重庆科创职业学院-现代通信技术第4.2章微波通信1

1、第4.2章 数字微波通信技术4.21.1 4.21.1 概述概述4.21.1 4.21.1 微波通信发展微波通信发展 微波通信微波通信是指用微波频率作载波携带信息是指用微波频率作载波携带信息, ,通过无线电通过无线电波空间进行中继波空间进行中继( (接力接力) )通信的方式通信的方式微波频率指300MHz300GHz,波段详细划分见波段详细划分见按照不同的应用要求现代微波通信又可分为：按照不同的应用要求现代微波通信又可分为：卫星通信，卫星通信，移动通信，微波中继通信，无线电系统，有线微波传输移动通信，微波中继通信，无线电系统，有线微波传输以及散射通信以及散射通信等几种方式等几种方式为了提高频带

2、利用率为了提高频带利用率: :新的调制技术新的调制技术,PDH,PDH向向SDHSDH转变转变, ,未来主干为光纤辅以卫星通信和微波通信系统未来主干为光纤辅以卫星通信和微波通信系统公里公里图微波中继通信线路图微波中继通信线路1. 通信容量大通信容量大2. 方向性强即抗方向性强即抗干扰强干扰强3. 可以减少地理可以减少地理条件的影响条件的影响4.波长短波长短,直射波直射波因地球曲面距离因地球曲面距离受限制受限制4.21.2 微波通信的特点“微波、多路、接力微波、多路、接力”。“微波微波”是指微波工作频段宽，它包括了分米波、是指微波工作频段宽，它包括了分米波、厘米波和毫米波三个频段。厘米波和毫米波

3、三个频段。“多路多路”是指微波通信的通信容量大，即微波通是指微波通信的通信容量大，即微波通信设备的通频带可以做得很宽。信设备的通频带可以做得很宽。“接力接力”是目前广泛使用于视距微波的通信方式。是目前广泛使用于视距微波的通信方式。 用于传输频分多路用于传输频分多路- -调频制（调频制（FDM-FMFDM-FM）基带信号的系统）基带信号的系统叫作叫作模拟制微波通信系统模拟制微波通信系统；用于传输数字基带信号的系统叫；用于传输数字基带信号的系统叫作作数字微波通信系统数字微波通信系统数字微波除了具有上面所说的微波通信的普遍特数字微波除了具有上面所说的微波通信的普遍特点外，还具有点外，还具有数字通信的

4、特点：数字通信的特点：（1 1）抗干扰性强、整个线路噪声不累积；）抗干扰性强、整个线路噪声不累积；（2 2）保密性强，便于加密；）保密性强，便于加密；（3 3）器件便于固态化和集成化，设备体积小、）器件便于固态化和集成化，设备体积小、耗电少；耗电少；（4 4）便于组成综合业务数字网（）便于组成综合业务数字网（ISDNISDN）。）。数字微波的缺点数字微波的缺点: :要求信道带宽较宽要求信道带宽较宽, ,因而产生了因而产生了频率选择性衰落频率选择性衰落, ,其抗衰落技术比模拟微波复杂其抗衰落技术比模拟微波复杂4.21.3 微波中继通信系统在通信网中的地位终端终端端局端局交换交换中心中心交换交换中

5、心中心交换交换中心中心端局端局终端终端微波微波中继中继交换交换中心中心交换交换中心中心卫星通信卫星通信光纤通信光纤通信4.22 4.22 数字微波通信系统数字微波通信系统4.22.1 4.22.1 数字微波通信系统的组成数字微波通信系统的组成信源信道信宿信源编码器信道编码器数字调制器数字解调器信道译码器信源译码器噪声干扰发端基带信号发端基带信号收端基带信号收端基带信号频带传输信道频带传输信道数字微波通信系统模型数字微波通信系统模型4.22.2 数字信道的性能指标数字信道的性能指标1.1.传输容量传输容量(1)(1)波特率波特率R RB B: :是指系统每秒能传送的码元数，单位波特是指系统每秒能

6、传送的码元数，单位波特BBTR1(2)(2)比特率比特率R Rb b：是指每秒钟通信系统所传输的信息量：是指每秒钟通信系统所传输的信息量, ,单位比特秒单位比特秒MRRBb2log2.2.传输质量传输质量信道传输的总码元数错误接收的码元数eP（）码元误码率：（）码元误码率：信道传输的总比特数错误接收的比特数）（BERPe（）比特误码率：（）比特误码率：3. 3. 信道频带利用率信道频带利用率: :是指单位频带的信息传输速率是指单位频带的信息传输速率, ,即每即每赫兹秒所传送的比特数赫兹秒所传送的比特数, ,记作记作b/(s.Hzb/(s.Hz) )占用带宽比特速率f4.23 微波中继通信系统4

