新疆長途傳輸局 李艷芳
【 來源:《新疆通信》 上傳時間:05-04-15 】
摘要：上行功率控制是高頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)必不可少的技術(shù)手段之一，本文從引入上行功率控制起源開始，對上行功率控制的原理和方法，以及在設(shè)備中的具體運用分別作詳細闡明。
關(guān)鍵詞：雨衰 上行功率控制器（UPC） 上行功率校正 衰減信道
晴天條件 校正算法 校正曲線
1、引言
在社會信息化建設(shè)高速發(fā)展的今天，各種通信技術(shù)不斷涌現(xiàn)，衛(wèi)星通信以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，作為現(xiàn)代通信傳輸?shù)闹匾侄沃?與光纖通信、數(shù)字微波通信一起，已經(jīng)成為我國當(dāng)代遠距離通信的支柱。
衛(wèi)星通信是二十世紀(jì)七十年代發(fā)展起來的先進技術(shù)，隨著現(xiàn)代通信產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星通信在技術(shù)、設(shè)備、傳輸容量等諸多方面都發(fā)生了翻天覆地的變化。為進一步擴展工作頻帶，增大系統(tǒng)容量，減小設(shè)備體積，避開與其它無線通信系統(tǒng)之間的干擾，衛(wèi)星通信向高頻化發(fā)展已成為必然趨勢?？梢灶A(yù)見，繼C頻段和KU頻段之后，未來的衛(wèi)星通信體系將開發(fā)和使用KA波段和毫米波段。
工作于高頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要有以下特點：
a. 頻段高會帶來更大的帶寬和容量，同時天線口徑可以做得更小。C波段的小型地球站天線口徑約為2.4米，KU波段為1.8米，KA波段地面終端天線口徑則可以小至40—60米，從而可以有效地降低成本。
b. 采用C波段時，其業(yè)務(wù)遭受地面微波等無線通信干擾源的同頻干擾比較嚴重；而采用高頻段時的地面干擾小，干擾協(xié)調(diào)相對容易，進而大大降低了對接收環(huán)境的要求。
c.高頻段的頻率利用率高。KU頻段的頻率利用率可較C波段提高3倍多，KA頻段比KU又可提高3—4倍以上。
d. 降雨對KU以及更高頻段的影響比較嚴重，其上下行信號降雨衰耗遠大于C波段，暴雨情況下KU波段上行或下行鏈路瞬間衰量可超過20dB，而C波段最大雨衰量一般不超過1dB。
從上述特點中的基本數(shù)據(jù)對比，可以明顯地看出高頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的優(yōu)越性，而雨衰則是影響其工作性能的主要因素。
電磁波在空間傳播時會受到降雨的影響，電波由于雨滴吸收和散射而產(chǎn)生的衰減，就是降雨衰減，簡稱雨衰。電磁波在空間傳播時，當(dāng)其波長大于雨滴的直徑時，降雨衰減差不多是由吸收引起的，而當(dāng)雨滴直徑增加或者波長較短時，散射引起的衰減較大。雨衰的大小取決于雨滴的直徑和電磁波的波長，當(dāng)電磁波的波長和雨滴直徑越接近時衰減越大，一般情況下（比如中短波）電磁波的波長遠大于雨滴的直徑，故衰減很小，C波段信號受雨衰的影響也可以忽略。對于10GHZ以上的電磁波，雨衰的影響就明顯了，在鏈路計算中必須考慮雨衰的影響。頻率越高雨衰的影響越大，而大雨和暴雨對電磁波的衰減又要比小雨大得多。
