探討雨衰對(duì)衛(wèi)星節(jié)目傳輸?shù)挠绊?/h1>
2018-11-19 07:30黃祖洪
通信電源技術(shù) 2018年9期
黃祖洪
（國(guó)家廣播電視總局七五一臺(tái)，福建 邵武 354011）
0 引 言
隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的日益提升與航天技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星通信得到越來越廣泛應(yīng)用，給廣播電視系統(tǒng)與通信行業(yè)帶來翻天覆地的變化。衛(wèi)星通信是指地球上無線電通信站（簡(jiǎn)稱地球站）之間利用人造衛(wèi)星作為中繼站進(jìn)行的通信，屬于微波中繼通信的一種特殊形式，不僅可滿足人們對(duì)電視節(jié)目收看的高要求，也大大優(yōu)化通信效率和通信質(zhì)量。在中短波發(fā)射臺(tái)站，通常利用通信衛(wèi)星做為發(fā)射臺(tái)站主用節(jié)目源。
在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于衛(wèi)星通信的電波要穿越自由空間、電離層和對(duì)流層，且轉(zhuǎn)發(fā)器具備信道開放性等特點(diǎn)，經(jīng)常會(huì)受到暴雨等惡劣天氣狀況的影響，導(dǎo)致衛(wèi)星通信信號(hào)出現(xiàn)一定的衰落，大大降低衛(wèi)星傳輸節(jié)目的質(zhì)量。為改善此現(xiàn)狀，需著重分析雨衰成因，找出具體的影響因素，并采取有效措施予以及時(shí)處理和解決。
1 雨衰定義及產(chǎn)生的影響
雨衰（Rain Attenuation），是指電波在雨層中呈現(xiàn)的衰減現(xiàn)象，可分為雨粒吸收引起的衰減現(xiàn)象和雨粒散射引起的衰減現(xiàn)象。其中，前者主要是由雨粒自身產(chǎn)生的損耗所致，后者則是由電波受到雨粒反射影響而產(chǎn)生，屬于二次發(fā)射電波。這種電波與入射波方向沒有任何聯(lián)系，而是通過雨粒從多個(gè)角度進(jìn)行散射引發(fā)的。因此，從某種意義上看，雨粒散射衰減也可稱為二次散射衰減。
降雨對(duì)衛(wèi)星通信的影響，不僅僅是導(dǎo)電磁波的衰減，還會(huì)造成天線輸入端的降雨噪聲強(qiáng)、去極化現(xiàn)象。中短波發(fā)射臺(tái)站通常建立在高山區(qū)域，受自然環(huán)境的影響，易產(chǎn)生降雨，各播出臺(tái)站應(yīng)采用相關(guān)手段，降低雨衰現(xiàn)象對(duì)廣播電視信號(hào)的影響[1]。
2 雨衰變化規(guī)律及形成原因分析
當(dāng)衛(wèi)星節(jié)目進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，一旦出現(xiàn)降雨天氣狀況，電磁信號(hào)便會(huì)出現(xiàn)不同程度的衰減，受單位雨衰量的影響，衛(wèi)星通信上行鏈路和下行鏈路傳輸?shù)碾姶挪〞?huì)逐漸上升，導(dǎo)致衛(wèi)星節(jié)目傳輸質(zhì)量大大下降。與此相對(duì)的是，若處于暴雨天氣，上行鏈路單位雨衰量和下行鏈路單位雨衰量會(huì)瞬間增大，造成嚴(yán)重的電磁損耗。受降雨與雨衰影響，不僅會(huì)產(chǎn)生激化效應(yīng)，還會(huì)因遭受大氣阻力破壞雨滴原有的形狀，導(dǎo)致極化面沿雨滴長(zhǎng)軸方向的電磁波出現(xiàn)較大的衰減和相位移現(xiàn)象。同時(shí)，也極易誘發(fā)雨衰干擾因素，促使衛(wèi)星節(jié)目傳輸質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范基準(zhǔn)。
不同波長(zhǎng)（頻率）的電磁波穿透雨水的能力各不相同。雨滴的直徑、電磁波的波長(zhǎng)均會(huì)影響雨衰的大小，電磁波的波長(zhǎng)與雨滴的直徑相近時(shí)衰減最大，雨滴的直徑則直接取決于降雨量的大小。一般而言，各類雨滴直徑如下：細(xì)雨：0.5 mm/h；小雨：2.5 mm/h；中雨：2.6~8 mm/h；大雨：8~15.9 mm/h；暴雨：16 mm/h以上，
衛(wèi)星通信使用頻段為300 MHz~30 GHz，波長(zhǎng)長(zhǎng)度為0.1 ~10 m，其主要頻段劃分如表1所示。
