微波通信原理.ppt

1、,学完本次课程后，你应当能够知道： 微波通信常用的频段 信道的划分方法 常用的调制方式 不同调制方式与容量下所需要的带宽 常用的极化方式 自由空间传播损耗 费涅耳区半径 大气折射的原因与种类 各种衰落机理 抗衰落技术 K值在微波规划中的意义,本次课程目标,1,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,Microwave,10Km,1Km,100m,10m,1m,10cm,1cm,1mm,f,30KHz,300KHz,3MHz,30MHz,300MHz,3GHz,30GHz,300GHz,红外线,可见光,目前在微波通信中，主要用到的频率是从5G-38G,国内也有用2.4G 卫星通信目前用

2、得较多的是C频段(上行5.96.4GHz，下行 3.7 4.2GHz)和Ku频段(Ku频段1412GHz). 9GHz主要用于雷达及气象 3.5GHz和10.5GHz留给军方使用。,微波信号的频率范围,2,微波频段设置,3,微波的调制,对数字基带信号的调制过程用数学方法可简单表示成： 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。 PSK占用的

3、带宽宽，抗干扰能力强。 QAM占用带宽窄，抗干扰能力弱。,4,调制方式与占用带宽,如有特殊情况，在各厂家的设备文件中能查到,5,电波的干涉和极化,6,矩形波导中的场结构与极化方式,在通常的微波系统中，天线与合路器的接口都是矩形，H10模是波导中传输的电磁波主模，截至波长最长为2a。 上图那样放置波导，它的电力线与地面垂直。这样的极化方式称垂直极化，下图为水平极化 VVertical H=Horizontal,a,b,7,合路器与天线接口样例,波导,8,ODU安装方式,分离式安装,9,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，平面上一个动点P到两个定点（T、R）的距离

4、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。 对于电波传播，这个常数当为d+/2时，得到的椭球面称为第一费涅耳椭球面；常数为d+2/2时，得到的椭球面称为第二费涅耳椭球面. 常数为d+N/2时，得到的椭球面称为第N费涅耳椭球面.,10,费涅耳区定义 (The Fresnel Zone Definition),11,经有关研究知道：在电波的传播空间中，在接收点的合成场强，当费涅耳区号趋近于无限多时，就接近于自由空间场强； 相邻费涅耳区在收信点处产生的场强的相位相反； 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

5、。,非涅耳区的能量分布,12,d1,d2,d,d1 x d2,f x d,rF = =17.3 x,rF in meter d, d1, d2 in km f in GHz,rF,The First Fresnel Radius,C xd1 x d2,f x d,费涅耳半径 (The Fresnel Radius),13,大气折射（ refraction in the atmosphere ）,依据波在大气中折射原理,无线波束是弯曲的,通常是向下弯曲(Due to refraction in the atmosphere the radio beam is bent, normally sli

6、ghtly downwards) 弯曲影响是通过K型因子来表示(The bending effect is described by the k-factor) K=4/3是标准大气(k = 4/3 corresponds to the “standard” atmosphere),对流层对微波传播的影响,14,微波传播(Microwave Propagation),k 1正折射,k = 1无折射,k 1负折射,对流层对微波传播的影响,15,下图中的：U-表示电波传播的速度，n表示折射系数，n=c(光波)/U(电波）,传播路径受大气的影响:,对流层对微波传播的影响,大气密度,16,传播路径受大

7、气分层的影响,对流层对微波传播的影响,17,等效地球半径,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, Re=R*4/3称为标准等效地球半径,对流层对微波传播的影响,等效地球半径Equivalent earth radius (rk),18,费涅耳半径与大气折射的体现,19,自由空间的衰减 实际传输的附加衰减,微波传输过程中的衰减,20,Power Level,Distance,GTX,GRX,G,P,G,微波传输过程中的衰减,21,自由空间 Free Space: 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=0，介电

