第2章2 微波中繼通信系統(tǒng)

1、第第2 2章章-2-2 微波中繼通信系統(tǒng)微波中繼通信系統(tǒng)關鍵技術和系統(tǒng)關鍵技術和系統(tǒng)實例實例張張 文勝文勝School School of Information Science and of Information Science and EngineeringEngineeringShandong UniversityShandong UniversityShandong, ChinaShandong, China 通信系統(tǒng)概論通信系統(tǒng)概論1. 天線天線技術技術工作原理工作原理: 基本功能: 輻射和接收輻射和接收無線電波無線電波 發(fā)射: 把高頻電流轉換為電磁波 接收: 把電滋波轉換為高頻電

2、流根據電磁場理論，當導體通過高頻電流時會在周圍空間產生電場和磁場當導體長度足夠大（能夠與波長相比擬時），就能使電磁波有效輻射出去工作原理工作原理: 電磁波從發(fā)射天線輻射出來后，向四面?zhèn)鞑コ鋈バ纬呻姶艌?在交變電磁場中放置一導線，在電磁波的作用下，導線會產生感應電動勢 該導線與接收設備相連，在接收設備的輸入端就會產生高頻電流工作原理工作原理:天線的互易天線的互易原理：原理： 發(fā)信天線和收信天線都屬于能量變換器，具有“可逆性” 天線用作發(fā)信時的參數和收信時的參數保持不變，這就是天線的互易原理天線參數天線參數 天線的性能主要關心其信號覆蓋范圍和輻射強度。 決定天線性能因素有些與天線本身無關，如天線架

3、設高度等。 有些因素與天線的設計生產工藝相關，這些因素稱為天線參數。主要的天線參數主要的天線參數 方向圖效率 增益輸入阻抗 工作頻帶極化方式1、天線的方向性、天線的方向性 天線對空間不同方向具有不同的輻射或接收能力，這就是天線的方向性。 在水平面上，輻射與接收無最大方向的天線稱為全向天線全向天線，有一個或多個最大方向的天線稱為定向天線定向天線。天線方向圖天線方向圖 用來表示天線的輻射或接收強度隨空間方向的對應關系全向天線全向天線 全向天線由于其無方向性，所以常用在一點對多點通信的中心臺。定向天線定向天線定向天線具有最大輻射或接收方向，因此能量集中，增益相對較高，適合于遠距離點對點通信。波瓣寬度

4、波瓣寬度天線方向圖的最大輻射功率所在的波瓣稱為主瓣主瓣，其余為副瓣主瓣最大輻射方向兩側，輻射強度降低3 dB的兩點間的夾角定義為波波瓣瓣寬度寬度 水平波瓣水平波瓣全向天線的水平波瓣寬度為360度主主瓣瓣第第一一副副瓣瓣后后瓣瓣垂直波瓣垂直波瓣 基站定向天線的垂直波瓣寬度為10度左右； 對于同一種類的天線，增益相同時，水平波瓣越寬，垂直波瓣就越窄； 較窄的垂直波瓣會在基站近端產生信號“死區(qū)” 。天線下傾調整天線下傾調整 限制信號在所服務的小區(qū)范圍內，減小“死區(qū)”，降低對其它小區(qū)的干擾。 機械下傾：小于10度 電調下傾：角度可調，后瓣同時下傾2、天線效率、天線效率 天線效率定義為：天線輻射功率Pr

5、與天線輸入功率Pin之比； 天線輻射功率與所消耗的功率Ps之和為輸入功率。3、天線的增益、天線的增益 天線增益系數是方向系數與天線效率的乘積，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益就越高。 在同等條件下，天線增益越高，電波傳播的距離越遠，一般基地臺天線都采用高增益天線4、天線的輸入阻抗、天線的輸入阻抗 天線的輸入阻抗為輸入端電壓與輸入端電流之比。 為使天線能獲得最大的功率，應使天線輸入阻抗與饋線特性阻抗匹配。5、工作頻帶、工作頻帶 天線的各種電性能參數不超過允許范圍時，所對應的工作頻率寬度即為天線工作頻帶。 對頻分雙工的收發(fā)共用天線，必須考慮天線的工作頻帶寬度。6、天線極化方式、天線極化方式 分為線極

