第三章數(shù)字微波通信

1、數(shù)字微波通信 本章主要討論數(shù)字微波通信的基本概念、常用的調(diào)制解調(diào)方式以及在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的若干問題，簡要介紹了SDH微波通信系統(tǒng)。3.1 數(shù)字微波通信的基本概念3.2 數(shù)字微波通信中常用的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)3.3 視距傳輸特性3.4 數(shù)字微波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題3.5 SDH微波通信系統(tǒng) 3.1 數(shù)字微波通信的基本概念 微波是指頻率為300MHz300GHz的電磁波，其所對(duì)應(yīng)的波長為1m1mm。 顯然，微波通信是指用微波波段的電磁波進(jìn)行通信的一種通信的方式；而數(shù)字微波通信則是指利用微波頻段的電磁波傳輸數(shù)字信息的一種通信方式。 3.1.1 數(shù)字微波通信的特點(diǎn) 數(shù)字微波通信既具有數(shù)字通信的

2、特點(diǎn)，又具有微波通信的特點(diǎn)。 3.1.2 數(shù)字微波通信系統(tǒng)的構(gòu)成 數(shù)字微波中繼通信線路是由線路兩端的終端站、若干個(gè)中繼站及分路站構(gòu)成，如下圖所示。 一、一、 數(shù)字微波終端站數(shù)字微波終端站 二、二、 天線、饋線系統(tǒng)天線、饋線系統(tǒng)三、三、 微波中繼站微波中繼站 一、一、 數(shù)字微波終端站數(shù)字微波終端站 在下圖中示出，終端站中可包括：微波收發(fā)信設(shè)備、調(diào)制解調(diào)設(shè)備以及時(shí)分復(fù)用設(shè)備。 1. 微波收發(fā)信設(shè)備 每個(gè)終端站中都應(yīng)具有發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備。 2. 調(diào)制與解調(diào)設(shè)備 所謂調(diào)制，就是將所要傳輸?shù)幕鶐盘?hào)變換成適合于信道傳輸?shù)男盘?hào)的一種過程。與其相反的過程就是解調(diào)。 下圖示出了調(diào)制與解調(diào)過程的基本方框圖。

3、二、二、 天線、饋線系統(tǒng)天線、饋線系統(tǒng) 微波通信中常用天線的基本形式有喇叭天線、拋物面天線、喇叭拋物面天線和潛望鏡天線等。 三、三、 微波中繼站微波中繼站 由于微波通信采用的是接力傳輸方式，因此，長途微波干線上必須要有微波中繼站。中繼站的轉(zhuǎn)接方式包括以下三種： 1.中頻轉(zhuǎn)接式中繼站 中頻轉(zhuǎn)接式中繼站采用的是中頻接口。 2. 微波轉(zhuǎn)接方式中繼站 在微波頻率上直接放大，即為微波轉(zhuǎn)接方式。 3.再生轉(zhuǎn)接式中繼站 目前數(shù)字微波通信中常用的轉(zhuǎn)接方式是再生轉(zhuǎn)接式中繼站，其示意圖如下圖所示。 3.2 數(shù)字微波通信中常用的調(diào)制與解調(diào)技術(shù) 數(shù)字信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)，是數(shù)字微波通信中的關(guān)鍵問題。在這一節(jié)首先介紹二

4、進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的基本調(diào)制方式，在此基礎(chǔ)上介紹數(shù)字微波通信中常用的調(diào)制方式。 3.2.1 二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的基本調(diào)制方式 3.2.2 二相相移鍵控 3.2.3 四相相移鍵控 3.2.4十六進(jìn)制正交調(diào)幅 3.2.1 二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的基本調(diào)制方式 數(shù)字信號(hào)三種調(diào)制方式的基本概念數(shù)字信號(hào)三種調(diào)制方式的基本概念 ： 1.幅移鍵控 2.頻移鍵控 3.相移鍵控 數(shù)字微波通信常用的是相移鍵控，因?yàn)檫@種調(diào)制方式在抗干擾性能方面優(yōu)于另外兩種方式。 3.2.2 二相相移鍵控 用基帶數(shù)字信號(hào)對(duì)中頻載波相位進(jìn)行鍵控的方式，稱為相移鍵控，用PSK表示。 相移鍵控又可分為絕對(duì)相移鍵控和相對(duì)相移鍵控兩種。 利用載波相位的絕對(duì)數(shù)值

