雨衰和雪衰對(duì)廣播電視衛(wèi)星傳輸?shù)挠绊懠案纳拼胧?/h1>
2021-04-07 00:28:04徐洋
電視技術(shù) 2021年2期
徐 洋
（山東廣播電視臺(tái)，山東 濟(jì)南 250014）
0 引 言
隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)廣播電視信號(hào)傳輸提出了更高的要求。衛(wèi)星通信以其傳輸距離遠(yuǎn)、范圍廣、對(duì)地理環(huán)境沒有過(guò)高要求等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。但是，由于衛(wèi)星傳輸具有開放性，其通信鏈路難免會(huì)受到外界環(huán)境的影響，如雨衰和雪衰。
1 雨衰和雪衰的成因和規(guī)律
1.1 降雨影響
在廣播電視信號(hào)衛(wèi)星傳輸過(guò)程中，電磁信號(hào)會(huì)穿過(guò)對(duì)流層。對(duì)流層中雨雪等自然現(xiàn)象會(huì)使電磁信號(hào)被吸收或者散射，導(dǎo)致能量受損而形成雨衰或者雪衰。信號(hào)損耗衰減的程度由信號(hào)本身的頻率、雨雪的大小以及信號(hào)穿過(guò)影響區(qū)域的路程長(zhǎng)短決定。信號(hào)衰耗量與信號(hào)頻率和雨雪量的一般關(guān)系如圖1 所示。
圖1 衰耗量與信號(hào)頻率和雨雪量關(guān)系圖
圖1 中，實(shí)線為雨引起的衰耗情況。其中，雨引起的衰耗情況有：A 線為0.25 mm/h 的細(xì)雨；B線為1 mm/h 的小雨；C 線為4 mm/h 的中雨；D 線為16 mm/h 的大雨；E 線為100 mm/h 的暴雨。
根據(jù)圖1 可知：降雨造成的衛(wèi)星傳輸衰耗與降雨量成正比，即降雨量越大衰耗越大；與信號(hào)的頻率成正比，即頻率越高衰減越大。通常情況下，大雨量（16 mm/h）以下的降雨，對(duì)C 波段信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的影響；降雨量為16 mm/h 時(shí)，C 波段上行鏈路衰減為0.08 dB/km，下行鏈路衰減為0.02 dB/km。通常雨區(qū)的高度在10 km 以下，因此當(dāng)?shù)孛嬲镜难鼋菫?7°時(shí)，其上行信號(hào)衰耗會(huì)小于1.2 dB/km，而下行衰耗也會(huì)控制在0.3 dB/km 左右。當(dāng)降雨量達(dá)到100 mm/h（暴雨）時(shí)，C 波段上行鏈路衰耗小于0.5 dB/km，下行鏈路信號(hào)衰耗在0.1 dB/km 左右。通常暴雨雨區(qū)的高度在2 km 左右，因此對(duì)于仰角為47°的地面站，暴雨時(shí)衛(wèi)星上行衰耗在1.5 dB/km 以內(nèi)，下行衰耗在0.3 dB/km 左右。實(shí)際上，對(duì)于該波段而言，大雨以下的雨衰影響可以忽略不計(jì)，但是當(dāng)出現(xiàn)暴雨或者大暴雨情況且雨區(qū)高度超過(guò)2 km時(shí)，雨區(qū)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的影響相對(duì)較大。分析氣象檔案可以發(fā)現(xiàn)，很多地區(qū)在暴雨季節(jié)雨區(qū)高度超過(guò)2 km 的情況十分常見。以濟(jì)南為例，在盛夏暴雨季節(jié)，暴雨雨區(qū)高度最高達(dá)到8 km。在此情況下，C波段47°仰角的地面站信號(hào)衰減高達(dá)6 dB/km，甚至有暴雨期間雨衰對(duì)C 波段上行鏈路造成13 dB/km影響的案例。
檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，Ku 和Ka 波段的信號(hào)由于波長(zhǎng)較短，受雨雪的影響相對(duì)較大，產(chǎn)生的衰耗也比C波段信號(hào)大。在地面站仰角相同和雨區(qū)高度相同的情況下，降雨量為大雨時(shí)，Ku 波段的信號(hào)上行衰耗在11 dB/km 以上，下行衰耗在7.5 dB/km 以上。在暴雨時(shí)期，該波段的信號(hào)上下行衰耗甚至能夠達(dá)到16 dB/km 和10 dB/km。以濟(jì)南為例，在暴雨時(shí)期，Ku 波段的上行衰耗通常能夠達(dá)到20 dB/km甚至更高。
