《現(xiàn)代通信系統(tǒng)導(dǎo)論》課件第五章 微波通信系統(tǒng)

第五章微波通信系統(tǒng)5.1微波通信概述5.2微波通信系統(tǒng)5.3微波傳輸信道5.4數(shù)字微波通信系統(tǒng)5.5微波傳輸常用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)

5.6我國(guó)微波通信的發(fā)展趨勢(shì)習(xí)題5.1微波通信概述

5.1.1微波通信的發(fā)展 微波的發(fā)展與無線通信的發(fā)展是分不開的。

5.1.2微波通信的基本概念 微波是指頻率在300MHz~300GHz范圍內(nèi)的電磁波,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。 1.似光性

2.頻率高

3.極化特性

5.1.3地面微波中繼通信 由于微波具有與光一樣的傳輸特性,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5-1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。圖5-1微波中繼示意圖 5.1.4微波中繼通信系統(tǒng)在整個(gè)通信網(wǎng)中的位置 微波中繼通信作為通信網(wǎng)的一種傳輸方式,可以同其他傳輸方式一起構(gòu)成整個(gè)通信傳輸網(wǎng)。微波、光纖、衛(wèi)星一體的通信組網(wǎng)方式如圖5-2所示。圖5-2微波通信系統(tǒng)在全網(wǎng)中的位置5.2微波通信系統(tǒng) 5.2.1數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)的基本組成 圖5-3示意了一條數(shù)字微波中繼通信線路的典型組成結(jié)構(gòu)。圖5-3數(shù)字微波中繼線路的組成

直接中繼最簡(jiǎn)單,僅僅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5-4所示。圖5-4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5-5所示。圖5-5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5-6所示。圖5-6基帶中繼方式 5.2.2數(shù)字微波中繼通信的波道及其射頻頻率的配置

1.波道的設(shè)置 為了使一條微波通信線路的可用帶寬得到充分利用,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。

2.射頻波道配置 由于一條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。

1)一個(gè)波道的頻率配置

二頻制指一個(gè)波道的收發(fā)只使用兩個(gè)不同的微波頻率,如圖5-7所示。圖5-7二頻制頻率分配

四頻制指每個(gè)中繼站方向收發(fā)使用4個(gè)不同的頻率,間隔一站的頻率又重復(fù)使用,如圖5-8所示。圖5-8四頻制頻率分配

無論二頻制還是四頻制,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、2兩個(gè)微波站的延長(zhǎng)線上,如圖5-9所示。圖5-9越站干擾及無越站干擾示意圖 2)多個(gè)波道的頻率配置 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5-10(a)示意一個(gè)微波中繼系統(tǒng)中6個(gè)波道收發(fā)頻率相間排列的排列方案,若每個(gè)波道采用二頻制,則其中收信頻率為f1~f6,發(fā)信頻率為f′1~f′6。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,因此要用多副天線,這種方案目前一般不采用。圖5-10(b)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f1~f6,發(fā)信頻率為f′1~f′6。圖5-10多波道頻率配置 3.射頻波道的頻率再用 由微波的極化特性可以知道,利用兩個(gè)相互正交的極化方式(如水平和垂直極化),可以減少它們之間的干擾,由此可以對(duì)射頻波道實(shí)行頻率再用。所謂頻率再用,就是指在相同和相近的波道頻率位置,借助于不同的極化方式來增加射頻波道安排數(shù)量的一種方式。射頻波道的頻率再用通常有兩種可行方案:同波道型頻率再用,如圖5-11(a)所示;插入波道型頻率再用,如圖5-11(b)所示。圖5-11波道頻率再用 4.微波通信中的備份與切換 一條微波線路的通信距離一般都很長(zhǎng),通信容量大,因此如何保證微波通信線路的暢通、穩(wěn)定和可靠是微波通信必須考慮的問題。 監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)主要有以下兩個(gè)方面: (1)對(duì)本站的通信狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制,一旦發(fā)現(xiàn)通信中斷,即將惡化波道上的信號(hào)切換到備用波道。

(2)對(duì)遠(yuǎn)方站點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)視和控制。

勤務(wù)聯(lián)絡(luò)的作用是為線路中各微波站上的維護(hù)人員傳遞業(yè)務(wù)聯(lián)絡(luò)電話,以及為監(jiān)控系統(tǒng)提供監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸通道。勤務(wù)聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)提供的傳輸通道有三種途徑: ①配置獨(dú)立的勤務(wù)傳輸波道; ②在主通道的信息流中插入一定的勤務(wù)比特來傳輸勤務(wù)信號(hào); ③通過對(duì)主信道的載波進(jìn)行附加調(diào)制來傳送勤務(wù)信號(hào),如通過淺調(diào)頻的方式實(shí)現(xiàn)勤務(wù)電話的傳輸。5.3微波傳輸信道 5.3.1傳播特性

