数字微波通信原理V1.1-Cnew

数字微波通信原理V1.1文档密级：内部公开TIME\@"yyyy-M-d"2012-12-11华为机密，未经许可不得扩散第页数字微波通信原理微波通信概述目标：了解什么是微波通信。了解微波通信的挑战与机遇。建立有关微波通信的整体概念为以后更深入的学习打下基础。数字微波的基本概念微波是指频率在300MHz－300GHz范围内的电磁波，是全部电磁波频谱的一个有限频段。根据微波传播的特点，可视其为平面波。平面波沿传播方向是没有电场和磁场纵向分量的，电场和磁场分量都是和传播方向垂直的，所以称为横电磁波，记为TEM波。至于微波频谱中各个频段的应用，可以用下图来简单说明一下。图1.1微波频谱中各个频段的应用图1.1中，特长波和长波是地面波，地面波绕射能力非常强，几百公里都可以过去，用于无线和航行。再就是中波MF，广播里都用，有绕射能力，但是没有长波能力强，短波HF不是地面波，它反射到电离层，VHF，UHF电视在用。电视用到了UHF，就是说用到了微波里面，但是我们没叫他微波。微波后面的是光波，光其实也是一种电磁波，所以也是种电磁波通讯。数字微波通信是指利用微波(射频)携带数字信息，通过电波空间，同时传输若干相互无关的信息，并进行再生中继的一种通信方式。微波的绕射能力很差，所以是视距通讯。因为是视距通讯，所以传输距离是有限的，如果我们要长距离的传输，那就需要接力，一个站一个站接起来，所以叫微波中继通讯。微波通信只是将微波作为信号的载体，与光纤通信中将光作为信号传输的载体是类似的。简单的说，光纤通信系统中的发射模块和接收用的光电检测模块类似于微波通信中的发射和接收天线。只是微波信道是一种无线信道，相比于光纤这种有线信道，传输特性要复杂一些。微波的发展历程微波通信技术问世已半个多世纪，它是在微波频段通过地面视距进行信息传播的一种无线通信手段。最初的微波通信系统都是模拟制式的，它与当时的同轴电缆载波传输系统同为通信网长途传输干线的重要传输手段。我国的模拟微波通信技术的研究、开发、引进和应用始于1958年，有很长的历史。70年代起研制出了中小容量(如8Mb/s、34Mb/s)的数字微波通信系统，这是通信技术由模拟向数字发展的必然结果。80年代后期，随着同步数字系列(SDH)在传输系统中的推广应用，出现了N×155Mb/s的SDH大容量数字微波通信系统。现在数字微波通信和光纤通信、卫星通信一起被称为现代通信传输的三大主要手段。下面详细介绍国际上和我国微波的发展历史。国际上微波的发展历史1947年贝尔实验室在纽约和波士顿之间建设了世界上第一条模拟微波试验电路（TD-X）。该电路用真空管作信号放大，采用频率调制（FM）方式。1950年4GHzTD-2系统首次实现承载商用电话业务。从50年代早期开始，在美国以外，澳大利亚、加拿大、法国、意大利、和日本的主干路由上都安装了与TD-2相类似的微波接力系统。1979年，日本商用系统的波道容量达到3600个话路；到1980年，美国商用系统AR6A系统采用单边带调制技术，在6GHz频带的30MHz波道带宽内安排6000个话路，使每路的传输成本降低到历史上的最低点。为提高话音质量，在60年代末期首次出现了数字微波接力系统。为提高频谱效率，出现了64QAM、128QAM、512QAM等高状态调制方式，频谱效率提高到10bit/s/Hz。1988年国际电信联盟（ITU）在美国SONET的基础上，提出了SDH传送网标准。与以前的PDH相比，SDH标准统一了欧洲和北美的标准，使国际间在STM-1及其以上速率上互通成为可能。SDH系统采用同步复用和灵活的映射结构，可以从高阶支路直接分插低阶支路信号，避免了逐级分复接过程，使设备简化。而且，SDH系统安排了大量的开销字节，使网络的操作、管理、维护和配置能力大大加强。因此SDH微波系统在90年代得到了迅速发展。我国微波的发展历史1、模拟微波的发展历程在1957年就开始了60路及300路模拟微波通信系统的开发研究工作。1964年开始600路微波的研究工作。1966年开发960路微波系统。1986年，完成了1800路模拟微波的开发工作(国家六五科技攻关项目)。运用这些研究成果，全国建设了2万多公里的模拟微波电路。2、PDH数字微波的发展历程：PDH（准同步数字体系）是六十年代由ITU的前身CCITT提出。我国于六十年代末从国外引进了一跳1.544Mbps的PDH微波设备。79年我国建设了第一条干线PDH微波电路（京汉电路，由电力部于从国外引进）。86年我国自行研制的4GHz34MbpsPDH微波系统建于福建省福州与厦门之间。87－89年原邮电部建设了京沪6GHz140MbpsPDH微波电路。92年我国自行研制的6GHz140MbpsPDH微波系统(国家七五科技攻关成果)建于湖北省武昌与阳逻之间。95年以后，由于移动覆盖的需要中小容量的PDH微波得到了快速发展，一种安装拆卸容易、小型化的分体设备逐渐取代全室内设备。3、SDH数字微波的发展历程：SDH（同步数字体系）国际上是由92年发展起来的，我国第一条SDH微波电路是在95年由吉林广电厅负责引进并建造的，95-96年原邮电部开始引进并建设SDH微波电路，97年我国自行研制的6GHzSDH微波电路(国家九五科技攻关成果)在山东通过鉴定验收，2000年后信息产业部已原则上停建国家干线公网用SDH微波电路，我国专网，如广电、煤炭、石油、水利和天然气管道行业，由于行业的特点及自身的需求，已成为SDH微波建设的主力军。SDH小型化分体微波设备也开始在移动、应急和城域网中应用。数字微波通信的特点微波通信系统、特别是数字微波通信系统有下列优点：具有可快速安装的能力；具有可重复利用现有的网络基础设施的能力（数字微波利用模拟微波的基础设施）；具有容易穿越复杂地形(跨江、湖及山头)的能力；具有在偏僻的山利用点对多点微波传输结构的能力；具有在自然灾害发生后快速恢复通信的能力；具有用于混合的多传输媒质的保护的能力。上述诸多优点不仅应用于城市市区的固定结点或临时结点和馈送路由，而且也用于很长的长途路由。例如，俄罗斯的运营部门“俄罗斯电信”建设了一条非常长的SDH数字微波接力系统的长途路由（总长度超过8000km）。该网络利用现有的基础设施，总容量为8个射频波道（6个主用波道+2个保护波道），每个波道承载155Mbit/s。再如，加拿大用光纤和微波一起组成传送网，以克服地理条件的困难。我国的大容量SDH微波电路首推1998年建设的京汉广干线微波，占用2个频段，按2×2×(7＋1)配置，总传输容量达4.8Gbps。在大城市和市区，在建设数字节点和分配网络时，数字微波常常是可以与光缆相比的唯一的可供选择的方案。事实上，除了在大城市和小城镇内埋设地下电缆费用非常昂贵外，在闹市区开挖管道常常是很难得到批准的。这种情况在欧美发达国家表现尤为突出。据称，在欧美发达国家用于移动覆盖的传输中大约80％－90％采用数字微波系统。在世界上许多国家中，微波接力链路可能是可以穿越数千里林区、山区、大草原、沙漠、沼泽地和其他困难地域的唯一可用的大容量传输媒质。而且，由于功率消耗相当低，应用太阳能电源已经成为在这种条件严酷的地区应用数字微波接力系统的一个重要因素。由于微波电路不易人为破坏，不易受自然灾害的影响，因此微波系统是组成我国通信网的不可缺少的组成部分，是保证通信网安全所不可缺少的。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。76年唐山大地震时，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。因而，只要仔细地合理地进行网络规划，以合适的信息容量覆盖领土，微波接力链路与其他现代传输媒质一起将支持和补充光纤传送网。