衛(wèi)星寬帶中頻調(diào)制解調(diào)器測試平臺設(shè)計

呂國成，周 益，金 野

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

衛(wèi)星寬帶中頻調(diào)制解調(diào)器測試平臺設(shè)計

呂國成1，周 益2，金 野1

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

為實現(xiàn)寬帶衛(wèi)星中頻調(diào)制解調(diào)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(jié)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(shù)字邏輯分析儀等)，設(shè)計了基于EVM檢測的衛(wèi)星寬帶中頻調(diào)制解調(diào)器測試平臺。通過該平臺，能直觀、實時分析調(diào)制、解調(diào)器的EVM值。通過EVM分析，給出中頻調(diào)制、解調(diào)器的優(yōu)化方向，為寬帶調(diào)制、解調(diào)器的研究提供了有力的支撐，促進了寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的科研及教學發(fā)展，提高了大型儀器的使用效率。

衛(wèi)星通信； 中頻調(diào)制解調(diào)器； 誤差矢量； 大型儀器

0 引 言

大型精密測試儀器設(shè)備是實驗室進行科學研究的重要基礎(chǔ)，特別是在通信領(lǐng)域，大型儀器的使用為信號的產(chǎn)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(jīng)費的支持下，購買了Agilent(安捷倫)公司生產(chǎn)的E4438C信號源、E4440A PSA 頻譜分析儀、16803A數(shù)字邏輯分析儀等大型儀器。這些儀器被廣泛應(yīng)用于地面無線信號的產(chǎn)生及測量。但是在衛(wèi)星信號處理領(lǐng)域?qū)Υ笮驮O(shè)備儀器的使用提出新的需求，提高大型儀器設(shè)備在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的使用效率，使得大型設(shè)備儀器發(fā)揮更大的效益成了亟待解決的問題[1-5]。

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信在軍事通信、應(yīng)急通信、數(shù)字電視廣播等重要領(lǐng)域得到越來越深入的應(yīng)用，衛(wèi)星通信朝著高速、寬帶、移動衛(wèi)星通信方向發(fā)展[6-9]。衛(wèi)星通信從傳統(tǒng)的L/C頻段延伸至Ku、Ka頻段，占用越來越寬的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬(36、54、72 MHz等)，使用更高階調(diào)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(diào)制方式的應(yīng)用對衛(wèi)星中頻調(diào)制、解調(diào)器性能提出了更高要求，研究寬帶、高性能中頻調(diào)制解調(diào)器成為衛(wèi)星通信核心。因此，對衛(wèi)星中頻調(diào)制、解調(diào)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(tǒng)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(diào)制解調(diào)器性能，但是不能指導調(diào)制解調(diào)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(diào)制解調(diào)器測試平臺。通過測試調(diào)制解調(diào)器EVM值，快速、直觀地分析中頻調(diào)制解調(diào)的性能，同時為調(diào)制解調(diào)器的性能的優(yōu)化提供了方向。該測試平臺的應(yīng)用，有效地提高了對中頻調(diào)制解調(diào)器性能研究，顯著加快衛(wèi)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(shè)計及組成

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，中頻調(diào)制、解調(diào)器完成基帶信號至中頻信號(L/C)的變換，中頻調(diào)制解調(diào)器是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中重要的信道設(shè)備，其性能很大程度上決定了整個衛(wèi)星鏈路的傳輸性能[10]。特別在高速寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，高階調(diào)制方式要求更高的信噪比[11-12]，對調(diào)制解調(diào)器的性能提出了更高的要求。研究和實現(xiàn)寬帶高性能中頻調(diào)制解調(diào)器是實現(xiàn)寬帶衛(wèi)星通信的關(guān)鍵，而對調(diào)制解調(diào)器性能的快速測試及驗證是這一研究的基礎(chǔ)。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(wèi)星系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的對中頻調(diào)制解調(diào)器性能的測試主要是對誤碼率的測試，需要標準的信源發(fā)送已知的序列，通過中頻調(diào)制解調(diào)設(shè)備后，接收端完成數(shù)據(jù)恢復，根據(jù)已知序列統(tǒng)計錯誤比特，完成誤碼率測試。如圖1、2所示。

圖1 中頻調(diào)制器性能測試

誤碼率的測試是對中頻調(diào)制解調(diào)器性能指標的定量測試，能夠準確定量反映調(diào)制解調(diào)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(diào)制解調(diào)器的相關(guān)參數(shù)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(diào)制解調(diào)器性能，并通過調(diào)整調(diào)制解調(diào)器相關(guān)參數(shù)，改善EVM值，進一步優(yōu)化調(diào)制解調(diào)器性能。