實(shí)際上，降雨對(duì)廣播電視衛(wèi)星傳輸?shù)挠绊懖粌H僅體現(xiàn)在電磁波衰減方面，還體現(xiàn)在去極化作用方面。在重力和空氣阻力的共同作用下，雨滴會(huì)發(fā)生一定的變形。雨滴的體積越大，形變?cè)矫黠@。雨滴對(duì)于電磁波造成的衰減和相位移存在差異，在雨滴極化面長(zhǎng)軸方向傳輸?shù)碾姶挪ㄊ苡绊戄^大，在短軸方向上傳輸?shù)碾姶挪ㄊ苡绊戄^小。這兩個(gè)軸向上的差異會(huì)減小正交極化復(fù)用信號(hào)的極化隔離度，增大雨衰的影響。
1.2 雪衰影響
與雨衰不同，雪衰的影響相對(duì)較小。通過(guò)實(shí)際檢測(cè)可知，通常降雪不會(huì)對(duì)Ku 及以下頻段的信號(hào)傳輸產(chǎn)生嚴(yán)重影響，但是雪化過(guò)程產(chǎn)生的雪衰影響相對(duì)較大。雪化時(shí)，由于天線饋源和主反射面凹凸不平，因此該區(qū)域會(huì)形成積雪，而積雪的吸收、散射以及反射等作用會(huì)嚴(yán)重影響衛(wèi)星天線口面場(chǎng)的均勻分布情況，進(jìn)而降低天線增益，對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生較大影響。總結(jié)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同天線口面、饋源口以及天線主反射面等都會(huì)產(chǎn)生雪衰影響［1］。
2 改善雨衰影響的有效策略
結(jié)合衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，采取在上行站進(jìn)行雨衰補(bǔ)償、借助衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行補(bǔ)償和在下行站預(yù)留出雨衰備余量3 個(gè)途徑改善雨衰造成的影響。
2.1 上行站雨衰補(bǔ)償
在上行鏈路進(jìn)行雨衰補(bǔ)償?shù)闹饕悸肥窃谶m當(dāng)范圍內(nèi)合理增加上行站的上行等效全向輻射功率（Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP），使得在降雨過(guò)程中能盡可能維持上行信號(hào)的傳輸穩(wěn)定性，保護(hù)信號(hào)在降雨過(guò)程中不會(huì)受到過(guò)大的影響。
2.1.1 針對(duì)C 波段信號(hào)的補(bǔ)償措施
根據(jù)C 波段信號(hào)在降雨過(guò)程中受到的影響可知，降雨量在大雨以下時(shí)，C 波段信號(hào)受到的雨衰影響相對(duì)較小，因此進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需考慮大雨以下的情況。對(duì)于降雨量較多、雨季較長(zhǎng)以及經(jīng)常出現(xiàn)大暴雨的地區(qū)，或者對(duì)上行信號(hào)有一定要求時(shí)，需要采取相應(yīng)的雨衰補(bǔ)償措施。為保障C 波段衛(wèi)星上行站的信號(hào)傳輸效果，需要4 ～6 dB/km 的補(bǔ)償才能夠滿足其提高上行功率的需求。因此，在暴雨天氣下，當(dāng)雨衰給信號(hào)傳輸造成2 dB/km 的損耗后，需要及時(shí)調(diào)控提高信號(hào)上行功率，及時(shí)補(bǔ)償C波段信號(hào)的上行雨衰。
2.1.2 通過(guò)電平對(duì)雨衰上行功率控制（Uplink Power Control，UPC）進(jìn)行補(bǔ)償
根據(jù)分析可知，Ku 等波長(zhǎng)較小的頻段受到降雨影響較為明顯，因此在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮此方面的補(bǔ)償措施。為合理控制成本，當(dāng)前我國(guó)針對(duì)Ku 頻段進(jìn)行上行雨衰補(bǔ)償通常采用中頻補(bǔ)償措施，即結(jié)合雨衰情況，通過(guò)調(diào)控中頻信號(hào)電平增加輸出信號(hào)功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)上行雨衰UPC 的補(bǔ)償。中頻補(bǔ)償通過(guò)判斷上行鏈路的大氣噪聲和下行接收信號(hào)強(qiáng)度，合理提高中頻信號(hào)電平。
