微波知识培训

微波知识培训 亿邦通信武汉研发中心杜超 了解数字微波通信的更多相关信息请参考 电信网及计算机基础 SDH基本原理 数据通信原理 信号与系统 通信原理 天线原理 电磁场理论 微波技术基础 微波技术与天线 一 微波发展历史 微波传输的特点 前景 微波通信技术问世已半个多世纪 最初的微波通信系统都是模拟制式的 它与当时的同轴电缆载波传输系统同为通信网长途传输干线的重要传输手段 我国的模拟微波通信技术的研究 开发 引进和应用始于1958年 有很长的历史 70年代起研制出了中小容量 如8Mb s 34Mb s 的数字微波通信系统 这是通信技术由模拟向数字发展的必然结果 80年代后期 随着同步数字系列 SDH 在传输系统中的推广应用 出现了N 155Mb s的SDH大容量数字微波通信系统 SDH微波系统在90年代得到了迅速发展 现在数字微波通信和光纤通信 卫星通信一起被称为现代通信传输的三大主要手段 国外发达国家的微波中继通信在长途通信网中所占的比例高达50 以上 据统计美国为66 法国为54 我国自1956年从东德引进第一套微波通信设备以来 经过仿制和自发研制过程 已经取得了很大的成就 在1976年的唐山大地震中 在京津之间的同轴电缆全部断裂的情况下 六个微波通道全部安然无恙 九十年代的长江中下游的特大洪灾中 微波通信又一次显示了它的巨大威力 在当今世界的通信革命中 微波通信仍是最有发展前景的通信手段之一 微波的定义 微波Microwave 微波是一种电磁波 微波射频为300MHz 300GHz 是全部电磁波频谱的一个有限频段 微波一般称为厘米波 根据微波传播的特点 可视其为平面波 平面波沿传播方向是没有电场和磁场纵向分量的 所以称为横电磁波 记为TEM波 有时我们把这种电磁波简称为电波 微波频率划分 数字微波传输常用频段包括 7 8 11 13 15 18 23 26 32 38GHz ITU R建议规定 Broadcasting MaximumcoverageOneprogrammeperradiochannelApplications Radio LW MW SW FM TVetc 射频传输的两种基本形式 Microwavelinks RadiobeamOnemultiplexperradiochannelApplications Civiliarsandmilitarytelecommunicationnetworks 广播 点 点视距微波 微波通信特点 1 微波通信要求应具备视距传输条件 2 传输距离长 能适应各种传播环境 3 通信容量适中 1E1 NxSTM 1 4 通信质量能够满足各种通信业务的需求 5 组网灵活方便 6 具有很强的抗自然灾害能力 7 投资省 见效快 在大城市和市区 在建设数字节点和分配网络时 数字微波常常是可以与光缆相比的唯一的可供选择的方案 事实上 除了在大城市和小城镇内埋设地下电缆费用非常昂贵外 在闹市区开挖管道常常是很难得到批准的 这种情况在欧美发达国家表现尤为突出 据称 在欧美发达国家用于移动覆盖的传输中大约80 90 采用数字微波系统 在世界上许多国家中 微波接力链路可能是可以穿越数千里林区 山区 大草原 沙漠 沼泽地和其他困难地域的唯一可用的大容量传输媒质 而且 由于功率消耗相当低 应用太阳能电源已经成为在这种条件严酷的地区应用数字微波接力系统的一个重要因素 由于微波电路不易人为破坏 不易受自然灾害的影响 因此微波系统是组成我国通信网的不可缺少的组成部分 是保证通信网安全所不可缺少的 但微波也存在着相应的缺点 应具备视距传输条件 两站之间传输的距离不是很远 频率必须申请 通信质量受环境的影响较大 通信容量不能做到很大 光纤 微波传输方式比较 数字微波的发展机遇 数字微波作为一种无线传输方式 在灵活性 抗灾性和移动性方面具有光纤传输所无法比拟的优点 这也是它的优势所在 当前数字微波的发展机遇可以归纳如下 用于专网或作专网光纤传输的备份及补充 我国的专网如 广电 石油及天然气管道 煤炭 水利等 这些专网本身所需的传输容量不大 一般一个STM 1或几个STM 1 它们要么没建光纤通信电路 要么只建了单线的光纤通信链路 不具备电信光纤传输网络八纵八横的优势 所以它们必须建设SDH或PDH微波电路用于主传电信及数据业务或用于光纤传输系统在遇到自然灾害时的备用保护 以及由于种种原因不适合使用光纤的地段和场合 我国2G及2 5G移动通信基站覆盖中使用了众多的PDH微波通信电路 微波传输系统的基本构成 Mod Transmitter Receiver Dem DownconverterinIF IFSignalRecovery IFCarrierModulation UpconverterRFchannel