第5章 微波通信

1、第5章 數(shù)字微波通信系統(tǒng)p5.1 概述p5.2 微波的傳輸特性p5.3 數(shù)字微波通信系統(tǒng)5.1 概述5.1.1 微波通信的基本概念一、微波的頻率p頻率在300MHz到300GHz（波長為1m到1mm）范圍內(nèi)的電磁波稱為微波，如表5.1所示。 波段名稱波長范圍頻率名稱頻率范圍代號(hào)長波101km低頻30kHz300kHzLF中波1000100m中頻300kHz3MHzMF短波10010m高頻3MHz30MHzHF超短波101m甚高頻30MHz300MHzVHF微波分米波101dm特高頻300MHz3GHzUHF厘米波101cm超高頻3GHz30GHzSHF毫米波101mm極高頻30GHz300GH

2、zEHF表5.1 電磁波頻譜p由表5.1可見，分米波、厘米波、毫米波統(tǒng)稱為微波，微波也是一種電磁波，和光波一樣都是由電場和磁場組成的，只是頻段不同。微波是指頻率為300MHz300GHz的電磁波，其所對(duì)應(yīng)的波長為1m1mm。由于各波段的傳播特性不同，因此可用于不同的通信系統(tǒng)。例如中波主要沿地面?zhèn)鞑?，繞射能力強(qiáng)，適用于廣播和海上通信，短波具有較強(qiáng)的電離層反射能力，適用于環(huán)球通信；超短波和微波繞射能力差，可作視距或超視距中繼通信，這里主要討論微波的特性及通信系統(tǒng)二、微波通信p利用微波作為傳輸媒介的通信方式，稱為微波中繼通信（Microwave Radio Relay Communication）。

3、由于微波具有與光波相似的沿直線傳播的特性，通常只能在兩個(gè)沒有障礙的點(diǎn)間（視線距離內(nèi)）建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，故稱為視距通信。如要在超視距的兩個(gè)點(diǎn)或多點(diǎn)間建立微波通信，必須采用中繼方式。為此，可采用多個(gè)微波接力站實(shí)現(xiàn)中繼，或采用對(duì)流層的散射實(shí)現(xiàn)中繼，或采用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)微波中繼。三、微波通信的常用頻段p微波既是一個(gè)很高的頻率，同時(shí)也是一個(gè)很寬的頻段，在微波通信中所使用的頻率范圍一般在1GHz40GHz，如表5.2所示L波段1.02.0GHzC波段4.08.0GHzS波段2.04.0GHzx波段8.012.4GHzKu波段12.418GHzK波段1826.5GHz表5.2 微波通信的常用頻段四、微波通信的起源和

4、發(fā)展p微波技術(shù)是第二次世界大戰(zhàn)期間圍繞著雷達(dá)的需要發(fā)展起來的，由于具有通信容量大而投資費(fèi)用省、建設(shè)速度快、安裝方便和相對(duì)成本低、抗災(zāi)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而得到迅速的發(fā)展。20世紀(jì)40年代到50年代產(chǎn)生了傳輸頻帶較寬，性能較穩(wěn)定的模擬微波通信，成為長距離大容量地面干線無線傳輸?shù)闹饕侄危鋫鬏斎萘扛哌_(dá)2700路，而后逐步進(jìn)入中容量乃至大容量數(shù)字微波傳輸。80年代中期以來，隨著同步數(shù)字序列（SDH）在傳輸系統(tǒng)中的推廣使用，數(shù)字微波通信進(jìn)入了重要的發(fā)展時(shí)期。p目前，單波道傳輸速率可達(dá)300Mbit/s以上，為了進(jìn)一步提高數(shù)字微波系統(tǒng)的頻譜利用率，使用了交叉極化傳輸、無損傷切換、分集接收、高速多狀態(tài)的自適應(yīng)編

