雨衰和雪衰对广播电视卫星传输的影响及改善措施

徐 洋

（山东广播电视台，山东 济南 250014）

0 引 言

随着生活水平的不断提高，人们对广播电视信号传输提出了更高的要求。卫星通信以其传输距离远、范围广、对地理环境没有过高要求等特点得到了广泛应用和发展。但是，由于卫星传输具有开放性，其通信链路难免会受到外界环境的影响，如雨衰和雪衰。

1 雨衰和雪衰的成因和规律

1.1 降雨影响

在广播电视信号卫星传输过程中，电磁信号会穿过对流层。对流层中雨雪等自然现象会使电磁信号被吸收或者散射，导致能量受损而形成雨衰或者雪衰。信号损耗衰减的程度由信号本身的频率、雨雪的大小以及信号穿过影响区域的路程长短决定。信号衰耗量与信号频率和雨雪量的一般关系如图1 所示。

图1 衰耗量与信号频率和雨雪量关系图

图1 中，实线为雨引起的衰耗情况。其中，雨引起的衰耗情况有：A 线为0.25 mm/h 的细雨；B线为1 mm/h 的小雨；C 线为4 mm/h 的中雨；D 线为16 mm/h 的大雨；E 线为100 mm/h 的暴雨。

根据图1 可知：降雨造成的卫星传输衰耗与降雨量成正比，即降雨量越大衰耗越大；与信号的频率成正比，即频率越高衰减越大。通常情况下，大雨量（16 mm/h）以下的降雨，对C 波段信号不会产生过大的影响；降雨量为16 mm/h 时，C 波段上行链路衰减为0.08 dB/km，下行链路衰减为0.02 dB/km。通常雨区的高度在10 km 以下，因此当地面站的仰角为47°时，其上行信号衰耗会小于1.2 dB/km，而下行衰耗也会控制在0.3 dB/km 左右。当降雨量达到100 mm/h（暴雨）时，C 波段上行链路衰耗小于0.5 dB/km，下行链路信号衰耗在0.1 dB/km 左右。通常暴雨雨区的高度在2 km 左右，因此对于仰角为47°的地面站，暴雨时卫星上行衰耗在1.5 dB/km 以内，下行衰耗在0.3 dB/km 左右。实际上，对于该波段而言，大雨以下的雨衰影响可以忽略不计，但是当出现暴雨或者大暴雨情况且雨区高度超过2 km时，雨区对卫星信号的影响相对较大。分析气象档案可以发现，很多地区在暴雨季节雨区高度超过2 km 的情况十分常见。以济南为例，在盛夏暴雨季节，暴雨雨区高度最高达到8 km。在此情况下，C波段47°仰角的地面站信号衰减高达6 dB/km，甚至有暴雨期间雨衰对C 波段上行链路造成13 dB/km影响的案例。

检测分析发现，Ku 和Ka 波段的信号由于波长较短，受雨雪的影响相对较大，产生的衰耗也比C波段信号大。在地面站仰角相同和雨区高度相同的情况下，降雨量为大雨时，Ku 波段的信号上行衰耗在11 dB/km 以上，下行衰耗在7.5 dB/km 以上。在暴雨时期，该波段的信号上下行衰耗甚至能够达到16 dB/km 和10 dB/km。以济南为例，在暴雨时期，Ku 波段的上行衰耗通常能够达到20 dB/km甚至更高。

实际上，降雨对广播电视卫星传输的影响不仅仅体现在电磁波衰减方面，还体现在去极化作用方面。在重力和空气阻力的共同作用下，雨滴会发生一定的变形。雨滴的体积越大，形变越明显。雨滴对于电磁波造成的衰减和相位移存在差异，在雨滴极化面长轴方向传输的电磁波受影响较大，在短轴方向上传输的电磁波受影响较小。这两个轴向上的差异会减小正交极化复用信号的极化隔离度，增大雨衰的影响。

