微波与卫星通信技术.ppt

第5章 微波与卫星通信技术 5.1数字微波通信的概述 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数字微波通信的概述 5.1.1数字微波通信的概念 微波是指频率在300MHz～300GHz范围内的电磁波 常用的范围是1～40GHz数字微波通信是指利用微 波(射频)作载波携带数字信息，通过无线电波空间进行 中继（接力）的通信方式目前使用较多的频段是2、4 、6、7、8和11 GHz 微波通信是无线通信的一种方式进行无线通信，发 信端需把待传信息转换成无线电信号，依靠无线电波在 空间传播收信端需把无线电信号还原出发信端所传信 息因此，在介绍微波中继通信前，应首先了解无线电 波及其特性 （一）无线电波和频段划分 无线电频段的划分如表5.1所示 表5.1 无线电波频段划分 频段名称频率范围波长范围 长波 中波 短波 超短波（特 高频） 30～ 300kHz 300～ 3000kHz 3～30MHz 30～ 300MHz 10000～ 1000m 1000～ 100m 100～ 10m 10～1m 微 波 分米 波 厘米 波 毫米 波 300MHz～ 3GHz 3～30GHz 30～ 300GHz 100～ 10cm 10～1cm 1cm～ 1mm 在无线电技术中，通常用频率（或波长）作为无线电 波最有表征意义的参量。

这是因为频率(或波长)相差很远 的无线电波，往往具有很不相同的性质，如传播方式，中 长波沿地面传播，绕射能力较强，而微波却只能在大气对 流层中直线传播，绕射能力很弱 一般说来，各个频段的无线电波都可以用作无线通信 所谓微波，一般是指频率为300MHz～300GHz(或波 长为1m～lmm)范围内的无线电波微”，就是该无线 电波的波长相对于周围物体的几何尺寸很短的意思 （二）微波通信的特点 微波通信具有下列特点： (1) 微波频段，受工业、天电和宇宙等外部干扰的影响很小 ，使微波通信的传输可靠性提高12GHz以下，受风雨冰雪 等恶劣气象条件的影响较小，可使微波通信的稳定度大大提 高 (2) 微波频段占有频带很宽，可以容纳更多的无线电设备工 作由表5.1可知，全部长、中、短波频段的总频带占有不 到30MHz，而微波仅厘米波的频带就占有27×103MHz ， 几乎是前者的103倍占有频带越宽，可容纳同时工作的无 线电设备越多信息容量大 (3) 微波射束在视距范围内直线、定向传播，天线的两站间 的通信，距离不会太远，一般为50km 5.1.2 微波传播特性 （一）自由空间的电波传播 1. 自由空间的概念 自由空间又称为理想介质空间，即相当于真空状态的理想空 间。

在此空间充满着均匀、理想的介质 2. 自由空间传播损耗 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，即总能量在传播过程没有被损耗掉 视距:以地球为圆心，地球半径R，在地球上的两点，高度分别为h和 h1,把（R+h）和（R+h1）两点连线，和地球弧面相切得切线叫做视 距！ 但是，电波在自由空间传播时，其能量会因向空间扩散 而衰耗这是因为电波由天线辐射后，向周围空间传播，到 达接收地点的能量仅是一小部分距离越远，接收点的能量 越小，如同一只灯泡所发出的光一样，均匀地向四面八方扩 散出去 这种电波扩散衰耗称为自由空间传播损耗传播损耗为： （5-1） 式中：d为收发天线的直线距离，m；f为发信频率，Hz；c为 光速度， ； 当距离以km为单位，频率以GHz为单位时 （5-2） 若频率以MHz为单位，则 （5-3） 3. 自由空间传播条件下收信电平的计算 实际使用的天线均为有方向性天线设收发天线增益分别 为 、 ；收发两端馈线系统损耗分别为 、 ；收 发两端分路系统损耗分别为 、 则在自由空间传播 条件下，接收机的输入电平为 （5-4） 例 已知发信功率为 ，工作频率 , 两站间 距离 , ， 求在自由空间传播条件下，接收机的输入电平和输入功 率。

解 由式（5-2）式得 再由式（5-4）可得（ ） 即 （二）地形地物对微波传播的影响 微波中继通信的电磁波主要在靠近地表的大气空间传 播，因而地形地物对微波电磁波会产生反射、折射、绕射 和吸收现象 1. 平坦地表对微波的反射 水面或平坦地面等地表对微波的反射，造成接收点的 场强是直射波和反射波的矢量和当收发天线足够高时， 可以认为直射波是自由空间波 2. 地表障碍物对微波视距传播的影响 地表障碍物是诸如丘陵、山头、树林和高大建筑物等 会阻挡电磁波视距传播的地物与自由空间传播相比，地 表障碍物对微波视距传播的影响表现为引入了阻挡损耗 （三）大气对微波传播的影响 由于微波中继通信的大气空间电磁波传播主要在对流层中 完成，因此讨论大气对微波传播的影响，实际就是讨论对流 层对微波传播的影响对流层对微波传播的影响主要表现在3 个方面：氧气分子和水蒸汽分子对电磁波的吸收；雨、雾、 雪等气象微粒对电磁波的吸收和散射；对流层结构的不均匀 对电磁波的折射当微波中继通信系统的工作频段在10GHz 以下时，前两个方面的影响不显著，只需考虑对流层折射的 影响；当工作频段在10GHz以上时，3个方面的影响都需考 虑。

