现代通信-ch3

1、2022年5月6日ECUST1第三章第三章 微波中继通信系统微波中继通信系统 2022年5月6日ECUST2（一）（一）微波通信的发展历史及发展趋势微波通信的发展历史及发展趋势 微波的发展是与无线通信的发展是分不开的。微波的发展是与无线通信的发展是分不开的。19011901年年马克尼使用马克尼使用800800KHzKHz中波信号进行了从英国到北美纽芬兰的中波信号进行了从英国到北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的无线电波的通信试验，开创了世界上第一次横跨大西洋的无线电波的通信试验，开创了人类无线通信的新纪元。无线通信初期，人们使用长波及人类无线通信的新纪元。无线通信初期，人们使用长波及中波来通信

2、。中波来通信。2020世纪世纪2020年代初人们发现了短波通信，直到年代初人们发现了短波通信，直到2020世纪世纪6060年代卫星通信的兴起，它一直是国际远距离通信年代卫星通信的兴起，它一直是国际远距离通信的主要手段，并且对目前的应急和军事通信仍然很重要。的主要手段，并且对目前的应急和军事通信仍然很重要。 2022年5月6日ECUST3 用于空间传输的电波是一种电磁波，其传播的速度等用于空间传输的电波是一种电磁波，其传播的速度等于光速。无线电波可以按照频率或波长来分类和命名。我于光速。无线电波可以按照频率或波长来分类和命名。我们把们把频率高于频率高于300300MHzMHz的电磁波称为微波的电

3、磁波称为微波。由于各波段的传。由于各波段的传播特性各异，因此，可以用于不同的通信系统。例如，中播特性各异，因此，可以用于不同的通信系统。例如，中波主要沿地面传播，绕射能力强，适用于广播和海上通信。波主要沿地面传播，绕射能力强，适用于广播和海上通信。而短波具有较强的电离层反射能力，适用于环球通信。超而短波具有较强的电离层反射能力，适用于环球通信。超短波和微波的绕射能力较差，可作为视距或超视距中继通短波和微波的绕射能力较差，可作为视距或超视距中继通信。信。2022年5月6日ECUST4 微波通信是二十世纪微波通信是二十世纪5050年代的产物。由于其通信的容量大而投资年代的产物。由于其通信的容量大而

4、投资费用省（约占电缆投资的五分之一），建设速度快，抗灾能力强等优费用省（约占电缆投资的五分之一），建设速度快，抗灾能力强等优点而取得迅速的发展。点而取得迅速的发展。2020世纪世纪4040年代到年代到5050年代产生了传输频带较宽，年代产生了传输频带较宽，性能较稳定的微波通信，成为长距离大容量地面干线无线传输的主要性能较稳定的微波通信，成为长距离大容量地面干线无线传输的主要手段，模拟调频传输容量高达手段，模拟调频传输容量高达27002700路，也可同时传输高质量的彩色电路，也可同时传输高质量的彩色电视，而后逐步进入中容量乃至大容量数字微波传输。视，而后逐步进入中容量乃至大容量数字微波传输。80

5、80年代中期以来，年代中期以来，随着频率选择性色散衰落对数字微波传输中断影响的发现以及一系列随着频率选择性色散衰落对数字微波传输中断影响的发现以及一系列自适应衰落对抗技术与高状态调制与检测技术的发展，使数字微波传自适应衰落对抗技术与高状态调制与检测技术的发展，使数字微波传输产生了一个革命性的变化。特别应该指出的是输产生了一个革命性的变化。特别应该指出的是8080年代至年代至9090年代发展年代发展起来的一整套高速多状态的自适应编码调制解调技术与信号处理及信起来的一整套高速多状态的自适应编码调制解调技术与信号处理及信号检测技术的迅速发展，对现今的卫星通信，移动通信，全数字号检测技术的迅速发展，对

6、现今的卫星通信，移动通信，全数字HDTVHDTV传输，通用高速有线传输，通用高速有线/ /无线的接入，乃至高质量的磁性记录等诸多领无线的接入，乃至高质量的磁性记录等诸多领域的信号设计和信号的处理应用，起到了重要的作用。域的信号设计和信号的处理应用，起到了重要的作用。 2022年5月6日ECUST5 国外发达国家的微波中继通信在长途通信网中所占的国外发达国家的微波中继通信在长途通信网中所占的比例高达比例高达50%50%以上。据统计以上。据统计美国为美国为66%66%，日本为日本为50%50%，法国法国为为54%54%。我国自。我国自19561956年从东德引进第一套微波通信设备以年从东德引进第一

7、套微波通信设备以来，经过仿制和自发研制过程，已经取得了很大的成就，来，经过仿制和自发研制过程，已经取得了很大的成就，在在19761976年的唐山大地震中，在京津之间的同轴电缆全部断年的唐山大地震中，在京津之间的同轴电缆全部断裂的情况下，六个微波通道全部安然无恙。九十年代的长裂的情况下，六个微波通道全部安然无恙。九十年代的长江中下游的特大洪灾中，微波通信又一次显示了它的巨大江中下游的特大洪灾中，微波通信又一次显示了它的巨大威力。在当今世界的通信革命中，微波通信仍是最有发展威力。在当今世界的通信革命中，微波通信仍是最有发展前景的通信手段之一。前景的通信手段之一。 2022年5月6日ECUST6（二

