上变频器的工作原理及其测试

上变频器的工作原理及其测试 宋希珩【摘要】上变频器是地球站上行系统的一个重要部件，本文通过对上变频器的变频原理介绍、分析，阐述了上变频器 主要性能指标的测试方法。【关键词】卫星通信、地球站、上变频器、二次变频、增 益、频响、杂散、相位噪声、互调失真由于地面用户传输的信号是数字基带信号，这种信号是无法直接在空间进行传输的，如果在射频上直接对信号进行 调制、解调，利用目前的工艺和技术很难做到，采取的办法 就是先在一个合适的中间频率（即中频：70MHz18MHz 或140MHz36MHz）上进行调制、解调，然后再进行频谱 搬移。上、下变频器（U/C、D/C）就是用来在射频和中频 间进行频谱搬移的。另外，利用上、下变频器进行频谱搬 移，容易将已调信号放在所分配的射频频率上，从而使得调 制器、解调器规格统一。下面以C波段的上变频器为例，阐述上变频器的工作原 理及其测试方法。一、卫星地球站的构成卫星通信是以卫星作为中继站，在两个或两个以上地球站之间进行的无线通信。其简单传输过程为：地面传输的 广播、电视等信号，首先在地球站以适当的方式进行中频调 制、上变频及功率放大，再通过天线发向卫星；卫星接收到 地球站发来的信号后，经下变频、功率放大后再发回地面； 另一地球站用天线接收下来，再经放大、变频以及适当的解 调后还原成原信号，供用户使用。地球站是组成卫星通信系统的重要部分，其上下行系统 的基本组成如图1所示：二、上变频器的工作原理上变频器的主要作用是将70MHz（或140MHz）中心频率的36MHz（或72MHz）频带内的中频信号，采用二次变 频技术，经过一次变频后，成为116040MHz的高中频信 号，经过第二次变频后，成为5.8506.425GHz的C波段载 波信号后，输出至高功放。上变频器二次变频技术的采用，可以有效抑止镜像 干扰。上变频器的工作原理如下，电路原理图如图2所示：图1 地球站上下行系统的基本组成在卫星通信系统中，空间传输的信号是电磁波，由于 电离层的反射和吸收，用于宇宙通信的电波频率必须大于100MHz，同时对于高于10GHz频率的电波，由于云层、降 雨以及大气层的吸收，也会受到较大程度的衰减，另外宇宙 空间的噪声，特别是银河系产生的噪声在1GHz比较大，因 此适用于宇宙通信的频段为1GHz10GHz，这一频段一般 称为无线电窗口。根据无线电规则分配的频率，目前大多数 卫星固定业务使用6/4GHz频段（C频段）。同时，因采用了 相应的降雨补偿措施，14/12GHz频段（Ku频段）也开始使 用，这两个频段的频率在地球站均被称为射频。图2 电路原理图z中频信号输入后，在A1的AMP1（单片集成放大电路）放大后送至群时延均衡单元电路，对高中 LI产生的群时延失真进行预校正，其插入损耗为1214db。预校正后的70MHz（或140MHz）中 频信号送入AMP2（单片集成放大电路）放大，送入高 中频混频器，输入的70MHz（或140MHz）中频信号和11601162.375MHz第一本振在混频器混频，产生需要的12301232.375MHz高中频信号及其它无用的频率分量。 然后送至AMP3（增益可调的晶体管放大电路），增益动态 调整范围10db，对高中频信号放大了约1012db，而对 其它无用分量没有放大作用，至此完成了第一次向上变频， 得到了含有高中频分量的混合信号；混合信号进入FL3诺斯式滤波器，初步滤出高中频信 号，再进入L波段的“HY1/FL1/HY2”链路，高中频滤波 器FL1的中心频率为1230MHz、带宽为50MHz，是一个多 级窄带滤波器（相对带宽不到5%），如此窄的频带，使得 高中频信号经过以后产生68nS的抛物线型群时延失真， 但该失真经前面的群时延均衡电路的预校正，已经降低至0.1ns，高中频滤波器FL1滤掉带外频率分量，并将链路中 存在的高中频本振信号泄漏抑制60db。高中频信号在射频 混频器与46205195MHz的射频本振混频，产生了所需的58506425MHz射频载波频率和其它无用的频率分量。混 频输出信号进入“HY3/FL2/HY4”链路，FL2是C波段带状 线式微带宽滤波器，工作频率为58506425MHz，滤掉带 外的频率分量，并将C波段链路中存在的射频本振泄漏抑制60 db，至此完成了第二次向上变频；通过HY4输出-5dbm的已调射频信号。为了配合高功 放的输入电平，可调整上变频器的增益，使其输出电平为合 适值即可。取其输出电平，看增益是否呈线形。（二）频响测试当上变频器工作于多载波状态时，它的频率响应 特性将直接影响到上变频器的输出频谱，因此该指标 非常重要。对不同厂家的设备来说，该指标基本相同 （0.20dB/18MHz0.25dB/36MHz）。测试步骤：1.按图三将测试仪器和被测U/C相连接；2.将被测U/C的“衰减”置于最小值；3.扫频仪置“CW”方式，F为U/C的工作频率，调整 扫频仪的输出电平和衰减器，使U/C的输入电平为典型输入（同上）；4.扫频仪置“扫描”方式，“SPAN”置50MHz或7 5 M H z ； 频 谱 仪 的 “ 中 心 频 率 ” 置 U /C 的 工 作 频 率 ， “SPAN”置36MHz或72MHz，“RBW”“VBW”置“自 动”，“LOG”置“1dB/格”；5.