探讨雨衰对卫星节目传输的影响

黄祖洪

（国家广播电视总局七五一台，福建 邵武 354011）

0 引 言

随着我国科学技术水平的日益提升与航天技术的快速发展，卫星通信得到越来越广泛应用，给广播电视系统与通信行业带来翻天覆地的变化。卫星通信是指地球上无线电通信站（简称地球站）之间利用人造卫星作为中继站进行的通信，属于微波中继通信的一种特殊形式，不仅可满足人们对电视节目收看的高要求，也大大优化通信效率和通信质量。在中短波发射台站，通常利用通信卫星做为发射台站主用节目源。

在实际运行时，由于卫星通信的电波要穿越自由空间、电离层和对流层，且转发器具备信道开放性等特点，经常会受到暴雨等恶劣天气状况的影响，导致卫星通信信号出现一定的衰落，大大降低卫星传输节目的质量。为改善此现状，需着重分析雨衰成因，找出具体的影响因素，并采取有效措施予以及时处理和解决。

1 雨衰定义及产生的影响

雨衰（Rain Attenuation），是指电波在雨层中呈现的衰减现象，可分为雨粒吸收引起的衰减现象和雨粒散射引起的衰减现象。其中，前者主要是由雨粒自身产生的损耗所致，后者则是由电波受到雨粒反射影响而产生，属于二次发射电波。这种电波与入射波方向没有任何联系，而是通过雨粒从多个角度进行散射引发的。因此，从某种意义上看，雨粒散射衰减也可称为二次散射衰减。

降雨对卫星通信的影响，不仅仅是导电磁波的衰减，还会造成天线输入端的降雨噪声强、去极化现象。中短波发射台站通常建立在高山区域，受自然环境的影响，易产生降雨，各播出台站应采用相关手段，降低雨衰现象对广播电视信号的影响[1]。

2 雨衰变化规律及形成原因分析

当卫星节目进行信号传输时，一旦出现降雨天气状况，电磁信号便会出现不同程度的衰减，受单位雨衰量的影响，卫星通信上行链路和下行链路传输的电磁波会逐渐上升，导致卫星节目传输质量大大下降。与此相对的是，若处于暴雨天气，上行链路单位雨衰量和下行链路单位雨衰量会瞬间增大，造成严重的电磁损耗。受降雨与雨衰影响，不仅会产生激化效应，还会因遭受大气阻力破坏雨滴原有的形状，导致极化面沿雨滴长轴方向的电磁波出现较大的衰减和相位移现象。同时，也极易诱发雨衰干扰因素，促使卫星节目传输质量远远低于规范基准。

不同波长（频率）的电磁波穿透雨水的能力各不相同。雨滴的直径、电磁波的波长均会影响雨衰的大小，电磁波的波长与雨滴的直径相近时衰减最大，雨滴的直径则直接取决于降雨量的大小。一般而言，各类雨滴直径如下：细雨：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，

卫星通信使用频段为300 MHz~30 GHz，波长长度为0.1 ~10 m，其主要频段划分如表1所示。

由表1可看出，Ku、K、Ka波段的波长与大、暴雨的雨滴直径最为相似，最容易形成雨衰干扰，C波段次之。相关实践表明，当雨滴半径处在0.025～0.3 cm、C波段的电波波长在7.5 cm左右时，雨衰受降雨的影响相对较小，一般可低于2 dB。相反，若Ku波段内电波的波长在1.5 cm左右，与雨滴半径差异较小，电波受降雨的影响变得十分明显。

雨衰除与雨滴的直径大小、波长有关外，还与发射、接收的卫星天线仰角有关。天线的仰角越高，受影响程度越小，这是因为电磁波穿过降雨的路径较短[2]。

一旦出现雨衰现象，最显著的特征是热损耗加大。当电波波长与雨粒几何尺寸相接近时，雨粒会发生共振反应进而产生较大的衰减。但由于雨粒大小不一，作为介质，必须吸收一定的能量，从该角度分析，雨粒吸收所致的衰减程度要大于雨粒散射所引起的衰减程度。

