卫星频谱监测对接收系统的要求研究

刘焱鑫，刘飞飞，辛德成，谭睿哲

（中国卫通集团股份有限公司，北京 100094）

0 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。根据国家相关法律法规的规定，以及管理机构的政策要求，为确保各类卫星通信业务在其被分配的信道内运行，运营商必须具备本地化频谱监测监管的能力。同时，随着同步轨道通信卫星数量及用户业务的逐年增加，以及小型化天线和各种移动终端的普遍应用，加之卫星通信系统具有开放性特点，不可避免地会产生各种干扰，给正常业务开展带来巨大威胁，对卫星信号进行监测有助于了解当前通信的质量，保证卫星通信的正常运行。另外，对于C频段和Ku频段的大波束卫星，运营商通常采用“带宽+时间”双维度计量的方式出租出售，为避免产生不必要的商业纷争，地面系统准确采集和记录信号频率、带宽和使用起止时间等信息成为必不可少的运维手段。因此，如何准确监测卫星频谱，对于政府监管机构、运营商和用户来说，都显得尤为重要。本文将结合理论推导分析和工程经验，从频谱监测系统对于天线口径要求及线缆损耗要求两方面重点阐述。

1 频谱监测系统对天线口径要求

频谱监测系统对天线口径配置需要，主要是天线系统要满足观测转发器噪底和观测载波载噪比（C/N）要求。观测转发器噪底可通过噪底变化确认卫星转发器增益档位调整，同时能够真实观测到小功率干扰信号情况，观测载波载噪比要尽可能真实观测链路整体C/N，对于运营商来说观测能力越强，业务运行过程中的服务能力也就越强。

1.1 天线系统对观测转发器噪底要求

在日常频谱监管中，需要天线系统尽量真实观测转发器噪底，确保业务运行安全。因此，要求接收到的卫星转发器噪声尽量大于天线系统噪声。在不考虑邻星等其他噪声情况下，假设转发器噪声功率为N，高于天线噪声10 dB，此时天线系统噪声功率为0.1N，总噪声功率为1.1N。如果转发器噪声功率提升1 dB，变为1.259N，此时总噪声功率为1.359N，总噪声功率提升10lg（1.359/1.1）=0.92 dB。此时，转发器噪声功率基本等同于总噪声功率，在监测中可有效观测转发器噪底变化。

1.1.1 卫星天线出口噪声功率计算

热噪声功率物理计算式为N=kTB。式中，k为波尔兹曼常数，大小为1.38×10-23J/K；T为绝对温度；B为频带宽度。因为热噪声功率与温度有关，所以我们常用等效噪声温度来表示噪声的大小。

根据卫星制造商提供的常规数据，按照C频段36 MHz转发器单载波饱和工作分析，载荷噪声温度为27.5 dBK，转发器通道增益Gt取110 dB（中间档位），下行天线增益Ga取23 dBi（波束边缘），监测点增益Ga可取26 dBi，那么：

C频段载荷噪声：

Nt=KTB=-228.6+27.5+10lg(36×1000000)= -125.5 dBW；

C频段天线出口单通道噪声功率：

EIRPn=Nt+Ga+Gt= -125.5+26+110=10.5 dBW。

根据卫星制造商提供的常规数据，按照Ku频段36 MHz转发器单载波饱和工作分析，载荷噪声温度取28 dBK，转发器通道增益Gt取123 dB（中间档位），下行天线增益Ga取28 dBi（波束边缘），监测点增益Ga可取31 dBi，那么：

Ku频段载荷噪声：

Nt=KTB=-228.6+28+10lg(36×1000000)=-125 dBW；

Ku频段天线出口单通道噪声功率：

EIRPn=Nt+Ga+Gt=-125+123+31=29 dBW。

1.1.2 下行自由空间损耗计算

卫星与地面距离按照36 000 km估算，C频段取4 GHz，Ku频段取12 GHz。

1.1.3 天线增益计算

表1 不同口径天线增益

1.1.4 天线口径需求估算

C频段卫星传输如果要求接收到的卫星转发器噪声大于天线系统噪声10 dB，可真实观测转发器噪底。按照C频段天线噪声温度为45 K，LNB噪声温度为55 K，计算所需天线增益。

