衛(wèi)星地球站上行鏈路電平配置與功率回退

戴賓

衛(wèi)星地球站上行系統(tǒng)射頻設備工作點的正確選擇以及鏈路電平優(yōu)化配置對系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠工作和提高信號傳輸質量有重要的作用。本文就針對這幾年來衛(wèi)星地球站上行射頻系統(tǒng)出現(xiàn)過的一些故障，結合本人在射頻系統(tǒng)調試的體會，提出對衛(wèi)星地球站上行系統(tǒng)鏈路電平的進一步細化配置的措施，目的是防止系統(tǒng)內部產生干擾，提高系統(tǒng)設備運行穩(wěn)定可靠性和信號傳輸質量。

概述

衛(wèi)星地球站上行系統(tǒng)主要由編碼器、復用器、調制器、上變頻器、高功放和發(fā)射天線組成，調制器將編碼復用后的基帶信號調制在70MHz中頻上，經上變頻變換成微波射頻信號（C波段6GHz、Ku波段12GHz），經高功放放大后由天線向衛(wèi)星輻射。其中調制器、上變頻、高功放的性能、工作點的選擇及它們之間的信號電平配置在射頻鏈路中非常重要，設備的工作點的選擇不正確，相互間的輸出輸入電平不匹配，直接影響設備的使用效能，限制系統(tǒng)整體的傳輸能力，甚至在系統(tǒng)內部就產生了干擾，嚴重時還會損壞設備。

上行鏈路系統(tǒng)的線性，關系到系統(tǒng)進行功率調整時，調整步進與輸出功率變量的線性。在系統(tǒng)增益調整范圍內系統(tǒng)輸出功率具有最佳線性，對于傳輸安全性和調整有效性很重要。對于擔負抗干擾任務的地球站來說，不了解系統(tǒng)的這方面指標特性，會造成功率提升壓縮狀況不清楚，操作不準確，嚴重時會由于前級激勵動態(tài)范圍不夠，在做自動功率提升操作時不能夠將系統(tǒng)調整到最大功率輸出。又或者會產生過大的功率超過功放上限引發(fā)設備保護，造成載波跌落。因此，對上行設備性能測試、選擇正確的工作點、細化配置系統(tǒng)工作電平是保證地球站安全可靠運行、信號優(yōu)質傳輸?shù)年P鍵。

鏈路電平配置

地球站上行系統(tǒng)鏈路電平配置需要兼顧系統(tǒng)整體的技術指標，如載噪比、幅頻特性、多載波工作時的交調特性、線性、上行功率動態(tài)范圍等，在設備最佳工作范圍和發(fā)揮系統(tǒng)最佳效能之間找到最好的工作點。目的是保證鏈路整體配置合理、工作狀態(tài)最佳，系統(tǒng)增益線性最好、信號傳輸質量最優(yōu)。保證系統(tǒng)能發(fā)揮出最大上行能力和良好上行能力的線性調整特性。

通過合理的電平配置，系統(tǒng)能達到以下要求：

1）功放系統(tǒng)能夠實現(xiàn)最大功率輸出，能滿足雨衰或抗干擾要求。

2）上行信號的載噪比（C/N）盡可能大，載噪比越大，所傳輸?shù)男盘柕馁|量就越高。

3）激勵信號電平在高功放安全范圍，激勵過大不僅會惡化信號甚至會損壞高功放，這是保證衛(wèi)星上行系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要條件，激勵過小又會降低載噪比。

系統(tǒng)鏈路的測試調整先對上行設備性能進行測試，找到各自的最佳工作范圍。然后調整調制器、上變頻器或高功放設備輸出電平或增益，檢測并獲得系統(tǒng)輸入輸出線性對應關系，從而進一步確定系統(tǒng)電平配置以及自動功率控制系統(tǒng)的工作參數(shù)設定。調整的具體步驟如下：

首先斷開上行系統(tǒng)設備間的信號連接，即斷開上變頻器輸入，高功放輸入。

1）確定調制器最佳輸出范圍。在調制器輸出端口接頻譜儀，逐步改變調制輸出，觀察頻譜顯示，結合操作手冊的標稱工作點，選擇一個具有輸出最佳載噪比特性，同時系統(tǒng)輸出噪聲電平又最小的工作工作點（段）。調制器輸出電平過低，輸出信號的載噪比相對小，過高輸出信號底噪相對大。

