淺析衛星地球站上行信號對微波站幹擾的計算

引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/261656.htm

由於衛星通信系統與微波接力系統共用頻段，會產生同頻幹擾。為了避免新建衛星地球站建成後的上行頻率對地球站周圍微波接力系統造成有害幹擾，依據中華人民共和國信息產業部第21號令《建立衛星通信網和設置使用地球站管理規定》【2002.6.21】和《建設衛星通信網和設置使用地球站的暫行規定》【國無管（1995.1）4號】，要求建站單位在衛星地球站確定站址之前，在申報有關技術資料的同時，提供數據要準確、論證要充分、分析要科學、結論要明確的衛星地球站對微波接力站的幹擾分析報告。無線電管理部門根據建站單位提供的擬建站址電磁環境測試報告和幹擾分析報告，作為審批站址時的技術參考。本文主要介紹衛星地球站周圍(以衛星地球站天線為中心)半徑100 km以內共用頻段的衛星地球站對微波接力站的幹擾計算步驟和具體方法，供大家參考。

1.相關技術標準

根據GB13616－92「微波接力站電磁環境保護要求」規定，衛星地球站上行信號對微波接力通信系統的幹擾允許值為——

(1) 對於模擬微波接力通信系統2500 km假設參考電路的任何話路的相對零電平點，幹擾功率應符合以下要求:

a.任何月份20％以上的時間內，噪聲計加權1分鐘平均功率不超過1000 pW。

b.任何月份0.01％以上的時間內，噪聲計加權1分鐘平均功率不超過50000 pW。

（2）對於數字微波接力通信系統2500 km假設參考數字通路道的64 kbit/s輸出端，幹擾功率應符合以下要求:

a.任何月份0.04％以上的時間內，任意1分鐘射頻幹擾功率引起的平均誤碼率應不超過10-6。

b.任何月份0.0054％以上的時間內，任意1秒鐘射頻幹擾功率引起的平均誤碼率應不超過10-3。

c.任何月份由於射頻幹擾功率引起的誤碼秒累積時間應不超過0.032％。

2.相關參數的計算

在實際的幹擾分析計算中，預選衛星地球站站址的經緯度和靜止衛星星下點的經緯度及微波接力站（以下簡稱:微波站）站址的經緯度是已知的，通過這些已知的參數可以計算出:衛星地球站的通信方位角和仰角、衛星地球站與微波站之間的距離、衛星地球站與微波站的空間損耗、衛星地球站鑑別角、微波站鑑別角、衛星地球站天線增益、微波站天線增益、實際幹擾信號電平值、幹擾信號允許值（幹擾容限值）。

2.1 地球站通信方位與仰角的計算

設衛星地球站A的經緯度分別為φ1和θ1，靜止衛星W的星下點S的經緯度為Ψ和0，φ0=Ψ-φ1為星下點S對衛星地球站A的經度差，微波站B點的經緯度分別為φ2和θ2。

當衛星地球站A天線對準衛星W時，其仰角EL和方位角AZ分別為:

對於對地靜止衛星而言，

式中，RE為地球半徑，6378公裡;hE為衛星距地面距離大約35786.6公裡。

注意:方位角有正有負，此公式是以正南為基準。我國基本上以正北為準，因此:

2.2 衛星地球站和微波站間的通信方位及路徑的計算

已知衛星地球站和微波站兩點A、B的經緯度，可進行以下計算。

2.2.1 計算A點到B點的真北方位角

A點到B點的真北方位角AZ用下式計算:

當tgAZ >0,θ1θ2，方位角為AZ;

若θ1>θ2，方位角為π+AZ;

當tgAZ0,θ1>θ2，方位角為π-｜AZ｜;

若θ1θ，方位角為2π-｜AZ｜。

式中: φ1為A點經度，弧度;φ2為B點經度，弧度;

θ1為A點緯度，弧度;θ2為B點緯度，弧度。

2.2.2 計算A點到B點的距離

① 大圓路徑計算方法

d=cos-1(cosαcosβ+sinαsinβcosC)*α （7）。

式中，C=ψ2-ψ1; θ1，θ2，ψ2和ψ1的定義同上。

② 平坦地面計算方法（ d10 km）

式中，R為地球半徑，為6378公裡; θ1，θ2，ψ2和ψ1的定義同上。

2.3 衛星地球站和微波站幹擾鑑別角的計算

衛星地球站通信方向AC與微波站被幹擾方向AB之間夾角為ψ，即衛星地球站通信方向對微波站的幹擾鑑別角。φA為衛星通信方向在其通信方位角上的投影與該衛星地球站至微波站方向在水平面的夾角。CB垂直於AB,C點向地面投影交於O點（見圖1）。

由圖2可知:

φA′=｜AZ-AZ′｜ ( rad ) ，

φA =φA′ 0≤φA′≤π ,

或φA=2π－φA′ φA′＞π。

2.3.1 衛星地球站通信方向對微波站被幹擾方向的幹擾鑑別角的計算

由圖1可知: ψ= cos-1 (cosEL* cosφA) （9）。

（以上計算假設微波站工作仰角ε=0時）若ε≠0，則（9）式應寫成如下式:

ψ=cos-1(cosε*cosEL*cosφA＋sinε*sinEL)（10）。

2.3.2 微波站通信方向對被衛星地球站 幹擾方向的鑑別角的計算

由圖2可知:

φB′=|φD-AZ′+π| ( rad ) ，

φB =φB′ 0≤φB′≤π;

或φB= 2π－φB′ φB′＞π。

圖2中，BD為有用信號傳輸路徑，AB為幹擾信號傳輸路徑, φD為微波站通信方向。

2.4 天線增益的確定

天線增益是通過實際天線方向圖來確定的，當缺少天線方向圖資料時，可利用下述公式計算天線在某一方向的增益。

設D為天線直徑（m）;λ為波長（m）;當D/λ>100時，

其中:Gmax—天線主瓣增益dB，Gmax=10lg[0.6(πD/λ)2]，0.6為天線效率;

G1—天線第一旁瓣增益dB，G1=2+15 lg (D/λ);

ψ—偏離主波束中心軸的張角，度;

ψ1—主瓣半功率角寬度的一半，可用下式表示:

2.5 傳輸損耗的計算

2.5.1 視距路徑傳輸損耗計算

視距路徑傳輸損耗主要包括自由空間傳輸損耗及氧氣和水汽的吸收損耗:

　　Lsd=Lo+(γ0+γw)d （13）。

　　Lo=92.5+20lgf+20lgd （14）。

式中:Ls—視距路徑傳輸損耗，dB;

Lo—自由空間傳輸損耗，dB;

f —頻率，GHz; d—路徑長度，km;

　 γ0—氧氣吸收衰減係數，dB/km;

　 γw—水汽吸收衰減係數，dB/km。

當f＜15 GHz時，γW＝０，則

式中:ρ—水汽濃度，取決於無線電氣候區。

2.5.2 超視距路徑傳輸損耗計算

超視距傳播機制主要是繞射（包括障礙物繞射和光滑球面繞射）和對流層散射。對於距離稍超過視距的傳輸路徑，在大多數情況下繞射是主要傳播機制，散射可忽略不計;對於遠遠超過視距的路徑，散射是主要傳播機制，繞射可忽略不計;對於介於兩者之間的中等長度的路徑，兩種傳播機制都需要考慮。考慮參數有:HC—路徑餘隙，m;HO—自由空間餘隙，m。主要傳播損耗有四種:

（1）光滑球面繞射損耗。

（2）不規則地形障礙物上的繞射損耗。

在傳播路徑上往往會遇到一個或多個障礙物，為了估算這些障礙物的附加繞射損耗，通常是將障礙物的形狀理想化。當障礙物的厚度相對較窄時，可視為刃形障礙;當障礙物的厚度相對較寬、頂部比較平緩時，可視為圓形障礙。因此又可細分為①刃形繞射損耗的計算;②單圓形障礙物繞射損耗的計算。

（3）多重障礙物繞射計算。

（4）對流層散射傳播。

以上四種傳播損耗具體計算比較複雜，由於受篇幅的限制在這裡就不詳細贅述，具體方法見《微波接力通信系統幹擾計算方法》（國標GB/T 13619-92）。

2.5.3 不同類型路徑傳輸損耗Lsd的計算

（1）當路徑餘隙HC＞HO，並且路徑距離不超過100 km時，Lsd按自由空間傳輸損耗計算:

Lsd=Lo=92.5+20lgf+20lgd （17）。

（2）當路徑餘隙HC≤HO，並且路徑距離不超過100 km時，Lsd按自由空間傳輸損耗計算並附加繞射傳輸損耗:

Lsd=Lo+Ld （18）。

3.微波接收機輸入端實際幹擾信號電平值和幹擾信號允許值（幹擾容限）的計算

3.1 實際幹擾信號電平值的計算

實際幹擾信號電平值計算公式為:

I=PI-LI+GI+GR-LR-Lsd-XPD+K （19）。

式中，I—微波收信機輸入端幹擾信號功率，dBm;

PI—幹擾發信機輸出端信號功率，dBm;

GI—衛星地球站天線在幹擾站方向的天線增益，dBi;

GR—微波天線在被幹擾源方向的天線增益，dBi;

LR—接收端饋線系統損耗，dB;

LI—幹擾站發射端饋線系統損耗，dB;

Lsd—路徑傳輸損耗，dB;

XPD—交叉極化去耦，dB;（由於影響不大可以省略）

信號帶寬
K—帶寬修正因子，K=10lg———— 。
幹擾帶寬

3.2 幹擾信號允許值（幹擾容限值）的計算

3.2.1 模擬微波站幹擾信號允許值(幹擾容限值)的計算

模擬TV/FM系統和FDM/FM系統幹擾信號允許值的計算比較複雜,需要計算有用信號和幹擾信號分別為低、中、高調製指數時的載噪比。本文介紹兩種比較簡單的工程上常用的計算方法。