5、碼調(diào)制解調(diào)等技術(shù)，這些新技術(shù)的使用將進(jìn)一步推動(dòng)數(shù)字微波通信系統(tǒng)的發(fā)展。因此，數(shù)字微波通信和光纖通信、衛(wèi)星通信一起被稱為現(xiàn)代通信傳輸?shù)娜笾е我國第一條微波中繼通信線路是60年代初開始建立的。目前已試制成功2，4，6，8，11GHz等多個(gè)頻段的各種容量的微波通信設(shè)備，并正在向數(shù)字化、智能化、綜合化方向迅速發(fā)展五、微波通信系統(tǒng)的分類根據(jù)所傳基帶信號(hào)的不同，微波通信系統(tǒng)可以分為兩大類1、模擬微波通信系統(tǒng)p模擬微波通信系統(tǒng)采用頻分復(fù)用（FDM）方式來實(shí)現(xiàn)多個(gè)話路信號(hào)的同時(shí)傳輸，合成的多路信號(hào)再對(duì)中頻進(jìn)行調(diào)頻。因此，最典型的微波通信系統(tǒng)的制式為FDM-FM。模擬微波通信系統(tǒng)主要傳輸電話和電視信號(hào)，較

6、廣泛的應(yīng)用與除電信部分以外的石油、電力、鐵道等部門，主要用來建立專線，傳輸本部門內(nèi)部的遙控、遙測信號(hào)和各種業(yè)務(wù)信號(hào)。2、數(shù)字微波通信系統(tǒng)p在數(shù)字微波通信系統(tǒng)中，模擬的語言和視頻信號(hào)首先被數(shù)字化，然后采用數(shù)字制式的方式，通過微波載波進(jìn)行傳輸。為了擴(kuò)大傳輸容量和提高傳輸效率，數(shù)字微波通信系統(tǒng)通常要將若干個(gè)低次群數(shù)字信號(hào)以時(shí)分復(fù)用（TDM）的方式合成為一路高速數(shù)字信號(hào)，然后再通過寬帶信號(hào)傳輸。5.1.2 數(shù)字微波通信的特點(diǎn)及應(yīng)用一、微波通信的主要特點(diǎn)1、微波頻段頻帶寬，傳輸容量大p微波頻段有近300GHz的帶寬，占據(jù)了分米波、厘米波和毫米波三個(gè)波段，通信的容量比較大。2、適于傳輸寬頻帶信號(hào)p與短波、

7、甚短波通信設(shè)備相比，在相同的相對(duì)同頻帶下，載頻越高，通頻帶越寬。例如，相對(duì)通頻帶1% ，當(dāng)載頻為4MHz時(shí)，通頻帶為40kHz；而當(dāng)載頻為4GHz時(shí)，通頻帶為40MHz。因此，一套短波通信設(shè)備一般只能容納幾條話路，而一套微波通信設(shè)備可容納成千上萬條線路同時(shí)工作。3、天線的增益高，方向性強(qiáng)p由于微波的波長很短，因此很容易制成高增益天線。另外，微波頻段的電磁波具有近似光波的特性，因而可以利用微波天線把電磁波聚集成很窄的波束，制成方向性很強(qiáng)的天線。4、外界干擾小，通信線路穩(wěn)定p天電干擾、工業(yè)噪聲和太陽黑子的變化對(duì)短波和頻率較低的無線電波影響較大，而微波頻段頻率較高，不易受以上外界干擾的影響，通信的穩(wěn)

