第二章微波中继通信系统2-1

第二章微波中继通信系统2-1第一页，共84页。第二章微波中继通信系统一、基本概念接力通信-接力赛跑起点-交接-交接-终点信源-中继-中继-信宿简易接力通信：烽火传信、击鼓传音、驿站等。无线电接力通信：是指利用超短波或微波的视距传输特性，采用中间站转发的方式达成的远距离多路无线电通信。第二页，共84页。第二章微波中继通信系统一、基本概念（一）微波通信的概念微波通信是利用微波作为载波来携带信息，并通过自由空间电波传送信息。微波的频率范围？微波的传输特性？第三页，共84页。第二章微波中继通信系统一、基本概念（一）微波通信的概念微波通信是利用微波作为载波来携带信息，并通过自由空间电波传送信息。微波的频率范围？300MHz~300GHz微波的传输特性？视距传输特性（直线传播）第四页，共84页。第二章微波中继通信系统一、基本概念（二）微波中继通信的概念微波中继通信是利用微波的视距传输特性，采用中间站转发的方式达成的远距离多路通信。问：为什么利用微波进行远距离传输必须采用中间站转发的方式？第五页，共84页。第二章微波中继通信系统一、基本概念（二）微波中继通信的概念问：为什么利用微波进行远距离传输必须采用中间站转发的方式？1、微波工作频率高，波长短，能穿透电离层，不能利用天波进行远距离传播。第六页，共84页。第二章微波中继通信系统一、基本概念（二）微波中继通信的概念问：为什么利用微波进行远距离传输必须采用中间站转发的方式？2、由于地球表面为球面，再加上地物地貌的影响使得视距传播距离受限。第七页，共84页。第二章微波中继通信系统措施？增加天线高度，增大发射功率？第八页，共84页。第二章微波中继通信系统中继方式第九页，共84页。第二章微波中继通信系统一、基本概念（三）微波中继通信的特点微波通信具有频带宽、容量大、传输稳定可靠等优点。1.通信频带宽微波频段（300MHz~300GHz）占用的频带约300GHz，大约是整个长波、中波和短波频段总和的10000倍。由于占用的频带宽，可容纳更多的无线电设备同时工作，通信容量大。通常，一套短波通信设备只能容纳几个话路同时工作，而一套微波中继通信设备可以容纳几千甚至上万条话路同时工作，还可以传输电视图像等宽频带信号。第十页，共84页。第二章微波中继通信系统一、基本概念（三）微波中继通信的特点2.抗电磁干扰能力强微波频段基本不受工业干扰、天电干扰及太阳黑子活动的影响，因地，微波中继通信系统工作稳定，通信的可靠性高。第十一页，共84页。第二章微波中继通信系统一、基本概念（三）微波中继通信的特点3.通信机动性好微波中继通信采用中继方式，即可以跨越沼泽、江河、湖泊和高山等特殊地域，实现地面上的远距离通信，又能在遭遇地震、洪水、战争等灾祸时，迅速建立和组织有效的通信，而且微波通信系统的撤收和转移都较容易。因此，它比光缆、电缆等固定通信信道具有更好的机动性。第十二页，共84页。第二章微波中继通信系统一、基本概念（三）微波中继通信的特点4.天线增益高、方向性强由于微波频率高，工作波长短，所以其天线尺寸，容易制成高增益的面式天线，降低发信机的输出功率。另外，微波电磁波具有直线传播特性，可以利用微波天线把电磁波聚集成很窄的波束，使微波天线具有很强的方向性，减少通信中的相互干扰和被截获的概率。第十三页，共84页。第二章微波中继通信系统一、基本概念（三）微波中继通信的特点5.建设成本低、周期短在通信容量和质量基本相同的条件下，按话路千米计算，微波中继通信线路建设费用不到同轴电缆通信线路的一半，还可以节约大量的有色金属，建设时间也比较短。第十四页，共84页。第二章微波中继通信系统一、基本概念（四）微波中继通信的应用微波中继通信主要用于长途电话、电视广播、数据以及移动通信系统基地站与移动业务交换中心之间的信号传输，还可用于跨越河流、峡谷等特殊地形的通信线路。第十五页，共84页。第二章微波中继通信系统一、基本概念二、微波中继线路的组成第十六页，共84页。微波线路发信设备收信设备中继方式第二章微波中继通信系统第十七页，共84页。18数字微波通信线路第二章微波中继通信系统第十八页，共84页。19数字微波通信系统组成用户终端；交换机；数字终端机；微波站第二章微波中继通信系统第十九页，共84页。20用户终端直接为用户所使用的终端设备。如电话机、传真机、计算机、调度电话机等。

