衛(wèi)星地球站電磁環(huán)境噪聲的自動化測試設(shè)計

夏 偉，沈小青，施 柳，王 玨

(1.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431；中鐵上海局有限公司，上海 200434)

0 引言

電磁環(huán)境可控是衛(wèi)星地球站設(shè)備正常工作的必要前提。信噪比是衡量通信接收機能否準確接收解調(diào)信號的關(guān)鍵指標。因此，各種噪聲對系統(tǒng)的影響成為亟待研究和解決的問題[1-3]。相關(guān)研究表明，大氣損耗每增加1 dB，噪聲溫度就會相應(yīng)增加55 K。對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，天線噪聲溫度約為60 K，低噪聲放大器等效噪聲溫度約為50 K。因此，參考系統(tǒng)自身噪聲溫度門限，外部電磁環(huán)境的噪聲估算偏差將會對系統(tǒng)實際性能的準確評估產(chǎn)生明顯影響[4-5]。除大氣損耗噪聲以外，外部環(huán)境還包括雨霧、太陽、黑體和銀河系等多種背景噪聲。這些背景噪聲在特定條件下都會對衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路產(chǎn)生影響。尤其是在深空探測應(yīng)用中，外部環(huán)境噪聲的測量與計算將成為深空衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計的重要參考依據(jù)。因此，開展電磁環(huán)境噪聲的監(jiān)測技術(shù)研究具有重要意義[6-9]。

針對上述問題，本文借鑒微波噪聲Y系數(shù)測量原理，構(gòu)建了天線輸出端等效噪聲溫度測量模型，并對測量模型進行了不確定度評定。在此基礎(chǔ)上，通過Excel軟件和VBA編程完成了電磁環(huán)境噪聲的自動化測試設(shè)計，并通過監(jiān)測試驗對測量效果進行了驗證。

1 電磁環(huán)境噪聲的測試原理

目前，電磁環(huán)境噪聲測試方法主要參考技術(shù)規(guī)范為GB 13615—2009《地球站電磁環(huán)境保護要求》。電磁環(huán)境噪聲測試原理如圖1所示。

圖1 電磁環(huán)境噪聲測試原理圖

根據(jù)無線電噪聲測量原理，電磁環(huán)境噪聲測試方法在較低功率噪聲條件下，存在測試結(jié)果可靠性不高的問題。產(chǎn)生該問題的原因是當干擾噪聲功率較小時，測試系統(tǒng)中測試天線、低噪聲放大器和頻譜分析儀自身引入的噪聲影響難以消除，從而對測量結(jié)果產(chǎn)生明顯影響[10]。

為解決上述問題，本文提出一種基于Y系數(shù)法的電磁環(huán)境噪聲測試方法。基于Y系數(shù)法的電磁環(huán)境噪聲測試原理如圖2所示。

圖2 基于Y系數(shù)法的電磁環(huán)境噪聲測試原理圖

如圖2所示，當?shù)驮肼暦糯笃鬏斎攵私犹炀€時，頻譜分析儀測得的噪聲功率為：

Nant=kBG(Tan+Te)

(1)

式中：Nant為系統(tǒng)熱態(tài)噪聲功率；k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.380 649×10 J/K；B為系統(tǒng)帶寬；G為放大器增益；Tan為天線等效輸出噪聲溫度；Te為接收機等效噪聲溫度。

當?shù)驮肼暦糯笃鬏斎攵私映刎撦d時，頻譜分析儀測得的噪聲功率為：

Nload=kBG(Tload+Te)

(2)

式中：Nload為系統(tǒng)冷態(tài)噪聲功率;Tload為常溫負載噪聲溫度。

根據(jù)Y系數(shù)的噪聲測量原理，可得：

(3)

通過式(3)即可得天線等效輸出噪聲溫度的測量模型：

Tan=Y(Tload+Te)-Te

(4)

