微波通信原理概述课件.ppt

1、学完本次课程后，你应当能够知道：微波通信常用的频段信道的划分方法常用的调制方式不同调制方式与容量下所需要的带宽常用的极化方式自由空间传播损耗费涅耳区半径大气折射的原因与种类各种衰落机理抗衰落技术K值在微波规划中的意义本次课程目标LFMFHFVHFUHFSHFEHFMicrowave 10Km10Km1Km1Km100m100m10m10m1m1m10cm10cm1cm1cm1mm1mmf f30KHz30KHz 300KHz300KHz 3MHz3MHz 30MHz30MHz 300MHz300MHz 3GHz3GHz 30GHz30GHz 300GHz300GHz红外线可见光目前在微波通信中

2、，主要用到的频率是从5G-38G,国内也有用2.4G卫星通信目前用得较多的是C频段(上行5.96.4GHz，下行 3.74.2GHz)和Ku频段(Ku频段1412GHz).9GHz主要用于雷达及气象3.5GHz和10.5GHz留给军方使用。微波信号的频率范围微波频段设置微波的调制对数字基带信号的调制过程用数学方法可简单表示成：在PDH 微波系统中主要采用PSK 调制方式，4PSK(4QAM)及8PSK，也有采用多值正交调幅（MQAM）技术的，如16QAM；在SDH 微波系统中，最广泛采用的是多值正交调幅（MQAM）技术，常用32QAM，64QAM 或128QAM及512QAM 等调制方式；QA

3、M 调制的频带利用率比较高。PSK占用的带宽宽，抗干扰能力强。QAM占用带宽窄，抗干扰能力弱。调制方式与占用带宽调制方式与占用带宽容量容量调制方式调制方式占用带宽占用带宽4E116QAM3.5QPSK78E116QAM7QPSK1416E116QAM14QPSK28STM-1128QAM28如有特殊情况，在各厂家的设备文件中能查到抵消增强Pd1d2 干涉强弱决定于 d1-d2=m/2AB当m为偶数时增强；当m为奇倍时减弱。入射面地面入射面地面EEZZE YEXZXYXYEYEXZ圆极化波、椭圆极化波水平线极化波垂直线极化波电波的干涉和极化电波的干涉和极化矩形波导中的场结构与极化方式矩形波导中的

4、场结构与极化方式在通常的微波系统中，天线在通常的微波系统中，天线与合路器的接口都是矩形，与合路器的接口都是矩形，H10模是波导中传输的电磁模是波导中传输的电磁波主模，截至波长最长为波主模，截至波长最长为2a。上图那样放置波导，它的电上图那样放置波导，它的电力线与地面垂直。这样的极力线与地面垂直。这样的极化方式称垂直极化，下图为化方式称垂直极化，下图为水平极化水平极化VVerticalH=Horizontalabab合路器与天线接口样例合路器与天线接口样例波导ODU安装方式安装方式分离式安装费涅耳椭球面费涅耳椭球面假定有一个微波中继段发信点为T，收信点为R，站间距为d，平面上一个动点P到两个定点

5、（T、R）的距离若为一个常数，则此点的轨迹为一个椭圆。在空间此动点的轨迹是一个旋转椭球面。对于电波传播，这个常数当为d+/2时，得到的椭球面称为第一费涅耳椭球面；常数为d+2/2时，得到的椭球面称为第二费涅耳椭球面.常数为d+N/2时，得到的椭球面称为第N费涅耳椭球面.TR无 限 大 平 面s1s2s3sns1s2s3sn无 限 大 平 面任 意费 涅 尔 区 的 划 分 示 意 图d1d2oF1F2F3FN费涅耳区定义费涅耳区定义(The Fresnel Zone Definition)(The Fresnel Zone Definition)经有关研究知道：在电波的传播空间中，在接收点的合

6、成场强，当费涅耳区号趋近于无限多时，就接近于自由空间场强；相邻费涅耳区在收信点处产生的场强的相位相反；若以第一费涅耳区为参考,则奇数区产生的场强是使接收点的场强增强,偶数区产生的场强是使接收点的场强减弱。非涅耳区的能量分布非涅耳区的能量分布d1d2dd1 x d2f x drF=17.3 x rF in meter d,d1,d2 in km f in GHzrFThe First Fresnel RadiusC xd1 x d2f x d费涅耳半径费涅耳半径(The Fresnel Radius)(The Fresnel Radius)大气折射（refraction in the atmos

