1、第5章 数字微波通信系统p5.1 概述p5.2 微波的传输特性p5.3 数字微波通信系统5.1 概述5.1.1 微波通信的基本概念一、微波的频率p频率在300MHz到300GHz（波长为1m到1mm）范围内的电磁波称为微波，如表5.1所示。波段名称波长范围频率名称频率范围代号长波101km低频30kHz300kHzLF中波1000100m中频300kHz3MHzMF短波10010m高频3MHz30MHzHF超短波101m甚高频30MHz300MHzVHF微波分米波101dm特高频300MHz3GHzUHF厘米波101cm超高频3GHz30GHzSHF毫米波101mm极高频30GHz300GHz
2、EHF表5.1 电磁波频谱p由表5.1可见，分米波、厘米波、毫米波统称为微波，微波也是一种电磁波，和光波一样都是由电场和磁场组成的，只是频段不同。微波是指频率为300MHz300GHz的电磁波，其所对应的波长为1m1mm。由于各波段的传播特性不同，因此可用于不同的通信系统。例如中波主要沿地面传播，绕射能力强，适用于广播和海上通信，短波具有较强的电离层反射能力，适用于环球通信；超短波和微波绕射能力差，可作视距或超视距中继通信，这里主要讨论微波的特性及通信系统二、微波通信p利用微波作为传输媒介的通信方式，称为微波中继通信（Microwave Radio Relay Communication）。由
3、于微波具有与光波相似的沿直线传播的特性，通常只能在两个没有障碍的点间（视线距离内）建立点对点通信，故称为视距通信。如要在超视距的两个点或多点间建立微波通信，必须采用中继方式。为此，可采用多个微波接力站实现中继，或采用对流层的散射实现中继，或采用卫星实现微波中继。三、微波通信的常用频段p微波既是一个很高的频率，同时也是一个很宽的频段，在微波通信中所使用的频率范围一般在1GHz40GHz，如表5.2所示L波段1.02.0GHzC波段4.08.0GHzS波段2.04.0GHzx波段8.012.4GHzKu波段12.418GHzK波段1826.5GHz表5.2 微波通信的常用频段四、微波通信的起源和发
4、展p微波技术是第二次世界大战期间围绕着雷达的需要发展起来的，由于具有通信容量大而投资费用省、建设速度快、安装方便和相对成本低、抗灾能力强等优点而得到迅速的发展。20世纪40年代到50年代产生了传输频带较宽，性能较稳定的模拟微波通信，成为长距离大容量地面干线无线传输的主要手段，其传输容量高达2700路，而后逐步进入中容量乃至大容量数字微波传输。80年代中期以来，随着同步数字序列（SDH）在传输系统中的推广使用，数字微波通信进入了重要的发展时期。p目前，单波道传输速率可达300Mbit/s以上，为了进一步提高数字微波系统的频谱利用率，使用了交叉极化传输、无损伤切换、分集接收、高速多状态的自适应编码
5、调制解调等技术，这些新技术的使用将进一步推动数字微波通信系统的发展。因此，数字微波通信和光纤通信、卫星通信一起被称为现代通信传输的三大支柱。p我国第一条微波中继通信线路是60年代初开始建立的。目前已试制成功2，4，6，8，11GHz等多个频段的各种容量的微波通信设备，并正在向数字化、智能化、综合化方向迅速发展五、微波通信系统的分类根据所传基带信号的不同，微波通信系统可以分为两大类1、模拟微波通信系统p模拟微波通信系统采用频分复用（FDM）方式来实现多个话路信号的同时传输，合成的多路信号再对中频进行调频。因此，最典型的微波通信系统的制式为FDM-FM。模拟微波通信系统主要传输电话和电视信号，较广
6、泛的应用与除电信部分以外的石油、电力、铁道等部门，主要用来建立专线，传输本部门内部的遥控、遥测信号和各种业务信号。2、数字微波通信系统p在数字微波通信系统中，模拟的语言和视频信号首先被数字化，然后采用数字制式的方式，通过微波载波进行传输。为了扩大传输容量和提高传输效率，数字微波通信系统通常要将若干个低次群数字信号以时分复用（TDM）的方式合成为一路高速数字信号，然后再通过宽带信号传输。5.1.2 数字微波通信的特点及应用一、微波通信的主要特点1、微波频段频带宽，传输容量大p微波频段有近300GHz的带宽，占据了分米波、厘米波和毫米波三个波段，通信的容量比较大。2、适于传输宽频带信号p与短波、甚
7、短波通信设备相比，在相同的相对同频带下，载频越高，通频带越宽。例如，相对通频带1%，当载频为4MHz时，通频带为40kHz；而当载频为4GHz时，通频带为40MHz。因此，一套短波通信设备一般只能容纳几条话路，而一套微波通信设备可容纳成千上万条线路同时工作。3、天线的增益高，方向性强p由于微波的波长很短，因此很容易制成高增益天线。另外，微波频段的电磁波具有近似光波的特性，因而可以利用微波天线把电磁波聚集成很窄的波束，制成方向性很强的天线。4、外界干扰小，通信线路稳定p天电干扰、工业噪声和太阳黑子的变化对短波和频率较低的无线电波影响较大，而微波频段频率较高，不易受以上外界干扰的影响，通信的稳定性