（四）微波信号传输线路中的余隙概念 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5-1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从图5-1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 图5-1 地面反射和大气折射示意图 余隙的计算与等效地球半径系数k和第一菲涅尔区半径 (F1)有关其中，k主要随气象变化而受影响；F1与电波 反射波长、地面反射点距两微波天线距离等有关，其计算 公式为 （m）（5-5） 式中： 为微波工作波长 ，m ；d1为反射点离发射天线距 离，km；d2为反射点离接收天线距离，km；d为收、发 天线间距离 ，km 余隙的计算方法如下： 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，这时 k=2/3，hc≥0.3F1。

当地面反射系数较大时，线路(如水面、湖面、稻田等地区) ，余隙不能太小这时，余隙标准为 k=4/3(标准大气)， hc≥10F1 当k=∞(余隙较大)时，hc≤1.35F1因此 (5-6) （四）地面远距离微波通信 微波是一种波长很短的无线电波，它除了具有无线电波的 一般特性外，还具有其本身的特性，其中最主要的是具有类 似光的传播特性微波在自由空间只能像光波一样沿直线传 播，绕射能力很弱；在传播过程中遇到不均匀介质时，将产 生折射和反射现象地面上进行远距离微波通信需要采用“中 继”方式，这是因为： （1）地球是个椭球体，地面是个球面地面上某点发出的沿 直线传播的微波射束，经过一定地段后，就会离开地平线而 逐渐射向远方空间因此，在地平线以远的地点自然就接收 不到微波信号了欲实现地面上A、B两地间的远距离微波通 信，必须采用“接力”方式，如图5-2所示 图5-2 微波通信的中继方式 (2) 无线电波在空间传播过程中，能量要受到损耗频率越 高，衰减越大微波射束的能量，经过一定地段损耗后，将 大为减少因此，欲实现地面上A、B两地间的远距离微波通 信，也必须采用“接力”方式，逐段收发放大，最终到达远距 离收信端。

上述的“接力”就是“中继”微波中继通信也叫微波接力通 信例如，为了实现北京至上海之间的微波通信，必须在北 京和上海之间设置若干个中间接力站，每个中间接力站把上 一站发来的微波信号接收下来，放大等处理后，转发到下一 站，如此一站接续一站，最终到达上海(或北京)收信端 (五) 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 5.1.3 数字微波的使用与发展简况 数字微波通信起步于20世纪50年代，经过了20多年的历史 ，直到70年代初，才造成小容量、低频段的数字微波通信系统 70年代末得到了迅速发展，并形成了一个完整的 技术系统从实用化的70年代算起至今的30年中，调制方式 由(2PSK)的相移键控，发展到(1024QAM)的正交调幅方式 ，其频谱利用率大大提高目前由于新的调制方式及频带压缩 技术的使用，已使数字微波的频谱利用率大大提高传输一路 码流为64kb/s的数字，已能被压缩到与一路模拟(带 宽4KHz)所占用的信道频谱利用率相当。

进入90年代后，出 现了基于SDH的数字微波通信系统数字微波具有建站快、 成本低、不须铺设线路的特点，尤其适合于紧急通信、临时通 信、无线接入等用途 5.2 数字微波通信系统 5.2.1 数字微波通信系统的组成 一条数字微波通信线路由两端的终端站和若干个中间 站构成如图5-3所示 图5-3 数字微波通信系统方框图 下面以微波通信用于长途传输时，系统的简单工作 原理为例加以说明机相当于甲地的用户终端(即信源) ，人们讲话的声音通过机送话器的声/电转换作用，变 成电信号，再经过市内局的交换机，将电信号送到甲地 的长途局或微波端站经时分复用设备完成信源编码和 信道编码，并在微波信道机(包括调制机和微波发信机上完 成调制、变频和放大作用微波已调波信号经过中继站转发 ，到达乙地的长途局或微波端站乙地(收端)方框图中 与甲地对应的设备，其功能与作用正好相反而用户终端( 信宿)是机的受话器，并完成电/声转换 5.2.2 数字微波通信系统的主要技术 为了提高数字微波信道的传输质量和进一步提高频谱 利用率，对新技术的研制和使用可概括为如下几个方面： （一）多载频多电平调制技术 目前数字微波通信系统的4PSK、8PSK、16QAM及 64QAM调制方式设备中，一个波道的发信机(或收信机)只 使用一个载频(即射频)。

为了减小数字微波通信的多径衰 落，把传输频谱变窄是一种有效的方法因此提出了在 256QAM系统中采用多载频的传输方式例如采用4个载 频，使每个载频都用256QAM调制方式去传输100Mb/s 的信息，这样，一个波道的4个载频同时传送， 就可传输400Mb/s的信息了而其占用的频谱却与只用一个 载频传输100Mb/s占用的频谱相当同样，对于1024QAM 系统，一个波道可使用更多载频，使数字微波朝着既扩大容 量，又不占用较大的信道带宽方向发展 （二）干扰信号抵消技术 20世纪80年代中期，国外在数字微波通信系统中使用了 这种技术因干扰噪声是数字微波通信系统中一种主要噪声 ，所以当信道中存在干扰信号时，可设法把干扰信号提取出 来或用另外的方法由其它地方获得干扰信号，然后，加入 到原信道去抵消存在的干扰只要使提取的干扰信号与存在 的干扰电平相等、相位相反，就可使原信道中的干扰成分 大大减小，提高了信道的传输质量 （三）微波射频频率再用技术 长期以来，微波通信系统用于多波道工作时，在两个微 波站之间，往同一方向的多个发信频率(对应多个波道)间 要有一定的频率间隔例如我国4GHz、960路干线模拟微 波，波道间隔为29MHz。

为了提高数字微波通信系统的频 谱利用率，提出了射频频率再用方案，如图5-4所示 图5-。