数字微波传输系统.

微 波中继通 信
3 微波传输线路
3.1
在两个微波站间的电波传播我们称为微波信道或微波线路 (两站间的接力通道、 接力线路)。
它们之间存在衰减, 这种衰减可以按自由空间天线辐射能量 的衰落进行计算, 但其实际传播情况与两站内所处的环境、 自然 现象等有关。 如地面或山地的反射波, 雨、雾、雪等对电波的吸 收和散射、折射, 这些情况会引起电波的快衰落与慢衰落, 使对方 实际收到的电平要低十几至几十分贝。这些衰落还与频率高低有 关, 一般在无线电窗口(1～10 GHz)范围电波特性较好。
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微波通信基本概念
1. 微波通信是依靠空间电磁波来传递信息的一种通 信方式。 无线电磁波是以频率或波长来分类的, 波长与频 率的关系如下:
λ= C/f 式中, λ为电磁波波长(m);
C为电磁波传播速度3×108(m/s); f为电磁波频率(Hz)
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微波频段在较高频段, 通常人们所说的微波是指 频率在0.3～300 GHz范围的电磁波, 利用此频段 的电磁波来传递信息, 就称之为微波通信。
微波天线常用双反射面的抛物面天线(或卡塞格伦天线)。其主 反射面似一口大锅的抛物面，其抛物面中心(锅底)底部置馈源, 作为发送和接收电磁波信号的门户。
其馈线系统, 一般由波导和同轴电缆(工作频段在 2 GHz以下时) 组成。天线馈源与馈线是直接相连的, 微波信号天馈系统中还 要通过滤波、极化分离、极化旋转等多次变换, 这些滤波器、 极化器、匹配器等一般都是特殊的波导器件, 不同于传统的电 子器件。
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微波波段的划分
波段名称 波长
频率
应用范围
①中、小容量微波中继通信 分米波 1-0.1m 0.3-3GHz ②对流层散射通信
①大容量微波中继通信 厘米波 10-1cm 3-30GHz ②卫星通信
①再入大气层时的通信 毫米波 10-1mm 30-300GHz ②波导通信
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3.1 概 述
卫星通信是指利用人造地球卫星作为 中继站转发无线电信号，在多个地球站之 间进行的通信。由于作为中继站的卫星离 地面很高，所以经过一次中继转接之后即 可进行长距离的通信。用于实现通信目的 的这种人造地球卫星被称为通信卫星。卫 星通信是宇宙通信形式之一，采用的是微 波频段。
电磁波频率不同, 波长不同(频率越低, 波长越 长), 其空间传播的特性也不一样, 因而用途也 有不同。
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长波绕射能力最强, 靠地波传播, 常用于长波 电台进行海上通信。中波较稳定, 主要用于短 距离广播。短波利用了电离层反射进行远距离 传播, 主要用于短波通信和短波广播。
在短波传输时，由于电离层的变化, 信号起伏 变化较大, 接收信号时强时弱; 晚上电离层较 稳定,因此传播效果也较好, 信号较稳定; 在 听无线电广播时人们能体会到这一特性。
② 采用更复杂的纠错编码技术以降低系统误码率。
③ 网格编码调制及维特比检测技术。
④ 高性能、 全数字化的二维时域均衡技术。
⑤ 多载波的并联传输技术。
⑥ 采用多重空间分集接收、发端功放非线性预校正、 自适应正交极化干扰 消除电路等技术。
第三章 卫星通信系统
利用卫星进行通信的科学设想，是在 1945年由英国的克拉克首先提出的。但直至 1957年，前苏联发射了世界上第一颗人造地 球卫星，人们才真正看到实现卫星通信的希 望。1962年，美国成功地发射了第一颗通信 卫星,试验了横跨大西洋的电话传输。于是, 经过二十多年的探索和试验，卫星通信终于 跨入了实用阶段，渐渐走近我们的生活。
适 应
合
放
均
成
衡
前 置 中 放
收 信 混 频
抑 镜 滤 波
低 噪 声 放 大
微 波 滤 波 来自
上天线
检 本振 出 控 制 器 移相
来自
前 置 中 放
收 信 混 频
抑 镜 滤 波
低 噪 声 放 大
微 下天线 波 滤 波
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4
1. 抗衰落的技术 在前面讲到微波传送信道(线路)时提到了微波是视距、 沿 直线传播的。但是在传播路径上由于气象条件变化, 传播环境 的不同, 会产生各种对电波影响的情况, 使传送的电波随时间 而恶化衰落, 称之为时变恶化因素。主要表现在: ① 大气吸收衰耗(大气中氧分子、磁界极子、水蒸气分子 (H2O)等吸收电波能量; ② 雨、雾引起的散射衰耗; ③ 多经衰落, 电波通过地面反射、大气折射、气流变化的 散射等情况产生的电波衰落;