1.2 雪衰影响

与雨衰不同，雪衰的影响相对较小。通过实际检测可知，通常降雪不会对Ku 及以下频段的信号传输产生严重影响，但是雪化过程产生的雪衰影响相对较大。雪化时，由于天线馈源和主反射面凹凸不平，因此该区域会形成积雪，而积雪的吸收、散射以及反射等作用会严重影响卫星天线口面场的均匀分布情况，进而降低天线增益，对信号传输产生较大影响。总结实际经验发现，不同天线口面、馈源口以及天线主反射面等都会产生雪衰影响［1］。

2 改善雨衰影响的有效策略

结合卫星信号传输的特点，采取在上行站进行雨衰补偿、借助卫星转发器进行补偿和在下行站预留出雨衰备余量3 个途径改善雨衰造成的影响。

2.1 上行站雨衰补偿

在上行链路进行雨衰补偿的主要思路是在适当范围内合理增加上行站的上行等效全向辐射功率（Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP），使得在降雨过程中能尽可能维持上行信号的传输稳定性，保护信号在降雨过程中不会受到过大的影响。

2.1.1 针对C 波段信号的补偿措施

根据C 波段信号在降雨过程中受到的影响可知，降雨量在大雨以下时，C 波段信号受到的雨衰影响相对较小，因此进行系统设计时无需考虑大雨以下的情况。对于降雨量较多、雨季较长以及经常出现大暴雨的地区，或者对上行信号有一定要求时，需要采取相应的雨衰补偿措施。为保障C 波段卫星上行站的信号传输效果，需要4 ～6 dB/km 的补偿才能够满足其提高上行功率的需求。因此，在暴雨天气下，当雨衰给信号传输造成2 dB/km 的损耗后，需要及时调控提高信号上行功率，及时补偿C波段信号的上行雨衰。

2.1.2 通过电平对雨衰上行功率控制（Uplink Power Control，UPC）进行补偿

根据分析可知，Ku 等波长较小的频段受到降雨影响较为明显，因此在进行系统设计时需要着重考虑此方面的补偿措施。为合理控制成本，当前我国针对Ku 频段进行上行雨衰补偿通常采用中频补偿措施，即结合雨衰情况，通过调控中频信号电平增加输出信号功率，进而实现对上行雨衰UPC 的补偿。中频补偿通过判断上行链路的大气噪声和下行接收信号强度，合理提高中频信号电平。

2.1.3 通过测算天线噪声温度进行上行雨衰补偿

天线噪声温度的变化能够反映当前上行链路在信号传输过程中的衰耗情况，因此可通过测算天线噪声温度来控制信号的上行功率。通常这类系统都具备独立的接收控制功能，只需使用射电测量计就能实现小型偏馈接收天线低噪声功率放大器（Low Noise Block，LNB，又可称为高频头）的功能。该测量机能够采集信号上行过程中13.45 GHz 频点上的射电信号强度，得到降雨情况下的天线噪声温度，并将测算结果与晴天时的数据比较，得到上行频段需要的补偿量，进而进行功率控制补偿。这种雨衰补偿系统的补偿量测算更为准确可靠，而且不需要进行人工识别日凌等方面的影响。但是，相比于信标系统，这种系统的成本相对较高，也会存在误识别情况，即如果UPC 接收天线被遮挡，系统可能会误认为是雨衰影响。

2.1.4 雨衰影响下Ku 波段上行站的设备要求

对于Ku 波段上行站而言，它的雨衰补偿能力是判断该上行站水平的重要标准，主要包括补偿线性和范围。在对Ku 波段的卫星设计和配备雨衰补偿系统时，需要根据上行站当地的实际情况进行合理设计，同时UPC 需要满足99.9%的上行可用度时的最小上行补偿范围。此外，UPC 还需要有较好的线性增益，以保障信号的传出。

