微波與衛(wèi)星通信第2版PPT全套完整教學(xué)課件

目錄第1章概述第2章微波與衛(wèi)星通信傳輸通道第3章微波與衛(wèi)星通信的通信體制第4章通信衛(wèi)星的發(fā)射及軌道第5章衛(wèi)星通信中的多址方式第6章微波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)第7章衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)第8章衛(wèi)星通信技術(shù)的應(yīng)用全套PPT課件第1章概述1.1

微波與衛(wèi)星通信的基本概念1.2微波與衛(wèi)星通信的特點(diǎn)1.3微波通信系統(tǒng)1.4衛(wèi)星通信系統(tǒng)1.5微波與衛(wèi)星通信的頻率配置1.6微波與衛(wèi)星通信的發(fā)展本章小結(jié)

1.1

微波與衛(wèi)星通信的基本概念

1.1.1-微波通信

微波是指頻率為300MHz至3000GHz范圍內(nèi)的電磁波,是無線電波中一個(gè)有限頻帶的簡稱,即波長為1m~1mm的電磁波,是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。

微波通信則是指利用微波攜帶信息,通過電波空間進(jìn)行傳輸?shù)囊环N通信方式。當(dāng)兩點(diǎn)之間的通信距離超過50km時(shí),只要在傳輸路徑上建立中繼線路,就構(gòu)成了微波中繼通信。

微波的傳播與光波類似,具有似光性、頻率高、極化特性等傳輸特性,因此微波在自由空間中只能沿直線傳播,其繞射能力很弱,且在傳播中遇到不均勻的介質(zhì)時(shí),將產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象。正因?yàn)槿绱?在一定天線高度的情況下,為了克服地球的凸起而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信就必須采用中繼接力的方式,如圖1-1所示,否則A站發(fā)射出的微波射線將遠(yuǎn)離地面而根本不能被C站接收。微波采用中繼方式的另一個(gè)原因是,電磁波在空間傳播過程中因受到散射、反射、大氣吸收等諸多因素的影響,而使能量受到損耗,且頻率越高,站距越長,微波能量損耗就越大。圖1-1

微波中繼示意圖

1.1.2衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信是指利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電信號(hào),在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行的通信。

而用于實(shí)現(xiàn)通信目的的這種人造地球衛(wèi)星叫做通信衛(wèi)星,如圖1-2所示。圖1-2衛(wèi)星通信示意圖

衛(wèi)星通信是宇宙無線電通信的形式之一,國際電信聯(lián)盟(ITU)規(guī)定,宇宙站是指設(shè)在地球大氣層以外的宇宙飛行體(如人造衛(wèi)星、宇宙飛船等)或其他天體(如月球或其他行星)上的通信站。把以宇宙飛行體為對象的無線電通信統(tǒng)稱為宇宙通信,它有三種基本形式,如圖1-3所示。圖1-3宇宙無線電通信的三種基本形式

目前,絕大多數(shù)通信衛(wèi)星是地球同步衛(wèi)星(靜止衛(wèi)星),圖1-4是靜止衛(wèi)星與地球相對位置的示意圖。若以120°的等間隔角度在靜止軌道上配置三顆衛(wèi)星,則地球表面除了兩極區(qū)沒有被衛(wèi)星波束覆蓋外,其他區(qū)域均在覆蓋范圍之內(nèi),而且其中部分區(qū)域?yàn)閮蓚€(gè)靜止衛(wèi)星波束的重疊區(qū)域,因此借助于重疊區(qū)域內(nèi)地球站的中繼(稱為雙跳),可以實(shí)現(xiàn)在不同衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)地球站之間的通信。由此可見,只要用三顆等間隔配置的靜止衛(wèi)星就可以實(shí)現(xiàn)全球通信,這一特點(diǎn)是其他任何通信方式所不具備的。靜止衛(wèi)星所處的位置分別在太平洋、印度洋和大西洋上空,它們構(gòu)成的全球通信網(wǎng)承擔(dān)著絕大部分的國際通信業(yè)務(wù)和全部國際電視信號(hào)的轉(zhuǎn)播,如圖1-5所示。圖1-4靜止衛(wèi)星配置的幾何關(guān)系圖1-5全球通信網(wǎng)

1.2微波與衛(wèi)星通信的特點(diǎn)

1.2.1-微波通信的特點(diǎn)根據(jù)所傳基帶信號(hào)的不同,微波通信分為兩種制式。用于傳輸頻分多路調(diào)頻制(FDMFM)基帶信號(hào)的系統(tǒng)稱為模擬微波通信系統(tǒng);用于傳輸數(shù)字基帶信號(hào)的系統(tǒng)稱為數(shù)字微波通信系統(tǒng),數(shù)字微波通信系統(tǒng)又可細(xì)分為準(zhǔn)同步數(shù)字系列(PDH)微波通信系統(tǒng)和同步數(shù)字系列(SDH)微波通信系統(tǒng)。

“微波、多路、接力”是微波通信最基本的特點(diǎn)。

“微波”是指微波工作頻段寬,它包括了分米波、厘米波和毫米波三個(gè)頻段,可容納較其他頻段多得多的話路。

“多路”是指微波通信的通信容量大,即微波通信設(shè)備的通頻帶可以做得很寬。

“接力”是目前廣泛使用于視距微波的通信方式。

由于通信技術(shù)的發(fā)展以及通信設(shè)備的數(shù)字化,數(shù)字微波占據(jù)了絕對的比重。數(shù)字微波除了具有上面所說的微波通信的普遍特點(diǎn)外,還具有數(shù)字通信的特點(diǎn):

(1)抗干擾性強(qiáng)、整個(gè)線路噪聲不累積;

(2)保密性強(qiáng),便于加密;

(3)器件便于固態(tài)化和集成化,設(shè)備體積小、耗電少;

(4)便于組成綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)。

和模擬微波通信相比,數(shù)字微波的主要缺點(diǎn)是:

(1)要求傳輸信道帶寬較寬,因而會(huì)產(chǎn)生頻率選擇性衰落;

(2)抗衰落技術(shù)復(fù)雜。

1.2.2衛(wèi)星通信的特點(diǎn)

靜止衛(wèi)星通信具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)通信距離遠(yuǎn),且費(fèi)用與通信距離無關(guān)。

(2)覆蓋面積大,可以進(jìn)行多址通信。

(3)通信頻帶寬,傳輸容量大,適于多種業(yè)務(wù)傳輸。

(4)通信質(zhì)量高,通信線路穩(wěn)定可靠。

(5)通信電路靈活、機(jī)動(dòng)性好。

(6)可以自發(fā)自收地進(jìn)行監(jiān)測。

靜止衛(wèi)星通信還有一些缺點(diǎn):

(1)靜止衛(wèi)星的發(fā)射與控制技術(shù)比較復(fù)雜。

(2)地球的兩極地區(qū)為通信盲區(qū),而且地球的高緯度地區(qū)通信效果不好。

(3)存在星蝕和日凌中斷現(xiàn)象。

(4)有較大的信號(hào)傳輸時(shí)延和回波干擾。

(5)具有廣播特性,保密措施要加強(qiáng)。

1.3微波通信系統(tǒng)

1.3.1-數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)的組成一條數(shù)字微波中繼通信線路由終端站、中間站和再生中繼站、終點(diǎn)站及電波的傳播空間所構(gòu)成,如圖1-6(a)所示。

終端站的任務(wù)是將復(fù)用設(shè)備送來的基帶信號(hào)或由電視臺(tái)送來的視頻及伴音信號(hào),調(diào)制到微波頻率上并發(fā)射出去;或者反之,將收到的微波信號(hào)解調(diào)出基帶信號(hào)送往復(fù)用設(shè)備,或?qū)⒔庹{(diào)出的視頻信號(hào)及伴音信號(hào)送往電視臺(tái)。線路中間的中繼站的任務(wù)是完成微波信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)和分路,所以中繼站又分為中間站、分路站和樞紐站,如圖1-6(b)所示。中間站不能發(fā)送、接收話路信號(hào),即不能上、下話路,而樞紐站能上、下話路。圖1-6數(shù)字微波中繼通信線路的組成及微波中繼站的類型

1.3.2微波中繼站的中繼方式

微波中繼站的中繼方式可以分成直接中繼(射頻轉(zhuǎn)接)、外差中繼(中頻轉(zhuǎn)接)、基帶中繼(再生中繼)三種中繼方式。不同的中繼方式的微波系統(tǒng)構(gòu)成是不一樣的。中繼方式可以

是直接中繼和中頻轉(zhuǎn)接,樞紐站為再生中繼方式且可以有上下話路。

直接中繼最簡單,只是將收到的射頻信號(hào)直接移到其他射頻上,無需經(jīng)過微波—中頻—微波的上下變頻過程,因而信號(hào)傳輸失真小。這種方式的設(shè)備量小,電源功耗低,適用于無需上下話路的無人值守中繼站,其基本設(shè)備如圖1-7所示。圖1-7直接中繼方式

外差中繼是將射頻信號(hào)進(jìn)行中頻解調(diào),在中頻進(jìn)行放大,然后經(jīng)過上變頻調(diào)制到微波頻率,發(fā)送到下一站,其基本設(shè)備如圖1-8所示。圖1-8外差中繼方式

基帶中繼是三種中繼方式中最復(fù)雜的,如圖1-9所示。圖1-9基帶中繼方式

1.4衛(wèi)星通信系統(tǒng)

1.4.1-衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成衛(wèi)星通信系統(tǒng)由空間分系統(tǒng)、通信地球站分系統(tǒng)、跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)等四大功能部分組成,如圖1-10所示。圖1-10衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成

1.4.2衛(wèi)星通信線路的組成

一個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括許多通信地球站。衛(wèi)星通信線路由發(fā)端地球站、上行線傳輸路徑、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、下行線傳輸路徑和收端地球站組成,可直接用于通信,其構(gòu)成框圖如圖1-11所示。圖1-11-衛(wèi)星通信線路的基本組成

1)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器

通信衛(wèi)星是一個(gè)設(shè)在空中的微波中繼站,衛(wèi)星中的通信系統(tǒng)稱為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器,其主要功能是:收到地面發(fā)來的信號(hào)(稱為上行信號(hào))后,進(jìn)行低噪聲放大,然后混頻,混頻后的信號(hào)再進(jìn)行功率放大,然后發(fā)射回地面(這時(shí)的信號(hào)稱為下行信號(hào))。衛(wèi)星通信中,上行信號(hào)和下行信號(hào)的頻率是不同的,這是為了避免在衛(wèi)星通信天線中產(chǎn)生同頻率信號(hào)干擾。

2)通信地球站

(1)天線饋線設(shè)備。天線是一種定向輻射和接收電磁波的裝置。

(2)發(fā)射設(shè)備。發(fā)射設(shè)備的任務(wù)是將信道終端設(shè)備輸出的中頻信號(hào)(70±18MHz)變換成射頻信號(hào)(6GHz左右),并把這一信號(hào)的功率放大到一定值。