6、化天線、圓極化天線和橢圓極化天線； 基站多采用線極化方式，又分為垂直極化和水平極化方式； 天線增益（dBi） 在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天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系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 天線最直接的參數天線最直接的參數微波天線的主要電氣參數微波天線的主要電氣參數 前后比 前后比即天線后向(180 30 的范圍內)的副瓣電平與前向最大波束電平之差.它表明了天線對后瓣抑制的能力.前后比低的天線,天線后瓣有可能產生越區(qū)覆蓋,導致切換關系混亂,產生掉話.一般來說,前后比在

7、1845dB之間,工程中一般應選用前后比為30dB的天線。 微波天線的主要電氣參數微波天線的主要電氣參數微波天線的主要電氣參數微波天線的主要電氣參數駐波比駐波比全稱為電壓駐波比。在無線電通信中，天線與饋線的阻抗不匹配或天線與發(fā)信機的阻抗不匹配，高頻能量就會產生反射折回，并與前進的部分干擾匯合發(fā)生駐波。SWR=R/r=(1+K)/(1-K) 反射系數K=(R-r)/(R+r) 駐波比總是大于1的。天線的種類天線的種類 按工作頻段分：短波、超短波、微波 按用途分：基地臺、移動臺 按方向性分：全向、定向 按結構分：線狀、面狀、天線陣列2. 分集接收技術分集接收技術分集接收分集接收技術技術 掌握分集技

8、術的基本概念； 理解每一種不同的分集方式和合并方式； 了解其它分集方式的含義概念概念分集是指分散傳輸和集中接收。分集接收是指接收端對它收到的經過多個相互獨立路徑傳輸的信號進行特定的處理來減小衰落的深度與持續(xù)時間的方法。獨立衰落信號的特點獨立衰落信號的特點t 如果一條無線傳播路徑中的信號經歷了深度衰落，而另一條相對獨立的路徑中可能仍包含著較強的信號。分集接收的含義分集接收的含義 分散傳輸：分散傳輸：使接收端能獲得多個統(tǒng)計獨立的、攜帶同一信息的衰落信號； 集中集中接收接收：把收到的多個統(tǒng)計獨立的衰落信號進行合并以降低衰落的影響。分集方式分類分集方式分類 宏分集：宏分集：減小大尺度衰落的分集技術；

9、“多基站多基站”分集分集 微分集：微分集：減小小尺度衰落影響的分集技術。微分集的種類微分集的種類 空間分集 時間分集 頻率分集 極化 分集 角度分集 1、空間分集空間分集 v空間分集的依據在于快衰落的空間獨立性快衰落的空間獨立性。v空間分集的接收機至少需要兩副相隔距離為d的天線，間隔距離d與工作波長、地物及天線高度有關，在移動信道中， 通常?。菏袇^(qū)市區(qū) d=0.5郊區(qū)郊區(qū) d=0.8空間分集工作示意圖空間分集工作示意圖天線天線切換切換邏輯邏輯或解或解調器調器輸出輸出1G1G1G12m可變增益可變增益2、頻率分集、頻率分集 頻率分集方式是指用兩個或兩個以上的頻率來傳送相同的信息的方式。 頻率分集

10、的工作原理是基于在信道相信道相干帶寬之外的頻率上不會出現同樣的干帶寬之外的頻率上不會出現同樣的衰落。衰落。 3、極化分集、極化分集v基本工作原理：空中的水平極化和垂直極化路徑是非相關的。v使用水平和垂直兩個正交的分集支路，也稱正交極化分集正交極化分集；v可看作是一種特殊的空間分集方式，特殊的空間分集方式，只使用兩副天線，且天線間距縮短。4、角度分集角度分集 使電波通過幾個不同路徑，并以不同角度到達接收端；而接收端利用多個方向性尖多個方向性尖銳的接收天線銳的接收天線分離出不同方向來的信號分量； 這些分量具有互相獨立的衰落特性，因而可以實現角度分集。5、時間分集時間分集 以超過信道相干時間信道相干

11、時間的間隔重復發(fā)送相同的信號的分集方式。 工作原理：在相干時間之外的信號不會出現同樣的衰落，也就是說各次發(fā)送信號所出現的衰落將是彼此獨立的； 有利于克服移動信道中因多普勒效應引起的衰落現象。合并方式合并方式 對接收到的多個分集信號，進行合并處理，減小衰落對信號傳輸的影響； 一般都使用線性合并器，其通用合并信號表達式為： MkkkMMtratratratratr12211)()()()()(1、選擇式合并、選擇式合并 檢測所有分集支路的信號，選擇其中信噪比最高信噪比最高的那一個支路的信號作為合并器的輸出。 信號表達式中的加權系數只有一項為1，其余均為0。接收機 1接收機 2二重分集選擇式合并二重