8、和可靠性得到了保证。而且，微波通信具有良好的抗灾性能，对水灾、风灾以及地震等自然灾害，微波通信一般都不受影响。5、采用中继传输方式p微波波段的电磁波频率很高，波长较短，在自由空间传播时是沿直线传播的，就像视线一样。图5.1 微波中继传输二、数字信号微波传输的主要特点p数字微波通信既具有数字通信的特点，又具有上述微波通信的特点。由于传输的是数字信号，所以数字微波通信系统具有的特点包括：1、抗干扰能力强，线路噪声不会积累2、便于加密，保密性强3、终端设备采用大规模集成电路，所以设备的体积小，重量轻，功率低。三、数字微波通信系统的应用1、干线光纤传输的备份及补充p点对点的SDH微波、PDH微波主要用
9、于干线光纤传输系统在遇到自然灾害时的紧急修复，以及由于种种原因不适合使用光纤的地段和场合。例如，在1976年的唐山大地震中，在京津之间的同轴电缆全部断裂的情况下，六个微波通道全部安然无恙；九十年代的长江中下游的特大洪灾中，微波通信又一次显示了它的巨大威力。2、农村、海岛等边远地区和专用通信网中为用户提供基本业务的场合这些场合可以使用微波点对点、点对多点系统，微波频段的无线用户环路也属于这一类。3、城市内的短距离支线连接p如移动通信基站之间、基站控制器与基站之间的互连、局域网之间的无线联网等等，既可使用中小容量点对点微波，也可使用无需申请频率的微波数字扩频系统。4、宽带无线接入(如LMDS)p
10、宽带无线接入技术以投资少、见效快、组网灵活等优势，在接入市场具有较强的竞争力，并能在日趋激烈的高速数据业务竞争中快速占领有效市场。5.2 微波的传输特性5.2.1 自由空间的电波传播p为了简化电波传播的计算，通常假定微波在大气中的传播条件为自由空间。所谓自由空间是指充满理想介质的无限空间。在这个空间里电波不受阻挡、反射、折射、绕射、散射和吸收。电波在自由空间传播时，其能量会因扩散而衰减，这种衰减称为自由空间传输损耗。p假设发射功率为Pt，发射天线各向同性向外辐射。则以发射源为中心、d为半径的球面上单位面积的功率为：p实际上，天线都是具有方向性的，其辐射能量向主射束方向集中的程度可以用天线增益G
11、t表示：24 dPSttAtSSGp于是可得天线主射束方向该点的功率密度为：p如果接收天线为一抛物面天线，根据天线理论，天线的有效面积为p则接收天线所接收的功率为p若不考虑天线增益（即假定Gt和Gr都为1），定义电波的自由空间损耗为发射功率与接收功率之比p通常用分贝表示自由空间传播损耗：p式中，Ls的单位为dB；d的单位为km，f的单位为GHz24 dGPSttrGA42rttrGGPdSAP224222244fdcdPPLrtsfdLslg20lg2044.925.2.2 微波的视距传播p设通信两端A和B的天线高度分别为h1和h2。当AB和地球相切时的距离d就是最大视线距离。相切点C相对应的
12、AC和BC近似等于弧长d1和d2。因为d1和d2远远小于R0；R0为地球半径，约为6370公里图5.2 地球曲率的影响p由此可得，在给定天线高度h1和h2时，最大视距为210212hhRdddm天线高度（m）102030405060视距（km）233239455055表5.3不同天线高度的最大视距5.2.3 微波天线的主要特性一、天线方向性发射天线有两种基本功能：1、把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去；2、把大部分能量朝所需的方向辐射。p根据天线的方向性可将天线分为全向天线和方向性（或定向）天线。全向天线在水平方向图上表现为360度均匀辐射，也就是平常所说的无方向性，在垂直方向图上表现为有一
13、定宽度的波束。一般情况下，波瓣宽度越小，增益越大；定向天线在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性，在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束。与全向天线一样，波瓣宽度越小，增益越大。二、波瓣宽度p方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的称为副瓣或旁瓣。在主瓣最大方向角两侧，辐射强度降低3dB的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度、主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。三、天线增益p天线增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的球型辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输
