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衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的互調(diào)干擾研究

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本文就通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻率資源管理過程中，發(fā)現(xiàn)功放非線性工作產(chǎn)生的互調(diào)干擾，嚴(yán)重影響正常業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量以及空閑頻段可用性的問題，進(jìn)行了深入分析和研究，并針對互調(diào)干擾的識別、排查和防范提出了相應(yīng)的建議。

衛(wèi)星通信 功率放大器 互調(diào)干擾

1.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(yuǎn)、容量大等特點，在我國廣播、電視、數(shù)據(jù)通信等業(yè)務(wù)中得到廣泛應(yīng)用和蓬勃發(fā)展。但是，用戶為了獲得已有系統(tǒng)更好的接收效果，常常是通過提高信號發(fā)射功率、降低接收機噪底臨界值來實現(xiàn)，這就有可能超出系統(tǒng)的正常工作范圍，使得衛(wèi)星通信器件的非線性因素變得明顯，加之密集的頻率劃分，互調(diào)產(chǎn)物給衛(wèi)星運營商帶來新的挑戰(zhàn)。

2.互調(diào)干擾生成原理

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和用戶地球站中的功率放大器均為非線性器件，這種放大器有線性區(qū)和非線性區(qū)。當(dāng)輸入功率較小時，功放在線性區(qū)工作，輸出信號與輸入信號之間是線性關(guān)系，信號不失真，不會出現(xiàn)其他的頻率分量。當(dāng)這種功放在非線性區(qū)或飽和區(qū)工作時，輸出的幅度和相位與輸入不再是線性關(guān)系，就會在輸出信號中出現(xiàn)各種新的頻率分量，即通常所說的互調(diào)產(chǎn)物。

為了分析互調(diào)產(chǎn)物的一些特征，不失一般性，考慮一種簡化的情況，即工作在非線性區(qū)的功放輸入是由頻率分別為1f和2f（令21ff〈）的兩個單頻信號組成，即有

式中iS是兩個單頻信號組成的合成信號，1S和2S是兩個單頻信號的幅度。工作在非線性區(qū)功放的傳輸函數(shù)可用一個n階冪級數(shù)表示：

式中oS是輸出信號，a1，a2，…，an為依賴于功率放大器特性的系數(shù)，將（1）式代入（2）式并整理，可得到互調(diào)產(chǎn)物在下列方程所描述的頻率處產(chǎn)生：

衛(wèi)星通信的空間段常用的是C波段（4～6GHz）和Ku波段(12～14GHz)，如果1f和2f都在C或者Ku頻段內(nèi)，則可能落在這個頻段內(nèi)的互調(diào)產(chǎn)物的頻率有：

以此類推。

兩個基頻載波產(chǎn)生的互調(diào)頻譜如圖1所示，這些組合頻率成分分布在基頻1f和2f的兩側(cè)，各階互調(diào)產(chǎn)物隨著階數(shù)的增加，功率逐漸降低，因此最嚴(yán)重的是三階互調(diào)。與之類似，三個基頻載波產(chǎn)生的互調(diào)頻譜如圖2所示。在通信系統(tǒng)正常工作情況下，各階互調(diào)分量比較小，基本淹沒在噪聲里，發(fā)射系統(tǒng)中檢測不到，不會影響發(fā)射信號的質(zhì)量。但是當(dāng)功率過大時，各階互調(diào)分量變大，如果這些組合頻率成分落在工作頻帶內(nèi)，便會對其他用戶載波造成同頻干擾，并且會抬升噪底，影響其正常通信；嚴(yán)重時會導(dǎo)致整個接收系統(tǒng)失效，使之處于癱瘓狀態(tài)。

圖1 兩個載波互調(diào)產(chǎn)物

圖2 三個載波互調(diào)產(chǎn)物

3.互調(diào)干擾識別方法

用戶地球站中的功率放大器和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器均為非線性放大器，因此互調(diào)干擾也就分為用戶發(fā)射站互調(diào)干擾（簡稱地面互調(diào)干擾）和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器產(chǎn)生的互調(diào)干擾（簡稱轉(zhuǎn)發(fā)器互調(diào)干擾）兩種。

