《通信原理与通信技术》课件第18章

第18章微波中继通信技术

18.1微波中继通信的概念

18.2微波中继通信的频率范围

18.3微波中继通信的特点

18.4微波中继通信系统的组成

18.5微波中间站的转接方式

18.6数字微波的收发信设备

18.7数字微波通信的关键技术

18.8小资料——莫尔斯电码和电报机

18.1微波中继通信的概念

根据无线电频谱的划分，通常将分米波、厘米波、毫米波统称为微波，其频率范围为300MHz～300GHz。而所谓的微波通信通常是指利用分米波、厘米波、毫米波段的无线电波作为载波进行的信息传输过程或方式。如果被载送的信号是模拟信号，则为模拟微波通信；若是数字信号，则为数字微波通信。当微波通信用于地面长途通信时，需要采用中继（接力）传输的方式才能完成信号从信源到信宿的传输任务。所谓微波中继通信，就是指利用微波作为载波并采用中继（接力）方式在地面上进行的信息传输过程或方式。由于卫星通信实际也是在微波频段采用中继（接力）方式进行通信的，只是其中继站设在卫星上而已，因此，为了与卫星通信相区别，这里所说的微波中继通信仅限定在地面上。

图18－1是A、B两地利用中继站进行的远距离地面微波中继通信示意图。

图18－1微波中继通信示意图

18.2微波中继通信的频率范围

目前，微波中继使用的频段范围为1～40GHz，如表20－1所列。国外的微波设备往往首先选用4GHz频段。我国主要使用2GHz、4GHz、6GHz、7GHz、8GHz和11GHz频段，其中2GHz、4GHz、6GHz频段因电波传播比较稳定，故用于干线微波通信；而支线或专用网微波通信常用2GHz、7GHz、8GHz或11GHz。

表20－1部分微波频段划分

18.3微波中继通信的特点

微波中继通信具有以下特点：

（1）微波频带宽，通信容量大。微波频段占用的频带约为300GHz，而全部长波、中波和短波频段占有的频带总和不足30MHz，前者是后者的10000多倍。占用的频带越宽，可容纳同时工作的无线电设备就越多，通信容量也就越大。一套短波通信设备一般只能容纳几条话路同时工作，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，并可传输电视图像等宽频带信号。

（2）抗干扰性好，工作稳定可靠。工业干扰、天电干扰及太阳黑子的活动对微波频段通信的影响小（当通信频率高于100MHz时，这些干扰对通信的影响极小），但它们严重影响短波以下频段的通信。

（3）通信灵活性较大。微波中继通信采用中继方式，可以实现地面上的远距离通信，并且可以跨越沼泽、江河、湖泊和高山等特殊地理环境。在遭遇地震、洪水、战争等灾祸时，通信的建立、撤收及转移都比较容易，这些方面比电缆通信具有更大的灵活性。

（4）天线增益高、方向性强。中继通信可以减小对发射功率的要求而获得满意的通信效果。另外由于微波具有直线传播特性，因此可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，从而减少通信中的相互干扰。

（5）投资少、建设快。在通信容量和质量基本相同的条件下，按话路长度计算，微波中继通信线路的建设费用不到同轴电缆通信线路的一半，而且还可以节省大量有色金属，建设时间也比后者短。

18.4微波中继通信系统的组成

微波中继通信系统的线路组成可以是一条主干线，中间有若干支线，也可以是由枢纽站向若干方向分支，其主干线可以长达几百千米甚至几千千米，支线可以有多条。除了在线路未端设置微波终端站外，还在线路中间每隔一定距离设置若干微波中继站和微波分路站，如图18－2所示。

图18－2微波中继通信线路示意图

图18－3数字微波通信系统示意图

1.用户终端

用户终端是用户直接使用的输入／输出终端设备，如自动电话机、电传机、计算机、调度电话机等。用户终端主要通过交换机集中在微波终端站或微波分路站。

2.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，既实现本地用户终端之间的业务互通（如实现本地话音用户之间的通话），又可通过微波中继通信线路实现本地用户终端与远地（对端交换机所辖范围）用户终端之间的业务互通。

3.终端复用设备

终端复用设备的基本功能是将交换机送来的多路信号或群路信号进行适当变换，然后送到微波终端站或微波分路站的发信机；将微波终端站或微波分路站的收信机送来的多路信号或群路信号适当变换后送到交换机。模拟微波中继通信系统的终端复用设备是频分多路载波机；数字微波中继通信系统的终端复用设备是时分多路数字终端机，包括增量调制（ΔM）和脉冲编码调制（PCM）两种制式。终端复用设备配置在微波终端站或微波分路站。

4.微波站

微波站的基本功能是传输来自终端复用设备的群路信号。按其与终端复用设备的连接关系，微波站分为终端站、分路站、枢纽站和中继站。处于主干线两端或支线路终点的微波站（称为终端站），在此站可上行、下行全部支路信号。处于微波线路中间，除了可以在本站上收发部分支路信号外，还可沟通干线上两个方向之间通信的微波站（称为分路站）。配有交叉连接设备，除了在本站上收发部分支部信号外，还可以沟通干线上数个方向之间通信的微波站（称为枢纽站，它具有通信枢纽功能）。处于微波线路中间，不上、下行话路的微波站称为中继站。微波分路站和枢纽站统称微波主站，微波中继站和分路站统称微波中间站。