7、phere）依据波在大气中折射原理依据波在大气中折射原理,无线波束是弯曲的无线波束是弯曲的,通常是向通常是向下弯曲下弯曲(Due to refraction in the atmosphere the radio beam is bent,normally slightly downwards)弯曲影响是通过弯曲影响是通过K型因子来表示型因子来表示(The bending effect is described by the k-factor)K=4/3是标准大气是标准大气(k=4/3 corresponds to the“standard”atmosphere)对流层对微波传播的影响对流层对

8、微波传播的影响微波传播(Microwave Propagation)k 1正折射正折射k=1无折射无折射k 1负折射负折射对流层对微波传播的影响对流层对微波传播的影响下图中的：U-表示电波传播的速度，n表示折射系数，n=c(光波)/U(电波）电波实际方向电波发射方向电波实际方向电波发射方向波前波前波前波前 小大小大（n图10 受大气折射影响的电波轨迹变化（n大）（n小）小）（n大）传播路径受大气的影响:对流层对微波传播的影响对流层对微波传播的影响大气密度传播路径受大气分层的影响对流层对微波传播的影响对流层对微波传播的影响k=4/3 12/3 True earth radius(r)Ground

9、 clearance2/3 4/31k=Ground clearance在温带地区称K=4/3时折射为标准折射，此时的大气称为标准大气压,Re=R*4/3称为标准等效地球半径对流层对微波传播的影响对流层对微波传播的影响等效地球半径等效地球半径Equivalent earth radius(rk)费涅耳半径与大气折射的体现费涅耳半径与大气折射的体现自由空间的衰减实际传输的附加衰减微波传输过程中的衰减微波传输过程中的衰减 P=功率功率(TX RX Power)PTXPowerLevelDistanceGTXGRX PRX G=天线增益天线增益(Antenna Gain)A0A0=自由空间损耗自由空

10、间损耗(Free Space Loss)M接收门限接收门限(Receiver Threshold)M=衰落储备衰落储备(Fading Margin)GPG微波微波传输过程中传输过程中的衰减的衰减自由空间自由空间 Free Space:Free Space:又称为理想介质空间，它相当于真空状态的理想空间。在这个空间中充满均匀的、理想的介质，它的导电率=0，介电常数=0=10-9/36 F/m(法拉/米)，导磁系数=0=410-7 H/m（亨/米）。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，总能量不衰减。但电波在自由空间传播时，会因能量向空间扩散而衰耗，这如空中一只孤独的灯泡所发出

11、的光，均匀地向四周扩散。显然距离光源越远的地方，单位面积上的能量就越少。这种电波的扩散衰耗就称为自由空间损耗。自由空间的电波传播自由空间的电波传播Free Space Loss A =92.4+20 log +20 log Where =distance in km =frequency in GHz(refer to isotropic antennas)0dfd或或 f 增加一倍，损耗将增加增加一倍，损耗将增加6 dB 自由空间传输损耗(Free Space Basic Transmission Loss)K型衰减 大气吸收衰减 雨雾衰减 对流层对微波传播的影响 地面反射对微波传播的影响实

12、际传输的附加衰减实际传输的附加衰减衰落的定义衰落的定义:微波传播必须采用直射波，接收点的场强是直射空间波与地面反射波的迭加。传播介质是地面上的低空大气层和路由上的地面、地物。当时间（季节、昼夜等）和气象（雨、雾、雪待）条件发生变化时，大气的温度、温率、压力和地面反射点的位置、反射系数等也将发生变化。这必然引起接收点场强的高低起伏变化。这种现象，叫做电波传播的衰落现象。显然，衰落现象具有很大的随机性。衰落的大小仍由衰落因子VdB来表征，衰落的原因主要归结为大气和地面效应。各种衰落及抗衰落技术快衰落快衰落Rapid fadingRapid fading和慢衰落和慢衰落Slow fading(Slo

13、w fading(按持续时间划分按持续时间划分):):慢衰落：持续时间长的叫慢衰落，其持续时间一般长达数分种到几小时。快衰落：持续时间短的叫快衰落，一般发生在几秒到几分钟之间。上衰落上衰落Up fadingUp fading和下衰落和下衰落Down fading(Down fading(按接收点场强的高低划按接收点场强的高低划分分):):上衰落：高于自由空间电平值的叫上衰落下衰落：低于自由空间的电平值的叫下衰落多径衰落多径衰落Multipath fadingMultipath fading和闪烁衰落和闪烁衰落(按衰落发生的物理成因按衰落发生的物理成因划分划分):):闪烁衰落：主要是因为大气局部

