雨衰和雪衰對廣播電視衛星傳輸的影響及改善措施

徐 洋

（山東廣播電視臺，山東 濟南 250014）

0 引 言

隨著生活水平的不斷提高，人們對廣播電視信號傳輸提出了更高的要求。衛星通信以其傳輸距離遠、范圍廣、對地理環境沒有過高要求等特點得到了廣泛應用和發展。但是，由于衛星傳輸具有開放性，其通信鏈路難免會受到外界環境的影響，如雨衰和雪衰。

1 雨衰和雪衰的成因和規律

1.1 降雨影響

在廣播電視信號衛星傳輸過程中，電磁信號會穿過對流層。對流層中雨雪等自然現象會使電磁信號被吸收或者散射，導致能量受損而形成雨衰或者雪衰。信號損耗衰減的程度由信號本身的頻率、雨雪的大小以及信號穿過影響區域的路程長短決定。信號衰耗量與信號頻率和雨雪量的一般關系如圖1 所示。

圖1 衰耗量與信號頻率和雨雪量關系圖

圖1 中，實線為雨引起的衰耗情況。其中，雨引起的衰耗情況有：A 線為0.25 mm/h 的細雨；B線為1 mm/h 的小雨；C 線為4 mm/h 的中雨；D 線為16 mm/h 的大雨；E 線為100 mm/h 的暴雨。

根據圖1 可知：降雨造成的衛星傳輸衰耗與降雨量成正比，即降雨量越大衰耗越大；與信號的頻率成正比，即頻率越高衰減越大。通常情況下，大雨量（16 mm/h）以下的降雨，對C 波段信號不會產生過大的影響；降雨量為16 mm/h 時，C 波段上行鏈路衰減為0.08 dB/km，下行鏈路衰減為0.02 dB/km。通常雨區的高度在10 km 以下，因此當地面站的仰角為47°時，其上行信號衰耗會小于1.2 dB/km，而下行衰耗也會控制在0.3 dB/km 左右。當降雨量達到100 mm/h（暴雨）時，C 波段上行鏈路衰耗小于0.5 dB/km，下行鏈路信號衰耗在0.1 dB/km 左右。通常暴雨雨區的高度在2 km 左右，因此對于仰角為47°的地面站，暴雨時衛星上行衰耗在1.5 dB/km 以內，下行衰耗在0.3 dB/km 左右。實際上，對于該波段而言，大雨以下的雨衰影響可以忽略不計，但是當出現暴雨或者大暴雨情況且雨區高度超過2 km時，雨區對衛星信號的影響相對較大。分析氣象檔案可以發現，很多地區在暴雨季節雨區高度超過2 km 的情況十分常見。以濟南為例，在盛夏暴雨季節，暴雨雨區高度最高達到8 km。在此情況下，C波段47°仰角的地面站信號衰減高達6 dB/km，甚至有暴雨期間雨衰對C 波段上行鏈路造成13 dB/km影響的案例。

檢測分析發現，Ku 和Ka 波段的信號由于波長較短，受雨雪的影響相對較大，產生的衰耗也比C波段信號大。在地面站仰角相同和雨區高度相同的情況下，降雨量為大雨時，Ku 波段的信號上行衰耗在11 dB/km 以上，下行衰耗在7.5 dB/km 以上。在暴雨時期，該波段的信號上下行衰耗甚至能夠達到16 dB/km 和10 dB/km。以濟南為例，在暴雨時期，Ku 波段的上行衰耗通常能夠達到20 dB/km甚至更高。

實際上，降雨對廣播電視衛星傳輸的影響不僅僅體現在電磁波衰減方面，還體現在去極化作用方面。在重力和空氣阻力的共同作用下，雨滴會發生一定的變形。雨滴的體積越大，形變越明顯。雨滴對于電磁波造成的衰減和相位移存在差異，在雨滴極化面長軸方向傳輸的電磁波受影響較大，在短軸方向上傳輸的電磁波受影響較小。這兩個軸向上的差異會減小正交極化復用信號的極化隔離度，增大雨衰的影響。

