现代通信系统第2章微波中继通信系统.ppt

第2章微波中继通信系统 2 本章内容 2 1微波中继系统的概念2 2微波中继通信系统的组成2 3微波中间站的转接方式2 4数字微波中继通信系统设计中的若干问题2 5微波传播特性与微波线路设计 3 当今三大通信传输技术 数字微波中继通信卫星通信光纤通信微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微波 光纤 卫星一体的整个通信传输网 4 微波中继通信系统在整个通信网中的位置 5 2 1微波中继通信的概念 微波通信的发展与无线通信的发展是分不开的 微波中继通信是利用微波频率 300MHz 300GHz 作载波携带信息 通过无线电波空间 采用中继 接力 通信方式在地面上进行的无线电通信 6 1 微波通信的频段微波通信是依靠空间电磁波来传递信息的一种通信方式 它是属于无线通信的范畴 无线电磁波是以频率或波长来分类的 波长与频率的关系如下 其中 电磁波波长 m C 电磁波传播速度3 105 km s f 电磁波频率 Hz 7 电磁波频率不同 波长不同 频率越低 波长越长 其空间传播的特性也不一样 且用途也有不同 中频 用于广播 通信 导航 机场着陆系统 采用多元天线可实现较好的方向性 但是天线结构庞大 高频 用于远距离通信广播 超视距天波及地波雷达 超视距地 空通信 8 米波 用于语音广播 移动 包括卫星移动 通信 接力 50km跳距 通信 航空导航信标 以及容易实现具有较高增益系数的天线系统 微波频段是在较高频段 通常人们所说的微波是指频率在0 3 300GHz范围的电磁波 微波通信利用此频段的电磁波来传递信息 9 10 电磁波频段分类 11 分米波 特高频 用于电视广播 飞机导航 着陆 警戒雷达 卫星导航 卫星跟踪 数传及指令网 蜂窝无线电通信 厘米波 超高频 用于多路语音与电视信道 雷达 卫星遥感 固定及移动卫星信道 毫米波 极高频 用于短路径通信 雷达 卫星遥感 12 地球表面是个曲面 且天线所架高度有限 发信端发出的电磁波会受到地面的阻挡 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 必须采用中继接力的方式 两个通信点 信号转节点 间设立中继站 即所谓的视距通信 否则A站发射出的微波射线将远离地面而根本不能被D站接收 13 微波中继接力的方式 14 2 采用中继方式的原因 1 微波传播具有视距传播特性 微波波长短 接近于光波 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 2 微波传播有损耗 在远距离通信时有必要采用中继方式对信号逐段接收 放大和发送 15 3 微波中继通信的作用目前 世界上许多国家都把微波中继通信作为其通信网的主要传输手段之一 模拟微波中继通信逐渐被数字微波中继通信取代 数字微波通信是指利用微波携带数字信息 通过电波空间 同时传送若干相互无关信息 并进行再生中继的通信方式 16 微波中继通信主要用来传送长途电话信号 宽频带信号 如电视信号 数据信号 移动通信系统基地站与移动业务交换中心之间的信号等 还可用于通向孤岛等特殊地形的通信线路以及内河船舶电话系统等移动通信的入网线路 17 微波通信自第二次世界大战后期开始应用 历经由模拟到数字 使用频段由低频段向高频段的发展 其频谱利用率也不断由于技术的进步而得到不断的提高 应用领域也由长途电信 彩色电视传输 拓展到一点多址 无线接入 无线局域网等领域 微波通信的发展应用历程 是它特点的充分体现 18 4 微波中继通信的特点 1 通信频段的频带宽 传输信息容量较大微波频段占用的频带约300GHz 而全部长波 中波和短波频段占有的频带总和不足30MHz 前者是后者的10000多倍 占用的频带越宽 可容纳同时工作的无线电设备就越多 通信容量也就越大 19 一套短波通信设备一般只能容纳几条话路同时工作 而一套微波中继通信设备可以容纳几千甚至上万条话路同时工作 并可传输电视图像等宽频带信号 20 2 受外界干扰的影响小工业干扰 天电干扰及太阳黑子的活动对微波频段通信的影响小 当通信频率高于100MHz时 这些干扰对通信的影响极小 但这些干扰源严重影响短波以下频段的通信 