8、）（二）我国的微波发展趋势我国的微波发展趋势 最初的微波通信系统都是模拟制式，为通信网长途传最初的微波通信系统都是模拟制式，为通信网长途传输干线的重要传输手段，我国城市间的电视节目传输主要输干线的重要传输手段，我国城市间的电视节目传输主要依靠的就是微波传输。依靠的就是微波传输。7070年代起研制出了中小容量（如年代起研制出了中小容量（如8Mb/s8Mb/s、34Mb/s34Mb/s）的数字微波通信系统。）的数字微波通信系统。8080年代后期，随年代后期，随着同步数字系列（着同步数字系列（SDHSDH）在传输系统中的推广应用，出现）在传输系统中的推广应用，出现了了N N155Mb/s155Mb/

9、s的的SDHSDH大容量数字微波通信系统。现在，大容量数字微波通信系统。现在，数数字微波通信字微波通信和和光纤光纤、卫星卫星一起被称为现代通信传输的三大一起被称为现代通信传输的三大支柱。支柱。 除了在传统的传输领域外，数字微波技术在固定宽带除了在传统的传输领域外，数字微波技术在固定宽带接入领域也越来越引起人们的重视。工作在接入领域也越来越引起人们的重视。工作在28GHz28GHz频段的频段的LMDSLMDS（本地多点分配业务）已在发达国家大量应用，预示（本地多点分配业务）已在发达国家大量应用，预示数字微波技术仍将拥有良好的市场前景。数字微波技术仍将拥有良好的市场前景。2022年5月6日ECUS

10、T7（三）（三）数字微波通信技术的主要发展方向数字微波通信技术的主要发展方向 1. 1. 提高提高QAMQAM调制级数及严格限带调制级数及严格限带 为了提高频谱利用率，一般多采用多电平为了提高频谱利用率，一般多采用多电平QAMQAM（正交（正交调幅）调制技术，目前已达到调幅）调制技术，目前已达到256256 512QAM 512QAM，很快就可，很快就可实现实现1024/2048QAM1024/2048QAM。与此同时，对信道滤波器的设计提。与此同时，对信道滤波器的设计提出了极为严格的要求：在某些情况下，其余弦滚降系数出了极为严格的要求：在某些情况下，其余弦滚降系数应低至应低至0.10.1。现

11、已可做到。现已可做到0.20.2左右。左右。2022年5月6日ECUST82. 2. 网格编码调制及维特比检测技术网格编码调制及维特比检测技术 为降低系统误码率，必须采用复杂的纠错编码技术，为降低系统误码率，必须采用复杂的纠错编码技术，但由此会导致频带利用率的下降。为了解决这个问题，但由此会导致频带利用率的下降。为了解决这个问题，可采用网格编码调制（可采用网格编码调制（TCMTCM）技术。采用）技术。采用TCMTCM技术需利用技术需利用维特比算法解码。在高速数字信号传输中，应用这种解维特比算法解码。在高速数字信号传输中，应用这种解码算法难度较大。码算法难度较大。3. 3. 自适应时域均衡技术自

12、适应时域均衡技术 使用高性能、全数字化二维时域均衡技术减少码间使用高性能、全数字化二维时域均衡技术减少码间干扰、正交干扰及多径衰落的影响。干扰、正交干扰及多径衰落的影响。 2022年5月6日ECUST94. 4. 多载波并联传输多载波并联传输 多载波并联传输可显著降低发信码元的速率，减少多载波并联传输可显著降低发信码元的速率，减少传播色散的影响。运用双载波并联传输可使瞬断率降低传播色散的影响。运用双载波并联传输可使瞬断率降低到原来的到原来的1/101/10。5. 5. 其它技术其它技术 如多重空间分集接收、发信功放非线性预校正、自如多重空间分集接收、发信功放非线性预校正、自适应正交极化干扰消除

13、电路等。适应正交极化干扰消除电路等。 2022年5月6日ECUST10（四）（四）微波中继通信的概念微波中继通信的概念 在无线电通信系统中，短波在无线电通信系统中，短波(2(230MHz)30MHz)和微波波段均和微波波段均可用作长距离通信。但是，短波波段的带宽十分有限，且可用作长距离通信。但是，短波波段的带宽十分有限，且电波传播电波传播特特性不稳定。而微波波段可以利用的频带很宽，性不稳定。而微波波段可以利用的频带很宽，传输特性也比较稳定。因此，利用微波作传输载波的微波传输特性也比较稳定。因此，利用微波作传输载波的微波通信系统是一种容量大、质量高的通信系统，它是当前世通信系统是一种容量大、质量

14、高的通信系统，它是当前世界各国采用的干线通信方式之一。界各国采用的干线通信方式之一。 由于微波在空间的直线传播特性，考虑到地球表面的由于微波在空间的直线传播特性，考虑到地球表面的曲率半径，天线有适当高度的两个站之间的通信距离通常曲率半径，天线有适当高度的两个站之间的通信距离通常只有只有50km50km左右。对于长距离的微波通信系统，传输线路中左右。对于长距离的微波通信系统，传输线路中必须有多个中继站，如图必须有多个中继站，如图3-13-1所示。比如所示。比如2500km2500km的通信线的通信线路大约需要路大约需要5050个中继接力站。个中继接力站。2022年5月6日ECUST11图图3-1

15、 3-1 微波中继系统微波中继系统 2022年5月6日ECUST12 与光纤或同轴电缆等地面通信线路相比，微波中继线与光纤或同轴电缆等地面通信线路相比，微波中继线路的建设具有投资省、建线快和路的建设具有投资省、建线快和灵活灵活( (受地理条件限制小受地理条件限制小) )等优点。等优点。 根据根据CCIR(CCIR(国际无线电咨询委员会国际无线电咨询委员会) )的建议，微波中继的建议，微波中继通信所采用的频段主要有通信所采用的频段主要有2 2，4 4，6 6，7 7，8 8，1111，1313和和18GHz(18GHz(干兆赫干兆赫) )。我国目前多采用。我国目前多采用2 2和和4GHz4GHz