2.1.3 通過(guò)測(cè)算天線噪聲溫度進(jìn)行上行雨衰補(bǔ)償
天線噪聲溫度的變化能夠反映當(dāng)前上行鏈路在信號(hào)傳輸過(guò)程中的衰耗情況，因此可通過(guò)測(cè)算天線噪聲溫度來(lái)控制信號(hào)的上行功率。通常這類系統(tǒng)都具備獨(dú)立的接收控制功能，只需使用射電測(cè)量計(jì)就能實(shí)現(xiàn)小型偏饋接收天線低噪聲功率放大器（Low Noise Block，LNB，又可稱為高頻頭）的功能。該測(cè)量機(jī)能夠采集信號(hào)上行過(guò)程中13.45 GHz 頻點(diǎn)上的射電信號(hào)強(qiáng)度，得到降雨情況下的天線噪聲溫度，并將測(cè)算結(jié)果與晴天時(shí)的數(shù)據(jù)比較，得到上行頻段需要的補(bǔ)償量，進(jìn)而進(jìn)行功率控制補(bǔ)償。這種雨衰補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償量測(cè)算更為準(zhǔn)確可靠，而且不需要進(jìn)行人工識(shí)別日凌等方面的影響。但是，相比于信標(biāo)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的成本相對(duì)較高，也會(huì)存在誤識(shí)別情況，即如果UPC 接收天線被遮擋，系統(tǒng)可能會(huì)誤認(rèn)為是雨衰影響。
2.1.4 雨衰影響下Ku 波段上行站的設(shè)備要求
對(duì)于Ku 波段上行站而言，它的雨衰補(bǔ)償能力是判斷該上行站水平的重要標(biāo)準(zhǔn)，主要包括補(bǔ)償線性和范圍。在對(duì)Ku 波段的衛(wèi)星設(shè)計(jì)和配備雨衰補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)上行站當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，同時(shí)UPC 需要滿足99.9%的上行可用度時(shí)的最小上行補(bǔ)償范圍。此外，UPC 還需要有較好的線性增益，以保障信號(hào)的傳出。
2.2 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行上行補(bǔ)償
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前Ku 和Ka 波段的部分衛(wèi)星也能夠?qū)崿F(xiàn)一部分的雨衰補(bǔ)償，從而在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和上行站共同作用下完成雨衰補(bǔ)償。它的主要運(yùn)行原理是在上行站補(bǔ)償能力無(wú)法滿足雨衰損耗的情況下，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器會(huì)結(jié)合信號(hào)功率的通量密度合理進(jìn)行增益補(bǔ)償，進(jìn)而減小雨衰對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽Ｐl(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的補(bǔ)償功能進(jìn)一步提升了上行鏈路的補(bǔ)償能力和信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性，目前已經(jīng)有很多Ku 頻段的直播衛(wèi)星采用這一方式進(jìn)行雨衰補(bǔ)償。這一技術(shù)在保證雨衰補(bǔ)償能力不變的同時(shí)，減小了對(duì)上行站的要求，有效降低了系統(tǒng)建設(shè)成本［2］。
2.3 下行站預(yù)留雨衰備余量