C频段天线系统噪声：Nt=kT’B=-228.6+10lg(45+55)+10lg(36×1000000)= -133 dBW；

转发器噪声与系统噪声：EIRPn-+G天-Nt≥10 dB，即10.5-195.61+G天+133≥10；

由此可得C频段增益要求：G天≥62.11 dB。

通过理论计算发现，C频段想要真实观测转发器噪底，所需天线口径要达到38米。

按照工程经验，建设11米C频段天线用于接收可满足业务监测需要，此时收到的转发器噪声比天线系统噪声低1.71 dB。按照前文计算方法，当转发器噪声功率提升1 dB时，总噪声提升0.43 dB，基本可观测到转发器噪底变化。转发器增益档越灵敏，转发器噪声功率越高，总噪声也越接近转发器噪声功率，能够观测到的噪底变化也就越明显。

Ku频段卫星传输如果要求接收到的卫星转发器噪声大于天线系统噪声10 dB，可真实观测转发器噪底。按照Ku频段天线噪声温度为65 K，LNB噪声温度为80 K，计算所需天线增益。

Ku频段天线系统噪声：Nt=kT’B=-228.6+10lg(65+80)+1 0lg(36×1000000)= -131.4 dBW；

转发器噪声与系统噪声：EIRPn-Lp+G天-Nt≥10 dB，即29-205.15+G天+131.4≥10 dB；

Ku频段增益要求：G天≥54.75 dB。

通过理论计算发现，Ku频段想要真实观测转发器噪底，所需天线口径至少7.3米。

按照工程经验，建设4.5米Ku频段天线用于接收可满足业务监测需要，此时收到的转发器噪声比天线系统噪声高8.42 dB。按照前文计算方法，当转发器噪声功率提升1 dB时，总噪声提升0.89 dB，可有效观测到转发器噪底变化。转发器增益档越灵敏，转发器噪声功率越高，总噪声也越接近转发器噪声功率，能够观测到的噪底变化也就越明显。

1.2 天线系统对观测载波C/N要求

在频谱监测系统中，天线系统接收到的噪底实际上包括卫星转发器噪声和下行链路的空间噪声、邻星噪声、互调噪声、极化噪声、天线噪声、LNA/LNB噪声等；卫星转发器噪声又包括卫星系统噪声和上行链路的空间噪声、邻星噪声、互调噪声、极化噪声、天线噪声、LNA/LNB噪声等。当采用大口径天线接收时，卫星下行链路C/N大于上行链路C/N，整体C/N主要由上行链路决定。当采用小口径天线接收时，卫星下行链路C/N小于上行链路C/N，整体C/N主要由下行链路决定，此时N值过大会导致转发器噪声被淹没在整个链路噪声之下。

在日常业务监测中，天线系统除了要满足监测转发器噪底要求，还必须满足整体链路C/N的监测要求。在卫星实际使用中，上行链路C/N主要取决于上行能力和转发器饱和通量密度SFD的配置，下行链路C/N主要取决于天线接收能力和等效全向辐射功率EIRP。另外，链路总体C/N还包括上、下行链路中的各种干扰，即C/I（邻星、极化、互调、空间等）。

假设地面系统上行能力足够，可使36 MHz转发器工作在饱和状态，按照C频段SFDs配置-78 dBW/m2，EIRPs=42 dBW，Ku频段SFDs配置-85 dBW/m2，EIRPs=53 dBW进行计算（各种干扰取参考值）。

表2 不同口径天线C/N

图1 C频段不同口径天线C/N

图2 Ku频段不同口径天线C/N

通过计算结果对比发现，在转发器饱和工作时，C频段上行链路C/N较高，整体链路C/N主要受下行链路影响，随着接收天线口径变化而改变，越大口径天线接收C/N越好、变化越平缓；Ku频段上行链路C/N较低，整体链路C/N主要受上行链路影响，待接收口径天线减小的一定程度后出现明显恶化，即4.5米以下天线出现C/N恶化现象。

1.3 频谱监测系统对天线口径要求小结

综上，天线系统对天线口径要求和整个链路指标相关。综合成本、卫星能力、地面站能力等各种因素考虑，采用标准化设备，建议C频段监测建设11米及以上口径天线，Ku频段监测建设4.5米及以上口径天线。如监测要求放宽，监测天线口径可适当减小。

