干擾廣播電視衛(wèi)星信號的因素與解決方案

代炳新

在衛(wèi)星廣播電視傳輸系統(tǒng)范圍內(nèi)，針對目前傳輸中所用設(shè)備的情況，分析了各種“干擾”信號產(chǎn)生的具體根源，

如空間段、衛(wèi)星和地球站接收站系統(tǒng)工作狀態(tài)異常等因素是如何對衛(wèi)星廣播電視信號質(zhì)量造成影響的。針對各種干擾源找出了具體有效的解決方案。

引言

廣播電臺節(jié)目覆蓋的廣度和節(jié)目信號的質(zhì)量是評價節(jié)目覆蓋是否有效有利的最重要的兩大標(biāo)準。節(jié)目覆蓋的廣度涉及與各地廣播電視管理部門的協(xié)調(diào)與協(xié)作。節(jié)目信號的質(zhì)量則會涉及到更多的技術(shù)問題。本文以中央人民廣播電臺調(diào)頻節(jié)目在全國50個重點城市覆蓋工程的技術(shù)實現(xiàn)為出發(fā)點，重點探討了影響衛(wèi)星廣播電視信號質(zhì)量的因素，分析其產(chǎn)生的根源，從而為現(xiàn)有問題找出更有針對性的、更科學(xué)有效的解決辦法。

影響衛(wèi)星廣播電視信號質(zhì)量的因素及其產(chǎn)生的根源

由于衛(wèi)星信號在傳輸過程中受到各種干擾，所以，要想知道什么會影響衛(wèi)星廣播電視信號的質(zhì)量，就要了解衛(wèi)星節(jié)目經(jīng)過的路線，即衛(wèi)星信號傳輸?shù)牧鞒?。以中央臺為例，中央臺是由總局無線局節(jié)目傳送處將信號傳送到地球站，地球站系統(tǒng)對信號進行處理并發(fā)射，發(fā)射信號經(jīng)過長距離的空間傳輸?shù)竭_衛(wèi)星，衛(wèi)星把上星信號轉(zhuǎn)發(fā)后，由分布于各個規(guī)劃覆蓋點的地面接收站點接收信號。可見衛(wèi)星廣播電視傳輸系統(tǒng)主要就是由衛(wèi)星、空間段、地球站和接收站形成的。所以，空間段對信號的干擾、衛(wèi)星和地球站接收站系統(tǒng)工作狀態(tài)的異常，都是影響衛(wèi)星廣播電視信號質(zhì)量的主要因素。下面以傳輸流程為主線，在衛(wèi)星廣播電視傳輸系統(tǒng)范圍內(nèi)分析各種“干擾”產(chǎn)生的具體根源。

節(jié)目源

在中央臺的播出機房內(nèi)，若節(jié)目源存在于自動化播出系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備或播出工作站本地硬盤中，一旦播出網(wǎng)出現(xiàn)連接問題或播出工作站出現(xiàn)故障，節(jié)目就會中斷，而且在進行各種切換操作如主備設(shè)備的倒換時，號還會閃斷；當(dāng)存在節(jié)目錄制電平過高、左右聲道不一致等問題時，也會造成信號異常。

節(jié)目信號傳送到地球站

節(jié)目制作播出單位與地球站通常不在一起，將節(jié)目信號傳送到地球站主要有電纜、光纜和微波三種方式。在每種傳輸方式下都有可能發(fā)生線路中斷的情況，而且，當(dāng)電纜性能變差、光纜斷線、微波信號不穩(wěn)定等情況發(fā)生時，也會造成地球站接收到的播出信號的劣化。

地球站

地球站的主要業(yè)務(wù)是將廣播電視節(jié)目信號發(fā)送到衛(wèi)星上，下面重點討論數(shù)字化地球站的上行環(huán)節(jié)對信號質(zhì)量的影響。

