第5章 微波与卫星通信技术.ppt

1、第5章微波卫星通信技术、5.1数字微波通信概要5.2数字微波通信系统5.3 SDH微波通信系统5.4一点多址微波通信系统5.5卫星通信技术5.6卫星通信系统的构成、5.1数字微波通信概要、5.1.1数字一般的范围是140GHz。 数字微波通信是指以微波(无线频率)为载波来携带数字信息，通过电波空间进行中继(relay )的通信方式。 现在使用更多的频带是2、4、6、7、8、11 GHz。 微波通信是无线通信的一种方式。 为了进行无线通信，发送侧需要将应该传送的信息转换为无线信号，通过电波在空间中传播。 接收端需要将无线信号恢复为从发送端发送的信息。 因此，在介绍微波中继通信之前，首先需要了解电

2、波及其特性。 无线频带的区分如表5.1所示。 (1)在无线电波、频带划分和无线电技术中，频率(或波长)被用作表示无线电波的残奥仪表。 频率(或波长)之差大的电波，因为具有不同的性质，所以例如传播方式、中长波沿着地面传播，衍射能力强，而微波只能在大气对流层直线传播，衍射能力弱。 通常，每个频带中的无线电波可以用作无线通信。 微波是指频率在300MHz300GHz (或者波长在1mlmm )范围内的电波。 “微”电波的波长相对于周围物体的几何尺寸较短。 (1)微波通信的传输可靠性提高，微波带受工业、天电、宇宙等的干扰的影响小。 在12GHz以下，风雨和雪冰等恶劣天气条件的影响小，能够大幅提高微波通

3、信的稳定性。 (2)微波段占用频带宽，能够容纳更多的无线设备工作。 从表5.1可知，所有波长、中、短波段的总带宽占不足30MHz，与此相对，微波仅厘米波段就占27103MHz，几乎占前者的103倍。 占用带宽越宽，越能够容纳同时工作的无线设备的情况越多。 信息容量大。 (3)微波束在可见距离范围内线性地和定向地发射，其中天线两个站之间的通信不太远，并且通常具有50km的距离。 (二)微波通信的特征是，视距：以地球为中心，地球半径r是地球上的2个点，高度分别为h和h1，连接(R h )和(R h1)的2个点，并且与地球的弧面相切的切线。 (1)自由空间的电波传播1 .自由空间：也称为理想介质空间

4、，相当于真空状态的理想空间，该空间中充满了均匀而理想的介质。 2 .自由空间的传播损耗在自由空间中传播的电磁波不会产生反射、折射、吸收和散射等现象，即总能量在传播过程中没有损耗。 5.1.2微波传播特性，当电波在自由空间中传播时，其能量由于向空间的扩散而衰减。 这是因为电波从天线辐射之后，向周围的空间传播，到达接收地点的能量只是一部分。 距离越远，接收点的能量越小，就像一个灯泡发出的光一样，向四面八方均匀地扩散。 这种电波扩散衰减称为自由空间传播损失。 传播损耗由式(5-1)中，d为发送接收天线的直线距离，m； f是发送频率，Hz； c是光速。 分别设距离为km单位、频率为GHz单位时(5-2

5、)设距离为km单位、频率为MHz单位时(5-3)、3 .自由空间传播条件下的接收电平发送接收天线的增益； 收发两端馈电系统的损失分别为： 收发两端分支系统的损失分别为、 在自由空间传播条件下，接收机的输入电平为(5-4)、例如已知的发送功率为工作频率、两站间距离、在自由空间传播条件下，求出接收机的输入功率。解：根据式(5-2)得到，即微波中继通信的电磁波主要在接近地表的大气空间中传播，地形地物对微波电磁波会产生反射、折射、衍射、吸收现象。 平坦的地表是微波的反射水面和平坦的地面等地表反射微波，接收点的电场强度是直射波和反射波的矢量和。 如果发送和接收天线足够高，则直射波可被认为是自由空间波。

6、2 .地表障碍物对微波视距传播的影响丘陵、山头、树林、大型建筑物等妨碍电磁波视距传播的地物表明，与自由空间传播相比，地表障碍物对微波视距传播的影响引入了屏蔽损失。 (二)地形地物对微波传播的影响，电磁波传播主要在对流层完成，对流层对微波传播的影响主要表现在三个方面： (1)氧分子和水蒸气分子对电磁波的吸收； (2)雨、雾、雪等气象微粒子对电磁波的吸收和散射；(3)对流层结构不均匀对电磁波的折射。 当微波中继通信系统的工作频带在10GHz以下时，前两个面的影响不显着，只考虑对流层的折射的影响即可，当工作频带在10GHz以上时，必须考虑三个面的影响。 (3)大气对微波传播的影响，接收、发射两个微波

