卫星通信系统中的互调干扰研究

+ 刘飞飞 张新元 中国卫通集团股份有限公司

卫星通信系统中的互调干扰研究

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本文就通信卫星转发器频率资源管理过程中，发现功放非线性工作产生的互调干扰，严重影响正常业务传输质量以及空闲频段可用性的问题，进行了深入分析和研究，并针对互调干扰的识别、排查和防范提出了相应的建议。

卫星通信 功率放大器 互调干扰

1.引言

卫星通信是地球站之间利用卫星作为中继站的一种无线电通信方式，具有覆盖范围广、传输距离远、容量大等特点，在我国广播、电视、数据通信等业务中得到广泛应用和蓬勃发展。但是，用户为了获得已有系统更好的接收效果，常常是通过提高信号发射功率、降低接收机噪底临界值来实现，这就有可能超出系统的正常工作范围，使得卫星通信器件的非线性因素变得明显，加之密集的频率划分，互调产物给卫星运营商带来新的挑战。

2.互调干扰生成原理

在卫星通信系统中，卫星转发器和用户地球站中的功率放大器均为非线性器件，这种放大器有线性区和非线性区。当输入功率较小时，功放在线性区工作，输出信号与输入信号之间是线性关系，信号不失真，不会出现其他的频率分量。当这种功放在非线性区或饱和区工作时，输出的幅度和相位与输入不再是线性关系，就会在输出信号中出现各种新的频率分量，即通常所说的互调产物。

为了分析互调产物的一些特征，不失一般性，考虑一种简化的情况，即工作在非线性区的功放输入是由频率分别为1f和2f（令21ff〈）的两个单频信号组成，即有

式中iS是两个单频信号组成的合成信号，1S和2S是两个单频信号的幅度。工作在非线性区功放的传输函数可用一个n阶幂级数表示：

式中oS是输出信号，a1，a2，…，an为依赖于功率放大器特性的系数，将（1）式代入（2）式并整理，可得到互调产物在下列方程所描述的频率处产生：

卫星通信的空间段常用的是C波段（4～6GHz）和Ku波段(12～14GHz)，如果1f和2f都在C或者Ku频段内，则可能落在这个频段内的互调产物的频率有：

以此类推。

两个基频载波产生的互调频谱如图1所示，这些组合频率成分分布在基频1f和2f的两侧，各阶互调产物随着阶数的增加，功率逐渐降低，因此最严重的是三阶互调。与之类似，三个基频载波产生的互调频谱如图2所示。在通信系统正常工作情况下，各阶互调分量比较小，基本淹没在噪声里，发射系统中检测不到，不会影响发射信号的质量。但是当功率过大时，各阶互调分量变大，如果这些组合频率成分落在工作频带内，便会对其他用户载波造成同频干扰，并且会抬升噪底，影响其正常通信；严重时会导致整个接收系统失效，使之处于瘫痪状态。

图1 两个载波互调产物

图2 三个载波互调产物

3.互调干扰识别方法

用户地球站中的功率放大器和卫星转发器均为非线性放大器，因此互调干扰也就分为用户发射站互调干扰（简称地面互调干扰）和卫星转发器产生的互调干扰（简称转发器互调干扰）两种。

3.1地面互调干扰识别方法：

查看干扰是否对称出现，且与某用户地球站发射的两个或三个载波相关；指导所怀疑的用户地球站逐步降低发射功率，观察干扰是否相应减小或者消失，如是，则此干扰即为该用户地球站所产生的互调干扰。

3.2转发器互调干扰识别方法：

通信卫星大致分为两大类：广电专用卫星和普通通信卫星。广电专用卫星在广电总局、各省地球站和相关部门等的多级严密监测下，各载波基本保持在标定功率，很少发生互调干扰现象。而普通通信卫星用户甚多，载波带宽窄而分布密集，对每个载波进行实时监测几乎不可能，只能对每个转发器设置输出功率和螺流超限告警。如果发生超高限告警，也就意味着转发器处于非线性状态。