(3)接收設(shè)備。接收設(shè)備的任務(wù)是把接收到的極其微弱的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)首先進(jìn)行低噪聲放大(對4GHz左右的信號(hào)進(jìn)行放大,而放大器本身引入的噪聲很小),然后變頻到中頻信號(hào)(70±18)MHz,供信道終端設(shè)備進(jìn)行解調(diào)及其他處理。

(4)信道終端設(shè)備。對發(fā)送支路來講,信道終端的基本任務(wù)是將用戶設(shè)備(電話、電話交換機(jī)、計(jì)算機(jī)、傳真機(jī)等)通過傳輸線接口輸入的信號(hào)加以處理,使之變成適合衛(wèi)星信道傳輸?shù)男盘?hào)形式。

對用戶信號(hào)的處理,可包括模擬信號(hào)數(shù)字化、信源編碼/解碼、信道編碼/解碼、中信號(hào)的調(diào)制/解調(diào)等。目前,世界上有各種衛(wèi)星通信系統(tǒng),各種通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)主要集中在信道終端設(shè)備所采用的技術(shù)上。

1.5微波與衛(wèi)星通信的頻率配置

1.5.1-微波通信的頻率配置波道是指頻分制微波通信系統(tǒng)中的不同射頻通道。頻率配置應(yīng)包括各波道收發(fā)信頻率的確定,并根據(jù)選定的中頻頻率確定收、發(fā)本振頻率。

在選擇頻率配置方案時(shí),應(yīng)遵循以下基本原則:

(1)在一個(gè)中間站,一個(gè)單向波道的收信和發(fā)信必須使用不同頻率,而且有足夠大的間隔,以避免電平很高的發(fā)送信號(hào)被本站的收信機(jī)收到,使正常的電平極低的接收信號(hào)受到干擾。

(2)多波道同時(shí)工作,相鄰波道頻率之間必須有足夠的間隔,以免發(fā)生鄰波道干擾。

(3)整個(gè)頻譜安排必須緊湊合理,使給定的通信頻段能得到經(jīng)濟(jì)的利用,并能傳輸較高的信號(hào)速率。

(4)因微波天線塔的建設(shè)費(fèi)用很高,多波道系統(tǒng)要設(shè)法共用天線。所以選用的頻率配置方案應(yīng)有利于天線共用,達(dá)到既能降低天線建設(shè)總投資,又能滿足技術(shù)指標(biāo)的目的。

(5)不應(yīng)產(chǎn)生鏡像干擾。即不允許某一波道的發(fā)信頻率等于其他波道收信機(jī)的鏡像頻率。

1.射頻波道頻率配置方式

ITUR關(guān)于波道頻率配置的建議規(guī)定了各頻段的波道配置方法。。在ITUR建議的基礎(chǔ)上國家無線電委員會(huì)也公布了一系列的頻率配置方案。

1)集體排列方案

射頻波道可以分為收信和發(fā)信波道。通常的做法是將某一頻段的2n個(gè)波道分割成低端與高端兩段,每段有n個(gè)波道,分別記為f1、f2、…、fn及f'1、f'2、…、f'n。對某臺(tái)收發(fā)信機(jī)來說,如果發(fā)信波道取低端的話,則收信波道一定取高端相應(yīng)的fi,反之亦然,如圖1-12所示。這樣fi和f'i就組成了一對波道,整個(gè)頻段共有n對波道。我們還規(guī)定f'i-fi為同一對波道的收發(fā)中心頻率間隔。f0為中心頻率,n為工作波道對的數(shù)目,Δf帶寬為占用帶寬,并有圖1-12多波道頻率配置(集體排列方案)

2)交替波道配置方案

為了使更多的波道能夠共用天線并減小系統(tǒng)內(nèi)的干擾,現(xiàn)在微波天線大多采用雙極化。對于雙極化的天線和圓饋線,通常使用兩種互相垂直的極化波——水平極化波和垂直極化波。

3)同波道交叉極化方案

為了提高頻譜利用率,可以使用同波道交叉極化方案。

2.SDH常用頻段的射頻波道配置

根據(jù)CCIR第746號(hào)建議,SDH微波通信系統(tǒng)的射頻波道配置應(yīng)該與現(xiàn)有的射頻波道配置方法兼容,便于SDH微波傳輸系統(tǒng)的推廣,盡量減少對現(xiàn)有PDH微波傳輸系統(tǒng)的影響。

“1~30GHz數(shù)字微波接力通信系統(tǒng)容量系列及射頻波道配置”的國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定1.5GHz和2GHz頻段的波道帶寬較窄,取2MHz、4MHz、8MHz、14MHz波道帶寬,適用于中、小容量的信號(hào)傳輸速率。4、5、6GHz頻段的電波傳播條件較好,用于大容量的高速率信號(hào)傳輸,如SDH信號(hào)的傳輸。選取這三個(gè)頻段的部分射頻波道的配置參數(shù)列于表1-1,供參考。

1.5.2衛(wèi)星通信的頻率配置

衛(wèi)星通信工作頻段的選取將影響到系統(tǒng)的傳輸容量、地球站發(fā)信機(jī)及衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的發(fā)射功率、天線口徑尺寸及設(shè)備的復(fù)雜程度等。在選擇工作頻段時(shí),主要考慮以下因素:

(1)天線系統(tǒng)接收的外界干擾噪聲要小。

(2)電波傳播損耗及其他損耗要小。

(3)設(shè)備重量要輕,體積小,耗電小。

(4)可用頻帶要寬,以滿足傳輸容量的要求。

(5)與其他地面無線系統(tǒng)(微波中繼通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等)之間的相互干擾要盡量小。

(6)能充分利用現(xiàn)有的通信技術(shù)和設(shè)備。

目前大多數(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)選擇在下列頻段工作:

(1)UHF(超高頻)頻段———400/200MHz。

(2)微波L頻段———1.6/1.5GHz。

(3)微波C頻段———6.0/4.0GHz。

(4)微波X頻段———8.0/7.0GHz。

(5)微波Ku頻段———14.0/12.0GHz和14.0/11.0GHz。

(6)微波Ka頻段———30/20GHz。

為了不與上述的民用衛(wèi)星通信系統(tǒng)干擾,許多國家的軍用和政府用的衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用8/7GHz頻段。其上行頻率為7.9~8.4GHz,下行頻率為7.25~7.75GHz。

由于衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)量的急劇增加,1~10GHz的無線電窗口日益擁擠,14/11GHz頻段已得到開發(fā)和使用。其上行頻率為14~14.5GHz,下行頻率為10.95~11.2GHz和11.45~11.7GHz等。

1.6微波與衛(wèi)星通信的發(fā)展1.6.1-微波通信的發(fā)展微波通信的發(fā)展趨勢:①可以作為干線光纖傳輸?shù)膫浞莺脱a(bǔ)充,采用PDH微波以及點(diǎn)對點(diǎn)的SDH微波等;②可用于海島、農(nóng)村等邊遠(yuǎn)地區(qū)以及專享通信網(wǎng)中為用戶提供基本業(yè)務(wù)的場合,這時(shí)候可以使用微波點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)系統(tǒng);③用于城市的短距離支線連接,比如移動(dòng)通信基站之間、局域網(wǎng)之間等方面。

1.6.2衛(wèi)星通信的發(fā)展

從1957年前蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆衛(wèi)星Sputnik以來,衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展非常迅速。1965年春,第一顆商用衛(wèi)星“晨鳥”進(jìn)入靜止軌道,成為第一代國際通信衛(wèi)星。目前,國際通信衛(wèi)星已經(jīng)歷8代,第9代正在建立,是當(dāng)代全球最大的通信衛(wèi)星系統(tǒng)。伴隨著通信衛(wèi)星的發(fā)展,通信衛(wèi)星組織的發(fā)展也非常迅速。

我國自1970年成功發(fā)射了第一顆衛(wèi)星以來,已經(jīng)先后發(fā)射了數(shù)十顆各種用途的衛(wèi)星?，F(xiàn)如今,我國的衛(wèi)星通信技術(shù)已經(jīng)邁入了國際領(lǐng)先領(lǐng)域。

衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢:

①地球同步軌道通信衛(wèi)星向大容量、多波束、智能化等方面發(fā)展。

②低軌衛(wèi)星群將會(huì)與蜂窩通信技術(shù)進(jìn)行結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)全球個(gè)人通信。

③小型衛(wèi)星通信地面站的應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大等。

本章小結(jié)

(1)微波通信、衛(wèi)星通信的基本概念:微波通信是指利用微波攜帶信息,通過電波空間進(jìn)行傳輸?shù)囊环N通信方式;衛(wèi)星通信實(shí)際上就是利用通信衛(wèi)星作為中繼站而進(jìn)行的一種特殊的微波中繼通信。

(2)微波通信的特點(diǎn)是“微波、多路、接力”。靜止衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn),且費(fèi)用與通信距離無關(guān);覆蓋面積大,可以進(jìn)行多址通信;通信頻帶寬,傳輸容量大,適于多種業(yè)務(wù)傳輸;通信質(zhì)量高,通信線路穩(wěn)定可靠;通信電路靈活、機(jī)動(dòng)性好;可以自發(fā)自收地進(jìn)行監(jiān)測。靜止衛(wèi)星通信的不足之處:靜止衛(wèi)星的發(fā)射與控制技術(shù)比較復(fù)雜;盲區(qū)及地球的高緯度地區(qū)通信效果不好;存在星蝕和日凌中斷現(xiàn)象;有較大的信號(hào)傳輸時(shí)延和回波干擾;保密性差。

(3)數(shù)字微波通信線路由終端站、中間站和再生中繼站、終點(diǎn)站及電波的傳播空間所構(gòu)成。

(4)衛(wèi)星通信系統(tǒng)由空間分系統(tǒng)、通信地球站分系統(tǒng)、跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)等四大功能部分組成。

(5)衛(wèi)星通信線路由發(fā)端地球站、上行線傳輸路徑、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、下行線傳輸路徑和收端地球站組成。

(6)微波通信的頻率配置遵循的原則是:單向波道的收信和發(fā)信必須使用不同頻率;多波道同時(shí)工作,相鄰波道頻率之間必須有足夠的間隔;頻譜安排必須緊湊合理;系統(tǒng)應(yīng)有利于天線共用;不應(yīng)產(chǎn)生鏡像干擾。

(7)衛(wèi)星通信工作頻段的選擇區(qū)域:電波能穿透電離層的特高頻或微波頻段。

(8)衛(wèi)星通信常用工作頻段:UHF(超高頻)頻段(400/200MHz);微波L頻段(1.6/1.5GHz);微波C頻段(6.0/4.0GHz);微波X頻段(8.0/7.0GHz);微波Ku頻段(14.0/12.0GHz和14.0/11.0GHz);微波Ka頻段(30/20GHz)。第2章微波與衛(wèi)星通信傳輸通道2.1自由空間的電波傳播2.2

微波傳播的影響因素2.3衛(wèi)星通信的電波傳播特性2.4移動(dòng)衛(wèi)星信道本章小結(jié)

