衛星通信系統中上變頻器測試方法探討

衛星地球站上變頻器是將中頻信號變頻到所需的高頻信號的設備。高頻信號再通過高功放發送到衛星，可以有效降低空間損耗。

??? 本文簡單介紹衛星通信地面站的構成及上變頻器的工作原理，詳細說明了變頻器的測試方法及常見故障及處理方法，供大家參考討論。

??? 一、衛星通信地面站的構成

??? 衛星通信是以衛星為中繼站，在兩個或兩個以上地球站間進行的無線通信。其簡單傳輸過程為：由地面傳來的電話、數據、電視、廣播等信號，首先在地面站以適當的方式進行調制、變頻、放大，再通過天線發向衛星，衛星接收到地球站發來的信號后，經變頻、放大后再發回地面，由另一地球站用天線接收下來，再經放大、變頻以及適當的解調還原成原信號，供用戶使用。地球站是組成衛星通信系統的重要部分，其基本系統組成如圖一所示：

??? 圖一??? 基本地球站系統

??? 在衛星通信系統中，在空間傳輸的是電磁波，由于電離層的反射和吸收，用于宇宙通信的電波頻率必須大于100MHz，同時對于高于10GHz頻率的電波，由于云層、降雨以及大氣層的吸收，也會受到較大程度的衰減，另外宇宙空間的噪聲，特別是銀河系產生的噪聲在1GHz比較大，因此適用于宇宙通信的頻段為1GHz-10GHz，這一頻段一般稱為無線電窗口。根據無線電規則分配的頻率，目前大多數衛星固定業務使用6/4GHz頻段（C頻段）。同時，因采用了相應的降雨補償措施，14/12GHz頻段（Ku頻段）也開始使用，這個頻率在地球站被稱為射頻。而從地面終端用戶來的信號是數字基帶信號，這種信號無法直接在空間進行傳輸，如果在射頻上直接對信號進行調制、解調，利用目前的工藝和技術很難做到，采取的辦法是先在一個合適的中間頻率（中頻：70MHz±18MHz或140MHz±36MHz）上進行調制、解調，然后再進行頻譜搬移。上、下變頻器就是用來在射頻和中頻間進行頻譜搬移的。另外，利用上、下變頻器進行頻譜搬移，容易將已調信號放在所分配的射頻頻率上，從而使得調制器、解調器規格統一。下面以C波段的上變頻器為例，介紹變頻器的工作原理及測試方法。

??? 二、變頻器的工作原理

??? 上變頻器的主要作用是將70MHz（或140MHz）中心頻率的36MHz（或72MHz）頻帶內的中頻信號，采用二次變頻技術，經過一次變頻后，成為1150±40MHz的高中頻信號，經過第二次變頻后，成為5.850-6.425GHz的C波段載波信號后，輸出至高功放。變頻器二次變頻技術的采用，有效抑止了鏡像干擾，電路方框圖（如圖二所示）。

??? 圖二

??? 70MHz中頻信號輸入后，在A1的AMP1（單片集成放大電路）放大后送至群時延均衡單元電路，對高中頻混頻器FLI產生的群時延失真進行預校正，其插入損耗為12-14db。預校正后的70MHz（或140MHz）中可以頻信號送入AMP2（單片集成放大電路）放大，送入高中頻混頻器，輸入的70MHz（或140MHz）中頻信號和1160-1162.375MHz第一本振在混頻器混頻，產生需要的1230-1232.375MHz高中頻信號及其它無用的頻率分量。然后送至AMP3（增益可調的晶體管放大電路），增益動態調整范圍±10db，對高中頻信號放大了約10-12db，而對其它無用分量沒有放大作用，至此，完成了第一次向上變頻，得到了含有高中頻分量的混合信號，進入FL3諾斯式濾波器，初步濾出了高中頻信號，再進入L波段的“HY1/FL1/HY2”鏈路，高中頻濾波器FL1的中心頻率1230MHz帶寬50MHz，是一個多級窄帶濾波器（相對帶寬不到5%），如此窄的頻帶，使得高中頻信號經過以后產生6-8ns的拋物線型群時延失真，但該失真經前面的群時延均衡電路的預校正，已經降低至±0.1ns，高中頻濾波器FL1濾掉帶外頻率分量，并將鏈路中存在的高中頻本振信號泄漏抑制60db。高中頻信號在射頻混頻器與4620-5195MHz的射頻本振混頻，產生了所需的5850-6425MHz射頻載波頻率和其它無用的頻率分量?；祛l輸出信號進入“HY3/FL2/HY4”鏈路，FL2是C波段帶狀線式微帶寬濾波器，工作頻率為5850-6425MHz，濾掉帶外的頻率分量，并將C波段鏈路中存在的射頻本振泄漏抑制60 db，至此完成了第二次向上變頻。通過HY4輸出-5dbm的已調射頻信號。為配合高功放的輸入電平，則調整上變頻器的增益，使其輸出電平為合適值即可。