交换机用户可通过交换机进行呼叫连接，建立暂时的通信信道或电路。这种交换可以是模拟交换，也可以是数字交换。目前，大容量干线绝大部分采用数字程控交换机。

数字终端机实际上是一个数字电话终端复用/分接设备，其基本功能是把来自交换机的多路信号模拟变换成时分多路数字信号，复接信号送往数字微波传输信道。同时把来自微波终端站的复接信号进行分接，分接信号送往交换机。第二章微波中继通信系统第二十页，共84页。21微波站数字微波终端站数字微波中继站数字微波分路站数字微波枢纽站

第二章微波中继通信系统第二十一页，共84页。22数字微波终端站数字微波终端站指的是位于线路两端或分支线路终点的微波站，它对一个方向收、发，且收发射频不同。微波终端站设备中包括发信端和收信端两大部分。第二章微波中继通信系统第二十二页，共84页。23数字微波中继站数字微波中继站指的是位于线路中间的微波站。根据对信号的处理方式不同，又可将中继站分为中间站和再生中继站，再生中继站又包括上下话路和不上下话路两种结构。

第二章微波中继通信系统第二十三页，共84页。24数字微波分路站数字微波分路站指的是位于线路中间的微波站，既可以上、下某收、发信波道的部分支路，也可以沟通干线上两个方向之间的通信。由于在此站上能够完成部分波道信号的再生，因此该站应配备有微波传输设备和分插复用设备。

第二章微波中继通信系统第二十四页，共84页。25数字微波枢纽站数字微波枢纽站指的是位于干线上的、需要完成多个方向通信任务的微波站。在系统多波道工作的情况下，此类站应能完成对某些波道信号或部分支路的转接和话路的上、下功能，同时也能完成对某些波道STM-4信号的复接和分接操作，如果需要，还能对某些波道的信号进行再生处理后的再继续传播。

第二章微波中继通信系统第二十五页，共84页。

2.1.1.2发信设备-微波调制发射机信码经码型变换后直接对微波载频进行调制发射机结构简单，但通用性差发射频率较高时，设备制作难度大微波振荡器微波调制器微波功放微波滤波器信码码型变换第二十六页，共84页。2.1.1.2发信设备-中频调制发射机中频振荡器中频调制器微波功放微波滤波器信码码型变换中频功放上变频器微波振荡器中频单元射频单元第二十七页，共84页。信码经码型变换后，首先在中频调制器对中频载频（70MHz/140MHz）进行调制；只要更换调制、解调单元，就可以传输模拟／数字信号，实现数字模拟系统兼容。2.1.1.2发信设备-微波调制发射机第二十八页，共84页。收信设备组成一般采用超外差接收方式,由射频系统、中频系统和解调系统组成。2.1.1.3收信设备第二十九页，共84页。微波中继通信系统中间站的转接方式一般是按照收发信机转接信号时的接口频带划分的，分为3种：再生转接方式、中频转接方式和微波转接方式。2.1.1.4中间站的转接方式第三十页，共84页。

1.再生转接方式

中继站把来自某一通信方向的载频为f1的接收信号经对应中继机(微波收发信机)的天线馈电系统、微波低噪声放大器后，与该中继机的接收机本振信号混频，混频输出信号经中放后送到解调器解调输出基带信号，再转接到该中继站的另一中继机调制其发信机的中频或直接对微波振荡器进行调制。已调信号经过变频输出载频为f2的微波信号，该信号经微波功放、天线馈电系统后向中继站的另一个通信方向发送出去。

第三十一页，共84页。321再生转接中继方式第二章微波中继通信系统第三十二页，共84页。1.再生转接方式因为信号从某一中继机的收信机转接到另一中继机的发信机时，接口频带为基带，所以称作基带转接。模拟微波中继通信系统的基带转接又称为群频转接，数字微波中继通信系统的基带转接又称为再生转接。对群频转接而言，群路信号在调制、解调过程中产生失真，随着中间站数目的增加，调制、解调的次数增加，失真和噪声积累不断加剧，使系统的信噪比恶化，影响通信质量。第三十三页，共84页。1.再生转接方式而再生转接，由于解调信号在转接之前进行了再生，因而消除了噪声积累。再生转接方式是目前数字微波中继通信系统最常用的一种中间站转接方式。