2.1自由空間的電波傳播

2.1.1無線電波的傳播特性無線電波以多種傳輸方式從發(fā)射天線到達(dá)接收天線,主要包括自由空間波、對流層反射波、電離層波和地波。(1)如圖2-1中1所示,表面波傳播是電波沿著地球表面到達(dá)接收端的傳播方式。圖2-1無線電波的傳播特性

(2)天波傳播是自發(fā)射天線發(fā)出的電磁波,在高空被電離層反射回來到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式,如圖2-1中2所示。

(3)如圖2-1中3所示,視距傳播是電波依靠發(fā)射天線和接收天線之間直視的傳播方式,可以分為地對地視距傳播和地對空視距傳播。

(4)散射傳播是利用大氣層中對流層和電離層的不均勻性來散射電波,使電波到達(dá)視線以外的地方的傳播方式,如圖2-1中4所示。

(5)外層空間傳播是無線電波在對流層、電離層以外的外層空間中的傳播方式,如圖2-1中的5所示。

在電波的傳輸過程中,除了大氣、氣候?qū)ζ鋫鞑ギa(chǎn)生影響以外,地面的影響較大,主要表現(xiàn)在這幾方面:

①樹林、山丘、建筑物等能夠阻擋一部分電磁波的射線,從而增加了損耗;

②平滑的地面和水面可以將一部分的信號(hào)反射到接收天線上,反射波與入射波疊加后,有可能相互抵消而產(chǎn)生損耗;

③當(dāng)?shù)孛嫔蠠o明顯的障礙物時(shí),主要表現(xiàn)為反射波對直

射波的影響,反射是電平產(chǎn)生衰落的主要因素。

2.1.2-自由空間的微波傳播

自由空間又稱為理想介質(zhì)空間,即相當(dāng)于真空狀態(tài)的理想空間。在自由空間傳播的電磁波不產(chǎn)生反射、折射、吸收和散射等現(xiàn)象,也就是說,總能量并沒有被損耗掉。

微波在自由空間傳播時(shí),其能量會(huì)因向空間擴(kuò)散而衰耗。這種微波擴(kuò)散衰耗就稱為自由空間傳播損耗。當(dāng)距離d以km為單位、頻率f以GHz為單位時(shí),自由空間的傳播損耗Ls為

式中:d為收發(fā)天線的距離,f為發(fā)信頻率。

設(shè)Pt為發(fā)射機(jī)的功率電平,在自由空間傳播的條件下,接收機(jī)的輸入電平Pr為

其中:Gr、Gt分別為收、發(fā)天線的增益;Lfr、Lft分別為收、發(fā)兩端饋線的系統(tǒng)損耗;Lbr、Lbt為收、發(fā)兩端分路系統(tǒng)損耗。

2.2

微波傳播的影響因素

2.2.1地面反射對微波傳播的影響微波傳輸?shù)膶?shí)際介質(zhì)是大氣層而非均勻的介質(zhì)自由空間。大氣是在不斷變化著的,這種變化對微波傳播的影響以距地面約10km以下的被稱為對流層的低層大氣層的影響為最甚。

理論上,自由空間是指無邊際的空間,實(shí)際上這樣的理想空間是不存在的。然而,對于某一特定方向而言,卻存在著可以被視為自由空間傳播的可能性,這種設(shè)定更有其實(shí)際的意義。從而引入電波傳播費(fèi)涅耳區(qū)的概念。

如圖2-2所示,空間A處有一球面波源,以此為中心,半徑為R,構(gòu)筑一球面。圖2-2-費(fèi)涅耳半波帶

根據(jù)惠更斯費(fèi)涅耳原理,該球面上所有的同相惠更斯源可以視為遠(yuǎn)區(qū)觀察點(diǎn)P的二次波源。設(shè)P點(diǎn)與A點(diǎn)相距d=R+r0,球面S可劃分成n個(gè)環(huán)形帶(n=1,2,3,…),相鄰兩帶的邊緣到P的距離相差半個(gè)波長(物理學(xué)上這種環(huán)帶被稱為費(fèi)涅耳半波帶),即

假設(shè)第一費(fèi)涅耳區(qū)的半徑為F1,則當(dāng)各參數(shù)如圖2-3所示時(shí),根據(jù)第一費(fèi)涅耳區(qū)半徑的定義,有

通常d1?F1,d2?F1,因此將上式作一級(jí)近似,可得

若λ的單位為m,d1、d2、d的單位為km,則以m為單位的F1可表示為

顯然,該半徑在路徑的中央d1=d2=d/2處達(dá)到最大值圖2-3費(fèi)涅耳區(qū)及第一費(fèi)涅耳區(qū)相關(guān)參數(shù)

實(shí)際上,劃分費(fèi)涅耳半波帶的球面是任意選取的,因此當(dāng)球面半徑R變化時(shí),盡管各費(fèi)涅耳區(qū)的尺寸也在變化,但是它們的幾何定義不變。而它們的幾何定義恰恰就是以A、P為焦點(diǎn)的橢圓,如圖2-4所示。圖2-4費(fèi)涅耳橢球

如圖2-5所示,即使地面上的障礙物遮擋了收、發(fā)兩點(diǎn)間的幾何射線,由于電波傳播的主要通道未被全部遮擋住,因此接收點(diǎn)仍然可以收到信號(hào),此種現(xiàn)象稱為電波繞射。圖2-5不同波長的繞射能力

在不考慮地球的曲率,認(rèn)為兩站之間的地形為平面時(shí),此地球表面稱為平滑地面。在實(shí)際建設(shè)微波通信線路時(shí),總是把收、發(fā)天線對準(zhǔn),以使收端收到較強(qiáng)的直射波。根據(jù)惠更斯原理,總會(huì)有一部分電波投射到地球表面,所以在收信點(diǎn)除收到直射波外,還要收到經(jīng)地面反射并滿足反射條件的反射波,如圖2-6所示。圖2-6平滑地面對微波的反射

1)余隙

路徑上O的余隙是指反射點(diǎn)O到TR的垂直距離。由于線路上距離d?h'c,為了方便,常用O點(diǎn)的垂直地面的線段hc近似表示余隙,即hc≈h'c,稱為O點(diǎn)的余隙。

2)直射波和反射波在收信點(diǎn)產(chǎn)生的合成場強(qiáng)

設(shè)E0為自由空間傳播時(shí),直射波到達(dá)接收點(diǎn)的場強(qiáng)的有效值,則直射波場強(qiáng)的瞬時(shí)值為

反射波場強(qiáng)的瞬時(shí)值為

在R點(diǎn)的矢量合成為

將合成場強(qiáng)E與自由空間場強(qiáng)E0之比稱為地面反射引起的衰落因子,用V表示

通常用分貝(dB)來表示衰落損耗的程度,即

將地面影響(有反射時(shí))考慮在內(nèi),實(shí)際的收信點(diǎn)的電平為

其中:Pr0是未考慮反射時(shí)的自由空間收信電平,以dBm為單位;Pr為有衰落時(shí)的收信電平以,dBm為單位。

圖2-7衰落因子V與Δr行程差的關(guān)系曲線

在工程上,一般不采用Δr去計(jì)算衰落因子V,而是借助余隙hc去計(jì)算V。

將其代入式(2-20),則

再將上式代入式(2-19),得

式中:hc為余隙;F1為第一費(fèi)涅耳區(qū)半徑。

圖2-8VdB與hc/F1的關(guān)系曲線

2.2.2-大氣對微波傳播的影響

前面講的平滑地面的反射所指的空間環(huán)境為均勻的。因此,微波傳播中不論是直射波還是反射波都不會(huì)產(chǎn)生折射。但實(shí)際上大氣是不均勻的,大氣的成分、壓強(qiáng)、溫度和濕度都隨高度而變化,它們的變化引起大氣折射率也隨高度而變化,這將導(dǎo)致電波傳播方向發(fā)生變化,產(chǎn)生折射。

大氣折射由折射率n表示,指電波在自由空間的傳播速度c與電波在大氣中的傳播速度v的比值,記作

n值通常在1.0到1.00045之間,為了便于計(jì)算,又定義了折射率指數(shù)N=(n-1)×106。在自由空間N=0;在地球表面N=300左右。

圖2-9大氣折射對微波軌跡的影響

為了便于分析,引入等效地球半徑的概念。即把微波射線仍看成直線,而把地球半徑R0等效為Re,如圖2-10所示。圖2-10等效示意圖

等效的條件是:微波軌跡與地面之間的高度差hc相等,或等效前、后的微波路徑與球形地面之間的曲率之差保持不變。

定義K為等效地球半徑系數(shù)

圖2-11大氣折射的分類

大氣折射使微波射線路徑彎曲,將會(huì)導(dǎo)致余隙的增大或減小,余隙的變化必然引起VdB的變化,進(jìn)而使得收信點(diǎn)接收電平Pr發(fā)生變化。當(dāng)使用等效地球半徑的概念后,我們?nèi)钥梢曃⒉ㄉ渚€為直線,而認(rèn)為地球半徑有了變化,由實(shí)際半徑R0變?yōu)榈刃О霃絉e,如圖2-12所示。

圖2-12中虛線為等效后的地球凸起高度;實(shí)線為實(shí)際地球凸起高度。圖2-12-折射引起的余隙變化

通常所遵循的余隙標(biāo)準(zhǔn),如表2-1所示。

【例2-1】設(shè)微波通信頻率為8GHz,站距為50km,若路徑為真實(shí)的光滑球形地面,求:(1)當(dāng)不計(jì)氣象影響時(shí)(he=0),為保證h0的自由傳播空間不受阻擋,收、發(fā)天線高度H

min應(yīng)為多少米(設(shè)收發(fā)天線等高)?

(2)當(dāng)K=2/3時(shí),即考慮氣象條件對電波傳播的影響,且要求hc≥h0時(shí),收、發(fā)信天線高度至少應(yīng)為多少米?

