編者按：

大家好，我是官微君。從今天開始，我們將分享一系列深度技術(shù)文章，包括行業(yè)前沿趨勢(shì)、行業(yè)方案應(yīng)用、技術(shù)細(xì)節(jié)探討，以及產(chǎn)品操作指南。所有的內(nèi)容來自技術(shù)專家的理論結(jié)合實(shí)踐，字里行間無(wú)不體現(xiàn)他們的嚴(yán)謹(jǐn)、求真、務(wù)實(shí)，其中也不乏許多生動(dòng)有趣的內(nèi)容。期待這些豐富的技術(shù)分享帶給您新的角度與思考。

今天分享第一篇《低軌衛(wèi)星信號(hào)在軌監(jiān)測(cè)測(cè)試與分析》，它是一篇行業(yè)方案，硬核干貨，即刻出發(fā)~~

隨著美國(guó)Space X星鏈、華為Mate60衛(wèi)星直連通信等衛(wèi)星通信應(yīng)用的快速發(fā)展，基于衛(wèi)星空間通信技術(shù)已成為全球科技產(chǎn)業(yè)的焦點(diǎn)領(lǐng)域。巨型低軌衛(wèi)星星座，將結(jié)合高軌衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星，深入融合6G等移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)天地一體化通信的技術(shù)構(gòu)想。無(wú)論政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)和商業(yè)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)，都將面臨低軌衛(wèi)星帶來的前所未有的測(cè)試測(cè)量和監(jiān)測(cè)挑戰(zhàn)：

不斷擴(kuò)展的信號(hào)頻率和帶寬

應(yīng)對(duì)從L波段到Ka波段的不同電磁環(huán)境和空口監(jiān)測(cè)要求

低軌衛(wèi)星快速追蹤

復(fù)雜電磁環(huán)境及干擾分析

寬帶信號(hào)記錄和復(fù)雜信號(hào)分析

覆蓋全球區(qū)域的大量的信號(hào)監(jiān)測(cè)及驗(yàn)證需求

本文以低軌衛(wèi)星信號(hào)作為示例演示了從寬帶接收機(jī)監(jiān)測(cè)信號(hào)到后期的信號(hào)驗(yàn)證分析全過程，希望可以助力衛(wèi)星監(jiān)管及運(yùn)營(yíng)客戶更好地完成低軌衛(wèi)星星座的在軌監(jiān)測(cè)、信號(hào)驗(yàn)證和分析業(yè)務(wù)。

羅德與施瓦茨針對(duì)低軌衛(wèi)星在軌測(cè)試推出了以ESMW超寬帶接收機(jī)（點(diǎn)擊下載產(chǎn)品手冊(cè)）、CA210信號(hào)分析軟件（點(diǎn)擊下載產(chǎn)品手冊(cè)）和DDF550測(cè)向機(jī)為核心的模塊化測(cè)試系統(tǒng)。ESMW超寬帶接收機(jī)頻段范圍可至40 GHz，實(shí)時(shí)帶寬及可輸出的數(shù)字中頻帶寬均可達(dá)2 GHz，與其配套的拋物面天線可追蹤移動(dòng)的低軌衛(wèi)星，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星下行信號(hào)的有效接收。接收機(jī)配套的全向天線可接收周邊區(qū)域存在的衛(wèi)星終端上行信號(hào)，在開闊場(chǎng)地接收半徑近10公里。ESMW將接收到的信號(hào)以數(shù)字中頻的形式輸出至中頻記錄儀存儲(chǔ)，CA210信號(hào)分析軟件可分析存儲(chǔ)的衛(wèi)星信號(hào)，從時(shí)域、頻域和調(diào)制域?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析。對(duì)于衛(wèi)星下行信號(hào)CA210可得到頻點(diǎn)、帶寬、電平、幀長(zhǎng)、OFDM參數(shù)（包括符號(hào)時(shí)長(zhǎng)、符號(hào)保護(hù)間隔時(shí)長(zhǎng)、子載波數(shù)目、子載波調(diào)制方式）等參數(shù)；對(duì)于終端上行信號(hào)（該信號(hào)存在單次通話過程中頻率切換的問題），軟件可得到終端使用過的全部頻點(diǎn)、帶寬、電平、調(diào)制方式、符號(hào)速率等參數(shù)，還可確定同一場(chǎng)景中并行存在的終端數(shù)目。同時(shí)系統(tǒng)配套的DDF550測(cè)向機(jī)可給出終端的地理位置及移動(dòng)軌跡。

圖1 低軌衛(wèi)星模塊化在軌測(cè)試系統(tǒng)外形圖

我們首先以某低軌衛(wèi)星下行信號(hào)為例說明羅德與施瓦茨公司低軌衛(wèi)星在軌測(cè)試系統(tǒng)的能力。通過拋物面天線、ESMW接收機(jī)及中頻記錄儀我們記錄了一段完整的該衛(wèi)星下行信號(hào)。進(jìn)而通過CA210信號(hào)分析軟件讀取該信號(hào)，查看信號(hào)頻譜圖與時(shí)頻圖如下：