減少下行站雨衰影響的主要思路是在進(jìn)行接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備配備的過(guò)程中打好提前量，在條件允許的情況下，預(yù)留一定的雨衰備余量。此外，下行接收站要保障傳輸質(zhì)量，且對(duì)接收可用度也有一定的要求，需要留有適當(dāng)?shù)膬?chǔ)備量。在僅考慮環(huán)境溫度和設(shè)備穩(wěn)定性的情況下，接收站需要留有常規(guī)C/T門限儲(chǔ)備量，通常取最大值2.5 dB。工程建設(shè)過(guò)程中，需要考慮多方面因素。通常C 波段和Ku 波段的廣播電視接收站的降雨余量及門限儲(chǔ)備總和的取值范圍分別為3 ～6 dB 和5 ～12 dB，還需要結(jié)合實(shí)際天氣情況、雨季長(zhǎng)短及雨量多少等確定實(shí)際數(shù)值。由于廣播電視的需求特殊，需要在可行范圍內(nèi)盡量選取較大的儲(chǔ)備量。此外，當(dāng)C/T門限及LNB的數(shù)值都保持不變的情況下，接收天線的口徑與儲(chǔ)備量成正比，即儲(chǔ)備量增加時(shí)，接收天線口徑也需要增加。因此，實(shí)際應(yīng)用中切忌為減小Ku波段天線口徑而不斷縮小雨衰備余量，需要綜合考慮各方面因素，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)備余量留存和天線口徑大小［3］。
3 改善雪衰影響的有效策略
雪化過(guò)程對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戄^為嚴(yán)重，因此在改善雪衰影響時(shí)，需要針對(duì)雪化過(guò)程采取相應(yīng)的措施。我國(guó)北方地區(qū)降雪較為頻繁，雪化過(guò)程需要較長(zhǎng)的時(shí)間，因此對(duì)天線信號(hào)的影響較為嚴(yán)重。實(shí)際處理過(guò)程中，上行站和下行站都需要及時(shí)采取相應(yīng)的預(yù)防措施，以有效降低雪衰影響［4］。
對(duì)接收小站進(jìn)行雪衰預(yù)防，只需在降雪后及時(shí)安排相關(guān)工作人員對(duì)天線和主發(fā)射面進(jìn)行積雪清理即可。處理上行站雪衰問(wèn)題時(shí)，需要對(duì)天線饋源和主反射面分別進(jìn)行分析。處理饋源積雪的常用方式是利用熱風(fēng)加快雪的融化，以減小雪衰影響，具有實(shí)現(xiàn)和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。對(duì)于主反射面積雪的處理主要有兩種方式：一種是在反射面背面安裝加熱裝置，如加熱絲和加熱氣囊等，進(jìn)一步加快積雪融化，但因成本相對(duì)較高沒有得到廣泛應(yīng)用；另一種是在雪化前使用高壓水龍頭清理積雪，清理速度相對(duì)較快，不會(huì)對(duì)天線增益等性能產(chǎn)生過(guò)大的影響。以濟(jì)南某信號(hào)傳輸中心為例，該中心采用高壓水龍頭的方式對(duì)Ku 波段上行站的主反射面上的積雪進(jìn)行清理。清理過(guò)程中的最大損耗為7 dB/km，同時(shí)可以調(diào)整和控制上行功率，不僅能夠減少雪化造成的雪衰影響，而且不會(huì)對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器造成嚴(yán)重影響。由于北方冬天氣溫較低，因此在實(shí)際使用高壓水龍頭清理積雪的過(guò)程中天線表面可能會(huì)結(jié)冰。針對(duì)Ku波段2.4 m 天線進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在清雪后天線表面結(jié)了一層2 mm 厚的薄冰，但其實(shí)際產(chǎn)生的增益損耗在1 dB/km 以下，可見薄冰在天線表面的影響仍然要遠(yuǎn)低于雪衰產(chǎn)生的影響［5］。
4 結(jié) 語(yǔ)
在衛(wèi)星信號(hào)傳輸過(guò)程中，信號(hào)經(jīng)過(guò)對(duì)流層會(huì)由于雨雪的影響發(fā)生信號(hào)減損情況。對(duì)于不同的影響，實(shí)際操作中需要選擇不同的補(bǔ)償措施。常用的雨衰補(bǔ)償措施有上行站雨衰補(bǔ)償措施、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器補(bǔ)償上行鏈路以及借助衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)取３Ｓ玫难┧パa(bǔ)償措施主要有饋源除雪和主反射面除雪兩種。