解(1)根據(jù)題意,所給地形為光滑球面,故可設(shè)線路中點(diǎn)為地球凸起高度最高點(diǎn)和反射點(diǎn),因設(shè)收、發(fā)天線等高(H1=H2),可畫出圖2-13。圖2-13例2-1圖

(2)考慮氣象條件的影響,K=2/3時(shí),地球凸起高度為

復(fù)雜地形地面的典型斷面如圖2-14所示,實(shí)際微波路徑多類似為這種斷面。圖2-14復(fù)雜地形地面斷面圖

從幾何關(guān)系可導(dǎo)出考慮大氣折射時(shí)余隙hce的表達(dá)式為

式中:H1、H2-為收、發(fā)點(diǎn)山頂海拔高度(m);H3為反射點(diǎn)海拔高度(m);h1、h2-為收、發(fā)天線的高度(m);d1、d2-為收、發(fā)點(diǎn)到反射點(diǎn)的位置(km);d為站距(km);he為反射點(diǎn)等效地球凸起高度(m)。

2.2.3微波傳播中的衰落特性

實(shí)際中,微波傳播路徑的大氣不可能總是混合得非常均勻,因此存在對流、平流、湍流及雨霧等大氣現(xiàn)象,它們都是由對流層中一些特殊的大氣環(huán)境造成的,并且呈現(xiàn)隨機(jī)性。加上地面反射對電波傳播的影響,就使發(fā)信端到接收端之間的電波被散射、折射、吸收,或被地面反射。在同一瞬間,可能只有一種現(xiàn)象發(fā)生(影響較明顯),也可能幾種現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生,其發(fā)生的次數(shù)及影響程度都帶有隨機(jī)性。這些影響會(huì)使收信點(diǎn)場強(qiáng)(或電平)隨時(shí)間而變化,這種收信電平隨時(shí)間起伏變化的現(xiàn)象,叫做微波傳播的衰落現(xiàn)象。

衰落的持續(xù)時(shí)間有長有短。持續(xù)時(shí)間短的為幾毫秒至幾秒,稱為快衰落;持續(xù)時(shí)間長的從幾分至幾小時(shí),稱為慢衰落。當(dāng)衰落發(fā)生時(shí),接收電平低于自由空間電平時(shí)稱為下衰落;高于自由空間電平時(shí)稱為上衰落。

研究表明:視距傳播衰落的主要原因是大氣與地面效應(yīng)。就發(fā)生衰落的物理原因而言,可以分成以下幾類

1.大氣吸收衰落

物體都是由帶電的粒子組成,這些粒子都有其固定的電磁諧振頻率。

2.雨霧引起的散射衰落

雨霧中的小水滴會(huì)使電磁波產(chǎn)生散射,從而造成電磁波的能量損失,產(chǎn)生散射衰落。

3.K型衰落

K型衰落是一種由多徑傳輸引起的干涉型衰落,它是由于直射波與地面反射波(或在某種情況下的繞射波)到達(dá)接收端因相位不同互相干涉造成的微波衰落。

4.波導(dǎo)型衰落

由于各種氣象條件的影響,如早晨地面被太陽曬熱,夜間地面的冷卻,以及海面和高氣壓地區(qū)等都會(huì)造成大氣層中的不均勻結(jié)構(gòu)。當(dāng)電磁波通過對流層中這些不均勻?qū)訒r(shí),將產(chǎn)生超折射現(xiàn)象,形成大氣波導(dǎo)。只要微波射線通過大氣波導(dǎo),而收、發(fā)兩點(diǎn)在波導(dǎo)層下面,如圖2-15所示,則收信點(diǎn)的電場強(qiáng)度除了直射波和地面反射波外,還可能收到波導(dǎo)層的反射波,形成嚴(yán)重的干涉型衰落,并往往造成通信中斷,這種衰落稱為波導(dǎo)型衰落。圖2-15大氣波導(dǎo)形成的反射波

5.閃爍衰落

對流層中的大氣常常發(fā)生體積大小不等、無規(guī)則的漩渦運(yùn)動(dòng),稱為大氣湍流。大氣湍流形成的一些不均勻小塊或?qū)訝钗锸菇殡姵?shù)ε與周圍不同,并能使電波向周圍輻射,這就是對流層散射,如圖2-16所示。圖2-16對流層散射

6.頻率選擇性衰落

由前面討論的內(nèi)容知道,對一個(gè)微波接收站而言,收信點(diǎn)除了可以收到直射波外,還會(huì)收到來自路徑某點(diǎn)的反射波。大氣效應(yīng)又使大氣層中產(chǎn)生一些隨機(jī)的、不依賴于任何固定反射面的反射和散射電波,即收信點(diǎn)可以收到多個(gè)途徑傳來的電波,這就是多徑傳播現(xiàn)象。

頻率選擇性衰落是由多徑傳播產(chǎn)生的干涉型衰落現(xiàn)象引起的。我們可把多徑傳播歸納為兩種類型:一種是直射波與地面反射波形成的多徑;另一種是低空大氣層大氣效應(yīng)造成

的幾種途徑并存的多徑。一般地說,第一種是主要的,是必然發(fā)生的。第二種是次要的,不一定經(jīng)常發(fā)生。但是,當(dāng)?shù)孛娣瓷洳◤?qiáng)度很弱,甚至很微弱時(shí),第二種多徑影響就將成為主要因素。因多徑干涉型衰落是由幾條不同路徑的電波相干涉而產(chǎn)生的,所以從原理上講,對其衰落模型的研究應(yīng)該由幾條波束進(jìn)行合成。但是,在視距微波線路上,三條以上波束相干涉所造成的衰落使微波電路質(zhì)量變壞的概率較小,故一般都是對兩條波束模型產(chǎn)生的干涉型衰落機(jī)理進(jìn)行研究。

兩條射線(波束)傳輸信道的等效電路如圖2-17所示。圖2-17兩條射線傳輸信道的等效電路

在圖2-18(a)中,橫坐標(biāo)表示微波信號(hào)的頻率,縱坐標(biāo)表示幅頻特性,從左到右排列8個(gè)波道的帶寬。如圖2-18(a)所示第4、5波道無頻率選擇性衰落,幅頻特性是平坦的;而第2、7波道卻有很深的頻率選擇性衰落,通帶內(nèi)的幅頻特性偏差較大,呈現(xiàn)一個(gè)很深的凹陷;而1、3、6、8波道則有較明顯的幅頻特性傾斜。

如圖2-18所示的頻率選擇性衰落將使微波信號(hào)產(chǎn)生帶內(nèi)失真;如果系統(tǒng)的頻率配置采用同頻雙極化工作,還會(huì)使交叉極化鑒別度下降;另外,系統(tǒng)具有的抗深度衰落能力(衰落儲(chǔ)備)也要受到影響。圖2-18兩條射線信道的傳輸特性

(1)引起帶內(nèi)失真。

帶內(nèi)失真是指微波信號(hào)(已調(diào)波)在通帶內(nèi)的幅頻特性和群時(shí)延頻率特性具有非線性,信號(hào)的各頻譜成分的A(f)、T(f)特性隨頻率呈起伏變化的失真,如圖2-18所示。

(2)使交叉極化鑒別度下降。

在收發(fā)共用天線系統(tǒng)中,采用同頻(雙極化)再用方案時(shí),會(huì)引起頻率相同、極化正交的兩個(gè)波道之間的干擾,稱之為交叉極化干擾。

交叉極化鑒別度用XDP電平值表示,即

式中:P為收端某一波道接收到與發(fā)端極化相同信號(hào)的功率。PX為該波道極化失配時(shí)接收到的信號(hào)功率。XPD值越大,表示一種極化狀態(tài)經(jīng)傳輸變成正交極化狀態(tài)的能量越少。

(3)使系統(tǒng)原有的衰落儲(chǔ)備值下降。

當(dāng)不考慮頻率選擇性衰落時(shí),系統(tǒng)的抗衰落能力是以平坦衰落儲(chǔ)備表征的。平坦衰落儲(chǔ)備是指與自由空間傳播條件相比,當(dāng)熱噪聲增加時(shí),為了在不超過門限誤碼的情況下系統(tǒng)仍能正常工作,所必須留有的電平余量。

數(shù)字微波通信系統(tǒng)經(jīng)常用到有效衰落儲(chǔ)備的概念,它表示與自由空間傳播條件相比,當(dāng)考慮頻率選擇性衰落時(shí),為了在不超過門限誤碼率時(shí)系統(tǒng)仍能工作,所必須留有的電平余量。有效衰落儲(chǔ)備是兼顧平坦衰落儲(chǔ)備、多徑衰落儲(chǔ)備和考慮熱噪聲、干擾所需儲(chǔ)備的綜合衰落儲(chǔ)備。由于頻率選擇性衰落對微波通信系統(tǒng)傳輸質(zhì)量帶來了不利的影響,為了改善微波通信系統(tǒng)的性能,提高通信的質(zhì)量,解決的辦法是采用抗衰落技術(shù),以改善系統(tǒng)的抗頻率選擇性衰落的能力。

2.2.4抗衰落技術(shù)

微波傳播中的衰落現(xiàn)象給微波傳輸帶來了不利的影響,所以人們在研究電波傳播統(tǒng)計(jì)規(guī)律的基礎(chǔ)上提出了各種對付微波衰落的技術(shù)措施,即抗衰落技術(shù)。

分集技術(shù)包括分集發(fā)送技術(shù)和分集接收技術(shù)。從分集的類型看,使用較多的是空間分集和頻率分集,這里以分集接收來了解這些技術(shù)

1.空間分集接收

分集接收就是采用兩種或兩種以上的不同的方法接收同一信號(hào),以減少衰減帶來的影響,是一種有效的抗衰落的措施。其基本思想是將接收到的信號(hào)分成多路的獨(dú)立不相關(guān)信號(hào),然后將這些不同能量的信號(hào)按不同的規(guī)則合并起來。

空間分集接收是指在空間不同的垂直高度上設(shè)置幾副天線,同時(shí)接收一個(gè)發(fā)射天線的微波信號(hào),然后合成或選擇其中一個(gè)強(qiáng)信號(hào),這種方式稱為空間分集接收。有幾副天線就稱為幾重分集。若架設(shè)的鐵塔上有兩副天線作接收,就叫做二重空間分集接收,如圖2-19所示。圖2-19二重空間分集接收示意圖

當(dāng)存在地面反射時(shí),由平滑地面反射知,發(fā)生地面發(fā)射而引起衰落時(shí),衰落大小與行程差、余隙有關(guān),所以接收場強(qiáng)或電平隨接收點(diǎn)高度的變化而變化,呈瓣?duì)顖D形,如圖2-20所示。氣象條件變化時(shí),引起余隙變化,瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)會(huì)上下移動(dòng)。如果用一個(gè)固定高度的天線接收,這種變化無疑會(huì)引起信號(hào)的衰落。如果采用兩個(gè)固定天線,使其高度差等于場強(qiáng)分布相鄰最大和最小值的間距,這樣兩天線可以互相補(bǔ)償,使衰落大大地降低。圖2-20干涉長的空間分布和分集天線的位置

為了使兩天線的信號(hào)變化相反,上、下天線所接收的合成電場強(qiáng)度相位差應(yīng)為

即

分集技術(shù)由分集改善度表示,是指采用分集技術(shù)與不采用分集技術(shù)之比。在ITU－R3764建議中,給出了當(dāng)忽略地面反射時(shí)分集改善度的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中:D為站距,以km為單位;f為頻率,以GHz為單位;V為衰落因子,VdB=20lgV為衰落深度;S為天線間的距離,以m為單位;U為副天線相對于主天線的增益。

圖2-21是根據(jù)式(2-38)繪制的分集改善度列線圖。圖2-21對于分集天線高度差較小,改善度I<10的系統(tǒng)不適用,若參數(shù)不符合式(2-38)所定義的范圍及條件,由列線圖求出的I值將有誤差。圖2-21分集改善度列線圖

