低轨卫星信号在轨监测测试与分析

编者按：

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随着美国Space X星链、华为Mate60卫星直连通信等卫星通信应用的快速发展，基于卫星空间通信威廉希尔官方网站 已成为全球科技产业的焦点领域。巨型低轨卫星星座，将结合高轨卫星、导航卫星，深入融合6G等移动通信威廉希尔官方网站 实现天地一体化通信的威廉希尔官方网站 构想。无论政府监管机构和商业运营机构，都将面临低轨卫星带来的前所未有的测试测量和监测挑战：

不断扩展的信号频率和带宽

应对从L波段到Ka波段的不同电磁环境和空口监测要求

低轨卫星快速追踪

复杂电磁环境及干扰分析

宽带信号记录和复杂信号分析

覆盖全球区域的大量的信号监测及验证需求

本文以低轨卫星信号作为示例演示了从宽带接收机监测信号到后期的信号验证分析全过程，希望可以助力卫星监管及运营客户更好地完成低轨卫星星座的在轨监测、信号验证和分析业务。

罗德与施瓦茨针对低轨卫星在轨测试推出了以ESMW超宽带接收机（点击下载产品手册）、CA210信号分析软件（点击下载产品手册）和DDF550测向机为核心的模块化测试系统。ESMW超宽带接收机频段范围可至40 GHz，实时带宽及可输出的数字中频带宽均可达2 GHz，与其配套的抛物面天线可追踪移动的低轨卫星，从而实现卫星下行信号的有效接收。接收机配套的全向天线可接收周边区域存在的卫星终端上行信号，在开阔场地接收半径近10公里。ESMW将接收到的信号以数字中频的形式输出至中频记录仪存储，CA210信号分析软件可分析存储的卫星信号，从时域、频域和调制域对信号进行分析。对于卫星下行信号CA210可得到频点、带宽、电平、帧长、OFDM参数（包括符号时长、符号保护间隔时长、子载波数目、子载波调制方式）等参数；对于终端上行信号（该信号存在单次通话过程中频率切换的问题），软件可得到终端使用过的全部频点、带宽、电平、调制方式、符号速率等参数，还可确定同一场景中并行存在的终端数目。同时系统配套的DDF550测向机可给出终端的地理位置及移动轨迹。

图1 低轨卫星模块化在轨测试系统外形图

我们首先以某低轨卫星下行信号为例说明罗德与施瓦茨公司低轨卫星在轨测试系统的能力。通过抛物面天线、ESMW接收机及中频记录仪我们记录了一段完整的该卫星下行信号。进而通过CA210信号分析软件读取该信号，查看信号频谱图与时频图如下：

图2 某低轨卫星下行信号频谱图与时频图

我们首先测量信号的带宽，通过在时频图上选取一段信号我们可以得到该信号带宽为240 MHz。

图3 某低轨卫星下行信号带宽

随后我们使用CA210软件的自相关分析功能对选中的这段信号进行处理，从图4的自相关结果中可以看出该信号存在明显相关峰，进而通过光标测量峰间距可得到该信号的帧长为1.33 ms。

图4 某低轨卫星下行信号自相关分析

图5 使用光标测量帧长

进一步分析该信号的OFDM参数，CA210循环自相关分析功能给出的OFDM符号总时长呈现规律相关峰，使用光标测量后OFDM符号时长（含保护间隔）为4.44us：

图6 OFDM符号总时长测量

CA210的OFDM自相关分析给出的符号中数据体时长为4.267us：

图7 OFDM符号数据体时长测量

因此可得到符号保护间隔时长0.17 us：

图8 OFDM符号总时长、数据体时长和保护间隔时长测量值

测量得到的一个OFDM符号时长为4.267 us，而信号带宽为240 MHz，假设子载波资源全部得到使用，可将OFDM信号的采样率视为240 MSamples/s，因此在一个OFDM符号内总的采样点数为4.267*240=1024.08，取整后即一个符号时长内总共有1024个采样点。根据图9所示的OFDM调制原理，由于在一个OFDM符号内，采样点数等于其子载波数目，因此相应的子载波数目（FFT点数）为1024。