為了保證高工作頻段衛(wèi)星系統(tǒng)的可用度，對于接收站來說，提高可用度的方法是采用更大口徑的接收天線和使用更低噪聲功率的LNA。新技術(shù)的使用使通用型LNA的噪聲系數(shù)已經(jīng)很小，所以目前都是增大天線口徑來提高可用度，尤其是在多雨區(qū)和低仰角地區(qū)需更大的天線。而在上行站，除加大發(fā)射機功率、采用高效糾錯編碼、站址分集技術(shù)外，還需要采取上行功率控制手段，以便自動補償或消除在衛(wèi)星上行鏈路出現(xiàn)的雨、霧、云、雪等對上行信號的衰減作用，使轉(zhuǎn)發(fā)器在降雨情況下仍保持飽和或最大功率狀態(tài)。
因此對于高頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，上行功率控制是必不可少的，而其手段就是在衛(wèi)星上行站加入UPC（Up-link Power control）。UPC系統(tǒng)（Uplink Power Control System）是專為靜止衛(wèi)星通信系統(tǒng)而設(shè)置的。能夠在衛(wèi)星地面站的上行端提供自動的EIRP的調(diào)整，以補償在傳播過程中由于雨、雪等造成的衰落影響，使得在收端接收的ERIP能保持在典型值的+1.5dB左右。如下所示即在衛(wèi)星地面站UPC所處的位置圖。
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兩種，一種是利用天線接收下來的衛(wèi)星信標(biāo)強度的變化來控制上行功率控制器中頻單元的增益或衰減量，從而相應(yīng)地改變上變頻器的中頻輸入電平，自動增加或降低高功放輸出功率。該方法會受到衛(wèi)星信標(biāo)穩(wěn)定性的影響，也會受到下行鏈路穩(wěn)定性的影響，環(huán)節(jié)較多，控制精度和可靠性一般。采用該方法時，信標(biāo)接收機和功率控制器斜率的調(diào)整是關(guān)鍵，即通過精確測量和調(diào)整要使信標(biāo)接收機的斜率值V/dB與功率控制器控制單元設(shè)定的斜率數(shù)值dB/V一致，這樣才能保證正確的上行功率控制。另一種較好的功率控制方法是通過直接測量上行鏈路大氣噪聲溫度來實現(xiàn)的。該方法使用單獨的小口徑天線對準(zhǔn)所使用的衛(wèi)星，利用位于天線焦點處的噪聲溫度測量計獲得衛(wèi)星上行鏈路的噪聲溫度值，該數(shù)值送入功率控制器控制單元通過計算得到上行鏈路的衰減數(shù)值，以此衰減數(shù)值控制中頻單元增益，從而自動控制高功放輸出功率。該方法需在晴天時對功率控制系統(tǒng)進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后控制精度很高，運行可靠性也很好，且在出現(xiàn)日凌等特殊情況時可自動保護，有效地防止不適當(dāng)?shù)墓β侍嵘?div style="height:15px;">
在我們通常應(yīng)用的設(shè)備中,一般采用了第一種方法。以下是一個典型單信道UPC系統(tǒng)方框圖：
對于一個UPC而言可以同時監(jiān)測兩個下行信號，這個信號可以是衛(wèi)星的信標(biāo)信號，或是一個通過衛(wèi)星環(huán)回的載波信號，也可以是二者并存。用戶通過衛(wèi)星接收機給UPC輸入一個隨著下行信號強弱而變化的一個DC電壓值，輸入信號電壓可以選擇在0—10V或-10---0V。由于衛(wèi)星接收機接收的上下行載波都是出自同一個地球站，它們所處的電磁波環(huán)境也是相同的,則下行信號強弱的變化可以隨時被監(jiān)測到。那么大氣對上行信號的影響就可以計算出來并加以校正。
在UPC內(nèi)部，是利用可變衰減器來調(diào)整上行信號的大小。通常在UPC內(nèi)部可以配備10個衰減信道，每個信道都可以提供0--20dB的補償，當(dāng)衰減器發(fā)生故障，上行中頻信號可以倒換至固定衰減狀態(tài),而不至造成信號的中斷。
