教案 第二章 微波通信系统 20100307.pdf

1 第二章 微波通信系统 2 1 引言 自从 Samuel Morse 于 1844 年首次采用电报发送信息以来 就开始了电子通信的时代 随着信息量的不断增大 所占用的 频谱越来越宽 无线电或微波通信起于 1895 年 这一年 Gualielmo Marconi 发明了无线电报 无线电通信使用了大部分无线电频谱 在 20 世纪 50 年代 随着增加带宽的需要和在城市间铺设电缆成本的不断上升 许多通信公司转向了微波 在今天 几乎所有长途电 话 电视广播 以及移动通信和数据传输都与包含有微波通信的系统相关 在本书中 定义微波频率为从 1GHz 到数百 GHz 的 频率范围 其实 在 UHF 波段微波的特性就已经比较明显了 因此习惯上都将 300MHz 以上到数百 GHz 都划入微波技术适用 的范围 电话 无线电 电视和数据通信都使用地面和卫星传输系统 这些传输系统必须是在视距范围而且在发射与接收之间没有 任何障碍物 微波通信设备天线通常放在中继塔上 架设在山顶上 或置于高层建筑上部 并且能够看到前一个和 或 后一 个天线 轨道卫星地面站通常设在低洼的地方 以减小其它地面微波发射设备对其接收微弱卫星信号所造成的影响 所接收到 的信号必须超过合成噪声和干扰功率 这个值用信噪比 S N来定义 S N越低越难于重建所需的数据信息 因为数据通信中的 噪声会增加误码 如图 2 1 所示为不同的调制方式下的误码率 模拟电视信号的质量采用主观方法由观查者对电视信号的感觉来 确定 如图 2 2 所示 2 图 2 1 二进制编码系统误码率 信噪比曲线 3 4 图 2 2 视频信号 噪声比观察估计 2 2 分贝 分贝数用来表示两个量之比 通常是放大器的输入输出功率之比 称为功率增益 out in P P 功率增益 5 它的分贝数是 10 10log out in P Gain P dB 分贝是贝尔的十分之一 贝尔单位用Alexander Graham Bell命名的 它是人耳能分辨的大致变化单位 某些值的分贝数很容易记住 例如 如果 10 outin PP 则 10 log 10 1 且增益为10dB 如果 2 outin PP 则增益为3dB 假 如在放大器不工作的情况下 0 001 outin PP 则增益 损耗 为 10 10log 0 001 30dB 2 3 调制技术 微波通信所发送的信息需要由发射机调制后发出 典型的模拟通信的调制是幅度调制 AM 和频率调制 FM 数据通信 采用相移键控调制 PSK 或频移键控调制 FSK 振幅键控 在数据信号调制中也可采用幅调 这时通常称为振幅键控 振幅键控是指将数字信号 1 用一定振幅值的正弦 载波来表示 而将 0 用振幅为0的正弦波来表示 振幅键控是数字调制中最早出现 且最简单的方式 由于它的抗干扰噪声 能力差 故在实际数字通信中很少采用了 6 图 振幅键控调制方式及其频谱 频移键控 频移键控是用采用频率为 0 的载波来表示数字信号 0 用 0 来表示数字信号 1 图 频移键控调制方式及其频谱 相移键控 相移键控是指载波相位按基带数字脉冲信号的规律改变的调制方式 例如 二分相移键控 BPSK 采用0和 两个相位表示二进制数字 即数字信号 0 取0相位 数字信号 1 取 相位 7 图 相移键控调制方式及其频谱 由于相移键控方式在抗噪声性能及信道频带利用率等方面比振幅键控和频移键控优越 因而被广泛地应用于数字通信中 目前包括移动通信和卫星通信在内的微波通信 大多以这种方式传输信号 如果相移键控值为载波相位的四分之一周期 则称 之为4分相移键控 QPSK 其信号相位分别取0 90 180 和270 如果频移键控的发射载频与接收机中用于解调的振荡器是相干的 则称之为相干频移键控 Coherent FSK 相干系统在相 同的误码率情况下可以比非相干或差分相干系统获得较高的信噪比 在差分相干PSK中 接收机的振荡器是与PSK数据包相干 的 但相干性可能在数据包之间丢失 在图2 1中的信噪比表示为1个bit信号的能量 最小信息单元 和与信号同时进入接收机检波级的噪声能量之比 能量bit Eb 可表示为1秒钟接收到的功率除以bit率 Rb 如果符号率是确定的 字符或数字 每个符号的bit数就能用来计算bit 率 其数学表示为 Preceived bb E R 8 2 4 卫星通信传输技术 在传输多路信号的卫星通信和其它系统中 需要采用多路通信技术 这些技术主要有 FDMA 频分多路 SCPC 每信道独立载频 