14、微小扰动引起电波射束散射所造成，各散射波的振幅小，相位着大气变化而随机变化。结果它们在接收点的合成振幅变化很小，对主波影响不大，因此，这种衰落对视距微波接力电路的稳定性影响不大。多径衰落：主要是由于多径传播造成的，它是视距传播信道深衰落的主要原因。所谓多径传播，就是电波离开发射天线后，通过两条以上的不同路径到达接收天线的传播现象。各种衰落及抗衰落技术还是气候原因，使还是气候原因，使下层大气密度加大。下层大气密度加大。这种衰落在线路经过水面、湖泊、或平滑地面时更为严重，所以在选择路由时要尽量避免，不可能回避时一定要采用高低天线技术使反射点靠近一端减少反射波的影响，或采用高低天线加空间分集技术或抗

15、反射波天线等来克服多经反射的影响。K型衰落型衰落由于折射系数（K）的变化，使直射波和地面反射波相干涉而产生的衰落，或直射波因折射下凹而被地面的高地或高山阻挡而发生的绕射性衰落，即K型衰落。气象条件变化通常比较是缓慢的，因此受其影响产生的衰落是慢衰落。由于气体分子的谐振引起对电波的吸收。这种作用对15GHZ（即2CM）以上的微波才有明显作用，低于此频率的可不考虑。在微波规划时，可用下图的曲线来计算。Radio FrequencyGHz1050100100050010001001010,10,01H2OO2O2H2OH2O15 CH2O 7,5 g/m31013 hPa 25 g/m3Attenu

16、ation Coefficient dB/km大气吸收衰减大气吸收衰减Attenuation due to Gases:由于雨、雾、雪能对电波能量的吸收，微小水滴产生导电电流和定向辐射能量的散射。这种作用对5CM（即6GHZ）以下的微波才有明显作用，长于此波长的可不考虑。一般情况10GHz 以下频段，雨雾衰落还不太严重，通常在两站间的这种衰落仅有几个dB。但10GHZ以上频段，中继段间的距离将受到降雨衰耗的限制，不能过长。雨雾衰减雨雾衰减 Attenuation due to Rain and FogAttenuation due to Rain(雨雾衰减）Radio frequency(GH

17、z)TropicalDownpourHeavyRainMediumHeavyRainLightRainDrizzle0.412410203050100150雨雾瞬时强度雨雾瞬时强度(Instantaneous Rain Intensity)(mm/h)0.010.111050雨雾吸收系数雨雾吸收系数(Rain Absorption Coefficient)(dB/km)51020501002.4 dB/km7 GHz38 GHz5.9 dB/km37 dB/km38 GHz在10GHZ频段以下，雨雾损耗并不显得特别严重，对一个中继段可能会引入几个分贝。在10GHZ以上频段，中继间隔主要受降雨损

18、耗的限制，如对13GHZ以上频段，100mm/小时的降雨会引起5dB/km的损耗，所以在13GHZ，15GHZ频段，一般中继距离在10km左右在20GHZ以上频段，由于降雨损耗影响，中继间距只能有几公里越高频段雨衰越高频段雨衰越厉害！越厉害！高频段可以高频段可以做用户级传做用户级传输输雨雾衰减雨雾衰减 Attenuation due to Rain and Fog设计全球降雨划分为 H,K,N,P 四个区域。平均降雨量在32 mm,42 mm,95mm 和 145 mm 每小时。中断概率 0.001%，考虑降雨微波设备的理论单跳传输距离雨雾衰减雨雾衰减 Attenuation due to R

19、ain and Fog不同地形对电波的影响,一般分为：绕射 Diffract刃形障碍物。反射 Reflect地面把天线发出的一部分信号能量反射到接收天线，与直射波产生干涉，在接收点它们的矢量相加，结果收信电平与自由空间接收电平比较时大时小。对于水面或光滑地面，反射的影响作用更为明显。散射 Dispersion由于地面散射对电波的主射波影响不大，可以不考虑。多径效应多径效应绕射绕射 Diffracted微波传播模式 Microwave Propagation路径上刃形障碍物的阻挡损耗路径上刃形障碍物的阻挡损耗刃形障碍物不可能阻挡所有的费涅耳区，所以在收信点仅有一部分费涅耳区的能量绕过，使接收点多

20、少有一定电平数。而这个数值一定低于自由空间电平。这个由于刃形障碍物的阻挡而增加的损耗我们称之为附加损耗。当障碍物的尖锋正好落在收发两端的连线上，即H C=0时，附加损耗为6dB;当障碍物的顶锋超过收发两端的连线时，附加损耗将很快增加;当障碍物的顶锋在收发两端的连线以下时，附加损耗将在0dB上下少量变动。这时路径上传输损耗（或说收信电平）将与自由空间数值接近。-24-26-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-2042-2868-2.5-2.0-1.5-1.0-0.5011.0 1.5 2.0 2.5附加损耗dB图 3 刃形障碍物的阻挡损耗HC/F1Reflections-fro