5、來傳送數(shù)字信息的鍵控方式，稱為絕對(duì)相移鍵控。 所謂相對(duì)相移鍵控，是利用載波信號(hào)相位的相對(duì)關(guān)系來表示數(shù)字信號(hào)的“”碼或“”碼。 在上述兩種相移鍵控中，實(shí)際使用時(shí)，采用相對(duì)移相，這是為了克服2PSK在解調(diào)時(shí)出現(xiàn)的“相位模糊”現(xiàn)象。 一、一、 2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生信號(hào)的產(chǎn)生 2DPSK調(diào)制器的原理方框圖如下圖所示。它是由碼變換電路和絕對(duì)調(diào)相電路組成。碼變換電路的主要作用是對(duì)輸入的基帶信號(hào)進(jìn)行差分編碼，得到的差分碼，即是輸入信號(hào)的相對(duì)碼，用此相對(duì)碼對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行絕對(duì)相移鍵控，即可得到2DPSK信號(hào)。 二、二、 2PSK信號(hào)及信號(hào)及2DPSK信號(hào)的解調(diào)信號(hào)的解調(diào) 目前對(duì)于二相相移鍵控信號(hào)常用的解調(diào)方式是

6、相干解調(diào)和延遲解調(diào)兩種。 1. 相干解調(diào) 由于接收到的已調(diào)波信號(hào)中無載波頻率成分，所以在收端要設(shè)法從已調(diào)波中提取原載波信號(hào)。因?yàn)樘崛〉妮d波信號(hào)和調(diào)相波的載波頻率相同，故稱其為相干載波，利用它來進(jìn)行解調(diào)的方法，稱為相干解調(diào)。 2. 2DPSK信號(hào)的解調(diào) 對(duì)2DPSK信號(hào)除采用上述的相干解調(diào)方法以外，還可以采用延遲解調(diào)，這種方法的原理方框圖，如下圖所示。 3.2.3 四相相移鍵控 在現(xiàn)代數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)中，為了提高信息傳輸速率，常采用多進(jìn)制的調(diào)相技術(shù)。即利用載波的一種相位去攜帶一組二進(jìn)制信息碼。 相數(shù)愈多，傳輸速率愈高，但相鄰載波之間的相位差愈小，這樣就使得接收時(shí)易產(chǎn)生誤碼而使誤碼率增加。所以，目

7、前在多相調(diào)制方式中，通常采用四相制和八相制，在這里只介紹四相調(diào)制。 一、一、 四相相移鍵控信號(hào)的產(chǎn)生四相相移鍵控信號(hào)的產(chǎn)生 1. 四相絕對(duì)調(diào)相 下圖示出了/調(diào)相系統(tǒng)采用正交調(diào)制法的原理方框圖。 2. 四相相對(duì)調(diào)相 下圖示出了一個(gè)/調(diào)相系統(tǒng)的四相相對(duì)調(diào)相原理方框圖。 二、二、 四相相移鍵控信號(hào)的解調(diào)四相相移鍵控信號(hào)的解調(diào) 1.四相絕對(duì)調(diào)相信號(hào)的解調(diào) 四相絕對(duì)調(diào)相信號(hào)的解調(diào)器方框圖如下圖所示。 2. 四相相對(duì)調(diào)相信號(hào)的解調(diào) 四相相對(duì)調(diào)相信號(hào)的解調(diào)可采用兩種方法進(jìn)行，一種是相干解調(diào)法。另一種解調(diào)方法是延遲解調(diào)法，其方框圖如下圖所示。 上面介紹的是四相相移鍵控的調(diào)制及解調(diào)的基本原理。對(duì)于八相調(diào)制，同樣

