魅蓝note3隐藏功能设置:浅析卫星通信中的上行功率控制

新疆长途传输局 李艳芳
【 来源:《新疆通信》　　上传时间:05-04-15 】
摘要：上行功率控制是高频段卫星通信系统必不可少的技术手段之一，本文从引入上行功率控制起源开始，对上行功率控制的原理和方法，以及在设备中的具体运用分别作详细阐明。
关键词：雨衰 上行功率控制器（UPC） 上行功率校正 衰减信道
晴天条件 校正算法 校正曲线
1、引言
在社会信息化建设高速发展的今天，各种通信技术不断涌现，卫星通信以其独特的技术优势，作为现代通信传输的重要手段之一,与光纤通信、数字微波通信一起，已经成为我国当代远距离通信的支柱。
卫星通信是二十世纪七十年代发展起来的先进技术，随着现代通信产业的不断发展，卫星通信在技术、设备、传输容量等诸多方面都发生了翻天覆地的变化。为进一步扩展工作频带，增大系统容量，减小设备体积，避开与其它无线通信系统之间的干扰，卫星通信向高频化发展已成为必然趋势。可以预见，继C频段和KU频段之后，未来的卫星通信体系将开发和使用KA波段和毫米波段。
工作于高频段的卫星通信系统主要有以下特点：
a. 频段高会带来更大的带宽和容量，同时天线口径可以做得更小。C波段的小型地球站天线口径约为2.4米，KU波段为1.8米，KA波段地面终端天线口径则可以小至40—60米，从而可以有效地降低成本。
b. 采用C波段时，其业务遭受地面微波等无线通信干扰源的同频干扰比较严重；而采用高频段时的地面干扰小，干扰协调相对容易，进而大大降低了对接收环境的要求。
c.高频段的频率利用率高。KU频段的频率利用率可较C波段提高3倍多，KA频段比KU又可提高3—4倍以上。
d. 降雨对KU以及更高频段的影响比较严重，其上下行信号降雨衰耗远大于C波段，暴雨情况下KU波段上行或下行链路瞬间衰量可超过20dB，而C波段最大雨衰量一般不超过1dB。
从上述特点中的基本数据对比，可以明显地看出高频段卫星通信系统的优越性，而雨衰则是影响其工作性能的主要因素。
电磁波在空间传播时会受到降雨的影响，电波由于雨滴吸收和散射而产生的衰减，就是降雨衰减，简称雨衰。电磁波在空间传播时，当其波长大于雨滴的直径时，降雨衰减差不多是由吸收引起的，而当雨滴直径增加或者波长较短时，散射引起的衰减较大。雨衰的大小取决于雨滴的直径和电磁波的波长，当电磁波的波长和雨滴直径越接近时衰减越大，一般情况下（比如中短波）电磁波的波长远大于雨滴的直径，故衰减很小，C波段信号受雨衰的影响也可以忽略。对于10GHZ以上的电磁波，雨衰的影响就明显了，在链路计算中必须考虑雨衰的影响。频率越高雨衰的影响越大，而大雨和暴雨对电磁波的衰减又要比小雨大得多。
为了保证高工作频段卫星系统的可用度，对于接收站来说，提高可用度的方法是采用更大口径的接收天线和使用更低噪声功率的LNA。新技术的使用使通用型LNA的噪声系数已经很小，所以目前都是增大天线口径来提高可用度，尤其是在多雨区和低仰角地区需更大的天线。而在上行站，除加大发射机功率、采用高效纠错编码、站址分集技术外，还需要采取上行功率控制手段，以便自动补偿或消除在卫星上行链路出现的雨、雾、云、雪等对上行信号的衰减作用，使转发器在降雨情况下仍保持饱和或最大功率状态。
因此对于高频段的卫星通信系统，上行功率控制是必不可少的，而其手段就是在卫星上行站加入UPC（Up-link Power control）。UPC系统（Uplink Power Control System）是专为静止卫星通信系统而设置的。能够在卫星地面站的上行端提供自动的EIRP的调整，以补偿在传播过程中由于雨、雪等造成的衰落影响，使得在收端接收的ERIP能保持在典型值的+1.5dB左右。如下所示即在卫星地面站UPC所处的位置图。

2、上行功率控制的原理和方法
目前上行功率控制手段主要有两种，一种是利用天线接收下来的卫星信标强度的变化来控制上行功率控制器中频单元的增益或衰减量，从而相应地改变上变频器的中频输入电平，自动增加或降低高功放输出功率。该方法会受到卫星信标稳定性的影响，也会受到下行链路稳定性的影响，环节较多，控制精度和可靠性一般。采用该方法时，信标接收机和功率控制器斜率的调整是关键，即通过精确测量和调整要使信标接收机的斜率值V/dB与功率控制器控制单元设定的斜率数值dB/V一致，这样才能保证正确的上行功率控制。另一种较好的功率控制方法是通过直接测量上行链路大气噪声温度来实现的。该方法使用单独的小口径天线对准所使用的卫星，利用位于天线焦点处的噪声温度测量计获得卫星上行链路的噪声温度值，该数值送入功率控制器控制单元通过计算得到上行链路的衰减数值，以此衰减数值控制中频单元增益，从而自动控制高功放输出功率。该方法需在晴天时对功率控制系统进行校准，校准后控制精度很高，运行可靠性也很好，且在出现日凌等特殊情况时可自动保护，有效地防止不适当的功率提升。