7、.2.数字微波中继通信系统的基本组成端站端站中间站中间站枢纽站枢纽站再生中继站再生中继站端站端站端站端站图数字微波中继线路组成图数字微波中继线路组成处于线路两端或分支线路终处于线路两端或分支线路终点的站点的站,可上下全部支路信可上下全部支路信号号,可配备可配备ADM或或TM设备设备处于长途干线上处于长途干线上,需要完成数个方需要完成数个方向上的通信任务向上的通信任务沟通本站上下部分支沟通本站上下部分支路路,另外沟通干线上另外沟通干线上两个方向之间通信两个方向之间通信对收到的已调信号对收到的已调信号进行解调进行解调,判决再生判决再生,转发至下一方向转发至下一方向 微波中继站的中继方式可以分为直接

8、中继(射频转接),外差中继(中频转接),基带中继(再生中继)三种方式微波放大微波放大微波放大微波放大移频移频(a) (a) 直接中继方式直接中继方式(b) (b) 外差中继方式外差中继方式低噪声低噪声放大放大功率功率放大放大下变频下变频上变频上变频中放中放设备量少设备量少,电源功耗低电源功耗低,适于不须上下话路的无人值守中继站适于不须上下话路的无人值守中继站低低噪噪声声放放大大功功率率放放大大下下变变频频上上变变频频中中放放解解调调调调制制中中放放载波载波载波载波图基带中继方式图基带中继方式4.2 3.2 4.2 3.2 数字微波中继通信的波道及其射频频率配置数字微波中继通信的波道及其射频频率

9、配置1. 1. 波道的设置波道的设置 一条微波线路提供的可用带宽一般都比较宽一条微波线路提供的可用带宽一般都比较宽,(,(几百几百兆兆).).而一般收发信机的通频带较之小的多而一般收发信机的通频带较之小的多,(,(几十兆几十兆).).为了为了使一条微波通信线路的可用带宽得到充分利用使一条微波通信线路的可用带宽得到充分利用, ,将微波线将微波线路的可用带宽划分成若干频率小段路的可用带宽划分成若干频率小段, ,并在每个频率小段上并在每个频率小段上设置一套微波收发信机设置一套微波收发信机, ,构成一条微波通信的传输通道构成一条微波通信的传输通道, ,也也称为称为波道波道. .通常一条微波通信线可以设

10、置通常一条微波通信线可以设置6,8,126,8,12个波道个波道2. 2. 射频波道配置射频波道配置 波道频率配置的原则波道频率配置的原则: :在给定的可用频率范围内尽可能在给定的可用频率范围内尽可能多安排波道数多安排波道数, ,增加通信容量增加通信容量; ;减少各波道间的干扰减少各波道间的干扰, ,以提高以提高通信质量通信质量; ;有利于通信设备的标准化有利于通信设备的标准化, ,系列化系列化. .(1) (1) 一个波道的频率配置一个波道的频率配置(a) (a) 二频制：二频制：优点占用频带窄，频率利用率高缺点存在反向干扰优点占用频带窄，频率利用率高缺点存在反向干扰f1f2f1f2f2f1

11、f2f1ABCD越站干扰越站干扰反向干扰反向干扰f1f3f1f3f2f4f2f14ABCD越站干扰越站干扰(b)(b)四频制：四频制：优点不存在反向干扰，缺点占用频带比二频制宽一倍优点不存在反向干扰，缺点占用频带比二频制宽一倍解决越区干扰的有效措施之一解决越区干扰的有效措施之一: :是在设计微波线路时是在设计微波线路时, ,使相邻的使相邻的第四微波站不要选择在第一、二两微波站的延长线上第四微波站不要选择在第一、二两微波站的延长线上越区干扰越区干扰越区干扰越区干扰无越区干扰无越区干扰越区干扰与无越区干扰示意图越区干扰与无越区干扰示意图（）多个波道的频率配置（）多个波道的频率配置方向方向方向方向1

