第6章微波通信传输信道的特征剖析.ppt

第六章 微波通信传输信道的特征,,2/57,内容提要,微波中继传输系统及其应用 微波传播路径 微波传输线路噪声及参数计算,3/57,6.1 微波中继传输系统及其应用,微波中继传输系统概述 微波传输系统中的天馈线 微波中继传输系统的应用,4/57,6.1.1 微波中继传输系统概述,微波是电磁波频谱中无线电波的一个分支，它是频率很高且波长很短的一个无线电波段，通常指频率范围在300MHz~300GHz或波长在1m~1mm之间的无线电波在微波波段中，还可以划分为分米波、厘米波和毫米波，其中厘米波是目前开发最成熟和应用最广的波段 地面微波接力通信 微波一点多址通信 卫星通信 微波散射通信,5/57,6.1.1 微波中继传输系统概述,1.数字微波中继传输系统组成 通信的容量大 投资费用省（约占电缆投资的五分之一） 建设速度快 抗灾能力强 80年代至90年代发展起来的一整套高速多状态的自适应编码调制解调技术与信号处理及信号检测技术的迅速发展，更加促进了微波及相关无线通信技术的发展,6/57,6.1.1 微波中继传输系统概述,数字微波中继传输系统组成 调制是将基带信号对微波载波或中频进行调制，解调是调制的逆过程。

发射机将已调信号功率放大后馈送给发射天线发射出去；接收机将受空间传输衰减后的微弱信号进行放大、混频、滤波等处理 分路系统（或称双工器）实现发射和接收共用一副天线 天馈线系统由天线及其馈线完成由发射机发出的微波能量定向辐射出去，或把定向接收下来的微波能量传输给接收机,7/57,6.1.1 微波中继传输系统概述,微波传输线路 终端站：处于线路两端或分支线路终点的站称为终端站，上、下全部活路 中间站：线路中的中间转接站，只负责对两个方向信号的转发，而不进行上下话路的操作 分路站：处路中间，上下部分话路 主站或枢纽站：承担三个以上力向的信号转接任务的分路站,8/57,,3.微波传输系统的频率配置 在一个中间站，一个单向波道的收信和发信必须使用不同频率，而且有足够大的间隔，以避免发送信号被本站的收信机接收到，使正常的接收信号受到干扰 多波道同时工作时，相邻波道频率之间必须有足够的间隔，以免互相发生干扰 整个频谱必须紧凑，使给定的频段可以得到充分有效的利用 因微波天线和天线塔建设费用很高，多波道系统要设法共用天线所以选用的频率配置方案应有利于天线共用，达到天线建设费用低，又能满足技术指标的目的 对于外差式收信机，不应产生镜像干扰，即不允许某一波道的发信频率等于其他波道收信机的镜像频率。

6.1.1 微波中继传输系统概述,9/57,多波道二频制的频率配置方案： 当一个站上有多个波道工作时，为了提高频带利用率，对一个波道而言，宜采用二频制即两个方向的发信使用一个射频频率，两个方向的收信使用另外一个射频频率6.1.1 微波中继传输系统概述,10/57,6.1.1 微波中继传输系统概述,,3.微波传输系统的频率配置 在微波频段的使用方面，必须遵照CCIR的建议和各国无线电管理委员会的规定11/57,6.1.1 微波中继传输系统概述,4.微波传输系统的特点 通信容量大：微波频段的频带很宽，多路复用可以容纳更多话路工作设相对通频带为10％，当载频为2MHz时，绝对通频带为200kHz；当载频为2GHz时，绝对通频带为200 MHz 传输质量高：微波波段受工业、天电和宇宙等外部干扰影响很小，所以其信道参数变化也很小，而且微波波段内波束以直线定向传播，可以采用高增益定向天线，质量较高，通信稳定，并且具备较好的保密性12/57,6.1.1 微波中继传输系统概述,接力通信：由于地球是圆的，使得地球上两点（两个微波站）间不被阻挡的距离有限，为了可靠通信，一条长的微波中继线路就要路中间设若干个中继站，采用接力的方式传输信息，如图6-5所示。