因此 微波中继通信信号比较稳定和可靠 21 3 通信灵活性较大微波中继通信采用中继方式 可以实现地面上的远距离通信 并且可以跨越沼泽 江河 湖泊和高山等特殊地理环境 在遭遇地震 洪水 战争等灾祸时 通信的建立 撤收及转移都比较容易 这些方面比电缆通信具有更大的灵活性 22 4 天线增益高 方向性强中继通信可以减小对发射功率的要求而获得满意的通信效果 另外 由于微波具有直线传播特性 因此 可利用微波天线把电磁波聚集成很窄的波束 使微波天线具有很强的方向性 以减少通信中的相互干扰 23 5 投资少 建设快在通信容量和质量基本相同的条件下 按话路公里计算 微波中继通信线路的建设费用不到同轴电缆通信线路的一半 而且还可以节省大量的有色金属 另外 建设时间也比后者短 24 6 中继传输在微波波段 电磁波按直线传播 要进行远距离长途通信时 就必须采用中继 接力 传输方式 将信号多次转发 才能到达接收点 如一条2500km的微波线路 中间大约有中继站50个 25 2 2微波中继通信系统的组成 通信线路由终端站 中间站和再生中继站及电波空间组成 26 一条微波中继信道主干线可以长达几百公里甚至几千公里 支线可以有多条 除了在线路未端设置微波终端站外 还在线路中间每隔一定距离设置若干微波中继站和微波分路站 27 通信线路的组成 28 1 微波中继通信系统的主要设备 1 用户终端用户终端是逻辑上最靠近用户的输入 输出设备 是用户使用的终端设备 如自动电话机 电传机 计算机 调度电话机等 用户终端主要通过交换机集中在微波终端站或微波分路站 29 微波中继通信线路组成 30 2 交换机交换机既可实现本地用户终端之间的业务互通 如实现本地话音用户之间的通话 又可通过微波中继通信线路实现本地用户终端与远地 对端交换机所辖范围 用户终端之间的业务互通 交换机配置在微波终端站或微波分路站 31 3 终端复用设备终端复用设备的基本功能是将交换机送来的多路信号或群路信号进行适当变换 然后送到微波终端站或微波分路站的发信机 将微波终端站或微波分路站的收信机送来的多路信号或群路信号适当变换后送到交换机 模拟微波中继通信系统的终端复用设备是频分多路载波机 数字微波中继通信系统的终端复用设备是时分多路数字终端机 终端复用设备配置在微波终端站或微波分路站 32 4 微波站微波站的基本功能是传输来自终端复用设备的群路信号 按其与终端复用设备的连接关系 微波站分为终端站 分路站和中继站 33 微波站的类型 中继站 34 处于线路两端或分支线路终点的站称为终端站 终端站的任务是将复用设备送来的基带信号或由电视台送来的视频及伴音信号 调制到微波频率上并发射出去 或者反之 将收到的微波信号解调出基带信号送往复用设备 或将解调出的视频信号及伴音信号送往电视台 在此站可上 下全部支路信号 35 36 在线路中间 不上 下话路的中间站称为中继站 可分为再生中继站 中频转接站 射频有源转接站和无源转接站 此站无用户终端 交换机 终端复用设备 只对信号进行解调 判决 再生至下一方向发信机 微波中继站和分路站统称微波中间站 任务是完成微波信号的转发和分路 37 38 在长途线路中间 除了可以在本站上 下某收 发信波道的部分支路外 还可以沟通干线上两个方向之间通信的站称为分路站 在此类站 亦有部分波道的信号需再生后继续传输 当两条以上的微波中继通信线路在某一微波站 配有交叉连接设备 交汇时 可以沟通干线上数个方向之间通信 该微波站称为枢纽站 能上 下话路 它具有通信枢纽功能 微波分路站和枢纽站统称微波主站 39 40 41 微波站的主要设备包括发信设备 收信设备 天馈系统 电源设备以及保障通信线路正常运行和无人维护所需要的监测控制设备等 42 发信设备的组成数字微波发信设备可以有如下两种组成方案 射频调制发射机来自数字终端机的数字信号经过码型变换后 直接对微波 射频 载波进行调制 然后经过功放和微波滤波器送到天馈系统 由天线发射出去 43 中频调制发射机来自数字终端的信号经过码型变换后 在中频调制器中对中频载波 70MHz或140MHz 进行调制 数字相位调制 获得中频调制信号 然后通过功率中放 把中频信号放大到规定要求的功率电平 经上变频器变换为微波调制信号 再经微波功放 微波滤波器馈送到天线 