地球站數(shù)字系統(tǒng)的功能

根據(jù)功能的不同和信號處理流程的順序，可將地球站數(shù)字系統(tǒng)依次劃分為以下幾個功能：一是將地球站接收到的各類信號編碼成基帶信號；二是對中頻載波進行調(diào)制；三是將中頻信號變頻為上行頻率；四是饋線部分，將放大后的微波信號送至天線；五是對準衛(wèi)星進行發(fā)射。所以，實現(xiàn)這些功能的任何一個系統(tǒng)設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，或?qū)@些設(shè)備進行的各種操作，都是影響信號質(zhì)量的因素。

極化干擾或反極化干擾

實際工作中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)地球站在使用一段時間之后，會發(fā)生水平極化天線無法有效接收垂直極化信號的現(xiàn)象，造成極化隔離度越降越低，最終形成極化干擾或反極化干擾。

地球站隔離度不達標(biāo)引發(fā)的干擾

一旦地球站隔離度不達標(biāo)，也會對衛(wèi)星信號造成干擾。這種情況下，一方面，地球站會把接收到的信號又轉(zhuǎn)發(fā)回衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上，即地球站的收發(fā)隔離度不夠，形成轉(zhuǎn)發(fā)干擾；另一方面，對于廣播電視而言，地球站使用的中頻載波大多為70MHz，而由于地面調(diào)頻廣播也使用米波段中受大氣噪聲和其他噪聲干擾較小的88～108MHz頻段，一旦地球站與周圍環(huán)境隔離不好，地面調(diào)頻廣播就會被一并發(fā)射到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上，形成FM干擾。

空間段

由于同步衛(wèi)星位于距地面35786km的高空軌道，信號在這段行程中要先后經(jīng)過電離層和對流層等干擾空間，要經(jīng)受太陽輻射的干擾，要經(jīng)受日凌和衛(wèi)星蝕的干擾，才能到達衛(wèi)星，因此空間環(huán)境同樣是影響衛(wèi)星信號的主要因素。

電離層

電離層主要影響低頻信號，一方面，在電離層中，信號會受法拉第極化旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，而法拉第極化旋轉(zhuǎn)量是與信號頻率的平方根成反比的。另一方面，電離層閃爍現(xiàn)象會造成信號的強度和相位的波動，頻率越低，波動越大。具體到同步衛(wèi)星通信，地磁赤道南北20。范圍內(nèi)的閃爍對其影響最大。根據(jù)我國廣播電視衛(wèi)星傳輸?shù)慕y(tǒng)計數(shù)據(jù)，電離層閃爍主要影響我國南方地區(qū)的低頻廣播電視衛(wèi)星信號。

對流層

活動于對流層的雨雪會吸收信號能量，這是對流層影響衛(wèi)星信號的主要根源。因為除了極少數(shù)低頻衛(wèi)星信號外，大多衛(wèi)星信號對水蒸氣都很敏感，且頻率越高，干擾越劇烈。實驗得出，當(dāng)頻率超過20GHz以后，信號會與空氣里的氧分子發(fā)生諧振，使信號自身能量被吸收弱化。所以，雨衰和雪衰是在對流層中影響衛(wèi)星通信的主要因素。而且，雨量越大、經(jīng)過的降雨區(qū)越長、頻率越高，信號的衰減就越明顯。同時，雨滴不是理想的球形，空氣阻力造成的雨滴變形，使得平行于雨滴較長面信號的衰減和相移大于平行于雨滴較短面信號的衰減和相移，兩者之差會降低信號的極化隔離度，針對目前衛(wèi)星廣播電視傳輸大多采用線極化的情況，造成的問題就是水平極化天線不能有效地接收垂直極化信號，即造成去極化干擾。由于自然化雪持續(xù)的時間較長，相比降雪而言，化雪過程對于天線增益影響更加顯著。實際上，在化雪過程中，負責(zé)發(fā)射上行頻率的地球站和負責(zé)接收下行頻率的接收站中的天線上的積雪面會對電磁波產(chǎn)生散射和吸收，降低天線的增益，增大天線的噪聲溫度，使上行鏈路的等效全向輻射功率和接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)急劇降低，從而影響衛(wèi)星信號的傳輸質(zhì)量。