图18－4微波站设备

18.5微波中间站的转接方式

微波中继通信系统中间站的转接方式一般按照收发信机转接信号时的接口频带划分为基带转接方式、中频转接方式和微波转接方式三种，其方框图如图18－5所示。除此之外，还有微波直放转接方式和无源转接方式。

图18－5微波中间站的转接方式示意图

1.基带转接方式

基带转接方式又称再生转接（图18－5(a)）。中间站把来自某一通信方向载频为f1的接收信号经对应中继机（微波收发信机）的天线馈线系统，传送到收信机，再经微波低噪声放大器等后，与该中继机的接收机本振信号混频。混频输出信号经中频放大后送到解调器解调并输出基带信号，对基带信号进行判决再生。再生后的信码序列进行中频数字载波调制。已调信号经过变频后输出载频为f2的微波信号，该信号经微波功放、天馈系统（天线馈线系统）后，向中间站的另一个通信方向发送出去。这种转接方式采用数字接口，可以消除噪声积累，是微波通信最常见的一种转接方式。

2.中频转接方式

如图18－5（b）所示，中间站把来自某一通信方向载频为f1的接收信号经对应中继机（微波收发信机）的天馈系统，将发信端输出的微波信号通过高频馈线送至天线，经天线变换为无线电波朝通信方向发射出去，再经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间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、天馈系统后，向中间站的另一通信方向发送出去。

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，所以称做中频转接。中频转接省去了调制、解调器，简化了设备，但不能上、下行话路，不能消除噪声积累。

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，并且为了使同一中间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，见图18－5（c）。另外，为了克服传播衰落引起的电子波动，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。

4.直放转接和无源转接方式

微波直放转接方式以微波宽带低噪声放大器、微波宽带线性功率放大器和微波分路滤波器等器件为基础，进行有源、双向、无频率变换的微波信号直接放大。这种方式适用于模拟微波中继通信和数字微波中继通信。采用该方式的微波直放中间站不进行变频，其结构大为简化，体积很小，可以直接安装在天线支梁上，且功耗低，可利用太阳能供电，可靠性较高，一般不需维护。微波直放转接可用于延长通信距离，改善衰落储备或克服某些地形障碍，且不需建机房、修道路和架设电力线路，节省了基建费用。但由于其转信和收信在同一载频上，因此必须采用增益高、方向性强、旁瓣低、性能高、具有低噪声放大器的天线，或加大天线之间的垂直间距，以避免本站收发信号之间的相互干扰。

18.6数字微波的收发信设备

1.发信设备

数字微波发信设备可以有如下两种组成方案。

1）微波调制发射机

微波调制发射机的组成框图如图18－6（a）所示。来自数字终端机的数字信号经过码型变换后，直接对微波载波进行调制，然后经过功放和微波滤波器送到天线振子，由天线发射出去。这种方案的发射机结构简单，但当发射频率比较高时，其微波功率放大器制作难度大，且发射机的通用性差。

图18－6数字微波发信设备示意图

2）中频调制发射机

中频调制发射机的组成框图如图18－6（b）所示。来自数字终端机的数字信号经过码型变换后，在中频调制器中对中频载波（70MHz或140MHz）进行调制（数字相位调制），获得中频调制信号，然后通过功率中放，把中频信号放大到规定要求的功率电平，经上变频器交换为微波调制信号，再经微波功放、微波滤波器馈送到天线，由发射天线发射出去。中频调制发射机的构成方案与一般调频制模拟微波机相似，只要更换调制解调单元，就可以利用现有模拟微波信道传输数字信息。因此，在多波道运用时，这种方案容易实现数字系统和模拟系统的兼容。在不同容量的数字微波中继设备系列中，改变传输容量一般只需要交换中频调制单元，微波发送单元可以通用。在研制和生产不同容量的设备系列时，这种方案有较好的通用性。

2.收信设备

数字微波收信设备一般都采用超外差接收方式，其组成方框图如图18－7所示。它由射频系统、中频系统和解调系统三部分组成。来自接收天线的微波微弱信号经过馈线、微波滤波器、低噪声放大器和本振信号进行混频，变成中频信号，再经过中频放大、滤波后，送到解调单元，实现信码解调和再生。

图18－7数字微波收信设备组成方框图

射频系统可以用微波低噪声放大器，也可以不用放大而采用直接混频方式，前者具有较高的接收灵敏度，而后者的电路较为简单。微波滤波器用来选择工作波段的信号，抑制邻近信道的干扰。

中频系统提供足够大的放大量，并具有自动增益控制功能，以确保送入解调系统的信号电平稳定。中频系统对整个接收信道的通频带和频率响应也起着决定性作用。

数字调制信号的解调分为相干解调和非相干解调两种方式。由于相干解调具有较好的抗误码性能，因而比较常用。还有一种差分相干解调，也叫延迟解调电路，它是利用相邻两个码元载波的相位进行解调，只适用于差分调相信号的解调。这种方法电路简单，但与相干解调相比，其抗误码性能较差。 18.7数字微波通信的关键技术