TDMA 时分多路 CDMA 码分多路或扩频 在图2 3中对多路通信技术进行了总结 在FDMA和SCPC技术中 使用固定的频率信道来区分信号 这在大多数商业卫星通信中采用 如图2 4所示 新型系统 采用TDMA来区分信道码 如图2 3b所示 各数据时段所含的信息紧接在接入码后边 图2 5为这种卫星通信系统 TDMA对 SCPC的优点在于多个地面站可以共用一个转发器 注意图2 5中下行信号是如何时移并到达3个地面站的 这些地面站所接收 的数据时段可以是图2 3中1 3 中的任何一个 CDMA或扩谱在军用通信中占有重要位置 因它不容易被敌方干扰 干扰信号是用来增加误码率或降低信噪比 CDMA因 为要用许多码来发送一个字符从而需要较大的带宽 然后采用最小影响相干检测技术从与所需信号不相干的干扰信号中重建信 号 相干非相干识别十分有效 可以使所需的多个不同码信号的传输使用相同的频带而很少相互干扰 9 图2 3 多路接入的结构 a 频分多路入 b 时分多路接入 c 码分或扩谱多路接入 10 对于频分多路接入 其优点是 无需网络同步 接收简单 其缺点是 需功率控制 交调会产生干扰 对干扰敏感 对于时分多路接入 其优点是 系统效率高 不需功率控制 无交调 其缺点是 需系统同步 对干扰敏感 对于码分多路或扩频多路接入 其优点是 对干扰不敏感 无需同步 没有前面的信息难于解码因而有利于保密 其缺点 是 需要链路同步 需要宽带 图2 4 频分多路接入 FDMA 技术 11 移动通信中的多路技术 2 5 通信系统中的微波设备 2 5 1 地面系统 地面系统是最大的微波用户 图2 6是典型的地面接力通信系统 从发射机振荡器开始 典型值为2GHz 信号经典型的C 类双极晶体管放大 经变容管倍频器倍频 滤波后经由天线发射 在接收机中 信号首先通过滤波器 隔离器 再经混频器和 中频放大器将微波信号移至易于滤波和解调的频率和电平 在这其中使用固态Gunn振荡器提供用于下变频的本地振荡 2 5 2 卫星系统 在卫星通信系统中微波设备的造价占了大部分 在这里包括卫星转发器 差转器 和地面站 都需要微波设备 在转发器上采用的类型有好几种 如图2 7 转发器包括接收机 变频器 和发射机几部分 用来将上行信号向下行传送 若信号不经变频 接收机会收到发射机发出的信号而形成自激 卫星天线设计得能将下行信号辐射到地面上固定区域 Intelsat V天线辐射区域如图2 8所示 其中点波束 spot beams 照射 在需要最大数据数率的区域 区域波束 zone beams 覆盖较多通信要求区域 而半球波束 hemisphere beams 覆盖其它区域 这些复杂的天线用来实现图2 8这种波浪型的边缘 以后天线将采用相控阵天线 这种天线将类似于雷达中使用的相控阵天线 只是其更轻 并使用很小的功率 这些部件和子系统将在后续章节中讨论 一个大型地面站示意图如图2 9所示 与之相对应的系统方块图如图2 10 地面站比较复杂 是因为对数据的处理主要由地面 12 站完成 随着技术的进一步发展 希望将一些复杂的数据处理任务移至卫星上进行 13 图2 5 时分多路接入技术 TDMA 图2 6 典型的地面接力通信系统框图 a 发射机 b 接收机 14 15 图2 7 卫星转发器类型 a 单变频转发器 b 双变频转发器 c 数据重建转发器 其中 IF 中频 ACC 自动增益控制 LIM 限幅器 LO 本振 16 图2 8 Atlantic Intelsat V卫星方向图 17 图2 9 典型大型地面站示意图 18 2 6 通信链路公式 对地面站接力通信和卫星通信的性能分析需确定到达接收机端的信号和噪声电平以估计传输质量 这种用以估计信号电平 的技术称为链路公式 从图2 11可看出 一个典型电视信号从进入地面站开始 再到卫星并从卫星转发器返回地面 最终离开另一个地面站 其 有效等效值含盖了从从最小W 17 10到 9 10 W的的动态范围 从170dBW 到超过80dBW 最大损耗出现在地面站与卫星之间这 段传输路程上 其中最大增益是由地面站天线产生的 在上行路线上 30米直径的天线将信号强度升高大约100万倍 也就是 从数百瓦的输出功率提升到数兆瓦的有效全向辐射功率 EIRP Effective Isotropically Radiated Power EIRP表示在地面站如果 信号不是聚焦的而是全向均匀辐射时所需的发射功率 2 6 1 等效全向辐射功率 上行EIRP利用图2 12的简化方框图进行计算 三个主要参数是功放输出功率 t P 