但微波也存在着相应的缺点：应具备视距传输条件，两站之间传输的距离不是很远；频率必须申请；通信质量受环境的影响较大；通信容量不能做到很大。数字微波通信面临的挑战及机遇数字微波通信方式的最大的挑战是光纤通信光纤通信的兴起是20世纪最重大的科技事件。自从70年代提出光纤传输理论，80年代走向实用化以来，光纤通信得到很大的发展。光纤通信以其巨大带宽、超低损耗和较低成本而成为干线传输的主要手段，并对数字微波形成巨大的冲击。挑战之一：能否用干线数字微波作干线光纤的备用保护？从二十世纪90年代起，电信主管部门开始以大容量光纤传输作为国家信息高速公路的主要传输手段，成为不可抗拒的历史潮流。但直到九十年代中后期，我国电信主管部门在看到光纤通信巨大的传输容量的同时，也看到了光纤通信在受到自然灾害及人为破坏时对通信造成的影响，为保证通信的正常运行，建设了约十条国家干线SDH微波通信电路，用于干线光纤网络的保护。但好景不长，进入二十一世纪后，随着国家光纤网络形成八纵八横，上述光纤通信网络的弊端已完全可以通过电路迂回来解决了，利用数字微波通信作光纤通信备用保护的意义也降低了；挑战之二：能否尽可能地提高数字微波的传输容量？为提高数字微波的传输容量，微波研发人员采用了一系列高新技术：高状态调制解调，64QAM/128QAM/256QAM/512QAM等；XPIC技术，这是一种交叉极化干扰抵消技术，可实现同波道频率复用，从而在相同的射频带宽下实现传输容量倍增；新型高效纠错编码技术，如TCM、MLCM、RS等；一系列抗多径衰落技术，如频域均衡技术、时域均衡技术、空间分集技术及各种分集合成技术等；其他新技术，如ATPC技术、发信功率谱成型技术等。据称早在二十世纪九十年代末就有研究机构声称已在实验室实现在28MHz的波道带宽下，采用1024QAM高状态调制解调、XPIC交叉极化干扰抵消技术及其他一系列高新技术，传输STM-4,使得在500MHz的频段，例如L6GHz频段中，使总传输容量达到4.8Gbps的技术，但由于种种原因，至今未能实现商用。尽管4.8Gbps的传输容量对微波来说是了不起的技术，但对目前光纤通信中已可实现一纤传几十甚至一百多Gbps的传输容量来说仍是不屑一顾的。数字微波的发展机遇数字微波作为一种无线传输方式，在灵活性、抗灾性和移动性方面具有光纤传输所无法比拟的优点，这也是它的优势所在。

当前数字微波的发展机遇可以归纳如下：用于专网或作专网光纤传输的备份及补充，我国的专网如：广电、石油及天然气管道、煤炭、水利等，这些专网本身所需的传输容量不大，一般一个STM-1或几个STM-1,它们要么没建光纤通信电路，要么只建了单线的光纤通信链路，不具备电信光纤传输网络八纵八横的优势，所以它们必须建设SDH或PDH微波电路用于主传电信及数据业务或用于光纤传输系统在遇到自然灾害时的备用保护，以及由于种种原因不适合使用光纤的地段和场合。我国2G及2.5G移动通信基站覆盖中使用了众多的PDH微波通信电路，随着3G牌照的发放，传输容量将扩容；另外固话运行商的参与将欣起进一步的移动覆盖热，在光纤传输之后数字微波传输需求定有大幅增长，而且SDH其他微波通信的方式，如：——点对多点微波通信系统(PMP)，有用户线型和中继线型两大类，微波频段的无线用户环也可以属于这一类，主要用于农村、海岛等边远地区和专用通信网；——微波扩频数据传输系统，如：点对点2.4GHz扩频微波，点对多点2.4GHz扩频微波数据网等；——应急微波通信，采用高频段的点对点微波通信系统，可灵活方便地应对可能出现的通信阻挡突发事件；——本地多点分配业务(LMDS)，工作在26－28GHz频段，可用于未来的宽带业务接入，被称为无线光纤等；这些多种多样的微波通信方式，将以其多样性及灵活性永存。微波频段选择和射频波道配置微波传输常用频段包括：7G/8G/11G/13G/15G/18G/23G/26G/32G/38G（由ITU-R建议规定）。各个频段的使用如下图所示：图1.2常用频段的使用(1)对于长站距的PDH微波电路(一般距离在15Km以外)，建议采用8GHz频段；若站距不超过25Km也可考虑采用11GHz频段，具体视当地的气候条件和微波传输断面而定。(2)对于短站距的PDH微波电路(一般用于接入层，距离在10Km以内)，可考虑采用11GHz、13GHz、14GHz、15GHz和18GHz频段。(3)对于长站距的SDH微波电路(一般距离在15Km以外)，建议采用5GHz、6GHz、7GHz和8GHz频段；若站距不超过20Km也可考虑采用11GHz频段，具体视当地的气候条件和微波传输断面而定。7G、8G、11G、13G、15G、18G、23G不连续，微波的频率资源国际上有定义的，雷达要用，传输用的微波是在4G以上，2G让给移动通讯，以前微波通讯用过1.5G，后来ITU－T决定让移动通讯用2G，9G给气象雷达用。无线电资源是受到管制的，光缆不受限制，微波频率是要申请的，但是有一段是不需要申请，以前1.8G，2.4G作为扩频用，像微波炉，蓝牙，他可以在噪声里传播，但是现在干扰太大，2.4G不让随便用了。在每个频段中还定义了多种频率范围，收发间隔和波道间隔，其中波道间隔等同与波道带宽(空口带宽)。在采用某种频段时，中心频率、收发间隔和波道间隔都是有规定的，这可以在相应的频率规范中查找。图1.3有关微波频段设置的几个简单概念在决定采用某种微波频段之后，就要进行射频波道的配置。射频波道配置的含义是将一特定的频段细分为许多更小的部分，以适应发射机所需要发射的频谱，这些被细分的部分我们称之为“波道”，通常，任一波道都以波道配置的中心频率和一个序数来表征。波道频带宽度主要取决于所传送的信号的频谱，即取决于容量和所采用的调制方法。在进行射频波道配置时，所考虑的主要因素如下：(1)最有效地利用有限的射频频带。(2)在一个微波站上，发信频率和收信频率之间必须有足够的间隔，以防止发信机对接收机产生严重的干扰。(3)在多波道工作的系统中，相邻波道之间必须有足够的频率间隔，以免相互之间产生干扰。(4)在所分配的频带边缘必须留有足够的保护带，以免与相邻频带上工作的系统之间产生干扰。(5)大多数射频波道配置方案是以等间隔方案为基础的。ITU-RF.746-3建议”微波接力系统的射频波道配置”一文提出，应优先采用等间隔方案作为新的射频波道配置的基础。通常最基础的波道间隔为2.5MHz和3.5MHz，采用这种波道间隔的数字微波系统分别支持北美和欧洲系列比特率。在3.5MHz的方案中。可以预料会进一步细分到1·75MHz间隔，以便支持小容量移动覆盖中仅需1E1或2E1的传输需求。数字微波通信系统模型数字微波通信系统模型：图1.4数字微波通信系统模型发端的信源是提供原始信号的装置，其输出是数字信号。信道编码是为了提高数字信号传输的可靠性。因为信道中不可避免地存在着噪声和干扰，可能使传输的数字信号产生误码。为了在接收端能自动检查和纠正错误的码元，使用信道编码器可在输入的数字系列中，按照一定的规律加入一些附加的码元，并形成新的数字系列。在接收端，根据新的数字码元系列的规律性来检查接收信号有无误码。调制是将数字信号调制到频率较高的“载频”上去，以便适合无线信道传输。收端的解调、信道解码等几个方框与发端几个方框的功能，是一一对应的反转换。数字微波的调制方式未经调制的数字信号叫做数字基带信号，由于基带信号不能在无线微波信道中传输，必须将基带信号变换成频带信号的形式，即用基带信号对载波进行数字调制。调制之后得到的信号是中频信号。一般情况下，上行中频信号的频率是350MHz，下行中频信号的频率是140MHz，也有上行中频信号的频率是850MHz，下行中频信号的频率是70MHz。