在我们通常应用的设备中,一般采用了第一种方法。以下是一个典型单信道UPC系统方框图：

对于一个UPC而言可以同时监测两个下行信号，这个信号可以是卫星的信标信号，或是一个通过卫星环回的载波信号，也可以是二者并存。用户通过卫星接收机给UPC输入一个随着下行信号强弱而变化的一个DC电压值，输入信号电压可以选择在0—10V或-10---0V。由于卫星接收机接收的上下行载波都是出自同一个地球站，它们所处的电磁波环境也是相同的,则下行信号强弱的变化可以随时被监测到。那么大气对上行信号的影响就可以计算出来并加以校正。
在UPC内部，是利用可变衰减器来调整上行信号的大小。通常在UPC内部可以配备10个衰减信道，每个信道都可以提供0--20dB的补偿，当衰减器发生故障，上行中频信号可以倒换至固定衰减状态,而不至造成信号的中断。
在UPC进行工作之前，必须要对其进行初始化，这时每个接收机的校准数据都要被设定。这个校准数据是同接收机的输出电压相关联的。晴天条件是用户必须选择的一个校准点，它能体现在最小大气衰减的情况下下行信号的大小，则此时这个下行信号就作为晴天条件下的参考，UPC反映出的下行信号的大小就是0dB，当收到的输出电压反映信号强度降低，那么UPC将会给出一个负值。比如：下行信号降低3dB，那么UPC就会反映出信号强度为-3dB，如果天气状况发生变化，UPC收到的输出电压反映出下行信号比晴天条件下增大，那UPC就会反给出一个正值。
3、上行功率校正的算法
为保证UPC系统正常的工作，还要对上行功率校正的算法加以确定，那么中频输入的功率电平就会根据天气状况的不同被不同的衰减器所改变。依照实际应用以及下行信号的来源，上行功率的校正算法可以选择以下三种中的任何一种：开环算法、闭环算法和对比算法。每一个算法都是在测量的下行信号大小的基础上来确定的。现分别表述如下：
3.1．开环算法
它是采用了一个环路的修正方法。即提供的上行功率校正不会影响到测量的下行信号的大小，下行信号的测量结果是一个平均值并且每隔一个取样周期记录一次。
用户可以根据需要选择一个取样周期，其范围是从1—10秒，步级为0.1秒。在这个取样周期内测量的下行信号在给每个衰减信道提供校正前，通过一系列数值的平均，其变化就比较平滑。
上行功率校正是建立在下行信号的变化和上行的频率关系以及下行频率带宽的基础上。开环的测量方法是利用了上行功率比与下行信号大小之间的关系，ITU根据各地的气候情况制定了相应的标准气候带,则这一地区的上行信道功率比是确定的。按下面方法，就可以得到确定的上行功率校正值。
上行信道功率比=上行功率校正（dB）/ 下行信号的大小（dB）
上行功率校正（dB）=下行信号大小*上行信道功率比
信道衰减(dB)=晴天衰减值（dB）+上行功率校正（dB）
3.2.闭环算法
这种算法是采用闭环的校正方法。在同一个卫星地面站一个载波通过上行链路发射并通过卫星环回至接收机。因为是闭环，载波在上行中已经通过衰减信道的上行功率校正，在下行测量到的这个信号又经过了两次的空间衰落影响，最终的结果是上下行信号的一个合成。虽然上下行信号通过同一个大气层，但上下行信号的频率是不同的，所以在下行测量到的信号中它的组成是不同的。因而上行功率的校正值决定于下行信号的大小同时还有上下行信号的频率。根据下列算法，可以得到上行功率校正值：
Cn=U*(Rcs-Rdss)+D*(Acsn-An) 其中：
U：上行信道功率比
D：一分钟内的上行信道功率比
U+D=1因此D=1-U
Rcs晴天条件下下行信号的强度（0dB）
Rdss下行信号的大小
N是衰减信道数量
Acsn晴天条件下选择的衰减信道
An是通过选择衰减器信道时衰减值
Cn是被选择的衰减信道的上行功率校正值
