【精品】C波段卫星信号抗5G干扰接收的实践与研究

本文由《广播与电视技术》杂志独家授权。本文刊发于2020年第7期。

作者：温怀疆，郑利浩（浙江传媒学院，浙江 310018）

【摘 要】

主要阐述了5G干扰信号的自由空间的测量以及抗干扰措施的效果分析，并对抛物面天线实际工况下的抗5G信号干扰的方法进行了分别测试和研究，得到了一些关键的测试数据，并得到一些有用的结论，同时提出基于现有条件一些保障卫星广播信号接收的策略和解决方案。

5G信号，C波段，窄带高频头，波导滤波器，抗干扰

０引言

随着5G应用在全国各地的试验测试和正式商用，也暴露出一些问题，那就是对C 波段广播电视下行信号和气象卫星下行信号的干扰问题。自2019年7月以来，我校实验电视台卫星广播电视接收的C 波段信号收到到严重的干扰，尤其是接收中星 6B的垂直极化节目的信号首先受到影响，出现大量马赛克、花屏以及卫星信号无法锁定的情况，接着中星6B的水平极化节目的也受到影响，严重威胁到央视多套节目和多个省台卫视的转播安全。

广播卫星和气象卫星下行工作于标准C波段，其频率范围为 3700 4200MHz，此外还有扩展C波段下行频率为 3.4 3.7GHz，但该频段已与现有分配给5G的工作频率产生冲突，因为目前我国分配给三大运营商的5G 频率范围大体是这样的：中国电信为3.4 3.5GHz 共100MHz 带宽 ；中国联通为 3.53.6GHz 共100MHz 带宽；中国移动为2.515 2.675GHz 和4.8 4.9GHz 共260MHz 带宽，从频率的分布情况我们可以看出， 中国移动的5G频率由于距离3700 4200MHz 这个频段较远， 对C 波段卫星下行信号的接收影响较小，中国电信和中国联通的5G频率对C波段卫星下行信号的接收产生较大影响，特别是中国联通的5G频率。

１实地测量

由于卫星广播下行信号的接收故障现象为马赛克、花屏，首先推测产生这种故障的几个可能的原因：1）天线位置偏移；2）高频头故障 ；3）天线放大器故障 ；4）外界干扰信号。

1.1 故障分析与排查

根据前面提供的排查路径，对相关因素进行了分段排查，由于故障最初出现时，是中星6B的垂直极化信号受影响最大， 先是更换天线线路放大器，更换高频头均无效，后去除天线线路放大器，情况得到缓解，以为完事，一段时间后后，又发现不仅垂直极化信号不行，连水平极化信号也不行，甚至所有卫星天线接收的信号都不行了。接下来对系统内部的各个环节展开测试，排除高频头下变频后的系统链路引入干扰的可能性， 判断为高频头及C波段信号受到干扰的可能性更大。此次干扰现象持续时间长且影响范围大。

经多方测试求证，将怀疑的重点放在 5G 基站的发射信号上，为确定前面的猜测，我们设计了一个自由空间3.4 3.6GHz 信号强度测试系统，即直接使用普通卫星高频头（工作频率3.4 4.2GHz）测量自由空间的3.4 3.6GHz 的5G信号，如图1所示，高频头开口面对 5G 基站，将高频头与德力广播电视信号频谱分析仪 S7200-S 通过75-5同轴电缆连接。图2为通电后频谱仪上的测试结果，图中横轴上显示的直接测量信号从 950MHz 开始到 2150MHz 终止，由于高频头本振频率为5150MHz，其对应的接收C波段频率则为从4.2GHz开始到3GHz 终止，从图中可以看出在3.4 3.5GHz 位置有大量的突发频谱脉冲出现，图2左边3.7GHz 附近，经过分析我们推测应该是基站发射的1.8GHz 信号经高频头倍频后形成的。