8、定性和可靠性得到了保證。而且，微波通信具有良好的抗災(zāi)性能，對(duì)水災(zāi)、風(fēng)災(zāi)以及地震等自然災(zāi)害，微波通信一般都不受影響。5、采用中繼傳輸方式p微波波段的電磁波頻率很高，波長較短，在自由空間傳播時(shí)是沿直線傳播的，就像視線一樣。圖5.1 微波中繼傳輸二、數(shù)字信號(hào)微波傳輸?shù)闹饕攸c(diǎn)p數(shù)字微波通信既具有數(shù)字通信的特點(diǎn)，又具有上述微波通信的特點(diǎn)。由于傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，所以數(shù)字微波通信系統(tǒng)具有的特點(diǎn)包括：1、抗干擾能力強(qiáng)，線路噪聲不會(huì)積累2、便于加密，保密性強(qiáng)3、終端設(shè)備采用大規(guī)模集成電路，所以設(shè)備的體積小，重量輕，功率低。三、數(shù)字微波通信系統(tǒng)的應(yīng)用1、干線光纖傳輸?shù)膫浞菁把a(bǔ)充p點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的SDH微波、PDH微波主

9、要用于干線光纖傳輸系統(tǒng)在遇到自然災(zāi)害時(shí)的緊急修復(fù)，以及由于種種原因不適合使用光纖的地段和場合。例如，在1976年的唐山大地震中，在京津之間的同軸電纜全部斷裂的情況下，六個(gè)微波通道全部安然無恙；九十年代的長江中下游的特大洪災(zāi)中，微波通信又一次顯示了它的巨大威力。2、農(nóng)村、海島等邊遠(yuǎn)地區(qū)和專用通信網(wǎng)中為用戶提供基本業(yè)務(wù)的場合這些場合可以使用微波點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)系統(tǒng)，微波頻段的無線用戶環(huán)路也屬于這一類。3、城市內(nèi)的短距離支線連接p如移動(dòng)通信基站之間、基站控制器與基站之間的互連、局域網(wǎng)之間的無線聯(lián)網(wǎng)等等，既可使用中小容量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波，也可使用無需申請(qǐng)頻率的微波數(shù)字?jǐn)U頻系統(tǒng)。4、寬帶無線接入 (如LMDS

10、)p 寬帶無線接入技術(shù)以投資少、見效快、組網(wǎng)靈活等優(yōu)勢(shì)，在接入市場具有較強(qiáng)的競爭力，并能在日趨激烈的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)競爭中快速占領(lǐng)有效市場。5.2 微波的傳輸特性5.2.1 自由空間的電波傳播p為了簡化電波傳播的計(jì)算，通常假定微波在大氣中的傳播條件為自由空間。所謂自由空間是指充滿理想介質(zhì)的無限空間。在這個(gè)空間里電波不受阻擋、反射、折射、繞射、散射和吸收。電波在自由空間傳播時(shí)，其能量會(huì)因擴(kuò)散而衰減，這種衰減稱為自由空間傳輸損耗。p假設(shè)發(fā)射功率為Pt，發(fā)射天線各向同性向外輻射。則以發(fā)射源為中心、d為半徑的球面上單位面積的功率為：p實(shí)際上，天線都是具有方向性的，其輻射能量向主射束方向集中的程度可以用天線

11、增益Gt表示：24 dPSttAtSSGp于是可得天線主射束方向該點(diǎn)的功率密度為：p如果接收天線為一拋物面天線，根據(jù)天線理論，天線的有效面積為p則接收天線所接收的功率為p若不考慮天線增益（即假定Gt和Gr都為1），定義電波的自由空間損耗為發(fā)射功率與接收功率之比p通常用分貝表示自由空間傳播損耗：p式中，Ls的單位為dB；d的單位為km，f的單位為GHz24 dGPSttrGA42rttrGGPdSAP224222244fdcdPPLrtsfdLslg20lg2044.925.2.2 微波的視距傳播p設(shè)通信兩端A和B的天線高度分別為h1和h2。當(dāng)AB和地球相切時(shí)的距離d就是最大視線距離。相切點(diǎn)C相