要通过微波传输，还需通过上变频将其变为射频信号。上变频就是将中频信号与一个频率较高的本振信号进行混频的过程，然后取混频之后的上边带信号。下变频是上变频的逆过程，原理是一样的，只是取的是本振信号与微波信号的不同组合而已，取的是混频之后的下边带信号。本振信号频率轻微漂移将引起发射信号和接收信号频率较大的漂移，因此它们的频率稳定度主要取决于本振信号的频率稳定度。图1.5数字微波信号的调制过程对数字基带信号的调制过程用数学方法可简单表示成：幅移键控(ASK)：用数字基带信号改变载波A，不变Wc和φ频移键控(FSK)：用数字基带信号改变载波Wc，不变A和φ相移键控(PSK)：用数字基带信号改变载波φ，不变Wc和A正交振幅调制(QAM)：数字基带信号改变载波φ和A，不变Wc相移键控是目前中小容量数字微波通信系统中采用的重要调制方式，它具有较好的抗干扰性能，并且这种调制方式比较简单，性价比较高。目前中小容量数字微波通信系统中采用的是四相移相键控(4PSK也叫QPSK)的调制，典型的生产厂家有NEC、爱立信和诺基亚等。移频键控也是目前中小容量数字微波通信系统中采用的重要调制方式，但它的抗干扰性能和解码门限没有移相键控(PSK)好，同时它所占的微波带宽也较PSK调制大。目前中小容量数字微波通信系统中采用4FSK调制，典型的生产厂家有DMC和哈里斯等。多进制正交调幅调制是在大容量数字微波通信系统中大量使用的一种载波键控方式。这种方式具有很高的频谱利用率，在调制进制较高时，信号矢量集的分布也比较合理，同时实现起来也较方便。在PDH微波系统中主要采用PSK调制方式，4PSK(4QAM)及8PSK，也有采用多值正交调幅（MQAM）技术的，如16QAM；在SDH微波系统中，最广泛采用的是多值正交调幅（MQAM）技术，常用32QAM，64QAM或128QAM及512QAM等调制方式；QAM调制的频带利用率比较高。常用调制方式的波形图如下所示。图1.6常见调制方式的波形图各种调制方式的信道利用率在比较各种调制方式的优劣时，常用的一个概念是信道利用率。信道利用率定义为：信号的基带带宽与传输信道带宽之比(单位：bit/s/Hz)。基带传输信号的频带利用率为复用设备的传输带宽(2FB)与基带信号(0－FB)的带宽之比。对于二进制数字信号，基带传输信道的频带利用率为2FB/FB=2(bit/s/Hz)。对于高频信道，“基带信号”为经过调制后的双边带信号。在实际工作中，由于基带传输信道不会是理想的矩形，故信道带宽应适当放宽，标称数字微波信道利用率比理论值要小些。下表为各种调制方式的高频信道利用率和标称的数字微波信道利用率的理论值：表1.1几种常见的调制方式的信道利用率之比调制方式基带传输信道频带利用率高频信道频带利用率标称的微波信道频带利用率4FSK2<1<24PSK2128PSK21.5316PSK22416QAM22464QAM236数字微波帧结构在数字微波系统中，为了传输数字公务信息、路旁业务信息、ATPC信息纠错用的比特、波道倒换等信息，需要在SDH复用设备来的主数据流中插入一些附加比特，即微波帧附加开销（RFCOH）。各厂家根据设备所传输的速率，所采用的调制方式和纠错方式，所需要的附加信息的种类安排帧结构，因此各厂家生产的设备的微波帧结构是不同的。下图是采用MLCM（多级编码调制）方式的帧结构。图1.7采用MLCM调制方式的微波帧开销其中，RFCOH：微波附加开销，MLCM：多级纠错编码监督位，DMY：空白，WS：路旁业务，XPIC：正交极化干扰抵消器远端复位，RSC：微波公务，INI：N:1切换命令，ID：路径识别，FA：帧同步码，ATPC：自适应发信功率控制。用于多级编码而增加的监督位总速率为11.84Mb/s。路旁业务为30路PCM话路，标称速率为2.048Mb/s，为了与主数据系统用同一时钟，在微波帧复接前，先用正码速调整，将其码率变换为2.24Mb/s，再送入微波复接电路。微波公务和控制信号共13路，每路64kb/s，总速率832kb/s，码速变换至864kb/s送微波复接电路，13路中包含两路用户信道可传语音或数据信号，其他信道为一些辅助切换信号，4路用于主用信道业务切换信息:其余6路为系统监控信道，路径识别比特用于区分不同的微波信道。图1.8采用MLCM调制方式的微波帧结构SDH的帧结构为块状结构，以字节为单位，具有确定的排列，微波帧的结构与其不同，是以比特为单位的。它的排列结构视具体应用而定，缺乏规律性。其中，I表示信息比特，C1和C2表示第一级和第二级纠错编码监督位，FS表示帧同步字，a和b表示其它附加开销。？想一想：在这一章你学到了些什么？1.微波究意是什么？2.数字微波通信又是什么？3.微波通信目前的挑战与机遇是什么？4.微波射频波道如何配置？5.微波通信本模型什么？6.微波调制方式有哪些？7.微波帧结构如何？小结在本章主要讲述了微波和数字微波通信的概念，微波通信的发展历程及其特点，描述了微波通信当前面临的挑战与机遇，还简单讲述了微波射频波道的配置及微波调制方式，最后讲解了微波帧结构。数字微波设备简介目标：了解微波设备的分类。掌握分体式微波天馈线系统、室外单元ODU、室内单元IDU的作用、组成及性能指标。掌握分体式微波的安装及天线调整。建立微波设备的概念。数字微波设备分类按照不同的分类方法，数字微波设备可以按照下面的方式分类：表2.1微波设备分类制式数字微波模拟微波复用方式PDHSDH(已淘汰)容量2～16E134MSTM-0STM-12xSTM-1结构全室内型微波（trunkMW）分体式微波（splitMW）全室外型微波目前，大家比较常见的分类方法是按照结构分类，将微波设备分为分体式微波、全室内型(一体式)微波和全室外型。一体式微波一般是trunk，俗称大微波，射频单元（RFU）、信号处理单元（SPU）、复接器等单元全在室内，室外仅有天线，特点是传输容量大，适用于骨干线路传输。但是，一体式微波的成本高。图2.1Trunk式微波示意图全室外型微波是所有单元都在室外，其优点是易于安装、节省机房空间，但是设备在室外，容易损坏。图2.2全室外型微波示意图图2.3分体式微波示意图分体式微波由天线、室外单元（ODU）和室内单元（IDU）组成，天线和ODU之间一般用波导管连接，IDU和ODU之间通过中频电缆连接。中频电缆用于IDU和ODU之间的中频业务信号和IDU/ODU通讯控制信号的传输，并向ODU供电。容量相对较小，安装维护方便，便于快速建网，是目前应用最广泛的微波设备。在后续章节，如无特殊说明，都是指分体式微波的。微波天馈线和分路系统微波天线天线的作用是把发信机(ODU)发出的微波能量定向辐射出去，把接收下来的微波能量传输给收信机(ODU)。常用微波天线有抛物面天线和卡塞格仑天线。国产微波天线直径一般分为：0.3、0.6、1.2、1.6、2.0、2.5、3.2m等；进口微波天线的直径一般分为：0.3、0.6、1.2、1.8、2.4、3.0m等。天线种类多，每种直径的天线对于不同的频段有不同的规格，EricssonMini-link有46种天线。图2.4抛物面天线图2.5卡塞格仑天线同一频段内的n个波道可共用一面天线。图2.6同一面天线共用n个波道示意图在微波接力系统中，对天线的基本要求是天线效率高，旁瓣电平低，交叉极化鉴别率高，电压驻波比低，工作频带宽。它的主要参数如下：(1)天线增益增益是天线的一重要参数。在天线尺寸一定的情况下，天线增益大小直接反映了天线效率的高低。定义为面式天线与无方向性天线在某点产生相同电场的条件下，无方向性天线的输入功率Pio与面式天线的输入功率Pi之比。