数字微波通信实现

数字微波通信实现
通信原理三级项目报告书
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2015年5月
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摘要 (3)
前言 (3)
一、方案论证 (3)
1.1.1光纤通信 (3)
1.1.2卫星通信 (4)
1.1.3微波通信 (9)
二、总方案设计 (10)
2.1.1方案确定：通过上述方案的比较，我们采用微波进行海
陆的音频和视频传输。

微波通信组成：天线、收发信机、调制
器、多路复用设备以及电源设备、自动控制设备 (10)
2.1.2微波通信工作流程： (10)
2.1.3信源编码功能：1）提高信息的传输效率2）完成A/D转
换数字化包含的主要过程：抽样、量化、编码 (10)
2.1.4 (10)
2.1.5 (11)
三、设备选型 (11)
3.1.1天线：天线的作用是把发信机(ODU)发出的微波能量定
向辐射出去，把接收下来的微波能量传输给收信机(ODU)常用
微波天线有抛物面天线和卡塞格仑天线。

国产微波天线直径一
般分为0.30.6.21.62.02.53.2m等；进口微波天线的直径一般
分为：0.30.61.21.82.43.0m等。

(11)
四、应用前景 (12)
五、心得体会： (12)
数字微波通信实现
摘要
本次通信原理三级项目要求同学们根据所设场景设计一个通信系统。

场景：AB两地海陆相距150km,采用合适的通信方式使得两地能够顺畅进行视频和音频通信。

要求通信尽可能的稳定，同时抗干扰能力尽可能强，同时通信费用应在合理区间。

对于海陆通信我们常用的通信方式有光纤通信、卫星通信和微波通信。

我们对这三种方式进行资料查阅，综合比较之后设计了本次三级项目要求的通信系统。

关键词：海陆通信视频、音频通信
前言
数字微波通信具有两大技术特征:①它所传送的信号是按照时隙位置分列
复用而成的统一数字流，具有综合传输的性质。

②它利用微波信道来传送
信息，拥有很宽的通过频带，可以复用大量的数字电话信号，可以传送电
视图像或高速数据等宽带信号。

由于微波电磁信号按直线传播，数字微波
(模拟微波也如此)通信可以按直视距离设站(站距约50千米)，因此，建设
起来比较容易。

特别在丘陵山区或其他地理条件比较恶劣的地区，数字微
波通信具有一定的优越性。

在整个国家通信的传输体系中，数字微波通信
也是重要的辅助通信手段。

一、方案论证
1.1.1光纤通信
光纤即为光导纤维的简称。

[1]是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。

从原理上看，构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。

光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外，在应用中，光纤常按用途进行分类，可分为通信用光纤和传感用光纤。

传输介质光纤又分为通用与专用两种，而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤，并常以某种功能器件的形式出现。

光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。

光纤通信的特点：
(1)通信容量大、传输距离远；一根光纤的潜在带宽可达20THz。

采用这样的带宽，只需一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕。

目前400Gbit/s系统已经投入商业使用。

光纤的损耗极低，在光波长为1.55μm附近，石英光纤损耗可低于0.2dB/km，这比目前任何传输媒质的损耗都低。

因此，无中继传输距离可达几十、甚至上百公里。

(2)信号干扰小、保密性能好；
(3）抗电磁干扰、传输质量佳，电通信不能解决各种电磁干扰问题，唯有光纤通信不受各种电磁干扰。

(4）光纤尺寸小、重量轻，便于铺设和运输；
(5）材料来源丰富，环境保护好，有利于节约有色金属铜。

(6）无辐射，难于窃听，因为光纤传输的光波不能跑出光纤以外。

(7)光缆适应性强，寿命长。

(8）质地脆，机械强度差。

(9）光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。

(10）分路、耦合不灵活。

(11）光纤光缆的弯曲半径不能过小（>20cm）
(12）有供电困难问题。

光纤通信与以往的电气通信相比，主要区别在于有很多优点：它传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长；线径细、重量轻，原料为石英，节省金属材料，有利于资源合理使用；绝缘、抗电磁干扰性能强；还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点，可在特殊环境或军事上使用。

1.1.2卫星通信
卫星通信：利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波，从而实现两个或多个地球站之间的通信。