在UPC進行工作之前，必須要對其進行初始化，這時每個接收機的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)都要被設(shè)定。這個校準(zhǔn)數(shù)據(jù)是同接收機的輸出電壓相關(guān)聯(lián)的。晴天條件是用戶必須選擇的一個校準(zhǔn)點，它能體現(xiàn)在最小大氣衰減的情況下下行信號的大小，則此時這個下行信號就作為晴天條件下的參考，UPC反映出的下行信號的大小就是0dB，當(dāng)收到的輸出電壓反映信號強度降低，那么UPC將會給出一個負值。比如：下行信號降低3dB，那么UPC就會反映出信號強度為-3dB，如果天氣狀況發(fā)生變化，UPC收到的輸出電壓反映出下行信號比晴天條件下增大，那UPC就會反給出一個正值。
3、上行功率校正的算法
為保證UPC系統(tǒng)正常的工作，還要對上行功率校正的算法加以確定，那么中頻輸入的功率電平就會根據(jù)天氣狀況的不同被不同的衰減器所改變。依照實際應(yīng)用以及下行信號的來源，上行功率的校正算法可以選擇以下三種中的任何一種：開環(huán)算法、閉環(huán)算法和對比算法。每一個算法都是在測量的下行信號大小的基礎(chǔ)上來確定的?，F(xiàn)分別表述如下：
3.1．開環(huán)算法
它是采用了一個環(huán)路的修正方法。即提供的上行功率校正不會影響到測量的下行信號的大小，下行信號的測量結(jié)果是一個平均值并且每隔一個取樣周期記錄一次。
用戶可以根據(jù)需要選擇一個取樣周期，其范圍是從1—10秒，步級為0.1秒。在這個取樣周期內(nèi)測量的下行信號在給每個衰減信道提供校正前，通過一系列數(shù)值的平均，其變化就比較平滑。
上行功率校正是建立在下行信號的變化和上行的頻率關(guān)系以及下行頻率帶寬的基礎(chǔ)上。開環(huán)的測量方法是利用了上行功率比與下行信號大小之間的關(guān)系，ITU根據(jù)各地的氣候情況制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)氣候帶,則這一地區(qū)的上行信道功率比是確定的。按下面方法，就可以得到確定的上行功率校正值。
上行信道功率比=上行功率校正（dB）/ 下行信號的大小（dB）
上行功率校正（dB）=下行信號大小*上行信道功率比
信道衰減(dB)=晴天衰減值（dB）+上行功率校正（dB）
3.2.閉環(huán)算法
這種算法是采用閉環(huán)的校正方法。在同一個衛(wèi)星地面站一個載波通過上行鏈路發(fā)射并通過衛(wèi)星環(huán)回至接收機。因為是閉環(huán)，載波在上行中已經(jīng)通過衰減信道的上行功率校正，在下行測量到的這個信號又經(jīng)過了兩次的空間衰落影響，最終的結(jié)果是上下行信號的一個合成。雖然上下行信號通過同一個大氣層，但上下行信號的頻率是不同的，所以在下行測量到的信號中它的組成是不同的。因而上行功率的校正值決定于下行信號的大小同時還有上下行信號的頻率。根據(jù)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：一分鐘內(nèi)的上行信道功率比
U+D=1因此D=1-U
Rcs晴天條件下下行信號的強度（0dB）
Rdss下行信號的大小
N是衰減信道數(shù)量
Acsn晴天條件下選擇的衰減信道
An是通過選擇衰減器信道時衰減值
Cn是被選擇的衰減信道的上行功率校正值
每一個上行鏈路的調(diào)整,其接收電平都不是實時被測量的，而是在用戶設(shè)定的時間間隔期內(nèi)測量的，這個期限可以設(shè)置的范圍是0.3—3.0秒，以0.1秒為步級。為了算法的有效性，這個時間間隔必須與載波環(huán)回的時間相當(dāng)或是超過載波的環(huán)回傳播時間。當(dāng)這一時間過去后，才進行下一個采樣時間。