日凌

日凌影響的是衛(wèi)星信號的接收效果，即下行信號，造成的后果是信號的中斷。這是因為，當(dāng)同步衛(wèi)星處在信號接收站和太陽之間時，衛(wèi)星地球站接收天線在對準衛(wèi)星的同時也對準了太陽，即接收衛(wèi)星信號的同時也接收到巨大量的太陽電磁波，這對于一顆靜止衛(wèi)星來說，勢必會造成信號的中斷。另外，日凌持續(xù)的時間由天線的工作頻率及口徑?jīng)Q定，接收頻率越高、天線口徑越大，日凌持續(xù)的時間就越短。

太陽輻射

太陽輻射的影響，特別在太陽風(fēng)暴爆發(fā)期，紫外線、x射線流等輻射能量會急劇增強，大量電磁物質(zhì)附著在衛(wèi)星表面，損壞衛(wèi)星的電子器件，尤其是PCB電路，甚至可能改變存儲單元的狀態(tài)，產(chǎn)生偽指令，從而影響衛(wèi)星的正常業(yè)務(wù)。因太陽爆發(fā)耀斑的情況日益頻繁，使太陽表面產(chǎn)生出強大的日冕物質(zhì)噴射，一旦噴射出的這些帶電粒子流與地球磁場發(fā)生作用，形成了所謂的地磁暴，也可能造成信號中斷。

綜上所述，由于衛(wèi)星廣播電視傳輸系統(tǒng)形成于開放的、條件惡劣的自然界環(huán)境中，空間段中的一切自然因素對衛(wèi)星信號的傳播造成的干擾都不容忽視，否則就會影響衛(wèi)星信號的質(zhì)量。

同步衛(wèi)星

同步衛(wèi)星由五個系統(tǒng)組成：天線系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、跟蹤遙測及指令系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)。

其中的廣播系統(tǒng)是指衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，它將地面地球站發(fā)送來的信號放大變頻后再發(fā)送回地面接收站，實現(xiàn)衛(wèi)星的廣播功能。除轉(zhuǎn)發(fā)器本身發(fā)生故障外，其控制指令系統(tǒng)也是較容易發(fā)生故障的部件。當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器多載波工作時，相鄰信道間可能發(fā)生交調(diào)干擾，從而影響接收端信號的質(zhì)量。這是因為轉(zhuǎn)發(fā)器被迫工作在非線性區(qū)造成的。一方面是指當(dāng)沒有給轉(zhuǎn)發(fā)器足夠的輸出回退時，轉(zhuǎn)發(fā)器會被推至非線性區(qū)工作；另一方面是指在上行發(fā)射功率被無節(jié)制增大時，轉(zhuǎn)發(fā)器也會被推至非線性區(qū)工作。

接收站

返回到地面的衛(wèi)星信號，依然存在被干擾的風(fēng)險。主要有兩類原因：一是客觀原因，由于接收站所處的地面空間中分布著各種各樣的地面信號，如大量的地面廣播電視信號、微波信號、雷達系統(tǒng)信號等，相對于返回地面的衛(wèi)星信號，那些與衛(wèi)星信號同頻甚至鄰頻的地面信號無形中成了噪聲源和干擾源，會劣化衛(wèi)星信號的各項指標(biāo)，如接收載噪比和誤碼率等，造成信號質(zhì)量下降；二是主觀原因，除了要考慮遠離微波和雷達強度過大的輻射環(huán)境外，衛(wèi)星信號的覆蓋范圍也是有限的，在對衛(wèi)星接收站選址時是否能做到全盤考慮，直接影響著此接收站接收衛(wèi)星信號的效果。

解決辦法

對于各種影響衛(wèi)星廣播電視信號質(zhì)量的因素，解決方法也各不相同。但是，只要有針對性地采用有效措施進行解決，衛(wèi)星信號的質(zhì)量是可以得以保護的。

抗地球站干擾

在日常工作中密切注意設(shè)備的狀態(tài)，定期檢測天線指向是否偏差，極化器是否偏離，并及時發(fā)現(xiàn)和更換易損的天線饋源膜等各種指標(biāo)。

