浅析传统卫星通信地球站的L频段升级（二）

石玉龙

（中国联合网络通信有限公司北京市分公司，北京 100032）

浅析传统卫星通信地球站的L频段升级（二）

石玉龙

（中国联合网络通信有限公司北京市分公司，北京 100032）

本文针对北京联通卫星局现有卫星通信网络特点，分析了与承载业务相关的卫星通信系统主要指标，确定了保障业务正常传送的关键技术参数；细致研究、比较各类主流设备性能，顺应通信技术发展趋势；综合考虑业务传送、路由调配、集中网管、在线监测等各方面因素；立足于降本增效、节能减排的总体原则确定了卫星通信系统L频段升级的实施方案；并对其中相关方面进行了细致研究，为今后卫星业务发展铺平了道路。

L频段；EIRP；系统电平；卫星通信地球站

（续，接上期）

4 卫星通信系统演进路线

北京联通卫星局各系统设备配置不尽相同，系统的演进路线也不一致。主要原则是：新建系统直接采用L频段中频，不再单独采购传统变频器、线放等设备；可继续正常运行的高功放、LNA系统通过采购L频段变频器的方式更改为L频段中频。

图4中上半部分为新建系统直接采用了L频段中频的设备，称为L频段标准站；下半部分为现有系统的改造方案，采用L频段上下变频器替换原系统的已愈龄的上下变频器，采用定本振的上下行L频段变频器（即BUC和BDC）替换原系统的上下行线放，可以称为L频段升级站。这样逐步更新改造有如下几个优点：

⊙ 可以充分利用现有GCE和RF设备资源，节省大量投资。

⊙ 采用了两次单独变频，设备简化，系统性能得到了提升。

⊙ 可以尽快实现L频段中频，便于系统资源灵活调配，确保业务安全。

⊙ L频段上下变频器有广泛应用，避免了设备投资浪费。

考虑到现有系统传送环境各不相同，改造中使用的L频段上下变频器应满足如下指标：

⊙ 幅频特性、相噪等主要性能指标不得劣于现有变频器。

⊙ 输入输出频率范围满足扩展频段需求。

⊙ 增益调节范围大，总体增益至少在30dB以上。

⊙ 1dB压缩点要高，以满足长距离传送要求。

⊙ 便于实现N+1的冗余备份功能。

5 射频系统实施方案的研究

卫星通信射频系统的更换需要进行链路计算，常规的链路计算主要是对地球站的天线尺寸、功放功率、占用的卫星功率及链路可用度进行优化设计。我局实际情况是需要更新射频设备，天线继续使用不需更新，只按需更换高功放和低噪放，即：已知转发器的基本参数和地球站的天线尺寸，根据业务需求确定高功放和低噪放LNA/LNB的选择。高功放通常按发射功率分为多种规格，功率增大一档，其价格增加较多，因此需要根据业务需求计算出所需功率，获得最佳性价比的设备配置。

为确保射频系统升级后满足当前及今后一段时间内的业务需求，我们对现有卫星业务进行了分析，其主要分为视频业务和数据业务两类。以视频业务为例，通过对近三年来业务传送数据的汇总整理，我们发现视频业务常用参数设置如表2所示。

表2 视频业务常用参数设置表

按照业务量统计，占用带宽为9M的高/标清业务最为常用，可以此为依据进行射频系统链路分析。我们采用了相同的视频、调制参数设置，即高清H.264格式4∶2∶0编码，符号速率为7.2Ms/s的DVBS2/8PSK调制方式；并且确保各地的2.4米的接收站都有3dB的C/N余量，选择不同卫星和接收站地理位置，绘制了上行地球站所需EIRP统计表（见表3）。

表3 上行地球站所需EIRP统计表

从表3可知，在我国境内，要保障2.4米单收天线可靠接收一路9M高清电视，上行站至少应具备63dBW的EIRP能力。

5.1 高功放的选择

卫星局现有C频段的天线大都为16米以上口径，我们知道，16米C频段天线增益约为58dBi，波导损耗约2d B，200W功放的饱和输出功率是23dBW，考虑到工作在多载波模式下需要进行3dB回退，其输出功率最高可达20dBW。系统EIRP=20-2+58=76d BW，若按一路高清电视需要63d BW的EIRP计算，则此系统可以同时传送16路高清电视，如此能力对于地球站的业务需求来讲已经足够。因此，老旧功放的更新已经没必要进行相同功率的替换，只要系统EIRP满足当前及今后一段时间的业务预测需求即可。对于16米以上的C频段A标准天线使用200W功放已经足够；尺寸较小的天线如7.3米的C频段或4.5米的Ku频段天线，可以选择400W室外型功放，将其固定在天线支柱上，大幅减少了波导传输距离，提升了EIRP，降低了运维成本。