8、常数=0=10-9/36 F/m(法拉/米)，导磁系数=0=410-7 H/m （亨/米）。 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，总能量不衰减。 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。,自由空间的电波传播,22,Free Space Loss,d,f,d或 f 增加一倍，损耗将增加6 dB,自由空间传输损耗 (Free Space Basic Transmission Loss ),23,K型衰减 大气吸收衰减 雨雾衰减

9、对流层对微波传播的影响 地面反射对微波传播的影响,实际传输的附加衰减,24,衰落的定义: 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、雪待）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。,各种衰落及抗衰落技术,25,快衰落Rapid fading和慢衰落Slow fading

10、(按持续时间划分): 慢衰落：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。 快衰落：持续时间短的叫快衰落，一般发生在几秒到几分钟之间。 上衰落Up fading和下衰落Down fading(按接收点场强的高低划分): 上衰落：高于自由空间电平值的叫上衰落 下衰落：低于自由空间的电平值的叫下衰落 多径衰落Multipath fading和闪烁衰落(按衰落发生的物理成因划分): 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。

11、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。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。,各种衰落及抗衰落技术,衰落的种类,26,还是气候原因，使下层大气密度加大。,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或抗反射波天线等来克服多经反射的影响。,K型衰落,由于折射系数（K）的变化，使直射波和地面反射波相干涉而产生的衰落，或直射波因折射下凹而被地面的高地或高山阻挡而发生的绕射性衰落，即K型衰落。气

12、象条件变化通常比较是缓慢的，因此受其影响产生的衰落是慢衰落。,27,由于气体分子的谐振引起对电波的吸收。 这种作用对15GHZ（即2CM）以上的微波才有明显作用，低于此频率的可不考虑。 在微波规划时，可用下图的曲线来计算。,Attenuation Coefficient dB / km,大气吸收衰减 Attenuation due to Gases:,28,由于雨、雾、雪能对电波能量的吸收，微小水滴产生导电电流和定向辐射能量的散射。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。

13、 但10GHZ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。,雨雾衰减 Attenuation due to Rain and Fog,29,Attenuation due to Rain(雨雾衰减）,Radio frequency (GHz),Tropical Downpour,Heavy Rain,Medium Heavy Rain,Light Rain,Drizzle,0.4,1,2,4,10,20,30,50,100,150,雨雾瞬时强度 (Instantaneous Rain Intensity) (mm/h),0.01,0.1,1,10,50,雨雾吸收系数 (Rain A

14、bsorption Coefficient) (dB/km),5,10,20,50,100,30,在10GHZ频段以下，雨雾损耗并不显得特别严重，对一个中继段可能会引入几个分贝。 在10GHZ以上频段，中继间隔主要受降雨损耗的限制，如对13GHZ以上频段，100mm/小时的降雨会引起5dB/km的损耗，所以在13GHZ，15GHZ频段，一般中继距离在10km左右 在20GHZ以上频段，由于降雨损耗影响，中继间距只能有几公里,越高频段雨衰越厉害！,高频段可以做用户级传输,雨雾衰减 Attenuation due to Rain and Fog,设计,31,全球降雨划分为 H, K, N, P 四

15、个区域。平均降雨量在32 mm, 42 mm, 95mm 和 145 mm 每小时 。中断概率 0.001% ，,考虑降雨微波设备的理论单跳传输距离,雨雾衰减 Attenuation due to Rain and Fog,32,不同地形对电波的影响,一般分为： 绕射 Diffract 刃形障碍物。 反射 Reflect 地面把天线发出的一部分信号能量反射到接收天线，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。 对于水面或光滑地面，反射的影响作用更为明显。 散射 Dispersion 由于地面散射对电波的主射波影响不大，可以不考虑。,多径效应,33,绕

16、射 Diffracted,微波传播模式 Microwave Propagation,路径上刃形障碍物的阻挡损耗,34,路径上刃形障碍物的阻挡损耗,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H C=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

