卫星通信地球站的电磁干扰分析

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  &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 本文讨论卫星通信地球站所受微波干扰的一些问题：干扰允许值，测试设备，测试系统灵敏度，测试方法，<a href="http://www&#46;emchome&#46;net/">连续波干扰</a>(微波站)，<a href="http://www&#46;emchome&#46;net/">脉冲波干扰</a>(雷达站)分析，协调区及协调方法。 <p>一、干扰允许值(干扰容限)</p><p>　　地球站所受干扰越小越好。但这种站址很难找到。因此允许一个最大干扰值，它的存在并不影响(不降低)通信质量。这个最大干扰值就是<a href="http://www&#46;emchome&#46;net/">干扰允许值</a>(干扰容限)。</p><p>　　地球站通信业务不同，(数字，模拟，电视)或干扰源微波站业务不同，干扰源对地球站的影响效果不一样，即不同情况所允许的干扰值不一样。因此，一般规定一个普遍适用的干扰标准。常见资料有以下几种：</p><p>C/I=(C/N+10)dB[1](不同业务数值略不同) (1)</p><p>C/I=20dB[2] (2)</p><p>I=(kTB-6)dBW[3] (3)</p><p>由(1)式，C-I=C-N+10</p><p>∴N-I=10， ∴N/I=10即：</p><p>I= kTB-10 dBW，说明(3)式形式可由(1)式转化而来。</p><p>　　式中， C/I：地球站低噪声放大器输入端(既参考点，也是天线输出端)有用信号带宽内载波干扰比。</p><p>　　C/N：满足通信质量(技术指标)要求的在参考点的C/N。例如地球站数据业务，它是满足一定的BER时，所对应要求的C/N(加储备余量)。</p><p>　　C：进入到地球站低噪声放大器输入端的载波功率。</p><p>　　I：进入到地球站低噪声放大器输入端的干扰功率。</p><p>　　kTB：折算到地球站低噪声放大器输入端的接收系统噪声功率底值(即N)。</p><p>　　公式(1)是从载噪比C/N的角度考虑的(既考虑C又考虑N)，公式(2)仅从载波C的角度考虑问题，公式(3)仅从噪声N的角度考虑。通信质量(技术指标)都是用C/N(或间接用C/N)来表示的，而且不同业务所要求的C/N不同，因此用公式(1)最科学。</p><p>　　但公式(2)用起来最实用，它把不同业务对C/N要求的差别忽略了(只有几dB差别)。</p><p>　　公式(3)是由公式(1)导出的，二者等效。有些情况下公式(3)用起来更方便。</p><p>　　为了方便，下面我们把公式(2)作为<a>干扰容限</a>标准。下面举例说明公式(1)与(2)基本一致。</p><p>　　例：Hughes的TES系统满足误码率要求时，要求C/N≈8dB，一般还有2～3 dB余量，因此实际上C/N≈10dB。那么按公式(1)，C/I=20 dB，与公式(2)直接要求的C/I=20 dB一致。</p><p>　　载波功率C或载噪比C/N的值都可按链路计算得出。载波功率C只要知道所占用的卫星转发器带宽或按一转发器内同等大小的载波数去分转发器功率，即可得：</p><p>EIRPPC＝EIRPS-10lgN-BO0dBW (4)</p><p>式中， EIRPPC：每载波的EIRP值。</p><p>EIRPS：转发器的EIRP值。</p><p>N：同一转发器按功率分的载波数。</p><p>BOO ：转发器多载波工作时输出的回退量。</p><p>地球站低噪声放大器输入端的载波功率C：</p><p>C= EIRPPC-Ld+Gr (5)</p><p>式中， Ld：下行传播损耗。</p><p>Gr：地球站接收天线增益。</p><p>而C/N则较复杂，与较多其它参数有关，难算点。这也是大家愿意采用(2)式的原因。</p><p>由(2)、(5)式，</p><p>I=C-20= EIRPPC-Ld+Gr-20 (6)</p><p>这是在参考点上所允许的干扰。</p><p>允许的干扰功率谱密度为：</p><p>I/Bn=(EIRP-Ld+Gr-20)/ Bn (7)</p><p>式中， Bn：地球站<a>载波噪声</a>带宽。</p><p>这是在参考点上所允许的干扰功率谱密度。</p><p>　　有用信号是经地球站天线主轴进入到低噪声放大器输入端的(参考点)。而大部分干扰是经地球站天线旁瓣进入参考点。<a>天线旁瓣增益</a>为G(θ)。