表1 卫星通信主要频段划分

3 相关控制措施分析

电视、中短波发射台站一般应用卫星通信的C波段与Ku波段进行传输。为克服雨衰对卫星通信广播电视信号的影响，应从地球上行站、卫星转发器与地面接收站方面开展分析控制。

3.1 上行站雨衰影响的控制

3.1.1 C波段雨衰影响控制

根据以上分析，雨衰对C波段电磁波的影响程度较小，但降雨会导致天线上的电磁波信号产生降雨噪声、去极化现象，雨量越大，影响程度越高。因此，实现C波段的系统设计和配置，首要任务便是充分考虑降雨噪声和去极化现象的影响，并及时采取措施加以规避和控制。在我国部分地区常年都会面临暴雨、雾霾的侵袭，在此种环境下，为控制降雨对C波段卫星传输的影响，需要采用适宜的计量方法对C波段上行站接收信标信号的降雨噪声进行精确测量，并在上行站配备功率控制器，对雨衰及降雨噪声进行适当补偿。一旦发现损耗量达到2 dB时，地球站卫星机房值班人员应采取人工调整方式和补偿方法对C波段传输的上行雨衰进行适当控制，使其从原有数值上升到2～5 dB，较好地规避雨衰或降雨噪声带来的影响，最大程度保证卫星节目传输质量和传输效率[3]。

3.1.2 测算天线噪声温度补偿控制

在日常工作中，多数卫星通讯部门会利用单独、先进的接收和控制系统控制电磁信号上行功率。这是因为这两种控制系统的射电测量功能十分突出，不仅可以有效收集卫星上行通路的射电信号，还能准确测量出射电信号强度，根据信号强弱，精准判断出天线的噪声温度。同时，为控制雨衰的影响，提高卫星节目传输质量，相关工作人员应要对阴雨天气与晴天环境下天线噪声温度进行对比分析，根据分析结果计算出上行波段雨衰及增益补偿量。此外，在对上行功率进行补偿时，必须采用测算天线噪声温度方式。该补偿方式既可节省人工识别程序，又具备较强的安全性和可靠性。但与其他补偿方式相比，其所需投资成本较高，并且在某种程度上会遮挡UPC接收天线，影响雨衰补偿的准确度。因此，在实际操作时，必须结合实际情况，依照相应的规范要求开展补偿。

3.1.3 雨衰对Ku波段上行站配置提出的相关要求

通常，在卫星节目传输过程中，其电磁波中的Ku及以上波段的传输信号会受到较大影响，在建设Ku上行地球站前，应对选址地进行降雨量分析，尽可能选择降雨量较少的地区建站。上行天线的仰角也是选址考量重要因素之一。

在设计Ku及以上波段系统时，应充分考虑雨衰的影响与卫星通信成本，采取相应的补偿方式对Ku波段的上行站实施自适应功率控制（AUPC），或采用全网自动功率控制（APC）进行合理的补偿，提高中频接收信标信号电平，从而增大卫星节目功放输出功率，最大化规避雨衰影响，提升卫星广播电视节目传输质量和传输效率。

在对电磁信号Ku波段上行站进行综合测评时，地球站工作人员需将雨衰补偿能力视作其中的一项重要评价指标。在实际开展补偿工作时，应从补偿范围和补偿线性两方面入手，由于电磁信号Ku波段上行站具有一定的非线性特征，在一定程度上会缩小其补偿范围，使之处于10.3 dB左右。通过相应的测试，可看出，导致补偿范围缩小的因素主要包括上变频器的输入输出动态范围不足。为改善此现状，工作人员需结合当地实际天气状况，确定要配置的Ku波段卫星上行站，明确其补偿范围，尽可能使之处于最小补偿范围，并保证该补偿范围的增益线性，从而实现最终的配置效果，提高Ku波段上行站的抗影响能力，促使卫星节目传输质量和效率得到有效提升[4]。