【例2-2】有一多徑傳播路由,若地面反射可忽略不計(jì)時(shí),站距D=40km,頻率f=4GHz,天線高度差S=9m,副天線相對于主天線的增益U=1,當(dāng)衰落深度VdB=-40dB時(shí),求分集改善度I。

解(1)在圖中的D尺上找到D=40km之點(diǎn)及f尺上f=4GHz之點(diǎn),通過兩點(diǎn)的直線與A1輔助尺交于a點(diǎn);

(2)通過a點(diǎn)與S尺S=9m之點(diǎn)作直線與A2-輔助尺交于b點(diǎn);

(3)通過b點(diǎn)與U尺U=1之點(diǎn)作直線與A3輔助尺交于c點(diǎn);

(4)通過c點(diǎn)與VdB=-40dB之點(diǎn)作直線與I輔助尺相交,讀得I=100

分集改善度是指在某一相對的收信電平時(shí),單一接收與分集接收的衰落累積時(shí)間百分比之比。其比值越大,說明分集改善效果越好。在圖2-22中,當(dāng)收信電平低于自由空間收

信電平20dB時(shí),單一接收與分集接收一起接收同一收信電平,其衰落的累積時(shí)間百分比分別為1%和0.01%,兩者的比值為100,即分集改善度為100。圖2-22-累積分布曲線

2.頻率分集接收

采用兩個(gè)或兩個(gè)以上具有一定頻率間隔的微波頻率同時(shí)發(fā)送和接收同一信息,然后進(jìn)行合成或選擇,以減輕衰落影響,這種工作方式叫做頻率分集。當(dāng)采用兩個(gè)微波頻率時(shí),稱為二重頻率分集。

同頻段分集是指所發(fā)送和接收的兩個(gè)微波信號(hào)頻率f1和f2-位于同一微波頻段之中,其分集系統(tǒng)的示意圖如圖2-23所示。圖2-23同頻段分集系統(tǒng)示意圖

跨頻段分集是指發(fā)送和接收的兩個(gè)微波信號(hào)頻率f1和f2-分別位于不同的微波頻段之中,其分集系統(tǒng)的示意圖如圖2-24所示。圖2-24跨頻段分集系統(tǒng)示意圖

3.自適應(yīng)均衡技術(shù)

均衡就是接收端的均衡器產(chǎn)生與信道特性相反的特性,用來抵消信道的時(shí)變多徑傳播特性引起的干擾,即通過均衡器消除時(shí)間和信道的選擇性。均衡技術(shù)用于解決符號(hào)間干擾

的問題,適用于信號(hào)不可分離多徑的條件下,且時(shí)延擴(kuò)展遠(yuǎn)大于符號(hào)的寬度。均衡技術(shù)可分為頻域均衡和時(shí)域均衡兩種。頻域均衡指的是總的傳輸函數(shù)滿足無失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件,即校正幅度特性和群時(shí)延特性。時(shí)域均衡是使總沖擊響應(yīng)滿足無碼間干擾的條件,數(shù)字通信多采用時(shí)域均衡,而模擬通信則多采用頻域均衡。

這種均衡器是一個(gè)諧振頻率fr和回路Q值可變的中頻諧振電路。用該中頻諧振電路產(chǎn)生的與多徑衰落造成的幅頻特性相反的特性,去抵消帶內(nèi)振幅偏差。

圖2-25(a)左邊部分示出了因多徑傳播造成的頻率選擇性衰落時(shí),凹陷點(diǎn)的頻率及其陡度(特性)會(huì)隨時(shí)變化。

圖2-25(b)所示的是這種頻域均衡器的原理電路。均衡器電路用分布參數(shù)和變?nèi)荻O管構(gòu)成并聯(lián)諧振電路,當(dāng)改變變?nèi)荻O管的結(jié)電容時(shí),可改變電路的中心諧振頻率。圖2-25衰落特性、均衡特性及均衡器原理圖

橫向?yàn)V波器式均衡器的結(jié)構(gòu)示于圖2-26。圖2-26橫向?yàn)V波器式均衡器結(jié)構(gòu)

下面用圖2-27對均衡原理簡單說明如下。圖2-27橫向?yàn)V波器式均衡器原理框圖

橫向?yàn)V波器能夠均衡空間分集和頻域自適應(yīng)均衡器沒有完全均衡的剩余波形失真。在實(shí)際使用中,往往將橫向?yàn)V波器式均衡器與頻域自適應(yīng)均衡器配合使用,在理論上講,可以均衡基帶領(lǐng)域中的任何波形失真

2.3衛(wèi)星通信的電波傳播特性

2.3.1衛(wèi)星通信中存在的電波傳播問題衛(wèi)星通信是在空間技術(shù)和地面微波中繼通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,靠大氣層外的衛(wèi)星的中繼實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。其載荷信息的無線電波要穿越大氣層,經(jīng)過很長的距離在地面站和衛(wèi)星之間傳播,因此它受到多種因素的影響。傳播問題會(huì)影響到信號(hào)質(zhì)量和系統(tǒng)性能,這也是造成系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中斷的原因之一,因此電波傳播特性是衛(wèi)星通信以及其他無線通信系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和線路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的基本特性。

衛(wèi)星通信的電波要經(jīng)過對流層(含云層和雨層)、平流層、電離層和外層空間,跨越距離大,因此影響電波的傳播因素很多。表2-2列出了有關(guān)衛(wèi)星通信的電波傳播問題。

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中,由于移動(dòng)用戶的特點(diǎn),使接收電波不可避免地受到山、植被、建筑物的遮擋反射、折射,從而引起多徑衰落,這是不同于固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信的地方。海面上的船舶、海面上空的飛機(jī)還會(huì)受到海面反射等引起的多徑衰落影響。固定站通信的時(shí)候,雖然存在多徑傳播,但是信號(hào)不會(huì)快衰落,只有由溫度等引起的信號(hào)包絡(luò)相對時(shí)間的緩慢變化,當(dāng)然條件是不能有其他移動(dòng)物體發(fā)射電磁波情況發(fā)生。

2.3.2-衛(wèi)星通信中通信電波的傳播噪聲

接收機(jī)輸入端的噪聲功率分別由內(nèi)部(接收機(jī))和外部(天線引入)噪聲源引入,外部噪聲源可以分為兩類:地面噪聲和太空噪聲。地面噪聲對天線噪聲影響最大,來源于大氣、降雨、地面、工業(yè)活動(dòng)(人為噪聲)等;太空噪聲來源于宇宙、太陽系等。

1)太陽系噪聲

它指的是太陽系中太陽、各行星以及月亮輻射的電磁干擾被天線接收而形成的噪聲,其中太陽是最大的熱輻射源。

2)宇宙噪聲

宇宙噪聲是指外空間星體的熱氣體及分布在星際空間的物質(zhì)所形成的噪聲,在銀河系中心的指向上達(dá)到最大值(通常稱為指向熱空),在天空其他某些部分的指向上是很低的(稱為冷空)。

3)大氣噪聲與降雨噪聲

電離層、對流層不但吸收電波的能量,還會(huì)產(chǎn)生電磁輻射從而形成噪聲,其中主要是氧氣和水蒸氣構(gòu)成的大氣噪聲,大氣噪聲是頻率和仰角的函數(shù)。

4)內(nèi)部噪聲

內(nèi)部噪聲來源于接收機(jī),由于接收機(jī)中含有大量的電子元件,而這些電子元件由于溫度的影響,其中自由電子會(huì)做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng),這些運(yùn)動(dòng)實(shí)際上影響了電路的工作,這就是熱噪聲,因?yàn)樵诶碚撋?如果溫度降低到絕對溫度,那么這種內(nèi)部噪聲將為零,但實(shí)際上達(dá)不到絕對溫度,所以內(nèi)部噪聲不可根除,只可抑制。

2.3.3衛(wèi)星通信中的多普勒效應(yīng)

當(dāng)以一定速率運(yùn)動(dòng)的物體,例如飛機(jī),發(fā)出了一個(gè)載波頻率f1,地面上的固定接收點(diǎn)收到的載波頻率就不會(huì)是f1,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻移fd。其頻移大小表示為

式中,λ為接收信號(hào)載頻的波長。

在衛(wèi)星移動(dòng)通信中,當(dāng)飛機(jī)移向衛(wèi)星時(shí),頻率變高,遠(yuǎn)離衛(wèi)星時(shí),頻率變低,而且由于飛機(jī)的速度十分快,所以我們在衛(wèi)星移動(dòng)通信中要充分考慮“多普勒效應(yīng)”。另外一方面,由于非靜止衛(wèi)星本身也具有很高的速度,所以目前主要用靜止衛(wèi)星與飛機(jī)進(jìn)行通信,為了避免這種影響造成通信中的問題,不得不在技術(shù)上加以各種考慮。這也加大了衛(wèi)星移動(dòng)通信的復(fù)雜性。

2.4移動(dòng)衛(wèi)星信道

在衛(wèi)星通信中,固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)(FSS)和廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù)(BSS)一般采用點(diǎn)對點(diǎn)或者一點(diǎn)對多點(diǎn)的傳播模式;上行鏈路和下行鏈路均為視距內(nèi)的電波傳播;地面采用非移動(dòng)的終端收發(fā)信裝置。

基于上述因素。移動(dòng)衛(wèi)星信道當(dāng)中包含了由于電波的非視距傳播所形成的各種效應(yīng),信號(hào)將會(huì)發(fā)生如下變化:

(1)時(shí)延;

(2)相位和幅度的變化;

(3)與干擾信號(hào)的穿插作用。

因此,移動(dòng)衛(wèi)星的信道具有獨(dú)特性。其對系統(tǒng)鏈路的功率分析、設(shè)計(jì)以及移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工程實(shí)踐至關(guān)重要。

2.4.1移動(dòng)信道傳播

一般而言,移動(dòng)通信信道與其應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān),涉及的環(huán)境因素包括自然形成的地形地物、地面建筑物以及其他存在于移動(dòng)終端周邊的障礙物等。固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)(FSS)和廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù)(BSS)的地面接收設(shè)備具有非移動(dòng)性,因此可以采用高增益的定向天線,有效地降低地形、地物對信道的影響,從而提高通信系統(tǒng)的質(zhì)量;與此相反,移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)的移動(dòng)終端一般采用低增益的全向性天線,移動(dòng)終端周邊的環(huán)境容易引起移動(dòng)信道環(huán)境的惡化,從而影響通信的效率和質(zhì)量。為此,移動(dòng)信道可以分類為三種傳播狀態(tài),即多徑、陰影和阻擋。

形成信道多徑的主要原因包括:建筑物墻體和金屬標(biāo)牌的反射;建筑屋頂、山峰、尖塔等尖銳邊角的繞射;街道、樹木和水的散射等。此外,大氣成分,云、雨的吸收,大氣分層和天氣條件也將影響信號(hào)的電平。此外,移動(dòng)終端天線的性能,包括增益方向圖、旁瓣、后瓣也將影響整個(gè)信號(hào)的特點(diǎn)。