每一个上行链路的调整,其接收电平都不是实时被测量的，而是在用户设定的时间间隔期内测量的，这个期限可以设置的范围是0.3—3.0秒，以0.1秒为步级。为了算法的有效性，这个时间间隔必须与载波环回的时间相当或是超过载波的环回传播时间。当这一时间过去后，才进行下一个采样时间。
3.3.比较算法
这个算法比前面两种算法都有更大的优越性。当上行链路倒换时，中频到射频的增益会发生变化，而这点常常会被忽略。开环和闭环算法用了一个常数去表示上下行链路中电磁波在大气中的传播影响，而事实上由于降雨和自然的沉淀（突变）对电磁波造成的影响是远远不能以一个常数来衡量的。如果采用比较算法时就可以消除这样的误差。比较算法是用于一个信标电平和一个环回载波同时被监测的情况下，由于是在两个开环的情况下进行的，这样环回的载波不经校正直接发射，而信标信号仅受制于下行信号，环回载波不论在上行还是在下行链路中都会受到影响。这样两种情况在下行信号的大小造成的结果是不同的，利用这种结果上的差异对上行功率进行控制。
4、上行功率控制器的设置及操作
目前在我局乌鲁木齐卫星地面站使用的KU频段的卫星通信系统中，均采用了上行功率控制器，其参数和模式的设置都可以方便的从前面板或是通过计算机来完成，而且每一个上行功率控制器中都有不同的衰减器可以给不同的上行路线提供上行功率自动校正。
下面就乌鲁木齐卫星地面站的KU IDR系统和农话VSAT系统中使用的MITEQ TECHNICAL MOTE 25TO29型UPLINK POWER CONTROL SYSTEM 为例,对设备的实际应用作一说明。
这一型号的UPC在设备面板上有五个总的按键分别代表了以下五个主菜单，分别说明如下：
a.LOG SCREEN：对于UPC单元的重大事件作记录显示，用户可以根据此项菜单查看相应的重大历史事件，如接收机的状态变化及UPC自身参数的变化等。
b.HISTORY SCREEN：将每五分钟测量到的下行信号的大小用曲线的形式表现，交保留最近24时的记录结果，同时显现当时的测量值。
c.LEVEL SCREEN：以比例图形式实时指示每个接收机接收到的信号值，每个衰减器信道的工作模式，提供的衰减数值，以及晴天的衰减设置。
d.STATUS SCREEN：提供整个UPC系统的电源状态显示，包括接收机以及各衰减器信道的电源状态是否正常。
e. SETUP SCREEN：主要是完设备初始化时时的数据输入和对UPC的维护内区小事容，包括系统的参数设、置接收机输入参数的设置、衰减器配置设置等。
4.1上行功率控制器的参数设置
为保证上行功率控制器的良好工作状态，在使用前要对UPC进行系统的参数设置，设置步骤如下：
a.要设置正确的日期和时间，以保证系统记录的良好运行；
b. 设置上行功率控制器的校正算法；
c. 接收机的设置和数据校正；
d.衰减信道的配置；
e. 遥控参数的设置。
以上所有的设置都可以通过前面板或是远端计算机进行设置。下图就是其典型的一个参数设置子屏：
从中可以看出在此设置菜单中，包含了SYSTEM SETTINGS（系统参数设置）、RECEIVER A INPUT（接收机A输入设置）、RECEIVER A CALIBRATION（接收机A校正设置）、ATTENUATOR CONFIGURATION（衰减器模式设置）、ATTENUATOR CONSTANTS（衰减器参数设置）等子菜单。
通过相应的按键，对不同子屏下的的参数进行设置，但在参数设置时要注意以下几点：
a.空闲时间的设置只有在闭环算法中才有；
b.只有选择了闭环算法才有闭环回馈信道。
4.1.1接收机输入设置及校正:接收机A或B的输入设置，是指对接收机的模式设置和输入电压的校正设置。其中接收的信号强度和与之相对应的接收机输入电压之间的关系以一个图表的形式来表现。我们知道从接收机AUX ANALOG口输出的电压代表了信号的实时的强度和变化，当此优良品种接入UPCRG ，这个电压则会被被测量并实时的显示出其数值，电压值的范围是0—10V或是-10V—0， 它可以校正的范围是30dB。校正的点可以设置从最小到最大，30dB范围内一系列的点，而这31个点都可以作为晴天条件，在设备初始过程中，一般建议这31个点都要被一一校正，在我们实际应用的过程中，因设备在出厂时已经过校正，所以在我们使用时只需校正部分主要的点，校准过的数据在图中会以点的形式存在，晴天条件在图中以”x”的形式显示。所有这些点在排列关系上，相当于是一个一次函数曲线上的点。

4.1.2如何建立一个新的接收机曲线