基带转接方式可以直接上、下话路，是微波分路站必须采用的转接方式。采用这种转接方式的中继站的设备与终端站可以通用。第三十四页，共84页。

2.中频转接方式

中间站把来自某一通信方向的载频为f1的接收信号经对应中继机(微波收发信机)的天线馈电系统、微波低噪声放大器后，与该中继机接收机本振信号混频，混频输出信号经中放后转接到该中继站的另一中继机的发信机功率中放，将信号放大到上变频器所需的功率电平，然后与发信机本振信号进行上变频，输出载频为f2的微波信号。该信号经微波功放、天线馈电系统后，向中继站的另一通信方向发送出去。

第三十五页，共84页。362中频转接中继方式第二章微波中继通信系统第三十六页，共84页。

2.中频转接方式

因为信号从中间站的某一中继机的收信机转接到另一中继机的发信机时，接口频带为中频，所以称作中频转接又称为外差转接。中频转接省去了调制、解调器，简化了设备，且没有调制和解调引入的失真和噪声。中频转接的发信本振和收信本振采用移频振荡方案，降低了对本振稳定度的要求。但中频转接不能上、下话路，不能消除噪声积累。对于不需要上、下话路的中继站，可以采用中频转接方式，如模拟微波中继通信系统的中继站就常用这种方式。第三十七页，共84页。

3.微波转接方式

微波转接与中频转接类似，但其转接接口是微波接口，且为了使同中继站的转发信号不干扰接收信号，转信载频f2，相对于收信载频f1；需要移频，即移频振荡器的频率等于f2与f1之差。另外，为了克服传播衰落引起的电平波动，还需在微波放大时采取自动增益控制措施。微波转接电路技术实现起来比中频转接困难，但微波转接方案简单，设备体积小、功耗低，对于不需要上、下话路的中继站可采用这种转接方式。第三十八页，共84页。393微波转接中继方式第二章微波中继通信系统第三十九页，共84页。2.1.2微波传播特性2.1.2.1天线高度与传播距离2.1.2.2自由空间传播损耗2.1.2.3天气效应2.1.2.4地面效应2.1.2.5衰落、电平储备与分集接收第四十页，共84页。R

h1h2d1d2考虑到，上式可以写成：当h1=h2=50m时，d=50kmAB2.1.2.1天线高度与传播距离第四十一页，共84页。422.1.2.2自由空间传播损耗实际微波通信中采用的天线均有方向性，对于发射天线而言，天线增益Gt表示天线在最大辐射方向上单位立体角的发射功率与无方向天线单位立体角的发射功率的比值。此时，与发射源相距d的单位面积所接收的功率为第四十二页，共84页。432.1.2.2自由空间传播损耗对于接收天线而言，天线增益Gr表示天线接收特定方向电波功率的能力。根据天线理论，天线的有效面积为若接收机与发射机的距离为d，接收天线的有效面积为A，发射天线的增益为Gt，接收天线的增益为Gr，则接收到的信号载波功率为第四十三页，共84页。442.1.2.2自由空间传播损耗若不考虑发射天线增益Gt和接收天线增益Gr，电波的自由空间损耗定义为发射功率与接收功率之比，即通常用分贝表示自由空间传播损耗，即第四十四页，共84页。452.1.2.2自由空间传播损耗若考虑发射天线增益Gt和接收天线增益Gr，则将这种有方向性的传播损耗称为系统损耗，通常用L表示，其分贝形式为第四十五页，共84页。462.1.2.3大气效应从地面算起，垂直向上，可把大气分为6层，依次称作对流层、同温层、中间层、电离层、超离导以及逸散层。

对流层是指自地面向上大约10km范围的低空大气层。对流层集中了整个大气质量的四分之三。第四十六页，共84页。47对流层对微波传播的影响，主要表现：（1）由于气体分子谐振引起对电磁波能量的吸收。（2）由雨、雾、雪引起对电磁波能量的吸收和散射。（3）对流层结构的不均匀性对电磁波的折射。由于气象因素等影响，使对流层也会形成云、雾之类的“水气囊”，形成了大气中的不均匀结构。2.1.2.3大气效应第四十七页，共84页。48由于对流层的折射率随高度而变，因此电波在对流层中传输时会发生不断的折射，从而导致轨迹弯曲，这种现象称为大气折射。