由发射天线发射出去 44 微波调制发射机的组成 45 数字微波收信设备数字微波收信设备由射频系统 中频系统和解调系统三部分组成 来自接收天线的微波微弱信号经过馈线 微波滤波器 低噪声放大器和本振信号进行混频 变成中频信号 再经过中频放大 滤波后 送到解调单元 实现信码解调和再生 46 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 微波通信也不例外 由于微波频率高 波长短 因此使用的天线一般都采用面式天线 有喇叭天线 抛物面天线 卡塞格林天线等 当天线面积给定时 天线增益与工作波长的平方成反比 47 天线馈线系统 48 2 数字微波通信系统的工作过程数字微波通信系统由两个终端站和若干个中间站构成 数字微波通信系统 49 工作过程 用户终端A通过微波通信系统把信号发给用户终端B 从发信终端站到收信终端站中间一般要经过若干个微波中继站 中继站中有两组中继机 从一个方向的天线收到的微波信号从某中继机的收信机转接到另一中继机的发信机 又朝另一方向天线发送出去 50 从甲地端站送来的数字信号 经过数字基带信号处理 数字多路复用或数字压缩处理 后 经数字调制 形成数字中频调制信号 70MHz或140MHz 再送入发送设备 进行射频调制变成为微波信号 送入发射天线向微波中间站 微波中继站 发送 微波中间站收到信号后经再处理 使数字信号再生后又恢复为微波信号向下一站再发送 这样一直传送到收端站 收端站把微波信号经过混频 中频解调恢复出数字基带信号 再分路还原为原始的数字信号 51 数字微波系统实例 52 2 3微波中间站的转接方式 按照收发信机转接信号时的接口频带划分 分为3种中继方式 基带转接方式中频转接方式微波转接方式此外 还有微波直放转接方式和无源转接方式 53 1 基带转接方式中间站把来自某一通信方向载频为f1的接收信号经对应中继机 微波收发信机 的天馈系统 天线馈线系统 传送到收信机 再经微波低噪声放大器后 与该中继机的接收机本振信号混频 混频输出信号经中放后送到解调器解调并输出基带信号 对基带信号进行判决再生 54 再生后的信码序列再对该中间站的另一中继机的发信机的中频进行数字载波调制 已调信号经过变频后输出载频为f1 的微波信号 该信号经微波功放 天馈系统后向中间站的另一个通信方向发送出去 55 这种转接方式采用数字接口 可以消除噪声积累 是目前数字微波中继通信最常见的一种转接方式 基带转接方式可以直接上 下话路 是微波分路站和枢纽站必须采用的转接方式 采用这种转接方式的中间站的设备与终端站可以通用 56 基带转接 收信机 发信机 57 2 中频转接方式中间站把来自某一通信方向载频为f1的接收信号经对应中继机 微波收发信机 的天馈系统 微波低噪声放大器后 与该中继机接收机本振信号混频 混频输出信号经中放后转接到该中间站的另一中继机的发信机功率中放 将信号放大到上变频器所需的功率电平 然后与发信机本振信号进行上变频 输出载频为f1 的微波信号 该信号经微波功放 天馈系统后 向中间站的另一通信方向发送出去 58 中频转接 59 信号从中间站的某一中继机的收信机转接到另一中继机的发信机时 接口频带为中频 所以称作中频转接 中频转接省去了调制 解调器 简化了设备 但中频转接不能上 下话路 不能消除噪声积累 它实际上只起到增加通信跨距的作用 60 3 微波转接方式微波转接与中频转接类似 但其转接接口是微波接口 且为了使同一中间站的转发信号不干扰接收信号 转信载频f1 相对于收信载频f1需要移频 即移频振荡器的频率等于f1 与f1之差 另外 为了克服传播衰落引起的电平波动 还需在微波放大时采取自动增益控制措施 微波转接电路技术实现起来比中频转接困难 但微波转接方案简单 设备体积小 功耗低 61 微波转接 62 4 微波直放转接方式微波直放转接方式以微波宽带低噪声放大器 微波宽带线性功率放大器和微波分路滤波器等器件为基础 进行有源 双向 无频率变换的微波信号直接放大 适用于模拟微波中继通信和数字微波中继通信 采用该方式的微波直放中间站不进行变频 其结构大为简化 体积很小 可以直接安装在天线支梁上 且其功耗低 可利用太阳能供电 可靠性较高 一般不需维护 63 微波直放转接可用于延长通信距离 