劉焱鑫，劉飛飛，辛德成，譚睿哲

（中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)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(yuǎn)、容量大等特點(diǎn)，在我國(guó)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。根據(jù)國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)的規(guī)定，以及管理機(jī)構(gòu)的政策要求，為確保各類衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)在其被分配的信道內(nèi)運(yùn)行，運(yùn)營(yíng)商必須具備本地化頻譜監(jiān)測(cè)監(jiān)管的能力。同時(shí)，隨著同步軌道通信衛(wèi)星數(shù)量及用戶業(yè)務(wù)的逐年增加，以及小型化天線和各種移動(dòng)終端的普遍應(yīng)用，加之衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有開放性特點(diǎn)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種干擾，給正常業(yè)務(wù)開展帶來巨大威脅，對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)有助于了解當(dāng)前通信的質(zhì)量，保證衛(wèi)星通信的正常運(yùn)行。另外，對(duì)于C頻段和Ku頻段的大波束衛(wèi)星，運(yùn)營(yíng)商通常采用“帶寬+時(shí)間”雙維度計(jì)量的方式出租出售，為避免產(chǎn)生不必要的商業(yè)紛爭(zhēng)，地面系統(tǒng)準(zhǔn)確采集和記錄信號(hào)頻率、帶寬和使用起止時(shí)間等信息成為必不可少的運(yùn)維手段。因此，如何準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)衛(wèi)星頻譜，對(duì)于政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)、運(yùn)營(yíng)商和用戶來說，都顯得尤為重要。本文將結(jié)合理論推導(dǎo)分析和工程經(jīng)驗(yàn)，從頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于天線口徑要求及線纜損耗要求兩方面重點(diǎn)闡述。

1 頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)天線口徑要求

頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)天線口徑配置需要，主要是天線系統(tǒng)要滿足觀測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)器噪底和觀測(cè)載波載噪比（C/N）要求。觀測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)器噪底可通過噪底變化確認(rèn)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔位調(diào)整，同時(shí)能夠真實(shí)觀測(cè)到小功率干擾信號(hào)情況，觀測(cè)載波載噪比要盡可能真實(shí)觀測(cè)鏈路整體C/N，對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來說觀測(cè)能力越強(qiáng)，業(yè)務(wù)運(yùn)行過程中的服務(wù)能力也就越強(qiáng)。

1.1 天線系統(tǒng)對(duì)觀測(cè)轉(zhuǎn)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(shí)觀測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)器噪底，確保業(yè)務(wù)運(yùn)行安全。因此，要求接收到的衛(wèi)星轉(zhuǎn)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(shè)轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲功率為N，高于天線噪聲10 dB，此時(shí)天線系統(tǒng)噪聲功率為0.1N，總噪聲功率為1.1N。如果轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲功率提升1 dB，變?yōu)?.259N，此時(shí)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(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲功率基本等同于總噪聲功率，在監(jiān)測(cè)中可有效觀測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)器噪底變化。

1.1.1 衛(wèi)星天線出口噪聲功率計(jì)算

熱噪聲功率物理計(jì)算式為N=kTB。式中，k為波爾茲曼常數(shù)，大小為1.38×10-23J/K；T為絕對(duì)溫度；B為頻帶寬度。因?yàn)闊嵩肼暪β逝c溫度有關(guān)，所以我們常用等效噪聲溫度來表示噪聲的大小。

根據(jù)衛(wèi)星制造商提供的常規(guī)數(shù)據(jù)，按照C頻段36 MHz轉(zhuǎn)發(fā)器單載波飽和工作分析，載荷噪聲溫度為27.5 dBK，轉(zhuǎn)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(cè)點(diǎn)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(jù)衛(wèi)星制造商提供的常規(guī)數(shù)據(jù)，按照Ku頻段36 MHz轉(zhuǎn)發(fā)器單載波飽和工作分析，載荷噪聲溫度取28 dBK，轉(zhuǎn)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(cè)點(diǎn)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(jì)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(jì)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(zhuǎn)發(fā)器噪聲大于天線系統(tǒng)噪聲10 dB，可真實(shí)觀測(cè)轉(zhuǎn)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(jì)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(zhuǎn)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(jì)算發(fā)現(xiàn)，C頻段想要真實(shí)觀測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)器噪底，所需天線口徑要達(dá)到38米。

