通信卫星转发器噪声系数测量的修正方法

杨博 杨冬雪 谢华 马强 刘焕生 高鹏

(1 中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094) (2 中国空间技术研究院西安分院，西安 710100)



通信卫星转发器噪声系数测量的修正方法

杨博1杨冬雪1谢华1马强1刘焕生1高鹏2

(1 中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094) (2 中国空间技术研究院西安分院，西安 710100)

针对现有Y因子法无法精确测量镜像抑制非理想通信卫星转发器噪声系数的问题，提出一种测量的修正方法。通过对转发器镜像抑制度的测量，修正Y因子法的测量结果，得出更为精确可信的噪声系数测量结果，从而为星地通信链路设计及卫星通信性能的评估提供更加可靠的参考依据。理论推导、仿真分析及实测结果均表明：修正方法在一定程度上规避了Y因子法的测量局限性，能大幅提升转发器噪声系数测量的正确性和精确度；而且，被测转发器的镜像抑制度越差，修正方法改善效果越明显，这为整星噪声系数的精确测量提供了一种新的解决思路。

通信卫星转发器；噪声系数；镜像抑制；Y因子法；修正方法

1 引言

转发器是通信卫星的重要分系统之一，也是卫星通信链路中最关键的环节。转发器的主要功能是将天线接收到的微弱信号进行变频、滤波、放大等处理，再经由发射天线转发至地面接收站或者中继卫星。噪声系数是通信卫星转发器的关键技术指标，其影响着卫星接收系统的品质因数(G/T)，决定了有效载荷处理和转发业务信息的能力。在工程应用中，地面发射系统的等效全向辐射功率(EIRP)设计、地面接收系统的灵敏度设计、卫星在轨工作时的增益控制选择，以及实际业务信息的调制方式选取，都与转发器的噪声系数密切相关。因此，在卫星研制过程中对转发器噪声系数的精确测量，对后续的星地系统工程设计与评估都至关重要，具有重要意义[1]。

目前，综合考虑测量成本、方法成熟度及实施便捷性，国内外通信卫星转发器的噪声系数测量大多采用Y因子法完成。文献[2]中详细介绍了Y因子法的理论及测量原理，从建立的模型可以看出，Y因子法理论上仅能精确测量理想单边带变频系统。而实际中，转发器的镜像抑制能力无法达到理想状态，甚至可能较差，此时Y因子法在工程中具有一定局限性，测量结果存在不同程度的失真[3]。为了突破这种局限性，且进一步提高转发器噪声系数测量的可信度和精确度，本文基于现有的Y因子法，提出一种对测量结果的修正方法，通过测量转发器镜像抑制度，修正Y因子法的测量结果，使得最终的测量结果更加真实准确，可为转发器噪声系数的精确工程测量提供新的解决思路，也为星地大系统的综合设计与性能评估提供参考。

2 噪声系数基本概念

2.1 噪声系数定义

线性二端口网络在输入端阻抗匹配时，输入与输出信噪比的比值定义为噪声因子，即

(1)

式中：Si为输入信号功率；Ni为输入噪声功率；So为输出信号功率；No为输出噪声功率；G为系统增益；波尔兹曼常数k=1.38×10-23J/K；T0为室温290K；Bs为系统带宽；网络自身附加噪声Na=GkTeBs，其中，Te为网络的等效噪声温度。

式(1)可进一步表示为

F=1+Te/T0

(2)

噪声系数定义为噪声因子F的对数表达形式[4]，即NF=10lgF。可以看出，转发器的噪声系数表征了信号经过转发之后信噪比的恶化程度。

2.2 卫星转发器的噪声系数

通信卫星转发器主要由宽带接收、输入多工分路、通道控制、功率放大、多路输出合成等部件组成，基本原理如图1所示。

图1 通信卫星转发器原理框图Fig.1 Schematic diagram of communications satellite transponder

由图1可以看出，在宽带接收机中，镜像抑制滤波器置于混频器之前，因此转发器在理论上属于标准变频单边带工作系统。但在实际工程中，由于微带镜像抑制滤波器调试困难，且设计人员往往更关注其工作频带内的插损、群时延和增益平坦度等，因此滤波器的镜像抑制能力很难做到非常理想。这就将造成系统级转发器的下行输出噪声中既包含来自射频工作频段的噪声，也包含来自镜像频段的噪声，总的输出噪声功率会加大，对转发器噪声系数值产生影响。此时，单路转发器的实际噪声因子表达式应该考虑镜像抑制能力不理想带来的影响，其噪声因子表达式修正为