??? 三、上變頻器的測試

??? （一）增益測試：增益=輸出電平-輸入電平+輸出測試線衰減

??? 根據說明書的指標，按如下方法測試

??? 測試步驟：

??? 圖三

??? 1、按上圖三連接設備和儀表；

??? 2、將被測U/C的衰減置為最??；

??? 3、掃頻儀置CW方式，F為U/C的工作頻率，調整掃頻儀的輸出和衰減器，使U/C的輸入電平為典型輸入（此值不同廠家的設備會有所不同，說明書中一般會給出說明）；

??? 4、用頻譜儀讀取U/C的輸出電平P1，則G=P1-輸入電平≥標稱值；

??? 5、分別將U/C的衰減置為最小值、中間值、最大值，讀取其輸出電平，看增益是否是線形。

??? （二）頻響測試

??? 當上變頻器工作于多載波狀態時，它的頻率響應特性將直接影響到變頻器的輸出頻譜，因此該指標非常重要。對不同廠家的設備來說，該指標基本相同（±0.20dB/±18MHz±0.25dB/±36MHz）。

??? 測試步驟：

??? 1、按圖三連接設備和儀表；

??? 2、將被測U/C的衰減置為最小值；

??? 3、掃頻儀置CW方式，F為U/C的工作頻率，調整掃頻儀的輸出電平和衰減器，使U/C的輸入電平為典型輸入；

??? 4、掃頻儀置掃描方式，span置50MHz或75MHz，頻譜儀的中心頻率置U/C的工作頻率，span置36MHz或72MHz，RBW、VBW置自動，LOG置1dB/格；

??? 5、從頻譜儀上讀取U/C的輸出頻譜的峰-峰值，并送繪圖儀繪出。

??? 如果測得的峰-峰值不符合指標要求，在數字變頻器中有一項增益斜率調整的菜單，進入該菜單，邊調整增益斜率的值，邊從頻譜儀上觀察輸出頻譜，直至頻率響應特性符合指標。如經過調整，該特性仍較差，則需返廠維修或做好標記，只能用于單載波工作。

??? （三）雜散測試

??? 雜散：有用頻帶以外的無用信號，主要是PA、VCO、各種放大器、Buffer等器件，由于電壓不穩、噪聲引入、自混頻等等原因產生。一般情況下產生的雜散頻譜范圍寬，但是功率相對于有用信號低很多。當設備中的元器件故障或老化時，產生的雜散分量會較大，此時會對相鄰載波造成干擾，所以必須加以控制。雜散分為帶內雜散和帶外雜散，我們一般只考慮變頻器工作帶寬內的雜散。