由表1可看出，Ku、K、Ka波段的波長(zhǎng)與大、暴雨的雨滴直徑最為相似，最容易形成雨衰干擾，C波段次之。相關(guān)實(shí)踐表明，當(dāng)雨滴半徑處在0.025～0.3 cm、C波段的電波波長(zhǎng)在7.5 cm左右時(shí)，雨衰受降雨的影響相對(duì)較小，一般可低于2 dB。相反，若Ku波段內(nèi)電波的波長(zhǎng)在1.5 cm左右，與雨滴半徑差異較小，電波受降雨的影響變得十分明顯。
雨衰除與雨滴的直徑大小、波長(zhǎng)有關(guān)外，還與發(fā)射、接收的衛(wèi)星天線仰角有關(guān)。天線的仰角越高，受影響程度越小，這是因?yàn)殡姶挪ù┻^降雨的路徑較短[2]。
一旦出現(xiàn)雨衰現(xiàn)象，最顯著的特征是熱損耗加大。當(dāng)電波波長(zhǎng)與雨粒幾何尺寸相接近時(shí)，雨粒會(huì)發(fā)生共振反應(yīng)進(jìn)而產(chǎn)生較大的衰減。但由于雨粒大小不一，作為介質(zhì)，必須吸收一定的能量，從該角度分析，雨粒吸收所致的衰減程度要大于雨粒散射所引起的衰減程度。
表1 衛(wèi)星通信主要頻段劃分
3 相關(guān)控制措施分析
電視、中短波發(fā)射臺(tái)站一般應(yīng)用衛(wèi)星通信的C波段與Ku波段進(jìn)行傳輸。為克服雨衰對(duì)衛(wèi)星通信廣播電視信號(hào)的影響，應(yīng)從地球上行站、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器與地面接收站方面開展分析控制。
3.1 上行站雨衰影響的控制
3.1.1 C波段雨衰影響控制
根據(jù)以上分析，雨衰對(duì)C波段電磁波的影響程度較小，但降雨會(huì)導(dǎo)致天線上的電磁波信號(hào)產(chǎn)生降雨噪聲、去極化現(xiàn)象，雨量越大，影響程度越高。因此，實(shí)現(xiàn)C波段的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和配置，首要任務(wù)便是充分考慮降雨噪聲和去極化現(xiàn)象的影響，并及時(shí)采取措施加以規(guī)避和控制。在我國(guó)部分地區(qū)常年都會(huì)面臨暴雨、霧霾的侵襲，在此種環(huán)境下，為控制降雨對(duì)C波段衛(wèi)星傳輸?shù)挠绊?，需要采用適宜的計(jì)量方法對(duì)C波段上行站接收信標(biāo)信號(hào)的降雨噪聲進(jìn)行精確測(cè)量，并在上行站配備功率控制器，對(duì)雨衰及降雨噪聲進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償。一旦發(fā)現(xiàn)損耗量達(dá)到2 dB時(shí)，地球站衛(wèi)星機(jī)房值班人員應(yīng)采取人工調(diào)整方式和補(bǔ)償方法對(duì)C波段傳輸?shù)纳闲杏晁ミM(jìn)行適當(dāng)控制，使其從原有數(shù)值上升到2～5 dB，較好地規(guī)避雨衰或降雨噪聲帶來的影響，最大程度保證衛(wèi)星節(jié)目傳輸質(zhì)量和傳輸效率[3]。
3.1.2 測(cè)算天線噪聲溫度補(bǔ)償控制
在日常工作中，多數(shù)衛(wèi)星通訊部門會(huì)利用單獨(dú)、先進(jìn)的接收和控制系統(tǒng)控制電磁信號(hào)上行功率。這是因?yàn)檫@兩種控制系統(tǒng)的射電測(cè)量功能十分突出，不僅可以有效收集衛(wèi)星上行通路的射電信號(hào)，還能準(zhǔn)確測(cè)量出射電信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱，精準(zhǔn)判斷出天線的噪聲溫度。同時(shí)，為控制雨衰的影響，提高衛(wèi)星節(jié)目傳輸質(zhì)量，相關(guān)工作人員應(yīng)要對(duì)陰雨天氣與晴天環(huán)境下天線噪聲溫度進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)分析結(jié)果計(jì)算出上行波段雨衰及增益補(bǔ)償量。此外，在對(duì)上行功率進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，必須采用測(cè)算天線噪聲溫度方式。該補(bǔ)償方式既可節(jié)省人工識(shí)別程序，又具備較強(qiáng)的安全性和可靠性。但與其他補(bǔ)償方式相比，其所需投資成本較高，并且在某種程度上會(huì)遮擋UPC接收天線，影響雨衰補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確度。因此，在實(shí)際操作時(shí)，必須結(jié)合實(shí)際情況，依照相應(yīng)的規(guī)范要求開展補(bǔ)償。