Tx Rx 天线系统 IF microwave IF BB Baseband Baseband Baseband IF IntermediateFrequency RF RadioFrequency 300MHz 30GHz 调制原理 二 微波设备的基本原理 数字微波信号的调制过程 对数字基带信号的调制过程用数学方法可简单表示成 微波原理框图 地面微波中继的应用场合 微波通讯组网灵活 建设周期短 成本低 特别适合于不便于铺设光缆的地区使用 1 作为光线传输的备份与补充 2 在农村 海岛等边远地区为用户提供基本业务的场合 3 城市内短距离支线连接 4 宽带无线接入 终端站 处于微波线路的两端或分支线路终点 它只对一个方向收信和发信 终端站可以上下所有的支路信号 并可以作为监控系统的集中监视站或主站 中间站 处于线路中间 只完成微波信号的放大和转发 不上下话路 设备比较简单 再生中继站 处于线路中间 可以在本站上下部分支路 还可沟通干线上两方向间的通信 可作监控系统的主站或受控站 再生中继站只能采用基带中继方式 枢纽站 处于干线上 完成数个方向的通信任务 可以上下全部或部分支路信号 监控系统中 枢纽站一般作为主站 电信运营商电信 联通 移动及广电等基础运营商 公共事业专网电力 水力 石油 煤炭 矿山 林业 大型工地等专网 政府专网银行 税务 交通 运输等专网应急通信 军队专网驻地网应急通信 应用场合 应用举例一 光网络补网 移动基站接收无线信号后 要将信号回传到BSC以进入核心网进行传输 移动基站的回程传输 在传输光网络和BSC之间 由于地理位置等其他原因 不便于铺设光缆 则需要采用微波传输的方式 应用举例二 全球微波厂商 三 微波系统设备组成 网管系统和IDU设备 1 0 1U 0 6m天线和ODU 直接安装 1 0 微波设备由室内单元 IDU 室外单元 ODU 网管系统 同轴电缆和天线组成 一跳系统之间的通信 IDU的作用 IDU主要把业务数据 辅助数据 网管及交换数据按一定数据格式复接成帧 传给调制解调模块 调制解调模块再完成基带调制解调 中频变频等功能 行业内其他厂家的IDU构架 中兴 华为 采用的是业务盘 系统盘 调制解调盘分立的方式 系统框图 系统技术框图 其他厂家单盘介绍 调制解调盘 E1业务盘 STM1业务盘 系统控制盘 我司目前规划开发的产品 单盘式 其单盘框图如下图所示 开发的产品面板结构类似于上图 具体介绍 发送方向信号 数据进入调制解调芯片BCM85620的GPM模块 振荡器和解调器混合模块 传给基带调制单元 基带调制解调单元对数据进行信道编码 数字调制等数字信号处理 然后进行D A转换 成为IQ基带信号 中频单元 PVG710 对IQ基带信号做模拟调制 信号放大等处理 形成中频频率为350MHz的模拟中频发送信号 同时对IDU与ODU之间的O M信号进行FSK调制 形成频率为10 7MHz的模拟O M信号 中心频率为350MHz的模拟中频信号 中心频率为10 7MHz的模拟O M信号 48VDC的电压信号通过中频馈线送给ODU 接收方向信号 中频单元对来自ODU的信号进行分离处理 获得中心频率为140MHz的模拟中频信号和中心频率为5 5MHz的O M信号 对接收到的中心频率为5 5MHz的O M信号进行FSK解调 通过FPGA的GPA接口送给CPU控制单元 对接收到的中心频率为140MHz的模拟中频信号通过PVG710变频到基带信号 再经过BCM85620的解调变成数字信号给FPGA去处理 ODU 7 38GODU 系统设备组成 接口介绍说明 N型连接器 阴头 中频接口用于ODU到IDU的连接 为IDU提供140MHz中频信号 从IDU接收 48VDC和350MHz发信中频和OOK信号 发送5 5M 接收10 7M 调整天线的测试端口 BNC接口 利用RSSI端口 对接收信号的功率进行监测 按照输出的直流电压于接收信号功率的对应关系进行天线对准 射频接口在ODU的射频出口处安装了圆形的法兰适配器 便于ODU与天线的连接 接地柱使用接地螺丝进行接地保护 ODU组成 ODU主要包括功放模块 微波模块 双工器 ODU中频盘和电源模块盘 中频放大为上变频提供足够大的混频激励信号用以补偿变频损失 上变频则将已调中频信号变为射频信号并为射频功率放大器提供激励 射频功率放大器最后将功率提高到所需水平 时分数字微波信号可容忍非线性失真 因而可以充分利用放大器件的 饱和 功率 下变频器用于将射频信号变为频率固定的中频信号 对模拟信号 变频过程不应引入失真 中频放大器决定收信机的主要放大量 及通频带带宽 其前置级也应采用低噪声器件 并具有自动增益控制 解调器为调制器的逆过程 用于将已调中频信号还原为具有标称基带电平的基带信号 微波收信机用于中继系统时 