低軌衛星信號在軌監測測試與分析

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文章，包括行業前沿趨勢、行業方案應用、技術細節探討，以及產品操作指南。所有的內容來自技術專家的理論結合實踐，字里行間無不體現他們的嚴謹、求真、務實，其中也不乏許多生動有趣的內容。期待這些豐富的技術分享帶給您新的角度與思考。

今天分享第一篇《低軌衛星信號在軌監測測試與分析》，它是一篇行業方案，硬核干貨，即刻出發~~

隨著美國Space X星鏈、華為Mate60衛星直連通信等衛星通信應用的快速發展，基于衛星空間通信技術已成為全球科技產業的焦點領域。巨型低軌衛星星座，將結合高軌衛星、導航衛星，深入融合6G等移動通信技術實現天地一體化通信的技術構想。無論政府監管機構和商業運營機構，都將面臨低軌衛星帶來的前所未有的測試測量和監測挑戰：

不斷擴展的信號頻率和帶寬

應對從L波段到Ka波段的不同電磁環境和空口監測要求

低軌衛星快速追蹤

復雜電磁環境及干擾分析

寬帶信號記錄和復雜信號分析

覆蓋全球區域的大量的信號監測及驗證需求

本文以低軌衛星信號作為示例演示了從寬帶接收機監測信號到后期的信號驗證分析全過程，希望可以助力衛星監管及運營客戶更好地完成低軌衛星星座的在軌監測、信號驗證和分析業務。

羅德與施瓦茨針對低軌衛星在軌測試推出了以ESMW超寬帶接收機（點擊下載產品手冊）、CA210信號分析軟件（點擊下載產品手冊）和DDF550測向機為核心的模塊化測試系統。ESMW超寬帶接收機頻段范圍可至40 GHz，實時帶寬及可輸出的數字中頻帶寬均可達2 GHz，與其配套的拋物面天線可追蹤移動的低軌衛星，從而實現衛星下行信號的有效接收。接收機配套的全向天線可接收周邊區域存在的衛星終端上行信號，在開闊場地接收半徑近10公里。ESMW將接收到的信號以數字中頻的形式輸出至中頻記錄儀存儲，CA210信號分析軟件可分析存儲的衛星信號，從時域、頻域和調制域對信號進行分析。對于衛星下行信號CA210可得到頻點、帶寬、電平、幀長、OFDM參數（包括符號時長、符號保護間隔時長、子載波數目、子載波調制方式）等參數；對于終端上行信號（該信號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、帶寬、電平、調制方式、符號速率等參數，還可確定同一場景中并行存在的終端數目。同時系統配套的DDF550測向機可給出終端的地理位置及移動軌跡。

圖1 低軌衛星模塊化在軌測試系統外形圖

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

圖2 某低軌衛星下行信號頻譜圖與時頻圖

我們首先測量信號的帶寬，通過在時頻圖上選取一段信號我們可以得到該信號帶寬為240 MHz。

圖3 某低軌衛星下行信號帶寬

隨后我們使用CA210軟件的自相關分析功能對選中的這段信號進行處理，從圖4的自相關結果中可以看出該信號存在明顯相關峰，進而通過光標測量峰間距可得到該信號的幀長為1.33 ms。

圖4 某低軌衛星下行信號自相關分析

圖5 使用光標測量幀長

進一步分析該信號的OFDM參數，CA210循環自相關分析功能給出的OFDM符號總時長呈現規律相關峰，使用光標測量后OFDM符號時長（含保護間隔）為4.44us：

圖6 OFDM符號總時長測量

CA210的OFDM自相關分析給出的符號中數據體時長為4.267us：

圖7 OFDM符號數據體時長測量

因此可得到符號保護間隔時長0.17 us：

圖8 OFDM符號總時長、數據體時長和保護間隔時長測量值

測量得到的一個OFDM符號時長為4.267 us，而信號帶寬為240 MHz，假設子載波資源全部得到使用，可將OFDM信號的采樣率視為240 MSamples/s，因此在一個OFDM符號內總的采樣點數為4.267*240=1024.08，取整后即一個符號時長內總共有1024個采樣點。根據圖9所示的OFDM調制原理，由于在一個OFDM符號內，采樣點數等于其子載波數目，因此相應的子載波數目（FFT點數）為1024。