16、。也有专门用于。也有专门用于传送电视节目的传送电视节目的8GHz8GHz微波线路。微波线路。 在微波中继通信发展的初期，建立的系统主要是模拟在微波中继通信发展的初期，建立的系统主要是模拟通信系统。由于数字通信的诸多优点，近年来数字微波中通信系统。由于数字通信的诸多优点，近年来数字微波中继系统的发展很快。在日本，数字微波系统已占整个微波继系统的发展很快。在日本，数字微波系统已占整个微波系统的大部分。系统的大部分。2022年5月6日ECUST13 微波中继系统既适合于长距离的中、大容量的干线通微波中继系统既适合于长距离的中、大容量的干线通信信( (模拟系统的模拟系统的600600、18001800

17、个话路，数字系统的个话路，数字系统的34Mb/s34Mb/s，140Mb/s140Mb/s三、四次群三、四次群) )，也可用于小容量的短距离通信。，也可用于小容量的短距离通信。 我国我国19941994年已建成三万多公里的国家微波通信干线。年已建成三万多公里的国家微波通信干线。多数省、自治区还建立了地区性的微波通信网和以传送广多数省、自治区还建立了地区性的微波通信网和以传送广播电视节目为主的微波线路。此外，电力、铁道、石油和播电视节目为主的微波线路。此外，电力、铁道、石油和煤炭等部门还建立了一些专用的微波通信线路。煤炭等部门还建立了一些专用的微波通信线路。 2022年5月6日ECUST14（一

18、）天线高度与传播距离（一）天线高度与传播距离 由于微波的直线传播和地球表面的弯曲，因而在天由于微波的直线传播和地球表面的弯曲，因而在天线高度线高度h h一定时，最大视距传播距离一定时，最大视距传播距离d d也就随之确定了。也就随之确定了。我们可利用图我们可利用图3-23-2来求来求h h与与d d之间的关系。显然，之间的关系。显然， 为为 1d11Rd （3-13-1） 其中，其中，R R为地球半径，为地球半径，6378km6378km； 为圆心角为圆心角( (单位弧度单位弧度) )，它可表示为它可表示为 1RRhRarctg2211)( （3-23-2） 2022年5月6日ECUST15 图

19、图3-2 3-2 视距与天线高度视距与天线高度 2022年5月6日ECUST16由于由于 ，所以，所以 。而。而 时，时， ，所以有，所以有 ，于是于是 （3-33-3） 同理可得同理可得 （3-43-4） 因此，最大传播距离因此，最大传播距离d d为为 1hR Rharctg/211 1 XXarctgX Rh /211 112Rhd 222Rhd )()()(57. 3)(2212121kmmhmhhhRddd （3-53-5） 比如，当比如，当 时，时，d d50km50km。 mhh5021 2022年5月6日ECUST17（二）自由空间传播损耗（二）自由空间传播损耗 自由空间传播损耗

20、由式自由空间传播损耗由式(2-6)(2-6)确定。式中的确定。式中的r r在微波在微波中继视距传播为通信距离中继视距传播为通信距离d d。 在实际通信系统中，天线是有方向性的，并用在实际通信系统中，天线是有方向性的，并用“天天线增益线增益”来表示。对于发射天线来说，它是天线在某一来表示。对于发射天线来说，它是天线在某一个方向上每单位立体角的发射功率，和无方向天线每单个方向上每单位立体角的发射功率，和无方向天线每单位立体角发射功率之比。也就是说，发射天线增益位立体角发射功率之比。也就是说，发射天线增益( (用用 表示表示) )是该天线在所考虑方向上辐射功率比无方向天线在是该天线在所考虑方向上辐射

21、功率比无方向天线在该方向上辐射功率所增加的倍数或分贝数。对于接收天该方向上辐射功率所增加的倍数或分贝数。对于接收天线来说，天线增益线来说，天线增益 是接收到的功率与天线为无方向是接收到的功率与天线为无方向天线时接收到的功率的倍数或分贝数。天线时接收到的功率的倍数或分贝数。 TGRG2022年5月6日ECUST18微波通信系统中，通常采用卡塞格伦天线，其增益为微波通信系统中，通常采用卡塞格伦天线，其增益为 DLTGRGRTRTDGGLMHzfkmdGGdBLlg10lg10)(lg20)(lg20lg10lg1044.32)( 在考虑到发射天线增益在考虑到发射天线增益 和接收天线增益和接收天线增

22、益 后，这种后，这种有方向性的传播损耗有方向性的传播损耗 为为 （3-63-6） （3-73-7） 2 DnG其中其中D D为抛物面天线直径；为抛物面天线直径；n n为天线效率，可取为天线效率，可取0.60.6左右左右； 为电波波长。对于为电波波长。对于2GHz( 2GHz( 15cm)15cm)的的3m3m天线，增益天线，增益约为约为3333dBdB。 微波的自由空间传播除上述损耗之外，还要受到大微波的自由空间传播除上述损耗之外，还要受到大气和地面的影响，下面分别进行讨论。气和地面的影响，下面分别进行讨论。 2022年5月6日ECUST19（三）大气效应（三）大气效应 大气对电波传输的影响主

23、要表现在大气对电波传输的影响主要表现在吸收损耗吸收损耗，降雨降雨引引起的损耗和起的损耗和大气折射大气折射三个方面。三个方面。 大气对频率在大气对频率在12GHz12GHz以下电波的吸收附加损耗很小，以下电波的吸收附加损耗很小，在在50km50km的跨距时小于的跨距时小于1dB1dB，与自由空间传播损耗相比可以，与自由空间传播损耗相比可以忽略。忽略。 在传播途径中的雨、雪或浓雾将使电波产生散射，引在传播途径中的雨、雪或浓雾将使电波产生散射，引起附加损耗。但在起附加损耗。但在10GHz10GHz以下的频段并不特别严重，通常以下的频段并不特别严重，通常只有只有l l3dB3dB。对于高于。对于高于1