查看转发器上是否出现了很多电平较低的不明载波，且这些不明载波两两对称出现，同时转发器噪声低明显抬升；降低转发器增益档，即降低转发器灵敏度，观察转发器所有干扰是否相应减小或者消失，如是，则此干扰即为转发器非线性工作所产生的互调干扰。

4.互调干扰排查方法

4.1方法概述

互调干扰产生的可能性大小随互调阶数和互调频率组合中频率数量的增加而减少，这就为存在多种可能组合的互调干扰的排查指明了应该遵循的顺序：先低阶、后高阶；先频率数量少的组合、后频率数量多的组合。理论知识联系工作经验，下面结合实际案例，介绍“载波相干”和“逻辑推导”两种方法对互调干扰进行排查（注：这两种方法名称均为笔者自己提炼，非专业术语）。

4.1.1“载波相干”法：

当遇到这种不明载波时，我们借助CSM（数字频谱监测分析）系统自带的载波回放功能，查看载波出现时间以及消失时间，是否跟别的载波的状态变化相干。如果能找到在时间上存在相干性的载波，则联系用户做进一步排查工作。

图3中的Mark3:12458.9、Mark4:12465.7；图4中的Mark1:12438.5、Mark2:12431.7均为不明载波。这是某卫星的两个相邻转发器部分载波监测频谱图，除去因转发器参数配置不同，导致同功率信号载噪比不同这个因素外，图3中的Mark3和图4中的Mark1，以及图3中的Mark4和图4中的Mark2呈现出对称状态。

图3 不明载波频谱图

图4 不明载波频谱图

基于前面介绍的互调干扰产生原理和理论图样，我们初步怀疑这几个不明载波可能是由某用户发射站功放非线性工作而产生的互调干扰载波。为找到带出不明载波的基频载波，回放结果统计如下：

（1）不明载波出现前，转发器噪底干净，如图5所示：

图5 不明载波出现前的噪底频谱图

（2）不明载波持续时间：9:53—11:48，四个载波同时出现，又同时消失；

（3）当不明载波出现时，同转发器只有图3中的Mark1载波提升过功率，其余没有新上载波或功率提升；

（4）当不明载波消失时，同转发器只有图3中的Mark2载波关闭了，其余没有载波关闭或降低功率；

（5）图3中的Mark1载波持续时间：9:45—12:53（9:53提升功率）；

（6）图3中的Mark2载波持续时间：9:11—11:48。

图6 单个载波存在时的频谱图

图7 单个载波存在时的频谱图

为了更加直观的找到基频载波和不明载波间的联系，根据上述回放统计结果简化得到了以下表格（其中0’代表载波关闭，‘1’代表以正常功率存在，‘S’代表以饱和功率存在，‘√’代表不明载波存在，‘×’代表不明载波消失）：

表1 基频载波和不明载波状态表

当我们锁定两超功率发射的基频载波时，联系用户再次进行如表1中的操作过程，得到的结果也一一对应。单从载波形态来看，图3中的Mark1和Mark2两载波在滚降处噪底抬升，确有超功率发射导致功放饱和的嫌疑。

4.1.2“逻辑推导”法：

通过上述方法我们成功消除了不明载波，但是处理过程比较费时。这里我们再介绍“逻辑推导”法。

当我们查看同转发器和邻近转发器时，发现图3中的Mark3是功率最大的不明载波，Mark4次之。假设Mark3是一个三阶互调载波，Mark4是一个五阶互调载波，并且假设产生该互调的频率是1f和2f（令21ff〈），那么就

代入3Markf和4Markf的数值，得：

将f1和f2的数值代入：2f1-f2以及3f1-2f2，得到的结果依次为12438.5和12431.7，与图4中的Mark1:12438.5和Mark2:12431.7恰好吻合。这样我们就验证了上述假设的正确性，即：图3中的Mark3和Mark4载波，以及图4中的Mark1和Mark2载波，均由图3中的Mark1载波和Mark2两载波引起，且这两载波由同一个功放输出。综上，我们仍旧可以得出和“载波相干”法中一致的结论。

