衛(wèi)星通信系統(tǒng)中上變頻器測試方法探討

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中上變頻器測試方法探討

衛(wèi)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(shè)備。高頻信號再通過高功放發(fā)送到衛(wèi)星，可以有效降低空間損耗。

??? 本文簡單介紹衛(wèi)星通信地面站的構(gòu)成及上變頻器的工作原理，詳細(xì)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(wèi)星通信地面站的構(gòu)成

??? 衛(wèi)星通信是以衛(wèi)星為中繼站，在兩個或兩個以上地球站間進(jìn)行的無線通信。其簡單傳輸過程為：由地面?zhèn)鱽淼碾娫挕?shù)據(jù)、電視、廣播等信號，首先在地面站以適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行調(diào)制、變頻、放大，再通過天線發(fā)向衛(wèi)星，衛(wèi)星接收到地球站發(fā)來的信號后，經(jīng)變頻、放大后再發(fā)回地面，由另一地球站用天線接收下來，再經(jīng)放大、變頻以及適當(dāng)?shù)慕庹{(diào)還原成原信號，供用戶使用。地球站是組成衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要部分，其基本系統(tǒng)組成如圖一所示：

??? 圖一??? 基本地球站系統(tǒng)

??? 在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，在空間傳輸?shù)氖请姶挪?，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(chǎn)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(jù)無線電規(guī)則分配的頻率，目前大多數(shù)衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)使用6/4GHz頻段（C頻段）。同時，因采用了相應(yīng)的降雨補(bǔ)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(shù)字基帶信號，這種信號無法直接在空間進(jìn)行傳輸，如果在射頻上直接對信號進(jìn)行調(diào)制、解調(diào)，利用目前的工藝和技術(shù)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(jìn)行調(diào)制、解調(diào)，然后再進(jìn)行頻譜搬移。上、下變頻器就是用來在射頻和中頻間進(jìn)行頻譜搬移的。另外，利用上、下變頻器進(jìn)行頻譜搬移，容易將已調(diào)信號放在所分配的射頻頻率上，從而使得調(diào)制器、解調(diào)器規(guī)格統(tǒng)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(nèi)的中頻信號，采用二次變頻技術(shù)，經(jīng)過一次變頻后，成為1150±40MHz的高中頻信號，經(jīng)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(shù)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(chǎn)生的群時延失真進(jìn)行預(yù)校正，其插入損耗為12-14db。預(yù)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(chǎn)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(diào)的晶體管放大電路），增益動態(tài)調(diào)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(jìn)入FL3諾斯式濾波器，初步濾出了高中頻信號，再進(jìn)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(jīng)過以后產(chǎn)生6-8ns的拋物線型群時延失真，但該失真經(jīng)前面的群時延均衡電路的預(yù)校正，已經(jīng)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(chǎn)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(jìn)入“HY3/FL2/HY4”鏈路，F(xiàn)L2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(diào)射頻信號。為配合高功放的輸入電平，則調(diào)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(jù)說明書的指標(biāo)，按如下方法測試

??? 測試步驟：

??? 圖三

??? 1、按上圖三連接設(shè)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(xiàn)為U/C的工作頻率，調(diào)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(shè)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(biāo)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(dāng)上變頻器工作于多載波狀態(tài)時，它的頻率響應(yīng)特性將直接影響到變頻器的輸出頻譜，因此該指標(biāo)非常重要。對不同廠家的設(shè)備來說，該指標(biāo)基本相同（±0.20dB/±18MHz±0.25dB/±36MHz）。

??? 測試步驟：

??? 1、按圖三連接設(shè)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(xiàn)為U/C的工作頻率，調(diào)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(biāo)要求，在數(shù)字變頻器中有一項增益斜率調(diào)整的菜單，進(jìn)入該菜單，邊調(diào)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(yīng)特性符合指標(biāo)。如經(jīng)過調(diào)整，該特性仍較差，則需返廠維修或做好標(biāo)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(wěn)、噪聲引入、自混頻等等原因產(chǎn)生。一般情況下產(chǎn)生的雜散頻譜范圍寬，但是功率相對于有用信號低很多。當(dāng)設(shè)備中的元器件故障或老化時，產(chǎn)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(nèi)雜散和帶外雜散，我們一般只考慮變頻器工作帶寬內(nèi)的雜散。

??? 指標(biāo)：與信號無關(guān)的雜散≤-70dBm

??? 與信號相關(guān)的雜散≤-60dBc

??? 測試步驟：

??? 1、按圖三連接設(shè)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(xiàn)為U/C的工作頻率，調(diào)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(diǎn)的差值，即為與信號相關(guān)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(diǎn)的電平值，即為與信號無關(guān)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(tǒng)內(nèi)各種噪聲作用下引起的輸出信號相位的隨機(jī)起伏。通常相位噪聲又分為頻率短期穩(wěn)定度和頻率長期穩(wěn)定度。所謂頻率短期穩(wěn)定度，是指由隨機(jī)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(wěn)定度。相位噪聲分為三種類型：帶內(nèi)噪聲、帶外噪聲和相位抖動。所謂帶內(nèi)噪聲是指其功率譜正好落在有用信號頻帶內(nèi)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(shè)備的一項重要技術(shù)指標(biāo)，在購買和使用設(shè)備時必須加以考慮。但不同廠家的設(shè)備，指標(biāo)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(shè)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(xiàn)為U/C的工作頻率，調(diào)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(shè)置）：

