衛(wèi)星頻譜監(jiān)測對接收系統(tǒng)的要求研究

劉焱鑫，劉飛飛，辛德成，譚睿哲

（中國衛(wèi)通集團股份有限公司，北京 100094）

0 引言

衛(wèi)星通信是地球站之間利用衛(wèi)星作為中繼站的一種無線電通信方式，具有覆蓋范圍廣、傳輸距離遠、容量大等特點，在我國廣播、電視、數據通信等業(yè)務中得到廣泛應用和蓬勃發(fā)展。根據國家相關法律法規(guī)的規(guī)定，以及管理機構的政策要求，為確保各類衛(wèi)星通信業(yè)務在其被分配的信道內運行，運營商必須具備本地化頻譜監(jiān)測監(jiān)管的能力。同時，隨著同步軌道通信衛(wèi)星數量及用戶業(yè)務的逐年增加，以及小型化天線和各種移動終端的普遍應用，加之衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有開放性特點，不可避免地會產生各種干擾，給正常業(yè)務開展帶來巨大威脅，對衛(wèi)星信號進行監(jiān)測有助于了解當前通信的質量，保證衛(wèi)星通信的正常運行。另外，對于C頻段和Ku頻段的大波束衛(wèi)星，運營商通常采用“帶寬+時間”雙維度計量的方式出租出售，為避免產生不必要的商業(yè)紛爭，地面系統(tǒng)準確采集和記錄信號頻率、帶寬和使用起止時間等信息成為必不可少的運維手段。因此，如何準確監(jiān)測衛(wèi)星頻譜，對于政府監(jiān)管機構、運營商和用戶來說，都顯得尤為重要。本文將結合理論推導分析和工程經驗，從頻譜監(jiān)測系統(tǒng)對于天線口徑要求及線纜損耗要求兩方面重點闡述。

1 頻譜監(jiān)測系統(tǒng)對天線口徑要求

頻譜監(jiān)測系統(tǒng)對天線口徑配置需要，主要是天線系統(tǒng)要滿足觀測轉發(fā)器噪底和觀測載波載噪比（C/N）要求。觀測轉發(fā)器噪底可通過噪底變化確認衛(wèi)星轉發(fā)器增益檔位調整，同時能夠真實觀測到小功率干擾信號情況，觀測載波載噪比要盡可能真實觀測鏈路整體C/N，對于運營商來說觀測能力越強，業(yè)務運行過程中的服務能力也就越強。

1.1 天線系統(tǒng)對觀測轉發(fā)器噪底要求

在日常頻譜監(jiān)管中，需要天線系統(tǒng)盡量真實觀測轉發(fā)器噪底，確保業(yè)務運行安全。因此，要求接收到的衛(wèi)星轉發(fā)器噪聲盡量大于天線系統(tǒng)噪聲。在不考慮鄰星等其他噪聲情況下，假設轉發(fā)器噪聲功率為N，高于天線噪聲10 dB，此時天線系統(tǒng)噪聲功率為0.1N，總噪聲功率為1.1N。如果轉發(fā)器噪聲功率提升1 dB，變?yōu)?.259N，此時總噪聲功率為1.359N，總噪聲功率提升10lg（1.359/1.1）=0.92 dB。此時，轉發(fā)器噪聲功率基本等同于總噪聲功率，在監(jiān)測中可有效觀測轉發(fā)器噪底變化。

1.1.1 衛(wèi)星天線出口噪聲功率計算

熱噪聲功率物理計算式為N=kTB。式中，k為波爾茲曼常數，大小為1.38×10-23J/K；T為絕對溫度；B為頻帶寬度。因為熱噪聲功率與溫度有關，所以我們常用等效噪聲溫度來表示噪聲的大小。

根據衛(wèi)星制造商提供的常規(guī)數據，按照C頻段36 MHz轉發(fā)器單載波飽和工作分析，載荷噪聲溫度為27.5 dBK，轉發(fā)器通道增益Gt取110 dB（中間檔位），下行天線增益Ga取23 dBi（波束邊緣），監(jiān)測點增益Ga可取26 dBi，那么：