改善衰落储备或克服某些地形障碍 且不需建机房 修道路和架设电力线路 节省了基建费用 但由于其转信和收信在同一载频上 因此必须采用增益高 方向性强 旁瓣低 高性能 具有低噪声放大器的天线 或加大天线之间的垂直间距 以避免本站收发信号之间的相互干扰 64 5 无源转接方式无源转接方式利用金属反射板改变微波波束的方向以起到转接的作用 这种转接方式维护简单 主要用于克服山河等地形障碍 但对反射板的抗风能力要求很高且造价较高 65 2 4数字微波中继通信系统设计中的若干问题 假设参考电路与传输质量标准传输容量与基带接口调制方式的选择射频波道的频率配置中频频率的选择 66 2 4 1假设参考电路与传输质量标准 1 假设参考电路事先假设数字微波中继通信线路并规定其传输质量 作为实际线路的参考 目的 便于考察各种实际数字微波中继通信线路的传输质量 按照传输容量 传输距离 传输质量进行划分 67 为3类 高级假设参考电路适用于远距离微波干线通信中级假设参考电路适用于国内微波支线通信用户级假设参考电路用于本地端局与用户之间的微波通信 68 高级假设参考电路 传输容量在二次群 8Mb s 以上 总长度为2500km 均匀分为9个数字微波段 在每个传输方向上均包含9组数字复用设备 包含两次64Kb s数字信号转接 其他转接为群转接 适用于国际与国内的远距离微波干线通信 69 中级假设参考电路 传输容量在二次群 8Mb s 以上 基本长度为1220km 由4类传输质量不同的假设参考数字微波段组成 可以根据具体情况组合 包含一次64Kb s数字信号转接 其他转接为群转接 适用于国内微波支线通信 70 用户级假设参考电路 长度为50km 主要用于本地数字端局与64Kb s用户之间的微波通信 71 72 2 传输质量标准误码性能是决定传输质量的主要标准 由三个指标衡量恶化分 1分钟统计时间 低误码指标 严重误码秒 1秒钟统计时间 高误码指标 误码秒累计 73 三类假设电路64Kb s数字信号输出端的误码性能高级假设参考电路的误码性能中级假设参考电路的误码性能用户级假设参考电路的误码性能 74 2 4 2传输容量与基带接口 1 传输容量以PCM数字复用设备的基带信号容量即电话路数来划分 2 基带接口是数字复用设备与微波信道设备之间 再生转接中间站收发信机之间的接口 75 有两种 近距离接口 需要连接的设备相距较近 远距离接口 发送端需将信码码型变换 接收端定时提取和信码再生 76 2 4 3调制方式的选择 1 微波发信机的调制方案射频 微波 调制来自数字复用设备的信码经过码型变换后 对微波振荡器输出的射频载波信号进行调制 已调信号经过微波功放 微波滤波 最后通过天馈系统发送出去 结构简单 但当发射频率比较高时 其微波功率放大器制作难度大 且发射机的通用性差 77 中频调制来自数字复用设备的信码经过码型变换后 对中频振荡器输出的中频载波信号进行调制 已调信号先经过功率中放 上变频 再经过微波功放 微波滤波 最后通过天馈系统发送出去 78 a 射频调制发信机 b 中频调制发信机 中频调制单元 微波发送单元 79 2 调制方式的选择调制是将数字基带信号调制到中频信号 解调是将中频信号解调为数字基带信号 考虑的主要因素有 频谱利用率 抗干扰能力 对传输失真的适应能力 抗衰落能力 设备的复杂程度 80 在数字微波通信中 为了提高频谱利用率 经常采用高频谱利用率的调制方式 常用的调制方式有 差分四相相移键控DQPSK 八相相移键控8PSK 16进制正交调幅16QAM 64QAM等 解调一般采用相干解调方式 2PSK 2DPSK设备简单 抗干扰能力强 对衰落信道和非线性信道的适应能力强 但频谱利用率不高 81 所谓 键控 是指一种如同 开关 控制的调制方式 比如对于二进制数字信号 由于调制信号只有两个状态 调制后的载波参量也只能具有两个取值 其调制过程就像用调制信号去控制一个开关 从两个具有不同参量的载波中选择相应的载波输出 从而形成已调信号 键控 就是这种数字调制方式的形象描述 82 几种简单的调制方式 1 二进制幅移键控 2ASK 在ASK中载波幅度是随着调制信号1和0的取值而在两个状态之间变化 最简单的形式是载波在二进制调制信号1或0的控制下通或断 这种二进制ASK方式称为通 断键控 OOK 