17、近。,35,Reflections - from atmospheric layers - from ground - from buildings,反射损耗（ reflection Loss）,地面反射对微波传播的影响,36,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 。,平坦地形对电波的反射,地面反射对微波传播的影响,37,微波传播模式 Microwave Propa

18、gation,直接传播 Direct,平坦地形对电波的反射:,地面反射对微波传播的影响,38,微波多径传输,39,Flat fading(平衰落) The loss is uniform across the frequency spectrum Selective fading(频率选择性衰落) The loss varies across the frequency spectrum,多径衰落,Frequency (MHz),Received power level (dBm),40,“Up Fading”,多径衰落,41,数字微波系统的抗衰落技术,1.频域均衡器 2.时域均衡器 3.空间

19、分集接收,空间分集的距离： H约100200入,42,信号频谱,多径衰落,斜率均衡,均衡后频谱,频域均衡只能均衡信号的幅频特性，不能均衡相位频谱特性，但是电路简单,频域均衡,数字微波系统的抗衰落技术,43,.,.,均衡前,均衡后,时域均衡直接抵消码间干扰,T,T,T,时域均衡,数字微波系统的抗衰落技术,44,传统: 为克服延时线问题,常采用判决反馈均衡器,特点是 体积大,级数不可能做得太多 现在: 采用高速A/D器,及FPGA电路,电路体积小,可以做 很多级.如HARRIS的MEGASTAR采用11级的全数字 横向均衡器,时域均衡,各种衰落及抗衰落技术,数字微波系统的抗衰落技术,45,频域均衡

20、对抗频率选择性衰落:,只对于大容量宽带系统产生严重影响，区别于平衰落。影响幅频特性，造成码间串扰。设备性能决定了对抗这种衰落的能力。,数字微波系统的抗衰落技术,46,方法一：利用某些地形、地物阻挡反射波,工程中,数字微波系统的抗衰落技术,47,方法二：高低天线法,数字微波系统的抗衰落技术,48,天线间距,到,当其中一面天线发生多径干扰时,另一面天线不会发生多径干扰.要求天线间的相关系数小,而塔又不可能造得很高,所以一般情况下,相关系数取0.5到0.6之间,方法三：空间分集,数字微波系统的抗衰落技术,工程设计中，两天线的间隔H通常取810m。,49,不同天线接收到的反射信号,方法三：空间分集,数

21、字微波系统的抗衰落技术,50,信号合成,方法三：空间分集,数字微波系统的抗衰落技术,51,h1,l = Wave length d = Path length,空间分集的间距计算,数字微波系统的抗衰落技术,52,工作备份和频率分集（Working Stand-by and Frequency Diversity）,数字微波系统的抗衰落技术,53,热备份或工作备份（Hot Standby or Working Standby）,数字微波系统的抗衰落技术,54,点对点视距传播通信的要求 微波设计目标 传输余隙 微波线路的分类 K值在微波规划中的意义,微波通信对设计的要求,55,很小的发射功率一只有

22、利用具有很强的方向性天线实现通信，要想实现较长距离通信，只有适当加大天线或加大功率。,点对点视距传播通信的要求,56,工作波长短、克服障碍的能力差 在实际的工程勘察中，树高、无树山上的灌木都是不可忽略的影响通信质量的因数。,点对点视距传播通信的要求,57,K=4/3时,第一费涅耳区无障碍物(The 1st Fresnel shall be free from obstacles when k = 4/3) 在传播经过水面或沙漠地区时,建议K=1时,第一费涅耳区无障碍物 (On paths over water surfaces or desert areas, it is recommended to have the 1st Fresnel zone free from obstacles when k = 1 (See also ITU-R Rec.P.530) ),Distance 50 km,k = 4/3,1st Fresnel zone,微波设计目标(Microwave Propagation Design Objective),微波通信对设计的要求,58,传输余隙,T,R,0.577,0,d