波导与馈电损耗L 和发射天线增益 t G 在这个公式中 损耗L是放大器输出功率 t P与馈源喇叭输出功率 ant P之比 t ant P L P 之一值大于或等于1 则EIRP为 19 tt antt PG EIRPPG L 或以dB 分贝 数表示 相对于1 tt EIRP dBWP dBWL dBG dB 注意到损耗和增益的单位为分贝 这是因为它们是比值而不以任何特定功率电平做参考 根据图2 11 我们考虑一个计算EIRP的例子 假定从末级放大器出来的功率有20 消耗在传输线和馈源喇叭上 利用 tant LP P 并且0 8 antt PP 得 1 25 0 8 tt antt PP L PP 并给出增益 6 1000 00010 t G 则对500W发射机的EIRP为 6 8 500 10 4 10 1 25 tt PG EIRPW L 将这些值转变为分贝或相对于1W的分贝数 我们得到 6 50027 1060 1 251 t t PWdBW GdB LdB 20 利用前面给出的关系 27160 86 tt EIRPP dBWL dBG dB dBWdBdB dBW 利用分贝关系的逆公式 10 10log X dBY 也即 10 10 X dB Y 求出 8 68 10 86 10 104 10 t PdBW 这与前面计算的结果完全相同 2 6 2 天线增益 在前面的例子中曾说过 一个30米直径的抛物反射面天线的增益是 6 10 天线增益是根据下式计算的 22 44 e AA G 21 其中 e A 以平方米为单位的天线有效面积 A 天线反射器物理尺寸 2 4d d 以米为单位的天线直径 天线效率 以米为单位的辐射波长 c f c 单位为米 秒的光速 8 3 10 m s f 以赫兹为单位的频率 典型的天线效率范围从0 6到0 65 以30dm 为例 10 1010fGHzHz 0 03cfm 0 6 22 4706 9ADm 则计算出 6 5 9 10G 22 图2 10典型地面站框图 OMT 正交双工器 LNA 低噪声放大器 S S 分系统 D C 下变频器 U C 上变频器 BCN 波可控制网络 TWT 行波管 KLY 速调管 TTY 电传打字机 23 图2 11 地 空链路的增益和损耗 24 图2 12 地面站EIRP能数 L 从放大器到天线馈源总损耗 tt EIRPG P L tt EIPR dBWP dBWL dBG dB 2 6 3 天线波束宽度 在估计天线系统的定向精度时 需用抛物面天线的3dB 1 2 功率 波束宽度来说明 其关系是 波束宽度 d 65 度 其中 和d与上式中的单位相同 如果采用与上节中相同的例子 亦即 0 03 30d 则波束宽度0 065o 2 6 4 波导与馈源损耗 波导与馈源损耗消耗末级放大器输出的功率 并且增加进入放大器的噪声 通常这一损耗小于3dB 25 2 6 5 空间损耗 上行损耗的最后一个是由于RF能量在通过空间的传播过程中向四周的弥散的空间损耗 空间损耗可由功率密度概念导出 距离全向天线 在所有方向上辐射强度相同 1米处的功率密度是距离相同天线2米处功率密度的4倍 在远距离情况下 发射 功率分布在天线表面积乘以4的球面上 写出全向天线的数学公式 发射功率密度 2 2 4 t t P PDW m R 2 16 其中 t P单位为瓦 R单位为米 在距离R处由单位增益天线接收到的功率可根据天线增益公式求得 2 4 1 e A G 求解上式得出单位增益天线的有效面积为 2 4 eu A 2 18 这是在单位增益天线处 半径为R的球面上的部分面积 因 而单位增益系统接收到的功率为 rteu PPD A 2 19 其中 r P 单位为瓦的接收功率 26 t PD 发射功率密度 2 W m eu A 单位增益天线有效面积 2 m 将2 16和2 18代入2 19式得 2 2 2 444 t rt P PP RR 空间损耗通常用分贝表示 空间损耗 4 R dB 10 20log 空间损耗比和空间损耗值都比效大 例如 从同步轨道到地面轨道站的距离为35 860Rkm 使用频率为4GHz 其空间损耗 为 空间损耗比 7 2219 44 3 14 3 586 10 3 61 10 0 075 R 这就意味着 假定卫星使用单位增益天线 卫星接收到的功率只有 19 1 3 6 10 倍的发射机EIRP功率 此空间损耗的分贝值为 空间损耗 19 10 10log 3 61 10 196dB 27 图2 13 地面站 G T参数 28 图2 