为了便于比较我们又找来波导滤波器（3.7 4.2GHz，如图3所示）和窄带高频头（3.7 4.2GHz，如图4所示）进行对比测试，图5为普通高频头+ 波导滤波器在自由空间接收的信号频谱，从图5与图2的对比中可以看出，这款波导滤波器是有一定的效果但其滤波效果不是特别好（至少该型号的样本的效果不够好，由于条件所限，没有更多型号的波导滤波器样本），特别是 1.8GHz 附近的 4G 信号的滤除是不够彻底的，后面的事实也证明了直接采用这种组合方式，在接收卫星信号时，部分频率的节目还是不能稳定接收的。图6为窄带高频头（3.7 4.2GHz）在自由空间接收的信号频谱，从图中可以看出它还是有比较好的滤波效果的，只是在 3.6GHz 附近有一个很小的尖峰。图7为波导滤波器 + 窄带高频头（3.7 4.2GHz） 在自由空间接收的信号频谱，从图中可以看出它的滤波效果是最好的，但成本也较高，波导滤波器的单价要 2 4 千元，窄带高频头的单价要 2 3 千元。

1.2 抛物天线上测试

为了能获得实际工况下的真实数据，我们分别用了普通高频头和带滤波器的高频头进行实际对比测试，并希望通过对比能从中得到一些关键数据，为广大工程技术人员提供一些借鉴。

1.2.1 普通高频头

把普通高频头装入抛物面天线中的馈源位置，卫星选择中星6B（115.5°）垂直极化，接上德力广播电视信号频谱分析仪 S7200-S，所有信号均无法锁定，查看频谱图如图7所示，该频谱图上显示的是经过高频头变频处理过的信号，该图中横坐标从950 2150MHz，由于高频头的本振为5150MHz， 则对应的接收频率为 4200 3000MHz，从图中可以看出天线虽然是对准赤道上空的中星6B，但在该天线的位置接收到的5G信号噪声功率约为-20dBm，要高于卫星下来的信号功率20dB 以上，这样将很容易引起高频头信号的饱和，使大量数据丢失（根据 ITU-R S.2199-0 报告，当卫星地面站接收到的干扰信号总功率超过-60dBm 时，就将产生饱和，导致无法正常接收）。图8就是属于这种情况。

1.2.2 窄带高频头

把窄带高频头装入抛物面天线中的馈源位置，接上德力广播电视信号频谱分析仪 S7200-S，所有信号均能锁定锁定，查看频谱图如图9所示，从图中可以看到，在原来有干扰的频谱范围里已经几乎没有了任何干扰，卫星中频信号功率为 -45dBm 左右，高于干扰噪声功率35dB以上，结合图8和图9可以看出它对干扰信号的最大抑制能力可以达到接近60dB，图10为测得锁定后山西卫视的星座图，可以看出比特误码率BER已经达到<10E6（小于10E6机器不再进行细化区分）。

1.2.3 波导滤波器 + 普通高频头

把波导滤波器与普通高频头连接起来一起装入抛物面天线中的馈源位置，接上德力广播电视信号频谱分析仪S7200-S，部分信号能锁定，查看频谱图如图11所示，从图中可以看到，在原来有干扰的频谱范围里仍然可以看到一些干扰，卫星中频信号功率也为-45dBm 左右，但干扰噪声功率却在-55dBm 附近，卫星中频信号仅高于干扰噪声功率不到10dB。结合图8和图11可以看出它对干扰信号的最大抑制能力可以达到30dB 左右，图12为测得锁定后山西卫视的星座图，可以看出比特误码率BER比前面的大，大约在10E4数量级。

２理论分析

通常5G基站的发射功率为20 60W，卫星的下行功率为100 200W，由于5G基站覆盖半径通常为500 1000m， 因此5G基站往往离卫星接收天线的距离只有区区几百米，而同步通信卫星离地面距离为35786千米。如果我们假设5G基站的发射功率为40W，采用120°定向天线发射，距离卫星接收天线为500米，根据直射波衰减公式可计算自由空间电波传播损耗 ：

