卫星通信中的干扰及其在链路预算中的影响-互调干扰

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卫星通信中的干扰及其在链路预算中的影响-互调干扰

在卫星通信中存在的主要干扰类型包括：

邻星干扰
互调干扰
交叉极化干扰
邻道干扰

在上一章节卫星通信中的邻星干扰及其在链路预算中的影响中，我们介绍了邻星干扰的以下内容：

什么是邻星干扰？为什么会出现邻星干扰？
邻极干扰对地面站天线旁瓣抑制的要求；
卫星通信链路预算中如何考虑邻星干扰的影响；
工程上，在链路预算中这些干扰如何计算，以及如何影响链路性能。

今天我们介绍卫星通信中的：互调干扰

一、什么是互调干扰？

1.1 互调干扰的定义

互调干扰（Intermodulation Interference）是指当两个或多个不同频率的信号通过一个非线性器件（例如常见的功率放大器）时，由于该器件的非线性特性，功放输出会产生原始信号频率之外的频率分量。如果这些新产生的频率分量落入有用的通信频带内，就会对正常信号造成干扰，这种干扰就是互调干扰。

通过互调干扰的定义，我们可以看出：

互调干扰是由非线性器件产生的，在卫星通信中，最典型的非线性器件是卫星转发器上的行波管放大器（TWT）或固态功率放大器（SSPA）。
除了原来的频率分量之外，非线性器件输出出现了新的频率分量——互调信号。
当新产生的互调信号的频率落入正常通信的信道内，就对正常通信产生了干扰。

1.2 互调干扰产生原理

互调干扰的产生可以分解为以下几个步骤：

多载波共用功率放大器

在卫星通信中，卫星转发器的带宽一般是几十MHz（例如：36MHz、54MHz、72MHz等）。为了提高转发器的利用效率，通常采用频分多址技术，即多个地面站同时向这个转发器发射不同频率的信号（载波）。每个载波占用一定的带宽，载波和载波之间预留一定的保护带宽，如下图所示。我们在卫星通信链路预算之二：带宽和功带平衡中介绍过相关内容。

功放工作在非线性区

来自不同地面站的多个载极信号到达卫星之后，在卫星上被一个共用的大功率放大器（HPA、TWT）进行放大，然后再转发回地面。为了获得最大的下行功率和最高的工作效率，卫星运营商倾向于让HPA工作在接近饱和的状态。然而，HPA（特别是TWT）在接近饱和区时，其输入-输出特性会呈现严重的非线性。

互调信号的数学解释

当功放工作在非线性区域时，我们可以用泰勒级数展开描述功放的输入-输出关系：

输出电压 = a₁ × 输入电压 + a₂ × 输入电压² + a₃ × 输入电压³ + …

其中输入电压是输入信号，输出电压是输出信号，a₁, a₂, a₃ 是系数。

a₁ × 输入电压项是线性放大，是我们想要的。

a₂ × 输入电压² 项产生二阶产物。

a₃ × 输入电压³ 项产生三阶产物。

我们用最简单的例子来说明：如果有两个信号f1和f2同时经过功率放大器，两个信号的频率分别是f₁和f₂。

二阶互调产物，f1+f2和f1-f2通常离 f₁ 和 f₂ 很远，很容易被滤波器滤除。

当它们通过 a₃ × 输入电压³ 项时，会产生 3f₁, 3f₂, 2f₁+f₂, 2f₂+f₁，以及2f₁-f₂ 和 2f₂-f₁。其中3f₁, 3f₂, 2f₁+f₂, 2f₂+f₁这几个信号距离 f₁ 和 f₂ 非常远，很容易被滤波器滤除。

剩余的两个信号（2f₁-f₂，f₁-2f₂）通常落在通信频带内，是主要干扰源，就是我们最关注的三阶互调产物，也是对卫星通信影响最大的互调干扰。

干扰形成

互调干扰主要出现在 2f₁-f₂ 和 2f₂-f₁ 这两个三阶互调产物上。如果 f₁ 和 f₂ 频率靠得很近，这两个新产生的互调信号也会离原始信号（f1, f2）很近，三阶交调信号落在了其他合法信号的信道内，无法通过滤波器把干扰滤出，从而形成严重的互调干扰。

1.3 互调干扰举例

举例说明1：有2个载波的场景

假设一个卫星C波段转发器（带宽36MHz）上有两个主要载波：

载波A ( f₁ )：频率为 6100 MHz
载波B ( f₂ )：频率为 6105 MHz

当这两个信号通过卫星的功放HPA时，会产生三阶互调产物：

IM3产物1 ( 2f₁ - f₂ )：2 × 6100 - 6105 = 6095 MHz
IM3产物2 ( 2f₂ - f₁ )：2 × 6105 - 6100 = 6110 MHz

如果有一个载波C被分配在 6095 MHz 或 6110 MHz，那么它将受到来自A和B混合产生的互调干扰，导致其信噪比（C/N）下降，通信质量变差甚至中断。

举例说明2：有3个载波的场景

假设我们有Ku频段内有三个等间距的信号，其中f₀=14.2GHz：

f₁ = f₀ + 100 MHz
f₂ = f₀ + 110 MHz
f₃ = f₀ + 120 MHz

我们只计算其中的三音互调产物（f₁ + f₂ - f₃）：

计算 f₁ + f₃ - f₂：
(f₀+100 MHz) + (f₀+120 MHz) - (f₀+110 MHz) = f₀ + 110 MHz

计算出的互调产物频率(f₀+110 MHz)正好等于 f₂ 的频率，将对信号f₂造成严重干扰。

工程上的解决方案

输入回退和输出回退

工程师在进行链路预算时，为了使互调干扰（IM）降低到可接受的水平，卫星上的功放（例如HPA）必须工作在线性区。为了保证这点，功放应在饱和输入输出功率的基础上回退一定的功率。这就是输入回退（Input Back-Off, IBO） 和输出回退（Output Back-Off, OBO）。