3.1.3 雨衰對(duì)Ku波段上行站配置提出的相關(guān)要求
通常，在衛(wèi)星節(jié)目傳輸過程中，其電磁波中的Ku及以上波段的傳輸信號(hào)會(huì)受到較大影響，在建設(shè)Ku上行地球站前，應(yīng)對(duì)選址地進(jìn)行降雨量分析，盡可能選擇降雨量較少的地區(qū)建站。上行天線的仰角也是選址考量重要因素之一。
在設(shè)計(jì)Ku及以上波段系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮雨衰的影響與衛(wèi)星通信成本，采取相應(yīng)的補(bǔ)償方式對(duì)Ku波段的上行站實(shí)施自適應(yīng)功率控制（AUPC），或采用全網(wǎng)自動(dòng)功率控制（APC）進(jìn)行合理的補(bǔ)償，提高中頻接收信標(biāo)信號(hào)電平，從而增大衛(wèi)星節(jié)目功放輸出功率，最大化規(guī)避雨衰影響，提升衛(wèi)星廣播電視節(jié)目傳輸質(zhì)量和傳輸效率。
在對(duì)電磁信號(hào)Ku波段上行站進(jìn)行綜合測(cè)評(píng)時(shí)，地球站工作人員需將雨衰補(bǔ)償能力視作其中的一項(xiàng)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。在實(shí)際開展補(bǔ)償工作時(shí)，應(yīng)從補(bǔ)償范圍和補(bǔ)償線性兩方面入手，由于電磁信號(hào)Ku波段上行站具有一定的非線性特征，在一定程度上會(huì)縮小其補(bǔ)償范圍，使之處于10.3 dB左右。通過相應(yīng)的測(cè)試，可看出，導(dǎo)致補(bǔ)償范圍縮小的因素主要包括上變頻器的輸入輸出動(dòng)態(tài)范圍不足。為改善此現(xiàn)狀，工作人員需結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際天氣狀況，確定要配置的Ku波段衛(wèi)星上行站，明確其補(bǔ)償范圍，盡可能使之處于最小補(bǔ)償范圍，并保證該補(bǔ)償范圍的增益線性，從而實(shí)現(xiàn)最終的配置效果，提高Ku波段上行站的抗影響能力，促使衛(wèi)星節(jié)目傳輸質(zhì)量和效率得到有效提升[4]。
3.2 通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器補(bǔ)償上行鏈路的雨衰
在傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計(jì)中，一般通過增大鏈路余量增強(qiáng)衛(wèi)星抗雨衰性能，如在Ku波段設(shè)計(jì)中，冗余通常為6 dB，占用了較多的衛(wèi)星資源，在晴天時(shí)造成資源浪費(fèi)，而在強(qiáng)降雨時(shí)又不夠用，在降雨量少的地區(qū)，可以滿足，但在降雨量大的地區(qū)，完全依賴增大冗余量方法是不現(xiàn)實(shí)的。
隨著衛(wèi)星通信事業(yè)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星節(jié)目運(yùn)輸方式日益多元化，如現(xiàn)下較為先進(jìn)的Ku波段直播衛(wèi)星傳輸與Ka波段通信衛(wèi)星傳輸。這些傳輸通信系統(tǒng)的補(bǔ)償功能十分顯著，可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)上行鏈路雨衰的自動(dòng)補(bǔ)償。在實(shí)際補(bǔ)償過程中，還應(yīng)配置上行站和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，做到即使上行站的補(bǔ)償能力無法滿足雨衰補(bǔ)償需求，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器也會(huì)及時(shí)增大衛(wèi)星輸入增益，為雨衰的有效補(bǔ)償提供可靠保障。衛(wèi)星轉(zhuǎn)向器在保證衛(wèi)星節(jié)目傳輸不受雨衰影響方面起著很大的促進(jìn)作用，一方面可以擴(kuò)大上行鏈路的雨衰補(bǔ)償范圍，降低上行站的運(yùn)行成本；另一方面還可大大提升Ka波段衛(wèi)星通信的可用度，滿足上行站雨衰補(bǔ)償需求?，F(xiàn)階段，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器補(bǔ)償上行鏈路雨衰的方式，已得到多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的信賴和使用。