12、對(duì)應(yīng)的AC和BC近似等于弧長d1和d2。因?yàn)閐1和d2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R0；R0為地球半徑，約為6370公里圖5.2 地球曲率的影響p由此可得，在給定天線高度h1和h2時(shí)，最大視距為210212hhRdddm天線高度（m）102030405060視距（km）233239455055表5.3不同天線高度的最大視距5.2.3 微波天線的主要特性一、天線方向性發(fā)射天線有兩種基本功能：1、把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去；2、把大部分能量朝所需的方向輻射。p根據(jù)天線的方向性可將天線分為全向天線和方向性（或定向）天線。全向天線在水平方向圖上表現(xiàn)為360度均勻輻射，也就是平常所說的無方向性，在垂直方向圖上表現(xiàn)

13、為有一定寬度的波束。一般情況下，波瓣寬度越小，增益越大；定向天線在水平方向圖上表現(xiàn)為一定角度范圍輻射，也就是平常所說的有方向性，在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束。與全向天線一樣，波瓣寬度越小，增益越大。二、波瓣寬度p方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣，其余的稱為副瓣或旁瓣。在主瓣最大方向角兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低3dB的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度（又稱波束寬度、主瓣寬度或半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。三、天線增益p天線增益是指在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的球型輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天

14、線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。四、天線的極化p所謂天線的極化，就是指天線輻射時(shí)形成的電場強(qiáng)度方向。當(dāng)電場強(qiáng)度方向垂直于地面時(shí)，此電波就稱為垂直極化波：當(dāng)電場強(qiáng)度方向平行于地面時(shí)，此電波就稱為水平極化波。由于電波的特性，決定了水平極化傳播的信號(hào)在貼近地面時(shí)會(huì)在大地表面產(chǎn)生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場信號(hào)迅速衰減，而垂直極化方式則不易產(chǎn)生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號(hào)的有效傳播5.3 數(shù)字微波通信系統(tǒng)5.3.1數(shù)字微波中繼線路p數(shù)字微波中繼通信線路的典型組成結(jié)構(gòu)如圖5.3所示圖5.3 數(shù)字微波

15、中繼線路示意圖p由圖5.3可知，一條數(shù)字微波中繼通信線路由兩端的終端站、若干中繼站和電波的傳播空間所構(gòu)成，中繼站的數(shù)目取決于線路的傳輸距離。p終端站是位于微波線路兩端的微波站。它的任務(wù)是把數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制為中頻信號(hào)后，再進(jìn)行變頻，使其成為微波信號(hào)，通過天線發(fā)射出去；另一方面，終端站還要將接收到的微波信號(hào)，經(jīng)變頻后解調(diào)出對(duì)方送來的數(shù)據(jù)信號(hào)。p終端站設(shè)備比較齊全，一般應(yīng)裝有微波收發(fā)信機(jī)，調(diào)制解調(diào)設(shè)備，分路濾波和波道倒換設(shè)備，多路復(fù)用設(shè)備以及監(jiān)控系統(tǒng)等。終端站的特點(diǎn)是只對(duì)一個(gè)方向收發(fā)，全上全下話路。一、中繼站的類型p中繼站的任務(wù)是完成對(duì)微波信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)和分路。根據(jù)它們的不同功能，通?？梢苑譃槿缦氯N類型：

16、1、中間站p中間站只完成微波信號(hào)的放大與轉(zhuǎn)發(fā)，如圖5.4所示。具體地說，將A方向站傳來的微波信號(hào)，經(jīng)變頻、放大等處理后，向B方向站轉(zhuǎn)發(fā)出去。同樣，將B方向站傳來的微波信號(hào)，經(jīng)變頻、放大等處理后，向A方向站轉(zhuǎn)發(fā)出去。這種站的結(jié)構(gòu)比較簡單，主要配置天饋系統(tǒng)與微波收發(fā)信設(shè)備。中間站的特點(diǎn)是對(duì)兩個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)微波轉(zhuǎn)發(fā)，一般不能插入或分出信號(hào)，即不能上下話路 接收 發(fā)送 發(fā)送 接收 圖5.4 中間站示意圖2、再生中繼站p再生中繼站可以分出和插入一部分話路，如圖5.5所示。為了不增加信號(hào)噪聲，在分路站不對(duì)整個(gè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制或解調(diào)。在分出話路時(shí)，由分路設(shè)備把需分出的話路信號(hào)濾出，然后對(duì)他們進(jìn)行解調(diào)。在插入話路時(shí)，

