通信导论】第四章无线通信系统.ppt

第四章无线电通信 微波通信 天线概念与类型 微波通信概念与特点 数字微波中继通信系统 本章内容： 一、天线概念与类型 、天线的定义 是无线通信收发信设备的“出入口”，即要完成将无线 电波沿指定的方向发射出去，又要完成接收对方传来的电磁波 。 、天线的两大重要特性 天线方向性：指天线在一定方向上辐射电磁波的能力。 它是衡量天线优劣的重要因素。天线的方向性通常是通过方向 性图和一系列参数来体现的。 天线增益：指当输入相同功率时，某一天线和无方向性天 线在主波束方向上，每单位立体角内辐射功率之比。它表明了 天线的输入功率被集中到主要方向的能力。 天线的方向性图 一、天线概念与类型 线天线 是指由线径远小于波长，长度可与波长相比的一根或 多根金属导线构成的天线。 面天线 是由初级辐射器及辐射口面构成的天线。 初级辐射器：把馈线中传输的电磁能量转换为辐 射口面辐射的电磁能量。 辐射口面：把从初级辐射器获得的电磁能量按预 定的要求向空间辐射，以获得所要求的方向性。 同相天线阵 几种常见的线天线 菱形天线 由导线组成的菱形结构，水平地悬挂在四根支柱上构成。 八木天线 由一根有源振子和几根与之共面平行的无源振子组成的天线。 对数周期天线 由臂长和间隔均按一定比例递增的共面平行对称振子组成。 鱼骨形天线 由在两根集合线上接入许多长度相同、间隔相等的平行对称振子构 成。 同相天线阵 由许多半波振子水平放置组成行与列，行与行之间相距 ，馈线 每经一行交叉一次，使所有半波振子上的电流相同。 菱形天线 八木天线 对数周期天线 鱼骨形天线 同相天线阵 几种常见的面天线 l 抛物面天线 用抛物面作天线的反射器，将幅射源置于抛物面的焦点上的一种 面式天线。 l 卡塞格伦天线 一种双反射面天线，主反射面为旋转抛物面，副反射面为双曲面 。 l 微带天线 在有金属接地板的介质基片上面，应用印刷制版或微波集成工艺 制成所需形状的金属泊片，形成辐射单元及其他馈电网络的一种 天线。天线元的形状包括矩形、圆形、椭圆形、窄长条等。 抛物面天线 卡塞格伦天线 矩形微带天线 二、微波通信概念与特点 1、微波通信的基本概念 微波是指频率为300MHz300GHz的电磁波， 其所对应的波长为1m1mm。 微波通信是把微波信号作为载波信号，用被传 输的模拟信号或数字信号来调制它，故微波通信 是模拟传输。 微波波段 300MHz300GHz 2、微波传播影响因素 在微波的传输过程中，除了大气，气候对其传播产生 影响以外，地面的影响也是较大的，主要表现在这几 方面： 树林，山丘，建筑物等建筑物能够阻挡一部分 电磁波的射线，从而增加了损耗。 平滑的地面和水面可以将一部分的信号反射到 接收天线上，反射波与入射波叠加后，有可能相互抵 消而产生损耗。 有些时候地面上没有明显的障碍物，此时主要是反射 波对直射波产生的影响，反射是电平产生衰落的主要 因素。 3、微波通信的特点 通信频段的频带宽，传输信息容量大 通信稳定、可靠 接力 通信灵活性较大 天线增益高、方向性强 投资少、建设快 数字化 三、数字微波中继通信系统 微波中继通信的特点 数字微波通信系统的组成 微波通信设备的天馈系统 系统增益估算 数字微波信道的干扰和噪声 微波中继通信 AB 微波中继通信的特点 （1）工作频率（GHz级别）高，微波无线电设备的通频带 可以做得很宽，这样就能沿微波信道传输宽频带信号，便 于我们采用抗干扰性强的调制方式（如调频、脉码调制等 ）及传输多路信号和宽带信号（电视图像等）。微波频段 频率高，不易受天电、工业噪声干扰及太阳黑子变化影响 ，因此，通信可靠性高。由于波长短，天线尺寸可做得很 小，通常做成面式天线(简称面天线)，增益高，方向性强 。特别在l10 GHz频段（称为无线电窗口的微波频段） ，衰减、干扰，以及自然条件等影响都比较小。 微波中继通信的特点 （2）微波中继通信是视距通信。