新购置功放可依据现场实际情况选择400W室外型或者室内型；对于200W以上的高功率放大器，可以选择行波管TWT也可以选择氮化镓GaN的固态功放。以400W室外型功放为例，各种类型典型功放产品的主要指标对比（见表4）。

从表4可看出，氮化镓固态功放综合指标最为出色，其重量和能耗与行波管TWT在同一量级，增益和幅频特性指标明显高于TWT，且理论上拥有更高的可靠性，即使单个放大模块故障也不会造成载波无输出，只会降低输出功率。

5.2 四端口天线的功放系统配置

卫星局天线系统均配置为两发两收共四端口馈源，但实际应用中接收业务量远高于发射业务量，现有系统中功放一般配置为2+1系统共3台功放，造成了资源闲置。我们对其进行研究后，决定对于发送业务较少的四端口天线的功放系统更新仅配置1∶1的功放，在其输出后使用极化开关选择具体发射极化。可以使用利旧的功放切换控制器来选择发射极化，并可根据所选功放协议同时进行控制逻辑调整，实现开关切换时自动控制功放射频抑制，避免产生高反射功率；并利用控制器的另一路实现信标极化选择功能，如图5所示。

图5 四端口天线功放优化配置图

采用此方法优化系统后，天线临时对星传送业务不需要到馈源后更换发射波导，也不需要到本地更改信标极化，所有操作可以在远端监控系统轻松完成，极大地增强了天线系统的对星方便程度，便于支撑各类卫星业务的开展，便于实现设备、业务的集中监控。

5.3 低噪声放大器的选择

我们知道，卫星通信中接收天线增益与接收系统总的等效噪声温度的比值称为地球站的G/T值，也称性能因数或品质因数（Figure of merit）。卫星局大部分天线属于Intelsat A标准和C标准，对应着C频段和Ku频段最高等级要求，LNA/LNB的更新一定要满足噪声温度指标要求，不能因此降低系统标准。

Intelsat A标准站：G/T≥35.0+20lg f/4

Intelsat C标准站：G/T≥37.0+20lg f/11.2

现在广泛应用的VSAT小站在C频段经常使用1.2米天线，要求主站必须有极好的G/T值才能保障链路性能。现网使用的C频段LNA噪声温度基本都是35K左右的，更换LNB时噪声温度不得高于原系统，一般选择30K左右，Ku频段也如此操作，这样就能够确保系统G/T不劣于原有系统。

6 升级改造方案的系统设计

北京联通卫星局现有20余座大型天线，从GCE机房到天线的距离各不相等，短的只有30米，距离长的有1 000米左右。这些天线有C频段也有Ku频段；有四端口也有两端口；有业务主用也有备用天线。怎样合理调配天线资源，怎样分配编解码器、调制解调器，在确保安全的前提下，最大程度提升业务受理能力是运维管理者必须要关注的问题。

6.1 L频段信号的集中管理

我们首先要把L频段信号集中到一起进行管理，从GCE机房到天线的距离比较近的系统使用同轴电缆进行信号汇集；对于从GCE机房到天线的距离超过300米的系统，如果采用同轴电缆传送，即使采用了衰减特性最好的波纹管粗缆也会有20dB以上不可接受的衰耗；我们利用站间光缆完成L频段信号的延伸，并经过了链路测试确认各项指标符合设计要求。

由于GCE机房到每个天线机房均布放4根相同长度、相同型号的A nd rew室外电缆，并且在实际使用时在电缆中传输的L频段信号频率为950MHz～2150MHz，所以L频段室外电缆测试采用相同的方法。测试连线图如图6所示。

图6 L频段电缆测试方法

以使用L频段电缆距离最长的2A系统为例，其使用了衰减特性最好的同轴电缆，测试结果如图7所示。

汇总整理后的测试结果见表5，确认线路损耗均优于厂家指标。

表5 L频段电缆衰减测试结果表

对于超过300米的系统，我们使用了光缆传输，要注意光端机动态范围要足够大，不要对信号C/N有压缩。

6.2 射频信号的调度管理

完成了L频段信号汇集后，还要实现各信号的调度管理，我们参照以前射频配线架的概念提出了L频段塞孔配线架及矩阵系统的设想，站内各天线系统的收发通路都通过L频段机架跳线来实现统一调配。机架上半部分为到各天线的发射塞孔盘，其内部集成有合路器，用来实现L频段UC等发射L频段信号输出分配到不同的天线；下半部分为接收链路，并且上下部分天线排列严格对称，便于实际业务操作，也便于进行站内在线或离线环回测试；接收输入塞孔盘引入各塔机房来的L频段接收信号，其输出经分路器后进入64路矩阵用于临时电视和数据业务，矩阵的输出前32路进接收输出DTV塞孔盘，33-64路进接收输出数据塞孔盘；经分路器的信号用于在线监测和固定业务。通过此种配置实现了站内设备资源的高效调配，当RF功放等设备出现重大故障时，可以通过在发射塞孔盘跳线将业务由故障的RF系统转移到其它RF系统；当接收出问题时可以在L频段矩阵或塞孔盘操作将业务倒出，矩阵出问题时可以通过前面板跳线将矩阵旁路。

