数字微波中继通信方式电路分析.doc

数字微波中继通信方式电路分析毕业论文目录摘 要3Abstract4第一章 数字微波通信概述51.1 绪论51.2 数字微波通信发展概况51.3 数字微波通信的主要特点61.3.1 通信频段的频带宽61.3.2 受外界干扰的影响小61.3.3 通信灵活61.3.4 天线增益高、方向性强61.3.5 投资少、建设快71.4 数字微波通信系统的组成71.4.1 用户终端91.4.2 交换机91.4.3 数字终端机91.4.4 微波站9第二章 数字微波中继通信中的中继方式102.1 再生转接方式112.2 中频转接方式112.3 微波转接方式122.4 直放转接和无源转接方式122.5 中继方式的选择13第三章 数字微波发信设备143.1 发信设备的组成143.1.1 微波调制发射机143.1.2 中频调制发射机143.2 发信设备的主要性能指标153.2.1 工作频段153.2.2 输出功率153.2.3 频率稳定度163.2.4 干扰与噪声16第四章 数字微波收信设备174.1 数字微波收信设备174.2 收信设备的主要性能指标184.2.1 工作频段184.2.2 噪声系数184.2.3 本振频率稳定度184.2.4 通频带184.2.5 选择性184.2.6 最大增益与自动增益控制范围19第五章 数字微波天线设备205.1 微波通信对天线设备的要求205.2 天线增益205.3 天线方向图20第六章 数字调制设备226.1 数字调制设备的组成226.1.1 扰码电路226.1.2 串并行变换226.1.3 差分编码电路236.1.4 四电平形成电路236.1.5 频谱成形滤波器236.1.6 载波产生电路236.1.7 调制器电路246.2 数字调制设备的主要性能指标246.2.1 键控信号的调制误差246.2.2 键控信号发送谱特性246.3 影响调制设备性能指标的不理想因素256.3.1 频率响应特性256.3.2 非线性特性256.3.3 载漏256.3.4 正交相位误差266.3.5 调制电路不平衡26第七章 数字解调设备277.1 数字解调设备的组成277.1.1 解调单元287.1.2 再生单元287.1.3 差分译码与接口单元297.2 数字解调设备的主要性能指标307.2.1 抽样点信噪比和码间串扰量307.2.2 误码率特性317.2.3 参考相位载波的性能指标31第八章 总结33致 谢34参考文献35摘 要本论文从数字微波通信概述引出数字微波通信的几种转接方式。进而在后续几章中讨论了数字微波中继通信系统的发信设备、收信设备、天线设备、数字调制设备和解调设备。限于作者的研究水平，对数字微波通信系统的载波跟踪和位同步恢复电路和均衡、切换、勤务、接口及其他辅助电路没做讨论。第一章主要介绍了数字微波通信的概念、特点和系统组成，并且详细介绍了数字微波通信系统的各个组成部分。第二章详细介绍了数字微波中继通信的几种转接方式，为后续几章做铺垫。第三章主要讲述了数字微波的发信设备和发信设备的主要性能指标。第四章详细讲述了数字微波收信设备和数字微波收信设备的各种性能指标。第五章介绍了数字微波天线设备，包括微波通信对天线设备的要求、天线增益和天线方向图第六章研究了数字调制设备的组成和数字调制设备的主要性能指标及影响调制设备性能指标的不理想因素。第七章介绍了数字解调设备的主要性能指标及数字解调设备组成。第八章为设计总结。关键字：中继通信、中继方式、电路分析、设备组成、性能指标AbstractThe first chapter of this thesis, the first chapter from the digital microwave communication leads to the second chapter began several digital microwave relay communication mode. Further discussed in subsequent chapters of the digital microwave relay communication system device letter, prepared to receive device, the antenna devices, and digital modulation apparatus and demodulation devices. Due to space limitations, did not discuss the digital microwave communication system carrier tracking and bit synchronization recovery circuit, there is no