从频谱仪上读取U/C的输出频谱的P-P值，并送绘图 仪绘出。如果测得的P-P值不符合指标要求，在数字变频器中 有一项增益斜率调整的菜单，进入该菜单，边调整增益斜率 的值，边从频谱仪上观察输出频谱，直至频率响应特性符合 指标。如经过调整，该特性仍较差，则需返厂维修或做好标 记，只能用于单载波工作。（三）杂散测试杂散是有用频带以外的无用信号，主要是PA、VCO、各种放大器和Buffer等器件，由于电压不稳、噪声引入、自 混频等等原因产生的。一般情况下产生的杂散频谱范围宽， 但是功率相对于有用信号低很多。当设备中的元器件故障或 老化时，产生的杂散分量会较大，此时会对相邻载波造成干 扰，所以必须加以控制。杂散分为带内杂散和带外杂散，我 们一般只考虑上变频器工作带宽内的杂散。指标：与信号无关的杂散-70dBm与信号相关的杂散-60dBc测试步骤：1.按图三将测试仪器和被测U/C相连接；2.将被测U/C的“衰减”置于最小值；3.扫频仪置“CW”方式，F为U/C的工作频率，调整 扫频仪的输出和衰减器，使U/C的输入电平为典型输入（同 上）；4. 频谱仪的“中心频率”置U/ C的工作频率， “SPAN”置40MHz或72MHz，“RBW”置10KHz， “VBW”置3KHz；5.扫频仪置“RF ON”，从频谱仪上读取CW与噪声电 平最高点的差值，即为与信号相关的杂散，又叫有载杂散；6.扫频仪置“RF OFF”，从频谱仪上读取噪声最高点 的电平值，即为与信号无关的杂散，又叫无载杂散。三、上变频器性能指标的测试（一）增益测试增益=输出电平-输入电平+输出测试线衰减根据说明书的指标，按如下方法测试。图3 测试仪器与被测U/C的连接测试步骤：1.按图三将测试仪器和被测U/C相连接；2.将被测U/C的“衰减”置于最小值；3.扫频仪置“CW”方式，F为U/C的工作频率，调整 扫频仪的输出电平和衰减器，使U/C的输入电平为典型输入（此值不同厂家的设备会有所不同，说明书中一般会给出说 明，如35dB）；4.用频谱仪读取U/C的输出电平P1，则G=P1-输入电平标称值；5.分别将U/C的衰减置为最小值、中间值、最大值，读广播电视技术70MH 频混频器F（四）相位噪声测试相位噪声一般是指在系统内各种噪声作用下引起的输出信号相位的随机起伏。通常相位噪声又分为频率短期稳定度 和频率长期稳定度。所谓频率短期稳定度，是指由随机噪声 引起的相位起伏或频率起伏。至于因为温度、老化等引起的 频率慢漂移，则称之为频率长期稳定度。相位噪声分为三种 类型：带内噪声、带外噪声和相位抖动。所谓带内噪声是指 其功率谱正好落在有用信号频带内的相位噪声；带外噪声是 指其功率谱落在有用信号频带外的相位噪声；相位抖动是指 其功率谱落在小于有用信号最低频率处的相位噪声。相位噪 声是设备的一项重要技术指标，在购买和使用设备时必须加 以考虑。但不同厂家的设备，指标相差较大，测试人员可从 说明书中查取。测试方法如下：1.按图三将测试仪器和被测U/C相连接；2.将被测U/C的“衰减”置于最小值；3.扫频仪置“CW”方式，F为U/C的工作频率，调 整扫频仪的输出和衰减器，使U/C的输入电平为典型输入（同上）；4 .频 谱 仪 的 “ 中 心 频 率 ” 置 U /C 的 工 作 频 率 ， “SPAN”“RBW”“VBW”按下表设置：频信号混合在一起送入U/C，然后在U/C的输出口用频谱仪测量。3.将频谱仪的“中心频率”置于“F1+2.5MHz”， “SPAN”设为“50MHz”，“RBW”“VBW”置于“自 动”，从频谱仪上观察基波及三阶互调分量；4.光标放在F1或F2中较低的载波上，并将光标放在较 高的三次互调分量上，记录三次互调产物相对基波的相对电 平；5.将频谱仪上显示的结果输出到绘图仪上。 此外，上变频器还有频率测试，频率测试的指标包括：频率范围、频率步进、频率稳定度。 频率范围表征变频器的变频工作范围；频率步进表征RF频率合成器的频率步长；频率稳定度表征5MHz参考源的 频率稳定度。频率稳定度=频率偏差（f）/频率（f） 单位为ppm，1ppm=110-6 由于在实际测试中，频谱仪的读数本身就存在微小偏差，频率测试时很难区分出频率漂移是上变频器产生的还是 频谱仪产生的，所以变频器的频率指标一般通过设备的实际 工作情况确定，不做专项测试。以上详细介绍了上变频器五项主要技术指标的测试方 法，下变频器的测试方法相同，只是注意输入信号即可。则相位噪声的值为MARK的电平值+10lgRBW（dBc/Hz）。（五）互调失真测试从广义上讲，当两个以上频率不同但幅度相同的合成正弦信号通过传输系统和设备，进入到有源器件伏安特性 的非线性区域时，输出端不仅包含着这些信号基波、各次 谐波，还有一些非谐波分量。这些非谐波分量称为互调IM（InterModulation）分量。互调分量的出现使输入的复合波 形发生变化，更为严重地是对传输信号产生干扰，称之互调 失真。其失真程度用三阶互调IM3表示。同时相邻频道也受 其害，称之带外干扰。由于上变频器经常工作于多载波状 态，此项指标直接影响设备的性能，因此极为重要。指标：对于两个相等的载波，在其输入功率等于典型输 入时，其三阶