14、入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。四、天线的极化p所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波：当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。由于电波的特性，决定了水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播5.3 数字微波通信系统5.3.1数字微波中继线路p数字微波中继通信线路的典型组成结构如图5.3所示图5.3 数字微波中继线
15、路示意图p由图5.3可知，一条数字微波中继通信线路由两端的终端站、若干中继站和电波的传播空间所构成，中继站的数目取决于线路的传输距离。p终端站是位于微波线路两端的微波站。它的任务是把数据信号调制为中频信号后，再进行变频，使其成为微波信号，通过天线发射出去；另一方面，终端站还要将接收到的微波信号，经变频后解调出对方送来的数据信号。p终端站设备比较齐全，一般应装有微波收发信机，调制解调设备，分路滤波和波道倒换设备，多路复用设备以及监控系统等。终端站的特点是只对一个方向收发，全上全下话路。一、中继站的类型p中继站的任务是完成对微波信号的转发和分路。根据它们的不同功能，通常可以分为如下三种类型：1、中
16、间站p中间站只完成微波信号的放大与转发，如图5.4所示。具体地说，将A方向站传来的微波信号，经变频、放大等处理后，向B方向站转发出去。同样，将B方向站传来的微波信号，经变频、放大等处理后，向A方向站转发出去。这种站的结构比较简单，主要配置天馈系统与微波收发信设备。中间站的特点是对两个方向实现微波转发，一般不能插入或分出信号，即不能上下话路 接收 发送 发送 接收 图5.4 中间站示意图2、再生中继站p再生中继站可以分出和插入一部分话路，如图5.5所示。为了不增加信号噪声，在分路站不对整个信号进行调制或解调。在分出话路时，由分路设备把需分出的话路信号滤出，然后对他们进行解调。在插入话路时，先把这
17、些话路调制到载波上，并滤出需要的边带，再加到规定的信号中去。分路站的特点是可以上下话路。接收 发送 发送 接收 分路机 图5.5 再生中继站示意图3、枢纽站或主站p枢纽站一般处在干线上，需要完成数个方向的通信任务，一般应配备交叉连接设备。就其每一个方向来说枢纽站都可以看作是一个终端站。在枢纽站中，可以上下全部或部分支路信号，也可以转接全部或部分支路信号，因此，枢纽站上的设备门类很多，可以包括各种站型的设备。在监控系统中，一般作为主站二、中继站的中继方式p地面远距离微波通信的一个重要特点是需要一站一站的进行接力，即用中继通信方式。由于微波信号、中频信号和基带信号中都携带着发信者所要传递的信号，所
18、以各微波中继站可以在三个地方进行中继转接，即可以在基带部分、中频部分和高频部分进行转接。因此，微波中继通信系统的中继方式一般有三种，即基带中继，外差中继，直接中继（射频中继）。1、基带中继（再生转接）图5.6 基带中继方式2、外差中继（中频转接）图5.7 外差中继方式3、直接中继（射频转接）方式图5.8 直接中继方式5.3.2 数字微波通信系统的组成图5.9 数字微波通信线路组成框图p设甲乙两地的用户终端为电话机，在甲地，人们说话的声音通过电话机送话器的声/电转换后，变成电信号，再经过市内电话局的交换机，将电信号送到甲地的微波端站，在端站经过时分复用设备完成各种编码及复用，并在微波信道机上完成
19、调制、变频和放大后发送出去，该信号经过中继站转发，到达乙地的微波端站，乙地框图和甲地相同，其功能与作用正好相反，乙地用户的电话机受话器完成电/声转换，恢复出原来的话音。p在终端站，对用户信号的处理如图5.10所示。图5.10 信号的处理流程5.3.3 数字微波的波道及频率配置一、波道的设置p为了使一条微波通信线路的可用带宽得到充分利用，人们将微波线路的可用带宽划分成若干频率小段，并在每一个频率小段上设置一套微波收发信机，构成一条微波通信的传输通道。这样，在一条微波线路中可以容纳若干套微波收发信机同时工作，亦即在一条微波线路中构成了若干条微波通信的传输通道，每个微波传输通道称为波道，通常一条微波