8、它是提高頻譜利用率的一種方式，它是把碼元周期(）分成八種相位，兩相位狀態(tài)之間的相位差為 ，每種相位狀態(tài)對(duì)應(yīng)一組3比特碼，這樣它的信息速率比二相調(diào)相時(shí)提高了三倍。依此類推可以看出，隨著相數(shù)的增加，信息傳輸速率在提高，但是兩種相位狀態(tài)之間的相位差在減小，這樣使得解調(diào)時(shí)產(chǎn)生誤碼的概率增加。因此，在大容量的數(shù)字微波通信系統(tǒng)中廣泛采用了十六進(jìn)制正交調(diào)幅(16QAM)方式。 3.2.4十六進(jìn)制正交調(diào)幅 QAM調(diào)制是既調(diào)幅又調(diào)相的一種方式。 一、一、 16QAM調(diào)制器調(diào)制器 16QAM調(diào)制器的構(gòu)成目前主要采用兩種方法，即正交調(diào)幅法和疊加法。 下圖示出了16QAM正交調(diào)幅法調(diào)制器的方框圖。 圖示出了采用四相疊

9、加法的16QAM調(diào)制器的原理方框圖。 二、二、 16QAM解調(diào)器解調(diào)器 對(duì)于正交調(diào)制信號(hào)的解調(diào)，主要是采用正交相干解調(diào)器，其原理方框圖示于下圖。 3.3 視距傳輸特性 這一節(jié)主要介紹自由空間電波傳播的一些特點(diǎn)，電波衰落現(xiàn)象及抗衰落技術(shù)。 3.3.1 自由空間傳播損耗和收信電平的計(jì)算 3.3.2 多徑衰落 3.3.1 自由空間傳播損耗和收信電平的計(jì)算 平面波在自由空間傳播時(shí)，能量由于擴(kuò)散，隨傳輸距離的增加而減小，這種衰減稱為自由空間的傳播損耗，用Ls表示。 自由空間收信電平的計(jì)算自由空間收信電平的計(jì)算: 收信電平是指接收機(jī)輸入電平，在工程上常用dBm表示。 3.3.2 多徑衰落 上面討論的問題是

10、假定電磁波在無限大的自由空間傳輸，這是理想情況，在實(shí)際的微波傳輸路徑中，必須考慮地面反射和大氣折射的影響。 一、一、 多徑衰落的概念多徑衰落的概念 接收的信號(hào)應(yīng)是各射線的矢量和，而且接收信號(hào)的大小和周邊條件及氣象條件有關(guān)。我們把接收信號(hào)電平隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象稱為多徑衰落。 二、二、 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) 微波傳輸過程中的衰落現(xiàn)象，給高質(zhì)量的信息傳輸帶來不利影響，因此，人們提出了各種抗衰落技術(shù)，目前常用的是分集技術(shù)、自適應(yīng)均衡技術(shù)及備用波道倒換技術(shù)。 1.分集技術(shù) 分集就是指通過兩條或兩條以上途徑傳輸同一信息，以減輕衰落影響的一種技術(shù)措施。 分集接收技術(shù)有頻率分集和空間分集。 頻率分集是把同一數(shù)

11、字信息送至兩部發(fā)射機(jī)，兩部發(fā)射機(jī)的射頻頻率具有較大間隔，在接收端接收這兩個(gè)頻率的信號(hào)，合并成輸出信號(hào) 。 空間分集是在收信端設(shè)置幾付高度不同的天線，同時(shí)接收一個(gè)發(fā)射天線送出的信號(hào)，然后經(jīng)過合成或選擇，克服衰落的影響。 2.自適應(yīng)均衡技術(shù) 能夠適應(yīng)時(shí)間變化的均衡器為自適應(yīng)均衡器。 3.備用波道倒換技術(shù) 3.4 數(shù)字微波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題 3.4.1 數(shù)字微波通信線路的傳輸質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 3.4.2 數(shù)字微波通信的射頻頻率配置 3.4.3 數(shù)字微波線路中的干擾問題 3.4.4 數(shù)字微波線路中天線高度的選取 3.4.1 數(shù)字微波通信線路的傳輸質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 線路傳輸?shù)馁|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)包括：誤碼性能、可用度、傳輸

