戴賓

衛(wèi)星地球站上行系統(tǒng)射頻設(shè)備工作點的正確選擇以及鏈路電平優(yōu)化配置對系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠工作和提高信號傳輸質(zhì)量有重要的作用。本文就針對這幾年來衛(wèi)星地球站上行射頻系統(tǒng)出現(xiàn)過的一些故障，結(jié)合本人在射頻系統(tǒng)調(diào)試的體會，提出對衛(wèi)星地球站上行系統(tǒng)鏈路電平的進(jìn)一步細(xì)化配置的措施，目的是防止系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生干擾，提高系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠性和信號傳輸質(zhì)量。

概述

衛(wèi)星地球站上行系統(tǒng)主要由編碼器、復(fù)用器、調(diào)制器、上變頻器、高功放和發(fā)射天線組成，調(diào)制器將編碼復(fù)用后的基帶信號調(diào)制在70MHz中頻上，經(jīng)上變頻變換成微波射頻信號（C波段6GHz、Ku波段12GHz），經(jīng)高功放放大后由天線向衛(wèi)星輻射。其中調(diào)制器、上變頻、高功放的性能、工作點的選擇及它們之間的信號電平配置在射頻鏈路中非常重要，設(shè)備的工作點的選擇不正確，相互間的輸出輸入電平不匹配，直接影響設(shè)備的使用效能，限制系統(tǒng)整體的傳輸能力，甚至在系統(tǒng)內(nèi)部就產(chǎn)生了干擾，嚴(yán)重時還會損壞設(shè)備。

上行鏈路系統(tǒng)的線性，關(guān)系到系統(tǒng)進(jìn)行功率調(diào)整時，調(diào)整步進(jìn)與輸出功率變量的線性。在系統(tǒng)增益調(diào)整范圍內(nèi)系統(tǒng)輸出功率具有最佳線性，對于傳輸安全性和調(diào)整有效性很重要。對于擔(dān)負(fù)抗干擾任務(wù)的地球站來說，不了解系統(tǒng)的這方面指標(biāo)特性，會造成功率提升壓縮狀況不清楚，操作不準(zhǔn)確，嚴(yán)重時會由于前級激勵動態(tài)范圍不夠，在做自動功率提升操作時不能夠?qū)⑾到y(tǒng)調(diào)整到最大功率輸出。又或者會產(chǎn)生過大的功率超過功放上限引發(fā)設(shè)備保護(hù)，造成載波跌落。因此，對上行設(shè)備性能測試、選擇正確的工作點、細(xì)化配置系統(tǒng)工作電平是保證地球站安全可靠運(yùn)行、信號優(yōu)質(zhì)傳輸?shù)年P(guān)鍵。

鏈路電平配置

地球站上行系統(tǒng)鏈路電平配置需要兼顧系統(tǒng)整體的技術(shù)指標(biāo)，如載噪比、幅頻特性、多載波工作時的交調(diào)特性、線性、上行功率動態(tài)范圍等，在設(shè)備最佳工作范圍和發(fā)揮系統(tǒng)最佳效能之間找到最好的工作點。目的是保證鏈路整體配置合理、工作狀態(tài)最佳，系統(tǒng)增益線性最好、信號傳輸質(zhì)量最優(yōu)。保證系統(tǒng)能發(fā)揮出最大上行能力和良好上行能力的線性調(diào)整特性。

通過合理的電平配置，系統(tǒng)能達(dá)到以下要求：

1）功放系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率輸出，能滿足雨衰或抗干擾要求。

2）上行信號的載噪比（C/N）盡可能大，載噪比越大，所傳輸?shù)男盘柕馁|(zhì)量就越高。

3）激勵信號電平在高功放安全范圍，激勵過大不僅會惡化信號甚至?xí)p壞高功放，這是保證衛(wèi)星上行系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件，激勵過小又會降低載噪比。

系統(tǒng)鏈路的測試調(diào)整先對上行設(shè)備性能進(jìn)行測試，找到各自的最佳工作范圍。然后調(diào)整調(diào)制器、上變頻器或高功放設(shè)備輸出電平或增益，檢測并獲得系統(tǒng)輸入輸出線性對應(yīng)關(guān)系，從而進(jìn)一步確定系統(tǒng)電平配置以及自動功率控制系統(tǒng)的工作參數(shù)設(shè)定。調(diào)整的具體步驟如下：

首先斷開上行系統(tǒng)設(shè)備間的信號連接，即斷開上變頻器輸入，高功放輸入。

1）確定調(diào)制器最佳輸出范圍。在調(diào)制器輸出端口接頻譜儀，逐步改變調(diào)制輸出，觀察頻譜顯示，結(jié)合操作手冊的標(biāo)稱工作點，選擇一個具有輸出最佳載噪比特性，同時系統(tǒng)輸出噪聲電平又最小的工作工作點（段）。調(diào)制器輸出電平過低，輸出信號的載噪比相對小，過高輸出信號底噪相對大。

