基于宽带调制信号的无源互调测试研究

李砚平，黄浩，贺捷

中国空间技术研究院 西安分院 制造中心，西安 710000

微波无源部件中具有非线性电压-电流关系，当输入两个或更多的大功率发射载波时，由于非线性作用，就会出现基本信号频率的线性组合产物落入接收频带内形成互调产物。将这种非线性效应称作无源互调(PIM)现象[1]。

随着通信、气象、导航、地球资源勘测等卫星技术应用的快速发展，一些新的问题出现在大功率多载波通信、导航、直播卫星的预研和研制过程中，其中PIM就是关系到卫星成败的一个新的重要问题。卫星大功率发射系统中，由于PIM产物的幅度远小于发射信号幅度，不会影响发射系统信号的质量。如果互调产物的频率位于接收频率范围内，互调产物就会进入高灵敏度的卫星接收机，互调产物幅度高于接收机门限时，极可能超过接收机的热噪声，干扰卫星通信系统正常工作，甚至造成接收机堵塞，导致卫星通信系统处于瘫痪状态[2]。有源互调可以通过合理配置滤波器，消除有源互调影响，而无源互调与有源互调不同，无源互调产物是一种出现在输出滤波器或其他后端系统的微弱干扰信号，并且与接收信号具有相同或接近的频率，很难通过滤波消除[3]。这个问题引起了通信卫星系统研制产业链的高度关注。

国内外许多卫星用户和研制厂家都非常重视PIM问题的研究工作，而且将PIM作为收发共用有效载荷的一项重要考核指标，其关乎到卫星的成败，越来越受到重视。国外如欧空局(ESTEC)，美国航天局(NASA)、洛克希德·马丁公司、休斯公司、加拿大的COM DEV公司、SPAR公司及美国标准技术研究所(NIST)等都投入了大量的资金、人员和设备研究PIM问题，并且取得了一定的研究成果[4]。虽然有一些应用软件诞生，但是由于PIM问题的复杂性，通过地面测试验证是目前最有效的控制措施。这些公司都建立了相对完备的测试系统，覆盖了目前国际上的通信卫星系统(L、C、Ku频段)[5]。无论是地面移动通信系统，还是卫星通信系统，目前参考的国际标准均为IEC 62037-1:2012[6]。此标准推荐的测试方法是采用2个CW信号通过双工器将合成的大功率信号发射到测试件，测试件产生的PIM信号通过双工器和滤波器滤除发射信号后，用低噪声放大器放大，再用频谱仪监测PIM信号。实际上，卫星转发器很少传送未调制载波信号，考虑载波调制后，PIM产物的带宽扩大了，扩展后的PIM产物将整体作为随机噪声出现，引起卫星系统噪声温度整体提高[7]。

随着4G技术的应用和5G技术研究的深入，地面通信行业开始质疑采用CW信号测试PIM电平方法是否可以等效调制通信方式。贝尔实验室联合英国贝尔法斯特女王大学开展了此方向的研究工作，研究关于数字调制载波的PIM性能，大量的工作主要集中在理论计算和仿真方面[8-10]。北京泰尔实验室也意识到调制信号方式对PIM的不同影响，开展此方面研究，建立了宽带调制信号测试系统，同时提出了测试面临的问题[11]。

目前通信卫星地面测试验证依旧采用的是CW信号测试PIM。宽带调制和CW信号两种PIM测试方法有何区别，CW信号测试方法是否可以等效宽带调制信号测试？本文针对这些问题，利用卫星通信系统中常用调制信号(BPSK,QPSK)模式，提出了一种基于功率谱密度的PIM电平测试方法，采用CW信号和宽带调制波开展了对无源部件PIM测试的对比研究，理论和测试数据结果可以供卫星地面PIM验证参考。

1 数字调制信号和CW信号产生PIM产物的特征

在通信卫星中，落入卫星接收机的PIM产物可对接收机的品质因数(即G/T特性，指天线端口处增益与系统等效噪声温度的比值)产生负面影响。对于两个未调制的CW信号和宽带调制信号产生的PIM，可以通过求落入接收通道内的失真功率谱密度区别。