discussion of balance, switch, service, interface and other auxiliary circuits.The first chapter describes what about the concept of digital microwave communications, features and system components, and introduces about digital microwave communication system components.The second chapter describes in detail about several digital microwave relay communication relay method, laying the groundwork for subsequent chapters.The third chapter tells about the writing equipment and digital microwave equipment, key performance indicators sent.Chapter IV describes in detail prepared to receive equipment and digital microwave equipment, digital microwave prepared to receive a variety of performance indicators.Chapter V describes what digital microwave antenna equipment, including microwave communication equipment requirements on the antenna, antenna gain and antenna pattern.Chapter VI of the composition of the digital modulation and digital modulation devices of the main performance equipment, but also affect the modulation of non-ideal device performance factors.Chapter VII of the digital demodulation device digital demodulation device main performance digital demodulation device group Into.Chapter VIII,Summary of the design.Keywords: relay communications, relay mode, circuit analysis, equipment, composition, performance.第一章 数字微波通信概述1.1 绪论微波通信是一种先进的通信方式，它利用微波来携带信息，通过电波空间同时传送若干相互无关的信息，并且还能进行再生中继。当微波通信用于地面上远距离长途通信时，需要采取中继（接力）传输方式，称为微波中继（接力）通信。它具有传输容量大、长途传输质量稳定、投资少、建设周期短和维护方便等特点，得到了广泛的应用。而建立在微波通信和数字通信基础上的数字微波通信，同时具有数字微波通信和微波通信的优点，更是受到各国的普遍重视。因此数字微波中继通信、光纤通信和卫星通信一起被称为现代通信传输的三大主要手段。根据所传输基带信号的不同，微波通信又分为两种制式。用于传输频分多路调频（FDM-FM）基带信号的系统叫做模拟微波通信系统；用于传输数字基带信号的系统叫做数字微波通信系统。后者又进一步分为PDH微波和SDH微波通信两种体制。SDH微波通信系统是今后微波通信系统发展的主方向。不管是模拟微波通信还是数字微波通信，其微波通信最基本的特点可以概括为6个字：“微波、多路、接力”。近年来，由于通信技术的发展及通信设备的数字化，数字微波设备与模拟微波设备相比，在微波设备中占有绝对大的比重。1.2 数字微波通信发展概况1931年，调幅微波通信设备出现，它的工作频率为1.667GHz。在第二次世界大战后，由于雷达的发展，使微波技术和微波中继通信得到迅速的发展。从1947至1951年，相继完成了4GHz 480路电话和一个电视波道的多路微波中继通信系统。1951年，“TDZ”设备开始使用，它的工作波长均为7.5cm，具有6个宽频带双向波道，每个高频波道可通一路电视节目或600路电话的调频多路微波通信系统，之后发展为每个波道可通1200路电话，共有10个双向波道的“TD-3”系统。