基于微波系统分析仪的卫星端到端群时延测量

就像几乎所有电信系统一样，对卫星系统的带宽要求也越来越高，原因是在这些链路上承载的互联网业务、数字电视和其它数字业务量在不断攀升。结果卫星运营商被迫彻底地使用直到频带边缘的所有可用带宽，而频带边缘的信号质量由于传输路径上的卫星转发器和地面系统中使用的滤波器等元件而有所下降。

现有卫星转发器典型配置下的信道带宽在36MHz至72MHz范围内——取决于具体的卫星系统——虽然更新系统配置的带宽达几百MHz也并不少见。由于在这些信道的频带边缘时延变化幅度会增加，因此很可能导致信号失真或信号恶化。为了确定信号失真或恶化的总量，测量这些转发器信道带宽内的相对群时延就显得非常重要。为了采取精确的补偿措施从而避免可能出现的数据混乱，这种时延测试是必须的。

为了无差错的传输信息，要求在感兴趣带宽内有平坦的幅度响应和线性的相位响应。群时延平坦度指标可以用来衡量相位线性度，该指标的测量有多种方法。两种最常用的方法是直接相位和包络时延(调制时延)。大多数矢量网络分析仪通常使用直接相位方法，虽然这些仪器可以提供很高的精度，但在表征频率转换设备时非常复杂。成熟的微波系统分析仪可以克服这些问题。这种仪器将频谱分析仪中的接收机用作已调谐的标量输入，并采用包络时延测量技术。

微波系统分析仪(MSA)

微波系统分析仪(MSA)通常是整合了一台频谱分析仪与一台源和标量综合分析仪的仪器，并且增加了频率调制和包络群时延选件。因此这种微波系统分析仪可以测量频率转换设备和网络，还能对元件和子系统进行群时延测量。

微波系统分析仪中的源和接收机可以相互独立，这样激励源可以工作在一个频率，而接收机在另一个不同的频率接收。由于群时延测量来源于调制包络，调制又能通过频率转换得以保留，因此可以实现直接表征，不需要访问本地振荡器，也不需要在测试装置中使用外部混频器和振荡器。

图1：为了获得最佳的卫星链路性能，有必要测量和精确补偿在频段边缘由群时延引起的失真。

使用MSA进行群时延测量和校准

为了测量群时延，先要用一个已知的低频信号对源进行频率调制，然后将结果应用到待测设备(DUT)。在通过DUT后，信号被解调，将恢复出的低频信号的相位与原始调制信号的相位进行比较就可以得到群时延结果。包络时延是调制信号带宽内群时延的平均值。调制信号的带宽被称为测量孔径，需要小于群时延的变化才能获得精确的测量结果。绝对群时延测量的上限等于正负调制频率周期的一半。

校准MSA内的固有时延可以用简单的直通连接非常快速的完成，如图2所示。这对频率转换设备的测试精度可能有些影响，但在大多数情况下这种精度的少许下降不是问题。使用“黄金标准”技术可以达到更高的精度，这种方法先要测量一个完美表征过的元件，然后再与DUT进行比较，这将在下一部分进行详细介绍。

图2：微波系统分析仪的直通线校准。

图3显示了用MSA测量2.2GHz至500MHz下变频器的幅度和时延响应的屏幕快照，这时的MSA是用直通连接方法校准的。在某些情况下，上述直通连接校准可能无法提供足够的精度。取代方法是使用具有已知或设定时延性能的“黄金标准”设备校准仪器。合适的黄金标准设备可以是带外部本振的匹配良好的宽带混频器。另外一个选项是使用改进的DUT，其群时延关键元件(通常是滤波器)需要被旁路掉。

图3：下变频器的幅度和时延响应。

转换器本振的精度和漂移

Aeroflex 6840 MSA使用的调频包络时延方法具有很大的优势。与一些VNA方法不同，它不需要访问频率转换器的本振，不过对本振精度有一定的要求。

6840频谱分析仪的最大分辨率(孔径)带宽在群时延测量时固定为3MHz。在考虑到这种分辨率带宽和调制解调器因素后，这意味着在实际测量中MSA频率偏移必须设在实际频率的±500kHz范围内。

频谱误差会造成频谱分析仪滤波器的群延时响应出现一定的偏移，如果只对平坦度感兴趣，这没什么问题。然而，如果转换器本振的频率稳定性很差，那么这种偏移将上下漂移，造成更大的解决难度。虽然这种情况下自动调整有一定的帮助，但唯一实用的解决方案是稳定转换器的本振。这种效应的幅度经测量一般为每 1kHz频率误差产生0.1ns的群时延变化。

卫星的在轨群时延

对于比较便携的元器件来说在测试平台上测试群时延平坦度是很好的一种方法，但也有许多情况下待测试设备无法适用这种方法。一个特殊的例子就是DUT 是一条完整的卫星链路，这很明显无法用测试实验室中的单台仪器进行测量。开展在轨卫星测试有许多原因。一般在卫星发射之后、向用户发布卫星之前要进行测量