3.2 通过卫星转发器补偿上行链路的雨衰

在传统的卫星通信转发器设计中，一般通过增大链路余量增强卫星抗雨衰性能，如在Ku波段设计中，冗余通常为6 dB，占用了较多的卫星资源，在晴天时造成资源浪费，而在强降雨时又不够用，在降雨量少的地区，可以满足，但在降雨量大的地区，完全依赖增大冗余量方法是不现实的。

随着卫星通信事业的不断发展，卫星节目运输方式日益多元化，如现下较为先进的Ku波段直播卫星传输与Ka波段通信卫星传输。这些传输通信系统的补偿功能十分显著，可以很好地实现对上行链路雨衰的自动补偿。在实际补偿过程中，还应配置上行站和卫星转发器，做到即使上行站的补偿能力无法满足雨衰补偿需求，卫星转发器也会及时增大卫星输入增益，为雨衰的有效补偿提供可靠保障。卫星转向器在保证卫星节目传输不受雨衰影响方面起着很大的促进作用，一方面可以扩大上行链路的雨衰补偿范围，降低上行站的运行成本；另一方面还可大大提升Ka波段卫星通信的可用度，满足上行站雨衰补偿需求。现阶段，通过卫星转发器补偿上行链路雨衰的方式，已得到多数发达国家的信赖和使用。

在实际运行时，这种补偿方式也存在不足，即在对上行链路的雨衰进行补偿时，必须在达到一定条件后才能发挥出相应的补偿优势。具体而言，同一个转发器的上行必须整合集中在一起，或转发器要采用MCPC工作方式，方能实现对雨衰的有效补偿。

3.3 下行站减小雨衰影响的措施

在广播电视系统地面接收站，可通过选择节目传输的极化方式、接收天线口径大小以及高性能的高频头（LNB）来改善接收的卫星信号。

3.3.1 极化方式

降雨强弱不同，雨滴直径也不同，雨滴不同的形状对电磁信号的干扰也不同。雨滴的体态越大，雨滴投影在水平方向的直径就越大，因此，大雨滴对水平极化波的衰减比对垂直极化波衰减大很多，所以对于Ku及以上的电磁波，采用垂直极化传输方式比水平极化传输方式的抗雨衰能力要强。

3.3.2 卫星接收天线

卫星天线是由抛物面组成，可将卫星信号反射到位于焦点位置的馈源和高频头内，主要用于收集卫星转发器传来的微弱信号，并尽可能去除杂波信号。广播电视台站要选择天线效率高，增益大的卫星接收天线，以此对抗雨衰与强降雨带来的温度噪声和去极化现象。

卫星天线抛物面的材质和聚焦性能会直接影响天线的效率，为提高天线效率需选择导电性强且不易生锈的材质，如铝。由于偏馈天线不会遮挡主波束，降低旁瓣电平，大大提高了天线效率。

卫星天线的口径越大，天线增益越高，接收信号越强，信号质量也就越高，但建设成本也相应增大。

3.3.3 高频头（LNB）

卫星信号经过天线抛物面聚集的电磁波直接进入馈源的高频头，其主要具备低噪声放大及变频功能，先将微弱的下行频率信号放大，再将其降为950～21 510MHz的中频信号。在选择高频头时，应充分考虑雨衰和温度噪声的影响，选择低噪声、高增益的优质高频头。

随着技术的发展，各地卫星通信接收站不断引进先进的接收系统，同时为有效降低雨衰对卫星节目传输造成的影响，还会在接收系统中设置相应的雨衰备余量，实现对系统控制范围内雨衰的有效治理，提高卫星节目传输质量和传输效率，实现对下行站雨衰影响的有效控制。

4 结 论

为进一步规避雨衰对卫星节目传输造成的影响，需要相关人员根据雨衰特点和影响成因，采取有效的控制措施加以及时预防，不仅要全面掌握雨衰成因及变化规律，还应重视上下行站雨衰影响的有效降低，采取适当的雨衰补偿方法进行适度补偿，并根据接收信号选择天线系统、低噪声高增益的高频头和具备雨衰冗余量的接收设备，最终实现提高广播电视节目传输质量和效率的目的。