方便灵活，成本较低：微波通信与其他波长较长的无线通信以及电缆通信相比，能较方便地克服地形带来的不便，有放大的灵活性，并且成本较低，可以节省有色金属，施工也较快由于微波频率高，故其波长短微波通信一般使用面式天线，当面式天线的口径面积给定时，其增益与波长的平方成反比，故微波通信很容易制成高增益天线13/57,6.1.2 微波传输系统中的天馈线,从微波中继传输系统组成，可看出它与其他的传输系统类似，所不同的是天馈线系统下面重点讨论微波天馈线结构原理 在微波雷达、微波通信设备中最通用的定向天线是抛物面天线和卡塞格林（双曲面形）天线，它们由辐射器（馈源）和金属反射面组成另外还有喇叭天线、微带天线和智能天线14/57,6.1.2 微波传输系统中的天馈线,数字微波天馈线系统结构,天馈线系统的结构,15/57,6.1.2 微波传输系统中的天馈线,抛物面天线 抛物面天线结构及坐标关系原理图，如图7-5所示 由图可知从焦点F发射的电波经抛物反射后，反射波都平行OF轴的方向沿Z向传播，即馈源在焦点F所发出的波在抛物面反射后成为一束平行波，且反射波到达基准面AA’的路径相等（即等相面）由于抛物面天线的这种聚焦作用，可实现把能量集中在一个方向发射出去。

16/57,6.1.2 微波传输系统中的天馈线,抛物面天线,（a）结构,（b）坐标关系原理图,抛物面天线及原理图,20151030 卓越,17/57,6.1.2 微波传输系统中的天馈线,卡塞格林天线 卡塞格林天线结构及坐标关系原理图，如图7-6所示 卡塞格林双反射面天线是有主反射面、副反射面和辐射器（源）三个部分构成：主反射面是一个抛物面，其焦点F；副反射面是一个双曲面，位于主反射面的焦点与顶点之间，双曲面有两个焦点一个虚焦点C与F重合，辐射器放置在另一个实焦点C’上；辐射器通常采用喇叭形状 这种天线经过副反射面和主反射面的连续反射，把辐射器辐射的球面波形变成天线口面向外辐射的平面波束18/57,6.1.2 微波传输系统中的天馈线,卡塞格林天线示意图,（a）结构,（b）坐标关系原理图,19/57,6.1.2 微波传输系统中的天馈线,由图可知其双曲线有两个卡塞格林天线要用的特征： ①双曲线上任意一点P至两焦点（C’、C）距离之差等于常数，即 ②双曲线上任一点P的法线PN与CP延长线的夹角α等于PN与PC’的夹角β，即α=β双曲线几何关系,20/57,6.1.2 微波传输系统中的天馈线,数字微波中继传输系统组成 卡塞格林天线的几何关系是：如果把双曲面的焦点C与抛物面的焦点F重合在一起，同时把辐射源放在C’上，则由辐射源发的电波将按如下几何关系前进： ①从辐射源发出的射线C’照在双曲面P上，在双曲面上反射，其反射角α=β，此反射线再经抛物面的二次反射，使反射波以平行射束的方式沿Z轴行进。

②双曲线上任一点的反射波似乎都是由C点发出的 一样，也就是相当于从抛物面的焦点发出的一 样只是因为 ，相当于全部射线多走 了2a长度的行程而已21/57,6.1.3 微波中继传输系统的应用,,,微波应用主要分为两大类： 一类是以微波作为信息载体，主要应用在雷达、导航、通信、遥感等领域； 另一类是利用微波能，主要用在微波加热、微波生物医学及电量非电量的检测等领域 微波作为信息载体的微波传输系统的应用主要有PDH微波传输系统和SDH微波传输系统： PDH微波传输系统——小容量系统 SDH微波传输系统——大容量系统 目前，SDH微波传输系统是微波传输系统最典型的应用22/57,6.1.3 微波中继传输系统的应用,微波中继传输系统在电信网中的应用 微波中继传输作为通信网的一种传输方式，可以同其他传输方式一起构成整个通信传输网，如图7-8所示，微波、光纤、卫星一体的传输组网方式图7-8 微波中继传输系统在全网中位置,23/57,微波中继传输系统在移动通信网中的应用 在移动通信系统中，微波传输可应用在两个地方：一是基站收发信台和基站控制器之间，二是基站控制器和移动交换机之间如图7-9所示。