12、分集選擇式合并 2、最大比值合并、最大比值合并 是最佳合并方式； 每一支路的加權系數ak與信號包絡rk成正比而與噪聲功率Nk成反比，即為：kbkNra MkkkMkkkRNrrar121輸出信號包絡為輸出信號包絡為接收機 1接收機 1Mk 1Nkrk2a2a1最大比值合并示意圖最大比值合并示意圖3、 等等增益合并增益合并 無需對信號加權，各支路的信號等增益相加，輸出的信號包絡為：MkkErr1接收機 1接收機 1Mk=1rk不同合并方式的性能對比不同合并方式的性能對比 在相同分集重數情況下，最大比值合并最大比值合并方式改善信噪比最多，等增益合并方式次之 在分集重數較小時，等增益合并等增益合并的

13、信噪比改善接近最大比值合并，是一種較實用的合并方式； 選擇式合并選擇式合并只利用了最強的一路信號，而其它各支路信號都沒有被利用，所得到的信噪比改善量最少。 不同合并方式的性能對比不同合并方式的性能對比分集接收抗衰落的效果分集接收抗衰落的效果 某微波通信系統(tǒng)不采用分集接收時的中斷某微波通信系統(tǒng)不采用分集接收時的中斷率是率是P1=0.01，若采用雙重空間分集，并假，若采用雙重空間分集，并假設兩路信號具有相同的中斷率，求合成信號設兩路信號具有相同的中斷率，求合成信號的中斷率？的中斷率？解：兩路信號同時中斷時，合成信號才會中斷，所解：兩路信號同時中斷時，合成信號才會中斷，所以分集合并后的中斷率是以分集

14、合并后的中斷率是 P=P1P2=0.0001 即中斷率提高了即中斷率提高了100倍，相當于把微波發(fā)信機倍，相當于把微波發(fā)信機的功率從的功率從1W提高到提高到100W。微 波 中 繼 通 信 系 統(tǒng)微 波 中 繼 通 信 系 統(tǒng)-系統(tǒng)實例系統(tǒng)實例微波傳輸系統(tǒng)的基本構成微波傳輸系統(tǒng)的基本構成ModTransmitterReceiverDemDown converterin IFIF SignalRecoveryIFCarrierModulationUp converterRF channelTxRx天線系統(tǒng)IFmicrowaveIFBB : Base bandBase bandBase bandI

15、F : Intermediate FrequencyRF : Radio Frequency (300MHz - 30 GHz)調制原理調制原理無線傳輸模型無線傳輸模型調制調制中放中放上變頻上變頻功放功放濾波濾波調制調制中放中放上變頻上變頻功放功放濾波濾波放大放大下變頻下變頻中放中放濾波濾波解調解調發(fā)送部分發(fā)送部分接收部分接收部分判決判決akakV(t)利用數字信號控制載波幅度頻率或者相位，建立傳輸信碼與載波參數之間明確的對應關系。數字信號調制原理數字信號調制原理 大容量微波大容量微波: 要求調制要求調制,解調簡單解調簡單,頻率利用率高，信號星座點頻率利用率高，信號星座點分布合理以保證傳輸質量

16、所以常采用分布合理以保證傳輸質量所以常采用QAM調制方調制方式式 中小容量微波中小容量微波: 要求調制方式對器件的線性要求不高要求調制方式對器件的線性要求不高,所以常采所以常采用用, 象象FSK,PSK等的等的恒包絡調制恒包絡調制數字微波調制技術數字微波調制技術QPSK調制調制:s ta g tkTtb g tkTtkkk( )()cos()sina bkk, 1其中其中g(t)為升余弦脈沖為升余弦脈沖a bkk, 1 3當當時時,上述信號即成為上述信號即成為16QAM調制調制PSKPSK調制調制85432102013040501.52.5區(qū)域網長距離干線網區(qū)域和本地網，邊際網 2834Mbi

17、t/s34140155Mbit/s2834140155Mbit/s3.311 GHzGHz微波頻率資源的使用微波頻率資源的使用頻率收發(fā)頻差 (MHz) 用途設備4-7161, 154, 245 長距離干線SDH，PDH126, 161，154，199,266, 311，長距離干線SDH，PDH11-13266中，短距離SDH PASO308,420,490,315，720， 728中，短距離PASO340，1092.5 1008,1010, 1560中，短距離PASO600,1050,1232, 1008, 1200, 中，短距離PASO855,1008短距，離城區(qū) PASO1008短距，離城