余隙要求:
当地面反射系数较小时，线路(山区、丘陵、城市、森林 等地区)天线不能太低, 否则会使大气折射电波向下弯曲。
当地面反射系数较大时，线路(如水面、 湖面、 稻田等 地区), 余隙不能太小。
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3. 3数字微波信道的干扰和噪声 微波线路的干扰主要来自天馈系统和空间传播 引入, 一般有回波干扰、交叉极化干扰、收发干扰、 邻近波道干扰、 天线系统同频干扰等。 噪声主要来自设备, 如收、 发信机热噪声以及 本振源的热噪声等。
• 其实，微波和无线电波均是电磁波，只是微波的频率 在300兆赫以上，而无线电波的频率在300兆赫以下。
2.1 数字微波通信系统
微波是指频率在300MHz至300GHz范围 内的电磁波。数字微波通信是指利用微波 携带数字信息，通过电波空间，同时传送 若干相互无关信息，并进行再生中继的通 信方式。
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第二章 数字微波传输系统
数字传输是以数字信号的形式传递消息，采 用时分复用方式实现多路通信。早期的数字传输 系统主要是数字微波通信系统，后来发展起来的 SDH系统是现代电信网中数字信号传输的基本模式 。计算机的普及使得数据传输越来越多，利用数 字信道传输数据信号成为一种新的电信业务，DDN 系统的诞生满足了这种业务的要求。
微波波长短, 接近于光波, 是直线传播, 这就要求两个 通信点(信号转接点)间无阻挡, 即所谓的视距通信。微 波通信除此之外, 还有以下特点:
① 工作的微波频段(GHz级别)频率高, 不易受天电、工 业噪声干扰及太阳黑子变化影响, 因此, 通信可靠性高。 由于波长短, 天线尺寸可做得很小, 通常做成面式天线, 增益高, 方向性强。特别在1～10 GHz频段(称为无线电 窗口的微波频段), 衰减、干扰, 以及自然条件等影响都 比较小。因此在微波通信以及在卫星通信中首先采用, 而且使用范围一般为C波段。(4/6 GHz)频段。
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4. SDH微波传输新技术 要使微波能传送更高速率的SDH数字传送模块, 达到STM-16以上, 就对微 波信道频谱利用率提出了极高的要求。 为满足这个要求, 必须研究一系列 的新技术：
① 提高调制的状态数及严格限带。为提高频带利用率, 一般采用多电平 QAM技术, 今后可能实现1024QAM/2048QAM或更高电平QAM调制技术。
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微波技术专题
• 微波技术是在第二次世界大战期间为了研制雷达而成 熟起来的。当大战将结束时，美国调整雷达的工程师 发现自己口袋里的巧克力经常熔化了！立刻明白，这 是电磁波对物质的作用所引起的，是和大功率电缆中 绝缘介质损耗发热是一回事。好奇心驱使他们用微波 装置作爆米花取得成功。这就是微波功率应用设备的 雏形。早在三十年代在调试大功率无线电发射机时， 常常发现苍蝇或昆虫干瘪的死在空心螺线管中，这些 偶然发现，明白的向人们启示了微波和无线电波均可 造成加热、干燥现象。
微 波 中 继 通 信 地面反射和大气折射示意图
收
大 气折 射
直射 波
大 气折 射
发
反 射波
hc
h2
h1
d1
d2
d km
图6.3 地面反射和大气折射示意图
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从图中可看出微波线路的余隙概念,它是指从地面最高点 (设为信号反射点)至收、发天线连线间的距离, 用hc来表示。 在设计天线高度时一定要有余隙的计算。
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微波中间站收到信号后经再处理, 使数字信号再生后 又恢复为微波信号向下一站再发送, 这样一直传送到 收端站, 收端站把微波信号经过混频、中频解调恢复 出数字基带信号, 再分路还原为原始的数字信号。
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2)
无线通信是通过天馈系统来发射和接收信号的, 微波通信也不 例外。由于微波频率高, 波长短, 因此使用的天线一般都采用面 式天线, 有喇叭天线、 抛物面天线、卡塞格伦天线等。
调制 解调 设备
微波
收发信 设备
微波 中继站
微波
收发信 设备
调制 解调 设备
时分 复用 设备
市内 电话局
用户 终端
甲地
市内 电话局
用户 乙地 终端
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2.