这里视距是指要“看 得见”对方天线的两站间的通信，距离不会太远， 一般为 50 km。为了远距离传输信号，微波通信就 像人们进行接力赛那样，把信号一段一段地往前传 输，所以又称为微波接力通信（如图7-1所示）。 数字微波通过再生中继，克服了噪声和失真的沿线 积累，通过中继可方便地实现远距离传输。 微波中继通信的特点 （3）与电缆光缆通信相比，微波信道建设迅速、投资较省 ，更适于在地形复杂地区应用，如多山地区、沼泽地区、 与大陆之间隔着浅海的岛屿地区以及大城市市内网络等， 在这些地区铺设电缆、光缆相对比较困难；微波通信还适 合在人口稀少，业务量低、业务量增长缓慢的地区使用， 在这样的地区使用光缆不经济；也适合于未建光缆系统而 有急需数字通信的地区使用。在中小容量的一些支线传输 系统中应用很广。比如，中国联通在其建设初期，由于缺 乏电信网络基础，基站（BS）与基站控制器（BSC）， 基站控制器（BSC）与移动交换中心（MSC）之间大量 采用数字微波进行通信。 微波中继通信的不足 （1）站与站之间不能有阻挡物，一旦出现阻挡物，往往传 输线路需重新规划与建设。特别在城市，这种情况常常会 出现。 （2）由于频段相接近，容易受到来自卫星通信系统和地面 移动通信系统的干扰。 （3）通信容量与光纤通信相比太低，所以，目前无特殊情 况下，干线网均采用光纤传输系统。但在中小容量的一些 支线传输系统中应用仍然很广。比如，中国联通在其建设 初期，由于缺乏电信网络基础，基站（BS）与基站控制器 （BSC），基站控制器（BSC）与移动交换中心（MSC） 之间大量采用数字微波进行通信。 数字微波通信系统的组成 数字微波通信系统由端站、枢纽站、分路站及若干中继 站组成，如图7-1所示。站间距离一般为50Km左右，在长 途线路上，其典型工作频段在2、4、6、8、11、13、15、 18GHZ左右，目前广泛用来传播多路电话、数据及电视信 号。 数字微波通信系统组成 微波接力通信频率配置:二频制 微波接力通信频率配置:二频制 中继站 中继站的作用与有线电线路的增音站相似，用它 的功率增益来补偿传播过程中的损耗。它要向两个 方向转发信号，即将收到的信号经过变频与放大后 再发送出去，因此有两部发射机、两部接收机，并 有两付天线（每个方向的收与发共用一付天线）。 在中继站中，信号的转接方式有： a）射频转接；b）中频转接； c）基带转接。 数字微波通过基带转接可以对信号再生。 微波通信设备的天馈系统 无线通信是通过天馈系统来发射和接收信号的。由于微波 频率高，波长短，因此使用的天线一般都采用喇叭天线、 抛物面天线、卡塞格伦天线等定向面天线。通常700MHz 以下用振子天线（普遍采用八木天线），在700MHz以上 采用抛物面天线，微波天线常用双反射面的抛物面天线（ 或卡塞格伦天线）。其主反射面似一口大锅的抛物面，其 抛物面中心（锅底）底部置馈源，作为发送和接收电磁波 信号的门户。其馈线系统，一般由波导或同轴电缆组成。 天线馈源与馈线是直接相连的，微波信号天馈系统中还要 通过滤波、极化分离、极化旋转等多次变换，这些滤波器 、极化器、匹配器等一般都是特殊的波导器件，不同于传 统的电子器件。 天线与馈线系统示意图 卡塞格伦天线喇叭天线抛物面天线 波导同轴电缆 抛物面天线性能计算 抛物面天线的电增益G与几何尺寸关系： 式中A是天线的开口面积，是波长，A是天线表面的辐射效 率，其典型值为0.54。上式的另一种形式是： 式中f是工作频率，D为天线直径。 (C=f) 对于均匀照射的抛物线反射器来说，半功率波束宽度与增益之间的关 系可近似表示为： 举例： D=3m的抛物面天线 下表给出了D=3m的抛物面天线在工作频率 f=2、4、6GHZ时的增益及半功率波束宽度。 从表可以看出：在相同天线尺寸下，工作频率 越高，天线增益越高，波束宽度越窄，方向性 越强。 