探空雷達(dá)對(duì)衛(wèi)星接收信道飽和干擾的處理

■ 梁永樓 賈樹(shù)波 沙金 郭雪星

通過(guò)L波段探空雷達(dá)對(duì)我國(guó)風(fēng)云三號(hào)（FY-3）衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)的干擾分析，提出了解決或降低鄰頻干擾的處理方法，從而使FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)和L波段探空雷達(dá)兼容部署，可共同利用電源、機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)等資源，建設(shè)FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)。

在中國(guó)氣象局于全國(guó)部署FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)選址工作中，發(fā)現(xiàn)FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)與L波段探空雷達(dá)工作頻率存在嚴(yán)重的鄰頻干擾。若能通過(guò)技術(shù)手段，解決或降低其鄰頻干擾的影響，便可以充分利用氣象觀測(cè)場(chǎng)機(jī)房、供電、通信等環(huán)境條件，建設(shè)FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，達(dá)到集中建設(shè)、集約化管理效果。

針對(duì)以上要求，本文通過(guò)對(duì)L波段探空雷達(dá)對(duì)FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)的干擾分析，從而提出了解決或降低鄰頻干擾的處理方法。

1 L波段探空雷達(dá)對(duì)FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)簡(jiǎn)介

表1給出了L波段探空雷達(dá)和FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)的基本理論參數(shù)及測(cè)量數(shù)據(jù)。其中，F(xiàn)Y-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)L頻段低噪聲放大器（LNA）主要技術(shù)參數(shù)如下：

1）頻率范圍： 1.68～1.71 GHz

2）噪聲溫度：≤50 K

3）增益：≥50 dB

4）輸出1 dB壓縮點(diǎn)：≥15 dBm

表1 L波段探空雷達(dá)和FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)基本理論參數(shù)及測(cè)量數(shù)據(jù)

另外，F(xiàn)Y-3衛(wèi)星L波段數(shù)據(jù)廣播EIRP為42 dBm，空間傳播到地面信號(hào)損耗-152 dB（仰角8°），實(shí)際接收地面衛(wèi)星信號(hào)功率-110 dBm。系統(tǒng)設(shè)計(jì)FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)要求接收高靈敏度、高增益。而L波段探空雷達(dá)功率15 kW（即71.76 dBm）。

從以上參數(shù)可看出，L波段探空雷達(dá)和FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)工作頻率接近，分別為（1675±10）MHz（時(shí)間測(cè)量值）和1690～1710 MHz，雷達(dá)發(fā)射功率遠(yuǎn)大于FY-3衛(wèi)星L波段數(shù)據(jù)功率。

通過(guò)建站現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)頻譜圖進(jìn)行簡(jiǎn)單比較，圖1為FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)未接收任何衛(wèi)星時(shí)的工作頻譜圖。其中，M1點(diǎn)為中心頻點(diǎn)，右側(cè)為手機(jī)基站信號(hào)。

圖1 FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)未接收任何衛(wèi)星工作頻譜圖

圖2為FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)接收NOAA19衛(wèi)星時(shí)的工作頻譜圖。M2點(diǎn)為NOAA19衛(wèi)星信號(hào)的頻譜圖。

圖2 FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)接收NOAA19衛(wèi)星頻譜圖

圖3為L(zhǎng)波段探空雷達(dá)的工作頻譜圖。其中，M2點(diǎn)為探空雷達(dá)的中心頻點(diǎn)?？梢园l(fā)現(xiàn)，雷達(dá)信號(hào)功率過(guò)強(qiáng)，峰值1675 MHz電平可達(dá)到-17.08 dBm，即使非峰值1690 MHz電平也可達(dá)-45.29 dBm，也比接收NOAA19衛(wèi)星數(shù)據(jù)信號(hào)電平高23.04 dBm。

圖3 L波段探空雷達(dá)工作頻譜圖

2 L波段探空雷達(dá)對(duì)FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)干擾分析

L波段探空雷達(dá)跟蹤漂移上升的探空氣球工作，F(xiàn)Y-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)跟蹤過(guò)境的極軌衛(wèi)星。當(dāng)兩種設(shè)備布設(shè)距離較近時(shí)，大功率的雷達(dá)勢(shì)必在開(kāi)機(jī)工作時(shí)間對(duì)FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)造成干擾。

假設(shè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)信號(hào)為Fc(t)=A×cos(w1t)，雷達(dá)信號(hào)為Fr(t)= B×cos(w2t)。這兩個(gè)信號(hào)在接收系統(tǒng)信道中疊加，形成新的信號(hào)F(t)=A×cos(w1t)+B×cos(w2t)。

考慮到雷達(dá)信號(hào)遠(yuǎn)比衛(wèi)星數(shù)據(jù)信號(hào)強(qiáng)（A〈〈B），則

式中，m0=A/B，Ω=w1-w2。

式（1）說(shuō)明，F(xiàn)(t)是一個(gè)調(diào)幅調(diào)相波，其中，1+m0×cosΩt是調(diào)幅波，調(diào)制度為m0，調(diào)制信號(hào)頻率為Ω。信號(hào)cos(w2t+m0×sinΩt)為調(diào)相波，信號(hào)中心頻率變?yōu)槔走_(dá)信號(hào)頻率w2。