它的时域表达式为sOOK t an Acos ct式中 A为载波幅度 c为载波频率 an为二进制数字 1或0 83 2ASK信号的典型波形 84 2 二进制频移键控 2FSK 2FSK是利用载波的频率变化来传递数字信息的 在2FSK信号中载波频率随着调制信号1或0而变 1对应于载波频率f1 0对应于载波频率f2 2FSK信号在形式上如同两个不同频率交替发送的ASK信号相叠加 85 2FSK信号的典型波形 86 3 二进制相移键控 BPSK或2PSK BPSK中 载波相位随调制信号1或0而改变 通常用相位0 和180 来分别表示1或0 BPSK信号的典型波形 87 基带传输信号 调幅 调频 调相 88 4 二进制差分相移键控 2DPSK 2DPSK是利用前后相邻码元的相对载波相位值来表示数字信息的 所以称为相对调相 相对调相信号的产生过程是 首先对数字基带信号进行差分编码 1 与前面的值相反 0 与前面的值一致 即由绝对码变为相对码 差分码 然后再进行绝对调相 载波相位遇1变而遇0不变 载波相位的这种相对变化就携带了数字信息 89 2DPSK调制器及波形 90 选择调制方式时 应根据数字微波中继通信系统的容量等级 并综合考虑各种因素来选择 对于小容量系统 以选择4PSK 4DPSK为主 也可选择2PSK 2DPSK或2FSK 对于中容量系统 以选择4PSK 4DPSK为主 也可选择8PSK或2PSK 2DPSK 对于大容量系统 以选择16QAM为主 也可选择8PSK 91 2 4 4射频波道的频率配置 为了增加传输容量 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 这样 一条微波线路上就有多套微波收发信机工作 在每个通信方向上使用多套微波收发信机同时工作时 同一方向的每套收发信机应该使用不同的微波收发频率 92 射频波道 每两套对通的微波收发信机构成了一条独立的双向微波信道 在一条微波中继通信线路上 相邻两个微波站之间将有多条射频波道 射频波道的频率配置 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 即分配各相邻两个微波站之间各条射频波道收发信机的微波收发频率 93 频率配置的基本原则 1 尽可能在给定的微波频段内多安排一些波道 2 尽可能减小波道之间的相互干扰 3 尽可能有利于通信设备的标准化 系列化生产 94 1 单波道频率配置当一条微波中继通信线路各相邻两个微波站之间只有一条波道工作时 其频率配置称为单波道频率配置 二频制 二频制指一个波道的收 发只使用两个不同的微波频率 整个微波线路共使用两个不同的微波频率f1 f2 且f1 f2在两个信息传输方向上都是交替出现的 95 二频制频率分配 一个通信方向的收信机会收到相反通信方向的同频干扰信号 96 四频制 整个微波线路共使用4个不同的微波频率f1 f2 f3 f4 f1与f3 或f4 f2与f4 或f3 各组成一条双向波道 这两条双向波道在两个信息传输方向上都是交替出现的 97 四频制频率分配 98 无论二频制还是四频制 它们都存在越站同频干扰 解决越站同频干扰的有效措施之一是 在微波路由设计时 使相邻的第4个微波站的站址不要选择在第1 2两个微波站的延长线上 99 越站干扰及无越站干扰 100 2 多波道频率配置当一条微波中继通信线路各相邻两个微波站之间有多条波道同时工作时 其频率配置称为多波道频率配置 配置方案 6条波道 12个微波频率一般有两种排列方式 交错制方案分割制方案 101 交错制方案 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 则其中收信频率为f1 f6 发信频率为f 1 f 6 下一中间站则相反 即收发频率逐站更换一次 这种方案的收发频率间距较小 40MHz 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 102 f2 f1 80MHz f1 f1 40MHz A方向 B方向 103 分割制方案 中继站6个波道收发频率集中排列的方案 收信频率集中在频段的一半 发信频率集中在频段的另一半 每个波道采用二频制 收信频率为f1 f6 