按照工程經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)11米C頻段天線用于接收可滿足業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)需要，此時(shí)收到的轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲比天線系統(tǒng)噪聲低1.71 dB。按照前文計(jì)算方法，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲功率提升1 dB時(shí)，總噪聲提升0.43 dB，基本可觀測(cè)到轉(zhuǎn)發(fā)器噪底變化。轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔越靈敏，轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲功率越高，總噪聲也越接近轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲功率，能夠觀測(cè)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(zhuǎn)發(fā)器噪聲大于天線系統(tǒng)噪聲10 dB，可真實(shí)觀測(cè)轉(zhuǎn)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(jì)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(zhuǎn)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(jì)算發(fā)現(xiàn)，Ku頻段想要真實(shí)觀測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)器噪底，所需天線口徑至少7.3米。

按照工程經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)4.5米Ku頻段天線用于接收可滿足業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)需要，此時(shí)收到的轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲比天線系統(tǒng)噪聲高8.42 dB。按照前文計(jì)算方法，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲功率提升1 dB時(shí)，總噪聲提升0.89 dB，可有效觀測(cè)到轉(zhuǎn)發(fā)器噪底變化。轉(zhuǎn)發(fā)器增益檔越靈敏，轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲功率越高，總噪聲也越接近轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲功率，能夠觀測(cè)到的噪底變化也就越明顯。

1.2 天線系統(tǒng)對(duì)觀測(cè)載波C/N要求

在頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，天線系統(tǒng)接收到的噪底實(shí)際上包括衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲和下行鏈路的空間噪聲、鄰星噪聲、互調(diào)噪聲、極化噪聲、天線噪聲、LNA/LNB噪聲等；衛(wèi)星轉(zhuǎn)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(diào)噪聲、極化噪聲、天線噪聲、LNA/LNB噪聲等。當(dāng)采用大口徑天線接收時(shí)，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(dāng)采用小口徑天線接收時(shí)，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(shí)N值過大會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)發(fā)器噪聲被淹沒在整個(gè)鏈路噪聲之下。

在日常業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)中，天線系統(tǒng)除了要滿足監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)器噪底要求，還必須滿足整體鏈路C/N的監(jiān)測(cè)要求。在衛(wèi)星實(shí)際使用中，上行鏈路C/N主要取決于上行能力和轉(zhuǎn)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(diào)、空間等）。

假設(shè)地面系統(tǒng)上行能力足夠，可使36 MHz轉(zhuǎn)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(jìn)行計(jì)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(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)發(fā)器飽和工作時(shí)，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(xiàn)明顯惡化，即4.5米以下天線出現(xiàn)C/N惡化現(xiàn)象。

1.3 頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)天線口徑要求小結(jié)

綜上，天線系統(tǒng)對(duì)天線口徑要求和整個(gè)鏈路指標(biāo)相關(guān)。綜合成本、衛(wèi)星能力、地面站能力等各種因素考慮，采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，建議C頻段監(jiān)測(cè)建設(shè)11米及以上口徑天線，Ku頻段監(jiān)測(cè)建設(shè)4.5米及以上口徑天線。如監(jiān)測(cè)要求放寬，監(jiān)測(cè)天線口徑可適當(dāng)減小。