C頻段載荷噪聲：

Nt=KTB=-228.6+27.5+10lg(36×1000000)= -125.5 dBW；

C頻段天線出口單通道噪聲功率：

EIRPn=Nt+Ga+Gt= -125.5+26+110=10.5 dBW。

根據衛(wèi)星制造商提供的常規(guī)數據，按照Ku頻段36 MHz轉發(fā)器單載波飽和工作分析，載荷噪聲溫度取28 dBK，轉發(fā)器通道增益Gt取123 dB（中間檔位），下行天線增益Ga取28 dBi（波束邊緣），監(jiān)測點增益Ga可取31 dBi，那么：

Ku頻段載荷噪聲：

Nt=KTB=-228.6+28+10lg(36×1000000)=-125 dBW；

Ku頻段天線出口單通道噪聲功率：

EIRPn=Nt+Ga+Gt=-125+123+31=29 dBW。

1.1.2 下行自由空間損耗計算

衛(wèi)星與地面距離按照36 000 km估算，C頻段取4 GHz，Ku頻段取12 GHz。

1.1.3 天線增益計算

表1 不同口徑天線增益

1.1.4 天線口徑需求估算

C頻段衛(wèi)星傳輸如果要求接收到的衛(wèi)星轉發(fā)器噪聲大于天線系統(tǒng)噪聲10 dB，可真實觀測轉發(fā)器噪底。按照C頻段天線噪聲溫度為45 K，LNB噪聲溫度為55 K，計算所需天線增益。

C頻段天線系統(tǒng)噪聲：Nt=kT’B=-228.6+10lg(45+55)+10lg(36×1000000)= -133 dBW；

轉發(fā)器噪聲與系統(tǒng)噪聲：EIRPn-+G天-Nt≥10 dB，即10.5-195.61+G天+133≥10；

由此可得C頻段增益要求：G天≥62.11 dB。

通過理論計算發(fā)現，C頻段想要真實觀測轉發(fā)器噪底，所需天線口徑要達到38米。

按照工程經驗，建設11米C頻段天線用于接收可滿足業(yè)務監(jiān)測需要，此時收到的轉發(fā)器噪聲比天線系統(tǒng)噪聲低1.71 dB。按照前文計算方法，當轉發(fā)器噪聲功率提升1 dB時，總噪聲提升0.43 dB，基本可觀測到轉發(fā)器噪底變化。轉發(fā)器增益檔越靈敏，轉發(fā)器噪聲功率越高，總噪聲也越接近轉發(fā)器噪聲功率，能夠觀測到的噪底變化也就越明顯。

Ku頻段衛(wèi)星傳輸如果要求接收到的衛(wèi)星轉發(fā)器噪聲大于天線系統(tǒng)噪聲10 dB，可真實觀測轉發(fā)器噪底。按照Ku頻段天線噪聲溫度為65 K，LNB噪聲溫度為80 K，計算所需天線增益。

Ku頻段天線系統(tǒng)噪聲：Nt=kT’B=-228.6+10lg(65+80)+1 0lg(36×1000000)= -131.4 dBW；

轉發(fā)器噪聲與系統(tǒng)噪聲：EIRPn-Lp+G天-Nt≥10 dB，即29-205.15+G天+131.4≥10 dB；

Ku頻段增益要求：G天≥54.75 dB。

通過理論計算發(fā)現，Ku頻段想要真實觀測轉發(fā)器噪底，所需天線口徑至少7.3米。

按照工程經驗，建設4.5米Ku頻段天線用于接收可滿足業(yè)務監(jiān)測需要，此時收到的轉發(fā)器噪聲比天線系統(tǒng)噪聲高8.42 dB。按照前文計算方法，當轉發(fā)器噪聲功率提升1 dB時，總噪聲提升0.89 dB，可有效觀測到轉發(fā)器噪底變化。轉發(fā)器增益檔越靈敏，轉發(fā)器噪聲功率越高，總噪聲也越接近轉發(fā)器噪聲功率，能夠觀測到的噪底變化也就越明顯。