发信频率为f 1 f 6 下一中间站则相反 即收发频率逐站更换一次 104 f2 f1 14MHz或29MHz f1 f1 较大 A方向 B方向 105 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 106 射频波道的频率再用通常有两种可行方案 a 同波道型频率再用 b 插入波道型频率再用 波道频率再用 107 108 2 4 5中频频率的选择 与码元速率的高低有关 f0为中频周期 fs为码元速率 kf f0 fs表示一个码元周期内包含多少个中频周期 一般在3 10范围内取值 标准中频频率有70MHz和140MHz两种 109 2 5微波传播特性与微波线路设计 自由空间的电波传播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 也就是说 总能量几乎没有被损耗掉 当电波在无限大的均匀 线性媒质内传播时 射线是沿直线传播的 110 然而电波传播实际所经历的空间场所是复杂多样的 不同媒质的分界处将使电波折射 反射 媒质中的不均匀体如对流层中的湍流团将使电波产生散射 球形地面和障碍物将使电波产生绕射 特别是某些传输媒质的时变性使射线轨迹随机变化 使得到达接收天线处的射线入射角随机起伏 使接收信号产生严重的衰落 111 电波传播可以依靠发射天线与接收天线之间的视距传播 分为地 地视距传播和地 空视距传播 视距传播的工作频段为超短波及微波波段 此种工作方式要求天线具有强方向性并且有足够高的架设高度 112 视距传播 113 信号在传播中所受到的主要影响是视距传播中的直射波和地面反射波之间的干涉 在几千兆赫和更高的频率上 还必须考虑雨和大气成分的衰减及散射作用 在较高的频率上 山 建筑物和树木等对电磁波的散射和绕射作用变得更加显著 114 2 5 1微波传播特性 1 地形地物对微波传播的影响微波中继通信的电磁波主要在靠近地表的大气空间传播 不同路由的中继段 当地面的地形不同时 对电波传播的影响也不同 主要影响有反射 折射 散射 绕射和吸收 115 地面反射和大气折射 116 平坦地表对微波电磁波的反射在传输线路上 有一部分波会投射到地面上来 引起地面波的反射 这样在收端除收到直射波外还会收到满足反射条件的反射波 此时接收信号的电波即为合成波 117 平面地的反射 行程差 r 反射波行程 直射波行程d h1 h2时 r 2h1h2 d 118 在传播路径远大于天线架高的情况下 两路波在B处的场强视为相同极化 在实际问题中 如果沿r路径在B处产生的场强振幅为E0 沿r r路径在B处产生的场强振幅为E1 在忽略方向系数的差异 忽略强度上的差异后 B处的总场强为合成场强E E0 E1平坦地表反射波的影响的大小用衰减系数 表示 E E0 119 衰减系数 与行程差 r的关系 地表反射系数 全反射 场强E 直射波完全被反射波抵消E E0 E1 0 120 收信点的场强幅值随反射波与直射波的行程差 r周期变化 r等于整数倍波长 的情况下 衰减达到极大值 地表反射系数 值越大 曲线的起伏程度越大 在进行微波中间站站址选择和微波线路设计时 应充分利用地形地物阻挡反射波 121 地表障碍物对微波视距传播的影响地表障碍物是诸如丘陵 山头 树林和高大建筑物等会阻挡电磁波视距传播的地物 122 在实际的微波线路中 有时会遇到传输路径上的刃形障碍物 当刃形障碍物的最高点靠近或超过收发之间的视距连线TR时 收信点R仍能接收信号 甚至可以正常通信 这是因为刃形障碍物不可能遮挡住所有的费涅耳区 所以在收信点只要有一定数量的费涅耳区空间不被遮挡 电波就能绕过刃形障碍物 使收信电平达到一定的数值 123 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 hc 为了确定余隙 利用费涅耳绕射原理 124 微波信号传输线路中的余隙概念余隙是指从地面最高点 设为信号反射点 至收 发天线连线间的距离 用Hc来表示 当在设计天线高度时一定要有余隙的计算 余隙的计算与等效地球半径系数k和第一菲涅尔区半径 F1 有关 其中k主要随气象变化而受影响 125 传输路径上的刃形障碍物 126 把费涅耳区上一点P到TR连线的垂直距离称为费涅耳区半径 