12、f1f2f3f4f4f5f2f3f6f5f6f1f2f3f4f5f6f1f4f2f3f5f6f方向方向方向方向1f1f2f2f3f3f4f4f5f5f6f6f1f1f2f2f3f3f4f4f5f5f6f6f图一图一. 收发频率相间排列方式收发频率相间排列方式缺点缺点:收收发要分开发要分开使用天线使用天线图二图二. 收发频率集中排列方始收发频率集中排列方始每个波道采用每个波道采用二频制二频制,收发频收发频率间隔大率间隔大,可以可以共用一副天线共用一副天线4.24 4.24 微波传输信道微波传输信道 微波传输信道微波传输信道包括微波的传输空间包括微波的传输空间, ,天线和馈线等微波传天线和馈线等微

13、波传输设备输设备, ,在两个微波站之间的电波传播存在衰减在两个微波站之间的电波传播存在衰减, ,这种衰减可这种衰减可以按自由空间天线能量的衰落进行计算以按自由空间天线能量的衰落进行计算, ,但实际传播情况与但实际传播情况与两站所处的环境和自然环境有关两站所处的环境和自然环境有关. .4.2 4.1 4.2 4.1 微波传播特性微波传播特性 1.1.自由空间传播自由空间传播 所谓电波传播的自由空间所谓电波传播的自由空间. .理想的介质空间，自由空间理想的介质空间，自由空间里充满了均匀、理想的介质。电波在自由空间的传播损耗里充满了均匀、理想的介质。电波在自由空间的传播损耗指电波在自由空间传播时的扩

14、散损耗。指电波在自由空间传播时的扩散损耗。在在理想理想自由空间传播自由空间传播的电波，不产生反射、折射、吸收、散射及热损耗。的电波，不产生反射、折射、吸收、散射及热损耗。dAPt接收天接收天线的有线的有效面积效面积Pr天线接收到的功率为：天线接收到的功率为：222444dfcPdPPttr其中：其中：P Pt t-发射功率；发射功率；cc光速光速f-f-工作频率；工作频率；d-d-收、发距离收、发距离路径损耗路径损耗用分贝表示：用分贝表示：)(lg20)(lg204 .924lg20)(lg10dBGHzfkmddfcdBPPLtrs接收功率为：接收功率为：)()()(dBLdBmPdBmPs

15、tr例已知微波设备发信功率为例已知微波设备发信功率为1W1W，工作频率为，工作频率为3800MHz3800MHz，两，两站间距离站间距离45km45km，收、发天线增益为，收、发天线增益为39dB39dB，馈线衰减每端为，馈线衰减每端为2dB2dB，分路系统每端为分路系统每端为1dB1dB，求收信电平。，求收信电平。解：解： Ls=-92.4-20lg d-20lg fLs=-92.4-20lg d-20lg f =-92.4-20lg 45-20lg 3.8 =-92.4-20lg 45-20lg 3.8 =137.1 (dB) =137.1 (dB)Pr= Pt+Gt+ GrPr= Pt+

16、Gt+ Gr- -（ Lft+ LftLft+ Lft）- LO - LO =30+39+39- =30+39+39-（2+12+1）+ +（2+12+1）- 137.1- 137.1 = -35.1 (dBm = -35.1 (dBm) )答：收信电平为答：收信电平为-35.1dBm-35.1dBm。dBmmWmWmWWdBW3011000lg1011lg1002. 2. 最大视距最大视距h1h2dR0)(222)()(210222021102022020210hhRhhRhhRRhRRhRd其中：其中：0 06370km6370km为地球半径为地球半径4.2 4.2 . . 微波反射特性微

17、波反射特性TRAPh2h1dr1r221221)(hhdTRr直射波行程：直射波行程：反射波行程：反射波行程：21222)(hhdAPRTPRr行程差：行程差：12rrr假设假设 dh1h2:dhhr212反射波与直射波因行程差引起相位差：反射波与直射波因行程差引起相位差：dhhr2142另外，反射引起另外，反射引起180180度相移度相移, ,因此接收到的合成电场的强度为因此接收到的合成电场的强度为: :)()(21jtrerrEEdPPrrdrrtr4)()(2121rjtrtrLLedEEPPL02221 4L0反映距离因素造成的衰减反映距离因素造成的衰减,Lr反映反射因素附加的衰减反映

18、反射因素附加的衰减reLjr2222sin4)1 ()cos21 (1 当行程差远远小于波长时当行程差远远小于波长时: :22122224)1 ()(4)1 (dhhrLr422212221224)1 (24)1(4dhhddhhdL惠更斯的电磁波动性学说惠更斯的电磁波动性学说: :光和电磁波都是一种振动光和电磁波都是一种振动, ,振动源振动源周围的媒质是有弹性的周围的媒质是有弹性的, ,故一点的振动可通过媒质传递给邻故一点的振动可通过媒质传递给邻近的质点近的质点, ,并依次向外扩展并依次向外扩展, ,而成为在媒质中传播的波而成为在媒质中传播的波. .根据惠更斯原理惠更斯原理: :一个点源的振