24、0GHz10GHz的通信系统，雨衰必须予以的通信系统，雨衰必须予以特别的考虑。特别的考虑。 2022年5月6日ECUST20 大气折射是由于空气的折射率大气折射是由于空气的折射率( )( )随高度随高度( )( )的的变化而产生的。此时，电波传播路径不再是直线而产生弯变化而产生的。此时，电波传播路径不再是直线而产生弯曲。不同气候条件时，曲。不同气候条件时， 的变化很大。当的变化很大。当 为为正时，电波传播路径将向下低垂，此时的传播路径有可能正时，电波传播路径将向下低垂，此时的传播路径有可能被地面障碍物所阻挡而造成严重的衰落。被地面障碍物所阻挡而造成严重的衰落。 hdhddhd2022年5月6日

25、ECUST21（四）地面效应（四）地面效应 电波传播受地面的影响主要表现在障碍物阻挡引起电波传播受地面的影响主要表现在障碍物阻挡引起的附加衰耗和平滑地面反射引起的多径传播，进而产生的附加衰耗和平滑地面反射引起的多径传播，进而产生接收信号的干涉衰落。接收信号的干涉衰落。 1 1费涅尔半径和余隙费涅尔半径和余隙 在电波传播中，当波束中心线刚好擦过障碍物时，在电波传播中，当波束中心线刚好擦过障碍物时，电波也会受到阻挡衰落。为了避免或减小阻挡衰落，设电波也会受到阻挡衰落。为了避免或减小阻挡衰落，设计的电波传播路径在最坏大气条件时仍离障碍物顶部有计的电波传播路径在最坏大气条件时仍离障碍物顶部有足够的足够

26、的“余隙余隙”，如图，如图3-33-3所示的所示的 h hc c 。 2022年5月6日ECUST22图图3-3 3-3 余隙示意图余隙示意图 2022年5月6日ECUST23 为了确定余隙，利用费涅尔绕射原理。在工程设计为了确定余隙，利用费涅尔绕射原理。在工程设计中，可利用附加衰减与费涅尔相对余隙之间的关系曲线中，可利用附加衰减与费涅尔相对余隙之间的关系曲线 ( (如图如图3-43-4所示所示) )。 2121211 ddddh图图3-4 3-4 阻挡损耗和相对余隙的关系阻挡损耗和相对余隙的关系 2022年5月6日ECUST24 2 2地面反射地面反射 电波在较平滑的地面电波在较平滑的地面(

27、 (如水面、沙漠、草原及小块平如水面、沙漠、草原及小块平地等地等) )将产生强的镜面反射。电波经过这一反射路径也可将产生强的镜面反射。电波经过这一反射路径也可到达接收天线，形成多径传播。也就是说，接收信号是到达接收天线，形成多径传播。也就是说，接收信号是来自于直射波和反射波信号的叠加干涉。合成的场强与来自于直射波和反射波信号的叠加干涉。合成的场强与地面反射系数和由于不同路径延时差造成的两干涉信号地面反射系数和由于不同路径延时差造成的两干涉信号间的相位差有关。当来自不同路径信号相位相同时，合间的相位差有关。当来自不同路径信号相位相同时，合成信号增强；而相位相反时，相互抵成信号增强；而相位相反时，

28、相互抵消消。由于反射系数。由于反射系数随地面条件而改变，反射点也可能不一样随地面条件而改变，反射点也可能不一样( (使多径信号相使多径信号相位差变化位差变化) )，因此接收的合成信号电平将起伏不定。形成，因此接收的合成信号电平将起伏不定。形成所谓所谓多径干涉型衰落多径干涉型衰落。 2022年5月6日ECUST25（五）衰落、电平储备与分集接收（五）衰落、电平储备与分集接收 在微波中继系统中，视距传播的电波存在衰落现象。直在微波中继系统中，视距传播的电波存在衰落现象。直射波的衰落和多径射波的衰落和多径( (干涉性干涉性) )衰落是其两个主要的原因。衰落是其两个主要的原因。 当大气条件改变时，折射

29、特性当大气条件改变时，折射特性 也将变化。可使直也将变化。可使直射波的传播路径严重偏离正常路径，可产生两个后果：射波的传播路径严重偏离正常路径，可产生两个后果： (1)(1)发射波的主瓣不再对准接收天线，接收信号功率下降发射波的主瓣不再对准接收天线，接收信号功率下降( (对于小跨距、低增益天线可能不是严重问题，但对大跨距对于小跨距、低增益天线可能不是严重问题，但对大跨距和使用波束窄的高增益天线时会使接收功率明显下降和使用波束窄的高增益天线时会使接收功率明显下降) )； (2)(2)偏离后的电波可能被障碍物阻挡或部分阻挡，使接收偏离后的电波可能被障碍物阻挡或部分阻挡，使接收信号功率下降，甚至通信

30、中断。信号功率下降，甚至通信中断。这是直射波衰落的情况。这是直射波衰落的情况。 dhd2022年5月6日ECUST26 多径衰落是微波中继系统电波衰落的最主要的原因多径衰落是微波中继系统电波衰落的最主要的原因，除上述通常出现的地面反射路径外，还有某些气象条，除上述通常出现的地面反射路径外，还有某些气象条件下件下( (夜间低温、早晨太阳出来后温升较快，或高气压区夜间低温、早晨太阳出来后温升较快，或高气压区，静海面等，静海面等) )出现的大气波导层反射路径，以及通过大气出现的大气波导层反射路径，以及通过大气中局部不均匀体散射后到达接收端的电波路径等，这些中局部不均匀体散射后到达接收端的电波路径等，