??? 指標：與信號無關的雜散≤-70dBm

??? 與信號相關的雜散≤-60dBc

??? 測試步驟：

??? 1、按圖三連接設備和儀表；

??? 2、將被測U/C的衰減置為最小值；

??? 3、掃頻儀置CW方式，F為U/C的工作頻率，調整掃頻儀的輸出和衰減器，使U/C的輸入電平為典型輸入；

??? 4、頻譜儀的中心頻率置U/C的工作頻率，span置40MHz或72MHz，RBW置為10KHz、VBW置為3KHz；

??? 5、掃頻儀置RFON，從頻譜儀上讀取CW與噪聲電平最高點的差值，即為與信號相關的雜散，又叫有載雜散；

??? 6、掃頻儀置RFOFF，從頻譜儀上讀取噪聲最高點的電平值，即為與信號無關的雜散，又叫無載雜散。

??? （四）相噪測試

??? 相位噪聲一般是指在系統內各種噪聲作用下引起的輸出信號相位的隨機起伏。通常相位噪聲又分為頻率短期穩定度和頻率長期穩定度。所謂頻率短期穩定度，是指由隨機噪聲引起的相位起伏或頻率起伏。至于因為溫度、老化等引起的頻率慢漂移，則稱之為頻率長期穩定度。相位噪聲分為三種類型：帶內噪聲、帶外噪聲和相位抖動。所謂帶內噪聲是指其功率譜正好落在有用信號頻帶內的相位噪聲；帶外噪聲是指其功率譜落在有用信號頻帶外的相位噪聲；相位抖動是指其功率譜落在小于有用信號最低頻率處的相位噪聲。相位噪聲是設備的一項重要技術指標，在購買和使用設備時必須加以考慮。但不同廠家的設備，指標相差較大，測試人員可從說明書中查取。測試方法如下：

??? 1、按圖三連接設備和儀表；

??? 2、將被測U/C的衰減置為最小值；

??? 3、掃頻儀置CW方式，F為U/C的工作頻率，調整掃頻儀的輸出和衰減器，使U/C的輸入電平為典型輸入；

??? 4、頻譜儀的中心頻率置U/C的工作頻率，span、RBW、VBW（按下表設置）：

??? 則相位噪聲的值為△MARK的電平值+10lgRBW（dBc/Hz）。

??? （五）互調失真測試

??? 從廣義上講，當兩個以上頻率不同且幅度相同的合成正弦信號通過傳輸系統和設備，進入到有源器件的伏安特性的非線性區域時，輸出端不僅包含著這些信號基波、各次諧波，還有一些非諧波分量。這些非諧波分量稱之互調IM（InterModulation）分量?；フ{分量的出現使輸入的復合波形發生變化，更為嚴重地是對傳輸信號產生干擾，稱之互調失真。其失真程度用三階互調IM3表示。同時相鄰頻道也受其害，稱之帶外干擾。由于上變頻器經常工作于多載波狀態，此項指標直接影響設備的性能，因此極為重要。

??? 指標：對于兩個相等的載波，在其輸入功率等于典型輸入時，其三階互調分量不大于說明書給出的某個值。

??? 測試步驟：

??? 圖四?? U/C互調失真測試框圖

??? 1、按圖四所示連接儀表和設備。用合路器將兩個幅度相等，頻率相差5MHz的射頻單頻信號混合在一起送入U/C，然后在U/C的輸出口用頻譜儀測量。將頻譜儀的中心頻率置為F1+2.5MHz，Span設為50MHz,RBW、VBW為自動，從頻譜儀上觀察基波及三階互調分量；

??? 2、光標放在F1或F2中較低的載波上，并將光標放在較高的三次互調分量上，記錄三次互調產物相對基波的相對電平；

??? 3、將頻譜儀上顯示的結果輸出到繪圖儀上。

??? 此外，變頻器還有頻率測試，頻率的指標包括：頻率范圍、頻率步進、頻率穩定度。頻率范圍表征變頻器的變頻工作范圍；頻率步進表征RF頻率合成器的頻率步長；頻率穩定度表征5MHz參考源的頻率穩定度。

??? 頻率穩定度=頻率偏差（△f）/頻率（f），單位為ppm1ppm=1×1O-6

??? 由于在實際測試中，頻譜儀的讀數本身就存在微小偏差，頻率測試時很難區分出頻率漂移是變頻器產生的還是頻譜儀產生的，所以變頻器的頻率指標一般通過設備的實際工作情況確定，不做專項測試。