1960年，出现了具有8个波道，每个容量为2200路电话或一个电视节目再加上几百路电话的6GHz宽频带系统。20世纪70年代，调频微波通信已把每个波道的电话容量扩大到2700路。随着通信领域各种通信方式的出现和数据交换对通信的要求，微波通信技术得到了迅速发展。自1965年来，各国相继投入了对2、4、6、8、11、15、20GHz及16QAM、64QAM（正交调幅）等新型的调制和解调方式的研究，其传输速率可达几百Mb/s。1.3 数字微波通信的主要特点1.3.1 通信频段的频带宽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。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。1.3.2 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。1.3.3 通信灵活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。1.3.4 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。1.3.5 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。近年来，由于通信技术的发展及通信设备的数字化，数字微波设备与模拟微波设备相比，在微波设备中占有绝对大的比重。而数字微波除了具有微波通信的普遍特点外还具有数字通信的特点： 抗干扰性强,整个线路噪声不积累； 保密性强，便于加密； 器件便于固态化和集成化，设备体积小、耗电少； 便于组成综合业务数字网（ISDN）；数字微波的主要缺点是要求传输信道带宽较宽，因而产生了频率选择性衰落，其抗衰落技术比模拟微波中相应的技术要复杂。1.4 数字微波通信系统的组成数字微波传输线路的组成形式可以是一条主干线，中间有若干分支，也可以是一个枢纽站向若干方向分支。但不论哪种形式，主要是由微波终端站、中继站和分路站等组成的，如图1.1,所示。但要构成一个完整的数字微波通信系统，还应该包括其他部分，如图1.2所示，数字微波通信系统总是由图1.2中中给出的几部分组成的。（a）线路的组成 （b）微波中继站的类型图1.1 微波通信的信道构成图 1.2 数字微波通信系统方框图数字微波法传输线路的组成形式可以是一条主干线，中间有若干分支，也可以有若干分支，也可以是一个枢纽站向若干方向分支。但不论哪种形式，主要是由微波终端站、中继站和分路站等组成的。但要构成一个完整的数字微波通信系统，还应包括其他部分，如图1.1所示，数字微波通信系统总是由图1.1给出的几部分组成的。1.4.1 用户终端 用户终端指直接为用户所使用的终端设备，如自动电话机、电传机、计算机和调度电话机等。1.4.2 交换机交换机是用于功能单元、信道或电路的暂时组合，用以保证按要求进行通信操作的设备。用户可通过交换机进行呼叫连接，建立暂时的通信信道或电路。这种交换可以是模拟交换，也可以是数字交换。1.4.3 数字终端机 数字终端机的基本功能是把来自交换机的多路音频模拟信号变换成时分多路数字信号,发往数字微波传输信道,以及把数字微波传输信道收到的时分多路数字信号反变换成多路模拟信号,送到交换机。1.4.4 微波站微波站的基本功能是传输数字信息。按工作性质不同，可分为数字微波终端站、数字微波中继站和数字微波分路站三类。微波站的主要设备包括数字微波发送信号设备、数字微波接收信号设备、天线、馈线、铁塔，以及为保障线路正常运行和无人维护所需的检测控制设备、电源设备等。第二章 数字微波中继通信中的中继方式微波低噪声放大器混频中放解调再生收本振f1解调变频中频振荡器微波功放f2（a）再生转接在长距离的微波中继线路中，微波站通过天线收到微波信号后可以经过下变频转换为中频信号后再进行转接，也可以在解调出基带信号后再进行转接，也可以直接由微波放大器放大后进行转接。微波中继通信系统中间站的转接方式一般按照收发信机转接信号时的接口频带划分，它们划分为再生转接方式、中频转接方式和微波转接方式三种，其方框图如图2.1。除此之外，还有微波直放转接方式和无源转接方式。 图2.1 中继方式2.1 再生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，再生后的信码序列进行中频数字载波调制。 已调信号经过变频后输出载频为f2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。这种转接方式采用数字接口，可以消除噪声积累，是目前微波通信最常见的一种转接方式。