NTN低轨卫星模组及整星电测解决方案

低轨卫星星座的快速部署极大地推进了卫星通信和地面移动通信的技术融合，终端技术的进步也推动了消费和专用天地一体化通信的实际需求，先进的阵列天线逐步让手机直连卫星模式以合理的成本成为现实，这些技术迭代塑造了“非地面网络”即NTN的技术愿景并使之成为低轨星座的通信技术体系。无论是3GPP、类3GPP或私有协议技术体系，均面临星载基站、信关站、星间链路、终端和核心网相互连接带来的技术挑战。特别是大规模手机直连接入和低轨卫星高动态运动场景，要求NTN网络星载基站具备大型相控阵天线及波束跳跃和多波束覆盖，包括信关站、终端和遥测在内的系统时延补偿、射频参数、信号质量参数及相关一致性测试成为NTN卫星整星及模组的关键环节，也是NTN产业链上下游协同的关键依据。

罗德与施瓦茨公司与全球的航天科技企业保持了数十年的密切合作，深刻理解卫星行业的技术迭代，近期对频谱仪和信号源产品进行了升级，以适配低轨卫星的爆发式发展。最近，罗德与施瓦茨与我国的商业航天科技企业合作完成了对模组及整星的电测实验，有效解决了整星多模组和多链路在跳波束条件下结合星历的系统时延、大多普勒频偏条件下的EVM测试、频率准确性等项目的电测难点。

以3GPP 5G NR NTN架构为例：

图1 透明NTN NG-RAN 架构

来源：R&S《5G NTN启航 5G非地面网络技术概论》

图2 再生NTN NG-RAN 架构

来源：R&S《5G NTN启航 5G非地面网络技术概论》

如图1 和图2所示，相比地面5G网络，无论是透明转发还是再生架构，NTN的终端(UE)接入更为复杂，增加了星载基站（gNB）、信关站（NTN网关）、测控链路等环节，会显著影响接入过程并由非线性器件带来系统整体时延、信号质量EVM和频率准确度等问题。与传统的卫星测试比较，NTN低轨卫星带来了诸多新的测试挑战。

测试挑战：

需要对卫星组件在不同工况(发射功率、温度等)和真实信号（宽带数字信号）下的时延、群时延和EVM进行完整测试，以确保级联后的参数指标符合要求，传统的模拟信号测试已不能表征组件在NTN架构下的性能要求。

罗德与施瓦茨解决方案:

罗德与施瓦茨在全球5G及卫星产业链测试领域广泛应用且广受用户好评的FSW频谱信号分析仪及SMW200A矢量信号源具备多个专用选件，特别是根据3GPP NTN标准不断升级的一致性测试选件，可准确、高效地测试NTN卫星组件并确保其符合一致性要求。

图3 卫星载荷组件测试仪表搭建

图4 卫星载荷组件测试项与界面举例

在FSW和SMA200A的支持下，NTN卫星器件、组件、模组和整星的产业链各环节均可实现同一套仪表射频与矢量参数对齐、准确测试及可回溯，并确保卫星整星的高质量交付与在轨验证（FSW和SMW200A可用于低轨的在轨测试。

与地面系统和中高轨卫星不同，低轨卫星因为其轨道物理因素，具有高速运动带来的多普勒频移和动态时延，如图5所示。因此，除了NTN时频资源的严格同步要求外，终端、信关站、卫星和测控链路还需和星历（带有卫星轨道信息）严格对齐，以便准确的追踪卫星并补偿多普勒效应和动态时延。

图5 LEO（低轨卫星）场景中的星历与多普勒频移

来源：R&S《5G NTN启航 5G非地面网络技术概论》

以3GPP 5GNR NTN终端接入协议为例，与地面网络有很大的不同，终端和基站需要通过复杂机制获取定时提前量用以补偿星地之间的动态大时延，否则将无法实现正常通信。

图6 NTN 用于补偿传播延迟的定时提前量

来源：R&S《5G NTN启航 5G非地面网络技术概论》

结合NTN网络的规模，特别是手机直连的大量接入，还需要卫星具备跳波束和多波束的技术设计，以实现接入卫星功率和频谱的动态分配，满足切换和动态接入需求。如图7所示。

图7 NTN 地球固定跟踪区域码信令和波束切换

来源：R&S《5G NTN启航 5G非地面网络技术概论》

综合上述背景，NTN低轨卫星的整星电测面临的部分测试挑战如下：

✓ 需要结合真实星历与UE位置的信道特性仿真，用于验证gNB对动态多普勒频偏与动态时延补偿效果

✓ 需要具备NTP授时与GNSS秒脉冲同步、并且具有绝对时间触发的测试系统，完成多模组协同时延测试，用以测定系统固定时延以便gNB完成实时补偿

✓ 跳波束的时延测试，以确定系统整体时延用于系统补充

✓ 信关站、卫星载荷、终端的整体EVM测定，已确保通信信号质量

✓ 实现在信关站、整星、终端和遥测链路的全连接联动测试

为充分说明测试挑战，以5G NR NTN的整星为例：终端为L/S频段手机直连业务，信关站为Q/V频段，并包含测控链路。整星及地面站设备做桌面电测实验的框图如下图8。