圖2-28(a)所示為窄帶衰落時(shí)的信道示意圖。在移動(dòng)終端的附近,由散射引起的多路徑的路徑差很小,一般在幾個(gè)波長以內(nèi),因此,不同路徑信號(hào)的相位差別很大。同時(shí),由于沿不同路徑的電波幾乎同時(shí)到達(dá)接收端,因此,帶寬內(nèi)所有頻點(diǎn)的信號(hào)以同樣的方式發(fā)生衰落。

除了視距路徑之外,衛(wèi)星發(fā)射機(jī)和移動(dòng)接收機(jī)之間會(huì)存在由散射形成的多徑現(xiàn)象,形成寬帶衰落,如圖2-28(b)所示。散射越強(qiáng),不同路徑的時(shí)延差越大,當(dāng)相對時(shí)延大于發(fā)射信號(hào)的碼元或者比特周期時(shí),在信息帶寬內(nèi),信號(hào)會(huì)發(fā)生巨大的變形,導(dǎo)致所謂的選擇性衰落。該信道則為寬帶衰落信道,在構(gòu)建寬帶衰落信道模型時(shí),需將這些因素均考慮在內(nèi)。圖2-28移動(dòng)衛(wèi)星的窄帶衰落和寬帶衰落

2.4.2-窄帶信道

如上所述,窄帶衰落信道是由移動(dòng)終端周圍的散射體引起相對較小的路徑差所形成的,各路徑的相位相差較大,而電波到達(dá)終端的時(shí)間近乎相同,帶寬內(nèi)所有頻點(diǎn)以同樣的方式發(fā)生變化和衰落。

依據(jù)變化的快慢,窄帶衰落呈現(xiàn)兩個(gè)層級(jí)。圖2-29所示為在移動(dòng)終端移動(dòng)距離相對較小時(shí)(如15m的范圍內(nèi)),移動(dòng)終端接收的信號(hào)電平值。

這一電平的慢變化被稱為陰影衰落,或慢衰落、大范圍衰落;相較而言,電平的快變化則被稱為多徑衰落,或快衰落、小范圍衰落。圖2-29窄帶衰落移動(dòng)信道移動(dòng)接收機(jī)的接收信號(hào)功率

2.4.3寬帶信道

當(dāng)信號(hào)到達(dá)移動(dòng)終端的波束存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的時(shí)候,則發(fā)生寬帶衰落。

設(shè)移動(dòng)終端y的接收信號(hào)是N個(gè)散射波路徑信號(hào)的疊加,其第i路信號(hào)的相位為θi,幅度為ai,時(shí)延為τi,則

上式中,每一項(xiàng)表示發(fā)射信號(hào)的一個(gè)“回波”。

在窄帶信道中,到達(dá)信號(hào)的時(shí)間延遲近似相等,信號(hào)的幅度不因載波頻率的變化而改變;相反,如果相對時(shí)延較大,產(chǎn)生延時(shí)擴(kuò)展,則信道響應(yīng)隨頻率變化,信號(hào)頻譜發(fā)生變形,這就是寬帶信號(hào)的特點(diǎn)。由于信道路徑長,隨著時(shí)延的增加,電波的功率減小。增加可能的散射區(qū)域,使得區(qū)域具有更大的延時(shí)通路,該通路增加了在同一時(shí)延的可能的通路數(shù),從而起到抗衡作用。

圖2-30所示為寬帶信道的碼間干擾。圖2-30帶信道碼間干擾

圖2-31所示為寬帶時(shí)延對誤比特(BER)的影響。圖2-31寬帶時(shí)延對BER的影響

在移動(dòng)衛(wèi)星信道中,時(shí)延擴(kuò)展比地面移動(dòng)信道的時(shí)延擴(kuò)展要小的多,這是由于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的距離很遠(yuǎn)。對于地球靜止軌道和非地球靜止軌道的移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)也是如此。因

此,衛(wèi)星移動(dòng)通信是窄帶的。尤其是目前大多數(shù)在運(yùn)行的衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)為窄帶的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。隨著寬帶業(yè)務(wù)的快速增長,寬帶衛(wèi)星移動(dòng)通信的效應(yīng)應(yīng)該加以考慮。例如,L波段衛(wèi)星移動(dòng)信道的錐形延時(shí)模型

本章小結(jié)

本章根據(jù)無線信道(電波空間)中微波傳播的特點(diǎn),分別對微波在自由空間傳播的損耗,地面反射、大氣折射效應(yīng)以及衰落、抗衰落技術(shù)進(jìn)行了討論,并闡釋了衛(wèi)星通信中的電波傳播以及移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)的信道特點(diǎn)。

(1)根據(jù)無線電波的傳播特性,微波在自由空間的傳播、能量的擴(kuò)散可等效為微波在自由空間的傳播損耗,該損耗取決于微波的頻率和電波的傳播距離,影響接收的信號(hào)功率電平。

(2)在地球表面,接收端的微波信號(hào)是從多個(gè)費(fèi)涅爾區(qū)傳播而來,其中第一費(fèi)涅耳區(qū)對微波傳播的影響最為重要。

(3)平滑地面的反射直接影響終端接收的功率電平,一般以衰落因子加以描述。衰落因子的大小取決于電波的行程差。工程上,多以余隙計(jì)算平滑地面的衰落因子。

(4)由于大氣的氣壓、溫度、濕度隨高度的增加而變化,會(huì)引起折射率的改變,導(dǎo)致電波的傳播跡線發(fā)生彎曲。方便起見,引入等效地球半徑k,以平滑地面為參考,等效后的傳播跡線變?yōu)橹本€,相應(yīng)地,地球半徑由Ro等效為Re,余隙hc等效為hce。等效地球半徑k不同,則余隙hce的取值不同。

(5)接收端收信的信號(hào)功率電平隨時(shí)間的起伏變化稱為微波傳播的衰落現(xiàn)象。視距傳播衰落的主要原因是大氣與地面間的效應(yīng)。就發(fā)生衰落的物理機(jī)理而言,主要包括:大氣吸收衰落、雨霧引起的散射衰落、K型衰落、波導(dǎo)型衰落、閃爍衰落以及頻率選擇性衰落。

(6)頻率選擇性衰落是多徑傳播產(chǎn)生的干涉性衰落,在微波信號(hào)中產(chǎn)生帶內(nèi)失真,使交叉極化鑒別度以及系統(tǒng)原有的衰落儲(chǔ)備值下降?？顾ヂ浼夹g(shù)包括空間分集、頻率分集以及自適應(yīng)均衡技術(shù)。

(7)在衛(wèi)星通信電波傳播的諸多問題中,以傳播噪聲和多普勒效應(yīng)最為關(guān)鍵。其中,多普勒頻移由物體的移動(dòng)速度、頻率以及角度決定。

(8)在移動(dòng)衛(wèi)星信道中,電波不再僅僅是視距傳播,其傳播路徑上存在由各種障礙物形成的反射、繞射和散射。根據(jù)具體情況,一個(gè)移動(dòng)衛(wèi)星信道可由窄帶衰落信道或者寬帶衰落信道加以描述。第3章微波與衛(wèi)星通信的通信體制3.1信號(hào)傳輸方式與復(fù)用方式3.2調(diào)制方式3.3

編碼技術(shù)3.4信號(hào)處理技術(shù)本章小結(jié)

3.1信號(hào)傳輸方式與復(fù)用方式

3.1.1信號(hào)傳輸方式信號(hào)傳輸方式一般分為基帶傳輸和頻帶傳輸兩種?；鶐鬏斒侵笩o需進(jìn)行基帶頻譜搬移就能以基帶信號(hào)形式傳輸?shù)姆绞?即按數(shù)據(jù)波的原樣,不包含任何調(diào)制,在數(shù)字通信的信道上直接傳送數(shù)據(jù)?；鶐鬏敳贿m于傳輸語音、圖像等信息。若將基帶信號(hào)的頻譜搬移到某個(gè)載波頻帶內(nèi)進(jìn)行傳輸,此方式就是頻帶傳輸,所傳輸?shù)男盘?hào)稱為頻帶信號(hào)。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)有單路制和群路制兩種方式。所謂單路制,就是一個(gè)用戶的一路信號(hào)去調(diào)制一個(gè)載波,即單路單載波(SCPC)方式;所謂群路制,就是多個(gè)要傳輸?shù)男盘?hào)按照某種多路復(fù)用方式組合在一起,構(gòu)成基帶信號(hào),再去調(diào)制載波(即MCPC方式)。

3.1.2多路復(fù)用方式

把在同一信道中能夠同時(shí)傳輸多路信息且互不干擾的方式稱為多路復(fù)用。目前,廣泛采用的多路復(fù)用方式有兩種,一是頻分多路復(fù)用(FDM),二是時(shí)分多路復(fù)用(TDM)。FDM是從頻域的角度進(jìn)行分析的,使各路信號(hào)在頻率上彼此分開,而在時(shí)域上彼此混疊在一起;TDM是從時(shí)域的角度進(jìn)行分析的,使各路信號(hào)在時(shí)間上彼此分開,而在頻域上彼此混疊在一起。

1)頻分多路復(fù)用(FDM)方式

模擬信號(hào)一般采用頻分多路復(fù)用(FDM)方式,復(fù)用路數(shù)的多少主要取決于允許帶寬和費(fèi)用。它將各路用戶信號(hào)采用單邊帶(SSB)調(diào)制,將其頻譜分別搬移到互不重疊的頻率上,形成多路復(fù)用信號(hào),然后在一個(gè)信道中同時(shí)傳輸。接收端用濾波器將各路信號(hào)分離。由于是用頻率區(qū)分的,故稱頻分多路復(fù)用。

頻分復(fù)用系統(tǒng)中主要問題在于各路信號(hào)之間存在相互干擾。這是由于系統(tǒng)非線性器件的影響使各路信號(hào)之間產(chǎn)生組合波,當(dāng)其落入本波道通帶之內(nèi)時(shí),就構(gòu)成干擾。

2)時(shí)分多路復(fù)用(TDM)方式

對數(shù)字信號(hào)而言,通常采用時(shí)分多路復(fù)用方式。它將一條通信線路的工作時(shí)間周期性地分割成若干個(gè)互不重疊的時(shí)隙,分配給若干個(gè)用戶,每個(gè)用戶分別使用指定的時(shí)隙,這樣,就可以將多路信號(hào)在時(shí)間軸上互不重疊地穿插排列,在同一條公共信道上進(jìn)行傳輸。因此在接收端可以利用適當(dāng)?shù)倪x通門電路在各時(shí)隙中選出各路用戶的信號(hào),然后再恢復(fù)成原來的信號(hào)。對于時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)來說,全網(wǎng)的時(shí)間同步很重要,否則就不能精準(zhǔn)地傳遞信息。