再生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（图2.1(a) 只表示出了第一种情况）。2.2 中频转接方式如图2.1（b），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，将发信端输出的微波信号通过高频馈线送至天线，经天线变换为无线电波朝通信方向发射出去，再经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f2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。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。2.3 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f2相对于收信载频f1需要移频，即移频振荡器的频率等于f2与f1之差，见图2.1（c）。另外，为了克服传播衰落引起的电子波动，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。2.4 直放转接和无源转接方式近年来产生了一种新的技术，即微波直放转接方式。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。这种方式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。 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。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。2.5 中继方式的选择在数字微波系统中，再生转接属于再生型中继方式，而中频转接及微波转接属于非再生型中继方式。凡是需要上、下话路的中继站，必须采用再生型中继方式。由于信号再生还能克服长距离传输的噪声积累，因此是数字微波的一种主要中继方式。非再生中继虽然没有这些优点，但设备简单、耗电量低，在某些低功耗无人值守中继站采用这种方式也有一定特点，当不需要上、下话路时，也是中继站的一种可行方案。除此以外，还有一种无源中继方式，即利用金属板的反射或绕射效应改变波束方向，达到转接的目的。这种转接方法维护简单，成本较低，主要用于克服某些地形障碍。第三章 数字微波发信设备3.1 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。3.1.1 微波调制发射机微波调制发射机的组成方框图如图3.1（a）所示。来自数字终端机的数字信号经过码型变换后，直接对微波载波进行调制，然后经过功放和微波滤波器送到天线振子，由天线发射出去。这种方案的发射机结构简单，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。3.1.2 中频调制发射机中频调制发射机的组成方框如图3.1（b）所示。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，经上变频器交换为微波调制信号，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。中频调制发射机的构成方案与一般调频制模拟微波机相似，只要更换调制解调单元，就可以利用现有模拟微波信道传输数字信息。因此，在多波道运用时，这种方案容易实现数字系统和模拟系统的兼容。在不同容量的数字微波中继设备系列中，改变传输容量一般只需要交换中频调制单元，微波发送单元可以通用。在研制和生产不同容量的设备系列时，这种方案有较好的通用性。图3.1 两种数字微波发信设备3.2 发信设备的主要性能指标3.2.1 工作频段微波中继通信的频段包括1GHz40GHz的很宽范围。工作频率愈高，愈容易获得较宽的通频带和较大的通信容量，同时天线设备也具有更尖锐的方向性，而且体积重量减小，但是频率高时，雾、雨或雪的吸收显著，传播损耗、衰落和接收设备噪声也愈高。从12GHz起必须考虑大气中水蒸气的吸收问题，这种吸收衰耗随频率上升而增加，当频率接近22GHz时，即水蒸气分子谐振频率时，是大气传播衰减的峰值，衰减量很大。对于较长距离的微波中继1. 7GHz12 GHz是主要工作频段，12GHz以上，目前使用不多。我国选用2、4、6、7、8、11GHz做为微波通信的主要频段其中2，4，6GHz频段主要用于干线微波中继，2、7、8、11GHz主要用做支线或专用网。3.2.2 输出功率微波中继站所需的发射功率和很多因素有关。例如，通信话路愈多，频带愈宽，为保持同样通信质量，必须有更大发信功率。另外，也和站址选择、多径衰落的影响、分集接收技术的采用等诸因素有关。