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

??? （五）互調(diào)失真測試

??? 從廣義上講，當(dāng)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(tǒng)和設(shè)備，進(jìn)入到有源器件的伏安特性的非線性區(qū)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(diào)IM（InterModulation）分量?；フ{(diào)分量的出現(xiàn)使輸入的復(fù)合波形發(fā)生變化，更為嚴(yán)重地是對傳輸信號產(chǎn)生干擾，稱之互調(diào)失真。其失真程度用三階互調(diào)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(jīng)常工作于多載波狀態(tài)，此項指標(biāo)直接影響設(shè)備的性能，因此極為重要。

??? 指標(biāo)：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(diào)分量不大于說明書給出的某個值。

??? 測試步驟：

??? 圖四?? U/C互調(diào)失真測試框圖

??? 1、按圖四所示連接儀表和設(shè)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(shè)為50MHz,RBW、VBW為自動，從頻譜儀上觀察基波及三階互調(diào)分量；

??? 2、光標(biāo)放在F1或F2中較低的載波上，并將光標(biāo)放在較高的三次互調(diào)分量上，記錄三次互調(diào)產(chǎn)物相對基波的相對電平；

??? 3、將頻譜儀上顯示的結(jié)果輸出到繪圖儀上。

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

??? 頻率穩(wěn)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(shù)本身就存在微小偏差，頻率測試時很難區(qū)分出頻率漂移是變頻器產(chǎn)生的還是頻譜儀產(chǎn)生的，所以變頻器的頻率指標(biāo)一般通過設(shè)備的實際工作情況確定，不做專項測試。

??? 以上詳細(xì)介紹了上變頻器五項主要技術(shù)指標(biāo)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(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，首先倒換置備份，保證通信暢通。然后仔細(xì)閱讀設(shè)備維護(hù)手冊，避免盲目處理，增加故障。

??? 變頻器的故障通常表現(xiàn)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(diào)非線性失真增大。

??? 5、變頻器幅頻響應(yīng)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(jiān)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(jiān)控單元、濾波器、混頻器等部件的故障率較低?？傮w故障檢查步驟如下：

??? 1、打開機(jī)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(guān)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(guān)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(yīng)及時校準(zhǔn)。

??? 5、在后面板相關(guān)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(guān)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(diào)、幅頻響應(yīng)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(jīng)檢查，確定是5MHz參考源發(fā)生故障時，按如下步驟處理：

??? 1、檢查5MHz參考源的供電，發(fā)現(xiàn)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(shè)備上電預(yù)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(shè)備維護(hù)手冊提示調(diào)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(shù)指標(biāo)：5MHz參考源送維護(hù)部門維修。

??? ☆當(dāng)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(fā)現(xiàn)電源、5MHz參考源故障，檢修相關(guān)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(shè)備上電預(yù)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(shè)備維護(hù)手冊提示，調(diào)節(jié)腔體頻率調(diào)諧桿，使中頻本振鎖相源鎖定，鎖相電壓達(dá)到額定值。

??? 3、測試顯示1GHz中頻本振源無信號輸出、環(huán)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(hù)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(fā)現(xiàn)電源、5MHz參考源故障，檢修相關(guān)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(shè)備上電預(yù)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(huán)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(hù)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(shè)備上電預(yù)熱30分鐘，按圖三連接設(shè)備、儀表。

??? 2、打開設(shè)備機(jī)蓋，70MHz中頻單元的機(jī)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(diào)節(jié)均衡器的元件，如果故障，則送維護(hù)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(shè)備上電預(yù)熱30分鐘，按圖三連接設(shè)備、儀表。

??? 2、打開設(shè)備機(jī)蓋，1GHz中頻單元的機(jī)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(diào)節(jié)濾波器的調(diào)諧旋紐，如果故障，則送維護(hù)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(shè)備上電預(yù)熱30分鐘，按圖三連接設(shè)備、儀表。

??? 2、打開設(shè)備機(jī)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(diào)節(jié)濾波器的調(diào)諧旋紐，如果故障，則送維護(hù)部門維修。

??? ☆監(jiān)控單元的功能是監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、控制設(shè)備的工作頻率、增益。發(fā)現(xiàn)監(jiān)控單元故障，只能送維護(hù)部門維修。

??? ☆當(dāng)變頻器前面板顯示電源發(fā)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(fù)載部件，發(fā)現(xiàn)負(fù)載短路部件：檢查相關(guān)部件。

??? 3、檢查保險絲，發(fā)現(xiàn)保險絲熔斷：更換相同規(guī)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(shè)備做定期維護(hù)。變頻器的日常維護(hù)工作如下所述：

??? 1、定期檢查風(fēng)機(jī)，保持風(fēng)道通風(fēng)，不使風(fēng)機(jī)積塵。風(fēng)機(jī)損壞必須更換，避免設(shè)備過熱。

??? 2、5MHz頻率源的準(zhǔn)確度，決定發(fā)射、接收頻率的準(zhǔn)確度。頻率的漂移將使接收端的載波恢復(fù)困難，影響通信質(zhì)量，所以必須定期調(diào)整5MHz的參考頻率。

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

??? 4、設(shè)備長期使用中，輸出電平可能變化，應(yīng)定期調(diào)整變頻器增益以保證輸出電平。

??? 以上總結(jié)了變頻器的測試和維護(hù)方法，供大家參考。

??? 參考文獻(xiàn)

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