1.2 雪衰影響

與雨衰不同，雪衰的影響相對較小。通過實際檢測可知，通常降雪不會對Ku 及以下頻段的信號傳輸產生嚴重影響，但是雪化過程產生的雪衰影響相對較大。雪化時，由于天線饋源和主反射面凹凸不平，因此該區域會形成積雪，而積雪的吸收、散射以及反射等作用會嚴重影響衛星天線口面場的均勻分布情況，進而降低天線增益，對信號傳輸產生較大影響。總結實際經驗發現，不同天線口面、饋源口以及天線主反射面等都會產生雪衰影響［1］。

2 改善雨衰影響的有效策略

結合衛星信號傳輸的特點，采取在上行站進行雨衰補償、借助衛星轉發器進行補償和在下行站預留出雨衰備余量3 個途徑改善雨衰造成的影響。

2.1 上行站雨衰補償

在上行鏈路進行雨衰補償的主要思路是在適當范圍內合理增加上行站的上行等效全向輻射功率（Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP），使得在降雨過程中能盡可能維持上行信號的傳輸穩定性，保護信號在降雨過程中不會受到過大的影響。

2.1.1 針對C 波段信號的補償措施

根據C 波段信號在降雨過程中受到的影響可知，降雨量在大雨以下時，C 波段信號受到的雨衰影響相對較小，因此進行系統設計時無需考慮大雨以下的情況。對于降雨量較多、雨季較長以及經常出現大暴雨的地區，或者對上行信號有一定要求時，需要采取相應的雨衰補償措施。為保障C 波段衛星上行站的信號傳輸效果，需要4 ～6 dB/km 的補償才能夠滿足其提高上行功率的需求。因此，在暴雨天氣下，當雨衰給信號傳輸造成2 dB/km 的損耗后，需要及時調控提高信號上行功率，及時補償C波段信號的上行雨衰。

2.1.2 通過電平對雨衰上行功率控制（Uplink Power Control，UPC）進行補償

根據分析可知，Ku 等波長較小的頻段受到降雨影響較為明顯，因此在進行系統設計時需要著重考慮此方面的補償措施。為合理控制成本，當前我國針對Ku 頻段進行上行雨衰補償通常采用中頻補償措施，即結合雨衰情況，通過調控中頻信號電平增加輸出信號功率，進而實現對上行雨衰UPC 的補償。中頻補償通過判斷上行鏈路的大氣噪聲和下行接收信號強度，合理提高中頻信號電平。

2.1.3 通過測算天線噪聲溫度進行上行雨衰補償

天線噪聲溫度的變化能夠反映當前上行鏈路在信號傳輸過程中的衰耗情況，因此可通過測算天線噪聲溫度來控制信號的上行功率。通常這類系統都具備獨立的接收控制功能，只需使用射電測量計就能實現小型偏饋接收天線低噪聲功率放大器（Low Noise Block，LNB，又可稱為高頻頭）的功能。該測量機能夠采集信號上行過程中13.45 GHz 頻點上的射電信號強度，得到降雨情況下的天線噪聲溫度，并將測算結果與晴天時的數據比較，得到上行頻段需要的補償量，進而進行功率控制補償。這種雨衰補償系統的補償量測算更為準確可靠，而且不需要進行人工識別日凌等方面的影響。但是，相比于信標系統，這種系統的成本相對較高，也會存在誤識別情況，即如果UPC 接收天線被遮擋，系統可能會誤認為是雨衰影響。

2.1.4 雨衰影響下Ku 波段上行站的設備要求

對于Ku 波段上行站而言，它的雨衰補償能力是判斷該上行站水平的重要標準，主要包括補償線性和范圍。在對Ku 波段的衛星設計和配備雨衰補償系統時，需要根據上行站當地的實際情況進行合理設計，同時UPC 需要滿足99.9%的上行可用度時的最小上行補償范圍。此外，UPC 還需要有較好的線性增益，以保障信號的傳出。