18、區(qū) PASO812短距，離城區(qū) PASO700,1260短距，離城區(qū) PASO微波設備主要工作頻段微波設備主要工作頻段 微波站站站接力式的中繼方式完成傳輸ABCDABCDEFEF中繼站微波站分類終端站終端站中繼站中繼站樞紐站樞紐站 背靠背天背靠背天線線 反射板反射板有源有源無源無源 再生中再生中繼繼 中頻中中頻中繼繼 射頻中射頻中繼繼中繼站射頻直放站：射頻直放站：射頻直放站是一種有源、雙向、無頻移射頻中繼系統(tǒng)。由于它直接在射頻上將信號放大，所以稱之為射頻直放站再生中繼站：再生中繼站：再生中繼站是一種高性能的高頻率轉發(fā)器。它可以用來擴大微波通信系統(tǒng)的距離限制，或者用來偏轉傳輸方向，以繞過視線障礙

19、物，不會引起信號質量惡化。接收的信號經過完全的再生和放大，然后轉發(fā)。Active Repeaters中繼站有源中繼站Active repeaters雙拋物面無源中繼站雙拋物面無源中繼站 Parabolic reflectorsParabolic reflectors：由兩個拋物面天線背對背地用一段波導管連接而組成反射板式無源中繼站反射板式無源中繼站 Plane reflectorsPlane reflectors：一塊表面具有一定的平滑度、且在適當的有效面積并相對于兩通信點有合適的角度和距離的金屬板，也是一個微波無源中繼站。中繼站無源中繼站Passive repeaters雙拋物面無源中繼站P

20、assive repeater with two parabolic reflectorsL1PTG1L2G2L3G3L4PRG4L5PT：發(fā)射機輸出功率（簡稱發(fā)射功率） PR：接收機輸入端的信號功率（簡稱接收功率）L1：發(fā)射機到天線間的饋線損耗 L2、4：無源中繼站至兩通信點的自由空間損耗L3：無源中繼站天線間的饋線損耗 L5：接收天線至接收機間的饋線損耗G1、G2、G3、G4：分別為四個微波天線的增益中繼站D端站端站端端站站無源站無源站 空間損耗空間損耗dBdB92.492.420logF(GHz)20logF(GHz)20logd120logd192.492.4+ 20logF(GHz)

21、 + 20logF(GHz) +20logd2+20logd2假定假定:d1=15Km d2=5Km d=d1+d2=20Km:d1=15Km d2=5Km d=d1+d2=20Kmd1d2中繼站雙拋物面無源中繼站加無源中繼站的自由空間損耗加無源中繼站的自由空間損耗:F=10G:F=10GLdBLdB92.492.420logF(GHz)20logF(GHz)20logd120logd192.4+ 20logF(GHz) +20logd292.4+ 20logF(GHz) +20logd2 =92.4+20+23.5+92.4+20+14=262.3dB =92.4+20+23.5+92.4+

22、20+14=262.3dB不需要增加無源中繼站的自由空間損耗不需要增加無源中繼站的自由空間損耗:F=10G:F=10GLdBLdB92.492.420logF(GHz)20logF(GHz)20logd20logd =92.4+20+26=138.4dB =92.4+20+26=138.4dB無源轉發(fā)的空間損耗增加了無源轉發(fā)的空間損耗增加了=262.3-138.4=123.9dB =262.3-138.4=123.9dB 要達到與相同距離單跳一致的接收電平，每面天線的增益必須增加至少要達到與相同距離單跳一致的接收電平，每面天線的增益必須增加至少62dB62dB。然而，直徑超過。然而，直徑超過3 3米的天線運輸和安裝調試都有的一定難度。米的天線運輸和安裝調試都有的一定難度。實際上盡量選用高的工作頻率，因為相同口徑的天線，頻率的高低與其實際上盡量選用高的工作頻率，因為相同口徑的天線，頻率的高低與其增益成正比。在條件允許的情況下，盡量使無源站的一端站距小于增益成正比。在條件允許的情況下，盡量使無源站的一端站距小于1Km1Km的原因。的原因。中繼站雙拋物面無源中繼站這種情況往往用大口徑天線，天線調整要借助于儀表。費時較長近端距離要小于近端距離要小于5KM中繼站雙拋物面無源中繼站Passive repeater with plane reflector中繼站反射板式無源中繼站無源中繼