3.1地面互調(diào)干擾識別方法：

查看干擾是否對稱出現(xiàn)，且與某用戶地球站發(fā)射的兩個或三個載波相關(guān)；指導(dǎo)所懷疑的用戶地球站逐步降低發(fā)射功率，觀察干擾是否相應(yīng)減小或者消失，如是，則此干擾即為該用戶地球站所產(chǎn)生的互調(diào)干擾。

3.2轉(zhuǎn)發(fā)器互調(diào)干擾識別方法：

通信衛(wèi)星大致分為兩大類：廣電專用衛(wèi)星和普通通信衛(wèi)星。廣電專用衛(wèi)星在廣電總局、各省地球站和相關(guān)部門等的多級嚴(yán)密監(jiān)測下，各載波基本保持在標(biāo)定功率，很少發(fā)生互調(diào)干擾現(xiàn)象。而普通通信衛(wèi)星用戶甚多，載波帶寬窄而分布密集，對每個載波進(jìn)行實時監(jiān)測幾乎不可能，只能對每個轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)置輸出功率和螺流超限告警。如果發(fā)生超高限告警，也就意味著轉(zhuǎn)發(fā)器處于非線性狀態(tài)。

查看轉(zhuǎn)發(fā)器上是否出現(xiàn)了很多電平較低的不明載波，且這些不明載波兩兩對稱出現(xiàn)，同時轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲低明顯抬升；降低轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔，即降低轉(zhuǎn)發(fā)器靈敏度，觀察轉(zhuǎn)發(fā)器所有干擾是否相應(yīng)減小或者消失，如是，則此干擾即為轉(zhuǎn)發(fā)器非線性工作所產(chǎn)生的互調(diào)干擾。

4.互調(diào)干擾排查方法

4.1方法概述

互調(diào)干擾產(chǎn)生的可能性大小隨互調(diào)階數(shù)和互調(diào)頻率組合中頻率數(shù)量的增加而減少，這就為存在多種可能組合的互調(diào)干擾的排查指明了應(yīng)該遵循的順序：先低階、后高階；先頻率數(shù)量少的組合、后頻率數(shù)量多的組合。理論知識聯(lián)系工作經(jīng)驗，下面結(jié)合實際案例，介紹“載波相干”和“邏輯推導(dǎo)”兩種方法對互調(diào)干擾進(jìn)行排查（注：這兩種方法名稱均為筆者自己提煉，非專業(yè)術(shù)語）。

4.1.1“載波相干”法：

當(dāng)遇到這種不明載波時，我們借助CSM（數(shù)字頻譜監(jiān)測分析）系統(tǒng)自帶的載波回放功能，查看載波出現(xiàn)時間以及消失時間，是否跟別的載波的狀態(tài)變化相干。如果能找到在時間上存在相干性的載波，則聯(lián)系用戶做進(jìn)一步排查工作。

圖3中的Mark3:12458.9、Mark4:12465.7；圖4中的Mark1:12438.5、Mark2:12431.7均為不明載波。這是某衛(wèi)星的兩個相鄰轉(zhuǎn)發(fā)器部分載波監(jiān)測頻譜圖，除去因轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)配置不同，導(dǎo)致同功率信號載噪比不同這個因素外，圖3中的Mark3和圖4中的Mark1，以及圖3中的Mark4和圖4中的Mark2呈現(xiàn)出對稱狀態(tài)。

圖3 不明載波頻譜圖

圖4 不明載波頻譜圖

基于前面介紹的互調(diào)干擾產(chǎn)生原理和理論圖樣，我們初步懷疑這幾個不明載波可能是由某用戶發(fā)射站功放非線性工作而產(chǎn)生的互調(diào)干擾載波。為找到帶出不明載波的基頻載波，回放結(jié)果統(tǒng)計如下：