表现为：在空间不同高度的波束，其传播速度会发生变化——当下层比上层传播快则往上弯曲。当上层比下层快，则电波射线往下弯曲。2.1.2.3大气效应第四十八页，共84页。49第四十九页，共84页。50收、发两微波站间的电波传播，同样会受到电离层、对流层影响，环境的大气压力、温度、湿度等参数变化会影响微波的传播。对流层不同高度的大气压力、温度和湿度不同，因而其折射率也不同，使其中的微波传播不是按直线而是按曲线前进。2.1.2.3大气效应第五十页，共84页。51

折射率梯度表示折射率n随高度h的变化率，体现了不同高度的大气压力、温度及湿度等对大气折射的影响，表示为。（1）

＞0，n随高度的增加而增加，传播速度v与n成反比，随高度的增加而减小。电波传播的轨迹向上弯曲。（2）＜0，v随高度的增加而增加，使电波传播的轨迹向下弯曲。2.1.2.3大气效应第五十一页，共84页。52根据电波受大气折射后的轨迹，将大气折射分为三类。（1）无折射：电波传播轨迹不随大气的垂直高度而变化。此时dn/dh=0，意味着对流层大气为均匀大气，电波射线轨迹为直线，射线的曲率半径为∞。（2）负折射：上层空间的电波射线速度小，下层空间电波射线速度大，使电波传播轨迹向上弯曲。此时dn/dh>0，曲率半径为负值。以上两种情况实际上很少发生。2.1.2.3大气效应第五十二页，共84页。53（3）正折射：上层空间的电波射线速度大，下层空间电波射线速度小，使电波传播轨迹向下弯曲。此时dn/dh<0，是最经常发生的情况。正折射中又可根据特殊的dn/dh值有三种特殊的折射：标准大气折射，dn/dh=－4×10-81/m，射线的曲率半径ρ=2.5×107m；其中：2.1.2.3大气效应第五十三页，共84页。54临界折射，dn/dh=－15.7×10-81/m，射线的曲率半径ρ=6.37×106m，刚好等于地球的半径，水平发射的电波射线将与地球同步弯曲，形成一种临界状态；2.1.2.3大气效应第五十四页，共84页。55超折射，dn/dh＜－15.7×10-81/m，射线的曲率半径小于地球半径，此时大气的折射能力特别强，电波靠大气折射与地面反射向前传播，构成所谓的大气波导。临界折射和超折射可使电波传播距离远远超过视距，特别是海上的大气波导，这也是有时能收到远地的超短波信号的主要原因。2.1.2.3大气效应第五十五页，共84页。56第五十六页，共84页。57微波中继通信的电磁波主要在靠近地表的大气空间传播。不同路由的中继段，当地面的地形不同时，对电波传播的影响也不同。主要影响有反射、折射、散射、绕射和吸收。2.1.2.3地面效应第五十七页，共84页。58地面反射和大气折射2.1.2.3地面效应第五十八页，共84页。59平坦地表对微波电磁波的反射在传输线路上，有一部分波会投射到地面上来，引起地面波的反射，这样在接收端除收到直射波外还会收到满足反射条件的反射波。此时接收信号的电波即为合成波。2.1.2.3地面效应第五十九页，共84页。60平面地的反射行程差r=反射波行程-直射波行程d>>h1,h2时，r≈2h1h2/dh1E0E1E1E0h1h2rr+r2.1.2.3地面效应第六十页，共84页。61在传播路径远大于天线架高的情况下，两路波在B处的场强视为相同极化。在实际问题中，如果沿r路径在B处产生的场强振幅为E0，沿r+r路径在B处产生的场强振幅为E1，在忽略方向系数的差异，忽略强度上的差异后，B处的总场强为合成场强