21、m atmospheric layers-from ground-from buildings反射损耗（reflection Loss）地面反射对微波传播的影响地面反射对微波传播的影响 平坦地形是指不考虑地球曲率，认为两站间的地形为平坦情况。在实际的微波通信工程线路中，总是将收（R）发（T）天线对准，以便接收端收到较强的直射波。但是根据惠更斯原理总会有部分电波射到地面，所以在接收点除直射波外还有经地面反射并满足反射条件（入射角等于反射角）的反射波。地面反射对微波传播的影响地面反射对微波传播的影响微波传播模式 Microwave Propagation直接传播直接传播 Direct反射反射 Re

22、flected地面反射对微波传播的影响地面反射对微波传播的影响微波多径传输Flat fading(平衰落)The loss is uniform across the frequency spectrumSelective fading(频率选择性衰落)The loss varies across the frequency spectrum多径衰落多径衰落Frequency(MHz)Received power level(dBm)NormalFlatSelective1 hRecording of typical multipath fadingRx level during fading

23、 free timeThreshold level(-30dB level)Bit error interruption of communication(rapid fading)“Up Fading”多径衰落多径衰落数字微波系统的抗衰落技术数字微波系统的抗衰落技术1.频域均衡器2.时域均衡器3.空间分集接收空间分集的距离：H约100200入H 空间分集信号频谱信号频谱多径衰落多径衰落斜率均衡斜率均衡均衡后频谱均衡后频谱频域均衡只能均衡信号的幅频特性，不能均衡相位频谱特性，但是电路简单频域均衡数字微波系统的抗衰落技术数字微波系统的抗衰落技术.CnC0CnTs2TsTs2TsTsTs均衡前均衡

24、前均衡后均衡后时域均衡直接抵消码间干扰TTT时域均衡数字微波系统的抗衰落技术数字微波系统的抗衰落技术传统传统:为克服延时线问题为克服延时线问题,常采用判决反馈均衡器常采用判决反馈均衡器,特点是特点是体积大体积大,级数不可能做得太多级数不可能做得太多现在现在:采用高速采用高速A/D器器,及及FPGA电路电路,电路体积小电路体积小,可以做可以做很多级很多级.如如HARRIS的的MEGASTAR采用采用11级的全数字级的全数字横向均衡器横向均衡器时域均衡各种衰落及抗衰落技术数字微波系统的抗衰落技术Di storti on sensi ti bi ty-outage si gnature 010203

25、0405060-18-17-15-10-50510151618Notch offset-frequency(M Hz)Noth depth(dB)m i ni m umBER=10-6Del ay=6,3ns频域均衡对抗频率选择性衰落:只对于大容量宽带系统产生严重影响，区别于平衰落。影响幅频特性，造成码间串扰。设备性能决定了对抗这种衰落的能力。数字微波系统的抗衰落技术数字微波系统的抗衰落技术方法一：利用某些地形、地物阻挡反射波工程中工程中数字微波系统的抗衰落技术数字微波系统的抗衰落技术方法二：高低天线法数字微波系统的抗衰落技术数字微波系统的抗衰落技术天线间距天线间距100到到200当其中一面天

26、线发生多径干扰时,另一面天线不会发生多径干扰.要求天线间的相关系数小,而塔又不可能造得很高,所以一般情况下,相关系数取0.5到0.6之间方法三：空间分集数字微波系统的抗衰落技术数字微波系统的抗衰落技术工程设计中，两天线的间隔H通常取810m。上图那样放置波导，它的电力线与地面垂直。K值在微波规划中的意义3F1 (对一般障碍物)True earth radius(r)Bit error interruption of communication在温带地区称K=4/3时折射为标准折射，此时的大气称为标准大气压,数字微波系统的抗衰落技术如上述情况不能被满足时,那就改变天线高度或更改路由。在空间此动点

27、的轨迹是一个旋转椭球面。工程设计中，两天线的间隔H通常取810m。刃形障碍物不可能阻挡所有的费涅耳区，所以在收信点仅有一部分费涅耳区的能量绕过，使接收点多少有一定电平数。rF in meter d,d1,d2 in km f in GHzRadio frequency(GHz)而这个数值一定低于自由空间电平。在SDH 微波系统中，最广泛采用的是多值正交调幅（MQAM）技术，常用32QAM，64QAM 或128QAM及512QAM 等调制方式；不同天线接收到的反射信号方法三：空间分集数字微波系统的抗衰落技术数字微波系统的抗衰落技术信号合成dBhmh1h2F1h1h2F1F1d 100Combin

