出功率，稱為1dB壓縮點輸出功率，是放大器輸出功率的上限。所謂動態范圍（DR），是指用分貝表示時1dB壓縮點輸入功率（［Pin，1dB］）與最小可檢測信號電平（MDS）之差

［DR］=［Pin，1dB］-［MDS］（5）

圖3　放大器的輸入-輸出轉移特性

（6）階互調輸出截點

這個指標是用來描述放大器的線性性能的，在第四講中將做進一步說明。

（7）時延特性

根據ITU-R V.662-3建議，群時延是指若干頻率中的最高和最低頻率通過器件、電路或者系統的傳輸時間差?？梢赃@樣理解，信號通過器件、電路或系統時，將產生附加的相移，此相移隨不同頻率而變，稱之為相-頻特性。

例如：一種濾波器的相位-頻率特性如圖4所示，設某一中心角頻率為ω的信號經傳輸后，以其為中心的一小組頻率Δω產生的相位滯后為Δθ，當Δω相對于ω足夠小時，按導數定義，便有

圖4　一種濾波器的相位-頻率特性和群時延

還要指出，對于ω本身所產生的相位滯后為θ，相應的相位時延是

從物理意義來看，群時延實際上是信號包絡的時延，為便于理解，我們用調幅信號作為例子來說明。

式中，E（t ）=（1+mcosωmt）為包絡函數；ωc為載波角頻率；ωm為調制角頻率；m為調制指數，0≤m≤1。

f（t）還可進一步表為

信號f（t）經電路傳輸后的輸出為（推導過程略）

u（t ）=［1+mcosωm（t-τ0）］cosωc（t-Tp）

可見，載波頻率引入了相位時延TP，而調幅波包絡的θ時（ω延）=為-τ0ω。這-θ個0結論，對于由調制包絡和正（余）弦載波構成的信號都是成立的。

如上文所述，當傳輸電路的相-頻特性為理想的線性關系時，群時延為一常數，這樣，輸出信號相對于輸入信號只產生一恒定的時延，對信號的正確檢測沒有影響。實際上，通常濾波器的相-頻特性不是理想的線性，舉例說，圖5給出0.1dB等波紋契比雪夫低通原型濾波器的幅-頻與群時延特性。電路的相-頻特性的非線性將導致信號波形的失真（見圖6），并使符號之間出現干擾，從而使信噪比（Eb/N0）惡化，數字通信中的誤比特率增加。

通常群時延特性可利用儀表測量來獲得，所得到的曲線可分解為一次項、二次（拋物線）項和波動分量，技術指標分別明確對其要求。圖7是在濾波器的幅-頻特性平坦的前提下，群時延分別是拋物線和立方形，誤比特率為10-6時由于濾波畸變而必需增加的Eb/N0。

圖7　濾波器的幅頻特性是平坦的，相位特性分別是拋物線及立方形時，由濾波畸變使QPSK，BPSK信號有效Eb/No的增加量（性能降低量）

圖5　契比雪夫濾波器的幅頻特性與相位特性

圖6　群時延失真引起的脈沖波形的失真

（8）幅-相變換（AM/PM）

放大器的幅-相特性是指信號在不同的輸入電平時引入的附加相移，一般在較低的信號輸入功率所產生的附加相移是不大的，然后隨著輸入功率的增加而加大，就是說幅-相特性存在著非線性，它與上面所講的相-頻特性的非線性是不同的。二者的因變量都是相位，但自變量則分別為輸入功率（對于AM/PM）和頻率（對于相-頻特性）。通常是用幅-相變換系數作為技術指標，即某一輸入或輸出功率點處，相應一小功率增量所產生的相位增量（°/dB）。

（9）增益穩定性

衛星轉發器中分配給各載波的功率是一定的，相應地，各地球站接收到的載波功率也應嚴格一定，在工作過程中，放大器的增益應保持穩定，通常要對下述兩種情況提出要求：

恒溫下的增益穩定度：分別規定在10分鐘、24小時和1周內，放大器的增益變化應在一定范圍內。

溫度變化時的增益穩定度：在額定工作溫度范圍（例如-40℃～+70℃）內，規定溫度每變化1℃時、或在某一溫度范圍內，增益的變化不超過某一數值。

（10）最大輸入功率

放大器要具有一定的承受功率的能力，用下列門限衡量：

損壞門限：在此功率電平上，放大器不損壞。

靈敏度門限：發射機的泄漏功率，有可能使低噪聲放大器產生“阻塞”而導致對接收信號的抑制，要設定某一門限，僅當超過此門限時，才出現接收靈敏度的降低。

（11）接頭

輸入端：一般低噪聲放大器的輸入口是波導型的，以便于與雙工器的連接，工作于不同頻段，波導橫截面的尺寸是嚴格規定的。

輸出端：一般低噪聲放大器的輸出口是同軸型的，以便于通過同軸電纜與下變頻模塊連接。同軸接頭包括阻抗和類型（如N型或其他），通用產品通常是標準化的。

接頭還應有足夠的功率承受能力，如表1所示。

表1　一種C頻段低噪聲放大器的性能技術指標

圖8　放大器的噪聲性能

3　下變頻器

下變頻器的用途是將低噪聲放大器輸出的微波信號下變頻為中頻信號，以便于進行解調。在地球站中通常采用二次變頻方案，以獲好的選擇性和靈活性。其基本組成如圖9所示。

圖9　下變頻器的基本組成

為了通用化，一般第一中頻采用標準的L頻段（945MHz～1450MHz）；第二中頻為70MHz或140MHz。也有的下變頻器輸出為L頻段，再送到解調器做進一步處理。由于第一次變頻是將低噪聲放大器送來的、涵蓋衛星所有轉發器的信號變頻輸出，而對于具體的用戶地球站（終端）來說，僅需選取出某一轉發器的某一路或某幾路信號，故第二本振通常采用頻率合成器，來滿足對選頻的要求。