31、这些路径传输的信号都将在接收端形成干涉衰落。路径传输的信号都将在接收端形成干涉衰落。 多径干涉是多径干涉是10GHz10GHz以下频段视距传播深衰落的主要原以下频段视距传播深衰落的主要原因。干涉合成信号的模因。干涉合成信号的模( (包络包络) )服从瑞利分布。在实际的服从瑞利分布。在实际的工程设计中都是用经验公式来计算衰落深度等于和小于工程设计中都是用经验公式来计算衰落深度等于和小于某衰落储备门限某衰落储备门限F(dB)F(dB)的概率的概率( (即中断率即中断率) )U U 2022年5月6日ECUST271010FCBdfQAU 其中，其中，d d为路径长度为路径长度(km)(km)，而，

32、而f f为频率为频率(GHz)(GHz)，A A为气候因为气候因子，子，Q Q为地形因子，为地形因子，B B、C C为常数。为常数。 不同国家根据测试统计提出了系数的不同取值：不同国家根据测试统计提出了系数的不同取值：在日本在日本：B=1.2B=1.2，C=3.5C=3.5，A=0.97A=0.971010-9-9， Q=0.4Q=0.4（山区），（山区）， Q=1.0Q=1.0 （平原）平原） （3-93-9） 27221hhQ （海岸或跨海地区，（海岸或跨海地区，h1h1、h2h2为为天线相对水面高度，米）天线相对水面高度，米） 2022年5月6日ECUST28在美国在美国：B=1B=1，

33、C=3C=3 A=1 A=11010-6-6 ( (低纬度、海洋、内陆高温高湿区低纬度、海洋、内陆高温高湿区) )A=6A=61010-7-7 ( (大陆性气候，中纬度岛屿区大陆性气候，中纬度岛屿区) )A=3A=31010-7-7 ( (高纬度地区或干燥山区高纬度地区或干燥山区) )Q=3.35Q=3.35( (平滑地面，上限值平滑地面，上限值) )Q=1.0Q=1.0 ( (一般地面，中间值一般地面，中间值) )Q=0.27Q=0.27( (粗糙地面下限值粗糙地面下限值) ) 一般地面指一公里范围内地面高度标准偏差为一般地面指一公里范围内地面高度标准偏差为15.2m15.2m，平，平滑、粗

34、糙地面的偏差分别为滑、粗糙地面的偏差分别为 6m6m和和4242m m。 在在东北欧东北欧：B=1B=1，C=3.5C=3.5，A=1.4A=1.41010-8-8，Q=1 Q=1 2022年5月6日ECUST29 目前，我国还没有一套可供工程设计使用的参数。目前，我国还没有一套可供工程设计使用的参数。对于上述不同国家对于上述不同国家( (地区地区) )的参数的取值，以借鉴美国的的参数的取值，以借鉴美国的参数为宜。因为美国所处的纬度，国土面积，以及各类参数为宜。因为美国所处的纬度，国土面积，以及各类气候和地形条件与我国情况更接近。气候和地形条件与我国情况更接近。 例例 对于对于4GHZ4GHZ

35、的微波中继系统，若中继长度的微波中继系统，若中继长度d=50kmd=50km要要求的中断率低于求的中断率低于0.00250.0025，求出不同气候、地形条件时，求出不同气候、地形条件时所需的衰落储备。所需的衰落储备。解解 采用美国所惯用的系数，分别求低纬度海洋采用美国所惯用的系数，分别求低纬度海洋( (平滑地平滑地面面) )和干燥山区（粗糙地面）的衰落储备。由公式和干燥山区（粗糙地面）的衰落储备。由公式(3-9)(3-9)可得可得 2022年5月6日ECUST30UdAQfdBFCBlg10)( 已知已知B B1 1，C C3 3，f f4 4，d d5050（1 1）海洋）海洋( (平滑地面

36、平滑地面) )： A=1A=11010-6-6 ，Q=3.35Q=3.35代入上式可得：代入上式可得： F=48.3dBF=48.3dB（2 2）干燥山区（粗糙地面）：）干燥山区（粗糙地面）： A=3A=31010-7-7 ，Q=0.27Q=0.27代入上式可得：代入上式可得： F=32.1dBF=32.1dB通常，系统设备能力有通常，系统设备能力有303040dB40dB的电平储备量、对于一的电平储备量、对于一般的地形和气候可以满足要求。但对于沿海或高温高湿般的地形和气候可以满足要求。但对于沿海或高温高湿地区，存在严重的深衰落，上述储备量是不能满足要求地区，存在严重的深衰落，上述储备量是不能

37、满足要求的，即不能保证给定的中断率。的，即不能保证给定的中断率。 2022年5月6日ECUST31 为了在深衰落严重的地区保证正常通信，进一步提为了在深衰落严重的地区保证正常通信，进一步提高设备能力是不经济的，而通常是采用分集接收的方法高设备能力是不经济的，而通常是采用分集接收的方法来克服衰落。来克服衰落。 分集是利用多个接收机分集是利用多个接收机( (或天线或天线) )，以获得同一信号，以获得同一信号的多个接收样品，而且各样品的衰落是互不相关的。然的多个接收样品，而且各样品的衰落是互不相关的。然后将各样品按适当方式合并后作为接收信号。由于各接后将各样品按适当方式合并后作为接收信号。由于各接收