人造地球卫星根据对无线电信号放大的有无、转发功能，有有源人造地球卫星和无源人造地球卫星之分。

由于无源人造地球卫星反射下来的信号太弱无实用价值，于是人们致力于研究具有放大、变频转发功能的有源人造地球卫星——通信卫星来实现卫星通信。

其中绕地球赤道运行的周期与地球自转周期相等的同步卫星具有优越性能，利用同步卫星的通信已成为主要的卫星通信方式。

不在地球同步轨道上运行的低轨卫星多在卫星移动通信中应用。

同步卫星通信是在地球赤道上空约36000km的太空中围绕地球的圆形轨道上运行的通信卫星，其绕地球运行周期为1恒星日，与地球自转同步，因而与地球之间处于相对精致状态，故称为禁止卫星、固定卫星或同步卫星，其运行轨道称为地球同步轨道（GEO）
在地面上用微波接力通通信系统进行的通信，因系视距传播，平均每2500km假设参考电路要经过每跨距约为46km的54次接力转接。

同步卫星与地球的相对关系图
卫星通信系统包括通信和保障通信的全部设备。

一般由空间分系统、通信地球站、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统等四部分组成，如图
1．跟踪遥测及指令分系统
跟踪遥测及指令分系统负责对卫星进行跟踪测量，控制其准确进入静止轨道上的指定位置。

待卫星正常运行后，要定期对卫星进行轨道位置修正和姿态保持。

2．监控管理分系统
监控管理分系统负责对定点的卫星在业务开通前、后进行通信性能的检测和控制，例如卫星转发器功率、卫星天线增益以及各地球站发射的功率、射频频率和带宽等基本通信参数进行监控，以保证正常通信。

3．空间分系统(通信卫星)
通信卫星主要包括通信系统、遥测指令装置、控制系统和电源装置(包括太阳能电池和蓄电池)等几个部分。

通信系统是通信卫星上的主体，它主要包括一个或多个转发器，每个转发器能同时接收和转发多个地球站的信号，从而起到中继站的作用。

4．通信地球站
通信地球站是微波无线电收、发信站，用户通过它接入卫星线路，进行通信。

卫星通信与其他通信方式相比较，有以下几个方面的特点：
①通信距离远，且费用与通信距离无关。

从图16.2中可见，利用静止卫星，最大的通信距离达18100km左右。

而且建站费用和运行费用不因通信站之间的距离远近、两通信站之间地面上的自然条件恶劣程度而变化。

这在远距离通信上，比微波接力、电缆、光缆、短波通信有明显的优势。

②广播方式工作，可以进行多址通信。

通常，其他类型的通信手段只能实现点对点通信，而卫星是以广播方式进行工作的，在卫星天线波束覆盖的整个区域内的任何一点都可以设置地球站，这些地球站可共用一颗通信卫星来实现双边或多边通信，即进行多址通信。

另外，一颗在轨卫星，相当于在一定区域内铺设了可以到达任何一点的无数条无形电路，它为通信网络的组成，提供了高效率和灵活性。

③通信容量大，适用多种业务传输。

卫星通信使用微波频段，可以使用的频带很宽。

一般C和Ku频段的卫星带宽可达500～800MHz，而Ka频段可达几个GHz。

④可以自发自收进行监测。

一般，发信端地球站同样可以接收到自己发出的信号，从而可以监视本站所发消息是否正确，以及传输质量的优劣。

⑤无缝覆盖能力。

利用卫星移动通信，可以不受地理环境、气候条件和时间的限制，建立覆盖全球性的海、陆、空一体化通信系统。

⑥广域复杂网络拓扑构成能力。

卫星通信的高功率密度与灵活的多点波束能力加上星上交换处理技术，可按优良的价格性能比提供宽广地域范围的点对点与多点对多点的复杂的网络拓扑构成能力。

⑦安全可靠性。

事实证明，在面对抗震救灾或国际海底/光缆的故障时，卫星通信是一种无可比拟的重要通信手段。

即使将来有较完善的自愈备份或路由迂回的陆地光缆及海底光缆网络，明智的网络规划者与设计师还是能够理解卫星通信作为传输介质应急备份与信息高速公路混合网基本环节的重要性与必要性。

卫星通信与其他通信方式相比较，有以下几个方面的特点：
①通信距离远，且费用与通信距离无关。

从图16.2中可见，利用静止卫星，最大的通信距离达18100km左右。

而且建站费用和运行费用不因通信站之间的距离远近、两通信站之间地面上的自然条件恶劣程度而变化。

这在远距离通信上，比微波接力、电缆、光缆、短波通信有明显的优势。

②广播方式工作，可以进行多址通信。

通常，其他类型的通信手段只能实现点对点通信，而卫星是以广播方式进行工作的，在卫星天线波束覆盖的整个区域内的任何一点都可以设置地球站，这些地球站可共用
一颗通信卫星来实现双边或多边通信，即进行多址通信。