下變頻器的主要技術指標及其含義詮釋如下：

（1）射頻輸入

頻率范圍：應滿足地球站總體指標的要求，即與衛星下行頻率范圍相匹配。

接頭：一般采用標準的5 0Ω接口，可選用SMA-F（陰）型或N-F型。

駐波比：要保證與低噪聲放大器輸出口有良好的匹配。

（2）中頻輸出

頻率：采用標準的中頻（70±20MHz或140± 40MHz）。

輸出功率：一般規定1dB增益壓縮點的輸出功率。

接頭：一般采用50Ω接口，采用BNC-F（陰）型。

頻合器步進級：明確中頻可調的頻率最小間隔。

駐波比：要保證與解調器輸入端口有良好的匹配。

（3）變頻增益及增益調整能力

要能將變頻后的中頻信號放大到足夠的功率電平，并可適當調節，滿足解調器的輸入要求。增益調節包括調節范圍和步進級。

（4）頻率響應

即幅-頻響應（增益-頻率響應），通常要求全頻段和每小段（如每40MHz）范圍內，增益變化不超過某一數值。

（5）增益穩定性

包括恒溫（如25℃）下和工作溫度范圍（如0℃～40℃）內，增益變化在規定的數值內。

（6）噪聲系數

如上述，下變頻器對接收系統的噪聲性能的影響不是關鍵的，但也應有適當的要求，因為過高的噪聲電平會占去中頻放大器的功率，也是有害的。

（7）群時延

其含義已在講座（一）中所述。

（8）諧波

下變頻器中的混頻器是一種非線性器件，混頻時會伴隨產生本振和信號的各種組合頻率和諧波分量，是不希望出現的，

（9）相位噪聲

相位噪聲是本振信號（單頻）相位受熱噪聲等調制引起的隨機起伏。相位的時間變化率便是頻率，即相位噪聲導致瞬時頻率偏離標稱頻率。圖10是理想振蕩器與實際振蕩器的頻譜圖。相位噪聲功率譜密度的分布和大小，是振蕩器頻譜純度的度量，通常用幾處具有代表性偏離載波頻率點（100Hz，1kHz，10kHz，100kHz，1MHz）的相對功率譜密度（dBc/Hz）來表示。

圖10　理想和實際振蕩器的頻譜

對于數字信號的傳輸來說，相位噪聲干擾了載波恢復環路的鎖定，并且由于載噪比惡化而使誤比特率增加；對QPSK等多進制移相鍵控信號矢量的相角發生瞬時變化，當落入相鄰的相位區時就會產生錯誤判決。圖11是不同相位噪聲分布區對不同通信方式的影響。

圖11　不同相位噪聲分布區對不同通信方式的影響

（10）寄生（雜散）信號

變頻器中的混頻器是一種非線性器件，混頻時會伴隨產生各種組合頻率分量，有關于載波和非載波的，要求其電平足夠低，不會對有用信號產生影響。

（11）三階互調產物

如圖12所示，當混頻器輸入f1，f2時，在輸出所希望的fIF1（=f1-fLO），fIF2（=f2-fLO）之外，由于混頻器的非線性，還有下列稱之為三階互調產物的輸出

這些頻率之間的間隔是

由于這些互調產物與有用信號之間靠得很近，可能落入有用信號帶內，造成干擾，因此要求其電平足夠低，通常規定在某一輸出功率時，用低于有用的中頻信號的相對功率電平（dBc）來表示。

圖12　下變頻器輸出的中頻和互調產物

（12）頻譜敏感性

這是保證變頻后無頻譜翻轉（倒置）的指標。所謂頻譜翻轉，是指輸出信號頻譜上、下位置互易。當fS＞fL時，此現象不會發生；反之，當fS＜fL時，將出現頻譜翻轉。以圖13所示的兩路信號為例，此時的中頻信號輸出排列順序與射頻相反，如果這兩路信號是分別傳送給兩個用戶的，將發生錯收，這是多路信號工作時需要避免的。

圖13　頻譜倒置的產生

（13）參考源

一般上、下變頻器中都同采用一個高穩定度的晶體振蕩器作為本振（頻率合成器或鎖相振蕩器）的參考源，其性能對本振性能水平是至關重要的。對參考源的主要要求包括振蕩頻率、頻率穩定度、相位噪聲等。

表2　一種C頻段下變頻器性能技術指標

注：ppm=10-6；1E-8=10-8。　

［1］甘仲民，張更新，王華力等.毫米波通信技術與系統.北京：電子工業出版社，2003

［2］Behzad Razavi. RF Micoelectronics. NJ：Prentice Hall PTR.1998

［3］J.J.斯普里凱爾著.白延隆，李道本等譯.數字衛星通信.北京：人民郵電出版社，1980

Introduction of Technical Performance Specification for Receiving-Transmitting RF Equipment of a Satellite Communications Earth Station （Part 3）-- Introduction of Technical Performance Specification for Receiver of Earth Station

Gan Zhongmin
（Institute of Communication Engineering， PLAUST， Nanjing， 210007）

RF equipment， including antenna and transceiver， is an important part of a satellite communications earth station. It determines the performance of a communication link. To guarantee good communication quality，reliability and electromagnetic compatibility， strict regulations for RF equipment are made， and a complete set of technical performance specifications is constructed. In this series of lectures， we will explain definitions and content of these technical specifications， and give examples in practical applications.

satellite communications； earth station； RF equipment； technical performance specification

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.03.001

TN927+.2

A

1672-7274（2015）03-0001-07