圖2 中頻解調(diào)器性能測試

1.1測試原理

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)，為提高轉(zhuǎn)發(fā)器功放的使用效率，常用PSK調(diào)制方式(QPSK、8PSK、16APSK、32APSK等)，將待調(diào)制的信息比特映射成相應(yīng)的星座符號。經(jīng)過信道惡化后，接收到信號會偏移原來的發(fā)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(fā)射信號的向量差，能全面衡量調(diào)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(zhì)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(shè)計

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

(1) 調(diào)制性能測試平臺如圖4所示。

圖4 調(diào)制器性能測試平臺

調(diào)制器性能測試平臺主要包括：

① 數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)源由Agilent E4438C生成，通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)(調(diào)制方式、符號速率、濾波器等)發(fā)送基帶I/Q信號，送到調(diào)制器進行正交調(diào)制。

② 調(diào)制器。調(diào)制器屬于待測設(shè)備，將基帶I/Q輸入信號進行正交調(diào)制至L/C中頻。

③ 頻譜分析。頻譜分析由Agilent E4440A完成，調(diào)制器調(diào)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(nèi)平坦度、相位噪聲等指標。

④ EVM分析。Agilent 數(shù)字邏輯分析儀16803A通過網(wǎng)線與E4440A相連，啟動VSA分析軟件，將數(shù)據(jù)輸入連接至E4440A，設(shè)置VSA解調(diào)的相關(guān)參數(shù)(調(diào)制方式、濾波器等)，進行EVM分析。通過EVM值，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，使EVM值最小，進一步優(yōu)化調(diào)制器的性能。

(2) 解調(diào)性能測試平臺如圖5所示。

圖5 解調(diào)器性能測試平臺

調(diào)制器性能測試平臺主要包括：

① 數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)源由Agilent E4438C生成，通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)(調(diào)制方式、符號速率、濾波器等)發(fā)送L/C中頻信號，送到解調(diào)器進行解調(diào)。

② 解調(diào)器。解調(diào)器將輸入的L/C中頻信號正交解調(diào)至基帶。

③ EVM分析。經(jīng)過解調(diào)器的基帶信號，經(jīng)過自行研制的數(shù)字版，經(jīng)過高速AD采樣后送到Agilent 16803A數(shù)字邏輯分析儀，設(shè)置16903A上VSA解調(diào)的相關(guān)參數(shù)(調(diào)制方式、濾波器等)，進行EVM分析。根據(jù)EVM測試結(jié)果，不斷優(yōu)化解調(diào)器參數(shù)，進行反復迭代測試，使EVM值最小，解調(diào)器性能最好。

2 測試平臺應(yīng)用分析

2.1調(diào)制器性能測試

按照圖4調(diào)制器性能測試平臺 連接方式連接，在Agilent 數(shù)字邏輯分析儀中打開VSA軟件，進行相應(yīng)的設(shè)置，如圖6、7所示。設(shè)置相關(guān)參數(shù)后，測試調(diào)制器EVM，如圖8所示。圖中，信號帶寬36 MHz，滾降因子0.35，調(diào)制方式8PSK，測到的EVM=2.183 5%(EVM=-33 dB)。設(shè)調(diào)制方式8PSK的EsN0門限為12 dB，調(diào)制器帶來的損失為0.04 dB。因此，調(diào)制器能夠提供較好的調(diào)制性能。上述EVM分析的結(jié)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(shù)，通過具體調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，使EVM值越小，達到較好的調(diào)制性能。

圖6 VSA輸入源設(shè)置圖7 解調(diào)器參數(shù)設(shè)置

圖8 寬帶調(diào)制器EVM測試結(jié)果

2.2解調(diào)器性能測試

按圖5解調(diào)器性能測試平臺 連接方式連接，在Agilent 數(shù)字邏輯分析儀中打開VSA軟件，進行相應(yīng)的設(shè)置，如圖9、10所示。測試結(jié)果如圖11、12所示。

圖9 邏輯分析儀輸入設(shè)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(diào)時，解調(diào)門限同上，解調(diào)器帶來的損失為0.29 dB，解調(diào)器帶來的損失小，提供較好的解調(diào)性能。與調(diào)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(shù)，通過對解調(diào)器的針對性的調(diào)整，使解調(diào)器得到的EVM值較小，達到最佳的解調(diào)性能。

3 結(jié) 語

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

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

TN 911.6

：A

1006-7167(2017)07-0053-03