7、站之间的电波传播，受到电离层、对流层及环境大气压力、温度、湿度等残奥仪表变化的影响。 (4)关于微波信号传输线中的间隙的概念，在空间上不同高度的波束中，其传播速度发生变化，表示上层比下层传播得快时电波向下弯曲，下层比上层快时电波向上弯曲，如图5-1所示。 在传输线中，一部分的波被投影到地面上形成地面反射波，在接收侧接收直射波和满足反射条件的反射波，此时接收的电波信号成为合成波。侑间隙：指从地面最高点(作为信号反射点)到收发天线线的距离，用hc表示。 修订天线高度时，必须进行有间隙的修订。 校正佘间隙的计算与等效地球半径系数k和第一菲涅耳区半径(F1 )有关。 其中，k主要受气象变化影响F1与电

8、波反射波长、地面反射点距两个微波天线的距离等有关，其修正公式在(m) (5-5)式中为微波波长、m； d1是从反射点到发送天线的距离，km； d2是从反射点到接收天线的距离，km； d是发送接收天线间距离，km。 从传输到接收的传播路径包括直射波和反射波。当天线高度低并且距离长时，如果直射波路径和反射波路径之间的差异小，反射波引起破坏作用。 在实际传播环境中，第一菲涅耳区域定义为包含反射波与直射波的路径差小于半波长的反射点的椭球。 例如，对于900MHz频率，在该点处的第一菲涅耳区半径F15m，假定典型的城市基站位于距离2km的路径上，此点距发射天线100m。 为了获得最佳复盖范围，天线周围的

9、间隙需要50100m。 对于900 m GSM，这里距离的第一菲涅耳区半径大约为5m，这意味着基站天线的底部比周围环境高5m。 (1)地面反射系数小时，线路(山岳、丘陵、城市、森林等地区)的天线不能太低，否则大气折射电波下降，此时k=2/3、hc0.3F1。 (2)地面反射系数大时，线路(例如水面、湖面、稻田等地区)，佟缝不能过小。 此时，侑间隙标准为k=4/3(标准大气)、hc10F1。 k=(侑间隙大)时，为hc1.35F1。 因此，校正间隙的方法是微波具有短波长无线电波，除了例如无线电波的特性之外，它还具有类似光的传播特性。 微波在自由空间中只能像光波一样沿直线传播，如果在衍射能力弱的传

10、播中遇到不均匀的介质，就会发生折射和反射现象。 在地面上进行远距离微波通信时，(1)地球是椭圆体，地面是球面，因此需要采用“中继”方式。沿着从地面上的某一点出发的直线发射的微波束，一旦通过某个扇区，就会离开地平线逐渐射向远方空间。 因此，在地平线以外的地方当然无法接收微波信号。 为了实现地面a、b两地之间的远距离微波通信，如图5-2所示，需要采用“中继”方式。 (4)地面远距离微波通信，图5-2微波通信的中继方式，(2)无线电波在空间传播中能量损耗。 频率越高衰减越大。 微波束的能量在某个地区损失后会大幅减少。 因此，为了实现地面a、b两地之间的远距离微波通信，也必须采用“中继”方式，阶段性地

11、收发放大器，最终到达远距离接收目的地。 “接力”是“转播”。 微波中继通信也被称为微波中继通信。 例如，为了实现北京到上海之间的微波通信，必须在北京和上海之间设置几个中间站，每个中间站接收来自前一站的微波信号，经过放大等处理后，转发到下一站，继续下一站，最终接收上海(或者北京)的目的地微波线路干扰主要来自反馈系统和空间传播引入，并且一般存在回声干扰、交叉极化干扰、发送和接收干扰、相邻信道干扰、天线系统的相同频率干扰等。 噪声主要来自接收机的热噪声和本机振荡源的热噪声等设备。 (5)数字微波通道的干扰和噪声，1950年代，数字微波通信开始的1970年代初，小容量，低频的数字微波通信系统1970年

12、代末，迅速发展，形成了完整的技术系统。 1990年代以后，建立了基于SDH的数字微波通信系统。 从实用的70年代到现在，调制方式从(2PSK )相移键控发展成(1024QAM )正交幅度调制方式，其频谱利用率大大提高。 目前，随着新的调制方式和频带压缩技术的使用，数字微波的频谱利用率大幅提高。 传输码流已经能够压缩至与模拟电话(带宽为4KHz )所占据的信道频谱利用率相对应的位置。 数字微波具有建设快、成本低、无需铺设线路的特点，特别适用于紧急通信、临时通信、无线接入等用途。 5.1.3数字微波的使用与发展简明，构成5.2.1数字微波通信系统的一条数字微波通信线路由两端的终端站与多个中间站构成