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徐 洋
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1 雨衰和雪衰的成因和規(guī)律
1.1 降雨影響
在廣播電視信號(hào)衛(wèi)星傳輸過(guò)程中，電磁信號(hào)會(huì)穿過(guò)對(duì)流層。對(duì)流層中雨雪等自然現(xiàn)象會(huì)使電磁信號(hào)被吸收或者散射，導(dǎo)致能量受損而形成雨衰或者雪衰。信號(hào)損耗衰減的程度由信號(hào)本身的頻率、雨雪的大小以及信號(hào)穿過(guò)影響區(qū)域的路程長(zhǎng)短決定。信號(hào)衰耗量與信號(hào)頻率和雨雪量的一般關(guān)系如圖1 所示。
圖1 衰耗量與信號(hào)頻率和雨雪量關(guān)系圖
圖1 中，實(shí)線為雨引起的衰耗情況。其中，雨引起的衰耗情況有：A 線為0.25 mm/h 的細(xì)雨；B線為1 mm/h 的小雨；C 線為4 mm/h 的中雨；D 線為16 mm/h 的大雨；E 線為100 mm/h 的暴雨。
根據(jù)圖1 可知：降雨造成的衛(wèi)星傳輸衰耗與降雨量成正比，即降雨量越大衰耗越大；與信號(hào)的頻率成正比，即頻率越高衰減越大。通常情況下，大雨量（16 mm/h）以下的降雨，對(duì)C 波段信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的影響；降雨量為16 mm/h 時(shí)，C 波段上行鏈路衰減為0.08 dB/km，下行鏈路衰減為0.02 dB/km。通常雨區(qū)的高度在10 km 以下，因此當(dāng)?shù)孛嬲镜难鼋菫?7°時(shí)，其上行信號(hào)衰耗會(huì)小于1.2 dB/km，而下行衰耗也會(huì)控制在0.3 dB/km 左右。當(dāng)降雨量達(dá)到100 mm/h（暴雨）時(shí)，C 波段上行鏈路衰耗小于0.5 dB/km，下行鏈路信號(hào)衰耗在0.1 dB/km 左右。通常暴雨雨區(qū)的高度在2 km 左右，因此對(duì)于仰角為47°的地面站，暴雨時(shí)衛(wèi)星上行衰耗在1.5 dB/km 以內(nèi)，下行衰耗在0.3 dB/km 左右。實(shí)際上，對(duì)于該波段而言，大雨以下的雨衰影響可以忽略不計(jì)，但是當(dāng)出現(xiàn)暴雨或者大暴雨情況且雨區(qū)高度超過(guò)2 km時(shí)，雨區(qū)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的影響相對(duì)較大。分析氣象檔案可以發(fā)現(xiàn)，很多地區(qū)在暴雨季節(jié)雨區(qū)高度超過(guò)2 km 的情況十分常見。以濟(jì)南為例，在盛夏暴雨季節(jié)，暴雨雨區(qū)高度最高達(dá)到8 km。在此情況下，C波段47°仰角的地面站信號(hào)衰減高達(dá)6 dB/km，甚至有暴雨期間雨衰對(duì)C 波段上行鏈路造成13 dB/km影響的案例。
檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，Ku 和Ka 波段的信號(hào)由于波長(zhǎng)較短，受雨雪的影響相對(duì)較大，產(chǎn)生的衰耗也比C波段信號(hào)大。在地面站仰角相同和雨區(qū)高度相同的情況下，降雨量為大雨時(shí)，Ku 波段的信號(hào)上行衰耗在11 dB/km 以上，下行衰耗在7.5 dB/km 以上。在暴雨時(shí)期，該波段的信號(hào)上下行衰耗甚至能夠達(dá)到16 dB/km 和10 dB/km。以濟(jì)南為例，在暴雨時(shí)期，Ku 波段的上行衰耗通常能夠達(dá)到20 dB/km甚至更高。