2 频谱监测系统对线路损耗要求

在频谱监测系统中，除了对天线口径有要求，频谱仪还对天线后端的线路损耗有一定要求。以某厂家数字频谱仪为例，接入信号是L频段，输入信号频率范围为950～2150 MHz，输入信号电平范围为-100～-19 dBm（数据来自厂家和设备手册）。在日常业务监测管理中，需要利用数字频谱仪观测整个通信链路的噪底，确保业务运行安全，也就是数字频谱仪接收到的最低电平要高于频谱仪自身要求的最低电平。数字频谱仪要求的最低噪声电平在RBW取30 kHz时为-100 dBm，假定数字频谱仪接收到的最低电平高于要求电平5 dB，接收到的最低电平在RBW取30 kHz时为-95 dBm，即功率谱密度最低为PSD=-95-10lg(RBW)=-139.77 dBm/Hz。

2.1 线路损耗估算

按照天线系统对口径要求建议，C频段采用11米口径天线、Ku频段采用4.5米口径天线，LNB/LNA增益60 dB，其余参数均与上节一致。

C频段接收电平要求：EIRPn-Lp+Glnb-L线+G天-B+RBW≥-95 dBm，将数据带入公式后得：40.5-195.61+60-L线+50.4-75.6+44.77≥-95 dBm，即C频段线损要求：L线≤19.46 dB。

Ku频段接收电平要求：EIRPn-Lp+Glnb-L线+G天-B+RBW≥-95 dBm，将数据带入公式后得：59-205.15+60-L线+53.18-75.6+44.77≥-95 dBm，即Ku频段线损要求：L线≤31.2 dB。

以上计算按照转发器中间档位配置，对运营商来说，还需考虑转发器应用在低档位配置的情况，假设低档位配置时EIRPn降低10 dB，监测系统对C频段和Ku频段线路损耗要求则为L线≤9.46 dB和L线≤21.2 dB。

表4 Ku频段接入方式对比

通过计算发现，频谱监测系统对11米C频段天线的总体线路损耗要求不得大于9.46 dB，对4.5米Ku频段天线的总体线路损耗要求不得大于21.2 dB。实际频谱监测系统的要求，可根据转发器档位配置和天线口径准确计算线路损耗。

2.2 信号接入方式选择

对数字频谱仪监测整个系统噪底和C/N来说，影响下行链路的主要指标是线路损耗，如果损耗过大引起监测到的总体噪声低于频谱仪噪声，将导致无法监测噪底或监测到的C/N值降低。

线路损耗指接收天线到频谱仪或其他系统的线路，多采用同轴电缆、波导或光纤的信号接入方式。其中，同轴电缆对频率敏感，同样长度越高频段线路损耗越大；硬波导对环境有要求，越低频段体积越大；光纤则部署简单、损耗低，但成本略高。针对各频段各种接入方式路径衰减进行对比，同时按照2.1节线路损耗估算进行各种接入方式下的最长距离估算。具体如表3～表5所示（不同型号线缆指标和价格不同）。

表3 C频段接入方式对比

表5 L频段接入方式对比

2.3 频谱监测系统对线路损耗要求小结

同轴电缆损耗较大，适用于短距离传输，实际同轴电缆传输大于100米后衰减值成指数增加；硬波导损耗适中，但对环境要求高，适合中距离传输；光纤方便部署且具有低损耗的优点，适合中、长距离传输。

另外，L频段同轴电缆传输100米后，对高低频点衰减差值达到5 dB左右，1 GHz低频衰减小，1.5 GHz高频衰减大，严重影响频响指标。因此，100米及以上L频段传输建议使用光纤传输，可有效满足频谱监测系统需要。

3 结束语

随着卫星通信产业不断发展，地面站建设主要以满足卫星链路通信为基础，本文从理论推导分析和工程实践经验两方面进行详细论述，给出C频段和Ku频段具体监测要求下的天线口径和信号接入方式建议，对于有业务监测需求的单位具有一定指导意义。

对卫星运营商来说，强大的频谱监测监管能力是保证卫星和业务安全运行的重要基础，更是面向用户提供优质服务的先决条件。因此，明确频谱监测系统的要求和能力对地面监测站建设尤为重要，本文的详细论述也可对行业内卫星接收系统的技术方案设计和项目建设提供一定的参考。