1.天線高度和傳播距離 收發(fā)兩點(diǎn)的天線高度分別為h1,h2時(shí),最大視距的距離為

其中,R0≈6370km是地球半徑,如圖5-12所示。圖5-12視距與天線高度 2.自由空間傳播 圖5-13中T為發(fā)射天線,R為接收天線,T和R相距d。若發(fā)送端的發(fā)射功率為Pt,采用無方向性天線時(shí)距離d處的球面面積為4πd2,則在接收天線的位置上,每單位面積上的功率為。因此接收到的功率為 路徑損耗為

(5-3)(5-2)圖5-13自由空間傳播

自由空間傳播損耗的實(shí)質(zhì)是能量因電波擴(kuò)散而損失,基本特點(diǎn)是接收電平與距離的平方成反比,與頻率的平方成反比。自由空間損耗寫成分貝值為

Ls(dB)=92.4+20lgd+20lgf(5-4)

微波在自由空間傳播除上述損耗之外,還要受到大氣和地面的影響,下面分別進(jìn)行論述。 5.3.2大氣效應(yīng)

1.大氣吸收衰落

2.雨霧衰落

5.3.3地面效應(yīng)

1.費(fèi)涅耳半徑和余隙 在電波傳播中,當(dāng)波束中心剛好擦過障礙物時(shí),電波也會(huì)受到阻擋衰落。為了避免或者減少阻擋衰落,設(shè)計(jì)的電波傳播路徑在最壞的大氣條件時(shí)離障礙物頂部要有足夠的“余隙”,如圖5-14所示的hc。為了確定余隙,利用費(fèi)涅耳繞射原理。在工程設(shè)計(jì)中,可利用如圖5-15所示的附加衰落與費(fèi)涅耳相對(duì)余隙之間的關(guān)系曲線(T、R是費(fèi)涅耳區(qū)的焦點(diǎn))。圖5-14余隙示意圖圖5-15阻擋損耗和相對(duì)余隙的關(guān)系

根據(jù)費(fèi)涅爾原理,一階費(fèi)涅爾半徑h1為

2.地面反射 電波在較平滑的地面(如水面、沙漠、草原及小塊平地等)將產(chǎn)生強(qiáng)的鏡面反射。(5-5) 5.3.4衰落及分集接收

1.多徑傳播衰落 由于地面反射和大氣折射的影響,使發(fā)信天線到收信天線之間會(huì)有2條、3條甚至更多條不同傳播路徑的射線,如圖5-16所示。圖5-16多徑傳輸示意圖 2.衰落的統(tǒng)計(jì)特性 出現(xiàn)衰落的情況比較復(fù)雜,這其中多徑干涉是視距傳播深衰落的主要原因,根據(jù)對(duì)工作在不同的傳播條件下,不同的工作頻率以及不同的微波站距的大量收信電平的資料整理、分析得知,多徑干涉造成的收信電平衰落的分布特性服從瑞利分布,即收信電平的概率為(5-6)

對(duì)低于某給定電平Vs(一般指不能保證傳輸質(zhì)量的門限電平值),收信點(diǎn)衰落電平小于Vs的概率分布函數(shù)為 若考慮深衰落出現(xiàn)的概率為Ps,則實(shí)際收信電平中斷的全概率(總中斷率)為

Pr=Ps×P(V≤Vs)(5-8)(5-7) 3.克服多徑衰落 提高設(shè)備能力,增加收信電平余量,在很大程度上是克服多徑衰落的行之有效的方法,不過對(duì)于站距大(50km,掛高50m),且在炎熱潮濕的平滑地形的區(qū)段,有限的衰落儲(chǔ)備量還不能保證通信的可靠傳輸。 頻率分集如圖5-17所示,是把同一個(gè)數(shù)字信息發(fā)送到兩部發(fā)信機(jī),這兩部發(fā)信機(jī)的射頻頻率間隔較大。圖5-17頻率分集

空間分集如圖5-18所示,它是在收信端采用空間位置相距足夠遠(yuǎn)的兩副天線,同時(shí)接收同一個(gè)發(fā)射天線發(fā)出的信號(hào)。圖5-18空間分集 4.分集信號(hào)合成 無論用哪種分集手段,都要解決如何對(duì)分集信號(hào)進(jìn)行合成的問題。常用的合成方法有三種: (1)優(yōu)選開關(guān)法。