實(shí)際上，降雨對(duì)廣播電視衛(wèi)星傳輸?shù)挠绊懖粌H僅體現(xiàn)在電磁波衰減方面，還體現(xiàn)在去極化作用方面。在重力和空氣阻力的共同作用下，雨滴會(huì)發(fā)生一定的變形。雨滴的體積越大，形變?cè)矫黠@。雨滴對(duì)于電磁波造成的衰減和相位移存在差異，在雨滴極化面長(zhǎng)軸方向傳輸?shù)碾姶挪ㄊ苡绊戄^大，在短軸方向上傳輸?shù)碾姶挪ㄊ苡绊戄^小。這兩個(gè)軸向上的差異會(huì)減小正交極化復(fù)用信號(hào)的極化隔離度，增大雨衰的影響。
1.2 雪衰影響
與雨衰不同，雪衰的影響相對(duì)較小。通過(guò)實(shí)際檢測(cè)可知，通常降雪不會(huì)對(duì)Ku 及以下頻段的信號(hào)傳輸產(chǎn)生嚴(yán)重影響，但是雪化過(guò)程產(chǎn)生的雪衰影響相對(duì)較大。雪化時(shí)，由于天線饋源和主反射面凹凸不平，因此該區(qū)域會(huì)形成積雪，而積雪的吸收、散射以及反射等作用會(huì)嚴(yán)重影響衛(wèi)星天線口面場(chǎng)的均勻分布情況，進(jìn)而降低天線增益，對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生較大影響。總結(jié)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同天線口面、饋源口以及天線主反射面等都會(huì)產(chǎn)生雪衰影響［1］。
2 改善雨衰影響的有效策略
結(jié)合衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，采取在上行站進(jìn)行雨衰補(bǔ)償、借助衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行補(bǔ)償和在下行站預(yù)留出雨衰備余量3 個(gè)途徑改善雨衰造成的影響。
2.1 上行站雨衰補(bǔ)償
在上行鏈路進(jìn)行雨衰補(bǔ)償?shù)闹饕悸肥窃谶m當(dāng)范圍內(nèi)合理增加上行站的上行等效全向輻射功率（Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP），使得在降雨過(guò)程中能盡可能維持上行信號(hào)的傳輸穩(wěn)定性，保護(hù)信號(hào)在降雨過(guò)程中不會(huì)受到過(guò)大的影響。
2.1.1 針對(duì)C 波段信號(hào)的補(bǔ)償措施
根據(jù)C 波段信號(hào)在降雨過(guò)程中受到的影響可知，降雨量在大雨以下時(shí)，C 波段信號(hào)受到的雨衰影響相對(duì)較小，因此進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需考慮大雨以下的情況。對(duì)于降雨量較多、雨季較長(zhǎng)以及經(jīng)常出現(xiàn)大暴雨的地區(qū)，或者對(duì)上行信號(hào)有一定要求時(shí)，需要采取相應(yīng)的雨衰補(bǔ)償措施。為保障C 波段衛(wèi)星上行站的信號(hào)傳輸效果，需要4 ～6 dB/km 的補(bǔ)償才能夠滿足其提高上行功率的需求。因此，在暴雨天氣下，當(dāng)雨衰給信號(hào)傳輸造成2 dB/km 的損耗后，需要及時(shí)調(diào)控提高信號(hào)上行功率，及時(shí)補(bǔ)償C波段信號(hào)的上行雨衰。
2.1.2 通過(guò)電平對(duì)雨衰上行功率控制（Uplink Power Control，UPC）進(jìn)行補(bǔ)償
根據(jù)分析可知，Ku 等波長(zhǎng)較小的頻段受到降雨影響較為明顯，因此在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮此方面的補(bǔ)償措施。為合理控制成本，當(dāng)前我國(guó)針對(duì)Ku 頻段進(jìn)行上行雨衰補(bǔ)償通常采用中頻補(bǔ)償措施，即結(jié)合雨衰情況，通過(guò)調(diào)控中頻信號(hào)電平增加輸出信號(hào)功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)上行雨衰UPC 的補(bǔ)償。中頻補(bǔ)償通過(guò)判斷上行鏈路的大氣噪聲和下行接收信號(hào)強(qiáng)度，合理提高中頻信號(hào)電平。
2.1.3 通過(guò)測(cè)算天線噪聲溫度進(jìn)行上行雨衰補(bǔ)償