3.2調(diào)制方式

3.2.1微波與衛(wèi)星通信中的調(diào)制方式數(shù)字調(diào)制中仍然采用正弦波作為載波信號(hào)。由于正弦信號(hào)有幅度、相位和頻率三種基本參量,因此可以構(gòu)成幅度鍵控(ASK)、移頻鍵控(FSK)和移相鍵控(PSK)三種基本調(diào)制方式,如圖3-1所示。圖3-1二進(jìn)制基帶信號(hào)的調(diào)制波形

三種調(diào)制方式所對應(yīng)的功率譜如圖3-2所示。圖3-2三種調(diào)制方式所對應(yīng)的功率譜

數(shù)字衛(wèi)星通信中選擇調(diào)制方式,應(yīng)綜合考慮多方面的因素。

(1)由于通信衛(wèi)星位于外層空間,因此衛(wèi)星信道的自由空間部分無起伏衰落現(xiàn)象,只引入白高斯噪聲,可視為恒參信道,因此,可以考慮采用最佳的調(diào)制和檢測方式,如PSK方式。

(2)在發(fā)射設(shè)備中采用了高頻功率放大器(HPA),而轉(zhuǎn)發(fā)器中使用了行波管放大器(TWTA)時(shí),它們的輸入、輸出特性均為非線性特性,而且具有幅相轉(zhuǎn)換(AM/PM)效應(yīng)。即當(dāng)輸入信號(hào)變化時(shí),其輸出信號(hào)的相位也隨之發(fā)生變化。

(3)應(yīng)充分考慮衛(wèi)星頻帶和功率的有效利用,帶限與延遲失真、鄰近信道干擾和同信道干擾等的影響,衛(wèi)星工作點(diǎn)的選擇,同步電路設(shè)計(jì),調(diào)制解調(diào)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的難易程度等等。

概括起來可以把數(shù)字衛(wèi)星通信的調(diào)制方式分成兩大類:

一是充分利用功率的調(diào)制方式,

二是充分利用(射頻)帶寬的調(diào)制方式。

3.2.2模擬調(diào)制———寬帶FM

調(diào)制是指用基帶信號(hào)對載波波形的某些參數(shù)(如幅度、相位和頻率)進(jìn)行控制,使這些參數(shù)隨基帶信號(hào)的變化而變化。所調(diào)制的基帶信號(hào)為模擬信號(hào)時(shí)的調(diào)制就是模擬信號(hào)調(diào)制。模擬信號(hào)調(diào)制又有幅度調(diào)制(AM)、頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)。這里主要介紹FDM/FM系統(tǒng)中寬帶調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)原理。

1.調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生

產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)的方法有兩種,一種是直接法,另一種是倍頻法。

用倍頻法產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)時(shí),首先是利用窄帶調(diào)頻器來產(chǎn)生窄帶調(diào)頻信號(hào),然后再用倍頻的方法將其變換成寬帶信號(hào),如圖3-3所示。圖3-3-倍頻法實(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)頻

由調(diào)頻的概念可以得出已調(diào)頻信號(hào)x(t)與調(diào)制信號(hào)S(t)之間的關(guān)系,即

式中A為調(diào)頻信號(hào)的載波振幅;ω0為調(diào)頻信號(hào)載波的角頻率;Kf(是一個(gè)常數(shù))為調(diào)制靈敏度;S(t)為調(diào)制信號(hào);?0為t=0時(shí)的載波相位,為了便于分析,經(jīng)常假設(shè)?0=0。

通常將由調(diào)頻引起的最大瞬時(shí)相位偏移遠(yuǎn)小于30°的情況稱為窄帶調(diào)頻,此時(shí)近似有下列關(guān)系成立

因此式(3-1)可改寫為(設(shè)?0=0)

倍頻器的輸入、輸出端之間的關(guān)系為

其中α為常數(shù)?？梢钥闯?載頻和相位均增加了一倍。

讓倍頻器的輸出信號(hào)經(jīng)過一個(gè)帶通濾波器時(shí),就可以將其中的直流成分濾除,獲得一個(gè)新的調(diào)頻信號(hào),即

2.調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)

調(diào)制過程是一個(gè)頻譜搬移的過程,它是將低頻信號(hào)的頻譜搬移到載頻位置。而解調(diào)是將位于載頻的信號(hào)頻譜再搬回來,并且不失真地恢復(fù)出原始基帶信號(hào)。

調(diào)制信號(hào)的解調(diào)過程如圖3-4所示。圖3-4FM信號(hào)的解調(diào)過程

由于FDM信號(hào)的波形與熱噪聲的波形很相似,而其峰值頻率又與信號(hào)的峰值電壓相對應(yīng)。為此,定義一個(gè)新的物理量——峰值因數(shù)Fp,它是峰值電壓與有效電壓的比值。可見,信號(hào)的峰值電壓與所選取的峰值因數(shù)Fp有關(guān),其關(guān)系可用下式表示

式中,Δfr為測試音的有效頻偏,它代表在多路信號(hào)的相對電平為0dB處傳輸1mW測試信號(hào)時(shí),頻率調(diào)制器輸出端所產(chǎn)生的有效值;l稱為負(fù)載因數(shù)。在衛(wèi)星通信中,Fp的取值范圍為3.16~4.45,l一般取2.82,Δfr取577kHz。

2)調(diào)頻解調(diào)器輸出信噪比

信噪比是衡量系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的一種重要參數(shù),其數(shù)值等于輸出信號(hào)功率與噪聲功率之比,常常用分貝數(shù)表示。一般來說,信噪比越大,說明混在信號(hào)里的噪聲越少。由圖3-4可知,輸入信噪比低通濾波器輸出端的信噪比為

由此可得解調(diào)信噪比增益為

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中常取mf=5,此時(shí)解調(diào)信噪比增益可達(dá)450。

3.2.3-數(shù)字調(diào)制

當(dāng)調(diào)制信號(hào)是數(shù)字信號(hào)時(shí),稱這種調(diào)制為數(shù)字調(diào)制,此時(shí)載波參量隨基帶數(shù)字信號(hào)的變化而變化,調(diào)制后的已調(diào)信號(hào)便可以由發(fā)信機(jī)經(jīng)無線信道進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,收端經(jīng)收信機(jī)和解調(diào)器再還原成基帶信號(hào)。

由于要使已調(diào)信號(hào)具有等包絡(luò)、帶寬窄、頻帶利用率高和抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn),因此,在微波與衛(wèi)星通信系統(tǒng)中所使用的調(diào)制方式是PSK、FSK和以此為基礎(chǔ)的其他調(diào)制方式。

1.PSK方式

1)二進(jìn)制絕對調(diào)相(2PSK)和相對調(diào)相(2DPSK)方式絕對調(diào)相是利用載波信號(hào)的不同相位去傳輸數(shù)字信號(hào)的“1”和“0”碼的,二進(jìn)制絕對調(diào)相的變換規(guī)則是:數(shù)據(jù)“1”對應(yīng)于已調(diào)信號(hào)的0°相位,數(shù)據(jù)“0”對應(yīng)于已調(diào)信號(hào)的180°相

位,如圖3-5(b)所示;或反之。

相對調(diào)相是利用載波信號(hào)相位的相對關(guān)系表示數(shù)字信號(hào)的“1”和“0”碼的,其變換規(guī)則是:數(shù)據(jù)“1”使已調(diào)信號(hào)的相位變化180°相位,數(shù)據(jù)“0”使已調(diào)信號(hào)的相位變化0°相位,如圖3-5(c)所示;或反之。圖3-52PSK與2DPSK的調(diào)相波形

2)2PSK信號(hào)、2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)

2PSK信號(hào)的產(chǎn)生方法有直接調(diào)相法和相位選擇法兩種,如圖3-6所示。圖3-6二進(jìn)制絕對調(diào)相信號(hào)的產(chǎn)生電路

2PSK信號(hào)的解調(diào)用相干檢測法,又稱為極性比較法,其電路原理方框圖如圖3-7(a)所示。

先將調(diào)相信號(hào)S(t)經(jīng)全波整流后,通過窄帶濾波器(中心頻率為2fc)將整流后得到的二次諧波成分(2fc)濾出。然后對2fc信號(hào)限幅、二分頻,二分頻器輸出的就是提取出來的相干載波,其形狀為方波,此為載波提取過程。2PSK已調(diào)波S(t)與相干載波通過相乘器進(jìn)行極性比較(即解調(diào)),解調(diào)獲得輸出信號(hào),如圖3-7(b)所示。極性相同,輸出為正;極性相反,輸出為負(fù),如圖中①、⑤和⑥的波形。乘法器輸出信號(hào)經(jīng)低通濾波和判決后,即可得到基帶信號(hào),如圖中⑦的波形。圖3-7二進(jìn)制絕對調(diào)相信號(hào)的解調(diào)

2DPSK信號(hào)與2PSK信號(hào)之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系。只要將輸入的基帶數(shù)據(jù)序列變換成相對序列,即差分碼序列,然后用相對序列去進(jìn)行絕對調(diào)相,便可得到2DPSK信號(hào),如圖3-8(a)所示。圖3-82DPSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)

3)多相調(diào)制

上面討論的二進(jìn)制調(diào)相是用載波的兩種相位(0,π)去傳輸二進(jìn)制的數(shù)字信息“1”、“0”,如圖3-9(a)所示。在現(xiàn)代數(shù)字微波和衛(wèi)星通信中,為了提高信息傳輸速率,往往利用載波的一種相位去攜帶一組二進(jìn)制信息碼,如圖3-9(b)、(c)所示。圖3-9多相調(diào)制的相位矢量圖

四相調(diào)相已調(diào)波在兩種調(diào)相系統(tǒng)中的矢量圖,分別如圖3-10的(a)、(b)所示。圖3-10(c)、(d)所示的是兩種調(diào)相系統(tǒng)已調(diào)波起始調(diào)相角對應(yīng)的相位起始點(diǎn)位置的示意圖。從圖3-10(a)、(b)所示可以看出,相鄰已調(diào)波矢量對應(yīng)的雙比特碼之間,只有一位不同。雙比特碼的這種排列關(guān)系叫循環(huán)碼(也叫格雷碼)。在多相調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí),這種碼型有利于減少相鄰相位誤判而造成的誤碼,可提高數(shù)字信號(hào)頻帶傳輸?shù)目煽啃?。圖3-10種調(diào)相系統(tǒng)的相位矢量圖和起始相角

四相調(diào)制也有絕對調(diào)相和相對調(diào)相兩種方式,分別記作4PSK和4DPSK。絕對調(diào)相的載波起始相位與雙比特碼之間有一種固定的對應(yīng)關(guān)系,但相對調(diào)相的載波起始相位與雙比特碼之間就沒有固定的對應(yīng)關(guān)系,它是以前一時(shí)刻雙比特碼對應(yīng)的相對調(diào)相的載波相位為參考而確定的,其關(guān)系式為

其中,φk為本時(shí)刻相對調(diào)相已調(diào)波起始相位;φk-1為前一時(shí)刻相對調(diào)相已調(diào)波起始相位;Δφk為本時(shí)刻相對前一時(shí)刻已調(diào)波的相位變化量。