图9 OFDM调制原理图（引用自《R&S CA210信号分析软件操作手册》）

CA210具备OFDM测量参数正确性验证与调节功能，在参数列表中输入测量得到的信号参数，如采样率240MSamples/s、子载波数目1024，符号保护时隙长度对应的采样点数为41（测量得到的符号保护时隙长度为0.17 us，对应采样点数为0.17*240=41）。随后从时频图上按照测量的帧长1.33 ms框选一帧信号交由CA210计算参数估计值相应的信号最大归一化相关测度均值和栅格，如图10所示。图中最大归一化相关测度均值出现多处随机峰，最大归一化相关测度栅格出现水平方向斜线，这说明参数误差较大，需要进行参数调节。

备注：单帧信号的最大归一化相关测度均值为明显单峰、最大归一化相关测度栅格为垂线说明估计参数正确。对于多帧信号最大归一化相关测度均值为明显多峰、最大归一化相关测度栅格为多段交错垂线说明估计参数正确。

图10 保护时隙为41个采样点的OFDM参数估计误差

在采样率、子载波数目和保护时隙长度三个参数中，有可能存在误差的参数为保护时隙长度，因此从正反两个方向调节该参数值，当该参数值为32即32/240=0.133时，最大归一化相关测度均值和栅格均提示参数正确，误差极小，参见图11。因此可确定保护时隙长度为0.133 us。根据新测得的保护时隙长度可更新符号总时长为0.133+4.267=4.4us。

图11 保护时隙为32个符号的OFDM参数估计误差

根据被测信号的带宽和子载波数目，可以得到每个子载波的带宽约为240/1024=234 kHz。因此从信号边沿抽取一个子载波进行调制方式分析，首先查看其瞬时频率图：

图12 子载波瞬时频率图

瞬时频率的直方分布未出现具有一定频率间隔的相关峰，因此排除FSK调制的可能性。进而查看其瞬时相位图：

图13 子载波瞬时相位图

瞬时相位图中除去相位畸变点，整体呈现规律性相位变化特征，可测得的最小相位步进约为60°，大部分最小相位步进在90°10°的范围内，考虑到该信号为空间实际信号，因此可以判断被测信号使用了四相位调制。进而继续查看信号的瞬时幅度图。

图14 子载波可测得的最小相位步进

瞬时幅度图呈现幅度调制特征，结合四相位调制和瞬时频率的分析结果，因此被测样本应使用了QAM4调制。

图15 子载波瞬时幅度图

通过上述测量过程，我们得到了某低轨卫星宽带下行信号的频点、带宽、帧长、OFDM符号时长、OFDM符号保护间隔时长、OFDM子载波数目与子载波调制方式，从而为后续OFDM信号解调提供了依据，验证了罗德与施瓦茨公司低轨卫星在轨测试系统对卫星到终端下行宽带信号的接收与分析能力。

我们再选取某低轨卫星的终端上行信号进行分析验证。通过CA210软件回放ESMW接收到的终端信号我们可以观察到终端在通话过程中进行了多次频率切换：

图16 某低轨卫星终端频率切换示意图

图17 同时存在两部终端的场景（显示终端A频谱）

图18 同时存在两部终端的场景（显示终端B频谱）

进而选取一部终端信号进行帧长分析：

图19 终端信号自相关分析结果图

在图19中使用光标可测量出终端信号的帧周期为90 ms，如图20所示：

图20 终端信号帧周期

在图20中使用光标还可测量出终端信号时隙长度为8.28 ms，如图21所示：

图21 终端信号时隙长度

对选取的信号进行自动调制分析，得到信号的调制方式为PSK4A，符号速率为50kB。

图22 终端信号调制参数分析

通过上述测量过程，我们得到了某低轨卫星窄带终端上行信号的频点、带宽、帧周期、终端信号时长、调制方式与符号速率。

在ESMW接收到终端信号的同时，DDF550测向机还可对终端进行测向，由于终端存在频率切换现象，因此我们令测向机工作在宽带模式，并行提供80 MHz带宽内各个信道的测向结果，进而依据相邻信道来波方向的聚类结果确定卫星终端的方向、位置与移动轨迹。

综上所述，罗德与施瓦茨公司的模块化低轨卫星在轨测试系统能够实现卫星与终端间上下行信号的接收、存储、分析测试与终端定位，可获取信号的详实参数。

同时该系统还可完成众多甚高频频段、移动通信频段的无线电管理任务，有效提高了用户的资产使用价值。

审核编辑：汤梓红