一般情况下，数字通信比模拟信号通信有更好的抗干扰能力。为了保持同等通信质量，数字微波通信与模拟通信相比需要较小的发送功率。例如数字微波发射机输出功率有时只需几十毫瓦到几百毫瓦功率，只有长距离情况下才需要几瓦量级。3.2.3 频率稳定度微波通信对频率稳定度的要求决定于所采用的通信制式以及对通信质量的要求。对于数字微波通信系统经常采用的PSK调制方式来说，发射机频率漂移将使解调过程产生相位误差，致使有效信号幅度下降，误码率增加。因此采用数字调相的数字微波发射机比采用模拟调频的模拟微波发射机应该有更高的频率稳定度。采用PSK调制方式时，频率稳定度可以取15左右。3.2.4 干扰与噪声发信设备中的噪声可包括相位噪声，交调干扰噪声等。相位噪声产生于本机振荡器，它体现了振荡器瞬时频率稳定度的质量，也表示了微波振荡器输出信号的频谱纯度。离开主振频率愈远相位密度愈低，噪声谱密度随频率下降的速率与振荡电路的Q值有关。直接振荡式的微波本振，例如介质振荡器、体效应二极管振荡器等，当电路Q值不够高时，将产生较强的相位噪声。交调干扰噪声主要产生于本机振荡器，上变频器和次级功率放大器。尤其是倍频链式的本振源具有很强的谐波干扰，已经逐渐很少采用。上变频器属于非线性多频工作状态。也有较大的交调干扰噪声。此外，微波各部件之间的回波反射也产生干扰噪声。各类噪声都是叠加在有用信号之上，噪声的存在使信噪比降低，增大了数字通信的误码率。在直接中继和外差中继方式中，各中继站的噪声可能造成叠加积累，因此必须对每个站产生的噪声功率加以限制。第四章 数字微波收信设备4.1 数字微波收信设备数字微波收信设备一般都采用超外差接收方式，其组成方框图如图4.1所示。它由射频系统、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。射频系统可以用微波低噪声放大器，也可以不用放大而采用直接混频方式，前者具有较高的接收灵敏度，而后者的电路较为简单。微波滤波器用来选择工作波段的信号，抑制邻近信道的干扰。中频系统提供足够大的放大量，并具有自动增益控制功能，以确保送入解调系统的信号电平稳定。中频系统对整个接收信道的通频带和频率响应也起着决定性作用。数字调制信号的解调分为相干解调和非相干解调两种方式。由于相干解调具有较好的抗误码性能，因而比较常用。还有一种差分相干解调，也叫延迟解调电路，它是利用相邻两个码元载波的相位进行解调，只适用于差分调相信号的解调。这种方法的电路简单，但与相干解调相比，其抗误码性能较差。图 4.1 数字微波收信设备4.2 收信设备的主要性能指标4.2.1 工作频段微波中继通信常用的频段有2GHz，4GHz6GHz7GHz、8GHz、11GHz，13GHz15GHz18GHz。目前我国的数字微波中继主要使用12GHz以下的频段。其中我国的干线通信常用2，4，6GHz频段，支线通信可用2，7、8、11GHz等。不同频段的接收机，其微波系统的组成方法和电路形式不尽相同，但大体上相近。各频段所用的频带宽度为400600MHz左右，其中包括816个工作波道。具体工作波段配置基本上按照国际无线电咨询委员会建议执行。4.2.2 噪声系数噪声系数是收信设备重要指标。由多级微波部件组成的收信系统噪声系数主要取决于前面一两级。4.2.3 本振频率稳定度收信设备频率稳定度应和发信设备具有相同的指标，在方案选取上，收信本振和发信本振常用两个相互独立的振荡器。在有些中继设备里，收信本振功率是由发信本振功率里取出一部分进行移频得到的，收信与发信本振频率相差300MHz左右。这种共用一个振荡源的方案的好处是收信与发信本振频率必是同方向漂移，因此用于中频转接站时，可以适当降低对振荡器频率稳定度的要求。4.2.4 通频带为了有效地抑制噪声干扰，和获得最佳信号转输，应该选择合适的通频带和通带形状。接收机的通频带特性主要由中频滤波器决定。4.2.5 选择性选择性是指接收机在通频带以外，对各种干扰的抑制能力，尤其要注意抑制邻近波道干扰、镜频干扰和本机收发之间干扰等。这项指标在总体设计时，根据干扰防护要求制定，井由微波滤波器和中频滤波器以及抑镜滤波器来保证。4.2.6 最大增益与自动增益控制范围接收机的最大增益取决于输入端的门限电平和解调器的正常工作电平。例如，当数字微波中继接收机的输入门限电平为-126dBW时，要使解调器正常工作，要求主中放在75O负载上输出200mV（相当于-33dBW），则接收机最大增益为93dB。此增益应该在微波低噪声放大器、前置中放、主中放各级之间进行分配，同时还要把混频器损耗和滤波器损耗考虑在内。此外还要注意各放大器是否会出现饱和及非线性情况。自动增益控制电路是微波中继收信机不可缺少的一部分。如果没有这部分电路当发生传输衰落时，解调器就无法工作。以正常传输电平为基准，低于这个电平的传输状态称为下衰落，高于这个电平的传输状态称为上衰落。