在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，這種補(bǔ)償方式也存在不足，即在對(duì)上行鏈路的雨衰進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，必須在達(dá)到一定條件后才能發(fā)揮出相應(yīng)的補(bǔ)償優(yōu)勢(shì)。具體而言，同一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的上行必須整合集中在一起，或轉(zhuǎn)發(fā)器要采用MCPC工作方式，方能實(shí)現(xiàn)對(duì)雨衰的有效補(bǔ)償。
3.3 下行站減小雨衰影響的措施
在廣播電視系統(tǒng)地面接收站，可通過選擇節(jié)目傳輸?shù)臉O化方式、接收天線口徑大小以及高性能的高頻頭（LNB）來改善接收的衛(wèi)星信號(hào)。
3.3.1 極化方式
降雨強(qiáng)弱不同，雨滴直徑也不同，雨滴不同的形狀對(duì)電磁信號(hào)的干擾也不同。雨滴的體態(tài)越大，雨滴投影在水平方向的直徑就越大，因此，大雨滴對(duì)水平極化波的衰減比對(duì)垂直極化波衰減大很多，所以對(duì)于Ku及以上的電磁波，采用垂直極化傳輸方式比水平極化傳輸方式的抗雨衰能力要強(qiáng)。
3.3.2 衛(wèi)星接收天線
衛(wèi)星天線是由拋物面組成，可將衛(wèi)星信號(hào)反射到位于焦點(diǎn)位置的饋源和高頻頭內(nèi)，主要用于收集衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器傳來的微弱信號(hào)，并盡可能去除雜波信號(hào)。廣播電視臺(tái)站要選擇天線效率高，增益大的衛(wèi)星接收天線，以此對(duì)抗雨衰與強(qiáng)降雨帶來的溫度噪聲和去極化現(xiàn)象。
衛(wèi)星天線拋物面的材質(zhì)和聚焦性能會(huì)直接影響天線的效率，為提高天線效率需選擇導(dǎo)電性強(qiáng)且不易生銹的材質(zhì)，如鋁。由于偏饋天線不會(huì)遮擋主波束，降低旁瓣電平，大大提高了天線效率。
衛(wèi)星天線的口徑越大，天線增益越高，接收信號(hào)越強(qiáng)，信號(hào)質(zhì)量也就越高，但建設(shè)成本也相應(yīng)增大。
3.3.3 高頻頭（LNB）
衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過天線拋物面聚集的電磁波直接進(jìn)入饋源的高頻頭，其主要具備低噪聲放大及變頻功能，先將微弱的下行頻率信號(hào)放大，再將其降為950～21 510MHz的中頻信號(hào)。在選擇高頻頭時(shí)，應(yīng)充分考慮雨衰和溫度噪聲的影響，選擇低噪聲、高增益的優(yōu)質(zhì)高頻頭。
隨著技術(shù)的發(fā)展，各地衛(wèi)星通信接收站不斷引進(jìn)先進(jìn)的接收系統(tǒng)，同時(shí)為有效降低雨衰對(duì)衛(wèi)星節(jié)目傳輸造成的影響，還會(huì)在接收系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的雨衰備余量，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)控制范圍內(nèi)雨衰的有效治理，提高衛(wèi)星節(jié)目傳輸質(zhì)量和傳輸效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)下行站雨衰影響的有效控制。
4 結(jié) 論