(3)

式中：Gr为射频链路增益；Nor为转发器射频频段引入的输出噪声功率；Nom为镜像频段引入的输出噪声功率；Ti为转发器输入等效温度，假定Ti=T0=290 K；Ter为射频链路的等效噪声温度；B为该路转发器带宽；Gm为镜像链路增益；Tem为镜像链路的等效噪声温度。

实际噪声系数可表示为

NFactual=10lgFactual=

(4)

3 转发器噪声系数测量

3.1Y因子法的测量局限性

目前，通信卫星转发器大多利用Y因子法完成噪声系数的测量，其测量原理如图2所示。

图2 Y因子法原理框图Fig.2 Schematic diagram of Y factor method

定义Y因子为噪声源在加电、断电两种状态下转发器的输出噪声功率之比，即Y=Nh/Nc。通常噪声源都给出某频段的超噪比，定义为ENR=(Th-Tc)/Tc，其中，Th为噪声源加电时的等效噪声温度,Tc为噪声源断电时的等效噪声温度，假设测量时处于室温，即Tc=T0=290 K。Y因子法利用频谱仪测出Y因子，并结合噪声源固有超噪比，计算得出被测转发器的噪声因子与噪声系数[5]。

(5)

NF=10lgENR-10lg(Y-1)

(6)

针对实际工程中镜像抑制非理想的转发器，当用Y因子法测量时，由式(6)可知，测量结果取决于测得的Y因子和噪声源固有超噪比(噪声源产品给出某频段的ENR值)，其中测得的Y因子为

(7)

式中：Nhr与Nhm分别为噪声源加电状态下转发器的射频输出噪声功率和镜像输出噪声功率；Ncr与Ncm分别为噪声源断电状态下转发器的射频输出噪声功率和镜像输出噪声功率[6]。

将式(7)代入式(5)可得Y因子法测量噪声因子的结果为

(8)

通常在室温下测量时，有Tc=Ti=T0=290 K。 对比式(8)和式(3)可以看出，Y因子法的测量结果与转发器实际的噪声因子并非完全相同，且有

(9)

其噪声系数则为

(10)

定义某路转发器的镜像抑制度α(dB)为其镜像链路增益与射频链路增益之差，即α=10lgGm-10lgGr，则式(10)可表示为

NFactual=NFY+10lg(1+100.1α)

(11)

从式(11)可以看出，转发器实际噪声系数与Y因子法测量结果之间存在偏差，且此偏差与转发器镜像抑制度满足一定数学关系，镜像抑制度越差(即α绝对值越小)，偏差越大，Y因子法测量结果失真越严重[7]。

3.2 转发器噪声系数测量修正方法与实现方案

基于第3.1节中的分析，本节对Y因子法进行修正，通过精确测量转发器的镜像抑制度，对Y因子法的测量结果进行补偿，最终得到更为精确有效的转发器噪声系数。本文测量修正方法的实现方案如图3所示，具体测量步骤为：①利用信号源与频谱仪精确测量转发器的射频链路增益与镜像链路增益，算得转发器镜像抑制度，为后续测量结果修正提供参考数据；②将噪声源通过图3中电缆2直连频谱仪的射频输入口，进行测量系统自校准，得出测量链路及频谱仪自身的噪声系数；③将噪声源直连转发器输入口，同时将输出口通过电缆2与频谱仪射频输入口相连，利用Y因子法进行级联系统的噪声系数测量，并结合步骤②中校准结果，通过频谱仪内置算法得出转发器自身的Y因子法测量结果；④利用步骤①中得出的镜像抑制度计算补偿因子，并对步骤③中得出的Y因子法测量结果进行修正，计算得出该路转发器修正后的更为精确有效的噪声系数(NFimproved)。

图3 转发器噪声系数测量修正方法实现框图Fig.3 Implementation diagram of transponder noise figure correction test method

4 仿真分析及工程验证

4.1 仿真分析

根据图1所示转发器基本结构，搭建仿真模型，对不同镜像抑制度下转发器噪声系数的Y因子法测量、修正方法测量及理论值分别进行仿真分析。仿真条件如表1所示，仿真结果如图4所示。