17、先把這些話路調(diào)制到載波上，并濾出需要的邊帶，再加到規(guī)定的信號(hào)中去。分路站的特點(diǎn)是可以上下話路。 接收 發(fā)送 發(fā)送 接收 分路機(jī) 圖5.5 再生中繼站示意圖3、樞紐站或主站p樞紐站一般處在干線上，需要完成數(shù)個(gè)方向的通信任務(wù)，一般應(yīng)配備交叉連接設(shè)備。就其每一個(gè)方向來說樞紐站都可以看作是一個(gè)終端站。在樞紐站中，可以上下全部或部分支路信號(hào)，也可以轉(zhuǎn)接全部或部分支路信號(hào)，因此，樞紐站上的設(shè)備門類很多，可以包括各種站型的設(shè)備。在監(jiān)控系統(tǒng)中，一般作為主站二、中繼站的中繼方式p地面遠(yuǎn)距離微波通信的一個(gè)重要特點(diǎn)是需要一站一站的進(jìn)行接力，即用中繼通信方式。由于微波信號(hào)、中頻信號(hào)和基帶信號(hào)中都攜帶著發(fā)信者所要傳遞的

18、信號(hào)，所以各微波中繼站可以在三個(gè)地方進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)接，即可以在基帶部分、中頻部分和高頻部分進(jìn)行轉(zhuǎn)接。因此，微波中繼通信系統(tǒng)的中繼方式一般有三種，即基帶中繼，外差中繼，直接中繼（射頻中繼）。1、基帶中繼（再生轉(zhuǎn)接）圖5.6 基帶中繼方式2、外差中繼（中頻轉(zhuǎn)接）圖5.7 外差中繼方式3、直接中繼（射頻轉(zhuǎn)接）方式圖5.8 直接中繼方式5.3.2 數(shù)字微波通信系統(tǒng)的組成圖5.9 數(shù)字微波通信線路組成框圖p設(shè)甲乙兩地的用戶終端為電話機(jī)，在甲地，人們說話的聲音通過電話機(jī)送話器的聲/電轉(zhuǎn)換后，變成電信號(hào)，再經(jīng)過市內(nèi)電話局的交換機(jī)，將電信號(hào)送到甲地的微波端站，在端站經(jīng)過時(shí)分復(fù)用設(shè)備完成各種編碼及復(fù)用，并在微波信道

19、機(jī)上完成調(diào)制、變頻和放大后發(fā)送出去，該信號(hào)經(jīng)過中繼站轉(zhuǎn)發(fā)，到達(dá)乙地的微波端站，乙地框圖和甲地相同，其功能與作用正好相反，乙地用戶的電話機(jī)受話器完成電/聲轉(zhuǎn)換，恢復(fù)出原來的話音。p在終端站，對(duì)用戶信號(hào)的處理如圖5.10所示。圖5.10 信號(hào)的處理流程5.3.3 數(shù)字微波的波道及頻率配置一、波道的設(shè)置p為了使一條微波通信線路的可用帶寬得到充分利用，人們將微波線路的可用帶寬劃分成若干頻率小段，并在每一個(gè)頻率小段上設(shè)置一套微波收發(fā)信機(jī)，構(gòu)成一條微波通信的傳輸通道。這樣，在一條微波線路中可以容納若干套微波收發(fā)信機(jī)同時(shí)工作，亦即在一條微波線路中構(gòu)成了若干條微波通信的傳輸通道，每個(gè)微波傳輸通道稱為波道，通常