微波天线的天线增益为：式中：D为抛物面天线直径；为工作波长；为口面利用系数，它决定于天线的加工精度和有功损耗，通常取值在0.45～0.6之间。一般天线指标中给出的是最大辐射方向(主瓣)的增益，用dBi表示。G(dB)=10logG=10log[(πD/λ)2×η(2)半功率角(3dB波束宽度)从主瓣方向向两边偏离，当偏离至功率下降一半的点，该点称为半功率点。两个半功率点之间的夹角为半功率角。半功率角近似计算公式为：可见当天线口径一定时，工作频率越高，半功率角越小，能量集中程度越高；当工作频率一定时，天线口径越大，半功率角越小。(3)交叉极化鉴别率（XPD）交叉极化鉴别率（XPD）的定义是指当发射天线只发射一个极化的信号时，在接收天线所接收到的同极化信号电平和正交极化信号电平之比。要求XPD高是为了抑制从正交极化信号来的干扰，特别是由于大容量微波接力系统（如SDH微波系统）广泛应用同频正交极化频率复用技术来提高通信容量和节省宝贵的频谱资源，对XPD的要求很严格（如要求XPD大于40dB）。XPD=10lgPo/Px式中：－对正常极化波的接收功率；－对异极化波的接收功率；在实际微波电路上，由于存在多径传播效应及降水的效应，XPD会劣化。在10GHz以下频段，引起XPD劣化的主要原因是多径传播效应。由于两个正交极化信号到达通信的到达角不同，以及地理气象条件对两个正交极化的影响是不完全相关的，造成在实际地理上XPD是变化的，即使在没有衰落（甚至有上衰落）的时间内测得的XPD也是呈对数正态规律分布，而不是一个固定值。(4)天线防卫度天线防卫度是指天线对某方向的接收能力相对于主瓣方向的接收能力的衰减程度。对180°方向的防卫度也叫前/背比，在微波通信中是一个很主要的指标。(5)电压驻波比天线与馈线连接阻抗要匹配，输入端驻波比一定要小。一般天线的驻波比在1.05～1.2之间。微波天线的分类 微波天线按安装方式分：挂式天线和座式天线二种微波天线。按电气特性分：标准天线和高性能天线二种微波天线。标准天线和高性能天线的区别是高性能天线的前后比比标准天线大，一般大10dB以上。馈线系统 馈线系统是连接分路系统与天线的馈线和波导部件，它有多种安装方式。目前常用的是椭圆软波导。(a)椭圆波导管（Ellipticalwaveguide）(b)矩软波导（FlexibleTwistWaveguide），图2.7常用馈线椭圆软波导单位长度损耗较小，适宜长馈线使用；一般用于2～11GHz的频段，是目前最常用的微波馈线。现在，在4GHz-15GHz频段，广泛采用椭圆软波导作为馈线，因为它便于设计馈线的布局和便于安装。整个馈线系统包括椭圆软波导、椭矩变换、密封节、充气波导段等。为了保护馈线，馈线中必须充以干燥气体。在安装椭圆波导时，必须按照产品的规范进行，否则要影响馈线的驻波比。矩软波导用做ODU和天线的连接,安装方便，又能保证连接精度,具有扭转的功能，缺点是损耗大。同轴电缆单位长度损耗较大，最好用于天线距收发信机较近的场合；一般用于2GHz以下频段，目前已不大使用。椭圆软波导和分路系统的连接方法主要有以下两种：(1)波导型：采用硬波导、E弯和H弯或者软波导。(2)同轴型：采用同轴电缆。另外，目前接入层常用的便携式PDH/SDH微波，采用室内\室外型结构，其室内单元和室外单元(收发信机)采用中频电缆连接，室外单元和天线采用法兰口的硬连接(减少了馈线损耗)或者采用0.6～0.9m的软波导连接(口径大于1.2m天线)。下图是便携式PDH/SDH微波天线和室外单元(收发信机)连接的实例图：图2.8天线与室外单元连接实例图分路系统 一般情况下，微波通信总是几个波道共用一套天馈线系统，则就需要分路系统把它们分开。分合路系统由环形器、分路滤波器、终端负载及连接用波导段组成。分路滤波器装在机架内。分路滤波器是由带通滤波器构成，它只允许设计的某个频带通过，通频带以外的频率都不能通过。终端负载均用于发射波的吸收。环形器使信号按一定的方向前进。室外单元（ODU）ODU用于实现中频、射频信号转换，射频信号处理和放大。ODU规格和射频频率相关，与传输容量无关。由于一个ODU无法完整覆盖一个频段，因此通常情况下一个频段会被划分为A、B、C3个子频段，不同的子频段对应不同的ODU，不同的收发间隔也对应不同的ODU，高低站ODU也不同。因此，ODU种类＝频段数×收发间隔数×子频段数×2（部分厂家不同传输容量的ODU还不同）。目前，ODU种类多，批量小，一般是小厂家生产，大厂家集成。对于ODU内部具体功能模块结构，可以用下图表示。图2.9ODU内部的结构示意图图2.9中，ODU是由发信机和收信机两部分构成，分别完成中频到射频的转换和射频到中频的转换。数字微波发信机的组成及主要性能指标发信机的功能与组成发信机的主要功能如下：（1）产生适当的射频频段内的本地振荡频率(LO)；（2）利用本地振荡器来的本振信号，将从调制器来的已调中频信号变换到所要发射的频率；（3）为了补偿射频放大器的非线性，完成信号的中频或射频预失真，或称线性化；（4）线性射频放大；（5）为了将所发射的频谱保持在所要求的框架以内，进行射频滤波以消除无用的频率（谐波镜像频率，本振泄漏，杂散），在分路系统上与其它载波组合起来送到天线上。下图为典型微波发信机的系统框图：图2.10收信机的系统框图由调制器送来的中频已调信号经发信机的中频放大器放大后，送到发信混频器，经发信混频，将已调中频信号变换到射频频带的某一频率上。为了抑制本振泄漏和杂散产物，一般优先采用平衡混频器。由单边滤波器取出混频后的一个边带。微波功放用以将发信混频器输出的电平微弱的信号（常为-30dBm～-50dBm）放大到所需要的电平。常用的射频功率放大器为GaAsFET器件。由于SDH微波系统一般采用高状态调制方式，对放大器的线性要求很高。一般放大器都工作于比1dB压缩点低得多的输出功率上，即要采用回退措施，但是增加回退量要增加放大器的价格，因此一般还采用预失真来对放大器的残余非线性进行补偿。在正常传播条件期间，还采用自适应发射机功率控制（ATPC）技术来降低输出功率。经微波功率放大器线性放大至所需发信功率，再经分波道滤波器送至分路系统和天、馈线。公务信号是采用复合调制方式传送的。发信机的主要性能指标(1)工作频段目前我国干线微波使用的工作频段主要是4和6GHz，7、8和11GHz频段常用于支线，13GHz以上频段一般用于接入层(如基站接入)。(2)输出功率输出功率是指发射机输出端口处的功率大小，一般输出功率从15到30dBm。(3)频率稳定度发射机的每个波道都有一个标称的射频中心工作频率，工作频率的稳定度取决于发信本振源的频率稳定度。若发信机工作频率不稳定，有漂移，将使解调的有效信号幅度下降，误码率增加。目前微波设备的本振频率稳定度一般在3～10ppm左右。(4)发送频谱框架发送信号的频谱必须符合一定的限制，以避免占用过宽的带宽，对邻近波道产生过大干扰。这种对频谱的限制范围叫频谱框架。收信机的组成及主要性能指标收信机的组成 收信机的原理是：用低噪声放大器（LNA）放大从天线来的射频信号，并且在解调以前对射频信号进行下变频。其系统框图如图2.11所示。图2.11收信机的系统框图分别来自上天线和下天线的直射波和经各种途径(多径传播)到达接收点的电波，经过两个相同的信道：带通滤波器、低噪声放大器、抑镜滤波器、收信混频器、前置中放，然后进行合成，再经主中频放大器后输出中频已调信号。在接收机中所完成的工作可以综合如下：（1）用具有低噪声系数的LNA进行射频前置放大；（2）用本地振荡器将从天线通过分路滤波器组件来的射频信号变换为中频信号；（3）用可变增益放大器进行中频放大，以使得在存在传播衰落变化的情况下保持输出电平不变。