数字微波中继通信常用的典型数据为：上衰落+5dB，下衰落- 40dB，共有45dB的动态范围。当输入信号在此范围内变化时，要求自动增益控制电路能保持解调器的中频输入电平在一个很小的范围内变动。有些微波放大器，比如双栅FET放大器，在第二栅加控制电压就能实现增益控制，从而也可以分担一部分自动增益控制指标。第五章 数字微波天线设备5.1 微波通信对天线设备的要求天线把发射机的高频能量沿指定方向以电磁波发送出去，或者把从某个方向来的电磁波收取下来送进接收机。对天线的要求包括：具有较高的增益、良好的天线方向性以及天线与馈线之间的优良的匹配性能；其它在机械结构上须保证足够的抗风强度，并能在恶劣的气象环境下正常工作。在微波通信系统中对天线除了通常的要求以外，还有对天线寄生耦合的要求5.2 天线增益增益是衡量天线性能的重要参数，它是指天线将发射功率往某一指定方向集中辐射的能力。一般是把天线的最大辐射方向上的场强E与理想的各向同性天线均匀辐射场强E0相比较，以功率密度增加的倍数定义为增益，即式5-1。 （5-1）从接收天线的角度上看，也可以把增益理解为天线收取某一指定方向来的电磁波的能力。这时增益可表示为天线的有效接收面积与各向同性天线的接收面积的比值，即式5-2。 （5-2）其中为天线有效面积。A0为各向同性天线面积。为波长。5.3 天线方向图这个指标是对天线在整个空间内的辐射图形提出的要求，它对于微波通信中继站的设计提供重要的依据。具体包括主瓣的半功率角（称为波束宽度）以及第一副瓣、第二副瓣的辐射电平等，示意图如图5.1此外还要确定天线的后瓣辐射电平，一般都要求它尽量低，以减小前后天线的串扰。5.1 天线方向图通常天线半功率角可根据天线尺寸和波长按近似公式5-3估算：= （5-3）式中表示波长，D表示天线尺寸。第六章 数字调制设备6.1 数字调制设备的组成对于具有带通传输特性的无线信道，必须将码元对载波进行一定的键控，才能使被传送的数字信号与信道相适应，达到传输的目的。实现将数字终端设备输出的数字信号转换成适合频带传输的键控信号的设备，通常称为数字调制设备。以16QAM数字调制系统为例，其调制设备的组成框图如图6.1所示。图6.1 16QAM系统调制设备的组成框图6.1.1 扰码电路扰码电路的作用是扰乱输入的信息数字序列（来自数字终端复用设备），使得在信道中传输的二进制数字序列近似地满足1、0等概的纯随机特性。此外，扰码电路处于臼检状态位置时，可作为码组发生器使用。它输出一组自检码组以替代输入的信息序列。6.1.2 串并行变换对于16QAM调制，一个码元周期包含了四个比特信息。因此，经扰码电路加扰后的一组二进信息序列通过串-并行变换后，形成四路并行信码序列。经串-并行变换后，每一路信码速率(fa)降为原输入信息速率(fb)的四分之一。6.1.3 差分编码电路对于大多数传输系统，各种载波键控信号几乎都采用相干检测的方式进行解调。采用相干检测作解调需要有一个参考载波信号，这个信号通常是由载波恢复电路提供的。从抑制载波的键控信号中恢复参考载波，一般都会引入载波相位含糊。因此，为了克服载波相位含糊对数字信号检测的影响，需要在系统的发送端对信码进行差分编码，而在接收端进行差分译码。6.1.4 四电平形成电路四电平形成电路实际上是一个数模变换电路，可以由电阻网络构成，也可以采用D/A变换器。它的作用是将差分编码后的四路二电平信号变换为两路调制用的四电平基带信号。同相路调制码元a1、a2形成了同相路四电平基带信号x；而正交路调制码元，b1、b2则形成正交路四电平基带信号y，6.1.5 频谱成形滤波器为充分利用现有的电磁波谱资源，提高频谱利用效率，除考虑采用频谱利用率较高的载波键控方式外，还可采用一定的频谱成形技术，对发送谱进行必要的加工，将其频谱限制在一定的框架范围内，并满足一定的滤波响应。能完成这功能的滤波器称为频谱成形滤波器。频谱成形滤波器通常设计成满足奈奎斯特响应的升余弦滚降滤波器，该滤波器可以采用频域或时域两种方法实现。6.1.6 载波产生电路这部分电路的功能是产生键控用的调制载波。在如16QAM这样的正交键控系统中，还应形成正交相位误差小的正交相位载波。大部分数字微波系统，常常在某个中频上进行键控，然后再利用上变频器变换到微波频率。目前模拟微波系统的标准中频为70、140兆赫，为和模拟微波通用，这两种频率也作为数宁微波系统的标准中频。对三次群以下的中小容量数字微波系统，一般采用70兆赫中频；而对于四次群以上的大容量数字微波系统，有的采用70兆赫中频，也有的采用140兆赫中频。6.1.7 调制器电路调制器电路是数字调制设备，也是整个数字微波通信设备的关键部件之一。调制器电路实际常是一个相乘器电路，它完成基带信号和相位载波之间的相乘运算。在像16QAM这样的正交键控系统中，它完成两路基带信号和正交相位载波之间的相乘运算。