另外，一颗在轨卫星，相当于在一定区域内铺设了可以到达任何一点的无数条无形电路，它为通信网络的组成，提供了高效率和灵活性。

③通信容量大，适用多种业务传输。

卫星通信使用微波频段，可以使用的频带很宽。

一般C和Ku频段的卫星带宽可达500～800MHz，而Ka频段可达几个GHz。

④可以自发自收进行监测。

一般，发信端地球站同样可以接收到自己发出的信号，从而可以监视本站所发消息是否正确，以及传输质量的优劣。

⑤无缝覆盖能力。

利用卫星移动通信，可以不受地理环境、气候条件和时间的限制，建立覆盖全球性的海、陆、空一体化通信系统。

⑥广域复杂网络拓扑构成能力。

卫星通信的高功率密度与灵活的多点波束能力加上星上交换处理技术，可按优良的价格性能比提供宽广地域范围的点对点与多点对多点的复杂的网络拓扑构成能力。

⑦安全可靠性。

事实证明，在面对抗震救灾或国际海底/光缆的故障时，卫星通信是一种无可比拟的重要通信手段。

即使将来有较完善的自愈备份或路由迂回的陆地光缆及海底光缆网络，明智的网络规划者与设计师还是能够理解卫星通信作为传输介质应急备份与信息高速公路混合网基本环节的重要性与必要性。

卫星通信的主要优点概述如下：
1、通信距离远：在卫星波束覆盖区域内，通信距离最远为13000公里；
2、不受通信两点间任何复杂地理条件的限制；
3、不受通信两点间任何自然灾害和人为事件的影响；
4、通信质量高，系统可靠性高，常用于海缆修复期的支撑系统；
5、通信距离越远，相对成本越低；
6、可在大面积范围内实现电视节目、广播节目和新闻的传输和数据交互；
7、机动性大，可实现卫星移动通信和应急通信；
8、信号配置灵活，可在两点间提供几百、几千甚至上万条话路和中高速的数据通道
9、易于实现多地址传输；
10、易于实现多种业务功能。

卫星通信的缺点
1、传输时延大：500毫秒~800毫秒的时延；
2、高纬度地区难以实现卫星通信；
3、为了避免各卫星通信系统之间的相互干扰，同步轨道的星位是有一点限度的，不能无限制地增加卫星数量；
4、太空中的日凌现象和星食现象会中断和影响卫星通信；
5、卫星发射的成功率为80%，卫星的寿命为几年到十几年；发展卫星通信需要长远规划和承担发射失败的风险。

1.1.3微波通信
微波通信使用波长为1m至0.1mm(频率为0.3GHz~3THz)的电磁波进行的通信。

包括地面微波接力通信、对流层散射通信、卫星通信、空间通信及工作于微波波段的移动通信。

微波通信具有可用频带宽、通信容量大、传输损伤小、抗干扰能力强等特点，可用于点对点、一点对多点或广播等通信方式。

由于微波的频率极高，波长又很短，其在空中的传播特性与光波相近，也就是直线前进，遇到阻挡就被反射或被阻断，因此微波通信的主要方式是视距通信，超过视距以后需要中继转发。