</p><p>按干扰判据(2)式，</p><p>C/I=20=(EIRPPC-Ld+Gr)/[PI+ G(θ)]=20</p><p>式中， PI：在地球站天线口面外的干扰功率。</p><p>∴PI=EIRPPC-Ld+Gr- G(θ)-20 (8)</p><p>式中， θ：偏离地球站天线主轴角度。</p><p>这是在天线口外所允许的<a>干扰功率</a>。</p><p>G(θ)对一具体干扰要具体计算，见下面分析。这里为举例，取G(θ)=0</p><p>例：TES系统，一个话音载波，4&#46;5米天线，C波段。取链路计算参数：[12]</p><p>EIRPPC=9dB</p><p>Ld=196 dB， Gr=43 dB</p><p>I=9-196+43-20=-164dBW</p><p>天线口面外允许的干扰功率谱密度为：</p><p>I/ Bn=[EIRP-Ld+Gr- G(θ)-20]/ Bn (9)</p><p>得：PI/ Bn=-208&#46;2dBW/Hz</p><p>小结：干扰允许值(2)式是：在参考点(低噪声放大器输入端)干扰允许值比载波小20 dB，但在天线口面外，由于干扰和载波来自不同方向(载波来自天线主轴方向，干扰可用来自水平任意方位方向)，干扰可比载波大。例如，如干扰来自偏离天线主轴15度方向，天线在此方向增益为0。(按天线旁瓣公式， G(θ)=29-25lgθ)因载波经天线进入到参考点有Gr倍增益，而干扰经天线增益为O，在天线口面外，如载波，干扰同样大，经天线进入到参考点，载波就比干扰大Gr倍了。</p><p>在天线口外：Pr= EIRPPC-Ld PI= EIRPPC-Ld(干扰与载波同样大)</p><p>在参考点：C=( EIRPPC-Ld)+ Gr</p><p>I=( EIRPPC-Ld)+( Gr-20)+ G(θ)( G(θ)=0)</p><p>∴C/I= Gr</p><p>这样在天线口外，干扰即使大于载波(Gr-20)dB，也是允许的。</p><p>在天线口外：Pr= (EIRPPC-Ld) PI= EIRPPC-Ld+( Gr-20)</p><p>在参考点：C=( EIRPPC-Ld)+ Gr</p><p>I=( EIRPPC-Ld)+( Gr-20)+ G(θ) ( G(θ)=0)</p><p>∴C/I= 20 dB</p><p>二、测试系统及<a>测试灵敏度</a></p><p>　　测试系统由天线，低噪声放大器LNA(或低噪声变频器块LNB)，电缆，隔直器，直流电源及打印机组成。测试系统灵敏度就是指对微弱干扰信号的检测能力。测试系统灵敏度应比允许的干扰电平低10dB以上，这样在观察频谱仪屏幕时才不致漏掉干扰。测试系统的灵敏度即为测试系统噪声底值N。</p><p>N=kTSBn (10)</p><p>式中，k：波尔兹曼常数，k=1&#46;38×10-23J/KHz或k=-228&#46;6 dB J/KHz。</p><p>TS：系统噪声温度， TS=Ta+TLNA。</p><p>Ta：<a href="http://www&#46;emcgarden&#46;net/">测试天线</a>噪声温度，因干扰大部分来自水平方向，测试时天线朝向水平，因地面温度为≈20℃，所以取Ta=300K。</p><p>TLNA：LNA噪声温度，取TLNA=60K。</p><p>Bn：测试时，频谱仪REW设置的带宽，乘以1&#46;2。一般REW设置为与载波带宽一样。或REW设置为10KHz(测干扰时常常设置的，称为分析带宽)。</p><p>N= kTSBn=-228&#46;6+10lg(300+60)+ 10lg(30×103×1&#46;2)=-157&#46;5dBW(30KHz)</p><p>　　这里所说的测试系统灵敏度指在测试系统的参考点(LNA输入端)。</p><p>　　我们的测试是测空间，即天线口面外的干扰功率。因此测试系统灵敏度应与天线口面外允许的干扰功率，公式(8)比较。</p><p>　　将测试系统灵敏度折算到测试天线口外：PS=k·(TS/Gm)·Bn (11)</p><p>式中， Gm：测试系统天线增益。采用标准增益喇叭天线， Gm=20dB(中心频率) 。</p><p>　　(10)式的另一种理解，测试系统在参考点可检测到的最弱信号(干扰)为kTSBn。此信号是经测试天线放大后进入参考点的。其在天线口面外大小为 kTSBn/ Gm。</p><p>S=-177&#46;5 dBW(30KHz)</p><p>应将(10)式，测试系统在天线口外测试灵敏度与(8)式，天线口面外允许干扰值比较。 PS应比PI小10dB。 PI/ PS ≥10 dB</p><p>　　测试系统配置固定，其测试灵敏度就是定值。