19、动传递给邻近的质点后一个点源的振动传递给邻近的质点后, ,就形就形成了二次波源成了二次波源, ,三次波源等三次波源等, ,若点源发出的是球面波若点源发出的是球面波, ,那么其产那么其产生的二次生的二次, ,三次波前面也应是球面波三次波前面也应是球面波. .费涅耳费涅耳在这个基础上又提出了在这个基础上又提出了”费涅耳区费涅耳区”的概念的概念, ,进一步进一步解释了电波的反射解释了电波的反射, ,绕射等现象绕射等现象, ,并为实践所证实并为实践所证实. .费涅尔区费涅尔区费涅耳区的概念：费涅耳区的概念：满足满足 的所有点的集合的所有点的集合TRPd1d2dF1第二费涅耳区第二费涅耳区第一费涅耳区第

20、一费涅耳区求第一费涅耳区的半径：求第一费涅耳区的半径：221222121dFdFddddF211因为在边界上满足因为在边界上满足2)(nTRRPTP所以：所以：121FndddnFn2)(nTRPRTP收信点场强与各费涅尔区的关系：收信点场强与各费涅尔区的关系：相邻费涅尔区在收信点产生的场强反相，奇数费涅相邻费涅尔区在收信点产生的场强反相，奇数费涅尔区使收信场强增强，偶数费涅尔区使收信场强减弱尔区使收信场强增强，偶数费涅尔区使收信场强减弱实际微波系统线路设计实际微波系统线路设计时第一件事是线路勘探，大致确定微时第一件事是线路勘探，大致确定微波站的选点在一条微波接力线上，不仅要求相邻的两个接波站

21、的选点在一条微波接力线上，不仅要求相邻的两个接力站之间通视力站之间通视, ,而且要求两站之间应而且要求两站之间应保证第一费涅尔区的完整保证第一费涅尔区的完整性性, ,因此因此, ,应验算应验算余隙余隙及接收电平能否满足要求及接收电平能否满足要求, ,仔细计算天线仔细计算天线的高度的高度. .即即: :让反射点落在奇数让反射点落在奇数费涅尔区费涅尔区( (如第一费涅尔区如第一费涅尔区) )的边缘附近的边缘附近路径上刃形障碍物的阻挡损耗路径上刃形障碍物的阻挡损耗:刃形障碍物的阻挡使电波传刃形障碍物的阻挡使电波传播损耗增加播损耗增加, ,这个增加的损耗这个增加的损耗叫做叫做附加损耗附加损耗, ,这将

22、使自由空这将使自由空间条件下的收信点电平降低间条件下的收信点电平降低. .在传播路径上有刃形障碍物阻挡时在传播路径上有刃形障碍物阻挡时(a)(a)如果障碍物的尖峰恰好落在收发两端天线上（如果障碍物的尖峰恰好落在收发两端天线上（hchc=0)=0)时，附时，附加损耗为加损耗为dBdB；(b)(b)当障碍物峰顶超出连线（当障碍物峰顶超出连线（hchc为负为负) )时，附加损耗很快增加；时，附加损耗很快增加；(c) (c) 当障碍物顶峰在连线以下，且相对余隙当障碍物顶峰在连线以下，且相对余隙hchcF1F1大于大于. ., ,附附加损耗在加损耗在0dB0dB左右，实际传播损耗与自由空间损耗接近左右，

23、实际传播损耗与自由空间损耗接近余隙的计算：余隙的计算：ddHhHhHhhHhec11122113)()(echHHhddHhddh3111221)(1 ()(H He e：地球突起高度：地球突起高度H He e：地球突起高度的求解：地球突起高度的求解BCAEDd1d2BCEADEDECEAEBEEDBEDdAEdCERBED;21200121222KRddRddBEeK K为等效地球半径系数，为等效地球半径系数，R0=6370kmR0=6370km等效地球半径等效地球半径由于大气的折射作用，使实际的电波传播不是按直线进行，由于大气的折射作用，使实际的电波传播不是按直线进行，而是按曲线传播的为了