1.2 天線系統(tǒng)對觀測載波C/N要求

在頻譜監(jiān)測系統(tǒng)中，天線系統(tǒng)接收到的噪底實際上包括衛(wèi)星轉發(fā)器噪聲和下行鏈路的空間噪聲、鄰星噪聲、互調噪聲、極化噪聲、天線噪聲、LNA/LNB噪聲等；衛(wèi)星轉發(fā)器噪聲又包括衛(wèi)星系統(tǒng)噪聲和上行鏈路的空間噪聲、鄰星噪聲、互調噪聲、極化噪聲、天線噪聲、LNA/LNB噪聲等。當采用大口徑天線接收時，衛(wèi)星下行鏈路C/N大于上行鏈路C/N，整體C/N主要由上行鏈路決定。當采用小口徑天線接收時，衛(wèi)星下行鏈路C/N小于上行鏈路C/N，整體C/N主要由下行鏈路決定，此時N值過大會導致轉發(fā)器噪聲被淹沒在整個鏈路噪聲之下。

在日常業(yè)務監(jiān)測中，天線系統(tǒng)除了要滿足監(jiān)測轉發(fā)器噪底要求，還必須滿足整體鏈路C/N的監(jiān)測要求。在衛(wèi)星實際使用中，上行鏈路C/N主要取決于上行能力和轉發(fā)器飽和通量密度SFD的配置，下行鏈路C/N主要取決于天線接收能力和等效全向輻射功率EIRP。另外，鏈路總體C/N還包括上、下行鏈路中的各種干擾，即C/I（鄰星、極化、互調、空間等）。

假設地面系統(tǒng)上行能力足夠，可使36 MHz轉發(fā)器工作在飽和狀態(tài)，按照C頻段SFDs配置-78 dBW/m2，EIRPs=42 dBW，Ku頻段SFDs配置-85 dBW/m2，EIRPs=53 dBW進行計算（各種干擾取參考值）。

表2 不同口徑天線C/N

圖1 C頻段不同口徑天線C/N

圖2 Ku頻段不同口徑天線C/N

通過計算結果對比發(fā)現，在轉發(fā)器飽和工作時，C頻段上行鏈路C/N較高，整體鏈路C/N主要受下行鏈路影響，隨著接收天線口徑變化而改變，越大口徑天線接收C/N越好、變化越平緩；Ku頻段上行鏈路C/N較低，整體鏈路C/N主要受上行鏈路影響，待接收口徑天線減小的一定程度后出現明顯惡化，即4.5米以下天線出現C/N惡化現象。

1.3 頻譜監(jiān)測系統(tǒng)對天線口徑要求小結

綜上，天線系統(tǒng)對天線口徑要求和整個鏈路指標相關。綜合成本、衛(wèi)星能力、地面站能力等各種因素考慮，采用標準化設備，建議C頻段監(jiān)測建設11米及以上口徑天線，Ku頻段監(jiān)測建設4.5米及以上口徑天線。如監(jiān)測要求放寬，監(jiān)測天線口徑可適當減小。

2 頻譜監(jiān)測系統(tǒng)對線路損耗要求

在頻譜監(jiān)測系統(tǒng)中，除了對天線口徑有要求，頻譜儀還對天線后端的線路損耗有一定要求。以某廠家數字頻譜儀為例，接入信號是L頻段，輸入信號頻率范圍為950～2150 MHz，輸入信號電平范圍為-100～-19 dBm（數據來自廠家和設備手冊）。在日常業(yè)務監(jiān)測管理中，需要利用數字頻譜儀觀測整個通信鏈路的噪底，確保業(yè)務運行安全，也就是數字頻譜儀接收到的最低電平要高于頻譜儀自身要求的最低電平。數字頻譜儀要求的最低噪聲電平在RBW取30 kHz時為-100 dBm，假定數字頻譜儀接收到的最低電平高于要求電平5 dB，接收到的最低電平在RBW取30 kHz時為-95 dBm，即功率譜密度最低為PSD=-95-10lg(RBW)=-139.77 dBm/Hz。