接收機等效輸入噪聲溫度測試原理如圖3所示。天線輸出端主要設(shè)備包括低噪聲放大器、衰減器以及測試頻譜儀。

圖3 接收機等效輸入噪聲溫度測試原理圖

接收機等效輸入噪聲溫度Te可表示為：

kBGATe=kBGATe1+kBATe2+kBTe3

(5)

式中：Te1為放大器等效輸入噪聲溫度；Te2為衰減器等效輸入噪聲溫度；A為衰減；Te3為頻譜儀等效輸入噪聲溫度。

則有：

(6)

對于電磁環(huán)境噪聲測量應(yīng)用，噪聲信號通常都很微弱。因此，G較大而A較小。則式(6)后兩項可忽略。故Te主要由Te1決定，即Te≈Te1。

對于多個設(shè)備級聯(lián)的系統(tǒng)，若第一級的功率增益G很高，則Te可直接使用Te1估計，即Te1=TLNA。因此，天線輸出端等效噪聲溫度測量模型為：

Tan=Y(Tload+TLNA)-TLNA

(7)

式中：TLNA為低噪聲放大器噪聲溫度。

2 電磁環(huán)境噪聲的測量不確定度

在物理量的實際測量中，無論是直接測量還是間接測量，由于測量儀器、方法以及外界條件的影響等因素的限制，使得測量值與真實值之間存在差值。為了實現(xiàn)對測量結(jié)果的準確度和可靠性評估，有必要對測量不確定度進行分析。測量不確定度定義為：與測量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，表征合理地賦予被測量值的分散性。為便于表述，一般以u表示不確定度分量、uc表示合成標準不確定度。

由天線輸出端等效噪聲溫度測量模型可知，不確定度測量屬于間接測量，且各輸入量之間互不相關(guān)。則根據(jù)不確定度傳播規(guī)律，輸出量的合成標準不確定度為：

(8)

通過偏導數(shù)，求得：

(9)

(10)

(11)

式中：u(Nant)為頻譜儀信號功率的測量標準不確定度。

當使用對數(shù)單位表示時，Y=Nant-Nload。

由于使用同一臺頻譜儀測得Nload和Nant，因此兩者相等，即u2(Nload)=u2(Nant)。則：

(12)

以德國R&S公司FSV頻譜儀為例，其刻度線性度引入的標準偏差為0.03 dB，則其相對電平測量的標準不確定度為u(Nant)=0.03 dB。

對數(shù)單位換算為線性單位，則有u(Y)≈1.0%。把上述分量代入式(8)，可得電磁環(huán)境噪聲測量標準不確定度為：

uc(Tan)≈

(13)

3 電磁環(huán)境噪聲的自動化測試設(shè)計

電磁環(huán)境噪聲測試在地球站的選址和日常維護中都有應(yīng)用。由于測試過程持續(xù)時間較長、測試數(shù)據(jù)較多，人工記錄存在測試效率低下的問題。因此，開展電磁環(huán)境噪聲的自動化測試對提高測試效率具有積極意義[11-13]。根據(jù)第1節(jié)電磁環(huán)境噪聲的測試原理，自動化測試系統(tǒng)包括自動化測試流程設(shè)計，以及噪聲數(shù)據(jù)和天線指向查詢處理兩個方面。

這些測試程序基于Excel軟件和VBA編程實現(xiàn)。儀器驅(qū)動選擇Agilent IO Libraries Suite。

(1)自動化測試流程設(shè)計。

自動化測試主要完成電磁環(huán)境噪聲信號的采集。自動化測試流程如圖4所示。

圖4 自動化測試流程圖

①系統(tǒng)連接。系統(tǒng)連接主要完成測試計算機和測試儀器的總線連接，并對系統(tǒng)測試參數(shù)進行初始化，包括測試頻率范圍、分辨率帶寬、參考電平和輸入衰減等參數(shù)。

②系統(tǒng)校準。系統(tǒng)校準主要完成系統(tǒng)冷態(tài)噪聲功率和負載溫度的測量，即低噪聲放大器輸入端接常溫負載時的噪聲功率。

③噪聲測試。噪聲測試主要完成天線在各個方向的系統(tǒng)熱態(tài)噪聲功率測量。由于該過程需動態(tài)調(diào)整天線指向，因此測試時間持續(xù)時間較長。