天線噪聲溫度的變化能夠反映當(dāng)前上行鏈路在信號(hào)傳輸過(guò)程中的衰耗情況，因此可通過(guò)測(cè)算天線噪聲溫度來(lái)控制信號(hào)的上行功率。通常這類系統(tǒng)都具備獨(dú)立的接收控制功能，只需使用射電測(cè)量計(jì)就能實(shí)現(xiàn)小型偏饋接收天線低噪聲功率放大器（Low Noise Block，LNB，又可稱為高頻頭）的功能。該測(cè)量機(jī)能夠采集信號(hào)上行過(guò)程中13.45 GHz 頻點(diǎn)上的射電信號(hào)強(qiáng)度，得到降雨情況下的天線噪聲溫度，并將測(cè)算結(jié)果與晴天時(shí)的數(shù)據(jù)比較，得到上行頻段需要的補(bǔ)償量，進(jìn)而進(jìn)行功率控制補(bǔ)償。這種雨衰補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償量測(cè)算更為準(zhǔn)確可靠，而且不需要進(jìn)行人工識(shí)別日凌等方面的影響。但是，相比于信標(biāo)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的成本相對(duì)較高，也會(huì)存在誤識(shí)別情況，即如果UPC 接收天線被遮擋，系統(tǒng)可能會(huì)誤認(rèn)為是雨衰影響。
2.1.4 雨衰影響下Ku 波段上行站的設(shè)備要求
對(duì)于Ku 波段上行站而言，它的雨衰補(bǔ)償能力是判斷該上行站水平的重要標(biāo)準(zhǔn)，主要包括補(bǔ)償線性和范圍。在對(duì)Ku 波段的衛(wèi)星設(shè)計(jì)和配備雨衰補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)上行站當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，同時(shí)UPC 需要滿足99.9%的上行可用度時(shí)的最小上行補(bǔ)償范圍。此外，UPC 還需要有較好的線性增益，以保障信號(hào)的傳出。
2.2 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行上行補(bǔ)償
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前Ku 和Ka 波段的部分衛(wèi)星也能夠?qū)崿F(xiàn)一部分的雨衰補(bǔ)償，從而在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和上行站共同作用下完成雨衰補(bǔ)償。它的主要運(yùn)行原理是在上行站補(bǔ)償能力無(wú)法滿足雨衰損耗的情況下，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器會(huì)結(jié)合信號(hào)功率的通量密度合理進(jìn)行增益補(bǔ)償，進(jìn)而減小雨衰對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽Ｐl(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的補(bǔ)償功能進(jìn)一步提升了上行鏈路的補(bǔ)償能力和信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性，目前已經(jīng)有很多Ku 頻段的直播衛(wèi)星采用這一方式進(jìn)行雨衰補(bǔ)償。這一技術(shù)在保證雨衰補(bǔ)償能力不變的同時(shí)，減小了對(duì)上行站的要求，有效降低了系統(tǒng)建設(shè)成本［2］。
2.3 下行站預(yù)留雨衰備余量