2）確定上變頻器的最佳線性工作區(qū)。將調制器輸出接入上變頻，發(fā)送單載波，上變頻器輸出接頻譜儀或功率計，將調制中頻輸入電平調整到上變頻器標稱值附近，逐dB改變上變頻器增益（或衰減），觀察輸出是否隨增益改變線性變化，找到變頻器的最佳工作線性區(qū)；將上變頻器設置在最大輸出，測量功率電平，確認或調整在高功放輸入安全范圍，避免造成上變頻器在大增益條件下工作時功放過載。

3）確定高功放的激勵和輸出功率。在確認調制最佳輸出范圍和上變頻的最佳工作區(qū)后，連接高功放輸入信號，調制器發(fā)送單載波，按照盡可能滿足調制器、上變頻的輸出電平設置在其各自最佳工作范圍的中間值偏上，在高功放輸入范圍中間值偏下的原則選取調制器、上變頻的輸出電平，調整確定高功放的輸入激勵。目的是保證高功放隨時能滿功率輸出又不出現(xiàn)輸入過載，系統(tǒng)間設備又具備一定的調整靈活性。最后提高高功放的增益，確認高功放能最大安全功率輸出。

4）工作功率標定。在衛(wèi)星公司的協(xié)調下通過調整高功放增益，標定傳輸業(yè)務的正常上行功率，掌握正常上行功率與最大輸出功率之間之間的增益調整范圍。

完成上述配置后，連接配置功率自動提升系統(tǒng)，合理設置干擾檢測參數(shù)和自動功率提升步進，確保系統(tǒng)能第一時間有效壓制干擾。上行系統(tǒng)正常運行達到廣電總局《62號令/衛(wèi)星廣播電視地球站實施細則》規(guī)定要求：載波應保持連續(xù)發(fā)送，單一載波占用全轉發(fā)器時應保證轉發(fā)器工作在飽和狀態(tài)，多載波共用轉發(fā)器時應保證轉發(fā)器工作在最小輸出功率回退點。

對于高功放做多載波應用的系統(tǒng)，高功放工作也必須進行功率回退，這時高功放的回退與轉發(fā)器的回退是完全獨立的。

功率回退

當用一個高功放進行多載波放大時，要對高功放的輸入功率進行回退，輸出功率受到“壓縮”，或者說在多載波時當各個載波輸入功率之和與單載波時輸入功率相等的條件下，多載波工作時的輸出功率比單載波工作輸出功率??；越靠近飽和點，這兩者的差別越大；載波數(shù)越多，“壓縮”越明顯。

這是因為高功放本身就是一個非線性設備，非線性意味著他的輸出功率跟輸入功率并不是完全的成正比。如圖2所示曲線為功放的輸出對輸入功率傳輸特性曲線，當高功放的輸出功率較小時，輸出功率對輸入功率近似線性關系(這常稱為線性區(qū))，輸出隨輸入正比例增加。隨著輸入功率的繼續(xù)增大，放大器漸漸進入飽和區(qū)，輸出功率不再是隨輸入正比例增加，增益變小，通常把增益下降到比線性增益低1dB時的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點，用P1dB表示。當輸出功率達到一個峰值時即進入飽和區(qū)后，這時輸入功率再增加輸出功率反而下降（過飽和），這個峰值功率稱為飽和輸出功率(PS)，是高功放能夠產生的最大功率。

非線性的物理效應是產生基本載波頻率的諧波。高頻諧波可以通過濾波來消除，例如C波段的二次諧波是12GHz，三次諧波是18GHz，均在帶外。當高功放工作在多載波時，非線性會導致相鄰頻道的干擾，主要的干擾源是三階互調產物，由一個載波的二次諧波與另一個載波混合形成頻率。如兩個載波頻率f1和f2，三階互調產物是頻率2f2 - f1和2f1 - f2，當他們落到相鄰的頻道內，如果它們均勻分布，并造成不可接受的干擾水平，就導致相鄰信道之間互調干擾的產生。