12、容量和接口特性等。下面重點(diǎn)介紹誤碼性能和可用度指標(biāo)。 一、一、 誤碼性能誤碼性能 誤碼性能是數(shù)字微波通信系統(tǒng)的主要質(zhì)量指標(biāo)，CCIR針對(duì)不同等級(jí)的假想?yún)⒖茧娐芬?guī)定有不同的誤碼性能指標(biāo)，這些指標(biāo)可供等長度的實(shí)際數(shù)字微波電路參考。 二、可用度二、可用度 3.4.2 數(shù)字微波通信的射頻頻率配置 為了增加微波線路的通信容量，在微波站上一般都有若干套微波收發(fā)信機(jī)同時(shí)工作，每一套微波收發(fā)信機(jī)占有一個(gè)工作頻率，構(gòu)成一條通道，稱為一個(gè)波道。為了減小波道間的相互干擾，合理選擇和配置射頻頻率則是一個(gè)非常重要的問題。 目前在微波通信中采用比較多的是用分割制配置收發(fā)頻率。 3.4.3 數(shù)字微波線路中的干擾問題 下面主

13、要介紹幾種系統(tǒng)內(nèi)的常見干擾。 一、一、 回波干擾回波干擾 二、二、 交叉極化干擾交叉極化干擾 三、三、 越站干擾越站干擾 四、四、 鄰近波道干擾鄰近波道干擾 3.4.4 數(shù)字微波線路中天線高度的選取 天線高度選取的是否合適，主要通過天線余隙標(biāo)準(zhǔn)來驗(yàn)證。 一、一、 什么是天線余隙什么是天線余隙 從中繼段上地勢最高點(diǎn)到收、發(fā)天線連線之間的垂直距離稱為天線余隙，用hc表示，如下圖所示。 二、二、 天線余隙標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算天線余隙標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算 天線余隙值的大小和等效地球半徑系數(shù)K及第一費(fèi)涅爾區(qū)半徑F1有關(guān)。 根據(jù)費(fèi)涅爾橢球面及費(fèi)涅爾區(qū)的定義，經(jīng)推導(dǎo)得出第一費(fèi)涅爾區(qū)半徑的近似式為： dddF216 .311 三

14、、三、 余隙標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算余隙標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算 從前面的敘述可以看出，K值的變化將引起余隙的變化，當(dāng)K為不同值時(shí)，所對(duì)應(yīng)的余隙標(biāo)準(zhǔn)為： K=2/3 時(shí)(余隙較小)要求hc0.3F1 K=4/3 時(shí)(標(biāo)準(zhǔn)大氣)要求hc1.0F1 K=時(shí) (余隙較大) 要求hc1.35F1 3.5 SDH微波通信系統(tǒng) 本節(jié)重點(diǎn)介紹SDH微波傳輸系統(tǒng)中采用的一些關(guān)鍵技術(shù)、SDH微波傳輸系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 3.5.1 SDH微波傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù) 3.5.2 SDH微波通信系統(tǒng)的傳輸誤碼性能指標(biāo) 3.5.1 SDH微波傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù) 一、一、 差錯(cuò)控制編碼技術(shù)差錯(cuò)控制編碼技術(shù) 二、二、 自適應(yīng)均衡技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù) 三、

15、三、 自動(dòng)發(fā)信功率控制技術(shù)自動(dòng)發(fā)信功率控制技術(shù)(ATPC)一、一、 差錯(cuò)控制編碼技術(shù)差錯(cuò)控制編碼技術(shù) 差錯(cuò)控制編碼又稱信道編碼，是提高數(shù)字傳輸可靠性的一種技術(shù)。 二、二、 自適應(yīng)均衡技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù) 在SDH微波接收設(shè)備中，一般先使用頻域均衡器，然后接基帶時(shí)域均衡器。頻域均衡器主要可以減少頻率選擇性衰落的影響，一般是在中頻上實(shí)現(xiàn)，由于此均衡器可以在接收信號(hào)時(shí)自動(dòng)調(diào)整，因此稱為自適應(yīng)頻域均衡器。而時(shí)域均衡是利用波形補(bǔ)償法對(duì)失真的波形進(jìn)行補(bǔ)償，這是目前在高速數(shù)據(jù)傳輸中使用的基本均衡方法，它可以消除各種形式的碼間干擾。 三、三、 自動(dòng)發(fā)信功率控制技術(shù)自動(dòng)發(fā)信功率控制技術(shù)(ATPC) ATPC技術(shù)的要點(diǎn)是：微波發(fā)信機(jī)的輸出功率在ATPC的控制范圍內(nèi)可以自動(dòng)地隨接收電平的變化而變化，即A