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频谱分析仪在移动卫星通信中的应用

杨继荣 山西广播电视台技术中心外转部
摘要：随着移动卫星通信在广播电视系统的广泛应用，卫星频率资源的使用与保护日显重要，本文从频谱分析仪在卫星通信中的应用以及如何正确使用频谱分析仪寻星调整移动式卫星地球站（车载式或便携式）及极化角度进行分析介绍。
目的在使用卫星频率资源时能够减少不必要的相互干扰与浪费。
关键词：移动卫星通信 频谱分析仪 载波 极化角 交叉极化 卫星频率资源
卫星通信是将高悬在太空的人造地球卫星作为无线电波传播的中继站，以实现更远距离的通信。目前使用的卫星都是透明转发式的，即将从地面接收的无线电信号经过简单的放大和频率变换后直接发回地面。这就表示只要有相应频段的发射设备和足够的功率，无论何时何地，只要是卫星能覆盖到的地方，都可以不受限制地将信号发向卫星。这也是卫星通信受到干扰的原因之一。此文中所指的卫星通信是同步轨道卫星通信。即卫星分布在赤道上空36000千米的圆形轨道上。从地面上某个位置看某一颗同步轨道卫星，卫星是静止不动的（短期）。
随着移动卫星通信在广播电视系统的广泛应用，卫星频率资源的使用与保护日显重要。根据多年的工作实践，认识到频谱分析仪在移动卫星通信中对频率的正确使用与保护有很重要的作用。下面从频谱分析仪在卫星通信中的应用以及如何正确使用频谱分析仪调整地球站极化角进行分析介绍。
一、频谱分析仪在移动卫星通信中的应用
1、寻星过程中频谱分析仪的作用固定卫星地球站，卫星天线安装后，对准一颗常用卫星，不会经常调整。而对于移动式的卫星地球站（车载式或便携式），每次使用都必需首先完成寻星工作，才能进行业务传送。
在寻星过程中，是否找到需要的卫星是关健一步。如何确定找到需要的卫星呢，最好的方法就是使用频谱分析仪检查接收到的卫星的信标频率和电平。每颗卫星在不同的极化方式下都有各自独有的信标频率，频谱分析仪能在频域上实时看到天线接收到的信号的频谱分布情况。
使用卫星接收机接收某一已知的电视载波是一种手段，但是否有固定常发的电视载波，载波参数有无变化，都不是随时可以知道的。即便有已知的电视载波，只有天线基本对上卫星的情况下才能收到信号，如果收不到信号，就会失去参考意义，根本无法知道天线应该往哪个方向转。完全凭经验操作。
使用信标接收机接收卫星信标信号完成天线自动寻星，正常情况下没有问题，一旦寻星失败，会出现使用卫星接收机寻星同样的问题。
有了频谱分析仪可以实时观察接收的卫星频谱，就像是有了眼睛一样，可以看到接收到的信号状态，只要稍微有一点点信号出现，就可即时捕捉，判断是否找到了需要的卫星。再将天线调整到最佳位置。因此不论采用何种寻星方式，都离不开频谱分析仪的确认。
2、极化角校准测试
为了了解极化角校准的过程，首先简单介绍一下极化的概念。
极化：电磁波传播时，电场矢量的振动总是维持其特定的方向，这种现象称为极化，它反映了电磁波电场强度E的取向与幅值随时间变化的性质。
圆极化：在每一周期内，合成电场矢量的端点在一个圆周上且以角速度ω旋转，这种电磁波就是圆极化波。电场的水平分量与垂直分量大小相等，相位相差900或2700。根据电场矢量变化旋转的方向分为左旋圆极化和右旋圆极化。
线极化：在电磁波传播方向上的任意一点，合成电场矢量的取向始终位于同一条直线上，这种电磁波就是线极化波。线极化波电场的水平分量与垂直分量相位相同或相差1800。根据电场矢量变化的方向分为水平极化和垂直极化。
水平极化：将合成电场平行于地面的波叫水平极化波卫星通信中线极化波的定义与地面有所不同。
卫星垂直极化：电场方向与地球自转轴和卫星自转轴(或Ｙ轴)所确定的平面相平行的线极化波为垂直极化波
卫星水平极化：电场方向与地球自转轴和卫星自转轴(如果是三轴稳定的卫星,则为与地球自转轴平行的Ｙ轴)所确定的平面相垂直的线极化波为水平极化波
圆极化方式寻星时不存在极化调整的问题，极化方式是由在圆形馈源上正交位置分别开孔以耦合对应于左旋圆极化或右旋圆极化信号。馈源安装时要标记好哪个口是左旋口，哪个口是右旋口。
垂直极化：将合成电场垂直于地面的波叫垂直极化波
从上图可以看出，线极化方式，在不同的地理位置，使用定位经度不同的卫星，每次寻星时都要调整极化角的方向。使得地球站天线的极化方向与卫星的极化方向一致。否则就会造成极化干扰。