大多数接收机增益由主中频放大器承担，它的可变的增益是用来补偿由于传播引起的射频信号衰落。装有自动增益控制电路（AGC）的中频放大器的目标是使送到解调器的信号电平保持不变。放大器的增益变化一般是用许多级来达到的，这些级的增益可以随着适当的控制电压而变化，而控制电压又是放大器输出端的中频信号幅度的函数。实际上，由输出信号引出一部分由二极管检波、由AGC滤波器进行滤波（该滤波器防止有用频谱以外的信号影响放大器的总频率响应）、经放大然后用作可变增益级的控制电压。这个方法即从输出的反馈通路和中间级用于以可变的增益补偿输入电平的变化和保持中频输出电平不变。（4）中频信道滤波。收信机的主要性能指标(1)工作频段收信机是与发信机相互配合工作。对于一个中继段而言，前一个微波站的发信频率就是本收信机同一波道的收信频率，频段使用同发信机。(2)收信本振的频率稳定度收信本振的频率稳定度的要求与发信机基本一致。通常在3～10ppm左右。(3)噪声系数数字微波收信机的噪声系数一般为2.5～5dB，比模拟微波收信机的噪声系数小5dB左右。(4)通频带为了有效的抑制干扰、获得最佳信号传输，应该选择合适的通频带和通频带的幅频特性。接收机通频带特性主要由中频滤波器决定，一般数字微波设备的通频带可取传输码元速率的1～2倍。(5)选择性为保证接收机只接收本波道信号，要求对通频带以外的各种信号干扰具有较强的抑制能力，尤其是要抑制邻近波道干扰、镜像干扰和本机收发之间的干扰等。(6)自动增益控制范围以自由空间传输条件下的收信电平为基准，当接收电平高于基准电平时，称为上衰落；低于基准电平时，称为下衰落。假定数字微波的上衰落为＋5dB，下衰落为-40dB，其动态范围为45dB。自动增益控制的要求是当收信电平在该范围内变化时，收信机的额定输出电平不变。室内单元（IDU）IDU完成业务接入、业务调度、复接和调制解调等功能。可见，IDU是一套微波设备的主要部分，如果将中频板等效为光网络设备的线路板，则一个IDU与公司的盒式光网络非常类似，IDU也有业务板（SDE、SD1、SLE、SL1、PH1和PO1）、交叉板（PXC）和主控板（SCC）。IDU内部具体功能模块结构，可以用下图表示。图2.12IDU内部的结构示意图分体式微波的安装和调整分体式微波的安装可以分为两部分：室内部分和室外部分。室内部分的安装类似盒式设备的安装，所以主要讲一下室外部分的安装。室外部分的安装主要是天线和ODU的安装，分为两种形式：直扣式安装和分离式安装。直扣式安装不需要馈线，直接把ODU接到天线上，而分离式安装就是用馈线把ODU与天线连接起来，见图2.13.图2.13室外部分的安装天线安装好了之后，关键是天线方位角调整。图2.14天线侧视图和俯视图在天线俯仰或水平调整过程中，会出现如图2.15的电压波形。一旦发现这种情况，其电压最大点位置，即为俯仰或水平方向的主瓣位置，该方向无需再作大范围调整，只需把天线微调到电压最大点位置及可。天线的俯仰及水平的调整方法是一样的。当天线对得不太准时，有可能在一个方向上只能测到一个很小的电压，这种时候需要两端配合，进行粗调，把两端天线大致对准。在天线俯仰或水平调整过程中，一旦发现接收信号指示电压最大点位置，即为俯仰或水平方向的主瓣位置，该方向无需再作大范围调整，只需把天线微调到电压最大点位置即可。天线的俯仰及水平的调整方法是一样的。当天线对得不太准时，有可能在一个方向上只能测到一个很小的电压，这种时候需要两端配合，进行粗调，把两端天线大致对准，然后再进行细调。天线调整过程中常出现的错误如图2.16所示，即把天线对到副瓣上，使得收信电平达不到设计指标。诀窍：在两端天线对准之后，都会稍微向上仰，牺牲1～2db，这是为了防止反射干扰。图2.15天线调整过程的电压波形图2.16天线调整过程中常出现的错误？想一想：想想看这一章都学了些什么？1.学习了微波设备的分类，对结构不同的三类微波设备进行讲解。2.学习了分体式微波天馈线系统和分路系统。3.学习了分体式微波室外单元ODU的组成、功能与性能指标。4.学习了分体式微波室内单元IDU的组成。5．学习了分体式微波的安装及天线调整。这些内容你都掌握了吗？小结本章主要讲述了数字微波设备，重点讲述分体式微波的各个部件的作用，天馈线系统、ODU和IDU的组成及性能指标，分体式微波的安装及天线调整。微波的组网和应用目标：了解微波的常见组网方式。理解微波的各种站型。掌握微波的中继站分类。掌握微波的应用。微波的常见组网方式及站型微波的常见组网方式微波的网络与光网络的网络结构是类似的，基本结构如图3.1所示。图3.1微波常见组网方式微波站型按站型分类分：终端站：位于微波链路两个终端的站，其特点是只向一个方向通信，一般都要上下话路。中继站：位于微波链路任意两个站之间的站，其特点是只向两个方向通信，可以上下话路(基带转接)，亦可不上下话路(中频转接或射频转接)。枢纽站：位于微波链路中间的站，其特点是向三个以上方向通信，一般要上下话路(基带转接)。按通信频率分类高站：收信频率高于发射频率的站叫高站。低站：收信频率低于发射频率的站叫低站。显然，由于微波频率配置原因，高站和低站间隔排列。如图3.2所示。图3.2微波的各种站型中继站微波波段频率较高，微波波束基本上沿直线传播，遇到障碍物时其绕射能力较差。因此，两通信点在视距范围之内中间应无障碍，否则就必须在障碍点或其他合适的地方增设一个微波中继站以连通两通信点。微波中继站大致可以分为两类：无源中继站和有源中继站。无源中继站无源中继站如同一个波束换向器，它使微波波束超过障碍点而形成通路。无源微波中继站通常有两种形式：一种是由两个抛物面天线背对背地用一段波导管连接而组成；另一种是由一块或两块表面具有一定的平滑度、且在适当的有效面积并相对于两通信点有合适的角度和距离的金属板，也是一个微波无源中继站。图3.3无源中继站的实物图双抛物面无源中继站图3.4双抛物面无源中继站示意图（1）接收功率PR的计算PR=PT-L0L0=L1+L2+L3+L4+L5-G1-G2-G3-G4式中：PT为发射功率L0为路径净损耗，即发射机和接收机间的净损耗从上式可知，为使接收功率尽可能大，需要加大发射机的输出功率和四个微波天线的增益，同时应尽量减少各部分馈线损耗和两路径的自由空间损耗。（2）提高PR的一些考虑当微波设备的型号选定之后，微波发射机的输出功率和接收机的灵敏度都是一定的。当发射天线与发射机的相对位置、接收天线与接收机的相对位置固定后，其馈线损耗L1和L5也是定值。因此，要提高接收功率，就只有提高四个抛物面天线的增益，减少两段自由空间损耗并尽量使无源中继站两抛物面天线靠近，以减小馈线损耗L3。（3）关于抛物面天线增益抛物面天线的增益可由下式求得G=20lgD+20lgF+17.8式中：D：抛物面天线口径直径（m）F：工作频率（GHZ）G：天线增益（dB）一般，无源中继站采用大直径的抛物面天线。但无限制地加大抛物面天线的口面直径，会使无源中继站的造价很高，安装架设也较困难；同时，也会使抛物面天线射束半功率角很小，使天线安装工艺复杂，也很难精确调整（由于抛物面天线射束半功率角与抛物面天线的直径D成反比）。因此，一般地面微波无源中继站不宜采用直径太大的抛物面天线。对无源站而言，一般没有很大的衰落储备，而且又有四副天线，此增益差值将以四倍之值影响接收功率。（4）关于自由空间损耗路径的自由空间损耗可由下式获得：L=92.4+20lgD+20lgF式中：L：自由空间损耗（dB）F：工作频率（GHZ）G：天线增益（dB）具有无源中继站的通信线路，其总的自由空间损耗是无源中继站至两通信点的自由空间损耗之和，即L=L2+L4。这说明无源中继站总的自由空间损耗与无源中继站距两通信点的相对位置有关。