2）確定上變頻器的最佳線性工作區(qū)。將調(diào)制器輸出接入上變頻，發(fā)送單載波，上變頻器輸出接頻譜儀或功率計，將調(diào)制中頻輸入電平調(diào)整到上變頻器標(biāo)稱值附近，逐dB改變上變頻器增益（或衰減），觀察輸出是否隨增益改變線性變化，找到變頻器的最佳工作線性區(qū)；將上變頻器設(shè)置在最大輸出，測量功率電平，確認(rèn)或調(diào)整在高功放輸入安全范圍，避免造成上變頻器在大增益條件下工作時功放過載。

3）確定高功放的激勵和輸出功率。在確認(rèn)調(diào)制最佳輸出范圍和上變頻的最佳工作區(qū)后，連接高功放輸入信號，調(diào)制器發(fā)送單載波，按照盡可能滿足調(diào)制器、上變頻的輸出電平設(shè)置在其各自最佳工作范圍的中間值偏上，在高功放輸入范圍中間值偏下的原則選取調(diào)制器、上變頻的輸出電平，調(diào)整確定高功放的輸入激勵。目的是保證高功放隨時能滿功率輸出又不出現(xiàn)輸入過載，系統(tǒng)間設(shè)備又具備一定的調(diào)整靈活性。最后提高高功放的增益，確認(rèn)高功放能最大安全功率輸出。

4）工作功率標(biāo)定。在衛(wèi)星公司的協(xié)調(diào)下通過調(diào)整高功放增益，標(biāo)定傳輸業(yè)務(wù)的正常上行功率，掌握正常上行功率與最大輸出功率之間之間的增益調(diào)整范圍。

完成上述配置后，連接配置功率自動提升系統(tǒng)，合理設(shè)置干擾檢測參數(shù)和自動功率提升步進(jìn)，確保系統(tǒng)能第一時間有效壓制干擾。上行系統(tǒng)正常運(yùn)行達(dá)到廣電總局《62號令/衛(wèi)星廣播電視地球站實施細(xì)則》規(guī)定要求：載波應(yīng)保持連續(xù)發(fā)送，單一載波占用全轉(zhuǎn)發(fā)器時應(yīng)保證轉(zhuǎn)發(fā)器工作在飽和狀態(tài)，多載波共用轉(zhuǎn)發(fā)器時應(yīng)保證轉(zhuǎn)發(fā)器工作在最小輸出功率回退點。

對于高功放做多載波應(yīng)用的系統(tǒng)，高功放工作也必須進(jìn)行功率回退，這時高功放的回退與轉(zhuǎn)發(fā)器的回退是完全獨立的。

功率回退

當(dāng)用一個高功放進(jìn)行多載波放大時，要對高功放的輸入功率進(jìn)行回退，輸出功率受到“壓縮”，或者說在多載波時當(dāng)各個載波輸入功率之和與單載波時輸入功率相等的條件下，多載波工作時的輸出功率比單載波工作輸出功率小；越靠近飽和點，這兩者的差別越大；載波數(shù)越多，“壓縮”越明顯。

這是因為高功放本身就是一個非線性設(shè)備，非線性意味著他的輸出功率跟輸入功率并不是完全的成正比。如圖2所示曲線為功放的輸出對輸入功率傳輸特性曲線，當(dāng)高功放的輸出功率較小時，輸出功率對輸入功率近似線性關(guān)系(這常稱為線性區(qū))，輸出隨輸入正比例增加。隨著輸入功率的繼續(xù)增大，放大器漸漸進(jìn)入飽和區(qū)，輸出功率不再是隨輸入正比例增加，增益變小，通常把增益下降到比線性增益低1dB時的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點，用P1dB表示。當(dāng)輸出功率達(dá)到一個峰值時即進(jìn)入飽和區(qū)后，這時輸入功率再增加輸出功率反而下降（過飽和），這個峰值功率稱為飽和輸出功率(PS)，是高功放能夠產(chǎn)生的最大功率。

非線性的物理效應(yīng)是產(chǎn)生基本載波頻率的諧波。高頻諧波可以通過濾波來消除，例如C波段的二次諧波是12GHz，三次諧波是18GHz，均在帶外。當(dāng)高功放工作在多載波時，非線性會導(dǎo)致相鄰頻道的干擾，主要的干擾源是三階互調(diào)產(chǎn)物，由一個載波的二次諧波與另一個載波混合形成頻率。如兩個載波頻率f1和f2，三階互調(diào)產(chǎn)物是頻率2f2 - f1和2f1 - f2，當(dāng)他們落到相鄰的頻道內(nèi)，如果它們均勻分布，并造成不可接受的干擾水平，就導(dǎo)致相鄰信道之間互調(diào)干擾的產(chǎn)生。