⊙ 将合分路器集成进射频塞孔盘，方便了信号连接，实现了编解码器和MODEM等设备的L频段信号在不同射频系统间的灵活调配。

⊙ 收发路径分开，发射路径使用塞孔盘+合路器的方法保证了信号间干扰最小。

⊙ 采取了接收固定业务数据信号经分路器分配而不是直接入矩阵分配的方法，降低矩阵设备对接收信号C/N压缩的影响。

⊙ 分路器输出把RF监测的信号也考虑进来，分出一路直接进RF监测矩阵，达到业务和监测信号分开，对于常用信号不需使用矩阵切换监测信号。

⊙ 预留了C和Ku频段发射及接收的塞孔，并完成相应配线工作，合理安排机架空间，为今后业务拓展留下升级空间。

⊙ 在发射塞孔盘合路器后安装定向耦合器，用于实现各天线相应发射极化信号的全面监测管理，同时便于实现临时电视业务的在线自环监视和业务故障分段定位。

7 L频段系统电平的优化

卫星通信系统完成L频段系统升级后，系统中有新建的L频段标准站，也存在着大量的L频段升级站。新建站链路简单，系统电平调整方便；升级站相对复杂，而且在今后一段时间内会长期存在。需要合理的设置系统电平，满足不同的业务需求。我们知道，每台设备都有固定的输入、输出电平范围和线性工作区，在通信系统投入使用前，必须要先做好系统电平规划，这样可以帮助我们了解系统是否能够正常工作，是否满足业务发射EIRP的要求，以及随着业务量的增加或传输条件的不断变化，系统内各设备是否有足够的余量而不会导致饱和或产生严重的交调，对站内业务或星上其他载波造成影响。这就要求我们设计系统电平时不仅要满足业务EIRP的要求，还要使高功放等公共设备有充裕的输入电平余量和增益余量，并且前级设备的输出电平要满足下一级设备的输入要求，从而完善的保障卫星通信链路的畅通。

我们逐个研究了系统内的设备，从系统安全性、可移植性的角度考虑，重点确认2个参考电平点，一个是上行链路L频段塞孔盘的输入口，另一个是下行链路的L频段塞孔盘的输入口。在上行塞孔盘输入口要保障电平在-15dBm左右，在下行塞孔盘输入口要保障电平在-30d Bm左右。按照这一原则，调制器的输出电平基本在-10dBm左右，BUC的增益设置一方面要补偿L频段电缆的传输损耗，同时要满足与其相配套的高功放输入电平要求，如TWT一般要求输入电平在-20dBm左右，而SSPA一般要求在-10dBm，这就需要BUC不同的增益设置来调节；BDC的增益设置主要根据L频段电缆的损耗，确保下行塞孔盘输入口要保持在-30dBm左右。把握住这两个关键的参考点，就可以保证GCE设备到各天线信号进行切换时均符合相关射频设备电平要求，系统电平规划参照图8。

图8 系统电平规划图

8 结束语

本文的相关研究成果已经在北京联通卫星局更新改造工程中应用，经过L频段升级优化后的系统，便于支撑各类卫星业务的开展，实现了设备、业务的集中优化管理；便于在线监测、故障排查，简化新增业务处理步骤，大幅压缩临时及应急业务受理时限；在节省运维成本的同时简化了系统路由，提高了链路安全性；在拓展业务创收和应急抢险支撑等方面都能产生较高的经济和社会效益。其频谱监测系统、射频信号调度管理系统和四端口天线功放配置优化方案等研究成果都可以应用于相关地球站的扩容升级。

Discussion on the Upgrading of L-band in Traditional Satellite Earth Station(2)

Shi Yulong
(China United Network Communications Corp Beijing Branch, Beijing, 100032)

On account of the existing features of network in China United Network Communication Corp Beijing Branch, this paper analyzes the main indicators of satellite communication system, identified the key technical parameters of transmission; carefully studies and compares the performance of major equipments, complies with communication technology trends; considers many factors such as transmission, routing deployment, centralized network, online monitoring; makes plans of upgrading L-band of satellite communication system based on the general principles of cutting the cost, eff ciency and energy conservation. Moreover, this paper has already carried out some practical researches. It will pave the way for the future development of satellite services.

L-band; EIRP; System level; Satellite Earth Station

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.11.003

TN 927+.21

A

1672-7274（2014）11-0010-05