但在天线口面外所允许的干扰来自不同方向，所允许的值也不同，见(8)式。</p><p>　　对准这些卫星，天线工作仰角在全国范围，几乎都大于25度。如果地球站避开设置在微波通道一定范围外，天线口面外允许干扰可用下式(即忽略了天线对干扰的增益)：</p><p>PI= EIRPPC-Ld+Gr-20 (12)</p><p>　　这样就便于测试灵敏度与干扰允许值的比较。</p><p>例：对亚2卫星，Hughes TES系统，测试系统满足干扰测试要求</p><p>PI=-164dBW</p><p>PS=-177&#46;5dBW </p><p>PI/ PS &gt;10dB</p><p>　　小结：测试系统的灵敏度，折算到测试天线口外(空间)，以便于与待测的地球站天线口面外(空间)所允许点干扰相比较。</p><p>标准增益喇叭天线尺寸：</p><p>C-band，A=340&#46;0，B=260&#46;0，L=420&#46;0</p><p>Ku-band，A=108&#46;0，B=83&#46;7，L=143&#46;0</p><p>喇叭天线的增益可以按其设计加工的机械尺寸计算出来[4]，而不必通过测试确定其增益，文献[4]也列出了其它频段标准增益喇叭规范尺寸。</p><p>频谱仪上读出的允许干扰电平，</p><p>允许干扰电平：EIRP- Ld-20+Gr- G(θ) -164</p><p>测试天线增益： Gm 20</p><p>LNA增益：GLNA 60</p><p>电缆损耗：Lc -1</p><p>功分器损耗：L -4</p><p>-89 dBW</p><p>-59dBm</p><p>若测量值超过此值，则干扰超标。</p><p>测试方法，注意问题</p><p>1、测试天线高度，应架到与待用工作天线中心高度一样或更高。</p><p>2、频谱仪射频分辨带宽REW，应与待用载波带宽一致(或置为10KHz，分析带宽)。</p><p>3、测试天线分别置于水平极化和垂直极化测试。</p><p>4、频率普查与详查</p><p>在租用带宽范围内详测全C波段3625-4200MHz范围普测</p><p>5、方位普查与详查</p><p>全方位干扰普查</p><p>工作方位±30°详查</p><p>6、时间</p><p>24小时监测一天</p><p>7、频率稳定度</p><p>频谱仪频率稳定度，要求晶振源HP8560系列，HP8590系列(除8592)。</p><p>　　三、<a href="http://www&#46;emcgarden&#46;net/">微波站干扰</a></p><p>　　微波中继站对地球站的干扰是连续波干扰。有同频干扰，谐波干扰，及互调干扰。邮电部的4GHz微波中继站线路与C波段卫星共用4GHz频率，是对地球站的主要干扰源。</p><p>　　我们简要讨论一下来自地面微波站的干扰在地球站混频器中与本振频率所产生的组合频率干扰。以及在地球站放大器中来自微波站的干扰相互混频所产生的互调干扰。</p><p>　　<a href="http://www&#46;studyemc&#46;net/">组合频率干扰</a>意为，当干扰频率fn与本振频率fo满足下列关系时，会产生组合频率干扰[5]。</p><p>pfo-qfn=fi</p><p>或：- pfo+qfn=fi</p><p>式中， fs：来自卫星载波信号频率</p><p>fi：接收机中频频率</p><p>地球站混频器为高本振时，即fo- fs=fi，可导出干扰信号频率为：</p><p>fn=(pfo±fi)/q (14)</p><p>其中p=0，q=1时，是中频干扰</p><p>p=1，q=1时，是镜像干扰。</p><p>互调干扰意思是：由于地球站接收机放大器非线性，干扰信号在放大器中彼此混频产生近似有用信号频率。 ±m fn1±n fn2±k fn3±……= fs(m，n，k，……=0，1，2，……) (15)</p><p>其中三阶互调干扰最严重。</p><p>　　由于城市地形地物复杂，有时有些实际存在的干扰由于测试点的选择，天线架设高度等原因，容易漏过。因此到当地无委会及微波站调查很有必要。这也是协调区计算及干扰计算的依据。表1列出国内常用4GHz微波站设备及频率[6]，供测试及计算参考。</p><p>　　如果多个干扰源同时存在，其干扰电平要按简单相加来考虑分析(不计及相位关系)。如果干扰源带宽小于载波带宽，频谱仪REW应设置于干扰带宽，并按干扰频谱密度是否超标来分析。如干扰源带宽大于载波带宽，仅考虑落入载波带宽内的干扰电平。</p><p>　　由于微波中继信号都是调制的(电视、电话、数据…)，其频谱并不是均匀分布的。例：电视6MHz带宽，其频谱并不在6MHz内均匀分布。