《现代通信系统导论》课件第五章 微波通信系统.ppt
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1、第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 第五章第五章 微波通信系统微波通信系统5.1 微波通信概述微波通信概述5.2 微波通信系统微波通信系统5.3 微波传输信道微波传输信道5.4 数字微波通信系统数字微波通信系统5.5 微波传输常用的数字调制技术微波传输常用的数字调制技术 5.6 我国微波通信的发展趋势我国微波通信的发展趋势 习习 题题 第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 5.1 微波通信概述微波通信概述5.1.1 微波通信的发展微波的发展与无线通信的发展是分不开的。5.1.2 微波通信的基本概念微波是指频率在300 MHz300 GHz范围内的电磁波,微波通信则是指利用微波携带信息,通
2、过电波空间进行传输的一种通信方式。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 1.似光性2.频率高3.极化特性 5.1.3 地面微波中继通信由于微波具有与光一样的传输特性,因此微波在自由空间中只能沿直线传播,其绕射能力很弱,且在传播中遇到不均匀的介质时,将产生折射和反射现象。正因为如此,在一定天线高度的情况下,为了克服地球的凸起而实现远距离通信就必须采用中继接力的方式,如图5-1所示,否则A站发射出的微波射线将远离地面而根本不能被C站接收。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 图5-1 微波中继示意图BCA第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 5.1.4 微波中继通信系统在整个通信网中的位置微
3、波中继通信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。微波、光纤、卫星一体的通信组网方式如图5-2所示。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 图5-2 微波通信系统在全网中的位置终端卫星通信端局交换中心交换中心交换中心端局终端交换中心光纤通信微波中继交换中心第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 5.2 微波通信系统微波通信系统 5.2.1 数字微波中继通信系统的基本组成图5-3示意了一条数字微波中继通信线路的典型组成结构。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 图5-3 数字微波中继线路的组成端站再生中继站端站端站枢纽站中间站中间站中间站中间站中间站第五章第五章 微
4、波通信系统微波通信系统 直接中继最简单,仅仅是将收到的射频信号直接移到其他射频上,无需经过微波-中频-微波的上下变频过程,因而信号传输失真小。这种方式的设备量小,电源功耗低,适用于无需上下话路的无人值守中继站,其基本设备如图5-4所示。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 图 5-4 直接中继方式f1微波放大频移微波放大f2第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 外差中继是将射频信号进行中频解调,在中频进行放大,然后经过上变频调制到微波频率,发送到下一站,其基本设备如图5-5所示。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 图5-5 外差中继方式f1低噪声放大下变频中放上变频功率放大f2第五章第
5、五章 微波通信系统微波通信系统 基带中继是三种中继方式中最复杂的,如图5-6所示。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 图5-6 基带中继方式f1上下话路低噪声放大下变频中放调制上变频功率放大f2解调第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 5.2.2 数字微波中继通信的波道及其射频频率的配置1.波道的设置为了使一条微波通信线路的可用带宽得到充分利用,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。2.射频波道配置由于一条微波线路上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。1)一个波道的频率配置第五章第五章
6、 微波通信系统微波通信系统 二频制指一个波道的收发只使用两个不同的微波频率,如图5-7所示。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 图5-7 二频制频率分配f2越站干扰Af1Bf1f2Cf2Df1f2f1反向干扰第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 四频制指每个中继站方向收发使用4个不同的频率,间隔一站的频率又重复使用,如图5-8所示。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 图5-8 四频制频率分配f3越站干扰Af1Bf4f2Cf3Df4f2f1第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 无论二频制还是四频制,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
7、站的站址不要选择在第1、2两个微波站的延长线上,如图5-9所示。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 图 5-9 越站干扰及无越站干扰示意图1越站干扰越站干扰无越站干扰23432141243第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 2)多个波道的频率配置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5-10(a)示意一个微波中继系统中6个波道收发频率相间排列的排列方案,若每个波道采用二频制,则其中收信频率为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,因此要用多副天线,这种方案目前一般不采用。图5-10(b)为一中继
8、站6个波道收发频率集中排列的方案,每个波道采用二频制,收信频率为f1 f6,发信频率为f1f6。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 图5-10 多波道频率配置B方向A方向1f 1f2f 2f3f 3f4f 4f5f 5f6f 6f1f 1f2f 2f3f 3f4f 4f5f 5f6f 6fB方向A方向1f2f3f4f5f6f1f 2f 3f 4f 5f 6f 1f2f3f4f5f6f1f 2f 3f 4f 5f 6f(a)(b)第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 3.射频波道的频率再用由微波的极化特性可以知道,利用两个相互正交的极化方式(如水平和垂直极化),可以减少它们之间的干扰,由此