在這種情況下，高功放必須有一個回退（BO），使工作功率(P)在一個充分線性區(qū)域，避免互調(diào)產(chǎn)物的產(chǎn)生或抑制在可接受的范圍內(nèi)（-30dBc）。一般來說，將高功放輸入功率從1dB壓縮點向后回退6-10dB，工作在遠(yuǎn)小于1dB壓縮點的電平上，使功放遠(yuǎn)離飽和區(qū)，進(jìn)入線性工作區(qū)，從而改善高功放的三階互調(diào)系數(shù)。一般情況下，當(dāng)基波功率降低1dB時，三階互調(diào)失真改善2dB。

功率回退法簡單且易實現(xiàn)，不需要增加任何附加設(shè)備，是改善系統(tǒng)三階互調(diào)的有效方法，缺點是高功放的效率大為降低，即是大功率的功放小功率使用。

在經(jīng)過射頻鏈路電平細(xì)化配置后的上行系統(tǒng)，其功率的回退點與工作范圍也比較容易確定。需要注意的是在衛(wèi)星地球站所用的速調(diào)管、行波管、固態(tài)這三種高功放的線性表現(xiàn)是不同的，在使用上必須有所了解。一般來說行波管和速調(diào)管高功放的飽和功率在1dB壓縮點之上約3dB的地方，而固態(tài)一般在1dB 壓縮點左右的位置達(dá)到飽和，1dB 壓縮點之下，他們的線性是相似的。

固態(tài)功放和行波管、速調(diào)管高功放的標(biāo)稱額定功率不同，通常固態(tài)功放標(biāo)稱的額定輸出功率為1dB壓縮點的功率，而行波管和速調(diào)管高功放標(biāo)稱的額定功率是飽和輸出功率。額定功率相等的情況下，固態(tài)比行波管功放線性要好；線性相同的情況下，行波管比固態(tài)的飽和輸出功率要高3dB左右。

在多載波工作時,在保證相同的互調(diào)指標(biāo)情況下，固態(tài)功放輸出功率只需從額定輸出功率點(1dB壓縮點)回退2-3dB，而行波管輸出功率則需從額定輸出功率點(飽和點)回退6dB左右，比固態(tài)的輸出功率回退量多3dB左右。例如多載波工作時若實際所需最大輸出功率為50W,可選用額定功率為100W的固態(tài)或200W的行波管功放。在滿足相同的三階互調(diào)指標(biāo)要求下，固態(tài)功放的功率遠(yuǎn)低于行波管，系統(tǒng)效率高。

但如果在行波管中增加線性化器,可以有效地補(bǔ)償行波管在接近飽和點的增益下降和相位滯后，增大行波管的線性范圍，輸出回退量可減少至3dB左右，這時在保證有相同的互調(diào)指標(biāo)時，行波管功放可與固態(tài)功放選擇相同的額定功率。

多載波共用轉(zhuǎn)發(fā)器的載波回退應(yīng)當(dāng)按照衛(wèi)星公司的技術(shù)要求進(jìn)行回退，避免轉(zhuǎn)發(fā)器放大器非線性產(chǎn)生的交調(diào)干擾，這時整個轉(zhuǎn)發(fā)器的輸出功率遠(yuǎn)低于最大功率。采用行波管功放的轉(zhuǎn)發(fā)器在線性工作狀態(tài)時的輸出功率，通常比最大功率低4.5dB。也就是說，整個轉(zhuǎn)發(fā)器的輸出線性回退約為4.5dB。輸入回退量一般比輸出回退大6dB上下。對應(yīng)于4.5dB的輸出線性回退，轉(zhuǎn)發(fā)器的輸入線性回退約為10.5dB。

在鏈路預(yù)算中，載波輸出回退和輸入回退將分別被用于計算載波的下行和上行EIRP。

相關(guān)案例

1）2006年6月30日23:03:05，某地球站由于系統(tǒng)UPC上限設(shè)置不合理，在突降暴雨時自動補(bǔ)償功率過高，致使功放故障，載波跌落，造成停播。

2）2008年1月18日0:39:19，某地球站因備份調(diào)制器重啟后默認(rèn)增益變化，將備份調(diào)制器切換至在線播出時帶動同轉(zhuǎn)發(fā)器其它地球站播出功率提升，造成該站節(jié)目黑屏。

3）某地球站因信號源電平不穩(wěn)，當(dāng)電平降到中頻切換開關(guān)設(shè)置的切換閥值時，切換開關(guān)動作，由于切換開關(guān)設(shè)置為主路優(yōu)先模式，所以間斷變化的電平造成切換開關(guān)頻繁切換，節(jié)目間斷黑屏。

結(jié)束語

對上行系統(tǒng)鏈路電平的優(yōu)化配置是一項精益求精的工作，需要反復(fù)的測試、比較，才能選取設(shè)備最佳的工作點和各環(huán)節(jié)功率電平，這需要相當(dāng)?shù)哪托暮图?xì)心。特別是對于衛(wèi)星上行鏈路的高頻微波設(shè)備，普遍都有非線性特性，只有在對這些設(shè)備的性能特點有充分的了解的基礎(chǔ)上，才能對它們做到正確使用操作、最大限度地發(fā)揮它們的使用效能。