E=E0+E1

平坦地表反射波的影响的大小用衰减系数α表示α=|E|/|E0|2.1.2.3地面效应第六十一页，共84页。62衰减系数α与行程差r的关系地表反射系数全反射场强E直射波完全被反射波抵消E=E0+E1=0第六十二页，共84页。63收信点的场强幅值随反射波与直射波的行程差r周期变化。r等于整数倍波长λ的情况下，衰减达到极大值；地表反射系数ρ值越大，曲线的起伏程度越大。在进行微波中间站站址选择和微波线路设计时，应充分利用地形地物阻挡反射波。2.1.2.3地面效应第六十三页，共84页。64地表障碍物对微波视距传播的影响地表障碍物是诸如丘陵、山头、树林和高大建筑物等会阻挡电磁波视距传播的地物。2.1.2.3地面效应第六十四页，共84页。65在实际的微波线路中，有时会遇到传输路径上的刃形障碍物。当刃形障碍物的最高点靠近或超过收发之间的视距连线TR时，收信点R仍能接收信号，甚至可以正常通信。这是因为刃形障碍物不可能遮挡住所有的费涅耳区，所以在收信点只要有一定数量的费涅耳区空间不被遮挡，电波就能绕过刃形障碍物，使收信电平达到一定的数值。2.1.2.3地面效应第六十五页，共84页。66在电波传播中,当波束中心刚好擦过障碍物时,电波也会受到阻挡衰落。为了避免或者减少阻挡衰落,设计的电波传播路径在最坏的大气条件时离障碍物顶部要有足够的“余隙”

hc。为了确定余隙,利用费涅耳绕射原理。

2.1.2.3地面效应第六十六页，共84页。67微波信号传输线路中的余隙概念余隙是指从地面最高点(设为信号反射点)至收、发天线连线间的距离，用Hc来表示，当在设计天线高度时一定要有余隙的计算。余隙的计算与等效地球半径系数k和第一菲涅尔区半径(F1)有关。其中k主要随气象变化而受影响。2.1.2.3地面效应第六十七页，共84页。68传输路径上的刃形障碍物第六十八页，共84页。69由于电波传播的主要通道并不是一条直线，因此即使某凸出物并没有挡住收、发两点间的几何射线，但是已进入了第一菲涅尔椭球，此时接收点的场强已经受到影响，该收、发两点之间不能视为自由空间传播。而当凸出物未进入第一菲涅尔椭球，即电波传播的主要通道，此时才可以认为该收、发两点之间被视为自由空间传播。2.1.2.3地面效应第六十九页，共84页。70即使在地面上的障碍物遮住收、发两点间的几何射线的情况下，由于电波传播的主要通道未被全部遮挡住，因此接收点仍然可以收到信号，此种现象被称为电波绕射。在地面上的障碍物高度一定的情况下，波长越长，电波传播的主要通道的横截面积越大，相对遮挡面积就越小，接收点的场强就越大，因此频率越低，绕射能力越强。2.1.2.3地面效应第七十页，共84页。71

若要求收信点的场强幅值等于自由空间传播场强幅值，则收发视距连线与障碍物最高点之间的垂直距离即传播余隙Hc应当大于或等于最小菲涅尔区半径F0。即Hc≥F02.1.2.3地面效应第七十一页，共84页。72与自由空间传播相比，地表障碍物对微波视距传播的影响表现为引入了阻挡损耗。路径上刃形障碍物的阻挡损耗为收信点的场强幅值与自由空间传播场强幅值的比值E/E0。2.1.2.3地面效应第七十二页，共84页。73阻挡损耗与相对余隙Hc/F1有一定的关系：Hc=0时，阻挡损耗为6dB；Hc/F1<0时，阻挡损耗增加很快；Hc/F1>0.5时，阻挡损耗在0dB上下波动。2.1.2.3地面效应第七十三页，共84页。74路径上刃形障碍物的阻挡损耗第七十四页，共84页。75视距微波通信常常根据路径余隙Hc的大小将线路分为三类：（1）Hc≥F0称为开路线路；（2）0＜Hc＜F0称为半开路线路；（3）Hc≤0称为闭路线路。2.1.2.3地面效应第七十五页，共84页。2.1.2.5衰落和分集接收技术收信电平随时间变化的现象称为衰落。第七十六页，共84页。2.1.2.5衰落和分集接收技术目前在微波通信和卫星通信系统中，视距传播存在衰落现象。直射波的传播路径严重偏离正常路径，可产生两个后果：

（1）发射主瓣不再对准天线，接受信号功率下降；

（2）偏离后的电波可能被障碍物阻挡或部分阻挡，使接受信号功率下降，设置通信中断

多径衰落是微波中继系统电波衰落的最主要原因，因此，在实际