38、信号收信号( (样品样品) )此起彼伏，相互补充，使合成的接收信号此起彼伏，相互补充，使合成的接收信号电平比较稳定，可在很大程度上消除信号的衰落。电平比较稳定，可在很大程度上消除信号的衰落。 分集的方式常用的有分集的方式常用的有空间分集空间分集、频率分集频率分集等，频率等，频率分集是用多个载频通道传送同一信号，以便收端获得多分集是用多个载频通道传送同一信号，以便收端获得多个接收信号样品。这种方法降低了频谱利用率。在微波个接收信号样品。这种方法降低了频谱利用率。在微波中继系统中经常采用的是空间分集。中继系统中经常采用的是空间分集。 2022年5月6日ECUST32 定义分集改善系数定义分集改善系

39、数I I表示无分集中断率表示无分集中断率 和有分集和有分集中断率中断率 之比之比 dnUUI/ nUdUFdSfI1 . 02310102 . 1 在不同高度安装两个天线可实现两重空间分集。其在不同高度安装两个天线可实现两重空间分集。其分集改善系数的经验公式为分集改善系数的经验公式为 其中，其中，S S为两天线的垂直距离为两天线的垂直距离(m)(m)，F F为系统设备的电平储为系统设备的电平储备。比如，备。比如，f=4GHzf=4GHz，S=9mS=9m，d=50kmd=50km，若，若F=30dBF=30dB，则，则I=9dBI=9dB；而；而F=35dBF=35dB时，时，I=14dBI=

40、14dB。 （3-103-10） （3-113-11） 2022年5月6日ECUST33（一一）模拟微波中继通信系统的组成模拟微波中继通信系统的组成 微波中继通信系统的通信距离可长达数千甚至上万微波中继通信系统的通信距离可长达数千甚至上万公里，它是由站距约公里，它是由站距约50km50km的许多中继站连接起来的。在的许多中继站连接起来的。在整个系统中包括有各种类型的微波通信站。图整个系统中包括有各种类型的微波通信站。图3-53-5为模拟为模拟微波中继系统终端和中继站方框图。微波中继系统终端和中继站方框图。 模拟微波中继系统的终端模拟微波中继系统的终端( (见图见图3-5(a)3-5(a)是载波

41、机。是载波机。在发端，载波机提供频分复用的模拟多话路的群信号。在发端，载波机提供频分复用的模拟多话路的群信号。而在收端，载波机接收从微波机来的群路信号，并完成而在收端，载波机接收从微波机来的群路信号，并完成多路信号的分路任务。多路信号的分路任务。 2022年5月6日ECUST34图图3-5 3-5 模拟微波通信系统的终端站和中继站模拟微波通信系统的终端站和中继站R R：接收设备，：接收设备，T T：发送设备，：发送设备，D D：解调器，：解调器，M M：调制器：调制器 2022年5月6日ECUST35 除中继站以外，各类站中都装有中频切换设备。为除中继站以外，各类站中都装有中频切换设备。为了保

42、证系统的畅通，所用的波道都有备份，若工作波道了保证系统的畅通，所用的波道都有备份，若工作波道出现故障，在判明备用信道的可用性之后，将自动切换出现故障，在判明备用信道的可用性之后，将自动切换到备用波道工作。到备用波道工作。 微波中继系统中发送和接收信道都是通过双工器共微波中继系统中发送和接收信道都是通过双工器共用一副天线的。通常用用一副天线的。通常用2m2m左右口径的抛物面天线。左右口径的抛物面天线。 在整个微波中继的长距离线路中，某些站需要有一在整个微波中继的长距离线路中，某些站需要有一定数量的话路定数量的话路( (比如，若干个比如，若干个6060路路“超群超群”) )上和下，以上和下，以便区

43、间的通信。此时，需要设备分路站。在主站便区间的通信。此时，需要设备分路站。在主站( (枢纽站枢纽站) )中，还要设置载波机中，还要设置载波机(“(“超群超群”的调制解调等的调制解调等) )。 2022年5月6日ECUST36 图图 3-63-6示出了常用的变频式发信机从载波机来的示出了常用的变频式发信机从载波机来的群路信号放大后在中频群路信号放大后在中频( (一般为一般为7070或或140MHz)140MHz)进行调频，进行调频，再通过混频得到微波信号，经过行波管功率放大器后即再通过混频得到微波信号，经过行波管功率放大器后即可发射。由于模拟微波系统采用的是频分多路复用，调可发射。由于模拟微波系

44、统采用的是频分多路复用，调制是调频，所以常以制是调频，所以常以FDMFDMFMFM来表示其制式。来表示其制式。图图3-6 3-6 变频式发信机变频式发信机 2022年5月6日ECUST37 图图3-73-7是常用的外差式接收机方框图。来自天馈线的是常用的外差式接收机方框图。来自天馈线的接收微波信号经低噪声放大接收微波信号经低噪声放大( (图图中没有画出中没有画出) )后，混频变后，混频变换至中频信号，并在中频进行放大，然后经限幅、鉴频换至中频信号，并在中频进行放大，然后经限幅、鉴频，成为群路信号，经放大后送至终端载波机。，成为群路信号，经放大后送至终端载波机。 图图3-7 3-7 外差式接收机

45、外差式接收机 2022年5月6日ECUST38（二二）数字微波中继通信系统的组成数字微波中继通信系统的组成 数字微波中继通信系统中的各种类型微波站与图数字微波中继通信系统中的各种类型微波站与图3-53-5的模拟系统基本相同，只是微波站的终端机不是频分多的模拟系统基本相同，只是微波站的终端机不是频分多路复用的载波机，而是时分多路复用的路复用的载波机，而是时分多路复用的PCMPCM或或DMDM终端机。终端机。我国曾参照国际电报电话咨询委员会建议制定了我国我国曾参照国际电报电话咨询委员会建议制定了我国数字微波的数字微波的PCMPCM与与DMDM传输系列，见表传输系列，见表3-13-1所示。所示。 2