2 頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)線路損耗要求

在頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，除了對(duì)天線口徑有要求，頻譜儀還對(duì)天線后端的線路損耗有一定要求。以某廠家數(shù)字頻譜儀為例，接入信號(hào)是L頻段，輸入信號(hào)頻率范圍為950～2150 MHz，輸入信號(hào)電平范圍為-100～-19 dBm（數(shù)據(jù)來自廠家和設(shè)備手冊(cè)）。在日常業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)管理中，需要利用數(shù)字頻譜儀觀測(cè)整個(gè)通信鏈路的噪底，確保業(yè)務(wù)運(yùn)行安全，也就是數(shù)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(shù)字頻譜儀要求的最低噪聲電平在RBW取30 kHz時(shí)為-100 dBm，假定數(shù)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(shí)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(duì)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jì)算按照轉(zhuǎn)發(fā)器中間檔位配置，對(duì)運(yùn)營(yíng)商來說，還需考慮轉(zhuǎn)發(fā)器應(yīng)用在低檔位配置的情況，假設(shè)低檔位配置時(shí)EIRPn降低10 dB，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)C頻段和Ku頻段線路損耗要求則為L(zhǎng)線≤9.46 dB和L線≤21.2 dB。

表4 Ku頻段接入方式對(duì)比

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)11米C頻段天線的總體線路損耗要求不得大于9.46 dB，對(duì)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(shí)際頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求，可根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器檔位配置和天線口徑準(zhǔn)確計(jì)算線路損耗。

2.2 信號(hào)接入方式選擇

對(duì)數(shù)字頻譜儀監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)噪底和C/N來說，影響下行鏈路的主要指標(biāo)是線路損耗，如果損耗過大引起監(jiān)測(cè)到的總體噪聲低于頻譜儀噪聲，將導(dǎo)致無法監(jiān)測(cè)噪底或監(jiān)測(cè)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(dǎo)或光纖的信號(hào)接入方式。其中，同軸電纜對(duì)頻率敏感，同樣長(zhǎng)度越高頻段線路損耗越大；硬波導(dǎo)對(duì)環(huán)境有要求，越低頻段體積越大；光纖則部署簡(jiǎn)單、損耗低，但成本略高。針對(duì)各頻段各種接入方式路徑衰減進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)按照2.1節(jié)線路損耗估算進(jìn)行各種接入方式下的最長(zhǎng)距離估算。具體如表3～表5所示（不同型號(hào)線纜指標(biāo)和價(jià)格不同）。

表3 C頻段接入方式對(duì)比

表5 L頻段接入方式對(duì)比

2.3 頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)線路損耗要求小結(jié)

同軸電纜損耗較大，適用于短距離傳輸，實(shí)際同軸電纜傳輸大于100米后衰減值成指數(shù)增加；硬波導(dǎo)損耗適中，但對(duì)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(diǎn)，適合中、長(zhǎng)距離傳輸。

另外，L頻段同軸電纜傳輸100米后，對(duì)高低頻點(diǎn)衰減差值達(dá)到5 dB左右，1 GHz低頻衰減小，1.5 GHz高頻衰減大，嚴(yán)重影響頻響指標(biāo)。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(cè)系統(tǒng)需要。

3 結(jié)束語

隨著衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，地面站建設(shè)主要以滿足衛(wèi)星鏈路通信為基礎(chǔ)，本文從理論推導(dǎo)分析和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)兩方面進(jìn)行詳細(xì)論述，給出C頻段和Ku頻段具體監(jiān)測(cè)要求下的天線口徑和信號(hào)接入方式建議，對(duì)于有業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)需求的單位具有一定指導(dǎo)意義。

對(duì)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商來說，強(qiáng)大的頻譜監(jiān)測(cè)監(jiān)管能力是保證衛(wèi)星和業(yè)務(wù)安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，更是面向用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的先決條件。因此，明確頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求和能力對(duì)地面監(jiān)測(cè)站建設(shè)尤為重要，本文的詳細(xì)論述也可對(duì)行業(yè)內(nèi)衛(wèi)星接收系統(tǒng)的技術(shù)方案設(shè)計(jì)和項(xiàng)目建設(shè)提供一定的參考。