A. 採用FM制式的微波接力系統的微波接收機輸入端對來自同一頻段，採用FDM/FM/FDMA制式的衛星地球站幹擾電平允許值採用下述公式估算（用於選址）。

1.任何月份20％以上時間，幹擾信號電平允許值為:

I0=10lgTR-176.6 (任一4 kHz帶寬) （20）。

2.任何月份0.01％以上時間，幹擾信號電平允許值為:

I0=10lgTR-159.6 (任一4 kHz帶寬) （21）。

式中:I0—微波接收機輸入端幹擾信號允許值，dBW;

TR—微波接收機的噪聲溫度，K。

對於噪聲溫度TR，可用下式求出:

TR=(F－1)×290 （22）。

式中:F—微波接收機的噪聲係數。

B.通過門限惡化量來估算幹擾信號允許值（幹擾容限值）。門限電平是指恰好滿足中斷概率指標的接收信號電平。描述門限惡化的一種方法就是給出最大幹擾信號允許值。式（23）可用來估算TV/FM系統和FDM/FM系統的最大幹擾信號允許值。（23）式表示如下:

I0=Rth-10+Se （23）。

式中:I0—最大幹擾信號允許值dBm;

Rth—被幹擾的微波接收機門限電平值，dBm;

Se—被幹擾的微波接收機有效選擇性，dB。

3.2.2 數字微波站幹擾信號允許值(幹擾容限值)的計算

A.由幹擾允許值的誤碼率計算公式可知:

①MPSK調製系統

Pe≈0.5exp(Eb/N0)=0.5expC/N (DBPSK);

當M=2時 Pe≈0.5erfc(X) (BPSK);

當M＞2時 Pe≈erfc[XSin(t)] (MPSK)。

式中，erfc(Y)—補餘誤差函數，可用下式表示:

(C/N)0—平均載波功率與平均噪聲功率之比，即對應於某一誤碼率的信噪比理論值;

PL—MQAM 調製系統兩個正交分量之一的基帶信號誤碼率;

M—調製電平數;

L＝√M。

B.實際門限信噪比的計算

根據3.2.2 A中公式可算出信噪比的理論值(C/N)0，另外還有設備不完善引起的惡化，系統內部幹擾引起的惡化和系統外部幹擾引起的惡化；因此，實際的門限信噪比可表達如下:

(C/N)th =（C/N）0 +δ1 +δ2 +δ3 （24）。

式中:(C/N)th—對應於某一誤碼率（如10-3或10-6）的門限信噪比值，dB;

（C/N）0 —對應於某一誤碼率（如10-3或10-6）的信噪比理論值，dB;

δ1—設備惡化量（設備廠家給出），dB;

δ2—系統內部幹擾的惡化量，dB;

δ3—系統外部幹擾的惡化量，dB。

C.信號幹擾比允許值計算

信號幹擾比允許值可按下式近似估算:

(C/I) 0=(C/N)th+Δ (dB) （25）。

式中:Δ—由於系統外部幹擾所要求的信號幹擾比增量，dB。

Δ與δ3有如下關係:

Δ=-10lg(100.1δ3-1)，

通常取δ3=0.04～0.4 dB，則Δ=10～20 dB。

D.幹擾信號允許值（幹擾容限值）的計算

I0=C－(C/I)0 （26）。

式中: I0—幹擾信號允許值;

C—門限接收電平;

(C/I)0—對應於某一誤碼率（如10-3或10-6）的信噪比理論值，dB。

４.微波接收機輸入端實際幹擾信號電平和幹擾信號允許值（幹擾容限）的比較

經計算可以得出微波接收機輸入端實際幹擾信號功率I的數值（dBm）和幹擾信號允許值I0（dBm）（幹擾容限值）。

當衛星地球站周邊只要有一個微波站的I≥I0 時，不可以在擬選的站址上架設衛星地球站，衛星地球站會對工作在同頻段100 km以內的微波接力站產生幹擾。

當I＜I0 時可以在擬選的站址上架設衛星地球站，衛星地球站不會對工作在同頻段100 km以內的微波接力站產生幹擾。

５.結束語

衛星地球站的電磁環境測試和幹擾分析是衛星地球站建設前的一項非常重要的工作。認真做好這項工作，可提高無線電頻譜資源的利用率，有效地避免衛星地球站建成後上行信號可能對周邊同頻段內微波站造成的幹擾，降低建設衛星地球站的成本。本文按照「暫行規定」要求，只給出衛星地球站周圍(以衛星地球站天線為中心)半徑100 km以內的計算方法。在實際的工程設計中，要進行發射衛星地球站協調區計算，畫協調區圖，協調區內所有同頻段的微波站都要進行幹擾計算，最後確定協調區內哪幾個微波站和衛星地球站間存在有害幹擾，儘量避免新建的衛星地球站可能對周邊同頻段內微波站造成的幹擾。