46、022年5月6日ECUST39表表3-1 3-1 数字微波中继通信传输系列数字微波中继通信传输系列 分级分级速率速率标称路数标称路数四次群四次群三次群三次群二次群二次群基基 群群子群子群1 1子群子群2 2139.264139.264Mb/sMb/s34.36334.363Mb/sMb/s8.4488.448Mb/sMb/s2.048 2.048 Mb/sMb/s1.024 1.024 Mb/sMb/s512512kb/skb/s19201920路路PCMPCM480480路路PCMPCM120120路路PCMPCM3030路路PCMPCM或或6464路路DMDM3232路路DMDM1616路

47、路DMDM2022年5月6日ECUST40 在图在图3-83-8中示出了数字微波发射机方框图（以移相键中示出了数字微波发射机方框图（以移相键控控PSKPSK调制为例）。信码输入后首先经过适当的码型变换调制为例）。信码输入后首先经过适当的码型变换，然后在中频调制器中对中频载波进行调制。对于小容，然后在中频调制器中对中频载波进行调制。对于小容量量3030120120路路( (基群二次群基群二次群) )系统，多采用系统，多采用BPSKBPSK调制方式调制方式，中容量，中容量480480路路( (三次群三次群) )系统采用四系统采用四DQPSKDQPSK调制方式，而调制方式，而速率高达速率高达1401

48、40200Mb/s200Mb/s的大容量（四次群）系统，一般的大容量（四次群）系统，一般采用采用16QAM16QAM调制。中频已调信号经过上变频器后转换为微调制。中频已调信号经过上变频器后转换为微波频率，经微波功率放大和滤波后馈送至天线进行发射波频率，经微波功率放大和滤波后馈送至天线进行发射。为了提高微波功率放大器效率，总是希望放大器工作。为了提高微波功率放大器效率，总是希望放大器工作在近于饱和点。然而，此时，放大器的非线性将带来两在近于饱和点。然而，此时，放大器的非线性将带来两个方面的问题：个方面的问题： 2022年5月6日ECUST41图图3-8 3-8 数字发射机原理方框图数字发射机原理

49、方框图 2022年5月6日ECUST42 (1)(1)带限的信号经过非线性放大器后，频谱将向带外带限的信号经过非线性放大器后，频谱将向带外扩展，势必增加对邻近波道的干扰；扩展，势必增加对邻近波道的干扰； (2)(2)由于非线性畸变，使符号间干扰增加误码性能由于非线性畸变，使符号间干扰增加误码性能恶化恶化( (对于模拟微波系统，非线性交调失真将产生串话，对于模拟微波系统，非线性交调失真将产生串话，使信噪比下降使信噪比下降) )。需要特别指出的是，对大容量系统采用。需要特别指出的是，对大容量系统采用的高效调制方式如的高效调制方式如(16QAM(16QAM等等) )，由于已调信号包络的较大，由于已调

50、信号包络的较大起伏，对放大器的非线性要求更高。在微波功率放大器起伏，对放大器的非线性要求更高。在微波功率放大器( (行波管放大器行波管放大器) )的线行化方面，除基带数字式预畸和中频的线行化方面，除基带数字式预畸和中频或微波频段上进行补偿外，常用的方法是回退法，即利用或微波频段上进行补偿外，常用的方法是回退法，即利用大功率放大器，限制输入功率，使之工作在离饱和点低一大功率放大器，限制输入功率，使之工作在离饱和点低一定电平数值的状态。定电平数值的状态。2022年5月6日ECUST43 比如，日本比如，日本NTTNTT公司的公司的4 45 56L-DI6L-DI系统。数码率为系统。数码率为200M

51、b200Mbs s，采用，采用16QAM16QAM调制，发射机采用调制，发射机采用GaAsFFTGaAsFFT功放，额功放，额定输出定输出4040dBmdBm( (即即10W)10W)，而正常工作输出功率为，而正常工作输出功率为3232dBmdBm(1.6W)(1.6W)，输出回退的，输出回退的8 8dBdB。 又如美国又如美国HARRISHARRIS公司的公司的2GHz2GHz16QAM16QAM数字微波系统，数字微波系统，用输出饱和功率用输出饱和功率20W20W的行波管放大器，而实际系统输出功的行波管放大器，而实际系统输出功率为率为2W2W，即输出回退，即输出回退1010dBdB。 202

52、2年5月6日ECUST44 在图在图3-93-9上示出了数字微波接收设备方框图，来自天上示出了数字微波接收设备方框图，来自天线的微弱的微波信号经馈线、双工器线的微弱的微波信号经馈线、双工器( (天线共用器天线共用器) )后进后进入微波滤波器，以便抑制邻道干扰，选出信号。经过低入微波滤波器，以便抑制邻道干扰，选出信号。经过低噪声放大后，再与本振信号进行混频噪声放大后，再与本振信号进行混频( (下变频下变频) )，变换成，变换成中频信号。中频系统应提供足够的增益，并有自动增益中频信号。中频系统应提供足够的增益，并有自动增益控制功能。中频滤波器主要决定了接收信道带宽和频率控制功能。中频滤波器主要决定

53、了接收信道带宽和频率响应。解调系统的解调方式由具体采用的调制方法而定响应。解调系统的解调方式由具体采用的调制方法而定，。图中画出的是微波中继系统中通常采用的相干解调，。图中画出的是微波中继系统中通常采用的相干解调方式。解调后的信号经判决后再生输出信码。方式。解调后的信号经判决后再生输出信码。 2022年5月6日ECUST45图图3-9 3-9 数字微波接收机组成数字微波接收机组成 2022年5月6日ECUST46（三三）中继方式中继方式 在微波中继线路中，有大量的中继站。中继转接的在微波中继线路中，有大量的中继站。中继转接的方式有多种，通常采用的是基带转接、中频转接和微波方式有多种，通常采用的