3.3.比較算法
這個算法比前面兩種算法都有更大的優(yōu)越性。當(dāng)上行鏈路倒換時，中頻到射頻的增益會發(fā)生變化，而這點常常會被忽略。開環(huán)和閉環(huán)算法用了一個常數(shù)去表示上下行鏈路中電磁波在大氣中的傳播影響，而事實上由于降雨和自然的沉淀（突變）對電磁波造成的影響是遠遠不能以一個常數(shù)來衡量的。如果采用比較算法時就可以消除這樣的誤差。比較算法是用于一個信標(biāo)電平和一個環(huán)回載波同時被監(jiān)測的情況下，由于是在兩個開環(huán)的情況下進行的，這樣環(huán)回的載波不經(jīng)校正直接發(fā)射，而信標(biāo)信號僅受制于下行信號，環(huán)回載波不論在上行還是在下行鏈路中都會受到影響。這樣兩種情況在下行信號的大小造成的結(jié)果是不同的，利用這種結(jié)果上的差異對上行功率進行控制。
4、上行功率控制器的設(shè)置及操作
目前在我局烏魯木齊衛(wèi)星地面站使用的KU頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，均采用了上行功率控制器，其參數(shù)和模式的設(shè)置都可以方便的從前面板或是通過計算機來完成，而且每一個上行功率控制器中都有不同的衰減器可以給不同的上行路線提供上行功率自動校正。
下面就烏魯木齊衛(wèi)星地面站的KU IDR系統(tǒng)和農(nóng)話VSAT系統(tǒng)中使用的MITEQ TECHNICAL MOTE 25TO29型UPLINK POWER CONTROL SYSTEM 為例,對設(shè)備的實際應(yīng)用作一說明。
這一型號的UPC在設(shè)備面板上有五個總的按鍵分別代表了以下五個主菜單，分別說明如下：
a.LOG SCREEN：對于UPC單元的重大事件作記錄顯示，用戶可以根據(jù)此項菜單查看相應(yīng)的重大歷史事件，如接收機的狀態(tài)變化及UPC自身參數(shù)的變化等。
b.HISTORY SCREEN：將每五分鐘測量到的下行信號的大小用曲線的形式表現(xiàn)，交保留最近24時的記錄結(jié)果，同時顯現(xiàn)當(dāng)時的測量值。
c.LEVEL SCREEN：以比例圖形式實時指示每個接收機接收到的信號值，每個衰減器信道的工作模式，提供的衰減數(shù)值，以及晴天的衰減設(shè)置。
d.STATUS SCREEN：提供整個UPC系統(tǒng)的電源狀態(tài)顯示，包括接收機以及各衰減器信道的電源狀態(tài)是否正常。
e. SETUP SCREEN：主要是完設(shè)備初始化時時的數(shù)據(jù)輸入和對UPC的維護內(nèi)區(qū)小事容，包括系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)、置接收機輸入?yún)?shù)的設(shè)置、衰減器配置設(shè)置等。
4.1上行功率控制器的參數(shù)設(shè)置
為保證上行功率控制器的良好工作狀態(tài)，在使用前要對UPC進行系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，設(shè)置步驟如下：
a.要設(shè)置正確的日期和時間，以保證系統(tǒng)記錄的良好運行；
b. 設(shè)置上行功率控制器的校正算法；
c. 接收機的設(shè)置和數(shù)據(jù)校正；
d.衰減信道的配置；
e. 遙控參數(shù)的設(shè)置。
以上所有的設(shè)置都可以通過前面板或是遠端計算機進行設(shè)置。下圖就是其典型的一個參數(shù)設(shè)置子屏：