為進(jìn)一步規(guī)避雨衰對(duì)衛(wèi)星節(jié)目傳輸造成的影響，需要相關(guān)人員根據(jù)雨衰特點(diǎn)和影響成因，采取有效的控制措施加以及時(shí)預(yù)防，不僅要全面掌握雨衰成因及變化規(guī)律，還應(yīng)重視上下行站雨衰影響的有效降低，采取適當(dāng)?shù)挠晁パa(bǔ)償方法進(jìn)行適度補(bǔ)償，并根據(jù)接收信號(hào)選擇天線系統(tǒng)、低噪聲高增益的高頻頭和具備雨衰冗余量的接收設(shè)備，最終實(shí)現(xiàn)提高廣播電視節(jié)目傳輸質(zhì)量和效率的目的。
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在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于衛(wèi)星通信的電波要穿越自由空間、電離層和對(duì)流層，且轉(zhuǎn)發(fā)器具備信道開放性等特點(diǎn)，經(jīng)常會(huì)受到暴雨等惡劣天氣狀況的影響，導(dǎo)致衛(wèi)星通信信號(hào)出現(xiàn)一定的衰落，大大降低衛(wèi)星傳輸節(jié)目的質(zhì)量。為改善此現(xiàn)狀，需著重分析雨衰成因，找出具體的影響因素，并采取有效措施予以及時(shí)處理和解決。
1 雨衰定義及產(chǎn)生的影響
雨衰（Rain Attenuation），是指電波在雨層中呈現(xiàn)的衰減現(xiàn)象，可分為雨粒吸收引起的衰減現(xiàn)象和雨粒散射引起的衰減現(xiàn)象。其中，前者主要是由雨粒自身產(chǎn)生的損耗所致，后者則是由電波受到雨粒反射影響而產(chǎn)生，屬于二次發(fā)射電波。這種電波與入射波方向沒有任何聯(lián)系，而是通過雨粒從多個(gè)角度進(jìn)行散射引發(fā)的。因此，從某種意義上看，雨粒散射衰減也可稱為二次散射衰減。
降雨對(duì)衛(wèi)星通信的影響，不僅僅是導(dǎo)電磁波的衰減，還會(huì)造成天線輸入端的降雨噪聲強(qiáng)、去極化現(xiàn)象。中短波發(fā)射臺(tái)站通常建立在高山區(qū)域，受自然環(huán)境的影響，易產(chǎn)生降雨，各播出臺(tái)站應(yīng)采用相關(guān)手段，降低雨衰現(xiàn)象對(duì)廣播電視信號(hào)的影響[1]。
2 雨衰變化規(guī)律及形成原因分析
當(dāng)衛(wèi)星節(jié)目進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，一旦出現(xiàn)降雨天氣狀況，電磁信號(hào)便會(huì)出現(xiàn)不同程度的衰減，受單位雨衰量的影響，衛(wèi)星通信上行鏈路和下行鏈路傳輸?shù)碾姶挪〞?huì)逐漸上升，導(dǎo)致衛(wèi)星節(jié)目傳輸質(zhì)量大大下降。與此相對(duì)的是，若處于暴雨天氣，上行鏈路單位雨衰量和下行鏈路單位雨衰量會(huì)瞬間增大，造成嚴(yán)重的電磁損耗。受降雨與雨衰影響，不僅會(huì)產(chǎn)生激化效應(yīng)，還會(huì)因遭受大氣阻力破壞雨滴原有的形狀，導(dǎo)致極化面沿雨滴長(zhǎng)軸方向的電磁波出現(xiàn)較大的衰減和相位移現(xiàn)象。同時(shí)，也極易誘發(fā)雨衰干擾因素，促使衛(wèi)星節(jié)目傳輸質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范基準(zhǔn)。
不同波長(zhǎng)（頻率）的電磁波穿透雨水的能力各不相同。雨滴的直徑、電磁波的波長(zhǎng)均會(huì)影響雨衰的大小，電磁波的波長(zhǎng)與雨滴的直徑相近時(shí)衰減最大，雨滴的直徑則直接取決于降雨量的大小。一般而言，各類雨滴直徑如下：細(xì)雨：0.5 mm/h；小雨：2.5 mm/h；中雨：2.6~8 mm/h；大雨：8~15.9 mm/h；暴雨：16 mm/h以上，
衛(wèi)星通信使用頻段為300 MHz~30 GHz，波長(zhǎng)長(zhǎng)度為0.1 ~10 m，其主要頻段劃分如表1所示。
由表1可看出，Ku、K、Ka波段的波長(zhǎng)與大、暴雨的雨滴直徑最為相似，最容易形成雨衰干擾，C波段次之。相關(guān)實(shí)踐表明，當(dāng)雨滴半徑處在0.025～0.3 cm、C波段的電波波長(zhǎng)在7.5 cm左右時(shí)，雨衰受降雨的影響相對(duì)較小，一般可低于2 dB。相反，若Ku波段內(nèi)電波的波長(zhǎng)在1.5 cm左右，與雨滴半徑差異較小，電波受降雨的影響變得十分明顯。
