教案 第二章 微波通信系统 20100307

SCPC 的优点在于多个地面站可以共用一个转发器。注意图 2.5 中下行信号是如何时移并到达 3 个地面站的，这些地面站所接收
的数据时段可以是图 2.3 中 1#—3#中的任何一个。
CDMA 或扩谱在军用通信中占有重要位置，因它不容易被敌方干扰。干扰信号是用来增加误码率或降低信噪比。CDMA 因
为要用许多码来发送一个字符从而需要较大的带宽，然后采用最小影响相干检测技术从与所需信号不相干的干扰信号中重建信 号。相干非相干识别十分有效，可以使所需的多个不同码信号的传输使用相同的频带而很少相互干扰。
Preceived = Eb Rb
7
2.4 卫星通信传输技术
在传输多路信号的卫星通信和其它系统中，需要采用多路通信技术。这些技术主要有，
FDMA 频分多路 SCPC 每信道独立载频 TDMA 时分多路 CDMA 码分多路或扩频
在图 2.3 中对多路通信技术进行了总结。 在 FDMA 和 SCPC 技术中，使用固定的频率信道来区分信号，这在大多数商业卫星通信中采用，如图 2.4 所示。新型系统 采用 TDMA 来区分信道码，如图 2.3b 所示，各数据时段所含的信息紧接在接入码后边。图 2.5 为这种卫星通信系统。TDMA 对
图 2.4 频分多路接入（FDMA）技术
10
移动通信中的多路技术
2.5 通信系统中的微波设备 2.5.1 地面系统
地面系统是最大的微波用户，图 2.6 是典型的地面接力通信系统。从发射机振荡器开始（典型值为 2GHz） ，信号经典型的 C 类双极晶体管放大，经变容管倍频器倍频，滤波后经由天线发射。在接收机中，信号首先通过滤波器、隔离器，再经混频器和 中频放大器将微波信号移至易于滤波和解调的频率和电平。在这其中使用固态 Gunn 振荡器提供用于下变频的本地振荡。
11
站完成。随着技术的进一步发展，希望将一些复杂的数据处理任务移至卫星上进行。
12
图 2.5 时分多路接入技术（TDMA）
图 2.6 典型的地面接力通信系统框图， a）发射机， b）接收机 （ （
13
14
图 2.7 卫星转发器类型。 a）单变频转发器； b）双变频转发器； c）数据重建转发器。 （ （ （ 其中：IF 中频；ACC 自动增益控制；LIM 限幅器；LO 本振。
2.3
调制技术
微波通信所发送的信息需要由发射机调制后发出。典型的模拟通信的调制是幅度调制（AM）和频率调制（FM） 。数据通信 。 采用相移键控调制（PSK）或频移键控调制（FSK） 振幅键控：在数据信号调制中也可采用幅调，这时通常称为振幅键控。振幅键控是指将数字信号“1”用一定振幅值的正弦 载波来表示，而将“0”用振幅为 0 的正弦波来表示。振幅键控是数字调制中最早出现、且最简单的方式。由于它的抗干扰噪声 能力差，故在实际数字通信中很少采用了。
15
图 2.8 Atlantic Intelsat V 卫星方向图。
16
图 2.9 典型大型地面站示意图。
17
2.6 通信链路公式
对地面站接力通信和卫星通信的性能分析需确定到达接收机端的信号和噪声电平以估计传输质量。这种用以估计信号电平 的技术称为链路公式。 从图 2.11 可看出，一个典型电视信号从进入地面站开始，再到卫星并从卫星转发器返回地面，最终离开另一个地面站，其 有效等效值含盖了从从最小 10-17W 到 109 W 的的动态范围（从 −170dBW 到超过 80dBW ） 。最大损耗出现在地面站与卫星之间这 段传输路程上。其中最大增益是由地面站天线产生的。在上行路线上，30 米直径的天线将信号强度升高大约 100 万倍，也就是 ， 从数百瓦的输出功率提升到数兆瓦的有效全向辐射功率（EIRP, Effective Isotropically Radiated Power） EIRP 表示在地面站如果 信号不是聚焦的而是全向均匀辐射时所需的发射功率。
利用分贝关系的逆公式，
X (dB) = 10 log10 (Y )
也即， Y = 10( X ( dB ) /10) ，求出
Pt = 10(86dB /10) = 108.6 = 4×108W
这与前面计算的结果完全相同。
2.6.2 天线增益
在前面的例子中曾说过，一个 30 米直径的抛物反射面天线的增益是 106 。天线增益是根据下式计算的，
6
图 相移键控调制方式及其频谱 由于相移键控方式在抗噪声性能及信道频带利用率等方面比振幅键控和频移键控优越，因而被广泛地应用于数字通信中， 目前包括移动通信和卫星通信在内的微波通信，大多以这种方式传输信号。如果相移键控值为载波相位的四分之一周期，则称 ，其信号相位分别取 0°，90°，180°和 270°。 之为 4 分相移键控（QPSK） 如果频移键控的发射载频与接收机中用于解调的振荡器是相干的，则称之为相干频移键控（Coherent FSK） 。相干系统在相 同的误码率情况下可以比非相干或差分相干系统获得较高的信噪比。在差分相干 PSK 中，接收机的振荡器是与 PSK 数据包相干 的，但相干性可能在数据包之间丢失。 在图 2.1 中的信噪比表示为 1 个 bit 信号的能量（最小信息单元）和与信号同时进入接收机检波级的噪声能量之比。能量 bit （Eb）可表示为 1 秒钟接收到的功率除以 bit 率（Rb） 。如果符号率是确定的（字符或数字） ，每个符号的 bit 数就能用来计算 bit 率，其数学表示为，