所以，为了提高无源中继站的效率，最好使无源中继站至两通信点中任何一点间的距离尽可能地缩短，无源中继站的位置越靠近其中一个通信点，L2或L4就越小。最不利的情况是无源中继站的位置在两通信点的正中间，此时其总的自由空间损耗最大。反射板板式无源中继站一块表面具有一定的平滑度、且在适当的有效面积并相对于两通信点有合适的角度和距离的金属板，也是一个微波无源中继站。利用金属板的反射作用改变微波波束的传播方向，同时可以绕过障碍物达到通信的目的。PR的计算基本上和双抛物面式无源中继站相同。双抛物面式无源中继和反射板式无源中继的比较反射板式无源中继方式的效率高。这是由于反射板的增益收、发共用了两次。这是此种方式的突出优点。双抛物面式无源中继站安装简单、调整方便、工作稳定。而反射板式无源中继站由于反射面积大，一般在几十平方米左右，不易安装和调整。风大时，工作的稳定性易受影响。双抛物面式无源中继站一般不受收、发两路径在中继站夹角的了限制。反射板式无源中继站则受此夹角的限制，当此夹角大于100度时，一般需采用双反射板式。这就给选用场地和安装和调整带来更大的困难。双抛物面式无源中继站可利用极化选择器将前站传来的水平极化波和垂直极化波在中继站进行极化转换，以此来减小传播条件的变化而引起的衰落。特别是无源中继站处于线路路径的直线上时，极化的转换可减少线路的多径衰落。根据传送信号的需要和合适的地形条件，可以建立三抛物面无源中继分支站。而反射板式无源中继站是无法做到这一点的。从经济角度考虑，双抛物面无源中继站比反射板式无源中继站便宜。特别是和双反射板式相比较，这一点更为突出。当采用双反射式无源中继站时，对场地的要求更严格，还要考虑风负荷的问题等，不得不增加投资来保证工作的稳定。有源中继站微波通信的有源中继站有射频直放站和再生中继站两种通用类型。1、射频直放站射频直放站是一种有源、双向、无频移射频中继系统。由于它直接在射频上将信号放大，所以称之为射频直放站。射频直放站的应用范围很广，可直接用作微波系统中不需上下话路的中继站；可用于解决高山、大型建筑等阻挡问题；还可以插在新建或已经建设的微波线路中增加衰落储备等。射频直放站的应用可行性较高，主要体现在以下几个方面：射频直放站的增益大、传输性能好。射频直放站可靠性高、通用性强，能与任何厂家的终端设备相配合。射频直放站可采用多种能源供电，如交流电、直流电、太阳能、风力、热力等供电方式。射频直放站造价低、选址灵活，一般均安装于室外的防风雨箱内，通常挂在天线附近的铁塔上以缩短馈线长度，无需建机房、架设电力线、修建道路。它的综合造价比再生中继站低50%--80%。此外，设计选址时只需考虑传输的最佳位置而不必考虑交通、供电等因素。射频直放站安装维护简单、扩容变频容易。2、再生中继站再生中继站是一种高性能的高频率转发器。再生中继站酷似背对背终端站，包括有再生微波信号的全套射频单元。它同时延长信号传输路径和偏转传输方向以绕过障碍物，但不具备上下话路的能力。它可以用来扩大微波通信系统的距离限制，或者用来偏转传输方向，以绕过视线障碍物，不会引起信号质量恶化。接收的信号经过完全的再生和放大，然后转发。数字微波的应用微波的主要运用场景有以下几个方面：移动基站回程传输：在野外的移动基站在接收无线信号之后，要将信号回传到BSC以进入核心网进行传输，这个过程就叫做移动基站的回程传输。光网络补网：在传输光网络和BSC之间，由于地理位置等其他原因，不便于铺设光缆，则需要采用微波传输的方式。重要链路备份：在两个主要传输站点之间，为了防止在光缆断裂的情况下，将对信息传输的影响降到最低点，将微波传输作为光传输的一种备份。企业专网：由于某些特殊行业的限制，比如石油传输管道，或者电视信号在野外的中继，由于条件限制，不能铺设光缆，则需要采用微波传输。大客户接入：在大的企业集团的总部和分之机构之间，由于成本限制，不可能大面积的铺设光缆，则也需要采用微波传输。目前，移动基站回程传输是运用得比较多的。在宽带无线接入的组网中，应根据实际需要选择拓扑结构。基于PMP的点对多点的拓扑结构，传统且常用，网络形式可能会是环网，非常类似于环形光网络中的中心站和端站的关系；基于TDM/IP微波环网的拓扑结构，新型且有效。这两种结构各有特点,各自有其应用的环境，可以互为补充。微波环网拓扑结构也称连续点（ConsecutivePoint)拓扑结构。？想一想：这部分你学了些什么？1.数字微波的网络结构。2.数字微波的站型。3．各类中继站的特点。4．数字微波的应用其中3要重点掌握。小结本章主要讲述了微波的常见组网方式，微波的站型及各类中继站的特点，最后概述了数字微波的应用。微波的传播理论目标：理解微波在自由空间传播的相关内容。掌握地面反射及对流层对电波传播的影响。掌握大气和地面效应造成的衰落。理解衰落造成的影响及衰落的统计特性。由于微波是在大气中作视线传播实现的通信，所以电波在自由空间的辐射和传播理论、惠更斯-费涅耳原理、电波传播的费涅耳区的理论、电波的干涉和极化、电波可能会受到大气不均匀体的反射、可能会受到大气层中形成的倒布层的影响、可能会由于大气的介质梯度的不规则变化使电波出现超常态的超折射、电波在不同性质平地面上的反射、在光滑球面上绕射、在刃型单障碍物、在多障物情况下的传播、电波在大气传播受大气中的雨、雾的吸收、衰减理论；这些的总合就够成了微波的传播理论。这些是我们都必须首先了解的理论。自由空间的电波传播自由空间的概念自由空间又称为理想介质空间，它相当于真空状态的理想空间。在这个空间中充满均匀的、理想的介质，它的导电率σ=0，介电常数ε=ε0=10-9/36πF/m(法拉/米)，导磁系数μ=μ0=4π×10-7H/m（亨/米）。在这空间里电波不受阻挡、反射、绕射、散射和吸收等因素影响。自由空间电波的传播损耗在自由空间传播的电磁波不产生反射、折射、吸收和散射等现象，即总能量未被损耗。但电波在自由空间传播时，会因能量向空间扩散而衰耗，这如空中一只孤独的灯泡所发出的光，均匀地向四周扩散。显然距离光源越远的地方，单位面积上的能量就越少。这种电波的扩散衰耗就称为自由空间损耗。根据能流密度和天线理论我们可以得到自由空间电波的传播损耗的计算公式：LS=Pt/Pr=(4πdf/c)2或LS（dB）=20log(4πdf/c)上式中：LS自由空间损耗（dB）d电波发源射源到接收点间距离（m）f电波工作频率(Hz)c光速3×108（m/s）如果d以km、f以GHz计公式可改写为LS（dB）=92.4+20logd+20logf地面反射对电波传播的影响不同的中继段由于地面的地形不同，对电波的影响也不同，主要的影响有反射、绕射和地面的散射。由于地面散射对电波的主射波影响不大，可以不考虑。反射影响主要在于地面可以把天线发出的一部分信号能量反射到接收天线，（特别是水面或光滑的地面此种作用更为明显），与直射波产生干涉，在接收点它们的矢量相加，结果收信电平与自由空间接收电平比较时大时小。费涅耳区的概念惠更斯-费涅耳原理惠更斯提出了电磁波波动性学说，费涅耳在这个基础上提出了费涅耳区的概念，进一步解释了电波的反射、绕射等现象，并为实践所证实。惠更斯原理的基本思想：光和电磁波都是一种振动，其周围的媒质是具有弹性的，故一点的震动可通过媒质传递给邻近的质点，并依次向外扩展，而成为媒质中传递的波。因此可以认为一个点源的震动传递给邻近的质点后，就形成了二次波源、三次波源等等。如果点源发出的波是球面波，那么由点源形成的二次波前面也是球面波、三次、四次...波前面也是球面波。在微波通信中，当发信天线的尺寸远小于微波中继距离时可将发射天线看成是一个点源。费涅耳椭球面假定有一个微波中继段发信点为T，收信点为R，站间距为d，通过高等数学可以知道，平面上一个动点P到两个定点（T、R）的距离若为一个常数，则此点的轨迹为一个椭圆。