雨衰除與雨滴的直徑大小、波長(zhǎng)有關(guān)外，還與發(fā)射、接收的衛(wèi)星天線仰角有關(guān)。天線的仰角越高，受影響程度越小，這是因?yàn)殡姶挪ù┻^降雨的路徑較短[2]。
一旦出現(xiàn)雨衰現(xiàn)象，最顯著的特征是熱損耗加大。當(dāng)電波波長(zhǎng)與雨粒幾何尺寸相接近時(shí)，雨粒會(huì)發(fā)生共振反應(yīng)進(jìn)而產(chǎn)生較大的衰減。但由于雨粒大小不一，作為介質(zhì)，必須吸收一定的能量，從該角度分析，雨粒吸收所致的衰減程度要大于雨粒散射所引起的衰減程度。
表1 衛(wèi)星通信主要頻段劃分
3 相關(guān)控制措施分析
電視、中短波發(fā)射臺(tái)站一般應(yīng)用衛(wèi)星通信的C波段與Ku波段進(jìn)行傳輸。為克服雨衰對(duì)衛(wèi)星通信廣播電視信號(hào)的影響，應(yīng)從地球上行站、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器與地面接收站方面開展分析控制。
3.1 上行站雨衰影響的控制
3.1.1 C波段雨衰影響控制
根據(jù)以上分析，雨衰對(duì)C波段電磁波的影響程度較小，但降雨會(huì)導(dǎo)致天線上的電磁波信號(hào)產(chǎn)生降雨噪聲、去極化現(xiàn)象，雨量越大，影響程度越高。因此，實(shí)現(xiàn)C波段的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和配置，首要任務(wù)便是充分考慮降雨噪聲和去極化現(xiàn)象的影響，并及時(shí)采取措施加以規(guī)避和控制。在我國(guó)部分地區(qū)常年都會(huì)面臨暴雨、霧霾的侵襲，在此種環(huán)境下，為控制降雨對(duì)C波段衛(wèi)星傳輸?shù)挠绊?，需要采用適宜的計(jì)量方法對(duì)C波段上行站接收信標(biāo)信號(hào)的降雨噪聲進(jìn)行精確測(cè)量，并在上行站配備功率控制器，對(duì)雨衰及降雨噪聲進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償。一旦發(fā)現(xiàn)損耗量達(dá)到2 dB時(shí)，地球站衛(wèi)星機(jī)房值班人員應(yīng)采取人工調(diào)整方式和補(bǔ)償方法對(duì)C波段傳輸?shù)纳闲杏晁ミM(jìn)行適當(dāng)控制，使其從原有數(shù)值上升到2～5 dB，較好地規(guī)避雨衰或降雨噪聲帶來的影響，最大程度保證衛(wèi)星節(jié)目傳輸質(zhì)量和傳輸效率[3]。
3.1.2 測(cè)算天線噪聲溫度補(bǔ)償控制
在日常工作中，多數(shù)衛(wèi)星通訊部門會(huì)利用單獨(dú)、先進(jìn)的接收和控制系統(tǒng)控制電磁信號(hào)上行功率。這是因?yàn)檫@兩種控制系統(tǒng)的射電測(cè)量功能十分突出，不僅可以有效收集衛(wèi)星上行通路的射電信號(hào)，還能準(zhǔn)確測(cè)量出射電信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱，精準(zhǔn)判斷出天線的噪聲溫度。同時(shí)，為控制雨衰的影響，提高衛(wèi)星節(jié)目傳輸質(zhì)量，相關(guān)工作人員應(yīng)要對(duì)陰雨天氣與晴天環(huán)境下天線噪聲溫度進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)分析結(jié)果計(jì)算出上行波段雨衰及增益補(bǔ)償量。此外，在對(duì)上行功率進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，必須采用測(cè)算天線噪聲溫度方式。該補(bǔ)償方式既可節(jié)省人工識(shí)別程序，又具備較強(qiáng)的安全性和可靠性。但與其他補(bǔ)償方式相比，其所需投資成本較高，并且在某種程度上會(huì)遮擋UPC接收天線，影響雨衰補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確度。因此，在實(shí)際操作時(shí)，必須結(jié)合實(shí)際情況，依照相應(yīng)的規(guī)范要求開展補(bǔ)償。
3.1.3 雨衰對(duì)Ku波段上行站配置提出的相關(guān)要求