f = 以赫兹为单位的频率。
典型的天线效率范围从 0.6 到 0.65 。 以 d = 30m 为例， f = 10GHz = 1010 Hz ， c / f = 0.03m ， ρ = 0.6 ， A = π D 2 / 4 = 706.9m2 ，则计算出 G = 5.9×106 。
L = Pt / Pant ，并且 Pant = 0.8Pt ，得： L= Pt P = t = 1.25 Pant 0.8Pt
并给出增益 Gt = 1000, 000 = 106 ，则对 500W 发射机的 EIRP 为
PGt (500)(106 ) EIRP = t = = 4×108W 1.25 L
5
图 振幅键控调制方式及其频谱 频移键控：频移键控是用采用频率为 ω0 的载波来表示数字信号“ 0 ” ，用 ω0 + Δω 来表示数字信号“ 1 ” 。
图 频移键控调制方式及其频谱 相移键控：相移键控是指载波相位按基带数字脉冲信号的规律改变的调制方式。例如，二分相移键控（BPSK）采用 0 和 π 两个相位表示二进制数字，即数字信号“0”取 0 相位，数字信号“1”取 π 相位。
G=
4π Ae 4π Aρ = λ2 λ2
20
其中， Ae = 以平方米为单位的天线有效面积；
A = 天线反射器物理尺寸 = πd 2 / 4 ；
d = 以米为单位的天线直径；
ρ = 天线效率；
λ = 以米为单位的辐射波长 = c / f ；
c = 单位为米／秒的光速 = 3×108 m / s ；
2.6.1 等效全向辐射功率
上行 EIRP 利用图 2.12 的简化方框图进行计算。三个主要参数是功放输出功率 Pt ，波导与馈电损耗 L ，和发射天线增益 Gt 。 在这个公式中，损耗 L 是放大器输出功率 Pt 与馈源喇叭输出功率 Pant 之比。
L=
Pt Pant
之一值大于或等于 1。则 EIRP 为
第二章 微波通信系统
2.1
引言
自从 Samuel Morse 于 1844 年首次采用电报发送信息以来，就开始了电子通信的时代。随着信息量的不断增大，所占用的 频谱越来越宽。 无线电或微波通信起于 1895 年。这一年 Gualielmo分无线电频谱。在 20 世纪 50 年代，随着增加带宽的需要和在城市间铺设电缆成本的不断上升，许多通信公司转向了微波。在今天，几乎所有长途电 话、电视广播、以及移动通信和数据传输都与包含有微波通信的系统相关。在本书中，定义微波频率为从 1GHz 到数百 GHz 的 频率范围。其实，在 UHF 波段微波的特性就已经比较明显了，因此习惯上都将 300MHz 以上到数百 GHz 都划入微波技术适用 的范围。 电话、无线电、电视和数据通信都使用地面和卫星传输系统，这些传输系统必须是在视距范围而且在发射与接收之间没有 任何障碍物。微波通信设备天线通常放在中继塔上、架设在山顶上、或置于高层建筑上部，并且能够看到前一个和（或）后一 个天线。轨道卫星地面站通常设在低洼的地方，以减小其它地面微波发射设备对其接收微弱卫星信号所造成的影响。所接收到 的信号必须超过合成噪声和干扰功率。这个值用信噪比 S / N 来定义。 S / N 越低越难于重建所需的数据信息，因为数据通信中的 噪声会增加误码。 如图 2.1 所示为不同的调制方式下的误码率。 模拟电视信号的质量采用主观方法由观查者对电视信号的感觉来 确定，如图 2.2 所示。
将这些值转变为分贝或相对于 1W 的分贝数，我们得到：
Pt = 500W = 27 dBW Gt = 106 = 60dB L = 1.25 = 1dB
19
利用前面给出的关系，
EIRP = Pt ( dBW ) − L(dB ) + Gt (dB) = 27dBW −1dB + 60dB = 86dBW
1
图 2.1 二进制编码系统误码率—信噪比曲线
2
3
图 2.2 视频信号/噪声比观察估计
2.2 分贝 分贝数用来表示两个量之比，通常是放大器的输入输出功率之比，称为功率增益。
功率增益＝
Pout Pin
4
它的分贝数是
⎛P ⎞ Gain = 10 log10 ⎜ out ⎟ ⎝ Pin ⎠
dB
分贝是贝尔的十分之一，贝尔单位用 Alexander Graham Bell 命名的，它是人耳能分辨的大致变化单位。 某些值的分贝数很容易记住，例如，如果 Pout / Pin = 10 ，则 log10 (10) = 1 且增益为 10dB。如果 Pout / Pin = 2 ，则增益为 3dB。假 如在放大器不工作的情况下 Pout / Pin = 0.001 ，则增益（损耗）为 10 log10 (0.001) = −30dB 。