在空间此动点的轨迹是一个旋转椭球面。对于我们讨论的电波传播中，这个常数当为d+λ/2时，得到的椭球面称为第一费涅耳椭球面；常数为d+2λ/2时，得到的椭球面称为第二费涅耳椭球面常数为d+Nλ/2时，得到的椭球面称为第N费涅耳椭球面.费涅耳区如果前述定义的一系列费涅耳椭球面,与我们从T或R点出发认定的某一波前面相交割,在交割的界面上我们就可以得到一系列的圆和环，中心是一个圆，称为第一个费涅耳区。其外的圆环（外圆减内圆得到的圆环）称为第二个费涅耳区，再往外的圆环称为第三费涅耳区、第四费涅耳区第N费涅耳区。这些圆和环我们可以把它们近似地看成，都为在垂直于地面且垂直与T与R间射线的平面区域图形。通过实践，这在工程中带来的影响是可以忽略不记的。费涅耳区半径我们把费涅区上的任意一点到R-T连线的距离称为费涅耳区半径，用F表示。当这一点为第一费涅耳区上的点时，此半径称为第一费涅耳区半径。图4.1第一费涅耳半径根据费涅耳椭球面、费涅耳区定义并做适当的近似不难得出第一、第二...第N个费涅耳区半径表达式：F2=（2λd1d2/d）1/2=(2)1/2F1F1=（λd1d2/d）1/2Fn=（nλd1d2/d）1/2=(n)1/2F1上式中：F1、λ含义同前，单位都为m。d1、d2、d含义同前，单位都为km。收信点场强与各费涅耳区能量的关系经分析可知相邻费涅耳区在收信点R处产生的场强的相位相反。也就是说第二费涅耳区产生的场强与第一费涅耳区产生的场强相反;也就是说第三费涅耳区产生的场强与第二费涅耳区产生的场强相反;若以第一费涅耳区为参考,则奇数区产生的场强是使接收点的场强增强,偶数区产生的场强是使接收点的场强减弱。收信点的场强则是各费涅耳区在收信点的矢量合。在实际中由于各费涅耳区朝向接收点的倾斜程度不同，故各区相互干涉，在接收点的矢量叠加结果：收信点的场强在自由空间从所有费涅耳区得到的场强仅近似等于第一费涅耳半径区的空间在该点产生的场强。地面反射对收信电平的影响为了便于说明我们近似的都不考虑地球凸起高度；这相当于站距很短地面起伏不大的情况。余隙在实际微波传播路径中，有时会受到建筑物、树木、山峰等的阻挡，如果障碍物的高度进入第一费涅耳区域时，则可能会引起附加损耗，使接收电平下降，影响传输质量。为了避免这种情况的发生，因此引入了余隙的概念。障碍点到AB线段的垂直距离叫做路径上障碍点的余隙，为方便总是用障碍点的垂直于地面的线段hc近似表示余隙,如图4.2所示。若该点的第一菲涅尔半径为F1，则称hc/F1为该点的相对余隙。图4.2余隙的定义示意图路径上刃形障碍物的阻挡损耗在实际的微波工程中，常会遇到刃形障碍物阻挡传输路径的情况，这时刃形障碍物不可能阻挡所有的费涅耳区，所以在收信点仅有一部分费涅耳区的能量绕过，使接收点多少有一定电平数。而这个数值一定低于自由空间电平。这个由于刃形障碍物的阻挡而增加的损耗我们称之为附加损耗。当障碍物的尖锋正好落在收发两端的连线上，即HC=0时，附加损耗为6dB;当障碍物的顶锋超过收发两端的连线时，附加损耗将很快增加;当障碍物的顶锋在收发两端的连线以下时，附加损耗将在0dB上下少量变动。这时路径上传输损耗（或说收信电平）将与自由空间数值接近。图4.3刃型障碍物的阻挡损耗平坦地形对电波的反射平坦地形是指不考虑地球曲率，认为两站间的地形为平坦情况。在实际的微波通信工程线路中，总是将收（R）发（T）天线对准，以便接收端收到较强的直射波。但是根据惠更斯原理总会有部分电波射到地面，所以在接收点除直射波外还有经地面反射并满足反射条件（入射角等于反射角）的反射波。我们可以利用下图的几何关系推导得到合成场强的有效值表达式：设：直射波场强瞬时值表达式为e1=21/2E0cosωt反射波场强瞬时值表达式为e2=21/2E0Φcos（ωt-ψ-2π（r2-r1）/2）上两式中：e1、e2：分别为直射波、反射波场强的的瞬时值。E0：自由空间传播时电场强度的有效值。Φ：为反射系数的模。ψ：为反射系数的相角(当入射波和地面形成的入射角很小时，ψ接近180度）r2-r1：为反射波与直射波场强的的行程差经过推导可以得到合成场强有效值为：E=（E02+E02Φ2+2E02ΦCOS（ψ+2π（r2-r1）/λ））1/2=E0（1+Φ2–2ΦCOS（ψ+2π（r2-r1）/λ））1/2我们把合成场强E与自由空间场强的比，称为考虑地面影响时的衰落因子V，表示为：V=E/E0=（1+Φ2–2ΦCOS（ψ+2π（r2-r1）/λ））1/2用dB表示：VdB=20logV在考虑地面的影响后，实际的收信点电平为：PR（dBm）=PR0（dBm）+VdB图4.4地形对电波的影响用费涅耳区的概念分析地面反射影响当段距d远大于天线高度（h1和h2）时，可以近似的把直射波和地面反射波的行程差表示为△r=λ（Hc/F1）2/2当图4.3中的θ很小时（即ψ接近180度）可以得下关系V=[1+Φ2+2ΦCOS（π（hc/F1）2]1/2上式表明了衰落因子V与相对余隙hc/F1的定量关系。工程上已作成的曲线可以大大简化计算由于地面反射引入的附加损耗。Φ值与地面条件有关。可用图4.5来表示。图4.5VdB与hc/F1的关系曲线图中“反射损耗”表明与入射波相比，反射波减弱的程度并等于20LOG，在概念上与衰落因子是不同的概念。在图4.5中：在Φ=1时考虑地面的影响，第一次出现收信电平等于自由空间电平时Hc/F1=0.577。在Φ＜1时，第一次出现收信电平等于自由空间电平时Hc/F1=0.577。我们把Hc/F1=0.577时的余隙称为自由空间余隙，用H0表示。它的表达式为：H0=0.577F1=（λd1d2/d）1/2微波线路的分类通常在视距微波通信中，根据中继线路的余隙hc将中继线路分为三类hc≥h0称为开路线路；0＜hc＜h0称为半开路线路；hc≤0称为闭路线路；对应于上述三种情况，衰落因子V的计算方法是：开路线路：如粗略估算可用图4.5直接计算。对刃形障碍物如可用图4.5直接计算(查出)。对于较大高地、山岭等障碍形成的半开路线路和闭路线路，衰落因子可用图4.5查出。也可以采用绕射公式计算。在这种线路情况下，显然电波是按绕射方式到达接收点的。根据相关理论可以得到绕射公式的近似计算表达式，有下述三种情况：A、在hc=h0=0.577F1时，此时V=1,或VdB=0;B、在hc=0时，对刃形障碍物：VdB=-6dB;对较大尺寸障碍物：VdB＜-6dB；计算按C式。C、在hc＜h0时，VdB=V0dB（1-hc/h0）上式中：VdB：考虑绕射时的衰耗因子。h0：为自由空间余隙。h0=0.577F1hc：为中继电路主射线余隙（m）V0dB：为自由空间余隙为hc=0时衰耗因子的电平值。它的计算办法是通过反映障碍物地形的参数μ来计算的。μ=2.02[K(1-K)/L]2/3式中K=d1/dL：为作平行于RT连线，按（λd）1/2/2计算地形参数μ的断面图见图4.6所示。图4.6确定地形参数μ的关系曲线V0dB与μ的关系曲线见图4.7所示。图4.7V0dB与μ的关系曲线对流层对电波的影响对流层对电波的影响最明显的就是大气折射对电波传播的影响。大气中射线的弯曲我们知道电波在自由空间的传播速度υ=c=1/（μ0ε0）1/2=3×108（m/s）在实际的大气中，介电系数ε=ε0*ε’，μ=μ0因此电波在大气中传播的速度为υ=1/（μ0ε0ε’）1/2=c/(ε’)1/2式中：ε’称为相对介电系数。设大气的折射率为n，它是电波在自由空间中速度c与电波在大气中的传波速度υ之比，记为n=c/υ=（ε’）1/2用折射指数N表示N=（n-1）×106在自由空间中N=0；在地球表面N=300左右。