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

CA210具備OFDM測量參數正確性驗證與調節功能，在參數列表中輸入測量得到的信號參數，如采樣率240MSamples/s、子載波數目1024，符號保護時隙長度對應的采樣點數為41（測量得到的符號保護時隙長度為0.17 us，對應采樣點數為0.17*240=41）。隨后從時頻圖上按照測量的幀長1.33 ms框選一幀信號交由CA210計算參數估計值相應的信號最大歸一化相關測度均值和柵格，如圖10所示。圖中最大歸一化相關測度均值出現多處隨機峰，最大歸一化相關測度柵格出現水平方向斜線，這說明參數誤差較大，需要進行參數調節。

備注：單幀信號的最大歸一化相關測度均值為明顯單峰、最大歸一化相關測度柵格為垂線說明估計參數正確。對于多幀信號最大歸一化相關測度均值為明顯多峰、最大歸一化相關測度柵格為多段交錯垂線說明估計參數正確。

圖10 保護時隙為41個采樣點的OFDM參數估計誤差

在采樣率、子載波數目和保護時隙長度三個參數中，有可能存在誤差的參數為保護時隙長度，因此從正反兩個方向調節該參數值，當該參數值為32即32/240=0.133時，最大歸一化相關測度均值和柵格均提示參數正確，誤差極小，參見圖11。因此可確定保護時隙長度為0.133 us。根據新測得的保護時隙長度可更新符號總時長為0.133+4.267=4.4us。

圖11 保護時隙為32個符號的OFDM參數估計誤差

根據被測信號的帶寬和子載波數目，可以得到每個子載波的帶寬約為240/1024=234 kHz。因此從信號邊沿抽取一個子載波進行調制方式分析，首先查看其瞬時頻率圖：

圖12 子載波瞬時頻率圖

瞬時頻率的直方分布未出現具有一定頻率間隔的相關峰，因此排除FSK調制的可能性。進而查看其瞬時相位圖：

圖13 子載波瞬時相位圖

瞬時相位圖中除去相位畸變點，整體呈現規律性相位變化特征，可測得的最小相位步進約為60°，大部分最小相位步進在90°10°的范圍內，考慮到該信號為空間實際信號，因此可以判斷被測信號使用了四相位調制。進而繼續查看信號的瞬時幅度圖。

圖14 子載波可測得的最小相位步進

瞬時幅度圖呈現幅度調制特征，結合四相位調制和瞬時頻率的分析結果，因此被測樣本應使用了QAM4調制。

圖15 子載波瞬時幅度圖

通過上述測量過程，我們得到了某低軌衛星寬帶下行信號的頻點、帶寬、幀長、OFDM符號時長、OFDM符號保護間隔時長、OFDM子載波數目與子載波調制方式，從而為后續OFDM信號解調提供了依據，驗證了羅德與施瓦茨公司低軌衛星在軌測試系統對衛星到終端下行寬帶信號的接收與分析能力。

我們再選取某低軌衛星的終端上行信號進行分析驗證。通過CA210軟件回放ESMW接收到的終端信號我們可以觀察到終端在通話過程中進行了多次頻率切換：

圖16 某低軌衛星終端頻率切換示意圖

圖17 同時存在兩部終端的場景（顯示終端A頻譜）

圖18 同時存在兩部終端的場景（顯示終端B頻譜）

進而選取一部終端信號進行幀長分析：

圖19 終端信號自相關分析結果圖

在圖19中使用光標可測量出終端信號的幀周期為90 ms，如圖20所示：

圖20 終端信號幀周期

在圖20中使用光標還可測量出終端信號時隙長度為8.28 ms，如圖21所示：

圖21 終端信號時隙長度

對選取的信號進行自動調制分析，得到信號的調制方式為PSK4A，符號速率為50kB。

圖22 終端信號調制參數分析

通過上述測量過程，我們得到了某低軌衛星窄帶終端上行信號的頻點、帶寬、幀周期、終端信號時長、調制方式與符號速率。

在ESMW接收到終端信號的同時，DDF550測向機還可對終端進行測向，由于終端存在頻率切換現象，因此我們令測向機工作在寬帶模式，并行提供80 MHz帶寬內各個信道的測向結果，進而依據相鄰信道來波方向的聚類結果確定衛星終端的方向、位置與移動軌跡。

綜上所述，羅德與施瓦茨公司的模塊化低軌衛星在軌測試系統能夠實現衛星與終端間上下行信號的接收、存儲、分析測試與終端定位，可獲取信號的詳實參數。

同時該系統還可完成眾多甚高頻頻段、移動通信頻段的無線電管理任務，有效提高了用戶的資產使用價值。

審核編輯：湯梓紅