當(dāng)較弱的衛(wèi)星數(shù)據(jù)信號(hào)和強(qiáng)干擾L波段雷達(dá)信號(hào)進(jìn)入接收系統(tǒng)信道中，信號(hào)幅度較強(qiáng)，信道非線性使信號(hào)形成雙向限幅，合成信號(hào)包絡(luò)中幅度調(diào)制部分被抑制削弱，保留相位調(diào)制部分，相位變化中還保留部分有用信號(hào)。

由于B〉〉A(chǔ)，所以m0很小。

又由于B很大，輸出信號(hào)的雜信比變得很小。當(dāng)B足夠大時(shí)，輸出信號(hào)的信雜比趨于0，形成飽和阻塞。

L波段探空雷達(dá)對(duì)FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)的影響因素有四種：1）雷達(dá)工作信號(hào)為脈沖信號(hào)，信號(hào)帶寬很寬；2）雷達(dá)發(fā)射功率大，信號(hào)強(qiáng)；3）FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)靈敏度高，系統(tǒng)增益大；4）雷達(dá)信號(hào)造成接收信道飽和阻塞，影響接收質(zhì)量。這四種影響因素，相互依存，最終達(dá)到的影響效果即為造成接收系統(tǒng)的信道形成飽和阻塞。下文針對(duì)如何降低或是抑制接收信道的飽和阻塞進(jìn)行分析說(shuō)明。

3 解決飽和干擾

3.1 信號(hào)濾波

當(dāng)Ω（頻差）較大時(shí)，可考慮在系統(tǒng)入口（LNA）增加（高、低通）濾波器，可有效濾除雷達(dá)干擾信號(hào)，降低“干擾”信號(hào)幅度，減少甚至完全消除干擾影響。

這對(duì)濾波器要求很高的矩形度，帶寬不小于30 MHz。濾波器通帶內(nèi)差損一般不小于0.6 dB，而對(duì)微弱的衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)要求有較大的輸出信噪比（S/N），接收機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部噪聲必須盡可能小。一個(gè)多級(jí)聯(lián)的高增益接收系統(tǒng)，全系統(tǒng)的噪聲大小主要取決于第一級(jí)放大器噪聲大小及增益，再兼顧濾波與系統(tǒng)噪聲的設(shè)計(jì)原則，濾波器至少不能設(shè)計(jì)在LNA的首級(jí)，必須解決接收機(jī)放大器，前級(jí)飽和阻塞問(wèn)題一般設(shè)計(jì)在次級(jí)或者后級(jí)。

3.2 大動(dòng)態(tài)技術(shù)

在設(shè)計(jì)上，低噪聲技術(shù)和大動(dòng)態(tài)技術(shù)是矛盾的。低噪聲技術(shù)要求有源器件本身產(chǎn)生的噪聲低、接收靈敏度高，在滿足該要求的情況下，會(huì)采用小電流、低噪聲的微波原件，但其動(dòng)態(tài)會(huì)小近20 dB。大動(dòng)態(tài)技術(shù)會(huì)采用大電流、高噪聲的微波器件。滿足了大動(dòng)態(tài)的技術(shù)要求，又不能滿足系統(tǒng)低噪聲、高接收靈敏度的要求。因此解決好LNA的接收靈敏度和其大動(dòng)態(tài)接收性能的矛盾，是成功研制相應(yīng)LNA的關(guān)鍵技術(shù)。

采用新技術(shù)，自行研制出了L波段大動(dòng)態(tài)低噪聲放大器，線性功率大于25 dBm，噪聲系數(shù)0.7 dB，三階交調(diào)優(yōu)于50 dBc，在實(shí)際使用中，低噪聲放大器始終工作在線性區(qū)，保證接收通道正常工作，并通過(guò)氣象局對(duì)此系統(tǒng)產(chǎn)品的定型。

4 應(yīng)用實(shí)例

通過(guò)合理設(shè)計(jì)的濾波器，可有效地解決了雷達(dá)對(duì)FY-3系統(tǒng)的干擾。圖4是無(wú)濾波器時(shí)接收到的雷達(dá)信號(hào)的（干擾）頻譜圖。

圖5為信道合理配置濾波器后接收信號(hào)頻譜圖。M1是濾波后帶外信號(hào)，M2是濾波帶內(nèi)信號(hào)，可見(jiàn)濾波抑制帶外信號(hào)效果顯著。

圖4 無(wú)濾波器頻譜圖

5 小結(jié)

本文通過(guò)對(duì)L波段探空雷達(dá)對(duì)FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)的干擾分析，提出了解決飽和干擾的技術(shù)途徑，設(shè)計(jì)兼顧噪聲合理使用濾波器，成功應(yīng)用解決實(shí)際問(wèn)題，為氣象雷達(dá)探空和FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)的共存，提供了技術(shù)保障。

圖5 前端增加濾波器后頻譜圖

在實(shí)際工作中，在站址選擇上應(yīng)盡量拉大L波段探空雷達(dá)與FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)的距離，降低“干擾”信號(hào)強(qiáng)度，保證FY-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)的正常工作。