2.2 卫星转发器进行上行补偿

随着科学技术的发展，当前Ku 和Ka 波段的部分卫星也能够实现一部分的雨衰补偿，从而在卫星转发器和上行站共同作用下完成雨衰补偿。它的主要运行原理是在上行站补偿能力无法满足雨衰损耗的情况下，卫星转发器会结合信号功率的通量密度合理进行增益补偿，进而减小雨衰对信号传输的影响。卫星转发器的补偿功能进一步提升了上行链路的补偿能力和信号传输的稳定性与可靠性，目前已经有很多Ku 频段的直播卫星采用这一方式进行雨衰补偿。这一技术在保证雨衰补偿能力不变的同时，减小了对上行站的要求，有效降低了系统建设成本［2］。

2.3 下行站预留雨衰备余量

减少下行站雨衰影响的主要思路是在进行接收系统设计和设备配备的过程中打好提前量，在条件允许的情况下，预留一定的雨衰备余量。此外，下行接收站要保障传输质量，且对接收可用度也有一定的要求，需要留有适当的储备量。在仅考虑环境温度和设备稳定性的情况下，接收站需要留有常规C/T门限储备量，通常取最大值2.5 dB。工程建设过程中，需要考虑多方面因素。通常C 波段和Ku 波段的广播电视接收站的降雨余量及门限储备总和的取值范围分别为3 ～6 dB 和5 ～12 dB，还需要结合实际天气情况、雨季长短及雨量多少等确定实际数值。由于广播电视的需求特殊，需要在可行范围内尽量选取较大的储备量。此外，当C/T门限及LNB的数值都保持不变的情况下，接收天线的口径与储备量成正比，即储备量增加时，接收天线口径也需要增加。因此，实际应用中切忌为减小Ku波段天线口径而不断缩小雨衰备余量，需要综合考虑各方面因素，科学合理地设计备余量留存和天线口径大小［3］。

3 改善雪衰影响的有效策略

雪化过程对信号传输的影响较为严重，因此在改善雪衰影响时，需要针对雪化过程采取相应的措施。我国北方地区降雪较为频繁，雪化过程需要较长的时间，因此对天线信号的影响较为严重。实际处理过程中，上行站和下行站都需要及时采取相应的预防措施，以有效降低雪衰影响［4］。

对接收小站进行雪衰预防，只需在降雪后及时安排相关工作人员对天线和主发射面进行积雪清理即可。处理上行站雪衰问题时，需要对天线馈源和主反射面分别进行分析。处理馈源积雪的常用方式是利用热风加快雪的融化，以减小雪衰影响，具有实现和操作简单的特点。对于主反射面积雪的处理主要有两种方式：一种是在反射面背面安装加热装置，如加热丝和加热气囊等，进一步加快积雪融化，但因成本相对较高没有得到广泛应用；另一种是在雪化前使用高压水龙头清理积雪，清理速度相对较快，不会对天线增益等性能产生过大的影响。以济南某信号传输中心为例，该中心采用高压水龙头的方式对Ku 波段上行站的主反射面上的积雪进行清理。清理过程中的最大损耗为7 dB/km，同时可以调整和控制上行功率，不仅能够减少雪化造成的雪衰影响，而且不会对卫星转发器造成严重影响。由于北方冬天气温较低，因此在实际使用高压水龙头清理积雪的过程中天线表面可能会结冰。针对Ku波段2.4 m 天线进行试验发现，在清雪后天线表面结了一层2 mm 厚的薄冰，但其实际产生的增益损耗在1 dB/km 以下，可见薄冰在天线表面的影响仍然要远低于雪衰产生的影响［5］。

4 结 语

在卫星信号传输过程中，信号经过对流层会由于雨雪的影响发生信号减损情况。对于不同的影响，实际操作中需要选择不同的补偿措施。常用的雨衰补偿措施有上行站雨衰补偿措施、卫星转发器补偿上行链路以及借助卫星通信系统进行补偿等。常用的雪衰补偿措施主要有馈源除雪和主反射面除雪两种。