54、是基带转接、中频转接和微波转接三种。模拟和数字微波系统中继方式仅基带中继略转接三种。模拟和数字微波系统中继方式仅基带中继略有不同，其他基本相同。现分述如下：有不同，其他基本相同。现分述如下：1 1基带转接基带转接 在图在图3-10(a)3-10(a)中示出的是数字微波系统的基带转接方中示出的是数字微波系统的基带转接方式，由于解调后经取样判决恢复信码再进行转接，所以式，由于解调后经取样判决恢复信码再进行转接，所以又称再生转接。正如前面课程中所讨论的，数字通信系又称再生转接。正如前面课程中所讨论的，数字通信系统的再生中继能有效地消除中继段的噪声积累。因此，统的再生中继能有效地消除中继段的噪声积累。

55、因此，基带的再生中继是目前数字微波通信系统中最常用的一基带的再生中继是目前数字微波通信系统中最常用的一种中继方式。种中继方式。 2022年5月6日ECUST47图图3-10 3-10 中继方式中继方式 2022年5月6日ECUST48 在模拟微波系统中。接收机解调后的群路基带信号在模拟微波系统中。接收机解调后的群路基带信号直接送至发射机的调制器直接送至发射机的调制器( (也可通过分路机实现部分话路也可通过分路机实现部分话路的上、下的上、下) )。模拟系统中的基带转接有不利的方面：由于。模拟系统中的基带转接有不利的方面：由于调制调制解调器的接入解调器的接入( (与中频和微波中继方式相比较与中频和

56、微波中继方式相比较) )，使系统的可靠性降低，并使基带的幅度和群延的频率，使系统的可靠性降低，并使基带的幅度和群延的频率响应恶化。所以模拟通信系统较少采用基带转接。响应恶化。所以模拟通信系统较少采用基带转接。 应当指出，无论是数字还是模拟系统，只有基带转应当指出，无论是数字还是模拟系统，只有基带转接才能实现上、下话路。基带转接可以是基带群路信号接才能实现上、下话路。基带转接可以是基带群路信号转接，也可以是经载波机转接，也可以是经载波机( (数字分接设备数字分接设备) )后的音频转接后的音频转接。 2022年5月6日ECUST492 2中频转接中频转接 中频转接只将接收的微波信号混颇中频转接只将

57、接收的微波信号混颇( (下变赖下变赖) )变换至变换至中频（中、小容量系统中颇为中频（中、小容量系统中颇为70MHz70MHz，大容量为，大容量为140MHz140MHz）由中放提供足够的增益，再送至发送设备的上变频器，由中放提供足够的增益，再送至发送设备的上变频器，变换为微波频率，经功率放大后发射出去。变换为微波频率，经功率放大后发射出去。 由于电路中没有调制由于电路中没有调制解调器，且不带来话路频解调器，且不带来话路频率响应的恶化，设备也简单，所以是模拟系统常用转接率响应的恶化，设备也简单，所以是模拟系统常用转接方式。特别是用于传送电视节目时，通常只在站端进行方式。特别是用于传送电视节目时

58、，通常只在站端进行解调，因为彩色电视信号对调制解调引入的失真特别敏解调，因为彩色电视信号对调制解调引入的失真特别敏感。感。 2022年5月6日ECUST50图图3-10 3-10 中继方式中继方式 2022年5月6日ECUST51 3 3微波转接微波转接 中继转接接口是微波，由微波放大器提供足够的增中继转接接口是微波，由微波放大器提供足够的增益，由于微波转接设备简单，电源功耗低，也是一种实益，由于微波转接设备简单，电源功耗低，也是一种实用的转接方式。用的转接方式。 由于实际系统中天线发射的信号功率不是全在发射由于实际系统中天线发射的信号功率不是全在发射方向主瓣内，背向旁瓣的信号功率不为零，引起

59、所谓方向主瓣内，背向旁瓣的信号功率不为零，引起所谓“背背干扰背背干扰，考虑到发射信号功率与接收信号功率的悬，考虑到发射信号功率与接收信号功率的悬殊差别，仅仅依靠对天线背向耦合衰减指标提出的要求殊差别，仅仅依靠对天线背向耦合衰减指标提出的要求，是难以达到系统干扰指标的。所以，需要中继站发射，是难以达到系统干扰指标的。所以，需要中继站发射的载频在接收载频基础上偏离的载频在接收载频基础上偏离 ( (见图见图3-103-10，中继站接，中继站接收收 的频率，发射的频率，发射 的频率的频率) )，使这种背背干扰从同频干扰，使这种背背干扰从同频干扰变成异频干扰，机内滤波器将对这种干扰有抑制作用。变成异频干

60、扰，机内滤波器将对这种干扰有抑制作用。 f1f1f2022年5月6日ECUST52图图3-10 3-10 中继方式中继方式 2022年5月6日ECUST53（一）（一）PCM/TDMPCM/TDM复用方式复用方式 1. 1. PCMPCM 话音信号频率：话音信号频率：300300HzHz 3400Hz3400Hz 抽样频率：抽样频率：8kHz8kHz，周期：，周期：125125usus， 每采样点用每采样点用8bit8bit二进制编码，二进制编码， RbRb=8x8000=64kb/s=8x8000=64kb/s 2. TDM 2. TDM 把整个通信过程划分成一个个基本的时间间隔，叫把整个通