(2)線性合成法。

(3)非線性合成法。5.4數(shù)字微波通信系統(tǒng)

如圖5-19是一個(gè)典型的三次群數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)的組成方框圖。圖5-19三次群數(shù)字微波系統(tǒng)組成方框圖 1.雙工器

2.波道濾波器

3.微波收信機(jī) 典型的微波收信機(jī)如圖5-20所示。圖5-20典型微波收信機(jī) 4.微波發(fā)信機(jī) 如圖5-21所示,在發(fā)信設(shè)備中,信號(hào)的調(diào)制方式可分為中頻調(diào)制和微波直接調(diào)制,目前的微波中繼系統(tǒng)中大多采用中頻調(diào)制方式,這樣可以獲得較好的設(shè)備兼容性。圖5-21微波發(fā)信機(jī)方框圖 5.調(diào)制與解調(diào)設(shè)備 調(diào)制是將數(shù)字基帶信號(hào)調(diào)制到中頻信號(hào),解調(diào)是將中頻信號(hào)解調(diào)為數(shù)字基帶信號(hào)。在數(shù)字微波通信中,為了提高頻譜利用率,經(jīng)常采用高頻譜利用率的調(diào)制方式。常用的調(diào)制方式有DQPSK、8PSK、16QAM、64QAM、9QPR等,解調(diào)一般采用相干解調(diào)方式。

6.無損傷切換 在數(shù)字微波系統(tǒng)中,為了提高系統(tǒng)的可靠性,對(duì)抗信道衰落,改善系統(tǒng)誤碼性能,大多采用波道備份方式,無損傷切換是保證主用設(shè)備與備用設(shè)備切換的關(guān)鍵。5.5微波傳輸常用的數(shù)字調(diào)制技術(shù) 5.5.1二進(jìn)制幅度鍵控(2ASK)

在ASK中載波幅度是隨著調(diào)制信號(hào)而變化的。最簡(jiǎn)單的形式是載波在二進(jìn)制調(diào)制信號(hào)1或0的控制下通或斷,這種二進(jìn)制ASK方式稱為通-斷鍵控(OOK)。它的時(shí)域表達(dá)式為

sOOK(t)=an·Acosωct(5-9)

式中,A為載波幅度;ωc為載波頻率;an為二進(jìn)制數(shù)字,即

典型波形如圖5-22所示。(5-10)圖5-22OOK信號(hào)的典型波形 2ASK的一般時(shí)域表達(dá)式為 若二進(jìn)制序列的功率譜密度為PB(ω),2ASK信號(hào)的功率譜密度為PASK(ω),則有 圖5-23中給出了OOK信號(hào)的功率譜示意圖。

(5-12)(5-13)圖5-23OOK信號(hào)的功率譜(a)基帶信號(hào)功率譜；(b)已調(diào)信號(hào)功率譜 2ASK信號(hào)的調(diào)制器可以用一個(gè)相乘器來實(shí)現(xiàn),如圖5-24所示。圖5-242ASK信號(hào)的調(diào)制器 2ASK信號(hào)的解調(diào)有包絡(luò)檢波和相干解調(diào)兩種方式。這兩種解調(diào)器的方框圖如圖5-25所示。圖5-252ASK信號(hào)的解調(diào)器

(a)包絡(luò)檢波；(b)相干解調(diào) 5.5.2二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)

在2FSK信號(hào)中載波頻率隨著調(diào)制信號(hào)1或0而變,1對(duì)應(yīng)于載波頻率f1,0對(duì)應(yīng)于載波頻率f2。2FSK已調(diào)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為

這里,ω1=2πf1,ω2=2πf2;是an的反碼,有(5-15)

在最簡(jiǎn)單也是最常用的情況下,g(t)為單個(gè)矩形脈沖。2FSK的典型波形如圖5-26所示。圖5-262FSK信號(hào)的典型波形

由式(5-14)可知,2FSK已調(diào)信號(hào)可以看成是兩個(gè)不同載頻的ASK已調(diào)信號(hào)之和,因此它的頻帶寬度是兩倍基帶信號(hào)帶寬(B)與|f2-f1|之和,即 Δf=2B+|f2-f1|(5-16)