一般说来，由于地球曲面的影响以及空间传输的损耗，每隔50公里左右，就需要设置中继站，将电波放大转发而延伸。

这种通信方式，也称为微波中继通信或称微波接力通信。

长距离微波通信干线可以经过几十次中继而传至数千公里仍可保持很高的通信质量。

微波传播特点：
微波站的设备包括天线、收发信机、调制器、多路复用设备以及电源设备、自动控制设备等。

为了把电波聚集起来成为波束,送至远方，一般都采用抛物面天线，其聚焦作用可大大增加传送距离。

抛物面天线是一种将在电磁波谱上的超高频/特高频用于无线电、电视、数据通讯的高增益反射天线，也常被用来做无线电定位(雷达)。

微波通信中电波所涉及的媒质有地球表面、地球大气(对流层、电离层和地磁场等)及星际空间等。

按媒质分布对传播的作用可分为:连续的(均匀的或不均匀的)介质体，如对流层，电离层等，及离散的散射体，如雨滴、冰雷、飞机及其它飞行物等。

微波通信中的电波传播，可分为视距传播及超视距传播两大类。

视距传播时，发射点和接收点双方都在无线电视线范围内，利用视距传播的有地面微波接力通信、卫星通信、空间通信及微波移动通信。

其特点是信号沿直线或视线路径传播，信号的传播受自由空间的衰耗和媒质信道参数的影响。

如地-地传播的影响包括地面、地物对电波的绕射、反射和折射、特别是近地对流层对电波的折射、吸收和散射;大气层中水气、凝结体和悬浮物对电波的吸收和散射。

它们会引起信号幅度的衰落，
多径时延，传波角的起伏和去极化(即交叉极化率的降低)等效应。

在地-空和空-空视距传播中，主要考虑大气和大气层中沉降物的影响，而地面、地物和近地对流层对地-空、空-空传播的影响则比对地面视距传播的影响小，有时可以忽略不计。

对流层超视距前向散射传播是利用对流层近地折射率梯度及介质的随机不连续性对入射无线电波的再辐射将部分无线电波前向散射到超视距接收点的一种传播方式。

前向散射衰耗很大，且衰落深度远大于地面视距微波通信，从而使可用频带受到限制，但站距则可远大于地面视距通信。

微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。

对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。

对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。

而对金属类东西，则会反射微波。

二、总方案设计
2.1.1方案确定：通过上述方案的比较，我们采用微波进行海
陆的音频和视频传输。

微波通信组成：天线、收发信机、
调制器、多路复用设备以及电源设备、自动控制设备
2.1.2微波通信工作流程：
2.1.3信源编码功能：1）提高信息的传输效率2）完成A/D
转换数字化包含的主要过程：抽样、量化、编码
2.1.4
（1）抽样
按等时间进行样本抽取。

模拟信号通过被抽样，成为离散模拟信号，也即模拟信号。

（2）量化
所谓量化，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。

（3）编码
编码即将量化后的信号进行编码，形成数字信号编码。

以往通信常用曼彻斯特编码的方式。

鉴于曼彻斯特编码的利用率太低，只有50%。

在此我们可采用4B/5B 编码的方式。

4B/5B 编码即用5bit 的二进制码来代表4bit 的二进制。

4位二进制有16种组合，5位二进制有32种组合。

我们怎样从32位二进制码中选取16位码呢？在此编码时必须满足两个规则：
1）每5个bit 码组中不多于3个0
2）每5个bit 码组中不少于2个0
2.1.5
在数字微波通信中，我们常采用相移键控的方式进行数字信号的调制。

在中小容量的通信中，我们常采用四相移相键控（QPSK ）的调制。

四相相移调制是利用载波的四种不同相位差来表征输入的数字信息，是四进制移相键控。

QPSK 是在M=4时的调相技术，它规定了四种载波相位，分别为45°，135°，225°，315°。

三、 设备选型
3.1.1 天线：天线的作用是把发信机(ODU)发出的微波能量定向辐射出去，把接收下来的微波能量传输给收信机(ODU)常用微波天线有抛物面天线和卡塞格仑天线。

国产微波天线直径一般分为
0.30.6.21.62.02.53.2m 等；进口微波天线的直径一般分为：0.30.61.21.82.43.0m 等。

（1）天线增益
增益是天线的一重要参数。

在天线尺寸一定的情况下，天线增益大小直接反映了天线效率的高低。

在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比：
)lg(101
2p p G
（2）半功率角（3dB 波束宽度）
从主瓣方向向两边偏离，当偏离至功率下降一半的点，该点称为半功率点。

两个半功率点之间的夹角为半功率角。

（3）交叉极化鉴别率（XPD ）
交叉极化鉴别率（XPD ）的定义是指当发射天线只发射一个极化的信号时，在接收天线所接收到的同极化信号电平和正交极化信号电平之比。

要求XPD 高是为了抑制从正交极化信号来的干扰。

式中 --对正常极化波的接受率
--对异极化波的接受率
（4）天线防卫度
天线防卫度是指天线对某方向的接收能力相对于主瓣方向的接收能力的衰减程度。

对180方向的防卫度也叫前背比，在微波通信中是一个很主要的指标。

（5）电压驻波比
天线与馈线连接阻抗要匹配，输入端驻波比一定要小。

一般天线的驻波比在1.05～1.2之间。

四、 应用前景
随着技术的不断发展，除了在传统的传输领域外，数字微波技术在固定宽带接入领域也越来越引起人们的重视。

工作在28GHz 频段的MDS （本地多点分配业务）已在发达国家大量应用，预示数字微波技术仍将拥有良好的市场前景。

五、 心得体会：
通过这次的三级项目，让我们在查找资料自主设计通信系统的方面有了很大进步，虽然我们的设计很稚嫩，但这又不得不说是我们进步的标志。

如果潜心搞这方面的学习与研究我相信我们中肯定有人会脱颖而出的，
课程改革，使我们在学习态度和认识方法上有很大的转变，在平时学些过程中，对所学知识总是不求甚解，对一些概念，仅仅是死记硬背没有深入理解，分析问题也总是停留在表面，通过这次的锻炼，让我们能够结合所学知识深入了解了课本的知识，对以后我们分析问题和解决问题的能力的提高有很大帮助。

x p p XPD /lg 100 0p 1p。