減少下行站雨衰影響的主要思路是在進(jìn)行接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備配備的過(guò)程中打好提前量，在條件允許的情況下，預(yù)留一定的雨衰備余量。此外，下行接收站要保障傳輸質(zhì)量，且對(duì)接收可用度也有一定的要求，需要留有適當(dāng)?shù)膬?chǔ)備量。在僅考慮環(huán)境溫度和設(shè)備穩(wěn)定性的情況下，接收站需要留有常規(guī)C/T門限儲(chǔ)備量，通常取最大值2.5 dB。工程建設(shè)過(guò)程中，需要考慮多方面因素。通常C 波段和Ku 波段的廣播電視接收站的降雨余量及門限儲(chǔ)備總和的取值范圍分別為3 ～6 dB 和5 ～12 dB，還需要結(jié)合實(shí)際天氣情況、雨季長(zhǎng)短及雨量多少等確定實(shí)際數(shù)值。由于廣播電視的需求特殊，需要在可行范圍內(nèi)盡量選取較大的儲(chǔ)備量。此外，當(dāng)C/T門限及LNB的數(shù)值都保持不變的情況下，接收天線的口徑與儲(chǔ)備量成正比，即儲(chǔ)備量增加時(shí)，接收天線口徑也需要增加。因此，實(shí)際應(yīng)用中切忌為減小Ku波段天線口徑而不斷縮小雨衰備余量，需要綜合考慮各方面因素，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)備余量留存和天線口徑大小［3］。
3 改善雪衰影響的有效策略
雪化過(guò)程對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊戄^為嚴(yán)重，因此在改善雪衰影響時(shí)，需要針對(duì)雪化過(guò)程采取相應(yīng)的措施。我國(guó)北方地區(qū)降雪較為頻繁，雪化過(guò)程需要較長(zhǎng)的時(shí)間，因此對(duì)天線信號(hào)的影響較為嚴(yán)重。實(shí)際處理過(guò)程中，上行站和下行站都需要及時(shí)采取相應(yīng)的預(yù)防措施，以有效降低雪衰影響［4］。
對(duì)接收小站進(jìn)行雪衰預(yù)防，只需在降雪后及時(shí)安排相關(guān)工作人員對(duì)天線和主發(fā)射面進(jìn)行積雪清理即可。處理上行站雪衰問(wèn)題時(shí)，需要對(duì)天線饋源和主反射面分別進(jìn)行分析。處理饋源積雪的常用方式是利用熱風(fēng)加快雪的融化，以減小雪衰影響，具有實(shí)現(xiàn)和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。對(duì)于主反射面積雪的處理主要有兩種方式：一種是在反射面背面安裝加熱裝置，如加熱絲和加熱氣囊等，進(jìn)一步加快積雪融化，但因成本相對(duì)較高沒有得到廣泛應(yīng)用；另一種是在雪化前使用高壓水龍頭清理積雪，清理速度相對(duì)較快，不會(huì)對(duì)天線增益等性能產(chǎn)生過(guò)大的影響。以濟(jì)南某信號(hào)傳輸中心為例，該中心采用高壓水龍頭的方式對(duì)Ku 波段上行站的主反射面上的積雪進(jìn)行清理。清理過(guò)程中的最大損耗為7 dB/km，同時(shí)可以調(diào)整和控制上行功率，不僅能夠減少雪化造成的雪衰影響，而且不會(huì)對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器造成嚴(yán)重影響。由于北方冬天氣溫較低，因此在實(shí)際使用高壓水龍頭清理積雪的過(guò)程中天線表面可能會(huì)結(jié)冰。針對(duì)Ku波段2.4 m 天線進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在清雪后天線表面結(jié)了一層2 mm 厚的薄冰，但其實(shí)際產(chǎn)生的增益損耗在1 dB/km 以下，可見薄冰在天線表面的影響仍然要遠(yuǎn)低于雪衰產(chǎn)生的影響［5］。
4 結(jié) 語(yǔ)
在衛(wèi)星信號(hào)傳輸過(guò)程中，信號(hào)經(jīng)過(guò)對(duì)流層會(huì)由于雨雪的影響發(fā)生信號(hào)減損情況。對(duì)于不同的影響，實(shí)際操作中需要選擇不同的補(bǔ)償措施。常用的雨衰補(bǔ)償措施有上行站雨衰補(bǔ)償措施、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器補(bǔ)償上行鏈路以及借助衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)取３Ｓ玫难┧パa(bǔ)償措施主要有饋源除雪和主反射面除雪兩種。
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