抗空間干擾

太陽活動、電離層、對流層的雨雪衰以及日凌現(xiàn)象對衛(wèi)星廣播電視信號會造成影響，據(jù)統(tǒng)計，降雨天氣條件下，Ku波段上行和下行鏈路的衰耗可分別達到16dB和10dB以上。在北京地區(qū)，惡劣天氣條件下，Ku波段上行信號的衰耗甚至大于20dB。如前所述，雨量越大、經(jīng)過的降雨區(qū)越長、頻率越高，信號的衰減就越明顯。這幾方面中，頻率和雨量是無法調(diào)整的，所以，為降低雨衰的影響，就要從如何縮短經(jīng)過降雨區(qū)的路程方面入手，即調(diào)整地球站天線的仰角度數(shù)。但實際工作中發(fā)現(xiàn)，仰角過大會使天線主反射面上形成積水，反而衰減上行信號，所以增大仰角的同時還要避免形成積水。減小雪衰的關(guān)鍵一是在下雪時防止雪在地球站的天線反射面上的積聚；二是化雪時除去天線反射面上的積雪，但要注意保證天線增益和噪聲溫度等指標(biāo)不受影響。日凌會造成信號中斷，表象為強噪聲和黑屏，所以解決方法只有使用各種備份手段，如地面?zhèn)浞莺碗p星備份。

抗轉(zhuǎn)發(fā)器故障

太陽輻射對轉(zhuǎn)發(fā)器影響最大，表現(xiàn)在兩方面，一方面是轉(zhuǎn)發(fā)器自保性關(guān)機，這類問題可以通過啟動備份轉(zhuǎn)發(fā)器來解決；另一方面是轉(zhuǎn)發(fā)器控制指令系統(tǒng)出現(xiàn)故障，解決辦法是進行系統(tǒng)復(fù)位操作。當(dāng)多載波業(yè)務(wù)共用轉(zhuǎn)發(fā)器時，為了避免交調(diào)干擾，轉(zhuǎn)發(fā)器必須要工作在足夠的回退點，以保證轉(zhuǎn)發(fā)器工作在線性區(qū)；為保證轉(zhuǎn)發(fā)器工作在線性區(qū)，同一轉(zhuǎn)發(fā)器用戶是不能隨意加大上行功率的。

抗衛(wèi)星漂移

從地面上看，衛(wèi)星成“8”字形的漂移，這是由兩類不可抗因素造成的。一是在太陽系中的同步地球衛(wèi)星除了受到大能量的太陽輻射之外，還要受到太陽、月亮和地球三方面引力的共同作用，發(fā)生攝動；二是同步地球衛(wèi)星的軌道面與地球赤道面并不平行。所以衛(wèi)星上設(shè)有專門的姿態(tài)控制系統(tǒng)，上文提到的衛(wèi)星地球站數(shù)字系統(tǒng)中有一種叫做“天線跟蹤系統(tǒng)”的子系統(tǒng)，其作用也是為了應(yīng)對衛(wèi)星的漂移。

抗星間干擾

隨著衛(wèi)星通信的迅速發(fā)展，同步衛(wèi)星軌道越來越擁擠，現(xiàn)在的軌位間隔是2.5°，這也是衛(wèi)星之間互相干擾的因素。解決辦法就是軌位協(xié)調(diào)，每個衛(wèi)星上的所有用戶必須嚴格遵守衛(wèi)星業(yè)務(wù)的操作規(guī)范。

地面接收站抗干擾方法

由于各種地面干擾源的存在，在工程建設(shè)之初就要保證接收天線架設(shè)在空曠的上方無遮擋物并遠離強電磁場的地方。在選擇設(shè)備時也要注意到，返回地面的待接收的衛(wèi)星信號衰減得已經(jīng)很嚴重了，誤碼率等指標(biāo)容易劣化，所以送入接收機之前必須選用靈敏度高的高頻頭對其進行處理才能保證信號質(zhì)量。

結(jié)語

本文在衛(wèi)星廣播電視傳輸系統(tǒng)范圍內(nèi)比較詳細地探究了各種“干擾”產(chǎn)生的具體根源，對各種問題找出了具體有效的解決方案。本文討論的內(nèi)容可望會引起同行的興趣。