以上图为例：标注的地球站天线要想与标注的卫星极化一致，必须将地球站天线的极化角顺时针旋转。经常遇到这样的情况，固定天线安装时，接收常发电视载波信号质量很好，但接收卫星转播车信号时，接收机不能锁定，而卫星车接收信号正常。此时用频谱分析仪检查，固定接收站的交叉极化抑制度很低，正交极化的信号已经落在主极化信号上，造成极化干扰，调整好极化角后，信号就正常了。如果接收信号的频率点上，正交极化无信号，则对接收信号质量没有明显影响。
理想状态下，水平极化与垂直极化永远是正交的。
但实际上，有用信号为水平极化（或垂直极化），但在垂直极化（或水平极化）上也有信号辐射。
交叉极化抑制度：主极化上辐射的信号与正交极化上辐射的信号强度之比。
使用频谱分析仪分别测量主极化信号和正交极化信号，即可获得天线的交叉极化抑制度。
后面会详细介绍如何使用频谱分析仪测量接收天线的交叉极化抑制度。
3、发射载波频率确认
一般来说卫星公司分配给用户的卫星频率资源应该是可用的，但也有例外。因此在发送载波到卫星前，应检查接收的卫星频谱，确认分配的频点上有无其它信号。如发现该频点上有信号或干扰，及时与卫星公司联系，更换频率，以免影响业务传送。
另一[来自www.lW]方面，确认频率可用后，发送载波时要即时观察接收卫星频谱，确认发送的载波在正确频率处出现，否则要立即关闭发送的载波，检查设备参数是否有误，以免影响其它用户的业务。造成不必要的干扰。
4、故障判断
如果在系统使用过程中，发现问题。可借助频谱分析仪分析故障。
天线自动寻星失败。用频谱分析仪检查接收卫星频谱，同时转动天线，可实时观察接收频谱状态，确认寻星失败原因，并手动完成寻星。
载波发送后，收不到发送的信号。用频谱分析仪检查接收的卫星频谱，看对应载波的幅度是否能达到接收需求。如果幅度偏低，可适当提升发射功率。如果幅度不低，要检查发射与接收设备参数设置是否一致，一定要逐项检查，任何一项不同，都有可能造成接收机不能正常接收。
二、使用频谱分析仪调整地球站极化角
在前面已经提到，如果卫星极化方式为线极化，每次寻星时都要调整极化角。根据选择的卫星和移动地球站所处位置的经纬度可以计算出极化角度数。如果天线控制器带有自动寻星用的GPS和电子罗盘，天线控制器可以自动算出极化角度，并将天线驱动到计算的位置。否则需要人工计算极化角度，并手动将极化角凋整到计算的位置。
计算的极化[来自Www.lw5u.Com]角由于计算误差和大气有去极化作用，并不一定是最佳角度，因此，按计算角度调整好极化角后，还需用频谱分析仪仔细调整极化角，以达到最佳效果。调整过程如下：
首先将极化角调整到计算的位置，用频谱分析仪测量主极化信标信号电平并记录电平值。再将频谱分析仪中心频率设置到交叉极化信标频率处，检查能否在频谱分析仪上看到信号（此时注意，交叉极化信标信号非常低，要逐渐减小分辨带宽，直到发现信号）。
分辨带宽的降低会增加扫描时间，可适当降低SPAN值，以减少扫描时间。受LNB的本振频率稳定度影响，分辨带宽和SPAN不断降低，就会发现信号会在显示屏的漂移。使用频谱分析仪的光标（MARK）功能不断跟踪信号，使用其显示在屏幕的中间。降低分辨带宽，直到噪声基线电平低于主极化信标电平35dB以上。
向某一方向转动极化角，同时观察交叉极化信标信号是增大还是减小，如果增大了，向反方向转动极化角，如果减小了，继续向相同方向转动极化角。直到交叉极化信标信号淹没在噪声下。
如果极化角是电机控制的，并有角度显示，可以将极化角向某一方向转动，记录极化角度值和信标电平值，再将极化角向另一方向转动，直到信标电平值与记录相同，记录此时的极化角度值。最后将极化角置于两次角度的中间。再用频谱仪交叉极化的信标电平，与主极化信标电平比较，即可得知交叉极化抑制度（前提是卫星两个极化的信标下行EIRP是一致的）。
极化角度调整的不准确，对主极化信号电平影响很小。假设主极化波为sin（θ），交叉极化波为COS(θ)。当θ等于90度时，交叉极化抑制度为无限大，下表中红色数字区。这是理想状况，是不可能实现的。随着极化角误差的加大，主极化波电平变化非常缓慢，而交叉极化波的电平快速增大，交叉极化抑制度极速恶化。

从下表可以看出要达到30dB的交叉极化抑制度，极化角误差只有2度，下表中兰色数字区。当极化角误差达到45度时，交叉极化抑制度最差，主极化与交叉极化信号相等，下表中黄色数字区。
结论：通过上述分析，地球站极化角调整的重要性就非常清楚了。如果极化角度调整的不准确，就会造成交叉极化干扰，对交叉极化转发器的使用造成很大影响，直至完全不能使用。
结束语：
频谱分析仪在移动卫星通信中的正确使用，能指导我们，使我们的工作完成的更快捷准确。在使用卫星频率资源时能够减少不必要的相互干扰与浪费。

-全文完-