13、。 5.2当数字微波通信系统用于长途电话传输时，电话机对应于甲地的用户终端(即，源)，人们说话的声音通过电话机的送话器的声音/电转换作用变为电信号，经由市内的电话局的交换机，向甲地的长途电话局或微波终端站发送电力时分复用器完成源代码和信道代码，用微波信道机(包括调制机和微波发射机)完成调制、变频和放大作用。 经微波调制的波信号经由中继站传输，到达乙地的长途电话局或微波终端站。 乙地(接收方)方框图的甲地对应的设备，其功能和作用正相反。 同时，用户终端(宿)是电话机的听筒，其完成电/声音转换。 为了提高数字微波信道的传输质量并进一步提高频谱利用率，新技术的开发和使用可以概括在以下方面： (1)多

14、载波频率多级调制技术当前数字微波通信系统的4PSK、8PSK、16QAM和64QAM 为了减小仅使用一个载波的数字微波通信的在一个信道的发射机(或接收机)上的多径衰落，缩小传输频谱是有效的方法。 因此，本申请提出了在256QAM系统中采用多载波频率的传输方式。 例如，如果使用四个载波频率，在每个载波频率以256QAM调制方案发送100Mb/s的信息，则可以同时发送一个信道的四个载波频率，发送400Mb/s的信息。 所占据的频谱等于在一个载波频率发送100Mb/s的频谱。相似地，使用在一个信道上的更多载波频率，1024QAM系统可以允许数字微波在增加容量的方向上发展而不占用较大的信道带宽。 5.

15、2.2数字微波通信系统的主要技术是在通信系统中由于地面站的天线波束(antenna beam )宽，所以会受地物、地形和海况等多种因素的影响，使接收器接收通过折射、反射和直射等多个路径到达的电磁波，称为多路径效应。 到达这些不同路径的电磁波线的相位不一致，具有时变性，接收信号处于衰落状态，这些电磁波的到达延迟不同，引起码间干扰。 如果多阵列强度大、延迟差不能忽略，则会产生通过增加发送功率而不能消除的错误码，多路径效应的衰落被称为多路径衰落，也成为码间干扰的原因。 对数字通信、雷达的最佳检测等有很大影响。 (2)干扰信号抵消技术1980年代中期，海外在数字微波通信系统中使用了该技术。 因为干扰噪

16、声是数字微波通信系统的主要噪声，所以各信道中存在干扰信号的情况下，提取干扰信号，并添加电平与所提取的干扰信号相等并且相位相反的信号，以抵消在原始信道中存在的干扰，从而改善各信道的传输质量。 (3)微波射频的再利用技术能够长时间地将微波通信系统用于多信道工作时，在两个微波站之间，在同一方向的多个发送频率(与多个信道对应)之间需要一定的频率间隔。 例如我国的4GHz、960路干线模拟微波，信道间隔为29MHz。 为了提高数字微波通信系统的频谱利用率，如图54所示，提出了射频的再利用。 图5 a是同信道型频率再利用。 在该方式中，能够将同一微波频率作为无线频率使用水平极化波(在图中用“=”表示)，将

17、垂直极化波(在图中用“”表示)作为其他无线频率，在图中分别用f和Fr表示。 这将使系统的频谱利用率提高一倍。 这是因为：数字微波的抗干扰性强，并且可以在接收侧采用上述干扰信号消除技术，所以能够有效地抑制由于同一微波频率的不同极性而导致的同一频率干扰。 图5 b是插入信道型频率重用。 在该方法中，在两个主共享信道之间插入信道，从而与现有技术的频率分配方法相比，系统的频谱利用率提高了一倍，并且与图5 a的方法相比，该方法的两个不同极化的干扰程度更低。 (4)接收、发送微波的射频单频率变换技术，在接收同一天线、馈电线、发送系统中，接收、发送微波的射频不同。 完成的微波线路要求在传输至接收机之间的解耦

18、速度在30dB以上。 在我国的4GHz、960电路设备中，收发频率相差213MHz。 如果使用接收、发送频率分开的两个天线、馈电系统，则上述接收、发送之间的解耦速度达到7080dB。 由此，能够从2频率方式向1频率方式进展，当然要求接收、发送频率采用不同的极化方式。 在采用单频方案后，要重点解决的问题是站内本系统的接收、发射之间的同频干扰和来自其它站的越站干扰问题。 使用高性能的两个天线、馈线系统，加强接收、发射设备的屏蔽和解耦，采用干扰信号抵消技术等措施。 收发微波的射频单频控制技术也使系统的频谱利用率提高了一倍。 (5)多径分组技术由于无线电波空间的多径传输现象，引起了微波通信中的频率选择性衰落。 这是多路径传输的反射波、折射波、直射波分别以不同的方向和延迟波到达接收点进行矢量加法运算的结果。 由于在