视中继方式的不同 其输出可分别送至基带接口 中频接口和射频接口 为中继系统的发信部分提供转接信号 电源模块将来自IDU的 48V变换成其他模块需要的 5V 12V 3 3V等 具备 48V供电输入的过压 欠压保护功能 中频盘模块包含四部分功能 微控制器单元 信号调制解调器 中频模块和本振模块 微控制器单元 作为ODU的控制核心 接收IDU的指令 完成对ODU的频率 功率等项目的控制 收集ODU各模块的工作状况参数 作为告警信息向IDU报告 控制信道 采用OOK调制 数据速率为19 2kbps 上行载波频率为5 5MHz 下行频率为10 7MHz 中频模块完成一次中频到二次中频的变频 包含二次中频的双工滤波器 接收方向的下变频及AGC电路 发送中频的电缆补偿ALC电路 上变频器 本振电路等单元 本振模块采用分频锁相技术 由MCU单元通过串行数据线设置频踪的参数进而控制本振频率 功放微波模块由天馈系统接收到的微波信号 经双工器的滤波后进入收信模块 经低噪声放大器 LNA 镜像抑制滤波器 混频器 中频放大器等电路输出到中频单元 此外 还包括一个中频检波电路 用于接收信号功率检测 并提供给MCU单元 来自于中频模块的发信中频信号经可变增益放大器 上变频器 功率放大器等电路 输出到双工器 输出的功率信号一部分耦合到检波器 经过比较放大器 控制可变增益放大器的增益 以保持输出功率稳定 MCU输出功率控制电压作为比较放大器的参考电压 设置输出功率 双工器双工器是3端口 收信 发信 公共端口 无源器件 由2个带通滤波器组成 1个收信滤波器 1个发信滤波器 收信带通滤波器端口与收信模块连接 发信带通滤波器端口与发信模块连接 公共端口与天线连接 ODU的工程安装 四 微波新技术 为提高数字微波的传输容量 微波研发人员采用了一系列高新技术 高状态调制解调 64QAM 128QAM 256QAM 512QAM 1024QAM交叉极化干扰抵消 XPIC 技术自适应频域和时域均衡技术高线性功率放大器和自动发射功率控制大规模专用集成电路 ASIC 设计技术 更高调制模式 更高链路带宽 交叉极化干扰抵消 XPIC 技术 为了进一步增加数字微波系统的容量 提高频谱利用率 在数字微波系统中还采用双极化频率复用技术 使单波道数据传输速率成倍增长 但在出现多径衰落时 交叉极化鉴别率 XPD 会降低 从而产生交叉极化干扰 为此 需要交叉极化抵消器 用以减小来自正交极化信号的干扰 自适应交叉极化干扰抵消技术的基本原理是从所传输信号相正交的干扰信道中取出部分信号 经过适当处理后与有用信号相加 用以抵消叠加在有用信号上的来自正交极化信号的干扰 原则上干扰抵消过程可以在射频 中频或基带上进行 采用XPIC技术后 对干扰的抑制能力一般可达15dB左右 XPIC特性 XPIC Cross polarizationinterferencecancellation 是配合CCDP co channeldual polarization 使用的一种技术 两项技术相配合 可以在同等信道条件下将传输容量提高一倍 XPIC作为一种有效提高系统传输容量 提升频谱利用率的手段 在TRUCK微波上有及其广泛的应用 随着分体式微波的发展以及频率资源的日趋紧张 该技术也应用于分体式微波当中 XPIC双极化技术 空口容量提升1倍 自适应频域和时域均衡技术 当系统采用多状态QAM调制方式时 要达到ITU R所规定的性能指标 对多径衰落必须采取相应的对抗措施 考虑到ITU R的新建议将不再给数字微波系统提供额外的差错性能配额 因此 必须采取强有力的抗衰落措施 在各种抗衰落技术中 除了分集接收技术外 最常用的技术是自适应均衡技术 包括自适应频域均衡技术和自适应时域均衡技术 频域均衡主要用于减少频率选择性衰落的影响 即利用中频通道插入的补偿网络的频率特性去补偿实际信道频率特性的畸变 时域自适应均衡用于消除各种形式的码间干扰 可用于最小相位和非最小相位衰落 为消除正交干扰 可引进二维时域均衡器 高线性功率放大器和自动发射功率控制 多状态调制技术对传输信道 特别是高功率放大器的线性提出了严格的要求 例如 对采用64QAM的系统而言 要求传输信道的三阶交调失真要比主信号至少低45dB 若采用128QAM或256QAM调制技术 则要求更严 为满足系统总传输性能的要求 除了对微波高功放采取输出回退措施外 还要采取一些非线性的补偿技术 如加中频或射频失真器或采用前馈技术等来改善放大器的线性 高线性功率放大器和自动发射功率控制 ATPC 技术的关键是微波发信机的输出功率在ATPC的控制范围内自动地随接收端接收电平的变化而变化 采用ATPC技术的优点是 降低了同一路由相邻系统的干扰 减小了衰落对系统的影响 降低了电源消耗 减小非线