20、通信线路可以设置6、8、12个波道。微波通信频率配置的基本原则是使整个微波传输系统中的相互干扰最小，频率利用率最高。频率配置时应考虑的因素有：1、整个频率的安排要紧凑，使每个频段获得充分利用。2、在同一中继站中，一个单向传输信号的接收和发射必须使用不同的频率，以避免自调干扰。3、在多路微波信号传输频率之间必须留有足够的频率间隔以避免不同信道间的相互干扰。4、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，因此选用的频率配置方案应有利于天线共用，达到既能使天线建设费用低又能满足技术指标的目的。5、避免某一传输信道采用超外差式接收机的镜像频率传输信号。二、射频波道配置p由于一条微波线路上
21、允许有多套微波收发信机同时工作，这就必须对各波道的微波频率进行分配。频率的分配应做到：在给定的可用频率范围内尽可能多安排波道数量，这样，可以在这条微波线路上增加通信容量；尽可能减少各波道间的干扰，以提高通信质量；尽可能地有利于通信设备的标准化、系列化。1、单波道频率配置目前，单波道的频率配置主要有两种方案：二频制和四频制p二频制是指一个波道的收发只使用两个不同的微波频率图5.11 二频制频率分配p四频制是指每个中继站方向收发使用四个不同的频率，间隔一站的频率又重复使用，如图5.12所示，四频制的优点是不存在反向接收干扰；缺点是占用频带要比二频制宽一倍。图5.12 四频制频率分配p无论二频制还是
22、四频制，它们都存在越站干扰。解决越站干扰的有效措施之一是：在微波路由设计时，使相邻的第四个微波站的站址不要选择在第1、2两微波站的延长线上，如图5.13所示。图5.13越站干扰示意图2、多个波道的频率配置p多个波道的频率配置一般有两种排列方式：一是收发频率相间排列；二是收发频率集中排列。图5.14示意了一个微波中继系统中6个波道收发频率相间排列方案，若每个波道采用二频制，其中收信频率为f1f6，发信频率为f1f6。这种方案的收发频率间距较小，导致收发往往要分开使用天线，因此要用多天线，这种方案目前一般不采用。图5.14 多波道频率设置中的收发频率相间排列方案p图5.15为一中继站6个波道收发频
23、率集中排列的方案，每个波道采用二频制，收信频率为f1f6，发信频率为f1f6。这种方案中的收发频率间隔大，发信对收信的影响很小，因此可以共用一副天线，也就是说只需两副天线分别对着两个方向收发即可，目前的微波通信大多采用这种方案。图5.15 多波道频率设置中的收发频率集中排列方案三、射频波道的频率再用p由微波的极化特性我们知道，利用两个相互正交的极化方式，可以减少它们之间的干扰，由此我们可以对射频波道实行频率再用。所谓频率再用，就是指在相同和相近的波道频率位置，借助于不同的极化方式来增加射频波道安排数量的一种方式。射频波道的频率再用通常有两种可行方案：一是同波道型频率再用，如图5.16所示，一是
24、插入波道型频率再用，如图5.17所示。图5.16 同波道型频率再用图5.17 插入波道型频率再用四、微波通信中的备份与切换p一条微波线路的通信距离一般都很长，通信容量大，因此如何保证微波通信线路的畅通、稳定和可靠是微波通信必须考虑的问题。采用备份是解决上述问题切实可行的一种方法。在微波通信中备份方式有两种：一种是设备备份，即设一套专用的备用设备，当主用设备发生故障时，立即由备用设备替换；另一种是波道备份，即将n个波道中的某几个波道作为备用波道，当主用波道因传播的影响而导致通信质量下降到最小允许值以下时，自动将信号切换到备用波道中进行传输。对于n个主用波道、1个备用波道的情况，我们经常称之为n：
25、l备用五、监控与勤务信号p监控系统实现对组成微波通信线路的各种设备进行监视和控制，它的作用就是将各微波站上的通信设备、电源设备的工作状态，机房环境情况，以及传输线路的情况实时地报告给维护工作人员，以便于日常的维护和运行管理。监控系统的任务主要有以下两个方面：一是对本站的通信状况进行实时监测和控制，一旦发现通信中断，将恶化波道上的信号切换到备用波道：二是对远方站的监视和控制。p勤务联络的作用是为线路中各微波站上的维护人员传递业务联络电话，以及为监控系统提供监控数据的传输通道。勤务联络系统提供的传输通道有3种途径：1、配置独立的勤务传输波道；2、在主通道的信息流中插入一定的勤务比特来传输勤务信号；3、通过对主信道的载波进行附加调制来传送勤务信号，如通过浅调频的方式实现勤务电话的传输。