從中可以看出在此設(shè)置菜單中，包含了SYSTEM SETTINGS（系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置）、RECEIVER A INPUT（接收機A輸入設(shè)置）、RECEIVER A CALIBRATION（接收機A校正設(shè)置）、ATTENUATOR CONFIGURATION（衰減器模式設(shè)置）、ATTENUATOR CONSTANTS（衰減器參數(shù)設(shè)置）等子菜單。
通過相應(yīng)的按鍵，對不同子屏下的的參數(shù)進行設(shè)置，但在參數(shù)設(shè)置時要注意以下幾點：
a.空閑時間的設(shè)置只有在閉環(huán)算法中才有；
b.只有選擇了閉環(huán)算法才有閉環(huán)回饋信道。
4.1.1接收機輸入設(shè)置及校正:接收機A或B的輸入設(shè)置，是指對接收機的模式設(shè)置和輸入電壓的校正設(shè)置。其中接收的信號強度和與之相對應(yīng)的接收機輸入電壓之間的關(guān)系以一個圖表的形式來表現(xiàn)。我們知道從接收機AUX ANALOG口輸出的電壓代表了信號的實時的強度和變化，當(dāng)此優(yōu)良品種接入UPCRG ，這個電壓則會被被測量并實時的顯示出其數(shù)值，電壓值的范圍是0—10V或是-10V—0， 它可以校正的范圍是30dB。校正的點可以設(shè)置從最小到最大，30dB范圍內(nèi)一系列的點，而這31個點都可以作為晴天條件，在設(shè)備初始過程中，一般建議這31個點都要被一一校正，在我們實際應(yīng)用的過程中，因設(shè)備在出廠時已經(jīng)過校正，所以在我們使用時只需校正部分主要的點，校準(zhǔn)過的數(shù)據(jù)在圖中會以點的形式存在，晴天條件在圖中以”x”的形式顯示。所有這些點在排列關(guān)系上，相當(dāng)于是一個一次函數(shù)曲線上的點。
4.1.2如何建立一個新的接收機曲線
在UPC工作中，最關(guān)鍵的就是建立接收機校正曲線，一旦這個曲線被建立，各衰減信道就會按此關(guān)系自動的對信號進行補償，因為這一曲線代表了接收機收到的衛(wèi)星信號和衰減器校正值之間的關(guān)系。當(dāng)建立一個新的校正曲線時，現(xiàn)存的數(shù)據(jù)都會被刪除。要建立一個新的接收機校正曲步驟如下：
a. 先將安裝和接收機相對應(yīng)的30dB的步進衰減器信道板，我們這個設(shè)備可以安裝十塊信道板；
b.進入VOLTAGE RANGE AND CLEAR DATA（電壓范圍和晴天數(shù)據(jù)）子屏幕，會出現(xiàn)如下提示：選擇電壓范圍會清除以前存在的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
c.調(diào)節(jié)右邊的旋紐，選擇所需要的電壓范圍，我們一般要求的電壓范圍是0—10V。
d. 按ENTER鍵，則新的數(shù)據(jù)被存儲。這是指針將會停在最大下行信號大小的位置上。
e.如果同指針位置接收機輸入電壓不知道，則其必須要測量并存儲。根據(jù)測量到的信號的大小以及設(shè)定的算法（我們所用設(shè)備采用的是開環(huán)算法），得出衰減值，使上行信號達到標(biāo)準(zhǔn)的EIRP。
f.按STORE MEASURED VOLTAGE NOW 子屏開始測量輸入電壓，并顯示出相應(yīng)的時間，同時結(jié)果被存儲，指針會移到下一個位置。
g. 這樣反復(fù)幾次，各點的輸入電壓對應(yīng)的衰減器的值會一一被測量并存儲，從而取得一個新的接收機的校準(zhǔn)曲線。
算法中個別數(shù)值的取定如下：