??? 以上詳細介紹了上變頻器五項主要技術指標的測試方法，下變頻器的測試方法相同，只是注意輸入信號即可。

??? （六）變頻器的常見故障及處理方法

??? 在實際工作中，當變頻器出現故障時，首先倒換置備份，保證通信暢通。然后仔細閱讀設備維護手冊，避免盲目處理，增加故障。

??? 變頻器的故障通常表現如下：

??? 1、輸出頻率漂移。

??? 2、1GHz中頻本振失鎖、雜散輸出電平增大、相位噪聲惡化。

??? 3、5GHz頻率合成器失鎖、雜散輸出電平增大、相位噪聲惡化。

??? 4、變頻器增益降低、輸出電平降低、三階交調非線性失真增大。

??? 5、變頻器幅頻響應性能惡化。

??? 6、變頻器群時延性能惡化。

??? 前三類故障是變頻器的頻率源部件、電源部件、監控單元故障，后三類故障是變頻器的放大器、濾波器、混頻器、電源部件故障。監控單元、濾波器、混頻器等部件的故障率較低。總體故障檢查步驟如下：

??? 1、打開機蓋，檢查高頻電纜頭、引線插頭連接性能，使之連接良好。

??? 2、在前面板相關位置，用萬用表檢查直流電壓、用示波器檢查直流電源的紋波電壓。直流電壓偏離額定值10%、紋波電壓大于50mV，電源部件存在故障，必須維修或更換。

??? 3、在前面板檢查1GHz中頻本振源失鎖告警指示、5GHz頻率合成器失鎖告警指示，頻率源失鎖，必須維修或更換。

??? 4、在后面板相關位置，用頻率計或頻譜儀檢查5MHz參考源輸出頻率。如頻率漂移應及時校準。

??? 5、在后面板相關位置，用頻率計或頻譜儀檢查1GHz中頻本振源。若中頻本振源雜散輸出電平增大、相位噪聲惡化，1GHz中頻本振源部件存在故障，必須維修或更換。

??? 6、在前面板相關位置，用頻率計或頻譜儀檢查5GHz頻率合成器。若本振源雜散輸出電平增大、相位噪聲惡化，5GHz頻率合成器部件存在故障，必須維修或更換。

??? 7、檢查變頻器的增益、輸出電平、三階交調、幅頻響應等性能。若性能惡化，70MHz中頻單元、1GHz中頻單元、射頻單元存在故障，必須檢查、判明故障單元，然后維修或更換。

??? ☆經檢查，確定是5MHz參考源發生故障時，按如下步驟處理：

??? 1、檢查5MHz參考源的供電，發現電源的直流電壓、紋波電壓偏離額定值時：檢修電源部件。

??? 2、設備上電預熱30分鐘，在后面板的5MHz參考源輸出端，用頻率計或頻譜儀檢查5MHz參考源輸出頻率。如頻率漂移按設備維護手冊提示調整5MHz參考源，糾正偏差。

??? 3、測試顯示5MHz參考源無信號輸出，或者參考頻率偏差糾正后仍不符合技術指標：5MHz參考源送維護部門維修。

??? ☆當檢查確定是1GHz中頻本振源故障時，處理步驟如下：

??? 1、檢查1GHz中頻本振的供電以及5MHz參考源，發現電源、5MHz參考源故障，檢修相關部件。檢查1GHz中頻本振源的高頻電纜頭、引線插頭連接性能，使之連接良好。

??? 2、設備上電預熱30分鐘，在后面板的1GHz中頻本振源輸出端，用頻譜儀檢查1GHz中頻本振源。1GHz中頻本振源是腔體振蕩鎖相源。中頻本振鎖相源失鎖時，按設備維護手冊提示，調節腔體頻率調諧桿，使中頻本振鎖相源鎖定，鎖相電壓達到額定值。