1)
数字微波通信系统由两个终端站和若干个中间站构成, 如图所示。它由发端站、中间站和收端站组成。
工作过程从上图可知, 如从甲地端站送来的数字信号, 经过数字基带信号处理(数字多路复用或数字压缩处理) 后, 经数字调制, 形成数字中频调制信号(70 MHz或140 MHz), 再送入发送设备, 进行射频调制变成为微波信 号, 进而送入发射天线向微波中间站(微波中继站)发送。
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微波中继通信是本世纪60年代开始发展 的，它弥补了电缆通信的缺点，可到达电缆 无法敷设的地区，且容易架设，建设周期短， 投资也低于同轴电缆。
随着数字通信的发展，数字微波成为微 波中继通信的主要发展方向。
尽管微波通信面临光纤通信的严重挑战， 但仍将是长途通信的一个重要传输手段。
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④ 自适应均衡技术: 这种均衡技术分为频域自动均衡和 时域自动均衡两种。
⑤ 交叉极化干扰补偿技术。
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2. 分集技术分为信号分集接收技术(在收信中选择质量好的 某一路作为输出, 有的也称倒换式分集)和室内分集技术 (这里主要指最大功率组合器与最小色散组合器有多重室 内分集)。
3. 非线性失真补偿技术一般采用功率回退法与功率合成法、 预畸变法、前馈法等。
② 微波通信又称接力通信或视距通信。这里视距 是指要“看得见”对方, 天线的两站间的通信, 距 离不会太远, 一般为50 km。
为了远距离传送信号, 微波通信就像人们进行接 力赛那样, 把信号一段一段地往前传送, 所以又称 为微波接力通信。
③ 微波频带宽, 传输信息容量较大。
数字微波系统组成
时分 复用 设备
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④ 微波频率选择的衰落等。
对于以上的衰落, 常采用以下几种抗衰落措施:
① 自动增益控制(AGC)技术: 这是在收信机中频中， 普 遍采用的抗衰落技术, 一般使用在中频放大器中。
② 频率分集技术: 采用两个或两个以上, 具有一定频率间 隔的微波频率, 同时发送和接收同一信息。
③ 空间分集技术: 在空间不同垂直高度设置几副天线, 同 时接收一个发射天线的微波信号, 然后合成或选择其中一个强 信号。 有几副接收天线就称几重分集。
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3.2
收、发两微波站间的电波传播, 受到电离层、 对流层及环 境的大气压力、温度、湿度等参数变化的影响。
在空间不同高度的波束, 其传播速度会发生变化, 当上层比 下层快时, 则电波射线往下弯曲, 当下层比上层传播快时则往上 弯曲, 如图所示。从图中看出，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。
微波是什么？
• 微波是频率为300MHz-300KMHz的电磁波，由于 微波的频率很高，所以也叫超高频电磁波。
• 微波的穿透能力如何？ 穿透能力就是电磁波穿入到介质内部的本领， 电磁波从介质的表面进入并在其内部传播时， 由于能量不断被吸收并转化为热能，它所携带 的能量就随着深入介质表面的距离，以指数形 式衰减。微波的加热深度比红外加热大得多， 因为微波的波长是红外波长的近千倍。红外加 热只是表面加热，微波是深入内部加热。
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数字微波通信的特点
1.频带宽干扰小 2.中继传输组网灵活 3.抗干扰性强 4.保密性好 5.便于组成数字通信 网
数字微波系统实例
发信设备的组成
中放 中频 信号
发信 混频
发信 本振
变容管 调频
单 向 器
滤 波 器
微波 功放
输出 功放
自动电 平控制
公务信号
分路 滤波
收信设备的组成
中频
自
输出
主 中
数字微波中继通信的概念
在终端设备中将各种信号先变换成 数字信号并合路成基带信号，然后将 基带信号的频谱搬移到微波频段, 并 以接力的形式进行视距传输的通信方 式。
中继传输方式
地面微波接力通信系统工作在46GHz，它通 过地面多座中继站在两地之间建立通信链路，相
邻中继站的距΢ 离²¨为ÖÐ视¼Ì距½Ó（约Á¦ 5Ïß0Km·）。