6.1.3 微波中继传输系统的应用,图7-9 微波中继传输在移动通信网中的应用,24/57,6.2 微波中继的传输线路,地面对微波传播的影响 大气对微波传播的影响 微波线路设计 地面凸起高度与天线高度,25/57,地面对无线电波传播的影响,地面对无线电波传播的影响，主要有直射、反射、绕射和地面散射 地面上的障碍物，如山头、森林和高大建筑物等可阻挡无线电波射线，使无线电波绕过障碍物向非接收方向传播，进而使接收的无线电波信号能量大大减小26/57,地面对无线电波传播的影响,菲涅耳区的原理及其概念 路径中刃形障碍物的阻挡损耗 地面反射对接收电平的影响,27/57,菲涅耳区的原理及其概念,惠更斯原理：一点波源的振动可传递给邻近质点，使其成为二次波源当点源发出球面波时，二次波源产生的波前也是球面，三次、四次··波也是如此28/57,惠更斯原理-1,图中T为发射天线，视为点源，它发出球面波把波前分解为许多面积元，点源T在接收处R产生的场强,便是许多面积元在R处产生的场强之矢量和尽管T与R之间有障碍物，但不能挡住所有面积元，在R处仍可收到一定的场强29/57,惠更斯原理-2,由解析几何知，球面上一动点P至两定点T、R的距离之和为常数时，此动点轨迹为椭球体。

在讨论微波传播时，若该常数为：d＋λ/2，则得到的椭球面称为第一菲涅尔椭球面,式中d＝|TR| 若该常数为： d＋nλ/2，n=1,2,3…… 则得到第n费涅尔椭球面,30/57,惠更斯原理-3,20151028 广电,31/57,,第n菲涅尔区的半径Fn-1,第n菲涅尔区边界的某个点P到TR连线的距离为第n菲涅尔区的半径Fn.,Fn,32/57,第n菲涅尔区的半径Fn-2,因第n菲涅尔区定义: TP+PR=d+nλ/2， 所以:,当n=1,第1菲涅尔区的半径,33/57,显然，P点位置不同时，Fn亦不相同当P路中点时（d1=d2=d/2时），Fn最大，用Fnm表示第n菲涅尔区的半径Fn-3,所以,34/57,费涅尔区对电波传播的影响,图中T点发射的球面波向R方向传播由菲涅尔区定义可知，经过各菲涅尔区端点 P1、P2、P3…的电波射线TP1R、TP2R、TP3R…依次相差λ/235/57,费涅尔区对电波传播的影响-2,各相邻费涅尔区在R处产生的电波场强相位相差180º，即第二费涅尔区在R处产生的电波场强与第一费涅尔区的反相，第一费涅尔区的电波场强与第三费涅尔区的同相 各费涅尔区面积相等，但是由于到R点距离不同，故在R处产生的场强不等，近似为等差数列，其中第一费涅尔区产生的场强最大为E1,36/57,费涅尔区对电波传播的影响-3,37/57,费涅尔区对电波传播的影响-4,在自由空间，并不是所有费涅尔区的能量都使R处的场强增大，而是相互干涉，偶数区的抵消奇数区的，最后结果是R处从所有费涅尔区的得到的场强大致等于第一费涅尔区在R处产生场强之半。

38/57,路径中刃形障碍物的阻挡损耗-1,障碍物顶部至TR线的垂直距离hc称为余隙 障碍物在TR线之下时， hc为正值, 称为正余隙 障碍物的顶部在TR线以上时， hc为负值, 称为负余隙,39/57,用费涅尔区解释阻挡物的影响-2,如果余隙hc=h0=0.577F1时，阻挡引起损耗正好是0dB，即路径损耗正好是自由空间损耗，所以h0称为自由空间余隙,40/57,用费涅尔区解释阻挡物的影响-3,若余隙hc大于h0，路径损耗随hc的增加略有波动，最终稳定在自由空间损耗上 若余隙hc小于h0 ，那么随着hc的减小，路径损耗急剧增加 微波链路设计时，首先要保证自由空间余隙内没有任何障碍物在实际中往往要求在第一菲涅尔区内不存在任何障碍物41/57,例题,已知在自由空间传输条件下接收机的收信功率P=-35dBm，在传输途中有如图5-7所示的刃形障碍物，且hc=0，求此时接收功率电平解： hc=0时，查图得：L=6dB 此时接收功率：P=-35-6=-41dBm,42/57,地面反射。