14 晴朗天气下的空间噪声温度 2 7 信噪比与通信系统指标 29 2 7 1 地面站GT 增益 在卫星链路上最弱的信号部分通常出现的下行链路上 如图2 11所示 地面接收到的信号大约为 17 10W 在这时 噪声系 数的影响特别大 GT 参数是用来度量地面站接收噪声中信号的能力 G为式2 14的天线增益 T为有效温度 用来描述接收到的总噪声温 度 接收机带宽为 n B Hz在温度T 绝对温度 时产生的资用热噪声功率为 n P nn PkTB W 其中k为波尔兹曼常数 Boltzmann s constant 23 1 38 10 degJ 在大多数装有窄带中频滤波器的兼收机中 其噪声带宽等 于3dB接收机带宽 若290TK 这时对于华氏温度62F 因数kT为 21 4 10 W Hz 带宽 注 绝对温度K 摄氏温度273C 因而 290 K 对应于29027317 C 2 7 2 接收机噪声系数 任何接收机都在理想接收机 工作在标准温度 0 290TTK 的基础上加上附加噪声 非理想接收机噪声与理想接收 30 机噪声之比称为噪声系数 0 inr N kTB G n 实际接收机噪声 F 噪声系数 理想接收机噪声 其中 0 N 实际接收机输出噪声 r G 接收机增益 i T 等效输入噪声温度 利用 r G 0i SS输出信号功率 输入信号功率 和 i N in kTB输入噪声功率 将上边公式重新写成相类似的另一种形式 ii n oo SN F SN 因而噪声系数可以解释为信噪比通过接收机的下降 接收机噪声系数 n F可以利用参考标准温度 0 290TK 与等效噪声温度相联系 00neq T FTT 或写成 31 0 1 eqrcvrn TTT F 在这分工中 n F必须表示为比值而不是分贝数 在本书中 若 n F以分贝数表示则称为噪声系数 noise figure 2 7 3 其它对T的贡献 图2 13给出了其它几种对T参数贡献的部分 包括馈源喇叭损耗 天线到接收机传输线损耗 以及天线傍瓣进入的噪声的 有效损耗这两部分 波导和馈源喇叭噪声温度 0 1L T L 天线傍瓣噪声 A T L 有时 还要考虑微波在对流层和电离层传播中引入的噪声 2 7 4 等效噪声温度 总的等效噪声温度是所有等效噪声温度部分之和 即 32 0 1 A TTTT TL TTK LL 馈源损耗天线傍瓣接收机 接收机 波导和馈源喇叭的损耗与前面讲过的发射机一样在相同的量级 典型值为12dB 天线边瓣和天线所指向的大气背景噪声所引入的噪声温度更难以估计 这后一指标义空间噪声温度 这一部分的典型值是 10 在当天线仰角超过地平面10 或15 时这个值还要减小 空间噪声温度的分布如图2 14所示 2 7 5 信噪比 这部分是计算信噪比以估计信号质量 信噪比的测量是在如图2 13所示的基带放大器输出端进行的 a n EIRP GS NkTB 卫星 空间损耗比 其中 a f N G T 信号功率 噪声功率 接收天线增益 有效噪声温度 其它参数在前面已经定义了 注意到 a G不是卫星天线的增益 因为那个增益已包含在卫星天线的EIRP中了 图2 11的数据 对接收机和天线的计算可以用来计算前面已给出的电视 S N 33 例2 1 设卫星EIRP为300W 6 10 a G 空间损耗为 9 3 61 10 由前面计算得出 600TK 且噪声带宽为 6 4 5 10Hz 这样的带宽确保能接收到整个带宽的信号 用上工计算 22323 5S NdB 在这种情况下 大多数观看者都认为信号差 2 7 6 SN C N 和 0 b EN的关系 信噪比 SN 通常表示解调后信号功率与噪声功率比 测试点在图2 13的视频输出点上 载波 噪声比 C N 是表 示天线终端接收机之前加入的影响信息的噪声 这两个值都与信号和接收机的带宽相关 因为要求相同的带宽以将信号传送到 解调器上 当链路方程写为 0 b EN 这时就不再需要带宽来计算了 因为 0 N是以单位赫兹的噪声密度来表示的 噪声功率 赫兹 这是在计算数据通信链路中的误码率的方便术语 2 8 通信天线指标的框算 2 8 1 EIRP的计算 34 S N可以用来估计在给定数据通道误码率下所要求的EIRP 比如说 NASA的跟踪与数据中继通信卫星系统 TDRSS S通带 2 63 95GHz 约2GHz 单用户线路由两部分组成 用户 TDRS和TDRS 地面线路 在这一系统中 用户是非地 球同步轨道上的其它轨道卫星 由于两个之间接力传送 进入用户 TDRS线路的噪声就加到TDRS 地面线路