2.1 線路損耗估算

按照天線系統(tǒng)對口徑要求建議，C頻段采用11米口徑天線、Ku頻段采用4.5米口徑天線，LNB/LNA增益60 dB，其余參數均與上節(jié)一致。

C頻段接收電平要求：EIRPn-Lp+Glnb-L線+G天-B+RBW≥-95 dBm，將數據帶入公式后得：40.5-195.61+60-L線+50.4-75.6+44.77≥-95 dBm，即C頻段線損要求：L線≤19.46 dB。

Ku頻段接收電平要求：EIRPn-Lp+Glnb-L線+G天-B+RBW≥-95 dBm，將數據帶入公式后得：59-205.15+60-L線+53.18-75.6+44.77≥-95 dBm，即Ku頻段線損要求：L線≤31.2 dB。

以上計算按照轉發(fā)器中間檔位配置，對運營商來說，還需考慮轉發(fā)器應用在低檔位配置的情況，假設低檔位配置時EIRPn降低10 dB，監(jiān)測系統(tǒng)對C頻段和Ku頻段線路損耗要求則為L線≤9.46 dB和L線≤21.2 dB。

表4 Ku頻段接入方式對比

通過計算發(fā)現，頻譜監(jiān)測系統(tǒng)對11米C頻段天線的總體線路損耗要求不得大于9.46 dB，對4.5米Ku頻段天線的總體線路損耗要求不得大于21.2 dB。實際頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的要求，可根據轉發(fā)器檔位配置和天線口徑準確計算線路損耗。

2.2 信號接入方式選擇

對數字頻譜儀監(jiān)測整個系統(tǒng)噪底和C/N來說，影響下行鏈路的主要指標是線路損耗，如果損耗過大引起監(jiān)測到的總體噪聲低于頻譜儀噪聲，將導致無法監(jiān)測噪底或監(jiān)測到的C/N值降低。

線路損耗指接收天線到頻譜儀或其他系統(tǒng)的線路，多采用同軸電纜、波導或光纖的信號接入方式。其中，同軸電纜對頻率敏感，同樣長度越高頻段線路損耗越大；硬波導對環(huán)境有要求，越低頻段體積越大；光纖則部署簡單、損耗低，但成本略高。針對各頻段各種接入方式路徑衰減進行對比，同時按照2.1節(jié)線路損耗估算進行各種接入方式下的最長距離估算。具體如表3～表5所示（不同型號線纜指標和價格不同）。

表3 C頻段接入方式對比

表5 L頻段接入方式對比

2.3 頻譜監(jiān)測系統(tǒng)對線路損耗要求小結

同軸電纜損耗較大，適用于短距離傳輸，實際同軸電纜傳輸大于100米后衰減值成指數增加；硬波導損耗適中，但對環(huán)境要求高，適合中距離傳輸；光纖方便部署且具有低損耗的優(yōu)點，適合中、長距離傳輸。

另外，L頻段同軸電纜傳輸100米后，對高低頻點衰減差值達到5 dB左右，1 GHz低頻衰減小，1.5 GHz高頻衰減大，嚴重影響頻響指標。因此，100米及以上L頻段傳輸建議使用光纖傳輸，可有效滿足頻譜監(jiān)測系統(tǒng)需要。

3 結束語

隨著衛(wèi)星通信產業(yè)不斷發(fā)展，地面站建設主要以滿足衛(wèi)星鏈路通信為基礎，本文從理論推導分析和工程實踐經驗兩方面進行詳細論述，給出C頻段和Ku頻段具體監(jiān)測要求下的天線口徑和信號接入方式建議，對于有業(yè)務監(jiān)測需求的單位具有一定指導意義。

對衛(wèi)星運營商來說，強大的頻譜監(jiān)測監(jiān)管能力是保證衛(wèi)星和業(yè)務安全運行的重要基礎，更是面向用戶提供優(yōu)質服務的先決條件。因此，明確頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的要求和能力對地面監(jiān)測站建設尤為重要，本文的詳細論述也可對行業(yè)內衛(wèi)星接收系統(tǒng)的技術方案設計和項目建設提供一定的參考。