20、一條微波通信線路可以設(shè)置6、8、12個(gè)波道。微波通信頻率配置的基本原則是使整個(gè)微波傳輸系統(tǒng)中的相互干擾最小，頻率利用率最高。頻率配置時(shí)應(yīng)考慮的因素有：1、整個(gè)頻率的安排要緊湊，使每個(gè)頻段獲得充分利用。2、在同一中繼站中，一個(gè)單向傳輸信號(hào)的接收和發(fā)射必須使用不同的頻率，以避免自調(diào)干擾。3、在多路微波信號(hào)傳輸頻率之間必須留有足夠的頻率間隔以避免不同信道間的相互干擾。4、因微波天線和天線塔建設(shè)費(fèi)用很高，多波道系統(tǒng)要設(shè)法共用天線，因此選用的頻率配置方案應(yīng)有利于天線共用，達(dá)到既能使天線建設(shè)費(fèi)用低又能滿足技術(shù)指標(biāo)的目的。5、避免某一傳輸信道采用超外差式接收機(jī)的鏡像頻率傳輸信號(hào)。 二、射頻波道配置p由于一條

21、微波線路上允許有多套微波收發(fā)信機(jī)同時(shí)工作，這就必須對(duì)各波道的微波頻率進(jìn)行分配。頻率的分配應(yīng)做到：在給定的可用頻率范圍內(nèi)盡可能多安排波道數(shù)量，這樣，可以在這條微波線路上增加通信容量；盡可能減少各波道間的干擾，以提高通信質(zhì)量；盡可能地有利于通信設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。1、單波道頻率配置目前，單波道的頻率配置主要有兩種方案：二頻制和四頻制p二頻制是指一個(gè)波道的收發(fā)只使用兩個(gè)不同的微波頻率圖5.11 二頻制頻率分配p四頻制是指每個(gè)中繼站方向收發(fā)使用四個(gè)不同的頻率，間隔一站的頻率又重復(fù)使用，如圖5.12所示，四頻制的優(yōu)點(diǎn)是不存在反向接收干擾；缺點(diǎn)是占用頻帶要比二頻制寬一倍。圖5.12 四頻制頻率分配p無論

22、二頻制還是四頻制，它們都存在越站干擾。解決越站干擾的有效措施之一是：在微波路由設(shè)計(jì)時(shí)，使相鄰的第四個(gè)微波站的站址不要選擇在第1、2兩微波站的延長線上，如圖5.13所示。圖5.13越站干擾示意圖2、多個(gè)波道的頻率配置p多個(gè)波道的頻率配置一般有兩種排列方式：一是收發(fā)頻率相間排列；二是收發(fā)頻率集中排列。圖5.14示意了一個(gè)微波中繼系統(tǒng)中6個(gè)波道收發(fā)頻率相間排列方案，若每個(gè)波道采用二頻制，其中收信頻率為f1f6，發(fā)信頻率為f1f6。這種方案的收發(fā)頻率間距較小，導(dǎo)致收發(fā)往往要分開使用天線，因此要用多天線，這種方案目前一般不采用。圖5.14 多波道頻率設(shè)置中的收發(fā)頻率相間排列方案p圖5.15為一中繼站6個(gè)波道收發(fā)頻率集中排列的方案，每個(gè)波道采用二頻制，收信頻率為f1f6，發(fā)信頻率為f1f6。這種方案中的收發(fā)頻率間隔大，發(fā)信對(duì)收信的影響很小，因此可以共用一副天線，也就是說只需兩副天線分別對(duì)著兩個(gè)方向收發(fā)即可，目前的微波通信大多采用這種方案。圖5.15 多波道頻率設(shè)置中的收發(fā)頻率集中排列方案三、射頻波道的頻率再用p由微波的極化特性我們知道，利用兩個(gè)相互正交的極化方式，可以減少它們之間的干擾，