圖2 某低軌衛(wèi)星下行信號(hào)頻譜圖與時(shí)頻圖

我們首先測(cè)量信號(hào)的帶寬，通過在時(shí)頻圖上選取一段信號(hào)我們可以得到該信號(hào)帶寬為240 MHz。

圖3 某低軌衛(wèi)星下行信號(hào)帶寬

隨后我們使用CA210軟件的自相關(guān)分析功能對(duì)選中的這段信號(hào)進(jìn)行處理，從圖4的自相關(guān)結(jié)果中可以看出該信號(hào)存在明顯相關(guān)峰，進(jìn)而通過光標(biāo)測(cè)量峰間距可得到該信號(hào)的幀長(zhǎng)為1.33 ms。

圖4 某低軌衛(wèi)星下行信號(hào)自相關(guān)分析

圖5 使用光標(biāo)測(cè)量幀長(zhǎng)

進(jìn)一步分析該信號(hào)的OFDM參數(shù)，CA210循環(huán)自相關(guān)分析功能給出的OFDM符號(hào)總時(shí)長(zhǎng)呈現(xiàn)規(guī)律相關(guān)峰，使用光標(biāo)測(cè)量后OFDM符號(hào)時(shí)長(zhǎng)（含保護(hù)間隔）為4.44us：

圖6 OFDM符號(hào)總時(shí)長(zhǎng)測(cè)量

CA210的OFDM自相關(guān)分析給出的符號(hào)中數(shù)據(jù)體時(shí)長(zhǎng)為4.267us：

圖7 OFDM符號(hào)數(shù)據(jù)體時(shí)長(zhǎng)測(cè)量

因此可得到符號(hào)保護(hù)間隔時(shí)長(zhǎng)0.17 us：

圖8 OFDM符號(hào)總時(shí)長(zhǎng)、數(shù)據(jù)體時(shí)長(zhǎng)和保護(hù)間隔時(shí)長(zhǎng)測(cè)量值

測(cè)量得到的一個(gè)OFDM符號(hào)時(shí)長(zhǎng)為4.267 us，而信號(hào)帶寬為240 MHz，假設(shè)子載波資源全部得到使用，可將OFDM信號(hào)的采樣率視為240 MSamples/s，因此在一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)總的采樣點(diǎn)數(shù)為4.267*240=1024.08，取整后即一個(gè)符號(hào)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)總共有1024個(gè)采樣點(diǎn)。根據(jù)圖9所示的OFDM調(diào)制原理，由于在一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)，采樣點(diǎn)數(shù)等于其子載波數(shù)目，因此相應(yīng)的子載波數(shù)目（FFT點(diǎn)數(shù)）為1024。

圖9 OFDM調(diào)制原理圖（引用自《R&S CA210信號(hào)分析軟件操作手冊(cè)》）

CA210具備OFDM測(cè)量參數(shù)正確性驗(yàn)證與調(diào)節(jié)功能，在參數(shù)列表中輸入測(cè)量得到的信號(hào)參數(shù)，如采樣率240MSamples/s、子載波數(shù)目1024，符號(hào)保護(hù)時(shí)隙長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)為41（測(cè)量得到的符號(hào)保護(hù)時(shí)隙長(zhǎng)度為0.17 us，對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)數(shù)為0.17*240=41）。隨后從時(shí)頻圖上按照測(cè)量的幀長(zhǎng)1.33 ms框選一幀信號(hào)交由CA210計(jì)算參數(shù)估計(jì)值相應(yīng)的信號(hào)最大歸一化相關(guān)測(cè)度均值和柵格，如圖10所示。圖中最大歸一化相關(guān)測(cè)度均值出現(xiàn)多處隨機(jī)峰，最大歸一化相關(guān)測(cè)度柵格出現(xiàn)水平方向斜線，這說明參數(shù)誤差較大，需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。

備注：?jiǎn)螏盘?hào)的最大歸一化相關(guān)測(cè)度均值為明顯單峰、最大歸一化相關(guān)測(cè)度柵格為垂線說明估計(jì)參數(shù)正確。對(duì)于多幀信號(hào)最大歸一化相關(guān)測(cè)度均值為明顯多峰、最大歸一化相關(guān)測(cè)度柵格為多段交錯(cuò)垂線說明估計(jì)參數(shù)正確。

圖10 保護(hù)時(shí)隙為41個(gè)采樣點(diǎn)的OFDM參數(shù)估計(jì)誤差

在采樣率、子載波數(shù)目和保護(hù)時(shí)隙長(zhǎng)度三個(gè)參數(shù)中，有可能存在誤差的參數(shù)為保護(hù)時(shí)隙長(zhǎng)度，因此從正反兩個(gè)方向調(diào)節(jié)該參數(shù)值，當(dāng)該參數(shù)值為32即32/240=0.133時(shí)，最大歸一化相關(guān)測(cè)度均值和柵格均提示參數(shù)正確，誤差極小，參見圖11。因此可確定保護(hù)時(shí)隙長(zhǎng)度為0.133 us。根據(jù)新測(cè)得的保護(hù)時(shí)隙長(zhǎng)度可更新符號(hào)總時(shí)長(zhǎng)為0.133+4.267=4.4us。