圖5-27中給出了它的功率譜示意圖。圖5-272FSK信號(hào)的功率譜

相位不連續(xù)的FSK信號(hào)通常用頻率選擇法產(chǎn)生,方框圖如圖5-28所示,兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器作為兩個(gè)頻率的載波發(fā)生器,它們受控于輸入的二進(jìn)制信號(hào),按照1或0分別選擇一個(gè)載波作為輸出。圖5-282FSK信號(hào)的調(diào)制器 2FSK信號(hào)的解調(diào)也有非相干和相干兩種,分別如圖5-29(a)和圖5-29(b)所示,其原理與2ASK時(shí)相同,只是使用兩套電路而已。另一種常用而簡(jiǎn)便的解調(diào)方法是過零檢測(cè)法,其原理方框圖及各點(diǎn)波形如圖5-30所示。

圖5-292FSK信號(hào)的解調(diào)器

(a)非相干解調(diào)

圖5-292FSK信號(hào)的解調(diào)器

(b)相干解調(diào)圖5-302FSK信號(hào)的過零檢測(cè)法 5.5.3二進(jìn)制相移鍵控(BPSK或2PSK)及二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK) 1.二進(jìn)制相移鍵控(BPSK或2PSK) BPSK中,載波的相位隨調(diào)制信號(hào)1或0而改變,通常用相位0°和180°來分別表示1或0。BPSK已調(diào)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為 這里,an為雙極性數(shù)字信號(hào),有(5-17)(5-18)

因此在某個(gè)信號(hào)間隔內(nèi)觀察BPSK已調(diào)信號(hào)時(shí),若g(t)是幅度為1,寬度為Ts的矩形脈沖,則有 當(dāng)數(shù)字信號(hào)傳輸速率(1/Ts)與載波頻率間有確定的倍數(shù)關(guān)系時(shí),典型的波形如圖5-31所示。(5-19)圖5-31BPSK信號(hào)的典型波形 BPSK調(diào)制器可以采用相乘器,也可以用相位選擇器來實(shí)現(xiàn),如圖5-32所示。

圖5-32BPSK調(diào)制器(a)相乘法；(b)相位選擇法

常用的載波恢復(fù)電路有兩種,一種是圖5-33(a)所示的平方環(huán)電路;另一種是圖5-33(b)所示的科斯塔斯環(huán)(Costas)電路。

圖5-33載波恢復(fù)電路(a)平方環(huán)；(b)科斯塔斯環(huán) 2.二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK)

在BPSK信號(hào)中,相位變化是以未調(diào)載波的相位作為參考基準(zhǔn)的。由于它是利用載波相位的絕對(duì)值傳送數(shù)字信息的,因而又稱為絕對(duì)調(diào)相。二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK,2DiffentialPhaseShiftKeying)方式則是利用前后相鄰碼元的相對(duì)載波相位值來表示數(shù)字信息的，所以稱為相對(duì)調(diào)相。相對(duì)調(diào)相信號(hào)的產(chǎn)生過程是,首先對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行差分編碼,即由絕對(duì)碼變?yōu)橄鄬?duì)碼(差分碼),然后再進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相。2DPSK調(diào)制器方框圖如圖5-34所示。圖5-342DPSK調(diào)制器

在2DPSK中實(shí)現(xiàn)差分編碼的規(guī)則如下: 2DPSK的解調(diào)一般有相干解調(diào)和差分相干解調(diào),其原理方框圖如圖5-35和圖5-36所示。(5-20)圖5-352DPSK相干解調(diào)器圖5-362DPSK差分相干解調(diào) 5.5.4四相相移系統(tǒng)(QPSK)

在中容量數(shù)字微波通信系統(tǒng)中四相相移系統(tǒng)(QPSK,QuadraturePhaseShiftKeying)得到了廣泛的應(yīng)用,這是因?yàn)镼PSK方式能取得較高的頻譜利用率,很強(qiáng)的抗干擾性及較高的性能價(jià)格比。

1.QPSK調(diào)制器

QPSK的一般表達(dá)式可寫作(5-21)

無論哪種系統(tǒng),QPSK系統(tǒng)均可看成是載波相位相互正交的兩個(gè)BPSK信號(hào)之和,即 式中

Ik=cosφk,Qk=sinφk(5-23)

(5-22)

把φn與二進(jìn)制信息對(duì)應(yīng),可得如下的對(duì)應(yīng)關(guān)系: 0°→00或45°→00 90°→01135°→01 180°→11225°→00 270°→10315°→10

根據(jù)式(5-22)、式(5-23)以及相位與二進(jìn)制信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可得系統(tǒng)調(diào)制器的方框圖如圖5-37所示。圖5-37調(diào)制器 2.QPSK解調(diào)器

QPSK相干解調(diào)器的工作原理見圖5-38。圖5-38QPSK相干解調(diào)器 5.5.5正交幅度調(diào)制(QAM)

以十六進(jìn)制