四相調(diào)制產(chǎn)生QPSK信號(hào)的電路很多,常見的有正交調(diào)制法和相位選擇法。其中正交調(diào)制法使用得最為普遍,圖3-11(a)所示的就是用這種方法產(chǎn)生4PSK信號(hào)的原理圖。用

兩位二進(jìn)制信息碼(AB)的組合來產(chǎn)生4PSK信號(hào),一個(gè)4PSK信號(hào)可以看作兩種正交的2PSK信號(hào)的合成,可用串/并變換電路將輸入的二進(jìn)制序列依次分為兩個(gè)并行的序列。

QPSK信號(hào)可用兩路相干解調(diào)器分別進(jìn)行解調(diào),因此圖3-11(b)中,上、下兩個(gè)支路分別是2PSK信號(hào)解調(diào)器,它們分別用來檢測雙比特碼元中的A和B碼元,然后通過并/串變換電路還原為串行數(shù)據(jù)信息。圖3-11QPSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)原理圖

AB二碼元的組合有00、01、11和10四種。序列由00到01,然后到11,再到10,最后回到00,其相位路徑是沿正方形邊界變化。兩個(gè)碼同時(shí)改變時(shí),相位路徑將沿對角線變化,即過原點(diǎn),如圖3-12所示。圖3-12QPSK信號(hào)的相位路徑圖

四相相對調(diào)相可采用類似二相調(diào)相系統(tǒng)碼變換的方法。在圖3-11(a)給出的4PSK信號(hào)產(chǎn)生的原理圖的串/并變換之前加入一個(gè)碼變換器,即把輸入數(shù)據(jù)序列變換為差分碼序列,就為4DPSK信號(hào)產(chǎn)生的原理圖。也可采用正交調(diào)制法產(chǎn)生相對調(diào)相信號(hào),方框圖如圖3-13所示,這是一個(gè)π/4調(diào)相系統(tǒng)。圖3-13-四相相對調(diào)相電路方框圖(π/4系統(tǒng))

差分相干解調(diào)是以相鄰前一碼元的載波相位作為參考相位的,故解調(diào)時(shí)可直接比較前后碼元載波的相位,從而直接得到相位差攜帶的數(shù)據(jù)信息。在圖3-14中給出了DQPSK差分相干解調(diào)器的框圖。圖3-14π/4-DQPSK的中頻差分相干解調(diào)器框圖

從QPSK的相位路徑圖中可以看出,當(dāng)兩位碼同時(shí)變化時(shí),QPSK信號(hào)的相位矢量必將經(jīng)過原點(diǎn)。這意味著QPSK信號(hào)經(jīng)過濾波器后,其包絡(luò)將在相位矢量過原點(diǎn)時(shí)為0,如

圖3-15所示,可見此時(shí)包絡(luò)起伏性最大。圖3-15QPSK經(jīng)過帶通濾波器前后的波形

由于在QPSK調(diào)制中只是當(dāng)A和B路的符號(hào)同時(shí)發(fā)生變化時(shí),相位路徑才會(huì)通過原點(diǎn),因此,如果人為地讓A與B支路間存在一定的時(shí)延,那么將使兩個(gè)支路的跳變時(shí)刻彼此錯(cuò)開,從而避免相位路徑過原點(diǎn)的現(xiàn)象,也就徹底地消除了濾波后信號(hào)包絡(luò)過零點(diǎn)的情況。此時(shí),OQPSK的相位矢量變化將如圖3-16所示。圖3-16OQPSK信號(hào)的相位路徑圖

圖3-17中給出了OQPSK信號(hào)產(chǎn)生與解調(diào)的原理示意圖。圖3-17OQPSK信號(hào)產(chǎn)生與解調(diào)的方框圖

2.QAM方式

QAM是正交幅度調(diào)制的英文縮寫,又稱正交雙邊帶調(diào)制。它是將兩路獨(dú)立的基帶波形分別對兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制,所得到的兩路已調(diào)信號(hào)再進(jìn)行矢量相加,這個(gè)過程就是正交幅度調(diào)制。這是一種既調(diào)幅又調(diào)相的調(diào)制方式,它廣泛地應(yīng)用于微波通信中。

1)2ASK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)

振幅鍵控是利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息,而其頻率和初始相位保持不變。圖3-18所示的是2ASK調(diào)制系統(tǒng)基本構(gòu)成框圖。圖3-182ASK調(diào)制系統(tǒng)基本構(gòu)成框圖

調(diào)制器就是一個(gè)乘法器,因此已調(diào)信號(hào)可寫為

2ASK信號(hào)的波形和功率譜見圖3-1(a)和圖3-2(a)中。

2)QAM信號(hào)

由調(diào)相原理可知,增加載波調(diào)相的相位數(shù),可以提高信息傳輸速率,即增加信道的傳輸容量。單純靠增加相數(shù),會(huì)使設(shè)備復(fù)雜化,同時(shí)誤碼率也隨之增加,于是提出了具有較好性能的正交調(diào)幅方式。

QAM是用兩路獨(dú)立的基帶信號(hào)對兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波雙邊帶調(diào)幅,利用這種已調(diào)信號(hào)的頻譜在同一帶寬內(nèi)的正交性,實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息的傳輸。

多進(jìn)制調(diào)相方法的已調(diào)波其包絡(luò)是等幅(恒定)的,因此限制了兩個(gè)正交通道上的電平組合,已調(diào)波矢量的端點(diǎn)都被限制在一個(gè)圓上。QAM調(diào)制方法與其不同,它的已調(diào)波可由每個(gè)正交通道上的調(diào)幅信號(hào)任意組合,其已調(diào)波的矢量端點(diǎn),就不被限制。故QAM調(diào)制是既調(diào)幅又調(diào)相的一種方式,如圖3-19左圖所示。圖3-1916PSK和16QAM方式的星座圖

圖3-20給出了16QAM正交調(diào)制法的調(diào)制解調(diào)原理圖。圖3-2016QAM正交調(diào)制法的調(diào)制解調(diào)原理圖圖3-2016QAM正交調(diào)制法的調(diào)制解調(diào)原理圖

為了進(jìn)一步說明正交調(diào)幅信號(hào)的特點(diǎn),還可以從已調(diào)信號(hào)的相位矢量表示方法來討論,并用4QAM正交調(diào)幅信號(hào)的產(chǎn)生電路加以說明,如圖3-21所示。圖3-214QAM信號(hào)的產(chǎn)生電路、相位矢量及星座表示

如果只畫出矢量端點(diǎn),則如圖3-21(b)所示,稱為QAM的星座表示。星座圖上有四個(gè)星點(diǎn),則稱為4QAM。

16QAM星座圖如圖3-22所示。采用二路四電平碼送到A、B的調(diào)制器,那么正交調(diào)幅的每個(gè)支路上均有四個(gè)電平,每路在星座上有4個(gè)點(diǎn),于是4×4=16,組成16個(gè)點(diǎn)的星座圖。同理,將二路八電平碼分別送到A、B調(diào)制器,可得64點(diǎn)星座圖,稱為64QAM。更進(jìn)一步還有256QAM等。圖3-2216QAM星座圖

3.MSK、GMSK方式

MSK是FSK的一種特例。FSK稱為數(shù)字調(diào)頻,它是指載波頻率隨基帶數(shù)據(jù)信號(hào)而變化的一種調(diào)制方式,又稱移頻鍵控。MSK稱為最小移頻鍵控,它是一種恒定包絡(luò)的調(diào)制方

式,而且其頻帶利用率低于QPSK,它的功率效率與QPSK相同,但其抗非線性的性能要優(yōu)于QPSK,甚至優(yōu)于π/4-QPSK。

1)2FSK方式

2FSK是二進(jìn)制的移頻鍵控,用二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)來控制載波頻率,當(dāng)傳送“1”碼時(shí)輸出頻率f1,當(dāng)傳送“0”碼時(shí)輸出頻率f0。

2)最小移頻鍵控———MSK

在實(shí)際應(yīng)用中,有時(shí)要求發(fā)送信號(hào)具有包絡(luò)恒定、高頻分量較小的特點(diǎn)。PSK、QAM等調(diào)制方式具有相位突變的特點(diǎn),因而影響已調(diào)信號(hào)高頻分量的衰減。最小移頻鍵控(MSK)是2FSK的一種改進(jìn)型,是一種特殊的連續(xù)相位的頻移鍵控,又稱快速移頻鍵控FFSK。“快速”指的是這種調(diào)制方式對于給定的頻帶,它能比2PSK傳輸更高速的數(shù)據(jù);而

“最小”指的是這種調(diào)制方式能以最小的調(diào)制指數(shù)(h=0.5)獲得正交的調(diào)制信號(hào)。

MSK信號(hào)可寫成

MSK信號(hào)的產(chǎn)生與解調(diào)框圖如圖3-23所示。圖3-23-MSK信號(hào)產(chǎn)生與解調(diào)框圖

MSK方式的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn):

(1)能以最小的調(diào)制指數(shù)(h=0.5)獲得正交信號(hào),且保持兩個(gè)頻率正交。

(2)能使相差半個(gè)周期的正弦波產(chǎn)生最大的相位差。MSK信號(hào)所選擇的兩個(gè)信號(hào)頻率f1和f0在一個(gè)碼元期間的相位積累嚴(yán)格地相差180°,即f1

和f0

信號(hào)的波形在一個(gè)碼元期間恰好差半個(gè)周期。

(3)已調(diào)信號(hào)的相位路徑是連續(xù)的,在所獲得的相應(yīng)MSK信號(hào)中不存在相位突變的現(xiàn)象。

(4)MSK信號(hào)在第k碼元的相位不僅與當(dāng)前碼元ak有關(guān),而且與前面的碼元ak-1及其相位有關(guān)。具體關(guān)系可用下式表示:

3)GMSK方式

GMSK是由MSK演變而來的一種簡單的二進(jìn)制調(diào)制方法,其基本思想是,在GSMK中將調(diào)制的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾(通過預(yù)調(diào)濾波器),再對經(jīng)過預(yù)調(diào)制的信號(hào)進(jìn)行MSK調(diào)制,使MSK頻譜上的旁瓣功率進(jìn)一步下降。

GMSK是在MSK調(diào)制器之前加一個(gè)高斯低通濾波器,如圖3-24所示。這個(gè)濾波器是用來抑制旁瓣輸出的,因此要求該濾波器具有下列特性:

(1)帶寬窄,可抑制高頻分量,具有陡峭的截止特性;

(2)過沖脈沖響應(yīng)較低,可以避免出現(xiàn)過大的瞬時(shí)頻偏;

(3)保持濾波器輸出脈沖的面積不變,即保證調(diào)制指數(shù)h=0.5。圖3-24GMSK調(diào)制原理

GMSK的性能與高斯濾波器(也是低通濾波器)的特性緊密相關(guān)。圖3-25示出了GMSK信號(hào)的功率譜密度。圖3-25GMSK信號(hào)的功率譜密度

4.性能指標(biāo)

1)數(shù)字調(diào)制信號(hào)所占帶寬

不同的調(diào)制