往往是频谱集中在其载波中心频率附近。分析干扰时不能按均匀分布分析，而应按最恶劣情况分析。即干扰频谱所集中的窄带宽内，如其频谱密度超标，就认为存在干扰。</p><p>小结：用<a>干扰谱密度</a>衡量干扰比用干扰功D/λ&gt;100时， G(θ)= 29-25lgθdB φr&lt;θ&lt;36° -10 36°≤θ≤180° (20) D/λ&lt;100时， G(θ)= 49-10 lg(D/λ)-25lgθdB 100(D/λ)≤θ&lt;48° 10-10 lg(D/λ) 48°≤θ&lt;180° (21) 式中，D：天线直径(m)。</p><p>λ：工作波长(m)。</p><p>φr：第一旁瓣位置。</p><p>φr=16(λ/D)0&#46;6 (22)</p><p>自由空间损耗Lf用下式表示(没有地形地物遮挡)：</p><p>Lf=(4πS/λ)2 (23)</p><p>式中，S：地球站与微波站之间的距离。</p><p>　　将了解到的同频微波站的地理位置，天线功放大小及计算出的Lf， G(θ)， G(ψ)代入式(19)中，即可得知，微波站对地球站是否构成干扰。如不造成干扰则地球站站址选定。如果存在干扰则需重新选址。 由式(19)可知，为减少干扰，有三种方法：距离去耦，角度去耦及遮挡去耦。</p><p>　　<a>距离去耦</a>：使地球站远离微波站，按(23)式增大自由空间损耗。</p><p>　　<a>角度去耦</a>：使地球站不安装在微波通信干道中及方向上。尽量使地球站与微波站间的耦合角加大按(20)式或(21)式减小天线对<a href="http://www&#46;emchome&#46;net/">干扰电磁波</a>的增益。</p><p>去耦角的计算：</p><p>θ=arcsin[(cosφAsinβ)/sinC] (24)</p><p>ψ=arcsin[(cosφBsinβ)/sinC] (25)</p><p>式中：θ：微波站对地球站的干扰方位。</p><p>ψ：地球站相对微波站的方位。</p><p>φA：地球站的纬度。</p><p>β：地球站与微波站的经度差。</p><p>C：地心角。</p><p>C=arccos(sinφA sinφB+cosφAcosφB cosβ) (26)</p><p>φB：微波站的纬度。</p><p>两站间的距离d，d=111&#46;1·℃(km) (27)</p><p>　　地球站天线对微波站的平面去耦角，等于地球站通信方位角与地球站到微波站干扰方位角之差，即|α-ψ|。微波站天线对地球站的去耦角等于微波站天线至下一个微波站的通信方位与该微波站至地球站的干扰方位之差。</p><p>　　由于地球站天线是在较高仰角EL下工作，因此在计算地球站天线对微波站的去耦时要考虑有仰角时的立体去耦角φ。</p><p>φ= arc cos (cosELcosθ) (28)</p><p>　　遮挡去耦：选择这样的地球站址，使地球站与微波站之间有地形地物遮挡干扰电磁波，降低干扰电平。关于各种形状障碍物损耗计算请参考[8]，[9]，[10]，[11]。</p><p>　　如果干扰信号和被干扰载波的极化不同，附加一项极化去耦。微波站一般为线极化，地球站有线极化，也有圆极化，对圆极化的地球站载波，有3dB去耦；对线极化，用下式计算极化隔离度M[10]。</p><p>当D/λ≥100时，</p><p>9-51gφ φr≤φ&lt;7° M= 11&#46;8-8&#46;31gφ 7°≤φ&lt;26° (29) 0 26°≤φ&lt;180° 对D/λ&lt;100时， 29-101g(D/λ)-51gφ φr≤φ&lt;7° M= 31&#46;8-101g(D/λ)-8&#46;31gφ 7°≤φ&lt;26° (30) 20-101g(D/λ) 26°≤φ&lt;180°</p><p>式中， φ：偏离地球站天线主轴最大角度。</p><p>　　地球站与微波站间的干扰协调工作分两个步骤。第一步，进行协调区计算，作协调区图，在协调区外的微波站对地球站肯定不会构成干扰。协调区内的微波站可能对地球站造成干扰，也可能不构成干扰。第二步，具体计算协调区内微波站对地球站的干扰情况。 干扰计算与协调区计算的区别。协调区是把大范围区域的干扰排除，仅划定一小范围可能存在干扰的区域。而干扰计算是针对协调区内地球站受干扰的具体计算。即四种去耦的详尽计算。</p><p>　　协调区一般是以发射站为中心来计算的，采用某些假定参数，并作出类似等高图的等辐射功率图。在我们进行协调区计算时，可把了解到的微波站参数吸收到协调区计算中。这样可增大地球站站址选择区域，以及减少干扰计算。</p>