(2)噪聲數(shù)據(jù)和天線指向查詢處理。

由于天線伺服控制為獨立系統(tǒng)，在噪聲測試階段缺乏實時獲取天線方位俯仰數(shù)據(jù)的通信接口，只能通過事后查詢系統(tǒng)日志獲得。因此，需通過時間對齊把天線指向和噪聲數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)。噪聲數(shù)據(jù)和天線指向查詢流程如圖5所示。

圖5 噪聲數(shù)據(jù)和天線指向查詢流程圖

4 電磁環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的測試驗證

為驗證電磁環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的性能，以某型衛(wèi)星地球站設(shè)備為例，開展測試驗證試驗。其中，測試頻譜儀選擇R&S-FSV系列。地球站工作頻段為S頻段，中頻輸出中心頻率為70 MHz，帶寬為20 MHz。

首先，對電磁環(huán)境噪聲監(jiān)測進行需求分析。電磁環(huán)境噪聲監(jiān)測需求分析如表1所示。

表1 電磁環(huán)境噪聲監(jiān)測需求分析

其次，根據(jù)監(jiān)測需求分析參數(shù)，開展電磁環(huán)境噪聲監(jiān)測試驗。電磁環(huán)境噪聲監(jiān)測主要包括電磁環(huán)境噪聲信號原始數(shù)據(jù)的采集，以及天線各方位俯仰條件下的環(huán)境噪聲溫度計算。電磁環(huán)境噪聲監(jiān)測結(jié)果如表2所示。

表2 電磁環(huán)境噪聲監(jiān)測結(jié)果

①電磁環(huán)境噪聲溫度。

轉(zhuǎn)化為線性單位，則Y≈1.194 8。由表2可知，TLNA=45 K、Tload=318.5 K、Tan=1.194 8×(45+318.5)-45≈388.9 K。

②測量結(jié)果的擴展不確定度。

電磁環(huán)境噪聲測量標準不確定度為uc(Tan)≈3.8 K。

擴展不確定度為U=2uc(Tan)≈7.6 K，k=2。

③采樣速度和空間分辨間隔典型值分析。

電磁環(huán)境噪聲功率的采樣速度不低于5幀/s。當天線按3.1°/s速度轉(zhuǎn)動時，5°間隔過渡時間為1.6 s，可得5°分辨間隔內(nèi)的噪聲采樣幀數(shù)為8幀，可以滿足一般測量重復(fù)性要求。進一步降低天線轉(zhuǎn)速，則可以實現(xiàn)空間分辨間隔≤5°。此時，監(jiān)測時長也會相應(yīng)增加。

5 結(jié)論

本文提出一種衛(wèi)星地球站電磁環(huán)境噪聲的測試方法，通過計算機自動采集頻譜分析儀測量的噪聲功率值和天線運行軌跡，實現(xiàn)了地球站天線周邊空間電磁環(huán)境噪聲溫度的自動測量和不確定度評估。與標準規(guī)范推薦方法相比，由Y系數(shù)法噪聲測量原理可知，本文所述方法可以去除低噪聲放大器和頻譜分析儀自身噪聲對測量結(jié)果的影響，對于提高低噪聲條件下的電磁環(huán)境噪聲功率測量準確度具有積極意義。通過對實測過程中影響測量結(jié)果的不確定度分量進行評估，給出了電磁環(huán)境噪聲溫度監(jiān)測結(jié)果的不確定度評定方法。試驗結(jié)果表明，在噪聲功率采樣速度≥5幀/s、空間監(jiān)測分辨間隔≤5°的條件下，系統(tǒng)電磁環(huán)境噪聲的測量不確定度urel=2.0%，k=2。該研究對于電磁環(huán)境噪聲的監(jiān)測質(zhì)量評估具有借鑒意義。