通常，在衛(wèi)星節(jié)目傳輸過程中，其電磁波中的Ku及以上波段的傳輸信號(hào)會(huì)受到較大影響，在建設(shè)Ku上行地球站前，應(yīng)對(duì)選址地進(jìn)行降雨量分析，盡可能選擇降雨量較少的地區(qū)建站。上行天線的仰角也是選址考量重要因素之一。
在設(shè)計(jì)Ku及以上波段系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮雨衰的影響與衛(wèi)星通信成本，采取相應(yīng)的補(bǔ)償方式對(duì)Ku波段的上行站實(shí)施自適應(yīng)功率控制（AUPC），或采用全網(wǎng)自動(dòng)功率控制（APC）進(jìn)行合理的補(bǔ)償，提高中頻接收信標(biāo)信號(hào)電平，從而增大衛(wèi)星節(jié)目功放輸出功率，最大化規(guī)避雨衰影響，提升衛(wèi)星廣播電視節(jié)目傳輸質(zhì)量和傳輸效率。
在對(duì)電磁信號(hào)Ku波段上行站進(jìn)行綜合測(cè)評(píng)時(shí)，地球站工作人員需將雨衰補(bǔ)償能力視作其中的一項(xiàng)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。在實(shí)際開展補(bǔ)償工作時(shí)，應(yīng)從補(bǔ)償范圍和補(bǔ)償線性兩方面入手，由于電磁信號(hào)Ku波段上行站具有一定的非線性特征，在一定程度上會(huì)縮小其補(bǔ)償范圍，使之處于10.3 dB左右。通過相應(yīng)的測(cè)試，可看出，導(dǎo)致補(bǔ)償范圍縮小的因素主要包括上變頻器的輸入輸出動(dòng)態(tài)范圍不足。為改善此現(xiàn)狀，工作人員需結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際天氣狀況，確定要配置的Ku波段衛(wèi)星上行站，明確其補(bǔ)償范圍，盡可能使之處于最小補(bǔ)償范圍，并保證該補(bǔ)償范圍的增益線性，從而實(shí)現(xiàn)最終的配置效果，提高Ku波段上行站的抗影響能力，促使衛(wèi)星節(jié)目傳輸質(zhì)量和效率得到有效提升[4]。
3.2 通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器補(bǔ)償上行鏈路的雨衰
在傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計(jì)中，一般通過增大鏈路余量增強(qiáng)衛(wèi)星抗雨衰性能，如在Ku波段設(shè)計(jì)中，冗余通常為6 dB，占用了較多的衛(wèi)星資源，在晴天時(shí)造成資源浪費(fèi)，而在強(qiáng)降雨時(shí)又不夠用，在降雨量少的地區(qū)，可以滿足，但在降雨量大的地區(qū)，完全依賴增大冗余量方法是不現(xiàn)實(shí)的。
隨著衛(wèi)星通信事業(yè)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星節(jié)目運(yùn)輸方式日益多元化，如現(xiàn)下較為先進(jìn)的Ku波段直播衛(wèi)星傳輸與Ka波段通信衛(wèi)星傳輸。這些傳輸通信系統(tǒng)的補(bǔ)償功能十分顯著，可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)上行鏈路雨衰的自動(dòng)補(bǔ)償。在實(shí)際補(bǔ)償過程中，還應(yīng)配置上行站和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，做到即使上行站的補(bǔ)償能力無法滿足雨衰補(bǔ)償需求，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器也會(huì)及時(shí)增大衛(wèi)星輸入增益，為雨衰的有效補(bǔ)償提供可靠保障。衛(wèi)星轉(zhuǎn)向器在保證衛(wèi)星節(jié)目傳輸不受雨衰影響方面起著很大的促進(jìn)作用，一方面可以擴(kuò)大上行鏈路的雨衰補(bǔ)償范圍，降低上行站的運(yùn)行成本；另一方面還可大大提升Ka波段衛(wèi)星通信的可用度，滿足上行站雨衰補(bǔ)償需求?，F(xiàn)階段，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器補(bǔ)償上行鏈路雨衰的方式，已得到多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的信賴和使用。