a. POWER RATIO：在開環(huán)模式下，衰減器信道的功率比可以設(shè)置的范圍在
0.1—9.9，一般情況下取1.6。
在閉環(huán)模式下，衰減器信道的功率比可以設(shè)置的范圍是0.01—0.99，一般情況下取0.65。
在比較算法時，衰減器信道的功率比固定在1.0而不能改變。
b. CLEAR SKY：范圍是0.2—20dB,缺省是20dB。
c. MAXIMUM STEP SIZE：范圍是0.2—20dB,缺省是1.0dB。
4.1.3 接收機的模式:可以在相應(yīng)的子屏下，選擇適當(dāng)?shù)慕邮諜C模式即ACTIVE 、OFF、STANDBY。
4.1.4衰減器信道的結(jié)構(gòu)設(shè)置：在這里確定用戶選擇的上行功率校正的算法是否控制每一個信道，同時還顯示出每個信道提供的上行功率校正值。
4.1.5衰減器信道的模式：其模式就是AUTOMATIC和MANUAL兩種，如果在MANUAL方式下，其信道衰減值不會改變，除非人為。如果將信道設(shè)置在off-line下，信道將會自動倒至fail-path通道。
5、上行功率控制器運用中應(yīng)注意的事項
通過在我們實際維護工作中的經(jīng)驗，對于UPC在日常的使用及維護工作中要注意以下幾點：
a.在UPC安裝使用時要注意根據(jù)具體的鏈路計算來設(shè)置UPC的參數(shù)，來是確定接收曲線。
b.在我們維護過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)由于晴天條件的衰減器設(shè)置在最大值，當(dāng)衰減器設(shè)定在自動時仍會在某些時段，雖然天氣并沒有什么變化，但上行信號的大小卻發(fā)生了變化，這時我們要根據(jù)實際需要來人為的調(diào)節(jié)衰減器的大小，保證正常的上行EIRP。比如我們現(xiàn)用的KU試驗站的信標(biāo)接收機故障返修，不能提供下行信號的大小，此時我們就可以用人工的方式，根據(jù)鏈路需要人為設(shè)置衰減值或是采用直通的方式，將UPC旁路。
c. POWER RATIO是一個由國際衛(wèi)星組織根據(jù)各地區(qū)的氣候差異設(shè)定的一個常數(shù)，新疆地區(qū)設(shè)在1.6。
d.HPA的標(biāo)稱值要經(jīng)過鏈路計算，并留有一定的冗余度。標(biāo)稱的EIRP要包含根據(jù)ITU的氣候帶給定的標(biāo)準(zhǔn)傳播冗余，UPC意味著只提供條件冗余。
e.如果地面站的旁瓣性能和極化性能不符合指標(biāo)，不允許使用任何形式的UPC。
f. UPC操作范圍要最好控制在6dB左右，以保證上行鏈路信號的持續(xù)穩(wěn)定性，及上行設(shè)備的輸入在正常的工作范圍。
結(jié)束語
從以上述各闡述中，大家不難發(fā)現(xiàn)都只是提到上行功率的控制，而在實際應(yīng)用過程中，對于同一個站而言上下行信號所經(jīng)的傳播途徑是完全相同的，僅提到在下行加大設(shè)備自身的性能來減少雨衰對信號的影響，但設(shè)備自身性能的完善也有其局限性和一個階段的終止性，所以為防止雨衰對下行信號的影響，除提高設(shè)備性能外是否還有其它的技術(shù)手段呢？同樣UPC也有其自身的缺陷，它只是一種減小雨衰對信號影響的補充手段，并不能夠基本上或是完全消除雨衰的影響，隨著頻段的不斷提高，雨衰的影響也越加趨于增大，如何真正消除雨衰對衛(wèi)星通道中信號的影響，仍將是我們不斷研究的一個課題。
相信隨著現(xiàn)代通信科技的發(fā)展，衛(wèi)星通信領(lǐng)域中新的技術(shù)和手段將會不斷涌現(xiàn)，從而繼續(xù)完善衛(wèi)星通信體系，衛(wèi)星通信的高頻化將為時不遠。