（1）不明載波出現(xiàn)前，轉(zhuǎn)發(fā)器噪底干凈，如圖5所示：

圖5 不明載波出現(xiàn)前的噪底頻譜圖

（2）不明載波持續(xù)時間：9:53—11:48，四個載波同時出現(xiàn)，又同時消失；

（3）當(dāng)不明載波出現(xiàn)時，同轉(zhuǎn)發(fā)器只有圖3中的Mark1載波提升過功率，其余沒有新上載波或功率提升；

（4）當(dāng)不明載波消失時，同轉(zhuǎn)發(fā)器只有圖3中的Mark2載波關(guān)閉了，其余沒有載波關(guān)閉或降低功率；

（5）圖3中的Mark1載波持續(xù)時間：9:45—12:53（9:53提升功率）；

（6）圖3中的Mark2載波持續(xù)時間：9:11—11:48。

圖6 單個載波存在時的頻譜圖

圖7 單個載波存在時的頻譜圖

為了更加直觀的找到基頻載波和不明載波間的聯(lián)系，根據(jù)上述回放統(tǒng)計結(jié)果簡化得到了以下表格（其中0’代表載波關(guān)閉，‘1’代表以正常功率存在，‘S’代表以飽和功率存在，‘√’代表不明載波存在，‘×’代表不明載波消失）：

表1 基頻載波和不明載波狀態(tài)表

當(dāng)我們鎖定兩超功率發(fā)射的基頻載波時，聯(lián)系用戶再次進(jìn)行如表1中的操作過程，得到的結(jié)果也一一對應(yīng)。單從載波形態(tài)來看，圖3中的Mark1和Mark2兩載波在滾降處噪底抬升，確有超功率發(fā)射導(dǎo)致功放飽和的嫌疑。

4.1.2“邏輯推導(dǎo)”法：

通過上述方法我們成功消除了不明載波，但是處理過程比較費時。這里我們再介紹“邏輯推導(dǎo)”法。

當(dāng)我們查看同轉(zhuǎn)發(fā)器和鄰近轉(zhuǎn)發(fā)器時，發(fā)現(xiàn)圖3中的Mark3是功率最大的不明載波，Mark4次之。假設(shè)Mark3是一個三階互調(diào)載波，Mark4是一個五階互調(diào)載波，并且假設(shè)產(chǎn)生該互調(diào)的頻率是1f和2f（令21ff〈），那么就

代入3Markf和4Markf的數(shù)值，得：

將f1和f2的數(shù)值代入：2f1-f2以及3f1-2f2，得到的結(jié)果依次為12438.5和12431.7，與圖4中的Mark1:12438.5和Mark2:12431.7恰好吻合。這樣我們就驗證了上述假設(shè)的正確性，即：圖3中的Mark3和Mark4載波，以及圖4中的Mark1和Mark2載波，均由圖3中的Mark1載波和Mark2兩載波引起，且這兩載波由同一個功放輸出。綜上，我們?nèi)耘f可以得出和“載波相干”法中一致的結(jié)論。

4.2方法總結(jié)：

在實際工作中，我們通常僅僅是依靠載波回放功能，查看并記錄不明載波出現(xiàn)的時間，運用“載波相干”法找出可疑載波，再聯(lián)系用戶進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)排查。但是這種方法存在一些弊端：（1）CSM自帶的回放功能偶爾出現(xiàn)故障，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失；（2）回放功能只支持每個整轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)據(jù)回放，如果造成互調(diào)的載波是在不同轉(zhuǎn)發(fā)器，則尋找比較困難；（3）載波狀態(tài)變化不規(guī)律，同一時刻可能有多個載波發(fā)生變化，查找起來費時費力。基于以上問題，結(jié)合上述兩種方法，筆者提出以下排查流程：

（1）當(dāng)遇到不明載波時（這里只針對形態(tài)不規(guī)則載波，往往是小鼓包或類似山峰狀），先排除反極化干擾的可能；

（2）對載波進(jìn)行解析，如果解調(diào)參數(shù)不固定（不是網(wǎng)內(nèi)常見的BPSK調(diào)制方式的山峰狀載波），基本排除用戶誤發(fā)或盜用的可能；