通过将功放HPA的工作点从饱和区"退回"到更接近线性的区域，三阶互调产物的电平会急剧下降。

根据国际电信联盟ITU的建议，在工程上进行链路预算时，输入回退一般取值5~6dB，而输出回退取值3dB左右。通过输入回退控制地面站的发射EIRP，从而降低到达卫星的信号功率，确保卫星转发器远离饱和区域。

有关输入回退和输出回退的内容，我们在卫星通信链路预算之五：输入回退和卫星通信链路预算之六：输出回退中对输出回退专门做过介绍。

输出回退

入网测试

卫星运营商将转发器（例如36MHz）分割成很多小块，出租给不同的客户。如果客户A发射的信号在转发器上产生了互调产物，可能会干扰同一个转发器上的客户B、C、D的信号。为了避免这种情况，运营商会制定具体的设备入网技术标准，针对地面站功放的非线性指标提出强制要求，不满足线性要求的功放无法获得入网许可。

中国卫通的入网标准明确规定，当地面站的功放同时发送两个等功率载波（模拟多载波）且工作在额定功率（或指定回退点）时，其产生的三阶互调产物（IM3）电平必须低于主载波的 -25 dBc（这是一个非常典型的行业数据）。

Intelsat明确要求，对于多载波运行，HPA（或BUC）在指定工作极（如额定输出功率或3dB OBO）下，用双音信号测试时，三阶互调产物（IM3）通常必须优于 -26 dBc。

下面是某C频段BUC的技术指标：

C频段BUC交调产物技术指标

下面是某Ku频段25W的BUC的互调参数：

Ku频段三阶互调参数

链路预算中怎么考虑

在链路预算中，互调干扰对系统的影响用载波互调比（C/I_IM）来表示：所需载波的功率（C）与落入其带宽内的互调产物（IM）功率之比。这是衡量互调干扰影响的直接指标，单位是dB。

在工程上，互调干扰分为上行互调干扰和下行互调干扰。

C/I_IM,up（上行载波互调干扰比）：地面站上行有用载波功率（C）与地面站BUC/HPA产生的、并随之上行到卫星的互调干扰（I_IM,up）之间的比值。

C/I_IM,down（下行载波互调干扰比）：卫星下行有用载波功率（C）与卫星TWT/SSPA产生的、并随之下行到地面的互调干扰（I_IM,down）之间的比值。

上行链路互调干扰

上行互调干扰是由地面站的功放产生的。

多个调制解调器经过合路器之后输出给功放BUC，或者

多个调制解调器合路输出给BUC

单个调制解调器工作在多载波模式下（例如MF-TDMA或MCPC模式），多个载波信号在数字域合成为1路，用1个射频输出接口同时发射多个载波信号，输出给功放BUC。

调制解调器输出多载波信号给BUC

经过一个共用的地面站功放放大，就一定会产生互调干扰。
这些互调干扰产物作为干扰信号被发射到卫星，直接抬高上行链路的"底噪"，导致上行载波噪声干扰比 C/(N+I)_up 下降。

举例说明：

卫通中心站使用一个调制解调器，需要通过1个BUC同时向10个远程小站发送10个不同频率的载波（MCPC模式），总功率是50W。

如果工程师选择了一个50W的BUC，10个载波被送入这个50极的BUC进行放大，该BUC会工作在中度饱和区，产生极其严重的互调干扰。

此时应该做的是重新选择一个功率冗余的BUC，例如考虑输出回退OBO=6dB，选择200W的BUC，只让它工作在50W，保证多个载波进入BUC之后，仍然能够工作在线性区。

如果地面调制解调器工作在SCPC模式，单载波模式下，只有1个载波信号通过地面的BUC，只要信号在BUC的线性区域内，在链路预算时，可以不考虑上行链路交调干扰的问题。

下行链路互调干扰

**下行互调干扰是由卫星上的功放产生的。**来自不同地面站的信号经过共用的转发器之后产生的互调产物。这些互调干扰产物作为干扰信号被转发回地面，导致下行载波噪声干扰比 C/(N+I)_down 降低。

这个前面已经讨论过了。

链路预算中的交调干扰取值

1. 上行 C/I_IM,up 的取值方法

取值步骤如下：

确定总上行功率（P_out, total）：

计算地面站需要发射的总功率。如果是多载波，这是所有载波的功率线性相加之和。例如，需要同时发10个载波，每个1W，则P_out, total = 10 W。

**选择BUC并确定OBO：**例如选择了一台额定（饱和）功率为 P_sat =40W的BUC。
计算OBO： OBO = 10 log10 (P_sat / P_out, total) = 10 log10 (40 W / 10 W) = 10 log10(4) ≈ 6.0 dB。
**查阅BUC数据手册：**找到该BUC的"三阶互调（IM3）vs. 输出回退（OBO）"规格表。例如，这台40W BUC的数据手册中：
- 在3dB OBO时，IM3约为 -25 dBc
- 在6dB OBO时，IM3约为 -30 dBc
填入链路预算：

这个查表得到的6dB OBO时，IM3值（-30 dBc），意味着互调产物功率比有用载波功率低30 dB。因此，链路预算表中 C/I_IM,up 这一项就填入30 dB。