9、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:同波道型频率再用,如图5-11(a)所示;插入波道型频率再用,如图5-11(b)所示。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 图5-11 波道频率再用水平极化主用频率再用频率垂直极化主用频率再用频率主用频率再用频率(a)(b)第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 4.微波通信中的备份与切换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。监控系统的任务主要有以下两
10、个方面:(1)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,即将恶化波道上的信号切换到备用波道。(2)对远方站点进行监视和控制。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 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三种途径:配置独立的勤务传输波道;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;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。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 5.3 微波传输信道微波传输信道5.3.1 传播特性1.天线高度和传播距离收发两点的天
11、线高度分别为h1,h2时,最大视距的距离为)(222)()(210222021102022020210hhRhhRhhRRhRRhRd第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 其中,R06370 km是地球半径,如图5-12所示。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 图5-12 视距与天线高度dR0h1h2第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 2.自由空间传播图5-13中T为发射天线,R为接收天线,T和R相距d。若发送端的发射功率为Pt,采用无方向性天线时距离d处的球面面积为4d2,则在接收天线的位置上,每单位面积上的功率为 。因此接收到的功率为路径损耗为)/(422mWdPt2222)4(
12、)4(44dfcPdPdPPtttr22)4()4(cdfdPPLrts(5-3)(5-2)第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 PtTdR2e 4dp图5-13 自由空间传播第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 自由空间传播损耗的实质是能量因电波扩散而损失,基本特点是接收电平与距离的平方成反比,与频率的平方成反比。自由空间损耗写成分贝值为Ls(dB)=92.4+20lgd+20lgf (5-4)微波在自由空间传播除上述损耗之外,还要受到大气和地面的影响,下面分别进行论述。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 5.3.2 大气效应 1.大气吸收衰落 2.雨雾衰落 5.3.3 地面效应1.
13、费涅耳半径和余隙在电波传播中,当波束中心刚好擦过障碍物时,电波也会受到阻挡衰落。为了避免或者减少阻挡衰落,设计的电波传播路径在最坏的大气条件时离障碍物顶部要有足够的“余隙”,如图5-14所示的hc。为了确定余隙,利用费涅耳绕射原理。在工程设计中,可利用如图5-15所示的附加衰落与费涅耳相对余隙之间的关系曲线(T、R是费涅耳区的焦点)。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 图5-14 余隙示意图hcRT第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 图5-15 阻挡损耗和相对余隙的关系03123相对余隙hc/h121附加损耗/dB221462第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 根据费涅尔原理,一阶
14、费涅尔半径h1为 2.地面反射 电波在较平滑的地面(如水面、沙漠、草原及小块平地等)将产生强的镜面反射。21211ddddh(5-5)第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 5.3.4 衰落及分集接收 1.多径传播衰落由于地面反射和大气折射的影响,使发信天线到收信天线之间会有2条、3条甚至更多条不同传播路径的射线,如图5-16所示。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 图5-16 多径传输示意图射线3射线2射线1收信天线发信天线第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 2.衰落的统计特性出现衰落的情况比较复杂,这其中多径干涉是视距传播深衰落的主要原因,根据对工作在不同的传播条件下,不同的工作频
15、率以及不同的微波站距的大量收信电平的资料整理、分析得知,多径干涉造成的收信电平衰落的分布特性服从瑞利分布,即收信电平的概率为 0V 20V 0)(2/22veVVP(5-6)第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 对低于某给定电平Vs(一般指不能保证传输质量的门限电平值),收信点衰落电平小于Vs的概率分布函数为若考虑深衰落出现的概率为Ps,则实际收信电平中断的全概率(总中断率)为 Pr=PsP(VVs)(5-8)2222/02012)()(VVVVedVeVdVVPVPss(5-7)第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 3.克服多径衰落提高设备能力,增加收信电平余量,在很大程度上是克服多径衰
16、落的行之有效的方法,不过对于站距大(50 km,挂高50 m),且在炎热潮湿的平滑地形的区段,有限的衰落储备量还不能保证通信的可靠传输。频率分集如图5-17所示,是把同一个数字信息发送到两部发信机,这两部发信机的射频频率间隔较大。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 图5-17 频率分集收信机1收信机2合成器发信机1发信机2第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 空间分集如图5-18所示,它是在收信端采用空间位置相距足够远的两副天线,同时接收同一个发射天线发出的信号。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 图5-18 空间分集接收天线的垂直间隔发信机收信机1收信机2合成器第五章第五章 微波通
17、信系统微波通信系统 4.分集信号合成无论用哪种分集手段,都要解决如何对分集信号进行合成的问题。常用的合成方法有三种:(1)优选开关法。(2)线性合成法。(3)非线性合成法。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 5.4 数字微波通信系统数字微波通信系统如图5-19是一个典型的三次群数字微波传输系统的组成方框图。第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 图5-19 三次群数字微波系统组成方框图二次群二次群二次群二次群三次群分接无损伤切换解调解调微波接收微波接收带通带通二次群二次群二次群二次群三次群分接无损伤切换解调解调微波接收微波接收带通带通双工器第五章第五章 微波通信系统微波通信系统 1.双工器
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