（3）同轉(zhuǎn)發(fā)器或相鄰轉(zhuǎn)發(fā)器尋找是否有類似載波，或者功率明顯超高的載波；

（4）如果存在功率超高載波，則回放其出現(xiàn)時間是否跟不明載波出現(xiàn)時間相吻合；如果無明顯功率超高載波，但是有基本相同的載波成對出現(xiàn)，或者有類似但功率較低的載波，且以一定的頻率差分布，則記錄這些載波的中心頻率；

（5）運用“邏輯推導(dǎo)”法求解可能帶出該不明載波的基頻載波頻率；

（6）回放基頻載波狀態(tài)變化是否與不明載波的出現(xiàn)在時間上有相干性；

（7）如果基本吻合，則聯(lián)系對應(yīng)用戶進(jìn)行功率調(diào)整或設(shè)備檢查。

4.3方法應(yīng)用：

采用上述流程，我們成功識別并快速處理了另一起不明干擾，具體過程如下：用戶反映其所租頻帶內(nèi)出現(xiàn)不明載波（圖10 Mark1）；排除其他干擾的可能性后，我們在另一頻點找到與之形似的載波（圖11 Mark1），功率接近（換算成同一轉(zhuǎn)發(fā)器參數(shù)配置時），并且兩載波出現(xiàn)時間一致，迅速做出互調(diào)干擾的判斷；假設(shè)這兩載波為三階互調(diào)產(chǎn)物，通過計算得到兩個新頻率，成功鎖定到圖12中Mark1和Mark2兩載波；回放驗證了這兩個正常載波提功率時間與不明載波出現(xiàn)時間相吻合；聯(lián)系用戶重新標(biāo)定圖12中Mark1和Mark2兩載波功率，不明載波消失。

圖10 用戶投訴的不明載波圖

圖11 與被投訴載波形似的載波圖

圖12 帶出互調(diào)干擾的基頻載波圖

5.互調(diào)干擾防范方法

地面互調(diào)干擾是由于用戶發(fā)射站功放處于多載波工作狀態(tài)時回退不足引起，轉(zhuǎn)發(fā)器互調(diào)干擾是由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功放工作在多載波狀態(tài)時回退不足引起。

防范地面互調(diào)的常用方法是讓產(chǎn)生互調(diào)干擾的用戶地球站降低功放發(fā)射功率使其功放回退工作，或者是更換較大功率的功放。表2列出了TWTA型地球站功放工作在線性區(qū)時所需的回退數(shù)值：

表2 用戶地球站功放工作在線性區(qū)所需的回退數(shù)值列表

防范轉(zhuǎn)發(fā)器互調(diào)的常用方法有下列兩種：要求個別載波電平過高的用戶地球站降低載波發(fā)射功率；提高轉(zhuǎn)發(fā)器功放前衰減，使轉(zhuǎn)發(fā)器回退到線性區(qū)工作。表3列出了TWTA型轉(zhuǎn)發(fā)器功放工作在線性區(qū)時所需的回退數(shù)值：

表3 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功放工作在線性區(qū)所需的回退數(shù)值列表

Y1個載波0 0 N 1 0.5 Y多個載波6 3 N 9 4.5

6.結(jié)束語

由于衛(wèi)星受自身特點的限制和環(huán)境的影響，不可避免的存在各種干擾。因此，合理的載波安排可以充分利用轉(zhuǎn)發(fā)器的潛力，嚴(yán)格的管理可以減少和避免用戶搶占資源，嚴(yán)密的監(jiān)測可以及時發(fā)現(xiàn)故障和干擾，運維人員豐富的工作經(jīng)驗和多樣化的排查措施可以有效降低經(jīng)濟(jì)損失。衛(wèi)星運營商和用戶間通力合作，保證安全穩(wěn)定生產(chǎn)，共同維護(hù)寶貴的空間資源，讓衛(wèi)星通信更好的服務(wù)各行各業(yè)，惠及千家萬戶。

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