圖11 保護(hù)時(shí)隙為32個(gè)符號(hào)的OFDM參數(shù)估計(jì)誤差

根據(jù)被測(cè)信號(hào)的帶寬和子載波數(shù)目，可以得到每個(gè)子載波的帶寬約為240/1024=234 kHz。因此從信號(hào)邊沿抽取一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制方式分析，首先查看其瞬時(shí)頻率圖：

圖12 子載波瞬時(shí)頻率圖

瞬時(shí)頻率的直方分布未出現(xiàn)具有一定頻率間隔的相關(guān)峰，因此排除FSK調(diào)制的可能性。進(jìn)而查看其瞬時(shí)相位圖：

圖13 子載波瞬時(shí)相位圖

瞬時(shí)相位圖中除去相位畸變點(diǎn)，整體呈現(xiàn)規(guī)律性相位變化特征，可測(cè)得的最小相位步進(jìn)約為60°，大部分最小相位步進(jìn)在90°10°的范圍內(nèi)，考慮到該信號(hào)為空間實(shí)際信號(hào)，因此可以判斷被測(cè)信號(hào)使用了四相位調(diào)制。進(jìn)而繼續(xù)查看信號(hào)的瞬時(shí)幅度圖。

圖14 子載波可測(cè)得的最小相位步進(jìn)

瞬時(shí)幅度圖呈現(xiàn)幅度調(diào)制特征，結(jié)合四相位調(diào)制和瞬時(shí)頻率的分析結(jié)果，因此被測(cè)樣本應(yīng)使用了QAM4調(diào)制。

圖15 子載波瞬時(shí)幅度圖

通過上述測(cè)量過程，我們得到了某低軌衛(wèi)星寬帶下行信號(hào)的頻點(diǎn)、帶寬、幀長(zhǎng)、OFDM符號(hào)時(shí)長(zhǎng)、OFDM符號(hào)保護(hù)間隔時(shí)長(zhǎng)、OFDM子載波數(shù)目與子載波調(diào)制方式，從而為后續(xù)OFDM信號(hào)解調(diào)提供了依據(jù)，驗(yàn)證了羅德與施瓦茨公司低軌衛(wèi)星在軌測(cè)試系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星到終端下行寬帶信號(hào)的接收與分析能力。

我們?cè)龠x取某低軌衛(wèi)星的終端上行信號(hào)進(jìn)行分析驗(yàn)證。通過CA210軟件回放ESMW接收到的終端信號(hào)我們可以觀察到終端在通話過程中進(jìn)行了多次頻率切換：

圖16 某低軌衛(wèi)星終端頻率切換示意圖

圖17 同時(shí)存在兩部終端的場(chǎng)景（顯示終端A頻譜）

圖18 同時(shí)存在兩部終端的場(chǎng)景（顯示終端B頻譜）

進(jìn)而選取一部終端信號(hào)進(jìn)行幀長(zhǎng)分析：

圖19 終端信號(hào)自相關(guān)分析結(jié)果圖

在圖19中使用光標(biāo)可測(cè)量出終端信號(hào)的幀周期為90 ms，如圖20所示：

圖20 終端信號(hào)幀周期

在圖20中使用光標(biāo)還可測(cè)量出終端信號(hào)時(shí)隙長(zhǎng)度為8.28 ms，如圖21所示：

圖21 終端信號(hào)時(shí)隙長(zhǎng)度

對(duì)選取的信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)制分析，得到信號(hào)的調(diào)制方式為PSK4A，符號(hào)速率為50kB。

圖22 終端信號(hào)調(diào)制參數(shù)分析

通過上述測(cè)量過程，我們得到了某低軌衛(wèi)星窄帶終端上行信號(hào)的頻點(diǎn)、帶寬、幀周期、終端信號(hào)時(shí)長(zhǎng)、調(diào)制方式與符號(hào)速率。

在ESMW接收到終端信號(hào)的同時(shí)，DDF550測(cè)向機(jī)還可對(duì)終端進(jìn)行測(cè)向，由于終端存在頻率切換現(xiàn)象，因此我們令測(cè)向機(jī)工作在寬帶模式，并行提供80 MHz帶寬內(nèi)各個(gè)信道的測(cè)向結(jié)果，進(jìn)而依據(jù)相鄰信道來波方向的聚類結(jié)果確定衛(wèi)星終端的方向、位置與移動(dòng)軌跡。

綜上所述，羅德與施瓦茨公司的模塊化低軌衛(wèi)星在軌測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星與終端間上下行信號(hào)的接收、存儲(chǔ)、分析測(cè)試與終端定位，可獲取信號(hào)的詳實(shí)參數(shù)。

同時(shí)該系統(tǒng)還可完成眾多甚高頻頻段、移動(dòng)通信頻段的無(wú)線電管理任務(wù)，有效提高了用戶的資產(chǎn)使用價(jià)值。

審核編輯：湯梓紅