6.2 数字调制设备的主要性能指标数字调制设备的技术指标可以分为两类：一类是指调制设备的工作指标，如调制设备的输入信息速率，键控方式，码元速率发送谱成形考虑以及调制载波频率等，它们主要由数字微波系统的工作条件决定。另一类指标则反映了数字调制设备本身的电路性能，我们称为性能指标。这些指标通常根据整机总体要求决定，与数字微波通信系统的质量有着密切的关系。衡量数字调制设备的性能指标主要有两个：键控信号的调制误差和输出频谱特性。下面讨论这两项主要性能指标。6.2.1 键控信号的调制误差任何一种理想键控的等效基带信号的各个矢量点在复平面上部对应有一定的位置。如果调制设备电路不理想，使得输出信号的矢量点偏离理想矢量点位置，这就产生了调制误差。6.2.2 键控信号发送谱特性键控信号发送谱特性是衡量数字谰制设备性能的又一项重要指标。键控信号发送谱特性可以从下面三个方面考虑：1. 键控信号占有带宽对于带宽受限的传输信道，键控信号的频谱宽度必须和信道带宽相匹配，才能达到有效传输的目的。键控信号的占有带宽指的是在信道中被传进的有用信号能量所占有的带宽，该带宽习惯上也称为该键控系统的调制带宽。它决定了该系统的真正的频谱利用效率。2. 带内频谱特性带内频谱特性指的是键控信号占有带宽以内频谱分布特性。一个理想的键控信号，对应有理想的频谱分布特性。然而，由于调制设备，主要是它的成形滤波器，以及调制器电路不理想，使得实际键控信号的带内频谱和理想频谱之间产生误差，即带内频谱产生畸变。带内频谱畸变，必然会引起码间串扰，导致系统性能恶化。3. 带外频谱泄漏带外频谱泄露，也称为调制谱旁瓣，通常指的是键控信号具有带宽以外的频谱分量，这些分量是系统不需要传送的频谱分量。在多波道工作场合，为了防止对相邻波道的干扰，每个系统对键控信号发送谱带外频谱分量都有一定要求，也就是发送谱旁瓣指标要求。旁瓣指标一般规定为：带外各点频率处的信号功率相对于主瓣信号功率的衰减量（用分贝表示）。6.3 影响调制设备性能指标的不理想因素键控信号的调制误差和发送谱特性是衡量数字调制设备性能的两项主要指标。它们是由调制设备各部件电路性能所决定。其中影响最大的是调制器电路和波形成形滤波器。主要影响因素如下：6.3.1 频率响应特性调制器电路和波形成形滤波器的频率响应特性（包括幅频响应和群时延特性）不理想，将引起键控信号矢量偏差和占有带宽内的频谱畸变。6.3.2 非线性特性调制设备的非线性主要是由调制器电路引起。非线性指标可以用交调系数表示。在多电平键控或者限带传输系统中，对调制器电路的非线性指标应该有比较高的要求。调制器电路非线性主要使键控信号产生调制误差和频谱展宽。6.3.3 载漏一个信息序列完全独立等概的对称键控调制，在它的输出频谱中不应包含载频的线谱分量。然而，由于调制器电路不理想，使得输出信号的频谱中残留有载频分量，这种分量称为载漏。较大的载漏不仅降低了有效信号能量，而且也干扰了键控信号的有校矢量，使它们偏离了原来位置，产生了矢量误差。6.3.4 正交相位误差对正交键控系统，正交调制载波的正变相位误差是引起键控信号矢量误差的主要原因之一。正交相位误差定义为：正交调制载波之间的相位差相对于90度的偏差。假定同相路载波的相位为，正交路载波的相位为，那末，正交相位误差可定义为式6-1：= （6-1）6.3.5 调制电路不平衡一个正交键控信号的形成，通常是先形成两路基带信号：然后用这两路基带信号分别对正交载波进行平衡调制，形成每一路的键控信号。最后将这两路键控信号进行合路，得到所需要的正交键控信号。因此，对正交键控系统，存在着信号的两个通路，即同相路信号通路和正交路信号通路。调制设备电路不平衡主要指这两个通路特性不一致。两个通路特性不一致，如幅度差异，必然导致合路的键控信号产生矢量偏差。因此，对多电平正交键控系统，应特别重视正变两个通路的电路性能平衡。对一个实际的数字调制设备，影响键控信号性能不理想的因素很多。除了上面讨论的五个方面外，其它一些因素，如电源电压波动，温度变化引起的漂移等，在此不再赘述。第七章 数字解调设备对一个数字通信传输系统，数字调制设备和数字解调设备统称为信道终端设备，它们两者之间有着相互对应的关系。作为数字调制设备的对应设备，解调设备的任务是对经过信道传输后产生失真并混杂有噪声的信号进行识别，判定各个波形所代表的符号，以恢复发端的数字信号。这必须包含两个步骤：首先将频带信号经过解调变为基带信号，然后再利用基带信号的检测方法恢复成原来的数字信号。频带数字信号的解调分为相干解调和非相干解调两种方式。在数字微波系统中，尤其在中大容量数字微波系统中，几乎都采用相干解调方式。因此，下面介绍一个采用相干解调方式的数字解调设备的构成7.1 数字解调设备的组成为讨论方便，先以2PSK系统为例，介绍它的数字解调设备的构成。图7.1是一个2PSK系统数字解词设备构成框图。