在這種情況下，高功放必須有一個回退（BO），使工作功率(P)在一個充分線性區(qū)域，避免互調產物的產生或抑制在可接受的范圍內（-30dBc）。一般來說，將高功放輸入功率從1dB壓縮點向后回退6-10dB，工作在遠小于1dB壓縮點的電平上，使功放遠離飽和區(qū)，進入線性工作區(qū)，從而改善高功放的三階互調系數(shù)。一般情況下，當基波功率降低1dB時，三階互調失真改善2dB。

功率回退法簡單且易實現(xiàn)，不需要增加任何附加設備，是改善系統(tǒng)三階互調的有效方法，缺點是高功放的效率大為降低，即是大功率的功放小功率使用。

在經過射頻鏈路電平細化配置后的上行系統(tǒng)，其功率的回退點與工作范圍也比較容易確定。需要注意的是在衛(wèi)星地球站所用的速調管、行波管、固態(tài)這三種高功放的線性表現(xiàn)是不同的，在使用上必須有所了解。一般來說行波管和速調管高功放的飽和功率在1dB壓縮點之上約3dB的地方，而固態(tài)一般在1dB 壓縮點左右的位置達到飽和，1dB 壓縮點之下，他們的線性是相似的。

固態(tài)功放和行波管、速調管高功放的標稱額定功率不同，通常固態(tài)功放標稱的額定輸出功率為1dB壓縮點的功率，而行波管和速調管高功放標稱的額定功率是飽和輸出功率。額定功率相等的情況下，固態(tài)比行波管功放線性要好；線性相同的情況下，行波管比固態(tài)的飽和輸出功率要高3dB左右。

在多載波工作時,在保證相同的互調指標情況下，固態(tài)功放輸出功率只需從額定輸出功率點(1dB壓縮點)回退2-3dB，而行波管輸出功率則需從額定輸出功率點(飽和點)回退6dB左右，比固態(tài)的輸出功率回退量多3dB左右。例如多載波工作時若實際所需最大輸出功率為50W,可選用額定功率為100W的固態(tài)或200W的行波管功放。在滿足相同的三階互調指標要求下，固態(tài)功放的功率遠低于行波管，系統(tǒng)效率高。

但如果在行波管中增加線性化器,可以有效地補償行波管在接近飽和點的增益下降和相位滯后，增大行波管的線性范圍，輸出回退量可減少至3dB左右，這時在保證有相同的互調指標時，行波管功放可與固態(tài)功放選擇相同的額定功率。

多載波共用轉發(fā)器的載波回退應當按照衛(wèi)星公司的技術要求進行回退，避免轉發(fā)器放大器非線性產生的交調干擾，這時整個轉發(fā)器的輸出功率遠低于最大功率。采用行波管功放的轉發(fā)器在線性工作狀態(tài)時的輸出功率，通常比最大功率低4.5dB。也就是說，整個轉發(fā)器的輸出線性回退約為4.5dB。輸入回退量一般比輸出回退大6dB上下。對應于4.5dB的輸出線性回退，轉發(fā)器的輸入線性回退約為10.5dB。

在鏈路預算中，載波輸出回退和輸入回退將分別被用于計算載波的下行和上行EIRP。

相關案例

1）2006年6月30日23:03:05，某地球站由于系統(tǒng)UPC上限設置不合理，在突降暴雨時自動補償功率過高，致使功放故障，載波跌落，造成停播。

2）2008年1月18日0:39:19，某地球站因備份調制器重啟后默認增益變化，將備份調制器切換至在線播出時帶動同轉發(fā)器其它地球站播出功率提升，造成該站節(jié)目黑屏。

3）某地球站因信號源電平不穩(wěn)，當電平降到中頻切換開關設置的切換閥值時，切換開關動作，由于切換開關設置為主路優(yōu)先模式，所以間斷變化的電平造成切換開關頻繁切換，節(jié)目間斷黑屏。

結束語

對上行系統(tǒng)鏈路電平的優(yōu)化配置是一項精益求精的工作，需要反復的測試、比較，才能選取設備最佳的工作點和各環(huán)節(jié)功率電平，這需要相當?shù)哪托暮图毿?。特別是對于衛(wèi)星上行鏈路的高頻微波設備，普遍都有非線性特性，只有在對這些設備的性能特點有充分的了解的基礎上，才能對它們做到正確使用操作、最大限度地發(fā)揮它們的使用效能。