在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，這種補(bǔ)償方式也存在不足，即在對(duì)上行鏈路的雨衰進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，必須在達(dá)到一定條件后才能發(fā)揮出相應(yīng)的補(bǔ)償優(yōu)勢(shì)。具體而言，同一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器的上行必須整合集中在一起，或轉(zhuǎn)發(fā)器要采用MCPC工作方式，方能實(shí)現(xiàn)對(duì)雨衰的有效補(bǔ)償。
3.3 下行站減小雨衰影響的措施
在廣播電視系統(tǒng)地面接收站，可通過選擇節(jié)目傳輸?shù)臉O化方式、接收天線口徑大小以及高性能的高頻頭（LNB）來改善接收的衛(wèi)星信號(hào)。
3.3.1 極化方式
降雨強(qiáng)弱不同，雨滴直徑也不同，雨滴不同的形狀對(duì)電磁信號(hào)的干擾也不同。雨滴的體態(tài)越大，雨滴投影在水平方向的直徑就越大，因此，大雨滴對(duì)水平極化波的衰減比對(duì)垂直極化波衰減大很多，所以對(duì)于Ku及以上的電磁波，采用垂直極化傳輸方式比水平極化傳輸方式的抗雨衰能力要強(qiáng)。
3.3.2 衛(wèi)星接收天線
衛(wèi)星天線是由拋物面組成，可將衛(wèi)星信號(hào)反射到位于焦點(diǎn)位置的饋源和高頻頭內(nèi)，主要用于收集衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器傳來的微弱信號(hào)，并盡可能去除雜波信號(hào)。廣播電視臺(tái)站要選擇天線效率高，增益大的衛(wèi)星接收天線，以此對(duì)抗雨衰與強(qiáng)降雨帶來的溫度噪聲和去極化現(xiàn)象。
衛(wèi)星天線拋物面的材質(zhì)和聚焦性能會(huì)直接影響天線的效率，為提高天線效率需選擇導(dǎo)電性強(qiáng)且不易生銹的材質(zhì)，如鋁。由于偏饋天線不會(huì)遮擋主波束，降低旁瓣電平，大大提高了天線效率。
衛(wèi)星天線的口徑越大，天線增益越高，接收信號(hào)越強(qiáng)，信號(hào)質(zhì)量也就越高，但建設(shè)成本也相應(yīng)增大。
3.3.3 高頻頭（LNB）
衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過天線拋物面聚集的電磁波直接進(jìn)入饋源的高頻頭，其主要具備低噪聲放大及變頻功能，先將微弱的下行頻率信號(hào)放大，再將其降為950～21 510MHz的中頻信號(hào)。在選擇高頻頭時(shí)，應(yīng)充分考慮雨衰和溫度噪聲的影響，選擇低噪聲、高增益的優(yōu)質(zhì)高頻頭。
隨著技術(shù)的發(fā)展，各地衛(wèi)星通信接收站不斷引進(jìn)先進(jìn)的接收系統(tǒng)，同時(shí)為有效降低雨衰對(duì)衛(wèi)星節(jié)目傳輸造成的影響，還會(huì)在接收系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的雨衰備余量，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)控制范圍內(nèi)雨衰的有效治理，提高衛(wèi)星節(jié)目傳輸質(zhì)量和傳輸效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)下行站雨衰影響的有效控制。
4 結(jié) 論
為進(jìn)一步規(guī)避雨衰對(duì)衛(wèi)星節(jié)目傳輸造成的影響，需要相關(guān)人員根據(jù)雨衰特點(diǎn)和影響成因，采取有效的控制措施加以及時(shí)預(yù)防，不僅要全面掌握雨衰成因及變化規(guī)律，還應(yīng)重視上下行站雨衰影響的有效降低，采取適當(dāng)?shù)挠晁パa(bǔ)償方法進(jìn)行適度補(bǔ)償，并根據(jù)接收信號(hào)選擇天線系統(tǒng)、低噪聲高增益的高頻頭和具備雨衰冗余量的接收設(shè)備，最終實(shí)現(xiàn)提高廣播電視節(jié)目傳輸質(zhì)量和效率的目的。
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