24、便于分析，引入而是按曲线传播的为了便于分析，引入等效地球半径等效地球半径的概的概念，把电波射线仍然看成直线，而把地球的半径念，把电波射线仍然看成直线，而把地球的半径0 0等效为等效为R Re ed1d2dK=2/3K=1K=4/3K真实地球真实地球ad1d2daeK=2/3K=1K=4/3K等效后电波射线等效后电波射线hc实际电波射线实际电波射线等效后的情况等效后的情况TRTR决定于折射率梯度，也即受温度，湿度和压力等条件影决定于折射率梯度，也即受温度，湿度和压力等条件影响，它是反映对流层气象条件变化对电波传播影响的重要响，它是反映对流层气象条件变化对电波传播影响的重要参数，是电路设计必须考虑

25、的重要因素参数，是电路设计必须考虑的重要因素5.5.3 SDH微波系统的主要设备微波系统的主要设备1. 端站设备端站设备 分为分为终端站终端站,中间站和分路站中间站和分路站(1) 终端站设备配置终端站设备配置运行、管理、运行、管理、维护和参考维护和参考配置功能配置功能STM-4复用器复用器:IF ModemCh.ACh.BOAMP发信机发信机Ch.ACh.B收信机收信机Ch.ACh.B去发信去发信天线天线自收信自收信天线天线CNet4 X STM-1或或X 63 X 2Mb/sSTM-4光接口光接口复用设备复用设备微波传输设备微波传输设备图终端站设备配置图终端站设备配置622Mb/s只具备速率

26、的接口，无复用设备和传输设只具备速率的接口，无复用设备和传输设备，可放在枢纽站上，用作某方向的信号转接备，可放在枢纽站上，用作某方向的信号转接(2) (2) 中间站设备中间站设备IF ModemCh.ACh.B发信机发信机Ch.ACh.B收信机收信机Ch.ACh.B去发信去发信天线天线自收信自收信天线天线STM-4光接口光接口图中间端站设备配置图中间端站设备配置（）分路站设备（）分路站设备配备有分插复用设备（），具有配备有分插复用设备（），具有的接口和有限个支路接口用于沟通干线两个的接口和有限个支路接口用于沟通干线两个方向的通信，方向的通信，Mb/sMb/s接口用于本地上下支路接口用于本地上下

27、支路分插分插复用复用IF ModemCh.ACh.BOAMP发信机发信机Ch.ACh.B收信机收信机Ch.ACh.B去发信去发信天线天线自收信自收信天线天线CNetSTM-4光接口光接口图分路站设备配置图分路站设备配置STM-1或或2Mb/s再生站设备再生站设备 用于用于接收，再生和发送接收，再生和发送由微波通道所传输的数字信号一对由微波通道所传输的数字信号一对收发信波道信号的再生，由两套分别用于向上的再生站设备来完成它收发信波道信号的再生，由两套分别用于向上的再生站设备来完成它没有光传输接口设备和：保护电路，也没有分路部分。没有光传输接口设备和：保护电路，也没有分路部分。IF ModemCh

28、.ACh.BOAMP发信机发信机Ch.ACh.B去发信去发信天线天线CNet图终端站设备配置图终端站设备配置收信机收信机Ch.ACh.B自收信自收信天线天线IFIFIFIFRF3. SDH微波基带信号处理微波基带信号处理要完成微波传送中绝大部分信号处理功能要完成微波传送中绝大部分信号处理功能3选选1SOH插入插入扰扰码码RFCOH插入插入差分差分编码编码格格/自自变换变换分分配配SOH分接分接去去扰码扰码ROH分接分接纠错纠错编码编码格雷格雷译码译码纠错纠错编码编码格雷格雷编码编码差分差分译码译码自自/格格变换变换时延时延调整调整SOHRFCOH主用主用备用备用主用主用备用备用RFCOH图图 数字信号处理器数字信号处理器RFCOH:RFCOH:微波辅助开销微波辅助开销SOH-SDHSOH-SDH段开销段开销IQIQ4.2 5.4 4.2 5.4 数字微波传输系统的主要技术数字微波传输系统的主要技术1.抗衰落的技术抗衰落的技术微波是视距沿直线传播微波是视距沿直线传播, ,在传输路径上由于气象条件变化在传输路径上由于气象条件变化, ,传播环境的不同传播环境的不同, ,会产生各种对电波影响的情况会产生各种对电波影响的情况, ,使传送的使传送的电波随时间而恶化衰落电波随时间而恶化衰落, ,称之为称之为时变恶化因素时变恶