4.2方法总结：

在实际工作中，我们通常仅仅是依靠载波回放功能，查看并记录不明载波出现的时间，运用“载波相干”法找出可疑载波，再联系用户进行网内排查。但是这种方法存在一些弊端：（1）CSM自带的回放功能偶尔出现故障，导致数据缺失；（2）回放功能只支持每个整转发器数据回放，如果造成互调的载波是在不同转发器，则寻找比较困难；（3）载波状态变化不规律，同一时刻可能有多个载波发生变化，查找起来费时费力。基于以上问题，结合上述两种方法，笔者提出以下排查流程：

（1）当遇到不明载波时（这里只针对形态不规则载波，往往是小鼓包或类似山峰状），先排除反极化干扰的可能；

（2）对载波进行解析，如果解调参数不固定（不是网内常见的BPSK调制方式的山峰状载波），基本排除用户误发或盗用的可能；

（3）同转发器或相邻转发器寻找是否有类似载波，或者功率明显超高的载波；

（4）如果存在功率超高载波，则回放其出现时间是否跟不明载波出现时间相吻合；如果无明显功率超高载波，但是有基本相同的载波成对出现，或者有类似但功率较低的载波，且以一定的频率差分布，则记录这些载波的中心频率；

（5）运用“逻辑推导”法求解可能带出该不明载波的基频载波频率；

（6）回放基频载波状态变化是否与不明载波的出现在时间上有相干性；

（7）如果基本吻合，则联系对应用户进行功率调整或设备检查。

4.3方法应用：

采用上述流程，我们成功识别并快速处理了另一起不明干扰，具体过程如下：用户反映其所租频带内出现不明载波（图10 Mark1）；排除其他干扰的可能性后，我们在另一频点找到与之形似的载波（图11 Mark1），功率接近（换算成同一转发器参数配置时），并且两载波出现时间一致，迅速做出互调干扰的判断；假设这两载波为三阶互调产物，通过计算得到两个新频率，成功锁定到图12中Mark1和Mark2两载波；回放验证了这两个正常载波提功率时间与不明载波出现时间相吻合；联系用户重新标定图12中Mark1和Mark2两载波功率，不明载波消失。

图10 用户投诉的不明载波图

图11 与被投诉载波形似的载波图

图12 带出互调干扰的基频载波图

5.互调干扰防范方法

地面互调干扰是由于用户发射站功放处于多载波工作状态时回退不足引起，转发器互调干扰是由于卫星转发器功放工作在多载波状态时回退不足引起。

防范地面互调的常用方法是让产生互调干扰的用户地球站降低功放发射功率使其功放回退工作，或者是更换较大功率的功放。表2列出了TWTA型地球站功放工作在线性区时所需的回退数值：

表2 用户地球站功放工作在线性区所需的回退数值列表

防范转发器互调的常用方法有下列两种：要求个别载波电平过高的用户地球站降低载波发射功率；提高转发器功放前衰减，使转发器回退到线性区工作。表3列出了TWTA型转发器功放工作在线性区时所需的回退数值：

表3 卫星转发器功放工作在线性区所需的回退数值列表

Y1个载波0 0 N 1 0.5 Y多个载波6 3 N 9 4.5

6.结束语

由于卫星受自身特点的限制和环境的影响，不可避免的存在各种干扰。因此，合理的载波安排可以充分利用转发器的潜力，严格的管理可以减少和避免用户抢占资源，严密的监测可以及时发现故障和干扰，运维人员丰富的工作经验和多样化的排查措施可以有效降低经济损失。卫星运营商和用户间通力合作，保证安全稳定生产，共同维护宝贵的空间资源，让卫星通信更好的服务各行各业，惠及千家万户。

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