用F表示 第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通道 第一费涅耳区半径用F1表示 127 R r1 128 实际上 划分菲涅尔半波带的球面是任意选取的 因此当球面半径R变化时 尽管各菲涅尔区的尺寸也在变化 但是它们的几何定义不变 而它们的几何定义恰恰就是以A P两点为焦点的椭圆定义 如果考虑到以传播路径为轴线的旋转对称性 不同位置的同一菲涅尔半波带的外围轮廓线应是一个以收 发两点为焦点的旋转椭球 129 菲涅尔椭球 波长越短 第一菲涅尔区半径越小 对应的第一菲涅尔椭球越细长 对于波长非常短的光学波段 椭球体更加细长 130 由于电波传播的主要通道并不是一条直线 因此即使某凸出物并没有挡住收 发两点间的几何射线 但是已进入了第一菲涅尔椭球 此时接收点的场强已经受到影响 该收 发两点之间不能视为自由空间传播 而当凸出物未进入第一菲涅尔椭球 即电波传播的主要通道 此时才可以认为该收 发两点之间被视为自由空间传播 131 即使在地面上的障碍物遮住收 发两点间的几何射线的情况下 由于电波传播的主要通道未被全部遮挡住 因此接收点仍然可以收到信号 此种现象被称为电波绕射 在地面上的障碍物高度一定的情况下 波长越长 电波传播的主要通道的横截面积越大 相对遮挡面积就越小 接收点的场强就越大 因此频率越低 绕射能力越强 132 不同波长的绕射能力 133 最小菲涅尔区表示电磁波传播所需的最小空间通道 其收信点的场强幅值等于自由空间传播场强幅值 最小菲涅尔区半径F0在收发距离中间处达到最大值 越靠近收发两端越小 134 135 若要求收信点的场强幅值等于自由空间传播场强幅值 则收发视距连线与障碍物最高点之间的垂直距离即传播余隙Hc应当大于或等于最小菲涅尔区半径F0 即Hc F0 136 与自由空间传播相比 地表障碍物对微波视距传播的影响表现为引入了阻挡损耗 路径上刃形障碍物的阻挡损耗为收信点的场强幅值与自由空间传播场强幅值的比值E E0 137 阻挡损耗与相对余隙Hc F1有一定的关系 Hc 0时 阻挡损耗为6dB Hc F10 5时 阻挡损耗在0dB上下波动 138 路径上刃形障碍物的阻挡损耗 139 视距微波通信常常根据路径余隙Hc的大小将线路分为三类 1 Hc F0称为开路线路 2 0 Hc F0称为半开路线路 3 Hc 0称为闭路线路 140 2 大气对微波传播的影响从地面算起 垂直向上 可把大气分为6层 依次称作对流层 同温层 中间层 电离层 超离导以及逸散层 对流层是指自地面向上大约10km范围的低空大气层 对流层集中了整个大气质量的四分之三 141 对流层对微波传播的影响 主要表现 1 由于气体分子谐振引起对电磁波能量的吸收 2 由雨 雾 雪引起对电磁波能量的吸收和散射 3 对流层结构的不均匀性对电磁波的折射 由于气象因素等影响 使对流层也会形成云 雾之类的 水气囊 形成了大气中的不均匀结构 142 由于对流层的折射率随高度而变 因此电波在对流层中传输时会发生不断的折射 从而导致轨迹弯曲 这种现象称为大气折射 表现为 在空间不同高度的波束 其传播速度会发生变化 当下层比上层传播快则往上弯曲 当上层比下层快 则电波射线往下弯曲 143 144 收 发两微波站间的电波传播 同样会受到电离层 对流层影响 环境的大气压力 温度 湿度等参数变化会影响微波的传播 对流层不同高度的大气压力 温度和湿度不同 因而其折射率也不同 使其中的微波传播不是按直线而是按曲线前进 145 折射率梯度表示折射率n随高度h的变化率 体现了不同高度的大气压力 温度及湿度等对大气折射的影响 表示为 1 0 n随高度的增加而增加 传播速度v与n成反比 随高度的增加而减小 电波传播的轨迹向上弯曲 2 0 v随高度的增加而增加 使电波传播的轨迹向下弯曲 146 根据电波受大气折射后的轨迹 将大气折射分为三类 1 无折射 电波传播轨迹不随大气的垂直高度而变化 此时dn dh 0 意味着对流层大气为均匀大气 电波射线轨迹为直线 射线的曲率半径为 2 负折射 上层空间的电波射线速度小 下层空间电波射线速度大 使电波传播轨迹向上弯曲 此时dn dh 0 曲率半径为负值 以上两种情况实际上很少发生 147 3 正折射 上