28、erCombined IF outputReceiversPathequalizationTwo operating modes:1-minimum distortion for an high level received2-maximum power for a weak level received(-65 dBm)NN(F1)(FI)R1R2Climatic reflectionto 150 方法三：空间分集数字微波系统的抗衰落技术数字微波系统的抗衰落技术h1Dh=d4h1=Wave lengthd=Path lengthTxRx/2Dh空间分集的间距计算数字微波系统的抗衰落技术数字微

29、波系统的抗衰落技术TXRXf1f2Alarm工作备份和频率分集（Working Stand-by and Frequency Diversity）数字微波系统的抗衰落技术数字微波系统的抗衰落技术热备份或工作备份（Hot Standby or Working Standby）数字微波系统的抗衰落技术数字微波系统的抗衰落技术 点对点视距传播通信的要求 微波设计目标 传输余隙 微波线路的分类 K值在微波规划中的意义微波通信对设计的要求微波通信对设计的要求3dB微波天线方向性图微波天线微波天线半功率角很小的发射功率一一只有利用具有很强的方向性天线实现通信，要想实现较长距离通信，只有适当加大天线或加大功

30、率。点对点视距传播通信的要求点对点视距传播通信的要求微波天线发出的射线树业就可以阻挡微波信号！工作波长短、克服障碍的能力差工作波长短、克服障碍的能力差在实际的工程勘察中，树高、无树山上的灌木都是不可忽略的影响通信质量的因数。点对点视距传播通信的要求点对点视距传播通信的要求K=4/3时时,第一费涅耳区无障碍物第一费涅耳区无障碍物(The 1st Fresnel shall be free from obstacles when k=4/3)在传播经过水面或沙漠地区时在传播经过水面或沙漠地区时,建议建议K=1时时,第一费涅耳区无障碍物第一费涅耳区无障碍物 (On paths over water

31、surfaces or desert areas,it is recommended to have the 1st Fresnel zone free from obstacles when k=1(See also ITU-R Rec.P.530)Distance 50 km k=4/31st Fresnel zone微波设计目标(Microwave Propagation Design Objective)微波通信对设计的要求传输余隙传输余隙hcTR0.5770dBhhC11.0-10-60当相对余隙大于当相对余隙大于0.6，阻挡损耗为，阻挡损耗为0dB,障碍物的顶部恰好在视距连线上时障

32、碍物的顶部恰好在视距连线上时，阻挡损耗为，阻挡损耗为6dB。余隙余隙计算h2h1d1d2dhbhshcKddhb210785.0=地球凸起高度：其中K为大气折射因子路径余隙的计算公式：hh dh ddd dKhcs=12211200785.余隙可得大于一阶余隙可得大于一阶费涅尔半径费涅尔半径传输余隙传输余隙地面反射系数较小的电路，如山区、城市、丘陵地区地面反射系数较小的电路，如山区、城市、丘陵地区)这种地形主要防止过大的绕射，应按满足下标准控制天线高度：K=2/3时，hc 0.3F1 (对一般障碍物)hc 0 (对刃形障碍物)这种情形产生的绕射衰落不大于8dB。0.7(即地面反射系数较大 的电

33、路，如平坦、水网地区)这种地形主要防止过大的反射衰落，应按满足下标准控制天线高度：K=2/3时，hc 0.3F1 (对一般障碍物)hc 0 (对刃形障碍物)k=4/3时，hc F1 K=时，hc 1.35 F1 (因为21/2 F1时就会出现深衰落)如上述情况不能被满足时,那就改变天线高度或更改路由。a.微波频率低于7GHz 当K4/3时取1.0F 当K2/3时取0.4F(平坦地带)当K2/3时取0F(锲型阻挡物)当K2/3时取0.3F(非锲型阻挡物)b.微波频率大于7GHz 当K4/3时取1.0F 当K2/3时取0.577F(平坦地带)当K2/3时取0F(锲型阻挡物)当K2/3时取0.3F(非锲型阻挡物)对空间分集接收天线 当K4/3时取0.6F微波通信常用的频段信道的划分方法常用的调制方式信道带宽需求常用的极化方式自由空间传播损耗费涅耳区半径大气折射的原因与种类各种衰落机理抗衰落技术K值在微波规划中的意义回顾本次课程主要讲述了：