在UPC工作中，最关键的就是建立接收机校正曲线，一旦这个曲线被建立，各衰减信道就会按此关系自动的对信号进行补偿，因为这一曲线代表了接收机收到的卫星信号和衰减器校正值之间的关系。当建立一个新的校正曲线时，现存的数据都会被删除。要建立一个新的接收机校正曲步骤如下：
a. 先将安装和接收机相对应的30dB的步进衰减器信道板，我们这个设备可以安装十块信道板；
b.进入VOLTAGE RANGE AND CLEAR DATA（电压范围和晴天数据）子屏幕，会出现如下提示：选择电压范围会清除以前存在的校准数据。
c.调节右边的旋纽，选择所需要的电压范围，我们一般要求的电压范围是0—10V。
d. 按ENTER键，则新的数据被存储。这是指针将会停在最大下行信号大小的位置上。
e.如果同指针位置接收机输入电压不知道，则其必须要测量并存储。根据测量到的信号的大小以及设定的算法（我们所用设备采用的是开环算法），得出衰减值，使上行信号达到标准的EIRP。
f.按STORE MEASURED VOLTAGE NOW 子屏开始测量输入电压，并显示出相应的时间，同时结果被存储，指针会移到下一个位置。
g. 这样反复几次，各点的输入电压对应的衰减器的值会一一被测量并存储，从而取得一个新的接收机的校准曲线。
算法中个别数值的取定如下：
a. POWER RATIO：在开环模式下，衰减器信道的功率比可以设置的范围在
0.1—9.9，一般情况下取1.6。
在闭环模式下，衰减器信道的功率比可以设置的范围是0.01—0.99，一般情况下取0.65。
在比较算法时，衰减器信道的功率比固定在1.0而不能改变。
b. CLEAR SKY：范围是0.2—20dB,缺省是20dB。
c. MAXIMUM STEP SIZE：范围是0.2—20dB,缺省是1.0dB。
4.1.3 接收机的模式:可以在相应的子屏下，选择适当的接收机模式即ACTIVE 、OFF、STANDBY。
4.1.4衰减器信道的结构设置：在这里确定用户选择的上行功率校正的算法是否控制每一个信道，同时还显示出每个信道提供的上行功率校正值。
4.1.5衰减器信道的模式：其模式就是AUTOMATIC和MANUAL两种，如果在MANUAL方式下，其信道衰减值不会改变，除非人为。如果将信道设置在off-line下，信道将会自动倒至fail-path通道。
5、上行功率控制器运用中应注意的事项
通过在我们实际维护工作中的经验，对于UPC在日常的使用及维护工作中要注意以下几点：
a.在UPC安装使用时要注意根据具体的链路计算来设置UPC的参数，来是确定接收曲线。
b.在我们维护过程中，经常发现由于晴天条件的衰减器设置在最大值，当衰减器设定在自动时仍会在某些时段，虽然天气并没有什么变化，但上行信号的大小却发生了变化，这时我们要根据实际需要来人为的调节衰减器的大小，保证正常的上行EIRP。比如我们现用的KU试验站的信标接收机故障返修，不能提供下行信号的大小，此时我们就可以用人工的方式，根据链路需要人为设置衰减值或是采用直通的方式，将UPC旁路。
c. POWER RATIO是一个由国际卫星组织根据各地区的气候差异设定的一个常数，新疆地区设在1.6。
d.HPA的标称值要经过链路计算，并留有一定的冗余度。标称的EIRP要包含根据ITU的气候带给定的标准传播冗余，UPC意味着只提供条件冗余。
e.如果地面站的旁瓣性能和极化性能不符合指标，不允许使用任何形式的UPC。
f. UPC操作范围要最好控制在6dB左右，以保证上行链路信号的持续稳定性，及上行设备的输入在正常的工作范围。
结束语
从以上述各阐述中，大家不难发现都只是提到上行功率的控制，而在实际应用过程中，对于同一个站而言上下行信号所经的传播途径是完全相同的，仅提到在下行加大设备自身的性能来减少雨衰对信号的影响，但设备自身性能的完善也有其局限性和一个阶段的终止性，所以为防止雨衰对下行信号的影响，除提高设备性能外是否还有其它的技术手段呢？同样UPC也有其自身的缺陷，它只是一种减小雨衰对信号影响的补充手段，并不能够基本上或是完全消除雨衰的影响，随着频段的不断提高，雨衰的影响也越加趋于增大，如何真正消除雨衰对卫星通道中信号的影响，仍将是我们不断研究的一个课题。
相信随着现代通信科技的发展，卫星通信领域中新的技术和手段将会不断涌现，从而继续完善卫星通信体系，卫星通信的高频化将为时不远。