从图可以看出，它主要包括三大部分，即：解调单元、信码再生单元和译码单元。下面分别介绍这三个单元的构成和功能。图 7.1 2PSK系统数字解调设备构成框图7.1.1 解调单元解调单元也称为相干检测单元，它是整个系统的关键部分。它和数宁调制设备的调制单元相对应，完成从频带信号到基带信号转换功能。解调单元一般应包括以下几个部分：1 相干载波信号产生相干载波信号用来作为相干检测的相位标准，也称为参考相位载波，它通常是由载波恢复电路提供的。载波恢复电路的性能质量对整个系统性能影响很大。因此，载波恢复技术是数字微波解调系统的一项关键技术。2 相乘器完成输入信号和参考相位载波之间的相乘运算。实际上，它也是一个相位检波器，因此常称为鉴相器( PD)。3 积分器（或低通滤波器）在一个码元周期内对相乘器的输出进行积分运算。因此，它和通常的积分器不同，当一个码元周期终了时需要将积分器所贮存的电压清除干净，以便下一个码元到来时重新进行积分运算。这种具有积分和泄放功能的电路也叫做积分-泄放电路。在一般系统中，积分-泄放电路常用一个低通滤波器来代替。它的功能不仅能抑制相乘器输出基带信号中的谐波分量和噪声；而且，由于它们的响应是按系统共轭匹配条件选取，因此，可以减小解调后基带信号的码间串扰，从而使抽样点信噪比达到最大。对一些带限传输系统，收和发的等效基带响应都满足平方根奈奎斯特响应。如果解调之前接收端的滤波器都是宽带响应，则解调后的低通滤波器就应按平方根奈奎斯特响应滤波器设计。7.1.2 再生单元再生单元也称为基带信号检测单元。它的功能是利用基带信号检测方法将解调后的基带信号还原成数字信号。该单元包括抽样、判决和位同步恢复几部分。1 抽样电路在一个码元周期内的某个最佳时间上对积分器（或低通滤波器）的输出信号进行抽样。这个最佳时间就选择在积分器输出电压最大的时间，或者选择在低通滤波器输出的基带眼图最大开启位置。抽样脉冲是由位同步恢复电路提供的。2 判决电路实际上就是一个比较电平为Vo的电压比较器。对二电平信号，V。等于O。因此，这种判决器也称为二电平判决器。3 位同步恢复电路 它产生位同步信号。该信号是抽样、积分等电路的码元时间标准。7.1.3 差分译码与接口单元1. 差分译码它和差分编码一起用来克服由于参考载波相位含糊所引起的解调错误。2. 接口电路其作用是将再生或译码电路输出的脉冲变为符合一定接口要求的信码脉冲。对多相移相键控系统或者多电平正交移幅键控系统，虽然它们的数字解调要比2PSK系统的复杂得多：但是，它们基本上也是由以上几部分组成。以16QAM系统的数宇解调设备为例，主要有以下几点不同： 对正交键控的调制信号，一般都采用正交相干解调的方式，即用正交参考相位载波和输入信号进行相乘运算，得到同相和正交两路多电平基带信号(对16QAM信号为两路四电平基带信号）。 正交解调后的两路四电平基带信号，首先由多电平判决器进行四电平判决，其输出的判决信譬经过进一步再生和译码后，才能恢复出同相路调制码元 a1、a2和正交路调制码元b1和b2。因此，像16QAM这样的正交多电平键控系统，必须采用不同于2PSK系统的多电平基带检测方式。 对采用正交多电平键控调制的中大容量数字微波系统，为了对抗多径衰落的影响以及补偿山于传输信道传输特性不理想引起的系统性能恶化，一般都采用了不同形式的均衡措施。在解调设备中的均衡部件，主要是一些时域均衡器，如横向均衡器，判决反馈均衡器。是否采用均衡器，以及采用什么形式均衡器，这是视具体系统而定。 随着调制电平数的增多，系统对解调设备各单元电路性能要求提高，在解调时，采用了以载波跟踪环为基础的，并能控制参考载波正交相位、基带放大器增益等多种功能的联台解调环路，联合控制解调环，以及包括上面提到的时域均衡器在内的各种误差控制信息是通过对解调后的两路基带信号进行数字处理方式产生。数字处理电路主要是由一些判决器和模二和电路组成。由于这部分电路和上面介绍的基带检测电路有着许多共同之点，因此，习惯上将这两部分功能电路统称为基带数字处理器。16QAM系统相对2PSK系统而言，除了以上的不同点外，位同步电路还需形成比特同步信号。7.2 数字解调设备的主要性能指标数字解调设备不像数字调制设备那样，可以相对独立地规定它的一些性能指标。它的一些性能指标是和整个系统的特性紧密相关，而且只有在最后整个系统联试时才能比较全面地反映。例如，反映相干解调器性能质量的抽样点信噪比（在测量时，通过观察解调眼图的质量），这和系统的整个传输特性有关。而标志系统性能质量的误码率特性又在很大程度上取决于相干解凋器的性能，因此，下面讨论的一些性能指标在讨论系统性能时还要进一步介绍。7.2.1 抽样点信噪比和码间串扰量抽样点信噪比是指相干解调后的信号经低通滤波器滤波后，其输出信号在最佳抽样点上的信噪比。它是相干检测的最终结果，反映了相干调解、参考相位载波的性能质量，并且直接决定了系统的误码