f(GHZ) 246 G(dB） 333943 b 3.21.61 天线的方向性图 表示微波系统传输参数的总框图 与系统总框图有关的参数 增益： GT=相对于各向同性辐射的发射天线增益（dB） GR=相对于各向同性辐射的接收天线增益（dB） 损耗： L0=天线间的自由空间通路损耗（dB） Lf=分配网络（信道综合网络或信道分离网络）各自天线之 间的信道馈线衰减（dB） Lb=发射机输出至波导馈线，波导馈线至接收机输入即由分 配网络引起的耦合或分路衰减（dB） FM=给定可靠性目标的衰减余量（fade margin）。 系统增益估算 在最简单的情况下，系统增益就是发射机额定输出功率和接收机最 小门限输入功率之差。系统增益必须大于或等于信号从发射机到接 收机之间传播引起的所有增益和衰减之和，实际上表示为无线电系 统的损耗。系统增益用来预测在给定参数下系统的可靠性，数学上 可表示为： 其中： GS=系统增益（dB）； PT=发射机输出功率（dBm）；PRmin= 到达接收机的最小门限输入功率（dBm） 要求： PT - PRmin衰减 - 增益 因此，数学上系统增益表示作 天线间自由空间通路损耗L0计算 设：L0 = 天线间自由空间通路损耗 ，d = 距离(m)， f = 频率(Hz)，= 波长(m)， C =自由空间中的光速（3108m/s） 若频率以MHz为单位，距离以km为单位，转换为对数形式 衰减余量FM计算 衰减余量（fade margin）实质上是包含在系统增益方程中的一个“变 坏因素”，通常把它看作无线电传播的一种很难预测定的非理想特性 ，如多路径传播和地形敏感性等。这种特性将引起暂时性的非正常 大气条件对自由空间路径衰减产生的影响。衰减余量就是为了保证 系统达到可靠性目标，作为一种衰减包含在系统增益方程中。衰减 余量FM可用下式计算： 多路径效应 地形敏感性 可靠性目标 常数 FM=衰减容限（dB）；d=距离 (km)；f=频率(GHz)； R=用小数表示的可靠性（即99.99%=0.9999可靠性）； A=4（水面或很平缓的地面），A =1（较平缓的地面）， A =0.25（不平缓的地面或山区）；B=0.5（热湿区）， B =0.25（一般内陆区） B =0.125（非常干燥区或山区） 微波线路设计练习题 拟在杭州与绍兴间建设一条微波线路: 设：1）距离为50公里；2）选择6GHz频段； 3）收发天线均为抛物面天线直径D=3m， A 0.54； 4）Lf+ Lb=5dB； 5）要求0.9999可靠性。 求：1)天线间自由空间通路损耗 Lo为多少？ 2)抛物面天线的增益G 与半功率波束宽度为多少？ 3) 衰减余量FM应留多少？ 4)应选择系统增益GS为多少的微波通信设备？ 答案 1) Lo= 32.4+20lgf(MHz)+20lgd(km) =32.4+20lg6000+20lg50 =32.4+75.56+33.98 =141.94dB 2) G = 20lgf(MHz)+20lgD-42.28 =20lg6000+20lg342.28 =75.56+9.5442.28=42.8dB 3) 因为为b= 142/G 且G=10(42.8/10)= 19055 所以b 142/19055 =1.023o 4) FM=30lgd(km)+10lg(6ABf(GHz)-10lg(1-R)-70 =30lg50+10lg6*4*0.5*610lg0.000170 =50.97+18.57+4070=39.54dB 5) GS=FM+ Lo+( Lf+ Lb) GT GR 若接收与发射采用相同天线，则其增益GT、GR 满足：GT GR 则上式得： =39.54+ 141.94+52*42.8=100.88dB 数字微波信道的干扰 越站干扰交叉极化干扰 收发干扰邻近信道干扰回波干扰 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、邻近信道干扰、天线系