表1 噪声系数仿真条件

图4 噪声系数仿真结果Fig.4 Simulation results of noise figure

从仿真结果可以看出，针对镜像抑制非理想转发器的噪声系数，Y因子法测量结果存在不同程度的失真，镜像抑制能力越差，Y因子法测量结果失真越严重，当镜像抑制度仅为-3.0 dB时，Y因子法测量结果失真达到1.5 dB。修正方法的仿真结果与噪声系数理论值基本相同，误差在0.1 dB以内。因此，修正方法对转发器噪声系数的测量精度改善明显[8]。

4.2 工程验证

本节对一路C频段模拟转发器进行工程实测，以验证前文理论及仿真分析结果。通过对镜像抑制滤波器的调试，改变转发器镜像抑制度，并先后利用Y因子法和本文修正方法对其噪声系数进行测量，并与理论值进行对比。

由于镜像抑制滤波器包含多项性能参数，调试难度较大，因此本节只对3种镜像抑制度下的噪声系数进行实测，测量结果如表2所示。

表2 不同方法下噪声系数测量结果对比

由表2可以看出，当转发器镜像抑制度较好时(优于-15.0 dB)，Y因子法与修正方法的偏差不大，且均较为接近理论值；当镜像抑制度较差时(大于-6.0 dB)，Y因子法失真较为严重(超过1.0 dB)，且镜像抑制度越差，Y因子法测量结果失真越严重。修正方法对Y因子法测量结果的失真进行了有效补偿，使其更为接近理论值。工程验证结果与前文理论与仿真分析结果一致。

综上所述，针对镜像抑制非理想的转发器，Y因子法测量具有局限性，通过对其测量结果进行修正后，可以得到更为精确的转发器噪声系数，能更好地反映出卫星所需的饱和功率通量密度(SFD)性能及输出的下行载噪比，也为卫星通信链路设计提供更为可靠的参考依据，对于星地大系统的设计研制以及后续在轨工作时的业务质量评估，具有重要意义。

5 结束语

通信卫星转发器的噪声系数性能通常利用Y因子法测量，但当转发器镜像抑制不理想时，Y因子法测量结果会存在不同程度的失真。针对这一问题，本文提出了对Y因子法测量结果进行修正的方法。该修正方法通过精确测量转发器的镜像抑制度，对Y因子法测量结果进行修正补偿，得出精确度和可信度更高的转发器噪声系数。仿真与实测结果均表明，转发器镜像抑制越差，Y因子法测量结果失真越严重，修正方法修正效果越明显，测量结果越精确。本文提出的修正方法，对卫星有效载荷的整体设计、地面应用系统的设计、星地通信链路的设计，以及在轨实际业务的设计都具有参考价值，同时也可为其他非航天射频系统噪声性能评估及噪声系数测量方案设计提供技术参考。

References)

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Chen Daoming. Technology of communication satellite payload [M].Beijing: China Astronautics Press, 2001：66-84 (in Chinese)

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Guo Haifan, Chen Jianhua, Chen Xinyou, et al. Noise figure measurement based on power measurement from vector network analyzer [J]. China Measurement & Test, 2014，40(6)： 35-37 (in Chinese)

(编辑：夏光)

Correction Method for Noise Figure Measurement of Communications Satellite Transponder

YANG Bo1YANG Dongxue1XIE Hua1MA Qiang1LIU Huansheng1GAO Peng2

(1 Institute of Telecommunication Satellite, China Academy of Space Technology, Beijing 100094， China) (2 China Academy of Space Technology (Xi’an), Xi’an 710100， China)

In order to solve the problem that the existingYfactor method can’t accurately mea-sure the noise figure of a transponder with unsatisfactory image rejection performance, a correction method is proposed. Based on the measurement of image rejection of the transponder, the measurement result of theYfactor is corrected, therefore the measurement result is more accurate and credible. This measurement result can provide a more reliable reference and basis for the design of the communications link between satellite and the earth as well as the estimate of the satellite communications performance. The theoretical, simulation and experimental results indicate that the correction method avoids the limitation of theYfactor method, and improves the accuracy of the noise figure measurement result. The worse the image rejection is, the more obvious the improvement is. This paper provides a new solution of the accurate measurement of satellite noise figure.

communications satellite transponder； noise figure； image rejection；Yfactor method； correction method

2017-03-21；

2017-05-22

国家重大航天工程

杨博，男，硕士，工程师，从事航天器有效载荷综合测试工作。Email：yb4326010@sina.com。

V416

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.018