2.2 衛星轉發器進行上行補償

隨著科學技術的發展，當前Ku 和Ka 波段的部分衛星也能夠實現一部分的雨衰補償，從而在衛星轉發器和上行站共同作用下完成雨衰補償。它的主要運行原理是在上行站補償能力無法滿足雨衰損耗的情況下，衛星轉發器會結合信號功率的通量密度合理進行增益補償，進而減小雨衰對信號傳輸的影響。衛星轉發器的補償功能進一步提升了上行鏈路的補償能力和信號傳輸的穩定性與可靠性，目前已經有很多Ku 頻段的直播衛星采用這一方式進行雨衰補償。這一技術在保證雨衰補償能力不變的同時，減小了對上行站的要求，有效降低了系統建設成本［2］。

2.3 下行站預留雨衰備余量

減少下行站雨衰影響的主要思路是在進行接收系統設計和設備配備的過程中打好提前量，在條件允許的情況下，預留一定的雨衰備余量。此外，下行接收站要保障傳輸質量，且對接收可用度也有一定的要求，需要留有適當的儲備量。在僅考慮環境溫度和設備穩定性的情況下，接收站需要留有常規C/T門限儲備量，通常取最大值2.5 dB。工程建設過程中，需要考慮多方面因素。通常C 波段和Ku 波段的廣播電視接收站的降雨余量及門限儲備總和的取值范圍分別為3 ～6 dB 和5 ～12 dB，還需要結合實際天氣情況、雨季長短及雨量多少等確定實際數值。由于廣播電視的需求特殊，需要在可行范圍內盡量選取較大的儲備量。此外，當C/T門限及LNB的數值都保持不變的情況下，接收天線的口徑與儲備量成正比，即儲備量增加時，接收天線口徑也需要增加。因此，實際應用中切忌為減小Ku波段天線口徑而不斷縮小雨衰備余量，需要綜合考慮各方面因素，科學合理地設計備余量留存和天線口徑大小［3］。

3 改善雪衰影響的有效策略

雪化過程對信號傳輸的影響較為嚴重，因此在改善雪衰影響時，需要針對雪化過程采取相應的措施。我國北方地區降雪較為頻繁，雪化過程需要較長的時間，因此對天線信號的影響較為嚴重。實際處理過程中，上行站和下行站都需要及時采取相應的預防措施，以有效降低雪衰影響［4］。

對接收小站進行雪衰預防，只需在降雪后及時安排相關工作人員對天線和主發射面進行積雪清理即可。處理上行站雪衰問題時，需要對天線饋源和主反射面分別進行分析。處理饋源積雪的常用方式是利用熱風加快雪的融化，以減小雪衰影響，具有實現和操作簡單的特點。對于主反射面積雪的處理主要有兩種方式：一種是在反射面背面安裝加熱裝置，如加熱絲和加熱氣囊等，進一步加快積雪融化，但因成本相對較高沒有得到廣泛應用；另一種是在雪化前使用高壓水龍頭清理積雪，清理速度相對較快，不會對天線增益等性能產生過大的影響。以濟南某信號傳輸中心為例，該中心采用高壓水龍頭的方式對Ku 波段上行站的主反射面上的積雪進行清理。清理過程中的最大損耗為7 dB/km，同時可以調整和控制上行功率，不僅能夠減少雪化造成的雪衰影響，而且不會對衛星轉發器造成嚴重影響。由于北方冬天氣溫較低，因此在實際使用高壓水龍頭清理積雪的過程中天線表面可能會結冰。針對Ku波段2.4 m 天線進行試驗發現，在清雪后天線表面結了一層2 mm 厚的薄冰，但其實際產生的增益損耗在1 dB/km 以下，可見薄冰在天線表面的影響仍然要遠低于雪衰產生的影響［5］。

4 結 語

在衛星信號傳輸過程中，信號經過對流層會由于雨雪的影響發生信號減損情況。對于不同的影響，實際操作中需要選擇不同的補償措施。常用的雨衰補償措施有上行站雨衰補償措施、衛星轉發器補償上行鏈路以及借助衛星通信系統進行補償等。常用的雪衰補償措施主要有饋源除雪和主反射面除雪兩種。