??? 3、測試顯示1GHz中頻本振源無信號輸出、環路不能鎖定、雜散輸出電平增大、相位噪聲惡化，1GHz中頻本振源部件存在故障，送維護部門維修。

??? ☆如檢查確定是5GHz頻率合成器故障時，處理步驟如下：

??? 1、檢查5GHz頻率合成器的供電以及5MHz參考源，發現電源、5MHz參考源故障，檢修相關部件。

??? 2、檢查5GHz頻率合成器的高頻電纜頭、引線插頭連接性能，使之連接良好。

??? 3、設備上電預熱30分鐘，在后面板的5GHz頻率合成器的輸出端，用頻譜儀檢查5GHz頻率合成器。

??? 4、測試顯示5GHz頻率合成器無信號輸出、環路不能鎖定、雜散輸出電平增大、相位噪聲惡化，5GHz頻率合成器部件存在故障，送維護部門維修。

??? ☆70MHz中頻單元包括70MHz的可變增益放大器、70MHz幅度均衡器、70MHz時延均衡器等。70MHz中頻單元的故障通常是放大模塊的故障。處理步驟如下：

??? 1、設備上電預熱30分鐘，按圖三連接設備、儀表。

??? 2、打開設備機蓋，70MHz中頻單元的機蓋，用頻譜儀的探頭檢查各級放大器的增益變化，判明故障放大模塊，更換故障模塊。

??? 3、70MHz幅度均衡器、70MHz時延均衡器故障率較低。不隨意調節均衡器的元件，如果故障，則送維護部門維修。

??? ☆1GHz中頻單元包括中頻混頻器、1GHz放大器、1GHz濾波器、1GHz隔離器等。1GHz中頻單元的故障通常是放大模塊的故障，處理步驟如下：

??? 1、設備上電預熱30分鐘，按圖三連接設備、儀表。

??? 2、打開設備機蓋，1GHz中頻單元的機蓋，用頻譜儀的探頭檢查中頻混頻器、各級放大器的增益變化，判明故障模塊，更換故障模塊。

??? 3、1GHz濾波器、1GHz隔離器的故障率較低。不隨意調節濾波器的調諧旋紐，如果故障，則送維護部門維修。

??? ☆射頻單元包括射頻混頻器、射頻放大器、射頻濾波器、射頻隔離器等。射頻單元的故障通常是射頻放大器失效。處理步驟如下：

??? 1、設備上電預熱30分鐘，按圖三連接設備、儀表。

??? 2、打開設備機蓋，用頻譜儀的探頭測試混頻器、放大器、濾波器的輸入電平和輸出電平的變化，判明故障模塊，更換故障模塊。

??? 3、射頻濾波器、射頻隔離器的故障率較低。不隨意調節濾波器的調諧旋紐，如果故障，則送維護部門維修。

??? ☆監控單元的功能是監測設備的運行狀態、控制設備的工作頻率、增益。發現監控單元故障，只能送維護部門維修。

??? ☆當變頻器前面板顯示電源發生故障時，處理步驟如下：

??? 1、檢查電源引線插頭連接性能，使之連接良好。

??? 2、檢查電源的各個負載部件，發現負載短路部件：檢查相關部件。

??? 3、檢查保險絲，發現保險絲熔斷：更換相同規格的保險絲。

??? 4、電源上電，用萬用表檢查電源的輸出直流電壓、用示波器檢查電源輸出電壓的紋波電壓。直流電壓偏離額定值10%、紋波電壓大于50mV，電源部件存在故障，送維修部門維修或更換。

??? 為了保障通信暢通，必須對設備做定期維護。變頻器的日常維護工作如下所述：

??? 1、定期檢查風機，保持風道通風，不使風機積塵。風機損壞必須更換，避免設備過熱。

??? 2、5MHz頻率源的準確度，決定發射、接收頻率的準確度。頻率的漂移將使接收端的載波恢復困難，影響通信質量，所以必須定期調整5MHz的參考頻率。

??? 3、本振源失鎖，設備告警，會造成通信中斷。必須按設備說明書的提示，定期檢查鎖相電壓，使之保持額定值。

??? 4、設備長期使用中，輸出電平可能變化，應定期調整變頻器增益以保證輸出電平。

??? 以上總結了變頻器的測試和維護方法，供大家參考。

??? 參考文獻

??? 1.《數字衛星通信》王秉鈞田寶玉王少勇編著 中國鐵道出版社

??? 2.《衛星通信系統測試》殷琪編著人民郵電出版社

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