Lbs=32.45+20lgd+20lgf（1）

式中 ：Lbs为传播损耗，单位为dB ；

d为空间距离，单位为km ；

f为工作频率，单位为MHz。

根据前面的假设，则5G基站在500米处其功率通量密度：

Ψ5G=10lg3×40-Lbs=20.79-32.4-20lg0.5-20lg3500=-

76.52 dBW/m2

同步地球卫星的下行发射功率为100W，距离赤道距离35786km，经查有关资料得知中星6B同步地球卫星的下行信号在有效覆盖范围内等效全向辐射功率EIRP为 36 42.5dBW 之间，这里取最大值42.5dBW。

下面来计算卫星到地面接收天线的距离d，

（2）

式中 ：d为卫星到地面接收天线的距离，单位为km ；

L 为卫星到地面赤道距离 35786km ；

R 为地球平均半径6380km ；α为接收地经度，单位为° ；β为接收地纬度，单位为° ；

θ 为同步卫星经度，单位为°。将参数代入公式（2）得 ：

计算自由空间损耗 Lf ：（工作频率为 3.7GHz）

（3）

式中 ：Lf 为自由空间损耗，单位为dB ；

d 为卫星到地面接收天线的距离，单位为 m ；

λ 为电波波长，单位为 m 将数据代入公式（3）

得 ：Lf=195.13dB

则卫星信号到达地面的功率通量密度为 ：

Ψ 卫星 =EIRP-L =42.5-195.13=-152.63dBW/m2

两者相差 -76.52dBW/m2-（-152.63dBW/m2）=76.11dB，即他们到达卫星天线的功率相差2×107倍，即使考虑到旋转抛物天线的方向抑制能力可以达到35 55dB，相比76dB 高强度差来说还是显得有点相形见绌。这也正是卫星天线最终会受到5G信号的干扰而无法接收到正常的卫星广播电视信号的主要原因，这点也得到图8所示的实际测量的频谱图的有力印证，从该图中我们可以看到，我们所测试的天线接收到的5G信号要比接收的的卫星下行信号高20dB以上（测量单位为dBm）。

３结束语

通过前面的一些实验测试、数据对比以及理论分析，可以得到以下几个结论 ：

1. 5G信号虽然与C波段卫星广播信号有一定间隔，但由于其功率通量密度远高于卫星信号到达地面的功率通量密度（部分地方可以高出20dB 以上），它对C波段卫星广播信号的干扰将直接影响卫星广播信号的正常接收。

2. 采用窄带高频头（3.7 4.2GHz）可以有解决对抗5G信号干扰的问题，可以使带内信号高于带外信号30dB 以上。

3. 采用窄带波导滤波器 + 普通高频头（3.4 4.2GHz），本次实验测试效果不够理想，单独使用有时仍会有马赛克现象出现。其原因有相关文献认为5G信号仍可能从滤波器与高频头的表面缝隙引入。

4. 窄带波导滤波器+窄带窄带高频头（3.7 4.2GHz）的接收效果会更好，但存在滤波器重量较重，对馈源支撑杆负重太大的问题。

本文受浙江省科技公益研究项目NGB省级DVB实验平台建设及其关键技术研究（2016C33197）资助。

参考文献

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[2] 张睿, 鄂毅, 居晓军, 郝冠南. 关于 5G 信号对卫星 C 波段下行频率的干扰分析与解决 [C]. 中国新闻技术工作者联合会 2019 年学术年会论文集 , 2019.

[3] 杨跃华 . C 波段卫星信号抗 5G 干扰措施应用的新进展 [J]. 中国有线电视 , 2019 (09).

[4]GY/T 148-2000. 卫星数字电视接收机技术要求 [S]. 2000.

[5]GY/T 147-2000. 卫星数字电视接收站通用技术要求 [S]. 2000.

第一作者简介

温怀疆，男， 1969 年生，硕士研究生/硕士，浙江传媒学院副教授/高工，主要从事广播电视工程方面的研究。