PIM产物从以下表达式开始：

式中：S为载波输入功率；A,B为信号频率信息；n为n阶非线性，使用二项式展开，提取二载波失真输出功率为：

(1)

对于宽带高斯信号，它具有瞬时高斯振幅分布，对于非线性信道，总输出功率为：

式中：S0为平均无失真功率；D0为平均失真功率。

可以推导出宽带信号失真功率为：

其中G函数为：

(2)

宽带PIM信号功率谱密度与连续二载波PIM信号功率谱密度的比值为式(2)与式(1)的比值：

(3)

假设2个载波的功率谱密度是均匀分布函数：

归一化PIM分布表示为：

对式(3)提取因子Sn，剩余部分用N′(n)表示：

(1，3，5，…，2n-1)-(1,3,5,…,n)2

n阶PIM噪声的功率谱密度近似表示为：

(4)

用式(4)乘以式(3)，得宽带PIM信号功率谱密度和二载波信号的比值：

(5)

根据以上推算可以计算出宽带信号和CW信号产生的PIM信号功率谱密度的比值，通过式(5)计算3阶宽带和双载波PIM信号功率谱密度相差4.6 dB。由于PIM影响因素较多，对于实际应用中的差异，需要通过试验比对验证。

2 宽带调制信号PIM测试方法

航天器无源射频部件与设备的PIM测试可分为非辐射式、辐射式和再辐射式PIM测试3种。非辐射式PIM测试系统适用于非辐射型单端口、双端口和多端口射频部件，如大功率负载、滤波器、双工器和多工器等；辐射式PIM测试系统适用于测试辐射型射频部件与设备，如天线及馈源等；再辐射式PIM测试系统适用于测试暴露在发射射频信号电磁场中的射频部件与设备，如天线反射面、反射面测试样品、天线支撑结构、反射面支撑臂、天线热控多层组件(MLI)和整星隔热保护硬件等[12]。航天器部件工作在冷热环境中，因此测试PIM需要在高低温环境下。在本文研究的范畴内，暂未考虑环境因素。传统的典型双端口部件PIM测试方法如图1所示。

从图1可以看出，两路不同频率的大功率测试信号f1、f2由射频合路器合成，经过低PIM双工器1送至被测件，其输出信号被大功率负载吸收。两路不同频率的大功率信号功率值分别在功率计1和功率计2上监测，被测件产生的PIM信号可在频谱分析仪1上测得(反射法)或在频谱分析仪2上测得(传输法)。

如果只考虑反射链路PIM分量，改进后的宽带测试方法是在发射信号端，将原测试链路中的标量信号源更换为矢量信号源。在接收信号端，考虑接收信号互调产物变为数字宽带信号，采用矢量信号分析仪代替普通频谱仪。矢量信号分析仪设置信号带宽通常约等于原激励信号带宽与PIM阶数的乘积，或者至少是发射信号带宽的2倍以上。考虑要和两路连续单载波测试的互调产物比对，基于互调产物对接收机的影响是使接收通带内的噪声整体提高，可采用矢量分析仪具备的带内积分功率功能和通道功率测量功能进行连续单载波和宽带调制对应通带内互调产物的测量，测试框图如图2所示。两路不同频率的大功率调制信号f1和f2由双工器合成，送至被测件，其输出信号被大功率负载吸收。两路不同频率的大功率信号功率值分别在功率计1和功率计2上监测，被测件产生的PIM信号电平可在是矢量信号分析仪上测得。

图2 双端口部件调制模式宽带PIM测试系统框图Fig.2 Schematic diagram of broadband modulation signal PIM test system for dual-port components

3 宽带信号与连续载波测试结果

为了验证不同的信号工作模式对测试结果的影响，保证测试方法的有效性，同时消除测试的偶然偏差性，选取电缆组件22件，测试频段是S频段，3阶PIM。选用的测试信号模式是两路CW信号、BPSK和QPSK调制信号，其中BPSK和QPSK调制信号带宽依次是：50 Hz,200 Hz,500 Hz,50 KHz,200 KHz，500 KHz,5 MHz,10 MHz。PIM测试结果如图3所示。