图8 NTN 低轨卫星整星联测框图

如图8所示，NTN低轨卫星具有复杂的连接和业务逻辑，这给卫星研发和发射前的整机电测带来很多测试难题。如测试数值不准确或不完善，将直接导致整星通信质量的显著下降，更为测试业务带来成本和时间的增加。

罗德与施瓦茨为解决产业界难题，对FSW和SMW200A系列仪表进行了全新升级，具备完善的绝对时间触发逻辑和相关硬件配置，实现了对NTN整星的全功能测试。

使用仪表为R&S FSW频谱信号分析仪, SMW200A多通道矢量信号源，RTO6示波器和NGP800电源。 

图9中标记有信号的位置均为信号射频和矢量测试点，可测定不同组件射频与信号质量，验证其是否满足设计要求或产线测试项。

测试项目（包括但不限于）

◉ 各测试点的频率准确度

◉ 各测试点损耗

◉ 各测试点EVM（均使用3GPP 5GNR NTN选件测试，符合3GPP一致性要求）

◉ 各测试点与UE/gNB处的绝对时延

◉ 跳波束实时性（延时）测试

测试逻辑：

01、UE到gNB测试：

信号源模拟UE产生特定带宽（如20MHz）5GNTN信号，经数字处理器后转换为特定带宽（如400MHz）信号。经Q/V上下变频器上变成Q频段，再经信关站射频前端下变频为L波段，过信道仿真仪经DUC/DDC变回特定带宽（如20MHz）信号给gNB，可以用频谱仪来模拟gNB进行信号测试。

02、gNB到UE测试：

信号源模拟gNB产生特定带宽（如20MHz）5GNTN信号，经DUC/DDC变为特定带宽（如400MHz）信号，经信道仿真仪传至信关站射频前端变为V波段信号，经Q/V上下变频上变成S频段，经数字处理器后变为特定带宽（如20MHz）的S频段信号下发给UE，此处用频谱仪替代UE进行信号测试。

03、实时性：

系统通过授时对齐星历并使用绝对时间触发，确保时延测试的准确性和实时性。

结 语

基于低轨卫星星座的NTN天地一体化对卫星通信带了诸多“颠覆性”技术变革，为从星载基站、信关站到手机直连终端或VSAT终端带来了测试范式（Paradigm）的重大变化，考虑到卫星发射的“不可逆”和高昂的失效成本，发射前的测试至关重要。NTN的技术架构，也带来了很多的新的测试用例，特别是时延和EVM技术要求。考虑到新的测试需求须兼顾移动通信和卫星通信的技术特点并带来诸多测试挑战，罗德与施瓦茨公司结合在这两个领域的广泛经验与实践，在本文中简述了部分测试方法，不足和错误之处，望指正。

1.FSW 频谱信号分析仪

• 频率范围：2 Hz ～ 8 / 13.6 / 26.5 / 43.5 / 50 / 67 / 85 / 90 GHz

• 优异的相位噪声特性：-140 dBs / Hz（典型值、1 GHz、10 kHz 偏移）

• 接近测量灵敏度极限的底噪能力：显示平均噪声电平：-169 dBm / Hz （典型值，打开前置放大器，8 GHz）

• 最大 8.3 GHz 分析带宽

• 卫星载荷测试功能选件（群延时、NPR噪声功率比、 多调制矢量信号分析…..）

• 卫星与移动通信信号测试功能选件（DVB、自定义OFDM及3GPP规则4G、5GNR、R17、R18…持续更新）

2.SMW200A 矢量信号源

• 可输出最高 67 GHz 的信号

• 可配置 2 个 RF 输出（最高 44 GHz）

• 内部 RF 调制带宽、最大4 GHz（双通道配置）

• 优异的调制质量（2 GHz 带宽的平坦度 0.4 dB）

• 可生成DVB及3GPP规则（4G、5GNR、R17、R18…持续更新）及用户自定义信号波形

• 支持自定义卫星动态衰落模型

3.RTO6示波器

• 带宽：600 MHz / 1 / 2 / 3 / 4 / 6 GHz

• 最大存储深度：2Gsample

• 功能：功率、16 位高分辨率模式、高级频谱分析和瀑布图、抖动、时钟数据恢复、去嵌、I/Q 数据、RF 分析、信号源

• 显示屏尺寸：15.6 英寸、彩色、1920 × 1080 像素

4.NGP800电源

• 最大输出功率：800W

• 输出通道：2/4

• 每个通道输出电压：0-32V/0-64V

• 每个通道最大输出电流：20A/10A

• 功能与特点：高精度、编程功能、DUT保护、数据采集