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卫星地球站上行链路电平配置与功率回退
  卫星地球站上行系统射频设备工作点的正确选择以及链路电平优化配置对系统安全稳定可靠工作和提高信号传输质量有重要的作用。本文就针对这几年来卫星地球站上行射频系统出现过的一些故障,结合本人在射频系统调试的体会,提出对卫星地球站上行系统链路电平的进一步细化配置的措施,目的是防出系统内部产生干扰,提高系统没备运行稳定可靠性和信号传输质量。

  概述:

  卫星地球站上行系统主要由编码器、复用器、调制器、上变频器、高功放和发射天线组成,调制器将编码复用后的基带信号调制在70MHz中频上,经上变频变换成微波射频信号(c波段6GHz、Ku波段12GHz),经高功放放大后由天线向卫星辐射。其中调制器、上变频、高功放的性能、工作点的选择及它们之间的信号电平配置在射频链路中非常重要,设备的工作点的选择不正确,相互间的输出输入电平不匹配,直接影响设备的使用效能,限制系统整体的传输能力,甚至在系统内部就产生了干扰,严重时还会损坏设备。

  上行链路系统的线性,关系到系统进行功率调整时,调整步进与输出功率变量的线性。在系统增益调整范围内系统输出功率具有最佳线性,对于传输安全性和调整有效性很重要。对于担负抗干扰任务的地球站来说,不了解系统的这方面指标特性,会造成功率提升压缩状况不清楚,操作不准确,严重时会由于前级激励动态范围不够,在做自动功率提升操作时不能够将系统调整到最大功率输出。又或者会产生过大的功率超过功放上限引发设备保护,造成载波跌落。因此,对上行设备性能测试、选择正确的工作点、细化配置系统工作电平是保证地球站安全可靠运行、信号优质传输的关键。

  链路电平配置:

  地球站上行系统链路电平配置需要兼顾系统整体的技术指标,如载噪比、幅频特性、多载波工作时的交调特性、线性、上行功率动态范围等,在设备最佳工作范围和发挥系统最佳效能之间找到最好的工作点。目的是保证链路整体配置合理、工作状态最佳,系统增益线性最好、信号传输质量最优。保证系统能发挥出最大上行能力和良好上行能力的线性调整特性。

  通过合理的电平配置,系统能达到以下要求:

  1)功放系统能够实现最大功率输出,能满足雨衰或抗干扰要求。
  2)上行信号的载噪比(c/N)尽可能大,载噪比越大,所传输的信号的质量就越高。
  3)激励信号电平在高功放安全范围,激励过大不仅会恶化信号甚至会损坏高功放,这是保证卫星上行系统安全稳定运行的重要条件,激励过小又会降低载噪比。

  系统链路的测试调整先对上行设备性能进行测试,找到各自的最佳工作范围。然后调整调制器、上变频器或高功放设备输出电平或增益,检测并获得系统输入输出线性对应关系,从而进一步确定系统电平配置以及自动功率控制系统的工作参数设定。调整的具体步骤如下:

  首先断开上行系统设备间的信号连接,即断开上变频器输入,高功放输入。

  1)确定调制器最佳输出范围。在调制器输出端口接频谱仪,逐步改变调制输出,观察频谱显示,结合操作手册的标称工作点,选择一个具有输出最佳载噪比特性,同时系统输出噪声电平又最小的工作工作点(段)。调制器输出电平过低,输出信号的载噪比相对小,过高输出信号底噪相对大。
   2)确定上变频器的最佳线性工作区。将调制器输出接入上变频,发送单载波,上变频器输出接频谱仪或功率计,将调制中频输入电平调整到上变频器标称值附近,逐dB改变上变频器增益(或衰减),观察输出是否随增益改变线性变化,找到变频器的最佳工作线性区;将上变频器设置在最大输出,测量功率电平,确认或调整在高功放输入安全范围,避免造成上变频器在大增益条件下工作时功放过载。
   3)确定高功放的激励和输出功率。在确认调制最佳输出范围和上变频的最佳工作区后,连接高功放输入信号,调制器发送单载波,按照尽可能满足调制器、上变频的输出电平设置在其各自最佳工作范围的中间值偏上,在高功放输入范围中间值偏下的原则选取调制器、上变频的输出电平,调整确定高功放的输入激励。目的是保证高功放随时能满功率输出又不出现输入过载,系统间设备又具备一定的调整灵活性。最后提高高功放的增益,确认高功放能最大安全功率输出。
  4)工作功率标定。在卫星公司的协调下通过调整高功放增益,标定传输业务的正常上行功率,掌握正常上行功率与最大输出功率之间之间的增益调整范围。

  完成上述配置后,连接配置功率自动提升系统,合理设置干扰检测参数和自动功率提升步进,确保系统能第一时间有效压制干扰。上行系统正常运行达到广电总局《62号令/卫星广播电视地球站实施细则》规定要求:载波应保持连续发送,单一载波占用全转发器时应保证转发器工作在饱和状态,多载波共用转发器时应保证转发器工作在最小输出功率回退点。

  对于高功放做多载波应用的系统,高功放工作也必须进行功率回退,这时高功放的回退与转发器的回退是完全独立的。

  功率回退:

  当用一个高功放进行多载波放大时,要对高功放的输入功率进行回退,输出功率受到“压缩”,或者说在多载波时当各个载波输入功率之和与单载波时输入功率相等的条件下,多载波工作时的输出功率比单载波工作输出功率小;越靠近饱和点,这两者的差别越大;载波数越多,“压缩”越明显。

  这是因为高功放本身就是一个非线性设备,非线性意味着他的输出功率跟输入功率并不是完全的成正比。如图2所示曲线为功放的输出对输入功率传输特性曲线,当高功放的输出功率较小时.输出功率对输入功率近似线性关系(这常称为线性区),输出随输入正比例增加。随着输入功率的继续增大。放大器渐渐进入饱和区,输出功率不再是随输入正比例增加,增益变小,通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点,用P1dB表示。当输出功率达到一个峰值时即进入饱和区后,这时输入功率再增加输出功率反而下降(过饱和),这个峰值功率称为饱和输出功率(Ps),是高功放能够产生的最大功率。

  非线性的物理效应是产生基本载波频率的谐波。高频谐波可以通过滤波来消除,例如c波段的二次谐波是12GHz,三次谐波是18GHz,均在带外。当高功放工作在多载波时,非线性会导致相邻频道的干扰,主要的干扰源是三阶互调产物,由一个载波的二次谐波与另一个载波混合形成频率。如两个载波频率f1和f2,三阶互调产物是频率2f2一f1和2fl一f2,当他们落到相邻的频道内,如果它们均匀分布,并造成不可接受的干扰水平,就导致相邻信道之间互调干扰的产生。

  在这种情况下,高功放必须有一个回退(BO),使工作功率(P)在一个充分线性区域,避免互调产物的产生或抑制在可接受的范围内(-30dBc:)。一般来说,将高功放输入功率从1aB压缩点向后回退6—10dB,工作在远小于1dB压缩点的电平上,使功放远离饱和区,进入线性工作区,从而改善高功放的三阶互调系数。一般情况下,当基波功率降低1dB时,三阶互调失真改善2dB。

  功率回退法简单且易实现,不需要增加任何附加设备,是改善系统三阶互调的有效方法,缺点是高功放的效率大为降低,即是大功率的功放小功率使用。

  在经过射频链路电平细化配置后的上行系统,其功率的回退点与工作范围也比较容易确定。需要注意的是在卫星地球站所用的速调管、行波管、固态这三种高功放的线性表现是不同的,在使用上必须有所了解。一般来说行波管和速调管高功放的饱和功率在1dB压缩点之上约3dB的地方,而固态一般在1dB压缩点左右的位置达到饱和,1dB压缩点之下,他们的线性是相似的。

  固态功放和行波管、速调管高功放的标称额定功率不同,通常固态功放标称的额定输出功率为1dB压缩点的功率,而行波管和速调管高功放标称的额定功率是饱和输出功率。额定功率相等的情况下,固态比行波管功放线性要好;线性相同的情况下,行波管比固态的饱和输出功率要高3dB左右。

  在多载波工作时,在保证相同的互调指标情况下,固态功放输出功率只需从额定输出功率点(1dB压缩点)回退2—3dB,而行波管输出功率则需从额定输出功率点(饱和点)回退6dB左右,比固态的输出功率回退量多3dB左右。例如多载波工作时若实际所需最大输出功率为50W,可选用额定功率为100W的固态或200W的行波管功放。在满足相同的三阶互调指标要求下,固态功放的功率远低于行波管,系统效率高。

  但如果在行波管中增加线性化器,可以有效地补偿行波管在接近饱和点的增益下降和相位滞后,增大行波管的线性范围,输出回退量可减少至3dB左右,这时在保证有相同的互调指标时,行波管功放可与固态功放选择相同的额定功率。

  多载波共用转发器的载波回退应当按照卫星公司的技术要求进行回退,避免转发器放大器非线性产生的交调干扰,这时整个转发器的输出功率远低于最大功率。采用行波管功放的转发器在线性工作状态时的输出功率,通常比最大功率低4.5dB。也就是说,整个转发器的输出线性回退约为4.5dB。输入回退量一般比输出回退大6dB上下。对应于4.5dB的输出线性回退,转发器的输入线性回退约为10.5dB。

  在链路预算中,载波输出回退和输入回退将分别被用于计算载波的下行和上行EIRP。

  相关案例:

  1)2006年6月30日23:03:05,某地球站由于系统UPC上限设置不合理,在突降暴雨时自动补偿功率过高,致使功放故障,载波跌落,造成停播。
   2)2008年1月18日0:39:19,某地球站因备份调制器重启后默认增益变化,将备份调制器切换至在线播出时带动同转发器其它地球站播出功率提升,造成该站节目黑屏。
   3)某地球站因信号源电平不稳,当电平降到中频切换开关设置的切换阀值时,切换开关动作,由于切换开关设置为主路优先模式,所以间断变化的电平造成切换开关频繁切换,节目间断黑屏。

  结束语

  对上行系统链路电平的优化配置是一项精益求精的工作,需要反复的测试、比较,才能选取设备最佳的工作点和各环节功率电平,这需要相当的耐心和细心。特别是对于卫星上行链路的高频微波设备,普遍都有非线性特性,只有在对这些设备的性能特点有充分的了解的基础上,才能对它们做到正确使用操作、最大限度地发挥它们的使用效能。

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