n通常在1.0-1.00045之间。在大气中，由于随高度的不同大气将受到不同的压力、温度、湿度的影响，而使大气随高度的变化而不同；这种变化用dn/dh来达。参看下图4.8。图4.8受大气影响的电波轨迹变化当dn/dh＜0时，n与h为反比变化，使电波传播射线向下弯曲；等效地球半径的概念为了方便研究分析对于电波传输受到的影响，我们引入等效地球半径的概念。这个概念引入后，始终是将电波视为直线，而将地球的实际半径a等效成ae；等效的规则是等效前后射线与地面间的余隙不变。可见下面图4.9。图4.9地球等效前后地球面和射线示意图定义K为等效地球半径系数：K=ae/a式中a=6370K与折射率的关系为：K=1/（1+adn/dh）K是一个很重要的概念在微波工程中必须考虑。按k值的不同可将折射分为三类无折射：dn/dh=0；此时：k=1或a=ae负折射：dn/dh＞0；此时：k＜1或a＞ae、电波射线弯曲反向与地球的弯曲相反故称为负折射。正折射：dn/dh＜0；此时：k＞1或a＜ae、电波射线弯曲反向与地球的弯曲同相故称为正折射。根据大量的测试结果得到折射率梯度为：dn/dh=-1/4a代入K表达式得：k=1/(1+a(-1/4a))=4/3在温带地区称K=4/3时折射为标准折射，此时的大气称为标准大气压。ae=4a/3称为标准等效地球半径。在赤道，标准等效地球半径ae=（4/3～3/2）a；图4.10折射的分类示意图在工程计算时，我国选用K标准=4/3、K负折射=2/3、考虑越站干扰时按K=∞计算，即不计地球凸起的高度对电波干扰传播的影响。K值在工程设计中的意义在工程中为了使余隙经济、合理我们应按下面的要求去控制天线高度：Φ≤0.5，即地面反射系数较小的电路，如山区、城市、丘陵地区这种地形主要防止过大的绕射，应按满足下标准控制天线高度：K=2/3时，hc≥0.3F1(对一般障碍物)hc≥0(对刃形障碍物)这种情形产生的绕射衰落不大于8dB。Φ＞0.7，,即地面反射系数较大的电路，如平坦、水网地区，这种地形主要防止过大的反射衰落，应按满足下标准控制天线高度：K=2/3时，hc≥0.3F1(对一般障碍物)hc≥0(对刃形障碍物)K=4/3时，hc≈F1K=∞时，hc≤1.35F1(因为余隙为21/2F1时会出现深衰落)如上述情况不能被满足时,那就改变天线高度或更改路由。几种大气和地面效应造成的衰落微波传播必须采用直射波，接收点的场强是直射空间波与地面反射波的迭加。传播介质是地面上的低空大气层和路由上的地面、地物。当时间（季节、昼夜等）和气象（雨、雾、雪等）条件发生变化时，大气的温度、温率、压力和地面反射点的位置、反射系数等也将发生变化。这必然引起接收点场强的高低起伏变化。这种现象，叫做电波传播的衰落现象。显然，衰落现象具有很大的随机性。衰落的大小仍由衰落因子VdB来表征，衰落的原因主要归结为大气和地面效应。衰落的种类快衰落和慢衰落衰落可按持续时间的长短分为慢衰落和快衰落两种。持续时间长的叫慢衰落，其持续时间一般长达数分种到几小时。持续时间短的叫快衰落，一般发生在几秒到几分钟之间。慢衰落随时间变化缓慢，往往是慢慢形成，又慢慢消失，它常由一个较大地区范围内的大气折射的缓慢变化所引起。因为在一个较大的地区范围内（如一段中继电路），大气折射条件的变坏与恢复，不是在较短时间内发生的，所以形成慢衰落。快衰落与大气中存在的大气波导的薄层，湍流等引起的多径传播密切相关，在微波范围内，只要上述多径传播的每条射线之间路径稍有变动，它们在接收点合成的信号就会产生明显的起伏，形成快衰落。上衰落和下衰落衰落也可以按接收点场强的高低分类。高于自由空间电平值的叫上衰落，低于自由空间的电平值的叫下衰落。闪烁衰落和多径衰落另外，工程上常按衰落发生的物理成因，把衰落分为闪烁衰落和多径衰落。闪烁衰落主要是因为大气局部微小扰动引起电波射束散射所造成，各散射波的振幅小，相位着大气变化而随机变化。结果它们在接收点的合成振幅变化很小，对主波影响不大，因此，这种衰落对视距微波接力电路的稳定性影响不大。多径衰落主要是由于多径传播造成的，它是视距传播信道深衰落的主要原因。多径传播不论对模拟微波或数字微波都是客观存在、发生影响的，但是数字微波对多径传播影响的反应要比模拟微波敏感得多，为说明问题，这里对多径传播作一详述。所谓多径传播，就是电波离开发射天线后，通过两条以上的不同路径到达接收天线的传播现象。引起多径传播的原因很多。例如在有地面反射的路径上，接收天线除了接收来自发射天线的直射空间波外，还接收来自地面的反射波。另外在一定气象条件下，大气中出现各种不均匀体，如出现逆率层而产生大气波导时，或出现突变层产生反射时接收天线还收到折射波，这都是引起多径传播的原因。多径传播时电波沿着多条路径传向接收点，由于不均匀的位置，界面和形状是随机变化的，所以各路电波之间存在着由行程差异引起的相位差，以及由不同的反射条件而引起的振幅差也是随机变化的，于是在接收点合成的干涉场也就产生大幅度的起伏变化，这就是多径衰落，在微波波段，因为波长很短，由行程差异变化引起的相位差变化很大，故多径衰落在此频段是很显著的。对流层对电波传播的影响大气从地面向上可分为六层：依次为对流层、同温层、中间层、电离层、超离层、逸散层。对流层是指由地面向上大约10公里大气吸收衰耗任何物质的分子都是由带电粒子组成，这些粒子都有其固定的电磁谐振频率，当通过这些物质的微波频率接近它们的谐振频率时，这些物质对微波就产生共振吸收。大气中的氧分子(O2)具有磁耦极子，水蒸气(H2O)具有电耦极子，它们都能从电磁波中吸收能量，产生吸收衰耗。水蒸汽的最大吸收峰在处，氧的最大吸收峰在处。下图为大气对电磁波的吸收衰耗图：图4.11水蒸汽和氧的吸收损耗图中曲线显示，当微波频率为12GHz(波长等于2.5cm)时，大气吸收衰耗大约为0.02dB/km，若微波站距为50km，一个中继段的衰减为1.0dB。因此，微波频段小于12GHz时，和自由空间传播损耗相比，可以忽略不计。雨雾引起的散射衰耗由于雨、雾、雪能对电波能量的吸收，这种作用对5CM（即6GHZ）以下的微波才有明显作用，长于此波长的可不考虑。一般情况10GHz以下频段，雨雾衰落还不太严重，通常在两站间的这种衰落仅有几个dB。但10HZ以上频段，中继段间的距离将受到降雨衰耗的限制，不能过长。我们已用图4.11曲线来说明并应用于工程设计。有时大气中形成云雾之类的水气团，这些不均匀体将使电波发生折射、 吸收、散射和反射等，主要是折射。图4.12雨雾的散射损耗型衰落这是一种由多径传输引起的干涉型衰落，它是由于直射波与地面反射波（或在一定条件下的绕射波）到达接收点由于相位不同相互干涉造成的衰落。其干涉的程度与行程差有关。因为在对流层中行程差是随K值而变化的，所以称为K型衰落。这种衰落在线路经过水面、湖泊、或平滑地面时更为严重，所以在选择路由时要尽量避免，不可能回避时一定要采用高低天线技术使反射点靠近一端减少反射波的影响，或采用高低天线加空间分集技术来克服多径反射的影响。波导型衰落这是由于各种气象条件的影响，如早上地面被太阳晒热、晚上地面的冷却，以及高气压地区都会在大气层中形成不均匀体，当电波通过这些不均匀体时，将产生超折射现象，形成大气波导。这种情况发生时只有靠工程经验解决。对具体问题采用不同措施解决。衰落规律（10GHz以下频段微波）根据大量的传播测试试验结果，发现10GHz以下频段微波传播的衰落现象常遵循以下几条规律：1)波长越短，距离越长，衰落越严重。2)跨越水面（湖泊、海洋）、平原的路径比跨越山区的路径衰落严重。3)夏秋季节比冬春季节衰落频繁，衰落深度也大。4)晴天和白天，接收的信号场强一般比夜间稳定。昼夜交替时，例如早