同步数字序列（SDH）除了可以在光纤中传输外，还可以利用微波进行无线传输。SDH微波通信是用微波作为载体传送数字信息的一种无线通信手段，兼有SDH数字通信和微波通信两者的优点。在SDH微波通信的设备中，采用了一些关键技术，有效地改善了微波通信的质量。

1．多级编码调制技术

要在有限的频带内传输SDH信号，必须采用更高状态的调制技术，如64QAM、128QAM等。为了降低误码，在SDH微波传输设备中，把纠错码与编码调制作为整体来考虑，采用了一种多级编码调制（MLCM）技术，如采用卷积编码为第一级，奇偶校验为第二级，由此称为多级编码，如STM－4中采用的是64QAM-MLCM调制方式。

2．交叉极化干扰抵消器技术

为了进一步增加数字微波系统的容量，提高频谱利用率，需采用双极化频率复用技术，使单波道数据传输速率成倍增长，但这会引起交叉极化干扰。为此，需要一个交叉极化干扰抵消器（XPLC），用以减少来自正交极化信号的干扰。

自适应交叉极化干扰抵消器由横向滤波器和控制电路组成。交叉极化干扰抵消技术的基本原理是利用横向滤波器从被正交干扰的信号中取出正交干扰信号，然后将它从被正交干扰的信号中减去，用以抵消叠加在有用信号上的来自正交极化信号的干扰。

3.自适应频域和时域均衡技术

当系统采用多状态QAM调制方式时，要达到ITU－R所规定的性能指标，对多径衰落必须采用相应的对抗措施。在各种抗衰落技术中，除了分集接收技术外，最常用的技术是自适应均衡技术，包括自适应频域和时域均衡技术。

在SDH微波接收设备中一般先使用频域均衡器，后接中频时域均衡器或基带时域均衡器。频域均衡器主要用于减少频率选择性衰落的影响。有选择性衰落时，收信号的幅度下降较大，时域均衡很难正常工作。所谓频域均衡，是指利用中频通道插入的补偿网络的频率选择性去补偿实际信道频率特性的畸变。

4．自适应发信功率控制

为了抗电波传播衰落，在SDH微波传输中使用自适应发信功率控制(ATPG)技术。自适应发信功率控制技术的基本原理是收信站根据检测到的收信电平，可求出此时的传播损耗，由此得出对应的ATPG数据并经调制后发回发信站；发信站根据接收到的ATPG数据控制发信功率。例如，传播损耗增大时，收信站检测到的收信电平下降，经ATPG数据处理后发回发信站；发信站根据接收到的ATPG数据增大发信电平。采用ATPG技术的优点是微波发信机的输出功率在ATPG的控制范围内自动地随接收端接收电平的变化而变化，减小衰落对系统的影响，降低对相邻波导的干扰，降低电源消耗，减小非线性失真。

5．波道倒换

在一个微波频段内配置N个工作波道和一个用于工作波道故障备份的备用波道。备用波道可用于减轻频率选择性衰落的影响，并兼用波道设备故障的保护。假定某一工作波道发生频率选择性衰落已上升到规定门限时，使备用波道同时传送受影响工作波道的数据信号，并在收端同时接收两个波道的信号，然后再用无误码倒换的方式，把备用波道的收信号作为输出。无误码倒换是指在波道切换过程中不会因倒换而引入误码，当受影响的工作波道恢复正常后，再切换回该波道，备用波道恢复备用状态。

6．分集接收

在微波中继通信系统中，由于存在多径衰落，使通信可靠性受到严重威胁。采用分集接收技术是抗多径衰落的有效措施之一。所谓分集接收，就是用两套(或多套)收信设备接收由同一发射设备发射的经两条(或多条)不同路径传播的同一信号，并经过某些处理后，在接收端以一定方式将其合并。这样当其中一个信号发生衰落时，另外一个(或多个)信号不一定也衰落，只要采用适当的信号合成方法就可保证一定的接收电平，克服或改善衰落的影响。

18.8小资料——莫尔斯电码和电报机

1.莫尔斯电码

在著名电影《尼罗河上的惨案》中有这样一段镜头，大侦探波洛的房间里出现了一条眼镜蛇，情急之下，他用手指敲敲墙壁，隔壁的雷斯上校听到声音，知道波洛面临险境，立即杖剑过来，刺死了眼镜蛇，波洛死里逃生。使波洛免于一死的正是莫尔斯电码，他通过墙壁传送给雷斯的声音“嘀嘀嘀，嗒嗒嗒，嘀嘀嘀”是莫尔斯电码中SOS的求救信号。

莫尔斯电码是电信史上最早的编码。1936年，冥思苦想的莫尔斯终于悟出：电流只要停止片刻，就会出现火花；没有火花出现是另一种符号；没有火花的时间长度又是一种符号。这三种符号如果组合起来代表数字和字母，就可以通过导线来传递文字了。于是他用“点”（0.1秒的通电时间）、“划”（0.3秒的通电时间）和“间隔”（断开电路）来表示各