图3 数字调制信号和CW模式PIM结果比对Fig.3 Comparison of PIM test values generated by digital modulation signal and CW mode

从图3中可以看出，整体数字调制信号模式PIM值高于CW信号2～9 dB,无论是BPSK信号还是QPSK信号产生的PIM信号都高于CW信号，BPSK信号产生的PIM信号普遍高于QPSK信号1～2 dB。通过分析和测试结果表明，原有的选用CW信号测试代替数字调制信号工作模式测试PIM性能具有局限性，随着测试技术的发展，应尽量选用使用的信号模式测试验证PIM性能。

在测试验证中发现以下技术难点:

(1)宽带信号放大问题

通信卫星数据速率飞速提升，信号带宽不断增大，随之而来的是信号峰均比(信号峰值功率和平均功率的比值)的问题。信道链路中高峰均比需要更高的功放非线性范围。如果宽带互调测试系统中功放的标称输出功率提升不足10 dB，且信号的峰值进入功放的非线性工作区，就会导致产生信号畸变和内部互调信号。对于测试而言，将很难确定互调产物的最终来源是待测件还是测试系统自身，要解决这个问题，就要面临高额的成本升级功放以及测试成本的大幅度提高[13]。本文测试选用的宽带信号带宽在测试功率放大器测试线性范围内。为了测试的准确性，每次测试无源互调性能前，首先对信号的EVM、ACLR等性能进行测量。对于已经超出带宽的宽带信号，需要针对具体的使用信号形式和带宽，开展相应的信号处理，处理的原则是保证信号质量，同时信号EVM、ACLR等关键指标要符合要求，可以做适当的压缩处理。

(2)宽带PIM信号测试问题

传统互调测试系统中两路信号源通常采用CW信号，接收相对应的互调产物仍是CW信号，可以通过设置频谱仪合理的分辨率带宽和视频带宽直接进行PIM信号频率点对应的功率值读取。然而调制信号不同于CW信号，互调产物是与发射信号带宽同量级的宽带信号，其功率分布在整个频带内，需要进行积分求和。互调产物本身很弱，如果再分散到整个频带上，通常情况下将会淹没在频谱仪的噪声中，影响观测。本文测试使用的是目前测量模式频谱仪具备的功率谱密度功能，将接收信号与噪声混合在一起进行多点FFT运算，得到功率谱密度，选用相同通道带宽的通道功率测试[14]。实际应用时，PIM信号干扰接收机对接收通道带宽内产生噪声抬高的影响，因此对于带宽较窄的宽带信号，能量主要集中在有限的带宽内，这是有效的测试方法。当对应的宽带信号的能量分布比较宽时，此方法具有局限性，需要借助开展微弱信号信噪比估计。目前地面移动通信卫星测试使用的方法为空间分解法。对于通信卫星信号形式，需要探寻合适的方法开展弱信号信噪比估计。

4 结束语

卫星通信大量传输数字调制信号，而采用两路CW的方法开展PIM测试具有局限性，文中针对10 MHz以下的BPSK和QPSK信号设计了试验方法开展测试，理论计算和试验结果表明对于带宽较窄的调制信号可以使用本方法，测试结果表明BPSK和QPSK信号的PIM信号值均高于CW信号2～9 dB，这个测试结果和计算结果位于同一个范围内。通过试验发现开展宽带调制信号测试面临的问题是宽带信号放大时存在的峰均比压缩带来测试系统中对功放线性度要求较高的问题和接收的PIM信号在带宽较宽时，淹没在热噪声中提取困难问题。关于以上问题，可以借鉴泰尔实验室针对地面移动信号采用信噪比压缩处理和空间分解法处理弱信号的方法，但该方法并不完全适用于卫星通信，根据卫星信号调制方式，需要探寻更好的方法解决上述两个问题。